(57)【要約】【課題】短時間で、所定温度で所定圧力の加湿ガスを製造することが可能なガスの加湿方法を提供する。【解決手段】所定温度に保持されたチャンバー１０内に所定量のガス（例えば、水素ガス、空気、酸素ガス）と温水を取込み、チャンバー１０内のガスの実質容積を増大して温水を沸騰させ、チャンバー１０内のガスを加湿して、一連のサイクリックな動作の過程で所定温度で所定圧力の加湿ガスを製造する。これによって、ガスと水蒸気が均一に混ざった所定の温度及び圧力の加湿ガスを比較的短時間に造ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、前記チャンバー内の前記ガスの実質容積を増大して前記温水を沸騰させ、更に実質容積を調整することにより、前記チャンバー内のガスを加湿して、所定温度で所定圧力の加湿ガスを製造することを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項２】
容積が可変のチャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、該チャンバーの容積増大に伴う該チャンバー内の圧力が、容積変更後の前記温水の温度の飽和蒸気圧以下となるようにして、前記チャンバーの容積を増大し、前記温水を沸騰させて前記チャンバー内のガスを加湿ガスとすることを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項３】
容積が一定のチャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、該チャンバーの前記ガス容積の増大に伴う前記チャンバー内の圧力が、前記ガス容積変更後の前記温水の温度の飽和蒸気圧以下となるようにして、前記チャンバーの温水を抜き出して、前記温水を沸騰させ前記チャンバー内のガスを加湿ガスとすることを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスの加湿方法において、前記チャンバー内の前記加湿ガスに、更に前記チャンバー内のガス分圧と前記飽和蒸気圧との和以上の圧力を有する水蒸気を吹き込むことを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスの加湿方法において、前記加湿ガスを消費機器に供給する通路に、ヒータを設け、前記加湿ガスを更に加熱して前記消費機器に供給することを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスの加湿方法において、前記チャンバー又は前記加湿ガスを消費機器に供給する通路に、水蒸気を吹き込んで前記加湿ガスを更に加熱及び加湿して前記消費機器に供給することを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスの加湿方法において、前記ガスは、燃料電池に使用する水素、空気及び酸素のいずれか１あるいはこれらを含む混合ガスであることを特徴とするガスの加湿方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃料電池に供給されるガス（酸素、水素、空気等）に対し、特に加湿ガスの成分設定が必要な出荷前の水分付与工程、性能検査工程における加湿方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、一般的に、水素イオン伝導性の固体高分子を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素子、即ち固体高分子電解質膜−電極接合体及び各電極面にそれぞれの反応ガスを供給するためのガス通路を画成すると共に、発電素子を両側から支持するガス分離部材を積層した構造を有する。そして、一方の電極に水素ガス（燃料ガス）を供給し、他方の電極に酸素あるいは空気即ち酸化剤ガスを供給して、燃料ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを、直接電気エネルギーとして取り出すようになっている。
【０００３】
この燃料電池にあっては、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応により電気エネルギーを取り出すことができる。この固体高分子電解質膜中を水素イオンが移動するため、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまうので、水分を供給する必要がある。
【０００４】
