(57)【要約】  加湿装置１６は、被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュール４２と、中空糸モジュール４２を収容する筒状のケース３０とを備えている。ケース３０には、流路３０ｈに加湿ガスを導入するための導入口３２が一端側の周面に形成され、流路３０ｈから加湿ガスを排出するための排出口が他端側の周面に形成されている。ケース３０は湾曲部分３７を含み、その湾曲部分３７に沿う形状に中空糸モジュール４２が湾曲している。
2009072283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、
前記中空糸モジュールを収容する筒状のケースとを備え、
前記ケース内に加湿ガスを導入するための導入口が前記ケースの一端側の周面に形成され、前記ケースから前記加湿ガスを排出するための排出口が前記ケースの他端側の周面に形成され、
前記導入口が形成されている位置での前記ケースの底面が、前記導入口から前記排出口に向かう経路上で上面へと切り替わるように形状が定められた湾曲部分を前記ケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に前記中空糸モジュールが湾曲している、加湿装置。
【請求項２】
前記湾曲部分が１８０°の角度の円弧状をなすように前記ケースが湾曲している、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項３】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記導入口が上方に向かって開口している、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項４】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記排出口が下方に向かって開口している、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項５】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記排出口が上方に向かって開口している、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項６】
前記中空糸モジュールの長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記導入口を含む位置での前記中空糸モジュールの横断面は、水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも大である扁平形状をなす、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項７】
前記ケースが、前記湾曲部分を２箇所含み、かつＳ字形状を有する、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項８】
前記ケースが、前記湾曲部分を１箇所含み、かつＵ字形状を有する、請求項１に記載の加湿装置。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスから選ばれる少なくとも一方のガスの前記燃料電池への供給経路に配置された加湿装置とを備え、
前記加湿装置として、請求項１に記載の加湿装置を用いた、燃料電池システム。
【請求項１０】
被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、
前記中空糸モジュールを収容する筒状のケースとを備え、
前記ケース内に加湿ガスを導入するための導入口が前記ケースの一端側の周面に形成され、前記ケースから前記加湿ガスを排出するための排出口が前記ケースの他端側の周面に形成され、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態での縦断面に現れる前記ケースの内周面の接線と、鉛直方向に平行かつ前記縦断面に直交する基準面とのなす角度が前記加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように湾曲した部分を前記ケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に前記中空糸モジュールが湾曲している、加湿装置。
【請求項１１】
前記湾曲部分が１８０°の角度の円弧状をなすように前記ケースが湾曲している、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１２】
前記設置状態において、前記導入口が上方に向かって開口している、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１３】
前記設置状態において、前記排出口が下方に向かって開口している、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１４】
前記設置状態において、前記排出口が上方に向かって開口している、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１５】
前記中空糸モジュールの長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、
前記設置状態において、前記導入口を含む位置での前記中空糸モジュールの横断面は、水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも大である扁平形状をなす、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１６】
前記ケースが、前記湾曲部分を２箇所含み、かつＳ字形状を有する、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１７】
前記ケースが、前記湾曲部分を１箇所含み、かつＵ字形状を有する、請求項１０に記載の加湿装置。
【請求項１８】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスから選ばれる少なくとも一方のガスの前記燃料電池への供給経路に配置された加湿装置とを備え、
前記加湿装置として、請求項１０に記載の加湿装置を用いた、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿装置およびこれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。近年注目されている高分子電解質形燃料電池においては、高分子電解質膜のイオン伝導性を保つために、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガス（これらを反応ガスという）の少なくとも一方のガスを加湿してスタックに供給することが必要である。一般的な燃料電池システムでは、スタックから排出される高湿度の排気ガスまたは冷却水を熱源および水源として、全熱交換型加湿装置により反応ガスの加湿を行っている。【０００３】
従来の加湿装置として、透湿性を有する中空糸を用いたものが知られている。特開２００４−６１００号公報に開示された加湿装置を図８に示す。図８に示す加湿装置１００においては、中空糸モジュール１０１の外周面に沿って湿潤空気または水を流通させ、中空糸モジュール１０１の内部（中空糸の内部）に反応ガスを流通させることによって、全熱交換が行われる。【０００４】
以下、加湿装置において、水を供給する側のガス（例えば湿潤空気）を加湿ガスと定義し、水を受け取る側のガス（反応ガス）を被加湿ガスと定義する。【０００５】
加湿ガスが凝縮性を有する場合、加湿ガスは加湿装置の内部で冷却され、凝縮する。凝縮水は、圧力損失の増大の原因になりやすい。そのため、従来の加湿装置では、加湿ガスが上から下に流れる構造になっている。そのようにすれば、凝縮水が重力の助けを借りて加湿装置の外部に排出されるので、圧力損失の増大を防ぐ観点で有利である。例えば、図８に示す加湿装置１００によれば、導入口１０５がケース１０３の上部に形成され、排出口１０７がケース１０３の下部に形成されている。湿潤空気などの加湿ガスは、導入口１０５からケース１０３の内部の空間１０９に導入され、排出口１０７から排出される。
【発明の開示】
【０００６】
図８に示す加湿装置１００は、圧力損失の面では有利であるが、全熱交換効率（＝水の回収効率）の面では改善の余地がある。全熱交換効率を向上させるためには、加湿ガスから生ずる凝縮水と中空糸モジュールとの接触時間をどれだけ稼げるかが重要となる。
【０００７】
本発明は、高い全熱回収効率を達成しうる加湿装置およびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
すなわち、本発明は、
被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、
中空糸モジュールを収容する筒状のケースとを備え、
ケース内に加湿ガスを導入するための導入口がケースの一端側の周面に形成され、ケースから加湿ガスを排出するための排出口がケースの他端側の周面に形成され、
導入口が形成されている位置でのケースの底面が、導入口から排出口に向かう経路上で上面へと切り替わるように形状が定められた湾曲部分をケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に中空糸モジュールが湾曲している、加湿装置を提供する。
