(57)【要約】【課題】燃料電池の運転負荷変動によりガス流量が増減しても全負荷域で加湿性能を向上させることのできる燃料電池の加湿装置を提供する。【解決手段】複数本の中空糸膜１３を束ねてなる中空糸膜束４を筒状のケース５で収容する中空糸膜モジュール６を備え、中空糸膜１３の内部を通る第１流路に酸化剤ガスを流通し、ケースに形成されたガス導入孔７Ａから中空糸膜１３の膜外を通ってケースに形成されたガス排出孔７Ｂからケース外へと流通する第２流路に水分を含む排出ガスを流通し、乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であり、そして、中空糸膜の数だけ設けられた複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路に、前記酸化剤ガス（スイープガス）を選択的に流通させる流路制御弁１９を備える。【選択図】図４
2008041335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容した中空糸膜モジュールを備え、
前記中空糸膜の内部を通る第１流路に、乾燥した酸化剤ガスまたは燃料電池から排出される水分を含む排出ガスのいずれかを流通し、
前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス導入孔から前記中空糸膜の膜外を通って前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス排出孔から前記中空糸膜モジュール外へと流通する第２流路に、前記酸化剤ガスまたは前記排出ガスのいずれか他方を流通し、
前記酸化剤ガスを前記排出ガスに含まれる水分で加湿する燃料電池の加湿装置であって、
前記中空糸膜の数だけ設けられた複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路に前記ガスを選択的に流通させるガス流路切り換え手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
複数ある前記第１流路のそれぞれにほぼ均一に前記ガスを流通させるための空気層空間部を、前記中空糸膜モジュールのガス入口端及びガス出口端に設け、
前記空気層空間部に前記ガス流路切り換え手段を設けた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス流路切り換え手段は、前記中空糸膜モジュールのガス出口端の空気層空間部に設けられた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス流路切り換え手段は、前記中空糸膜モジュールのガス入口端の空気層空間部に設けられた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス流路切り換え手段は、前記中空糸膜束のうち前記中空糸膜の膜外を流通するガスが流れ難い部位と対応する位置に設けられた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス流路切り換え手段は、高負荷条件を除く条件の下で前記中空糸膜の膜外を流通するガスが流れ難い部位と対応する位置に設けられた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガスが流れ難い部位は、前記中空糸膜束の断面中央部である
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記酸化剤ガスの前記中空糸膜モジュールへの入口圧力を診断する入口圧力診断手段を備え、
前記入口圧力診断手段で診断した入口圧力に応じて、複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路の何れかを選択して前記ガスを流通させる
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記入口圧力に任意の圧力閾値を定め、その圧力閾値にてオン・オフするオンオフ制御手段を有し、
前記入口圧力が前記圧力閾値を超えた場合には、前記オンオフ制御手段をオンして前記全流路を選択し、
前記入口圧力が前記閾値未満である場合には、前記オンオフ制御手段をオフして前記一部の流路を選択する
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス流路切り換え手段は、機械式の流路制御弁である
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項７の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記燃料電池の負荷を診断する負荷診断手段を備え、
