JPH08273687A - Supply gas humidifier of fuel cell - Google Patents

Supply gas humidifier of fuel cell

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JPH08273687A
JPH08273687A JP7073864A JP7386495A JPH08273687A JP H08273687 A JPH08273687 A JP H08273687A JP 7073864 A JP7073864 A JP 7073864A JP 7386495 A JP7386495 A JP 7386495A JP H08273687 A JPH08273687 A JP H08273687A
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JP
Japan
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gas
fuel cell
hollow fiber
fiber membrane
water
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Application number
JP7073864A
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Japanese (ja)
Inventor
Futoshi Fujikawa
太 藤川
Yasuaki Hasegawa
泰明 長谷川
Shogo Watanabe
正五 渡辺
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
Application filed by Mazda Motor Corp filed Critical Mazda Motor Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

PURPOSE: To provide a compact humidifier having high humidifying efficiency. CONSTITUTION: An inside space of a jacket 12 sandwiched by a pair of partition plates 13 and 14 constitutes a water chamber 18, and an inlet 19 and an outlet 20 of water are formed in positions in close vicinity to the respective partition plates 13 and 14, and cooling water piping is connected, and fuel gas is introduced to an inside space of respective hollow thread films from the side of one partition plate 13 of a hollow thread film bundle 11 supported with a pair of partition plates 13 and 14 of the jacket 12. It flows toward the side of the other partition plate 14, and is guided to the other gas chamber 17, and on the other hand, cooling water is introduced to the inside space 18 of the jacket 12 from the inlet '19 arranged on the side of the partition plate 14 on the gas outlet side, and flows in the opposite direction of the gas flowing direction while indirectly contacting with gas flowing inside of it from outside of the hollow thread films 1, and is discharged from the side of the partition plate 13 on the gas inlet side. The fuel gas is introduced so as to flow in the opposite direction of the cooling water in a humidifier 7, and is humidified by contacting with the cooling water through the hollow thread films.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般的に、水
素イオン伝導性の固体高分子を白金触媒を担持したカー
ボン電極で挟み込んで構成される発電素子すなわち固体
高分子電解質膜−電極接合体及び各電極面にそれぞれの
反応ガスを供給するためのガス通路を画成するともに、
発電素子を両側から支持するガス分離部材とを積層した
構造を有する。そして、一方の電極に水素ガスすなわち
燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素あるいは空気すな
わち酸化剤ガスを供給して、燃料ガスの酸化還元反応に
かかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出
するようになっている。すなわち、アノード側で水素ガ
スがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子
は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応
して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネル
ギーを取り出すことができるものである。固体高分子電
解質膜中を水素イオンは伴い移動するため固体高分子電
解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エ
ネルギー変換効率が低下してしまう。よって良好なイオ
ン伝導を保つために固体高分子電解質膜に水分を供給す
る必要がある。
2. Description of the Related Art In general, a polymer electrolyte fuel cell is a power generating element formed by sandwiching a hydrogen ion conductive solid polymer between carbon electrodes carrying a platinum catalyst, that is, a solid polymer electrolyte membrane-electrode junction. While defining gas passages for supplying respective reaction gases to the body and each electrode surface,
It has a structure in which a gas separation member supporting the power generation element from both sides is laminated. Then, one electrode is supplied with hydrogen gas, that is, fuel gas, and the other electrode is supplied with oxygen or air, that is, oxidant gas, so that the chemical energy involved in the redox reaction of the fuel gas is directly extracted as electric energy. Has become. That is, on the anode side, hydrogen gas is ionized and moves in the solid polymer electrolyte, and the electrons move to the cathode side through an external load and react with oxygen to generate water. It can extract energy. Since hydrogen ions move along with the solid polymer electrolyte membrane, if the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is lowered and the energy conversion efficiency is lowered. Therefore, it is necessary to supply water to the solid polymer electrolyte membrane in order to maintain good ionic conduction.

【0003】[0003]

【解決しようとする課題】従来の固体高分子型燃料電池
においては、加湿機構によって反応ガスを積極的に加湿
して高い反応速度を維持するようにしている。この加湿
装置は、ガスと水とを接触させることによってガスを加
湿するようになっているが、所望のガスの湿潤状態を確
保するためには、所定のガスと水との接触面積を確保す
ることが必要となる。従来の構造では、多孔質のカーボ
ン板を介して反応ガスと水との接触を行わせることによ
ってガスを加湿することが行われる。しかし、この構成
では、必ずしも加湿効率が良好ではなく、装置が大型化
するという問題があった。また、特開昭平6−1320
38号公報には、燃料ガスの加湿装置として、水蒸気透
過膜を用いたものが開示されている。この開示された加
湿装置では、水蒸気透過膜を介して燃料ガスとオフガス
を接触させて供給ガスを加湿するようになっている。し
かし、この装置においては、構造上上記同様に装置が大
型化するという問題がある。
In a conventional polymer electrolyte fuel cell, a humidifying mechanism actively humidifies a reaction gas to maintain a high reaction rate. This humidifier is designed to humidify the gas by bringing the gas and water into contact with each other. However, in order to ensure a desired gas wet state, a contact area between the predetermined gas and water is secured. Will be required. In the conventional structure, the reaction gas is brought into contact with water through a porous carbon plate to humidify the gas. However, with this configuration, the humidification efficiency is not necessarily good, and there is a problem that the device becomes large. Also, JP-A-6-1320
Japanese Unexamined Patent Publication No. 38-38 discloses a fuel gas humidifying device using a water vapor permeable membrane. In the disclosed humidifier, the feed gas is humidified by bringing the fuel gas and the off gas into contact with each other via the water vapor permeable membrane. However, in this device, there is a problem that the device becomes large in size similarly to the above due to its structure.

【0004】本発明はこのような観点で構成されたもの
で、加湿効率の高いコンパクトな加湿装置を提供するこ
とによって、固体高分子型燃料電池を小型化することを
目的とする。さらに本発明の目的は、独特の加湿機構を
固体高分子型燃料電池に組み込むことによって特別の加
湿装置を設けることなく有効に固体高分子型燃料電池を
小さくすることである。
The present invention is configured from such a point of view, and an object thereof is to provide a compact humidifier having high humidification efficiency and to downsize a polymer electrolyte fuel cell. A further object of the present invention is to effectively reduce the size of the polymer electrolyte fuel cell without installing a special humidifier by incorporating a unique humidification mechanism into the polymer electrolyte fuel cell.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明にかかる燃料電池の供給ガスの加湿装置は、固体子電
解質膜と該高分子電解膜の両側に配置される電極構成部
材とから構成される発電素子と、該発電素子に沿って配
置され、前記発電素子に供給される反応ガスのためのガ
ス流通路を発電素子との間で画成する導電性材料からな
るガス分離部材と、前記発電素子の両側にそれぞれの反
応ガスが発電素子に対して供給可能に設けられることに
よって構成されるセルを有する燃料電池において、前記
反応ガスと水とを中空糸膜を介して接触せしめ反応ガス
を加湿するようにしたことを特徴とする。より具体的に
は、上記において、前記加湿装置は、反応ガスが流通す
るガスチャンバと水が流通する水チャンバを備えてお
り、ガスチャンバは前記燃料電池への反応ガス供給管に
接続され、水チャンバは前記燃料電池の冷却水用配管に
接続される。また、内部を水が流通するように構成され
た前記中空糸膜を前記ガス分離部材によって画成された
ガス流通領域に所定量の前記中空糸膜を配置するように
してもよい。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. That is, a humidifier for a supply gas of a fuel cell according to the present invention includes a power generating element including a solid electrolyte membrane and electrode constituent members arranged on both sides of the polymer electrolytic membrane, and a power generating element along the power generating element. A gas separating member, which is arranged and defines a gas flow path for the reaction gas supplied to the power generation element between the power generation element and a gas separation member, and the respective reaction gases generate electricity on both sides of the power generation element. A fuel cell having a cell configured to be provided so as to be capable of supplying to the element is characterized in that the reaction gas and water are brought into contact with each other through a hollow fiber membrane to humidify the reaction gas. More specifically, in the above, the humidifying device includes a gas chamber in which a reaction gas flows and a water chamber in which water flows, and the gas chamber is connected to a reaction gas supply pipe to the fuel cell, The chamber is connected to the cooling water pipe of the fuel cell. Further, a predetermined amount of the hollow fiber membranes may be arranged in a gas circulation region defined by the gas separating member, the hollow fiber membranes being configured to allow water to flow inside.

