JP2002075418A - Humidifier for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用加湿装
置に係り、特に、水回収率が高く、加湿効率に優れた燃
料電池用加湿装置に関する。The present invention relates to a humidifier for a fuel cell, and more particularly to a humidifier for a fuel cell having a high water recovery rate and excellent humidification efficiency.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして燃
料電池が注目されている。この燃料電池には、いわゆる
固体高分子型燃料電池のものがある。この固体高分子型
燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤気体
であるオフガスの水分を乾燥気体に水分交換する加湿装
置が用いられている。このような加湿装置を備えた固体
高分子型燃料電池としては、たとえば特開平6−132
038号公報に開示されたものがある。図5に示すよう
に、この固体高分子電解質型燃料電池における加湿装置
50は、水蒸気透過膜51を有しており、この水蒸気透
過膜51により画成された加湿ガス室52および被加湿
ガス室53とを備えている。このうちの加湿ガス室52
には、燃料電池54における酸化剤通路から排出される
オフガスが供給される。また、被加湿ガス室53には、
反応空気ブロワ55から加湿ガスが供給される。被加湿
ガス室53に供給される加湿ガスは、加湿ガス室52に
供給されるオフガスによって加湿されて、燃料電池54
における酸化剤通路に供給される。また、被加湿ガス室
53の下流側には、燃料電池54の酸化剤通路内の圧力
を調整するためのリリーフ弁56が設けられている。2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as power sources for electric vehicles. As this fuel cell, there is a so-called polymer electrolyte fuel cell. In this polymer electrolyte fuel cell, a humidifier for exchanging the moisture of off-gas, which is a humid gas discharged from the fuel cell, into a dry gas is used. A polymer electrolyte fuel cell equipped with such a humidifier is disclosed in, for example, JP-A-6-132.
No. 038 is disclosed. As shown in FIG. 5, the humidifier 50 in the solid polymer electrolyte fuel cell has a water vapor permeable membrane 51, and a humidified gas chamber 52 and a humidified gas chamber defined by the water vapor permeable membrane 51. 53. Humidifying gas chamber 52 of these
Is supplied with off-gas discharged from the oxidant passage in the fuel cell 54. In the humidified gas chamber 53,
Humidified gas is supplied from the reaction air blower 55. The humidified gas supplied to the humidified gas chamber 53 is humidified by the off gas supplied to the humidified gas chamber 52, and the fuel cell 54
Is supplied to the oxidant passage. A relief valve 56 for adjusting the pressure in the oxidizing agent passage of the fuel cell 54 is provided downstream of the humidified gas chamber 53.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の加
湿装置では、オフガスに含まれる水分の回収率を高めて
供給ガスに対して水分交換し、供給ガスの加湿効率を向
上させることが望まれる。しかし、図5に示す従来の固
体高分子電解質型燃料電池における加湿装置50の被加
湿ガス室53には、燃料電池54の酸化剤通路とほぼ同
圧力という高い圧力が掛かっている。このため、オフガ
スに含まれる水蒸気の量が少なく、水蒸気になり得なか
った水分は凝縮してしまう。水蒸気になり得なかった水
分は水蒸気透過膜51を通過することができないので、
その分水回収率が低下するという問題があった。また、
水蒸気透過膜51を用いる代わりに、中空糸膜を用いる
加湿器も知られているが、中空糸膜は、内部に水蒸気と
結露水が混入した気体を通流すると、加湿効率が低下す
る性質を持っているので、やはり凝縮した水分を低減さ
せることが望まれている。By the way, in this type of humidifier, it is desired to improve the humidification efficiency of the supply gas by increasing the recovery rate of the water contained in the off-gas and exchanging the water with the supply gas. . However, the humidified gas chamber 53 of the humidifying device 50 in the conventional solid polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. For this reason, the amount of water vapor contained in the off-gas is small, and water that cannot be turned into water vapor condenses. Since the water that could not become water vapor cannot pass through the water vapor permeable membrane 51,
There was a problem that the water separation recovery rate was reduced. Also,
A humidifier using a hollow fiber membrane instead of using the water vapor permeable membrane 51 is also known. However, the hollow fiber membrane has a property that the humidification efficiency is reduced when a gas containing water vapor and condensed water flows therein. Therefore, it is desired to reduce condensed moisture.
【0004】そこで、本発明の課題は、燃料電池から排
出されるオフガスに含まれる水分をなるべく多く水蒸気
にすることにより、水回収率を向上させ、もって燃料電
池に供給するガスの加湿効率を高めた燃料電池用加湿装
置を提供することにある。[0004] Therefore, an object of the present invention is to improve the water recovery rate by converting as much as possible moisture contained in the off-gas discharged from the fuel cell into water vapor, thereby improving the humidification efficiency of the gas supplied to the fuel cell. To provide a humidifier for a fuel cell.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明のうちの請求項1に係る発明は、燃料電池へ供給され
る供給ガスと、前記燃料電池から排出される排出ガスと
を通流させ、前記排出ガスに含まれる水分を前記供給ガ
スに水分交換して、前記供給ガスを加湿する加湿器を備
えた燃料電池用加湿装置において、前記燃料電池から排
出された排出ガスの流路であって、前記加湿器の上流側
に前記燃料電池の出口圧力を制御する第1の圧力制御手
段を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿装置であ
る。According to a first aspect of the present invention which solves the above-mentioned problems, the present invention is directed to a method of flowing a supply gas supplied to a fuel cell and an exhaust gas discharged from the fuel cell. In the humidifying device for a fuel cell provided with a humidifier for humidifying the supply gas by exchanging moisture contained in the exhaust gas with the supply gas, a flow path of the exhaust gas discharged from the fuel cell is used. A humidifier for a fuel cell, wherein a first pressure control means for controlling an outlet pressure of the fuel cell is provided upstream of the humidifier.