【０００９】
他の側面において、本発明は、
被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、
中空糸モジュールを収容する筒状のケースとを備え、
ケース内に加湿ガスを導入するための導入口がケースの一端側の周面に形成され、ケースから加湿ガスを排出するための排出口がケースの他端側の周面に形成され、
導入口が排出口よりも上方に位置する設置状態での縦断面に現れるケースの内周面の接線と、鉛直方向に平行かつ縦断面に直交する基準面とのなす角度が加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように湾曲した部分をケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に中空糸モジュールが湾曲している、加湿装置を提供する。
【００１０】
さらに、他の側面において、本発明は、
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスから選ばれる少なくとも一方の燃料電池への供給経路に配置された加湿装置とを備え、
加湿装置として、上記本発明の加湿装置を用いた、燃料電池システムを提供する。
【００１１】
本発明の加湿装置によれば、中空糸モジュールを収容するケースが湾曲部分を含む。そのため、従来のストレート形状の加湿装置に比べ、凝縮水と中空糸モジュールとの接触時間を稼ぐことができ、水の回収効率が高まる。言い換えれば、ブロワやコンプレッサのような補機の動力増に頼ることなく、被加湿ガスを効率よく加湿することができる。したがって、本発明の加湿装置を燃料電池システム、特に、電解質膜の乾燥によって劣化しやすい高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）システムに用いることにより、燃料電池システムの運転範囲の拡大と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例の構成図
【図２Ａ】第１実施形態の加湿装置の縦断面図
【図２Ｂ】図２Ａの加湿装置のＡ矢視図
【図３】第１実施形態の加湿装置の作用説明図
【図４】湾曲部分の形状の詳細図
【図５Ａ】横断面が円形状である加湿装置の作用説明図
【図５Ｂ】横断面が扁平状である加湿装置の作用説明図
【図６Ａ】第２実施形態の加湿装置の縦断面図
【図６Ｂ】図６Ａの加湿装置のＡ矢視図
【図７】第２実施形態の加湿装置の作用説明図
【図８】従来の加湿装置の縦断面図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。【００１４】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成図である。燃料電池システム２００は、燃料電池１２、空気供給装置１４、加湿装置１６、改質装置１８および冷却系統２０を備えている。燃料電池システム２００を構成するこれらの機器は、加湿装置１６を除いて公知のものであるため、その詳細な説明は省略する。【００１５】
燃料電池１２（燃料電池スタック）には、改質装置１８から水蒸気改質された改質ガス（水素濃度７５〜８０％）が燃料ガスとして供給され、空気供給装置１４から空気が酸化剤ガスとして供給される。燃料電池１２は、改質ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを反応させて発電する。燃料電池１２を所定の温度条件に保つために、冷却系統２０より、所定温度および所定水量の冷却水が燃料電池１２に供給される。【００１６】
燃料電池１２は、例えば高分子電解質形燃料電池である。燃料電池１２に水和電解質が用いられているので、燃料電池１２に供給される改質ガスおよび空気は、適切に加湿されていることが必要である。本実施形態において、改質ガスは水蒸気改質によるものであるから、そのＳ／Ｃ比（スチームカーボン比）に応じて自動的に加湿がなされる。他方、空気の加湿は、加湿装置１６で行われる。もちろん、水素を含む燃料ガスを加湿するために加湿装置１６を用いてもよい。加湿装置１６は、燃料ガスおよび酸化剤ガスから選ばれる一方または両方のガスの燃料電池１２への供給経路に配置される。【００１７】
図２Ａは、第１実施形態の加湿装置１６の縦断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す加湿装置１６のＡ矢視図である。加湿装置１６は、中空糸モジュール４２とケース３０とを備えている。中空糸モジュール４２は、ケース３０に収容されている。ケース３０の内部の空間が、被加湿ガスを加湿する加湿ガスの流路３０ｈとして用いられる。流路３０ｈは、中空糸モジュール４２の長手方向に沿って形成されている。中空糸モジュール４２の内部（厳密には中空糸モジュール４２を構成する多数の中空糸の内部）を流通する被加湿ガスと、ケース３０の内部の流路３０ｈを流通する加湿ガスとの間で全熱交換が行われ、加湿ガスから被加湿ガスへと水分が補給される。【００１８】
ケース３０は、筒状の形状を有する部品である。ケース３０には、流路３０ｈに加湿ガスを導入するための導入口３２が一端側の周面に形成され、流路３０ｈから加湿ガスを排出するための排出口３４が他端側の周面に形成されている。導入口３２と排出口３４との間において、流路３０ｈの断面積および断面形状は一定である。導入口３２と排出口３４との間の２箇所でケース３０が湾曲することにより、第１の湾曲部分３７および第２の湾曲部分３９が形成されている。第１の湾曲部分３７は、導入口３２が形成されている上流側の直線部分４０から続いている部分である。第１の湾曲部分３７と、排出口３４が形成されている下流側の直線部分４１との間の部分が第２の湾曲部分３９である。ケース３０の内部において、中空糸モジュール４２が、これら湾曲部分３７，３９に沿って湾曲している。これらの湾曲部分３７，３９を設けることにより、加湿ガスから生成する凝縮水と中空糸モジュール４２との接触時間を長くすることができる。【００１９】
なお、ケース３０の一端側の周面とは、ケース３０の中央部から一方の開口部（開口部３６）までの間の周面を指す。ケース３０の他端側の周面とは、ケース３０の中央部から他方の開口部（開口部３８）までの間の周面を指す。【００２０】
ケース３０は、第１の湾曲部分３７および第２の湾曲部分３９が、それぞれ１８０°の角度の円弧状をなすように湾曲しているとよい。そのようにすれば、凝縮水と中空糸モジュール４２との接触時間を長くする効果が高まる。また、本実施形態において、ケース３０は、２つの湾曲部分３７，３９を含み、かつＳ字形状を有する。言い換えれば、流路３０ｈがＳ字を描くようにケース３０が湾曲している。さらに言い換えれば、ケース３０は、Ｕ字状に湾曲した部分を２箇所に有する。複数の湾曲部分３７，３９を設けることにより、凝縮水と中空糸モジュール４２との接触時間を長くする効果がさらに高まる。なお、湾曲部分を設ける箇所は２箇所に限定されるものではなく、例えば偶数箇所に設けることができる。【００２１】
本実施形態の加湿装置１６は、直線部分４０を水平に保ち、導入口３２が排出口３４よりも上方に位置する姿勢で設置され、使用されることを想定している。したがって、本明細書では、導入口３２が形成されている直線部分４０を水平に保ったまま、鉛直方向に関する導入口３２と排出口３４との距離が最大となるように導入口３２を排出口３４よりも上方に位置させた状態を加湿装置１６の設置状態（実際の使用状態）と定義する。【００２２】
導入口３２は、加湿装置１６が設置状態となったときに上方に向かって開口しているとよい。言い換えれば、加湿装置１６の上面図に導入口３２の全部が現れているとよい。そのようにすれば、燃料電池１２の排気に凝縮水が含まれていても、その凝縮水を導入口３２から流路３０ｈにスムーズに導くことができる。他方、排出口３４は、加湿装置１６が上記設置状態となったときに下方に向かって開口しているとよい。言い換えれば、加湿装置１６の下面図に排出口３４の全部が現れているとよい。そのようにすれば、ケース３０から凝縮水をスムーズに排出できるので、ブロワの動力増を抑制する観点では有利である。【００２３】
ただし、第２実施形態で説明するように、排出口３４は、上方に向かって開口していてもよい。また、導入口３２はケース３０の周面の複数箇所に形成されていてもよいし、本実施形態のように１つのみ形成されていてもよい。排出口３４についても同様である。導入口３２の数および排出口３４の数をそれぞれ１つに制限すると、導入口３２および排出口３４のそれぞれに配管を接続しやすく、設計も容易である。【００２４】
ケース３０の一方の開口部３６には、被加湿ガスを中空糸モジュール４２に供給するための配管が図示しないヘッド（給排気ブロック）を介して接続され、他方の開口部３８には、加湿されたガスを燃料電池１２に供給するための配管が接続される。したがって、加湿装置１６においては、加湿ガスの流れ方向と被加湿ガスの流れ方向とが互いに向かい合う交換系が形成されている。Ｏリング３５は、加湿装置１６と、図示しないヘッド（給排気ブロック）とのシールに用いられる。【００２５】
ケース３０は、金属や樹脂のような材料で構成されているとよい。樹脂は射出成形などの成形方法によって様々な形状に容易に成形でき、湾曲部分３７，３９を容易に設けることができるので、ケース３０の材料として好適である。また、ケース３０を構成するべき部品として２つの樋状の部品を準備し、一方に中空糸モジュール４２を嵌め込み、その後、他方で蓋をして一体化することにより、加湿装置１６を組み立てるようにしてもよい。２つの樋状の部品を一体化する方法は特に限定されず、超音波溶着、熱溶着、接着剤の使用などの方法を例示できる。これらの方法によれば、ケース３０の内部に中空糸モジュール４２を簡単に収容できる。【００２６】
