(57)【要約】【課題】コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる加湿器及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】内部に貯留される液体１０２中に気体を導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、前記液体１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持手段１０６を備えることを特徴とし、前記所定位置は、前記液体１０２中における前記気体の滞留時間に応じて設定されるので、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる加湿器及び燃料電池システムを提供することができる。【選択図】図１
2008190741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に貯留される液体中に気体を導入し加湿して排出可能な加湿タンクと、
前記液体の液面を予め設定される所定位置に保持する液面保持手段を備えることを特徴とする、
加湿器。
【請求項２】
前記所定位置は、前記液体中における前記気体の滞留時間に応じて設定されることを特徴とする、
請求項１に記載の加湿器。
【請求項３】
前記加湿タンクは、下部に設けられ外部から前記気体を導入する導入口と、上部に設けられ前記加湿された気体を外部に排出する排出口とを有し、
前記液面保持手段は、前記排出口側に設けられ前記液体の液面面積を絞る液面絞り部を有し、
前記液面は、前記気体の流動方向に対して前記排出口より下流側に位置することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の加湿器。
【請求項４】
前記液面保持手段は、前記液面に接して設けられ、前記気体が透過可能であると共に前記液体が透過不能な気相選択透過膜を有することを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の加湿器。
【請求項５】
前記液体を加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の加湿器。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記気体の流動方向に対して交差する方向に沿って前記液体中に設けられる板状の邪魔板を有することを特徴とする、
請求項５に記載の加湿器。
【請求項７】
前記邪魔板は、表面に翼状に設けられる複数のフィンを有することを特徴とする、
請求項６に記載の加湿器。
【請求項８】
前記加熱手段は、前記液体中に設けられ内部を加熱媒体が通過可能な伝熱管を有することを特徴とする、
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の加湿器。
【請求項９】
前記伝熱管は、表面に翼状に設けられる複数のフィンを有することを特徴とする、
請求項８に記載の加湿器。
【請求項１０】
前記加熱手段は、内部に前記加湿タンクを収容すると共に加熱媒体を貯留可能な加熱媒体タンクを有することを特徴とする、
請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の加湿器。
【請求項１１】
前記加熱手段は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池を有し、
前記加熱媒体は、前記燃料電池の発電で発生した熱を奪う冷却水であることを特徴とする、
請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の加湿器。
【請求項１２】
前記気体の流動方向に対して交差する方向に沿って、該流動方向に対して前記加熱手段より上流側に設けられると共に複数の孔を有する多孔板を備えることを特徴とする、
請求項５乃至請求項１１のいずれか１項に記載の加湿器。
【請求項１３】
内部に貯留される水分中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンクと、前記水分の液面を予め設定される所定位置に保持する液面保持手段とを有する加湿器と、
前記加湿された反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備えることを特徴とする、
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、加湿器及び燃料電池システムに関し、特に、移動体に搭載して好適な加湿器及び燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から種々の気体を加湿する加湿器は、様々な装置に用いられている。このような加湿器が適用される装置として、例えば、酸素と水素の反応で電力を発生させる燃料電池システムがある。燃料電池システムは、エネルギー効率が高く、音が静かで、排出されるのは水だけと、究極のクリーンな動力源として自動車や水中航走体（無人潜水機）等の移動体にも搭載できるものと期待されている。そして、このような燃料電池システムとしては、例えば、プロトン伝導性の電解質としてフッ素樹脂系のイオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が高性能、高耐久である点で注目されている。このフッ素樹脂系のイオン交換膜は含水状態で良好なプロトン伝導性を示し、膜の含水量は水蒸気の分圧（相対湿度）に大きく依存し、乾燥すると水を失い高抵抗体となるので、これをＰＥＦＣに適用する場合には、膜を飽和水蒸気圧近傍の雰囲気に保持する水分管理が必要となる。
【０００３】
ここで、このような加湿器は、例えば、円筒状のタンク底部に水分を貯留し、このタンク底部に反応ガスを導入し、この反応ガスの気泡が水中を上昇することによって飽和蒸気圧となることで加湿される、いわゆる、バブリング方式の加湿器がある。そして、このようなバブリング方式の加湿器として、例えば、特許文献１には、タンクの反応ガス出口の上流側に多孔体を設けることで、反応ガスによる水の同伴を防止し、中間部にドーナツ状のバッフル板を複数設けることで、気水分離や消波作用等によって気泡中への水の巻き込みを防止する加湿器が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２２３１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば、このようなバブリング方式の加湿器を移動体に搭載する場合、この移動体の動揺や傾斜などの姿勢変動に伴ってこの加湿器も共に動揺、傾斜することから、タンク内の水分の液面も動揺、傾斜し、この結果、ガス吹出し口から水分の液面までの距離が変動し、水分中における気泡の滞留時間が変動してしまい、安定した加湿性能が得られないことがあった。上述した特許文献１に記載の加湿器では、ガス吹出し口から液面までの距離を十分確保すると共に仕切り板を設けることで、加湿性能の安定化を図っているが、この場合、タンクの高さが高くなることから加湿器が大型化し、スペース的に非効率であった。
【０００６】
そこで本発明は、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる加湿器及び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】
【０００７】
上記の目的を達成するための請求項１の発明の加湿器は、内部に貯留される液体中に気体を導入し加湿して排出可能な加湿タンクと、前記液体の液面を予め設定される所定位置に保持する液面保持手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明の加湿器では、前記所定位置は、前記液体中における前記気体の滞留時間に応じて設定されることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明の加湿器では、前記加湿タンクは、下部に設けられ外部から前記気体を導入する導入口と、上部に設けられ前記加湿された気体を外部に排出する排出口とを有し、前記液面保持手段は、前記排出口側に設けられ前記液体の液面面積を絞る液面絞り部を有し、前記液面は、前記気体の流動方向に対して前記排出口より下流側に位置することを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明の加湿器では、前記液面保持手段は、前記液面に接して設けられ、前記気体が透過可能であると共に前記液体が透過不能な気相選択透過膜を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の加湿器では、前記液体を加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