JP2007059090A - 燃料電池用加湿システム - Google Patents

Abstract

【課題】加湿性能の向上のために水透過膜の細孔径を大きくした場合にも、クロスリークを有効に防止する。
【解決手段】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水透過型加湿器１と、水透過型加湿器１内の水透過膜４の乾燥箇所Ｐ１に直接液水を供給する液水供給手段３０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用加湿システムに関するものである。

従来、例えば燃料電池システムにおいて好適に使用される加湿器として、中空糸膜を用いた加湿器が知られている。中空糸膜を用いた加湿器は、例えば、中空糸膜内部の細孔への毛管凝縮作用を利用して、中空糸膜内部を流れる湿潤気体から水分を分離させて中空糸膜外部に移動させ、中空糸膜外部を流れる乾燥気体を加湿するものである。

燃料電池システムでは、このような加湿器を、燃料電池から排出後の水分を豊富に含んだ排出ガス（湿潤気体）と燃料電池に供給前の乾燥した供給ガス（乾燥気体）との間で水分交換を行って、供給ガスを加湿する加湿手段として利用している。

この種の加湿器としては、例えば特許文献１に開示されるようなものがある。この加湿器は、多数本の中空糸膜を束にして円筒状の支持筒内に収容した中空糸モジュールを備えて構成されている中空糸モジュールの支持筒の両開口端は、中空糸膜の両端開口が露出したままの状態で各中空糸膜の相互隙間がポッティング材（シール部材）により密閉されている。また、中空糸モジュールの支持筒の周壁には、複数の供給ガス流入口および供給ガス流出口が開口している。

支持筒の一方の開口端から中空糸膜の内部に排出ガスを供給して支持筒の他方の開口端から排出すると、中空糸膜の内部に排出ガスが流通する。また、供給ガス供給口から支持筒内に供給ガスを供給して供給ガス排出口から排出すると、中空糸膜の外部に供給ガスが流通する。このように、中空糸膜の内部に排出ガスを流通させ且つ中空糸膜の外部に供給空気を流通させると、中空糸膜の内部と外部における水蒸気分圧の差によって、中空糸膜の内部を水分が中空糸膜の外部に透過して、中空糸膜の外部を流れる供給ガスが加湿される。
特開２００２−７５４２２号公報

ところで、毛管凝縮によって水蒸気を透過させる水透過膜（中空糸膜）では、水透過膜の細孔内の湿潤状態を維持できない場合、細孔を通じてガスがクロスリーク（内部漏れ）してしまう。このようなクロスリークが生じると、燃料電池に供給される供給ガス量が減少するため、燃料電池の出力低下につながる。

本発明は、上記事情を考慮し、クロスリーク量を低減できる燃料電池用加湿システムの提供を目的とする。

本発明の燃料電池用加湿システムは、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へ透過させて供給ガスを加湿する水透過型加湿器と、前記水透過型加湿器内の水透過膜の乾燥箇所に直接液水を供給する液水供給手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、水透過膜の乾燥箇所に直接液水を供給する手段を設けることで、水透過膜を湿潤状態（水透過膜の細孔内が水で満たされた状態）に維持して、ガスのクロスリークを防止できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は第１実施形態の燃料電池用加湿システムを含む燃料電池システムの概略構成図、図２は図１中の加湿システムの概略構成図、図３はその構成をより具体的に表した側断面図、図４は図３中の中空糸モジュールの構成を示す半断面図、図５は図４中の液水供給部の構造例を示す断面図である。

燃料電池システム
まず、図１を参照しつつ本実施形態の燃料電池用加湿システムを含む燃料電池システムの概略的な構成を説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０１と、燃料電池１０１に水素（供給水素Ｈ）を供給する水素供給ラインＬ１と、燃料電池１０１から水素（排出水素Ｈｅ）を排出する水素排出ラインＬ２と、燃料電池１０１に空気（供給空気Ａ）を供給する空気供給ラインＬ３、Ｌ４と、燃料電池１０１から空気（排出空気Ａｅ）を排出する空気排出ラインＬ５、Ｌ６と、を備える。

