(57)【要約】【課題】部品点数の低減を図ることができながら、カソードに供給される空気を十分に加湿および冷却でき、省エネルギー化を図ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システムに、アニオン成分が移動可能な電解質層と、電解質層の一方側に配置され、燃料が供給されるアノードと、電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、燃料電池に接続され、カソードに空気を供給する空気供給路と、空気供給路に設けられるエアコンプレッサと、空気供給路において、燃料電池とエアコンプレッサとの間に設けられ、空気を加湿するように、水蒸気を透過する水蒸気透過膜と、水蒸気透過膜と接触する水を貯留する貯留部と、貯留部に貯留される水を冷却する冷却部と、を備える。【選択図】図１
2017069054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記電解質層の一方側に配置され、燃料が供給されるアノードと、前記電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記カソードに空気を供給する空気供給路と、
前記空気供給路に設けられるエアコンプレッサと、
前記空気供給路において、前記燃料電池と前記エアコンプレッサとの間に設けられ、空気を加湿するように、水蒸気を透過する水蒸気透過膜と、
前記水蒸気透過膜と接触する水を貯留する貯留部と、
前記貯留部に貯留される水を冷却する冷却部と、を備えることを特徴とする、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、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、水素ガスやメタノールなどの燃料を使用する固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムは、例えば、電解質層と、それを挟むアノード（燃料側電極）およびカソード（酸素側電極）とを備える燃料電池と、アノードに燃料を供給する燃料供給ラインと、カソードに空気を供給する空気供給ラインとを備えている。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が過度に上昇することを抑制するために、カソードに供給する空気を冷却すること、および、カソードを湿潤させるために、カソードに供給する空気を加湿することが検討されている。
【０００５】
例えば、空気供給ラインに、空気を圧送するコンプレッサと、コンプレッサから送られる空気を冷却（熱交換）するインタークーラと、インタークーラを通過した空気を加湿する加湿器とが設けられる燃料電池システムが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
そして、そのような燃料電池システムでは、コンプレッサにより圧縮された空気が、インタークーラにより冷却された後、加湿器により加湿され、カソードに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１２０３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかるに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、空気を十分に加湿すべく、加湿器において空気を加熱して、空気の飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）の向上を図る場合がある。
【０００９】
そのような場合、インタークーラにおいて冷却された空気を、加湿モジュールにおいて加熱するため、省エネルギー化を十分に図ることができない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、部品点数の低減を図ることができながら、カソードに供給される空気を十分に加湿および冷却でき、省エネルギー化を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記電解質層の一方側に配置され、燃料が供給されるアノードと、前記電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記カソードに空気を供給する空気供給路と、前記空気供給路に設けられるエアコンプレッサと、前記空気供給路において、前記燃料電池と前記エアコンプレッサとの間に設けられ、空気を加湿するように、水蒸気を透過する水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜と接触する水を貯留する貯留部と、前記貯留部に貯留される水を冷却する冷却部と、を備える、燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムでは、水蒸気透過膜が、空気供給路において、燃料電池とエアコンプレッサとの間に設けられているので、エアコンプレッサにより圧縮された空気が、水蒸気透過膜に供給される。
【００１３】
しかるに、気体は圧縮されると温度が上昇するため、エアコンプレッサにより圧縮された空気は、温度が上昇されており、飽和水蒸気圧が上昇されている。
【００１４】
そして、水蒸気透過膜は、貯留部に貯留される水と接触しているので、圧縮された空気が供給されると、水蒸気透過膜と接触する水が水蒸気化され、その水蒸気が、水蒸気透過膜を通過する。これによって、水蒸気透過膜に供給された空気を、水蒸気により確実に加湿できる。
【００１５】
また、水蒸気透過膜に供給される空気は、水の水蒸気化による気化熱により冷却されるとともに、水蒸気透過膜を介して、貯留部に貯留される水と効率良く熱交換される。そして、冷却部が、貯留部に貯留される水を冷却するので、水蒸気透過膜に供給される空気は、貯留部に貯留される水により、安定して冷却される。
【００１６】
そのため、水蒸気透過膜に供給され、加湿された空気を安定して冷却できる。その結果、加湿および冷却された空気が、燃料電池のカソードに供給されることにより、カソードを湿潤させることができながら、燃料電池の温度が過度に上昇することを抑制できる。
【００１７】
つまり、水蒸気透過膜および貯留部が、エアコンプレッサから供給される空気を、加湿および冷却するので、部品点数の低減を図ることができながら、エネルギーを有効に利用でき、省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１．燃料電池システムの全体構成
