(57)【要約】【課題】加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制する。【解決手段】環境温度が低温温度に近づくにしたがって、収納ケース６の収縮にともなって中空糸膜４が弛むことにより、収納ケース６内の上部に、隙間であるバイパス路が形成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜の長手方向に亘ってその内部に形成された流通路を流れる第１ガスと、前記中空糸膜の外部を前記第１ガスの流れ方向と交差する方向に流れる第２ガスとの間で水分交換を行う加湿装置において、
両端が開口された筒状の収納ケース内に、複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を収容する中空糸膜モジュールと、
第１ガスの導入口および排出口と第２ガスの導入口および排出口とを有し、前記中空糸膜モジュールを内部に収容するハウジングとを有し、
前記中空糸膜モジュールは、前記中空糸膜のそれぞれが軸方向に沿って直線的に並列する第１の状態と、前記中空糸膜のそれぞれが弛むことにより、前記収納ケース内に、第１の状態における中空糸膜間の間隔よりも大きな寸法を有する隙間であるバイパス路を形成する第２の状態とを、環境温度に感応して設定する設定手段をさらに有することを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
前記収納ケースは、前記ハウジングが有する前記第２のガスの導入口および排出口のそれぞれと対向する面に、複数のガス孔がそれぞれ形成されており、
前記バイパス路は、前記収納ケース内における前記第２ガスの流れ方向において、前記収納ケース内を貫通することを特徴とする請求項１に記載された加湿装置。
【請求項３】
前記設定手段は、環境温度が、前記中空糸膜の細孔に凝縮される水分が凍結する低温温度に近づくにしたがって、前記第１の状態から前記第２の状態へと変位することを特徴とする請求項１または２に記載された加湿装置。
【請求項４】
前記設定手段は、感温性を有する部材で形成された前記収納ケースで構成されており、
前記収納ケースは、環境温度が前記低温温度に近づくにしたがって、前記中空糸膜の長手方向に収縮することを特徴とする請求項３に記載された加湿装置。
【請求項５】
前記設定手段は、それぞれが感応性を有する複数の棒状の部材で構成されており、
前記棒状の部材のそれぞれは、複数本の前記中空糸膜とともに束ねられており、環境温度が前記低温温度に近づくにしたがって、前記中空糸膜の長手方向に伸張することを特徴とする請求項３または４に記載された加湿装置。
【請求項６】
前記設定手段は、複数の中空糸膜を複数の束に分割した上で、それぞれが分割された中空糸膜の束を外周部において縛る複数のネット状の部材で構成されており、
前記ネット状の部材のそれぞれは、環境温度が前記低温温度に近づくにしたがって、収縮することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載された加湿装置。
【請求項７】
前記設定手段は、複数の中空糸膜を複数の束に分割するように、低温収縮率の高い方の面をそれぞれ向かい合わせた１対のバイメタル板で構成されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載された加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、中空糸膜を用いた加湿装置が知られている。この加湿装置は、中空糸膜内部の細孔への毛管凝縮作用を利用して、中空糸膜内部を流れる気体（例えば、乾燥気体）と、中空糸膜外部を流れる気体（例えば、湿潤気体）との間で水分交換を行うことにより、乾燥気体を湿潤気体によって加湿する。この類の加湿装置は、例えば、中空糸膜の束を筒形状をなすケース内に収容した中空糸膜モジュールを有する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、中空糸膜の強度向上の観点から、剛性棒を中心として複数本の中空糸膜を集束部材により束ねて、この束ねた複数の中空糸膜のセットをケース内に収容している。
【０００４】
