JP4604445B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する空気または燃料を加湿する燃料電池用加湿装置および空気加湿方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に燃料電池では、固体高分子電解質膜を水素イオンが通過することによる発電反応を行う際に、固体高分子膜中に水が存在する必要があった。この水分を供給する方法として種々の方法があり、たとえば特許文献1には燃料電池のオフガスに含まれる発電生成水により反応ガスを加湿する構成が記載されている。
【0003】
【特許文献1】
特許第3111697号公報(第3ページ[0010]および図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載の方法は生成水および生成熱が反応ガスの供給量に比例するので、加湿および予熱が停滞なく行われ、負荷の変動に対応して加湿された反応ガスを燃料電池に供給することができる。しかし、燃料電池のオフガスに含まれる水蒸気の加湿のみでは十分な加湿量が得にくい。また、燃料電池を冷却し温水とした冷却水を用いた加湿を行う方法があるが、冷却水からの加湿には冷却水に純水を用いなくてはならないが、冷却水の凍結防止のためには不凍液を用いる事が望ましいため冷却水による加湿は不適応である。
【0005】
本発明は、このような課題を解決するものであり、反応ガスである供給空気を飽和状態の加湿が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【0006】
また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムは、固体高分子膜の両面に配された燃料極および酸化剤極と、冷却水を流す冷却部と、を有する燃料電池と、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第1の主面に設けられ供給空気を流す給気流路と、前記透湿膜の第2の主面に設けられた前記燃料電池の前記酸化剤極からの排気ガスを通過させる排気流路と、前記排気流路に供給された前記燃料電池の前記酸化剤極からの排気ガスを加熱する温水路と、を備えた加湿器と、前記給気流路に空気を供給するブロワと、前記冷却部と前記温水部を接続する第一の冷却水路と、前記温水部と前記冷却部を接続する第二の冷却水路と、を有し、冷却水は、前記冷却部で前記燃料電池で発生した熱により加温され、かつ、冷却部、前記第一の冷却水通路、前記温水路、前記第二の冷却水通路の順に循環し、排気空気が重力直下または水平方向に流れるように、かつ、上向きの流れ方向を含まないように前記排気流路は形成され、前記排気流路を流れる排気空気の流れの方向は、前記給気流路を流れる供給空気の流れの方向と逆方向であり、前記温水路を流れる温水の流れの方向は、供給空気の流れの方向と対向した方向で、上下方向にジグザグ状に流れることを特徴とする。
【0008】
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の前記酸化剤極からの排気ガス中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を前記温水路により加熱することを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記水分回収手段はトラップであることを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記水分回収手段は気水分離部を有し、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたことを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿器は、
前記透湿膜と、前記給気流路と、前記排気流路と、および前記温水路と、を一体化したユニットを1つまたは複数個積層した構成であることを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記温水路が前記水分回収手段に隣接して配されたことを特徴とする。
【0014】
本発明の請求項に記載の発明は、請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水分回収手段は排気流路に連結した前記排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成されたことを特徴とする。
【0015】
本発明の請求項に記載の発明は、請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水分回収手段は前記排気流路内に配された1つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成されたことを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第1の主面に設けられ空気を流す空気流路と、前記透湿膜の第2の主面に設けられた純水または水蒸気を供給する補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路に供給された流体を加熱する加熱手段を備えたものである。
【0027】
本発明によれば、反応ガスである供給空気を簡単な構成の加湿系により飽和加湿させることができる。また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿をすることができ、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【0028】
また、他の実施の形態は、流体供給手段により燃料電池の排気を供給し、この供給された排気中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を加熱手段により加熱するものである。そして本発明によれば、排気中の水蒸気による加湿に加え、排気中の水分を回収して発生させた水蒸気により供給空気を加湿することができるので、反応ガスである供給空気を無給水で飽和加湿させることができる。
【0029】
また、他の実施の形態は、流体供給手段により補給路に燃料電池の排気を供給し、前記補給路内に水分回収手段であるトラップを備えたものである。そして本発明によれば、排気空気中に含有されている水分を簡単な方法で回収することができる。
【0030】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は排気を供給する補給路内に気水分離部を備え、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたものである。そして本発明によれば、排気空気中に含有されている水分を簡単な方法で回収することができる。
【0031】
また、他の実施の形態は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第1の主面に設けられた空気流路と、前記透湿膜の第2の主面に設けられた純水または水蒸気の補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路を流れる流体を加熱する加熱手段を一体化したユニットを1つまたは複数個積層したものである。そして本発明によれば、燃料電池用加湿装置を簡単な構成で小型にすることができる。
【0032】
また、他の実施の形態は、加熱手段は燃料電池を冷却した冷却水としたものである。そして本発明によれば、燃料電池が発生する熱を有効利用しているので新たな熱源を必要としない。
【0033】
また、他の実施の形態は、水分回収手段が透湿膜の第2の主面に設けられた補給路内に設けられ、加熱手段が前記水分回収手段に隣接して配されたものである。そして本発明によれば、燃料電池用加湿装置を簡単な構成で小型にすることができる。
【0034】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は補給路に連結した排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成されたものである。そして本発明によれば、回収した水分による加湿機構を外付けで取り付けることができるので、この装置を備えていない既存の装置でも簡単に加湿機構を付加することができる。
【0035】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は補給路内に配された1つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成されたものである。そして本発明によれば、空気加湿ユニットの数を調整することにより空気加湿量を自由に制御することができる。
【0036】
また、他の実施の形態は、水滞留部の透湿膜に接する面積が透湿膜の面積の10〜50%としたものである。そして本発明によれば、簡単な構成で確実に飽和加湿を行うことができる。
【0037】
また、他の実施の形態は、補給路における流体の流れ方向と空気流路における供給空気の流れの方向が互いに対向した方向としたものである。そして本発明によれば、供給空気の加湿が効率よく行うことができる。
【0038】
また、他の実施の形態は、加熱手段が燃料電池を冷却した冷却水であり、前記冷却水の温度と流体流路を流れる加湿水の温度差を低減させる低減手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、供給空気流路を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【0039】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段が補給路内流体流路に加湿水を循環させる手段としたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【0040】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段を流体流路と加熱手段の接触面積を拡大する手段としたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【0041】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段が空気流路に供給する空気の一部を分岐させて補給路内に供給する手段であり、前記補給路内の加湿水を攪拌し熱伝達の促進を図るものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【0042】
また、他の実施の形態は、加熱手段と補給路間の伝熱面を振動させる振動手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【0043】
また、他の実施の形態は、空気流路と補給路間の伝熱面を振動させる脈動手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【0044】
また、本発明の燃料電池の空気加湿方法は、燃料電池の排気から水分を回収する第1のステップと、前記回収された水分を加熱する第2のステップと、排気中の水蒸気により燃料電池に供給する空気を加湿する第3のステップと、前記第2のステップで発生した水蒸気により前記空気を加湿する第4のステップを有するものである。そして本発明によれば、排気中の水蒸気による加湿に加え、排気中の水分を回収して発生させた水蒸気により供給空気を加湿することができるので、反応ガスである供給空気を無給水で飽和加湿させることができる。
【0045】
また、他の実施の形態は、第3のステップの後第4のステップで加湿するものである。そして本発明によれば、供給される空気量に応じて加湿量を自由に制御することができる。
【0046】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【0047】
(実施例1)
本発明の第1の実施例における燃料電池およびその空気供給系の概念図を図1に示す。燃料電池1は、たとえば、特許文献1の図2に記載されているように固体高分子膜の両面に燃料電極および酸化剤電極が配され、燃料としての水素と酸化剤としての酸素(空気)を反応させて発電する。発電する際発生した熱はポンプ2から冷却水通路A3を通って燃料電池1の冷却部4に供給された冷却水により冷却される。冷却水は冷却部4で燃料電池1で発生した熱により加温され、冷却水通路B5を通って加湿器6の温水流路7に供給され、温水流路7を通った冷却水は冷却水通路C8を通ってポンプ2に循環する。
【0048】
加湿器6は透湿膜9の一側に酸化剤としての空気を通過させる給気流路10および燃料電池1からの排気を通過させる排気流路11が形成されており、排気流路11に隣接して冷却部4からの温水を通過させる温水流路7が設けられている。加湿器6の給気流路10にはブロワ12から酸化剤としての空気が供給され、空気はさらに空気通路13を通って燃料電池1に供給され、水素ボンベ14から燃料通路15を通って供給される水素と空気中の酸素が反応して発電するとともに水を生成する。この水は排気空気中に含有されて排気通路16を通って加湿器6の排気流路11に供給される。燃料電極側の排ガスは排ガス通路17により排気される。
【0049】
加湿器6の構造を図2に示す。加湿器6は図2(a)に示すように単ユニット18aを1個または複数個積層したユニット構造により構成される。単ユニット18aでは図2(b)に示すように排気空気と給気空気が対向するように流路が形成される。温水路は中央部から流入し、単ユニット18a内をジグザグ状に流れるように形成される。
【0050】
透湿膜9はきわめて薄くやわらかいので、図3(a)、(b)に示すように、透湿膜9の全面を多孔性またはメッシュ状の支持体19で覆い、これをリブ20に固定する。支持体19は透湿膜9の伝熱面となるので、伝熱性および耐腐食性が高く金属イオンの流出しない材料であるステンレス鋼が好適である。多孔性またはメッシュ状の格子としては、ネット、クロス、パンチングプレート、不繊布などが利用可能である。リブ20はポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリイミドなどの樹脂で作成される。
【0051】
図2(a)に戻り、給気流路10は透湿膜9の一主面側に形成され、図2(c)に示すように壁面21に形成された仕切板22で仕切られた複数の給気流路10から構成されている。単ユニット18aを積層したものを垂直になるように設置した場合、給気流路10は図4(a)に示すように、供給空気が下方から上方に流れる事が無いように空気入口23および空気出口24を配置する。
【0052】
各給気流路10は隣接する仕切板22同士および壁面21および透湿膜9で囲まれた領域に形成され、図2(a)のように単ユニット18aが垂直方向になるようにユニット構造を配置した場合、仕切板22相互間の間隔h(図2(c)参照)の高さと、壁面21および透湿膜9間の間隔t(図2(a)参照)の幅を有し、これらは5mm以下程度にすることが好ましい。