【0006】さらに、前記燃料電池は、前記セルを積層
することによって構成されるとともにセルの積層方向に
各セルに対して反応ガスを供給するためのガス供給通路
が設けられる。この場合、上記のガス供給通路内には所
定量の前記中空糸膜が配設され、前記中空糸膜の内部に
水が流通するように構成される。または、別の態様で
は、各セルを区分する領域内に冷却水の排水通路が設け
られる。そして、このような排水通路内に水分のみを流
通させることかできる所定量の中空糸膜を配置されてい
るとともに、該中空糸膜内にガスが流通させられるよう
になっている。
Further, the fuel cell is constructed by stacking the cells and is provided with a gas supply passage for supplying a reaction gas to each cell in the stacking direction of the cells. In this case, a predetermined amount of the hollow fiber membrane is arranged in the gas supply passage, and water is circulated inside the hollow fiber membrane. Alternatively, in another aspect, a drainage passage for cooling water is provided in a region that divides each cell. Then, a predetermined amount of hollow fiber membranes capable of circulating only water is arranged in such a drainage passage, and gas is allowed to flow in the hollow fiber membranes.

【0007】[0007]

【作用】上記したように高分子電解膜の水素イオン伝導
を良好に保ち、かつ電気化学反応の活性を高く維持する
ためには、供給ガスの湿度を高くする必要がある。供給
ガスを加湿するために、本発明では、中空糸膜を利用す
ることを特徴とする。中空糸膜は、文字通り中空状の細
い糸の膜であって、膜の性質は、ガスの流通は阻止する
が、水分すなわち水分子の流通は許容するという性質を
有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低
い方向に中空糸膜を介して流通する。したがって、中空
糸膜の内側に水、外側にガスを存在せしめると水分は中
空糸膜を介して外側のガス相に移動する。逆に中空糸膜
の内側にガスを流通させ外側に水を流通させると水分は
中空糸膜の外側から内部に浸透し、ガス中に拡散する。
したがって、本発明に適用するためにガスの加湿装置を
構成する場合中空糸膜の内部または外部のどちらのガス
または水を存在せしめるかは設計的事項であり適宜選択
することができる。上記の中空糸膜を介しての水蒸気の
物質移動は以下の式によって表すことができる。
As described above, in order to keep the hydrogen ion conduction of the polymer electrolyte membrane good and to keep the activity of the electrochemical reaction high, it is necessary to increase the humidity of the supply gas. The present invention is characterized in that a hollow fiber membrane is used to humidify the supply gas. The hollow fiber membrane is a membrane of a thin fiber which is literally hollow, and has a property that the flow of gas is blocked but the flow of water, that is, water molecules is allowed. In this case, water flows through the hollow fiber membrane from the direction of high water vapor partial pressure to the direction of low water vapor partial pressure. Therefore, when water is present inside the hollow fiber membrane and gas is present outside, the moisture moves to the outer gas phase through the hollow fiber membrane. On the contrary, when gas is circulated inside the hollow fiber membrane and water is circulated outside, the water permeates from the outside of the hollow fiber membrane to the inside and diffuses into the gas.
Therefore, when configuring a gas humidifier for application to the present invention, which gas or water is present inside or outside the hollow fiber membrane is a design matter and can be appropriately selected. The mass transfer of water vapor through the hollow fiber membrane can be represented by the following equation.

【0008】Q=P×Am×(Pf−Pp) ここで、Q:水蒸気透過速度(cm3/sec) P:水蒸気透過係数(cm3/cm2/sec/cmHg) Am:膜面積 (cm2) Pf:供給側水蒸気分圧(cmHg) Pp:透過側水蒸気分圧(cmHg) 本発明の上記加湿装置に有効に適用できるような中空糸
膜の透過係数は、1.0×10-8〜1.0×10-5(cm
3/cm2/sec/cmHg) が好ましい。本発明に好適な中空糸膜
の材質としてフェノールスルホン酸、ポリスチレンスル
ホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、パーフ
ルオロカーボンスルホン酸等の高分子イオン交換膜が挙
げられ、高分子系樹脂あるいはセラミック系等上記の透
過係数を有するものであれば任意のものを選択すること
ができる。また、中空糸膜は、3mm程度以下の外径で
あれば、数ミクロンレベルのものまで有効に用いること
ができる。上記の中空糸膜によって加湿装置を構成する
と、ガスおよび水の単位使用量当たりの膜の面積が、従
来の平面状の膜に比べて極めて大きくなりしたがって、
効率的に水−ガスの接触面積を確保することができる。
特に、本発明の用途において中空糸膜を使用する場合に
は、中空糸膜の所定量を束状にして用いるのでその容積
比率に対して膜の表面積が極めて大きくなる。したがっ
て、従来の加湿装置を大幅に小型にすることができる。
Q = P × Am × (Pf-Pp) where Q: Water vapor transmission rate (cm3 / sec) P: Water vapor transmission coefficient (cm3 / cm2 / sec / cmHg) Am: Membrane area (cm2) Pf: Supply-side water vapor partial pressure (cmHg) Pp: Permeation-side water vapor partial pressure (cmHg) The permeation coefficient of the hollow fiber membrane that can be effectively applied to the humidifying device of the present invention is 1.0 × 10 −8 to 1.0. × 10 -5 (cm
3 / cm2 / sec / cmHg) is preferred. Examples of the material of the hollow fiber membrane suitable for the present invention include polymer ion exchange membranes such as phenol sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polytrifluorostyrene sulfonic acid, perfluorocarbon sulfonic acid, and the like. Any one can be selected as long as it has a transmission coefficient of. Also, the hollow fiber membrane can be effectively used up to a level of several microns if the outer diameter is about 3 mm or less. When the humidifier is constituted by the hollow fiber membrane, the area of the membrane per unit amount of gas and water used is extremely large as compared with the conventional planar membrane,
A water-gas contact area can be efficiently secured.
In particular, when a hollow fiber membrane is used in the application of the present invention, a predetermined amount of the hollow fiber membrane is used in a bundle, and therefore the surface area of the membrane becomes extremely large with respect to the volume ratio. Therefore, the conventional humidifier can be significantly reduced in size.

