(57)【要約】【課題】燃料電池に供給するガスの温度や湿度が迅速に変更できる小型化した加湿ガス供給システムを提供する。【解決手段】製品加湿ガスを燃料電池１１に連続的に供給する加湿ガス供給システム１０であって、供給された原水を加熱して製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う水蒸気を発生させる水蒸気発生手段２０と、製品加湿ガスに含まれる原料ガスを供給するガス供給手段１３と、水蒸気発生手段２０及びガス供給手段１３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１２とを有し、所定流量、圧力、温度及び湿度の製品加湿ガスを製造する。【選択図】        図１
2005038647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型の燃料電池に供給する原料ガスを、水蒸気と混合して、製品加湿ガスを生成させ、該製品加湿ガスを前記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、
供給された原水を加熱して前記製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う前記水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、前記製品加湿ガスに含まれる前記原料ガスを供給するガス供給手段と、前記水蒸気発生手段及び前記ガス供給手段から、それぞれ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る混合部とを有し、
所定の流量、圧力、温度及び湿度の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、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  は、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に与えられてい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、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  の一部ＱＡ  は、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に与えられ、更に残りの熱量（Ｑｔ  −ＱＡ  ）は、前記混合部に供給される原料ガスに与えられ、しかも、それぞれに与えられた熱量によって、前記混合部内では、前記加熱された原料ガスと混合された前記水蒸気が、水の露点を超える温度に保持されている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記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記生加湿ガスの加熱は前記混合部内で行われ、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、前記原料ガスと混合された前記水蒸気は水の露点を超える温度に保持され、
更に前記混合部内で生成した前記生加湿ガスには、過剰の熱量ＱＢ  が与えられ、前記燃料電池に供給する前の生加湿ガスから過剰の熱量ＱＢ  を除去して、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５】
請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記生加湿ガスの加熱は前記混合部の下流側で行われ、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、前記原料ガスと混合された前記水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、
更に前記混合部から出た前記生加湿ガスには、過剰の熱量ＱＣ  が与えられ、前記燃料電池に供給する前に前記生加湿ガスから過剰の熱量ＱＣ  を除去して、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６】
請求項１記載の加湿ガス供給システムにおいて、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、前記原料ガスと混合された前記水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、
更に前記混合部に供給される原料ガス、前記混合部内で生成した生加湿ガス及び前記混合部から出た生加湿ガスのいずれか２又はすべてには、総量として過剰の熱量ＱＤ  が与えられ、前記燃料電池に供給する前に前記生加湿ガスから過剰の熱量ＱＤ  を除去して、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７】
請求項１〜６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、前記混合部は、前記水蒸気発生手段から供給される水蒸気を該混合部の上流側及び下流側にそれぞれ供給する第１及び第２の水蒸気供給手段を有し、
前記水蒸気発生手段から該混合部へ供給される水蒸気は、前記混合部内の温度が均一になるまで、前記第１の水蒸気供給手段から該混合部へ所定の水蒸気が供給された後、更に、残りの水蒸気が前記第２の水蒸気供給手段から該混合部へ供給され、該混合部内の急激な温度変化を防止することを特徴とする加湿ガス供給システム。
【請求項８】
請求項１〜７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、前記水蒸気、前記原料ガス、及び前記生加湿ガスのいずれか１又は２以上が、熱の放散によって起こる温度低下に対する熱量を前記水蒸気、前記原料ガス、及び前記生加湿ガスのいずれか１又は２以上に与えることを特徴とする加湿ガス供給システム。
【請求項９】
請求項１〜８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、前記燃料電池に供給する直前の前記生加湿ガスは、加熱及び冷却のいずれか一方又は双方が行われ、所定の温度及び湿度の前記製品加湿ガスとされ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【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、すなわ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すなわ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る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は、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、常に水分を供給する必要がある。その手段として原料ガスを加湿する方法が採られる。
【０００４】
従来多く使われていた加湿ガス供給システムは、バブラーと称する密閉タンクに水を封入し、底からガスを泡状に吹き込んで上部の出口から加湿されたガスを得ていた。水の温度を供給するガスの温度に維持しておけば、ガスは水中を上昇する間に加熱及び加湿が同時に行われる。バブルが水中に滞留する時間が充分に長ければ、湿度を飽和湿度に限りなく近づけることができる。
【０００５】
そこで、特許文献１に記載のように、固体高分子型燃料電池においては、加湿手段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。この加湿手段は、出荷前の水分付与工程あるいは検査工程において、燃料電池等の消費機器の需要に応じて、必要量の加湿ガスを造ることが困難であるので、通常は温度及び組成（ドライガスと水蒸気の質量比）を一定にして製造した加湿ガスを一次的に蓄えるため大容量のバッファタンク（中間タンク）を設け、このバッファタンクから消費機器に加湿ガスを供給している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１３２０３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の加湿ガス供給システムは未だ解決すべき以下のような問題があった。