【0053】
透湿膜9の反対側の主面には排気流路11が形成されている。排気流路11は図2(c)に示すように壁面A25に形成された仕切板A26で仕切られた複数の排気流路11から構成されている。図4(a)に示すように、排気空気が下方から上方に流れる事が無いように排気入口27および排気出口28を配置する。
【0054】
仕切板A26には排気中の水分を回収する1個または複数のトラップ29が形成されており、水分を含む排気空気が各仕切板A26間の排気流路11を通過するとき、水分がトラップ29に捕獲され、排気空気中から水分が分離される。
【0055】
図2(b)に示すように、排気流路11を流れる排気空気の流れ30の方向は給気流路10を流れる供給空気の流れ31の方向とは逆方向とした対向流とすることが好ましい。また、排気空気は水分を含有するので、排気流路11は重力直下または水平方向に流れるように配され、上から下、右から左、左から右に、またはストレートもしくは折り返しを複数設けて上向きの流れ方向を含まないように形成する。
【0056】
各排気流路11は隣接する仕切板A26同士および壁面A25および透湿膜9で囲まれた領域に形成され、図2(a)のように単ユニット18aが垂直方向になるようにユニット構造を配置した場合、壁面A25および透湿膜9間の間隔T(図2(a)参照)の幅を有する。排気流路11は排気空気の圧力が供給空気の圧力より低いので、この圧力差により透湿膜9が排気流路11側に垂れ込んで実際の間隔Tより小さくなる傾向にある。したがって、排気流路11の間隔Tは給気流路10の間隔tよりも大きくすることが好ましい。
【0057】
排気流路11の壁面A25は、親水性とすることにより壁面に均一に排気空気中の水が供給されるので圧力損失を下げることができる。一方撥水性にすれば排気空気中の水が壁面A25に付着しにくいので凝縮水の滴下が容易になりトラップ29で回収しやすくなる。いずれを選択するかは使用条件に応じて任意である。親水性、撥水性の加工は壁面A25にコーティング処理を施すことにより行われる。
【0058】
排気流路11の裏側には、温水流路7が形成される。温水流路7は排気流路11の反対側の壁面A25にジグザグ状に形成された温水流路7を設け、この温水流路7を流れる温水により排気流路11のトラップ29に捕獲された水分を加温する。
【0059】
図2(b)に示すように、温水の流れ32の方向は、供給空気の流れ31の方向と対向した方向で、各単ユニット18aの中央部から上下方向にジグザグ状に流れ反対側の中央部から排出されるように設定する。
【0060】
なお、図3で説明したリブ20の役割は図2で説明した仕切板22および仕切板A26が果たす。
【0061】
また、図4(b)に示すように空気入口23a〜23c、空気出口24a〜24cと排気入口27a〜27c、排気出口28a〜28cを各々設け多ヘッダー構成としてもよく、単ユニット18a内の給気流路10を流れる供給空気の流れ31および排気流路11を流れる排気空気の流れ30は、より均等に流れる。
【0062】
つぎに、動作を説明する。水素ボンベ14からの燃料水素は必要に応じて加湿されて燃料通路15を介して燃料電池1の燃料電極に供給される。一方、ブロワ12からの空気は加湿器6の給気流路10で加湿されて空気通路13から燃料電池1に供給される。燃料電池1では、水素ボンベ14からの水素燃料とブロワ12からの空気中の酸素とが反応して発電する。このとき、副生成物として水を生成する。水は燃料電池1からの排気空気中に水分として含有され、排気通路16を通って加湿器6の排気流路11に供給される。排気流路11に供給された排気空気は図2(c)に示すようにトラップ29で水分が回収されるとともに、一部の水蒸気は透湿膜9を通って給気流路10を通過する供給空気を加湿する。このとき、排気流路11の壁面を親水性とすることにより排気空気の圧力損失を小さくすることができる。未反応の水素ガスは排ガス通路17から水素ボンベ14に循環させるか系外に排出する。
【0063】
一方、燃料電池1が発電時に熱を発生するが、この熱はポンプ2からの冷却水により冷却部4で冷却され、冷却部4からは加温された冷却水が冷却水通路B5を通って加湿器6の温水流路7に供給される。温水流路7を通る温水は排気流路11でトラップされた水分を加温して水蒸気を発生させる。このときの加温温度は供給空気の蒸気露点温度に対して0〜+10℃の温度が好ましく、必要に応じて冷却水の温度制御装置を設ければよい。この水蒸気も透湿膜9を通って給気流路10を通過する供給空気を加湿する。この結果、燃料電池1に供給される空気は飽和状態まで加湿されることになる。この結果、酸化剤としてのブロワ12からの供給空気は、排気空気内の水蒸気で加湿されると同時に排気流路11にトラップされた水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。給気流路10を通る空気を加湿する水蒸気は燃料電池1で発生した水分であり、この水分が再び加湿空気の加湿水分として燃料電池1に供給されるため、水分の純度が保たれたままで水の消費はほとんどなく、外部から新たに純水を補給する必要はない。
【0064】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温だけに使用され、加湿用水分としては使用しない。そのため、冷却水の水質管理は不要となり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。さらに、加湿系の構成が非常に簡単であるためメンテナンスが容易である。
【0065】
積層された単ユニット18aは水平方向の配置、垂直方向の配置のいずれでもよく、水平方向になるように配置する場合は単ユニット18aの排気流路11が下方になるように配置することが好ましく、排気流路11が下方になると、トラップ29で回収された水分は壁面A25側に溜り温水流路7により加熱され易くなる。また、透湿膜9が水分で覆われ難くなるので、排気空気中の水蒸気成分は加熱により生じた蒸気も含めて透湿膜9を確実に通過し易くなる。
【0066】
積層された単ユニット18aを垂直方向になるように配置した場合は、トラップ29で回収された水分は下方に溜まり、同様に排気流路11により加熱され、排気空気中の水蒸気成分は加熱により生じた蒸気も含めて透湿膜9を確実に通過し易くなる。
【0067】
以上の説明においては、各単ユニット18aに1個または複数のトラップ29を設ける場合について説明したが、加湿器6全体の単位でトラップ29を1箇所または複数箇所設けてもよい。
【0068】
(実施例2)
本発明の第2の実施例における燃料電池およびその空気供給系の概念図を図5に示す。図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図1と異なる点は給気流路10と排気流路11の構成である。この相違点を図6により説明する。加湿器6が単ユニット18bを1個または複数個積層して構成される点は同一である。単ユニット18bの透湿膜9およびその支持方法は実施例1と同様である。
【0069】
透湿膜9の一主面には上下に分割された第1給気流路33Aおよび第2給気流路33Bが形成されている。第1給気流路33Aおよび第2給気流路33Bは各々図6(c)に示すように壁面B35に形成された仕切板B36で仕切られた複数の流路から構成されており、空気流の方向が第1給気流路33Aおよび第2給気流路33Bで互いに逆方向になるように形成される。これを図6(b)で見ると、供給空気の流れB37の方向は上方の第1給気流路33Aの入口から左方向に流入し、反対側の端部で下方に折り返されて第2給気流路33Bに入り、右方向に進行して第1給気流路33Aの入口側にある第2給気流路33Bの出口から空気通路13を通って燃料電池1に供給される。
【0070】
透湿膜9の反対側の主面には第1給気流路33Aに対向する部分に排気流路B38と水貯留部39が形成される。排気流路B38は図6(c)に示すように壁面C40に形成された複数の仕切板C41で仕切られた複数の排気流路B34から構成され、仕切板C41は排気空気中の水分の回収機能を有している。水分を含む排気空気が各排気流路B34を通過するとき、水分が滴下42して下方の水貯留部39に凝縮水として捕獲される。この場合、排気流路B34の壁面を撥水性にすると凝縮水の滴下が促進される。図6(b)および図6(c)に示すように、排気空気の流れB43の方向は第1給気流路29Aを流れる供給空気の流れB37の方向と逆方向になるように形成される。また、排気流路B38の下方の水貯留部39は第2給気流路33Bに対向する部分に形成され、その裏側には温水流路B44が形成される。加湿面積である透湿膜9の面積に対する水貯留部39の面積の比率は、10〜50%であることが好ましい。温水流路B44は図6(b)、図6(c)に示すように、ジグザグ状に形成された温水の流れB45を有し、この温水の流れB45を供給空気の流れB37の方向と対向した方向に流れる温水により水貯留部39の水分を加温する。
【0071】
つぎに、動作を説明する。燃料電池1における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例1と同様である。生成された水は燃料電池1からの排気空気中に水分として含有され、排気通路16を通って加湿器6の排気流路B38に供給される。排気流路B38に供給された排気空気は図6(c)に示すように水分がトラップされて水貯留部39に回収されるとともに、一部の水蒸気は透湿膜9を通って第1給気流路33Aを通過する供給空気を加湿する。
【0072】
一方、燃料電池1が発生した熱はポンプ2からの冷却水により冷却部4で冷却され、冷却部4からは加温された冷却水が冷却水通路B5を通って加湿器6の温水流路B44に供給される。温水流路B44を通る温水は水貯留部39に回収された水分を加温し水蒸気を発生させる。この水蒸気は透湿膜9を通って第1給気流路33Aを通過する供給空気を加湿する。この結果、酸化剤としてのブロワ12からの供給空気は、まず排気空気内の水蒸気で加湿され、次に、水貯留部39にたまった水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。
【0073】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。また、加湿系の構成が非常に簡単であり、メンテナンスも容易である。
【0074】
以上の説明においては、各単ユニット18bに1個所の水貯留部39を設ける場合について説明したが、各単ユニット18bに複数個所の水貯留部39を設けてもよい。また、加湿器6全体の単位で水貯留部39を1箇所または複数箇所設けるようにしてもよい。
【0075】
(参考例1)
図7は本発明の参考例1における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図1と異なる点は、排気空気中の水を回収する部分を加湿器6の外に設けた点である。
【0076】
図7において、透湿膜9の給気流路10の反対側の主面には排気流路C46が形成される。排気流路C46は排気空気を通過させるが排気中に含まれる水を回収する機能は有していない。したがって、単ユニットの構成においては、図2における排気流路11において、仕切板A26のトラップ29が除去された構成でよい。
【0077】
排気中に含まれる水を回収するには、加湿器6の外に設けられた排気流路D48を利用する。排気流路D48は図2における排気流路11または図6における排気流路B34と同一の構成をしており、水を回収するためのトラップまたは水貯留部B49を有している。排気空気は排気流路D48を経て加湿器6の排気流路C46と結合した結合通路50から排気流路C46に供給される。水貯留部B49には温水流路7が隣接しており、冷却部4からの冷却水により水貯留部B49内の水を加温する。
【0078】
燃料電池1における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例1および2と同様である。生成された水は燃料電池1からの排気空気中に水分として含有され、排気通路16を通って排気流路D48に供給される。排気流路D48に供給された排気空気の水分は一部がトラップされて水貯留部B49に凝縮水が回収され、一部の水蒸気は排気空気とともに排気流路D48、結合通路50を経て加湿器6の排気流路C46に供給される。排気流路C46に供給された水蒸気は透湿膜9を通って給気流路10を通過する供給空気を加湿する。
【0079】
一方、水貯留部B49に回収された凝縮水は温水流路7を通る温水により加温されて水蒸気を発生する。この水蒸気は排気流路D48、結合通路50を経て加湿器6の排気流路C46に供給され、透湿膜9を通って給気流路10を通過する供給空気を加湿する。この結果、酸化剤としてのブロワ12からの供給空気は、まず排気空気内の水蒸気で加湿され、次に、水貯留部B49にたまった水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。
【0080】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。また、加湿系の構成が非常に簡単であり、メンテナンスも容易である。
【0081】
なお、以上の説明では水貯留部B49にためる水は排気空気中の水分を回収した水である場合について説明したが、必要に応じて外部から純水を供給するようにしてもよい。
【0082】
(参考例2)
図8は本発明の参考例2における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図1と異なる点は、供給空気の加湿水として排気空気中の水蒸気、水分を使用する代わりに、外部から供給する純水を使用する点である。
【0083】
図8において、透湿膜9の給気流路10の反対側の主面には図1における排気流路11の代わりに加湿水流路51が設けられる。加湿水流路51には補給源52から加湿水が供給され、加湿水流路51を通過した加湿水は補給源52に循環させる。したがって、加湿水流路51には排気空気は通過しない。加湿水流路51の構成としては、単ユニットの構成においては、図2における排気流路11において、仕切板A26のトラップ29が除去された構成でよい。
【0084】
燃料電池1における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例1と同様である。生成された水は排気空気とともに排気空気通路53から放出される。
【0085】
加湿器6における供給空気の加湿は加湿水流路51に流す加湿水を温水流路7に流れる冷却部4からの冷却水により加温して発生させた水蒸気により行う。この水蒸気による加湿のメカニズムは図1で説明した実施例1と同様である。
【0086】
燃料電池1内で生成された水分は燃料電池システム系内を循環している場合は通常汚染されるおそれはないが、循環系が故障したり一部が汚染されると循環する水分が汚染されることは皆無ではない。本実施例においては、供給空気の加湿水分として常に新鮮な純水を補給源52から供給するので、万一燃料電池1の循環系が故障したり一部が汚染された場合でも供給空気の加湿用水蒸気が汚染されることはない。
