JP2004164971A

JP2004164971A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004164971A
Application number: JP2002328609A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimazu; 孝志満津; Masaya Kawakado; 昌弥川角
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: JP4626797B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which water for humidifying a gas supplied to a fuel cell can be efficiently separated in a high purity from an antifreezing fluid as a refrigerant for cooling the cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes the fuel cell 2, a fuel cell cooling means 3 for cooling the cell 2 by supplying the antifreezing fluid obtained by dissolving a water soluble polymer in the water to the cell 2, and supply gas humidifying means 4, 5 each for humidifying at least one of a fuel gas to be supplied to the cell 2 and an oxidizing agent gas by the separated water by separating the water from the antifreezing fluid. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池と、燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段と、燃料電池に供給されるガスを加湿する供給ガス加湿手段とを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、その電解質により分類することができ、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等が知られている。
【０００３】
なかでも、固体高分子型燃料電池は、８０℃程度の低温で作動させることができるため、取扱いが比較的容易であり、また、出力密度が極めて大きいことから、その利用が期待される。固体高分子型燃料電池は、通常、プロトン導電性のある高分子膜を電解質とする。電解質となる高分子膜の両側にそれぞれ燃料極、酸素極となる一対の電極が設けられ電極接合体が構成される。電極接合体をセパレータで挟持した単セルが発電単位となる。そして、水素や炭化水素等の燃料ガスを燃料極に、酸素や空気等の酸化剤ガスを酸素極にそれぞれ供給し、ガスと電解質と電極との三相界面において電気化学反応を進行させることにより電気を取り出す。
【０００４】
固体高分子型燃料電池の電解質である高分子膜は、水を含有した状態でプロトン導電性を有する。高分子膜のプロトン導電性を維持するため、適当な量の水を高分子膜に供給する必要がある。このため、一般には、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して、各々の電極に供給している。加湿に用いられる水は、燃料ガス等とともに電極へ供給されるため、電解質や電極触媒を汚染しないよう、純水に近いものであることが要求される。加湿用の水は、通常、タンクに貯留されている。しかし、冬期の低温下では、タンク内の水が凍結してしまうという問題がある。
【０００５】
一方、燃料電池は発電の際に発熱する。そのため、燃料電池を長期間安定して運転するためには、発電の際の発熱を緩和して、燃料電池内部の温度を所定の運転温度に保持することが求められる。通常、空冷や液冷により、燃料電池の温度が調整される。液冷の場合には、低温下での稼働による冷媒の凍結を防止する必要がある。そのため、冷媒には、水に不凍剤（凝固点降下剤）を添加した不凍液が用いられる。燃料電池に供給された不凍液は、燃料電池内部の冷媒水路を流れ、熱交換により昇温される。昇温された不凍液は、燃料電池の外へ排出され、熱交換器によって冷却された後、再び燃料電池へ供給される。
【０００６】
このように、燃料電池を冷却する手段と、燃料電池に供給されるガスを加湿する手段とを備えた燃料電池システムの一例として、不凍液を循環させて燃料電池を冷却する冷却手段と、水素を含む燃料ガスを加湿するガス加湿手段と、不凍液から水を精製分離する分離手段と、不凍液から分離した水を燃料ガスの加湿水として供給する加湿水供給手段とを備える燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１８５８７７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されているように、水の凍結を防止する不凍剤には、通常、エチレングリコールが用いられる。また、上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、不凍液からの水の分離に限外ろ過膜が使用されている。しかし、エチレングリコールの分子径は小さいため、エチレングリコール分子を透過させないためには、限外ろ過膜の孔径を小さくする必要がある。したがって、水の透過速度が小さく、ガスの加湿量を多くしたい場合には、充分に加湿することができない。また、水分子とエチレングリコール分子とでは、分子径の差が小さいため、限外ろ過膜による透過純度が充分ではない。すなわち、両分子の分子径の差が小さいため、水とともにエチレングリコールも透過してしまい、分離された水の中に、エチレングリコールが混入するおそれがある。不凍液から分離された水は、燃料ガスを加湿する加湿水として用いられる。したがって、分離された水に混入したエチレングリコールは、燃料ガスとともに燃料電池へ供給され、電解質を汚染したり、電極触媒を被毒する。その結果、電池性能が低下する。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料電池を冷却する手段と、燃料電池に供給されるガスを加湿する手段とを備えた燃料電池システムにおいて、ガスを加湿するための水を、燃料電池を冷却する不凍液から効率良くかつ高純度で分離することにより、充分な加湿を行うことができることに加え、低温下での加湿水の凍結が回避され、電池性能の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸素極と、該燃料極と該酸素極との間に挟装された電解質とからなる電極接合体がセパレータを介して複数個積層されて構成された燃料電池と、水溶性高分子を水に溶解した不凍液を前記燃料電池に供給し、該燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段と、前記不凍液から水を分離し、その分離された水により前記燃料電池に供給される前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する供給ガス加湿手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池を冷却するために循環させている不凍液から、燃料ガス等を加湿するための水を調達する。つまり、燃料ガス等の加湿用に、別途、純水を貯留しておくタンクを設置する必要はない。したがって、低温下での稼働における純水タンクや配管等の凍結は問題にはならず、タンクへの純水の補給作業も不要となる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムでは、不凍剤として水溶性高分子を使用する。つまり、水溶性高分子は、水に溶解して水の凝固点を降下させる役割を果たす。水溶性高分子は、比較的分子径が大きい。そのため、水から分離し易い。つまり、不凍液から水のみを容易に、純度良く分離することができる。また、エチレングリコール等の低分子のものと比較して、侵食の問題が少ない。さらに、水溶性高分子の種類によっては、より優れた効果を発揮する。例えば、水溶性高分子として、キレートタイプ等の水溶性高分子を用いた場合には、その水溶性高分子により水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。そのため、分離された水の純度が向上する。その結果、電池性能の低下が抑制される。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、供給ガス加湿手段を、前記不凍液が供給される不凍液室と、加湿されるガスが供給される加湿ガス室と、該不凍液室と該加湿ガス室とを仕切る透湿膜とを備え、該不凍液中の水を該透湿膜を透過させることにより該ガスの加湿を行う加湿器とする態様が望ましい。本態様では、水溶性高分子の分子径と、水分子の分子径との差を利用して、不凍液から水のみを分離する。つまり、透湿膜の孔径よりも分子径が大きな水溶性高分子を用いることにより、不凍液中の水分子のみが透湿膜を透過し分離される。そして、水溶性高分子として、分子径が比較的大きなものを採用した場合には、透過膜の孔径も大きくすることができるため、水の透過速度をより大きくすることができる。さらに、水溶性高分子の分子径が大きい場合には、水のみを純度良く透過させることができるため、分離された水、すなわち加湿水の純度が向上する。その結果、電解質の汚染や電極触媒の被毒が抑制され、電池性能の低下が抑制される。また、本態様では、不凍液から透湿膜を介して分離された水は、ただちに供給ガスの加湿に使われる。つまり、不凍液から分離された水は、透湿膜内のみに存在する。そのため、分離した水を貯留するタンクやそれに付随する配管は不要となる。また、透湿膜中の水は、凍結し難い。したがって、低温下での稼働による凍結の問題も生じ難い。さらに、本態様では、燃料電池システムの構造をシンプルにすることができ、燃料電池システム全体を小型化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムについて詳細に説明する。説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の燃料電池システムは、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池システムは、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、上述したように、燃料電池と、燃料電池冷却手段と、供給ガス加湿手段とを備える。燃料電池は、水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸素極と、該燃料極と該酸素極との間に挟装された電解質とからなる電極接合体がセパレータを介して複数個積層されて構成される。燃料電池は、燃料極および酸素極からなる一対の電極と電解質とセパレータとを備えるという点で、一般に知られている燃料電池の構成に従うものである。燃料電池は、その種類が特に限定されるものではない。ここでは、固体高分子型燃料電池を一例として説明する。
【００１６】
固体高分子型燃料電池における燃料極および酸素極は、それぞれ、白金等をカーボン粒子に担持させた触媒および電解質を含む触媒層と、カーボンクロス等のガスが拡散可能な多孔質材料からなる拡散層との二層から構成される。この場合、後述する電解質膜の両表面に触媒層と拡散層とを形成して電極接合体とすればよい。例えば、各電極の触媒を、電解質膜を構成する高分子を含む液に分散し、その分散液を電解質膜の両表面に塗布、乾燥等して触媒層を形成する。そして、形成した各触媒層の表面に、カーボンクロス等を圧着等することで拡散層を形成し、電極接合体とすればよい。
【００１７】
電解質には、通常、イオン導電性のある高分子膜が用いられる。高分子膜の種類は、特に限定されるものではなく、例えば、全フッ素系スルホン酸膜、全フッ素系ホスホン酸膜、全フッ素系カルボン酸膜や、含フッ素炭化水素系グラフト膜、全炭化水素系グラフト膜、全芳香族膜等の炭化水素系電解質膜等を用いることができる。特に、耐久性等を考慮した場合には、全フッ素系の高分子膜を用いることが望ましい。なかでも、電解質としての性能が高いという理由から、全フッ素系スルホン酸膜を用いることが望ましい。全フッ素系スルホン酸膜の一例として、「ナフィオン」（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られる、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの共重合体膜が挙げられる。
【００１８】