【0009】また、上記の束状の中空糸膜を固体高分子
型燃料電池の各セルに対する共通の水あるいはガス通路
に配置して水−ガス接触を行わせるように構成すること
ができる。たとえば、セルの積層方向にのびるガス供給
通路、排出通路、冷却水供給排出通路などのスペースを
利用して、ガスまたは水を中空糸膜の内部に流通させ該
中空糸膜を介して水分を移動させてガスを加湿させるこ
とができる。この場合、既存の構造の内部に中空糸膜束
を組み込むだけであるので特別にガス加湿装置を設ける
必要がなくなる。
Further, the bundle-shaped hollow fiber membranes may be arranged in a common water or gas passage for each cell of the polymer electrolyte fuel cell so as to make water-gas contact. For example, by utilizing spaces such as a gas supply passage, a discharge passage, and a cooling water supply / discharge passage extending in the cell stacking direction, gas or water is circulated inside the hollow fiber membrane to move water through the hollow fiber membrane. The gas can be humidified. In this case, since the hollow fiber membrane bundle is simply incorporated inside the existing structure, it is not necessary to provide a special gas humidifier.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
1には、本発明に適用することができる中空糸膜の原理
図が示されている。中空糸膜1は、数ミリから数ミクロ
ンレベルの外径の微細なチューブ状のイオン交換膜から
成る。この本発明に好適に用いることができる中空糸膜
は、水分の流通は許容するがガスの流通は阻止するとい
う性質を有する。この場合、水分は、水蒸気分圧の高い
側から低い側に流通する。したがって、中空糸膜の一方
の側に水、他方の側にガスが存在する場合には、常に水
相からガス相に中空糸膜を介して水の物質移動が生じ
る。すなわち、水分はガスの湿度を高める方向に流通す
る。図1において、中空糸膜1の外部には水が流通し、
内部に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するようになっ
ている。上記の性質によって当初中空糸膜に導入された
乾燥ガス(空気)は、入口側(図において下側)におい
ては水分を含まない乾燥状態となっている。すなわち、
窒素分子2および酸素分子3のみを含む。しかし、出口
(図において上方)に向かって、中空糸膜1の内部空間
1aを流通するにしたがって、中空糸膜1の外部に存在
する水4が中空糸膜内部に浸透し水蒸気5となって中空
糸膜1の内部空間1aに拡散して内部のガスの湿度は上
昇する。中空糸膜1の水蒸気透過係数は予め分かってい
るので、燃料電池の供給ガスの所定の湿潤状態が得られ
るように、中空糸膜1の全体の表面積を設定することに
よって中空糸膜1の量あるいは長さを適宜設定すること
ができる。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a principle diagram of a hollow fiber membrane applicable to the present invention. The hollow fiber membrane 1 is composed of a fine tube-shaped ion exchange membrane having an outer diameter of several millimeters to several microns. The hollow fiber membrane that can be suitably used in the present invention has a property of allowing the flow of water but blocking the flow of gas. In this case, the water flows from the side with a high water vapor partial pressure to the side with a low water vapor partial pressure. Therefore, when water is present on one side of the hollow fiber membrane and gas is present on the other side, mass transfer of water always occurs from the water phase to the gas phase through the hollow fiber membrane. That is, the water flows in the direction of increasing the humidity of the gas. In FIG. 1, water circulates outside the hollow fiber membrane 1,
Fuel gas or oxidant gas is circulated inside. Due to the above properties, the dry gas (air) initially introduced into the hollow fiber membrane is in a dry state containing no water on the inlet side (lower side in the figure). That is,
It contains only nitrogen molecules 2 and oxygen molecules 3. However, as it flows through the inner space 1a of the hollow fiber membrane 1 toward the outlet (upward in the figure), the water 4 existing outside the hollow fiber membrane 1 permeates into the hollow fiber membrane and becomes water vapor 5. The humidity of the gas inside diffuses in the internal space 1a of the hollow fiber membrane 1 and rises. Since the water vapor permeability coefficient of the hollow fiber membrane 1 is known in advance, the amount of the hollow fiber membrane 1 is set by setting the total surface area of the hollow fiber membrane 1 so as to obtain a predetermined wet state of the feed gas of the fuel cell. Alternatively, the length can be set appropriately.

【0011】図2および図3を参照すると上記中空糸膜
を所定量用意することによって加湿装置を構成する例が
示されている。図2において、本発明が適用できる固体
高分子型燃料電池6が配置されている。本例の加湿装置
7は、燃料電池6に対して外部付加装置として設けられ
る。すなわち、図示の加湿装置は、燃料ガスの加湿装置
として機能するものであって、一方において、燃料電池
6とは独立して設置され、燃料電池への燃料ガスの供給
ラインが接続される。燃料電池6は発電素子としてのプ
レート状のセル8を所定数積層し、その両端部にエンド
プレート9を取り付けることによって構成される。加湿
用の水として、本例では、冷却水が使用される。この目
的のために燃料電池の冷却水ライン10が加湿装置7に
接続されている。図3を参照すると、上記加湿装置7の
概略断面図が示されており、本例の加湿装置7は、多管
式熱交換器のような構造になっており多管すなわち中空
糸膜の集合体である中空糸膜束11の内部を燃料ガスが
流通し、中空糸膜束11を収容したジャケット12内を
冷却水が流通するようになっている。この場合、中空糸
膜1の外側を水が流通し、中空糸膜の内部を燃料ガスが
流通する。そして、中空糸膜束11の両端は、ジャケッ
ト12の内面と中空糸膜束11の該表面の間の空間を水
密状態で遮断する仕切り板13、14によって固定され
ている。その一対の仕切り板13、14の外側は、ジャ
ケット12の延長部として、ガスチャンバ16、17が
画成される。このガスチャンバ16、17には、燃料ガ
ス供給ライン15が接続される。
Referring to FIGS. 2 and 3, there is shown an example in which a humidifying device is constructed by preparing a predetermined amount of the hollow fiber membrane. In FIG. 2, a polymer electrolyte fuel cell 6 to which the present invention can be applied is arranged. The humidifying device 7 of this example is provided as an external addition device to the fuel cell 6. That is, the illustrated humidifying device functions as a humidifying device for fuel gas, and on the other hand, it is installed independently of the fuel cell 6 and is connected to the fuel gas supply line to the fuel cell. The fuel cell 6 is constructed by stacking a predetermined number of plate-shaped cells 8 as power generating elements and attaching end plates 9 to both ends thereof. In this example, cooling water is used as the humidifying water. For this purpose, a cooling water line 10 of the fuel cell is connected to the humidifying device 7. Referring to FIG. 3, there is shown a schematic cross-sectional view of the humidifying device 7, and the humidifying device 7 of this example has a structure like a multi-tube heat exchanger and has a multi-tube structure, that is, an assembly of hollow fiber membranes. Fuel gas circulates inside the hollow fiber membrane bundle 11 that is a body, and cooling water circulates inside the jacket 12 that houses the hollow fiber membrane bundle 11. In this case, water circulates outside the hollow fiber membrane 1 and fuel gas circulates inside the hollow fiber membrane. The both ends of the hollow fiber membrane bundle 11 are fixed by partition plates 13 and 14 that block the space between the inner surface of the jacket 12 and the surface of the hollow fiber membrane bundle 11 in a watertight state. Gas chambers 16 and 17 are defined on the outer sides of the pair of partition plates 13 and 14 as extensions of the jacket 12. A fuel gas supply line 15 is connected to the gas chambers 16 and 17.

