JP2004273222A

JP2004273222A - 燃料電池の評価試験用ガス供給装置

Info

Publication number: JP2004273222A
Application number: JP2003060760A
Authority: JP
Inventors: Tsunemi Hirai; 常美平井; Kazuto Matsumoto; 和人松本; Tamotsu Yoshioka; 保吉岡
Original assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Current assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】安定した湿度制御と早い応答性が得られ、少しのエネルギーで運転することのできる燃料電池の評価試験用ガス供給装置を提供する。
【解決手段】燃料電池へ供給する供給ガスの露点を任意に変更することのできる加湿装置付き燃料電池の評価試験用ガス供給装置である。燃料電池への供給ガス路（１）に、流量コントロール弁（３）、ガス加熱器（４）、混合器（５）、供給ガス温度調整器（６）とが順に配置してある。混合器（５）に過熱蒸気発生器（７）が蒸気流量調整弁（８）を介して連通接続してある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近年クリーンエネルギー源として注目されている燃料電池の評価試験用ガス供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子形、燐酸塩形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形等の種類があるが、固体高分子形燃料電池は低温で動作し、コンパクトなパッケージングが可能なことから、取り扱いが容易となり、自動車用や小型コジェネレータ用として期待され、研究が進んでいる。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の電解質膜を構成している固体高分子膜では、水素イオンの移動に水分子が必要となる。この水分子は水素イオンの移動とともに燃料極側から空気極側に移動するため、燃料極側で水分が減少し、イオン伝導率が低下することになる。一方、過剰な水分が存在すると、水分子が多孔質電極を塞ぎ、拡散性が阻害され性能が低下する。このため、固体高分子形燃料電池では、固体高分子膜内での適正な水分管理が必要となっている。
【０００４】
従来、電解質膜の性能を評価することを目的とする燃料電池の評価試験用ガス供給装置では、燃料ガス（水素）や空気あるいは酸素ガスを温水中でバブリングすることにより加湿して燃料電池に供給するようにしている。この場合、バブリングする加湿器全体を加熱して内部に貯留されている温水全体の温度調節することで加湿度を制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来の温水中でのバブリングにより供給するガスを加湿するものでは、オーバーシュートしたり露点温度が変動したりして露点が安定しないうえ、応答性にも問題がある。また、従来のバブリング形式のものでは、加湿器内に貯溜されている大容量の水を加熱しなければならないことから水加熱用に大量のエネルギーを必要とするという問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目し、安定した湿度制御と早い応答性が得られ、少しのエネルギーで運転することのできる燃料電池の評価試験用ガス供給装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために請求項１に記載した発明では、燃料電池への供給ガス路に、流量コントロール弁、ガス加熱器、混合器、供給ガス温度調整器とを配置するとともに、混合器に過熱蒸気発生器が蒸気流量調整弁を介して連通接続してあることを特徴としている。また、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明での過熱蒸気発生器よりも上流側に位置する蒸気供給系に水供給タンクを配置したことを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した発明での流量コントロール弁よりも上流側の供給ガス路から分岐導出した供給ガスのガス圧を水供給タンクに作用させるように構成したことを特徴としており、請求項４に記載した発明では、請求項２または３に記載した発明において、水供給タンク（１１）と過熱蒸気発生器（７）との間に蒸気発生器（１０）を配置したことを特徴とし、請求項５に記載した発明では、請求項１から４のいずれか１項に記載した発明において、蒸気流量調整弁を断熱層に覆われた恒温槽内に配置したことを特徴とし、請求項６に記載した発明では、請求項１から５のいずれか１項に記載した発明において、混合器を断熱層に覆われた恒温槽内に配置したことを特徴としている。
【０００９】
【発明の作用】
本発明では、加熱した供給ガスに流量を調整された過熱蒸気を混合させて、湿度を調整していることから、露点温度を高精度に制御でき、早い応答性を得ることが出来ることになる。また、必要な水分量だけを加熱すればよいから、少しのエネルギーで運転することができることになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の１つの実施形態を示す概略回路構成図である。この実施形態に係る燃料電池の評価試験用ガス供給装置は、水素ガスや窒素ガスあるいは酸素ガス等の供給ガスを評価対象となる燃料電池に供給するための供給ガス路（１）に、圧力調整弁（２）、流量コントロール弁（３）、ガス加熱器（４）、混合器（５）、供給ガス温度調整器（６）とを順に配置している。そして、混合器（５）は過熱蒸気発生器（７）に蒸気流量調整弁（８）を介して接続してあり、前記ガス加熱器（４）、混合器（５）、蒸気流量調整弁（８）は断熱層に覆われた恒温槽（９）内に配置してある。
【００１１】
過熱蒸気発生器（７）には、水供給タンク（１１）が連通接続してある。そして水供給タンク（１１）には、供給ガス路（１）の圧力調整弁（２）と流量コントロール弁（３）との間から導出した分岐ガス路（１２）が接続してあり、圧力調整弁（２）で所定圧に調圧された供給ガスが水供給タンク（１１）に作用するようにしてある。
【００１２】
図１中符号（１５）は過熱蒸気発生器（７）を加熱する加熱器、（１６）は過熱蒸気発生器（７）と恒温槽（９）内に配置されている蒸気流量調整弁（８）とを接続する過熱蒸気供給路（１７）での蒸気温度を制御するための加熱器である。なお、この加熱器（１５）、加熱器（１６）及び供給ガス温度調整器（６）は電気制御可能に構成してある。
【００１３】
図２は本発明を適用した燃料電池の評価試験用ガス供給装置の異なる実施形態を示す概略回路構成図である。この実施形態に係る燃料電池の評価試験用ガス供給装置は、混合器（５）に蒸気流量調整弁（８）を介して接続する過熱蒸気発生器（７）に蒸気発生器（１０）を介して水供給タンク（１１）を連通接続させるともに、分岐ガス路（１２）での水供給タンク（１１）の上流側にバッファタンク（１３）を配置し、蒸気発生器（１０）を加熱器（１４）で加熱するようにしたもので、他の構成は共通している。
【００１４】
図３は本発明を適用した燃料電池の評価試験用ガス供給装置のさらに異なる実施形態を示す概略回路構成図である。この実施形態に係る燃料電池の評価試験用ガス供給装置は、過熱蒸気発生器（７）の上流側に蒸気発生器（１０）を配置し、この蒸気発生器（１０）に水供給タンク（１１）を連通接続し、この水供給タンク（１１）に供給ガス路（１）の圧力調整弁（２）と流量コントロール弁（３）との間から導出した分岐ガス路（１２）を接続するとともに、分岐ガス路（１２）からさらに分岐させた第２分岐路（１８）を蒸気発生器（１０）の内部の貯留水内で開口し、第２分岐路（１８）から供給されるガスを蒸気発生器（１０）内でバブリングさせるようにしたものであり、他の構成は共通している。
【００１５】
この図３に示す実施形態では、蒸気発生器（１０）を所定温度に制御することにより、その温度に対応する飽和蒸気を得ることができ、その飽和蒸気を過熱蒸気発生器内に導入加熱することで、一定の水分量を有する温度の相違する蒸気を得ることができ、この一定水分を有する蒸気と供給ガスとを混合させることになる。この場合、蒸気発生器（１０）では、一定温度を維持するだけの加熱でよく、貯留水全体温度を高めて蒸気量を制御するような加熱は必要ないから、熱エネルギーをセーブすることができる。
【００１６】
上記各実施態様での過熱蒸気発生器（７）は、水面の面積を少ない方が蒸気の発生効率が良いことから、縦長に形成してある。なお、上記各実施態様では、ガス加熱器（４）、混合器（５）、蒸気流量調整弁（８）を恒温槽（９）内に配置したものについて説明したが、これらの機器とともに過熱蒸気発生器（７）を恒温槽（９）内に配置するようにしても良い。また、ガス加熱器（４）、混合器（５）、蒸気流量調整弁（８）等を恒温槽（９）外に配置して、個別に加熱調整するようにしても良い。さらに、蒸気各実施態様では、水供給タンクから蒸気発生用の水を供給するようにしているが、水供給タンクを省略してポンプ等により直接的に蒸気発生用の水を供給するようにしても良い。
【００１７】
このように、加熱した供給ガスに流量を調整された過熱蒸気を混合させていることから、供給ガスの温度と湿度を高精度に設定することができることになる。また、供給ガスに過熱蒸気を混合させるものであることから、供給ガスの湿度を容易に設定変更することができるうえ、その変化に対する応答性が速く表れることになる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明では、加熱した供給ガスに流量を調整された過熱蒸気を混合させて、湿度を調整していることから、露点温度を高精度に制御でき、早い応答性を得ることが出来ることになる。また、必要な水分量だけを加熱すればよいから、少しのエネルギーで運転することができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池の評価試験用ガス供給装置の実施形態を示す概略回路構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池の評価試験用ガス供給装置の異なる実施形態を示す概略回路構成図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池の評価試験用ガス供給装置のさらに異なる実施形態を示す概略回路構成図である。
【符号の説明】
１…供給ガス路、３…流量コントロール弁、４…ガス加熱器、５…混合器、６…供給ガス温度調整器、７…過熱蒸気発生器、８…蒸気流量調整弁、９…恒温槽、１０…蒸気発生器、１１…水供給タンク。

