JP4196819B2 - Humidifier for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子形燃料電池へ供給する反応ガスを加湿するために用いられる加湿装置に関する。 The present invention relates to a humidifier used for humidifying a reaction gas supplied to a polymer electrolyte fuel cell.
固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子形燃料電池において所望の電池特性を得るには固体高分子膜を湿潤に保持することが必要である。このため、固体高分子形燃料電池では、反応ガスを加湿して供給する方法が一般に用いられている。
反応ガスの加湿には種々の方法が採られている。例えば、特許文献1には、加湿器を、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜によって隔てられた加湿剤室と被加湿ガス室とから構成し、加湿剤室に燃料電池より排出された電池オフガスを供給して被加湿ガス室に導入された反応ガスを加湿する方法が開示されている。この方法においては、反応生成水を受けて高度に湿度の上昇した電池オフガスが加湿剤室に流れ、水蒸気分圧の差により水蒸気が水蒸気透過膜を透過して被加湿ガス室へと移動し、反応ガスが加湿される。
また、特許文献2には、加湿剤室に温水を通流して反応ガスを加湿する方式の加湿器が示されている。この他、特許文献3、特許文献4には、加湿器の被加湿ガス室のガス導入口とガス排出口との間に被加湿ガス室を迂回するバイパス管を設け、バイパス管に流れる流量を調節して被加湿ガス室に流れる流量を制御し、反応ガスの加湿量を調整するものが示されている。
Various methods are used for humidifying the reaction gas. For example,
上記のように、従来の固体高分子形燃料電池においては、電解質として用いる固体高分子膜を湿潤に保持するために、例えば特許文献1、2に見られるごとく、加湿器により加湿した反応ガスを供給する方式が採られており、例えば特許文献3、4のごとく構成することによって加湿量が調整されている。しかしながら、特許文献1に示された加湿器のごとく、水蒸気透過膜によって加湿剤室と被加湿ガス室を隔てた構成の加湿器においては、得られる加湿量は反応ガスと水蒸気透過膜との接触面積に比例するので、十分な加湿量を得るにはこの接触面積を大きくする必要があり、加湿器のサイズが大型になってしまうという問題点がある。また、燃料電池が低負荷で運転される場合には使用する反応ガスの流量が低下するが、従来の加湿器においては加湿量の調整ができず、ガス流量が低下すると加湿量が増大するので、反応ガスが過度に加湿されるという難点があった。
As described above, in the conventional polymer electrolyte fuel cell, in order to keep the polymer electrolyte membrane used as the electrolyte wet, for example, as seen in
本発明は上記の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、小型ながら十分な加湿性能を有し、かつ加湿量の調整が可能な固体高分子形燃料電池用の加湿装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a humidifier for a polymer electrolyte fuel cell that is compact but has sufficient humidification performance and is capable of adjusting the humidification amount. Is to provide.
上記の目的を達成するために、本発明においては、
固体高分子形燃料電池に供給する反応ガスの加湿に用いる加湿装置を、被加湿ガス室と水蒸気透過膜で隔てられた加湿剤室に加湿剤を供給して被加湿ガス室に導入した反応ガスを加湿する加湿器と、この加湿器の被加湿ガス室のガス導入口とガス排出口とを連結するバイパス配管と、このバイパス配管中の反応ガスを上記のガス排出口側からガス導入口側へと通流させる流量調整可能なブロワーとを備えて構成することとし、上記の加湿剤として、例えば温水や高湿度ガスを用いることとする。なお、上記の流量調整には、ブロワーの出力を調整することの他に、ブロワーのON−OFF制御も含む。
In order to achieve the above object, in the present invention,
A humidifying device used for humidifying the reactant gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is a reactant gas introduced into the humidified gas chamber by supplying the humidifier to the humidified chamber separated from the humidified gas chamber and the water vapor permeable membrane. A humidifier that humidifies the gas, a bypass pipe that connects the gas inlet and gas outlet of the humidified gas chamber of the humidifier, and the reaction gas in the bypass pipe from the gas outlet side to the gas inlet side For example, warm water or high-humidity gas is used as the humidifier. The flow rate adjustment includes ON / OFF control of the blower in addition to adjusting the output of the blower.
