(57)【要約】【課題】水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜によって互いに隔てられた被加湿ガス室と加湿ガス室とからなる加湿器において、被加湿ガスの加湿量を制御する。【解決手段】加湿器２０は、所定量の水蒸気を含有する加湿ガスが供給される加湿ガス室２１と、水蒸気を選択的に透過する水蒸気透過膜２３によって加湿ガス室２１と分離されており、含有する水蒸気量が加湿ガスよりも少ない被加湿ガスが供給され、加湿ガス室２１から水蒸気透過膜２３を介して透過した水蒸気によって、被加湿ガスを加湿する被加湿ガス室２２と、を備える。被加湿ガス室２２には、水蒸気透過膜２３の加湿に寄与する有効膜面積Ｓを調節することによって、被加湿ガスの加湿量を調整する可動壁２４が設けられている。【選択図】図２
2007093192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿器であって、
所定量の水蒸気を含有する加湿ガスが供給される加湿ガス室と、
水蒸気を選択的に透過する水蒸気透過膜によって前記加湿ガス室と分離されており、含有する水蒸気量が前記加湿ガスよりも少ない被加湿ガスが供給され、前記加湿ガス室から前記水蒸気透過膜を介して透過した水蒸気によって、前記被加湿ガスを加湿する被加湿ガス室と、
前記水蒸気透過膜の前記加湿に寄与する有効膜面積を調節することによって、前記被加湿ガスの加湿量を調整する加湿調整部と、
を備える加湿器。
【請求項２】
請求項１記載の加湿器であって、
前記加湿調整部は、前記被加湿ガス室内において、前記水蒸気透過膜の面に沿った方向に移動することによって、該被加湿ガス室の容積を調整可能な可動壁を備える、
加湿器。
【請求項３】
請求項１記載の加湿器であって、
前記水蒸気透過膜は、伸縮可能に形成されており、
前記加湿調整部は、前記水蒸気透過膜の端部に接合され、前記水蒸気透過膜の面に沿った方向に移動することによって、前記水蒸気透過膜を伸縮させ、前記加湿ガス室、および、前記被加湿ガス室の容積を調整可能な可動壁を備える、
加湿器。
【請求項４】
請求項２または３記載の加湿器であって、
前記可動壁は、バネによって支持されており、少なくとも前記被加湿ガスの供給圧力によって移動する、
加湿器。
【請求項５】
請求項２または３記載の加湿器であって、さらに、
前記可動壁を移動させるモータを備える、
加湿器。
【請求項６】
請求項５記載の加湿器であって、さらに、
少なくとも前記被加湿ガスの流量に基づいて、前記可動壁の移動量を制御するモータ制御部を備える、
加湿器。
【請求項７】
請求項１記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス室は、
該被加湿ガス室に前記被加湿ガスを導入する被加湿ガス導入口と、
該被加湿ガス導入口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記被加湿ガス室で加湿された加湿済みガスを前記被加湿ガス室から排出する複数の加湿済みガス排出口と、を備え、
前記加湿調整部は、
前記複数の加湿済みガス排出口のうちのいずれの加湿済みガス排出口を用いて前記加湿済みガスの排出を行うかを切り換える、
加湿器。
【請求項８】
請求項７記載の加湿器であって、さらに、
前記加湿ガス室は、
該加湿ガス室に前記加湿ガスを導入する加湿ガス導入口と、
該加湿ガス導入口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記加湿ガスを前記加湿ガス室から排出する複数の加湿ガス排出口と、を備え、
前記加湿調整部は、さらに、
前記複数の加湿ガス排出口のうちのいずれの加湿ガス排出口を用いて前記加湿ガスの排出を行うかを切り換える、
加湿器。
【請求項９】
請求項８記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口は、前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されている、
加湿器。
【請求項１０】
請求項９記載の加湿器であって、
前記複数の加湿済みガス排出口と、前記複数の加湿ガス排出口とは、それぞれ前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されており、
前記加湿調整部は、さらに、前記複数の加湿済みガス排出口のうちのいずれの加湿済みガス排出口を用いて前記加湿済みガスの排出を行うか、および、前記複数の加湿ガス排出口のうちのいずれの加湿ガス排出口を用いて前記加湿ガスの排出を行うかを、前記互いに対向する位置に配置された前記加湿済みガス排出口、および、前記加湿ガス排出口ごとに切り換える、
加湿器。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口は、それぞれ前記被加湿ガス室、および、前記加湿ガス室の端部に形成されている、
加湿器。
【請求項１２】
請求項１記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス室は、
前記被加湿ガス室で加湿された加湿済みガスを前記被加湿ガス室から排出する加湿済みガス排出口と、
該加湿済みガス排出口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記被加湿ガス室に前記被加湿ガスを導入する複数の被加湿ガス導入口と、を備え、
前記加湿調整部は、
前記複数の被加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記被加湿ガスの導入を行うかを切り換える、
加湿器。
【請求項１３】
請求項１２記載の加湿器であって、さらに、
前記加湿ガス室は、
前記加湿ガスを前記加湿ガス室から排出する加湿ガス排出口と、
該加湿ガス排出口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記加湿ガス室に前記加湿ガスを導入する複数の加湿ガス導入口と、を備え、
前記加湿調整部は、さらに、
前記複数の加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記加湿ガスの導入を行うかを切り換える、
加湿器。
【請求項１４】
請求項１３記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス排出口、および、前記加湿ガス排出口は、前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されている、
加湿器。
【請求項１５】
請求項１４記載の加湿器であって、
前記複数の被加湿ガス導入口と、前記複数の加湿ガス導入口とは、それぞれ前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されており、
前記加湿調整部は、さらに、前記複数の被加湿ガス導入口のうちのいずれの被加湿ガス導入口を用いて前記被加湿ガスの導入を行うか、および、前記複数の加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記加湿ガスの導入を行うかを、前記互いに対向する位置に配置された前記被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口ごとに切り換える、
加湿器。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス排出口、および、前記加湿ガス排出口は、それぞれ前記被加湿ガス室、および、前記加湿ガス室の端部に形成されている、
加湿器。
【請求項１７】
請求項１記載の加湿器であって、
前記加湿調整部は、
前記加湿ガス室側の前記水蒸気透過膜のほぼ全面に前記加湿ガスを導入可能な加湿ガス導入口と、
該加湿ガス導入口の面積を調節する面積調節部と、
を備える加湿器。
【請求項１８】
請求項１７記載の加湿器であって、
前記面積調整部は、面積調整バルブを備える、
加湿器。
【請求項１９】
請求項１８記載の加湿器であって、
前記加湿調整部は、前記加湿ガスの供給圧力に応じて、前記面積調節バルブの開度を調節するバルブ開度調節機構を備える、
加湿器。
【請求項２０】
請求項１記載の加湿器であって、
前記加湿調整部は、
前記被加湿ガス室側の前記水蒸気透過膜のほぼ全面に前記被加湿ガスを導入可能な被加湿ガス導入口と、
該被加湿ガス導入口の面積を調節する面積調節部と、
を備える加湿器。
【請求項２１】
請求項記載の加湿器であって、
前記面積調整部は、面積調整バルブを備える、
加湿器。
【請求項２２】
請求項２１記載の加湿器であって、
前記加湿調整部は、前記被加湿ガスの供給圧力に応じて、前記面積調節バルブの開度を調節するバルブ開度調節機構を備える、
加湿器。
【請求項２３】
請求項１８または２１記載の加湿器であって、
前記加湿調整部は、
前記面積調節バルブを駆動するモータと、
該モータを制御するモータ制御部と、
を備える加湿器。
【請求項２４】
請求項１７記載の加湿器であって、さらに、
前記加湿ガス室をバイパスして前記加湿ガスを流すバイパス配管と、
該バイパス配管に前記加湿ガスを流すか否かを切り換える切換バルブと、
前記加湿ガス導入口の面積に応じて、前記切換バルブを制御する切換バルブ制御部と、
を備える加湿器。
【請求項２５】
請求項２４記載の加湿器であって、
前記切換バルブ制御部は、前記加湿ガス導入口の面積が所定値以下のときに、前記バイパス配管に前記加湿ガスが流れるように、前記切換バルブを制御する、
加湿器。
【請求項２６】
請求項１７ないし２５のいずれかに記載の加湿器であって、
前記水蒸気透過膜は、束状に配置された複数の中空糸である、
加湿器。
【請求項２７】
請求項１記載の加湿器であって、
前記水蒸気透過膜として、前記加湿ガスを流す前記加湿ガス室としての空洞を中心部に有する中空糸を備え、
前記被加湿ガス室は、
前記中空糸の前記加湿ガスの流れ方向に沿った複数の位置に配置され、前記被加湿ガス室に前記被加湿ガスを導入する複数の被加湿ガス導入口と、
前記中空糸を挟んで、前記複数の被加湿ガス導入口と対向する位置に配置され、前記被加湿ガス室で加湿された加湿済みガスを前記被加湿ガス室から排出する加湿済みガス排出口と、を備え、
前記加湿調整部は、
前記複数の被加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記被加湿ガスの導入を行うかを切り換える、
加湿器。
【請求項２８】
請求項２７記載の加湿器であって、
前記被加湿ガス室、および、前記加湿済みガス排出口は、前記複数の被加湿ガス導入口ごとに複数に分離されている、
加湿器。
【請求項２９】
請求項１記載の加湿器であって、
前記水蒸気透過膜が波状に配設されるとともに、該波状に配設された水蒸気透過膜の波の高さを変更可能な波高可変機構を、前記加湿調整部として備える、
