(57)【要約】【課題】高いエネルギー効率で、燃料電池の極に供給される露点を燃料電池の操作温度とほぼ等しくする。【解決手段】燃料電池４の極へ供給されるガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池出口のガスと接触させることにより加湿する第一の加湿ステップと、該加湿されたガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する第二の加湿ステップとを含む燃料電池の加湿方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の極へ供給されるガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池出口のガスと接触させることにより加湿する第一の加湿ステップと、
該加湿されたガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する第二の加湿ステップと
を含む燃料電池の加湿方法。
【請求項２】
前記第一の加湿ステップと第二の加湿ステップとを経て燃料電池の極へ供給されるガスの露点と、燃料電池の操作温度の差が５℃以内である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水蒸気透過膜として、中空糸膜を用いる請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池の極へ供給されるガスが、空気極に供給されるガスまたは燃料極に供給されるガスの少なくとも一方である請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
電解質膜の一方の面に燃料極を、他方の面に空気極を備える燃料電池セルを、冷却水の流路を形成する冷却部を介して複数積層してなる燃料電池と、
該燃料電池の極へ供給されるガスを、燃料電池出口のガスと水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第一の加湿器と、
該加湿されたガスを、該燃料電池の冷却水と水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第二の加湿器と、
該燃料電池の冷却水が該燃料電池の冷却部と該第二の加湿器とに供給されるように該冷却水を循環させる手段と
を含んでなる燃料電池システム。
【請求項６】
前記水蒸気透過膜が、中空糸膜である請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第一の加湿器と前記第二の加湿器とが、燃料電池の燃料極に供給されるガスの供給路、または燃料電池の空気極に供給されるガスの供給路の少なくとも一方に設けられる請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池の加湿方法およびかかる加湿方法を実現しうる燃料電池システムに関する。さらに詳しくは、本発明は、燃料電池の極へ供給されるガスを加湿し、燃料電池の性能及びエネルギー効率の向上を図る方法およびかかる方法を実現する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜の一方の側にカソードである空気極を配し、他方の側にアノードである燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る以下の電池反応によって起電力を得ている。
【０００３】
Ｈ２        →    ２Ｈ＋    ＋    ２ｅ−              （アノード反応）
２Ｈ＋  ＋  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−    →    Ｈ２Ｏ    （カソード反応）
【０００４】
この電池反応は、アノードに供給される水素が水素イオンとなり、この水素イオンが、電解質膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。ここで、水素イオンは電解質膜中に存在する水分の存在下で移動することにより酸素分子や水素分子のクロスオーバーが生じ難いが、燃料電池の操作に従って、電解質膜が乾燥してくる。電解質膜の乾燥が生ずると、イオン伝導性が低下して発電効率が低下するばかりでなく、電解質膜が破損・劣化しやすくなるため、燃料電池の耐久性においても問題である。したがって、燃料電池の操作時に、電解質膜の湿潤状態を保つことが必要であり、燃料電池セルの電解質膜中の含水量を適切に保つための技術が開発されてきた。
【０００５】
