(57)【要約】 【課題】  燃料電池又は燃料電池評価装置における生成水の高精度計測目標基準である０．１ｍＬ／分程度を達成できる凝縮装置を提供する。【解決手段】  高温加湿ガスを冷却して低温ガスと凝縮水とを排出するための凝縮装置において、円筒形冷却ジャケットと、該円筒形冷却ジャケット内に収容されるコイル状配管とを有し、前記コイル状配管は上下方向に配置され、コイル上部に高温加湿ガス送入口を有し、コイル下部に低温ガスと凝縮水の流出口を有し、前記円筒形冷却ジャケットは冷却水送入口と冷却水流出口とを有する凝縮装置。【選択図】      図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温加湿ガスを冷却して低温ガスと凝縮水とを排出するための凝縮装置において、円筒形冷却ジャケットと、該円筒形冷却ジャケット内に収容されるコイル状配管とを有し、前記コイル状配管は上下方向に配置され、コイル上部に高温加湿ガス送入口を有し、コイル下部に低温ガスと凝縮水の流出口を有し、前記円筒形冷却ジャケットは冷却水送入口と冷却水流出口とを有する凝縮装置。
【請求項２】
前記円筒形冷却ジャケットはドーナツ状の中空円筒形をしており、前記冷却水送入口は前記中空円筒形冷却ジャケットの下部に配設され、前記冷却水流出口は前記中空円筒形冷却ジャケットの上部に配設され、前記冷却水送入口及び冷却水流出口は中空円筒形冷却ジャケットの平面（断面）接線方向から接続されている請求項１記載の凝縮装置。
【請求項３】
前記コイル状配管は、管内中心軸が水平面に対して５゜〜３０゜の範囲内の傾斜角θを有する請求項１又は２記載の凝縮装置。
【請求項４】
燃料電池又は燃料電池評価装置で使用される請求項１〜３の何れかに記載の凝縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は凝縮装置に関する。更に詳細には、本発明は燃料電池のアノード及びカソードの各々から排出される生成水量を高精度に計測できる燃料電池又は燃料電池評価装置用の凝縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料をエネルギー源とする機器類は燃焼排ガスとして二酸化炭素や窒素酸化物を大量に排出する。これらの排ガスは地球温暖化や光化学スモッグなどの原因物質として指摘され、社会問題となっている。
【０００３】
最近、地球環境を保護するために、二酸化炭素や窒素酸化物を排出する化石燃料の代わりに、これらの汚染物質を一切排出しない水素ガスをエネルギー源とする燃料電池の開発が精力的に行われている。燃料電池は自動車などの車両の他に、様々な用途における実用化を目指して活発な研究が進められている。
【０００４】
燃料電池評価装置の一例は特開２００６−４８９８７号公報（特許文献１）に記載されている。図３は従来技術による燃料電池評価装置１００の一例の概要構成図である。燃料電池本体１０１のアノード極には燃料ガス流路１１１を介して燃料ガス（水素，Ｈ２）が供給され、カソード極には酸化ガス流路１２１を介して酸化ガス（酸素，Ｏ２）が供給される。酸化ガスとしては一般的に空気が使用される。燃料ガス（Ｈ２）と酸化ガス（Ｏ２）は各々マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１１２及び１２２によって流量制御され、加湿器１１３及び１２３によって加湿され、その後、ヒータ１１４及び１２４により加温される。電池反応後の水素オフガス（アノードオフガス）は燃料ガス排出流路１１５から気液分離器１１６に導入されて水分と気体に分離され、水分はドレンタンク１１７に貯留され、水素オフガスは分離燃料ガス排出流路１１８を通じて排気される。水素オフガスの背圧は背圧弁１１９により調圧される。酸素オフガス（カソードオフガス）も同様に、酸化ガス排出流路１２５から気液分離器１２６に導入されて水分と気体に分離され、水分はドレンタンク１２７に貯留され、酸素オフガスは分離酸化ガス排出流路１２８を通じて排気される。酸素オフガスの背圧は背圧弁１２９により調圧される。ドレンタンク１１７及び１２７内に貯留されたサンプル水は排水弁１３０及び１３１をそれぞれ開弁することにより回収されて分析試験に供され、燃料電池の性能評価が行われる。
【０００５】
図４は燃料電池本体１０１の代表的構成の一例を示す概要図である。符号１０２は溝状のアノード極を示し、符号１０３はアノード極に当接するアノードセパレータであり、符号１０４は溝状のカソード極を示し、符号１０５はカソード極に当接するカソードセパレータを示す。また、符号１０６はアノード側拡散層を示し、符号１０７はアノード側触媒層を示し、符号１０８はカソード側拡散層を示し、符号１０９はカソード側触媒層を示す。両触媒層の間には固体高分子膜１１０が間挿されている。
【０００６】
