JP4541903B2 - 高速応答型の加湿ガス供給システムおよび加湿ガス供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、固体高分子型の燃料電池等の設備に原料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およびその供給方法に関する。

加湿ガスは、多くの分野で必要とされており、例えば、固体高分子型の燃料電池においては、必要不可欠な原料である。固体高分子型燃料電池のスタックは、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、およ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形成するとともに、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している。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、燃料ガスが有する化学エネルギーを、酸化還元反応を行う際に直接電気エネルギーとして取り出すようにしている。

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。

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、混合器を用いて、水蒸気と燃料ガスとを混合する方式の装置が用いられている。また、特許文献１の従来技術の欄に記載されているように、燃料ガスや空気等を温水中でバブリングすることにより加湿するバブラと称する装置も多く用いられている。

一方、近年の燃料電池、特に自動車用の燃料電池には、高出力が求められている。このため、燃料電池に背圧を加えて酸化還元反応を高効率にすることが行われている。
特開２００４−２７３２２２号公報

しかしながら、燃料電池本体に背圧を加えると、上流側の燃料供給用の流路も加圧されることになる。特許文献１の水蒸気と燃料ガスとを混合する方式のものでは、気体同士の混合を行うため、一定の圧力下での温度や湿度の設定変更は迅速に行うことができるが、安定性が乏しいという問題がある。

特に背圧が変動すると水蒸気の露点が変動するが、結露が発生したときの混合条件は、結露が発生しないときの混合条件とは異なる。このため、混合時の安定性を求めるためには結露を避けて運転する必要があるが、背圧を受けながら結露を避けるための混合時の水蒸気の温度や露点変更の制御を行うことは極端に困難になってしまう。

一方、バブラを用いた場合の設定変更には、次の二つの方法がある。一つは、温水温度を変更する方法で、この方法を用いた場合には、温水を用いてガスを直接加湿するので、背圧の影響を受けにくく安定性が高いが、温度や露点の設定変更要求に対しては、温水の温度を変更する必要があるため、設定変更に時間がかかるという問題がある。もう一つは、バブラを用いて製造された加湿ガスにドライガスを加えて露点を下げる方法である。この方法を用いた場合には、流量調整系統として、２系統が必要となるため、装置が複雑化し、設備コストが高くなるという問題がある。

そこで本発明が解決しようとする課題は、設定変更を迅速に行うとともに安定性が高い高速応答型の加湿ガス供給システムおよび加湿ガス供給方法を安価に提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の高速応答型の加湿ガス供給システムは、原水を供給する水供給手段と、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貯留する貯水槽および前記貯水槽内の原水を加熱する加熱手段を有し、前記貯水槽内で原水を加熱するとともに、前記ガス供給手段から供給された前記原料ガスを通過させて水蒸気を発生させる蒸発部とを備えて、所定の温度、流量、および湿度の製品加湿ガスを連続的に製造する加湿ガス供給システムであって、内部に原水を貯留する補助タンクと、この補助タンク内の原水を所定温度に保持する補助温度調節手段と、前記補助タンクから前記貯水槽に所定量の原水を供給する補助供給管とを備えた設定変更加速手段を有している。

貯水槽に供給する原水の流量および原料ガスの流量を一定にし、加熱手段によって入力された熱量から、ガスによる持ち去り熱と、貯水槽からの放熱等による損失を差し引いたものが水の気化エネルギに等しいとき、貯水槽内の原水の温度は一定になり、一定の温度、流量、湿度の加湿ガスが発生する。加熱手段の温度設定を変更して、任意の流量および任意の露点温度の加湿ガスを製造するときには、貯水槽内の原水の温度を制御パラメータとすることができる。貯水槽内の原水の温度を上昇させると、原料ガスの温度と、絶対湿度が高くなるが、原水は液体であり、水蒸気に比べて熱容量が大きいため、加熱手段のみで貯水槽内の原水全体の温度が所定温度に移行するまでには時間がかかる。すなわち、設定変更後の加湿ガスの温度、流量、湿度が安定するまで時間がかかるが、貯水槽内の原水の温度より高い温度に加熱した原水を補助タンクから貯水槽に流入させると、貯水槽内の原水温度の温度移行が迅速に行われる。原水の温度を下降させる場合においても、同様に、貯水槽内の原水の温度より低い温度の原水を補助タンクから貯水槽に流入させると、貯水槽内の原水温度の温度移行が迅速に行われる。なお、貯水槽に排水口を設けておき、貯水槽に流入した原水の量と同じ量の原水を、排水口から排出することにより、貯水槽内の原水量を一定量に保持することができる。

