燃料電池の加湿ガス供給装置及びその方法
【課題】燃料電池に供給する加湿ガスの露点又は圧力の変更要求に迅速に対応できる燃料電池の加湿ガス供給装置及びその方法を提供する。
【解決手段】加湿ガス供給装置１０は、乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部１２と、乾燥ガスＣを水蒸気飽和ガスにする加湿手段１３を備えた第２のガス供給部１４と、第１、第２のガス供給部１２、１４から供給された加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部１５と、加湿ガスＡの均一性を向上させる貯留槽１６と、貯留槽１６から燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、分流比と加湿ガスＡの流量から求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流部１５に供給しながら、乾燥ガスＢの流量及び加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段１８とを有する。
【解決手段】加湿ガス供給装置１０は、乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部１２と、乾燥ガスＣを水蒸気飽和ガスにする加湿手段１３を備えた第２のガス供給部１４と、第１、第２のガス供給部１２、１４から供給された加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部１５と、加湿ガスＡの均一性を向上させる貯留槽１６と、貯留槽１６から燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、分流比と加湿ガスＡの流量から求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流部１５に供給しながら、乾燥ガスＢの流量及び加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段１８とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を搭載した車両（例えば、自動車、フォークリフト、２輪車等）のアクセルワークを模擬した燃料電池の試験の一環として、燃料電池に加湿ガスを供給する装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に供給する加湿ガスを作製する場合、例えば特許文献１に記載されているように、温度調節された水を貯留している密閉タンクの底から乾燥ガスを水中に吹込み、密閉タンクの上部に設けた取出し口から取出すバブラーが使用されている。バブラーを使用すると、密閉タンクの底から吹込まれた乾燥ガスが水中に滞留する時間（乾燥ガスが水中内を通過するのに要する時間）を十分長く確保することで、水温と等しい温度の乾燥ガスに飽和量の水蒸気を含ませることができるので、露点精度の高い加湿ガス（密閉タンク内の水温に等しい露点の加湿ガス）を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、バブラーを使用する方式では、加湿ガスの露点を変更する場合、密閉タンク内の水温を変更する必要があるが、密閉タンク内には多量の水が貯留されているため、密閉タンク内の水の温度を迅速に変更することはできない。このため、バブラーを使用する方式では、露点が変更されるまでに長時間を要するという問題がある。
なお、密閉タンクに大容量の加熱器及び冷却器を併設して設ける改良型バブラー方式を採用することにより密閉タンク内の水の温度を迅速に変更することは可能になるが、より高速に露点を変更するためには加湿ガスの製造装置の大型化や構造の複雑化が生じると共に、製造コストの上昇、装置設置に要求される据付け面積の増大、及び運転内容の複雑化が生じるため、現実的な方式とはいえない。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、燃料電池に供給する加湿ガスの露点変更要求又は圧力変更要求に迅速に対応することが可能な燃料電池の加湿ガス供給装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置は、露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給装置であって、
乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部と、
乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣを水を貯留した密閉タンクの底部から吹込んで水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガスにする加湿手段を備えた第２のガス供給部と、
前記第１のガス供給部及び前記第２のガス供給部からそれぞれ供給された加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部と、
前記合流部で生成した加湿ガスＡを一時貯留して均一性を向上させる貯留槽と、
前記貯留槽からガス導入配管を介して前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段とを有している。
【０００７】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記合流部は、加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路と、該第１のガス流路を内部に含み該第１のガス流路の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路とを備えた混合器を有していることが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記第１のガス供給部は、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段と、該第１の乾燥ガス流量調節手段を通過した乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段とを備え、前記第２のガス供給部は、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段と、該第２の乾燥ガス流量調節手段の下流側に配置された前記加湿手段とを備え、前記第２の乾燥ガス流量調節手段は、加湿ガスＡの流量範囲及び前記分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段と、該親流量調節手段に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲とする子流量調節手段とを有していることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記加湿手段は、前記密閉タンク内の水を加熱する加熱機能と該密閉タンク内の水を冷却する冷却機能を備えた温度調節部を有していることが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法は、露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給方法であって、
加湿ガスＡを、乾燥ガスＢを加熱した加熱乾燥ガスと、乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣに加湿手段を用いて飽和量の水蒸気を加えて作製した水蒸気飽和ガスとを合流して生成し、貯留槽に導入して均一性を向上させた後に、ガス導入配管を介して加湿ガスＡを前記貯留槽から前記燃料電池に供給する際に、
前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する。
【００１１】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記ガス導入配管に設けた露点計で測定した加湿ガスＡの実測露点と加湿ガスＡに設定された露点との差に基づいて前記分流比の修正を行うことが好ましい
【００１２】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に、前記分流比の修正を停止すると共に、前記分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定し、露点の変更時から一定時間経過した後又は前記露点計で求めた実測露点と変更後の露点との差が一定値範囲内になった後、前記分流比の修正を行うことを再開することが好ましい。
【００１３】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する圧力を急上昇させた際に、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間に亘って、前記分流比の修正を停止し、前記分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止することが好ましい。
【００１４】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することができる。
また、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、前記過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することができる。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置及び第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法においては、加湿ガスＡの露点が変更要求された露点となるように、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの分流比を変更するので、露点の変更要求に迅速に対応することが可能になる。このとき、燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力及び加熱乾燥ガスを生成する乾燥ガスＢの流量に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御するので、第２のガス供給部に比較して、構造的に乾燥ガスＢが流れ易い（差圧が過大となり易い）第１のガス供給部に適切な差圧を設けることができ、第１のガス供給部を通過する乾燥ガスＢの流量の制御を安定して行うことができる。その結果、加湿ガスＡの露点の変更要求に対して、加湿ガスＡの露点を迅速かつ高精度に調節することができる。
【００１６】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、合流部が、加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路と、第１のガス流路を内部に含み第１のガス流路の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路とを備えた混合器を有している場合、第１のガス流路の断面積より第２のガス流路の断面積が大きいため、第１のガス流路の配管抵抗が大きくなって、第２のガス流路を通過する水蒸気飽和ガスが第１のガス流路に逆流することを防止できると共に、第２のガス流路内に結露が生じても、構造的に結露が第１のガス流路に侵入することを防止できる。また、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの流量差が大きいと、構造的に流量の多いガスに流量の少ないガスが巻き込まれ易いため、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの混合を促進することができる。
【００１７】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、第１のガス供給部が、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段と、該第１の乾燥ガス流量調節手段を通過した乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段とを備えた場合、乾燥ガスＢを加熱する際の温度、乾燥ガスＢの圧力、及び乾燥ガスＢの流量をそれぞれ調節することができ、所望の温度、圧力、及び流量を有する加熱乾燥ガスを得ることができる。
また、第２のガス供給部が、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段と、第２の乾燥ガス流量調節手段の下流側に配置された加湿手段とを備える場合、乾燥ガスＣの流量、乾燥ガスＣに加える水蒸気量を調整することができ、所望の露点及び流量を有する水蒸気飽和ガスを得ることができる。
更に、第２の乾燥ガス流量調節手段が、加湿ガスＡの流量範囲及び分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段と、親流量調節手段に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲とする子流量調節手段とを有している場合、少流量の水蒸気飽和ガスを高精度で合流部に供給することができ、露点が正確な低露点（例えば、露点が３０℃以下）の加湿ガスＡを得ることができる。
【００１８】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、加湿手段が、密閉タンク内の水を加熱する加熱機能と密閉タンク内の水を冷却する冷却機能を備えた温度調節部を有している場合、冷却機能を用いて密閉タンク内の水の水温を下げることができ、低露点の加湿ガスＡを生成する際に使用する水蒸気飽和ガスの流量が減少することを防止でき、露点が更に正確な低露点（例えば、露点が３０℃以下）の加湿ガスＡを得ることができる。
