JP2002298881A - 燃料電池用改質ガス加湿システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質ガスの圧力損失を伴うことなく良好に改
質ガスを加湿する。 【解決手段】 改質器と燃料電池スタックの間に加湿対
象の改質ガスを通過させる加湿容器３を設ける。加湿容
器３内にスプレーノズル１０を設け、加湿容器３内を通
過する加湿対象の改質ガスに、スプレーノズル１０から
加湿用水を噴霧し、霧状の加湿用水と十分に接触させ
て、改質ガスに水蒸気を捕捉させて加湿するように構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質器から固体高
分子型の燃料電池スタックに供給される改質ガスを加湿
する燃料電池用改質ガス加湿システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）で
は、改質器で、炭化水素やメタノールといった原燃料を
改質反応により水素に変換して水素リッチの改質ガスを
製造し、その改質ガスと空気とを燃料電池スタックに供
給し、イオン交換膜を介して、改質ガス中の水素と空気
中の酸素とを反応させることにより、電力を発生させる
ようにしている。

【０００３】上記イオン交換膜では、その表面を濡れた
状態にする必要があり、従来、改質器から燃料電池スタ
ックに供給される改質ガスを加湿するようにしており、
その加湿を行うものとして、次のようなものがあった。

【０００４】Ａ．第１従来例（バブリング方式） 温水を収容した容器に、改質ガスの供給管を接続し、改
質ガスの供給管の下端を温水の水面より深い位置まで注
入して改質ガスを吹き出させるか、ノズルに設けた多数
の噴出孔から改質ガスを吹き出させるようにし、改質ガ
スを気泡化して飽和水蒸気を捕捉して加湿する。 Ｂ．第２従来例（超音波振動方式） 加湿容器内の温水中に超音波発生装置を設け、超音波振
動により水蒸気を発生させ、その水蒸気を改質ガスに混
合させて加湿する。 Ｃ．第３従来例（全熱交換方式） 加熱した保水材の表面に改質ガスを流すことにより保水
材の表面から蒸発する水蒸気を改質ガスに混合させて加
湿する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例の場合、いずれも、次のような欠点があった。 ａ．第１従来例の欠点 加湿能力を高めるには、改質ガスと温水との接触表面積
を大きくする必要があり、改質ガスを注入する深さを深
くするか、噴出孔として小径のものをノズルに多数設け
なければならず、改質ガスの供給圧力の損失が大きく、
効率の高い運転ができない欠点があった。 ｂ．第２従来例の欠点 蒸発度合いが変動して改質ガスの圧力変動が大きく、飽
和水蒸気が得にくい欠点があった。また、飽和水蒸気を
得るためには、電気ヒータなどで加熱しなければなら
ず、電気ヒータなどで電力を消費する分だけ発電効率が
低下する欠点があった。 ｃ．第３従来例の欠点 加湿能力を高めるには、蒸発面積を大きくしなければな
らず、装置が大型化する欠点があった。また、保水材の
表面で蒸発するために、温水中の不純物が析出して蓄積
し、蒸発面積が減少して加湿能力が経時的に低下しやす
い欠点があった。更に、改質ガスが高温の場合には、保
水材を耐熱性に優れた材料で構成しなければならず、高
価になる欠点があった。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、請求項１に係る発明は、改質ガスの圧
力損失を伴うことなく良好に改質ガスを加湿できるよう
にすることを目的とし、また、請求項２に係る発明は、
改質ガスを加湿する飽和水蒸気を良好に得られるように
することを目的とし、また、請求項３に係る発明は、排
熱を利用して加湿用水を得て発電効率を向上できるよう
にすることを目的とし、そして、請求項４に係る発明
は、改質ガスの加湿処理に伴って発生する排熱を回収し
て、発電効率を向上できるようにすることを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
上述のような目的を達成するために、原燃料を改質反応
により水素に変換して水素リッチの改質ガスを製造する
改質器と、前記改質器で製造された改質ガスを用いて発
電する固体高分子型の燃料電池スタックとを備え、前記
改質器から前記燃料電池スタックに供給される改質ガス
を加湿するように構成した燃料電池用改質ガス加湿シス
テムであって、前記改質器と前記燃料電池スタックの間
に設けられて加湿対象の改質ガスを通過させる加湿容器
内に、改質ガスに加湿用水を噴霧するスプレーノズルを
設けて構成する。