アノード極１０２に供給された燃料ガス（Ｈ２）は下記の（１）式に示す酸化反応を起こし、カソ−ド極１０４に供給された酸化ガス（Ｏ２）は下記の（２）式に示す還元反応を起こし、燃料電池１０１全体としては下記の（３）式に示す起電反応が生じる。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                          ・・・  （１）
（１／２）Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →    Ｈ２Ｏ    ・・・  （２）
Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ                  ・・・  （３）
【０００７】
燃料電池本体１０１が電池として動作するためには、固体高分子膜１１０がアノード極１０２側の水素イオンＨ＋をカソード極１０４の方向に透過することが必要である。ところで、水素のイオン化にあたっては、この固体高分子膜１１０のアノード極１０２側の面において十分に加湿されていることが特に重要である。このため、燃料ガスである水素Ｈ２は水蒸気によって加湿された状態で供給されなければならない。
【０００８】
燃料電池実用化の課題の一つに低加湿対応技術開発があり、燃料電池開発メーカー各社においては、これを重要課題として取り組んでいる。燃料電池評価装置においては、加湿量についてはバブラの露点温度制御、ガス流量制御等の既存技術で高精度計測可能であるが、燃料電池の発電時に起きるクロスオーバー水量（例えば、アノードからカソードへの水移動）などの生成水計測については高精度計測ができていない状況にある。
【０００９】
図３に示されるような燃料電池評価装置の気液分離器１１６及び１２６においては、燃料電池のアノード出口及びカソード出口から排出される高温加湿ガスを図５に示すような汎用プレート式熱交換器で冷却して排ガス（水素、空気）と凝縮水とに分離する方法を採用している。プレート式熱交換器は、カバープレート３１に高温加湿ガス、低温ガス＋凝縮水、冷却水（往）及び冷却水（復）を接続し、冷却水プレート３２と高温流体プレート３３とを交互に配置して、高温流体を冷却水（往）で冷却して、低温ガス＋凝縮水としてドレンタンク１１７及び１２７に排出している。
【００１０】
プレート式熱交換器は伝熱面積が大きく流速が小さいので熱交換効率が優れているが、生成水（凝縮水）を高精度計測することに関しては以下の問題点を有する。
(1)排出口（低温ガス＋凝縮水）が熱交換器内部最下面とできず、基本的に水が内部に蓄積する構造である、及び、
(2)伝熱面積が大きく流速が小さいために凝縮した微細水滴が直ぐに流れ出さず（これは表面張力が勝るためである）、大きな水滴に成長してから一気に流れ出す（これは窓ガラスなどに付着した結露水と同様な現象である）。
このため、生成水の計測速度は２〜４ｍＬ／分程度であり、０．１ｍＬ／分程度とされる高精度計測の目標基準を達成できないでいる。
【特許文献１】特開２００６−４８９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、燃料電池又は燃料電池評価装置における生成水の高精度計測目標基準である０．１ｍＬ／分程度を達成できる凝縮装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するための手段として、請求項１における発明は、高温加湿ガスを冷却して低温ガスと凝縮水とを排出するための凝縮装置において、円筒形冷却ジャケットと、該円筒形冷却ジャケット内に収容されるコイル状配管とを有し、前記コイル状配管は上下方向に配置され、コイル上部に高温加湿ガス送入口を有し、コイル下部に低温ガスと凝縮水の流出口を有し、前記円筒形冷却ジャケットは冷却水送入口と冷却水流出口とを有する凝縮装置である。
【００１３】
この発明によれば、コイル状配管を使用するため、管内に凝縮水が溜まる部位が無いので、生成した凝縮水は溜まることなく排出される。また、ガス流速が大きくなるので凝縮した微細水滴が大きな水滴に成長することなく、スムーズに管外へ排出される。その結果、生成水量を正確に計測できる。
【００１４】
前記課題を解決するための手段として、請求項２における発明は、前記円筒形冷却ジャケットはドーナツ状の中空円筒形をしており、前記冷却水送入口は前記中空円筒形冷却ジャケットの下部に配設され、前記冷却水流出口は前記中空円筒形冷却ジャケットの上部に配設され、前記冷却水送入口及び冷却水流出口は中空円筒形冷却ジャケットの平面（断面）接線方向から接続されている請求項１記載の凝縮装置である。
【００１５】
この発明によれば、冷却水送入口及び冷却水流出口は、中空円筒形冷却ジャケットの平面（断面）接線方向から接続されているので、中空円筒形冷却ジャケットの内壁面に沿うように上部に向かって回転して流れるので、コイル状配管に冷却水が均等に接触する。これにより、熱交換効率を向上させて高温加湿ガスを一層確実に凝縮させることができる。
