(57)【要約】  【課題】燃料電池システムの低電力量時においても低湿潤ガスの加湿器内での偏流を防止し、低湿潤ガスが十分な加湿量を得ることにより、スタックの発電性能、耐久性を高めた燃料電池システムを提供する。  【解決手段】中空糸膜加湿器７１の長手方向の両端には低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの中心部に流路閉塞部材８１を設けたことにより、高湿潤ガスの偏流に対し、低湿潤ガスの流路を規制できるので、常に安定した十分な加湿量を得ることによりスタックの発電性能、耐久性を高めることを可能とした。【選択図】図２
2008041537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置とを備え、前記酸化剤ガス加湿装置は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容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置とを備え、前記燃料ガス加湿装置は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容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記流路閉塞部材は、中空糸膜束を貫通する芯材により構成された請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記中空糸膜束の前記流入面と流出面のいずれかの面に設けた流路閉塞部材は、前記高湿潤ガスの上流側よりも下流側をより閉塞して構成した請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器を備えた燃料電池システムに関し、更に詳しくは、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収し、加湿量を得ることができる加湿器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、発電と発熱を行う。そして、燃料電池により発生した熱は、冷却水を循環させることにより搬送され、燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持し、更に、冷却水の熱を給湯器等で利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【０００３】
また、燃料電池システムでは、必要な電力量に応じて、発電量を変化させるために、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量、冷却水流量等を調整して運転状態を変化させることができる。
【０００４】
さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、高湿潤状態である必要があり、乾燥状態または湿潤不足の状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下し、また耐久性が劣化するため、燃料ガスまたは酸化剤ガスを、加湿手段により低湿潤状態から高湿潤状態に加湿して、燃料電池に供給することを行っている。
【０００５】
燃料ガスまたは酸化剤ガスを利用した低湿潤ガスの加湿装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。
【０００６】
図９は加湿装置２１ａの内部に設けられた中空糸膜加湿器７１を示し、中空糸膜加湿器７１は、円筒状のハウジング７２と、このハウジング７２内に収容される中空糸膜束と、該中空糸膜束の中心部分に含んで構成される。ハウジング７２の周壁には、その両端部近傍に位置する複数の開口部がそれぞれ設けられている。符号７４で示す開口部は高湿潤ガス流入口であり、符号７５で示す開口部は高湿潤ガス流出口である。また、符号７６で示すハウジング７２の一端部は低湿潤ガス流入口であり、符号７７で示すハウジング７２の他端部は低湿潤ガス流出口である。
【０００７】
一方、ハウジング７２に収納される中空糸膜束は、図１０に示す中空通路８０ａを有する中空糸膜８０を、数千本束ねることによって構成されたものであり、ハウジング７２の両端面（円周方向の開口部よりも端側）に中空糸膜８０の中空通路８０ａを確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束をハウジング７２に接着してある部分をポッティング部７８、７９と称すが、このポッティング部７８、７９により中空糸膜束７３の内側である中空通路８０ａを流通する低湿潤状態のガスと中空糸膜８０の外側を流通する高湿潤ガスとが混合しないようになっている。
【０００８】
そして、加湿器２１ａは、上述の如く構成された中空糸膜加湿器７１を図９に示す如く円筒状のケース２１０内に組込むことによって構成されている。
【０００９】
