JP2002075421A - Humidifier for fuel cell - Google Patents

Humidifier for fuel cell

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JP2002075421A
JP2002075421A JP2000264851A JP2000264851A JP2002075421A JP 2002075421 A JP2002075421 A JP 2002075421A JP 2000264851 A JP2000264851 A JP 2000264851A JP 2000264851 A JP2000264851 A JP 2000264851A JP 2002075421 A JP2002075421 A JP 2002075421A
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JP
Japan
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fuel cell
hollow fiber
supply air
humidifier
air
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000264851A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Numata
英雄 沼田
Toshikatsu Katagiri
敏勝 片桐
Tomohiro Tsuchiya
智洋 土屋
Seiji Tonegawa
誠治 利根川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidifier for a fuel cell enabled to suitably use from the start of the fuel cell operation without separately installing a staring humidifier. SOLUTION: A plurality of hollow thread membranes are housed in the housing 31 of a hollow thread membrane module 21 of the humidifier. A supply air A is made flow inside a housing and outside the hollow thread membrane. A cooling water W is made flow at a part of the hollow thread membranes, and an exhaust air Ae exhausted from the fuel cell is made flow at another part of the hollow thread membranes. The supply air A is humidified due to the movement of the moisture contained in the exhaust air Ae into the supply air A. At the time that the moisture contained in the exhaust air Ae is not enough, like the starting time of the fuel cell, the supply air A is humidified by the cooling water W flowing at a part of the hollow thread membranes.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【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、燃料電池電気自動車に利用される燃料
電池に用いる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 used for a fuel cell used in a fuel cell electric vehicle.

【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
の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。
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 that exchanges the moisture of the off-gas, which is the wet gas discharged from the fuel cell, with the dry gas is used. As a humidifier used for such a fuel cell, a humidifier that consumes less power is suitable. In addition, a small mounting space, that is, compactness is required. Therefore, although there are various types of humidifiers such as ultrasonic humidification, steam humidification, vaporization humidification, and nozzle injection, as a humidification device used for a fuel cell, a device using a hollow fiber membrane is suitably used. .

【0003】このような中空糸膜を用いた加湿装置とし
て、たとえば本出願人が特願2000−10971号に
おいて開示したものがある。図7に示すように、この加
湿装置は中空糸膜モジュール50を備えている。中空糸
膜モジュール50は、ハウジング51を有しており、ハ
ウジング51の内部には多数、たとえば5000本程度
の水透過性の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束52が収
納されている。また、ハウジング51の一端部側には、
複数の供給空気流入口53,53…が形成され、他端部
側にはやはり複数の供給空気排出口54,54が形成さ
れている。また、ハウジング51の他端側には、図示し
ない燃料電池から排出される排出空気流入口55が形成
され、一端側には、排出空気流出口56が形成されてい
る。供給空気流入口54から流入した供給空気Aは、ハ
ウジング51内における中空糸膜の外側を通流し、排出
空気流入口55より流入する排出空気Aeは、中空糸膜
内を通流する。そして、水分の含有量が多い排出空気A
eと水分の含有量の少ない供給空気Aとの間で水分交換
が行われ、供給空気Aを加湿するものである。
A humidifying device using such a hollow fiber membrane is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 2000-10971 by the present applicant. As shown in FIG. 7, the humidifier includes a hollow fiber membrane module 50. The hollow fiber membrane module 50 has a housing 51, in which a hollow fiber membrane bundle 52 formed by bundling a large number, for example, about 5,000 water-permeable hollow fiber membranes, is housed. Also, on one end side of the housing 51,
A plurality of supply air inlets 53 are formed, and a plurality of supply air outlets 54 are formed on the other end side. A discharge air inlet 55 for discharging a fuel cell (not shown) is formed at the other end of the housing 51, and a discharge air outlet 56 is formed at one end. The supply air A flowing from the supply air inlet 54 flows through the outside of the hollow fiber membrane in the housing 51, and the discharge air Ae flowing from the discharge air inlet 55 flows through the hollow fiber membrane. And the exhaust air A having a high moisture content
Water is exchanged between e and the supply air A having a low moisture content to humidify the supply air A.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の加
湿装置が用いられる燃料電池に供給される供給空気が乾
燥していると、それが原因で燃料電池が損傷してしまう
おそれがある。そこで、燃料電池に用いられる加湿装置
に対しては、燃料電池を使用時はもちろん、燃料電池を
始動させる際にも供給空気を好適に加湿することが要求
される。しかし、燃料電池を始動させる際には、燃料電
池には水分がないか少ないため、排出空気には十分な量
の水分が保持されていない。このため、前記従来の加湿
装置においては、始動時に供給空気を加湿しようとして
も排出空気との間で十分な水分交換を行うことができな
い。したがって従来は、始動時用の加湿装置を別に設け
ていた。ところが、この始動時用の加湿装置のために、
システム全体が大型化してしまうため、コンパクト化と
いう電気自動車における要請に反するという問題があっ
た。
Incidentally, if the supply air supplied to the fuel cell in which this type of humidifier is used is dry, the fuel cell may be damaged due to the dry air. Therefore, a humidifying device used for a fuel cell is required to suitably humidify supply air not only when the fuel cell is used but also when the fuel cell is started. However, when starting the fuel cell, the exhaust air does not hold a sufficient amount of moisture because the fuel cell has no or little moisture. For this reason, in the conventional humidifying device, even if an attempt is made to humidify the supply air at the time of starting, sufficient moisture exchange cannot be performed with the exhaust air. Therefore, conventionally, a humidifier for starting has been separately provided. However, because of this humidifier for starting,
Since the entire system becomes large, there is a problem that it is contrary to a demand for an electric vehicle to be made compact.

【0005】そこで、本発明の課題は、始動時用の加湿
装置を別途設けることなく、燃料電池の始動時から好適
に用いることができる燃料電池用加湿装置を提供するこ
とにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a humidifier for a fuel cell which can be suitably used from the start of the fuel cell without separately providing a humidifier for starting.

