JP2004363027A - Humidifying method of fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池の加湿方法およびかかる加湿方法を実現しうる燃料電池システムに関する。さらに詳しくは、本発明は、燃料電池の極へ供給されるガスを加湿し、燃料電池の性能及びエネルギー効率の向上を図る方法およびかかる方法を実現する燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来技術】
燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜の一方の側にカソードである空気極を配し、他方の側にアノードである燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る以下の電池反応によって起電力を得ている。
【0003】
H2 → 2H+ + 2e− (アノード反応)
2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O (カソード反応)
【0004】
この電池反応は、アノードに供給される水素が水素イオンとなり、この水素イオンが、電解質膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。ここで、水素イオンは電解質膜中に存在する水分の存在下で移動することにより酸素分子や水素分子のクロスオーバーが生じ難いが、燃料電池の操作に従って、電解質膜が乾燥してくる。電解質膜の乾燥が生ずると、イオン伝導性が低下して発電効率が低下するばかりでなく、電解質膜が破損・劣化しやすくなるため、燃料電池の耐久性においても問題である。したがって、燃料電池の操作時に、電解質膜の湿潤状態を保つことが必要であり、燃料電池セルの電解質膜中の含水量を適切に保つための技術が開発されてきた。
【0005】
このような燃料電池の電解質膜の含水量を適切に保つための技術の一つとして、燃料電池の極に供給される、乾燥した燃料ガスまたは空気を加湿する方法や、そのための加湿装置が用いられてきた。
【0006】
特許文献1は、水蒸気透過膜の加湿ガス室に電池からのオフガスを、被加湿ガス室に供給する前の反応ガス(空気)を供給して、反応ガスを加湿する反応ガス加湿器を設けることによる空気の加湿方法が開示されている。かかる方法は、燃料電池出口の水分飽和空気と入口の乾燥空気とのあいだの水蒸気分圧差による物質移動で、入口空気が加湿されるものである。しかし、この場合、燃料電池自体の流体抵抗のために、燃料電池入口空気のほうが燃料電池出口空気よりも、圧力が高く、このような圧力平衡に基づく所定の水蒸気量となるまでしか加湿できないのが問題であった。また、コンパクトさが要求される燃料電池システムの用途において、加湿器を大型化することができないという問題もある。このため、燃料電池へ供給される空気の加湿は十分ではなく、燃料電池に供給される空気の露点は、58〜60℃程度であった。このような低加湿の空気を用いて燃料電池を操作すると、高分子膜の乾燥を引き起こし、クロスリークが発生し、電池の耐久性を低下させていた。
【0007】
特許文献2には、燃料電池を冷却した後の温水を加湿器に導入して反応ガスを加湿し、この加湿器に供給する温水の熱エネルギーを、蒸発潜熱に見合うように操作することによる空気の加湿方法が開示されている。かかる方法は、乾燥空気と燃料電池を冷却した後の温水とのあいだでの物質移動による加湿であり、例えば、燃料電池に供給される乾燥空気を80℃で飽和の状態にまで加湿しようとすると、温水を蒸発させるために必要な蒸発潜熱は、電池での発電量のおよそ1.5倍相当である。燃料電池の発電/熱比がほぼ1.0であるため、燃料電池の発電熱によりまかないきれない蒸発潜熱の熱量を補うためには、温水を加熱する必要があり、電池での発電量の0.5倍相当のヒータ等が必要となる。例えば、直流1.3kW規模発電の燃料電池では、約0.5kWのヒータ等を要する。かかる方法では、ヒータのための補機動力が増加して、発電効率が低下することになる。
【0008】
その他にも、バブリングにより燃料電池の極に供給されるガスを加湿する方法が知られているが、かかる方法も、装置の小型化が難しいという問題を伴うものである。
【0009】
【特許文献1】
特許第3111697号明細書
【特許文献2】
特開平9−55218号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の極に供給されるガスを燃料電池の操作温度に近い露点にまで加湿する方法、及び、高加湿を実施するための耐久性が高く、効率の良い燃料電池システムを得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、燃料電池の加湿方法であって、燃料電池の極へ供給されるガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池出口のガスと接触させることにより加湿する第一の加湿ステップと、該加湿されたガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する第二の加湿ステップとを含む。前記燃料電池の極へ供給されるガスが、空気極に供給されるガスまたは燃料極に供給されるガスの少なくとも一方であることが好ましい。
【0012】
前記水蒸気透過膜が、中空糸膜であることが好ましい。中空糸膜を用いた加湿モジュールを加湿器に組み込むことで、システム全体を小型化し、高い効率で物質移動を生じさせることができる。
【0013】
前記第一の加湿ステップと第二の加湿ステップとを経て燃料電池の極へ供給されるガスの露点と、燃料電池の操作温度の差が5以内であることが好ましい。このような高加湿のガスを生成させることで、燃料電池の電解質膜の乾燥を防止することができる。
【0014】
