(57)【要約】【課題】水蒸気透過膜を備える加湿装置における加湿効率を向上する。【解決手段】加湿装置は、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と、水蒸気透過膜の第１の面に、第１の流体を供給するための流路であって、第１の流体が導入される第１の導入口を有する第１の流体供給路と、水蒸気透過膜の第２の面に、第２の流体を供給するための流路であって、第２の流体が導入される第２の導入口を有する第２の流体供給路と、を備える。水蒸気透過膜は、水蒸気透過膜を複数回折り返して形成される複数の稜線が互いに略平行なプリーツ形状を有し、互いに隣接する稜線の間隔は、第１の導入口からの第１の流体の流動経路が長い領域ほど大きくなっている。【選択図】図３
2007317456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体と第２の流体のうちの被加湿流体を加湿する加湿装置であって、
水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と、
前記水蒸気透過膜の第１の面に、前記第１の流体を供給するための流路であって、前記第１の流体が導入される第１の導入口を有する第１の流体供給路と、
前記水蒸気透過膜の第２の面に、前記第２の流体を供給するための流路であって、前記第２の流体が導入される第２の導入口を有する第２の流体供給路と、
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記水蒸気透過膜を複数回折り返して形成される複数の稜線が互いに略平行なプリーツ形状を有し、互いに隣接する前記稜線の間隔は、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど大きくなっている、加湿装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加湿装置は、
前記水蒸気透過膜を収容すると共に、一の内壁面と前記第１の面との間に形成され、前記第１の流体を前記稜線の方向に流動させる第１の内部流路と、前記第１の内部流路の上流側の端部に開口する開口部と、を有する収容部と、
前記第１の導入口を有すると共に、前記開口部と連通し、前記第１の流体を、前記開口部を介して前記第１の内部流路に導入する第１の導入路と、
を備え、
前記第１の流体供給路は、前記収容部の前記第１の内部流路と、前記第１の導入路とによって形成され、
前記互いに隣接する前記稜線の間隔は、前記開口部に対応する領域のうち、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど大きくなっている、加湿装置。
【請求項３】
請求項２に記載の加湿装置において、
前記開口部は、前記第１の内部流路の上流側の端部に沿って開口する第１の長孔であり、
前記第１の導入路は、前記第１の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第１の流体を、前記第１の長孔の長手方向に沿った第１の方向に流動させ、
前記複数の稜線は、前記第１の方向と略垂直であり、
前記互いに隣接する前記稜線の間隔は、前記第１の方向に向かって大きくなっている、加湿装置。
【請求項４】
請求項３に記載の加湿装置において、
前記水蒸気透過膜は、平面視において第１の辺と前記第１の辺に隣接する第２の辺と前記第２の辺に向かい合う第３の辺とを有する略矩形形状を有し、
前記第１の方向は、前記水蒸気透過膜の第１の辺と略平行であり、
前記第１の長孔は、前記水蒸気透過膜の前記第２の辺から前記第３の辺に至る、加湿装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の加湿装置において、
前記収容部は、さらに、前記第１の内部流路の下流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第２の長孔を有し、
前記加湿装置は、さらに、前記第２の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の長孔を介して前記第１の内部流路から排出された前記第１の流体を、前記第１の方向の反対方向に流動させる第１の排出路を備える、加湿装置。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の加湿装置において、
前記収容部は、さらに、他の内壁面と前記第２の面との間に形成され、前記第２の流体を前記稜線の方向に流動させる第２の内部流路と、前記第２の内部流路の上流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第３の長孔を有し、
前記加湿装置は、さらに、前記第２の導入口を有すると共に、前記第３の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の流体を、前記第１の方向に流動させて、前記第３の長孔を介して前記第２の内部流路に導入する第２の導入路を備え、
前記第２の流体供給路は、前記収容部の前記第２の内部流路と、前記第２の導入路とによって形成される、加湿装置。
【請求項７】
請求項６に記載の加湿装置において、
前記収容部は、さらに、前記第２の内部流路の下流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第４の長孔を有し、
前記加湿装置は、さらに、前記第４の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第４の長孔を介して前記第２の内部流路から排出された前記第２の流体を、前記第１の方向の反対方向に流動させる第２の排出路を備える、加湿装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の加湿装置において、
前記第１の流体は、被加湿流体であると共に、燃料電池に供給するための反応ガスであり、
前記第２の流体は、前記燃料電池から排出された排出ガスである、加湿装置。
【請求項９】
第１の流体と第２の流体のうちの被加湿流体を加湿する加湿装置であって、
第１の面と第２の面とを有し、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜の前記第１の面の略全体に亘って配置され、前記第１の流体を透過する第１の流体透過材と、を有する膜体と、
前記水蒸気透過膜の第１の面に、前記第１の流体を供給するための流路であって、前記第１の流体が導入される第１の導入口を有する第１の流体供給路と、
前記水蒸気透過膜の第２の面に、前記第２の流体を供給するための流路であって、前記第２の流体が導入される第２の導入口を有する第２の流体供給路と、
を備え、
前記膜体は、前記膜体を複数回折り返して形成される複数の稜線が互いに略平行なプリーツ形状を有し、前記第１の流体透過材は、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど気孔率が高くなっている、加湿装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の加湿装置は、
前記膜体を収容すると共に、一の内壁面と前記第１の面との間に形成され、前記第１の流体を前記稜線の方向に流動させる第１の内部流路と、前記第１の内部流路の上流側の端部に開口する開口部と、を有する収容部と、
前記第１の導入口を有すると共に、前記開口部と連通し、前記第１の流体を、前記開口部を介して前記第１の内部流路に導入する第１の導入路と、
を備え、
前記第１の流体供給路は、前記収容部の前記第１の内部流路と、前記第１の導入路とによって形成され、
前記第１の流体透過材は、前記開口部に対応する領域のうち、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど気孔率が高くなっている、加湿装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の加湿装置において、