【0006】請求項1に係る発明においては、燃料電池
から排出された排出ガスの流路であって、加湿器の上流
側に圧力制御手段が設けられている。このため、加湿器
内の圧力を上げすぎることなく燃料電池内の圧力を調整
することができる。したがって、加湿装置内における水
分の結露を防止することができ、もって水回収率を向上
させることができる。こうして燃料電池に供給するガス
の加湿効率を高めることができる。In the invention according to the first aspect, the pressure control means is provided in the flow path of the exhaust gas discharged from the fuel cell and upstream of the humidifier. Therefore, the pressure in the fuel cell can be adjusted without excessively increasing the pressure in the humidifier. Therefore, dew condensation of water in the humidifier can be prevented, and the water recovery rate can be improved. Thus, the humidification efficiency of the gas supplied to the fuel cell can be increased.
【0007】請求項2に係る発明は、前記排出ガスの流
路であって、前記加湿器の下流側に前記加湿器内の排出
ガス圧力を制御する第2の圧力制御手段を備え、前記第
1の圧力制御手段と前記第2の圧力制御手段は前記燃料
電池へ供給される供給ガスの加湿関連量に応じて制御さ
れることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用加湿
装置である。According to a second aspect of the present invention, the exhaust gas flow path includes a second pressure control means for controlling an exhaust gas pressure in the humidifier downstream of the humidifier. The fuel cell humidifier according to claim 1, wherein the first pressure control means and the second pressure control means are controlled according to a humidification-related amount of a supply gas supplied to the fuel cell. is there.
【0008】請求項2に係る発明によれば、加湿器の下
流側に加湿器内の排出ガス圧力を制御する第2の圧力制
御手段が設けられている。このため、燃料電池の要求圧
力とは別個に加湿器内の圧力を調整することができるの
で、供給ガスの加湿量を好適に制御することができる。
なお、供給ガスの加湿関連量とは、供給ガスの湿度や露
点などを示すものである。According to the second aspect of the present invention, the second pressure control means for controlling the exhaust gas pressure in the humidifier is provided downstream of the humidifier. For this reason, since the pressure in the humidifier can be adjusted independently of the required pressure of the fuel cell, the humidification amount of the supply gas can be suitably controlled.
Note that the humidification-related amount of the supplied gas indicates the humidity, dew point, and the like of the supplied gas.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら具体的に説明する。本発明に係る加湿装
置について説明する前に、この加湿装置を有する燃料電
池システムの例について説明する。Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. Before describing the humidifier according to the present invention, an example of a fuel cell system having the humidifier will be described.
【0010】図1は本発明に係る加湿装置を備える燃料
電池システムの全体構成図であり、図2は燃料電池の構
成を模式化した説明図である。図1に示す燃料電池シス
テムFCSは、燃料電池1、加湿装置AS1、水素供給
装置HSなどから構成される燃料電池1を中核とした発
電システムである。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system including a humidifier according to the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration of a fuel cell. The fuel cell system FCS shown in FIG. 1 is a power generation system having the fuel cell 1 as a core, which includes a fuel cell 1, a humidifier AS1, a hydrogen supply device HS, and the like.
【0011】まず、図2に示すように、燃料電池1は、
電解質膜1cを挟んでカソード極側(酸素極側)とアノ
ード極側(水素極側)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、カソード電極1b
およびアノード電極1dを形成している。電解質膜1c
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が使われる。この電解質
膜1c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20Ω-プロトン以下の
低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能す
る。なお、カソード電極1bに含まれる触媒は酸素から
酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極1dに
含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒であ
る。First, as shown in FIG. 2, the fuel cell 1
It is divided into a cathode electrode side (oxygen electrode side) and an anode electrode side (hydrogen electrode side) with the electrolyte membrane 1c interposed therebetween, and an electrode containing a platinum-based catalyst is provided on each side, and the cathode electrode 1b
And an anode electrode 1d. Electrolyte membrane 1c
For example, a solid polymer membrane, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane which is a proton exchange membrane is used. This electrolyte membrane 1c has many proton exchange groups in a solid polymer,
By containing saturated water, it exhibits a low specific resistance of 20 Ω-proton or less at room temperature and functions as a proton conductive electrolyte. The catalyst included in the cathode electrode 1b is a catalyst that generates oxygen ions from oxygen, and the catalyst included in the anode electrode 1d is a catalyst that generates protons from hydrogen.
【0012】また、カソード電極1bの外側にはカソー
ド電極1bに酸化剤ガスとしての供給ガスである供給空
気Aを通流するカソード極側ガス通路1aが設けられ、
アノード電極1dの外側にはアノード電極1dに燃料ガ
スとしての供給水素Hを通流するアノード極側ガス通路
1eが設けられている。カソード極側ガス通路1aの入
口および出口は加湿装置AS1に接続され、アノード極
側ガス通路1eの入口および出口は水素供給装置HSに
接続されている。なお、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
あるが、実際の燃料電池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。また、燃料電池1は、
発電の際に電気化学反応により発熱するため、燃料電池
1を冷却する図示しない冷却装置を有する。Outside the cathode electrode 1b, there is provided a cathode side gas passage 1a through which supply air A, which is a supply gas as an oxidant gas, flows through the cathode electrode 1b.
Outside the anode electrode 1d, an anode electrode side gas passage 1e through which supply hydrogen H as a fuel gas flows to the anode electrode 1d is provided. The inlet and outlet of the cathode-side gas passage 1a are connected to a humidifier AS1, and the inlet and outlet of the anode-side gas passage 1e are connected to a hydrogen supply device HS. The fuel cell 1 shown in FIG.