図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００２０】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、加湿モジュール６と、冷却部の一例としてのラジエータユニット７と、制御部１１と、動力部１６とを備えている。
【００２１】
（１）燃料電池
燃料電池３は、燃料成分を含む燃料が直接供給および排出されるアニオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２２】
燃料は、気体燃料であってもよく、液体燃料であってもよいが、好ましくは、液体燃料である。
【００２３】
燃料が気体燃料である場合、燃料成分としては、例えば、水素ガスなどが挙げられる。
【００２４】
燃料が液体燃料である場合、燃料成分としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
【００２５】
ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン、水加ヒドラジン、炭酸ヒドラジン、塩酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、カルボンヒドラジドなどが挙げられ、ゼロエミッション実現の観点から、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなど）が挙げられる。
【００２６】
なお、本実施形態では、燃料が液体燃料である場合について詳述する。
【００２７】
燃料電池３は、固体高分子型燃料電池であって、複数の燃料電池セルＳを備えており、複数の燃料電池セルＳが積層されたスタック構造として形成されている。
【００２８】
なお、図１では、図解しやすいように、複数の燃料電池セルＳのうち、１つの燃料電池セルＳを拡大して表わし、その他の燃料電池セルＳについては簡略化して記載している。
【００２９】
燃料電池セルＳは、電解質層８と、アノード９と、カソード１０と、燃料供給部材１２と、空気供給部材１７とを備えている。
【００３０】
電解質層８は、アニオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜を用いて形成されている。
【００３１】
アニオン交換膜としては、カソード１０で生成されるアニオン成分としての水酸化物イオン（ＯＨ−）を、カソード１０からアノード９へ移動させることができる媒体であれば、特に限定されず、例えば、アニオン交換基（例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基など）を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）などが挙げられる。
【００３２】
このように、電解質層８は、例えば、固体高分子膜からなり、耐熱温度が、例えば、１００℃以下である。
【００３３】
アノード９は、電解質層８の一方側に配置されている。アノード９は、電極（アノード電極）であって、例えば、公知の触媒を担持した触媒担体などの電極材料により、電解質層８の一方の面に形成されている。
【００３４】
カソード１０は、電解質層８の他方側に配置されている。カソード１０は、電極（カソード電極）であって、例えば、公知の酸素還元触媒を担持した触媒担体などの電極材料により、電解質層８の他方の面に形成されている。
【００３５】
燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、アノード９の一方側に配置されている。燃料供給部材１２は、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、アノード９の全体に燃料を接触させる燃料側流路１３が、葛折状の溝として形成されている。また、燃料供給部材１２には、その上流側端部および下流側端部に、燃料側流路１３に連通する供給口１５および排出口１４が形成されている。
【００３６】
空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、カソード１０の他方側に配置されている。空気供給部材１７は、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、カソード１０の全体に酸素（空気）を接触させる空気側流路１８が、葛折状の溝として形成されている。また、空気供給部材１７には、その上流側端部および下流側端部に、空気側流路１８に連通する供給口１９および排出口２０が形成されている。
【００３７】
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料タンク２２と、燃料供給ライン３０と、燃料排出ライン３１と、気液分離器２３と、還流ライン３２とを備えている。
【００３８】
燃料タンク２２は、燃料電池３よりも後方であり、電動車両１の後部に配置されている。燃料タンク２２には、上記した燃料が貯蔵（貯留）されている。
【００３９】
燃料供給ライン３０は、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３）へ液体燃料（燃料）を供給するラインである。燃料供給ライン３０の上流側端部は、燃料タンク２２に接続され、燃料供給ライン３０の下流側端部は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３の供給口１５）に接続されている。
【００４０】
また、燃料供給ライン３０には、濃度調整タンク２８と、第１供給ポンプ３３と、燃料供給弁３４と、第２供給ポンプ３５とが設けられている。
【００４１】
濃度調整タンク２８は、燃料供給ライン３０の途中に介在されている。
【００４２】
第１供給ポンプ３３および燃料供給弁３４は、燃料タンク２２と濃度調整タンク２８との間において、燃料供給ライン３０に介在されている。
【００４３】
第１供給ポンプ３３としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。
【００４４】
燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００４５】
第２供給ポンプ３５は、濃度調整タンク２８と燃料電池３との間において、燃料供給ライン３０に介在されている。第２供給ポンプ３５としては、例えば、上記した公知の送液ポンプが挙げられる。
【００４６】
