(57)【要約】【課題】  湿度を十分に安定化できると共に、湿度調節時の応答性を向上できるガス加湿装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池の性能評価システム１００に備わる空気加湿部３１は、容器９の板壁９２及び胴部９１に、一定間隔で所定の角度を有してそれぞれ空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４及び水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４が設置されたものである。また、容器９内の下流側には、板材がらせん状に巻回された構造体９６が設けられている。ノズルＧ１〜Ｇ４から供給された空気は、略らせん状の流路Ｆ１〜Ｆ４に沿った空気流となり、それらに水が直接噴霧されて加湿される。加湿空気は、略らせん流を維持して攪拌されながら下流側へ進み、空気排出口９４ａから排出されて供試体としての燃料電池に供給される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを供給するガス供給部と、水を散布する水供給部と、該ガスが加湿された状態で排出されるガス排出部とを有しており、内部においてガス流と該水とが撹乱されるように構成された容器を備える、
ガス加湿装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記容器内に略らせん状のガス流が形成されるように該容器に前記ガスを供給するものである、
請求項１記載のガス加湿装置。
【請求項３】
前記ガス流の少なくとも一部が偏向されるように前記容器内に設けられた構造体を備える、
請求項１記載のガス加湿装置。
【請求項４】
前記容器は、略筒状を成す胴部を有しており、該胴部の一方端側に前記ガス供給部が設けられ、且つ、他方端側に前記ガス排出部が設けられたものであり、
前記ガス供給部は、前記ガスを、前記胴部の軸方向に平行な仮想面、及び該胴部の径方向に平行な仮想面に対してそれぞれ所定の角度を成す方向に噴出するように設けられたガス供給ノズルを有するものである、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス加湿装置。
【請求項５】
前記水供給部は、前記水を前記ガス流に散布するように設けられた水供給ノズルを有するものである、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス加湿装置。
【請求項６】
燃料ガスの供給源と、
前記供給源に接続された流量制御部と、
前記流量制御部に接続されており、ガスとして前記燃料ガスが供給される請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス加湿装置と、
前記ガス加湿装置に接続された燃料電池と、
を備え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、ガス加湿装置、及びその装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応による発電方式を用いた燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから脚光を浴びている。燃料電池の原理は、水の電気分解の逆反応すなわち水素と酸素が結合して水を生成する際の電気エネルギーを利用することにある。燃料電池としては、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、アルカリ型燃料電池、固体高分子型燃料電池といった種々のものが開発されている。これらのなかでは、電解質の散逸・保持等の問題がなく、常温で起動し且つ起動時間が極めて早い等の利点を有する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells ）が注目されており、自動車用途（燃料電池自動車用）にも採用されている。
【０００３】
ＰＥＦＣは、ポリエチレン等で形成された固体高分子電解質膜が２枚のガス拡散電極で挟持され、これらを一体として接合したセルが少なくとも１つ以上積層されたスタックを備えている。このガス拡散電極の一方をアノード（水素極）として反応ガスの１つである水素又は水素リッチの改質ガスを供給し、他方のガス拡散電極をカソード（酸素極）としてもう一つの反応ガスである酸化ガス（酸素又は空気）を供給する。これにより、アノード表面でプロトン（水素イオン）と電子が生成する水素分子分解反応を生じ、カソード表面で水が生成される酸素とプロトンの結合反応を生じる。
【０００４】