上記のごとく、加湿装置を、加湿剤を供給する加湿剤室と反応ガスを供給する被加湿ガス室を水蒸気透過膜で隔てて配置した加湿器と、この加湿器の被加湿ガス室のガス導入口とガス排出口とを連結するバイパス配管と、このバイパス配管中の反応ガスを上記のガス排出口側からガス導入口側へと通流させる流量調整可能なブロワーとを備えて構成すれば、ガス導入口より被加湿ガス室に供給された反応ガスは、水蒸気透過膜を透過した加湿剤中の水分を受けて加湿される。さらに、加湿されてガス排出口より排出された反応ガスの一部は、上記のブロワーの作用によって上記バイパス配管中をガス導入口側へと通流し、再び加湿器の被加湿ガス室に送られて加湿処理が繰り返される。したがって本構成の加湿装置では、反応ガスと水蒸気透過膜との接触面積が実質的に増加することとなり、小型の加湿器でも反応ガスを高湿度に加湿することができる。 As described above, the humidifier includes a humidifier chamber in which a humidifier chamber for supplying a humidifier and a humidified gas chamber for supplying a reaction gas are separated by a water vapor permeable membrane, and gas introduction to the humidified gas chamber of the humidifier A bypass pipe that connects the gas outlet and the gas outlet, and a flow rate adjustable blower that allows the reaction gas in the bypass pipe to flow from the gas outlet side to the gas inlet side, The reaction gas supplied from the gas inlet to the humidified gas chamber is humidified by receiving moisture in the humidifying agent that has permeated the water vapor permeable membrane. Further, a part of the reaction gas that has been humidified and discharged from the gas discharge port flows through the bypass pipe to the gas introduction port side by the action of the blower, and is sent to the humidified gas chamber of the humidifier again. The humidification process is repeated. Therefore, in the humidifier of this configuration, the contact area between the reaction gas and the water vapor permeable membrane is substantially increased, and the reaction gas can be humidified to a high humidity even with a small humidifier.
なお、バイパス配管中に備えたブロワーの出力を調整することによって反応ガスの循環流量が制御され、ガス排出口を出て燃料電池スタックへと送られる加湿反応ガスの加湿量が定まる。すなわち、循環流量の割合を増大させれば燃料電池スタックへと送られる加湿反応ガスの加湿量が増大し、循環流量の割合を下げれば加湿反応ガスの加湿量も低下することとなる。したがって、燃料電池発電装置を低出力で運転する場合には、ブロワーの出力を下げて循環流量の割合を下げればよい。 In addition, the circulation flow rate of the reaction gas is controlled by adjusting the output of the blower provided in the bypass pipe, and the humidification amount of the humidification reaction gas sent from the gas discharge port to the fuel cell stack is determined. That is, if the ratio of the circulation flow rate is increased, the humidification amount of the humidified reaction gas sent to the fuel cell stack is increased, and if the ratio of the circulation flow rate is decreased, the humidification amount of the humidification reaction gas is also decreased. Therefore, when the fuel cell power generator is operated at a low output, the blower output may be reduced to reduce the ratio of the circulation flow rate.
