(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体をガス送給ライン（２）中で噴霧化するための手段（５、６）と、その液体を加熱するための手段（１０、１１、１２、１４、１５）が設けられているガス流を加湿するための装置であって、
噴霧化手段（５、６）が噴霧チャンバ（２）内に設けられており、
液体を少なくとも部分的に蒸発させるための熱交換器領域（３）が噴霧チャンバ（２）に近接して配置され、
熱交換器領域（３）が加湿されるべきガス流の複数の流路を有し、その流路が、液体を濃縮し蒸発させるために、加熱される熱交換器表面（１５）によって、少なくとも部分的に範囲を定められていることを特徴とする前記装置。
【請求項２】
過剰の液体を装置から除去するための液体分離器（４）及び／又は凝集フィルタ（１７）が、熱交換器領域（３）に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
プロセスガス入口（８）が噴霧チャンバ（２）内に設けられ、プロセスガス出口（９）が熱交換器領域（３）内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
プロセスガス入口（８）とプロセスガス出口（９）の間のプロセスガス（７）のための流路は、最初に噴霧チャンバ（２）を経て、次に、熱交換器領域（３）を経て、液体分離器（４）内を通過し、その後、液体分離器（４）から熱交換器領域（３）に戻ることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
分配手段（１６）が噴霧チャンバ（２）内に設けられ、噴霧チャンバ（２）の内部のプロセスガス（７）の流れに影響を与えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
熱交換器領域（３）内に、熱伝達媒質（１０）を供給するための熱伝達媒質入口（１１）と熱伝達媒質出口（１２）とが存在し、熱伝達媒質入口（１１）が、装置（１）の内側の液体の流れ（Ｒ）の方向に対して熱伝達媒質出口（１２）の下流に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
ガス流から液滴を少なくとも部分的に分離し、及び／又は液体分離器（４）内の液体の移動を抑制し、減じるための手段が、熱交換器領域（３）の下流に設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
熱交換器表面（１５）がフィン（１４）の表面により形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
フィン（１４）が少なくとも２列（Ｒ１、Ｒ２、・・・）に配置され、各列（Ｒ１、Ｒ２、・・・）内のフィン（１４）が互いに並行に配置され、フィン（１４）の高さ（ｈ）と列（Ｒ１、Ｒ２、・・・）内の隣り合うフィン（１４）の間隔（ｓ）が、ガス流内の微小乱流を形成するのに適するものであることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
フィン（１４）の列（Ｒ１、Ｒ２、・・・）が、流れ（Ｒ）の方向において互いにオフセットして配置され、１つの列（Ｒ１）のフィン（１４）が、流れ（Ｒ）の方向に見て、隣接する列（Ｒ２）のフィン（１４）間の間隙と向い合って配置されていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
液体を噴霧化し、プロセスガス（７）のガス流と混合することを含むガス流の加湿方法であって、液体を噴霧化して小滴（Ｔ）を生成すること及びその小滴（Ｔ）をガス流と混合することは、噴霧チャンバ（２）において行われ、得られたプロセスガス／小滴混合物を、加熱された熱交換器領域（３）内を通過させ、そこで小滴の少なくとも一部が熱交換器表面（１５）に付着し、そこで、それらの小滴の少なくとも一部が熱伝達により蒸発され、プロセスガス（７）に送給されることを特徴とする前記方法。
【請求項１２】
乱流（Ｍ）が熱交換器領域(３)内のガス流中に発生し、小滴（Ｔ）の熱交換器表面（１５）への沈降及び付着が、ガス流中の乱流（Ｍ）によって促進されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
