JP4971545B2

JP4971545B2 - 燃料電池用加湿システム

Info

Publication number: JP4971545B2
Application number: JP2001012741A
Authority: JP
Inventors: 寛士島貫; 佳夫草野; 敏勝片桐; 幹浩鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: JP2002216815A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水透過型中空糸膜を有する加湿器を備えた燃料電池用加湿システムに関し、更に詳しくは、低湿潤状態のガスが高湿潤状態のガスから好適に水分を回収することができる加湿器を備えた燃料電池用加湿システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水透過型中空糸膜を用いた加湿器としては、例えば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。図１３に示すように、この加湿器１００は、筒状のハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エア用の第一の流入口１０２及び第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部には多数、例えば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１０５，１０５′はそれぞれ第一のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。第１のヘッドカバー１０８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、第２のヘッドカバー１０９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。
【０００３】
このように構成された水透過型中空糸膜を用いた加湿器１００では、第一の流入口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。このとき湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管凝縮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(低湿潤ガス)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を構成する各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、加湿された乾燥エアは、第一の流出口１０３から排出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成と作用を有する加湿器を使用して、燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給するためには、中空糸膜の本数を大量（例えば４００００本）にしてモジュール化しなくてはならず、加湿器に使用する中空糸膜モジュールの径（ハウジングの径）を太くするか、或いは中空糸膜モジュールの使用本数を増やす必要がある。
しかし、中空糸膜モジュールの径を太くしたり、中空糸膜モジュールの使用本数を増やすと、以下のような問題があった。
（１）中空糸膜モジュール内を流れるガス通路の断面積が増えて流速が低下し、中空糸膜の本数を増やした割には十分な加湿量が確保できない。その結果、燃料電池スタックの発電性能が低下する。
（２）また、所定の加湿量を確保するためには、さらに膜面積が必要となるため中空糸膜を大型化する必要がある。
一方、中空糸膜モジュール内のガス通路の断面積と流速、圧損との間には密接な関係があり、流速を上げるためには、ガス通路の断面積を低減しなくてはならず、ガス通路の断面積を低減してガスの流速を上げると以下のような問題があった。
（３）ガスの流速が上がるので燃料電池に供給するガス中の加湿量が増大し、燃料電池スタックの発電出力は向上するが、配管圧損が大きくなり過給機等の消費電力が増えるため、実際に負荷(例えば自動車の走行モータ)に供給できる実出力の割合が低下する。また、最悪の場合、圧損が多くなると過給機の温度が上昇し、破損してしまう。
【０００５】
