(57)【要約】【課題】製造コストの増加抑制及び、製造効率の向上を図った上で、パワープラントの出力に対して最適な加湿能力を有する加湿器を提供する。【解決手段】加湿ユニット４１ａ，４１ｂは、第１加湿ユニット４１ａにおける導出側開口部５１と、第２加湿ユニット４１ｂにおける導入側開口部５５とを繋ぎ合わせることで、積層可能とされ、加湿ユニット４１ａ，４１ｂにおける導出側開口部５１を覆って配置されるとともに、オフガス導出部６７が開設された天板４４と、導入側開口部５５を覆って配置されるとともに、オフガス導入部６４が開設された底板４５と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図３
2011141082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
前記中空糸膜束を収納し、前記中空糸膜束の延在方向に沿って配置された一対の側板と、
前記一対の側板における前記延在方向の両端部に設けられ、前記複数の中空糸膜を支持しつつ、前記側板に支持される一対のポッティング部と、
前記側板と前記ポッティング部とで形成された枠体と、
前記枠体の一方側の開口部を覆うように配置された通気性多孔体と、を有する加湿ユニットを備え、
前記加湿ユニットでは、前記中空糸膜の外側に第１の流体を流し、前記中空糸膜の内側に第２の流体を流し、前記中空糸膜を介して前記第１の流体と前記第２の流体との間で水分を移動させ、
前記加湿ユニットは、第１の前記加湿ユニットにおける前記一方側の開口部と、第２の前記加湿ユニットにおける他方側の前記開口部とを繋ぎ合わせることで、積層可能とされ、
複数の前記加湿ユニットの積層体または単数の前記加湿ユニットにおける前記一方側の開口部を覆って配置されるとともに、前記第１の流体の導出部が開設された第１の蓋板と、
前記他方側の開口部を覆って配置されるとともに、前記第１の流体の導入部が開設された第２の蓋板と、を備えていることを特徴とする加湿器。
【請求項２】
前記積層体における隣接する前記加湿ユニット間には、外部との気密を保つシール層が介在していることを特徴とする請求項１記載の加湿器。
【請求項３】
前記加湿ユニットの一端側の前記ポッティング部と、隣接する前記加湿ユニットの一端側のポッティング部とに架け渡され、前記２つのポッティング部間に形成される隙間をシールする面シールを有することを特徴とする請求項２記載の加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池は、アノード電極にアノードガスとして水素が供給され、カソード電極にカソードガスとして空気が供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
上述した燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を良好に保持するために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。そこで、燃料電池で発電に伴って生成される生成水（凝縮水）を利用して、燃料電池に供給されるカソードガスを予め加湿し、加湿されたカソードガスを電解質膜に供給する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、カソードガスを加湿する加湿器としては、中空糸膜を用いたものが知られている。具体的に、加湿器は、多数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束が、円筒形のハウジング内に収容されて構成されている（例えば、特許文献２参照）。そして、この加湿器では、中空糸膜束の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスを流通させることで、水分含量の多いガス中の水分が各中空糸膜を透過して、水分含量の少ないガスへと移動するようになっている。すなわち、中空糸膜束の外部に生成水を含んだカソードオフガス（第１の流体）を流通させる一方、中空糸膜束の内部に加湿対象であるカソードガス（第２の流体）を流通させることで、燃料電池で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動して、カソードガスが加湿されるようになっている。
【０００５】
また、例えば特許文献３には、直方体形状のハウジングを有する加湿器の構成が開示されている。この構成によれば、燃料電池車両等に加湿器を搭載する場合に、円筒形状のハウジングに比べて、加湿器の周囲に形成されるデッドスペースを縮小でき、スペース効率を向上できるのではないかと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１３２０３８号公報
【特許文献２】特開平８−２７３６８７号公報