次に、中空糸モジュール４２について説明する。中空糸モジュール４２は、１つまたは複数の束に束ねられた多数の中空糸によって構成されている。中空糸が散開しないように、中空糸モジュール４２の両端部４３，４３は、樹脂などの材料で固められている。ケース３０の内部において、中空糸モジュール４２は、流路３０ｈと同じ形状に保持される。ケース３０から加湿ガスが漏れないように、中空糸モジュール４２の両端部４３，４３とケース３０との隙間は封止材で埋められている。【００２７】
中空糸は、透湿性を有するものであれば種類は問わず、樹脂多孔質材料から製造される一般的なものでよい。例えば、ポリスルフォン系の多孔質中空糸は、紡糸後の熱処理によって膜から溶剤が抜けて多孔質となり、透湿性が付与される。紡糸直後は可撓性に富む一方、熱処理によって硬化して安定な形状となる中空糸を用いて中空糸モジュールを製造する場合、次のような操作を行えばよい。まず、紡糸直後に予備乾燥を行う（例えば５０℃で１時間）。予備乾燥後、可撓性のある状態で中空糸を結束して、中空糸モジュールを得る。さらに、中空糸モジュールを金型（例えばＳ字の金型）に嵌めて、金型とともに熱処理する（例えば１６０℃で３０分間）。このようにすれば、Ｓ字状に硬化した中空糸モジュール４２を製造することができる。【００２８】
なお、透湿性を獲得した後も可撓性を有する中空糸、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（Ｄｕ  Ｐｏｎｄ社製  商品名Ｎａｆｉｏｎ）等の材料でできた中空糸を用いて中空糸モジュール４２を製造すると、ケース３０に収容する前の成形が不要となる。その他、ポリテトラフルオロエチレンに代表されるフッ素樹脂でできた多孔質中空糸を用いてもよい。【００２９】
次に、図３を参照して加湿装置１６の作用を説明する。空気などの被加湿ガスは、白抜き矢印で示すように、ケース３０の下側の開口部３８から中空糸モジュール４２の内部に導かれる。中空糸モジュール４２の内部を下から上へと流通した被加湿ガスは、ケース３０の上側の開口部３６から加湿装置１６の外部へと排出され、燃料電池１２に送られる。一方、加湿ガスは、導入口３２からケース３０の内部の流路３０ｈへと導かれ、下流側の排出口３４に向かって流通する。中空糸モジュール４２の内部を流通する被加湿ガスと、流路３０ｈを流通する加湿ガスとの間で全熱交換が行われ、加湿ガスから被加湿ガスに水分が補給される。【００３０】
加湿ガスは、水蒸気で飽和していたり、それに近い状態であったりする。さらに、後述するように、燃料電池１２の排気には、加湿装置１６に導入される以前に凝縮水が含まれることがある。導入口３２から流路３０ｈに導入された凝縮水は、自重により、導入口３２が形成されている側とは反対側の内周面３０ｐに達する（破線（１））。このとき、凝縮水は、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどり、中空糸モジュール４２の中心部に位置する中空糸および導入口３２に向かい合う側とは反対側に位置する中空糸にも接することとなる。【００３１】
さらに、凝縮水は、ケース３０の内周面３０ｐに沿って流れる。第１の湾曲部分３７に達した凝縮水は、自重により、ケース３０の内周面３０ｐから離れ、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどる形で反対側の内周面３０ｑに達する（破線（２））。凝縮水は、第２の湾曲部分３９でも同様の経路をたどり（破線（３））、排出口３４からケース３０の外部へと排出される。このように、湾曲部分３７，３９が設けられていることにより、凝縮水が壁伝いに流れにくくなり、結果として、凝縮水と中空糸モジュール４２との接触機会が増える（接触時間が長くなる）。【００３２】
従来のストレート形状の加湿装置（図８参照）では凝縮水と中空糸モジュールの接触機会が限られるので、凝縮水の有効利用を図りにくい。これに対し、本実施形態の加湿装置１６によれば、凝縮水が中空糸モジュール４２の長手方向を何度も横切るような形で流れるので、凝縮水からも効率的に水を回収することができる。【００３３】
図３に破線で示すような凝縮水の流れが形成されるには、次のような条件を満足すればよい。まず、図４に示すように、加湿装置１６の姿勢を上述した設置状態に定める。この設置状態での縦断面（加湿装置１６の縦断面）に現れるケース３０の内周面３０ｐの接線ＴＬ（図４の例では接線ＴＬ1および接線ＴＬ2）と、鉛直方向に平行かつ上記縦断面に直交する基準面ＢＬとのなす角度θが加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように、湾曲部分３７，３９の形状が定められているとよい。【００３４】
なお、「角度θが段階的に小さくなる」とは、中空糸モジュール４０を構成する中空糸の折れが顕在化しない範囲内であれば、湾曲部分３７，３９の形状は、当該湾曲部分３７，３９における内周面３０ｐ，３０ｑが縦断面で直線を示すように定められていてもよいことを意味する。縦断面において湾曲部分３７，３９の内周面３０ｐ，３０ｑが直線を示す場合、厳密には接線を定義することができないので、その直線自体を図４に示す接線ＴＬとして取り扱うものとする。【００３５】
なお、上記「縦断面」とは、ケース３０が２次元の湾曲形状を有する場合には、加湿ガスの流れ方向に沿ってケース３０を左右２つの樋状部分に分割する断面のことである。ケース３０が３次元の湾曲形状を有する場合には、加湿ガスの流れ方向に沿ってケース３０を左右２つの樋状部分に分割する曲面状の断面の平面への投影図が、上記「縦断面」となる。そして、これらの縦断面において、上記接線がそれぞれ定義されうる。【００３６】
別の視点から、第１の湾曲部分３７は、以下のような条件を満足する形状を有していてもよい。すなわち、上述した設置状態において、導入口３２が形成されている位置でのケース３０の底面（内周面３０ｐ）が、導入口３２から排出口３４に向かう経路上で上面へと切り替わるように、湾曲部分３７の形状が定められているとよい。導入口３２が形成されている位置でのケース３０の底面（内周面３０ｐ）が、導入口３２から排出口３４に向かう経路上で上面へと切り替わり、その後さらに底面へと切り替わることにより、第２の湾曲部分３９が形成される。底面が上面へと変化するような切り替わり部分、すなわち、湾曲部分３７，３９があると、凝縮水は壁伝いに流れにくくなり、図３に示すような経路をたどりやすくなる。【００３７】
また、図２Ｂに示すＡ矢視図から理解できるように、本実施形態の加湿装置１６は、横断面の形状が扁平状となっている。中空糸モジュール４２の長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、導入口３２を含む位置における中空糸モジュール４２の横断面は、水平方向の長さＷが鉛直方向の長さＨよりも大である扁平形状をなしている。ただし、水平方向および鉛直方向は、加湿装置１６の設置状態で定まる方向である。【００３８】
図５Ａに示すように、例えば、ケース２９および中空糸モジュール４６が円筒形の場合、凝縮水は、中空糸モジュール４６の外周面およびケース２９の内周面を伝って流れ落ちやすいので、中空糸モジュール４６を貫通する経路をたどる量（画分）が少なくなる。これに対し、図５Ｂに示すように、本実施形態によれば、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどる凝縮水の量を増やすことができるため、凝縮水からの水の回収効率が高まる。【００３９】
（第２実施形態）
図６Ａは、第２実施形態の加湿装置５６の縦断面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す加湿装置５６のＡ矢視図である。本実施形態は、ケースの湾曲部分が奇数箇所である点で第１実施形態と相違する。【００４０】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ケース３１は、湾曲部分４７を１箇所含み、かつＵ字形状を有する。湾曲部分４７の上流側と下流側には、それぞれ、直線部分５７，５８がある。上流側の直線部分５７に導入口３２が形成され、下流側の直線部分５８に排出口３４が形成されている。本実施形態によれば、湾曲部分４７が１箇所にのみ設けられているため、第１実施形態の加湿装置１６よりも小型化の面で有利である。【００４１】
導入口３２の位置は、本実施形態と第１実施形態とで同じであるが、排出口３４の位置が本実施形態と第１実施形態とで相違している。具体的には、加湿装置５６を設置状態としたときに、排出口３４が上方に向かって開口している。排出口３４は、直線部分５８に収容されている中空糸モジュール４２よりも高い位置にある。【００４２】