Although the configuration is schematically represented as one single cell, the actual fuel cell 1 is configured as a stacked body in which about 200 single cells are stacked. Also, the fuel cell 1
Since a heat is generated by an electrochemical reaction during power generation, a cooling device (not shown) for cooling the fuel cell 1 is provided.
【0013】この燃料電池1は、カソード極側ガス通路
1aに供給空気Aが通流され、アノード極側ガス通路1
eに供給水素Hが供給されると、アノード電極1dで水
素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成し
たプロトンは、電解質膜1c中を移動してカソード電極
1bに到達する。そして、カソード電極1bに到達した
プロトンは、触媒の存在下、供給空気A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
た水および未使用の酸素を含む供給空気Aは、排出ガス
である排出空気Aeとして燃料電池1のカソード極側の
出口から排出される(排出空気Aeは多量の水分を含
む)。また、アノード電極1d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
ータなどの外部負荷Mを経由してカソード電極1bに達
する。In the fuel cell 1, the supply air A flows through the cathode-side gas passage 1a,
When the supply hydrogen H is supplied to e, the hydrogen is ionized by the catalytic action at the anode electrode 1d to generate protons, and the generated protons move through the electrolyte membrane 1c and reach the cathode electrode 1b. Then, the protons that have reached the cathode electrode 1b immediately react with oxygen ions generated from oxygen of the supply air A in the presence of the catalyst to generate water. The supply air A containing the generated water and unused oxygen is discharged from the outlet on the cathode side of the fuel cell 1 as the discharge air Ae as the discharge gas (the discharge air Ae contains a large amount of moisture). The hydrogen in the anode electrode 1d electrons e when ionized - but is produced, the generated electrons e - reaches the cathode electrode 1b via the external load M such as a motor.
【0014】次に、図1に示すように、本発明に係る加
湿装置AS1は、加湿器2の他に、エアクリーナ3、コ
ンプレッサ4、第1の圧力制御手段となる圧力制御弁5
などを有している。Next, as shown in FIG. 1, in addition to the humidifier 2, the humidifier AS1 according to the present invention includes an air cleaner 3, a compressor 4, and a pressure control valve 5 serving as first pressure control means.
And so on.
【0015】加湿装置AS1においては、燃料電池1に
おける供給空気Aの流路であって、燃料電池1の上流側
に加湿器2が配置されており、加湿器2の上流側にコン
プレッサ4が配置されている。さらに、コンプレッサ4
の上流側にエアクリーナ3が配置されている。また、燃
料電池1から排出された排出空気Aeの流路であって、
燃料電池1の下流側には圧力制御弁5が配置されてお
り、圧力制御弁5の下流側に加湿器2が配置されてい
る。すなわち、圧力制御弁5は加湿器2の上流側に設け
られている。In the humidifier AS1, a humidifier 2 is disposed in the flow path of the supply air A in the fuel cell 1, upstream of the fuel cell 1, and a compressor 4 is disposed upstream of the humidifier 2. Have been. In addition, compressor 4
An air cleaner 3 is arranged upstream of the air cleaner. The flow path of the exhaust air Ae discharged from the fuel cell 1,
A pressure control valve 5 is disposed downstream of the fuel cell 1, and a humidifier 2 is disposed downstream of the pressure control valve 5. That is, the pressure control valve 5 is provided on the upstream side of the humidifier 2.
【0016】加湿器2は、エアクリーナ3より供給され
た空気を加湿して燃料電池1に供給するものである。加
湿器2としては、図3に示す中空糸膜モジュール21を
備える水透過膜型のものを用いることができる。中空糸
膜モジュール21は、ハウジング31を有しており、こ
のハウジング31の中には数千本の中空糸膜からなる中
空糸膜束32が収納されている。中空糸膜束32を構成
する中空糸膜は、中空通路を有する直径1〜2mm、長
さ数十cmの中空繊維である。また、中空糸膜は、内側
から外側に達する口径数nm(ナノメートル)の微細な
毛管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が低下して
容易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、毛管現象
により吸い出されて中空糸膜を透過する。The humidifier 2 humidifies the air supplied from the air cleaner 3 and supplies the humidified air to the fuel cell 1. As the humidifier 2, a water permeable membrane type having the hollow fiber membrane module 21 shown in FIG. 3 can be used. The hollow fiber membrane module 21 has a housing 31, in which a hollow fiber membrane bundle 32 composed of thousands of hollow fiber membranes is housed. The hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane bundle 32 is a hollow fiber having a diameter of 1 to 2 mm and a length of several tens cm having a hollow passage. Further, the hollow fiber membrane has a large number of fine capillaries having a diameter of several nanometers (nanometers) extending from the inside to the outside, and in the capillaries, the vapor pressure is reduced and moisture condensation easily occurs. The condensed water is sucked out by capillary action and passes through the hollow fiber membrane.
【0017】ハウジング31は、両端が開放された中空
円筒形状をしており、その長手方向の一端側に供給空気
をハウジング31内に導入する8個の供給空気流入口3
3,33…が周方向に離間して形成されている。ハウジ
ング31における長手方向の他端側には、供給空気の流
出口となる8個の供給空気流出口34,34…が周方向
に離間して形成されている。また、中空糸膜束32の一
端部側および他端部側は、ポッティングされてポッティ
ング部35,36が形成されている。そして、ハウジン
グ31の他端部側には排出空気Aeを流入する排出空気
流入口37が形成されており、ハウジング31の一端側
には、排出空気Aeを流出する排出空気流出口38が形
成されている。The housing 31 has a hollow cylindrical shape with both ends open, and has eight supply air inlets 3 for introducing supply air into the housing 31 at one end in the longitudinal direction.
