JP4686115B2

JP4686115B2 - 固体高分子型燃料電池の加湿装置

Info

Publication number: JP4686115B2
Application number: JP2003091565A
Authority: JP
Inventors: 文美男伊藤
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004303442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素などの燃料と、空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置である。この種の燃料電池の中でも、電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池は、出力密度が高く、作動温度が約７０℃〜９０℃と低いこと、構造が単純で電解質を含めて燃料電池全体を固体で構成できること、高分子膜が差圧に強いことなどの特徴がある。そして、出力密度が高いことは、コンパクトで大きな出力が得られ、低温作動であることは、起動時などの取り扱いが容易になることを意味するので、上述した固体高分子型燃料電池は、例えば自動車用、家庭用、可搬用など様々な分野での利用が可能である。
【０００３】
ところで、燃料電池では、電解質に送り込まれるガスの加湿が重要な問題になる。特に、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の場合、電解質の湿度によって出力が大きく変化するので、加湿が非常に重要な要素となる。
【０００４】
そこで、従来、この種の燃料電池の電解質に送り込まれるガスの加湿には、加湿するガスを加湿器内でバブリングさせて温水温度付近の加湿ガスを生成するバブラー加湿方式を採用している。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２９５９１号公報
【０００６】
図２は上記特許文献１に開示される固体高分子型燃料電池発電装置の概略構成を示す図である。図２に示す固体高分子型燃料電池発電装置５１では、燃料電池５２の燃料極と改質器５３の改質部５４との間にバブリング室５５を設け、改質部５４から得られる改質ガスをこのバブリング室５５の水中を気泡として通過させている。これにより、高温の改質ガスとバブリング室５５内の水との間で熱交換が効率的に行われ、バブリング室５５内の水が加熱されて得られる水蒸気と１００℃近くに下げられた改質ガスとが燃料極に供給される。そして、水蒸気が燃料極を介して燃料電池５２の電解質を加湿する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、燃料電池の膜開発が種々の面から検討され、高温での加湿（例えば１００℃以上の露点温度）の要望がある。また、負荷変動やシステム試験において、湿度を早く応答させる要望がある。
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１の固体高分子型燃料電池発電装置５１でも利用されているバブラー加湿方式では、加湿水温度でガスの露点温度が決まり、加湿水温度の応答性により目的の露点温度に達して安定するまでの時間も決まってくる。従って、バブラー加湿方式では、湿度を高速に可変したくても、温度変化がゆっくりであり、目的の露点温度に達して安定するまで数十分から数時間の時間を必要とし、目的の露点温度を得るのに時間がかかるという問題があった。具体的には、図３に示すように、バブラー加湿方式の場合、目的の露点温度を６８℃とした場合、６８℃に達するまでに２０００ｓｅｃという時間を要していた。また、バブラー加湿方式により１００℃以上の露点温度を得ようとした場合には、圧力開放時に内部水が突沸するため、危険を伴い使用できないという問題があった。
【０００９】
また、バブラー加湿方式に代わるものとして、ポンプ加湿方式が知られている。このポンプ加湿方式によれば、常圧でガス温度を規制しなければある程度できるが、加圧条件では、圧力変動と水蒸発量変動、水流量変更と温度伝熱遅れ等の物性条件から、安定領域を求めるのに多大な時間がかかるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、危険を伴うことなくガスの高温加湿を行うことができ、目標の露点温度のガスを短時間で得ることができる固体高分子型燃料電池の加湿装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の加湿装置において、
所定流量のガスを供給するガス供給手段と、
該ガス供給手段から供給されるガスを所定の分流比でドライガスとウェットガスに分流する分流手段と、
該分流手段で分流されたドライガスを予熱する予熱手段と、
前記分流手段で分流されたウェットガスを加湿する加湿手段と、
前記予熱手段で予熱されたドライガスと前記加湿手段で加湿されたウェットガスとを混合する混合手段と、
該混合手段から送り込まれる混合ガスの湿度に基づいて前記分流手段で分流されるドライガスとウェットガスの分流比を制御する手段とを備え、
前記分流手段により分流されたドライガス側と前記混合手段との間に２方弁を設け、前記加湿手段の前段又は後段に背圧を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置において、前記２方弁の後段に背圧を設けたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池の加湿装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る固体高分子型燃料電池の加湿装置の実施の形態を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、加湿装置１は、ガス供給手段３１、分流手段３２、予熱手段３３、加湿手段３４、混合手段３５、湿度検出手段３６、流量制御手段３７、２方弁３８、背圧４０を備えて概略構成される。
【００１６】
この２方弁３８を用いた方式では、ドライガスとウェットガスを分流する際、２方弁３８の圧力が大きく、ドライガス側にガスが流れない不具合が生ずる。この問題を解消するため、本例の加湿装置１では、ウェットガス側に背圧（抵抗）４０を入れる構成としている。
【００１７】
具体的には、図１に示すように、背圧４０をウェットガス側の加湿手段３４の前段（図１の実線で示す背圧４０Ａ）か、後段（図１の一点鎖線で示す背圧４０Ｂ）に入れる。２方弁３８で流量制御するとき、２方弁３８の前後に差圧が必要であり、加湿手段３４の前段又は後段に背圧４０（４０Ａ又は４０Ｂ）を掛けることにより差圧が充分に取れ、２方弁３８にもガスが流れることで、２方弁３８でも流量制御することができる。