明の加湿器では、前記加熱手段は、前記気体の流動方向に対して交差する方向に沿って前記液体中に設けられる板状の邪魔板を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明の加湿器では、前記邪魔板は、表面に翼状に設けられる複数のフィンを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明の加湿器では、前記加熱手段は、前記液体中に設けられ内部を加熱媒体が通過可能な伝熱管を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項９の発明の加湿器では、前記伝熱管は、表面に翼状に設けられる複数のフィンを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項１０の発明の加湿器では、前記加熱手段は、内部に前記加湿タンクを収容すると共に加熱媒体を貯留可能な加熱媒体タンクを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項１１の発明の加湿器では、前記加熱手段は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池を有し、前記加熱媒体は、前記燃料電池の発電で発生した熱を奪う冷却水であることを特徴とする。
【００１８】
請求項１２の発明の加湿器では、前記気体の流動方向に対して交差する方向に沿って、該流動方向に対して前記加熱手段より上流側に設けられると共に複数の孔を有する多孔板を備えることを特徴とする。
【００１９】
上記の目的を達成するための請求項１３の発明の燃料電池システムは、内部に貯留される水分中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンクと、前記水分の液面を予め設定される所定位置に保持する液面保持手段とを有する加湿器と、前記加湿された反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明の加湿器によれば、液面を所定位置に保持する液面保持手段を設けたことで、加湿タンクが動揺、傾斜しても、液面保持手段により液体の液面が予め設定される所定位置に保持されるので、加湿タンクの水深を余分に大きくすることなく液体中における気体の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【００２１】
請求項２の発明の加湿器によれば、液体中における気体の気泡の滞留時間を十分に確保することができ、このため、気体を十分な飽和蒸気圧に達するまで加湿することができる。
【００２２】
請求項３の発明の加湿器によれば、液面絞り部により液体の液面面積が絞られており、さらに、液面が気体の流動方向に対して排出口より下流側に位置することから、加湿タンクが動揺、傾斜した場合に液面が水平を維持することでこの液面が加湿タンクに対して相対的に傾斜しても、この液面の位置は、排出口よりも下流側に保持される。これにより、加湿タンクが動揺、傾斜しても、導入口から液面までの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。
【００２３】
請求項４の発明の加湿器によれば、気相選択透過膜を液面に接して設けたことから、加湿タンクが動揺、傾斜しても、加湿タンクの傾きに伴った液面の加湿タンクに対する相対的な傾きを防止することができ、よって、導入口から液面までの鉛直方向の距離（水深）が減少することを確実に防止することができる。
【００２４】
請求項５の発明の加湿器によれば、加熱手段により液体を加熱することで液体の温度が上昇するので、気体を加湿する液体により気体を加熱することができ、よって、加湿気体の温度を調節することができる。
【００２５】
請求項６の発明の加湿器によれば、気体の流動方向に対して交差する方向に沿って板状の邪魔板を設けたことで、液体中に導入された気体の気泡は、邪魔板の下面で一旦滞留した後、液体から抜け出すので、液体中での反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。このとき、反応ガスの気泡が邪魔板の幅広面に当接して一時的に滞留することから、気体の加熱を効率的に行うことができる。
【００２６】
請求項７の発明の加湿器によれば、複数のフィンにより邪魔板と液体とが接触する面積を大きくすることができるので、邪魔板と液体との熱交換性能を向上させることができ、気体の温度調整をより効率的に行うことができる。さらに、複数のフィンを設けたことで気泡の微粒化を促進することができるので、加湿性能も向上することができる。
【００２７】
請求項８の発明の加湿器によれば、伝熱管を通過する加熱媒体により液体が加熱されるので、気体を加湿する液体により気体を加熱することができ、よって、加湿気体の温度を調節することができる。
【００２８】
請求項９の発明の加湿器によれば、複数のフィンにより伝熱管と液体とが接触する面積を大きくすることができるので、伝熱管と液体との熱交換性能を向上させることができ、気体の温度調整をより効率的に行うことができる。さらに、複数のフィンを設けたことで気泡の微粒化を促進することができるので、加湿性能も向上することができる。
【００２９】
請求項１０の発明の加湿器によれば、加熱媒体タンク内に貯留される加熱媒体により液体が加熱されるので、気体を加湿する液体により気体を加熱することができ、よって、加湿気体の温度を調節することができる。さらに、加湿タンクが加熱媒体タンク内に貯留される加熱媒体により加熱媒体タンクに対して変位自在に支持されることで、液面が動揺、傾斜すること自体を抑制することができ、より安定した加湿性能を得ることができる。
【００３０】
請求項１１の発明の加湿器によれば、燃料電池の発電で発生した熱を奪って燃料電池を冷却する冷却水を加熱媒体として用いることで、この冷却水は、燃料電池による発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、加熱媒体として用いられる。このとき、発電により発生した熱を回収した冷却水と、加湿タンク内に貯留される液体とが熱交換することで、冷却水の温度が低下する一方、液体の温度が上昇し、さらに、この液体は、加湿タンク内で加湿される気体を加熱し、これにより気体の温度が上昇する。このため、燃料電池を確実に冷却することができると共に排熱を効果的に利用して気体の温度を上昇させることができる。
【００３１】
請求項１２の発明の加湿器によれば、液体中に導入された気体の気泡は、多孔板の複数の孔によりその流れが抑制されると共に加熱手段に至る前に微粒化されることから、加湿性能及び熱交換性能を著しく向上することができる。
【００３２】
請求項１３の発明の燃料電池システムによれば、反応ガスを加湿する加湿器にて、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができることから、コンパクトな構成で安定した発電を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明に係る加湿器及び燃料電池システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３４】
図１は、本発明の実施例１に係る加湿器の概略断面図、図２は、本発明の実施例１に係る加湿器が適用された燃料電池システムの概略構成図、図３は、本発明の実施例１に係る加湿器の作用を説明する概略断面図である。
【００３５】
図１に示すように、本実施例に係る加湿器１００は、乾燥した気体が液体中を通過することで加湿されるいわゆるバブリング型加湿器である。以下、この加湿器１００は、燃料電池システム１に適用した場合で説明するが、これに限らず、加湿された気体を用いる種々の装置にも適用可能である。
【００３６】
燃料電池システム１は、図２に示すように、自動車や水中航走体（無人潜水機）等の移動体に搭載されるものである。燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４及び冷却水循環配管５と、電力供給装置６、加湿器１００とを備える。
【００３７】
燃料電池２は、反応ガスとしての燃料ガス、ここでは水素ガスと、反応ガスとしての酸化剤ガス、ここでは酸素ガスとの電気化学的反応により発電するものである。すなわち、燃料電池２は、電極反応で生成する水素イオンと電子のうち、水素イオンのみを通過させる特性を持つ電解質に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、両電解質の両側に、例えば、白金系触媒等を用い、酸化、あるいは還元反応を起させる触媒電極をそれぞれ配置し、さらに、触媒電極を担持させた多孔質のカーボン電極をそれぞれ備え、カーボン電極のそれぞれに水素および酸素を供給して、発電を行うものである。
【００３８】