前記負荷診断手段で診断した負荷に応じて、複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路の何れかを選択して前記ガスを流通させる
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記燃料電池の負荷に任意の負荷閾値を定め、その負荷閾値にてオン・オフするオンオフ制御手段を有し、
前記負荷が前記負荷閾値を超えた場合には、前記オンオフ制御手段をオンして前記全流路を選択し、
前記負荷が前記負荷閾値未満である場合には、前記オンオフ制御手段をオフして前記一部の流路を選択する
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項７の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記酸化剤ガスの前記中空糸膜モジュールへの入口圧力を診断する入口圧力診断手段と、入口温度を診断する入口温度診断手段と、を備え、
前記入口圧力診断手段で診断した入口圧力または前記入口温度診断手段で診断した入口温度の何れかに応じて、複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路の何れかを選択して前記ガスを流通させる
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記入口圧力に任意の圧力閾値を定め、その圧力閾値にてオン・オフするオンオフ制御手段と、前記入口温度に任意の温度閾値を定め、その温度閾値にてオン・オンするオンオフ制御手段と、を有し、
前記入口圧力が前記圧力閾値を超えた場合または前記入口温度が前記温度閾値を超えた場合には、前記オンオフ制御手段をオンして前記全流路を選択し、
前記入口圧力が前記閾値未満である場合または前記入口温度が前記温度閾値未満である場合には、前記オンオフ制御手段をオフして前記一部の流路を選択する
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳細には、無加湿場（水交換が行われない部位）を無くし全負荷域で加湿性能を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿して当該燃料電池に供給する水透過型の加湿装置では、中空糸膜外側を流れるガスを中空糸膜束の内部まで流せるように、当該中空糸膜束の内部に環状ガイド部材を設け空隙を確保することによりガスを内部まで行き渡らせるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００３】
この加湿装置によれば、中空糸膜束の内部に環状ガイド部材によって空隙が形成されるので、中空糸膜外側を流れるガスがその空隙に流れるようになるため、加湿性能が向上する。
【特許文献１】特開２００５−３４７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の加湿装置では、ガスの流量が多い高流量である高負荷域では効果があるが、ガスの流量が少ない低流量である低負荷域ではガスが中空糸膜束の内部まで行き渡らずに加湿が行われない部位（無加湿場）が発生する。そのため、引用文献１に記載の加湿装置では、燃料電池の運転に応じた全負荷域（低負荷域から高負荷域）で加湿性能を向上させることができない。
【０００５】
また、特許文献１に記載の加湿装置では、中空糸膜束の内部に環状ガイド部材を設けることでガスの流れをよくするための空隙を形成しているが、その空隙を管理するのは困難であり、性能のバラツキやコスト増の問題も生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の運転負荷変動によりガス流量が増減しても全負荷域で加湿性能を向上させることのできる燃料電池の加湿装置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】
【０００７】
