JP2684159B2 - 燃料電池の運転用プロセスガスに加湿する装置 - Google Patents

燃料電池の運転用プロセスガスに加湿する装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，プロセスガスがガス供
給導管を経て燃料電池へ供給され，微細に霧化される水
が，所定の量でガス供給導管へ送り込まれる，燃料電池
の運転用プロセスガスに加湿する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】このような燃料電池のプロセスガス（空
気）の加湿装置は公知である（特開平５−３６４２８号
公報）。この装置では，超音波加湿器の下部に水タンク
が設けられ，この加湿器の振動子により水タンクの水か
ら微細な水の粒子が形成される。水の粒子を含む空気
は，ブロワにより，湿分供給流路を経て燃料電池へ供給
される。この従来の加湿装置は，燃料電池へ供給される
水の量が，直接計量されかつ制御されるのではなく，振
動子による水の粒子の発生量及びブロワによる水粒子含
有空気の送り量を介して間接に制御されるので，加湿の
ため供給すべき水の量の設定が精確に行われないという
欠点がある。またブロワの回転羽根に水の粒子が付着
し，水の粒子の重量のため加湿器の比較的大きい空間内
に水の粒子が均一に分布するのを保証できないという欠
点もある。更に加湿器に比較的大きいむだ容積が存在す
るので，振動子の出力の変化が湿分供給流路内の水量へ
影響を及ぼすのに，特定の時間遅れを伴う。しかもブロ
ワにより水の粒子を湿分供給流路へ送り込むために，搬
送媒体としての付加的な空気が必要である。しかし燃料
電池の加湿の際，空気の添加は望ましくない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は，燃料
電池へ入る前におけるプロセス空気の湿度を運転パラメ
ータに関係して所定の目標値に速やかかつ簡単に設定で
きる装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明によれば，所定の量の水が計量弁を持つ供給導管
を経て供給され，かつ噴射ノズルによりガス供給導管へ
噴射される。
【０００５】
【発明の効果】本発明による加湿装置では，加湿のため
供給すべき水の量を霧化前に計量するので，計量を精確
に行い，それによりプロセスガスの湿度を精確に設定す
ることができる。
【０００６】水の計量のために計量弁例えば電磁弁を使
用するので，湿度の制御も簡単である。更に水の供給導
管は小さい断面を持ち，計量弁を噴射ノズルの近くに設
けることができるので，計量弁と噴射ノズルとの間のむ
だ容積が小さく，従つて時間遅れの殆どない精確かつ急
速な制御が可能となる。
【０００７】プロセスガス特にプロセス空気は，燃料電
池へ入る前に圧縮機により圧縮される。圧縮の際プロセ
ス空気の温度が上昇するので，ガス供給導管へ噴射され
る水の微滴が蒸発せしめられ，その際圧縮されるプロセ
ス空気から蒸気が奪われる。それにより，プロセス空気
が水の噴射により同時に冷却されるので，付加的な空気
冷却器を省くことができるという別の利点が生ずる。
【０００８】圧縮される空気のエネルギが加湿に必要な
全水量を蒸発させるのに充分でないと，水の微滴がエー
ロゾル空気流を形成しながら燃料電池へ送られる。その
際水の微滴が燃料電池にあるガス通路の入口断面に付着
するのを防止するため，水の微滴の断面がガス通路の断
面より少なくとも小さくなければならない。
【０００９】本発明のそれ以外の利点及び構成は，従属
請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明による
燃料電池装置の空気供給装置の原理的構成を示す図面に
基いて，本発明を以下に説明する。
【００１０】
【実施例】以下にはプロセス空気の加湿のみを説明する
が，本発明による方法及び装置は燃料ガスの加湿のため
又は他の任意の酸化剤を使用する場合にも使用すること
ができる。
【００１１】燃料電池装置は，空気供給導管２を経てプ
ロセス空気を供給される燃料電池１又は燃料電池積層体
を含んでいる。空気排出導管及び燃料電池１へ燃料ガス
例えば水素を供給する燃料ガス装置は図示してない。水
素とプロセス空気に含まれる酸素とが燃料電池１におい
て反応すると，電気エネルギのほかに生成水及び反応熱
が生じ，これらの生成水及び反応熱はプロセス空気と共
に燃料電池１から排出される。燃料電池１を出る際の空
気容積流量も，消費される酸素の割合だけ減少する。
【００１２】空気供給導管２中には，プロセス空気を圧
縮する圧縮機３と混合室４が設けられている。混合室４
には噴射ノズル５が設けられて，供給導管６を経て図示
しない水貯蔵容器に接続されている。所定の量の水を計
量するために，供給導管６中に計量弁としての電磁弁７
が設けられ，流量を介して直接に，又はクロツク制御さ
れる電磁弁の場合クロツク周波数及び間隔当りの閉鎖時
