JP4559693B2 - 燃料電池用の加湿装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の加湿装置に関し、さらに詳しくは、寒冷地等でも好適に使用することができる水透過性の中空糸膜を利用した燃料電池用の加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には固体高分子型のものがあるが、近年、電気自動車の動力源などとして注目されている燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤ガスであるオフガスの水分を乾燥エアに水分交換する加湿装置が用いられている。このような燃料電池に用いられる加湿装置としては、電力消費量が少ないものが好適である。また、取り付けスペースが小さい、いわばコンパクト性が求められる。そのため、加湿装置としては超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴射などの種類があるものの、燃料電池に用いられる加湿装置としては、中空糸膜を用いたものが好適に利用されている。
【０００３】
従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、たとえば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。この加湿装置について図７を用いて説明すると、
加湿装置１００は、ハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エアを導入する第一の流入口１０２および乾燥エアを排出する第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部に多数、たとえば５０００本の中空糸膜からなる中空糸膜束１０４が収納されている。
また、ハウジング１０１の両端部には、中空糸膜束１０４の両端部を開口状態で固定する固定部１０５，１０５′が設けられている。固定部１０５の外側には、湿潤エアを導入する第二の流入口１０６が形成されており、固定部１０５′の外側には、中空糸膜束１０４によって水分を分離・除去された湿潤エアを排出する第二の流出口１０７が形成されている。さらに、固定部１０５，１０５′はそれぞれ第二のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。また、第二の流入口１０６は第一のヘッドカバー１０８に形成されており、第二の流出口１０７は第二のヘッドカバー１０９に形成されている。
【０００４】
このように構成された中空糸膜を用いた加湿装置１００において、第二の流入口１０６から湿潤エアを供給して中空糸膜束１０４を構成する各中空糸膜内を通過させると、湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を透過して、中空糸膜の外側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口１０７から排出される。
一方、第一の流入口１０２からは乾燥エアが供給される。第一の流入口１０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束１０４を構成する中空糸膜の外側を通過する。中空糸膜の外側には、湿潤エアから分離させられた水分が移動してきており、この水分によって乾燥エアが加湿される。そして、加湿エアは第一の流出口１０３から排出されるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の中空糸膜を用いた加湿装置１００は、寒冷地等で中空糸膜モジュール内の水透過性の中空糸膜束が凍結した場合、中空糸膜束の解凍は外気温が上昇して自然に解凍されるのを待つしかなく、加湿装置１００が使用できなくなるという問題を生じていた。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、寒冷地等で中空糸膜内の水分が凍結しないように、燃料電池の冷却水の保有熱を中空糸膜の加熱に有効に利用することができる加熱手段を備えた燃料電池用の加湿装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に記載された燃料電池用の加湿装置は、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することを特徴とするものである。
また、前記課題を解決するためになされた請求項２に記載された燃料電池用の加湿装置は、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１に記載された発明によると、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用することができるとともに、フィンを介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
また、請求項２に記載された発明によると、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用することができるとともに、ハウジングの外側を囲繞する熱交換器を介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用の加湿装置の一実施の形態を、図１から図６を参照して詳細に説明する。
尚、図１は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成図である。図２は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置により加湿される燃料電池の構成を模式化した説明図である。図３（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置の構成を示す斜視図、図３（ｂ）は、中空糸膜モジュールの斜視図、図３（ｃ）は、中空糸膜の拡大図である。図４（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置内における気体の流れを示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
また、図５（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段の第一実施の形態を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のヒータの拡大斜視図である。図６（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜に熱量を供給できる加熱手段の第二実施の形態を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のヒータの拡大図である。
【００１０】
まず、図１を参照して、本発明の燃料電池用の加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成及び作用について説明する。
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、燃料電池用の加湿装置２、気液分離装置３、空気圧縮機４、燃焼器５、燃料蒸発器６、改質器７、ＣＯ除去器８及び水・メタノール混合液貯蔵タンク（以下「タンク」という）Ｔ等から構成される。尚、燃料電池１は、固体高分子型の燃料電池１である。
