JP2008041537A - Fuel cell system - Google Patents

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進 波多野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system of higher durability and power generation performance of a stack by preventing drifting of low moisture gas in a humidifier even during low electric energy of the fuel cell system, so that the low moisture gas gains sufficient amount of humidification. <P>SOLUTION: The flow-in surface and flow-out surface are formed for low moisture gas at both ends in lengthwise direction of a hollow fiber membrane humidifier 71. A flow path blocking member 81 is provided at the center of either the flow-in surface or flow-out surface. So, the flow path of low moisture gas can be regulated against drifting of a high moisture gas to provide sufficient amount of humidification stably at all times. Thus, power generation performance of a stack and durability are raised. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、加湿器を備えた燃料電池システムに関し、更に詳しくは、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収し、加湿量を得ることができる加湿器を備えた燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system provided with a humidifier, and more particularly, to a fuel cell system provided with a humidifier that allows a low-humidity gas to suitably recover moisture from a high-humidity gas and obtain a humidification amount. It is.

燃料電池システムでは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、発電と発熱を行う。そして、燃料電池により発生した熱は、冷却水を循環させることにより搬送され、燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持し、更に、冷却水の熱を給湯器等で利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。   In a fuel cell system, power generation and heat generation are performed by reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen in the fuel cell. The heat generated by the fuel cell is conveyed by circulating the cooling water, and the temperature of the fuel cell is maintained within a predetermined temperature range suitable for power generation. Further, the heat of the cooling water is used in a water heater or the like. By doing so, the energy efficiency of the fuel cell system can be improved.

また、燃料電池システムでは、必要な電力量に応じて、発電量を変化させるために、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量、冷却水流量等を調整して運転状態を変化させることができる。   Further, in the fuel cell system, in order to change the power generation amount according to the required power amount, the operating state can be changed by adjusting the fuel gas flow rate, the oxidant gas flow rate, the cooling water flow rate, and the like.

さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、高湿潤状態である必要があり、乾燥状態または湿潤不足の状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下し、また耐久性が劣化するため、燃料ガスまたは酸化剤ガスを、加湿手段により低湿潤状態から高湿潤状態に加湿して、燃料電池に供給することを行っている。   Further, in the polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte. However, this solid polymer electrolyte membrane needs to be in a highly wet state, and is in a dry state or a state of insufficient wetness. Then, since proton conductivity deteriorates and power generation performance deteriorates and durability deteriorates, fuel gas or oxidant gas is humidified from a low wet state to a high wet state by a humidifying means and supplied to the fuel cell. Is going to do.

燃料ガスまたは酸化剤ガスを利用した低湿潤ガスの加湿装置としては、例えば特許文献1に開示されたものがある。   As a humidifying device for low-humidity gas using fuel gas or oxidant gas, there is one disclosed in Patent Document 1, for example.

図9は加湿装置21aの内部に設けられた中空糸膜加湿器71を示し、中空糸膜加湿器71は、円筒状のハウジング72と、このハウジング72内に収容される中空糸膜束と、該中空糸膜束の中心部分に含んで構成される。ハウジング72の周壁には、その両端部近傍に位置する複数の開口部がそれぞれ設けられている。符号74で示す開口部は高湿潤ガス流入口であり、符号75で示す開口部は高湿潤ガス流出口である。また、符号76で示すハウジング72の一端部は低湿潤ガス流入口であり、符号77で示すハウジング72の他端部は低湿潤ガス流出口である。   FIG. 9 shows a hollow fiber membrane humidifier 71 provided inside the humidifier 21a. The hollow fiber membrane humidifier 71 includes a cylindrical housing 72, a hollow fiber membrane bundle accommodated in the housing 72, and It is comprised including in the center part of this hollow fiber membrane bundle. The peripheral wall of the housing 72 is provided with a plurality of openings located in the vicinity of both ends thereof. The opening indicated by reference numeral 74 is a high-humidity gas inlet, and the opening indicated by reference numeral 75 is a high-humidity gas outlet. One end of the housing 72 indicated by reference numeral 76 is a low wet gas inflow port, and the other end of the housing 72 indicated by reference numeral 77 is a low wet gas outflow port.

一方、ハウジング72に収納される中空糸膜束は、図10に示す中空通路80aを有する中空糸膜80を、数千本束ねることによって構成されたものであり、ハウジング72の両端面(円周方向の開口部よりも端側)に中空糸膜80の中空通路80aを確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束をハウジング72に接着してある部分をポッティング部78、79と称すが、このポッティング部78、79により中空糸膜束73の内側である中空通路80aを流通する低湿潤状態のガスと中空糸膜80の外側を流通する高湿潤ガスとが混合しないようになっている。   On the other hand, the hollow fiber membrane bundle accommodated in the housing 72 is configured by bundling thousands of hollow fiber membranes 80 having the hollow passages 80a shown in FIG. The hollow passage 80a of the hollow fiber membrane 80 is secured on the end side of the opening in the direction), and is fixed with an adhesive so as not to be scattered. Portions where the hollow fiber membrane bundle is bonded to the housing 72 are referred to as potting portions 78 and 79. The potting portions 78 and 79 allow the wet fiber membrane bundle to pass through a hollow passage 80a inside the hollow fiber membrane bundle 73. The gas and the highly humid gas flowing outside the hollow fiber membrane 80 are not mixed.

そして、加湿器21aは、上述の如く構成された中空糸膜加湿器71を図9に示す如く円筒状のケース210内に組込むことによって構成されている。   And the humidifier 21a is comprised by incorporating the hollow fiber membrane humidifier 71 comprised as mentioned above in the cylindrical case 210 as shown in FIG.

すなわち、中空糸膜加湿器71の外周の両端部及び中間部には、それぞれシールリング(以下、Oリングと称す)211、212、213が設けられ、このOリング211、212、213によってケース210内へ組込んだ際に、ケース210の内部に空気経路301aと排出空気経路361bを区画形成している。   That is, seal rings (hereinafter referred to as O-rings) 211, 212, and 213 are respectively provided at both ends and an intermediate portion of the outer periphery of the hollow fiber membrane humidifier 71, and the case 210 is formed by the O-rings 211, 212, and 213. The air path 301a and the exhaust air path 361b are partitioned in the case 210 when assembled into the case 210.

