JP2009275948A - 加湿装置とこれを有する燃料電池システムおよび燃料電池評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスを加湿する際の新たな加湿手法の提供と、加湿調整の追従性の向上を図る。
【解決手段】燃料電池１１０のアノードには、メイン管路２２０を通過する乾燥水素ガスと加湿装置２４０を経て加湿された加湿水素ガスの混合ガスが供給される。加湿装置２４０は、容器２４１の内部の異なる位置に第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６を備え、選択された一の気泡噴出体から水素ガスを気泡として噴出し、容器内の液層を気泡が上昇通過する間にガスを加湿する。第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６のいずれかから気泡噴出を行うに当たり、噴出された気泡が容器液層の液面に上昇するまでの気泡上昇経路長は、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の順に長くなり、気泡噴出体を切り替えることでガスの加湿程度を調整できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを加湿する加湿装置と、この加湿装置を燃料電池への燃料ガスの供給系と酸素含有ガスの供給系の少なくともいずれか備えた燃料電池セルシステム、燃料電池評価装置に関する。

燃料電池、特に高分子電解質膜を用いる燃料電池では、電解質膜を所定の湿潤状況下に置くことで燃料ガス中の燃料（例えば、水素）と酸素の電気化学反応の円滑化させている。このため、燃料電池のみならずその評価装置においても、ガスの供給系にバブリングによりガスを加湿する加湿装置を組み込むことがなされている（例えば、特許文献１等）。

特開２００６−１３４７３３号公報 特開２００６−１６２１３４号公報

ところで、燃料電池を通常運転させる際、供給されるガスに求められる加湿程度は一律ではなく、加湿程度を種々調整することが必要とされる。例えば、電解質膜の湿潤不足の状況では、乾燥回避のために高い加湿程度でのガス供給が求められ、湿潤過多では湿潤抑制のために加湿程度を抑えたガス供給が求められる。特に、燃料電池の性能評価を行う場合には、運転条件を変えつつ評価を行う都合上、広い範囲での加湿程度調整が求められるので、加湿済みで加湿程度が高いガスと加湿程度の低いガス（例えば、乾燥ガス）とを混合して加湿調整することがなされている。

上記した公報では、バブリングでのガス加湿調整に際して、低ガス流量での加湿調整改善のため、気泡噴出口を有する管路を回転させる手法や（特許公報２）、乾燥ガスと加湿ガスとの流量比調整を図る手法（特許公報１）などが提案されている。

しかしながら、燃料電池の運転状態やその評価のための運転状態は多種多彩であるため、上記した手法以外のガス加湿調整が求められるに到った。特に、乾燥ガスと加湿ガスとの流量比調整を行う場合には、乾燥ガス流量の増減は、ガスが乾燥しているために乾燥ガス・加湿ガスの混合ガスの加湿程度、即ち露点温度に大きく影響する。よって、加湿ガスの側での加湿程度を調整するに当たり、バブリングの際の水温調整を要していた。一般に、水温調整は追従性が低いため、ガス加湿程度を調整する度に水温が安定するまで、評価装置における燃料電池へのガス供給を待機する必要があった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、ガスを加湿する際の新たな加湿手法の提供と、加湿調整の追従性の向上を図ることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用：加湿装置]
ガスを加湿する加湿装置であって、
水を貯留し、該貯留水の水面を境に液層と気層に分ける容器と、
該容器の前記液層に前記ガスを気泡として噴出するに当たり、気泡噴出箇所から前記液層の液面に前記気泡が上昇するまでの気泡上昇経路長を調整して、ガス加湿程度を可変設定する気泡噴出手段とを備える
ことを要旨とする。