また、加湿性能の向上を目的として、中空糸膜内部を流れる気体に対して、中空糸膜外部を流れる気体を直交するように供給する、いわゆるクロスフロー方式の加湿装置も知られている。
【特許文献１】特開２００４−３１１２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、クロスフロー方式の加湿装置では、中空糸膜外部を流れる気体によって中空糸膜に曲げ応力が発生し易いという問題がある。特に、外気などの環境温度が、中空糸膜内部の細孔に保持された水分が凍結するような低温温度まで低下した場合には、中空糸膜が脆弱化しているため、折損に至る可能性がある。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明は、中空糸膜モジュールが、中空糸膜のそれぞれが軸方向に沿って直線的に並列する第１の状態と、中空糸膜のそれぞれが弛むことにより、収納ケース内に隙間であるバイパス路を形成する第２の状態とを、環境温度に感応して設定する設定手段を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、環境温度に感応して、中空糸膜のそれぞれが弛み、収納ケース内にバイパス路が設定される。これにより、個々の中空糸膜に作用する曲げ応力を緩和することができる。そのため、加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる加湿装置１を模式的に示す斜視図である。この加湿装置１は、例えば、燃料電池システムに用いられる加湿装置として好適である。燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを主体に構成されている。燃料電池スタックは、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池システムでは、反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を加湿装置によって加湿した状態で燃料電池スタックに供給することにより、各セルの固体高分子電解質膜を加湿している。
【００１０】
図２は、図１に示す加湿装置１を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態の加湿装置１は、湿潤気体、例えば、燃料電池スタックから排出された水蒸気を含む反応ガス（以下「第２ガスＧ２」という）と、乾燥気体、例えば、燃料電池スタックに供給するための反応ガス（以下「第１ガスＧ１」という）との間で水分交換を行って第１ガスＧ１を加湿する。加湿装置１は、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール２と、この中空糸膜モジュール２を内部に収容するハウジング３とを備えている。
【００１１】
中空糸膜モジュール２は、複数本の中空糸膜４を束ねて構成される中空糸膜束５と、この中空糸膜束５を内部に収容する角筒状の収納ケース６とを主体に構成されている。
【００１２】
図３は、中空糸膜モジュール２の断面状態を模式的に示す斜視図である。中空糸膜束５は、複数の中空糸膜４を束ねて構成されている。個々の中空糸膜４は、長手方向（軸方向）に亘って貫通する細孔である流通路（図示せず）が内部に形成されており、断面円形状の細長いストロー形状を有している。
【００１３】
この中空糸膜モジュール２において、第１ガスＧ１が中空糸膜４の内部（流通路）に供給され、中空糸膜４の外側（外部）に水分を含んだ第２ガスＧ２が供給される。本実施形態の加湿装置１では、第１ガスＧ１の流れ方向と交差（具体的には、略直行）する方向に第２ガスＧ２が流れる、いわゆる、クロスフロー方式が採用されている。
【００１４】
中空糸膜４は、その内部の厚さ方向に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)し、中空糸膜４の内外における水蒸気分圧差により、水分が中空糸膜４の外側から内側へと透過する。第２ガスＧ２中の空気は、中空糸膜４内の細孔内に水分が凝縮されることによって流れが阻害され、結果的に湿潤気体中の水蒸気のみが選択的に第１ガスＧ１側へ透過する。この透過した水分は、中空糸膜４の内側に供給された第１ガスと接触し気化し、これにより、第１ガスＧ１が加湿される。なお、中空糸膜モジュール２は、湿潤気体である第２ガスＧ２を中空糸膜４内（流通路）に供給し、乾燥気体である第１ガスＧ１を中空糸膜４の外側に流す場合でも水交換を行うことができる。
