JP4996005B2

JP4996005B2 - Humidifier for fuel cell

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Publication number: JP4996005B2
Application number: JP2000265692A
Authority: JP
Inventors: 幹浩鈴木; 佳夫草野; 寛士島貫; 誠治利根川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2002075422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水透過型加湿器を使用した燃料電池用加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池（固体高分子型燃料電池）が注目されている。この燃料電池は、燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（空気）が供給されると、電気化学的に発電する一種の発電機である。固体高分子型の燃料電池は、その内部にプロトン導電性の固体高分子からなる電解質膜を備えるが、該電解質膜は加湿されることによりその性能を良好に発揮する。一方、電解質膜は、乾燥するとプロトン導伝性が低下すると共に、最悪損傷につながることもある。このため、燃料電池に供給される酸化剤ガスなどの加湿が行われる。例えば、特開平８−２７３６８７号公報には、中空糸膜を用いた加湿装置が開示されている。
【０００３】
中空糸膜は断面ドーナッツ型をした中空繊維であり、中空糸膜の外側に湿った気体や水（乾燥した気体）を通流し内側に乾燥した気体（湿った気体や水）を通流すると乾燥した気体側に水分が移動し、乾燥した気体が加湿される。通常、中空糸膜は、これを数千本束にしてハウジングに詰めた中空糸膜モジュール（水透過型加湿器）の形で使用される。
【０００４】
ところで、燃料電池用の加湿装置としては、図５（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール２０１を並列（Parallel）に接続した構成の加湿装置２００Ｐが知られている。また、図５（ｂ）に示すように、中空糸膜モジュール２０１（２０１ａ，２０１ｂ）を直列（Series）に接続した構成の加湿装置２００Ｓが知られている。なお、この図５の（ａ）及び（ｂ）の加湿装置２００Ｐ，２００Ｓは、燃料電池１の電気化学的反応により生成する生成水を含んだ排出空気Ａｅの水分を利用して供給空気Ａを加湿するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５（ａ）に示す中空糸膜モジュール２０１を並列に接続した加湿装置２００Ｐでは、それぞれの中空糸膜モジュール２０１における排出空気Ａｅと中空糸膜モジュール２０１における被加湿ガスである供給空気Ａの滞留時間が短く、供給空気Ａの加湿を多く行うことができない。また、排出空気Ａｅからの水分回収を充分に行うこともできない。一方、図５（ｂ）に示す中空糸膜モジュール２０１を直列に接続した加湿装置２００Ｓでは、中空糸膜モジュール２０１における供給空気Ａの滞留時間が長くなる分、供給空気Ａの加湿効率を高めることができて好ましいが、中空糸膜モジュール２０１の数を増やしたほどの加湿効率の向上はない。つまり、最初の中空糸膜モジュール２０１ａを通流した供給空気Ａはある程度加湿されているため、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２０１ｂでの加湿を効率良く行うことができない。また、排出空気Ａｅからの水分回収についても同様に、中空糸膜モジュール２０１の数を増やしたほどの水分回収を行うことができない。
【０００６】
そこで、本発明は、供給ガスの加湿を多く行うことができ、また、加湿効率が高くかつ排出ガスからの水分回収を多く行うことのできる燃料電池用加湿装置を提供することを主たる目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み本発明者らは、従来例の図５（ａ）及び（ｂ）に示す構成の加湿装置２００Ｐ，２００Ｓやその他の構成の加湿装置について、排出空気Ａｅの量（流量）を一定にして供給空気Ａの量（流量）を変化させ、供給空気Ａの流量と該供給空気Ａの露点（加湿量）の関係を把握する試験を行った。この結果を図６に示す。図６は、横軸に供給空気Ａの流量（ＮＬ／分）を、縦軸に供給空気Ａの露点（℃）をとってある。排出空気Ａｅの流量は一定である。本発明者らはこの結果から、中空糸膜モジュール２０１を通流する排出空気Ａｅの量に対して供給空気Ａの量が少なくなると該供給空気Ａの露点が高く（加湿量が多く）なるとの知見を得た。加えて、中空糸膜モジュール２０１における加湿効率を向上するには、各中空糸膜モジュール２０１における供給空気Ａと排出空気Ａｅの水分濃度差を大きくすればよいとの知見を得た。そして、本発明者らは、かかる知見に基づいて鋭意研究を行い本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、前記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の燃料電池用加湿装置は、燃料電池から排出される排出ガス中の水分を前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる複数の水透過型加湿モジュールを備える。そして、それぞれ前記供給ガスが導入される供給ガス入口部及び供給ガス出口部、並びに前記排出ガスが導入される排出ガス入口部及び排出ガス出口部を備えたこの複数の水透過型加湿モジュールは、前記排出ガス側では直列に配管されて前記燃料電池から排出ガスを通流され、前記供給ガス側では並列に配管されて前記燃料電池への供給ガスが通流されるようにした。この構成によれば、水透過型加湿器を通流する供給ガスの量は、水透過型加湿器を通流する排出ガスの量に対して確実に少なくなる。加えて、各水透過型加湿器には、未だ加湿されていない供給ガスが導入される。つまり、各水透過型加湿器における供給ガスと排出ガスの水分濃度差を大きくとることができる。したがって、加湿効率が向上し、供給ガスの加湿が効率良く行われる（加湿も多く行われる）。しかも、排出ガスの配管は水透過型加湿器を直列に接続するので、排出ガスからの水回収も多く行うことができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置は、請求項１に記載の構成において、同じ仕様を有する前記複数の水透過型加湿モジュールのうち、前記排出ガスの流れを基準として上流側に配置されている水透過型加湿モジュールの方が、下流側に配置されている水透過型加湿モジュールの方よりも多い量の前記供給ガスが分配される構成とした。上流側の排出ガスは、燃料電池の生成水を多く保有しており、加湿能力が高い状態である。この加湿能力が高い状態の排出ガスが通流する上流側の水透過型加湿器に多い量の供給ガスを通流することで、加湿能力が少し低下した状態の排出ガスが通流する下流側の水透過型加湿器の負荷を少なくする。これにより、燃料電池用加湿装置全体でみて、供給ガスの加湿が多く行われる。
【００１１】
そして、請求項３に記載の燃料電池用加湿装置は、燃料電池から排出される排出ガス中の水分を前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる水透過型加湿モジュールを備え、前記水透過型加湿モジュールから排出される前記排出ガスの一部を前記燃料電池と前記水透過型加湿モジュールとの間を通流する前記排出ガスに合流させて戻す手段を備えた構成とした。この構成によれば、確実に排出ガスの量を供給ガスの量よりも多くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用加湿装置（以下「加湿装置」という）の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態で参照する図１は、加湿装置を含む燃料電池システムの全体構成を示す図である。図２は、図１の燃料電池の構成を模式化した説明図である。図３は図１の加湿装置における、（ａ）は中空糸膜モジュールの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は中空糸膜の構造を示す斜視図である。
【００１３】
なお、本実施形態の加湿装置２は、２本の中空糸膜モジュール（水透過型加湿器）２１ａ，２１ｂを、供給空気Ａの側では並列に配管して接続し、排出空気Ａｅの側では直列に配管して接続する構成を有する（図１参照）。
【００１４】