燃料ガス供給配管３は、燃料電池２に接続されこの燃料電池２に水素ガスを供給するものである。すなわち、燃料ガス供給配管３は、水素吸蔵合金タンク等の水素貯蔵装置、あるいは、天然ガス、メタノール、ガソリン等を改質する改質装置（図示略）と燃料電池２とを接続し、ブロワなどによりこの燃料電池２に水素ガスを供給する。また、燃料ガス供給配管３は、水素ガスの供給方向に対して燃料電池２より上流側に加湿器１００（水素ガス用）が設けられている。
【００３９】
酸化剤ガス供給配管４は、燃料電池２に接続されこの燃料電池２に酸素ガスを供給するものである。すなわち、酸化剤ガス供給配管４は、酸素ボンベ（図示略）と燃料電池２とを接続し、ブロワなどによりこの燃料電池２に酸素ガスを供給する。また、酸化剤ガス供給配管４は、酸素ガスの供給方向に対して燃料電池２より上流側に加湿器１００（酸素ガス用）が設けられている。なお、酸化剤ガスとしては、送風機、圧縮機等の空気供給装置から供給される空気等であってもよい。
【００４０】
冷却水循環配管５は、燃料電池２の発電で発生した熱を奪いこの燃料電池２を冷却する冷却水をポンプなどにより循環させるものである。冷却水循環配管５は、冷却水により燃料電池２から排出される電池排熱を回収する熱交換器７が設けられている。熱交換器７において回収された熱量は、例えば、水素貯蔵装置あるいは改質装置での水素発生等の用途に用いられる。また、システム外の用途に用いられることもある。
【００４１】
電力供給装置６は、燃料電池２で発生した電力を供給するものである。すなわち、電力供給装置６は、蓄電池、コンバータ、インバータや出力制御装置等の電力制御装置を備えており、燃料電池２で発生した電気をシステム外部へ電気出力として供給する。
【００４２】
この燃料電池システム１の燃料電池２は、プロトン伝導性の電解質としてフッ素樹脂系のイオン交換膜を用いた、いわゆる、高性能、高耐久な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料電池である。このフッ素樹脂系のイオン交換膜は、含水状態で良好なプロトン伝導性を示し、膜の含水量は水蒸気の分圧（相対湿度）に大きく依存し、乾燥すると水を失い高抵抗体となるので、これをＰＥＦＣに適用する場合には、膜を飽和水蒸気圧近傍の雰囲気に保持する水分管理が必要となる。このため、この燃料電池システム１は、上述したように、燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４にそれぞれ加湿器１００を備えている。
【００４３】
各加湿器１００は、燃料電池２に供給される水素ガス、酸素ガスに水分を付与し、この水素ガス、酸素ガスをそれぞれ加湿するものである。以下、図１を参照して加湿器１００の構成について詳細に説明する。なお、水素ガスを加湿する水素ガス用加湿器１００と、酸素ガスを加湿する酸素ガス用加湿器１００とは、ほぼ同様な構成をしているので、以下の説明では、特に断りの無い限り水素ガス用加湿器１００及び酸素ガス用加湿器１００を区別せず単に「加湿器１００」という。
【００４４】
加湿器１００は、内部が中空状の加湿タンク１０１を備える。加湿タンク１０１は、両端面が閉端した筒状の形状をなす。加湿タンク１０１は、燃料電池システム１が搭載される移動体に固定して設置される。加湿タンク１０１は、燃料電池システム１が搭載される移動体が動揺、傾斜していない状態（通常の状態）でその軸線方向が鉛直方向とほぼ一致する姿勢で設けられる。加湿タンク１０１は、内部に貯留される液体としての水分１０２中に気体としての反応ガス（水素ガス又は酸素ガス）を導入し加湿して排出可能である。この加湿器１００は、加湿タンク１０１内部に貯留される水分１０２に反応ガスを導入することでこの反応ガスを加湿する、いわゆる、バブリング方式の加湿器１００である。このような、バブリング型の加湿器１００では、大量の蒸気やドレンの発生を抑制することができると共に所定の湿度に精度よく反応ガスを加湿することができる。
【００４５】
すなわち、加湿タンク１０１は、鉛直方向下部、ここでは、底部下端面に導入口１０３が形成されると共に、鉛直方向上部、ここでは、頂部上端面に排出口１０４が形成される。そして、加湿タンク１０１の内部における導入口１０３側の底部に貯留部１０５を有する。貯留部１０５は、加湿タンク１０１の内部における鉛直方向下部に設けられ、反応ガスを加湿するための水分１０２を貯留する。導入口１０３は、貯留部１０５に貯留される水分１０２の液面１０２ａよりも下方に開口している。
【００４６】
導入口１０３は、一端が各反応ガスの供給装置に接続された燃料ガス供給配管３又は酸化剤ガス供給配管４の他端が接続され、排出口１０４は、一端が燃料電池２に接続された燃料ガス供給配管３又は酸化剤ガス供給配管４の他端が接続される。そして、導入口１０３は、外部から加湿タンク１０１の内部に反応ガスを導入する一方、排出口１０４は、加湿タンク１０１の内部で加湿された反応ガスをこの加湿タンク１０１内部から外部に排出する。
【００４７】
上記のように構成される燃料電池システム１では、燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４により供給される反応ガスとしての水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ各加湿器１００に導入され、電池反応を起すために好適な所定の加湿状態に調整されて燃料電池２に導入される。燃料電池２に加湿された水素ガス及び酸素ガスが供給されると、この燃料電池２は、供給された水素ガスと酸素ガスとを電気的に反応させて電気を発生させる。発生した電気は、電力供給装置６によってシステム外部へ電気出力として供給される。
【００４８】
このとき、反応ガスは、各加湿器１００にて、導入口１０３を介して貯留部１０５の水分１０２中に導入される。そして、水分１０２に導入された反応ガスは、加湿タンク１０１内の水分１０２中に所定時間滞留しながら下部から上部に向けて上昇し、液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出す。この間、この反応ガスは、その気泡が水分１０２中を上昇することによって飽和蒸気圧となることで加湿される。そして、加湿タンク１０１内で加湿された反応ガスは、排出口１０４を介して燃料電池２に適度な加湿状態で供給される。
【００４９】
ところで、上述のように、このようなバブリング方式の加湿器１００を移動体に搭載する場合、この移動体の動揺や傾斜などの姿勢変動に伴ってこの加湿器１００も共に動揺、傾斜することから、加湿タンク１０１内の水分１０２の液面１０２ａも動揺、傾斜し、この結果、導入口１０３から液面１０２ａまでの距離が変動し、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間が変動してしまい、安定した加湿性能が得られないおそれがある。
【００５０】
そこで、本実施例の加湿器１００は、図１に示すように、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持手段としての液面保持部１０６を設けることで、加湿器１００における加湿性能の安定化を図っている。
【００５１】
本実施例の液面保持部１０６は、液面絞り部１０７を有する。この液面絞り部１０７は、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２の液面１０２ａの面積を絞るものである。すなわち、加湿タンク１０１は、導入口１０３側の底部に設けられる貯留部１０５と、排出口１０４側の頂部に設けられるこの液面絞り部１０７とを含んで構成される。貯留部１０５は、中空円筒形状をなすと共に一端面（底面）が閉端されており、この閉端面に導入口１０３が形成される。一方、液面絞り部１０７は、中空円錐状に形成されると共にこの円錐形状の底面が貯留部１０５の他端面（開端面）に接続され、これにより、貯留部１０５と液面絞り部１０７とは内部が連通している。そして、排出口１０４は、この液面絞り部１０７の円錐形状の頂点部分に形成される。
【００５２】
つまり、この加湿タンク１０１は、その内径が液面絞り部１０７において貯留部１０５よりも絞られる。液面保持部１０６は、この液面絞り部１０７により水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する。ここで、予め設定される所定位置とは、水分１０２中における反応ガスの滞留時間に応じて設定される位置である。言い換えれば、液面保持部１０６は、導入口１０３から液面１０２ａまでの距離を常に適正な距離、すなわち、導入口１０３から導入された反応ガスが液面１０２ａから抜け出すまでに十分に加湿されうる距離に保持するものである。本実施例では、水分１０２は、その液面１０２ａが反応ガスの流動方向に対して排出口１０４より下流側に位置する量に設定されている。よって、この加湿タンク１０１は、その内部全体が水分１０２で満たされる。なお、この水分１０２は、量が減少した際には不図示の配管を介して補充される。
【００５３】
