JP2005019212A - 燃料電池における加湿燃料ガスの湿度制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】流路管内の複雑な形状と過熱水蒸気の広い流量範囲においても加湿燃料ガスの局所的な温度を含めて均一かつ精密に制御し、高い相対湿度条件にあっても加湿燃料ガスの相変化を絶対に生じないで均一で高精度な温度制御を行い、燃料電池スタックセルに指定された目標値の相対湿度または露点の加湿燃料ガスを指定された流量で供給する装置を実現する
【解決手段】固体高分子型燃料電池の評価試験において、燃料電池スタックに精密に制御された流量の加湿燃料ガスを供給するシステムとして、当該燃料ガスの相対湿度または露点を目標値に制御するために過熱水蒸気をインジェクションして燃料ガスを調整するとき、空気を媒体とする熱伝達ではなく、熱伝達係数で２桁以上大きい液体を熱媒体として接ガス部の少なくとも一部分および当該燃料ガスの温度を設定温度にすることにより当該燃料ガスの相対温度または露点を制御するようにした
【選択図】 図１
【解決手段】固体高分子型燃料電池の評価試験において、燃料電池スタックに精密に制御された流量の加湿燃料ガスを供給するシステムとして、当該燃料ガスの相対湿度または露点を目標値に制御するために過熱水蒸気をインジェクションして燃料ガスを調整するとき、空気を媒体とする熱伝達ではなく、熱伝達係数で２桁以上大きい液体を熱媒体として接ガス部の少なくとも一部分および当該燃料ガスの温度を設定温度にすることにより当該燃料ガスの相対温度または露点を制御するようにした
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は燃料電池の性能評価装置の加湿燃料ガス制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの加湿燃料ガスの相対湿度または露点の制御はインジェクション装置、混合装置、湿度検出装置および配管系を温度制御する必要があり、その温度制御はそれらの温度制御対象部位を単に電熱線から保温材と空気層を介して、温度制御していた。その場合には各装置や配管系等の温度制御対象部位の外表面に対する熱伝達係数が小さく、空気を熱媒体としていることから熱媒体側の等価熱容量が小さくまた熱伝達が良くないために、均一で精度高い燃料ガスの温度制御が図２に示すように極めて困難で、従って燃料ガスの相対湿度または露点の精密な制御が不可能であった。
【０００３】
【解決すべき課題】
流路管内の複雑な形状と過熱水蒸気の広い流量範囲においても加湿燃料ガスの局所的な温度を含めて均一かつ精密に制御し、高い相対湿度条件にあっても加湿燃料ガスの相変化を絶対に生じないで均一で高精度な温度制御を行い、燃料電池スタックセルに指定された目標値の相対湿度または露点の加湿燃料ガスを指定された流量で供給する装置を実現することが課題である。
【０００４】
【構成】
この課題に対応して過熱水蒸気の広範囲な流量を精密に制御する制御弁と配管系、混合部及び湿度検出部の温度を従来の空気を媒体とする熱伝達ではなく、熱伝達係数で２桁以上大きい液状の熱媒体を利用した構成にし、ほぼ大気圧条件下で１６０℃の温度でも蒸気圧力が低い熱媒体として比熱、粘度、密度などが適切なシリコーンオイルなどを選択し、温度の均一性、高い熱伝達性能の確保などの観点から充分な攪拌が行える恒温液槽を利用するようにした。
【０００５】
【実施の形態】
以下この発明の実施の形態として一実施例を示す図面によって説明する。固体高分子型燃料電池の評価試験において、１８０℃以下の温度で燃料電池スタックに精密に制御された流量の加湿燃料ガスを供給するシステムとして、図１の過熱水蒸気発生装置１から発生する過熱水蒸気８は配管１１と流量の精密制御弁５の接ガス部１４を経由して加熱水蒸気配管１３から混合部４に入り、燃料ガス供給装置２から燃料ガス７が流量制御されて入口側燃料ガス配管１２、１３を経由して混合部４に導入され、混合部４においてインジェクションされた過熱水蒸気と混合され加湿燃料ガス９を形成するが、その相対湿度または露点がきわめて重要であり、相対湿度計または露点計１５の出力により過熱水蒸気の流量を精密制御弁５を制御して設定の相対湿度または露点に一致させて設定値の±２％以内にする。このとき配管１１、１２、１３及び精密制御弁５の接ガス部１４と混合部４とを液状熱媒体２０に浸し、加熱ヒータ２１により液状熱媒体の温度を５０〜１６０℃において設定温度の±０．５℃に制御する。さらに液状熱媒体２０は攪拌器２２により液槽２３の中で充分に攪拌され、均一な温度にされると共に、適切な流動で浸された各配管１１、１２、１３、精密制御弁の接ガス部１４、および混合部４の温度を良好な熱伝達により設定温度の±０．５℃に制御する。混合部４の下流で液槽２３を出た加湿燃料ガス９は相対湿度計または露点計１５により湿度または露点を測定され、設定値との差により精密制御弁５を駆動するアクチュエータ１６のコントローラ１７のフィードバック制御で過熱水蒸気の流量を精密に制御できる。