【００１１】
燃料電池１は、酸化剤ガスとしての加湿空気が酸素極側１ａに供給されると共に、燃料ガスとしての水素リッチガスが水素極側１ｂに供給され、水素と酸素とを化学反応させて化学エネルギから電気エネルギを取り出し、発電を行う。加湿空気は、乾燥気体たる外気（空気）を圧縮及び加湿することにより発生する。ここで、空気（乾燥空気）の圧縮は空気圧縮機４で行い、加湿はハウジング内の中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段を備えた燃料電池用の加湿装置２で行う。
ちなみに、燃料電池用の加湿装置２での乾燥空気の加湿は、燃料電池１の酸素極側１ａから排出され水分を多量に含むオフガスと相対的に水分を少量しか含まない乾燥空気との間で、水分の交換を行うことによりなされるが、この点は後に詳細に説明する。一方、燃料ガスは、原燃料である水とメタノールの混合液を蒸発、改質及びＣＯ除去を行うことにより発生する。ここで、原燃料の蒸発は燃料蒸発器６で、改質は改質器７で、ＣＯ除去はＣＯ除去器８で行う。ちなみに、燃料蒸発器６にはタンクＴに貯蔵された原燃料がポンプＰを介して供給され、改質器７には燃料蒸発器６で蒸発した原燃料ガス（改質用の空気が混合されたもの）が供給され、ＣＯ除去器８には改質器７で改質された燃料ガスが供給される。尚、改質器７では触媒の存在下、メタノールの水蒸気改質及び部分酸化が行われる。
また、ＣＯ除去器８では触媒の存在下、選択酸化が行われＣＯがＣＯ２に転換される。ＣＯ除去器８は、ＣＯの濃度を可及的に低減するため、Ｎｏ．１ＣＯ除去器とＮｏ．２ＣＯ除去器の２つから構成される。また、ＣＯ除去器８には、空気圧縮機４から選択酸化用の空気が供給される。
【００１２】
尚、燃料電池１からは、未利用の水素を含む水素極側１ｂのオフガス及び反応生成物である水を多量に含む酸素極側１ａのオフガスが同時に発生するが、酸素極側１ａのオフガスは、前記の通り燃料電池用の加湿装置２で空気の加湿用に使用された後、水素極側１ｂのオフガスと混合され、気液分離装置３で水分が除去される。そして、水分が除去されたオフガス（混合オフガス）は、燃焼器５で燃焼されて燃料蒸発器６の熱源として使用される。尚、燃焼器５には、補助燃料（メタノール等）及び空気が供給され、燃料蒸発器６の熱量不足を補ったり燃料電池システムＦＣＳの起動時の暖機を行ったりする。
【００１３】
次に、図２を参照して、燃料電池システムＦＣＳの中核をなす燃料電池の構成及び作用について説明する。この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してある（実際には燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される）。
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１３を挟んで水素極側１ｂと酸素極側１ａとに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられており、水素極１４及び酸素極１２を形成している。そして、水素極側ガス通路１５には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが通流され、酸素極側ガス通路１１には酸化剤ガスとして燃料電池用の加湿装置２で加湿された加湿空気が通流される。電解質膜１３としては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。この電解質膜１３は、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ωｃｍ以下の低い比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能する。
従って、触媒の存在下、水素極１４で水素がイオン化して生成したプロトンは、容易に電解質膜１３中を移動して酸素極１２に到達する。そして、酸素極１２に到達したプロトンは、触媒の存在下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気と共に湿潤気体たるオフガスとして燃料電池１の酸素極側１ａの出口から排出される。尚、水素極１４では水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成するが、この生成した電子ｅ-はモータ等の外部負荷Ｍを経由して酸素極１２に達する。
このように加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池１に供給するのは、電解質膜１３が乾燥すると電解質膜１３におけるプロトン導電性が低くなって発電効率が低下するからである。従って、固体高分子型の燃料電池１を使用する燃料電池システムＦＣＳにおいては、加湿が重要な意義を有する。ちなみに、燃料ガス側の加湿は、原燃料である水とメタノール混合液に燃料ガスの加湿に必要な水分量が最初から添加されているので不要であるが、原燃料中に加湿に必要な水分量が添加されていない場合には本発明の燃料電池用の加湿装置２が適用できる。
【００１４】
続いて、図３及び図４を参照して本発明の一実施の形態である燃料電池用の加湿装置２の構成及び作用を説明する。
燃料電池用の加湿装置２は、図３（ａ）に示すように、略円柱形をした中空糸膜モジュール２１を並列に２本有すると共に、箱型をした一端側分配器２２及び他端側分配器２３を有し、全体として直方体形状に構成されている。２本の中空糸膜モジュール２１，２１は、一端側分配器２２及び他端側分配器２３により水平に所定の間隔を置いて配置され固定されている。また、２本の中空糸膜モジュール２１，２１のそれぞれには、一端側分配器２２を介して乾燥空気の供給及びオフガスの排出が、他端側分配器２３を介して加湿されてなる加湿空気の排出及びオフガスの供給がなされるようになっている。
【００１５】
中空糸膜モジュール２１は、図３（ｂ）に示すように、ハウジング２１ａ、及びこのハウジング２１ａに収容される中空糸膜束２１ｂを含んで構成される。ハウジング２１ａは、両端が開放された中空円筒形状をしている。このハウジング２１ａには、その両端部近傍に開口部がそれぞれ複数個（円周方向に８個程度ずつ）設けてある。一方、ハウジング２１ａに収容される中空糸膜束２１ｂは、図３（ｃ）に示す中空通路を有する中空糸膜ＨＦを数千本束ねたものであり、ハウジング２１ａの両端面（開口部よりも端側）に中空糸膜ＨＦの中空通路を確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束２１ｂをハウジング２１ａに接着してある部分をポッティング部２１ｇ，２１ｈというが、このポッティング部２１ｇ，２１ｈにより中空糸膜ＨＦの内側である中空通路を通流するオフガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する乾燥空気（加湿空気）が混合しないようになっている。尚、この中空糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａの一端側の端面がオフガス流出口２１ｄoutとして使用され、他端側の端面がオフガス流入口２１ｄinとして使用される。また、ハウジング２１ａの一端側の円周方向の開口部が乾燥空気流入口２１ｃinとして使用され、他端側の円周方向の開口部が加湿空気流出口２１ｃoutとして使用される。ちなみに、このような中空糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａに所定数の中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の束を挿通し、両端面近傍を接着剤で充分接着固定した後、ハウジング２１ａの両端に沿って中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の束を切断除去することにより作成される。