図７に示すように、導入口３２から流路３１ｈに導入された凝縮水は、自重により、導入口３２が形成されている側とは反対側の内周面３１ｐに達する（破線（１））。このとき、凝縮水は、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどり、中空糸モジュール４２の中心部に位置する中空糸にも接することとなる。さらに、凝縮水は、ケース３１の内周面３１ｐに沿って流れる。湾曲部分４７に達した凝縮水は、自重により、ケース３１の内周面３１ｐから離れ、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどる形で反対側の内周面３１ｑに達する（破線（２））。排出口３４が上方を向いているので、凝縮水はケース３１の底部（直線部分５８の流路３１ｈ）に貯留ないし滞留しやすい。凝縮水が貯留ないし滞留すると、中空糸モジュール４２が凝縮水に浸漬された状態となるので、加湿効率が高まる。【００４３】
（燃料電池の排気について）
次に、燃料電池の排気について説明する。定置コージェネレーション用１ｋＷ級の燃料電池システムの典型的な仕様および運転条件を表１に示す。なお、このシステムでは高分子電解質形燃料電池が用いられている。【００４４】
【表１】
2009072283.tif 000003
【００４５】
この燃料電池システムは、１．２ｋＷの出力を得るために、毎分１１．５リットル（ｓｌｐｍ：standard liter per minutes）の水素と５．７リットルの酸素とを消費する。適切な燃料利用率（７５％）および酸素利用率（５０％）を勘案し、実際にスタックに供給される水素量は毎分１５．３リットル、空気量は５４．６リットルである。また、発生する熱を除去するために、６０℃の冷却水が毎分１．６リットルの流量でスタックに供給される。スタックに供給された冷却水は、スタックの内部で約１１℃昇温し、７１℃の温水となって排出される。【００４６】
前述の通り、水素の加湿は不要であり、空気の加湿はスタックからの排気を用いて行われる。ここで、スタックからの排気の熱条件について表２に示す。スタックに供給された毎分５４．６リットルの空気に含まれる酸素は、その半分が消費される（酸素利用率５０％）。したがって、ドライガス換算で毎分４９リットルのガスがスタックから排出される。排気の温度は７０．５℃であり、この排気が水蒸気で飽和していると仮定すると、スタックから排出される水量は毎分１８．１ｇとなる。【００４７】
【表２】
2009072283.tif 000004
【００４８】
ところが、表１および表２の条件を満足する現実の燃料電池システムの排気を氷冷凝縮して回収される水量は毎分２１．６ｇであり、上述の計算値よりも３．５ｇ多かった。すなわち、この３．５ｇに相当する水は、水蒸気ではなく温水としてスタックから排出されていた。なお、仮にこの３．５ｇに相当する水が水蒸気として排出された場合の蒸気圧は３５８００Ｐａであり、そのときの露点は７３．２℃である。この数値を換算露点と定義し、以降の試験で二相流を作るときの装置制御パラメータとした。
【実施例】
【００４９】
まず、外径が１．０ｍｍ、長さが３００ｍｍのポリスルフォン中空糸（ＮＯＫ社製（試作品））を５００本用いて中空糸モジュールを製造した。この中空糸モジュールを用いて、図２Ａに示す加湿装置（実施例）と、図８に示す従来の加湿装置（比較例）とを製造した。【００５０】
次に、表１および表２に示す加湿ガスおよび被加湿ガス（空気）を模擬できる試験装置を作り、その試験設備を用いて加湿装置の評価を行った。具体的には、ドライガス換算で毎分４９．１リットルの流量の加湿ガスを換算露点である露点７３℃になるようにバブラーで加湿した後、７０．５℃まで冷却して加湿装置に供給した。一方、被加湿ガスとして、毎分５４．６リットルの流量の乾燥空気を加湿装置に供給した。そして、加湿装置の出口での被加湿ガスの露点を計測することにより、加湿装置の性能を評価した。露点の計測には、鏡面式露点計を用いた。表３に結果を示す。【００５１】
【表３】
2009072283.tif 000005
【００５２】
実施例の加湿装置での被加湿ガスの露点は比較例の加湿装置でのそれに比べて高かった。これは、効率に換算して約７％の改善に相当する。一般的に、水蒸気を加湿ガスとして用いたときの全熱交換効率は７０％程度が限界とされており、比較例では概ねこれに準じた効率（６８．７％）が得られたが、実施例ではこれを上回る効率（７４．１％）が得られた。実施例の加湿装置によれば、供給された水蒸気以外の水源、つまり、二相流に含まれる凝縮水からも水を回収することができた。
【図１】
2009072283.tif 000006
【図２Ａ】
2009072283.tif 000007
【図２Ｂ】
2009072283.tif 000008
【図３】
2009072283.tif 000009
【図４】
2009072283.tif 000010
【図５Ａ】
2009072283.tif 000011
【図５Ｂ】
2009072283.tif 000012
【図６Ａ】
2009072283.tif 000013
【図６Ｂ】
2009072283.tif 000014
【図７】
2009072283.tif 000015
【図８】
2009072283.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月13日(2009.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスの前記燃料電池への供給経路に配置された加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿装置は、加湿されるべき前記酸化剤ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、前記中空糸モジュールを収容しているとともに、両端に開口部を有する筒状のケースとを備え、
前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスを加湿ガスとして前記ケース内に導入するための導入口が前記ケースの一端側の周面に上方に向かって開口するように形成され、前記ケースから前記加湿ガスを排出するための排出口が前記ケースの他端側の周面に形成され、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置しており、
前記導入口と前記排出口との間において、前記加湿ガスの流路としての前記ケースの内部の空間の断面積および断面形状が一定であり、
前記導入口が形成されている位置での前記ケースの底面が、前記導入口から前記排出口に向かう経路上で上面へと切り替わるように形状が定められた湾曲部分を前記ケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に前記中空糸モジュールが湾曲しており、
加湿されるべき前記酸化剤ガスを前記中空糸モジュールに供給するための配管が前記ケースの下側の前記開口部に接続され、前記中空糸モジュールを流通して加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するための配管が前記ケースの上側の前記開口部に接続されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記湾曲部分が１８０°の角度の円弧状をなすように前記ケースが湾曲している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿ガスが凝縮水を含む場合に、前記導入口を通じて前記ケース内に導入された前記凝縮水が、前記中空糸モジュールを貫通する経路をたどり、前記導入口が形成されている側とは反対側に到達しうる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記排出口が下方に向かって開口している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記排出口が上方に向かって開口している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記中空糸モジュールの長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記導入口を含む位置での前記中空糸モジュールの横断面は、水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも大である扁平形状をなす、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ケースが、前記湾曲部分を２箇所含み、かつＳ字形状を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ケースが、前記湾曲部分を１箇所含み、かつＵ字形状を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池が、高分子電解質形燃料電池である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスの前記燃料電池への供給経路に配置された加温装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿装置は、加湿されるべき前記酸化剤ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、前記中空糸モジュールを収容しているとともに、両端に開口部を有する筒状のケースとを備え、
前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスを加湿ガスとして前記ケース内に導入するための導入口が前記ケースの一端側の周面に上方に向かって開口するように形成され、前記ケースから前記加湿ガスを排出するための排出口が前記ケースの他端側の周面に形成され、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置しており、
