JP2004165064A

JP2004165064A - Humidifier for fuel cell

Info

Publication number: JP2004165064A
Application number: JP2002331208A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kusano; 佳夫草野; Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木; Kenji Nagumo; 健司南雲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: JP3871264B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidifier for a fuel cell for reducing an installation space. <P>SOLUTION: This humidifier 2 for a fuel cell is provided with a fuel reaction gas humidification module 3 constructed for exchanging moisture between a fuel reaction gas and an exhaust gas from the fuel cell via a bundle of hollow fiber membranes housed inside a housing 5, an oxidizer reaction gas humidification module 4 constructed for exchanging moisture between an oxidizer reaction gas and the exhaust gas from the fuel cell via a bundle of hollow fiber membranes housed inside a housing 6, and an exhaust gas pipe 15 letting the exhaust gas flow between the both humidification modules 3 and 4. In the humidifier for the fuel cell, at least one of the humidification modules 3 and 4 is constructed by arranging an odd number of housings 5 and 6 while setting their axial center direction in parallel, and the exhaust gas pipe 15 is arranged between the adjacent housings 5 and 6. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスと、燃料電池から排出される排気ガスとの間で水分交換することにより、燃料電池の両極を加湿する水透過型の燃料電池用加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設されてなる電極膜構造体の両側に、反応ガスの流通路を形成すると共に電極膜構造体を支持するためのセパレータを積層して構成されたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノード電極に燃料用反応ガスとして水素ガスを供給すると共に、カソード電極に酸化剤用反応ガスとして酸素あるいは空気を供給して、これらのガスの酸化還元反応による化学エネルギを、直接電気エネルギとして抽出するようになっている。
【０００４】
ところで、この燃料電池では、固体高分子電解質膜が乾燥するとイオン伝導率が低下してエネルギ変換効率が低下することから、固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。このため、この種の燃料電池では、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを、加湿装置で加湿して供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給して、良好な反応を維持させることが行われている。
【０００５】
燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿するための加湿装置としては、ハウジング内に中空糸膜束を収容して構成された加湿モジュールを複数備え、各加湿モジュールのハウジングに収容された中空糸膜内に燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスを流通させると共に、中空糸膜の外部に排気ガスを流通させることにより、燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガスよりも水分濃度が高い排気ガス中の水分を、固体高分子電解質膜を透過させて燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガス中に拡散させ、燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガスを加湿するようになっている。（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７３６８７号公報の〔段落００１０〕
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この燃料電池用加湿装置では、加湿モジュールを構成するハウジングを、軸心方向を平行にして複数個配列して構成する場合があるが、この場合には、平面視において隣接するハウジング間に大きな隙間が生じるため、その分広い設置スペースを必要とする。また、燃料電池用加湿装置においては、一般的に、冷却水流通管内に冷却水を流通させて水素加湿モジュール及び空気加湿モジュールを保温することが行われているため、冷却水流通管を設置するためのスペースも確保する必要がある。このように、従来の燃料電池用加湿装置では、余分なスペースが多く、その分広い設定スペースを必要としていた。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、設置スペースを低減できる燃料電池用加湿装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の燃料電池用加湿装置は、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換するように構成された燃料用反応ガス加湿モジュールと、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換するように構成された酸化剤用反応ガス加湿モジュールと、両加湿モジュール間で排気ガスを流通させるための排気ガス流通管と、を備える燃料電池用加湿装置であって、前記両加湿モジュールの少なくとも一方は、奇数個の前記ハウジングを軸心方向を平行にして配列して構成されており、隣接するハウジング間に前記排気ガス流通管を配設して構成されていることを特徴とする。