かかる構成とすることにより、空気供給装置20からの空気は、空気フィルタ32、主幹空気経路30をそれぞれ流れ、空気経路30aからケース210内へ流入する。そして、ケース210内の前段に位置する空気経路301aに開口した低湿潤ガス流入口76から中空糸膜加湿器71を構成する多数の中空糸膜80の中空通路80aを通り、低湿潤ガス流出口77から後段に位置する空気経路301aを経て空気経路30aと流れる。この流れを低湿潤ガスの流れとして白色矢印で示す。   With this configuration, the air from the air supply device 20 flows through the air filter 32 and the main air path 30 and flows into the case 210 from the air path 30a. The low-humidity gas outlet port passes through the hollow passages 80a of the hollow fiber membranes 80 constituting the hollow fiber membrane humidifier 71 from the low-humidity gas inlet port 76 opened to the air passage 301a located in the front stage in the case 210. 77 flows from the air path 30a through the air path 301a located at the rear stage. This flow is indicated by a white arrow as a low wet gas flow.

一方、燃料電池から主幹排出空気経路を通り、空気流入経路36aからケース210内へ流入した高湿度の空気は、Oリング212によって区画された前段の排出空気経路361aから中空糸膜加湿器71の高湿潤ガス流入口74を通り、前記密集する中空糸膜80の外表面で形成された隙間を通って後段の排出空気経路361bへ流入し、ここから空気排出経路36bを経て排出主幹空気経路へ流れる。この流れを高湿潤ガスの流れとして黒色矢印で示す。   On the other hand, the high-humidity air that has passed through the main exhaust air path from the fuel cell and has flowed into the case 210 from the air inflow path 36 a passes through the exhaust air path 361 a in the previous stage partitioned by the O-ring 212 to the hollow fiber membrane humidifier 71. It passes through the high-humidity gas inlet 74, flows through the gap formed on the outer surface of the dense hollow fiber membrane 80, flows into the exhaust air passage 361b in the subsequent stage, and passes through the air exhaust passage 36b from here to the exhaust main air passage. Flowing. This flow is indicated by a black arrow as a flow of highly humid gas.

前記低湿潤ガスと高湿潤ガスの温湿交換は、加湿器21a内における双方の流れによって行われる。すなわち、加湿器21aの中空糸膜加湿器71内において、高温、高湿度の高湿潤ガスは、中空糸膜80の膜組織を介して低温、低湿度の低湿潤ガスと熱交換を行い、同時に前記膜組織を透過して水分が低湿潤ガスへ移動する。   The temperature and humidity exchange between the low wet gas and the high wet gas is performed by both flows in the humidifier 21a. That is, in the hollow fiber membrane humidifier 71 of the humidifier 21a, the high-humidity gas of high temperature and high humidity exchanges heat with the low-humidity gas of low temperature and low humidity via the membrane structure of the hollow fiber membrane 80, and at the same time Through the membrane structure, moisture moves to a low wet gas.

その結果、燃料電池へ供給される空気(低湿潤ガス)は、温度、湿度共に高められた状態となり、燃料電池の電解質膜の劣化を抑制する酸化剤ガスとなる。
特開2002−289229号公報
As a result, the air (low wet gas) supplied to the fuel cell is in a state where both temperature and humidity are increased, and becomes an oxidant gas that suppresses deterioration of the electrolyte membrane of the fuel cell.
JP 2002-289229 A

しかしながら、このような構成と作用を有する加湿器を使用して、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収して燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給しようとすると、中空糸膜束の充填率が一定以上(40%以上)無ければ膜が前記ケースの中で垂れ下がり、膜が折れてしまうため、前記中空糸膜同士の隙間は非常に小さい。よって前記高湿潤ガスは前記中空糸膜束の長手方向に対し垂直方向に流入するが、特に低発電時に高湿潤ガスが低流量で流通する場合は、前記中空糸膜の抵抗が大きいため、前記中空糸膜の外側の隙間を垂直方向に均一に通過できず、前記中空糸膜束の外表面部と高湿潤ガスの上流側部の前記中空糸膜の隙間に集中して流通していた。 However, if a humidifier having such a configuration and action is used to recover the moisture from the high-humidity gas and supply the sufficiently humidified gas to the fuel cell stack, the low-humidity gas is hollow. If the filling rate of the yarn membrane bundle is not more than a certain value (40% or more), the membrane hangs down in the case and the membrane is broken, so the gap between the hollow fiber membranes is very small. Therefore, the high-humidity gas flows in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber membrane bundle, but particularly when the high-humidity gas flows at a low flow rate during low power generation, the resistance of the hollow fiber membrane is large. The gap outside the hollow fiber membrane could not pass uniformly in the vertical direction, and it was concentrated and circulated in the gap between the outer surface portion of the hollow fiber membrane bundle and the upstream side portion of the highly humid gas.

燃料電池の運転状態は、電力負荷等を考慮して設定された所定のプログラムによって発電量を設定している。また燃料電池の発電量は、電極面積、電流密度、段数が一定のとき、酸化剤ガス(たとえば空気)と燃料ガス(水素)の流量によって決まるので、低発電量の設定時は高発電量の設定時に比べて前記酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれの流量は少ないものとなる。   In the operating state of the fuel cell, the power generation amount is set by a predetermined program set in consideration of the power load and the like. The amount of power generated by the fuel cell is determined by the flow rates of oxidant gas (for example, air) and fuel gas (hydrogen) when the electrode area, current density, and number of stages are constant. The flow rates of the oxidant gas and the fuel gas are smaller than those at the time of setting.