前記導入口と前記排出口との間において、前記加湿ガスの流路としての前記ケースの内部の空間の断面積および断面形状が一定であり、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態での縦断面に現れる前記ケースの内周面の接線と、鉛直方向に平行かつ前記縦断面に直交する基準面とのなす角度が前記加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように湾曲した部分を前記ケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に前記中空糸モジュールが湾曲しており、
加湿されるべき前記酸化剤ガスを前記中空糸モジュールに供給するための配管が前記ケースの下側の前記開口部に接続され、前記中空糸モジュールを流通して加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するための配管が前記ケースの上側の前記開口部に接続されている、燃料電池システム。
【請求項１１】
前記湾曲部分が１８０°の角度の円弧状をなすように前記ケースが湾曲している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加湿ガスが凝縮水を含む場合に、前記導入口を通じて前記ケース内に導入された前記凝縮水が、前記中空糸モジュールを貫通する経路をたどり、前記導入口が形成されている側とは反対側に到達しうる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記設置状態において、前記排出口が下方に向かって開口している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記設置状態において、前記排出口が上方に向かって開口している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記中空糸モジュールの長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、
前記設置状態において、前記導入口を含む位置での前記中空糸モジュールの横断面は、水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも大である扁平形状をなす、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記ケースが、前記湾曲部分を２箇所含み、かつＳ字形状を有する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記ケースが、前記湾曲部分を１箇所含み、かつＵ字形状を有する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池が、高分子電解質形燃料電池である、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月26日(2009.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿装置およびこれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。近年注目されている高分子電解質形燃料電池においては、高分子電解質膜のイオン伝導性を保つために、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガス（これらを反応ガスという）の少なくとも一方のガスを加湿してスタックに供給することが必要である。一般的な燃料電池システムでは、スタックから排出される高湿度の排気ガスまたは冷却水を熱源および水源として、全熱交換型加湿装置により反応ガスの加湿を行っている。
【０００３】
従来の加湿装置として、透湿性を有する中空糸を用いたものが知られている。特開２００４−６１００号公報に開示された加湿装置を図８に示す。図８に示す加湿装置１００においては、中空糸モジュール１０１の外周面に沿って湿潤空気または水を流通させ、中空糸モジュール１０１の内部（中空糸の内部）に反応ガスを流通させることによって、全熱交換が行われる。
【０００４】
以下、加湿装置において、水を供給する側のガス（例えば湿潤空気）を加湿ガスと定義し、水を受け取る側のガス（反応ガス）を被加湿ガスと定義する。
【０００５】
加湿ガスが凝縮性を有する場合、加湿ガスは加湿装置の内部で冷却され、凝縮する。凝縮水は、圧力損失の増大の原因になりやすい。そのため、従来の加湿装置では、加湿ガスが上から下に流れる構造になっている。そのようにすれば、凝縮水が重力の助けを借りて加湿装置の外部に排出されるので、圧力損失の増大を防ぐ観点で有利である。例えば、図８に示す加湿装置１００によれば、導入口１０５がケース１０３の上部に形成され、排出口１０７がケース１０３の下部に形成されている。湿潤空気などの加湿ガスは、導入口１０５からケース１０３の内部の空間１０９に導入され、排出口１０７から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−６１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図８に示す加湿装置１００は、圧力損失の面では有利であるが、全熱交換効率（＝水の回収効率）の面では改善の余地がある。全熱交換効率を向上させるためには、加湿ガスから生ずる凝縮水と中空糸モジュールとの接触時間をどれだけ稼げるかが重要となる。
【０００８】
本発明は、高い全熱回収効率を達成しうる加湿装置およびそれを用いた燃料電池システム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】
【０００９】
すなわち、本発明は、
被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、
中空糸モジュールを収容する筒状のケースとを備え、
ケース内に加湿ガスを導入するための導入口がケースの一端側の周面に形成され、ケースから加湿ガスを排出するための排出口がケースの他端側の周面に形成され、
導入口が形成されている位置でのケースの底面が、導入口から排出口に向かう経路上で上面へと切り替わるように形状が定められた湾曲部分をケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に中空糸モジュールが湾曲している、加湿装置を提供する。
【００１０】
他の側面において、本発明は、
被加湿ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、
中空糸モジュールを収容する筒状のケースとを備え、
ケース内に加湿ガスを導入するための導入口がケースの一端側の周面に形成され、ケースから加湿ガスを排出するための排出口がケースの他端側の周面に形成され、
導入口が排出口よりも上方に位置する設置状態での縦断面に現れるケースの内周面の接線と、鉛直方向に平行かつ縦断面に直交する基準面とのなす角度が加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように湾曲した部分をケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に中空糸モジュールが湾曲している、加湿装置を提供する。
【００１１】
さらに、他の側面において、本発明は、
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスから選ばれる少なくとも一方の燃料電池への供給経路に配置された加湿装置とを備え、
加湿装置として、上記本発明の加湿装置を用いた、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の加湿装置によれば、中空糸モジュールを収容するケースが湾曲部分を含む。そのため、従来のストレート形状の加湿装置に比べ、凝縮水と中空糸モジュールとの接触時間を稼ぐことができ、水の回収効率が高まる。言い換えれば、ブロワやコンプレッサのような補機の動力増に頼ることなく、被加湿ガスを効率よく加湿することができる。したがって、本発明の加湿装置を燃料電池システム、特に、電解質膜の乾燥によって劣化しやすい高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）システムに用いることにより、燃料電池システムの運転範囲の拡大と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例の構成図
【図２Ａ】第１実施形態の加湿装置の縦断面図
【図２Ｂ】図２Ａの加湿装置のＡ矢視図
【図３】第１実施形態の加湿装置の作用説明図
【図４】湾曲部分の形状の詳細図
【図５Ａ】横断面が円形状である加湿装置の作用説明図
【図５Ｂ】横断面が扁平状である加湿装置の作用説明図
【図６Ａ】第２実施形態の加湿装置の縦断面図
【図６Ｂ】図６Ａの加湿装置のＡ矢視図
【図７】第２実施形態の加湿装置の作用説明図
【図８】従来の加湿装置の縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成図である。燃料電池システム２００は、燃料電池１２、空気供給装置１４、加湿装置１６、改質装置１８および冷却系統２０を備えている。燃料電池システム２００を構成するこれらの機器は、加湿装置１６を除いて公知のものであるため、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