【0012】一方、一対の仕切り板13、14に挟まれ
たジャケット12の内部空間は、水チャンバ18を構成
する。この水チャンバ18内において各仕切り板13、
14に近接した位置には、水の入口19および出口20
が形成され、この出入口に冷却水配管が接続される。こ
の場合、燃料ガスは、ジャケット12の一対の仕切り板
13、14に支持された中空糸膜束11の一方の仕切り
板の側13から(図3において左側から)各中空糸膜の
内部空間に導入され、他方の仕切り板14の側に向かっ
て流通し他方のガスチャンバ17に導かれる。一方、冷
却水はガスの出口側の仕切り板14の側に設けられた入
口19からジャケット12の内部空間18に導入され、
中空糸膜1の外側からその内部を流通しているガスと間
接的に接触しつつガスの流動方向とは対向方向に流れ
て、ガスの入口側の仕切り板13の側から排出される。
上記のように、燃料ガスは加湿装置7において冷却水と
対向方向に流動するように導入され、中空糸膜を介して
冷却水と接触して加湿される。この場合、中空糸膜は上
記のように集合体として加湿装置7に組み込まれている
ので、平面状の膜を用いてガス−水の接触を行わせる場
合に比べて、単位ガス量当たりの接触面積を大幅に増大
せしめることができる。したがって、加湿装置をコンパ
クトに構成することができる。
On the other hand, the inner space of the jacket 12 sandwiched between the pair of partition plates 13 and 14 constitutes a water chamber 18. In this water chamber 18, each partition plate 13,
A water inlet 19 and an outlet 20
Is formed, and a cooling water pipe is connected to this inlet / outlet. In this case, the fuel gas flows from one partition plate side 13 (from the left side in FIG. 3) of the hollow fiber membrane bundle 11 supported by the pair of partition plates 13 and 14 of the jacket 12 into the inner space of each hollow fiber membrane. It is introduced, flows toward the other partition plate 14 side, and is guided to the other gas chamber 17. On the other hand, the cooling water is introduced into the internal space 18 of the jacket 12 from the inlet 19 provided on the side of the partition plate 14 on the gas outlet side,
While indirectly contacting the gas flowing inside from the outside of the hollow fiber membrane 1, the hollow fiber membrane 1 flows in the direction opposite to the flow direction of the gas and is discharged from the partition plate 13 side on the gas inlet side.
As described above, the fuel gas is introduced so as to flow in the humidifying device 7 in the direction opposite to the cooling water, and is contacted with the cooling water through the hollow fiber membrane to be humidified. In this case, since the hollow fiber membrane is incorporated in the humidifier 7 as an aggregate as described above, contact per unit amount of gas is greater than that in the case where gas-water contact is performed using a flat membrane. The area can be greatly increased. Therefore, the humidifier can be made compact.

【0013】図4を参照すると本発明の他の実施例にか
かる加湿装置7が示されている。本例の加湿装置7も前
例と同様に、燃料電池6に対して外部付加型のものであ
る。本例の構造の前例と異なる点は、中空糸膜1の内部
に冷却水を、外部に燃料ガスを流通させることによって
中空糸膜を介してガス−水の接触を行わせるように構成
している点である。したがって、燃料ガスは加湿装置の
ジャケット12の仕切り板13に近接して設けられた入
口19から導入され、中空糸膜束11に沿って流動し
て、もう一方の仕切り板14近傍に設けられ出口20か
ら排出される。一対の仕切り板13、14の外側の領域
は、冷却水チャンバ16、17を構成する。そして、一
方の(本例では、図4において右側)チャンバ17から
一つ一つの中空糸膜の内部に導入され、ガスと対向方向
に中空糸膜内を流動して他方の仕切り板13の側に排出
される。本例においても、前例と同様の効果が得られ
る。図5および図6を参照して本発明のさらに別の実施
例について説明する。本発明が適用される固体高分子型
燃料電池30は、薄板状の発電セル31を積層して構成
される。そして、各セル31は、さらに、図5に示すよ
うに固体高分子膜32を間に挟んで両側から触媒電極3
3、34が配置され、一方がアノード電極、他方がカソ
ード電極を構成する。さらにその両側に集電機能を備え
る一対のセパレータ35、36が配置され、アノード電
極に対して燃料ガスを、カソード電極に対しては酸化剤
ガスをそれぞれ供給するためのガス通路37、38を構
成するための凹凸が形成され、凸部39が電極に当接す
ることによって各電極面との間で空間部が画成され、ガ
ス通路37、38を構成する。
Referring to FIG. 4, a humidifying device 7 according to another embodiment of the present invention is shown. The humidifying device 7 of this example is also an external addition type to the fuel cell 6 as in the previous example. The structure of this example is different from the preceding example in that the cooling water is circulated inside the hollow fiber membrane 1 and the fuel gas is circulated outside so that gas-water contact is performed through the hollow fiber membrane. That is the point. Therefore, the fuel gas is introduced from the inlet 19 provided near the partition plate 13 of the jacket 12 of the humidifier, flows along the hollow fiber membrane bundle 11, and is provided at the outlet near the other partition plate 14. Emitted from 20. Areas outside the pair of partition plates 13 and 14 form cooling water chambers 16 and 17. Then, it is introduced into the inside of each hollow fiber membrane from one chamber (the right side in FIG. 4 in this example) 17 and flows in the hollow fiber membrane in the direction opposite to the gas to the side of the other partition plate 13. Is discharged to. Also in this example, the same effect as the previous example can be obtained. Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The polymer electrolyte fuel cell 30 to which the present invention is applied is formed by stacking thin plate-shaped power generation cells 31. Further, each cell 31 further includes a catalyst electrode 3 from both sides with a solid polymer membrane 32 interposed therebetween as shown in FIG.
3, 34 are arranged, one of which constitutes an anode electrode and the other of which constitutes a cathode electrode. Further, a pair of separators 35 and 36 having a current collecting function are arranged on both sides thereof to form gas passages 37 and 38 for supplying a fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas to the cathode electrode, respectively. Since the projections 39 are in contact with the electrodes, a space is defined between the surfaces of the electrodes and the gas passages 37 and 38 are formed.

