JP2008190743A - 加湿器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる加湿器及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】内部に貯留される液体１０２中に気体を導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部１０６を有する加湿タンク１０１と、加湿タンク１０１の下部に設けられる重量部１１０と、球面部１０６の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持手段１０７とを備えることを特徴とするので、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる加湿器及び燃料電池システムを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加湿器及び燃料電池システムに関し、特に、移動体に搭載して好適な加湿器及び燃料電池システムに関するものである。

従来から種々の気体を加湿する加湿器は、様々な装置に用いられている。このような加湿器が適用される装置として、例えば、酸素と水素の反応で電力を発生させる燃料電池システムがある。燃料電池システムは、エネルギー効率が高く、音が静かで、排出されるのは水だけと、究極のクリーンな動力源として自動車や水中航走体（無人潜水機）等の移動体にも搭載できるものと期待されている。そして、このような燃料電池システムとしては、例えば、プロトン伝導性の電解質としてフッ素樹脂系のイオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が高性能、高耐久である点で注目されている。このフッ素樹脂系のイオン交換膜は含水状態で良好なプロトン伝導性を示し、膜の含水量は水蒸気の分圧（相対湿度）に大きく依存し、乾燥すると水を失い高抵抗体となるので、これをＰＥＦＣに適用する場合には、膜を飽和水蒸気圧近傍の雰囲気に保持する水分管理が必要となる。

ここで、このような加湿器は、例えば、円筒状のタンク底部に水分を貯留し、このタンク底部に反応ガスを導入し、この反応ガスの気泡が水中を上昇することによって飽和蒸気圧となることで加湿される、いわゆる、バブリング方式の加湿器がある。そして、このようなバブリング方式の加湿器として、例えば、特許文献１には、タンクの反応ガス出口の上流側に多孔体を設けることで、反応ガスによる水の同伴を防止し、中間部にドーナツ状のバッフル板を複数設けることで、気水分離や消波作用等によって気泡中への水の巻き込みを防止する加湿器が開示されている。

特開２０００−２２３１３９号公報

ところで、例えば、このようなバブリング方式の加湿器を移動体に搭載する場合、この移動体の動揺や傾斜などの姿勢変動に伴ってこの加湿器も共に動揺、傾斜することから、タンク内の水分の液面も動揺、傾斜し、この結果、ガス吹出し口から水分の液面までの距離が変動し、水分中における気泡の滞留時間が変動してしまい、安定した加湿性能が得られないことがあった。上述した特許文献１に記載の加湿器では、ガス吹出し口から液面までの距離を十分確保すると共に仕切り板を設けることで、加湿性能の安定化を図っているが、この場合、タンクの高さが高くなることから加湿器が大型化し、スペース的に非効率であった。

そこで本発明は、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる加湿器及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の加湿器は、内部に貯留される液体中に気体を導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部を有する加湿タンクと、前記加湿タンクの下部に設けられる重量部と、前記球面部の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持手段とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明の加湿器では、前記球面支持手段は、前記球面部に接して前記加湿タンクを浮動可能に支持する支持媒体と、前記支持媒体を貯留する支持タンクとを有することを特徴とする。

請求項３の発明の加湿器では、前記支持媒体を加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする。

請求項４の発明の加湿器では、前記加熱手段は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池を有し、前記支持媒体は、前記燃料電池の発電で発生した熱を奪う冷却水であることを特徴とする。

請求項５の発明の加湿器では、前記液体の液面に沿って設けられ該液面を複数の部分領域に区画する波抑制手段を備えることを特徴とする。

上記の目的を達成するための請求項６の発明の燃料電池システムは、内部に貯留される水分中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部を有する加湿タンクと、前記加湿タンクの下部に設けられる重量部と、前記球面部の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持手段とを有する加湿器と、前記加湿された反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。

請求項１の発明の加湿器によれば、加湿タンクの底部に球面部を設けると共にこの球面部を変位自在に支持する球面支持手段を設け、さらに、加湿タンクの下部に重量部を設けたことで、加湿タンクの重心が鉛直方向下側に位置するので、加湿器全体が動揺、傾斜しても、これに伴って球面支持手段が傾斜する一方、加湿タンクはこの球面支持手段に対して相対的に変位して常時その姿勢が一定に維持されることから、液体の液面が動揺、傾斜することを防止することができる。このため、加湿タンクの水深を余分に大きくすることなく液体中における気体の気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。

請求項２の発明の加湿器によれば、加湿タンクを支持タンク内に貯留されている支持媒体に浮かべて支持することで、この加湿タンクは支持タンクに対して相対的に変位することができ、さらに、重量部により加湿タンクの重心が鉛直方向下側に位置するので、支持媒体上で浮動する加湿タンクの挙動を安定させることができる。