貯水槽の内部に、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層を形成すると、水蒸気の発生によって成長しながら上昇する気泡が細分化され、また、気泡の上昇速度を低下させて原水中の通過時間を長くするため、気泡内の原料ガスの温度および湿度が均一になる。また、補助タンクから流入した原水も多孔層によって拡散され、貯水槽内の温度移行が迅速に行われる。多孔層は、例えば、内部に多数の貫通孔を有する固体物により形成することができ、また、金網等の貫通孔を有する板状物を積層して形成することができる。また、多数の粒状物を貯水槽内に充填して形成することもできる。

補助タンクに、貯水槽から所定量の原水を回収する回収管を設けると、補助タンクから貯水槽内に原水を流入させながら貯水槽内の原水を補助タンクに回収することにより、貯水槽内の原水の量を一定量に保持することができ、原水から発生する水蒸気の量の変動をできるだけ小さく抑えることができる。

また、補助タンクを複数設けると、例えば、一の補助タンクに貯水槽内の原水より低温の原水を貯留しておくとともに、他の補助タンクに貯水槽内の原水より高温の原水を貯留しておくことができる。貯水槽内の原水の温度を下降させる場合には、一の補助タンクから原水を流入させ、また、貯水槽内の原水の温度を上昇させる場合には、他の補助タンクから原水を流入させることにより、設定温度の上昇または下降に係らず、温度移行を迅速に行うことができる。

また、一の補助タンクを空にしておき、他の補助タンクに貯水槽内の原水と異なる温度の原水を貯留しておくと、一の補助タンクに貯水槽内の原水を回収するとともに他の補助タンクから貯水槽に原水を流入させることにより、補助タンク内で原水の熱量が移動することがなくなり、補助タンク内の原水の温度を短時間で所定の温度に復元することができる。また、貯水槽内の原水の温度の変更が、少ない原水の量で行うことができ、温度変更が迅速に行われるので、特に設定変更を頻繁に行うときに対応することができる。

蒸発部の下流側に、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段を備えた熱交換器を設け、熱媒体切替手段に、気体にミストを混入させる急速調整手段を設けると、通過する加湿ガスの流量が大きいときには、熱媒体として液体を選択して、加湿ガスの温度を制御することができる。また、通過する加湿ガスの流量が小さく、液体を熱媒体とすると温度の変動が大きくなりすぎるときには、熱媒体として気体を選択して、精度よく調整することができる。また、加湿ガスの流量が小さいときであって、かつ、温度の変動が大きいときには、一時的に所定温度のミストを混入させることによって温度の変動を抑えることができる。熱媒体の液体としては、例えば、水を用いることができ、熱媒体の気体としては、例えば空気を用いることができる。また、ミストには、熱媒体として使用する液体と同じ種類の液体を用いることができ、熱交換器内で復水してドレンが発生した場合は、ドレン管から回収して、熱媒体用の液体タンクに回収することができる。

本発明の高速応答型の加湿ガス供給方法は、原水を供給する水供給手段と、原料ガスを供給するガス供給手段と、水供給手段から供給された原水を貯留する貯水槽、貯水槽の内部に形成され、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層および貯水槽内の原水を加熱する加熱手段を有し、貯水槽内で原水を加熱するとともに、ガス供給手段から供給された原料ガスを通過させて加湿ガスを発生させる蒸発部と、内部に原水を貯留する補助タンク、この補助タンク内の原水を所定温度に加熱する補助温度調節手段、および補助タンクから貯水槽に所定量の原水を供給する補助供給管を備えた設定変更加速手段とを有する加湿ガス供給システムを用いて、製品加湿ガスを連続的に製造する加湿ガス供給方法であって、補助タンク内の原水の温度を、貯水槽内の原水とは異なる温度に保持しておき、補助タンクから貯水槽内に原水を供給して製品加湿ガスの温度、流量または湿度を高速に変更する。

例えば、補助タンク内の原水を貯水層内の原水より高い温度に保持している状態で、設定変更により、貯水槽内の原水温度が現状より高い温度に変更されたとき、加熱手段で貯水槽内の原水を加熱するとともに、補助タンクから貯水槽内に所定量の原水を流入させることにより、原水の温度を迅速に上昇させる。また、補助タンク内の原水を貯水層内の原水より低い温度に保持しておき、設定温度が現状より低い温度に変更されたときに、加熱手段による加熱を停止して、貯水槽内の原水の温度を自然冷却により下げるとともに、補助タンクから貯水槽内に所定量の原水を流入させることにより、原水の温度を迅速に下降させる。

補助タンクに、貯水槽から所定量の原水を回収する回収管を設け、補助タンクから貯水槽内に原水を供給するとともに、貯水槽内から補助タンクに原水を回収すると、貯水槽内の原水と補助タンク内の原水の交換を短時間に行って、温度変更を迅速に行うことができる。