中空糸膜において、燃料電池から排出された高湿潤ガスが供給ガスの水分が膜の外側から中空糸膜の内側の低湿潤ガスに回収されるが、この時中空糸膜の内側は外側に比べて温度が低いため、中空糸膜の内側に水が凝縮する。この時中空糸膜の内側に凝縮した水は、空気供給装置により圧送されて排出されるが、特に低発電時の低流量時には中空糸膜の内側に凝縮した水を排出しきれずに内側に凝縮水が滞留し易くなり、いわゆるフラッディング現象が発生し凝縮水が滞留して中空糸膜の内側を低湿潤ガスが流通できなくなる。そして低湿潤ガスは中空糸膜束のフラッディング現象の発生している中空糸膜の内部を避けて偏流し、フラッディングの比較的少ない他の中空糸膜の膜内の高湿潤ガスとあまり接触していない中空糸膜束の縦断面中央部を選択的に流通する。つまり、中空糸膜束を流通した低湿潤ガスは高湿潤ガスと十分に水分を回収できないため、低湿潤ガスが所定の加湿量を得ることができなくなる。これは、水分が不足気味の供給ガスが燃料電池の電解質膜と反応することになり、電解質膜の劣化を促進することとなって好ましくない。   In the hollow fiber membrane, the high wet gas discharged from the fuel cell recovers the moisture of the supply gas from the outside of the membrane to the low wet gas inside the hollow fiber membrane. Since the temperature is low, water condenses inside the hollow fiber membrane. At this time, the water condensed inside the hollow fiber membrane is pumped and discharged by the air supply device, but the water condensed inside the hollow fiber membrane cannot be completely discharged, especially at a low flow rate during low power generation. Water tends to stay, so-called flooding phenomenon occurs, condensed water stays, and low wet gas cannot flow inside the hollow fiber membrane. The low wetting gas drifts away from the inside of the hollow fiber membrane where the flooding phenomenon of the hollow fiber membrane bundle has occurred, and it is not very in contact with the high wet gas in the membrane of other hollow fiber membranes with relatively little flooding. It distributes selectively in the center part of the longitudinal section of the hollow fiber membrane bundle. That is, the low wet gas that has circulated through the hollow fiber membrane bundle cannot sufficiently collect moisture with the high wet gas, so that the low wet gas cannot obtain a predetermined humidification amount. This is not preferable because the supply gas with insufficient moisture reacts with the electrolyte membrane of the fuel cell, and accelerates the deterioration of the electrolyte membrane.

つまり、中空糸膜束は前記高湿潤ガスから外周表面部の膜で水分を回収するが、中央部の膜はほとんど水分を回収することがなく、逆に中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈するため、燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給できないという課題を有していた。   That is, the hollow fiber membrane bundle collects moisture from the high-humidity gas with the membrane on the outer peripheral surface portion, but the membrane in the central portion hardly collects moisture, and conversely, the low-humidity circulating in the membrane in the central portion. In order to dry and dilute the moisture recovered by the gas, there has been a problem that a sufficiently humidified gas cannot be supplied to the fuel cell stack.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の低発電時においても低湿潤ガスの加湿器内での偏流を防止し、中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保できる燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention solves the above-described conventional problems, prevents uneven flow of a low-humidity gas in a humidifier even during low power generation of a fuel cell, and circulates in the membrane at the center of the hollow fiber membrane bundle. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can sufficiently secure the humidification amount of at least one of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell without drying and diluting the moisture recovered by the gas.

上記従来の燃料電池が低発電時に十分な加湿量が確保できなくなることに関する課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置とを備え、前記酸化剤ガス加湿装置は複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとする。   In order to solve the problem related to the conventional fuel cell not being able to ensure a sufficient amount of humidification during low power generation, the fuel cell system of the present invention generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen. A oxidant gas humidifier that humidifies an oxidant gas supplied to the fuel cell, the oxidant gas humidifier includes a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and The hollow fiber membrane bundle has a case for accommodating the low-humidity gas inflow surface and outflow surface at both ends of the hollow fiber membrane bundle, and the low-wetness is formed on either the inflow surface or the outflow surface. A flow path closing member for closing the gas flow path is provided, and the high-humidity gas discharged from the fuel cell is circulated inside the case and outside the hollow fiber membrane, and inside the hollow fiber membrane. Low humidity supplied to the fuel cell By circulating the scan, the fuel cell system characterized by a water content of the high humid gas is shifted to the low wet gas humidifies the low wet gas.

また、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置とを備え、前記燃料ガス加湿装置は複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとする。   The fuel gas humidifier comprises: a fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen; and a fuel gas humidifier that humidifies the fuel gas supplied to the fuel cell. A hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and a case that accommodates the hollow fiber membrane bundle, and an inflow surface and an outflow surface of the low wet gas are formed at both ends of the hollow fiber membrane bundle, A flow path closing member that closes the flow path of the low-humidity gas is provided on one of the inflow surface and the outflow surface, and is discharged from the fuel cell inside the case and outside the hollow fiber membrane. The high-humidity gas is circulated, and the low-humidity gas supplied to the fuel cell is circulated inside the hollow fiber membrane, thereby transferring the moisture in the high-humidity gas to the low-humidity gas. Fuel cell characterized by humidification Stem to.

この構成により、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量が少ない燃料電池の低発電時においても、中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保できる中空糸膜束と高湿潤ガスとの接触面積を保つことができるものである。   With this configuration, even at the time of low power generation of a fuel cell in which the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidant gas is low, the moisture recovered by the low-humidity gas flowing through the membrane at the center of the hollow fiber membrane bundle is dry diluted. In addition, it is possible to maintain the contact area between the bundle of hollow fiber membranes and the high-humidity gas that can sufficiently secure the humidification amount of at least one of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell.

本発明によれば、供給ガスの低湿潤ガスが十分な水分を回収することができ、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量の供給ガスを燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。   According to the present invention, the low-humidity gas of the supply gas can recover a sufficient amount of water, and the supply gas of the appropriate humidification amount can be always supplied to the fuel cell stack for any power generation amount. It is possible to ensure the power generation performance of the fuel cell and to prevent deterioration of durability.

請求項1に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置とを備え、前記酸化剤ガス加湿装置は複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとしたものである。   The invention described in claim 1 is a fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and an oxidant gas humidifier that humidifies the oxidant gas supplied to the fuel cell. The oxidant gas humidifier includes a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and a case for housing the hollow fiber membrane bundle, and the low wet gas is provided at both ends of the hollow fiber membrane bundle. An inflow surface and an outflow surface are provided, and a flow path closing member that closes the flow path of the low-humidity gas is provided on one of the inflow surface and the outflow surface, and the hollow fiber is provided inside the case. A high wet gas discharged from the fuel cell is circulated outside the membrane, and a low wet gas supplied to the fuel cell is circulated inside the hollow fiber membrane, thereby reducing the moisture in the high wet gas. Move to wet gas and humidify low wet gas Is obtained by a fuel cell system characterized and.

