JP2008004393A - 液滴除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加湿ガスに含まれる液滴を効率よく除去する液滴除去装置を提供する。
【解決手段】固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス１１中の液滴を除去する液滴除去装置１０であって、内部に多数のボール１３が充填されると共に、ボール１３を浸漬する水１４が貯留された貯水槽１５と、貯水槽１５内に水位を保って水１４ａを供給又は排出する水位調整手段１６と、貯水槽１５の下部から貯水槽１５内に加湿ガス１１を供給する加湿ガス供給手段１７と、貯水槽１５内の水１４を所定温度に調節する水温調整手段１８とを有し、加湿ガス１１中の液滴を除去して、所定露点温度の加湿ガス１２とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、固定高分子型の燃料電池に供給する加湿ガスに含まれる液滴を除去する液滴除去装置に関する。

固体高分子型の燃料電池に連続的に供給される所定の流量、温度、及び湿度の製品加湿ガスは、例えば、原水を加熱して水蒸気を発生させる蒸発部と、生成した水蒸気に原料ガスを混合すると共に、加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、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とが高さ方向に下から順に積み上げられた加湿ガス供給システムによって製造され、冷却部において過熱加湿ガスの露点を下げる際に生じる液滴（ミスト）を重力によって蒸発部に落下させ、液滴が燃料電池に供給されないようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この加湿ガス供給システムでは、供給するガスの流量が多くなると、液滴が完全には落下せず、製品加湿ガス中に液滴が残り、液滴が燃料電池に供給され、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。そこで、発生した液滴を多孔性セラミック、繊維状セラミック、金属ワイヤメッシュ、又は積層スクリーン等で構成されたデミスタに接触させて捕集して除去している（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２０３３２４号公報 特開平６−２８３１８６号公報

しかしながら、前記した従来のデミスタでは、捕集された液滴を系外に排出する機構が必要となり、設備が大きくなるという問題があった。また、デミスタに接触した水蒸気が液滴となって露点が下がるという問題もあった。この際には、所定温度及び湿度の加湿ガスとするために、液滴を更に加熱して水蒸気にして露点を上げなければならないという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガスに含まれる液滴を効率よく除去する液滴除去装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る液滴除去装置は、固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス中の液滴を除去する液滴除去装置であって、
内部に多数のボールが充填されると共に、該ボールを浸漬する水が貯留された貯水槽と、
前記貯水槽内に水位を保って水を供給又は排出する水位調整手段と、
前記貯水槽の下部から該貯水槽内に前記加湿ガスを供給する加湿ガス供給手段と、
前記貯水槽内の水を所定温度（例えば、４０〜１００℃）に調節する水温調整手段とを有し、
前記加湿ガス中の液滴を除去して、所定露点温度（製品が必要とする温度であって、例えば、４０〜１００℃）の加湿ガスとする。

本発明に係る液滴除去装置において、前記ボールは、アルミナ、窒化ケイ素、ガラス、及びステンレスのいずれか１又は２以上で製造されているのが好ましい。
本発明に係る液滴除去装置において、前記ボールは、直径が３〜１２ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍであるのが好ましい。
本発明に係る液滴除去装置において、前記貯水槽内の水位は、前記充填されたボールの上端部より１０〜５０ｍｍ上位置になるように調整されるのが好ましい。
本発明に係る液滴除去装置において、前記水位調整手段は水供給手段であって、該水供給手段は、水を前記貯水槽の上部から供給し下部から排出するのが好ましい。

本発明に係る液滴除去装置において、前記水温調整手段は前記水供給手段に設けられ、該水温調整手段により温度調整された水を前記貯水槽に供給してもよい。
本発明に係る液滴除去装置において、前記水温調整手段は、前記貯水槽内の水を温めるヒータを有し、該ヒータは該貯水槽の内部及び外部のいずれか一方又は双方に設けられてもよい。
本発明に係る液滴除去装置において、前記水温調整手段は、前記貯水槽内のガスを温めるヒータを有し、該温められたガスによって該貯水槽内の水が温められてもよい。
該ヒータは該貯水槽の内部及び外部のいずれか一方又は双方に設けられてもよい。