【００１６】
前記課題を解決するための手段として、請求項３における発明は、前記コイル状配管は、管内中心軸が水平面に対して５゜〜３０゜の範囲内の傾斜角θを有する請求項１又は２記載の凝縮装置である。
【００１７】
この発明によれば、配管内で凝縮された水は、５゜〜３０゜の傾斜角を有するコイル内壁傾斜面に沿って、管内に溜まること無く、スムーズに管外へ排出される。
【００１８】
前記課題を解決するための手段として、請求項４における発明は、燃料電池又は燃料電池評価装置で使用される請求項１〜３の何れかに記載の凝縮装置である。
【００１９】
この発明によれば、燃料電池又は燃料電池評価装置における生成水の高精度計測目標基準である０．１ｍＬ／分程度を達成できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の凝縮装置は、高温加湿ガスを冷却するのに使用するコイル状配管には、生成した凝縮水が溜まる部位がないので、生成水は溜まることなくスムーズに管外へ排出される。また、細い管径のコイル状配管を使用することにより、ガス流速が大きくなるので凝縮した微細水滴が大きな水滴に成長することなく、スムーズに管外へ排出される。これにより、本発明の凝縮装置は、燃料電池又は燃料電池評価装置における生成水の高精度計測目標基準である０．１ｍＬ／分程度を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明による凝縮装置の一例の上面図であり、図２Ａは図１におけるＡ−Ａ線に沿った概要断面図であり、図２Ｂは図１におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図であり、図２Ｃはコイル状配管の部分拡大図である。
【００２２】
本発明の凝縮装置１は、中空円筒形（ドーナツ形）の冷却ジャケット３の内部にコイル状の配管５を収容している。冷却ジャケット３には冷却水送入口７と冷却水流出口９が配設されている。冷却水送入口７及び冷却水流出口９は中空円筒形冷却ジャケット３の平面（断面）接線方向から接続することが好ましい。冷却ジャケット３はドーナツ形でなく、単なる円筒形のものであってもよい。
【００２３】
図２Ａを参照する。コイル状配管５を上下方向の配置とし、上部を高温加湿ガスの送入口１１とし、下部を低温ガスと凝縮水の流出口１３とする。高温加湿ガスは、高温加湿ガス送入口１１から送入され、コイル状配管５を通り抜ける間に冷却されて、低温ガスと凝縮水として、流出口１３から排出される。冷却ジャケット３は天蓋１５と底板１７とにより密閉されている。
【００２４】
図２Ｂを参照する。中空円筒形冷却ジャケット３の平面（断面）接線方向から接続された冷却水送入口７から送入された冷却水（往）は、仮想線で示されるように、冷却ジャケット３の内壁面に沿って螺旋状に上昇し、冷却ジャケット３を通り抜ける間に高温加湿ガスを冷却（凝縮）させてから、冷却水流出口９からジャケット外へ排出される。冷却水流出口９からジャケット外へ排出された冷却水（復）は、そのまま廃棄してもよいが、図示されていない適当な冷却装置で再冷却して、冷却水（往）として冷却水送入口７から再送入することもできる。
【００２５】
コイル状配管５の材質は、高温加湿ガスの有する温度に耐えることができれば任意の材料を使用できる。ステンレス、チタン、ガラス又はプラスチックなどが好ましい。プラスチックは撥水性のフッ化樹脂が好ましい。ステンレスが特に好ましい。配管５の管径は凝縮器の用途やサイズなどを考慮して適宜決定することができる。一例として、１／４インチ又は３／８インチなどの細い管径が好ましい。また、コイル捲回数は図示された６回に限定されない。所定の伝熱計算により適宜最適な捲回数を決定し、採用することができる。
【００２６】
図２Ｃを参照する。凝縮水がコイル内に溜まらず、スムーズに流下するように、コイル状配管５は、管内中心軸が水平面に対してθの傾斜角を有することが好ましい。θの値は５゜〜３０゜の範囲内であることが好ましい。θが５゜未満の場合、凝縮のための伝熱面積は十分であるが、コイル状配管５内に凝縮水が溜まってしまう可能性がある。一方、θが３０゜超の場合、凝縮水の流下には申し分ないが、反面、十分な伝熱面積が得られず、凝縮が不十分となる可能性がある。好ましい傾斜角θは９゜〜１１゜の範囲内である。
【００２７】
高温加湿ガスは、コイル状配管５内部で冷やされて凝縮するが、構造上、凝縮水が溜まる部位がないので、配管内に溜まることなく排出される。また、細い管径の配管５を使用することにより、ガス流速が速くなり、配管５内壁面で凝縮した微細水滴は大きな水滴に成長することなく、スムーズに排出される。
【００２８】