上記一対の電極および電解質膜からなる電極接合体を挟持するセパレータとしては、集電性能が高く、酸化水蒸気雰囲気下でも比較的安定な焼成カーボン、成形カーボンや、ステンレス材料の表面に貴金属や炭素材料を被覆したもの等を用いればよい。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおける燃料電池冷却手段は、水溶性高分子を水に溶解した不凍液を燃料電池に供給し、燃料電池を冷却する。不凍液を構成する水溶性高分子は、水に溶解するものであれば特に限定されるものではない。例えば、非イオン性の水溶性高分子として、ポリオキシエチレン、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリアクリルアミド、およびメチルセルロースやデンプン等の水溶性多糖類等が挙げられる。また、イオン性の水溶性高分子として、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、アルギン酸、カルボキシメチルセルロース、ポリスチレンスルホン酸、およびこれらのアルカリ金属塩等が挙げられる。これらの一種あるいは二種以上を適宜選択して用いればよい。
【００２０】
水溶性高分子の濃度が変化しても粘度の変化が比較的小さいという理由から、イオン性の水溶性高分子を用いることが望ましい。また、側鎖に疎水基を有する水溶性高分子も同様の理由で好適である。側鎖に疎水基を有する水溶性高分子としては、例えば、アルキル基等の疎水基を有するモノマーと、酸基やアルコール等の親水基を有するモノマーとの共重合体が挙げられる。疎水基を有する二種以上のモノマーと、親水基を有する二種以上のモノマーとの共重合体であってもよい。例えば、メチルメタクリルヒドロキシエチル−メチルメタクリルアルキル共重合体、ビニルカルボン酸−メチルメタクリルアルキル共重合体、ビニルアルコール−メチルメタクリルアルキル共重合体、ビニルスルホン酸−メチルメタクリルアルキル共重合体等がある。ここで、アルキル基は、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクタン、ノナン、デカンのいずれでもよい。なお、疎水基を有するモノマーであるメチルメタクリルアルキルを、アクリルアルキル、ビニルアルキル、ビニルアルキルエーテル等に置き換えても構わない。具体的に示せば、メチルメタクリルヒドロキシエチル−メタクリルアルキル共重合体、ビニルカルボン酸−メタクリルアルキル共重合体、ビニルアルコール−メタクリルアルキル共重合体、ビニルスルホン酸−メタクリルアルキル共重合体、メチルメタクリルヒドロキシエチル−ビニルアルキル共重合体、ビニルカルボン酸−ビニルアルキル共重合体、ビニルアルコール−ビニルアルキル共重合体、ビニルスルホン酸−ビニルアルキル共重合体、メチルメタクリルヒドロキシエチル−ビニルアルキルエーテル共重合体、ビニルカルボン酸−ビニルアルキルエーテル共重合体、ビニルアルコール−ビニルアルキルエーテル共重合体、ビニルスルホン酸−ビニルアルキルエーテル共重合体等である。また、長鎖アルキル基を末端に有するブロック型ポリオキシエチレンやポリオキシメチレン、側鎖にアルキル基を有するポリオキシエチレンやポリオキシメチレン等を用いることもできる。この場合も、アルキル基は、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクタン、ノナン、デカンのいずれでもよい。
【００２１】
上記水溶性高分子のなかでも、安価であり、水中での安定性も良好であるという観点から、ポリオキシエチレン、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸から選ばれる少なくとも一種を用いることが望ましい。また、水中の金属イオン等の不純物を除去し、電池性能の低下をより抑制するという観点から、キレートタイプの水溶性高分子を用いることが望ましい。キレートタイプの水溶性高分子としては、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルイミノビス（メチレンホスホン酸）、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルイミノビス（メチレンカルボン酸）、アミノ基を有する高分子等が挙げられる。
【００２２】
また、不凍液の粘度や凝固点降下の程度等を考慮すると、水溶性高分子として、数平均分子量が１００以上１００万以下のものを用いることが望ましい。数平均分子量が１００未満の水溶性高分子は、その分子径が小さいため、水と分離し難くなる。また、水との分離に透湿膜を使用した場合には、水とともに水溶性高分子も透湿膜を透過し易くなり、分離された水の中に水溶性高分子が混入し易くなる。数平均分子量が５００以上のものを用いるとより好適である。反対に、数平均分子量が１００万を超えるものを用いた場合には、不凍液の粘度が高くなり、流動性が低下する。また、凝固点降下の効果も充分とはいえない。数平均分子量が１万以下のものを用いるとより好適である。
【００２３】
水溶性高分子の分子量の測定は、通常の分子量測定方法に従えばよく、例えば、光散乱法、浸透圧法、ＧＰＣ（ＧｅｌＰｅｒｍｅａｔｉｏｎＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）等により測定すればよい。本明細書では、ＧＰＣにて測定した値を採用する。
【００２４】
水溶性高分子を溶解する水は、燃料電池を冷却する冷媒としての役割と、供給ガス加湿手段にて不凍液から分離され、燃料電池に供給される燃料ガス等を加湿する加湿水の役割を果たす。したがって、電池性能を低下させる一因となる金属イオンや塩化物イオン等の不純物が少ないことが要求される。このため、水溶性高分子を溶解する水は、イオン交換水等の純水であることが望ましい。
【００２５】
不凍液中の水溶性高分子の濃度は、特に限定されるものではない。しかし、不凍液の粘度や凝固点降下の程度等を考慮すると、水溶性高分子の濃度は、不凍液の質量を１００ｗｔ％とした場合の０．１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下とすることが望ましい。水溶性高分子の構造や分子量にもよるが、水溶性高分子の濃度が０．１ｗｔ％未満の場合には、水溶性高分子を溶解したことによる凝固点降下の効果を充分得ることができない。水溶性高分子の濃度を５ｗｔ％以上とするとより好適である。一方、水溶性高分子の濃度が５０ｗｔ％を超えると、不凍液の粘度が高くなり流動性が低下する。水溶性高分子の濃度を３０ｗｔ％以下とするとより好適である。
【００２６】
燃料電池冷却手段は、上記不凍液を燃料電池に供給し、燃料電池を冷却することができれば、その構成が特に限定されるものではない。例えば、燃料電池冷却手段を、燃料電池へ供給するための不凍液を貯留する不凍液タンクと、燃料電池から排出された不凍液の熱交換を行う熱交換器とを含むよう構成すればよい。そして、燃料電池と不凍液タンクと熱交換器との間で不凍液を循環させればよい。
【００２７】
本発明の燃料電池システムにおける供給ガス加湿手段は、不凍液から水を分離し、その分離された水により燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する。供給ガス加湿手段は、燃料電池に供給されるガスのうち、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれか一方のみを加湿するものでもよく、両方を加湿するものでもよい。
【００２８】
不凍液から水を分離して供給ガスを加湿する方法は、特に限定されるものではない。例えば、上記燃料電池冷却手段を構成する不凍液タンクから供給ガスの加湿用として不凍液を分岐し、その不凍液を加熱し水を蒸発させる。そして、水蒸気を透過するガス拡散膜を介して供給ガスを加湿することができる。また、蒸発した水を凝縮させ、凝縮水中に供給ガスをバブリングさせて加湿してもよい。さらに、供給ガス加湿用として分岐した不凍液から、透湿膜を介して水を分離し、その水を用いて供給ガスを加湿してもよい。この場合、供給ガス加湿手段は、不凍液が供給される不凍液室と、加湿されるガスが供給される加湿ガス室と、不凍液室と加湿ガス室とを仕切る透湿膜とを備え、不凍液中の水を透湿膜を透過させることによりガスの加湿を行う加湿器である態様が望ましい。本態様を採用すれば、水溶性高分子の分子径と、水分子の分子径との差を利用して、容易に水溶性高分子と水とを分離することができる。そして、適切な水溶性高分子を用いることにより、水の透過速度を大きくすることができ、分離された水の純度も高くすることができる。また、不凍液から分離された水は、そのまま供給ガスの加湿に使われる。つまり、一つの加湿器で、不凍液からの水の分離、および供給ガスの加湿を行うことができるため、燃料電池システムをシンプルな構造にすることができ、かつ燃料電池システム全体を小型化することができる。
【００２９】
上記加湿器は、さらに、不凍液を冷却するための冷媒が供給される冷却室と、加湿されるガスを加熱するための熱媒が供給される加熱室とを備える態様とすると好適である。上記加湿器では、透湿膜の両側における水蒸気分圧の差が、水の透過の推力となる。冷媒により不凍液が冷却されると、不凍液と接する透湿膜の界面では、水蒸気分圧がより高くなる。また、熱媒によりガスが加熱されると、ガスと接する透湿膜の界面では、水蒸気分圧がより低くなる。つまり、透湿膜の両側における水蒸気分圧の差が大きくなる。よって、不凍液からの水の透過が促進される。また、加湿ガス室におけるガスの温度が高いため、透過した水の気化も促進される。
【００３０】
加湿器に用いられる透湿膜は、その種類が特に限定されるものではない。例えば、限外ろ過膜、逆浸透膜、イオン交換膜、および血液透析膜等を用いればよい。限外ろ過膜としては、高分子電解質複合体、芳香族スルホン、アセチルセルロース、ポリイミド、アクリロニトリル共重合体、およびポリオレフィン置換体等から形成された膜が挙げられる。逆浸透膜としては、アセチルセルロースや芳香族ナイロン等から形成された膜が挙げられる。イオン交換膜としては、「ナフィオン」（登録商標、デュポン社製）、「フレミオン」（登録商標、旭硝子社製）等の商品の他、ポリスチレンスルホン酸系のグラフト膜や全芳香族スルホン酸膜等が挙げられる。血液透析膜としては、セルロースやアクリロニトリル共重合体等から形成された膜が挙げられる。特に、透水速度と透過された水の純度とのバランスを考慮すると、限外ろ過膜を用いることが望ましい。これらの透湿膜から、不凍液に用いる水溶性高分子の分子径に応じて、好適な孔径を有するものを採用すればよい。すなわち、透湿膜を介して不凍液から水のみを分離するためには、水溶性高分子の分子径（Ｒｇ）が、透湿膜の孔径（Ｒｍ）より大きいことが必要となる。
【００３１】
水溶性高分子の分子径（Ｒｇ）は、光散乱法やフィルター法等、分子径の測定に通常用いられる方法により測定すればよい。光散乱法は、種々の濃度の水溶性高分子水溶液に対し種々の角度から光を照射して、その光散乱強度を測定、解析することにより、分子径を求める方法である。また、フィルター法は、水溶性高分子水溶液と純水とを、既知の孔径の透湿膜により二つに分けられた容器内へ別々に入れ、純水側へ透過した水溶性高分子の有無と、用いた透湿膜の孔径とから分子径を求める方法である。フィルター法によれば、透湿膜を透過した水溶性高分子の有無により、水溶性高分子の分子径と透湿膜の孔径との大小が判断できる。このため、用いる水溶性高分子との組み合わせにおいて、好適な透湿膜の孔径を容易に決定することができる。本明細書では、フィルター法にて測定した値を採用する。なお、不凍液中の水溶性高分子の分子径は、不凍液の温度により若干変化すると考えられる。また、透湿膜の孔径も、水で膨潤することにより変化する。したがって、それらが実際に使用される条件を考慮して、水溶性高分子および透湿膜の種類等を決定することが望ましい。
【００３２】
また、本発明の燃料電池システムは、供給ガス加湿手段により水が分離され水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液に水を補給して、該不凍液中の水溶性高分子の濃度を調整する態様を採用することができる。上述したように、燃料電池冷却手段により燃料電池に供給される不凍液は、その一部が供給ガスの加湿のために使用される。加湿に用いられた不凍液は、供給ガス加湿手段により水が分離されて液量が少なくなり、水溶性高分子の濃度も高くなっている。よって、本態様により、加湿に用いられた後の不凍液に水を補給すれば、不凍液の液量を保持し、水溶性高分子の濃度の変動を抑制することができる。不凍液への水の補給手段は、特に限定されるものではない。例えば、水を貯留するタンクを別途設置し、その水タンクから水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液へ、適宜水を補給すればよい。
【００３３】