【０００８】また、請求項２に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池用
改質ガス加湿システムにおいて、スプレーノズルに接続
されて加湿用水を供給する給水管と、前記給水管に付設
されて、温水と低温水とを混合比を調整可能に混合して
加湿用水を得る混合手段と、加湿用水によって加湿され
た加湿ガスの温度を測定する温度センサと、前記温度セ
ンサで測定される加湿ガスの温度を飽和水蒸気を得る設
定温度に維持するように前記混合手段での温水と低温水
との混合比を調整する加湿用水温度制御手段を設けて構
成する。

【０００９】また、請求項３に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１または請求項２に記
載の燃料電池用改質ガス加湿システムにおいて、スプレ
ーノズルに、前記改質器または／および燃料電池スタッ
クからの排熱を回収した温水を加湿用水として供給する
ように構成する。

【００１０】また、請求項４に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項
３のいずれかに記載の燃料電池用改質ガス加湿システム
において、加湿容器から排出される加湿処理後の加湿用
水から排熱を回収する排熱回収手段を備えて構成する。

【００１１】

【作用】請求項１に係る発明の燃料電池用改質ガス加湿
システムの構成によれば、加湿容器内を通過する加湿対
象の改質ガスに、スプレーノズルから加湿用水を噴霧
し、霧状の加湿用水と十分に接触させて、改質ガスに水
蒸気を捕捉させて加湿することができる。

【００１２】また、請求項２に係る発明の燃料電池用改
質ガス加湿システムの構成によれば、温水と低温水とを
混合して加湿用水を得、加湿ガスの温度を測定し、その
加湿ガスの温度を飽和水蒸気を得る設定温度に維持する
ように温水と低温水との混合比を調整し、改質ガスを飽
和水蒸気で加湿した加湿ガスを得ることができる。

【００１３】また、請求項３に係る発明の燃料電池用改
質ガス加湿システムの構成によれば、改質器または／お
よび燃料電池スタックからの排熱を利用して加湿用水を
得ることができる。

【００１４】また、請求項４に係る発明の燃料電池用改
質ガス加湿システムの構成によれば、加湿容器から排出
される加湿処理後の加湿用水が保有する排熱を排熱回収
手段で回収することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池
用改質ガス加湿システムの第１実施例を示す概略構成図
であり、原燃料を改質反応により水素に変換して水素リ
ッチの改質ガスを製造する改質器１と、その改質器１で
製造された改質ガスを用いて発電する固体高分子型の燃
料電池スタック２との間に加湿容器３が設けられ、改質
器１から燃料電池スタック２に供給される改質ガスを加
湿するように構成されている。

【００１６】改質器１では、改質反応器（図示省略）で
炭化水素やアルコールなどの原燃料を水蒸気改質反応等
の改質反応により水素（Ｈ₂)に変換してから、ＣＯ変成
器（図示省略）で改質済のガス中のＣＯをＣＯ₂ に変成
した後、ＣＯ変成後のガス中に残存するＣＯをＣＯ除去
器（図示省略）で高度に除去して水素リッチの改質ガス
を製造するようになっている。改質反応器における改質
バーナー（図示省略）の燃焼排ガスが、排気管４から排
出されるようになっている。

【００１７】燃料電池スタック２では、加湿された改質
ガス中の水素と空気中の酸素を、改質ガス中の水蒸気で
濡れた状態となったイオン交換膜で反応させて発電する
ようになっている。燃料電池スタック２には、循環ポン
プ５を介装した冷却水循環回路６を介して、給湯用の貯
湯タンク７が接続され、燃料電池スタック２の排熱を温
水として回収し、その温水を貯湯タンク７に貯めるよう
に構成されている。図中８は給湯管を、９は、給湯に伴
って減少した水を補充する水補給管をそれぞれ示してい
る。

【００１８】図２の要部の構成図に示すように、加湿容
器３内の上方側に、加湿用水を噴霧するスプレーノズル
１０が設けられている。加湿容器３の底側に、改質器１
からの改質ガスを供給する供給口１１が設けられるとと
もに、上部に改質ガスを加湿した後の加湿ガスの取り出
し口１２が設けられ、改質ガスを加湿容器３内で下方か
ら上方に流動通過させ、その流動状態の改質ガスに加湿
用水を噴霧して、水蒸気を含んだ加湿ガスを得るように
構成されている。