【0006】[0006]

【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、複数の中空糸膜をハ
ウジング内に収納し、前記ハウジングの内側でかつ中空
糸膜の外側に燃料電池へ供給される供給空気を通流させ
るとともに、前記中空糸膜の内側に燃料電池から排出さ
れる排出空気を通流させ、前記供給空気と前記排出空気
との間で水分交換を行って前記供給空気を加湿する燃料
電池用加湿装置において、前記供給空気を前記複数の中
空糸膜の外側に導入する供給空気流入口および供給空気
を排出する供給空気排出口を備えるとともに、前記排出
空気を前記複数の中空糸膜の一部の内側に導入する排出
空気流入口および排出空気を排出する排出空気排出口を
備えており、前記供給空気を加湿する加湿液を前記複数
の中空糸膜の他の部分の内側に導入する加湿液入口部と
前記加湿液を排出する加湿液出口部を備えることを特徴
とする燃料電池用加湿装置である。
Means for Solving the Problems According to the first aspect of the present invention which has solved the above problems, a plurality of hollow fiber membranes are housed in a housing, and the inside of the housing and the outside of the hollow fiber membrane are outside. The supply air supplied to the fuel cell is allowed to flow therethrough, and the exhaust air discharged from the fuel cell is caused to flow inside the hollow fiber membrane to exchange moisture between the supply air and the exhaust air. A humidifying device for a fuel cell that humidifies the supply air by providing a supply air inlet for introducing the supply air to the outside of the plurality of hollow fiber membranes and a supply air outlet for discharging the supply air. A discharge air inlet for introducing a part of the inside of the plurality of hollow fiber membranes and a discharge air outlet for discharging the discharge air, and a humidifying liquid for humidifying the supply air is supplied to the plurality of hollow fiber membranes. other A humidifying device for a fuel cell characterized by comprising a moisturizing liquid outlet portion minute humidifying liquid inlet for introducing the inside discharges the humidifying liquid.

【0007】請求項1に係る発明においては、中空糸膜
の外側を供給空気が通流するとともに、一部の中空糸膜
の内側を排出空気が通流し、他の中空糸膜の内側を加湿
液が通流する。このため、燃料電池の始動時で、排出空
気に水分が十分に含まれていない場合であっても、加湿
液から水分を得ることによって、供給空気を十分に加湿
することができる。また、中空糸膜の内側に加湿液を通
流させることにより、燃料電池の発電に伴い発生する生
成水を回収して有効利用することができるとともに、燃
料電池の始動時などの加湿不足による燃料電池の性能の
低下を防止することもできる。一方、常に中空糸膜に加
湿液を供給していると、加湿性能に優れたものとなる
が、加湿液が常に減少してしまい、時には加湿液を補充
する作業が必要となってしまう。そこで、排出空気中に
充分に水分が含まれているときや供給空気が湿度80%
となって充分に加湿されているときなどの高加湿時に
は、加湿液を中空糸膜に供給するのを停止して、排出空
気のみで加湿することにより、加湿液の減少を抑制する
こともできる。
According to the first aspect of the present invention, supply air flows outside the hollow fiber membranes, discharge air flows inside some of the hollow fiber membranes, and humidifies inside the other hollow fiber membranes. The liquid flows. Therefore, even when the exhaust air does not sufficiently contain moisture at the time of starting the fuel cell, the supply air can be sufficiently humidified by obtaining moisture from the humidifying liquid. In addition, by allowing the humidifying liquid to flow through the inside of the hollow fiber membrane, it is possible to collect and effectively use the water generated by the power generation of the fuel cell and to reduce the fuel due to insufficient humidification at the time of starting the fuel cell. It is also possible to prevent a decrease in battery performance. On the other hand, if the humidifying liquid is always supplied to the hollow fiber membrane, the humidifying performance will be excellent, but the humidifying liquid will always decrease, and sometimes an operation of replenishing the humidifying liquid will be required. Therefore, when the exhaust air contains sufficient moisture or when the supply air has a humidity of 80%
At the time of high humidification, such as when the humidification is sufficiently humidified, the supply of the humidification liquid to the hollow fiber membrane is stopped, and the humidification can be suppressed by reducing the amount of the humidification liquid by only humidifying the discharged air. .

【0008】ここで、複数の中空糸膜のうち、何本の中
空糸膜に加湿液を通流させるかは適宜決定することがで
きるが、たとえばおよそ5000本の中空糸膜に対して
およそ500本の中空糸膜に加湿液を通流させることが
できる。
Here, among the plurality of hollow fiber membranes, the number of hollow fiber membranes through which the humidifying liquid flows can be appropriately determined. The humidifying liquid can be passed through the hollow fiber membrane of the book.

【0009】請求項2に係る発明は、前記加湿液は、前
記燃料電池の冷却水であ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。
The invention according to claim 2 is the humidifying device for a fuel cell according to claim 1, wherein the humidifying liquid is cooling water for the fuel cell.

【0010】請求項2に係る発明においては、加湿液と
して燃料電池を冷却する冷却水を加湿液として用いてい
る。このため、加湿液をを貯溜させておくタンクなどを
別途設ける必要がないので、加湿装置を含めた燃料電池
全体のコンパクト化に寄与することができる。また、冷
却水を中空糸膜加湿器に通流させることで、燃料電池の
発電熱で暖まった冷却水を冷却できるので、その分冷却
水を冷却するためのラジエータの小型化を図ることがで
きる。さらに、冷却水を冷却すると同時に加湿器を暖め
ることができる。このため、加湿器に供給される供給空
気を温めることができるので、供給空気中に含める水分
量を増やすことができる。さらに、排出空気を暖めるこ
ともできるので、排出空気中の凝縮した水分を気化する
ことができ、加湿器の加湿性能が向上するとともに、水
回収量も増大する。
In the invention according to claim 2, cooling water for cooling the fuel cell is used as the humidifying liquid. Therefore, there is no need to separately provide a tank or the like for storing the humidifying liquid, thereby contributing to downsizing of the entire fuel cell including the humidifying device. Further, by flowing the cooling water through the hollow fiber membrane humidifier, the cooling water warmed by the heat generated by the fuel cell can be cooled, so that the size of the radiator for cooling the cooling water can be reduced accordingly. . Further, the humidifier can be warmed while cooling the cooling water. For this reason, the supply air supplied to the humidifier can be warmed, so that the amount of moisture contained in the supply air can be increased. Further, since the discharged air can be heated, the condensed water in the discharged air can be vaporized, and the humidifying performance of the humidifier is improved, and the amount of recovered water is also increased.

【0011】請求項3に係る発明は、前記複数の中空糸
膜が束ねられて中空糸膜束が形成されており、前記中空
糸膜束における中央部に配設された中空糸膜を、前記加
湿液が通流する加湿液用中空糸膜としたことを特徴とす
る請求項1または請求項2に記載の燃料電池用加湿装置
である。
According to a third aspect of the present invention, the hollow fiber membrane bundle is formed by bundling the plurality of hollow fiber membranes, and the hollow fiber membrane provided at the center of the hollow fiber membrane bundle is The fuel cell humidifier according to claim 1 or 2, wherein the humidifier is a hollow fiber membrane for a humidifier through which the humidifier flows.

