JP2008097860A

JP2008097860A - 燃料電池評価装置

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Publication number: JP2008097860A
Application number: JP2006274997A
Authority: JP
Inventors: Taizo Okada; 泰三岡田; Naoyuki Terunuma; 直之照沼; Hideaki Shiozawa; 秀秋塩沢; Hisaaki Yamashita; 尚晃山下
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】露点温度性能（加湿性能）において、静特性及び動特性の両方とも優れた加湿器を提供する。
【解決手段】乾燥ガスを加湿するための加湿装置において、加湿器タンクを有し、該加湿器タンクは、純水を温度制御可能な液相部と、加湿ガスのための気相部と、加湿ガスをタンク外へ導き出すための導出配管を具備すると共に、前記気相部の上部に中空状ジャケット部が固設されており、前記中空状ジャケット部は、液体循環のための空洞を有する二重構造のドーム部と、該二重構造ドーム部の上部に、該二重構造ドーム部と連通して一体的に延設された筒状突起部とからなり、前記導出配管は前記二重構造ドーム部及び筒状突起部の中心部を垂直方向に貫通しており、前記中空状ジャケット部は入口と出口を有し、前記タンクの液相部内の純水を前記中空状ジャケット部の入口から送入し、出口から前記タンク内に戻すために、前記中空状ジャケット部の入口と出口はそれぞれ前記タンクに連通していることを特徴とする加湿器。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池評価装置に関する。更に詳細には、本発明は静特性及び動特性に優れた加湿器を有する燃料電池評価装置に関する。

化石燃料をエネルギー源とする機器類は燃焼排ガスとして二酸化炭素や窒素酸化物を大量に排出する。これらの排ガスは地球温暖化や光化学スモッグなどの原因物質として指摘され、社会問題となっている。

最近、地球環境を保護するために、二酸化炭素や窒素酸化物を排出する化石燃料の代わりに、これらの汚染物質を一切排出しない水素ガスをエネルギー源とする燃料電池の開発が精力的に行われている。燃料電池は自動車などの車両の他に、様々な用途における実用化を目指して活発な研究が進められている。

燃料電池評価装置の一例は特開２００６−４８９８７号公報（特許文献１）に記載されている。図３は従来技術による燃料電池評価装置１００の一例の概要構成図である。燃料電池本体１０１のアノード極には燃料ガス流路１１１を介して燃料ガス（水素，Ｈ_２）が供給され、カソード極には酸化ガス流路１２１を介して酸化ガス（酸素，Ｏ_２）が供給される。酸化ガスとしては一般的に空気が使用される。燃料ガス（Ｈ_２）と酸化ガス（Ｏ_２）は各々マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１１２及び１２２によって流量制御され、加湿器１１３及び１２３によって加湿され、その後、ヒータ１１４及び１２４により加温される。電池反応後の水素オフガス（アノードオフガス）は燃料ガス排出流路１１５から気液分離器１１６に導入されて水分と気体に分離され、水分はドレンタンク１１７に貯留され、水素オフガスは分離燃料ガス排出流路１１８を通じて排気される。水素オフガスの背圧は背圧弁１１９により調圧される。酸素オフガス（カソードオフガス）も同様に、酸化ガス排出流路１２５から気液分離器１２６に導入されて水分と気体に分離され、水分はドレンタンク１２７に貯留され、酸素オフガスは分離酸化ガス排出流路１２８を通じて排気される。酸素オフガスの背圧は背圧弁１２９により調圧される。ドレンタンク１１７及び１２７内に貯留されたサンプル水は排水弁１３０及び１３１をそれぞれ開弁することにより回収されて分析試験に供され、燃料電池の性能評価が行われる。