すなわち、中空糸膜加湿器７１の外周の両端部及び中間部には、それぞれシールリング（以下、Ｏリングと称す）２１１、２１２、２１３が設けられ、このＯリング２１１、２１２、２１３によってケース２１０内へ組込んだ際に、ケース２１０の内部に空気経路３０１ａと排出空気経路３６１ｂを区画形成している。
【００１０】
かかる構成とすることにより、空気供給装置２０からの空気は、空気フィルタ３２、主幹空気経路３０をそれぞれ流れ、空気経路３０ａからケース２１０内へ流入する。そして、ケース２１０内の前段に位置する空気経路３０１ａに開口した低湿潤ガス流入口７６から中空糸膜加湿器７１を構成する多数の中空糸膜８０の中空通路８０ａを通り、低湿潤ガス流出口７７から後段に位置する空気経路３０１ａを経て空気経路３０ａと流れる。この流れを低湿潤ガスの流れとして白色矢印で示す。
【００１１】
一方、燃料電池から主幹排出空気経路を通り、空気流入経路３６ａからケース２１０内へ流入した高湿度の空気は、Ｏリング２１２によって区画された前段の排出空気経路３６１ａから中空糸膜加湿器７１の高湿潤ガス流入口７４を通り、前記密集する中空糸膜８０の外表面で形成された隙間を通って後段の排出空気経路３６１ｂへ流入し、ここから空気排出経路３６ｂを経て排出主幹空気経路へ流れる。この流れを高湿潤ガスの流れとして黒色矢印で示す。
【００１２】
前記低湿潤ガスと高湿潤ガスの温湿交換は、加湿器２１ａ内における双方の流れによって行われる。すなわち、加湿器２１ａの中空糸膜加湿器７１内において、高温、高湿度の高湿潤ガスは、中空糸膜８０の膜組織を介して低温、低湿度の低湿潤ガスと熱交換を行い、同時に前記膜組織を透過して水分が低湿潤ガスへ移動する。
【００１３】
その結果、燃料電池へ供給される空気（低湿潤ガス）は、温度、湿度共に高められた状態となり、燃料電池の電解質膜の劣化を抑制する酸化剤ガスとなる。
【特許文献１】特開２００２−２８９２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、このような構成と作用を有する加湿器を使用して、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収して燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給しようとすると、中空糸膜束の充填率が一定以上（４０％以上）無ければ膜が前記ケースの中で垂れ下がり、膜が折れてしまうため、前記中空糸膜同士の隙間は非常に小さい。よって前記高湿潤ガスは前記中空糸膜束の長手方向に対し垂直方向に流入するが、特に低発電時に高湿潤ガスが低流量で流通する場合は、前記中空糸膜の抵抗が大きいため、前記中空糸膜の外側の隙間を垂直方向に均一に通過できず、前記中空糸膜束の外表面部と高湿潤ガスの上流側部の前記中空糸膜の隙間に集中して流通していた。
【００１５】
燃料電池の運転状態は、電力負荷等を考慮して設定された所定のプログラムによって発電量を設定している。また燃料電池の発電量は、電極面積、電流密度、段数が一定のとき、酸化剤ガス（たとえば空気）と燃料ガス（水素）の流量によって決まるので、低発電量の設定時は高発電量の設定時に比べて前記酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれの流量は少ないものとなる。
【００１６】
中空糸膜において、燃料電池から排出された高湿潤ガスが供給ガスの水分が膜の外側から中空糸膜の内側の低湿潤ガスに回収されるが、この時中空糸膜の内側は外側に比べて温度が低いため、中空糸膜の内側に水が凝縮する。この時中空糸膜の内側に凝縮した水は、空気供給装置により圧送されて排出されるが、特に低発電時の低流量時には中空糸膜の内側に凝縮した水を排出しきれずに内側に凝縮水が滞留し易くなり、いわゆるフラッディング現象が発生し凝縮水が滞留して中空糸膜の内側を低湿潤ガスが流通できなくなる。そして低湿潤ガスは中空糸膜束のフラッディング現象の発生している中空糸膜の内部を避けて偏流し、フラッディングの比較的少ない他の中空糸膜の膜内の高湿潤ガスとあまり接触していない中空糸膜束の縦断面中央部を選択的に流通する。つまり、中空糸膜束を流通した低湿潤ガスは高湿潤ガスと十分に水分を回収できないため、低湿潤ガスが所定の加湿量を得ることができなくなる。これは、水分が不足気味の供給ガスが燃料電池の電解質膜と反応することになり、電解質膜の劣化を促進することとなって好ましくない。
【００１７】
つまり、中空糸膜束は前記高湿潤ガスから外周表面部の膜で水分を回収するが、中央部の膜はほとんど水分を回収することがなく、逆に中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈するため、燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給できないという課題を有していた。