そこで、従来の固体高分子型燃料電池においては、加湿装置によって反応ガスを積極的に加湿して高い反応速度を維持するようにしている。この加湿装置は、例えば、特許文献１に記載のように、水蒸気透過膜を用いてガスを加湿する方法等があるが、最終的には大容量のチャンバー内に加湿したガスを所定温度、所定湿度に保つようにして保持し、発電量に応じて加湿したガスを燃料電池に供給し、この加湿したガスは特許文献１記載の方法や、あるいは噴霧器を用いて作られている。一方、燃料電池の製造にあたっては、出荷前に前述の固体高分子電解質膜に適度の湿り気が必要であり、また、性能検査にあたっては、その水分条件を精度よく確保する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１３２０３８号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、成分設定が必要な出荷前の水分付与工程、性能検査工程において、含まれるガスに対して一定の水分を含む加湿ガスを製造することは困難であって時間がかかり（通常、数十分）、特に、複数の燃料電池にこの加湿ガスを使用する場合には、需要が一定しないので、加湿ガスの温度や圧力、更には湿度が一定せず、燃料電池の運転に困難を伴う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、短時間で、所定温度で所定圧力の加湿ガスを製造することが可能なガスの加湿方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るガスの加湿方法は、チャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、前記チャンバー内の前記ガスの実質容積を増大して前記温水を沸騰させ、更に実質容積を調整することにより、前記チャンバー内のガスを加湿して、所定温度で所定圧力の加湿ガスを製造している。即ち、前記チャンバー内の圧力を下げることによって、前記温水を沸騰させ、ガスの加湿を行う。
【０００８】
また、第２の発明に係るガスの加湿方法は、容積が可変のチャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、該チャンバーの容積増大に伴う該チャンバー内の圧力が、容積変更後の前記温水の温度の飽和蒸気圧以下となるようにして、前記チャンバーの容積を増大し、前記温水を沸騰させて前記チャンバー内のガスを加湿ガスとしている。
【０００９】
第３の発明に係るガスの加湿方法は、容積が一定のチャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、該チャンバーの前記ガス容積の増大に伴う前記チャンバー内の圧力が、前記ガス容積変更後の前記温水の温度の飽和蒸気圧以下となるようにして、前記チャンバーの温水を抜き出して、前記温水を沸騰させ前記チャンバー内のガスを加湿ガスとしている。
第１〜第３の発明においては、チャンバーに入れたガスを減圧して、温水を沸騰させ、発生する蒸気によってガスを短時間のうちに加湿している。
なお、チャンバーはいずれの場合でも、保温されかつ所定温度（加湿ガスの生成温度を下回らない温度）に保持されている。
【００１０】
第４の発明に係るガスの加湿方法は、第１〜第３の発明に係るガスの加湿方法において、前記チャンバー内の前記加湿ガスに、更に前記チャンバー内のガス分圧と前記飽和蒸気圧との和以上の圧力を有する水蒸気を吹き込んでいる。これによって、チャンバー内のガスが不飽和の場合には、更に加湿される。
【００１１】
第５の発明に係るガスの加湿方法は、第１〜第４の発明に係るガスの加湿方法において、前記加湿ガスを消費機器に供給する通路に、ヒータを設け、前記加湿ガスを更に加熱して前記消費機器に供給する。これによって、加湿されたガスは過熱蒸気になるので、通路内でガスの温度が多少下がっても、凝縮しない。更には、温度が変わっても成分（ガスと水蒸気）の比率（例えば、モル比）に変化は生じない。
【００１２】
第６の発明に係るガスの加湿方法は、第１〜第４の発明に係るガスの加湿方法において、前記チャンバー又は前記加湿ガスを消費機器に供給する通路に、水蒸気を吹き込んで前記加湿ガスを更に加熱及び加湿して前記消費機器に供給する。これによって、加湿ガスの温度及び絶対湿度（ドライガス１ｋｇ中に含まれる水蒸気の質量）を更に上げることができる。
【００１３】
第７の発明に係るガスの加湿方法は、第１〜第６の発明に係るガスの加湿方法において、前記ガスは、燃料電池に使用する水素、空気及び酸素のいずれか１あるいはこれらを含む混合ガスである。これによって、燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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。