【0087】
また、燃料電池1の冷却水は加湿水流路51に流す純水の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【0088】
本実施例においても積層ユニットは水平方向の配置、垂直方向の配置のいずれでもよい。すなわち、いずれの配置においても加湿水流路51中に流れる加湿水は透湿膜9に直接接触するので、加湿水流路51を流れる加湿水は温水流路7を流れる温水により加温されて発生した水蒸気は透湿膜9を確実に通過することができる。また、加湿水の流れにより透湿膜9が損傷することもない。よって、加熱と加水と加湿の機能がコンパクトに一体化され据付方向を選ばないため、システムの設計においてどのような加熱手段を選んでも水を供給するだけでよく、大きな自由度を与える事が出来る。
【0089】
なお、温水流路7を流れる温水の熱は燃料電池1そのものの排熱以外に燃料電池システム全体の排熱を利用することもできる。
【0090】
(参考例3)
図9は本発明の参考例3における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8と異なる点は、加湿水流路51に流す水として補給源52からの純水以外に排気空気中に含まれる水分も利用する点である。
【0091】
図9において、排気空気通路53から排気される排気ガス中の水分は凝縮器55で凝縮され、水分供給路54を介して加湿水流路51に供給される。したがって、加湿水流路51に供給される水は補給源52からの純水と燃料電池1の排気ガス中の水分の両方が供給される。本実施例によれば、燃料電池1が生成する水分も回収されて有効利用することができる。なお、凝縮器55は必要に応じて省略することができる。
【0092】
(参考例4)
図10は本発明の参考例4における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8と異なる点は、加湿水流路51に流す水の加温を促進する手段を有している点である。図10において、加湿水流路51には補給源52からの加湿水以外に別経路の水循環路56により水を循環させる。水循環路56中の水はポンプ57で循環させられ、補給源52から加湿水流路51に供給される加湿水を攪拌して加湿水の温度と温水流路7を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路10を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。この場合、ポンプ57からの水の温度を加温すれば加湿水への熱伝達は一層促進される。
【0093】
なお、燃料電池1の冷却部4からの冷却水が純水またはそれと均等の水質である場合には、ポンプ57を使用せずに、冷却部4からの冷却水を分岐させて加湿水流路51に供給することも可能である。
【0094】
(参考例5)
図11は本発明の参考例5における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8と異なる点は、温水流路7と加湿水流路51との境界面の面積を大きくした点である。
【0095】
図11において、温水流路7と加湿水流路51の境界面に凹凸58を形成する。これにより温水流路7と加湿水流路51の接触面積が拡大されるので、温水流路7を流れる温水の温度は加湿水流路51を流れる加湿水に効率的に伝達され、加湿水への熱伝達が速やかに行われて、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路10を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【0096】
(参考例6)
図12は本発明の参考例6における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8と異なる点は、ブロワ12からの供給空気の一部を分岐して加湿水流路51に供給する点である。
【0097】
図12において、ブロワ12からの供給空気は空気分岐路59で分岐されて加湿水流路51に供給される。空気分岐路59から加湿水流路51に供給された空気は、補給源52から加湿水流路51に供給された加湿水を攪拌して加湿水の温度と温水流路7を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路10を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【0098】
なお、空気分岐路59の経路内に空気加温機を設けて供給される空気の温度を加温すれば純水への熱伝達は一層促進される。
【0099】
(参考例7)
図13は本発明の参考例7における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8と異なる点は、冷却水を循環させるポンプB60としてプランジャーポンプを使用するとともに、温水流路7と加湿水流路51の境界面を薄い金属膜などの柔軟性を有する熱伝導性の高い材料で構成した点である。
【0100】
図13において、温水流路7と加湿水流路51の境界面を薄い振動膜61で構成し、ポンプB60で温水流路7に冷却水を循環させると、温水流路7を流れる温水はポンプB60により脈動を生じる。したがって、温水流路7と加湿水流路51の境界面における振動膜61は温水の脈動につれて振動する。この結果、加湿水流路51を流れる加湿水は攪拌され、加湿水の温度と温水流路7を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路10を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【0101】
(参考例8)
図14は本発明の参考例8における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8と異なる点は、ブロワB62としてダイヤフラム式ブロワを使用する点である。
【0102】
図14において、ブロワB62により給気流路10に空気を供給すると、供給される空気はダイヤフラム式ブロワB62の特性に応じて脈動する。したがって、給気流路10に隣接している透湿膜9は脈動空気に呼応して振動し、この振動が加湿水流路51を流れる加湿水に伝達されて加湿水も振動する。この結果加湿水は攪拌され、加湿水の温度と温水流路7を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせることができる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路10を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【0103】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、反応ガスである供給空気を簡単な構成の加湿系により飽和加湿させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【0104】
また、透湿膜を被う加湿水は強制的な循環を基本的に行わないため、膜の耐久性が上がり構造の自由度が上がる。また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿をすることができ、冷却水には不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図2】 (a)本発明の実施例1における燃料電池用加湿装置の加湿器の内部構造を示す断面図
(b)同内部構造を示す正面図
(c)同内部構造を示す分解斜視図
【図3】 (a)本発明の実施例1における燃料電池用加湿装置の加湿器に使用される透湿膜の支持構造を示す側断面図
(b)同支持構造を示す斜視図
【図4】 (a)本発明の実施例1における燃料電池用加湿装置の加湿器に使用される空気供給部の側面図
(b)同空気供給部の平面図
【図5】 本発明の実施例2における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図6】 (a)本発明の実施例2における燃料電池用加湿装置の加湿器の内部構造を示す断面図
(b)同内部構造を示す正面図
(c)同内部構造を示す分解斜視図
【図7】 本発明の参考例1における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図8】 本発明の参考例2における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図9】 本発明の参考例3における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図10】 本発明の参考例4における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図11】 本発明の参考例5における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図12】 本発明の参考例6における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図13】 本発明の参考例7における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図14】 本発明の参考例8における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【符号の説明】
1 燃料電池
2 ポンプ
3 冷却水通路A
4 冷却部
5 冷却水通路B
6 加湿器
7 温水流路
8 冷却水通路C
9 透湿膜
10 給気流路
11 排気流路
12 ブロワ
13 空気通路
14 水素ボンベ
15 燃料通路
16 排気通路
17 排ガス通路
18a,18b 単ユニット
19 支持体
20 リブ
21 壁面
22 仕切板
23 空気入口
23a〜23c 空気入口
24 空気出口
24a〜24c 空気出口
25 壁面A
26 仕切板A
27 排気入口
27a〜27c 排気入口
28 排気出口
28a〜28c 排気出口
29 トラップ
30 排気空気の流れ
31 供給空気の流れ
32 温水の流れ
33A 第1給気流路
33B 第2給気流路
34 排気流路B
35 壁面B
36 仕切板B
37 供給空気の流れB
38 排気流路B
39 水貯留部
40 壁面C
41 仕切板C
42 滴下
43 排気空気の流れB
44 温水流路B
45 温水の流れB
46 排気流路C
48 排気流路D
49 水貯留部B
50 結合通路
51 加湿水流路
52 補給源
53 排気空気通路
54 水分供給路
55 凝縮器
56 水循環路
57 ポンプ
58 凹凸
59 空気分岐路
60 ポンプB
61 振動膜
62 ブロワB
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell humidifying device and an air humidifying method for humidifying air or fuel supplied to a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In general, in a fuel cell, water needs to be present in a solid polymer membrane when performing a power generation reaction by passing hydrogen ions through the solid polymer electrolyte membrane. There are various methods for supplying the moisture. For example, Patent Document 1 describes a configuration in which the reaction gas is humidified by the power generation water contained in the off-gas of the fuel cell.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3111697 (page 3 [0010] and FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the method described in Patent Document 1, since the generated water and generated heat are proportional to the supply amount of the reaction gas, humidification and preheating are performed without stagnation, and the humidified reaction gas is supplied to the fuel cell in response to load fluctuations. can do. However, it is difficult to obtain a sufficient amount of humidification only by humidification of water vapor contained in the off-gas of the fuel cell. In addition, there is a method of performing humidification using cooling water that is cooled by warming the fuel cell, but for the humidification from the cooling water, pure water must be used as the cooling water, but to prevent freezing of the cooling water. Since it is desirable to use antifreeze liquid, humidification with cooling water is not suitable.
[0005]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of humidifying a supply air as a reaction gas in a saturated state.
[0006]