蒸発部の下流側に、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段を備えた熱交換器を設け、熱媒体切替手段に、気体にミストを混入させる急速調整手段を設け、製品加湿ガスの設定流量を変更した直後に、熱媒体切替手段を作動させると、設定流量の変動に追随して加湿ガスの温度を調整し、設定温度に迅速に近づけることができる。

液体は気体より熱容量が大きいため、加湿ガスの流量が大きいときに、熱交換器の熱媒体として液体を用いることにより、温度制御が迅速に行われる。一方、加湿ガスの流量が小さいときに、熱媒体として液体を用いると、交換される熱量が多すぎて、精度よく温度制御することが困難になる。この場合は熱媒体として、気体を用いることにより、交換される熱量が抑制され、精度よく温度制御することができる。

加湿ガスの流量が小さいときには、熱媒体として気体を用いる必要がある。しかし、露点温度の設定変更直後の温度は、設定変更開始時の状態によっては、一時的に変動することがあり、気体の熱媒体では、この変動を抑えきれないことがある。この場合に、熱媒体を気体から液体に切り替えようとしても時間がかかり過ぎるため、温度変化に追随できないが、気体にミストを噴射して混入することにより、熱媒体の熱容量を増加させずに瞬時に冷却を行って温度を調整することができる。

本発明によれば次の効果を奏する。
（１）本発明の高速応答型の加湿ガス供給システムは、水供給手段と、ガス供給手段と、貯水槽および加熱手段を有し、さらに内部に原水を貯留する補助タンクと、この補助タンク内の原水を所定温度に加熱する補助加熱手段と、貯水槽に所定量の原水を供給する補助供給管とを備えた設定変更加速手段を有しているので、貯水槽内の原水の温度より高い温度に加熱した原水を補助タンクから貯水槽に流入すると、貯水槽内の原水に、加熱手段から与えられる熱量以外に補助タンク内の原水の熱量が与えられるため、貯水槽内の原水の温度移行が連続的かつ迅速に行われる。原水の温度を下降させる場合においても、同様の手順で、貯水槽内の原水の温度より低い原水を補助タンクから貯水槽に流入すると、貯水槽内の原水の熱量が補助タンクから流入した原水に移動するため、貯水槽内の原水の温度移行が連続的かつ迅速に行われる。このように設定変更を迅速に行うとともに安定性を高くすることができる。
（２）貯水槽の内部に、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層を形成すると、水蒸気の発生によって成長しながら上昇する気泡が細分化され、また、気泡の上昇速度を低下させて原水中の通過時間を長くするため、気泡内の原料ガスの温度および湿度が均一になり、装置の安定性を高くすることができる。また、補助タンクからの原水の流入時に流入した原水が多孔層によって拡散するので、貯水槽内の原水の温度変更を迅速に行うことができる。
（３）補助タンクに、貯水槽から所定量の原水を回収する回収管を設けると、補助タンクから貯水槽内に原水を流入させながら貯水槽内の原水を回収することにより、貯水槽内の原水の量を一定量に保持することができ、発生する水蒸気量を制御しながら温度移行を連続的かつ迅速に行うことができる。
（４）補助タンクを複数設けると、一の補助タンクに貯水槽内の原水より低温の原水を貯留しておくとともに、他の補助タンクに貯水槽内の原水より高温の原水を貯留しておくことができ、貯水槽内の原水の温度を下降させる場合には、一の補助タンクから原水を流入させ、また、貯水槽内の原水の温度を上昇させる場合には、他の補助タンクから原水を流入させることにより、設定温度の上昇または下降に係らず、温度移行を連続的かつ迅速に行うことができる。
（５）蒸発部の下流側に、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段を備えた熱交換器を設け、熱媒体切替手段に、気体にミストを混入させる急速調整手段を設けると、誤差要因に起因する温度の変動に対し、瞬時の冷却効果を与えるとともに、その影響を時間的に長く及ぼさないので、設定変更を迅速に行うとともに整定時間を短く抑えることができる。
（６）本発明の高速応答型の加湿ガス供給方法は、補助タンク内の原水の温度を、貯水槽内の原水とは異なる温度に保持しておき、補助タンクから貯水槽内に原水を供給するので、貯水槽内の原水の温度変更を迅速に行うことができる。
（７）補助タンクに、貯水槽から所定量の原水を回収する回収管を設け、補助タンクから前記貯水槽内に原水を供給するとともに、貯水槽内から補助タンクに原水を回収すると、貯水槽内の原水と補助タンク内の原水の交換を短時間に行って、温度変更を迅速に行うことができる。また、貯水槽内の原水の量を一定に保持しながら原水を交換できるので、安定性を高くすることができる。
（８）蒸発部の下流側に、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段を備えた熱交換器を設け、熱媒体切替手段に、気体にミストを混入させる急速調整手段を設け、製品加湿ガスの設定流量を変更した直後に、熱媒体切替手段を作動させると、流量変更直後の温度を迅速に調整することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態の高速応答型の加湿ガス供給システムの構成を示す説明図である。図１に示すように、本発明の一実施の形態の高速応答型の加湿ガス供給システム１０は、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貯留する貯水槽１３および貯水槽１３内の原水を加熱する加熱手段の一例である加熱ヒータ１４を有し、貯水槽１３内で原水を加熱するとともに、ガス供給手段１２から供給された原料ガスを通過させて加湿ガスを発生させる蒸発部１５とを備えて、所定の温度、流量、および湿度の製品加湿ガスを連続的に製造する装置である。