Are formed to be spaced apart in the circumferential direction. On the other end side of the housing 31 in the longitudinal direction, eight supply air outlets 34, 34 serving as supply air outlets are formed so as to be circumferentially separated. The one end side and the other end side of the hollow fiber membrane bundle 32 are potted to form potting portions 35 and 36. The other end of the housing 31 has a discharge air inlet 37 for inflowing the discharge air Ae, and the one end of the housing 31 has a discharge air outlet 38 for discharging the discharge air Ae. ing.
【0018】この加湿器2は、2本の中空糸膜モジュー
ル21,21のほか、2本の中空糸膜モジュール21,
21を並列に接続する配管、供給空気Aの流量や湿度に
応じて2本の中空糸膜モジュールを切り替えて使用する
ための電磁弁や電磁弁コントローラなどの切替手段など
から構成される。また、加湿器2は、切替手段により、
供給空気Aの流量が少ないときは、中空糸膜モジュール
を1本のみ使用するように切替駆動され、供給空気Aの
流量が多いときは、中空糸膜モジュールを2本とも使用
するように切替駆動される。このように、切替駆動され
るのは、中空糸膜モジュールは、供給空気Aおよび排出
空気Aeの流量が少なすぎても多すぎても加湿性能が低
下するという加湿特性を有するからである。中空糸膜モ
ジュールを切り替えるタイミングなどは、図示しない流
量センサや湿度センサからの検出信号により決定され
る。The humidifier 2 includes two hollow fiber membrane modules 21 and 21 and two hollow fiber membrane modules 21 and 21.
And a switching means such as an electromagnetic valve or an electromagnetic valve controller for switching and using the two hollow fiber membrane modules according to the flow rate and humidity of the supply air A. Further, the humidifier 2 is switched by the switching means.
When the flow rate of the supply air A is small, the switching drive is performed so that only one hollow fiber membrane module is used. When the flow rate of the supply air A is large, the switching drive is performed so that both hollow fiber membrane modules are used. Is done. The switching drive is performed in this manner because the hollow fiber membrane module has the humidification characteristic that the humidification performance is reduced even if the flow rate of the supply air A and the discharge air Ae is too small or too large. The timing at which the hollow fiber membrane module is switched is determined by a detection signal from a flow rate sensor or humidity sensor (not shown).
【0019】エアクリーナ3は、図示しないフィルター
などから構成され、燃料電池1のカソード極側に供給さ
れる空気(供給空気A)をろ過して、供給空気Aに含ま
れるごみを取り除く。The air cleaner 3 includes a filter (not shown) or the like, and filters air (supply air A) supplied to the cathode of the fuel cell 1 to remove dust contained in the supply air A.
【0020】コンプレッサ4は、図示しないスーパーチ
ャージャ(容積型の圧縮機)およびこれを駆動するモー
タなどから構成され、燃料電池1で酸化剤ガスとして使
用される供給空気Aを送り出し、加湿器2に供給するも
のである。このコンプレッサ4の送出力により、供給空
気Aは加湿器2を経て燃料電池1のカソード側に送り出
され、燃料電池1を経た後は、排出空気Aeとなって圧
力制御弁5を経て加湿器2に送出される。The compressor 4 includes a supercharger (a positive displacement compressor) (not shown) and a motor for driving the supercharger. The compressor 4 sends out supply air A used as an oxidizing gas in the fuel cell 1 and sends it to the humidifier 2. Supply. The supply air A is sent to the cathode side of the fuel cell 1 through the humidifier 2 by the output power of the compressor 4, and after passing through the fuel cell 1, becomes the exhaust air Ae and passes through the pressure control valve 5 to the humidifier 2. Sent to
【0021】圧力制御弁5は、図示しないバタフライ弁
およびこれを駆動するステッピングモータなどから構成
され、燃料電池1の出口圧力を調整する。また、燃料電
池1の出口圧力を調整することにより、コンプレッサ4
の下流側から、燃料電池1を挟んで圧力制御弁5よりも
上流側の間の圧力を制御する。また、圧力制御弁5の開
度は、燃料電池1の要求圧力によって決定される。The pressure control valve 5 comprises a butterfly valve (not shown) and a stepping motor for driving the same, and adjusts the outlet pressure of the fuel cell 1. Also, by adjusting the outlet pressure of the fuel cell 1, the compressor 4
From the downstream side of the fuel cell 1 to the pressure upstream of the pressure control valve 5. The opening of the pressure control valve 5 is determined by the required pressure of the fuel cell 1.
【0022】一方、図1に示すように、水素供給装置H
Sは、水素ガスボンベ11、レギュレータ12、水素循
環ポンプ13、三方弁14などから構成される。水素ガ
スボンベ11は、図示しない高圧水素容器から構成さ
れ、燃料電池1のアノード極側に導入される供給水素H
を貯蔵する。貯蔵する供給水素Hは純水素であり、圧力
は15〜20MPaG(150〜200kg/cm2G)であ
る。なお、水素ガスボンベ11は、水素吸蔵合金を内蔵
し1MPaG(10kg/cm2G)程度の圧力で水素を貯蔵
する水素吸蔵合金タイプである場合もある。On the other hand, as shown in FIG.
S comprises a hydrogen gas cylinder 11, a regulator 12, a hydrogen circulation pump 13, a three-way valve 14, and the like. The hydrogen gas cylinder 11 is composed of a high-pressure hydrogen container (not shown), and supplies hydrogen H introduced to the anode of the fuel cell 1.
Store. The supply hydrogen H to be stored is pure hydrogen, and the pressure is 15 to 20 MPaG (150 to 200 kg / cm 2 G). The hydrogen gas cylinder 11 may be of a hydrogen storage alloy type that contains a hydrogen storage alloy and stores hydrogen at a pressure of about 1 MPaG (10 kg / cm 2 G).
