JP2012134066A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高温運転時にも、効率よく燃料電池を加湿する。
【解決手段】燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2のカソードに供給空気流路11を介して空気を供給するエアポンプ10と、供給空気流路11上に配置され、膜を有し、該膜を介して一方の側に燃料電池スタック2から排出された空気オフガスが流通する空気オフガス通路が設けられ、他方の側に空気が流通する空気通路が設けられ、前記膜を介して空気オフガス中の水分を空気へ移動させて空気を加湿する第1加湿器21と、供給空気流路11上の第1加湿器21の上流に配置された第2加湿器22とを備え、第2加湿器22は、膜を有し、該膜の片面が液水に接し他面が空気と接することで空気を加湿し、第2加湿器22は、その一部が第1加湿器21の前記空気オフガス通路に熱的に接するとともに前記空気オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有する。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2のカソードに供給空気流路11を介して空気を供給するエアポンプ10と、供給空気流路11上に配置され、膜を有し、該膜を介して一方の側に燃料電池スタック2から排出された空気オフガスが流通する空気オフガス通路が設けられ、他方の側に空気が流通する空気通路が設けられ、前記膜を介して空気オフガス中の水分を空気へ移動させて空気を加湿する第1加湿器21と、供給空気流路11上の第1加湿器21の上流に配置された第2加湿器22とを備え、第2加湿器22は、膜を有し、該膜の片面が液水に接し他面が空気と接することで空気を加湿し、第2加湿器22は、その一部が第1加湿器21の前記空気オフガス通路に熱的に接するとともに前記空気オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有する。
【選択図】図1
Description
この発明は、燃料電池システムに関するものである。
固体高分子電解質膜型の燃料電池では、固体高分子電解質膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなって出力が低下するので、良好な発電状態を維持するためには固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つ必要がある。そのため、燃料電池内部の湿度管理は大変に重要である。
ところで、燃料電池内部の加湿と燃料電池の冷却とを関連させて行う燃料電池システムが考えられている。
ところで、燃料電池内部の加湿と燃料電池の冷却とを関連させて行う燃料電池システムが考えられている。
例えば、特許文献1には、燃料電池スタック内において空気通路および水素通路と冷却水通路とを多孔性分離板を介して隣接して配置した燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、冷却水通路に冷却水を循環させることにより燃料電池スタックを冷却し、また、水素と酸素の反応により生成された生成水が空気通路から多孔性分離板を介して冷却水通路にポンピングされ、さらに、冷却水通路の冷却水が多孔性分離板に浸透して空気通路を流れる空気および水素通路を流れる水素を加湿する。つまり、冷却水によって、燃料電池スタックの冷却と燃料電池スタック内部の加湿を行っている。
また、特許文献2には、燃料電池スタック内に空気通路および水素通路から離隔して冷却水通路を設け、水が噴射された空気を冷却水通路に流し、この空気中の水が冷却水通路内で蒸発するときに気化熱により燃料電池スタックを冷却し、冷却水通路から排出される水蒸気と空気をラジエタで冷却した後、燃料電池スタックの空気通路に供給することで、燃料電池スタック内部を加湿する燃料電池システムが開示されている。
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムの場合には、冷却水を燃料電池スタックの湿度調整に用いているので、冷却水には純水しか使用することができず、不凍液を使用することができないため、凍結に対する水管理が煩雑である。
また、特許文献2の燃料電池システムでは、同じ水で燃料電池スタックの冷却と燃料電池スタック内部の加湿を行うので、やはり純水を使用しなければならず、水管理が煩雑なだけでなく、ラジエタや、水を貯留しておくためのタンクや、水を噴射するためのポンプおよび噴射ノズル等の装置が必要となるので、部品点数が増え、水噴射のためにポンプ等の制御も必要となり、燃料電池システムが複雑となる。
したがって、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの冷却と加湿をそれぞれ別の系とした方が、凍結対策も取り易く、システムの簡素化の点からも好ましい。
また、特許文献2の燃料電池システムでは、同じ水で燃料電池スタックの冷却と燃料電池スタック内部の加湿を行うので、やはり純水を使用しなければならず、水管理が煩雑なだけでなく、ラジエタや、水を貯留しておくためのタンクや、水を噴射するためのポンプおよび噴射ノズル等の装置が必要となるので、部品点数が増え、水噴射のためにポンプ等の制御も必要となり、燃料電池システムが複雑となる。
したがって、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの冷却と加湿をそれぞれ別の系とした方が、凍結対策も取り易く、システムの簡素化の点からも好ましい。
ところで、燃料電池スタックの冷却と切り離して燃料電池スタック内部を加湿する手段として、燃料電池スタックから排出される空気オフガスに含まれる水分を、膜を介して、燃料電池スタックに供給される空気に移動させて該空気を加湿する膜加湿器が知られている。
しかしながら、この膜加湿器を用いた燃料電池システムでは、燃料電池スタックが適正な作動温度で運転しているときには、空気オフガスから必要な水分量を回収して空気を十分に加湿することができるが、燃料電池スタックの温度が高温状態となったときに、必要な水分量を空気オフガスから回収することができなくなり、空気が湿度不足となる場合があった。
図9は、燃料電池スタックの水収支を模式的に表したものである。図9(A)は燃料電池スタックが常温(適正な作動温度)で運転されているときの水収支を示す概念図であり、図9(B)は燃料電池スタックが高温で運転されているときの水収支を示す概念図である。
固体高分子電解質膜型の燃料電池において、燃料電池スタックに供給される空気に含まれる水分により、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー等からなる固体高分子電解質膜の湿潤状態を保持する場合には、燃料電池スタックに供給される空気を加湿する必要がある。
図9は、燃料電池スタックの水収支を模式的に表したものである。図9(A)は燃料電池スタックが常温(適正な作動温度)で運転されているときの水収支を示す概念図であり、図9(B)は燃料電池スタックが高温で運転されているときの水収支を示す概念図である。
固体高分子電解質膜型の燃料電池において、燃料電池スタックに供給される空気に含まれる水分により、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー等からなる固体高分子電解質膜の湿潤状態を保持する場合には、燃料電池スタックに供給される空気を加湿する必要がある。
図9(A)に示すように、燃料電池スタックの温度が常温の場合には、燃料電池スタックに供給される空気を加湿するために必要な水分量(スタック入口における要求水分量)は少なくて済む。一方、燃料電池スタックから排出される空気オフガスに含まれる水分量(スタック出口における水分量)は、スタック入口における水分に、燃料電池スタック内で生成された生成水(水蒸気および凝縮水)が加わる。燃料電池スタックの温度が常温の場合には、燃料電池スタックから排出される空気オフガスに含まれる水分量が、要求水分量と比較して十分に大きいので、膜加湿器において空気オフガスから前記要求水分量を回収することが可能であり、燃料電池スタックに供給される空気を十分に加湿することが可能である。なお、回収されなかった水分は排気水蒸気となって廃棄される。
これに対して、図9(B)に示すように、燃料電池スタックが高温の場合、燃料電池スタックに供給される空気を適切に加湿するためには多くの水分量が必要となる。すなわち、スタック入口における要求水分量が大きい。一方、燃料電池スタックで生成される生成水の量は同じである。ここで、膜加湿器の水回収率が同じである場合、膜加湿器において空気オフガスから要求水分量を回収することが不可能となり、水収支が破綻し、燃料電池スタックに供給される空気を十分に加湿することができなくなる。その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保持できなくなり、燃料電池スタックは適正な出力を維持できなくなる。
そこで、この発明は、膜加湿器を用いながら、効率よく燃料電池を加湿することができる燃料電池システムを提供するものである。
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック2)と、前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路(例えば、後述する実施例における供給空気流路11)と、前記燃料電池のカソードに前記酸化剤流路を介して酸化剤を供給する酸化剤ポンプ(例えば、後述する実施例におけるエアポンプ10)と、前記酸化剤流路上に配置され、膜(例えば、後述する実施例における中空糸膜26,57,75,157)を有し、該膜を介して一方の側に前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス通路(例えば、後述する実施例における空気オフガス室32,62,80,162)が設けられ、他方の側に酸化剤が流通する酸化剤通路(例えば、後述する実施例における26a,57a,75a,157a)が設けられ、前記膜を介して酸化剤オフガス中の水分を酸化剤へ移動させて酸化剤を加湿する第1加湿器(例えば、後述する実施例における第1加湿器21)と、を備えた燃料電池システム(例えば、後述する実施例における燃料電池システム1)において、前記酸化剤流路上の前記第1加湿器の上流または下流に配置され、膜(例えば、後述する実施例における中空糸膜26,57,78,157)を有し、該膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する第2加湿器(例えば、後述する実施例における第2加湿器22)をさらに備え、前記第2加湿器は、その一部が前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接するとともに前記酸化剤オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部(例えば、後述する実施例における受皿部33,68,87,168、水溜まり室31,61,81,161)を有することを特徴とする燃料電池システムである。