【特許文献３】特開２００７−３１７４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した加湿器は、燃料電池等のパワープラントの出力によって要求される加湿能力が異なっている。加湿器は、一般的に大型になるにつれ加湿能力が高くなるように構成されているため、燃料電池が高出力になるにつれて、加湿能力が高い大型の加湿器が必要となる。そのため、燃料電池の出力に応じて加湿器のサイズを決定する必要がある。
この場合、燃料電池の各出力に応じて異なるサイズの加湿器を製造すると、それぞれのサイズに応じてハウジングの型等を用意する必要があり、製造コストの増加及び製造効率の低下に繋がるという問題がある。
【０００８】
また、上述した加湿器においては、ハウジング内にカソードオフガスを導入する際、その圧力によって中空糸膜に撓み等が生じる。そして、中空糸膜が撓み変形することで、中空糸膜がハウジング内におけるカソードオフガスの下流側に偏ってしまい、ハウジング内において中空糸膜が存在しない空間が形成される。この空間が大きなものであると、カソードオフガスのガス流れに偏流が生じる。具体的に、ハウジングの内部に導入されたカソードオフガスがその空間を経由することで、中空糸膜をバイパスする。したがって、バイパスしたカソードオフガスは、中空糸膜にほとんど接することなくそのまま排出されてしまう。その結果、ハウジングに収容された多数の中空糸膜のうち、一部の中空糸膜しか利用されず、加湿能力の低下を招いてしまうという問題がある。
このような現象は、加湿器の大型化に伴って生じやすくなる。すなわち、加湿器のハウジングが大型化して、ハウジング内の中空糸膜束の厚みが厚くなるにつれて、中空糸膜における撓み変形量が大きくなるため、上述した空間が形成され易くなる。
【０００９】
そこで本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであって、製造コストの増加抑制及び、製造効率の向上を図った上で、パワープラントの出力に対して最適な加湿能力を有する加湿器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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の加湿器は、複数の中空糸膜（例えば、実施形態における中空糸膜４８）を束ねた中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収納し、前記中空糸膜束の延在方向に沿って配置された一対の側板（例えば、実施形態における側板５３）と、前記一対の側板における前記延在方向の両端部に設けられ、前記複数の中空糸膜を支持しつつ、前記側板に支持される一対のポッティング部（例えば、実施形態におけるポッティング部５４ａ，５４ｂ）と、前記側板と前記ポッティング部とで形成された枠体（例えば、実施形態における枠体４６）と、前記枠体の一方側の開口部（例えば、実施形態における導出側開口部５１）を覆うように配置された通気性多孔体（例えば、実施形態における支持体５２）と、を有する加湿ユニット（例えば、実施形態における加湿ユニット４１）を備え、前記加湿ユニットでは、前記中空糸膜の外側に第１の流体を流し、前記中空糸膜の内側に第２の流体を流し、前記中空糸膜を介して前記第１の流体と前記第２の流体との間で水分を移動させ、前記加湿ユニットは、第１の前記加湿ユニットにおける前記一方側の開口部と、第２の前記加湿ユニットにおける他方側の前記開口部（例えば、実施形態における導入側開口部５５）とを繋ぎ合わせることで、積層可能とされ、複数の前記加湿ユニットの積層体または単数の前記加湿ユニットにおける前記一方側の開口部を覆うって配置されるとともに、前記第１の流体の導出部が開設された第１の蓋板（例えば、実施形態における天板４４）と、前記他方側の開口部を覆って配置されるとともに、前記第１の流体の導入部が開設された第２の蓋板（例えば、実施形態における底板４５）と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１の加湿ユニットの一方側の開口部と、第２の加湿ユニットの他方側の開口部とを繋ぎ合わせて積層可能に構成された単数または複数の加湿ユニットを、第１の蓋板及び第２の蓋板により挟持することで、１つの加湿器を作成することができる。
この場合、加湿ユニットの積層数を調整することで、加湿器のサイズを容易に変更して、加湿器の加湿能力を調整することができる。すなわち、燃料電池システム等、パワープラントの出力に応じた加湿能力を有する加湿器を、加湿ユニットの積層数を調整するだけで容易に提供することができる。これにより、従来のようにパワープラントの出力に応じた加湿器のハウジング等をそれぞれ異なる金型等で作成する場合に比べて、製造コストの低下及び製造効率の向上を図った上で、パワープラントの出力に対して最適な加湿能力を有する加湿器を提供することができる。
しかも、本発明の構成によれば、第１の流体の導出部側の開口部を覆うように通気性多孔体が配置されているため、第１流体の流れを阻害することなく、中空糸膜の撓み変形を抑制することができる。すなわち、中空糸膜が第１の流体の流れにより導出部側に向けて押し上げられて撓み変形した場合に、中空糸膜の外周面が通気性多孔体に接触することで、中空糸膜の撓み変形量を加湿ユニット内で規制することができる。その結果、加湿ユニット内において第１の流体がバイパスするような大きな空間が形成されるのを抑制し、第１の流体全体が各中空糸膜の外周面に倣って流通し易くなるため、加湿能力の低下を抑制することができる。
