JP2015183902A

JP2015183902A - 加湿装置

Info

Publication number: JP2015183902A
Application number: JP2014059572A
Authority: JP
Inventors: 井芹　充博; Mitsuhiro Iseri; 充博井芹; 信治吉野; Shinji Yoshino; 真也菊住; Shinya Kikuzumi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-10-22

Abstract

【課題】燃料電池供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿装置において、露点精度が高く、バラツキの少ない加湿ガスを得ることにより、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させる。
【解決手段】タンク内に、上部側の端面開口面積が下面側の開口面積よりも大きい、筒形状に形成されたタンク内の水を加熱する加熱装置を用い、更にその加熱装置において、筒形状の中心線に垂直な面で分割することにより、それぞれの筒形状の加熱装置を個別に制御させ、更に、ガス気泡の上昇経路に、気泡を細分化させる多孔質部品を設置させた加湿装置を用いることで解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に加湿ガスを供給する加湿装置に関するものである。

燃料電池は、電解質に水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスを送り込み、電気化学的に反応させる事により、電力と熱とを同時に発生させる装置である。

燃料電池の種類の中で特に代表的なものとして、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池がある。この固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の加湿状態が、燃料電池の出力に対して大きく影響を与えるため、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する必要性がある。また、燃料ガスや酸化剤ガスに対する、加湿の応答性、加湿のバラツキなどにより、燃料電池の出力が変化するため、ガスの加湿状態が非常に重要な要素となる。

燃料電池に送り込む燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する方法として、バブリング方式がある。このバブリング式の加湿装置は、加湿タンク内に設けられたガス供給口から、加湿するガスを送り込み、このガス供給口の先端に設けられたガス噴出ノズルよりガスを噴出し、この噴出したガスを、一定の温度に加熱されたタンク内の加熱水の中を通すことで加湿を行っている。

加湿されたガスは、加湿タンクに設けられたガス排出口から取り出される。このバブリング方式は、ガスを加熱水の中を通すだけで加湿ガスが得られるため、加湿器の構成が簡単で、一般的に広く採用されている。

例えば、図７に開示する、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿装置が知られている（特許文献１参照）。

図７に示すように、加湿装置のタンク１０１内には、ある温度に加熱された加熱水１０６が貯水されている。ガス導入口１０３より、加湿させる燃料ガスや酸化剤ガスを挿入し、送り込まれたガスは、ガス導入口の先端部の噴出口１０５より噴出される。噴出されたガスは気泡形状１０７となり、加熱装置１０２にて加熱された加熱水１０６の中を、ガスの噴出口１０５から、加熱水１０６の水面上部へ上昇していく。

噴出されたガス１０７は、加熱水１０６の中を上昇していく過程において、熱交換および水分が付与され、加湿した状態のガスになる。加湿されたガスは排出口１０４を通り排出され、燃料電池へと送り込まれていく。

タンク１０１内にある加熱水１０６は、タンク１０１の外周部に配置されている加熱装置１０２にて加熱するようになっている。この加熱装置１０２は、タンク１０１の外周部に密着し、また、タンクの下面から上面にわたり配置されているので、タンク１０１内の加熱水１０６を、下面から上面まで均一に加熱することができ、加熱水１０６における、下面から上面までの温度分布バラツキを少なくすることができる。その結果、ガスの加湿状態のバラツキも少なくすることができる。

また、図８に開示するような加湿装置も知られている（特許文献２参照）。

この加湿方式においては、タンク１０８内の水１１３を加熱する加熱装置１０９が、水１１３の内部に設置されている。加熱装置１０９を水１１３の内部に設置することにより、タンク１０８内の水１１３を効率的に加熱することができ、また、ガスの気泡１１４に近いため、ガスの気泡１１３の温度上昇も効率的に行うことが出来る。

特開２０００−６７８９３号公報特開２００６−１２８００１号公報

このバブリング方式におけるガスの加湿は、加熱水の中にガスを通して加湿するため、加熱水の温度とガスの露点温度は、基本的に一致する。言い換えれば、加熱水の温度にバラツキが発生すると、ガスの加湿状態にもバラツキが発生する。

ガスの加湿状態は、加熱水の温度状態に大きく影響される。ガスの加湿状態を高精度に制御するには、加熱水の温度を高精度に制御する必要がある。しかしながら、特許文献１の加湿装置では、タンク１０１内にある加熱水１０６を、タンク１０１の外側外周部に配置されている加熱装置１０２にて加熱しているため、高精度の加湿ガスを得ることは難しい。