本発明は、別の側面において、燃料電池システムであって、電解質膜の一方の面に燃料極を、他方の面に空気極を備える燃料電池セルを、冷却水の流路を形成する冷却部を介して複数積層してなる燃料電池と、該燃料電池の極へ供給されるガスを、燃料電池出口のガスと水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第一の加湿器と、該加湿されたガスを、該燃料電池の冷却水と水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第二の加湿器と、該燃料電池の冷却水が該燃料電池の冷却部と該第二の加湿器とに供給されるように該冷却水を循環させる手段とを含んでなる。
【0015】
前記水蒸気透過膜が、中空糸膜であることが好ましい。中空糸膜を用いた加湿モジュールを加湿器に組み込むことで、小型化された燃料電池システムとすることができる。
【0016】
前記第一の加湿器と前記第二の加湿器とが、燃料電池の燃料極に供給されるガスの供給路、または燃料電池の空気極に供給されるガスの供給路の少なくとも一方に設けられることが好ましい。このようなシステムにより、空気極側のみ、あるいは燃料極側のみに供給されるガスを、供給されるガスの性質に応じて選択的に加湿することもでき、または両方を加湿して、電解質膜を湿潤な状態に保つことが可能となる。
【0017】
本発明にかかる燃料電池の加湿方法および燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるガスおよび燃料電池の冷却水を利用して、燃料電池の極に供給するガスを、燃料電池の運転温度における露点にまで、高い効率で加湿することができる。このように加湿されたガスにより燃料電池を操作することができる燃料電池システムは、燃料電池の耐久性及び全体のエネルギー効率に優れる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施の形態を示して、詳細に説明する。以下の説明は本発明を説明する目的であって、限定するものではない。
【0019】
図1は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池の加湿方法を実施する燃料電池システムを示すブロック図である。かかる燃料電池システム1は、燃料電池4と、該燃料電池4の空気極41へ供給されるガスを燃料電池4の出口ガスにより加湿する第一の加湿器2と、該加湿されたガスを、前記燃料電池4の冷却水によりさらに加湿する第二の加湿器3と、該燃料電池4の冷却水を前記第二の加湿器3を通過するように循環させる冷却水循環ポンプ6とを含んでなる。
【0020】
ここで、以下に述べる実施の形態の説明において、燃料電池4の空気極41へ供給されるガスを、供給空気という。しかしながら、燃料電池4の空気極41へ供給されるガスは空気のみには限定されず、電池反応に用いられる酸素を含むガスであれば使用することができる。また、燃料電池4の出口ガスとは、燃料電池で電池反応により酸素が消費され、また電池反応における水の生成により水蒸気飽和されて高温となっているガスをいう。
【0021】
燃料電池4は、固体高分子型燃料電池を使用することができる。図1は、このような燃料電池4の一部を抜き出して、概念的に示したものであり、図3に、燃料電池セルとこれを積層してなる燃料電池の概念図を別途図示して説明する。図3に示す燃料電池4は、電解質膜44の一方の側面に燃料極42を、他方の側面に空気極41を備えてなる燃料電池セル40を、冷却水の流路を形成する冷却部43を介して複数積層してなる。冷却部43は、ある燃料電池セル40の燃料極42と、別の燃料電池セルの空気極41を図示しないセパレータで分離し、そのセパレータ張り合わせ部の内側に冷却水を流して冷却を行う構造となっている。この冷却部43に冷却水を流すことにより、ある燃料電池セル40の燃料極42と、隣接する燃料電池セルの空気極41とを冷却することができる。
【0022】
第一の加湿器2は、供給空気を、水分含有量の高い燃料電池4出口ガスと接触させることにより加湿することができる装置である。このような加湿器1は、供給空気の流路と、燃料電池4出口ガスの流路とが水蒸気透過性膜により画され、水蒸気透過性膜を介して、空気極41へ供給される空気と燃料電池4の出口ガスとのあいだに物質移動を生じさせることができるものであれば良い。
【0023】
このような水蒸気透過性膜を用いた加湿器は、当業者には既知であり、水蒸気透過性膜は、燃料電池4の出力および燃料電池システム1全体のサイズに応じて、所定の程度まで加湿が可能なものを用いることができる。水蒸気透過性膜の比表面積が大きく、水蒸気が透過する細孔の大きさが0.1μm以下であるものが特に好ましい。
【0024】
また、加湿器2としては、水蒸気透過性膜として中空糸膜を用いた加湿モジュールを用いることが好ましい。中空糸膜を用いた加湿モジュールは、水蒸気透過性膜の表面積を大きくすることができるため、加湿器2の小型化が可能で、かつ強度が高いという利点があるためである。第一の加湿器2にこのような中空糸膜を用いる場合、中空糸の内側に加湿される供給空気の流路が形成されて、中空糸の外側に水蒸気で飽和された燃料電池出口ガスの流路が形成されてもよい。あるいは、中空糸の内側に水蒸気で飽和された燃料電池出口ガスの流路が形成されて、中空糸の外側に加湿される供給空気の流路が形成されてもよい。
【0025】
加湿器2に供給される供給空気の量や、燃料電池出口ガスの量は、加湿器2のサイズによっても異なるが、膜表面積1m2あたり10〜200L/min、好ましくは20〜80L/minとすることができる。
【0026】
第二の加湿器3は、第一の加湿器2で加湿・加温された供給空気を、燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する。したがって、第二の加湿器3は、供給空気の流れに沿って、第一の加湿器2の下流に設けられる。このような加湿器3は、供給空気の流路と、燃料電池4の冷却水の流路とが水蒸気透過性膜により画され、水蒸気透過性膜を介して、供給空気と燃料電池4の冷却水とのあいだで物質移動を生じさせることができるものであれば良い。
【0027】