加湿器。
【請求項３０】
燃料電池システムであって、
電解質膜として固体高分子膜を備える燃料電池と、
請求項１ないし２９のいずれかに記載の加湿器と、
外部から導入された空気を、前記被加湿ガス室に供給する被加湿ガス供給配管と、
前記被加湿ガス室を通過した空気を、前記燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス供給配管と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを、前記加湿ガス室に供給する加湿ガス供給配管と、
前記加湿ガス室を通過したカソードオフガスを排出する排出配管と、
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器、および、この加湿器を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。そのため、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、通常、電解質膜の加湿を行うための加湿器が設置される。
【０００３】
このような加湿器としては、種々の加湿器を適用可能である。例えば、下記特許文献１には、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜によって互いに隔てられた被加湿ガス室と加湿ガス室とからなり、水蒸気を含む加湿ガスが加湿ガス室に供給され、加湿ガス室から水蒸気透過膜を透過した水蒸気によって、被加湿ガス内に供給された被加湿ガスの加湿を行う加湿器が記載されている。そして、この加湿器を用いて、燃料電池から排出された生成水を含むオフガス（加湿ガス）を利用して反応ガス（被加湿ガス）の加湿を行う技術が記載されている。下記特許文献１に記載された技術によれば、オフガスに生成水が含まれない無負荷状態のときであっても、別途用意された加湿水を用いて反応ガスを加湿することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１５３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、被加湿ガスの加湿量が少ないときに、加湿水を用いて加湿量を増大させることはできるが、加湿水を用いない状態で、被加湿ガスの加湿量が多すぎるときに、加湿量を減少させることはできなかった。つまり、上述した原理によって加湿を行う加湿器における被加湿ガスの加湿量の制御について、改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜によって互いに隔てられた被加湿ガス室と加湿ガス室とからなる加湿器において、被加湿ガスの加湿量を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の加湿器は、
所定量の水蒸気を含有する加湿ガスが供給される加湿ガス室と、
水蒸気を選択的に透過する水蒸気透過膜によって前記加湿ガス室と分離されており、含有する水蒸気量が前記加湿ガスよりも少ない被加湿ガスが供給され、前記加湿ガス室から前記水蒸気透過膜を介して透過した水蒸気によって、前記被加湿ガスを加湿する被加湿ガス室と、
前記水蒸気透過膜の前記加湿に寄与する有効膜面積を調節することによって、前記被加湿ガスの加湿量を調整する加湿調整部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
加湿ガスに含まれる水蒸気の量が一定の場合、水蒸気透過膜を透過する水蒸気の量は、加湿に寄与する水蒸気透過膜の面積である有効膜面積、すなわち、加湿ガス室から被加湿ガス室へ水蒸気が透過する部分の水蒸気透過膜の断面積の増大に伴って増大し、有効膜面積の減少に伴って減少する。本発明では、加湿調整部によって、上記有効膜面積を調節することができるので、被加湿ガスの加湿量を制御することができる。
【０００９】
上記加湿器において、
前記加湿調整部は、前記被加湿ガス室内において、前記水蒸気透過膜の面に沿った方向に移動することによって、該被加湿ガス室の容積を調整可能な可動壁を備えるようにしてもよい。
【００１０】
こうすることによって、可動壁を移動させて、上記有効膜面積を調整することができる。
【００１１】
また、本発明の加湿器において、
前記水蒸気透過膜は、伸縮可能に形成されており、
前記加湿調整部は、前記水蒸気透過膜の端部に接合され、前記水蒸気透過膜の面に沿った方向に移動することによって、前記水蒸気透過膜を伸縮させ、前記加湿ガス室、および、前記被加湿ガス室の容積を調整可能な可動壁を備えるようにしてもよい。
【００１２】
こうすることによっても、可動壁を移動させて、上記有効膜面積を調整することができる。
【００１３】
上記可動壁を備える加湿器において、
前記可動壁は、バネによって支持されており、少なくとも前記被加湿ガスの供給圧力によって移動するようにしてもよい。
【００１４】
本発明によって、被加湿ガス室に供給する被加湿ガスの供給圧力を増大させることによって、被加湿ガスの加湿に寄与する水蒸気透過膜の有効膜面積を増大させたり、被加湿ガスの供給圧力を減少させることによって、被加湿ガスの加湿に寄与する水蒸気透過膜の有効膜面積を減少させたりすることができる。
【００１５】
また、上記可動壁を備える加湿器において、さらに、
前記可動壁を移動させるモータを備えるようにしてもよい。
【００１６】
モータとしては、例えば、ステッピングモータを用いることができる。本発明によって、被加湿ガスの供給圧力に関わらず、上記有効膜面積を精度よく制御し、被加湿ガスの加湿量を精度よく制御することができる。
【００１７】
上記加湿器において、さらに、
少なくとも前記被加湿ガスの流量に基づいて、前記可動壁の移動量を制御するモータ制御部を備えるようにしてもよい。
【００１８】
例えば、被加湿ガス室から排出されるガスの単位体積当たりの水蒸気量を一定に保とうとする場合、被加湿ガスの流量（供給量）の変動に応じて、水蒸気透過膜を透過する水蒸気の量も変動させる必要がある。本発明によって、少なくとも被加湿ガスの流量に基づいて、被加湿ガスの加湿量が所望の値になるように、可動壁の移動量を正確に制御することができる。
【００１９】
なお、水蒸気透過膜を透過する水蒸気の量は、被加湿ガス、および、加湿ガスに含まれる水蒸気の量や、圧力や、温度等、他のパラメータによっても影響を受ける。したがって、さらに、これら他のパラメータに基づいて、可動壁の移動量を制御するようにしてもよい。こうすることによって、被加湿ガスの加湿量を、さらに精度よく制御することができる。
【００２０】
また、本発明の加湿器において、
前記被加湿ガス室は、
該被加湿ガス室に前記被加湿ガスを導入する被加湿ガス導入口と、
該被加湿ガス導入口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記被加湿ガス室で加湿された加湿済みガスを前記被加湿ガス室から排出する複数の加湿済みガス排出口と、を備え、
前記加湿調整部は、
前記複数の加湿済みガス排出口のうちのいずれの加湿済みガス排出口を用いて前記加湿済みガスの排出を行うかを切り換えるようにしてもよい。
【００２１】
本発明では、加湿済みガス排出口を切り換えることによって、被加湿ガス導入口と加湿済みガス排出口との距離を切り換えることができるので、上記有効膜面積を調節することができる。
【００２２】
上記加湿器において、さらに、
前記加湿ガス室は、
該加湿ガス室に前記加湿ガスを導入する加湿ガス導入口と、
該加湿ガス導入口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記加湿ガスを前記加湿ガス室から排出する複数の加湿ガス排出口と、を備え、
前記加湿調整部は、さらに、
前記複数の加湿ガス排出口のうちのいずれの加湿ガス排出口を用いて前記加湿ガスの排出を行うかを切り換えるようにしてもよい。
【００２３】
本発明では、さらに、加湿ガス排出口を切り換えることによって、加湿ガス導入口と加湿ガス排出口との距離も切り換えることができるので、上記有効膜面積をさらに詳細に調節することができる。
【００２４】
上記加湿器において、
前記被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口は、前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されているようにしてもよい。
【００２５】
加湿ガスが水蒸気透過膜に吹き付けられた場合、加湿ガスに含まれる水蒸気は、その吹き付けられた領域において水蒸気の透過量が多く、その領域から離れるにつれて水蒸気の透過量は減少する傾向にある。本発明では、被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口は、前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されているので、水蒸気透過膜の水蒸気の透過量が多い領域から透過した水蒸気を効率よく利用して、被加湿ガスの加湿を効率よく行うことができる。
【００２６】
上記加湿器において、
前記複数の加湿済みガス排出口と、前記複数の加湿ガス排出口とは、それぞれ前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されており、
前記加湿調整部は、さらに、前記複数の加湿済みガス排出口のうちのいずれの加湿済みガス排出口を用いて前記加湿済みガスの排出を行うか、および、前記複数の加湿ガス排出口のうちのいずれの加湿ガス排出口を用いて前記加湿ガスの排出を行うかを、前記互いに対向する位置に配置された前記加湿済みガス排出口、および、前記加湿ガス排出口ごとに切り換えるようにすることが好ましい。
【００２７】
こうすることによって、上記有効膜面積をさらに詳細に調節することができる。
【００２８】
上記被加湿ガス導入口、および、加湿ガス導入口が、水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されている加湿器において、
前記被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口は、それぞれ前記被加湿ガス室、および、前記加湿ガス室の端部に形成されているようにしてもよい。
【００２９】
こうすることによって、水蒸気透過膜全体を有効に利用することができる。
【００３０】
また、本発明の加湿器において、
前記被加湿ガス室は、
前記被加湿ガス室で加湿された加湿済みガスを前記被加湿ガス室から排出する加湿済みガス排出口と、
該加湿済みガス排出口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記被加湿ガス室に前記被加湿ガスを導入する複数の被加湿ガス導入口と、を備え、