ここに、図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスの加湿方法の説明図、図２は本発明の第２の実施の形態に係るガスの加湿方法の説明図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るガスの加湿方法に用いるチャンバー１０は、内部にチャンバー１０内の体積（容積）を変えることができるピストン１１を有し、図示しない昇降手段（例えば、油圧シリンダー、ジャッキ、電動シリンダー）によって、ピストン１１がチャンバー１０内を所定距離、正確に昇降移動できる構造となっている。なお、１２はピストンロッドを示す。
チャンバー１０の天井部１３には、図１（Ａ）に示すように、排水口１４を、図１（Ｂ）に示すように、ガス入口１５及び温水口１６を有し、更に、図１（Ｆ）に示すように、加湿ガスの排気口１７を備えている。そして、チャンバー１０の側部には図１（Ｅ）に示すように、蒸気吹き込み口１８が設けられている。
【００１６】
なお、排水口１４、ガス入口１５、温水口１６、排気口１７、蒸気吹き込み口１８にはそれぞれ電磁弁が設けられ、常時は閉じており、チャンバー１０から排水する場合、チャンバー１０内にガスや温水を入れる場合、チャンバー１０から加湿ガスを排出する場合、チャンバー１０内に蒸気を吹き込む場合のみに、それぞれの電磁弁が開くようになっている。
また、チャンバー１０の周囲は断熱材で覆われ、更には保温用のヒータが設けられ、常時チャンバー１０を所定温度（例えば、８３℃）に保つようになっている。
【００１７】
チャンバー１０の排気口１７に接続される通路１９には、電熱ヒータ（ヒータの一例）２０が設けられ、通過する加湿ガスを約５℃だけ昇温できる構造となっている。通路１９の端部には加湿ガスの貯留タンク２１が設けられ、この貯留タンク２１内に製品である加湿ガスを溜めることができるようになっている。なお、この貯留タンク２１は保温構造となって、所定温度（例えば、８８℃）で１．２気圧の加湿ガスが貯留できる。貯留タンク２１には図示しないガス出口が設けられ、テスト又は運転を行おうとする図示しない燃料電池に加湿ガスを供給できる構造となっている。なお、チャンバー１０の天井部１３には、チャンバー１０内の温度を測定する温度センサー２３と、チャンバー１０内の圧力を測定する圧力センサー２４が設けられている（図１（Ａ）のみに示す）。
【００１８】
以上の構成となった装置を用いて、水素ガス（ガスの一例）を、８３℃（温度Ｔとする）で湿度９５％以上に加湿する方法について、具体的に説明する。
まず、図１（Ａ）に示すように、ピストン１１を最上位置に上げてチャンバー１０内に残っている水を排水口１４から追い出す。そして、図１（Ｂ）に示すように、２５℃で圧力Ｐ０  （この例では、１気圧、１０１．３２ＫＰａ）の水素ガスを、ガス入口１５から例えばチャンバー１０の最大容積の１／４〜１／３（Ｖ１とする）程度入れ、更にその容積（Ｖ１）の１／３程度で８８℃の温水（容積Ｖｗとする）を温水口１６から入れる。この場合、温水の温度（Ｔｗ）は必ず８３℃より高い必要があり、（Ｔｗ−Ｔ）×Ｖｗの保有熱が気化熱となって、後の工程で温水を瞬時に沸騰させることができる。
【００１９】
次に、図１（Ｃ）に示すように、ピストン１１を下げて、チャンバー１０の容積をＶ１からＶ２にする。これによって、チャンバー１０内の水素ガスが減圧し、温水の蒸発を無視すると、その圧力Ｐ２  は、Ｐ０  ×Ｖ１／Ｖ２になる。今、最終目的のガス温度は、８３℃であり、その時の飽和蒸気圧は５３．４１ＫＰａ（以下、Ｐｓとする）であるので、Ｐ２  がＰｓと同一か小さくなるようにピストン１１の下げ位置を決める。なお、温水の温度は入れた直後は８８℃であるが、チャンバー１０自体が８３℃に保温されているため、温水の温度が徐々に下がるので、温水をチャンバー１０内に入れた後、直ちにこの動作を行う。
【００２０】
ここで、減圧した水素ガスの圧力が、チャンバー１０内の温水の飽和蒸気圧以上の場合には、チャンバー１０内で温水の沸騰は起こらず、短時間の間に水素ガスを加圧することはできない。従って、必ず、チャンバー１０内の温水の飽和蒸気圧より低い圧力となるようにＶ２を制御する必要がある。なお、温水の量が多い場合には、温水の持つ保有熱量が大きいので、温水の飽和蒸気圧より低い圧力にＶ２をするのであれば、８３℃の飽和蒸気圧Ｐｓ以下にすることは必須の要件ではない。また、チャンバー１０内の水素ガスの圧力（正確には分圧）をＰｓより更に下げても良いが、チャンバー１０自体が８３℃に保温されているので、水蒸気の分圧はＰｓとなり、水素ガスの分圧は更に下がるので、水素ガスと水蒸気のそれぞれの分圧を加えた合計圧力が１気圧とならず低い圧力になり、最終的には、再度ピストン１１を上げて、圧力調整をすることになる。