【００１２】
また、前記積層体における隣接する前記加湿ユニット間には、外部との気密を保つシール層（例えば、実施形態におけるガスケット６１）が介在していることを特徴とする。
この構成によれば、複数の加湿ユニットを積層して加湿器を構成しており、各加湿ユニット間にシール層が介在しているため、各加湿ユニット間の気密を維持することができる。
そして、複数の加湿ユニットを積層した場合、単数の場合に比べて高い加湿能力を有する加湿器を提供することは勿論のこと、加湿器内の加湿ユニット間を仕切るよう上述した通気性多孔体がそれぞれ配置されることで、加湿器自体が大型化したとしても、各加湿ユニット単位で中空糸膜の撓み変形を抑制することができる。そのため、加湿器の大型化に伴って、第１の流体がバイパスする空間が形成され易くなるのを防止できる。その結果、加湿能力の低下を抑制することができる。
【００１３】
また、前記加湿ユニットの一端側の前記ポッティング部と、隣接する前記加湿ユニットの一端側のポッティング部とに架け渡され、前記２つのポッティング部間に形成される隙間をシールする面シール（例えば、実施形態におけるシール材７４）を有することを特徴とする。
この構成によれば、各加湿ユニットのポッティング部間を架け渡すように面シールを配置することで、第２の流体がポッティング部間の隙間から加湿器外部に流出することを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、製造コストの低下及び製造効率の向上を図った上で、パワープラントの出力に対して最適な加湿能力を有する加湿器を提供することができる。
また、加湿ユニット内において第１の流体がバイパスするような大きな空間が形成されるのを抑制し、第１の流体全体が各中空糸膜の外周面に倣って流通し易くなるため、加湿能力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】加湿器の斜視図である。
【図３】加湿器の分解斜視図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線に相当する断面図である。
【図５】加湿器及びその周辺の構造を説明するための概略構成図である。
【図６】カソードオフガスの流通経路を説明するための加湿器の断面図である。
【図７】加湿器の他の構成を示す斜視図である。
【図８】加湿器の他の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１（以下、燃料電池１１という）と、燃料電池１１にカソードガスであるエアを供給するためのカソードガス供給手段１２と、アノードガスである水素を供給するためのアノードガス供給手段１３と、燃料電池１１に供給されるカソードガスを加湿するための加湿器１４とを主に備えている。
【００１７】
燃料電池１１は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備え、この電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルが複数積層されたスタックとして構成されている。そして、アノード電極にはアノードガスが、カソード電極にはカソードガスがそれぞれ供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソード電極に移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応して発電するようになっている。
【００１８】
アノードガス供給手段１３は、アノードガスである水素ガスが貯留され、燃料電池１１に向けて水素ガスを供給する水素タンク１０を備えている。この水素タンク１０は、アノードガス供給流路２１を介して、燃料電池１１の導入側に接続されている。アノードガス供給流路２１における水素タンク１０と燃料電池１１との間には、アノードガスを所定圧力に減圧する減圧弁２４と、燃料電池１１で発電に供されたアノードガス（以下、アノードオフガスという）をアノードガス供給流路２１に再び合流させるエゼクタ２７とが設けられている。
【００１９】
一方、燃料電池１１におけるアノードガスの排出側には、アノードオフガスが流通するアノードガス排出流路２２が接続されている。アノードガス排出流路２２には、燃料電池１１から排出される凝縮水が収容されるキャッチタンク２３（Ｃ／Ｔ）が接続されている。キャッチタンク２３の排出側には、アノードオフガス循環流路２５が接続されており、燃料電池１１において消費されなかった未反応のアノードガスは、アノードオフガス循環流路２５を通ってエゼクタ２７に吸引され、再び燃料電池１１のアノードガス供給流路２１に供給される。
また、アノードガス排出流路２２には水素排出弁２６が接続されている。水素排出弁２６は、アノードガス供給手段１３及び燃料電池１１内を循環するアノードガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開いてアノードオフガスを排出するものである。
