(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される反応ガスを、効率よく加湿できる燃料電池用加湿器を提供する。【解決手段】燃料電池用加湿器４を、燃料電池に供給される反応ガスが供給される反応ガス室４２ａ（４２ｂ）と、水を含む含水流体が供給される含水流体室４１ａ（４１ｂ）と、含水流体を冷却するための冷媒が供給される冷却室４３、および反応ガスを加熱するための熱媒が供給される加熱室４４ａ（４４ｂ）の少なくとも一方と、反応ガス室４２ａ（４２ｂ）と含水流体室４１ａ（４１ｂ）とを仕切る透湿膜４５ａ（４５ｂ）とを備えて構成する。含水流体室４１ａ（４１ｂ）を流れる含水流体に含まれる水を透湿膜４５ａ（４５ｂ）を透過させることにより、反応ガス室４２ａ（４２ｂ）を流れる反応ガスを加湿する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される反応ガスが供給される反応ガス室と、
水を含む含水流体が供給される含水流体室と、
前記含水流体を冷却するための冷媒が供給される冷却室、および前記反応ガスを加熱するための熱媒が供給される加熱室の少なくとも一方と、
前記反応ガス室と前記含水流体室とを仕切る透湿膜とを備え、
前記含水流体室を流れる含水流体に含まれる水を前記透湿膜を透過させることにより、前記反応ガス室を流れる反応ガスを加湿する燃料電池用加湿器。
【請求項２】
前記冷却室および前記加熱室の少なくとも一方、前記反応ガス室、前記含水流体室のうちの少なくとも一室は、供給される流体を分流する分流壁により区画されている請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項３】
前記透湿膜における、前記含水流体側の界面と前記反応ガス側の界面との間の温度差を大きくするための温度差調整手段を備える請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用加湿器を備えた燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池用加湿器において、
前記含水流体室には、燃料電池システム内に存在し、水を含む含水流体が供給され、
前記冷却室には、燃料電池システム内に存在し、前記含水流体室を流れる含水流体の温度以下の冷媒が供給され、
前記加熱室には、燃料電池システム内に存在し、前記反応ガス室を流れる反応ガスの温度以上の熱媒が供給される請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
冷却液を燃料電池に供給し、該燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段を備え、
前記冷却液の一部が、前記燃料電池用加湿器の含水流体室に前記含水流体として供給される請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却液は、水溶性高分子を水に溶解した不凍液であり、
前記燃料電池用加湿器において、前記不凍液に含まれる水が前記透湿膜を透過することにより、前記反応ガス室を流れる反応ガスが加湿される請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池用加湿器により水が分離され水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液に水を補給して、該不凍液中の水溶性高分子の濃度を調整する不凍液再生手段を備える請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記不凍液再生手段は、
水溶性高分子の濃度が上昇した前記不凍液が供給される不凍液室と、
水を含むガスが供給される含水ガス室と、
前記不凍液室と前記含水ガス室とを仕切る透湿膜とを備え、
前記含水ガス室を流れるガスに含まれる水を前記透湿膜を透過させることにより、前記不凍液室を流れる不凍液に水を補給する水回収器である請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水回収器は、前記水を含むガスを冷却するための冷媒が供給される冷却室を備える請求項９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される反応ガスを加湿するための加湿器として好適な燃料電池用加湿器、およびそれを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、その電解質により分類することができ、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等が知られている。
【０００３】
なかでも、固体高分子型燃料電池は、８０℃程度の低温で作動させることができるため、取扱いが比較的容易であり、また、出力密度が極めて大きいことから、その利用が期待される。固体高分子型燃料電池は、通常、プロトン導電性のある高分子膜を電解質とする。電解質となる高分子膜の両側にそれぞれ燃料極、酸素極となる一対の電極を設けて電極接合体とする。電極接合体をセパレータで挟持した単セルが発電単位となる。そして、水素や炭化水素等の燃料ガスを燃料極に、酸素や空気等の酸化剤ガスを酸素極にそれぞれ供給し、ガスと電解質と電極との三相界面において電気化学反応を進行させることにより電気を取り出す。
【０００４】
固体高分子型燃料電池の電解質である高分子膜は、水を含有した状態でプロトン導電性を有する。しかし、固体高分子型燃料電池の作動温度は８０℃程度であるため、作動中に高分子膜の水分が蒸発し、高分子膜の含水率は低下する。したがって、高分子膜のプロトン導電性を維持すべく、適当な量の水を高分子膜に供給する必要がある。そのため、一般には、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して、各々の電極に供給している。
【０００５】
燃料電池に供給する燃料ガス等を加湿する手段として、様々な手段が知られている。その中の一例として、燃料電池において、冷却水の流路と燃料ガス等の反応ガスの流路とを、水を透過する透湿膜を介して接触させ、冷却水を反応ガス側へ浸透させることで反応ガスの加湿を行う方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２４５１１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、水蒸気分圧の異なる流体を、透湿膜を介して接触させた場合、水分子は、水蒸気分圧の高い方から低い方へ移動する。つまり、透湿膜の両側における水蒸気分圧の差が、水の透過の推力となる。上記特許文献１に記載された方法では、透湿膜を挟んで流れる冷却水と反応ガスとの水蒸気分圧の差により、冷却水が透湿膜を透過して反応ガス側へ移動する。しかし、透湿膜を透過した水は、反応ガス側で気化する前に、透湿膜の表面に薄い液膜を形成する。透湿膜の表面に液膜が形成されると、透湿膜の両側における水蒸気分圧の差が小さくなる。その結果、水が透過し難くなる。
【０００８】
