JP4200736B2 - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電解質膜に固体高分子膜を用いた、いわゆる固体高分子型燃料電池は、固体高分子の一方に水素ガス等の燃料ガスを、他方に空気などの酸化ガスを通流させることにより、電解質膜内を水素イオンが移動して、発電を行うものである。ここで固体高分子膜は、イオン導電性を確保するために所定以上の湿潤状態を維持する必要があり、このため燃料電池システム運転時には燃料電池へ供給されるガスを加湿することで固体高分子膜へ水分を補給し、湿潤状態を維持する技術がある。
【0003】
この技術の一例として、水回収器とヒータタンクとを一体に設け、ヒータタンクで温度調整した水を用いて酸化ガスと燃料ガスとを加湿するように構成されるものがある(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001‐266916号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術においては、排酸化ガス中の水分を水回収器で水を凝縮させて回収するため水の回収量を確保するためには回収時の排酸化ガスの温度を低減させる必要があり、このために熱交換器を設置しなければならないという問題がある。
【0006】
したがって、本発明においては、上記課題を鑑みて、熱交換器を設けることなく、水の回収を効率よく行う燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の加湿装置は、供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池と、この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第1手段と、前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第2手段と、前記燃料電池に前記液体を供給する第1流路と、前記第2手段に前記液体を供給する第2流路と、前記第1流路と、前記第2流路と、の分岐点に設けられ、前記液体が供給される流路を切換える弁と、を備え、燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第1手段、第2手段、燃料電池の順に配置し、前記切換弁の作用により前記第1流路を流通する液体を前記第2流路に供給するように構成したことを特徴とする。
【0008】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池から排出される高温の排気を低温の燃料電池に供給されるガスとの間で熱交換することで排気温度が低下して排気中の水分が凝縮し、この水分により供給されるガスを加湿することができるため、凝縮のための熱交換器等を設置する必要がない。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の加湿装置が適用される燃料電池システムの構成図である。本構成図においては、燃料電池スタック1に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとは同じ構成を備えるため、説明を容易にするため一つの構成を代表して記載した。また説明上は、燃料ガスと酸化剤ガスと網羅して供給ガスと称することにする。
【0010】
燃料電池スタック1は、固体高分子型燃料電池の単セルを積層したスタックであって、前述のように固体高分子膜を所定の湿潤状態に維持する必要がある。本発明では供給ガス中の水分を固体高分子膜に供給することで、湿潤状態を維持するようにする。
【0011】
供給ガス中に水分を補給する手段として、本発明では、水−ガス加湿器(第2手段)2とガス−ガス水回収装置(第1手段)3とが設置され、これらは供給ガスの流れ方向で燃料電池スタックに対して上流側に設置され、またガス−ガス水回収装置3が、水−ガス加湿器2より上流側に設置される。水−ガス加湿器2は、水分離膜を備え、燃料電池スタック1の冷却水(例えば、不凍液)の水分を供給ガスに補給する。ガス−ガス水回収装置3は水透過膜を備え、燃料電池スタック1から排出された排気中の水分を供給ガスに供給する。これら水−ガス加湿器2、ガス−ガス水回収装置3については、その詳細を後述する。
【0012】
ガス−ガス水回収装置3に供給される供給ガスは、フィルタ4により不純物が除去されている。またガス−ガス水回収装置3から排出される供給ガスは、コンプレッサ(圧縮手段)5により圧縮されて水−ガス加湿器2に送られ、水−ガス加湿器2から燃料電池スタック1に供給される。供給ガスは、発電に供されてその後、排ガスとしてガス−ガス水回収装置3に導入されて、前述のように供給ガスを加湿するために用いられ、ガス−ガス水回収装置3から排出された排気は、水回収器(第3手段)6で残留した排気中の水分を回収されて外部に放出される。水回収器6で回収された水は、タンク7に貯留される。
