(57)【要約】【課題】露点変更の要求に対して円滑に対応することが可能な加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】内部に加湿用の純水Ｗが貯留される容器５０を備え、容器５０内の純水Ｗに空気を通過させて加湿する加湿装置５において、容器５０の上部を覆う蓋部５１に、該蓋部５１に供給される新たな純水Ｗが面方向へ沿って貯留可能な貯留空間５１ａと、純水Ｗが噴射される複数の噴射口５１ｂとを設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に加湿用水が貯留される容器を備え、前記容器内の加湿用水にガスを通過させて加湿する加湿装置であって、
前記容器の上部を覆う蓋部には、新たに供給された加湿用水を貯留可能な貯留空間と、該貯留空間内の加湿用水を前記容器内の気相部に噴射する噴射口と、が設けられている加湿装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加湿装置であって、
前記噴射口が前記蓋部の面方向に間隔をあけて複数設けられている加湿装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の加湿装置であって、
前記貯留空間は、前記蓋部内において面方向に沿って設けられている加湿装置。
【請求項４】
燃料電池と、
前記燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段と、
前記ガス供給手段により前記燃料電池に供給されるガスを加湿する請求項１から３のいずれか１項に記載の加湿装置と、
を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、電解質膜を有する燃料電池と、この燃料電池に反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を供給するためのガス供給手段とを備えている。燃料電池の電解質膜として固体高分子電解質膜を採用する場合には、イオン導電性を発揮させるために固体高分子電解質膜を飽和加湿する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池に供給される反応ガスを加湿するための加湿装置が設けられるのが一般的である。
【０００３】
従来の加湿装置としては、所定の容器内に加湿用の純水を貯留して液相部及び気相部を構成し、液相部及び気相部の順にガスを通過させて加湿するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−６７８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記特許文献１に記載されているような従来の加湿装置においては、加湿用純水及びタンク気相部を加熱ヒータによって温度制御しているが、気相部の温度を制御することは難しく、このため、露点の変更を円滑に行うことが困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、露点変更の要求に対して円滑に対応することが可能な加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の加湿装置は、内部に加湿用水が貯留される容器を備え、前記容器内の加湿用水にガスを通過させて加湿する加湿装置であって、前記容器の上部を覆う蓋部には、新たに供給された加湿用水を貯留可能な貯留空間と、該貯留空間内の加湿用水を前記容器内の気相部に噴射する噴射口と、が設けられて構成されている。
【０００７】
この構成によれば、貯留空間に新たに供給された加湿用水と容器内の気相部とが蓋部を介して熱交換されると共に、貯留空間内の加湿用水が噴射口から気相部に噴射されるので、容器内の気相部の温度を容易に昇降させることができる。これにより、露点を円滑に、高温から低温あるいは低温から高温へ変更することができる。つまり、露点変更の要求に対して円滑に対応することができる。
【０００８】
前記噴射口は、前記蓋部の面方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。
【０００９】
この構成によれば、加湿用水が容器内の気相部へより均一に噴射される。
【００１０】
前記貯留空間は、前記蓋部内において面方向に沿って設けられていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、蓋部を介して行われる加湿用水と容器内の気相部との熱交換効率が向上する。
【００１２】
そして、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段と、前記ガス供給手段により前記燃料電池に供給されるガスを加湿する上記いずれかの構成からなる加湿装置と、を備えて構成されている。
【００１３】
この構成の燃料電池システムによれば、露点変更の要求に対して高い応答性を有する加湿装置を備えているので、燃料電池に供給されるガスを適切に加湿することができ、発電効率を高めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムによれば、露点変更の要求に対して円滑に対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１６】