バブラー方式では、設備構造が単純で運転も容易なので広く使われているが、十分な加湿を行うには、タンクが大きくて重量も重くなる点、供給するガスの温度を変えるときには水温を変える必要があるため時間がかかる点、また、湿度が飽和点程度で調節できない点等の欠点がある。
温度や湿度が迅速に変更できないことは、燃料電池の開発等において、様々な条件で運転する必要があるときに重大な欠点となる。また、取り扱うガスが爆発性であるためバブリングタンクは耐圧構造とする必要があり、扱うガスの量が多くなると極めて大きくて、重く高価な設備となるのは大きな問題である。
【０００８】
また、特許文献１の発明では、加湿ガスの製造装置からバッファタンク内に加湿ガスを入れると、バッファタンク内の加湿ガスの圧力が上がり、バッファタンクから消費機器に加湿ガスを流すとバッファタンクの加湿ガスの圧力が下がり、結果としてバッファタンク内の加湿ガスの圧力が変動するという問題があった。圧力変動によって流量が変動し、この設定値に制御するための流量制御が複雑化する。圧力変動量すなわち流量変動量によっては、制御不能に陥ることもある。そこで、バッファタンク内の圧力変動を最小に抑えるために、バッファタンクを大容量に構成することが行われていたが、設置場所が広くなり、しかも保温等を必要とするので、かなり大型の装置となるという問題があった。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、燃料電池に供給する加湿ガスの温度や湿度が迅速に変更できる小型化した加湿ガス供給システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る加湿ガス供給システムは、固体高分子型の燃料電池に供給する原料ガスを、水蒸気と混合して、製品加湿ガスを生成させ、該製品加湿ガスを前記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、
供給された原水を加熱して前記製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う前記水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、前記製品加湿ガスに含まれる前記原料ガスを供給するガス供給手段と、前記水蒸気発生手段及び前記ガス供給手段から、それぞれ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る混合部とを有し、
所定の流量、圧力、温度及び湿度の製品加湿ガスを製造する。
【００１１】
これによって、水蒸気及び原料ガスの流量、温度、圧力をそれぞれ変えることにより、燃料電池に供給する製品加湿ガスの性状を迅速に変更できる。特に、水蒸気と原料ガスの混合比を変えることにより、製品加湿ガスの湿度を変えることができる。従来の大量の水を貯留するバブラーを必要としないので、装置を小型化できる。また、燃料電池の検査装置、燃料電池モジュールの運転に応用できる。
【００１２】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  は、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に与えてもよい。これによって、水蒸気発生手段内に供給される原水に熱量Ｑｔ  を与えるだけで、所定の流量、温度、圧力、及び湿度の製品加湿ガスを製造することができる。
【００１３】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  の一部ＱＡ  は、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に与えられ、更に残りの熱量（Ｑｔ  −ＱＡ  ）は、前記混合部に供給される原料ガスに与えられ、しかも、それぞれに与えられた熱量によって、前記混合部内では、前記加熱された原料ガスと混合された前記水蒸気を、水の露点を超える温度に保持することもできる。
これによって、水蒸気と原料ガスとの温度差が少なくなり、水蒸気と原料ガスの混合時には十分な熱量Ｑｔ  が与えられているので、水蒸気の温度が露点以下に低下せず、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。また、水蒸気発生手段に全ての熱量を与えないので、水蒸気発生手段を小さくできる。
【００１４】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記生加湿ガスの加熱は前記混合部内で行われ、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、前記原料ガスと混合された前記水蒸気は水の露点を超える温度に保持され、
更に前記混合部内で生成した前記生加湿ガスには、過剰の熱量ＱＢ  が与えられ、前記燃料電池に供給する前に前記生加湿ガスから過剰の熱量ＱＢ  を除去して、前記製品加湿ガスを製造することもできる。
【００１５】
これによって、混合部内で生成した生加湿ガスが、水の露点を超える温度に保持され、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止することができる。また、過剰の熱量ＱＢ  が与えられているので、原水、原料ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。また、混合部内で高温の水蒸気と低温の原料ガスが混合し、水蒸気の温度が低下して、水蒸気が局部的に霧状となった場合でも、混合部内で霧状の生加湿ガスを加熱し、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。
【００１６】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記生加湿ガスの加熱は前記混合部の下流側で行われ、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、前記原料ガスと混合された前記水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、
更に前記混合部から出た前記生加湿ガスには、過剰の熱量ＱＣ  が与えられ、前記燃料電池に供給する前に前記生加湿ガスから過剰の熱量ＱＣ  を除去して、前記製品加湿ガスを製造することもできる。
【００１７】
これによって、混合部から出た生加湿ガスが、水の露点を超える温度に保持され、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止することができる。また、過剰の熱量ＱＣ  が与えられているので、原水、原料ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。また、混合部内で高温の水蒸気と低温の原料ガスが混合し、水蒸気の温度が低下して、水蒸気が局部的に霧状となった場合でも、混合部の下流側で霧状の生加湿ガスを加熱し、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。
【００１８】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、前記製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、前記原料ガスと混合された前記水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、
更に前記混合部に供給される原料ガス、前記混合部内で生成した生加湿ガス及び前記混合部から出た生加湿ガスのいずれか２又はすべてには、総量として過剰の熱量ＱＤ  が与えられ、前記燃料電池に供給する前の生加湿ガスから過剰の熱量ＱＤ  を除去して、前記製品加湿ガスを製造することもできる。