【００１０】
この燃料電池用加湿装置は、一方の加湿モジュールのハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換し、燃料用反応ガスを加湿して燃料電池のアノード電極に供給すると共に、他方の加湿モジュールのハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換して、酸化剤用反応ガスを加湿して燃料電池のカソード電極に供給するようになっている。
【００１１】
ここで、燃料電池用加湿装置では、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿するための排気ガスを、一方の加湿モジュールのハウジング内を通過させた後、他方の加湿モジュールのハウジング内を通過させるように構成されているが、この燃料電池用加湿装置では、両加湿モジュールの少なくとも一方が、奇数個のハウジングを軸心方向を平行にして配列されると共に、隣接するハウジング間に排気ガス流通管を配設して構成されている。
【００１２】
このように、加湿モジュールを構成するハウジングを軸心方向を平行にして奇数個配列して構成する場合には、加湿モジュールを平面視すると、隣接するハウジング間に大きな隙間が生じるため、その分広い設置スペースを必要とする。しかし、この燃料電池用加湿装置のように、隣接するハウジング間に排気ガス流通管を配設する構成によれば、ハウジング間に生じた隙間を有効に利用でき、その分設置スペースを小さくできる。
【００１３】
燃料電池用加湿装置においては、前記両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を更に備え、奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記冷却水流通管を配設して構成してもよい。
【００１４】
両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を備える燃料電池用加湿装置においては、冷却水流通管を設置するためのスペースも確保する必要があることから、その分装置全体としての設置スペースも広くする必要がある。しかしながら、この燃料電池用加湿装置のように、隣接するハウジング間に冷却水流通管を配設する構成によれば、隣接するハウジング間の余分な設置スペースを有効に活用して、装置全体を小型化でき、その分設置スペースを小さくできる。
【００１５】
さらに、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿した後、燃料電池に供給すると共に、燃料電池を保温するための冷却水を燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置にあっては、奇数個の前記ハウジングのうち更に相互に隣接するハウジングの間に前記熱交換器を配設して構成してもよい。
【００１６】
燃料電池を保温するための冷却水を燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池においては、熱交換器を設置するためのスペースを必要とするが、この構成によれば、隣接するハウジング間の余分なスペースに熱交換器を配設できるため、設置スペースを小さくできる。
【００１７】
さらにまた、燃料電池で酸化還元反応に用いられた酸化剤用反応ガスの排気ガスを、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いた後、背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置にあっては、前記排気ガス流通管が、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを前記背圧弁に供給するためのものであり、燃料用反応ガス加湿モジュール又は酸化剤用反応ガス加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設するように配置されている構成としてもよい。
【００１８】
燃料電池で酸化還元反応に用いられた燃料用反応ガスを、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスと共に背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池においては、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを排気ガス流通管を介して背圧弁に供給するが、排気ガスが高い水分濃度を有することから、排気ガス流通管内に排気ガスの水滴が生じて、この水滴が排気ガスと共に背圧弁に供給される虞がある。しかし、この燃料電池用加湿装置のように、排気ガス流通管が、一方の加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設する構成によれば、排気ガス流通管内に生じた水滴が、排気ガス流通管の上方に向けて延設された部分から、ハウジング間に沿って延設した部分に流入するのを避けることができ、排気ガス流通管内の水滴が背圧弁内に流入するのを防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を説明する図である。
【００２０】
燃料電池システム１は、図１に示すように、水素貯蔵タンク（Ｈ_２タンク）に貯蔵された燃料用反応ガスとしての水素ガスを、水素管１６内を流通させて、熱交換器（Ｈ／Ｅ）１２、エゼクタの順で通過させて燃料電池用加湿装置２を構成するアノード加湿器３に供給し、アノード加湿器３で加湿した後、燃料電池（ＦＣスタック）１１のアノード電極に供給して酸化還元反応に供する。そして、酸化還元反応に供した水素ガスは、水素オフガスとしてＦＣスタック１１から排出して水素オフガス管１３内を流通させて、再度ＦＣスタック１１に供給し、又は適宜時間間隔をおいて流体排出用のパージ弁を介して外部に排気する。
【００２１】
一方、酸化剤用反応ガスとしての空気は、スーパーチャージャで加圧して空気管１４内を流通させ、インタークーラを介して燃料電池用加湿装置２のカソード加湿器４に供給し、カソード加湿器４で加湿した後、ＦＣスタック１１のカソード電極に供給して空気中の酸素を酸化剤として用いる。そして、酸化剤として用いた空気は、空気オフガスとしてＦＣスタック１１から排出して空気オフガス管１５内を流通させ、アノード加湿器３、カソード加湿器４の順で通過させて水素ガス及び空気を加湿し、背圧弁１８を介して外部に排気するようになっている。