It is another object of the present invention to provide a fuel cell capable of humidifying supply air regardless of the quality of the cooling water of the fuel cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  A fuel cell system according to claim 1 of the present invention is a fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode disposed on both surfaces of a solid polymer film, and a cooling section for flowing cooling water, and allows water vapor to pass therethrough. From a moisture permeable membrane, an air supply channel provided on the first main surface of the moisture permeable membrane and for supplying supply air, and the oxidant electrode of the fuel cell provided on the second main surface of the moisture permeable membrane An exhaust passage for allowing the exhaust gas to pass through, and hot water for heating the exhaust gas from the oxidant electrode of the fuel cell supplied to the exhaust passageFlowA humidifier equipped with a passage, a blower for supplying air to the air supply passage, a first cooling water passage connecting the cooling section and the hot water section, and a first connecting the hot water section and the cooling section. Cooling water is heated by the heat generated in the fuel cell in the cooling unit, and the cooling unit, the first cooling water channel, the hot water channel, the second water channel Circulating in order of cooling water passageThe exhaust flow path is formed so that the exhaust air flows directly under gravity or in a horizontal direction and does not include an upward flow direction, and the flow direction of the exhaust air flowing through the exhaust flow path is The direction of the flow of the hot water flowing through the hot water channel is opposite to the direction of the flow of the supply air flowing through the air flow path.It is characterized by that.
[0008]
  The invention described in claim 2 of the present invention is described in claim 1.Fuel cell systemInA water recovery means for recovering water contained in exhaust gas from the oxidant electrode of the fuel cell is provided, and the water recovered by the water recovery means is heated by the hot water channel.It is characterized by that.
[0009]
  The invention described in claim 3 of the present invention is described in claim 2.Fuel cell systemInThe moisture recovery means is a trapIt is characterized by that.
[0010]
  The invention described in claim 4 of the present invention is described in claim 2.Fuel cell systemInThe moisture recovery means has a steam / water separator, and a water retention part is provided at a lower portion of the steam / water separator.It is characterized by that.
[0011]
  According to claim 5 of the present inventionThe present invention provides the fuel cell system according to claim 1, wherein the humidifier comprises:
One or a plurality of units in which the moisture permeable membrane, the air supply channel, the exhaust channel, and the hot water channel are integrated are stacked.It is characterized by that.
[0013]
  Claims of the invention6The invention described in claim 2 is described in claim 2.Fuel cell systemInThe warm water channel is arranged adjacent to the water recovery meansIt is characterized by that.
[0014]
  Claims of the invention7The invention described in claim2Described inFuel cell systemInThe moisture recovery means is a trap provided in the exhaust passage connected to an exhaust passage, and the trap is formed in common for a plurality of units.It is characterized by that.
[0015]
  Claims of the invention8The invention described in claim2Described inFuel cell systemInThe moisture recovery means is one or a plurality of traps arranged in the exhaust passage, and the traps are formed in each of the plurality of units.It is characterized by that.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The humidifier for a fuel cell according to the present invention includes a moisture permeable membrane that transmits water vapor, an air passage that is provided on a first main surface of the moisture permeable membrane and flows air, and a second main surface of the moisture permeable membrane. A supply path for supplying pure water or water vapor, a fluid supply means for supplying at least one of exhaust gas of the fuel cell and pure water to the supply path, and a heating means for heating the fluid supplied to the supply path It is equipped with.
[0027]
According to the present invention, supply air that is a reaction gas can be saturated and humidified by a humidification system having a simple configuration. Further, the supply air can be humidified regardless of the quality of the cooling water of the fuel cell, and liquids other than pure water such as antifreeze can be used.
[0028]
In another embodiment, the fuel cell exhaust is supplied by the fluid supply means, and the water recovery means recovers the water contained in the supplied exhaust gas, and the water recovered by the water recovery means is collected. It is heated by a heating means. According to the present invention, in addition to humidification by the water vapor in the exhaust gas, the supply air can be humidified by the water vapor generated by collecting the water in the exhaust gas. Can be humidified.
[0029]
In another embodiment, the exhaust of the fuel cell is supplied to the replenishment path by the fluid supply means, and a trap that is a moisture recovery means is provided in the replenishment path. And according to this invention, the water | moisture content contained in exhaust air can be collect | recovered by a simple method.
[0030]
In another embodiment, the water recovery means includes a steam / water separator in a replenishment path for supplying exhaust gas, and a water retention part at a lower portion of the steam / water separator. And according to this invention, the water | moisture content contained in exhaust air can be collect | recovered by a simple method.
[0031]
In another embodiment, the moisture permeable membrane that transmits water vapor, the air flow path provided on the first main surface of the moisture permeable membrane, and the second main surface of the moisture permeable membrane are provided. 1 unit comprising a pure water or water vapor replenishment path, fluid supply means for supplying at least one of exhaust gas and pure water to the replenishment path, and heating means for heating the fluid flowing in the replenishment path. One or a plurality are stacked. And according to this invention, the humidification apparatus for fuel cells can be reduced in size by simple structure.
[0032]
In another embodiment, the heating means is cooling water that cools the fuel cell. According to the present invention, since the heat generated by the fuel cell is effectively used, no new heat source is required.
