JP2005183196A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池用加湿装置の圧力損失を低減する。
【解決手段】 燃料電池用加湿装置１は、空気を燃料電池に供給する空気流路３１と、カソードオフガスを前記燃料電池２から排出するカソードオフガス流路３２と、を備え、カソードオフガス流路３２はカソードオフガスに旋回流を生じさせる旋回部８を有し、この旋回部８の外周部が接続路３４を介して空気流路３１に接続されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池用加湿装置に関するものである。

燃料電池に供給すべき反応ガスを加湿する加湿装置として、中空糸膜を利用した加湿装置（以下、中空糸膜加湿器と称す）が知られている（例えば、特許文献１参照）。この中空糸膜加湿器では、湿潤ガスと乾燥ガスを中空糸状の水蒸気透過膜を隔てて流し、湿潤ガスと乾燥ガスの水蒸気分圧差を利用して、湿潤ガス中の水蒸気のみを水蒸気透過膜に透過させ、乾燥ガスを加湿している。
特開２００２−２１６８１５号公報

しかしながら、中空糸膜加湿器の場合、加湿効率を上げるにはガス流速を速くする必要があるが、ガス流速を速くすると加湿器の圧力損失が増大し、圧縮機等の消費電力が増大してしまう。
そこで、この発明は、簡単な構成ながら、圧力損失の小さい燃料電池用加湿器を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応ガスを燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）に供給する反応ガス流路（例えば、後述する実施例における空気流路３１）と、前記反応ガスのオフガスを前記燃料電池から排出するオフガス流路（例えば、後述する実施例におけるカソードオフガス流路３２）と、を備え、前記オフガス流路は前記オフガスに旋回流を生じさせる旋回部（例えば、後述する実施例における旋回部８）を有し、この旋回部の外周部が接続路（例えば、後述する実施例における接続路３４）を介して前記反応ガス流路に接続されていることを特徴とする燃料電池用加湿装置（例えば、後述する実施例における燃料電池用加湿装置１）である。
このように構成することにより、オフガス中に含まれる液水がオフガス流路の旋回部を流通する際に遠心力によって該旋回部の外周部に集まり、該外周部において水分濃度が高まる。この水分濃度の高いオフガスを接続路を介して反応ガス流路に導入することができるので、この水分によって反応ガスを加湿することが可能になる。また、オフガスを旋回部に流通させるだけでオフガス中の水分を分離することができ、該水分を接続路に流通させるだけで反応ガスを加湿することができるので、圧力損失を小さくできる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記接続路との接続点よりも下流の前記反応ガス流路に圧縮機（例えば、後述する実施例における圧縮機５）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、旋回部の外周部に集まった液水を、圧縮機の吸い込み側の吸引力によって、接続路を介し反応ガス流路に吸い込むことが可能になる。圧縮機に吸い込まれた液水は、圧縮機で圧縮された際に昇温して蒸発しガス状になり、圧縮機で撹拌される。また、液水の蒸発熱により反応ガスの温度を下げることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記旋回部よりも上流の前記オフガス流路に冷却装置（例えば、後述する実施例におけるターボ部７、減圧弁１０）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、冷却装置によってオフガスを冷却し、オフガス中の水蒸気を凝縮して凝縮水にすることが可能になる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記冷却装置はターボ装置（例えば、後述する実施例におけるターボ部７）で構成されており、このターボ装置の回転力を前記圧縮機の補助駆動力とすることを特徴とする。
このように構成することにより、オフガスが有するエネルギーを回収し、動力として利用することが可能となる。

請求項１に係る発明によれば、旋回部の外周部を流通する水分濃度の高いオフガスを接続路を介して反応ガス流路に導入することができるので、この水分によって反応ガスを加湿することができる。また、オフガスを旋回部に流通させるだけでオフガス中の水分を分離することができ、該水分を接続路に流通させるだけで反応ガスを加湿することができるので、圧力損失を小さくでき、加湿処理に必要な消費動力を低減することができる。

請求項２に係る発明によれば、旋回部の外周部に集まった液水を、圧縮機の吸い込み側の吸引力によって、接続路を介し反応ガス流路に吸い込むことができる。また、圧縮機に吸い込まれた液水は、圧縮機で圧縮された際に昇温して蒸発しガス状になり、圧縮機内で撹拌されるので、反応ガスを効果的に加湿することができる。また、液水の蒸発熱により反応ガスの温度を下げることができる。

請求項３に係る発明によれば、冷却装置によってオフガスを冷却し、オフガス中の水蒸気を凝縮水にすることができるので、旋回部から接続路を介して反応ガス流路に導入可能な水分量を増やすことができ、加湿能力を高めることができる。

請求項４に係る発明によれば、オフガスが有するエネルギーを回収し、動力として利用することができるので、加湿処理に必要な消費エネルギーを低減することができる。

以下、この発明に係る燃料電池用加湿装置の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１は水素循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動して、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

高圧水素タンク３に収容された水素ガスは、水素供給流路２１を流通し、エゼクタ４を通って、燃料電池２内のアノード側ガス流路２ｄに導入され、各セルのアノード２ｂに供給される。燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとしてアノードオフガス流路２２に排出され、アノードオフガス流路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。

空気は、空気流路（反応ガス流路）３１を介して圧縮機５に吸い込まれ、圧縮機５により所定圧力に加圧されて燃料電池２内のカソード側ガス流路２ｅに導入され、各セルのカソード２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス流路３２に排出される。圧縮機５はモータ６によって駆動される。