また、固体高分子電解質膜は、分子中にプロトン交換基を有する高分子膜であって、飽和状態に含水させると、常温で例えば数十（Ω・ｃｍ）以下の抵抗率を発現してプロトン導電性電解質として機能する。よって、ＰＥＦＣの発電効率を高く維持するには、所定の運転温度において固体高分子電解質膜の含水状態を飽和状態に保持することが重要である。そのため、通常は、水素ガス及び酸化剤ガスを加湿し、それぞれの燃料ガスを飽和に近い蒸気圧状態に調整した後にＰＥＦＣに供給している。
【０００５】
しかし、水（水蒸気）の供給量が過剰であると、水滴となって電極基材に穿設された細孔を閉塞させるおそれがある。こうなると、電極における燃料ガスの拡散が不都合に阻害されてしまい、ＰＥＦＣの出力の低下や、場合によっては発電が停止してしまうことが懸念される。そこで、一般に、ＰＥＦＣの実機モデルとしての供試体を用いて燃料ガスの加湿状態を種々変化させた性能評価試験を行い、得られた評価データに基づいてＰＥＦＣの発電効率を高く維持できる実機の運転条件が決定される。
【０００６】
燃料ガスの加湿方式として、例えば特許文献１には、燃料ガスの改質ガスが流通する容器内に、加湿用水を噴霧するためのスプレーノズルが設けられて成る燃料電池改質ガス加湿システム（いわゆる噴霧式加湿装置）が開示されている。また、特許文献２には、水タンク内に加湿反応空気をバブリングさせてカソードに供給するように構成された燃料電池システムが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２９８８８１号公報
【特許文献２】特開２００３−１８７８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したＰＥＦＣの性能評価試験では、大流量の燃料ガスを湿度が安定した状態の加湿ガスとして供試体に送給する必要がある。また、加湿ガスの湿度（水分含有量）を種々変化させながら大量のデータを効率的に取得することが望まれ、そのためには、加湿ガス中の湿度を極力速やかに変化させる必要がある。
【０００８】
しかし、このような要求があるＰＥＦＣの性能評価試験において上記従来の噴霧式加湿装置を適用すると、燃料ガスが大量である場合にその燃料ガスに対して水分が十分に供給されず、また、燃料ガスの湿度分布にばらつきや偏りが生じてしまい、燃料ガスの湿度を安定させることが困難な傾向にある。また、上記従来の水タンクを用いた方式では、水タンク内に液相（水相）と気相が形成される。燃料ガスは液相を通って加湿され、気相にて所定の湿度を有する加湿ガスとなって次の工程へ供給される。このとき、水タンクにはある程度の容積が必要であり、燃料ガスの湿度を変化させるのにかなりの時間を要するので、湿度調整時の応答性に劣る傾向にある。
【０００９】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、大量のガスを加湿するときにもその湿度を十分に安定化させることができると共に、湿度を変化させる際の応答性を向上できるガス加湿装置及びそれを備える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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明によるガス加湿装置は、ガスを供給するガス供給部と、水を散布する水供給部と、ガスが加湿された状態で排出されるガス排出部とを有しており、内部においてガス流と水とが撹乱されるように構成された容器を備える。
【００１１】
このように構成されたガス加湿装置においては、容器内部にガスが供給されてガス流が形成され、そのガス流は容器内に散布された水と接触して加湿される。得られた加湿ガスは、ガス排出部から容器外部へ排出される。ガス流の湿度は、ガス流量や容器内でのガスの滞留時間に応じて散布される水量を適宜調節することで調節される。本発明は、ガス流に水を散布する方式なので、ガスが水相を通過するように構成された従来の水タンク方式に比して、所望の湿度に速やかに変化させることができ、湿度調節時の応答性が高められる。このとき、ガス流に水を噴霧するようにすれば、水とガスとの接触性が更に高められ、これにより湿度調節時の応答性が更に向上するので好ましい。また、容器内においてガス流と散布された水が撹乱されるので、ガスの湿度分布にばらつきや偏りが生じてしまうことが防止され、湿度が均一化された加湿ガスが得られる。
【００１２】
具体的には、ガス供給部は、容器内に略らせん状のガス流が形成されるように容器にガスを供給するものであると好ましい。
【００１３】
こうすれば、ガスが略らせん状に流れることによって容器内で十分に攪拌される。よって、ガスの湿度分布にばらつきや偏りが生じてしまうことが防止され、湿度が十分に均一化された加湿ガスが得られる。
【００１４】
或いは、ガス流の少なくとも一部、好ましくは大部分が偏向されるように容器内に設けられた構造体を備えても好ましい。構造体としては、例えば、ガス流の方向に対して一定の角度を有するように延在する仕切板やファン等の板状部材等が挙げられる。このようにすれば、ガス流の少なくも一部、好ましくは大部分が偏向されることによって、ガスの攪拌が促進され、湿度分布が一層均一化されて湿度がより安定した加湿ガスが得られる。この場合、上述したように容器内に略らせん状のガス流が形成されると特に好ましい。なお、構造体は、水供給部の後段に設けられることが望ましい。
