JP2012134067A

JP2012134067A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2012134067A
Application number: JP2010286634A
Authority: JP
Inventors: Yohei Hidaka; 洋平日高; Nobuyuki Matsumoto; 伸之松本; Takumoto Ikada; 拓素井加田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-12

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To humidify a fuel cell with efficiency even during high-temperature operation.SOLUTION: A fuel cell system comprises a fuel cell, an air pump supplying a cathode of the fuel cell with air through a supply air channel, and a humidifier 20. The humidifier 20 comprises a housing 21 including a plurality of hollow fiber membranes 26; an air off-gas chamber 32 disposed in the housing 21, and enabling contact between an introduced air off-gas and the exterior of a portion of the plurality of hollow fiber membranes 26; a water storage chamber 31 disposed right under the air off-gas chamber 32 in the housing 21, and capable of storing water condensed from the air off-gas to a prescribed amount enabling the other portion of the plurality of hollow fiber membranes 26 to be immersed; and a drain pipe 27 for the purpose of draining the condensed water exceeding the prescribed amount.

Description

この発明は、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.

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。 In a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell, if the water content of the solid polymer electrolyte membrane is insufficient, the ionic resistance increases and the output decreases, so in order to maintain a good power generation state, the solid polymer electrolyte membrane Must be kept in a moderately moist state. Therefore, the humidity management inside the fuel cell is very important.
By the way, a fuel cell system in which humidification inside the fuel cell and cooling of the fuel cell are related is considered.

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。 For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell system in which an air passage, a hydrogen passage, and a cooling water passage are disposed adjacent to each other via a porous separator in a fuel cell stack. In this fuel cell system, the cooling water is circulated through the cooling water passage to cool the fuel cell stack, and the produced water generated by the reaction of hydrogen and oxygen is cooled from the air passage through the porous separator. Further, the cooling water in the cooling water passage penetrates into the porous separator and humidifies the air flowing through the air passage and the hydrogen flowing through the hydrogen passage. In other words, the fuel cell stack is cooled and the inside of the fuel cell stack is humidified by the cooling water.

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。 Further, in Patent Document 2, a cooling water passage is provided in the fuel cell stack so as to be separated from the air passage and the hydrogen passage, and the air into which the water is injected flows into the cooling water passage. The fuel cell stack is cooled by the heat of vaporization when it evaporates in the interior, and after the water vapor and air discharged from the cooling water passage are cooled by a radiator, the fuel cell stack is supplied to the air passage of the fuel cell stack, thereby A humidifying fuel cell system is disclosed.

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。 However, in the case of the fuel cell system of Patent Document 1, since the cooling water is used for adjusting the humidity of the fuel cell stack, only pure water can be used as the cooling water, and antifreeze cannot be used. Therefore, water management against freezing is complicated.
Moreover, in the fuel cell system of Patent Document 2, since the fuel cell stack is cooled and the fuel cell stack is humidified with the same water, pure water must be used, and not only water management is complicated, Equipment such as a radiator, a tank for storing water, a pump for injecting water, and an injection nozzle are required, which increases the number of parts and requires control of the pump for water injection. The fuel cell system becomes complicated.
Therefore, in the fuel cell system, it is preferable to use separate systems for cooling and humidifying the fuel cell stack from the viewpoint of simplification of the system because it is easy to take measures against freezing.

米国特許第５７００５９５号明細書US Pat. No. 5,700,755 特開２００９−２０００２６号公報JP 2009-200026 JP

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。 By the way, as a means for humidifying the inside of the fuel cell stack separately from the cooling of the fuel cell stack, the moisture contained in the air off-gas discharged from the fuel cell stack is transferred to the air supplied to the fuel cell stack through the membrane. A film humidifier that humidifies the air is known.

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６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６（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６（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。 However, in the fuel cell system using this membrane humidifier, when the fuel cell stack is operating at an appropriate operating temperature, the necessary amount of moisture can be recovered from the air off-gas to sufficiently humidify the air. When the temperature of the fuel cell stack becomes a high temperature state, the required amount of water cannot be recovered from the air off gas, and the air may be deficient in humidity.
FIG. 6 schematically shows the water balance of the fuel cell stack. FIG. 6 (A) is a conceptual diagram showing the water balance when the fuel cell stack is operated at normal temperature (appropriate operating temperature), and FIG. 6 (B) is when the fuel cell stack is operated at a high temperature. It is a conceptual diagram which shows water balance.
In a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell, when the wet state of a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a perfluorosulfonic acid polymer is maintained by moisture contained in air supplied to the fuel cell stack, the fuel cell The air supplied to the stack needs to be humidified.