【0012】請求項3に係る発明においては、中空糸膜
束の中央部に通水用中空糸膜が配設されている。供給空
気に対する加湿効率は、中空糸膜に排出空気を通流させ
る場合よりも、加湿液を通流させた方が優れたものとな
る。したがって、加湿効率を優れたものとする通水用中
空糸膜を中央部に配設することにより、中空糸膜束全体
にわたって効率よく供給空気を加湿することができる。
In the invention according to claim 3, a hollow fiber membrane for water passage is provided at the center of the hollow fiber membrane bundle. The humidification efficiency with respect to the supply air is better when the humidification liquid is passed than when the discharge air is passed through the hollow fiber membrane. Therefore, by arranging the hollow fiber membrane for water passage having an excellent humidification efficiency at the center, the supply air can be efficiently humidified over the entire hollow fiber membrane bundle.

【0013】請求項4に係る発明は、前記加湿液用中空
糸膜に対する前記加湿液の供給量を制御する流量制御手
段を備え、前記流量制御手段は前記燃料電池への供給空
気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から請求項3のうちのいずれか1項に記載の燃料
電池用加湿装置である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a flow rate controlling means for controlling a supply amount of the humidifying liquid to the humidifying liquid hollow fiber membrane, wherein the flow rate controlling means is a humidification-related amount of air supplied to the fuel cell. The humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the humidifying device is controlled according to the following.

【0014】請求項4に係る発明によれば、前記加湿液
用中空糸膜に対する前記加湿液の供給量を制御する流量
制御手段を備え、前記流量制御手段は前記燃料電池への
供給空気の加湿関連量に応じて制御される。このため、
燃料電池を急速に始動することができるとともに、燃料
電池に供給される供給空気を所定の好適な範囲の湿度、
たとえば80〜95%の間に保つことができる。ここ
で、供給空気の湿度が80%未満では燃料電池の膜に対
して加湿不足の状態となり、膜が乾燥して損傷してしま
う可能性があり好ましくない。逆に、供給空気の湿度が
95%を超えると、供給空気は飽和状態に近い状態とな
り、燃料電池の発電によって生成された水は、供給空気
の中に取り込まれていくが、供給空気は飽和状態に近い
ので、取り込める水分量が少ないため、供給空気に取り
込まれなかった生成水が、燃料電池のガス流路内に溜ま
りガス流路を閉塞させてしまう恐れがあるため、好まし
くない。なお、ここでいう「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 a fourth aspect of the present invention, there is provided a flow rate controlling means for controlling a supply amount of the humidifying liquid to the humidifying liquid hollow fiber membrane, wherein the flow rate controlling means humidifies the supply air to the fuel cell. It is controlled according to the related quantity. For this reason,
The fuel cell can be started quickly, and the supply air supplied to the fuel cell is adjusted to a predetermined suitable range of humidity,
For example, it can be kept between 80 and 95%. Here, if the humidity of the supply air is less than 80%, humidification of the fuel cell membrane may be insufficient, and the membrane may be dried and damaged, which is not preferable. Conversely, when the humidity of the supply air exceeds 95%, the supply air is close to a saturated state, and water generated by power generation by the fuel cell is taken into the supply air, but the supply air is saturated. Since it is close to the state, the amount of water that can be taken in is small, and thus the generated water that has not been taken into the supply air may accumulate in the gas flow path of the fuel cell and block the gas flow path, which is not preferable. Here, the “humidification-related amount of the supplied gas” indicates the humidity and dew point of the supplied gas.

【0015】[0015]

【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。図1は第1実施形
態の燃料電池用加湿装置を含む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、空気供給装置AS、および水素供給装置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。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system including a humidifier for a fuel cell according to a first embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell. The fuel cell system FCS shown in FIG. 1 is a power generation system including the fuel cell 1, an air supply device AS, a hydrogen supply device HS, and the like as a core.

【0016】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.

【0017】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1
d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
空気供給装置ASに接続され、アノード極側ガス通路1
e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を冷却水によ
り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 electrode side gas passage 1a through which supply air A as an oxidant gas flows through the cathode electrode 1b.
Outside the electrode d, an anode electrode-side gas passage 1e through which the 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 the air supply device AS, and the anode-side gas passage 1a is connected to the air supply device AS.
The inlet and outlet of e are connected to a hydrogen supply device HS. The configuration of the fuel cell 1 in FIG. 2 is schematically illustrated as one single cell, but the actual fuel cell 1 is configured as a stacked body in which about 200 single cells are stacked. . In addition, the fuel cell 1 has a cooling device (not shown) that cools the fuel cell 1 with cooling water because heat is generated by an electrochemical reaction during power generation.

【0018】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 this fuel cell 1, the supply air A is passed through the cathode-side gas passage 1a, and the anode-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 (the discharge air Ae contains a large amount of water). 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.

【0019】次に、加湿装置ASは、図1および図3に
示すように、本発明に係る燃料電池用加湿装置である加
湿器2を有しているとともに、エアクリーナ3、コンプ
レッサ4、圧力制御弁5を有しており、これらの間を供
給空気および排出空気が循環している。また、加湿器2
から排出された供給空気Aの温度およびを湿度をそれぞ
れ検出するための温度センサTおよび湿度センサHが設
けられている。一方、図3に示すように、加湿装置AS
は、ヒータ7、開閉弁8、およびポンプ9をも備えてお
り、水循環系を構成している。これらと加湿器2および
燃料電池1の間を本発明の加湿液となる燃料電池1の冷
却水が循環している。なお、コンプレッサ4、圧力制御
弁5、ヒータ7、開閉弁8、およびポンプ9に対して制
御装置6から適宜の信号が出力される。
Next, as shown in FIGS. 1 and 3, the humidifier AS has a humidifier 2 which is a humidifier for a fuel cell according to the present invention, an air cleaner 3, a compressor 4, and a pressure control device. It has a valve 5, between which supply air and exhaust air circulate. Humidifier 2
A temperature sensor T and a humidity sensor H are provided for detecting the temperature and humidity of the supply air A discharged from the air conditioner, respectively. On the other hand, as shown in FIG.
Is also provided with a heater 7, an on-off valve 8, and a pump 9, and constitutes a water circulation system. Between these, the humidifier 2 and the fuel cell 1, the cooling water of the fuel cell 1 serving as the humidifying liquid of the present invention circulates. In addition, an appropriate signal is output from the control device 6 to the compressor 4, the pressure control valve 5, the heater 7, the on-off valve 8, and the pump 9.

【0020】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、中空糸膜モジュールを2本並列または
直列に配置されている水透過膜型のものを用いることが
できる。図4(a)に示すように、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の中にはおよそ5000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 in which two hollow fiber membrane modules are arranged in parallel or in series can be used. As shown in FIG. 4A, the hollow fiber membrane module 21 has a housing 31, in which a hollow fiber membrane bundle 32 composed of approximately 5000 hollow fiber membranes is housed. I have. 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.