水素供給ラインＬ１の上流側には、例えば水素タンク１０２が設けられ、一方、空気供給ラインＬ３、Ｌ４の上流側には例えば空気圧縮機１０３が設けられ、これら水素タンク１０２および空気圧縮機１０３から、燃料電池１０１に水素および空気が供給される。

燃料電池１０１は、水素が供給されるアノード極１０１ａと、空気が供給されるカソード極１０１ｂと、を電解質１０１ｃを挟んで重ね合わせた発電セルを備え、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ものである。なお、図示省略するが、燃料電池１０１は、上述の発電セルを多段積層したスタック構造をなしている。

アノード極１０１ａでは、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離する。水素イオンは電解質１０１ｃを通り、電子は例えばモータＭなどの外部負荷を通ってカソード極１０１ｂにそれぞれ移動する。カソード極１０１ｂ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る。この生成された水分は排気空気Ａｅとともに排気ラインＬ５、Ｌ６を通じて燃料電池１０１外に排出される。

燃料電池１０１の電解質１０１ｃ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が用いられる。固体高分子電解質は、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。そのため、この種の燃料電池１０１を備える燃料電池システム１００では供給空気Ａを加湿する加湿システムが必要となる。

加湿システム
次に、本実施形態の加湿システムを図１〜５を参照しつつより具体的に説明する。

本実施形態の加湿システムは、加湿器１と、液水供給手段３０と、を備える。

加湿器１は、空気供給ラインＬ３、Ｌ４（ガス供給ライン）の途中に介在するとともに空気排出ラインＬ５、Ｌ６（ガス排出ライン）の途中に介在し、燃料電池１０１から排出された水分を豊富に含む排出空気Ａｅ（排出ガス）と、燃料電池１０１へ供給される供給空気Ａ（供給ガス）と、の間で水分を交換することで供給空気Ａを加湿するものである。

本実施形態の加湿器１は、水透過型加湿器であって、水透過膜としての中空糸膜を有する中空糸モジュール２、該中空糸モジュール２を納めるハウジング２０と、を備える。

ハウジング２０は、円柱状の中空糸モジュール２を内部に支持した状態で、内部にそれぞれ区画された４つの部屋２１、２２、２３、２４を備える。４つの部屋２１、２２、２３、２４は、排出ガス導入室２１と、排出ガス導出室２２と、供給ガス導入室２３と、供給ガス導出室２４と、である。排出ガス導入室２１の壁部には、加湿器１よりも上流側のガス排出ラインＬ５が接続される排出ガス導入部２１ａが開口し、排出ガス導入室２１内には、後述する中空糸モジュール２の周壁の排出ガス供給口７が設けられる。排出ガス導出室２２の壁部には、加湿器１の下流側のガス排気ラインＬ６が接続される排出ガス導出部２２ａが開口し、排出ガス導出室２２内には、後述する中空糸モジュール２の周壁の排出ガス排出口８が設けられる。供給ガス導入室２３の壁部には、加湿器１の上流側のガス供給ラインＬ３が接続される供給ガス導入部２３ａが開口し、供給ガス導入室２３内には後述する中空糸モジュール２の端部の供給ガス供給口６ａが設けられる。また、供給ガス導出室２４の壁部には、加湿器１の下流側のガス供給ラインＬ４が接続される供給ガス導出部２４ａが開口し、供給ガス導出室２４内には後述する中空糸モジュール２の端部の供給ガス排出口６ｂが設けられる。

中空糸モジュール２は、図４に示すように、水透過性能を有する中空糸膜４を複数本束ねた中空糸膜集合体３を、円筒状の支持筒６に収めたものである。

中空糸膜集合体３は、約５０００本程度の中空糸膜４を１本に束ねたものである。中空糸膜集合体３を構成する各中空糸膜４は、内径が３００〜７００マイクロメートルほどの中空糸膜であり、中空糸膜４の内部または外部を流通する気体中の水分を毛細管現象により外部または内部に移動させる機能を備える。中空糸膜集合体３は、その両端部がポッティング部９ａ、９ｂにより支持筒６の内部に支持されている。このポッティング部９ａ、９ｂにより、各中空糸膜４同士の間の隙間が閉塞されるとともに、中空糸膜集合体３の外周面と支持筒６の内周面との間の隙間が閉塞される。これにより、支持筒６の両開口端部６ａ、６ｂは、中空糸膜４の両端開口が露出した状態で気密に閉塞され、支持筒６内の両ポッティング部９ａ、９ｂの間（つまり支持筒６の長手方向中央部）では、中空糸膜４同士の間に相互隙間が確保されている。