【００１８】
なお、この背圧コントルールが無い場合、２方弁３８の抵抗が加湿手段３４側の圧力損失以上になると、２方弁３８にガスが流れなくなり、ある範囲での湿度制御にしか対応できなくなる。
【００１９】
ガス供給手段３１は、加湿対象となる所定流量のガスを分流手段３２に供給している。分流手段３２は、３方分流弁からなり、ガス供給手段３１から供給されるガスを所定の分流比でドライガスとウェットガスに分流し、ドライガスを予熱手段３３に送り込み、ウェットガスを背圧４０を介して加湿手段３４に送り込んでいる。
【００２０】
予熱手段３３は、分流手段３２で分流されて送り込まれるドライガスを予熱し、２方弁３８を介して混合手段３５に送り込んでいる。加湿手段３４は、分流手段３２で分流されて送り込まれるウェットガスを加湿して混合手段３５に送り込んでいる。
【００２１】
混合手段３５は、予熱手段３３で予熱されたドライガスと、加湿手段３４で加湿されたウェットガスとを混合して不図示の燃料電池に送り出している。
【００２２】
湿度検出手段３６は、混合手段３５から送り出されるガスの湿度を検出し、その検出信号を流量制御手段３７に出力している。
【００２３】
流量制御手段３７は、湿度検出手段３６からの検出信号による湿度と、例えば予め設定入力された設定湿度（目標の露点温度）とを比較し、この比較結果に基づいて設定湿度を得るのに必要なドライガスの流量とウェットガスの流量を算出している。そして、この算出されたドライガス流量とウェットガスの流量となるべく、分流手段３２におけるドライガスとウェットガスの分流比を制御している。
【００２４】
上記構成による実施の形態の加湿装置では、ガス供給手段３１から分流手段３２にガスが供給されると、供給されたガスが所定の分流比でドライガスとウェットガスに分流される。分流されたドライガスは、予熱手段３３で予熱され、２方弁３８を介して混合手段３５に送り込まれる。また、分流されたウェットガスは、背圧４０Ａを介して加湿手段３４で加湿されて混合手段３５に送り込まれる。混合手段３５では、予熱手段３３からのドライガスと、加湿手段３４からのウェットガスを混合する。この混合されたガスは、不図示の燃料電池に送り出される。その際、湿度検出手段３６により混合ガスの湿度が検出され、この検出された湿度に基づいて流量制御手段３７が設定湿度（目標の露点温度）を得るのに必要なドライガスの流量とウェットガスの流量を算出する。そして、流量制御手段３７は、この算出した流量になるべく、分流手段３２におけるドライガスとウェットガスの分流比を制御する。以上の動作を繰り返すことにより、混合手段３５から送り出される混合ガスの湿度が設定湿度（目標の露点温度）に制御される。
【００２５】
この実施の形態の加湿装置１によれば、従来のバブラー加湿方式に比べ、数十倍〜数百倍の応答時間で目標の湿度（露点温度）まで早く変化させることができる。また、供給されるガスを一旦ドライガスとウェットガスに分け、その分流比を制御して再度混合するので、目的の湿度（露点温度）のガスを目的の量だけ作り出すことができる。
【００２６】
なお、図１に示すように、２方弁３８の後段に背圧４０（４０Ｃ）を設ける構成としても良い。この構成によれば、２方弁３８の能力を最大限に発揮させることができる。すなわち、常に２方弁３８の前後差圧が一定になり、微少流量まで制御でき、低加湿条件を作ることができる。さらに、図１に示すように、加湿手段３４の後段に背圧４０（４０Ｂ）を設ける構成とした場合には、燃料電池の運転圧力と加湿手段の圧力差の部分に減圧による低加湿化（ＪＩＳ湿度校正法の「倍圧法」に相当）も実現できる。
【００２７】
このように、本例の加湿装置によれば、危険を伴うことなく安定した高温加湿を行うことができ、１００℃以上の露点温度を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、危険を伴うことなく１００℃以上の安定した露点温度の高温加湿を行うことができる。
【００２９】
請求項１の加湿装置によれば、背圧をウェットガス側の加湿手段の前段又は後段に設ける構成なので、加湿手段の前後での差圧が充分に取れ、２方弁にもガスが流れることで、２方弁でも流量制御することができる。また、背圧を加湿手段の後段に入れる構成とした場合には、燃料電池の運転圧力と加湿手段の圧力差の部分に減圧による低加湿化も実現できる。
【００３０】
請求項２の加湿装置によれば、２方弁の後段に背圧を設ける構成なので、２方弁の能力を最大限に発揮でき、常に２方弁の前後差圧が一定になり、微少流量まで制御でき、低加湿条件を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の加湿装置の実施の形態を示す図である。
【図２】従来の固体高分子型燃料電池の加湿装置の一例を示す図である。
【図３】バブラー加湿方式において、露点上昇時の経過時間に対する露点の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…加湿装置、３１…ガス供給手段、３２…分流手段、３３…予熱手段、３４…加湿手段、３５…混合手段、３６…湿度検出手段、３７…流量制御手段、３８…２方弁、４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）…背圧。

Claims

燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の加湿装置において、
所定流量のガスを供給するガス供給手段と、
該ガス供給手段から供給されるガスを所定の分流比でドライガスとウェットガスに分流する分流手段と、
該分流手段で分流されたドライガスを予熱する予熱手段と、
前記分流手段で分流されたウェットガスを加湿する加湿手段と、
前記予熱手段で予熱されたドライガスと前記加湿手段で加湿されたウェットガスとを混合する混合手段と、
該混合手段から送り込まれる混合ガスの湿度に基づいて前記分流手段で分流されるドライガスとウェットガスの分流比を制御する手段とを備え、
前記分流手段により分流されたドライガス側と前記混合手段との間に２方弁を設け、前記加湿手段の前段又は後段に背圧を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池の加湿装置。
前記２方弁の後段に背圧を設けた請求項１記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。