かかる構成によれば、高湿潤ガスの偏流により流通しない流路部は、閉塞部材により低湿潤ガスが流通しないため、燃料電池の低発電時においても中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する酸化剤ガスの低湿潤ガスの加湿量を十分に確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。   According to such a configuration, the flow path portion that does not flow due to the uneven flow of the high wet gas does not flow the low wet gas due to the blocking member, and therefore flows in the membrane at the center of the hollow fiber membrane bundle even during low power generation of the fuel cell. Without drying and diluting the moisture collected by the low-humidity gas, it is possible to sufficiently secure the humidification amount of the low-humidity gas of the oxidant gas supplied to the fuel cell, and to prevent deterioration of durability.

請求項2に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置とを備え、前記燃料ガス加湿装置は複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとしたものである。   The invention according to claim 2 includes a fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and a fuel gas humidifier that humidifies the fuel gas supplied to the fuel cell. The fuel gas humidifier has a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and a case for housing the hollow fiber membrane bundle, and the low wet gas inflow surface is provided at both ends of the hollow fiber membrane bundle. And a flow path closing member that closes the flow path of the low-humidity gas is provided on one of the inflow surface and the outflow surface, and is provided inside the case and outside the hollow fiber membrane. The high-humidity gas discharged from the fuel cell is circulated through the hollow fiber membrane, and the low-humidity gas supplied to the fuel cell is circulated inside the hollow fiber membrane. To moisten the low-humidity gas It is obtained by a fuel cell system according to symptoms.

かかる構成によれば、高湿潤ガスの偏流により流通しない流路部は、閉塞部材により低湿潤ガスが流通しないため、燃料電池の低発電時においても中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスの低湿潤ガスの加湿量を十分に確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。   According to such a configuration, the flow path portion that does not flow due to the uneven flow of the high wet gas does not flow the low wet gas due to the blocking member, and therefore flows in the membrane at the center of the hollow fiber membrane bundle even during low power generation of the fuel cell. Without drying and diluting the moisture collected by the low-humidity gas, it is possible to sufficiently secure the humidification amount of the low-humidity gas of the fuel gas supplied to the fuel cell and to prevent deterioration of durability.

請求項3に記載の発明は、前記流路閉塞部材は、中空糸膜束を貫通する芯材により構成された請求項1または2に記載の発明の燃料電池システムとしたものである。   A third aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first or second aspect of the present invention, wherein the flow path closing member is constituted by a core material penetrating the hollow fiber membrane bundle.

かかる構成によれば、供給ガスの低湿潤ガスが水分を回収しない不要な膜を使用しないので、膜のコストを削減することができる。   According to such a configuration, an unnecessary membrane that does not collect moisture is not used by the low-humidity gas of the supply gas, so that the cost of the membrane can be reduced.

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の発明において、前記中空糸膜束の前記流入面と流出面のいずれかの面に設けた流路閉塞部材は、前記高湿潤ガスの上流側よりも下流側をより閉塞して構成したものである。   The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow path blocking member provided on either the inflow surface or the outflow surface of the hollow fiber membrane bundle is The downstream side of the high wet gas is more closed than the upstream side.

かかる構成によれば、高湿潤ガスの偏流により流通しない流路部は、閉塞部材により低湿潤ガスが流通せず、高湿潤ガスの流通部にのみ流通するため、燃料電池の低発電時においても中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。   According to such a configuration, the flow path portion that does not circulate due to the uneven flow of the high-humidity gas does not circulate the low-humidity gas due to the blocking member, and circulates only through the high-humidity gas circulation portion. Without humidifying the water collected by the low-humidity gas flowing through the membrane in the center of the hollow fiber membrane bundle, the amount of humidification of the low-humidity gas at least one of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell is sufficiently It is possible to ensure and prevent deterioration of durability.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the present embodiment.

(実施の形態1)
図1は本発明による実施の形態1における燃料電池システムの構成を示す模式図、図2は同実施の形態1における中空糸膜加湿器を示す構成図、図3は図2の中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図、図4は同中空糸膜加湿器に用いる中空糸膜の構成図、図5は同中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の縦断面図、図6は同中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の他の構成を示した縦断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing a hollow fiber membrane humidifier according to Embodiment 1, and FIG. 3 is a hollow fiber membrane humidifier of FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a hollow fiber membrane used in the hollow fiber membrane humidifier, and FIG. 5 is a longitudinal section of a humidifier equipped with the hollow fiber membrane humidifier. FIG. 6 and FIG. 6 are longitudinal sectional views showing other configurations of the humidifying device provided with the hollow fiber membrane humidifier.

図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置20と、酸化剤ガス加湿装置である空気加湿装置21と、燃料電池19と、燃料供給装置23と、燃料処理装置24と、燃料ガス加湿装置25と、熱交換器26と、冷却水タンク27と、冷却水ポンプ28と、貯湯タンク29を主な要素として構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes an air supply device 20, an air humidifier 21 that is an oxidant gas humidifier, a fuel cell 19, a fuel supply device 23, and a fuel processing device. 24, the fuel gas humidifier 25, the heat exchanger 26, the cooling water tank 27, the cooling water pump 28, and the hot water storage tank 29 are comprised as main elements.

空気供給装置20からの酸化剤ガス(本発明の実施の形態では空気)は、空気フィルタ32で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路30を通って酸化剤ガス加湿装置である空気加湿装置21に供給される。空気加湿装置21に供給された空気は、燃料電池19の発電量に応じて第1の空気経路30を通った空気加湿装置21よって加湿され、空気加湿装置21を通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路31を通って燃料電池19のカソード電極に供給される。   Oxidant gas (air in the embodiment of the present invention) from the air supply device 20 is removed from impurities such as nitrogen oxide and sulfur oxide in the atmosphere by the air filter 32, and passes through the air path 30 to form the oxidant. It is supplied to the air humidifier 21 which is a gas humidifier. The air supplied to the air humidifier 21 is humidified by the air humidifier 21 that has passed through the first air path 30 in accordance with the amount of power generated by the fuel cell 19, and the air that has passed through the air humidifier 21 is oxidant gas. Is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 19 through the air path 31.

燃料電池19に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路36を介して、加湿装置21に供給され、供給された該排出空気に含まれる水分と熱を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池19に供給される空気の加湿および加熱が行われる。そして加湿装置21を経た排出空気は、排出空気経路37を通じて排出される。   Of the air supplied to the fuel cell 19, the air that has not been used for the reaction is supplied to the humidifier 21 via the exhaust air path 36 and uses moisture and heat contained in the supplied exhaust air. Thus, the air supplied to the fuel cell 19 as the oxidant gas is humidified and heated. Then, the exhaust air that has passed through the humidifier 21 is exhausted through the exhaust air path 37.