支持筒６は、一方の開口端６ａが、前述の供給ガス導入室２３内に位置することで支持筒６内の中空糸膜４内に供給ガスを供給する供給ガス供給口として構成され、他方の開口端６ｂが、前述の供給ガス導出室２４内に位置することで支持筒６内の中空糸膜４内から供給ガスを排出する供給ガス排出口として構成される。

また、支持筒６は、一端側の周壁に開口し且つ支持筒６内に排気ガスを流入させる複数の排出ガス供給口７と、他端側の周壁に開口し且つ支持筒６内から排気ガスを流出させる複数の排出ガス排出口８と、を有する。

これにより、供給ガスは、支持筒６の一方の開口端６ａとしての供給ガス供給口６ａにおいて、各中空糸膜４の開口端から中空糸膜４内に流れ込み、各中空糸膜４を流通したのち、支持筒６の他方の開口端としての供給ガス排出口６ｂにおいて、各中空糸膜４の開口端から中空糸膜４外に排出される。一方、排気ガスは、支持筒６の周壁の排出ガス供給口７から支持筒６内に流れ込み前記中空糸膜４の外部（言い換えると各中空糸膜４同士の隙間）を流通して、支持筒６の周壁の排出ガス排出口８から支持筒６外に排出される。

つまり、中空糸膜４の内部に被加湿ガスである供給ガスＡが流れ、中空糸膜４の外部に湿潤ガスである排出ガスＡｅが流れ、これにより、中空糸膜４の外部を流れる湿潤ガスによって中空糸膜４の内部を流れる被加湿ガスが加湿されるようになっている。

この種の加湿器においては、ガスの流れ（特に湿潤ガスの流れ）によって、加湿器１内に中空糸膜４の乾燥しやすい箇所がある。本実施形態の加湿器１においては、中空糸膜４の乾燥しやすい箇所は、支持筒６の周方向において排出ガス供給口７と反対側の領域Ｐ１である。なお、本実施形態では排出ガスＡｅの導入部２１ａと排出ガス供給口７とが支持筒の周方向において反対側に配置されているため、乾燥しやすい箇所Ｐ１は、排出ガスＡｅの導入部２１ａの近傍と言い換えることができる。

そして、本実施形態では、加湿器１内における中空糸膜４の乾燥しやすい箇所Ｐ１に直接液水を供給する液水供給手段３０を備える。この液水供給手段３０は、液水を噴射する噴射部（エジェクタ等）３１を備える。噴射部３１には、ポンプ３４およびバルブ３３およびパイプ３２を介して液水が送り込まれるようになっている。この実施形態では、液水は、ガス排出ラインの途中で凝縮する水（ドレイン水）であって、図１に示す如くガス排気ラインＬ５、Ｌ６のうち加湿器１の上流側Ｌ５の箇所５１から吸水している。

噴射部１は図３に示すように、中空糸モジュール２の支持筒６上に設けられ、支持筒６内部の中空糸膜束３の外周側から中空糸膜束３に液水を噴射する。なお、噴射部３１の一例としては、図５に示すように支持筒６の周壁にノズル孔３５を設けたものがある。

このように液水の噴射部３１を設けることにより、乾燥しやすい領域Ｐ１の中空糸膜４の外表面に液水を供給でき、中空糸膜４の細孔の湿潤状態を保つことができる。従って、ガスのクロスリーク（つまり中空糸膜４の内部を流れる供給ガスが細孔を通じて中空糸膜４の外部に流れ出したり、中空糸膜４の外部を流れる排出ガスが細孔を通じて中空糸膜４の内部に流れ込んだりすること）を防止でき、燃料電池１０１の出力低下を防止できる。