本発明は、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容した中空糸膜モジュールを備え、前記中空糸膜の内部を通る第１流路に、乾燥した酸化剤ガスまたは燃料電池から排出される水分を含む排出ガスのいずれかを流通し、前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス導入孔から前記中空糸膜の膜外を通って前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス排出孔から前記中空糸膜モジュール外へと流通する第２流路に、前記酸化剤ガスまたは前記排出ガスのいずれか他方を流通し、前記酸化剤ガスを前記排出ガスに含まれる水分で加湿する燃料電池の加湿装置であって、前記中空糸膜の数だけ設けられた複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路に前記ガスを選択的に流通させるガス流路切り換え手段を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数ある第１流路のうち全流路または一部の流路にガスを選択的に流通させるガス流路切り換え手段を備えているため、燃料電池が低負荷で運転された場合には中空糸膜束の内部に水分を含んだ排出ガスが流れ難いが、その排出ガスの流れ難い部位に対応する第１流路を除いた一部の流路に切り換えて、その流路に酸化剤ガスを流すことにより、酸化剤ガスを排出ガスが流れ難い部位に流す必要が無くなり、低負荷域における加湿性能を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明によれば、燃料電池が高負荷で運転された場合には、中空糸膜の外側を流れるガス流量が増え、ガスが中空糸膜束の全域に渡り流通することから、第１流路を全流路に切り換えることで、高負荷域における加湿性能を向上させることができる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、燃料電池の運転負荷変動によりガス流量が増減しても全負荷域で加湿性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
「第１実施形態」
図１は第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図、図２は図１に示す加湿装置の縦断面図、図３（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図３（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図、図４は図２に示す加湿装置のＡ−Ａ断面におけるガス分布図である。
【００１３】
本実施の形態の加湿装置１に接続される燃料電池２は、水素ガスが供給されるアノードと酸素を含有する空気（酸化剤ガス）が供給されるカソードとが電解質・電極触媒複合体（膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly））を挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造をなし、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。
【００１４】
アノードでは、供給される水素が、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。
【００１５】
燃料電池２の電解質には、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン伝導性の高分子膜からなり、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ことから、この燃料電池２においては水を供給して供給ガス（酸化剤ガス）を加湿することが必要となる。
【００１６】
燃料電池２は、加湿量が不十分だと、膜電極接合体の乾燥によりプロトン移動抵抗が大きくなり、抵抗分極が増大するため出力性能（発電効率）が悪くなる。本実施形態では、高負荷条件は勿論のこと、低負荷条件での加湿性能を向上させることを可能とする。
【００１７】
加湿装置１は、図１に示すように、一般的に燃料電池２のカソードから排出された水蒸気を豊富に含むオフガスである排出ガス（膨潤空気）と、空気導入部であるコンプレッサ３で加圧・昇温された供給ガス（乾燥した酸化剤ガス）との間で水蒸気を交換するためのものであり、本発明で使用する水透過型の加湿装置は、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール（中空糸膜束とそれを収容するケースのこと）を備えている。
【００１８】
以上のような構成の水透過膜型の加湿装置１では、例えば水分を含んだ湿潤空気が中空糸膜内に供給されると、中空糸膜内に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)及び分離し、中空糸膜の外側に供給される乾燥ガス（乾燥した酸化剤ガス）との水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の内側から外側へと透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の外側に供給された乾燥ガスと接触し気化することで加湿される。