【００１９】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、ガス導入配管に設けた露点計で測定した加湿ガスＡの実測露点と加湿ガスＡに設定された露点との差に基づいて分流比の修正を行う場合、加湿ガスＡの実測露点を設定された露点に近づけることができる。
【００２０】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に、分流比の修正を停止すると共に、分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定する場合、変更後の露点で決まる分流比で加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスが合流部に供給されるので、加湿ガスＡの露点を変更要求された露点に向けて急速に変化させることができる。
そして、露点の変更時から一定時間経過した後又は露点計で求めた実測露点と変更後の露点との差が一定値範囲内になった後、分流比の修正を行うことを再開する場合、実測露点と変更後の露点との差が小さくなっているので、分流比の修正を行うことにより、実測露点を変更後の露点に容易に近づけることができる。
【００２１】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する圧力を急上昇させた際に、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間に亘って、分流比の修正を停止し、分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止する場合、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点が急激に低下することを防止できる。
ここで、燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させ、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する場合、又は燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させ、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する場合、燃料電池の評価試験の中断、試験中の燃料電池の破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池の加湿ガス供給装置の説明図である。
【図２】乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段及び乾燥ガスＣを水蒸気飽和ガスに変える加湿手段の説明図である。
【図３】混合器の説明図である。
【図４】燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の制御時及び露点変更時の実測露点の変動を示す説明図である。
【図５】燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力変更時の実測露点の変動を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る燃料電池の加湿ガス供給装置１０（以下、単に加湿ガス供給装置１０という）は、露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池１１の評価試験に使用するものである。ここで、加湿ガスＡは、加湿空気又は加湿燃料ガス（例えば、加湿水素）である。以下、詳細に説明する。
【００２４】
加湿ガス供給装置１０は、乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部１２と、乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣに水蒸気を加えて水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガスにする加湿手段１３を備えた第２のガス供給部１４と、加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部１５と、合流部１５で生成した加湿ガスＡを一時貯留して均一性を向上させる貯留槽１６とを有している。更に、加湿ガス供給装置１０は、貯留槽１６からガス導入配管１７を介して燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流部１５に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段１８を有している。
【００２５】
ここで、制御手段１８で制御する加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力は、燃料電池１１の評価試験方法により設定される。そして、加熱乾燥ガスは乾燥ガスＢを加熱することにより得られるので、加熱乾燥ガスの流量が決まると、乾燥ガスＢの流量が決まる。また、水蒸気飽和ガスは乾燥ガスＣを加湿することにより得られるので、水蒸気飽和ガスの流量が決まると、乾燥ガスＣの流量が決まる。
なお、図１では、図示しない共通のガス源から供給されるガスを分岐部１９で２つに分岐させ、一方を乾燥ガスＢ、他方を乾燥ガスＣとしている。共通のガス源と分岐部１９を設けず、乾燥ガスＢ、Ｃをそれぞれ独立したガス源から供給するようにすることもできる。ここで、加湿ガスＡが加湿空気の場合、ガス源は、大気中の空気から圧縮空気を作製するコンプレッサと、圧縮空気中の水分を除去する乾燥機から構成される。また、加湿ガスＡが加湿水素の場合、ガス源は水素を貯留したタンク又はボンベから構成される。
【００２６】
第１のガス供給部１２は、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段の一例である圧力調整弁２０と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段の一例である質量流量計測及び制御機構２１と、質量流量計測及び制御機構２１を通過した乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにするガス加熱手段２２とを備えている。ここで、圧力調整弁２０の下流側には質量流量計測及び制御機構２１に流入する乾燥ガスＢの圧力を測定する圧力計２３が設けられ、ガス加熱手段２２と合流部１５とを接続する第１の連通部２４には合流部１５に流入する加熱乾燥ガスの圧力を測定する圧力計２５が設けられている。更に、第１の連通部２４は断熱材（図示せず）で覆われており、ガス加熱手段２２から合流部１５に流入する加熱乾燥ガスの温度低下を防止している。なお、第１の連通部２４にヒータを取付け第１の連通部２４を加熱して、加熱乾燥ガスの温度低下を防止するようにしてもよい。
このような構成とすることで、乾燥ガスＢを加熱する際の温度、乾燥ガスＢの圧力、及び乾燥ガスＢの流量をそれぞれ調節することができ、所望の温度、圧力、及び流量を有する加熱乾燥ガスを得ることができる。
【００２７】
第２のガス供給部１４は、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段２６と、第２の乾燥ガス流量調節手段２６の下流側に配置され、温度調節された水を貯留し、底部から吹込まれた乾燥ガスＣを水蒸気飽和ガスに変える密閉タンク３２（図２参照）を備えた加湿手段１３とを備え、加湿手段１３と合流部１５とを接続する第２の連通部２７には合流部１５に流入する水蒸気飽和ガスの圧力を測定する圧力計２８が設けられている。更に、第２の連通部２７は断熱材（図示せず）で覆われており、加湿手段１３から合流部１５に流入する水蒸気飽和ガスの温度低下（結露）を防止している。なお、第２の連通部２７にヒータを取付け第２の連通部２７を加熱して、水蒸気飽和ガスの温度低下を防止するようにしてもよい。
このような構成とすることで、乾燥ガスＣの流量、乾燥ガスＣに加える水蒸気量を調整することができ、所望の露点及び流量を有する水蒸気飽和ガスを得ることができる。
【００２８】
第２の乾燥ガス流量調節手段２６は、加湿ガスＡの流量範囲及び分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段の一例である質量流量計測及び制御機構２９と、質量流量計測及び制御機構２９に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲として、小流量の調節を正確かつ安定して行うことが可能な子流量調節手段の一例である質量流量計測及び制御機構３０とを有している。ここで、質量流量計測及び制御機構３０の流量調節範囲は、質量流量計測及び制御機構２９の流量調節範囲の下限側、例えば、質量流量計測及び制御機構２９で調節可能な最大流量の０．０４〜２％の範囲、あるいは、乾燥ガスＣの最小流量の１〜５０倍の範囲である。
なお、制御手段１８には、水蒸気飽和ガスの流量を求めて加湿手段１３に供給する乾燥ガスＣの流量を決めた際に、質量流量計測及び制御機構２９、３０の中から乾燥ガスＣの流量の制御に適した質量流量計測及び制御機構を選択する機能が設けられている。これによって、乾燥ガスＣ（水蒸気飽和ガス）の流量を正確に設定することができ、例えば、小流量の水蒸気飽和ガスを高精度で安定して合流部１５に供給することができ、露点が正確な低露点（例えば、露点が３０℃以下）の加湿ガスＡを得ることができる。
【００２９】
図２に示すように、加湿手段１３は、第２の乾燥ガス流量調節手段２６で流量制御された乾燥ガスＣを取入れる乾燥ガス導入路３１と、乾燥ガス導入路３１の先部と連通する吹込み口（図示せず）を底部に備え、上端部に第２の連通部２７の基部が接続される取出し口（図示せず）が設けられて、上部側に空間が形成される高さに水を貯留する密閉タンク３２とを有している。ここで、乾燥ガス導入路３１の吹込み口側には逆止弁３３が設けられ、逆止弁３３の上流側には密閉タンク３２から取水配管３４を介して取出した水で乾燥ガス導入路３１を流れる乾燥ガスＣを加熱する加熱手段の一例である熱交換器３５が設けられている。また、熱交換器３５の出口には、図示しない送水ポンプを備えた給水配管３６の基部が接続され、給水配管３６の先側は密閉タンク３２の底部を貫通して密閉タンク３２内に配設され、先部が密閉タンク３２上部側の空間に設置されたシャワー機構３７の入口（図示せず）と連通している。
【００３０】
そして、給水配管３６の熱交換器３５側には、熱交換器３５を通過して給水配管３６内に流入した水を、密閉タンク３２内に流入する前に密閉タンク３２内に貯留された水と同一温度となるように加熱又は冷却する温度調節部３８が設けられている。ここで、温度調節部３８は、給水配管３６の密閉タンク３２の外側に配置されたタンク外領域の管内に配置され、給水配管３６内を通過する水を加熱する（加熱機能を有する）加熱器３９（例えば電気ヒータ）と、給水配管３６内を通過する水を２次側に供給しながら１次側に供給する冷却水との間で熱交換を行って、密閉タンク３２に戻る水の温度を冷却する（冷却機能を有する）冷却用熱交換器４０とを有している。なお、冷却用熱交換器４０に供給する冷却水は、冷却用熱交換器４０の１次側出口から排出される。
このような構成とすることで、望ましい温度の水を、シャワー機構３７により密閉タンク３２内の上部側から噴出させることができ、密閉タンク３２内の水の温度を所望の温度に保つことができると共に、密閉タンク３２内を均一温度に保つことができる。
【００３１】
また、密閉タンク３２の底から吹込まれた乾燥ガスＣが水中に滞留する時間（水中内を通過するのに要する時間）を十分長く確保することにより、密閉タンク３２の取出し口から、密閉タンク３２に貯留された水と同じ温度の乾燥ガスＣに飽和量の水蒸気を混入させることができ、水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガス（密閉タンク３２の水と同一温度）を取出すことができる。なお、乾燥ガスＣに混入させる水蒸気の飽和量は、密閉タンク３２に貯留された水の温度を変えることにより調節できる。そして、吹込む乾燥ガスＣを熱交換器３５で予熱するので、密閉タンク３２内の水の温度が変動することを防止できる。
【００３２】
乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段２２は、質量流量計測及び制御機構２１で流量制御された乾燥ガスＢを取入れる乾燥ガス導入路４１と、密閉タンク３２内の下部側に設置され、基部が乾燥ガス導入路４１の先部と連通した螺旋状のガス加熱部４２（即ち、密閉タンク３２内に水を貯留した場合、ガス加熱部４２は水中に浸漬状態となる）と、ガス加熱部４２の先部と密閉タンク３２の上端部に設けられ、第１の連通部２４の基部が接続される取出し口（図示せず）とを連通する連通管４３とを有している。
このような構成とすることで、乾燥ガスＢは、ガス加熱部４２を通過する際に密閉タンク３２内に貯留された水で、連通管４３内を通過する際に、密閉タンク３２内の上部側の空間に設置されたシャワー機構３７により噴出する水でそれぞれ加熱され、水蒸気飽和ガスと同一温度の加熱乾燥ガスにすることができる。これによって、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスを合流させた際に、水蒸気飽和ガスの温度が低下すること（水蒸気飽和ガスに結露が生じること）を防止できる。
なお、質量流量計測及び制御機構２１と第１の連通部２４の間にヒータを設けて、通過する乾燥ガスＢの温度を、密閉タンク３２内の水と同一温度に加熱するようにしてもよい。
【００３３】
