JP2007255808A - 加湿装置および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガス加湿装置25は、内部に空間を形成する外殻容器28を備える。また、外殻容器内に配置される膜であって、外殻容器内の空間を、被加湿ガスが流れる第1の空間と高湿度ガスが流れる第2の空間とに分けると共に、高湿度ガス側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させる水蒸気透過膜30と、を備える。水蒸気透過膜30は、第1の空間と第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、厚さが薄く形成されている。
【選択図】図2
Description
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、高湿度ガス側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、厚さが薄く形成されていることを要旨とする。
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、厚さが薄く形成されていることとしても良い。
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、高湿度ガス側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることとしても良い。
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることとしても良い。
前記第2の空間では、前記外殻容器に形成された単一のガス供給口から、前記外殻容器に形成された単一のガス排出口へと、一定方向に前記高湿度ガスが流れることとしても良い。
前記第1の空間における前記被加湿ガスの流れの向きと、前記第2の空間における前記高湿度ガスの流れの向きとは、対向する向きであることとしても良い。
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用流体が流れる第2の空間と、に分けると共に、加湿用流体側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域ほど、厚さが薄く形成されていることを要旨とする。
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、厚さが薄く形成されていることとしても良い。
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用流体が流れる第2の空間と、に分けると共に、加湿用流体側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることを要旨とする。
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることとしても良い。
請求項1ないし12いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用いることとを要旨とする。
請求項1ないし6いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用い、
前記高湿度ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供された後に排出された排出ガスを用いることを要旨とする。
A.第1実施例の装置の全体構成:
B.加湿装置の構成:
C.第2実施例:
D.第1実施例及び第2実施例の変形例:
E.第3実施例:
F.変形例:
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池システム10の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム10は、発電の本体である燃料電池22と、燃料電池22に供給する水素を貯蔵する水素タンク23と、燃料電池22に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ24と、を備えている。ここで、水素タンク23は、水素供給路60によって燃料電池22のアノードと接続されており、水素タンク23に貯蔵される水素が、燃料ガスとして燃料電池22のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ24は、酸化ガス供給路67によって燃料電池22のカソードに接続されており、エアコンプレッサ24によって取り込まれた空気が、酸化ガスとして燃料電池22のカソードに供給される。また、燃料電池22は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層として、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜を備えている。この燃料電池22は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。以下に、燃料電池システム10を構成する各部および燃料電池システム10におけるガスの流れについて、さらに説明する。
図2は、加湿装置25の概略構成を表わす説明図である。加湿装置25は、内部に空間を形成する外殻容器28と、外殻容器28内に配置されて、外殻容器28内の空間を2つの空間に分けると共に、水蒸気を一方の面側から他方の面側へと透過させる水蒸気透過膜30と、を備えている。ここで、水蒸気透過膜30の一方の面側に形成される空間は、湿度がより高い高湿度ガスが流れる高湿度ガス流路32となり、水蒸気透過膜30の他方の面側に形成される空間は、湿度がより低い低湿度ガスであって、加湿すべき被加湿ガスが流れる被加湿ガス流路34となる。
図4は、第2実施例の加湿装置225の概略構成を表わす説明図である。加湿装置225は、例えば、第1実施例と同様の燃料電池システム10において、加湿装置25に代えて用いることができる。以下の説明では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
(D−1)変形例1:
第1および第2実施例では、加湿装置の高湿度ガス流路32に対して、ガス供給口36からのみ高湿度ガスを供給しているため、ガス排出口37に近い下流側ほど、高湿度ガス中の水蒸気濃度は低下する。これに対し、加湿装置において、高湿度ガスの流れ方向に複数のガス供給口を設け、高湿度ガスのガス流れの途中において高湿度ガスを追加供給することも可能である。このような加湿装置の一例である加湿装置425を、変形例1として図7に示す。この加湿装置425は、例えば、第1実施例と同様の燃料電池システム10において加湿装置25に代えて用いることができる。以下の説明では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
既述した第1および第2実施例の加湿装置では、高湿度ガスと被加湿ガスとは、それぞれ流路中を一定の方向に流れることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、流路内における高湿度ガスや被加湿ガスの流れを流路の途中で反転させ、高湿度ガスや被加湿ガスをU字形に流しても良い。このような加湿装置の一例である加湿装置525を、変形例2として 図9に示す。この加湿装置525は、例えば、第1実施例と同様の燃料電池システム10において加湿装置25に代えて用いることができる。以下の説明では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
