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

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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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