【００１８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の低発電時においても低湿潤ガスの加湿器内での偏流を防止し、中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記従来の燃料電池が低発電時に十分な加湿量が確保できなくなることに関する課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置とを備え、前記酸化剤ガス加湿装置は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容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとする。
【００２０】
また、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置とを備え、前記燃料ガス加湿装置は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容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとする。
【００２１】
この構成により、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量が少ない燃料電池の低発電時においても、中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保できる中空糸膜束と高湿潤ガスとの接触面積を保つことができるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、供給ガスの低湿潤ガスが十分な水分を回収することができ、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量の供給ガスを燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
請求項１に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置とを備え、前記酸化剤ガス加湿装置は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容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとしたものである。
【００２４】
かかる構成によれば、高湿潤ガスの偏流により流通しない流路部は、閉塞部材により低湿潤ガスが流通しないため、燃料電池の低発電時においても中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する酸化剤ガスの低湿潤ガスの加湿量を十分に確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置とを備え、前記燃料ガス加湿装置は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容するケースを有し、前記中空糸膜束の両端には前記低湿潤ガスの流入面および流出面が形成され、前記流入面と流出面のいずれかの面に前記低湿潤ガスの流路を閉塞する流路閉塞部材を設けるとともに、前記ケースの内部であって前記中空糸膜の外側に前記燃料電池から排出された高湿潤ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する低湿潤ガスを流通させることにより、前記高湿潤ガス中の水分を前記低湿潤ガスに移行させて低湿潤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムとしたものである。
【００２６】
かかる構成によれば、高湿潤ガスの偏流により流通しない流路部は、閉塞部材により低湿潤ガスが流通しないため、燃料電池の低発電時においても中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスの低湿潤ガスの加湿量を十分に確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、前記流路閉塞部材は、中空糸膜束を貫通する芯材により構成された請求項１または２に記載の発明の燃料電池システムとしたものである。
【００２８】
かかる構成によれば、供給ガスの低湿潤ガスが水分を回収しない不要な膜を使用しないので、膜のコストを削減することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記中空糸膜束の前記流入面と流出面のいずれかの面に設けた流路閉塞部材は、前記高湿潤ガスの上流側よりも下流側をより閉塞して構成したものである。
【００３０】