前記加湿調整部は、
前記複数の被加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記被加湿ガスの導入を行うかを切り換えるようにしてもよい。
【００３１】
本発明では、被加湿ガス導入口を切り換えることによって、被加湿ガス導入口と加湿済みガス排出口との距離を切り換えることができるので、上記有効膜面積を調節することができる。
【００３２】
上記加湿器において、さらに、
前記加湿ガス室は、
前記加湿ガスを前記加湿ガス室から排出する加湿ガス排出口と、
該加湿ガス排出口との距離がそれぞれ異なる複数の位置に配置され、前記加湿ガス室に前記加湿ガスを導入する複数の加湿ガス導入口と、を備え、
前記加湿調整部は、さらに、
前記複数の加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記加湿ガスの導入を行うかを切り換えることによって、前記有効膜面積を調節するようにしてもよい。
【００３３】
本発明では、さらに、加湿ガス導入口を切り換えることによって、加湿ガス導入口と加湿ガス排出口との距離も切り換えることができるので、上記有効膜面積をさらに詳細に調節することができる。
【００３４】
上記加湿器において、
前記被加湿ガス排出口、および、前記加湿ガス排出口は、前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されているようにしてもよい。
【００３５】
上記加湿器において、
前記複数の被加湿ガス導入口と、前記複数の加湿ガス導入口とは、それぞれ前記水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されており、
前記加湿調整部は、さらに、前記複数の被加湿ガス導入口のうちのいずれの被加湿ガス導入口を用いて前記被加湿ガスの導入を行うか、および、前記複数の加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記加湿ガスの導入を行うかを、前記互いに対向する位置に配置された前記被加湿ガス導入口、および、前記加湿ガス導入口ごとに切り換えるようにすることが好ましい。
【００３６】
こうすることによって、上記有効膜面積をさらに詳細に調節することができる。
【００３７】
上記被加湿ガス排出口、および、加湿ガス排出口が、水蒸気透過膜を挟んで、互いに対向する位置に配置されている加湿器において、
前記被加湿ガス排出口、および、前記加湿ガス排出口は、それぞれ前記被加湿ガス室、および、前記加湿ガス室の端部に形成されているようにしてもよい。
【００３８】
こうすることによって、水蒸気透過膜全体を有効に利用することができる。
【００３９】
また、本発明の加湿器において、
前記加湿調整部は、
前記加湿ガス室側の前記水蒸気透過膜のほぼ全面に前記加湿ガスを導入可能な加湿ガス導入口と、
該加湿ガス導入口の面積を調節する面積調節部と、
を備えるようにしてもよい。
【００４０】
こうすることによって、加湿ガス導入口の面積を調節し、上記有効膜面積を調節することができる。面積調節部としては、例えば、バタフライ弁等のバルブや、シャッタ等を用いることができる。
【００４１】
上記加湿器において、
前記面積調整部は、面積調整バルブを備えるようにしてもよい。
【００４２】
本発明では、面積調節バルブの開度を調節することによって、上記有効膜面積を調整することができる。
【００４３】
上記加湿器において、
前記加湿調整部は、前記加湿ガスの供給圧力に応じて、前記面積調節バルブの開度を調節するバルブ開度調節機構を備えるようにしてもよい。
【００４４】
本発明によって、加湿ガス室に供給する加湿ガスの供給圧力を増大させることによって、上記有効膜面積を増大させたり、加湿ガスの供給圧力を減少させることによって、上記有効膜面積を減少させたりすることができる。
【００４５】
また、本発明の加湿器において、
前記加湿調整部は、
前記被加湿ガス室側の前記水蒸気透過膜のほぼ全面に前記被加湿ガスを導入可能な被加湿ガス導入口と、
該被加湿ガス導入口の面積を調節する面積調節部と、
を備えるようしてもよい。
【００４６】
こうすることによって、被加湿ガス導入口の面積を調節し、前記有効膜面積を調節することができる。面積調節部としては、例えば、バタフライ弁等のバルブや、シャッタ等を用いることができる。
【００４７】
上記加湿器において、
前記面積調整部は、面積調整バルブを備えるようにしてもよい。
【００４８】
本発明では、面積調節バルブの開度を調節することによって、上記有効膜面積を調整することができる。
【００４９】
上記加湿器において、
前記加湿調整部は、前記被加湿ガスの供給圧力に応じて、前記面積調節バルブの開度を調節するバルブ開度調節機構を備えるようにしてもよい。
【００５０】
本発明によって、被加湿ガス室に供給する被加湿ガスの供給圧力を増大させることによって、上記有効膜面積を増大させたり、被加湿ガスの供給圧力を減少させることによって、上記有効膜面積を減少させたりすることができる。
【００５１】
上述した面積調節バルブを備えるいずれかの加湿器において、
前記加湿調整部は、
前記面積調節バルブを駆動するモータと、
該モータを制御する制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００５２】
モータとしては、例えば、ステッピングモータを用いることができる。本発明によって、面積調節バルブの開度を精度よく制御し、上記有効膜面積を精度よく調節することができる。
【００５３】
また、加湿ガス導入口の面積を調節する面積調節部を備える加湿器において、さらに、
前記加湿ガス室をバイパスして前記加湿ガスを流すバイパス配管と、
該バイパス配管に前記加湿ガスを流すか否かを切り換える切換バルブと、
前記加湿ガス導入口の面積に応じて、前記切換バルブを制御する切換バルブ制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００５４】
本発明の加湿器は、例えば、固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムに利用される。この場合、被加湿ガス室で加湿された空気が、酸化剤ガスとして燃料電池のカソードに供給され、燃料電池のカソードから排出され水蒸気を含むカソードオフガスが、加湿ガスとして加湿器の加湿ガス室に導入される。そして、この燃料電池システムでは、被加湿ガス、および、加湿ガスの流量が比較的少なく、加湿ガス導入口の面積が比較的小さい場合には、圧損が過剰に増大する場合がある。本発明の加湿器は、加湿ガス導入口の面積に応じて、切換バルブを制御することができるので、バイパス配管に加湿ガスを流し、圧損の過剰な増大を抑制することができる。
【００５５】
上記加湿器において、
前記切換バルブ制御部は、前記加湿ガス導入口の面積が所定値以下のときに、前記バイパス配管に前記加湿ガスが流れるように、前記切換バルブを制御する、
を備えるようにしてもよい。
【００５６】
こうすることによって、加湿ガス導入口の面積が所定値以下のときに、バイパス配管に加湿ガスを流すことができるので、例えば、上述した燃料電池システムにおける圧損の過剰な増大を抑制することができる。
【００５７】
上述した面積調節バルブを備えるいずれかの加湿器において、
前記水蒸気透過膜は、束状に配置された複数の中空糸であるものとしてもよい。
【００５８】
この場合、中空糸の内部の空洞を加湿ガス室とし、外部を被加湿ガス室としてもよいし、中空糸の内部の空洞を被加湿ガス室とし、外部を加湿ガス室としてもよい。
【００５９】
また、本発明の加湿器において、
前記水蒸気透過膜として、前記加湿ガスを流す前記加湿ガス室としての空洞を中心部に有する中空糸を備え、
前記被加湿ガス室は、
前記中空糸の前記加湿ガスの流れ方向に沿った複数の位置に配置され、前記被加湿ガス室に前記被加湿ガスを導入する複数の被加湿ガス導入口と、
前記中空糸を挟んで、前記複数の被加湿ガス導入口と対向する位置に配置され、前記被加湿ガス室で加湿された加湿済みガスを前記被加湿ガス室から排出する加湿済みガス排出口と、を備え、
前記加湿調整部は、
前記複数の被加湿ガス導入口のうちのいずれの加湿ガス導入口を用いて前記被加湿ガスの導入を行うかを切り換えるようにしてもよい。
【００６０】
こうすることによって、中空糸の長さ方向のどの部分から透過した水蒸気を用いて被加湿ガスの加湿を行うかを切り換え、上記有効膜面積を調節することができる。
【００６１】
上記加湿器において、
前記被加湿ガス室、および、前記加湿済みガス排出口は、前記複数の被加湿ガス導入口ごとに複数に分離されているようにしてもよい。
【００６２】
こうすることによって、被加湿ガス室内において、被加湿ガスが流れる部位を制限することができるので、上記有効膜面積を精度よく切り換えることができる。
【００６３】
また、本発明の加湿器において、
前記水蒸気透過膜が波状に配設されるとともに、該波状に配設された水蒸気透過膜の波の高さを変更可能な波高可変機構を、前記加湿調整部として備えるようにしてもよい。
【００６４】
本発明では、波高可変機構によって、波状に配設された水蒸気透過膜の波の高さを変更することができるので、上記有効膜面積を調節することができる。
【００６５】
本発明は、燃料電池システムの発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の燃料電池システムは、
電解質膜として固体高分子膜を備える燃料電池と、
上述したいずれかの加湿器と、
外部から導入された空気を、前記被加湿ガス室に供給する被加湿ガス供給配管と、
前記被加湿ガス室を通過した空気を、前記燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス供給配管と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを、前記加湿ガス室に供給する加湿ガス配管と、
前記加湿ガス室を通過したカソードオフガスを排出する排出配管と、
を備えることを要旨とする。
【００６６】
こうすることによって、上述した加湿器によって、燃料電池のカソードに供給すべき空気の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【００６７】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の加湿器、燃料電池システムとしての構成の他、加湿器の制御方法、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００６８】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、加湿器や、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．加湿器の構成：