燃料電池１２（燃料電池スタック）には、改質装置１８から水蒸気改質された改質ガス（水素濃度７５〜８０％）が燃料ガスとして供給され、空気供給装置１４から空気が酸化剤ガスとして供給される。燃料電池１２は、改質ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを反応させて発電する。燃料電池１２を所定の温度条件に保つために、冷却系統２０より、所定温度および所定水量の冷却水が燃料電池１２に供給される。
【００１７】
燃料電池１２は、例えば高分子電解質形燃料電池である。燃料電池１２に水和電解質が用いられているので、燃料電池１２に供給される改質ガスおよび空気は、適切に加湿されていることが必要である。本実施形態において、改質ガスは水蒸気改質によるものであるから、そのＳ／Ｃ比（スチームカーボン比）に応じて自動的に加湿がなされる。他方、空気の加湿は、加湿装置１６で行われる。もちろん、水素を含む燃料ガスを加湿するために加湿装置１６を用いてもよい。加湿装置１６は、燃料ガスおよび酸化剤ガスから選ばれる一方または両方のガスの燃料電池１２への供給経路に配置される。
【００１８】
図２Ａは、第１実施形態の加湿装置１６の縦断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す加湿装置１６のＡ矢視図である。加湿装置１６は、中空糸モジュール４２とケース３０とを備えている。中空糸モジュール４２は、ケース３０に収容されている。ケース３０の内部の空間が、被加湿ガスを加湿する加湿ガスの流路３０ｈとして用いられる。流路３０ｈは、中空糸モジュール４２の長手方向に沿って形成されている。中空糸モジュール４２の内部（厳密には中空糸モジュール４２を構成する多数の中空糸の内部）を流通する被加湿ガスと、ケース３０の内部の流路３０ｈを流通する加湿ガスとの間で全熱交換が行われ、加湿ガスから被加湿ガスへと水分が補給される。
【００１９】
ケース３０は、筒状の形状を有する部品である。ケース３０には、流路３０ｈに加湿ガスを導入するための導入口３２が一端側の周面に形成され、流路３０ｈから加湿ガスを排出するための排出口３４が他端側の周面に形成されている。導入口３２と排出口３４との間において、流路３０ｈの断面積および断面形状は一定である。導入口３２と排出口３４との間の２箇所でケース３０が湾曲することにより、第１の湾曲部分３７および第２の湾曲部分３９が形成されている。第１の湾曲部分３７は、導入口３２が形成されている上流側の直線部分４０から続いている部分である。第１の湾曲部分３７と、排出口３４が形成されている下流側の直線部分４１との間の部分が第２の湾曲部分３９である。ケース３０の内部において、中空糸モジュール４２が、これら湾曲部分３７，３９に沿って湾曲している。これらの湾曲部分３７，３９を設けることにより、加湿ガスから生成する凝縮水と中空糸モジュール４２との接触時間を長くすることができる。
【００２０】
なお、ケース３０の一端側の周面とは、ケース３０の中央部から一方の開口部（開口部３６）までの間の周面を指す。ケース３０の他端側の周面とは、ケース３０の中央部から他方の開口部（開口部３８）までの間の周面を指す。
【００２１】
ケース３０は、第１の湾曲部分３７および第２の湾曲部分３９が、それぞれ１８０°の角度の円弧状をなすように湾曲しているとよい。そのようにすれば、凝縮水と中空糸モジュール４２との接触時間を長くする効果が高まる。また、本実施形態において、ケース３０は、２つの湾曲部分３７，３９を含み、かつＳ字形状を有する。言い換えれば、流路３０ｈがＳ字を描くようにケース３０が湾曲している。さらに言い換えれば、ケース３０は、Ｕ字状に湾曲した部分を２箇所に有する。複数の湾曲部分３７，３９を設けることにより、凝縮水と中空糸モジュール４２との接触時間を長くする効果がさらに高まる。なお、湾曲部分を設ける箇所は２箇所に限定されるものではなく、例えば偶数箇所に設けることができる。
【００２２】
本実施形態の加湿装置１６は、直線部分４０を水平に保ち、導入口３２が排出口３４よりも上方に位置する姿勢で設置され、使用されることを想定している。したがって、本明細書では、導入口３２が形成されている直線部分４０を水平に保ったまま、鉛直方向に関する導入口３２と排出口３４との距離が最大となるように導入口３２を排出口３４よりも上方に位置させた状態を加湿装置１６の設置状態（実際の使用状態）と定義する。
【００２３】
導入口３２は、加湿装置１６が設置状態となったときに上方に向かって開口しているとよい。言い換えれば、加湿装置１６の上面図に導入口３２の全部が現れているとよい。そのようにすれば、燃料電池１２の排気に凝縮水が含まれていても、その凝縮水を導入口３２から流路３０ｈにスムーズに導くことができる。他方、排出口３４は、加湿装置１６が上記設置状態となったときに下方に向かって開口しているとよい。言い換えれば、加湿装置１６の下面図に排出口３４の全部が現れているとよい。そのようにすれば、ケース３０から凝縮水をスムーズに排出できるので、ブロワの動力増を抑制する観点では有利である。
【００２４】
ただし、第２実施形態で説明するように、排出口３４は、上方に向かって開口していてもよい。また、導入口３２はケース３０の周面の複数箇所に形成されていてもよいし、本実施形態のように１つのみ形成されていてもよい。排出口３４についても同様である。導入口３２の数および排出口３４の数をそれぞれ１つに制限すると、導入口３２および排出口３４のそれぞれに配管を接続しやすく、設計も容易である。
【００２５】
ケース３０の一方の開口部３６には、被加湿ガスを中空糸モジュール４２に供給するための配管が図示しないヘッド（給排気ブロック）を介して接続され、他方の開口部３８には、加湿されたガスを燃料電池１２に供給するための配管が接続される。したがって、加湿装置１６においては、加湿ガスの流れ方向と被加湿ガスの流れ方向とが互いに向かい合う交換系が形成されている。Ｏリング３５は、加湿装置１６と、図示しないヘッド（給排気ブロック）とのシールに用いられる。
【００２６】
ケース３０は、金属や樹脂のような材料で構成されているとよい。樹脂は射出成形などの成形方法によって様々な形状に容易に成形でき、湾曲部分３７，３９を容易に設けることができるので、ケース３０の材料として好適である。また、ケース３０を構成するべき部品として２つの樋状の部品を準備し、一方に中空糸モジュール４２を嵌め込み、その後、他方で蓋をして一体化することにより、加湿装置１６を組み立てるようにしてもよい。２つの樋状の部品を一体化する方法は特に限定されず、超音波溶着、熱溶着、接着剤の使用などの方法を例示できる。これらの方法によれば、ケース３０の内部に中空糸モジュール４２を簡単に収容できる。
【００２７】
次に、中空糸モジュール４２について説明する。中空糸モジュール４２は、１つまたは複数の束に束ねられた多数の中空糸によって構成されている。中空糸が散開しないように、中空糸モジュール４２の両端部４３，４３は、樹脂などの材料で固められている。ケース３０の内部において、中空糸モジュール４２は、流路３０ｈと同じ形状に保持される。ケース３０から加湿ガスが漏れないように、中空糸モジュール４２の両端部４３，４３とケース３０との隙間は封止材で埋められている。
【００２８】
中空糸は、透湿性を有するものであれば種類は問わず、樹脂多孔質材料から製造される一般的なものでよい。例えば、ポリスルフォン系の多孔質中空糸は、紡糸後の熱処理によって膜から溶剤が抜けて多孔質となり、透湿性が付与される。紡糸直後は可撓性に富む一方、熱処理によって硬化して安定な形状となる中空糸を用いて中空糸モジュールを製造する場合、次のような操作を行えばよい。まず、紡糸直後に予備乾燥を行う（例えば５０℃で１時間）。予備乾燥後、可撓性のある状態で中空糸を結束して、中空糸モジュールを得る。さらに、中空糸モジュールを金型（例えばＳ字の金型）に嵌めて、金型とともに熱処理する（例えば１６０℃で３０分間）。このようにすれば、Ｓ字状に硬化した中空糸モジュール４２を製造することができる。
【００２９】
なお、透湿性を獲得した後も可撓性を有する中空糸、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製  商品名Ｎａｆｉｏｎ）等の材料でできた中空糸を用いて中空糸モジュール４２を製造すると、ケース３０に収容する前の成形が不要となる。その他、ポリテトラフルオロエチレンに代表されるフッ素樹脂でできた多孔質中空糸を用いてもよい。
【００３０】
次に、図３を参照して加湿装置１６の作用を説明する。空気などの被加湿ガスは、白抜き矢印で示すように、ケース３０の下側の開口部３８から中空糸モジュール４２の内部に導かれる。中空糸モジュール４２の内部を下から上へと流通した被加湿ガスは、ケース３０の上側の開口部３６から加湿装置１６の外部へと排出され、燃料電池１２に送られる。一方、加湿ガスは、導入口３２からケース３０の内部の流路３０ｈへと導かれ、下流側の排出口３４に向かって流通する。中空糸モジュール４２の内部を流通する被加湿ガスと、流路３０ｈを流通する加湿ガスとの間で全熱交換が行われ、加湿ガスから被加湿ガスに水分が補給される。
【００３１】
