JP2007207456A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温に対する強度および衝撃に対する強度を有する加湿器を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a humidifier having strength against low temperature and strength against impact.
燃料電池として、例えば固体高分子型の燃料電池もあり、この固体高分子型の燃料電池では、燃料電池から排出される湿潤ガスであるオフガスの水分を乾燥エアに水分交換する加湿器が用いられている。 As a fuel cell, for example, there is a solid polymer type fuel cell, and in this solid polymer type fuel cell, a humidifier that exchanges moisture of off-gas, which is a wet gas discharged from the fuel cell, with dry air is used. ing.
従来の加湿器は、図6に示すように、中空糸膜の束からなる中空糸膜モジュール10が、金属製の容器30内に収容され、この容器30には、乾燥空気を導入する乾燥空気導入口22aと、燃料電池から排出される湿潤したオフガスを導入するオフガス導入口20aと、中空糸膜モジュール10により水分が分離・除去された乾燥したオフガスを排出するオフガス排出口20bと、中空糸膜モジュール10により供給された水分によって加湿された加湿空気を排出する加湿空気排出口22bとが形成されている。さらに、中空糸膜モジュール10は、ボンディング材13によって、両端がそれぞれ束ねられ固定されている。また、このボンディング材13によって、容器30の上端及び下端の気体と容器30の中間部の気体とは仕切られ、それぞれが分離されている。
In the conventional humidifier, as shown in FIG. 6, a hollow
さらに、図6に示す加湿器500では、燃料電池から排出された湿潤したオフガスがオフガス導入口20aからボンディング材13によって仕切られた容器30の下端部の空間に供給される。さらに、湿潤したオフガスは、この下端部の空間に端部が露出している中空糸膜モジュール10を構成する中空糸膜内に供給される。湿潤したオフガス中の水分は、中空糸膜モジュール10を構成する中空糸膜の毛管作用によって分離されて、中空糸膜の毛管内を通過して中空糸膜の外側に移動する。水分が分離されたオフガスは乾燥オフガスとしてオフガス排出口20bから排出される。一方、乾燥空気導入口22aから導入された乾燥空気は、2つのボンディング材13によって仕切られた容器30の中間部に供給され、中空糸膜モジュール10を構成する中空糸膜の外側を通過する。中空糸膜の外側には、湿潤オフガスから分離された水分が移動してきており、この水分によって乾燥空気は加湿されて加湿空気排出口22bより排出される。排出された加湿空気は、燃料電池内の固体高分子電解質膜の乾燥を防止し、固体高分子電解質膜における水素イオンの膜中移動を促進させるため、燃料電池内に供給される。
Further, in the
しかしながら、図6に示す加湿器500は、容器30が金属製であって熱伝達性がよいため、中空糸膜モジュール10の内部が外気温度の影響を受けやすい。このため、低温時、特に氷点下雰囲気では、中空糸膜内の水分が凍結し易くなり氷による目詰まりが発生したり、凍結しないまでも中空糸膜内の水分の移動速度が低下して加湿性能が低下したり、乾燥空気への加湿速度の低下に伴い燃料電池に供給される加湿空気量が減少することにより燃料電池の起動時間が長時間化するおそれがあった。
However, the
特許文献1には、寒冷地等でも好適に使用できるように、加湿器内の中空糸膜束に熱量を供給する発熱手段を設け、さらに、加湿器を含む燃料電池システム全体を断熱材で被った構成が記載されている。 In Patent Document 1, a heat generating means for supplying heat to the hollow fiber membrane bundle in the humidifier is provided so that it can be suitably used in cold districts, and the entire fuel cell system including the humidifier is covered with a heat insulating material. The configuration is described.