請求項１〜８に記載の液滴除去装置においては、液滴を含む加湿ガスが貯水槽内で水と接触するので、液滴が除去される。また、貯水槽内には、多数のボールが充填され、ボールが水に浸漬された貯水槽の下部から加湿ガスが供給されるので、加湿ガスがボールの隙間を通過する際に小さい泡となり、水面で破裂しても液滴に成り難い。水温調整手段によって貯水槽内の水が所定温度に調節されているので、露点を調整することができる。

特に、請求項２記載の液滴除去装置においては、ボールが、アルミナ、窒化ケイ素、ガラス、及びステンレスのいずれか１又は２以上で製造されているので、表面が壊れ難い（化学反応し難い）。
請求項３記載の液滴除去装置においては、ボールの直径が３〜１２ｍｍであるので、加湿ガスを小さい泡（ボールの隙間から出る大きさであって、例えば、直径が０．５〜３ｍｍ）にすることができる。
請求項４記載の液滴除去装置においては、貯水槽内の水位が、充填されたボールの上端部より１０〜５０ｍｍ上位置になるように調整されるので、生成された小さい泡が、そのまま水面に到達できる。
請求項５記載の液滴除去装置においては、水供給手段が、水を貯水槽の上部から供給し下部から排出するので、加湿ガス供給手段の下方に距離をとって排水管を配置すれば下部で発生するガスを排水管に導入しない。

請求項６記載の液滴除去装置においては、水温調整手段が水供給手段に設けられ、水温調整手段で温度調整された水を貯水槽に供給しているので、貯水槽の水温を一定に調整できる。
請求項７記載の液滴除去装置においては、水温調整手段が、貯水槽内の水を温めるヒータを有し、ヒータは貯水槽の内部及び外部のいずれか一方又は双方に設けられているので、貯水槽の水温を一定に調整できる。
請求項８記載の液滴除去装置においては、水温調整手段が、貯水槽内のガスを温めるヒータを有し、温められたガスによって貯水槽内の水が温められるので、貯水槽の水温を一定に調整できる。

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は本発明の第１の実施の形態に係る液滴除去装置の説明図、図２は本発明の第２の実施の形態に係る液滴除去装置の説明図、図３は本発明の第３の実施の形態に係る液滴除去装置の説明図である。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る液滴除去装置１０について説明する。
液滴除去装置１０は、図示しない加湿ガス供給システムから供給される加湿ガス１１中の液滴を除去して、所定温度及び湿度の加湿ガス（以下、「調整加湿ガス」ともいう）１２を製造し、図示しない固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する装置であって、内部に多数のボール１３が充填されると共に、ボール１３を浸漬する水１４が貯留された貯水槽１５と、貯水槽１５内に水位を保ちながら水１４ａを供給する水供給手段（水位調整手段の一例）１６と、加湿ガス供給システムに接続され、加湿ガス供給システムから送られる加湿ガス１１を貯水槽１５の下部から貯水槽１５内に供給する加湿ガス供給手段の一例である加湿ガス供給管１７と、貯水槽１５内の水１４を所定温度に調節する水温調整手段１８とを有している。以下、詳しく説明する。

貯水槽１５は、例えば、直径２０〜１５０ｍｍ、高さ１５０〜５００ｍｍ（本実施の形態では、直径５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ）の実質的に円筒形状となって、その上下に天井板１９及び底板２０が取付けられて密閉されている。また、ボール１３は、アルミナ製で、直径が３〜１２ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍ（本実施の形態では、５ｍｍ）の球状体となって、貯水槽１５の底板２０から、例えば、９０ｍｍの高さまで充填されている。なお、ボールは、アルミナ以外の窒化ケイ素等のセラミック、耐熱強化処理を施したガラス、又はステンレスで製造してもよく、これらの材料で製造されたボールを混合して使用してもよい。

水供給手段１６は、貯水槽１５内の上部かつボール１３が充填されている位置、例えば、貯水槽１５の底板２０から７５ｍｍ上の位置に給水口２１が配置される給水管２２と、貯水槽１５の底板２０に設けられる排水口２３を備える排水管２４と、給水管２２及び排水管２４に連結され、排水管２４から給水管２２へと水を循環させて貯水槽１５内に水１４ａを供給するポンプ２５とを備えている。