加湿ガスは、水蒸気で飽和していたり、それに近い状態であったりする。さらに、後述するように、燃料電池１２の排気には、加湿装置１６に導入される以前に凝縮水が含まれることがある。導入口３２から流路３０ｈに導入された凝縮水は、自重により、導入口３２が形成されている側とは反対側の内周面３０ｐに達する（破線（１））。このとき、凝縮水は、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどり、中空糸モジュール４２の中心部に位置する中空糸および導入口３２に向かい合う側とは反対側に位置する中空糸にも接することとなる。
【００３２】
さらに、凝縮水は、ケース３０の内周面３０ｐに沿って流れる。第１の湾曲部分３７に達した凝縮水は、自重により、ケース３０の内周面３０ｐから離れ、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどる形で反対側の内周面３０ｑに達する（破線（２））。凝縮水は、第２の湾曲部分３９でも同様の経路をたどり（破線（３））、排出口３４からケース３０の外部へと排出される。このように、湾曲部分３７，３９が設けられていることにより、凝縮水が壁伝いに流れにくくなり、結果として、凝縮水と中空糸モジュール４２との接触機会が増える（接触時間が長くなる）。
【００３３】
従来のストレート形状の加湿装置（図８参照）では凝縮水と中空糸モジュールの接触機会が限られるので、凝縮水の有効利用を図りにくい。これに対し、本実施形態の加湿装置１６によれば、凝縮水が中空糸モジュール４２の長手方向を何度も横切るような形で流れるので、凝縮水からも効率的に水を回収することができる。
【００３４】
図３に破線で示すような凝縮水の流れが形成されるには、次のような条件を満足すればよい。まず、図４に示すように、加湿装置１６の姿勢を上述した設置状態に定める。この設置状態での縦断面（加湿装置１６の縦断面）に現れるケース３０の内周面３０ｐの接線ＴＬ（図４の例では接線ＴＬ1および接線ＴＬ2）と、鉛直方向に平行かつ上記縦断面に直交する基準面ＢＬとのなす角度θが加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように、湾曲部分３７，３９の形状が定められているとよい。
【００３５】
なお、「角度θが段階的に小さくなる」とは、中空糸モジュール４０を構成する中空糸の折れが顕在化しない範囲内であれば、湾曲部分３７，３９の形状は、当該湾曲部分３７，３９における内周面３０ｐ，３０ｑが縦断面で直線を示すように定められていてもよいことを意味する。縦断面において湾曲部分３７，３９の内周面３０ｐ，３０ｑが直線を示す場合、厳密には接線を定義することができないので、その直線自体を図４に示す接線ＴＬとして取り扱うものとする。
【００３６】
なお、上記「縦断面」とは、ケース３０が２次元の湾曲形状を有する場合には、加湿ガスの流れ方向に沿ってケース３０を左右２つの樋状部分に分割する断面のことである。ケース３０が３次元の湾曲形状を有する場合には、加湿ガスの流れ方向に沿ってケース３０を左右２つの樋状部分に分割する曲面状の断面の平面への投影図が、上記「縦断面」となる。そして、これらの縦断面において、上記接線がそれぞれ定義されうる。
【００３７】
別の視点から、第１の湾曲部分３７は、以下のような条件を満足する形状を有していてもよい。すなわち、上述した設置状態において、導入口３２が形成されている位置でのケース３０の底面（内周面３０ｐ）が、導入口３２から排出口３４に向かう経路上で上面へと切り替わるように、湾曲部分３７の形状が定められているとよい。導入口３２が形成されている位置でのケース３０の底面（内周面３０ｐ）が、導入口３２から排出口３４に向かう経路上で上面へと切り替わり、その後さらに底面へと切り替わることにより、第２の湾曲部分３９が形成される。底面が上面へと変化するような切り替わり部分、すなわち、湾曲部分３７，３９があると、凝縮水は壁伝いに流れにくくなり、図３に示すような経路をたどりやすくなる。
【００３８】
また、図２Ｂに示すＡ矢視図から理解できるように、本実施形態の加湿装置１６は、横断面の形状が扁平状となっている。中空糸モジュール４２の長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、導入口３２を含む位置における中空糸モジュール４２の横断面は、水平方向の長さＷが鉛直方向の長さＨよりも大である扁平形状をなしている。ただし、水平方向および鉛直方向は、加湿装置１６の設置状態で定まる方向である。
【００３９】
図５Ａに示すように、例えば、ケース２９および中空糸モジュール４６が円筒形の場合、凝縮水は、中空糸モジュール４６の外周面およびケース２９の内周面を伝って流れ落ちやすいので、中空糸モジュール４６を貫通する経路をたどる量（画分）が少なくなる。これに対し、図５Ｂに示すように、本実施形態によれば、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどる凝縮水の量を増やすことができるため、凝縮水からの水の回収効率が高まる。
【００４０】
（第２実施形態）
図６Ａは、第２実施形態の加湿装置５６の縦断面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す加湿装置５６のＡ矢視図である。本実施形態は、ケースの湾曲部分が奇数箇所である点で第１実施形態と相違する。
【００４１】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ケース３１は、湾曲部分４７を１箇所含み、かつＵ字形状を有する。湾曲部分４７の上流側と下流側には、それぞれ、直線部分５７，５８がある。上流側の直線部分５７に導入口３２が形成され、下流側の直線部分５８に排出口３４が形成されている。本実施形態によれば、湾曲部分４７が１箇所にのみ設けられているため、第１実施形態の加湿装置１６よりも小型化の面で有利である。
【００４２】
導入口３２の位置は、本実施形態と第１実施形態とで同じであるが、排出口３４の位置が本実施形態と第１実施形態とで相違している。具体的には、加湿装置５６を設置状態としたときに、排出口３４が上方に向かって開口している。排出口３４は、直線部分５８に収容されている中空糸モジュール４２よりも高い位置にある。
【００４３】
図７に示すように、導入口３２から流路３１ｈに導入された凝縮水は、自重により、導入口３２が形成されている側とは反対側の内周面３１ｐに達する（破線（１））。このとき、凝縮水は、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどり、中空糸モジュール４２の中心部に位置する中空糸にも接することとなる。さらに、凝縮水は、ケース３１の内周面３１ｐに沿って流れる。湾曲部分４７に達した凝縮水は、自重により、ケース３１の内周面３１ｐから離れ、中空糸モジュール４２を貫通する経路をたどる形で反対側の内周面３１ｑに達する（破線（２））。排出口３４が上方を向いているので、凝縮水はケース３１の底部（直線部分５８の流路３１ｈ）に貯留ないし滞留しやすい。凝縮水が貯留ないし滞留すると、中空糸モジュール４２が凝縮水に浸漬された状態となるので、加湿効率が高まる。
【００４４】
（燃料電池の排気について）
次に、燃料電池の排気について説明する。定置コージェネレーション用１ｋＷ級の燃料電池システムの典型的な仕様および運転条件を表１に示す。なお、このシステムでは高分子電解質形燃料電池が用いられている。
【００４５】
【表１】
2009072283.tif 000017
【００４６】
この燃料電池システムは、１．２ｋＷの出力を得るために、毎分１１．５リットル（ｓｌｐｍ：standard liter per minutes）の水素と５．７リットルの酸素とを消費する。適切な燃料利用率（７５％）および酸素利用率（５０％）を勘案し、実際にスタックに供給される水素量は毎分１５．３リットル、空気量は５４．６リットルである。また、発生する熱を除去するために、６０℃の冷却水が毎分１．６リットルの流量でスタックに供給される。スタックに供給された冷却水は、スタックの内部で約１１℃昇温し、７１℃の温水となって排出される。
【００４７】
前述の通り、水素の加湿は不要であり、空気の加湿はスタックからの排気を用いて行われる。ここで、スタックからの排気の熱条件について表２に示す。スタックに供給された毎分５４．６リットルの空気に含まれる酸素は、その半分が消費される（酸素利用率５０％）。したがって、ドライガス換算で毎分４９リットルのガスがスタックから排出される。排気の温度は７０．５℃であり、この排気が水蒸気で飽和していると仮定すると、スタックから排出される水量は毎分１８．１ｇとなる。
【００４８】
【表２】
2009072283.tif 000018
【００４９】
ところが、表１および表２の条件を満足する現実の燃料電池システムの排気を氷冷凝縮して回収される水量は毎分２１．６ｇであり、上述の計算値よりも３．５ｇ多かった。すなわち、この３．５ｇに相当する水は、水蒸気ではなく温水としてスタックから排出されていた。なお、仮にこの３．５ｇに相当する水が水蒸気として排出された場合の蒸気圧は３５８００Ｐａであり、そのときの露点は７３．２℃である。この数値を換算露点と定義し、以降の試験で二相流を作るときの装置制御パラメータとした。
【実施例】
【００５０】
まず、外径が１．０ｍｍ、長さが３００ｍｍのポリスルフォン中空糸（ＮＯＫ社製（試作品））を５００本用いて中空糸モジュールを製造した。この中空糸モジュールを用いて、図２Ａに示す加湿装置（実施例）と、図８に示す従来の加湿装置（比較例）とを製造した。
【００５１】
