(57)【要約】【課題】ガスの露点を容易に調節することができる燃料電池の加湿システムを提供する【解決手段】気相部１７と液相部１６を構成するタンクと、液相部１６内の水を加熱蒸発させるヒータ１４を配置し、気相部１７内の水蒸気を弁を介してガス供給配管内に供給するように構成してなることを特徴とする。この発明の加湿システム１ではガスの露点を迅速かつ正確に微調節することができる。すなわち本発明の加湿システムでは加熱容器内に液相と気相を併存させて、常時、蒸気を発生させ貯蔵しておいて、バルブ操作でガス中に蒸気を注入し、露点を変更するので、ガスの露点の迅速な変更が容易である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相部と液相部を構成するタンクと前記液相部内の水を加熱蒸発させるヒータを備え、前記気相部内の水蒸気を弁を介してガス供給配管内に供給するように構成してなることを特徴とする燃料電池の加湿システム。
【請求項２】
前記燃料電池は固体高分子膜型燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項３】
前記ガス供給管内のガスの湿度を計測する湿度計を備え、前記湿度計の信号をフィードバック回路を介して前記弁を制御する制御回路に供給するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項４】
前記ヒータは前記液相内の水を１００℃以上に加熱させ得るものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は燃料電池に使用する加湿システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電気を生成する。
【０００３】
Ｈ２が電界質層において２Ｈ＋と２ｅ−に分離し、２ｅ−がアノード電極から負荷を介してカソード電極に流れ、２Ｈ＋はカソード電極側から供給された酸素及び  アノード電極から供給された２ｅ−と結合して水となり系外に排出される。燃料  電池の種類としては電界質の種類に応じて、固体高分子膜型、リン酸水溶液型、アルカリ水溶液型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型があるが、固体高分子膜型が実用段階に入っている。
【０００４】
固体高分子膜型燃料電池は高温の状態で都市ガス（天然ガス）に水蒸気を加えることによって改質し水素を発生させるために、また、電界質膜の含水率に応じて膜抵抗が変化するので、この含水率を適切な範囲に保つ必要があり、このために燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する加湿器が使用される。
【０００５】
加湿の方式としては、これまでバブリング方式及びインジェクション方式などが行われている（例えば、特許文献１参照）。バブリング方式は図４に示すように、水タンク１０１の液相１０２中に多孔質焼結金属からなる気泡発生部材１０３を配置し、水をヒータ１０６で加熱し、気泡発生部材１０３中にガスを送り込んで気泡１０４として液相中に発生させ、気泡が液相内を通過中に加湿し、加湿後の気泡を気相に集めてガス供給管１０５に送る方式のものである。
【０００６】
一方、インジェクション方式は図５に示すように、密閉容器１１１内に加熱されたプレート１１２を配置し、このプレートに水１０３を噴霧して加熱蒸発させて水蒸気１１４を発生させ、この水蒸気中にガス１１５を流して加湿して加湿されたガス１１６を得る方式のものである。このインジェクション方式における加湿量の調節は水の噴射量を制御して行う。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２５２０１１号公報（第３図、第１１図）
【０００８】
【解決すべき課題】
しかるにこれら従来の加湿方式には次のような問題がある。
バブリング方式ではガスの露点を変えるためにはタンク内の加熱する水自体を加熱したり冷却したりして温度変化させる必要があるので、水蒸気の露点温度を変更するときに時間がかかり、迅速な変更が困難であった。
【０００９】
また、インジェクション方式では加湿量は噴霧水量の調節で行うので、ガスの露点の変更は迅速に行えるが、水量が少ない時に水滴を微細化することが難しいため、ガス流量が少ない時や低露点の時、安定した加湿制御ができない。
【００１０】
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、ガス流量の小さい燃料電池にも適用できてガスの露点の調節が容易である加湿システムを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【構成】
この目的に対応して、この発明の燃料電池の加湿システムは気相部と液相部を構成するタンクと前記液相部内の水を加熱蒸発させるヒータを備え、前記気相部内の水蒸気を弁を介してガス供給配管内に供給するように構成してなることを特徴としている。
【００１２】
【実施の形態】
以下この発明の実施の形態を一実施例を示す図面について説明する。
図１において、１は加湿システムである。この実施例の加湿システム１においてガス給排系２は燃料ガス供給系にも酸化ガス供給系にも適用可能であるので、１系統だけが示されている。
【００１３】
ガスはガス供給管３を通して燃料電池４に供給され、また排ガスはガス排出管５を通して燃料電池４から排出される。加湿システム１は、燃料電池４に供給されるガスを加湿するために使用される。
【００１４】
加湿システム１は給水装置６、蒸気発生装置７及び制御バルブ弁装置８を備えている。給水装置６は水タンク１１とポンプ１２とを備え、水タンク１１内の水（純水）をポンプ１２が汲み上げ蒸気発生装置７の加熱容器１３内に供給する。
【００１５】
蒸気発生装置７は気密構造の加熱容器１３を有し、かつヒータ１４及び水位センサ１５を備えている。ポンプ１２から加熱容器１３に供給された水は液相部１６を形成し、その上方に加熱容器１３内で気相部１７が形成される。液相部１６の水を加熱するヒータ１４は加熱容器１３の内部若しくは外部に設けられていて、液相部１６の水を１００℃以上に加熱する能力をもつものである。この加熱によって蒸気を注入するのに必要な圧力も生じさせる。
【００１６】