しかしながら、補給用の水を貯留しておく上記態様では、低温下で稼働させる際に、水を補給するためのポンプの障害や、水タンクや配管が凍結する等の不具合が生ずるおそれがある。したがって、上記不凍液再生手段は、水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液が供給される不凍液室と、水を含んだガスが供給される含水ガス室と、不凍液室と含水ガス室とを仕切る透湿膜とを備え、ガス中の水を透湿膜を透過させることにより不凍液に水を補給する水回収器である態様を採用することが望ましい。本態様における水回収器では、上述した供給ガス加湿手段としての加湿器と同様、透湿膜を介して水を分離する。水回収器における透湿膜は、上記加湿器における透湿膜に準ずればよい。水回収器では、水を含んだガスから水分子が透湿膜を透過して、水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液に移動する。そのため、水を補給するためのタンク等は必要ない。よって、上記不具合が生じるおそれはない。ここで、水を含んだガスは、燃料電池システム外から適宜供給することができる。しかし、燃料電池システム内には、燃料極から排出されたガス、酸素極から排出されたガス、および燃料極から排出されたガスを燃焼させたガス等、水を含んだガスが多く存在する。したがって、それらのガスを利用することが望ましい。燃料電池システム内のガスから水を取り出すことにより、エネルギを有効に利用することができ、燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００３４】
上記水回収器は、さらに、水を含んだガスを冷却するための冷媒が供給される冷却室を備える態様とすると好適である。上記水回収器では、上述した供給ガス加湿手段としての加湿器と同様、透湿膜の両側における水蒸気分圧の差が、水の透過の推力となる。冷媒により、水を含んだガスが冷却されると、水を含んだガスと接する透湿膜の界面では、水蒸気分圧がより高くなる。その結果、水を含んだガスからの水の透過が促進される。
【００３５】
以下に、本発明の一実施形態である燃料電池システムの構成を説明する。図１に、本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略を示す。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池冷却手段３と、燃料ガス加湿器４と、酸化剤ガス加湿器５と、水回収器６とを備える。
【００３６】
燃料電池２は、固体高分子型燃料電池であり、電極接合体がセパレータを介して複数個積層されて構成されている。電極接合体は、電解質とその両側に設けられた燃料極および酸素極とからなる。セパレータには、不凍液の流路が形成されている。
【００３７】
燃料電池冷却手段３は、不凍液タンク３１と熱交換器３２とを備える。不凍液タンク３１には、水溶性高分子であるポリエチレングリコール（分子量１５００）が純水に溶解した不凍液が貯留されている。不凍液は、不凍液ポンプを介して、燃料電池２、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５に供給される。熱交換器３２は、燃料電池２の下流側に設けられている。燃料電池２から排出された不凍液は、熱交換器３２により冷却され、不凍液タンク３１に戻される。
【００３８】
燃料電池２の上流側には、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５が設けられている。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５は、供給ガス加湿手段である。燃料ガス加湿器４は、燃料ガスとしての水素ガスを加湿する。酸化剤ガス加湿器５は、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５は、加湿されるガスが異なる以外は、同じ構成である。そのため、ここでは燃料ガス加湿器４について説明する。図２に、燃料ガス加湿器４の流路構造の斜視図を示す。なお、図２では、流路構造の一部のみを拡大して示している。つまり、燃料ガス加湿器４では、図２に示す加熱室４４ａ→加湿ガス室４２ａ→不凍液室４１ａ→冷却室４３→不凍液室４１ｂ→加湿ガス室４２ｂ→再び加熱室４４ｂという積層構造が上下方向に繰り返される。
【００３９】
図２に示すように、燃料ガス加湿器４は、不凍液室４１ａ、４１ｂと、加湿ガス室４２ａ、４２ｂと、冷却室４３と加熱室４４ａ、４４ｂとを備える。不凍液室４１ａと加湿ガス室４２ａとは、透湿膜である限外ろ過膜（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社製、分画分子量１０００のセルロース膜）４５ａで仕切られている。同様に、不凍液室４１ｂと加湿ガス室４２ｂとは、限外ろ過膜（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社製、分画分子量１０００のセルロース膜）４５ｂで仕切られている。なお、加湿ガス室４２ａと加熱室４４ａ、加湿ガス室４２ｂと加熱室４４ｂ、および不凍液室４１ａ、４１ｂと冷却室４３とは、それぞれ仕切壁により仕切られている。不凍液室４１ａ、４１ｂ、加湿ガス室４２ａ、４２ｂ、冷却室４３、および加熱室４４ａ、４４ｂは、流体の流れ方向にのびる多数の隔壁により区画されている。つまり、燃料ガス加湿器４は、いわゆるマイクロチャンネル構造を有する。
【００４０】
図３に、燃料ガス加湿器４における各々の流体の流れを模式的に示す。図３に示すように、不凍液室４１ａ、４１ｂには、不凍液タンク３１より供給される不凍液が流れている。加湿ガス室４２ａ、４２ｂには、水素送風機８により供給された水素ガスが流れている。冷却室４３には、冷媒として、空気送風機９の上流で分岐された低温の空気が流れている。加熱室４４ａ、４４ｂには、熱媒として、燃料電池２の燃料極から排出されたガスを燃焼させた高温のガスが流れている。不凍液室４１ａ、４１ｂを流れる不凍液中の水は、それぞれ限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを介して、加湿ガス室４２ａ、４２ｂを流れる水素ガスへ移動する。つまり、不凍液中の水が、限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを透過することで、不凍液から水が分離される。そして、分離された水により水素ガスが加湿される。
【００４１】
ここで、上記燃料ガス加湿器４における水および熱の移動について説明する。図４に、上記図２に示した燃料ガス加湿器４の断面の一部（図２中、Ａの部分）を拡大して示す。なお、図４中、白色の矢印は水の流れを、黒色の矢印は熱の流れを示す。図４に示すように、不凍液室４１ａ、４１ｂを流れる不凍液から、それぞれ限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを介して、加湿ガス室４２ａ、４２ｂを流れる水素ガスへ水が移動している。また、加熱室４４ａ、４４ｂから、それぞれ仕切壁を介して隣り合う加湿ガス室４２ａ、４２ｂへ熱が移動している。つまり、加湿ガス室４２ａ、４２ｂを流れる水素ガスは加熱される。そのため、水素ガスの水蒸気分圧は低くなる。一方、不凍液室４１ａ、４１ｂから、それぞれ仕切壁を介して隣り合う冷却室４３へ熱が移動している。つまり、不凍液室４１ａ、４１ｂを流れる不凍液は、冷却される。そのため、不凍液の水蒸気分圧は高くなる。このように、限外ろ過膜４５ａ、４５ｂの両側における水蒸気分圧の差が大きいため、水の透過が促進されている。
【００４２】
水素送風機８および空気送風機９は、それぞれ、水素ガスおよび空気を燃料電池２へ供給し、燃料電池２を作動させる役割を果たす。水素送風機８により駆動された水素ガスは、燃料ガス加湿器４により加湿された後、燃料電池２の燃料極に供給される。同様に、空気送風機９により駆動された空気は、酸化剤ガス加湿器５により加湿された後、燃料電池２の酸素極に供給される。燃料電池２は、水素ガスと空気との電気化学反応により発電する。
【００４３】
燃料ガス燃焼器７は、燃料電池２の下流側に設置されている。燃料ガス燃焼器７には、燃料極で反応に使用されなかった水素ガスと、酸素極で反応に使用されなかった空気とが供給される。燃料ガス燃焼器７は、触媒として白金系触媒を有する。燃料ガス燃焼器７では、燃料極で反応に使用されなかった水素ガスが空気との反応により燃焼され、その結果、水を含んだガスが生成される。
【００４４】
不凍液再生手段である水回収器６は、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５の下流側に設けられている。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液は、水が分離された結果、水溶性高分子の濃度が上昇している。水回収器６では、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液へ水が補給される。水が補給された不凍液は、不凍液タンク３１へ戻される。以下に、水回収器６の構成を説明する。図５に、水回収器の流路構造の斜視図を示す。なお、図５では、流路構造の一部のみを拡大して示している。つまり、水回収器６では、図５に示す冷却室６３ａ→含水ガス室６２ａ→不凍液室６１→含水ガス室６２ｂ→再び冷却室６３ｂという積層構造が上下方向に繰り返される。
【００４５】
図５に示すように、水回収器６は、不凍液室６１と、含水ガス室６２ａ、６２ｂと、冷却室６３ａ、６３ｂとを備える。不凍液室６１と含水ガス室６２ａ、６２ｂとは、それぞれ透湿膜である限外ろ過膜６４ａ、６４ｂ（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社製、分画分子量１０００のセルロース膜）で仕切られている。含水ガス室６２ａと冷却室６３ａ、および含水ガス室６２ｂと冷却室６３ｂとは仕切壁により仕切られている。不凍液室６１、含水ガス室６２ａ、６２ｂ、および冷却室６３ａ、６３ｂは、流体の流れ方向にのびる多数の隔壁により区画されている。つまり、水回収器６は、いわゆるマイクロチャンネル構造を有する。
【００４６】
図６に、水回収器６における各々の流体の流れを模式的に示す。図６に示すように、不凍液室６１には、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された水溶性高分子濃度の上昇した不凍液が流れている。含水ガス室６２ａ、６２ｂには、燃料ガス燃焼器７から排出された水を含んだガスが流れている。冷却室６３ａ、６３ｂには、冷媒として、空気送風機９の上流で分岐された低温の空気が流れている。含水ガス室６２ａ、６２ｂを流れるガス中の水は、それぞれ限外ろ過膜６４ａ、６４ｂを介して、不凍液室６１を流れる不凍液へ移動する。つまり、ガス中の水が、限外ろ過膜６２ａ、６２ｂを透過することで分離され、不凍液へ補給される。
【００４７】
ここで、上記水回収器６における水および熱の移動について説明する。図７に、上記図５に示した水回収器６の断面の一部（図５中、Ｂの部分）を拡大して示す。なお、図７中、白色の矢印は水の流れを、黒色の矢印は熱の流れを示す。図７に示すように、含水ガス室６２ａ、６２ｂを流れるガスから、それぞれ限外ろ過膜６４ａ、６４ｂを介して、不凍液室６１を流れる不凍液へ水が移動している。含水ガス室６２ａ、６２ｂから、それぞれ仕切壁を介して隣り合う冷却室６３ａ、６３ｂへ熱が移動している。つまり、含水ガス室６２ａ、６２ｂを流れるガスは、冷却される。そのため、水を含んだガスの水蒸気分圧は高くなる。このように、限外ろ過膜６２ａ、６２ｂの両側における水蒸気分圧の差が大きいため、水の透過が促進されている。
【００４８】
次に、上記本発明の燃料電池システムの動作を説明する。まず、供給される水素ガスおよび空気の流れについて述べる。水素送風機８により駆動された水素ガスは、燃料ガス加湿器４に供給される。水素ガスは、燃料ガス加湿器４にて加湿された後、燃料電池２の燃料極に供給される。また、空気送風機９により駆動された空気は、酸化剤ガス加湿器５に供給される。空気は、酸化剤ガス加湿器５にて加湿された後、燃料電池２の酸素極に供給される。燃料電池２では、供給された水素ガスと空気との電気化学反応が進行する。反応により生じた生成水は燃料電池２から排出される（図略）。
【００４９】
空気送風機９の上流にて分岐された空気は、燃料ガス加湿器４、酸化剤ガス加湿器５、および水回収器６へ導かれ、各々の冷媒として使用される。なお、冷媒として使用された空気は、系外へ排出される。
【００５０】
次に、不凍液の流れについて述べる。不凍液は、不凍液タンク３１に貯留されている。不凍液は、燃料電池２の冷却および供給ガスの加湿に用いられる。不凍液は、不凍液タンク３１から不凍液ポンプを介して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出された不凍液は、熱交換器３２により冷却されて不凍液タンク３１に戻される。また、不凍液の一部は、不凍液ポンプの下流側で分岐され、上述した燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５へ供給される。燃料ガス加湿器４では、供給された不凍液から水が分離され水素ガスが加湿される。酸化剤ガス加湿器５では、供給された不凍液から水が分離され空気が加湿される。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液は、後述する水回収器６を経て不凍液タンク３１に戻される。
【００５１】
燃料電池２における反応に使用されなかった水素ガスおよび空気は、燃料電池２の下流側に設けられた燃料ガス燃焼器７へ導かれる。燃料ガス燃焼器７から排出されたガスは、一部を除いて水回収器６へ供給される。燃料ガス燃焼器７から排出されたガスの一部は、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５へ導かれ、各々の熱媒として使用される。なお、熱媒として使用されたガスは系外へ排出される。