【００１５】
図４は、中空糸膜モジュール２を模式的に示す斜視図である。収納ケース６は、両端が開口された角筒形状を有しており、中空糸膜束５をその内部に収容する機能を担っている。本実施形態において、収納ケース６は、後述する理由により、環境温度が、中空糸膜４の細孔に凝縮される水分が凍結する低温温度に近づくにしたがって、中空糸膜４の長手方向に収縮する部材により形成されている。このような部材として、例えば、アルミニウムなどの金属部材を挙げることができる。
【００１６】
収納ケース６において、対向する一対の側面６ａ，６ｂ、すなわち、開口の長手辺を構成する一対の面のそれぞれには、ガス孔８，９が形成されている。一方の側面６ａ（以下、必要に応じて「第２ガス導入面６ａ」という）に形成された各ガス孔８は、第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部（各中空糸膜４間の隙間）に流入させるためのガス導入孔として機能する。これに対して、対向する他方の側面６ｂ（以下、必要に応じて「第２ガス排出面６ｂ」という）に形成された各ガス孔９は、中空糸膜束５の内部を通過した第２ガスＧ２を中空糸膜モジュール２外へと排出させるガス排出孔として機能する。各ガス孔８，９は、各側面６ａ，６ｂのほぼ全面に複数形成されており、互いに対向する上下面（すなわち、開口の短手辺を構成する一対の面）６ｃ，６ｄの一部へと進入した位置まで形成されている。
【００１７】
このような中空糸膜モジュール２において、収納ケース６内に充填される中空糸膜束５は、中空糸膜４の長手方向に垂直な断面で捉えた場合、個々の中空糸膜４が断面内に均一に分布するように、その両端がポッティング剤（接着剤）で固定される。また、収納ケース６に収納された中空糸膜束５は、その長手方向両端部をケース内壁面にポッティング剤で固定され、それ以外の部位は接着されていない。この際、それぞれの中空糸膜４は、その長手方向と収納ケース６の軸方向とが互いに平行になるように配策されており、中空糸膜４同士が互いに捩じれて絡み合ったりすることがないよう構成されている。そのため、中空糸膜４の長手方向の全域に渡り、各中空糸膜４とも隣り合う中空糸膜４との間に一定の間隙が形成されており、中空糸膜４同士が形成する間隙は、中空糸膜４列に沿って収納ケース６を縦方向に割った断面内の全域に均一に分布している。この間隙に湿潤気体である第２ガスＧ２が流れるようになっている。つまり、中空糸膜束５の両端を除く部位が、第１ガスＧ１を第２ガスＧ２で加湿する加湿場として機能する。
【００１８】
再び図１，２を参照するに、ハウジング３は、筐体１２と、第１ガスＧ１の導入口１３を有した第１ガス導入用マニホールド１４と、第１ガスＧ１の排出口１５を有した第１ガス排出用マニホールド１６と、第２ガスＧ２の導入口１７を有した第２ガス導入用マニホールド１８と、第２ガスＧ２の排出口１９を有した第２ガス排出用マニホールド２０と、からなる。
【００１９】
筐体１２は、中空糸膜モジュール２を内部に収容するケースであり、両端を開口させた四角柱形状を有している。
【００２０】
第１ガス導入用マニホールド１４は、筐体１２の前後方向に形成された一方の開口２１を閉塞するように取り付けられている。これら第１ガス導入用マニホールド１４と筐体１２との間のシールは、開口２１内端部で例えばＯリング等を使用した軸シール構造が採用されている。第１ガス導入用マニホールド１４には、第１ガスＧ１を筐体１２内の中空糸膜モジュール２に導入させるための導入口１３が形成されている。
【００２１】
第１ガス排出用マニホールド１６は、筐体１２の前後方向に形成された他方の開口２３を閉塞するように取り付けられている。これら第１ガス排出用マニホールド１６と筐体１２との間のシールは、開口２３内端部で例えばＯリング等を使用した軸シール構造が採用されている。第１ガス排出用マニホールド１６には、各中空糸膜４の流通路を通った第１ガスＧ１を筐体１２外へと排出させるための排出口１５が形成されている。