しかしながら、上記特許文献1の構成では、発熱手段がいるために、更なる電力供給を行わなければならず、コンパクトで経済的な燃料電池を製造することは難しく、また燃料電池システム全体を断熱材で被うことから、燃料電池システム自体も大型化し、近年のコンパクト化の流れにそぐわない。 However, in the configuration of Patent Document 1, since there is a heat generating means, it is necessary to supply further power, and it is difficult to manufacture a compact and economical fuel cell, and the entire fuel cell system is a heat insulating material. Therefore, the size of the fuel cell system itself is increased, which is not compatible with the recent trend toward compactness.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、低温時でも安定して加湿空気を燃料電池に供給することができ、かつ、低温対策のコストを抑えた加湿器を備える燃料電池システムを提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell system including a humidifier that can stably supply humidified air to a fuel cell even at low temperatures and suppresses the cost of measures against low temperatures. To do.
本発明の燃料電池システムは、以下の特徴を有する。 The fuel cell system of the present invention has the following features.
(1)外周に断熱層を備え、前記断熱層の外側に前記加湿器内に設けられた加湿要素より強度の高い部材により外装された加湿器を備えた燃料電池システムである。 (1) The fuel cell system includes a humidifier that is provided with a heat insulating layer on the outer periphery, and is externally provided with a member having a higher strength than a humidifying element provided in the humidifier.
外周に断熱層が形成されているため、加湿器内の加湿要素が外気温の影響を受けにくくなる。さらに、加湿器内の加湿要素内の残留水分凍結し難くなるため、従来のように凍結/溶解の繰り返しによる加湿要素の耐久性劣化を防止することができる。また、加湿要素より強度の高い部材により外装されているため、外部から加湿器に加わる衝撃に対しても耐久性を有する。 Since the heat insulating layer is formed on the outer periphery, the humidifying element in the humidifier is not easily affected by the outside air temperature. Furthermore, since it becomes difficult to freeze the residual water in the humidifying element in the humidifier, it is possible to prevent the deterioration of the durability of the humidifying element due to repeated freezing / dissolving as in the prior art. Moreover, since it is armored by a member having higher strength than the humidifying element, it has durability against an impact applied to the humidifier from the outside.
(2)上記(1)に記載の燃料電池システムにおいて、前記断熱層が、空気断熱層である。 (2) In the fuel cell system according to (1), the heat insulating layer is an air heat insulating layer.
空気は金属に比べ熱伝達性が低いため、断熱層を空気断熱層とすることにより、安価でかつ十分な断熱性能を得ることができる。 Since air has a lower heat transfer property than metal, it is possible to obtain an inexpensive and sufficient heat insulating performance by using an air insulating layer as the heat insulating layer.
(3)上記(1)または(2)に記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿要素の外側が樹脂によって被覆されている。 (3) In the fuel cell system according to the above (1) or (2), the outside of the humidifying element is covered with a resin.
樹脂は金属に比べ熱伝達性が低いため、断熱層を介して外気温が伝達されたとしても、加湿要素の外側の樹脂にて熱伝達が阻害されるため、加湿要素は外気温の影響を受けにくい。したがって、低温時でも加湿器を安定的に動作させることができる。 Resin is less heat transferable than metal, so even if the outside air temperature is transmitted through the heat insulation layer, the heat transfer is hindered by the resin outside the humidifying element. It is hard to receive. Therefore, the humidifier can be stably operated even at a low temperature.
(4)上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿要素は、中空糸膜である。 (4) In the fuel cell system according to any one of (1) to (3), the humidifying element is a hollow fiber membrane.
加湿要素を中空糸膜とすることにより、効率よく、水分交換を行うことができる。 By making the humidifying element a hollow fiber membrane, water exchange can be performed efficiently.
(5)加湿器を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器内部に中空糸膜を備え、
前記中空糸膜の外側に断熱層が設けられている。
(5) In a fuel cell system equipped with a humidifier, a hollow fiber membrane is provided inside the humidifier,
A heat insulating layer is provided outside the hollow fiber membrane.
中空糸膜を用いることにより水交換性能が高い加湿器を提供できるばかりでなく、中空糸膜の外側に断熱層を設けることによって、低温時であっても外気温の影響を受けて、中空糸膜内の水分が凍結するおそれがなく、安定して加湿空気を排出させることができる。 By using a hollow fiber membrane, not only can a humidifier with high water exchange performance be provided, but by providing a heat insulating layer on the outside of the hollow fiber membrane, the hollow fiber can be affected by the outside air temperature even at low temperatures. There is no fear that the moisture in the membrane will freeze, and humidified air can be discharged stably.