【００５２】
水回収器６には、燃料ガス燃焼器７から排出された水を含んだガスと、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された水溶性高分子濃度の上昇した不凍液とが供給される。水回収器６では、水を含んだガスから水が分離され、分離された水が不凍液に補給される。水回収器６により水が補給された不凍液は、不凍液タンク３１に戻される。一方、水回収器６により水が分離されたガスおよび冷媒は、ともに系外へ排出される。
【００５３】
本実施形態では、燃料電池として固体高分子型燃料電池を採用した。しかし、燃料電池の種類は固体高分子型燃料電池に限定されるものではない。リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等、種々の燃料電池を採用することができる。また、不凍液を構成する水溶性高分子も、分子量１５００のポリエチレングリコールに限定されるものではない。燃料電池の種類や、供給ガス加湿手段の態様に応じて、好適な水溶性高分子を選択すればよい。
【００５４】
本実施形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの両方を加湿する態様を採用した。しかし、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれか一方を加湿する態様としてもよい。本実施形態では、供給ガス加湿手段を、透湿膜を備える加湿器とした。しかし、加湿器の構造は、上記態様に限定されるものではない。例えば、透湿膜として、イオン交換膜等の種々の膜を採用することができる。また、熱媒には、燃料ガス燃焼器から排出されたガスの他、空気送風機の冷却に用いられ、高温となった媒体等を使用することができる。冷媒には、空気送風機の上流にて分岐された空気の他、他の電装品を冷却するための冷媒等を使用することができる。なお、熱媒や冷媒を使用しない態様としてもよい。
【００５５】
本実施形態では、不凍液再生手段である水回収器を備えて燃料電池システムを構成した。しかし、本発明の燃料電池システムは、不凍液再生手段を含まない態様で実施してもよい。また、不凍液再生手段も、特に限定するものではない。本実施形態では、不凍液再生手段を、透湿膜を備える水回収器とした。しかし、水回収器の構造は、上記態様に限定されるものではない。例えば、透湿膜として、上記加湿器と同様、イオン交換膜等の種々の膜を採用することができる。また、水を含んだガスには、燃料ガス燃焼器から排出されたガスの他、燃料極から排出されたガスや酸素極から排出されたガスを単独で使用してもよい。冷媒には、空気送風機の上流にて分岐された空気の他、他の電装品を冷却するための冷媒等を使用することができる。なお、冷媒を使用しない態様としてもよい。
【００５６】
水回収器の設置場所も、特に限定されるものではない。本実施形態では、燃料ガス加湿器および酸化剤ガス加湿器の下流側に水回収器を設置した。しかしながら、例えば、図８（図１と対応する部位については同じ符号で示す。）に示すように、不凍液タンク３１と水回収器６とからなる循環系を、別途設けてもよい。すなわち、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液は、そのまま不凍液タンク３１へ送られる。そして、不凍液タンク３１から水回収器６へ不凍液が供給される。なお、燃料ガス燃焼器７から排出された水を含んだガス、および空気送風機９の上流にて分岐された冷媒としての空気は、上記本実施形態と同様に水回収器６へ供給される。水回収器６では、水を含んだガスから水が分離され、分離された水が不凍液に補給される。水回収器６により水が補給された不凍液は、不凍液タンク３１に戻される。水回収器６により水が分離されたガスおよび冷媒は、ともに系外へ排出される。このように、不凍液タンク３１と水回収器６との間で不凍液を循環させることで、不凍液における水溶性高分子の濃度が調整される。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池を冷却するための冷媒として、水溶性高分子を水に溶解した不凍液を使用する。そして、その不凍液から、燃料電池への供給ガスを加湿するための水を調達する。水溶性高分子は、水から分離し易いため、不凍液から水のみを容易に、純度良く分離することができる。また、水溶性高分子として、キレートタイプ等の水溶性高分子を用いた場合には、その水溶性高分子により水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。そのため、分離された水の純度が向上する。その結果、電池性能の低下が抑制される。このように、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給されるガスを効率よく加湿でき、稼働による電池性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略を示す。
【図２】燃料ガス加湿器の流路構造の斜視図を示す。
【図３】燃料ガス加湿器における各々の流体の流れを模式的に示す。
【図４】図２中Ａの部分の拡大図を示す。
【図５】水回収器の流路構造の斜視図を示す。
【図６】水回収器における各々の流体の流れを模式的に示す。
【図７】図５中Ｂの部分の拡大図を示す。
【図８】本発明の他の実施形態である燃料電池システムの概略を示す。
【符号の説明】
１：燃料電池システム２：燃料電池
３：燃料電池冷却手段
３１：不凍液タンク３２：熱交換器
４：燃料ガス加湿器（供給ガス加湿手段）
４１ａ、４１ｂ：不凍液室４２ａ、４２ｂ：加湿ガス室
４３：冷却室４４ａ、４４ｂ：加熱室
４５ａ、４５ｂ：限外ろ過膜
５：酸化剤ガス加湿器（供給ガス加湿手段）
６：水回収器
６１：不凍液室６２ａ、６２ｂ：含水ガス室
６３ａ、６３ｂ：冷却室６４ａ、６４ｂ：限外ろ過膜
７：燃料ガス燃焼器８：水素送風機９：空気送風機[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system including a fuel cell, fuel cell cooling means for cooling the fuel cell, and supply gas humidifying means for humidifying gas supplied to the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells, which generate electricity by electrochemical reaction of gas, have high power generation efficiency, and the discharged gas is clean and has very little effect on the environment. Applications are expected. Fuel cells can be classified according to their electrolytes. For example, phosphoric acid type fuel cells, molten carbonate type fuel cells, solid oxide type fuel cells, solid polymer type fuel cells and the like are known.
[0003]
Above all, the polymer electrolyte fuel cell can be operated at a low temperature of about 80 ° C., so that it is relatively easy to handle and has a very high output density, so its use is expected. A polymer electrolyte fuel cell usually uses a polymer membrane having proton conductivity as an electrolyte. A pair of electrodes serving as a fuel electrode and an oxygen electrode are provided on both sides of a polymer membrane serving as an electrolyte, respectively, to form an electrode assembly. A single cell in which the electrode assembly is sandwiched between separators is a power generation unit. Then, a fuel gas such as hydrogen or hydrocarbon is supplied to the fuel electrode, and an oxidizing gas such as oxygen or air is supplied to the oxygen electrode, and an electrochemical reaction proceeds at a three-phase interface between the gas, the electrolyte, and the electrode. Take out electricity.
[0004]
A polymer membrane, which is an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, has proton conductivity when containing water. In order to maintain the proton conductivity of the polymer membrane, it is necessary to supply an appropriate amount of water to the polymer membrane. For this reason, generally, fuel gas or oxidizing gas is humidified and supplied to each electrode. Since the water used for humidification is supplied to the electrode together with the fuel gas and the like, it is required to be close to pure water so as not to contaminate the electrolyte and the electrode catalyst. The water for humidification is usually stored in a tank. However, there is a problem that the water in the tank freezes at a low temperature in winter.
[0005]
On the other hand, fuel cells generate heat during power generation. Therefore, in order to operate the fuel cell stably for a long period of time, it is necessary to reduce the heat generated during power generation and maintain the temperature inside the fuel cell at a predetermined operating temperature. Usually, the temperature of the fuel cell is adjusted by air cooling or liquid cooling. In the case of liquid cooling, it is necessary to prevent freezing of the refrigerant due to operation at a low temperature. Therefore, an antifreeze obtained by adding an antifreeze (freezing point depressant) to water is used as the refrigerant. The antifreeze supplied to the fuel cell flows through a coolant channel inside the fuel cell, and is heated by heat exchange. The heated antifreeze is discharged out of the fuel cell, cooled by the heat exchanger, and then supplied to the fuel cell again.
