JP2006269204A - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給される供給ガスを加湿する燃料電池の加湿装置において、安定して供給ガスを加湿できるようにする。
【解決手段】本発明の燃料電池の加湿装置３は、供給ガスを加湿するための加湿水１００を底部に貯め、この加湿水１００の水位を一定に保つように余剰の加湿水を泡鐘装置３７によって排水し、加湿水１００を加熱することによって供給ガスを加湿する加湿部３１と、加湿部３１から排水された余剰の加湿水を貯蔵する加湿水貯蔵部３２と、供給ガスの圧力を緩衝するための緩衝水１０１を底部に貯蔵し、加湿部３１で加湿された供給ガスを緩衝水１０１に泡鐘装置５１を介して通過させることによって供給ガスの圧力変動を緩衝する圧力緩衝部３３とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に供給される供給ガスを加湿する燃料電池の加湿装置に係り、特に加湿水を加熱することによって供給ガスを加湿する燃料電池の加湿装置に関する。

燃料電池では、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給され、これらの燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることによって起電力を発生させている。

このうち固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜を介して燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させているが、このイオン交換膜は濡れた状態を保つ必要があるので、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガス（以下、適宜に供給ガスという）は加湿された状態にする必要があった。

このため、従来より燃料電池にはさまざな方式の加湿装置が設置されている。例えば加湿水を貯める容器を設けて供給ガスを差込管から加湿水中に放出して接触させるバブラー方式や、供給ガスに対してスプレーノズルなどによって加湿水を噴霧するスプレー方式などがある。このうちスプレー方式に関する従来例として、スプレーノズルによって加湿水を噴霧するようにした加湿システムが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２９８８８１号公報

上述した特許文献１に開示された従来例では、スプレーに供給される加湿水がポンプの脈動等による圧力変動の影響を受けたり、供給ガス量の変化への追従が遅れたりといった要因で安定した加湿状態を保つことができないという問題点があった。さらに、スプレーの目詰まりによって圧力損失が増大し、加湿水を供給ガスに均等に噴霧することが困難になるという問題点もあった。

また、バブラー方式の加湿装置では、加湿容器を設定温度にするために容器全体を加熱する必要があることから、加湿するまでに時間を要するという問題点があった。さらに、容器内の加湿水の水量が減少した場合に外部から給水するので、加湿水の温度が下がり、設定条件に回復するまでに時間がかかってしまうという問題点もあった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池の加湿装置は、燃料電池に供給される供給ガスを加湿する燃料電池の加湿装置において、前記供給ガスを加湿するための加湿水を底部に貯蔵し、前記加湿水の水位を一定に保つように余剰の加湿水を排水するとともに、前記加湿水を加熱することによって前記供給ガスを加湿する加湿部と、前記加湿部から排水された余剰の加湿水を貯蔵する加湿水貯蔵部と、前記供給ガスの圧力を緩衝するための緩衝水を底部に貯蔵し、前記加湿部で加湿された供給ガスを前記緩衝水に通過させることによって前記供給ガスの圧力変動を緩衝する圧力緩衝部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池の加湿装置では、加湿部が供給ガスを加湿するための加湿水を底部に貯め、加湿水の水位を一定に保つように余剰の加湿水を排水し、加湿水を加熱することによって供給ガスを加湿するので、加湿部には必要最低限度の加湿水のみが常に確保されていることになり、設定条件まで加熱する際に必要となる熱量を低減することができ、これによって供給ガスを加湿するまでの応答時間を短縮できるので、安定した供給ガスの加湿が可能となる。さらに、圧力緩衝部が供給ガスの圧力を緩衝するための緩衝水を底部に貯蔵し、加湿部で加湿された供給ガスを緩衝水に通過させることによって供給ガスの圧力変動を緩衝するので、緩衝水による水頭を利用して圧力変動を抑え、燃料電池へ安定した加湿状態のガスを供給することができる。

以下、本発明に係わる燃料電池の加湿装置の実施例を図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施例に係る加湿装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施例の加湿装置３を備えた燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により起電力を発生させる燃料電池２と、燃料電池２に供給される供給ガスを加湿する加湿装置３と、供給ガスの温度や湿度を検出する露点センサ４と、加湿された供給ガスの流量を制御する加湿供給ガス流量調整弁５と、加湿されていない供給ガスの流量を制御する乾燥供給ガス流量調整弁６と、燃料電池２のカソードから排出されたガスの気液分離を行なう気液分離装置７と、燃料電池システム１全体を制御する制御装置８とを備えて構成されている。以下、各部について説明する。

燃料電池２は、アノード２１に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード２２に酸化剤ガスである空気が供給されており、アノード２１とカソード２２の間に挟持された固体高分子電解質膜における電極反応によって発電している。