図３に示すように、合流部１５は、第１、第２の連通部２４、２７の先部がそれぞれ接続して加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスが合流（混合）する混合器４４と、混合器４４の先部と連通して加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの合流により形成された加湿ガスＡが流入する加湿ガス導出路４５とを有している。ここで、混合器４４は、第１の連通部２４の先部が接続して加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路４６と、第１のガス流路４６を内部に含み第１のガス流路４６の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて、第２の連通部２７を介して供給された水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路４７とを備えている。
【００３４】
このような構成とすることにより、第１のガス流路４６の断面積より第２のガス流路４７の断面積が大きいため、第１のガス流路４６の配管抵抗が大きくなって、第２のガス流路４７を通過する水蒸気飽和ガスが第１のガス流路４６に逆流することを防止できる。また、第２のガス流路４７内に結露が生じても、構造的に結露が第１のガス流路４６に侵入することを防止できる。更に、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの流量差が大きいと、流量の多いガスに流量の少ないガスが巻き込まれるため、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの混合を促進することができる。
なお、合流部１５は断熱材（図示せず）で覆われており、加熱乾燥ガス、水蒸気飽和ガス、及び加湿ガスＡの温度低下を防止して、水蒸気飽和ガス及び加湿ガスＡに結露が生じることを防止している。なお、合流部１５にヒータを取付け合流部１５を加熱して、加熱乾燥ガス、水蒸気飽和ガス、及び加湿ガスＡの温度低下を防止するようにしてもよい。
【００３５】
貯留槽１７は、加湿ガス導出路４５に連通する空間部を内部に備え、外周部は図示しない断熱材で覆われている。これにより、合流部１５から流入した加湿ガスＡの温度低下を防止しながら、加湿ガスＡの均一化（例えば、圧力）を図ることができる。そして、貯留槽１７内で均一化した加湿ガスＡはガス導入配管１７を介して燃料電池１１に供給される。また、ガス導入配管１７には、燃料電池１１に供給される加湿ガスＡの露点及び圧力をそれぞれ測定する露点計４８及び圧力計４９が設けられている。更に、ガス導入配管１７は断熱材（図示せず）で覆われており、加湿ガスＡの温度低下を防止することにより、加湿ガスＡに結露が生じることを防止している。なお、ガス導入配管１７にヒータを取付けてもよい。
【００３６】
燃料電池１１の図示しない排気ガス放出口には、排気ガスの圧力を調節する背圧弁５０と、排気ガスの圧力を測定する圧力計５１と、圧力計５１で測定された排気ガスの圧力が指示値となるように背圧弁５０を調節する圧力設定器（図示せず）とを備えた排気ガス排出手段５２が設けられている。その結果、燃料電池１１内のガス圧力が決まり、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力が決まる。
【００３７】
制御手段１８は、燃料電池１１の評価試験方法により設定される加湿ガスＡの露点、加湿ガスＡの流量、及び加湿ガスＡの圧力の目標値を入力する入力部と、入力部に入力された（設定された）露点に基づいて加湿手段１３の密閉タンク３２内に貯留されている水の温度を設定する温度設定部と、温度設定部により設定された温度の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを用いて、設定された露点の加湿ガスＡを作製するために合流部１５に流入させる加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの分流比を求める分流比演算部と、設定された加湿ガスＡの流量及び求めた分流比から、合流部１５に流入する加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの各流量を設定するガス流量設定部とを有している。
【００３８】
また、制御手段１８は、ガス流量設定部で設定された流量の乾燥ガスＢが得られるように質量流量計測及び制御機構２１の制御信号を出力する乾燥ガスＢの流量制御部と、ガス流量設定部で設定された乾燥ガスＣの流量に応じて質量流量計測及び制御機構２９、３０に対して一方を起動させ、他方を停止させる動作指定信号を出力するか（小流量のとき）、又は起動させた質量流量計測及び制御機構２９、３０を用いて、設定された流量の乾燥ガスＣが得られるように質量流量計測及び制御機構２９、３０の流量配分設定のための制御信号を出力する乾燥ガスＣの流量制御部とを有している。更に、制御手段１８は、入力部で設定された加湿ガスＡの圧力と、ガス流量設定部で設定された乾燥ガスＢの流量に基づいて、質量流量計測及び制御機構２１に流入する乾燥ガスＢの圧力を求めて、圧力調整弁２０の制御信号を出力する乾燥ガスＢの圧力設定部を有している。
【００３９】
ここで、分流比演算部には、露点計４８で測定した加湿ガスＡの実測露点と設定された露点との差（偏差）に基づいて、分流比の修正を行う分流比修正機構が設けられている。
また、分流比演算部には、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点を変更するため、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に（入力部に新たな露点を入力した際に）、分流比修正機構の動作を停止すると共に、分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定し、露点の変更時から（新たな露点を設定した時から）一定時間（例えば、２０秒）経過した後に、分流比修正機構の動作を再開する機能を有する露点変更対応機構が設けられている。
なお、露点変更対応機構の機能を、露点計４８で求めた実測露点と変更後の露点との偏差が一定値範囲内（例えば、偏差が露点に対して０を超え５％以下）になった後、分流比修正機構の動作を再開するようにしてもよい。
【００４０】
そして、入力部には、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力を急上昇させようとして、
加湿ガスに設定する圧力を急上昇した際に（入力部に加湿ガスＡの新たな圧力が設定された際に）、分流比の修正を停止し、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間（加湿ガスＡの実測圧力が、新たな圧力に到達した後、数秒〜数十秒経過するまでの期間）に亘って、分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止する機能を有する加湿ガス圧力変更対応機構が設けられている。
更に、加湿ガス圧力変更対応機構には、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させて、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する補償機能が設けられている。
なお、加湿ガス圧力変更対応機構に設ける補償機能を、過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させることにより（例えば、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動を求めて、低下挙動を示す関数式を予め求めておき、この関数式で予測される露点減少量だけ露点を増加させることにより）、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する機能とすることもできる。
【００４１】
続いて、加湿ガス供給装置１０を用いた本発明の一実施の形態に係る燃料電池１１の加湿ガス供給方法について説明する。
燃料電池１１の評価試験を行う場合、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力は、評価試験内容により異なる。このため、先ず、加湿ガス供給装置１０の制御手段１８の入力部に、評価試験に要求される加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力を入力して、加湿ガス供給装置１０の運転を開始する。
【００４２】
ここで、加湿ガス供給装置１０の動作試験を実施することにより、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの条件（露点、流量、及び圧力）、加熱乾燥ガス（乾燥ガスＢ）の条件（流量及び圧力）、及び水蒸気飽和ガス（乾燥ガスＣ）の条件（流量及び圧力）の関係を事前に把握することができる。このため、燃料電池１１の評価試験時に燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力を決めると、加湿ガス供給装置１０を運転する際の乾燥ガスＢの流量及び圧力、乾燥ガスＣの流量及び圧力をそれぞれ推定することができる。したがって、推定された乾燥ガスＢ、Ｃの流量及び圧力を初期値として、加湿ガス供給装置１０を運転する。また、加湿手段１３の密閉タンク３２に貯留する水の温度は、加湿ガスＡの露点に対して、例えば、５〜１０℃だけ高い温度に保持されるように温度調節部３８で制御する。
なお、質量流量計測及び制御機構２１と第１の連通部２４の間にヒータを設けて乾燥ガスＢを加熱する場合は、加熱される乾燥ガスＢの温度が密閉タンク３２の水温と同一温度になるようにヒータを制御する。
【００４３】
次いで、設定された加湿ガスＡの露点に基づいて合流部１５で合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求める。
ここで、露点（℃）をｔｄ、密閉タンク３２内（密閉タンク３２中の水）の温度（℃）をｔｓ、密閉タンク３２内の水蒸気飽和ガスの圧力（Pa）をｐｓ、貯留槽１６内の加湿ガスＡの圧力（Pa）をｐｔ、密閉タンク３２内の水蒸気飽和ガスの飽和水蒸気圧（Pa）をｅｓ（ｔｓ）、露点における飽和水蒸気圧（Pa）をｅｓ（ｔｄ）、乾燥ガスＢ及び乾燥ガスＣの全流量に対する乾燥ガスＣの流量の比をγすると、露点における飽和水蒸気圧ｅｓ（ｔｄ）は（ａ）式で与えられる（例えば、湿度計−試験方法 ＪＩＳ Ｂ ７９２０：２０００ ５ページ（８）式参照）。
ｅｓ（ｔｄ）＝ｐｔγｅｓ（ｔｓ）／｛ｐｓ−（１−γ）ｅｓ（ｔｓ）｝ ・・・ （ａ）
【００４４】
（ａ）式からγを求めると、γは（ｂ）式で与えられる。
γ＝（ｐｓ−ｅｓ（ｔｓ））ｅｓ（ｔｄ）／（ｐｔ−ｅｓ（ｔｄ））ｅｓ（ｔｓ） ・・・ （ｂ）
ここで、ｔｄは燃料電池１１の評価試験条件として与えられ、ｔｓは密閉タンク３２内に挿入した図示しない温度計で測定され、ｐｓは圧力計２８から、ｐｔは圧力計４９からそれぞれ求めることができ、ｅｓ（ｔｄ）、ｅｓ（ｔｓ）は、例えば、ＪＩＳ Ｂ ７９２０：２０００ ２１ページ ＳＯＮＮＴＡＧの飽和蒸気圧式（１５）から得ることができる。したがって、（ｂ）式を計算することにより、γを決定することができる。
【００４５】
分流比（γ）が決まると、加湿ガスＡの流量をＱ、加熱乾燥ガスの流量をｑｄ、水蒸気飽和ガスの流量をｑｗとした場合、
γ＝ｑｗ／Ｑ＝ｑｗ／（ｑｄ＋ｑｗ）
の関係が成立するので、水蒸気飽和ガスの流量ｑｗはγＱ、加熱乾燥ガスの流量ｑｄは（１−γ）Ｑとそれぞれ求められる。ここで、乾燥ガスＢの流量は加熱乾燥ガスの流量ｑｄに等しく、乾燥ガスＣの流量は水蒸気飽和ガスの流量ｑｗに等しいので、乾燥ガスＢの流量がｑｄとなるように質量流量計測及び制御機構２１を制御し、乾燥ガスＣの流量がｑｗとなるように第２の乾燥ガス流量調節手段２６を制御する。なお、第２の乾燥ガス流量調節手段２６で乾燥ガスＣの流量制御を行う場合、流量ｑｗの値に応じて、第２の乾燥ガス流量調節手段２６を構成している質量流量計測及び制御機構２９、３０の中で使用する質量流量計測及び制御機構を選択するか、各々に流量配分設定を行う。
【００４６】
更に、質量流量計測及び制御機構２１に流入する乾燥ガスＢの圧力をＰ０、燃料電池１１に供給される加湿ガスＡの圧力をＰｂ、乾燥ガスＢの流量をｑｄとした場合、乾燥ガスＢの圧力Ｐ０を、乾燥ガスＢの流量ｑｄ及び加湿ガスＡの圧力Ｐｂに基づいて、例えば、Ｐ０＝Ｐｂ＋Ｋｑｄ２の関係式から決まるＰ０となるように制御している。ここで、Ｋは数値定数で、加湿ガス供給装置１０に応じて決める。
乾燥ガスＢの圧力Ｐ０を、乾燥ガスＢの流量ｑｄ及び加湿ガスＡの圧力Ｐｂに基づいて制御することにより、第２のガス供給部１４に比較して、構造的に乾燥ガスＢが流れ易い（差圧が過大となり易い）第１のガス供給部１２に適切な差圧を設けることができ、第１のガス供給部１２を通過する乾燥ガスＢの流量の制御を安定して行うことができる。その結果、加湿ガスＡの露点の変更要求に対して、加湿ガスＡの露点を迅速かつ高精度に調節することができる。
【００４７】
加湿ガスＡの露点を一定値に制御している状態では、ガス導入配管１７に設けた露点計４８で測定した加湿ガスＡの実測露点と、入力部に入力した露点（即ち、設定された露点である制御の目標露点）との差（偏差）に基づいて、ＰＩＤ制御等の方法で分流比の計算出力値を修正することにより、露点のフィードバック制御を行う。これによって、加湿ガスＡの実測露点を設定された露点（目標露点）に近づけると共に、実測露点の安定化を図ることができる。
【００４８】
