JP3725387B2 - Humidifier for fuel cell - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気自動車等の走行車両のエネルギー源として用いられつつある燃料電池に設けられる加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年より、クリーンなエネルギー源として、固体高分子型の燃料電池を用いた電気自動車等の走行車両が開発されつつあり、例えば、特開平６−１３２０３８号に示されるような固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
一般に、この種の走行車両に用いられる固体高分子型の燃料電池は、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つまり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形成するとともに、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している。
【０００３】
そして、一方の電極に燃料用供給ガスとして水素ガスを供給し、他方の電極に酸化剤用供給ガスとして酸素あるいは空気を供給して、燃料用供給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。
つまり、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ようになっている。
【０００４】
ところで、この燃料電池にあっては、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。したがって、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。
このため、この種の燃料電池には、燃料用供給ガス及び酸化剤用供給ガス等の供給ガスを加湿して固体高分子電界質膜へ水分を供給し、良好な反応を維持させる加湿装置が設けられている。
【０００５】
ここで、この加湿装置の構造を図７に示すものを例にとって説明する。
図において、符号１は、加湿装置である。この加湿装置１には、スーパーチャージャー２によって加圧された外気が酸化剤用供給ガスとして供給ガス用配管５へ送り込まれるようになっており、この送り込まれた供給ガスは、加湿装置１によって加湿されて燃料電池（以下スタックという）３へ送り込まれ、酸素が酸化剤として用いられ、オフガスとして排気されるようになっている。
【０００６】
また、スタック３での反応時に発生した水を含んだオフガスは、スタック３からオフガス用配管６へ送り出されて、加湿装置１へ送り込まれ、含まれる水蒸気が加湿装置１にて供給ガスへ受け渡され、その後、排気されるようになっている。
なお、図中符号４は、オフガス用配管６に設けられてスタック３の内圧を調整する圧力調整弁である。
【０００７】
加湿装置１には、その内部に、図８及び図９に示すような加湿器１１が設けられている。
この加湿器１１は、水蒸気透過膜（水透過膜）からなる複数のチューブ状の多孔質中空糸１２を束ねたもので、両端近傍における周面に複数の開口部１３が形成された円筒状のケーシング１４内に収納され、その両端では、中空糸１２の外表面同士及び中空糸１２の外表面とケーシング１４の内周面とが気密されている。
【０００８】
そして、この加湿器１１には、供給ガスが、ケーシング１４の一端側の開口部１３から送り込まれて中空糸１２間の隙間を通され、他端側の開口部１３から送り出されるようになっており、また、スタック３からのオフガスが、他端から中空糸１２内へ送り込まれ、一端から送り出されるようになっている。
【０００９】
中空糸１２は、図１０に示すように、無数の毛管部１５を有するもので、中空糸１２内へ送り込まれたオフガス中の水蒸気が、毛管部１５内にて凝縮して外周側へ移動し、供給ガスへ蒸発して受け渡されるようになっている。
つまり、この加湿器１１にて、オフガス中の水分が供給ガスへ受け渡され、これにより、供給ガスが加湿されるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この加湿装置１では、加湿器１１にて、中空糸１２から供給ガスへ水分が蒸発して受け渡される際に、図１１に示すように、スタック３が出力アップして中空糸１２での水の透過量が増加すると、その増加にともなって気化潜熱により温度が低下する。
【００１１】
そして、このように気化潜熱によって温度低下が生じると、中空糸１２内を通るオフガス中の水蒸気の凝縮量も、図１２に示すように、スタック３での出力に応じて増加する。
ここで、図１３に示すように、中空糸１２におけるオフガスに含まれている水分の回収量は、オフガス中の水蒸気分量に比例して増加する。
【００１２】
つまり、前述のように、中空糸１２内を通るオフガス中の水蒸気が凝縮して液化すると、この液化した水が供給ガスへ受け渡されずに中空糸１２の外部へ排出されてしまい、中空糸１２における水透過量が減少し、水回収量が低下してしまい、効率が低下してしまうという問題があった。
なお、図１４に示すものは、スタック３の出力（５ｋｗ、３０ｋｗ、６０ｋｗ）毎においてオフガスが凝縮した水分量とオフガス中の水回収量との関係を示している。
【００１３】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、スタックから送り出されるオフガスからの水回収量の減少を防止して、スタックの効率を良好な状態に維持させることが可能な燃料電池用加湿装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池用加湿装置は、燃料電池から送り出されるオフガス中の水分を燃料電池への供給ガスへ水透過膜により受け渡して加湿する燃料電池用加湿装置であって、前記水透過膜を有し、燃料電池からのオフガスを通過させる加湿器と、前記加湿器を通過するオフガスを加熱する加熱手段を有することを特徴としている。
【００１５】
ここで、水透過膜では、オフガス中の水蒸気が供給ガス中へ蒸発して受け渡されることより、その気化潜熱によって温度が低下し、この温度低下に伴ってオフガスの温度低下も引き起こし、オフガス中の水蒸気が液化することとなる。このようにオフガス中の水蒸気が液化して特に水滴となると、水透過膜によって供給ガスへ受け渡されずに加湿装置の外部へ排出される割合が大きくなる。
【００１６】