【0013】
タンク7に貯留された水は不凍液と混合して、水−ガス加湿器2において供給ガスを加湿されるために用いられるとともに、燃料電池スタック1を冷却するための冷媒として用いられる。タンク7の不凍液はポンプ8によって三方切換弁9に送られ、不凍液は三方切換弁9の切換えによって、水−ガス加湿器2への供給(図中2aの流路、第2流路)あるいは燃料電池スタック1を冷却するためのラジエータ10への供給(図中10aの流路、第1流路)とに制御される。
【0014】
三方切換弁9から水−ガス加湿器2に向かう水は、その経路途中に設置した加熱器11によって水が所定温度に加熱されて水−ガス加湿器2に供給される。またラジエータ10に送られた不凍液は、ラジエータで放熱された後、一部は循環ポンプ12の作用により燃料電池スタック1内の温度を所定温度に維持するために循環して(図中10bの流路、第1流路)燃料電池スタック1と熱交換し、残りはバイパス流路(第3流路)10cを通じて加熱器11に供給される。燃料電池スタック1から排出された不凍液は、ラジエータ10の入口側に戻されて、再びラジエータ10で放熱される。
【0015】
これまで説明した燃料電池システムの発電量や運転状態を制御するためのコントローラ13が設置され、このコントローラ13に燃料電池スタック1の内部温度を検出するためのセンサ14、燃料電池スタック1に流入する供給ガス温度及び湿度を検出するためのセンサ15、さらに水−ガス加湿器2に流入する水の温度を検出するためのセンサ16からの出力が入力される。コントローラ13はこれら入力値に基づいてコンプレッサ5、ポンプ8、三方切換弁9、加熱手段11の運転状態を制御する。
【0016】
次に、図2から図4を用いてガス−ガス水回収装置3の構成の一例を説明する。
【0017】
この水回収装置3は、中空の円柱状の本体部17の上下面にそれぞれ本体部17内部に燃料電池スタック1からの排気を導入するための第1入口パイプ18と本体部内部から排気を排出するための第1出口パイプ19を設置する。本体部17の内部は2枚のポッティング20a、20bにより排気の流れ方向に仕切られた水回収室21が形成され、この水回収室21に水蒸気透過膜で形成された中空糸膜22が複数設置されている。この中空糸膜22は、パイプ状をしており、中空糸膜22の内部を排気が通過するように構成される。
【0018】
本体部17の側壁には、水回収室21にフィルタ4を通過した供給ガスを導入するための第2入口パイプ23と、水回収室21から供給ガスを排出するための第2出口パイプ24とが設置される。排気流れ方向下流側に設置された第2入口パイプ23から水回収室21に導入された供給ガスは、中空糸膜22間を流通して上流側に設置された第2出口パイプ24から排出される。
【0019】
このように構成されて、燃料電池スタック1から排出される排気中には、多量の水分が含有されており、対して供給ガス中には、例えば酸化ガスとしての空気中には外気相当の水分しか含有されていない。このような2種類のガスが水回収室21に導入されると、水蒸気分圧差に基づいて排気中の水分が、水回収室21中に複数設置された中空糸膜22を介して移動し、供給ガス中の水分量が増加する。このとき中空糸膜22を複数設置することで、表面積を増大し、効率よく水分の移動を行うことができる。また燃料電池スタック1から排出された排気は高温であり、低温の供給ガスは高温の排気との間で熱交換し、その温度を上昇させ、排気は温度を低下させることができる。また、排気の流れ方向と供給ガスの流れ方向とは対向する流れ方向となるようにガス−ガス水回収装置3が構成されており、効率よく十分に水の回収と熱交換を行うことができる。このようにして排気温度は、第1出口パイプ19から排出されるときには燃料電池スタック1に供給される供給ガスの温度と略同温とすることができる。
【0020】
次に、図5から図7を用いて水−ガス加湿器2の構成の一例を説明する。構成としては図2から図4に示したガス−ガス水回収装置3と同様であるが、中空糸膜25は水分離膜で構成されている。また、第3入口パイプ26と第3出口パイプ27を流入出する媒体は、ガス−ガス水回収装置3から排出されて燃料電池スタック1に供給される供給ガスであり、第4入口パイプ28と第4出口パイプ29から流入出する媒体は、加熱器11から排出された液体、例えばアルコールを含んだ不凍液となる。
【0021】