【０００６】
ここで使用する熱媒体２０は温度１５０℃における密度７８０ｋｇ／ｍ３以上 、蒸気圧５００ｋｐａ以下、動粘度２ｍｍ２／ｓ以下、比熱１ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以 上の液体であり、このような条件を満たす熱媒体としては例えばシリコーンオイルがある。
【０００７】
（実験例）
図２には従来の各配管、流量制御弁および混合部をリボンヒータにより加熱制御して、加湿燃料ガスの露点を測定した例を示す。加湿燃料ガスの各流量（２ｌ／ｍｉｎ、５ｌ／ｍｉｎ、１０ｌ／ｍｉｎ）において露点及び相対湿度が安定せず、変動が大きいことが分かる。これに対し図３には本発明による液状の熱媒体を利用して各配管、流量制御弁および混合部を液状熱媒体により温度制御して、加湿燃料ガスの露点を測定した例を示す。加湿燃料ガスの各流量（２ｌ／ｍｉｎ、５ｌ／ｍｉｎ、１０ｌ／ｍｉｎ）において露点及び相対湿度が安定して、変動が小さいことが分かる。
【０００８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り、この発明によれば、流路管内の複雑な形状と過熱水蒸気の広い流量範囲においても加湿燃料ガスの局所的な温度を含めて均一かつ精密に制御し、高い相対湿度条件にあっても加湿燃料ガスの相変化を絶対に生じないで均一で高精度な温度制御を行い、燃料電池スタックセルに指定された目標値の相対湿度または露点の加湿燃料ガスを指定された流量で供給する装置を実現することが出来る。
【０００９】
【図面の簡単な説明】
【図１】湿度制御装置を示す構成説明図。
【図２】従来の湿度制御装置における露点と相対湿度の変化を示すグラフ。
【図３】この発明の湿度制御装置における露点と相対湿度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 過熱水蒸気発生装置
２ 燃料ガス供給装置
４ 混合部
５ 精密制御弁
７ 燃料ガス
８ 過熱水蒸気
９ 加湿燃料ガス
１１ 配管
１２ 入口側燃料ガス配管
１３ 加熱水蒸気配管
１４ 接ガス部
１５ 露点計
１６ アクチュエータ
１７ コントローラ
２０ 液状熱媒体
２１ 加熱ヒータ
２２ 攪拌器
２３ 液槽
【産業上の利用分野】
この発明は燃料電池の性能評価装置の加湿燃料ガス制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの加湿燃料ガスの相対湿度または露点の制御はインジェクション装置、混合装置、湿度検出装置および配管系を温度制御する必要があり、その温度制御はそれらの温度制御対象部位を単に電熱線から保温材と空気層を介して、温度制御していた。その場合には各装置や配管系等の温度制御対象部位の外表面に対する熱伝達係数が小さく、空気を熱媒体としていることから熱媒体側の等価熱容量が小さくまた熱伝達が良くないために、均一で精度高い燃料ガスの温度制御が図２に示すように極めて困難で、従って燃料ガスの相対湿度または露点の精密な制御が不可能であった。
【０００３】
【解決すべき課題】
流路管内の複雑な形状と過熱水蒸気の広い流量範囲においても加湿燃料ガスの局所的な温度を含めて均一かつ精密に制御し、高い相対湿度条件にあっても加湿燃料ガスの相変化を絶対に生じないで均一で高精度な温度制御を行い、燃料電池スタックセルに指定された目標値の相対湿度または露点の加湿燃料ガスを指定された流量で供給する装置を実現することが課題である。
【０００４】
【構成】
この課題に対応して過熱水蒸気の広範囲な流量を精密に制御する制御弁と配管系、混合部及び湿度検出部の温度を従来の空気を媒体とする熱伝達ではなく、熱伝達係数で２桁以上大きい液状の熱媒体を利用した構成にし、ほぼ大気圧条件下で１６０℃の温度でも蒸気圧力が低い熱媒体として比熱、粘度、密度などが適切なシリコーンオイルなどを選択し、温度の均一性、高い熱伝達性能の確保などの観点から充分な攪拌が行える恒温液槽を利用するようにした。
【０００５】
【実施の形態】