【００２０】
カソードガス供給手段１２は、カソードガスが流通するカソードガス供給流路３１を備えている。このカソードガス供給流路３１には図示しないカソードガスの供給源から供給される、あるいは大気から吸い込まれてくるカソードガスを、所定圧力に加圧して燃料電池１１に向けて送出するエアポンプ３２（Ａ／Ｐ）が接続されている。そして、カソードガス供給流路３１は、加湿器（ＨＵＭ）１４を介して燃料電池１１の導入側に接続されている。一方、燃料電池１１の排出側には、燃料電池１１で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池１１で生成された凝縮水が流通するカソードガス排出流路３４が接続されている。カソードガス排出流路３４を流通するカソードオフガスは、加湿器１４を流通した後に燃料電池システム１の外部に向けて排出される。なお、図示しないが、カソードオフガス排出流路３４には、カソード電極の内圧を調整するための背圧弁が介装されている。
【００２１】
（加湿器）
図２は加湿器の斜視図であり、図３は加湿器の分解斜視図である。
図２，図３に示すように、本実施形態の加湿器１４は、複数の加湿ユニット（第１ユニット４１ａ及び第２ユニット４１ｂ）が積層された積層ユニット（積層体）４３と、積層ユニット４３を積層方向両側から挟持するように配置された天板４４及び底板４５とを備えている。
【００２２】
まず、加湿ユニット４１ａ，４１ｂについて説明する。なお、各ユニット４１ａ，４１ｂはともに同一の構成であるため、各ユニット４１ａ，４１ｂを区別する必要がない時は、まとめて加湿ユニット４１として説明する。
加湿ユニット４１は、矩形枠型の枠体４６と、枠体４６内に収納され、多数の中空糸膜４８を束ねてなる中空糸膜束４９と、枠体４６の高さ方向（中空糸膜４８の延在方向に直交する方向）における一方側の開口部（以下、導出側開口部５１という）を覆って配置された支持体５２とを備えている。
【００２３】
中空糸膜４８は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー等からなり、その内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水分含量の多い流体中の水分が中空糸膜４８を透過して水分含量の少ない流体へと移動する性質を有する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜４８の内部にカソードガス（第２の流体）が流通し、外部（枠体４６内）に凝縮水を含んだカソードオフガス（第１の流体）が流通することで、燃料電池１１で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池１１に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。
【００２４】
枠体４６は、中空糸膜４８の延在方向に沿って配置された一対の側板５３と、一対の側板５３における中空糸膜４８の延在方向に沿う両端部において、一対の側板５３間を架け渡すように配置された一対のポッティング部（第１ポッティング部５４ａ，及び第２ポッティング部５４ｂ）とを備え、高さ方向における両側が開放されてなる矩形枠型の部材である。
【００２５】
側板５３は、金属等からなる側面視（側板５３の厚さ方向から見て）長方形状の板材であり、その長手方向を中空糸膜４８の延在方向に一致させた状態で配置されている。各側板５３は、側板５３の厚さ方向に沿って間隔を空けた状態で互いに平行に配置されており、これら側板５３の間に多数の中空糸膜４８が側板５３の厚さ方向及び高さ方向に沿って互いに平行に配列されている。
【００２６】
各ポッティング部５４ａ，５４ｂは、樹脂材料等により構成され、多数の中空糸膜４８をまとめて結束するものであり、中空糸膜４８の延在方向に沿う両端部において、一対の側板５３間を埋めるようにそれぞれ配置されている。すなわち、ポッティング部５４ａ，５４ｂによって、各中空糸膜４８の外周面間、各中空糸膜４８の外周面と各側板５３の内壁面との間が閉塞されている。本実施形態のポッティング部５４ａ，５４ｂは、その長手方向を側板５３の厚さ方向に一致させた状態で延在する板状に形成されており、その内部に多数の中空糸膜４８が保持されている。すなわち、多数の中空糸膜４８は、延在方向両端部が束ねられた状態で一対のポッティング部５４ａ，５４ｂ間で架け渡されている。そして、ポッティング部５４ａ，５４ｂの長手方向両端部は、側板５３の内壁面に接合されている。これにより、加湿ユニット４１の枠体４６が構成されるとともに、枠体４６で囲まれた内側領域に中空糸膜束４９が収納されている。
【００２７】