【００２１】
この実施の形態では、８３℃の温水の飽和蒸気圧は、５３．４１ＫＰａであるので、理想的には水素ガスの分圧を４７．８７５ＫＰａとすればよく、従って、Ｖ２は、Ｖ１・α・１０１．３２／４７．８７５（αは水素ガスの温度変化を考慮した膨張度合い係数である）程度となる。
なお、チャンバー１０に設けられている圧力センサー２４でチャンバー１０内の圧力を常時１気圧にし、更に温度を８３℃に保持するように、ピストン１１の高さ調整を行うと、図１（Ｄ）示すように、最終的には、水素ガスの分圧が４７．３２５ＫＰａで、水蒸気分圧が５３．４１ＫＰａの加湿ガスとなる。
【００２２】
ところが、水素ガスの分圧が４７．８７５ＫＰａで、水蒸気分圧が５３．４１ＫＰａの加湿ガスは、相対湿度１００％の加湿ガスであるので、系が落ち着くのに多少の時間がかかる。そこで、図１（Ｅ）に示すように、蒸気吹き込み口１８から、内部の圧力を超える圧力を有する水蒸気を吹き込む。これによって、加湿ガスの湿度が上がり、その温度で保有できる水蒸気量が上がり、絶対湿度が上昇する。なお、チャンバー１０内は、８３℃に保持されているので、余分な蒸気は液化する。これによって、１気圧、８３℃超で、実質湿度１００％の加湿ガスが製造される。絶対湿度でみると、８３℃で相対湿度（φ＝Ｐ／Ｐｓ、Ｐ：水蒸気圧、Ｐｓ：飽和水蒸気圧）１００％での絶対湿度より高い絶対湿度が得られる。
【００２３】
次に、図１（Ｆ）に示すように、ピストン１１を上昇させて、８３℃の加湿ガスを製造し、加湿ガスの貯留タンク２１あるいは図示していないが消費機器に圧送する。消費機器の一例である燃料電池の使用条件と配管圧損を考慮して、例えば１．２気圧の加湿ガスを製造し、圧送する。また、圧送中の配管内の温度低下を考慮し、チャンバー１０から貯留タンク２１の間の通路１９（あるいは、消費機器への通路）に電熱ヒータ２０を設けて加湿ガスの温度を８８℃に加熱する。なお、加湿ガスを１．２気圧に加圧すると、水蒸気も加圧されて８３℃の飽和蒸気圧を超える。しかし、この状態では加湿ガスは過飽和ガスとなるが、直ちに８８℃に加熱されるので、不飽和蒸気となって液化はしない。即ち、８８℃の飽和蒸気圧は６４．９４ＫＰａであり、１．２倍に加圧された加湿ガス中の水蒸気の分圧は６４．１４ＫＰａである。また、加圧されても、水蒸気が飽和しない限りは、水素ガスと水蒸気とのモル比は一定である。
そして、前述のように、貯留タンク２１では、８８℃で１．２気圧の加湿ガスとして貯留される。なお、繰り返し加湿ガスを製造する場合には、図１（Ａ）〜（Ｆ）の工程を繰り返すことになる。
【００２４】
続いて、図２に示す本発明の第２の実施の形態に係るガスの加湿方法について説明するが、第１の実施の形態に係るガスの加湿方法と基本的に異なる点は、一定容積の第１のチャンバー２８の他に、水を充填した可変容量の第２のチャンバー２９を備えていることである。そして、第１のチャンバー２８と第２のチャンバー２９とを連通管３０で連結して、第２のチャンバー２９内の容積を制御して、第１のチャンバー２８内の水面を変化させている点であるが、第１の実施の形態に係るガスの加湿方法で使用したチャンバー１０と同様に、実質的にチャンバー内の気体容積を変化させているので、原理的には、第１の実施の形態に係るガスの加湿方法と変わらない。
【００２５】
そこで、第１の実施の形態に係る方法に使用した装置と、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。第２のチャンバー２９には、常時、８８℃の温水が充填され、周囲は保温されてその温度を保つようになっている。また、第２のチャンバー２９内には、昇降するピストン３１が設けられ、第２のチャンバー２９内に溜まった温水を連通管３０を介して第１のチャンバー２８に供給又は第１のチャンバー２８から排出できるようになっている。なお、符号３２はピストンロッドを示す。
【００２６】
この第２の実施の形態に係るガスの加湿方法について、概略説明すると、図２（Ｂ）に示すように、第１のチャンバー２８内に、温水口１６から所定量の温水とガス入口１５から所定量（第１のチャンバー２８の容積の１／４〜１／３）の水素ガスを入れる。この場合、水素ガスは１気圧であるので、８８℃の温水は沸騰せず、この温水によって水素ガスは実質的に加湿されない。
【００２７】