前記開口部は、前記第１の内部流路の上流側の端部に沿って開口する第１の長孔であり、
前記第１の導入路は、前記第１の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第１の流体を、前記第１の長孔の長手方向に沿った第１の方向に流動させ、
前記第１の流体透過材は、前記第１の方向に向かって気孔率が高くなっている、加湿装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の加湿装置において、
前記膜体は、平面視において第１の辺と前記第１の辺に隣接する第２の辺と前記第２の辺に向かい合う第３の辺とを有する略矩形形状を有し、
前記第１の方向は、前記膜体の第１の辺と略平行であり、
前記第１の長孔は、前記膜体の前記第２の辺から前記第３の辺に至る、加湿装置。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の加湿装置において、
前記収容部は、さらに、前記第１の内部流路の下流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第２の長孔を有し、
前記加湿装置は、さらに、前記第２の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の長孔を介して前記第１の内部流路から排出された前記第１の流体を、前記第１の方向の反対方向に流動させる第１の排出路を備える、加湿装置。
【請求項１４】
請求項１１ないし請求項１３のいずれかに記載の加湿装置において、
前記膜体は、さらに、前記水蒸気透過膜の前記第２の面の略全体に亘って配置され、前記第２の流体を透過すると共に、前記第１の方向に向かって、気孔率が高くなる第２の流体透過材を有し、
前記収容部は、さらに、他の内壁面と前記第２の面との間に形成され、前記第２の流体を前記稜線の方向に流動させる第２の内部流路と、前記第２の内部流路の上流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第３の長孔を有し、
前記加湿装置は、さらに、前記第２の導入口を有すると共に、前記第３の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の流体を、前記第１の方向に流動させて、前記第３の長孔を介して前記第２の内部流路に導入する第２の導入路を備え、
前記第２の流体供給路は、前記収容部の前記第２の内部流路と、前記第２の導入路とによって形成される、加湿装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の加湿装置において、
前記収容部は、さらに、前記第２の内部流路の下流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第４の長孔を有し、
前記加湿装置は、さらに、前記第４の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第４の長孔を介して前記第２の内部流路から排出された前記第２の流体を、前記第１の方向の反対方向に流動させる第２の排出路を備える、加湿装置。
【請求項１６】
請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の加湿装置において、
前記第１の流体は、被加湿流体であると共に、燃料電池に供給するための反応ガスであり、
前記第２の流体は、前記燃料電池から排出された排出ガスである、加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加湿装置、特に、燃料電池システム用いられる加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を加湿するための加湿装置の一種として、従来、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を備えた加湿装置が用いられてきた。この加湿装置では、被加湿流体を水蒸気透過膜の一方の面に供給し、加湿流体を水蒸気透過膜の他方の面に供給することにより、加湿流体に含まれる水分を、水蒸気透過膜を介して被加湿流体内に移動させる。
【０００３】
ここで、上記加湿装置の一つとして、プリーツ形状の水蒸気透過膜を収容する収納部に水蒸気透過膜の所定方向の全長に亘る長孔を設け、その長孔に沿って、加湿流体または被加湿流体を導入するための導入路を配置する構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる加湿装置では、導入路の一方の端から流体が導入され、導入路から上記長孔を介して収納部内の水蒸気透過膜表面に流体が供給される。
【０００４】
【特許文献１】国際公開２００４／１０７９４０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の構造を有する加湿装置においては、上記長孔から収容部内に流入する流体の量が、長孔の部位によって異なるおそれがあった。すなわち、導入路の流体導入端から遠い部位から流入する流体の量が、導入路の流体導入端に近い部位から収納部内に流入する流体の量と比較して、少なくなるおそれがあった。そうすると、水蒸気透過膜表面に供給される流体の量も部位によって異なることになり、水蒸気透過膜全体に亘って、十分な量の流体を供給することができず、加湿効率の低下が起こり得る。このような課題は、上記長孔を備える加湿装置に限らず、流体導入端からプリーツ形状の水蒸気透過膜の各部に至る経路の経路長が異なる場合に共通する課題であった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水蒸気透過膜全体に亘って、十分な量の被加湿流体および／または加湿流体を供給し、加湿装置における加湿効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の流体と第２の流体のうちの被加湿流体を加湿する加湿装置を提供する。第１の態様に係る加湿装置は、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜の第１の面に、前記第１の流体を供給するための流路であって、前記第１の流体が導入される第１の導入口を有する第１の流体供給路と、
前記水蒸気透過膜の第２の面に、前記第２の流体を供給するための流路であって、前記第２の流体が導入される第２の導入口を有する第２の流体供給路と、を備える。前記水蒸気透過膜は、前記水蒸気透過膜を複数回折り返して形成される複数の稜線が互いに略平行なプリーツ形状を有し、互いに隣接する前記稜線の間隔は、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど大きくなっている。
【０００８】
第１の態様に係る加湿装置によれば、互いに隣接する稜線の間隔の変化させることにより、その領域を流動する流体の圧力損失を導入口からの流動経路に応じて変化させている。これにより、第１の流体供給路において、流動経路長の長い部分と短い部分とにおいて生じる第１の流体の流動量の差を解消または低減することができる。従って、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上し、加湿装置の加湿効率を向上することができる。
【０００９】
第１の態様に係る加湿装置は、前記水蒸気透過膜を収容すると共に、一の内壁面と前記第１の面との間に形成され、前記第１の流体を前記稜線の方向に流動させる第１の内部流路と、前記第１の内部流路の上流側の端部に開口する開口部と、を有する収容部と、前記第１の導入口を有すると共に、前記開口部と連通し、前記第１の流体を、前記開口部を介して前記第１の内部流路に導入する第１の導入路と、を備え、前記第１の流体供給路は、前記収容部の前記第１の内部流路と、前記第１の導入路とによって形成され、前記互いに隣接する前記稜線の間隔は、前記開口部に対応する領域のうち、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど大きくなっても良い。こうすれば、互いに隣接する稜線の間隔の変化させることにより、開口部から収容部に流入する第１の流体について、第１の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差を解消または低減することができる。したがって、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上する。
