JP4615870B2 - Humidification gas supply system - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型の燃料電池にガスと水蒸気とを混合した加湿ガスを供給する加湿ガス供給システムに関する。 The present invention relates to a humidified gas supply system for supplying a humidified gas obtained by mixing gas and water vapor to a solid polymer fuel cell.
例えば、固体高分子型燃料電池は、一般的に、水素イオン伝導性の固体高分子を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素子、即ち固体高分子電解質膜−電極接合体、及び各電極面にそれぞれの反応ガスを供給するためのガス通路を画成すると共に、発電素子を両側から支持するガス分離部材を積層した構造を有する。そして、一方の電極に水素ガス(燃料ガス)を供給し、他方の電極に酸素あるいは空気即ち酸化剤ガスを供給して、燃料ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを、直接電気エネルギーとして取り出すようになっている。 For example, a solid polymer fuel cell generally includes a power generation element constituted by sandwiching a hydrogen ion conductive solid polymer between carbon electrodes carrying a platinum catalyst, that is, a solid polymer electrolyte membrane-electrode assembly, In addition, a gas passage for supplying each reaction gas to each electrode surface is defined, and a gas separation member for supporting the power generation element from both sides is laminated. Then, hydrogen gas (fuel gas) is supplied to one electrode and oxygen or air, that is, an oxidant gas is supplied to the other electrode, so that chemical energy related to the oxidation-reduction reaction of the fuel gas is directly taken out as electric energy. It has become.
この燃料電池にあっては、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応により電気エネルギーを取り出すことができる。この固体高分子電解質膜中を水素イオンが移動するため、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまうので、水分を供給する必要がある。 In this fuel cell, hydrogen gas is ionized on the anode side and moves in the solid polymer electrolyte membrane, and electrons move to the cathode side through an external load and react with oxygen to produce water. Electrical energy can be extracted by a series of electrochemical reactions. Since hydrogen ions move through the solid polymer electrolyte membrane, if the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is lowered and the energy conversion efficiency is lowered. is there.
そこで、従来の固体高分子型燃料電池においては、例えば、特許文献1に示すように、水蒸気透過膜を使用した加湿装置や噴霧器等によって反応ガスを積極的に加湿して高い反応速度を維持するようにしている。そして、最終的には大容量のチャンバー内に加湿したガスを所定温度、所定湿度に保つようにして保持し、発電量に応じて加湿したガスを燃料電池に供給している。一方、燃料電池の製造にあたっては、出荷前に前述の固体高分子電解質膜に適度の湿り気が必要であり、また、性能検査にあたっては、その水分条件を精度よく確保する必要がある。
Therefore, in a conventional polymer electrolyte fuel cell, for example, as shown in
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、成分設定が必要な出荷前の水分付与工程、性能検査工程において、一定の水分を含む加湿ガスを製造することは困難であって時間がかかり(通常、数十分)、その間、加湿ガスの温度や圧力、更には湿度が一定せず、燃料電池性能検査の条件設定に困難を伴うという問題があった。
However, in the method described in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、短時間で、所定の温度、流量、及び湿度の加湿ガスを製造することが可能な加湿ガス供給システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a humidified gas supply system capable of producing a humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity in a short time.
前記目的に沿う請求項1記載の加湿ガス供給システムは、原料ガスを水蒸気と混合して製品加湿ガスを生成し、該製品加湿ガスを固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス供給システムであって、
前記製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を供給する水供給手段と、
前記原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記水供給手段から供給された原水を加熱すると共に、前記ガス供給手段から前記原料ガスを供給して前記水蒸気を発生させる蒸発部と、
前記蒸発部から供給される前記水蒸気及び前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、
前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温し、前記製品加湿ガスを生成する冷却部とを有し、前記蒸発部、前記混合昇温部及び前記冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられて、しかも、
前記蒸発部は、前記水供給手段から供給される原水を貯留し、該原水中には前記ガス供給手段によって供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となると共に、前記気泡を更に小さくする球状固形物が充填された貯水槽と、
前記貯水槽に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、前記水供給手段から供給される原水を一旦受ける受皿と、
前記蒸発部内を加熱して供給された前記原水を前記水蒸気とする1又は2以上の発熱体からなる第1の加熱手段とを有し、更に前記ガス供給手段から供給される原料ガスを前記貯水槽に溜められた原水中に通して加湿して、
所定の温度、流量、及び湿度の前記製品加湿ガスを製造する。
The humidified gas supply system according to
Water supply means for supplying raw water corresponding to the amount of water finally contained in the product humidified gas;
Gas supply means for supplying the source gas;
An evaporator that heats the raw water supplied from the water supply means and supplies the raw material gas from the gas supply means to generate the water vapor;
Mixing the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporation unit to generate a raw humidified gas, and heating the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas; and
A cooling unit that cools the superheated humidified gas generated in the temperature rising unit and generates the product humidified gas, and the evaporating unit, the mixed temperature rising unit, and the cooling unit are arranged in a height direction from below. Stacked one after another,
The evaporating unit stores the raw water supplied from the water supply unit, and the raw water has a spherical shape that provides resistance to rising of the bubbles of the source gas supplied by the gas supply unit and further reduces the bubbles. A water tank filled with solids;
A tray that is disposed at a position higher than the surface of the raw water stored in the water tank, and that once receives the raw water supplied from the water supply means;
First heating means comprising one or more heating elements that use the raw water supplied by heating the inside of the evaporation section as the water vapor, and the raw material gas supplied from the gas supply means is further stored in the water storage Humidify it through the raw water stored in the tank,
The product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate and humidity is produced.