【0023】レギュレータ12は、図示しないダイヤフ
ラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵され
た供給水素Hを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使
用できるようにする圧力制御弁である。このレギュレー
タ12は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧に
すると、水素ガスボンベ11に貯蔵された供給水素Hの
圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。The regulator 12 is a pressure control valve composed of a diaphragm, a pressure adjusting spring, and the like (not shown), and reduces the supply hydrogen H stored at a high pressure to a predetermined pressure so that the hydrogen can be used at a constant pressure. When the reference pressure input to the diaphragm is set to the atmospheric pressure, the regulator 12 can reduce the pressure of the supply hydrogen H stored in the hydrogen gas cylinder 11 to near the atmospheric pressure.
【0024】水素循環ポンプ13は、図示しないエジェ
クタなどから構成され、燃料電池1のアノード極側に向
かう供給水素Hの流れを利用して、燃料電池1で燃料ガ
スとして使用された後の供給水素H、つまり燃料電池1
のアノード極側から排出され三方弁14を通流する排出
水素Heを吸引し循環させる。The hydrogen circulation pump 13 is composed of an ejector (not shown) or the like, and utilizes the flow of the supply hydrogen H toward the anode of the fuel cell 1 to supply hydrogen after being used as fuel gas in the fuel cell 1. H, that is, fuel cell 1
The exhausted hydrogen He discharged from the anode electrode side and flowing through the three-way valve 14 is sucked and circulated.
【0025】次に、本発明に係る加湿装置AS1の動作
・作用について説明する。まず、加湿装置AS1におけ
る空気の流れを順に説明すると、コンプレッサ4を作動
することにより、エアクリーナ3を介して外気から供給
空気Aが吸引される。吸引された供給空気Aは、下流側
に配置された加湿器2に送出される。加湿器2において
は、図3に示す加湿器2の中空糸膜モジュール21にお
けるハウジング31の内側であって、ハウジング31内
に収納された中空糸膜束32を構成する中空糸膜の外側
を通流する。このときに、供給空気Aと、中空糸膜内を
通過する排出空気Aeとの間で水分交換が行われて、供
給空気Aが加湿される。加湿された供給空気Aは、加湿
器2から排出され、燃料電池1に供給されて発電に供さ
れる。燃料電池1は発電に伴う生成水を保有しているの
で、燃料電池1内に供給された供給空気Aは、この生成
水を吸収して加湿され、排出空気Aeとなって排出され
る。燃料電池1から排出された排出空気Aeは、加湿器
2に送出され、図3に示す中空糸膜束32を構成する中
空糸膜の内側を通流して、供給空気Aとの間での水分交
換に供される。加湿器2を出た排出空気Aeは、大気中
に放出される。Next, the operation and action of the humidifier AS1 according to the present invention will be described. First, the flow of air in the humidifier AS1 will be described in order. By operating the compressor 4, the supply air A is sucked from the outside air via the air cleaner 3. The sucked supply air A is sent to the humidifier 2 arranged on the downstream side. In the humidifier 2, the inside of the housing 31 of the hollow fiber membrane module 21 of the humidifier 2 shown in FIG. 3 and the outside of the hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane bundle 32 housed in the housing 31 pass through. Shed. At this time, moisture exchange is performed between the supply air A and the discharge air Ae passing through the hollow fiber membrane, and the supply air A is humidified. The humidified supply air A is discharged from the humidifier 2 and supplied to the fuel cell 1 to be used for power generation. Since the fuel cell 1 has generated water generated by power generation, the supply air A supplied into the fuel cell 1 absorbs the generated water, is humidified, and is discharged as exhaust air Ae. The exhaust air Ae discharged from the fuel cell 1 is sent to the humidifier 2 and flows through the inside of the hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane bundle 32 shown in FIG. Provided for exchange. The exhaust air Ae that has left the humidifier 2 is discharged into the atmosphere.
【0026】次に、図1に示す本発明に係る加湿装置A
S1は、加湿器2において、燃料電池1へ供給される供
給空気Aと、燃料電池1から排出される排出空気Aeと
を通流させ、排出空気Aeに含まれる水分を供給空気に
水分交換して、供給空気Aを加湿する。このときの作用
について説明すると、図3に示す加湿器2の中空糸膜モ
ジュール21におけるハウジング31の内側であって、
中空糸膜束32を構成する中空糸膜の外側には、コンプ
レッサ4より送出される供給空気Aが通流する。一方、
中空糸膜束32を構成する中空糸膜の内側には、圧力制
御弁5より送出された排出空気Aeが通流する。中空糸
膜を通過する排出空気Aeからは中空糸膜における毛管
現象により、水分が取り出される。取り出された水分
は、凝縮して中空糸膜内の毛管を通過し、中空糸膜の外
側に排出され、排出された水分は、供給空気Aに吸収さ
れる。このようにして、排出空気Aeと供給空気Aとの
間で水分交換が行われるとともに、供給空気Aの加湿が
なされる。Next, the humidifier A according to the present invention shown in FIG.
In S1, the humidifier 2 allows the supply air A supplied to the fuel cell 1 and the exhaust air Ae discharged from the fuel cell 1 to flow, and exchanges the moisture contained in the exhaust air Ae with the supply air. Then, the supply air A is humidified. The operation at this time will be described. The inside of the housing 31 in the hollow fiber membrane module 21 of the humidifier 2 shown in FIG.
Outside the hollow fiber membranes constituting the hollow fiber membrane bundle 32, supply air A sent from the compressor 4 flows. on the other hand,
The exhaust air Ae sent from the pressure control valve 5 flows inside the hollow fiber membranes constituting the hollow fiber membrane bundle 32. Water is extracted from the exhaust air Ae passing through the hollow fiber membrane by capillary action in the hollow fiber membrane. The extracted water is condensed, passes through the capillary in the hollow fiber membrane, is discharged to the outside of the hollow fiber membrane, and the discharged water is absorbed by the supply air A. In this way, moisture is exchanged between the discharge air Ae and the supply air A, and the supply air A is humidified.