以下この発明の実施の形態として一実施例を示す図面によって説明する。固体高分子型燃料電池の評価試験において、１８０℃以下の温度で燃料電池スタックに精密に制御された流量の加湿燃料ガスを供給するシステムとして、図１の過熱水蒸気発生装置１から発生する過熱水蒸気８は配管１１と流量の精密制御弁５の接ガス部１４を経由して加熱水蒸気配管１３から混合部４に入り、燃料ガス供給装置２から燃料ガス７が流量制御されて入口側燃料ガス配管１２、１３を経由して混合部４に導入され、混合部４においてインジェクションされた過熱水蒸気と混合され加湿燃料ガス９を形成するが、その相対湿度または露点がきわめて重要であり、相対湿度計または露点計１５の出力により過熱水蒸気の流量を精密制御弁５を制御して設定の相対湿度または露点に一致させて設定値の±２％以内にする。このとき配管１１、１２、１３及び精密制御弁５の接ガス部１４と混合部４とを液状熱媒体２０に浸し、加熱ヒータ２１により液状熱媒体の温度を５０〜１６０℃において設定温度の±０．５℃に制御する。さらに液状熱媒体２０は攪拌器２２により液槽２３の中で充分に攪拌され、均一な温度にされると共に、適切な流動で浸された各配管１１、１２、１３、精密制御弁の接ガス部１４、および混合部４の温度を良好な熱伝達により設定温度の±０．５℃に制御する。混合部４の下流で液槽２３を出た加湿燃料ガス９は相対湿度計または露点計１５により湿度または露点を測定され、設定値との差により精密制御弁５を駆動するアクチュエータ１６のコントローラ１７のフィードバック制御で過熱水蒸気の流量を精密に制御できる。
【０００６】
ここで使用する熱媒体２０は温度１５０℃における密度７８０ｋｇ／ｍ３以上 、蒸気圧５００ｋｐａ以下、動粘度２ｍｍ２／ｓ以下、比熱１ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以 上の液体であり、このような条件を満たす熱媒体としては例えばシリコーンオイルがある。
【０００７】
（実験例）
図２には従来の各配管、流量制御弁および混合部をリボンヒータにより加熱制御して、加湿燃料ガスの露点を測定した例を示す。加湿燃料ガスの各流量（２ｌ／ｍｉｎ、５ｌ／ｍｉｎ、１０ｌ／ｍｉｎ）において露点及び相対湿度が安定せず、変動が大きいことが分かる。これに対し図３には本発明による液状の熱媒体を利用して各配管、流量制御弁および混合部を液状熱媒体により温度制御して、加湿燃料ガスの露点を測定した例を示す。加湿燃料ガスの各流量（２ｌ／ｍｉｎ、５ｌ／ｍｉｎ、１０ｌ／ｍｉｎ）において露点及び相対湿度が安定して、変動が小さいことが分かる。
【０００８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り、この発明によれば、流路管内の複雑な形状と過熱水蒸気の広い流量範囲においても加湿燃料ガスの局所的な温度を含めて均一かつ精密に制御し、高い相対湿度条件にあっても加湿燃料ガスの相変化を絶対に生じないで均一で高精度な温度制御を行い、燃料電池スタックセルに指定された目標値の相対湿度または露点の加湿燃料ガスを指定された流量で供給する装置を実現することが出来る。
【０００９】
【図面の簡単な説明】
【図１】湿度制御装置を示す構成説明図。
【図２】従来の湿度制御装置における露点と相対湿度の変化を示すグラフ。
【図３】この発明の湿度制御装置における露点と相対湿度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 過熱水蒸気発生装置
２ 燃料ガス供給装置
４ 混合部
５ 精密制御弁
７ 燃料ガス
８ 過熱水蒸気
９ 加湿燃料ガス
１１ 配管
１２ 入口側燃料ガス配管
１３ 加熱水蒸気配管
１４ 接ガス部
１５ 露点計
１６ アクチュエータ
１７ コントローラ
２０ 液状熱媒体
２１ 加熱ヒータ
２２ 攪拌器
２３ 液槽
Claims (2)
- 固体高分子型燃料電池の評価試験において、１８０℃以下の温度で燃料電池スタックに精密に制御された流量の加湿燃料ガスを供給するシステムとして、当該燃料ガスの相対湿度または露点を目標値に制御するために過熱水蒸気をインジェクションして燃料ガスを調整するとき、インジェクション装置、混合装置、湿度あるいは露点検出装置および配管系の少なくとも一部分を、温度１５０℃における密度７８０ｋｇ／ｍ３以上、蒸気圧５００ｋｐａ以下、動粘 度２ｍｍ２／ｓ以下、比熱１ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上の液体を熱媒体として充分な流 速と均一な温度分布にして、液状熱媒体により上記各装置、配管系の接ガス部の少なくとも一部分および当該燃料ガスの温度を設定温度にすることにより当該燃料ガスの相対湿度または露点を目標値の±２％以内に制御するようにした加湿燃料ガスの湿度制御装置。