【００１０】
第１の態様に係る加湿装置において、前記開口部は、前記第１の内部流路の上流側の端部に沿って開口する第１の長孔であり、前記第１の導入路は、前記第１の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第１の流体を、前記第１の長孔の長手方向に沿った第１の方向に流動させ、前記複数の稜線は、前記第１の方向と略垂直であり、前記互いに隣接する前記稜線の間隔は、前記第１の方向に向かって大きくなっていても良い。こうすれば、互いに隣接する稜線の間隔の変化させることにより、第１の長孔から収容部に流入する第１の流体について、第１の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差を解消または低減することができる。したがって、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上する。
【００１１】
第１の態様に係る加湿装置において、前記水蒸気透過膜は、平面視において第１の辺と前記第１の辺に隣接する第２の辺と前記第２の辺に向かい合う第３の辺とを有する略矩形形状を有し、前記第１の方向は、前記水蒸気透過膜の第１の辺と略平行であり、前記第１の長孔は、前記水蒸気透過膜の前記第２の辺から前記第３の辺に至っても良い。こうすれば、略矩形形状の水蒸気透過膜の一端から他端に亘る第１の長孔を介して、第１の流体を供給するので、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上する。
【００１２】
第１の態様に係る加湿装置において、前記収容部は、さらに、他の内壁面と前記第２の面との間に形成され、前記第２の流体を前記稜線の方向に流動させる第２の内部流路と、前記第２の内部流路の上流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第３の長孔を有し、前記加湿装置は、さらに、前記第２の導入口を有すると共に、前記第３の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の流体を、前記第１の方向に流動させて、前記第３の長孔を介して前記第２の内部流路に導入する第２の導入路を備え、前記第２の流体供給路は、前記収容部の前記第２の内部流路と、前記第２の導入路とによって形成されても良い。こうすれば、水蒸気透過膜の第２の面と収容部の内壁面との間の第２の内部流路において、プリーツの稜線に沿った方向に第２の流体が流動する圧力損失が、第２の導入路の下流側に対応する領域ほど小さくなる。この結果、第２の長孔から第２の内部流路に流入する第２の流体について、第２の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差を解消または低減することができる。したがって、上述した第１の流体に加えて、水蒸気透過膜の第２の面に対する第２の流体の供給量の均一性が向上し、加湿装置の加湿効率を、さらに向上することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の流体と第２の流体のうちの被加湿流体を加湿する加湿装置を提供する。第２の態様に係る加湿装置は、第１の面と第２の面とを有し、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜の前記第１の面の略全体に亘って配置され、前記第１の流体を透過する第１の流体透過材と、を有する膜体と、前記水蒸気透過膜の第１の面に、前記第１の流体を供給するための流路であって、前記第１の流体が導入される第１の導入口を有する第１の流体供給路と、前記水蒸気透過膜の第２の面に、前記第２の流体を供給するための流路であって、前記第２の流体が導入される第２の導入口を有する第２の流体供給路と、を備える。前記膜体は、前記膜体を複数回折り返して形成される複数の稜線が互いに略平行なプリーツ形状を有し、前記第１の流体透過材は、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど気孔率が高くなっている。
【００１４】
第２の態様に係る加湿装置によれば、第１の流体透過材の気孔率を変化させることにより、その領域を流動する流体の圧力損失を導入口からの流動経路に応じて変化させている。これにより、第１の流体供給路において、流動経路長の長い部分と短い部分とにおいて生じる第１の流体の流動量の差を解消または低減することができる。従って、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上し、加湿装置の加湿効率を向上することができる。
【００１５】
第２の態様に係る加湿装置は、前記膜体を収容すると共に、一の内壁面と前記第１の面との間に形成され、前記第１の流体を前記稜線の方向に流動させる第１の内部流路と、前記第１の内部流路の上流側の端部に開口する開口部と、を有する収容部と、前記第１の導入口を有すると共に、前記開口部と連通し、前記第１の流体を、前記開口部を介して前記第１の内部流路に導入する第１の導入路と、を備え、前記第１の流体供給路は、前記収容部の前記第１の内部流路と、前記第１の導入路とによって形成され、前記第１の流体透過材は、前記開口部に対応する領域のうち、前記第１の導入口からの前記第１の流体の流動経路が長い領域ほど気孔率が高くなっていても良い。こうすれば、第１の流体透過材の気孔率を変化させることにより、開口部から収容部に流入する第１の流体について、第１の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差を解消または低減することができる。したがって、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上する。
【００１６】
第２の態様に係る加湿装置において、前記開口部は、前記第１の内部流路の上流側の端部に沿って開口する第１の長孔であり、前記第１の導入路は、前記第１の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第１の流体を、前記第１の長孔の長手方向に沿った第１の方向に流動させ、前記第１の流体透過材は、前記第１の方向に向かって気孔率が高くなっていても良い。こうすれば、第１の流体透過材の気孔率を変化させることにより、第１の長孔から収容部に流入する第１の流体について、第１の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差を解消または低減することができる。したがって、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上する。
【００１７】
第２の態様に係る加湿装置において、膜体は、平面視において第１の辺と前記第１の辺に隣接する第２の辺と前記第２の辺に向かい合う第３の辺とを有する略矩形形状を有し、
前記第１の方向は、前記膜体の第１の辺と略平行であり、前記第１の長孔は、前記膜体の前記第２の辺から前記第３の辺に至っても良い。こうすれば、略矩形形状の水蒸気透過膜の一端から他端に亘る第１の長孔を介して、第１の流体を供給するので、水蒸気透過膜の第１の面に対する第１の流体の供給量の均一性が向上する。
【００１８】