しかしながら、請求項１記載の発明は、燃料電池から送り込まれるオフガスを加熱手段によって加熱するものであるので、オフガス中の水分が水透過膜によって供給ガスへ水蒸気となって受け渡される際の気化潜熱によるオフガスの温度低下を抑制することができる。これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができ、これにより、オフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００１７】
請求項２記載の燃料電池用加湿装置は、請求項１記載の燃料電池用加湿装置において、筒状のケーシング内に水透過膜からなる複数のチューブ状の中空糸が束ねられて設けられ、前記オフガス及び前記供給ガスのいずれか一方のガスが前記中空糸内へ通され、他方のガスが前記中空糸間へ通されることにより、オフガス中の水蒸気を供給ガスへ受け渡す加湿器を有することを特徴としている。
【００１８】
つまり、燃料電池から加湿器へ送り込まれるオフガスが加熱手段によって加熱されることにより、加湿器内における供給ガスへの水分の受け渡し時の気化潜熱によるオフガスの温度低下が抑制され、これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま加湿器の外部へ排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができ、これにより、加湿器内におけるオフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００１９】
請求項３記載の燃料電池用加湿装置は、請求項２記載の燃料電池用加湿装置において、前記加熱手段が、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記加湿器の外周面に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴としている。
【００２０】
すなわち、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を加湿器の外周面に沿って流して接触させるものであるので、加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
しかも、燃料電池の冷却水を用いるものであるので、オフガスを加熱させるために別途のエネルギーを不要とすることができ、経済的である。
【００２１】
請求項４記載の燃料電池用加湿装置は、請求項２または請求項３記載の燃料電池用加湿装置において、前記加熱手段が、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記オフガスを前記加湿器へ導く配管に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴としている。
【００２２】
これにより、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、加湿器へオフガスを導く配管に沿って流して接触させることにより、オフガスを加熱してオフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００２３】
請求項５記載の燃料電池用加湿装置は、請求項２記載の燃料電池用加湿装置において、前記加熱手段が、前記加湿器の外周面に巻回されて電力の供給により発熱するヒータからなり、該ヒータの熱によって前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴としている。
【００２４】
このように、加湿器の外周面に巻回されたヒータへ電力を供給して発熱させることにより、極めて容易に加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置を、図面を参照して説明する。なお、前述した従来技術と同一構造部分には、同一符号を付して説明を省略する。
図１において、符号２１は、本実施の形態の燃料電池用加湿装置である。この加湿装置２１には、冷却水用配管２２が接続されている。この冷却水用配管２２は、スタック３に接続されており、ポンプ２３によってスタック３内へ冷却水を循環させるようになっている。
【００２６】
図２に示すように、加湿装置２１には、加湿器１１を囲う加熱空間部２４が形成されており、この加熱空間部２４に、前記冷却水用配管２２が接続されている。
これにより、スタック３の冷却後、冷却水用配管２２へ送り出された高温の冷却水が、加湿装置２１の加湿器１１を囲うように形成された加熱空間部２４内へ送り込まれ、その後、この加熱空間部２４からポンプ２３が設けられた冷却水用配管２２へ送り出され、ポンプ２３によって加圧されて再びスタック３へ送り込まれ、このスタック３を冷却するようになっている。
【００２７】
これにより、この加湿装置２１では、スタック３の熱によって加熱された冷却水によって加湿器１１がそれぞれ加熱されることとなる。
【００２８】
そして、この加湿装置２１によれば、スタックを冷却することにより加熱された冷却水を加湿器１１の外周に形成された加熱空間部２４へ送り込んで、加湿器１１の外周面に沿って流して接触させるものであるので、加熱された高温の冷却水によって加湿器１１を加熱することができる。
【００２９】
これにより、オフガス中の水分が中空糸１２の水透過膜によって供給ガスへ水蒸気となって受け渡される際の気化潜熱によるオフガスの温度低下を抑制することができ、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができる。
【００３０】
したがって、オフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、スタック３での発電効率を確実に維持させることができる。
しかも、スタック３の冷却水を用いるものであるので、オフガスを加熱させるために別途のエネルギーを不要とすることができ、経済的である。
【００３１】
また、上記の例では、加湿装置２１を構成する加湿器１１の外周面にスタック３にて加熱された冷却水を接触させて加湿器１１内を通るオフガスの温度低下を抑えるようにしたが、図３に示すように、スタック３から送り出されるオフガスを加湿装置１１へ導くオフガス用配管６を冷却水によって加熱して、内部を流れるオフガスの温度低下を抑制するようにしても良い。つまり、この加湿装置２１では、図４に示すように、オフガス用配管６の外周側が円筒管２６によって覆われ、オフガス用配管６の外周と円筒管２６の内周との間へスタック３からの冷却水が導かれる構造となっている。
【００３２】