ここで、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点変更要求に応じて、制御手段１８の入力部に新たな露点が入力された（加湿ガスＡに設定する露点を変更した）場合、分流比演算部では、分流比修正機構の動作を停止して露点のフィードバック制御を停止すると共に、分流比を変更後の露点から決まる値に固定し（即ち、露点の制御を、フィードバックとフィードフォワード併用制御からフィードフォワード単独制御に変更して）、露点の変更時から一定時間（例えば、１０〜２０秒）経過した後に、分流比修正機構の動作を再開する（露点のフィードバック制御を再開する）。
なお、露点のフィードフォワード単独制御を実施する期間を、露点計４８で求めた実測露点と変更後の目標露点との偏差が一定値範囲内（例えば、偏差が、変更後の目標露点露点に対して０を超え５％以下になるまでの期間とすることもできる。
【００４９】
これによって、変更後の露点で決まる分流比で加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスが合流部１５に供給されるため、加湿ガスＡの露点を変更後の露点に向けて急速に変化させることができる。そして、目標露点の変更時から一定時間経過した後又は露点計４８で求めた実測露点と変更後の目標露点との差が一定値範囲内になった後、分流比の修正を行うことによる露点のフィードバック制御を再開するので、実測露点を変更後の目標露点に容易に近づけて安定化することができる。
【００５０】
加湿ガスＡの露点を一定値に制御している状態で、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力変更要求に応じて制御手段１８の入力部に新たな圧力が入力されて（加湿ガスＡに設定する圧力を変更して）、加湿ガスＡの圧力を急上昇させる場合、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間（加湿ガスＡの実測圧力が、設定された新たな圧力に到達した後、数秒〜数十秒経過するまでの期間）に亘って、分流比の修正を停止し露点のフィードバック制御を停止すると共に、分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して（露点の制御を、フィードバックとフィードフォワード併用制御からフィードフォワード単独制御に変更して）、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止する。
【００５１】
ここで、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側（例えば、最小流量の１倍から２０倍の範囲）の場合、加湿ガスＡの露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間（例えば、０を超え１２０秒以下）に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値（例えば、上昇幅の１を超え１．２倍以下）だけ増加させ、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する。
なお、過渡応答期間ｚに亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡの設定された露点を上昇させることにより、例えば、設定された露点（制御の目標露点）をｔｄとした際、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動を求めて、低下挙動を示す関数式Ｆ（ｚ）を予め求めておき、関数式Ｆ（ｚ）で予測される露点減少量だけ設定される露点を増加、即ち加湿ガスＡの目標露点がｔｄ＋Ｆ（ｚ）となるように制御することにより）、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償するようにすることもできる。これによって、燃料電池１１の評価試験の中断、試験中の燃料電池１１の破損を確実に防止することができる。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
燃料電池に露点８０℃の加湿ガスＡを供給するため、制御手段の入力部に露点（目標露点）として８０℃を入力（設定）し、露点計による実測露点と目標露点との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御により分流比の計算出力値を修正しながら加湿ガスＡの露点の制御（露点のフィードバック制御）を実施した。その結果を図４に示す。
分流比の計算出力値を修正しながら加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの流量をそれぞれ制御することにより、実測露点を目標露点である８０℃に安定して保持できることが確認できた。
【００５３】
（実施例２）
目標露点を８０℃に制御している状態において、入力部に新たに設定する露点（目標露点）として３０℃を入力し、目標露点を８０℃から３０℃に急低下させて保持する制御を行った。このとき、合流部に流入させる加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの流量は、それぞれ露点３０℃の加湿ガスＡを生成する際の分流比から決まる流量に固定した（露点を３０℃とするフィードフォワード単独制御を行った）。その結果を図４に示す。
加湿ガスＡの実測露点は、目標露点の急低下に追従して変化しており、加湿ガスＡの露点を急低下できることが確認できた。
【００５４】
（実施例３）
目標露点を３０℃に制御している状態において、入力部に新たに設定する露点（目標露点）として８０℃を入力し、目標露点を３０℃から８０℃に急上昇させて保持する制御を行った。このとき、合流部に流入させる加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの流量は、露点の急上昇開始時にはそれぞれ露点８０℃の加湿ガスＡを生成する際の分流比から決まる流量に固定し（露点を８０℃とするフィードフォワード単独制御を行い）、露点の急上昇開始時から３０秒経過した後（実測露点が目標露点８０℃に接近した後）、フィードフォワード単独制御を露点を８０℃とするフィードバック制御に変更した。即ち、露点を３０℃から８０℃に急上昇させる場合、フィードフォワードとフィードバック併用制御を行うことになる。その結果を図４に示す。
加湿ガスＡの目標露点が３０℃から８０℃に急上昇することに対応して、実測露点は３０℃から８０℃に急上昇しており、加湿ガスＡの露点を急上昇できることが確認できると共に、急上昇させた実測露点を８０℃に保持できることが確認できた。
【００５５】
（実施例４）
燃料電池に供給する加湿ガスＡの目標露点を６０℃に制御している状態で、燃料電池に供給する加湿ガスＡに設定する圧力（背圧）をゲージ圧力で１０ｋＰａから２５０ｋＰａまで急上昇させ、一定時間保持した後に急低下させる制御の際に、背圧急上昇に伴う加湿ガスＡの実測背圧の過渡応答期間（加湿ガスＡの圧力変更時から加湿ガスＡの実測背圧が背圧制御値の３％の範囲内に到達するまでの時間）に亘って、加湿ガスＡの目標露点を６５℃に急上昇するフィードフォワード単独制御を行った。その結果を図５に示す。
背圧急上昇に伴って加湿ガスＡの目標露点を６０℃から５℃急上昇させることで、実測背圧がゲージ圧力で１０ｋＰａから２５０ｋＰａまで上昇した背圧制御値に安定化するまでに要する期間に生じる実測露点の目標露点６０℃に対する低下量を、約３℃以下にすることができる。
【００５６】
（比較例）
燃料電池に供給する加湿ガスＡの目標露点を６０℃に制御している状態で、燃料電池に供給する加湿ガスＡに設定する背圧を２５０Ｐａだけ急上昇させ、一定時間保持した後に急低下する制御を行なった際における加湿ガスＡの実測露点の変動を図５に示す。実測背圧が、２５０Ｐａ上昇した背圧制御値に安定化するまでに要する期間に生じる実測露点の目標露点６０℃に対する低下量は最大約１０℃であった。
したがって、燃料電池に供給する加湿ガスＡの背圧制御値を急上昇させることに伴って、加湿ガスＡの実測背圧の過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの目標露点を急上昇させることで、実測背圧が背圧制御値に安定化するまでの期間に生じる実測露点の目標露点に対する低下量を小さくできる（露点の低下を補償できる）ことが確認できた。
【００５７】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１０：加湿ガス供給装置、１１：燃料電池、１２：第１のガス供給部、１３：加湿手段、１４：第２のガス供給部、１５：合流部、１６：貯留槽、１７：ガス導入配管、１８：制御手段、１９：分岐部、２０：圧力調整弁、２１：質量流量計測及び制御機構、２２：ガス加熱手段、２３：圧力計、２４：第１の連通部、２５：圧力計、２６：第２の乾燥ガス流量調節手段、２７：第２の連通部、２８：圧力計、２９、３０：質量流量計測及び制御機構、３１：乾燥ガス導入路、３２：密閉タンク、３３：逆止弁、３４：取水配管、３５：熱交換器、３６：給水配管、３７：シャワー機構、３８：温度調節部、３９：加熱器、４０：冷却用熱交換器、４１：乾燥ガス導入路、４２：ガス加熱部、４３：連通管、４４：混合器、４５：加湿ガス導出路、４６：第１のガス流路、４７：第２のガス流路、４８：露点計、４９：圧力計、５０：背圧弁、５１：圧力計、５２：排気ガス排出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を搭載した車両（例えば、自動車、フォークリフト、２輪車等）のアクセルワークを模擬した燃料電池の試験の一環として、燃料電池に加湿ガスを供給する装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に供給する加湿ガスを作製する場合、例えば特許文献１に記載されているように、温度調節された水を貯留している密閉タンクの底から乾燥ガスを水中に吹込み、密閉タンクの上部に設けた取出し口から取出すバブラーが使用されている。バブラーを使用すると、密閉タンクの底から吹込まれた乾燥ガスが水中に滞留する時間（乾燥ガスが水中内を通過するのに要する時間）を十分長く確保することで、水温と等しい温度の乾燥ガスに飽和量の水蒸気を含ませることができるので、露点精度の高い加湿ガス（密閉タンク内の水温に等しい露点の加湿ガス）を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、バブラーを使用する方式では、加湿ガスの露点を変更する場合、密閉タンク内の水温を変更する必要があるが、密閉タンク内には多量の水が貯留されているため、密閉タンク内の水の温度を迅速に変更することはできない。このため、バブラーを使用する方式では、露点が変更されるまでに長時間を要するという問題がある。
なお、密閉タンクに大容量の加熱器及び冷却器を併設して設ける改良型バブラー方式を採用することにより密閉タンク内の水の温度を迅速に変更することは可能になるが、より高速に露点を変更するためには加湿ガスの製造装置の大型化や構造の複雑化が生じると共に、製造コストの上昇、装置設置に要求される据付け面積の増大、及び運転内容の複雑化が生じるため、現実的な方式とはいえない。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、燃料電池に供給する加湿ガスの露点変更要求又は圧力変更要求に迅速に対応することが可能な燃料電池の加湿ガス供給装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置は、露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給装置であって、
乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部と、
乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣを水を貯留した密閉タンクの底部から吹込んで水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガスにする加湿手段を備えた第２のガス供給部と、
前記第１のガス供給部及び前記第２のガス供給部からそれぞれ供給された加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部と、
前記合流部で生成した加湿ガスＡを一時貯留して均一性を向上させる貯留槽と、
前記貯留槽からガス導入配管を介して前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段とを有している。
【０００７】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記合流部は、加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路と、該第１のガス流路を内部に含み該第１のガス流路の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路とを備えた混合器を有していることが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記第１のガス供給部は、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段と、該第１の乾燥ガス流量調節手段を通過した乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段とを備え、前記第２のガス供給部は、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段と、該第２の乾燥ガス流量調節手段の下流側に配置された前記加湿手段とを備え、前記第２の乾燥ガス流量調節手段は、加湿ガスＡの流量範囲及び前記分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段と、該親流量調節手段に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲とする子流量調節手段とを有していることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記加湿手段は、前記密閉タンク内の水を加熱する加熱機能と該密閉タンク内の水を冷却する冷却機能を備えた温度調節部を有していることが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法は、露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給方法であって、