請求項３の発明の加湿器によれば、加熱手段により支持媒体を加熱することで支持媒体の温度が上昇するので、加湿タンクを浮動可能に支持する支持媒体を加熱媒体としても用いることができ、温度が上昇した支持媒体により加湿タンク内で加湿される気体が加熱されることで加湿気体の温度を調節することができる。

請求項４の発明の加湿器によれば、燃料電池の発電で発生した熱を奪って燃料電池を冷却する冷却水を支持媒体として用いることで、この支持媒体は、燃料電池による発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、支持タンクに貯留される支持媒体として用いられる。このとき、発電により発生した熱を回収した支持媒体と、加湿タンク内に貯留される液体とが熱交換することで、支持媒体の温度が低下する一方、液体の温度が上昇し、さらに、この液体は、加湿タンク内で加湿される気体を加熱し、これにより気体の温度が上昇する。このため、燃料電池を確実に冷却することができると共に排熱を効果的に利用して加湿気体の温度を上昇させることができる。

請求項５の発明の加湿器によれば、波抑制手段により液体の液面を複数の部分領域に区画することで、仮に加湿タンクが多少動揺、傾斜したとしても、液面の振動が大きくなる前に大きな波の形成を抑制することができる。よって、より安定した加湿性能を得ることができる。

請求項６の発明の燃料電池システムによれば、反応ガスを加湿する加湿器にて、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができることから、コンパクトな構成で安定した発電を実現することができる。

以下に、本発明に係る加湿器及び燃料電池システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例１に係る加湿器の概略断面図、図２は、本発明の実施例１に係る加湿器が適用された燃料電池システムの概略構成図、図３は、本発明の実施例１に係る加湿器の作用を説明する概略断面図である。

図１に示すように、本実施例に係る加湿器１００は、乾燥した気体が液体中を通過することで加湿されるいわゆるバブリング型加湿器である。以下、この加湿器１００は、燃料電池システム１に適用した場合で説明するが、これに限らず、加湿された気体を用いる種々の装置にも適用可能である。

燃料電池システム１は、図２に示すように、自動車や水中航走体（無人潜水機）等の移動体に搭載されるものである。燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４及び冷却水循環配管５と、電力供給装置６、加湿器１００とを備える。

燃料電池２は、反応ガスとしての燃料ガス、ここでは水素ガスと、反応ガスとしての酸化剤ガス、ここでは酸素ガスとの電気化学的反応により発電するものである。すなわち、燃料電池２は、電極反応で生成する水素イオンと電子のうち、水素イオンのみを通過させる特性を持つ電解質に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、両電解質の両側に、例えば、白金系触媒等を用い、酸化、あるいは還元反応を起させる触媒電極をそれぞれ配置し、さらに、触媒電極を担持させた多孔質のカーボン電極をそれぞれ備え、カーボン電極のそれぞれに水素および酸素を供給して、発電を行うものである。

燃料ガス供給配管３は、燃料電池２に接続されこの燃料電池２に水素ガスを供給するものである。すなわち、燃料ガス供給配管３は、水素吸蔵合金タンク等の水素貯蔵装置、あるいは、天然ガス、メタノール、ガソリン等を改質する改質装置（図示略）と燃料電池２とを接続し、ブロワなどによりこの燃料電池２に水素ガスを供給する。また、燃料ガス供給配管３は、水素ガスの供給方向に対して燃料電池２より上流側に加湿器１００（水素ガス用）が設けられている。

酸化剤ガス供給配管４は、燃料電池２に接続されこの燃料電池２に酸素ガスを供給するものである。すなわち、酸化剤ガス供給配管４は、酸素ボンベ（図示略）と燃料電池２とを接続し、ブロワなどによりこの燃料電池２に酸素ガスを供給する。また、酸化剤ガス供給配管４は、酸素ガスの供給方向に対して燃料電池２より上流側に加湿器１００（酸素ガス用）が設けられている。なお、酸化剤ガスとしては、送風機、圧縮機等の空気供給装置から供給される空気等であってもよい。

冷却水循環配管５は、燃料電池２の発電で発生した熱を奪いこの燃料電池２を冷却する冷却水をポンプなどにより循環させるものである。冷却水循環配管５は、冷却水により燃料電池２から排出される電池排熱を回収する熱交換器７が設けられている。熱交換器７において回収された熱量は、例えば、水素貯蔵装置あるいは改質装置での水素発生等の用途に用いられる。また、システム外の用途に用いられることもある。