図６（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。 As shown in FIG. 6A, when the temperature of the fuel cell stack is normal, the amount of water required to humidify the air supplied to the fuel cell stack (the required amount of water at the stack inlet) is small. That's it. On the other hand, the amount of water contained in the air off-gas discharged from the fuel cell stack (the amount of water at the stack outlet) is added to the water at the stack inlet by the generated water (steam and condensed water) generated in the fuel cell stack. When the temperature of the fuel cell stack is normal temperature, the amount of water contained in the air off-gas discharged from the fuel cell stack is sufficiently larger than the required amount of water. The amount can be recovered, and the air supplied to the fuel cell stack can be sufficiently humidified. The water that has not been collected is discarded as exhaust steam.

これに対して、図６（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。 On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the fuel cell stack is hot, a large amount of water is required to appropriately humidify the air supplied to the fuel cell stack. That is, the required moisture amount at the stack inlet is large. On the other hand, the amount of generated water generated in the fuel cell stack is the same. Here, when the water recovery rate of the membrane humidifier is the same, it becomes impossible to recover the required water amount from the air off gas in the membrane humidifier, the water balance breaks down, and the air supplied to the fuel cell stack It cannot be sufficiently humidified. As a result, the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell cannot be maintained in an appropriate wet state, and the fuel cell stack cannot maintain an appropriate output.

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。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell system that can efficiently humidify a fuel cell while using a membrane humidifier.

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、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、複数の中空糸膜を有し、前記中空糸膜の内側を酸化剤が流通し、前記中空糸膜を介して前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスの水分を前記燃料電池に供給される酸化剤に移動させて前記酸化剤を加湿する膜加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器２０）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、前記膜加湿器は、複数の中空糸膜（例えば、後述する実施例における中空糸膜２６）を内蔵するハウジング（例えば、後述する実施例におけるハウジング２１）と、前記ハウジングの内部に設けられ、導入された酸化剤オフガスと前記複数の中空糸膜の一部の外側とが接することが可能な空間部（例えば、後述する実施例における空気オフガス室３２）と、前記ハウジングの内部の前記空間部の鉛直下方に配置され、前記複数の中空糸膜の他部が浸かる所定量まで酸化剤オフガスから凝縮された凝縮水を貯留することが可能な水貯留部（例えば、後述する実施例における水溜まり室３１）と、前記所定量以上となった前記凝縮水を排出させる排水部（例えば、後述する実施例における排水管２７）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。 The fuel cell system according to the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
According to the first aspect of the present invention, a fuel cell (for example, a fuel cell stack 2 in an embodiment to be described later) that is supplied with fuel and an oxidant to generate power and an oxidant that is supplied to the cathode of the fuel cell are in circulation. An oxidizing agent channel (for example, a supply air channel 11 in an embodiment described later),
An oxidant pump that supplies an oxidant to the cathode of the fuel cell via the oxidant flow path (for example, an air pump 10 in an embodiment to be described later) and a plurality of hollow fiber membranes, the inner side of the hollow fiber membrane A membrane humidifier that humidifies the oxidant by transferring moisture of the oxidant off-gas discharged from the fuel cell through the hollow fiber membrane to the oxidant supplied to the fuel cell. For example, in a fuel cell system (for example, a fuel cell system 1 in an embodiment to be described later) provided with a humidifier 20 in an embodiment to be described later, the membrane humidifier has a plurality of hollow fiber membranes (for example, to be described later). The housing (for example, the housing 21 in the embodiment described later) in which the hollow fiber membrane 26 in the embodiment is incorporated, the oxidant off-gas introduced inside the housing, and the A space part (for example, an air off gas chamber 32 in an embodiment to be described later) that can be in contact with the outside of some of the hollow fiber membranes, and a vertically lower part of the space part inside the housing, A water reservoir (for example, a water reservoir chamber 31 in an embodiment to be described later) capable of storing condensed water condensed from the oxidant off-gas up to a predetermined amount in which other portions of the plurality of hollow fiber membranes are immersed, and the predetermined amount or more A fuel cell system comprising: a drainage section (for example, a drain pipe 27 in an embodiment described later) for discharging the condensed water.

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記排水部は、燃料電池システムの流路のうち前記空間部内の圧力よりも常に圧力が低い流路（例えば、後述する実施例における希釈器８）に接続されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the drainage portion is a flow path in which the pressure is always lower than the pressure in the space portion of the flow path of the fuel cell system (for example, an embodiment described later It is connected to a diluter 8).

請求項１に係る発明によれば、水貯留部に貯留された凝縮水で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凝縮水として回収し、これを水貯留部に貯留し、中空糸膜の一部を水貯留部の凝縮水に没水させているので、酸化剤を酸化剤オフガスによって加湿するとともに、水貯留部に貯留された凝縮水によって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。
また、水貯留部内における加湿分は、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。 According to the first aspect of the present invention, the oxidant off-gas is cooled by the condensed water stored in the water reservoir, thereby condensing the moisture in the oxidant off-gas that has been exhausted without being collected in the past. Since it is recovered as water and stored in the water storage part, and a part of the hollow fiber membrane is submerged in the condensed water of the water storage part, the oxidant is humidified by the oxidant off-gas and the water storage part Humidification can be performed by the stored condensed water, and the water recovery efficiency can be increased.
In addition, the moisture content in the water reservoir can be humidified without depending on the water vapor partial pressure of the oxidant offgas, so it does not depend on the temperature change or pressure change of the oxidant offgas during the transition of the fuel cell output. Stable humidification can be performed.
Further, even when the fuel cell is operated at a high temperature, the oxidant can be sufficiently humidified, and the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell can be kept in a good wet state. Furthermore, since the operating temperature of the fuel cell can be set high, the radiator for cooling the oxidant can be reduced in size, and the fuel cell system can be reduced in size.