【0014】そして、この凸部39は、電極に当接する
ことによって発生する電力を抽出する集電部を構成す
る。この高分子電解膜32、一対の触媒電極33、34
および一対のセパレータ35、36が1つの前記セル3
1を構成する。そしてこのセル31を所定数積層すると
ともに、積層部の両端部にエンドプレートを配置するこ
とによって1個の燃料電池30が構成される。この場
合、電解反応によって発生する熱を除去するために、所
定数のセル31を積層する毎に冷却水通路を設けたプレ
ートを配置し、このプレート上に冷却水通路を設けて、
平面全体が満遍なく冷却するようにしている。そして、
積層されたそれぞれのセル31に対して所定のガスを導
入するため、および所定数のセルの積層段ごとに冷却水
を導入するために、燃料電池30には、セルの積層方向
に延び、かつ各セルに共通のガスの供給、排出通路およ
び冷却水の供給、排出通路がそれぞれ設けられる。すな
わち、1つの積層段に1つのセルが形成される場合に
は、燃料ガス、酸化ガスおよび冷却水の供給、排出通路
が必要となるので、合計6つの積層方向に延びる通路が
形成される。この通路は、各積層段においては、セルが
形成される部分以外の領域の上記の通路に対応する部分
に開口を形成することによって形成される。
The convex portion 39 constitutes a current collecting portion for extracting the electric power generated by the contact with the electrode. This polymer electrolyte membrane 32, a pair of catalyst electrodes 33, 34
And the pair of separators 35, 36 is one cell 3
Make up 1. A single fuel cell 30 is formed by stacking a predetermined number of the cells 31 and disposing end plates at both ends of the stack. In this case, in order to remove heat generated by the electrolytic reaction, a plate provided with a cooling water passage is arranged every time a predetermined number of cells 31 are stacked, and a cooling water passage is provided on this plate.
The entire plane is cooled evenly. And
In order to introduce a predetermined gas into each of the stacked cells 31 and to introduce cooling water into each of a predetermined number of stacking stages of cells, the fuel cell 30 extends in the stacking direction of the cells, and A common gas supply / exhaust passage and cooling water supply / exhaust passage are provided for each cell. That is, when one cell is formed in one stacking stage, fuel gas, oxidizing gas, and cooling water supply and discharge passages are required, so a total of six passages extending in the stacking direction are formed. This passage is formed in each stacking stage by forming an opening in a portion corresponding to the above passage in a region other than a portion where cells are formed.

【0015】本実施例においては、図6に示すように、
燃料ガスの供給共通通路40に中空糸膜束41を配置
し、この中空糸膜束41の内部空間を冷却水の排出通路
の一部を構成するようにしている。すなわち、図6にお
いて、冷却水は破線の矢印方向に延びる冷却水供給共通
通路44によって燃料電池30に導入され、所定の積層
段においてセルの延びる平面に沿って平行に流通させら
れ、それぞれの平面の終端部において1つの排水通路4
5に集められ、冷却水導入側とは反対側に導かれる。そ
して、他端側において、流動方向が反転させられて燃料
ガスの供給通路42に配置された中空糸膜束43の内部
空間内に導入される。そして、燃料ガスの導入方向に対
向する方向に流動させられる。これに対し、燃料ガス
は、積層構造の燃料電池の一方の端部(図8において
は、左端部)から導入され、中空糸膜43の外側の空間
を、上記の冷却水の流動方向とは逆方向に流動する。こ
の間、燃料ガスと冷却水とは中空糸膜を介して接触し、
燃料ガスは所定の湿潤状態に到達する。この後燃料ガス
は、図において矢印で示すように各セル31の電極面に
沿ったガス通路に導入されるようになっている。
In this embodiment, as shown in FIG.
The hollow fiber membrane bundle 41 is arranged in the fuel gas supply common passage 40, and the internal space of the hollow fiber membrane bundle 41 constitutes a part of the cooling water discharge passage. That is, in FIG. 6, the cooling water is introduced into the fuel cell 30 by the cooling water supply common passage 44 extending in the direction of the broken arrow, and is made to flow in parallel along the plane in which the cells extend in a predetermined stacking stage, and the respective planes. One drainage passage 4 at the end of the
5 and is guided to the side opposite to the cooling water introduction side. Then, on the other end side, the flow direction is reversed and introduced into the internal space of the hollow fiber membrane bundle 43 arranged in the fuel gas supply passage 42. Then, the fuel gas is caused to flow in a direction opposite to the introduction direction. On the other hand, the fuel gas is introduced from one end portion (the left end portion in FIG. 8) of the fuel cell having a laminated structure, and the space outside the hollow fiber membrane 43 is not defined as the flow direction of the cooling water. Flows in the opposite direction. During this time, the fuel gas and the cooling water come into contact with each other through the hollow fiber membrane,
The fuel gas reaches a predetermined wet state. After this, the fuel gas is introduced into the gas passage along the electrode surface of each cell 31 as shown by the arrow in the figure.

【0016】なお、図6の例では、燃料ガスの供給通路
に中空糸膜束41を配置して冷却水と燃料ガスとの接触
を行わせるように構成したが、酸化剤ガスについても同
様の構成によって、酸化剤ガスの所定の湿潤状態が得ら
れるようになっている。本例では、既存の燃料ガスの供
給通路40に中空糸膜束を配置することによって加湿機
構を構成することができるので、加湿装置を燃料電池と
別個に設ける必要がなく、燃料電池30を小さくするこ
とができる。図7を参照すると、本発明のさらに他の実
施例が示されている。本例の構成では、前例と異なり、
燃料電池30の積層方向に延びる冷却水の排出通路42
内に中空糸膜束43が配置され、この内部を燃料ガスが
通されるようになっている。すなわち、本例の構成で
は、中空糸膜束43の内部空間は燃料ガスの供給通路4
2の一部に使用される。本例においても、前例と同様の
効果を得ることができる。図8を参照すると、本発明の
さらに別の実施例にかかる加湿装置が示されている。前
2例においては、中空糸膜束が、セルの積層方向に延び
る通路すなわち各セルに対する共通通路40、42内に
配置されるものであるが、本例においては、セルの所定
の積層段ごとに設けられるセパレータ57、58から構
成される冷却水供給プレートにおける各冷却水通路46
に燃料ガスが内部を流通する中空糸膜47を配置するこ
とによって加湿機構を構成している。
In the example of FIG. 6, the hollow fiber membrane bundle 41 is arranged in the fuel gas supply passage to bring the cooling water into contact with the fuel gas, but the same applies to the oxidant gas. Depending on the configuration, a predetermined wet state of the oxidant gas can be obtained. In this example, since the humidifying mechanism can be configured by disposing the hollow fiber membrane bundle in the existing fuel gas supply passage 40, it is not necessary to provide the humidifying device separately from the fuel cell, and the fuel cell 30 can be made small. can do. Referring to FIG. 7, yet another embodiment of the present invention is shown. In the configuration of this example, unlike the previous example,
A cooling water discharge passage 42 extending in the stacking direction of the fuel cell 30.
A hollow fiber membrane bundle 43 is arranged inside, and fuel gas is allowed to pass through the inside. That is, in the configuration of the present example, the internal space of the hollow fiber membrane bundle 43 has the fuel gas supply passage 4
Used for part of 2. Also in this example, the same effect as the previous example can be obtained. Referring to FIG. 8, there is shown a humidifying device according to still another embodiment of the present invention. In the previous two examples, the hollow fiber membrane bundle is arranged in the passage extending in the cell stacking direction, that is, in the common passages 40, 42 for each cell. Each cooling water passage 46 in the cooling water supply plate composed of the separators 57 and 58 provided in the
A humidifying mechanism is configured by arranging a hollow fiber membrane 47 through which the fuel gas flows inside.