電力供給装置６は、燃料電池２で発生した電力を供給するものである。すなわち、電力供給装置６は、蓄電池、コンバータ、インバータや出力制御装置等の電力制御装置を備えており、燃料電池２で発生した電気をシステム外部へ電気出力として供給する。

この燃料電池システム１の燃料電池２は、プロトン伝導性の電解質としてフッ素樹脂系のイオン交換膜を用いた、いわゆる、高性能、高耐久な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料電池である。このフッ素樹脂系のイオン交換膜は、含水状態で良好なプロトン伝導性を示し、膜の含水量は水蒸気の分圧（相対湿度）に大きく依存し、乾燥すると水を失い高抵抗体となるので、これをＰＥＦＣに適用する場合には、膜を飽和水蒸気圧近傍の雰囲気に保持する水分管理が必要となる。このため、この燃料電池システム１は、上述したように、燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４にそれぞれ加湿器１００を備えている。

各加湿器１００は、燃料電池２に供給される水素ガス、酸素ガスに水分を付与し、この水素ガス、酸素ガスをそれぞれ加湿するものである。以下、図１を参照して加湿器１００の構成について詳細に説明する。なお、水素ガスを加湿する水素ガス用加湿器１００と、酸素ガスを加湿する酸素ガス用加湿器１００とは、ほぼ同様な構成をしているので、以下の説明では、特に断りの無い限り水素ガス用加湿器１００及び酸素ガス用加湿器１００を区別せず単に「加湿器１００」という。

加湿器１００は、内部が中空状の加湿タンク１０１を備える。加湿タンク１０１は、内部に貯留される液体としての水分１０２中に気体としての反応ガス（水素ガス又は酸素ガス）を導入し加湿して排出可能である。この加湿器１００は、加湿タンク１０１内部に貯留される水分１０２に反応ガスを導入することでこの反応ガスを加湿する、いわゆる、バブリング方式の加湿器１００である。このような、バブリング型の加湿器１００では、大量の蒸気やドレンの発生を抑制することができると共に所定の湿度に精度よく反応ガスを加湿することができる。

すなわち、加湿タンク１０１は、鉛直方向下部、ここでは、最下部に導入口１０３が形成されると共に、鉛直方向上部、ここでは、最上部に排出口１０４が形成される。そして、加湿タンク１０１の内部における導入口１０３側の底部に貯留部１０５を有する。貯留部１０５は、加湿タンク１０１の内部における鉛直方向下部に設けられ、反応ガスを加湿するための水分１０２を貯留する。導入口１０３は、貯留部１０５に貯留される水分１０２の液面１０２ａよりも下方に開口している。

導入口１０３は、一端が各反応ガスの供給装置に接続された燃料ガス供給配管３又は酸化剤ガス供給配管４の他端が接続され、排出口１０４は、一端が燃料電池２に接続された燃料ガス供給配管３又は酸化剤ガス供給配管４の他端が接続される。そして、導入口１０３は、外部から加湿タンク１０１の内部に反応ガスを導入する一方、排出口１０４は、加湿タンク１０１の内部で加湿された反応ガスをこの加湿タンク１０１内部から外部に排出する。

上記のように構成される燃料電池システム１では、燃料ガス供給配管３、酸化剤ガス供給配管４により供給される反応ガスとしての水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ各加湿器１００に導入され、電池反応を起すために好適な所定の加湿状態に調整されて燃料電池２に導入される。燃料電池２に加湿された水素ガス及び酸素ガスが供給されると、この燃料電池２は、供給された水素ガスと酸素ガスとを電気的に反応させて電気を発生させる。発生した電気は、電力供給装置６によってシステム外部へ電気出力として供給される。

このとき、反応ガスは、各加湿器１００にて、導入口１０３を介して貯留部１０５の水分１０２中に導入される。そして、水分１０２に導入された反応ガスは、加湿タンク１０１内の水分１０２中に所定時間滞留しながら下部から上部に向けて上昇し、液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出す。この間、この反応ガスは、その気泡が水分１０２中を上昇することによって飽和蒸気圧となることで加湿される。そして、水分１０２から抜け出した反応ガスは、さらに、加湿タンク１０１内を上部に向けて流動して排出口１０４に至る。そして、加湿タンク１０１内で加湿された反応ガスは、この排出口１０４を介して燃料電池２に適度な加湿状態で供給される。なお、水分１０２は、量が減少した際には不図示の配管を介して補充される。

ところで、上述のように、このようなバブリング方式の加湿器１００を移動体に搭載する場合、この移動体の動揺や傾斜などの姿勢変動に伴ってこの加湿器１００も共に動揺、傾斜することから、加湿タンク１０１内の水分１０２の液面１０２ａも動揺、傾斜し、この結果、導入口１０３から液面１０２ａまでの距離が変動し、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間が変動してしまい、安定した加湿性能が得られないおそれがある。