【００１９】
水分の透過としては、湿潤空気を中空糸膜の内部に流し、乾燥ガスを中空糸膜の外側に流す場合と、その逆の場合どちらでも、水交換が行われる。以下の実施形態では、乾燥ガス（酸化剤ガス）を中空糸膜の内部に流し、湿潤空気（燃料電池から排出される水分を含んだ排出ガス）を中空糸膜の外側に流す例とする。
【００２０】
加湿装置１は、図１から図３に示すように、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束４と、この中空糸膜束４を内部に収容する筒状のケースである収容ケース５とからなる中空糸膜モジュール６と、収容ケース５の周面に形成されたガス導入孔７Ａへと排出ガスを導入させるガス導入パイプ８を有した第１のハウジング９と、収容ケース５の周面に同様に形成されたガス排出孔７Ｂを通してケース外へと排出ガスを排出させるガス排出パイプ１０を有した第２のハウジング１１とからなる。
【００２１】
中空糸膜束４は、長手方向に亘って貫通するスイープガスの流通路となる第１流路１２を内部に形成した断面円形状の細長いストロー形状をなす中空糸膜１３からなり、それら中空糸膜１３の複数本を束ねて円柱形状または楕円形状とされたものである。この中空糸膜１３の内部に形成された第１流路１２には、前記したコンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスが導入される。
【００２２】
収容ケース５は、ほぼ円柱状とされた中空糸膜束４を内部に収容する両端を開放した円筒形または楕円形をなす筒体として形成されている。中空糸膜束４と収容ケース５は、その長手方向の両端部にポッティング剤１４が塗布されることにより固定されている。ポッティング剤１４は、中空糸膜１３と収容ケース５との接合だけでなく、束ねられた中空糸膜１３同士を接合させてポッティング部１５を形成する。
【００２３】
収容ケース５には、ガス導入パイプ８から導入された排出ガスをその内部の中空糸膜束４の内部へと供給するためのガス導入孔７Ａが複数形成されている。ガス導入孔７Ａは、例えば矩形状の孔とされ、収容ケース５の周面に複数形成されている。ガス排出孔７Ｂは、中空糸膜束４の内部を流通した排出ガスをガス排出パイプ１０から中空糸膜モジュール外へと排出させるためのガス排出孔７Ｂが複数形成されている。なお、これらガス導入孔７Ａ及びガス排出孔７Ｂは、何れも収容ケース５の周方向全体に所定間隔を置いて形成されると共に、その長手方向の入口端と出口端の近傍部にそれぞれ形成されている。
【００２４】
前記中空糸膜束４とこれを収容する前記収容ケース５とからなる中空糸膜モジュール６においては、ガス導入孔７Ａからその収容ケース５の内部に収容された中空糸膜１３の膜外を通ってガス排出孔７Ｂからケース外へと流通するガス流路としての第２流路が形成される。
【００２５】
第１のハウジング９は、収容ケース５の中央部分から酸化剤ガスの流れ後方部分を覆うように当該収容ケース５の外周囲に配置される筒体として形成されている。この第１のハウジング９には、燃料電池２から排出された水分を含む排出ガス（湿潤空気）を収容ケース５に形成されたガス導入孔７Ａへと導入させるための円筒形状をなすガス導入パイプ８が設けられている。
【００２６】
第２のハウジング１１は、酸化剤ガスの流れ前方部分から収容ケース５の中央部分を覆うように当該収容ケース５の外周囲に配置される筒体として形成されている。この第２のハウジング１１には、中空糸膜束４の内部を流れた排出ガスをケース外へと排出させるためのガス排出パイプ１０が設けられている。
【００２７】
これら第１及び第２のハウジング９，１１と収容ケース５との間には、ガスを流通させるための空隙部が形成されているが、ガス導入パイプ８から導入された排出ガスが中空糸膜束４の内部を通らずにそのままガス排出パイプ１０から排出しないようにするためのシール部材１６が設けられている。かかるシール部材１６は、前記空隙部に設けられ、ガス導入孔７Ａとガス排出孔７Ｂとの間に配置されている。このシール部材１６が設けられることで、ガス導入パイプ８から導入された水分を含む排出ガスは、中空糸膜束４の内部を通ることなく直接ガス排出パイプ１０から加湿器外部へと排出されることが防止される。
【００２８】
このように構成された加湿装置１では、コンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の各中空糸膜１３に形成された第１流路１２をそれぞれ流れる。この一方、燃料電池２のカソードから排出された水分を含む排出ガス（膨潤空気）は、第１のハウジング９に設けられたガス導入パイプ８内に導入される。ガス導入パイプ８に導入された排出ガスは、収容ケース５に形成された各ガス導入孔７Ａから中空糸膜束４へと供給される。