図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、空気供給装置ＡＳ、水素供給装置ＨＳ、及び制御装置ＣＵなどから構成される燃料電池１を中核とした発電システムである。
【００１５】
〔燃料電池〕
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂ及びアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。なお、カソード電極１ｂに含まれる触媒は酸素から酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極１ｄに含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒である。
【００１６】
また、カソード電極１ｂの外側にはカソード電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流するカソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられている。カソード極側ガス通路１ａの入口及び出口は空気供給装置ＡＳに接続され、アノード極側ガス通路１ｅの入口及び出口は水素供給装置ＨＳに接続されている。なお、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学的反応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しない冷却装置を有する。
【００１７】
この燃料電池１は、カソード極側ガス通路１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水（生成水）及び未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出される。また、アノード電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ^-が生成するが、この生成した電子ｅ^-は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。
【００１８】
〔空気供給装置〕
次に、図１に示すように、空気供給装置ＡＳは、加湿装置２、エアクリーナ３、空気圧縮機４、圧力制御弁５、流量センサＱ、温度センサＴ１，Ｔ２、湿度センサＨ、圧力センサＰなどから構成される。
【００１９】
図１及び図３を参照して本実施形態の加湿装置２を説明する。
前記のとおり、加湿装置２は、２本の中空糸膜モジュール２１ａ，２１ｂを、供給空気Ａの側では並列に配管して接続し、排出空気Ａｅの側では直列に配管して接続する構成を有する。つまり、中空糸膜モジュール２１ａ，２１ｂは、供給空気Ａの側では空気圧縮機４と燃料電池１の間に並列に配管して接続され、排出空気Ａｅの側では燃料電池１と圧力制御弁５の間に直列に配管して接続されている。なお、中空糸膜モジュール２１における供給空気Ａと排出空気Ａｅの流れは、向流になっている。また、２本の中空糸膜モジュール２１ａ，２１ｂは同じ仕様のものである。
【００２０】
中空糸膜モジュール２１は、図３（ａ）に示すように、ハウジング３１を有し、ハウジング３１の内側には、その長手方向に沿って配した水透過性の中空糸膜ＨＦ（図３(b)参照）を束ねて構成された中空糸膜束３２が収納されている。中空糸膜ＨＦは、その内側から外側に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、水分の多い方から少ない方に毛管現象（毛管凝縮現象）により吸い出されて中空糸膜ＨＦを透過する。なお、中空糸膜ＨＦの直径は数ミリあるいはそれ以下であり、長さは数十ｃｍである。
【００２１】
ハウジング３１は、両端が開放された中空円筒形状をしており、その長手方向の一端部側に乾燥空気たる供給空気Ａをハウジング３１内に導入する供給空気流入口３３（供給ガス入口部）が周方向に離間して複数形成されている。また、ハウジング３１における長手方向の他端部側には、加湿された供給空気Ａの流出口となる複数の供給空気流出口３４（供給ガス出口部）が周方向に離間して複数形成されている。
【００２２】
一方、ハウジング３１に収納される中空糸膜束３２は、中空通路を有する水透過性の中空糸膜ＨＦを数千本束ね、一端部側にポッティング部３５、他端部側にポッティング部３６を設けるようにしてポッティングされている。ハウジング３１の一端部側に設けられたポッティング部３５は、供給空気流入口３３が形成されている位置より若干端部側に位置している（ポッティング部３６についても同様である）。
【００２３】
また、ポッティング部３５の外側には排出空気流出口３８（排出ガス出口部）が形成され、ポッティング部３６の外側には排出空気流入口３７（排出ガス入口部）が形成されている。こうして、ポッティング部３５，３６を隔てた場合に、排出空気流入口３７及び排出空気流出口３８は中空糸膜束３２を形成する各中空糸膜ＨＦの内側を介して連通する状態になっている。こうして、中空糸膜ＨＦの内側である中空通路を通流する排出空気Ａｅと中空糸膜ＨＦの外側を通流する供給空気Ａが混合しないようになっている。
【００２４】
次に、エアクリーナ３は、フィルタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される供給空気Ａをろ過して、供給空気Ａに含まれるごみなどを取り除く。
【００２５】
空気圧縮機４は、スーパーチャージャ及びこれを駆動するモータなどから構成され、エアクリーナ３でろ過された供給空気Ａを圧縮して後段の加湿装置２に送出する。送出された供給空気Ａは、中空糸膜モジュール２１ａの供給空気流入口３３から加湿装置２に入る。供給空気Ａはこの空気圧縮機４により断熱圧縮されることで加熱される。供給空気Ａの加熱は、９０℃前後の温度で運転される燃料電池１に供給空気Ａを供給するため、及び加湿装置２での供給空気Ａの加湿（増湿）を容易にするために必要となるものである。
なお、空気圧縮機４は、後述する圧力制御弁５の弁開度が一定の場合、空気圧縮機４を駆動するモータの回転速度を速くすることにより吐出される供給空気Ａの圧力（吐出圧）が高くなり、これに対応して供給空気Ａの温度が上昇する。一方、モータの回転速度を遅くすることにより該供給空気Ａの圧力が低くなり、これに対応して供給空気Ａの温度が低下する。
【００２６】
圧力制御弁５は、バタフライ弁及びこれを駆動するステッピングモータなどから構成され、空気圧縮機４から吐出される供給空気Ａの圧力を圧力制御弁５の弁開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、圧力制御弁５の弁開度を減少すると空気圧縮機４の吐出圧が高くなり、これに対応して供給空気Ａの温度が上昇する。また、圧力制御弁５の弁開度を増加すると空気圧縮機４の吐出圧が低くなり、これに対応して供給空気Ａｅの温度が減少する。なお、本実施形態の圧力制御弁５は、排出空気Ａｅが通流するラインの末端に設けてある。もちろん、圧力制御弁５を、空気圧縮機４と加湿装置２の間、あるいは加湿装置２と燃料電池１（カソード極入口側／出口側）の間などに設ける構成としてもよい。なお、燃料電池１の圧力を制御する観点からは、圧力制御弁５を燃料電池１の下流側（排出空気Ａｅが通流するライン）に設けるのが好ましい。また、燃料電池１の下流側の排出空気Ａｅが通流するラインの燃料電池１と加湿装置２の間に圧力制御弁５を設ける構成とすれば、加湿装置２に供給される排出空気Ａｅの圧力を下げて排出空気Ａｅが保有する水分を蒸気化することができるので、加湿装置２における加湿効率が向上する。
【００２７】
流量計Ｑは、差圧流量計などから構成され、エアクリーナ３を通流した後の供給空気Ａの流量を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。
【００２８】
温度センサＴ１，Ｔ２は、サーミスタあるいは熱電対などから構成される。このうち、温度センサＴ１は、空気圧縮機４から吐出された供給空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。温度センサＴ２は、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。
【００２９】
湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサなどから構成され、燃料電池１のカソード極側入口における供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。
【００３０】