【００２２】
第２ガス導入用マニホールド１８は、筐体１２の一方の側面に形成された開口（図示は省略する）を閉塞するように取り付けられている。この第２ガス導入用マニホールド１８には、第２ガスＧ２を筐体１２内へと導入させるための導入口１７が形成されている。なお、第２ガス導入用マニホールド１８と筐体１２のシールは、同様に軸シール構造でシールされている。第２ガス導入用マニホールド１８により、第２ガスの導入口１７側と収納ケース６の第２ガス導入面６ａとが向き合う格好となる。
【００２３】
また、この第２ガス導入用マニホールド１８には、第２ガスＧ２を導入する導入口１７から収納ケース６の第２ガス導入面６ａまでのガス導入流路２５の途中に段差部２６が設けられている。段差部２６は、第２ガス導入用マニホールド１８の一部を内側（筐体１２側）に凹ませて形成され、第２ガス導入面６ａの中間位置手間に設けられている。この段差部２６を設けることで、ガス導入流路２５奥側の流路体積が絞られる。
【００２４】
導入口１７から流入した第２ガスＧ２は、ガス導入流路２５を流れ、その途中に設けられた段差部２６による傾斜内壁面２６ａに衝突し分散される。そのため、第２ガス導入面６ａの全体に、分散された第２ガスＧ２が導入されることになる。つまり、第２ガスＧ２は、本来であればガス流れの特性上、ガス導入流路２５の奥側へ偏り易くなる。しかしながら、第２ガスＧ２を流路途中で段差部２６に衝突させることで、流れ難い流路手前側を流れ易くし、ガスの均一分散化を図っている。
【００２５】
第２ガス排出用マニホールド２０は、筐体１２の他側面に一体化されている。この第２ガス排出用マニホールド２０には、筐体１２内に導入された第２ガスＧ２を排出するための排出口１９が設けられている。また、この第２ガス排出用マニホールド２０には、排出口１９に至るまでの流路が充分に大きく確保できるように、その内部空間２７を設けている。第２ガス排出用マニホールド２０により、第２ガスの排出口１９側と収納ケース６の第２ガス排出面６ｂとが向き合う格好となる。
【００２６】
つぎに、加湿装置１における第１ガスＧ１と第２ガスＧ２とのガスの基本的な流れについて説明する。乾燥気体である第１ガスＧ１は、第１ガス導入用マニホールド１４の導入口１３から供給された後、中空糸膜束５を構成する各中空糸膜４の流通路を流れ、第１ガス排出用マニホールド１６の排出口１５から排出される。
【００２７】
湿潤気体である第２ガスＧ２は、第２ガス導入用マニホールド１８の導入口１７から供給された後、この第２ガス導入用マニホールド１８に形成された段差部２６に衝突して分散され、第２ガス導入面６ａ全体に均一量として供給される。そして、この第２ガスＧ２は、第２ガス導入面６ａに形成された各ガス孔８より中空糸膜束５の各中空糸膜４間の間隙を流れた後、反対側の第２ガス排出面６ｂに形成された各ガス孔９より排出される。第２ガス排出面６ｂの各ガス孔９から排出された第２ガスＧ２は、第２ガス排出用マニホールド２０に形成された排出口１９から排出される。
【００２８】
加湿場では、中空糸膜４の流通路を流れる乾燥した乾燥気体である第１ガスＧ１と中空糸膜４間の隙間を流れる水分を含んだ湿潤気体である第２ガスＧ２とが接触する。その中空糸膜４の内外における水蒸気分圧差によって水分が中空糸膜４の外側から内側へと透過する。これにより、湿潤気体中の水蒸気が乾燥気体側へ透過して第１ガスＧ１を加湿する。
【００２９】
このように、本実施形態の加湿装置１（具体的には、中空糸膜モジュール２）は、この加湿装置１が適用される燃料電池電池システムの通常の運転温度の環境において、図５（ａ）に示すように、第２ガスＧ２は、これら中空糸膜４の間隙を縫って収納ケース６内を略均等に流れていく。通常の運転温度の環境において、中空糸膜４の配列は、その長手方向が収納ケース６の軸方向と平行に、かつ、中空糸膜４の長手方向に垂直な断面内に均一に分布している。
【００３０】