水の透過を促進するためには、透湿膜を透過した水の気化を促進することが必要となる。透湿膜を透過した水が、反応ガス側で気化するには、大きな潜熱が必要となる。つまり、反応ガスは、水が気化するのに充分な熱を有する必要がある。しかし、上記特許文献１に記載された方法では、反応ガス側において、反応ガスの対流拡散による熱交換しか行われない。そのため、反応ガスが有する顕熱により水が気化されるにすぎない。よって、透湿膜を透過した水の気化は促進されず、水が透過し難くなる。このように、上記特許文献１に記載された方法では、水の透過性が良好とはいえず、反応ガスの加湿を充分に行うことはできない。また、燃料電池の内部において反応ガスの加湿を行う上記方法では、燃料電池内部の構造が複雑になる。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料電池に供給される反応ガスを、効率よく加湿できる燃料電池用加湿器を提供することを課題とする。また、燃料電池に供給される反応ガスを、効率よく加湿することにより、燃料電池の始動性が良好であり、電池性能の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の燃料電池用加湿器は、燃料電池に供給される反応ガスが供給される反応ガス室と、水を含む含水流体が供給される含水流体室と、前記含水流体を冷却するための冷媒が供給される冷却室、および前記反応ガスを加熱するための熱媒が供給される加熱室の少なくとも一方と、前記反応ガス室と前記含水流体室とを仕切る透湿膜とを備え、前記含水流体室を流れる含水流体に含まれる水を前記透湿膜を透過させることにより、前記反応ガス室を流れる反応ガスを加湿することを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池用加湿器では、水を含む含水流体と反応ガスとが、水を透過する透湿膜を介して接触されている。そして、含水流体から反応ガスへ水が移動することにより、反応ガスが加湿される。ここで、含水流体および反応ガスの少なくとも一方は、冷媒により冷却、もしくは熱媒により加熱されている。つまり、本発明の燃料電池用加湿器は、冷却室および加熱室の少なくとも一方を備える。冷却室を備える態様では、含水流体が冷媒により冷却される。また、加熱室を備える態様では、反応ガスが熱媒により加熱される。
【００１２】
上述したように、透湿膜における水の透過は、透湿膜の両側における水蒸気分圧の差が大きく、透湿膜の両側における水の移動がスムーズなほど促進される。ここで、透湿膜の両側とは、透湿膜における、含水流体側の界面と反応ガス側の界面との両界面を意味する。例えば、冷媒により含水流体が冷却されると、含水流体と接する透湿膜の界面では、飽和蒸気圧が低下し、相対湿度が上昇する。そのため、透湿膜界面での水の凝縮が促進される。その結果、透湿膜界面への水の供給が促進され、含水流体からの水の透過が促進される。また、例えば、熱媒により反応ガスが加熱されると、反応ガスと接する透湿膜の界面では、飽和蒸気圧が上昇し、相対湿度が低下する。また、熱媒から反応ガスに熱が供給されるため、透過した水の気化が促進される。そのため、透過水の除去が促進され、含水流体からの水の透過が促進される。また、透湿膜表面における液膜の形成も抑制される。含水流体の冷却と、反応ガスの加熱とが両方行われる場合には、透湿膜の両界面における水の供給と除去とが同時に促進される。したがって、含水流体からの水の透過がより促進される。
【００１３】
このように、本発明の燃料電池用加湿器では、水の透過性が良好である。また、冷媒および熱媒の少なくとも一方により、透湿膜の両界面における水の供給、除去を調整することで、反応ガスの加湿量の制御が可能となる。したがって、本発明の燃料電池用加湿器によれば、反応ガスを効率よく加湿することができる。
【００１４】
（２）本発明の燃料電池加湿器における前記冷却室および前記加熱室の少なくとも一方、前記反応ガス室、前記含水流体室のうちの少なくとも一室は、供給される流体を分流する分流壁により区画されていることが望ましい。
【００１５】
本発明の燃料電池用加湿器では、上記反応ガス室等の各部屋が、供給される流体の流路となる。反応ガス室等を分流壁によりさらに複数の部屋に区画した場合には、流路の伝熱面積が大きくなる。そのため、供給される流体の熱抵抗が小さくなり、熱流束が大きくなる。また、流路が分流壁で区画されるため、流路幅が小さくなる。流路幅が小さいと、いわゆる層流効果により流れの乱れが抑制され、圧力損失が小さくなる。特に、流路幅が数百μｍ程度の場合には、その効果が大きく、分流壁を設けたことによる圧力損失増加の影響を最小限とすることができる。したがって、本態様を採用した場合には、反応ガス室等の各部屋へ供給される流体間の熱交換がよりスムーズに行われる。そのため、透湿膜の両界面における水蒸気分圧の調整が容易となる。
【００１６】
（３）本発明の燃料電池用加湿器は、前記透湿膜における、前記含水流体側の界面と前記反応ガス側の界面との間の温度差を大きくするための温度差調整手段を備えることが望ましい。
【００１７】
例えば、加熱室と反応ガス室と含水流体室と冷却室とを積層させて、本発明の燃料電池用加湿器を構成した態様を考える。図１に、上記態様の燃料電池用加湿器の断面の一部を拡大して示す。図１に示すように、下から順に、加熱室４４ｂと反応ガス室４２ｂと含水流体室４１ｂと冷却室４３とが積層されている。含水流体室４１ｂと反応ガス室４２ｂとは透湿膜４５ｂで仕切られている。加熱室４４ｂを流れる熱媒により反応ガス室４２ｂを流れる反応ガスが加熱される。つまり、図中、矢印で示すように、加熱室４４ｂから反応ガス室４２ｂへ熱が移動する。また、冷却室４３を流れる冷媒により含水流体室４１ｂを流れる含水流体が冷却される。つまり、図中、矢印で示すように、含水流体室４１ｂから冷却室４３へ熱が移動する。ここで、含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂの温度分布について説明する。図２に、含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂにおける温度分布例をグラフで示す。図２では、含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂにおける上記熱の移動のモデル図をも併せて示している。なお、図１と対応する部材は同じ符号で示す。図２のグラフに実線で示すように、含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂの内部では、透湿膜４５ｂを介してほぼ直線的な温度勾配が生じている。つまり、透湿膜４５ｂの両界面では、温度差があまり大きくなっていない。
【００１８】
本態様では、温度差調整手段を備えることにより、透湿膜の両界面における温度差を積極的に大きくする。つまり、温度差調整手段を備えることにより、含水流体室および反応ガス室における温度分布を、上記図２のグラフに破線で示すような温度分布に近づける。透湿膜の両界面における温度差が大きいということは、透湿膜の両界面における水の供給、除去がスムーズに行われることを意味する。上述したように、水の移動がスムーズな程、水の透過が促進される。一方で、熱媒および冷媒との熱交換が行われる仕切壁近傍では、反応ガスおよび含水流体の加熱および冷却が損なわれることはない。したがって、本態様では、透湿膜の両界面における温度差を大きくすることで、水の透過を促進することができる。
【００１９】
（４）本発明の燃料電池システムは、上記請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用加湿器を備える。すなわち、本発明の燃料電池システムは、上記（１）〜（３）で説明した本発明の燃料電池用加湿器を備えたものである。燃料電池に供給される反応ガスは、上記本発明の燃料電池用加湿器により効率よく加湿される。また、上記本発明の燃料電池用加湿器によれば、反応ガスの加湿量も容易に制御できる。そのため、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の始動性が良好となり、電池性能の低下も抑制される。
【００２０】
（５）また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池用加湿器において、前記含水流体室には、燃料電池システム内に存在し、水を含む含水流体が供給され、前記冷却室には、燃料電池システム内に存在し、前記含水流体室を流れる含水流体の温度以下の冷媒が供給され、前記加熱室には、燃料電池システム内に存在し、前記反応ガス室を流れる反応ガスの温度以上の熱媒が供給される態様とすることが望ましい。