以下、本発明に係る加湿装置及び燃料電池システムの実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給するため水素供給源３、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサ４、空気に所要の水分を加える加湿装置５、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。
【００１８】
燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。水素供給源３としては、例えば高圧水素タンクを採用することができ、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。
【００１９】
燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガスとしての水素ガスが水素供給源３から供給される。水素供給用配管２１には、水素供給源３から水素を供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。
【００２０】
燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２４が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環用配管２４に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２４には、燃料電池２と水素循環用配管２４とを連通させ又は遮断する遮断弁（図示略）、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２４ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２４ｂ等が設けられている。
【００２１】
水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２４は、パージ弁２４ｃ及びパージ用配管２７を介して空気排出用配管２５に接続される。
【００２２】
燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２２が接続されており、この空気供給用配管２２を介して酸化ガスとしての空気（外気）が供給される。空気供給用配管２２には、空気を加圧するコンプレッサ４、空気に所要の水分を加える加湿装置５、空気から微粒子を除去するエアフィルタ６等が設けられている。コンプレッサ４は、燃料電池２に空気（酸化ガス）を供給するためのものであり、本発明におけるガス供給手段の一実施形態である。また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管２５が接続されており、この空気排出用配管２５を介して空気オフガスが外部に放出される。
【００２３】
燃料電池２の冷却水供給口には冷却水供給用配管２３が接続されており、この冷却水供給用配管２３を介して燃料電池２に冷却水が供給される。また、燃料電池２の冷却水排出口には冷却水排出用配管２６が接続されており、この冷却水排出用配管２６を介して燃料電池２から冷却水が外部に排出される。冷却水排出用配管２６と冷却水供給用配管２３とは冷却ファン２６ａを有するラジエータ２６ｂを介して接続されている。冷却水供給用配管２３には、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサや冷却水を加圧して循環させるポンプ２３ａ等が設けられている。
【００２４】
次に、図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の加湿装置５の構成について説明する。
【００２５】
加湿装置５は、図２に示すように、加湿用の水として所定量の純水Ｗを貯留する容器５０と、この容器５０の上部開口部を覆う蓋部５１とを備えている。この容器５０には、ガス導入管５２が導入され、このガス導入管５２の開口端が、容器５０の下方側に配置されている。このガス導入管５２は、空気供給用配管２２のコンプレッサ４側に接続されており、コンプレッサ４によって空気が送り込まれる。なお、このガス導入管５２には、開閉弁５２ａが設けられている。
【００２６】
また、容器５０の上部には、蓋部５１に接続された加湿ガス取り出し管５３の端部が配置されており、容器５０内における純水Ｗの上面側の気相部Ｇにて開口されている。加湿ガス取り出し管５３は、空気供給用配管２２の燃料電池２側に接続されており、この加湿ガス取り出し管５３から空気供給用配管２２を介して燃料電池２へ空気が送り込まれる。
【００２７】
蓋部５１には、その上部に、ポンプ６２配設された供給路６３の一端が接続されている。この蓋部５１は、面方向に沿う貯留空間５１ａと、この蓋部５１の容器５０内側の面に沿って間隔をあけて配置された複数の噴霧口５１ｂとを有しており、貯留空間５１ａに供給路６３が連通されている。
【００２８】