請求項1記載の加湿ガス供給システムにおいて、原料ガスとしては、水素、空気、水素と二酸化炭素の混合気体、水素と一酸化炭素の混合気体等が用いられる。また、原水としては、2μS/cm以下、好ましくは1μS/cm以下の純水が好適に用いられる。水供給手段としては、一定水量の原水を供給できればよく、例えば、回転数によって一定の水量の原水を供給する定量ポンプが用いられ、この場合には、原水中の気体を除去するために真空引きによって脱気するのが好ましい。冷却部としては、高温の過熱加湿ガスを降温できればよく、例えば、熱交換器が用いられる。 In the humidified gas supply system according to claim 1, hydrogen, air, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide, or the like is used as the raw material gas. Moreover, as raw water, pure water of 2 μS / cm or less, preferably 1 μS / cm or less is suitably used. As the water supply means, it is only necessary to supply a constant amount of raw water. For example, a metering pump that supplies a constant amount of raw water according to the number of revolutions is used. In this case, a vacuum pump is used to remove gas in the raw water. It is preferable to deaerate. As a cooling part, what is necessary is just to be able to temperature-fall high temperature overheating humidification gas, for example, a heat exchanger is used.
そして、前記蒸発部、前記混合昇温部及び前記冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられている。ここで、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスが、その上に位置する冷却部で降温されて、過熱加湿ガス中の水蒸気(過熱水蒸気)が露点以下となって水滴となった際に、この水滴が落下して、蒸発部に供給することができる。
また、請求項2記載の加湿ガス供給システムは、請求項1記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記球状固形物は直径が3〜7mmの球状のボールである。
And the said evaporation part, the said mixing temperature rising part, and the said cooling part are piled up in order from the bottom in the height direction. Here, when the superheated humidified gas generated in the mixed temperature raising unit is cooled down in the cooling unit located above, the water vapor in the superheated humidified gas (superheated water vapor) becomes a dew point or less and becomes water droplets. This water droplet falls and can be supplied to the evaporation section.
The humidified gas supply system according to
なお、請求項1記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記冷却部の下流側には生成した前記製品加湿ガスを保温あるいは昇温する温調部が設けられ、前記燃料電池に供給する該製品加湿ガスの温度を所定値にすることもできる。ここで、温調部には、配管ヒータや断熱材等が使用できる。また、生成した製品加熱ガスを加熱して所定温度よりも高い加湿ガスとし、外部への熱の放散による温度低下を防止し、更に燃料電池に供給する前に降温して所定温度とした製品加湿ガスとすることもできる。
2. The humidified gas supply system according to
請求項1記載の加湿ガス供給システムは、受皿に供給されて加熱された原水は、貯水槽内の原水と混合されても温度低下を起こし難くなる。また、貯水槽内に貯留された原水は、第1の加熱手段によって加熱され、貯水槽内の加熱された原水に原料ガスを通して、水蒸気を発生させ、原料ガスを加湿することができる。
Humidified gas supply system of
請求項3記載の加湿ガス供給システムは、請求項1記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記発熱体の少なくとも1つは過熱水蒸気であって、該過熱水蒸気を用いて前記蒸発部内を加熱して、前記貯水槽に溜められた前記原水を昇温すると共に、前記水供給手段から前記蒸発部に供給する前記原水の水量を、前記蒸発部内に供給する前記過熱水蒸気の水量分減らす。
Humidified gas supply system of
請求項4記載の加湿ガス供給システムは、請求項1〜3記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記混合昇温部は、下部に前記生加湿ガスを生成させる混合部を備え、上部に該混合部で生成した生加湿ガスを加熱して、前記過熱加湿ガスを生成させる昇温部を備えている。ここで、原料ガスと水蒸気の流れによって自然に両者が混合されるが、混合を促進する必要があれば、混合部に、例えば邪魔板等を置いて、ガスの流れによって積極的に乱流を発生させてもよい。また、邪魔板等によって、生加湿ガスが昇温部に接近するように誘導し、生加湿ガスを効率よく昇温させてもよい。
The humidified gas supply system according to
請求項1〜4記載の加湿ガス供給システムは、水蒸気及び原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温して製品加湿ガスを生成する冷却部とを有するので、所定温度以上に加熱された過熱加湿ガスを降温して、所定の温度、流量、及び湿度の製品加湿ガスを製造でき、製品加湿ガスの温度管理がし易くなる。
The humidified gas supply system according to any one of
そして、蒸発部、混合昇温部及び冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられているので、過熱加湿ガス中の水蒸気が冷却部で冷却され水滴となった際に蒸発部に再び戻り、水供給手段から供給する原水の量を少なくできる。 Since the evaporating unit, the mixing temperature raising unit and the cooling unit are stacked in order from the bottom in the height direction, when the water vapor in the superheated humidified gas is cooled by the cooling unit to form water droplets, the evaporating unit returns to the evaporating unit again. The amount of raw water supplied from the water supply means can be reduced.
