(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを水蒸気と混合して製品加湿ガスを生成し、該製品加湿ガスを固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス供給システムであって、
前記製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を供給する水供給手段と、
前記原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記水供給手段から供給された原水を加熱すると共に、前記ガス供給手段から前記原料ガスを供給して前記水蒸気を発生させる蒸発部と、
前記蒸発部から供給される前記水蒸気及び前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、
前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温し、前記製品加湿ガスを生成する冷却部とを有し、前記蒸発部、前記混合昇温部及び前記冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられて、しかも、
前記蒸発部は、前記水供給手段から供給される原水を貯留し、該原水中には前記ガス供給手段によって供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となると共に、前記気泡を更に小さくする球状固形物が充填された貯水槽と、
前記貯水槽に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、前記水供給手段から供給される原水を一旦受ける受皿と、
前記蒸発部内を加熱して供給された前記原水を前記水蒸気とする１又は２以上の発熱体からなる第１の加熱手段とを有し、更に前記ガス供給手段から供給される原料ガスを前記貯水槽に溜められた原水中に通して加湿して、
所定の温度、流量、及び湿度の前記製品加湿ガスを製造することを特徴とする加湿ガス供給システム。
【請求項２】
請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記球状固形物は直径が３〜７ｍｍの球状のボールであることを特徴とする加湿ガス供給システム。
【請求項３】
請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記発熱体は少なくとも１つは過熱水蒸気であって、該過熱水蒸気を用いて前記蒸発部内を加熱して、前記貯水槽に溜められた前記原水を昇温すると共に、前記水供給手段から前記蒸発部に供給する前記原水の水量を、前記蒸発部内に供給する前記過熱水蒸気の水量分減らすことを特徴とする加湿ガス供給システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記混合昇温部は、下部に前記生加湿ガスを生成させる混合部を備え、上部に該混合部で生成した生加湿ガスを加熱して、前記過熱加湿ガスを生成させる昇温部を備えていることを特徴とする加湿ガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池にガスと水蒸気とを混合した加湿ガスを供給する加湿ガス供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、例えば、特許文献１に示すように、水蒸気透過膜を使用した加湿装置や噴霧器等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。そして、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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、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）、その間、加湿ガスの温度や圧力、更には湿度が一定せず、燃料電池性能検査の条件設定に困難を伴うという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、短時間で、所定の温度、流量、及び湿度の加湿ガスを製造することが可能な加湿ガス供給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】
【０００８】
前記目的に沿う請求項１記載の加湿ガス供給システムは、原料ガスを水蒸気と混合して製品加湿ガスを生成し、該製品加湿ガスを固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス供給システムであって、