かかる構成によれば、高湿潤ガスの偏流により流通しない流路部は、閉塞部材により低湿潤ガスが流通せず、高湿潤ガスの流通部にのみ流通するため、燃料電池の低発電時においても中空糸膜束中央部の膜内を流通した低湿潤ガスが回収した水分を乾燥希釈することなく、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は本発明による実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図、図２は同実施の形態１における中空糸膜加湿器を示す構成図、図３は図２の中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図、図４は同中空糸膜加湿器に用いる中空糸膜の構成図、図５は同中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の縦断面図、図６は同中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の他の構成を示した縦断面図である。
【００３３】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置２０と、酸化剤ガス加湿装置である空気加湿装置２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿装置２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として構成されている。
【００３４】
空気供給装置２０からの酸化剤ガス（本発明の実施の形態では空気）は、空気フィルタ３２で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０を通って酸化剤ガス加湿装置である空気加湿装置２１に供給される。空気加湿装置２１に供給された空気は、燃料電池１９の発電量に応じて第１の空気経路３０を通った空気加湿装置２１よって加湿され、空気加湿装置２１を通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３１を通って燃料電池１９のカソード電極に供給される。
【００３５】
燃料電池１９に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路３６を介して、加湿装置２１に供給され、供給された該排出空気に含まれる水分と熱を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気の加湿および加熱が行われる。そして加湿装置２１を経た排出空気は、排出空気経路３７を通じて排出される。
【００３６】
ここで、酸化剤ガスとして空気を例にして説明しているが、酸素を含むガスであれば酸化剤ガスとして使用可能である。
【００３７】
一方、燃料処理装置２４には、燃料供給装置２３から燃料経路３３を介して、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等またはアルコール等の原料ガスが供給される。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、都市ガスを原料ガスとして用いた場合について説明する。
【００３８】
また、燃料処理装置２４は、具体的には、いずれも図示しないが、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が設けられた一般的に知られている構成であり、燃料処理装置２４では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチな燃料ガスが生成される。該水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス経路３４を介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、加湿される。
【００３９】
さらに、燃料ガス加湿装置２５は、空気加湿装置２１と同様の加熱および加湿動作を行う加湿装置であり、その構成も空気加湿装置２１と同様の構成となっている。
【００４０】
そして、燃料ガス加湿装置２５で加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１９の燃料ガスとして、燃料ガス経路３５を通じて燃料電池１９のアノード電極側に供給される。燃料電池１９では、カソード電極側に供給された空気と、アノード電極側に供給された燃料ガスとが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。
【００４１】
また、燃料電池１９に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガスは、排燃料ガス経路３８ａを介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、燃料ガス加湿装置２５内において燃料電池１９に供給される前の燃料ガスの加熱および加湿に利用された後、排燃料ガス経路３８ｂを介して燃料処理装置２４の燃焼部に供給され、ここで原料を燃料ガスに改質する燃料処理装置２４の加熱に利用される。
【００４２】
また、燃料電池１９で発生した熱を除去するために、冷却水タンク２７の冷却水が、冷却水ポンプ２８により冷却水経路３９を介して燃料電池１９に供給される。
【００４３】