このような燃料電池の電解質膜の含水量を適切に保つための技術の一つとして、燃料電池の極に供給される、乾燥した燃料ガスまたは空気を加湿する方法や、そのための加湿装置が用いられてきた。
【０００６】
特許文献１は、水蒸気透過膜の加湿ガス室に電池からのオフガスを、被加湿ガス室に供給する前の反応ガス（空気）を供給して、反応ガスを加湿する反応ガス加湿器を設けることによる空気の加湿方法が開示されている。かかる方法は、燃料電池出口の水分飽和空気と入口の乾燥空気とのあいだの水蒸気分圧差による物質移動で、入口空気が加湿されるものである。しかし、この場合、燃料電池自体の流体抵抗のために、燃料電池入口空気のほうが燃料電池出口空気よりも、圧力が高く、このような圧力平衡に基づく所定の水蒸気量となるまでしか加湿できないのが問題であった。また、コンパクトさが要求される燃料電池システムの用途において、加湿器を大型化することができないという問題もある。このため、燃料電池へ供給される空気の加湿は十分ではなく、燃料電池に供給される空気の露点は、５８〜６０℃程度であった。このような低加湿の空気を用いて燃料電池を操作すると、高分子膜の乾燥を引き起こし、クロスリークが発生し、電池の耐久性を低下させていた。
【０００７】
特許文献２には、燃料電池を冷却した後の温水を加湿器に導入して反応ガスを加湿し、この加湿器に供給する温水の熱エネルギーを、蒸発潜熱に見合うように操作することによる空気の加湿方法が開示されている。かかる方法は、乾燥空気と燃料電池を冷却した後の温水とのあいだでの物質移動による加湿であり、例えば、燃料電池に供給される乾燥空気を８０℃で飽和の状態にまで加湿しようとすると、温水を蒸発させるために必要な蒸発潜熱は、電池での発電量のおよそ１．５倍相当である。燃料電池の発電／熱比がほぼ１．０であるため、燃料電池の発電熱によりまかないきれない蒸発潜熱の熱量を補うためには、温水を加熱する必要があり、電池での発電量の０．５倍相当のヒータ等が必要となる。例えば、直流１．３ｋＷ規模発電の燃料電池では、約０．５ｋＷのヒータ等を要する。かかる方法では、ヒータのための補機動力が増加して、発電効率が低下することになる。
【０００８】
その他にも、バブリングにより燃料電池の極に供給されるガスを加湿する方法が知られているが、かかる方法も、装置の小型化が難しいという問題を伴うものである。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１１１６９７号明細書
【特許文献２】
特開平９−５５２１８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の極に供給されるガスを燃料電池の操作温度に近い露点にまで加湿する方法、及び、高加湿を実施するための耐久性が高く、効率の良い燃料電池システムを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、燃料電池の加湿方法であって、燃料電池の極へ供給されるガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池出口のガスと接触させることにより加湿する第一の加湿ステップと、該加湿されたガスを、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する第二の加湿ステップとを含む。前記燃料電池の極へ供給されるガスが、空気極に供給されるガスまたは燃料極に供給されるガスの少なくとも一方であることが好ましい。
【００１２】
前記水蒸気透過膜が、中空糸膜であることが好ましい。中空糸膜を用いた加湿モジュールを加湿器に組み込むことで、システム全体を小型化し、高い効率で物質移動を生じさせることができる。
【００１３】
前記第一の加湿ステップと第二の加湿ステップとを経て燃料電池の極へ供給されるガスの露点と、燃料電池の操作温度の差が５以内であることが好ましい。このような高加湿のガスを生成させることで、燃料電池の電解質膜の乾燥を防止することができる。
【００１４】
本発明は、別の側面において、燃料電池システムであって、電解質膜の一方の面に燃料極を、他方の面に空気極を備える燃料電池セルを、冷却水の流路を形成する冷却部を介して複数積層してなる燃料電池と、該燃料電池の極へ供給されるガスを、燃料電池出口のガスと水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第一の加湿器と、該加湿されたガスを、該燃料電池の冷却水と水蒸気透過膜を介して接触させることにより加湿する第二の加湿器と、該燃料電池の冷却水が該燃料電池の冷却部と該第二の加湿器とに供給されるように該冷却水を循環させる手段とを含んでなる。
【００１５】