中空円筒形冷却ジャケット３の下部から冷却水を送入し、上部から流出することで熱交換効率を向上させて高温加湿ガスを確実に凝縮させることができる。冷却水送入口７及び冷却水流出口９は、中空円筒形冷却ジャケット３の平面（断面）接線方向から接続されているので、冷却ジャケット３の内壁面に沿うように上部に向かって回転して流れるので、コイル状配管５に冷却水が均等に接触する。これにより、熱交換能力を確保して一層確実に凝縮させることができる。しかし、図示されているような向流方式でなく、高温加湿ガスと冷却水の流れ方向が同一の並流方式も本発明で採用することができる。
【実施例１】
【００２９】
本発明の凝縮装置を作製した。コイル状配管には外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ、コイル展開長１７０８ｍｍ、管内表面積２３３４１ｍｍのステンレスパイプを使用し、捲回数を８とした。管内中心軸の水平面に対する傾斜角θは１０．０１゜であった。このコイル状配管を収容する中空状冷却ジャケットは外径８６．１ｍｍ、中空内径４４．６ｍｍ、高さ２４４ｍｍ、チラー水量８７４ｍＬであった。中空円筒形冷却ジャケット３もステンレス製であった。冷却ジャケット３の下部に冷却水送入口７を接線方向に配設し、上部に冷却水流出口９を接線方向に配設した。送入口１１からコイル５内に送入された高温加湿ガスの温度は８０℃であり、湿度は１５．６％であり、流速は１．２ｍ／ｓｅｃであった。冷却水送入口７から温度１０℃の冷却水を流速０．５ｍ／ｓｅｃでジャケット３内に送入した。コイル状配管の流出口１３から低温ガスと凝縮水を捕集し、生成水量を計測したところ、０．０９ｍＬ／分〜０．１１ｍＬ／分であった。この結果から、本発明の凝縮装置は燃料電池又は燃料電池評価装置に求められる生成水量計測目標基準を達成できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上、本発明の凝縮装置の好ましい実施態様について図面を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は図示された実施態様のみに限定されない。例えば、冷却水送入口７と冷却水流出口９を円筒形冷却ジャケット３に対して接線方向に配設せず、直交するように配設することも可能であり、更に、複数個の冷却水送入口７及び冷却水流出口９を配設することもできる。
【００３１】
また、中空円筒形冷却ジャケット３の代わりに、コイル状配管５を内径の大きな冷却管内に収容した二重管式の構成も採用できる。
【００３２】
本発明の凝縮装置の用途として燃料電池又は燃料電池評価装置を挙げたが、この用途だけに限定されることはない。高温加湿ガスを凝縮させるための凝縮装置であれば、全ての用途に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による凝縮装置の一例の上面図である。
【図２Ａ】図１におけるＡ−Ａ線に沿った概要断面図である。
【図２Ｂ】図１におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【図２Ｃ】コイル状配管の部分拡大図である。
【図３】従来技術による燃料電池評価装置１００の一例の概要構成図である。
【図４】図３における燃料電池本体１０１の代表的構成の一例を示す概要図である。
【図５】図３における気液分離器の一例の汎用プレート式熱交換器概要構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  本発明の凝縮装置
３  中空円筒形冷却ジャケット
５  コイル状配管
７  冷却水送入口
９  冷却水流出口
１１  高温加湿ガス送入口
１３  低温ガス＋凝縮水流出口
１５  冷却ジャケット天蓋
１７  冷却ジャケット底板
３１  カバープレート
３２  冷却水プレート
３３  高温流体プレート
１００  従来技術による燃料電池評価装置
１０１  燃料電池本体
１０２  アノード極
１０３  アノードセパレータ
１０４  カソード極
１０５  カソードセパレータ
１０６  アノード側拡散層
１０７  アノード側触媒層
１０８  カソード側拡散層
１０９  カソード側触媒層
１１０  固体高分子膜
１１１  燃料ガス流路
１２１  酸化ガス流路
１１２，１２２  マスフローコントローラ
１１３，１２３  加湿器
１１４，１２４  ヒータ
１１５  燃料ガス排出流路
１２５  酸化ガス排出流路
１１６，１２６  気液分離器
１１７，１２７  ドレンタンク
１１８  分離燃料ガス排出流路
１２８  分離酸化ガス排出流路
１１９，１２９  背圧弁
１３０，１３１  排水弁
【図１】
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【図２Ａ】
2009099481.tif 000004
【図２Ｂ】
2009099481.tif 000005
【図２Ｃ】
2009099481.tif 000006
【図３】
2009099481.tif 000007
【図４】
2009099481.tif 000008
【図５】
2009099481.tif 000009