詳細には、ガス導入口の先端部の噴出口１０５より噴出されるガス１０７は、タンク１０１内の加熱水１０６の中央部分を上昇する。上昇する過程において、ガスの気泡１０７は、その気泡の周囲に存在する加熱水１０６の温度を奪い、加熱水１０６との間で熱交換を行いながら加湿される。そのため、ガスの上昇経路となるタンク１０１の中央部分の加熱水１０６は、タンク１０１の外周部付近の加熱水よりも温度低下が激しい。

特許文献１における加熱装置１０２は、タンク１０１の外側外周部に設置されているため、加熱水１０６の中央部分の温度を均一に制御することは難しく、また、加熱水１０６のそれぞれの場所においてもバラツキが発生してしまう。その結果、ガスの加湿状態にもバラツキが発生してしまう。

また、加熱装置１０２は、タンク１０１の外側に配置されているため、エネルギーロスが大きく、加熱水１０６の昇温効率も悪い。更に、温度の低下が激しい加熱水１０６の中央部分と、加熱装置１０２の距離が離れているため、ガスの加湿状態を変化させるため、加熱水の温度を変化させるときの応答性も悪い。

特許文献２の加湿構造は、タンク１０８内の水１１３を加熱する加熱装置１０９が、タンク１０８の内部に設置されているため、タンク１０８内の水１１３を効率的に昇温させることは出来るが、加熱装置１０９はタンク１０８内の水１１３の下面側に配置されているため、下面部分の水の温度は高く、上面部分の水の温度は低い状態となってしまう。その結果、水１１３の温度バラツキが発生してしまい、ガスの加湿状態にもバラツキが発生してしまう。

タンク内の水を効率的に加熱し、温度のバラツキを少なくする方法として、タンク内の加熱水の中に、筒形状の加熱装置を配置する方法も考えられる。タンク内を上昇するガスの気泡は、上昇するに従い、平面方向に広がる性質がある。

しかしながら、筒形状の加熱装置においては、上部側の端面開口面積と下面側の開口面積が同じ（上部側の端面開口部の直径と、下面側の端面開口部の直径が同じ）なため、ガスの気泡が上昇するに従い、平面方向に広がることができず、ガスの気泡どうしが結合、巨大化してしまう。巨大化してしまうと、同じ体積の気泡と比べて表面積が減少し、加熱水との熱交換の効率が悪化し、十分な加湿ができない状態となる。

また、噴出された直後のガスは温度が低いため、噴出される近傍の水温は下がりやすく、ガスが上昇するに従い、水温の下がる度合いは小さくなる。この筒形状の加熱装置の場合、下面側から上面側まで一体物であるため、加熱装置の場所によって、加熱温度を調整することは難しい。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、タンク内の加熱水の温度バラツキを少なくし、ガス気泡の細分化を行い、加湿精度の高い加湿装置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、本発明においては、加湿装置のタンク内に、上部側の端面開口面積が下面側の開口面積よりも大きい、筒形状に形成されたタンク内の水を加熱する加熱装置を用いている。そしてその加熱装置は、筒形状の中心線に垂直な面で分割されており、それぞれの筒形状の加熱装置を個別に制御できるようになっている。

更に、ガス気泡の上昇経路に、気泡を細分化させる多孔質部品を設置している。このような加湿装置にて、十分に加湿され、露点温度のバラツキが少ない、高精度な加湿ガスを提供する。

上記の手段を用いることにより、タンク内の水の中に加熱装置を配置させているので、エネルギーロスが少なく、効率的にタンク内の水を昇温させることができる。また、噴出口から噴出されたガスの上昇経路の近傍を、上昇経路を取り囲むように、ガスの噴出する下面側から上部水面側までこの加熱装置にて加熱しているため、ガスの近傍の加熱水の温度低下を防止することができ、また、温度分布も均一にすることができる。

上部側の端面開口面積が下面側の開口面積よりも大きい筒形状に形成された加熱装置を用いることにより、ガスの気泡が上昇するに従い、気泡どうしが結合すること無く、平面方向へ広がりながら上昇するため、十分な加湿状態が確保される。

そして、筒形状の加熱装置を個別に制御し、水温の低下が激しい部分と激しくない部分の加熱条件を変化させることにより、タンクの下面側から上部水面側にわたり、更に均一な温度状態に保つことができる。また、ガス気泡の上昇経路に、気泡を細分化させる多孔質部品を設置させることにより、気泡の結合を防止し、加湿効率を向上させることが出来る。