このような第二の加湿器3としては、上述の第一の加湿器2と同様のものを使用することができる。したがって、水蒸気透過性膜も、同様の物を選択することができる。第二の加湿器3の構造は、第一の加湿器と同じものであっても良いし、バブリングや濡れ壁方式などのように直接空気と冷却水とが接触するような構造のものでも良い。加湿器の大きさや長さは、水蒸気透過必要量によって変えることも可能である。また、第二の加湿器3に中空糸膜を用いる場合、中空糸の内側に加湿される供給空気の流路が形成されて、中空糸の外側に燃料電池の冷却水の流路が形成されてもよい。あるいは、中空糸の内側に燃料電池の冷却水の流路が形成されて、中空糸の外側に加湿される供給空気の流路が形成されてもよい。
【0028】
第二の加湿器3には、燃料電池4の冷却水が供給されるが、燃料電池4の出口の冷却水が供給されるようなシステムとなっていてもよく、燃料電池4を冷却する前の冷却水が供給されるようなシステムとなっていてもよい。冷却水循環ポンプ6を含む冷却水を循環させるシステムにおける、第二の加湿器3と燃料電池4の冷却部43との位置関係は、当業者が適宜決定することができる。
【0029】
ここで、本実施の形態に用いることができる加湿器の一形態を、図2に示す。図2に示す装置は、第一の加湿器2と第二の加湿器3が一体となるように製造された装置であって、第一の加湿器2部分は、中空糸膜25を用いた加湿モジュールが備えられており、供給空気が供給されるスイープ入口21と、燃料電池出口ガス入口23と、燃料電池出口ガス出口24を備えてなる。図示しない第一の加湿器2部分のスイープ出口と、図示しない第二の加湿器3部分のスイープ入口とは繋がれており、第一の加湿器2を経た供給空気が、直接に第二の加湿器3に供給されるようになっている。第二の加湿器3部分は、中空糸膜35を用いた加湿モジュールが備えられており、供給空気が排出されるスイープ出口32と、冷却水入口33と、冷却水出口34を備えてなる。このように、第一の加湿器2と第二の加湿器3が一体となるように製造された装置は、別個に設置した場合に比べて、配管や継ぎ手などが省略化されるのみならず、大幅にコンパクト化を図ることができるという利点がある。しかし、本発明で使用する第一の加湿器2と第二の加湿器3とは、このような形態に限定されるものではない。
【0030】
燃料電池の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ6は、冷却水が、燃料電池4の冷却部43と第二の加湿器3との両方を通過するように循環させることができるものであればよい。循環させる冷却水の量は、電池の出力にもよるが、燃料電池の出力が1300Wのときに、1〜10L/minとすることができる。また、燃料電池の冷却部43に供給される冷却水の全量が、第二の加湿器3に供給されるようなシステムとすることができる。
【0031】
温水回収用熱交換器7は、燃料電池において発電時に生じる熱を温水回収設備(図示せず)からの循環冷却水を用いて冷却するためのものであり、燃料電池の冷却水との間で熱交換し温水として回収するための熱交換器である。
【0032】
図1に示す上述の燃料電池システム1は、燃料電池4の空気極41に供給される供給空気の流路に加湿器2、3が設けられるものであるが、本発明はまた、燃料電池4の燃料極42に供給される燃料ガスの流路に加湿器2、3が設けられる燃料電池システムでもよく、さらには両方のガスの流路に加湿器2、3を備えた燃料電池システムであってもよい。燃料電池4の燃料極42に供給される燃料ガスの流路に加湿器2、3が設けられるシステムでは、図1に示す燃料ガスの改質器8の後段に、上述のような第一の加湿器2、第二の加湿器3と、冷却水の循環ポンプ6を設置することができる。あるいは、改質器を用いないで燃料ガスが供給される燃料電池システムでも、同様にすることができる。
【0033】
次に、上述の燃料電池システム1を用いた燃料電池の加湿方法について説明する。かかる燃料電池の加湿方法は、燃料電池4の極へ供給されるガスを加湿する第一の加湿ステップと、該加湿されたガスをさらに加湿する第二の加湿ステップとを含む。
【0034】
燃料電池の空気極41に供給するガスとしては、空気を使用することができる。しかし、このようなガスは空気のみには限定されず、電池反応で用いられる酸素を含む気体であればよい。以下の説明において、燃料電池の空気極に供給するガスを、供給空気という。供給空気は、燃料電池の空気極に供給される段階では、常温である25〜30℃であればよく、絶対湿度は、0.027kg・H2O/kg乾燥空気程度であればよい。供給空気の初期湿度は、本実施形態にかかる加湿方法にはほとんど影響しないため、任意の湿度の空気を供給空気として用いることができる。
【0035】
第一の加湿ステップでは、供給空気を、水蒸気透過膜を介して燃料電池出口のガスと接触させることにより加湿する。このような加湿を実施するために用いる燃料電池出口ガスは、約60〜80℃で、1〜10kPaであることが好ましい。このような温度、圧力条件のガスを、水蒸気透過膜を介して、供給空気に接触させることで、水蒸気圧差により、水蒸気の物質移動を生じさせることができる。たとえば、燃料電池出口ガスが、72℃で、5kPaである場合には、水蒸気の物質移動がなされた結果、供給空気を62℃で、絶対湿度0.171kg・H2O/kg乾燥空気とすることができる。
【0036】
第一の加湿ステップでは、供給空気に、必要な水蒸気の40〜80%を与えることが好ましい。供給すべき水蒸気量は、供給空気の初期湿度には実質的に依存しない。
【0037】
第二の加湿ステップでは、第一の加湿ステップで加湿された供給空気を、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する。このような加湿を実施するために用いる冷却水は、65〜82℃で、供給空気と接触させる。
【0038】
このような温度の冷却水を、水蒸気透過膜を介して、供給空気と接触させることで、水蒸気の物質移動を生じさせることができる。たとえば、第一の加湿ステップで加湿された後の供給空気が、62℃で、5kPaである場合には、第二の加湿ステップで水蒸気の物質移動がなされた結果、供給空気を、69℃で、絶対湿度0.259kg・H2O/kg乾燥空気とすることができる。
【0039】