前記製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を供給する水供給手段と、
前記原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記水供給手段から供給された原水を加熱すると共に、前記ガス供給手段から前記原料ガスを供給して前記水蒸気を発生させる蒸発部と、
前記蒸発部から供給される前記水蒸気及び前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、
前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温し、前記製品加湿ガスを生成する冷却部とを有し、前記蒸発部、前記混合昇温部及び前記冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられて、しかも、
前記蒸発部は、前記水供給手段から供給される原水を貯留し、該原水中には前記ガス供給手段によって供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となると共に、前記気泡を更に小さくする球状固形物が充填された貯水槽と、
前記貯水槽に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、前記水供給手段から供給される原水を一旦受ける受皿と、
前記蒸発部内を加熱して供給された前記原水を前記水蒸気とする１又は２以上の発熱体からなる第１の加熱手段とを有し、更に前記ガス供給手段から供給される原料ガスを前記貯水槽に溜められた原水中に通して加湿して、
所定の温度、流量、及び湿度の前記製品加湿ガスを製造する。
【０００９】
請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、原料ガスとしては、水素、空気、水素と二酸化炭素の混合気体、水素と一酸化炭素の混合気体等が用いられる。また、原水としては、２μＳ／ｃｍ以下、好ましくは１μＳ／ｃｍ以下の純水が好適に用いられる。水供給手段としては、一定水量の原水を供給できればよく、例えば、回転数によって一定の水量の原水を供給する定量ポンプが用いられ、この場合には、原水中の気体を除去するために真空引きによって脱気するのが好ましい。冷却部としては、高温の過熱加湿ガスを降温できればよく、例えば、熱交換器が用いられる。
【００１０】
そして、前記蒸発部、前記混合昇温部及び前記冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられている。ここで、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスが、その上に位置する冷却部で降温されて、過熱加湿ガス中の水蒸気（過熱水蒸気）が露点以下となって水滴となった際に、この水滴が落下して、蒸発部に供給することができる。
また、請求項２記載の加湿ガス供給システムは、請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記球状固形物は直径が３〜７ｍｍの球状のボールである。
【００１１】
なお、請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記冷却部の下流側には生成した前記製品加湿ガスを保温あるいは昇温する温調部が設けられ、前記燃料電池に供給する該製品加湿ガスの温度を所定値にすることもできる。ここで、温調部には、配管ヒータや断熱材等が使用できる。また、生成した製品加熱ガスを加熱して所定温度よりも高い加湿ガスとし、外部への熱の放散による温度低下を防止し、更に燃料電池に供給する前に降温して所定温度とした製品加湿ガスとすることもできる。
【００１２】
【００１３】
請求項１記載の加湿ガス供給システムは、受皿に供給されて加熱された原水は、貯水槽内の原水と混合されても温度低下を起こし難くなる。また、貯水槽内に貯留された原水は、第１の加熱手段によって加熱され、貯水槽内の加熱された原水に原料ガスを通して、水蒸気を発生させ、原料ガスを加湿することができる。
【００１４】
【００１５】
請求項３記載の加湿ガス供給システムは、請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記発熱体の少なくとも１つは過熱水蒸気であって、該過熱水蒸気を用いて前記蒸発部内を加熱して、前記貯水槽に溜められた前記原水を昇温すると共に、前記水供給手段から前記蒸発部に供給する前記原水の水量を、前記蒸発部内に供給する前記過熱水蒸気の水量分減らす。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