【００２２】
また、燃料電池システム１は、ＦＣスタック１１を保温するための冷却水を、冷却水管１７内を流通させ、アノード加湿器３を通過させてアノード加湿器３を保温した後、一部は熱交換器１２を介してＦＣスタック１１に供給し、残りをカソード加湿器４を通過させてカソード加湿器４を保温した後にＦＣスタック１１に供給するようになっている。
【００２３】
次に、この燃料電池システム１に用いられる燃料電池用加湿装置２について図２〜図５を参照して説明する。
【００２４】
燃料電池用加湿装置２は、図２に示すように、燃料用反応ガスである水素ガスを加湿するためのアノード加湿器３と、酸化剤用反応ガスである空気を加湿するためのカソード加湿器４とから構成されている。
【００２５】
アノード加湿器３は、水素加湿用の加湿モジュールであり、複数（図では２個）のハウジング５の内部に、ＦＣスタック１１に供給される水素ガスとＦＣスタック１１から排出される空気オフガスとの間で水分交換するための中空糸膜束（水素不透過性の膜）を収容して構成されている。
【００２６】
各ハウジング５は、図３（ａ）に示すように、それぞれ略円筒形状を呈した本体部５１の長さ方向の一端部を入口ヘッド５２で閉塞すると共に本体部５１の長さ方向の他端部を出口ヘッド５３で閉塞して構成されている。
【００２７】
本体部５１は、他端側の外周面に穿設された複数のオフガス流入孔５１１を覆うように入口環状カバー５４が形成されると共に、一端側の外周面に穿設された複数のオフガス流出孔５１２を覆うように出口環状カバー５５が形成されている。入口環状カバー５４及び出口環状カバー５５には空気オフガス管１５（図１参照）が接続されている。また、各ハウジング５の入口ヘッド５２及び出口ヘッド５３には水素ガス管１６（図１参照）が接続されている。
【００２８】
アノード加湿器３は、このように構成される各ハウジング５を、図３（ａ）に示すように、本体部５１の軸心方向（長手方向）を互いに平行にして、互いに所定間隔離間した状態で配設して構成されている。そして、各ハウジング５の入口環状カバー５４が同一面上において一体となって入口環状カバーブロック５４Ａを構成し、出口環状カバー５５が同一面上において一体となって出口環状カバーブロック５５Ａを構成している。また、各ハウジング５の入口ヘッド５２は、同一面上において一体に形成されて入口ヘッドブロック５２Ａを構成し各ハウジング５の出口ヘッド５３は、同一面上において一体に形成されて出口ヘッドブロック５３Ａを構成している。
【００２９】
このような構成のアノード加湿器３は、図４（ａ）に示すように、水素ガス管１６から入口ヘッドブロック５２Ａ内の流通路を介してハウジング５の本体部５１内に流入した水素ガスが、ハウジング５内の中空糸膜束の内側を流通し、出口ヘッドブロック５３Ａ内の流通路を介して水素ガス管１６に排出されると共に、空気オフガス管１５からオフガス流入孔５１１を介してハウジング５内に流入した空気オフガスが、ハウジング５内の中空糸膜束の外側を流通し、オフガス排出孔５１２を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっており、これにより空気オフガス中の水分が中空糸膜を介して水素ガスに受け渡されて、水素ガスが加湿されるようになっている。
【００３０】
カソード加湿器４は、空気加湿用の加湿モジュールであり、図３（ａ）に示すように、複数（図では３個）のハウジング６の内部に、ＦＣスタック１１に供給される空気とＦＣスタック１１から排出される空気オフガスとの間で水分交換するための中空糸膜束（多孔性の膜）を収容して構成されている。
【００３１】
各ハウジング６は、図３（ｂ）に示すように、それぞれ略円筒形状を呈した本体部６１の長さ方向の一端部を入口ヘッド６２で閉塞すると共に本体部の長さ方向の他端部を出口ヘッド６３で閉塞して構成されている。
【００３２】
本体部６１は、一端側の外周面に穿設された複数のオフガス流出孔６１２を覆うように出口環状カバー６４が形成されている。出口環状カバー６４には空気オフガス管１５（図１参照）が接続されている。また、各ハウジング６の入口ヘッド６２及び出口ヘッド６３には空気管１４（図１参照）が接続されている。
【００３３】
カソード加湿器４は、このように構成される各ハウジング６を、図３（ｂ）に示すように、本体部６１の軸心方向（長手方向）を互いに平行にして、互いに所定間隔離間した状態で配設して構成されている。そして、各ハウジング６の出口環状カバー６４が同一面上において一体となって出口環状カバーブロック６４Ａを構成している。また、各ハウジング６の入口ヘッド６２は、同一面上において一体に形成されて入口ヘッドブロック６２Ａを構成し、各ハウジング６の出口ヘッド６３は、同一面上において一体に形成されて出口ヘッドブロック６３Ａを構成している。
【００３４】
また、図５に断面で示すように、カソード加湿器４を構成する各ハウジング６のうち相互に隣接するハウジング６の間には、カソード加湿器４において空気の加湿に用いられた空気オフガスを排出するための空気オフガス管１５が配設されている。空気オフガス管１５は、カソード加湿器４の出口ヘッドブロック６３Ａから設置面に対して上方に延設した後、隣接するハウジング６間に沿って延設されている。また、他の隣接するハウジング６間にアノード加湿器３及びカソード加湿器４の保温に用いられる冷却水が流通するための冷却水管１７が配設されると共に、更に他の相互に隣接するハウジング６の間に熱交換器１２が配設されている。
【００３５】
このような構成のカソード加湿器４は、図４（ｂ）に示すように、空気管１４から入口ヘッドブロック６２Ａ内の流通路を介してハウジング６の本体部６１内に流入した空気が、ハウジング６内の中空糸膜束の内側を流通し、出口ヘッドブロック６３Ａ内の流通路を介して空気管１４に排出されると共に、空気オフガス管１５からオフガス流入孔６１１を介してハウジング６内に流入した空気オフガスが、ハウジング６内の中空糸膜束の外側を流通し、オフガス排出孔６１２を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっており、これにより空気オフガス中の水分が中空糸膜を介して空気に受け渡されて、空気が加湿されるようになっている。
【００３６】
このような構成の燃料電池用加湿装置２は、アノード加湿器３の入口ヘッド５２から水素ガスがハウジング５内に流入し、中空糸膜束の内側を流通して出口ヘッド５３から水素供給管１６に排出されると共に、オフガス流入孔５１１から空気オフガスがハウジング５内に流入し、中空糸膜束の外側を流通してオフガス流出孔５１２から空気オフガス管１５に排出されることにより、アノード加湿器３内を流通する水素ガスを加湿して、ＦＣスタック１１のアノード電極に供給する。一方、カソード加湿器４の入口ヘッド６２から空気がハウジング６内に流入し、中空糸膜束の内側を流通して出口ヘッド６３から排出されると共に、オフガス流入孔６１１からオフガスがハウジング６内に流入し、中空糸膜束の外側を流通してオフガス流出孔６１２から排出することにより、カソード加湿器４内を流通する空気を加湿して、ＦＣスタック１１のカソード電極に供給するようになっている。
