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JPH0714597A - 燃料電池装置の運転用プロセスガスに加湿する方法及び装置 - Google Patents

燃料電池装置の運転用プロセスガスに加湿する方法及び装置

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JPH0714597A
JPH0714597A JP6154086A JP15408694A JPH0714597A JP H0714597 A JPH0714597 A JP H0714597A JP 6154086 A JP6154086 A JP 6154086A JP 15408694 A JP15408694 A JP 15408694A JP H0714597 A JPH0714597 A JP H0714597A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池装置の運転用プロセスガスに加湿す
る方法及び装置における良好な効率を保証するために，
プロセスガスを所定の温度及び湿度で供給する。 【構成】 水の微滴を計量してプロセスガス供給導管２
へ噴射し，それによりプロセスガスに加湿する。燃料電
池１に圧力をかけて運転する場合，圧縮後プロセスガス
を一般に冷却せねばならないが，本発明によれば，水の
微滴の一部蒸発によつてプロセスガスを自動的に冷却
し，残りの水量を微滴の形で燃料電池１へ供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，燃料電池装置の運転用
プロセスガスに加湿する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電解質膜の乾燥を避けるため，燃料電池
特に陽子を伝導する電解質膜を持つている ＰＥＭ電池
において，プロセスガス即ち空気及び燃料ガスに加湿
することが必要である。いわゆる泡立ち浴を使用して，
壁面に沿つて水を流される壁との接触（流れ膜）を介し
て，粒体床を介して，又は蒸気の噴射により，ガスに加
湿することは，今までに公知である。米国特許第４７３
８９０３号明細書は，例えば陽極ガスへ水蒸気を供給さ
れる燃料電池装置を示している。この加湿装置の欠点は
比較的大きい構造，不充分な動的調整可能性及び凍結防
止装置の欠落である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は，燃料
電池へ入る前におけるプロセス空気の湿度を運転パラメ
ータに関係して所定の目標値に速やかに設定できる方法
及び装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明の方法によれは，微細に霧化される水を燃料電池
へ入る前に計量してプロセスガスへ噴射する。
【０００５】この方法を実施するため，ガス供給導管を
経て燃料電池へプロセスガスが供給され，このガス供給
導管中に，水を計量して噴射する装置が設けられてい
る。
【０００６】
【発明の効果】水の噴射により，供給される水の量を精
確に計量することが可能となり，それによりプロセスガ
スの湿度を精確に設定することができる。計量の際急速
に開閉する電磁弁を使用することによつて，負荷の変化
への高度に動的な整合を保証することができる。水の噴
射は，プロセス空気の加湿にも，燃料ガス例えば水素の
加湿にも使用することができる。
【０００７】プロセスガス特にプロセス空気は，燃料電
池へ入る前に圧縮機により圧縮される。圧縮の際プロセ
ス空気の温度が上昇するので，ガス供給導管へ噴射され
る水の微滴が蒸発せしめられ，その際圧縮されるプロセ
ス空気から蒸気が奪われる。それにより，プロセス空気
が水の噴射により同時に冷却されるので，付加的な空気
冷却器を省くことができるという別の利点が生ずる。
【０００８】圧縮される空気のエネルギが加湿に必要な
全水量を蒸発させるのに充分でないと，水の微滴がエー
ロゾル空気流を形成しながら燃料電池へ送られる。その
際水の微滴が燃料電池にあるガス通路の入口断面に付着
するのを防止するため，水の微滴の断面がガス通路の断
面より少なくとも小さくなければならない。
【０００９】本発明のそれ以外の利点及び構成は，従属
請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明による
燃料電池装置の空気供給装置の原理的構成を示す図面に
基いて，本発明を以下に説明する。
【００１０】
【実施例】以下にはプロセス空気の加湿のみを説明する
が，本発明による方法及び装置は燃料ガスの加湿のため
又は他の任意の酸化剤を使用する場合にも使用すること
ができる。
【００１１】燃料電池装置は，空気供給導管２を経てプ
ロセス空気を供給される燃料電池１又は燃料電池積層体
を含んでいる。空気排出導管及び燃料電池１へ燃料ガス
例えば水素を供給する燃料ガス装置は図示してない。水
素とプロセス空気に含まれる酸素とが燃料電池１におい
て反応すると，電気エネルギのほかに生成水及び反応熱
が生じ，これらの生成水及び反応熱はプロセス空気と共
に燃料電池１から排出される。燃料電池１を出る際の空
気容積流量も，消費される酸素の割合だけ減少する。
【００１２】空気供給導管２中には，プロセス空気を圧
縮する圧縮機３と混合室４が設けられている。混合室４
には噴射ノズル５が設けられて，供給導管６を経て図示
しない水貯蔵容器に接続されている。噴射量を計量する
ために，供給導管６中に電磁弁７が設けられ，通過量を