以上のように、本発明によれば、露点精度が高く、バラツキの少ない加湿ガスを得るための加湿装置を提供することができる。

本発明における加湿装置の概略図加熱装置の両端面が同じ形状となっている加湿装置の概略図本発明における段形状の筒加熱装置を有する加湿装置の概略図本発明における、らせん形状の加熱装置を有する加湿装置の概略図本発明の実施の形態２における加熱装置を分割し、それぞれを独自に温度制御できるようにした加湿装置の概略図本発明の実施の形態３における、多孔質の部品を配置した加湿装置の概略図従来の、タンク外周部に加熱ヒータを設置した加湿装置の概略図従来の、タンク内部に加熱ヒータを設置した加湿装置の概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気的に反応させることで、電力、熱、および水を同時に発生させるものである。この固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の加湿状態が、燃料電池の出力に対して大きく影響を与えるため、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する必要性がある。

図１に、本発明の、実施の形態１における、燃料ガス、酸化剤ガスを加湿する加湿装置の概略図を示す。

加湿させる燃料ガスまたは酸化剤ガスを、ガス導入管２０４に挿入する。挿入されたガスは、ガス導入管２０４を通り、ガス噴出口２０６からガス気泡２０７となって、加湿タンク２０１内の加熱水２０３の中に噴出される。噴出されたガス気泡２０７は、加湿タンク２０１内の加熱水２０３の中を上昇し、加熱水２０３の上部水面部へ移動していく。

ガスの気泡は、加湿タンク２０１内の加熱水２０３の中を上昇していく過程において、加熱水２０３との熱交換により温度が上昇し、また、加熱水２０３から水分を吸収することで加湿されていく。加湿されたガスは、加湿タンク２０１内の加熱水２０３が満たされていない気体充満部分に放出され、ガス排出管２０５を通って排出される。

排出された加湿ガスは、その後、燃料電池へ供給される。加熱水２０３の中を通過したガス気泡２０７は、加熱水２０３と同じ温度の露点となるが、加熱水２０３を通過する時間が短かったり、ガスの気泡と加熱水２０３との熱交換、水分授与がうまく行われなかったりすると、加湿状態が不十分になってしまい、加熱水２０３の温度よりも低い露点温度の加湿ガスが発生する。また、加熱水２０３の温度が時間の経過と供に変化したり、加熱水２０３の場所において温度が違ったりすると、加湿状態のバラツキが発生する。

本発明の加湿装置においては、加湿タンク２０１内の加熱水２０３を加熱する加熱装置２０２を、加熱水２０３の中に配置することにより、加熱水２０３を効率的に加熱することが出来る。この加熱装置２０２は、ガス噴出口２０６より噴出されたガス気泡２０７の上昇経路を取り囲むように、加熱水２０３の底面２０３ｂから上面に伸びる円筒形状をしており、ガス気泡２０７に接近するように配置されている。ガス噴出口２０６から噴出されたガス気泡２０７は、加熱水２０３の中を上昇する過程で、周囲の加熱水２０３から熱を奪うため、ガス気泡２０７の周囲近傍の加熱水２０３の温度が低下しやすい。

しかし、本発明においては、ガス気泡２０７の近傍を筒形状の加熱装置で加熱しているため、加熱水２０３の温度低下を抑制させることが出来る。また、ガス気泡２０７の上昇経路における、加熱水の下面側２０３ｂから上面側まで、筒形状の加熱装置２０２にて加熱しているため、ガスの気泡が上面側に達するまで、常に熱エネルギーが与えられている状態となり、安定した加湿状態が得られる。なお、この筒形状の加熱装置２０２は、断面形状が円である円筒形状だけでなく、多角形の多角柱の形状であっても良い。

また、この筒形状の加熱装置２０２において、上面側の端面における開口面積は、下面側の端面における開口面積に対して大きくなるように設定されている。ガス噴出口２０６より噴出されたガス気泡２０７は、加湿タンク２０１の中心から加湿タンク２０１の外周方向へ広がりながら上昇していく。

図２に示すように、筒形状の加熱装置２１２の下側端面開口形状と上側端面開口形状が同じであれば、ガス気泡２０７の加湿タンク外周方向への広がりが阻害されるため、ガス気泡２０７どうしが結合し、上昇するに従い気泡が大きくなっていく。大きくなると浮力が増大し、気泡の上昇速度が速くなる。