【００３７】
この場合、この燃料電池用加湿装置２では、図５に示すように、カソード加湿器４を構成するハウジング６を軸心方向を平行にして奇数個（図では３個）配列し、互いに隣接するハウジング６の間に空気オフガス管１５を配設しているため、ハウジング６間に生じた隙間を有効に利用でき、その分設置スペースを小さくできる。
【００３８】
また、他の隣接するハウジング６の間に冷却水管１７を配設しているため、隣接するハウジング６間の余分な設置スペースを有効に活用して、装置全体を小型化でき、その分設置スペースを小さくできる。さらに、隣接するハウジング６間の余分なスペースに熱交換器１２を配設するため、その分設置スペースを小さくできる。
【００３９】
また、水素ガス及び空気の加湿に用いられた空気オフガスを背圧弁１８に供給するための空気オフガス管１５を、カソード加湿器４のハウジング６から、燃料電池用加湿装置２の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接するハウジング６間に沿って延設するように構成しているため、空気オフガス管１５内に生じた水滴が、空気オフガス管１５の上方に向けて延設された部分から、ハウジング６間に沿って延設した部分に流入するのを避けることができ、空気オフガス管１５内の水滴が背圧弁１８内に流入するのを防止できる。
【００４０】
なお、本発明の燃料電池システムは、前記実施の形態での燃料電池システム１に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限り適宜変更して差し支えない。カソード加湿器４が備えるハウジング６の数量は奇数個であれば、３個に限らず適宜変更して差し支えない。また、前記実施の形態では、隣接するハウジング６の間に空気オフガス管１５、冷却水管１７、及び熱交換器１２を配設する構成としたが、相互に隣接するハウジング６の間に配設する部材は燃料電池システムのレイアウト等に応じて適宜変更して差し支えない。
【００４１】
また、前記実施の形態では、カソード加湿器４が備えるハウジング６の数量を奇数個として、各ハウジング６間に様々な部材を配設する構成としたが、アノード加湿器３が備えるハウジング５の数量を奇数個として、各ハウジング５間にこれらの部材を配設してもよい。前記実施の形態では、各ハウジング５，６が備える中空糸膜の内側に水素ガス又は空気を流通させると共に、中空糸膜の外側に空気オフガスを流通させる場合について説明したが、中空糸膜の外側に水素ガス又は空気を流通させると共に、中空糸膜の内側にオフガスを流通させるように構成してもよい。また、前記実施の形態では、水素オフガスを背圧弁１８を介して外部に排出するように構成したが、背圧弁１８を介して触媒燃焼器に供給して燃焼させた後に外部に排出するように構成してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池用加湿装置の設置スペースを低減できる。また、燃料電池システムの設置スペースを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】同燃料電池システムを構成する燃料電池用加湿装置の構成の概略を説明する図である。
【図３】同燃料電池用加湿装置を構成する加湿モジュールの構成を説明する図である。
【図４】同加湿モジュールによる反応ガスの加湿方法を説明する図である。
【図５】同加湿モジュールを構成するハウジングの配置態様を説明する図である。
【符号の説明】
１燃料電池システム
１２熱交換器
１５空気オフガス管
１７冷却水管
２燃料電池用加湿装置
３アノード加湿器
４カソード加湿器
５，６ハウジング
５１，６１本体部
５２，６２入口ヘッド
５２Ａ，６２Ａ入口ヘッドブロック
５３，６３出口ヘッド
５３Ａ，６３Ａ入口ヘッドブロック[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a water-permeable type that humidifies both electrodes of a fuel cell by exchanging water between a fuel reaction gas and an oxidant reaction gas supplied to the fuel cell and an exhaust gas discharged from the fuel cell. And a humidifying device for a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like, a reaction gas flow path is formed on both sides of an electrode membrane structure in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and the electrodes are formed. There is a structure in which separators for supporting a membrane structure are stacked.
[0003]
In this fuel cell, hydrogen gas is supplied to the anode electrode as a reaction gas for fuel, and oxygen or air is supplied to the cathode electrode as a reaction gas for an oxidizing agent. It is designed to be extracted as electric energy.
[0004]
By the way, in this fuel cell, when the solid polymer electrolyte membrane dries, the ionic conductivity decreases and the energy conversion efficiency decreases, so that it is necessary to supply water to the solid polymer electrolyte membrane. For this reason, in this type of fuel cell, the reaction gas for the fuel and the reaction gas for the oxidizing agent are humidified and supplied by a humidifier to supply moisture to the solid polymer electrolyte membrane and maintain a favorable reaction. Let it be done.