圧力センサＰは、ブルドン管、ベローズ、ダイヤフラムあるいはストレインゲージなどから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの圧力を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。
【００３１】
〔水素供給装置〕
図１に示すように、水素供給装置ＨＳは、水素ガスボンベ１１、レギュレータ１２、水素循環ポンプ１３、三方弁１４などから構成される。
【００３２】
水素ガスボンベ１１は、高圧水素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純水素であり、圧力は１５〜２０ＭＰｅ（１５０〜２００kg/cm²Ｇ）である。なお、水素ガスボンベ１１は、水素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰｅ（１０kg/cm²Ｇ）程度の圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合もある。
【００３３】
レギュレータ１２は、ダイヤフラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるようにする圧力制御弁である。このレギュレータ１２は、ダイヤフラムに入力する基準圧を大気圧にすると、水素ガスボンベ１１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。
【００３４】
水素循環ポンプ１３は、エジェクタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガスとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１のアノード極側から排出され三方弁１４を通流する排出水素Ｈｅを吸引し循環させる。排出水素Ｈｅを循環させることで、大気に放出する水素の量が減るので燃費の向上につながる。
【００３５】
三方弁１４は、流路切替器から構成され、排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位置、循環位置にする。三方弁１４を排出位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素供給装置ＨＳの系外に排出される。また、三方弁１４を循環位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素循環ポンプ１３に導かれる。
【００３６】
〔制御装置〕
次に、制御装置ＣＵは、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成され、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御すると共に、燃料電池１に供給する供給空気Ａの流量、温度、湿度、そして燃料電池１の運転圧力を制御する。
【００３７】
〔動作〕
以上説明した燃料電池システムＦＣＳについて、本実施形態の加湿装置２の動作を中心に説明する（図１から図３参照）。
【００３８】
空気圧縮機４が作動すると、外気が供給空気Ａとしてエアクリーナ３から空気供給装置ＡＳに取り込まれる。圧縮された供給空気Ａは分岐して、それぞれの供給空気流入口３３，３３から２つの中空糸膜モジュール２１ａ，２１ｂに並行して流入する。分岐により各中空糸膜モジュール２１ａ，２１ｂを通流する供給空気Ａの量は半分になる。供給空気Ａは、中空糸膜束３２の間（中空糸膜ＨＦの外側）を通流した後、それぞれの供給空気流出口３４，３４から流出して合流する。なお、中空糸膜ＨＦの内側には湿潤空気である燃料電池１の排出空気Ａｅが通流しており、この排出空気Ａｅが保有している水分が、中空糸膜モジュール２１ａ内の中空糸膜ＨＦを介して乾燥空気である供給空気Ａの側に移動し、該供給空気Ａを加湿する。
【００３９】
このように加湿された供給空気Ａは、燃料電池１に供給され、電解質膜１ｃ（図２参照）を適度に加湿する。そして、供給空気Ａ中の酸素と供給水素Ｈが電気化学的に反応して発電する。この際に生成した生成水は、供給空気Ａから転じた排出空気Ａｅに同伴（保有）されて燃料電池１から排出される。
【００４０】
燃料電池１から排出された排出空気Ａｅは、生成水に起因する多くの水分を保有しており、この排出空気Ａｅは、排出空気流入口３７から燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂに流入し、中空糸膜ＨＦの内側を通流して排出空気流出口３８から流出する。中空糸膜ＨＦの外側には、前記した供給空気Ａが通流しており、排出空気Ａｅが保有している水分が、中空糸膜ＨＦを介して乾燥空気である供給空気Ａの側に移動し、供給空気Ａが加湿される。
【００４１】
燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂを通流した排出空気Ａｅは、排出空気流入口３７から次の中空糸膜モジュール２１ａに流入し、中空糸膜ＨＦの内側を通流して排出空気流出口３８から流出する。中空糸膜ＨＦの外側には、前記した供給空気Ａが通流しており、排出空気Ａｅが保有している水分が、中空糸膜ＨＦを介して乾燥空気である供給空気Ａの側に移動し、供給空気Ａが加湿される。
【００４２】
ここで、一方の中空糸膜モジュール２１ｂ（燃料電池１の側）には、空気圧縮機４から供給された未加湿の供給空気Ａと燃料電池１から排出されたばかりの水分を多く含む排出空気Ａｅが流入する。両空気Ａ，Ａｅの水分濃度差は大きく、急速に（効率良く）加湿が行われる。しかも、供給空気Ａは分岐されて半分の量が中空糸膜モジュール２１ｂに流入するので、その量は排出空気Ａｅの量に比べて少ない。したがって、図６から判るように、供給空気Ａの露点を高くすることができる。換言すると加湿を多く行うことができる。
【００４３】
他方の中空糸膜モジュール２１ａ（圧力制御弁５の側）には、空気圧縮機４から供給された未加湿の供給空気Ａと一方の中空糸膜モジュール２１ｂを通流した排出空気Ａｅが流入する。この他方の中空糸膜モジュール２１ａでの排出空気Ａｅは、一方の中空糸膜モジュール２１ｂで供給空気Ａに水分交換を行ったものではあるが、なお充分な水分を保有している（中空糸膜モジュール２１ｂでの供給空気Ａの量は全体の供給空気Ａの量の半分に過ぎないから）。したがって、他方の中空糸膜モジュール２１ａにおける両空気Ａ，Ａｅの水分濃度差は大きく、急速に（効率良く）加湿が行われる。しかも、未加湿の供給空気Ａは分岐されて半分の量しか他方の中空糸膜モジュール２１ａに流入しないので、その量は排出空気Ａｅの量に比べて少ない。したがって他方の中空糸膜モジュール２１ａでも、供給空気Ａの露点を高くすることができる。換言すると加湿を多く行うことができる。
【００４４】
また、排出空気Ａｅは２つの中空糸膜モジュール２１，２１を直列に通流することに加えて、各中空糸膜モジュール２１，２１では供給空気Ａと排出空気Ａｅの水分濃度差が大きいことなどから、排出空気Ａｅからの水分回収を多く行うことができる。
【００４５】
なお、本発明は、前記した発明の実施の形態にかかわらず幅広く変形実施することができる。
例えば、図４の変形例に示すように、循環ポンプ２２により排出空気Ａｅを循環する加湿装置２’とすることで、中空糸膜モジュール２１を通流する排出空気Ａｅの量を供給空気Ａの量に対して多くなるようにしてもよい。このようにすることで、供給空気Ａの加湿を多く行うことができる。
【００４６】
また、図２などを参照して説明した本実施形態の加湿装置２について、排出空気Ａｅ〔排出ガス〕の量＞供給空気Ａ〔供給ガス〕）の関係を保持しつつ、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂに、より多くの供給空気Ａを通流する構成とするのが好ましい。つまり、燃料電池１から排出された排出空気Ａｅの含有水分量は多いことから、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂの加湿能力は高い。したがって、この高い加湿能力を持った中空糸膜モジュール２１ｂにより多い量の供給空気Ａを通流することで、水分含有量が少し低下した状態の排出空気Ａｅが通流する排出空気Ａｅの流れを基準とした下流側の中空糸膜モジュール２１ａの負荷を少なくする。このため、加湿装置２全体でみて供給空気Ａの加湿がより多く行われるようになる。