また、蒸発部には、水供給手段から供給される原水を貯留する貯水槽と、貯水槽に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、水供給手段から供給される原水を一旦受ける受皿と、蒸発部内を加熱して供給された原水を水蒸気とする1又は2以上の発熱体からなる第1の加熱手段とを有し、更にガス供給手段から供給される原料ガスを貯水槽に溜められた原水中を通して加湿するので、受皿に供給されて加熱された原水は貯水槽内の原水の温度を低下させ難くなり、第1の加熱手段での加熱効率が向上する。 Further, the evaporation unit includes a water storage tank for storing the water supplied from the water supply means is disposed at a position higher than the water level of the raw water stored in the water storage tank, the water supplied from the water supply means temporarily A receiving tray, and a first heating means composed of one or more heating elements whose raw water supplied by heating the inside of the evaporation section is steam, and further a raw material gas supplied from the gas supply means Since the raw water stored in the water is humidified, the raw water supplied to the tray and heated is unlikely to lower the temperature of the raw water in the water storage tank, and the heating efficiency of the first heating means is improved.
請求項3記載の加湿ガス供給システムは、発熱体の少なくとも1つは過熱水蒸気であって、過熱水蒸気を用いて蒸発部内を加熱して、貯水槽に溜められた原水を昇温すると共に、水供給手段から蒸発部に供給する原水の水量を、蒸発部内に供給する過熱水蒸気の水量分減らすので、過熱水蒸気を原水として使用でき、また、貯留されている原水に与える熱量とすることができる。この熱量は、蒸気が液化により放出される熱量であって、原料ガスの流量増変更時には、一時に必要な高熱量を補うことができる。
Humidified gas supply system of
請求項1記載の加湿ガス供給システムは、貯水槽には、貯留された原水中に球状固体物が充填されているので、貯水槽中に供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となり、原料ガスと水を十分に接触させることができる。また、原料ガスの気泡を小さくして、水との接触面積を大きくできる。
In the humidified gas supply system according to
請求項4記載の加湿ガス供給システムは、混合昇温部は、下部に混合部を備え、上部に混合部で生成した生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる昇温部を備えているので、水蒸気及び原料ガスを確実に過熱加湿ガスにできる。
The humidified gas supply system according to
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図、図2は同加湿ガス供給システムの受皿の平面図、図3は同加湿ガス供給システムを用いた製品加湿ガスの温度制御を示すフローチャート、図4は同加湿ガス供給システムを用いた製品加湿ガスの湿度制御を示すフローチャートである。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
Here, FIG. 1 is an explanatory view of a humidified gas supply system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a tray of the humidified gas supply system, and FIG. 3 is a product humidifier using the humidified gas supply system. FIG. 4 is a flowchart showing the humidity control of the product humidified gas using the humidified gas supply system.
図1及び図2を参照して、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システム10について説明する。
加湿ガス供給システム10は、固体高分子型の燃料電池10aに所定の流量、温度及び湿度の製品加湿ガスを連続的に供給する装置であって、製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を供給する水供給手段11と、原料ガスを供給するガス供給手段12と、水供給手段11から供給された原水を加熱して水蒸気を発生させる蒸発部13とを有している。
With reference to FIG.1 and FIG.2, the humidified
The humidified
また、加湿ガス供給システム10は、蒸発部13及びガス供給手段12から、それぞれ供給される水蒸気及び原料ガスを混合して、生加湿ガスを生成させると共に、生成した生加湿ガスを過熱して、過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部14と、混合昇温部14で生成した過熱加湿ガスを降温し、所定温度の製品加湿ガスを生成する冷却部16と、この生成した製品加湿ガスを保温あるいは昇温して所定値に保つ温調部17とを有している。なお、蒸発部13、混合昇温部14、及び冷却部16は、高さ方向に下から順に積み上げられている。以下、詳しく説明する。
