JP2014191866A - 燃料電池用加湿器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜の長さ方法が鉛直になるように設置した場合において、２次側ガスの出口固定部の端面で発生した結露水を傾斜方向へ移動、排出し、中空糸膜の閉塞を抑制することを目的とする。
【解決手段】複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に配置される筐体と、前記中空糸膜束の両端に、前記中空糸膜の外壁面と前記筐体の内壁面との間を封止固定する固定部と、を備え、燃料電池から排出される高湿潤状態の１次側ガスから、前記中空糸膜を介して、前記燃料電池に供給される低湿潤状態の２次側ガスへ、水分を移動させる燃料電池用加湿器であって、前記２次側ガスが、前記中空糸膜の内部を重力方向の上方に向かって通流するよう構成され、前記中空糸膜束の前記２次側ガスの出口固定部の端面は、水平方向に対して傾斜するよう形成されている、燃料電池用加湿器。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用加湿器及びこれを備えた燃料電池システムに関するものである。

高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとに曝露して、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。

ところで、ＭＥＡの構成部材である電解質膜は、十分な水分が無いとイオン伝導率が低下し、発電効率が低下する傾向がある。よって、良好なイオン伝導を保つためには、電解質膜へ水分を供給する必要がある。

このため、燃料電池システムには、供給ガスを加湿することで電解質膜に水分を供給する、燃料電池用加湿器が設けられている。

加湿器の方式としては、燃料電池から排出される水蒸気を、水蒸気透過膜（中空糸膜）を介して有効に回収し加湿する方法が、冬季に凍結の可能性がある水タンクなどを用いて加湿する方法と比較し、優れている。

中空糸膜を用いた加湿器は、中空糸膜の外側に、燃料電池の電気化学的反応にて発生した水蒸気を流通させ、中空糸膜の内側に、燃料電池へ供給するガスを流通させることで、中空糸膜の外側から内側への水蒸気移動により、燃料電池へ供給するガスを加湿する装置である。

ところで、中空糸膜の中を通る加湿されたガスが、中空糸膜の出口側で結露した場合、水滴を生じ、その水滴が中空糸膜の出口を閉塞することになる。

中空糸膜の出口が閉塞されると、その中空糸内部にガスが流通しなくなり、加湿性能が低下する要因となり好ましくない。

そこで、従来は、中空糸膜の長さ方向が水平方向になるように設置する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）

特許第４５９８６３８号公報

しかしながら、特許文献１の設置向きにおいて、燃料電池システム内での配置に制約が発生することから、システムの小型化に際し、障害になる場合があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、加湿器の設置方向の制約をなくし、中空糸膜の長さ方法が鉛直になるように設置した場合に、安定した加湿性能を実現することで、システムの小型化と、安定した加湿性能を両立できる、燃料電池用加湿器の提供を目的
とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用加湿器は、中空糸膜束の両端に形成され、中空糸膜の外壁面と加湿器筐体の内壁面との間を封止固定する、固定部に関し、２次側ガスの出口固定部の端面を、水平方向に対して傾斜するよう形成するものである。

これにより、加湿器の設置方向の制約をなくし、中空糸膜の長さ方向が鉛直になるように設置した場合において、中空糸膜の中を通る加湿されたガスが、中空糸膜の出口側で結露した場合の水滴による中空糸膜の閉塞を抑制することで、安定した加湿性能を実現できる。

本発明の燃料電池用加湿器によれば、中空糸膜の長さ方向が鉛直になるように設置した場合において、中空糸膜束の両端に形成され、中空糸膜の外壁面と加湿器筐体の内壁面との間を、封止固定する固定部において、２次側ガスの出口固定部の端面を、水平方向に対して傾斜するよう形成することで、固定部の端面で発生した結露水を傾斜方向へ移動し、排出することが容易となり、中空糸膜の閉塞を抑制するので、安定した加湿性能と、設置方向の制約を無くすことによるシステムの小型化とを、両立することができる。

本発明の従来技術に係る燃料電池用加湿器の中空糸膜長さ方向の断面概略図 本発明の実施の形態１に係る燃料電池用加湿器の中空糸膜長さ方向の断面概略図 本発明の実施の形態１に係る燃料電池用加湿器の中空糸膜長さ方向の断面概略図の２次側ガス出口固定部付近の拡大図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池用加湿器の中空糸膜長さ方向の断面概略図 本発明の実施の形態３に係る燃料電池用加湿器の中空糸膜長さ方向の断面概略図