水の水面は水位センサ１５によって検出される。加熱容器１３の気相部１７からは注入部１９において注入管２０によって制御バルブ弁装置８を介して気相部１７内の蒸気がガス供給管３に供給される。制御バルブ弁装置８は１個または複数個の弁を備えていて絞り量を調節することによって蒸気量を調節する。この実施例では広いガス流量範囲に対して低露点から高露点までの加湿ができるように、制御バルブ装置８は３個の弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃが並列に接続されている。
【００１７】
ガス供給管３に湿度計２１が設けられていて蒸気の注入部１９よりも下流の部分のガスの湿度が検出される。湿度計２１の信号はフィードバック回路２２を介して制御バルブ弁装置８にフィードバックされる。
【００１８】
このように構成された加湿システム１の動作は次の通りである。
給水装置６のポンプ１２を駆動して水タンク１１内の水を蒸気発生装置７の加熱容器１３に供給し、水位センサ１５で水位を所定値に保つ。この状態でヒータ１４を動作させて水を加熱して蒸発させ、気相部１７に蒸気を供給する。気相部１７の蒸気は注入管２０を介してガス供給管３に供給し、ガス供給管３内のガスを加湿する。
【００１９】
蒸気の供給量は制御バルブ弁装置８の弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃを選択しまた絞り量を調節して調節する。制御バルブ弁装置８の調節はガス供給管３内のガスの湿度を湿度計２１で計測し、その信号をフィードバック回路２２を介して制御バルブ弁装置８にフィードバックして行う。蒸気が注入され、タンク内の圧力が下がると、タンク内の水は沸騰してタンク内の蒸気圧は常に一定に保たれる。
【００２０】
【実験例】
図２にこの発明の加湿システムにおいて、一定ガス流量のときにガス露点を変えたときのガス流量の変化とガス露点の変化を対比して示している。一定ガス流量に対して、ガス露点が変化しており、かつガス露点の変化が約３０〜６０秒で安定することがわかる。
【００２１】
図３にこの発明の加湿システムにおいて、ガス流量を変化させた場合のガス流量とガス露点とガス温度を対比して示している。ガス流量が変化してもガス露点、ガス温度を良好に一定に保たれていることがわかる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明の加湿システム１ではガスの露点を迅速かつ正確に微調節することができる。すなわち本発明の加湿システムでは加熱容器内に液相と気相を併存させて、常時、蒸気を発生させ貯蔵しておいて、バルブ操作でガス中に蒸気を注入し、露点を変更するので、ガスの露点の迅速な変更が容易である。
【００２３】
また、露点の変更時には貯蔵されている蒸気を調節するだけなので、水から調節する必要のある従来のインジェクション方式に比べて、制御が安定し小型の燃料電池においては有効である。
【００２４】
このように、この発明の加湿システムでは、蒸気をガス中に注入し、注入する蒸気の量をバルブで調節して、加湿量を調節する。また蒸気が注入され、タンク内の圧力が下がると、タンク内の水が沸騰して蒸気を供給し、タンク内の蒸気圧力は、常に一定に保たれる。
【００２５】
気相部の圧力は、液相部の温度で決まる飽和蒸気圧に保たれる。液相部の温度を一定に保てば、気相部の圧力を一定に保つことができる。液相部の温度を１００℃以上にすることにより、混合点でのガスの圧力よりも気相部の圧力を高くすることができる。
【００２６】
例えば、混合点でのガスの圧力が１ｋｇ／ｃｍ２Ｇのときに、液相部の温度を１３０℃に保つと、気相部の圧力は、２．７５ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ（大気圧が１．０３ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓのとき、１．７２ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）となり、混合点でのガスの圧力よりも気相部の圧力が０．７２ｋｇ／ｃｍ２高くなる。
【００２７】
圧力差を利用することで、ポンプ等を使わずに、蒸気自身の圧力で蒸気をガス中に供給することができる。
【００２８】
以上の説明から明らかな通り、この発明によればガスの露点を容易に調節することができる加湿システムを得ることができる。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の加湿装置を示す系統説明図。
【図２】一定ガス流量のときにガス露点を変えたときのガス流量とガス露点の時間変化を示すグラフ。
【図３】ガス流量を変えたときに一定ガス露点に制御した場合のガス温度とガス露点とガス流量の時間変化を示すグラフ。
【図４】従来の他の加湿装置の構成説明図。
【図５】従来の他の加湿装置の構成説明図。
【符号の説明】
１                      加湿システム
３                      ガス供給管
４                      燃料電池
５                      ガス排出管
６                      給水装置
７                      蒸気発生装置
８                      制御バルブ弁装置
１１                    水タンク
１２                    ポンプ
１３                    加熱容器
１４                    ヒータ
１５                    水位センサ
１６                    液相部
１７                    気相部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ  弁
１９                    注入部
２０                    注入管
２１                    湿度計
２２                    フィードバック回路
【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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