図４は燃料電池本体１０１の代表的構成の一例を示す概要図である。符号１０２は溝状のアノード極を示し、符号１０３はアノード極に当接するアノードセパレータであり、符号１０４は溝状のカソード極を示し、符号１０５はカソード極に当接するカソードセパレータを示す。また、符号１０６はアノード側拡散層を示し、符号１０７はアノード側触媒層を示し、符号１０８はカソード側拡散層を示し、符号１０９はカソード側触媒層を示す。両触媒層の間には固体高分子膜１１０が間挿されている。

アノード極１０２に供給された燃料ガス（Ｈ_２）は下記の（１）式に示す酸化反応を起こし、カソ−ド極１０４に供給された酸化ガス（Ｏ_２）は下記の（２）式に示す還元反応を起こし、燃料電池１０１全体としては下記の（３）式に示す起電反応が生じる。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ・・・（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ・・・（３）

燃料電池本体１０１が電池として動作するためには、固体高分子膜１１０がアノード極１０２側の水素イオンＨ^＋をカソード極１０４の方向に透過することが必要である。ところで、水素のイオン化にあたっては、この固体高分子膜１１０のアノード極１０２側の面において十分に加湿されていることが特に重要である。このため、燃料ガスである水素Ｈ_２は水蒸気によって加湿された状態で供給されなければならない。

加湿方式としては、蒸気インジェクション方式、シャワーリング方式又はバブリング方式などがある。蒸気インジェクション方式は、加湿（露点温度）に必要な蒸気を直接インジェクションする方式である。この方式は、付帯設備（ボイラー等）が必要になるので、大型装置でしか使用できない。シャワーリング方式は、温水をシャワーリングしたところに、ガスをくぐらせて加湿する方式である。この方式は、露点温度性能（加湿性能）における動特性（３分以下／露点温度変動１０℃）に優れているが、静特性（〜±２．０℃）が悪いという欠点がある。バブリング方式は、温水の中にガス気泡をくぐらせて加湿を行う方式である。この方式によれば、ガスが飽和状態になれば、加湿ガスの露点温度は温水温度と等しくなる。バブリング方式は蒸気インジェクション方式及びシャワーリング方式に比べて、静特性（安定性）に優れている。従来の燃料電池評価装置１００では、静特性について±１．０℃という要求水準が示されてきた。このため、燃料電池評価装置１００では、図３に示されるようなバブリング方式の加湿装置（１１３又は１２３）が多く使用されている。

図５はバブリング方式による従来の加湿器の一例の部分概要断面図である。純水の貯留された液相部２と気相部３とを有する加湿器タンク１の下部に乾燥ガス給送パイプ４０が配設されている。パイプ４０のタンク内の終端には散気管４が取付られており、ガスを液相部２内にバブリングして拡散させる。加湿されたガスはミストセパレータ５を経由して導出配管１２から燃料電池（図３，符号１０１参照）に送られる。

バブリング方式による加湿器の場合、加湿器出口以降のガス温度は、露点温度以上にする必要がある。配管内に露点温度以下の部位が存在すると、そこで結露が発生し、燃料電池の性能評価に悪影響を及ぼす恐れがある。従来技術では、加湿ガスの露点温度を調整するため、加湿器タンク１の上部には電熱式ジャケットヒーター４２が配設され、また、出口配管１２の外周には電熱式リボンヒーター４４が捲回されている。このような構成の場合、静特性が安定せず、±１．０℃が限界であった。露点温度を例えば、７０℃から６０℃に下げた場合、上記ジャケットヒーター４２は「断」になるが、加湿器タンク１の気相部３、タンク上部内壁温度がなかなか下がらないため、応答（動特性）が遅くなり、ガス流量が少なくなるほど応答が遅くなるという欠点があった。

最近、燃料電池の開発が進むにつれて、燃料電池評価装置の加湿性能（露点温度性能）について、静特性：±０．５℃、動特性：５分／露点温度変動１０℃と高精度高速応答がもとめられるようになった。しかし、図５に示されるような加湿器ではこの要求水準を満たすことは困難又は不可能であった。