第二の加湿ステップでは、第一の加湿ステップで加湿された供給空気の露点を、燃料電池の操作温度とほぼ同じとするように加湿する。したがって、第二の加湿ステップでは、供給空気に、必要な水蒸気の20〜60%を与えることが好ましい。第二の加湿ステップのように、気体と液体との間で物質移動を生じさせるためには、冷却水の有する蒸発潜熱分の熱エネルギーを補う必要があり、例えば、燃料電池の直流出力が1.3kWであるとき、本実施の形態によれば、冷却水から、0.32kWの熱エネルギーを得て、供給空気の露点と燃料電池の操作温度の差を5℃以内にすることができる。
【0040】
上述の数値は、燃料電池の操作温度を70℃としたときの説明であるが、例えば、燃料電池の操作温度を80℃としたときは、第一の加湿ステップで、供給空気の温度を70℃、絶対湿度を0.276kg・H2O/kg乾燥空気とし、第二の加湿ステップで、供給空気の温度を78℃、絶対湿度を0.468kg・H2O/kg乾燥空気とすることができる。このとき、第一の加湿ステップでは、必要な水蒸気の59%の水蒸気を供給空気に与え、第二の加湿ステップでは、必要な水蒸気の41%の水蒸気を供給空気に与えることができる。また、このとき、第二の加湿ステップで蒸発潜熱を補うのに必要なエネルギーは、燃料電池の出力の0.54倍である。燃料電池の操作温度を80℃の場合に、第二の加湿ステップのみで、供給空気の温度を78℃、絶対湿度を0.468kg・H2O/kg乾燥空気を得ようとすると、蒸発潜熱を補うのに必要なエネルギーは、燃料電池の直流出力の1.32倍となり、エネルギーが不足し、必要量の水蒸気が供給できなくなってしまう。
【0041】
本実施の形態では、燃料電池の空気極に供給されるガスである供給空気を加湿する方法について具体的に説明したが、燃料電池の燃料極に供給される水素リッチな燃料ガスについても、同様の方法を用いて加湿することができる。
【0042】
本実施形態にかかる燃料電池の加湿方法によれば、燃料電池4自体から排出されるエネルギー源を効率的に利用して、燃料電池の空気極に供給されるガスである供給空気の露点を、燃料電池の操作温度とほぼ同じとするように加湿することができる。具体的には、供給空気の露点と燃料電池の操作温度との差を5℃以内にすることができ、このような高加湿とすることで、燃料電池の電解質膜を湿潤な状態に保ち、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【0043】
【実施例】
次に、本発明を、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではない。
【0044】
ここで、図1に示す燃料電池システムを用いて、燃料電池に供給されるガスを加湿した実施例について説明する。実施例に用いた燃料電池システム1は、空気極に供給されるガスを加湿することができる燃料電池システム1であって、燃料電池4と、第一の加湿器2と第二の加湿器3と、冷却水循環ポンプ6とから構成されるものであった。
【0045】
燃料電池4は、直流出力が1.3kWで、電解質膜は、デュポン社製N112膜、膜厚さ50μmのものを使用した。加湿方式は外部加湿方式を採用した。本実施形態においては、この燃料電池を70℃で運転した。
【0046】
第一の加湿器2と第二の加湿器3とは、図2に示すように、直列に繋がれて一体となっており、それぞれ、内部に中空糸膜モジュール25、35を内蔵したものを用いた。第一の加湿器2の中空糸膜モジュール25は、外径が0.8mm、内径が0.65mmで、長さが180mmの中空糸膜を2500本束ねた物を用いた。中空糸膜の細孔は、孔径が0.04μmのものであった。第二の加湿器3の中空糸膜モジュール35は、同じく外径が0.8mm、内径が0.65mmで、長さが70mmの中空糸膜を2500本束ねた物を用いた。中空糸膜の細孔は、平均孔径が0.04μmであった。
【0047】
冷却水循環ポンプ6は、渦巻き式ポンプで、流量が5L/min、揚程が5mであった。
【0048】
燃料電池セル3の空気極41に供給される空気としては、大気中の空気を取り込んで使用した。供給空気は、25℃、75NL/minでブロワ5から供給された。供給空気は、第一の加湿器2のスイープ入口21から第一の加湿器2に導入された。第一の加湿器2の入口21での空気は、温度が25℃で、絶対湿度は、0.02kg・H2O/kg乾燥空気であった。第一の加湿器2においては、中空糸膜25を介して、供給空気と燃料電池出口ガスとのあいだで物質移動がなされ、供給空気が加湿された。第一の加湿器2の出口における加湿された供給空気は、温度が60℃で、絶対湿度は、0.151kg・H2O/kg乾燥空気であった。
【0049】
第一の加湿器2からを経た供給空気は第二の加湿器3に供給された。供給空気と燃料電池の冷却水とのあいだで、中空糸膜35を介して物質移動がなされ、供給空気が加湿された。第二の加湿器のスイープ出口32における供給空気は、温度が69℃で、絶対湿度は、0.259kg・H2O/kg乾燥空気であった。この加湿され、水蒸気飽和した供給空気が燃料電池4の空気極41に供給され、供給空気のうち、一部は以下の反応により消費された。
【0050】
2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O (カソード反応)
【0051】
カソード反応で消費されなかった残りの供給空気は、カソード反応で発生した熱により昇温され、反応により生じた水分で加湿されて、燃料電池4の出口から燃料電池出口ガスとして排出された。燃料電池4の出口における燃料電池出口ガスの温度は72℃であり、絶対湿度は、0.313kg・H2O/kg乾燥空気であった。この燃料電池出口ガスは、第一の加湿器2の燃料電池出口ガス入口23から、第一の加湿器2に導入され、ブロワ5から供給された供給空気とのあいだで物質交換されて、電池出口ガス出口24から排出された。燃料電池出口ガスの第一の加湿器2への供給量は、乾燥空気量で68.7NL/minであった。
【0052】