上昇速度はガス気泡２０７の浮力にほぼ比例し、浮力はガス気泡２０７の体積にほぼ比例する。体積は直径の３乗に比例するので、ガス気泡２０７の直径が２倍になれば、上昇速度は８倍になる。上昇速度が速くなると、ガス気泡２０７における加熱水２０３の通過時間が短くなり、ガス気泡２０７と加熱水２０３との間での熱交換、水分授与が不十分となるため、満足に加湿が行われなくなる。

更に、ガス気泡２０７が結合すると、同じ体積において、小さい気泡が多数の場合の合計表面積に対して、大きい気泡で数が少ない場合の合計表面積は小さくなる。表面積が小さくなることにより、加熱水２０３に接する面積が小さくなり、十分な熱交換が出来なくなる。

本発明の筒形状の加熱装置２０２において、上面側の端面における開口面積を下面側の端面における開口面積よりも大きくすることにより、ガス気泡２０７における、加湿タンク２０１の外周方向への広がりを阻害しないため、ガス気泡２０７どうしの接合を防止することが出来る。

加熱装置２１２の両端面の開口形状に関しては、上面側の開口面積を下面側の開口面積の１．５倍以上に設定することが理想であるが、ガス噴出口２０６の大きさ、加湿タンク２０１の大きさにより、適宜設定する必要がある。

ガス気泡２０７は、加湿タンク２０１の中央部付近を上昇していき、加湿タンク２０１の中央部付近の加熱水２０３も同様に上昇していく。次に、水面上に上昇した加熱水２０３ａは、加湿タンク２０１の外周方向２０９に、水平に移動していく。次に、加湿タンク２０１の外周側壁面に沿って下面方向２１０に下降し、その後、加湿タンク２０１の中心方向２１１に水平に移動していく。

そしてまた、ガス気泡２０７に伴って上昇していく。筒形状の加熱装置を使用することにより、このような加熱水２０３の対流が発生し、加熱水２０３を攪拌する作用により、加熱水２０３の温度バラツキが無くなる。筒形状の加熱装置２０２における外周部形状と、加湿タンク２０１における内周形状における隙間を１０ｍｍ以上に設定することにより、加熱水２０３の対流がよりスムーズに行われる。

本発明における加熱装置に関して、図１に示すようなテーパ状の円すい形状に限定するものではなく、図３に示すように、断面形状が加湿タンク２０１の上面にいくに従い、段階的に大きくなっていく形状でも有効である。

また、図４に示すように、らせん形状を有し、同様に、上面に行くに従い断面形状が大きくなる加熱装置においても有効である。このとき、らせん形状のピッチを小さくすればするほど、ガス気泡２０７の昇温効率は向上する。

（実施の形態２）
更に、ガスを高精度に加湿する方法として、図５に実施の形態２における、加湿装置の概略図を示す。

ガスの噴出口２２３より噴出されたガスの気泡２２４は、加湿タンク２２０の加熱水２２２の中を上昇していくが、噴出直後のガスは冷えているため、ガスの噴出口２２３近辺の加熱水は、温度が奪われやすく温度の低下も大きい。ガスの気泡２２４が上昇するに従い、ガスの気泡２２４の温度は上昇するため、加熱水の温度低下の度合いは小さくなっていく。

つまり、加湿タンク２２０内の加熱水において、下面側の加熱水は温度低下が大きく、上面側に行くに従って低下度合いは緩やかになる。加熱水２２２の温度低下を補うために、加熱装置２２１にて加熱するが、一つの加熱装置にて、温度低下が部分的に違う加熱水２２２に対して、温度が均一になるように加熱制御するのは難しく、加熱水２２２の温度バラツキが発生してしまう。

そこで、本発明においては、加熱装置２２１を分割構造にして、それぞれを温度制御し、加熱水２２２の温度バラツキが発生しないようにしている。

図５に示すように、噴出口２２３近辺の加熱水下面部を、設定の温度になるように加熱装置２２１ａにて加熱する。また、ガスの気泡２２４が上昇した、加熱水中層部を、加熱装置２２１ｂにて加熱する。そして、加熱水上層部を加熱装置２２１ｃにて加熱する。このように、加熱水２２２のそれぞれの場所を、分割された加熱装置２２１にてそれぞれ加熱、温度制御することにより、温度バラツキが少ない加熱水２２２を得ることが出来る。