尚、中空糸膜モジュール２１のハウジング２１ａ内に収納される中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段の詳細については後述する。
【００１６】
一端側分配器２２は、前記したように他端側分配器２３と共に、２本の中空糸膜モジュール２１，２１を所定の位置関係で固定するが、この一端側分配器２２は、オフガス出口２２ａ及び乾燥空気入口２２ｂを有する。オフガス出口２２ａと各中空糸膜モジュール２１のオフガス流出口２１ｄoutは、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ａ’により連結されている（図４(a),(b)参照）。同様に、乾燥空気入口２２ｂと各中空糸膜モジュール２１の乾燥空気流入口２１ｃinは、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ｂ’により連結されている（図４(a),(c)参照）。
【００１７】
一方、他端側分配器２３も、オフガス入口２３ａ及び加湿空気出口２３ｂを有する。オフガス入口２３ａと各中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｄinは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ａ’により連結されている（図４(a)参照）。同様に、加湿空気出口２３ｂと各中空糸膜モジュール２１の加湿空気流出口２１ｃoutは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ｂ’により連結されている（図４(a)参照）。
【００１８】
前記中空糸膜モジュールに使用される中空糸膜ＨＦは、図３（ｃ）に示すように内径が３００マイクロメートルから７００マイクロメートル程度の細い円筒形の中空糸である。中空糸膜ＨＦが細いために中空糸膜モジュール当りの膜充填密度が大きくかつ高圧に耐えるという特徴がある。この中空糸膜ＨＦによる水分の分離原理は、湿潤気体であるオフガスを中空糸膜ＨＦの内側に通流すると中空糸膜ＨＦの毛管中で蒸気圧が低下するので毛管中に水蒸気の凝縮が起こり凝縮水となる。この凝縮水が毛管現象により吸い出されて中空糸膜ＨＦの外側の乾燥気体側に透過するという中空糸膜ＨＦの毛管作用を利用したものである。
【００１９】
次に、図３及び図４を参照して燃料電池用の加湿装置２の作用を説明する。
湿潤気体たるオフガスは、他端側分配器２３のオフガス入口２３ａから加湿装置２に入り、内部流路２３ａ’を経由して中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｄinに達する。オフガスは、ここから分岐して中空糸膜束２１ｂを構成する各中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の内側を通流する。この際オフガスは、含有する水分を中空糸膜ＨＦの外側を通流する乾燥空気に与える。中空糸膜ＨＦの内側を通流したオフガスは、オフガス流出口２１ｄoutから中空糸膜ＨＦを抜け出る。各中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・を抜け出たオフガスは、図４（ｂ）に示すように、合流して内部流路２２ａ’を通ってオフガス出口２２ａに達し、後段の気液分離装置３に向かう。尚、前記の通り他端側分配器２３の内部流路２３ａ’は、２本ある中空糸膜モジュール２１，２１のそれぞれに連結されているので、オフガスは、各中空糸膜モジュール２１に分配される。この点、一端側分配器２２の内部流路２２ａ’と同じであるので、説明を省略する。
【００２０】
一方、乾燥気体たる乾燥空気は、一端側分配器２２の乾燥空気入口２２ｂから燃料電池用の加湿装置２に入り、内部流路２２ｂ’を経由して中空糸膜モジュール２１の乾燥空気流入口２１ｃinに達する。乾燥空気は、ここからハウジング２１ａの内側全体に行き渡って中空糸膜ＨＦの外側を通流する。この際乾燥空気は、オフガスから水分の供給を受けて加湿され加湿空気になる。加湿空気は、加湿空気流出口２１ｃoutからハウジング２１ａを抜け出し、内部流路２３ｂ’を通って加湿空気出口２３ｂに達し、後段の燃料電池１に向かう。尚、前記の通り一端側分配器２２の内部流路２２ｂ’は、図４（ｃ）に示すように、２本ある中空糸膜モジュール２１のそれぞれに連結されているので、乾燥空気は、各中空糸膜モジュール２１に分配される。この点、他端側分配器２３の内部流路２３ｂ’も同じであるので、説明を省略する。
【００２１】
このように中空糸膜モジュール２１をパッケージングすることにより、取り扱いの容易さを確保しつつ省スペース化を図ることができる。
【００２２】
次に、車両に搭載された本発明の燃料電池用の加湿装置に使用される水透過性の中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段の実施の形態について図面を参照して説明する。
燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜モジュール２１のハウジング２１ａ内に収納された多数の水透過性の中空糸膜からなる中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段の第一実施の形態は、図５（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール２１のハウジング３１内に収納された中空糸膜束３６の中に埋め込んだフィン３７ｂ付きのヒータ３７と温度を測定するための３本の熱電対ＴＣとから構成され、熱電対ＴＣの温度を見ながら中空糸膜束３６全体に熱量を供給できるようにしたものである。
【００２３】
ヒータ本体３７ａの形状は、図５（ｂ）に示すように棒状をしており、ヒータ本体３７ａから外側に向かって放射状に４枚のフィン３７ｂが突出して固設されている。フィン３７ｂの形状は台形であり、外側に台形の上底がくるように固設されている。フィン３７ｂを設けることによりヒータ本体３７ａから中空糸膜束３６全体に効率よく熱量を供給できる。
また、ヒータ本体３７ａの端部には２本の温水供給・排出配管３７ｃ，３７ｄが設けられている。温水供給・排出配管３７ｃ，３７ｄを設けることにより、ヒータ３７加熱源として温水を使用することもできる。
【００２４】
この場合、前記ヒータ本体３７ａはフィン付きの熱交換器であり、温水供給・排出配管３７ｃ，３７ｄにより温水が供給される。本実施形態では、温水として燃料電池本体を冷却した後の冷却水（温度８０℃）が使用される。
このように燃料電池用の加湿装置において、中空糸膜を束ねた中空糸膜束３６に熱量を供給することができるヒータ３７を備え、該ヒータ３７の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、冷却水の保有熱を有効に利用することができる。