前記水蒸気透過膜が、中空糸膜であることが好ましい。中空糸膜を用いた加湿モジュールを加湿器に組み込むことで、小型化された燃料電池システムとすることができる。
【００１６】
前記第一の加湿器と前記第二の加湿器とが、燃料電池の燃料極に供給されるガスの供給路、または燃料電池の空気極に供給されるガスの供給路の少なくとも一方に設けられることが好ましい。このようなシステムにより、空気極側のみ、あるいは燃料極側のみに供給されるガスを、供給されるガスの性質に応じて選択的に加湿することもでき、または両方を加湿して、電解質膜を湿潤な状態に保つことが可能となる。
【００１７】
本発明にかかる燃料電池の加湿方法および燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるガスおよび燃料電池の冷却水を利用して、燃料電池の極に供給するガスを、燃料電池の運転温度における露点にまで、高い効率で加湿することができる。このように加湿されたガスにより燃料電池を操作することができる燃料電池システムは、燃料電池の耐久性及び全体のエネルギー効率に優れる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施の形態を示して、詳細に説明する。以下の説明は本発明を説明する目的であって、限定するものではない。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池の加湿方法を実施する燃料電池システムを示すブロック図である。かかる燃料電池システム１は、燃料電池４と、該燃料電池４の空気極４１へ供給されるガスを燃料電池４の出口ガスにより加湿する第一の加湿器２と、該加湿されたガスを、前記燃料電池４の冷却水によりさらに加湿する第二の加湿器３と、該燃料電池４の冷却水を前記第二の加湿器３を通過するように循環させる冷却水循環ポンプ６とを含んでなる。
【００２０】
ここで、以下に述べる実施の形態の説明において、燃料電池４の空気極４１へ供給されるガスを、供給空気という。しかしながら、燃料電池４の空気極４１へ供給されるガスは空気のみには限定されず、電池反応に用いられる酸素を含むガスであれば使用することができる。また、燃料電池４の出口ガスとは、燃料電池で電池反応により酸素が消費され、また電池反応における水の生成により水蒸気飽和されて高温となっているガスをいう。
【００２１】
燃料電池４は、固体高分子型燃料電池を使用することができる。図１は、このような燃料電池４の一部を抜き出して、概念的に示したものであり、図３に、燃料電池セルとこれを積層してなる燃料電池の概念図を別途図示して説明する。図３に示す燃料電池４は、電解質膜４４の一方の側面に燃料極４２を、他方の側面に空気極４１を備えてなる燃料電池セル４０を、冷却水の流路を形成する冷却部４３を介して複数積層してなる。冷却部４３は、ある燃料電池セル４０の燃料極４２と、別の燃料電池セルの空気極４１を図示しないセパレータで分離し、そのセパレータ張り合わせ部の内側に冷却水を流して冷却を行う構造となっている。この冷却部４３に冷却水を流すことにより、ある燃料電池セル４０の燃料極４２と、隣接する燃料電池セルの空気極４１とを冷却することができる。
【００２２】
第一の加湿器２は、供給空気を、水分含有量の高い燃料電池４出口ガスと接触させることにより加湿することができる装置である。このような加湿器１は、供給空気の流路と、燃料電池４出口ガスの流路とが水蒸気透過性膜により画され、水蒸気透過性膜を介して、空気極４１へ供給される空気と燃料電池４の出口ガスとのあいだに物質移動を生じさせることができるものであれば良い。
【００２３】
このような水蒸気透過性膜を用いた加湿器は、当業者には既知であり、水蒸気透過性膜は、燃料電池４の出力および燃料電池システム１全体のサイズに応じて、所定の程度まで加湿が可能なものを用いることができる。水蒸気透過性膜の比表面積が大きく、水蒸気が透過する細孔の大きさが０．１μｍ以下であるものが特に好ましい。
【００２４】
また、加湿器２としては、水蒸気透過性膜として中空糸膜を用いた加湿モジュールを用いることが好ましい。中空糸膜を用いた加湿モジュールは、水蒸気透過性膜の表面積を大きくすることができるため、加湿器２の小型化が可能で、かつ強度が高いという利点があるためである。第一の加湿器２にこのような中空糸膜を用いる場合、中空糸の内側に加湿される供給空気の流路が形成されて、中空糸の外側に水蒸気で飽和された燃料電池出口ガスの流路が形成されてもよい。あるいは、中空糸の内側に水蒸気で飽和された燃料電池出口ガスの流路が形成されて、中空糸の外側に加湿される供給空気の流路が形成されてもよい。
【００２５】