【００２９】
中空糸膜束４に供給された排出ガスは、当該中空糸膜束４の外側からその内部へと流れた後、同じく収容ケース５に形成された各ガス排出孔７Ｂから排出され、最終的に第２のハウジング１１に設けられたガス排出パイプ１０よりケース外へと排出される。この水分を含む排出ガスが中空糸膜束４の内部を流れると、各中空糸膜１３内に形成された毛管（第１流路１２）内に水分が凝縮（毛細管凝縮）、分離し、乾燥した酸化剤ガスとの水蒸気分圧差により、当該水分が中空糸膜１３の外側から内側へ透過する。この透過した水分が乾燥した酸化剤ガスと接触、気化することで、各中空糸膜１３の内部を流れる酸化剤ガスが加湿される。加湿された酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の排出側より燃料電池２に供給される。
【００３０】
なお、上記した第１実施形態では、中空糸膜１３の内部（第１流路１２）に乾燥した酸化剤ガスを流し、中空糸膜１３の外側に水分を含んだ排出ガスを流したが、これとは逆に、中空糸膜１３の内部に燃料電池２から排出された水分を含んだ排出ガスを流し、中空糸膜１３の外側に乾燥した酸化剤ガスを流すようにしてもよい。
【００３１】
そして特に、本実施形態の加湿装置では、第１流路１２を流れるスイープガスの膜内の流れを均一にするために、中空糸膜モジュール６のガス入口端とガス出口端にそれぞれ空気層空間部１７を形成している。空気層空間部１７は、空間部形成部材１８を、前記中空糸膜モジュール６の両端部に配置させることで形成される。ガス入口端側に形成された空気層空間部１７は、中空糸膜モジュール６のガス入口端へと向かって次第にその開口面積を増大させ、ガス出口端側に形成された空気層空間部１７は、逆に中空糸膜モジュール６のガス出口端から離れる方向に向かって次第にその開口面積を縮小させるようになっている。
【００３２】
さらに、本実施形態の加湿装置では、燃料電池２の運転負荷変動によりガス流量が増減しても全負荷域で加湿性能を向上させるべく、ガス流路切り換え手段である流路制御弁１９を設けている。流路制御弁１９としては、例えば機械式の流路制御弁やリリーフバルブ或いは電磁弁などが使用される。
【００３３】
かかる流路制御弁１９は、中空糸膜１３の数だけ設けられた複数ある第１流路１２のうち全流路または一部の流路にスイープガスを選択的に流通させる流路切り換えを行うもので、前記した空気層空間部１７に設けられる。この流路制御弁１９は、中空糸膜モジュール６のガス入口端またはガス出口端の何れか一方に設ければよいが、ガス入口側の空気層空間部１７を大きくしてスイープガスの膜内へのガス流れを均一なものとする必要があることからガス出口端側の空気層空間部１７に設けることが好ましい。
【００３４】
また、流路制御弁１９は、中空糸膜束４のうち中空糸膜１３の膜外を流通する排出ガスが流れ難い部位と対応する位置に設けられる。前記排出ガスが流れ難い部位は、前記中空糸膜束４の断面中央部である。
【００３５】
この種の加湿装置では、加湿性能を向上させる手段として、中空糸膜１３を薄肉厚化により膜断面を大きくすることや充填率、最適なモジュールサイズ（アスペクト比）を選定することで、モジュール内部構造を工夫することなく加湿性能を向上させることが可能となる。しかしながら、これはあくまで高負荷域を考慮した設計であり、低負荷域では、中空糸膜１３の膜外を流れる排出ガスは中空糸膜束４の内部まで行き渡らず外周付近のみ流れる。
【００３６】
これは、低負荷条件では、高負荷条件に対して圧力及び流量が小さいため、排出ガスが中空糸膜束４の内部まで流れない。通常、高負荷条件のガス流量及び圧力に合わせて中空糸膜モジュール６を設計しているため、高負荷条件以外では排出ガスの流れない無加湿場（図２に示す加湿装置のＡ−Ａ断面におけるガス分布図である図４（Ａ）の中心部に斜線を引いた部位）が中空糸膜束４の断面中央部に発生する。一方、中空糸膜１３の第１流路１２を流れるスイープガスは、空気層空間部１７を設けることで低負荷域から高負荷域に渡ってほぼ全ての中空糸膜１３の第１流路１２内を流れることから、前記した中空糸膜束４の断面中央部に生じた排出ガスが流れない部位までスイープガスが流れる。そのため、中空糸膜束４の排出ガスが流れない部位では、スイープガスが加湿されることなくそのままガス出口端に流出することから加湿効率が低下する。
【００３７】