【0021】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.

【0022】さらに、図5に模式的に示すように、中空
糸膜束32は、複数の中空糸膜を束ねて形成されてい
る。これらの中空糸膜は、排出空気Aeを通流させる通
気用中空糸膜32a,32a…および冷却水を通流させ
るための加湿液用中空糸膜32b,32b…によって構
成されている。本実施形態においては、中空糸膜束32
を構成する中空糸膜がおよそ5000本であるうち、加
湿液用中空糸膜32b,32b…がおよそ500本とさ
れている。
Further, as schematically shown in FIG. 5, the hollow fiber membrane bundle 32 is formed by bundling a plurality of hollow fiber membranes. These hollow fiber membranes are constituted by hollow fiber membranes 32a, 32a,... For ventilation, through which the exhaust air Ae flows, and hollow fiber membranes 32b, 32b,. In the present embodiment, the hollow fiber membrane bundle 32
Are about 5,000 hollow fiber membranes, and about 500 hollow fiber membranes for humidifying liquid 32b are provided.

【0023】また、図4(b)に示すように、ハウジン
グ31の一端側に形成された供給空気流入口33,33
…からは供給空気Aが流入する。ハウジング31に流入
した供給空気Aは、ハウジング31内における中空糸膜
の外側に導入され、中空糸膜の外側を通流する。それか
ら、ハウジング31の他端側に形成された供給空気排出
口34,34…から排出される。また、ハウジング31
の他端側には排出空気流入口37が形成されているとと
もに、その中央部には、冷却液Wが導入される加湿液入
口部37aが形成されている。排出空気流入口37から
導入された排出空気Aeは、図5に示す通気用中空糸膜
32a,32a…内に導入され、通気用中空糸膜32
a,32a…内を通流する。ハウジング31内における
通気用中空糸膜32a,32a…を通流した排出空気A
eは、ハウジング31の一端部に形成された排出空気流
出口38から排出される。一方、加湿液入口部37aか
らハウジング31内に導入された冷却水Wは、加湿液用
中空糸膜32b,32b…内に導入され、加湿液用中空
糸膜32b,32b…内を通流する。ハウジング31内
における加湿液用中空糸膜32b,32b…を通流した
排出空気Aeおよび冷却水Wは、排出空気流出口38の
中央部に形成された加湿液出口部38aから排出され
る。
As shown in FIG. 4B, supply air inlets 33, 33 formed at one end of the housing 31 are provided.
… Supply air A flows in from. The supply air A flowing into the housing 31 is introduced to the outside of the hollow fiber membrane in the housing 31 and flows through the outside of the hollow fiber membrane. Then, the air is discharged from supply air discharge ports 34 formed on the other end side of the housing 31. Also, the housing 31
A discharge air inlet 37 is formed at the other end of the humidifier, and a humidifying liquid inlet 37a into which the cooling liquid W is introduced is formed at the center. The exhaust air Ae introduced from the exhaust air inlet 37 is introduced into the ventilation hollow fiber membranes 32a shown in FIG.
a, 32a... Exhaust air A flowing through the hollow fiber membranes 32a for ventilation in the housing 31
e is discharged from a discharge air outlet 38 formed at one end of the housing 31. On the other hand, the cooling water W introduced into the housing 31 from the humidifying liquid inlet 37a is introduced into the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, 32b, and flows through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, 32b. . The discharged air Ae and the cooling water W flowing through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b in the housing 31 are discharged from a humidifying liquid outlet 38a formed at the center of the discharged air outlet 38.

【0024】この加湿器2は、2本の中空糸膜モジュー
ル21のほか、2本の中空糸膜モジュール21,21を
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を有する。
The humidifier 2 includes two hollow fiber membrane modules 21, a pipe for connecting the two hollow fiber membrane modules 21 and 21, and two hollow fiber membranes according to the flow rate and humidity of the supply air A. It has switching means such as an electromagnetic valve and an electromagnetic valve controller for switching and using the membrane module.

【0025】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。モジュール切替手段お
よび冷却水−排出空気切替手段を駆動するタイミングな
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、あるいは温度センサTからの温度検出信号に基づい
て制御装置6において決定する。
The humidifier 2 is supplied with the supply air A 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, and 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. 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 for driving the module switching means and the cooling water / discharge air switching means is determined by the control device 6 based on a detection signal from a flow rate sensor or a humidity sensor (not shown) or a temperature detection signal from the temperature sensor T.

【0026】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 is composed of a filter (not shown) or the like, and filters air (supply air A) supplied to the cathode side of the fuel cell 1 to remove dust contained in the supply air A.

【0027】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 is composed of 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 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

【0028】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、コンプレッサ4から吐出される排出空気Aeの圧
力(吐出圧)を圧力制御弁5の開度を減少・増加するこ
とにより制御する。
The pressure control valve 5 includes a butterfly valve (not shown) and a stepping motor for driving the same, and reduces the pressure (discharge pressure) of the exhaust air Ae discharged from the compressor 4 to reduce the opening of the pressure control valve 5.・ Control by increasing.

【0029】温度センサTは、サーミスタなどから構成
され、加湿器2から供給された燃料電池1のカソード極
側の入口における供給空気Aの温度を検出し、検出信号
を制御装置6に送信する。また、湿度センサHは、高分
子膜系の湿度センサなどから構成され、燃料電池1のカ
ソード極側入口における供給空気Aの湿度を検出し、検
出信号を制御装置6に送信する。
The temperature sensor T comprises a thermistor or the like, detects the temperature of the supply air A supplied from the humidifier 2 at the inlet of the fuel cell 1 on the cathode side, and transmits a detection signal to the control device 6. The humidity sensor H is composed of a polymer film type humidity sensor or the like, detects the humidity of the supply air A at the cathode electrode side entrance of the fuel cell 1, and transmits a detection signal to the control device 6.

【0030】ヒータ7は、燃料電池1から排出された冷
却水Wを加湿器2に供給する前に加熱するものであり、
加熱器などによって構成される。このヒータ7は、始動
時に燃料電池1の暖気を迅速に行う役割をも有するもの
である。また、開閉弁8は、加湿器2への冷却水Wの流
路を開閉するためのものである。この開閉弁8を開くこ
とによって、加湿液用中空糸膜32b,32b…に冷却
水Wが通流し、開閉弁8を閉じることにより、加湿液用
中空糸膜32b,32b…には何も流れない状態とな
る。さらに、ポンプ9は、加湿器2に対して燃料電池1
からの冷却水Wを供給する際に作動するものである。
The heater 7 heats the cooling water W discharged from the fuel cell 1 before supplying it to the humidifier 2.
It is composed of a heater and the like. The heater 7 also has a role of quickly warming up the fuel cell 1 at the time of starting. The on-off valve 8 is for opening and closing the flow path of the cooling water W to the humidifier 2. By opening the on-off valve 8, the cooling water W flows through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, and by closing the on-off valve 8, nothing flows through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, 32b. There is no state. Further, the pump 9 is connected to the fuel cell 1
It operates when supplying the cooling water W from.