そして、この構造の加湿装置２１によれば、スタック３を冷却することにより加熱された冷却水を、加湿器１１へオフガスを導くオフガス用配管６に沿って流して接触させて加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、上記と同様に、スタック３での発電効率を確実に維持させることができる。
また、このオフガス用配管６を加熱させる構造を、前述した加湿器１１を加熱させる構造に組み合わせることにより、オフガスをさらに良好に加熱することができる。
【００３３】
図５に示すものは、冷却水を用いずにオフガスの温度低下を抑制する構造の加湿装置２１である。
この加湿装置２１には、電源３１からの電力により発熱するヒータ３２が設けられている。
【００３４】
つまり、図６に示すように、加湿装置２１を構成する加湿器１１には、その外周に、それぞれヒータ３２が巻回されている。
そして、この加湿装置２１によれば、電源３１からヒータ３２へ電力が供給されると、これらヒータ３２の発熱によって加湿器１１がそれぞれ加熱されされるようになっている。
【００３５】
つまり、この構造の加湿装置２１によれば、加湿器１１の外周面に巻回されたヒータ３２へ電力を供給して発熱させることにより、極めて容易に加湿器１１を加熱して、上記と同様に、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、スタック３での発電効率を確実に維持させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の燃料電池用加湿装置によれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池から送り込まれるオフガスを加熱手段によって加熱するものであるので、オフガス中の水分が水透過膜によって供給ガスへ水蒸気となって受け渡される際の気化潜熱によるオフガスの温度低下を抑制することができる。これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止させることができ、これにより、オフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００３７】
請求項２記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池から加湿器へ送り込まれるオフガスが加熱手段によって加熱されることにより、加湿器内における供給ガスへの水分の受け渡し時の気化潜熱によるオフガスの温度低下が防止され、これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま加湿器の外部へ排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができ、これにより、加湿器内におけるオフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００３８】
請求項３記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を加湿器の外周面に沿って流して接触させるものであるので、加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
しかも、燃料電池の冷却水を用いるものであるので、オフガスを加熱させるために別途のエネルギーを不要とすることができ、経済的である。
【００３９】
請求項４記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、加湿器へオフガスを導く配管に沿って流して接触させることにより、オフガスを加熱してオフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００４０】
請求項５記載の燃料電池用加湿装置によれば、加湿器の外周面に巻回されたヒータへ電力を供給して発熱させることにより、極めて容易に加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図２】 本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する加湿装置の概略側面図である。
【図３】 本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図４】 本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する加湿装置に繋がる配管の断面図である。
【図５】 本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図６】 本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する加湿装置の概略側面図である。
【図７】 加湿装置が設けられた燃料電池を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図８】 加湿装置を構成する加湿器の構成及び構造を説明する加湿器の斜視図である。
【図９】 加湿装置を構成する加湿器の構成及び構造を説明する加湿器の断面図である。
【図１０】 加湿器を構成する水透過膜の構造を説明する水透過膜の断面図である。
【図１１】 加湿装置における燃料電池の出力とオフガスの温度との関係を示すグラフ図である。
【図１２】 加湿装置における燃料電池の出力とオフガス中の水分の凝縮量との関係を示すグラフ図である。
【図１３】 オフガス中の水蒸気分量と加湿装置における水回収量との関係を示すグラフ図である。
【図１４】 スタッドの出力に応じたオフガスの水蒸気が凝縮した水分量と加湿装置における水回収量との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
３ スタック（燃料電池）
６ オフガス用配管（配管）
１１ 加湿器
１２ 中空糸
１４ ケーシング
２１ 燃料電池用加湿装置
２４ 加熱空間部（加熱手段）
３２ ヒータ（加熱手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a humidifier provided in a fuel cell that is being used as an energy source for a traveling vehicle such as an electric vehicle.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a clean energy source, a traveling vehicle such as an electric vehicle using a solid polymer fuel cell has been developed. For example, a solid polymer electrolyte fuel as disclosed in JP-A-6-132038 Batteries are known.
