JP2005158429A - Hollow fiber membrane humidifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池車等に搭載される燃料電池システムに設置され、燃料である空気等を加湿する中空糸膜加湿器に関する。 The present invention relates to a hollow fiber membrane humidifier that is installed in a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle or the like and humidifies air or the like as fuel.
燃料電池は、水素ガス及び酸素ガスを燃料として用いて発電する装置であり、発電に伴い排気ガスが生じないため地球環境保護の観点から注目されており、近年、自動車搭載用の動力源としての実用化が進められている。 A fuel cell is a device that generates power using hydrogen gas and oxygen gas as fuel, and has been attracting attention from the viewpoint of protecting the global environment because exhaust gas is not generated along with power generation. Practical use is in progress.
燃料電池は、発電の基本単位となる単セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックを含むものである。例えば、固体高分子電解質膜を適用した燃料電池において、単セルは、固体高分子電解質膜両側に酸素極及び水素極を接合して一体化した膜電極接合体(MEA: membrane electrode assembly)を有しており、酸素極及び水素極に酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ供給して発電している。 The fuel cell includes a fuel cell stack configured by stacking a plurality of single cells serving as a basic unit of power generation. For example, in a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane, a single cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which an oxygen electrode and a hydrogen electrode are joined on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, oxygen gas and hydrogen gas are respectively supplied to the oxygen electrode and the hydrogen electrode to generate electricity.
燃料電池を適用した燃料電池発電システムでは、酸素ガスを含むカソードガス(空気)を燃料電池に供給するカソードガス流路を備えており、カソードガス流路上に加湿装置を設置している。加湿装置は、燃料電池内の反応で生成したオフガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分によりカソードガス(空気)を加湿した後、燃料電池内に供給している。 In a fuel cell power generation system to which a fuel cell is applied, a cathode gas channel that supplies a cathode gas (air) containing oxygen gas to the fuel cell is provided, and a humidifier is installed on the cathode gas channel. The humidifier collects moisture contained in the off-gas generated by the reaction in the fuel cell, humidifies the cathode gas (air) with the collected moisture, and supplies the humidified cathode gas (air) to the fuel cell.
燃料電池用の加湿装置として、例えば、従来のカソード加湿器ユニットが挙げられる(特許文献1参照)。 An example of a humidifier for a fuel cell is a conventional cathode humidifier unit (see Patent Document 1).
従来のカソード加湿器ユニットは、複数本の中空糸膜モジュールと、これらの中空糸膜モジュール長手方向の両端部に中空糸膜モジュールを並列に連結する入口ヘッドと、出口ヘッドと、を備える。中空糸膜モジュールは、円筒状のハウジング内部に水透過膜から成る多数のチューブ状である多孔質の中空糸膜を束ねた中空糸膜束が収納される。各中空糸膜モジュールのハウジングの一端側は、オフガス入口を有する入口ヘッドに連結されると共に、他端側はオフガス出口を有する出口ヘッドに連結されており、入口ヘッド及び出口ヘッドは、中空糸膜モジュールの中心軸上に形成される。入口ヘッド及び出口ヘッド底部には、各々排水口が設置され、入口ヘッド及び出口ヘッド底部に溜まった水を排水する。
しかしながら、従来のカソード加湿器ユニットでは、燃料電池から流入した凝縮水が加湿器でトラップされず、そのままオフガス排気口に流入してしまっていた。このため、加湿装置下流側に設置された水素燃焼器にて燃焼が不完全となっていた。 However, in the conventional cathode humidifier unit, the condensed water flowing from the fuel cell is not trapped by the humidifier and flows directly into the off-gas exhaust port. For this reason, combustion was incomplete in the hydrogen combustor installed downstream of the humidifier.