[0005]
As a humidifying device for humidifying the reaction gas for fuel and the reaction gas for oxidizing agent, a plurality of humidification modules each configured by accommodating a hollow fiber membrane bundle in a housing are provided. The exhaust gas having a higher moisture concentration than the fuel reaction gas and the oxidant reaction gas is formed by flowing the reaction gas for fuel or the reaction gas for the oxidant through the yarn membrane and the exhaust gas outside the hollow fiber membrane. Moisture in the gas is diffused into the fuel reaction gas and the oxidant reaction gas through the solid polymer electrolyte membrane, and the fuel reaction gas and the oxidant reaction gas are humidified. (See Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
[Paragraph 0010] of JP-A-8-273687
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In this humidifying device for a fuel cell, there are cases where a plurality of housings constituting a humidifying module are arranged with their axial directions parallel to each other. In this case, a large gap is provided between adjacent housings in plan view. Causes a large installation space. Further, in a humidifying device for a fuel cell, generally, cooling water is circulated in a cooling water circulation pipe to keep the hydrogen humidification module and the air humidification module warm. It is also necessary to secure space for it. As described above, in the conventional humidifying device for a fuel cell, there is a lot of extra space, and a correspondingly large setting space is required.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a humidifier for a fuel cell, which can reduce an installation space.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a humidifying device for a fuel cell according to the present invention comprises a fuel configured to exchange moisture between a reaction gas for fuel and an exhaust gas through a hollow fiber membrane bundle housed in a housing. A reactive gas humidifying module for oxidizing agent and a humidifying module for oxidizing agent configured to exchange moisture between the reactive gas for oxidizing agent and the exhaust gas through the hollow fiber membrane bundle housed in the housing; An exhaust gas flow pipe for flowing exhaust gas between the humidifying modules, and a humidifying device for a fuel cell, wherein at least one of the two humidifying modules has an odd number of the housings parallel to each other in the axial direction. The exhaust gas flow pipes are arranged between adjacent housings.
[0010]
This humidifying device for a fuel cell exchanges water between a reaction gas for fuel and an exhaust gas through a hollow fiber membrane bundle housed in a housing of one humidification module, and humidifies the reaction gas for fuel to produce a fuel. While supplying to the anode electrode of the battery, water is exchanged between the reaction gas for the oxidizing agent and the exhaust gas through the hollow fiber membrane bundle housed in the housing of the other humidifying module, and the reaction gas for the oxidizing agent is It is humidified and supplied to the cathode electrode of the fuel cell.
[0011]
Here, in the humidifying device for a fuel cell, the exhaust gas for humidifying the reactant gas for the fuel and the reactant gas for the oxidant passes through the housing of one humidifying module, and then passes through the housing of the other humidifying module. In this humidifying device for a fuel cell, at least one of the two humidifying modules is arranged such that an odd number of housings are arranged in parallel in the axial direction, and exhaust gas is provided between adjacent housings. It is configured with a distribution pipe.
[0012]
As described above, when an odd number of housings constituting the humidifying module are arranged with the axial direction parallel to each other, a large gap is generated between adjacent housings when the humidifying module is viewed in a plan view. Requires installation space. However, according to the configuration in which the exhaust gas circulation pipe is provided between the adjacent housings as in the humidifying device for a fuel cell, the gap generated between the housings can be effectively used, and the installation space can be reduced accordingly.
[0013]
The fuel cell humidifier further includes a cooling water flow pipe through which cooling water for keeping the both humidifying modules warm, wherein the cooling water flow pipe is provided between adjacent ones of the odd number of the housings. May be provided and configured.
[0014]
In a humidifier for a fuel cell having a cooling water flow pipe through which cooling water for keeping both humidifying modules warm, a space for installing the cooling water flow pipe needs to be secured. It is necessary to widen the installation space as well. However, according to the configuration in which the cooling water circulation pipe is disposed between adjacent housings as in the humidifying device for a fuel cell, the entire device is reduced in size by effectively using an extra installation space between adjacent housings. And the installation space can be reduced accordingly.
[0015]
Further, the fuel gas and the oxidant gas are humidified and then supplied to the fuel cell, and cooling water for keeping the fuel cell warm is circulated between the fuel cell and the heat exchanger. In a humidifying device for a fuel cell used for a fuel cell, the heat exchanger may be arranged between housings adjacent to each other among the odd number of the housings.
[0016]
In a fuel cell configured to circulate cooling water for keeping the fuel cell warm between the fuel cell and the heat exchanger, a space for installing the heat exchanger is required. According to this, since the heat exchanger can be arranged in an extra space between the adjacent housings, the installation space can be reduced.
[0017]
Furthermore, after the exhaust gas of the oxidant reaction gas used for the oxidation-reduction reaction in the fuel cell is used for humidifying the fuel reaction gas and the oxidant reaction gas, the exhaust gas is discharged to the outside via the back pressure valve. In the humidifying device for a fuel cell used in the configured fuel cell, the exhaust gas flow pipe supplies the exhaust gas used for humidifying the fuel reaction gas and the oxidant reaction gas to the back pressure valve. After extending upward from the housing of the reaction gas humidification module for fuel or the reaction gas humidification module for oxidant to the installation surface of the humidifier for the fuel cell, and between the adjacent housings It is good also as a structure arrange | positioned so that it may extend along.