そこで、本実施例の加湿器１００は、図１に示すように、加湿タンク１０１の底部に球面部１０６を設け、さらに、この球面部を支持する球面支持手段としての球面支持部１０７を設けることで、加湿器１００における加湿性能の安定化を図っている。

球面部１０６は、加湿タンク１０１の底部（導入口１０３側）の外周面に半球面状に設けられる。ここでは、加湿タンク１０１は、底部に加え頂部（排出口１０４側）の外周面も半球面状に形成されている。すなわち、本実施例の加湿タンク１０１は、全体として球体をなし、この球体の鉛直方向最下部に上述の導入口１０３が形成される一方、最上部に排出口１０４が形成される。

球面支持部１０７は、燃料電池システム１が搭載される移動体に固定して設置されると共に球面部１０６の外周を支持する。さらに具体的には、球面支持部１０７は、支持媒体としての水１０８を貯留する支持タンク１０９を有する。支持タンク１０９は、中空の矩形筒状に形成され、鉛直方向に対する下側端面が閉端面である一方、上側端面に設置口１０９ａが形成され、よって、この上側端面が開端面として形成される。設置口１０９ａは、直径が加湿タンク１０１の直径よりもやや大きい円形状に形成されている。水１０８は、この支持タンク１０９内に貯留されている。そして、加湿タンク１０１は、球面部１０６が支持タンク１０９の内側に収容されるようにこの設置口１０９ａに設置される。これにより、水１０８は、加湿タンク１０１の球面部１０６に接すると共にこの加湿タンク１０１を浮動可能に支持する。すなわち、加湿タンク１０１は、支持タンク１０９内に貯留されている水１０８に浮かべられて支持され、よって、加湿タンク１０１は、球面支持部１０７によりこの球面支持部１０７に対して相対的に変位自在に、言い換えれば、揺動可能に支持される。また、支持タンク１０９は、内部に水１０８を貯留すると共に設置口１０９ａの内面が加湿タンク１０１の外面に当接することで加湿タンク１０１の脱落を防止している。

また、この加湿タンク１０１は、重量部１１０（おもり）を備える。この重量部１１０は、加湿タンク１０１の下部、ここでは、外周面の最下部で導入口１０３の背面に設けられている。これにより、加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に下がるので、水１０８上で浮動する加湿タンク１０１の挙動が安定する。加湿タンク１０１は、この重量部１１０の重みにより導入口１０３の位置が鉛直方向最下部に位置するようにその姿勢が維持される。

上記のように構成される加湿器１００では、燃料電池システム１を搭載した移動体の姿勢が変動し、これに伴って移動体に固定されている支持タンク１０９も動揺、傾斜した場合、この加湿タンク１０１は、支持タンク１０９に貯留されている水１０８上に低重心で浮かんでいることから、この支持タンク１０９の傾きに対して相対的に変位する。例えば、図３に示すように、支持タンク１０９が図中右回転に（図中右側が下方を向くように）傾斜すると、加湿タンク１０１は、この支持タンク１０９に対して相対的に左回転し、常時その姿勢が垂直に維持される。すなわち、加湿タンク１０１は、貯留部１０５に貯留される水分１０２の液面１０２ａがほぼ水平に維持されると共に導入口１０３の位置も加湿タンク１０１における鉛直方向最下端位置に維持される。この結果、移動体が傾斜しても、この移動体の動揺や傾斜などの姿勢変動に伴って液面１０２ａが動揺、傾斜することを防止することができる。よって、導入口１０３から液面１０２ａまでの距離が減少することを防止することができ、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間が短縮されてしまうことを防止し十分な滞留時間を確保することができる。このため、反応ガスは十分な飽和蒸気圧に達するまで加湿される。つまり、導入口１０３と液面１０２ａとの距離が常時一定に維持され、水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間をほぼ一定に維持することができるので、安定した高加湿性能を確保することができ、傾斜による加湿性能の変動を抑制することができる。

そして、この加湿器１００では、加湿タンク１０１の底部に球面部１０６を設け、さらにこの球面部１０６を変位自在に支持する球面支持部１０７を設けたことで、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく移動体の姿勢変動の影響を抑制することができ、よって、適正な加湿性能を確保しつつ加湿タンク１０１を小型化することができ、加湿器１００をコンパクトにすることができる。

このように本実施例の加湿器１００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部１０６を有する加湿タンク１０１と、加湿タンク１０１の下部に設けられる重量部１１０と、球面部１０６の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持部１０７とを備える。