また、燃料電池が低温環境下に設置された場合は、オフガス排気口に流入した凝縮水が凍結し、バルブが固着してしまうため、凍結防止用の設備等を別途設置する必要があり、設備が大型化していた。 In addition, when the fuel cell is installed in a low temperature environment, the condensed water flowing into the off-gas exhaust port will freeze and the valve will be fixed. Was getting bigger.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の中空糸膜加湿器は、中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、収納容器の中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置に形成されたオフガス排気口と、を備えることを要旨とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. That is, the hollow fiber membrane humidifier of the present invention is a hollow fiber that humidifies a dry gas by moving water between the inside and the outside of the hollow fiber membrane. The gist of the invention is to include a membrane module, a storage container for storing the hollow fiber membrane module, and an off-gas exhaust port formed at a position excluding the projection surface of the storage container in the central axis direction of the hollow fiber membrane module.
本発明の中空糸膜加湿器によれば、中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置の収納容器にオフガス排気口を形成したため、オフガス中に含まれる凝縮水等を収納容器の内壁でトラップすることができ、オフガス排気口から凝縮水等の流出を防止することができる。 According to the hollow fiber membrane humidifier of the present invention, the offgas exhaust port is formed in the storage container at a position excluding the projection surface in the central axis direction of the hollow fiber membrane module, so that the condensed water and the like contained in the offgas can be removed from the inner wall of the storage container It is possible to trap and prevent outflow of condensed water or the like from the off-gas exhaust port.
以下、本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器について、第1実施形態及び第2実施形態を用いて説明する。 Hereinafter, the hollow fiber membrane humidifier which concerns on embodiment of this invention is demonstrated using 1st Embodiment and 2nd Embodiment.
<第1実施形態(図1、図2)>
本実施形態では、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用される中空糸膜加湿器を例に挙げて説明する。
<First Embodiment (FIGS. 1 and 2)>
In the present embodiment, a hollow fiber membrane humidifier applied to a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle will be described as an example.
図1は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの一部の構成を示す図である。なお、燃料電池システムは、移動体である燃料電池自動車の床下に搭載され、燃料電池自動車の駆動源として利用される。図1に示すように、燃料電池システム1は、アノード(燃料極)及びカソード(酸化剤極)を電極として有する燃料電池2を備え、燃料電池2後流側には、中空糸膜加湿器3、圧力調整バルブ、燃焼器4及び熱交換器5が各々設置される。
FIG. 1 is a diagram showing a partial configuration of a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle. The fuel cell system is mounted under the floor of a fuel cell vehicle that is a moving body, and is used as a drive source for the fuel cell vehicle. As shown in FIG. 1, the
中空糸膜加湿器3は、収納容器20内に、後述する円筒形状の中空糸膜モジュールを2個収納している。収納容器20の長手方向の両端部には、その上流側に燃料電池2に連結されたオフガス導入管6を接続し、中空糸膜モジュール後流側に燃焼器4に連結したオフガス排気管7を接続している。
The hollow
中空糸膜モジュール長手方向に対して垂直方向の収納容器20には、図示しないコンプレッサに連結された乾燥ガス導入管(空気導入管)8を接続し、乾燥ガス導入管8が接続された収納容器20と反対側に、燃料電池2に連結した加湿ガス排気管9を接続している。
The