【００２５】
熱電対ＴＣは、ハウジング３１内の長手方向上部に適宜間隔で３本設けられている。各熱電対ＴＣは、中空糸膜モジュール２１の中心部の温度を測定するため、温度測定センサ部が中空糸膜モジュール２１の中心部の所定の位置となるように設けられている。温度測定精度を上げるために熱電対ＴＣは４本以上設けてもよい。
このように３本の熱電対ＴＣを設けることにより、測定温度の値から中空糸膜モジュール２１の中心部で中空糸膜束３６が凍結していないことを判断できる。
【００２６】
以上のように構成することにより、熱電対ＴＣの測定温度をみながらヒータ３７により熱量を供給できるようになるので、燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜束３６を凍結しないようにすることができる。また、何らかの理由で乾燥空気中の加湿水量が低下した場合でも、水透過性の中空糸膜に熱量を供給することにより加湿水量を増やすことができるので、燃料電池に安定した加湿水量を供給できる。
【００２７】
次に燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜モジュール２１のハウジング２１ａ内に収納された水透過性の中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段の第二実施の形態について説明する。
第二実施の形態の発熱手段は、図６（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール２１のハウジング４１内に収納された中空糸膜束の温度を測定するための３本の熱電対ＴＣとハウジング４１の外側を囲繞するヒータ４７とから構成され、熱電対ＴＣの温度を見ながらヒータ４７によりハウジング４１の外側から中空糸膜束４６全体に熱量を供給できるようにしたものである。
【００２８】
ヒータ本体４７ａはフレキシブルヒータであり、ハウジング４１の外側全体を螺旋状に囲繞するように巻き廻されて設けられている。ヒータ本体４７ａの形状は螺旋状であり、両側端子には温水を供給するための温水供給・排出配管４７ｃ，４７ｄが設けられている。図６（ｂ）はヒータを示しているが加熱源としては温水を使用している。
【００２９】
この場合、前記ヒータ本体４７ａは蛇管コイルタイプの熱交換器であり、温水供給・排出配管４７ｃ，４７ｄにより温水がヒータ４７に供給される。本実施形態では、温水として燃料電池本体を冷却した後の冷却水(温度８０℃)を使用している。
このように燃料電池用の加湿装置２において、中空糸膜を束ねた中空糸膜束４６に熱量を供給することができるヒータ４７を備え、該ヒータ４７の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、冷却水の保有熱を有効に利用することができる。
【００３０】
ハウジング４１の長手方向上部には、図６（ａ）に示すように、３本の熱電対ＴＣが適宜間隔で設けられている。
各熱電対ＴＣは、中空糸膜モジュール２１の中心部の温度を測定するため、温度測定センサ部が中空糸膜モジュール２１の中心部の所定の位置となるように設けられる。熱電対ＴＣは４本以上設けてもよい。
このように熱電対ＴＣを設けることにより、測定温度の値から中空糸膜モジュール２１の中心部が凍結していないことを判断できる。
【００３１】
以上のように構成することにより、熱電対ＴＣの測定温度を見ながらヒータ４７により熱量を供給できるようになるので、燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜束３６を凍結しないようにすることができる。また、何らかの理由で乾燥空気中の加湿水量が低下した場合でも、水透過性の中空糸膜に熱量を供給することにより加湿水量を増やすことができるので、燃料電池に安定した加湿水量を供給できる。
【００３２】
以上、本発明は、上記説明した実施の形態に限定されることなく幅広く変更実施することができる。例えば、中空糸膜の外側に湿潤気体であるオフガスを通流し、その内側に乾燥気体である乾燥空気（加湿空気）を通流してもよい。さらに実施の形態ではオフガスと乾燥空気は向流に流してあるが並流に流しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上の構成と作用から明らかなように、
１．請求項１に記載の発明によれば、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用して中空糸膜内の水分の凍結を防止することができるとともに、フィンを介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
２．また、請求項２に記載の発明によれば、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用して中空糸膜内の水分の凍結を防止することができるとともに、ハウジングの外側を囲繞する熱交換器を介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用の加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用の加湿装置により加湿される燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置の構成を示す斜視図である。
（ｂ）中空糸膜モジュールの斜視図である。
（ｃ）中空糸膜の拡大図である。
【図４】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置内における気体の流れを示す断面図である。
（ｂ）図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
（ｃ）図４（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図５】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段の第一実施の形態を示す断面図である。
（ｂ）図５（ａ）のヒータの拡大斜視図である。
【図６】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜に熱量を供給できる加熱手段の第二実施の形態を示す断面図である。
（ｂ）図６（ａ）のヒータの拡大図である。
【図７】従来の燃料電池用の加湿装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料電池用の加湿装置
２１ 中空糸膜モジュール
３１，４１ ハウジング
３６，４６ 中空糸膜束
３７，４７ ヒータ(加熱手段)
３７ｃ，３７ｄ 温水供給・排出配管
４７ｃ，４７ｄ 温水供給・排出配管
ＴＣ 熱電対
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の加湿装置に関し、さらに詳しくは、寒冷地等でも好適に使用することができる水透過性の中空糸膜を利用した燃料電池用の加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には固体高分子型のものがあるが、近年、電気自動車の動力源などとして注目されている燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤ガスであるオフガスの水分を乾燥エアに水分交換する加湿装置が用いられている。このような燃料電池に用いられる加湿装置としては、電力消費量が少ないものが好適である。また、取り付けスペースが小さい、いわばコンパクト性が求められる。そのため、加湿装置としては超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴射などの種類があるものの、燃料電池に用いられる加湿装置としては、中空糸膜を用いたものが好適に利用されている。