そこで本実施形態では、高負荷条件以外の低負荷時には、排出ガスが流れ難い部位と対応する中空糸膜１３以外の第１流路（一部の流路）にのみスイープガスを流通させるようにする。流路制御弁にリリーフバルブを使用した場合には、低負荷域では運転圧力が低いため、リリーフバルブが開かず、中空糸膜１３の内部を流れるスイープガスは中空糸膜束４の外周部分に集中して流れる。中空糸膜１３の膜外を流れる排出ガスは、運転圧力が低い場合には低流量であるために中空糸膜束４の内部まで流れないが、上記構成により加湿場を集中して流せることから加湿効率を高めることができる。なお、ガス流量が少ない領域であるため、圧損の跳ね返りはほとんどない。
【００３８】
高負荷域では、運転圧力が高いため、リリーフバルブが開放され、ほぼ全ての中空糸膜１３の第１流路１２にスイープガスが流れる（図４（Ｂ）の中心にもスイープガスが流れる）。一方、中空糸膜１３の膜外を流れる排出ガスは、ガス流量及び圧力が高いため、中空糸膜束４の内部にまで流れることから無加湿場が生じることがなく加湿効率を高めることができる。
【００３９】
以上のように構成された本実施形態の加湿装置によれば、中空糸膜１３の数だけ設けられた複数ある第１流路１２のうち全流路または一部の流路にガス（スイープガス）を選択的に流通させるガス流路切り換え手段を設けたので、排出ガス（オフガス）が中空糸膜束４の内部に流れ難い（流れない）部位に前記スイープガスを流さない制御が可能となるため低負荷域での加湿性能を向上させることができる。つまり、これまで排出ガスが流れない中空糸膜束４の内部（無加湿場）と対応する中空糸膜１３の第１流路１２にも無駄なスイープガスが流れていたが、その無駄なスイープガスを無加湿場に流す必要がなくなることから加湿性能の効率を上げられる。一方、高負荷域では、中空糸膜１３の外側を流れる排出ガスのガス流量が増え、排出ガスが中空糸膜束４の全域に渡り流通することから、第１流路１２を全流路に切り換えることで、高負荷域における加湿性能も向上する。したがって、本発明によれば、燃料電池２の運転負荷変動によりガス流量が増減しても全負荷域で加湿性能を向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態の加湿装置によれば、ガス流路切り換え手段（流路制御弁１９）を空気層空間部１７に設けたので、加湿器外部に設けた場合に比べて、通常仕様のスペース（これまでの加湿装置の大きさの意）で制御可能となり加湿性能を向上させることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態の加湿装置によれば、ガス流路切り換え手段を中空糸膜モジュール６のガス出口端に設けられた空気層空間部１７に設けたので、スイープガス流れに影響を与えず、且つガス流路切り換え手段が加湿器内にあるため通常スペースで加湿性能の向上が図れる。
【００４２】
また、本実施形態の加湿装置によれば、ガス流路切り換え手段を中空糸膜モジュール６のガス入口端に設けられた空気層空間部１７に設けたので、ガス流路切り換え手段が加湿器内にあるため通常スペースで加湿性能の向上が図れると共に、切り替えが不要の場合は中空糸膜１３内にガスを流さずに済むため膜疲労の低減につながる。
【００４３】
また、本実施形態の加湿装置によれば、ガス流路切り換え手段を中空糸膜束４のうち中空糸膜１３の膜外を流通するガスが流れ難い部位と対応する位置に設けたので、第２流路を流れるガスが中空糸膜束４の内部に流れ難い（流れない）部位にスイープガスを流さない制御が可能となることから無加湿場を無くすことができ、加湿性能の向上が図れる。
【００４４】
また、本実施形態の加湿装置によれば、ガス流路切り換え手段を、高負荷条件を除く条件の下で前記中空糸膜１３の膜外を流通するガスが流れ難い部位と対応する位置に設けたので、そのガスが流れ難い部位にスイープガスを流さない制御が可能となるので無加湿場を無くすことができ、加湿性能の向上を図ることができる。通常、加湿器は、高負荷条件にてオフガスが膜全体に流れるように設計するため、高負荷条件以外の条件では、必ずオフガスがいきわたらない箇所が発生し無加湿場が発生する。しかし、本実施形態では、高負荷条件を除く条件でも無加湿場を無くすことができる。
【００４５】
また、本実施形態の加湿装置によれば、第２流路を流れるガスが流れ難い部位は、中空糸膜束４の断面中央部であるので、前記ガスが流れ難い部位にスイープガスを流さない制御が可能となり無加湿場を無くすことができ、加湿性能の向上を図ることができる。
【００４６】
また、本実施形態の加湿装置によれば、ガス流路切り換え手段を機械式の流路制御弁１９としたので、弁を設けるだけで制御が可能となり、余計な部品および装置システムを複雑にすることなく、加湿性能を向上できる。
【００４７】
「第２実施形態」
第１実施形態では、燃料電池２の運転負荷により流路制御弁１９であるリリーフバルブを動作させて流路を全流路か一部の流路に切り換えるようにしたが、スイープガス（酸化剤ガス）の中空糸膜モジュール６への入口圧力に応じて流路を切り換えるようにしてもよい。