【００１５】
より具体的には、容器は、略筒状を成す胴部を有しており、その胴部の一方端側にガス供給部が設けられ、且つ、他方端側にガス排出部が設けられたものであり、ガス供給部は、ガスを、胴部の軸方向に平行な仮想面、及び胴部の径方向に平行な仮想面（つまり軸方向に垂直な胴部断面）に対してそれぞれ所定の角度を成す方向に噴出するように設けられたガス供給ノズルを有するものであると好適である。
【００１６】
こうすれば、容器胴部の一方端部に設けられたガス供給ノズルから、胴部壁に対して所定の角度でガスが噴出され、そのガスが胴部内をガス供給部からガス排出部に向かって略らせん状に流通するようなガス流が形成される。特に、ガスが胴部に沿って略らせん状に流通するようにガス供給ノズルを設置すれば、胴部の内部空間容積を有効に利用でき、流路が長くなって容器内でのガスの滞留時間すなわち攪拌時間が増長され、湿度の均一性が更に一層向上される。
【００１７】
また、水供給部は、水をガス流に散布するように設けられた水供給ノズルを有するものであるとより好ましい。具体的には、水供給ノズルの散水端（水吐出端）がガスの流路上に配置されるような構成を例示できる。このようにすれば、ガス流と水とを一層接触させ易くなり、加湿効率が高まると共に、湿度調節時の応答性がより一層向上される。
【００１８】
また、本発明による燃料電池システムは、燃料ガスの供給源と、その供給源に接続された流量制御部と、その流量制御部に接続されており且つガスとして燃料ガスが供給される本発明のガス加湿装置と、そのガス加湿装置に接続された燃料電池とを備えており、それにより加湿された燃料ガスが燃料電池に供給されるものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のガス加湿装置及びそれを備える燃料電池システムによれば、略らせん状のガス流が形成され、そのガス流に水が散布されて加湿ガスが得られるので、大量のガスを加湿する場合でもその湿度を十分に安定化させることができ、また、湿度を調節する際の応答性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００２１】
図１は、本発明によるガス加湿装置を備える燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を示すブロック図である。性能評価システム１００（燃料電池システム）は、供試体としての燃料電池４の前段に、燃料ガス供給源１、流量制御部２、及び加湿部３が連設され、後段に排気部８が設置されたものである。また、燃料電池４には、冷却系５、計測処理系６、及び電力負荷吸収系７が接続されている。
【００２２】
燃料ガス供給源１は、燃料電池４の燃料ガスである空気及び水素（Ｈ2）がそれぞれ個別に保持されている空気供給源１１及び水素供給源１２を有する。また、流量制御部２は、空気供給源１１及び水素供給源１２の各々に接続された空気流量制御部２１及び水素流量制御部２２から構成されている。さらに、加湿部３は、空気流量制御部２１及び水素流量制御部２２の各々からそれぞれ空気及び水素が供給される空気加湿部３１及び水素加湿部３２（共に本発明のガス加湿装置）を有している。
【００２３】
図２は、空気加湿部３１及び水素加湿部３２を模式的に示す側面図（一部破断図）である。また、図３は、図２におけるIII−III線に沿う断面図である。本実施形態では、両加湿部３１，３２とも同様の構成を有しており同様の作用効果を奏するので、以下、空気加湿部３１について説明し、水素加湿部３２についての詳細な説明を省略する。
【００２４】
空気加湿部３１は、容器９に、空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４（ガス供給ノズル、ガス供給部）、及び水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４（水供給ノズル、水供給部）が設置されたものである。容器９は、円筒状を成す胴部９１の一方端が板壁９２で封止され、他方端に略円錐状のコーン９３が設けられたものである。また、コーン９３の先端は空気排出口９４ａが形成されており、そこには、湿度センサ９５が設けられた空気排出管９４（ガス排出部）が接続されている。
【００２５】
空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４は、空気流量制御部２１に接続されると共に、容器９の板壁９２の周縁近傍に一定間隔で同心円状に配置されている。それらの先端部は、容器９内に貫入設置されており、胴部９１の略周方向に向かって且つ胴部９１の軸方向に対して所定の角度を有する方向に向かって延在している。このような配置により、空気が、胴部９１の軸方向に平行な仮想面、及び胴部９１の径方向に平行な仮想面（すなわち断面）に対してそれぞれ所定の角度を成す方向に噴出される。これにより、容器９内には、図示一点鎖線で模式的に示される略らせん状を成す流路Ｆ１〜Ｆ４に沿った空気流（ガス流）が形成される。