請求項４記載の加湿ガス供給システムは、請求項１〜３記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記混合昇温部は、下部に前記生加湿ガスを生成させる混合部を備え、上部に該混合部で生成した生加湿ガスを加熱して、前記過熱加湿ガスを生成させる昇温部を備えている。ここで、原料ガスと水蒸気の流れによって自然に両者が混合されるが、混合を促進する必要があれば、混合部に、例えば邪魔板等を置いて、ガスの流れによって積極的に乱流を発生させてもよい。また、邪魔板等によって、生加湿ガスが昇温部に接近するように誘導し、生加湿ガスを効率よく昇温させてもよい。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【発明の効果】
【００２６】
請求項１〜４記載の加湿ガス供給システムは、水蒸気及び原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温して製品加湿ガスを生成する冷却部とを有するので、所定温度以上に加熱された過熱加湿ガスを降温して、所定の温度、流量、及び湿度の製品加湿ガスを製造でき、製品加湿ガスの温度管理がし易くなる。
【００２７】
そして、蒸発部、混合昇温部及び冷却部は、高さ方向に下から順に積み上げられているので、過熱加湿ガス中の水蒸気が冷却部で冷却され水滴となった際に蒸発部に再び戻り、水供給手段から供給する原水の量を少なくできる。
【００２８】
また、蒸発部には、水供給手段から供給される原水を貯留する貯水槽と、貯水槽に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、水供給手段から供給される原水を一旦受ける受皿と、蒸発部内を加熱して供給された原水を水蒸気とする１又は２以上の発熱体からなる第１の加熱手段とを有し、更にガス供給手段から供給される原料ガスを貯水槽に溜められた原水中を通して加湿するので、受皿に供給されて加熱された原水は貯水槽内の原水の温度を低下させ難くなり、第１の加熱手段での加熱効率が向上する。
【００２９】
【００３０】
請求項３記載の加湿ガス供給システムは、発熱体の少なくとも１つは過熱水蒸気であって、過熱水蒸気を用いて蒸発部内を加熱して、貯水槽に溜められた原水を昇温すると共に、水供給手段から蒸発部に供給する原水の水量を、蒸発部内に供給する過熱水蒸気の水量分減らすので、過熱水蒸気を原水として使用でき、また、貯留されている原水に与える熱量とすることができる。この熱量は、蒸気が液化により放出される熱量であって、原料ガスの流量増変更時には、一時に必要な高熱量を補うことができる。
【００３１】
請求項１記載の加湿ガス供給システムは、貯水槽には、貯留された原水中に球状固体物が充填されているので、貯水槽中に供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となり、原料ガスと水を十分に接触させることができる。また、原料ガスの気泡を小さくして、水との接触面積を大きくできる。
【００３２】
請求項４記載の加湿ガス供給システムは、混合昇温部は、下部に混合部を備え、上部に混合部で生成した生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる昇温部を備えているので、水蒸気及び原料ガスを確実に過熱加湿ガスにできる。
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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は本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図、図２は同加湿ガス供給システムの受皿の平面図、図３は同加湿ガス供給システムを用いた製品加湿ガスの温度制御を示すフローチャート、図４は同加湿ガス供給システムを用いた製品加湿ガスの湿度制御を示すフローチャートである。
【００３９】
図１及び図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システム１０について説明する。
加湿ガス供給システム１０は、固体高分子型の燃料電池１０ａに所定の流量、温度及び湿度の製品加湿ガスを連続的に供給する装置であって、製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を供給する水供給手段１１と、原料ガスを供給するガス供給手段１２と、水供給手段１１から供給された原水を加熱して水蒸気を発生させる蒸発部１３とを有している。
【００４０】
また、加湿ガス供給システム１０は、蒸発部１３及びガス供給手段１２から、それぞれ供給される水蒸気及び原料ガスを混合して、生加湿ガスを生成させると共に、生成した生加湿ガスを過熱して、過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部１４と、混合昇温部１４で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１６と、この生成した製品加湿ガスを保温あるいは昇温して所定値に保つ温調部１７とを有している。なお、蒸発部１３、混合昇温部１４、及び冷却部１６は、高さ方向に下から順に積み上げられている。以下、詳しく説明する。