プロセスガスが、加湿されるために、プロセスガス入口（８）を経て噴霧チャンバ（２）へ、その後熱交換器領域（３）を経て水分離器（４）及び／又は凝集フィルタ（１７）を通過し、次いで、プロセスガス出口（９）を経て装置（１）から除去されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
過剰の液体及び／又は臨界サイズより大きい小滴が、水分離器（４）及び／又は凝集フィルタ（１７）において、加湿されたプロセスガス（７）から除去されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれかに記載のガス流を加湿するための装置を使用する燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、独立請求項の前段部分による、ガス流を加湿するための装置及び方法並びにその装置の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＰ０,６２９,０１４Ｂ１には、燃料電池の作動のためのプロセスガスを加湿する方法が開示されており、微小に噴霧化された水が、噴霧ノズルの助けにより、供給ラインから燃料電池のガス送給ライン内に所定の量で噴霧化されるようになっている。この方法において、供給されるべき水の量に対する所望の値は、作動パラメータの関数として決定され、水の量は、プロセスガスの所望の湿度が確立されるように、制御装置によって正確に計量される。
【０００３】
この場合において、水は、噴霧ノズルにより噴霧化されることによって、ガス流に直接供給される。燃料電池のガス搬送流路の形状のために、最大許容小滴サイズは、小滴が燃料電池の領域におけるいずれの断面も閉塞させないように決定されなければならない。
【０００４】
燃料電池装置が噴霧化に本質的に適合されなければならないことを意味する、許容可能な小滴サイズのその問題に加えて、水分の計量のための所望の値を調整し決定することを含む設計も、高度に複雑なものである。
【０００５】
水のガス流へのこの直接噴霧化に加えて、ガス流を加湿するためのその他の装置及び方法が先行技術から既知である。これらの装置は、液体流または液体容器からガス流を分離する種々のタイプの膜を利用するものである。これらの膜は、液体粒子が膜を介してガス流に入り、ガス流により収集され、連行されることを可能にする。このような装置が記載された１つの例は、米国特許４,９７３,５３０号である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
空気または水素のようなプロセスガスを加湿するための既知の装置は、通常、大型で重量が大きい。媒質は、一般的に、加湿器に入る前に冷却されなければならない。一方で、媒質が加湿器内で凍結した場合には、加湿器は損傷する。
【０００７】
本発明の目的は、ガス流における高湿度または高相対湿度を達成し、一方でガス流を加湿するための制御や装置に関するコストを軽減し、低温度における用途に適した装置及び方法を特定することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１の特徴を有する方法及び請求項１１の特徴を有する方法によって達成される。
【０００９】
本発明の装置は、複雑なプロセス制御手段を用いることなしに、熱の直接伝導により、低温度における蒸発による加湿を実施することを可能にする。本発明のその他の利点は、蒸発されるべき媒質が非常に微細で加湿器内で均質に分散され、蒸発工程をより効率的なものにすることにある。この装置は、高温度の媒質を用いて、凍結点においても問題なしに作動することができる。装置内の圧力損失は少なく好都合である。
【００１０】
本発明のその他の利点及び構成は、その他の請求項及び記載から明らかとなるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
本発明は、ガス流の加湿に特に適している。本発明の加湿装置は、燃料電池装置においてプロセスガスを加湿するために使用されることが特に好ましい。この種類の加湿は、例えば、カソード供給空気またはアノードへ送給される媒質にとって、ポリマー電極燃料電池の膜の水分要求を満たし、出発物質を加湿して、改質反応を促進し、燃料電池装置のガス発生装置における水素含有改質物を得るために必要とされる。以下、本発明を好ましい燃料電池装置に関連して説明するが、本発明はこの応用例に限定されない。
【００１２】