請求項２に係る発明によれば、水貯留部に貯留される凝縮水の量が所定量を超えるのを防止することができ、その結果、空間部を確実に確保することができる。 According to the invention which concerns on Claim 2, it can prevent that the quantity of the condensed water stored in a water storage part exceeds predetermined amount, As a result, a space part can be ensured reliably.

この発明に係る燃料電池システムの実施例１における概略構成図である。It is a schematic block diagram in Example 1 of the fuel cell system concerning this invention. 前記実施例１の燃料電池システムにおいて用いられる膜加湿器の断面図である。It is sectional drawing of the membrane humidifier used in the fuel cell system of the said Example 1. 前記実施例１の膜加湿器における供給空気の加湿の様子を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the mode of humidification of the supply air in the film | membrane humidifier of the said Example 1. FIG. 前記実施例１の燃料電池システムにおける水収支を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the water balance in the fuel cell system of the said Example 1. FIG. この発明に係る燃料電池システムの実施例２において用いられる膜加湿器の断面図である。It is sectional drawing of the membrane humidifier used in Example 2 of the fuel cell system concerning this invention. 従来の燃料電池システムにおける水収支を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the water balance in the conventional fuel cell system.

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５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。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS. In addition, the fuel cell system in the Example described below is an aspect mounted in the fuel cell vehicle which drive | works a drive motor with the generated electricity.

＜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。 <Example 1>
First, Embodiment 1 of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to the first embodiment.
The fuel cell stack (fuel cell) 2 is configured by laminating a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides. When hydrogen gas (fuel) is supplied as fuel and air containing oxygen (oxidant) is supplied as an oxidant to the cathode, hydrogen ions generated by catalysis at the anode pass through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode. It moves and generates electricity by causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode to generate water.

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。 Hydrogen gas supplied from a hydrogen tank (not shown) is supplied to the anode of the fuel cell stack 2 through the hydrogen gas supply channel 3 and the ejector 4. Unreacted hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell stack 2 is discharged from the fuel cell stack 2 as hydrogen off gas, returned to the ejector 4 through the hydrogen off gas flow path 5, and fresh hydrogen supplied from the hydrogen tank. The gas merges with the gas and is supplied to the anode of the fuel cell stack 2 again. A purge flow path 7 having a purge valve 6 branches from the hydrogen off-gas flow path 5, and the purge flow path 7 is connected to a diluter 8. The purge valve 6 is normally closed and is opened according to the operating state of the fuel cell stack 2, and discharges the hydrogen off gas flowing through the hydrogen off gas flow path 5 to the diluter 8.

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、放熱器９、加湿器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。 The air is pressurized by an air pump (oxidant pump) 10, supplied to the cathode of the fuel cell stack 2 through a supply air flow path (oxidant flow path) 11, a radiator 9, and a humidifier 20. After oxygen is supplied as an oxidant for power generation, it is discharged from the fuel cell stack 2 as an air offgas (oxidant offgas), and is discharged to the diluter 8 through the air offgas passage 13. A back pressure valve 14 for adjusting the air pressure in the cathode of the fuel cell stack 2 is provided in the air off-gas flow path 13 upstream from the diluter 8. In the following description, the air supplied to the fuel cell stack 1 is referred to as supply air. The hydrogen off-gas discharged to the diluter 8 by opening the purge valve 6 is diluted by the air off-gas in the diluter 8 and discharged out of the system.
The fuel cell stack 2 can be cooled by a cooling device (not shown). That is, in the fuel cell system 1, the cooling of the fuel cell stack 2 and the humidification of the fuel cell stack 2 are separately processed.

加湿器２０は、空気オフガス中の水分を膜を介して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、いわゆる膜加湿器である。
以下、図２に示す断面図を参照して加湿器２０の構成を説明する。
加湿器２０は、矩形箱状のハウジング２１を有している。ハウジング２１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本体２３と、ハウジング本体２３の長手方向の一端側に連結された空気入口筒体２４と、ハウジング本体２３の長手方向の他端側に連結された空気出口筒体２５とから構成されている。空気入口筒体２４には空気流入口２４ａが設けられ、空気出口筒体２５には空気流出口２５ａが設けられている。なお、ハウジング本体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。 The humidifier 20 is a so-called membrane humidifier that humidifies the supply air by moving moisture in the air off-gas to the supply air through the membrane.
Hereinafter, the configuration of the humidifier 20 will be described with reference to the cross-sectional view shown in FIG.
The humidifier 20 has a rectangular box-shaped housing 21. The housing 21 includes a housing body 23 having a substantially rectangular cylindrical shape with the longitudinal direction (axial direction) being horizontal, an air inlet cylinder 24 connected to one end side of the housing body 23 in the longitudinal direction, and a housing body. The air outlet cylindrical body 25 is connected to the other end side of the longitudinal direction of 23. The air inlet cylinder 24 is provided with an air inlet 24a, and the air outlet cylinder 25 is provided with an air outlet 25a. The housing main body 23, the air inlet cylinder 24, and the air outlet cylinder 25 are all preferably made of metal from the viewpoint of heat transfer.