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、低湿潤ガスの流速を高湿潤ガスの流速よりも速くすることができると共に、低湿潤ガス側の圧損を適切な圧損とすることができ、かつ、燃料電池に供給するガスの加湿量も十分に確保できる加湿器を備えた燃料電池用加湿システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【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本発明の請求項１に係る燃料電池用加湿システムは、水透過型中空糸膜を内部に備え、該水透過型中空糸膜により、燃料電池から排出される高湿潤状態のガスから前記燃料電池に向かう、前記高湿潤状態のガスよりも高圧の低湿潤状態のガスに水分を移動させる加湿器を具備した燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿器を前記中空糸膜の厚さ方向に断面を得た際、前記加湿器内の前記低湿潤状態ガスの通路の総断面積が前記加湿器内の前記高湿潤状態ガスの通路の総断面積未満となるように設定したことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１の発明に係る燃料電池用加湿システムでは、加湿器内の低湿潤状態ガスの通路の総断面積が高湿潤状態ガスの通路の総断面積未満となるように設定されているため、低湿潤ガス側の流速を高湿潤ガス側の流速よりも速くすることができる。その結果、高湿潤ガス側から低湿潤ガス側への水分回収量を向上させることができ、燃料電池の効率も向上させることができる。
【０００８】
請求項２に係る燃料電池用加湿システムの発明は、前記燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿器内の前記低湿潤状態ガスの通路の総断面積が１５００ｍｍ²を超え５６００ｍｍ²未満となるように設定したことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明に係る燃料電池用加湿システムでは、前記加湿器内の低湿潤状態ガスの通路の総断面積を１５００ｍｍ²を超え５６００ｍｍ²未満となるように設定したことにより、低湿潤ガス側の圧損を適切な圧損とすることができ、かつ、燃料電池に供給するガスの加湿量も十分に満足できる値とすることができる。その結果、燃料電池システムの実出力の一番効率の良い性能で運転することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明の燃料電池用加湿システムの加湿器で使用される中空糸膜モジュールの１実施形態について図面を参照して説明する。
図１の（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール１は、ハウジング１ａ，及びこのハウジング１ａに収容される中空糸膜束１ｂを含んで構成される。ハウジング１ａ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１ａ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。ここで、符号１ｗ_inで示す開口部は高湿潤ガス流入口であり、符号１ｗ_outで示す開口部は高湿潤ガス流出口である。また、符号１ｄ_inで示すハウジング１ａの一端部は低湿潤ガス流入口であり、符号１ｄ_outで示すハウジング１ａの他端部は低湿潤ガス流出口である。
一方、ハウジング１ａに収納される中空糸膜束１ｂは、図１の（ｂ）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１ａの両端面（円周方向の開口部よりも端側）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１ｂをハウジング１ａに接着してある部分をポッティング部１ｇ，１ｈというが、このポッティング部１ｇ，１ｈにより中空糸膜ＨＦの内側である中空通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
ちなみに、このような中空糸膜モジュール１は、ハウジング１ａに所定数の中空糸膜ＨＦ・ＨＦ・・の束を挿通し、両面近傍を接着剤で十分接着固定した後、ハウジング１ａ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って作成される。
【００１１】
次に、燃料電池用加湿システムを構成する加湿器の中空糸膜モジュール１の特徴について図面を参照して説明する。尚、中空糸膜モジュール１としては、内径が０．３〜０．５ｍｍ、外形が０．５〜０．７ｍｍの中空糸膜ＨＦをハウジング１ａ内に２０〜５０％充填したものを使用した。
また、これ以降で使用されるガス通路の断面積として使用される言葉の定義を図１（ｃ）を参照して、ここで説明しておく。
（１）中空糸膜内総断面積Ｓ１は、ハウジング１ａ内の１本の中空糸膜ＨＦについて内径基準で断面積を算出し、その値に充填した中空糸膜ＨＦの総本数を掛けた値である。
（２）中空糸膜外総断面積Ｓ２は、ハウジング１ａの内径基準の断面積の値から１本の中空糸膜ＨＦについて外形基準で求めた断面積の値に充填した中空糸膜ＨＦの総本数を掛けた値を引いた値とする。
【００１２】
前記中空糸膜モジュール１を使用した１実施例として、低湿潤ガスと高湿潤ガスとの間で水分交換をしたときの燃料電池の出力と燃料電池へ供給される低湿潤ガスの露点との関係を図２に示す。このとき、中空糸膜モジュール１に導入する両ガスの単位時間当たりの流量は同一である。