そして、燃料電池１９内で加熱された冷却水は、冷却水経路４１を介して熱交換器２６に供給される。熱交換器２６では、貯湯タンク２９に貯めた水が貯湯水ポンプ４２によって貯湯水循環経路４３を介して供給されているため、この熱交換器２６での熱交換により冷却水は冷却され、逆に貯湯タンク２９からの水は加熱され、この繰り返しによって貯湯タンク２９内には温水が蓄えられる。
【００４４】
冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池１９で発電とともに発生する熱により加熱され、熱交換器２６で貯湯水と熱交換して再び冷却されるが、燃料電池１９での発熱量は、発電量と相関があるため、冷却水ポンプ２８の運転を制御して発電量に応じた冷却水流量を供給し、さらに貯湯水ポンプ４２で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池１９の温度および冷却水タンク２７内の水温を所定の温度に維持する。
【００４５】
次に、本実施の形態１の特徴である酸化剤ガス加湿装置である空気加湿装置２１について説明する。図２は、空気加湿装置２１の内部に設けられた中空糸膜加湿器を示し、中空糸膜加湿器７１は、円筒状のハウジング７２と、このハウジング７２内に収容される中空糸膜束７３を含んで構成される。ハウジング７２の周壁には、その両端部近傍に位置する複数の開口部がそれぞれ設けられている。符号７４で示す開口部は高湿潤ガス流入口であり、符号７５で示す開口部は高湿潤ガス流出口である。また、符号７６で示すハウジング７２の一端部は低湿潤ガス流入口であり、符号７７で示すハウジング７２の他端部は低湿潤ガス流出口である。
【００４６】
一方、ハウジング７２に収納される中空糸膜束７３は、図４に示す中空通路８０ａを有する中空糸膜８０を、数千本束ねることによって構成されたものであり、ハウジング７２の両端面（円周方向の開口部よりも端側）に中空糸膜８０の中空通路８０ａを確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束７３をハウジング７２に接着してある部分をポッティング部７８、７９と称すが、このポッティング部７８、７９により中空糸膜束７３の内側である中空通路８０ａを流通する低湿潤状態のガスと中空糸膜８０の外側を流通する高湿潤ガスとが混合しないようになっている。
【００４７】
ちなみに、このような中空糸膜加湿器７１は、ハウジング７２に所定数の中空糸膜８０の束を挿通し、両面近傍を接着剤で十分接着固定した後、ハウジング７２の両端に沿って中空糸膜８０の束を切断除去することによって作成される。
【００４８】
また、中空糸膜加湿器７１としては、内径が０．５〜１．５ｍｍ、外形が０．７〜１．７ｍｍの中空糸膜８０をハウジング７２内に、その内容積の２０〜６０％の割合で充填したものである。
【００４９】
したがって、中空糸膜加湿器７１内においては、各中空糸膜８０の外周に微小の通路空間が確保され、また各中空糸膜８０の中空通路８０ａは、圧縮して潰されることなく所定の通路面積が確保された状態となっている。
【００５０】
また、８１は流路閉塞部材であり、中空糸膜束７３の長手方向に両端を閉塞した芯材として位置し、中空糸膜加湿器７１の縦断面において中心部よりも前記高湿潤ガスの流れの下流側に配設することができる。
【００５１】
そして、空気加湿装置２１は、上述の如く構成された中空糸膜加湿器７１を図５に示す如く円筒状のケース２１０内に組込むことによって構成されている。
【００５２】
すなわち、中空糸膜加湿器７１の外周の両端部及び中間部には、それぞれシールリング（以下、Ｏリングと称す）２１１、２１２、２１３が設けられ、このＯリング２１１、２１２、２１３によってケース２１０内へ組込んだ際に、ケース２１０の内部に空気経路３０１ａと排出空気経路３６１ａを区画形成している。
【００５３】
かかる構成とすることにより、空気供給装置２０からの空気は、空気フィルタ３２、空気経路３０をそれぞれ流れ、ケース２１０内へ流入する。そして、ケース２１０内に開口した低湿潤ガス流入口７６から中空糸膜加湿器７１を構成する多数の中空糸膜８０の中空通路８０ａを通り、低湿潤ガス流出口７７から後段に位置する空気経路３０１ａを経て空気経路３０ａと流れる。この流れを低湿潤ガスの流れとして白色矢印で示す。
【００５４】
一方、燃料電池１９から排出空気経路３６を通り、ケース２１０内へ流入した高湿度の空気は、Ｏリング２１２によって区画された前段の排出空気経路３６１ａから中空糸膜加湿器７１の高湿潤ガス流入口７４を通り、前記密集する中空糸膜８０の外表面で形成された隙間を通って後段の排出空気経路３６１ｂへ流入し、ここから排出空気経路３６ｂを経て排出空気経路３７へ流れる。この流れを高湿潤ガスの流れとして黒色矢印で示す。
【００５５】
前記低湿潤ガスと高湿潤ガスの温湿交換は、空気加湿装置２１内における双方の流れによって行われる。すなわち、空気加湿装置２１の中空糸膜加湿器７１内において、高温、高湿度の高湿潤ガスは、中空糸膜８０の膜組織を介して低温、低湿度の低湿潤ガスと熱交換を行い、同時に前記膜組織を透過して水分が低湿潤ガスへ移動する。
【００５６】