【0017】セル積層型燃料電池において、各セルに対
する冷却機構は、セルの面に沿って配設される一対のセ
パレータによって構成される。すなわち、図8におい
て、1つのセパレータ57の背面に凹凸を有する別のセ
パレータ58が合わせられ、凸部48が上記1つのセパ
レータ57の背面に当接状態なることよって、セルの面
に沿った方向に冷却水を流通させる冷却水通路46が形
成される。そして、各冷却水通路46に中空糸膜47が
配置され、その内部を燃料ガスが流通するようになって
いる。この場合、適当な本数の中空糸膜が上記各冷却水
通路に配置される。中空糸膜47は、燃料ガス供給通路
から直接分岐して冷却水通路46に配置される構成でも
よく、共通ガス通路に配置された中空糸膜束を分岐する
ことによって各セルの冷却水通路46に配置するように
してもよい。このようにすることより、積層方向に延び
る冷却水通路に配置する中空糸膜束の表面積を減ずるこ
とができる。この結果、ガスの加湿のための中空糸膜束
を冷却水通路に配置するスペースを確保するために必要
となる冷却水通路の断面積の増大幅を減少することがで
きる。図9を参照すると本発明のさらに別の実施例にか
かる燃料電池の部分拡大断面図が示されている。
In the cell stack type fuel cell, the cooling mechanism for each cell is composed of a pair of separators arranged along the surface of the cell. That is, in FIG. 8, another separator 58 having irregularities is fitted to the back surface of one separator 57, and the convex portion 48 comes into contact with the back surface of the one separator 57, so that the direction along the surface of the cell is increased. A cooling water passage 46 is formed to allow the cooling water to flow therethrough. A hollow fiber membrane 47 is arranged in each cooling water passage 46, and the fuel gas flows through the inside thereof. In this case, an appropriate number of hollow fiber membranes are arranged in each cooling water passage. The hollow fiber membrane 47 may be configured to be directly branched from the fuel gas supply passage and arranged in the cooling water passage 46, or by branching the hollow fiber membrane bundle arranged in the common gas passage, the cooling water passage 46 of each cell. It may be arranged at. By doing so, the surface area of the hollow fiber membrane bundle arranged in the cooling water passage extending in the stacking direction can be reduced. As a result, it is possible to reduce the increase width of the cross-sectional area of the cooling water passage, which is necessary to secure a space for arranging the hollow fiber membrane bundle for humidifying the gas in the cooling water passage. Referring to FIG. 9, there is shown a partially enlarged sectional view of a fuel cell according to still another embodiment of the present invention.

【0018】本例は積層構造の積層面に沿った方向に設
けられる通路に中空糸膜を配置される点において前例と
共通点を有するが、本例においては、セル50の積層構
造の内部に中空糸膜51を配置して加湿機構を構成した
点において特徴点を有する。すなわち、本例において
は、高分子電解膜52の両側に配置される触媒電極5
3、54に当接するセパレータ55と該セパレータ55
が当接する触媒電極面によって形成される燃料ガス通路
内に適当な本数の中空糸膜51を配置し、その内部を冷
却水が流通するように構成している。この場合、セルの
積層方向に延びる共通冷却水通路から中空糸膜によって
冷却水通路を分岐せしめ各セルの燃料ガス通路56に該
中空糸膜を配置することによって構成することができ
る。また、共通燃料ガス通路56に中空糸膜束が配置さ
れる場合には、この中空糸膜束から小さい中空糸膜束5
1を分岐せしめて、各セルの積層面内で形成される燃料
ガス通路に配置するようにしてもよい。本例において
も、前例と同様にガスの加湿のために必要となるガス−
水接触表面積の既存の構造内において確保することがで
きる。上記のように中空糸膜束を燃料ガス供給通路に中
空糸膜束が配置されると燃料ガスの流通のための通路断
面積が減少することとなるが、本例のように中空糸膜を
各セルの積層面内でのガス通路にも配置するようにする
と、上記の積層方向に延びる燃料ガス供給通路に配置す
る中空糸膜束のガス−水接触のための中空糸膜束表面積
をその分少なくすることができる。したがって、燃料電
池に設けられる既存の構造の変更を極力すくなく抑えつ
つ所望の容量の加湿装置を組み込むことができる。
This example has a common point with the previous example in that the hollow fiber membrane is arranged in the passage provided in the direction along the lamination surface of the laminated structure, but in this example, inside the laminated structure of the cell 50, A characteristic point is that the hollow fiber membranes 51 are arranged to configure a humidifying mechanism. That is, in the present example, the catalyst electrodes 5 arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane 52.
Separator 55 abutting on 3, 54 and the separator 55
An appropriate number of hollow fiber membranes 51 are arranged in the fuel gas passage formed by the surface of the catalyst electrode with which the cooling electrode abuts, and the cooling water flows through the inside. In this case, it can be configured by branching the cooling water passage from the common cooling water passage extending in the stacking direction of the cells by the hollow fiber membrane and arranging the hollow fiber membrane in the fuel gas passage 56 of each cell. Further, when the hollow fiber membrane bundle is arranged in the common fuel gas passage 56, the small hollow fiber membrane bundle 5 is removed from this hollow fiber membrane bundle.
1 may be branched so as to be arranged in the fuel gas passage formed in the stacking plane of each cell. In this example as well, the gas required for humidifying the gas is the same as in the previous example.
The water contact surface area can be ensured within the existing structure. When the hollow fiber membrane bundle is arranged in the fuel gas supply passage as described above, the passage cross-sectional area for the flow of the fuel gas is reduced. When it is arranged also in the gas passage in the stacking plane of each cell, the hollow fiber membrane bundle surface area for gas-water contact of the hollow fiber membrane bundle arranged in the fuel gas supply passage extending in the stacking direction is set to that value. It can be reduced. Therefore, it is possible to incorporate the humidifying device having a desired capacity while suppressing the modification of the existing structure provided in the fuel cell as much as possible.

【0019】なお上記の構成では、燃料電池の1つの積
層単位に単一のセルが構成される燃料電池に関して説明
したが、本発明は、1つの積層単位に複数のセルが組み
込まれる構造の積層型の燃料電池についても同様に適用
することができる。図10ないし図13を参照して、本
発明のさらに別の実施例について説明する。 本例で
は、酸化剤ガスの排気通路に中空糸膜を備えた加湿装置
を設置しており、中空糸膜の内部に反応供給ガスを流通
せしめ中空糸膜の外側に酸化剤ガスを流通せしめるよう
になっている。この場合、図10ないし図12は外部設
置型の加湿装置であり、図13は、内部設置型の加湿機
構を示している。図10において、乾燥反応ガス60
は、中空糸膜1を介して湿潤酸化剤排気ガス61と対向
接触することによって加湿される。この場合、水分子5
のみが中空糸膜1の内部1aに移動する。なお、図11
乃至図12において使用する参照符号は、加湿装置の構
造は、基本的に図2ないし図4の実施例と同じであるあ
り、ガスと水の中空糸膜を介しての接触を酸化剤排気ガ
スと反応供給ガス(燃焼ガスまたは酸化剤ガス)に置き
換えればよいので同一の符号を用いている。また、図1
3の実施例も同様に酸化剤排気通路内に内部を反応供給
ガスが流通するように中空糸膜束を配置する構造は、図
7の燃料ガスと冷却水との関係と同じであるので同一の
符号を用いている。
In the above structure, the fuel cell in which a single cell is formed in one stack unit of the fuel cell has been described. However, the present invention has a stack structure in which a plurality of cells are incorporated in one stack unit. Type fuel cells can be similarly applied. Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this example, a humidifier equipped with a hollow fiber membrane is installed in the exhaust passage of the oxidant gas so that the reaction supply gas can be circulated inside the hollow fiber membrane and the oxidant gas can be circulated outside the hollow fiber membrane. It has become. In this case, FIGS. 10 to 12 show an externally installed humidifying device, and FIG. 13 shows an internally installed humidifying mechanism. In FIG. 10, dry reaction gas 60
Are humidified by being in contact with the humid oxidant exhaust gas 61 through the hollow fiber membrane 1 in an opposed manner. In this case, 5 water molecules
Only the hollow fiber membrane 1 moves to the inside 1a. Note that FIG.
The reference numerals used in FIGS. 12 to 12 indicate that the structure of the humidifier is basically the same as that of the embodiment shown in FIGS. 2 to 4, and the contact between the gas and the water through the hollow fiber membrane is the oxidant exhaust gas. Since they may be replaced with the reaction supply gas (combustion gas or oxidant gas), the same reference numerals are used. Also, FIG.
Similarly, in the third embodiment, the structure in which the hollow fiber membrane bundle is arranged so that the reaction supply gas flows inside the oxidant exhaust passage is the same as the relationship between the fuel gas and the cooling water in FIG. Is used.