これによって、加湿ガス供給システム内において、熱量調整の自由度が増える。更に、総量として過剰の熱量ＱＤ  が与えられているので、原水、原料ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。
【００１９】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記混合部は、前記水蒸気発生手段から供給される水蒸気を該混合部の上流側及び下流側にそれぞれ供給する第１及び第２の水蒸気供給手段を有し、
前記水蒸気発生手段から該混合部へ供給される水蒸気は、前記混合部内の温度が均一になるまで、前記第１の水蒸気供給手段から該混合部へ所定の水蒸気が供給された後、更に、残りの水蒸気が前記第２の水蒸気供給手段から該混合部へ供給され、該混合部内の急激な温度変化を防止することもできる。
【００２０】
これによって、第１の水蒸気供給手段から供給される水蒸気と原料ガスとを混合部内で混合して、温度が均一の生加湿ガスを生成させ、更に、この生成した生加湿ガスと第２の水蒸気供給手段から供給される水蒸気を混合部内で混合するので、混合部内の生加湿ガスは徐々に加熱され、露点温度以下となる局所的な低温状態を少なくすることができ、安定的な製品加湿ガスを製造できる。また、第１の水蒸気供給手段から供給される水蒸気と原料ガスとが混合器内で混合されて生成した生加湿ガスは、温度が低くても、水蒸気の量が少ないため、凝結し難い。更に、この生成した生加湿ガスと第２の水蒸気供給手段から供給される水蒸気とを混合器内で混合するので、混合器内での水蒸気の凝結を回避することができる。
【００２１】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記水蒸気、前記原料ガス、及び前記生加湿ガスのいずれか１又は２以上が、熱の放散によって起こる温度低下に対する熱量を前記水蒸気、前記原料ガス、及び前記生加湿ガスのいずれか１又は２以上に与えることもできる。
これによって、水蒸気発生手段、ガス供給手段、混合部、及び、それらを繋ぐ配管等における水蒸気、原料ガス、及び生加湿ガスのいずれか１又は２以上の熱損失による製品加湿ガスの温度低下を補正して、所定の温度の製品加湿ガスを燃料電池に供給することができる。
【００２２】
本発明に係る加湿ガス供給システムにおいて、前記燃料電池に供給する直前の前記生加湿ガスは、加熱及び冷却のいずれか一方又は双方が行われ、所定の温度及び湿度の前記製品加湿ガスとすることもできる。これによって、燃料電池に供給する直前に生加湿ガスの温度及び湿度を調節でき、所定の温度及び湿度の製品加湿ガスを燃料電池に供給することができる。
【００２３】
すなわち、製品加湿ガスの生成に必要な熱量Ｑｔ  よりも多くの熱量を予め水蒸気、原料ガス、及び生加湿ガスのいずれか１又は２以上に与え、混合部から燃料電池に至るまでの間に、生加湿ガスを水の露点を超える温度に保持して、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止し、更に燃料電池に供給する直前に冷却して、生加湿ガスを所定の温度と湿度に調節した製品加湿ガスとすることができる。
また、飽和湿度の生加湿ガスを冷却して、露点以下に低下させ、この生加湿ガスに含まれている水蒸気の一部を凝結して分離した後、この水分の調節された生加湿ガスを燃料電池に供給する直前に加熱して温度を上げ、飽和湿度の生加湿ガスより低湿度の製品加湿ガスを燃料電池に供給することができる。
【００２４】
【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。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図、図２は本発明の第２の実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図、図３は本発明の第３の実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図、図４は本発明の第４の実施の形態に係る加湿ガス供給システムの説明図、図５は本発明の第５の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。
【００２５】
図１を参照して、本発明の第１の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、原料ガスの一例である水素ガスを水蒸気と混合して、製造した製品加湿ガス（加湿水素ガス）を固体高分子型の燃料電池１１に連続的に供給するシステムである。
加湿ガス供給システム１０は、水素ガスと水蒸気を混合して、生加湿ガスとする混合部の一例である水素ガスの流路に設けた小容量の混合器１２を有し、混合器１２に水素ガスと水蒸気とをそれぞれ供給するガス供給手段１３及び水蒸気供給手段１４を備えている。また、混合器１２から燃料電池１１へ製品加湿ガスを供給する加湿ガス供給手段１５を有している。以下、それぞれについて詳しく説明する。
【００２６】
ガス供給手段１３は、水素ガスが充填されたガスタンク１６、ガスタンク１６と混合器１２を繋ぐガス供給管１７、及びガス供給管１７に設けられ、燃料電池１１に供給する水素ガスの圧力及び流量を、それぞれ調節するガス減圧弁１８及びガス流調弁１９を有している。
また、水蒸気供給手段１４は、原水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生手段の一例であるパイプ状に形成された蒸発器２０、蒸発器２０に原水を供給する原水供給部２０ａ、及び蒸発器２０で生成した水蒸気を混合器１２に供給する水蒸気供給部２０ｂを有している。
蒸発器２０には、原水を加熱して、水蒸気とする加熱器の一例である電気式の蒸発器用ヒータ２１が取付けられている。
【００２７】
原水供給部２０ａは、原水が貯留された水タンク２２と、原水を水タンク２２から蒸発器２０に供給する原水供給管２３とを有している。原水供給部２０ａは、原水供給管２３に取付けられ、水タンク２２から蒸発器２０に供給する原水の圧力、流量をそれぞれ調整する給水ポンプ２４と水流調弁２５を有している。
水蒸気供給部２０ｂは、蒸発器２０内の水蒸気を蒸発器２０から混合器１２に供給する水蒸気供給管２６、及び水蒸気供給管２６の先部に設けられ、混合器１２内に蒸発器２０内の水蒸気を吹き込む水蒸気吹き込みノズル２７を有している。
【００２８】
なお、蒸発器用ヒータ２１によって、蒸発器２０内は、高温、例えば１３０℃に加熱される。蒸発器２０内が十分に高温に維持されるので、水タンク２２から蒸発器２０に供給される原水は、速やかに蒸発し、水蒸気となる。更に、蒸発器用ヒータ２１によって、水蒸気を加熱することにより、スーパーヒートしたドライスチーム、つまり、過熱蒸気としている。
【００２９】
混合器１２は、水素ガスの流路に設けた小容量のチャンバー又はヘッダーでもよく、更には、ガス供給管１７及び加湿ガス供給管２８を一体に形成した管状体の一部から水蒸気を吹き込むように形成してもよい。混合器１２内では、ガス供給手段１３から供給される水素ガスに、水蒸気供給手段１４の水蒸気吹き込みノズル２７から供給される水蒸気を吹き付け、水素ガスと水蒸気の流れによって、自然に両者が混合され、生加湿ガスとなる。なお、混合を促進する必要があれば、混合器１２の内部に、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、加湿ガス供給手段１５は、混合器１２内の生加湿ガスを燃料電池１１に供給する加湿ガス供給管２８によって構成されている。
【００３０】
ここで、ガス供給管１７内には、ガスタンク１６から混合器１２に供給される水素ガスの圧力、流量、及び温度をそれぞれ測定する図示しないセンサが設けられている。また、水タンク２２と蒸発器２０との間の原水供給管２３内には、水タンク２２から蒸発器２０に供給される原水の圧力、流量及び温度をそれぞれ測定する図示しないセンサが設けられ、更に、蒸発器２０には、蒸発器２０内の温度を測定する図示しないセンサが設けられている。また、混合器１２には、混合器１２内の温度を測定する図示しないセンサが設けられている。更に、加湿ガス供給管２８内には、混合器１２から燃料電池１１に供給される製品加湿ガスの圧力、流量、温度をそれぞれ測定する図示しないセンサが設けられている。