露点センサ４は、燃料電池２に供給される供給ガスの温度や湿度を検出して制御装置８に出力している。

加湿供給ガス流量調整弁５は、制御装置８の制御によって流量を調整しながら開閉し、加湿装置３で加湿された供給ガスを燃料電池２に供給している。

乾燥供給ガス流量調整弁６は、制御装置８の制御によって流量を調整しながら開閉し、加湿されていない供給ガスを燃料電池２に供給している。

気液分離装置７は、燃料電池２のカソード２２から排出されたガスを気液分離し、分離した気体と生成水のうち気体は外部へと排出し、生成水は加湿装置３に供給している。

制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータで構成され、露点センサ４やその他の温度センサ、圧力センサ、水位センサなどで検出された検出信号や燃料電池２で発電する電力値を指令する指令値などの各信号に基づいて、加湿供給ガス流量調整弁５や乾燥供給ガス流量調整弁６などの各調整弁やポンプなどを制御している。

次に、加湿装置３の構成を説明する。図１に示すように、加湿装置３は、燃料電池２に供給される供給ガスを加湿する加湿部３１と、加湿部３１から排水された余剰の加湿水を貯蔵する加湿水貯蔵部３２と、供給ガスの圧力変動を緩衝する圧力緩衝部３３とに分割して構成されており、加湿水貯蔵部３２を一番下にして加湿部３１、圧力緩衝部３３の順に配置されている。以下、各部について説明する。

加湿部３１は、供給ガスを加湿するための加湿水１００を底部に貯蔵し、加湿部３１の周囲に設置された加熱器３５によって加湿水１００を加熱することにより供給ガスを加湿している。この加湿部３１の加湿水は、加湿水貯蔵部３２に貯蔵された加湿水１００を加湿水循環ポンプ３６によって供給したものと、気液分離装置７で分離された生成水とによって成り立っている。そして、加湿部３１の底面には泡鐘装置３７が設置され、この泡鐘装置３７は余剰の加湿水１００を加湿部３１から加湿水貯蔵部３２へ落下させて排水し、加湿部３１における加湿水１００の水位を一定に保っている。

加湿水貯蔵部３２は、加湿部３１から排水された余剰の加湿水を貯蔵している。ここで貯蔵している加湿水１００の水位は加湿水貯蔵部水位センサ４１によって検出され、所定の水位よりも上昇したときには加湿水貯蔵部排出弁４２から余剰の加湿水が排出される。また、加湿水貯蔵部３２に貯蔵されている加湿水１００は加湿水循環ポンプ３６によって加湿部３１と圧力緩衝部３３に供給されている（圧力緩衝部３３では緩衝水１０１という）。さらに、加湿水貯蔵部３２の周囲は加湿水貯蔵部断熱材４３によって覆われており、貯蔵されている加湿水１００を保温している。

圧力緩衝部３３は、供給ガスの圧力を緩衝するための緩衝水１０１を底部に貯蔵し、加湿部３１で加湿された供給ガスを緩衝水１０１に通過させることによって供給ガスの圧力変動を緩衝している。そして、圧力緩衝部３３の底面には泡鐘装置５１が設置され、この泡鐘装置５１は余剰の緩衝水１０１を加湿部３１へ落下させて排水し、圧力緩衝部３３における緩衝水１０１の水位を一定に保っている。また、加湿部３１で加湿された供給ガスを緩衝水１０１の中に解放し、気液接触させて通過させている。このとき供給ガスと緩衝水１０１との間で熱交換が行なわれるが、緩衝水１０１は保温された加湿水貯蔵部３２から供給されているので温度は高く、さらに圧力緩衝部３３の周囲は圧力緩衝部断熱材５２で覆われているので、緩衝水１０１は保温され、温度は高いまま維持される。このため、供給ガスと緩衝水１０１との間で熱交換が行なわれたとしても供給ガスの温度が下がらないようになっている。

次に、上述した泡鐘装置３７、５１の構成を図２に基づいて説明する。図２は泡鐘装置３７、５１の構成を示す断面図である。図２に示すように、泡鐘装置３７、５１は、底面６１に設置されたガス上昇管６２と、ガス上昇管６２の外径よりも大きい内径を持ち、スリット６３の形成されたバブルキャップ６４と、バブルキャップ６４を支持するキャップ取付支持部６５とから構成されている。

上記のように構成された泡鐘装置３７、５１において、通常はスリット６３の高さまで加湿水が満たされており（図示せず）、これよりも加湿水の水位が上昇すると、加湿水はガス上昇管６２の内部を通って下方に落下する。一方、供給ガスが下方からガス上昇管６２内部を上昇してくると、バブルキャップ６４の内部天井に当たって方向転換し、バブルキャップ６４内部の加湿水の水位を押し下げてスリット６３からバブルキャップ６４外部の加湿水へと気泡となって流出する。