したがって、加湿タンク１０１の底部に球面部１０６を設けると共にこの球面部１０６を変位自在に支持する球面支持部１０７を設け、さらに、加湿タンク１０１の下部に重量部１１０を設けたことで、加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に位置するので、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、これに伴って球面支持部１０７が傾斜する一方、加湿タンク１０１はこの球面支持部１０７に対して相対的に変位して常時その姿勢が一定に維持されることから、水分１０２の液面１０２ａが動揺、傾斜することを防止することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。

さらに、このように本実施例の加湿器１００にあっては、球面支持部１０７は、球面部１０６に接して加湿タンク１０１を浮動可能に支持する支持媒体としての水１０８と、水１０８を貯留する支持タンク１０９とを有する。したがって、加湿タンク１０１を支持タンク１０９内に貯留されている水１０８に浮かべて支持することで、この加湿タンク１０１は支持タンク１０９に対して相対的に変位することができ、さらに、重量部１１０により加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に位置するので、水１０８上で浮動する加湿タンク１０１の挙動を安定させることができる。

さらに、このように本実施例の燃料電池システム１にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部１０６を有する加湿タンク１０１と、加湿タンク１０１の下部に設けられる重量部１１０と、球面部１０６の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持部１０７とを有する加湿器１００と、加湿された反応ガスとしての水素ガス及び酸素ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池２とを備える。したがって、各反応ガスを加湿する各加湿器１００にて、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができることから、コンパクトな構成で安定した発電を実現することができる。

図４は、本発明の実施例２に係る加湿器の概略断面図である。実施例２に係る加湿器は、実施例１に係る加湿器と略同様の構成であるが、加熱手段を設けている点で実施例１に係る加湿器とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

図４に示すように、実施例２に係る加湿器２００は、加熱手段としての加熱部２１１を備える。加熱部２１１は、支持媒体としての水１０８を加熱可能なものである。本実施例の加熱部２１１は、燃料電池システム１の燃料電池２（図２参照）と、冷却水循環配管５を含んで構成される。ここでは、冷却水循環配管５は、実施例１において図２に示した熱交換器７に代えて、その経路の途中に支持タンク１０９が接続される。

すなわち、燃料電池２は、水素ガスと酸素ガスとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。そして、この電気化学的反応は、発熱反応であることから、上述したように、燃料電池２（図２参照）は、冷却水循環配管５（図２参照）を循環する冷却水により発電で発生した熱が奪われ冷却される。この冷却水は、発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、冷却水循環配管５を介して支持タンク１０９に導入される。そして、この冷却水は、支持タンク１０９に貯留される支持媒体としての水１０８として用いられる。このとき、発電により発生した熱を回収した水１０８と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、冷却水としての水１０８の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇する。そして、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。すなわち、この支持タンク１０９に一時的に貯留される水１０８は、球面部１０６に接して加湿タンク１０１を浮動可能に支持する本発明の支持媒体であると共に燃料電池２を冷却する冷却水でもあり、さらに、反応ガスを加熱する加熱媒体でもある。つまり、加湿器２００は、実施例１における熱交換器７としても機能する。

そして、水分１０２と熱交換することで温度が低下した水１０８は、冷却水循環配管５を介して支持タンク１０９から導出され、燃料電池２に至り再び発電で発生した熱を奪って燃料電池２を冷却する一方、温度が上昇した反応ガスは、燃料電池２での電気化学的反応に適した温度（例えば、５０℃から７０℃、好ましくは６０℃前後）で燃料電池２に供給される。これにより、燃料電池２を確実に冷却することができ、よって、燃料電池２がオーバーヒートしてしまうことを防止することができ、燃料電池２の効率のよい発電を確保することができると共に燃料電池２における排熱を効果的に利用して反応ガスの温度を上昇させることで、燃料電池システム１全体の効率も向上することができる。

このように本実施例の加湿器２００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部１０６を有する加湿タンク１０１と、加湿タンク１０１の下部に設けられる重量部１１０と、球面部１０６の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持部１０７とを備える。したがって、加湿タンク１０１の底部に球面部１０６を設けると共にこの球面部１０６を変位自在に支持する球面支持部１０７を設け、さらに、加湿タンク１０１の下部に重量部１１０を設けたことで、加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に位置するので、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、これに伴って球面支持部１０７が傾斜する一方、加湿タンク１０１はこの球面支持部１０７に対して相対的に変位して常時その姿勢が一定に維持されることから、水分１０２の液面１０２ａが動揺、傾斜することを防止することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。