図2は、中空糸膜加湿器3の構成を説明する図であり、(a)は上面から見た構成を模式的に示す図である。図2(a)に示すように、中空糸膜加湿器3は、収納容器20内部に2個の中空糸膜モジュール10a,10bを収納し、中空糸膜モジュール10a,10bの長手方向の両端部に、吸気マニホルド11及び排気マニホルド12が形成される。収納容器20には、一方の中空糸膜モジュール10aの中心軸上にオフガス導入口13が形成され、オフガス導入口13にオフガス導入管6が連結される。排気マニホルド12側の収納容器20には、もう一方の中空糸膜モジュール10bの中心軸上にオフガス排気口14が形成され、オフガス排気口14は、オフガス導入口13を中心軸上にもつ中空糸膜モジュール10aの軸方向投影面A外に形成され、オフガス排気口14にはオフガス排気管7が連結される。排気マニホルド12底部付近には凝縮水ドレン口15が形成される。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the hollow
図2(b)は、図2(a)に示す凝縮水ドレン口15の位置を示す中空糸膜加湿器の短手方向の断面を示す図である。図2(b)に示すように、中空糸膜モジュール10a及び中空糸膜モジュール10bの各中心軸上にオフガス導入口13及びオフガス排気口14が形成され、中空糸膜モジュール10aとオフガス排気口14との間の排気マニホルド12底部に凝縮水ドレン口15が形成される。
FIG.2 (b) is a figure which shows the cross section of the transversal direction of the hollow fiber membrane humidifier which shows the position of the condensed
なお、収納容器20内に収納される中空糸膜モジュールの詳細な構成は図示しないが、基本的には、円筒形状のハウジング内に固定配置した中空糸膜束を収納し、中空糸膜束は、ストロー形状の多数の中空糸膜を束ねて形成される。ハウジング長手方向の一端の外周面上に、周方向の一直線上に複数個の乾燥ガス導入孔が形成され、他端の外周面上に、周方向の一直線上に複数個の加湿ガス排気孔が形成される。ハウジング長手方向の両端部は、オフガス導入管6及びオフガス排気管7を各々接続している。
Although the detailed configuration of the hollow fiber membrane module stored in the
次に、上記構成の中空糸膜加湿器での動作を説明する。燃料電池から排気されるオフガス中の未反応空気と燃料電池の化学反応により生成した水蒸気は、図2(a)の矢印T1に示すように、左右の中空膜モジュール10a,10bにある程度分配され、中空糸膜径内に導入される。一方、燃料電池から排出されるガスには、液体成分である多量の凝縮水、液滴やミスト等も含まれている。これらの凝縮水、液滴やミスト等は、重いため慣性が働き、図2(a)の矢印T4に示すようにほぼ直進する。このため、凝縮水、液滴及びミストの大部分は、オフガス導入口13直下の中空糸膜モジュール10aに流入し、中空糸膜モジュール10bに入ることはない。また中空糸膜モジュール10aの中心軸上にオフガス導入口13が形成されるため、吸気マニホルド内で凝縮水がトラップされることはなく中空糸膜モジュール10aに流入する。このため、凝縮水を加湿に利用でき、より加湿性能を向上させることができる。中空糸膜モジュール10a,10b内に流入したオフガス中の水蒸気、凝縮水、液滴やミスト等は、中空糸膜内の毛細管内を透過して中空糸膜の外側に移動する。一方、図2(a)に図示しないコンプレッサに連結した乾燥ガス導入管(空気導入管)8から乾燥ガスを中空糸膜モジュール10a,10b内に導入し、乾燥ガスをハウジング周上に形成された複数の乾燥ガス導入孔からハウジング内の中空糸膜外側に流入し、中空糸膜径内のオフガスから移動してきた水分を回収する。回収した水分を利用して乾燥ガスを加湿し、この加湿ガスを、ハウジング反対側に形成された加湿ガス排気孔を介して、中空糸膜モジュール10a,10bの外側に排気する。
Next, the operation of the hollow fiber membrane humidifier having the above configuration will be described. The unreacted air in the off-gas exhausted from the fuel cell and the water vapor generated by the chemical reaction of the fuel cell are distributed to some extent to the left and right
水分を分離したオフガスの主流は、図2(a)の矢印T3に示すように、オフガス排気口14側に流れてオフガス排気管7から排気される。オフガスは、中空糸膜モジュール10a,10b内で水分が回収されるが、オフガス中には未回収の水分も含まれる。中空糸膜モジュール10a内の未回収水分中の凝縮水、液滴等は、その質量のため中空糸膜モジュール10a内の出口から矢印T4に示すようにほぼ直進し、排気マニホルド12内壁に衝突してトラップされ、壁流となり下方に降下する。排気マニホルド12内で壁流となった凝縮水、液滴等は、図2(a)の矢印T5に示すように排気マニホルド12内を流れ、排気マニホルド内に残留することなく凝縮水ドレン口15から排水される。
The main flow of off-gas from which moisture has been separated flows toward the off-
本実施形態によれば、中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置の収納容器にオフガス排気口を形成したため、排気マニホルド内壁で凝縮水をトラップすることができる。また、トラップした凝縮水を凝縮水ドレン口から排水して回収したため、オフガス排気口からの凝縮水流出を防止して中空糸膜加湿器下流の燃焼器への混入を防ぎ、不完全な燃焼を防止することができる。 According to this embodiment, since the off-gas exhaust port is formed in the storage container at a position excluding the projection surface in the central axis direction of the hollow fiber membrane module, the condensed water can be trapped on the inner wall of the exhaust manifold. In addition, the trapped condensate is drained and recovered from the condensate drain port, preventing condensate outflow from the off-gas exhaust port, preventing entry into the combustor downstream of the hollow fiber membrane humidifier, and incomplete combustion. Can be prevented.