次に、上述したように構成された本実施例の加湿装置３による供給ガスの加湿処理を説明する。

まず、供給ガスが加湿装置３に供給されると、加湿部３１に導入される。加湿部３１では気液分離装置７から供給された生成水と加湿水貯蔵部３２から供給された加湿水とが加湿水１００として底部に貯められており、この加湿水１００を加熱器３５によって加熱することにより供給ガスを加湿する。このとき、加湿水１００の温度は露点センサ４で検出された検出信号に基づいて、制御装置８によって制御されている。

また、加湿部３１の底部に貯められている加湿水１００は、泡鐘装置３７によって余剰の加湿水が加湿水貯蔵部３２に排出されるので、加湿部３１の水位は一定に保たれている。したがって、加湿部３１には必要最低限度の加湿水１００のみが常に確保されていることになり、加熱器３５で設定条件まで加熱する際に必要となる熱量を低減することができ、これによって供給ガスを加湿するまでの応答時間を短縮することができる。

また、加湿部３１に供給される気液分離装置７からの生成水は、燃料電池２の電気化学反応により加熱された状態なので、この生成水を加湿部３１に供給して熱回収することで、加熱器３５に要求される熱量を削減して熱効率を高めることができる。

さらに、加湿水貯蔵部３２に貯蔵される加湿水１００は、加湿部３１で加熱された加湿水がオーバーフローして貯蔵されているものなので、この加湿水を再び加湿部３１に供給することにより、加熱器３５に要求される熱量を削減して熱効率を高めることができる。

一方、加湿部３１で供給ガスの加湿が行なわれているときに加湿水貯蔵部３２では、加湿部３１からオーバーフローして来た余剰の加湿水１００を貯蔵しておき、加湿水循環ポンプ３６によって加湿部３１と圧力緩衝部３３に加湿水を供給している。ここで、加湿水貯蔵部３２の周囲は加湿水貯蔵部断熱材４３で覆われているので、加湿水１００の温度を保温することができる。

また、加湿水貯蔵部３２の水位は加湿水貯蔵部水位センサ４１によって監視され、上限となる水位を超えた場合には加湿水貯蔵部排出弁４２を開いて余剰の加湿水を排出している。

こうして加湿部３１によって加湿された供給ガスは、次に圧力緩衝部３３に送られる。そして、供給ガスは圧力緩衝部３３の底面に設置された泡鐘装置５１のバブルキャップ６４のスリット６３から圧力緩衝部３３の底部に貯められた緩衝水へと気泡となって流出する。

このように、供給ガスを圧力緩衝部３３の底面に設置された泡鐘装置５１を介して、緩衝水に通過させるようにしたので、加湿部３１による圧力変動を緩衝することができる。ここで、加湿部３１には供給ガスや加湿水、生成水などが供給されるために、加湿条件や発電状態の変更に伴って内部圧力の変動が発生する。この内部圧力の変動によって燃料電池２に供給されるガスの圧力が変動してしまうと、燃料電池２の発電性能に影響を与えてしまう。そこで、圧力緩衝部３３の底部に貯められた緩衝水１０１を通過させることによって、緩衝水１０１による水頭が圧力変動を抑え、燃料電池２へ安定した加湿状態のガスを供給することができる。この水頭は燃料電池２へ供給するガスの流量、圧力によって決定される。

また、供給ガスが緩衝水を通過する際に気液接触して熱交換することになる。しかし、圧力緩衝部３３の周囲は圧力緩衝部断熱材５２によって取り囲まれているので、緩衝水の温度は下がることなく、供給ガスの温度を下げることもない。

こうして加湿装置３により加湿された加湿供給ガスは、加湿供給ガス流量調整弁５で流量が調整されて燃料電池２へ供給されるが、このとき加湿供給ガスは加湿されていない乾燥供給ガスと混合されて燃料電池２へ供給される。こうして本実施例の燃料電池の加湿装置３による供給ガスの加湿処理は終了する。

上述したように、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、加湿部３１が供給ガスを加湿するための加湿水を底部に貯め、加湿水の水位を一定に保つように余剰の加湿水を排水し、加湿水を加熱することによって供給ガスを加湿するようにしたので、加湿部３１には必要最低限度の加湿水のみが常に確保されていることになり、加熱器３５で設定条件まで加熱する際に必要となる熱量を低減することができ、これによって供給ガスを加湿するまでの応答時間を短縮することができる。さらに、圧力緩衝部３３が供給ガスの圧力を緩衝するための緩衝水を底部に貯蔵し、加湿部３１で加湿された供給ガスを緩衝水に通過させることによって供給ガスの圧力変動を緩衝するので、緩衝水による水頭を利用して圧力変動を抑え、燃料電池２へ安定した加湿状態のガスを供給することができる（請求項１の効果）。