さらに、このように本実施例の加湿器２００にあっては、支持媒体としての水１０８を加熱可能な加熱手段としての加熱部２１１を備える。したがって、加熱部２１１により水１０８を加熱することで水１０８の温度が上昇するので、加湿タンク１０１を浮動可能に支持する支持媒体としての水１０８を加熱媒体としても用いることができ、温度が上昇した水１０８により加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスが加熱されることで加湿気体の温度を調節することができる。この結果、加湿タンク１０１で加湿された反応ガスを燃料電池２での電気化学的反応に適した温度で燃料電池２に供給することができ、燃料電池システム１での発電効率を向上することができる。

さらに、このように本実施例の加湿器２００にあっては、加熱部２１１は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池２を有し、支持媒体としての水１０８は、燃料電池２の発電で発生した熱を奪う冷却水である。したがって、燃料電池２の発電で発生した熱を奪って燃料電池２を冷却する冷却水を水１０８として用いることで、この水１０８は、燃料電池２による発電で発生した熱を奪うことで温度が上昇し、その後、支持タンク１０９に貯留される支持媒体として用いられ、このとき、発電により発生した熱を回収した水１０８と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、水１０８の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇し、さらに、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。このため、燃料電池２を確実に冷却することができ、よって、燃料電池２がオーバーヒートしてしまうことを防止することができ、燃料電池２の効率のよい発電を確保することができると共に燃料電池２における排熱を効果的に利用して反応ガスの温度を上昇させることで、燃料電池システム１全体の効率も向上することができる。

図５は、本発明の実施例３に係る加湿器の概略断面図である。実施例３に係る加湿器は、実施例２に係る加湿器と略同様の構成であるが、加熱手段の構成の点で実施例２に係る加湿器とは異なる。その他、実施例２と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

図５に示すように、実施例３に係る加湿器３００は、実施例２の加熱部２１１に代えて、加熱手段としての加熱ヒータ３１１を備える。加熱ヒータ３１１は、例えば、抵抗率が大きく、融点が高く、酸化しにくい抵抗線に電流を通し、電気エネルギーを熱エネルギーに変える電気式のヒータなどを用いることができる。加熱ヒータ３１１は、抵抗線が支持タンク１０９内に貯留される水１０８中に設けられ、この抵抗線に支持タンク１０９の外部から電流を供給することで、抵抗線にて電気エネルギーを熱エネルギーに変えてその発熱を利用して支持媒体としての水１０８を加熱する。

すなわち、加熱ヒータ３１１が支持タンク１０９内の水１０８を加熱すると、この水１０８の温度は上昇する。そして、温度が上昇した水１０８と、加湿タンク１０１内に貯留される水分１０２とが熱交換することで、冷却水としての水１０８の温度が低下する一方、水分１０２の温度が上昇する。そして、この水分１０２は、加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスを加熱し、これにより反応ガスの温度が上昇する。すなわち、この支持タンク１０９に貯留される水１０８は、球面部１０６に接して加湿タンク１０１を浮動可能に支持する本発明の支持媒体であると共に反応ガスを加熱する加熱媒体でもある。そして、温度が上昇した反応ガスは、燃料電池２での電気化学的反応に適した温度（例えば、５０℃から７０℃、好ましくは６０℃前後）で燃料電池２に供給される。これにより、より簡単な構成で反応ガスの温度を上昇させることができる。

なお、本実施例の加湿器３００は、さらに気相選択透過膜３１２を備える。この気相選択透過膜３１２は、反応ガスが透過可能であると共に加湿タンク１０１に貯留される水分１０２が透過不能な膜であり、水素ガス又は酸素ガスを選択的に透過することができるものである。気相選択透過膜３１２は、例えば、気体の透過性を有する多孔質支持体の表面に、パラジウム（Ｐｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）等からなる透過膜やジルコニウム（Ｚｒ）と、ニッケル、クロム、鉄、銅、バナジウム、チタン等との合金を使用した透過膜などを用いることができる。この気相選択透過膜３１２は、加湿タンク１０１内の反応ガスの流動方向に対して液面１０２ａより下流側に設けられる。さらに具体的には、気相選択透過膜３１２は、排出口１０４に設けられる。気相選択透過膜３１２は、この排出口１０４に設けられることで、その面積を最小限にすることができる。

上記のように加湿タンク１０１内の反応ガスの流動方向に対して液面１０２ａより下流側に気相選択透過膜３１２を設けることで、液面１０２ａを介して水分１０２から抜け出して加湿タンク１０１中を上昇する反応ガスに随伴した水滴（ミスト）を除去することができる。気相選択透過膜３１２を通過できなかった水滴は、落下して再び貯留部１０５に貯留される。すなわち、反応ガスに随伴した水滴がこの気相選択透過膜３１２よりも下流側に運ばれてキャリーオーバーされることを防止することができる。そして、適正に加湿されると共に水滴が除去された反応ガスのみが気相選択透過膜３１２を通過し、燃料電池２に供給される。したがって、燃料電池２まで水滴が到達することを防止することができ、よって電池性能の低下を防止することができる。