【００４１】
水供給手段１１は、原水（例えば、２μＳ／ｃｍ以下、好ましくは１μＳ／ｃｍ以下の純水）を貯留する原水タンク２０と、原水タンク２０に貯留された原水を原水供給管２１を介して蒸留部１３の受皿３１に供給する定量ポンプ２２を有している。定量ポンプ２２は、回転数によって供給する液量が決まり、原水に含まれる気体によって水の量が異なるため、定量ポンプ２２の上流側には、真空ポンプ２３を設けている。更に、原水供給管２１には、原水を予め加熱する配管ヒータ２４が設けられている。なお、蒸発部１３内壁に原水供給管２１を沿わせ、加熱された原水を受皿３１に供給してもよい。
【００４２】
また、ガス供給手段１２は、原料ガス、例えば、水素を貯留しているガスボンベ２５と、ガスボンベ２５から蒸発部１３の下部へ原料ガスを送るガス供給管２６と、ガス供給管２６に設けられ、供給するガスの流量を調節する減圧弁及び流調弁を有するガス流量調節器２７を有している。ガス供給管２６の先部は、原料ガスを小さな気泡として供給できる形状となっている。また、ガス供給管２６のガス流量調節器２７の下流側には、原料ガスを加熱する配管ヒータ２８が取付けられている。
【００４３】
蒸発部１３は、水供給手段１１から供給される原水を貯留する貯水槽３０と、貯水槽３０に貯留された原水の水面よりも高い位置に配置され、水供給手段１１から供給される原水
を一旦受ける受皿３１と、上部が受皿３１に貫入して設置され、蒸発部１３内を加熱し、供給された原水を水蒸気とする発熱体の一例である１又は２以上、例えば５本の棒状の第１の加熱ヒータ３２からなる第１の加熱手段を有している。ここで、受皿３１には、それぞれの第１の加熱ヒータ３２と隙間（例えば、０．５〜３ｍｍ）を空けて設けられた貫通孔３３と、受けた原水を下方にしみ出させる複数の微小隙間（例えば、０．５〜３ｍｍの微小孔）３４とを有している。
【００４４】
ここで、受皿３１に供給された原水は、第１の加熱ヒータ３２と貫通孔３３の隙間又は微小隙間３４（即ち、流通部）を通って下方にしみ出て貯水槽３０に貯留される。第１の加熱ヒータ３２と貫通孔３３の隙間を通った原水は、第１の加熱ヒータ３２を伝わり加熱されながら下方に落ちて貯水槽３０に溜まる。また、微小隙間３４を通った原水は、微小な隙間からしみ出るので、しずく（小さな水滴）となって、表面積が増大する。これによって、しずくとなった原水は加熱され貯水槽３０に溜まる。
【００４５】
水供給手段１１から供給される原水を一旦受皿３１に受けて加熱することによって、水供給手段１１から供給される冷たい原水が加熱されて、貯水槽３０内の熱い原水と混合されるので、貯水槽３０内の原水の温度低下が起こり難くなる。また、貯水槽３０の外側周囲には、熱の放散による温度低下を起こり難くする保温手段の一例である貯水槽用ヒータ３６が取付けられている。また、保温手段は、断熱材を使用してもよい。なお、図１は、ヒータ３６を貯水槽３０の外側周囲のみではなく、蒸発部１３の外側周囲全体に取付けた状態を示している。
【００４６】
また、貯水槽３０には、球状固体物の一例であるアルミナ系セラミックのボール３５が充填され、貯水槽３０に溜まった原水中に浮遊している。ボール３５は、直径２〜５ｍｍの実質的に球形であり、比重も軽く、貯水槽３０内の原水の対流によって、ボール３５も上下に移動することができる。また、ボール３５は、ガス供給手段１２より供給された原料ガスの気泡の上昇の抵抗となると共に、ガス供給手段１２から供給された原料ガスの気泡を更に小さくすることができる。また、第１の加熱ヒータ３２によって、貯水槽３０内の原水を加熱して水蒸気とする。
【００４７】
なお、貯水槽３０内には、図示しない水位計が設けられ、貯水槽３０内の水位が低下した際には、水供給手段１１から原水を供給している。また、貯水槽３０内で、原料ガスを細かい気泡とすると共に、熱量を与えられ、更に従来のバブラー式よりも貯水槽の体積を小さくすることができ、装置を小型化できる。
【００４８】
混合昇温部１４は、蒸発部１３の上部に配置され、一体的に形成されたチャンバー３７を有している。チャンバー３７内部には、蒸発部１３から供給される水蒸気及び原料ガスを加熱する第２の加熱手段の一例である第２の加熱ヒータ３８が設けられ、チャンバー３７の外側周囲には外部に放散される熱量に対して同等の熱量を加熱するリボン型のチャンバー用ヒータ３９が取付けられている。チャンバー３７内では、蒸発部１３から供給される水蒸気及び原料ガスが混合されて生加湿ガスとされ、更に第２の加熱ヒータ３８で生加湿ガスが加熱されて過熱加湿ガスとされる。
【００４９】