請求項1に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック2)と、前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路(例えば、後述する実施例における供給空気流路11)と、前記燃料電池のカソードに前記酸化剤流路を介して酸化剤を供給する酸化剤ポンプ(例えば、後述する実施例におけるエアポンプ10)と、前記酸化剤流路上に配置され、膜(例えば、後述する実施例における中空糸膜26,57,75,157)を有し、該膜を介して一方の側に前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス通路(例えば、後述する実施例における空気オフガス室32,62,80,162)が設けられ、他方の側に酸化剤が流通する酸化剤通路(例えば、後述する実施例における26a,57a,75a,157a)が設けられ、前記膜を介して酸化剤オフガス中の水分を酸化剤へ移動させて酸化剤を加湿する第1加湿器(例えば、後述する実施例における第1加湿器21)と、を備えた燃料電池システム(例えば、後述する実施例における燃料電池システム1)において、前記酸化剤流路上の前記第1加湿器の上流または下流に配置され、膜(例えば、後述する実施例における中空糸膜26,57,78,157)を有し、該膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する第2加湿器(例えば、後述する実施例における第2加湿器22)をさらに備え、前記第2加湿器は、その一部が前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接するとともに前記酸化剤オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部(例えば、後述する実施例における受皿部33,68,87,168、水溜まり室31,61,81,161)を有することを特徴とする燃料電池システムである。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1加湿器の前記膜は中空糸膜(例えば、後述する実施例における中空糸膜26)で構成され、前記第1加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、前記第2加湿器は、液水が内側に流れる複数のパイプ(例えば、後述する実施例における冷却パイプ27)を有し、該複数のパイプが前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路内に延在することにより、前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1加湿器の前記膜は中空糸膜(例えば、後述する実施例における中空糸膜57,75,157)で構成され、前記第1加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、前記第2加湿器は、前記第1加湿器を外側から囲うウォータージャケット(例えば、後述する実施例におけるウォータージャケット56,156、水溜まり室81)を有し、該ウォータージャケットの一部が液水受容部と連通することにより、前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接することを特徴とする。
請求項1に係る発明によれば、ガス−ガス加湿器である第1加湿器の上流または下流に、水−ガス加湿器である第2加湿器を配置し、第2加湿器の一部で第1加湿器を流通する酸化剤オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた酸化剤オフガス中の水分を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器において加湿用の水源として利用することができる。そして、酸化剤を第1加湿器と第2加湿器の両方で加湿することができるので、水の回収効率を高めることができる。
また、水−ガス加湿器である第2加湿器による加湿分は、酸化剤オフガスの水蒸気分圧によらずに加湿することができるため、燃料電池の出力の過渡時における酸化剤オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池を高温状態で運転したときにも、酸化剤を十分に加湿することができ、燃料電池の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。さらに、燃料電池の使用温度を高く設定することができるので、酸化剤を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システムを小型化することができる。
また、水−ガス加湿器である第2加湿器による加湿分は、酸化剤オフガスの水蒸気分圧によらずに加湿することができるため、燃料電池の出力の過渡時における酸化剤オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池を高温状態で運転したときにも、酸化剤を十分に加湿することができ、燃料電池の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。さらに、燃料電池の使用温度を高く設定することができるので、酸化剤を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システムを小型化することができる。
請求項2に係る発明によれば、酸化剤オフガスと熱的に接する部分の表面積を大きくでき、冷却効率が向上するので、酸化剤オフガスから回収される凝縮水の量を多くすることができる。
請求項3に係る発明によれば、酸化剤オフガスと熱的に接する部分の保有水量を多くすることができるので、冷却効率が向上し、酸化剤オフガスから回収される凝縮水の量を多くすることができる。
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図1から図9の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例における燃料電池システムは、発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池車両に搭載される態様である。
<実施例1>
初めに、この発明に係る燃料電池システムの実施例1を図1から図4の図面を参照して説明する。
図1は、実施例1における燃料電池システム1の概略構成を示した図である。
燃料電池スタック(燃料電池)2は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素ガス(燃料)を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気(酸化剤)を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
初めに、この発明に係る燃料電池システムの実施例1を図1から図4の図面を参照して説明する。
図1は、実施例1における燃料電池システム1の概略構成を示した図である。
燃料電池スタック(燃料電池)2は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素ガス(燃料)を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気(酸化剤)を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
図示しない水素タンクから供給される水素ガスは、水素ガス供給流路3、エゼクタ4を通って燃料電池スタック2のアノードに供給される。燃料電池スタック2で消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池スタック2から水素オフガスとして排出され、水素オフガス流路5を通ってエゼクタ4に戻され、水素タンクから供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池スタック2のアノードに供給される。水素オフガス流路5からは、パージ弁6を備えたパージ流路7が分岐し、パージ流路7は希釈器8に接続されている。パージ弁6は通常は閉じていて、燃料電池スタック2の運転状態に応じて開弁され、水素オフガス流路5を流れる水素オフガスを希釈器8へ排出する。
空気はエアポンプ(酸化剤ポンプ)10によって加圧され、供給空気流路(酸化剤流路)11、加湿装置20を通って燃料電池スタック2のカソードに供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック2から空気オフガス(酸化剤オフガス)として排出され、空気オフガス流路13を通って希釈器8に排出される。希釈器8よりも上流の空気オフガス流路13には、燃料電池スタック2のカソード内の空気圧力を調整するための背圧弁14が設けられている。なお、以下の説明では、燃料電池スタック1に供給される空気を供給空気と称す。パージ弁6の開放により希釈器8へ排出された水素オフガスは、希釈器8において空気オフガスによって希釈され、系外に排出される。
