JP2008078018A - Fuel cell system and humidifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給される空気に水分を加える加湿器に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and more particularly to a humidifier that adds moisture to air supplied to a fuel cell.
従来の燃料電池システムには、酸化ガスとしての空気(外気)を燃料電池の空気供給口に供給するための空気供給路に、空気に所要の水分を加える加湿器を備えるものがある。加湿器としては、その内部に、多数の中空糸からなる中空糸束と、中空糸束の周囲を取り囲むボディとを有する加湿モジュールを備えるものが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。加湿モジュールのボディ(特許文献1におけるハウジング)には、中空糸束に空気を供給するための空気供給孔と、中空糸束に供給された空気を排出するための空気排出孔とが形成されている。
ところで、従来の加湿器においては、中空糸束およびボディは双方とも固定されており、両者の相対的な位置関係が変化しない。そのため、中空糸束のうち空気供給孔に対応する部分が常に同じとなり、この空気供給孔に対応する部分には供給空気が直接当たるため、他の部分よりも機械的および化学的ストレスが多く作用する。その結果、この空気供給孔に対応する部分が局部的に劣化してしまう。 By the way, in the conventional humidifier, both the hollow fiber bundle and the body are fixed, and the relative positional relationship between them does not change. Therefore, the part corresponding to the air supply hole in the hollow fiber bundle is always the same, and the supply air directly hits the part corresponding to the air supply hole, so that mechanical and chemical stress acts more than the other parts. To do. As a result, a portion corresponding to the air supply hole is locally deteriorated.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、中空糸束の部分的な劣化を抑制することが可能な燃料電池システムおよび加湿器の提供を目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system and a humidifier that can suppress partial deterioration of a hollow fiber bundle.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスおよび燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿器は、内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有すると共に、前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention comprises a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and humidifies at least one of the oxidizing gas and the fuel gas supplied to the fuel cell. A hollow fiber capable of exchanging moisture between a humidified gas flowing through one of the inner and outer peripheries and a humidified gas flowing through the other humidifier. And a body that covers an outer periphery of the bundle of hollow fibers and has an introduction hole through which the humidified gas or the humidified gas is introduced in the outer periphery, and the introduction of the bundle of hollow fibers. The relative position between the portion corresponding to the hole and the introduction hole is variable.
また、本発明の加湿器は、内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有する加湿器であって、前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる。 Further, the humidifier of the present invention includes a bundle of hollow fibers capable of moisture exchange between a humidified gas flowing through one of the inner and outer circumferences and a humidified gas flowing through the other, and the outer circumference of the bundle of hollow fibers And a body in which an introduction hole for introducing the humidified gas or the humidified gas is formed through the outer periphery of the bundle, and a portion corresponding to the introduction hole in the bundle of hollow fibers and the body The relative position to the introduction hole is variable.
以上の構成によれば、中空糸の束および導入孔の少なくともいずれか一方が、他方との相対位置が可変となるように設けられているので、中空糸の束および導入孔の少なくともいずれか一方が変位すると、中空糸の束のうち、導入孔に対応する部分が移動する。これにより、導入孔から供給される被加湿ガスまたは加湿ガスが中空糸に直接当たる部分が固定されなくなるので、中空糸の束の特定部分のみが集中的に劣化することが抑制される。 According to the above configuration, since at least one of the bundle of hollow fibers and the introduction hole is provided such that the relative position with respect to the other is variable, at least one of the bundle of hollow fibers and the introduction hole is provided. Is displaced, the portion of the bundle of hollow fibers corresponding to the introduction hole moves. As a result, the portion where the humidified gas or humidified gas supplied from the introduction hole directly hits the hollow fiber is not fixed, so that only a specific portion of the bundle of hollow fibers is prevented from being intensively deteriorated.
本発明においては、前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記加湿器によって加湿された被加湿ガスを利用して発電する燃料電池の電力によって駆動されても良く、この構成によれば、中空糸の束の部分的な劣化を抑制するための機構を燃料電池システム内で完結させることができる。 In the present invention, at least one of the bundle of hollow fibers and the introduction hole may be driven by electric power of a fuel cell that generates electric power using a humidified gas humidified by the humidifier. Accordingly, a mechanism for suppressing partial deterioration of the bundle of hollow fibers can be completed in the fuel cell system.