第１の発明は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に配置される筐体と、前記中空糸膜束の両端に、前記中空糸膜の外壁面と前記筐体の内壁面との間を封止固定する固定部と、を備え、
燃料電池から排出される高湿潤状態の１次側ガスから、前記中空糸膜を介して、前記燃料電池に供給される低湿潤状態の２次側ガスへ、水分を移動させる燃料電池用加湿器であって、前記２次側ガスが、前記中空糸膜の内部を重力方向の上方に向かって通流するよう構成され、前記中空糸膜束の前記２次側ガスの出口固定部の端面は、水平方向に対して傾斜するよう形成されている、ことを特徴とする。

この構成により、２次側ガスが、前記中空糸膜の内部を重力方向の上方に向かって通流する場合において、２次側ガスの出口側の固定部の端面が水平方向に対して傾斜するよう形成されているため、結露水を傾斜方向へ移動し、排出することが容易になる。このため、結露水が中空糸膜の出口側の端部に留まることを抑制し、出口側の端部が閉塞することを抑制できるので、設置方向の制約をなくし、加湿器の性能を安定的に確保することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記１次側ガスが、前記中空糸膜の外壁面と前記
筐体との間を重力方向の下方に向かって通流するよう構成されている、ことを特徴とする。

この構成により、低湿潤状態の２次側ガスが中空糸膜束を通流し湿潤されていくに従い、１次側ガスの湿潤状態が高くなるので、より効率的に２次側ガスを加湿することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記筐体に配設された前記２次側ガスの出口配管は、前記２次側ガスの出口固定部の端面の、重力方向の下端側に配置されている、ことを特徴とする。

この構成により、２次側ガスの出口固定部の端面の、重力方向の下端側に配置されているため、２次側ガスを、出口固定部の端面に沿って排出でき、傾斜方向へ移動した結露水を加湿器の外部へ排出することが容易になる。このため、結露水が中空糸膜の出口側の端部に留まることを抑制し、出口固定部の端面が閉塞することを抑制できるので、設置方向の制約をなくし、加湿器の性能を安定的に確保することができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記１次側ガスの入口配管は、前記２次側ガスの出口固定部の端面の、重力方向の下端側の前記筐体の側部に配置されている、ことを特徴とする。

この構成により、燃料電池に供給される２次側ガスの出口部と燃料電池から排出される１次側ガスの入口部とが、前記筐体の側部の同じ側に設けられているため、燃料電池及び加湿器を配管で接続する際の距離をより短くすることができるので、省スペース化を実現し、加湿器の性能を安定的に確保することができる。

第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明の加湿器と、前記１次側ガスを排出し、前記２次側ガスが供給される燃料電池とを備える、ことを特徴とする。
ｖこの構成により、燃料電池システムにおいて、加湿器の性能安定性を確保し、加湿器の設置方向の制約をなくすことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（従来技術）
［加湿器の構成］
次に、従来技術に係る燃料電池用加湿器の構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は、燃料電池用加湿器１０の中空糸膜長さ方向の断面概略図である。

図１に示すように、燃料電池用加湿器１０は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束１と中空糸膜束１が内部に配置される筐体２と、中空糸膜束１の外壁面と筐体２の内壁面との間を封止固定する２次側ガス入口固定部３、２次側ガス出口固定部４とを備え、筐体２には、第１の１次側ガス配管５、第２の１次側ガス配管６、２次側ガス入口配管７及び２次側ガス出口配管８が設けられている。

２次側ガス出口固定部４の２次側ガス出口配管８側の端面は、中空糸膜束１の長さ方向と略垂直方向に形成されている。

なお、第１の１次側ガス配管５及び第２の１次側ガス配管６は、どちらを入口または出口にしても良い。より好ましくは、第１の１次側ガス配管５を入口に、第２の１次側ガス配管６を出口にした方が２次側ガスの加湿効率が良い。

（実施の形態１）
次に、本実施の形態１に係る燃料電池用加湿器の構成について、図２および図３を参照しながら説明する。

図２は、燃料電池用加湿器１１の中空糸膜長さ方向の断面概略図である。

図２に示すように、実施の形態１の加湿器は、従来技術に係る加湿器と比較し、２次側ガスの出口固定部の端面は、水平方向に対して傾斜するよう形成されている。

従って、２次側ガス出口固定部４の端面付近で発生した結露水を傾斜方向へ移動させ、排出することが容易になり、結露水が中空糸膜の出口側の端部に留まることを抑制し、中空糸膜の出口側の端部が閉塞することを抑制できる。