Further, the humidified
水供給手段11は、原水(例えば、2μS/cm以下、好ましくは1μS/cm以下の純水)を貯留する原水タンク20と、原水タンク20に貯留された原水を原水供給管21を介して蒸留部13の受皿31に供給する定量ポンプ22を有している。定量ポンプ22は、回転数によって供給する液量が決まり、原水に含まれる気体によって水の量が異なるため、定量ポンプ22の上流側には、真空ポンプ23を設けている。更に、原水供給管21には、原水を予め加熱する配管ヒータ24が設けられている。なお、蒸発部13内壁に原水供給管21を沿わせ、加熱された原水を受皿31に供給してもよい。
The water supply means 11 includes a
また、ガス供給手段12は、原料ガス、例えば、水素を貯留しているガスボンベ25と、ガスボンベ25から蒸発部13の下部へ原料ガスを送るガス供給管26と、ガス供給管26に設けられ、供給するガスの流量を調節する減圧弁及び流調弁を有するガス流量調節器27を有している。ガス供給管26の先部は、原料ガスを小さな気泡として供給できる形状となっている。また、ガス供給管26のガス流量調節器27の下流側には、原料ガスを加熱する配管ヒータ28が取付けられている。
The gas supply means 12 is provided in a
蒸発部13は、水供給手段11から供給される原水を貯留する貯水槽30と、貯水槽30に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、水供給手段11から供給される原水
を一旦受ける受皿31と、上部が受皿31に貫入して設置され、蒸発部13内を加熱し、供給された原水を水蒸気とする発熱体の一例である1又は2以上、例えば5本の棒状の第1の加熱ヒータ32からなる第1の加熱手段を有している。ここで、受皿31には、それぞれの第1の加熱ヒータ32と隙間(例えば、0.5〜3mm)を空けて設けられた貫通孔33と、受けた原水を下方にしみ出させる複数の微小隙間(例えば、0.5〜3mmの微小孔)34とを有している。
ここで、受皿31に供給された原水は、第1の加熱ヒータ32と貫通孔33の隙間又は微小隙間34(即ち、流通部)を通って下方にしみ出て貯水槽30に貯留される。第1の加熱ヒータ32と貫通孔33の隙間を通った原水は、第1の加熱ヒータ32を伝わり加熱されながら下方に落ちて貯水槽30に溜まる。また、微小隙間34を通った原水は、微小な隙間からしみ出るので、しずく(小さな水滴)となって、表面積が増大する。これによって、しずくとなった原水は加熱され貯水槽30に溜まる。
Here, the raw water supplied to the
水供給手段11から供給される原水を一旦受皿31に受けて加熱することによって、水供給手段11から供給される冷たい原水が加熱されて、貯水槽30内の熱い原水と混合されるので、貯水槽30内の原水の温度低下が起こり難くなる。また、貯水槽30の外側周囲には、熱の放散による温度低下を起こり難くする保温手段の一例である貯水槽用ヒータ36が取付けられている。また、保温手段は、断熱材を使用してもよい。なお、図1は、ヒータ36を貯水槽30の外側周囲のみではなく、蒸発部13の外側周囲全体に取付けた状態を示している。
By heating receive once pan 31 raw water supplied from the
また、貯水槽30には、球状固体物の一例であるアルミナ系セラミックのボール35が充填され、貯水槽30に溜まった原水中に浮遊している。ボール35は、直径2〜5mmの実質的に球形であり、比重も軽く、貯水槽30内の原水の対流によって、ボール35も上下に移動することができる。また、ボール35は、ガス供給手段12より供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となると共に、ガス供給手段12から供給された原料ガスの気泡を更に小さくすることができる。また、第1の加熱ヒータ32によって、貯水槽30内の原水を加熱して水蒸気とする。
The
なお、貯水槽30内には、図示しない水位計が設けられ、貯水槽30内の水位が低下した際には、水供給手段11から原水を供給している。また、貯水槽30内で、原料ガスを細かい気泡とすると共に、熱量を与えられ、更に従来のバブラー式よりも貯水槽の体積を小さくすることができ、装置を小型化できる。
A water level meter (not shown) is provided in the
混合昇温部14は、蒸発部13の上部に配置され、一体的に形成されたチャンバー37を有している。チャンバー37内部には、蒸発部13から供給される水蒸気及び原料ガスを加熱する第2の加熱手段の一例である第2の加熱ヒータ38が設けられ、チャンバー37の外側周囲には外部に放散される熱量に対して同等の熱量を加熱するリボン型のチャンバー用ヒータ39が取付けられている。チャンバー37内では、蒸発部13から供給される水蒸気及び原料ガスが混合されて生加湿ガスとされ、更に第2の加熱ヒータ38で生加湿ガスが加熱されて過熱加湿ガスとされる。
The mixed
ここで、チャンバー37内では、原料ガスと水蒸気の流れによって、自然に両者が混合されるが、混合を促進する必要があれば、チャンバー37内に邪魔板等を置いて、ガスの流れによって、積極的に乱流を発生させてもよい。また、邪魔板等によって、生加湿ガスが第2の加熱ヒータ38に接近するように誘導し、生加湿ガスを効率よく昇温させてもよい。混合昇温部は、下部に蒸発部及びガス供給手段から、それぞれ供給される水蒸気及び原料ガスを混合して、生加湿ガスを生成させる混合部を、更にその上部に混合部で生成した生加湿ガスを加熱して、過熱加湿ガスを生成させる昇温部を設けてもよい。
Here, in the
冷却部16は、チャンバー37の上部に配置される熱交換器40と、熱交換器40に冷却媒体(以下、単に冷媒という)、例えば、20℃の水を貯留する冷媒槽41と、冷媒槽41から熱交換器40に冷媒を供給する冷媒配管42及びポンプ43とを有している。チャンバー37で生成した過熱加湿ガスは、熱交換器40によって、所定温度まで降温されて製品加湿ガスとされる。
The cooling