なお、燃料電池スタック2は図示しない冷却装置によって冷却可能となっている。つまり、この燃料電池システム1では、燃料電池スタック2の冷却と燃料電池スタック2の加湿とを別々に処理している。
なお、燃料電池スタック2は図示しない冷却装置によって冷却可能となっている。つまり、この燃料電池システム1では、燃料電池スタック2の冷却と燃料電池スタック2の加湿とを別々に処理している。
加湿装置20は、空気オフガス中の水分を供給空気に移動させることによって供給空気を加湿する装置であり、第1加湿器21と第2加湿器22とを備えて構成されている。供給空気は、初めに第2加湿器22で加湿され、次に第1加湿器21で加湿されて燃料電池スタック2のカソードへ供給される。
第1加湿器21は、供給空気流路11上に配置され、水透過膜を有し、該水透過膜を介して一方の側に空気オフガスが流通する空気オフガス通路が設けられ、他方の側に供給空気が流通する供給空気通路が設けられ、前記水透過膜を介して空気オフガス中の水分を供給空気へ移動させて供給空気を加湿するガス−ガス加湿器である。
第2加湿器22は、供給空気流路11上の第1加湿器21よりも上流に配置され、水透過膜を有し、該水透過膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する水−ガス加湿器である。第2加湿器22は、その一部が第1加湿器21の前記空気オフガス通路に熱的に接するとともに前記空気オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有しており、この液水受容部の液水が前記水透過膜の片面に接する液水となる。
加湿装置20の具体的な構造を図2の図面を参照して説明する。
加湿装置20は、長手方向(軸心方向)を水平にして配置された略矩形筒状のハウジング23を備え、ハウジング23の長手方向の一端側には、空気流入口24aを備えた空気入口筒体24が連結され、長手方向の他端側には空気流出口25aを備えた空気出口筒体25が連結されている。なお、ハウジング23と空気入口筒体24と空気出口筒体25はいずれも金属製であるのが熱伝達の観点から望ましい。
加湿装置20は、長手方向(軸心方向)を水平にして配置された略矩形筒状のハウジング23を備え、ハウジング23の長手方向の一端側には、空気流入口24aを備えた空気入口筒体24が連結され、長手方向の他端側には空気流出口25aを備えた空気出口筒体25が連結されている。なお、ハウジング23と空気入口筒体24と空気出口筒体25はいずれも金属製であるのが熱伝達の観点から望ましい。
ハウジング23の内部には、ハウジング23の長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜26と複数の冷却パイプ27がほぼ均等に配置されて収納されており、これら中空糸膜26および冷却パイプ27を支持するために、ハウジング23の長手方向の両端部および中間部に樹脂製のポッティング部28a,28b,28cが設けられている。
中空糸膜26は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーからなり、その内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水蒸気分圧の大きい流体中の水分が中空糸膜を透過して水蒸気分圧の小さい流体へと移動する特性を有している。
中空糸膜26は、その長手方向の両端部がポッティング部28a,28bに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部28cに貫通状態に固定されている。
ハウジング23の長手方向の両端部はポッティング部28a,28bによって塞がれており、ポッティング部28aと空気入口筒体24との間には拡散室29が形成され、ポッティング部28bと空気出口筒体25との間には集合室30が形成されている。
各中空糸膜26の内側の通路26aは拡散室29および集合室30に連通している。
中空糸膜26は、その長手方向の両端部がポッティング部28a,28bに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部28cに貫通状態に固定されている。
ハウジング23の長手方向の両端部はポッティング部28a,28bによって塞がれており、ポッティング部28aと空気入口筒体24との間には拡散室29が形成され、ポッティング部28bと空気出口筒体25との間には集合室30が形成されている。
各中空糸膜26の内側の通路26aは拡散室29および集合室30に連通している。
冷却パイプ27は熱伝導率の高い金属で形成され、拡散室29に近い側の端部が開口し、集合室30に近い側の端部が閉塞しており、開口側の端部がポッティング部28cに貫通状態に固定され、閉塞側の端部がポッティング部28bに貫通状態に固定されている。
ハウジング23の内部空間は、ポッティング部28cによって長手方向に二分されており、拡散室29に近い側が水溜まり室31、集合室30に近い側が空気オフガス室32となっている。冷却パイプ27の内部の通路27aは水溜まり室31に連通している。
ハウジング23の内部空間は、ポッティング部28cによって長手方向に二分されており、拡散室29に近い側が水溜まり室31、集合室30に近い側が空気オフガス室32となっている。冷却パイプ27の内部の通路27aは水溜まり室31に連通している。
また、ハウジング23の底部であってポッティング部28cの下方に位置する部位には、下側に膨出する受皿部33が形成されている。ポッティング部28cにおいて受皿部33に没入する部分には、水溜まり室31と空気オフガス室32とを連通する連通孔34が設けられている。
ハウジング23の底部には空気オフガス室32に連なるオフガス流入口35が設けられ、ハウジング23の上部には、空気オフガス室32に連なるオフガス流出口36と、水溜まり室31に連なる水流出口37が設けられている。
ハウジング23の底部には空気オフガス室32に連なるオフガス流入口35が設けられ、ハウジング23の上部には、空気オフガス室32に連なるオフガス流出口36と、水溜まり室31に連なる水流出口37が設けられている。
次に、加湿装置20の作用を説明する。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口24aから拡散室29に導入され、拡散室29から各中空糸膜26の内側の通路26aを通って集合室30へと流れ、集合室30から空気流出口25aを通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入口35から空気オフガス室32に導入され、空気オフガス室32を流通してオフガス流出口36から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図2に示すように、水溜まり室31の内部と、全ての冷却パイプ27内の通路27aと、受皿部33内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口24aから拡散室29に導入され、拡散室29から各中空糸膜26の内側の通路26aを通って集合室30へと流れ、集合室30から空気流出口25aを通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入口35から空気オフガス室32に導入され、空気オフガス室32を流通してオフガス流出口36から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図2に示すように、水溜まり室31の内部と、全ての冷却パイプ27内の通路27aと、受皿部33内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
加湿器20内において、供給空気は、初めに中空糸膜26において水溜まり室31内に収容された部分を流通する。この部分の中空糸膜26は、その外面が水溜まり室31に収容された液水に接しており、内面が通路26aを流れる供給空気に接している。そのため、水溜まり室31の液水が中空糸膜26を透過し、透過する際に気化して水蒸気となり、中空糸膜26の通路26aを流れる供給空気に移動する。また、供給空気はこのときの気化熱によって熱を奪われ、冷やされる(図3(B)参照)。同時に、水溜まり室31内の液水も気化熱によって熱を奪われ、冷やされる。このように、供給空気は、水溜まり室31内の中空糸膜26の通路26aを流通する際に加湿され、冷却される。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜26において空気オフガス室32内に収容された部分を流通する。この部分の中空糸膜26は、その外面が空気オフガス室32を流れる空気オフガスに接しており、内面が通路26aを流れる供給空気に接している。ここで、燃料電池スタック2から排出される空気オフガスは、燃料電池スタック2における発電に伴い生成される生成水(液滴および水蒸気)を含む極めて湿度の高いガスである。そのため、空気オフガス中の水蒸気が中空糸膜26を透過し、中空糸膜26の通路26aを流れる供給空気に移動する。また、空気オフガスは供給空気よりも温度が高いため、空気オフガス室32内において中空糸膜26を介して空気オフガスと供給空気との間で熱交換が行われ、供給空気は空気オフガスの熱を奪って上昇し(図3(A)参照)、空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。このように、供給空気は、空気オフガス室32内の中空糸膜26の通路26aを流通する際に加湿され、昇温される。
また、空気オフガスは空気オフガス室32を流れる間に、内部に液水を充満させた冷却パイプ27と接触し冷却される。前述したように、空気オフガスは、発電に伴い生成された生成水(液滴および水蒸気)を含む極めて湿度の高いガスであるので、冷却パイプ27の表面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が冷却パイプ27の表面で凝縮して結露し(図3(A)参照)、液滴となって空気オフガス室32の底部に落下する。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室32の底部に溜まる。空気オフガス室32は、受皿部33の連通孔34および水溜まり室31を介して、空気オフガス室32よりも圧力の低い希釈器8に接続されているので、空気オフガス室32の底部に落下した液滴は、この圧力差によって受皿部33へと導かれ、受皿部33に溜まって液水となり、水溜まり室31に供給される。水溜まり室31をオーバーフローした水は水流出口37から希釈器8に排出される。