なお、図５における、符号６は液相部温度センサ、７は気相部温度センサ、８ａは液相部レベルセンサ、８ｂは純水供給弁、９は液相部循環ポンプ、１０ａは循環水温度センサ、１０ｂは液相部昇温用ヒータ、１１ａは液相部降温用熱交換機、１１ｂは液相部降温用熱交換機冷却水量制御弁、２２はタンク上部温度センサ、２３はリボンヒーター４４用温度センサをそれぞれ示す。
特開２００６−４８９８７号公報

従って、本発明の目的は、露点温度性能（加湿性能）において、静特性及び動特性の両方とも優れた加湿器を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１における発明は、乾燥ガスを加湿するための加湿装置において、加湿器タンクを有し、該加湿器タンクは、純水を温度制御可能な液相部と、加湿ガスのための気相部と、加湿ガスをタンク外へ導き出すための導出配管を具備すると共に、前記気相部の上部に中空状ジャケット部が固設されており、前記中空状ジャケット部は、液体循環のための空洞を有する二重構造のドーム部と、該二重構造ドーム部の上部に、該二重構造ドーム部と連通して一体的に延設された筒状突起部とからなり、前記導出配管は前記二重構造ドーム部及び筒状突起部の中心部を垂直方向に貫通しており、前記中空状ジャケット部は入口と出口を有し、前記タンクの液相部内の純水を前記中空状ジャケット部の入口から送入し、出口から前記タンク内に戻すために、前記中空状ジャケット部の入口と出口はそれぞれ前記タンクに連通していることを特徴とする加湿器を提供する。

この発明によれば、中空状ジャケット部を構成する、中空状の二重構造ドーム部内部と筒状突起部内部を液相部と同じ温度の純水が循環するので、気相部の温度と液相部の温度はほぼ一定になり、温度差が生じない。そのため、気相部上部において加湿ガスが結露したり、気相部外部の導出配管部分で加湿ガスが結露するような不都合な事態を効果的に防止することができる。

前記課題を解決するための手段として、請求項２における発明は、前記中空状ジャケット部の入口を前記二重構造ドーム部の下部に配設し、出口を前記筒状突起部の上部に配設したことを特徴とする請求項１記載の加湿器を提供する。

この発明によれば、二重構造ドーム部の下部入口から送入される純水が筒状突起部の上部出口に向かって上昇していくため、中空状ジャケット内部の何処にも空気溜まりが発生せず、中空状ジャケット部の全壁面を均一な温度に維持することができる。

前記課題を解決するための手段として、請求項３における発明は、二重構造ドーム部の入口配管が前記二重構造ドーム部の底部円環面に対し接線方向に配設されていることを特徴とする請求項２記載の加湿器を提供する。

この発明によれば、二重構造ドーム部の入口配管から加圧送入された純水は、二重構造ドーム部内壁面に沿って螺旋状に上部出口に向かってスムーズに上昇することができ、気相部の温度制御の応答性を高めることができるばかりか、空気溜まりの発生防止にも寄与することができる。

前記課題を解決するための手段として、請求項４における発明は、燃料電池又は燃料電池評価装置で使用されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の加湿器を提供する。