上記構成の加湿装置では、気泡噴出箇所から噴出された気泡は、容器の貯留水の中を上昇し液層液面に達して弾けてバブリングを起こし、当該気泡を形成するガス自体の加湿を図る。この際、気泡噴出手段は、気泡噴出箇所から液層液面に気泡が上昇するまでの気泡上昇経路長を調整するので、この経路長に応じて液層での気泡と水との接触時間を変えることでガスの加湿程度を調整でき、気泡上昇経路長を長くすれば加湿程度を高め、経路長を短くすることで加湿程度を抑制できる。よって、上記構成の加湿装置によれば、気泡噴出箇所から液層液面までの気泡上昇経路長の調整という新たな手法を経て、加湿程度を調整できる。

上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、要求される加湿程度が高いほど前記気泡上昇経路長を長くして気泡噴出を行うようにでき、こうすれば要求加湿程度に応じて気泡上昇経路長を変更するだけでよい。

このように気泡上昇経路長を変更するに当たっては、前記気泡噴出箇所から前記液層の液面までの距離を可変することが簡便であり、例えば、前記気泡噴出箇所を前記容器における鉛直方向の異なる位置に備え、該異なる位置の前記気泡噴出箇所のいずれかから気泡を噴出させればよい。こうすれば、気泡噴出箇所の選択とその選択した気泡噴出箇所からの気泡噴出を行うだけでよい。なお、容器における液層の液面を上下推移させるようにすることもできる。

また、前記容器を通過したガスより加湿程度の低いガスを下流に流す管路に、前記容器の前記気層の領域からの合流管路を合流させ、その合流点より下流側の前記管路を流れるガスの加湿状況が要求される加湿程度に一致するよう前記気泡噴出手段を制御して、前記ガス加湿程度を調整するガス混合態様の加湿装置とすることもできる。こうすれば、次の利点がある。なお、説明の便宜上、容器を通過したガスより加湿程度の低いガスを未加湿ガスと称する。

未加湿ガスと容器にて加湿済みのガス（加湿ガス）は合流して混合ガスとなり、下流のガス要求機器に供給される。未加湿ガスが乾燥ガスである場合には、このガス要求機器に供給される混合ガスの加湿程度は、未加湿ガスと加湿ガスとの流量比と、加湿ガスの加湿程度と、それぞれのガスの温度で定まる。今、ガス要求機器が飽和水蒸気の状態でガスの供給を受けるとすると、ガス要求機器の要求加湿程度は露点温度で表すことができる。そして、要求加湿程度がある露点温度であると、未加湿ガスおよび加湿ガスとも、その流量比や加湿ガスの加湿程度を考慮して定めた温度とされる。具体的には、未加湿ガスはその管路やガス供給源にて温度調整がされ、加湿ガスは容器に貯留した水の温度調整がなされる。例えば、容器の貯留水は、未加湿ガスに加湿ガスが合流して加湿程度が低下して露点が下がることを見越し、露点温度より高い温度に調整される。

こうした状況下で要求加湿程度が例えば下がって露点温度が低下したと想定すると、気泡噴出箇所が固定された既存の加湿装置では、容器の貯留水の温度についても現状よりも低い目標温度に調整せざるを得ない。そうすると、この低目標温度に貯留水が落ち着くまでは、容器の気泡噴出箇所からの気泡噴出、延いては混合ガスの供給を一時的に中断することになる。容器貯留水の温度の目標温度への調整には、貯留水量や調整温度差或いは温度推移早さ等の影響を受けて所定の時間を要し、温度調整の追従性が低いため、混合ガス供給をある程度の時間に亘って待機する必要がある。なお、加湿ガスの流量を少なくすることでも加湿ガスの加湿程度、延いては混合ガスの加湿程度を下げて露点温度も下げることができるが、こうなると加湿ガスのみならず混合ガスの流量も低下するため、流量一定化での露点温度変化には対応できない。