なお、加湿ユニット４１では、中空糸膜束４９、側板５３、及びポッティング部５４ａ，５４ｂの端面が面一に構成されている。そして、多数の中空糸膜４８の延在方向両端部は、ポッティング部５４ａ，５４ｂの端面において加湿器１４の外部に向けて開口している。すなわち、加湿ユニット４１におけるポッティング部５４ａの端面が、中空糸膜４８内にカソードガスを導入するためのカソードガス導入部５７、ポッティング部５４ｂの端面が中空糸膜４８内を流通したカソードガスが導出されるカソードガス導出部５８を構成している。
【００２８】
一方、上述したように枠体４６の高さ方向両端側は開放されている。そして、本実施形態の加湿ユニット４１では、枠体４６の高さ方向他方側の開口部（以下、導入側開口部５５という）から一方側の開口部（導出側開口部５１）に向かって枠体４６内を横切るようにカソードオフガスが流通するようになっている。
【００２９】
ここで、上述した支持体５２は、加湿ユニット４１におけるカソードオフガスの導出側、すなわち枠体４６の導出側開口部５１を覆って配置されている。この支持体５２は、樹脂製ネットや、金属製ネット、パンチングメタル、不織布等、ガス透過性に優れたシート状の多孔部材であり、その周縁部が導出側開口部５１の開口縁（端面）に支持されている。支持体５２は、カソードオフガスの圧力によって中空糸膜４８に撓み等が生じた場合に、中空糸膜４８が支持体５２に当接することで、中空糸膜４８の撓み変形を規制するものである。
【００３０】
このような加湿ユニット４１は、第１ユニット４１ａの枠体４６の導出側開口部５１の端面と、第２ユニット４１ｂの導入側開口部５５の端面とを突き合わせて積層された積層ユニット４３を構成している。なお、本実施形態において、加湿ユニット４１の積層方向は重力方向に一致させている。すなわち、カソードオフガスは重力方向下方から上方に向かって加湿器１４内を流通する一方、カソードガスは中空糸膜４８内を水平方向に沿って流通している。
【００３１】
図４は、図２のＡ−Ａ線に相当する断面図である。
ここで、図２〜図４に示すように、隣接する各ユニット４１ａ，４１ｂ間には、各ユニット４１ａ，４１ｂ間の気密を維持するためのガスケット６１が挟持されている。ガスケット６１は、平面視（枠体４６の高さ方向）における外形が支持体５２の外形よりも大きく、かつ枠体４６の外形よりも小さく形成された弾性体等からなる矩形枠状の部材である。そして、ガスケット６１は、第１ユニット４１ａの導出側開口部５１の端面と、第２ユニット４１ｂの導入側開口部５５の端面との間に配置されている。具体的に、ガスケット６１の内周側は、支持体５２の外周縁に重なるように配置されており、支持体５２と第２ユニット４１ｂにおける導入側開口部５５の端面との間でガスケット６１が挟持されている。一方、ガスケット６１の外周側は、支持体５２の外周縁の形状に倣って弾性変形することで、第１ユニット４１ａの導出側開口部５１の端面に馴染むようになっている。これにより、各ユニット４１ａ、４１ｂ間の気密を維持して、各ユニット４１ａ，４１ｂ間の気密を維持することができる。
【００３２】
そして、図２に示すように、積層ユニット４３は、積層方向両端側で蓋板である底板４５及び天板４４により挟持されている。
底板４５は、第１ユニット４１ａの枠体４６の平面視における外形と同等に形成された平面視矩形状の板材であり、第１ユニット４１ａの導入側開口部５５との間にガスケット６２を挟んだ状態で、第１ユニット４１ａの導入側開口部５５を覆って配置されている。また、底板４５の長手方向一端側には、厚さ方向に沿って貫通するオフガス導入部６４が形成されている。このオフガス導入部６４は、その長手方向が底板４５の短手方向に一致するように形成された矩形状の長孔であり、このオフガス導入部６４を通って加湿器１４（枠体４６）内にカソードオフガスが導入されるようになっている。さらに、底板４５の長手方向に沿う両側面には、それぞれ複数の取付片６５が形成されている。これら取付片６５には、厚さ方向に沿って雌ネジ孔６６が形成されている。
【００３３】
一方、天板４４は、底板４５と同形状に形成された平面視矩形状の板材であり、第２ユニット４１ｂの導出側開口部５１との間にガスケット６３を挟んだ状態で、第２ユニット４１ｂの導出側開口部５１を覆って配置されている。また、天板４４の長手方向他端側には、厚さ方向に沿って貫通するオフガス導出部６７が形成されている。このオフガス導出部６７は、その長手方向が底板４５の短手方向に一致するように形成された矩形状の長孔であり、加湿器１４内を流通したオフガスは、オフガス導出部６７を通って加湿器１４外に排出されるようになっている。なお、本実施形態では、オフガス導入部６４及びオフガス導出部６７が、枠体４６の高さ方向両端側で、かつ中空糸膜４８の延在方向両端側に配置されている。すなわち、オフガス導入部６４及びオフガス導出部６７は、加湿器１４内において、最も離間するように配置されている。なお、ガスケット６２，６３は、上述したガスケット６１と同様のものを用いることが可能である。また、オフガス導入部６４及びオフガス導出部６７は、長孔に限られず、丸孔や複数の孔により構成しても構わない。
【００３４】
また、天板４４の長手方向に沿う両側面には、それぞれ複数の取付片６９が形成されている。これら取付片６９は、底板４５の取付片６５と平面視で重なるように配置されており、厚さ方向に沿って貫通孔７０が形成されている。そして、各取付片６９の貫通孔７０には、それぞれボルト７１が挿通され、これらボルト７１が底板４５の取付片６５に形成された雌ネジ孔６６内に螺入されている。これにより、積層ユニット４３が、底板４５及び天板４４により挟持される。