加湿器２に供給される供給空気の量や、燃料電池出口ガスの量は、加湿器２のサイズによっても異なるが、膜表面積１ｍ２あたり１０〜２００Ｌ／ｍｉｎ、好ましくは２０〜８０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
【００２６】
第二の加湿器３は、第一の加湿器２で加湿・加温された供給空気を、燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する。したがって、第二の加湿器３は、供給空気の流れに沿って、第一の加湿器２の下流に設けられる。このような加湿器３は、供給空気の流路と、燃料電池４の冷却水の流路とが水蒸気透過性膜により画され、水蒸気透過性膜を介して、供給空気と燃料電池４の冷却水とのあいだで物質移動を生じさせることができるものであれば良い。
【００２７】
このような第二の加湿器３としては、上述の第一の加湿器２と同様のものを使用することができる。したがって、水蒸気透過性膜も、同様の物を選択することができる。第二の加湿器３の構造は、第一の加湿器と同じものであっても良いし、バブリングや濡れ壁方式などのように直接空気と冷却水とが接触するような構造のものでも良い。加湿器の大きさや長さは、水蒸気透過必要量によって変えることも可能である。また、第二の加湿器３に中空糸膜を用いる場合、中空糸の内側に加湿される供給空気の流路が形成されて、中空糸の外側に燃料電池の冷却水の流路が形成されてもよい。あるいは、中空糸の内側に燃料電池の冷却水の流路が形成されて、中空糸の外側に加湿される供給空気の流路が形成されてもよい。
【００２８】
第二の加湿器３には、燃料電池４の冷却水が供給されるが、燃料電池４の出口の冷却水が供給されるようなシステムとなっていてもよく、燃料電池４を冷却する前の冷却水が供給されるようなシステムとなっていてもよい。冷却水循環ポンプ６を含む冷却水を循環させるシステムにおける、第二の加湿器３と燃料電池４の冷却部４３との位置関係は、当業者が適宜決定することができる。
【００２９】
ここで、本実施の形態に用いることができる加湿器の一形態を、図２に示す。図２に示す装置は、第一の加湿器２と第二の加湿器３が一体となるように製造された装置であって、第一の加湿器２部分は、中空糸膜２５を用いた加湿モジュールが備えられており、供給空気が供給されるスイープ入口２１と、燃料電池出口ガス入口２３と、燃料電池出口ガス出口２４を備えてなる。図示しない第一の加湿器２部分のスイープ出口と、図示しない第二の加湿器３部分のスイープ入口とは繋がれており、第一の加湿器２を経た供給空気が、直接に第二の加湿器３に供給されるようになっている。第二の加湿器３部分は、中空糸膜３５を用いた加湿モジュールが備えられており、供給空気が排出されるスイープ出口３２と、冷却水入口３３と、冷却水出口３４を備えてなる。このように、第一の加湿器２と第二の加湿器３が一体となるように製造された装置は、別個に設置した場合に比べて、配管や継ぎ手などが省略化されるのみならず、大幅にコンパクト化を図ることができるという利点がある。しかし、本発明で使用する第一の加湿器２と第二の加湿器３とは、このような形態に限定されるものではない。
【００３０】
燃料電池の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ６は、冷却水が、燃料電池４の冷却部４３と第二の加湿器３との両方を通過するように循環させることができるものであればよい。循環させる冷却水の量は、電池の出力にもよるが、燃料電池の出力が１３００Ｗのときに、１〜１０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。また、燃料電池の冷却部４３に供給される冷却水の全量が、第二の加湿器３に供給されるようなシステムとすることができる。
【００３１】
温水回収用熱交換器７は、燃料電池において発電時に生じる熱を温水回収設備（図示せず）からの循環冷却水を用いて冷却するためのものであり、燃料電池の冷却水との間で熱交換し温水として回収するための熱交換器である。
【００３２】
図１に示す上述の燃料電池システム１は、燃料電池４の空気極４１に供給される供給空気の流路に加湿器２、３が設けられるものであるが、本発明はまた、燃料電池４の燃料極４２に供給される燃料ガスの流路に加湿器２、３が設けられる燃料電池システムでもよく、さらには両方のガスの流路に加湿器２、３を備えた燃料電池システムであってもよい。燃料電池４の燃料極４２に供給される燃料ガスの流路に加湿器２、３が設けられるシステムでは、図１に示す燃料ガスの改質器８の後段に、上述のような第一の加湿器２、第二の加湿器３と、冷却水の循環ポンプ６を設置することができる。あるいは、改質器を用いないで燃料ガスが供給される燃料電池システムでも、同様にすることができる。