また、加湿ガス供給システム１０は、内部に原水を貯留する補助タンク１６，１７と、この補助タンク１６，１７内の原水をそれぞれ所定温度に保持する補助温度調節手段の一例である冷却器１８および加熱ヒータ１９と、補助タンク１６，１７から貯水槽１３に所定量の原水をそれぞれ供給する補助供給管２０，２１および貯水槽１３から所定量の原水を回収する回収管２２，２３とを備えた設定変更加速手段２４，２５を有している。以下、詳しく説明する。

水供給手段１１は、原水タンクに貯留された原水を、ポンプを用いて蒸発部１５に供給する。原水供給管（図示せず）は、貯水槽１３の内壁に沿って配置され、加熱された原水を貯水槽１３内に供給する。

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から、流量調節弁を介して蒸発部１５の貯水槽１３の下部に水素を供給する。

蒸発部１５の貯水槽１３は、上下の底部を塞いだ縦長円筒状に形成され、内部に、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層の一例である多数のアルミナ系セラミックのボール２６を所定高さまで充填している。ボール２６は直径Ｄ１が３〜７ｍｍの実質的に球形に形成され、比重も軽く、貯水槽１３内の原水の対流や供給される原料ガスの圧力によって貯水槽１３内の原水中を微小移動することができる。ボール２６によって形成される多孔層の厚みは、貯留された原水の深さと略同じになっている。なお、貯水槽１３の外側には、貯水槽１３に貯留された原水の水位を測定する水位計３２が設けられている。

蒸発部１５の加熱ヒータ１４は、棒状に形成され、貯水槽１３内に縦方向に配置されている。加熱ヒータ１４は、電熱線を、マグネシア（ＭｇＯ）等の絶縁粉末を充填した金属円管の内部に配置したもので、通電により加熱され、原水に熱を加える。加熱ヒータ１４は、貯水槽１３内に１本または複数本配置することができる。

補助タンク１６には、冷却器１８が設けられており、補助タンク１６内の原水を冷却することができる。補助タンク１６には、補助供給管２０と回収管２２の一端がそれぞれ接続されている。補助供給管２０の他端は、貯水槽１３の上部に接続され、補助供給管２０の途中位置には、開閉弁２７が設けられている。

回収管２２の他端は、貯水槽１３の下部に接続され、回収管２２の途中位置には、ポンプ２８が設けられている。また、ポンプ２８と貯水槽１３の間には、開閉弁２９が設けられている。

また、補助タンク１６は、循環用配管３０を有している。循環用配管３０の一端は、補助供給管２０の途中位置であって、開閉弁２７より補助タンク１６側に接続され、他端は、回収管２２の途中位置であって、ポンプ２８と開閉弁２９との間に接続されている。また、循環用配管３０の途中位置には、開閉弁３１が設けられている。

循環用配管３０の開閉弁３１を閉じて、補助供給管２０の開閉弁２７と回収管２２の開閉弁２９とを開き、ポンプ２８を作動させると、補助タンク１６内の原水が補助供給管２０から貯水槽１３に供給されるとともに、貯水槽１３内の原水が回収管２２から補助タンク１６内に回収される。

補助供給管２０の開閉弁２７と回収管２２の開閉弁２９とを閉じ、循環用配管３０の開閉弁３１を開き、ポンプ２８を作動させると、補助タンク１６から補助供給管２０に流出した原水は、循環用配管３０および回収管２２を通過して補助タンク１６内に戻る。この状態で、冷却器１８を作動させることにより、補助タンク１６の原水とともに、補助供給管２０および回収管２２内の原水も迅速に冷却することができる。

補助タンク１７には、加熱ヒータ１９が設けられており、補助タンク１７内の原水を加熱することができる。補助タンク１７に接続された補助供給管２１，回収管２３および循環用配管３３の接続位置は、補助タンク１６に接続された補助供給管２０，回収管２２および循環用配管３０の配置と同じなので、説明を省略する。また、補助供給管２１，回収管２３および循環用配管３３には、開閉弁３４〜３６がそれぞれ設けられ、回収管２３にはポンプ３７が設けられているが、開閉弁３４〜３６およびポンプ３７の取付け位置は、補助タンク１６側に設けられた開閉弁２７，２９，３１およびポンプ２８の配置と同じなので説明を省略する。なお、回収管２２，２３の貯水槽１３への接続部は、一体化させて使用しているが、それぞれ別に取り付けてもよい。