ここで、酸化剤ガスとして空気を例にして説明しているが、酸素を含むガスであれば酸化剤ガスとして使用可能である。   Here, air has been described as an example of the oxidant gas. However, any gas containing oxygen can be used as the oxidant gas.

一方、燃料処理装置24には、燃料供給装置23から燃料経路33を介して、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等またはアルコール等の原料ガスが供給される。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、都市ガスを原料ガスとして用いた場合について説明する。   On the other hand, the fuel processing device 24 includes, for example, city gas, propane, methane, natural gas, or the like gas containing a compound composed of at least carbon and hydrogen, or alcohol through the fuel path 33 from the fuel supply device 23. A raw material gas such as is supplied. In the fuel cell system of the present embodiment, a case where city gas is used as a raw material gas will be described.

また、燃料処理装置24は、具体的には、いずれも図示しないが、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が設けられた一般的に知られている構成であり、燃料処理装置24では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチな燃料ガスが生成される。該水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス経路34を介して燃料ガス加湿装置25に供給され、加湿される。   In addition, although not specifically shown, the fuel processor 24 generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction, and converts carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction. This is a generally known configuration in which a reforming section for reducing and a purifying section for further reducing carbon monoxide in the reformed gas that has passed through the transforming section by a selective oxidation reaction are provided. By heating the raw material in an atmosphere containing water vapor, a hydrogen-rich fuel gas is generated. The hydrogen-rich fuel gas is supplied to the fuel gas humidifier 25 via the fuel gas path 34 and humidified.

さらに、燃料ガス加湿装置25は、空気加湿装置21と同様の加熱および加湿動作を行う加湿装置であり、その構成も空気加湿装置21と同様の構成となっている。   Furthermore, the fuel gas humidifier 25 is a humidifier that performs the same heating and humidification operations as the air humidifier 21, and has the same configuration as the air humidifier 21.

そして、燃料ガス加湿装置25で加湿された水素リッチなガスは、燃料電池19の燃料ガスとして、燃料ガス経路35を通じて燃料電池19のアノード電極側に供給される。燃料電池19では、カソード電極側に供給された空気と、アノード電極側に供給された燃料ガスとが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。   The hydrogen-rich gas humidified by the fuel gas humidifier 25 is supplied to the anode electrode side of the fuel cell 19 through the fuel gas path 35 as the fuel gas of the fuel cell 19. In the fuel cell 19, electricity is generated by the reaction between the air supplied to the cathode electrode side and the fuel gas supplied to the anode electrode side, and electricity and heat are generated.

また、燃料電池19に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガスは、排燃料ガス経路38aを介して燃料ガス加湿装置25に供給され、燃料ガス加湿装置25内において燃料電池19に供給される前の燃料ガスの加熱および加湿に利用された後、排燃料ガス経路38bを介して燃料処理装置24の燃焼部に供給され、ここで原料を燃料ガスに改質する燃料処理装置24の加熱に利用される。   Of the fuel gas supplied to the fuel cell 19, the fuel gas that has not been used for the reaction is supplied to the fuel gas humidifier 25 via the exhaust fuel gas path 38 a, and the fuel cell in the fuel gas humidifier 25. After being used for heating and humidification of the fuel gas before being supplied to the fuel gas 19, the fuel gas is supplied to the combustion section of the fuel processing device 24 via the exhaust fuel gas passage 38b, where the raw material is reformed into fuel gas. It is used for heating the device 24.

また、燃料電池19で発生した熱を除去するために、冷却水タンク27の冷却水が、冷却水ポンプ28により冷却水経路39を介して燃料電池19に供給される。   Further, in order to remove the heat generated in the fuel cell 19, the cooling water in the cooling water tank 27 is supplied to the fuel cell 19 by the cooling water pump 28 via the cooling water path 39.

そして、燃料電池19内で加熱された冷却水は、冷却水経路41を介して熱交換器26に供給される。熱交換器26では、貯湯タンク29に貯めた水が貯湯水ポンプ42によって貯湯水循環経路43を介して供給されているため、この熱交換器26での熱交換により冷却水は冷却され、逆に貯湯タンク29からの水は加熱され、この繰り返しによって貯湯タンク29内には温水が蓄えられる。   Then, the cooling water heated in the fuel cell 19 is supplied to the heat exchanger 26 via the cooling water passage 41. In the heat exchanger 26, since the water stored in the hot water storage tank 29 is supplied by the hot water storage pump 42 via the hot water circulation path 43, the cooling water is cooled by the heat exchange in the heat exchanger 26, and conversely. Water from the hot water storage tank 29 is heated, and hot water is stored in the hot water storage tank 29 by this repetition.

冷却水タンク27から出た冷却水は、燃料電池19で発電とともに発生する熱により加熱され、熱交換器26で貯湯水と熱交換して再び冷却されるが、燃料電池19での発熱量は、発電量と相関があるため、冷却水ポンプ28の運転を制御して発電量に応じた冷却水流量を供給し、さらに貯湯水ポンプ42で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池19の温度および冷却水タンク27内の水温を所定の温度に維持する。   The cooling water discharged from the cooling water tank 27 is heated by the heat generated along with the power generation in the fuel cell 19 and is cooled again by exchanging heat with the hot water storage in the heat exchanger 26. However, the amount of heat generated in the fuel cell 19 is Since there is a correlation with the power generation amount, the operation of the cooling water pump 28 is controlled to supply a cooling water flow rate according to the power generation amount, and further, the hot water storage water pump 42 adjusts the hot water storage water flow rate. The temperature and the water temperature in the cooling water tank 27 are maintained at a predetermined temperature.