【００２１】
すなわち、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池システム内に存在する流体が、上記本発明の燃料電池用加湿器に供給される。後に詳しく説明するが、燃料電池システムには、燃料電池を冷却するための冷却液、燃料極または酸素極から排出されるガス、種々の熱交換のために用いられる冷媒等、多くの流体が存在する。したがって、それらの流体を利用することで、燃料電池システム内における水や熱の回収が可能となり、システム全体の効率化を図ることができる。
【００２２】
（６）本発明の燃料電池システムは、さらに、冷却液を燃料電池に供給し、該燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段を備え、前記冷却液の一部が、前記燃料電池用加湿器の含水流体室に前記含水流体として供給される態様とすることが望ましい。
【００２３】
すなわち、本態様では、燃料電池を冷却するために循環させている冷却液から、反応ガスを加湿するための水を調達する。冷却液を利用することで、反応ガスの加湿用に、別途、水を貯留した水タンク等を設置する必要はない。したがって、燃料電池システム全体を小型化することができる。また、上述したように、システム内の流体を利用することで、システム効率も向上させることができる。
【００２４】
（７）上記（６）の態様の燃料電池システムにおいて、前記冷却液は、水溶性高分子を水に溶解した不凍液であり、前記燃料電池用加湿器において、前記不凍液に含まれる水が前記透湿膜を透過することにより、前記反応ガス室を流れる反応ガスが加湿される態様を採用することが望ましい。
【００２５】
上記燃料電池冷却手段を備えた態様では、低温下での稼働による冷却液の凍結を防止すべく、冷却液として、水に不凍剤（凝固点降下剤）を添加した不凍液を用いることが望ましい。本態様では、不凍剤として水溶性高分子を使用する。つまり、水溶性高分子は、水に溶解して水の凝固点を降下させる役割を果たす。透湿膜の孔径よりも分子径の大きな水溶性高分子を用いることにより、不凍液中の水分子のみが透湿膜を透過し分離される。分子径が比較的大きい水溶性高分子を用いた場合には、透湿膜の孔径を大きくすることができる。その結果、水の透過速度をより大きくすることができる。また、水溶性高分子の分子径が大きい場合には、水のみを純度良く透過させることができる。そのため、分離された水、すなわち加湿水の純度が向上する。その結果、電解質や電極触媒の汚染が抑制され、電池性能の低下が抑制される。さらに、水溶性高分子の種類によっては、より優れた効果を発揮する。例えば、水溶性高分子として、キレートタイプ等の水溶性高分子を用いた場合には、その水溶性高分子により水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。そのため、分離された水の純度が向上する。その結果、電池性能の低下が抑制される。
【００２６】
上記本発明の燃料電池用加湿器における含水流体室に、不凍液が含水流体として供給されると、不凍液から分離された水は、ただちに反応ガスの加湿に使われる。そのため、低温下での稼働による水の凍結は問題とならない。また、一つの加湿器で、水の分離、および反応ガスの加湿を行うことができるため、燃料電池システム全体を小型化することができる。
【００２７】
（８）上記（７）の態様の燃料電池システムは、前記燃料電池用加湿器により水が分離され水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液に水を補給して、該不凍液中の水溶性高分子の濃度を調整する不凍液再生手段を備えることが望ましい。
【００２８】
上記（７）の態様の燃料電池システムでは、燃料電池を冷却するための不凍液の一部が反応ガスの加湿のために使用される。不凍液の一部は、上記本発明の燃料電池用加湿器に供給され、不凍液に含まれる水の一部が分離される。そのため、不凍液の液量が少なくなり、水溶性高分子の濃度が高くなる。よって、本態様により、本発明の燃料電池用加湿器から排出された不凍液に水を補給すれば、不凍液の液量を保持することができ、不凍液における水溶性高分子の濃度変動を抑制することができる。
【００２９】
（９）上記（８）の態様の燃料電池システムにおいて、前記不凍液再生手段は、水溶性高分子の濃度が上昇した前記不凍液が供給される不凍液室と、水を含むガスが供給される含水ガス室と、前記不凍液室と前記含水ガス室とを仕切る透湿膜とを備え、前記含水ガス室を流れるガスに含まれる水を前記透湿膜を透過させることにより、前記不凍液室を流れる不凍液に水を補給する水回収器である態様が望ましい。
【００３０】
本態様における水回収器は、上記本発明の燃料電池用加湿器と同様、透湿膜を介して水を移動させる。水回収器では、水を含むガスから水分子が透湿膜を透過して、水溶性高分子の濃度が上昇した不凍液に移動する。そのため、本態様を採用すれば、水を補給するための貯水タンク等を、別途設ける必要ない。よって、低温下での稼働の際に、貯水タンク等の凍結や、水を補給するためのポンプ障害等の不具合が生じるおそれはない。
【００３１】
また、燃料電池システム内には、燃料極から排出されたガス、酸素極から排出されたガス、および燃料極から排出されたガスを燃焼させたガス等、水を含むガスが多く存在する。したがって、本態様では、それらのガスを利用することが望ましい。燃料電池システム内に存在するガスから水を取り出すことにより、エネルギを有効に利用することができ、燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００３２】
（１０）上記（９）の態様の燃料電池システムにおいて、前記水回収器は、前記水を含むガスを冷却するための冷媒が供給される冷却室を備えることが望ましい。
【００３３】
上記水回収器では、上記本発明の燃料電池用加湿器と同様、透湿膜の両側における水分圧の差が、水の透過の推力となる。冷媒により、水を含むガスが冷却されると、水を含むガスと接する透湿膜の界面では、相対湿度が上昇する。そして、飽和蒸気温度以下では、凝縮により透湿膜界面への水の供給が促進される。透湿膜の両界面のうち、一方の界面にて水の供給が促進されることで、透湿膜の両界面における水分圧の差が大きくなる。よって、水を含むガスからの水の透過が促進される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
〈燃料電池用加湿器〉
以下、本発明の燃料電池用加湿器の実施形態について詳しく説明する。ここでは、本発明の燃料電池用加湿器を、燃料電池システムにおいて燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器として具現化した実施形態を説明する。
【００３５】
（１）第一実施形態
まず、本実施形態の燃料ガス加湿器の構成を説明する。図３に本実施形態の燃料ガス加湿器における流路構造の斜視図を示す。なお、図３では、流路構造の一部のみを拡大して示している。つまり、本実施形態の燃料ガス加湿器では、図３に示す加熱室４４ａ→反応ガス室４２ａ→含水流体室４１ａ→冷却室４３→含水流体室４１ｂ→反応ガス室４２ｂ→再び加熱室４４ｂという積層構造が上下方向に繰り返される。このように、冷却室４３を中心に各部屋が対称的に配置されることで、断熱効率が向上する。
【００３６】
図３に示すように、燃料ガス加湿器４は、含水流体室４１ａ、４１ｂと、反応ガス室４２ａ、４２ｂと、冷却室４３と加熱室４４ａ、４４ｂとを備える。含水流体室４１ａと反応ガス室４２ａとは、透湿膜である限外ろ過膜（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社製、分画分子量１０００のセルロース膜）４５ａで仕切られている。同様に、含水流体室４１ｂと反応ガス室４２ｂとは、限外ろ過膜（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社製、分画分子量１０００のセルロース膜）４５ｂで仕切られている。なお、反応ガス室４２ａと加熱室４４ａ、反応ガス室４２ｂと加熱室４４ｂ、含水流体室４１ａ、４１ｂと冷却室４３は、それぞれステンレス鋼製の仕切壁により仕切られている。この仕切壁が伝熱面となり、各部屋間を熱が移動する。