In general, a solid polymer type fuel cell used for this type of traveling vehicle is a power generation element that is constituted by sandwiching a hydrogen ion conductive solid polymer with a carbon electrode carrying a platinum catalyst, that is, a solid polymer electrolyte membrane. A gas passage for supplying each reaction gas is formed on the electrode assembly and each electrode surface, and a gas separation member for supporting the power generation element from both sides is laminated.
[0003]
Then, hydrogen gas is supplied to one electrode as a fuel supply gas, and oxygen or air is supplied to the other electrode as an oxidant supply gas. Extracted as energy.
In other words, hydrogen gas is ionized and moves in the solid polymer electrolyte on the anode side, and electrons move to the cathode side through an external load and react with oxygen to generate water to generate water. Energy can be taken out.
[0004]
By the way, in this fuel cell, when 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 moisture to the solid polymer electrolyte membrane in order to maintain good ion conduction.
For this reason, this type of fuel cell has a humidifier that humidifies a supply gas such as a fuel supply gas and an oxidant supply gas to supply moisture to the solid polymer electrolyte membrane and maintain a good reaction. Is provided.
[0005]
Here, the structure of the humidifier will be described with reference to the example shown in FIG.
In the figure, reference numeral 1 denotes a humidifier. The humidifier 1 is configured so that the outside air pressurized by the supercharger 2 is sent to the supply gas pipe 5 as the oxidant supply gas. The supplied supply gas is humidified by the humidifier 1. Then, it is fed into a fuel cell (hereinafter referred to as a stack) 3 where oxygen is used as an oxidant and exhausted as off-gas.
[0006]
The off gas containing water generated during the reaction in the stack 3 is sent from the stack 3 to the off gas pipe 6 and sent to the humidifier 1, and the contained water vapor is delivered to the supply gas by the humidifier 1. And then exhausted.
Reference numeral 4 in the drawing is a pressure regulating valve that is provided in the offgas pipe 6 and regulates the internal pressure of the stack 3.
[0007]
The humidifier 1 is provided with a humidifier 11 as shown in FIGS.
This humidifier 11 is a bundle of a plurality of tubular porous hollow fibers 12 made of a water vapor permeable membrane (water permeable membrane), and has a cylindrical shape in which a plurality of openings 13 are formed on the peripheral surface in the vicinity of both ends. The outer surface of the hollow fiber 12 and the outer surface of the hollow fiber 12 and the inner peripheral surface of the casing 14 are hermetically sealed at both ends.