[0033]
In another embodiment, the moisture recovery means is provided in a supply path provided on the second main surface of the moisture permeable membrane, and the heating means is disposed adjacent to the moisture recovery means. . And according to this invention, the humidification apparatus for fuel cells can be reduced in size by simple structure.
[0034]
In another embodiment, the moisture recovery means is a trap provided in an exhaust passage connected to a supply path, and the trap is formed in common for a plurality of units. According to the present invention, since the humidifying mechanism using the recovered water can be attached externally, the humidifying mechanism can be easily added even to an existing apparatus that does not include this apparatus.
[0035]
In another embodiment, the moisture recovery means is one or a plurality of traps arranged in the replenishment path, and the traps are formed in each of the plurality of units. According to the present invention, the air humidification amount can be freely controlled by adjusting the number of air humidification units.
[0036]
In another embodiment, the area of the water retention portion that contacts the moisture permeable membrane is 10 to 50% of the area of the moisture permeable membrane. According to the present invention, saturation humidification can be reliably performed with a simple configuration.
[0037]
In another embodiment, the fluid flow direction in the replenishment path and the supply air flow direction in the air flow path are opposed to each other. And according to this invention, humidification of supply air can be performed efficiently.
[0038]
In another embodiment, the heating means is cooling water that has cooled the fuel cell, and includes a reduction means that reduces the temperature difference between the cooling water and the temperature of the humidified water flowing through the fluid flow path. And according to this invention, heat transfer from cooling water to humidification water is performed rapidly, and generation | occurrence | production of the water vapor | steam from humidification water is accelerated | stimulated. Therefore, it is possible to quickly humidify the supply air flowing through the supply air flow path.
[0039]
In another embodiment, the reducing means for reducing the temperature difference is a means for circulating the humidified water in the fluid passage in the replenishment path. And according to this invention, the heat transfer from cooling water to humidification water is performed rapidly.
[0040]
In another embodiment, the reducing means for reducing the temperature difference is a means for expanding the contact area between the fluid flow path and the heating means. And according to this invention, the heat transfer from cooling water to humidification water is performed rapidly.
[0041]
In another embodiment, the reducing means for reducing the temperature difference is a means for branching a part of the air supplied to the air flow path and supplying it into the replenishment path, and stirring the humidified water in the replenishment path It is intended to promote heat transfer. And according to this invention, the heat transfer from cooling water to humidification water is performed rapidly.
[0042]
In another embodiment, a vibration means for vibrating the heat transfer surface between the heating means and the replenishment path is provided. And according to this invention, the heat transfer from cooling water to humidification water is performed rapidly.
[0043]
In another embodiment, pulsation means for vibrating the heat transfer surface between the air flow path and the supply path is provided. And according to this invention, the heat transfer from cooling water to humidification water is performed rapidly.
[0044]
The fuel cell air humidification method according to the present invention includes a first step of recovering moisture from the exhaust of the fuel cell, a second step of heating the recovered moisture, and water vapor in the exhaust to the fuel cell. A third step of humidifying the supplied air and a fourth step of humidifying the air with water vapor generated in the second step are provided. According to the present invention, in addition to humidification by the water vapor in the exhaust gas, the supply air can be humidified by the water vapor generated by collecting the water in the exhaust gas. Can be humidified.
[0045]
In another embodiment, humidification is performed in the fourth step after the third step. According to the present invention, the humidification amount can be freely controlled according to the supplied air amount.
[0046]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0047]
Example 1
FIG. 1 shows a conceptual diagram of the fuel cell and its air supply system in the first embodiment of the present invention. In the fuel cell 1, for example, as described in FIG. 2 of Patent Document 1, a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged on both surfaces of a solid polymer film, and hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidant. To generate electricity. The heat generated when generating electricity is cooled by the cooling water supplied from the pump 2 to the cooling unit 4 of the fuel cell 1 through the cooling water passage A3. The cooling water is heated by the heat generated in the fuel cell 1 in the cooling unit 4 and supplied to the hot water passage 7 of the humidifier 6 through the cooling water passage B5. The cooling water passing through the hot water passage 7 is the cooling water. It circulates to the pump 2 through the passage C8.
[0048]
In the humidifier 6, an air supply passage 10 that allows air as an oxidant to pass therethrough and an exhaust passage 11 that passes exhaust from the fuel cell 1 are formed on one side of the moisture permeable membrane 9. Thus, a hot water flow path 7 through which the hot water from the cooling unit 4 passes is provided. Air as an oxidant is supplied from the blower 12 to the air supply passage 10 of the humidifier 6, and the air is further supplied to the fuel cell 1 through the air passage 13 and supplied from the hydrogen cylinder 14 through the fuel passage 15. Hydrogen reacts with oxygen in the air to generate electricity and produce water. This water is contained in the exhaust air and supplied to the exhaust passage 11 of the humidifier 6 through the exhaust passage 16. The exhaust gas on the fuel electrode side is exhausted through the exhaust gas passage 17.
[0049]
The structure of the humidifier 6 is shown in FIG. As shown in FIG. 2A, the humidifier 6 has a unit structure in which one or a plurality of single units 18a are stacked. In the single unit 18a, a flow path is formed so that the exhaust air and the supply air face each other as shown in FIG. 2 (b). The hot water channel is formed so as to flow in from the center and flow in a zigzag manner in the single unit 18a.
[0050]
Since the moisture permeable membrane 9 is extremely thin and soft, the entire surface of the moisture permeable membrane 9 is covered with a porous or mesh support 19 and fixed to the rib 20 as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). . Since the support 19 serves as a heat transfer surface of the moisture permeable membrane 9, stainless steel, which is a material that has high heat transfer and corrosion resistance and does not allow metal ions to flow out, is suitable. As the porous or mesh-like lattice, a net, cloth, punching plate, non-woven cloth, etc. can be used. The rib 20 is made of a resin such as polypropylene, polyvinyl chloride, polyethylene, or polyimide.
[0051]
Returning to FIG. 2 (a), the air supply channel 10 is formed on one main surface side of the moisture permeable membrane 9, and is partitioned by a plurality of partition plates 22 formed on the wall surface 21 as shown in FIG. 2 (c). The air supply channel 10 is configured. When the stacked unit units 18a are installed vertically, the air supply passage 10 and the air inlet 23 and the air so that the supply air does not flow upward from below as shown in FIG. 4A. An outlet 24 is arranged.
[0052]
Each air supply channel 10 is formed in a region surrounded by the adjacent partition plates 22 and the wall surface 21 and the moisture permeable membrane 9, and has a unit structure so that the single unit 18a is in the vertical direction as shown in FIG. When arranged, it has a height of an interval h between the partition plates 22 (see FIG. 2C) and a width of an interval t between the wall surface 21 and the moisture permeable membrane 9 (see FIG. 2A). Is preferably about 5 mm or less.
[0053]
An exhaust passage 11 is formed on the main surface opposite to the moisture permeable membrane 9. As shown in FIG. 2C, the exhaust passage 11 is composed of a plurality of exhaust passages 11 partitioned by a partition plate A26 formed on the wall surface A25. As shown in FIG. 4A, the exhaust inlet 27 and the exhaust outlet 28 are arranged so that the exhaust air does not flow upward from below.
[0054]
The partition plate A26 is formed with one or a plurality of traps 29 for collecting moisture in the exhaust gas. When exhaust air containing moisture passes through the exhaust passage 11 between the partition plates A26, the moisture is trapped 29. And the water is separated from the exhaust air.
[0055]
As shown in FIG. 2 (b), the direction of the exhaust air flow 30 flowing through the exhaust flow path 11 is preferably a counter flow that is opposite to the direction of the supply air flow 31 flowing through the supply air flow path 10. . Further, since the exhaust air contains moisture, the exhaust passage 11 is arranged to flow directly under the gravity or in the horizontal direction, and is directed upward from below, from right to left, from left to right, or provided with a plurality of straight or folded portions. The flow direction is not included.
[0056]
Each exhaust passage 11 is formed in a region surrounded by the adjacent partition plates A26, the wall surface A25, and the moisture permeable membrane 9, and has a unit structure so that the single unit 18a is vertical as shown in FIG. When arrange | positioning, it has the width | variety of the space | interval T (refer Fig.2 (a)) between wall surface A25 and the moisture-permeable film 9. FIG. In the exhaust passage 11, the pressure of the exhaust air is lower than the pressure of the supply air, so that the moisture permeable membrane 9 sag toward the exhaust passage 11 due to this pressure difference and tends to be smaller than the actual interval T. Therefore, the interval T between the exhaust passages 11 is preferably larger than the interval t between the supply passages 10.
[0057]
By making the wall surface A25 of the exhaust passage 11 hydrophilic, water in the exhaust air is uniformly supplied to the wall surface, so that pressure loss can be reduced. On the other hand, if water repellency is used, water in the exhaust air hardly adheres to the wall surface A25, so that the condensed water can be easily dropped and collected by the trap 29. Which one is selected is arbitrary depending on the use conditions. Hydrophilic and water repellent processing is performed by coating the wall surface A25.
[0058]
A hot water flow path 7 is formed on the back side of the exhaust flow path 11. The hot water channel 7 is provided with a hot water channel 7 formed in a zigzag shape on the wall surface A25 on the opposite side of the exhaust channel 11, and the water trapped in the trap 29 of the exhaust channel 11 by the hot water flowing through the hot water channel 7 Warm up.