【００３３】
次に、上述の燃料電池システム１を用いた燃料電池の加湿方法について説明する。かかる燃料電池の加湿方法は、燃料電池４の極へ供給されるガスを加湿する第一の加湿ステップと、該加湿されたガスをさらに加湿する第二の加湿ステップとを含む。
【００３４】
燃料電池の空気極４１に供給するガスとしては、空気を使用することができる。しかし、このようなガスは空気のみには限定されず、電池反応で用いられる酸素を含む気体であればよい。以下の説明において、燃料電池の空気極に供給するガスを、供給空気という。供給空気は、燃料電池の空気極に供給される段階では、常温である２５〜３０℃であればよく、絶対湿度は、０．０２７ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気程度であればよい。供給空気の初期湿度は、本実施形態にかかる加湿方法にはほとんど影響しないため、任意の湿度の空気を供給空気として用いることができる。
【００３５】
第一の加湿ステップでは、供給空気を、水蒸気透過膜を介して燃料電池出口のガスと接触させることにより加湿する。このような加湿を実施するために用いる燃料電池出口ガスは、約６０〜８０℃で、１〜１０ｋＰａであることが好ましい。このような温度、圧力条件のガスを、水蒸気透過膜を介して、供給空気に接触させることで、水蒸気圧差により、水蒸気の物質移動を生じさせることができる。たとえば、燃料電池出口ガスが、７２℃で、５ｋＰａである場合には、水蒸気の物質移動がなされた結果、供給空気を６２℃で、絶対湿度０．１７１ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気とすることができる。
【００３６】
第一の加湿ステップでは、供給空気に、必要な水蒸気の４０〜８０％を与えることが好ましい。供給すべき水蒸気量は、供給空気の初期湿度には実質的に依存しない。
【００３７】
第二の加湿ステップでは、第一の加湿ステップで加湿された供給空気を、水蒸気透過膜を介して燃料電池の冷却水と接触させることにより加湿する。このような加湿を実施するために用いる冷却水は、６５〜８２℃で、供給空気と接触させる。
【００３８】
このような温度の冷却水を、水蒸気透過膜を介して、供給空気と接触させることで、水蒸気の物質移動を生じさせることができる。たとえば、第一の加湿ステップで加湿された後の供給空気が、６２℃で、５ｋＰａである場合には、第二の加湿ステップで水蒸気の物質移動がなされた結果、供給空気を、６９℃で、絶対湿度０．２５９ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気とすることができる。
【００３９】
第二の加湿ステップでは、第一の加湿ステップで加湿された供給空気の露点を、燃料電池の操作温度とほぼ同じとするように加湿する。したがって、第二の加湿ステップでは、供給空気に、必要な水蒸気の２０〜６０％を与えることが好ましい。第二の加湿ステップのように、気体と液体との間で物質移動を生じさせるためには、冷却水の有する蒸発潜熱分の熱エネルギーを補う必要があり、例えば、燃料電池の直流出力が１．３ｋＷであるとき、本実施の形態によれば、冷却水から、０．３２ｋＷの熱エネルギーを得て、供給空気の露点と燃料電池の操作温度の差を５℃以内にすることができる。
【００４０】
上述の数値は、燃料電池の操作温度を７０℃としたときの説明であるが、例えば、燃料電池の操作温度を８０℃としたときは、第一の加湿ステップで、供給空気の温度を７０℃、絶対湿度を０．２７６ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気とし、第二の加湿ステップで、供給空気の温度を７８℃、絶対湿度を０．４６８ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気とすることができる。このとき、第一の加湿ステップでは、必要な水蒸気の５９％の水蒸気を供給空気に与え、第二の加湿ステップでは、必要な水蒸気の４１％の水蒸気を供給空気に与えることができる。また、このとき、第二の加湿ステップで蒸発潜熱を補うのに必要なエネルギーは、燃料電池の出力の０．５４倍である。燃料電池の操作温度を８０℃の場合に、第二の加湿ステップのみで、供給空気の温度を７８℃、絶対湿度を０．４６８ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気を得ようとすると、蒸発潜熱を補うのに必要なエネルギーは、燃料電池の直流出力の１．３２倍となり、エネルギーが不足し、必要量の水蒸気が供給できなくなってしまう。
【００４１】