本発明においては、前記中空糸の束と、前記導入孔を形成されたボディとが同軸上に設けられ、前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記軸を中心として、他方に対して相対的に回動しても良く、この構成によれば、中空糸の束およびボディの少なくともいずれか一方が前記軸に沿って相対的に移動する場合に比して、加湿器の大型化を抑制することができる。 In the present invention, the bundle of hollow fibers and the body formed with the introduction hole are provided coaxially, and at least one of the bundle of hollow fibers and the introduction hole is centered on the axis, The humidifier may be rotated relative to the other, and according to this configuration, the humidifier is compared with a case where at least one of the bundle of hollow fibers and the body move relatively along the axis. Increase in size can be suppressed.
本発明の燃料電池システムおよび加湿器によれば、中空糸束の部分的な劣化を抑制することができ、ひいては加湿器全体の耐久性を向上させることができる。 According to the fuel cell system and the humidifier of the present invention, the partial deterioration of the hollow fiber bundle can be suppressed, and as a result, the durability of the entire humidifier can be improved.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。 Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. Hereinafter, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and is applicable to any moving body such as a ship, an aircraft, a train, and a walking robot. For example, the present invention can be applied to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
図1に示される燃料電池システム1において、酸化ガスとしての空気(外気、被加湿ガス)は、空気供給路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられている。コンプレッサA3は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部50によって駆動制御される。加湿器A21の構造については後述する。
In the
燃料電池20から排出される空気オフガス(酸化オフガス、加湿ガス)は、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、圧力調整弁A4、及び加湿器A21が設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。制御部50は、コンプレッサA3を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁A4の開度面積を調整することによって、燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
Air off-gas (oxidation off-gas, humidified gas) discharged from the
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から水素供給路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
Hydrogen gas as the fuel gas is supplied from the
水素供給路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H100、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、及び燃料電池20の水素供給口と水素供給路74間を開閉する遮断弁H21が設けられている。水素調圧弁H9としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
In the
燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス(燃料ガスのオフガス)として水素循環路75に排出され、水素供給路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプH50が設けられている。
The hydrogen gas that has not been consumed in the
遮断弁H21は、燃料電池20のアノード側を閉鎖する。水素ポンプH50は、制御部50によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。遮断弁H21は、制御部50からの信号で駆動される。
The shut-off valve H21 closes the anode side of the
水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によって加湿器A21の下流側の排気路72に接続されている。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池20から排出された空気オフガスとともに外部へ排出(パージ)される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
The
燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられている。冷却路73には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、及び冷却水を加圧して循環させるポンプC1が設けられている。また、ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。
A
燃料電池20は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。
The
制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム1の各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
The