Ａ３．効果：
Ａ４．第１実施例の変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
Ｂ２．加湿器の構成：
Ｂ３．第２実施例の変形例：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システムの構成：
Ｃ２．加湿器の構成：
Ｃ３．第３実施例の変形例：
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池システムの構成：
Ｄ２．加湿器の構成：
Ｄ３．第４実施例の変形例：
Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．加湿器の構成：
Ｅ２．第５実施例の変形例：
Ｆ．第６実施例：
Ｆ１．加湿器の構成：
Ｆ２．第６実施例の変形例：
Ｇ．その他の変形例：
【００７０】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と、酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとした。
【００７１】
燃料電池１０のアノードには、配管４０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。そして、アノードから排出されるアノードオフガスは、配管４２を通じて外部に排出される。なお、図示、および、説明は省略しているが、各配管には、必要に応じて、各種バルブや、圧力センサ等が設置されている。
【００７２】
先に説明したように、本実施例の燃料電池１０は、固体高分子膜を電解質膜として利用しているため、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保ち、所望の発電性能を得るために、電解質膜の加湿が必要である。したがって、燃料電池システム１００は加湿器２０を備えている。
【００７３】
この加湿器２０は、水蒸気を選択的に透過する水蒸気透過膜２３によって分離された加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２を備えている。加湿ガス室２１には、水蒸気を含有する加湿ガスが供給され、被加湿ガス室２２には、加湿対象となる被加湿ガスが供給される。加湿ガス室２１に供給された加湿ガスに含まれる水蒸気は、水蒸気透過膜２３を介して、被加湿ガス室２２に透過し、被加湿ガス室２２に供給された被加湿ガスを加湿する。なお、本実施例の加湿器２０は、後述するように、被加湿ガスの加湿量、すなわち、水蒸気透過膜２３の水蒸気の透過量を制御することができる。
【００７４】
本実施例では、加湿器２０の被加湿ガス室２２に、配管３０を介して、外部から導入された空気が被加湿ガスとして供給され、被加湿ガス室２２を通過して加湿された空気が、配管３２を介して、燃料電池１０のカソードに供給される。配管３０は、本発明における被加湿ガス供給配管に相当し、配管３２は、本発明における酸化剤ガス供給配管に相当する。
【００７５】
また、燃料電池１０のカソードから排出された水蒸気（生成水）を含むカソードオフガスは、配管３４を介して、加湿器２０の加湿ガス室２１に加湿ガスとして供給され、加湿ガス室２１を通過したカソードオフガスは、配管３６を通じて外部に排出される。配管３４は、本発明における加湿ガス供給配管に相当し、配管３６は、本発明における排出配管に相当する。
【００７６】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。
【００７７】
Ａ２．加湿器の構成：
図２は、第１実施例の加湿器２０の概略構成を示す説明図である。図示するように、本実施例の加湿器２０は、略直方体の外形形状を有している。そして、加湿ガス室２１に加湿ガス（カソードオフガス）を供給するための加湿ガス供給口２１ｉと、加湿ガス室２１から加湿ガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏと、被加湿ガス室２２に被加湿ガス（空気）を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉと、被加湿ガス室２２から被加湿ガスを排出するための被加湿ガス排出口２２ｏとが設けられている。なお、本実施例では、これらの供給口、および、排出口は、同一の面に設けられているものとしたが、異なる面に設けるものとしてもよい。
【００７８】
被加湿ガス室２２内には、図示するように、水蒸気透過膜２３の面に沿った方向に移動することによって、図中にハッチングを付した部分の水蒸気透過膜２３における加湿に寄与する有効膜面積Ｓ、すなわち、加湿ガス室２１から被加湿ガス室２２へ水蒸気が透過する部分の水蒸気透過膜２３の断面積、および、被加湿ガス室２２の容積を調整可能な可動壁２４が設置されている。なお、可動壁２４を加湿ガス室２１内に設置せずに、被加湿ガス室２２内に設置しているのは、可動壁２４を加湿ガス室２１内に設置すると、加湿ガス室２１から水蒸気透過膜２３に浸透した水分が、水蒸気透過膜２３の被加湿ガス室２２側の表面全体から被加湿ガス室２２側に蒸発してしまい、有効膜面積Ｓ、すなわち、被加湿ガス室２２に供給された空気の加湿量を制御できないからである。
【００７９】
可動壁２４は、図示するように、被加湿ガス供給口２２ｉ、および、被加湿ガス排出口２２ｏと対向する壁面に、バネ２５によって支持されている。このバネ２５のバネ定数は、任意に選択される。加湿ガス室２１に供給された加湿ガスに含まれる水蒸気の量が一定の場合、水蒸気透過膜２３を透過する水蒸気の量は、有効膜面積Ｓの増大に伴って増大し、有効膜面積Ｓの減少に伴って減少する。したがって、被加湿ガス供給口２２ｉから供給する空気の流量を増大させ、供給圧力を高くすると、可動壁２４は、バネ２５の反発力に逆らって、有効膜面積Ｓが大きくなるように、図の左方向に移動し、被加湿ガス室２２に供給された空気の加湿量を増大させることができる。また、被加湿ガス供給口２２ｉから供給する空気の流量を減少させ、供給圧力を低くすると、可動壁２４は、バネ２５の反発力によって、有効膜面積Ｓが小さくなるように、図の右方向に移動し、被加湿ガス室２２に供給された空気の加湿量を減少させることができる。
【００８０】
Ａ３．効果：
図３は、加湿器２０の効果を示す説明図である。図中の破線は、被加湿ガスのガス流量に対する目標加湿量を示している。実線のカーブは、被加湿ガス室２２内に可動壁２４を備え、有効膜面積Ｓを調整可能な本実施例の加湿器２０における被加湿ガスのガス流量に対する加湿量を示している。また、一点鎖線のカーブは、有効膜面積Ｓを調整できない従来の加湿器における被加湿ガスのガス流量に対する加湿量を示している。なお、この図において、加湿量は、単位時間当たりに水蒸気透過膜２３を透過する水分量（重さ）である。
【００８１】
この図から分かるように、本実施例の加湿器２０を用いることによって、従来の加湿器を用いるよりも被加湿ガスの加湿量を目標加湿量に近づけることができる。
【００８２】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、上述した加湿器２０を用いて、燃料電池１０のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【００８３】
Ａ４．第１実施例の変形例：
【００８４】
Ａ４．１．変形例１：
図４は、第１実施例の第１変形例の加湿器２０Ａの概略構成を示す説明図である。主として、先に説明した加湿器２０と異なる点について説明する。第１変形例の加湿器２０Ａにおいて、水蒸気透過膜２３は、蛇腹構造を有しており、水蒸気透過膜２３の面に沿った方向に伸縮可能に形成されている。そして、水蒸気透過膜２３の端部には、水蒸気透過膜２３の面に沿った方向に移動することによって、水蒸気透過膜２３を伸縮させ、加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２の容積、および、水蒸気透過膜２３の有効膜面積Ｓを調整可能な可動壁２４Ａが接合されている。そして、この可動壁２４Ａは、加湿器２０と同様に、被加湿ガス供給口２２ｉ、および、被加湿ガス排出口２２ｏと対向する壁面に、バネ２５によって支持されている。また、可動壁２４Ａは、加湿器２０の可動壁２４と同様に、被加湿ガス供給口２２ｉに供給する被加湿ガスの供給圧力、および、バネ２５の作用によって移動する。この加湿器２０Ａによっても、加湿器２０と同様に、可動壁２４Ａを移動させることによって、水蒸気透過膜２３の有効膜面積Ｓを調整し、被加湿ガスの加湿量を制御することができる。
【００８５】
Ａ４．２．変形例２：
図５は、第１実施例の第２変形例の加湿器２０Ｂの概略構成を示す説明図である。主として、先に説明した加湿器２０と異なる点について説明する。加湿器２０では、被加湿ガス供給口２２ｉに供給する被加湿ガスの供給圧力、および、バネ２５の作用によって、可動壁２４を移動させたが、第２変形例の加湿器２０Ｂでは、ステッピングモータ２６を駆動することによって、可動壁２４を移動させる。ステッピングモータ２６の駆動は、制御ユニット５０によって制御される。可動壁２４の移動量、被加湿ガスの加湿量、被加湿ガスの流量などの関係は、例えば、実験等によって、予め得ることができる。したがって、加湿器２０Ｂでは、これらの関係に基づいて可動壁２４の移動量を制御することによって、水蒸気透過膜２３の有効膜面積Ｓを調整し、加湿器２０よりも精度よく被加湿ガスの加湿量を制御することができる。
【００８６】
また、被加湿ガスの加湿量は、被加湿ガス、および、加湿ガスに含まれる水蒸気の量や、圧力や、温度等、他のパラメータによっても影響を受ける。したがって、燃料電池システム１００に、さらに、これらを検出するためのセンサを設け、これら他のパラメータに基づいて、ステッピングモータ２６の駆動を制御するようにしてもよい。こうすることによって、被加湿ガスの加湿量を、さらに精度よく制御することができる。
【００８７】
Ａ４．３．変形例３：
図６は、第１実施例の第３変形例の加湿器２０Ｃの概略構成を示す説明図である。主として、上述した第２変形例の加湿器２０Ｂと異なる点について説明する。加湿器２０Ｂは、水蒸気透過膜２３の有効膜面積Ｓ、および、被加湿ガス室２２の容積を調整可能な可動壁２４を備えるものとしたが、第３変形例の加湿器２０Ｃは、可動壁２４の代わりに、有効膜面積Ｓを調整可能なシャッタ２７を備える。この加湿器２０Ｃによっても、第２変形例の加湿器２０Ｂと同様に、シャッタ２７の開閉量を制御することによって、水蒸気透過膜２３の有効膜面積Ｓを調整し、加湿器２０よりも精度よく被加湿ガスの加湿量を制御することができる。