これに対し、上記したガス混合態様の加湿装置では、気泡噴出手段の制御を経て加湿ガスにおけるガス加湿程度を気泡噴出箇所から液層液面までの気泡上昇経路長を調整でき、この調整済みの加湿ガスを未加湿ガスと混合させた混合ガスの加湿程度を、要求加湿程度に一致するようにできる。そして、こうした加湿程度の調整に際しては、容器の貯留水水温を露点温度の変化に合わせて調整する必要性が低下する。この結果、上記したガス混合態様の加湿装置によれば、容器の貯留水をほぼ定常とした状態で、加湿ガスの加湿程度、延いては未加湿ガスとの混合ガスの加湿程度を種々調整でき、貯留水温度調整を要しない分だけ、加湿程度調整済みの混合ガスを速やかに下流に供給できる。しかも、容器の貯留水水温をほぼ定常とできることから、水温維持に必要な熱源構成でよく、冷却構成を必要としないので、装置の小型化が可能となる。

上記した加湿装置は、加湿したガスを用いる他の機器と併用できる。例えば、燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムや、燃料電池を発電運転して燃料電池性能の評価を行う燃料電池評価装置における燃料電池への燃料ガスの供給系と酸素含有ガスの供給系の少なくともいずれか一方の供給系に、上記した加湿装置を設けて、加湿済みの燃料ガス或いは酸素含有ガスもしくはこの両者を燃料電池に供給するようにもできる。こうすれば、燃料電池には、要求加湿程度とされた燃料ガス或いは酸素含有ガスもしくはこの両者を燃料電池に速やかに供給できるので、燃料電池の運転定常化、延いては迅速な評価に寄与できる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池評価システム１０の全体構成を概略的に示す説明図である。

図示するように、この燃料電池評価システム１０は、燃料電池システム１００と燃料電池評価装置５００とを備え、燃料電池システム１００が有する燃料電池１１０の性能を燃料電池評価装置５００にて評価する。燃料電池１１０は、電解質膜の両側に電極を接合させた図示しない膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成される。そして、この燃料電池１１０は、アノードに供給された水素ガス中の水素と、カソードに供給された酸素含有ガスの酸素との電気化学反応を起こして発電し、その発電電力にてモータ等の負荷１２０を駆動する。燃料電池評価装置５００は、水素ガスおよび酸素含有ガスの供給量や露点温度等と、これら両ガスを供給している状況下での負荷１２０の駆動状況とから燃料電池１１０の性能を評価する。

燃料電池システム１００は、上記した燃料電池１１０に水素ガスを供給する水素ガス供給系２００と、酸素含有ガスとしての空気を供給する空気供給系３００とを備える。水素ガス供給系２００と空気供給系３００は、燃料電池１１０のアノードとカソードへのガス供給を、飽和水蒸気状態での水素ガス或いは空気の供給が可能で、且つ、露点温度も変更して行うよう以下のように構成されている。なお、上記両供給系は、その構成が同じであるので、水素ガス供給系２００について説明する。

水素ガス供給系２００は、水素タンク等の水素ガス供給源２１０を備え、当該供給源から延びるメイン管路２２０とサブ管路２３０とを備える。メイン管路２２０は、管路途中に、流量調整弁２２２と、上流側ガス温度調整器２２４と、下流側ガス温度調整器２２６と、露点計測器２２８とを備え、燃料電池１１０のアノードに流量調整弁２２２にて流量を調整した上で水素ガスを導入する。上流側ガス温度調整器２２４は、水素ガス供給源２１０からの水素ガス（乾燥水素ガス）の温度を熱交換を経て調整し、燃料電池評価装置５００からの制御を受けて乾燥水素ガスの温度を調整する。下流側ガス温度調整器２２６は、後述のサブ管路２３０からの加湿済み水素ガス（加湿水素ガス）と乾燥水素ガスとの混合ガスの温度を熱交換を経て調整し、燃料電池評価装置５００の制御を受けて混合ガスの温度を調整する。こうしたガス温度制御に際して、燃料電池評価装置５００は、燃料電池１１０の性能評価に際して設定した露点温度に応じて上記の両温度調整器を制御し、混合ガスについてはその温度を露点計測器２２８の検出露点温度と対比しつつ設定露点温度に調整する。