第２の態様に係る加湿装置において、前記膜体は、さらに、前記水蒸気透過膜の前記第２の面の略全体に亘って配置され、前記第２の流体を透過すると共に、前記第１の方向に向かって、気孔率が高くなる第２の流体透過材を有し、前記収容部は、さらに、他の内壁面と前記第２の面との間に形成され、前記第２の流体を前記稜線の方向に流動させる第２の内部流路と、前記第２の内部流路の上流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第３の長孔を有し、前記加湿装置は、さらに、前記第２の導入口を有すると共に、前記第３の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の流体を、前記第１の方向に流動させて、前記第３の長孔を介して前記第２の内部流路に導入する第２の導入路を備え、前記第２の流体供給路は、前記収容部の前記第２の内部流路と、前記第２の導入路とによって形成されても良い。こうすれば、水蒸気透過膜の第２の面と収容部の内壁面との間の第２の内部流路にある第２の流体透過材において、プリーツの稜線に沿った方向に第２の流体が流動する圧力損失が、第２の導入路の下流側に対応する領域ほど小さくなる。この結果、第３の長孔から第２の内部流路に流入する第２の流体について、第２の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差を解消または低減することができる。したがって、上述した第１の流体に加えて、水蒸気透過膜の第２の面に対する第２の流体の供給量の均一性が向上し、加湿装置の加湿効率を、さらに向上することができる。
【００１９】
上記態様に係る加湿装置において、前記収容部は、さらに、前記第１の内部流路の下流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第２の長孔を有し、前記加湿装置は、さらに、前記第２の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第２の長孔を介して前記第１の内部流路から排出された前記第１の流体を、前記第１の方向の反対方向に流動させる第１の排出路を備えても良い。このような第１の流体の排出系を備える加湿装置では、上述した第１の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差がより大きくなるおそれがあるが、本加湿装置では、プリーツにおける圧力損失の違いにより、かかる流入量差を解消または低減することができる。
【００２０】
上記態様に係る加湿装置において、前記収容部は、さらに、前記第２の内部流路の下流側の端部に開口し、長手方向が前記第１の方向に沿った第４の長孔を有し、前記加湿装置は、さらに、前記第４の長孔の長手方向に沿って配置され、前記第４の長孔を介して前記第２の内部流路から排出された前記第２の流体を、前記第１の方向の反対方向に流動させる第２の排出路を備えても良い。このような第２の流体の排出系を備える加湿装置では、上述した第２の導入路の上流側の部位と下流側の部位との間で生じる流入量差がより大きくなるおそれがあるが、本加湿装置では、プリーツにおける圧力損失の違いにより、かかる流入量差を解消または低減することができる。
【００２１】
上記態様に係る加湿装置において、前記第１の流体は、被加湿流体であると共に、燃料電池に供給するための反応ガスであり、前記第２の流体は、前記燃料電池から排出された排出ガスであっても良い。こうすれば、燃料電池システムを構成する加湿装置の加湿効率を向上することができる。また、電気化学反応で生じた生成水を含有する排出ガスを用いて、反応ガスを加湿することができる。
【００２２】
本発明は、上記態様以外の種々の態様で実現可能であり、例えば、加湿装置を含む燃料電池システム、流体の加湿方法などの態様で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【００２４】
Ａ．実施例：
・装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わす説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２２と、水素タンク２３と、エアコンプレッサ２４と、エアクリーナ２５とを備えている。燃料電池２２は、酸化ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素との供給を受け、これらのガスを利用した電気化学反応によって電力を生成する。燃料電池２２は、例えば、電解質層として、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池である。水素タンク２３は、燃料ガスとしての水素を貯蔵するタンクであり、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクである。エアコンプレッサ２４は、酸化ガスとしての空気を大気中から取り込んで、燃料電池２２に供給する。エアクリーナ２５は、ゴミや埃などの異物を除去する集塵フィルタと、海塩、溶雪剤、硫化水素など固体高分子膜にダメージを与える微少な不純物を除去するケミカルフィルタを備え、エアコンプレッサ２４が取り込んだ空気を浄化する。
【００２５】
水素タンク２３は、水素供給路６０によって燃料電池２２のアノードと接続されており、水素タンク２３に貯蔵される水素は、燃料ガスとして燃料電池２２のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ２４は、酸化ガス供給路６７によってエアクリーナ２５を介して燃料電池２２のカソードに接続されており、エアコンプレッサ２４によって取り込まれた空気は、酸化ガスとして燃料電池２２のカソードに供給される。以下に、燃料電池システム１０を構成する各部および燃料電池システム１０におけるガスの流れについて、さらに説明する。
【００２６】
水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素タンク２３に接続された水素供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整（減圧）されて、燃料ガスとして燃料電池２２を構成する各単セルのアノードに供給される。
【００２７】
燃料電池２２のアノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３を流動し、再び水素供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素は、水素供給路６０の一部とアノード排ガス路６３と燃料電池２２内の流路とから成る循環流路内を循環して、再度燃料電池２２に供給される。循環流路内でアノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路６３には水素ポンプ６５が設けられている。
【００２８】
また、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応によりカソードにて生じた水は、燃料電池２２の電解質膜を介して、アノード排ガス内にも混入する。また、アノード排ガスには、電解質膜を介して、カソード側から窒素などの不純物も混入する。気液分離器２７は、アノード排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮すると共に、排出バルブ２７ａを開状態とすることで、上記凝縮された水および不純物を含むアノード排ガスの一部が、外部に排出される。
【００２９】
エアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８を介して外部に排出される。燃料電池システム１０では、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８は、加湿装置１００を経由する。加湿装置１００は、水蒸気を含有するカソード排ガスを加湿ガスとして用いて、カソードに供給する酸化ガスを被加湿ガスとして加湿する。このように、燃料電池２２への供給に先立って酸化ガスを加湿することで、本実施例の燃料電池２２では、電解質層である固体高分子電解質膜の湿潤状態を確保している。加湿装置１００の構成については、後に詳しく説明する。
【００３０】