【００３７】
次に、燃料ガス加湿器４における各々の流体の流れを説明する。図４に、燃料ガス加湿器４における各々の流体の流れを模式的に示す。なお、図３と対応する部材は同じ符号で示す。図４に示すように、含水流体室４１ａ、４１ｂには、含水流体として、ポリエチレングリコール（水溶性高分子）を水に溶解した不凍液が流れる。反応ガス室４２ａ、４２ｂには、反応ガスとして水素ガスが流れる。冷却室４３には、冷媒として、低温の空気が流れる。加熱室４４ａ、４４ｂには、熱媒として、燃料電池の燃料極から排出されたガスを燃焼させた高温のガスが流れる。含水流体室４１ａ、４１ｂを流れる不凍液中の水は、それぞれ限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを介して、反応ガス室４２ａ、４２ｂを流れる水素ガスへ移動する。つまり、不凍液中の水が、限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを透過することで、不凍液から水が分離される。そして、分離された水により水素ガスが加湿される。
【００３８】
次に、上記燃料ガス加湿器４における水および熱の移動について説明する。図５に、上記図３に示した燃料ガス加湿器４の断面の一部（図３中、Ａの部分）を拡大して示す。なお、図５中、白色の矢印は水の流れを、黒色の矢印は熱の流れを示す。図５に示すように、含水流体室４１ａ、４１ｂを流れる不凍液から、それぞれ限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを介して、反応ガス室４２ａ、４２ｂを流れる水素ガスへ水が移動している。また、加熱室４４ａ、４４ｂから、それぞれ仕切壁を介して隣り合う反応ガス室４２ａ、４２ｂへ熱が移動している。つまり、反応ガス室４２ａ、４２ｂを流れる水素ガスは加熱される。そのため、水素ガスの水蒸気の相対湿度は低くなる。一方、含水流体室４１ａ、４１ｂから、それぞれ仕切壁を介して隣り合う冷却室４３へ熱が移動している。つまり、含水流体室４１ａ、４１ｂを流れる不凍液は、冷却される。そのため、不凍液の水蒸気の相対湿度は高くなる。このように、限外ろ過膜４５ａ、４５ｂの両側において水の移動がスムーズに行われるため、水の透過が促進される。
【００３９】
（２）第二実施形態
本実施形態と第一実施形態との相違点は、反応ガス室、含水流体室、冷却室、加熱室を、分流壁により多数の小部屋に区画して、いわゆるマイクロチャンネル構造とした点である。それ以外については、第一実施形態と同じであるため、ここでは相違点のみを説明する。
【００４０】
まず、本実施形態の燃料ガス加湿器の構成を説明する。図６に本実施形態の燃料ガス加湿器における流路構造の斜視図を示す。なお、図３と対応する部材は同じ符号で示す。図６に示すように、燃料ガス加湿器４は、含水流体室４１ａ、４１ｂと、反応ガス室４２ａ、４２ｂと、冷却室４３と加熱室４４ａ、４４ｂとを備える。含水流体室４１ａ、４１ｂ、反応ガス室４２ａ、４２ｂ、冷却室４３、加熱室４４ａ、４４ｂは、流体の流れ方向にのびる多数の分流壁４６により区画されている。分流壁４６は、ステンレス鋼製である。分流壁４６は、含水流体室４１ａ、４１ｂ、および反応ガス室４２ａ、４２ｂにおいて、限外ろ過膜４５ａ、４５ｂを支持する役割をも果たす。
【００４１】
上記各部屋が分流壁４６により区画されたことにより、各部屋間を仕切る仕切壁に加えて、分流壁４６も伝熱面となる。そのため、各部屋における伝熱面積が大きくなる。よって、各部屋に供給される流体の熱抵抗が小さくなり、熱流束が大きくなる。また、流路幅が小さいため、いわゆる層流効果により流れの乱れが抑制され、圧力損失が小さくなる。その結果、分流壁４６を設けたことによる圧力損失増加の影響を最小限とすることができる。したがって、本実施形態では、供給される流体間の熱交換がよりスムーズに行われる。つまり、反応ガス室４２ａ、４２ｂは、より加熱され易く、含水流体室４１ａ、４１ｂは、より冷却され易くなる。
【００４２】
（３）第三実施形態
本実施形態と第二実施形態との相違点は、反応ガス室および含水流体室を区画する分流壁を、本体と低熱伝導率部とから構成した点である。本体と低熱伝導率部とからなる分流壁は、温度差調整手段に含まれる。つまり、本実施形態において、反応ガス室および含水流体室における分流壁は、流体を分流する役割に加え、温度差調整手段としての役割をも果たす。それ以外については、第二実施形態と同じであるため、以下、相違点のみを説明する。
【００４３】
図７に、本実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。なお、図６と対応する部材は同じ符号で示す。図７に示すように、含水流体室４１ｂと反応ガス室４２ｂとは、透湿膜である限外ろ過膜４５ｂで仕切られている。反応ガス室４２ｂの下方には、加熱室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂの上方には、冷却室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂは、多数の分流壁４６により区画されている。分流壁４６は、本体４６１と低熱伝導率部４６２とからなる。低熱伝導率部４６２は、本体４６１よりも熱伝導率の低いハステロイから形成されている。分流壁４６は、本体４６１が仕切壁と接するように、また、低熱伝導率部４６２が限外ろ過膜４５ｂと接するように設置されている。
【００４４】
図８に、上記図７に示した含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂにおける温度分布をグラフで示す。図８では、含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂの断面の一部をも併せて示している。なお、図７と対応する部材は同じ符号で示す。上述したように、含水流体室４１ｂは、冷媒により上方から冷却されている。また、反応ガス室４２ｂは、熱媒により下方から加熱されている。各々の熱の移動は、仕切壁および分流壁４６を介して行われる。ここで、分流壁４６における低熱伝導率部４６２は、本体４６１と比較して熱の伝導率が低い。よって、低熱伝導率部４６２の近傍では、熱が伝達され難い。そのため、限外ろ過膜４５ｂを介する熱の移動が抑制される。したがって、図８のグラフに示すように、限外ろ過膜４５ｂの両界面における温度差が大きくなる。このように、本実施形態によれば、透湿膜の両界面における温度差が大きくなり、含水流体室から反応ガス室への水の透過が促進される。
【００４５】
（４）第四実施形態
本実施形態と第三実施形態との相違点は、反応ガス室および含水流体室を区画する分流壁を、本体と狭幅部とから構成した点である。本体と狭幅部とからなる分流壁は、温度差調整手段に含まれる。それ以外については、第三実施形態と同じであるため、以下、相違点のみを説明する。
【００４６】
図９に、本実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。なお、図７と対応する部材は同じ符号で示す。図９に示すように、含水流体室４１ｂと反応ガス室４２ｂとは、透湿膜である限外ろ過膜４５ｂで仕切られている。反応ガス室４２ｂの下方には、加熱室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂの上方には、冷却室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂは、多数の分流壁４６により区画されている。分流壁４６は、本体４６１と、本体４６１よりも幅の狭い狭幅部４６３とからなる。分流壁４６は、本体４６１が仕切壁と接するように、また、狭幅部４６３が限外ろ過膜４５ｂと接するように設置されている。