なお、図3(A)において、実線はこの実施例のように冷却パイプ27を設けた場合の空気オフガスの温度変化を示し、破線は冷却パイプ27を設けない場合の空気オフガスの温度変化を示している。冷却パイプ27を設けない場合には、空気オフガスの温度低下が少なく、したがって凝縮水量も少なくなる。
この実施例1では、中空糸膜26において空気オフガス室32内に収容されている部分は第1加湿器21の膜を構成し、その内側の通路26aは第1加湿器21の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室32は第1加湿器21の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第1加湿器21が構成されている。
また、この実施例1では、中空糸膜26において水溜まり室31内に収容されている部分は第2加湿器22の膜を構成し、冷却パイプ27は第1加湿器21の酸化剤オフガス通路(空気オフガス室32)に延在して熱的に接するパイプを構成し、この冷却パイプ27と受皿部33と水溜まり室31は第2加湿器22の液水受容部を構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
また、この実施例1では、中空糸膜26において水溜まり室31内に収容されている部分は第2加湿器22の膜を構成し、冷却パイプ27は第1加湿器21の酸化剤オフガス通路(空気オフガス室32)に延在して熱的に接するパイプを構成し、この冷却パイプ27と受皿部33と水溜まり室31は第2加湿器22の液水受容部を構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
このように、この加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の上流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22の冷却パイプ27で、第1加湿器21の空気オフガス室32を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
図4は、この燃料電池システム1において燃料電池スタック2を高温状態で運転したときの水収支を示した概念図である。この図において「アシスト」と記載されている部分が、第2加湿器22により回収される(加湿される)水分量を示しており、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック2の入口における要求水分量を、加湿装置20において回収することが可能となる。
前記アシスト分、すなわち第2加湿器22による加湿分は、空気オフガスの水蒸気分圧によらずに加湿することができるため、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
前記アシスト分、すなわち第2加湿器22による加湿分は、空気オフガスの水蒸気分圧によらずに加湿することができるため、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
<実施例2>
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例2を図5の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システム1の概略構成は実施例1と同じであるので、図1を援用して説明を省略する。
実施例2の燃料電池システム1が実施例1の燃料電池システム1と相違する点は、加湿装置20における第2加湿器22の具体的な構成にある。以下、図5の断面図を参照して実施例2の加湿装置20を説明する。
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例2を図5の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システム1の概略構成は実施例1と同じであるので、図1を援用して説明を省略する。
実施例2の燃料電池システム1が実施例1の燃料電池システム1と相違する点は、加湿装置20における第2加湿器22の具体的な構成にある。以下、図5の断面図を参照して実施例2の加湿装置20を説明する。
加湿器20は、長手方向(軸心方向)を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング51と、長手方向(軸心方向)を水平にして内側ハウジング51を外側から囲うように配置された略矩形筒状の外側ハウジング52とを備えている。内側ハウジング51は長手方向の一端部を外側ハウジング52から突出させて外側ハウジング52内に収容されている。外側ハウジング52の長手方向の他端側は内側ハウジング51の長手方向の他端側よりも外方へ延出しており、その延出した端部に、空気流入口53aを備えた空気入口筒体53が連結されている。また、内側ハウジング51の一端部には、空気流出口54aを備えた空気出口筒体54が連結されている。
なお、内側ハウジング51と外側ハウジング52と空気入口筒体53と空気出口筒体54はいずれも金属製であるのが熱伝達の観点から望ましい。
なお、内側ハウジング51と外側ハウジング52と空気入口筒体53と空気出口筒体54はいずれも金属製であるのが熱伝達の観点から望ましい。
外側ハウジング52の一端部に設けられた閉塞部55は内側ハウジング51の外周面に接合されている。内側ハウジング51の外周面と外側ハウジング52の内周面との間には全周に亘って空間が形成されており、この空間がウォータージャケット56となっている。なお、内側ハウジング51の長手方向の他端側の外周面と、これに対向する外側ハウジング52の外周面は、周方向に適宜の間隔で設けられたサポート部67によって連結されている。
内側ハウジング51と外側ハウジング52の内部には、その長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜57がほぼ均等に配置されて収納されており、これら中空糸膜57を支持するために、内側ハウジング51の長手方向の両端部および外側ハウジング52において空気入口筒体53に近い側の端部に、樹脂製のポッティング部58a,58b,58cが設けられている。中空糸膜57は実施例1における中空糸膜26と同じであるので、その説明は省略する。
中空糸膜57は、その長手方向の両端部がポッティング部58a,58cに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部58bに貫通状態に固定されている。
中空糸膜57は、その長手方向の両端部がポッティング部58a,58cに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部58bに貫通状態に固定されている。
内側ハウジング51の長手方向の両端部はポッティング部58a,58bによって塞がれており、内側ハウジング51の内部は空気オフガス室62となっている。空気オフガス室62はその全周をウォータージャケット56によって囲まれている。一方、外側ハウジング52において空気入口筒体53に近い側の端部はポッティング部58cによって塞がれている。外側ハウジング52においてポッティング部58bとポッティング部58cとの間に形成された空間は水溜まり室61となっていて、この水溜まり室61に前述したウォータージャケット56が連通している。
ポッティング部58cと空気入口筒体53との間には拡散室59が形成され、ポッティング部58aと空気出口筒体54との間には集合室60が形成されている。
空糸膜57の内側の通路57aは拡散室59および集合室60に連通している。
ポッティング部58cと空気入口筒体53との間には拡散室59が形成され、ポッティング部58aと空気出口筒体54との間には集合室60が形成されている。
空糸膜57の内側の通路57aは拡散室59および集合室60に連通している。
また、内側ハウジング51の底部には、下側に膨出する受皿部68が形成されており、受皿部68の底部には、ウォータージャケット56と空気オフガス室62とを連通する連通孔63が設けられている。
内側ハウジング51の底部には空気オフガス室62に連なるオフガス流入ノズル64が固定され、オフガス流入ノズル64は、ウォータージャケット56および外側ハウジング52の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング51の上部には空気オフガス室62に連なるオフガス流出ノズル65が固定され、オフガス流出ノズル65はウォータージャケット56および外側ハウジング52の上部を貫通し、突出している。さらに、内側ハウジング51の上部には水溜まり室61に連なる水流出口66が設けられている。
内側ハウジング51の底部には空気オフガス室62に連なるオフガス流入ノズル64が固定され、オフガス流入ノズル64は、ウォータージャケット56および外側ハウジング52の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング51の上部には空気オフガス室62に連なるオフガス流出ノズル65が固定され、オフガス流出ノズル65はウォータージャケット56および外側ハウジング52の上部を貫通し、突出している。さらに、内側ハウジング51の上部には水溜まり室61に連なる水流出口66が設けられている。
この実施例2の加湿装置20では、ウォータージャケット56が実施例1における冷却パイプ27の機能を担い、ウォータージャケット56の内壁となる内側ハウジング51を介して空気オフガス室62内の空気オフガスを水冷し、空気オフガス中の水蒸気を凝縮し、第2加湿器22において加湿に供される液水を得る。