図１は、本発明の装置の好適な設計の種々の概要図である。図１ａ）において、加湿装置１は、３つのセクション、すなわち、噴霧チャンバ２、熱交換器領域３及び液体分離器または水分離器領域４を有する。しかしながら、既知の加湿装置中とは異なり、熱は、熱交換媒質から、蒸発されるべき液体、好ましくは水へ直接伝達される。液体は、装置の内側の熱交換器の比較的大きな表面積を覆っている。
【００１３】
熱の直接伝達を達成するために、水（Ｈ２Ｏ）は、液体を噴霧化するための手段５、６を介して、好ましくは１つまたはそれ以上の供給ライン５、噴霧チャンバ２内のノズル６により、噴霧化されて、大量の小滴Ｔを生成する。噴霧化は、噴霧チャンバ２の中央部または熱交換器領域３の入口のできるだけ近くで生じ、そこで加湿されるべきプロセスガス７の流れとの混合が起こる。噴霧チャンバ２は、プロセスガス７の加湿装置１への送給のためのガス流ラインを形成している。プロセスガス７は、噴霧チャンバ２の領域内のプロセスガス入口８を経て、加湿器１へ送給され、熱交換器領域３の領域内のプロセスガス出口９を経て加湿器１から排出される。
【００１４】
液体を加熱するための手段１０、１１、１２、１４、１５が、熱交換器領域３内に設けられている。熱交換媒質１０は、熱伝達媒質入口１１を経て供給され、熱交換媒質出口１２を経て熱交換器領域３から排出される。熱伝達媒質入口１１は、水の流れの方向に対して熱伝達媒質出口１２の下流に位置する。熱交換器領域３において、液体は少なくとも部分的に蒸発される。
【００１５】
水分離装置４の領域において、過剰の水は集められて、水出口１３から排出される。この工程において、水は、加湿器１を経て、流れＲの方向で、頂部から実質的に下流方向に移動する。
【００１６】
好ましくは、ガス流を加湿するための液体または水は、プロセスガスの流れ内に送給される。相対湿度１００％を得るために理論的に要求される量よりも大量の液体が供給される。液体供給よりほかは流れＲの方向における距離に従って、その液体相中に残っている残存液体がガス流から分離される。
【００１７】
このことは、特に有利な方法により、液体のこの超過化学量論供給が、可能な限り完全に導入される液体の蒸発を生じさせることができることを確実にし、蒸発に要求されるエネルギーは、加熱媒質、蒸発液及びガスの熱的エネルギー含有物に由来する。その結果、ガス流のほぼ理想的な冷却及び加湿がもたらされる。残留液体、すなわち、ガス流内に残存する液体小滴の分離は、大部分の液体成分がガス流内に残ることを防止する。したがって、液体の小滴は問題を引き起こすおそれがある下流の装置に流入しない。
【００１８】
熱交換器領域３は、加湿されるべきガス流のための複数の流路を有している。流路は、液体を少なくとも部分濃縮して蒸発させるための熱交換器表面１５を有するフィン１４によって少なくとも部分的に形成されている。
【００１９】
水が噴霧化されると、大量の水の小滴Ｔが形成される。小滴Ｔはプロセスガスに捉えられ、噴霧チャンバ２から熱交換器領域３に搬送される。複数のフィン１４が熱交換器領域３内に配置されている。フィン１４の表面１５は、熱交換器表面１５を形成し、ガス流を、流れ方向Ｒを有する複数の並行な流路に分割する。
【００２０】
フィン１４は、熱伝導により加熱媒質１０によって直接加熱される。これは熱交換器領域３の詳細を示す図２において示されている。フィン１４を部分的にずらした列が１つの層中に配置されている。複数のこのような層は、互い違いに配置されている。加熱媒質１０は、その層の間を流れることができる。熱は、フィン１４とフィン層の境界１８を経て、熱伝導により伝達される。
【００２１】
図１ｃ）は、図１ａ）の拡大部分図として、熱交換器領域３内のフィン１４の間の流路を詳細に示す図である。明瞭化のために、少しのフィン１４とフィン１４の表面１５のみを参照番号で示す。フィン１４は、水の流れの方向に互いに続き、互いにオフセットされ、部分的にずらされた複数の列Ｒ１、Ｒ２、・・・内に配置されることが好ましい。各列Ｒ１、Ｒ２、・・・において、高さｈを有する複数のフィン１４が、短い間隔ｓを隔てて配置されている。水または小滴Ｔの流れ方向Ｒに互いに続く列Ｒ１、Ｒ２、・・・は、第１列Ｒ１のフィン１４がそのすぐ次に続く列Ｒ２のフィン１４間の間隙に向い合って置かれるように、互いにオフセットされていることが好ましい。フィン１４は、熱交換器領域３の非常に大きな内部表面積を生じさせる。フィン１４の代わりに、熱交換器領域３に配置されるべきその他のタイプの熱交換器配列、例えば、プレートや管などを配置することも可能である。
【００２２】