【００４７】
ここで、分流壁４６を、熱媒あるいは冷媒と接する仕切壁から限外ろ過膜４５ｂへ伸びるフィンと考える。仕切壁４６は、本体４６１と狭幅部４６３とで幅が異なる。そのため、フィン効率は低下する。換言すれば、分流壁４６における仕切壁側端と、限外ろ過膜４５ｂ側端との温度差は大きくなる。よって、狭幅部４６３の近傍では、本体４６１近傍と比較して、熱が伝達され難い。そのため、限外ろ過膜４５ｂを介する熱の移動が抑制される。したがって、限外ろ過膜４５ｂの両界面における温度差が大きくなる。このように、本実施形態によれば、透湿膜の両界面における温度差が大きくなり、含水流体室から反応ガス室への水の透過が促進される。
【００４８】
（５）第五実施形態
本実施形態と第三実施形態との相違点は、反応ガス室および含水流体室を区画する分流壁を、テーパ状分流壁とした点である。テーパ状分流壁は、温度差調整手段に含まれる。それ以外については、第三実施形態と同じであるため、以下、相違点のみを説明する。
【００４９】
図１０に、本実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。なお、図７と対応する部材は同じ符号で示す。図１０に示すように、含水流体室４１ｂと反応ガス室４２ｂとは、透湿膜である限外ろ過膜４５ｂで仕切られている。反応ガス室４２ｂの下方には、加熱室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂの上方には、冷却室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂは、多数のテーパ状分流壁４７により区画されている。テーパ状分流壁４７の幅は、仕切壁から限外ろ過膜４５ｂ方向に向かって狭くなっている。
【００５０】
上記第四実施形態と同様に、テーパ状分流壁４７を、熱媒あるいは冷媒と接する仕切壁から限外ろ過膜４５ｂへ伸びるフィンと考える。テーパ状分流壁４７の幅は、先端に向かって狭くなっているため、フィン効率は低下する。換言すれば、テーパ状分流壁４７における仕切壁側端と、限外ろ過膜４５ｂ側端との温度差は大きくなる。よって、限外ろ過膜４５ｂ側端の近傍では、仕切壁側端と比較して、熱が伝達され難い。そのため、限外ろ過膜４５ｂを介する熱の移動が抑制される。したがって、限外ろ過膜４５ｂの両界面における温度差が大きくなる。このように、本実施形態によれば、透湿膜の両界面における温度差が大きくなり、含水流体室から反応ガス室への水の透過が促進される。
【００５１】
（６）第六実施形態
本実施形態と第三実施形態との相違点は、反応ガス室および含水流体室を区画する分流壁の一部を、長さの短い短分流壁とした点である。短分流壁は、温度差調整手段に含まれる。それ以外の点については、第三実施形態と同じであるため、以下、相違点のみを説明する。
【００５２】
図１１に、本実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。なお、図７と対応する部材は同じ符号で示す。図１１に示すように、含水流体室４１ｂと反応ガス室４２ｂとは、透湿膜である限外ろ過膜４５ｂで仕切られている。反応ガス室４２ｂの下方には、加熱室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂの上方には、冷却室が設けられている（図略）。含水流体室４１ｂおよび反応ガス室４２ｂは、多数の分流壁４６および短分流壁４８により区画されている。分流壁４６と短分流壁４８とは、交互に設置されている。
【００５３】
上述したように、含水流体室４１ｂは、冷媒により上方から冷却されている。また、反応ガス室４２ｂは、熱媒により下方から加熱されている。各々の熱の移動は、仕切壁、分流壁４６、短分流壁４８を介して行われる。ここで、短分流壁４８の長さは、分流壁４６より短い。つまり、短分流壁４８は、限外ろ過膜４５ｂと接していない。したがって、限外ろ過膜４５ｂの近傍では、熱が伝達され難い。そのため、限外ろ過膜４５ｂを介する熱の移動が抑制される。したがって、限外ろ過膜４５ｂの両界面における温度差が大きくなる。このように、本実施形態によれば、透湿膜の両界面における温度差が大きくなり、含水流体室から反応ガス室への水の透過が促進される。
【００５４】
（７）その他
以上、本発明の燃料電池用加湿器の実施形態について説明した。しかしながら、本発明の燃料電池用加湿器は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池用加湿器は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００５５】
例えば、上記実施形態では、燃料電池用加湿器を、燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器として具現化した。しかし、本発明の燃料電池用加湿器は、酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器として使用してもよい。この場合、反応ガス室には、反応ガスとして酸化剤ガスを供給すればよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、含水流体室に、含水流体として不凍液を供給した。しかし、含水流体は、水を含む流体であれば特に限定されるものではない。燃料極または酸素極から排出されるガス、燃料電池を冷却するための冷却水等、種々の流体を用いることができる。加湿効率が高く、加湿器を小型化することができるという観点からは、含水流体として液体を使用することが望ましい。含水流体として不凍液を使用する場合、水に添加されている不凍剤は、特に限定されるものではない。本実施形態では、不凍剤として水溶性高分子を使用したが、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等を使用してもよい。
【００５７】
上記実施形態では、冷却室に、冷媒として低温の空気を供給した。また、加熱室に、熱媒として、燃料電池の燃料極から排出されたガスを燃焼させた高温のガスを供給した。しかし、冷却室に供給される冷媒は、含水流体の温度以下の流体であれば、特に限定されるものではない。同様に、加熱室に供給される熱媒も、反応ガスの温度以上の流体であれば、特に限定されるものではない。上記実施形態では、冷却室と加熱室との両方を設けた。しかし、冷却室および加熱室のいずれか一方のみを備える態様でもよい。
【００５８】
上記実施形態では、透湿膜として、限外ろ過膜を使用した。しかし、透湿膜の種類は、特に限定されるものではない。例えば、逆浸透膜、イオン交換膜、血液透析膜等を用いることができる。また、低熱伝導率の材料から形成された透湿膜を用いると、透湿膜の両側の温度差を大きくすることができるため好適である。例えば、セルロース膜、フッ素系イオン交換膜等の有機材料から形成された透湿膜が挙げられる。低熱伝導率の材料からなる透湿膜は、本発明の燃料ガス加湿器における温度差調整手段を兼ねるものとなる。なお、不凍剤を水に溶解した不凍液を含水流体として採用する場合には、透湿膜の孔径は、不凍剤として用いる物質の分子径より小さいことが必要となる。
【００５９】
上記実施形態では、反応ガス室等の各部屋が、上下方向に積層された構造を採用した。しかし、本発明の燃料電池用加湿器は、上記構造に限定されるものではない。例えば、各部屋が左右方向に積層された構造、各部屋が同心円状に積層された円筒構造等、種々の構造を採用することができる。また、各部屋を仕切る仕切壁の表面形状も、特に限定されるものではない。上記実施形態における平面形状の他、凹凸を有する形状等を採用することができる。仕切壁の表面を凹凸形状とすることで、伝熱面積をより大きくすることができる。また、上記実施形態では、反応ガス室と含水流体室との境界壁を透湿膜とした。しかし、反応ガス室と含水流体室とを孔の空いた仕切壁で仕切り、その孔の部分に透湿膜を配置した態様としてもよい。