加湿ガスＡを、乾燥ガスＢを加熱した加熱乾燥ガスと、乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣに加湿手段を用いて飽和量の水蒸気を加えて作製した水蒸気飽和ガスとを合流して生成し、貯留槽に導入して均一性を向上させた後に、ガス導入配管を介して加湿ガスＡを前記貯留槽から前記燃料電池に供給する際に、
前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する。
【００１１】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記ガス導入配管に設けた露点計で測定した加湿ガスＡの実測露点と加湿ガスＡに設定された露点との差に基づいて前記分流比の修正を行うことが好ましい
【００１２】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に、前記分流比の修正を停止すると共に、前記分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定し、露点の変更時から一定時間経過した後又は前記露点計で求めた実測露点と変更後の露点との差が一定値範囲内になった後、前記分流比の修正を行うことを再開することが好ましい。
【００１３】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する圧力を急上昇させた際に、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間に亘って、前記分流比の修正を停止し、前記分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止することが好ましい。
【００１４】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することができる。
また、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、前記過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することができる。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置及び第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法においては、加湿ガスＡの露点が変更要求された露点となるように、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの分流比を変更するので、露点の変更要求に迅速に対応することが可能になる。このとき、燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力及び加熱乾燥ガスを生成する乾燥ガスＢの流量に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御するので、第２のガス供給部に比較して、構造的に乾燥ガスＢが流れ易い（差圧が過大となり易い）第１のガス供給部に適切な差圧を設けることができ、第１のガス供給部を通過する乾燥ガスＢの流量の制御を安定して行うことができる。その結果、加湿ガスＡの露点の変更要求に対して、加湿ガスＡの露点を迅速かつ高精度に調節することができる。
【００１６】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、合流部が、加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路と、第１のガス流路を内部に含み第１のガス流路の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路とを備えた混合器を有している場合、第１のガス流路の断面積より第２のガス流路の断面積が大きいため、第１のガス流路の配管抵抗が大きくなって、第２のガス流路を通過する水蒸気飽和ガスが第１のガス流路に逆流することを防止できると共に、第２のガス流路内に結露が生じても、構造的に結露が第１のガス流路に侵入することを防止できる。また、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの流量差が大きいと、構造的に流量の多いガスに流量の少ないガスが巻き込まれ易いため、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの混合を促進することができる。
【００１７】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、第１のガス供給部が、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段と、該第１の乾燥ガス流量調節手段を通過した乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段とを備えた場合、乾燥ガスＢを加熱する際の温度、乾燥ガスＢの圧力、及び乾燥ガスＢの流量をそれぞれ調節することができ、所望の温度、圧力、及び流量を有する加熱乾燥ガスを得ることができる。
また、第２のガス供給部が、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段と、第２の乾燥ガス流量調節手段の下流側に配置された加湿手段とを備える場合、乾燥ガスＣの流量、乾燥ガスＣに加える水蒸気量を調整することができ、所望の露点及び流量を有する水蒸気飽和ガスを得ることができる。
更に、第２の乾燥ガス流量調節手段が、加湿ガスＡの流量範囲及び分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段と、親流量調節手段に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲とする子流量調節手段とを有している場合、少流量の水蒸気飽和ガスを高精度で合流部に供給することができ、露点が正確な低露点（例えば、露点が３０℃以下）の加湿ガスＡを得ることができる。
【００１８】
第１の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給装置において、加湿手段が、密閉タンク内の水を加熱する加熱機能と密閉タンク内の水を冷却する冷却機能を備えた温度調節部を有している場合、冷却機能を用いて密閉タンク内の水の水温を下げることができ、低露点の加湿ガスＡを生成する際に使用する水蒸気飽和ガスの流量が減少することを防止でき、露点が更に正確な低露点（例えば、露点が３０℃以下）の加湿ガスＡを得ることができる。
【００１９】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、ガス導入配管に設けた露点計で測定した加湿ガスＡの実測露点と加湿ガスＡに設定された露点との差に基づいて分流比の修正を行う場合、加湿ガスＡの実測露点を設定された露点に近づけることができる。
【００２０】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に、分流比の修正を停止すると共に、分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定する場合、変更後の露点で決まる分流比で加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスが合流部に供給されるので、加湿ガスＡの露点を変更要求された露点に向けて急速に変化させることができる。
そして、露点の変更時から一定時間経過した後又は露点計で求めた実測露点と変更後の露点との差が一定値範囲内になった後、分流比の修正を行うことを再開する場合、実測露点と変更後の露点との差が小さくなっているので、分流比の修正を行うことにより、実測露点を変更後の露点に容易に近づけることができる。
【００２１】
第２の発明に係る燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する圧力を急上昇させた際に、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間に亘って、分流比の修正を停止し、分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止する場合、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点が急激に低下することを防止できる。
ここで、燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させ、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する場合、又は燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させ、燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する場合、燃料電池の評価試験の中断、試験中の燃料電池の破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池の加湿ガス供給装置の説明図である。
【図２】乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段及び乾燥ガスＣを水蒸気飽和ガスに変える加湿手段の説明図である。
【図３】混合器の説明図である。
【図４】燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の制御時及び露点変更時の実測露点の変動を示す説明図である。
【図５】燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力変更時の実測露点の変動を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る燃料電池の加湿ガス供給装置１０（以下、単に加湿ガス供給装置１０という）は、露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池１１の評価試験に使用するものである。ここで、加湿ガスＡは、加湿空気又は加湿燃料ガス（例えば、加湿水素）である。以下、詳細に説明する。
【００２４】
加湿ガス供給装置１０は、乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部１２と、乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣに水蒸気を加えて水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガスにする加湿手段１３を備えた第２のガス供給部１４と、加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部１５と、合流部１５で生成した加湿ガスＡを一時貯留して均一性を向上させる貯留槽１６とを有している。更に、加湿ガス供給装置１０は、貯留槽１６からガス導入配管１７を介して燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流部１５に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段１８を有している。
【００２５】
ここで、制御手段１８で制御する加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力は、燃料電池１１の評価試験方法により設定される。そして、加熱乾燥ガスは乾燥ガスＢを加熱することにより得られるので、加熱乾燥ガスの流量が決まると、乾燥ガスＢの流量が決まる。また、水蒸気飽和ガスは乾燥ガスＣを加湿することにより得られるので、水蒸気飽和ガスの流量が決まると、乾燥ガスＣの流量が決まる。
なお、図１では、図示しない共通のガス源から供給されるガスを分岐部１９で２つに分岐させ、一方を乾燥ガスＢ、他方を乾燥ガスＣとしている。共通のガス源と分岐部１９を設けず、乾燥ガスＢ、Ｃをそれぞれ独立したガス源から供給するようにすることもできる。ここで、加湿ガスＡが加湿空気の場合、ガス源は、大気中の空気から圧縮空気を作製するコンプレッサと、圧縮空気中の水分を除去する乾燥機から構成される。また、加湿ガスＡが加湿水素の場合、ガス源は水素を貯留したタンク又はボンベから構成される。
【００２６】
第１のガス供給部１２は、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段の一例である圧力調整弁２０と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段の一例である質量流量計測及び制御機構２１と、質量流量計測及び制御機構２１を通過した乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにするガス加熱手段２２とを備えている。ここで、圧力調整弁２０の下流側には質量流量計測及び制御機構２１に流入する乾燥ガスＢの圧力を測定する圧力計２３が設けられ、ガス加熱手段２２と合流部１５とを接続する第１の連通部２４には合流部１５に流入する加熱乾燥ガスの圧力を測定する圧力計２５が設けられている。更に、第１の連通部２４は断熱材（図示せず）で覆われており、ガス加熱手段２２から合流部１５に流入する加熱乾燥ガスの温度低下を防止している。なお、第１の連通部２４にヒータを取付け第１の連通部２４を加熱して、加熱乾燥ガスの温度低下を防止するようにしてもよい。