【0031】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。
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.

【0032】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15〜20MPe(150〜200
kg/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1MPe(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。
The hydrogen gas cylinder 11 is composed of a high-pressure hydrogen container (not shown), and stores the supply hydrogen H introduced to the anode side of the fuel cell 1. The supply hydrogen H to be stored is pure hydrogen, and the pressure is 15 to 20 MPa (150 to 200 MPa).
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 MPa (10 kg / cm 2 G).

【0033】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, for reducing the supply hydrogen H stored at a high pressure to a predetermined pressure so that it 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.

【0034】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 circulating pump 13 is composed of an ejector (not shown) and the like, and utilizes the flow of the supply hydrogen H toward the anode electrode side 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.

【0035】三方弁14は、図示しない流路切替器から
構成され、排出水素Heの流路を切り替えて、排出位
置、循環位置にする。三方弁14を排出位置にした場合
には、排出水素Heは水素供給装置HSの系外に排出さ
れる。また、三方弁14を循環位置にした場合には、排
出水素Heは水素循環ポンプ13に導かれる。
The three-way valve 14 is composed of a flow path switch (not shown), and switches the flow path of the discharged hydrogen He to the discharge position and the circulation position. When the three-way valve 14 is at the discharge position, the discharged hydrogen He is discharged outside the system of the hydrogen supply device HS. When the three-way valve 14 is set at the circulation position, the discharged hydrogen He is guided to the hydrogen circulation pump 13.

【0036】また、制御装置6は、図示しないCPU、
メモリ、入出力インタフェイス、A/D変換器、および
バスなどから構成され、燃料電池システムFCSを統括
的に制御すると共に、燃料電池1に供給する供給空気A
の流量、温度、湿度を制御する。制御装置6は、前記の
通り温度センサTからの検出信号を受信する。また、制
御装置6は、図1に示すように、コンプレッサ4、圧力
制御弁5に対する制御信号を送信する。さらには、図3
に示すように、ヒータ7、開閉弁8、およびポンプ9に
対しても制御信号を送信する。
The control device 6 includes a CPU (not shown),
The system includes a memory, an input / output interface, an A / D converter, a bus, and the like, controls the fuel cell system FCS in an integrated manner, and supplies supply air A supplied to the fuel cell 1.
To control the flow rate, temperature and humidity. The control device 6 receives the detection signal from the temperature sensor T as described above. Further, the control device 6 transmits control signals to the compressor 4 and the pressure control valve 5 as shown in FIG. Furthermore, FIG.
As shown in (1), the control signal is also transmitted to the heater 7, the on-off valve 8, and the pump 9.

【0037】次に、本発明に係る加湿装置の動作・作用
について説明する。まず、加湿装置AS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4
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、加湿液用中空糸膜32b,32b…に
冷却水Wを通流させると、通気用中空糸膜32a,32
a…内を通流する排出空気Aeと供給空気Aとの間で水
分交換が行われて、供給空気Aが加湿されるのと同時
に、加湿液用中空糸膜32b,32b…内を通流する冷
却水Wから供給空気Aに対して水分が供給される。ま
た、加湿液用中空糸膜32b,32b…に冷却水Wを通
流させない場合には、供給空気Aと排出空気Aeとの間
でのみ水分交換が行われる。
Next, the operation and action of the humidifier according to the present invention will be described. First, the flow of air in the humidifier AS will be described in order. When the compressor 4 is operated, 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, FIG.
Flows through the inside of the housing 31 of the hollow fiber membrane module 21 of the humidifier 2 shown in FIG. 2 and the outside of the hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane bundle 32 housed in the housing 31. At this time, when the cooling water W is passed through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, 32b,.
a ... Water exchange is performed between the discharge air Ae flowing through the inside and the supply air A, and the supply air A is humidified, and at the same time, flows through the humidification liquid hollow fiber membranes 32b. Water is supplied from the cooling water W to the supply air A. When the cooling water W is not allowed to flow through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, moisture exchange is performed only between the supply air A and the discharge air Ae.

【0038】いま、加湿液用中空糸膜32bに冷却水W
を通流させた場合と通流させない場合とを比較すると、
冷却水Wを通流させた場合の方が供給空気Aを高い割合
で加湿することができる。したがって、燃料電池1の作
動中、供給空気Aに対しての加湿量を増加させたい場合
には、加湿液用中空糸膜32b,32b…に対して冷却
水Wを通流させればよい。また、供給空気Aに対する加
湿量が過多となるような場合や、冷却水Wが不足する場
合には、加湿液用中空糸膜32b,32b…に対して冷
却水Wを流さないようにすることができる。
Now, the cooling water W is applied to the humidifying liquid hollow fiber membrane 32b.
Comparing the case of passing through and the case of not passing,
When the cooling water W flows, the supply air A can be humidified at a higher rate. Therefore, when it is desired to increase the amount of humidification with respect to the supply air A during the operation of the fuel cell 1, the cooling water W may be passed through the humidification liquid hollow fiber membranes 32b. When the amount of humidification with respect to the supply air A is excessive or when the cooling water W is insufficient, the cooling water W should not be supplied to the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b. Can be.

【0039】あるいは、燃料電池1を始動させるときに
は、排出空気Aeは十分に加湿されていないので、加湿
液用中空糸膜32b,32b…に対して冷却水Wを通流
させればよい。加湿液用中空糸膜32b,32b…に対
して冷却水Wを通流させることにより、燃料電池1に対
してその始動時から十分に加湿された供給空気Aを供給
することができる。
Alternatively, when starting the fuel cell 1, since the exhaust air Ae is not sufficiently humidified, the cooling water W may be passed through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b. By supplying the cooling water W to the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, the supply air A sufficiently humidified from the start of the fuel cell 1 can be supplied to the fuel cell 1.

【0040】冷却水Wを加湿器2に供給する場合には、
図3に示す開閉弁8を開くとともにポンプ9を駆動させ
る。開閉弁8を閉じた状態では、燃料電池1から冷却水
Wが取り出されることはなく、また、加湿器2に対して
冷却水Wが供給されることもない。ここから、開閉弁8
を開くとともにポンプ9を駆動させることにより、燃料
電池1より排出される冷却水Wを取り出し、ヒータ7を
介して加湿器2に供給することができる。
When supplying the cooling water W to the humidifier 2,
The on-off valve 8 shown in FIG. 3 is opened and the pump 9 is driven. When the on-off valve 8 is closed, the cooling water W is not taken out of the fuel cell 1, and the cooling water W is not supplied to the humidifier 2. From here, on-off valve 8
And by driving the pump 9, the cooling water W discharged from the fuel cell 1 can be taken out and supplied to the humidifier 2 via the heater 7.