[0008]
Then, the supply gas is fed into the humidifier 11 from the opening 13 on one end side of the casing 14, passed through the gap between the hollow fibers 12, and sent out from the opening 13 on the other end side. In addition, the off gas from the stack 3 is sent into the hollow fiber 12 from the other end and sent out from one end.
[0009]
As shown in FIG. 10, the hollow fiber 12 has innumerable capillary portions 15, and the water vapor in the off-gas fed into the hollow fiber 12 is condensed in the capillary portion 15 and moves to the outer peripheral side. The gas is evaporated and delivered to the supply gas.
In other words, the moisture in the off gas is transferred to the supply gas by the humidifier 11, whereby the supply gas is humidified.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this humidifier 1, when moisture is evaporated and delivered from the hollow fiber 12 to the supply gas in the humidifier 11, as shown in FIG. As the amount of permeated water increases, the temperature decreases due to the latent heat of vaporization.
[0011]
When the temperature is lowered due to the latent heat of vaporization as described above, the amount of water vapor condensed in the off-gas passing through the hollow fiber 12 also increases according to the output from the stack 3 as shown in FIG.
Here, as shown in FIG. 13, the recovered amount of water contained in the off-gas in the hollow fiber 12 increases in proportion to the amount of water vapor in the off-gas.
[0012]
That is, as described above, when water vapor in the off-gas passing through the hollow fiber 12 is condensed and liquefied, the liquefied water is discharged to the outside of the hollow fiber 12 without being delivered to the supply gas, and thus the hollow fiber. The water permeation amount at 12 is reduced, the water recovery amount is lowered, and the efficiency is lowered.
In addition, what is shown in FIG. 14 has shown the relationship between the moisture content which the off gas condensed for every output (5 kW, 30 kW, 60 kW) of the stack 3, and the water recovery amount in the off gas.
[0013]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a fuel cell humidifier capable of preventing a reduction in the amount of water recovered from off-gas sent from the stack and maintaining the efficiency of the stack in a good state. The purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a humidifying device for a fuel cell according to claim 1, wherein the moisture in the off-gas sent from the fuel cell is supplied to the fuel cell by a water permeable membrane and humidified. And it has the said water permeable film, It has the humidifier which passes the off gas from a fuel cell, and the heating means which heats the off gas which passes the said humidifier, It is characterized by the above-mentioned.
[0015]
Here, in the water permeable membrane, the water vapor in the off gas evaporates into the supply gas, and the temperature is lowered by the latent heat of vaporization. The water vapor is liquefied. Thus, when the water vapor in the off-gas is liquefied to form water droplets in particular, the ratio of being discharged to the outside of the humidifier without being delivered to the supply gas by the water permeable membrane increases.
[0016]
However, since the invention described in claim 1 heats off gas sent from the fuel cell by the heating means, the latent heat of vaporization when moisture in the off gas is transferred to the supply gas as water vapor by the water permeable membrane. It is possible to suppress a decrease in the temperature of the off gas due to. As a result, the temperature of the off-gas is lowered, and the water vapor in the off-gas is condensed and liquefied. A reliable and good delivery to the gas can be performed, and the power generation efficiency in the fuel cell can be reliably maintained.
[0017]
The fuel cell humidifier according to claim 2 is the fuel cell humidifier according to claim 1, wherein a plurality of tubular hollow fibers made of a water permeable membrane are bundled and provided in a cylindrical casing, One of the off gas and the supply gas is passed through the hollow fiber, and the other gas is passed between the hollow fibers, thereby having a humidifier that transfers the water vapor in the off gas to the supply gas. It is characterized by.
[0018]
That is, when the off gas sent from the fuel cell to the humidifier is heated by the heating means, the temperature decrease of the off gas due to the latent heat of vaporization when the moisture is transferred to the supply gas in the humidifier is suppressed, thereby It is possible to reliably prevent a decrease in the amount of water recovered due to the decrease in temperature, the water vapor in the off-gas condenses and liquefies, and is directly discharged to the outside of the humidifier. Thus, it is possible to reliably and satisfactorily deliver the moisture to the supply gas, and to reliably maintain the power generation efficiency in the fuel cell.