これに対して、本実施形態の加湿装置１（具体的には、中空糸膜モジュール２）は、環境温度が低温温度（中空糸膜４の細孔に凝縮される水分が凍結する温度）に近づくにしたがって、図５（ｂ）に示すように、収納ケース６の収縮にともなって中空糸膜４が弛むことにより、収納ケース６内の上部に、隙間（以下「バイパス路」という）が形成される。このバイパス路は、通常の運転温度の環境における中空糸膜４間の間隔よりも大きな寸法を有している。換言すれば、本実施形態の収納ケース６は、中空糸膜４のそれぞれが軸方向に沿って直線的に並列する第１の状態と、中空糸膜４のそれぞれが弛むことにより、収納ケース６内に、第１の状態における中空糸膜４間の間隔よりも大きな寸法を有するバイパス路を形成する第２の状態とを、環境温度に感応して設定する設定手段として機能する。また、このバイパス路は、収納ケース６内における第２ガスＧ２の流れ方向において、収納ケース６内を貫通している。
【００３１】
低温温度の環境では、中空糸膜４の細孔内部の水が凍結するため、中空糸膜４がその弾性を失っており、第２ガスＧ２の流れによる曲げ力を受けることによる折損の可能性がある。しかしながら、本実施形態の構成によれば、低温温度の環境下では、第２ガスＧ２が、流路抵抗の小さなバイパス路に多く流れることとなり、個々の中空糸膜４の間隙を流れるガスの量が減少する。そのため、第２ガスＧ２の流れに起因する中空糸膜４の曲げ変位が低減され、中空糸膜４の折損を抑制することができる。
【００３２】
通常、中空糸膜モジュール２において、中空糸膜４は任意の充填率をもって収納ケース６内に収容されるが、封止の容易性や、封止部の信頼性といった観点から、一般的に、５０％程度の充填率が採用される。この状態で、収納ケース６が収縮し、中空糸膜４の張りが緩まったとすると、個々の中空糸膜４は、重力の影響で懸垂線を描きながら垂れ下がる。そして、中空糸膜４の長手方向のほぼ中央部で、隣り合う中空糸膜４同士が互いに接するようになり、最終的には、中空糸膜４の張りが緩まってもバイパス路の寸法がそれ以上大きくならない状態に至る。実験やシミュレーションを通じて算出した結果、充填率５０％の中空糸膜モジュール２では、収納ケース６の高さ方向の寸法Ｈに対して、３％から５％の高さを有するバイパス路が形成された場合に、中空糸膜４同士が互いに接し合う状態に至る。
【００３３】
図６は、第２ガスＧ２の流量に対する第１ガスＧ１への加湿量の関係を示す説明図である。同図において、線Ｌ１は、バイパス路が形成されない従来方式の中空糸膜モジュールに関するデータ示しており、線Ｌ２は、本実施形態にかかる中空糸膜モジュール２、具体的には、バイパス路の高さ寸法が収納ケース６の高さ方向の寸法Ｈの３％に設定された中空糸膜モジュール２に関するデータを示している。また、線Ｌ３は、バイパス路が常に形成された状態の中空糸膜モジュールに関するデータを示している。
【００３４】
線Ｌ１で示すように、バイパス路が常に無い中空糸膜モジュールは、第２ガスＧ２の流量が小さい程、加湿量が大きくなる傾向を有している。これにより、それぞれの中空糸膜の間に常に一定の間隙が確保され、第２ガスＧ２がむら無く中空糸膜の外壁面に接しながら収納ケース内を通流していることが分かる。
【００３５】
一方、線Ｌ２に示すように、本実施形態のバイパス路を構成する中空糸膜モジュール２では、第２ガスＧ２の流量を絞っていくと、ある流量をピークに加湿量が急激に低下していく。例えば、燃料電池システムのアイドリング点に対応する第２ガスＧ２の流量ａにおける加湿量は、バイパス路が無い中空糸膜モジュールの加湿量を１００として比較した場合、３０以下となっている。第２ガスＧ２は、高流量時、重力の作用で垂れ下がり互いに接しあった状態の中空糸膜４の間を流れていく力が強い。しかしながら、第２ガスＧ２は、低流量時には、その力が低下するため、流路抵抗が低く、第２ガスＧ２の流れ方向へ貫通するバイパス路への流れが支配的になっていることに起因する。すなわち、中空糸膜４の間隙を流れる第２ガスＧ２の流量の低下を示している。したがって、各中空糸膜４に第２ガスＧ２から与えられる力も低減していると理解される。すなわち、中空糸膜４の間隙を流れる第２ガスＧ２の流量が７０％以上低減しているので第２ガスＧ２の流速も７０％以上低減されることとなる。この場合、中空糸膜４に掛かる風圧は、バイパス路が無いケースの９％以下となる。
【００３６】