加湿装置525では、ガス供給口とガス排出口とを互いに近接する位置に設けることで、ガス流路内における高湿度ガスや被加湿ガスの流れの向きをU字形としているが、このような場合には、水蒸気透過膜面上において、高湿度ガス下流側領域ほど水蒸気分圧差が小さいとは一概にいえない可能性がある。すなわち、ガス供給口とガス排出口とを近接する位置に設けることで、ガス流路を形成する空間の奥にまで流れ込まずにガス流路から排出されるガスが生じるため、流れるガス流量が相対的に少ないガス流路奥部では、高湿度ガス流れのより下流側よりも水蒸気分圧が低くなる可能性がある。このように水蒸気分圧が低くなるガス流路奥部では、高湿度ガス下流領域よりも、さらに水蒸気透過効率が低くなってしまう。図9の加湿装置525において、水蒸気透過膜530に代えて、開孔比および細孔径が一様である水蒸気透過膜を備えさせ、この加湿装置に対して所定のガス流量で高湿度ガスおよび被加湿ガスを供給し、単位面積当たりの透過水分量を水蒸気透過膜全体で調べた結果の一例を、図11に模式的に示す。図11では、単位面積当たりの透過水分量が等しい部位を線で結ぶことによって、水蒸気透過膜における透過水分量の分布状態を表わしている。図11は、ガス給排口手前側であって高湿度ガス上流領域ほど透過水分量が多く、ガス給排口奥側であって高湿度ガス下流領域ほど透過水分量が少ない様子を表わす。なお、図11では、水蒸気透過膜面上における高湿度ガス流量の分布状態を、矢印を付した破線の太さによって概念的に表わしている。
図13は、第3実施例の加湿装置725の概略構成を表わす説明図である。加湿装置725は、第1実施例の燃料電池システム10と同様の燃料電池システムにおいて、加湿装置25に代えて備えられている。加湿装置725は、加湿装置25と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1ないし第3実施例では、被加湿ガスとして空気を用い、燃料電池に供給するための酸化ガスの加湿を行なったが、異なる構成としても良い。たとえば、燃料電池に供給するための燃料ガスを被加湿ガスとして用い、この燃料ガスを、高湿度ガスとしてのアノード排ガスや液水を用いて加湿しても良い。あるいは、燃料電池に供給するための反応ガスを加湿するために、反応ガスに対応する排ガス以外の水蒸気含有ガスを高湿度ガスとして用いても良い。また、燃料電池システム以外に本発明の加湿装置を適用し、燃料電池に供給する反応ガス以外のガスの加湿を行なっても良い。被加湿ガスに対して、水蒸気透過膜を介して高湿度ガスや液水から水蒸気を供給する加湿装置であれば、本発明を適用することができる。
第1ないし第3実施例では、水蒸気透過膜は、平坦な面を成す膜としたが、異なる形状の水蒸気透過膜を用いても良い。例えば、水蒸気透過膜を、プリーツ状に折り畳んだ形状と成し、水蒸気が透過し得る表面積をより広く確保しても良い。
22…燃料電池
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25,125,225,425,525,725…加湿装置
27…気液分離器
27a…バルブ
28…外殻容器
30,130,230,330,430,530,630,730…水蒸気透過膜
32,532…高湿度ガス流路
34,534…被加湿ガス流路
36,39,45,46,536,539…ガス供給口
37,38,537,538…ガス排出口
40…第1分岐路
41,42…第2分岐路
45,46…ガス供給口
60…水素供給路
62…圧力調整弁
63…アノード排ガス路
65…水素ポンプ
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
732…加湿用液水流路
736…液水供給口
737…液水排出口
768…液水供給路
769…液水排出路
Claims (14)
- ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、高湿度ガス側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。 - 請求項1記載のガス加湿装置であって、
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。 - ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、高湿度ガス側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。 - 請求項3記載のガス加湿装置であって、
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。 - 請求項2または4記載のガス加湿装置であって、
前記第2の空間では、前記外殻容器に形成された単一のガス供給口から、前記外殻容器に形成された単一のガス排出口へと、一定方向に前記高湿度ガスが流れる
加湿装置。 - 請求項1ないし5いずれか記載のガス加湿装置であって、
前記第1の空間における前記被加湿ガスの流れの向きと、前記第2の空間における前記高湿度ガスの流れの向きとは、対向する向きである
加湿装置。 - ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用流体が流れる第2の空間と、に分けると共に、加湿用流体側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。 - 請求項7記載のガス加湿装置であって、
前記加湿用流体は、液水である
加湿装置。 - 請求項7または8記載のガス加湿装置であって、
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。 - ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用流体が流れる第2の空間と、に分けると共に、加湿用流体側から被加湿ガス側へと水蒸気を透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。 - 請求項10記載のガス加湿装置であって、
前記加湿用流体は、液水である
加湿装置。 - 請求項10または11記載のガス加湿装置であって、
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。 - 燃料電池システムであって、
請求項1ないし12いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用いる
燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
請求項1ないし6いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用い、
前記高湿度ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供された後に排出された排出ガスを用いる
燃料電池システム。
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