ハウジング本体２３の内部には、ハウジング本体２３の長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜２６がほぼ均等に配置されて収納されており、中空糸膜２６を支持するために、ハウジング本体２３の長手方向の両端部に樹脂製のポッティング部２８ａ，２８ｂ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。各中空糸膜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ている。 A plurality of hollow fiber membranes 26 extending horizontally along the longitudinal direction of the housing body 23 are accommodated in the housing body 23 so as to be substantially evenly disposed. Resin potting portions 28a and 28b are provided at both ends in the longitudinal direction.
The hollow fiber membrane 26 is made of, for example, a perfluorosulfonic acid polymer. When fluids having different moisture contents are supplied to the inside and the outside of the hollow fiber membrane 26, moisture in the fluid having a large water vapor partial pressure permeates through the hollow fiber membrane and the water vapor partial pressure is reduced. It has the property of moving to a small fluid. As for each hollow fiber membrane 26, the both ends of the longitudinal direction are being fixed to the potting parts 28a and 28b in the penetration state.

ハウジング本体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。 Both ends in the longitudinal direction of the housing main body 23 are closed by potting portions 28a and 28b, a diffusion chamber 29 is formed between the potting portion 28a and the air inlet cylinder 24, and the potting portion 28b and the air outlet cylinder are formed. A collecting chamber 30 is formed between the body 25 and the body 25.
A passage 26 a inside each hollow fiber membrane 26 communicates with the diffusion chamber 29 and the collecting chamber 30.

空気入口筒体２４には、水平方向に延びる排水管（排水部）２７が貫通固定されており、排水管２７は拡散室２９およびポッティング部２８ａを貫通してハウジング本体２３の内部に連通している。
ポッティング部２８ａ，２８ｂによって両端部を塞がれたハウジング本体２３の内部空間において、排水管２７よりも上方の領域は空気オフガスが流通可能な空気オフガス室（空間部）３２となっており、排水管２７よりも下方の領域、すなわち空気オフガス室３２の鉛直下方は水溜まり室（貯留部）３１となっていて、空気オフガスに含まれる水分が凝縮してできる凝縮水がこの水溜まり室３１に貯留される。 A drainage pipe (drainage part) 27 extending in the horizontal direction is fixed to the air inlet cylinder 24, and the drainage pipe 27 passes through the diffusion chamber 29 and the potting part 28 a and communicates with the interior of the housing body 23. Yes.
In the internal space of the housing body 23 whose both ends are closed by the potting portions 28a and 28b, the region above the drain pipe 27 is an air off gas chamber (space portion) 32 through which air off gas can flow. A region below the pipe 27, that is, a vertically lower portion of the air off gas chamber 32 is a water reservoir chamber (storage portion) 31, and condensed water formed by condensation of moisture contained in the air off gas is stored in the water reservoir chamber 31. The

排水管２７は、図１に示すように排水流路１５を介して希釈器８に接続されている。希釈室８内のガス圧力は常に空気オフガス室３２内のガス圧力よりも低いので、水溜まり室３１に溜まった凝縮水の水位が排水管２７を越えると、凝縮水は排水管２７から排水流路１５を通って希釈室８に排出される。したがって、水溜まり室３１に貯留される液水の水位が排水管２７より上位になることはない。
また、ハウジング本体２３の上部であって長手方向の一端側には、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、長手方向の他端側には、空気オフガス室３２に連なるオフガス流出口３６が設けられている。 The drainage pipe 27 is connected to the diluter 8 via the drainage channel 15 as shown in FIG. Since the gas pressure in the dilution chamber 8 is always lower than the gas pressure in the air off-gas chamber 32, when the water level of the condensed water accumulated in the water reservoir chamber 31 exceeds the drain pipe 27, the condensed water is discharged from the drain pipe 27 to the drain passage. 15 is discharged to the dilution chamber 8. Therefore, the level of the liquid water stored in the water pool chamber 31 does not become higher than the drain pipe 27.
In addition, an off-gas inlet 35 connected to the air off-gas chamber 32 is provided on one end side in the longitudinal direction of the upper portion of the housing body 23, and an off-gas outlet connected to the air off-gas chamber 32 is provided on the other end side in the longitudinal direction. 36 is provided.