さらに、燃料電池システム１０は、図示しない制御部を備えている。この制御部は、例えば、周知の計算機を用いて構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力ポート等を備える。制御部は、燃料電池システム１０が備える各種センサの検出信号や、燃料電池２２に対する負荷要求に関する情報などを取得すると共に、圧力調整弁６２、エアコンプレッサ２４、水素ポンプ６５、あるいはバルブ２７ａの動作を制御し、燃料電池システム１０を運転する。
【００３１】
・加湿装置の構成：
図２〜図６を参照して、加湿装置１００の構成について説明する。図２は、加湿装置の外観の概略構成を表わす説明図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。図５は、図２におけるＣ−Ｃ断面を示す断面図である。図６は、膜体について示す説明図である。
【００３２】
図２に示すように、加湿装置１００は、気密性を有する材料でそれぞれ形成された収容部１０１と、被加湿ガス導入路１０２と、被加湿ガス排出路１０３と、加湿ガス排出路１０４と、加湿ガス導入路１０５と、を備えている。図２〜図５に示すように、収容部１０１は略直方体の外観を有し、内部に略直方体の空間を有している。
【００３３】
図３〜図５に示すように、収容部１０１の内部の空間には、膜体１１０が収容されている。膜体１１０は、水蒸気透過膜１１１と、補強材１１２、１１３とを備える。水蒸気透過膜１１１は、水蒸気を含む流体から実質的に水蒸気のみを選択的に透過させる性質を有する膜である。水蒸気透過膜１１１には、例えば、水蒸気透過性材料により形成された膜、あるいは、多孔性の基材に水蒸気透過性材料を積層または含浸させることにより形成された膜が用いられ得る。水蒸気透過性材料には、例えば、吸水性または含水性を有する樹脂、具体的には、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコールなどの非電解質高分子やこれらの共重合体、あるいは、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミドなどの電解質高分子やこれらの共重合体が用いられ得る。水蒸気透過膜１１１の厚さは、例えば、１０μｍ〜５００μｍ程度に設定される。
【００３４】
補強材１１２は、水蒸気透過膜１１１の一方の面に、補強材１１３は、水蒸気透過膜１１１の他方の面に、それぞれ全体に亘って配置される。補強材１１２、１１３は、例えば、織布、不織布、樹脂製ネット、金属製ネットなど、ガスの透過性に優れたシート材が用いられる。補強材１１２、１１３の気孔率は、例えば、５０％〜９５％程度に設定される。
【００３５】
水蒸気透過膜１１１、補強材１１２、１１３から成る膜体１１０は、図３に示すように、略平行な複数の山折り線および複数の谷折り線に沿って曲げ加工（プリーツ加工）されることにより、複数のヒダを有する、いわゆるプリーツ形状に成形されている。図３には、山折り線に沿って曲げられたヒダの稜線Ｎk（ｋ＝１〜ｎ）と、谷折り線に沿って曲げられたヒダの稜線Ｍk（ｋ＝１〜ｎ）が示されている。複数のヒダの稜線のうち互いに隣接する稜線（例えば、図３：稜線Ｎ1と稜線ｎ2）間の間隔（プリーツピッチ）は、図３に示すように、Ｚ軸の正方向に向かって、次第に大きくされている。膜体１１０（水蒸気透過膜１１１）のプリーツピッチは、Ｚ軸の正方向に向かって連続的に大きくされていても良く、段階的に大きくされていても良い。例えば、図３におけるＺ軸の負方向側の端部に近い部分のプリーツピッチＰ１と、Ｚ軸の正方向側の端部に近い部分のプリーツピッチＰ３と、これらの中間の部分のプリーツピッチＰ２との間には、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３が成り立つ。
【００３６】
図６（ａ）には、プリーツ加工される前の膜体１１０が示されている。膜体１１０を構成する補強材１１２および補強材１１３は、プリーツの稜線と略垂直方向に厚さが次第に変化している。図６（ａ）に示す例では、補強材１１２および補強材１１３の厚さが、図の左にいくにつれて次第に厚くされている。これにより、図の右側の端部における膜体１１０の厚さがｔ１であるのに対し、左側の端部における膜体１１０の厚さは、ｔ１より大きなｔ２となる。このように構成された膜体１１０をプリーツ加工することにより、Ｚ軸の正方向に向かって、次第にプリーツピッチが大きくなる上述の膜体１１０を作製することができる。補強材１１２、１１３の厚さは、例えば、１００μｍ〜２０００μｍの範囲で変化させる。
【００３７】
膜体１１０のプリーツピッチは、例えば、０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲で変化するように設定される。プリーツ高さ（図３におけるＹ方向の長さ）は、例えば、１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度に設定される。膜体１１０において、補強材１１２、１１３によって、そのプリーツ形状が維持され、水蒸気透過膜１１１が折り線を挟んで接触することが防止される。膜体１１０のＹ軸方向から見た形状（平面視における形状）は、図４に示すように、収容部１０１内部の空間のＣ−Ｃ断面形状にほぼ等しく、第１の辺Ｅ１と、第１の辺Ｅ１に隣接する第２の辺Ｅ２と、第２の辺Ｅ２に向かい合う第３の辺Ｅ３を有する略矩形である。そして、膜体１１０の平面視における略矩形の外周端は、その全周が接着材１２０を介して、収容部１０１の側壁（Ｚ軸の正および負方向の壁、Ｘ軸の正および負方向の壁）の内壁面に気密に接着されている。接着材１２０に代えて、熱溶着により接着しても良い。
【００３８】
この結果、収容部１０１内部の空間は、水蒸気透過膜１１１によって、２つの空間に分けられる。図３を参照して説明すると、第１の空間は、内壁面のうち、水蒸気透過膜１１１との接着部より上側（Ｙ軸の正方向側）の部分と、水蒸気透過膜１１１の上側の面との間に形成される空間である。第２の空間は、内壁面のうち、水蒸気透過膜１１１との接着部より下側（Ｙ軸の負方向側）の部分と、水蒸気透過膜１１１の下側の面との間に形成される空間である。第１の空間は、後述するように被加湿ガスが流動する内部流路として機能する空間であり、膜体１１０と内壁面との間の空間だけでなく、補強材１１２内部の空間を含む。第２の空間は、後述するように加湿ガスが流動する内部流路として機能する空間であり、膜体１１０と内壁面との間の空間だけでなく、補強材１１３内部の空間を含む。
【００３９】
収容部１０１には、さらに、水蒸気透過膜１１１から見て第１の空間側の壁（Ｙ軸の正方向側の壁）に、第１の空間にそれぞれ連通する開口部として被加湿ガス供給口１０６と、被加湿ガス排出口１０７とが形成されている。被加湿ガス供給口１０６および被加湿ガス排出口１０７は、Ｚ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とする長孔である。
【００４０】
被加湿ガス供給口１０６は、図４に示すように、平面視において略矩形の膜体１１０（水蒸気透過膜１１１）の第１の辺Ｅ１（図４：Ｘ軸の負方向側の長辺）に沿って、配置されている。被加湿ガス供給口１０６は、第１の辺Ｅ１のほぼ全長に亘って配置されている。すなわち、被加湿ガス供給口１０６は、上述した第２の辺Ｅ２から向かい合う第３の辺Ｅ３に至る。
【００４１】
被加湿ガス排出口１０７は、図４に示すように、平面視において略矩形の膜体１１０（水蒸気透過膜１１１）の第１の辺Ｅ１に向かい合う辺（図４：Ｘ軸の正方向側の長辺）に沿って、配置されている。被加湿ガス排出口１０７は、被加湿ガス供給口１０６と同様に、第１の辺Ｅ１に向かい合う辺のほぼ全長に亘って配置されている。すなわち、被加湿ガス排出口１０７は、上述した第２の辺Ｅ２から向かい合う第３の辺Ｅ３に至る。
【００４２】
収容部１０１には、さらに、水蒸気透過膜１１１から見て第２の空間側の壁（Ｙ軸の負方向側の壁）に、第２の空間にそれぞれ連通する開口部として、加湿ガス供給口１０９と、加湿ガス排出口１０８とが形成されている。加湿ガス供給口１０９および加湿ガス排出口１０８は、上述した被加湿ガス供給口１０６および被加湿ガス排出口１０７と同様に、Ｚ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とする長孔である。