加湿器１を最適に作動させるために、フィン１４の形状および小滴のサイズを互いに適当に採用することが好都合である。好適な設計において、フィン１４または列Ｒ１、Ｒ２、・・・の好ましい高さｈは、数ミリメートル、好ましくは５ｍｍである。隣り合うフィン１４の間の好ましい距離ｓは、１ｍｍ未満、特に好ましくは０.９ｍｍである。小滴の好ましいサイズは、約５０μｍである。
【００２３】
熱交換器領域３内のプロセスガス７の流れに捉えられる水の小滴Ｔの少なくとも一部は、フィン１４の表面１５に付着する。小滴Ｔは、プロセスガス７により、熱交換器領域３内に捉えられる。それらがフィン１４の領域に入るとき、微小乱流Ｍが形成され、それがフィン１４の表面１５上の小滴Ｔの付着を促進する。
【００２４】
フィン１４から水の小滴Ｔへの熱の直接伝達は、フィン１４の表面１５上で行われる。水小滴Ｔと熱伝達媒質１０との間の温度差は、比較的小さくてもよい。流れが助ける小滴Ｔの表面１５への付着は、熱伝達媒質１０が作用して、蒸発エネルギーを小滴に比較的にゆっくり供給することを可能にする。このようにして、多量な水を短い時間内で蒸発させることが可能であることは好都合である。蒸発されない過剰の水は、Ｒの方向に熱交換器領域３の下方に沈降し、そこで、フィン表面１５と接触して、少なくとも部分的に蒸発されるか、または熱交換器領域３の下方の水分離器４内で集められる。
【００２５】
ガス流７からの小滴Ｔの追加の分離は、プロセスガス出口９の上流の凝集フィルター１７により達成される。
【００２６】
噴霧チャンバ２に供給される水の量は、プロセスガス７を飽和するために充分に多量であることが好都合である。水の量は、要求される最小量の倍数であることが好都合であり、そのため、水の供給を調整する必要がない。過剰の水は、熱交換器領域３と隣接する水分離器４内で単純に捕捉される。
【００２７】
水の小滴Ｔは、その他の適当な方法、例えば、圧力、空気、機械または真空装置による噴霧化により生成されることができると理解され、また、ノズル及びそのための装置を変更することが可能である。加湿されるべきプロセスガスとの適合性を改良するために、水素などを加湿するための熱交換器領域のための適当な物質、例えば、耐腐食性鋼またはアルミニウム合金、好ましくはＡＬ−３００３を選択することが好都合である。
【００２８】
プロセスガス７のための出口領域に、ガス流７に残っている少量の小滴Ｔを除去するための装置を与え、これらの小滴を水分離器４に補足された過剰の水にまた戻すことが好都合である。このことは、水の小滴内に捕捉された不純物により汚染されるに至った加湿されたプロセスガス７がその後燃料電池を通過することを実質的に防止する。フィルタまたは分離器、例えば、サイクロン分離器、シェヴロン分離器、凝集フィルタなどがこの目的のために好ましく用いられる。
【００２９】
シェヴロン分離器は、好都合に２つの機能を遂げることができる。第一に、臨界超過サイズの小滴Ｔを分離除去することに適しており、第二に、加湿器１の基底領域４内の水の望ましくない移動を防止する。
【００３０】
図１ｄ）は、装置１内のプロセスガス７の流路を示す。流路は、プロセスガス入口８とプロセスガス出口９の間を通過し、プロセスガスは第一に噴霧チャンバ２、次に熱交換器領域３、その後液体分離器４内からプロセスガス出口９を通過する。プロセスガス出口９に、凝集フィルタ１７が設置され、ガスからの小滴を分離することができる。装置の出口９において、加湿されたプロセスガスは、臨界サイズを越える水の小滴から実質的にフリーである。
【００３１】
使用される熱伝達媒質１０は、冷却剤として、燃料電池装置（図示していない）から得られる過剰の熱を散逸させる媒質であることが好ましい。そのような熱伝達媒質１０の温度は、熱交換器領域３内の蒸発にとって充分である。しかしながら、燃料電池装置内のそのような冷却媒質の温度よりも高い温度の熱伝達媒質１０を使用する場合は、加湿器１は小さく設計することができる。その効果を得るために、熱伝達媒質１０は、電気または熱的手段により、高い温度に追加的に加熱してもよい。
【００３２】
その他の有利な方法は、ガス分布を均質化するための装置がプロセスガス７のためのガス入口側部８に設けられる結果として、熱交換器領域３の寸法を最適化することにある。それを達成するためには、ガス流ができるだけ均質に分布されるように、噴霧チャンバ２内に設けられ、プロセスガス７の流れに影響を与えるバッフルプレート１６を使用することが好都合である。その他の好都合な可能性は、熱伝達媒質回路１１、１２の寸法及び配置を最適化することにある。