燃料電池4の冷却部43を流れて燃料電池4から排出された燃料電池の冷却水は、温度が72℃であった。この冷却水は、冷却水循環ポンプ6で循環された。循環された冷却水は、第二の加湿器3の冷却水入口33から、第二の加湿器3に、70℃、供給量は、5L/minで供給された。第二の加湿器3で、第一の加湿器2で加湿された空気と物質交換された冷却水の温度は、第二の加湿器3の冷却水出口34において70℃であった。第二の加湿器3から排出された冷却水は、再度燃料電池4に供給され、燃料電池の冷却のために使用された。
【0053】
このような本発明の燃料電池システム1を用いて空気を加湿しながら、70℃で燃料電池4を運転した結果、2000時間の連続運転を行っても、電解質膜44は適度な水分量を保っていた。また、燃料電池4の運転の過程で、運転の初期であっても、運転中であっても、燃料電池4の空気極31に供給される供給空気を加湿することができた。
【0054】
いっぽう、同一の燃料電池を用いて、25℃の供給空気を75NL/minで前述の第一の加湿器2と同一の加湿器に導入し、燃料電池の出口ガスと接触させることにより加湿するステップのみを実施した比較例においては、加湿器を出た供給空気の温度は60℃であり、絶対湿度は、0.151kg・H2O/kg乾燥空気であった。また、中空糸膜の内径、外径及び本数は同じとし、長さを180mmから360mmに長くした形状の第一の加湿器で同様の運転を行った結果、やはり中空糸膜長さを長くしたにもかかわらず加湿器をでた供給空気の温度、絶対湿度は長くする前とまったく変化しなかった。この原因は、すでに加湿性能は水蒸気圧の差から飽和に達しているものと推定した。なお、使用した燃料電池の出口ガスは、温度は72℃であり、絶対湿度は、0.313kg・H2O/kg乾燥空気であった。
【0055】
このように、本実施例の燃料電池システム1を用いる加湿方法によれば、電解質膜44の破損や劣化、およびこれらに伴う発電効率の低下は認められず、燃料電池4において良好な発電を実施することができた。
【0056】
また、燃料電池システム全体でのエネルギー収支の観点から、第一の加湿器2では燃料電池4の出口ガスのみを使用するため、新たなエネルギーは必要とせず、第二の加湿器3においては、必要な水蒸気量の20〜60%を冷却水と供給空気のあいだで物質移動を生じさせるために冷却水を蒸発させる蒸発潜熱は、燃料電池4の発熱によりまかなうことができるため、新たにエネルギーは必要としない。この燃料電池システムにおいては、従来のすべて冷却水を蒸発させる方式で加湿したときと比較して、エネルギー効率として、冷却水を加熱するヒータなどが不要となるなど大幅に有利となる。
【0057】
【発明の効果】
本発明にかかる燃料電池の加湿方法によれば、燃料電池から排出されるガスおよび冷却水を利用して、燃料電池の空気極に供給される空気の露点を燃料電池の操作温度とほぼ等しくすることができ、高加湿運転が可能となる。また、かかる加湿方法は、燃料電池の冷却水を用いることもできるため、運転初期においても、高加湿運転が可能となる。このような加湿により、燃料電池セル中の電解質膜の破損や劣化を防止することができ、燃料電池の性能向上及び耐久性向上を図ることができる。
また、本発明にかかる二つの加湿ステップを含む加湿方法を実施しうる本発明の燃料電池システムは、システム全体としてエネルギー効率が高く、耐久性に優れるものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による燃料電池システムを示すブロック図である。
【図2】図2は、中空糸膜を用いた加湿器の一例を示す断面図である。
【図3】図3は、本発明による燃料電池システムに含まれる燃料電池の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
1 燃料電池システム
2 第一の加湿器
3 第二の加湿器
4 燃料電池
5 ブロワ
6 冷却水循環ポンプ
7 温水回収用熱交換器
8 改質器
21 スイープ入口
23 燃料電池出口ガス入口
24 燃料電池出口ガス出口
25 中空糸膜
32 スイープ出口
33 冷却水入口
34 冷却水出口
35 中空糸膜
40 燃料電池セル
41 空気極
42 燃料極
43 冷却部
44 電解質膜[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a humidification method for a fuel cell and a fuel cell system capable of realizing the humidification method. More specifically, the present invention relates to a method for humidifying a gas supplied to a pole of a fuel cell to improve the performance and energy efficiency of the fuel cell, and to a fuel cell system realizing the method.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell uses a cell in which an air electrode serving as a cathode is disposed on one side of an electrolyte membrane made of a solid polymer, and a fuel electrode serving as an anode is disposed on the other side, and an oxidizing gas such as air is supplied to the cathode. A hydrogen-rich fuel gas is supplied to the anode, and an electromotive force is obtained by the following battery reaction for obtaining water from hydrogen and oxygen.