【００４３】
加湿ガス排出口１０８は、図４に示すように、平面視において略矩形の膜体１１０（水蒸気透過膜１１１）の一方の長辺（Ｘ軸の負方向側の長辺）に沿って、配置され、加湿ガス供給口１０９は、他方の長辺（Ｘ軸の正方向側の長辺）に沿って、配置されている。加湿ガス排出口１０８および加湿ガス供給口１０９は、長辺のほぼ全長に亘って配置されている。すなわち、加湿ガス排出口１０８および加湿ガス供給口１０９は、一の短辺から向かい合う他の短辺に至る。
【００４４】
図２および図５に示すように、被加湿ガス導入路１０２は、短手方向の断面がコの字型の樋状体である。被加湿ガス導入路１０２は、コの字型の断面の開口部が被加湿ガス供給口１０６を覆うように、長手方向を被加湿ガス供給口１０６に沿わせて、配置されている。被加湿ガス導入路１０２の長手方向の一方の端部（Ｚ軸の正方向側の端部）は、閉状態にされており、他方の端部（Ｚ軸の負方向側の端部）は、開口されている。被加湿ガス導入路１０２の開口端は、図２において矢印Ｄｉｎで示すように、被加湿ガス（酸化ガス）が導入される導入口である。
【００４５】
被加湿ガス排出路１０３、加湿ガス排出路１０４および加湿ガス導入路１０５は、被加湿ガス導入路１０２と同様の樋状体である。同様にして、被加湿ガス排出路１０３は被加湿ガス排出口１０７に沿って、加湿ガス排出路１０４は加湿ガス排出口１０８に沿って、加湿ガス導入路１０５は加湿ガス供給口１０９に沿って、それぞれ配置されている。また、被加湿ガス排出路１０３、加湿ガス排出路１０４および加湿ガス導入路１０５は、被加湿ガス導入路１０２と同様に、それぞれＺ軸の正方向側の端部が閉状態に、Ｚ軸の負方向側の端部が開口されている。各導入路および排出路の短手方向の断面は、コの字型に限られず、例えば、半円形状、Ω型形状であっても良い。
【００４６】
・加湿装置１００の動作：
同じく図２〜図５を参照して、各ガスの流れを中心に加湿装置１００の動作について説明する。記述したように、加湿装置１００は、酸化ガス供給路６７の途中に接続されており、エアコンプレッサ２４によって取り込まれた空気（酸化ガス）は、被加湿ガス導入路１０２の開口端である導入口から、被加湿ガス導入路１０２内部に供給される（図２：矢印Ｄｉｎ）。被加湿ガス導入路１０２に供給された空気は、被加湿ガス導入路１０２内部をＺ軸の正方向に流動し、被加湿ガス供給口１０６を介して収容部１０１の第１の空間に流入する。
【００４７】
第１の空間に流入した空気は、図４において白抜きの矢印で、図５において実線の矢印で示すように、プリーツ形状のヒダの内部（ガス透過性の高い補強材１１２の内部）を含む第１の空間を、ヒダの稜線に沿った方向（Ｘ軸の正方向）に流動する。その後、空気は、被加湿ガス排出口１０７を介して、被加湿ガス排出路１０３に排出される。被加湿ガス排出路１０３に排出された空気は、被加湿ガス排出路１０３内をＺ軸の負方向に、すなわち、被加湿ガス導入路１０２における流動方向とは反対方向に流動し、被加湿ガス排出路１０３の開口端から排出される（図２：矢印Ｄｏｕｔ）。被加湿ガス排出路１０３の開口端から排出された空気は、燃料電池２２のアノードに供給される。
【００４８】
また、記述したように、加湿装置１００は、カソード排ガス路６８の途中に接続されており、燃料電池２２から排出されたカソード排ガスは、加湿ガス導入路１０５の開口端である導入口から、加湿ガス導入路１０５内部に供給される（図２：矢印Ｗｉｎ）。加湿ガス導入路１０５に供給された空気は、加湿ガス導入路１０５内部をＺ軸の正方向に流動し、加湿ガス供給口１０９を介して収容部１０１の第２の空間に流入する。
【００４９】
第２の空間に流入したカソード排ガスは、図４において黒塗りの矢印で、図５において破線の矢印で示すように、プリーツ形状のヒダの内部（ガス透過性の高い補強材１１３の内部）を含む第２の空間を、ヒダの稜線に沿った方向（Ｘ軸の負方向）に流動する。図から解るように、第１の空間を流れる空気と、第２の空間を流れるカソード排ガスは、水蒸気透過膜１１１を挟んで、対向して流れることになる。その後、カソード排ガスは、加湿ガス排出口１０８を介して、加湿ガス排出路１０４に排出される。加湿ガス排出路１０４に排出されたカソード排ガスは、加湿ガス排出路１０４内をＺ軸の負方向に、すなわち、加湿ガス導入路１０５における流動方向とは反対方向に流動し、加湿ガス排出路１０４の開口端から排出される（図２：矢印Ｗｏｕｔ）。加湿ガス排出路１０４の開口端から排出されたカソード排ガスは、大気中に放出される。
【００５０】
以上の説明から解るように、第１の空間は、被加湿ガス供給口１０６と連通する端部（Ｘ軸負方向側の端部）を上流端とし、被加湿ガス排出口１０７と連通する端部（Ｘ軸正方向側の端部）を下流端とし、被加湿ガスをＸ軸の正方向に流動させる被加湿ガスの内部流路として機能する。また、第２の空間は、加湿ガス供給口１０９と連通する端部（Ｘ軸正方向側の端部）を上流端とし、加湿ガス排出口１０８と連通する端部（Ｘ軸負方向側の端部）を下流端とし、加湿ガスをＸ軸の負方向に流動させる加湿ガスの内部流路として機能する。そして、被加湿ガス導入路１０２と、被加湿ガスの内部流路として機能する第１の空間とによって、被加湿ガス導入路１０２の開口端である被加湿ガスの導入口から水蒸気透過膜１１１の第１の面に至る被加湿ガスの供給流路が形成される。同様にして、加湿ガス導入路１０５と、加湿ガスの内部流路として機能する第２の空間とによって、加湿ガス導入路１０５の開口端である加湿ガスの導入口から水蒸気透過膜１１１の第２の面に至る加湿ガスの供給路が形成される。
【００５１】
第２の空間を流動するカソード排ガスは、電気化学反応で生じた生成水を多く含んでいるため極めて高い湿度となっており、例えば、略飽和蒸気圧となっている。このような高湿度のカソード排ガスが、水蒸気透過膜１１１を介して、第１の空間を流動する湿度がより低い空気と接することで、カソード排ガス側から空気側へと水蒸気が水蒸気透過膜１１１を透過する。この結果、第１の空間を通って排出される空気は、加湿されて、燃料電池２２のカソードに供給された際に、固体高分子電解質膜を湿潤に保つために好適な状態にされる。
【００５２】
ここで、理解の容易のため、比較例として、膜体１１０のプリーツピッチが一定値とされている場合について、説明する。図７は、膜体のプリーツピッチが一定の加湿装置について示す説明図である。図７には、実施例における図４に示す断面図に対応する比較例に係る加湿装置の断面図が示されている。比較例に係る加湿装置は、プリーツピッチが一定である膜体１１０ｈ以外の構成は、実施例に係る加湿装置１００と同一であるので、図７において、その他の構成は、実施例に係る加湿装置１００と同一の符号を付す。
【００５３】
比較例に係る加湿装置の第１の空間における被加湿ガスの流れをみると、図７おいて白抜きの矢印で示すように、Ｚ軸の正方向側の領域、すなわち、被加湿ガス導入路１０２の導入口としての開口端から遠い下流側の領域（導入口からの流動経路が長い領域）ほど被加湿ガスの流量が少なく、Ｚ軸の負方向側の領域、すなわち、被加湿ガス導入路１０２の導入口としての開口端に近い上流側の領域（導入口からの流動経路が短い領域）ほど被加湿ガスの流量が多くなる。このように、第１の空間において、領域によって被加湿ガスの分布に偏りが生じる。被加湿ガス導入路１０２の導入口（開口端）から流入した被加湿ガスは、被加湿ガス導入路１０２内部の流動に伴う圧力損失や、流入した被加湿ガスの一部が被加湿ガス供給口１０６を介して第１の空間に流入することによって、被加湿ガス導入路１０２の下流（Ｚ軸の正方向側）に行くほど圧力が低くなる。この結果、長孔である被加湿ガス供給口１０６から第１の空間への被加湿ガスの流入量は、導入口（開口端）に近い部分ほど多くなり、導入口（開口端）から遠い部分ほど少なくなるからである。
【００５４】
比較例に係る加湿装置の第２の空間における加湿ガスの流れについても、被加湿ガスの流れと同様の現象が生じる。すなわち、加湿ガス導入路１０５の導入口（開口端）から遠い領域ほど加湿ガスの流量が少なく、加湿ガス導入路１０５の導入口（開口端）に近い領域ほど加湿ガスの流量が多くなる。
【００５５】