【００３３】
熱交換器領域３の形状を、プロセスガスの量及び利用可能な熱伝達媒質温度にできるだけ正確に適合させることが有利であり、それにより熱交換器領域３の長さ：幅：深さの最適な比率が得られる。また熱交換器領域３の内側のフィン１４の距離ｓ、長さｈ及び配置を互いに適合させることも好都合である。
【００３４】
水分離器４内に水のレベルをモニターする装置を設けることが好ましい。
【００３５】
既知の加湿装置において、熱は最初にプロセスガスまたは空気に対して放出され、それらの媒質から水の小滴にのみ放出されるので、熱は蒸発されるべき水に対して間接的に放出される。したがって、しかしながら、エネルギーの伝達は、ゆっくりであり、いくらか非効率的である。本発明によれば、プロセスガスの流れは、熱交換器領域の熱交換表面１５、好ましくは１４に付着した水の小滴Ｔの付着を助け、促進する。
【００３６】
標準の膜加湿器と比べて、本発明の加湿器１は、加湿器の容量及び重量をかなり節約することができる。
【００３７】
プロセスガスの同様の転化基準及び量のために、本発明による最適化された加湿器１は、比較可能な膜加湿器の７０％まで小さく、８０％まで軽い。それは、本発明による加湿器１が車両の燃料電池装置において使用される場合に特に有利である。さらに、本発明の加湿器１が膜加湿器の代わりに使用される場合に、高価な膜のかなりのコストを節約することができ；本発明の加湿器１は、膜加湿器の９０％まで安く製造することができる。
【００３８】
本発明の装置のその他の利点は、必要な部品がより少なくてすむので、加湿装置の信頼性が改良されることにある。さらに、膜加湿器とは異なり、本装置は、熱伝達媒質１０とプロセスガス７の間のかなりの圧力差で作動することもできる。本発明の加湿器１は、実質的に漏れがなく、密閉が容易であり、損傷を与えることなく水の凍結温度より低い温度にも難なくさらすことができる。
【００３９】
図３は、本発明の加湿器１と膜加湿器との比較を示す。プロセスガス７の露点τを、プロセスガス７の流速Φの関数としてプロットした。膜加湿器の値は、実線で示す。複数の点は測定データを示すもので、本発明の加湿器１を用いて加湿されたプロセスガス７で測定されたものである。熱伝達媒質の温度、プロセスガスの温度、プロセスガスの圧力などの同様のプロセスパラメータを、両試験において用いた。複数の点は、膜加湿器の連続曲線の周りに分散されており、本発明の加湿器１が特に簡単に、標準膜加湿器によって作動される装置に受け入れられることを示す。両加湿装置は、同様の低温度熱伝達媒質を使用することができ、プロセスガスの加湿の程度は同様である。
【００４０】
水または不凍剤を含む水、好ましくは水−グリコール混合物は、熱伝達媒質１０として好都合に使用されることができる。燃料電池装置のための冷却装置は、装置からの排出熱が加湿器１において使用され得るので、小型に設計されることができる。熱伝達媒質１０から水の小滴Ｔへの熱の直接伝達は、低温度における熱伝達媒質１０が加湿に効果的に寄与することを意味するので、その他の後冷却は加湿されたプロセスガス７にとって不要である。
【００４１】
プロセスガス７の加湿にとってその他の制御装置は設けてもよいが、不要である。本発明による加湿器１は、特に標準型膜加湿器と比べて多くの利点を有している。理論的には、加湿器の同一使用容量に基づいて、本発明によれば、膜加湿器におけるよりも高い露点τを得ることができる。加湿器１における圧力低下は、比較可能な膜加湿器よりも低い。同じ湿度レベルのプロセスガス７を得るために必要な熱伝達媒質１０も少なくてよい。
【００４２】
本発明による加湿器１は、低プロセスガス温度における加湿が要求される燃料電池装置における使用に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】好適な装置の種々の概略を示す図であり、ａ）は、側面から見た装置を示す図であり、ｂ）は、正面、即ち水の入口から装置を見た図であり、ｃ）は、内部における蒸発順序を示すための、装置の内部から見た拡大部分図であり、ｄ）は、熱伝達媒質のための供給及び排出口とともに、装置の側部を示す図である。
【図２】加湿されるべきガス流と熱媒質のための流路を有する熱交換器の詳細を示す図である。
【図３】好適な加湿器と既知の膜加湿器の測定データの比較を示す図である。
【図１】
0003667253.tif 000002
【図２】
0003667253.tif 000003
【図３】
0003667253.tif 000004