次に、本実施の形態1の特徴である酸化剤ガス加湿装置である空気加湿装置21について説明する。図2は、空気加湿装置21の内部に設けられた中空糸膜加湿器を示し、中空糸膜加湿器71は、円筒状のハウジング72と、このハウジング72内に収容される中空糸膜束73を含んで構成される。ハウジング72の周壁には、その両端部近傍に位置する複数の開口部がそれぞれ設けられている。符号74で示す開口部は高湿潤ガス流入口であり、符号75で示す開口部は高湿潤ガス流出口である。また、符号76で示すハウジング72の一端部は低湿潤ガス流入口であり、符号77で示すハウジング72の他端部は低湿潤ガス流出口である。   Next, an air humidifier 21 that is an oxidant gas humidifier, which is a feature of the first embodiment, will be described. FIG. 2 shows a hollow fiber membrane humidifier provided inside the air humidifier 21, and the hollow fiber membrane humidifier 71 includes a cylindrical housing 72 and a hollow fiber membrane bundle 73 accommodated in the housing 72. It is comprised including. The peripheral wall of the housing 72 is provided with a plurality of openings located in the vicinity of both ends thereof. The opening indicated by reference numeral 74 is a high-humidity gas inlet, and the opening indicated by reference numeral 75 is a high-humidity gas outlet. One end of the housing 72 indicated by reference numeral 76 is a low wet gas inflow port, and the other end of the housing 72 indicated by reference numeral 77 is a low wet gas outflow port.

一方、ハウジング72に収納される中空糸膜束73は、図4に示す中空通路80aを有する中空糸膜80を、数千本束ねることによって構成されたものであり、ハウジング72の両端面(円周方向の開口部よりも端側)に中空糸膜80の中空通路80aを確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束73をハウジング72に接着してある部分をポッティング部78、79と称すが、このポッティング部78、79により中空糸膜束73の内側である中空通路80aを流通する低湿潤状態のガスと中空糸膜80の外側を流通する高湿潤ガスとが混合しないようになっている。   On the other hand, the hollow fiber membrane bundle 73 accommodated in the housing 72 is configured by bundling thousands of hollow fiber membranes 80 having the hollow passages 80a shown in FIG. While securing the hollow passage 80a of the hollow fiber membrane 80 on the end side of the opening in the circumferential direction), it is fixed with an adhesive so as not to be scattered. Portions where the hollow fiber membrane bundle 73 is bonded to the housing 72 are referred to as potting portions 78 and 79, and the potting portions 78 and 79 allow the low wetting state in which the hollow fiber membrane bundle 73 is circulated through the hollow passage 80 a. The high-humidity gas that circulates outside the hollow fiber membrane 80 is prevented from being mixed.

ちなみに、このような中空糸膜加湿器71は、ハウジング72に所定数の中空糸膜80の束を挿通し、両面近傍を接着剤で十分接着固定した後、ハウジング72の両端に沿って中空糸膜80の束を切断除去することによって作成される。   Incidentally, in such a hollow fiber membrane humidifier 71, a bundle of a predetermined number of hollow fiber membranes 80 is inserted into the housing 72, and both sides of the hollow fiber membrane humidifier 71 are sufficiently bonded and fixed with an adhesive. It is created by cutting and removing a bundle of membranes 80.

また、中空糸膜加湿器71としては、内径が0.5〜1.5mm、外形が0.7〜1.7mmの中空糸膜80をハウジング72内に、その内容積の20〜60%の割合で充填したものである。   Further, as the hollow fiber membrane humidifier 71, a hollow fiber membrane 80 having an inner diameter of 0.5 to 1.5 mm and an outer shape of 0.7 to 1.7 mm in the housing 72 is 20 to 60% of its internal volume. Filled in proportion.

したがって、中空糸膜加湿器71内においては、各中空糸膜80の外周に微小の通路空間が確保され、また各中空糸膜80の中空通路80aは、圧縮して潰されることなく所定の通路面積が確保された状態となっている。   Accordingly, in the hollow fiber membrane humidifier 71, a minute passage space is secured on the outer periphery of each hollow fiber membrane 80, and the hollow passage 80a of each hollow fiber membrane 80 is compressed and crushed without being crushed. The area is secured.

また、81は流路閉塞部材であり、中空糸膜束73の長手方向に両端を閉塞した芯材として位置し、中空糸膜加湿器71の縦断面において中心部よりも前記高湿潤ガスの流れの下流側に配設することができる。   Reference numeral 81 denotes a flow path closing member, which is positioned as a core material whose both ends are closed in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane bundle 73, and the flow of the high-humidity gas from the center in the longitudinal section of the hollow fiber membrane humidifier 71. It can arrange | position in the downstream of this.

そして、空気加湿装置21は、上述の如く構成された中空糸膜加湿器71を図5に示す如く円筒状のケース210内に組込むことによって構成されている。   And the air humidifier 21 is comprised by incorporating the hollow fiber membrane humidifier 71 comprised as mentioned above in the cylindrical case 210 as shown in FIG.

すなわち、中空糸膜加湿器71の外周の両端部及び中間部には、それぞれシールリング(以下、Oリングと称す)211、212、213が設けられ、このOリング211、212、213によってケース210内へ組込んだ際に、ケース210の内部に空気経路301aと排出空気経路361aを区画形成している。   That is, seal rings (hereinafter referred to as O-rings) 211, 212, and 213 are respectively provided at both ends and an intermediate portion of the outer periphery of the hollow fiber membrane humidifier 71, and the case 210 is formed by the O-rings 211, 212, and 213. The air path 301a and the exhaust air path 361a are partitioned in the case 210 when assembled into the case 210.

かかる構成とすることにより、空気供給装置20からの空気は、空気フィルタ32、空気経路30をそれぞれ流れ、ケース210内へ流入する。そして、ケース210内に開口した低湿潤ガス流入口76から中空糸膜加湿器71を構成する多数の中空糸膜80の中空通路80aを通り、低湿潤ガス流出口77から後段に位置する空気経路301aを経て空気経路30aと流れる。この流れを低湿潤ガスの流れとして白色矢印で示す。   With this configuration, the air from the air supply device 20 flows through the air filter 32 and the air path 30 and flows into the case 210. Then, the low wet gas inlet 76 opened in the case 210 passes through the hollow passages 80a of the hollow fiber membranes 80 constituting the hollow fiber membrane humidifier 71, and the air path is located downstream from the low wet gas outlet 77. It flows with the air path 30a via 301a. This flow is indicated by a white arrow as a low wet gas flow.