一方で、本実施例に係る加湿装置１００においては、膜体１１０のプリーツピッチがＺ軸方向に変化していることにより、第１の空間の全体に亘って、被加湿ガスである空気が供給される。上述した比較例に係る加湿装置と同様に、被加湿ガス導入路１０２の導入口（開口端）から流入した被加湿ガスは、被加湿ガス導入路１０２内部の圧力損失や、被加湿ガスの一部が被加湿ガス供給口１０６を介して第１の空間に流入することによって、被加湿ガス導入路１０２の下流側（Ｚ軸の正方向側）に行くほど圧力が低くなる。しかしながら、膜体１１０は、Ｚ軸の正方向に向かって圧力損失が小さく、Ｚ軸の負方向に向かって圧力損失が大きくなるように、プリーツピッチが調整されている。この結果、長孔である被加湿ガス供給口１０６から第１の空間への加湿ガスの流入量は、被加湿ガス導入路１０２の導入口（開口端）に近い部分（上流側）では、膜体１１０の小さなプリーツピッチに起因する比較的高い圧力損失（透過抵抗）によって抑制される。一方、被加湿ガス供給口１０６から第１の空間への加湿ガスの流入量は、被加湿ガス導入路１０２の導入口（開口端）から遠い部分（下流側）においても、膜体１１０の大きなプリーツピッチに起因する比較的低い圧力損によって、比較的多く分配される。したがって、被加湿ガス供給口１０６から第１の空間への被加湿ガスの流入量は、被加湿ガス導入路１０２の上流側に対応する部分と、下流側に対応する部分との差が解消または低減され、被加湿ガス供給口１０６の各部分で比較的均等になる。この結果、水蒸気透過膜１１１の面に対する被加湿ガスの供給量の均一性が向上し、加湿装置１００の加湿効率を向上することができる。
【００５６】
さらに、同じく膜体１１０のプリーツピッチがＺ軸方向に変化していることにより、第２の空間の全体に亘って、加湿ガスであるカソード排ガスが供給される。すなわち、上述した被加湿ガスと同様の理由によって、加湿ガス供給口１０９から第２の空間への加湿ガスの流入量は、加湿ガス導入路１０５の上流側に対応する部分（導入口に近い領域）と、下流側に対応する部分（導入口から遠い領域）との差が解消または低減され、加湿ガス供給口１０９の各部分で比較的均等になる。この結果、水蒸気透過膜１１１の面に対する加湿ガスの供給量の均一性が向上し、加湿装置１００の加湿効率を、さらに向上することができる。
【００５７】
Ｂ．変形例：
・第１変形例：
上記実施例では、膜体１１０のプリーツ形状は、それぞれのヒダがＵ字型断面を有し、隙間なく折られているが、これに限られない。膜体１１０のプリーツ形状の他の態様を、第１変形例として説明する。図８は、膜体のプリーツ形状を例示する説明図である。
【００５８】
膜体のプリーツ形状は、プリーツピッチが、Ｚ軸方向に向かって、大きくなっていれば良く、例えば、図８（ａ）に示す膜体１１０ａのように、それぞれのヒダがＶ字型断面を有しても良いし、図８（ｂ）に示す膜体１１０ｂのように、それぞれのヒダがコの字型断面を有しても良い。また、それぞれのヒダは隙間なく折られる必要はなく、図８に示す膜体１１０ａ、１１０ｂのように、隙間を有していても良い。また、図８に示すように、膜体を構成する補強材１１２、補強材１１３は、一定の厚さであっても良い。ただし、実施例における膜体１１０のように、補強材１１２、１１３の厚さを変化させる（図６）と、プリーツピッチを変化させた膜体１１０を容易に成形でき、成形後において所望のプリーツピッチを維持し易いという利点がある。
【００５９】
・第２変形例：
図９を参照して、第２変形例について説明する。図９は、第２変形例における膜体について示す説明図である。第２変形例に係る加湿装置は、実施例における膜体１１０に代えて、膜体１１０ｃが備えられている点で、実施例に係る加湿装置１００と異なる。他の構成は、実施例に係る加湿装置１００と同一であるので説明を省略する。
【００６０】
第２変形例における膜体１１０ｃは、図９（ｂ）に示すように、プリーツピッチが一定である。一方で、膜体１１０ｃを構成する補強材１１２および補強材１１３は、Ｚ軸の負方向側の領域ほど気孔率が低く形成されており、Ｚ軸の正方向の領域に向かうにつれて、気孔率が次第に高くなるように形成されている。気孔率は、単位体積辺りに占める気孔の割合である。補強材１１２および補強材１１３の気孔率は、例えば、３０％〜９５％の範囲で、Ｚ軸の正方向の領域に向かうにつれて、連続的または段階的に高くなるように設定される。気孔率を高くするには、例えば、単位体積辺りの孔数を多くする、および／または、平均孔径を大きくすることにより実現できる。
【００６１】
図９（ａ）には、プリーツ加工される前の膜体１１０ｃが示されている。膜体１１０ｃを構成する補強材１１２および補強材１１３は、厚さが一定であり、プリーツの稜線と略垂直方向に気孔率が次第に変化している。図９（ａ）に示す例では、補強材１１２および補強材１１３の気孔率が、図の左にいくにつれて次第に高くされている。このように構成された膜体１１０ｃをプリーツ加工することにより、Ｚ軸の正方向に向かって、次第に気孔率が高くなる上述の膜体１１０ｃを作製することができる。
【００６２】
第２変形例に係る加湿装置の膜体１１０ｃは、Ｚ軸の正方向に向かって圧力損失が小さく、Ｚ軸の負方向に向かって圧力損失が大きくなるように、補強材１１２および補強材１１３の気孔率が調整されている。したがって、実施例同様に、第２変形例に係る加湿装置においても、水蒸気透過膜１１１の面に対する被加湿ガス（空気）の供給量の均一性が向上し、加湿装置１００の加湿効率を向上することができる。さらに、実施例同様に、第２変形例に係る加湿装置においても、水蒸気透過膜１１１の面に対する加湿ガス（カソード排ガス）の供給量の均一性が向上し、加湿装置１００の加湿効率を、さらに、向上することができる。
【００６３】
・第３変形例：
図１０を参照して、第３変形例について説明する。図１０は、第３変形例に係る加湿装置のガス流れと、実施例に係る加湿装置のガス流れとを示す説明図である。図１０（ａ）には、上述した実施例に係る加湿装置１００のガス流れが比較として示されている。図１０（ｂ）には、第３変形例に係る加湿装置１００ｂのガス流れが示されている。図１０には、図を見やすくするため、収容部１０１と、被加湿ガス導入路１０２、被加湿ガス排出路１０３、加湿ガス排出路１０４、加湿ガス導入路１０５と、ガス流れを示す矢印のみを図示し、他の構成については、図示を省略している。図１０において、白抜きの矢印は、被加湿ガス（空気）の流れを示し、黒塗りの矢印は、加湿ガス（カソード排ガス）の流れを示す。
【００６４】
第３実施例に係る加湿装置１００ｂの被加湿ガス排出路１０３は、実施例に係る加湿装置１００の被加湿ガス排出路１０３とは逆に、Ｚ軸の正方向側の端部が導入口（開口端）とされ、Ｚ軸の負方向側の端部が閉状態の端部とされている。そして、第３実施例に係る加湿装置１００ｂの加湿ガス排出路１０４は、実施例に係る加湿装置１００の加湿ガス排出路１０４とは逆に、Ｚ軸の正方向側の端部が導入口（開口端）とされ、Ｚ軸の負方向側の端部が閉状態の端部とされている。
【００６５】
この結果、第３変形例に係る加湿装置１００ｂにおいて、被加湿ガス導入路１０２内部を被加湿ガスが流動する方向と、被加湿ガス排出路１０３を被加湿ガスが流動する方向とは、実施例に係る加湿装置１００と異なり、同一の方向（Ｚ軸の正方向）となる。このような構成では、被加湿ガス排出路１０３における圧力損失を考慮すれば、実施例における加湿装置１００と比較して、第１の空間におけるＺ軸正方向側の領域にも被加湿ガスが分配されやすい。しかしながら、第１の空間における被加湿ガスの分配は、上流側の圧力分布、すなわち、被加湿ガス導入路１０２および被加湿ガス供給口１０６における圧力分布により強く依存する。この結果、第３変形例に係る加湿装置１００ｂにおいても、膜体１１０のプリーツピッチおよび気孔率が一定である場合には、第１の空間において、被加湿ガス導入路１０２の導入口（開口端）に近い領域ほど被加湿ガスの流量が多くなる。第２の空間における加湿ガスの流量についても同様である。したがって、第３変形例に係る加湿装置１００ｂにおいても、加湿装置１００のプリーツピッチを実施例と同様に変化させることにより、実施例に係る加湿装置と同様に、水蒸気透過膜１１１の面に対する被加湿ガスおよび加湿ガスの供給量の均一性を向上し、加湿装置１００ｂの加湿効率を向上することができる。