また、本実施形態によれば、中空糸膜モジュールとオフガス排気口との間に、凝縮水ドレン口を形成したため、容易に凝縮水を回収することができる。 Moreover, according to this embodiment, since the condensed water drain port was formed between the hollow fiber membrane module and the off-gas exhaust port, the condensed water can be easily recovered.
<第2実施形態(図3)>
前述した第1実施形態では、2個の中空糸膜モジュールを収納容器内に収納した中空糸膜加湿器を例示したが、本実施形態では、1個の中空糸膜モジュールを収納した例に挙げて、図3により説明する。なお、第1実施形態に示した中空糸膜加湿器3と同一箇所には、同一符号を使用し、その説明を省略する。
<Second Embodiment (FIG. 3)>
In the first embodiment described above, a hollow fiber membrane humidifier in which two hollow fiber membrane modules are stored in a storage container is illustrated, but in the present embodiment, an example in which one hollow fiber membrane module is stored is given. This will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is used for the same location as the hollow
図3は、中空糸膜加湿器の構成を説明する図であり、(a)は上面から見た構成を模式的に示す図である。図3(a)に示すように、中空糸膜加湿器16は、収納容器20内部に中空糸膜モジュール10を収納し、中空糸膜モジュール10長手方向の両端部に、吸気マニホルド11及び排気マニホルド12を形成している。
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the hollow fiber membrane humidifier, and (a) is a diagram schematically illustrating the configuration as viewed from above. As shown in FIG. 3 (a), the hollow
収納容器20には、中空糸膜モジュール10中心軸線上に形成されたオフガス導入口13にオフガス導入管6が接続されており、オフガス排気口13を中空糸膜モジュール10軸方向の投影面Bを除く位置に形成している。排気マニホルド12底部の中空糸膜モジュール10とオフガス排気口14との間には、凝縮水ドレン口15が形成される。
In the
上記構成の中空糸膜加湿器16では、燃料電池から排気されたオフガス中に含まれる凝縮水、液滴及びミストは、オフガスと共に中空糸膜モジュール10の中空糸膜径内に流入する。中空糸膜モジュール10から排出されたオフガスの主流は、図3の矢印S1に示すようにオフガス排気口14に流れる。そして、中空糸膜モジュール10により、第1実施形態で説明した凝縮水等の水分の回収が行われる。中空糸膜モジュール10から排出された凝縮水等は、その質量が高いため、中空糸膜モジュール10出口から矢印S2に示すようにほぼ直進して、排気マニホルド12内壁に衝突して凝縮水がトラップされ、凝縮水は壁流となり下方へ降下する。壁流となった凝縮水は矢印S3に示すように流れ、排気マニホルド12内に溜まることなく、凝縮水ドレン口15を介して排水される。
In the hollow
なお、図3に示した中空糸膜加湿器16では、収納容器20内に1個の中空糸膜モジュール10を設置した例を挙げたが、収納容器20内に設置した中空糸膜モジュール10は、第1実施形態で示したように複数本設置しても良い。例えば、収納容器20内に2個の中空糸膜モジュール10を設置する場合は、図4に示すように、オフガス導入口13が形成された中空糸膜モジュール10の中心軸方向の投影面Cを除く位置にオフガス排気口14を形成する。
In the hollow
本実施形態によれば、収納容器内に中空糸膜モジュールを1個収納した場合であっても、排気マニホルド内壁でトラップした凝縮水を凝縮水ドレン口から回収することができ、オフガス排気口からの凝縮水の流出を防ぐことができる。また、収納容器内に中空糸膜モジュールを複数個収納した場合においても、オフガス排気口からの凝縮水の流出を防止できる。 According to this embodiment, even when one hollow fiber membrane module is stored in the storage container, the condensed water trapped on the inner wall of the exhaust manifold can be recovered from the condensed water drain port, and from the off-gas exhaust port. The outflow of condensed water can be prevented. Further, even when a plurality of hollow fiber membrane modules are stored in the storage container, the outflow of condensed water from the offgas exhaust port can be prevented.