【００１９】スプレーノズル８には、給水管１３が接続
されている。給水管１３に温水供給管１４と低温水供給
管１５とが接続され、温水供給管１４に第１の流量調整
弁１６が設けられるとともに、低温水供給管１５に第２
の流量調整弁１７が設けられ、温水と低温水とを混合比
を調整可能に混合して加湿用水を得るように混合手段１
８が構成されている。

【００２０】加湿容器３の上部に、加湿ガスに飛沫が同
伴して排出されることを防止するデミスター１９が設け
られ、そのデミスター１９の下流側に、加湿ガスの温度
を測定する温度センサ２０が設けられている。

【００２１】温度センサ２０が加湿用水温度制御手段と
してのコントローラ２１に接続され、そのコントローラ
２１に第１および第２の流量調整弁１６，１７が接続さ
れている。コントローラ２１では、温度センサ２０で測
定される加湿ガスの温度に基づき、その温度と飽和水蒸
気を得る設定温度とを比較し、加湿ガスの温度を設定温
度に維持するように第１および第２の流量調整弁１６，
１７の開度を調整し、混合手段１８での温水と低温水と
の混合比を調整するように構成されている。

【００２２】すなわち、温度センサ２０で測定される加
湿ガスの温度が設定温度よりも低いときには、第１の流
量調整弁１６の開度を大きくするとともに第２の流量調
整弁１７の開度を小さくして温水の混合比を高くし、加
湿用水の温度を上昇させて設定温度に近づけるようにす
る。一方、温度センサ２０で測定される加湿ガスの温度
が設定温度よりも高いときには、第１の流量調整弁１６
の開度を小さくするとともに第２の流量調整弁１７の開
度を大きくして低温水の混合比を高くし、加湿用水の温
度を低下させて設定温度に近づけるようにする。上記設
定温度としては、飽和水蒸気を得る温度が設定され、通
常70〜80℃である。

【００２３】図１に示すように、温水供給管１４が冷却
水循環回路６から分岐されるとともに、その温水供給管
１４と排気管４とが伝熱可能に熱交換器２２に導入さ
れ、燃料電池スタック２からの排熱である燃料電池冷却
後の冷却水の熱、および、改質器１からの排熱である改
質バーナー（図示省略）の燃焼排ガスの熱を回収した温
水を加湿用水として供給できるように構成されている。
図１では、第１および第２の流量調整弁１６，１７を省
略している。

【００２４】加湿容器７の底には、加湿処理に伴って加
湿に使われずに加湿容器７の底に設定量以上溜まった温
水を排出するための排水管２３が接続されるとともに、
排水管２３の途中箇所に、排出する温水がガスを同伴し
ないようにいわゆるＵシール２４が付設されている。

【００２５】図３は、本発明に係る燃料電池用改質ガス
加湿システムの第２実施例を示す要部の構成図であり、
第１実施例と異なるところは次の通りである。すなわ
ち、加湿容器３の底部に、ポンプ３１および電磁開閉弁
３２を介装した配管３３を介して接続され、配管３３が
貯湯タンク７内に導入されるとともに、貯湯タンク７内
で配管３３に熱交換部３３ａが形成され、かつ、配管３
３のポンプ３１と電磁開閉弁３２との中間箇所と給水管
１３とがバイパス配管３４を介して接続されている。

【００２６】加湿容器３の下部側に、設定量以上溜まっ
た温水の水位の上昇・下降を検知する液面センサ３５が
設けられ、この液面センサ３５と温度センサ２０がコン
トローラ３６に接続されるとともに、コントローラ３６
に、第１および第２の流量調整弁１６，１７と電磁開閉
弁３２とが接続されている。

【００２７】コントローラ３６では、液面センサ３５で
水位の上昇を検知するに伴って電磁開閉弁３２を開き、
加湿容器３内の温水を貯湯タンク７内の熱交換部３３ａ
に供給し、加湿容器３から排出される加湿処理後の加湿
用水から排熱を回収するように構成されている。この構
成をして排熱回収手段と称する。