【００６６】
また、第３変形例に係る加湿装置１００ｂにおいて、第２変形例と同様に、膜体を構成する補強材１１２および補強材１１３の気孔率を変化させても良い。こうすれば、第２変形例と同様に、水蒸気透過膜１１１の面に対する加湿ガスおよび被加湿ガスの供給量の均一性を向上し、加湿装置１００ｂの加湿効率を、さらに向上することができる。
【００６７】
・第４変形例：
図１１を参照して、第４変形例について説明する。図１１は、第４変形例に係る加湿装置の構成を示す説明図である。
【００６８】
第４変形例に係る加湿装置１００ｃは、一つの被加湿ガス導入路１０２および被加湿ガス供給口１０６に対して、２つの被加湿ガス排出路１０３ａ、１０３ｂおよび被加湿ガス排出口１０７ａ、１０７ｂを備える点で、実施例に係る加湿装置１００と異なる。
【００６９】
第４変形例に係る加湿装置１００ｃにおいて、被加湿ガス導入路１０２および被加湿ガス供給口１０６は、収容部１０１の水蒸気透過膜１１１からみて第１の空間側の壁のＸ軸方向の略中央部に設けられている。そして、被加湿ガス排出路１０３ａ、１０３ｂおよび被加湿ガス排出口１０７ａ、１０７ｂは、当該壁のＸ軸方向の両端部にそれぞれ設けられている。したがって、図１１において白抜きの矢印に示すように、第１の空間は、Ｘ軸方向の略中央部を上流端とし、Ｘ軸方向の両端部を２つの下流端とする被加湿ガスの内部流路として機能する。
【００７０】
さらに、第４変形例に係る加湿装置１００ｃは、一つの加湿ガス排出路１０４および加湿ガス排出口１０８に対して、２つの加湿ガス導入路１０５ａ、１０５ｂおよび加湿ガス供給口１０９ａ、１０９ｂを備える点で、実施例に係る１００と異なる。
【００７１】
第４変形例に係る加湿装置１００ｃにおいて、加湿ガス排出路１０４および加湿ガス排出口１０８は、収容部１０１の水蒸気透過膜１１１からみて第２の空間側の壁のＸ軸方向の略中央部に設けられている。そして、加湿ガス導入路１０５ａ、１０５ｂおよび加湿ガス供給口１０９ａ、１０９ｂは、当該壁のＸ軸方向の両端部にそれぞれ設けられている。したがって、図１１において黒塗りの矢印に示すように、第２の空間は、Ｘ軸方向の両端部を２つの上流端とし、Ｘ軸方向の略中央部を下流端とする加湿ガスの内部流路として機能する。
【００７２】
第４変形例に係る加湿装置１００ｃにおける他の構成は、実施例に係る加湿装置１００と同様であるので、説明を省略する。
【００７３】
第４変形例に係る加湿装置１００ｃにおいても、膜体１１０のプリーツピッチおよび気孔率が一定である場合には、第１の空間において、被加湿ガス導入路１０２の導入口（開口端）に近い領域ほど被加湿ガスの流量が多くなり、第２の空間において、加湿ガス導入路１０５の導入口（開口端）に近い領域ほど加湿ガスの流量が多くなる。したがって、第４変形例に係る加湿装置１００ｃにおいても、加湿装置１００のプリーツピッチを実施例と同様に変化させることにより、実施例に係る加湿装置と同様に、水蒸気透過膜１１１の面に対する被加湿ガスおよび加湿ガスの供給量の均一性を向上し、加湿装置１００ｃの加湿効率を向上することができる。
【００７４】
また、第４変形例に係る加湿装置１００ｂにおいて、第２変形例と同様に、膜体を構成する補強材１１２および補強材１１３の気孔率を変化させても良い。こうすれば、第２変形例と同様に、水蒸気透過膜１１１の面に対する加湿ガスおよび被加湿ガスの供給量の均一性を向上し、加湿装置１００ｃの加湿効率を、さらに向上することができる。
【００７５】
・第５変形例：
上記実施例において、被加湿ガス導入口１０６および加湿ガス導入口１０９は、それぞれ一つの長孔として形成されているが、被加湿ガス導入口１０６および加湿ガス導入口１０９の形状および数は、これに限られない。例えば、種々の多角形状あるいは円形状の開口部として形成され得るし、これら種々の形状を有する複数の開口部としても形成され得る。また、こうした被加湿ガス導入口１０６および加湿ガス導入口１０９の形状および数に対応して、被加湿ガス導入口１０６および加湿ガス導入口１０９と連通する被加湿ガス導入路１０２および加湿ガス導入路１０５の形状も変更される。
【００７６】
かかる場合には、被加湿ガス導入路１０２における被加湿ガスの導入口としての開口端から被加湿ガス導入口１０６に至る流動経路の長さに応じて、膜体１１０のプリーツピッチや、補強材１１２および補強材１１３の気孔率を変化させれば良い。
【００７７】
・その他の変形例：
上記実施例における膜体１１０と、上記第２変形例における膜体１１０ｃの考え方を組み合わせて、Ｚ軸の正方向側にいくにつれて、プリーツピッチが大きくなると共に、膜体を構成する補強材１１２および補強材１１３の気孔率が高くなる膜体を用いても良い。こうすれば、膜体における圧力損失を、より大きな範囲で変化させることができる。
【００７８】
実施例では、高湿度ガスとしてカソード排ガスを用い、燃料電池に供給するための酸化ガスの加湿を行なったが、異なる構成としても良い。たとえば、燃料電池から排出されたアノード排ガスを高湿度ガスとして用い、燃料電池に供給するための燃料ガスを加湿するために、本発明の加湿装置を用いても良い。この場合には、例えば、気液分離器２７よりも上流側の部位における水素供給路６０の途中に加湿装置１００を接続すればよい。あるいは、燃料電池に供給する反応ガスに対応する排ガス以外の水蒸気含有ガスを高湿度ガスとして用いて、反応ガスの加湿を行なっても良い。また、燃料電池システム以外に本発明の加湿装置を適用し、燃料電池に供給する反応ガス以外の流体の加湿を行なっても良い。また、加湿装置１００において、加湿ガスに代えて、他の水分を含む流体、例えば、水を用いて、被加湿ガスを加湿しても良い。
【００７９】
以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施例である燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。
【図２】加湿装置の外観の概略構成を表わす説明図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図５】図２におけるＣ−Ｃ断面を示す断面図である。
【図６】実施例における膜体について示す説明図である。
【図７】膜体のプリーツピッチが一定の加湿装置について示す説明図である。
【図８】膜体のプリーツ形状を例示する説明図である。
【図９】第２変形例における膜体について示す説明図である。
【図１０】第３変形例に係る加湿装置のガス流れと実施例に係る加湿装置のガス流れとを示す説明図である。
【図１１】第４変形例に係る加湿装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池システム
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…エアクリーナ
２７…気液分離器
２７ａ…排出バルブ
６０…水素供給路
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６５…水素ポンプ
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
１００、１００ｂ、１００ｃ…加湿装置
１０１…収容部
１０２…被加湿ガス導入路
１０３、１０３ａ、１０３ｂ…被加湿ガス排出路
１０４…加湿ガス排出路
１０５、１０５ａ、１０５ｂ…加湿ガス導入路
１０６…被加湿ガス供給口
１０７、１０７ａ、１０７ｂ…被加湿ガス排出口
１０８…加湿ガス排出口
１０９、１０９ａ、１０９ｂ…加湿ガス供給口
１１０、１１０ａ〜１１０ｃ…膜体
１１１…水蒸気透過膜
１１２…補強材
１１３…補強材
１２０…接着材
【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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【図１１】
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