[0059]
As shown in FIG. 2 (b), the direction of the hot water flow 32 is a direction opposite to the direction of the supply air flow 31, and flows in a zigzag shape from the central portion of each single unit 18a to the center on the opposite side. Set to be discharged from the section.
[0060]
The role of the rib 20 described in FIG. 3 is played by the partition plate 22 and the partition plate A 26 described in FIG.
[0061]
Further, as shown in FIG. 4 (b), the air inlets 23a to 23c, the air outlets 24a to 24c, the exhaust inlets 27a to 27c, and the exhaust outlets 28a to 28c may be respectively provided to form a multi-header configuration. The supply air flow 31 flowing through the air flow path 10 and the exhaust air flow 30 flowing through the exhaust flow path 11 flow more evenly.
[0062]
Next, the operation will be described. Fuel hydrogen from the hydrogen cylinder 14 is humidified as necessary and supplied to the fuel electrode of the fuel cell 1 through the fuel passage 15. On the other hand, the air from the blower 12 is humidified by the air supply passage 10 of the humidifier 6 and supplied to the fuel cell 1 from the air passage 13. In the fuel cell 1, hydrogen fuel from the hydrogen cylinder 14 and oxygen in the air from the blower 12 react to generate power. At this time, water is produced as a by-product. Water is contained as moisture in the exhaust air from the fuel cell 1 and supplied to the exhaust passage 11 of the humidifier 6 through the exhaust passage 16. As shown in FIG. 2 (c), the exhaust air supplied to the exhaust passage 11 recovers moisture by a trap 29, and part of the water vapor passes through the moisture permeable membrane 9 and passes through the air supply passage 10. Humidify the air. At this time, the pressure loss of the exhaust air can be reduced by making the wall surface of the exhaust passage 11 hydrophilic. Unreacted hydrogen gas is circulated from the exhaust gas passage 17 to the hydrogen cylinder 14 or discharged out of the system.
[0063]
On the other hand, the fuel cell 1 generates heat during power generation. This heat is cooled by the cooling water from the pump 2 in the cooling section 4, and the heated cooling water passes through the cooling water passage B5 from the cooling section 4. It is supplied to the hot water flow path 7 of the humidifier 6. The warm water passing through the warm water channel 7 warms the moisture trapped in the exhaust channel 11 to generate water vapor. The heating temperature at this time is preferably 0 to + 10 ° C. with respect to the vapor dew point temperature of the supply air, and a cooling water temperature control device may be provided as necessary. This water vapor also humidifies the supply air passing through the air supply passage 10 through the moisture permeable membrane 9. As a result, the air supplied to the fuel cell 1 is humidified to a saturated state. As a result, the supply air from the blower 12 as the oxidant is humidified by the water vapor trapped in the exhaust passage 11 at the same time as being humidified by the water vapor in the exhaust air, and thus supplied without supplying water from the outside. Air can be humidified to saturation. The water vapor that humidifies the air passing through the air supply channel 10 is water generated in the fuel cell 1, and this water is supplied again to the fuel cell 1 as humidified water in the humidified air. There is almost no consumption, and there is no need to replenish pure water from the outside.
[0064]
Further, the cooling water of the fuel cell is used only for heating the moisture in the exhaust air, and is not used as the moisture for humidification. Therefore, it is not necessary to manage the quality of the cooling water, and a liquid other than pure water such as an antifreeze can be used. Furthermore, since the configuration of the humidification system is very simple, maintenance is easy.
[0065]
The stacked single units 18a may be arranged either in the horizontal direction or in the vertical direction, and when arranged so as to be in the horizontal direction, it is preferable to arrange so that the exhaust flow path 11 of the single unit 18a is downward. When the exhaust flow path 11 is positioned downward, the water collected by the trap 29 accumulates on the wall surface A25 side and is easily heated by the hot water flow path 7. In addition, since the moisture permeable film 9 is not easily covered with moisture, the water vapor component in the exhaust air easily passes through the moisture permeable film 9 including the vapor generated by heating.
[0066]
When the stacked single units 18a are arranged so as to be in the vertical direction, the water collected by the trap 29 accumulates below and is similarly heated by the exhaust passage 11, and the water vapor component in the exhaust air is generated by heating. It is easy to reliably pass through the moisture permeable membrane 9 including the vapor.
[0067]
In the above description, the case where one or a plurality of traps 29 is provided in each single unit 18a has been described. However, one or a plurality of traps 29 may be provided in the unit of the humidifier 6 as a whole.
[0068]
(Example 2)
FIG. 5 shows a conceptual diagram of the fuel cell and its air supply system in the second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. The difference from FIG. 1 is the configuration of the air supply passage 10 and the exhaust passage 11. This difference will be described with reference to FIG. The humidifier 6 is the same in that the single unit 18b or a plurality of single units 18b are stacked. The moisture permeable membrane 9 of the single unit 18b and the supporting method thereof are the same as those in the first embodiment.
[0069]
A first air supply flow path 33A and a second air supply flow path 33B which are divided vertically are formed on one main surface of the moisture permeable membrane 9. Each of the first air supply flow path 33A and the second air supply flow path 33B is composed of a plurality of flow paths partitioned by a partition plate B36 formed on the wall surface B35 as shown in FIG. The first air supply channel 33A and the second air supply channel 33B are formed so that the directions are opposite to each other. When this is seen in FIG. 6B, the direction of the flow B37 of the supply air flows in the left direction from the inlet of the upper first air supply flow path 33A and is folded downward at the opposite end portion to be second supplied. The air enters the air flow path 33B, proceeds in the right direction, and is supplied to the fuel cell 1 through the air passage 13 from the outlet of the second air supply flow path 33B on the inlet side of the first air supply flow path 33A.
[0070]
On the opposite main surface of the moisture permeable membrane 9, an exhaust passage B38 and a water storage section 39 are formed in a portion facing the first air supply passage 33A. As shown in FIG. 6C, the exhaust passage B38 is composed of a plurality of exhaust passages B34 partitioned by a plurality of partition plates C41 formed on the wall surface C40, and the partition plate C41 collects moisture in the exhaust air. It has a function. When the exhaust air containing moisture passes through each exhaust passage B34, the moisture drops 42 and is captured as condensed water in the lower water reservoir 39. In this case, dripping condensed water is promoted by making the wall surface of the exhaust passage B34 water-repellent. As shown in FIGS. 6B and 6C, the direction of the exhaust air flow B43 is formed to be opposite to the direction of the supply air flow B37 flowing through the first air supply passage 29A. Further, the water reservoir 39 below the exhaust passage B38 is formed in a portion facing the second air supply passage 33B, and a hot water passage B44 is formed on the back side thereof. It is preferable that the ratio of the area of the water reservoir 39 to the area of the moisture permeable membrane 9 which is a humidified area is 10 to 50%. As shown in FIGS. 6B and 6C, the hot water flow path B44 has a hot water flow B45 formed in a zigzag shape, and this hot water flow B45 is opposed to the direction of the supply air flow B37. The water in the water reservoir 39 is heated by the hot water flowing in the direction.
[0071]
Next, the operation will be described. The power generation, water generation and exhaust generation processes in the fuel cell 1 are the same as in the first embodiment. The generated water is contained as moisture in the exhaust air from the fuel cell 1, and is supplied to the exhaust passage B 38 of the humidifier 6 through the exhaust passage 16. As shown in FIG. 6C, moisture is trapped in the exhaust air supplied to the exhaust flow path B38 and collected in the water reservoir 39, and part of the water vapor passes through the moisture permeable membrane 9 to the first supply. The supply air passing through the air flow path 33A is humidified.
[0072]
On the other hand, the heat generated by the fuel cell 1 is cooled by the cooling unit 4 by the cooling water from the pump 2, and the cooling water heated from the cooling unit 4 passes through the cooling water passage B <b> 5 and the hot water channel of the humidifier 6. To B44. The warm water passing through the warm water flow path B44 heats the water collected in the water storage unit 39 and generates water vapor. The water vapor humidifies the supply air that passes through the moisture permeable membrane 9 and passes through the first air supply passage 33A. As a result, the supply air from the blower 12 as the oxidant is first humidified by the water vapor in the exhaust air, and then humidified by the water accumulated in the water reservoir 39, so that water supply from the outside is not performed. The supply air can be humidified to saturation.
[0073]
In addition, fuel cell cooling water is used only for heating the moisture in the exhaust air, not as moisture for humidification, so there is no need to control the quality of the cooling water, and it is not necessary to use pure water such as antifreeze. Liquid can be used. Further, the configuration of the humidification system is very simple, and maintenance is easy.
[0074]
In the above description, the case where the single water storage unit 39 is provided in each single unit 18b has been described, but a plurality of water storage units 39 may be provided in each single unit 18b. Moreover, you may make it provide the water storage part 39 in the unit of the whole humidifier 6 one place or multiple places.
[0075]
(Reference example 1)
  FIG. 7 illustrates the present invention.Reference example 11 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. The difference from FIG. 1 is that a portion for collecting water in the exhaust air is provided outside the humidifier 6.