【００６０】
〈燃料電池システム〉
以下に、本発明の一実施形態である燃料電池システムの構成を説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上記本発明の第二実施形態の燃料ガス加湿器と、それと同様の構造を有する酸化剤ガス加湿器とを備える。図１２に、本実施形態の燃料電池システムの概略を示す。図１２に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池冷却手段３と、燃料ガス加湿器４と、酸化剤ガス加湿器５と、水回収器６とを備える。
【００６１】
燃料電池２は、固体高分子型燃料電池であり、電極接合体がセパレータを介して複数個積層されて構成されている。電極接合体は、電解質とその両側に設けられた燃料極および酸素極とからなる。セパレータには、不凍液の流路が形成されている。
【００６２】
燃料電池冷却手段３は、不凍液タンク３１と熱交換器３２とを備える。不凍液タンク３１には、水溶性高分子であるポリエチレングリコール（分子量１５００）が純水に溶解した不凍液が貯留されている。不凍液は、不凍液ポンプを介して、燃料電池２、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５に供給される。熱交換器３２は、燃料電池２の下流側に設けられている。燃料電池２から排出された不凍液は、熱交換器３２により冷却され、不凍液タンク３１に戻される。
【００６３】
燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５は、本発明の燃料電池用加湿器であり、燃料電池２の上流側に設けられている。燃料ガス加湿器４は、燃料ガスとしての水素ガスを加湿する。酸化剤ガス加湿器５は、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。燃料ガス加湿器４については、本発明の第二実施形態の燃料電池加湿器として、既に説明した。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５は、反応ガス室に供給されるガスが異なる以外は、同じ構成である。よって、酸化剤加湿器５についての説明は省略する。
【００６４】
水素送風機８により駆動された水素ガスは、燃料ガス加湿器４により加湿された後、燃料電池２の燃料極に供給される。同様に、空気送風機９により駆動された空気は、酸化剤ガス加湿器５により加湿された後、燃料電池２の酸素極に供給される。燃料電池２は、水素ガスと空気との電気化学反応により発電する。
【００６５】
燃料ガス燃焼器７は、燃料電池２の下流側に設置されている。燃料ガス燃焼器７には、燃料極で反応に使用されなかった水素ガスと、酸素極で反応に使用されなかった空気とが供給される。燃料ガス燃焼器７は、触媒として白金系触媒を有する。燃料ガス燃焼器７では、燃料極で反応に使用されなかった水素ガスが空気との反応により燃焼され、その結果、水を含んだガスが生成される。
【００６６】
不凍液再生手段である水回収器６は、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５の下流側に設けられている。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液は、水が分離された結果、水溶性高分子の濃度が上昇している。水回収器６では、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液へ水が補給される。水が補給された不凍液は、不凍液タンク３１へ戻される。以下に、水回収器６の構成を説明する。図１３に、水回収器の流路構造の斜視図を示す。なお、図１３では、流路構造の一部のみを拡大して示している。つまり、水回収器６では、図１３に示す冷却室６３ａ→含水ガス室６２ａ→不凍液室６１→含水ガス室６２ｂ→再び冷却室６３ｂという積層構造が上下方向に繰り返される。
【００６７】
図１３に示すように、水回収器６は、不凍液室６１と、含水ガス室６２ａ、６２ｂと、冷却室６３ａ、６３ｂとを備える。不凍液室６１と含水ガス室６２ａ、６２ｂとは、それぞれ透湿膜である限外ろ過膜（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社製、分画分子量１０００のセルロース膜）６４ａ、６４ｂで仕切られている。含水ガス室６２ａと冷却室６３ａ、および含水ガス室６２ｂと冷却室６３ｂは、ステンレス鋼製の仕切壁により仕切られている。この仕切壁が伝熱面となり、各部屋間を熱が移動する。不凍液室６１、含水ガス室６２ａ、６２ｂ、冷却室６３ａ、６３ｂは、流体の流れ方向にのびる多数の分流壁６５により区画されている。つまり、水回収器６は、いわゆるマイクロチャンネル構造を有する。分流壁６５は、ステンレス鋼製である。分流壁６５は、不凍液室６１および含水ガス室６２ａ、６２ｂにおいて、限外ろ過膜６４ａ、６４ｂを支持する役割をも果たす。
【００６８】
次に、水回収器６における各々の流体の流れを説明する。図１４に、水回収器６における各々の流体の流れを模式的に示す。なお、図１３と対応する部材は同じ符号で示す。図１４に示すように、不凍液室６１には、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された水溶性高分子濃度の上昇した不凍液が流れている。含水ガス室６２ａ、６２ｂには、燃料ガス燃焼器７から排出された水を含むガスが流れている。冷却室６３ａ、６３ｂには、冷媒として、空気送風機９の上流で分岐された低温の空気が流れている。含水ガス室６２ａ、６２ｂを流れるガス中の水は、それぞれ限外ろ過膜６４ａ、６４ｂを介して、不凍液室６１を流れる不凍液へ移動する。つまり、ガス中の水が、限外ろ過膜６２ａ、６２ｂを透過することで分離され、不凍液へ補給される。
【００６９】
ここで、上記水回収器６における水および熱の移動について説明する。図１５に、上記図１３に示した水回収器６の断面の一部（図１３中、Ｂの部分）を拡大して示す。なお、図１５中、白色の矢印は水の流れを、黒色の矢印は熱の流れを示す。図１５に示すように、含水ガス室６２ａ、６２ｂを流れるガスから、それぞれ限外ろ過膜６４ａ、６４ｂを介して、不凍液室６１を流れる不凍液へ水が移動している。含水ガス室６２ａ、６２ｂから、それぞれ仕切壁を介して隣り合う冷却室６３ａ、６３ｂへ熱が移動している。つまり、含水ガス室６２ａ、６２ｂを流れるガスは、冷却される。そのため、水を含むガスの水蒸気分圧は高くなる。このように、限外ろ過膜６２ａ、６２ｂの両側における水蒸気分圧の差が大きいため、水の透過が促進されている。
【００７０】
次に、上記本発明の燃料電池システムの動作を説明する。まず、供給される水素ガスおよび空気の流れについて述べる。水素送風機８により駆動された水素ガスは、燃料ガス加湿器４に供給される。水素ガスは、燃料ガス加湿器４にて加湿された後、燃料電池２の燃料極に供給される。また、空気送風機９により駆動された空気は、酸化剤ガス加湿器５に供給される。空気は、酸化剤ガス加湿器５にて加湿された後、燃料電池２の酸素極に供給される。燃料電池２では、供給された水素ガスと空気との電気化学反応が進行する。反応により生じた生成水は燃料電池２から排出される（図略）。
【００７１】
空気送風機９の上流にて分岐された空気は、燃料ガス加湿器４、酸化剤ガス加湿器５、および水回収器６へ導かれ、各々の冷媒として使用される。なお、冷媒として使用された空気は、系外へ排出される。
【００７２】