次に、表１および表２に示す加湿ガスおよび被加湿ガス（空気）を模擬できる試験装置を作り、その試験設備を用いて加湿装置の評価を行った。具体的には、ドライガス換算で毎分４９．１リットルの流量の加湿ガスを換算露点である露点７３℃になるようにバブラーで加湿した後、７０．５℃まで冷却して加湿装置に供給した。一方、被加湿ガスとして、毎分５４．６リットルの流量の乾燥空気を加湿装置に供給した。そして、加湿装置の出口での被加湿ガスの露点を計測することにより、加湿装置の性能を評価した。露点の計測には、鏡面式露点計を用いた。表３に結果を示す。
【００５２】
【表３】
2009072283.tif 000019
【００５３】
実施例の加湿装置での被加湿ガスの露点は比較例の加湿装置でのそれに比べて高かった。これは、効率に換算して約７％の改善に相当する。一般的に、水蒸気を加湿ガスとして用いたときの全熱交換効率は７０％程度が限界とされており、比較例では概ねこれに準じた効率（６８．７％）が得られたが、実施例ではこれを上回る効率（７４．１％）が得られた。実施例の加湿装置によれば、供給された水蒸気以外の水源、つまり、二相流に含まれる凝縮水からも水を回収することができた。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスの前記燃料電池への供給経路に配置された加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿装置は、加湿されるべき前記酸化剤ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、前記中空糸モジュールを収容しているとともに、両端に開口部を有する筒状のケースとを備え、
前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスを加湿ガスとして前記ケース内に導入するための導入口が前記ケースの一端側の周面に上方に向かって開口するように形成され、前記ケースから前記加湿ガスを排出するための排出口が前記ケースの他端側の周面に形成され、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置しており、
前記導入口と前記排出口との間において、前記加湿ガスの流路としての前記ケースの内部の空間の断面積および断面形状が一定であり、
前記導入口が形成されている位置での前記ケースの底面が、前記導入口から前記排出口に向かう経路上で上面へと切り替わるように形状が定められた湾曲部分を前記ケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に前記中空糸モジュールが湾曲しており、
加湿されるべき前記酸化剤ガスを前記中空糸モジュールに供給するための配管が前記ケースの下側の前記開口部に接続され、前記中空糸モジュールを流通して加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するための配管が前記ケースの上側の前記開口部に接続されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記湾曲部分が１８０°の角度の円弧状をなすように前記ケースが湾曲している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿ガスが凝縮水を含む場合に、前記導入口を通じて前記ケース内に導入された前記凝縮水が、前記中空糸モジュールを貫通する経路をたどり、前記導入口が形成されている側とは反対側に到達しうる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記排出口が下方に向かって開口している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記排出口が上方に向かって開口している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記中空糸モジュールの長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態において、前記導入口を含む位置での前記中空糸モジュールの横断面は、水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも大である扁平形状をなす、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ケースが、前記湾曲部分を２箇所含み、かつＳ字形状を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ケースが、前記湾曲部分を１箇所含み、かつＵ字形状を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池が、高分子電解質形燃料電池である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスの前記燃料電池への供給経路に配置された加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿装置は、加湿されるべき前記酸化剤ガスが内部を流通する中空糸モジュールと、前記中空糸モジュールを収容しているとともに、両端に開口部を有する筒状のケースとを備え、
前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスを加湿ガスとして前記ケース内に導入するための導入口が前記ケースの一端側の周面に上方に向かって開口するように形成され、前記ケースから前記加湿ガスを排出するための排出口が前記ケースの他端側の周面に形成され、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置しており、
前記導入口と前記排出口との間において、前記加湿ガスの流路としての前記ケースの内部の空間の断面積および断面形状が一定であり、
前記導入口が前記排出口よりも上方に位置する設置状態での縦断面に現れる前記ケースの内周面の接線と、鉛直方向に平行かつ前記縦断面に直交する基準面とのなす角度が前記加湿ガスの流れ方向の下流側に進むにつれて連続的または段階的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に転じるように湾曲した部分を前記ケースが含み、その湾曲部分に沿う形状に前記中空糸モジュールが湾曲しており、
加湿されるべき前記酸化剤ガスを前記中空糸モジュールに供給するための配管が前記ケースの下側の前記開口部に接続され、前記中空糸モジュールを流通して加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するための配管が前記ケースの上側の前記開口部に接続されている、燃料電池システム。
【請求項１１】
前記湾曲部分が１８０°の角度の円弧状をなすように前記ケースが湾曲している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加湿ガスが凝縮水を含む場合に、前記導入口を通じて前記ケース内に導入された前記凝縮水が、前記中空糸モジュールを貫通する経路をたどり、前記導入口が形成されている側とは反対側に到達しうる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記設置状態において、前記排出口が下方に向かって開口している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記設置状態において、前記排出口が上方に向かって開口している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記中空糸モジュールの長手方向に直交する断面を横断面と定義したとき、
前記設置状態において、前記導入口を含む位置での前記中空糸モジュールの横断面は、水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも大である扁平形状をなす、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記ケースが、前記湾曲部分を２箇所含み、かつＳ字形状を有する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記ケースが、前記湾曲部分を１箇所含み、かつＵ字形状を有する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池が、高分子電解質形燃料電池である、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009072283.tif 000020
【図２Ａ】
2009072283.tif 000021
【図２Ｂ】
2009072283.tif 000022
【図３】
2009072283.tif 000023
【図４】
2009072283.tif 000024
【図５Ａ】
2009072283.tif 000025
【図５Ｂ】
2009072283.tif 000026
【図６Ａ】
2009072283.tif 000027
【図６Ｂ】
2009072283.tif 000028
【図７】
2009072283.tif 000029
【図８】
2009072283.tif 000030
【国際調査報告】
2009072283.tif 000031
2009072283.tif 000032
2009072283.tif 000033
2009072283.tif 000034