[0003]
H 2 → 2H + + 2e − (Anode reaction)
2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (cathode reaction)
[0004]
This battery reaction involves hydrogen supplied to the anode becoming hydrogen ions, and the hydrogen ions move inside the electrolyte membrane from the anode side to the cathode side. Here, hydrogen ions move in the presence of moisture present in the electrolyte membrane, so that crossover of oxygen molecules and hydrogen molecules is unlikely to occur. However, the electrolyte membrane dries as the fuel cell operates. When the electrolyte membrane is dried, not only does the ionic conductivity decrease and the power generation efficiency decreases, but also the electrolyte membrane is easily damaged and deteriorated, which is a problem in the durability of the fuel cell. Therefore, it is necessary to keep the electrolyte membrane wet during the operation of the fuel cell, and a technique for appropriately maintaining the water content in the electrolyte membrane of the fuel cell has been developed.
[0005]
As one of techniques for appropriately maintaining the water content of the electrolyte membrane of such a fuel cell, a method of humidifying a dry fuel gas or air supplied to a pole of the fuel cell and a humidifying device therefor are used. I have been.
[0006]
Patent Literature 1 discloses that a reaction gas humidifier that supplies a reaction gas (air) before supplying an off-gas from a battery to a humidification gas chamber of a water vapor permeable membrane and a reaction gas before supplying the gas to a humidification target gas chamber is provided. A method for humidifying air by the method is disclosed. In this method, the inlet air is humidified by mass transfer due to the difference in partial pressure of water vapor between the moisture-saturated air at the outlet of the fuel cell and the dry air at the inlet. However, in this case, due to the fluid resistance of the fuel cell itself, the pressure of the fuel cell inlet air is higher than that of the fuel cell outlet air, and humidification can be performed only until a predetermined amount of water vapor based on such pressure balance is reached. Was a problem. Further, there is another problem that the humidifier cannot be increased in size in the use of a fuel cell system that requires compactness. Therefore, the humidification of the air supplied to the fuel cell was not sufficient, and the dew point of the air supplied to the fuel cell was about 58 to 60 ° C. Operating the fuel cell using such low humidified air causes drying of the polymer membrane, cross-leak occurs, and reduces the durability of the cell.
[0007]
[0008]
In addition, a method of humidifying a gas supplied to a pole of a fuel cell by bubbling is known. However, such a method also involves a problem that it is difficult to reduce the size of the device.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3111697
[Patent Document 2]
JP-A-9-55218
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
A method for humidifying a gas supplied to a pole of a fuel cell to a dew point close to the operating temperature of the fuel cell, and a highly durable and efficient fuel cell system for performing high humidification. I do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention is a method for humidifying a fuel cell, wherein a gas supplied to a pole of the fuel cell is humidified by bringing the gas into contact with a gas at a fuel cell outlet through a water vapor permeable membrane. A second humidification step of humidifying the humidified gas by contacting the humidified gas with cooling water of a fuel cell through a water vapor permeable membrane. It is preferable that the gas supplied to the electrode of the fuel cell is at least one of a gas supplied to the air electrode and a gas supplied to the fuel electrode.
[0012]
Preferably, the water vapor permeable membrane is a hollow fiber membrane. By incorporating a humidifying module using a hollow fiber membrane into a humidifier, the entire system can be reduced in size and mass transfer can be generated with high efficiency.
[0013]
It is preferable that the difference between the dew point of the gas supplied to the electrode of the fuel cell through the first humidification step and the second humidification step and the operating temperature of the fuel cell is within five. By generating such a highly humidified gas, drying of the electrolyte membrane of the fuel cell can be prevented.
[0014]
In another aspect, the present invention relates to a fuel cell system, comprising: a fuel cell having an anode on one surface of an electrolyte membrane and an air electrode on the other surface; A first humidifier that humidifies the gas supplied to the electrode of the fuel cell by contacting the gas supplied to the electrode of the fuel cell with the gas at the outlet of the fuel cell through a water vapor permeable membrane; A second humidifier that humidifies the humidified gas by contacting the humidified gas with cooling water of the fuel cell through a water vapor permeable membrane; and Means for circulating the cooling water to be supplied to the humidifier.
[0015]
Preferably, the water vapor permeable membrane is a hollow fiber membrane. By incorporating a humidifying module using a hollow fiber membrane into a humidifier, a fuel cell system that is downsized can be provided.
[0016]
The first humidifier and the second humidifier are provided on at least one of a gas supply path supplied to a fuel electrode of a fuel cell and a gas supply path supplied to an air electrode of the fuel cell. Is preferred. With such a system, the gas supplied only to the air electrode side or only the fuel electrode side can be selectively humidified according to the properties of the supplied gas, or both can be humidified to form an electrolyte membrane. Can be kept moist.
[0017]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the humidification method of a fuel cell and the fuel cell system according to the present invention, the gas supplied to the pole of the fuel cell using the gas discharged from the fuel cell and the cooling water of the fuel cell is used as the operating temperature of the fuel cell. Humidification can be performed with high efficiency up to the dew point at. A fuel cell system that can operate a fuel cell using the humidified gas has excellent durability and overall energy efficiency of the fuel cell.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The following description is intended to illustrate, but not limit, the invention.