このような構成とすることで、乾燥ガスＢを加熱する際の温度、乾燥ガスＢの圧力、及び乾燥ガスＢの流量をそれぞれ調節することができ、所望の温度、圧力、及び流量を有する加熱乾燥ガスを得ることができる。
【００２７】
第２のガス供給部１４は、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段２６と、第２の乾燥ガス流量調節手段２６の下流側に配置され、温度調節された水を貯留し、底部から吹込まれた乾燥ガスＣを水蒸気飽和ガスに変える密閉タンク３２（図２参照）を備えた加湿手段１３とを備え、加湿手段１３と合流部１５とを接続する第２の連通部２７には合流部１５に流入する水蒸気飽和ガスの圧力を測定する圧力計２８が設けられている。更に、第２の連通部２７は断熱材（図示せず）で覆われており、加湿手段１３から合流部１５に流入する水蒸気飽和ガスの温度低下（結露）を防止している。なお、第２の連通部２７にヒータを取付け第２の連通部２７を加熱して、水蒸気飽和ガスの温度低下を防止するようにしてもよい。
このような構成とすることで、乾燥ガスＣの流量、乾燥ガスＣに加える水蒸気量を調整することができ、所望の露点及び流量を有する水蒸気飽和ガスを得ることができる。
【００２８】
第２の乾燥ガス流量調節手段２６は、加湿ガスＡの流量範囲及び分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段の一例である質量流量計測及び制御機構２９と、質量流量計測及び制御機構２９に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲として、小流量の調節を正確かつ安定して行うことが可能な子流量調節手段の一例である質量流量計測及び制御機構３０とを有している。ここで、質量流量計測及び制御機構３０の流量調節範囲は、質量流量計測及び制御機構２９の流量調節範囲の下限側、例えば、質量流量計測及び制御機構２９で調節可能な最大流量の０．０４〜２％の範囲、あるいは、乾燥ガスＣの最小流量の１〜５０倍の範囲である。
なお、制御手段１８には、水蒸気飽和ガスの流量を求めて加湿手段１３に供給する乾燥ガスＣの流量を決めた際に、質量流量計測及び制御機構２９、３０の中から乾燥ガスＣの流量の制御に適した質量流量計測及び制御機構を選択する機能が設けられている。これによって、乾燥ガスＣ（水蒸気飽和ガス）の流量を正確に設定することができ、例えば、小流量の水蒸気飽和ガスを高精度で安定して合流部１５に供給することができ、露点が正確な低露点（例えば、露点が３０℃以下）の加湿ガスＡを得ることができる。
【００２９】
図２に示すように、加湿手段１３は、第２の乾燥ガス流量調節手段２６で流量制御された乾燥ガスＣを取入れる乾燥ガス導入路３１と、乾燥ガス導入路３１の先部と連通する吹込み口（図示せず）を底部に備え、上端部に第２の連通部２７の基部が接続される取出し口（図示せず）が設けられて、上部側に空間が形成される高さに水を貯留する密閉タンク３２とを有している。ここで、乾燥ガス導入路３１の吹込み口側には逆止弁３３が設けられ、逆止弁３３の上流側には密閉タンク３２から取水配管３４を介して取出した水で乾燥ガス導入路３１を流れる乾燥ガスＣを加熱する加熱手段の一例である熱交換器３５が設けられている。また、熱交換器３５の出口には、図示しない送水ポンプを備えた給水配管３６の基部が接続され、給水配管３６の先側は密閉タンク３２の底部を貫通して密閉タンク３２内に配設され、先部が密閉タンク３２上部側の空間に設置されたシャワー機構３７の入口（図示せず）と連通している。
【００３０】
そして、給水配管３６の熱交換器３５側には、熱交換器３５を通過して給水配管３６内に流入した水を、密閉タンク３２内に流入する前に密閉タンク３２内に貯留された水と同一温度となるように加熱又は冷却する温度調節部３８が設けられている。ここで、温度調節部３８は、給水配管３６の密閉タンク３２の外側に配置されたタンク外領域の管内に配置され、給水配管３６内を通過する水を加熱する（加熱機能を有する）加熱器３９（例えば電気ヒータ）と、給水配管３６内を通過する水を２次側に供給しながら１次側に供給する冷却水との間で熱交換を行って、密閉タンク３２に戻る水の温度を冷却する（冷却機能を有する）冷却用熱交換器４０とを有している。なお、冷却用熱交換器４０に供給する冷却水は、冷却用熱交換器４０の１次側出口から排出される。
このような構成とすることで、望ましい温度の水を、シャワー機構３７により密閉タンク３２内の上部側から噴出させることができ、密閉タンク３２内の水の温度を所望の温度に保つことができると共に、密閉タンク３２内を均一温度に保つことができる。
【００３１】
また、密閉タンク３２の底から吹込まれた乾燥ガスＣが水中に滞留する時間（水中内を通過するのに要する時間）を十分長く確保することにより、密閉タンク３２の取出し口から、密閉タンク３２に貯留された水と同じ温度の乾燥ガスＣに飽和量の水蒸気を混入させることができ、水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガス（密閉タンク３２の水と同一温度）を取出すことができる。なお、乾燥ガスＣに混入させる水蒸気の飽和量は、密閉タンク３２に貯留された水の温度を変えることにより調節できる。そして、吹込む乾燥ガスＣを熱交換器３５で予熱するので、密閉タンク３２内の水の温度が変動することを防止できる。
【００３２】
乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段２２は、質量流量計測及び制御機構２１で流量制御された乾燥ガスＢを取入れる乾燥ガス導入路４１と、密閉タンク３２内の下部側に設置され、基部が乾燥ガス導入路４１の先部と連通した螺旋状のガス加熱部４２（即ち、密閉タンク３２内に水を貯留した場合、ガス加熱部４２は水中に浸漬状態となる）と、ガス加熱部４２の先部と密閉タンク３２の上端部に設けられ、第１の連通部２４の基部が接続される取出し口（図示せず）とを連通する連通管４３とを有している。
このような構成とすることで、乾燥ガスＢは、ガス加熱部４２を通過する際に密閉タンク３２内に貯留された水で、連通管４３内を通過する際に、密閉タンク３２内の上部側の空間に設置されたシャワー機構３７により噴出する水でそれぞれ加熱され、水蒸気飽和ガスと同一温度の加熱乾燥ガスにすることができる。これによって、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスを合流させた際に、水蒸気飽和ガスの温度が低下すること（水蒸気飽和ガスに結露が生じること）を防止できる。
なお、質量流量計測及び制御機構２１と第１の連通部２４の間にヒータを設けて、通過する乾燥ガスＢの温度を、密閉タンク３２内の水と同一温度に加熱するようにしてもよい。
【００３３】
図３に示すように、合流部１５は、第１、第２の連通部２４、２７の先部がそれぞれ接続して加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスが合流（混合）する混合器４４と、混合器４４の先部と連通して加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの合流により形成された加湿ガスＡが流入する加湿ガス導出路４５とを有している。ここで、混合器４４は、第１の連通部２４の先部が接続して加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路４６と、第１のガス流路４６を内部に含み第１のガス流路４６の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて、第２の連通部２７を介して供給された水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路４７とを備えている。
【００３４】
このような構成とすることにより、第１のガス流路４６の断面積より第２のガス流路４７の断面積が大きいため、第１のガス流路４６の配管抵抗が大きくなって、第２のガス流路４７を通過する水蒸気飽和ガスが第１のガス流路４６に逆流することを防止できる。また、第２のガス流路４７内に結露が生じても、構造的に結露が第１のガス流路４６に侵入することを防止できる。更に、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの流量差が大きいと、流量の多いガスに流量の少ないガスが巻き込まれるため、加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスの混合を促進することができる。
なお、合流部１５は断熱材（図示せず）で覆われており、加熱乾燥ガス、水蒸気飽和ガス、及び加湿ガスＡの温度低下を防止して、水蒸気飽和ガス及び加湿ガスＡに結露が生じることを防止している。なお、合流部１５にヒータを取付け合流部１５を加熱して、加熱乾燥ガス、水蒸気飽和ガス、及び加湿ガスＡの温度低下を防止するようにしてもよい。
【００３５】
貯留槽１７は、加湿ガス導出路４５に連通する空間部を内部に備え、外周部は図示しない断熱材で覆われている。これにより、合流部１５から流入した加湿ガスＡの温度低下を防止しながら、加湿ガスＡの均一化（例えば、圧力）を図ることができる。そして、貯留槽１７内で均一化した加湿ガスＡはガス導入配管１７を介して燃料電池１１に供給される。また、ガス導入配管１７には、燃料電池１１に供給される加湿ガスＡの露点及び圧力をそれぞれ測定する露点計４８及び圧力計４９が設けられている。更に、ガス導入配管１７は断熱材（図示せず）で覆われており、加湿ガスＡの温度低下を防止することにより、加湿ガスＡに結露が生じることを防止している。なお、ガス導入配管１７にヒータを取付けてもよい。
【００３６】
燃料電池１１の図示しない排気ガス放出口には、排気ガスの圧力を調節する背圧弁５０と、排気ガスの圧力を測定する圧力計５１と、圧力計５１で測定された排気ガスの圧力が指示値となるように背圧弁５０を調節する圧力設定器（図示せず）とを備えた排気ガス排出手段５２が設けられている。その結果、燃料電池１１内のガス圧力が決まり、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力が決まる。
【００３７】
制御手段１８は、燃料電池１１の評価試験方法により設定される加湿ガスＡの露点、加湿ガスＡの流量、及び加湿ガスＡの圧力の目標値を入力する入力部と、入力部に入力された（設定された）露点に基づいて加湿手段１３の密閉タンク３２内に貯留されている水の温度を設定する温度設定部と、温度設定部により設定された温度の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを用いて、設定された露点の加湿ガスＡを作製するために合流部１５に流入させる加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの分流比を求める分流比演算部と、設定された加湿ガスＡの流量及び求めた分流比から、合流部１５に流入する加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの各流量を設定するガス流量設定部とを有している。
【００３８】
また、制御手段１８は、ガス流量設定部で設定された流量の乾燥ガスＢが得られるように質量流量計測及び制御機構２１の制御信号を出力する乾燥ガスＢの流量制御部と、ガス流量設定部で設定された乾燥ガスＣの流量に応じて質量流量計測及び制御機構２９、３０に対して一方を起動させ、他方を停止させる動作指定信号を出力するか（小流量のとき）、又は起動させた質量流量計測及び制御機構２９、３０を用いて、設定された流量の乾燥ガスＣが得られるように質量流量計測及び制御機構２９、３０の流量配分設定のための制御信号を出力する乾燥ガスＣの流量制御部とを有している。更に、制御手段１８は、入力部で設定された加湿ガスＡの圧力と、ガス流量設定部で設定された乾燥ガスＢの流量に基づいて、質量流量計測及び制御機構２１に流入する乾燥ガスＢの圧力を求めて、圧力調整弁２０の制御信号を出力する乾燥ガスＢの圧力設定部を有している。
【００３９】
ここで、分流比演算部には、露点計４８で測定した加湿ガスＡの実測露点と設定された露点との差（偏差）に基づいて、分流比の修正を行う分流比修正機構が設けられている。
また、分流比演算部には、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点を変更するため、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に（入力部に新たな露点を入力した際に）、分流比修正機構の動作を停止すると共に、分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定し、露点の変更時から（新たな露点を設定した時から）一定時間（例えば、２０秒）経過した後に、分流比修正機構の動作を再開する機能を有する露点変更対応機構が設けられている。
なお、露点変更対応機構の機能を、露点計４８で求めた実測露点と変更後の露点との偏差が一定値範囲内（例えば、偏差が露点に対して０を超え５％以下）になった後、分流比修正機構の動作を再開するようにしてもよい。
【００４０】
そして、入力部には、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力を急上昇させようとして、