[0018]
A fuel cell configured to discharge a fuel reaction gas used for an oxidation-reduction reaction in a fuel cell to an outside through a back pressure valve together with an exhaust gas used for humidifying a fuel reaction gas and an oxidant reaction gas. In, the exhaust gas used to humidify the reaction gas for fuel and the reaction gas for oxidant is supplied to the back pressure valve through an exhaust gas flow pipe. However, since the exhaust gas has a high moisture concentration, Water droplets of the exhaust gas may be generated in the pipe, and the water droplets may be supplied to the back pressure valve together with the exhaust gas. However, as in this fuel cell humidifier, the exhaust gas flow pipe extends upward from the housing of one humidifier module to the installation surface of the fuel cell humidifier, and then the adjacent housing According to the configuration extending along the gap, water droplets generated in the exhaust gas flow pipe flow from the portion extending upward to the exhaust gas flow pipe into the portion extending along the housing. Can be avoided, and water droplets in the exhaust gas flow pipe can be prevented from flowing into the back pressure valve.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system 1 according to one embodiment.
[0020]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 circulates a hydrogen gas as a fuel reaction gas stored in a hydrogen storage tank (H ₂ tank) through a hydrogen pipe 16 to form a heat exchanger (H / H E) 12, the liquid is passed through the ejector in order, and is supplied to the anode humidifier 3 constituting the humidifier 2 for the fuel cell. After humidification by the anode humidifier 3, it is supplied to the anode electrode of the fuel cell (FC stack) 11. And subject it to an oxidation-reduction reaction. Then, the hydrogen gas subjected to the oxidation-reduction reaction is discharged from the FC stack 11 as a hydrogen off-gas, circulated through the hydrogen off-gas pipe 13 and supplied to the FC stack 11 again, or at an appropriate time interval for fluid discharge. Exhaust to the outside through the purge valve.
[0021]
On the other hand, the air as the reaction gas for the oxidant is pressurized by the supercharger, flows through the air pipe 14, and is supplied to the cathode humidifier 4 of the humidifier 2 for the fuel cell via the intercooler. After humidification, oxygen is supplied to the cathode electrode of the FC stack 11 and oxygen in the air is used as an oxidizing agent. Then, the air used as the oxidizing agent is discharged from the FC stack 11 as air off-gas, flows through the air off-gas pipe 15, passes through the anode humidifier 3 and the cathode humidifier 4 in this order, and humidifies the hydrogen gas and the air. The air is exhausted to the outside via the back pressure valve 18.
[0022]
Further, in the fuel cell system 1, after cooling water for keeping the temperature of the FC stack 11 flowing through the cooling water pipe 17 and passing through the anode humidifier 3 to keep the anode humidifier 3 warm, a part of the heat exchange is performed. The fuel is supplied to the FC stack 11 via the heater 12, and the remainder is passed through the cathode humidifier 4 to keep the temperature of the cathode humidifier 4 before being supplied to the FC stack 11.
[0023]
Next, the fuel cell humidifier 2 used in the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS.
[0024]
As shown in FIG. 2, the humidifier 2 for a fuel cell includes an anode humidifier 3 for humidifying hydrogen gas as a reaction gas for fuel, and a cathode humidifier for humidifying air as a reaction gas for oxidant. 4.
[0025]
The anode humidifier 3 is a humidification module for hydrogen humidification, in which a plurality of (two in the figure) housings 5 include a hydrogen gas supplied to the FC stack 11 and an air off-gas discharged from the FC stack 11. It is configured to house a hollow fiber membrane bundle (hydrogen impermeable membrane) for exchanging moisture between the membranes.
[0026]
As shown in FIG. 3A, each housing 5 closes one end in the longitudinal direction of the main body 51 having a substantially cylindrical shape with an inlet head 52 and the other end in the longitudinal direction of the main body 51. The portion is closed by an outlet head 53.
[0027]
The main body 51 has an inlet annular cover 54 formed so as to cover a plurality of offgas inflow holes 511 formed in the outer peripheral surface on the other end side, and a plurality of outgas outflow holes formed in the outer peripheral surface on one end side. An outlet annular cover 55 is formed so as to cover the hole 512. An air off-gas pipe 15 (see FIG. 1) is connected to the inlet annular cover 54 and the outlet annular cover 55. A hydrogen gas pipe 16 (see FIG. 1) is connected to the inlet head 52 and the outlet head 53 of each housing 5.
[0028]
As shown in FIG. 3A, the anode humidifier 3 is configured such that the housings 5 configured as described above are separated from each other by a predetermined distance with the axial direction (longitudinal direction) of the main body 51 being parallel to each other. It is arranged and arranged. The inlet annular covers 54 of the respective housings 5 are integrally formed on the same surface to form an inlet annular cover block 54A, and the outlet annular covers 55 are integrally formed on the same surface to form an outlet annular cover block 55A. I have. The inlet head 52 of each housing 5 is integrally formed on the same surface to form an inlet head block 52A, and the outlet head 53 of each housing 5 is integrally formed on the same surface to form an outlet head block 53A. Make up.