サブ管路２３０は、その管路途中に、流量調整弁２３１と、加湿装置２４０と、合流管路２３２とを備え、下流側ガス温度調整器２２６の上流側でメイン管路２２０に合流する。そして、このサブ管路２３０は、加湿装置２４０にて加湿済みの水素ガス（加湿水素ガス）を流量調整弁２３１にて流量を調整した上で合流管路２３２からサブ管路２３０の水素ガス（乾燥水素ガス）に混合させる。よって、燃料電池１１０は、そのアノードに、乾燥水素ガスと加湿水素ガスの混合ガスの供給を受ける。

加湿装置２４０は、サブ管路２３０を通過してメイン管路２２０に合流する水素ガスを加湿するため、容器２４１と、その内部の第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６と、水温維持器２５０と、水補給器２６０とを備える。容器２４１は、水を貯留し、該貯留水の水面を境に液層と気層に分け、水補給器２６０からの水の補給を受けることで、液層の水面を所定水位に維持する。図２は第１気泡噴出体２４２を平面視してその概略構成を示す説明図、図３は容器２４１における第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の平面的な配置状態を示す説明図である。

第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６は、ほぼ同一の構成を備え、容器２４１における鉛直方向の異なる位置に配設され、第１気泡噴出体２４２は容器の液層において最上部に位置し、第２気泡噴出体２４４は液層中段に、第３気泡噴出体２４６は液層最下部に位置する。これら第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６は、サブ管路２３０から分岐形成された分岐管路２３３〜２３５と繋がっている。図２に示すように、第１気泡噴出体２４２は、多孔質体から形成された噴出部２４２ａを円周上に等ピッチで備え、分岐管路２３３と繋がった中空のコア部２４２ｂから放射状に延びた管路２４２ｃにより噴出部２４２ａにガスを導く。よって、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６は、分岐管路２３３〜２３５から導かれた水素ガスをそれぞれの噴出部２４２ａ〜２４６ａから気泡として噴出する。この場合、図３に示すように、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６は、それぞれの噴出部２４２ａ〜２４６ａを、図３における紙面上、即ち容器２４１を液層水面から平面視した状況において重ならないようにしている。このため、液層最下部の第３気泡噴出体２４６の噴出部２４６ａから噴出された気泡は、当該噴出体より上の第２気泡噴出体２４４と第１気泡噴出体２４２の噴出部と干渉することなく液層を上昇する。液層中段の第２気泡噴出体２４４の噴出部２４４ａから噴出された気泡は、当該噴出体より上の第１気泡噴出体２４２の噴出部と干渉することなく液層を上昇する。

各分岐管路２３３〜２３５には開閉弁２３６〜２３８が配設されている。燃料電池評価装置５００は、燃料電池１１０に供給するガスの要求露点温度に応じて開閉弁２３６〜２３８のいずれかの開閉弁を開弁制御するので、当該開弁した開閉弁に対応した第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６のいずれか一つから、容器２４１の液層に水素ガスが気泡として噴出される。こうした水素ガスの気泡噴出により、加湿装置２４０は、水素ガスを加湿して、合流管路２３２を経てメイン管路２２０の乾燥水素ガスに混合させ、燃料電池１１０のアノードにはこの混合ガス（水素ガス）が飽和水蒸気まで加湿された状態で供給される。

第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６は、既述したように容器液層での位置が異なるので、気泡噴出体から噴出された気泡が容器液層の液面に上昇するまでの気泡上昇経路長は、最上部の第１気泡噴出体２４２、中段の第２気泡噴出体２４４、最下部の第３気泡噴出体２４６の順に長くなる。そして、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６のいずれかの気泡噴出体からの気泡噴出を切り替えることで、気泡上昇経路長の調整を経て液層での水素ガスの気泡と水との接触時間を変え、ガスの加湿程度を調整できる。つまり、最上部の第１気泡噴出体２４２、中段の第２気泡噴出体２４４、最下部の第３気泡噴出体２４６の順に、加湿程度を高めることができる。