【0041】また、燃料電池1の始動時には、冷却水W
が暖まっていない。このため、加湿器2に冷却水Wを供
給したとしても、冷えた冷却水Wでは供給空気Aの加湿
効率が低い。そこで、燃料電池1の始動時など、冷却水
Wが冷えた状態にあるときには、ヒータ7を作動させて
冷却水Wを暖める。冷却水Wを暖めることによって、加
湿器2における加湿効率を高めることができる。その
後、燃料電池1の温度が上昇して冷却水Wが暖まった
ら、ヒータ7を停止させることによってエネルギのロス
を低減することができる。冷却水Wが暖まっているか否
かは、供給空気Aの温度を温度センサTで測定すること
によって検出される。
When the fuel cell 1 is started, the cooling water W
Is not warm. For this reason, even if the cooling water W is supplied to the humidifier 2, the humidifying efficiency of the supply air A is low with the cooled cooling water W. Therefore, when the cooling water W is in a cold state, such as when the fuel cell 1 is started, the heater 7 is operated to warm the cooling water W. The humidification efficiency in the humidifier 2 can be increased by warming the cooling water W. Thereafter, when the temperature of the fuel cell 1 rises and the cooling water W is warmed, the loss of energy can be reduced by stopping the heater 7. Whether or not the cooling water W is warmed is detected by measuring the temperature of the supply air A with the temperature sensor T.

【0042】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4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。
The humidified supply air A is discharged from the humidifier 2 and supplied to the fuel cell 1 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 out 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.

【0043】続いて、図1に示す加湿装置AS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4に示す加湿器2の中空糸膜モジュール2
1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。
Subsequently, the humidifier AS shown in FIG. 1 includes a humidifier 2 for supplying air A supplied to the fuel cell 1,
Flow through the exhaust air Ae discharged from the fuel cell 1;
The supply air is humidified by exchanging the water contained in the discharge air Ae with the supply air. The operation at this time will be described. The hollow fiber membrane module 2 of the humidifier 2 shown in FIG.
The supply air A sent from the compressor 4 flows inside the housing 31 in FIG. 1 and outside the hollow fiber membranes constituting the hollow fiber membrane bundle 32. 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.

【0044】続いて、本実施形態に係る加湿装置ASに
よって、燃料電池1の始動時に供給空気Aを加湿する手
順について、図6を参照して説明する。図6は、本発明
に係る加湿装置ASによって燃料電池1の始動時に供給
空気Aを加湿する手順を示すフローチャートである。
Next, a procedure for humidifying the supply air A at the time of starting the fuel cell 1 by the humidifier AS according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for humidifying the supply air A when the fuel cell 1 is started by the humidifier AS according to the present invention.

【0045】まず、制御が開始し、制御装置6が燃料電
池(FC)1の始動を感知すると(S1)、開閉弁8を
開くとともに、ポンプ9を作動させる(S2)。ただ
し、この時点では燃料電池1における発電は開始されて
いない。開閉弁8を開き、ポンプ9を作動させたら、加
湿器2の中空糸膜モジュール21に収納された中空糸膜
のうちの加湿液用中空糸膜32b,32b…に冷却水W
が通流する。その一方、コンプレッサ(S/C)4を作
動させて、加湿器2に対して供給空気Aを供給する(S
3)。加湿器2に対する供給空気Aの供給が開始された
ら、温度センサTによって、加湿器2から排出される供
給空気Aの温度を測定し、検出信号を制御装置6に出力
する。
First, when the control is started and the control device 6 detects the start of the fuel cell (FC) 1 (S1), the on-off valve 8 is opened and the pump 9 is operated (S2). However, at this time, power generation in the fuel cell 1 has not been started. When the on-off valve 8 is opened and the pump 9 is operated, the cooling water W is supplied to the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b among the hollow fiber membranes stored in the hollow fiber membrane module 21 of the humidifier 2.
Flows through. On the other hand, the compressor (S / C) 4 is operated to supply the supply air A to the humidifier 2 (S
3). When the supply of the supply air A to the humidifier 2 is started, the temperature of the supply air A discharged from the humidifier 2 is measured by the temperature sensor T, and a detection signal is output to the control device 6.

【0046】制御装置6においては、出力された検出信
号に基づいて、供給空気Aの温度tが60℃を超えるか
否かを判断する(S4)。その結果、供給空気Aの温度
が60℃以下である場合にはヒータ7をONし(S
5)、60℃を超えるまで温度検出を行う。また、供給
空気Aの温度tが60℃を超えたら、湿度センサHによ
って供給空気Aの湿度hを測定し、その検出信号を制御
装置6に出力する。制御装置6においては、出力された
検出信号に基づいて、供給空気Aの湿度hが80%を超
えたか否かを判断する(S5)。その結果、湿度hが8
0%以下の場合には、80%を超えるまで湿度検出を行
う。そして、供給空気Aの湿度hが80%を超えた時点
で、燃料電池1による発電を開始する(S7)。ここ
で、湿度hが80%以下のときには発電を開始しないの
は、供給空気Aが十分に加湿されていないため、この状
態で発電を開始すると、燃料電池1を乾燥させてしま
い、燃料電池1の損傷を招くからである。
The control unit 6 determines whether the temperature t of the supply air A exceeds 60 ° C. based on the output detection signal (S4). As a result, when the temperature of the supply air A is 60 ° C. or less, the heater 7 is turned on (S
5) Perform temperature detection until the temperature exceeds 60 ° C. When the temperature t of the supply air A exceeds 60 ° C., the humidity h of the supply air A is measured by the humidity sensor H, and the detection signal is output to the control device 6. The control device 6 determines whether or not the humidity h of the supply air A has exceeded 80% based on the output detection signal (S5). As a result, the humidity h is 8
If it is 0% or less, humidity detection is performed until it exceeds 80%. Then, when the humidity h of the supply air A exceeds 80%, the power generation by the fuel cell 1 is started (S7). Here, the reason why the power generation is not started when the humidity h is 80% or less is that the supply air A is not sufficiently humidified. Therefore, when the power generation is started in this state, the fuel cell 1 is dried, and the fuel cell 1 is dried. This is because of the damages.