[0019]
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system for implementing a method for humidifying a fuel cell according to one embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 4, a
[0020]
Here, in the following description of the embodiment, the gas supplied to the
[0021]
As the fuel cell 4, a polymer electrolyte fuel cell can be used. FIG. 1 conceptually shows a part of such a fuel cell 4 which is extracted and conceptually shown. FIG. 3 shows a conceptual view of a fuel cell and a fuel cell obtained by stacking the fuel cells. explain. The fuel cell 4 shown in FIG. 3 includes a
[0022]
The
[0023]
Humidifiers using such a water vapor permeable membrane are known to those skilled in the art, and the water vapor permeable membrane humidifies to a predetermined degree depending on the output of the fuel cell 4 and the size of the entire fuel cell system 1. Can be used. It is particularly preferable that the water vapor permeable membrane has a large specific surface area and a pore size through which water vapor passes is 0.1 μm or less.
[0024]
Further, as the
[0025]
The amount of supply air supplied to the
[0026]
The second humidifier 3 humidifies the supply air humidified and heated by the
[0027]
As such a second humidifier 3, the same as the above-described
[0028]
Although the cooling water of the fuel cell 4 is supplied to the second humidifier 3, the system may be such that cooling water at the outlet of the fuel cell 4 is supplied. The cooling water may be supplied to the system. The positional relationship between the second humidifier 3 and the
[0029]
Here, one mode of a humidifier that can be used in the present embodiment is shown in FIG. The device shown in FIG. 2 is a device manufactured such that the
[0030]
The cooling water circulation pump 6 that circulates the cooling water of the fuel cell may be any pump that can circulate the cooling water so as to pass through both the
[0031]
The hot water recovery heat exchanger 7 is for cooling heat generated at the time of power generation in the fuel cell by using circulating cooling water from a hot water recovery facility (not shown). This is a heat exchanger for heat exchange and recovery as hot water.
[0032]
The above-described fuel cell system 1 shown in FIG. 1 has the
[0033]
Next, a method for humidifying a fuel cell using the above-described fuel cell system 1 will be described. Such a humidification method for a fuel cell includes a first humidification step of humidifying the gas supplied to the electrode of the fuel cell 4, and a second humidification step of further humidifying the humidified gas.
[0034]
Air can be used as the gas supplied to the
[0035]
In the first humidification step, the supply air is humidified by coming into contact with the gas at the outlet of the fuel cell through the water vapor permeable membrane. The fuel cell outlet gas used to perform such humidification is preferably at about 60 to 80 ° C. and 1 to 10 kPa. By bringing the gas under such temperature and pressure conditions into contact with the supply air through the water vapor permeable membrane, mass transfer of water vapor can be caused by the water vapor pressure difference. For example, when the fuel cell outlet gas is 72 ° C. and 5 kPa, as a result of mass transfer of water vapor, the supply air is 62 ° C. and the absolute humidity is 0.171 kg · H. 2 It can be O / kg dry air.
[0036]
In the first humidification step, the supply air is preferably provided with 40-80% of the required steam. The amount of water vapor to be supplied does not substantially depend on the initial humidity of the supply air.
[0037]
In the second humidification step, the supply air humidified in the first humidification step is humidified by contact with the cooling water of the fuel cell via the water vapor permeable membrane. Cooling water used to perform such humidification is brought into contact with supply air at 65-82 ° C.
[0038]
By bringing the cooling water at such a temperature into contact with the supply air through the water vapor permeable membrane, mass transfer of the water vapor can be caused. For example, when the supply air after humidification in the first humidification step is 5 kPa at 62 ° C., as a result of the mass transfer of steam in the second humidification step, the supply air is reduced to 69 ° C. , Absolute humidity 0.259kg ・ H 2 It can be O / kg dry air.
[0039]
In the second humidification step, humidification is performed so that the dew point of the supply air humidified in the first humidification step is substantially equal to the operating temperature of the fuel cell. Therefore, in the second humidification step, it is preferable to supply the supply air with 20 to 60% of the required steam. As in the second humidification step, in order to cause mass transfer between a gas and a liquid, it is necessary to supplement the heat energy of the latent heat of evaporation of the cooling water. When the power is 0.3 kW, according to the present embodiment, the heat energy of 0.32 kW is obtained from the cooling water, and the difference between the dew point of the supply air and the operating temperature of the fuel cell can be kept within 5 ° C.
[0040]
The above-mentioned numerical values are described when the operating temperature of the fuel cell is set to 70 ° C. For example, when the operating temperature of the fuel cell is set to 80 ° C., in the first humidification step, the supply air temperature is set to 70 ℃, absolute humidity 0.276kg ・ H 2 O / kg dry air, in the second humidification step, the temperature of the supply air is 78 ° C and the absolute humidity is 0.468 kg · H 2 It can be O / kg dry air. At this time, in the first humidification step, water vapor of 59% of the required water vapor can be supplied to the supply air, and in the second humidification step, water vapor of 41% of the required water vapor can be supplied to the supply air. At this time, the energy required to supplement latent heat of vaporization in the second humidification step is 0.54 times the output of the fuel cell. When the operating temperature of the fuel cell is 80 ° C., the temperature of the supply air is 78 ° C. and the absolute humidity is 0.468 kg · H only in the second humidification step. 2 In order to obtain O / kg dry air, the energy required to supplement latent heat of vaporization is 1.32 times the DC output of the fuel cell, resulting in a shortage of energy and an inability to supply a required amount of water vapor.
[0041]
In the present embodiment, the method for humidifying the supply air, which is the gas supplied to the air electrode of the fuel cell, has been specifically described. However, the same applies to the hydrogen-rich fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell. It can be humidified by using the method described above.
