JP2008121910A - 湿度交換型加湿器およびそれを用いた燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】加湿するガスの圧力および流量の変動が小さく、且つ外部から供給されたガスと湿度交換し排出されるガスに含まれる凝縮水が少ない湿度交換型加湿器とおよびそれを用いた燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】湿度交換型加湿器は、外部から供給される第１のガスを上記第１のガスより湿度の高い第２のガスと透湿膜を介して湿度交換して加湿する湿度交換型加湿器において、上記第２のガスの出口に設けられた出口マニホールド部に接続される凝縮水排水機構を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、供給ガスとオフガスとの間で水分を交換する湿度交換型加湿器および加湿した供給ガスを用いて発電する燃料電池発電システムに関する。

従来の固体高分子形燃料電池システムでは、発電を行う際に、燃料電池において大量の水蒸気が生成し、これが空気側加湿器や空気側流路で結露し、空気側圧力および空気流量が変動し、電池特性が低下する課題があることから、凝縮して生じる水滴を重力を利用してスムーズに流下することができるように、最上部に燃料電池が位置し、燃料電池の下方に湿度交換型加湿器が位置し、湿度交換型加湿器の下方に空気側水回収器が位置する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１５６２３６号公報

このような固体高分子形燃料電池システムにあっては、最上部に燃料電池が位置し、燃料電池の下方に湿度交換型加湿器が位置し、湿度交換型加湿器の下方に水回収熱交換器が位置するので、燃料電池システムの高さがこれら燃料電池、湿度交換型加湿器、水回収熱交換器により制約され、小型化できないし、自由に配置できないという問題がある。
また、固体高分子形燃料電池システムの停止時には、湿度交換型加湿器の下方から空気を供給するので、湿度交換型空気加湿器の空気供給口から湿度交換型空気加湿器内の凝縮水が重力により空気供給装置へと流れ出て、この水により空気供給装置に不具合を生じるという問題がある。

この発明の目的は、加湿するガスの圧力および流量の変動が小さく、且つ外部から供給されたガスと湿度交換し排出されるガスに含まれる凝縮水が少ない湿度交換型加湿器とおよびそれを用いた燃料電池発電システムを提供することである。

この発明に係わる湿度交換型加湿器は、外部から供給される第１のガスを上記第１のガスより湿度の高い第２のガスと透湿膜を介して湿度交換して加湿する湿度交換型加湿器において、上記第２のガスの出口に設けられた出口マニホールド部に接続される凝縮水排水機構を備える。

この発明に係わる湿度交換型加湿器の効果は、出口マニホールド部に凝縮水排水機構を接続したことにより、加湿するガスの圧力および流量の変動が小さく、且つ外部から供給された第１のガスと湿度交換し排出される第２のガスに含まれる凝縮水が少ないということである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる固体高分子形の燃料電池発電システムの配置構成図である。図２は、この発明の実施の形態１に係わる湿度交換型加湿器５の断面図である。なお、図１では、燃料電池発電システムを構成する要素のシステム筐体９内での位置関係を表している。
固体高分子形の燃料電池システムは、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電する燃料電池１、外部から供給される第１のガスとしての供給空気２と第２のガスとしてのオフガス３との間で湿度の交換を行い加湿空気４を生成して燃料電池１に供給する湿度交換型加湿器５、供給空気２と湿度交換されて湿度が低下したオフガス６から水を回収する水回収熱交換器７、湿度交換型加湿器５と水回収熱交換器７で生成した水が溜められる水タンク８を備える。

燃料電池１は、システム筐体９の上部に配置され、図示しない水素生成装置から天然ガスなどの燃料が水蒸気改質され水素リッチな加湿された燃料ガスが燃料電池１の燃料極に供給される。
また、酸化剤としての空気は、図示しない空気供給装置から供給空気２が供給され、湿度交換型加湿器５により加湿された加湿空気４が燃料電池１の空気極に供給される。