同様に、加湿能力の異なる中空糸膜モジュール２１を設置することとしてもよい。具体的には、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１（２１ｂ）の方が中空糸膜ＨＦの本数が多くなるようにすると共に該モジュール２１ｂのハウジング３１の直径を太くする。すると、供給空気Ａ（及び排出空気Ａｅ）の流路の断面積が増えて圧力損失が少なくなり、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂに対して多くの供給空気Ａを通流することができる。このようにすることで、前記説明したように加湿装置２全体でみて供給空気Ａの加湿がより多く行われる。また、中空糸膜ＨＦの内側に供給空気Ａを通流させた場合（排出空気Ａｅは中空糸膜ＨＦの外）を考えると、中空糸膜ＨＦの本数が増えれば供給空気Ａが通流する流路の断面積が増え、圧力損失が少なくなり、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂに対して多くの供給空気Ａを通流することができる。
同様に、各中空糸膜モジュール２１に通流する供給空気Ａの量の比率を、中空糸膜モジュール２１に供給空気Ａを供給する配管径を決めることにより設定することができる。例えば、燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂに供給空気Ａを供給（及び排出）する配管径を、中空糸膜モジュール２１ａに供給空気Ａを供給（及び排出）する配管径よりも太くするすることで、弁などの調整手段を用いることなく、自ずと加湿効率の高い燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂに多くの供給空気Ａを通流させることができる。このようにすることで、前記説明したように加湿装置２全体でみて供給空気Ａの加湿がより多く行われる。
【００４７】
また、中空糸膜モジュール内における供給空気と排出空気は向流ではなく、並流としてもよい。また、中空糸膜の内側に排出ガスを、外側に供給ガスを通流することとしてもよい。また、燃料電池の側（一方）の中空糸膜モジュールと圧力制御弁の側（他方）の中空糸膜モジュールに通流する供給空気の量の比率は適宜設定することができる。また、燃料電池は、固体高分子型のものに限定されることなく、他の型式の燃料電池にも、本発明の燃料電池用加湿装置を適用することができる。また、空気圧縮機を燃料電池の後段に設ける構成としてもよい。
さらに、水素供給装置は、水素タンクから燃料電池に水素を供給する構成としたが、メタノールなどの液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガスを製造し、これを燃料電池に供給する構成としてもよい。また、排出水素を循環使用する／しないにかかわらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。また、加湿装置の水透過型加湿器も中空糸膜に限定されることはく、他の型式の水透過型加湿器でもよい。また、前記した本実施形態と変形例を組み合わせて実施する構成としてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した本発明のうち請求項１に記載の加湿装置（燃料電池用加湿装置）によれば、簡単な構成で供給ガスの加湿を多く行うことができる。したがって、燃料電池システムを適切な状態で運転することが可能になる。
また、請求項２に記載の加湿装置によれば、簡単な構成で供給ガスの加湿を多く行うことができると共に、加湿効率が高くかつ排出ガスからの水分回収も多く行うことができる。したがって、燃料電池システムをより一層適切な状態で運転することが可能になる。
また、請求項３に記載の加湿装置によれば、各水透過型加湿器における排出ガスの含有水分量の違いを考慮して、加湿装置全体でみて供給ガスの加湿が多く行われる。また、排出ガスからの水分回収を多く行うことができる。したがって、燃料電池システムをより一層適切な状態で運転することが可能になる。
そして、請求項４に記載の加湿装置によれば、確実に排出ガスの量を供給ガスの量よりも多くすることがき、供給ガスの加湿を多く行うことができる。また、排出ガスからの水分回収を多く行うことができる。したがって、燃料電池システムをより一層適切な状態で運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の加湿装置を含む燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】図３は図１の加湿装置における、（ａ）は中空糸膜モジュールの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は中空糸膜の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る変形例の加湿装置の構成を示す図である。
【図５】従来例に係る加湿装置を含む燃料電池システムの構成を示す図であり、（ａ）は中空糸膜モジュールを並列に接続した加湿装置、（ｂ）は中空糸膜モジュールを直列に接続した加湿装置を示す。
【図６】供給ガス流量と供給ガス露点の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…燃料電池
２，２’… 加湿装置（燃料電池用加湿装置）
２１（２１ａ，２１ｂ）…中空糸膜モジュール（水透過型加湿器）
２２ … 循環ポンプ
３３ … 供給空気流入口（供給ガス入口部）
３４ … 供給空気流出口（供給ガス出口部）
３７ … 排出空気流入口（排出ガス入口部）
３８ … 排出空気流出口（排出ガス出口部）
Ａ … 供給空気（供給ガス）
Ａｅ … 排出空気（排出ガス）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell humidifier using a water permeable humidifier.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells (solid polymer fuel cells) that are clean and have excellent energy efficiency have attracted attention as power sources for electric vehicles. This fuel cell is a kind of generator that generates electricity electrochemically when fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (air) are supplied. A solid polymer type fuel cell includes an electrolyte membrane made of a proton conductive solid polymer inside, and the electrolyte membrane exhibits its performance well by being humidified. On the other hand, when the electrolyte membrane is dried, the proton conductivity is reduced and the electrolyte membrane may be damaged. For this reason, humidification of oxidant gas etc. supplied to a fuel cell is performed. For example, JP-A-8-273687 discloses a humidifying device using a hollow fiber membrane.
[0003]
A hollow fiber membrane is a hollow fiber with a donut-shaped cross section. It passes through a wet gas or water (dry gas) on the outside of the hollow fiber membrane and is dried by passing a dry gas (wet gas or water) on the inside. Moisture moves to the gas side, and the dried gas is humidified. Usually, the hollow fiber membrane is used in the form of a hollow fiber membrane module (water permeable humidifier) in which thousands of bundles are packed in a housing.