【００３１】
更に、加湿ガス供給システム１０には、前記したセンサにおいて測定された圧力、流量、温度のそれぞれのデータを基に、水素ガス、原水、水蒸気、生加湿ガス、及び製品加湿ガスの圧力、流量、及び温度を調節する計測制御装置２９が設けられている。計測制御装置２９は、ガス減圧弁１８、及びガス流調弁１９を調節し、ガス供給管１７内のガスの圧力、及び流量を所定値とすることができる。また、計測制御装置２９は、給水ポンプ２４と水流調弁２５を調節し、原水の圧力、及び流量を所定値とすることができる。更に、計測制御装置２９は、蒸発器用ヒータ２１へ供給する電力を調節し、蒸発器２０内の水蒸気の温度、すなわち原水に加える熱量を所定値とすることができる。
【００３２】
次に、本発明の第１の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１１への製品加湿ガスの供給方法について説明する。
燃料電池１１には、所定の性状つまり、圧力、温度、湿度、及び流量が与えられた製品加湿ガスを供給しなければならない。
ここで、まず、計測制御装置２９は、これらの与えられた性状から、燃料電池１１に供給する製品加湿ガス中の水素ガス及び水分（つまり、水蒸気）のそれぞれの流量を計算する。計測制御装置２９は、この計算値から、ガス供給手段１３のガス流調弁１９を調節し、水素ガスをガスタンク１６から混合器１２に供給すると共に、原水供給部２０ａの給水ポンプ２４及び水流調弁２５を調節し、水タンク２２から蒸発器２０に原水を供給する。
【００３３】
ここで、蒸発器２０内の原水は、蒸発器用ヒータ２１によって加熱され、水蒸気となり、更に加熱されて、過熱蒸気となる。この過熱蒸気は、水蒸気供給管２６の先部に設けられた蒸気吹き込みノズル２７から混合器１２に供給される。混合器１２内では、混合器１２に供給される水素ガスと蒸気吹き込みノズル２７から供給される水蒸気とが、これらの流れによって、自然に混合される。
【００３４】
ここで、燃料電池１１に供給する製品加湿ガスを、所定の温度とするためには、燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの単位流量が保有するべき熱量Ｑ０  となるように、ガスタンク１６から供給される水素ガスが有する熱量Ｑｇ  及び水タンク２２から供給される原水が有する熱量Ｑｈ  を合わせた熱量（Ｑｇ  ＋Ｑｈ  ）を熱量Ｑ０  から引いた熱量（Ｑ０  −（Ｑｇ  ＋Ｑｈ  ））を、蒸発器用ヒータ２１によって蒸発器２０内の原水に与える。つまり、蒸発器用ヒータ２１によって蒸発器２０内の水に加える熱量Ｑｔ  は、製品加湿ガスの熱量Ｑ０  と、水素ガスが保有する熱量Ｑｇ  及び原水が保有する熱量Ｑｈ  の和との差と等しい。つまり、Ｑｔ  ＝Ｑ０  −（Ｑｇ  ＋Ｑｈ  ）である。
【００３５】
加湿ガス供給システム１０では、蒸発器２０内の原水を蒸発器用ヒータ２１で加熱して、蒸発器２０内の原水に熱量Ｑｔ  を与え、製品加湿ガスの熱量を所定値Ｑ０  とし、水素ガス及び原水を混合した後の製品加湿ガスの温度を所定値としている。
なお、蒸発器２０において、実際に供給する熱量と所要の熱量とを等しくするためには、蒸発器２０を厳重に保温して、外部に放散される熱量を十分に小さくするか、又は、蒸発器２０の外側温度を計測して、外部に放散する熱量を計算して補正することが必要である。
【００３６】
また、加湿ガス供給システム１０では、混合器１２、ガス供給手段１３、水蒸気供給手段１４、加湿ガス供給手段１５、原水供給手段２０ａは、全て断熱材等でで覆い、水蒸気、水素ガス、生加湿ガスの熱の放散による熱損失を防止している。しかしながら、水蒸気、水素ガス、生加湿ガス、及び製品加湿ガスの温度が低くなっている場合には、その熱損失による製品加湿ガスの温度低下を補正するために、計測制御装置２９によって計算された不足した放散分の熱量ＱＬ  を加えた熱量（Ｑｔ  ＋ＱＬ  ）を、蒸発器用ヒータ２１で水蒸気に与え、所定温度の製品加湿ガスを燃料電池１１に供給することができる。
【００３７】
また、加湿ガス供給システム１０では、加湿ガス供給管２８の先部、つまり、燃料電池１１の直前に生加湿ガスを冷却する冷却装置を設けることができる。この場合には、製品加湿ガスの生成に必要な熱量Ｑｔ  よりも多くの熱量を予め水蒸気に与え、混合器１２から燃料電池１１に至るまでの間に、生加湿ガスを水の露点を超える温度に保持して、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止し、更に燃料電池１１に供給する直前に冷却して、生加湿ガスの温度と湿度を調節し、所定温度の製品加湿ガスとすることができる。
【００３８】
更に、加湿ガス供給システム１０では、加湿ガス供給管２８の基部に生加湿ガスを冷却する冷却装置を設け、更に加湿ガス供給管２８の先部、つまり、燃料電池１１の直前に生加湿ガスを加熱する加熱装置を設けることができる。この場合には、まず冷却装置によって、飽和湿度の生加湿ガスを冷却し、露点以下に低下させ、この生加湿ガスに含まれている水蒸気の一部を凝結して分離した後、この水分の調節された生加湿ガスを燃料電池１１に供給する直前に加熱して温度を上げ、飽和湿度の生加湿ガスより低湿度の製品加湿ガスを燃料電池１１に供給することができる。
また、加湿ガス供給システム１０では、加湿ガス供給管２８の先部、つまり、燃料電池１１の直前に生加湿ガスを加熱及び冷却可能な加熱冷却装置を設け、生加湿ガスの温度が、所定温度となっていない場合に、生加湿ガスを加熱又は冷却して所定温度の製品加湿ガスとすることができる。
【００３９】
以上、加湿ガス供給システム１０では、燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの性状を自在に設定できる。混合器１２、蒸発器２０、及び配管等のそれぞれの内部容積を十分に小さく、更に、熱容量を減らして設計すれば、流量、温度、及び湿度の変化に迅速に応答することができる。また、本質的に大きな容量を要求する部分がないので小型の装置が実現できる。
【００４０】
図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る加湿ガス供給システム３０について説明する。なお、加湿ガス供給システム１０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。
加湿ガス供給システム３０は、ガス供給管１７に、混合器１２に供給する水素ガスの圧力及び流量をそれぞれ調節するガス減圧弁１８、ガス流調弁１９の他に、温度を調節するガス供給管用ヒータ３２が取付けられ、ガス減圧弁１８、ガス流調弁１９、及びガス供給管用ヒータ３２によって、ガス供給手段３１が構成されている点で、加湿ガス供給システム１０と異なっている。
【００４１】
加湿ガス供給システム３０を使用した燃料電池１１への製品加湿ガスの供給方法について説明する。
燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの性状、つまり、圧力、温度、湿度、及び流量によって、ガスタンク１６及び水タンク２２からそれぞれ供給される水素ガス及び原水の流量が計算される。次に、製品加湿ガスの単位流量が必要とする熱量Ｑ０  から、ガスタンク１６から供給される水素ガスの熱量Ｑｇ  及び水タンク２２から供給される原水の熱量Ｑｈ  を差し引けば、蒸発器用ヒータ２１によって原水に加える熱量ＱＡ  及びガス供給管用ヒータ３２によって水素ガスに加える熱量Ｑａ  の総量である熱量Ｑｔ  が計算される。
【００４２】
ガス供給管用ヒータ３２は、混合器１２内の生加湿ガスの温度が露点以下にならないような熱量Ｑａ  を、ガス供給管１７内のガスに与えればよい。ここで、蒸発器２０に供給された原水には、蒸発器用ヒータ２１によって、混合器１２に供給される水蒸気が、混合器１２内で水素ガスと混合された際に、水の露点を超える温度になるように熱量ＱＡ  が与えられる。また、水素ガスには、ガス供給管用ヒータ３２によって、熱量Ｑｔ  から熱量ＱＡ  を差し引いた残りの熱量（Ｑｔ  −ＱＡ  ）が与えられる。これによって、混合器１２内で水蒸気が凝結せず、所定の性状の製品加湿ガスを燃料電池１１に供給することができる。