このような結果は、中空糸膜４の細孔内まで凍結してしまう低温温度の環境下において、中空糸膜４の折損を抑制するのに十分な値となる。また、移動体（例えば、車両）に搭載される燃料電池システムに適用される加湿装置においては、凍結後の起動に際して燃料電池系の部品全体が解凍されるまでの間はアイドリング運転が行われる。アイドリング状態での流量において上記のような効果が十分に得ることができる。
【００３７】
また、本実施形態において、加湿装置１の中空糸膜モジュール２は、環境温度が、通常の運転温度の場合、バイパス路が形成されなく、低温温度に近づくにしたがってバイパス路が形成されるような構成を有している。
【００３８】
図６の線Ｌ１で示すように、バイパス路が常に無いケースでは、第２ガスＧ２の流量が低下する程、中空糸膜の周囲を流れるガスの流速が低下する。そのため、中空糸膜の膜表面にガスがより長い時間接触するので、加湿量が増加する。これに対して、図６の線Ｌ３で示すように、バイパス路が常にあるケースでは、第２ガスＧ２の高流量域においても、バイパス路が無いケース（線Ｌ１）の場合と比較して加湿量が低く、また、さらに低流量域では加湿量が急激に低下する。移動体（例えば、車両）に搭載される燃料電池システムに適用される加湿装置には、高負荷（すなわち、第２ガスＧ２の高流量)時には、より高い加湿性能が要求され、低負荷（すなわち、第２ガスＧ２の低流量)時には、過加湿にならないレベルに抑えた加湿性能が要求される。したがって、高負荷時にはバイパス路がない線Ｌ１の特性と、低負荷時にはバイパス路を有する線Ｌ２の特性とを併せ持つ必要がある。本実施形態の加湿装置１（中空糸膜モジュール２）は、環境温度に感応してバイパス路を設定することで、上記の要求を実現することができる。したがって、中空糸膜４の凍結状態からの起動にともう中空糸膜４の折損を抑制するために、単にバイパス路を設定しただけでは通常の負荷運転時に要求される加湿性能を満足できない。しかしながら、本実施形態では、加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制することができる。
【００３９】
環境温度に感応してバイパス路を形成する手法として、本実施形態では、中空糸膜４の長手方向に長さが変化する収納ケース６を採用している。まず、図７に示すように、使用温度範囲の上限域で中空糸膜４の長さＬと、収納ケース６の両端封止部の内幅寸法Ｗとを等しく設定した上で、使用温度範囲の下限域で、中空糸膜４の長さＬが以下の数式で示される値以下となるように収納ケース６が収縮するように、ケース材質やモジュール長、モジュール高さＨの詳細を決定していく。
【数１】
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【００４０】
このような中空糸膜モジュール２を有する加湿装置１が燃料電池システムに適用されている場合、燃料電池システムの運転を停止した後の中空糸膜モジュール２内部の様子は、以下に示すように推移する。まず、運転を停止した直後は、運転時と同じく個々の中空糸膜４は張られた状態で収納ケース６内に保持されており、各中空糸膜４の間には一定の間隙が確保されている。温度が徐々に低下していくと、中空糸膜４の長さはそのままで、収納ケース６を構成する材料の収縮により、その長さが短くなる。
【００４１】
中空糸膜４と収納ケース６との間の長さの差と、重力の作用とによって、個々の中空糸膜４は懸垂線状に弛んでいき、収納ケース６上面との間にバイパス路が生じ始める。さらに温度が低下していくと、収納ケース６の収縮がさらに進み、中空糸膜４の弛みもさらに大きくなる。ただし、この弛みによって形成されるバイパス路は際限なく大きくなるわけではなく、所定の最大値の範囲で形成される。なぜならば、各中空糸膜４の間に保持されていた間隙が無くなり、隣り合う中空糸膜４同士が接しあった時点で、それ以上の弛むことができないからである。
【００４２】
このような環境変化の間、中空糸膜４の外壁に付着していた第２ガスＧ２の凝縮水などが凍結し始めるが、中空糸膜４の細孔内部に保持されている水分は凍結していない。そのため、個々の中空糸膜４は、柔軟性を失っておらず収納ケース６の収縮に伴って中空糸膜４の弛みに伴い形成される隙間、すなわち、バイパス路は上記の最大値の範囲で広がることができる。バイパス路が最大となった後、温度がさらに下がると、中空糸膜４の細孔内部の水が凍結を開始する。そのため、収納ケース６内の中空糸膜４はバイパス路を形成しながら互いに接しあった状態で凍結保持される。