次に、加湿器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、加湿器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。 Next, the operation of the humidifier 20 will be described.
The supply air sent from the air pump 10 is introduced into the diffusion chamber 29 from the air inlet 24 a, flows from the diffusion chamber 29 through the passage 26 a inside each hollow fiber membrane 26 to the collection chamber 30, and collects the chamber 30. To the cathode of the fuel cell stack 2 through the air outlet 25a.
On the other hand, the air off-gas discharged from the fuel cell stack 2 is introduced into the air off-gas chamber 32 from the off-gas inlet 35 of the humidifier 20, flows through the air off-gas chamber 32, and flows out from the off-gas outlet 36. Sent to.

今、図２に示すように、水溜まり室３１に、空気オフガスに含まれる水分が凝縮してなる凝縮水が溜まっているものとする。
このようにハウジング本体２３内に凝縮水が溜まって水溜まり室３１が形成されると、この水溜まり室３１の凝縮水に中空糸膜２６の一部が浸かり、水溜まり室３１内は水−ガス加湿器として機能し、空気オフガス室３２内はガス−ガス加湿器として機能する。 Now, as shown in FIG. 2, it is assumed that condensed water formed by condensation of moisture contained in the air off-gas is accumulated in the water reservoir chamber 31.
Thus, when condensed water accumulates in the housing main body 23 to form the water reservoir chamber 31, a part of the hollow fiber membrane 26 is immersed in the condensed water in the water reservoir chamber 31, and the water reservoir chamber 31 has a water-gas humidifier. The air off gas chamber 32 functions as a gas-gas humidifier.

詳述すると、空気オフガス室３２内に配置された中空糸膜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且つ温度の高いガスである。そのため、図３に示すように、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。 More specifically, the hollow fiber membrane 26 disposed in the air off gas chamber 32 has an outer surface in contact with the air off gas flowing through the air off gas chamber 32 and an inner surface in contact with the supply air flowing through the passage 26a. Here, the air off-gas discharged from the fuel cell stack 2 is a gas with extremely high humidity and high temperature, including generated water (droplets and water vapor) generated by power generation in the fuel cell stack 2. Therefore, as shown in FIG. 3, the water vapor in the air off-gas passes through the hollow fiber membrane 26 and moves to the supply air flowing through the passage 26 a of the hollow fiber membrane 26.

一方、水溜まり室３１内に配置された中空糸膜２６は、その外面が水溜まり室３１に貯留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、図３に示すように、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、このときの気化熱によって、水溜まり室３１に貯留されている液水は熱を奪われ、冷やされる。 On the other hand, as for the hollow fiber membrane 26 arrange | positioned in the water reservoir chamber 31, the outer surface is in contact with the liquid water stored in the water reservoir chamber 31, and the inner surface is in contact with the supply air which flows through the channel | path 26a. Therefore, as shown in FIG. 3, the liquid water in the water reservoir chamber 31 permeates through the hollow fiber membrane 26, vaporizes into the water vapor when permeated, and moves to supply air flowing through the passage 26 a of the hollow fiber membrane 26. In addition, due to the heat of vaporization at this time, the liquid water stored in the pool chamber 31 is deprived of heat and cooled.

このように、空気オフガス室３２の中空糸膜２６内を流通する供給空気は空気オフガスによって加湿され、水溜まり室３１の中空糸膜２６内を流通する供給空気は水溜まり室３１の液水によって加湿される。そして、これら加湿された供給空気は集合室３０で合流し、燃料電池スタック２のカソードへ供給される。
ここで、水溜まり室３１内における水−ガス加湿器としての加湿性能は、空気オフガス室３２内におけるガス−ガス加湿器としての加湿性能よりも極めて高いので、水溜まり室３１を有しない従来の膜加湿器よりも水の回収効率が高く、供給空気に対する加湿量を大きくすることができる。 In this way, the supply air that circulates in the hollow fiber membrane 26 of the air off-gas chamber 32 is humidified by the air off-gas, and the supply air that circulates in the hollow fiber membrane 26 of the pool chamber 31 is humidified by the liquid water in the pool chamber 31. The These humidified supply air merges in the collecting chamber 30 and is supplied to the cathode of the fuel cell stack 2.
Here, since the humidification performance as a water-gas humidifier in the water reservoir chamber 31 is extremely higher than the humidification performance as a gas-gas humidifier in the air off-gas chamber 32, the conventional membrane humidification without the reservoir chamber 31. The water recovery efficiency is higher than that of the vessel, and the humidification amount for the supply air can be increased.