また、温調部17は、冷却部16の下流側、つまり、上部に設けられ、冷却部16によって生成した製品加湿ガスを保温する配管ヒータ45を有し、所定温度の製品加湿ガスを燃料電池10aに供給している。なお、温調部17は、生成した製品加湿ガスを燃料電池10aまで供給する製品ガス供給配管46を有し、製品ガス供給配管46にも配管ヒータ45が取付けられ、製品加湿ガスの温度低下を防止している。また、製品ガス供給配管には、冷却部16で生成した製品加熱ガスを加熱して所定温度よりも高温の加湿ガスとし、外部への熱の放散による温度低下を防止する加熱装置と、更にこの加熱された加湿ガスを燃料電池10aに供給する前に所定温度冷却して製品加湿ガスとする冷却装置とを設けることもできる。
The
また、加湿ガス供給システム10には、複数、例えば、6つの温度センサ47、48、50、52、53、61が取付けられている。蒸発部13には、貯水槽30に貯留される原水の温度を測定する温度センサ47と、受皿31上の温度を測定する温度センサ48が配置されている。ここで、温度センサ47による貯水槽30内の原水の温度が所定値となるように、第1の加熱ヒータ32を制御する温度調整用制御ループ55を有している。
In addition, a plurality of, for example, six
また、チャンバー37内には、チャンバー37内の上部に設けられ、チャンバー37内で生成する過熱加湿ガスの温度を測定する温度センサ50と、温度センサ50による測定値によって、チャンバー37内を過熱する第2の加熱ヒータ38を制御して、過熱加湿ガスの温度を所定値とする温度調整用制御ループ56とを有している。
Further, in the
なお、チャンバー37内の下部、及びチャンバー37の外部にそれぞれ温度センサを配置し、チャンバー37下部の温度センサによって、蒸発部13から供給される水蒸気及び原料ガスの温度を測定し、チャンバー37上部の温度センサ50によって、水蒸気及び原料ガスが混合して加熱された過熱加湿ガスの温度を測定して、チャンバー37外部の温度センサで測定された温度から、チャンバー37外部に放散される熱量を計算し、この放散された熱量と同等の熱量をチャンバー用ヒータ39を制御してチャンバー37に与える温度調整用制御ループを設けることもできる。
A temperature sensor is disposed in the lower part of the
また、温調部17には、温調部17の内部及び外部にそれぞれ温度センサ52、53が配置されている。温調部17内部の温度センサ52では、冷却部16で冷却された製品加湿ガスの温度が測定されている。この温度が所定値となるように冷却部16のポンプ43から供給する冷媒の量を調整する温度調整用制御ループ57がインバータ58を介してポンプ43に設けられている。更に、温調部17外部の温度センサ53で測定された温度から、温調部17外部に放散される熱量が計算できる。また、配管ヒータ45を制御して、この計算された熱量を温調部17に与える温度調整用制御ループ59が設けられている。更に、温調部17は、温調部17内の製品加湿ガスの湿度を測定する湿度センサ60が設けられている。また、温調部17内の最下流には温度センサ61が設けられ、燃料電池10aに供給される製品加湿ガスの温度を測定している。
In addition,
次に、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システム10を使用した燃料電池に供給する加湿ガスの供給方法について説明する。
原水タンク20に貯留された原水を真空ポンプ23で脱気し、原水内の気体を除去する。更に、定量ポンプ22を駆動し、原水供給管21を介して、燃料電池10aに供給する製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を蒸発部13の受皿31に供給する。また、受皿31への原水の供給の際には、貯水槽30の外側周囲に原水供給管21を巻き付け、予め原水を加熱してもよく、貯水槽30内を加熱する加熱手段を設けてもよい。なお、蒸発部13に供給する原水が多い場合には、水温の急激な低下を防止するため、配管ヒータ24によって、供給する原水を予め加熱してもよい。
Next, a method for supplying humidified gas supplied to the fuel cell using the humidified
The raw water stored in the
受皿31に供給された原水は、第1の加熱ヒータ32及び貫通孔33の隙間、微小隙間34を通って、第1の加熱ヒータ32によって加熱され、下方の貯水槽30に溜められる。更に、貯水槽30内の原水の温度を温度センサ47で測定し、この温度が所定値、例えば、60〜90℃(原料ガスの流量によって、製造する製品加湿ガスの温度よりも1〜25℃高くする)となるように、温度調整用制御ループ55で制御された第1の加熱ヒータ32で貯水槽30内の原水を加熱する。
Raw water supplied to the
また、ガスボンベ25からガス流量調節器27によって流量が制御された原料ガス(水素)をガス供給管26を介して、蒸発部13の貯水槽30に供給する。また、ガス供給管26に取付けられた配管ヒータ28で、予め原料ガスを貯水槽30内と実質的同じ温度まで加熱することが好ましい。ガス供給手段12より供給された原料ガスの気泡は、貯水槽30に溜まった原水中に浮遊しているボール35によって上昇の抵抗を受け、原料ガスと水とが十分に接触して原料ガスが加湿される。更に、ボール35によって、原料ガスの気泡を小さくすることができ、気泡の表面積が増えるため、原料ガスがより加湿され易くなる。
Further, the raw material gas flow rate is controlled by the
また、貯水槽30の外側周囲に設けられた貯水槽用ヒータ36によって、熱の放散による温度低下を起こり難くできる。貯水槽30内の原水は第1の加熱ヒータ32で加熱されて水蒸気となり、原料ガスは貯水槽30内に通すことにより加湿され、この水蒸気と原料ガスが混合昇温部14で混合されて生加湿ガスとなる。
Further, the
チャンバー37内で生成した過熱加湿ガスは、冷却部16の熱交換器40によって所定温度、つまり、製品加湿ガスの温度(例えば、60〜90℃)まで降温して製品加湿ガスとする。ここで、温調部17の温度センサ52による製品加湿ガスの温度が所定温度と異なる場合には、温度調整用制御ループ57によって、熱交換器40に供給する冷媒の量をポンプ43で制御して、製品加湿ガスの温度を一定とする。なお、熱交換器40によって冷却された過熱加湿ガス中の水蒸気の一部が水滴となった際には、この水滴が落下して下部に配置された貯水槽30に貯留される。更に、生成した製品加湿ガスは、温調部17の配管ヒータ45によって、所定温度とされて燃料電池10aに供給される。