【００４３】
そして、燃料電池の起動時には、まずアイドリングに必要な低い流量のガスが供給されるので、上述したバイパス効果により、中空糸膜４にかかる負担が軽減されるので、中空糸の折損を抑制することができる。この後、凍結部分の解凍が進み、再び収納ケース６の膨張が始まると、収納ケース内部で中空糸膜４は張りが取り戻されて、通常の加湿動作を得ることできる。
【００４４】
また、本実施形態の加湿装置１は、クロスフロー方式を採用しているため、第１ガスＧ１と第２ガスＧ２とが平行するパラレルフロー方式として比較して、高い加湿性能を得ることができる。
【００４５】
さらに本実施形態では、重力による中空糸膜４の弛みを利用して、バイパス路を形成しているので、このバイパス路は、収納ケース６の上方に形成される。そこで、本実施形態では、収納ケース６の側面６ａ，６ｂに設けるガス孔８，９をモジュールケースの角部まで伸ばし、収納ケース６の上面６ｃに至るように設けられている。そのため、このバイパス路に効率よく第２ガスＧ２を導くことができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、中空糸膜束５を収容する収納ケース６を構成する材料として、アルミニウムを用いている。しかしながら、収納ケース６は、中空糸膜４や封止部材と線膨張係数が異なるため繰り返しの温度変化で封止部材と収納ケース６との境界面に剥がれが生じる可能性がある。そのため、収納ケース６の封止部にはプラスチック材料を用い、ケースの胴部にのみアルミニウムなどの金属材料を用いる素材複合型の収納ケース６を用いることが好ましい。
【００４７】
また、個々の中空糸膜４を収納ケース６に封止固定する際には、封止部材に覆われる中空糸膜の根元部を、低温環境下における中空糸膜４の弛み方向に予め傾けておくことが好ましい。温度低下にともない中空糸膜が弛んでいく過程において、中空糸膜４の全体が同一の方向に均等に弛み易くなり、所望のバイパス路を得ることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態にかかる加湿装置１を構成する中空糸膜モジュール２の中空糸膜４の状態を示す説明図である。上述した第１の実施形態では、環境温度に感応してバイパス路を設定する設定手段として、収納ケース６が収縮することにより、バイパス路を形成している。しかしながら、本実施形態では、収納ケース６は、従来と同様、温度環境に拘わらず寸法が変わらないような材料（例えば、プラスチック材料）で構成されている。
【００４９】
そのため、本実施形態では、中空糸膜束５は、棒状の感温性部材７を中心に複数の中空糸膜を結束糸１０で束ねて構成される中空糸膜ユニットを複数集合させることにより構成されている。中空糸膜ユニットを構成する感温性部材７は、高温環境で収縮する素材（例えば、ポリイソプロピルアクリルアミド等の感温性素材）、すなわち、低温環境で延伸する素材で形成されている。この場合、個々の中空糸膜ユニットにおいて、各中空糸膜４の自然長Ｌは、収納ケース６の全長と等しく設定されているのではなく、形成させたいバイパス路に応じて弛ませた際のその自然長に設定されている。また、中空糸膜束５を収納ケース６に収容する場合、個々の中空糸膜ユニットは、形成させたいバイパス路に応じて弛ませた状態で収容されるとともに封止固定されている。一方、個々の中空糸膜ユニットにおいて、感温性部材７は、封止作業を行う際の温度環境、すなわち、通常の燃料電池システムの運転温度よりも低い温度の環境において、その長さが収納ケースの全長と対応するように設定されている。
【００５０】
かかる構成において、封止作業時より温度が高い通常の運転温度の環境では、中空糸膜ユニットの中心に位置する感温性部材７の張力が高まるため、一緒に編み上げられた周囲の中空糸膜４を抱え上げるようにして、収納ケース６内に保持する。この場合、各中空糸膜４の間には、略均等にガス通路となる間隙が形成される。
【００５１】
一方、外部の温度が低下すると、中空糸膜ユニットの中心に位置する感温性部材７に伸びが生じる。この感温性部材７の周囲を取り巻く中空糸膜４は、収納ケース６内において弛みを持つような長さに設定されている。そのため、感温性部材７の伸びと、中空糸膜４に弛みが生じることとなる。そして、温度が徐々に低下して中空糸膜４が弛みきり、バイパス路が形成された後、さらに温度が低下すると、上述したように、中空糸膜４の細孔内の水が凍結する。