また、空気オフガス室３２内の空気オフガスの温度は、水溜まり室３１に貯留された液水の温度よりも低いので、空気オフガス室３２内の空気オフガスは水溜まり室３１の液水によって冷却される。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、空気オフガス中に含まれる水蒸気の一部が液水との接触部で凝縮し、凝縮水となって水溜まり室３１内に貯留される。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も水溜まり室３１に落下し貯留される。 In addition, since the temperature of the air off gas in the air off gas chamber 32 is lower than the temperature of the liquid water stored in the water reservoir chamber 31, the air off gas in the air off gas chamber 32 is cooled by the liquid water in the water reservoir chamber 31. As described above, since the air off gas is a highly humid gas containing generated water (droplets and water vapor) generated by power generation, a part of the water vapor contained in the air off gas is in contact with the liquid water. Condensed at the portion, becomes condensed water and is stored in the puddle chamber 31. In addition, the liquid droplets originally contained in the air off gas are also dropped and stored in the water pool chamber 31.

このように、この加湿器２０では、水溜まり室３１内に貯留された凝縮水で、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凝縮水として回収し、これを水溜まり室３１に貯留し、一部の中空糸膜２６を水溜まり室３１の液水に没水させているので、供給空気を効率よく加湿することができる。その結果、加湿器２０を小型化することができる。 As described above, in the humidifier 20, the air off-gas flowing through the air off-gas chamber 32 is cooled with the condensed water stored in the pool chamber 31, so that the air off-gas that has conventionally been exhausted without being recovered can be removed. The water vapor is condensed and recovered as condensed water, which is stored in the pool chamber 31 and part of the hollow fiber membrane 26 is submerged in the liquid water in the pool chamber 31, so that the supply air is efficiently humidified. be able to. As a result, the humidifier 20 can be reduced in size.

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、水溜まり室３１内の中空糸膜２６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、加湿器２０において回収することが可能となる。 FIG. 4 is a conceptual diagram showing a water balance when the fuel cell stack 2 is operated in a high temperature state in the fuel cell system 1. In this figure, the portion described as “assist” indicates the amount of water recovered (humidified) by the hollow fiber membrane 26 in the water reservoir chamber 31, and when the fuel cell stack 2 is operated at a high temperature. In addition, the humidifier 20 can recover the amount of water necessary for appropriately humidifying the supply air, that is, the required amount of water at the inlet of the fuel cell stack 2.

なお、水溜まり室３１の水位が排水管２７の上端部に達したときの貯留水量（以下、最大貯留水量という）Ｑが、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも維持されるようにすると、高温運転が継続されたときにも供給空気を適切に加湿することができる。
そのために、水溜まり室３１内で供給空気が加湿される単位時間当たりの加湿量Ｗ１（Ｌ／ｍｉｎ）、空気オフガス室３２内で空気オフガス中の水分の凝縮により回収される単位時間当たりの回収水量Ｗ２（Ｌ／ｍｉｎ）、高温運転時において水溜まり室３１内での加湿によりアシストし続けなければならない時間ｔ（ｍｉｎ）とすると、次の式（１）の不等式が成立するように最大貯留水量Ｑ（Ｌ）を設定し、これから排水管２７の高さを決定する。
Ｑ＞（Ｗ１−Ｗ２）・ｔ・・・式（１）
なお、加湿量Ｗ１，回収水量Ｗ２は膜性能から、必要時間ｔは予め実験を行って決定する。 It should be noted that the amount of stored water Q (hereinafter referred to as the maximum stored water amount) Q when the water level in the water reservoir chamber 31 reaches the upper end of the drain pipe 27 is maintained even when the fuel cell stack 2 is operated in a high temperature state. Then, even when the high temperature operation is continued, the supply air can be appropriately humidified.
Therefore, a humidification amount W1 (L / min) per unit time in which the supply air is humidified in the water pool chamber 31, and a recovered water amount per unit time recovered by condensation of moisture in the air offgas in the air offgas chamber 32 Assuming that W2 (L / min) is a time t (min) during which high temperature operation is required to continue assisting by humidification in the water pool chamber 31, the maximum stored water amount Q so that the inequality of the following equation (1) is satisfied. (L) is set, and the height of the drain pipe 27 is determined from this.
Q> (W1-W2) · t Formula (1)
It should be noted that the humidification amount W1 and the recovered water amount W2 are determined by conducting experiments in advance from the membrane performance.

前記アシスト分、すなわち水溜まり室３１内の中空糸膜２６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。 The assist portion, that is, the humidified portion by the hollow fiber membrane 26 in the water pool chamber 31 can be humidified without depending on the water vapor partial pressure of the air off gas, so that the temperature of the air off gas at the time of output transient of the fuel cell stack 2 Stable humidification can be performed without depending on changes and pressure changes.

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９を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、排水管２７の内径を大きくして、排水管２７から空気オフガス室３２内の空気オフガスを凝縮水と一緒に排出するように構成することも可能である。そのようにすると、オフガス流出口３６が不要となる。 Further, even when the fuel cell stack 2 is operated at a high temperature, the supplied air can be sufficiently humidified, and as a result, the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 2 can be kept in a good wet state. The operating temperature of the fuel cell stack 2 can be set high, the radiator 9 for cooling the supply air can be reduced in size, and the fuel cell system 1 can be reduced in size.
It is also possible to increase the inner diameter of the drain pipe 27 so that the air off gas in the air off gas chamber 32 is discharged from the drain pipe 27 together with the condensed water. By doing so, the off-gas outlet 36 is not necessary.