本実施の形態では、燃料電池の空気極に供給されるガスである供給空気を加湿する方法について具体的に説明したが、燃料電池の燃料極に供給される水素リッチな燃料ガスについても、同様の方法を用いて加湿することができる。
【００４２】
本実施形態にかかる燃料電池の加湿方法によれば、燃料電池４自体から排出されるエネルギー源を効率的に利用して、燃料電池の空気極に供給されるガスである供給空気の露点を、燃料電池の操作温度とほぼ同じとするように加湿することができる。具体的には、供給空気の露点と燃料電池の操作温度との差を５℃以内にすることができ、このような高加湿とすることで、燃料電池の電解質膜を湿潤な状態に保ち、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００４３】
【実施例】
次に、本発明を、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではない。
【００４４】
ここで、図１に示す燃料電池システムを用いて、燃料電池に供給されるガスを加湿した実施例について説明する。実施例に用いた燃料電池システム１は、空気極に供給されるガスを加湿することができる燃料電池システム１であって、燃料電池４と、第一の加湿器２と第二の加湿器３と、冷却水循環ポンプ６とから構成されるものであった。
【００４５】
燃料電池４は、直流出力が１．３ｋＷで、電解質膜は、デュポン社製Ｎ１１２膜、膜厚さ５０μｍのものを使用した。加湿方式は外部加湿方式を採用した。本実施形態においては、この燃料電池を７０℃で運転した。
【００４６】
第一の加湿器２と第二の加湿器３とは、図２に示すように、直列に繋がれて一体となっており、それぞれ、内部に中空糸膜モジュール２５、３５を内蔵したものを用いた。第一の加湿器２の中空糸膜モジュール２５は、外径が０．８ｍｍ、内径が０．６５ｍｍで、長さが１８０ｍｍの中空糸膜を２５００本束ねた物を用いた。中空糸膜の細孔は、孔径が０．０４μｍのものであった。第二の加湿器３の中空糸膜モジュール３５は、同じく外径が０．８ｍｍ、内径が０．６５ｍｍで、長さが７０ｍｍの中空糸膜を２５００本束ねた物を用いた。中空糸膜の細孔は、平均孔径が０．０４μｍであった。
【００４７】
冷却水循環ポンプ６は、渦巻き式ポンプで、流量が５Ｌ／ｍｉｎ、揚程が５ｍであった。
【００４８】
燃料電池セル３の空気極４１に供給される空気としては、大気中の空気を取り込んで使用した。供給空気は、２５℃、７５ＮＬ／ｍｉｎでブロワ５から供給された。供給空気は、第一の加湿器２のスイープ入口２１から第一の加湿器２に導入された。第一の加湿器２の入口２１での空気は、温度が２５℃で、絶対湿度は、０．０２ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気であった。第一の加湿器２においては、中空糸膜２５を介して、供給空気と燃料電池出口ガスとのあいだで物質移動がなされ、供給空気が加湿された。第一の加湿器２の出口における加湿された供給空気は、温度が６０℃で、絶対湿度は、０．１５１ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気であった。
【００４９】
第一の加湿器２からを経た供給空気は第二の加湿器３に供給された。供給空気と燃料電池の冷却水とのあいだで、中空糸膜３５を介して物質移動がなされ、供給空気が加湿された。第二の加湿器のスイープ出口３２における供給空気は、温度が６９℃で、絶対湿度は、０．２５９ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気であった。この加湿され、水蒸気飽和した供給空気が燃料電池４の空気極４１に供給され、供給空気のうち、一部は以下の反応により消費された。
【００５０】
２Ｈ＋  ＋  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−    →    Ｈ２Ｏ    （カソード反応）
【００５１】
カソード反応で消費されなかった残りの供給空気は、カソード反応で発生した熱により昇温され、反応により生じた水分で加湿されて、燃料電池４の出口から燃料電池出口ガスとして排出された。燃料電池４の出口における燃料電池出口ガスの温度は７２℃であり、絶対湿度は、０．３１３ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気であった。この燃料電池出口ガスは、第一の加湿器２の燃料電池出口ガス入口２３から、第一の加湿器２に導入され、ブロワ５から供給された供給空気とのあいだで物質交換されて、電池出口ガス出口２４から排出された。燃料電池出口ガスの第一の加湿器２への供給量は、乾燥空気量で６８．７ＮＬ／ｍｉｎであった。