容器５１の底部には、排水路６４が接続されている。この排水路６４は、その途中に排水三方弁６５を有し、この排水三方弁６５には、排水管６６が接続されている。また、この排水路６４は、給水三方弁６７を介して供給路６３に接続されており、この給水三方弁６７には、供給管６８が接続されている。なお、排水路６４には、排水三方弁６５よりも容器５０側に開閉弁６９が設けられ、また、供給管６８にも開閉弁７０が設けられている。
【００２９】
また、容器５０には、その蓋部５１側を除く外周側及び底部側に、ヒータ７１が設けられており、このヒータ７１によって容器５０内の純水Ｗが加温される。
【００３０】
そして、加湿装置５では、上流側の空気供給用配管２２からコンプレッサ４によって引き込まれた空気は、容器５０の下方側に配置されたガス導入管５２の開口端から容器５０内に送り出され、この容器５０内にて、所定温度に加温されている純水Ｗにて気泡となって上昇し、加湿される。
【００３１】
その後、この純水Ｗによって加湿された空気は、気相部Ｇから加湿ガス取り出し管５３へ送り出され、この加湿ガス取り出し管５３から空気供給用配管２２を介して燃料電池２へ送り込まれる。
【００３２】
次に、加湿装置５における露点を降下させる場合について説明する。加湿装置５の露点を降下させるには、まず、ヒータ７１及びコンプレッサ４を停止させるとともに、ガス導入管５２の開閉弁５２ａを閉鎖し、容器５０内への空気の導入を停止させる。
【００３３】
この状態にて、排水三方弁６５を作動させ、排水路６４を排水管６６に連通させる。ここのようにすると、容器５０内に貯留されている純水Ｗが排水路６４へ送り出され、排水三方弁６５を通り、排水管６６から排出される。
【００３４】
容器５０内の純水Ｗの排水が完了したら、排水三方弁６５を作動させて排水路６４と排水管６６とを遮断させるとともに、給水三方弁６７を作動させて、給水管６８と給水路６３とを連通させる。
【００３５】
この状態にて、給水管６８から純水Ｗを供給すると共に、ポンプ６２を作動させる。このようにすると、この給水管６８から送り込まれた純水Ｗが給水三方弁６７を通り、給水路６３へ送り込まれ、ポンプ６２によって蓋部５１の貯留空間５１ａ内へ送り出され、蓋部５１の面方向に広がる。これにより、蓋部５１は、貯留空間５１ａ内に送り込まれた純水Ｗによって、その温度が降下される。
【００３６】
この蓋部５１の貯留空間５１ａに送り込まれた純水Ｗは、複数の噴射口５１ｂから容器５０内に噴射され、この容器５１内に徐々に貯留する。これにより、容器５１は、この噴射口５１ｂから噴射される純水Ｗによって、その温度が降下される。
【００３７】
容器５１内に所定量の純水Ｗが貯留したら、給水三方弁６７が作動し、排水路６４と給水路６３とが連通されて循環経路が形成される。これにより、容器５１内に貯留した純水Ｗが排水路６４へ引き込まれ、その後、ポンプ６２によって再び給水路６３へ送り出され、蓋部５１の貯留空間５１ａへ送り込まれ、噴射口５１ｂから容器５１内へ噴射される。
【００３８】
上記操作を行うことにより、加湿装置５では、新たに供給される純水Ｗによって蓋部５１が冷却され、さらに、この蓋部５１の噴射口５１ｂから純水Ｗが容器５１内へ噴射されることにより、容器５１内における純水Ｗからなる液相部のみならず、気相部Ｇにおける温度が極めて迅速に降下され、これにより、この加湿装置５が、高露点から低露点へ迅速に変更される。
【００３９】
なお、上記実施形態では、露点を降下させる場合について説明したが、温度の高い純水Ｗを供給すれば、低い露点から高い露点への変更を迅速に行うことができる。
【００４０】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１の加湿装置５によれば、貯留空間５１ａ内の新たな純水Ｗと容器５０内の気相部Ｇとが蓋部５１を介して熱交換される（気相部Ｇが冷却される）と共に、貯留空間５１ａ内の新たな純水Ｗが複数の噴射口５１ｂから気相部Ｇ内に噴射されることにより、容器５０内の気相部Ｇの温度を容易に昇降させることができ、露点を円滑に、高温から低温あるいは低温から高温へ変更することができる。つまり、露点変更の要求に対して応答性良く対応することができる。
【００４１】
そして、この加湿装置５を備えた燃料電池システム１によれば、気相部Ｇの露点変更の要求に対して高い応答性を有する加湿装置５を備えているので、燃料電池２に供給される空気（酸化ガス）を適切に加湿することができ、発電効率を高めることが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、供給する純水Ｗが蓋部５１の貯留空間５１ａにて面方向へ広がることにより、気相部Ｇとの間にて効率的に熱交換が行われると共に、貯留空間５１ａ内の純水Ｗが複数の噴射口５１ｂから気相部Ｇ内に均一に噴射されることになるので、気相部の露点をより円滑に応答性良く変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池システムに設けられた加湿装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、４…コンプレッサ（ガス供給手段）、５…加湿装置、５０…容器、５１…蓋部、５１ａ…貯留空間、５１ｂ…噴射口、Ｇ…気相部、Ｗ…純水（加湿用水）
【図１】
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【図２】
2007227253.tif 000004