[0004]
By the way, as a humidifier for a fuel cell, as shown in FIG. 5A, a humidifier 200P having a configuration in which hollow fiber membrane modules 201 are connected in parallel is known. Moreover, as shown in FIG.5 (b), the humidification apparatus 200S of the structure which connected the hollow fiber membrane module 201 (201a, 201b) in series (Series) is known. Note that the humidifiers 200P and 200S of FIGS. 5A and 5B use the moisture of the exhaust air Ae containing the generated water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell 1 to supply the supply air A. It is to be humidified.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the humidifier 200P in which the hollow fiber membrane modules 201 shown in FIG. 5A are connected in parallel, the exhaust air Ae in each hollow fiber membrane module 201 and the supply air A that is the humidified gas in the hollow fiber membrane module 201 The residence time is short, and the supply air A cannot be humidified much. Further, it is not possible to sufficiently recover water from the exhausted air Ae. On the other hand, in the humidifier 200S in which the hollow fiber membrane modules 201 shown in FIG. 5B are connected in series, the humidification efficiency of the supply air A is increased by the amount of the residence time of the supply air A in the hollow fiber membrane module 201. However, there is no improvement in humidification efficiency as the number of hollow fiber membrane modules 201 is increased. That is, since the supply air A that has flowed through the first hollow fiber membrane module 201a is humidified to some extent, humidification in the hollow fiber membrane module 201b on the fuel cell 1 side cannot be performed efficiently. Similarly, with respect to moisture recovery from the exhaust air Ae, it is not possible to recover moisture as the number of hollow fiber membrane modules 201 is increased.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a fuel cell humidifier capable of performing a high amount of humidification of a supply gas and having high humidification efficiency and capable of performing a large amount of water recovery from exhaust gas. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above problems, the present inventors have made constant the amount (flow rate) of the exhaust air Ae for the humidifiers 200P and 200S having the configuration shown in FIGS. 5A and 5B of the conventional example and other humidifiers. Then, the amount (flow rate) of the supply air A was changed, and a test was conducted to grasp the relationship between the flow rate of the supply air A and the dew point (humidification amount) of the supply air A. The result is shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents the flow rate (NL / min) of the supply air A, and the vertical axis represents the dew point (° C.) of the supply air A. The flow rate of the exhaust air Ae is constant. From these results, the present inventors have found that the dew point of the supply air A increases (the humidification amount increases) when the amount of the supply air A decreases with respect to the amount of the exhaust air Ae flowing through the hollow fiber membrane module 201. Obtained knowledge. In addition, in order to improve the humidification efficiency in the hollow fiber membrane module 201, it was found that the difference in moisture concentration between the supply air A and the exhaust air Ae in each hollow fiber membrane module 201 should be increased. And the present inventors conducted earnest research based on this knowledge, and came to complete this invention.
[0009]
That is, of the present invention that has solved the above problems Claim 1 The fuel cell humidifier described in 1 includes a plurality of water permeable humidification modules that allow moisture in exhaust gas discharged from the fuel cell to permeate to a supply gas side that supplies the fuel cell. The plurality of water permeable humidification modules each having a supply gas inlet portion and a supply gas outlet portion into which the supply gas is introduced, and an exhaust gas inlet portion and an exhaust gas outlet portion into which the exhaust gas is introduced, The exhaust gas side is connected in series to allow exhaust gas to flow from the fuel cell, and the supply gas side is connected in parallel to supply gas to the fuel cell. According to this configuration, the amount of the supply gas flowing through the water permeable humidifier is reliably reduced with respect to the amount of the exhaust gas flowing through the water permeable humidifier. In addition, a supply gas that has not been humidified is introduced into each water-permeable humidifier. That is, the water concentration difference between the supply gas and the exhaust gas in each water permeable humidifier can be increased. Therefore, the humidification efficiency is improved, and the supply gas is efficiently humidified (a lot of humidification is also performed). Moreover, since the exhaust gas pipe is connected in series with a water-permeable humidifier, it is possible to perform a large amount of water recovery from the exhaust gas.
[0010]
Claims 2 A fuel cell humidifier according to claim 1, 1 In the configuration described in the above, among the plurality of water permeable humidification modules having the same specification, the water permeable humidification module disposed on the upstream side with respect to the flow of the exhaust gas is disposed on the downstream side. A larger amount of the supply gas than that of the water permeable humidification module is distributed. The upstream exhaust gas has a large amount of water produced by the fuel cell and has a high humidification capacity. Downstream side through which exhaust gas with slightly reduced humidification capacity flows by flowing a large amount of supply gas through the upstream water-permeable humidifier through which exhaust gas with high humidification capacity flows Reduce the load of the water permeable humidifier. As a result, the supply gas is often humidified in the entire fuel cell humidifier.
[0011]
And claims 3 The fuel cell humidifier described in 1 includes a water permeable humidification module that allows moisture in exhaust gas discharged from the fuel cell to permeate to a supply gas side that supplies the fuel cell, and is discharged from the water permeable humidification module. The exhaust gas that is partly discharged is joined to the exhaust gas flowing between the fuel cell and the water permeable humidification module. According to this configuration, the amount of exhaust gas can be surely made larger than the amount of supply gas.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a fuel cell humidifier (hereinafter referred to as “humidifier”) according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 referred to in the present embodiment is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system including a humidifier. FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell of FIG. 3A is a perspective view showing the structure of the hollow fiber membrane module in the humidifying apparatus of FIG. 1, and FIG. 3B is a perspective view showing the structure of the hollow fiber membrane.
[0013]
In addition, the humidifier 2 of this embodiment connects two hollow fiber membrane modules (water permeable humidifiers) 21a and 21b in parallel on the supply air A side and connects them on the exhaust air Ae side. It has the structure connected and connected in series (refer FIG. 1).
[0014]
A fuel cell system FCS shown in FIG. 1 is a power generation system having a fuel cell 1 including a fuel cell 1, an air supply device AS, a hydrogen supply device HS, and a control unit CU as a core.
[0015]
〔Fuel cell〕
As shown in FIG. 2, the fuel cell 1 is divided into a cathode electrode side (oxygen electrode side) and an anode electrode side (hydrogen electrode side) with an electrolyte membrane 1c interposed therebetween, and includes a platinum-based catalyst on each side. An electrode is provided to form a cathode electrode 1b and an anode electrode 1d. As the electrolyte membrane 1c, a solid polymer membrane, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane which is a proton exchange membrane is used. The electrolyte membrane 1c has a large number of proton exchange groups in the solid polymer, exhibits a low specific resistance when saturated with water, and functions as a proton conducting electrolyte. The catalyst included in the cathode electrode 1b is a catalyst that generates oxygen ions from oxygen, and the catalyst included in the anode electrode 1d is a catalyst that generates protons from hydrogen.
[0016]
Further, a cathode electrode side gas passage 1a through which the supply air A as an oxidant gas flows is provided in the cathode electrode 1b outside the cathode electrode 1b, and an anode electrode 1d as a fuel gas is provided outside the anode electrode 1d. An anode electrode side gas passage 1e through which the supply hydrogen H flows is provided. The inlet and outlet of the cathode electrode side gas passage 1a are connected to the air supply device AS, and the inlet and outlet of the anode electrode side gas passage 1e are connected to the hydrogen supply device HS. The fuel cell 1 in FIG. 2 is schematically represented as a single cell, but the actual fuel cell 1 is configured as a laminate in which about 200 single cells are stacked. . Further, since the fuel cell 1 generates heat by an electrochemical reaction during power generation, the fuel cell 1 has a cooling device (not shown) that cools the fuel cell 1.
[0017]
In the fuel cell 1, when supply air A is passed through the cathode electrode side gas passage 1a and supply hydrogen H is supplied to the anode electrode side gas passage 1e, hydrogen is ionized by the catalytic action at the anode electrode 1d and protonated. The generated protons move through the electrolyte membrane 1c and reach the cathode electrode 1b. The protons that reach the cathode electrode 1b immediately react with oxygen ions generated from oxygen in the supply air A in the presence of the catalyst to generate water. Supply air A containing generated water (product water) and unused oxygen is discharged from the cathode-side outlet of the fuel cell 1 as discharge air Ae. Further, in the anode electrode 1d, when hydrogen is ionized, electrons e ^- The generated electron e ^- Reaches the cathode electrode 1b via an external load M such as a motor.