[0076]
In FIG. 7, an exhaust passage C <b> 46 is formed on the main surface of the moisture permeable membrane 9 opposite to the air supply passage 10. The exhaust passage C46 allows exhaust air to pass therethrough but does not have a function of collecting water contained in the exhaust. Therefore, in the structure of a single unit, the structure from which the trap 29 of the partition plate A26 was removed in the exhaust flow path 11 in FIG. 2 may be sufficient.
[0077]
In order to collect the water contained in the exhaust, an exhaust passage D48 provided outside the humidifier 6 is used. The exhaust flow path D48 has the same configuration as the exhaust flow path 11 in FIG. 2 or the exhaust flow path B34 in FIG. 6, and has a trap or a water storage part B49 for collecting water. The exhaust air is supplied to the exhaust passage C46 through the exhaust passage D48 and the coupling passage 50 coupled to the exhaust passage C46 of the humidifier 6. The hot water flow path 7 is adjacent to the water storage part B49, and the water in the water storage part B49 is heated by the cooling water from the cooling part 4.
[0078]
The power generation, water generation and exhaust generation processes in the fuel cell 1 are the same as in the first and second embodiments. The generated water is contained as moisture in the exhaust air from the fuel cell 1 and supplied to the exhaust passage D48 through the exhaust passage 16. A part of the moisture of the exhaust air supplied to the exhaust flow path D48 is trapped and the condensed water is recovered in the water storage part B49, and a part of the water vapor passes through the exhaust flow path D48 and the coupling passage 50 together with the exhaust air. 6 to the exhaust passage C46. The water vapor supplied to the exhaust passage C46 humidifies the supply air passing through the air supply passage 10 through the moisture permeable membrane 9.
[0079]
On the other hand, the condensed water collected in the water reservoir B49 is heated by warm water passing through the warm water flow path 7 to generate water vapor. This water vapor is supplied to the exhaust passage C46 of the humidifier 6 through the exhaust passage D48 and the coupling passage 50, and humidifies the supply air passing through the air supply passage 10 through the moisture permeable membrane 9. As a result, the supply air from the blower 12 as the oxidant is first humidified by the water vapor in the exhaust air and then humidified by the water accumulated in the water reservoir B49, so that water supply from the outside is not performed. The supply air can be humidified to saturation.
[0080]
In addition, fuel cell cooling water is used only for heating the moisture in the exhaust air, not as moisture for humidification, so there is no need to control the quality of the cooling water, and it is not necessary to use pure water such as antifreeze. Liquid can be used. Further, the configuration of the humidification system is very simple, and maintenance is easy.
[0081]
In the above description, the case where the water stored in the water storage unit B49 is the water from which the moisture in the exhaust air has been recovered has been described. However, pure water may be supplied from the outside as necessary.
[0082]
(Reference example 2)
  FIG. 8 illustrates the present invention.Reference example 21 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. The difference from FIG. 1 is that pure water supplied from the outside is used instead of water vapor and moisture in the exhaust air as humidified water for the supply air.
[0083]
In FIG. 8, a humidified water channel 51 is provided on the main surface of the moisture permeable membrane 9 opposite to the air supply channel 10 instead of the exhaust channel 11 in FIG. The humidified water channel 51 is supplied with humidified water from the replenishment source 52, and the humidified water that has passed through the humidified water channel 51 is circulated to the replenishment source 52. Therefore, the exhaust air does not pass through the humidified water channel 51. The configuration of the humidifying water channel 51 may be a single unit configuration in which the trap 29 of the partition plate A26 is removed from the exhaust channel 11 in FIG.
[0084]
The power generation, water generation and exhaust generation processes in the fuel cell 1 are the same as in the first embodiment. The generated water is discharged from the exhaust air passage 53 together with the exhaust air.
[0085]
The humidification of the supply air in the humidifier 6 is performed by steam generated by heating the humidified water flowing in the humidified water channel 51 with the cooling water from the cooling unit 4 flowing in the hot water channel 7. The mechanism of humidification with water vapor is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG.
[0086]
The water generated in the fuel cell 1 is not normally contaminated when it circulates in the fuel cell system. However, if the circulation system fails or is partially contaminated, the circulating water is contaminated. There is nothing to do. In the present embodiment, since fresh pure water is always supplied from the replenishment source 52 as humidified moisture of the supply air, the supply air is humidified even if the circulation system of the fuel cell 1 is broken or partly contaminated. Water vapor is not contaminated.
[0087]
Further, since the cooling water of the fuel cell 1 is used only for heating pure water flowing through the humidifying water channel 51 and is not used as moisture for humidification, it is not necessary to manage the quality of the cooling water, such as antifreeze. Liquids other than pure water can be used.
[0088]
Also in this embodiment, the stacked units may be arranged in the horizontal direction or in the vertical direction. That is, in any arrangement, the humidified water flowing in the humidified water flow path 51 is in direct contact with the moisture permeable membrane 9, so that the humidified water flowing in the humidified water flow path 51 is generated by being heated by the hot water flowing in the hot water flow path 7. Water vapor can surely pass through the moisture permeable membrane 9. Further, the moisture permeable membrane 9 is not damaged by the flow of the humidified water. Therefore, since the functions of heating, hydration and humidification are integrated in a compact manner and the installation direction is not selected, it is only necessary to supply water regardless of the heating means in the system design, which gives a great degree of freedom. .
[0089]
The heat of the hot water flowing through the hot water flow path 7 can use the exhaust heat of the entire fuel cell system in addition to the exhaust heat of the fuel cell 1 itself.
[0090]
(Reference example 3)
  FIG. 9 shows the present invention.Reference example 31 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. 8 is different from the pure water from the replenishment source 52 as the water flowing through the humidified water flow path 51 in that the water contained in the exhaust air is also used.
[0091]
In FIG. 9, moisture in the exhaust gas exhausted from the exhaust air passage 53 is condensed by the condenser 55 and supplied to the humidified water passage 51 through the moisture supply passage 54. Therefore, both the pure water from the replenishment source 52 and the water in the exhaust gas of the fuel cell 1 are supplied to the humidified water channel 51. According to the present embodiment, the moisture generated by the fuel cell 1 can also be recovered and used effectively. The condenser 55 can be omitted if necessary.
[0092]
(Reference example 4)
  FIG. 10 shows the present invention.Reference example 41 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. 8 is different from FIG. 8 in that there is a means for promoting the heating of the water flowing through the humidifying water channel 51. In FIG. 10, in addition to the humidified water from the replenishment source 52, water is circulated through the humidified water channel 51 through a separate water circulation path 56. The water in the water circulation path 56 is circulated by the pump 57, and the temperature difference between the temperature of the humidified water and the temperature of the hot water flowing through the hot water path 7 is obtained by stirring the humidified water supplied from the replenishment source 52 to the humidified water path 51. Make it small in a short time. As a result, heat transfer to the humidified water is promptly performed, and generation of water vapor from the humidified water is promoted. Therefore, it is possible to quickly humidify the supply air flowing through the air supply passage 10. In this case, if the temperature of the water from the pump 57 is heated, the heat transfer to the humidified water is further promoted.
[0093]
In addition, when the cooling water from the cooling unit 4 of the fuel cell 1 is pure water or an equivalent water quality, the cooling water from the cooling unit 4 is branched without using the pump 57 and the humidified water channel 51 is used. It is also possible to supply
[0094]
(Reference Example 5)
  FIG. 11 shows the present invention.Reference Example 51 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. The difference from FIG. 8 is that the area of the boundary surface between the hot water channel 7 and the humidified water channel 51 is increased.
[0095]
In FIG. 11, irregularities 58 are formed on the boundary surface between the hot water channel 7 and the humidified water channel 51. As a result, the contact area between the hot water channel 7 and the humidified water channel 51 is expanded, so that the temperature of the hot water flowing through the hot water channel 7 is efficiently transmitted to the humidified water flowing through the humidified water channel 51, and heat to the humidified water is obtained. Transmission is performed quickly, and the generation of water vapor from the humidified water is promoted. Therefore, it is possible to quickly humidify the supply air flowing through the air supply passage 10.
[0096]
(Reference Example 6)
  FIG. 12 shows the present invention.Reference Example 61 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. The difference from FIG. 8 is that a part of the supply air from the blower 12 is branched and supplied to the humidified water channel 51.
[0097]
In FIG. 12, the supply air from the blower 12 is branched by an air branch path 59 and supplied to the humidified water path 51. The air supplied from the air branch path 59 to the humidified water channel 51 stirs the humidified water supplied from the replenishment source 52 to the humidified water channel 51, and the temperature of the humidified water and the temperature of the hot water flowing through the hot water channel 7 are Reduce the temperature difference in a short time. As a result, heat transfer to the humidified water is promptly performed, and generation of water vapor from the humidified water is promoted. Therefore, it is possible to quickly humidify the supply air flowing through the air supply passage 10.
[0098]
In addition, if the temperature of the supplied air is heated by providing an air heater in the air branch path 59, the heat transfer to the pure water is further promoted.
[0099]
(Reference Example 7)
  FIG. 13 shows the present invention.Reference Example 71 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. The difference from FIG. 8 is that a plunger pump is used as the pump B60 for circulating the cooling water, and the interface between the hot water flow path 7 and the humidified water flow path 51 is flexible and has a high thermal conductivity such as a thin metal film. It is a point made up of materials.
