JP5307010B2 - ガス流の加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流を加湿する装置であって、過剰な水分をガス流から分離する手段を備える装置に関する。本発明は、限定的ではないが特に、自動車用の燃料電池に用いられる燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿することに適用可能である。

既に知られた型の燃料電池は高分子電解質膜を有し、ここで、燃料ガスを形成する水素が電解質膜の一方の側、すなわちアノードに送られる。ここで、印加された電気負荷に対応して電気化学反応が起こる。この反応では、水素イオンが電解質膜を通過して移動し、電解質膜の他方側、すなわちカソードで、通常空気から得られる酸化剤と結合する。分離流に維持される水素ガス及び空気の両方は、電気化学反応を高めるように必要量の水が燃料電池の両側を確実に通過するために、かつ電解質膜の乾燥を防ぐために、加湿される必要がある。電解質膜の乾燥は、電気化学反応の低効率につながり、また燃料電池の損傷に、少なくとも耐用年数の低下につながる。

独国特許出願第１００２８１３３．８号明細書では、特に、プロセスガスを加湿するために、燃料電池システムに用いられるガス流を加湿するのに適した装置を開示している。この明細書では、記載された加湿装置は、３つの部分、すなわち、噴霧室、熱交換器領域、及び水分離器を備える。水は噴霧室内に霧状に噴射され、噴霧された水はガス流と混合される。熱交換器領域では、ガス内の熱を用いて水を少なくとも部分的に蒸発させてガスを加湿し、過剰な水を少なくとも部分的に凝縮可能とする熱交換手段が設けられている。十分な加湿を確実に行うために、相対湿度が１００％のガスを実現するのに理論上必要とされる量よりも多くの量の水が噴霧される。過剰な水は、熱交換器領域の下に配置された水捕集器又は分離器に捕集される。

上述した加湿装置及び水分離器は、自動車用途に使用する場合、特に、コーナリング中に生じる重力加速度や車両が傾斜面にいる際の車両の角度位置の変化に対処する場合に排水が不十分となり、水の分離性が低下し得るといった不利な点がある。このため、過剰な水が分離器の底部に存在し、ガス流により再度巻き込まれる可能性があり、最悪の状態では、過剰な水が燃料電池に浸入し、効率を低下させる可能性がある。

本発明は、既に知られる装置よりもはるかに重力加速度に影響されにくい、水分離器を組み込んだ加湿装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、霧状の液体を供給し、これを噴霧室内でガス流と混合し、混合した霧状液体とガスをガス流路に通過させながらガスを加湿する手段を備えるガス流の加湿装置が提供される。ガス流路は略Ｕ字状の通路を備え、略Ｕ字状の通路は、霧状の液体及びガス流が下方部に向かって通過する第１の略垂直部を有し、下方部からガス流が出口に向かって略垂直方向上方に通過する。当該加湿装置は、ガス流路の下方部が、ガス流から分離された過剰な水が水分離室まで通過することができる開口部を組み込み、開口部が、浮き手段により閉鎖することができるか、あるいは、水の水分離室への流れを許容するが水分離室からの水の流れがガス流路に戻るのを実質的に阻止する水流制御弁を備えることを特徴とする。

好ましくは、浮き手段は、水分離器からの液体の流れを制御するドレン弁を制御する。より好ましい実施形態では、開口部は、ガス流路の最下部に位置し、流路の断面及び水分離室（液だめ）の断面と比べて比較的小さい。この方法において、水は水分離器へ迅速に排出され、起こり得る再度の巻き込みに対してガス流に露出される水の量を減らす。水分離器内の水は、好ましくは使用時に、例えば、入ってくるガスを加湿するために、燃料電池動作システムの他の場所に移される。

他の実施形態では、水分離室は平面から見て実質的に四角形又は矩形であり、車両に搭載された状態で実質的に水平である平面上壁部を有し、４つの開口部が上壁部の４つのコーナーに隣接して位置し、上壁部がガス流路の最下部の下方壁部を規定する。４つの開口部の各々は、好ましくは、水分離室からガス流路への方向の水流を制限するための阻流板を組み込んだ流れ制御弁を備える。