【０００３】
従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、たとえば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。この加湿装置について図７を用いて説明すると、
加湿装置１００は、ハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エアを導入する第一の流入口１０２および乾燥エアを排出する第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部に多数、たとえば５０００本の中空糸膜からなる中空糸膜束１０４が収納されている。
また、ハウジング１０１の両端部には、中空糸膜束１０４の両端部を開口状態で固定する固定部１０５，１０５′が設けられている。固定部１０５の外側には、湿潤エアを導入する第二の流入口１０６が形成されており、固定部１０５′の外側には、中空糸膜束１０４によって水分を分離・除去された湿潤エアを排出する第二の流出口１０７が形成されている。さらに、固定部１０５，１０５′はそれぞれ第二のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。また、第二の流入口１０６は第一のヘッドカバー１０８に形成されており、第二の流出口１０７は第二のヘッドカバー１０９に形成されている。
【０００４】
このように構成された中空糸膜を用いた加湿装置１００において、第二の流入口１０６から湿潤エアを供給して中空糸膜束１０４を構成する各中空糸膜内を通過させると、湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を透過して、中空糸膜の外側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口１０７から排出される。
一方、第一の流入口１０２からは乾燥エアが供給される。第一の流入口１０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束１０４を構成する中空糸膜の外側を通過する。中空糸膜の外側には、湿潤エアから分離させられた水分が移動してきており、この水分によって乾燥エアが加湿される。そして、加湿エアは第一の流出口１０３から排出されるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の中空糸膜を用いた加湿装置１００は、寒冷地等で中空糸膜モジュール内の水透過性の中空糸膜束が凍結した場合、中空糸膜束の解凍は外気温が上昇して自然に解凍されるのを待つしかなく、加湿装置１００が使用できなくなるという問題を生じていた。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、寒冷地等で中空糸膜内の水分が凍結しないように、燃料電池の冷却水の保有熱を中空糸膜の加熱に有効に利用することができる加熱手段を備えた燃料電池用の加湿装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に記載された燃料電池用の加湿装置は、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することを特徴とするものである。
また、前記課題を解決するためになされた請求項２に記載された燃料電池用の加湿装置は、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１に記載された発明によると、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用することができるとともに、フィンを介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
また、請求項２に記載された発明によると、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用することができるとともに、ハウジングの外側を囲繞する熱交換器を介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用の加湿装置の一実施の形態を、図１から図６を参照して詳細に説明する。
尚、図１は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成図である。図２は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置により加湿される燃料電池の構成を模式化した説明図である。図３（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置の構成を示す斜視図、図３（ｂ）は、中空糸膜モジュールの斜視図、図３（ｃ）は、中空糸膜の拡大図である。図４（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置内における気体の流れを示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
また、図５（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段の第一実施の形態を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のヒータの拡大斜視図である。図６（ａ）は、本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜に熱量を供給できる加熱手段の第二実施の形態を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のヒータの拡大図である。
【００１０】
まず、図１を参照して、本発明の燃料電池用の加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成及び作用について説明する。
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、燃料電池用の加湿装置２、気液分離装置３、空気圧縮機４、燃焼器５、燃料蒸発器６、改質器７、ＣＯ除去器８及び水・メタノール混合液貯蔵タンク（以下「タンク」という）Ｔ等から構成される。尚、燃料電池１は、固体高分子型の燃料電池１である。
【００１１】
燃料電池１は、酸化剤ガスとしての加湿空気が酸素極側１ａに供給されると共に、燃料ガスとしての水素リッチガスが水素極側１ｂに供給され、水素と酸素とを化学反応させて化学エネルギから電気エネルギを取り出し、発電を行う。加湿空気は、乾燥気体たる外気（空気）を圧縮及び加湿することにより発生する。ここで、空気（乾燥空気）の圧縮は空気圧縮機４で行い、加湿はハウジング内の中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段を備えた燃料電池用の加湿装置２で行う。