[0029]
As shown in FIG. 4A, the anode humidifier 3 having such a configuration is configured such that the hydrogen gas flowing from the hydrogen gas pipe 16 into the main body 51 of the housing 5 through the flow passage in the inlet head block 52A is used. Flows through the inside of the hollow fiber membrane bundle in the housing 5, is discharged to the hydrogen gas pipe 16 through the flow passage in the outlet head block 53 </ b> A, and from the air off-gas pipe 15 through the off-gas inflow hole 511. The air off-gas flowing into the inside of the housing 5 flows outside the hollow fiber membrane bundle in the housing 5 and is supplied to the air off-gas pipe 15 through the off-gas discharge hole 512, whereby the moisture in the air off-gas is Is transferred to the hydrogen gas through the hollow fiber membrane, and the hydrogen gas is humidified.
[0030]
The cathode humidifier 4 is a humidifying module for air humidification. As shown in FIG. 3A, the air supplied to the FC stack 11 and the FC stack 11 are provided inside a plurality (three in FIG. 3) of housings 6. It is configured to house a hollow fiber membrane bundle (porous membrane) for exchanging moisture with the air off-gas discharged from 11.
[0031]
As shown in FIG. 3B, each housing 6 closes one end in the longitudinal direction of the main body 61 having a substantially cylindrical shape with the inlet head 62 and also has the other end in the longitudinal direction of the main body. Is closed by an outlet head 63.
[0032]
In the main body 61, an outlet annular cover 64 is formed so as to cover a plurality of off-gas outflow holes 612 formed in the outer peripheral surface on one end side. The outlet annular cover 64 is connected to the air off-gas pipe 15 (see FIG. 1). Further, the air pipe 14 (see FIG. 1) is connected to the inlet head 62 and the outlet head 63 of each housing 6.
[0033]
As shown in FIG. 3B, the cathode humidifier 4 is configured such that the housings 6 configured as described above are separated from each other by a predetermined distance with the axial direction (longitudinal direction) of the main body 61 being parallel to each other. It is arranged and arranged. The outlet annular cover 64 of each housing 6 is integrally formed on the same surface to form an outlet annular cover block 64A. The inlet heads 62 of the housings 6 are integrally formed on the same surface to form an inlet head block 62A, and the outlet heads 63 of the housings 6 are integrally formed on the same surface to form an outlet head block 63A. Is composed.
[0034]
As shown in a cross section in FIG. 5, between the housings 6 adjacent to each other among the housings 6 constituting the cathode humidifier 4, the air off-gas used for humidifying the air in the cathode humidifier 4 is discharged. An air off-gas pipe 15 is provided. The air off-gas pipe 15 extends upward from the outlet head block 63A of the cathode humidifier 4 with respect to the installation surface, and then extends between adjacent housings 6. Further, a cooling water pipe 17 through which cooling water used for keeping the temperature of the anode humidifier 3 and the cathode humidifier 4 flows is provided between the other adjacent housings 6, and further, the other adjacent housings 6 are provided. The heat exchanger 12 is disposed between the two.
[0035]
As shown in FIG. 4B, the cathode humidifier 4 having such a structure is configured such that the air flowing into the main body 61 of the housing 6 from the air pipe 14 through the flow passage in the inlet head block 62A is used for the housing. 6, flows through the inside of the hollow fiber membrane bundle in the outlet head block 63A, is discharged to the air pipe 14 through the flow passage in the outlet head block 63A, and flows into the housing 6 from the air off-gas pipe 15 through the off-gas inlet hole 611. The air off-gas flows through the outside of the hollow fiber membrane bundle in the housing 6 and is supplied to the air off-gas pipe 15 through an off-gas discharge hole 612, whereby moisture in the air off-gas is removed from the hollow fiber. The air is passed through the membrane and humidified.
[0036]
In the fuel cell humidifier 2 having such a configuration, the hydrogen gas flows into the housing 5 from the inlet head 52 of the anode humidifier 3, flows inside the hollow fiber membrane bundle, and flows from the outlet head 53 to the hydrogen supply pipe 16. At the same time, the air off-gas flows into the housing 5 from the off-gas inflow hole 511, flows outside the hollow fiber membrane bundle, and is discharged from the off-gas outflow hole 512 to the air off-gas pipe 15. The hydrogen gas flowing through the inside 3 is humidified and supplied to the anode electrode of the FC stack 11. On the other hand, air flows into the housing 6 from the inlet head 62 of the cathode humidifier 4, flows through the inside of the hollow fiber membrane bundle and is discharged from the outlet head 63, and off-gas flows into the housing 6 from the off-gas inlet hole 611. By flowing in and flowing out of the hollow fiber membrane bundle and discharging through the off-gas outlet 612, the air flowing through the cathode humidifier 4 is humidified and supplied to the cathode electrode of the FC stack 11. I have.
[0037]
In this case, in the humidifying device 2 for a fuel cell, as shown in FIG. 5, an odd number (three in the figure) of housings 6 constituting the cathode humidifier 4 are arranged with their axial directions parallel to each other and are adjacent to each other. Since the air off-gas pipe 15 is provided between the housings 6, the gap generated between the housings 6 can be effectively used, and the installation space can be reduced accordingly.