また、水供給手段１６は、貯水槽１５内の水位を測定する水位計２６と、図示しない水位制御装置と、排水管２４に連結され、水位制御装置によって作動する給水バルブ２７を備えた水供給管２８及び排水バルブ２９を備えた水排出管３０とを有し、貯水槽１５内の水位が、充填されたボール１３の上端部から１０〜５０ｍｍ（本実施の形態では、２０ｍｍ）上位置になるように調整されている。ここで、貯水槽１５内の底板２０からボール１３の上端部までのボール１３の充填されている部分をボール層３１、ボール１３の上端部から水面までの部分を液相３２、また、水面から上の部分を気相３３という。

更に、水供給手段１６には、液相３２下部に配置される温度計３４と、給水管２２に設けられ、温度計３４の測定値が所定値となるように給水管２２内の水１４ａを加熱するヒータ３５と、ヒータ３５を制御する図示しない温度制御装置とを備えた水温調整手段１８が設けられ、所定温度の水１４ａを貯水槽１５に供給している。

加湿ガス供給管１７は、貯水槽１５の下部側壁に取付けられており、底部に設けられている排水口２３から加湿ガス１１が吸い込まれないようになっているので、気体の吸い込みによるポンプ２５の故障がない。また、供給される加湿ガス１１は、貯留槽１５内に充填されたボール１３の隙間を通る際に、小さい泡（小泡）となると共に、水１４と接触して加湿ガス１１中の液滴が水１４と一体となって除去される。

更に、液相３２の高さが１０〜５０ｍｍとなっているので、ボール１３を通過して小泡となった加湿ガス１１が集まって大きな泡にはならず、水面で泡が割れた際に液滴が生成され難くなり、調整加湿ガス１２に液滴が含まれることがなくなる。また、液相３２は水温が所定値に調整されているので、所定温度及び湿度の調整加湿ガス１２を製造することができる。なお、製造された調整加湿ガス１２は、貯水槽１５の天井板１９に設けられた加湿ガス排出管３６から燃料電池に供給される。また、貯水槽１５の気相３３部分の外側及び加湿ガス排出管３６の外側には、製造された調整加湿ガス１２を所定温度に保つためのヒータを設けてもよい。

次に、液滴除去装置１０を使用した加湿ガス１１中の液滴の除去方法について説明する。
ボール１３が充填された貯水槽１５に、水供給手段１６の水位制御装置によって液相３２の高さが２０ｍｍになるように、また、水温調整手段１８によって水温が所定値となるように水１４ａを供給する。なお、水温調整手段はヒータ等による昇温手段及び熱交換器による降温手段のいずれか一方又は双方の手段をいう。次に、加湿ガス供給管１７から加湿ガス１１を貯水槽１５内に供給する。なお、供給される加湿ガス１１の体積により、水位が上昇するが、水位制御装置により液相３２の高さが所定値となるように調整される。

加湿ガス供給管１７から供給された加湿ガス１１は、貯水槽１５内に充填されたボール１３が加湿ガス１１の上昇の抵抗となると共に、ボール１３の隙間を通過することにより気泡が小さくなって水１４との接触面積が大きくなり、加湿ガス１１の液滴を除去することができる。この小泡は、高さが２０ｍｍに調整された液相３２では、集まって大きくならず、水面で割れても液滴が生成され難くなり、実質的に液滴が含まれない調整加湿ガス１２を製造することができ、液滴による燃料電池の発電効果の低下を招くことがなくなる。

図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る液滴除去装置４０について説明する。なお、液滴除去装置１０と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
液滴除去装置４０は、水温調整手段４１が、液相３２下部に配置される温度計３４と、貯水槽１５のボール層３１及び液相３２の外側に取付けられ、温度計３４の測定値が所定値となるように貯水槽１５内の水１４を加熱するヒータ４２と、ヒータ４２を制御する図示しない温度制御装置とを備えている点で、液滴除去装置１０と異なっている。

なお、貯水槽１５内の水１４と水供給手段１６で供給される水１４ａの温度の差を小さくするために、貯水槽１５内に供給する水１４ａの温度を調整してもよい。また、製造した調整加湿ガス１２を所定温度に保つために、貯水槽１５の気相３３部分の外側及び加湿ガス排出管３６の外側にヒータを設けてもよい。更に、ヒータを貯水槽１５内のボール層３１及び液相３２のいずれか一方又は双方に配置して、水温を調整してもよい。