次に、不凍液の流れについて述べる。不凍液は、不凍液タンク３１に貯留されている。不凍液は、燃料電池２の冷却および供給ガスの加湿に用いられる。不凍液は、不凍液タンク３１から不凍液ポンプを介して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出された不凍液は、熱交換器３２により冷却されて不凍液タンク３１に戻される。また、不凍液の一部は、不凍液ポンプの下流側で分岐され、上述した燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５へ供給される。燃料ガス加湿器４では、供給された不凍液から水が分離され水素ガスが加湿される。酸化剤ガス加湿器５では、供給された不凍液から水が分離され空気が加湿される。燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液は、後述する水回収器６を経て不凍液タンク３１に戻される。
【００７３】
燃料電池２における反応に使用されなかった水素ガスおよび空気は、燃料電池２の下流側に設けられた燃料ガス燃焼器７へ導かれる。燃料ガス燃焼器７から排出されたガスは、一部を除いて水回収器６へ供給される。燃料ガス燃焼器７から排出されたガスの一部は、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５へ導かれ、各々の熱媒として使用される。なお、熱媒として使用されたガスは系外へ排出される。
【００７４】
水回収器６には、燃料ガス燃焼器７から排出された水を含むガスと、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された水溶性高分子濃度の上昇した不凍液とが供給される。水回収器６では、水を含むガスから水が分離され、分離された水が不凍液に補給される。水回収器６により水が補給された不凍液は、不凍液タンク３１に戻される。一方、水回収器６により水が分離されたガスおよび冷媒は、ともに系外へ排出される。
【００７５】
以上、本発明の燃料電池システムの実施形態について説明した。しかしながら、本発明の燃料電池システムは、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池システムは、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００７６】
例えば、本実施形態では、燃料電池として固体高分子型燃料電池を採用した。しかし、燃料電池の種類は固体高分子型燃料電池に限定されるものではない。リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等、種々の燃料電池を採用することができる。
【００７７】
本実施形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの両方を、本発明の燃料電池用加湿器により加湿する態様を採用した。しかし、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれか一方のみを、本発明の燃料電池用加湿器により加湿する態様としてもよい。この場合、他方のガスは、加湿しなくてもよく、また、他の加湿器にて加湿してもよい。
【００７８】
本実施形態では、燃料電池冷却手段を備えて燃料電池システムを構成した。しかし、本発明の燃料電池システムは、燃料電池冷却手段を含まない態様で実施してもよい。また、燃料電池冷却手段も、特に限定されるものではない。本実施形態では、燃料電池冷却手段として、不凍液を循環させる態様を採用した。しかし、燃料電池冷却手段は、純水を循環させる態様や、燃料電池を空冷する態様等、種々の態様を採用することができる。
【００７９】
また、不凍液を構成する水溶性高分子も、ポリエチレングリコールに限定されるものではない。燃料電池の種類や、透湿膜の種類等に応じて、適宜好適な水溶性高分子を選択すればよい。例えば、非イオン性の水溶性高分子として、ポリオキシエチレン、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリアクリルアミド、およびメチルセルロースやデンプン等の水溶性多糖類等を使用することができる。また、イオン性の水溶性高分子として、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、アルギン酸、カルボキシメチルセルロース、ポリスチレンスルホン酸、およびこれらのアルカリ金属塩等を使用することができる。これらの一種あるいは二種以上を適宜選択して用いてもよい。
【００８０】
水溶性高分子の濃度が変化しても粘度の変化が比較的小さいという理由から、上記イオン性の水溶性高分子より選択することが望ましい。また、側鎖に疎水基を有する水溶性高分子も同様の理由で好適である。側鎖に疎水基を有する水溶性高分子としては、例えば、アルキル基等の疎水基を有するモノマーと、酸基やアルコール等の親水基を有するモノマーとの共重合体が挙げられる。疎水基を有する二種以上のモノマーと、親水基を有する二種以上のモノマーとの共重合体であってもよい。例えば、メチルメタクリルヒドロキシエチル−メチルメタクリルアルキル共重合体、ビニルカルボン酸−メチルメタクリルアルキル共重合体、ビニルアルコール−メチルメタクリルアルキル共重合体、ビニルスルホン酸−メチルメタクリルアルキル共重合体等がある。ここで、アルキル基は、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクタン、ノナン、デカンのいずれでもよい。なお、疎水基を有するモノマーであるメチルメタクリルアルキルを、ビニルアルキル、ビニルアルキルエーテル、アクリルアルキル等に置き換えても構わない。具体的に示せば、メチルメタクリルヒドロキシエチル−メタクリルアルキル共重合体、ビニルカルボン酸−メタクリルアルキル共重合体、ビニルアルコール−メタクリルアルキル共重合体、ビニルスルホン酸−メタクリルアルキル共重合体、メチルメタクリルヒドロキシエチル−ビニルアルキル共重合体、ビニルカルボン酸−ビニルアルキル共重合体、ビニルアルコール−ビニルアルキル共重合体、ビニルスルホン酸−ビニルアルキル共重合体、メチルメタクリルヒドロキシエチル−ビニルアルキルエーテル共重合体、ビニルカルボン酸−ビニルアルキルエーテル共重合体、ビニルアルコール−ビニルアルキルエーテル共重合体、ビニルスルホン酸−ビニルアルキルエーテル共重合体等である。また、長鎖アルキル基を末端に有するブロック型ポリオキシエチレンやポリオキシメチレン、側鎖にアルキル基を有するポリオキシエチレンやポリオキシメチレン等を用いることもできる。この場合も、アルキル基は、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクタン、ノナン、デカンのいずれでもよい。
【００８１】
上記水溶性高分子のなかでも、安価であり、水中での安定性も良好であるという観点から、ポリオキシエチレン、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸およびポリビニルカルボン酸を用いることが望ましい。特に、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸およびポリビニルカルボン酸は、固体高分子型燃料電池における電解質の材質との関係から、加湿水に混入した際の電解質等の汚染を抑制することができるため好適である。さらに、水中の金属イオン等の不純物を除去し、電池性能の低下をより抑制するという観点から、キレートタイプの水溶性高分子を用いることが望ましい。キレートタイプの水溶性高分子としては、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルイミノビス（メチレンホスホン酸）、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルイミノビス（メチレンカルボン酸）、アミノ基を有する高分子等が挙げられる。
【００８２】