[0100]
In FIG. 13, when the boundary surface of the hot water flow path 7 and the humidified water flow path 51 is configured by a thin vibration film 61 and the cooling water is circulated through the hot water flow path 7 by the pump B60, the hot water flowing through the hot water flow path 7 is pump B60. Causes pulsation. Therefore, the vibration film 61 at the boundary surface between the hot water flow path 7 and the humidified water flow path 51 vibrates with the pulsation of the hot water. As a result, the humidified water flowing through the humidified water channel 51 is agitated, and the temperature difference between the temperature of the humidified water and the temperature of the warm water flowing through the hot water channel 7 is reduced in a short time. As a result, heat transfer to the humidified water is promptly performed, and generation of water vapor from the humidified water is promoted. Therefore, it is possible to quickly humidify the supply air flowing through the air supply passage 10.
[0101]
(Reference Example 8)
  FIG. 14 shows the present invention.Reference Example 81 is a conceptual diagram showing a fuel cell and its air supply system in FIG. The same parts as those in FIG. A difference from FIG. 8 is that a diaphragm type blower is used as the blower B62.
[0102]
In FIG. 14, when air is supplied to the air supply passage 10 by the blower B62, the supplied air pulsates according to the characteristics of the diaphragm type blower B62. Therefore, the moisture permeable membrane 9 adjacent to the air supply channel 10 vibrates in response to the pulsating air, and this vibration is transmitted to the humidified water flowing through the humidified water channel 51 so that the humidified water also vibrates. As a result, the humidified water is stirred, and the temperature difference between the temperature of the humidified water and the temperature of the warm water flowing through the warm water flow path 7 can be reduced in a short time. As a result, heat transfer to the humidified water is promptly performed, and generation of water vapor from the humidified water is promoted. Therefore, it is possible to quickly humidify the supply air flowing through the air supply passage 10.
[0103]
【The invention's effect】
As is clear from the above embodiments, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell that can saturate and humidify the supply air, which is a reaction gas, with a humidification system having a simple configuration.
[0104]
Further, since the humidified water covering the moisture permeable membrane does not basically perform forced circulation, the durability of the membrane increases and the degree of freedom of the structure increases. Further, the supply air can be humidified regardless of the quality of the cooling water of the fuel cell, and a liquid other than pure water such as antifreeze can be used as the cooling water.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier in Embodiment 1 of the present invention.
2A is a cross-sectional view showing the internal structure of a humidifier of a fuel cell humidifier according to Embodiment 1 of the present invention. FIG.
  (B) Front view showing the internal structure
  (C) Exploded perspective view showing the internal structure
3A is a side sectional view showing a support structure for a moisture permeable membrane used in a humidifier of a fuel cell humidifier in Embodiment 1 of the present invention. FIG.
  (B) Perspective view showing the support structure
4A is a side view of an air supply unit used in a humidifier of a fuel cell humidifier in Embodiment 1 of the present invention. FIG.
  (B) Plan view of the air supply unit
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier in Embodiment 2 of the present invention.
6A is a cross-sectional view showing the internal structure of a humidifier of a fuel cell humidifier in Embodiment 2 of the present invention. FIG.
  (B) Front view showing the internal structure
  (C) Exploded perspective view showing the internal structure
[Fig. 7] of the present invention.Reference example 1Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
[Fig. 8] of the present inventionReference example 2Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
FIG. 9 shows the present invention.Reference example 3Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
FIG. 10 shows the present invention.Reference example 4Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
FIG. 11 shows the present invention.Reference Example 5Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
FIG. 12 shows the present invention.Reference Example 6Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
FIG. 13 shows the present invention.Reference Example 7Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
FIG. 14 shows the present invention.Reference Example 8Schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell humidifier
[Explanation of symbols]
  1 Fuel cell
  2 Pump
  3 Cooling water passage A
  4 Cooling section
  5 Cooling water passage B
  6 Humidifier
  7 Hot water flow path
  8 Cooling water passage C
  9 Moisture permeable membrane
  10 Air supply flow path
  11 Exhaust flow path
  12 Blower
  13 Air passage
  14 Hydrogen cylinder
  15 Fuel passage
  16 Exhaust passage
  17 Exhaust gas passage
  18a, 18b Single unit
  19 Support
  20 Ribs
  21 Wall surface
  22 Partition plate
  23 Air inlet
  23a-23c Air inlet
  24 Air outlet
  24a-24c Air outlet
  25 Wall A
  26 Partition A
  27 Exhaust inlet
  27a-27c Exhaust inlet
  28 Exhaust outlet
  28a-28c Exhaust outlet
  29 traps
  30 Flow of exhaust air
  31 Flow of supply air
  32 Flow of hot water
  33A First air supply passage
  33B Second air supply passage
  34 Exhaust flow path B
  35 Wall B
  36 Partition B
  37 Supply Air Flow B
  38 Exhaust flow path B
  39 Water reservoir
  40 Wall C
  41 Partition C
  42 dripping
  43 Flow of exhaust air B
  44 Hot water flow path B
  45 Hot water flow B
  46 Exhaust flow path C
  48 Exhaust flow path D
  49 Water reservoir B
  50 connecting passage
  51 Humidified water flow path
  52 Supply Source
  53 Exhaust air passage
  54 Moisture supply channel
  55 Condenser
  56 Water circuit
  57 pump
  58 Unevenness
  59 Air branch
  60 Pump B
  61 Vibration membrane
  62 Blower B

Claims (8)

固体高分子膜の両面に配された燃料極および酸化剤極と、
冷却水を流す冷却部と、を有する燃料電池と、
水蒸気を透過する透湿膜と、
前記透湿膜の第1の主面に設けられ供給空気を流す給気流路と、
前記透湿膜の第2の主面に設けられた前記燃料電池の前記酸化剤極からの排気ガスを通過させる排気流路と、
前記排気流路に供給された前記燃料電池の前記酸化剤極からの排気ガスを加熱する温水路と、を備えた加湿器と、
前記給気流路に空気を供給するブロワと、
前記冷却部と前記温水部を接続する第一の冷却水路と、
前記温水部と前記冷却部を接続する第二の冷却水路と、を有し、
冷却水は、前記冷却部で前記燃料電池で発生した熱により加温され、かつ、冷却部、前記第一の冷却水通路、前記温水路、前記第二の冷却水通路の順に循環し、
排気空気が重力直下または水平方向に流れるように、かつ、上向きの流れ方向を含まないように前記排気流路は形成され、
前記排気流路を流れる排気空気の流れの方向は、前記給気流路を流れる供給空気の流れの方向と逆方向であり、
前記温水路を流れる温水の流れの方向は、供給空気の流れの方向と対向した方向で、上下方向にジグザグ状に流れる、
燃料電池システム。
A fuel electrode and an oxidant electrode disposed on both sides of the solid polymer membrane;
A fuel cell having a cooling section for flowing cooling water;
A moisture permeable membrane that is permeable to water vapor;
An air supply channel that is provided on the first main surface of the moisture permeable membrane and flows supply air;
An exhaust passage for passing exhaust gas from the oxidant electrode of the fuel cell provided on the second main surface of the moisture permeable membrane;
A humidifier comprising: a hot water flow path for heating exhaust gas from the oxidant electrode of the fuel cell supplied to the exhaust flow path;
A blower for supplying air to the air supply passage;
A first cooling water channel connecting the cooling unit and the hot water unit;
A second cooling water channel connecting the warm water part and the cooling part,
The cooling water is heated by the heat generated in the fuel cell in the cooling unit, and circulates in the order of the cooling unit, the first cooling water passage, the hot water passage, the second cooling water passage ,
The exhaust flow path is formed so that the exhaust air flows under gravity or in a horizontal direction and does not include an upward flow direction,
The direction of the flow of exhaust air flowing through the exhaust flow path is opposite to the direction of the flow of supply air flowing through the supply air flow path,
The direction of the flow of warm water flowing through the warm water channel is a direction opposite to the direction of the flow of supply air, and flows in a zigzag shape in the vertical direction.
Fuel cell system.
前記燃料電池の前記酸化剤極からの排気ガス中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を前記温水路により加熱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。 2. The water recovery means for recovering water contained in the exhaust gas from the oxidant electrode of the fuel cell is provided, and the water recovered by the water recovery means is heated by the hot water channel. The fuel cell system described in 1. 前記水分回収手段はトラップであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the moisture recovery means is a trap. 前記水分回収手段は気水分離部を有し、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the moisture recovery unit includes an air / water separator, and a water retention part is provided below the air / water separator. 4. 前記加湿器は、前記透湿膜と、前記給気流路と、前記排気流路と、および前記温水路と、を一体化したユニットを1つまたは複数個積層した構成であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The humidifier has a configuration in which one or a plurality of units in which the moisture permeable membrane, the air supply channel, the exhaust channel, and the hot water channel are integrated are stacked. The fuel cell system according to claim 1. 前記温水路が前記水分回収手段に隣接して配された請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the hot water channel is disposed adjacent to the moisture recovery means. 前記水分回収手段は排気流路に連結した前記排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成された請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the moisture recovery means is a trap provided in the exhaust passage connected to an exhaust passage, and the trap is formed in common for a plurality of units. 前記水分回収手段は前記排気流路内に配された1つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成された請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the moisture recovery means is one or a plurality of traps arranged in the exhaust flow path, and the traps are formed in each of the plurality of units.
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