一方、燃料電池19から排出空気経路36を通り、ケース210内へ流入した高湿度の空気は、Oリング212によって区画された前段の排出空気経路361aから中空糸膜加湿器71の高湿潤ガス流入口74を通り、前記密集する中空糸膜80の外表面で形成された隙間を通って後段の排出空気経路361bへ流入し、ここから排出空気経路36bを経て排出空気経路37へ流れる。この流れを高湿潤ガスの流れとして黒色矢印で示す。   On the other hand, the high-humidity air flowing from the fuel cell 19 through the exhaust air path 36 into the case 210 flows from the upstream exhaust air path 361 a partitioned by the O-ring 212 to the high-humidity gas flow of the hollow fiber membrane humidifier 71. It passes through the inlet 74, passes through a gap formed on the outer surface of the dense hollow fiber membrane 80, flows into the exhaust air passage 361b at the subsequent stage, and flows from here to the exhaust air passage 37 through the exhaust air passage 36b. This flow is indicated by a black arrow as a flow of highly humid gas.

前記低湿潤ガスと高湿潤ガスの温湿交換は、空気加湿装置21内における双方の流れによって行われる。すなわち、空気加湿装置21の中空糸膜加湿器71内において、高温、高湿度の高湿潤ガスは、中空糸膜80の膜組織を介して低温、低湿度の低湿潤ガスと熱交換を行い、同時に前記膜組織を透過して水分が低湿潤ガスへ移動する。   The heat / humidity exchange between the low-humidity gas and the high-humidity gas is performed by both flows in the air humidifier 21. That is, in the hollow fiber membrane humidifier 71 of the air humidifier 21, the high-humidity gas of high temperature and high humidity exchanges heat with the low-humidity gas of low temperature and low humidity via the membrane structure of the hollow fiber membrane 80, At the same time, the moisture passes through the membrane structure and moves to a low-humidity gas.

その結果、燃料電池19へ供給される空気(低湿潤ガス)は、温度、湿度共に高められた状態となり、燃料電池19の電解質膜の劣化を抑制する酸化剤ガスとなる。   As a result, the air (low wet gas) supplied to the fuel cell 19 is in a state where both temperature and humidity are increased, and becomes an oxidant gas that suppresses the deterioration of the electrolyte membrane of the fuel cell 19.

以上のように構成された燃料電池システムの動作について、以下、本実施の形態1の特徴である空気加湿装置の動作を説明する。   Regarding the operation of the fuel cell system configured as described above, the operation of the air humidifier, which is a feature of the first embodiment, will be described below.

燃料電池19に供給される供給ガスの低湿潤ガスは、燃料電池19から排出される際に、空気加湿装置21において、燃料電池19内での発電に伴い発生する熱と生成水により、加熱および加湿された排出空気と湿熱交換される。そして、前記湿熱交換により加熱および加湿された空気経路30を流れる被加湿空気は、空気加湿装置21を出て空気経路30から燃料電池19に供給される。   When the low-humidity gas of the supply gas supplied to the fuel cell 19 is discharged from the fuel cell 19, the air humidifier 21 is heated and heated by the heat and generated water generated by the power generation in the fuel cell 19. Moist heat exchange with humidified exhaust air. Then, the humidified air flowing through the air path 30 heated and humidified by the wet heat exchange leaves the air humidifier 21 and is supplied from the air path 30 to the fuel cell 19.

一方、燃料電池19の運転状態は、電力負荷等を考慮して設定された所定のプログラムによって発電量を設定している。燃料電池19の発電量は、電極面積、電流密度、段数が一定のとき、酸化剤ガス(空気)と燃料ガス(水素)の流量によって決まるので、低発電量の設定時は高発電量の設定時に比べて前記酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれの流量は少ないものとなる。   On the other hand, the operating state of the fuel cell 19 sets the power generation amount by a predetermined program set in consideration of the power load and the like. Since the power generation amount of the fuel cell 19 is determined by the flow rates of the oxidant gas (air) and the fuel gas (hydrogen) when the electrode area, current density, and the number of stages are constant, the high power generation amount is set when the low power generation amount is set. Compared to the case, the flow rates of the oxidant gas and the fuel gas are small.

中空糸膜80において、燃料電池19から排出された高湿潤ガスが供給ガスの水分が膜の外側から中空糸膜80の内側の低湿潤ガスに回収されるが、この時中空糸膜80の内側は外側に比べて温度が低いため、中空糸膜80の内側に水が凝縮する。この時中空糸膜80の内側に凝縮した水は、空気供給装置20により圧送されて排出されるが、低発電時の低流量時には中空糸膜80の内側に凝縮した水を排出しきれずに内側に凝縮水が滞留し易くなり、いわゆるフラッディング現象が発生し凝縮水が滞留して中空糸膜80の膜の内側を低湿潤ガスが流通できなくなる。そして低湿潤ガスは中空糸膜束73でのフラッディング現象の発生している中空糸膜の内部を避けて偏流し、フラッディングの比較的少ない他の中空糸膜の膜内の高湿潤ガスとあまり接触していない中空糸膜束73の縦断面中央部を選択的に流通する。   In the hollow fiber membrane 80, the high wet gas discharged from the fuel cell 19 recovers the moisture of the supply gas from the outside of the membrane to the low wet gas inside the hollow fiber membrane 80. Since water has a lower temperature than the outside, water condenses inside the hollow fiber membrane 80. At this time, the water condensed inside the hollow fiber membrane 80 is pumped and discharged by the air supply device 20, but the water condensed inside the hollow fiber membrane 80 cannot be completely discharged when the flow rate is low during low power generation. Condensed water tends to stay in the water, so-called flooding phenomenon occurs, the condensed water stays, and the low wet gas cannot flow inside the hollow fiber membrane 80. The low wet gas drifts away from the inside of the hollow fiber membrane in which the flooding phenomenon occurs in the hollow fiber membrane bundle 73, and is not in contact with the high wet gas in the other hollow fiber membranes with relatively little flooding. The hollow fiber membrane bundle 73 that has not been circulated selectively in the center of the longitudinal section.

つまり、中空糸膜加湿器71を流通した低湿潤ガスは行湿潤ガスと十分に水分を回収できないため、低湿潤ガスが所定の加湿量を得ることができなくなる。これは、水分が不足気味の供給ガスが燃料電池19の電解質膜と反応することになり、電解質膜の劣化を促進することとなって好ましくない。   That is, the low wet gas that has circulated through the hollow fiber membrane humidifier 71 cannot sufficiently recover the moisture with the row wet gas, and thus the low wet gas cannot obtain a predetermined humidification amount. This is not preferable because the supply gas with insufficient moisture reacts with the electrolyte membrane of the fuel cell 19 and promotes deterioration of the electrolyte membrane.