上記のように構成される加湿器１００では、燃料電池システム１を搭載した移動体の姿勢が変動し、これに伴って移動体に固定されている加湿タンク１０１も動揺、傾斜した場合、例えば、図３に示すように、加湿タンク１０１が図中右回転に（図中右側が下方を向くように）傾斜すると、液面絞り部１０７により水分１０２の液面１０２ａの面積が絞られており、さらに、液面１０２ａが反応ガスの流動方向に対して排出口１０４より下流側に位置することから、この液面１０２ａが水平を維持することで加湿タンク１０１に対して相対的に傾斜しても、この液面１０２ａの位置は、排出口１０４よりも下流側に保持される。これにより、移動体が傾斜しても、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）が減少することを最小限に抑制することができる。
【００５４】
そして、導入口１０３から水分１０２中に導入された反応ガスの気泡は、加湿タンク１０１内の水分１０２中を下部から上部に向けて上昇し、さらに、液面絞り部１０７の鉛直方向上側の面に接触し、この液面絞り部１０７に沿って上昇を続けることで所定時間水分１０２中に滞留した後、液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出す。よって、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間が短縮されてしまうことを防止し十分な滞留時間を確保することができる。このため、反応ガスは十分な飽和蒸気圧に達するまで加湿される。つまり、反応ガスの気泡の水分１０２中での滞留時間が減少することが抑制されるので、安定した高加湿性能を確保することができ、傾斜による加湿性能の変動を抑制することができる。
【００５５】
さらに、この加湿器１００では、加湿タンク１０１の頂部に液面絞り部１０７を設け、液面１０２ａを排出口１０４より下流側に位置するように設定することで、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく移動体の姿勢変動の影響を抑制することができ、よって、適正な加湿性能を確保しつつ加湿タンク１０１を小型化することができ、加湿器１００をコンパクトにすることができる。
【００５６】
このように本実施例の加湿器１００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部１０６を備える。
【００５７】
したがって、液面１０２ａを所定位置に保持する液面保持部１０６を設けたことで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、液面保持部１０６により水分１０２の液面１０２ａが予め設定される所定位置に保持されるので、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【００５８】
さらに、このように本実施例の加湿器１００にあっては、前記所定位置は、水分１０２中における反応ガスの滞留時間に応じて設定される。したがって、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができ、このため、反応ガスを十分な飽和蒸気圧に達するまで加湿することができる。
【００５９】
さらに、このように本実施例の加湿器１００にあっては、加湿タンク１０１は、下部に設けられ外部から反応ガスを導入する導入口１０３と、上部に設けられ加湿された反応ガスを外部に排出する排出口１０４とを有し、液面保持部１０６は、排出口１０４側に設けられ水分１０２の液面１０２ａの面積を絞る液面絞り部１０７を有し、液面１０２ａは、反応ガスの流動方向に対して排出口１０４より下流側に位置する。したがって、液面絞り部１０７により水分１０２の液面１０２ａの面積が絞られており、さらに、液面１０２ａが反応ガスの流動方向に対して排出口１０４より下流側に位置することから、加湿タンク１０１が動揺、傾斜した場合に液面１０２ａが水平を維持することでこの液面１０２ａが加湿タンク１０１に対して相対的に傾斜しても、この液面１０２ａの位置は、排出口１０４よりも下流側に保持される。これにより、加湿タンク１０１が動揺、傾斜しても、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。また、導入口１０３から水分１０２中に導入された反応ガスの気泡は、液面絞り部１０７の鉛直方向上側の面に接触し、この液面絞り部１０７に沿って上昇を続けることで所定時間水分１０２中に滞留するので、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間が短縮されてしまうことを防止し十分な滞留時間を確保することができる。
【００６０】
さらに、このように本実施例の燃料電池システム１にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部１０６とを有する加湿器１００と、加湿された反応ガスとしての水素ガス及び酸素ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池２とを備える。したがって、各反応ガスを加湿する各加湿器１００にて、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができることから、コンパクトな構成で安定した発電を実現することができる。
【実施例２】
【００６１】
図４は、本発明の実施例２に係る加湿器の概略断面図、図５は、本発明の実施例２に係る加湿器の作用を説明する概略断面図、図６は、本発明の実施例２に係る加湿器の板状ヒータの配置を説明する概略断面図である。実施例２に係る加湿器は、実施例１に係る加湿器と略同様の構成であるが、液面保持手段の構成が実施例１に係る加湿器とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００６２】
図４に示すように、実施例２に係る加湿器２００の液面保持手段としての液面保持部２０６は、実施例１の液面絞り部１０７（図１参照）に代えて、液面保持手段としての気相選択透過膜２０８を有する。本実施例の加湿タンク１０１は、導入口１０３側の底部に設けられる貯留部１０５を有する一方、実施例１において排出口１０４側の頂部に設けられた液面絞り部１０７を有していない。すなわち、加湿タンク１０１は、実施例１の液面絞り部１０７に相当する部分として中空円錐状に形成される部分を有しておらず、全体として中空円筒形状をなし、その内径はほぼ一定である。
【００６３】
気相選択透過膜２０８は、貯留部１０５に貯留される水分１０２の液面１０２ａに接して設けられる。この気相選択透過膜２０８は、反応ガスが透過可能であると共に加湿タンク１０１に貯留される水分１０２が透過不能な膜であり、水素ガス又は酸素ガスを選択的に透過することができるものである。気相選択透過膜２０８は、例えば、気体の透過性を有する多孔質支持体の表面に、パラジウム（Ｐｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）等からなる透過膜やジルコニウム（Ｚｒ）と、ニッケル、クロム、鉄、銅、バナジウム、チタン等との合金を使用した透過膜などを用いることができる。
【００６４】
液面保持部２０６は、この気相選択透過膜２０８により水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する。ここで、予め設定される所定位置とは、水分１０２中における反応ガスの滞留時間に応じて設定される位置である。言い換えれば、液面保持部２０６は、導入口１０３から液面１０２ａまでの距離を常に適正な距離、すなわち、導入口１０３から導入された反応ガスが液面１０２ａから抜け出すまでに十分に加湿されうる距離に保持するものである。本実施例では、水分１０２は、その液面１０２ａが貯留部１０５内に位置する量に設定されている。そして、気相選択透過膜２０８は、燃料電池システム１が搭載される移動体が動揺、傾斜していない状態（通常の状態）、すなわち、加湿タンク１０１の軸線方向が鉛直方向とほぼ一致する姿勢において、水分１０２の液面１０２ａに接して設けられる。なお、この水分１０２は、量が減少した際には不図示の配管を介して補充される。
【００６５】
上記のように構成される加湿器２００では、燃料電池システム１を搭載した移動体の姿勢が変動し、これに伴って移動体に固定されている加湿タンク１０１も動揺、傾斜した場合、例えば、図５に示すように、加湿タンク１０１が図中右回転に（図中右側が下方を向くように）傾斜すると、気相選択透過膜２０８が液面１０２ａに接して設けられることから、気相選択透過膜２０８と共に液面１０２ａも加湿タンク１０１の傾斜に伴って同じように傾斜する。したがって、液面保持部２０６は、気相選択透過膜２０８により加湿タンク１０１の傾きに伴った液面１０２ａの加湿タンク１０１に対する相対的な傾きを防止することで、傾斜した加湿タンク１０１の軸線方向に対してほぼ直交するように液面１０２ａを保持する。よって、移動体が傾斜しても、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）が減少することを防止することができる。