【００８８】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ｄの概略構成を示す説明図である。図示するように、この燃料電池システム１００Ｄは、加湿器２０Ｄ、および、加湿器２０Ｄに接続された配管等を除き、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【００８９】
加湿器２０Ｄは、第１実施例の加湿器２０と同様に、水蒸気を選択的に透過する水蒸気透過膜２３によって分離された加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２を備えている。
【００９０】
本実施例では、加湿器２０Ｄの被加湿ガス室２２に、配管３０を介して、外部から導入された空気が被加湿ガスとして供給され、被加湿ガス室２２を通過して加湿された空気が、配管３２ａ、または、配管３２ｂ、および、配管３２を通じて、燃料電池１０のカソードに供給される。なお、配管３２ａ、および、配管３２ｂには、それぞれバルブ３２ｖ１、および、バルブ３２ｖ２が配設されており、これらのバルブの開閉状態を切り換えることによって、加湿済みの空気を配管３２ａ、および、配管３２ｂのいずれに流すかを切り換えることができる。
【００９１】
また、燃料電池１０のカソードから排出された水蒸気を含むカソードオフガスは、配管３４を介して、加湿器２０Ｄの加湿ガス室２１に加湿ガスとして供給され、加湿ガス室２１を通過したカソードオフガスは、配管３６ａ、または、配管３６ｂ、および、配管３６を通じて外部に排出される。なお、配管３６ａ、および、配管３６ｂには、それぞれバルブ３６ｖ１、および、バルブ３６ｖ２が配設されており、これらのバルブの開閉状態を切り換えることによって、カソードオフガスを配管３６ａ、および、配管３６ｂのいずれに流すかを切り換えることができる。
【００９２】
燃料電池システム１００Ｄの運転は、制御ユニット５０Ｄによって制御される。制御ユニット５０Ｄは、第１実施例の制御ユニット５０と同様に、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、バルブ３２ｖ１，３２ｖ２，３６ｖ１，３６ｖ２の動作を含むシステムの運転を制御する。
【００９３】
Ｂ２．加湿器の構成：
図８は、第２実施例の加湿器２０Ｄの概略構成を示す説明図である。図示するように、本実施例の加湿器２０Ｄは、略直方体の外形形状を有している。そして、加湿ガス室２１の水蒸気透過膜２３と対向する面に、配管３４から加湿ガス室２１に加湿ガス（カソードオフガス）を供給するための加湿ガス供給口２１ｉと、加湿ガス室２１から配管３６ａを通じて加湿ガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏ１と、加湿ガス室２１から配管３６ｂを通じて加湿ガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏ２が設けられている。本実施例では、加湿ガス供給口２１ｉと、加湿ガス排出口２１ｏ１と、加湿ガス排出口２１ｏ２とは、図示するように、それぞれ同一の矩形形状を有している。そして、加湿ガス供給口２１ｉは、加湿ガス室２１の端部に形成されている。また、加湿ガス排出口２１ｏ１、および、加湿ガス排出口２１ｏ２は、加湿ガス供給口２１ｉとの距離がそれぞれ異なる位置に形成されている。なお、本実施例では、加湿ガス排出口２１ｏ１と加湿ガス供給口２１ｉとの距離は、加湿ガス排出口２１ｏ２と加湿ガス供給口２１ｉとの距離よりも近いものとした。
【００９４】
一方、被加湿ガス室２２の水蒸気透過膜２３と対向する面には、配管３０から水蒸気透過膜２３に被加湿ガス（空気）を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉと、被加湿ガス室２２から配管３２ａを通じて被加湿ガスを排出するための被加湿ガス排出口２２ｏ１と、被加湿ガス室２２から配管３２ｂを通じて被加湿ガスを排出するための被加湿ガス排出口２２ｏ２とが設けられている。本実施例では、被加湿ガス供給口２２ｉと、被加湿ガス排出口２２ｏ１と、被加湿ガス排出口２２ｏ２とは、図示するように、それぞれ同一の矩形形状を有している。そして、被加湿ガス供給口２２ｉは、被加湿ガス室２２の端部であって、水蒸気透過膜２３を挟んで加湿ガス供給口２１ｉと互いに対向する位置に形成されている。また、被加湿ガス排出口２２ｏ１、および、被加湿ガス排出口２２ｏ２は、被加湿ガス供給口２２ｉとの距離がそれぞれ異なる位置に形成されている。なお、本実施例では、被加湿ガス排出口２２ｏ１と被加湿ガス供給口２２ｉとの距離は、被加湿ガス排出口２２ｏ２と被加湿ガス供給口２２ｉとの距離よりも近いものとした。また、被加湿ガス排出口２２ｏ１、および、被加湿ガス排出口２２ｏ２は、それぞれ水蒸気透過膜２３を挟んで加湿ガス排出口２１ｏ１、および、加湿ガス排出口２１ｏ２と互いに対向する位置に形成されているものとした。
【００９５】
この加湿器２０Ｄは、以下に説明するように用いられる。すなわち、空気の加湿量を比較的多くする場合には、バルブ３６ｖ１を閉弁するとともに、バルブ３６ｖ２を開弁し、加湿ガス室２１からのカソードオフガスの排出を、加湿ガス供給口２１ｉからの距離が遠い方の加湿ガス排出口２１ｏ２を用いて行う。また、バルブ３２ｖ１を閉弁するとともに、バルブ３２ｖ２を開弁し、被加湿ガス室２２からの加湿済みの空気の排出を、被加湿ガス供給口２２ｉから遠い方の被加湿ガス排出口２２ｏ２を用いて行う。この場合、カソードオフガスは加湿ガス室２１内全体に流れ、空気は被加湿ガス室２２内全体を流れるので、水蒸気透過膜２３の全体（図中のＳ２の領域）が加湿に寄与することになる。
【００９６】
一方、空気の加湿量を比較的少なくする場合には、バルブ３６ｖ１を開弁するとともに、バルブ３６ｖ２を閉弁し、加湿ガス室２１からのカソードオフガスの排出を、加湿ガス供給口２１ｉからの距離が近い方の加湿ガス排出口２１ｏ１を用いて行う。また、バルブ３２ｖ１を開弁するとともに、バルブ３２ｖ２を閉弁し、被加湿ガス室２２からの加湿済みの空気の排出を、被加湿ガス供給口２２ｉからの距離が近い方の被加湿ガス排出口２２ｏ１を用いて行う。この場合、カソードオフガス、および、空気は、それぞれ加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２の一部の領域を流れるので、水蒸気透過膜２３の一部の領域（図中のＳ１の領域）が加湿に寄与することになる。
【００９７】
以上説明したように、本実施例の加湿器２０Ｄでは、空気の加湿時に、２つの加湿ガス排出口２１ｏ１，２１ｏ２、および、２つの被加湿ガス排出口２２ｏ１，２２ｏ２を切り換えることによって、カソードオフガスが加湿ガス室２１内を流れる距離、および、空気が被加湿ガス室２２内を流れる距離を切り換えることができるので、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を調節することができる。
【００９８】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ｄによっても、上述した加湿器２０Ｄを用いて、燃料電池１０のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【００９９】
Ｂ３．第２実施例の変形例：
Ｂ３．１．変形例１：
図９は、第２実施例の第１変形例の加湿器２０Ｅの概略構成を示す説明図である。図から分かるように、この加湿器２０Ｅは、先に説明した加湿器２０Ｄにおける加湿ガス排出口２１ｏ１を備えていないことを除き、加湿器２０Ｄと同じである。なお、この加湿器２０Ｅを用いる燃料電池システムは、図示は省略するが、先に説明した燃料電池システム１００Ｄにおける配管３６ａ、および、バルブ３６ｖ１を備えていない。また、バルブ３６ｖ２も備えていない。
【０１００】
この加湿器２０Ｅでは、空気の加湿量を比較的多くする場合には、バルブ３２ｖ１を閉弁するとともに、バルブ３２ｖ２を開弁し、被加湿ガス室２２からの加湿済みの空気の排出を、被加湿ガス供給口２２ｉから遠い方の被加湿ガス排出口２２ｏ２を用いて行う。この場合、カソードオフガスは加湿ガス室２１内全体に流れ、空気は被加湿ガス室２２内全体を流れるので、水蒸気透過膜２３の全体（図中のＳ２の領域）が加湿に寄与することになる。
【０１０１】
一方、空気の加湿量を比較的少なくする場合には、バルブ３２ｖ１を開弁するとともに、バルブ３２ｖ２を閉弁し、被加湿ガス室２２からの加湿済みの空気の排出を、被加湿ガス供給口２２ｉからの距離が近い方の被加湿ガス排出口２２ｏ１を用いて行う。この場合、空気は被加湿ガス室２２の一部の領域を流れるので、水蒸気透過膜２３の一部の領域（図中のＳ１の領域）が加湿に寄与することになる。
【０１０２】
以上説明したように、本変形例の加湿器２０Ｅでは、空気の加湿時に、２つの被加湿ガス排出口２２ｏ１，２２ｏ２を切り換えることによって、空気が被加湿ガス室２２内を流れる距離を切り換えることができるので、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を調節することができる。
【０１０３】
Ｂ３．２．変形例２：
上記第２実施例の加湿器２０Ｄでは、被加湿ガス排出口は２つであるものとしたが、これに限られない。被加湿ガス排出口を３つ以上としてもよい。この場合、燃料電池システムでは、被加湿ガス排出口の数に応じて、加湿済みの空気を排出する配管、および、バルブを設けるようにすればよい。加湿ガス排出口についても同様である。被加湿ガス排出口、さらには、加湿ガス排出口の数を増やせば、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を、さらに詳細に調節することができる。
【０１０４】
Ｂ３．３．変形例３：
上記第２実施例の加湿器２０Ｄでは、被加湿ガス供給口２２ｉと、被加湿ガス排出口２２ｏ１と、被加湿ガス排出口２２ｏ２とは、すべて同じ形状であるものとしたが、これに限られず、任意に設定可能である。例えば、被加湿ガス排出口２２ｏ１の代わりに、形状を小さくした被加湿ガス排出口を用いることによって、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を小さくすることができる。
【０１０５】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システムの構成：
図１０は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｆの概略構成を示す説明図である。図示するように、この燃料電池システム１００Ｆは、加湿器２０Ｆ、および、加湿器２０Ｆに接続された配管等を除き、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【０１０６】