ここで、チャンバー３７内では、原料ガスと水蒸気の流れによって、自然に両者が混合されるが、混合を促進する必要があれば、チャンバー３７内に邪魔板等を置いて、ガスの流れによって、積極的に乱流を発生させてもよい。また、邪魔板等によって、生加湿ガスが第２の加熱ヒータ３８に接近するように誘導し、生加湿ガスを効率よく昇温させてもよい。混合昇温部は、下部に蒸発部及びガス供給手段から、それぞれ供給される水蒸気及び原料ガスを混合して、生加湿ガスを生成させる混合部を、更にその上部に混合部で生成した生加湿ガスを加熱して、過熱加湿ガスを生成させる昇温部を設けてもよい。
【００５０】
冷却部１６は、チャンバー３７の上部に配置される熱交換器４０と、熱交換器４０に冷却媒体（以下、単に冷媒という）、例えば、２０℃の水を貯留する冷媒槽４１と、冷媒槽４１から熱交換器４０に冷媒を供給する冷媒配管４２及びポンプ４３とを有している。チャンバー３７で生成した過熱加湿ガスは、熱交換器４０によって、所定温度まで降温されて製品加湿ガスとされる。
【００５１】
また、温調部１７は、冷却部１６の下流側、つまり、上部に設けられ、冷却部１６によって生成した製品加湿ガスを保温する配管ヒータ４５を有し、所定温度の製品加湿ガスを燃料電池１０ａに供給している。なお、温調部１７は、生成した製品加湿ガスを燃料電池１０ａまで供給する製品ガス供給配管４６を有し、製品ガス供給配管４６にも配管ヒータ４５が取付けられ、製品加湿ガスの温度低下を防止している。また、製品ガス供給配管には、冷却部１６で生成した製品加熱ガスを加熱して所定温度よりも高温の加湿ガスとし、外部への熱の放散による温度低下を防止する加熱装置と、更にこの加熱された加湿ガスを燃料電池１０ａに供給する前に所定温度冷却して製品加湿ガスとする冷却装置とを設けることもできる。
【００５２】
また、加湿ガス供給システム１０には、複数、例えば、６つの温度センサ４７、４８、５０、５２、５３、６１が取付けられている。蒸発部１３には、貯水槽３０に貯留される原水の温度を測定する温度センサ４７と、受皿３１上の温度を測定する温度センサ４８が配置されている。ここで、温度センサ４７による貯水槽３０内の原水の温度が所定値となるように、第１の加熱ヒータ３２を制御する温度調整用制御ループ５５を有している。
【００５３】
また、チャンバー３７内には、チャンバー３７内の上部に設けられ、チャンバー３７内で生成する過熱加湿ガスの温度を測定する温度センサ５０と、温度センサ５０による測定値によって、チャンバー３７内を過熱する第２の加熱ヒータ３８を制御して、過熱加湿ガスの温度を所定値とする温度調整用制御ループ５６とを有している。
【００５４】
なお、チャンバー３７内の下部、及びチャンバー３７の外部にそれぞれ温度センサを配置し、チャンバー３７下部の温度センサによって、蒸発部１３から供給される水蒸気及び原料ガスの温度を測定し、チャンバー３７上部の温度センサ５０によって、水蒸気及び原料ガスが混合して加熱された過熱加湿ガスの温度を測定して、チャンバー３７外部の温度センサで測定された温度から、チャンバー３７外部に放散される熱量を計算し、この放散された熱量と同等の熱量をチャンバー用ヒータ３９を制御してチャンバー３７に与える温度調整用制御ループを設けることもできる。
【００５５】
また、温調部１７には、温調部１７の内部及び外部にそれぞれ温度センサ５２、５３が配置されている。温調部１７内部の温度センサ５２では、冷却部１６で冷却された製品加湿ガスの温度が測定されている。この温度が所定値となるように冷却部１６のポンプ４３から供給する冷媒の量を調整する温度調整用制御ループ５７がインバータ５８を介してポンプ４３に設けられている。更に、温調部１７外部の温度センサ５３で測定された温度から、温調部１７外部に放散される熱量が計算できる。また、配管ヒータ４５を制御して、この計算された熱量を温調部１７に与える温度調整用制御ループ５９が設けられている。更に、温調部１７は、温調部１７内の製品加湿ガスの湿度を測定する湿度センサ６０が設けられている。また、温調部１７内の最下流には温度センサ６１が設けられ、燃料電池１０ａに供給される製品加湿ガスの温度を測定している。
【００５６】
次に、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システム１０を使用した燃料電池に供給する加湿ガスの供給方法について説明する。
原水タンク２０に貯留された原水を真空ポンプ２３で脱気し、原水内の気体を除去する。更に、定量ポンプ２２を駆動し、原水供給管２１を介して、燃料電池１０ａに供給する製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う原水を蒸発部１３の受皿３１に供給する。また、受皿３１への原水の供給の際には、貯水槽３０の外側周囲に原水供給管２１を巻き付け、予め原水を加熱してもよく、貯水槽３０内を加熱する加熱手段を設けてもよい。なお、蒸発部１３に供給する原水が多い場合には、水温の急激な低下を防止するため、配管ヒータ２４によって、供給する原水を予め加熱してもよい。