カソードオフガス流路３２には、燃料電池２に近い順に、ターボ部（ターボ装置）７と旋回部８が設けられている。
ターボ部７の内部には羽根車７ａが回転自在に支持されており、羽根車７ａの回転軸（図示せず）は連結軸９を介して圧縮機５の回転軸（図示せず）に連結されている。羽根車７ａはターボ部７を流通するカソードオフガスによって回転せしめられ、その回転力が連結軸９を介して圧縮機５の回転軸に伝達される。つまり、ターボ部７の羽根車７ａの回転力が圧縮機５の補助駆動力となる。これにより、カソードオフガスが有するエネルギーを回収して動力として利用することができ、加湿処理に必要な消費エネルギーを低減することができる。

図２は旋回部８の正面図、図３は同平面図であり、旋回部８は渦巻き状の流路（以下、渦巻き流路と称す）８ａを有しており、渦巻き流路８ａの中央は排気流路３３に接続され、渦巻き流路８ａの外周部は接続路３４を介して圧縮機５の直ぐ上流の空気流路３１に接続されている。カソードオフガスがこの渦巻き流路８ａを流通するときにカソードオフガスに旋回流が生じ、渦巻き流路８ａの外周面近傍を流れるカソードオフガスは接続路３４を介して空気流路３１に戻され、渦巻き流路８ａの中央部を流れるカソードオフガスは排気流路３３に排出される。
なお、この実施例１では、空気流路３１、圧縮機５、カソードオフガス流路３２、ターボ部７、旋回部８、接続路３４によって、燃料電池用加湿装置１が構成されている。

次に、このように構成された燃料電池用加湿装置１の作用を説明する。
燃料電池２から排出されるカソードオフガスには、燃料電池２での発電に伴って生成される生成水が液水４０あるいは水蒸気の状態で存在する。これら水分を含むカソードオフガスはターボ部７を通過するときに膨張し冷却されるため、カソードオフガスに含まれる水蒸気の多くは凝縮して凝縮水となる。これにより、ターボ部７よりも下流のカソードオフガスには液水状態の水分が多く存在することとなる。

この液水４０を多く含むカソードオフガスが旋回部８の渦巻き流路８ａを流通するときに旋回流が生じ、カソードオフガス中の液水４０は遠心力によって旋回部８の外周部に集まって流れるため、外周部において水分濃度が高まる。
一方、圧縮機５の直ぐ上流の空気流路３１に接続路３４が接続されているので、圧縮機５の吸引力によって接続路３４内のガスが吸い込まれる。この接続路３４は旋回部８の外周部に接続されているので、液水４０を多く含む水分濃度の高いカソードオフガスが、旋回部８の外周部から接続路３４を介して空気流路３１に導入され、新鮮な空気とともに圧縮機５に供給される。

圧縮機５に吸い込まれた液水は、圧縮機５で圧縮された際に昇温して蒸発しガス状になり、圧縮機５で空気と十分に撹拌される。したがって、燃料電池２に供給される空気を加湿することができる。また、液水の蒸発熱により空気の温度を下げることができ、圧縮による空気の温度上昇を抑制することができ、燃料電池２への供給空気温度を燃料電池２の耐熱温度より下げることができる。
また、カソードオフガスを旋回部８に流通させるだけでカソードオフガス中の水分を分離することができ、該水分を接続路３４に流通させるだけで燃料電池２への供給空気を加湿することができるので、圧力損失を小さくでき、加湿処理に必要な消費動力を低減することができる。

特に、この実施例においては、ターボ部７においてカソードオフガスを冷却し、凝縮水を生成させてから旋回部８に導入しているので、旋回部８から接続路３４を介して空気流路３１に導入可能な水分量を増やすことができ、加湿能力を高くなる。
なお、図４に示すように、ターボ部７に代えて、旋回部８の上流のカソードオフガス流路３２に減圧弁１０を設けてもよい。減圧弁１０もターボ部７と同様に機能し、カソードオフガスを膨張させて冷却し、カソードオフガス中の水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する。
この実施例において、ターボ部７や減圧弁１０は冷却装置を構成し、冷却装置はカソードオフガスを冷却することができればその構造に特に限定はない。また、冷却装置がなくても本発明は成立する。

この発明に係る燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムの一実施例の構成図である。 前記実施例における燃料電池用加湿装置の旋回部の正面図である。 前記実施例の旋回部の平面図である。 別の実施例の燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池用加湿装置
２ 燃料電池
５ 圧縮機
７ ターボ部（ターボ装置、冷却装置）
８ 旋回部
１０ 減圧弁（冷却装置）
３１ 空気流路（反応ガス流路）
３２ カソードオフガス流路（オフガス流路）
３４ 接続路

Claims (4)

1. 反応ガスを燃料電池に供給する反応ガス流路と、前記反応ガスのオフガスを前記燃料電池から排出するオフガス流路と、を備え、前記オフガス流路は前記オフガスに旋回流を生じさせる旋回部を有し、この旋回部の外周部が接続路を介して前記反応ガス流路に接続されていることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 前記接続路との接続点よりも下流の前記反応ガス流路に圧縮機が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
3. 前記旋回部よりも上流の前記オフガス流路に冷却装置が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
4. 前記冷却装置はターボ装置で構成されており、このターボ装置の回転力を前記圧縮機の補助駆動力とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用加湿装置。
   

Images