【００４８】
具体的には、図５に示すように、酸化剤ガスの中空糸膜モジュール６への入口圧力を診断する入口圧力診断手段である圧力センサー２０をガス入口側の空気層空間部１７に設け、該圧力センサー２０で検出した入口圧力に任意の圧力閾値を定め、その圧力閾値にてオン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）するオンオフ制御手段であるオンオフ制御部２１にて前記流路制御弁１９を制御する。
【００４９】
流路制御弁１９の制御は、圧力センサー２０で検出した入口圧力が圧力閾値を超えた場合には、オンオフ制御部２１をオンして弁を開くことで全流路を選択し、入口圧力が圧力閾値未満である場合には、オンオフ制御部２１をオフして弁を閉じることで前記一部の流路を選択する。
【００５０】
圧力閾値は、燃料電池２を搭載した車両がアイドル状態から動き始める際、ガス圧力が上昇する境目の圧力としている。図６にその圧力閾値を切り換え圧力点として示す。アイドル状態では、ガス流量が少ない領域であるのでオン・オフの切り換えを行ってもガス圧変動がほとんどない。そのため、加湿器下流にある燃料電池２のスタック調圧性能に影響を与えることはない。
【００５１】
前記した制御を行った場合の効果を図７に示す。なお、図７中右下がりの特性線が水回収率（ＷＲＲ）、右上がりの特性線が圧損（圧力損失）を表している。この図７の特性図から判るように、低流量域にて加湿性能が向上していることが判り、オン・オフ切り換えによる圧力損失の影響もほとんどないことが判る。
【００５２】
第２実施形態の加湿装置によれば、入口圧力診断手段（圧力センサー２０）で診断した中空糸膜モジュール６への入口圧力に応じて複数ある第１流路１２のうち全流路または一部の流路の何れかを選択してスイープガスを流通させているので、低負荷時には一部の流路にスイープガスを流し、高負荷時には全流路にスイープガスを流すことができるから全負荷域において加湿性能を向上させることができる。
【００５３】
また、本実施形態の加湿装置によれば、入口圧力に任意の圧力閾値を定め、その入口圧力が前記圧力閾値を超えた場合にはオンオフ制御部２１でオンして全流路を選択し、入口圧力が前記圧力閾値未満である場合にはオンオフ制御部２１でオフして一部の流路を選択するようにしたので、オンオフ制御部２１で流路を選択的に切り換えることのみで、第２流路を流れるガスが中空糸膜束４の内部に流れ難い（流れない）部位にスイープガスを流さない制御が可能となり、加湿性能を向上させることができる。
【００５４】
「第３実施形態」
第３実施形態は、図８に示すように、燃料電池２の負荷を診断する負荷診断手段である負荷診断部２１を設け、この負荷診断部２２で診断した負荷に応じて流路制御弁１９を動作させて流路を全流路か一部の流路に切り換えるようにした例である。
【００５５】
前記負荷診断部２２で診断する燃料電池２の負荷には、任意の負荷閾値を定め、その負荷閾値を基準として前記したオンオフ制御部２１で流路制御弁１９を制御する。なお、負荷閾値は、燃料電池２の低負荷域から圧力が上昇する中負荷域での境目における圧力とする。
【００５６】
この第３実施形態の加湿装置では、負荷診断部２２で診断した負荷が前記負荷閾値を超えた場合には、オンオフ制御部２１をオンして弁を開くことで全流路を選択してスイープガスを流し、前記負荷診断部２２で診断した負荷が前記負荷閾値未満である場合には、オンオフ制御部２１をオフして弁を閉じることで一部の流路を選択してスイープガスを流すようにする。
【００５７】
本実施形態の加湿装置によれば、負荷診断部２２で診断した負荷に応じて全流路または一部の流路の何れかを選択してスイープガスを流通させるので、低負荷時には一部の流路にスイープガスを流し、高負荷時には全流路にスイープガスを流すことができるから全負荷域において加湿性能を向上させることができる。
【００５８】
また、本実施形態の加湿装置によれば、燃料電池２の負荷に任意の負荷閾値を定め、燃料電池の負荷が前記負荷閾値を超えた場合にはオンオフ制御部２１をオンして全流路を選択し、燃料電池の負荷が前記負荷閾値未満である場合にはオンオフ制御部２１でオフして一部の流路を選択するようにしたので、オンオフ制御部２１で流路を選択的に切り換えることのみで、第２流路を流れるガスが中空糸膜束４の内部に流れ難い（流れない）部位にスイープガスを流さない制御が可能となり、加湿性能を向上させることができる。
【００５９】
「第４実施形態」