次に、図２（Ｃ）に示すように、第２のチャンバー２９内のピストン３１を下げて、第１のチャンバー２８内の温水の水位を下げて、第１のチャンバー２８内を減圧する。減圧の条件については、第１の実施の形態に係るガスの加湿方法の図１（Ｃ）に示す通りである。これによって、第１のチャンバー２８内の温水は急激に沸騰し、減圧した水素ガスは加湿される。図２（Ｄ）に示すように、最終的な加湿を行った後、図２（Ｅ）に示すように、蒸気吹き込み口１８から飽和蒸気を吹き込み、これによって、１気圧、８３℃で９５％以上の加湿ガスを製造する。
【００２８】
そして、図２（Ｆ）に示すように、第２のチャンバー２９のピストン３１を上昇させて、加湿ガスを１．２倍に加圧し、更に電熱ヒータ２０で加熱しながら、貯留タンク２１に加湿ガスを送る。この場合、第１のチャンバー２８内で、必要な場合には、更に、第１のチャンバー２８内の圧力より高い圧力で、蒸気吹き込み口１８から、飽和蒸気を加湿ガス内に吹き込んでもよい。なお、過剰分は液化されるので、特に問題はない。
【００２９】
前記実施の形態においては、ガスとして水素ガスを加湿する場合について説明したが、酸素ガスや空気、場合によっては、これらを含む混合ガスやその他のガスを加湿する場合であっても本発明は適用される。
また、前記実施の形態においては、具体的な数値を用いて説明したが、本発明の要旨を変更しない範囲で、その具体的数値を変更することは可能である。
また、前記実施の形態においては、最終過程で加湿ガスを電熱ヒータによって加熱しているが、最終過程でのチャンバー１０内（あるいは、加湿ガスを消費機器に供給する通路）に蒸気（１気圧以上で、通常は１〜１．２気圧）を吹き込むこともでき、これによって加湿ガスの加熱を行うことができる他、加湿ガスの湿度を１００％又は１００％に近づけることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１〜７記載のガスの加湿方法は、チャンバー内に所定量のガスと温水を取込み、チャンバー内のガスの容積を増大して温水を沸騰させ、チャンバー内のガスを加湿ガスとしているので、短時間のうちに水蒸気をガス中に混入することができる。
これによって、ガスと水蒸気が均一に混ざった所定の温度及び圧力の加湿ガスを比較的短時間に造ることができる（一連の（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）→（Ｅ）→（Ｆ）のサイクルタイム次第であるが、通常１５〜６０ｓｅｃ）。
【００３１】
特に、請求項４記載のガスの加湿方法は、チャンバー内の加湿ガスに、更にチャンバー内のガス分圧と飽和蒸気圧との和以上の圧力を有する水蒸気を吹き込んでいる。これによって、チャンバー内のガス分圧が小さい場合には、昇温しても分圧上昇に余裕があり、昇温することで、飽和水蒸気圧が上がり、より多くの水蒸気を含む、すなわち絶対湿度の高い加湿ガスを造ることができる。
【００３２】
請求項５記載のガスの加湿方法は、加湿ガスを消費機器に供給する通路に、ヒータを設け、加湿ガスを更に加熱して消費機器に供給する。これによって、加湿されたガスは過熱蒸気になり、通路内でガスの温度が多少下がっても、凝縮しないので、加湿ガスが安定する。また、温度が変わっても成分（ガスと水蒸気）の比率（例えば、モル比）に変化は生じない。
【００３３】
請求項６記載のガスの加湿方法は、製造された加湿ガスに更に蒸気を吹き込んでいるので、加湿ガスが加温されると共に絶対湿度を高めることができる。
そして、請求項７記載のガスの加湿方法は、ガスは、燃料電池に使用する水素、空気及び酸素のいずれか１あるいはこれらを含む混合ガスである。これによって、例えば、このような加湿ガスを必要とする固体高分子型燃料電池の運転を安定して行うことができる。また、需要の変化に応じて、一連の動作サイクルの起点を変更することが容易にできるので、無駄な加湿ガスの製造を避けることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスの加湿方法の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るガスの加湿方法の説明図である。
【符号の説明】
１０：チャンバー、１１：ピストン、１２：ピストンロッド、１３：天井部、１４：排出口、１５：ガス入口、１６：温水口、１７：排気口、１８：蒸気吹き込み口、１９：通路、２０：電熱ヒータ、２１：貯留タンク、２３：温度センサー、２４：圧力センサー、２８：第１のチャンバー、２９：第２のチャンバー、３０：連通管、３１：ピストン、３２：ピストンロッド
【図１】
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【図２】
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