加湿器A21は、図2および図3に示すように、コンプレッサA3から空気供給路71を通じて燃料電池20に供給される空気(被加湿ガス)と、燃料電池20から排気路72を通じて外部に排出される空気オフガス(加湿ガス)との間で水分交換を行って空気に水分を加える。加湿器A21は、図2に示すように、加湿モジュール100と、加湿モジュール100を収容するケーシング120とを備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the humidifier A <b> 21 is discharged outside from the compressor A <b> 3 to the
加湿モジュール100は、多数の中空糸101を束ねた中空糸束102と、中空糸束102の周囲を取り囲む円筒形のボディ103とを備えている。中空糸束102の外周の一部を覆うボディ103は、同ボディ103の中心軸線が中空糸束102の長さ方向の中心軸線と一致するように配置されている。また、中空糸束102とボディ103との間には、両者が干渉し合わないように僅かな隙間が設けられている。
The
中空糸束102は、両端が閉じられた円筒形のケーシング120の内側に、中空糸束102の中心軸線がケーシング120の中心軸線と一致するように配置されている。そして、中空糸束102の一端に近い外側面と、ケーシング120の内側面との間に、周方向に沿って無端の帯状に樹脂130が充填されるとともに、中空糸束102の他端に近い外側面と、ケーシング120の内側面との間に、同じように周方向に沿って無端の帯状に樹脂131が充填され、充填された樹脂130,131が硬化することによってケーシング120に中空糸束102が固定されている。
The
ケーシング120の一方の端壁には、コンプレッサA3から供給される空気を導入するための空気導入口121が形成されており、他方の端壁には、加湿された空気を燃料電池20に向けて導出するための空気導出口122が形成されている空気導入口121および空気導出口122は、ケーシング120の各端壁の中央ではなく、周壁寄りに形成されている。また、空気導入口121は、空気導出口122に対してケーシング120のほぼ半周分ずれた位置に形成されている。
An
また、ケーシング120の周壁には、燃料電池20から排出された空気オフガスを導入するための空気オフガス導入口123と、水分交換に供された空気オフガスを導出するための空気オフガス導出口124とが形成されている。空気オフガス導入口123は、中空糸束102の固着する一方の樹脂130よりも、ケーシング120の長さ方向の中心寄りに形成されており、空気オフガス導出口124は、中空糸束102の固着する他方の樹脂131よりも、ケーシング120の長さ方向の中心寄りに形成されている。また、空気オフガス導入口123は、空気オフガス導出口124に対してケーシング120のほぼ半周分ずれた位置に形成されている。
Also, on the peripheral wall of the
ケーシング120の内部空間は、無端状に充填された2つの樹脂130,131が隔壁となって3つに区画されている。そして、中空糸束102の一端が露出し、かつ空気導入口121が開口する空間が空気導入チャンバ125を構成し、中空糸束102の他端が露出し、かつ空気導出口122が開口する空間が空気導出チャンバ126を構成している。また、中空糸束102の両端を除く部分が露出し、かつ空気オフガス導入口123および空気オフガス導出口124が開口する空間が空気オフガスチャンバ127を構成している。
The internal space of the
ボディ103は、中空糸束102とともにケーシング120の内側の空気オフガスチャンバ127に配置されている。ボディ103は、中空糸束102とケーシング120との間に充填された2つの樹脂130,131には固着されず、硬化した樹脂130と樹脂131との間で両端の周縁を周方向に回動自在に支持されている。つまり、ボディ103は、中空糸束102、ケーシング120、および硬化した樹脂130,131から大きな抵抗を受けず、中空糸束102のまわりを自由に回動することが可能である。
The
ボディ103の周壁には、複数の貫通孔(導入孔)104が、周方向に等間隔に離間して列をなすように形成されている。複数の貫通孔104の列は、ボディ103の長さ方向に離間して2列設けられている。各貫通孔104は円形で、その大きさはすべて同じである。
A plurality of through holes (introduction holes) 104 are formed in the circumferential wall of the
ケーシング120には、ボディ103を回動させる駆動部140が設けられている。駆動部140は、ボディ103の中空糸束102まわりの回転運動を、ラックアンドピニオン等の仕組みを利用して軸の回転に変換する変換機構141と、変換機構141の軸を回転させるモータ142とを備えている。モータ142は、燃料電池20によって発電された電力によって駆動し、制御部50によって制御される。
The
上記のように構成された加湿器A21においては、乾燥した空気(被加湿ガス)が、空気導入口121を通じてケーシング120の空気導入チャンバ125に導入される。空気導入チャンバ125に導入された空気は、コンプレッサA3の加圧作用によって中空糸束102の一端に露出する多数の中空糸101の小孔に押し込まれ、各中空糸101の内側を流れて中空糸束102の他端から流出する。
In the humidifier A <b> 21 configured as described above, dried air (humidified gas) is introduced into the
一方、燃料電池20から排出された水分を多く含む空気オフガス(加湿ガス)が、空気オフガス導入口123を通じてケーシング120の空気オフガスチャンバ127に導入される。空気オフガスチャンバ127に導入された空気オフガスは、ボディ103に形成された複数の貫通孔104のいくつかを通じて中空糸束102(密集する中空糸101どうしの隙間)に流入し、ボディ103に形成された複数の貫通孔104の別のいくつかを通じて中空糸束102から流出する。
On the other hand, an air off gas (humidified gas) containing a large amount of moisture discharged from the
このとき、上述したようにボディ103は中空糸束102との相対位置を変化させるから、空気オフガスが流入する貫通孔104と、中空糸束102のうち当該貫通孔104に対応する部分とは固定されず、同様に空気オフガスが流出する貫通孔104と、中空糸束102のうち当該貫通孔104に対応する部分とは固定されない。また、ボディ103が移動しても、その前後で中空糸束102に流入する空気オフガスの量は変化せず、常に一定である。
At this time, as described above, since the
加湿モジュール100では、湿った空気オフガスに含まれていた水分が、乾燥した空気との蒸気圧差に依存して中空糸101の膜を透過し、透過した水分が乾燥した空気に付与されることによって空気が加湿される。加湿された空気は、空気導出チャンバ126に流入し、空気導出口122を通じて加湿器A21から排出される。水分を除かれた空気オフガスは、空気オフガスチャンバ127から空気オフガス導出口124を通じて加湿器A21から排出される。
In the
上記構成からなる加湿器A21を備える燃料電池システム1では、貫通孔104を形成されたボディ103が駆動され、中空糸束102との相対位置を変化させる。ボディ103が変位すると、中空糸束102のうち、貫通孔104に対応する部分が移動する。これにより、中空糸束102のうち、貫通孔104から供給される空気が直接当たる部分が固定されなくなるので、中空糸束102の特定部分のみが集中的に劣化することがない。