加湿ガスに設定する圧力を急上昇した際に（入力部に加湿ガスＡの新たな圧力が設定された際に）、分流比の修正を停止し、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間（加湿ガスＡの実測圧力が、新たな圧力に到達した後、数秒〜数十秒経過するまでの期間）に亘って、分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止する機能を有する加湿ガス圧力変更対応機構が設けられている。
更に、加湿ガス圧力変更対応機構には、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させて、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する補償機能が設けられている。
なお、加湿ガス圧力変更対応機構に設ける補償機能を、過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させることにより（例えば、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動を求めて、低下挙動を示す関数式を予め求めておき、この関数式で予測される露点減少量だけ露点を増加させることにより）、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する機能とすることもできる。
【００４１】
続いて、加湿ガス供給装置１０を用いた本発明の一実施の形態に係る燃料電池１１の加湿ガス供給方法について説明する。
燃料電池１１の評価試験を行う場合、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力は、評価試験内容により異なる。このため、先ず、加湿ガス供給装置１０の制御手段１８の入力部に、評価試験に要求される加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力を入力して、加湿ガス供給装置１０の運転を開始する。
【００４２】
ここで、加湿ガス供給装置１０の動作試験を実施することにより、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの条件（露点、流量、及び圧力）、加熱乾燥ガス（乾燥ガスＢ）の条件（流量及び圧力）、及び水蒸気飽和ガス（乾燥ガスＣ）の条件（流量及び圧力）の関係を事前に把握することができる。このため、燃料電池１１の評価試験時に燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点、流量、及び圧力を決めると、加湿ガス供給装置１０を運転する際の乾燥ガスＢの流量及び圧力、乾燥ガスＣの流量及び圧力をそれぞれ推定することができる。したがって、推定された乾燥ガスＢ、Ｃの流量及び圧力を初期値として、加湿ガス供給装置１０を運転する。また、加湿手段１３の密閉タンク３２に貯留する水の温度は、加湿ガスＡの露点に対して、例えば、５〜１０℃だけ高い温度に保持されるように温度調節部３８で制御する。
なお、質量流量計測及び制御機構２１と第１の連通部２４の間にヒータを設けて乾燥ガスＢを加熱する場合は、加熱される乾燥ガスＢの温度が密閉タンク３２の水温と同一温度になるようにヒータを制御する。
【００４３】
次いで、設定された加湿ガスＡの露点に基づいて合流部１５で合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求める。
ここで、露点（℃）をｔｄ、密閉タンク３２内（密閉タンク３２中の水）の温度（℃）をｔｓ、密閉タンク３２内の水蒸気飽和ガスの圧力（Pa）をｐｓ、貯留槽１６内の加湿ガスＡの圧力（Pa）をｐｔ、密閉タンク３２内の水蒸気飽和ガスの飽和水蒸気圧（Pa）をｅｓ（ｔｓ）、露点における飽和水蒸気圧（Pa）をｅｓ（ｔｄ）、乾燥ガスＢ及び乾燥ガスＣの全流量に対する乾燥ガスＣの流量の比をγすると、露点における飽和水蒸気圧ｅｓ（ｔｄ）は（ａ）式で与えられる（例えば、湿度計−試験方法 ＪＩＳ Ｂ ７９２０：２０００ ５ページ（８）式参照）。
ｅｓ（ｔｄ）＝ｐｔγｅｓ（ｔｓ）／｛ｐｓ−（１−γ）ｅｓ（ｔｓ）｝ ・・・ （ａ）
【００４４】
（ａ）式からγを求めると、γは（ｂ）式で与えられる。
γ＝（ｐｓ−ｅｓ（ｔｓ））ｅｓ（ｔｄ）／（ｐｔ−ｅｓ（ｔｄ））ｅｓ（ｔｓ） ・・・ （ｂ）
ここで、ｔｄは燃料電池１１の評価試験条件として与えられ、ｔｓは密閉タンク３２内に挿入した図示しない温度計で測定され、ｐｓは圧力計２８から、ｐｔは圧力計４９からそれぞれ求めることができ、ｅｓ（ｔｄ）、ｅｓ（ｔｓ）は、例えば、ＪＩＳ Ｂ ７９２０：２０００ ２１ページ ＳＯＮＮＴＡＧの飽和蒸気圧式（１５）から得ることができる。したがって、（ｂ）式を計算することにより、γを決定することができる。
【００４５】
分流比（γ）が決まると、加湿ガスＡの流量をＱ、加熱乾燥ガスの流量をｑｄ、水蒸気飽和ガスの流量をｑｗとした場合、
γ＝ｑｗ／Ｑ＝ｑｗ／（ｑｄ＋ｑｗ）
の関係が成立するので、水蒸気飽和ガスの流量ｑｗはγＱ、加熱乾燥ガスの流量ｑｄは（１−γ）Ｑとそれぞれ求められる。ここで、乾燥ガスＢの流量は加熱乾燥ガスの流量ｑｄに等しく、乾燥ガスＣの流量は水蒸気飽和ガスの流量ｑｗに等しいので、乾燥ガスＢの流量がｑｄとなるように質量流量計測及び制御機構２１を制御し、乾燥ガスＣの流量がｑｗとなるように第２の乾燥ガス流量調節手段２６を制御する。なお、第２の乾燥ガス流量調節手段２６で乾燥ガスＣの流量制御を行う場合、流量ｑｗの値に応じて、第２の乾燥ガス流量調節手段２６を構成している質量流量計測及び制御機構２９、３０の中で使用する質量流量計測及び制御機構を選択するか、各々に流量配分設定を行う。
【００４６】
更に、質量流量計測及び制御機構２１に流入する乾燥ガスＢの圧力をＰ０、燃料電池１１に供給される加湿ガスＡの圧力をＰｂ、乾燥ガスＢの流量をｑｄとした場合、乾燥ガスＢの圧力Ｐ０を、乾燥ガスＢの流量ｑｄ及び加湿ガスＡの圧力Ｐｂに基づいて、例えば、Ｐ０＝Ｐｂ＋Ｋｑｄ２の関係式から決まるＰ０となるように制御している。ここで、Ｋは数値定数で、加湿ガス供給装置１０に応じて決める。
乾燥ガスＢの圧力Ｐ０を、乾燥ガスＢの流量ｑｄ及び加湿ガスＡの圧力Ｐｂに基づいて制御することにより、第２のガス供給部１４に比較して、構造的に乾燥ガスＢが流れ易い（差圧が過大となり易い）第１のガス供給部１２に適切な差圧を設けることができ、第１のガス供給部１２を通過する乾燥ガスＢの流量の制御を安定して行うことができる。その結果、加湿ガスＡの露点の変更要求に対して、加湿ガスＡの露点を迅速かつ高精度に調節することができる。
【００４７】
加湿ガスＡの露点を一定値に制御している状態では、ガス導入配管１７に設けた露点計４８で測定した加湿ガスＡの実測露点と、入力部に入力した露点（即ち、設定された露点である制御の目標露点）との差（偏差）に基づいて、ＰＩＤ制御等の方法で分流比の計算出力値を修正することにより、露点のフィードバック制御を行う。これによって、加湿ガスＡの実測露点を設定された露点（目標露点）に近づけると共に、実測露点の安定化を図ることができる。
【００４８】
ここで、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点変更要求に応じて、制御手段１８の入力部に新たな露点が入力された（加湿ガスＡに設定する露点を変更した）場合、分流比演算部では、分流比修正機構の動作を停止して露点のフィードバック制御を停止すると共に、分流比を変更後の露点から決まる値に固定し（即ち、露点の制御を、フィードバックとフィードフォワード併用制御からフィードフォワード単独制御に変更して）、露点の変更時から一定時間（例えば、１０〜２０秒）経過した後に、分流比修正機構の動作を再開する（露点のフィードバック制御を再開する）。
なお、露点のフィードフォワード単独制御を実施する期間を、露点計４８で求めた実測露点と変更後の目標露点との偏差が一定値範囲内（例えば、偏差が、変更後の目標露点露点に対して０を超え５％以下になるまでの期間とすることもできる。
【００４９】
これによって、変更後の露点で決まる分流比で加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスが合流部１５に供給されるため、加湿ガスＡの露点を変更後の露点に向けて急速に変化させることができる。そして、目標露点の変更時から一定時間経過した後又は露点計４８で求めた実測露点と変更後の目標露点との差が一定値範囲内になった後、分流比の修正を行うことによる露点のフィードバック制御を再開するので、実測露点を変更後の目標露点に容易に近づけて安定化することができる。
【００５０】
加湿ガスＡの露点を一定値に制御している状態で、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの圧力変更要求に応じて制御手段１８の入力部に新たな圧力が入力されて（加湿ガスＡに設定する圧力を変更して）、加湿ガスＡの圧力を急上昇させる場合、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間（加湿ガスＡの実測圧力が、設定された新たな圧力に到達した後、数秒〜数十秒経過するまでの期間）に亘って、分流比の修正を停止し露点のフィードバック制御を停止すると共に、分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して（露点の制御を、フィードバックとフィードフォワード併用制御からフィードフォワード単独制御に変更して）、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止する。
【００５１】
ここで、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側（例えば、最小流量の１倍から２０倍の範囲）の場合、加湿ガスＡの露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間（例えば、０を超え１２０秒以下）に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値（例えば、上昇幅の１を超え１．２倍以下）だけ増加させ、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償する。
なお、過渡応答期間ｚに亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡの設定された露点を上昇させることにより、例えば、設定された露点（制御の目標露点）をｔｄとした際、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動を求めて、低下挙動を示す関数式Ｆ（ｚ）を予め求めておき、関数式Ｆ（ｚ）で予測される露点減少量だけ設定される露点を増加、即ち加湿ガスＡの目標露点がｔｄ＋Ｆ（ｚ）となるように制御することにより）、燃料電池１１に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償するようにすることもできる。これによって、燃料電池１１の評価試験の中断、試験中の燃料電池１１の破損を確実に防止することができる。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
燃料電池に露点８０℃の加湿ガスＡを供給するため、制御手段の入力部に露点（目標露点）として８０℃を入力（設定）し、露点計による実測露点と目標露点との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御により分流比の計算出力値を修正しながら加湿ガスＡの露点の制御（露点のフィードバック制御）を実施した。その結果を図４に示す。
分流比の計算出力値を修正しながら加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの流量をそれぞれ制御することにより、実測露点を目標露点である８０℃に安定して保持できることが確認できた。
【００５３】
（実施例２）
目標露点を８０℃に制御している状態において、入力部に新たに設定する露点（目標露点）として３０℃を入力し、目標露点を８０℃から３０℃に急低下させて保持する制御を行った。このとき、合流部に流入させる加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの流量は、それぞれ露点３０℃の加湿ガスＡを生成する際の分流比から決まる流量に固定した（露点を３０℃とするフィードフォワード単独制御を行った）。その結果を図４に示す。
加湿ガスＡの実測露点は、目標露点の急低下に追従して変化しており、加湿ガスＡの露点を急低下できることが確認できた。
【００５４】
（実施例３）
目標露点を３０℃に制御している状態において、入力部に新たに設定する露点（目標露点）として８０℃を入力し、目標露点を３０℃から８０℃に急上昇させて保持する制御を行った。このとき、合流部に流入させる加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスの流量は、露点の急上昇開始時にはそれぞれ露点８０℃の加湿ガスＡを生成する際の分流比から決まる流量に固定し（露点を８０℃とするフィードフォワード単独制御を行い）、露点の急上昇開始時から３０秒経過した後（実測露点が目標露点８０℃に接近した後）、フィードフォワード単独制御を露点を８０℃とするフィードバック制御に変更した。即ち、露点を３０℃から８０℃に急上昇させる場合、フィードフォワードとフィードバック併用制御を行うことになる。その結果を図４に示す。
加湿ガスＡの目標露点が３０℃から８０℃に急上昇することに対応して、実測露点は３０℃から８０℃に急上昇しており、加湿ガスＡの露点を急上昇できることが確認できると共に、急上昇させた実測露点を８０℃に保持できることが確認できた。
【００５５】
（実施例４）
燃料電池に供給する加湿ガスＡの目標露点を６０℃に制御している状態で、燃料電池に供給する加湿ガスＡに設定する圧力（背圧）をゲージ圧力で１０ｋＰａから２５０ｋＰａまで急上昇させ、一定時間保持した後に急低下させる制御の際に、背圧急上昇に伴う加湿ガスＡの実測背圧の過渡応答期間（加湿ガスＡの圧力変更時から加湿ガスＡの実測背圧が背圧制御値の３％の範囲内に到達するまでの時間）に亘って、加湿ガスＡの目標露点を６５℃に急上昇するフィードフォワード単独制御を行った。その結果を図５に示す。