【００５７】
受皿３１に供給された原水は、第１の加熱ヒータ３２及び貫通孔３３の隙間、微小隙間３４を通って、第１の加熱ヒータ３２によって加熱され、下方の貯水槽３０に溜められる。更に、貯水槽３０内の原水の温度を温度センサ４７で測定し、この温度が所定値、例えば、６０〜９０℃（原料ガスの流量によって、製造する製品加湿ガスの温度よりも１〜２５℃高くする）となるように、温度調整用制御ループ５５で制御された第１の加熱ヒータ３２で貯水槽３０内の原水を加熱する。
【００５８】
また、ガスボンベ２５からガス流量調節器２７によって流量が制御された原料ガス（水素）をガス供給管２６を介して、蒸発部１３の貯水槽３０に供給する。また、ガス供給管２６に取付けられた配管ヒータ２８で、予め原料ガスを貯水槽３０内と実質的同じ温度まで加熱することが好ましい。ガス供給手段１２より供給された原料ガスの気泡は、貯水槽３０に溜まった原水中に浮遊しているボール３５によって上昇の抵抗を受け、原料ガスと水とが十分に接触して原料ガスが加湿される。更に、ボール３５によって、原料ガスの気泡を小さくすることができ、気泡の表面積が増えるため、原料ガスがより加湿され易くなる。
【００５９】
また、貯水槽３０の外側周囲に設けられた貯水槽用ヒータ３６によって、熱の放散による温度低下を起こり難くできる。貯水槽３０内の原水は第１の加熱ヒータ３２で加熱されて水蒸気となり、原料ガスは貯水槽３０内に通すことにより加湿され、この水蒸気と原料ガスが混合昇温部１４で混合されて生加湿ガスとなる。
【００６０】
チャンバー３７内で生成した過熱加湿ガスは、冷却部１６の熱交換器４０によって所定温度、つまり、製品加湿ガスの温度（例えば、６０〜９０℃）まで降温して製品加湿ガスとする。ここで、温調部１７の温度センサ５２による製品加湿ガスの温度が所定温度と異なる場合には、温度調整用制御ループ５７によって、熱交換器４０に供給する冷媒の量をポンプ４３で制御して、製品加湿ガスの温度を一定とする。なお、熱交換器４０によって冷却された過熱加湿ガス中の水蒸気の一部が水滴となった際には、この水滴が落下して下部に配置された貯水槽３０に貯留される。更に、生成した製品加湿ガスは、温調部１７の配管ヒータ４５によって、所定温度とされて燃料電池１０ａに供給される。
【００６１】
なお、熱交換器４０を経て生成した製品加湿ガスの温度が所定温度よりも高い場合には、熱交換器４０に供給する冷媒の流量を増やし、低い場合には冷媒の流量を少なくして、製品加湿ガスの温度を調整することができる。また、燃料電池１０ａに供給する製品加湿ガスの流量を多くする場合には、水供給手段１１及びガス供給手段１２からそれぞれ原水及び原料ガスの供給量を増やし、また、少なくする場合には、それぞれの供給量を減らせばよい。
【００６２】
次に、図１及び図３を参照して、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス
供給システム１０を使用した加湿ガスの供給方法における製造加湿ガスの温度制御について説明する。
加湿ガス供給システム１０では製造される製品加湿ガスの温度Ｔpを、所定時間ｔa（１秒間〜１０秒間、例えば５秒間）毎に温度センサ５２で測定している。ここで、製品加湿ガスの温度Ｔpが、設定温度Ｔs（６０〜９０℃、例えば７５℃）の許容範囲内（Ｔs＋α1≧Ｔp≧Ｔs−α2、０．５＞α1、α2＞０、例えばα1＝０．３℃、α2＝０．３℃）となるように、蒸発部１３内の原水に熱量を与える第１の加熱ヒータ３２と、冷却部１６の熱交換器４０へ供給する冷却媒体の流量を調整するポンプ４３とを制御する。以下、詳しく説明する。
【００６３】
（１）製品加湿ガスの温度Ｔpが、その設定温度Ｔsの許容範囲内（Ｔs＋α1≧Ｔp≧Ｔs−α2）である場合には、第１の加熱ヒータ３２の熱量（設定温度）を保持して、原水に与える熱量を保持すると共に、熱交換器４０へ供給する冷却媒体の流量も保持する。
（２）製品加湿ガスの温度Ｔpが、Ｔs＋α1を超え、Ｔs＋α1＋α3（α3＞０）以下である場合には、原水に与える熱量を低減するために、第１の加熱ヒータ３２の電源を切るか、第１の加熱ヒータ３２の温度を下げて、原水の温度Ｔj1をＴj1−β1（β1＞０）とすると共に、熱交換器４０へ供給する冷却媒体の流量を保持する。
【００６４】
（３）製品加湿ガスの温度Ｔpが、Ｔs＋α1＋α3（α3＞０）を超えている場合には、原水に与える熱量を低減するために、第１の加熱ヒータ３２の電源を切るか、第１の加熱ヒータ３２の温度を下げて、原水の温度Ｔj2をＴj2−β2（β2＞０）とすると共に、冷却部１６のポンプ４３によって、熱交換器４０への冷却媒体の流量を増加して、過熱加湿ガスをより冷却する。