[0019]
The fuel cell humidifier according to claim 3 is the fuel cell humidifier according to claim 2, wherein the heating means supplies cooling water heated by cooling the fuel cell to the outer peripheral surface of the humidifier. The off-gas fed into the humidifier is heated by flowing along and in contact with the humidifier.
[0020]
That is, since the cooling water heated by cooling the fuel cell is made to flow along the outer peripheral surface of the humidifier and is brought into contact with the humidifier, the humidifier is heated to suppress a decrease in the temperature of the offgas, and to the supply gas. Therefore, it is possible to reliably and satisfactorily transfer the moisture, and to reliably maintain the power generation efficiency in the fuel cell.
In addition, since the cooling water for the fuel cell is used, it is not necessary to use additional energy for heating the off gas, which is economical.
[0021]
The fuel cell humidifier according to claim 4 is the fuel cell humidifier according to claim 2 or 3, wherein the heating means converts the cooling water heated by cooling the fuel cell into the off-gas. The off-gas sent into the humidifier is heated by flowing the gas along a pipe leading to the humidifier and bringing it into contact with the humidifier.
[0022]
Thereby, the cooling water heated by cooling the fuel cell is made to flow along the pipe leading the off gas to the humidifier and brought into contact with the humidifier, thereby heating the off gas and suppressing the temperature decrease of the off gas to the supply gas. Therefore, it is possible to reliably and satisfactorily transfer the moisture, and to reliably maintain the power generation efficiency in the fuel cell.
[0023]
The fuel cell humidifier according to claim 5 is the fuel cell humidifier according to claim 2, wherein the heating means comprises a heater that is wound around an outer peripheral surface of the humidifier and generates heat by supplying electric power, The off gas sent into the humidifier is heated by the heat of the heater.
[0024]
In this way, by supplying power to the heater wound around the outer peripheral surface of the humidifier to generate heat, the humidifier is heated very easily, and the temperature reduction of the off-gas is suppressed, and the moisture in the supply gas is reduced. The delivery can be performed reliably and satisfactorily, and the power generation efficiency in the fuel cell can be reliably maintained.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell humidifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure part as the prior art mentioned above, and description is abbreviate | omitted.
In FIG. 1, the code | symbol 21 is the humidification apparatus for fuel cells of this Embodiment. A cooling water pipe 22 is connected to the humidifier 21. The cooling water pipe 22 is connected to the stack 3, and the cooling water is circulated into the stack 3 by the pump 23.
[0026]
As shown in FIG. 2, the humidifying device 21 has a heating space 24 surrounding the humidifier 11, and the cooling water pipe 22 is connected to the heating space 24.
Thereby, after cooling the stack 3, the high-temperature cooling water sent to the cooling water pipe 22 is sent into the heating space 24 formed so as to surround the humidifier 11 of the humidifying device 21, and then It is sent out from the heating space 24 to the cooling water pipe 22 provided with the pump 23, pressurized by the pump 23, and sent back into the stack 3 to cool the stack 3.
[0027]
Thereby, in this humidifier 21, the humidifier 11 will be heated with the cooling water heated with the heat | fever of the stack 3, respectively.
[0028]
And according to this humidifier 21, the cooling water heated by cooling a stack is sent into the heating space part 24 formed in the outer periphery of the humidifier 11, and it flows along the outer peripheral surface of the humidifier 11. Since it makes it contact, the humidifier 11 can be heated with the heated hot cooling water.
[0029]
Thereby, it is possible to suppress a decrease in the temperature of the offgas due to latent heat of vaporization when moisture in the offgas is transferred to the supply gas as water vapor by the water permeable membrane of the hollow fiber 12, and the temperature of the offgas is reduced. It is possible to reliably prevent a reduction in the amount of water recovered due to condensation and liquefaction of the water vapor therein and being discharged as it is.
[0030]
Therefore, reliable and good delivery of off-gas moisture to the supply gas can be performed, and the power generation efficiency in the stack 3 can be reliably maintained.
Moreover, since the cooling water of the stack 3 is used, it is possible to eliminate the need for additional energy for heating the offgas, which is economical.
