JP2007048477A - 加湿装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 加湿装置の応答性を向上させる。
【解決手段】 内部に液層部５０Ａ及び気層部５０Ｂを有する所定の容器５０を備え、液層部５０Ａ及び気層部５０Ｂの順にガスを通過させてガスを加湿する加湿装置５であって、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへとガスを流動させるガス流動手段を備える。ガス流動手段を、容器５０の外部に設けた空気循環流路５３と、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気の流れを空気循環流路５３内に生成するポンプ５４と、ポンプ５４を駆動制御する制御装置と、から構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加湿装置及び燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、電解質膜を有する燃料電池と、この燃料電池に反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を供給するためのガス供給手段と、を備えている。燃料電池の電解質膜として固体高分子電解質膜を採用する場合には、イオン導電性を発揮させるために固体高分子電解質膜を飽和加湿する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池に供給される反応ガスを加湿するための加湿装置が設けられるのが一般的である。

従来の加湿装置としては、所定の容器内に水を貯留して液層部及び気層部を構成し、液層部及び気層部の順に反応ガスを通過させて反応ガスを加湿するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１７８７９０号公報

しかし、前記特許文献１に記載されているような従来の加湿装置においては、反応ガスの湿度調整（露点調整）のために系全体の温度を変化させようとしても、液層部と比較して気層部の温度変化が遅いため、迅速な湿度調整が困難であるという問題があった。特に、反応ガスの流量が少ない場合や系全体の温度を低下させる降温時においては、応答性が一層低下する（系の温度変化に長時間を要する）ことが明らかとなっている。

一方、気層部の温度変化速度を高めるために加熱手段や冷却手段を用いると、気層部内に急な温度勾配が生じるため、気層部内の温度の安定性が損なわれるばかりでなく、過加湿や結露を引き起こし、却って応答性に影響を与えるおそれがある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、加湿装置において応答性を向上させる（迅速な温度変化を実現させる）ことを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る加湿装置は、内部に液層部及び気層部を有する所定の容器を備え、液層部及び気層部の順にガスを通過させてガスを加湿する加湿装置であって、気層部から液層部へとガスを流動させるガス流動手段を備えるものである。

かかる構成によれば、気層部から液層部へとガスを流動させて、気層部のガスと液層部の液体との熱交換を行うことができるので、気層部の温度を液層部の温度に迅速に近づけることができる。この結果、加湿装置の応答性を向上させることができる。

前記加湿装置において、ガス流動手段は、加湿されるガスの要求湿度の変更に対応して気層部から液層部へのガス流動量を変更することもできる。このようにすることにより、所定の要求湿度を迅速に得ることが可能となる。

また、前記加湿装置において、ガス流動手段は、容器へのガスの供給量に基づいて気層部から液層部へのガス流動量を設定することもできる。例えば、容器へのガスの供給量が少量となった場合に、気層部から液層部へのガス流動量を増加させることにより、気層部の温度変化速度を高めることができる。

また、前記加湿装置において、ガス流動手段は、気層部から液層部への一方向のガスの流動を許容する循環流路を有することもできる。また、前記加湿装置において、循環流路を容器の外部に設けることもできる。さらに、循環流路内のガス流れを生成するポンプを設けることもできる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段と、前記加湿装置と、を備え、ガス供給手段により燃料電池に供給されるガスは、前記加湿装置により加湿されるものである。

かかる構成によれば、高い応答性を有する加湿装置を備えているため、燃料電池に供給されるガスを適切に加湿することができるので、発電効率を高めることが可能となる。

本発明によれば、加湿装置の応答性を向上させる（迅速な温度変化を実現させる）ことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給するため水素供給源３、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサ４、空気に所要の水分を加える加湿装置５、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。

燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。水素供給源３としては、例えば高圧水素タンクを採用することができ、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。

燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガスとしての水素ガスが水素供給源３から供給される。水素供給用配管２１には、水素供給源３から水素を供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。

燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２４が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環用配管２４に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２４には、燃料電池２と水素循環用配管２４とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２４ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２４ｂ、逆止弁２４ｃ等が設けられている。水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２４は、パージ弁及びパージ用配管２７を介して空気排出用配管２５に接続される。なお、遮断弁及びパージ弁については図示を省略している。

燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２２が接続されており、この空気供給用配管２２を介して酸化ガスとしての空気（外気）が供給される。空気供給用配管２２には、空気を加圧するコンプレッサ４、空気に所要の水分を加える加湿装置５、空気から微粒子を除去するエアフィルタ６等が設けられている。コンプレッサ４は、燃料電池２に空気（酸化ガス）を供給するためのものであり、本発明におけるガス供給手段の一実施形態である。また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管２５が接続されており、この空気排出用配管２５を介して空気オフガスが外部に放出される。

燃料電池２の冷却水供給口には冷却水供給用配管２３が接続されており、この冷却水供給用配管２３を介して燃料電池２に冷却水が供給される。また、燃料電池２の冷却水排出口には冷却水排出用配管２６が接続されており、この冷却水排出用配管２６を介して燃料電池２から冷却水が外部に排出される。冷却水排出用配管２６と冷却水供給用配管２３とは冷却ファン２６ａを有するラジエータ２６ｂを介して接続されている。冷却水供給用配管２３には、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサや冷却水を加圧して循環させるポンプ２３ａ等が設けられている。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の加湿装置５の構成について説明する。

加湿装置５は、図２に示すように、所定量の水を収容する容器５０、容器５０内の水を循環させるための水循環流路５１、容器５０内に設けられた液層部５０Ａの温度を調整する水温調整装置５２、容器５０内に設けられた気層部５０Ｂ内の空気を液層部５０Ａへと流動させるための空気循環流路５３、空気循環流路５３内における空気の流れを生成するポンプ５４等を備えて構成されている。

容器５０の内部には、図２に示すように、燃料電池２に供給される空気を加湿するための水が収容されることにより、液層部５０Ａ及び気層部５０Ｂが設けられており、容器５０の上流側（液層部５０Ａ側）及び下流側（気層部５０Ｂ側）には、各々、空気供給用配管２２が接続されている。上流側の空気供給用配管２２を介して容器５０内に供給した空気を、液層部５０Ａ及び気層部５０Ｂの順に通過させることにより、この空気を加湿することができ、この加湿した空気を下流側の空気供給用配管２２から排出することができるようになっている。容器５０内に収容される水の量（液層部５０Ａの容積）は、燃料電池システム１の規模等に応じて適宜設定される。

水循環流路５１は、図２に示すように、容器５０内に設けられた液層部５０Ａの上部と下部とを連通接続する流路であり、液層部５０Ａの下部の水を上部へと循環させるものである。水循環流路５１には、制御装置により駆動制御される図示されていないポンプが設けられており、かかるポンプにより液層部５０Ａの下部から上部への水の流れを生成している。水温調整装置５２は、水循環流路５１内の水を加温・冷却することにより、液層部５０Ａの温度を調整するものである。

空気循環流路５３は、図２に示すように、容器５０内に設けられた気層部５０Ｂと液層部５０Ａとを連通接続する流路であり、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの一方向の空気の流動を許容するものである。ポンプ５４は、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気の流れを空気循環流路５３内に生成する。ポンプ５４の動作は、制御装置により制御される。具体的には、制御装置は、燃料電池２に係る種々の物理量（燃料電池２の温度、使用時間、発電量等）に基づいて、燃料電池２で要求される空気の湿度（要求湿度）を算出する。そして、制御装置は、この要求湿度を得るための気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を算出し、この算出した空気流動量を生成するようにポンプ５４を制御する。また、制御装置は、燃料電池２への空気供給量（容器５０への空気供給量）に基づいて、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を設定し、この設定した空気流動量を生成するようにポンプ５４を制御する。空気循環流路５３、ポンプ５４及び制御装置により、本発明におけるガス流動手段の一実施形態が構成されることとなる。

続いて、図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１における加湿装置５の空気流動量制御について説明する。なお、本実施形態においては、燃料電池２への空気供給量（容器５０への空気供給量）の最大値を１０００Ｌ／ｓとし、この最大値に基づいて加湿装置５の容器５０の大きさを決定している。

本実施形態においては、燃料電池２への空気供給量（単位時間当たりに燃料電池２に供給される空気の体積）の変動に対応させて、容器５０内の気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を変動させている。例えば、燃料電池２への空気供給量（加湿装置５の容器５０への空気供給量）を最大値（１０００Ｌ／ｓ）から「８００Ｌ／ｓ」まで変動させた場合には、制御装置は、図３に示すように、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を「０Ｌ／ｓ」から「２００Ｌ／ｓ」まで変動させる。