The superheated humidified gas generated in the
なお、熱交換器40を経て生成した製品加湿ガスの温度が所定温度よりも高い場合には、熱交換器40に供給する冷媒の流量を増やし、低い場合には冷媒の流量を少なくして、製品加湿ガスの温度を調整することができる。また、燃料電池10aに供給する製品加湿ガスの流量を多くする場合には、水供給手段11及びガス供給手段12からそれぞれ原水及び原料ガスの供給量を増やし、また、少なくする場合には、それぞれの供給量を減らせばよい。
When the temperature of the product humidified gas generated through the
次に、図1及び図3を参照して、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス
供給システム10を使用した加湿ガスの供給方法における製造加湿ガスの温度制御について説明する。
加湿ガス供給システム10では製造される製品加湿ガスの温度Tpを、所定時間ta(1秒間〜10秒間、例えば5秒間)毎に温度センサ52で測定している。ここで、製品加湿ガスの温度Tpが、設定温度Ts(60〜90℃、例えば75℃)の許容範囲内(Ts+α1≧Tp≧Ts−α2、0.5>α1、α2>0、例えばα1=0.3℃、α2=0.3℃)となるように、蒸発部13内の原水に熱量を与える第1の加熱ヒータ32と、冷却部16の熱交換器40へ供給する冷却媒体の流量を調整するポンプ43とを制御する。以下、詳しく説明する。
Next, temperature control of the manufactured humidified gas in the humidified gas supply method using the humidified
In the humidified
(1)製品加湿ガスの温度Tpが、その設定温度Tsの許容範囲内(Ts+α1≧Tp≧Ts−α2)である場合には、第1の加熱ヒータ32の熱量(設定温度)を保持して、原水に与える熱量を保持すると共に、熱交換器40へ供給する冷却媒体の流量も保持する。
(2)製品加湿ガスの温度Tpが、Ts+α1を超え、Ts+α1+α3(α3>0)以下である場合には、原水に与える熱量を低減するために、第1の加熱ヒータ32の電源を切るか、第1の加熱ヒータ32の温度を下げて、原水の温度Tj1をTj1−β1(β1>0)とすると共に、熱交換器40へ供給する冷却媒体の流量を保持する。
(1) When the temperature T p of the product humidified gas is within the allowable range of the set temperature T s (T s + α 1 ≧ T p ≧ T s −α 2 ), the amount of heat of the first heater 32 (Set temperature) is maintained, the amount of heat applied to the raw water is maintained, and the flow rate of the cooling medium supplied to the
(2) temperature T p of the product humidified gas is greater than the T s + alpha 1, if T s + α 1 + α 3 (
(3)製品加湿ガスの温度Tpが、Ts+α1+α3(α3>0)を超えている場合には、原水に与える熱量を低減するために、第1の加熱ヒータ32の電源を切るか、第1の加熱ヒータ32の温度を下げて、原水の温度Tj2をTj2−β2(β2>0)とすると共に、冷却部16のポンプ43によって、熱交換器40への冷却媒体の流量を増加して、過熱加湿ガスをより冷却する。
(4)製品加湿ガスの温度Tpが、Ts−α2よりも低い場合には、原水に与える熱量を増加させるために、第1の加熱ヒータ32の温度を上げて、前記原水の温度Tj3をTj3+β3(β3>0)とすると共に、熱交換器40へ供給する冷却媒体の流量を減少して、過熱加湿ガスの冷却を弱め、製品加湿ガスの温度を高くする。
(3) When the temperature T p of the product humidified gas exceeds T s + α 1 + α 3 (α 3 > 0), the power source of the
(4) When the temperature T p of the product humidifying gas is lower than T s -α 2 , the temperature of the raw water is increased by increasing the temperature of the
次に、図1及び図4を参照して、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システム10を使用した加湿ガスの供給方法における製造加湿ガスの湿度制御について説明する。
加湿ガス供給システム10で製造される製品加湿ガスの湿度Spを、所定時間ta(10秒間〜10分間、例えば10秒間)毎に湿度センサ60で測定する。ここで、製品加湿ガスの湿度Spが、設定湿度Ss(相対湿度80〜100%、例えば90%)の許容範囲内(Ss+γ1≧Sp≧Ss−γ2、γ1>0、γ2>0)となるように、混合昇温部14内の第2の加熱ヒータ38を調整する。以下、詳しく説明する。
Next, with reference to FIG.1 and FIG.4, the humidity control of the manufacture humidification gas in the humidification gas supply method using the humidification
Humidity S p products humidified gas produced in a humidified
(1)製品加湿ガスの湿度Spが、その許容範囲内である場合には、第2の加熱ヒータ38の熱量(設定温度)を保持する。
(2)製品加湿ガスの湿度Spが、Ss+γ1を超えている場合には、過熱加湿ガスの温度Tk1をδ1℃(δ1>0)上げるために、第2の加熱ヒータ38の温度を上げて、製品加湿ガスの湿度Spを低減させる。
(3)製品加湿ガスの湿度SpがSs−γ2よりも低い場合には、過熱加湿ガスの温度Tk2をδ2℃(δ2>0)下げるために、第2の加熱ヒータ38の電源を切るか、第2の加熱ヒータ38の温度を下げて、製品加湿ガスの湿度Spを増加させる。