ここで、中空糸膜25を構成する水分離膜は、不凍液中のアルコールを透過せず、水のみを透過させる特性を有するものであり、水回収室30では不凍液中の水分が中空糸膜25を透過して供給ガス中に蒸発する。このようにして供給ガスは、第3出口パイプ27部では不凍液の湿度と略同等の露点近くにまで加湿された状態となる。不凍液は加熱器11によって加熱された高温状態となっており、不凍液の熱によって供給ガスが加熱され、ほぼ不凍液と同等の温度にまで昇温し、燃料電池スタック1の供給される。このとき、供給ガスの流れ方向と不凍液の流れ方向とが対向する方向となるように構成されているため、効率よく熱の交換が可能となる。
【0022】
図8と図9は、ガス−ガス水回収装置3から排出された排気中の水分を回収するための水回収装置6の構成の一例を示すものである。水回収装置6は、ガス−ガス水回収装置3から排出された排気は、中空の円柱状の本体部31の上下面にそれぞれ排気排出パイプ32と水パイプ33を設置する。更に本体部31の側面にガス−ガス水回収装置3から排出された排気を本体部31内に導入するための排気導入パイプ34が、本体部31の接線方向に延設される。このように構成することで、本体内部に導入された排気は旋回流となり、旋回流による遠心分離作用により排気中の水分を分離し、本体部下面に形成した水パイプ33からタンク7に分離した水を排出する一方、水分を分離された排気は本体部31の上面に設けられた排気排出パイプ32から外部に排出される。
【0023】
以下、本発明の加湿装置の作用について説明する。
【0024】
コンプレッサ5の運転により、供給ガス、例えば空気が吸引されてフィルタ4に導入される。空気はフィルタ4によりダスト等をろ過されてガス−ガス水回収装置3に導入される。この水回収装置3では燃料電池スタック1から排出された排気との間で、両者間の温度差及び水蒸気分圧差に基づき、前述のような熱の移動と水分の移動が行われる。ここで、水回収装置3はコンプレッサ4の上流に位置するため、コンプレッサ4の運転により水回収装置3に導入される供給ガスの圧力は低くなり、より大きな水蒸気分圧差を確保することができる。また水回収装置3での熱交換により排気温度は、水回収装置3に導入直後の供給ガス温度と同等となり、水回収装置3の下流に設置された水回収装置6で十分な水分凝縮が可能となる。
【0025】
またシステムが高負荷運転された時には、燃料電池スタック1の排気の温度が高くなることで供給ガス温度も高くなり、供給ガス中に含有できる水分量が増加するため、ガス−ガス水回収装置3での供給ガスへの加湿量が不足する可能性がある。このような場合には、コンプレッサ4の下流に設置された水−ガス加湿器2により供給ガスの水分の不足分を補うようにする。水−ガス加湿器2に導入される不凍液は、加熱器11によって高温状態となっており、この高温の不凍液と供給ガスが熱交換することで、供給ガスは不凍液とほぼ同じ温度にまで昇温される。したがって、燃料電池スタック1の運転状態に応じて設定される供給ガスの要求温度となるように不凍液を加熱器11により要求温度まで加熱することで、不凍液との熱交換により供給ガス温度を要求温度に制御することができる。
【0026】
つまり、燃料電池スタック1の運転状態に応じて供給ガスの目標温度と目標湿度を算出し、この目標値とセンサ15の検出値とを比較し、湿度が目標値より低い場合には、加熱器11で不凍液を加熱して供給ガスへの水分の移動を促進し、温度が目標値より低い場合にも不凍液を加熱器11で加熱して、不凍液から供給ガスへの熱移動を促進して供給ガスの温度を高める。このような制御によって、システムの始動時や過渡時においても燃料電池スタックの運転状態を適性に維持することができる。
【0027】
不凍液中に含まれるアルコール等の成分は、燃料電池スタック1の電解質膜に影響を及ぼす成分が含まれており、水のみを抽出して供給ガスを加湿させたいため、水−ガス加湿器2に不凍液中の水のみを透過する水分離膜を設置して、水のみを供給ガスに供給するようにする。
【0028】
また、水−ガス加湿器2で不凍液中の水分が供給ガスに供給されることにより、不凍液の濃度が上昇することになるが、水−ガス加湿器2に導入される供給ガスは、ガス−ガス水回収装置3での加湿を行った後の供給ガスであり、水−ガス加湿器2での加湿量は少ないこと、また水回収装置7で回収した水分をタンク7に溜め、タンクに貯留した水を不凍液を混合することで不凍液の濃度が低下されることから不凍液の濃度が濃くなることを防止できる。このようにして、燃料電池システム中の純水量を最小限度に抑制することができ、氷点下からの始動時においても解氷に必要なエネルギを省くことができ、始動性を向上できる。
【0029】