[0006]
As described above, as an example of a fuel cell system including the means for cooling the fuel cell and the means for humidifying the gas supplied to the fuel cell, a cooling means for circulating an antifreeze to cool the fuel cell, There is a fuel cell system including a gas humidifying unit for humidifying a fuel gas containing, a separating unit for purifying and separating water from an antifreeze, and a humidifying water supplying unit for supplying water separated from the antifreeze as humidifying water for fuel gas (for example, And Patent Document 1.).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-8-185877
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described in Patent Document 1, ethylene glycol is usually used as an antifreeze for preventing freezing of water. Further, in the fuel cell system described in Patent Document 1, an ultrafiltration membrane is used for separating water from antifreeze. However, since the molecular diameter of ethylene glycol is small, it is necessary to reduce the pore size of the ultrafiltration membrane in order to prevent ethylene glycol molecules from permeating. Therefore, when the permeation rate of water is low and the amount of gas humidification is desired to be increased, sufficient humidification cannot be performed. In addition, since the difference in molecular diameter between water molecules and ethylene glycol molecules is small, the permeation purity of the ultrafiltration membrane is not sufficient. That is, since the difference in molecular diameter between the two molecules is small, ethylene glycol permeates together with water, and there is a possibility that ethylene glycol is mixed into the separated water. The water separated from the antifreeze is used as humidifying water for humidifying the fuel gas. Therefore, the ethylene glycol mixed into the separated water is supplied to the fuel cell together with the fuel gas, and contaminates the electrolyte and poisons the electrode catalyst. As a result, battery performance decreases.
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above-described problem. In a fuel cell system including a unit for cooling a fuel cell and a unit for humidifying a gas supplied to the fuel cell, a fuel cell system includes: In addition to efficient and high-purity separation of water from the antifreeze that cools the fuel cell, sufficient humidification can be performed, and freezing of the humidified water at low temperatures is avoided, resulting in a decrease in cell performance. It is an object to provide a suppressed fuel cell system.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell system of the present invention, a fuel electrode to which a fuel gas containing hydrogen is supplied, an oxygen electrode to which an oxidizing gas containing oxygen is supplied, and a fuel electrode sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode A fuel cell comprising a plurality of electrode assemblies each comprising an electrolyte laminated via a separator; and a fuel cell for supplying an antifreeze solution obtained by dissolving a water-soluble polymer in water to the fuel cell, and cooling the fuel cell. Cooling means, and a supply gas humidifying means for separating water from the antifreeze and humidifying at least one of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell by the separated water. I do.
[0011]
That is, in the fuel cell system of the present invention, water for humidifying the fuel gas or the like is procured from the antifreeze circulated to cool the fuel cell. That is, there is no need to separately install a tank for storing pure water for humidifying the fuel gas or the like. Therefore, freezing of the pure water tank, the piping, and the like during operation at a low temperature does not pose a problem, and the work of replenishing the tank with pure water becomes unnecessary.
[0012]
Further, in the fuel cell system of the present invention, a water-soluble polymer is used as an antifreeze. That is, the water-soluble polymer plays a role of dissolving in water to lower the freezing point of water. The water-soluble polymer has a relatively large molecular diameter. Therefore, it is easy to separate from water. In other words, only water can be easily and purely separated from the antifreeze. In addition, there is less erosion problem as compared with low molecular weight compounds such as ethylene glycol. Furthermore, depending on the type of the water-soluble polymer, a more excellent effect is exhibited. For example, when a water-soluble polymer such as a chelate type is used as the water-soluble polymer, impurities such as metal ions contained in water are removed by the water-soluble polymer. Therefore, the purity of the separated water is improved. As a result, a decrease in battery performance is suppressed.
[0013]
In the fuel cell system according to the present invention, the supply gas humidifying means may include an antifreeze chamber to which the antifreeze is supplied, a humidifier chamber to which the humidified gas is supplied, and a moisture permeable partition between the antifreeze chamber and the humidifier chamber. It is desirable to provide a humidifier that includes a membrane and humidifies the gas by allowing water in the antifreeze to pass through the moisture permeable membrane. In the present embodiment, only water is separated from the antifreeze using the difference between the molecular diameter of the water-soluble polymer and the molecular diameter of the water molecule. In other words, by using a water-soluble polymer having a molecular diameter larger than the pore diameter of the moisture permeable membrane, only water molecules in the antifreeze are transmitted through the moisture permeable membrane and separated. When a water-soluble polymer having a relatively large molecular diameter is employed, the pore size of the permeable membrane can be increased, so that the water transmission speed can be further increased. Furthermore, when the molecular diameter of the water-soluble polymer is large, only water can be transmitted with high purity, so that the purity of separated water, that is, humidified water, is improved. As a result, contamination of the electrolyte and poisoning of the electrode catalyst are suppressed, and a decrease in battery performance is suppressed. In this embodiment, the water separated from the antifreeze via the moisture-permeable membrane is immediately used for humidifying the supply gas. That is, the water separated from the antifreeze exists only in the moisture permeable membrane. Therefore, the tank for storing the separated water and the associated piping are not required. Further, water in the moisture permeable membrane is hard to freeze. Therefore, the problem of freezing due to operation at a low temperature hardly occurs. Further, in this aspect, the structure of the fuel cell system can be simplified, and the entire fuel cell system can be downsized.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described in detail. The embodiment to be described is merely one embodiment, and the fuel cell system of the present invention is not limited to the following embodiment. The fuel cell system of the present invention can be embodied in various forms with modifications, improvements, and the like that can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention.
[0015]
As described above, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a fuel cell cooling unit, and a supply gas humidification unit. The fuel cell includes a fuel electrode to which a fuel gas containing hydrogen is supplied, an oxygen electrode to which an oxidizing gas containing oxygen is supplied, and an electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode. A plurality of electrode assemblies are stacked with a separator interposed therebetween. A fuel cell follows a generally known configuration of a fuel cell in that the fuel cell includes a pair of electrodes including a fuel electrode and an oxygen electrode, an electrolyte, and a separator. The type of the fuel cell is not particularly limited. Here, a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example.
[0016]
The fuel electrode and the oxygen electrode in the polymer electrolyte fuel cell are each composed of a catalyst layer containing a catalyst in which platinum or the like is supported on carbon particles and an electrolyte, and a diffusion layer made of a porous material such as carbon cloth that can diffuse gas. And two layers. In this case, a catalyst layer and a diffusion layer may be formed on both surfaces of an electrolyte membrane described later to form an electrode assembly. For example, the catalyst of each electrode is dispersed in a liquid containing a polymer constituting the electrolyte membrane, and the dispersion is applied to both surfaces of the electrolyte membrane and dried to form a catalyst layer. Then, a diffusion layer may be formed by pressing a carbon cloth or the like on the surface of each formed catalyst layer to form an electrode assembly.
[0017]
Usually, a polymer film having ion conductivity is used as the electrolyte. The type of the polymer film is not particularly limited. For example, a perfluorinated sulfonic acid film, a perfluorinated phosphonic acid film, a perfluorinated carboxylic acid film, a fluorinated hydrocarbon graft film, a total hydrocarbon A hydrocarbon-based electrolyte membrane such as a system-based graft membrane or a wholly aromatic membrane can be used. In particular, in consideration of durability and the like, it is desirable to use a perfluorinated polymer film. Above all, it is desirable to use a perfluorinated sulfonic acid membrane because of its high performance as an electrolyte. As an example of the perfluorinated sulfonic acid film, a copolymer film of perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group and tetrafluoroethylene, which is known by a trade name of "Nafion" (registered trademark, manufactured by DuPont), may be mentioned.
[0018]
As a separator for sandwiching the electrode assembly composed of the pair of electrodes and the electrolyte membrane, high current collecting performance, relatively stable even under an oxidized water vapor atmosphere, calcined carbon, molded carbon, or a noble metal or carbon material on the surface of a stainless steel material May be used.
[0019]
The fuel cell cooling means in the fuel cell system of the present invention supplies an antifreeze obtained by dissolving a water-soluble polymer in water to the fuel cell to cool the fuel cell. The water-soluble polymer constituting the antifreeze is not particularly limited as long as it is soluble in water. For example, nonionic water-soluble polymers include polyoxyethylene, polyoxymethylene, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, polyacrylamide, and water-soluble polysaccharides such as methylcellulose and starch. Examples of the ionic water-soluble polymer include polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, alginic acid, carboxymethyl cellulose, polystyrene sulfonic acid, and alkali metal salts thereof. One or more of these may be appropriately selected and used.
[0020]
It is desirable to use an ionic water-soluble polymer because the change in viscosity is relatively small even when the concentration of the water-soluble polymer changes. Further, a water-soluble polymer having a hydrophobic group in a side chain is also suitable for the same reason. Examples of the water-soluble polymer having a hydrophobic group in a side chain include a copolymer of a monomer having a hydrophobic group such as an alkyl group and a monomer having a hydrophilic group such as an acid group or alcohol. It may be a copolymer of two or more kinds of monomers having a hydrophobic group and two or more kinds of monomers having a hydrophilic group. For example, there are a methyl methacryl hydroxyethyl-methyl methacryl alkyl copolymer, a vinyl carboxylic acid-methyl methacryl alkyl copolymer, a vinyl alcohol-methyl methacryl alkyl copolymer, a vinyl sulfonic acid-methyl methacryl alkyl copolymer, and the like. Here, the alkyl group may be any of propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octane, nonane, and decane. Note that methyl methacrylalkyl, which is a monomer having a hydrophobic group, may be replaced with acrylalkyl, vinylalkyl, vinylalkylether, or the like. Specifically, methyl methacrylic hydroxyethyl-methacrylic alkyl copolymer, vinyl carboxylic acid-methacrylic alkyl copolymer, vinyl alcohol-methacrylic alkyl copolymer, vinyl sulfonic acid-methacrylic alkyl copolymer, methyl methacrylic hydroxyethyl -Vinyl alkyl copolymer, vinyl carboxylic acid-vinyl alkyl copolymer, vinyl alcohol-vinyl alkyl copolymer, vinyl sulfonic acid-vinyl alkyl copolymer, methyl methacrylic hydroxyethyl-vinyl alkyl ether copolymer, vinyl carboxylic acid Acid-vinyl alkyl ether copolymer, vinyl alcohol-vinyl alkyl ether copolymer, vinyl sulfonic acid-vinyl alkyl ether copolymer and the like. Further, block-type polyoxyethylene or polyoxymethylene having a long-chain alkyl group at the terminal, polyoxyethylene or polyoxymethylene having an alkyl group in a side chain, or the like can also be used. Also in this case, the alkyl group may be any of propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octane, nonane, and decane.
[0021]
Among the above water-soluble polymers, at least one selected from polyoxyethylene, polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, and polyvinyl carboxylic acid may be used from the viewpoint that they are inexpensive and have good stability in water. desirable. In addition, it is desirable to use a chelate-type water-soluble polymer from the viewpoint of removing impurities such as metal ions in water and suppressing a decrease in battery performance. Examples of the chelate type water-soluble polymer include polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl imino bis (methylene phosphonic acid), polyvinyl carboxylic acid, polyvinyl imino bis (methylene carboxylic acid), and a polymer having an amino group.