湿度交換型加湿器５は、システム筐体９内の燃料電池１の下方に配置される。これは燃料電池１からの凝縮した水を含むオフガス３をスムーズに流下して湿度交換型加湿器５に導くためである。
水回収熱交換器７は、湿度交換型加湿器５と上下方向がオーバーラップした位置に配置される。
水タンク８は、湿度交換型加湿器５および水回収熱交換器７より低い位置、すなわちシステム筐体９の下部に配置される。

次に、湿度交換型加湿器５について説明する。
固体高分子形の燃料電池１の電解質膜は乾燥するとイオン伝導性が低下し電解質としての機能を失うため、電解質膜を一定の含水状態に保つ必要がある。このため加湿空気４を燃料電池１に供給して電解質膜を湿潤に保持する方法が一般的に採られている。そして、湿度交換型加湿器５はこの加湿空気４を生成するために備える。

湿度交換型加湿器５は、図２に示すように、供給空気２が流れる供給空気流路１１、オフガス３が流れるオフガス流路１２、供給空気流路１１とオフガス流路１２の間に配置される透湿膜１３、供給空気流路１１の一端に接続され供給空気２が供給される供給空気入口マニホールド部１４、供給空気流路１１の他端に接続され加湿空気４が排出される加湿空気出口マニホールド部１５、オフガス流路１２の一端に接続されオフガス３が供給されるオフガス入口マニホールド部１６、オフガス流路１２の他端に接続され湿度が低下したオフガス６が排出されるオフガス出口マニホールド部１７、オフガス出口マニホールド部１７の底に設けられた排水孔１８に接続された排水ライン１９を備える。
なお、排水孔１８と排水ライン１９とをまとめて凝縮水排水機構と称す。

オフガス出口マニホールド部１７は、オフガス６が上向きに流れるように配置され、断面積は結露による凝縮水２１をオフガス６が搬送しないようオフガス６の流速を小さくするために大きくしている。そして、オフガス出口マニホールド部１７の出口は、湿度交換型加湿器５の上面に開口されている。このようなオフガス出口マニホールド部１７にすることにより、湿度交換型加湿器５で水分と熱が奪われ湿度が下がったオフガス６においても、オフガス出口マニホールド部１７の中で、結露による凝縮水２１が生成するが、オフガス６の流れの向きを上向きとし且つ流速を遅くすることにより凝縮水２１がオフガス６と一緒に水回収熱交換器７に搬送されずに、オフガス出口マニホールド部１７の底に溜めることができる。

オフガス入口マニホールド部１６の入口は、燃料電池１から流下してきたオフガス３を受け止めるために湿度交換型加湿器５の上面に開口されている。
また、加湿空気出口マニホールド部１５の出口、供給空気入口マニホールド部１４の入口は湿度交換型加湿器５の上面に開口されている。

排水孔１８は、オフガス出口マニホールド部１７の底に設けられ、滴下する凝縮水２１を排水ライン１９に導く。
排水ライン１９は、オフガス出口マニホールド部１７の底に設けられた排水孔１８と水回収熱交換器７の下流配管２２とを連通している。そして、結露による凝縮水２１は、排水孔１８から排水ライン１９に流れ出し、下流配管２２に流れる。
排水ライン１９の圧力損失は、オフガス出口マニホールド部１７と水回収熱交換器７の圧力損失より十分に大きくし、例えば排水ライン１９にオフガスが流通したとしても、水回収量に大きな影響を与えない程度の流通量になるように構成されている。

湿度交換型加湿器５は、供給空気流路１１を流れる供給空気２とオフガス流路１２を流れるオフガス３とを透湿膜１３を介して接触させて供給空気２を加湿し予熱して加湿空気４を生成する。このようにオフガス３の熱とそれが含む水分とを用いて供給空気２を加湿し予熱するので、湿度交換型加湿器５は、外部より加湿用の水を供給する必要がなく、また、加湿時に多量の気化熱を奪われることがないので熱効率良く利用でき、空気の加湿および予熱を特別の制御を必要とせずに行うことができる。