【００６６】
そして、導入口１０３から水分１０２中に導入された反応ガスの気泡は、加湿タンク１０１内の水分１０２中を下部から上部に向けて上昇し、所定時間水分１０２中に滞留した後、気相選択透過膜２０８を介して水分１０２から抜け出す。よって、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間が短縮されてしまうことを防止し十分な滞留時間を確保することができる。このため、反応ガスは十分な飽和蒸気圧に達するまで加湿される。つまり、反応ガスの気泡の水分１０２中での滞留時間が減少することが防止されるので、安定した高加湿性能を確保することができ、傾斜による加湿性能の変動を抑制することができる。
【００６７】
また、この加湿器２００は、上記のように気相選択透過膜２０８を有することで、液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出した反応ガスに随伴する水滴（ミスト）を除去することもできる。気相選択透過膜２０８を通過できなかった水滴は、再び貯留部１０５に貯留される。すなわち、反応ガスに随伴した水滴がこの気相選択透過膜２０８よりも下流側に運ばれてキャリーオーバーされることを防止することができる。そして、適正に加湿されると共に水滴が除去された反応ガスのみが気相選択透過膜２０８を通過し、燃料電池２に供給される。したがって、燃料電池２まで水滴が到達することを防止することができ、よって電池性能の低下を防止することができる。
【００６８】
なお、本実施例の加湿器２００は、さらに加熱手段としての加熱部２０９を備える。加熱部２０９は、水分１０２を加熱可能なものである。加熱部２０９は、板状ヒータ２１０を有する。板状ヒータ２１０は、例えば、抵抗率が大きく、融点が高く、酸化しにくい抵抗線に電流を通し、電気エネルギーを熱エネルギーに変える電気式のヒータなどを用いることができる。板状ヒータ２１０は、抵抗線が加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２中に設けられ、この抵抗線に加湿タンク１０１の外部から電流を供給することで、抵抗線にて電気エネルギーを熱エネルギーに変えてその発熱を利用して液体としての水分１０２を加熱する。
【００６９】
すなわち、板状ヒータ２１０が加湿タンク１０１内の水分１０２を加熱すると、この水分１０２の温度は上昇する。そして、温度が上昇した水分１０２と、加湿タンク１０１内でこの水分１０２により加湿される反応ガスとが熱交換することで、反応ガスの温度が上昇する。すなわち、この加湿タンク１０１に貯留される水分１０２は、反応ガスを加湿する共に反応ガスを加熱する。そして、温度が上昇した反応ガスは、燃料電池２での電気化学的反応に適した温度（例えば、５０℃から７０℃、好ましくは６０℃前後）で燃料電池２に供給される。これにより、燃料電池システム１全体の効率を向上することができる。
【００７０】
また、板状ヒータ２１０は、図６に示すように、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って水分１０２中に設けられる幅広板状の部材である。すなわち、この板状ヒータ２１０は、本発明の邪魔板にも相当する。そして、本実施例では、板状ヒータ２１０は、加湿タンク１０１の軸線方向に所定の間隔をあけて３枚設けられる。なお、この図６は、加湿タンク１０１の軸線方向と鉛直方向とが一致している状態を図示している。したがって、本図では、加湿タンク１０１の軸線方向と反応ガスの流動方向とはほぼ一致しており共に鉛直方向と一致している。また、本図では、各板状ヒータ２１０は、加湿タンク１０１の軸線方向に３枚がほぼ重なるように図示しているが、これに限らず各板状ヒータ２１０は、互いに重ならないようにずらして設けてもよい。また、板状ヒータ２１０は、３枚でなくともよく、１枚でもよいし、４枚以上でもよい。
【００７１】
上記のように、加湿器２００は、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って水分１０２中に設けられる幅広板状の邪魔板としての板状ヒータ２１０を備えることで、導入口１０３から導入される反応ガスの気泡は、水分１０２中を上昇し、板状ヒータ２１０の下面に当接する。そして、この気泡は、板状ヒータ２１０の下面で一旦滞留した後、板状ヒータ２１０の側方を通って水分１０２から抜け出す。したがって、水分１０２中での反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。また、このとき、気泡は、板状ヒータ２１０の幅広面に当接して一時的に滞留することから、反応ガスと水分１０２との熱交換の効率も向上させることができる。
【００７２】
このように本実施例の加湿器２００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部２０６を備える。したがって、液面１０２ａを所定位置に保持する液面保持部２０６を設けたことで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、液面保持部２０６により水分１０２の液面１０２ａが予め設定される所定位置に保持されるので、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【００７３】
さらに、このように本実施例の加湿器２００にあっては、液面保持部２０６は、液面１０２ａに接して設けられ、反応ガスが透過可能であると共に液体が透過不能な気相選択透過膜２０８を有する。したがって、気相選択透過膜２０８を液面１０２ａに接して設けたことから、加湿タンク１０１が動揺、傾斜しても、気相選択透過膜２０８と共に液面１０２ａも加湿タンク１０１の傾斜に伴って同じように傾斜するので、加湿タンク１０１の傾きに伴った水分１０２の液面１０２ａの加湿タンク１０１に対する相対的な傾きを防止することができ、よって、移動体が傾斜しても、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）が減少することを確実に防止することができる。
【００７４】
さらに、このように本実施例の加湿器２００にあっては、水分１０２を加熱可能な加熱部２０９を備える。したがって、加熱部２０９により水分１０２を加熱することで水分１０２の温度が上昇するので、反応ガスを加湿する水分１０２により反応ガスを加熱することができ、加湿気体の温度を簡単な構成で調節することができる。この結果、加湿タンク１０１で加湿された反応ガスを燃料電池２での電気化学的反応に適した温度で燃料電池２に供給することができ、燃料電池システム１での発電効率を向上することができる。
【００７５】
さらに、このように本実施例の加湿器２００にあっては、加熱部２０９は、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って水分１０２中に設けられる板状の邪魔板としての板状ヒータ２１０を有する。したがって、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って幅広板状の板状ヒータ２１０を設けたことで、水分１０２中に導入された反応ガスの気泡は、板状ヒータ２１０の下面で一旦滞留した後、板状ヒータ２１０の側方を通って水分１０２から抜け出すので、水分１０２中での反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。また、このとき、反応ガスの気泡が板状ヒータ２１０の幅広面に当接して一時的に滞留することから、反応ガスの加熱を効率的に行うことができる。
【実施例３】
【００７６】
図７は、本発明の実施例３に係る加湿器の概略断面図である。実施例３に係る加湿器は、実施例２に係る加湿器と略同様の構成であるが、複数のフィンを備える点で実施例２に係る加湿器とは異なる。その他、実施例２と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００７７】
図７に示すように、実施例３に係る加湿器３００の加熱手段としての加熱部３０９は、複数のフィン３１１を有する。この複数のフィン３１１は、邪魔板としての板状ヒータ２１０に設けられる凸型の翼状の金属板である。板状ヒータ２１０は、複数のフィン３１１によりその表面がヒレ状に形成される。すなわち、複数のフィン３１１は、板状ヒータ２１０と水分１０２とが接触する面積を増加させる。これにより、板状ヒータ２１０により水分１０２中での気泡の滞留時間を稼ぐことができると共に板状ヒータ２１０と水分１０２との熱交換性能を向上させることができ、反応ガスの温度調整をより効率的に行うことができる。さらに、複数のフィン３１１を設けたことで気泡の微粒化を促進することができるので、加湿性能も向上することができる。
【００７８】