以下、一例として、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

加湿装置のガス流路を水分離器とともに概略で示す断面図である。 図１の側面図である。 水分離器の単一の出口の設計の配置の概略を示す平面図である。 水分離器の２個の出口の設計の配置の概略を示す平面図である。 水分離器の複数の出口の設計の配置の概略を示す平面図である。 図３Ｃの実施形態の側面の断面図である。 図３Ｃ及び図４の実施形態に用いられる水流制御弁の詳細図である。

図１は、燃料ガス加湿装置のガス流路１を水分離器２とともに示している。燃料ガス加湿装置の詳細については、上述の独国特許出願１００２８１３３．８号を参照するものとする。この明細書は、燃料電池用の燃料ガス、典型的には水素が霧状の水と混合される噴霧室を開示している。この混合された燃料ガスと霧状水は、多量の水滴からなり、熱交換器を通過し、水滴は、部分的に蒸発してガスを加湿し、そして部分的に水とより大きい水滴とに凝縮される。

本実施形態では、その後、混合されたガスと霧状水、及び水滴が、略Ｕ字状の流路を通過し、まず、略垂直状に配された第１のガス流路部３を下方に通過し、ガス流路１の最下部４に到達する。この最下部は、垂直方向下方に向かって流路の断面積が低減する傾斜面５を有する断面形状で形成され、水分離室７に通じる開口部６で終わる。通路の最下部４で、ガス流は１８０度折り返されて、燃料電池の流入口に通じる出口９まで、ガス流路出口部８を上昇する。このように、水分離室７への開口部６は、ガス流路の断面と比べて比較的小さいため、水滴がガス流により再度巻き込まれる可能性が大幅に低減される。開口部６は、水分離室７の略中心線上にあり、さらに水分離室の断面積よりもはるかに小さいので、分離室内の水を乱す重力加速度が自動車の動きにより生じる場合に、水分離室内の水がガス流路内に再度入り込む可能性が低減される。水分離室は、室内の液体が過度に波打つことを抑制する阻流板を組み込み得る。

加えて、水滴を下方に落とすように働く重力の効果がガス流の反転により増強されるので、加湿されたガス流から水滴を分離する効率が高められる。その理由は、ガスに対して水滴の質量が重いほど、水滴がガスから落ちる割合が、遠心分離機のように増すからである。

ガス流路から水分離器７に至る開口部６は、水分離器内の水の高さが所定の高さを越えた場合に開口部６を閉じるようになされたボール状の浮き１０により制御される。これが生じると、浮き１０は、水分離器から水を排水するように開く弁（図示せず）を動作するようにも機能し得る。通常の動作では、凝縮水は、ポンプにより水分離器から抜き取られ、燃料電池に供給される、入ってくる燃料ガス又は酸化剤を加湿するように再循環される。

本設計は、すぐ真下に配置された水分離器に対して狭い開口部を有するＵ字状のガス流路を備えており、加湿装置／水分離器組立体の全体の大きさ及び高さを、従前の従来技術と比較して著しく減らすことができる。また、この設計によれば、全ての水をシステムから容易に排出しやすくするので、このシステムは、車両が凍結条件下で用いられていない場合ならば氷の形成により損傷を受けることがほとんどなくなる。さらに、水分離室に至る開口部を閉じるように浮きを用いると、燃料電池の両側、即ち、燃料ガス側及び空気流側からの水を共通の水分離室内に放出することができる場合に利点がある。また、ガス流路に至る開口部を閉じるように浮きを用いると、２つの異なるガスが水分離室から間違った通路に侵入するのを防ぐように機能する。

図２を参照すると、この配置では、２つの水分離室７ａ及び７ｂが、ガス流路４の最下部にわたって離間して設けられている。代替的形態では、点線１１に示すように、２つの流路が共通のハウジング内で並んで設けられており、そのうちの一方が、燃料ガスの加湿用であり、他方が、燃料電池用の酸化剤を提供する空気供給材料の加湿用である。この場合、電解質膜の両側のプロセスガス中の過剰な水が、共通の水分離室内に放出される。