【0027】また、加湿装置AS1においては、燃料電
池1内におけるカソード側の圧力を、アノード側の圧力
との間で均衡を保つために、圧力制御弁5によって、加
湿装置AS1を循環する供給空気Aおよび排出空気Ae
の圧力を調整する。たとえば、燃料電池1内におけるア
ノード側の圧力が40KPaGとなっている場合には、
圧力制御弁5によって燃料電池1のカソード側の圧力が
40KPaGとなるように加湿装置AS1を循環する供
給空気Aおよび排出空気Aeの圧力を調整する。In the humidifier AS1, the supply air circulating through the humidifier AS1 is controlled by the pressure control valve 5 in order to keep the pressure on the cathode side in the fuel cell 1 balanced with the pressure on the anode side. A and exhaust air Ae
Adjust pressure. For example, when the pressure on the anode side in the fuel cell 1 is 40 KPaG,
The pressure of the supply air A and the discharge air Ae circulating through the humidifier AS1 is adjusted by the pressure control valve 5 so that the pressure on the cathode side of the fuel cell 1 becomes 40 KPaG.
【0028】ここで、本発明に係る加湿装置AS1にお
いては、圧力制御弁5の下流側に加湿器2が配置され、
換言すれば、加湿器2と燃料電池1の間に圧力制御弁5
が配置されている。加湿器2と燃料電池1の間に圧力制
御弁5が配置されていることにより、加湿器2の下流側
はすぐに大気となるので、加湿器2内の圧力は低下され
る。具体的にたとえば、燃料電池1の出口圧力を40K
PaGに維持しているときには、加湿器2内の圧力は1
0KPaGとなる。したがって、加湿器2においては、
排出空気Ae内に含まれる水分が蒸発して水蒸気になり
やすく、その分水回収率を向上させることができる。Here, in the humidifier AS1 according to the present invention, the humidifier 2 is disposed downstream of the pressure control valve 5,
In other words, the pressure control valve 5 is provided between the humidifier 2 and the fuel cell 1.
Is arranged. Since the pressure control valve 5 is disposed between the humidifier 2 and the fuel cell 1, the downstream side of the humidifier 2 immediately becomes the atmosphere, so that the pressure in the humidifier 2 is reduced. Specifically, for example, the outlet pressure of the fuel cell 1 is set to 40K.
When the pressure is maintained at PaG, the pressure in the humidifier 2 becomes 1
It becomes 0 KPaG. Therefore, in the humidifier 2,
The water contained in the exhaust air Ae is likely to evaporate into water vapor, and the water collection rate can be improved.
【0029】次に、本発明の第2の実施形態について説
明する。図4は、本発明に係る加湿装置の構成図であ
る。本実施形態において、前記第1の実施形態と同一の
構成を有する部材については同一の番号を付してその説
明を省略する。また、燃料電池1のアノード極側には、
図1に示す水素供給装置HSが設けられているが、その
構成は前記第1の実施形態と同一であるので、その図示
および説明を省略する。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a configuration diagram of a humidifier according to the present invention. In the present embodiment, members having the same configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. On the anode side of the fuel cell 1,
Although the hydrogen supply device HS shown in FIG. 1 is provided, its configuration is the same as that of the first embodiment, so that illustration and description thereof will be omitted.
【0030】図4に示すように、本実施形態に係る加湿
装置AS2は、図1に示す前記第1の実施形態に係る加
湿装置AS1と同様、加湿器2、エアクリーナ3、コン
プレッサ4、第1の圧力制御手段となる第1圧力制御弁
5などを有する他に、第2の圧力制御手段となる第2圧
力制御弁6を備えている。ここで、本実施形態に用いる
第2圧力制御弁6は、第1圧力制御弁5と同一の構成を
有するものである。As shown in FIG. 4, a humidifier AS2 according to the present embodiment is similar to the humidifier AS1 according to the first embodiment shown in FIG. In addition to the first pressure control valve 5 serving as pressure control means, a second pressure control valve 6 serving as second pressure control means is provided. Here, the second pressure control valve 6 used in the present embodiment has the same configuration as the first pressure control valve 5.
【0031】加湿装置AS2においては、燃料電池1に
おける供給空気Aの上流側に加湿器2が配置されてお
り、その上流側にコンプレッサ4が配置されている。さ
らに、コンプレッサ4の上流側にエアクリーナ3が配置
されている。また、燃料電池1における排出空気Aeの
下流側には第1圧力制御弁5が配置されており、第1圧
力制御弁5の下流側に加湿器2が配置されている。そし
て、加湿器2のさらに下流側に、第2圧力制御弁6が配
置されている。In the humidifier AS2, the humidifier 2 is disposed upstream of the supply air A in the fuel cell 1, and the compressor 4 is disposed upstream thereof. Further, an air cleaner 3 is arranged upstream of the compressor 4. Further, a first pressure control valve 5 is disposed downstream of the exhaust air Ae in the fuel cell 1, and a humidifier 2 is disposed downstream of the first pressure control valve 5. Further, a second pressure control valve 6 is disposed further downstream of the humidifier 2.