この実施例では、加熱装置を上面部、中層部、下面部の３つに分割しているが、分割数を更に増やすことにより、加熱水２２２のバラツキは更に少なくなる。

（実施の形態３）
更にガスを高精度に加湿する方法として、図６に実施の形態３における加湿装置の概略図を示す。

ガス噴出口２３３から噴出されたガスの気泡２３４は、加熱水２３２の中を上昇するに従い、近接するガスの気泡と結合しやすくなる。結合を防止するため、加熱装置２３１の上面端面形状の面積を、下部端面形状の面積よりも大きくしているが、それでも、多少の結合は発生してしまう。

そこで本発明においては、ガスの気泡２３４の上昇経路の途中に、多孔質の部品２３５を設置し、結合した気泡を分割するようにしている。噴出口から噴出され上昇していくガスの気泡２３４は、多孔質部品２３５ａに衝突する。この多孔質部品２３５ａは、小さな穴が無数に開いているので、結合してその穴よりも大きくなったガスの気泡は、この多孔質部品２３５ａの穴を通過する際に、細かく分断される。ガスの気泡２３４は分断後、再度上昇していくが、次に同様に、多孔質部品２３５ｂに衝突し、再度分断される。

ガスの気泡２３４が水面に到達したときには、気泡の巨大化が抑制され、細分化された気泡となって、水面から噴出される。その結果、加湿の時間が十分確保される。また、ガスの気泡２３４の表面積が増大し、加熱水２３２との熱交換も十分行われることにより、高精度の加湿ガスを得ることが出来る。

更なる利点として、次のことも挙げられる。ガスの気泡が水面に到達したとき、水面が波打つ現象が発生する。ガスの流量が多くなればなるほど、波打つ度合いは大きくなり、大きくなると、加熱水２３２の水分が加湿ガスと供に排出される可能性がある。この多孔質の部品２３５を使用すると、ガスの気泡２３４が衝突したとき、上昇速度が緩められるため、水面での波打ち現象も緩和される。

この実施例では多孔質部品２３５を使用している。例えば、繊維やファイバーを集積した物、発砲体、または穴が多数空けられているプレートなどが使用可能である。この実施例では、２個の多孔質部品を使用しているが、更に多くの多孔質部品を使用することにより、ガスの気泡２３４のさらなる細分化を実施することが出来る。

多孔質部品２３５における、ガスが通過する穴の径は、小さすぎると、ガスの気泡が通過しないので、φ０．５ｍｍ以上に設定するのが望ましく、しかしながら、大きすぎると気泡分断の効果が無いので、ガスの流量、加熱水の温度などの条件により適宜設定する必要がある。

また、上面側の多孔質部品２３５ｂの穴の径を、下面側の多孔質部品の穴の径よりも若干大きくすることで、ガスの気泡２３４の通過がスムーズになる。

本発明の加熱装置は、家庭用コジェネシステム燃料電池、自動車用燃料電池、携帯電話などの基地局用電源の燃料電池、および、燃料電池を評価、測定する燃料電池評価システムに適用可能である。更に、燃料電池に限らず、加湿が必要な医薬品保管庫、半導体部品保管庫、美術品の保管庫、呼気再現評価装置、金属熱処理雰囲気の加湿、セラミック焼成熱処理雰囲気の加湿、印刷・繊維工場雰囲気の加湿、粉体・造粒工程での静電気除去の加湿、植物工場などの加湿装置にも適用可能である。

２０１，２２０加湿タンク
１０２，１０９，２０２，２１２，２２１，２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２３１加熱装置
１０６，２０３，２０３ａ，２２２，２３２加熱水
２０４ガス導入管
２０５ガス排出管
２０６，２３３ガス噴出口
２０７ガス気泡
２０９外周方向
２１０下面方向
２１１中心方向

Claims

水を貯蔵する加湿タンクと、
前記加湿タンクの内部にガスを導入しガス噴出口を有するガス導入管と、
前記加湿タンクの内部に配置され前記水を加熱する加熱装置と、を具備し、
前記ガス噴出口の開口部は前記加熱装置の間の下部に配置され、
前記加熱装置は、筒形状であり、かつ、前記加湿タンクの上面に向けて大きくなるように構成されること、
を特徴とする、加湿装置。
前記加熱装置は、筒形状の中心線に垂直な方向に分割して構成され、
分割された複数の状加熱装置は、各々、独立して温度調整が可能である、請求項１記載の加湿装置。
前記加湿タンクの内部に多数の穴が加工された多孔質の部品を配置し、加湿されるガスをその多孔質部品の穴に通過させる、請求項１または２に記載の加湿装置。