この発明によれば、燃料電池及び燃料電池評価装置の何れにおいても好適に使用できる加湿器が提供される。

従来の電熱ヒータ方式の加温ジャケットに比べて、本発明の純水循環方式の中空状ジャッケト部は、露点温度性能（加湿性能）において、静特性及び動特性の両方とも優れた加湿器を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の加湿器について具体的に説明する。図１は本発明による加湿器の一例の部分概要断面構成図である。図５に示された加湿器と同じ部材については同じ符号を用いて説明する。本発明の加湿器では、加湿器タンク１の気相部３の上部に、内部が中空状のジャケット部１８が配設されている。中空状ジャケット部１８は、液体循環のための空洞を有する二重構造のドーム部１３と、該二重構造ドーム部の上部に、該二重構造ドーム部と連通して一体的に延設された筒状突起部１５とからなる。二重構造ドーム部１３は図示されているような半球形状又は湾曲状であることが好ましいが、必ずしもこれらの形状に限定されることはない。導出配管１２が中空状ジャケット部１８の中心部を垂直方向に貫通している。導出配管１２の気相部内先端にはミストセパレータ５が取り付けられている。導出配管１２の貫通部の上部タンク寄り部分は、筒状突起部１５で覆われ、筒状突起部１５は二重構造ドーム部１３と連通して一体的に延設されている。二重構造ドーム部１３の上部に筒状突起部１５を延設することにより、ミストセパレータ５を通過した加湿ガスが導出配管１２のタンク寄り部分で急冷されて結露するような不都合な事態を効果的に防止することができる。筒状突起部１５から燃料電池（図３、符号１０１参照）までの導出配管部分はコイルヒータ４４により保温され、加湿ガスの結露を防止する。

二重構造ドーム１３の下部（好ましくは、下端部）に純水送入配管１６が配設され、筒状突起部１５の上部（好ましくは、上端部）に純水返戻配管１４が配設されている。液相部２の純水は加湿器タンク１の下部から循環ポンプ９を介して液相部昇温用ヒータ１０ｂに送られ、ここで温調されてから純水送入配管１６を介して二重構造ドーム部１３に送入される。送入された温調純水は、筒状突起部１５の上端の純水返戻配管１４から加湿器タンク１に返戻される。燃料電池稼働時は、この温調純水循環が常時行われる。従って、液相部２の純水温度と二重構造ドーム部１３及び筒状突起部１５内の純水温度はほぼ同一になる。

一般的には、加湿器の露点温度は液相部２の温度のみで決まると考えられているが、実際には加湿器タンク１の気相部３及びタンク上部内壁にバブリングに伴う飛沫が飛散する。この飛沫が気相部３の温度及びタンク上部内壁の温度の影響を受けて露点温度を変動させてしまう。例えば、液相部２の温度より高い時は気化量が増えて露点温度が高くなり、液相部２の温度より低い場合は結露して露点温度が低くなる。本発明の中空状ジャケット部１８を構成する二重構造ドーム部１３及び筒状突起部１５によれば、加湿器タンク１のタンク上部内壁温度と液相部２の温度とを同一温度に制御することができ、液相部２、気相部３及びタンク上部内壁の温度が定常状態では±０．５℃以下に制御することができ、また、過渡状態においても同期して動くので、静特性：±０．５℃、動特性：５分／１０℃の要求性能が実現できる。

また、二重構造ドーム部１３の下部（好ましくは、下端部）に純水送入配管１６が配設され、筒状突起部１５の上部（好ましくは、上端部）に純水返戻配管１４が配設されているので、二重構造ドーム部１３内の循環純水がスムーズに筒状突起部１５まで流れることができると共に、内部に空気溜まりが発生する恐れも殆ど無い。その結果、一層確実に要求性能を実現することができる。

図２は二重構造ドーム部１３へ純水送入配管１６を配設する具体的実施態様の一例を示す、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った部分概要断面図である。図示されているように、純水送入配管１６を二重構造ドーム部１３の円環面に対して接線方向に取設することが好ましい。純水送入配管１６をこのように取り付けると、管１６から送出された純水は、二重構造ドーム部１３の内壁面に沿って遠心力により螺旋状に上昇し、極めてスムーズに筒状突起部１５に達することができる。その結果、一層確実に要求性能を実現することができる。