また、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、加湿水貯蔵部３２を加湿部３１の下部に設置し、加湿部３１の底面に設置された泡鐘装置３７によって、余剰の加湿水を加湿部３１から加湿水貯蔵部３２へ落下させるので、簡単な構造で加湿部３１における加湿水の水位を一定に保つことができる（請求項２の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、圧力緩衝部３３を加湿部３１の上部に設置し、加湿部で加湿された供給ガスを圧力緩衝部３３の底面に設置された泡鐘装置５１を介して緩衝水に通過させるようにしたので、簡単な構造で緩衝水による水頭を利用して圧力変動を抑えることができ、これによって燃料電池２へ安定した加湿状態のガスを供給することができる（請求項３の効果）。

また、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、加湿部３１に貯められる加湿水を加湿水貯蔵部３２から供給するようにしたので、加湿部３１で加熱されて加湿水貯蔵部３２にオーバーフローして貯蔵されていた温度の高い加湿水を再利用することができ、これにより加湿部３１では加熱器３５に要求される熱量を削減して熱効率を高めることができる（請求項４の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、加湿部３１に貯められる加湿水を気液分離装置７から供給するようにしたので、燃料電池２の電気化学反応により加熱された状態の生成水を加湿部３１に供給して熱回収することができ、加熱器３５に要求される熱量を削減して熱効率を高めることができる（請求項５の効果）。

また、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、加湿水貯蔵部３２は断熱材で覆われているので、貯蔵されている加湿水の温度を保温することができ、これによって温度の高い加湿水を加湿部３１に供給することができる（請求項６の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池の加湿装置３では、圧力緩衝部３３は断熱材で覆われているので、底部に貯められている緩衝水の温度を保温することができ、これによって供給ガスと緩衝水が気液接触して熱交換したとしても供給ガスの温度低下を防止することができる（請求項７の効果）。

実施例に係わる燃料電池の加湿装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 泡鐘装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 加湿装置
４ 露点センサ
５ 加湿供給ガス流量調整弁
６ 乾燥供給ガス流量調整弁
７ 気液分離装置
８ 制御装置
２１ アノード
２２ カソード
３１ 加湿部
３２ 加湿水貯蔵部
３３ 圧力緩衝部
３５ 加熱器
３６ 加湿水循環ポンプ
３７、５１ 泡鐘装置
４１ 加湿水貯蔵部水位センサ
４２ 加湿水貯蔵部排出弁
４３ 加湿水貯蔵部断熱材
５２ 圧力緩衝部断熱材
６１ 底面
６２ ガス上昇管
６３ スリット
６４ バブルキャップ
６５ キャップ取付支持部
１００ 加湿水
１０１ 緩衝水

Claims (7)

1. 燃料電池に供給される供給ガスを加湿する燃料電池の加湿装置であって、
   前記供給ガスを加湿するための加湿水を底部に貯蔵し、前記加湿水の水位を一定に保つように余剰の加湿水を排水するとともに、前記加湿水を加熱することによって前記供給ガスを加湿する加湿部と、
   前記加湿部から排水された余剰の加湿水を貯蔵する加湿水貯蔵部と、
   前記供給ガスの圧力を緩衝するための緩衝水を底部に貯蔵し、前記加湿部で加湿された供給ガスを前記緩衝水に通過させることによって前記供給ガスの圧力変動を緩衝する圧力緩衝部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の加湿装置。
2. 前記加湿水貯蔵部を前記加湿部の下部に設置し、前記加湿部の底面に設置した第１泡鐘装置によって、余剰の加湿水を前記加湿部から前記加湿水貯蔵部へ排出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿装置。
3. 前記圧力緩衝部を前記加湿部の上部に設置し、前記加湿部で加湿された供給ガスを、前記圧力緩衝部の底面に設置した第２泡鐘装置を介して前記緩衝水に通過させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池の加湿装置。
4. 前記加湿部に貯蔵される加湿水は、前記加湿水貯蔵部から供給されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の加湿装置。
5. 前記加湿部に貯蔵される加湿水は、燃料電池の排出ガスを気液分離する気液分離装置から供給されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の加湿装置。
6. 前記加湿水貯蔵部の周囲は断熱材で覆われていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池の加湿装置。
7. 前記圧力緩衝部の周囲は断熱材で覆われていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池の加湿装置。

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