背圧急上昇に伴って加湿ガスＡの目標露点を６０℃から５℃急上昇させることで、実測背圧がゲージ圧力で１０ｋＰａから２５０ｋＰａまで上昇した背圧制御値に安定化するまでに要する期間に生じる実測露点の目標露点６０℃に対する低下量を、約３℃以下にすることができる。
【００５６】
（比較例）
燃料電池に供給する加湿ガスＡの目標露点を６０℃に制御している状態で、燃料電池に供給する加湿ガスＡに設定する背圧を２５０Ｐａだけ急上昇させ、一定時間保持した後に急低下する制御を行なった際における加湿ガスＡの実測露点の変動を図５に示す。実測背圧が、２５０Ｐａ上昇した背圧制御値に安定化するまでに要する期間に生じる実測露点の目標露点６０℃に対する低下量は最大約１０℃であった。
したがって、燃料電池に供給する加湿ガスＡの背圧制御値を急上昇させることに伴って、加湿ガスＡの実測背圧の過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの目標露点を急上昇させることで、実測背圧が背圧制御値に安定化するまでの期間に生じる実測露点の目標露点に対する低下量を小さくできる（露点の低下を補償できる）ことが確認できた。
【００５７】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１０：加湿ガス供給装置、１１：燃料電池、１２：第１のガス供給部、１３：加湿手段、１４：第２のガス供給部、１５：合流部、１６：貯留槽、１７：ガス導入配管、１８：制御手段、１９：分岐部、２０：圧力調整弁、２１：質量流量計測及び制御機構、２２：ガス加熱手段、２３：圧力計、２４：第１の連通部、２５：圧力計、２６：第２の乾燥ガス流量調節手段、２７：第２の連通部、２８：圧力計、２９、３０：質量流量計測及び制御機構、３１：乾燥ガス導入路、３２：密閉タンク、３３：逆止弁、３４：取水配管、３５：熱交換器、３６：給水配管、３７：シャワー機構、３８：温度調節部、３９：加熱器、４０：冷却用熱交換器、４１：乾燥ガス導入路、４２：ガス加熱部、４３：連通管、４４：混合器、４５：加湿ガス導出路、４６：第１のガス流路、４７：第２のガス流路、４８：露点計、４９：圧力計、５０：背圧弁、５１：圧力計、５２：排気ガス排出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給装置であって、
乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部と、
乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣを水を貯留した密閉タンクの底部から吹込んで水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガスにする加湿手段を備えた第２のガス供給部と、
前記第１のガス供給部及び前記第２のガス供給部からそれぞれ供給された加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部と、
前記合流部で生成した加湿ガスＡを一時貯留して均一性を向上させる貯留槽と、
前記貯留槽からガス導入配管を介して前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記合流部は、加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路と、該第１のガス流路を内部に含み該第１のガス流路の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路とを備えた混合器を有していることを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記第１のガス供給部は、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段と、該第１の乾燥ガス流量調節手段を通過した乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段とを備え、前記第２のガス供給部は、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段と、該第２の乾燥ガス流量調節手段の下流側に配置された前記加湿手段とを備え、前記第２の乾燥ガス流量調節手段は、加湿ガスＡの流量範囲及び前記分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段と、該親流量調節手段に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲とする子流量調節手段とを有していることを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記加湿手段は、前記密閉タンク内の水を加熱する加熱機能と該密閉タンク内の水を冷却する冷却機能を備えた温度調節部を有していることを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項５】
露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給方法であって、
加湿ガスＡを、乾燥ガスＢを加熱した加熱乾燥ガスと、乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣに加湿手段を用いて飽和量の水蒸気を加えて作製した水蒸気飽和ガスとを合流して生成し、貯留槽に導入して均一性を向上させた後に、ガス導入配管を介して加湿ガスＡを前記貯留槽から前記燃料電池に供給する際に、
前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記ガス導入配管に設けた露点計で測定した加湿ガスＡの実測露点と加湿ガスＡに設定された露点との差に基づいて前記分流比の修正を行うことを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に、前記分流比の修正を停止すると共に、前記分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定し、露点の変更時から一定時間経過した後又は前記露点計で求めた実測露点と変更後の露点との差が一定値範囲内になった後、前記分流比の修正を行うことを再開することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項８】
請求項６記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する圧力を急上昇させた際に、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間に亘って、前記分流比の修正を停止し、前記分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項１０】
請求項８記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、前記過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項１】
露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給装置であって、
乾燥ガスＢを加熱して加熱乾燥ガスにする第１のガス供給部と、
乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣを水を貯留した密閉タンクの底部から吹込んで水蒸気が飽和状態になった水蒸気飽和ガスにする加湿手段を備えた第２のガス供給部と、
前記第１のガス供給部及び前記第２のガス供給部からそれぞれ供給された加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを合流して加湿ガスＡを生成する合流部と、
前記合流部で生成した加湿ガスＡを一時貯留して均一性を向上させる貯留槽と、
前記貯留槽からガス導入配管を介して前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記合流部は、加熱乾燥ガスが通過する第１のガス流路と、該第１のガス流路を内部に含み該第１のガス流路の中心軸と同一位置に中心軸が配置されて水蒸気飽和ガスが加熱乾燥ガスと同一方向に通過する第２のガス流路とを備えた混合器を有していることを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記第１のガス供給部は、乾燥ガスＢの圧力を調節する圧力調節手段と、圧力の調節が行われた乾燥ガスＢの流量を調節する第１の乾燥ガス流量調節手段と、該第１の乾燥ガス流量調節手段を通過した乾燥ガスＢを加熱するガス加熱手段とを備え、前記第２のガス供給部は、乾燥ガスＣの流量を調節する第２の乾燥ガス流量調節手段と、該第２の乾燥ガス流量調節手段の下流側に配置された前記加湿手段とを備え、前記第２の乾燥ガス流量調節手段は、加湿ガスＡの流量範囲及び前記分流比から決まる乾燥ガスＣの流量範囲を調節範囲とする親流量調節手段と、該親流量調節手段に対して並列に配置され、乾燥ガスＣの流量範囲の下限側を調節範囲とする子流量調節手段とを有していることを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の加湿ガス供給装置において、前記加湿手段は、前記密閉タンク内の水を加熱する加熱機能と該密閉タンク内の水を冷却する冷却機能を備えた温度調節部を有していることを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給装置。
【請求項５】
露点、流量、及び圧力がそれぞれ設定された加湿ガスＡを供給すると共に発電時に発生する排気ガスを外部に排出しながら行う燃料電池の評価試験に使用する燃料電池の加湿ガス供給方法であって、
加湿ガスＡを、乾燥ガスＢを加熱した加熱乾燥ガスと、乾燥ガスＢと同種の乾燥ガスＣに加湿手段を用いて飽和量の水蒸気を加えて作製した水蒸気飽和ガスとを合流して生成し、貯留槽に導入して均一性を向上させた後に、ガス導入配管を介して加湿ガスＡを前記貯留槽から前記燃料電池に供給する際に、
前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点に基づいて合流する加熱乾燥ガスと水蒸気飽和ガスとの分流比を求め、該分流比と加湿ガスＡの流量に基づいてそれぞれ求めた流量の加熱乾燥ガス及び水蒸気飽和ガスを前記合流部に供給すると共に、求めた加熱乾燥ガスの流量から決まる乾燥ガスＢの流量及び前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの圧力に基づいて、乾燥ガスＢの圧力を制御することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記ガス導入配管に設けた露点計で測定した加湿ガスＡの実測露点と加湿ガスＡに設定された露点との差に基づいて前記分流比の修正を行うことを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する露点を変更した際に、前記分流比の修正を停止すると共に、前記分流比を加湿ガスＡに設定する変更後の露点から決まる値に固定し、露点の変更時から一定時間経過した後又は前記露点計で求めた実測露点と変更後の露点との差が一定値範囲内になった後、前記分流比の修正を行うことを再開することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項８】
請求項６記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、加湿ガスＡに設定する圧力を急上昇させた際に、加湿ガスＡの実測圧力の過渡応答期間に亘って、前記分流比の修正を停止し、前記分流比を加湿ガスＡの圧力の変更直前の値に固定して、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の変動を防止することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、加湿ガスＡに設定する露点を、加湿ガスＡの圧力変更時から一定時間に亘って加湿ガスＡの圧力の上昇幅に応じて一定値だけ増加させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【請求項１０】
請求項８記載の燃料電池の加湿ガス供給方法において、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの流量が、加湿ガスＡの流量範囲の下限側の場合、前記過渡応答期間に亘って、加湿ガスＡの実測露点の低下挙動に基づいて加湿ガスＡに設定する露点を上昇させ、前記燃料電池に供給する加湿ガスＡの露点の低下を補償することを特徴とする燃料電池の加湿ガス供給方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８０６３１（Ｐ２０１３−８０６３１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０２９４（Ｐ２０１１−２２０２９４）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００２３３６９７）株式会社日鉄エレックス (51)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００２３３６９７）株式会社日鉄エレックス (51)
【Ｆターム（参考）】
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