また、不凍液の粘度や凝固点降下の程度等を考慮すると、水溶性高分子として、数平均分子量が１００以上１００万以下のものを用いることが望ましい。数平均分子量が１００未満の水溶性高分子は、その分子径が小さいため、水とともに透湿膜を透過し易くなる。その結果、分離された水の中に水溶性高分子が混入し易くなる。数平均分子量が５００以上のものを用いるとより好適である。反対に、数平均分子量が１００万を超えるものを用いた場合には、不凍液の粘度が高くなり、流動性が低下する。また、凝固点降下の効果も充分とはいえない。数平均分子量が１万以下のものを用いるとより好適である。水溶性高分子の分子量の測定は、通常の分子量測定方法に従えばよく、例えば、光散乱法、浸透圧法、ＧＰＣ（Ｇｅｌ  Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）等により測定すればよい。本明細書では、ＧＰＣにて測定した値を採用する。
【００８３】
不凍液を構成する水は、燃料電池を冷却する冷媒としての役割と、燃料電池に供給される燃料ガス等を加湿する加湿水としての役割とを果たす。したがって、電池性能を低下させる一因となる金属イオンや塩化物イオン等の不純物が少ないことが要求される。このため、不凍液を構成する水は、イオン交換水等の純水であることが望ましい。
【００８４】
不凍液中の水溶性高分子の濃度は、特に限定されるものではない。しかし、不凍液の粘度や凝固点降下の程度等を考慮すると、水溶性高分子の濃度は、不凍液の質量を１００ｗｔ％とした場合の０．１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下とすることが望ましい。水溶性高分子の構造や分子量にもよるが、水溶性高分子の濃度が０．１ｗｔ％未満の場合には、水溶性高分子を溶解したことによる凝固点降下の効果を充分得ることができない。水溶性高分子の濃度を５ｗｔ％以上とするとより好適である。一方、水溶性高分子の濃度が５０ｗｔ％を超えると、不凍液の粘度が高くなり流動性が低下する。水溶性高分子の濃度を３０ｗｔ％以下とするとより好適である。
【００８５】
本実施形態では、燃料ガス加湿器および酸化剤ガス加湿器における含水流体室に、含水流体として不凍液を供給した。しかし、含水流体としては、不凍液の他、燃料極または酸素極から排出されるガス等、種々の流体を供給することができる。また、熱媒としては、燃料ガス燃焼器から排出されたガスの他、空気送風機の冷却に用いられ、高温となった媒体等を供給することができる。冷媒としては、空気送風機の上流にて分岐された空気の他、他の電装品を冷却するための冷媒等を供給することができる。
【００８６】
本実施形態では、不凍液再生手段である水回収器を備えて燃料電池システムを構成した。しかし、本発明の燃料電池システムは、不凍液再生手段を含まない態様で実施してもよい。また、不凍液再生手段も、特に限定されるものではない。本実施形態では、不凍液再生手段を、透湿膜を備える水回収器とした。しかし、水回収器の構造は、上記態様に限定されるものではない。例えば、透湿膜として、本発明の燃料電池用加湿器と同様、イオン交換膜等の種々の膜を採用することができる。また、水を含むガスには、燃料ガス燃焼器から排出されたガスの他、燃料極から排出されたガスや酸素極から排出されたガスを単独で使用してもよい。冷媒には、空気送風機の上流にて分岐された空気の他、他の電装品を冷却するための冷媒等を使用することができる。なお、冷媒を使用しない態様としてもよい。
【００８７】
水回収器の設置場所も、特に限定されるものではない。本実施形態では、燃料ガス加湿器および酸化剤ガス加湿器の下流側に水回収器を設置した。しかしながら、例えば、図１６（図１２と対応する部位については同じ符号で示す。）に示すように、不凍液タンク３１と水回収器６とからなる循環系を、別途設けてもよい。すなわち、燃料ガス加湿器４および酸化剤ガス加湿器５から排出された不凍液は、そのまま不凍液タンク３１へ送られる。そして、不凍液タンク３１から水回収器６へ不凍液が供給される。なお、燃料ガス燃焼器７から排出された水を含むガス、および空気送風機９の上流にて分岐された冷媒としての空気は、上記本実施形態と同様に水回収器６へ供給される。水回収器６では、水を含むガスから水が分離され、分離された水が不凍液に補給される。水回収器６により水が補給された不凍液は、不凍液タンク３１に戻される。水回収器６により水が分離されたガスおよび冷媒は、ともに系外へ排出される。このように、不凍液タンク３１と水回収器６との間で不凍液を循環させることで、不凍液における水溶性高分子の濃度が調整される。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用加湿器では、冷媒および熱媒の少なくとも一方により、透湿膜の両界面における水の移動が促進される。それにより、水の透過性が良好となり、反応ガスの加湿量の制御が可能となる。したがって、本発明の燃料電池用加湿器によれば、反応ガスを効率よく加湿することができる。
【００８９】
また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の燃料電池用加湿器を備える。したがって、燃料電池に供給される反応ガスは、上記本発明の燃料電池用加湿器により効率よく加湿される。そして、上記本発明の燃料電池用加湿器により、反応ガスの加湿量を制御することができるため、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の始動性が良好となり、電池性能の低下も抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池用加湿器の断面の一部を拡大して示す。
【図２】本発明の燃料電池用加湿器を構成する一組の含水流体室および反応ガス室における温度分布例を示す。
【図３】本発明の第一実施形態である燃料ガス加湿器の流路構造の斜視図を示す。
【図４】燃料ガス加湿器における各々の流体の流れを模式的に示す。
【図５】図３中Ａの部分の拡大図を示す。
【図６】本発明の第二実施形態である燃料ガス加湿器における流路構造の斜視図を示す。
【図７】本発明の第三実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。
【図８】図７に示した含水流体室および反応ガス室における温度分布を示す。
【図９】本発明の第四実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。
【図１０】本発明の第五実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。
【図１１】本発明の第六実施形態の燃料ガス加湿器を構成する一組の反応ガス室および含水流体室の断面の一部を拡大して示す。
【図１２】本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略を示す。
【図１３】水回収器の流路構造の斜視図を示す。
【図１４】水回収器における各々の流体の流れを模式的に示す。
【図１５】図１３中ｂの部分の拡大図を示す。
【図１６】本発明の他の実施形態である燃料電池システムの概略を示す。
【符号の説明】
１：燃料電池システム  ２：燃料電池
３：燃料電池冷却手段
３１：不凍液タンク  ３２：熱交換器
４：燃料ガス加湿器（燃料電池用加湿器）
４１ａ、４１ｂ：不凍液室（含水流体室）    ４２ａ、４２ｂ：反応ガス室
４３：冷却室    ４４ａ、４４ｂ：加熱室
４５ａ、４５ｂ：限外ろ過膜（透湿膜）    ４６：分流壁
５：酸化剤ガス加湿器（燃料電池用加湿器）
６：水回収器（不凍液再生手段）
６１：不凍液室    ６２ａ、６２ｂ：含水ガス室
６３ａ、６３ｂ：冷却室    ６４ａ、６４ｂ：限外ろ過膜（透湿膜）
７：燃料ガス燃焼器    ８：水素送風機  ９：空気送風機
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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