Claims

燃料電池へ供給する供給ガスの露点を任意に変更することのできる加湿装置付き燃料電池の評価試験用ガス供給装置において、燃料電池への供給ガス路（１）に、流量コントロール弁（３）、ガス加熱器（４）、混合器（５）、供給ガス温度調整器（６）とを配置するとともに、混合器（５）に過熱蒸気発生器（７）が蒸気流量調整弁（８）を介して連通接続してある燃料電池の評価試験用ガス供給装置。
過熱蒸気発生器（７）よりも上流側の蒸気供給系に水供給タンク（１１）が配置してある請求項１に記載の燃料電池の評価試験用ガス供給装置。
流量コントロール弁（３）よりも上流側の供給ガス路（１）から分岐導出した供給ガスのガス圧を水供給タンク（１１）に作用させるように構成した請求項２に記載の燃料電池の評価試験用ガス供給装置。
水供給タンク（１１）と過熱蒸気発生器（７）との間に蒸気発生器（１０）を配置した請求項２または３に記載の燃料電池の評価試験用ガス供給装置。
断熱層に覆われた恒温槽（９）内にガス加熱器（４）、混合器（５）、過熱蒸気発生器（７）、蒸気流量調整弁（８）の少なくとも１つを配置した請求項１から４のいずれか１項に記載した燃料電池の評価試験用ガス供給装置。