- 前項１の加湿燃料ガスの湿度制御装置において、加湿燃料ガスの相対湿度または露点を目標値の±２％以内に制御するために各接ガス部の少なくとも一部分の温度を±５℃以内に制御するように、液状の熱媒体の温度を５０〜１６０℃において目標値の±０．５℃以内に制御できるような充分な加熱能力と微調整能力を備え、さらに熱媒体を均一温度に制御すると共に熱伝達を向上させるように熱媒体を充分に循環させ攪拌できる能力を備えた加湿燃料ガスの相対湿度または露点の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003182504A JP2005019212A (ja) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | 燃料電池における加湿燃料ガスの湿度制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003182504A JP2005019212A (ja) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | 燃料電池における加湿燃料ガスの湿度制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005019212A true JP2005019212A (ja) | 2005-01-20 |
Family
ID=34182870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003182504A Pending JP2005019212A (ja) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | 燃料電池における加湿燃料ガスの湿度制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005019212A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007051863A (ja) * | 2005-07-21 | 2007-03-01 | F Hoffmann La Roche Ag | 所定の相対湿度を有する湿潤空気流を発生させる方法および装置 |
| WO2008034253A1 (en) * | 2006-09-19 | 2008-03-27 | Hyteon Inc. | Control of relative humidity in fuel cell systems |
| CN112234230A (zh) * | 2020-07-20 | 2021-01-15 | 武汉长海高新技术有限公司 | 一种燃料电池测试气体温湿度控制***和方法 |
| CN114865013A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-05 | 清华大学 | 燃料电池的气体加湿装置、方法及计算机可读存储介质 |
-
2003
- 2003-06-26 JP JP2003182504A patent/JP2005019212A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007051863A (ja) * | 2005-07-21 | 2007-03-01 | F Hoffmann La Roche Ag | 所定の相対湿度を有する湿潤空気流を発生させる方法および装置 |
| WO2008034253A1 (en) * | 2006-09-19 | 2008-03-27 | Hyteon Inc. | Control of relative humidity in fuel cell systems |
| CN112234230A (zh) * | 2020-07-20 | 2021-01-15 | 武汉长海高新技术有限公司 | 一种燃料电池测试气体温湿度控制***和方法 |
| CN112234230B (zh) * | 2020-07-20 | 2023-06-27 | 武汉长海高新技术有限公司 | 一种燃料电池测试气体温湿度控制***和方法 |
| CN114865013A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-05 | 清华大学 | 燃料电池的气体加湿装置、方法及计算机可读存储介质 |
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