ちなみに、燃料電池用の加湿装置２での乾燥空気の加湿は、燃料電池１の酸素極側１ａから排出され水分を多量に含むオフガスと相対的に水分を少量しか含まない乾燥空気との間で、水分の交換を行うことによりなされるが、この点は後に詳細に説明する。一方、燃料ガスは、原燃料である水とメタノールの混合液を蒸発、改質及びＣＯ除去を行うことにより発生する。ここで、原燃料の蒸発は燃料蒸発器６で、改質は改質器７で、ＣＯ除去はＣＯ除去器８で行う。ちなみに、燃料蒸発器６にはタンクＴに貯蔵された原燃料がポンプＰを介して供給され、改質器７には燃料蒸発器６で蒸発した原燃料ガス（改質用の空気が混合されたもの）が供給され、ＣＯ除去器８には改質器７で改質された燃料ガスが供給される。尚、改質器７では触媒の存在下、メタノールの水蒸気改質及び部分酸化が行われる。
また、ＣＯ除去器８では触媒の存在下、選択酸化が行われＣＯがＣＯ２に転換される。ＣＯ除去器８は、ＣＯの濃度を可及的に低減するため、Ｎｏ．１ＣＯ除去器とＮｏ．２ＣＯ除去器の２つから構成される。また、ＣＯ除去器８には、空気圧縮機４から選択酸化用の空気が供給される。
【００１２】
尚、燃料電池１からは、未利用の水素を含む水素極側１ｂのオフガス及び反応生成物である水を多量に含む酸素極側１ａのオフガスが同時に発生するが、酸素極側１ａのオフガスは、前記の通り燃料電池用の加湿装置２で空気の加湿用に使用された後、水素極側１ｂのオフガスと混合され、気液分離装置３で水分が除去される。そして、水分が除去されたオフガス（混合オフガス）は、燃焼器５で燃焼されて燃料蒸発器６の熱源として使用される。尚、燃焼器５には、補助燃料（メタノール等）及び空気が供給され、燃料蒸発器６の熱量不足を補ったり燃料電池システムＦＣＳの起動時の暖機を行ったりする。
【００１３】
次に、図２を参照して、燃料電池システムＦＣＳの中核をなす燃料電池の構成及び作用について説明する。この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してある（実際には燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される）。
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１３を挟んで水素極側１ｂと酸素極側１ａとに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられており、水素極１４及び酸素極１２を形成している。そして、水素極側ガス通路１５には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが通流され、酸素極側ガス通路１１には酸化剤ガスとして燃料電池用の加湿装置２で加湿された加湿空気が通流される。電解質膜１３としては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。この電解質膜１３は、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ωｃｍ以下の低い比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能する。
従って、触媒の存在下、水素極１４で水素がイオン化して生成したプロトンは、容易に電解質膜１３中を移動して酸素極１２に到達する。そして、酸素極１２に到達したプロトンは、触媒の存在下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気と共に湿潤気体たるオフガスとして燃料電池１の酸素極側１ａの出口から排出される。尚、水素極１４では水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成するが、この生成した電子ｅ-はモータ等の外部負荷Ｍを経由して酸素極１２に達する。
このように加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池１に供給するのは、電解質膜１３が乾燥すると電解質膜１３におけるプロトン導電性が低くなって発電効率が低下するからである。従って、固体高分子型の燃料電池１を使用する燃料電池システムＦＣＳにおいては、加湿が重要な意義を有する。ちなみに、燃料ガス側の加湿は、原燃料である水とメタノール混合液に燃料ガスの加湿に必要な水分量が最初から添加されているので不要であるが、原燃料中に加湿に必要な水分量が添加されていない場合には本発明の燃料電池用の加湿装置２が適用できる。
【００１４】
続いて、図３及び図４を参照して本発明の一実施の形態である燃料電池用の加湿装置２の構成及び作用を説明する。
燃料電池用の加湿装置２は、図３（ａ）に示すように、略円柱形をした中空糸膜モジュール２１を並列に２本有すると共に、箱型をした一端側分配器２２及び他端側分配器２３を有し、全体として直方体形状に構成されている。２本の中空糸膜モジュール２１，２１は、一端側分配器２２及び他端側分配器２３により水平に所定の間隔を置いて配置され固定されている。また、２本の中空糸膜モジュール２１，２１のそれぞれには、一端側分配器２２を介して乾燥空気の供給及びオフガスの排出が、他端側分配器２３を介して加湿されてなる加湿空気の排出及びオフガスの供給がなされるようになっている。
【００１５】
中空糸膜モジュール２１は、図３（ｂ）に示すように、ハウジング２１ａ、及びこのハウジング２１ａに収容される中空糸膜束２１ｂを含んで構成される。ハウジング２１ａは、両端が開放された中空円筒形状をしている。このハウジング２１ａには、その両端部近傍に開口部がそれぞれ複数個（円周方向に８個程度ずつ）設けてある。一方、ハウジング２１ａに収容される中空糸膜束２１ｂは、図３（ｃ）に示す中空通路を有する中空糸膜ＨＦを数千本束ねたものであり、ハウジング２１ａの両端面（開口部よりも端側）に中空糸膜ＨＦの中空通路を確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束２１ｂをハウジング２１ａに接着してある部分をポッティング部２１ｇ，２１ｈというが、このポッティング部２１ｇ，２１ｈにより中空糸膜ＨＦの内側である中空通路を通流するオフガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する乾燥空気（加湿空気）が混合しないようになっている。尚、この中空糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａの一端側の端面がオフガス流出口２１ｄoutとして使用され、他端側の端面がオフガス流入口２１ｄinとして使用される。また、ハウジング２１ａの一端側の円周方向の開口部が乾燥空気流入口２１ｃinとして使用され、他端側の円周方向の開口部が加湿空気流出口２１ｃoutとして使用される。ちなみに、このような中空糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａに所定数の中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の束を挿通し、両端面近傍を接着剤で充分接着固定した後、ハウジング２１ａの両端に沿って中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の束を切断除去することにより作成される。