この図からもわかるように、燃料電池の出力が高くなるにしたがって露点も高くなり加湿量が向上する。しかし、ガス通路の総断面積で比較すると、図２中の符号Ａで示すように、低湿潤ガスのガス通路の総断面積が高湿潤ガスのガス通路の総断面積未満となるように設定する方が、逆の条件である符合Ｂで示すものに比べて低湿潤ガスの露点が高くなることがわかる。すなわち、低湿潤ガスの流速が高湿潤ガスの流速を超えるようにする方が加湿量を向上させる上で好ましいことがわかる。
一方、図２中の符号Ｂで示すように、高湿潤ガスのガス通路の総断面積が低湿潤ガスのガス通路の総断面積未満となるように設定すると、低湿潤ガスの流速が高湿潤ガスの流速未満となるので図２中の符号Ａで示すようには加湿量を向上させることができない。
従って、図１の（ｃ）の中空糸膜内総断面積Ｓ１と中空糸膜外総断面積Ｓ２を比較して断面積が小さい方に低湿潤ガスを流すようにすれば加湿量（露点）が高いガスを燃料電池に供給できることがわかる。
【００１３】
次に、前記中空糸膜モジュール１内の低湿潤ガスの流速と水分回収量との関係を図３に示す。この図からもわかるように、低湿潤ガスの流速を上げれば高湿潤ガスからの水分回収量は増加する。しかし、低湿潤ガスの流速と水分回収量との関係から定まる最大値を超えることはない。
【００１４】
低湿潤ガスのガス通路の総断面積と流速との関係を図４に示す。この図からもわかるようにガス流量が一定の場合は、低湿潤ガスのガス通路の総断面積を大きくすると低湿潤ガスの流速が急激に下がる点がある。
一方、低湿潤ガスのガス通路の総断面積と圧損との関係を図５に示す。この図からもわかるように、低湿潤ガスのガス通路の総断面積を中空糸膜ＨＦの本数を減らす方法で小さくしていくと急激に圧損が上昇する点が出てくる。そのときのガス通路の総断面積は、概ね１５００ｍｍ²から２０００ｍｍ²あたりの点である。これらの図４および図５の結果より、ガスの流速が急激に下がらず、かつ、圧損が急激に上昇しない点である圧損が２０ｋＰａのときの低湿潤ガスのガス通路の総断面積である１５００ｍｍ²を低湿潤ガスのガス通路の総断面積の下限値とした。
【００１５】
次に、低湿潤ガスのガス通路の総断面積と水分回収量との関係を図６に示す。この図６からもわかるように、低湿潤ガスのガス通路の総断面積を大きくすると水分回収量も大きくなるが、水分回収量は低湿潤ガスのガス通路の総断面積と水分回収量との関係から得られる水分回収量の飽和値を境に以下の理由から飽和またはダウンする。
すなわち、図４に示すように、低湿潤ガスのガス通路の総断面積を大きくすると低湿潤ガスの流速が低下し、図３に示すように、低湿潤ガスの流速が低下すると水分回収量が減少する。一方、図６に示すように、低湿潤ガスのガス通路の総断面積を大きくしていくと、水分回収量はある値までは増加する。本実施の形態では低湿潤ガスに適したガス通路の総断面積は、水分回収量が最高となる概ね５５００ｍｍ²から５６００ｍｍ²あたりの点である。
結局、これらの兼ね合いにより最適な低湿潤ガスのガス通路の総断面積が決定される。本実施の形態では、低湿潤ガスのガス通路の総断面積の上限値を５６００ｍｍ²に設定した。
【００１６】
次に、このようにして１５００ｍｍ²＜低湿潤ガス通路の総断面積＜５６００ｍｍ²に設定された中空糸膜モジュール１を使用した燃料電池用加湿システムについて図面を参照して説明する。
最初に、第１実施形態の燃料電池用加湿システムについて図７から図１１を参照して説明する。
第１実施形態の燃料電池用加湿システムは、図７に示すように、アノード極に供給される燃料ガス中の水素と、カソード極に供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池１０と、前記燃料電池１０のアノード極及びカソード極へそれぞれ供給されるガスを、燃料電池のそれぞれの極から排出されるガスとそれぞれ水分交換して加湿する２つの加湿器１１，１２と、アノード極に燃料ガスを循環しながら供給するエゼクタ１３と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給するＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４とから主要部が構成される（燃料電池１０は加湿システムの構成に含まれるものとする）。
【００１７】
燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電する。反応式で示すと、下記の通りとなる。（１）式は、アノード極における反応を、（２）式は、カソード極における反応を示し、電池全体としては、（３）式に示す反応が進行する。このように、燃料電池１０は、電池反応の進行に伴ってカソード極で生成水が生じる。通常、生じた生成水は、カソード極に供給されている空気中に気化し、未反応の空気と共に燃料電池１０から排出される。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ------------------（１）
２Ｈ⁺＋（１／２）Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ-------（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ----------------（３）