加湿器２０Ｆは、第１実施例の加湿器２０と同様に、水蒸気を選択的に透過する水蒸気透過膜２３によって分離された加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２を備えている。
【０１０７】
本実施例では、加湿器２０Ｆの被加湿ガス室２２に、配管３０、および、配管３０ａ、または、配管３０ｂを介して、外部から導入された空気が被加湿ガスとして供給され、被加湿ガス室２２を通過して加湿された空気が、配管３２を通じて、燃料電池１０のカソードに供給される。なお、配管３０ａ、および、配管３０ｂには、それぞれバルブ３０ｖ１、および、バルブ３０ｖ２が配設されており、これらのバルブの開閉状態を切り換えることによって、空気を配管３０ａ、および、配管３０ｂのいずれに流すかを切り換えることができる。
【０１０８】
また、燃料電池１０のカソードから排出された水蒸気を含むカソードオフガスは、配管３４、および、配管３４ａ、または、配管３４ｂを介して、加湿器２０の加湿ガス室２１に加湿ガスとして供給され、加湿ガス室２１を通過したカソードオフガスは、配管３６を通じて外部に排出される。なお、配管３４ａ、および、配管３４ｂには、それぞれバルブ３４ｖ１、および、バルブ３４ｖ２が配設されており、これらのバルブの開閉状態を切り換えることによって、カソードオフガスを配管３４ａ、および、配管３４ｂのいずれに流すかを切り換えることができる。
【０１０９】
燃料電池システム１００Ｆの運転は、制御ユニット５０Ｆによって制御される。制御ユニット５０Ｆは、第１実施例の制御ユニット５０と同様に、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、バルブ３０ｖ１，３０ｖ２，３４ｖ１，３４ｖ２の動作を含むシステムの運転を制御する。
【０１１０】
Ｃ２．加湿器の構成：
図１１は、第３実施例の加湿器２０Ｆの概略構成を示す説明図である。図示するように、本実施例の加湿器２０Ｆは、略直方体の外形形状を有している。そして、加湿ガス室２１の水蒸気透過膜２３と対向する面に、配管３４ａから加湿ガス室２１に加湿ガス（カソードオフガス）を供給するための加湿ガス供給口２１ｉ１と、配管３４ｂから加湿ガス室２１にカソードオフガスを供給するための加湿ガス供給口２１ｉ２と、加湿ガス室２１から配管３６を通じて加湿ガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏとが設けられている。本実施例では、加湿ガス供給口２１ｉ１と、加湿ガス供給口２１ｉ２と、加湿ガス排出口２１ｏとは、図示するように、それぞれ同一の矩形形状を有している。そして、加湿ガス排出口２１ｏは、加湿ガス室２１の端部に形成されている。また、加湿ガス供給口２１ｉ１、および、加湿ガス供給口２１ｉ２は、加湿ガス排出口２１ｏとの距離がそれぞれ異なる位置に形成されている。なお、本実施例では、加湿ガス排出口２１ｏと加湿ガス供給口２１ｉ２との距離は、加湿ガス排出口２１ｏと加湿ガス供給口２１ｉ１との距離よりも近いものとした。
【０１１１】
一方、被加湿ガス室２２の水蒸気透過膜２３と対向する面には、配管３０ａから被加湿ガス室２２に被加湿ガス（空気）を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉ１と、配管３０ｂから被加湿ガス室２２に空気を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉ２と、被加湿ガス室２２から配管３２を通じて被加湿ガスを排出するための被加湿ガス排出口２２ｏとが設けられている。本実施例では、被加湿ガス供給口２２ｉ１と、被加湿ガス供給口２２ｉ２と、被加湿ガス排出口２２ｏとは、図示するように、それぞれ同一の矩形形状を有している。そして、被加湿ガス排出口２２ｏは、被加湿ガス室２２の端部であって、水蒸気透過膜２３を挟んで加湿ガス排出口２１ｏと互いに対向する位置に形成されている。また、被加湿ガス供給口２２ｉ１、および、被加湿ガス供給口２２ｉ２は、被加湿ガス排出口２２ｏとの距離がそれぞれ異なる位置に形成されている。なお、本実施例では、被加湿ガス供給口２２ｉ２と被加湿ガス排出口２２ｏとの距離は、被加湿ガス供給口２２ｉ１と被加湿ガス排出口２２ｏとの距離よりも近いものとした。また、被加湿ガス供給口２２ｉ１、および、被加湿ガス供給口２２ｉ２は、それぞれ水蒸気透過膜２３を挟んで加湿ガス供給口２１ｉ１、および、加湿ガス供給口２１ｉ２と互いに対向する位置に形成されているものとした。
【０１１２】
この加湿器２０Ｆは、以下に説明するように用いられる。すなわち、空気の加湿量を比較的多くする場合には、バルブ３４ｖ２を閉弁するとともに、バルブ３４ｖ１を開弁し、加湿ガス室２１へのカソードオフガスの供給を、加湿ガス排出口２１ｏからの距離が遠い方の加湿ガス供給口２１ｉ１を用いて行う。また、バルブ３０ｖ２を閉弁するとともに、バルブ３０ｖ１を開弁し、被加湿ガス室２２への空気の供給を、被加湿ガス排出口２２ｏから遠い方の被加湿ガス供給口２２ｉ１を用いて行う。この場合、カソードオフガスは加湿ガス室２１内全体に流れ、空気は被加湿ガス室２２内全体を流れるので、水蒸気透過膜２３の全体（図中のＳ２の領域）が加湿に寄与することになる。
【０１１３】
一方、空気の加湿量を比較的少なくする場合には、バルブ３４ｖ２を開弁するとともに、バルブ３４ｖ１を閉弁し、加湿ガス室２１へのカソードオフガスの供給を、加湿ガス排出口２１ｏからの距離が近い方の加湿ガス供給口２１ｉ２を用いて行う。また、バルブ３０ｖ２を開弁するとともに、バルブ３０ｖ１を閉弁し、被加湿ガス室２２への空気の供給を、被加湿ガス排出口２２ｏからの距離が近い方の被加湿ガス供給口２２ｉ２を用いて行う。この場合、カソードオフガス、および、空気は、それぞれ加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２の一部の領域を流れるので、水蒸気透過膜２３の一部の領域（図中のＳ１の領域）が加湿に寄与することになる。
【０１１４】
以上説明したように、本実施例の加湿器２０Ｆでは、空気の加湿時に、２つの加湿ガス供給口２１ｉ１，２１ｉ２、および、２つの被加湿ガス供給口２２ｉ１，２２ｉ２を切り換えることによって、カソードオフガスが加湿ガス室２１内を流れる距離、および、空気が被加湿ガス室２２内を流れる距離を切り換えることができるので、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を調節することができる。
【０１１５】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ｆによっても、上述した加湿器２０Ｆを用いて、燃料電池１０のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【０１１６】
Ｃ３．第３実施例の変形例：
Ｃ３．１．変形例１：
図１２は、第３実施例の第１変形例の加湿器２０Ｇの概略構成を示す説明図である。図から分かるように、この加湿器２０Ｇは、先に説明した加湿器２０Ｆにおける加湿ガス供給口２１ｉ２を備えていないことを除き、加湿器２０Ｆと同じである。なお、この加湿器２０Ｇを用いる燃料電池システムは、図示は省略するが、先に説明した燃料電池システム１００Ｆにおける配管３４ｂ、および、バルブ３４ｖ２を備えていない。また、バルブ３４ｖ１も備えていない。
【０１１７】
この加湿器２０Ｇでは、空気の加湿量を比較的多くする場合には、バルブ３０ｖ２を閉弁するとともに、バルブ３０ｖ１を開弁し、被加湿ガス室２２への空気の供給を、被加湿ガス排出口２２ｏから遠い方の被加湿ガス供給口２２ｉ１を用いて行う。この場合、カソードオフガスは加湿ガス室２１内全体に流れ、空気は被加湿ガス室２２内全体を流れるので、水蒸気透過膜２３の全体（図中のＳ２の領域）が加湿に寄与することになる。
【０１１８】
一方、空気の加湿量を比較的少なくする場合には、バルブ３０ｖ２を開弁するとともに、バルブ３０ｖ１を閉弁し、被加湿ガス室２２への空気の供給を、被加湿ガス排出口２２ｏからの距離が近い方の被加湿ガス供給口２２ｉ２を用いて行う。この場合、空気は被加湿ガス室２２の一部の領域を流れるので、水蒸気透過膜２３の一部の領域（図中のＳ１の領域）が加湿に寄与することになる。
【０１１９】
以上説明したように、本変形例の加湿器２０Ｇでは、空気の加湿時に、２つの被加湿ガス供給口２２ｉ１，２２ｉ２を切り換えることによって、空気が被加湿ガス室２２内を流れる距離を切り換えることができるので、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を調節することができる。
【０１２０】
Ｃ３．２．変形例２：
上記第３実施例の加湿器２０Ｆでは、被加湿ガス供給口は２つであるものとしたが、これに限られない。被加湿ガス供給口を３つ以上としてもよい。この場合、燃料電池システムでは、被加湿ガス供給口の数に応じて、空気を供給する配管、および、バルブを設けるようにすればよい。加湿ガス供給口についても同様である。被加湿ガス供給口、さらには、加湿ガス供給口の数を増やせば、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を、さらに詳細に調節することができる。
【０１２１】
Ｃ３．３．変形例３：
上記第３実施例の加湿器２０Ｆでは、被加湿ガス供給口２２ｉ１と、被加湿ガス供給口２２ｉ２と、被加湿ガス排出口２２ｏとは、すべて同じ形状であるものとしたが、これに限られず、任意に設定可能である。例えば、被加湿ガス供給口２２ｉ２の代わりに、形状を小さくした被加湿ガス供給口を用いることによって、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を小さくすることができる。
【０１２２】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池システムの構成：
図１３は、本発明の第４実施例としての燃料電池システム１００Ｈの概略構成を示す説明図である。図示するように、この燃料電池システム１００Ｈは、加湿器２０Ｈを除き、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【０１２３】
加湿器２０Ｈは、後述するように、水蒸気透過膜として、中空糸を用いている。そして、本実施例では、この中空糸の内部の空洞を、加湿ガス室２１として用い、中空糸の外部を被加湿ガス室２２として用いるものとした。加湿器２０Ｈの詳細については、後述する。
【０１２４】
本実施例では、加湿器２０Ｈの被加湿ガス室２２に、配管３０を介して、外部から導入された空気が被加湿ガスとして供給され、被加湿ガス室２２を通過して加湿された空気が、配管３２を介して、燃料電池１０のカソードに供給される。また、燃料電池１０のカソードから排出された水蒸気を含むカソードオフガスは、配管３４を介して、加湿器２０の加湿ガス室２１に加湿ガスとして供給され、加湿ガス室２１を通過したカソードオフガスは、配管３６を通じて外部に排出される。なお、本実施例の加湿器２０Ｈは、カソードオフガスを、加湿ガス室２１を通らずに外部に排出するためのバイパス配管２９と、バイパス配管２９に流すカソードオフガスの流量を調節する流量調節バルブ２９ｖとを備えている。