[0022]
In consideration of the viscosity of the antifreeze and the degree of freezing point depression, it is desirable to use a water-soluble polymer having a number average molecular weight of 100 to 1,000,000. A water-soluble polymer having a number-average molecular weight of less than 100 has a small molecular diameter, so that it is difficult to separate from water. When a moisture-permeable membrane is used for separation from water, the water-soluble polymer easily permeates the moisture-permeable membrane together with water, and the water-soluble polymer is easily mixed into the separated water. It is more preferable to use one having a number average molecular weight of 500 or more. Conversely, when the number-average molecular weight exceeds 1,000,000, the viscosity of the antifreeze is increased and the fluidity is reduced. In addition, the effect of freezing point depression is not sufficient. It is more preferable to use one having a number average molecular weight of 10,000 or less.
[0023]
The molecular weight of the water-soluble polymer may be measured according to an ordinary molecular weight measuring method, for example, by a light scattering method, an osmotic pressure method, a GPC (Gel Permeation Chromatography), or the like. In this specification, a value measured by GPC is adopted.
[0024]
The water that dissolves the water-soluble polymer serves as a refrigerant for cooling the fuel cell and a humidifying water that is separated from the antifreeze by the supply gas humidifier and humidifies the fuel gas and the like supplied to the fuel cell. . Therefore, it is required that impurities such as metal ions and chloride ions, which cause a decrease in battery performance, be small. Therefore, it is desirable that the water in which the water-soluble polymer is dissolved is pure water such as ion-exchanged water.
[0025]
The concentration of the water-soluble polymer in the antifreeze is not particularly limited. However, in consideration of the viscosity of the antifreeze and the degree of freezing point drop, it is desirable that the concentration of the water-soluble polymer be 0.1 wt% or more and 50 wt% or less when the mass of the antifreeze is 100 wt%. Depending on the structure and molecular weight of the water-soluble polymer, if the concentration of the water-soluble polymer is less than 0.1 wt%, the effect of lowering the freezing point due to the dissolution of the water-soluble polymer cannot be sufficiently obtained. It is more preferable that the concentration of the water-soluble polymer be 5 wt% or more. On the other hand, when the concentration of the water-soluble polymer exceeds 50% by weight, the viscosity of the antifreeze becomes high, and the fluidity decreases. It is more preferable that the concentration of the water-soluble polymer be 30 wt% or less.
[0026]
The configuration of the fuel cell cooling means is not particularly limited as long as it can supply the antifreeze to the fuel cell and cool the fuel cell. For example, the fuel cell cooling means may be configured to include an antifreeze tank for storing antifreeze to be supplied to the fuel cell, and a heat exchanger for exchanging heat of the antifreeze discharged from the fuel cell. Then, the antifreeze may be circulated between the fuel cell, the antifreeze tank, and the heat exchanger.
[0027]
The supply gas humidifying means in the fuel cell system of the present invention separates water from the antifreeze and humidifies at least one of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell by the separated water. The supply gas humidifying means may humidify only one of the fuel gas and the oxidizing gas, or may humidify both of the gases supplied to the fuel cell.
[0028]
The method for separating water from the antifreeze and humidifying the supply gas is not particularly limited. For example, the antifreeze is branched from the antifreeze tank constituting the fuel cell cooling means for humidifying the supply gas, and the antifreeze is heated to evaporate water. Then, the supply gas can be humidified through the gas diffusion film that transmits water vapor. Further, the evaporated water may be condensed, and the supply gas may be bubbled into the condensed water to humidify. Furthermore, water may be separated from the antifreeze branched for supply gas humidification via a moisture permeable membrane, and the supply gas may be humidified using the water. In this case, the supply gas humidifier includes an antifreeze chamber to which the antifreeze is supplied, a humidifier chamber to which the gas to be humidified is supplied, and a moisture-permeable membrane separating the antifreeze chamber and the humidifier chamber. An embodiment that is a humidifier that humidifies a gas by allowing water to pass through a moisture-permeable membrane is desirable. According to this embodiment, the water-soluble polymer can be easily separated from water by utilizing the difference between the molecular diameter of the water-soluble polymer and the molecular diameter of the water molecule. Then, by using an appropriate water-soluble polymer, the permeation rate of water can be increased, and the purity of separated water can also be increased. The water separated from the antifreeze is directly used for humidifying the supply gas. In other words, a single humidifier can separate water from the antifreeze and humidify the supply gas, so that the fuel cell system can have a simple structure and the entire fuel cell system can be downsized. Can be.
[0029]
It is preferable that the humidifier further includes a cooling chamber to which a refrigerant for cooling the antifreeze is supplied, and a heating chamber to which a heat medium for heating the gas to be humidified is supplied. In the humidifier, the difference between the partial pressures of water vapor on both sides of the moisture permeable membrane is the thrust for water permeation. When the antifreeze is cooled by the refrigerant, the partial pressure of water vapor becomes higher at the interface of the moisture-permeable membrane in contact with the antifreeze. Further, when the gas is heated by the heat medium, the partial pressure of water vapor becomes lower at the interface of the moisture permeable membrane in contact with the gas. That is, the difference between the partial pressures of water vapor on both sides of the moisture permeable membrane increases. Therefore, permeation of water from the antifreeze is promoted. Further, since the temperature of the gas in the humidified gas chamber is high, vaporization of the permeated water is also promoted.
[0030]
The type of the moisture permeable membrane used in the humidifier is not particularly limited. For example, an ultrafiltration membrane, a reverse osmosis membrane, an ion exchange membrane, a hemodialysis membrane, or the like may be used. Examples of the ultrafiltration membrane include a membrane formed from a polymer electrolyte composite, aromatic sulfone, acetylcellulose, polyimide, acrylonitrile copolymer, and a substituted polyolefin. Examples of the reverse osmosis membrane include a membrane formed from acetylcellulose, aromatic nylon, or the like. Examples of ion exchange membranes include products such as "Nafion" (registered trademark, manufactured by DuPont) and "Flemion" (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), as well as polystyrenesulfonic acid-based graft membranes and wholly aromatic sulfonic acid membranes. Is mentioned. Examples of the hemodialysis membrane include a membrane formed from cellulose, an acrylonitrile copolymer, or the like. In particular, it is desirable to use an ultrafiltration membrane in consideration of the balance between the water permeability and the purity of the permeated water. From these moisture permeable membranes, those having a suitable pore size may be adopted according to the molecular size of the water-soluble polymer used for the antifreeze. That is, in order to separate only water from the antifreeze via the moisture permeable membrane, the molecular diameter (Rg) of the water-soluble polymer needs to be larger than the pore diameter (Rm) of the moisture permeable membrane.
[0031]
The molecular diameter (Rg) of the water-soluble polymer may be measured by a method generally used for measuring the molecular diameter, such as a light scattering method or a filter method. The light scattering method is a method of irradiating various concentrations of a water-soluble polymer aqueous solution with light from various angles, and measuring and analyzing the light scattering intensity to obtain a molecular diameter. In addition, in the filter method, a water-soluble polymer aqueous solution and pure water are separately placed in a container divided into two by a moisture-permeable membrane having a known pore size, and the presence or absence of the water-soluble polymer permeated to the pure water side is determined. And a method for determining the molecular diameter from the pore size of the moisture-permeable membrane used. According to the filter method, the magnitude of the molecular diameter of the water-soluble polymer and the pore size of the moisture-permeable membrane can be determined by the presence or absence of the water-soluble polymer that has passed through the moisture-permeable membrane. Therefore, a suitable pore size of the moisture-permeable membrane can be easily determined in combination with the water-soluble polymer used. In this specification, a value measured by a filter method is employed. It is considered that the molecular diameter of the water-soluble polymer in the antifreeze slightly changes depending on the temperature of the antifreeze. Further, the pore size of the moisture permeable membrane also changes due to swelling with water. Therefore, it is desirable to determine the type of the water-soluble polymer and the moisture-permeable membrane in consideration of the conditions under which they are actually used.
[0032]
Further, the fuel cell system of the present invention is configured such that water is separated by the supply gas humidifying means and water is supplied to the antifreeze having an increased concentration of the water-soluble polymer to adjust the concentration of the water-soluble polymer in the antifreeze. Can be adopted. As described above, a part of the antifreeze supplied to the fuel cell by the fuel cell cooling means is used for humidifying the supply gas. In the antifreeze used for humidification, water is separated by the supply gas humidification means, the amount of the water is reduced, and the concentration of the water-soluble polymer is also increased. Therefore, according to this aspect, if the antifreeze after being used for humidification is replenished with water, the amount of the antifreeze can be maintained and the fluctuation of the concentration of the water-soluble polymer can be suppressed. The means for replenishing the antifreeze with water is not particularly limited. For example, a tank for storing water may be separately installed, and water may be appropriately supplied from the water tank to the antifreeze having an increased concentration of the water-soluble polymer.
[0033]
However, in the above-described embodiment in which the water for replenishment is stored, when operating at a low temperature, troubles such as a failure of a pump for replenishing the water and freezing of a water tank or a pipe may occur. Therefore, the antifreeze regenerating means is provided with an antifreeze chamber to which an antifreeze having an increased concentration of a water-soluble polymer is supplied, a hydrous gas chamber to which a gas containing water is supplied, and a transparent chamber for separating the antifreeze chamber and the hydrous gas chamber. It is desirable to adopt a mode that is a water recovery device that includes a wet membrane and supplies water to the antifreeze by allowing water in the gas to pass through the moisture permeable membrane. In the water recovery device according to this aspect, water is separated via a moisture permeable membrane as in the humidifier as the supply gas humidification unit described above. The moisture permeable membrane in the water collector may be similar to the moisture permeable membrane in the humidifier. In the water recovery unit, water molecules from water-containing gas pass through the moisture-permeable membrane and move to the antifreeze in which the concentration of the water-soluble polymer has increased. Therefore, there is no need for a tank or the like for replenishing water. Therefore, there is no possibility that the above-mentioned problem occurs. Here, the gas containing water can be appropriately supplied from outside the fuel cell system. However, in the fuel cell system, there are many gases containing water, such as a gas discharged from the fuel electrode, a gas discharged from the oxygen electrode, and a gas obtained by burning the gas discharged from the fuel electrode. Therefore, it is desirable to use those gases. By extracting water from the gas in the fuel cell system, energy can be effectively used, and the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved.
[0034]
It is preferable that the water recovery device further includes a cooling chamber to which a coolant for cooling a gas containing water is supplied. In the above-mentioned water recovery device, similarly to the humidifier as the supply gas humidifier described above, the difference between the partial pressures of water vapor on both sides of the moisture permeable membrane is the thrust for water permeation. When the gas containing water is cooled by the refrigerant, the partial pressure of water vapor becomes higher at the interface of the moisture-permeable membrane in contact with the gas containing water. As a result, permeation of water from the gas containing water is promoted.