図３を参照すると、図３ａは、単一の水分離室の開口部を示している。図３ｂは２つの開口部を示し、それらは共通の水分離室７に通じているが個別の室内に通じていてもよい。図３ｃは４つの開口部を有する配置を示し、それらすべての開口部が共通の水分離室７に開口している。

図４を参照すると、図３Ｃに示した実施形態の側断面図が示されており、４つの開口部６の全てが共通の水分離室７に開口している。４つの開口部は、実質的に平面が四角形又は矩形の水分離室７の４つのコーナーに離間されている。図１及び図２の実施形態で示した閉鎖自在の浮き弁１０の代わりに、本実施形態の開口部は、各々、水流制御弁１３を組み込んでおり、これは、図５に詳細が示されている。制御弁１３は、テーパの設けられた入口及び出口部１５及び１６を有する直径が短い中心部１４を備えるベンチュリ形状のボアを有する。水分離室７に隣接する中心部の下方端部は、比較的小さい直径の１つ以上のボアを有する阻流板１７を備える。このように、ガス流路３の下方壁部を形成する水分離室７の上壁部１８に吹き付けられた水は、制御弁を通して下方に流れ得るが、阻流板１７は、水が上昇してガス流路に戻るのを効果的に防ぐように機能する。

本装置を車両に搭載した場合、上壁部１８は、実質的に水平な位置に配置される。離間された４つの水流制御弁を用いることにより、車両が一方の側から他方の側へ横方向に、あるいは前後方向に傾いているかに関わらず、又は、横方向にあるいは前後方向に重力加速度を受けるかに関わらず、ガス流から分離されたあらゆる水が、水分離室７内に降下して排出され得るように、開口制御弁を備える上壁部１８の領域に流れる。この構成によれば、ある程度のガスが水分離室７内に入り得るが、これは、水分離器の有効な機能に影響を及ぼさないことが分かっている。

Claims (5)

1. ガス流を加湿する装置であり、霧状の液体を供給し、これを噴霧室内でガス流と混合し、前記混合した霧状液体とガスをガス流路に通過させながら前記ガスを加湿する手段を備える加湿装置であって、前記ガス流路が略Ｕ字状の通路（３、４、８）を備え、前記略Ｕ字状の通路が、霧状の液体及びガス流が下方部に向かって通過する第１の略垂直部（３）を有し、前記下方部から前記ガス流が出口（９）に向かって略垂直方向上方に通過する、加湿装置において、
   前記通路の前記下方部は、前記ガス流から分離された過剰な水が水分離室（７）へ通過することができる開口部（６）を組み込み、前記開口部（６）が、前記水分離室内の水の高さが所定の高さを越えた場合に浮き手段（１０）により閉鎖することができるか、あるいは、水の前記水分離室（７）への流入を許容するが前記水分離室（７）からの水流が前記ガス流路（３、４、８）に戻ることを阻止する流れ制御弁（１３）を備え、複数の開口部（６）が、前記ガス流路の最下部（４）から前記水分離室（７）に通じており、前記水分離室（７）は、車両に搭載された状態で水平である四角形又は矩形の平面上壁部（１８）を有し、４つの開口部（６）が、前記上壁部（１８）の４つのコーナーに隣接して配置され、前記上壁部が、前記ガス流路の前記最下部（４）の下方壁部を規定することを特徴とするガス流の加湿装置。
2. 弁手段（１２）が、前記水分離室（７）から排出される前記液体の流れを制御するように設けられる請求項１に記載の装置。
3. 前記開口部（６）が、前記ガス流路の前記最下部（４）に位置し、前記ガス流路の前記最下部（４）の断面及び前記水分離室（７）の断面に比べて比較的小さい請求項１または２に記載の装置。
4. 前記４つの開口部の各々が、前記水分離室（７）から前記ガス流路への方向の水の流れを制限するための阻流板を組み込んだ流れ制御弁（１３）を備える請求項１に記載の装置。
5. 複数の分離したガス流路からの開口部が、共通の水分離室（７）に通じている請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。

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