JP2006147409A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 供給ガス、排出ガスの水透過型加湿器への導入方法や、中空糸膜の特性を考慮することで、加湿効率を高める。
【解決手段】 中空糸膜モジュールＡ５には、その中空糸膜の内部に、燃料電池３から排出される排出ガスｅを導入し、その中空糸膜の外部に、供給ガスａの一部ｂを導入して、供給ガスｂに対して加湿する。一方、中空糸膜モジュールＢ７には、その中空糸膜の内部に、供給ガスａの残りの一部ｃを導入し、中空糸膜モジュールＡ５から排出される排出ガスｆを、その中空糸膜の外部に導入して、供給ガスｃに対して加湿する。中空糸膜モジュールＡ５，Ｂ７から排出される加湿後の供給ガスｄは、燃料電池３に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる中空糸膜を有する中空糸膜モジュールを備えた燃料電池用加湿装置に関する。

従来、中空糸膜を使用した中空糸膜モジュールを備える燃料電池用加湿装置としては、例えば下記特許文献１に記載されたものがある。これは、燃料電池から排出される排出ガス（空気）中の水分を、燃料電池に供給する供給ガス（空気）側へ透過させる中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜モジュール内を通流する排出ガスの量が供給ガス量に対して多くなるようにしている。また、複数設けた中空糸膜モジュールを、排出ガス側では直列に、供給ガス側では並列に、それぞれのガスが流れるよう配管接続している。
特開２００２−７５４２２号公報

上記した従来の燃料電池用加湿装置は、中空糸膜モジュール内を通流する排出ガスの量が、供給ガス量に対して多くなるように構成しているが、中空糸膜の材質違い、供給ガスの中空糸膜モジュールへの導入方法を考慮すると、単に排出ガスの量を供給ガス量に対して多くなるようにするだけでは、加湿効率を上げるうえで不充分である。

そこで、本発明は、供給ガス、排出ガスの中空糸膜モジュールへの導入方法や、中空糸膜の特性を考慮することで、加湿効率を高めることを目的としている。

本発明は、燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる中空糸膜を有する中空糸膜モジュールを少なくとも二つ備えた燃料電池用加湿装置であって、前記少なくとも一つの中空糸膜モジュールの中空糸膜内部に前記供給ガスの一部を供給するとともに、同中空糸膜外部に前記排出ガスを供給し、前記他の中空糸膜モジュールの中空糸膜外部に、前記供給ガスの残りの一部を供給するとともに、同中空糸膜内部に前記排出ガスを供給することを最も主要な特徴とする。

供給ガスの加湿を効率よく行うには、供給ガス、排出ガスの加湿器内の滞留時間を長くすること、供給ガスと排出ガスとの水分濃度差を大きくすることが必要であるが、本発明では更に中空糸膜の特性に着目している。中空糸膜モジュールでは、湿潤ガスを中空糸膜を通過させることにより、中空糸膜の毛管作用によって湿潤ガス中の水分が分離され、分離された水分が中空糸膜の毛管を透過して乾燥ガスに送られ加湿される。

水分の透過として、湿潤ガス（排出ガス）を中空糸膜の内部に流し、乾燥ガス（供給ガス）を中空糸膜の外部に流す場合と、その逆の場合とで加湿量が異なる。中空糸膜の材質により異なるが、前者の場合に加湿量が多くなるものと、後者の場合に加湿量が多くなるものとに分かれる。また同一材質の中空糸膜においても乾燥ガスの流量によって、乾燥ガスを中空糸膜の外部に流す場合と、その逆の場合とで加湿量が異なる。これらの特性の違いは、中空糸膜の毛管作用に起因する、中空糸膜表面の細孔の大きさによるものとみられる。

請求項１の発明によれば、少なくとも一つの中空糸膜モジュールの中空糸膜内部に供給ガスの一部を供給するとともに、同中空糸膜外部に排出ガスを供給し、他の中空糸膜モジュールの中空糸膜外部に、供給ガスの残りの一部を供給するとともに、同中空糸膜内部に排出ガスを供給することで、中空糸膜の材質や、乾燥気体（供給ガス）を中空糸膜の外部に流す場合と同内部に流す場合とで異なる特性に、対応させることができ、これにより、中空糸膜モジュールの加湿効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池用加湿装置１の構成図である。この燃料電池用加湿装置１に接続する燃料電池３は、水素が供給されるアノード極と酸素が供給されるカソード極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造を呈し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。