【００４３】
また、蒸発器用ヒータ２１によって原水に加える熱量、及び、ガス供給管用ヒータ３２によって水素ガスに加える熱量のいずれか一方又は双方に、それぞれの所定値（つまり、ＱＡ  及びＱａ  ）よりも過剰の熱量を加え、燃料電池１１に供給する前に、加湿ガス供給管２８に設けた図示しない冷却装置によって、熱量Ｑｔ  よりも過剰な熱量を除いて燃料電池１１に供給してもよい。この場合には、製品加湿ガスの生成に必要な熱量Ｑｔ  よりも多くの熱量を予め水蒸気に与え、混合器１２から燃料電池１１に至るまでの間に、生加湿ガスを水の露点を超える温度に保持して、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止し、更に燃料電池１１に供給する直前に冷却して、生加湿ガスの温度と湿度を調節し、所定温度の製品加湿ガスとすることができる。
【００４４】
図３を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る加湿ガス供給システム４０について説明する。なお、加湿ガス供給システム１０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。
加湿ガス供給システム４０は、混合器１２に、供給されたガス及び水蒸気を加熱する混合器用ヒータ４１が取付けられ、混合器１２内で生成する生加湿ガスを所定の温度に調節している点と、加湿ガス供給管２８に、混合器用ヒータ４１によって、過剰に与えられた熱量を除去する冷却装置４２が取付けられ、加湿ガス供給管２８及び冷却装置４２によって、加湿ガス供給手段４３が構成されている点で、加湿ガス供給システム１０と異なっている。
【００４５】
本発明の第３の実施の形態に係る加湿ガス供給システム４０を使用した燃料電池１１への製品加湿ガスの供給方法について説明する。
燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの性状、つまり、圧力、温度、湿度、及び流量によって、ガスタンク１６及び水タンク２２からそれぞれ供給される水素ガス及び原水の流量が計算される。次に、製品加湿ガスの単位流量が必要とする熱量Ｑ０  から、ガスタンク１６から供給される水素ガスの熱量Ｑｇ  及び水タンク２２から供給される原水の熱量Ｑｈ  を差し引けば、蒸発器用ヒータ２１によって原水に加える熱量Ｑｔ  が計算される。なお、原水に熱量Ｑｔ  が与えられるので、混合器１２内に供給された水蒸気は、低温の水素ガスと混合されても、水の露点を超える温度に保持され、凝結することがない。
【００４６】
また、混合器用ヒータ４１によって、混合器１２内の生加湿ガスには、過剰な熱量ＱＢ  を与え、原水、水素ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。また、混合器１２内で高温の水蒸気と低温の水素ガスが混合し、水蒸気の温度が低下して、水蒸気が局部的に霧状となった場合でも、混合器１２内で霧状の生加湿ガスを加熱し、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。
更に、生加湿ガスは、混合器用ヒータ４１によって過剰に与えられた熱量ＱＢ  を、冷却装置４２によって除去され、所定の性状の製品加湿ガスとされ、この製品加湿ガスを燃料電池１１に供給する。
【００４７】
また、加湿ガス供給管２８に、冷却装置４２の他に加熱装置を設け、生加湿ガスの温度が、所定温度となっていない場合に、生加湿ガスを加熱又は冷却して生加湿ガスの温度を微調整し、所定温度の製品加湿ガスとすることができる。更に、、冷却装置４２の下流側に加熱装置を設け、まず冷却装置４２によって、飽和湿度の生加湿ガスを冷却し、露点以下に低下させ、この生加湿ガスに含まれている水蒸気の一部を凝結して分離した後、この水分の調節された生加湿ガスを燃料電池１１に供給する直前に加熱して温度を上げ、飽和湿度の生加湿ガスより低湿度の製品加湿ガスを燃料電池１１に供給することができる。
【００４８】
図４を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る加湿ガス供給システム５０について説明する。なお、加湿ガス供給システム１０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。
加湿ガス供給システム５０は、加湿ガス供給手段５１が、加湿ガス供給管２８に、燃料電池１１に供給する加湿ガスの圧力、流量、及び温度をそれぞれ調節する加湿ガス減圧弁５２、加湿ガス流調弁５３、加湿ガス供給管用ヒータ５４、及び加湿ガス供給管用ヒータ５４によって過剰に与えられた熱量を除去する冷却装置５５が取付けられ、加湿ガス減圧弁５２、加湿ガス流調弁５３、加湿ガス供給管用ヒータ５４、及び冷却装置５５によって、加湿ガス供給部５１が構成されている点で、加湿ガス供給システム１０と異なっている。
【００４９】
本発明の第４の実施の形態に係る加湿ガス供給システム５０を使用した燃料電池１１への製品加湿ガスの供給方法について説明する。
燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの性状、つまり、圧力、温度、湿度、及び流量によって、ガスタンク１６及び水タンク２２からそれぞれ供給される水素ガス及び原水の流量が計算される。次に、製品加湿ガスの単位流量が必要とする熱量Ｑ０  から、ガスタンク１６から供給される水素ガスの熱量Ｑｇ  及び水タンク２２から供給される原水の熱量Ｑｈ  を差し引けば、蒸発器用ヒータ２１によって原水に加える熱量Ｑｔ  が計算される。なお、原水に熱量Ｑｔ  が与えられるので、混合器１２内に供給された水蒸気は、低温の水素ガスと混合されても、水の露点を超える温度に保持され、凝結することがない。
【００５０】
水蒸気及び水素ガスが混合器１２内で混合されて生成した生加湿ガスは、加湿ガス供給管２８に供給され、加湿ガス供給管用ヒータ５４によって、過剰な熱量ＱＣ  が与えられ、生加湿ガス中の水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。
更に、生加湿ガスに加湿ガス供給管用ヒータ５４によって過剰に与えられた熱量ＱＣ  は、冷却装置５５によって除去され、生加湿ガスは、所定の性状の製品加湿ガスとされ、この製品加湿ガスは燃料電池１１に供給される。
【００５１】
図５を参照して、本発明の第５の実施の形態に係る加湿ガス供給システム６０について説明する。なお、加湿ガス供給システム１０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。
加湿ガス供給システム６０は、水素ガスと水蒸気を混合して、生加湿ガスとする混合部の一例である水素ガスの流路に設けた小容量の混合器６１を有し、混合器６１に水素ガスと水蒸気とをそれぞれ供給するガス供給手段１３及び水蒸気供給手段６２を備えている。また、混合器６１から燃料電池１１へ製品加湿ガスを供給する加湿ガス供給手段１５を有している。
【００５２】
また、水蒸気供給手段６２は、蒸発器２０、原水供給部２０ａ、及び水蒸気供給部６３を有している。また、蒸発器２０には、蒸発器用ヒータ２１が取付けられている。原水供給部２０ａは、水タンク２２、原水供給管２３、給水ポンプ２４、及び水流調弁２５を有している。また、水蒸気供給部６３は、蒸発器２０から混合器６１に水蒸気を供給する水蒸気供給管６４が取付けられている。
【００５３】
水蒸気供給管６４は、先部が二股となっており、第１及び第２の水蒸気供給手段６５、６６を形成している。また、第１及び第２の水蒸気供給手段６５、６６は、それぞれ先部に混合器６１の上流側及び下流側に水蒸気を吹き込む第１及び第２の水蒸気吹き込みノズル６７、６８が設けられている。更に、第１及び第２の水蒸気供給手段６５、６６には、それぞれ混合器６１に供給する水蒸気の流量を調節可能な第１及び第２の水蒸気流調弁６９、７０が設けられている。
【００５４】
混合器６１は、上流側及び下流側に取付けられた第１及び第２の水蒸気吹き込みノズル６７、６８から水蒸気が吹き込まれる。また、加湿ガス供給手段１５は、加湿ガス供給管２８によって構成されている。