（４）製品加湿ガスの温度Ｔpが、Ｔs−α2よりも低い場合には、原水に与える熱量を増加させるために、第１の加熱ヒータ３２の温度を上げて、前記原水の温度Ｔj3をＴj3＋β3（β3＞０）とすると共に、熱交換器４０へ供給する冷却媒体の流量を減少して、過熱加湿ガスの冷却を弱め、製品加湿ガスの温度を高くする。
【００６５】
次に、図１及び図４を参照して、本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システム１０を使用した加湿ガスの供給方法における製造加湿ガスの湿度制御について説明する。
加湿ガス供給システム１０で製造される製品加湿ガスの湿度Ｓpを、所定時間ｔa（１０秒間〜１０分間、例えば１０秒間）毎に湿度センサ６０で測定する。ここで、製品加湿ガスの湿度Ｓpが、設定湿度Ｓs（相対湿度８０〜１００％、例えば９０％）の許容範囲内（Ｓs＋γ1≧Ｓp≧Ｓs−γ2、γ1＞０、γ2＞０）となるように、混合昇温部１４内の第２の加熱ヒータ３８を調整する。以下、詳しく説明する。
【００６６】
（１）製品加湿ガスの湿度Ｓpが、その許容範囲内である場合には、第２の加熱ヒータ３８の熱量（設定温度）を保持する。
（２）製品加湿ガスの湿度Ｓpが、Ｓs＋γ1を超えている場合には、過熱加湿ガスの温度Ｔk1をδ1℃（δ1＞０）上げるために、第２の加熱ヒータ３８の温度を上げて、製品加湿ガスの湿度Ｓpを低減させる。
（３）製品加湿ガスの湿度ＳpがＳs−γ2よりも低い場合には、過熱加湿ガスの温度Ｔk2をδ2℃（δ2＞０）下げるために、第２の加熱ヒータ３８の電源を切るか、第２の加熱ヒータ３８の温度を下げて、製品加湿ガスの湿度Ｓpを増加させる。
【００６７】
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加湿ガス供給システムを構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、原料ガスとして水素を用いたが、空気、水素と二酸化炭素の混合気体、水素と一酸化炭素の混合気体等を用いてもよい。
【００６８】
また、前記実施の形態では、水供給手段において、回転数によって一定水量の原水を供給する定量ポンプを用いたが、一定水量の原水を供給できればよく、例えば、圧力によって供給水量を変えるポンプを用いてもよい。また、冷却部としては、高温の過熱加湿ガスを降温する熱交換器に通す冷却媒体としては水を用いたが、通常の冷却媒体も用いることができる。
【００６９】
また、原料ガスを貯水槽に溜まった原水を通して予め加湿して、この加湿された原料ガスと水蒸気を混合したが、発熱体として蒸発部に過熱水蒸気を導入し、蒸発部内を加熱して蒸発部内の原水を昇温すると共に、水供給手段から蒸発部に供給する原水の水量を過熱水蒸気の水量分減らしてもよく、過熱水蒸気により原料ガスを加湿してもよい。また、貯水槽内に充填する球状固体物は、アルミナ系セラミックを用いたが、耐熱強化処理を施したガラス材料も用いることができる。
【００７０】
更に、受皿に貫入する発熱体を５本としたが、１〜４、又は６本以上でもよく、蒸発部内で原水を加熱して水蒸気を発生できればよい。また、受皿に設けた貫通孔及び微小隙間の大きさは、受皿に供給された原水が流下できればよい。特に、微小隙間の大きさは、流下する原水の水滴が小さくなる大きさがよい。更に、受皿に貫通孔を設けず、受皿の下部に発熱体を配置して、微小隙間から流下する原水を加熱してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図である。
【図２】同加湿ガス供給システムの受皿の平面図である。
【図３】同加湿ガス供給システムを用いた製品加湿ガスの温度制御を示すフローチャートである。
【図４】同加湿ガス供給システムを用いた製品加湿ガスの湿度制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１０：加湿ガス供給システム、１０ａ：燃料電池、１１：水供給手段、１２：ガス供給手段、１３：蒸発部、１４：混合昇温部、１６：冷却部、１７：温調部、２０：原水タンク、２１：原水供給管、２２：定量ポンプ、２３：真空ポンプ、２４：配管ヒータ、２５：ガスボンベ、２６：ガス供給管、２７：ガス流量調節器、２８：配管ヒータ、３０：貯水槽、３１：受皿、３２：第１の加熱ヒータ、３３：貫通孔、３４：微小隙間、３５：ボール、３６：貯水槽用ヒータ、３７：チャンバー、３８：第２の加熱ヒータ、３９：チャンバー用ヒータ、４０：熱交換器、４１：冷媒槽、４２：冷媒配管、４３：ポンプ、４５：配管ヒータ、４６：製品ガス供給配管、４７、４８、５０、５２、５３：温度センサ、５５〜５７：温度調整用制御ループ、５８：インバータ、５９：温度調整用制御ループ、６０：湿度センサ、６１：温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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