尚、中空糸膜モジュール２１のハウジング２１ａ内に収納される中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段の詳細については後述する。
【００１６】
一端側分配器２２は、前記したように他端側分配器２３と共に、２本の中空糸膜モジュール２１，２１を所定の位置関係で固定するが、この一端側分配器２２は、オフガス出口２２ａ及び乾燥空気入口２２ｂを有する。オフガス出口２２ａと各中空糸膜モジュール２１のオフガス流出口２１ｄoutは、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ａ’により連結されている（図４(a),(b)参照）。同様に、乾燥空気入口２２ｂと各中空糸膜モジュール２１の乾燥空気流入口２１ｃinは、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ｂ’により連結されている（図４(a),(c)参照）。
【００１７】
一方、他端側分配器２３も、オフガス入口２３ａ及び加湿空気出口２３ｂを有する。オフガス入口２３ａと各中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｄinは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ａ’により連結されている（図４(a)参照）。同様に、加湿空気出口２３ｂと各中空糸膜モジュール２１の加湿空気流出口２１ｃoutは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ｂ’により連結されている（図４(a)参照）。
【００１８】
前記中空糸膜モジュールに使用される中空糸膜ＨＦは、図３（ｃ）に示すように内径が３００マイクロメートルから７００マイクロメートル程度の細い円筒形の中空糸である。中空糸膜ＨＦが細いために中空糸膜モジュール当りの膜充填密度が大きくかつ高圧に耐えるという特徴がある。この中空糸膜ＨＦによる水分の分離原理は、湿潤気体であるオフガスを中空糸膜ＨＦの内側に通流すると中空糸膜ＨＦの毛管中で蒸気圧が低下するので毛管中に水蒸気の凝縮が起こり凝縮水となる。この凝縮水が毛管現象により吸い出されて中空糸膜ＨＦの外側の乾燥気体側に透過するという中空糸膜ＨＦの毛管作用を利用したものである。
【００１９】
次に、図３及び図４を参照して燃料電池用の加湿装置２の作用を説明する。
湿潤気体たるオフガスは、他端側分配器２３のオフガス入口２３ａから加湿装置２に入り、内部流路２３ａ’を経由して中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｄinに達する。オフガスは、ここから分岐して中空糸膜束２１ｂを構成する各中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の内側を通流する。この際オフガスは、含有する水分を中空糸膜ＨＦの外側を通流する乾燥空気に与える。中空糸膜ＨＦの内側を通流したオフガスは、オフガス流出口２１ｄoutから中空糸膜ＨＦを抜け出る。各中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・を抜け出たオフガスは、図４（ｂ）に示すように、合流して内部流路２２ａ’を通ってオフガス出口２２ａに達し、後段の気液分離装置３に向かう。尚、前記の通り他端側分配器２３の内部流路２３ａ’は、２本ある中空糸膜モジュール２１，２１のそれぞれに連結されているので、オフガスは、各中空糸膜モジュール２１に分配される。この点、一端側分配器２２の内部流路２２ａ’と同じであるので、説明を省略する。
【００２０】
一方、乾燥気体たる乾燥空気は、一端側分配器２２の乾燥空気入口２２ｂから燃料電池用の加湿装置２に入り、内部流路２２ｂ’を経由して中空糸膜モジュール２１の乾燥空気流入口２１ｃinに達する。乾燥空気は、ここからハウジング２１ａの内側全体に行き渡って中空糸膜ＨＦの外側を通流する。この際乾燥空気は、オフガスから水分の供給を受けて加湿され加湿空気になる。加湿空気は、加湿空気流出口２１ｃoutからハウジング２１ａを抜け出し、内部流路２３ｂ’を通って加湿空気出口２３ｂに達し、後段の燃料電池１に向かう。尚、前記の通り一端側分配器２２の内部流路２２ｂ’は、図４（ｃ）に示すように、２本ある中空糸膜モジュール２１のそれぞれに連結されているので、乾燥空気は、各中空糸膜モジュール２１に分配される。この点、他端側分配器２３の内部流路２３ｂ’も同じであるので、説明を省略する。
【００２１】
このように中空糸膜モジュール２１をパッケージングすることにより、取り扱いの容易さを確保しつつ省スペース化を図ることができる。
【００２２】
次に、車両に搭載された本発明の燃料電池用の加湿装置に使用される水透過性の中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段の実施の形態について図面を参照して説明する。
燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜モジュール２１のハウジング２１ａ内に収納された多数の水透過性の中空糸膜からなる中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段の第一実施の形態は、図５（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール２１のハウジング３１内に収納された中空糸膜束３６の中に埋め込んだフィン３７ｂ付きのヒータ３７と温度を測定するための３本の熱電対ＴＣとから構成され、熱電対ＴＣの温度を見ながら中空糸膜束３６全体に熱量を供給できるようにしたものである。
【００２３】
ヒータ本体３７ａの形状は、図５（ｂ）に示すように棒状をしており、ヒータ本体３７ａから外側に向かって放射状に４枚のフィン３７ｂが突出して固設されている。フィン３７ｂの形状は台形であり、外側に台形の上底がくるように固設されている。フィン３７ｂを設けることによりヒータ本体３７ａから中空糸膜束３６全体に効率よく熱量を供給できる。
また、ヒータ本体３７ａの端部には２本の温水供給・排出配管３７ｃ，３７ｄが設けられている。温水供給・排出配管３７ｃ，３７ｄを設けることにより、ヒータ３７加熱源として温水を使用することもできる。
【００２４】
この場合、前記ヒータ本体３７ａはフィン付きの熱交換器であり、温水供給・排出配管３７ｃ，３７ｄにより温水が供給される。本実施形態では、温水として燃料電池本体を冷却した後の冷却水（温度８０℃）が使用される。
このように燃料電池用の加湿装置において、中空糸膜を束ねた中空糸膜束３６に熱量を供給することができるヒータ３７を備え、該ヒータ３７の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、冷却水の保有熱を有効に利用することができる。
【００２５】
熱電対ＴＣは、ハウジング３１内の長手方向上部に適宜間隔で３本設けられている。各熱電対ＴＣは、中空糸膜モジュール２１の中心部の温度を測定するため、温度測定センサ部が中空糸膜モジュール２１の中心部の所定の位置となるように設けられている。温度測定精度を上げるために熱電対ＴＣは４本以上設けてもよい。
このように３本の熱電対ＴＣを設けることにより、測定温度の値から中空糸膜モジュール２１の中心部で中空糸膜束３６が凍結していないことを判断できる。
【００２６】