【００３５】
また、加湿器１４は、各ユニット４１ａ，４１ｂのカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８が、それぞれまとめられて後述するマニホールド８１ａ，８１ｂに接続される。ここで、マニホールド８１ａ，８１ｂとカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８との間には、両者間の気密を保つためのシール材７４が介在している。シール材７４は、外形が積層ユニット４３、天板４４及び底板４５の外形と同等に形成された枠状部７５と、ポッティング部５４ａ，５４ｂの長手方向に沿って枠状部７５を区画するように形成された中間部７６とを備えている。枠状部７５は、その内周縁がカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８の端面において、最外周の中空糸膜４８を覆わないような幅で形成されている。この場合、枠状部７５によって側板５３とポッティング部５４ａ，５４ｂとの界面を覆うことは構わない。
【００３６】
一方、中間部７６は、各ユニット４１ａ，４１ｂ間の界面（隙間）を覆って配置されている。また、中間部７６は、その両周縁がカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８において、各中空糸膜４８を覆わないような幅で形成されている。
このように、シール材７４によって、加湿器１４とマニホールド８１ａ，８１ｂとの気密を維持することができる。この場合、中間部７６によって各ユニット４１ａ，４１ｂ間の界面を覆うことで、各ユニット４１ａ，４１ｂ間における気密性を確実に向上させることができるため、各ユニット４１ａ，４１ｂ間の隙間からカソードガスが側板５３側に流通して、加湿器１４外に流出することを防止できる。
【００３７】
図５は、加湿器及びその周辺の構造を説明するための概略構成図である。
図５に示すように、加湿器１４のカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８には、上述したカソードオフガス供給流路３１上に接続される一対のマニホールド（導入側マニホールド８１ａ及び導出側マニホールド８１ｂ）が接続されている。各マニホールド８１ａ，８１ｂは、加湿器１４から離間するにつれ内径が漸次縮小する漏斗状に形成されたものである。
【００３８】
そして、導入側マニホールド８１ａの広径側の開口部の端面が、加湿器１４の導入側の端面における外周部分にそれぞれシール材７４の枠状部７５を介して当接している。すなわち、導入側マニホールド８１ａの広径側の開口部が、各ユニット４１ａ，４１ｂのカソードガス導入部５７を集合させるように接続され、縮径側の開口部が上述したカソードオフガス供給流路３１の上流側に接続されている。
同様に、導出側マニホールド８１ｂの広径側の開口部の端面が、加湿器１４の導出側の端面における外周部分にそれぞれシール材７４の枠状部７５を介して当接している。すなわち、導出側マニホールド８１ｂの広径側の開口部が、各ユニット４１ａ，４１ｂのカソードガス導出部５８を集合させるように接続され、縮径側の開口部が上述したカソードオフガス供給流路３１の下流側に接続されている。
【００３９】
また、マニホールド８１ａ，８１ｂの広径側の開口部には、シール材７４の中間部７６に重なるようにガイド部８２が形成されている。このガイド部８２は、加湿器１４から離間するにつれ先細る断面視三角形状に形成されており、導入側マニホールド８１ａを流通するカソードガスを各ユニット４１ａ，４１ｂのカソードガス導入部５７に分散して案内するため、あるいはカソードガス導出部５８から排出されたカソードガスを導出側マニホールド８１ｂ内でスムーズに集合させるためのものである。なお、加湿器１４のオフガス導入部６４及びオフガス導出部６７は、カソードオフガス排出流路３４に接続されている。
【００４０】
（加湿器の組立方法）
次に、上述した加湿器１４の組立方法について説明する。
まず、図２に示すように、上述した各ユニット４１ａ，４１ｂをそれぞれ用意する。
次に、第１ユニット４１ａのハウジングの導出側開口部５１の端面と、第２ユニット４１ｂの導入側開口部５５の端面とをガスケット６１を間に挟んだ状態で、突き合わせて積層して積層ユニット４３を作成する。
【００４１】
次に、積層ユニット４３を天板４４及び底板４５により挟持して、積層ユニット４３を固定する。具体的に、第１ユニット４１ａと底板４５との間に、ガスケット６２を介在させた状態で、導入側開口部５５を覆うように底板４５を配置する。同様に、第２ユニット４１ｂと天板４４との間に、ガスケット６３を介在させた状態で、導出側開口部５１を覆うように天板４４を配置する。この時、底板４５のオフガス導入部６４と、天板４４のオフガス導出部６７とが、カソードガスの流通方向両端側で加湿器１４内において最も離間するように配置する。