このように本実施例の加湿器３００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部２０６を備える。したがって、液面１０２ａを所定位置に保持する液面保持部２０６を設けたことで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、液面保持部２０６により水分１０２の液面１０２ａが予め設定される所定位置に保持されるので、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【００７９】
さらに、このように本実施例の加湿器３００にあっては、板状ヒータ２１０は、表面に翼状に設けられる複数のフィン３１１を有する。したがって、複数のフィン３１１により板状ヒータ２１０と水分１０２とが接触する面積を大きくすることができるので、板状ヒータ２１０と水分１０２との熱交換性能を向上させることができ、反応ガスの温度調整をより効率的に行うことができる。さらに、複数のフィン３１１を設けたことで気泡の微粒化を促進することができるので、加湿性能も向上することができる。
【実施例４】
【００８０】
図８は、本発明の実施例４に係る加湿器の概略断面図である。実施例４に係る加湿器は、実施例１に係る加湿器と略同様の構成であるが、気相選択透過膜を備える点で実施例１に係る加湿器とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００８１】
図８に示すように、実施例４に係る加湿器４００は、実施例１の加湿器が備える構成に加え、気相選択透過膜４１２を備える。気相選択透過膜４１２は、実施例２の加湿器２００で説明した気相選択透過膜２０８（図４参照）と同様のものである。そして、気相選択透過膜４１２は、実施例２の気相選択透過膜２０８と同様に水分１０２の液面１０２ａに接して設けられる。ただし、実施例２の気相選択透過膜２０８は、貯留部１０５に貯留される水分１０２の液面１０２ａに接して設けられるのに対して、本実施例では、液面１０２ａが反応ガスの流動方向に対して排出口１０４より下流側に位置することから、気相選択透過膜４１２は、この排出口１０４より下流側に設けられる。すなわち、本実施例の気相選択透過膜４１２は、内径が貯留部１０５よりも小さい排出口１０４側に設けられることから、比較的な高価な気相選択透過膜４１２の面積を最小限にすることができる。
【００８２】
このように本実施例の加湿器４００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部１０６を備える。したがって、液面１０２ａを所定位置に保持する液面保持部１０６を設けたことで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、液面保持部１０６により水分１０２の液面１０２ａが予め設定される所定位置に保持されるので、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【００８３】
さらに、このように本実施例の加湿器４００にあっては、加湿タンク１０１において排出口１０４側に設けられ水分１０２の液面１０２ａの面積を絞る液面絞り部１０７と、液面１０２ａに接して設けられ、反応ガスが透過可能であると共に液体が透過不能な気相選択透過膜４１２とを備え、液面１０２ａは、反応ガスの流動方向に対して排出口１０４より下流側に位置する。したがって、液面保持部１０６は、液面絞り部１０７及び気相選択透過膜４１２により、加湿タンク１０１が傾斜しても、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）が減少することを確実に防止することができる。さらに、気相選択透過膜４１２は、内径が貯留部１０５よりも小さい排出口１０４側に設けられることから、比較的な高価な気相選択透過膜４１２の面積を最小限にすることができるので、より安価な加湿器４００とすることができる。また、気相選択透過膜４１２により液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出した反応ガスに随伴する水滴（ミスト）を除去することができるので、燃料電池２まで水滴が到達することを防止することができ、よって電池性能の低下を防止することができる。
【実施例５】
【００８４】
図９は、本発明の実施例５に係る加湿器の概略断面図、図１０は、本発明の実施例５に係る加湿器の伝熱管の配置を説明する概略断面図である。実施例５に係る加湿器は、実施例２に係る加湿器と略同様の構成であるが、加熱手段の構成が実施例２に係る加湿器とは異なる。その他、実施例２と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００８５】
図９に示すように、実施例５に係る加湿器５００の加熱手段としての加熱部５０９は、実施例２の板状ヒータ２１０（図４参照）に代えて、伝熱管５１３を有する。伝熱管５１３は、中空の円筒管状に形成され、図１０に示すように、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って水分１０２中に複数設けられる。なお、この図１０は、加湿タンク１０１の軸線方向と鉛直方向とが一致している状態を図示している。したがって、本図では、加湿タンク１０１の軸線方向と反応ガスの流動方向とはほぼ一致しており共に鉛直方向と一致している。また、本図では、各伝熱管５１３は、加湿タンク１０１の軸線方向に所定の間隔をあけて３層、合計１６本設けられるものとして図示しているが、これに限らず伝熱管５１３は、これよりも少なくともよいし多くてもよい。
【００８６】
各伝熱管５１３は、その内部を加熱媒体が通過可能である。さらに、各伝熱管５１３内を通過する加熱媒体は、燃料電池２（図２参照）の発電で発生した熱を奪う冷却水が用いられる。具体的には、加熱部５０９は、燃料電池システム１の燃料電池２と、冷却水循環配管５を含んで構成される。そして、各伝熱管５１３は、実施例１において図２に示した熱交換器７に代わって、この冷却水循環配管５の経路の途中に複数に分岐して設けられる。
【００８７】
燃料電池２は、水素ガスと酸素ガスとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。そして、この電気化学的反応は、発熱反応であることから、上述したように、燃料電池２（図２参照）は、冷却水循環配管５（図２参照）を循環する冷却水により発電で発生した熱が奪われ冷却される。この冷却水は、発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、冷却水循環配管５を介して各伝熱管５１３に導入される。そして、この冷却水は、この各伝熱管５１３内を通過する加熱媒体として用いられる。このとき、発電により発生した熱を回収し伝熱管５１３内を通過する冷却水（加熱媒体）と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、冷却水の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇する。そして、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。すなわち、この伝熱管５１３内を通過する冷却水は、燃料電池２を冷却するものであると共に反応ガスを加熱する加熱媒体でもある。つまり、加湿器５００は、実施例１における熱交換器７としても機能する。
【００８８】
そして、水分１０２と熱交換することで温度が低下した冷却水（加熱媒体）は、冷却水循環配管５を介して各伝熱管５１３から導出され、燃料電池２に至り再び発電で発生した熱を奪って燃料電池２を冷却する一方、温度が上昇した反応ガスは、燃料電池２での電気化学的反応に適した温度（例えば、５０℃から７０℃、好ましくは６０℃前後）で燃料電池２に供給される。これにより、燃料電池２を確実に冷却することができ、よって、燃料電池２がオーバーヒートしてしまうことを防止することができ、燃料電池２の効率のよい発電を確保することができると共に燃料電池２における排熱を効果的に利用して反応ガスの温度を上昇させることで、燃料電池システム１全体の効率も向上することができる。
【００８９】
さらに、本実施例の加熱部５０９は、複数のフィン５１１を有する。この複数のフィン５１１は、伝熱管５１３に設けられる凸型の翼状の金属板である。伝熱管５１３は、複数のフィン５１１によりその表面がヒレ状に形成される。すなわち、複数のフィン５１１は、伝熱管５１３と水分１０２とが接触する面積を増加させる。これにより、伝熱管５１３と水分１０２との熱交換性能を向上させることができ、反応ガスの温度調整をより効率的に行うことができる。さらに、複数のフィン５１１を設けたことで気泡の微粒化を促進することができるので、加湿性能も向上することができる。
【００９０】