水温維持器２５０は、内蔵したヒータのオンオフ制御を行うことで、容器２４１の液層の水温を所定温度に維持する。本実施例では、電池性能評価を行う上で通常設定されるガス露点温度（例えば、８０℃）より若干高い約９０℃に維持するようにした。つまり、メイン管路２２０の乾燥水素ガスへの加湿水素ガスの合流により加湿程度の低下、露点低下を見越して、液層水温を高めに設定する。水補給器２６０は、水温維持器２５０による容器液層の温度と同程度の温度に維持した水を貯留し、開閉弁２６２の開弁の際に容器２４１に水を補給する。この水補給は、燃料電池システム１００の稼働時間、或いは加湿水素ガスの生成時間等に応じて定まる容器２４１からの水の持ち出し量に応じて実行され、この際、燃料電池評価装置５００は開閉弁２６２の駆動制御を行う。これにより、容器２４１における液層の水面は所定水位に維持される。

空気供給系３００は、上記した水素ガス供給系２００と同一の構成を備えるので、燃料電池１１０のカソードに乾燥空気と加湿空気との混合ガス（空気）を飽和水蒸気に加湿した状態で供給する。

燃料電池評価装置５００は、燃料電池１１０の性能評価に際して、次のようにして機器制御を行う。まず、負荷１２０を所定条件で駆動する上で要求される加湿程度、即ち飽和水蒸気状態のガスの露点温度とその際のガス供給量とを所定のマップを参照しつつ求める。次いで、求めた露点温度と供給量でのガス供給ができるよう、燃料電池評価装置５００は、水素ガス供給系２００の露点計測器２２８や空気供給系３００の露点計測器３２８の検出露点温度を参照しつつ、流量調整弁２２２や流量調整弁２３１の流量制御、並びに上流側ガス温度調整器２２４や下流側ガス温度調整器２２６等の制御、加湿装置２４０における第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の切り換え制御、加湿装置３４０における第１〜第３気泡噴出体３４２〜３４６の切り換え制御などを行う。本実施例では、既述したように容器２４１、３４１の液層水温を約９０℃の定常温度に維持しているので、燃料電池評価装置５００は、求めた露点温度と供給量に応じて、サブ管路２３０とメイン管路２２０との流量比率決定も行う。

以上説明した燃料電池評価システム１０では、燃料電池システム１００の性能を燃料電池評価装置５００にて負荷１２０の駆動状態とから評価するに当たり、燃料電池１１０には、水素ガス供給系２００の加湿装置２４０と空気供給系３００の加湿装置３４０とでそれぞれ水素ガス・空気を、評価を下す上で要求される露点温度の飽和水蒸気の状態に加湿して供給する。そして、加湿装置でのガス加湿に際しては、水素ガス供給系２００においては、容器の異なる高さ位置に設置した第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６のいずれかの気泡噴出体から水素ガスを気泡として噴出し、この噴出気泡が容器液層の液面まで上昇する間に水素ガスを加湿した。空気供給系３００においても同様に空気を加湿した。

水素ガス供給系２００における第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６および空気供給系３００における第１〜第３気泡噴出体３４２〜３４６は、容器内における高さ位置が異なる。よって、気泡噴出体から噴出された気泡が容器液層の液面に上昇するまでの気泡上昇経路長は、水素ガスについては第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の順に長くなる。そして、電池性能評価に際して要求される加湿程度が高く露点温度も高い場合には、気泡上昇経路長の長い第３気泡噴出体２４６からの水素ガスの気泡噴出を行い、要求加湿程度と露点温度が低くなれば、第２気泡噴出体２４４や第１気泡噴出体２４２から気泡噴出を行う。こうすることで、メイン管路２２０を流れる乾燥水素ガスに、加湿水素ガスをその加湿程度を調整した上で混合させ、その混合ガスを要求加湿程度の状態で燃料電池１１０のアノードに供給できる。カソードにあっても、空気を要求加湿程度の状態で供給できる。つまり、燃料電池評価システム１０によれば、容器内における高さ位置が異なる第１〜第３気泡噴出体の選択と選択気泡噴出体からの気泡噴出を行って気泡上昇経路長を調整するという新たな手法を経て、加湿程度を容易に調整できる。しかも、水素ガスの加湿程度の調整を第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の選択という簡便な手法で達成できる。空気の加湿についても同様である。