尚、固体高分子型の燃料電池１０は、電解質層として、固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極をさらに外側から挟持して燃料ガスと空気とを分離するセパレータとを有する単セルを複数積層した構造を備えている。
【００１８】
加湿器１１，１２は、前記した水透過型の中空糸膜ＨＦを使用してモジュールを形成した加湿器であり、１５００ｍｍ²＜低湿潤ガス通路の総断面積＜５６００ｍｍ²に設定されている加湿器である。
【００１９】
エゼクタ１３は、アノード極に供給される燃料ガスを循環するための真空ポンプの１種であり、ノズル、ディフューザ、吸引室等から主要部が構成される。構造が簡単で、操作・保守が容易であり、回転・摺動等可動部分がないので耐久力が大きい。また、吸引ガスの性質によって自由に耐食材料が選べるというメリットもある。
【００２０】
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４は、機械式過給機であり、大気圧の空気を吸引して加圧し、燃料電池１０のカソード極に供給するためのものである。
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４の替わりにリショルム型の容積型圧縮機を使用することもできる。
【００２１】
このように構成される第１実施形態の燃料電池用加湿システムの作用について説明する。
エゼクタ１３に供給される低湿潤ガスである燃料ガスは、エゼクタ１３により吸引・加圧され加湿器１１に供給される。
加湿器１１に供給された燃料ガス(低湿潤ガス)は、加湿器１１内の中空糸膜モジュール１内のガス通路の総断面積が小さい方の通路を通る間に、ガス通路断面積が大きい方の通路を通る燃料電池１０のアノード極から排出される排気ガス(高湿潤ガス)により加湿された後、アノード極に供給される。
燃料電池１０のアノード極に送られた燃料ガス中の水素は、Ｓ／Ｃ(スーパーチャージャ)１４から燃料電池１０のカソード極に供給される空気中の酸素と反応して発電する。燃料電池１０で反応に使用されなかった燃料ガスは高湿潤ガスである排気ガス(オフガス)となり、再び加湿器１１に供給される。
加湿器１１に供給された排気ガスは、中空糸膜モジュール１内のガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る間に、エゼクタ１３から加湿器１１に供給される燃料ガスに水分を与えた後、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。尚、加湿器１１を出た排気ガスの一部は、エゼクタ１３に吸引され再び燃料ガスとしてアノード極に循環される。
一方、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４により大気中の低湿潤ガスである空気が吸引・加圧され加湿器１２に供給される。
加湿器１２に供給された空気（低湿潤ガス）は、加湿器１２内にある中空糸膜モジュール１内のガス通路の総断面積が小さい方の通路を通る間に、ガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る燃料電池１０のカソード極から排出される排気ガス(高湿潤ガス)により加湿された後、カソード極に供給される。
燃料電池１０で燃料ガス中の水素との反応に使用されなかった空気は高湿潤ガスである排気ガスとなり、再び加湿器１２に供給される。加湿器１２に供給された高湿潤ガスである排気ガスは、中空糸膜モジュール１内のガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る間に、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４から加湿器１２に供給される空気に水分を与えて加湿し、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
【００２２】
以上に説明した構成と作用を有する第１実施形態の燃料電池用加湿システムの運転結果を図８から図１１を参照して説明する。
最初に、加湿量とスタック出力との関係を図８に示す。図８からもわかるように、低湿潤ガス中の加湿量(水分回収量)を上げて行くと、それに伴ってスタックの出力は大きくなるが、加湿量が増えすぎると、水分が増えることにより燃料電池１０のプロトン導電性膜の膜抵抗が大きくなりスタック出力は大きくならなかった。
【００２３】
スタック圧力とスタック出力との関係を図９に示す。図９からもわかるように、スタックの圧力を上げて行くと、それに伴ってスタック内の水蒸気分圧が大きくなりスタック出力は大きくなるが、スタック圧力が高くなり過ぎると、スタック内に凝縮水が発生し、水の排出性が悪くなりスタック出力はさらに増大することはなかった。
【００２４】
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４の吐出圧力と消費電力との関係を図１０に示す。図１０からもわかるように、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４のような過給機の場合、吐出圧力を高くする(圧損が大きくなる)と消費電流が増加した。
【００２５】