また、加湿器５００は、複数の孔５１４ａを有する多孔板５１４を備える。多孔板５１４は、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って設けられる。また、多孔板５１４は、反応ガスの流動方向に対して加熱部５０９の伝熱管５１３より上流側に設けられる。導入口１０３から水分１０２中に導入された反応ガスの気泡は、この多孔板５１４の複数の孔５１４ａにかかる表面張力によりその流れが抑制され、これにより水分１０２中での滞留時間が増加する。よって、加湿器５００の加湿性能がさらに向上する。加えて、この反応ガスの気泡は、伝熱管５１３に至る前に、この多孔板５１４の複数の孔５１４ａを通過することで微粒化されることから、加湿性能及び熱交換性能が著しく向上される。
【００９１】
このように本実施例の加湿器５００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部２０６を備える。したがって、液面１０２ａを所定位置に保持する液面保持部２０６を設けたことで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、液面保持部２０６により水分１０２の液面１０２ａが予め設定される所定位置に保持されるので、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【００９２】
さらに、このように本実施例の加湿器５００にあっては、加熱部５０９は、水分１０２中に設けられ内部を加熱媒体が通過可能な伝熱管５１３を有する。したがって、伝熱管５１３を通過する加熱媒体により水分１０２が加熱されるので、反応ガスを加湿する水分１０２により反応ガスを加熱することができ、よって、加湿気体の温度を調節することができる。この結果、加湿タンク１０１で加湿された反応ガスを燃料電池２での電気化学的反応に適した温度で燃料電池２に供給することができ、燃料電池システム１での発電効率を向上することができる。
【００９３】
さらに、このように本実施例の加湿器５００にあっては、加熱部５０９は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池２を有し、加熱媒体は、燃料電池２の発電で発生した熱を奪う冷却水である。したがって、燃料電池２の発電で発生した熱を奪って燃料電池２を冷却する冷却水を加熱媒体として用いることで、この冷却水は、燃料電池２による発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、伝熱管５１３内を通過する加熱媒体として用いられ、このとき、発電により発生した熱を回収した冷却水と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、冷却水の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇し、さらに、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。このため、燃料電池２を確実に冷却することができ、よって、燃料電池２がオーバーヒートしてしまうことを防止することができ、燃料電池２の効率のよい発電を確保することができると共に燃料電池２における排熱を効果的に利用して反応ガスの温度を上昇させることで、燃料電池システム１全体の効率も向上することができる。
【００９４】
さらに、このように本実施例の加湿器５００にあっては、伝熱管５１３は、表面に翼状に設けられる複数のフィン５１１を有する。したがって、複数のフィン５１１により伝熱管５１３と水分１０２とが接触する面積を大きくすることができるので、伝熱管５１３と水分１０２との熱交換性能を向上させることができ、反応ガスの温度調整をより効率的に行うことができる。さらに、複数のフィン５１１を設けたことで気泡の微粒化を促進することができるので、加湿性能も向上することができる。
【００９５】
さらに、このように本実施例の加湿器５００にあっては、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って、該流動方向に対して加熱部５０９の伝熱管５１３より上流側に設けられると共に複数の孔５１４ａを有する多孔板５１４を備える。したがって、水分１０２中に導入された反応ガスの気泡は、多孔板５１４の複数の孔５１４ａによりその流れが抑制されると共に伝熱管５１３に至る前に微粒化されることから、加湿性能及び熱交換性能を著しく向上することができる。
【実施例６】
【００９６】
図１１は、本発明の実施例６に係る加湿器の概略断面図である。実施例６に係る加湿器は、実施例５に係る加湿器と略同様の構成であるが、加熱手段の構成が実施例５に係る加湿器とは異なる。その他、実施例５と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００９７】
図１１に示すように、実施例６に係る加湿器６００の加熱手段としての加熱部６０９は、実施例５の伝熱管５１３（図９参照）に代えて、加熱媒体タンクとしての外側タンク６１５を有する。外側タンク６１５は、両端面が閉じた中空円筒状に形成され、内部に加湿タンク１０１を収容すると共に加熱媒体としての水６１６を貯留可能である。加湿タンク１０１に接続される燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４（図２参照）は、それぞれこの外側タンク６１５の閉端面を貫通している。外側タンク６１５内に貯留される水６１６は、燃料電池２（図２参照）の発電で発生した熱を奪う冷却水が用いられる。具体的には、加熱部６０９は、燃料電池システム１の燃料電池２と、冷却水循環配管５を含んで構成される。そして、外側タンク６１５は、実施例１において図２に示した熱交換器７に代わって、この冷却水循環配管５の経路の途中に設けられる。なお、本実施例の加湿器６００は、実施例５で説明した多孔板５１４は備えていない。
【００９８】
また、外側タンク６１５は、燃料電池システム１が搭載される移動体に固定して設置される一方、加湿タンク１０１は、外側タンク６１５内に貯留されている水６１６中に浮かべられて支持される。すなわち、加熱媒体としての水６１６は、加湿タンク１０１を浮動可能に支持する支持媒体としても作用する。よって、加湿タンク１０１は、水６１６により外側タンク６１５に対して相対的に変位自在に、言い換えれば、揺動可能に支持される。
【００９９】
燃料電池２（図２参照）は、冷却水循環配管５（図２参照）を循環する冷却水により発電で発生した熱が奪われ冷却される。この冷却水は、発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、冷却水循環配管５を介して外側タンク６１５に導入される。そして、この冷却水は、外側タンク６１５に貯留される加熱媒体としての水６１６として用いられる。このとき、発電により発生した熱を回収した水６１６と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、冷却水としての水６１６の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇する。そして、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。
【０１００】
そして、このとき、加湿タンク１０１が外側タンク６１５内に貯留される水６１６により外側タンク６１５に対して変位自在に支持されることで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、これに伴って外側タンク６１５が傾斜する一方、加湿タンク１０１はこの外側タンク６１５に対して相対的に変位して常時その姿勢が一定に維持されることから、水分１０２の液面１０２ａが動揺、傾斜することを抑制することができ、より安定した加湿性能を得ることができる。すなわち、この外側タンク６１５に一時的に貯留される水６１６は、加湿タンク１０１を浮動可能に支持する支持媒体であると共に燃料電池２を冷却する冷却水でもあり、さらに、反応ガスを加熱する加熱媒体でもある。つまり、加湿器６００は、実施例１における熱交換器７としても機能する。
【０１０１】
このように本実施例の加湿器６００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能な加湿タンク１０１と、水分１０２の液面１０２ａを予め設定される所定位置に保持する液面保持部２０６を備える。したがって、液面１０２ａを所定位置に保持する液面保持部２０６を設けたことで、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、液面保持部２０６により水分１０２の液面１０２ａが予め設定される所定位置に保持されるので、導入口１０３から液面１０２ａまでの鉛直方向の距離（水深）の減少を最小限に抑制することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。
【０１０２】