以下、第１実施形態の効果をまとめる。

（１）第１実施形態の加湿システムは、燃料電池１０１から排出される排出ガスＡｅ中の水分を、燃料電池１０１に供給する供給ガスＡへ透過させる水透過膜４を有する水透過型加湿器１と、水透過型加湿器１内の前記水透過膜４の乾燥箇所Ｐ１に直接液水を供給する液水供給手段３０と、を備える。そのため、乾燥しやすい領域Ｐ１の中空糸膜４の外表面に液水を供給でき、中空糸膜４を湿潤状態に保つことができる。その結果、ガスのクロスリーク（内部漏れ）を防止して、燃料電池１０１の出力低下を防止できる。

（２）ところで、毛管凝縮によって水蒸気を透過させる水透過膜（中空糸膜）では、細孔径が大きいほど加湿性能・加湿効率が大きくなることが知られている。しかしながら、水透過膜の細孔径が大きいと、細孔内の湿潤状態が維持することがより難しく、細孔を通じたガスのクロスリーク（内部漏れ）量が多くなる傾向にある。

そのため、特に上記のように加湿性能・加湿効率の向上のために細孔径の大きい中空糸膜４を使用した場合には、細孔から水分が抜けやすく細孔を湿潤状態に保つことがより難しいため、（１）の効果がより発揮されることとなる。

（３）また、第１実施形態の加湿システムによれば、液水に、燃料電池１０１からのガス排出ラインＬ５、Ｌ６で凝縮する凝縮水を利用している。そのため、別途純水タンク等を設ける必要がなくなり、小型化が可能となる。

（４）なお、本発明では、液水の吸水箇所は、ガス排出ラインＬ５、Ｌ６のうち加湿器の上流側Ｌ５の途中５１でも加湿器の下流側Ｌ６の途中５３（図１中仮想線で示す）でもよいが、特に本実施形態の如く、ガス排出ラインＬ５、Ｌ６のうち、加湿器１の上流側Ｌ５の途中５１の凝縮水を液水として利用することが好ましい。これは、加湿器１の上流側Ｌ５の凝縮水をガス排出ラインＬ５から抜き取ることで、加湿器１に供給される排出ガス（湿潤ガス）内に凝縮水が混ざりこんで中空糸膜４が不用意に水詰まりすることを軽減でき、加湿器１の信頼度を向上できるからである。

（５）また第１実施形態の加湿システムによれば、液水供給手段３０は、排出ガス供給口７に対して周方向における反対側で且つ中空糸膜集合体３の外周側から、液水を供給している。そのため、特に乾燥しやすい箇所Ｐ１に、直接液水を供給できる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して構成およびその作用効果の説明は省略する。

図６は本発明の第２実施形態の加湿システムの概略構成図、図７はその要部の構成の拡大図である。

第２実施形態では、第１実施形態と液水の供給箇所が異なり、より具体的には第２実施形態では、図６に示すように中空糸膜集合体３の中心部を液水の供給対象箇所としている。この中空糸膜集合体３の中心部には、図７に示すように流路（中空部）４１を内部に有した噴射棒４０（液水供給手段３０）が設けられている。噴射棒４０の内部の流路４１には、ポンプ３４およびバルブ３３およびパイプ３２を通じて液水が送り込まれるようになっており、その噴射棒４０の周壁に設けられたノズル４２を通じて、液水が中空糸膜集合体３の中心部から外径方向に向けて放射状に噴射される。

このように第２実施形態では、排出ガス（湿潤ガス）が行き渡りにくい中空糸膜集合体３の中心部に液水を直接供給できるようにしたので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上述の実施形態のみに限定解釈されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で様々な変更が可能である。