最後に、中空糸膜モジュール１の低湿潤ガスの圧損と燃料電池の実出力との関係を図１１に示す。図１１からもわかるように、図８〜図１０との兼ね合いにより中空糸膜モジュール１内での低湿潤ガスの圧損が２０ｋＰａを超えると圧損が増えてＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４の消費電力が増えてしまい、実際に使用できる燃料電池１０の実出力の割合が減少してしまうので、圧損は２０ｋＰａ以下が好ましいことがわかった。
【００２６】
このように燃料電池１０と加湿器１１，１２とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿器１１，１２が中空糸膜の厚さ方向に断面を得た際、前記加湿器１１，１２内の低湿潤ガス通路の総断面積が１５００ｍｍ²を超え５６００ｍｍ²未満となるように設定したことにより、低湿潤ガス側の圧損を適切な圧損とすることができ、かつ、燃料電池１０に供給するガスの加湿量も十分に満足できる値とすることができる。その結果、燃料電池システムの実出力の一番効率の良い性能で運転することが可能となった。
【００２７】
次に第２実施形態の燃料電池用加湿システムについて図１２を参照して説明する。
第２実施形態の燃料電池用加湿システムと第１実施形態の燃料電池用加湿システムとの構成の違いは、アノード極に供給する燃料ガスとカソード極から排出される排気ガスとの水分交換を行う加湿器１１′を設け、前記加湿器１１′から排出された排気ガスを、更にＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４により燃料電池１０のカソード極へ供給される空気を加湿するための加湿器１２′に供給するようにした点が異なる。
また、第１実施形態の燃料電池用加湿システムでは、２つの加湿器１１，１２で使用される中空糸膜は、どちらも多孔質膜が使用されているが、第２実施形態の燃料電池用加湿システムで使用される中空糸膜は、加湿器１１′にはイオン水和作用を用い接するガス中の水分のみの移動が可能な非多孔質膜が、加湿器１２′には毛管凝縮作用を用い接するガス中の水分を透過可能な多孔質膜が使用される。
燃料電池１０のアノード極に供給する燃料ガスを加湿して供給する加湿器１１′に非多孔質膜を使用することにより、燃料ガス（水素含有ガス）とカソード極から排出される排気ガス（酸素含有ガス）との水分交換を行う際に、ガスは通過させずに水分のみをカソード側からアノード側に確実に通過させることができるので、水素ガスと酸素ガスが膜を介して加湿器内で混合することが無い。
【００２８】
以下、このように構成される第２実施形態の燃料電池用加湿システムの作用について説明する。尚、第１実施形態の燃料電池用加湿システムと同じ部材に付いては同じ符号を付して説明する。
エゼクタ１３に供給された低湿潤ガスである燃料ガスは、エゼクタ１３により吸引・加圧され加湿器１１′に供給される。
加湿器１１′に供給された燃料ガス(低湿潤ガス)は、加湿器１１′内の中空糸膜モジュール内のガス通路の総断面積が小さい方の通路を通る間に、ガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る燃料電池１０のカソード極から排出される排気ガス(高湿潤ガス)により加湿された後、アノード極に供給される。燃料電池１０のアノード極に送られた燃料ガス中の水素は、Ｓ／Ｃ(スーパーチャージャ)１４から燃料電池１０に供給される空気中の酸素と反応し発電する。燃料電池１０で反応に使用されなかった燃料ガスは排気ガスとなり、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。尚、排気ガスの一部は、エゼクタ１３に吸引され再び燃料ガスとして循環される。
一方、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４により大気中の低湿潤ガスである空気が吸引・加圧され加湿器１２′に供給される。
加湿器１２′に供給された空気(低湿潤ガス)は、中空糸膜モジュールのガス通路の総断面積が小さい方の通路を通る間に、ガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る加湿器１１′から排出される排気ガス(高湿潤ガス)により加湿された後、カソード極に供給される。燃料電池１０で燃料ガス中の水素との反応に使用されなかった空気は高湿潤ガスである排気ガスとなり、加湿器１１′に供給される。加湿器１１′に供給された排気ガスは、中空糸膜モジュールのガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る間に、エゼクタ１３から加湿器１１′に供給される燃料ガスに水分を与えて加湿し、加湿器１１′から排出される。加湿器１１′から排出された排気ガスは、さらに加湿器１２′へと供給され、中空糸膜モジュールのガス通路の総断面積が大きい方の通路を通る間に、Ｓ／Ｃ(ス−パーチャージャ)１４から加湿器１２′に供給される空気に水分を与え加湿する。加湿器１２′から排出された排気ガスは後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
【００２９】