本発明の固体高分子形燃料電池用の加湿装置の最良の実施形態は、加湿剤を供給する加湿剤室と反応ガスを供給する被加湿ガス室を水蒸気透過膜で隔てて配置した加湿器に、この加湿器の被加湿ガス室のガス導入口とガス排出口とを連結するバイパス配管を備え、さらにこのバイパス配管中に反応ガスを上記のガス排出口側からガス導入口側へと通流させる流量調整可能なブロワーとを備えて構成した実施形態にある。 The best embodiment of the humidifier for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a humidifier in which a humidifier chamber for supplying a humidifier and a humidified gas chamber for supplying a reaction gas are separated by a water vapor permeable membrane. A bypass pipe that connects the gas inlet and the gas outlet of the humidified gas chamber of the humidifier, and further the reaction gas flows from the gas outlet side to the gas inlet side in the bypass pipe. It is in embodiment comprised with the blower which can be made to adjust the flow volume.
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池の加湿装置の実施例の基本構成を示すフロー図である。図において、1は、水蒸気透過膜12により隔てられた加湿剤室11と被加湿ガス室13からなる加湿器であり、31は、被加湿ガス室13へ反応ガスを供給するガス供給配管、32は、被加湿ガス室13から加湿された反応ガスを排出するガス排出配管、33は、被加湿ガス室13のガス排出口より排出された反応ガスを再循環させてガス供給口へと導くためのバイパス配管であり、このバイパス配管33には反応ガスを通流させるための流量調整可能なブロワー2が組み込まれている。また、41は、加湿剤室11へ加湿剤としての温水を供給する加湿剤供給管であり、42は加湿剤室11より加湿剤を排出する加湿剤排出管である。
本構成の加湿装置においては、加湿剤室11へ温水を供給し、被加湿ガス室13へ反応ガスを供給することによって、反応ガスの加湿が行われる。特に本装置では、ブロワー2を備えたバイパス配管33が組込まれ、図示しない制御手段によってブロワー2の流量を調整するよう構成されているので、被加湿ガス室13のガス排出口より排出された反応ガスのうち一定量はバイパス配管33を再循環してガス供給口へと達し、再び被加湿ガス室13中で加湿されることとなる。したがって、加湿器1での加湿が効果的に行われることとなり、加湿器1が小型でも高度に加湿された反応ガスを得ることができる。
FIG. 1 is a flow diagram showing the basic configuration of an embodiment of a humidifier for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. In the figure, 1 is a humidifier composed of a
In the humidifier of this configuration, the hot water is supplied to the
本実施例の構成とすれば、このように加湿が効果的に行われ、高度に加湿された反応ガスが得られるが、ブロワー2の出力を低下させ、あるいは停止させれば、循環流量が低下して得られる反応ガスの加湿量が下がるので、反応ガスの消費量の少ない低出力運転時等に反応ガスが過度に加湿されるのを防止することができる。
なお、本構成においては加湿剤室11へ供給する加湿剤として温水を用いることとしているが、この温水として燃料電池本体を運転温度に保持するために用いる電池冷却水を用いれば、システムの構成がより簡素化される。また、温水に替わって高湿度ガスを加湿剤として用いてもよい。この場合、燃料電池本体から排出される電池オフガスをこの高湿度ガスとして用いればシステムがより簡素に構成される。
With the configuration of the present embodiment, humidification is effectively performed in this way, and a highly humidified reaction gas can be obtained. However, if the output of the
In this configuration, hot water is used as the humidifier supplied to the
固体高分子形燃料電池の加湿装置を本発明のごとく構成すれば、上記のごとく、小型ながら十分な加湿性能を有し、かつ加湿量の調整が可能となるので、据付形の固体高分子形燃料電池をはじめ、各種の固体高分子形燃料電池の加湿装置として利用することが可能となる。 If the humidification device of the polymer electrolyte fuel cell is configured as in the present invention, as described above, it is small but has sufficient humidification performance, and the amount of humidification can be adjusted. It can be used as a humidifier for various polymer electrolyte fuel cells including fuel cells.
1 加湿器
2 ブロワー
11 加湿剤室
12 水蒸気透過膜
13 被加湿ガス室
33 バイパス配管
1 Humidifier
2
Claims (3)
2. The humidifier for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the humidifier is a high humidity gas.
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