【００４２】
そして、天板４４の各貫通孔７０からボルト７１を挿通し、底板４５の雌ネジ孔６６内に螺入する。これにより、天板４４及び底板４５が連結され、複数の加湿ユニット４１が天板４４及び底板４５に挟持された状態で固定される。その後、各ユニット４１のカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８の端面にシール材７４を配置する。
以上により本実施形態の加湿器１４が組み立てられる。
【００４３】
その後、加湿器１４の導入側及び導出側（各ユニット４１ａ，４１ｂのカソードガス導入部５７及びカソードガス導出部５８）を、それぞれマニホールド８１ａ，８１ｂを介してカソードガス供給流路３１に接続する一方、オフガス導入部６４及びオフガス導出部６７を、カソードガス排出流路３４に接続するようになっている。
【００４４】
（燃料電池システムの動作方法）  
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。
図１に示すように、まず燃料電池システム１を起動すると、エアポンプ３２からカソードガス供給流路２１を介してカソードガスが供給されるとともに、水素タンク１０からアノードガス供給流路２１を介してアノードガスが燃料電池１１に供給される。
【００４５】
そして、燃料電池１１内に供給されたカソードガスは、電解質膜のカソード電極に供給される一方、アノードガスは、電解質膜のアノード電極に供給される。その結果、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極でカソードガスと電気化学反応を起こして発電するようになっている。なお、カソード電極に供給されたカソードオフガス及びアノード電極に供給されたアノードガスは、カソードオフガス及びアノードオフガスとして希釈された後、車外へ排出される。
【００４６】
次に、加湿器１４内でのカソードガス及びカソードオフガスの流通経路について説明する。なお、図５において、実線矢印Ｆ１はカソードガスの流通方向を示し、破線矢印Ｆ２はカソードオフガスの流通方向を示している。
まず、図５に示すように、エアポンプ３２から圧送されてカソードガス供給流路２１を流通するカソードガスは、カソードガス供給流路３１の上流側から導入側マニホールド８１ａ内に流入する。導入側マニホールド８１ａ内に流入したカソードガスは、導入側マニホールド８１ａのガイド部８２に案内されて各ユニット４１ａ，４１ｂのカソードガス導入部５７に分岐され、カソードガス導入部５７のポッティング部５４ａに保持された多数の中空糸膜４８内に流入していく。そして、中空糸膜４８内を流通するカソードガスは、加湿器１４内で加湿された後、カソードガス導出部５８のポッティング部５４ｂに保持された多数の中空糸膜４８内から排出される。そして、中空糸膜４８（加湿器１４）から排出されたカソードガスは、導出側マニホールド８１ｂ内で集合され、導出側マニホールド８１ｂからカソードガス供給流路３１の下流側に向かって流通する。その後、上述したように燃料電池１１のカソード電極に供給され、発電に供されるようになっている。
【００４７】
一方、燃料電池１１から排出されてカソードオフガス排出流路３４を流通するカソードオフガスは、加湿器１４のオフガス導入部６４から加湿器１４内に供給される。そして、加湿器１４内を流通するカソードオフガスは、中空糸膜４８の外周面に倣って流通しながらオフガス導出部６７に向かう。この時、本実施形態の加湿器１４では、中空糸膜４８の内部にカソードガスが流通し、外部に凝縮水を含んだカソードオフガスが流通しているため、カソードオフガスが中空糸膜４８に接触することで、燃料電池１１で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池１１に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。
【００４８】
また、本実施形態では、オフガス導入部６４及びオフガス導出部６７が加湿器１４内で最も離間するように（カソードガスの流通方向両端側）配置されているため、カソードオフガスの流路長を拡大して、中空糸膜４８との接触時間を長くすることができるとともに、加湿器１４内全体にカソードオフガスを流通させやすくなる。また、オフガス導入部６４が中空糸膜４８の下流側（カソードガス導入部５７側）、オフガス導出部６７が中空糸膜４８の上流側（カソードガス導出部５８側）に配置されているため、カソードガスとカソードオフガスとが対向流となる。そのため、カソードガスとカソードオフガスとの互いの流通方向を並行流に設定した場合に比べて、加湿能力を向上させることができる。
【００４９】
ところで、上述したように加湿器内にカソードオフガスを導入する際、その圧力によって中空糸膜に撓み等が生じる虞がある。そして、中空糸膜に撓み等が生じることによって、ハウジング内において中空糸膜が存在しない空間が形成される。そして、この空間をカソードオフガスが通過して、中空糸膜をバイパスすることで、加湿能力の低下を招いてしまうという問題がある。
【００５０】