循環用配管３３の開閉弁３６を閉じて、補助供給管２１の開閉弁３４と回収管２３の開閉弁３５とを開き、ポンプ３７を作動させると、補助タンク１７内の原水が補助供給管２１から貯水槽１３に供給されるとともに、貯水槽１３内の原水が回収管２３から補助タンク１７内に回収される。

補助供給管２１の開閉弁３４と回収管２３の開閉弁３５とを閉じ、循環用配管３３を開き、ポンプ３７を作動させると、補助タンク１７から補助供給管２１に流出した原水は、循環用配管３３および回収管２３を通過して補助タンク１７内に戻る。この状態で、加熱ヒータ１９を作動させることにより、補助タンク１７内の原水とともに、補助供給管２１および回収管２３内の原水も迅速に加熱することができる。

貯水槽１３の上部には、発生した加湿ガスが流出する加湿ガス配管３８が接続され、加湿ガス配管３８の上流側には、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段３９を備えた熱交換器４０が設けられている。

熱交換器４０は、加湿ガス配管３８の加湿ガス流路内に設けられた熱交換器本体４１と、熱交換器本体４１に熱媒体を供給する媒体供給管４２と、熱交換器本体４１から熱媒体を回収する媒体回収管４３とを有している。熱媒体切替手段３９は、媒体供給管４２に設けられている。

媒体供給管４２の上流側端部には、空気等の気体を熱媒体として供給するガス媒体供給手段４４が設けられ、ガス媒体供給手段４４より直下流側の媒体供給管４２には、流量計測機能を備えた流量調節弁４５が設けられている。また、流量調節弁４５より下流側の媒体供給管４２には、気体の熱媒体を加熱するエアヒータ４６が設けられている。これらによって、熱媒体切替手段３９の気体供給部３９ａが構成されている。

エアヒータ４６より下流側の媒体供給管４２には、逆止弁４７が設けられ、熱媒体切替手段３９の液体供給部３９ｂは、逆止弁４７の下流側の媒体供給管４２に接続されている。

液体供給部３９ｂは、上流側から順に、冷却水供給手段４８、急速調整手段の一例であるミスト発生手段４９、開閉弁５０および逆止弁５１を有している。冷却水供給手段４８は、流量調節機能を有している。ミスト発生手段４９は、冷却水供給手段４８から供給された水を圧縮空気で霧状に細分化して、媒体供給管４２内に噴射することができる。なお、ミスト発生手段４９は、ミストの噴射をパルス状に複数回行って必要な降温を行う。なお、ガス媒体供給手段４４から媒体供給管４２に空気を供給している状態で、冷却水供給手段４８から媒体供給管４２に水を噴出することによってもミストを発生させることができる。この場合は、ミスト発生手段４９を特別に用意する必要はない。

媒体回収管４３の途中位置には、温度センサ５２が設けられている。また、媒体回収管４３の下流側端部は分岐して２つの排出部を形成しており、一方の排出部は排気口５３となり、他方の排出部は排水口５４となっている。排水口５４は、冷却水を回収する冷却水回収タンク５５に接続されている。

液体供給部３９ｂの開閉弁５０を閉じ、ガス媒体供給手段４４を作動させると、媒体供給管４２に空気が流入する。媒体供給管４２を通過する空気は、流量調節弁４５で流量を調節し、エアヒータ４６で温度を調節することができる。空気は、媒体供給管４２から熱交換器本体４１に流入し、媒体回収管４３を通過して、排気口５３から排出される。

ガス媒体供給手段４４を停止した状態で、液体供給部３９ｂの開閉弁５０を開き、冷却水供給手段４８を作動させると、熱媒体切替手段３９から媒体供給管４２に冷却水が流入する。媒体供給管４２には、逆止弁４７が設けられているので、ガス媒体供給手段４４側に冷却水が逆流することはない。媒体供給管４２に流入した冷却水は、熱交換器本体４１に流入し、媒体回収管４３を通過して、排水口５４から排出され、冷却水回収タンク５５に貯留される。なお、冷却水回収タンク５５は、冷却水供給手段４８の水タンクと共用することができる。

液体供給部３９ｂの開閉弁５０を開き、ガス媒体供給手段４４を作動させた状態で、冷却水供給手段４８とミスト発生手段４９をパルス状に作動させると、媒体供給管４２内を流れる空気に所定量のミストが混入される。媒体供給管４２および熱媒体切替手段３９には、逆止弁４７，５１がそれぞれ設けられているので、ミストが混入した空気は、逆流せずに熱交換器本体４１に流入する。熱交換器本体４１に流入したミストが混入した空気は、媒体回収管４３を通過する。そして、ミストおよび流路内で発生したドレンは、排水口５４から流出して冷却水回収タンクに貯留され、空気は排気口５３から排出される。