以下、実施例2の加湿装置20の作用を説明する。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口53aから拡散室59に導入され、拡散室59から各中空糸膜57の内側の通路57aを通って集合室60へと流れ、集合室60から空気流出口54aを通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入ノズル64から空気オフガス室62に導入され、空気オフガス室62を流通してオフガス流出ノズル65から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図5に示すように、水溜まり室61の内部と、ウォータージャケット56の内部と、受皿部68内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口53aから拡散室59に導入され、拡散室59から各中空糸膜57の内側の通路57aを通って集合室60へと流れ、集合室60から空気流出口54aを通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入ノズル64から空気オフガス室62に導入され、空気オフガス室62を流通してオフガス流出ノズル65から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図5に示すように、水溜まり室61の内部と、ウォータージャケット56の内部と、受皿部68内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
加湿器20内において、供給空気は、初めに中空糸膜57において水溜まり室61内に収容された部分を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、水溜まり室61内における中空糸膜57の通路57aを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室61内の液水も冷却される。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜57において空気オフガス室62内に収容された部分を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室62内における中空糸膜57の通路57aを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室62内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
また、空気オフガス室62は内側ハウジング51を介して、液水を充満させたウォータージャケット56に熱的に接しているので、空気オフガスは空気オフガス室62を流れる間に冷却される。そして、内側ハウジング51の内面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が内側ハウジング51の内面で凝縮して結露し、液滴となって空気オフガス室62の底部に溜まる。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室62の底部に溜まる。空気オフガス室62は、受皿部68の連通孔63および水溜まり室61を介して、空気オフガス室62よりも圧力の低い希釈器8に接続されているので、空気オフガス室62の底部に溜まった液滴は、この圧力差によって受皿部68へと導かれ、受皿部68に溜まって液水となり、水溜まり室61に供給される。なお、水溜まり室61をオーバーフローした水は水流出口66から希釈器8に排出される。
この実施例2では、中空糸膜26において空気オフガス室62内に収容されている部分は第1加湿器21の膜を構成し、その内側の通路57aは第1加湿器21の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室62は第1加湿器21の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第1加湿器21が構成されている。
また、この実施例2では、中空糸膜57において水溜まり室61内に収容されている部分は第2加湿器22の膜を構成し、受皿部68と水溜まり室61は第2加湿器22の液水受容部を構成し、ウォータージャケット56が第2加湿器22のウォータージャケットを構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
また、この実施例2では、中空糸膜57において水溜まり室61内に収容されている部分は第2加湿器22の膜を構成し、受皿部68と水溜まり室61は第2加湿器22の液水受容部を構成し、ウォータージャケット56が第2加湿器22のウォータージャケットを構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
この実施例2の加湿装置20によっても、実施例1の加湿装置20と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、実施例2の加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の上流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22のウォータージャケット56で、第1加湿器21の空気オフガス室62を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
すなわち、実施例2の加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の上流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22のウォータージャケット56で、第1加湿器21の空気オフガス室62を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック2の入口における要求水分量を、加湿装置20において回収することが可能となる。
また、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
また、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
<実施例3>
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例3を図6の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システム1の概略構成は実施例1と同じであるので、図1を援用して説明を省略する。
実施例3の燃料電池システム1が実施例1および実施例2の燃料電池システム1と相違する点は、加湿装置20における第2加湿器22の具体的な構成にある。以下、図6の断面図を参照して実施例3の加湿装置20を説明する。
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例3を図6の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システム1の概略構成は実施例1と同じであるので、図1を援用して説明を省略する。
実施例3の燃料電池システム1が実施例1および実施例2の燃料電池システム1と相違する点は、加湿装置20における第2加湿器22の具体的な構成にある。以下、図6の断面図を参照して実施例3の加湿装置20を説明する。
加湿器20は、長手方向(軸心方向)を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング71と、内側ハウジング71の全体を外側から囲う略矩形箱状の外側ハウジング72とを備えている。外側ハウジング72の長手方向の一端側は内側ハウジング71の長手方向の一端側よりも長手方向の外側へ所定寸法突出しており、内側ハウジング71の前記一端側の端部の全周に連結された矩形環状の仕切筒73が、外側ハウジング72の前記一端側に向かって延び、外側ハウジング72の前記一端側の端板74に連結されている。また、外側ハウジング72の長手方向の他端側も内側ハウジング71の長手方向の他端側よりも長手方向の外側へ所定寸法突出している。
なお、内側ハウジング71と外側ハウジング72と仕切筒73はいずれも金属製である。
なお、内側ハウジング71と外側ハウジング72と仕切筒73はいずれも金属製である。
内側ハウジング71の内部には、その長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜75がほぼ均等に配置されて収納されており、この中空糸膜75を支持するために、内側ハウジング71の長手方向の両端部に、樹脂製のポッティング部76a,76bが設けられている。中空糸膜75は、その長手方向の両端部がポッティング部76a,76bに貫通状態に固定されている。内側ハウジング71の長手方向の両端部はポッティング部76a,76bによって塞がれており、内側ハウジング71の内部は空気オフガス室80となっている。
また、内側ハウジング71の外周面と外側ハウジング72の内周面との間に形成された矩形環状の空間部77にも、外側ハウジング72の長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜78がほぼ均等に配置されて収納されており、この中空糸膜78を支持するために、空間部77において内側ハウジング71の長手方向の両端部に対応する部分に、樹脂製のポッティング部79a,79bが設けられている。中空糸膜78は、その長手方向の両端部がポッティング部79a,79bに貫通状態に固定されている。空間部77は内側ハウジング71の長手方向の両端部に対応する部分をポッティング部79a,79bによって塞がれており、ポッティング部79a,79bに挟まれた空間が水溜まり室81となっている。なお、この水溜まり室81は実施例2の加湿装置20におけるウォータージャケット56を兼ねており、空気オフガス室80の外周を囲っている。
中空糸膜75,78は実施例1における中空糸膜26と同じであるので、その説明は省略する。
中空糸膜75,78は実施例1における中空糸膜26と同じであるので、その説明は省略する。