[0035]
Hereinafter, a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, a fuel cell cooling unit 3, a fuel gas humidifier 4, an oxidizing gas humidifier 5, and a water recovery unit 6.
[0036]
The fuel cell 2 is a polymer electrolyte fuel cell, and is configured by laminating a plurality of electrode assemblies via a separator. The electrode assembly comprises an electrolyte and a fuel electrode and an oxygen electrode provided on both sides thereof. An antifreeze liquid channel is formed in the separator.
[0037]
The fuel cell cooling means 3 includes an antifreeze tank 31 and a heat exchanger 32. The antifreeze tank 31 stores an antifreeze obtained by dissolving polyethylene glycol (molecular weight 1500) as a water-soluble polymer in pure water. The antifreeze is supplied to the fuel cell 2, the fuel gas humidifier 4, and the oxidant gas humidifier 5 via the antifreeze liquid pump. The heat exchanger 32 is provided downstream of the fuel cell 2. The antifreeze discharged from the fuel cell 2 is cooled by the heat exchanger 32 and returned to the antifreeze tank 31.
[0038]
On the upstream side of the fuel cell 2, a fuel gas humidifier 4 and an oxidizing gas humidifier 5 are provided. The fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 are supply gas humidifiers. The fuel gas humidifier 4 humidifies hydrogen gas as fuel gas. The oxidizing gas humidifier 5 humidifies air as an oxidizing gas. The fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 have the same configuration except that the gas to be humidified is different. Therefore, here, the fuel gas humidifier 4 will be described. FIG. 2 shows a perspective view of the flow path structure of the fuel gas humidifier 4. FIG. 2 shows only a part of the flow channel structure in an enlarged manner. That is, in the fuel gas humidifier 4, the laminated structure of the heating chamber 44a → humidified gas chamber 42a → antifreeze chamber 41a → cooling chamber 43 → antifreeze chamber 41b → humidified gas chamber 42b → heated chamber 44b shown in FIG. Repeated.
[0039]
As shown in FIG. 2, the fuel gas humidifier 4 includes antifreeze chambers 41a and 41b, humidified gas chambers 42a and 42b, a cooling chamber 43, and heating chambers 44a and 44b. The antifreeze chamber 41a and the humidified gas chamber 42a are partitioned by an ultrafiltration membrane (a cellulose membrane having a molecular weight cut off of 1000, manufactured by Spectrum) having a moisture permeability. Similarly, the antifreeze chamber 41b and the humidified gas chamber 42b are separated by an ultrafiltration membrane (Cellulose membrane having a molecular weight cut off of 1000, manufactured by Spectrum) 45b. The humidified gas chamber 42a and the heating chamber 44a, the humidified gas chamber 42b and the heating chamber 44b, and the antifreeze chambers 41a and 41b and the cooling chamber 43 are each partitioned by a partition wall. The antifreeze chambers 41a and 41b, the humidified gas chambers 42a and 42b, the cooling chamber 43, and the heating chambers 44a and 44b are defined by a large number of partitions extending in the fluid flow direction. That is, the fuel gas humidifier 4 has a so-called microchannel structure.
[0040]
FIG. 3 schematically shows the flow of each fluid in the fuel gas humidifier 4. As shown in FIG. 3, the antifreeze supplied from the antifreeze tank 31 flows through the antifreeze chambers 41a and 41b. The hydrogen gas supplied by the hydrogen blower 8 flows through the humidification gas chambers 42a and 42b. In the cooling chamber 43, low-temperature air branched upstream of the air blower 9 flows as a refrigerant. In the heating chambers 44a and 44b, a high-temperature gas obtained by burning gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell 2 flows as a heat medium. The water in the antifreeze flowing through the antifreeze chambers 41a and 41b moves to the hydrogen gas flowing through the humidification gas chambers 42a and 42b via the ultrafiltration membranes 45a and 45b, respectively. That is, the water in the antifreeze is separated from the antifreeze by passing through the ultrafiltration membranes 45a and 45b. Then, the hydrogen gas is humidified by the separated water.
[0041]
Here, the movement of water and heat in the fuel gas humidifier 4 will be described. FIG. 4 is an enlarged view of a part (a portion A in FIG. 2) of a cross section of the fuel gas humidifier 4 shown in FIG. In FIG. 4, white arrows indicate the flow of water, and black arrows indicate the flow of heat. As shown in FIG. 4, water moves from the antifreeze flowing through the antifreeze chambers 41a and 41b to the hydrogen gas flowing through the humidification gas chambers 42a and 42b via the ultrafiltration membranes 45a and 45b, respectively. Further, heat is transferred from the heating chambers 44a and 44b to the adjacent humidifying gas chambers 42a and 42b via the partition walls. That is, the hydrogen gas flowing through the humidified gas chambers 42a and 42b is heated. Therefore, the partial pressure of water vapor of hydrogen gas becomes low. On the other hand, heat is transferred from the antifreeze chambers 41a and 41b to the adjacent cooling chamber 43 via the partition walls. That is, the antifreeze flowing through the antifreeze chambers 41a and 41b is cooled. Therefore, the partial pressure of water vapor of the antifreeze becomes high. As described above, since the difference between the partial pressures of steam on both sides of the ultrafiltration membranes 45a and 45b is large, the permeation of water is promoted.
[0042]
The hydrogen blower 8 and the air blower 9 serve to supply hydrogen gas and air to the fuel cell 2 and operate the fuel cell 2 respectively. The hydrogen gas driven by the hydrogen blower 8 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 2 after being humidified by the fuel gas humidifier 4. Similarly, the air driven by the air blower 9 is humidified by the oxidizing gas humidifier 5 and then supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 2. The fuel cell 2 generates power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and air.
[0043]
The fuel gas combustor 7 is provided downstream of the fuel cell 2. The fuel gas combustor 7 is supplied with hydrogen gas not used in the reaction at the fuel electrode and air not used in the reaction at the oxygen electrode. The fuel gas combustor 7 has a platinum-based catalyst as a catalyst. In the fuel gas combustor 7, the hydrogen gas not used in the reaction at the fuel electrode is burned by the reaction with the air, and as a result, a gas containing water is generated.
[0044]
The water recovery device 6 as antifreeze regenerating means is provided downstream of the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5. The antifreeze discharged from the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 has an increased concentration of the water-soluble polymer as a result of separation of water. In the water recovery unit 6, water is supplied to the antifreeze discharged from the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5. The antifreeze liquid replenished with water is returned to the antifreeze tank 31. Hereinafter, the configuration of the water recovery device 6 will be described. FIG. 5 shows a perspective view of the flow channel structure of the water recovery device. Note that FIG. 5 shows only a part of the flow channel structure in an enlarged manner. In other words, in the water recovery unit 6, the laminated structure of the cooling chamber 63a, the water-containing gas chamber 62a, the antifreeze chamber 61, the water-containing gas chamber 62b, and the cooling chamber 63b shown in FIG.
[0045]
As shown in FIG. 5, the water recovery unit 6 includes an antifreeze liquid chamber 61, water-containing gas chambers 62a and 62b, and cooling chambers 63a and 63b. The antifreeze chamber 61 and the water-containing gas chambers 62a and 62b are separated by ultrafiltration membranes 64a and 64b (Spectrum, cellulose membrane with a molecular weight cut off of 1000), which are moisture permeable membranes, respectively. The water-containing gas chamber 62a and the cooling chamber 63a, and the water-containing gas chamber 62b and the cooling chamber 63b are partitioned by partition walls. The antifreeze chamber 61, the water-containing gas chambers 62a and 62b, and the cooling chambers 63a and 63b are defined by a number of partitions extending in the fluid flow direction. That is, the water collector 6 has a so-called microchannel structure.
[0046]
FIG. 6 schematically shows the flow of each fluid in the water recovery device 6. As shown in FIG. 6, the antifreeze having an increased concentration of the water-soluble polymer discharged from the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 flows through the antifreeze chamber 61. A gas containing water discharged from the fuel gas combustor 7 flows through the water-containing gas chambers 62a and 62b. In the cooling chambers 63a and 63b, low-temperature air branched upstream of the air blower 9 flows as a refrigerant. Water in the gas flowing through the water-containing gas chambers 62a and 62b moves to the antifreeze flowing through the antifreeze chamber 61 via the ultrafiltration membranes 64a and 64b, respectively. That is, the water in the gas is separated by passing through the ultrafiltration membranes 62a and 62b, and is supplied to the antifreeze.
[0047]
Here, the movement of water and heat in the water recovery unit 6 will be described. FIG. 7 is an enlarged view of a part of the cross section of the water recovery device 6 shown in FIG. 5 (portion B in FIG. 5). In FIG. 7, white arrows indicate the flow of water, and black arrows indicate the flow of heat. As shown in FIG. 7, water moves from the gas flowing through the water-containing gas chambers 62a and 62b to the antifreeze flowing through the antifreeze chamber 61 via the ultrafiltration membranes 64a and 64b, respectively. Heat is transferred from the water-containing gas chambers 62a and 62b to the adjacent cooling chambers 63a and 63b via the partition walls. That is, the gas flowing through the water-containing gas chambers 62a and 62b is cooled. Therefore, the partial pressure of water vapor of the gas containing water increases. As described above, since the difference between the partial pressures of steam on both sides of the ultrafiltration membranes 62a and 62b is large, the permeation of water is promoted.
[0048]
Next, the operation of the fuel cell system of the present invention will be described. First, the flow of the supplied hydrogen gas and air will be described. The hydrogen gas driven by the hydrogen blower 8 is supplied to the fuel gas humidifier 4. Hydrogen gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 2 after being humidified by the fuel gas humidifier 4. The air driven by the air blower 9 is supplied to the oxidizing gas humidifier 5. The air is supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 2 after being humidified by the oxidizing gas humidifier 5. In the fuel cell 2, an electrochemical reaction between the supplied hydrogen gas and the air proceeds. The water generated by the reaction is discharged from the fuel cell 2 (not shown).
[0049]
The air branched upstream of the air blower 9 is guided to the fuel gas humidifier 4, the oxidizing gas humidifier 5, and the water recovery unit 6, and is used as each refrigerant. The air used as the refrigerant is discharged out of the system.