間により水量が設定される。
【００１３】水は噴射ノズル５を経て微滴の形で空気供
給導管２へ噴射される。水の霧化は，混合室４内に設け
られる超音波霧化器によるか，又は実施例に示すように
空気で援助される噴射ノズル５によつて行うことができ
る。霧化に必要な空気は，混合室４の上流側で空気供給
導管２から分岐する導管８を介して取出される。電磁弁
７の制御は制御装置９を介して行われ，この制御装置９
において運転パラメータに関係して，供給すべき水量の
目標値が求められる。この目標値は，空気供給導管２に
設けられるセンサ１０により測定される空気容積流量に
関係して求められる。更に空気温度又は燃料電池に特有
な他のパラメータも，目標値を求めるのに使用すること
ができる。
【００１４】充分な効率を保証するため，プロセス空気
は燃料電池へ入る際所定の温度及び所定の湿度を持つて
いなければならない。従つて湿度を設定するため，一般
に空気供給導管２中に加湿器が設けられる。プロセス空
気は圧縮機３の通過後１５０℃まで温度上昇するので，
更に装入冷却器が必要になることがある。この高温のプ
ロセス空気中で水の微滴の少なくとも一部が蒸発し，そ
の際プロセス空気が蒸発熱を奪うので，少なくとも付加
的な装入空気冷却器の使用をやめることができる程度
に，プロセス空気の温度が低下する。しかし一般にプロ
セス空気のエネルギ含有量は，加湿に必要な全水量を蒸
発させるのには充分でない。従つて水の一部は液相で送
らねばならない。最大許容微滴径は，燃料電池のガス通
路の形状及び寸法によつて決定される。微滴が狭い通路
を通り，入る前に断面をふさがないようにするため，微
滴は５〜１５μｍの範囲の直径を持つているのがよい。
【００１５】混合室４は圧縮機３の上流側及び下流側に
設けることができる。圧縮前に水が噴射されると，圧縮
機出力が６〜８％減少する。即ちこの場合圧縮により生
ずるエネルギが直接蒸発熱としてガスから奪われ，一方
後で水を噴射する場合，ポリトロープ圧縮の際ガス温度
がまず上昇し，続いて蒸発熱を取出すことにより再び低
下する。
【００１６】燃料電池は不純物の影響を受け易いので，
ガスへの加湿のため一般に純水のみが使用される。更に
公知の加湿装置では，大きい全容積が常に水で満たされ
ている。それにより，燃料電池装置を凍結の障害に対し
て保護することは殆ど不可能であり，この凍結防止は，
特に可動使用の場合例えば車両において非常に重要であ
る。本発明による装置では，貯蔵容器及び供給導管６が
常に純水で満たされているので，凍結防止は容易に可能
である。しかしこれらの比較的小さい部材は，適当な絶
縁手段又は加熱装固によつて，凍結の障害に対して保護
することができる。更に燃料電池１にあるガス通路は完
全には水で満たされていないので，凍結の際燃料電池１
内に障害が生ずることはない。
【００１７】本発明による加湿装置は，燃料電池１のプ
ロセスガスに加湿する公知の装置に比較して，著しく僅
かな全空間しか必要としない。更に供給される水の量を
動的負荷変化へ極めて速やかに合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池装置の本発明による空気供給装置の構
成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池 ２ プロセスガス供給導管 ５ 噴射ノズル ７ 電磁弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲラルト・ホルンブルク ドイツ連邦共和国テツトナング・ホーフ カンメルシユトラーセ30 (56)参考文献 特開 平５−36428（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−47394（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−94832（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プロセスガスがガス供給導管を経て燃料
    電池へ供給され，微細に霧化される水が，所定の量でガ
    ス供給導管へ送り込まれる，燃料電池のプロセスガスの
    加湿装置において，所定の量の水が計量弁（７）を持つ
    供給導管（６）を経て供給され，かつ噴射ノズル（５）
    によりガス供給導管（２）へ噴射されることを特徴とす
    る，燃料電池の運転用プロセスガスに加湿する装置。
  2. 【請求項２】 水の霧化が，空気で援助される噴射ノズ
    ル又は超音波霧化器により行われることを特徴とする，
    請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 計量弁（７）が燃料電池の運転パラメー
    タに関係して制御されることを特徴とする，請求項１に
    記載の装置。
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