[0031]
In the above example, the cooling water heated in the stack 3 is brought into contact with the outer peripheral surface of the humidifier 11 constituting the humidifier 21 to suppress the temperature decrease of the off gas passing through the humidifier 11. As shown in FIG. 3, the offgas pipe 6 that guides the offgas sent from the stack 3 to the humidifier 11 may be heated with cooling water to suppress the temperature drop of the offgas flowing inside. That is, in the humidifier 21, as shown in FIG. 4, the outer peripheral side of the off-gas pipe 6 is covered with the cylindrical pipe 26, and the stack 3 extends from the outer periphery of the off-gas pipe 6 to the inner periphery of the cylindrical pipe 26. The cooling water is guided.
[0032]
According to the humidifying device 21 having this structure, the cooling water heated by cooling the stack 3 flows along the off-gas pipe 6 that guides the off-gas to the humidifier 11 and is heated to contact the off-gas. As described above, the power generation efficiency in the stack 3 can be reliably maintained in the same manner as described above by suppressing the decrease in temperature of the gas and ensuring that the moisture is transferred to the supply gas reliably and satisfactorily.
Further, by combining the structure for heating the off-gas pipe 6 with the structure for heating the humidifier 11 described above, the off-gas can be further heated.
[0033]
What is shown in FIG. 5 is a humidifier 21 having a structure that suppresses a decrease in off-gas temperature without using cooling water.
The humidifier 21 is provided with a heater 32 that generates heat by electric power from a power supply 31.
[0034]
That is, as shown in FIG. 6, heaters 32 are wound around the outer periphery of the humidifier 11 constituting the humidifier 21.
And according to this humidifier 21, when electric power is supplied to the heater 32 from the power supply 31, the humidifier 11 will be heated by the heat_generation | fever of these heaters 32, respectively.
[0035]
That is, according to the humidifier 21 having this structure, the humidifier 11 is heated very easily by supplying electric power to the heater 32 wound around the outer peripheral surface of the humidifier 11 to generate heat. In addition, it is possible to suppress the temperature drop of the off gas and reliably and satisfactorily transfer the moisture to the supply gas, so that the power generation efficiency in the stack 3 can be reliably maintained.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell humidifier of the present invention, the following effects can be obtained.
According to the fuel cell humidifier of claim 1, since the off gas sent from the fuel cell is heated by the heating means, the water in the off gas is transferred to the supply gas as water vapor by the water permeable membrane. It is possible to suppress the temperature decrease of the offgas due to the latent heat of vaporization. As a result, the temperature of the off-gas decreases, and the water vapor in the off-gas is condensed and liquefied, and it can be reliably prevented from being reduced as a result of being discharged. A reliable and good delivery to the gas can be performed, and the power generation efficiency in the fuel cell can be reliably maintained.
[0037]
According to the fuel cell humidifier of claim 2, the off gas sent from the fuel cell to the humidifier is heated by the heating means, whereby the off gas due to latent heat of vaporization when the moisture is delivered to the supply gas in the humidifier. Thus, the temperature of the off-gas is prevented, the temperature of the off-gas is lowered, the water vapor in the off-gas is condensed and liquefied, and is reliably prevented from being reduced to the outside of the humidifier. Thus, it is possible to reliably and satisfactorily deliver off-gas moisture to the supply gas in the humidifier, and to reliably maintain the power generation efficiency in the fuel cell.
[0038]
According to the humidifier for a fuel cell according to claim 3, since the cooling water heated by cooling the fuel cell is made to flow along the outer peripheral surface of the humidifier and brought into contact with the humidifier, the humidifier is heated. In addition, it is possible to suppress the temperature decrease of the off gas and reliably and satisfactorily transfer the moisture to the supply gas, so that the power generation efficiency in the fuel cell can be reliably maintained.
In addition, since the cooling water for the fuel cell is used, it is not necessary to use additional energy for heating the off gas, which is economical.
[0039]
According to the fuel cell humidifier of claim 4, the cooling water heated by cooling the fuel cell is made to flow along the pipe leading the off gas to the humidifier and brought into contact with the humidifier, thereby heating the off gas. It is possible to suppress a decrease in the temperature of the off gas, and reliably and satisfactorily transfer moisture to the supply gas, and to reliably maintain the power generation efficiency in the fuel cell.