【0032】本実施形態に係る加湿装置AS2において
は、前記第1の実施形態と同様の工程を経て加湿器2に
おいて供給空気Aと排出空気Aeとの間で水分交換が行
われて、供給空気Aが加湿される。このとき、前記第1
の実施形態では、1つの圧力制御弁5が設けられている
のみであったが、本実施形態では、加湿器2を挟んで2
つの圧力制御弁5,6が設けられている。また、燃料電
池1の要求ガス量は、第1圧力制御弁5で制御され、燃
料電池1の出口圧力が燃料電池の要求ガス量に応じた圧
力となるように、第1圧力制御手段5の開度が制御され
る。また、燃料電池1の要求供給ガス加湿関連量(湿度
や露点など)は第2の圧力制御弁6で制御される。とこ
ろで、燃料電池1の要求供給空気Aの湿度は、80%〜
95%の間となるように制御するのが好ましく、80%
未満のときには、燃料電池1の加湿量が低下することが
懸念される。そこで、供給空気Aの湿度が80%未満の
ときには、第1圧力制御弁5を所定開度閉めると同時に
第2圧力制御弁6を所定開度開ける。このような制御を
行うことにより、燃料電池1への供給空気Aの圧力は要
求値に制御されるとともに、第1圧力制御弁5と第2圧
力制御弁6間を下げることができる。したがって、排出
空気Aeに含まれる水分の多くを水蒸気化することがで
きるので、水回収率を増加させて、加湿器2における加
湿性能を向上させることができる。一方、湿度が95%
を超えるときには、供給空気Aは飽和状態に近い状態と
なる。燃料電池1の発電によって生成された水は、供給
空気Aの中に取り込まれていくが、供給空気Aは飽和状
態に近いので、取り込める水分量が少ない。供給空気A
に取り込まれなかった生成水は、燃料電池1のガス流路
内に溜まりガス流路を閉塞させてしまうという問題が生
じうる。そこで、供給空気Aの湿度が95%を超えると
きには、第1制御弁を所定開度開けると同時に、第2圧
力制御弁6を所定開度閉める。すると、加湿器2内の圧
力を上昇させることができ、排出空気Ae内で水蒸気化
する水分を減らすことができるので、水回収量(供給空
気Aの加湿量)を抑制することができる。In the humidifier AS2 according to the present embodiment, the moisture is exchanged between the supply air A and the discharge air Ae in the humidifier 2 through the same process as in the first embodiment, and the supply air is supplied. A is humidified. At this time, the first
In the embodiment, only one pressure control valve 5 is provided, but in the present embodiment, the pressure control valve 5 is
Two pressure control valves 5, 6 are provided. Further, the required gas amount of the fuel cell 1 is controlled by the first pressure control valve 5, and the first pressure control means 5 controls the first pressure control means 5 so that the outlet pressure of the fuel cell 1 becomes a pressure corresponding to the required gas amount of the fuel cell. The opening is controlled. The required supply gas humidification related amount (humidity, dew point, etc.) of the fuel cell 1 is controlled by the second pressure control valve 6. By the way, the required supply air A of the fuel cell 1 has a humidity of 80% to 80%.
It is preferable to control to be between 95% and 80%
When it is less than the above, there is a concern that the humidification amount of the fuel cell 1 is reduced. Therefore, when the humidity of the supply air A is less than 80%, the first pressure control valve 5 is closed at a predetermined opening and the second pressure control valve 6 is opened at a predetermined opening. By performing such control, the pressure of the supply air A to the fuel cell 1 is controlled to a required value, and the pressure between the first pressure control valve 5 and the second pressure control valve 6 can be reduced. Therefore, since much of the water contained in the exhaust air Ae can be converted to steam, the water recovery rate can be increased, and the humidification performance of the humidifier 2 can be improved. On the other hand, the humidity is 95%
Is exceeded, the supply air A is in a state close to a saturated state. The water generated by the power generation of the fuel cell 1 is taken into the supply air A. However, since the supply air A is almost saturated, the amount of water that can be taken in is small. Supply air A
The generated water that has not been taken into the fuel cell may accumulate in the gas flow path of the fuel cell 1 and block the gas flow path. Therefore, when the humidity of the supply air A exceeds 95%, the first control valve is opened at a predetermined opening and the second pressure control valve 6 is closed at a predetermined opening. Then, the pressure in the humidifier 2 can be increased and the amount of water vaporized in the exhaust air Ae can be reduced, so that the amount of water recovered (the amount of humidification of the supply air A) can be suppressed.
【0033】また、図示はしないが、前記第1の実施形
態において、圧力制御弁5を保温する保温手段を設ける
こともできる。圧力制御弁5を保温する保温手段を設け
ることにより、圧力制御弁5を介して加湿器2に供給さ
れる排出空気Aeの温度の低下が防止される。したがっ
て、加湿器2における排出空気Aeの結露を防止するこ
とができ、供給空気Aの加湿効率を向上させることがで
きる。Although not shown, in the first embodiment, a heat retaining means for keeping the pressure control valve 5 warm may be provided. By providing the heat retaining means for keeping the pressure control valve 5 warm, a decrease in the temperature of the exhaust air Ae supplied to the humidifier 2 via the pressure control valve 5 is prevented. Therefore, dew condensation of the exhaust air Ae in the humidifier 2 can be prevented, and the humidification efficiency of the supply air A can be improved.
【0034】ここで、保温手段としては、適宜公知のも
のを用いることができ、たとえば圧力制御弁5を包囲す
る保温材やヒータを用いることができる。また、燃料電
池1内で昇温させられ、たとえばおよそ80℃程度とな
った冷却水などを用いることもできる。Here, as the heat retaining means, a known means can be used as appropriate, and for example, a heat retaining material or a heater surrounding the pressure control valve 5 can be used. In addition, for example, cooling water which is heated in the fuel cell 1 and has a temperature of about 80 ° C. can be used.