In the
したがって、本実施形態の燃料電池システム1によれば、中空糸束102の部分的な劣化を抑制することができ、ひいては加湿器A21全体の耐久性を向上させることができる。また、ボディ103を駆動するための電力供給源が燃料電池20であるため、中空糸束102の部分的な劣化を抑制するための機構を燃料電池システム1内で完結させることができる。
Therefore, according to the
さらに、中空糸束102とボディ103とが同軸上に設けられていると共にその軸を中心として相対的に回動するように構成されているので、中空糸束102とボディ103とが前記軸に沿って相対的に移動するように構成されている場合に比して、加湿器A21の大型化を抑制することができ、特に車両搭載上有利である。
Further, since the
ところで、本実施形態の燃料電池システム1では、中空糸束102がケーシング120に固定され、ボディ103が中空糸束102に対して回動自在に支持されているが、ボディ103がケーシング120に固定され、中空糸束102がボディ103に対して回動自在に支持されていてもよい。
By the way, in the
また、本実施形態では、ケーシング120にボディ103を回動させる機構を設け、同機構を作用させてボディ103を強制的に回動させているが、例えば燃料電池システム1が車両に搭載される場合には、走行時等に加湿器A21に作用する振動等によって、ボディ103が周囲の各部材から大きな抵抗を受けることなく中空糸束102のまわりを自由に回動するように構成されていてもよい。
In the present embodiment, a mechanism for rotating the
さらに、本実施形態では、多数の中空糸101の小孔(中空糸の内周)に乾燥した空気が流れ込み、密集する中空糸101どうしの隙間(中空糸の外周)に湿った空気オフガスが流れ込むように構成されているが、これとは逆に、密集する中空糸101どうしの隙間に乾燥した空気が流れ込み、多数の中空糸101の小孔に湿った空気オフガスが流れ込むように構成されていてもよい。また、被加湿ガスは、燃料電池20に供給される水素ガス(燃料ガス)でもよい。
Furthermore, in this embodiment, dry air flows into the small holes (inner circumferences of the hollow fibers) of a large number of
さらに、本実施形態では、貫通孔104の列が、ボディ103の周方向に形成されているが、複数の貫通孔104が螺旋を描くように配列されていてもよいし、波線を描くように配列されていてもよい。または、ボディ103の周壁に不規則に配置されていてもよい。
Further, in this embodiment, the row of through
1…燃料電池システム、100…加湿モジュール、101…中空糸、102…中空糸束、103…ボディ、104…貫通孔(導入孔)、120…ケーシング、140…駆動部、A21…加湿器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記加湿器は、内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有すると共に、前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる燃料電池システム。 A fuel cell system comprising: a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas; and a humidifier that humidifies at least one of the oxidizing gas and the fuel gas supplied to the fuel cell,
The humidifier includes a bundle of hollow fibers capable of moisture exchange between a humidified gas flowing through one of the inner and outer circumferences and a humidified gas flowing through the other, and covers the outer circumference of the bundle of hollow fibers. And a body through which an introduction hole for introducing the humidified gas or the humidified gas is formed, and a relative position between the portion corresponding to the introduction hole in the bundle of hollow fibers and the introduction hole is variable. A fuel cell system.
前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記軸を中心として、他方に対して相対的に回動する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The bundle of hollow fibers and the body formed with the introduction hole are provided coaxially,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein at least one of the bundle of hollow fibers and the introduction hole rotate relative to the other about the axis. 4.
前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる加湿器。 A bundle of hollow fibers capable of exchanging moisture between the humidified gas flowing through one of the inner and outer circumferences and the humidified gas flowing through the other, and the outer circumference of the bundle of hollow fibers covering the outer circumference of the humidified gas Or a humidifier having a body through which an introduction hole for introducing the humidifying gas is formed,
A humidifier in which a relative position between a portion corresponding to the introduction hole in the bundle of hollow fibers and the introduction hole is variable.
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