【００２６】
また、水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４は、図示しない水流量制御部を介して水タンク等の水源１０に接続されると共に、胴部９１を構成する側壁の一方端近傍に一定間隔で配置されている。それら水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４の先端部は、容器９内に貫入設置されており、胴部９１の径方向からやや側壁側に偏った方向に向かって且つ胴部９１の軸方向に対して所定の角度を有する方向に向かって延在している。このような配置により、水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４の先端つまりミスト水の吐出口が流路Ｆ１〜Ｆ４上に位置し、空気流にミスト水が直接吹き付けられる。
【００２７】
さらに、容器９内の中央部から他方端にかけては、構造体９６が設けられている。この構造体９６は、板状部材が略らせん状に巻回されたものであり、各一巻き部分は、ガス排出管９４側に向かって先細りとされ、また、胴部９１の軸方向中央部は中空とされている。
【００２８】
なお、水素加湿部３２は、空気の代わりに水素が供給されること以外は、上述の如く、空気加湿部３１と同様に構成されている。
【００２９】
次に、性能評価システム１００における性能評価試験の手順の一例について説明する。まず、予め設定された性能評価条件に基づいて、空気供給源１１から送られた空気が空気流量制御部２１によって設定流量に調整される。これまで述べたように、燃料電池４への空気や水素といった燃料ガスの供給流量は極めて大きいものであり、例えば、容器９が３０〜４０ｃｍφで全長１ｍ程度のときに、数千リットル／分程度の流量で供給されることがある。
【００３０】
流量調整された空気は、空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４に送給され、それらの各先端部から上述した所定の角度を有する方向へ噴出される。こうして、略らせん状を成す流路Ｆ１〜Ｆ４に沿った複数の空気流が形成される。このとき、各空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４が一定の間隔で配置されているので、流路Ｆ１〜Ｆ４は、胴部９１の軸方向に向かって言わば互いに位相がずれた経路とされる。
【００３１】
さらに、予め設定された性能評価条件に基づいて流量調整された水が水源１０から水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４へ送給され、それらの各先端部から流路Ｆ１〜Ｆ４上に水が噴霧される。ここで、空気供給ノズルＧ１から噴射された空気が流れる流路Ｆ１上には、水噴霧ノズルＭ１からミスト水が散布される。他の流路Ｆ２〜Ｆ４についても同様である。こうして所定の湿度に加湿された空気は、流路Ｆ１〜Ｆ４に沿って略らせん流を維持しつつ攪拌されながら更に下流側（空気排出口９４ａ側）へ進行する。
【００３２】
構造体９６に達した空気流は、らせん状に巻回された構造体９６の面に当たってその流れの向きが変えられ、これにより更に攪拌されながら、構造体９６の中心部を下流側へ進み、コーン９３内を通って空気排出口９４ａから空気排出管９４へ排出される。
【００３３】
なお、水素加湿部３２における作用は、空気の代わりに水素が供給されること以外は、上述の如く、空気加湿部３１におけるものと同様である。
【００３４】
こうして加湿された空気及び水素は、それぞれ燃料電池４を構成するカソード及びアノード（図示せず）に供給され、両ガスの反応によって発電が行われる。この際、計測処理系６によって、発電運転中の燃料電池４の各種データが計測、表示、及び記録される。また、生じた電力は、電力負荷を吸収するための電動機等や電子負荷を吸収するための放電機等を備える電力負荷吸収系７へ送られる。また、燃料電池４で生じた反応熱は冷却系５によって除熱される。さらに、燃料電池４での反応に使用されなかった空気及び水素は、それぞれ空気排気部８１及び水素排気部８２へ送給される。
【００３５】
それから、空気及び水素の湿度条件や流量条件等を種々変更し、上述したのと同様の加湿処理が施された空気及び水素を燃料電池４に供給して性能評価データの取得を繰り返す。
【００３６】