【0020】[0020]

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、固体
高分子電解膜燃料電池において、加湿装置を単位ガス量
あたりのガス−水接触面積が従来のものに比べて極めて
大きいしたがって、加湿効率の高い中空糸膜を用いて構
成するので、加湿装置を小さくすることができる。ま
た、中空糸膜は、極めて小径であるので、これを適当な
大きさの束状にして加湿機構に用いることによって、既
存の燃料電池の構造の中に組み込むことができる。この
ように構成すれば、加湿装置を燃料電池の外部付加装置
として特別に設ける必要がなくなる。この場合、燃料電
池積層方向に延びる共通ガスあるいは冷却水通路に上記
の中空糸膜束をガス−水接触装置として組み込み加湿装
置として機能せしめることもできるが、これに加えて、
燃料電池の積層面内にあるガス通路または冷却水通路に
中空糸膜を配置することによってさらに効果的にガス−
水接触表面積を確保することができ、燃料電池のコンパ
クト化をさらに推進することができる。また、中空糸膜
束の加湿機構への応用は、単一のセルを1つの積層段に
組み込んだ従来構成の燃料電池に限らず、複数のセル構
造が同一平面上に組み込まれる形式の高分子電解膜積層
型燃料電池においても同様に適用することができるもの
である。
As described above, according to the present invention, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell, the humidifying device has a much larger gas-water contact area per unit amount of gas than the conventional device. Since the hollow fiber membrane having high efficiency is used, the humidifying device can be downsized. Further, since the hollow fiber membrane has an extremely small diameter, it can be incorporated into the structure of an existing fuel cell by forming it into a bundle having an appropriate size and using it in a humidifying mechanism. According to this structure, it is not necessary to provide the humidifying device as an external addition device of the fuel cell. In this case, the above-mentioned hollow fiber membrane bundle can be incorporated as a gas-water contact device into a common gas or cooling water passage extending in the fuel cell stacking direction to function as a humidifying device.
By arranging the hollow fiber membrane in the gas passage or the cooling water passage in the stacking surface of the fuel cell, the gas
The water contact surface area can be secured, and the fuel cell can be further downsized. Further, the application of the hollow fiber membrane bundle to the humidification mechanism is not limited to the conventional fuel cell in which a single cell is incorporated in one stacking stage, and a polymer of a type in which a plurality of cell structures are incorporated in the same plane. The same can be applied to the electrolytic membrane stacked fuel cell.

【0021】酸化剤排気ガス中には、反応により生成し
た水が混在する。従来、この生成水は酸化剤排気ガスと
ともに燃料電池スタックの外部に排出され、加湿(冷
却)水タンクに蓄えられるかシステム外に排出されてい
た。加湿用の水としては、不純物による固体高分子膜が
汚染され性能が低下することを防ぐため純水を用いるこ
とが必要である。よって、冷却水を加湿水として用いる
場合、冷却水の循環時にフィルタによって金属イオン等
の不純物を除去する必要がある。この点、本発明にかか
る加湿装置を用いれば、酸化剤排気ガス中の水分が反応
供給ガス中に移動して加湿されるので、別途、加湿用の
水を供給する必要が無くなり、上記金属イオン等の問題
を考慮する必要はなく、冷却水として不凍液の使用が可
能になる。よって、フィルタが不要になる他に、低温下
での始動性を向上させることができる点において有利と
なる。
Water produced by the reaction is mixed in the oxidant exhaust gas. Conventionally, this generated water is discharged to the outside of the fuel cell stack together with the oxidant exhaust gas, and is stored in a humidification (cooling) water tank or discharged outside the system. As the water for humidification, it is necessary to use pure water in order to prevent the solid polymer film from being contaminated by impurities and deteriorating the performance. Therefore, when the cooling water is used as the humidifying water, it is necessary to remove impurities such as metal ions with a filter when circulating the cooling water. In this respect, when the humidifying device according to the present invention is used, the moisture in the oxidant exhaust gas moves into the reaction supply gas and is humidified, so that it is not necessary to separately supply water for humidification, and the metal ion It is not necessary to consider such problems, and it is possible to use antifreeze as cooling water. Therefore, in addition to the need for a filter, it is advantageous in that the startability at low temperatures can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に適用可能な中空糸膜の動作を説明する
ための概念図、
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the operation of a hollow fiber membrane applicable to the present invention,

【図2】本発明の1実施例にかかる加湿装置を組み込ん
だ固体高分子型燃料電池の概略図、
FIG. 2 is a schematic view of a polymer electrolyte fuel cell incorporating a humidifying device according to one embodiment of the present invention,

【図3】図2における加湿装置の概略断面図、3 is a schematic cross-sectional view of the humidifier shown in FIG.

【図4】本発明の他の実施例にかかる図2と同様の図、FIG. 4 is a view similar to FIG. 2 according to another embodiment of the present invention,

【図5】本発明を適用することができる燃料電池のセル
の構造を概念的に示す断面図、
FIG. 5 is a sectional view conceptually showing the structure of a cell of a fuel cell to which the present invention can be applied.