このように本実施例の加湿器３００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部１０６を有する加湿タンク１０１と、加湿タンク１０１の下部に設けられる重量部１１０と、球面部１０６の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持部１０７とを備える。したがって、加湿タンク１０１の底部に球面部１０６を設けると共にこの球面部１０６を変位自在に支持する球面支持部１０７を設け、さらに、加湿タンク１０１の下部に重量部１１０を設けたことで、加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に位置するので、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、これに伴って球面支持部１０７が傾斜する一方、加湿タンク１０１はこの球面支持部１０７に対して相対的に変位して常時その姿勢が一定に維持されることから、水分１０２の液面１０２ａが動揺、傾斜することを防止することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。

さらに、このように本実施例の加湿器３００にあっては、支持媒体としての水１０８を加熱可能な加熱手段としての加熱ヒータ３１１を備える。したがって、加熱ヒータ３１１により水１０８を加熱することで水１０８の温度が上昇するので、加湿タンク１０１を浮動可能に支持する支持媒体としての水１０８を加熱媒体としても用いることができ、温度が上昇した水１０８により加湿タンク１０１内で加湿される反応ガスが加熱されることで加湿気体の温度をより簡単な構成で調節することができる。この結果、加湿タンク１０１で加湿された反応ガスを燃料電池２での電気化学的反応に適した温度で燃料電池２に供給することができ、燃料電池システム１での発電効率を向上することができる。

図６は、本発明の実施例４に係る加湿器の概略断面図である。実施例４に係る加湿器は、実施例１に係る加湿器と略同様の構成であるが、波抑制手段を備える点で実施例１に係る加湿器とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

図６に示すように、実施例４に係る加湿器４００は、波抑制手段としての格子板４１３を備える。格子板４１３は、水分１０２の液面１０２ａに沿って設けられる。格子板４１３は、互いに直交するように並べられた複数の仕切り材（格子）を有し、この仕切り材により液面１０２ａを複数の矩形状の部分領域４１３ａに区画する。このように液面１０２ａを複数の部分領域４１３ａに区画することで、仮に加湿タンク１０１が多少動揺、傾斜したとしても、格子板４１３の仕切り材により液面１０２ａの振動が大きくなる前に大きな波の形成を抑制することができる。

このように本実施例の加湿器４００にあっては、内部に貯留される水分１０２中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部１０６を有する加湿タンク１０１と、加湿タンク１０１の下部に設けられる重量部１１０と、球面部１０６の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持部１０７とを備える。したがって、加湿タンク１０１の底部に球面部１０６を設けると共にこの球面部１０６を変位自在に支持する球面支持部１０７を設け、さらに、加湿タンク１０１の下部に重量部１１０を設けたことで、加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に位置するので、加湿タンク１０１が搭載される移動体が動揺、傾斜しても、これに伴って球面支持部１０７が傾斜する一方、加湿タンク１０１はこの球面支持部１０７に対して相対的に変位して常時その姿勢が一定に維持されることから、水分１０２の液面１０２ａが動揺、傾斜することを防止することができる。このため、加湿タンク１０１の水深を余分に大きくすることなく水分１０２中における反応ガスの気泡の滞留時間を十分に確保することができる。この結果、コンパクトで安定した加湿性能を得ることができる。

さらに、このように本実施例の加湿器４００にあっては、水分１０２の液面１０２ａに沿って設けられ該液面１０２ａを複数の部分領域４１３ａに区画する波抑制手段としての格子板４１３を備える。したがって、格子板４１３により液面１０２ａを複数の部分領域４１３ａに区画することで、仮に加湿タンク１０１が多少動揺、傾斜したとしても、液面１０２ａの振動が大きくなる前に大きな波の形成を抑制することができる。よって、より安定した加湿性能を得ることができる。

なお、上述した本発明の実施例に係る加湿器及び燃料電池システムは、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。本発明の実施例に係る加湿器は、以上で説明した実施例を複数組み合わせることで構成してもよい。

以上の説明では、加湿器は、燃料電池システムに適用した場合で説明したが、これに限らず、加湿された気体を用いる種々の装置にも適用可能である。また、加湿器、燃料電池システムは、自動車や水中航走体（無人潜水機）等の移動体に搭載されるものとして説明したがこれに限らず、固定された装置に搭載してもよい。