なお、混合器６１は、水素ガスの流路に設けた小容量のチャンバー又はヘッダーでもよく、更には、ガス供給管１７及び加湿ガス供給管２８を一体に形成して、その一部分に第１及び第２の水蒸気吹き込みノズル６７、６８を取付けて形成してもよい。
【００５５】
ここで、加湿ガス供給システム６０には、水素ガス、原水、水蒸気、生加湿ガス、及び製品加湿ガスの性状（圧力、流量、温度等）を測定する図示しないセンサが設けられている。また、加湿ガス供給システム６０には、前記したセンサにおいて測定されたデータを基に、水素ガス、原水、水蒸気、生加湿ガス、及び製品加湿ガスの圧力、流量、及び温度を調節する計測制御装置２９が設けられている。
【００５６】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る加湿ガス供給システム６０を使用した燃料電池への加湿ガスの供給方法について説明する。
燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの性状、つまり、圧力、温度、湿度、及び流量によって、ガスタンク１６及び水タンク２２からそれぞれ供給される水素ガス及び原水の流量が計算される。次に、製品加湿ガスの単位流量が必要とする熱量Ｑ０  から、ガスタンク１６から供給される水素ガスの熱量Ｑｇ  及び水タンク２２から供給される原水の熱量Ｑｈ  を差し引けば、蒸発器用ヒータ２１によって原水に加える熱量Ｑｔ  が計算される。
【００５７】
また、加湿ガス供給システム６０では、混合器６１に供給するべき水蒸気の量（つまり、流量）Ｗを第１及び第２の水蒸気吹き込みノズル６７、６８にそれぞれ分け流量Ｗ１  、Ｗ２  で、混合器６１に供給する。計測制御装置２９は、第１及び第２の水蒸気流調弁６９、７０を調節し、流量Ｗ１  、Ｗ２  を所定の値とする。混合器６１の上流側で水蒸気の量を所定量より少なく、つまり流量Ｗ１  だけ混合して、全体の温度が安定した後に、更に、追加の水蒸気、つまり流量Ｗ２  を加えるので、混合器６１内において、水素ガスが過剰の水蒸気と混合されず、混合器６１内の温度も急激には高くならない。
【００５８】
更に、第１の水蒸気吹き込みノズル６７から供給する水蒸気は、少なくとも水素ガスと混合された生加湿ガスが、露点以下の温度とならないような温度と流量で供給される。つまり、第１の水蒸気吹き込みノズル６７から供給する水蒸気は、少なくとも水素ガスと混合された際に生成する温度で、水蒸気が露点以下とならないような流量を供給する。また、第２の水蒸気吹き込みノズル６８は、混合器６１の中の生加湿ガスが、十分に混合して均一な温度になる位置よりも下流側に設置される。
これによって、混合器６１内で水蒸気が凝結せず、所定の性状の製品加湿ガスを燃料電池１１に供給することができる。
【００５９】
【実施例】
第１の実施の形態に係る加湿ガス供給システム１０において、原料ガスとして水素ガスを用い、これを加湿した製品加湿ガスを所定流量ｖＭ  、圧力ＰＭ  、温度ＴＭ  、及び相対湿度Ｈｕ、例えば、それぞれ１０Ｌ／ｍｉｎ、１．２気圧（１２１．５９０ｋＰａ、１気圧＝１０１．３２５ｋＰａ）、８５℃（つまり、３５８Ｋ＝Ｔ８５）、及び１００％として、燃料電池１１に供給する際の水素ガス及び原水の流量と、原水に加える熱量とを計算する。
なお、ガスタンク１６及び水タンク２２は、２５℃（つまり、２９８Ｋ＝Ｔ２５）にある。
【００６０】
（燃料電池に供給する水素ガスの流量の計算）
８５℃（ＴＭ  ）、１．２気圧（ＰＭ  ）において、製品加湿ガス中に含まれる水素ガスの分圧ＰＨ８５  は、（１）式より、６３．７７ｋＰａである。なお、８５℃における水の飽和蒸気圧ＰＳ８５  は５７．８２ｋＰａである。
ＰＨ８５  ＝ＰＭ  −ＰＳ８５  ×（Ｈｕ／１００）      ・・・・・（１）
ここで、燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの流量は１０Ｌ／ｍｉｎであるので、水素ガスと水蒸気との分圧の比から、（２）式により、水素ガスの流量ｖＨ８５  は、５．２４５Ｌ／ｍｉｎとなる。
ｖＨ８５  ＝１０×ＰＨ８５  ÷ＰＭ                    ・・・・・（２）
【００６１】
（燃料電池に供給する水素ガスの質量の計算）
混合器１２から燃料電池１１に供給する８５℃、１．２気圧の水素ガスの流量ｖＨ８５  は、５．２４５Ｌ／ｍｉｎであり、単位時間、例えば１分間当たり（以下、同様である）に燃料電池１１へ供給される水素ガスの体積ＶＨ８５  は５．２４５Ｌである。ここで、ボイル−シャルルの法則から導き出される（３）式により、ガスタンク１６から混合器１２に供給する２５℃、１気圧の水素ガスの体積ＶＨ２５  は、５．２３９Ｌとなる。従って、水素ガスは、ガスタンク１６から混合器１２へ５．２３９Ｌ／ｍｉｎで供給すればよい。なお、ＰＨ２５  は、２５℃の水素ガスの分圧である。
ＶＨ２５  ＝ＶＨ８５  ×ＰＨ８５  ／ＴＨ８５  ／（ＰＨ２５  ／ＴＨ２５  ）    ・・・・・（３）
【００６２】
また、ガスタンク１６から混合器１２に供給する２５℃、１気圧の水素ガスの体積ＶＨ２５  から、ガスタンク１６から混合器１２に供給される２５℃、１気圧の水素ガスの質量ωＨ  を（４）式により求める。（４）式は、気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ＝ωＲＴ／Ｍ）から導き出され、（４）式により水素の質量ωＨ  は、０．４２９ｇとなる。なお、Ｒは気体定数（Ｒ＝０．０８２Ｌ・ａｔｍ／ｍｏｌ・Ｋ）であり、水素の分子量ＭＨ  は２である。
ωＨ  ＝ＰＨ２５  ×ＶＨ２５  ×ＭＨ  ／（Ｒ×ＴＨ２５  ）    ・・・・・（４）
【００６３】
（燃料電池に供給する水蒸気の流量の計算）
また、燃料電池１１に供給する製品加湿ガスの流量ｖＭ  は１０Ｌ／ｍｉｎであり、製品加湿ガス中の水蒸気の８５℃での流量ｖＳ８５  は、水素ガスの流量ｖＨ８５  と水蒸気の流量ｖＳ８５  の合計が製品加湿ガスの流量ｖＭ  となるので、（５）式により、４．７５５Ｌ／ｍｉｎである。
ｖＳ８５  ＝ｖＭ  −ｖＨ８５                  ・・・・・（５）
【００６４】
（燃料電池に供給する水蒸気の質量の計算）
次に、１分間当たりに燃料電池１１に供給される水蒸気の体積ＶＳ８５  は、４．７５５Ｌであるので、気体の状態方程式から導き出される（６）式より、ＶＳ８５  中の水蒸気の質量ωＳ  が求められ、３．４９９ｇである。なお、水の分子量Ｍｗ  は１８である。従って、水蒸気は、３．４９９ｇ／ｍｉｎで、混合器１２から燃料電池１１に供給される。また、供給される水の質量（つまり、水のモル濃度）は、温度により変わらないので、水タンク２２から蒸発器２０には、原水を３．４９９ｇ／ｍｉｎ、つまり、３．４９９ｍｌ／ｍｉｎで供給すればよい。
ωＳ  ＝ＰＳ８５  ×ＶＳ８５  ×Ｍｗ  ／（Ｒ×ＴＳ８５  ）      ・・・・・（６）
【００６５】
（蒸発器２０内で水に加える熱量の計算）
ガスタンク１６から単位時間当たりに供給される水素ガス（つまり、０．４２９ｇの水素ガス）を、２５℃から８５℃にする際の顕熱ＱＨ  は、（７）式より、３６６．８Ｊである。なお、水素ガスの比熱ＣＨ  は１４．２５Ｊ／ｇである。なお、２５℃から８５℃の温度変化をΔＴとする（ΔＴ＝８５−２５＝６０。以下、同様である。）
ＱＨ  ＝ΔＴ×ωＨ  ×ＣＨ          ・・・・・（７）
【００６６】
また、水タンク２２から単位時間に当たりに供給される水（つまり、質量ωｗ  ＝３．４９９ｇ）を、２５℃から８５℃にする際の顕熱Ｑｗ  は、（８）式より、８７９．６Ｊである。なお、水の比熱Ｃｗ  は４．１９Ｊ／ｇである。
Ｑｗ  ＝ΔＴ×ωｗ  ×Ｃｗ          ・・・・・（８）
更に、８５℃において、水を水蒸気にする潜熱Ｑｓ  は、（９）式によって求められ、８０３３．７Ｊである。なお、水の８５℃における気化熱Ｌは２２９６Ｊ／ｇである。
Ｑｓ  ＝ωｗ  ×Ｌ                ・・・・・（９）
【００６７】
以上の計算より、蒸発器２０内で原水に加える熱量Ｑｔ  は、水素ガスの顕熱ＱＨ  、水の顕熱Ｑｗ  、及び水の潜熱Ｑｓ  の合計であるので、（１０）式より、９２８０．１Ｊである。