供給ガスを水−ガス加湿器2に圧縮供給するコンプレッサ5においても、供給ガスは圧縮により温度上昇し、コンプレッサ5から送られる供給ガスの温度が燃料電池スタックの要求ガス温度より高い場合には、水−ガス加湿器2において、供給ガスの温度を奪うことで供給ガスの温度を適性に制御することが可能である。
【0030】
コントローラ13が、システムを氷点下時から起動する際に実施する制御内容について説明する。通常の燃料電池システムでは、供給ガス加湿用に純水を貯留しているため、この純水が凍結している場合には、解氷するまで供給ガスを加湿することができない。しかしながら本発明においては、三方切換弁9が不凍液を加熱器11に供給するように制御することで、速やかに供給ガスの湿度及び温度を要求条件にすることができ、燃料電池スタックを始動性を向上できる。
【0031】
また加熱器11は、常時運転しておくと効率が低下するため、センサ16で検出される水−ガス加湿器2に導入される不凍液温度が、燃料電池スタック1の目標供給ガス温度より低く、かつ燃料電池スタック1を冷却するために用いられる不凍液(ラジエータ10下流の不凍液)の温度より高い場合には、不凍液を三方切換弁9から直接加熱器11に導入するように三方切換弁9を制御し、加熱器11で不凍液を加熱し、目標水温となるように制御する。一方、水−ガス加湿器2に導入される不凍液温度が、燃料電池スタック1の目標供給ガス温度より低く、かつ燃料電池スタック1を冷却するために用いられる不凍液温度より低い場合には、三方切換弁9を不凍液がラジエータ10を経由して停止した加熱器11に導入されるように切換えて、不凍液の廃熱により不凍液の温度を維持する。水−ガス加湿器2に導入する不凍液経路に燃料電池スタック1を冷却するための不凍液の一部を導入可能に構成したので、水−ガス加湿器2に導入される不凍液の温度制御を容易にすることができる。また、水−ガス加湿器2に導入される不凍液の水量を多くすることができるので、供給ガスへの加湿量を多くすることができる。また、供給ガスを速やかに昇温、あるいは温度を維持させることができる。
【0032】
この時のコントローラ13の制御内容を図10のフローチャートに示す。
【0033】
まずステップ1で燃料電池スタック1に供給される供給ガスの温度と湿度が目標値以下かどうかを判定し、少なくともいずれか一方が目標値以下であればステップ2に進み、ポンプ8を稼動させ、いずれもが目標値を超えている場合にはステップ3に進み、ポンプ8を停止させて制御を終える。
【0034】
ステップ2に続くステップ4では、水−ガス加湿器2に導入される不凍液温度が燃料電池スタック1を冷却する不凍液温度以上かどうかを判定し、以上の場合にはステップ5に進み、不凍液を三方切換弁9から加熱器11に直接導入するように三方切換弁9を切換えるとともに、加熱器11を作動させて不凍液を加熱する。一方、水−ガス加湿器2に導入される不凍液温度が低い場合には、不凍液をラジエータ10に導入するように三方切換弁9を切換え、加熱器11の運転を停止させる。
【0035】
したがって、本発明においては、供給ガスの流れ方向で上流側からガス−ガス水回収装置3、コンプレッサ5、水−ガス加湿器2の順に燃料電池スタック1の上流側に配置したことにより、燃料電池スタックから排出される排気をガス−ガス水回収装置3へ導入し、ガス−ガス水回収装置3に導入された供給ガスとの間で熱交換させることができる。これにより排気の温度は、供給ガス温度とほぼ同じ温度にすることができ、熱交換器等を設置することなく、排気中に含まれた水分を凝縮、回収することができる。
【0036】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の供給ガス加湿装置のシステム図である。
【図2】ガス−ガス水回収装置3の構成図である。
【図3】ガス−ガス水回収装置3の断面図である。
【図4】同じくガス−ガス水回収装置3の他の断面図である。
【図5】水−ガス加湿器2の構成図である。
【図6】水−ガス加湿器2の断面図である。
【図7】同じく水−ガス加湿器2の他の断面図である。
【図8】水回収装置6の正面図である。
【図9】同じく水回収装置6の平面図である。
【図10】コントローラ16の制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 水−ガス加湿器
3 ガス−ガス水回収装置
4 フィルタ
5 コンプレッサ
6 水回収器
9 三方切換弁
10 ラジエータ
10a 流路
10b 流路
10c 流路
11 加熱器
13 コントローラ
22 中空糸膜
25 中空糸膜
Claims (8)
- 供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池と、