[0040]
According to the fuel cell humidifier of claim 5, by supplying electric power to the heater wound around the outer peripheral surface of the humidifier to generate heat, the humidifier is heated very easily, and the temperature of the off-gas decreases. This makes it possible to reliably and satisfactorily transfer moisture to the supply gas, and to reliably maintain the power generation efficiency in the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic piping diagram of a fuel cell, illustrating the configuration and structure of a fuel cell humidifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic side view of the humidifying device for explaining the configuration and structure of the fuel cell humidifying device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic piping diagram of a fuel cell, illustrating the configuration and structure of a fuel cell humidifier according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a pipe connected to a humidifying device for explaining the configuration and structure of a fuel cell humidifying device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic piping diagram of a fuel cell, illustrating the configuration and structure of a fuel cell humidifier according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic side view of a humidifying device for explaining the configuration and structure of a fuel cell humidifying device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic piping diagram of a fuel cell illustrating a fuel cell provided with a humidifier.
FIG. 8 is a perspective view of the humidifier for explaining the configuration and structure of the humidifier constituting the humidifier.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the humidifier for explaining the configuration and structure of the humidifier constituting the humidifier.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a water permeable membrane for explaining the structure of the water permeable membrane constituting the humidifier.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the output of the fuel cell and the off-gas temperature in the humidifier.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the output of the fuel cell and the amount of moisture condensed in the offgas in the humidifier.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the amount of water vapor in off-gas and the amount of water recovered in the humidifier.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the amount of moisture in which off-gas water vapor is condensed according to the output of the stud and the amount of water recovered in the humidifier.
[Explanation of symbols]
3 Stack (fuel cell)
6 Off-gas piping (piping)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Humidifier 12 Hollow fiber 14 Casing 21 Humidifier 24 for fuel cells Heating space part (heating means)
32 Heater (heating means)

Claims (5)

燃料電池から送り出されるオフガス中の水分を燃料電池へ送り込まれる供給ガスへ水透過膜によって受け渡して加湿する燃料電池用加湿装置であって、
前記水透過膜を有し、燃料電池からのオフガスを通過させる加湿器と、
前記加湿器を通過するオフガスを加熱する加熱手段を有することを特徴とする燃料電池用加湿装置。A fuel cell humidifier that delivers moisture in off-gas sent from a fuel cell to a supply gas sent to the fuel cell by a water permeable membrane and humidifies the gas,
A humidifier having the water permeable membrane and passing off-gas from the fuel cell;
A fuel cell humidifier having heating means for heating off-gas passing through the humidifier. 筒状のケーシング内に水透過膜からなる複数のチューブ状の中空糸が束ねられて設けられ、前記オフガス及び前記供給ガスのいずれか一方のガスが前記中空糸内へ通され、他方のガスが前記中空糸間へ通されることにより、オフガス中の水蒸気を供給ガスへ受け渡す加湿器を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。  A tube-shaped hollow fiber made of a water permeable membrane is bundled and provided in a cylindrical casing, and either the off gas or the supply gas is passed into the hollow fiber, and the other gas is The humidifier for a fuel cell according to claim 1, further comprising a humidifier that passes between the hollow fibers to transfer water vapor in the off gas to the supply gas. 前記加熱手段は、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記加湿器の外周面に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用加湿装置。  The heating means heats off-gas sent into the humidifier by causing cooling water heated by cooling the fuel cell to flow along the outer peripheral surface of the humidifier to be in contact therewith. A humidifier for a fuel cell according to claim 2. 前記加熱手段は、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記オフガスを前記加湿器へ導く配管に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池用加湿装置。  The heating means heats off-gas sent into the humidifier by causing cooling water heated by cooling the fuel cell to flow along a pipe that guides the off-gas to the humidifier. 4. A fuel cell humidifier according to claim 2 or claim 3. 前記加熱手段は、前記加湿器の外周面に巻回されて電力の供給により発熱するヒータからなり、該ヒータの熱によって前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用加湿装置。  3. The heating means comprises a heater that is wound around an outer peripheral surface of the humidifier and generates heat when supplied with electric power, and heats off gas fed into the humidifier by the heat of the heater. The humidifier for fuel cells as described.
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