蒸発部１５で発生した加湿ガスは、熱交換器本体４１で所定温度に調整されて製品加湿ガスとなり、加湿ガス配管３８の供給口５６から使用機器に供給される。

次に、本発明の加湿ガス供給システム１０を用いて製品加湿ガスを連続的に製造する加湿ガス供給方法について説明する。まず、加湿ガスの設定温度が所定温度、例えば７０℃である場合の蒸発部１５の状態から説明する。

蒸発部１５の貯水槽１３内の温度は、温度センサ（図示せず）で監視されており、原水の温度が７０℃で一定となるように加熱ヒータ１４で加熱されている。水供給手段１１およびガス供給手段１２から貯水槽１３には、設定流量と湿度に応じた原水と水素がそれぞれ供給されている。このとき、補助供給管２０，２１の開閉弁２７，３４と、回収管２２，２３の開閉弁２９，３５は閉じられており、補助タンク１６，１７から貯水槽１３には水は流入しない。

貯水槽１３内に供給された水素は、気泡となって上昇し、周囲の原水との界面から水蒸気を取り込んで成長しながら、多数のボール２６の間の隙間を通過するときに細分化される。また、ボール２６は、気泡の上昇を妨げて、通過時間を長くしている。気泡は、原水中を十分な時間をかけて上昇しながら、成長と細分化を繰り返す。このようにして、原水の上面からは、均質の加湿ガスが発生する。

下流側から貯水槽１３内に背圧が加わるときは、背圧による貯水槽１３内の圧力上昇分に対抗してガス供給手段１２の圧力を上げる。このとき、水供給手段１１の圧力は、ほとんど変化させる必要はない。また、貯水槽１３内では、水蒸気が気泡内に直接発生して水素と混合されるので、背圧によって加湿ガスの性質が変わることはほとんどなく、安定して加湿ガスを製造することができる。

補助タンク１６内の原水は、温度センサ（図示せず）によって監視され、冷却器１８によって２０℃となるように調整されている。なお、このとき、循環用配管３０の開閉弁３１を開いてポンプ２８を作動させることによって、原水を循環させ、補助タンク１６の原水とともに、補助供給管２０および回収管２２内の原水の温度を均一にする。このようにして、原水の温度制御を迅速に行うとともに温度制御の精度を高めている。

一方、補助タンク１７内の原水は、温度センサ（図示せず）によって監視され、加熱ヒータ１９によって９０℃となるように調整されている。なお、このとき、循環用配管３３の開閉弁３６を開いてポンプ３７を作動させることによって、原水を循環させ、循環流路内の原水の温度を均一にし、原水の温度制御を迅速に行うとともに温度制御の精度を高めている。

貯水槽１３内の原水の設定温度を低くするとき、例えば７０℃から４０℃に変更するときには、以下の手順により切り替える。まず、貯水槽１３内の加熱ヒータ１４を停止し、次いで、補助供給管２０の開閉弁２７と、回収管２２の開閉弁２９とを開き、循環用配管３０の開閉弁３１を閉じる。すると、補助タンク１６から補助供給管２０を介して２０℃の原水が貯水槽１３内に供給されるとともに、貯水槽１３から回収管２２を介して７０℃の原水が補助タンク１６内に回収される。貯水槽１３内の水温は、２０℃と７０℃の原水が混合されることにより迅速に降下する。

貯水槽１３内の水温が４０℃まで下がったら、循環用配管３０の開閉弁３１を開き、補助供給管２０の開閉弁２７と、回収管２２の開閉弁２９を閉じる。このようにして、設定変更時間を短縮することができる。

一方、回収管２２および補助タンク１６内には、７０℃の原水が流入したため、設定温度である２０℃より高い温度になっている。そこで、循環用配管３０を用いて原水を循環させながら冷却器１８で冷却するため、短時間で原水を冷却することができ、次回の設定変更に対する準備を短時間で行うことができる。

設定温度を高くするとき、例えば、４０℃から７０℃にするときには、以下の手順により切り替える。まず、貯水槽１３内の加熱ヒータの出力を上げるとともに、補助供給管２１の開閉弁３４と、回収管２３の開閉弁３５とを開き、循環用配管３３の開閉弁３６を閉じる。すると、補助タンク１７から補助供給管２１を介して９０℃の原水が貯水槽１３内に供給されるとともに、貯水槽１３から回収管２３を介して４０℃の原水が補助タンク１７内に回収される。貯水槽１３内の水温は、４０℃と９０℃の原水が混合されることにより迅速に上昇する。

次に、蒸発部１５から加湿ガス配管３８に流入した加湿ガスの温度を調節する方法について説明する。熱媒体切替手段３９は、基本的には、加湿ガスの流量に応じて、熱媒体を切り替える。

加湿ガスの流量が多いときには、加湿ガス配管３８内を流れる加湿ガスの通過時間が短いので、熱交換器４０を流れる熱媒体の熱容量を大きくする必要があり、媒体として水を使用することが好ましい。すなわち、ガス媒体供給手段４４とエアヒータ４６を停止し、冷却水供給手段４８を作動させる。そして、加湿ガスの温度が高い場合には、冷却水供給手段４８の流量調節機能で水の流量を増加させ、加湿ガスの温度が低い場合には、水の流量を減少させて温度調整を行う。

加湿ガスの流量が少ないときには、加湿ガス配管３８内を流れる加湿ガスの通過時間が長いので、熱媒体として水を使用すると、最小流量に調整した場合でも温度の制御ができなくなる。この場合には、熱媒体として空気を使用する。すなわち、冷却水供給手段４８を停止させて、ガス媒体供給手段４４を作動させる。そして、加湿ガスの温度が高い場合には、流量調節弁４５によって空気の流量を増やし、加湿ガス温度が低い場合には、流量を減らして温度調整を行う。

また、加湿ガスの流量がさらに少ない場合には、加湿ガスが加湿ガス配管３８を移動するときに熱量を奪われ、温度が低下することがある。この場合には、エアヒータ４６を作動させて、加湿ガスを加熱しておくことにより、供給口５６での温度が設定温度となるように調整することができる。

本実施の形態の加湿ガス供給システムを用いた場合、熱媒体を空気から水に切り替えるとき、また、水から空気に切り替えるときに約１０秒の時間が必要である。このため、熱媒体の切り替え直後には、温度が急激に変動することがあり、水と空気のみの切り替えでは、制御不可能となる状態が発生する。

図２は、設定温度を高から低にした場合の加湿ガスの温度と時間との関係を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。

図２に示すように、設定温度を高Ａから低Ｂに変更したとき、設定変更後の加湿ガスの温度が安定するまでに数十秒程度の時間が必要になる。設定温度を低温に変更した直後には、図中に二点鎖線Ｃ，Ｄで示すように、一時的に加湿ガスの温度が下降したり、上昇したりする現象を、本発明者等は実験により確認している。

特に、設定流量が小さいときに、設定温度を高から低に切り替えると、加湿ガスが冷却されすぎて、設定温度より低くなってしまうことがあり、温度変化に追随して制御することができない。そこで、二点鎖線Ｃで示すように加湿ガスの温度が下降する場合には、エアヒータ４６を作動させて空気の温度を上げ、二点鎖線Ｄで示すように加湿ガスの温度が上昇する場合には、空気中にミストを混入させることで、図中に実線Ｅ，Ｆで示すように、加湿ガスの一時的な温度変動を抑えて、温度を安定させることができる。

ミスト発生手段４９は、加湿ガスの上昇温度に合わせて、ミストをパルス状に複数回噴射する。具体的には、ガス媒体供給手段４４を作動させて熱交換器本体４１に空気を流入させている状態で、冷却水供給手段４８とミスト発生手段４９を作動させて、空気中に所定流量のミストを混入する。空気中にミストを噴射したときの気化熱により熱媒体である空気の温度を瞬時に下げることによって加湿ガスの熱を吸収し、図中に実線で示すように、温度を安定させることができる。なお、ミストの噴射を行っても熱媒体の熱容量はあまり増加しないので、温度降下の作用が長時間残ることはなく、熱媒体の温度が下がったままになることはない。

図３は、設定温度を低から高にした場合の加湿ガスの温度と時間との関係を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。

図３に示すように、設定温度を低Ｇから高Ｈに変更したとき、流量変更後の加湿ガスの温度が安定するまでに数十秒程度の時間が必要になる。設定温度を高温に変更した直後には、図中に二点鎖線Ｊ，Ｋで示すように、一時的に加湿ガスの温度が上昇したり下降したりする現象を、本発明者等は実験により確認している。

設定流量が大きい場合に、熱媒体を空気から水に切り替えると、加湿ガスが冷却されすぎて、設定温度より低くなってしまうことがあり、また、熱媒体の変更に時間がかかり過ぎるため、温度変化に追随することができない。そこで、二点鎖線Ｊで示すように加湿ガスの温度が上昇する場合には、空気中にミストを混入させ、二点鎖線Ｋで示すように加湿ガスの温度が下降する場合には、エアヒータ４６を作動させて空気の温度を上げることで、図中に実線Ｌ，Ｍで示すように、加湿ガスの一時的な温度変動を抑えて、温度を安定させることができる。熱媒体の空気から水への切り替えは、この後に行うことが好ましい。