アノード極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極にそれぞれ移動する。カソード極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。

燃料電池３の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子体電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン伝導性の高分子膜からなり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池３においては水を供給して供給ガスを加湿することが必要となる。

燃料電池加湿装置１は、燃料電池３のカソード極から排出された水蒸気を豊富に含む排出ガスと、空気導入部で加圧、昇温された供給ガス（空気）との間で水蒸気を交換するためのものであり、本発明で使用している水透過型加湿器は、水透過膜として中空糸膜を用いた二つの中空糸膜モジュールＡ５，Ｂ７をそれぞれ備えている。

図２は、中空糸膜モジュールＡ５またはＢ７の内部構造を示す断面図で、ケース９内に、水交換部となる中空糸膜の束１１を収容している。中空糸膜の束１１は、長手方向（図２中で左右方向）の両端部外周を、環状の固定部１３，１５によってケース９の内面に固定する。ケース９の一方の端部には、一方のガスが流入する第１ガス入口９ａを設け、ケース９の他方の端部には、前記一方のガスが流出する第１ガス出口９ｂを設ける。中空糸膜の束１１の両端部と、第１ガス入口９ａおよび第２ガス入口９ｂとの間には、ガス入口空間１７およびガス出口空間１９をそれぞれ備える。

また、ケース９の外周部には、他方のガスが流入する第２ガス入口９ｃと、他方のガスが流出する第２ガス出口９ｄとをそれぞれ設ける。なお、第２ガス入口９ｃおよび第２ガス出口９ｄは、図２に示す位置に限ることはなく、燃料電池システムに応じてケース９の外周部の適宜位置に変えることができる。

中空糸膜の束１１は、第１ガス入口９ａから流入する一方のガスが、中空糸膜の内部を通過し、第２ガス入口９ｃから流入する他方のガスが、中空糸膜の外部に向けて流れるように、中空糸膜を配置する。

上記した一方のガスは、燃料電池３から排出される湿潤した排出ガスと、燃料電池３に供給する乾燥した供給ガスのいずれかであり、他方のガスは、一方のガスが排出ガスであれば供給ガスであり、一方のガスが供給ガスであれば排出ガスである。

ここで、例えば、一方のガスが排出ガスの場合には、第１ガス入口９ａから流入した排出ガスが、中空糸膜で水分を放出した後、第１ガス出口９ｂから外部に排出される。この場合他方のガスが供給ガスとなるので、第２ガス入口９ｃから流入する供給ガスが、水分を吸収して加湿された後、第２ガス出口９ｄから外部に排出される。

図１に示すように、燃料電池３と中空糸膜モジュールＡ５の第１ガス入口９ａとを、排出ガスｅが流れる配管２１で接続し、中空糸膜モジュールＡ５の第１ガス出口９ｂと中空糸膜モジュールＢ７の第２ガス入口９ｃとを、中空糸膜モジュールＡ５から流出する排出ガスｆが流れる配管２３で接続する。さらに、中空糸膜モジュールＢ７から流出する排出ガスｇが流れる配管２５を中空糸膜モジュールＢ７の第２ガス出口９ｄに接続する。

すなわち、中空糸膜モジュールＡ５と中空糸膜モジュールＢ７とは、排出ガスの流れで見れば互いに直列に接続していることになる。そして、中空糸膜モジュールＡ５では、排出ガスｅを、第１ガス入口９ａに流入させているので中空糸膜の内部に流し、中空糸膜モジュールＢ７では、排出ガスｆを、第２ガス入口９ｃに流入させているので中空糸膜の外部に流す。