以上のように構成することにより、熱電対ＴＣの測定温度をみながらヒータ３７により熱量を供給できるようになるので、燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜束３６を凍結しないようにすることができる。また、何らかの理由で乾燥空気中の加湿水量が低下した場合でも、水透過性の中空糸膜に熱量を供給することにより加湿水量を増やすことができるので、燃料電池に安定した加湿水量を供給できる。
【００２７】
次に燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜モジュール２１のハウジング２１ａ内に収納された水透過性の中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段の第二実施の形態について説明する。
第二実施の形態の発熱手段は、図６（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール２１のハウジング４１内に収納された中空糸膜束の温度を測定するための３本の熱電対ＴＣとハウジング４１の外側を囲繞するヒータ４７とから構成され、熱電対ＴＣの温度を見ながらヒータ４７によりハウジング４１の外側から中空糸膜束４６全体に熱量を供給できるようにしたものである。
【００２８】
ヒータ本体４７ａはフレキシブルヒータであり、ハウジング４１の外側全体を螺旋状に囲繞するように巻き廻されて設けられている。ヒータ本体４７ａの形状は螺旋状であり、両側端子には温水を供給するための温水供給・排出配管４７ｃ，４７ｄが設けられている。図６（ｂ）はヒータを示しているが加熱源としては温水を使用している。
【００２９】
この場合、前記ヒータ本体４７ａは蛇管コイルタイプの熱交換器であり、温水供給・排出配管４７ｃ，４７ｄにより温水がヒータ４７に供給される。本実施形態では、温水として燃料電池本体を冷却した後の冷却水(温度８０℃)を使用している。
このように燃料電池用の加湿装置２において、中空糸膜を束ねた中空糸膜束４６に熱量を供給することができるヒータ４７を備え、該ヒータ４７の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、冷却水の保有熱を有効に利用することができる。
【００３０】
ハウジング４１の長手方向上部には、図６（ａ）に示すように、３本の熱電対ＴＣが適宜間隔で設けられている。
各熱電対ＴＣは、中空糸膜モジュール２１の中心部の温度を測定するため、温度測定センサ部が中空糸膜モジュール２１の中心部の所定の位置となるように設けられる。熱電対ＴＣは４本以上設けてもよい。
このように熱電対ＴＣを設けることにより、測定温度の値から中空糸膜モジュール２１の中心部が凍結していないことを判断できる。
【００３１】
以上のように構成することにより、熱電対ＴＣの測定温度を見ながらヒータ４７により熱量を供給できるようになるので、燃料電池用の加湿装置２の中空糸膜束３６を凍結しないようにすることができる。また、何らかの理由で乾燥空気中の加湿水量が低下した場合でも、水透過性の中空糸膜に熱量を供給することにより加湿水量を増やすことができるので、燃料電池に安定した加湿水量を供給できる。
【００３２】
以上、本発明は、上記説明した実施の形態に限定されることなく幅広く変更実施することができる。例えば、中空糸膜の外側に湿潤気体であるオフガスを通流し、その内側に乾燥気体である乾燥空気（加湿空気）を通流してもよい。さらに実施の形態ではオフガスと乾燥空気は向流に流してあるが並流に流しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上の構成と作用から明らかなように、
１．請求項１に記載の発明によれば、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用して中空糸膜内の水分の凍結を防止することができるとともに、フィンを介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
２．また、請求項２に記載の発明によれば、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することにより、前記冷却水の保有熱を有効に利用して中空糸膜内の水分の凍結を防止することができるとともに、ハウジングの外側を囲繞する熱交換器を介して中空糸膜束全体に効率よく熱量を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用の加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用の加湿装置により加湿される燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置の構成を示す斜視図である。
（ｂ）中空糸膜モジュールの斜視図である。
（ｃ）中空糸膜の拡大図である。
【図４】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置内における気体の流れを示す断面図である。
（ｂ）図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
（ｃ）図４（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図５】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜束に熱量を供給できる加熱手段の第一実施の形態を示す断面図である。
（ｂ）図５（ａ）のヒータの拡大斜視図である。
【図６】（ａ）本発明に係る燃料電池用の加湿装置に備えられた中空糸膜モジュールのハウジング内に収納された水透過性の中空糸膜に熱量を供給できる加熱手段の第二実施の形態を示す断面図である。
（ｂ）図６（ａ）のヒータの拡大図である。
【図７】従来の燃料電池用の加湿装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料電池用の加湿装置
２１ 中空糸膜モジュール
３１，４１ ハウジング
３６，４６ 中空糸膜束
３７，４７ ヒータ(加熱手段)
３７ｃ，３７ｄ 温水供給・排出配管
４７ｃ，４７ｄ 温水供給・排出配管
ＴＣ 熱電対
Claims (2)
- ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、
前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、
前記加熱手段は、
前記中空糸膜束の中に埋め込まれた熱交換器と、
前記熱交換器から前記ハウジングの内壁に向かって突出して設けられたフィンと、を有し、
前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することを特徴とする燃料電池用の加湿装置。 - ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含有量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置において、
前記中空糸膜を束ねた中空糸膜束に熱量を供給することができる加熱手段を備え、
前記加熱手段は、前記ハウジングの外側を囲繞する熱交換器であって、
前記熱交換器の加熱源として燃料電池本体を冷却した後の冷却水を使用することを特徴とする燃料電池用の加湿装置。
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