本発明によれば、低温時であっても、外気温の影響を極力受けることなく安定して加湿空気を提供することができ、また外部からの衝撃にも強い加湿器を備えた燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, a fuel cell system provided with a humidifier that can stably provide humidified air without being affected by the outside air temperature as much as possible even at low temperatures, and that is also resistant to external impacts. Can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
本発明の好適な実施の形態の燃料電池システムの一例は、次の通りである。
[First Embodiment]
An example of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention is as follows.
図5に示すように、燃料電池システム110内の燃料電池50は、固体高分子電解質膜44を挟んで水素極側と酸素極側とに分けられ、それぞれの間に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、水素極46と酸素極42とが形成されている。さらに、水素極側ガス流路48には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが流通し、一方酸素極側ガス流路40には酸化ガスとして加湿器100にて加湿された加湿空気が流通する。固体高分子電解質膜44は、プロトン導伝性電解質として機能し、触媒下、水素極46で水素がイオン化して生成したプロトンが固体高分子電解質膜44中を移動し、酸素極42に到達する。そして、酸素極42に到達したプロトンが、触媒下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気とともに湿潤気体である湿潤オフガスとして燃料電池50の酸素極側から排出される。水素極46では水素がイオン化する際に電子e-はモータ等の外部負荷Mを経由して酸素極42に到達する。なお、加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池50に供給するのは、固体高分子電解質膜44が乾燥することによるプロトン導伝性の低下による発電効率の減少を防止するためである。ここで、燃料電池50は、単セルの構造にて説明したが、単セルに限るものではなく、単セルを複数枚積層したスタック構造であってもよい。
As shown in FIG. 5, the
次に、上記加湿器100の構造について、図1を用いて説明する。なお、従来技術において説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
Next, the structure of the
本実施の形態の加湿器100では、加湿要素である中空糸膜の束からなる中空糸膜モジュール10は、その両端がボンディング材13によって固定されるとともに樹脂層12によって全体が被覆されている。また、このボンディング材13によって、容器30の上端及び下端の気体と容器30の中間部の気体とは仕切られ、それぞれが分離されている。さらに、樹脂層12の外周には、樹脂層12に対して一定の空間を開けて金属製外壁層16が外装されている。上記構成により、樹脂層12と金属製外壁層16との間には空気断熱層14が形成される。また、乾燥空気導入口22a、オフガス導入口20a、オフガス排出口20bおよび加湿空気排出口22bは、上記樹脂層12、空気断熱層14ならびに金属製外壁層16とを貫通し、外部と中空糸膜モジュール10との気体流通が可能なように配設されている。
In the
空気は金属に比べ熱伝達性が低いため、上述の空気断熱層14を設けることにより、特に低温時における外気温の影響を極力防ぐことができる。これにより、低温時、特に氷点下雰囲気では、中空糸膜内の水分が凍結するおそれがなく、氷による目詰まりが発生するおそれもない。また、低温であっても、中空糸膜モジュール10内の水分の移動速度が低下する可能性が少ないため、乾燥空気への加湿速度を一定に保つことができ、燃料電池に加湿空気を所定量安定的に供給することができるので、燃料電池の起動時間が長時間化するおそれもない。
Since air has a lower heat transferability than metal, by providing the air