図３は、燃料電池用加湿器１１の中空糸膜長さ方向の断面概略図の２次側ガス出口固定部付近の拡大図である。

図３に示すように、中空糸膜の出口側の端部の切断面が長さ方向の略垂直方向に切断されており、２次側ガス出口固定部４の端面の平坦性が低い場合においても、端面の傾斜により、２次側ガス出口固定部４の端面付近で発生した結露水を傾斜方向へ移動させ、排出することができるので、結露水が中空糸膜の出口側の端部に留まることを抑制し、中空糸膜の出口側の端部が閉塞することを抑制できる。

（実施の形態２）
次に、本実施の形態２に係る燃料電池用加湿器の構成について、図４を参照しながら説明する。

図４は、燃料電池用加湿器１２の中空糸膜長さ方向の断面概略図である。

図４に示すように、実施の形態２の加湿器は、実施の形態１に係る加湿器と比較し、２次側ガス出口配管８は、２次側ガス出口固定部の端面の、重力方向の下端側に形成されている。

従って、２次側ガスを中空糸膜束１の出口側の端部が傾斜する方向に排出でき、傾斜方向へ移動した結露水を加湿器の外部へ容易に排出できる。

（実施の形態３）
次に、本実施の形態３に係る燃料電池用加湿器の構成について、図５を参照しながら説明する。

図５は、燃料電池用加湿器１３の中空糸膜長さ方向の断面概略図である。

図５に示すように、実施の形態３の加湿器は、実施の形態２に係る加湿器と比較し、第１の１次側ガス配管５は、中空糸膜束１の２次側ガス出口固定部の端面の、重力方向の下端側の筐体２の側部に形成されている。

従って、燃料電池に供給される２次側ガス出口配管８と燃料電池から排出される第１の１次側ガス配管５とが、筐体２の側部の同じ側に設けられているため、燃料電池及び加湿器を配管で接続する際の距離をより短くすることができ、省スペース化を実現できる。

このように構成された本実施の形態１〜３に係る燃料電池用加湿器は、２次側ガス出口固定部の端面付近で発生した結露水を傾斜方向へ移動させ、排出することが容易になり、結露水が中空糸膜の出口側の端部に留まることを抑制し、中空糸膜の出口側の端部が閉塞することを抑制するので、中空糸膜の長さ方向が鉛直方向になる設置方向において、燃料電池用加湿器の性能を安定的に確保することができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池用加湿器は、中空糸膜の長さ方法が鉛直になるように設置した場合において、２次側ガスの出口固定部の端面で発生した結露水を傾斜方向へ移動し、排出することに有効であり、中空糸膜を閉塞することによる、加湿不足などの影響を受け難い。よって、安定した加湿性能と、設置方向の制約を無くすことによるシステムの小型化との両立を要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステム等の用途に適用できる。

１ 中空糸膜束
２ 筐体
３ ２次側ガス入口固定部
４ ２次側ガス出口固定部
５ 第１の１次側ガス配管
６ 第２の１次側ガス配管
７ ２次側ガス入口配管
８ ２次側ガス出口配管
１０、１１、１２、１３ 燃料電池用加湿器

Claims (5)

1. 複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に配置される筐体と、
   前記中空糸膜束の両端に、前記中空糸膜の外壁面と前記筐体の内壁面との間を封止固定する固定部と、を備え、
   燃料電池から排出される高湿潤状態の１次側ガスから、前記中空糸膜を介して、前記燃料電池に供給される低湿潤状態の２次側ガスへ、水分を移動させる燃料電池用加湿器であって、
   前記２次側ガスが、前記中空糸膜の内部を重力方向の上方に向かって通流するよう構成され、
   前記２次側ガスの出口固定部の端面は、水平方向に対して傾斜するよう形成されている、燃料電池用加湿器。
2. 前記１次側ガスが、前記中空糸膜の外壁面と前記筐体との間を重力方向の下方に向かって通流するよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記筐体に配設された前記２次側ガスの出口配管は、前記２次側ガスの出口固定部の端面の、重力方向の下端側に配置されている、請求項１または２に記載の燃料電池用加湿器。
4. 前記筐体に配設された前記１次側ガスの入口配管は、前記２次側ガスの出口固定部の端面の、重力方向の下端側の前記筐体の側部に配置されている、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の加湿器と、前記１次側ガスを排出し、前記２次側ガスが供給される燃料電池と、を備える燃料電池システム。