[0018]
[Air supply device]
Next, as shown in FIG. 1, the air supply device AS includes a humidifier 2, an air cleaner 3, an air compressor 4, a pressure control valve 5, a flow sensor Q, temperature sensors T1, T2, a humidity sensor H, and a pressure sensor P. Etc.
[0019]
The humidifier 2 of this embodiment is demonstrated with reference to FIG.1 and FIG.3.
As described above, the humidifier 2 has a configuration in which the two hollow fiber membrane modules 21a and 21b are connected by piping in parallel on the supply air A side and connected in series by connecting on the exhaust air Ae side. Have. That is, the hollow fiber membrane modules 21a, 21b are connected in parallel between the air compressor 4 and the fuel cell 1 on the supply air A side, and the fuel cell 1 and the pressure control valve 5 on the exhaust air Ae side. Are connected by piping in series. In addition, the flow of the supply air A and the discharge air Ae in the hollow fiber membrane module 21 is countercurrent. The two hollow fiber membrane modules 21a and 21b have the same specifications.
[0020]
As shown in FIG. 3A, the hollow fiber membrane module 21 has a housing 31, and a water-permeable hollow fiber membrane HF (FIG. 3 (3)) is arranged inside the housing 31 along the longitudinal direction thereof. The hollow fiber membrane bundle 32 constituted by bundling (see b) is accommodated. The hollow fiber membrane HF has a large number of fine capillaries having a diameter of several nanometers (nanometers) reaching from the inside to the outside. In the capillaries, the vapor pressure is reduced and moisture is easily condensed. The condensed moisture is sucked out by the capillary phenomenon (capillary condensation phenomenon) from the more moisture to the less moisture and passes through the hollow fiber membrane HF. The hollow fiber membrane HF has a diameter of several millimeters or less and a length of several tens of centimeters.
[0021]
The housing 31 has a hollow cylindrical shape with both ends open, and a supply air inlet 33 (supply gas inlet) for introducing the supply air A, which is dry air, into the housing 31 at one end in the longitudinal direction. A plurality are formed spaced apart in the circumferential direction. In addition, a plurality of supply air outlets 34 (supply gas outlet portions) serving as outlets of the humidified supply air A are formed on the other end side in the longitudinal direction of the housing 31 so as to be spaced apart in the circumferential direction. Yes.
[0022]
On the other hand, the hollow fiber membrane bundle 32 accommodated in the housing 31 bundles thousands of water permeable hollow fiber membranes HF having hollow passages, and has a potting portion 35 on one end side and a potting portion 36 on the other end side. It is potted so as to be provided. The potting portion 35 provided on one end portion side of the housing 31 is located slightly on the end portion side from the position where the supply air inlet 33 is formed (the same applies to the potting portion 36).
[0023]
Further, an exhaust air outlet 38 (exhaust gas outlet) is formed outside the potting portion 35, and an exhaust air inlet 37 (exhaust gas inlet) is formed outside the potting portion 36. Thus, when the potting portions 35 and 36 are separated, the exhaust air inlet 37 and the exhaust air outlet 38 communicate with each other through the inside of each hollow fiber membrane HF forming the hollow fiber membrane bundle 32. . Thus, the discharge air Ae flowing through the hollow passage inside the hollow fiber membrane HF and the supply air A flowing outside the hollow fiber membrane HF are not mixed.
[0024]
Next, the air cleaner 3 is composed of a filter or the like, and filters the supply air A supplied to the cathode electrode side of the fuel cell 1 to remove dust contained in the supply air A.
[0025]
The air compressor 4 includes a supercharger and a motor that drives the supercharger, compresses the supply air A filtered by the air cleaner 3, and sends the compressed air to the humidifier 2 at the subsequent stage. The supplied supply air A enters the humidifier 2 from the supply air inlet 33 of the hollow fiber membrane module 21a. The supply air A is heated by being adiabatically compressed by the air compressor 4. Heating of the supply air A is necessary for supplying the supply air A to the fuel cell 1 operated at a temperature of about 90 ° C. and for facilitating humidification (humidification) of the supply air A in the humidifier 2. It will be.
Note that the air compressor 4 has a pressure (discharge pressure) of the supply air A that is discharged by increasing the rotational speed of the motor that drives the air compressor 4 when the valve opening of the pressure control valve 5 described later is constant. ) Increases, and the temperature of the supply air A rises correspondingly. On the other hand, by reducing the rotation speed of the motor, the pressure of the supply air A becomes lower, and the temperature of the supply air A correspondingly decreases.
[0026]
The pressure control valve 5 includes a butterfly valve and a stepping motor that drives the butterfly valve, and controls the pressure of the supply air A discharged from the air compressor 4 by decreasing or increasing the valve opening degree of the pressure control valve 5. To do. Incidentally, when the valve opening degree of the pressure control valve 5 is decreased, the discharge pressure of the air compressor 4 increases, and the temperature of the supply air A rises correspondingly. Further, when the valve opening degree of the pressure control valve 5 is increased, the discharge pressure of the air compressor 4 is lowered, and the temperature of the supply air Ae is correspondingly reduced. In addition, the pressure control valve 5 of this embodiment is provided at the end of the line through which the exhaust air Ae flows. Of course, the pressure control valve 5 may be provided between the air compressor 4 and the humidifier 2 or between the humidifier 2 and the fuel cell 1 (cathode electrode inlet / outlet side). From the viewpoint of controlling the pressure of the fuel cell 1, it is preferable to provide the pressure control valve 5 on the downstream side of the fuel cell 1 (a line through which the exhaust air Ae flows). Further, if the pressure control valve 5 is provided between the fuel cell 1 and the humidifier 2 in the line through which the exhaust air Ae on the downstream side of the fuel cell 1 flows, the exhaust air Ae supplied to the humidifier 2 Since the moisture held in the exhaust air Ae can be vaporized by reducing the pressure, the humidification efficiency in the humidifier 2 is improved.
[0027]
The flow meter Q is composed of a differential pressure flow meter or the like, detects the flow rate of the supply air A after flowing through the air cleaner 3, and transmits a detection signal to the control unit CU.
[0028]
The temperature sensors T1, T2 are composed of a thermistor or a thermocouple. Among these, the temperature sensor T1 detects the temperature of the supply air A discharged from the air compressor 4, and transmits a detection signal to the control unit CU. The temperature sensor T2 detects the temperature of the supply air A at the inlet of the cathode side of the fuel cell 1 and transmits a detection signal to the control unit CU.
[0029]
The humidity sensor H is composed of a polymer film type humidity sensor or the like, detects the humidity of the supply air A at the cathode electrode side inlet of the fuel cell 1, and transmits a detection signal to the control unit CU.
[0030]
The pressure sensor P includes a Bourdon tube, a bellows, a diaphragm, a strain gauge, or the like, detects the pressure of the supply air A at the cathode electrode side inlet of the fuel cell 1, and transmits a detection signal to the control unit CU.