ポッティング部79aと外側ハウジング72と仕切筒73とによって囲まれて形成される環状の空間は拡散室82となっていて、外側ハウジング72の一端側の上部には拡散室82に連なる空気流入口83が設けられている。また、ポッティング部76aと外側ハウジング72の端板74と仕切筒73とによって囲まれて形成される空間は集合室84となっていて、端板74には集合室84に連なる空気流出口85が設けられている。また、ポッティング部76b,79bと外側ハウジング72とによって囲まれて形成された空間は反転室86となっている。
中空糸膜75の内側の通路75aは集合室84および反転室86に連通しており、中空糸膜78の内側の通路78aは拡散室82および反転室86に連通している。
中空糸膜75の内側の通路75aは集合室84および反転室86に連通しており、中空糸膜78の内側の通路78aは拡散室82および反転室86に連通している。
また、内側ハウジング71の底部には、下側に膨出する受皿部87が形成されており、受皿部87の底部には、空気オフガス室80と水溜まり室81とを連通する連通孔88が設けられている。なお、受皿部87を設けず、連通孔88だけを設けてもよい。
内側ハウジング71の底部には空気オフガス室80に連なるオフガス流入ノズル89が固定され、オフガス流入ノズル89は、水溜まり室81および外側ハウジング72の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング71の上部には空気オフガス室80に連なるオフガス流出ノズル90が固定され、オフガス流出ノズル90は水溜まり室81および外側ハウジング72の上部を貫通し、突出している。さらに、外側ハウジング72の上部には水溜まり室81に連なる水流出口91が設けられている。
内側ハウジング71の底部には空気オフガス室80に連なるオフガス流入ノズル89が固定され、オフガス流入ノズル89は、水溜まり室81および外側ハウジング72の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング71の上部には空気オフガス室80に連なるオフガス流出ノズル90が固定され、オフガス流出ノズル90は水溜まり室81および外側ハウジング72の上部を貫通し、突出している。さらに、外側ハウジング72の上部には水溜まり室81に連なる水流出口91が設けられている。
この実施例3の加湿装置20では、水溜まり室81が実施例2におけるウォータージャケット56を兼ねており、水溜まり室81の内壁となる内側ハウジング71を介して空気オフガス室80内の空気オフガスを水冷し、空気オフガス中の水蒸気を凝縮して、第2加湿器22において加湿に供される液水を得る。
以下、実施例3の加湿装置20の作用を説明する。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口83aから拡散室82に導入され、拡散室82から中空糸膜78の内側の通路78aを通って反転室86に流れ、反転室86内において流れの向きを反転させて、反転室86から中空糸膜75の内側の通路75aを通って集合室84に流れ、集合室84から空気流出口85を通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入ノズル89から空気オフガス室80に導入され、空気オフガス室80を流通してオフガス流出ノズル90から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図6に示すように、水溜まり室81の内部と受皿部87内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口83aから拡散室82に導入され、拡散室82から中空糸膜78の内側の通路78aを通って反転室86に流れ、反転室86内において流れの向きを反転させて、反転室86から中空糸膜75の内側の通路75aを通って集合室84に流れ、集合室84から空気流出口85を通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入ノズル89から空気オフガス室80に導入され、空気オフガス室80を流通してオフガス流出ノズル90から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図6に示すように、水溜まり室81の内部と受皿部87内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
加湿器20内において、供給空気は、初めに中空糸膜78を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、水溜まり室81内における中空糸膜78の通路78aを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室81内の液水も冷却される。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜75を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室80内における中空糸膜75の通路75aを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室80内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜75を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室80内における中空糸膜75の通路75aを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室80内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
また、空気オフガス室80は内側ハウジング71を介して、液水を充満させた水溜まり室(ウォータージャケット)81に熱的に接しているので、空気オフガスは空気オフガス室80を流れる間に冷却される。そして、内側ハウジング71の内面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が内側ハウジング71の内面で凝縮して結露し、液滴となって空気オフガス室80の底部に溜まる。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室80の底部に溜まる。空気オフガス室80は、受皿部87の連通孔88および水溜まり室81を介して、空気オフガス室80よりも圧力の低い希釈器8に接続されているので、空気オフガス室80の底部に溜まった液滴は、この圧力差によって受皿部87へと導かれ、受皿部87に溜まって液水となり、水溜まり室81に供給される。なお、水溜まり室81をオーバーフローした水は水流出口91から希釈器8に排出される。
この実施例3では、中空糸膜75は第1加湿器21の膜を構成し、その内側の通路75aは第1加湿器21の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室80は第1加湿器21の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第1加湿器21が構成されている。
また、この実施例3では、中空糸膜78は第2加湿器22の膜を構成し、受皿部87と水溜まり室81は第2加湿器22の液水受容部を構成し、水溜まり室81は第2加湿器22のウォータージャケットを構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
また、この実施例3では、中空糸膜78は第2加湿器22の膜を構成し、受皿部87と水溜まり室81は第2加湿器22の液水受容部を構成し、水溜まり室81は第2加湿器22のウォータージャケットを構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
この実施例3の加湿装置20によっても、実施例1の加湿装置20と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、実施例3の加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の上流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22の水溜まり室81で、第1加湿器21の空気オフガス室80を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
すなわち、実施例3の加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の上流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22の水溜まり室81で、第1加湿器21の空気オフガス室80を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック2の入口における要求水分量を、加湿装置20において回収することが可能となる。
また、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
また、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
なお、実施例1〜3の燃料電池システム1では放熱器を設けていないが、エアポンプ10と加湿装置20との間の供給空気流路11上に放熱器を設けてもよい。
<実施例4>
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例4を図7,図8の図面を参照して説明する。
図7は、実施例4における燃料電池システム1の概略構成を示した図である。実施例4の燃料電池システム1と実施例1の燃料電池システム1との構成上の相違点は、実施例4では、エアポンプ10と加湿装置20との間に放熱器9が設けられている点と、加湿装置20において水−ガス加湿器である第2加湿器22がガス−ガス加湿器である第1加湿器21の下流に設けられている点だけである。その他の構成は実施例1と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例4を図7,図8の図面を参照して説明する。