このように構成された空気加湿部３１及び水素加湿部３２、並びにそれらを備える性能評価システム１００によれば、それぞれの加湿部３１，３２において容器９内の空気及び水素（以下、「燃料ガス」という）に水を噴霧することにより加湿するので、燃料ガスの湿度条件を変更したときに、その所望の湿度を速やかに達成することができる。また、水噴霧ノズルＭ１〜Ｍ４の先端を流路Ｆ１〜Ｆ４上に配置したので、燃料ガスとミスト水との接触性をより高めることができる。よって、湿度調節時の応答性を更に向上させることができる。さらに、このように湿度調節の応答性を高めることができるので、燃料電池４の性能評価試験を短時間で効率的に実施することができる。
【００３７】
さらに、燃料ガス流が略らせん状に形成されるので、水の噴霧によって加湿された燃料ガスが容器９内で十分に攪拌される。つまり、燃料ガスと水とが十分に撹乱された状態を生起できる。よって、大流量の燃料ガスが容器９内に供給されても燃料ガスの湿度分布にばらつきや偏りが生じてしまうことを防止でき、湿度が十分に均一化された燃料ガスを燃料電池４に供給することができる。またさらに、燃料ガスを容器９内に供給するための空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４のようなノズルの先端部を胴部９１の板壁９２から一定の角度を有して延在するように設けたので、燃料ガス流を略らせん状に形成させ易くなり、大流量の燃料ガスをより十分に攪拌させることができる。
【００３８】
さらにまた、そのノズルの先端部を板壁９２の周縁部近傍に一定間隔で配置したので、胴部９１の内壁に沿って大きく旋回するような略らせん状の燃料ガス流が生起される。よって、胴部９１の内部空間容積を有効に利用でき、流路Ｆ１〜Ｆ４が長くなって容器９内でのガスの滞留時間が増長される。したがって、加湿された燃料ガスの攪拌を更に促進できる。加えて、略らせん状に流通してきた燃料ガス流の少なくとも一部が構造体９６によって偏向されるので、加湿された燃料ガスの攪拌を一層促進でき、湿度分布が一層均一化されて湿度がより安定した大流量の燃料ガスを燃料電池４へ供給できる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４の設置台数は４台に限られず、攪拌性を高めつつ、加湿制御を容易ならしめる観点から、６〜８台程度が好ましい。また、それらの配置は特に制限されないものの、一定間隔で同心円状に配置するのが望ましい。さらに、空気供給ノズルＧ１〜Ｇ４を胴部９１の側壁に設けてもよい。またさらに、構造体９６は、空気流を偏向させるように構成されたものであればよく、空気流の方向に対して一定の角度を有するように延在する仕切板、ファン、千鳥状に配置された板状部材等を用いてもよい。さらにまた、一つの空気供給ノズルに対して複数の水噴霧ノズルを設けても構わない。さらに、加湿部３１，３２のそれぞれに容器９を複数台設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によるガス加湿装置は、大量のガスを加湿するときにその湿度を十分に安定化させることができると共に、湿度を変化させる際の応答性を高めることが可能なので、ガスの加湿が必要な装置、機器、設備等、特に大流量のガスを加湿するための装置等に広く適用でき、殊に燃料電池システム及びその性能評価のための試験装置に好適である。また、本発明による燃料電池システムは、燃料電池自動車等の燃料電池を備える機器、動機、設備等、及びその性能評価のための試験装置に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるガス加湿装置を備える燃料電池システムの好適な一実施形態  の構成を示すブロック図である。
【図２】空気加湿部３１及び水素加湿部３２を模式的に示す側面図（一部破断図）  である。
【図３】図２におけるIII−III線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料ガス供給源、２…流量制御部、３…加湿部、４…燃料電池、５…冷却系、６…計測処理系、７…電力負荷吸収系、８…排気部、９…容器、１０…水源、１１…空気供給源、１２…水素供給源、２１…空気流量制御部、２２…水素流量制御部、３１…空気加湿部、３２…水素加湿部、８１…空気排気部、８２…水素排気部、９１…胴部、９２…板壁、９３…コーン、９４…空気排出管（ガス排出部）、９４ａ…空気排出口、９５…湿度センサ、９６…構造体、１００…性能評価システム（燃料電池システム）、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４…流路、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…空気供給ノズル（ガス供給ノズル、ガス供給部）、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４…水噴霧ノズル（水供給ノズル、水供給部）。
【図１】
2005241226.tif 000003
【図２】
2005241226.tif 000004
【図３】
2005241226.tif 000005