【0035】以上、本発明の好適な実施形態について説
明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものでは
ない。たとえば、水素供給装置は、水素タンクから燃料
電池に水素を供給する構成としたが、メタノールなどの
液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガ
スを製造し、これを燃料電池に供給する構成としてもよ
い。また、排出水素を循環使用する・しないにかかわら
ず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。さらに
は、加湿器に用いられる水透過膜は中空糸膜に限定され
ることはない。また、コンプレッサもスーパーチャージ
ャやターボチャージャのようにタービンを回転させるも
のではなく、レシプロ式のものでもよい。他方、水素供
給装置としては、水素タンクから燃料電池に水素を供給
する構成のものを用いたが、メタノールなどの液体原燃
料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガスを製造
し、これを燃料電池に供給する構成とすることもでき
る。Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, a hydrogen supply device is configured to supply hydrogen from a hydrogen tank to a fuel cell, but a liquid raw fuel such as methanol is reformed by a reformer to produce a hydrogen-rich fuel gas, which is then converted to a fuel cell. May be supplied. In addition, the present invention may be applied to the hydrogen supply device side irrespective of whether or not the discharged hydrogen is recycled. Furthermore, the water permeable membrane used for the humidifier is not limited to a hollow fiber membrane. Also, the compressor does not rotate the turbine like a supercharger or a turbocharger, but may be a reciprocating compressor. On the other hand, a hydrogen supply device that supplies hydrogen from a hydrogen tank to a fuel cell was used, but a liquid raw fuel such as methanol was reformed by a reformer to produce a hydrogen-rich fuel gas. This may be configured to be supplied to the fuel cell.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上のとおり、本発明のうちの請求項1
に係る発明によれば、加湿器内の圧力を上げすぎること
なく燃料電池内の圧力を調整することができる。したが
って、加湿装置内における水分の結露を防止することが
でき、もって水回収率を向上させることができる。こう
して燃料電池に供給するガスの加湿効率を高めることが
できる。As described above, claim 1 of the present invention
According to the invention, the pressure in the fuel cell can be adjusted without excessively increasing the pressure in the humidifier. Therefore, dew condensation of water in the humidifier can be prevented, and the water recovery rate can be improved. Thus, the humidification efficiency of the gas supplied to the fuel cell can be increased.
【0037】また、請求項2に係る発明によれば、加湿
器の下流側に加湿器内の排出ガス圧力を制御する第2の
圧力制御手段が設けられている。このため、燃料電池の
要求圧力とは別個に加湿器内の圧力を調整することがで
きるので、供給ガスの加湿量を好適に制御することがで
きる。According to the second aspect of the present invention, the second pressure control means for controlling the exhaust gas pressure in the humidifier is provided downstream of the humidifier. For this reason, since the pressure in the humidifier can be adjusted independently of the required pressure of the fuel cell, the humidification amount of the supply gas can be suitably controlled.
【図1】本発明に係る中空糸膜モジュールを用いた燃料
電池システムの全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system using a hollow fiber membrane module according to the present invention.
【図2】燃料電池の構成を模式化した説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell.
【図3】(a)は、中空糸膜モジュールを収納した加湿
装置の斜視図、(b)はその側断面図である。FIG. 3 (a) is a perspective view of a humidifying device accommodating a hollow fiber membrane module, and FIG. 3 (b) is a side sectional view thereof.
【図4】本発明に係る加湿装置の変形例を示す構成図で
ある。FIG. 4 is a configuration diagram showing a modified example of the humidifying device according to the present invention.
【図5】従来の燃料電池の加湿装置の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional humidifier for a fuel cell.
1 燃料電池 2 加湿器 3 エアクリーナ 4 コンプレッサ 5 (第1)圧力制御弁(第1の圧力制御手段) 6 第2圧力制御弁(第2の圧力制御手段) 21 中空糸膜モジュール FCS 燃料電池システム AS1,AS2 加湿装置 HS 水素供給装置 A 供給空気 Ae 排出空気 Reference Signs List 1 fuel cell 2 humidifier 3 air cleaner 4 compressor 5 (first) pressure control valve (first pressure control means) 6 second pressure control valve (second pressure control means) 21 hollow fiber membrane module FCS fuel cell system AS1 , AS2 Humidifier HS Hydrogen supply device A Supply air Ae Discharge air
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 智洋 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 沼田 英雄 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06 KK01 KK31 MM01 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Tomohiro Tsuchiya 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama Pref. Inside Honda R & D Co., Ltd. (72) Hideo Numata 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama F-term in Honda R & D Co., Ltd. (reference) 5H026 AA06 5H027 AA06 KK01 KK31 MM01
Claims (2)
燃料電池から排出される排出ガスとを通流させ、前記排
出ガスに含まれる水分を前記供給ガスに水分交換して、
前記供給ガスを加湿する加湿器を備えた燃料電池用加湿
装置において、 前記燃料電池から排出された排出ガスの流路であって、
前記加湿器の上流側に前記燃料電池の出口圧力を制御す
る第1の圧力制御手段を設けたことを特徴とする燃料電
池用加湿装置。1. A supply gas supplied to a fuel cell and an exhaust gas discharged from the fuel cell are allowed to flow, and moisture contained in the exhaust gas is exchanged with the supply gas for moisture.
In a humidifier for a fuel cell, comprising a humidifier for humidifying the supply gas, wherein a flow path of exhaust gas discharged from the fuel cell,
A humidifier for a fuel cell, comprising a first pressure control means for controlling an outlet pressure of the fuel cell upstream of the humidifier.
器の下流側に前記加湿器内の排出ガス圧力を制御する第
2の圧力制御手段を備え、前記第1の圧力制御手段と前
記第2の圧力制御手段は前記燃料電池へ供給される供給
ガスの加湿関連量に応じて制御されることを特徴とする
請求項1に記載の燃料電池用加湿装置。2. A flow path for the exhaust gas, comprising a second pressure control means for controlling an exhaust gas pressure in the humidifier downstream of the humidifier, wherein the first pressure control means The humidifying device for a fuel cell according to claim 1, wherein the second pressure control means is controlled in accordance with a humidification-related amount of a supply gas supplied to the fuel cell.
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