さらに、このように本実施例の加湿器６００にあっては、内部に加湿タンク１０１を収容すると共に加熱媒体としての水６１６を貯留可能な外側タンク６１５を有する。したがって、外側タンク６１５内に貯留される水６１６により水分１０２が加熱されるので、反応ガスを加湿する水分１０２により反応ガスを加熱することができ、よって、加湿気体の温度を調節することができる。この結果、加湿タンク１０１で加湿された反応ガスを燃料電池２での電気化学的反応に適した温度で燃料電池２に供給することができ、燃料電池システム１での発電効率を向上することができる。さらに、加湿タンク１０１が外側タンク６１５内に貯留される水６１６により外側タンク６１５に対して変位自在に支持されることで、加湿タンク１０１は常時その姿勢が一定に維持されることから、水分１０２の液面１０２ａが動揺、傾斜することを抑制することができ、より安定した加湿性能を得ることができる。
【０１０３】
さらに、このように本実施例の加湿器６００にあっては、加熱部６０９は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池２を有し、加熱媒体は、燃料電池２の発電で発生した熱を奪う冷却水である。したがって、燃料電池２の発電で発生した熱を奪って燃料電池２を冷却する冷却水を加熱媒体として用いることで、この冷却水は、燃料電池２による発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、外側タンク６１５に貯留される加熱媒体としての水６１６として用いられ、このとき、発電により発生した熱を回収した水６１６（冷却水）と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、水６１６の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇し、さらに、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。このため、燃料電池２を確実に冷却することができ、よって、燃料電池２がオーバーヒートしてしまうことを防止することができ、燃料電池２の効率のよい発電を確保することができると共に燃料電池２における排熱を効果的に利用して反応ガスの温度を上昇させることで、燃料電池システム１全体の効率も向上することができる。
【０１０４】
なお、上述した本発明の実施例に係る加湿器及び燃料電池システムは、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。本発明の実施例に係る加湿器は、以上で説明した実施例を複数組み合わせることで構成してもよい。
【０１０５】
以上の説明では、加湿器は、燃料電池システムに適用した場合で説明したが、これに限らず、加湿された気体を用いる種々の装置にも適用可能である。また、加湿器、燃料電池システムは、自動車や水中航走体（無人潜水機）等の移動体に搭載されるものとして説明したがこれに限らず、固定された装置に搭載してもよい。
【０１０６】
また、以上の実施例１の説明では、貯留部１０５は、中空円筒形状をなす一方、液面絞り部１０７は、中空円錐状に形成されるものとして説明したが、貯留部１０５は矩形筒状、液面絞り部１０７は四角錐状に形成してもよいし、その他の設置場所に応じて適宜形状としてもよい。
【０１０７】
また、以上の実施例２の説明では、加湿器２００は、加熱手段としての加熱部２０９を備えるものとして説明したが、加熱手段を備えない構成としてもよく、この場合、加湿器２００の構成をよりコンパクトにすることができる。また、加湿器２００は、加熱手段を備えない構成とした場合、板状ヒータ２１０に代えて単なる板状の部材をバッフル板として用いてもよい。さらに、板状部材は、複数の孔を有する多孔板を用いてもよい。また、加湿器２００は、加熱手段を備える構成とした場合、板状ヒータ２１０に複数の孔を設けてもよい。
【０１０８】
また、以上の実施例３の説明では、加湿器３００は、図７において、反応ガスの気泡が滞留しやすい板状ヒータ２１０の下面（導入口１０３側の面）にのみフィン３１１を設けるものとして図示しているが、板状ヒータ２１０の上面（排出口１０４側の面）にもフィン３１１を設けてもよい。さらに、実施例２の加湿器２００、実施例３の加湿器３００は、実施例５の加湿器５００のように、反応ガスの流動方向に対し板状ヒータ２１０より上流側に多孔板５１４を設けてもよい。
【０１０９】
また、以上の実施例４の説明では、気相選択透過膜４１２は、液面１０２ａに接して設けるものとして説明したが、加湿タンク１０１内の反応ガスの流動方向に対して液面１０２ａより下流側に間隔をあけて設けてもよい。この場合、気相選択透過膜４１２により液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出した反応ガスに随伴する水滴（ミスト）を除去することができるので、燃料電池２まで水滴が到達することを防止することができ、よって電池性能の低下を防止することができる。
【０１１０】
また、以上の実施例５の説明では、伝熱管５１３は、中空の円筒管状に形成されるものとして説明したが、円筒形に限らず、実施例２の板状ヒータ２１０ように、反応ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って幅広部を設けるようにしてもよい。この幅広部は、典型的には、平面状をなし、反応ガスの気泡を水分１０２中で一時的に滞留させることができるので、加湿器の加湿性能をさらに向上させることができる。また、以上の実施例５の加湿器５００の説明では、フィン５１１及び多孔板５１４を設けるものとして説明したが、フィン５１１、多孔板５１４を備えない構成としてもよい。また、多孔板５１４を複数設ける構成としてもよい。
【０１１１】
また、以上の実施例６の説明では、加湿器６００は、多孔板５１４を備えていないものとして説明したが多孔板５１４を備えてもよい。また、外側タンク６１５が貯留する加熱媒体として燃料電池２を冷却する冷却水を用いるものとして説明したがこれに限らない。
【０１１２】
また、以上の実施例５、実施例６の説明では、冷却水循環配管５は、実施例１において図２に示した熱交換器７に代えて、その経路の途中に伝熱管５１３又は外側タンク６１５が接続されるものとして説明したが、経路の途中に熱交換器７と伝熱管５１３又は外側タンク６１５の両方を設けるようにしてもよい。
【０１１３】
また、以上で説明した板状ヒータ２１０は、棒状の棒状ヒータでもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明に係る加湿器及び燃料電池システムは、コンパクトで安定した加湿性能を得るものであり、種々の加湿器及び燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施例１に係る加湿器の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る加湿器が適用された燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係る加湿器の作用を説明する概略断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る加湿器の概略断面図である。
【図５】本発明の実施例２に係る加湿器の作用を説明する概略断面図である。
【図６】本発明の実施例２に係る加湿器の板状ヒータの配置を説明する概略断面図である。
【図７】本発明の実施例３に係る加湿器の概略断面図である。
【図８】本発明の実施例４に係る加湿器の概略断面図である。
【図９】本発明の実施例５に係る加湿器の概略断面図である。
【図１０】本発明の実施例５に係る加湿器の伝熱管の配置を説明する概略断面図である。
【図１１】本発明の実施例６に係る加湿器の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
３    燃料ガス供給配管
４    酸化剤ガス供給配管
５    冷却水循環配管
６    電力供給装置
７    熱交換器
１００、２００、３００、４００、５００、６００    加湿器
１０１    加湿タンク
１０２    水分（液体）
１０２ａ      液面
１０３    導入口
１０４    排出口
１０５    貯留部
１０６、２０６    液面保持部（液面保持手段）
１０７    液面絞り部
２０８、４１２    気相選択透過膜
２０９、３０９、５０９、６０９    加熱部（加熱手段）
２１０    板状ヒータ（邪魔板）
３１１、３１１    フィン
５１３    伝熱管
５１４    多孔板
５１４ａ    孔
６１５    外側タンク（加熱媒体タンク）
６１６    水（加熱媒体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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