(1) Humidity S p products humidified gas, in which case it is within the allowable range, it holds the heat of second heater 38 (set temperature).
(2) If the humidity S p of the product humidified gas exceeds S s + γ 1 , the second heater is used to increase the temperature T k1 of the superheated humidified gas by δ 1 ° C (δ 1 > 0). 38 by raising the temperature of, reducing the humidity S p products humidified gas.
(3) When the humidity S p of the product humidified gas is lower than S s −γ 2 , the
本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、例えば、前記した実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の加湿ガス供給システムを構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、原料ガスとして水素を用いたが、空気、水素と二酸化炭素の混合気体、水素と一酸化炭素の混合気体等を用いてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed without changing the gist of the present invention. For example, a part or all of the above-described embodiment and modification examples are combined. The case where the humidified gas supply system of the present invention is configured is also included in the scope of the right of the present invention.
For example, in the above embodiment, hydrogen is used as the source gas, but air, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide, or the like may be used.
また、前記実施の形態では、水供給手段において、回転数によって一定水量の原水を供給する定量ポンプを用いたが、一定水量の原水を供給できればよく、例えば、圧力によって供給水量を変えるポンプを用いてもよい。また、冷却部としては、高温の過熱加湿ガスを降温する熱交換器に通す冷却媒体としては水を用いたが、通常の冷却媒体も用いることができる。 Further, in the above embodiment, the metering pump that supplies a constant amount of raw water according to the number of rotations is used in the water supply means. However, it is only necessary that a constant amount of raw water can be supplied. May be. As the cooling unit, water is used as a cooling medium that passes through a heat exchanger that cools the high-temperature superheated humidified gas, but a normal cooling medium can also be used.
また、原料ガスを貯水槽に溜まった原水を通して予め加湿して、この加湿された原料ガスと水蒸気を混合したが、発熱体として蒸発部に過熱水蒸気を導入し、蒸発部内を加熱して蒸発部内の原水を昇温すると共に、水供給手段から蒸発部に供給する原水の水量を過熱水蒸気の水量分減らしてもよく、過熱水蒸気により原料ガスを加湿してもよい。また、貯水槽内に充填する球状固体物は、アルミナ系セラミックを用いたが、耐熱強化処理を施したガラス材料も用いることができる。 Further, the raw material gas previously humidified through the raw water accumulating in the water storage tank, but mixing the humidified feed gas and water vapor, introducing superheated steam into the evaporation section as the heating elements, to heat the evaporation portion evaporation While raising the temperature of the raw water in the section, the amount of raw water supplied from the water supply means to the evaporation section may be reduced by the amount of superheated steam, or the raw material gas may be humidified by the superheated steam. The spherical solid product to be filled in the water storage tank has been used alumina ceramics can also be used a glass material subjected to heat hardening.