ここで、加湿器における水交換について説明する。図1に示す加湿器100では、燃料電池から排出された湿潤したオフガスがオフガス導入口20aからボンディング材13によって仕切られた容器30の下端部の空間に供給される。さらに、湿潤したオフガスは、この下端部の空間に端部が露出している中空糸膜モジュール10を構成する中空糸膜内に供給される。湿潤したオフガス中の水分は、中空糸膜モジュール10を構成する中空糸膜の毛管作用によって分離されて、中空糸膜の毛管内を通過して中空糸膜の外側に移動する。水分が分離されたオフガスは乾燥オフガスとしてオフガス排出口20bから排出される。一方、乾燥空気導入口22aから導入された乾燥空気は、2つのボンディング材13によって仕切られた容器30の中間部に供給され、中空糸膜モジュール10を構成する中空糸膜の外側を通過する。中空糸膜の外側には、湿潤オフガスから分離された水分が移動してきており、この水分によって乾燥空気は加湿されて加湿空気排出口22bより排出される。排出された加湿空気は、燃料電池内の固体高分子電解質膜の乾燥を防止し、固体高分子電解質膜における水素イオンの膜中移動を促進させるため、燃料電池内に供給される。なお、上述の加湿器100では、湿潤オフガスを中空糸膜内に導入し、乾燥空気を中空糸膜の外側を通過させる構成について説明したが、これに限るものではなく、加湿器において、中空糸膜内に乾燥空気を導入し、中空糸膜の外側に湿潤オフガスを通過させて、中空糸膜の毛管作用を利用し、水交換を行うこととしてもよい。すなわち、図1に示す乾燥空気導入口22aより湿潤オフガスを供給し、一方湿潤オフガス導入口20aより乾燥空気を導入する構成であってもよい。なお、後述する第2,第3,第4の実施の形態においても同様である。
Here, water exchange in the humidifier will be described. In the
上記樹脂層12は、例えばアクリル系樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂などの硬度の高い樹脂が好ましい。また、金属製外壁層16は、衝撃に対する耐久性および加工性を考慮して選定することが望ましく、例えば、ステンレス、アルミニウムおよびその合金などが望ましい。また、金属製外壁層16の素材は、銅より熱伝導性の低いものが好ましい。
The
また、上記空気断熱層14の厚みは、0.5mmから20cm、好ましくは1mmから10cmである。0.5mm未満の場合には、断熱効果が十分に得られず、また20cmを超えると加湿器自体が大型化してしまい、コンパクトな燃料電池システムを形成することができない。
The thickness of the air
[第2の実施の形態]
本発明の好適な実施の形態の他の燃料電池システム110における加湿器の他の例について、図2を用いて、以下に説明する。なお、従来技術および上記第1の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Another example of the humidifier in another
本実施の形態の加湿器200では、図1に示す第1の実施の形態の加湿器100の空気断熱層14を、多孔質体断熱層34に代わった以外は、第1の実施の形態の加湿器100と同じ構成である。
In the
多孔質体は空気を空隙内に有しており、熱伝達性は金属、多孔質体、空気の順で低くなる。したがって、金属製外壁層16の内側に多孔質体断熱層34を形成することによって、断熱性を得ることができる。さらに、多孔質体断熱層34の材質が、発泡ウレタンなどのスポンジ状多孔質樹脂である場合であって、空隙率を50%以上にすることによって、熱伝達性を低くすることができ、さらに衝撃吸収能も向上するため、図1に示す空気断熱層14より薄い厚みでも所望の断熱性を有し、かつ衝撃吸収能を発揮することができる。さらに、金属製外壁層16は、金属製の外装であり、多孔質体断熱層34より強度の高い部材からなる。従って、より衝撃に対して変形しにくく、衝撃吸収能も高い。
The porous body has air in the air gap, and the heat transfer property decreases in the order of metal, porous body, and air. Therefore, heat insulation can be obtained by forming the porous
[第3の実施の形態]
本発明の好適な実施の形態の他の燃料電池システム110における加湿器の他の例について、図3を用いて、以下に説明する。なお、従来技術および上記第1、第2の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Third Embodiment]
Another example of the humidifier in another
本実施の形態の加湿器300では、図1に示す第1の実施の形態の加湿器100における樹脂層12が金属製内層36に代わり、上記加湿器100の金属製外壁層16が樹脂外壁層32に代わった以外は、第1の実施の形態の加湿器100と同じ構成である。
In the
本実施の形態の加湿器300では、最外層が樹脂製の樹脂外壁層32とした。樹脂は金属に比べ熱伝達性が低いことから、加湿器300は、外壁層からの熱伝導性を抑えることができる。さらに、空気断熱層14における空気は、金属および樹脂に比べ熱伝達性が極めて低い。したがって、加湿器300では、樹脂外壁層32と空気断熱層14とにより十分に断熱効果を有することとなり、中空糸膜モジュール10の外周が金属製内層36で被われていても、断熱性は十分に確保することができる。さらに、金属製内層36により中空糸膜モジュール10を被うことにより、外部からの衝撃に対して中空糸膜モジュール10の損傷を十分に防ぐことができる。
In the
上記樹脂外壁層32は、例えばアクリル系樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂などの硬度の高い樹脂が好ましい。また、金属製内層36は、衝撃に対する耐久性および加工性を考慮して選定することが望ましく、例えば、ステンレス、アルミニウムおよびその合金などが望ましい。また、金属製内層36の素材は、銅より熱伝導性の低いものが好ましい。