なお、本実施形態においては、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明の中空糸膜加湿器器は、電気自動車等の車両への搭載に限定されるものではなく、電化製品等その他の機関にも適用することが可能であることはもちろんである。 In the present embodiment, an electric vehicle is cited as an example of a fuel cell vehicle. However, the hollow fiber membrane humidifier of the present invention is not limited to being mounted on a vehicle such as an electric vehicle. Of course, it can be applied to other organizations.
1…燃料電池システム,
2…燃料電池,
3…中空糸膜加湿器,
4…燃焼器,
5…熱交換器,
6…オフガス導入管,
7…オフガス排気管,
8…乾燥ガス導入管(空気導入管),
9…加湿ガス排気管,
10a,10b…中空膜モジュール,
11…吸気マニホルド,
12…排気マニホルド,
13…オフガス導入口,
14…オフガス排気口,
15…凝縮水ドレン口,
16…中空糸膜加湿器,
20…収納容器,
1 ... Fuel cell system,
2 ... fuel cell,
3 ... Hollow fiber membrane humidifier,
4 ... combustor,
5 ... heat exchanger,
6 ... Off-gas introduction pipe,
7 ... Off-gas exhaust pipe,
8 ... Dry gas introduction pipe (air introduction pipe),
9 ... humidified gas exhaust pipe,
10a, 10b ... hollow membrane module,
11 ... Intake manifold,
12 ... Exhaust manifold,
13 ... off-gas inlet,
14: Off-gas exhaust port,
15 ... Condensate drain port,
16 ... Hollow fiber membrane humidifier,
20 ... storage container,
Claims (5)
前記中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、
前記収納容器の前記中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置に形成されたオフガス排気口と、
を備えることを特徴とする中空糸膜加湿器。 A hollow fiber membrane module that humidifies the dry gas by moving water between the inside and outside of the hollow fiber membrane;
A storage container for storing the hollow fiber membrane module;
An off-gas exhaust port formed at a position excluding the projection surface in the central axis direction of the hollow fiber membrane module of the storage container;
A hollow fiber membrane humidifier comprising:
前記オフガス排気口は、前記オフガス導入口を中心軸方向に配置した中空糸膜モジュールの中心軸方向の投影面を除く位置に形成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の中空糸膜加湿器。 When two or more hollow fiber membrane modules are stored in the storage container,
The said off-gas exhaust port is formed in the position except the projection surface of the center axis direction of the hollow fiber membrane module which has arrange | positioned the said off-gas introduction port in the center axis direction. The hollow fiber membrane humidifier described in 1.
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- 2003-11-25 JP JP2003394142A patent/JP2005158429A/en not_active Withdrawn
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