更に、受皿に貫入する発熱体を5本としたが、1〜4、又は6本以上でもよく、蒸発部内で原水を加熱して水蒸気を発生できればよい。また、受皿に設けた貫通孔及び微小隙間の大きさは、受皿に供給された原水が流下できればよい。特に、微小隙間の大きさは、流下する原水の水滴が小さくなる大きさがよい。更に、受皿に貫通孔を設けず、受皿の下部に発熱体を配置して、微小隙間から流下する原水を加熱してもよい。 Furthermore, although five heating elements penetrated into the saucer were used, the number of heating elements may be 1 to 4, or 6 or more as long as the raw water can be heated in the evaporation section to generate water vapor. Moreover, the magnitude | size of the through-hole and minute gap provided in the saucer should just be able to flow down the raw | natural water supplied to the saucer. In particular, the size of the minute gap is preferably small enough to reduce the water droplets flowing down. Furthermore, without providing a through-hole in a saucer, you may arrange | position a heat generating body to the lower part of a saucer, and heat the raw | natural water which flows down from a micro clearance gap.
10:加湿ガス供給システム、10a:燃料電池、11:水供給手段、12:ガス供給手段、13:蒸発部、14:混合昇温部、16:冷却部、17:温調部、20:原水タンク、21:原水供給管、22:定量ポンプ、23:真空ポンプ、24:配管ヒータ、25:ガスボンベ、26:ガス供給管、27:ガス流量調節器、28:配管ヒータ、30:貯水槽、31:受皿、32:第1の加熱ヒータ、33:貫通孔、34:微小隙間、35:ボール、36:貯水槽用ヒータ、37:チャンバー、38:第2の加熱ヒータ、39:チャンバー用ヒータ、40:熱交換器、41:冷媒槽、42:冷媒配管、43:ポンプ、45:配管ヒータ、46:製品ガス供給配管、47、48、50、52、53:温度センサ、55〜57:温度調整用制御ループ、58:インバータ、59:温度調整用制御ループ、60:湿度センサ、61:温度センサ 10: humidified gas supply system, 10a: fuel cell, 11: water supply means, 12: gas supply means, 13: evaporation section, 14: mixing temperature raising section, 16: cooling section, 17: temperature control section, 20: raw water Tank: 21: Raw water supply pipe, 22: Metering pump, 23: Vacuum pump, 24: Pipe heater, 25: Gas cylinder, 26: Gas supply pipe, 27: Gas flow controller, 28: Pipe heater, 30: Water tank, 31: saucer, 32: first heater, 33: through hole, 34: minute gap, 35: ball, 36: heater for water tank, 37: chamber, 38: second heater, 39: heater for chamber 40: heat exchanger, 41: refrigerant tank, 42: refrigerant pipe, 43: pump, 45: pipe heater, 46: product gas supply pipe, 47, 48, 50, 52, 53: temperature sensor, 55-57: Temperature adjustment control Flop, 58: inverter, 59: temperature adjustment control loop 60: humidity sensor 61: temperature sensor
Claims (4)
前記製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を供給する水供給手段と、
前記原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記水供給手段から供給された原水を加熱すると共に、前記ガス供給手段から前記原料ガスを供給して前記水蒸気を発生させる蒸発部と、
前記蒸発部から供給される前記水蒸気及び前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、
前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温し、前記製品加湿ガスを生成する冷却部とを有し、前記蒸発部、前記混合昇温部及び前記冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられて、しかも、
前記蒸発部は、前記水供給手段から供給される原水を貯留し、該原水中には前記ガス供給手段によって供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となると共に、前記気泡を更に小さくする球状固形物が充填された貯水槽と、
前記貯水槽に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、前記水供給手段から供給される原水を一旦受ける受皿と、
前記蒸発部内を加熱して供給された前記原水を前記水蒸気とする1又は2以上の発熱体からなる第1の加熱手段とを有し、更に前記ガス供給手段から供給される原料ガスを前記貯水槽に溜められた原水中に通して加湿して、
所定の温度、流量、及び湿度の前記製品加湿ガスを製造することを特徴とする加湿ガス供給システム。 A humidified gas supply system that mixes a raw material gas with water vapor to generate a product humidified gas, and continuously supplies the product humidified gas to a polymer electrolyte fuel cell,
Water supply means for supplying raw water corresponding to the amount of water finally contained in the product humidified gas;
Gas supply means for supplying the source gas;
An evaporator that heats the raw water supplied from the water supply means and supplies the raw material gas from the gas supply means to generate the water vapor;
Mixing the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporation unit to generate a raw humidified gas, and heating the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas; and
A cooling unit that cools the superheated humidified gas generated in the temperature rising unit and generates the product humidified gas, and the evaporating unit, the mixed temperature rising unit, and the cooling unit are arranged in a height direction from below. Stacked one after another,
The evaporating unit stores the raw water supplied from the water supply unit, and the raw water has a spherical shape that provides resistance to rising of the bubbles of the source gas supplied by the gas supply unit and further reduces the bubbles. A water tank filled with solids;
A tray that is disposed at a position higher than the surface of the raw water stored in the water tank, and that once receives the raw water supplied from the water supply means;
First heating means comprising one or more heating elements that use the raw water supplied by heating the inside of the evaporation section as the water vapor, and the raw material gas supplied from the gas supply means is further stored in the water storage Humidify it through the raw water stored in the tank,
A humidified gas supply system for producing the product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity.
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