[0050]
Next, the flow of the antifreeze will be described. The antifreeze is stored in an antifreeze tank 31. The antifreeze is used for cooling the fuel cell 2 and humidifying the supply gas. The antifreeze is supplied from the antifreeze tank 31 to the fuel cell 2 via the antifreeze pump. The antifreeze discharged from the fuel cell 2 is cooled by the heat exchanger 32 and returned to the antifreeze tank 31. Further, a part of the antifreeze is branched off on the downstream side of the antifreeze pump and supplied to the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 described above. In the fuel gas humidifier 4, water is separated from the supplied antifreeze and the hydrogen gas is humidified. In the oxidizing gas humidifier 5, water is separated from the supplied antifreeze and the air is humidified. The antifreeze discharged from the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 is returned to the antifreeze tank 31 via a water recovery unit 6 described later.
[0051]
The hydrogen gas and air not used for the reaction in the fuel cell 2 are guided to a fuel gas combustor 7 provided on the downstream side of the fuel cell 2. The gas discharged from the fuel gas combustor 7 is supplied to the water recovery device 6 except for a part. Part of the gas discharged from the fuel gas combustor 7 is guided to the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5, and is used as a heat medium for each. The gas used as the heat medium is discharged out of the system.
[0052]
In the water recovery unit 6, a gas containing water discharged from the fuel gas combustor 7 and an antifreeze having an increased concentration of the water-soluble polymer discharged from the fuel gas humidifier 4 and the oxidizing gas humidifier 5 are stored. Supplied. In the water recovery device 6, water is separated from the gas containing water, and the separated water is supplied to the antifreeze. The antifreeze supplied with water by the water collector 6 is returned to the antifreeze tank 31. On the other hand, the gas and the refrigerant from which water has been separated by the water collector 6 are both discharged out of the system.
[0053]
In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is employed as the fuel cell. However, the type of fuel cell is not limited to a polymer electrolyte fuel cell. Various fuel cells such as a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid oxide fuel cell can be employed. In addition, the water-soluble polymer constituting the antifreeze is not limited to polyethylene glycol having a molecular weight of 1500. A suitable water-soluble polymer may be selected according to the type of the fuel cell and the mode of the supply gas humidifying unit.
[0054]
In the present embodiment, a mode in which both the fuel gas and the oxidizing gas are humidified is employed. However, a mode in which one of the fuel gas and the oxidizing gas is humidified may be adopted. In this embodiment, the supply gas humidifier is a humidifier having a moisture permeable membrane. However, the structure of the humidifier is not limited to the above embodiment. For example, various membranes such as an ion exchange membrane can be adopted as the moisture permeable membrane. Further, as the heat medium, in addition to the gas discharged from the fuel gas combustor, a medium that is used for cooling the air blower and has a high temperature can be used. As the refrigerant, in addition to the air branched upstream of the air blower, a refrigerant or the like for cooling other electrical components can be used. Note that a mode in which a heat medium or a refrigerant is not used may be adopted.
[0055]
In the present embodiment, the fuel cell system is provided with the water recovery unit as the antifreeze regenerating means. However, the fuel cell system of the present invention may be implemented in a mode that does not include the antifreeze regenerating means. Also, the antifreeze regenerating means is not particularly limited. In the present embodiment, the antifreeze regenerating means is a water collector provided with a moisture permeable membrane. However, the structure of the water collector is not limited to the above embodiment. For example, as the moisture permeable membrane, various membranes such as an ion exchange membrane can be adopted as in the humidifier. Further, as the gas containing water, in addition to the gas discharged from the fuel gas combustor, the gas discharged from the fuel electrode or the gas discharged from the oxygen electrode may be used alone. As the refrigerant, in addition to the air branched upstream of the air blower, a refrigerant or the like for cooling other electrical components can be used. Note that a mode in which no refrigerant is used may be adopted.
[0056]
The installation location of the water collector is not particularly limited. In the present embodiment, a water collector is installed downstream of the fuel gas humidifier and the oxidizing gas humidifier. However, for example, as shown in FIG. 8 (parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals), a circulation system including the antifreeze tank 31 and the water collector 6 may be separately provided. That is, the antifreeze discharged from the fuel gas humidifier 4 and the oxidant gas humidifier 5 is sent to the antifreeze tank 31 as it is. Then, the antifreeze is supplied from the antifreeze tank 31 to the water recovery device 6. The gas containing water discharged from the fuel gas combustor 7 and the air as a refrigerant branched upstream of the air blower 9 are supplied to the water recovery device 6 as in the present embodiment. In the water recovery device 6, water is separated from the gas containing water, and the separated water is supplied to the antifreeze. The antifreeze supplied with water by the water collector 6 is returned to the antifreeze tank 31. The gas and refrigerant from which water has been separated by the water recovery unit 6 are both discharged out of the system. In this way, by circulating the antifreeze between the antifreeze tank 31 and the water recovery unit 6, the concentration of the water-soluble polymer in the antifreeze is adjusted.
[0057]
【The invention's effect】
In the fuel cell system of the present invention, an antifreeze obtained by dissolving a water-soluble polymer in water is used as a coolant for cooling the fuel cell. Then, water for humidifying the supply gas to the fuel cell is procured from the antifreeze. Since the water-soluble polymer is easily separated from water, only water can be easily separated from the antifreeze with high purity. When a water-soluble polymer such as a chelate type is used as the water-soluble polymer, impurities such as metal ions contained in water are removed by the water-soluble polymer. Therefore, the purity of the separated water is improved. As a result, a decrease in battery performance is suppressed. As described above, according to the fuel cell system of the present invention, the gas supplied to the fuel cell can be efficiently humidified, and a decrease in cell performance due to operation can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 schematically shows a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a perspective view of a flow channel structure of the fuel gas humidifier.
FIG. 3 schematically shows the flow of each fluid in the fuel gas humidifier.
FIG. 4 is an enlarged view of a portion A in FIG. 2;
FIG. 5 shows a perspective view of a flow channel structure of the water recovery device.
FIG. 6 schematically shows the flow of each fluid in the water recovery device.
FIG. 7 is an enlarged view of a portion B in FIG. 5;
FIG. 8 schematically shows a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Fuel cell system 2: Fuel cell
3: Fuel cell cooling means
31: Antifreeze tank 32: Heat exchanger
4: Fuel gas humidifier (supply gas humidifier)
41a, 41b: antifreeze liquid chamber 42a, 42b: humidified gas chamber
43: cooling chamber 44a, 44b: heating chamber
45a, 45b: ultrafiltration membrane
5: Oxidizing gas humidifier (supply gas humidifying means)
6: Water recovery device
61: Antifreeze chamber 62a, 62b: Hydrous gas chamber
63a, 63b: cooling chamber 64a, 64b: ultrafiltration membrane
7: Fuel gas combustor 8: Hydrogen blower 9: Air blower

Claims

An electrode assembly including a fuel electrode to which a fuel gas containing hydrogen is supplied, an oxygen electrode to which an oxidizing gas containing oxygen is supplied, and an electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode is provided. A fuel cell configured by laminating a plurality of via a separator,
A fuel cell cooling means for supplying an antifreeze obtained by dissolving a water-soluble polymer in water to the fuel cell and cooling the fuel cell,
A fuel cell system comprising: a supply gas humidifier that separates water from the antifreeze and humidifies at least one of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell with the separated water.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the water-soluble polymer includes a nonionic water-soluble polymer.

3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the nonionic water-soluble polymer includes at least one selected from polyoxyethylene, polyoxymethylene, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, polyacrylamide, methylcellulose, and starch.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the water-soluble polymer includes an ionic water-soluble polymer.

The ionic water-soluble polymer according to claim 4, wherein the ionic water-soluble polymer contains at least one selected from polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, alginic acid, carboxymethyl cellulose, polystyrene sulfonic acid, and alkali metal salts thereof. Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the water-soluble polymer includes a chelate-type water-soluble polymer.

The fuel cell according to claim 6, wherein the chelate-type water-soluble polymer includes at least one selected from polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl imino bis (methylene phosphonic acid), polyvinyl carboxylic acid, and polyvinyl imino bis (methylene carboxylic acid). system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the water-soluble polymer includes a water-soluble polymer having a hydrophobic group in a side chain.

The water-soluble polymer having a hydrophobic group in the side chain is methyl methacrylic hydroxyethyl-methyl methacryl alkyl copolymer, vinyl carboxylic acid-methyl methacryl alkyl copolymer, vinyl alcohol-methyl methacryl alkyl copolymer, vinyl sulfonic acid -Methyl methacryl alkyl copolymer, methyl methacryl hydroxyethyl-methacryl alkyl copolymer, vinyl carboxylic acid-methacryl alkyl copolymer, vinyl alcohol-methacryl alkyl copolymer, vinyl sulfonic acid-methacryl alkyl copolymer, methyl methacryl Hydroxyethyl-vinyl alkyl copolymer, vinyl carboxylic acid-vinyl alkyl copolymer, vinyl alcohol-vinyl alkyl copolymer, vinyl sulfonic acid-vinyl alkyl copolymer, methyl methacrylic 9. A composition comprising at least one selected from a loxyethyl-vinyl alkyl ether copolymer, a vinyl carboxylic acid-vinyl alkyl ether copolymer, a vinyl alcohol-vinyl alkyl ether copolymer, and a vinyl sulfonic acid-vinyl alkyl ether copolymer. The fuel cell system according to item 1.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the water-soluble polymer has a number average molecular weight of 500 or more and 1,000,000 or less.

The supply gas humidifying means includes an antifreeze chamber to which the antifreeze is supplied, a humidification gas chamber to which a gas to be humidified is supplied, and a moisture permeable membrane separating the antifreeze chamber and the humidification gas chamber. The fuel cell system according to claim 1, wherein the humidifier is a humidifier that humidifies the gas by allowing water therein to permeate through the moisture permeable membrane.

The fuel cell system according to claim 11, wherein the moisture permeable membrane is one of an ultrafiltration membrane, a reverse osmosis membrane, and an ion exchange membrane.

The fuel cell system according to claim 11, wherein a molecular diameter (Rg) of the water-soluble polymer in the antifreeze is larger than a pore diameter (Rm) of the moisture permeable membrane.

The antifreeze regenerating means for adjusting the concentration of the water-soluble polymer in the antifreeze by supplying water to the antifreeze in which the water is separated by the supply gas humidifying means and the concentration of the water-soluble polymer is increased. Fuel cell system.

The antifreeze regenerating means separates the antifreeze chamber into which the antifreeze having an increased concentration of the water-soluble polymer is supplied, the hydrous gas chamber into which a gas containing water is supplied, and the antifreeze chamber and the hydrous gas chamber. The fuel cell system according to claim 14, further comprising a moisture-permeable membrane, wherein the water-recovery unit replenishes the antifreeze with water by allowing water in the gas to pass through the moisture-permeable membrane.