図６は、カソードオフガスの流通経路を説明するための加湿器の断面図である。
ここで、図６に示すように、本実施形態では、第１ユニット４１ａ及び第２ユニット４１ｂが積層されて１つの加湿器１４を構成しており、各ユニット４１ａ，４１ｂの導出側開口部５１を覆うようにガス透過性に優れた支持体５２が配置されている。すなわち、支持体５２は、各ユニット４１ａ，４１ｂ間を仕切るように配置されている。
そのため、カソードオフガスにより中空糸膜４８が押し上げられて大きく撓み変形した場合には、中空糸膜４８の外周面が支持体５２に接触する。すなわち、中空糸膜４８の撓み変形量を各加湿ユニット４１ａ，４１ｂ内の範囲内で規制することができる。その結果、加湿器１４内においてカソードオフガスがバイパスするような大きな空間が形成されるのを抑制し、カソードオフガス全体が各中空糸膜４８の外周面に倣って流通し易くなる。その結果、加湿能力の低下を抑制することができる。
【００５１】
このように、本実施形態では、複数の加湿ユニット４１の開口部同士を繋ぎ合わせて積層し、この積層した積層ユニット４３を天板４４及び底板４５で両側から挟持することで、１つの加湿器１４を作成する構成とした。
この構成によれば、加湿ユニット４１の積層枚数を調整することで、加湿器１４のサイズを容易に変更して、加湿器１４の加湿能力を調整することができる。すなわち、燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１等、パワープラントの出力に応じた加湿能力を有する加湿器１４を、加湿ユニット４１の積層枚数を調整するだけで容易に提供することができる。これにより、従来のようにパワープラントの出力に応じた加湿器のハウジング等をそれぞれ異なる金型等で作成する場合に比べて、製造コストの低下及び製造効率の向上を図った上で、パワープラントの出力に対して最適な加湿能力を有する加湿器１４を提供することができる。
【００５２】
また、各ユニット４１ａ，４１ｂを積層した場合には、単数の場合に比べて高い加湿能力を有する加湿器１４を提供することは勿論のこと、加湿器１４内の加湿ユニット４１ａ，４１ｂ間を仕切るよう上述した支持体５２がそれぞれ配置されることで、加湿器１４自体が大型化したとしても、各ユニット４１ａ，４１ｂ単位で中空糸膜４８の撓み変形を抑制することができる。そのため、加湿器１４の大型化に伴って、カソードオフガスがバイパスする空間が形成され易くなるのを防止できる。その結果、加湿能力の低下を抑制することができる。
【００５３】
なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、加湿ユニット４１を２段に積層する構成について説明したが、これに限らず、３段以上に積層しても構わない。
また、加湿ユニット４１を１段のみで使用しても構わない。具体的には、図７に示すように、加湿ユニット４１の導入側開口部５５を覆うように底板４５を、導出側開口部５１を覆うように天板４４をそれぞれガスケット６２，６３を介して配置し、天板４４及び底板４５をボルト７１により連結する。
【００５４】
また、天板４４と底板４５との連結方法は、適宜設計可能である。例えば、天板４４及び底板４５の取付片にそれぞれ貫通孔を形成し、これら取付片同士をボルト・ナットにより連結しても構わない。さらに、加湿ユニット４１、天板４４及び底板４５をまとめてバンド等により結束しても構わない。
【００５５】
さらに、第１ユニット４１ａ及び第２ユニット４１ｂの平面方向（高さ方向に直交する方向）における互いの位置決めを行うために、例えば側板５３等にインロー部９０を設ける構成としても構わない。具体的には、図８に示すように、側板５３の導出側開口部５１の端面に高さ方向に窪んだ凹部９１を形成し、導入側開口部５５の端面に高さ方向に突出する凸部９２を形成する。そして、第１ユニット４１ａの凹部９１内に第２ユニット４１ｂの凸部９２をインロー嵌合させることで、各ユニット４１ａ，４１ｂ間の位置決めを行うことができる。
【００５６】
また、ガスケット６１〜６３を加湿ユニット４１や天板４４、底板４５に接着固定しても構わない。
また、上述した実施形態では、加湿ユニット４１の積層方向を重力方向に一致させたが、これに限られない。
さらに、上述した実施形態では、天板４４にオフガス導出部６７を、底板４５にオフガス導入部６４を形成する場合について説明したが、天板４４にオフガス導入部６４を、底板４５にオフガス導入部６４を形成しても構わない。
【符号の説明】
【００５７】
１４…加湿器  ４１…加湿ユニット  ４４…天板（第１の蓋板）  ４５…底板（第２の蓋板）  ４６…枠体  ４８…中空糸膜  ４９…中空糸膜束  ５２…支持体（通気性多孔体）  ５３…側板  ５４ａ，５４ｂ…ポッティング部  ５１…導入側開口部（他方側の開口部）  ５５…導出側開口部（一方側の開口部）  ６１…ガスケット（シール層）  ７４…シール材（面シール）
【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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