また、本実施例では、容器２４１における高さ位置が異なるように第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６を配置した上で、これら第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の噴出部２４２ａ〜２４６ａを、図３に示すように、液層水面から平面視した状況において重ならないようにして、液層下方側の噴出部から噴出された気泡を、上方側の噴出部と干渉することなく液層を上昇させるようにした。よって、気泡上昇が妨げられて気泡が合体するいわゆる気泡の成長を抑制できるので、安定した加湿程度を維持できる。

また、本実施例の燃料電池評価システム１０では、水素ガス供給源２１０から燃料電池１１０のアノードに加湿済みの水素ガスを供給するに当たり、未加湿の水素ガスが流れるメイン管路２２０に、加湿装置２４０にて加湿した加湿水素ガスをサブ管路２３０を経て合流させ、乾燥水素ガスと加湿ガス水素ガスの混合ガスをアノードに供給するようにした。そして、この合流後の混合ガスの加湿状況を燃料電池評価装置５００にて性能評価を下す上で要求される加湿程度に一致するよう、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の選択を行うようにした。この場合、要求加湿程度が高ければ、気泡上昇経路長の長い第３気泡噴出体２４６からの水素ガスの気泡噴出がなされ、要求加湿程度が低くなるにつれて第２気泡噴出体２４４、第１気泡噴出体２４２の順に気泡噴出がなされる。空気についても同様である。

上記したように加湿水素ガスと乾燥水素ガスの混合水素ガスの加湿程度は、メイン管路２２０とサブ管路２３０における乾燥水素ガスと加湿水素ガスの流量比と、加湿装置２４０での加湿程度と、ガス合流の際のそれぞれのガスの温度で定まる。空気についても同様である。本実施例の燃料電池評価システム１０では、燃料電池１１０の性能評価に際して、燃料電池評価装置５００は要求加湿程度、即ち露点温度を種々変えて評価し、ある評価を行うための燃料電池１１０の運転状態監視、即ち負荷１２０の駆動状況監視の間では、要求加湿程度は一定であり露点温度も一定である。よって、水素ガス供給系２００と空気供給系３００では、燃料電池評価装置５００からの制御を受けて、この露点温度に対応した加湿状態となるよう水素ガスおよび空気を上記した混合ガスの状態で所定の加湿程度とする。

本実施例では、容器２４１に液層水温を、上記したように電池性能評価を行う上で通常設定されるガス露点温度（８０℃）より高い約９０℃に維持し、この液層温度において第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６を選択することで加湿水素ガスを生成する。そして、燃料電池評価装置５００が定めた露点温度の混合ガス（水素ガス）がアノードに供給されるよう、乾燥水素ガスと加湿水素ガスの流量比を定めた上で、メイン管路２２０の乾燥水素ガスとサブ管路２３０の加湿水素ガスを混合させた。空気についても同様である。これにより、燃料電池評価装置５００がある評価を行うために燃料電池１１０の運転状態を監視している期間では、当該評価に即した露点温度のガス供給がなされる。