その結果、燃料電池１９へ供給される空気（低湿潤ガス）は、温度、湿度共に高められた状態となり、燃料電池１９の電解質膜の劣化を抑制する酸化剤ガスとなる。
【００５７】
以上のように構成された燃料電池システムの動作について、以下、本実施の形態１の特徴である空気加湿装置の動作を説明する。
【００５８】
燃料電池１９に供給される供給ガスの低湿潤ガスは、燃料電池１９から排出される際に、空気加湿装置２１において、燃料電池１９内での発電に伴い発生する熱と生成水により、加熱および加湿された排出空気と湿熱交換される。そして、前記湿熱交換により加熱および加湿された空気経路３０を流れる被加湿空気は、空気加湿装置２１を出て空気経路３０から燃料電池１９に供給される。
【００５９】
一方、燃料電池１９の運転状態は、電力負荷等を考慮して設定された所定のプログラムによって発電量を設定している。燃料電池１９の発電量は、電極面積、電流密度、段数が一定のとき、酸化剤ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流量によって決まるので、低発電量の設定時は高発電量の設定時に比べて前記酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれの流量は少ないものとなる。
【００６０】
中空糸膜８０において、燃料電池１９から排出された高湿潤ガスが供給ガスの水分が膜の外側から中空糸膜８０の内側の低湿潤ガスに回収されるが、この時中空糸膜８０の内側は外側に比べて温度が低いため、中空糸膜８０の内側に水が凝縮する。この時中空糸膜８０の内側に凝縮した水は、空気供給装置２０により圧送されて排出されるが、低発電時の低流量時には中空糸膜８０の内側に凝縮した水を排出しきれずに内側に凝縮水が滞留し易くなり、いわゆるフラッディング現象が発生し凝縮水が滞留して中空糸膜８０の膜の内側を低湿潤ガスが流通できなくなる。そして低湿潤ガスは中空糸膜束７３でのフラッディング現象の発生している中空糸膜の内部を避けて偏流し、フラッディングの比較的少ない他の中空糸膜の膜内の高湿潤ガスとあまり接触していない中空糸膜束７３の縦断面中央部を選択的に流通する。
【００６１】
つまり、中空糸膜加湿器７１を流通した低湿潤ガスは行湿潤ガスと十分に水分を回収できないため、低湿潤ガスが所定の加湿量を得ることができなくなる。これは、水分が不足気味の供給ガスが燃料電池１９の電解質膜と反応することになり、電解質膜の劣化を促進することとなって好ましくない。
【００６２】
なお、中空糸膜加湿器７１は、流路閉塞部材８１を低湿潤ガス流入口７６と前記低湿潤ガス流出口の中央部または中央部より下方、つまり前記高湿潤ガスの下流方向に配設することにより、高湿潤ガスの流通する中空糸膜束の外周部に低湿潤ガスを強制的に流通することもできる（図７参照）。
【００６３】
このように空気加湿装置２１により、燃料電池１９の発電量に関係なく、低湿潤ガスが低流量においても常に適正な加湿量のガス（酸化剤ガス）を燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池１９の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を抑制できる。
【００６４】
また、本実施の形態の流路閉塞部材は、図６に示すように低湿潤ガス流入口７２または低湿潤ガス流出口７３の少なくとも一方の面に配設した円盤部材（図６における流路閉塞部材８２）でも構わない。
【００６５】
また、本実施の形態では被加湿ガスを酸化剤ガスとしたが、燃料ガスとしても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同実施の形態１における中空糸膜加湿器を示す構成図
【図３】図２の同中空糸膜加湿器の中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図
【図４】同実施の形態１における中空糸膜加湿器に用いる中空糸膜の構成図
【図５】同実施の形態１における中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の縦断面図
【図６】同実施の形態１における中空糸膜加湿器を具備した加湿装置の他の構成を示した縦断面図
【図７】図２の同実施の形態１の他の構成を示した中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図
【図８】同実施の形態１における加湿性能を表すグラフ
【図９】従来例を示す中空糸膜加湿器の縦断面図
【図１０】従来例を示す中空糸膜加湿器の中を流通する高湿潤ガスの流れを示す図
【符号の説明】
【００６８】
１９  燃料電池
２１  空気加湿装置（酸化剤ガス加湿装置）
２５  燃料ガス加湿装置
７１  中空糸膜加湿器
８０  中空糸膜
８１  流路閉塞部材
８２  円盤部材（流路閉塞部材）
【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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