JP2007227252A - 加湿装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定した温度制御を実現することができ、さらには、露点変更の要求に対して円滑に対応することが可能な加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】内部に加湿用の純水Ｗ１が貯留された内部容器５０を備え、内部容器５０内の純水Ｗ１に空気を通過させて加湿する加湿装置５において、内部容器５０の外周側を外部容器５１によって囲い、これら内部容器５０と外部容器５１との間に恒温循環水Ｗ２を充填することにより、内部容器５０の外周側を恒温循環水Ｗ２によって覆う。
【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、所定の容器内に加湿用の純水を貯留して液相部及び気相部を構成し、液相部及び気相部の順にガスを通過させて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２０００−６７８９３号公報

ところで、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、加湿用純水及びタンク気相部を加熱ヒータによって温度制御しているが、このヒータによる温度制御を安定して精細に制御することが困難であり、特に、露点変更時に円滑に対応することが難しかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、安定した温度制御を実現することができ、さらには、露点変更の要求に対して円滑に対応することが可能な加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の加湿装置は、内部に加湿用水が貯留される内部容器を備え、前記内部容器内の加湿用水にガスを通過させて加湿する加湿装置であって、前記内部容器の外周側が恒温水によって覆われて構成されている。

この構成によれば、内部容器の外周側を恒温水によって覆っているので、内部容器全体の温度の均一化が向上され、ガスの露点の安定化を図ることができる。つまり、安定した温度制御を実現することができ、さらには、露点変更の要求に対して円滑に対応することができる。

前記内部容器の外周側が外部容器によって囲われ、これら内部容器と外部容器との間に前記恒温水が充填されていてもよい。

前記恒温水は、前記内部容器の周囲にて、上方側から下方側へ向かって螺旋状に流されるようにしてもよい。

前記恒温水は、熱交換器との間を循環し、前記熱交換器にて熱交換されるものでもよい。さらに、この熱交換器に、冷却用チラーを接続してもよい。

前記内部容器の周囲に、ヒータを備えていてもよい。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段と、上記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が、前記加湿装置により加湿される構成とされている。

この構成の燃料電池システムによれば、露点変更の要求に対して高い応答性を有する加湿装置を備えているので、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、発電効率を高めることが可能となる。

本発明の加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムによれば、安定した温度制御を実現することができる。また、露天変更の要求に対して円滑に対応することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

以下、本発明に係る加湿装置及び燃料電池システムの実施形態について図面を参照して説明する。

まず、図１を用いて、本発明の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（図示略）、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２４ｃ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。

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、加湿用の水として所定量の純水Ｗ１を貯留する内部容器５０及びこの内部容器５０の外周側を囲う外部容器５１を備えている。この内部容器５０には、ガス導入管５２が導入され、このガス導入管５２の開口端が、内部容器５０の下方側に配置されている。このガス導入管５２は、空気供給用配管２２のコンプレッサ４側に接続されており、コンプレッサ４によって空気が送り込まれる。

また、内部容器５０の上部には、加湿ガス取り出し管５３の端部が配置されており、内部容器５０内における純水Ｗ１の上面側の気相部Ｇにて開口されている。加湿ガス取り出し管５３は、空気供給用配管２２の燃料電池２側に接続されており、この加湿ガス取り出し管５３から空気供給用配管２２を介して燃料電池２へ空気が送り込まれる。

外部容器５１には、その上部近傍に、熱交換器６１に通された循環路６２の一端が接続されており、図３に示すように、その一端の開口部が、内部容器５０と外部容器５１との隙間へ向けて配置されている。また、循環路６２の他端は、外部容器５１の底部に接続されている。この循環路６２には、循環ポンプ６３が接続されている。

そして、外部容器５１と内部容器５０との間及び循環路６２には、恒温循環水（恒温水）Ｗ２が充填されており、これにより、内部容器５０は、その外周側が恒温循環水Ｗ２によって覆われている。

熱交換器６１には、図示しない冷却用チラーに接続された冷却配管６４が通されており、この冷却配管６４内を循環する冷却水（熱交換媒体）Ｗ３と循環路６２を通る恒温循環水Ｗ２との間で熱交換が行われる。