なお、中空糸膜加湿器71は、流路閉塞部材81を低湿潤ガス流入口76と前記低湿潤ガス流出口の中央部または中央部より下方、つまり前記高湿潤ガスの下流方向に配設することにより、高湿潤ガスの流通する中空糸膜束の外周部に低湿潤ガスを強制的に流通することもできる(図7参照)。   In the hollow fiber membrane humidifier 71, the flow path closing member 81 is disposed at the center of the low wet gas inlet 76 and the low wet gas outlet or below the low wet gas outlet, that is, downstream of the high wet gas. Thus, the low wet gas can be forced to flow through the outer peripheral portion of the hollow fiber membrane bundle through which the high wet gas flows (see FIG. 7).

このように空気加湿装置21により、燃料電池19の発電量に関係なく、低湿潤ガスが低流量においても常に適正な加湿量のガス(酸化剤ガス)を燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池19の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を抑制できる。   As described above, the air humidifier 21 can always supply an appropriate amount of humidified gas (oxidant gas) to the fuel cell stack even when the low-humidity gas has a low flow rate, regardless of the amount of power generated by the fuel cell 19. In addition, the power generation performance of the fuel cell 19 can be ensured, and deterioration of durability can be suppressed.

また、本実施の形態の流路閉塞部材は、図6に示すように低湿潤ガス流入口72または低湿潤ガス流出口73の少なくとも一方の面に配設した円盤部材(図6における流路閉塞部材82)でも構わない。   Further, as shown in FIG. 6, the flow path closing member of the present embodiment is a disc member (flow path closed in FIG. 6) disposed on at least one surface of the low wet gas inlet 72 or the low wet gas outlet 73. The member 82) may be used.

また、本実施の形態では被加湿ガスを酸化剤ガスとしたが、燃料ガスとしても同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment, the humidified gas is the oxidant gas, but the same effect can be obtained by using the fuel gas.

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。   As described above, the fuel cell system according to the present invention can also be applied to the use of a fuel cell cogeneration system that performs power generation and heat supply using a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態1における中空糸膜加湿器を示す構成図The block diagram which shows the hollow fiber membrane humidifier in Embodiment 1 図2の同中空糸膜加湿器の中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図The figure which shows the flow of the highly humid gas which distribute | circulates the inside of the hollow fiber membrane humidifier of the same hollow fiber membrane humidifier of FIG. 同実施の形態1における中空糸膜加湿器に用いる中空糸膜の構成図The block diagram of the hollow fiber membrane used for the hollow fiber membrane humidifier in Embodiment 1 同実施の形態1における中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の縦断面図The longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus which comprised the hollow fiber membrane humidifier in Embodiment 1 同実施の形態1における中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の他の構成を示した縦断面図The longitudinal cross-sectional view which showed the other structure of the humidification apparatus which comprised the hollow fiber membrane humidifier in Embodiment 1 図2の同実施の形態1の他の構成を示した中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図The figure which shows the flow of the highly humid gas which distribute | circulates the inside of the hollow fiber membrane humidifier which showed the other structure of Embodiment 1 of FIG. 同実施の形態1における加湿性能を表すグラフGraph showing humidification performance in the first embodiment 従来例を示す中空糸膜加湿器の縦断面図Longitudinal sectional view of a conventional hollow fiber membrane humidifier 従来例を示す中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図The figure which shows the flow of the highly humid gas which distribute | circulates in the hollow fiber membrane humidifier which shows a prior art example

符号の説明Explanation of symbols

19 燃料電池
21 空気加湿装置(酸化剤ガス加湿装置)
25 燃料ガス加湿装置
71 中空糸膜加湿器
80 中空糸膜
81 流路閉塞部材
82 円盤部材(流路閉塞部材)
19 Fuel cell 21 Air humidifier (oxidant gas humidifier)
25 Fuel Gas Humidifier 71 Hollow Fiber Membrane Humidifier 80 Hollow Fiber Membrane 81 Channel Blocking Member 82 Disc Member (Channel Blocking Member)

Claims (4)

水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置とを備え、前記酸化剤ガス加湿装置は複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。   A fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and an oxidant gas humidifier that humidifies the oxidant gas supplied to the fuel cell, the oxidant gas humidifier Has a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled and a case for accommodating the hollow fiber membrane bundle, and an inflow surface and an outflow surface of the low wet gas are formed at both ends of the hollow fiber membrane bundle. A flow path closing member for closing the flow path of the low-humidity gas is provided on one of the inflow surface and the outflow surface, and is discharged from the fuel cell inside the case and outside the hollow fiber membrane. The high-humidity gas is circulated, and the low-humidity gas supplied to the fuel cell is circulated inside the hollow fiber membrane to transfer the moisture in the high-humidity gas to the low-humidity gas. Fuel cell characterized by humidifying Stem. 水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置とを備え、前記燃料ガス加湿装置は複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。   A fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and a fuel gas humidifier that humidifies the fuel gas supplied to the fuel cell, the fuel gas humidifier comprising a plurality of fuel cells A hollow fiber membrane bundle in which hollow fiber membranes are bundled, and a case for housing the hollow fiber membrane bundle, and an inflow surface and an outflow surface for the low-humidity gas are formed at both ends of the hollow fiber membrane bundle, A flow path closing member that closes the flow path of the low-humidity gas is provided on any one of the surface and the outflow surface, and the height discharged from the fuel cell inside the case and outside the hollow fiber membrane A wet gas is circulated, and a low-humidity gas supplied to the fuel cell is circulated inside the hollow fiber membrane, whereby moisture in the high-humidity gas is transferred to the low-humidity gas to humidify the low-humidity gas. Fuel cell system . 前記流路閉塞部材は、中空糸膜束を貫通する芯材により構成された請求項1または2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow path blocking member is configured by a core material that penetrates the hollow fiber membrane bundle. 前記中空糸膜束の前記流入面と流出面のいずれかの面に設けた流路閉塞部材は、前記高湿潤ガスの上流側よりも下流側をより閉塞して構成した請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The flow path closing member provided on any one of the inflow surface and the outflow surface of the hollow fiber membrane bundle is configured such that the downstream side is more closed than the upstream side of the highly humid gas. The fuel cell system according to any one of the above.
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