【図6】本発明のさらに他の実施例にかかる固体高分子
型燃料電池の加湿装置の概略断面図、
FIG. 6 is a schematic sectional view of a humidifier for a polymer electrolyte fuel cell according to still another embodiment of the present invention,

【図7】本発明のさらに別の実施例にかかる図6と同様
の図、
FIG. 7 is a view similar to FIG. 6 according to still another embodiment of the present invention,

【図8】本発明のさらに他の実施例にかかる加湿装置の
概念を示す概略断面図、
FIG. 8 is a schematic sectional view showing the concept of a humidifier according to still another embodiment of the present invention,

【図9】本発明のさらに別の実施例にかかる加湿装置の
図8と同様の図、
FIG. 9 is a view similar to FIG. 8 of a humidifier according to still another embodiment of the present invention,

【図10】乾燥反応供給ガスと湿潤酸化剤排気ガスとの
接触状態を示す概念図、
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a contact state between a dry reaction supply gas and a wet oxidant exhaust gas,

【図11】反応供給ガスと酸化剤排気ガスとの接触にか
かる実施例を示す図2と同様の図、
FIG. 11 is a view similar to FIG. 2, showing an embodiment relating to contact between a reaction supply gas and an oxidant exhaust gas;

【図12】反応ガスと酸化剤排気ガスとの接触にかかる
実施例の図3と同様の図、
FIG. 12 is a view similar to FIG. 3 of the embodiment relating to the contact between the reaction gas and the oxidant exhaust gas;

【図13】反応ガスと酸化剤排気ガスとの接触にかかる
さらに他の実施例の図7と同様の図である。
FIG. 13 is a view similar to FIG. 7 of still another embodiment relating to the contact between the reaction gas and the oxidant exhaust gas.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 中空糸膜、 2 窒素分子、 4 酸素分子、 6 燃料電池、 7 加湿装置、 10 冷却水ライン、 11 中空糸膜束、 12 ジャケット、 13 14 仕切り板、 15 燃料ガスライン、 30 燃料電池、 31 セル、 32 高分子電解膜、 33、34 触媒電極、 37、38 ガス通路、 50 燃料電池、 51 中空糸膜、 55 セパレータ、 56 ガス通路。 1 Hollow Fiber Membrane, 2 Nitrogen Molecules, 4 Oxygen Molecules, 6 Fuel Cell, 7 Humidifier, 10 Cooling Water Line, 11 Hollow Fiber Membrane Bundle, 12 Jacket, 13 14 Partition Plate, 15 Fuel Gas Line, 30 Fuel Cell, 31 Cell, 32 polymer electrolyte membrane, 33, 34 catalyst electrode, 37, 38 gas passage, 50 fuel cell, 51 hollow fiber membrane, 55 separator, 56 gas passage.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固体高分子電解質膜と該固体高分子電解膜
の両側に配置される電極構成部材とから構成される発電
素子と、 該発電素子に沿って配置され、前記発電素子に供給され
る反応ガスのためのガス流通路を発電素子との間で画成
する導電性材料からなるガス分離部材と、 前記発電素子の両側にそれぞれの反応ガスが発電素子に
対して供給可能に設けられることによって構成されるセ
ルを有する燃料電池において、前記反応ガスと水とを中
空糸膜を介して接触せしめ反応ガスを加湿するようにし
たことを特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
1. A power generation element comprising a solid polymer electrolyte membrane and electrode constituent members arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane; and a power generation element arranged along the power generation element and supplied to the power generation element. And a gas separation member made of a conductive material for defining a gas flow path for the reaction gas between the power generation element and the gas separation member formed on both sides of the power generation element so that the respective reaction gases can be supplied to the power generation element. In a fuel cell having a cell constituted by the above, a supply gas humidifier for a fuel cell, wherein the reaction gas and water are brought into contact with each other through a hollow fiber membrane to humidify the reaction gas.
【請求項2】固体高分子電解質膜と該固体高分子電解膜
の両側に配置される電極構成部材とから構成される発電
素子と、 該発電素子に沿って配置され、前記発電素子に供給され
る反応ガスのためのガス流通路を発電素子との間で画成
する導電性材料からなるガス分離部材と、 前記発電素子の両側にそれぞれの反応ガスが発電素子に
対して供給可能に設けられることによって構成されるセ
ルを有する燃料電池において、 反応供給ガスと酸化剤排気ガスとを中空糸膜を介して接
触せしめ反応供給ガスを加湿するようにしたことを特徴
とする燃料電池の供給ガスが流通するように構成された
ことを特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
2. A power generating element composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrode constituent members arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and arranged along the power generating element and supplied to the power generating element. And a gas separation member made of a conductive material for defining a gas flow path for the reaction gas between the power generation element and the gas separation member formed on both sides of the power generation element so that the respective reaction gases can be supplied to the power generation element. In the fuel cell having a cell constituted by the above, the supply gas of the fuel cell is characterized in that the reaction supply gas and the oxidant exhaust gas are brought into contact with each other through the hollow fiber membrane so as to humidify the reaction supply gas. A supply gas humidifier for a fuel cell, characterized in that it is configured to flow.
【請求項3】請求項1において、前記加湿装置は、反応
ガスが流通するガスチャンバと水が流通する水チャンバ
を備えており、ガスチャンバは前記燃料電池への反応ガ
ス供給管に接続され、水チャンバは前記燃料電池の冷却
水用配管に接続されていることを特徴とする燃料電池の
供給ガス加湿装置。
3. The humidifier according to claim 1, further comprising a gas chamber in which a reaction gas flows and a water chamber in which water flows, the gas chamber being connected to a reaction gas supply pipe to the fuel cell, A supply gas humidifier for a fuel cell, wherein the water chamber is connected to a cooling water pipe of the fuel cell.
【請求項4】請求項1において、内部を水が流通するよ
うに構成された前記中空糸膜を前記ガス分離部材によっ
て画成されたガス流通領域に所定量の前記中空糸膜を配
置したことを特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
4. The hollow fiber membrane according to claim 1, wherein a predetermined amount of the hollow fiber membrane is arranged in a gas flow region defined by the gas separating member. A supply gas humidifier for a fuel cell.
【請求項5】請求項1において、前記燃料電池は、前記
セルを積層することによって構成されるとともにセルの
積層方向に各セルに対して反応ガスを供給するためのガ
ス供給通路が設けられており、該ガス供給通路内には所
定量の前記中空糸膜が配設され、前記中空糸膜の内部に
は、水が流通するように構成されたことを特徴とする燃
料電池の供給ガス加湿装置。
5. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is constructed by stacking the cells and is provided with a gas supply passage for supplying a reaction gas to each cell in a stacking direction of the cells. And a predetermined amount of the hollow fiber membrane is disposed in the gas supply passage, and water is circulated inside the hollow fiber membrane. apparatus.
【請求項6】請求項1において、前記燃料電池は、前記
セルを積層することによって構成されるとともに、セル
の積層方向に各セルに対して反応ガスを供給、排気する
ためのガス流通路が設けられており、該反応ガス排気通
路内に所定量の前記中空糸膜が配設し、前記中空糸膜の
内部に、反応供給ガスが流通するように構成されたこと
を特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
6. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is constructed by stacking the cells, and a gas flow passage for supplying and exhausting a reaction gas to and from each cell in a stacking direction of the cells is provided. A fuel cell is provided, in which a predetermined amount of the hollow fiber membrane is arranged in the reaction gas exhaust passage, and a reaction supply gas is circulated inside the hollow fiber membrane. Supply gas humidifier.
【請求項7】請求項1において、前記燃料電池は、前記
セルを積層することによって構成されるとともにセルの
積層方向に各セルを冷却するための冷却水を供給する水
通路が設けられており、該水通路内に所定量の中空糸膜
が配置されるとともに、該中空糸膜内にガスが流通させ
らるように構成されたことを特徴とする燃料電池の供給
ガス加湿装置。
7. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is constructed by stacking the cells, and a water passage for supplying cooling water for cooling each cell is provided in a stacking direction of the cells. A supply gas humidifier for a fuel cell, characterized in that a predetermined amount of hollow fiber membranes are arranged in the water passage, and a gas is allowed to flow in the hollow fiber membranes.
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