燃料電池評価装置５００が異なる評価を行うために、要求加湿程度を例えば低下させると、これに伴って燃料電池１１０に供給されるガスの露点温度は低下する。本実施例では、容器２４１の液層水温を上記温度に維持したままで、加湿水素ガスの加湿程度が低くなるよう気泡噴出体を、例えば、第３気泡噴出体２４６から第２気泡噴出体２４４に切り換える。そして、この切り換えた第２気泡噴出体２４４からの気泡噴出で得られる加湿水素ガスをメイン管路２２０の乾燥水素ガスに合流させた場合の混合水素ガスが上記低下した露点温度のガスとなるよう、乾燥水素ガスと加湿水素ガスの流量比を改めて定めた上で、メイン管路２２０の乾燥水素ガスとサブ管路２３０の加湿水素ガスを混合させる。よって、本実施例の燃料電池評価システム１０によれば、容器２４１の液層水温を上記温度に維持したままで、種々の加湿程度の水素ガスをアノードに供給できる。空気についても同様である。この結果、容器２４１の液層水温を変更する必要がないので、水温変更の完了を待機することなく、速やかに新たな評価のためのガス供給を開始できる。しかも、容器２４１の液層水温を約９０℃に維持すればよいので、水温維持器２５０を水温維持に必要な熱源構成とすればよく冷却構成を必要としないので、装置の小型化や簡素化できる。空気供給系３００における容器３４１の水温維持器３５０についても同様である。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、容器２４１の異なる位置に第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６を設けて液層水位までの気泡上昇経路長を調整したが、次のように構成することもできる。

図４は変形例の加湿装置２４０Ａの概略構成を示す説明図である。この変形例では、容器液層の水位を上下させることで、気泡上昇経路長を調整する点に特徴がある。図示するように、変形例の加湿装置２４０Ａは、底部に単一の気泡噴出体２４６Ａを配設した容器２４１Ａと、連通管路２７２で容器２４１Ａと容器底部で連通した補助容器２７０と、この補助容器２７０への給排水を行う給排水器２８０とを備える。給排水器２８０は、補助容器２７０への給排水により当該容器の水面ＨＷＳを上下に変更するので、補助容器２７０と連通管路２７２にて連通した容器２４１Ａの液層水面ＷＳも上下に推移する。こうした液層水面ＷＳの水位変化により、気泡噴出体２４６Ａから噴出された気泡が液層水面ＷＳまで上昇するまでの気泡上昇経路長を調整できる。よって、加湿装置２４０Ａによっても、気泡上昇経路長の調整を経て、上記した実施例と同様の効果を奏することができる。

また、上記の実施例では、アノードへの水素ガス供給系とカソードへの空気供給系の両供給系に加湿装置を設置したが、いずれか一方の供給系に設置するようにすることもできる。この他、燃料電池評価装置５００を有する燃料電池評価システム１０について説明したが、燃料電池評価装置５００を備えない燃料電池システム１００についても適用できる。更には、燃料電池システム１００に限らず、所定の加湿程度のガスを用いる他の機器についても適用できる。

更に、例えば水素ガス供給系２００における第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６を、それぞれの噴出部を同程度の細孔を有する多孔質体とすることに加え、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６ごとに異なる細孔を有する多孔質体の噴出部とすることもできる。例えば、高加湿程度の加湿ガスが求められる場合には、容器最下部の第３気泡噴出体２４６を細孔径が小さい多孔質体の噴出部２４６ａを備えるものとし、第２気泡噴出体２４４や第１気泡噴出体２４２については細孔径がやや大きな多孔質体の噴出部を備えるものとすることもできる。或いは、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６が有する図３の噴出部２４２ａ〜２４６ａの半分を細孔径が小さい多孔質体の噴出部とし、残り半分の噴出部を細孔径がやや大きな多孔質体の噴出部とする。こうした上で、例えば、コア部２４２ｂ〜２４６ｂにおいて各噴出部に到る管路２４２ｃ〜２４６ｃを切り換え、細孔径が小さい多孔質体の噴出部からの気泡噴出と、細孔径がやや大きな多孔質体の噴出部からの気泡噴出とを切り換えるようにすることもできる。こうすれば、第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６のいずれかで気泡噴出を行う際に、多孔質体細孔の径の相違により加湿程度を高低調整できるので、各気泡噴出体の容器位置の相違と相まって、よりきめ細かく加湿程度を変更でき、好ましい。