以上の説明では、加湿タンクは、全体として球体をなすものとして説明したが、底部に球面状に設けられる球面部を有していれば、頂部（排出口１０４側）の外周面は、半球面状でなくてもよい。また、以上の説明では、支持タンクに貯留され球面部に接して加湿タンクを浮動可能に支持する支持媒体は水１０８であるものとして説明したが、支持媒体としてオイルやその他の液体、粉体などを用いるようにしてもよい。また、以上の説明では、球面支持手段は、支持媒体と支持タンクとを有するものとして説明したが、支持媒体を介さずに直接に加湿タンクの球面部を変位自在に支持する構成であってもよい。この場合、加湿タンクの球面部は、球面支持手段に対して潤滑油等を介して摺動することで相対的に変位自在となるようにすればよい。また、以上の説明では、重量部は、加湿タンクの外周面最下部に設けるものとして説明したが、加湿タンクの内部に設けてもよいし、最下部よりもやや上に設けてもよい。要するに加湿タンクの重心が鉛直方向下方に下がればどこでもよい。

また、以上の説明では、重量部１１０は、加湿タンク１０１の外周面の最下部において導入口１０３の背面に設けられるものとして説明したが、これに限らず、加湿タンク１０１の重心が鉛直方向下側に下がるように加湿タンク１０１の下部に設けられていればよく、鉛直方向下側に設けられる導入口１０３がこの重量部１１０の重みにより鉛直方向最下部に位置するように加湿タンク１０１の姿勢を維持できればよい。例えば、重量部１１０は、加湿タンク１０１の下側の半球にリング状に設けるようにしてもよい。

また、以上の実施例２の説明では、冷却水循環配管５は、実施例１において図２に示した熱交換器７に代えて、その経路の途中に支持タンク１０９が接続されるものとして説明したが、経路の途中に熱交換器７と支持タンク１０９の両方を設けるようにしてもよい。

また、以上の実施例４の説明では、波抑制手段は、水分１０２の液面１０２ａに沿って設けられる格子板４１３により構成し、液面１０２ａを複数の矩形状の部分領域４１３ａに区画するものとして説明したが、液面１０２ａを複数の部分領域に区画するものであればなんでもよく、例えば、複数の孔を有する多孔板を用いてもよい。すなわち、波抑制手段としての多孔板により液面１０２ａを複数の円形状の部分領域４１３ａに区画するようにしてもよい。

本発明に係る加湿器及び燃料電池システムは、コンパクトで安定した加湿性能を得るものであり、種々の加湿器及び燃料電池システムに適用することができる。

本発明の実施例１に係る加湿器の概略断面図である。 本発明の実施例１に係る加湿器が適用された燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施例１に係る加湿器の作用を説明する概略断面図である。 本発明の実施例２に係る加湿器の概略断面図である。 本発明の実施例３に係る加湿器の概略断面図である。 本発明の実施例４に係る加湿器の概略断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料ガス供給配管
４ 酸化剤ガス供給配管
５ 冷却水循環配管
６ 電力供給装置
７ 熱交換器
１００、２００、３００、４００ 加湿器
１０１ 加湿タンク
１０２ 水分（液体）
１０２ａ 液面
１０３ 導入口
１０４ 排出口
１０５ 貯留部
１０６ 球面部
１０７ 球面支持部（球面支持手段）
１０８ 水（支持媒体）
１０９ 支持タンク
１１０ 重量部
２１１ 加熱部（加熱手段）
３１１ 加熱ヒータ加熱手段）
３１２ 気相選択透過膜
４１３ 格子板（波抑制手段）
４１３ａ 部分領域

Claims (6)

1. 内部に貯留される液体中に気体を導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部を有する加湿タンクと、
   前記加湿タンクの下部に設けられる重量部と、
   前記球面部の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持手段とを備えることを特徴とする、
   加湿器。
2. 前記球面支持手段は、前記球面部に接して前記加湿タンクを浮動可能に支持する支持媒体と、前記支持媒体を貯留する支持タンクとを有することを特徴とする、
   請求項１に記載の加湿器。
3. 前記支持媒体を加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする、
   請求項２に記載の加湿器。
4. 前記加熱手段は、反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池を有し、
   前記支持媒体は、前記燃料電池の発電で発生した熱を奪う冷却水であることを特徴とする、
   請求項３に記載の加湿器。
5. 前記液体の液面に沿って設けられ該液面を複数の部分領域に区画する波抑制手段を備えることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の加湿器。
6. 内部に貯留される水分中に反応ガスを導入し加湿して排出可能であると共に底部に球面状に設けられる球面部を有する加湿タンクと、前記加湿タンクの下部に設けられる重量部と、前記球面部の外周を相対的に変位自在に支持する球面支持手段とを有する加湿器と、
   前記加湿された反応ガスの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備えることを特徴とする、
   燃料電池システム。

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