図7は、実施例4における燃料電池システム1の概略構成を示した図である。実施例4の燃料電池システム1と実施例1の燃料電池システム1との構成上の相違点は、実施例4では、エアポンプ10と加湿装置20との間に放熱器9が設けられている点と、加湿装置20において水−ガス加湿器である第2加湿器22がガス−ガス加湿器である第1加湿器21の下流に設けられている点だけである。その他の構成は実施例1と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
前述したように、実施例4における加湿装置20では、水−ガス加湿器である第2加湿器22がガス−ガス加湿器である第1加湿器21の下流に設けられており、供給空気は、初めに第1加湿器21で加湿され、次に第2加湿器22で加湿されて燃料電池スタック2のカソードへ供給される。
次に、加湿装置20の具体的な構造を図8の図面を参照して説明する。
図8に示される実施例4の加湿装置20の構成は、図5に示される実施例2の加湿器20において供給空気の流れ方向を逆にしたものである。
加湿器20は、長手方向(軸心方向)を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング151と、長手方向(軸心方向)を水平にして内側ハウジング151を外側から囲うように配置された略矩形筒状の外側ハウジング152とを備えている。内側ハウジング151は長手方向の一端部を外側ハウジング152から突出させて外側ハウジング152内に収容されている。内側ハウジング151の一端部には、空気流入口153aを備えた空気入口筒体153が連結されている。外側ハウジング152の長手方向の他端側は内側ハウジング151の長手方向の他端側よりも外方へ延出しており、その延出した端部に、空気流出口154aを備えた空気出口筒体154が連結されている。
なお、内側ハウジング151と外側ハウジング152と空気入口筒体153と空気出口筒体154はいずれも金属製である。
図8に示される実施例4の加湿装置20の構成は、図5に示される実施例2の加湿器20において供給空気の流れ方向を逆にしたものである。
加湿器20は、長手方向(軸心方向)を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング151と、長手方向(軸心方向)を水平にして内側ハウジング151を外側から囲うように配置された略矩形筒状の外側ハウジング152とを備えている。内側ハウジング151は長手方向の一端部を外側ハウジング152から突出させて外側ハウジング152内に収容されている。内側ハウジング151の一端部には、空気流入口153aを備えた空気入口筒体153が連結されている。外側ハウジング152の長手方向の他端側は内側ハウジング151の長手方向の他端側よりも外方へ延出しており、その延出した端部に、空気流出口154aを備えた空気出口筒体154が連結されている。
なお、内側ハウジング151と外側ハウジング152と空気入口筒体153と空気出口筒体154はいずれも金属製である。
外側ハウジング152の一端部に設けられた閉塞部155は内側ハウジング151の外周面に接合されている。内側ハウジング151の外周面と外側ハウジング152の内周面との間には全周に亘って空間が形成されており、この空間がウォータージャケット156となっている。なお、内側ハウジング151の長手方向の他端側の外周面と、これに対向する外側ハウジング52の外周面は、周方向に適宜の間隔で設けられたサポート部167によって連結されている。
内側ハウジング151と外側ハウジング152の内部には、その長手方向に沿って酢弊に延びる複数の中空糸膜157がほぼ均等に配置されて収納されており、これら中空糸膜157を支持するために、内側ハウジング151の長手方向の両端部および外側ハウジング152において空気出口筒体154に近い側の端部に、樹脂製のポッティング部158a,158b,158cが設けられている。中空糸膜157は実施例1における中空糸膜26と同じであるので、その説明は省略する。
中空糸膜157は、その長手方向の両端部がポッティング部158a,158cに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部158bに貫通状態に固定されている。
中空糸膜157は、その長手方向の両端部がポッティング部158a,158cに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部158bに貫通状態に固定されている。
内側ハウジング151の長手方向の両端部はポッティング部158a,158bによって塞がれており、内側ハウジング151の内部は空気オフガス室162となっている。空気オフガス室162はその全周をウォータージャケット156によって囲まれている。一方、外側ハウジング152において空気出口筒体154に近い側の端部はポッティング部158cによって塞がれている。外側ハウジング152においてポッティング部158bとポッティング部158cとの間に形成された空間は水溜まり室161となっていて、この水溜まり室161に前述したウォータージャケット156が連通している。
ポッティング部158aと空気入口筒体153との間には拡散室159が形成され、ポッティング部158cと空気出口筒体54との間には集合室160が形成されている。
各中空糸膜157の内側の通路157aは拡散室159および集合室160に連通している。
ポッティング部158aと空気入口筒体153との間には拡散室159が形成され、ポッティング部158cと空気出口筒体54との間には集合室160が形成されている。
各中空糸膜157の内側の通路157aは拡散室159および集合室160に連通している。
また、内側ハウジング151の底部には、下側に膨出する受皿部168が形成されており、受皿部168の底部には、ウォータージャケット156と空気オフガス室162とを連通する連通孔163が設けられている。
内側ハウジング151の底部には空気オフガス室162に連なるオフガス流入ノズル164が固定され、オフガス流入ノズル164は、ウォータージャケット156および外側ハウジング152の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング151の上部には空気オフガス室162に連なるオフガス流出ノズル165が固定され、オフガス流出ノズル165はウォータージャケット156および外側ハウジング152の上部を貫通し、突出している。さらに、内側ハウジング151の上部には水溜まり室161に連なる水流出口166が設けられている。
内側ハウジング151の底部には空気オフガス室162に連なるオフガス流入ノズル164が固定され、オフガス流入ノズル164は、ウォータージャケット156および外側ハウジング152の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング151の上部には空気オフガス室162に連なるオフガス流出ノズル165が固定され、オフガス流出ノズル165はウォータージャケット156および外側ハウジング152の上部を貫通し、突出している。さらに、内側ハウジング151の上部には水溜まり室161に連なる水流出口166が設けられている。
この実施例4の加湿装置20では、ウォータージャケット156の内壁となる内側ハウジング151を介して空気オフガス室162内の空気オフガスを水冷し、空気オフガス中の水蒸気を凝縮して、第2加湿器22において加湿に供される液水を得る。
以下、実施例4の加湿装置20の作用を説明する。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口153aから拡散室159に導入され、拡散室159から中空糸膜157の内側の通路157aを通って集合室160へと流れ、集合室160から空気流出口154aを通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入ノズル164から空気オフガス室162に導入され、空気オフガス室162を流通してオフガス流出ノズル165から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図8に示すように、水溜まり室161の内部と、ウォータージャケット156の内部と、受皿部168内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
エアポンプ10から送られてくる供給空気は、空気流入口153aから拡散室159に導入され、拡散室159から中空糸膜157の内側の通路157aを通って集合室160へと流れ、集合室160から空気流出口154aを通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスは、加湿装置20のオフガス流入ノズル164から空気オフガス室162に導入され、空気オフガス室162を流通してオフガス流出ノズル165から流出され、希釈器8へ送られる。
今、図8に示すように、水溜まり室161の内部と、ウォータージャケット156の内部と、受皿部168内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
加湿器20内において、供給空気は、初めに中空糸膜157において空気オフガス室162内に収容された部分を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室162内における中空糸膜157の通路157aを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室162内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜157において水溜まり室161内に収容された部分を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、水溜まり室161内における中空糸膜157の通路157aを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室161内の液水も冷却される。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜157において水溜まり室161内に収容された部分を流通する。このときに、実施例1の場合と同様、供給空気は、水溜まり室161内における中空糸膜157の通路157aを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室161内の液水も冷却される。