湿度交換型加湿器５で湿度、温度が下げられたオフガス６は、水回収熱交換器７に導かれ水回収熱交換器７で冷却され、さらに除湿され、水タンク８を介して大気中に放出される。
水回収熱交換器７で生成された凝縮水と湿度交換型加湿器５の排水ライン１９からの凝縮水２１は、水タンク８に重力により流下し蓄えられる。水タンク８に回収した凝縮水は、水素生成装置の水蒸気改質のために使用される。

このような湿度交換型加湿器５は、オフガス出口マニホールド部１７に連なる凝縮水排水機構が設けられているので、空気側圧力および空気流量の変動が小さいという効果を得る。
また、外部から供給された空気と湿度交換し排出されるオフガスに含まれる凝縮水が少ないという効果を得る。

また、この湿度交換型加湿器５を燃料電池発電システムに適用すると、水回収熱交換器７の配置の位置に制約を受けることが無く、水回収熱交換器７の配置の自由度を増すことができ、燃料電池発電システムを小型化できる。
また、供給空気入口マニホールド部１４の入口が上面に開口されているので、燃料電池発電システムを停止した時に湿度交換型加湿器５内の凝縮水が重力により空気供給装置へ流れ込むことはなく、空気供給装置の信頼性を向上できる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係わる湿度交換型加湿器５Ｂの断面図である。
この発明の実施の形態２に係わる湿度交換型加湿器５Ｂは、図３に示すように、実施の形態１に係わる湿度交換型加湿器５とオフガス出口マニホールド部１７Ｂが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わるオフガス出口マニホールド部１７Ｂは、オフガス流路１２より低い位置に凝縮水溜まり空間３０が設けられている。
このように凝縮水溜まり空間３０がオフガス出口マニホールド部１７Ｂの底に設けると、生成する凝縮水２１の量が変動しても空気の流路の断面積を変えることなく、より空気側圧力および空気流量の変動を抑えることができ、安定した発電特性が得られる。

なお、上述の実施の形態１、２では、透湿膜１３が単層の湿度交換型加湿器５について説明したが、複数段を積層した透湿膜構造の湿度交換型加湿器であってもよい。
また、湿度交換型加湿器５の排水ライン１９を水回収熱交換器７の下流配管２２と接続した場合について説明したが、水タンク８に直接接続してもよい。
また、湿度交換型加湿器５の排水ライン１９を下方に排水する場合について説明したが、排水ライン１９を湿度交換型加湿器５の横側面から引き出してもよい。
また、空気を加湿する湿度交換型加湿器５について説明したが、燃料ガスを加湿する湿度交換型加湿器であってもよい。

この発明の実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池発電システムの構成図である。 この発明の実施の形態１に係わる湿度交換型加湿器の断面図である。 この発明の実施の形態２に係わる湿度交換型加湿器の断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池、２ 供給空気、３、６ オフガス、４ 加湿空気、５ 湿度交換型加湿器、７ 水回収熱交換器、８ 水タンク、９ システム筐体、１１ 供給空気流路、１２ オフガス流路、１３ 透湿膜、１４ 供給空気入口マニホールド部、１５ 加湿空気出口マニホールド部、１６ オフガス入口マニホールド部、１７ オフガス出口マニホールド部、１８ 排水孔、１９ 排水ライン、２１ 凝縮水、２２ 下流配管、３０ 凝縮水溜まり空間。

Claims (3)

1. 外部から供給される第１のガスを上記第１のガスより湿度の高い第２のガスと透湿膜を介して湿度交換して加湿する湿度交換型加湿器において、
   上記第２のガスの出口に設けられた出口マニホールド部に接続される凝縮水排水機構を備えることを特徴とする湿度交換型加湿器。
2. 上記第２のガスの出口マニホールドの下部より低い位置に凝縮水溜まり空間を設けることを特徴とする請求項１に記載する湿度交換型加湿器。
3. 燃料電池に燃料および酸化剤を導入して電気化学反応により発電する燃料電池発電システムにおいて、
   上記燃料または上記酸化剤の少なくともいずれか１つのガスに関し、外部から供給されるガスを上記請求項１または２に記載の湿度交換型加湿器を用いて上記燃料電池を流通した反応後のガスと湿度交換して加湿することを特徴とする燃料電池発電システム。

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