＜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、加湿器２０のハウジング２１を縦型とし、中空糸膜２６の長手方向を鉛直方向に配置した点にある。
以下、実施例２における加湿器２０を説明するが、基本的な構成は実施例１のものと同じであるので、同一態様部分には同一符号を付して説明を省略し、相違点についてだけ説明する。 <Example 2>
Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawing of FIG. In addition, since the schematic structure of the fuel cell system 1 is the same as Example 1, description is abbreviate | omitted using FIG.
The fuel cell system 1 according to the second embodiment is different from the fuel cell system 1 according to the first embodiment in that the housing 21 of the humidifier 20 is a vertical type and the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 26 is arranged in the vertical direction. .
Hereinafter, although the humidifier 20 in Example 2 is demonstrated, since the fundamental structure is the same as that of Example 1, the same code | symbol is attached | subjected to the same aspect part, description is abbreviate | omitted, and only a difference is demonstrated. explain.

図５に示すように、実施例２の加湿器２０では、ハウジング本体２３がその長手方向（軸心方向）を鉛直方向に配置され、ハウジング本体２３の下部に空気入口筒体２４が連結され、ハウジング本体２３の上部に空気出口筒体２５が連結されており、ハウジング本体２３の内部に、複数の中空糸膜２６がその長手方向を鉛直方向に向けて収納されている。ハウジング本体２３の一側面にオフガス流入口３５が設けられ、他側面にオフガス流出口３６と排水管２７が設けられている。排水管２７はハウジング本体２３の内部空間に連通しており、オフガス流出口３６よりも下方に配置されている。 As shown in FIG. 5, in the humidifier 20 of the second embodiment, the housing body 23 is arranged in the vertical direction in the longitudinal direction (axial direction), and the air inlet cylinder 24 is connected to the lower portion of the housing body 23, An air outlet cylinder 25 is connected to the upper portion of the housing body 23, and a plurality of hollow fiber membranes 26 are accommodated inside the housing body 23 with the longitudinal direction thereof set in the vertical direction. An off gas inlet 35 is provided on one side of the housing body 23, and an off gas outlet 36 and a drain pipe 27 are provided on the other side. The drain pipe 27 communicates with the internal space of the housing main body 23 and is disposed below the off-gas outlet 36.

このように構成された実施例２の加湿器２０では、ハウジング本体２３内において排水管２７よりも下方の領域が水溜まり室３１となり、排水管２７よりも上方の領域が空気オフガス室３２となり、全ての中空糸膜２６においてその下方部分が水溜まり室３１に貯留された液水（凝縮水）に没し、全ての中空糸膜２６においてその上方部分が空気オフガス室３２内に収容されている。
そして、この加湿器２０においては、供給空気は、初めに、水溜まり室３１内に没水している部分の中空糸膜２６の通路２６ａを流通する際に、水溜まり室３１の液水によって加湿される。すなわち、水溜まり室３１内は水−ガス加湿器として機能する。
次に、この加湿された供給空気が、空気オフガス室３２に収容された部分の中空糸膜２６の通路２６ａを流通する際に、空気オフガス室３２内の空気オフガス中の水蒸気によってさらに加湿される。すなわち、空気オフガス室３２内はガス−ガス加湿器として機能する。 In the humidifier 20 according to the second embodiment configured as described above, the area below the drain pipe 27 in the housing main body 23 is the water reservoir chamber 31, and the area above the drain pipe 27 is the air off gas chamber 32. The lower part of the hollow fiber membrane 26 is submerged in the liquid water (condensed water) stored in the water reservoir chamber 31, and the upper part of all the hollow fiber membranes 26 is accommodated in the air off gas chamber 32.
In the humidifier 20, the supply air is first humidified by the liquid water in the water reservoir chamber 31 when flowing through the passage 26 a of the hollow fiber membrane 26 in the portion of the water reservoir chamber 31 that is submerged in the water reservoir chamber 31. The That is, the inside of the water pool chamber 31 functions as a water-gas humidifier.
Next, the humidified supply air is further humidified by water vapor in the air off-gas in the air off-gas chamber 32 when flowing through the passage 26 a of the hollow fiber membrane 26 in the portion accommodated in the air off-gas chamber 32. . That is, the air off gas chamber 32 functions as a gas-gas humidifier.