[0031]
[Hydrogen supply equipment]
As shown in FIG. 1, the hydrogen supply device HS includes a hydrogen gas cylinder 11, a regulator 12, a hydrogen circulation pump 13, a three-way valve 14, and the like.
[0032]
The hydrogen gas cylinder 11 is composed of a high-pressure hydrogen container, and stores supply hydrogen H introduced to the anode electrode side of the fuel cell 1. The supply hydrogen H to be stored is pure hydrogen, and the pressure is 15 to 20 MPa (150 to 200 kg / cm). ² G). The hydrogen gas cylinder 11 contains a hydrogen storage alloy and contains 1 MPa (10 kg / cm ² G) It may be a hydrogen storage alloy type that stores hydrogen at a pressure of the order of magnitude.
[0033]
The regulator 12 is composed of a diaphragm, a pressure adjusting spring, and the like, and is a pressure control valve that reduces the supply hydrogen H stored at a high pressure to a predetermined pressure so that it can be used at a constant pressure. The regulator 12 can reduce the pressure of the supplied hydrogen H stored in the hydrogen gas cylinder 11 to near atmospheric pressure when the reference pressure input to the diaphragm is atmospheric pressure.
[0034]
The hydrogen circulation pump 13 is composed of an ejector or the like, and uses the flow of supplied hydrogen H toward the anode side of the fuel cell 1 to supply hydrogen H after being used as fuel gas in the fuel cell 1, that is, the fuel cell. The discharged hydrogen He discharged from the anode electrode 1 and flowing through the three-way valve 14 is sucked and circulated. By circulating the discharged hydrogen He, the amount of hydrogen released to the atmosphere is reduced, leading to an improvement in fuel consumption.
[0035]
The three-way valve 14 is composed of a flow path switch, and switches the flow path of the discharged hydrogen He to the discharge position and the circulation position. When the three-way valve 14 is set to the discharge position, the discharged hydrogen He is discharged out of the system of the hydrogen supply device HS. Further, when the three-way valve 14 is set to the circulation position, the discharged hydrogen He is guided to the hydrogen circulation pump 13.
[0036]
〔Control device〕
Next, the control unit CU includes a CPU, a memory, an input / output interface, an A / D converter, a bus, and the like (not shown), and controls the fuel cell system FCS as a whole and supplies the fuel cell 1 with the supply. The flow rate of air A, temperature, humidity, and operating pressure of the fuel cell 1 are controlled.
[0037]
[Operation]
The fuel cell system FCS described above will be described focusing on the operation of the humidifier 2 of the present embodiment (see FIGS. 1 to 3).
[0038]
When the air compressor 4 is activated, the outside air is taken as supply air A from the air cleaner 3 to the air supply device AS. The compressed supply air A branches and flows in parallel to the two hollow fiber membrane modules 21a and 21b from the respective supply air inlets 33 and 33. The amount of supply air A flowing through the hollow fiber membrane modules 21a and 21b is halved by the branching. The supply air A flows between the hollow fiber membrane bundles 32 (outside the hollow fiber membranes HF), and then flows out from the supply air outlets 34 and 34 to join. In addition, the exhaust air Ae of the fuel cell 1 which is wet air flows inside the hollow fiber membrane HF, and the water held by the exhaust air Ae is the hollow fiber membrane HF in the hollow fiber membrane module 21a. To the side of the supply air A, which is dry air, and humidifies the supply air A.
[0039]
The humidified supply air A is supplied to the fuel cell 1 and appropriately humidifies the electrolyte membrane 1c (see FIG. 2). The oxygen in the supply air A and the supply hydrogen H react electrochemically to generate electricity. The generated water generated at this time is accompanied (held) by the exhaust air Ae turned from the supply air A and is discharged from the fuel cell 1.
[0040]
The exhaust air Ae exhausted from the fuel cell 1 retains a large amount of moisture due to the generated water, and this exhaust air Ae passes from the exhaust air inlet 37 to the hollow fiber membrane module 21b on the fuel cell 1 side. It flows in, flows through the inside of the hollow fiber membrane HF, and flows out from the exhaust air outlet 38. The above-described supply air A flows outside the hollow fiber membrane HF, and the moisture held in the exhaust air Ae moves to the supply air A side, which is dry air, through the hollow fiber membrane HF. The supply air A is humidified.
[0041]
The discharged air Ae that has flowed through the hollow fiber membrane module 21b on the fuel cell 1 side flows into the next hollow fiber membrane module 21a from the discharge air inlet 37, flows through the inside of the hollow fiber membrane HF, and flows into the exhaust air flow. It flows out from the outlet 38. The above-described supply air A flows outside the hollow fiber membrane HF, and the moisture held in the exhaust air Ae moves to the supply air A side, which is dry air, through the hollow fiber membrane HF. The supply air A is humidified.
[0042]
Here, in one hollow fiber membrane module 21b (fuel cell 1 side), unhumidified supply air A supplied from the air compressor 4 and exhaust air Ae containing a large amount of moisture just discharged from the fuel cell 1 are provided. Flows in. The difference in moisture concentration between the airs A and Ae is large, and humidification is performed rapidly (efficiently). Moreover, since the supply air A is branched and a half amount flows into the hollow fiber membrane module 21b, the amount is smaller than the amount of the exhaust air Ae. Therefore, as can be seen from FIG. 6, the dew point of the supply air A can be increased. In other words, much humidification can be performed.
[0043]
The non-humidified supply air A supplied from the air compressor 4 and the exhaust air Ae flowing through the one hollow fiber membrane module 21b flow into the other hollow fiber membrane module 21a (pressure control valve 5 side). . The discharged air Ae from the other hollow fiber membrane module 21a is obtained by exchanging moisture with the supply air A in one hollow fiber membrane module 21b, but still has sufficient moisture (hollow fiber membrane 21a). The amount of supply air A in the module 21b is only half of the total amount of supply air A). Therefore, the moisture concentration difference between the airs A and Ae in the other hollow fiber membrane module 21a is large, and humidification is performed rapidly (efficiently). In addition, since the unhumidified supply air A is branched and only half the amount flows into the other hollow fiber membrane module 21a, the amount thereof is smaller than the amount of the exhaust air Ae. Therefore, the dew point of the supply air A can be increased also in the other hollow fiber membrane module 21a. In other words, much humidification can be performed.
[0044]
In addition, the exhaust air Ae flows through the two hollow fiber membrane modules 21 and 21 in series, and in each hollow fiber membrane module 21 and 21, there is a large difference in water concentration between the supply air A and the exhaust air Ae. Therefore, a large amount of water can be recovered from the exhaust air Ae.
[0045]
It should be noted that the present invention can be widely modified regardless of the embodiment of the invention described above.
For example, as shown in the modification of FIG. 4, the humidification device 2 ′ that circulates the discharge air Ae by the circulation pump 22 makes the amount of the discharge air Ae flowing through the hollow fiber membrane module 21 the amount of the supply air A. You may make it increase with respect to quantity. By doing in this way, much humidification of the supply air A can be performed.