また、燃料電池３に供給する空気である供給ガスａの導入配管２７を、分岐部２９で分岐して分岐配管３１，３３とし、供給ガスａの一部である供給ガスｂが流れる分岐配管３１を中空糸膜モジュールＡ５の第２ガス入口９ｃに接続する。一方、供給ガスａの残りの一部である供給ガスｃが流れる分岐配管３３を中空糸膜モジュールＢ７の第１ガス入口９ａに接続する。

ここでは、分岐配管３１を流れる供給ガスｂの量が、分岐配管３３を流れる供給ガスｃの量より多くなるように、例えば配管の内径に差を付けたり、あるいは図示しない弁の開度により調整する。

また、中空糸膜モジュールＡ５の中空糸膜の束１１を、中空糸膜モジュールＢ７の中空糸膜の束１１より大きくすることで、供給ガス量の多い中空糸膜モジュールＡ５の水透過部分の容積を、供給ガス量の少ない中空糸膜モジュールＢ７の水透過部分の容積より大きくしている。

前記した中空糸膜モジュールＡ５の第２ガス出口９ｄには配管３５を、中空糸膜モジュールＢ７の第１ガス出口９ｂには配管３７を、それぞれ接続し、各配管３５，３７は、合流部３９で合流して供給ガスｄが流れる配管４１として燃料電池３に接続する。

次に作用を説明する。図１において、導入配管２７から導入される供給ガスａが、分岐部２９で分岐し、分岐配管３１に供給ガスｂとして、分岐配管３３に供給ガスｃとしてそれぞれ流れる。供給ガスｂは中空糸膜モジュールＡ５の第２ガス入口９ｃから流入し、一方燃料電池３から排出される排出ガスｅが中空糸膜モジュールＡ５の第１ガス入口９ａから流入することで、排出ガスｅの水分が中空糸膜の毛管作用によって分離され、分離した水分が中空糸膜の毛管を透過して供給ガスｂに吸収されて供給ガスｂが加湿される。

加湿された供給ガスｂは、中空糸膜モジュールＡ５の第２ガス出口９ｄから流出して配管３５，４１を経て供給ガスｄとして燃料電池３に供給される。

また、中空糸膜モジュールＡ５の第１ガス出口９ｂから流出する排出ガスｆは、中空糸膜モジュールＢ７の第２ガス入口９ｃから流入し、一方分岐配管３３を流れる供給ガスｃが中空糸膜モジュールＢ７の第１ガス入口９ａから流入することで、中空糸膜の毛管作用によって排出ガスｆの水分が分離され、分離した水分が中空糸膜の毛管を透過して、供給ガスｃに吸収され供給ガスｃが加湿される。

加湿された供給ガスｃは、中空糸膜モジュールＢ７の第１ガス出口９ｂから流出して配管３７，４１を経て供給ガスｄとして燃料電池３に供給される。

このように、水透過型加湿器では、湿潤気体（排出ガス）を水交換部である中空糸膜の束１１を通過させることにより、中空糸膜の毛管作用によって湿潤気体中の水分が分離され、分離された水分が中空糸膜の毛管を透過して、乾燥気体（供給ガス）に水分が送られ加湿される。

水分の透過として、湿潤気体を中空糸膜の内部に流し、乾燥気体を中空糸膜の外部に流す場合と、その逆の場合とで加湿量が異なる。中空糸膜の材質により異なるが、前者の場合に加湿量が多くなるものと、後者の場合に加湿量が多くなるものとに分かれる。また、乾燥気体の流量によっても、低流量域では殆ど差がみられないが、高流量域では上記の例が顕著となる。

したがって、本実施形態では、中空糸膜モジュールＡ５で使用する中空糸膜を、湿潤気体を中空糸膜の内部に流し、乾燥気体を中空糸膜の外部に流すことで加湿量が多くなる材質とし、逆に、中空糸膜モジュールＢ７で使用する中空糸膜を、湿潤気体を中空糸膜の外部に流し、乾燥気体を中空糸膜の内部に流すことで加湿量が多くなる材質としている。これにより、供給ガスおよび排出ガスの供給方法に対し、中空糸膜モジュールＡ５，Ｂ７の中空糸膜個々の材質を適正なものとして、加湿効率を高めることができる。