このようにして、設定温度や設定流量の変更に迅速に対応して安定性の高い加湿ガスを供給することができる。なお、前記実施の形態においては、回収管を用いて原水を補助タンクに回収したが、回収管の代わりに排水口を設けて使用することも可能である。

本発明は、固体高分子型燃料電池の加湿装置として利用でき、これ以外に高湿度の気体を精度よく製造する加湿装置に利用できる。

本発明の一実施の形態の高速応答型の加湿ガス供給システムの構成を示す説明図 設定温度を高から低にした場合の加湿ガスの温度と時間との関係を示すグラフ 設定温度を低から高にした場合の加湿ガスの温度と時間との関係を示すグラフ

符号の説明

１０ 高速応答型の加湿ガス供給システム
１１ 水供給手段
１２ ガス供給手段
１３ 貯水槽
１４ 加熱ヒータ（加熱手段）
１５ 蒸発部
１６，１７ 補助タンク
１８ 冷却器（補助温度調節手段）
１９ 加熱ヒータ（補助温度調節手段）
２０，２１ 補助供給管
２２，２３ 回収管
２４，２５ 設定変更加速手段
２６ ボール（多孔層）
２７ 開閉弁
２８ ポンプ
２９ 開閉弁
３０ 循環用配管
３１ 開閉弁
３２ 水位計
３３ 循環用配管
３４〜３６ 開閉弁
３７ ポンプ
３８ 加湿ガス配管
３９ 熱媒体切替手段
３９ａ 気体供給部
３９ｂ 液体供給部
４０ 熱交換器
４１ 熱交換器本体
４２ 媒体供給管
４３ 媒体回収管
４４ ガス媒体供給手段
４５ 流量調節弁
４６ エアヒータ
４７ 逆止弁
４８ 冷却水供給手段
４９ ミスト発生手段（急速調整手段）
５０ 開閉弁
５１ 逆止弁
５２ 温度センサ
５３ 排気口
５４ 排水口
５５ 冷却水回収タンク
５６ 供給口

Claims (8)

1. 原水を供給する水供給手段と、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貯留する貯水槽および前記貯水槽内の原水を加熱する加熱手段を有し、前記貯水槽内で原水を加熱するとともに、前記ガス供給手段から供給された前記原料ガスを通過させて加湿ガスを発生させる蒸発部とを備えて、所定の温度、流量、および湿度の製品加湿ガスを連続的に製造する加湿ガス供給システムであって、
   内部に原水を貯留する補助タンクと、この補助タンク内の原水を所定温度に保持する補助温度調節手段と、前記補助タンクから前記貯水槽に所定量の原水を供給する補助供給管とを備えた設定変更加速手段を有していることを特徴とする高速応答型の加湿ガス供給システム。
2. 前記貯水槽の内部には、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高速応答型の加湿ガス供給システム。
3. 前記補助タンクは、前記貯水槽から所定量の原水を回収する回収管を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の高速応答型の加湿ガス供給システム。
4. 前記補助タンクは複数設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の高速応答型の加湿ガス供給システム。
5. 前記蒸発部の下流側には、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段を備えた熱交換器が設けられ、前記熱媒体切替手段には、気体にミストを混入させる急速調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の高速応答型の加湿ガス供給システム。
6. 原水を供給する水供給手段と、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貯留する貯水槽、前記貯水槽の内部に形成され、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層および前記貯水槽内の原水を加熱する加熱手段を有し、前記貯水槽内で原水を加熱するとともに、前記ガス供給手段から供給された前記原料ガスを通過させて加湿ガスを発生させる蒸発部と、内部に原水を貯留する補助タンク、この補助タンク内の原水を所定温度に加熱する補助温度調節手段、および前記貯水槽に所定量の原水を供給する補助供給管を備えた設定変更加速手段とを有する加湿ガス供給システムを用いて、製品加湿ガスを連続的に製造する加湿ガス供給方法であって、
   前記補助タンク内の原水の温度を、前記貯水槽内の原水とは異なる温度に保持しておき、前記補助タンクから前記貯水槽内に原水を供給して前記製品加湿ガスの温度、流量または湿度を高速に変更することを特徴とする高速応答型の加湿ガス供給方法。
7. 前記補助タンクに、前記貯水槽から所定量の原水を回収する回収管を設け、前記補助タンクから前記貯水槽内に原水を供給するとともに、前記貯水槽内から前記補助タンクに原水を回収することを特徴とする請求項６に記載の高速応答型の加湿ガス供給方法。
8. 前記蒸発部の下流側に、液体または気体を供給可能な熱媒体切替手段を備えた熱交換器を設け、前記熱媒体切替手段に、気体にミストを混入させる急速調整手段を設け、製品加湿ガスの設定流量を変更した直後に、前記熱媒体切替手段を作動させることを特徴とする請求項６または７に記載の高速応答型の加湿ガス供給方法。
   

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