また、空気オフガス室162は内側ハウジング151を介して、液水を充満させたウォータージャケット156に熱的に接しているので、空気オフガスは空気オフガス室162を流れる間に冷却される。そして、内側ハウジング151の内面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が内側ハウジング151の内面で凝縮して結露し、液滴となって空気オフガス室162の底部に溜まる。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室162の底部に溜まる。空気オフガス室162は、受皿部163の連通孔163および水溜まり室161を介して、空気オフガス室162よりも圧力の低い希釈器8に接続されているので、空気オフガス室162の底部に溜まった液滴は、この圧力差によって受皿部163へと導かれ、受皿部163に溜まって液水となり、水溜まり室161に供給される。なお、水溜まり室161をオーバーフローした水は水流出口166から希釈器8に排出される。
この実施例4では、中空糸膜157において空気オフガス室162内に収容されている部分は第1加湿器21の膜を構成し、その内側の通路157aは第1加湿器21の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室162は第1加湿器21の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第1加湿器21が構成されている。
また、この実施例4では、中空糸膜157において水溜まり室161内に収容されている部分は第2加湿器22の膜を構成し、受皿部168と水溜まり室161は第2加湿器22の液水受容部を構成し、ウォータージャケット156が第2加湿器22のウォータージャケットを構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
また、この実施例4では、中空糸膜157において水溜まり室161内に収容されている部分は第2加湿器22の膜を構成し、受皿部168と水溜まり室161は第2加湿器22の液水受容部を構成し、ウォータージャケット156が第2加湿器22のウォータージャケットを構成し、これらによって第2加湿器22が構成されている。
この実施例4の加湿装置20によっても、実施例1の加湿装置20と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、実施例4の加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の下流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22のウォータージャケット156で、第1加湿器21の空気オフガス室162を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
すなわち、実施例4の加湿装置20では、ガス−ガス加湿器である第1加湿器21の下流に、水−ガス加湿器である第2加湿器22を配置し、第2加湿器22のウォータージャケット156で、第1加湿器21の空気オフガス室162を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第2加湿器22において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第1加湿器21と第2加湿器22の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第1加湿器21から第2加湿器22へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置20を小型化することができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック2の入口における要求水分量を、加湿装置20において回収することが可能となる。
また、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
また、燃料電池スタック2の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック2を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック2の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック2の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム1を小型化することができる。
なお、実施例4では、第2加湿器22を第1加湿器21の下流に配置した加湿装置20として、図5に示された実施例2の加湿器20において供給空気の流れ方向を逆にしたもので説明したが、第2加湿器22を第1加湿器21の下流に配置した加湿装置20は、図2に示された実施例1の加湿器20において供給空気の流れ方向を逆にしたものや、図6に示された実施例3の加湿器20において供給空気の流れ方向を逆にしたもので構成することも可能である。
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック(燃料電池)
10 エアポンプ(酸化剤ポンプ)
11 供給空気流路(酸化剤流路)
21 第1加湿器
22 第2加湿器
26,57,75,78,157 中空糸膜(膜)
26a,57a,75a,157a 通路(酸化剤通路)
27 冷却パイプ(パイプ)
32,62,80,162 空気オフガス室(酸化剤オフガス通路)
33,68,87,168 受皿部(液水受容部)
31,61,81,161 水溜まり室(液水受容部)
56,156 ウォータージャケット
2 燃料電池スタック(燃料電池)
10 エアポンプ(酸化剤ポンプ)
11 供給空気流路(酸化剤流路)
21 第1加湿器
22 第2加湿器
26,57,75,78,157 中空糸膜(膜)
26a,57a,75a,157a 通路(酸化剤通路)
27 冷却パイプ(パイプ)
32,62,80,162 空気オフガス室(酸化剤オフガス通路)
33,68,87,168 受皿部(液水受容部)
31,61,81,161 水溜まり室(液水受容部)
56,156 ウォータージャケット
Claims (3)
- 燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路と、
前記燃料電池のカソードに前記酸化剤流路を介して酸化剤を供給する酸化剤ポンプと、
前記酸化剤流路上に配置され、膜を有し、該膜を介して一方の側に前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス通路が設けられ、他方の側に酸化剤が流通する酸化剤通路が設けられ、前記膜を介して酸化剤オフガス中の水分を酸化剤へ移動させて酸化剤を加湿する第1加湿器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤流路上の前記第1加湿器の上流または下流に配置され、膜を有し、該膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する第2加湿器をさらに備え、
前記第2加湿器は、その一部が前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接するとともに前記酸化剤オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第1加湿器の前記膜は中空糸膜で構成され、前記第1加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、
前記第2加湿器は、液水が内側に流れる複数のパイプを有し、該複数のパイプが前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路内に延在することにより、前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記第1加湿器の前記膜は中空糸膜で構成され、前記第1加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、
前記第2加湿器は、前記第1加湿器を外側から囲うウォータージャケットを有し、該ウォータージャケットの一部が液水受容部と連通することにより、前記第1加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
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Cited By (1)
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EP3736895A1 (en) | 2019-05-07 | 2020-11-11 | Toyota Boshoku Kabushiki Kaisha | Humidifier |
-
2010
- 2010-12-22 JP JP2010286633A patent/JP2012134066A/ja active Pending
Cited By (1)
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EP3736895A1 (en) | 2019-05-07 | 2020-11-11 | Toyota Boshoku Kabushiki Kaisha | Humidifier |
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