また、中空糸膜モジュールＡ５で使用する中空糸膜を、乾燥気体が高流量域となる状態で、湿潤気体を中空糸膜の内部に流し、前記高流量の乾燥気体を中空糸膜の外部に流すことで加湿量が多くなる特性のものとする。これにより、中空糸膜モジュールＡ５の中空糸膜の外部に高流量の供給ガスｂを供給している本実施形態においては、加湿効率を高めることができる。

なお、加湿効率を高める際に、高流量域の乾燥気体を中空糸膜の内部に流すか、同外部に流すかは、用いる燃料電池システムによっても異なる場合がある。

以上より、本実施形態では、中空糸膜の材質により、湿潤気体を中空糸膜の内部に流し、乾燥気体を中空糸膜の外部に流す場合と、その逆の場合とで加湿量が異なり、前者の場合に加湿量が多くなるもの、後者の場合に加湿量が多くなるものとに分かれる特性を利用したので、二つ設けた水透過型加湿器における供給ガスに対する加湿効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、排出ガスの流れを、中空糸膜モジュールＡ５から中空糸膜モジュールＢ７へと直列にすることで、排出ガスの中空糸膜内の滞留時間が長くなり、供給ガスに対する加湿効率が高まる。さらに、排出ガスの上流側に位置する中空糸膜モジュールＡ５に、高流量の供給ガスを流すことで、供給ガスと排出ガスとの水分濃度差を大きくすることができ、これにより、供給ガスに対する加湿効率が高まる。

また、排出ガスの上流側に配置した供給ガス量の多い中空糸膜モジュールＡ５の水透過部分の容積を、供給ガス量の少ない中空糸膜モジュールＢ７の水透過部分の容積より大きくしたので、中空糸膜モジュールＡ５での加湿量を多くして効率的に加湿を行うことができ、これに伴い下流側の低流量の供給ガスが流れる中空糸膜モジュールＢ７の水透過部分の容積を、低流量に見合ったものにすることができ、この結果、燃料電池用加湿装置１全体として加湿効率を高めることができ、かつ燃料電池用加湿装置１全体の大型化を回避することができる。

なお、図１に示した供給ガスａ，ｂ，ｃ，ｄおよび排出ガスｅ，ｆ，ｇのそれぞれの流れは、供給ガスおよび排出ガスの中空糸膜モジュールＡ５，Ｂ７への導入方法、中空糸膜の特性を考慮することで、排出ガスからの水分回収を多く行って加湿効率を高くできる燃料電池用加湿装置の一例であり、これに限るものではない。

本発明の一実施形態に係わる燃料電池用加湿装置の構成図である。 図１の燃料電池用加湿装置に使用する中空糸膜モジュールの内部構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池用加湿装置
３ 燃料電池
５ 中空糸膜モジュールＡ
７ 中空糸膜モジュールＢ

Claims (5)

1. 燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる中空糸膜を有する中空糸膜モジュールを少なくとも二つ備えた燃料電池用加湿装置であって、前記少なくとも一つの中空糸膜モジュールの中空糸膜内部に前記供給ガスの一部を供給するとともに、同中空糸膜外部に前記排出ガスを供給し、前記他の中空糸膜モジュールの中空糸膜外部に、前記供給ガスの残りの一部を供給するとともに、同中空糸膜内部に前記排出ガスを供給することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、前記少なくとも２つ設けた中空糸膜モジュールへの供給ガスの量を互いに異ならせたことを特徴とする燃料電池用加湿装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、前記少なくとも２つ設けた中空糸膜モジュール個々の中空糸膜の材質を異ならせたことを特徴とする燃料電池用加湿装置。
4. 請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、燃料電池から排出される排出ガスを、前記供給ガス量の多い中空糸膜モジュールから、供給ガス量の少ない中空糸膜モジュールに向けて直列に流すよう設定したことを特徴とする燃料電池用加湿装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池用加湿装置において、燃料電池から排出される排出ガスの上流側に配置した中空糸膜モジュールの水透過部分の容積を、同下流側に配置した中空糸膜モジュールの水透過部分の容積より大きくしたことを特徴とする燃料電池用加湿装置。

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