以上説明したように、中空糸膜モジュールへ供給される低湿潤ガス及び高湿潤ガスのそれぞれのガス通路の総断面積について、低湿潤ガス通路の総断面積と高湿潤ガス通路の総断面積との関係を低湿潤ガス通路の総断面積＜高湿潤ガス通路の総断面積となるように設定したことにより、高湿潤ガスの流速よりも低湿潤ガスの流速を上げることができ、しかも燃料電池１０へ供給するガスの加湿量が十分確保できるようになる。
また、低湿潤ガスの流速を速くすることにより高湿潤ガスからの水分回収量が向上するので中空糸膜の本数を少なくでき、結果としてモジュールの小型化という効果も有する。
また低湿潤ガス通路の総断面積を１５００ｍｍ²＜低湿潤ガス通路の総断面積＜５６００ｍｍ²にすることにより適切な圧損と十分な加湿量の両方を確保できるようになり燃料電池システムの実出力の一番効率のよい性能が見出せる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）請求項１の発明によれば、加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿器を中空糸膜の厚さ方向に断面を得た際、前記加湿器内の低湿潤ガス通路の総断面積が前記加湿器内の高湿潤ガス通路の総断面積未満となるように設定したことにより、低湿潤ガス側の流速を高湿潤ガス側の流速よりも速くすることができる。その結果、高湿潤ガス側から低湿潤ガス側への水分回収量を向上させることができ、燃料電池の効率も向上させることができる。
（２）請求項２の発明によれば、加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿器を中空糸膜の厚さ方向に断面を得た際、前記加湿器内の低湿潤ガス通路の総断面積を１５００ｍｍ²を超え５６００ｍｍ²未満となるように設定したことにより、低湿潤ガス側の圧損を適切な圧損とすることができ、かつ、燃料電池に供給するガスの加湿量も十分に満足できる値とすることができる。その結果、燃料電池システムの実出力の一番効率の良い性能で運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の燃料電池用加湿システムの加湿器で使用される中空糸膜モジュールを示す構成図である。
（ｂ）前記中空糸膜モジュールの各中空糸膜におけるガスの流れを示す図である。
（ｃ）図１（ａ）のＡ−Ａ′断面図；ガス通路の総断面積を表現するのに使用される言葉の定義を説明するための図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用加湿システムにおいて、低湿潤ガスである乾燥空気と高湿潤ガスである燃料電池のオフガスとの間で水分交換をしたときの燃料電池の出力と燃料電池へ供給される乾燥空気の露点との関係を示す図である。
【図３】図１に示す中空糸膜モジュール内の低湿潤ガスの流速と水分回収量との関係を示す図である。
【図４】低湿潤ガスのガス通路の総断面積と流速との関係を示す図である。
【図５】低湿潤ガスのガス通路の総断面積と圧損との関係を示す図である。
【図６】低湿潤ガスのガス通路の総断面積と水分回収量との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態の燃料電池用加湿システムの全体構成を示す図である。
【図８】第１実施形態の燃料電池用加湿システムの加湿量とスタック出力との関係を示す図である。
【図９】第１実施形態の燃料電池用加湿システムのスタック圧力とスタック出力との関係を示す図である。
【図１０】第１実施形態の燃料電池用加湿システムのＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）の吐出圧力と消費電力との関係を示す図である。
【図１１】第１実施形態の燃料電池用加湿システムの中空糸膜モジュールの低湿潤ガスの圧損と燃料電池の実出力との関係を示す図である。
【図１２】第２実施形態の燃料電池用加湿システムの全体構成を示す図である。
【図１３】従来の水透過型中空糸膜を用いた加湿器の縦断面図である。
【符号の説明】
１０燃料電池
１１，１２加湿器
１３エゼクタ
１４Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）
Ｓ₁ 中空糸膜内総断面積
Ｓ₂ 中空糸膜外総断面積
ＨＦ中空糸膜

Claims

水透過型中空糸膜を内部に備え、該水透過型中空糸膜により、燃料電池から排出される高湿潤状態のガスから前記燃料電池に向かう、前記高湿潤状態のガスよりも高圧の低湿潤状態のガスに水分を移動させる加湿器を具備した燃料電池用加湿システムにおいて、
前記加湿器を前記中空糸膜の厚さ方向に断面を得た際、
前記加湿器内の前記低湿潤状態ガスの通路の総断面積が前記加湿器内の前記高湿潤状態ガスの通路の総断面積未満となるように設定したことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
前記加湿器内の前記低湿潤状態ガスの通路の総断面積が１５００ｍｍ²を超え５６００ｍｍ²未満となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿システム。