JP4698987B2 - Humidified gas supply system and method for supplying the same - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、固体高分子型の燃料電池等の設備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およびその供給方法に関する。   The present invention relates to a humidified gas supply system that supplies a humidified gas obtained by mixing gas and water vapor to equipment such as a polymer electrolyte fuel cell, and a method for supplying the same.

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。
燃料電池は、例えば、電解質としてイオン交換膜を用いた固体高分子型(PEFC)、リン酸を電解質としたリン酸型(PAFC)、炭酸カリウム炭酸リチウムを電解質とした溶融炭酸塩型(MCFC)、安定化ジルコニアを電解質とした固体酸化物型(SOFC)等の種々の形式があるが、特に固体高分子型の燃料電池においては、高湿度の加湿ガスを安定して供給することが必要とされている。
すなわち、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、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、燃料ガスの酸化還元反応に用いられ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している。
Humidification gas is required in many fields, and is an indispensable raw material in, for example, a polymer electrolyte fuel cell.
Fuel cells include, for example, a solid polymer type (PEFC) using an ion exchange membrane as an electrolyte, a phosphoric acid type (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte, and a molten carbonate type (MCFC) using potassium carbonate lithium carbonate as an electrolyte. There are various types such as a solid oxide type (SOFC) using stabilized zirconia as an electrolyte. In particular, in a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to stably supply a humidified humidified gas. Has been.
That is, a solid polymer fuel cell generally includes a power generation element constituted by sandwiching a hydrogen ion conductive solid polymer between carbon electrodes carrying a platinum catalyst, that is, a solid polymer electrolyte membrane-electrode assembly, In addition, a gas passage for supplying each reaction gas is formed on each electrode surface, and a gas separation member for supporting the power generation element from both sides is laminated. Then, hydrogen gas (fuel gas) is supplied to one electrode, oxygen or air, that is, an oxidant gas is supplied to the other electrode, and chemical energy used for the oxidation-reduction reaction of the fuel gas is directly taken out as electric energy. I am doing so.

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。   In this fuel cell, hydrogen gas is ionized on the anode side and moves in the solid polymer electrolyte membrane, and electrons move to the cathode side through an external load and react with oxygen to produce water. Electrical energy can be extracted by a series of electrochemical reactions. Since hydrogen ions move in the solid polymer electrolyte membrane, if the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is lowered and the energy conversion efficiency is lowered. Therefore, it is necessary to supply moisture. is there.

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、水蒸気透過膜を使用した加湿装置や噴霧器等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。そして、最終的には大容量のチャンバー内に加湿したガスを所定温度、所定湿度に保つようにして保持し、発電量に応じて加湿したガスを燃料電池に供給している。一方、燃料電池の製造にあたっては、出荷前に前述の固体高分子電解質膜に適度の湿り気が必要であり、また、性能検査にあたっては、その水分条件を精度よく確保する必要がある。   In a conventional polymer electrolyte fuel cell, for example, as shown in Patent Document 1, a reactive gas is actively humidified by a humidifier or a sprayer using a water vapor permeable membrane to maintain a high reaction rate. ing. Finally, the humidified gas is held in a large-capacity chamber so as to maintain a predetermined temperature and a predetermined humidity, and the humidified gas is supplied to the fuel cell according to the amount of power generation. On the other hand, in the production of a fuel cell, the above-mentioned solid polymer electrolyte membrane needs to be appropriately moistened before shipment, and in the performance inspection, the moisture condition needs to be ensured with high accuracy.

一方、従来多く使用さ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、ガスは水中を拡散しながら上昇し、加熱および加湿が同時に行われる。気泡が水中に滞留する時間が十分に長ければ、湿度を飽和温度に限りなく近づけることができる。また、水蒸気が直接加熱されると、温度が急激に上昇してしまうが、バブラーは、ガスを直接加熱する構造ではないため、加えた熱に対する緩衝効果が高く、装置を安定して運転することができる。例えば、タンク内の水温を一定にして運転すると、発生する加湿ガスの温度の誤差を、設定温度に対して2度以内に収めることができるため、精度がよい。   On the other hand, in a humidified gas supply system that has been widely used in the past, water was sealed in a sealed tank called a bubbler, and gas was bubbled from the bottom to obtain a humidified gas from the top outlet. If the water temperature is maintained at the temperature of the gas to be supplied, the gas rises while diffusing in water, and heating and humidification are performed simultaneously. If the time for the bubbles to stay in the water is sufficiently long, the humidity can be brought as close as possible to the saturation temperature. In addition, when water vapor is directly heated, the temperature rises abruptly. However, the bubbler is not a structure that directly heats the gas, so it has a high buffering effect against the applied heat and operates the device stably. Can do. For example, when the water temperature in the tank is kept constant, the error of the temperature of the generated humidified gas can be kept within 2 degrees with respect to the set temperature, so that the accuracy is good.

近年、固体高分子型燃料電池の大容量化の要求が増加しており、また、製造設備の高性能化が求められている。また、高湿度の加湿ガスを精度良く供給する装置は、例えば、各種の実験装置等への応用も期待できる。   In recent years, demands for increasing the capacity of polymer electrolyte fuel cells have increased, and there has been a demand for higher performance of manufacturing equipment. In addition, an apparatus for accurately supplying a high-humidity humidified gas can be expected to be applied to, for example, various experimental apparatuses.

特開平6−132038号公報JP-A-6-132038

しかしながら、特許文献1に記載のような水蒸気透過膜を用いた方法では、加湿能力に限界があるため、飽和状態に近い高湿度のガスを製造することができないという問題がある。また、露点が安定せず、湿度が一定になるまでの時間がかかる(通常、数十分)ため、その間、加湿ガスの温度や圧力が一定にならず、燃料電池の性能検査の条件設定に困難を伴うという問題もある。   However, the method using a water vapor permeable membrane as described in Patent Document 1 has a problem in that it cannot produce a high-humidity gas close to a saturated state because the humidifying capacity is limited. In addition, since the dew point is not stable and it takes time until the humidity becomes constant (usually several tens of minutes), the temperature and pressure of the humidified gas do not become constant during this time, and conditions for the performance test of the fuel cell are set. There is also a problem with difficulty.

特に装置を大容量化しようとした場合には、容量に比例した台数分の装置を並列に接続するしかなく、設備の巨大化および費用の増大が避けられないという問題がある。   In particular, when trying to increase the capacity of the apparatus, there is a problem that the number of apparatuses proportional to the capacity must be connected in parallel, and the enlargement of equipment and the increase in cost are inevitable.

一方、従来のバブラーを用いた場合、バブラー内の気泡は、周囲の水が蒸発するときに気化熱を奪って温度が下がるため、ヒータによって気泡近傍の水を加熱する必要があるが、ヒータから気泡までの距離が離れてしまうと、気泡近傍の水に加わる熱が少なくなり、また、外壁から、空気中に熱が逃げるので、外壁近傍を通過する気泡近傍の水に加わる熱が少なくなるため、水蒸気を発生させるための熱効率が悪いという問題がある。   On the other hand, when a conventional bubbler is used, the bubbles in the bubbler take away the heat of vaporization when the surrounding water evaporates and the temperature drops, so it is necessary to heat the water in the vicinity of the bubbles by the heater. When the distance to the bubble is increased, the heat applied to the water near the bubble is reduced, and the heat escapes from the outer wall into the air, so the heat applied to the water near the bubble passing near the outer wall is reduced. There is a problem that the thermal efficiency for generating water vapor is poor.

特に、従来のバブラーは、タンク内の水温を一定にして、通過する気泡近傍の水に加える熱量を一定にする必要があるが、タンクを大容量化した場合には、タンク内の水の熱容量が増加するため、装置の運転開始直後や設定変更後にタンク内の温度が安定するまでの時間が長くなり、発生する水蒸気量や露点が安定するまでの時間が長くなる。また、ヒータの発熱量には限界があり、また、外壁から逃げる熱量も多くなるため、水蒸気を発生させるための熱効率が悪くなるという問題も発生する。   In particular, the conventional bubbler needs to keep the water temperature in the tank constant and the amount of heat applied to the water in the vicinity of the passing bubbles to be constant. However, if the tank has a large capacity, the heat capacity of the water in the tank Therefore, the time until the temperature in the tank is stabilized immediately after the start of operation of the apparatus or after the setting is changed, and the time until the amount of generated water vapor or the dew point is stabilized becomes longer. In addition, there is a limit to the amount of heat generated by the heater, and the amount of heat that escapes from the outer wall increases, resulting in a problem that the thermal efficiency for generating water vapor deteriorates.

そこで本発明が解決しようとする課題は、水蒸気を発生させるための熱効率を改善し、加湿ガスの設定変更に対する応答性をよくしながら装置を大容量化できる加湿ガス供給システムおよびその供給方法を提供することにある。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a humidified gas supply system and a supply method thereof that can improve the thermal efficiency for generating water vapor and increase the capacity of the apparatus while improving the response to changes in the setting of the humidified gas. There is to do.

前記課題を解決するため、本発明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有し、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、
前記蒸発部は、
前記原水を貯留する貯水槽と、
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と、
環状に形成されて高さ方向に配置されるとともに前記原水を厚み方向に通過可能な隙間を有し、前記貯水槽の内部に、前記原料ガスを高さ方向に通過させながら加熱する給熱部を形成する仕切壁と、
前記給熱部内の原水を加熱する加熱手段とを備え
前記仕切壁および前記仕切壁の前記隙間は螺旋状に形成され、前記加熱手段は、前記仕切壁と一体的に形成されている。
In order to solve the above problems, the humidified gas supply system of the present invention comprises a water supply means for supplying raw water, a gas supply means for supplying raw material gas, and heating the raw water supplied from the water supply means, A humidified gas supply system for continuously producing a product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity, and having an evaporation section for generating water vapor by passing the source gas supplied from a gas supply means. ,
The evaporation section is
A water storage tank for storing the raw water;
A porous layer that is formed inside the water tank and that refines bubbles passing through the raw water;
A heat supply unit that is annularly formed and arranged in the height direction and has a gap through which the raw water can pass in the thickness direction, and heats the raw material gas while passing in the height direction inside the water tank. A partition wall forming,
Heating means for heating the raw water in the heating section ,
The partition wall and the gap between the partition walls are formed in a spiral shape, and the heating means is formed integrally with the partition wall .

貯水槽の容量に対して供給する原料ガスの流量が少ないときは、貯水槽全体に原料ガスを流すと、貯水槽に蓄えられた水全体に必要な熱量を加えなければならないため、水蒸気を発生させるための熱効率が悪くなる。そこで、仕切壁を設け、仕切壁内の給熱部に原料ガスを供給すると、給熱部内に供給されたガスは、気泡となり、逆円錐状に拡散しながら上昇する。上昇した気泡は、仕切壁によって側方への拡散を防止され、仕切壁の内側に形成された給熱部内を上昇しながら加熱手段により加熱される。   When the flow rate of raw material gas supplied to the capacity of the water storage tank is small, if the raw material gas flows through the entire water tank, the necessary amount of heat must be added to the entire water stored in the water tank, generating steam. The thermal efficiency for making it worsen. Therefore, when a partition wall is provided and the source gas is supplied to the heat supply unit in the partition wall, the gas supplied into the heat supply unit becomes bubbles and rises while diffusing in an inverted conical shape. The rising bubbles are prevented from diffusing laterally by the partition wall, and are heated by the heating means while rising in the heat supply section formed inside the partition wall.

原水中の気泡の界面では、周囲の水が蒸発しやすくなっており、発生した水蒸気は原料ガスの気泡内に混入する。また、水が蒸発するときには、周囲の水から気化熱を奪うので、気泡およびその周囲の原水の温度は、気泡が通過しない部分よりも温度が低下する。   At the interface of the bubbles in the raw water, the surrounding water tends to evaporate, and the generated water vapor is mixed into the bubbles of the raw material gas. Further, when the water evaporates, the heat of vaporization is taken from the surrounding water, so the temperature of the bubbles and the surrounding raw water is lower than the temperature where the bubbles do not pass.

給熱部を移動する気泡は、加熱手段により加熱されながら上昇するので、蒸発によって気化熱を奪われても、加熱手段から気泡近傍の水を介して熱を効率よく受け取ることができる。また、仕切壁によって気泡が拡がりにくくなっているので、気泡が給熱部から離れることはなく、熱を効率よく受け取ることができる。   Since the bubbles moving in the heat supply section rise while being heated by the heating means, even if the heat of vaporization is deprived by evaporation, heat can be efficiently received from the heating means through the water in the vicinity of the bubbles. Moreover, since it is difficult for the bubbles to expand due to the partition wall, the bubbles do not leave the heat supply section, and heat can be received efficiently.

また、給熱部の外側には所定温度の原水が貯留されているので、給熱部の熱が外壁の外側の空気中に直接逃げることがなくなる。さらに、仕切壁に隙間が形成されているので、蓄熱部内の温度が高い原水は、仕切壁の隙間を通過して給熱部内に移動でき、一時的に温度が下がった気泡およびその周囲の原水に補助的に熱を加える。また、給熱部内の原水が蒸発したときも、原水は仕切壁の隙間を通過して給熱部内に移動するので、貯水槽内に水位の差は発生しない。   In addition, since raw water having a predetermined temperature is stored outside the heat supply section, the heat of the heat supply section does not escape directly into the air outside the outer wall. Furthermore, since the gap is formed in the partition wall, the raw water having a high temperature in the heat storage section can move into the heat supply section through the gap in the partition wall, and the temporarily lowered temperature of the bubbles and the surrounding raw water A supplementary heat is applied to the. Further, even when the raw water in the heat supply unit evaporates, the raw water passes through the gap between the partition walls and moves into the heat supply unit, so that there is no difference in water level in the water storage tank.

貯水槽の内部に形成する多孔層には、気泡が上方に通過可能な流路が形成されていればよく、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。多孔層は、水蒸気の発生によって成長しながら上昇する気泡を細分化し、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。同体積の気体であっても、1つずつの気泡の体積を小さくすると、総表面積が大きくなるので、水蒸気を発生させるための熱効率がよくなる。また、原水中の通過時間が長くなると、原水から受け取る熱量が多くなる。なお、多孔層内の流路を狭くしすぎると、気泡が通過する給熱部内の圧力が大きくなり過ぎ、気泡が仕切壁の隙間を通過して給熱部の外部に移動する可能性があるので、多孔層に形成する気泡の流路の断面積と、仕切壁の隙間の大きさは、気泡が給熱部内のみを通過するような大きさに設定している。   The porous layer formed inside the water storage tank only needs to have a flow path through which bubbles can pass upward. For example, the porous layer can be formed of a solid material having a large number of through holes inside. It can be formed by laminating plate-like objects having through holes such as a wire mesh. Moreover, many granular materials can also be filled and formed in a water storage tank. The porous layer subdivides bubbles that rise while growing due to the generation of water vapor, and lowers the rising speed of the bubbles to increase the passage time in the raw water. Even if the gas has the same volume, if the volume of each bubble is reduced, the total surface area is increased, so that the thermal efficiency for generating water vapor is improved. Moreover, when the passage time in the raw water becomes longer, the amount of heat received from the raw water increases. If the flow path in the porous layer is too narrow, the pressure in the heat supply section through which the bubbles pass becomes too large, and the bubbles may move outside the heat supply section through the gap in the partition wall. Therefore, the cross-sectional area of the flow path of the bubbles formed in the porous layer and the size of the gap between the partition walls are set to such a size that the bubbles pass only through the heat supply unit.

なお、環状とは、平面視したときに閉じた形状となっているものをいい、例えば、円状、矩形状、その他の形状を含む。また、加熱手段は、液体を加熱可能なものであればよく、例えば、ニクロム線を絶縁物で覆った電気式ヒータを使用することができる。また、加熱手段は、給熱部を連続的に加熱できる位置に配置されていればよい。   The term “annular” means a shape that is closed when viewed in plan, and includes, for example, a circular shape, a rectangular shape, and other shapes. Moreover, the heating means should just be what can heat a liquid, for example, can use the electric heater which covered the nichrome wire with the insulator. Moreover, the heating means should just be arrange | positioned in the position which can heat a heat supply part continuously.

また、製品加湿ガスの量が多量に必要になった場合には、蓄熱部に原料ガスを供給することによって、さらに多量の水蒸気を発生させることが可能である。   Further, when a large amount of product humidifying gas is required, it is possible to generate a larger amount of water vapor by supplying the raw material gas to the heat storage section.

仕切壁の材質は、耐蝕性および熱伝導性に優れるステンレス合金等の金属が好ましい。また、多数の貫通孔または貫通した溝部は、均一のピッチで形成することが好ましく、例えば、板材に貫通孔を形成したものの他、網状部材を用いることができる。   The material of the partition wall is preferably a metal such as a stainless alloy having excellent corrosion resistance and thermal conductivity. Moreover, it is preferable to form many through-holes or the groove | channel through which it penetrated with a uniform pitch, for example, a net-like member can be used besides what formed the through-hole in the board | plate material.

前記仕切壁および前記仕切壁の前記隙間を、螺旋状に形成し、前記加熱手段を、前記仕切壁と一体的に形成すると、給熱部は、加熱手段によって加熱され、給熱部の外側に貯留された原水によっても加熱される。加熱手段を螺旋状に形成すると、例えば、両端部に電圧を加える電気式ヒータを加工して使用することができ、仕切壁の周方向にわたって均一な熱量を発生させることができる。
なお、螺旋状とは、コイルばねのように線材を筒状に巻いた形状をいい、平面上に形成した渦巻き形状は含まない。
When the partition wall and the gap between the partition walls are formed in a spiral shape and the heating unit is formed integrally with the partition wall, the heat supply unit is heated by the heating unit and is placed outside the heat supply unit. It is also heated by the stored raw water. When the heating means is formed in a spiral shape, for example, an electric heater that applies voltage to both ends can be processed and used, and a uniform amount of heat can be generated in the circumferential direction of the partition wall.
The spiral shape means a shape in which a wire is wound like a coil spring, and does not include a spiral shape formed on a plane.

前記多孔層を、前記仕切壁に形成された前記隙間を通過不可能な大きさの球状固体物を前記貯水槽の内部に充填して形成し、前記仕切壁の上下に、原水が前記給熱部の内部と外部との間を移動可能な流路を形成すると、気泡の通過時に多数の球状固体物が原水中で揺動することができるので、気泡は、給熱部内を均一に通過する。また、原水が仕切壁の上下の流路を移動できるので、原水の対流がスムーズに行われる。   The porous layer is formed by filling a spherical solid material having a size that cannot pass through the gap formed in the partition wall into the water storage tank, and raw water is supplied to the heat supply above and below the partition wall. If a flow path that can move between the inside and the outside of the unit is formed, a large number of spherical solids can oscillate in the raw water when the bubbles pass, so that the bubbles pass uniformly through the heat supply unit. . Moreover, since raw | natural water can move the flow path above and below a partition wall, the convection of raw | natural water is performed smoothly.

球状固体物には、アルミナ形セラミック等のセラミックや耐熱強化処理を施したガラス材料が使用できる。球状固体物は、例えば、直径3〜7mmの実質的に球形に形成され、原料ガスや水蒸気の流れおよび貯水槽内の原水の対流によって、上下左右に揺動可能となっている。   As the spherical solid material, a ceramic such as alumina ceramic or a glass material subjected to a heat-resistant strengthening treatment can be used. The spherical solid material is formed in a substantially spherical shape having a diameter of 3 to 7 mm, for example, and can be swung vertically and horizontally by the flow of the raw material gas or water vapor and the convection of the raw water in the water storage tank.

給熱部を加熱すると、給熱部内の原水は、原料ガスや水蒸気とともに上昇する。球状固体物は、仕切壁に形成された隙間を通過不可能な大きさに形成されているので、仕切壁を通過して給熱部の外側に移動することはなく、球状固体物間の隙間を移動する原料ガスや水蒸気も蓄熱部に移動することはなく、給熱部内を上昇する。   When the heat supply unit is heated, the raw water in the heat supply unit rises together with the raw material gas and water vapor. Since the spherical solid material is formed in such a size that it cannot pass through the gap formed in the partition wall, it does not move through the partition wall to the outside of the heat supply unit, and the gap between the spherical solid materials The raw material gas and water vapor that move the gas are not moved to the heat storage section, and rise in the heat supply section.

原料ガスや水蒸気は、水面に達した後、気泡が破裂してさらに上方に移動するが、原水は、仕切壁の上側の流路から蓄熱部に移動する。そして、原水の対流により、蓄熱部からは、仕切壁の下側の流路から給熱部内に原水が流入する。   After the source gas and water vapor reach the water surface, the bubbles burst and move further upward, but the raw water moves from the flow path above the partition wall to the heat storage unit. Then, due to the convection of the raw water, the raw water flows from the heat storage section into the heat supply section from the flow path below the partition wall.

原料ガスを供給する給熱部の下部では、水の蒸発が活発に行われるため、奪われる気化熱も多く、局所的には著しく温度が低下する。これを補うために、仕切壁の下側から給熱部内に原水を流入させることによって、給熱部の下部には、加熱手段から加える熱以外に、流入する原水が有する熱を加えることができる。   In the lower part of the heat supply section for supplying the raw material gas, since water is actively evaporated, a lot of heat of vaporization is taken away, and the temperature drops locally. In order to compensate for this, the raw water is allowed to flow into the heat supply section from the lower side of the partition wall, so that the heat of the flowing raw water can be applied to the lower portion of the heat supply section in addition to the heat applied from the heating means. .

蒸発部の上部に、蒸発部から供給される水蒸気および原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温する冷却部とを設けると、蒸発部で発生した水蒸気は、混合昇温部で原料ガスと混合されて生加湿ガスとなり、さらに加熱されて過熱加湿ガスとなる。次いで、冷却部で、この過熱加湿ガスを降温することによって、所定の温度、流量、および湿度の製品加湿ガスが連続的に製造される。   A mixing temperature raising unit that mixes water vapor and raw material gas supplied from the evaporation unit to generate a raw humidified gas and heats the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas, and a mixed temperature rising When the cooling unit for lowering the temperature of the superheated humidified gas generated in the unit is provided, the water vapor generated in the evaporation unit is mixed with the raw material gas in the mixed temperature rising unit to become a raw humidified gas, and further heated to become a superheated humidified gas . Next, a product humidifying gas having a predetermined temperature, flow rate and humidity is continuously produced by lowering the temperature of the superheated humidifying gas in the cooling section.

前記仕切壁を、同心状に複数配置すると、貯水槽内に環状のゾーンが形成される。この環状のゾーンは、給熱部または蓄熱部として使用することができる。環状のゾーンを給熱部として使用するときは、環状のゾーンを加熱可能な位置に加熱手段を配置するとともに、ガス供給手段を環状のゾーンの下部に配置する。このとき、環状のゾーンの内側および外側の部屋は、所定温度の原水を貯留して給熱部に熱を加える蓄熱部として使用することができる。また、環状の部屋を蓄熱部として使用するときは、環状の部屋には原料ガスを通過させず、他の部屋に原料ガスを通過させる。ここで、同心状とは、第1の仕切壁を囲むように、第2の仕切壁を配置することをいい、中心を一致させる必要はない。   When a plurality of the partition walls are arranged concentrically, an annular zone is formed in the water storage tank. This annular zone can be used as a heat supply unit or a heat storage unit. When the annular zone is used as the heat supply unit, the heating means is arranged at a position where the annular zone can be heated, and the gas supply means is arranged below the annular zone. At this time, the chambers inside and outside the annular zone can be used as a heat storage unit that stores raw water at a predetermined temperature and applies heat to the heat supply unit. Further, when the annular chamber is used as the heat storage section, the source gas is not allowed to pass through the annular chamber, but the source gas is allowed to pass through the other chambers. Here, the term “concentric” means that the second partition wall is disposed so as to surround the first partition wall, and the centers need not be matched.

前記加熱手段に、それぞれ独立して加熱可能な複数の加熱ヒータを、設置したときの高さ方向に接続して形成すると、給熱部を高さ方向の複数の範囲に分割してそれぞれの範囲を独立して加熱することができる。   When the heating means is formed by connecting a plurality of heaters that can be heated independently to each other in the height direction when installed, the heating section is divided into a plurality of ranges in the height direction, and the respective ranges are divided. Can be heated independently.

原料ガスおよび水蒸気は原水とともに加熱手段に沿って加湿されながら上昇する。給熱部の下部の原料ガスの供給部では、気泡内の水蒸気量が少なく、気化量が多くなって温度が低下するため、温度低下を防止するために多くの熱を供給することが好ましい。一方、給熱部の上部では、気泡内の水蒸気が飽和状態に近くなり、気化量が少なく温度も低下しにくいため、加える熱量は少なくてもよい。このような場合には、給熱部の下部に配置した加熱ヒータの出力を、上部に配置した加熱ヒータの出力より大きくする。すなわち、原料ガスの流量が多い場合は、高さ方向に一様に高熱量を加え、流量が少ない場合は、高さ方向に一様に熱量を加減して加えるか、または傾斜投入する。   The raw material gas and water vapor rise together with the raw water while being humidified along the heating means. In the raw material gas supply section below the heat supply section, the amount of water vapor in the bubbles is small, the amount of vaporization is increased, and the temperature is decreased. Therefore, it is preferable to supply a large amount of heat in order to prevent the temperature decrease. On the other hand, in the upper part of the heat supply section, the water vapor in the bubbles is close to saturation, the amount of vaporization is small, and the temperature is not easily lowered. In such a case, the output of the heater arranged at the lower part of the heat supply unit is made larger than the output of the heater arranged at the upper part. That is, when the flow rate of the source gas is large, a high amount of heat is uniformly applied in the height direction, and when the flow rate is small, the amount of heat is uniformly increased or decreased in the height direction, or inclined.

一方、設定変更により原水の温度を上昇させたいときには、給熱部の各加熱ヒータの出力をそれぞれ最大にする。   On the other hand, when it is desired to increase the temperature of the raw water by changing the setting, the output of each heater in the heat supply section is maximized.

本発明の加湿ガスの供給方法は、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、前記水供給手段から供給された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、前記蒸発部から供給される前記水蒸気および前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温する冷却部とを有し、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の供給方法であって、環状に形成されて高さ方向に配置され、前記原水が厚み方向に通過可能な隙間を有する仕切壁と、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層とを内部に配置した貯水槽に原水を貯留し、前記仕切壁の内側に形成した給熱部を加熱する加熱手段を該仕切壁に一体的に形成し、前記給熱部に前記原料ガスを通過させながら前記加熱手段で加熱するとともに、前記仕切壁の外側に形成した蓄熱部でさらに加熱する The humidifying gas supply method of the present invention comprises a water supply means for supplying raw water, a gas supply means for supplying raw material gas, and the raw water supplied from the water supply means, and is supplied from the gas supply means. The raw material gas is allowed to pass through to generate steam, and the steam supplied from the evaporator and the raw material gas are mixed to produce a raw humidified gas, and the raw humidified gas is heated to superheat and humidify A humidifying unit that continuously produces a product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity, having a mixed temperature raising unit that generates gas and a cooling unit that lowers the superheated humidified gas generated in the mixed temperature rising unit. A gas supply method, wherein the partition wall is annularly formed and arranged in the height direction and has a gap through which the raw water can pass in the thickness direction, and a porous layer that refines bubbles passing through the raw water Placed inside And the raw water reserved in the water tank, said heating means for heating the Kyunetsu portion formed on the inner side of the partition wall integrally formed on the partition Setsukabe, the heated while passing through the raw material gas to the heat supply unit Heating by means, and further heating by a heat storage part formed outside the partition wall

供給された原料ガスが気泡となって給熱部内を上昇するときに、気泡の界面で水蒸気が発生するので、気化熱が奪われる。給熱部を、加熱手段により加熱するとともに、周囲に形成した蓄熱部から仕切壁を通過して流入する所定温度の原水によって加熱するので、給熱部内の温度低下が防止される。   When the supplied source gas becomes bubbles and rises in the heat supply section, water vapor is generated at the interfaces of the bubbles, so that heat of vaporization is lost. While heating a heat supply part with a heating means and heating with the raw | natural water of the predetermined temperature which flows in through a partition wall from the heat storage part formed in the periphery, the temperature fall in a heat supply part is prevented.

前記仕切壁を同心状に複数配置して各前記仕切壁の間に前記給熱部を形成し、前記原料ガスを通過させる前記給熱部を、前記原料ガスの供給量と、前記給熱部の断面積に応じて選択すると、原料ガスの供給量を少なくしたときには、断面積が狭い給熱部を使用して、原料ガスが拡散しないようにでき、原料ガスの供給量を多くしたときには、断面積が広い給熱部を使用して、原料ガスに水蒸気を発生させるための十分な水が供給されるようにできる。また、原料ガスの供給量をさらに多くしたときには、仕切壁で分割された2以上のゾーンを、複数の給熱部として使用することができる。   A plurality of the partition walls are arranged concentrically to form the heat supply part between the partition walls, and the heat supply part through which the source gas passes is supplied to the supply amount of the source gas and the heat supply part If the supply amount of the raw material gas is reduced, the heat supply part having a narrow cross sectional area can be used to prevent the raw material gas from diffusing, and when the supply amount of the raw material gas is increased, By using a heat supply section having a wide cross-sectional area, sufficient water for generating water vapor in the source gas can be supplied. Further, when the supply amount of the source gas is further increased, two or more zones divided by the partition wall can be used as a plurality of heat supply units.

本発明によれば次の効果を奏する。
(1)本発明の加湿ガス供給システムは、貯水槽に隙間を有する仕切壁と多孔層とを設け、貯水槽内に原料ガスを通過させる給熱部を形成し、給熱部を加熱する加熱手段を設けたので、給熱部内で気泡の拡散を防止しながら加熱手段で加熱し、さらに蓄熱部によって外側から加熱して、大容量の貯水槽内の一部だけを水蒸気発生部分として使用することができ、水蒸気を発生させるための熱効率を向上させて、加湿ガスの設定変更に対する応答性をよくしながら装置を大容量化できる。
(2)仕切壁および仕切壁の隙間を、螺旋状に形成し、加熱手段を、仕切壁と一体的に形成すると、装置の部品点数を増やさずに装置を大容量化でき、また、給熱部に接する加熱部の面積が増加し、周方向の発熱量が均一になるので、応答性をよくするとともに加熱手段の熱的負荷を減らすことができる。
)貯水槽に、仕切壁に形成された隙間を通過不可能な大きさの球状固体物を充填すると、原料ガスや水蒸気の給熱部の通過時間を長くし、また、気泡の大きさを小さくして水蒸気を発生させるための熱効率を向上させ、装置の応答性を向上させることができる。また、球状固体物、原料ガスおよび水蒸気が仕切壁を通過して蓄熱部に移動することがなく、原料ガスおよび水蒸気が給熱部内を加熱されながら上昇するので、応答性が向上する。()仕切壁の上下に、球状固体物が移動可能な流路を形成すると、対流により仕切壁の下側から給熱部内に原水が流入するので、水蒸気を発生させるための熱を効率的に加えて装置の応答性を向上させることができる。
)蒸発部の上部に、蒸発部から供給される水蒸気および原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温する冷却部とを設けると、蒸発部で発生した水蒸気は、混合昇温部で原料ガスと混合されて生加湿ガスとなり、さらに加熱されて過熱加湿ガスとなる。次いで、冷却部で、この過熱加湿ガスを降温することによって、所定の温度、流量、および湿度の製品加湿ガスを連続的に精度良く製造することができる。
)仕切壁を、同心状に複数配置すると、貯水槽内に環状の部屋を形成して、給熱部または蓄熱部として使用することができ、原料ガスの供給量の変更等の設定変更に対する応答性を向上させることができる。
)加熱手段に、それぞれ独立して加熱可能な複数の加熱ヒータを、設置したときの高さ方向に接続して形成すると、給熱部を高さ方向の複数の範囲に分割し、給熱部の温度分布や、原料ガスの流量に応じて、それぞれの範囲を独立して加熱することができ、水蒸気を発生させるための熱効率を向上させ、原料ガスの供給量の変更等の設定変更に対する応答性を向上させることができる。
)本発明の加湿ガス供給方法は、給熱部に原料ガスを通過させながら加熱手段で加熱するとともに、仕切壁の外側に形成した蓄熱部でさらに加熱するので、原料ガスの供給量の変更等の設定変更に対する応答性をよくしながら装置を大容量化できる。
) 仕切壁を同心状に複数配置して各仕切壁の間に給熱部を形成し、原料ガスを通過させる給熱部を、原料ガスの供給量と、給熱部の断面積に応じて選択すると、原料ガスの供給量の変更等の設定変更に対する応答性をよくすることができる。
The present invention has the following effects.
(1) The humidified gas supply system of the present invention is a heating system in which a partition wall having a gap and a porous layer are provided in a water storage tank, a heat supply unit for allowing the raw material gas to pass therethrough is formed, and the heat supply unit is heated. Since the means is provided, it is heated by the heating means while preventing the diffusion of bubbles in the heat supply part, and further heated from the outside by the heat storage part, and only a part of the large-capacity water storage tank is used as the water vapor generation part. It is possible to increase the capacity of the apparatus while improving the thermal efficiency for generating water vapor and improving the responsiveness to the setting change of the humidified gas.
(2) the gap specifications Setsukabe and the partition walls, formed spirally, the heating means, when the partition wall integrally formed, can be large-capacity of the apparatus without increasing the number of parts of the device, also, feeding Since the area of the heating part in contact with the heating part increases and the amount of heat generated in the circumferential direction becomes uniform, the responsiveness can be improved and the thermal load on the heating means can be reduced.
( 3 ) If the water storage tank is filled with a spherical solid material having a size that cannot pass through the gap formed in the partition wall, the passage time of the source gas or water vapor heating section is lengthened, and the size of the bubbles is increased. It is possible to improve the thermal efficiency for generating water vapor by reducing the temperature and improve the responsiveness of the apparatus. Further, since the spherical solid material, the raw material gas, and the water vapor do not pass through the partition wall and move to the heat storage unit, and the raw material gas and the water vapor rise while being heated in the heat supply unit, the responsiveness is improved. ( 4 ) If a flow path in which spherical solid objects can move is formed above and below the partition wall, raw water flows into the heat supply unit from the lower side of the partition wall by convection, so heat for generating water vapor is efficiently generated. In addition, the responsiveness of the apparatus can be improved.
( 5 ) A mixing temperature raising unit for mixing the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporation unit to generate a raw humidified gas and heating the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas at the upper part of the evaporation unit; If a cooling unit is provided to lower the temperature of the superheated humidified gas generated in the mixed temperature raising unit, the water vapor generated in the evaporating unit is mixed with the raw material gas in the mixed temperature raising unit to become a raw humidified gas, which is further heated to be heated. It becomes gas. Next, by lowering the temperature of the superheated humidified gas in the cooling unit, a product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity can be manufactured continuously and accurately.
( 6 ) When a plurality of partition walls are concentrically arranged, an annular chamber can be formed in the water storage tank, which can be used as a heat supply unit or a heat storage unit. Responsiveness to can be improved.
( 7 ) If a plurality of heaters that can be heated independently are connected to the heating means in the height direction when they are installed, the heating section is divided into a plurality of ranges in the height direction, Depending on the temperature distribution of the hot section and the flow rate of the raw material gas, each range can be heated independently, improving the thermal efficiency for generating water vapor, changing the setting of the supply amount of raw material gas, etc. Responsiveness to can be improved.
( 8 ) The humidified gas supply method of the present invention is heated by the heating means while passing the raw material gas through the heat supply unit, and further heated by the heat storage unit formed outside the partition wall. The capacity of the apparatus can be increased while improving responsiveness to setting changes such as changes.
( 9 ) A plurality of partition walls are concentrically arranged to form a heat supply section between the partition walls, and the heat supply section through which the raw material gas is passed is divided into the supply amount of the raw material gas and the sectional area of the heat supply section. If selected accordingly, the responsiveness to a change in setting such as a change in the supply amount of the source gas can be improved.

以下、本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の第1の実施の形態の加湿ガス供給システムの説明図である。
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態の加湿ガス供給システム10は、固体高分子型の燃料電池11に所定の流量、温度および湿度の製品加湿ガスを連続的に供給する装置であって、原水を供給する水供給手段12と、原料ガスの一例である水素を供給するガス供給手段13と、水供給手段12から供給された原水を加熱するとともにガス供給手段13から供給された原料ガスを通過させて水蒸気を発生させる蒸発部14とを有している。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is an explanatory diagram of a humidified gas supply system according to a first embodiment of this invention.
As shown in FIG. 1, a humidified gas supply system 10 according to the first embodiment of the present invention continuously supplies a product humidified gas having a predetermined flow rate, temperature and humidity to a polymer electrolyte fuel cell 11. The apparatus is a water supply means 12 for supplying raw water, a gas supply means 13 for supplying hydrogen, which is an example of a raw material gas, and the raw water supplied from the water supply means 12 is heated and supplied from the gas supply means 13. And an evaporation section 14 that passes the raw material gas and generates water vapor.

また、加湿ガス供給システム10は、蒸発部14から供給される水蒸気および原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部15と、混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温して、所定の温度、流量、および湿度の製品加湿ガスを生成する冷却部16と、生成した製品加湿ガスを保温または昇温して所定値に保つ温調部17とを有し、製品加湿ガスを温調部17から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。なお、蒸発部14、混合昇温部15および冷却部16は、高さ方向に下から順に積み上げられている。以下、詳しく説明する。   The humidified gas supply system 10 also mixes the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporation unit 14 to generate a raw humidified gas, and heats the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas 15. The cooling unit 16 that generates a product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity by lowering the temperature of the superheated humidified gas generated in the mixing temperature raising unit, and the temperature of the generated product humidified gas is maintained or increased to be predetermined. And a temperature control unit 17 that maintains the value, and continuously supplies the product humidified gas from the temperature control unit 17 to the polymer electrolyte fuel cell 11. In addition, the evaporation part 14, the mixing temperature rising part 15, and the cooling part 16 are stacked in order from the bottom in the height direction. This will be described in detail below.

水供給手段12は、原水(例えば、2μS/cm以下、好ましくは1μS/cm以下の純水)を貯留する原水タンク20と、原水タンク20に貯留された原水を、原水供給管21を介して蒸発部14に供給する定量ポンプ22を有している。原水供給管21には、原水をあらかじめ加熱する配管ヒータ24が設けられている。なお、蒸発部14の内壁に原水供給管21を沿わせ、加熱された原水を供給する構成にしてもよい。   The water supply means 12 includes a raw water tank 20 that stores raw water (for example, pure water of 2 μS / cm or less, preferably 1 μS / cm or less), and raw water stored in the raw water tank 20 via a raw water supply pipe 21. A metering pump 22 that supplies the evaporator 14 is provided. The raw water supply pipe 21 is provided with a pipe heater 24 for heating raw water in advance. In addition, you may make it the structure which puts the raw | natural water supply pipe | tube 21 along the inner wall of the evaporation part 14, and supplies the heated raw | natural water.

ガス供給手段13は、原料ガス、例えば、水素を貯留しているガスボンベ25と、ガスボンベ25から蒸発部14の下部へ原料ガスを送る複数のガス供給管26a〜26cと、ガス供給管26a〜26cにそれぞれ設けられ、供給するガスの流量を調節する減圧弁および流量調節弁を有するガス流量調節器27a〜27cとを有している。ガス供給管26a〜26cの先部は、原料ガスを小さな気泡として供給できる形状となっている。また、ガス供給管26a〜26cのガス流量調節器27a〜27cの下流側には、原料ガスを加熱する配管ヒータ28a〜28cがそれぞれ取り付けられている。   The gas supply means 13 includes a gas cylinder 25 that stores a source gas, for example, hydrogen, a plurality of gas supply pipes 26 a to 26 c that send the source gas from the gas cylinder 25 to the lower part of the evaporation unit 14, and gas supply pipes 26 a to 26 c. And gas flow rate regulators 27a to 27c each having a pressure reducing valve and a flow rate regulating valve for regulating the flow rate of the supplied gas. The tip portions of the gas supply pipes 26a to 26c have a shape capable of supplying the source gas as small bubbles. In addition, pipe heaters 28a to 28c for heating the source gas are respectively attached to the gas supply pipes 26a to 26c on the downstream side of the gas flow rate regulators 27a to 27c.

図2は本発明の第1の実施の形態の蒸発部の平断面図、図3は同部分拡大正断面図、図4は同給熱部および蓄熱部の制御ブロックを示す説明図である。図1〜図4に示すように、蒸発部14は、原水を貯留する貯水槽29と、加熱手段の一例である加熱ヒータ30〜32をコイルばねのような螺旋状に巻いて、設置したときの高さ方向に接続した仕切壁36と、螺旋状の加熱ヒータ33〜35を同様に接続した仕切壁37とを有している。仕切壁36、37は、それぞれ平面視して円環状に形成されており、仕切壁37は、仕切壁36より大径に形成されている。   FIG. 2 is a plan sectional view of the evaporator according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a partially enlarged front sectional view of the same, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing control blocks of the heat supply unit and the heat storage unit. As shown in FIGS. 1 to 4, when the evaporator 14 is installed by winding a water storage tank 29 for storing raw water and heaters 30 to 32, which are an example of heating means, in a spiral shape like a coil spring. Partition wall 36 connected in the height direction, and partition wall 37 similarly connected to spiral heaters 33-35. The partition walls 36 and 37 are each formed in an annular shape in plan view, and the partition wall 37 is formed to have a larger diameter than the partition wall 36.

また、貯水槽29の内部には、球状固体物の一例であるアルミナ系セラミックのボール38が充填されている。この、充填されたボール38によって、多孔層が形成されている。ボール38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29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29内の原水中を微小移動することができる。ボール38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。   Further, the inside of the water storage tank 29 is filled with an alumina ceramic ball 38 which is an example of a spherical solid material. A porous layer is formed by the filled balls 38. The ball 38 is formed in a substantially spherical shape having a diameter D1 of 3 to 7 mm, has a light specific gravity, and slightly moves in the raw water in the water tank 29 by the convection of the raw water in the water tank 29 and the pressure of the supplied raw material gas. be able to. The thickness of the porous layer formed by the balls 38 is substantially the same as the depth of the stored raw water.

仕切壁3637を構成する加熱ヒータ30〜35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30〜35は、それぞれ独立して通電可能で、それぞれ独立して原水に熱を加えることができる。 The heaters 30 to 35 constituting the partition walls 36 and 37 are configured such that heating wires are arranged inside a metal circular tube filled with insulating powder such as magnesia (MgO), and are heated by energization to heat the raw water. Add. The heaters 30 to 35 can be energized independently, and can independently heat the raw water.

加熱ヒータ30〜35には、コイルばねの線間すきまに相当する部分に、原水を厚み方向に通過可能な螺旋状の隙間39が形成されている。この隙間39の幅L1は、ボール38の直径D1より小さく形成されており、ボール38は、隙間39を通過することができない。   In the heaters 30 to 35, a spiral gap 39 is formed in a portion corresponding to the gap between the coil springs so that the raw water can pass in the thickness direction. The width L1 of the gap 39 is smaller than the diameter D1 of the ball 38, and the ball 38 cannot pass through the gap 39.

貯水槽29の外壁40は、円筒状に形成されており、外壁40の外側には、貯水槽用ヒータ41が設けられている。平面視して円環状に形成された仕切壁3637は、その中心を貯水槽29の外壁40の中心に合わせて同心状に配置されている。 The outer wall 40 of the water tank 29 is formed in a cylindrical shape, and a water tank heater 41 is provided outside the outer wall 40. The partition walls 36 , 37 formed in an annular shape in plan view are arranged concentrically with the center thereof aligned with the center of the outer wall 40 of the water storage tank 29.

仕切壁36は、その内側に円柱状の給熱部42を形成し、外側に円環状の蓄熱部43を形成している。給熱部42は、原料ガスを高さ方向に通過させながら加熱して水蒸気を発生させることができ、蓄熱部43は、所定温度の原水を貯留しておき、この原水によって給熱部42を外側から加熱することができる。   The partition wall 36 has a cylindrical heat supply part 42 formed on the inner side and an annular heat storage part 43 formed on the outer side. The heat supply unit 42 can generate water vapor by heating the raw material gas while passing in the height direction. The heat storage unit 43 stores raw water at a predetermined temperature, and the raw water supplies the heat supply unit 42 with the raw water. It can be heated from the outside.

また、仕切壁37は、蓄熱部43を内側円環部44と外側円環部45とに分割している。内側円環部44は、原料ガスを通過させるときには給熱部として使用でき、通過させないときは、蓄熱部として使用することができる。なお、ガス供給管26aの供給口は給熱部42の下部の2カ所に設けられ、ガス供給管26bの供給口は内側円環部44の下部の4カ所に設けられ、ガス供給管26cの供給口は外側円環部45の下部の8カ所に設けられている。   Further, the partition wall 37 divides the heat storage part 43 into an inner ring part 44 and an outer ring part 45. The inner annular part 44 can be used as a heat supply part when the raw material gas is allowed to pass therethrough, and can be used as a heat storage part when it is not allowed to pass through. The supply ports of the gas supply pipe 26a are provided at two locations below the heat supply section 42, and the supply ports of the gas supply pipe 26b are provided at four positions below the inner annular portion 44, and the gas supply pipe 26c Supply ports are provided at eight locations below the outer annular portion 45.

図4に示すように、給熱部42、内側円環部44および外側円環部45は、それぞれ3ずつの制御ブロック42a〜42c、44a〜44c、45a〜45cに分割されている。各制御ブロック42a〜42c、44a〜44c、45a〜45cには、温度センサ55がそれぞれ1台ずつ配置されている。   As shown in FIG. 4, the heat supply unit 42, the inner annular portion 44, and the outer annular portion 45 are each divided into three control blocks 42 a to 42 c, 44 a to 44 c, and 45 a to 45 c. One temperature sensor 55 is arranged in each of the control blocks 42a to 42c, 44a to 44c, 45a to 45c.

給熱部42に設けられた3台の温度センサ55は、仕切壁36を構成している加熱ヒータ30〜32とともに給熱部42内での水蒸気の発生量を制御する温度調整用制御ループ56を構成している。また、内側円環部44に設けられた3台の温度センサ55は、仕切壁37を構成している加熱ヒータ33〜35とともに内側円環部44に原料ガスを供給したときの水蒸気の発生量を制御する温度調整用制御ループ57を構成している。なお、外側円環部45に設けられた3台の温度センサ55は、温度調整用制御ループ56や温度調整用制御ループ57の一部として使用することができ、また、貯水槽用ヒータ41の制御に用いることもできる。なお、貯水槽用ヒータ41の制御には、貯水槽29内の全ての温度センサ55を用いて外部に放散された熱量を計算し、この放散された熱量と同等の熱量を与える温度調整用制御ループ(図示せず)を用いることも可能である。   The three temperature sensors 55 provided in the heat supply unit 42, together with the heaters 30 to 32 constituting the partition wall 36, control the temperature adjustment control loop 56 that controls the amount of water vapor generated in the heat supply unit 42. Is configured. In addition, the three temperature sensors 55 provided in the inner annular portion 44 generate water vapor when the source gas is supplied to the inner annular portion 44 together with the heaters 33 to 35 constituting the partition wall 37. A temperature adjustment control loop 57 for controlling the above is configured. The three temperature sensors 55 provided in the outer annular portion 45 can be used as part of the temperature adjustment control loop 56 and the temperature adjustment control loop 57, and the water heater 41 It can also be used for control. The water heater 41 is controlled by calculating the amount of heat dissipated to the outside using all the temperature sensors 55 in the water tank 29 and providing a heat amount equivalent to the amount of heat dissipated. It is also possible to use a loop (not shown).

仕切壁3637の上下には、原水および加湿ガスが給熱部42と蓄熱部43との間を移動可能な流路4647がそれぞれ形成されている。また、上部の流路46の上端部には、多数のボール38が原水内で大きく移動しないように押え板23が配置されている。押え板23には、原水が蒸発して発生した水蒸気等の気体を上方に通過させる微小隙間が多数形成されている。給熱部42を加熱すると、原水の対流が発生する。すなわち、押え板23によって半固定状態に保持されたボール38間の隙間を原水が通過して給熱部42内を上昇し、上部の流路46を通過して外側の蓄熱部43に移動する。そして、蓄熱部43内を下降しながら、原水は、仕切壁36の隙間39を通過して給熱部42内に流入し、また、下部の流路47を通過して内側の給熱部42に移動する。 On the upper and lower sides of the partition walls 36 , 37, flow paths 46 , 47 through which raw water and humidified gas can move between the heat supply unit 42 and the heat storage unit 43 are formed. In addition, a presser plate 23 is disposed at the upper end of the upper flow path 46 so that a large number of balls 38 do not move greatly in the raw water. The presser plate 23 has a large number of minute gaps through which gas such as water vapor generated by evaporation of raw water passes upward. When the heat supply unit 42 is heated, convection of raw water is generated. That is, the raw water passes through the gap between the balls 38 held in a semi-fixed state by the presser plate 23, rises in the heat supply unit 42, passes through the upper flow path 46, and moves to the outer heat storage unit 43. . The raw water passes through the gap 39 of the partition wall 36 and flows into the heat supply section 42 while descending in the heat storage section 43, and passes through the lower flow path 47 to enter the inner heat supply section 42. Move to.

なお、貯水槽29内には、図示しない水位計が設けられ、貯水槽30内の水位が低下したときには、水供給手段12から原水を供給している。   Note that a water level meter (not shown) is provided in the water tank 29, and raw water is supplied from the water supply means 12 when the water level in the water tank 30 is lowered.

図1に示すように、混合昇温部15は、蒸発部14の上部に配置され、一体的に形成されたチャンバー48を有している。チャンバー内部には、蒸発部14から供給される水蒸気および原料ガスを加熱する加熱ヒータ49が設けられ、チャンバーの外側周囲には外部に放散される熱量に対して同等の熱量を加熱するリボン型のチャンバー用ヒータ50が取り付けられている。チャンバー48内では、蒸発部14から供給される水蒸気および原料ガスが混合されて生加湿ガスとされ、さらにヒータで生加湿ガスが加熱されて過熱加湿ガスとされる。   As shown in FIG. 1, the mixed temperature raising unit 15 includes a chamber 48 that is disposed above the evaporation unit 14 and is integrally formed. A heater 49 that heats the water vapor and source gas supplied from the evaporation unit 14 is provided inside the chamber, and a ribbon type that heats the amount of heat equivalent to the amount of heat dissipated outside around the outside of the chamber. A chamber heater 50 is attached. In the chamber 48, the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporating unit 14 are mixed to obtain a raw humidified gas, and the raw humidified gas is further heated by the heater to be a superheated humidified gas.

ここで、チャンバー48内では、原料ガスと水蒸気の流れによって、自然に両者が混合されるが、混合を促進する必要があれば、チャンバー48内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、邪魔板等によって、生加湿ガスが加熱ヒータ49に接近するように誘導し、生加湿ガスを効率よく昇温させてもよい。混合昇温部は、下部に蒸発部およびガス供給手段から、それぞれ供給される水蒸気および原料ガスを混合して、生加湿ガスを生成させる混合部を設け、その上部に混合部で生成した生加湿ガスを加熱して、過熱加湿ガスを生成させる昇温部を設けてもよい。   Here, in the chamber 48, both are naturally mixed by the flow of the raw material gas and the water vapor, but if it is necessary to promote the mixing, a baffle plate or the like is placed in the chamber 48, and the flow of the gas You may generate a turbulent flow positively. Alternatively, the raw humidified gas may be guided by a baffle plate or the like so as to approach the heater 49, and the raw humidified gas may be efficiently heated. The mixing temperature raising unit is provided with a mixing unit that mixes water vapor and raw material gas supplied from the evaporation unit and the gas supply unit at the lower part to generate raw humidified gas, and the raw humidification generated by the mixing unit at the upper part. You may provide the temperature rising part which heats gas and produces | generates superheated humidification gas.

冷却部16は、チャンバー48の上部に配置される熱交換器51と、熱交換器に冷媒、例えば、20℃の水を貯留する冷媒槽52と、冷媒槽52から熱交換器51に冷媒を供給する冷媒配管53およびポンプ54とを有している。チャンバー48で生成した過熱加湿ガスは、熱交換器によって、所定温度まで降温されて製品加湿ガスとなる。   The cooling unit 16 includes a heat exchanger 51 disposed in the upper portion of the chamber 48, a refrigerant tank 52 that stores a refrigerant, for example, water at 20 ° C. in the heat exchanger, and a refrigerant from the refrigerant tank 52 to the heat exchanger 51. A refrigerant pipe 53 to be supplied and a pump 54 are provided. The superheated humidified gas generated in the chamber 48 is lowered to a predetermined temperature by the heat exchanger and becomes product humidified gas.

また、温調部17は、冷却部16の下流側、すなわち上部に設けられ、冷却部16によって生成した製品加湿ガスを保温する配管ヒータ58を有し、所定温度の製品加湿ガスを燃料電池11に供給している。なお、温調部17は、生成した製品加湿ガスを燃料電池11まで供給する製品ガス供給配管59を有し、製品ガス供給配管59にも配管ヒータ58が取り付けられ、製品加湿ガスの温度低下を防止している。   The temperature control unit 17 includes a pipe heater 58 that is provided on the downstream side of the cooling unit 16, i.e., at the upper portion thereof, and retains the product humidified gas generated by the cooling unit 16. To supply. The temperature control unit 17 has a product gas supply pipe 59 that supplies the generated product humidified gas to the fuel cell 11, and a pipe heater 58 is also attached to the product gas supply pipe 59 to reduce the temperature of the product humidified gas. It is preventing.

また、製品ガス供給配管には、冷却部16で生成した製品加湿ガスを加熱して所定温度よりも高温の加湿ガスとし、外部への熱の放散による温度低下を防止する加熱装置と、さらにこの加熱された加湿ガスを燃料電池11に供給する前に所定温度に冷却して製品加湿ガスとする冷却装置とを設けることもできる。   The product gas supply pipe has a heating device that heats the product humidified gas generated in the cooling unit 16 to a humidified gas higher than a predetermined temperature, and prevents a temperature drop due to heat dissipation to the outside. A cooling device that cools the heated humidified gas to a predetermined temperature before supplying it to the fuel cell 11 to obtain a product humidified gas may be provided.

加湿ガス供給システム10には、蒸発部14以外にも温度センサ60〜63が設けられている。チャンバー48内には、チャンバー48内の上部に設けられ、チャンバー48内で生成する過熱加湿ガスの温度を測定する温度センサ60と、温度センサ60による測定値によって、チャンバー48内を加熱する加熱ヒータ49を制御して、過熱加湿ガスの温度を所定値とする温度調整用制御ループ64とが設けられている。   The humidified gas supply system 10 is provided with temperature sensors 60 to 63 in addition to the evaporation unit 14. In the chamber 48, a temperature sensor 60 that is provided in an upper portion of the chamber 48 and that measures the temperature of the superheated humidified gas generated in the chamber 48, and a heater that heats the chamber 48 based on the measurement value by the temperature sensor 60. 49, and a temperature adjustment control loop 64 that controls the temperature of the superheated humidified gas to a predetermined value is provided.

なお、チャンバー48内の下部およびチャンバー48の外部にそれぞれ温度センサを配置し、チャンバー48下部の温度センサによって、蒸発部14から供給される水蒸気および原料ガスの温度を測定し、チャンバー48上部の温度センサ60によって、水蒸気および原料ガスが混合して加熱された過熱加湿ガスの温度を測定して、チャンバー48外部の温度センサで測定された温度から、チャンバー48外部に放散される熱量を計算し、この放散された熱量と同等の熱量をチャンバー用ヒータ50を制御してチャンバー48に与える温度調整用制御ループを設けることもできる。   A temperature sensor is disposed in the lower part of the chamber 48 and outside the chamber 48, and the temperatures of the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporation unit 14 are measured by the temperature sensors in the lower part of the chamber 48. The sensor 60 measures the temperature of the superheated humidified gas heated by mixing the steam and the raw material gas, and calculates the amount of heat dissipated outside the chamber 48 from the temperature measured by the temperature sensor outside the chamber 48. It is also possible to provide a temperature adjustment control loop that controls the chamber heater 50 to supply the chamber 48 with the same amount of heat as the dissipated heat.

また、温調部17には、温調部17の内部および外部にそれぞれ温度センサ61、62が配置されている。温調部17内部の温度センサ61では、冷却部16で冷却された製品加湿ガスの温度が測定されている。この温度が所定値となるように冷却部16のポンプ54から供給する冷媒の量を調整する温度調整用制御ループ67がインバータ68を介してポンプ54に設けられている。さらに、温調部17外部の温度センサ62で測定された温度から、温調部17外部に放散される熱量が計算できる。また、配管ヒータ58を制御して、この計算された熱量を温調部17に与える温度調整用制御ループ69が設けられている。さらに、温調部17は、温調部17内の製品加湿ガスの湿度を測定する湿度センサ70が設けられている。また、温調部17内の最下流には温度センサ63が設けられ、燃料電池11に供給される製品加湿ガスの温度を測定している。   In addition, temperature sensors 61 and 62 are disposed in the temperature control unit 17 inside and outside the temperature control unit 17, respectively. The temperature sensor 61 inside the temperature control unit 17 measures the temperature of the product humidified gas cooled by the cooling unit 16. A temperature adjustment control loop 67 that adjusts the amount of refrigerant supplied from the pump 54 of the cooling unit 16 so that the temperature becomes a predetermined value is provided in the pump 54 via an inverter 68. Furthermore, the amount of heat dissipated outside the temperature control unit 17 can be calculated from the temperature measured by the temperature sensor 62 outside the temperature control unit 17. Further, a temperature adjustment control loop 69 that controls the pipe heater 58 and supplies the calculated heat amount to the temperature adjustment unit 17 is provided. Furthermore, the temperature control unit 17 is provided with a humidity sensor 70 that measures the humidity of the product humidified gas in the temperature control unit 17. Further, a temperature sensor 63 is provided on the most downstream side in the temperature control unit 17 and measures the temperature of the product humidified gas supplied to the fuel cell 11.

次に、図1〜図4を参照して、本発明の第1の実施の形態の加湿ガス供給システムを用いた燃料電池に供給する加湿ガスの供給方法について説明する。まず、原料ガスの量が少ない場合について説明する。   Next, with reference to FIGS. 1-4, the humidification gas supply method supplied to the fuel cell using the humidification gas supply system of the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. First, the case where the amount of source gas is small will be described.

蒸発部14の原料ガスの流路および加熱状態についての初期設定は、次のように行う。すなわち、原料ガスを流す場合に、ガス供給管26a、26bは閉じた状態のままで、ガス供給管26cから流すように設定しておき、加熱ヒータ33〜35には通電せず、加熱ヒータ30〜32のみに通電を行うように設定しておく。この場合、内側円環部44および外側円環部45は、蓄熱部43として使用される。   The initial setting of the flow path and the heating state of the raw material gas in the evaporation unit 14 is performed as follows. That is, when the raw material gas is flown, the gas supply pipes 26a and 26b remain closed and are set to flow from the gas supply pipe 26c. The heaters 33 to 35 are not energized, and the heater 30 It sets so that only -32 may be energized. In this case, the inner annular part 44 and the outer annular part 45 are used as the heat storage part 43.

原水タンクに貯留された原水は、定量ポンプ22の駆動により貯水槽29に所定量を連続的に供給するように設定しておく。貯水槽29内には、所定温度の原水が貯留された状態にする。 The raw water stored in the raw water tank is set so that a predetermined amount is continuously supplied to the water storage tank 29 by driving the metering pump 22. The water storage tank 29 is in a state where raw water of a predetermined temperature is stored.

まず、ガス流量調節器27cで流量を調節された原料ガスを、ガスボンベ25からガス供給管26cを介して給熱部42に流しながら、加熱ヒータ30〜32に通電し、給熱部42を加熱する。原料ガスは、ガス供給管26cに取付けられた配管ヒータ28cで、あらかじめ貯水槽29内の原水と同じ温度まで加熱することが好ましい。原料ガスは、原水とともに充填されたボール38によって上昇の抵抗を受け、ボール38の隙間を通過しながら小さな気泡となり界面で水蒸気を発生させながら上昇する。ボール38は、上昇の抵抗を受けるために通過時間が長くなり、また、総表面積が大きくなるので、より加湿されやすくなる。   First, the heaters 30 to 32 are energized to heat the heat supply unit 42 while flowing the source gas whose flow rate is adjusted by the gas flow rate controller 27c from the gas cylinder 25 to the heat supply unit 42 through the gas supply pipe 26c. To do. The raw material gas is preferably heated in advance to the same temperature as the raw water in the water storage tank 29 by a pipe heater 28c attached to the gas supply pipe 26c. The raw material gas is subjected to resistance of rising by the balls 38 filled with the raw water, becomes small bubbles while passing through the gaps of the balls 38, and rises while generating water vapor at the interface. Since the ball 38 is subjected to resistance to ascending, the passing time becomes longer and the total surface area becomes larger, so that the ball 38 is more easily humidified.

また、ボール38は、仕切壁36の隙間39を通過することができないので、給熱部42内で微動し、気泡および原水は、給熱部42内を上昇する。気泡が加熱ヒータ30〜32に近接した状態で気泡の近傍にある原水が加熱されるので、原水が蒸発しやすくなる。 Further, since the ball 38 cannot pass through the gap 39 of the partition wall 36, the ball 38 finely moves in the heat supply unit 42, and bubbles and raw water rise in the heat supply unit 42. Since the raw water in the vicinity of the bubbles is heated in a state where the bubbles are close to the heaters 30 to 32, the raw water is easily evaporated.

加熱ヒータ30〜32は、給熱部42内に配置した3台の温度センサ55で給熱部42内の制御ブロック42a〜44cの温度をそれぞれ測定し、この温度が所定値、例えば、60〜90℃となるように、温度調整用制御ループ56で制御する。このとき、原料ガスの供給口に近い加熱ヒータ32の出力を他の加熱ヒータ3031より大きくして、奪われる熱量が多い給熱部の下部の温度低下を小さくしてもよい。 The heaters 30 to 32 measure the temperatures of the control blocks 42a to 44c in the heat supply unit 42 with three temperature sensors 55 arranged in the heat supply unit 42, respectively, and this temperature is a predetermined value, for example, 60 to Control is performed by the temperature adjustment control loop 56 so that the temperature becomes 90 ° C. At this time, the output of the heater 32 close to the supply port of the raw material gas may be made larger than those of the other heaters 30 and 31 to reduce the temperature drop at the lower portion of the heat supply section where a large amount of heat is taken away.

原水は、対流により給熱部42内を上昇し、蓄熱部43内を下降する。蓄熱部43内の原水の一部は、仕切壁36の隙間39を通過して給熱部42内に移動して給熱部を加熱し、また、蓄熱部43内の原水は、下部の流路47を通過して給熱部42内に移動し、給熱部42の下部を加熱することができる。   The raw water rises in the heat supply unit 42 by convection and descends in the heat storage unit 43. Part of the raw water in the heat storage unit 43 passes through the gap 39 of the partition wall 36 and moves into the heat supply unit 42 to heat the heat supply unit, and the raw water in the heat storage unit 43 flows in the lower flow. The lower part of the heat supply part 42 can be heated by passing through the path 47 and moving into the heat supply part 42.

なお、装置の運転開始直後や、蓄熱部43内の水温低下が著しい場合は、仕切壁37の加熱ヒータ33〜35や貯水槽29の周囲に設けられた貯水槽用ヒータ41を用いて蓄熱部43を加熱することも可能である。   In addition, immediately after the start of operation of the apparatus, or when the water temperature in the heat storage unit 43 is significantly decreased, the heat storage unit is used by using the heaters 33 to 35 of the partition wall 37 and the water tank heater 41 provided around the water storage tank 29. It is also possible to heat 43.

蒸発部14に送られた原料ガスと、原水が蒸発して発生した水蒸気とは、混合昇温部15で混合されて生加湿ガスとなる。チャンバー48内で生成した過熱加湿ガスは、冷却部16の熱交換器51によって所定温度、すなわち製品加湿ガスの温度(例えば60〜90℃)まで降温して製品加湿ガスとする。ここで、温調部17の温度センサ61による製品加湿ガスの温度が所定温度と異なる場合には、温度調整用制御ループ67によって、熱交換器51に供給する冷媒の量をポンプ54で制御して、製品加湿ガスの温度を一定とする。なお、熱交換器51によって冷却された過熱加湿ガス中の水蒸気の一部が水滴となったときには、この水滴が落下して下部に配置された貯水槽29に貯留される。さらに、生成した製品加湿ガスは、温調部17の配管ヒータ58によって所定温度とされて燃料電池11に供給される。 The raw material gas sent to the evaporation unit 14 and the water vapor generated by evaporation of the raw water are mixed by the mixing temperature raising unit 15 to become a raw humidified gas. The superheated humidified gas generated in the chamber 48 is lowered to a predetermined temperature, that is, the temperature of the product humidified gas (for example, 60 to 90 ° C.) by the heat exchanger 51 of the cooling unit 16 to obtain the product humidified gas. Here, when the temperature of the product humidified gas by the temperature sensor 61 of the temperature control unit 17 is different from the predetermined temperature, the amount of refrigerant supplied to the heat exchanger 51 is controlled by the pump 54 by the temperature adjustment control loop 67. The product humidified gas temperature is kept constant. In addition, when a part of the water vapor in the superheated humidified gas cooled by the heat exchanger 51 becomes water droplets, the water droplets are dropped and stored in the water storage tank 29 disposed below. Further, the generated product humidified gas is supplied to the fuel cell 11 at a predetermined temperature by the pipe heater 58 of the temperature control unit 17.

なお、熱交換器51によって生成した製品加湿ガスの温度が所定温度よりも高い場合には、熱交換器51に供給する冷媒の流量を多くし、低い場合には冷媒の流量を少なくして、製品加湿ガスの温度を調整することができる。また、燃料電池11に供給する製品加湿ガスの流量を多くする場合には、水供給手段12およびガス供給手段13からそれぞれ供給される原水および原料ガスの量を増やし、また、少なくする場合には、それぞれの供給量を減らせばよい。   When the temperature of the product humidified gas generated by the heat exchanger 51 is higher than a predetermined temperature, the flow rate of the refrigerant supplied to the heat exchanger 51 is increased, and when the temperature is low, the flow rate of the refrigerant is decreased. Product humidifying gas temperature can be adjusted. Further, when the flow rate of the product humidifying gas supplied to the fuel cell 11 is increased, the amounts of raw water and raw material gas supplied from the water supply means 12 and the gas supply means 13 are increased and decreased, respectively. What is necessary is just to reduce each supply amount.

次に、設定変更により原料ガスの量を少し多くした場合について説明する。蒸発部14の原料ガスの流路および加熱状態についての初期設定は、次のように行う。すなわち、原料ガスを流す場合に、ガス供給管26a、26cは閉じた状態のままで、ガス供給管26bから流すように設定しておき、加熱ヒータ30〜32には通電せず、加熱ヒータ33〜35のみに通電を行うように設定しておく。この場合、内側円環部44は給熱部として使用され、外側円環部45は、蓄熱部として使用される。このように設定しておくと、給熱部42より内側円環部44の断面積の方が大きいので、より多くの原料ガスを流してより多くの水蒸気を発生させることができる。   Next, a case where the amount of the source gas is slightly increased by changing the setting will be described. The initial setting of the flow path and the heating state of the raw material gas in the evaporation unit 14 is performed as follows. That is, when supplying the raw material gas, the gas supply pipes 26a and 26c are set in a closed state and are set to flow from the gas supply pipe 26b, the heaters 30 to 32 are not energized, and the heater 33 is set. It sets so that only -35 may be energized. In this case, the inner annular part 44 is used as a heat supply part, and the outer annular part 45 is used as a heat storage part. With this setting, since the cross-sectional area of the inner annular portion 44 is larger than that of the heat supply portion 42, more water vapor can be generated by flowing more raw material gas.

次に、設定変更により原料ガスの量をさらに多くした場合について説明する。蒸発部14の原料ガスの流路および加熱状態についての初期設定は、次のように行う。すなわち、原料ガスを流す場合に、ガス供給管26cは閉じた状態のままで、ガス供給管26a、26bから流すように設定しておき、加熱ヒータ30〜32および加熱ヒータ33〜35に通電を行うように設定しておく。この場合、給熱部42および内側円環部44が給熱部として使用され、外側円環部45は、蓄熱部として使用される。このように設定しておくと、給熱部42より内側円環部44の断面積の方が大きいので、より多くの原料ガスを流して、より多くの水蒸気を発生させることができる。なお、供給する原料ガスの量があまり多くない場合には、加熱ヒータ30〜32を使用しないで、加熱ヒータ33〜35のみを使用することも可能である。   Next, a case where the amount of the source gas is further increased by changing the setting will be described. The initial setting of the flow path and the heating state of the raw material gas in the evaporation unit 14 is performed as follows. That is, when the raw material gas is flown, the gas supply pipe 26c remains closed and is set to flow from the gas supply pipes 26a and 26b, and the heaters 30 to 32 and the heaters 33 to 35 are energized. Set to do. In this case, the heat supply part 42 and the inner ring part 44 are used as a heat supply part, and the outer ring part 45 is used as a heat storage part. By setting in this way, since the cross-sectional area of the inner annular portion 44 is larger than that of the heat supply portion 42, more raw material gas can be flowed to generate more water vapor. If the amount of source gas to be supplied is not so large, it is possible to use only the heaters 33 to 35 without using the heaters 30 to 32.

次に、設定変更により原料ガスの量を最大にした場合について説明する。蒸発部14の原料ガスの流路および加熱状態についての初期設定は、次のように行う。すなわち、原料ガスを流す場合に、全てのガス供給管26a〜26cから流すように設定しておき、加熱ヒータ30〜32および加熱ヒータ33〜35に通電を行うように設定しておく。この場合は、給熱部42、内側円環部44および外側円環部45は、すべて給熱部として使用される。なお、この状態で運転を行うときには、貯水槽用ヒータ41にも通電を行い、外側円環部45を外側から加熱することが好ましい。   Next, a case where the amount of source gas is maximized by changing the setting will be described. The initial setting of the flow path and the heating state of the raw material gas in the evaporation unit 14 is performed as follows. That is, when flowing the raw material gas, it is set to flow from all of the gas supply pipes 26a to 26c, and the heaters 30 to 32 and the heaters 33 to 35 are set to be energized. In this case, the heat supply part 42, the inner ring part 44, and the outer ring part 45 are all used as the heat supply part. When operating in this state, it is preferable to energize the water tank heater 41 to heat the outer annular portion 45 from the outside.

このように、原料ガスを通過させる給熱部を、原料ガスの供給量と、給熱部の断面積に応じて選択することができ、装置の設定を変更した場合でも、効率よく水蒸気を発生させ、高品質の製品加湿ガスを供給することができる。   In this way, the heat supply part through which the raw material gas passes can be selected according to the supply amount of the raw material gas and the cross-sectional area of the heat supply part, and even when the setting of the device is changed, water vapor is generated efficiently High quality product humidified gas can be supplied.

次に、本発明の第2の実施の形態の加湿ガス供給システムについて説明する。図5は、本発明の第2の実施の形態の加湿ガス供給システムの説明図、図6は、同蒸発部の平断面図である。図5、図6に示すように、第2の実施の形態の加湿ガス供給システム80は、第1の実施の形態の加湿ガス供給システム10とは、蒸発部の仕切壁および加熱手段の構成が異なるだけで他の構成は同じなので、同一の構成要素には同一の番号を付して説明は省略する。   Next, a humidified gas supply system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram of the humidified gas supply system according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a plan sectional view of the evaporation unit. As shown in FIGS. 5 and 6, the humidified gas supply system 80 of the second embodiment is different from the humidified gas supply system 10 of the first embodiment in the configuration of the partition wall of the evaporation unit and the heating means. Since other configurations are the same except for the differences, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

加湿ガス供給システム80の蒸発部81は、高さ方向に伸びるように複数配置された加熱手段の一例である棒状の加熱ヒータ82〜84と、円筒状に形成された金属網板からなる仕切壁8586とを有している。仕切壁85は、仕切壁86より小径に形成されている。以下、詳しく説明する。 The evaporating section 81 of the humidified gas supply system 80 is a partition wall made up of rod-shaped heaters 82 to 84 that are examples of heating means that are arranged in a plurality in the height direction, and a metal net plate formed in a cylindrical shape. 85 and 86. The partition wall 85 is formed with a smaller diameter than the partition wall 86. This will be described in detail below.

仕切壁8586は、貯水槽29に同心状に配置されている。仕切壁8586には、ボール38が通過不可能な大きさの多数の貫通孔91が形成されている。仕切壁85の内側には、給熱部87が形成され、仕切壁85の外側には蓄熱部88が形成されている。仕切壁86は、蓄熱部88を内側円環部89と外側円環部90とに分割している。内側円環部89は、原料ガスを通過させるときには給熱部として使用でき、通過させないときは、蓄熱部として使用することができる。 The partition walls 85 and 86 are arranged concentrically in the water storage tank 29. A large number of through-holes 91 are formed in the partition walls 85 and 86 so that the ball 38 cannot pass therethrough. A heat supply unit 87 is formed inside the partition wall 85, and a heat storage unit 88 is formed outside the partition wall 85. The partition wall 86 divides the heat storage part 88 into an inner ring part 89 and an outer ring part 90. The inner annular part 89 can be used as a heat supply part when the raw material gas is allowed to pass therethrough, and can be used as a heat storage part when it is not allowed to pass through.

加熱ヒータ82は、給熱部87内の高さ方向に2本並べて設けられている。また、加熱ヒータ83は、内側円環部89内の周方向に4本均等配置され、加熱ヒータ84は、外側円環部90の周方向に8本均等配置されている。   Two heaters 82 are provided side by side in the height direction in the heat supply section 87. In addition, four heaters 83 are equally arranged in the circumferential direction inside the inner annular portion 89, and eight heaters 84 are equally arranged in the circumferential direction of the outer annular portion 90.

給熱部87に原料ガスを供給し、加熱ヒータ82に通電を行うと、原料ガスは、ボール38の間を通過しながら細かい気泡となり給熱部87内に拡がる。仕切壁85の貫通孔91はボール38が通過しないので、気泡も仕切壁85内の給熱部87内を上昇する。気泡を給熱部87内に閉じこめた状態で給熱部を加熱するので、原料ガスの流量が少ない場合でも水蒸気を発生させるために効率よく加熱を行うことができる。   When the source gas is supplied to the heat supply unit 87 and the heater 82 is energized, the source gas becomes fine bubbles while passing between the balls 38 and spreads in the heat supply unit 87. Since the ball 38 does not pass through the through hole 91 of the partition wall 85, the bubbles also rise in the heat supply portion 87 in the partition wall 85. Since the heat supply section is heated in a state where the bubbles are confined in the heat supply section 87, even when the flow rate of the raw material gas is small, it is possible to efficiently perform heating in order to generate water vapor.

加熱ヒータ82による原水の加熱によって対流が発生し、給熱部87内を上昇した原水およびボール38は、上部の流路92を通過して蓄熱部88を下降し、下部の流路93を通過して再び給熱部87内に流入する。また、原水は、蓄熱部88から仕切壁85の貫通孔91を通過して給熱部87を加熱することができる。このように、給熱部87は、加熱ヒータ82によって内側から加熱され、蓄熱部88によって外側からも加熱されるので、効率よく加熱を行い、水蒸気を発生させることができる。   Convection is generated by heating the raw water by the heater 82, and the raw water and the ball 38 that have risen in the heat supply unit 87 pass through the upper flow path 92, descend the heat storage unit 88, and pass through the lower flow path 93. Then, it flows into the heat supply unit 87 again. Moreover, raw | natural water can pass the through-hole 91 of the partition wall 85 from the thermal storage part 88, and can heat the heat supply part 87. FIG. Thus, since the heat supply part 87 is heated from the inner side by the heater 82 and is also heated from the outer side by the heat storage part 88, it can heat efficiently and can generate water vapor | steam.