[0046]
Further, in the humidifying device 2 of the present embodiment described with reference to FIG. 2 and the like, the fuel cell 1 side is maintained while maintaining the relationship of the amount of exhaust air Ae [exhaust gas]> supply air A [supply gas]. It is preferable that a larger amount of supply air A flow through the hollow fiber membrane module 21b. That is, since the moisture content of the exhaust air Ae discharged from the fuel cell 1 is large, the humidification capability of the hollow fiber membrane module 21b on the fuel cell 1 side is high. Therefore, by flowing a large amount of supply air A through the hollow fiber membrane module 21b having a high humidification capacity, the flow of the discharge air Ae through which the discharge air Ae in a state where the water content is slightly reduced flows. The load on the downstream hollow fiber membrane module 21a as a reference is reduced. For this reason, the humidification of the supply air A is performed more in the entire humidifier 2.
Similarly, it is good also as installing the hollow fiber membrane module 21 from which humidification capability differs. Specifically, in the hollow fiber membrane module 21 (21b) on the fuel cell 1 side, the number of hollow fiber membranes HF is increased and the diameter of the housing 31 of the module 21b is increased. Then, the cross-sectional area of the flow path of the supply air A (and the discharge air Ae) increases, the pressure loss decreases, and a large amount of the supply air A flows through the hollow fiber membrane module 21b on the fuel cell 1 side. Can do. By doing in this way, as described above, the humidification of the supply air A is performed more as viewed in the entire humidifier 2. Further, when the supply air A is allowed to flow inside the hollow fiber membrane HF (exhaust air Ae is outside the hollow fiber membrane HF), the supply air A flows when the number of hollow fiber membranes HF increases. The cross-sectional area of the flow path is increased, the pressure loss is reduced, and a large amount of supply air A can be passed to the hollow fiber membrane module 21b on the fuel cell 1 side.
Similarly, the ratio of the amount of supply air A flowing through each hollow fiber membrane module 21 can be set by determining the pipe diameter for supplying the supply air A to the hollow fiber membrane module 21. For example, the pipe diameter for supplying (and discharging) the supply air A to the hollow fiber membrane module 21b on the fuel cell 1 side is made larger than the pipe diameter for supplying (and discharging) the supply air A to the hollow fiber membrane module 21a. Thus, a large amount of supply air A can be passed through the hollow fiber membrane module 21b on the side of the fuel cell 1 with high humidification efficiency without using any adjusting means such as a valve. By doing in this way, as described above, the humidification of the supply air A is performed more as viewed in the entire humidifier 2.
[0047]
Further, the supply air and the discharge air in the hollow fiber membrane module may be cocurrent instead of counterflow. Further, the exhaust gas may be flowed inside the hollow fiber membrane and the supply gas may be flowed outside. Moreover, the ratio of the amount of supply air flowing through the hollow fiber membrane module on the fuel cell side (one side) and the hollow fiber membrane module on the pressure control valve side (the other side) can be set as appropriate. The fuel cell is not limited to a solid polymer type, and the fuel cell humidifier of the present invention can be applied to other types of fuel cells. Moreover, it is good also as a structure which provides an air compressor in the back | latter stage of a fuel cell.
Further, the hydrogen supply device is configured to supply hydrogen from the hydrogen tank to the fuel cell, but reforms a liquid raw fuel such as methanol with a reformer to produce a hydrogen-rich fuel gas, which is used as the fuel cell. It is good also as a structure supplied to. Further, the present invention may be applied to the hydrogen supply apparatus side regardless of whether or not the exhausted hydrogen is circulated. Further, the water permeable humidifier of the humidifier is not limited to the hollow fiber membrane, and may be another type of water permeable humidifier. Moreover, it is good also as a structure implemented combining said above-mentioned embodiment and a modification.
[0048]
【Effect of the invention】
According to the humidifying device (humidifying device for a fuel cell) according to the first aspect of the present invention described above, the supply gas can be humidified with a simple configuration. Therefore, the fuel cell system can be operated in an appropriate state.
Further, according to the humidifying device of the second aspect, the supply gas can be humidified with a simple configuration, the humidification efficiency is high, and the moisture recovery from the exhaust gas can be performed a lot. Accordingly, the fuel cell system can be operated in a more appropriate state.
Further, according to the humidifier of the third aspect, in consideration of the difference in the moisture content of the exhaust gas in each water permeable humidifier, the supply gas is humidified as a whole in the humidifier. In addition, a large amount of water can be recovered from the exhaust gas. Accordingly, the fuel cell system can be operated in a more appropriate state.
And according to the humidification apparatus of Claim 4, the quantity of exhaust gas can be reliably made larger than the quantity of supply gas, and humidification of supply gas can be performed much. In addition, a large amount of water can be recovered from the exhaust gas. Accordingly, the fuel cell system can be operated in a more appropriate state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system including a humidifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell of FIG. 1;
3A is a perspective view showing the structure of a hollow fiber membrane module, and FIG. 3B is a perspective view showing the structure of the hollow fiber membrane in the humidifying device of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a humidifying device according to a modification according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system including a humidifier according to a conventional example, where (a) is a humidifier in which hollow fiber membrane modules are connected in parallel, and (b) is a hollow fiber membrane module in series. The connected humidifier is shown.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the supply gas flow rate and the supply gas dew point.
[Explanation of symbols]
1. Fuel cell
2, 2 '... Humidifier (humidifier for fuel cell)
21 (21a, 21b) ... hollow fiber membrane module (water permeable humidifier)
22 ... Circulation pump
33 ... Supply air inlet (supply gas inlet)
34 ... Supply air outlet (supply gas outlet)
37 ... Exhaust air inlet (exhaust gas inlet)
38 ... Exhaust air outlet (exhaust gas outlet)
A ... Supply air (supply gas)
Ae ... Exhaust air (exhaust gas)

Claims

A humidifier for a fuel cell comprising a plurality of water permeable humidification modules that permeate moisture in an exhaust gas discharged from a fuel cell to a supply gas side that supplies the fuel cell, the plurality of water permeable humidifiers Each of the modules includes a supply gas inlet portion and a supply gas outlet portion into which the supply gas is introduced, and an exhaust gas inlet portion and an exhaust gas outlet portion into which the exhaust gas is introduced,
Further, the plurality of water permeable humidification modules are connected in series on the exhaust gas side to allow exhaust gas to flow from the fuel cell, and are connected in parallel on the supply gas side to supply gas to the fuel cell. A humidifier for a fuel cell, wherein the humidifier is circulated.

Of the plurality of water permeable humidification modules having the same specification, the water permeable humidification module disposed on the upstream side with respect to the flow of the exhaust gas is arranged on the downstream side. 2. The fuel cell humidifier according to claim 1 , wherein a larger amount of the supply gas is distributed than a module.

A fuel cell humidifying device comprising a water permeable humidification module that permeates moisture in exhaust gas discharged from a fuel cell to a supply gas side that supplies the fuel cell,
And means for returning a part of the exhaust gas discharged from the water permeable humidification module to the exhaust gas flowing between the fuel cell and the water permeable humidification module. A fuel cell humidifier.