第４実施形態は、図９に示すように、スイープガスの中空糸膜束４への入口圧力を診断する入口圧力診断手段である圧力センサー２０と、スイープガスの中空糸膜束４への入口温度を診断する入口温度診断手段であるサーミスタ２３とを、ガス入口端側の空気層空間部１７に設け、圧力センサー２０で診断した入口圧力またはサーミスタ２３で診断した入口温度の何れかに応じて、前記流路制御弁１９を動作させて流路を全流路か一部の流路に切り換えるようにした例である。
【００６０】
入口圧力には、任意の圧力閾値を定め、その圧力閾値にてオン・オフするオンオフ制御部２１で前記流路制御弁１９を制御する。一方、入口温度にも任意の温度閾値を定め、その温度閾値にて前記オンオフ制御部２１で前記流路制御弁１９を制御する。
【００６１】
具体的には、入口圧力が前記圧力閾値を超えた場合または入口温度が前記温度閾値を超えた場合には、オンオフ制御部２１をオンして弁を開いて全流路を選択してスイープガスを流し、入口圧力が前記圧力閾値未満である場合または入口温度が前記温度閾値未満である場合には、オンオフ制御部２１をオフして弁を閉じて一部の流路を選択してスイープガスを流すようにする。
【００６２】
本実施形態の加湿装置によれば、圧力センサー２０で診断した入口圧力またはサーミスタ２３で診断した入口温度の何れかに応じて全流路または一部の流路の何れかを選択してスイープガスを流通させるので、低負荷時には一部の流路にスイープガスを流し、高負荷時には全流路にスイープガスを流すことができるから全負荷域において加湿性能を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施形態の加湿装置によれば、入口圧力に任意の圧力閾値を定め、または入口温度に任意の温度閾値を定め、入口圧力が前記圧力閾値を超えた場合または入口温度が前記温度閾値を超えた場合にはオンオフ制御部２１をオンして全流路を選択し、入口圧力が前記圧力閾値未満である場合または入口温度が前記温度閾値未満である場合にはオンオフ制御部２１をオフして一部の流路を選択するようにしたので、オンオフ制御部２１で流路を選択的に切り換えることのみで、第２流路を流れるガスが中空糸膜束４の内部に流れ難い（流れない）部位にスイープガスを流さない制御が可能となり、加湿性能を向上させることができる。
【００６４】
「その他の実施形態」
前記した実施形態では、中空糸膜モジュール６への入口圧力または入口温度を診断してそれぞれ任意に決めた閾値を基準にしてオンオフ制御部２１にて流路を選択するようにしたが、ガス流量で診断するようにしてもよい。この他、燃料電池（燃料電池スタック）２から排出されるガスの水分量や燃料電池２から排出されるガスの相対湿度を診断条件としてもよい。さらには、車速を診断条件とすることもできる。車速の場合は、閾値を０ｋｍの時、若しくは歩くスピード以下の時とする。
【００６５】
なお、前記した何れの実施の形態では、空気層空間部１７の内部に流路制御弁１９を設けたが、多少装置が大きくなるが、この流路制御弁１９を空気層空間部１７ではなく加湿器の上流側に配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す加湿装置の縦断面図である。
【図３】図３（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図３（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図である。
【図４】図２に示す加湿装置のＡ−Ａ断面におけるガス分布図である。
【図５】第２実施形態における加湿装置の縦断面図である。
【図６】体積流量に対する水回収率と運転圧力との関係を示す特性図である。
【図７】体積流量に対する水回収率と圧損との関係を示す特性図である。
【図８】第３実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図９】第４実施形態における加湿装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…加湿装置
２…燃料電池
３…コンプレッサ
４…中空糸膜束
５…収容ケース
６…中空糸膜モジュール
７Ａ…ガス導入孔
７Ｂ…ガス排出孔
８…ガス導入パイプ
９…第１のハウジング
１０…ガス排出パイプ
１１…第２のハウジング
１２…第１流路（中空糸膜内部の流路）
１３…中空糸膜
１５…ポッティング部
１７…空気層空間部
１９…流路制御弁（ガス流路切り換え手段）
２０…圧力センサー（入口圧力診断手段）
２１…オンオフ制御部（オンオフ制御手段）
２２…負荷診断部（負荷診断手段）
２３…サーミスタ（入口温度診断手段）
【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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