[0042]
According to the humidification method of the fuel cell according to the present embodiment, the dew point of the supply air, which is the gas supplied to the air electrode of the fuel cell, is efficiently utilized by using the energy source discharged from the fuel cell 4 itself. Humidification can be performed so as to be approximately equal to the operating temperature of the fuel cell. Specifically, the difference between the dew point of the supply air and the operating temperature of the fuel cell can be kept within 5 ° C. By making such a high humidification, the electrolyte membrane of the fuel cell is kept in a wet state, The durability of the fuel cell can be improved.
[0043]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail by way of examples. The following examples illustrate, but do not limit, the invention.
[0044]
Here, an embodiment in which the gas supplied to the fuel cell is humidified using the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The fuel cell system 1 used in the embodiment is a fuel cell system 1 capable of humidifying gas supplied to an air electrode, and includes a fuel cell 4, a
[0045]
The fuel cell 4 used had a DC output of 1.3 kW and used an electrolyte membrane having an N112 membrane manufactured by DuPont and having a thickness of 50 μm. The humidification method adopted the external humidification method. In this embodiment, this fuel cell was operated at 70 ° C.
[0046]
As shown in FIG. 2, the
[0047]
The cooling water circulation pump 6 was a centrifugal pump with a flow rate of 5 L / min and a head of 5 m.
[0048]
As air supplied to the
[0049]
The supply air from the
[0050]
2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (cathode reaction)
[0051]
The remaining supply air not consumed in the cathode reaction was heated by the heat generated in the cathode reaction, humidified by the moisture generated by the reaction, and discharged from the outlet of the fuel cell 4 as a fuel cell outlet gas. The temperature of the fuel cell outlet gas at the outlet of the fuel cell 4 is 72 ° C., and the absolute humidity is 0.313 kg · H. 2 O / kg dry air. The fuel cell outlet gas is introduced into the
[0052]
The temperature of the fuel cell cooling water discharged from the fuel cell 4 flowing through the cooling
[0053]
As a result of operating the fuel cell 4 at 70 ° C. while humidifying the air using the fuel cell system 1 of the present invention, the electrolyte membrane 44 maintains an appropriate amount of water even after continuous operation for 2000 hours. I was Further, in the course of the operation of the fuel cell 4, the supply air supplied to the air electrode 31 of the fuel cell 4 could be humidified at the beginning of the operation or during the operation.
[0054]
On the other hand, using the same fuel cell, introducing the supply air at 25 ° C. at a rate of 75 NL / min into the same humidifier as the
[0055]
As described above, according to the humidification method using the fuel cell system 1 of the present embodiment, no breakage or deterioration of the electrolyte membrane 44 and no reduction in power generation efficiency due to these are recognized, and good power generation is performed in the fuel cell 4. We were able to.
[0056]
Further, from the viewpoint of the energy balance of the entire fuel cell system, the
[0057]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the humidification method of the fuel cell concerning this invention, the dew point of the air supplied to the air electrode of a fuel cell is made substantially equal to the operating temperature of a fuel cell using the gas and cooling water discharged from a fuel cell. Humidification operation is possible. In addition, since the humidification method can use the cooling water of the fuel cell, a high humidification operation can be performed even in the initial operation. Such humidification can prevent breakage and deterioration of the electrolyte membrane in the fuel cell, and can improve the performance and durability of the fuel cell.
Further, the fuel cell system of the present invention capable of implementing the humidifying method including the two humidifying steps according to the present invention has high energy efficiency and excellent durability as a whole system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a humidifier using a hollow fiber membrane.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration of a fuel cell included in a fuel cell system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 fuel cell system
2 First humidifier
3 Second humidifier
4 Fuel cell
5 Blower
6 Cooling water circulation pump
7 Heat exchanger for hot water recovery
8 Reformer
21 Sweep entrance
23 Fuel cell outlet gas inlet
24 Fuel cell outlet gas outlet
25 hollow fiber membrane
32 sweep exit
33 Cooling water inlet
34 Cooling water outlet
35 hollow fiber membrane
40 fuel cell
41 air electrode
42 Fuel electrode
43 Cooling unit
44 Electrolyte membrane
Claims (7)
該加湿されたガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する第二の加湿ステップと
を含む燃料電池の加湿方法。A first humidification step of humidifying the gas supplied to the electrode of the fuel cell by bringing the gas into contact with the gas at the fuel cell outlet through a water vapor permeable membrane,
A second humidification step of humidifying the humidified gas by contacting the humidified gas with cooling water of the fuel cell through a water vapor permeable membrane.
該燃料電池の極へ供給されるガスを、燃料電池出口のガスと水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第一の加湿器と、
該加湿されたガスを、該燃料電池の冷却水と水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第二の加湿器と、
該燃料電池の冷却水が該燃料電池の冷却部と該第二の加湿器とに供給されるように該冷却水を循環させる手段と
を含んでなる燃料電池システム。A fuel cell in which a fuel electrode is provided on one surface of an electrolyte membrane, and a plurality of fuel cells having an air electrode on the other surface are stacked via a cooling unit forming a flow path of cooling water,
A first humidifier that humidifies the gas supplied to the electrode of the fuel cell by contacting the gas at the outlet of the fuel cell with the gas through the water vapor permeable membrane;
A second humidifier that humidifies the humidified gas by contacting the fuel cell cooling water with a water vapor permeable membrane,
A fuel cell system comprising: means for circulating the cooling water so that the cooling water of the fuel cell is supplied to the cooling unit of the fuel cell and the second humidifier.
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JP2008243540A (en) | Polymer electrolyte fuel cell power-generating device |
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