また、内部容器５０と外部容器５１との円筒状の隙間には、螺旋状のシース型ヒータ６５が配設されており、このヒータ６５によって恒温循環水Ｗ２が加熱される。

そして、加湿装置５では、循環ポンプ６３が作動すると、外部容器５１の底部から循環路６２に引き込まれた恒温循環水Ｗ２が、熱交換器６１を通って冷却水Ｗ３との間で熱交換することにより所定温度まで冷却され、その後、内部容器５０と外部容器５１との隙間へ供給される。すると、この恒温循環水Ｗ２は、内部容器５０と外部容器５１との円筒状の隙間内をヒータ６５に沿って螺旋状に回転しながら下方へ流れる。

このとき、この恒温循環水Ｗ２は、ヒータ６５によって加熱され、さらに、この恒温循環水Ｗ２の熱が内部容器５０内の純水Ｗ１に伝達される。これにより、この内部容器５０内の純水Ｗ１の温度が所定温度に加温される。

このように、内部容器５０と外部容器５１との円筒状の隙間を螺旋状に回転しながら下方へ流された恒温循環水Ｗ２は、再び外部容器５１の底部から循環路６２へ引き込まれ、熱交換器６１へ送り出される。

また、上流側の空気供給用配管２２からコンプレッサ４によって引き込まれた空気は、内部容器５０の下方側に配置されたガス導入管５２の開口端から内部容器５０内に送り出され、この内部容器５０内にて、所定温度に加温されている純水Ｗ１にて気泡となって上昇し、加湿される。

その後、この純水Ｗ１によって加湿された空気は、気相部Ｇから加湿ガス取り出し管５３へ送り出され、この加湿ガス取り出し管５３から空気供給用配管２２を介して燃料電池２へ送り込まれる。

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によれば、内部容器５０の外周側が恒温循環水Ｗ２によって覆われているので、内部容器５０全体の温度の均一化が向上され、空気の露点の安定化を図ることができる。つまり、安定した温度制御を実現することができ、さらには、露点変更の要求に対して円滑に対応することができる。

そして、この加湿装置５を備えた燃料電池システム１によれば、露点変更の要求に対して高い応答性を有する加湿装置５を備えているので、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、発電効率を高めることが可能となる。

また、恒温循環水Ｗ２を、熱交換器６１との間で循環させているので、恒温循環水Ｗ２の温度調整を容易に行うことができ、例えば、熱交換器６１によって恒温循環水Ｗ２の温度を調整することにより、高い応答性にて安定して露点を変更することができる。特に、この熱交換器６１に、冷却用チラーに接続された冷却配管６４を通し、この冷却配管６４内を循環する冷却水Ｗ３によって恒温循環水Ｗ２を冷却するので、恒温循環水Ｗ２を迅速に冷却することができ、応答性のさらなる向上を図ることができる。

また、恒温循環水Ｗ２が、内部容器５０の周囲にて、上方側から下方側へ向かって螺旋状に流されるので、内部容器５０の温度分布のムラを極力抑えることができる。

また、内部容器５０の周囲に、ヒータ６５を配設したので、純水Ｗ１にヒータを直接接触させて加熱する場合と比較して、純水Ｗ１への不純物の混入を抑制することができる。

また、気相部Ｇを加熱するヒータを別個設けないので、コスト及び組み立て工数を削減することができ、しかも、複数のヒータの複雑な制御を不要とすることができる。

なお、外部容器５１は、恒温循環水Ｗ２を貯留させる機能を持たせる程度の構造のもので良く、このため、構造の簡略化によるコスト及び組み立て工数の削減を図ることができる。

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。 燃料電池システムに設けられた加湿装置の構成図である。 加湿装置の概略平面図である。

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…内部容器、５１…外部容器、６１…熱交換器、６５…ヒータ、Ｗ１…純水（加湿用水）、Ｗ２…恒温循環水（恒温水）

Claims (6)

1. 内部に加湿用水が貯留される内部容器を備え、前記内部容器内の加湿用水にガスを通過させて加湿する加湿装置であって、
   前記内部容器の外周側が恒温水によって覆われている加湿装置。
2. 請求項１に記載の加湿装置であって、
   前記内部容器の外周側が外部容器によって囲われ、これら内部容器と外部容器との間に前記恒温水が充填されている加湿装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の加湿装置であって、
   前記恒温水は、前記内部容器の周囲にて、上方側から下方側へ向かって螺旋状に流される加湿装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の加湿装置であって、
   前記恒温水は、熱交換器との間を循環し、前記熱交換器にて熱交換される加湿装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の加湿装置であって、
   前記内部容器の周囲に、ヒータを備えている加湿装置。
6. 燃料電池と、
   前記燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段と、
   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を加湿する請求項１から５のいずれか１項に記載の加湿装置と、
   を備えた燃料電池システム。
   
   

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