【００２８】一方、液面センサ３５で水位の下降を検知
するに伴って電磁開閉弁３２を閉じ、バイパス配管３４
を通じて加湿容器３内のスプレーノズル１０に循環供給
するようになっている。他の構成ならびに動作は第１実
施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説
明は省略する。

【００２９】上記第２実施例におけるポンプ３１として
は、冷却水循環用の循環ポンプ５とか、あるいは、温水
供給管１４にポンプが設けられる場合にはそのポンプを
それぞれ兼用するようにしても良い。また、上記第２実
施例において、加湿容器３から排出される加湿処理後の
加湿用水から排熱を回収するのに、貯湯タンク７内に導
入した配管３３に熱交換部３３ａを形成しているが、貯
湯タンク７内の温水を飲用に供することが無い場合に
は、配管３３から貯湯タンク７内に直接的に供給するよ
うにしても良い。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明の燃料電池用改質ガス加湿システムによれ
ば、加湿容器内を通過する加湿対象の改質ガスに、スプ
レーノズルから加湿用水を噴霧して霧状の加湿用水と十
分に接触させて加湿するから、温水中に吹き出させる場
合のような圧力損失を伴うことなく、良好に改質ガスを
加湿できる。

【００３１】また、請求項２に係る発明の燃料電池用改
質ガス加湿システムによれば、温水と低温水とを混合し
て加湿用水を得、加湿ガスの温度を、飽和水蒸気を得る
設定温度に維持するように温水と低温水との混合比を調
整するから、改質ガスを加湿する飽和水蒸気を良好に得
ることができる。

【００３２】また、請求項３に係る発明の燃料電池用改
質ガス加湿システムによれば、改質器または／および燃
料電池スタックからの排熱を利用して加湿用水を得るか
ら、加湿用水を得るために電気ヒータを用いる場合に比
べて、その電力消費量分だけ発電効率を向上できる。

【００３３】また、請求項４に係る発明の燃料電池用改
質ガス加湿システムによれば、加湿容器から排出される
加湿処理後の加湿用水が保有する排熱をも回収するか
ら、排熱回収効率を向上して発電効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用改質ガス加湿システム
の第１実施例を示す概略構成図である。

【図２】第１実施例の要部の構成図である。

【図３】第２実施例を示す要部の構成図である。

【符号の説明】

１…改質器 ２…燃料電池スタック ３…加湿容器 １０…スプレーノズル １３…給水管 １４…温水供給管 １５…低温水供給管 １８…混合手段 ２０…温度センサ ２１…コントローラ（加湿用水温度制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高見 晋 大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 BA19 KK44 MM01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原燃料を改質反応により水素に変換して水
   素リッチの改質ガスを製造する改質器と、 前記改質器で製造された改質ガスを用いて発電する固体
   高分子型の燃料電池スタックとを備え、 前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される改質
   ガスを加湿するように構成した燃料電池用改質ガス加湿
   システムであって、 前記改質器と前記燃料電池スタックの間に設けられて加
   湿対象の改質ガスを通過させる加湿容器内に、改質ガス
   に加湿用水を噴霧するスプレーノズルを設けたことを特
   徴とする燃料電池用改質ガス加湿システム。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池用改質ガス加湿
   システムにおいて、 スプレーノズルに接続されて加湿用水を供給する給水管
   と、 前記給水管に付設されて、温水と低温水とを混合比を調
   整可能に混合して加湿用水を得る混合手段と、 加湿用水によって加湿された加湿ガスの温度を測定する
   温度センサと、 前記温度センサで測定される加湿ガスの温度を飽和水蒸
   気を得る設定温度に維持するように前記混合手段での温
   水と低温水との混合比を調整する加湿用水温度制御手段
   を設けてある燃料電池用改質ガス加湿システム。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池用改質
   ガス加湿システムにおいて、 スプレーノズルに、前記改質器または／および燃料電池
   スタックからの排熱を回収した温水を加湿用水として供
   給する燃料電池用改質ガス加湿システム。
4. 【請求項４】請求項１、請求項２、請求項３のいずれか
   に記載の燃料電池用改質ガス加湿システムにおいて、 加湿容器から排出される加湿処理後の加湿用水から排熱
   を回収する排熱回収手段を備えている燃料電池用改質ガ
   ス加湿システム。