[0038]
Further, since the cooling water pipe 17 is provided between the other adjacent housings 6, the extra installation space between the adjacent housings 6 can be effectively used, and the entire apparatus can be reduced in size. Can be reduced. Further, since the heat exchanger 12 is disposed in an extra space between the adjacent housings 6, the installation space can be reduced accordingly.
[0039]
Further, an air off-gas pipe 15 for supplying the back pressure valve 18 with the air off-gas used for humidifying the hydrogen gas and the air is provided from the housing 6 of the cathode humidifier 4 to the installation surface of the humidifier 2 for the fuel cell. Since it is configured to extend upward and then extend between adjacent housings 6, water droplets generated in the air off-gas pipe 15 extend upward from the air off-gas pipe 15. It can be prevented from flowing into the portion extending along the space between the housings 6 from the set portion, and the water droplets in the air off-gas pipe 15 can be prevented from flowing into the back pressure valve 18.
[0040]
Note that the fuel cell system of the present invention is not limited to the fuel cell system 1 in the above embodiment, and may be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. If the number of the housings 6 provided in the cathode humidifier 4 is an odd number, the number is not limited to three and may be appropriately changed. In the above embodiment, the air off-gas pipe 15, the cooling water pipe 17, and the heat exchanger 12 are arranged between the adjacent housings 6, but they are arranged between the adjacent housings 6. The members may be appropriately changed according to the layout of the fuel cell system and the like.
[0041]
In the above embodiment, the number of the housings 6 included in the cathode humidifier 4 is set to be an odd number, and various members are arranged between the housings 6. May be arranged in an odd number, and these members may be arranged between the housings 5. In the above embodiment, the case where hydrogen gas or air is circulated inside the hollow fiber membrane provided in each of the housings 5 and 6 and air off-gas is circulated outside the hollow fiber membrane has been described. Hydrogen gas or air may be allowed to flow through, and off-gas may be allowed to flow inside the hollow fiber membrane. Further, in the above-described embodiment, the hydrogen off-gas is configured to be discharged to the outside via the back pressure valve 18. However, the hydrogen off-gas is supplied to the catalytic combustor via the back pressure valve 18 and burned, and then discharged to the outside. You may comprise.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the installation space of the humidifier for a fuel cell can be reduced. Further, the installation space for the fuel cell system can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a humidifier for a fuel cell included in the fuel cell system.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a humidification module that configures the humidification device for a fuel cell.
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of humidifying the reaction gas by the humidification module.
FIG. 5 is a diagram illustrating an arrangement of a housing constituting the humidifying module.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 12 Heat exchanger 15 Air off-gas pipe 17 Cooling water pipe 2 Humidifier for fuel cell 3 Anode humidifier 4 Cathode humidifier 5,6 Housing 51,61 Main body part 52,62 Inlet head 52A, 62A Inlet head block 53 , 63 Outlet head 53A, 63A Inlet head block

Claims

A fuel reaction gas humidification module configured to exchange moisture between the fuel reaction gas and the exhaust gas from the fuel cell via the hollow fiber membrane bundle housed in the housing; and a fuel reaction gas humidification module housed in the housing. Exhaust gas is circulated between the oxidant reaction gas humidification module configured to exchange moisture between the oxidant reaction gas and the exhaust gas from the fuel cell via the hollow fiber membrane bundle, and both humidification modules. Exhaust gas flow pipe for, a humidifier for a fuel cell comprising:
At least one of the two humidifying modules is configured by arranging an odd number of the housings in parallel with each other in an axial direction, and by arranging the exhaust gas flow pipe between adjacent housings. A humidifying device for a fuel cell, comprising:

Further comprising a cooling water flow pipe through which cooling water for keeping the temperature of the humidification module flows,
The humidifying device for a fuel cell according to claim 1, wherein the cooling water circulation pipe is provided between adjacent ones of the odd number of the housings.

After humidifying the fuel reaction gas and the oxidant reaction gas, the fuel gas is supplied to the fuel cell, and cooling water for keeping the fuel cell warm is circulated between the fuel cell and the heat exchanger. A humidifier for a fuel cell used for a fuel cell configured as
3. The humidifying device for a fuel cell according to claim 1, wherein the heat exchanger is arranged between housings adjacent to each other among the odd number of the housings.

The exhaust gas of the oxidant reactant gas used for the oxidation-reduction reaction in the fuel cell is used to humidify the fuel reactant gas and the oxidant reactant gas, and then discharged to the outside via a back pressure valve. A humidifier for a fuel cell used for the fuel cell configured as described above,
The exhaust gas flow pipe is for supplying an exhaust gas used for humidifying the reaction gas for fuel and the reaction gas for oxidant to the back pressure valve, and the reaction gas humidification module for fuel or the reaction gas for oxidant is used. The humidifying module is arranged so as to extend upward from a housing of the humidifying module to an installation surface of the humidifying device for a fuel cell, and then extend between adjacent housings. The fuel cell humidifier according to any one of claims 1 to 3.