【０１２５】
燃料電池システム１００Ｈの運転は、制御ユニット５０Ｈによって制御される。制御ユニット５０Ｈは、第１実施例の制御ユニット５０と同様に、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、流量調節バルブ２９ｖや、２０Ｈ内に備えられた後述するバタフライ弁２８の動作を含むシステムの運転を制御する。
【０１２６】
Ｄ２．加湿器の構成：
図１４は、第４実施例の加湿器２０Ｈの概略構成を示す説明図である。本実施例の加湿器２０Ｈは、水蒸気透過膜として、束状に配置された複数の中空糸２３Ｈを備えている。先に説明したように、各中空糸２３Ｈの内部の空洞は、加湿ガス室２１として機能する。中空糸２３Ｈの束の両端は、それぞれ固定部材２３ａ，２３ｂによって固定されており、これらの周囲には、被加湿ガス室２２として機能する円筒状のケースが設けられている。このケースと、固定部材２３ａ，２３ｂとは、シールされている。ケースの側面には、配管３０から空気を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉと、配管３２に加湿された空気を排出するための被加湿ガス排出口２２ｏとが設けられている。
【０１２７】
固定部材２３ａには、配管３４から加湿ガス室２１にカソードオフガスを供給するための加湿ガス供給口２１ｉが設けられている。また、固定部材２３ｂには、加湿ガス室２１から配管３６にカソードオフガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏが設けられている。加湿ガス供給口２１ｉ、および、加湿ガス排出口２１ｏは、ケースとほぼ同一の外形形状を有している。
【０１２８】
加湿ガス供給口２１ｉの固定部材２３ａ近傍には、中心軸２８ａを中心に回転駆動するバタフライ弁２８が設けられている。このバタフライ弁２８は、ステッピングモータ２６によって開度を調整することができる。そして、バタフライ弁２８の開度を変化させることによって、加湿ガス供給口２１ｉにおけるカソードオフガスの流路断面積を変更することができる。バタフライ弁２８は、本発明における面積調節バルブに相当する。
【０１２９】
加湿ガス供給口２１ｉのバタフライ弁２８の上流側と、加湿ガス供給口２１ｉとは、バイパス配管２９によって接続されている。このバイパス配管２９上には、流量調節バルブ２９ｖが配設されており、バイパス配管２９に流れるカソードオフガスの流量を調節することができる。
【０１３０】
図１５は、加湿器２０Ｈの動作について示す説明図である。この図は、中空糸２３Ｈの束を加湿ガス供給口２１ｉ側から見た様子を示している。
【０１３１】
この加湿器２０Ｈでは、要求される空気の加湿量に応じて、バタフライ弁２８の開度を調節する。空気の加湿量を比較的少なくする場合には、バタフライ弁２８の開度を小さくする。このとき、カソードオフガスは、図１５（ａ）に示すように、比較的狭い領域ａに配置されている複数の中空糸２３Ｈに流れ、このカソードオフガスが流れた中空糸２３Ｈの側面積が、有効膜面積となる。また、空気の加湿量を中程度にする場合には、バタフライ弁２８の開度を半開にする。このとき、カソードオフガスは、図１５（ｂ）に示すように、図１５（ａ）に示した領域ａよりも広い領域ｂに配置されている複数の中空糸２３Ｈに流れ、このカソードオフガスが流れた中空糸２３Ｈの側面積が、有効膜面積となる。また、空気の加湿量を比較的多くする場合には、バタフライ弁２８の開度を全開にする。このとき、カソードオフガスは、図１５（ｃ）に示すように、領域ｃに配置された、すなわち、すべての中空糸２３Ｈに流れ、このカソードオフガスが流れた中空糸２３Ｈの側面積が、有効膜面積となる。
【０１３２】
以上説明したように、本実施例の加湿器２０Ｈでは、空気の加湿時に、バタフライ弁２８の開度を調節することによって、カソードオフガスが流れる中空糸２３Ｈの本数を調節し、水蒸気透過膜の有効膜面積を調節することができる。
【０１３３】
なお、燃料電池システム１００Ｈにおいて、空気、および、カソードオフガスの流量が比較的少なく、加湿器２０Ｈのバタフライ弁２８の開度が比較的小さい場合には、圧損が過剰に増大する場合あがる。そこで、本実施例の加湿器２０Ｈでは、バタフライ弁２８の開度に応じて、圧損が小さくなるように、すなわち、バタフライ弁２８の開度が小さいほど、バイパス配管２９に流れるカソードオフガスの流量が増大するように、流量調節バルブ２９ｖを調整する。こうすることによって、燃料電池システム１００Ｈにおける圧損の過剰な増大を抑制することができる。
【０１３４】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ｈによっても、上述した加湿器２０Ｈを用いて、燃料電池１０のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【０１３５】
Ｄ３．第４実施例の変形例：
Ｄ３．１．変形例１：
上記第４実施例の加湿器２０Ｈでは、バイパス配管２９、および、流量調節バルブ２９ｖを備えるものとしたが、これらを備えないようにしてもよい。
【０１３６】
Ｄ３．２．変形例２：
上記第４実施例の加湿器２０Ｈでは、バイパス配管２９に、流量調節バルブ２９ｖを配設するものとしたが、これに限られない。流量調節バルブ２９ｖの代わりに、バイパス配管２９の連通状態を切り換える切換バルブを備えるようにし、この切換バルブの開閉状態を、バタフライ弁２８の開度に応じて、切り換えるようにしてもよい。この場合、バタフライ弁２８の開度が所定値以下のときに、切換バルブを開弁するようにすればよい。
【０１３７】
Ｄ３．３．変形例３：
上記第４実施例の加湿器２０Ｈでは、バタフライ弁２８を、ステッピングモータ２６によって、駆動するものとしたが、これに限られない。例えば、バタフライ弁２８、および、加湿ガス供給口２１ｉにトーションバネを設置し、カソードオフガスの供給圧力に応じて、バタフライ弁２８の開度が調整されるようにしてもよい。
【０１３８】
Ｄ３．４．変形例４：
上記第４実施例の加湿器２０Ｈでは、バタフライ弁２８の開度を調節することによって、カソードオフガスが流れる中空糸２３Ｈの本数を調節し、水蒸気透過膜の有効膜面積を調節するものとしたが、これに限られない。バタフライ弁２８の代わりに、シャッタを備えるようにし、シャッタの開度を調節することによって、カソードオフガスが流れる中空糸２３Ｈの本数を調節し、水蒸気透過膜の有効膜面積を調節するものとしてもよい。
【０１３９】
Ｄ３．５．変形例５：
上記第４実施例の加湿器２０Ｈでは、中空糸２３Ｈの内部の空洞を加湿ガス室２１とし、中空糸２３Ｈの外部を被加湿ガス室２２としたが、中空糸２３Ｈの内部の空洞を被加湿ガス室２２とし、中空糸２３Ｈの外部を加湿ガス室２１とするようにしてもよい。この場合、バイパス配管２９、および、流量調節バルブ２９ｖは、省略される。
【０１４０】
Ｅ．第５実施例：
第５実施例の燃料電池システムの構成は、後述する加湿器２０Ｉを除き、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【０１４１】
Ｅ１．加湿器の構成：
図１６は、第５実施例の加湿器２０Ｉの概略構成を示す説明図である。本実施例の加湿器２０Ｉは、第４実施例の加湿器２０Ｈと同様に、水蒸気透過膜として、束状に配置された複数の中空糸２３Ｈを備えている。そして、各中空糸２３Ｈの内部の空洞は、加湿ガス室２１として機能する。中空糸２３Ｈの束の両端は、それぞれ固定部材２３ａ，２３ｂによって固定されており、また、中空糸２３Ｈの固定部材２３ａ，２３ｂの中央部は、固定部材２３ｃによって固定されている。これらの周囲には、被加湿ガス室として機能する円筒状のケースが設けられている。このケースと、固定部材２３ａ，２３ｂ，２３ｃとは、シールされている。固定部材２３ａと、固定部材２３ｃとの間のケース内の空間は、第１被加湿ガス室２２ａとして機能し、固定部材２３ｃと、固定部材２３ｂとの間のケース内の空間は、第２被加湿ガス室２２ｂとして機能する。なお、本実施例では、固定部材２３ｃは、固定部材２３ａと、固定部材２３ｂとの中央部に配置されているので、第１被加湿ガス室２２ａ、および、第２被加湿ガス室２２ｂの容積は、同じである。
【０１４２】
固定部材２３ａには、配管３４から加湿ガス室２１にカソードオフガスを供給するための加湿ガス供給口２１ｉが設けられている。加湿ガス供給口２１ｉは、すべての中空糸２３Ｈにカソードオフガスが供給されるように設けられている。また、固定部材２３ｂには、加湿ガス室２１から配管３６にカソードオフガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏが設けられている。
【０１４３】
第１被加湿ガス室２２ａのケースの側面には、配管３０から第１被加湿ガス室２２ａに空気を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉ１と、第１被加湿ガス室２２ａから配管３２に加湿された空気を排出するための被加湿ガス排出口２２ｏ１とが設けられている。被加湿ガス排出口２２ｏ１は、中空糸２３Ｈを挟んで、被加湿ガス供給口２２ｉ１と対向する位置に配置されている。そして、一方の被加湿ガス供給口２２ｉ１には、バルブ２８Ａが設けられており、このバルブ２８Ａの開閉状態を切り換えることによって、被加湿ガス供給口２２ｉ１から第１被加湿ガス室２２ａに空気を供給するか否かを切り換えることができる。また、第２被加湿ガス室２２ｂのケースの側面には、配管３０から第２被加湿ガス室２２ｂに空気を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉ２と、第２被加湿ガス室２２ｂから配管３２に加湿された空気を排出するための被加湿ガス排出口２２ｏ２とが設けられている。被加湿ガス排出口２２ｏ２は、中空糸２３Ｈを挟んで、被加湿ガス供給口２２ｉ２と対向する位置に配置されている。
【０１４４】
この加湿器２０Ｉでは、要求される空気の加湿量に応じて、バルブ２８Ａの開閉状態を切り換える。空気の加湿量を比較的少なくする場合には、バルブ２８Ａを閉弁して、被加湿ガス供給口２２ｉ１から第２被加湿ガス室２２ｂに空気を供給する。この場合、第２被加湿ガス室２２ｂ内の中空糸２３Ｈのみが、空気の加湿に寄与し、第１被加湿ガス室２２ａ内の中空糸２３Ｈは、空気の加湿に寄与しない。つまり、第２被加湿ガス室２２ｂ内の中空糸２３Ｈの側面積が、有効膜面積となる。また、空気の加湿量を比較的多くする場合には、バルブ２８Ａを開弁して、被加湿ガス供給口２２ｉ１、および、被加湿ガス供給口２２ｉ２から、それぞれ第１被加湿ガス室２２ａ、および、第２被加湿ガス室２２ｂに空気を供給する。この場合、第１被加湿ガス室２２ａ内の２３Ｈ、および、第２被加湿ガス室２２ｂ内の中空糸２３Ｈが、ともに空気の加湿に寄与する。つまり、第１被加湿ガス室２２ａ内の２３Ｈ、および、第２被加湿ガス室２２ｂ内の中空糸２３Ｈの側面積が、有効膜面積となる。