【００５２】
このように、弛む余裕を予め持った長さに設定される中空糸膜４と、高温環境で収縮する感温性部材７とを束ねた中空糸膜ユニットが収納ケース６に複数収容することにより、中空糸膜モジュール２が構成されている。
【００５３】
なお、このような作用を得るためには、中空糸膜ユニットの中心に置く感温性部材７は、その熱収縮係数αが以下の式で表す値よりも大きい必要がある。
【数２】
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【００５４】
かかる構成によれば、上述した第１の実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。
【００５５】
なお、棒状の感温性部材７を中実部材とした場合、開口断面における中空糸膜４の単位本数、すなわち、中空糸膜４の流通路の総面積が減少し、圧力損失が増加する可能性がある。そこで、感温性部材７の形状も中空糸状に設定することで、圧力損失の増加を抑制することができる。
【００５６】
（第３の実施形態）
本発明によれば、バイパス路を形成する設定手段の構成は、上述した手法に限定されない。温度に感応して、バイパス路を形成するのであれば、種々の形態を採用することができる。ここで、図９および図１０は、バイパス路を形成する他の変形例を示す説明図である。
【００５７】
例えば、図９に示すように、収納ケース６内の複数の中空糸膜４を、いくつかの大きな束に分割し、それぞれの束の外周部を、低温で収縮する素材で構成したネット状の収縮部材１１でバインドする方法が考えられる。また、図１０に示すように、収納ケース６の複数の中空糸膜４をいくつかの大きな束に分けるように、低温収縮率の高い方の面をそれぞれ向かい合わせた１対のバイメタル板１１ａを挿入する手法が考えられる。
【００５８】
このように、中空糸膜モジュール２にこれらの方法を単独で採用することでも、バイパス路を形成することが可能である。ただし、中空糸膜４に外力を加えることにより、バイパス路を形成することになるため、中空糸膜４への負担が高まることが懸念される。そこで、上述した第１の実施形態または第２の実施形態に記載した方法と共に、これらの方法を採用することが好ましい。この併用手法により、中空糸膜４に負担をかけることなく、より確実にバイパス路を形成させ、凍結時の中空糸膜４の折損を抑制することができる。
【００５９】
また、本発明の加湿装置は、燃料電池システムに適用可能であるばかりでなく、乾燥気体と湿潤気体との水分交換により乾燥気体を加湿する種々のシステムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１の実施形態にかかる加湿装置１を模式的に示す斜視図
【図２】図１に示す加湿装置１を模式的に示す分解斜視図
【図３】中空糸膜モジュール２の断面状態を模式的に示す斜視図
【図４】中空糸膜モジュール２を模式的に示す斜視図
【図５】中空糸膜モジュール２の内部状態を模式的に示す斜視図
【図６】第２ガスＧ２の流量に対する第１ガスＧ１への加湿量の関係を示す説明図
【図７】中空糸膜モジュール２を模式的に示す断面図
【図８】第２の実施形態にかかる加湿装置１を構成する中空糸膜モジュール２の中空糸膜４の状態を示す説明図
【図９】バイパス路を形成する他の変形例を示す説明図
【図１０】バイパス路を形成する他の変形例を示す説明図
【符号の説明】
【００６１】
１…加湿装置
２…中空糸膜モジュール
３…ハウジング
４…中空糸膜
５…中空糸膜束
６…収納ケース
７…感温性部材
８…ガス孔
９…ガス孔
１０…結束糸
１１…収縮部材
１１ａ…バイメタル板
１２…筐体
１４…第１ガス導入用マニホールド
１６…第１ガス排出用マニホールド
１８…第２ガス導入用マニホールド
２０…第２ガス排出用マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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