JP2008020163A - 加湿装置および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】冬場や寒冷地等での低温起動性を向上させることができる加湿装置および燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置19と、を備える。加湿装置19は、供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュール15と、加湿モジュール15に接続されている配管11a,11bと、配管11a,11bに設けられて加湿モジュール15へのガス供給量を調整する調整手段17,18と、を備える。調整手段17,18は、加湿モジュール15よりも重力方向の高位に配置した。
【選択図】図2
【解決手段】酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置19と、を備える。加湿装置19は、供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュール15と、加湿モジュール15に接続されている配管11a,11bと、配管11a,11bに設けられて加湿モジュール15へのガス供給量を調整する調整手段17,18と、を備える。調整手段17,18は、加湿モジュール15よりも重力方向の高位に配置した。
【選択図】図2
Description
本発明は、加湿装置および燃料電池システムに係わり、特に、冬場や寒冷地等における低温起動性の向上に有効な技術に関する。
近年、燃料ガスと酸化ガス(以下、これらを反応ガスという。)との電気化学反応によって発電する燃料電池(セル)をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池に、燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに空気を加圧供給し、燃料電池において燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させる。
上記の燃料電池システムには、燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿モジュール(加湿器)が具備されているものがある(例えば、下記の特許文献1参照)。加湿モジュールとしては、例えば、燃料電池から排出される酸化オフガスに含まれる水分を利用するものの他、外部から水分を補給するものがある。
特開2005−322508号公報
このような加湿モジュールを備えた燃料電池システムが冬場や寒冷地等で使用される場合において、同燃料電池システムの停止中等に、加湿モジュールに残った水が該加湿モジュールに接続されている配管上のバルブに流れ込むと、その水が凍結してバルブが動かなくなってしまい、円滑な低温起動ができなくなる、という問題がある。
そこで、本発明は、冬場や寒冷地等での低温起動性を向上させることができる加湿装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の加湿装置は、供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュールと、前記加湿モジュールに接続されている配管と、前記配管に設けられて前記加湿モジュールへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた加湿装置であって、前記調整手段が、前記加湿モジュールよりも重力方向の高位に配置されたものである。
前記配管は、前記加湿モジュールにガスを供給するための上流側配管と、前記加湿モジュールによって加湿されたガスを当該加湿モジュールから排出するための下流側配管と、を備え、前記調整手段は、前記加湿モジュールの上流側にて前記上流側配管と前記下流側配管とを連通させる連通路と、前記連通路の開閉状態を調整する弁と、を備えていてもよい。
また、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿装置として、上記構成からなる加湿装置が用いられたものである。
以上の構成によれば、調整手段(連通路と弁)が加湿モジュールよりも高い位置に設けられているので、冬場や寒冷地等の低温環境下で使用される場合でも、加湿モジュールの内部に残った水が、運転停止中等に調整手段に流れ込むことはない。したがって、外気温が例えば0℃(水の凍結温度)を下回ったとしても、調整手段が固結することによる動作不良の発生を抑制することができる。
本発明によれば、冬場や寒冷地等での低温起動性を向上させることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図1は、燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池システム1は、燃料電池2と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素を燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システムの電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御部7と、を備えている。
燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池2の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池2は電力を発生する。
酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる供給路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排出路12と、を有している。供給路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿モジュール15と、が設けられている。排出路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通り、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ14は、モータ14aの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる供給路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路22の合流点Aに戻すための循環路23と、循環路23内の水素オフガスを供給路22に圧送するポンプ24と、循環路23に分岐接続された排出路25と、を有している。
水素供給源21は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源21の元弁26を開くと、供給路22に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁27その他の減圧弁により、最終的に例えば200kPa程度まで減圧されて、燃料電池2に供給される。
供給路22の合流点Aの上流側には、遮断弁28が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路22の合流点Aの下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路23とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ24は、モータ24aの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池2に循環供給する。