【０１４５】
以上説明したように、本実施例の加湿器２０Ｉでは、空気の加湿時に、バルブ２８Ａの開閉状態を切り換えることによって、中空糸２３Ｈの長さ方向のどの部分から透過した水蒸気を用いて空気の加湿を行うかを切り換えることができるので、水蒸気透過膜の有効膜面積を調節することができる。また、上述した加湿器２０Ｉを用いた燃料電池システムによっても、燃料電池１０のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【０１４６】
Ｅ２．第５実施例の変形例：
Ｅ２．１．変形例１：
上記第５実施例の加湿器２０Ｉでは、固定部材２３ａと、固定部材２３ｂとの間に、固定部材２３ｃが設けられており、被加湿ガス室が第１被加湿ガス室２２ａと、第２被加湿ガス室２２ｂとに分離されているものとしたが、これに限られない。固定部材２３ｃを省略してもよい。ただし、被加湿ガス室が第１被加湿ガス室２２ａと、第２被加湿ガス室２２ｂとに分離することによって、空気が流れる部位を制限することができるので、上記第５実施例の加湿器２０Ｉによれば、有効膜面積を精度よく切り換えることができる。
【０１４７】
Ｅ２．２．変形例２：
上記第５実施例の加湿器２０Ｉでは、固定部材２３ａと、固定部材２３ｂとの間に、１つの固定部材２３ｃが設けられており、第１被加湿ガス室２２ａと、第２被加湿ガス室２２ｂとに分離されているものとしたが、これに限られない。３つ以上の被加湿ガス室に分離するようにしてもよい。この場合、被加湿ガス室の数に応じて、被加湿ガス供給口や、被加湿ガス排出口や、被加湿ガス供給口に設けられるバルブの数を増加すればよい。
【０１４８】
Ｅ２．３．変形例３：
上記第５実施例の加湿器２０Ｉでは、固定部材２３ａと、固定部材２３ｂとの間の中央部に、固定部材２３ｃを設けるものとし、第１被加湿ガス室２２ａ、および、第２被加湿ガス室２２ｂの容積が同じであるものとしたが、これに限られない。第１被加湿ガス室２２ａ、および、第２被加湿ガス室２２ｂのいずれかの容積が小さくなるように固定部材２３ｃを設けるようにしてもよい。
【０１４９】
Ｅ２．４．変形例４：
上記第５実施例の２０Ｉでは、中空糸２３Ｈの内部の空洞を加湿ガス室とし、中空糸２３Ｈの外部を被加湿ガス室としたが、中空糸２３Ｈの内部の空洞を被加湿ガス室とし、中空糸２３Ｈの外部を加湿ガス室とするようにしてもよい。
【０１５０】
Ｆ．第６実施例：
第６実施例の燃料電池システムの構成は、後述する加湿器２０Ｊを除き、第１実施例の燃料電池システム１００と同じである。
【０１５１】
Ｆ１．加湿器の構成：
図１７は、第６実施例の加湿器２０Ｊの概略構成を示す説明図である。本実施例の加湿器２０Ｊは、略直方体の外形形状を有しており、水蒸気透過膜２３によってほぼ分離された加湿ガス室２１、および、被加湿ガス室２２を備えている。そして、この加湿器２０Ｊは、加湿ガス室２１にカソードオフガスを供給するための加湿ガス供給口２１ｉと、加湿ガス室２１から加湿ガスを排出するための加湿ガス排出口２１ｏと、被加湿ガス室２２に空気を供給するための被加湿ガス供給口２２ｉと、被加湿ガス室２２から加湿された空気を排出するための被加湿ガス排出口２２ｏとが設けられている。なお、図示した例では、これらの供給口、および、排出口は、加湿器２０Ｊの上面、および、下面に設けられているものとしたが、側面に設けるものとしてもよい。
【０１５２】
本実施例の加湿器２０Ｊは、シート状の水蒸気透過膜２３を備えている。この水蒸気透過膜２３は、図示するように、加湿器２０Ｊの側壁に固定された複数の固定ローラ２１０と、上面に固定されたテンション調整バネ２２２に接続され、上下方向に移動可能であって、固定ローラ２１０と平行に配置された複数の可動ローラ２２０とによって、波状に配設されている。そして、この水蒸気透過膜２３の一辺は、固定ローラ２１０が固定されている側壁とは異なる加湿器２０Ｊの側壁に固定されており、この辺に対向する一辺は、水蒸気透過膜２３の一辺が固定された側壁と対向する側壁近傍に設けられた膜面積調整ロール２３０に固定されている。したがって、膜面積調整ロール２３０を図示しないモータによって回転させ、テンション調整バネ２２２によって、水蒸気透過膜２３に張力をかけつつ、水蒸気透過膜２３を巻き取ることによって、水蒸気透過膜２３の波の高さを低くし、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を小さくしたり、テンション調整バネ２２２によって、水蒸気透過膜２３に張力をかけつつ、巻き取った水蒸気透過膜２３を延ばすことによって、水蒸気透過膜２３の波の高さを高くし、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を大きくしたりすることができる。固定ローラ２１０と、可動ローラ２２０と、テンション調整バネ２２２と、膜面積調整ロール２３０は、本発明における波高可変機構に相当する。
【０１５３】
以上説明したように、本実施例の加湿器２０Ｊでは、空気の加湿時に、膜面積調整ロール２３０の駆動を制御することによって、水蒸気透過膜２３の表面積、すなわち、有効膜面積を調節することができる。また、上述した加湿器２０Ｊを用いた燃料電池システムによっても、燃料電池１０のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の加湿量を制御して、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に維持することができる。
【０１５４】
Ｆ２．第６実施例の変形例：
Ｆ２．１．変形例１：
図１８は、第６実施例の第１変形例の加湿器２０Ｋの概略構成を示す説明図である。図から分かるように、本変形例の加湿器２０Ｋは、２つの膜面積調整ロール２３０，２３２を備えており、水蒸気透過膜２３の両端が２つの膜面積調整ロール２３０，２３２に固定されている。これ以外は、第６実施例の加湿器２０Ｊと同じである。
【０１５５】
本変形例の加湿器２０Ｋによっても、第６実施例の加湿器２０Ｊと同様に、空気の加湿時に、２つの膜面積調整ロール２３０，２３２の駆動を制御することによって、水蒸気透過膜２３の波の高さを調整し、水蒸気透過膜２３の有効膜面積を調節することができる。
【０１５６】
Ｇ．その他の変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【０１５７】
上述した各実施例では、加湿器２０を燃料電池システムに適用した例を示したが、他のシステムに適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の加湿器２０の概略構成を示す説明図である。
【図３】加湿器２０の効果を示す説明図である。
【図４】第１実施例の第１変形例の加湿器２０Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】第１実施例の第２変形例の加湿器２０Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図６】第１実施例の第３変形例の加湿器２０Ｃの概略構成を示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図８】第２実施例の加湿器２０Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図９】第２実施例の第１変形例の加湿器２０Ｅの概略構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｆの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第３実施例の加湿器２０Ｆの概略構成を示す説明図である。
【図１２】第３実施例の第１変形例の加湿器２０Ｇの概略構成を示す説明図である。
【図１３】本発明の第４実施例としての燃料電池システム１００Ｈの概略構成を示す説明図である。
【図１４】第４実施例の加湿器２０Ｈの概略構成を示す説明図である。
【図１５】加湿器２０Ｈの動作について示す説明図である。
【図１６】第５実施例の加湿器２０Ｉの概略構成を示す説明図である。
【図１７】第６実施例の加湿器２０Ｊの概略構成を示す説明図である。
【図１８】第６実施例の第１変形例の加湿器２０Ｋの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１００，１００Ｄ，１００Ｆ，１００Ｈ…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２０Ｇ，２０Ｈ，２０Ｉ，２０Ｊ，２０Ｋ…加湿器
２１…加湿ガス室
２１ｉ，２１ｉ１，２１ｉ２…加湿ガス供給口
２１ｏ，２１ｏ１，２１ｏ２…加湿ガス排出口
２２…被加湿ガス室
２２ａ…第１被加湿ガス室
２２ｂ…第２被加湿ガス室    ２２ｉ，２２ｉ１，２２ｉ２…被加湿ガス供給口
２２ｏ，２２ｏ１，２２ｏ２…被加湿ガス排出口
２３…水蒸気透過膜
２３Ｈ…中空糸
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…固定部材
２４，２４Ａ…可動壁
２５…バネ
２６…ステッピングモータ
２７…シャッタ
２８…バタフライ弁
２８Ａ…バルブ
２８ａ…中心軸
２９…バイパス配管
２９ｖ…流量調節バルブ
３０，３０ａ，３０ｂ，３２，３２ａ，３２ｂ，３４，３４ａ，３４ｂ，３６，３６ａ，３６ｂ，４０，４２…配管
３０ｖ１，３０ｖ２，３２ｖ１，３２ｖ２，３４ｖ１，３４ｖ２，３６ｖ１，３６ｖ２…バルブ
５０，５０Ｄ，５０Ｆ，５０Ｈ…制御ユニット
２１０…固定ローラ
２２０…可動ローラ
２２２…テンション調整バネ
２３０…膜面積調整ロール
【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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【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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【図１７】
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【図１８】
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