そして、各中空糸膜２６を通り加湿された供給空気は集合室３０に集合し、空気流出口２５ａから燃料電池スタック２のカソードへ供給される。
この実施例２の加湿器２０についても、実施例１と同様に、水溜まり室３１内における水−ガス加湿器としての加湿性能は、空気オフガス室３２内におけるガス−ガス加湿器としての加湿性能よりも極めて高いので、水溜まり室３１を有しない従来の膜加湿器よりも水の回収効率が高く、供給空気を十分に加湿することができる。
また、この実施例２においても、空気オフガス室３２内の空気オフガスは水溜まり室３１の液水によって冷却され、空気オフガス中に含まれる水蒸気の一部が凝縮し、凝縮水となって水溜まり室３１内に貯留される。 Then, the humidified supply air passing through each hollow fiber membrane 26 gathers in the collecting chamber 30 and is supplied from the air outlet 25a to the cathode of the fuel cell stack 2.
In the humidifier 20 of the second embodiment, as in the first embodiment, the humidification performance as the water-gas humidifier in the water pool chamber 31 is higher than the humidification performance as the gas-gas humidifier in the air off-gas chamber 32. Therefore, the water recovery efficiency is higher than that of the conventional membrane humidifier that does not have the water pool chamber 31, and the supplied air can be sufficiently humidified.
Also in the second embodiment, the air off-gas in the air off-gas chamber 32 is cooled by the liquid water in the pool chamber 31, and a part of the water vapor contained in the air off-gas is condensed to become condensed water, thereby forming the pool chamber 31. Stored inside.

実施例２の加湿器２０によっても、実施例１の加湿器２０と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、この加湿器２０では、水溜まり室３１内に貯留された凝縮水で、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凝縮水として回収し、これを水溜まり室３１に貯留し、中空糸膜２６の一部を水溜まり室３１の液水に没水させているので、供給空気を効率よく加湿することができる。その結果、加湿器２０を小型化することができる。 Also with the humidifier 20 of the second embodiment, the same operational effects as the humidifier 20 of the first embodiment can be achieved.
That is, in the humidifier 20, the water off-gas in the air off-gas that has conventionally been exhausted without being recovered by cooling the air off-gas flowing through the air off-gas chamber 32 with the condensed water stored in the water pool chamber 31. Is condensed and recovered as condensed water, which is stored in the water reservoir chamber 31 and a part of the hollow fiber membrane 26 is submerged in the liquid water of the water reservoir chamber 31, so that the supply air can be efficiently humidified. it can. As a result, the humidifier 20 can be reduced in size.

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、加湿器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９を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。 Further, even when the fuel cell stack 2 is operated in a high temperature state, the moisture amount necessary for appropriately humidifying the supply air, that is, the required moisture amount at the inlet of the fuel cell stack 2 is collected in the humidifier 20. Is possible.
Further, stable humidification can be performed without depending on the temperature change or pressure change of the air off-gas during the transition of the output of the fuel cell stack 2.
Further, even when the fuel cell stack 2 is operated at a high temperature, the supplied air can be sufficiently humidified, and as a result, the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 2 can be kept in a good wet state. The operating temperature of the fuel cell stack 2 can be set high, the radiator 9 for cooling the supply air can be reduced in size, and the fuel cell system 1 can be reduced in size.

この実施例２においても、排水管２７の内径を大きくして、排水管２７から空気オフガス室３２内の空気オフガスを凝縮水と一緒に排出するように構成することが可能である。そのようにすると、オフガス流出口３６が不要となる。 Also in the second embodiment, it is possible to increase the inner diameter of the drain pipe 27 so that the air off gas in the air off gas chamber 32 is discharged from the drain pipe 27 together with the condensed water. By doing so, the off-gas outlet 36 is not necessary.

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）
２０加湿器（膜加湿器）
２１ハウジング
２６中空糸膜
２７排水管（排水部）
３２空気オフガス室（空間部）
３１水溜まり室（水貯留部） 1 Fuel Cell System 2 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
10 Air pump (oxidizer pump)
11 Supply air flow path (oxidant flow path)
20 Humidifier (membrane humidifier)
21 Housing 26 Hollow fiber membrane 27 Drain pipe (drainage part)
32 Air off-gas chamber (space)
31 Puddle chamber (water reservoir)

Claims

A fuel cell that is supplied with fuel and an oxidant to generate electricity;
An oxidant flow path through which an oxidant supplied to the cathode of the fuel cell flows;
An oxidant pump for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell via the oxidant flow path;
Oxidation having a plurality of hollow fiber membranes, in which an oxidant circulates inside the hollow fiber membrane, and water of oxidant off-gas discharged from the fuel cell through the hollow fiber membrane is supplied to the fuel cell A film humidifier that moves to the agent and humidifies the oxidizing agent;
In a fuel cell system comprising:
The membrane humidifier
A housing containing a plurality of hollow fiber membranes;
A space provided inside the housing and capable of contacting the introduced oxidant off-gas and a part of the plurality of hollow fiber membranes;
A water storage part that is disposed vertically below the space inside the housing and is capable of storing condensed water condensed from an oxidant off-gas up to a predetermined amount in which the other parts of the plurality of hollow fiber membranes are immersed;
A drainage section for discharging the condensed water that is equal to or greater than the predetermined amount;
A fuel cell system comprising:

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the drainage portion is connected to a flow path whose pressure is always lower than the pressure in the space portion of the flow path of the fuel cell system.