この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第1手段と、
前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第2手段と、
前記燃料電池に前記液体を供給する第1流路と、
前記第2手段に前記液体を供給する第2流路と、
前記第1流路と、前記第2流路と、の分岐点に設けられ、前記液体が供給される流路を切換える弁と、
を備え、
前記燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第1手段、第2手段、燃料電池の順に配置し、前記切換弁の作用により前記第1流路を流通する液体を前記第2流路に供給するように構成した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 - 前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路を設け、
前記第2流路内の液体温度が、前記燃料電池に供給されるガスの目標温度より低く、かつ前記弁下流の第1流路内の液体温度より高い場合には、前記液体を第2流路にのみ流通させ、前記加熱手段によって加熱後に前記第2手段に導入し、前記第2流路内の液体温度が、前記燃料電池に供給されるガスの目標温度より低く、かつ前記弁下流の第1流路内の液体温度より低い場合には、前記液体を第1流路から前記第3流路を介して前記第2流路に流通させ、前記第2手段に導入させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の加湿装置。 - 供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池と、
この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第1手段と、
前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第2手段と、
前記第1手段の下流に設置され、その第1手段から排出された排気中の水分を回収する第3手段と、
を備え、
前記燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第1手段、第2手段、燃料電池の順に配置し、前記第3手段で回収した水分を前記第2流路中の前記液体に供給し、前記液体の濃度を所定濃度に維持する
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 - 供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池と、
この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第1手段と、
前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第2手段と、
前記第1手段と第2手段の間に第1手段から排出された供給ガスを圧縮する手段と、
を備え、
前記燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第1手段、第2手段、燃料電池の順に配置される
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 - 前記第2手段は、前記液体中の水分のみを分離する水分離膜を備え、
前記第2手段に導入された前記液体と供給ガスとの間の熱交換により液体中の水分が凝縮し、前記水分離膜を通過して供給ガスを加湿する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。 - 前記第2手段の上流に前記液体を加熱する手段を設け、この加熱手段により前記第2手段に導入される液体の温度を前記燃料電池の運転状態に応じて制御する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。 - 前記燃料電池の冷却に用いられる液体は、アルコール系水溶液からなる不凍液である
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。 - 前記第1手段は、排気中に含まれる水分が透過する水蒸気透過膜を備え、
前記第1手段に導入された前記排気と供給ガスとの間の熱交換により排気中の水分が凝縮し、水蒸気透過膜を通過して供給ガスを加湿する
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。
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