排出路25には、遮断弁であるパージ弁33が設けられている。パージ弁33が燃料電池システム1の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁33の開弁により、循環路23内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路に連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、ラジエータ43をバイパスするバイパス流路44と、ラジエータ43及びバイパス流路44への冷却水の通流を設定する切替え弁45と、を有している。冷却ポンプ42は、モータ42aの駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。
制御部7は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する駆動部18bによる弁体18aの開閉等、種々の処理や制御を行う。
ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部7は、ガス系統3,4や冷媒系統5に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
加湿モジュール15は、燃料電池2に供給される酸化ガスに例えば外部から供給される水分を補給する等して当該酸化ガスを加湿する。加湿モジュール15には、加湿モジュール15に酸化ガスを供給するための上流側配管11aと、加湿モジュール15において加湿された酸化ガスを、当該加湿モジュール15から排出して燃料電池2に供給するための下流側配管11bとが接続されている。上流側配管11aと下流側配管11bとは加湿モジュール15を介して連通しており、上記の供給路(配管)11を構成している。
上流側配管11aと下流側配管11bとの間には、加湿モジュール15の上流側にて上流側配管11aと下流側配管11bとに連通する連通路17が設けられている。連通路17には、当該連通路17の開閉状態を調整する弁18が設けられている。連通路17および弁18は、本発明に係る調整手段の一実施例であり、上流側配管11aを流れる酸化ガスの一部または全部を、必要に応じて加湿モジュール15をバイパスさせてから下流側配管11bに流すバイパス回路を構成している。
本実施形態の加湿装置19は、これら上流側配管11a、下流側配管11b、加湿モジュール15、連通路17、および弁18を備えて構成されている。
図2および図3に示すように、弁18は加湿モジュール15よりも重力方向で高位に配置されている。また、加湿モジュール15と弁18との間に配設されている上流側配管11aおよび下流側配管11bは、加湿モジュール15から斜め上方に向けて延出されたうえで屈曲され、略水平に配設されている。そして、この略水平に配設された両配管11a,11bの途中に、弁体18aと該弁体18aを駆動する駆動部18bとを備えた、例えば電磁弁からなる弁18が設けられている。
上流側配管11aは下流側配管11bよりも重力方向で高位に配置されており、連通路17は、高さの異なる両配管11a,11bをつなぐように設けられている。弁体18aは、下流側配管11bと連通路17との接続(連通)部分を開閉するように設けられており、ソレノイド等の駆動部18bによって駆動可能とされている。駆動部18bは、制御部7から出力される制御信号に基づいて作動する。
弁体18aは、燃料電池2に供給される酸化ガスの加湿量を減らす必要がある場合、下流側配管11bと連通路17との接続部分を開くように駆動される。弁体18aが開くと、その開閉状態(開度)に応じて、酸化ガスの一部または全部は、相対的に圧力損失の大きな加湿モジュール15をバイパスする。このバイパスした酸化ガスは、加湿モジュール15で水分を付加される(加湿される)ことなく、連通路17を通じて下流側配管11bに合流して燃料電池2に供給される。
上記のように構成された燃料電池システム1においては、弁18及び該弁18が配設させる連通路17が加湿モジュール15よりも高い位置に設けられているので、同システムが冬場や寒冷地等の低温環境下で使用される場合でも、加湿モジュール15に残った水が、運転停止中等に加湿モジュール15よりも重力方向上方に配置された弁18及び連通路17に流れ込むことはない。
したがって、外気温が水の凍結温度(例えば、0℃)を下回ったとしても、弁18の内部(弁体18a)が固結することによる動作不良の発生は抑制される。以上のとおり、上記の燃料電池システム1によれば、冬場や寒冷地等においても、加湿モジュール15に付属する弁18を支障なく稼動させることが可能になるので、低温起動性の向上を図ることができる。
なお、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態の加湿装置19は、燃料電池2に供給される酸化ガスを加湿するものであるが、当該酸化ガスの加湿に代えて或いは加えて、燃料電池2に供給される燃料ガスを加湿するものでもよい。
1…燃料電池システム、2…燃料電池、11…供給路(配管)、11a…上流側配管、11b…下流側配管、15…加湿モジュール、17…連通路(調整手段)、18…弁(調整手段)、19…加湿装置
Claims (3)
- 供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュールと、
前記加湿モジュールに接続されている配管と、
前記配管に設けられて前記加湿モジュールへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた加湿装置であって、
前記調整手段が、前記加湿モジュールよりも重力方向の高位に配置されている加湿装置。 - 前記配管は、前記加湿モジュールにガスを供給するための上流側配管と、前記加湿モジュールによって加湿されたガスを当該加湿モジュールから排出するための下流側配管と、を備えてなり、
前記調整手段は、前記加湿モジュールの上流側にて前記上流側配管と前記下流側配管とを連通させる連通路と、前記連通路の開閉状態を調整する弁と、を備えてなる請求項1に記載の加湿装置。 - 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿装置として、請求項1又は2に記載の加湿装置が用いられている燃料電池システム。
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JP2006194510A JP2008020163A (ja) | 2006-07-14 | 2006-07-14 | 加湿装置および燃料電池システム |
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US8492051B2 (en) | 2009-06-19 | 2013-07-23 | Hyundai Motor Company | Integrated valve system for fuel cell stack |
WO2013166576A1 (pt) | 2012-05-11 | 2013-11-14 | Universidade Federal Do Pará - Ufpa | Processo para obtenção de um extrato e de uma fração vegetal, composições farmacêuticas e seu uso |
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