介して直接に，又はクロツク制御される電磁弁の場合ク
ロツク周波数及び間隔当りの閉鎖時間により水量が設定
される。更に機械的流量分配器も使用することができ
る。
【００１３】水は噴射ノズル５を経て微滴の形で空気供
給導管２へ噴射される。水の霧化は，超音波霧化器によ
るか，又は実施例に示すように空気で援助される噴射ノ
ズル５によつて行うことができる。霧化に必要な空気
は，混合室４の上流側で空気供給導管２から分岐する導
管８を介して取出される。電磁弁７の制御は制御装置９
を介して行われ，この制御装置９において運転パラメー
タに関係して，供給すべき水量の目標値が求められる。
この目標値は，空気供給導管２に設けられるセンサ１０
により測定される空気容積流量に関係して求められる。
更に空気温度又は燃料に特有な他のパラメータも，目標
値を求めるのに使用することができる。
【００１４】充分な効率を保証するため，プロセス空気
は燃料電池へ入る際所定の温度及び所定の湿度を持つて
いなければならない。従つて湿度を設定するため，一般
に空気供給導管２中に加湿器が設けられる。プロセス空
気は圧縮機３の通過後１５０℃まで温度上昇するので，
更に装入冷却器が必要になることがある。この高温のプ
ロセス空気中で水の微滴の少なくとも一部が蒸発し，そ
の際プロセス空気が蒸発熱を奪うので，少なくとも付加
的な装入空気冷却器の使用をやめることができる程度
に，プロセス空気の温度が低下する。しかし一般にプロ
セス空気のエネルギ含有量は，加湿に必要な全水量を蒸
発させるのには充分でない。従つて水の一部は液相で送
らねばならない。最大許容微滴径は，燃料電池のガス通
路の形状及び寸法によつて決定される。微滴が狭い通路
を通り，入る前に断面をふさがないようにするため，微
滴は５〜１５μｍの範囲の直径を持つているのがよい。
【００１５】混合室４は圧縮機３の上流側及び下流側に
設けることができる。圧縮前に水が噴射されると，圧縮
機出力が６〜８％減少する。即ちこの場合圧縮により生
ずるエネルギが直接蒸発熱としてガスから奪われ，一方
後で水を噴射する場合，ポリトロープ圧縮の際ガス温度
がまず上昇し，続いて蒸発熱を取出すことにより再び低
下する。
【００１６】燃料電池は不純物の影響を受け易いので，
ガスへの加湿のため一般に純水のみが使用される。更に
公知の加湿装置では，大きい全容積が常に水で満たされ
ている。それにより，燃料電池装置を凍結の障害に対し
て保護することは殆ど不可能であり，この凍結防止は，
特に可動使用の場合例えば車両において非常に重要であ
る。本発明による装置では，貯蔵容器及び供給導管６が
常に純水で満たされているので，凍結防止は容易に可能
である。しかしこれらの比較的小さい部材は，適当な絶
縁手段又は加熱装固によつて，凍結の障害に対して保護
することができる。更に燃料電池１にあるガス通路は完
全には水で満たされていないので，凍結の際燃料電池１
内に障害が生ずることはない。
【００１７】本発明による加湿装置は，燃料電池１のプ
ロセスガスに加湿する公知の装置に比較して，著しく僅
かな全空間しか必要としない。更に供給される水の量を
動的負荷変化へ極めて速やかに合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池装置の本発明による空気供給装置の構
成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池 ２ プロセスガス供給導管 ５ 噴射ノズル ７ 電磁弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴオルフラム・フレツク ドイツ連邦共和国エルバツハ・パノラマヴ エーク12 (72)発明者 ゲラルト・ホルンブルク ドイツ連邦共和国テツトナング・ホーフカ ンメルシユトラーセ30

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 微細に霧化される水を燃料電池（１）へ
    入る前に計量してプロセスガスへ噴射することを特徴と
    する，燃料電池装置の運転用プロセスガスに加湿する方
    法。
  2. 【請求項２】 水の噴射量を運転条件に関係して求める
    ことを特徴とする，請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 噴射される水の微滴の直径を燃料電池
    （１）のガス通路の直径より小さくすることを特徴とす
    る，請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 空気を呼吸する燃料電池（１）のプロセ
    ス空気に加湿することを特徴とする，請求項１に記載の
    方法。
  5. 【請求項５】 ガス供給導管を経て燃料電池へプロセス
    ガスが供給されるものにおいて，プロセスガスのガス供
    給導管（２）中に，水を計量して噴射する装置（５，
    ７）が設けられていることを特徴とする，請求項１に記
    載の方法を実施するための装置。
  6. 【請求項６】 噴射装置（５）に水を霧化する装置
    （５，８）が設けられていることを特徴とする，請求項
    ５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 水を霧化する装置（５，８）が，空気で
    援助される噴射ノズル又は超音波霧化器の原理に基いて
    動作することを特徴とする，請求項５に記載の装置。
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