なお、仕切壁8586には、網板の代わりに貫通孔を形成した板材を用いることも可能であり、貫通孔91の代わりに貫通した溝部を形成することも可能である。また、加熱ヒータは、上下方向に複数に分割して用いてもよく、分割することによって、貯水槽29内の給熱部87および蓄熱部88の温度制御を、分割した各ゾーンごとに行うことができる。 In addition, it is also possible to use the board | plate material which formed the through-hole instead of the net plate for the partition walls 85 and 86, and it is also possible to form the groove part penetrated instead of the through-hole 91. FIG. In addition, the heater may be divided into a plurality of parts in the vertical direction, and by dividing, the temperature control of the heat supply unit 87 and the heat storage unit 88 in the water storage tank 29 is performed for each divided zone. Can do.

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、仕切壁に形成した隙間の大きさは、球状固体物の大きさより大きくても、気泡が通過しにくい大きさであればよい。また、原料ガスには、水素以外に空気、水素と二酸化炭素の混合気体、水素と窒素の混合気体等を用いてもよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the magnitude | size of the clearance gap formed in the partition wall is larger than the magnitude | size of a spherical solid substance. However, the size may be any size as long as bubbles do not easily pass through. In addition to hydrogen, air, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, a mixed gas of hydrogen and nitrogen, or the like may be used as the source gas.

また、球状固体物としてアルミナ系セラミックを用いたが、耐熱強化処理を施したガラス材料を用いることも可能である。また、仕切壁の数や直径は変更することができ、これに応じて、加熱手段の数も増減することができる。また、加熱手段の分割数も変更することができ、高さ方向の温度変化が大きい場所では分割数を増やし、温度変化が小さい場所では分割数を減らすように調整することが可能である。   Further, although alumina-based ceramic is used as the spherical solid material, it is also possible to use a glass material that has been subjected to heat-resistant strengthening treatment. Moreover, the number and diameter of a partition wall can be changed, and the number of a heating means can also be increased / decreased according to this. Also, the number of divisions of the heating means can be changed, and the number of divisions can be increased at a place where the temperature change in the height direction is large, and the number of divisions can be reduced at a place where the temperature change is small.

本発明は、固体高分子型の燃料電池に連続的に供給する加湿ガス供給システムに利用でき、これ以外に高湿度の気体を精度よく製造する大型加湿装置に利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a humidified gas supply system that continuously supplies a solid polymer fuel cell, and can be used in a large humidifier that can accurately produce high-humidity gas.

本発明の第1の実施の形態の加湿ガス供給システムの説明図Explanatory drawing of the humidified gas supply system of the 1st Embodiment of this invention 同蒸発部の平断面図Cross section of the evaporation section 同蒸発部の部分拡大正断面図Partial enlarged front sectional view of the evaporation section 同給熱部および蓄熱部の制御ブロックを示す説明図Explanatory drawing which shows the control block of the same heat supply part and heat storage part 本発明の第2の実施の形態の加湿ガス供給システムの説明図Explanatory drawing of the humidification gas supply system of the 2nd Embodiment of this invention 同蒸発部の平断面図Cross section of the evaporation section

10 加湿ガス供給システム
11 燃料電池
12 水供給手段
13 ガス供給手段
14 蒸発部
15 混合昇温部
16 冷却部
17 温調部
20 原水タンク
21 原水供給管
22 定量ポンプ
23 押え板
24 配管ヒータ
25 ガスボンベ
26a〜26c ガス供給管
27a〜27c ガス流量調節器
28a〜28c 配管ヒータ
29 貯水槽
30〜32 加熱ヒータ(加熱手段)
33〜35 加熱ヒータ(加熱手段)
36 仕切壁
37 仕切壁
38 ボール(球状固体物)
39 隙間
40 外壁
41 貯水槽用ヒータ
42 給熱部
42a〜42c 制御ブロック
43 蓄熱部
44 内側円環部
44a〜44c 制御ブロック
45 外側円環部
45a〜45c 制御ブロック
4647 流路
48 チャンバー
49 加熱ヒータ
50 チャンバー用ヒータ
51 熱交換器
52 冷媒槽
53 冷媒配管
54 ポンプ
55 温度センサ
56 温度調整用制御ループ
57 温度調整用制御ループ
58 配管ヒータ
59 製品ガス供給配管
60〜63 温度センサ
64 温度調整用制御ループ
67 温度調整用制御ループ
68 インバータ
69 温度調整用制御ループ
70 湿度センサ
80 加湿ガス供給システム
81 蒸発部
82〜84 加熱ヒータ(加熱手段)
8586 仕切壁
87 給熱部
88 蓄熱部
89 内側円環部
90 外側円環部
91 貫通孔
9293 流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Humidification gas supply system 11 Fuel cell 12 Water supply means 13 Gas supply means 14 Evaporating part 15 Mixing temperature raising part 16 Cooling part 17 Temperature control part 20 Raw water tank 21 Raw water supply pipe 22 Metering pump 23 Press plate 24 Piping heater 25 Gas cylinder 26a -26c Gas supply pipes 27a-27c Gas flow rate regulators 28a-28c Piping heater 29 Reservoir 30-32 Heating heater (heating means)
33-35 Heating heater (heating means)
36 Partition wall 37 Partition wall 38 Ball (spherical solid)
39 Clearance 40 Outer wall 41 Water tank heater 42 Heat supply section 42a-42c Control block 43 Heat storage section 44 Inner ring section 44a-44c Control block 45 Outer ring section 45a-45c Control block 46 , 47 Channel 48 Chamber 49 Heating Heater 50 Chamber heater 51 Heat exchanger 52 Refrigerant tank 53 Refrigerant pipe 54 Pump 55 Temperature sensor 56 Temperature adjustment control loop 57 Temperature adjustment control loop 58 Pipe heater 59 Product gas supply pipe 60 to 63 Temperature sensor 64 Temperature adjustment control Loop 67 Control loop for temperature adjustment 68 Inverter 69 Control loop for temperature adjustment 70 Humidity sensor 80 Humidified gas supply system 81 Evaporating sections 82 to 84 Heating heater (heating means)
85 , 86 Partition wall 87 Heat supply part 88 Heat storage part 89 Inner ring part 90 Outer ring part 91 Through hole 92 , 93 Flow path

Claims (7)

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有し、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、
前記蒸発部は、
前記原水を貯留する貯水槽と、
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と、
環状に形成されて高さ方向に配置されるとともに前記原水を厚み方向に通過可能な隙間を有し、前記貯水槽の内部に、前記原料ガスを高さ方向に通過させながら加熱する給熱部を形成する仕切壁と、
前記給熱部内の原水を加熱する加熱手段とを備え
前記仕切壁および前記仕切壁の前記隙間は螺旋状に形成され、前記加熱手段は、前記仕切壁と一体的に形成されていることを特徴とする加湿ガス供給システム。
A water supply means for supplying raw water, a gas supply means for supplying raw material gas, and heating the raw water supplied from the water supply means, and passing the raw material gas supplied from the gas supply means to pass water vapor. A humidifying gas supply system that continuously produces a product humidifying gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity,
The evaporation section is
A water storage tank for storing the raw water;
A porous layer that is formed inside the water tank and that refines bubbles passing through the raw water;
A heat supply unit that is annularly formed and arranged in the height direction and has a gap through which the raw water can pass in the thickness direction, and heats the raw material gas while passing in the height direction inside the water tank. A partition wall forming,
Heating means for heating the raw water in the heating section ,
The humidified gas supply system , wherein the partition wall and the gap between the partition walls are formed in a spiral shape, and the heating means is formed integrally with the partition wall .
前記多孔層は、前記仕切壁に形成された前記隙間を通過不可能な大きさの球状固体物を前記貯水槽の内部に充填して形成されていることを特徴とする請求項記載の加湿ガス供給システム。 The porous layer, as claimed in claim 1, wherein said has a partition wall formed the gaps can not pass the magnitude of spherical solid is formed by filling the inside of the water tank Humidified gas supply system. 前記蒸発部の上部には、前記蒸発部から供給される前記水蒸気および前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温する冷却部とが設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の加湿ガス供給システム。 In the upper part of the evaporating unit, a mixed temperature raising unit that mixes the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporating unit to generate a raw humidified gas and heats the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas. If, humidified gas supply system according to claim 1 or 2, characterized in that a cooling unit is provided for cooling the superheated humidified gas generated in the mixing Atsushi Nobori unit. 前記仕切壁は、同心状に複数配置されていることを特徴とする請求項1からのいずれかの項に記載の加湿ガス供給システム。 The humidified gas supply system according to any one of claims 1 to 3 , wherein a plurality of the partition walls are arranged concentrically. 前記加熱手段は、それぞれ独立して加熱可能な複数の加熱ヒータを、設置したときの高さ方向に接続して形成されていることを特徴とする請求項1からのいずれかの項に記載の加湿ガス供給システム。 It said heating means, wherein the independently plurality of heater capable of heating, in any one of claims 1 4, characterized in that it is formed by connecting the height direction when installed Humidified gas supply system. 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、前記蒸発部から供給される前記水蒸気および前記原料ガスを混合して生加湿ガスを生成させ、この生加湿ガスを加熱して過熱加湿ガスを生成させる混合昇温部と、前記混合昇温部で生成した過熱加湿ガスを降温する冷却部とを有し、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の供給方法であって、
環状に形成されて高さ方向に配置され、前記原水が厚み方向に通過可能な隙間を有する仕切壁と、原水中を通過する気泡を微細化する多孔層とを内部に配置した貯水槽に原水を貯留し、
前記仕切壁の内側に形成した給熱部を加熱する加熱手段を該仕切壁に一体的に形成し
前記給熱部に前記原料ガスを通過させながら前記加熱手段で加熱するとともに、前記仕切壁の外側に形成した蓄熱部でさらに加熱することを特徴とする加湿ガスの供給方法。
A water supply means for supplying raw water, a gas supply means for supplying raw material gas, and heating the raw water supplied from the water supply means, and passing the raw material gas supplied from the gas supply means to pass water vapor. An evaporating unit to be generated, and a mixing temperature raising unit for mixing the water vapor and the raw material gas supplied from the evaporating unit to generate a raw humidified gas and heating the raw humidified gas to generate a superheated humidified gas; A cooling unit for lowering the temperature of the superheated humidified gas generated in the mixed temperature raising unit, and a method for supplying humidified gas for continuously producing a product humidified gas having a predetermined temperature, flow rate, and humidity,
Raw water in a water storage tank that is annularly formed and arranged in the height direction and has a partition wall having a gap through which the raw water can pass in the thickness direction, and a porous layer that refines bubbles passing through the raw water. Store
A heating means for heating the heat supply section formed inside the partition wall is formed integrally with the partition wall,
A method for supplying humidified gas, wherein the heating gas is heated by the heating means while passing the raw material gas through the heat supply portion, and further heated by a heat storage portion formed outside the partition wall.
前記仕切壁を同心状に複数配置して各前記仕切壁の間に前記給熱部を形成し、前記原料ガスを通過させる前記給熱部を、前記原料ガスの供給量と、前記給熱部の断面積に応じて選択することを特徴とする請求項に記載の加湿ガスの供給方法。 A plurality of the partition walls are arranged concentrically to form the heat supply part between the partition walls, and the heat supply part through which the source gas passes is supplied to the supply amount of the source gas and the heat supply part The method for supplying a humidified gas according to claim 6 , wherein the selection is made according to the cross-sectional area of the gas.
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