例えば、液水の供給箇所は上述の実施形態に限られず、その他の乾燥しやすいと考えられる箇所に、液水を供給してもよい。なお、中空糸モジュール２の形状や排出ガス供給口および排出ガス排出口などの位置によって、排出ガス（湿潤ガス）の流れは様々に異なり中空糸モジュール２内の排出ガスが行き渡りにくい箇所（つまり乾燥しやすい箇所）は様々に異なるため、ガスの流通経路にあわせて液水の供給箇所を設定すればよい。

また、本発明にあっては、液水としては、燃料電池システム１００内に別の目的のために純水タンクがある場合は、その純水タンクの純水を使用してもよいし、別途、専用の純水タンクを設けて、その純水タンクの純水を使用してもよい。

また、燃料電池システム１００の起動時（再起動時も含む）には、乾燥ガス（被加湿ガス）である供給ガスのみが一時的に流れる場合があるため（つまり湿潤ガスが一時的に流れない場合があるため）、本発明では、このような燃料電池システム１００の起動時に、一時的に液水を直接供給するように制御してもよいし、また、その他の水透過膜が乾燥しやすい条件下で一時的に液水を供給するように制御してもよいし、また、供給する液水量を変動制御してもよいことは勿論である。

本発明の第１実施形態の加湿システムを含む燃料電池システムの概略構成図である。 図１中の加湿システムの概略構成図である。 図２の構成をより具体的に表した側断面図である。 図３中の中空糸モジュールの構成を詳しく示す半断面図である。 図４中の液水供給手段の構造例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池用加湿システムの概略構成図である。 図６の中の要部の構成を示す拡大図である。

符号の説明

１ 加湿器
２ 中空糸モジュール
３ 中空糸膜集合体
４ 中空糸膜（水透過膜）
６ 支持筒
６ａ 供給ガス供給口
６ｂ 供給ガス排出口
７ 排出ガス供給口
８ 排出ガス排出口
３１ 噴射部（液水供給手段）
４０ 噴射棒（液水供給手段）
Ａ 供給ガス
Ａｅ 排出ガス

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へ透過させる水透過膜を有する水透過型加湿器と、
   前記水透過型加湿器内の前記水透過膜の乾燥箇所に直接液水を供給する液水供給手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用加湿システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池用加湿システムであって、
   前記液水供給手段は、
   前記燃料電池からのガス排出ラインの途中で凝縮する水を、前記水透過型加湿器内の水透過膜の乾燥箇所に供給することを特徴とする燃料電池用加湿システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池用加湿システムであって、
   前記燃料電池からのガス排出ラインのうち前記水透過型加湿器の上流側で凝縮する水を、前記水透過型加湿器内の水透過膜の乾燥箇所に供給することを特徴とする燃料電池用加湿システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用加湿システムであって、
   前記水透過型加湿器は、前記水透過膜としての多数の中空糸膜を束にした中空糸膜集合体を、筒状の支持筒に納めた中空糸モジュールを備えてなり、
   前記中空糸モジュールの前記支持筒の長手方向一端側の周壁に、前記支持筒の内で且つ前記中空糸膜の外に排出ガスを供給する排出ガス供給口が開口し、前記中空糸モジュールの前記支持筒の長手方向他端側の周壁に、前記支持筒の内で且つ前記中空糸膜の外から排出ガスを排出する排出ガス排出口が開口し、
   前記支持筒の各開口端が、前記支持筒内の前記中空糸膜内に供給ガスを供給する供給ガス供給口と、前記支持筒内の前記中空糸膜内から供給ガスを排出する供給ガス排出口と、として構成され、
   前記液水供給手段は、前記排出ガス供給口に対して周方向反対側で且つ前記中空糸膜集合体の外周側から、前記中空糸膜の外表面に液水を供給することを特徴とする燃料電池用加湿システム。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用加湿システムであって、
   前記水透過型加湿器は、前記水透過膜としての多数の中空糸膜を束にした中空糸膜集合体を備えて、前記中空糸膜の内部に供給ガスが流通し且つ前記中空糸膜の内部に排出ガスが流通するものであり、
   前記液水供給手段は、前記中空糸膜集合体の中心部から、前記中空糸膜の外表面に液水を供給することを特徴とする燃料電池用加湿システム。
   
   

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