図３を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る液滴除去装置５０について説明する。なお、液滴除去装置１０、４０と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
液滴除去装置５０は、水温調整手段５１が、液相３２下部に配置される温度計３４と、貯水槽１５の気相３３の外側に取付けられ、温度計３４の測定値が所定値となるように貯水槽１５内の調整加湿ガス１２を加熱し、加熱された調整加湿ガス１２によって貯水槽１５内の水１４を所定温度とするヒータ５２と、ヒータ５２を制御する図示しない温度制御装置とを備えている点で、液滴除去装置１０、４０と異なっている。
通常、液滴除去装置１０、４０に使用のヒータ装置と並用し、微小温度の調整を行い、これが可能であれば、水１４の水温が露点であるとみなすことができる。

なお、貯水槽１５内の水１４と水供給手段１６で供給される水１４ａの温度の差を小さくするために、貯水槽１５内に供給する水１４ａの温度を調整してもよい。また、貯水槽１５のボール層３１及び液相３２の外側又は内側にヒータを設け、貯水槽１５内の水１４の温度を調整してもよい。

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、前記したそれぞれの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液滴除去装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態の液滴除去装置において、加湿ガス供給システムから加湿ガスを貯水槽に供給したが、ドライガスを加湿して製造した加湿ガスを供給することもできる。
また、前記実施の形態においては、水位調整手段として水供給手段を用いたが、多量の水が発生する場合、水の排出を行う手段であってもよい。また、自動的に水の供給及び排出を行うものであってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る液滴除去装置の説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る液滴除去装置の説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る液滴除去装置の説明図である。

符号の説明

１０：液滴除去装置、１１、１２：加湿ガス、１３：ボール、１４、１４ａ：水、１５：貯水槽、１６：水供給手段、１７：加湿ガス供給管、１８：水温調整手段、１９：天井板、２０：底板、２１：給水口、２２：給水管、２３：排水口、２４：排水管、２５：ポンプ、２６：水位計、２７：給水バルブ、２８：水供給管、２９：排水バルブ、３０：水排出管、３１：ボール層、３２：液相、３３：気相、３４：温度計、３５：ヒータ、３６：加湿ガス排出管、４０：液滴除去装置、４１：水温調整手段、４２：ヒータ、５０：液滴除去装置、５１：水温調整手段、５２：ヒータ

Claims (8)

1. 固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス中の液滴を除去する液滴除去装置であって、
   内部に多数のボールが充填されると共に、該ボールを浸漬する水が貯留された貯水槽と、
   前記貯水槽内に水位を保って水を供給又は排出する水位調整手段と、
   前記貯水槽の下部から該貯水槽内に前記加湿ガスを供給する加湿ガス供給手段と、
   前記貯水槽内の水を所定温度に調節する水温調整手段とを有し、
   前記加湿ガス中の液滴を除去して、所定露点温度の加湿ガスとすることを特徴とする液滴除去装置。
2. 請求項１記載の液滴除去装置において、前記ボールは、アルミナ、窒化ケイ素、ガラス、及びステンレスのいずれか１又は２以上で製造されていることを特徴とする液滴除去装置。
3. 請求項１及び２のいずれか１項に記載の液滴除去装置において、前記ボールは、直径が３〜１２ｍｍであることを特徴とする液滴除去装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴除去装置において、前記貯水槽内の水位は、前記充填されたボールの上端部より１０〜５０ｍｍ上位置になるように調整されることを特徴とする液滴除去装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴除去装置において、前記水位調整手段は水供給手段であって、該水供給手段は、水を前記貯水槽の上部から供給し下部から排出することを特徴とする液滴除去装置。
6. 請求項５記載の液滴除去装置において、前記水温調整手段は前記水供給手段に設けられ、該水温調整手段により温度調整された水を前記貯水槽に供給していることを特徴とする液滴除去装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴除去装置において、前記水温調整手段は、前記貯水槽内の水を温めるヒータを有し、該ヒータは該貯水槽の内部及び外部のいずれか一方又は双方に設けられていることを特徴とする液滴除去装置。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴除去装置において、前記水温調整手段は、前記貯水槽内のガスを温めるヒータを有し、該温められたガスによって該貯水槽内の水が温められることを特徴とする液滴除去装置。

Images