本発明の加湿器の動作について図１を参照しながら説明する。加湿器液相部２に蓄えられた純水は、以下の順序で循環する。液相部２→液相部循環ポンプ９→液相部降温用熱交換器１１ａ→液相部昇温用ヒータ１０ｂ→純水送入配管１６→二重構造ドーム部１３→筒状突起部１５→純水返戻配管１４→液相部２。ここで、上記循環純水の温度を上げるときは、液相部昇温用ヒータ１０ｂを「オン」にすることで、また、循環純水の温度を下げるときは、液相部昇温用ヒータ１０ｂを「オフ」にして、熱交換器冷却水量制御弁１１ｂを制御することにより対応可能である。静特性（循環純水の温度変更無しの定常状態）においては、液相部温度センサ６、気相部温度センサ７及び循環純水温度センサ１０ａ（二重構造ドーム部１３への供給温度）は、ほぼ同一の値となり、静特性として±０．５℃の安定度は容易に得ることができる。液相部昇温用ヒータ１０ｂ及び液相部降温用熱交換器１１ａの最適設計を行うことにより、動特性（液相部温度の変更時）を、液相部温度（液相部温度センサ６）及び循環純水温度（循環純水温度センサ１０ａ）共に、５分／１０℃以下（例えば、３分／１０℃）とすることも可能である。

加湿器タンク１に供給される乾燥ガスは、散気管４（例えば、１００μｍ程度のメッシュ）で、数ｍφの気泡となり、液相部２に放出（バブリング）される。乾燥ガスの気泡は浮力により上昇して液相部２をくぐり抜ける間に飽和水蒸気を伴ったガス（露点温度≒液相部温度センサ６温度）となる。気相部３及びミストセパレータ５を経て、導出配管１２から加湿ガスが燃料電池に出力される。ミストセパレータ５は例えば、１００μｍ程度のメッシュである。

図１に示された二重構造ドーム部１３の外径は加湿器タンクの外径と一致するように構成されているが、この態様に限定されることはない。例えば、二重構造ドーム部１３の内径を加湿器タンクの外径と一致するように構成することもできる。この場合、二重構造ドーム部１３は加湿器タンクの上部から半径方向外方へはみ出した外観になる。この構成の利点は図５に示される従来の加湿器タンクと気相部の容積が同一になることである。

言うまでもないが、二重構造ドーム部１３の底部は底板で封止されており、また、筒状突起部の天井部は天板で封止されている。これにより、中空状ジャケット部１８は液漏れを起こすことなく、純水をタンクに循環させることができる。

図１には図示されていないが、本発明の加湿器は、その全体を当業者に公知又は周知の保温材で被包することもできる。加湿器全体を適当な保温材で被包すると、静特性及び動特性の一層の改善が期待できる。

図１に示された加湿器は燃料ガス（Ｈ_２ガス）の加湿に使用できるばかりか、酸化ガス（Ｏ_２ガス又は空気）の加湿にも使用できる。

図１に示されるような燃料電池出力が２ｋＷクラスの加湿器を製造した。加湿器タンクの内容積は１０リットルであった。タンクの凡そ半分の容積レベルまで純水を注入した。１００μｍの金属メッシュからなる散気管４から約５００sccmの流量で乾燥水素ガスを液相部にバブリングした。加湿ガスの目標露点温度を７０℃に設定し、液相部の純水を二重構造ドーム部１３及び筒状突起部１５からなる中空状ジャケット部１８を介してタンクに循環させた。液相部温度センサ６、気相部温度センサ７及び循環純水温度センサ１０ａの各センサの温度を測定した。その結果、循環純水の温度変更無しの定常状態における静特性は概ね±０．５℃の範囲内であった。また、液相部温度を１０℃変更させた時の動特性は概ね５分であった。

比較例１
図５に示されるような加湿器を製造した。図１の二重構造ドーム部１３及び筒状突起部１５からなる中空状ジャケット部１８の代わりに、加湿器タンク１の上部に電熱式ジャケットヒーター４２が配設されていること以外は、実施例１の加湿器と概ね同じ構成を採用し、同じ条件で試験した。その結果、循環純水の温度変更無しの定常状態における静特性は概ね±１．０℃の範囲内であった。また、液相部温度を１０℃変更させた時の動特性は概ね１５分であった。

前記実施例１の結果と、比較例１の結果を比較することにより明らかなように、本発明の二重構造ドーム部１３及び筒状突起部１５からなる中空状ジャケット部１８は従来の電熱式ジャケットヒーターよりも、加湿器の静特性及び動特性を著しく改善させることができる。