なお、加湿装置の容器は水を貯留するものとして説明したが、加湿済みガスを要求する機器に応じて、水を溶媒とする水溶液を貯留するようにすることもできる。

本発明の実施例としての燃料電池評価システム１０の全体構成を概略的に示す説明図である。 第１気泡噴出体２４２を平面視してその概略構成を示す説明図である。 容器２４１における第１〜第３気泡噴出体２４２〜２４６の平面的な配置状態を示す説明図である。 変形例の加湿装置２４０Ａの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池評価システム
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１２０…負荷
２００…水素ガス供給系
２１０…水素ガス供給源
２２０…メイン管路
２２２…流量調整弁
２２４…上流側ガス温度調整器
２２６…下流側ガス温度調整器
２２８…露点計測器
２３０…サブ管路
２３１…流量調整弁
２３２…合流管路
２３３〜２３５…分岐管路
２３６〜２３８…開閉弁
２４０、２４０Ａ…加湿装置
２４１、２４１Ａ…容器
２４２…第１気泡噴出体
２４２ａ…噴出部
２４２ｂ…コア部
２４２ｃ…管路
２４４…第２気泡噴出体
２４４ａ…噴出部
２４４ｂ…コア部
２４４ｃ…管路
２４６…第３気泡噴出体
２４６Ａ…気泡噴出体
２４６ａ…噴出部
２４６ｂ…コア部
２４６ｃ…管路
２５０…水温維持器
２６０…水補給器
２６２…開閉弁
２７０…補助容器
２７２…連通管路
２８０…給排水器
３００…空気供給系
３１０…空気供給源
３２０…メイン管路
３２２…流量調整弁
３２４…上流側ガス温度調整器
３２６…下流側ガス温度調整器
３２８…露点計測器
３３０…サブ管路
３３１…流量調整弁
３３２…合流管路
３３３〜３３５…分岐管路
３３６〜３３８…開閉弁
３４０…加湿装置
３４１…容器
３４２…第１気泡噴出体
３４４…第２気泡噴出体
３４６…第３気泡噴出体
３５０…水温維持器
３６０…水補給器
３６２…開閉弁
５００…燃料電池評価装置

Claims (7)

1. ガスを加湿する加湿装置であって、
   水を貯留し、該貯留水の水面を境に液層と気層に分ける容器と、
   該容器の前記液層に前記ガスを気泡として噴出するに当たり、気泡噴出箇所から前記液層の液面に前記気泡が上昇するまでの気泡上昇経路長を調整して、ガス加湿程度を可変設定する気泡噴出手段とを備える
   加湿装置。
2. 前記気泡噴出手段は、要求される加湿程度が高いほど前記気泡上昇経路長を長くして気泡噴出を行い、前記ガス加湿程度を可変設定する請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記気泡噴出手段は、前記気泡噴出箇所から前記液層の液面までの距離を可変する可変機構を有する請求項２に記載の加湿装置。
4. 前記可変機構は、前記気泡噴出箇所を前記容器における鉛直方向の異なる位置に備え、該異なる位置の前記気泡噴出箇所のいずれかから気泡を噴出させる噴出部選択部を備える請求項３に記載の加湿装置。
5. 請求項１に記載の加湿装置であって、
   前記容器を通過したガスより加湿程度の低いガスを下流に流す管路と、
   前記容器の前記気層の領域から前記管路に合流する合流管路と、
   該合流管路の合流点より下流側の前記管路を流れるガスの加湿状況が要求される加湿程度に一致するよう前記気泡噴出手段を制御して、前記ガス加湿程度を調整する調整手段とを備える
   加湿装置。
6. 燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池への前記燃料ガスの供給系と前記酸素含有ガスの供給系の少なくともいずれか一方の供給系に、請求項１ないし請求項５いずれかに記載の加湿装置を備える
   燃料電池システム。
7. 燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池を備え、該燃料電池を発電運転して燃料電池性能の評価を行う燃料電池評価装置であって、
   前記燃料電池への前記燃料ガスの供給系と前記酸素含有ガスの供給系の少なくともいずれか一方の供給系に、請求項１ないし請求項５いずれかに記載の加湿装置を備える
   燃料電池評価装置。

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