【0047】供給空気Aが十分に加湿されて、湿度hが
80%以上となり、燃料電池1によって発電が開始され
たら、ヒータ7がONとなっているか否かを検出する
(S8)。その結果、ヒータ7がONとなっていたら、
ヒータをOFFする(S9)。そして、ヒータ7がOF
Fとなったら、開閉弁8を閉じて加湿液用中空糸膜32
b,32b…に対する冷却水Wの供給を停止させる(S
10)。燃料電池1の発電が開始したら、燃料電池1か
ら排出される排出空気Aeによって、供給空気Aを十分
に加湿することができるからである。なお、ポンプ9は
燃料電池1の停止時に停止させる。
When the supply air A is sufficiently humidified and the humidity h becomes 80% or more and power generation is started by the fuel cell 1, it is detected whether or not the heater 7 is turned on (S8). As a result, if the heater 7 is ON,
The heater is turned off (S9). Then, the heater 7 is turned off.
F, the on-off valve 8 is closed and the humidifying liquid hollow fiber membrane 32 is closed.
b, 32b... is stopped (S
10). This is because when the power generation of the fuel cell 1 starts, the supply air A can be sufficiently humidified by the exhaust air Ae discharged from the fuel cell 1. The pump 9 is stopped when the fuel cell 1 is stopped.

【0048】こうして、燃料電池1の始動時における加
湿装置ASによる供給空気Aの加湿動作が停止する。燃
料電池1が作動した後は、燃料電池1からの排出空気A
eと供給空気Aとの間で水分交換を行うことによって、
供給空気Aを加湿することができる。
Thus, the humidifying operation of the supply air A by the humidifying device AS at the time of starting the fuel cell 1 is stopped. After the operation of the fuel cell 1, the air A discharged from the fuel cell 1
By performing a moisture exchange between e and the supply air A,
The supply air A can be humidified.

【0049】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、燃料電池1によって発電を行っている
最中に、湿度センサHによって、供給空気Aの湿度を検
出し、供給空気Aの湿度が所定の湿度以下となるまで低
くなったら加湿液用中空糸膜32b,32b…に冷却水
Wを供給する態様とすることもできる。また、前記実施
形態では、加湿液用中空糸膜32b,32b…に冷却水
Wを通流させないときには、何も通流させないこととし
たが、たとえば冷却水Wの代わりに、排出空気Aeを通
流させる態様とすることもできる。この場合には、加湿
液用中空糸膜32b,32b…は、冷却水Wなどの加湿
液と排出空気Aeのいずれを流すかを切り替え可能とさ
れる。
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, while power is being generated by the fuel cell 1, the humidity of the supply air A is detected by the humidity sensor H, and when the humidity of the supply air A becomes lower than a predetermined humidity, the hollow fiber for humidifying liquid is used. The cooling water W may be supplied to the membranes 32b. In the above embodiment, when the cooling water W is not allowed to flow through the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, 32b, nothing is allowed to flow. It is also possible to adopt a mode of flowing. In this case, the humidifying liquid hollow fiber membranes 32b, 32b... Can switch between the humidifying liquid such as the cooling water W and the discharged air Ae.

【0050】さらには、加湿液として燃料電池1を冷却
する冷却水Wを用いたが、供給空気Aを加湿するための
水またはそれ以外の液体を用いることもできる。他方、
中空糸膜束32における中央部に加湿液用中空糸膜32
b,32b…を設定したが、中央部に限らず、外周部に
近い位置に設定してもよい。また、加湿液用中空糸膜3
2b,32b…は中空糸膜全体のおよそ10%の量とさ
れているが、たとえば、20%、30%など、適宜の量
に設定することもできる。さらに、燃料電池1の始動時
に供給空気Aを好適に加湿するために、ヒータ7を設け
ているが、ヒータを設けない態様とすることもできる。
Further, although the cooling water W for cooling the fuel cell 1 is used as the humidifying liquid, water for humidifying the supply air A or other liquids may be used. On the other hand,
The hollow fiber membrane 32 for humidifying liquid is provided at the center of the hollow fiber membrane bundle 32.
Although b, 32b,... are set, they may be set not only at the center but also at positions near the outer periphery. In addition, the hollow fiber membrane 3 for humidifying liquid is used.
2b, 32b... Is about 10% of the entire hollow fiber membrane, but may be set to an appropriate amount such as, for example, 20% or 30%. Further, although the heater 7 is provided to suitably humidify the supply air A when the fuel cell 1 is started, a mode without the heater may be adopted.

【0051】また、燃料電池1の冷却水の水量を検知す
る水量検知手段を設け、冷却水の量が少なくなってしま
ったときには、燃料電池から排出される排出空気中に水
分を補給する構成とすることもできる。このような構成
とすることにより、従来排出されていた燃料電池の生成
水を有効利用することができるとともに、冷却水の不足
による燃料電池の性能の低下を防止することができる。
Further, a water amount detecting means for detecting the amount of cooling water of the fuel cell 1 is provided, and when the amount of cooling water becomes small, water is supplied to the exhaust air discharged from the fuel cell. You can also. With such a configuration, it is possible to effectively use the water generated by the fuel cell that has been conventionally discharged, and to prevent a decrease in the performance of the fuel cell due to a shortage of the cooling water.

【0052】[0052]

【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、燃料電池の始動時で、排出空気に
水分が十分に含まれていない場合であっても、供給空気
を十分に加湿することができる。したがって、始動時用
の加湿装置を別途設けることなく、燃料電池の始動時か
ら好適に用いることができる。
As described above, claim 1 of the present invention
According to the invention, the supply air can be sufficiently humidified even when the exhaust air does not sufficiently contain water at the time of starting the fuel cell. Therefore, the fuel cell can be suitably used from the start of the fuel cell without separately providing a humidifier for the start.

【0053】請求項2に係る発明によれば、燃料電池を
冷却する冷却水を好適に利用することができる。また、
燃料電池の発電熱で暖まった冷却水を冷却できるので、
冷却水を冷却するためのラジエータの小型化を図ること
ができる。さらには、加湿器に供給される供給空気およ
び排出空気を温めることができるので、加湿器の加湿性
能が向上するとともに、水回収量も増大する。
According to the second aspect of the present invention, the cooling water for cooling the fuel cell can be suitably used. Also,
Cooling water that has been heated by the heat generated by the fuel cell can be cooled,
The size of the radiator for cooling the cooling water can be reduced. Further, the supply air and the discharge air supplied to the humidifier can be warmed, so that the humidification performance of the humidifier is improved and the water recovery amount is also increased.

【0054】請求項3に係る発明によれば、加湿効率を
優れたものとする通水用中空糸膜を中央部に配設するこ
とにより、中空糸膜束全体にわたって効率よく供給空気
を加湿することができる。
According to the third aspect of the present invention, the water supply hollow fiber membrane for improving the humidification efficiency is disposed at the center, so that the supply air is efficiently humidified over the entire hollow fiber membrane bundle. be able to.