以上、本発明の加湿器をバブラー方式の加湿器として説明してきたが、タンク液相部の純水を、二重構造ドーム部１３及び筒状突起部１５からなる中空状ジャケット部１８を循環させて再びタンク液相部に戻す構造自体は、上記インジェクション方式やシャワーリング方式の加湿器にも適用することができる。

本発明の加湿器について、燃料電池評価装置の構成部品として説明してきたが、本発明の加湿器は燃料電池自体において使用できることは言うまでもない。

また、本発明を燃料電池評価装置用又は燃料電池用の加湿器として説明してきたが、本発明の加湿器は、ガスを加湿する必要のある全ての用途において使用することができる。

本発明による加湿器の一例の部分概要断面図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った概要断面図である。従来技術による燃料電池評価装置の一例の概要構成図である。燃料電池本体の代表的構成の一例を示す概要図である。バブリング方式による従来の加湿器の一例の部分概要断面図である。

符号の説明

１加湿器タンク
２液相部
３気相部
４散気管
５ミストセパレータ
６液相部温度センサ
７気相部温度センサ
８ａ液相部レベルセンサ
８ｂ純水供給弁
９液相部循環ポンプ
１０ａ循環純水温度センサ
１０ｂ液相部昇温用ヒータ
１１ａ液相部降温用熱交換器
１１ｂ液相部降温用熱交換器冷却水量制御弁
１２導出配管
１３二重構造ドーム部
１４純水返戻配管
１５筒状突起部
１６純水送入配管
１８中空状ジャケット部
２２タンク上部温度センサ
２３リボンヒータ用温度センサ
４０乾燥ガス給送パイプ
４２電熱式ジャケットヒーター
４４リボンヒータ
１００従来技術による燃料電池評価装置
１０１燃料電池本体
１０２アノード極
１０３アノードセパレータ
１０４カソード極
１０５カソードセパレータ
１０６アノード側拡散層
１０７アノード側触媒層
１０８カソード側拡散層
１０９カソード側触媒層
１１０固体高分子膜
１１１燃料ガス流路
１２１酸化ガス流路
１１２，１２２マスフローコントローラ
１１３，１２３加湿器
１１４，１２４ヒータ
１１５燃料ガス排出流路
１２５酸化ガス排出流路
１１６，１２６気液分離器
１１７，１２７ドレンタンク
１１８分離燃料ガス排出流路
１２８分離酸化ガス排出流路
１１９，１２９背圧弁
１３０，１３１排水弁

Claims

乾燥ガスを加湿するための加湿装置において、加湿器タンクを有し、該加湿器タンクは、純水を温度制御可能な液相部と、加湿ガスのための気相部と、加湿ガスをタンク外へ導き出すための導出配管を具備すると共に、前記気相部の上部に中空状ジャケット部が固設されており、前記中空状ジャケット部は、液体循環のための空洞を有する二重構造のドーム部と、該二重構造ドーム部の上部に、該二重構造ドーム部と連通して一体的に延設された筒状突起部とからなり、前記導出配管は前記二重構造ドーム部及び筒状突起部の中心部を垂直方向に貫通しており、前記中空状ジャケット部は入口と出口を有し、前記タンクの液相部内の純水を前記中空状ジャケット部の入口から送入し、出口から前記タンク内に戻すために、前記中空状ジャケット部の入口と出口はそれぞれ前記タンクに連通していることを特徴とする加湿器。
前記中空状ジャケット部の入口を、前記二重構造ドーム部の下部に配設し、出口を前記筒状突起部の上部に配設したことを特徴とする請求項１記載の加湿器。
前記二重構造ドーム部の入口配管が前記二重構造ドーム部の底部円環面に対し接線方向に配設されていることを特徴とする請求項２記載の加湿器。
燃料電池又は燃料電池評価装置で使用されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の加湿器。