Ｑｔ  ＝ＱＨ  ＋Ｑｗ  ＋Ｑｓ          ・・・・・（１０）
従って、単位時間に加える熱量は、９２８０．１Ｊ／ｍｉｎ、つまり、１５４．７Ｊ／ｓである。この熱量Ｑｔ  を蒸発器用ヒータ２１で、蒸発器２０内の水に与えれば、燃料電池１１に所定の性状の製品加湿ガスを生成し供給させることができる。
【００６８】
なお、２５℃の水は、蒸発器２０内で与えられる水の顕熱Ｑｗ  及び水の潜熱Ｑｓ  の合計の熱量により、８５℃の水蒸気となる。更に、８５℃の水蒸気は、蒸発器２０内で与えられる水素ガスの顕熱ＱＨ  に相当する熱量により、更に加熱され、温度が上昇する。従って、熱量Ｑｔ  を与えられた水の蒸発器２０内での温度Ｔは（１１）式で計算され、１３６．１℃となる。なお、１００℃付近の水の比熱Ｃｗ１００は２．０５Ｊ／ｇである。
Ｔ＝８５＋ＱＨ  ／（ωｗ  ×Ｃｗ１００）      ・・・・・（１１）
【００６９】
更に、加湿ガス供給システム１０に設けられた水蒸気、水素ガス、生加湿ガス、及び製品加湿ガスの温度を測定するセンサでの測定値が、所定の値より低くなっている場合には、熱損失が発生しているので、この熱損失による製品加湿ガスの温度低下を補正するために、計測制御装置２９によって計算された不足分の熱量ＱＬ  を加えた熱量（Ｑｔ  ＋ＱＬ  ）を、蒸発器用ヒータ２１で水蒸気に与え、所定温度の製品加湿ガスを燃料電池１１に供給する。
【００７０】
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、前記したそれぞれの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、前記実施の形態の加湿ガス供給システムにおいて、加熱器によって、蒸発器から発生する水蒸気に必要な熱量の一部を与え、混合器に供給される原料ガス、混合器内で生成した生加湿ガス及び混合器から出た生加湿ガスのいずれか２又はすべてに残りの熱量を与えてもよい。
また、水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に、製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、原料ガスと混合された水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、混合部に供給される原料ガス、混合部内で生成した生加湿ガス及び混合部から出た生加湿ガスのいずれか２又はすべてに、総量として過剰の熱量ＱＤ  が与えられ、燃料電池に供給する前の生加湿ガスから過剰の熱量ＱＤ  を除去して、製品加湿ガスを製造してもよい。
【００７１】
また、加湿ガス供給システムに、燃料電池に供給する直前の生加湿ガスを冷却する装置を加湿ガス供給管に取付け、所定温度の製品加湿ガスを生成することもできる。この場合、製品加湿ガスの生成に必要な熱量Ｑｔ  よりも多くの熱量を予め水蒸気に与え、混合部から燃料電池に至るまでの間に、生加湿ガスを水の露点を超える温度に充分に高く保持して、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止し、更に燃料電池に供給する直前に冷却して過剰の熱量を取り去って、生加湿ガスの温度と湿度を調節し、所定温度の製品加湿ガスとすることができる。
【００７２】
また、加湿ガス供給システムに、燃料電池に供給する直前の生加湿ガスを加熱する装置を加湿ガス供給管に取付け、所定温度の製品加湿ガスを生成することもできる。この場合、飽和湿度の生加湿ガスを冷却して、露点以下に低下させ、この生加湿ガスに含まれている水蒸気の一部を凝結して分離した後、この水分の調節された生加湿ガスを燃料電池に供給する直前に加熱して温度を上げ、飽和湿度の生加湿ガスより低湿度の製品加湿ガスを燃料電池に供給することができる。
更に、加湿ガス供給システムに、燃料電池に供給する直前の生加湿ガスを加熱及び冷却可能な装置を加湿ガス供給管に取付け、生加湿ガスの温度を微調整し、所定温度の製品加湿ガスとすることもできる。
【００７３】
また、前記実施の形態の加湿ガス供給システムにおいて、燃料電池に供給する原料ガスが空気の場合には、ガスタンクを備えず、外気を供給してもよい。その場合には、外気の汚れを取り除くフィルター等を加湿ガス供給システムに取付けるのが好ましい。また、加湿ガス供給管は、ミストコレクタを取付けてもよい。更に、混合部内は、窒素ガスによってパージしてもよい。
【００７４】
前記実施の形態の加湿ガス供給システムにおいては、調節すべき量を流量としたが、圧力を調節してもよい。また、加湿ガス供給システムは、燃料電池に供給する製品加湿ガスの流量、圧力、温度、及び湿度の性状を所定値とすることができる。しかしながら、燃料電池自身が発電量に依存する圧力と流量が相関関係を有する特性を持っているので、流量と圧力は一般には独立に調節できないが、燃料電池から外部に生加湿ガスを抽出するドレインを設けて、該ドレインに圧力調節弁を設置する等の方策を施すことにより、製品加湿ガスの圧力、流量の両方を同時に調節することができる。この場合はドレインから抽出したガスの流量と、それに含まれる燃料ガス等の濃度を測定し燃料電池で消費されなかった燃料ガス等の量を測定して見かけの供給量から差し引いて実質供給量とする。
【００７５】
また、前記実施の形態の加湿ガス供給システムにおいて、生加湿ガスの温度を燃料電池に供給すべき温度より高めにしておいて、燃料電池に供給する直前の位置で配管に設置した冷却器で所定の温度まで冷却し、製品加湿ガスとしてもよい。この方法では、燃料電池までの配管等が長く、途中で部分的に生加湿ガスが露点以下に温度低下して、生加湿ガス中の水分（水蒸気）が分離するのを防ぐ効果がある。
【００７６】
更に、生加湿ガスの冷却手段、及び、これに続く生加湿ガスの加熱手段を備えた再加熱装置を燃料電池の直前に設置し、あらためて生加湿ガスの温度と湿度を調節することができる。すなわち、まず、生加湿ガスを冷却によって露点以下に低下させ、生加湿ガスに含まれている水蒸気の一部を凝結して分離することで水分量を調節する。その後に水分の調節された生加湿ガスの温度を上げれば、元の生加湿ガスより低湿度の生加湿ガスが得られる。これは、飽和湿度の生加湿ガスから、より低湿度の生加湿ガスを生成する方法である。
複数の燃料電池に同時に製品加湿ガスを供給する場合は、本発明のそれぞれの実施の形態による加湿ガス供給システムによって、水蒸気が飽和した生加湿ガスを生成後に、複数の燃料電池それぞれに温度、湿度の条件の異なる製品加湿ガスを供給することができる。
【００７７】
【発明の効果】
請求項１〜９記載の加湿ガス供給システムにおいては、供給された原水を加熱して製品加湿ガスに最終的に含まれる水量に見合う水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、製品加湿ガスに含まれる原料ガスを供給するガス供給手段と、水蒸気発生手段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とを有し、固体高分子型の燃料電池に供給する原料ガスを、水蒸気と混合して、所定の流量、圧力、温度及び湿度の製品加湿ガスを製造し、燃料電池に連続的に供給するので、水蒸気及び原料ガスの流量、温度、圧力をそれぞれ変えることにより、燃料電池に供給する製品加湿ガスの性状を迅速に変更できる。特に、水蒸気と原料ガスの混合比を変えることにより、製品加湿ガスの湿度を変えることができる。従来の大量の水を貯留するバブラーを必要としないので、装置を小型化できる。また、燃料電池の検査装置、燃料電池モジュールの運転に応用できる。
【００７８】
請求項２記載の加湿ガス供給システムにおいては、製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  は、水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に与えられているので、水蒸気発生手段内に供給される原水に熱量Ｑｔ  を与えるだけで、所定流量、温度、圧力、及び湿度の製品加湿ガスを製造することができる。
【００７９】