【００５２】
燃料電池４の冷却部４３を流れて燃料電池４から排出された燃料電池の冷却水は、温度が７２℃であった。この冷却水は、冷却水循環ポンプ６で循環された。循環された冷却水は、第二の加湿器３の冷却水入口３３から、第二の加湿器３に、７０℃、供給量は、５Ｌ／ｍｉｎで供給された。第二の加湿器３で、第一の加湿器２で加湿された空気と物質交換された冷却水の温度は、第二の加湿器３の冷却水出口３４において７０℃であった。第二の加湿器３から排出された冷却水は、再度燃料電池４に供給され、燃料電池の冷却のために使用された。
【００５３】
このような本発明の燃料電池システム１を用いて空気を加湿しながら、７０℃で燃料電池４を運転した結果、２０００時間の連続運転を行っても、電解質膜４４は適度な水分量を保っていた。また、燃料電池４の運転の過程で、運転の初期であっても、運転中であっても、燃料電池４の空気極３１に供給される供給空気を加湿することができた。
【００５４】
いっぽう、同一の燃料電池を用いて、２５℃の供給空気を７５ＮＬ／ｍｉｎで前述の第一の加湿器２と同一の加湿器に導入し、燃料電池の出口ガスと接触させることにより加湿するステップのみを実施した比較例においては、加湿器を出た供給空気の温度は６０℃であり、絶対湿度は、０．１５１ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気であった。また、中空糸膜の内径、外径及び本数は同じとし、長さを１８０ｍｍから３６０ｍｍに長くした形状の第一の加湿器で同様の運転を行った結果、やはり中空糸膜長さを長くしたにもかかわらず加湿器をでた供給空気の温度、絶対湿度は長くする前とまったく変化しなかった。この原因は、すでに加湿性能は水蒸気圧の差から飽和に達しているものと推定した。なお、使用した燃料電池の出口ガスは、温度は７２℃であり、絶対湿度は、０．３１３ｋｇ・Ｈ２Ｏ／ｋｇ乾燥空気であった。
【００５５】
このように、本実施例の燃料電池システム１を用いる加湿方法によれば、電解質膜４４の破損や劣化、およびこれらに伴う発電効率の低下は認められず、燃料電池４において良好な発電を実施することができた。
【００５６】
また、燃料電池システム全体でのエネルギー収支の観点から、第一の加湿器２では燃料電池４の出口ガスのみを使用するため、新たなエネルギーは必要とせず、第二の加湿器３においては、必要な水蒸気量の２０〜６０％を冷却水と供給空気のあいだで物質移動を生じさせるために冷却水を蒸発させる蒸発潜熱は、燃料電池４の発熱によりまかなうことができるため、新たにエネルギーは必要としない。この燃料電池システムにおいては、従来のすべて冷却水を蒸発させる方式で加湿したときと比較して、エネルギー効率として、冷却水を加熱するヒータなどが不要となるなど大幅に有利となる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明にかかる燃料電池の加湿方法によれば、燃料電池から排出されるガスおよび冷却水を利用して、燃料電池の空気極に供給される空気の露点を燃料電池の操作温度とほぼ等しくすることができ、高加湿運転が可能となる。また、かかる加湿方法は、燃料電池の冷却水を用いることもできるため、運転初期においても、高加湿運転が可能となる。このような加湿により、燃料電池セル中の電解質膜の破損や劣化を防止することができ、燃料電池の性能向上及び耐久性向上を図ることができる。
また、本発明にかかる二つの加湿ステップを含む加湿方法を実施しうる本発明の燃料電池システムは、システム全体としてエネルギー効率が高く、耐久性に優れるものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図２は、中空糸膜を用いた加湿器の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明による燃料電池システムに含まれる燃料電池の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１  燃料電池システム
２  第一の加湿器
３  第二の加湿器
４  燃料電池
５  ブロワ
６  冷却水循環ポンプ
７  温水回収用熱交換器
８  改質器
２１  スイープ入口
２３  燃料電池出口ガス入口
２４  燃料電池出口ガス出口
２５  中空糸膜
３２  スイープ出口
３３  冷却水入口
３４  冷却水出口
３５  中空糸膜
４０  燃料電池セル
４１  空気極
４２  燃料極
４３  冷却部
４４  電解質膜
【図１】
2004363027.tif 000003
【図２】
2004363027.tif 000004
【図３】
2004363027.tif 000005