一方、燃料電池２への空気供給量を少量（例えば２００Ｌ／ｓ）まで変動させた場合には、液層部５０Ａの温度変化速度に対して、気層部５０Ｂの温度変化速度が低くなるため、加湿装置５の系全体の温度変化に長時間を要し、迅速な湿度調整が妨げられる。このため、制御装置は、図３に示すように、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を「８００Ｌ／ｓ」まで変動させて、燃料電池２への空気供給量が最大値である場合の条件（液層部５０Ａ内を１０００Ｌ／ｓの空気が通過する条件）と同一の条件を作り出す。これにより、気層部５０Ｂ内の空気と液層部５０Ａ内の水との熱交換を行うことができ、気層部５０Ｂの温度を液層部５０Ａの温度に迅速に近づけることができる。同様に、制御装置は、燃料電池２への空気供給量の変動に対応させて、図３のグラフ基づいて、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を変動させる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１の加湿装置５においては、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへと空気を流動させて、気層部５０Ｂ内の空気と液層部５０Ａ内の水との熱交換を行うことができるので、気層部５０Ｂの温度を液層部５０Ａの温度に迅速に近づけることができる。この結果、加湿装置５の応答性を向上させることができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１の加湿装置５においては、加湿される空気の要求湿度の変更に対応して気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を変更することができるので、所定の要求湿度を迅速に得ることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１の加湿装置５においては、燃料電池２への空気供給量（加湿装置５の容器５０への空気供給量）が少量となった場合に、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気流動量を増加させることにより、気層部５０Ｂの温度変化速度を高めることができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１は、高い応答性を有する加湿装置５を備えているため、燃料電池２に供給される空気（酸化ガス）を適切に加湿することができるので、発電効率を高めることが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の空気供給用配管２２に加湿装置５を設けて空気（酸化ガス）を加湿した例を示したが、水素供給用配管２１に本発明に係る加湿装置を設けて水素ガスを加湿することもできる。

また、以上の実施形態においては、加湿装置５の容器５０内に設けられた液層部５０Ａの温度を水温調整装置５２により調整した例を示したが、容器５０にヒータ等を設けて液層部５０Ａの温度を調整することもできる。

また、以上の実施形態においては、加湿装置５を構成する容器５０の外部に空気循環流路５３を設けた例を示したが、必ずしも容器５０の外部に空気循環流路５３を設ける必要はなく、容器５０の内部に設けることもできる。また、以上の実施形態においては、空気循環流路５３、ポンプ５４及び制御装置によりガス流動手段を構成した例を示したが、ガス流動手段の構成はこれに限られるものではなく、気層部５０Ｂから液層部５０Ａへの空気の流動を実現させる構成であればいかなる構成を採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、燃料電池車両以外の各種構造体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載される燃料電池システムについても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの加湿装置の構成図である。 図１に示した燃料電池システムの加湿装置における空気流動量制御を説明するためのグラフである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、４…コンプレッサ（ガス供給手段）、５…加湿装置、５０…容器、５０Ａ…液層部、５０Ｂ…気層部、５３…空気循環流路（ガス流動手段の一部）、５４…ポンプ（ガス流動手段の一部）

Claims (7)

1. 内部に液層部及び気層部を有する所定の容器を備え、前記液層部及び前記気層部の順にガスを通過させてガスを加湿する加湿装置であって、
   前記気層部から前記液層部へとガスを流動させるガス流動手段を備える加湿装置。
2. 前記ガス流動手段は、加湿されるガスの要求湿度の変更に対応して前記気層部から前記液層部へのガス流動量を変更する請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記ガス流動手段は、前記容器へのガスの供給量に基づいて前記気層部から前記液層部へのガス流動量を設定する請求項１又は２に記載の加湿装置。
4. 前記ガス流動手段は、前記気層部から前記液層部への一方向のガスの流動を許容する循環流路を有する請求項１から３の何れか一項に記載の加湿装置。
5. 前記循環流路は、前記容器の外部に設けられてなる請求項４に記載の加湿装置。
6. 前記ガス流動手段は、前記循環流路内のガス流れを生成するポンプを有する請求項４又は５に記載の加湿装置。
7. 燃料電池と、この燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段と、請求項１から６の何れか一項に記載の加湿装置と、を備え、
   前記ガス供給手段により前記燃料電池に供給されるガスは、前記加湿装置により加湿される燃料電池システム。
   
   
   

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