請求項３記載の加湿ガス供給システムにおいては、製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  の一部ＱＡ  は、水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気に与えられ、更に残りの熱量（Ｑｔ  −ＱＡ  ）は、混合部に供給される原料ガスに与えられ、しかも、それぞれに与えられた熱量によって、混合部内では、加熱された原料ガスと混合された水蒸気が、水の露点を超える温度に保持されているので、水蒸気と原料ガスとの温度差が少なくなり、水蒸気と原料ガスを混合時には十分な熱量Ｑｔ  が与えられているので、水蒸気の温度が露点以下に低下せず、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。また、水蒸気発生手段に全ての熱量を与えないので、水蒸気発生手段を小さくできる。
【００８０】
請求項４記載の加湿ガス供給システムにおいては、生加湿ガスの加熱は混合部内で行われ、水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、原料ガスと混合された水蒸気は水の露点を超える温度に保持され、更に混合部内で生成した生加湿ガスには、過剰の熱量ＱＢ  が与えられ、燃料電池に供給する前に生加湿ガスから過剰の熱量ＱＢ  を除去して、製品加湿ガスを製造するので、混合部内で生成した生加湿ガスが、水の露点を超える温度に保持され、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止することができる。
また、過剰の熱量ＱＢ  が与えられているので、原水、原料ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。また、混合部内で高温の水蒸気と低温の原料ガスが混合し、水蒸気の温度が低下して、水蒸気が局部的に霧状となった場合でも、混合部内で霧状の生加湿ガスを加熱し、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。
【００８１】
請求項５記載の加湿ガス供給システムにおいては、生加湿ガスの加熱は混合部の下流側で行われ、水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、原料ガスと混合された水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、更に混合部から出た生加湿ガスには、過剰の熱量ＱＣ  が与えられ、燃料電池に供給する前に生加湿ガスから過剰の熱量ＱＣ  を除去して、製品加湿ガスを製造するので、混合部から出た生加湿ガスが、水の露点を超える温度に保持され、生加湿ガス中の水蒸気の凝結を防止することができる。また、過剰の熱量ＱＣ  が与えられているので、原水、原料ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。また、混合部内で高温の水蒸気と低温の原料ガスが混合し、水蒸気の温度が低下して、水蒸気が局部的に霧状となった場合でも、混合部の下流側で霧状の生加湿ガスを加熱し、水蒸気が凝結するのを防ぐことができる。
【００８２】
請求項６記載の加湿ガス供給システムにおいては、水蒸気発生手段を通過して発生する水蒸気には、製品加湿ガスに加える熱量Ｑｔ  が与えられて、原料ガスと混合された水蒸気が、水の露点を超える温度に保持され、更に混合部に供給される原料ガス、混合部内で生成した生加湿ガス及び混合部から出た生加湿ガスのいずれか２又はすべてには、総量として過剰の熱量ＱＤ  が与えられ、燃料電池に供給する前に生加湿ガスから過剰の熱量ＱＤ  を除去して、製品加湿ガスを製造するので、加湿ガス供給システム内において、熱量調整の自由度が増える。更に、総量として過剰の熱量ＱＤ  が与えられているので、原水、原料ガス、水蒸気、及び生加湿ガスが、混合や冷却等の操作や配管等の移動中の熱の放散によって温度が低下しても、水蒸気を露点以上の温度に保つことができ、水蒸気の凝結を防止できる。
【００８３】
請求項７記載の加湿ガス供給システムにおいては、混合部は、水蒸気発生手段から供給される水蒸気を混合部の上流側及び下流側にそれぞれ供給する第１及び第２の水蒸気供給手段を有し、水蒸気発生手段から混合部へ供給される水蒸気は、混合部内の温度が均一になるまで、第１の水蒸気供給手段から混合部へ所定の水蒸気が供給された後、更に、残りの水蒸気が第２の水蒸気供給手段から混合部へ供給され、混合部内の急激な温度変化を防止するので、第１の水蒸気供給手段から供給される水蒸気と原料ガスとを混合部内で混合して、温度が均一の生加湿ガスを生成させ、更に、この生成した生加湿ガスと第２の水蒸気供給手段からの水蒸気を混合部内で混合するので、混合部内の生加湿ガスは徐々に加熱され、露点温度以下となる局所的な低温状態を少なくすることができ、安定的な製品加湿ガスを製造できる。また、第１の水蒸気供給手段から供給される水蒸気と原料ガスとが混合器内で混合されて生成した生加湿ガスは、温度が低くても、水蒸気の量が少ないため、凝結し難い。更に、この生成した生加湿ガスと第２の水蒸気供給手段からの水蒸気とを混合器内で混合するので、混合器内での水蒸気の凝結を回避することができる。
【００８４】
請求項８記載の加湿ガス供給システムにおいては、水蒸気、原料ガス、及び生加湿ガスのいずれか１又は２以上が、熱の放散によって起こる温度低下に対する熱量を水蒸気、原料ガス、及び生加湿ガスのいずれか１又は２以上に与えるので、水蒸気発生手段、ガス供給手段、混合部、及び、それらを繋ぐ配管等における水蒸気、原料ガス、及び生加湿ガスのいずれか１又は２以上の熱損失による製品加湿ガスの温度低下を補正して、所定温度の製品加湿ガスを燃料電池に供給することができる。
【００８５】
請求項９記載の加湿ガス供給システムにおいては、燃料電池に供給する直前の生加湿ガスは、加熱及び冷却のいずれか一方又は双方が行われ、所定の温度及び湿度の製品加湿ガスとされるので、燃料電池に供給する直前に生加湿ガスの温度及び湿度を調節でき、所定の温度及び湿度の製品加湿ガスを燃料電池に供給することができる。
【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加湿ガス供給システムの説明図である。
【図２】本発明の第２の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３】本発明の第３の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４】本発明の第４の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５】本発明の第５の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。
【符号の説明】
１０：加湿ガス供給システム、１１：燃料電池、１２：混合器、１３：ガス供給手段、１４：水蒸気供給手段、１５：加湿ガス供給手段、１６：ガスタンク、１７：ガス供給管、１８：ガス減圧弁、１９：ガス流調弁、２０：蒸発器、２０ａ：原水供給部、２０ｂ：水蒸気供給部、２１：蒸発器用ヒータ、２２：水タンク、２３：原水供給管、２４：給水ポンプ、２５：水流調弁、２６：水蒸気供給管、２７：水蒸気吹き込みノズル、２８：加湿ガス供給管、２９：計測制御装置、３０：加湿ガス供給システム、３１：ガス供給手段、３２：ガス供給管用ヒータ、４０：加湿ガス供給システム、４１：混合器用ヒータ、４２：冷却装置、４３：加湿ガス供給手段、５０：加湿ガス供給システム、５１：加湿ガス供給手段、５２：加湿ガス減圧弁、５３：加湿ガス流調弁、５４：加湿ガス供給管用ヒータ、５５：冷却装置、６０：加湿ガス供給システム、６１：混合器、６２：水蒸気供給手段、６３：水蒸気供給部、６４：水蒸気供給管、６５：第１の水蒸気供給手段、６６：第２の水蒸気供給手段、６７：第１の水蒸気吹き込みノズル、６８：第２の水蒸気吹き込みノズル、６９：第１の水蒸気流調弁、７０：第２の水蒸気流調弁
【図１】
2005038647.tif 000003
【図２】
2005038647.tif 000004
【図３】
2005038647.tif 000005
【図４】
2005038647.tif 000006
【図５】
2005038647.tif 000007