【0055】請求項4に係る発明によれば、燃料電池を
急速に始動することができるとともに、燃料電池に供給
される供給空気を所定の好適な範囲の湿度、たとえば8
0〜95%の間に保つことができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the fuel cell can be started quickly, and the supply air supplied to the fuel cell is adjusted to a predetermined suitable range of humidity, for example, 8%.
It can be kept between 0 and 95%.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】加湿装置を含む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 including a humidifier.

【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】水循環系を含む加湿装置の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a humidifier including a water circulation system.

【図4】(a)は加湿器に含まれる中空糸膜モジュール
の斜視図、(b)はその側断面図である。
FIG. 4A is a perspective view of a hollow fiber membrane module included in a humidifier, and FIG. 4B is a side sectional view thereof.

【図5】中空糸膜モジュールの縦断面模式図である。FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view of a hollow fiber membrane module.

【図6】本発明に係る加湿装置によって燃料電池の始動
時に供給空気を加湿する手順を示すフローチャートであ
る。
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for humidifying supply air when the fuel cell is started by the humidifier according to the present invention.

【図7】従来の加湿装置の側断面図である。FIG. 7 is a side sectional view of a conventional humidifier.

【符号の説明】 1 燃料電池 2 加湿器(燃料電池用加湿装置) 3 エアクリーナ 4 コンプレッサ 5 圧力制御弁 6 制御装置 7 ヒータ 8 開閉弁 9 ポンプ 21 中空糸膜モジュール 31 ハウジング 32 中空糸膜束 32a 通気用中空糸膜(中空糸膜) 32b 通水用中空糸膜(中空糸膜) 37a 加湿液入口部 37b 加湿液出口部 A 供給空気 Ae 排出空気 AS 加湿装置 FCS 燃料電池システム HS 水素供給装置 H 湿度センサ T 温度センサ W 冷却水(加湿液)[Description of Signs] 1 Fuel cell 2 Humidifier (humidifier for fuel cell) 3 Air cleaner 4 Compressor 5 Pressure control valve 6 Control device 7 Heater 8 Open / close valve 9 Pump 21 Hollow fiber membrane module 31 Housing 32 Hollow fiber membrane bundle 32a Ventilation Hollow fiber membrane (hollow fiber membrane) for water 32b hollow fiber membrane for water passage (hollow fiber membrane) 37a humidifying liquid inlet 37b humidifying liquid outlet A supply air Ae discharge air AS humidifier FCS fuel cell system HS hydrogen supply device H humidity Sensor T Temperature sensor W Cooling water (humidifying liquid)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F24F 6/00 F24F 6/00 B 6/04 6/04 (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 利根川 誠治 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) 3L055 AA10 BA01 DA05 4D006 GA41 HA02 KA67 KE01P KE01Q KE16P KE16Q KE30P KE30Q MA01 MC05 MC38 MC74 PB17 PB18 PB65 PB66 PC72 PC80 5H027 AA06 BC19 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) F24F 6/00 F24F 6/00 B 6/04 6/04 (72) Inventor Tomohiro Tsuchiya Central Wako, Saitama 1-4-1 in Honda R & D Co., Ltd. (72) Inventor Seiji Tonegawa 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama F-term in Honda R & D Co., Ltd. F-term (reference) 3L055 AA10 BA01 DA05 4D006 GA41 HA02 KA67 KE01P KE01Q KE16P KE16Q KE30P KE30Q MA01 MC05 MC38 MC74 PB17 PB18 PB65 PB66 PC72 PC80 5H027 AA06 BC19

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の中空糸膜をハウジング内に収納
し、前記ハウジングの内側でかつ中空糸膜の外側に燃料
電池へ供給される供給空気を通流させるとともに、前記
中空糸膜の内側に燃料電池から排出される排出空気を通
流させ、前記供給空気と前記排出空気との間で水分交換
を行って前記供給空気を加湿する燃料電池用加湿装置に
おいて、 前記供給空気を前記複数の中空糸膜の外側に導入する供
給空気流入口および供給空気を排出する供給空気排出口
を備えるとともに、前記排出空気を前記複数の中空糸膜
の一部の内側に導入する排出空気流入口および排出空気
を排出する排出空気排出口を備えており、 前記供給空気を加湿する加湿液を前記複数の中空糸膜の
他の部分の内側に導入する加湿液入口部と前記加湿液を
排出する加湿液出口部を備えることを特徴とする燃料電
池用加湿装置。
1. A plurality of hollow fiber membranes are housed in a housing, and supply air supplied to a fuel cell is passed inside the housing and outside the hollow fiber membranes, and inside the hollow fiber membranes. A fuel cell humidifier for humidifying the supply air by passing exhaust air discharged from a fuel cell and exchanging moisture between the supply air and the exhaust air, wherein the supply air is supplied to the plurality of hollows. A supply air inlet for introducing outside the fiber membrane and a supply air outlet for discharging supply air, and an exhaust air inlet and exhaust air for introducing the exhaust air inside a part of the plurality of hollow fiber membranes. A humidifying liquid inlet for introducing a humidifying liquid for humidifying the supply air into another portion of the plurality of hollow fiber membranes, and a humidifying liquid outlet for discharging the humidifying liquid. Department Fuel cell humidifier, characterized in that to obtain.
【請求項2】 前記加湿液は、前記燃料電池の冷却水で
あ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. The humidifying device for a fuel cell according to claim 1, wherein the humidifying liquid is cooling water for the fuel cell.
【請求項3】 前記複数の中空糸膜が束ねられて中空糸
膜束が形成されており、前記中空糸膜束における中央部
に配設された中空糸膜を、前記加湿液が通流する加湿液
用中空糸膜としたことを特徴とする請求項1または請求
項2に記載の燃料電池用加湿装置。
3. The hollow fiber membrane bundle is formed by bundling the plurality of hollow fiber membranes, and the humidifying liquid flows through the hollow fiber membrane provided at the center of the hollow fiber membrane bundle. 3. The humidifier for a fuel cell according to claim 1, wherein the humidifier is a hollow fiber membrane for a humidifier.
【請求項4】 前記加湿液用中空糸膜に対する前記加湿
液の供給量を制御する流量制御手段を備え、前記流量制
御手段は前記燃料電池への供給空気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から請求項3の
うちのいずれか1項に記載の燃料電池用加湿装置。
4. A flow rate control means for controlling a supply amount of the humidification liquid to the humidification liquid hollow fiber membrane, wherein the flow rate control means is controlled in accordance with a humidification-related amount of air supplied to the fuel cell. The humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein
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