The resin
[第4の実施の形態]
本発明の好適な実施の形態の他の燃料電池システム110における加湿器の他の例について、図4を用いて、以下に説明する。なお、従来技術および上記第1、第2、第3の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Another example of the humidifier in another
本実施の形態の加湿器400では、図3に示す第3の実施の形態の加湿器300の空気断熱層14を、多孔質体断熱層34に代えた以外は、第3の実施の形態の加湿器300と同じ構成である。
In the
上述したように、多孔質体は空気を空隙内に有しており、熱伝達性は金属、多孔質体、空気の順で低くなる。したがって、樹脂外壁層32の内側に多孔質体断熱層34を形成することによって、第2の実施の形態の加湿器200に比べ、より断熱性を得ることができる。さらに、多孔質体断熱層34の材質が、発泡ウレタンなどのスポンジ状多孔質樹脂である場合であって、空隙率を50%以上にすることによって、熱伝達性を低くすることができ、さらに衝撃吸収能も向上するため、図3に示す空気断熱層14より薄い厚みでも所望の断熱性を有し、かつ衝撃吸収能を発揮することができる。さらに、樹脂外壁層32は、多孔質体断熱層34より強度の高い部材からなる。従って、より衝撃に対して変形しにくく、衝撃吸収能も高い。
As described above, the porous body has air in the air gap, and the heat transfer property decreases in the order of metal, porous body, and air. Therefore, by forming the porous
以上、中空糸膜モジュール10を被う内層および外壁層として、金属製、樹脂製のものを例示して述べたがこれに限るものではなく、内層および外壁層のいずれか又は両方がセラミックであってもよい。空気伝達性は、金属、セラミック、多孔質体、空気の順で低くなる。したがって、断熱性および断熱処理された加湿器の重さを考慮して、セラミック素材を適宜使用することが好ましい。
As described above, the inner layer and the outer wall layer covering the hollow
本発明の燃料電池システムは、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。 The fuel cell system of the present invention is effective for any application as long as it uses a fuel cell, but can be used particularly for a fuel cell for vehicles.
10 中空糸膜モジュール、12 樹脂層、13 ボンディング材、14 空気断熱層、16 金属製外壁層、20a オフガス導入口、20b オフガス排出口、22a 乾燥空気導入口、22b 加湿空気排出口、32 樹脂外壁層、34 多孔質体断熱層、36 金属製内層、40 酸素極側ガス流路、42 酸素極、44 固体高分子電解質膜、46 水素極、48 水素極側ガス流路、50 燃料電池、100,200,300,400 加湿器、110 燃料電池システム。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記断熱層が、空気断熱層である燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the heat insulation layer is an air heat insulation layer.
前記加湿要素の外側が樹脂によって被覆されている燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A fuel cell system in which an outside of the humidifying element is coated with a resin.
前記加湿要素は、中空糸膜である燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell system, wherein the humidifying element is a hollow fiber membrane.
加湿器内部に中空糸膜を備え、
前記中空糸膜の外側に断熱層が設けられた燃料電池システム。
In a fuel cell system equipped with a humidifier,
A hollow fiber membrane is provided inside the humidifier,
A fuel cell system in which a heat insulating layer is provided outside the hollow fiber membrane.
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Cited By (2)
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