燃料排出ライン３１は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３）から、液体燃料（燃料）を排出するラインである。燃料排出ライン３１の上流側端部は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３の排出口１４）に接続され、燃料排出ライン３１の下流側端部は、気液分離器２３の底部流通口２４（後述）に接続されている。
【００４７】
気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、燃料電池３よりも電動車両１の後上方に配置されている。気液分離器２３には、その下部に、気液分離器２３の内外を連通させる底部流通口２４が２つ形成され、その上部に、気液分離器２３の内外を連通させる上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４８】
２つの底部流通口２４のうち、一方の底部流通口２４（上流側の底部流通口２４）には、燃料排出ライン３１の下流側端部が接続され、他方の底部流通口２４（下流側の底部流通口２４）には、還流ライン３２の上流側端部が接続されている。
【００４９】
また、気液分離器２３には、ガス排出管２６が設けられている。ガス排出管２６の上流側端部は、上部流通口２５に接続され、ガス排出管２６の下流側端部は、大気に開放されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。
【００５０】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００５１】
還流ライン３２は、燃料排出ライン３１から濃度調整タンク２８へ液体燃料（燃料）を輸送するラインである。還流ライン３２の上流側端部は、気液分離器２３の他方の底部流通口２４（下流側の底部流通口２４）に接続され、還流ライン３２の下流側端部は、濃度調整タンク２８に接続されている。
【００５２】
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気供給路の一例としての空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。
【００５３】
空気供給ライン４１は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給するラインである。空気供給ライン４１の上流側端部は、大気中に開放され、空気供給ライン４１の下流側端部は、燃料電池３（具体的には、空気側流路１８の供給口１９）に接続されている。
【００５４】
また、空気供給ライン４１には、エアコンプレッサ４３と、空気供給弁４４とが設けられている。
【００５５】
エアコンプレッサ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。エアコンプレッサ４３は、気体（空気）を圧縮して、その圧縮した気体（空気）を連続して吐出する圧縮機であって、例えば、公知のエアコンプレッサが挙げられる。
【００５６】
エアコンプレッサ４３の吐出圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上、好ましくは、０．２ＭＰａ以上、例えば、０．４ＭＰａ以下である。
【００５７】
空気供給弁４４は、空気供給ライン４１において、エアコンプレッサ４３の下流側に介在されている。空気供給弁４４は、空気供給ライン４１を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００５８】
なお、空気供給ライン４１は、空気供給弁４４の下流側（つまり、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間）において、加湿モジュール６の貯留タンク４７（後述）内を通過するように配設されている。
【００５９】
空気排出ライン４２は、燃料電池３（具体的には、空気側流路１８）から、空気を排出するラインである。空気排出ライン４２の上流側端部は、燃料電池３（具体的には、空気側流路１８の排出口２０）に接続され、空気排出ライン４２の下流側端部は、大気中に開放されている。
【００６０】
（４）加湿モジュールおよびラジエータユニット
加湿モジュール６は、燃料電池３よりも前方に配置されている。加湿モジュール６は、詳しくは後述するが、カソード１０に供給される空気を加湿するように構成されている。
【００６１】
ラジエータユニット７は、加湿モジュール６よりも前方であり、電動車両１の前部に配置されている。ラジエータユニット７は、詳しくは後述するが、加湿モジュール６が備える貯留タンク４７（後述）に貯留される水を冷却するように構成されている。
【００６２】
（５）制御部
制御部１１は、コントロールユニット２９を備えている。
【００６３】
コントロールユニット２９は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
【００６４】
コントロールユニット２９は、第１供給ポンプ３３、第２供給ポンプ３５、エアコンプレッサ４３、ラジエータポンプ５３（後述）、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７および空気供給弁４４と電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００６５】
そして、コントロールユニット２９は、制御信号により、第１供給ポンプ３３、第２供給ポンプ３５、エアコンプレッサ４３およびラジエータポンプ５３（後述）の駆動を制御するとともに、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７および空気供給弁４４の開閉を制御する。
【００６６】
（６）動力部
制御部１１は、モータ３７と、インバータ３８と、動力用バッテリ４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。
【００６７】
モータ３７は、燃料電池３よりも前方であって、電動車両１の前部に配置されている。モータ３７は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ３７としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。
【００６８】
インバータ３８は、モータ３７に電気的に接続されており、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。
【００６９】
動力用バッテリ４０は、モータ３７による回生エネルギーを蓄電する。動力用バッテリ４０としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ４０は、インバータ３８と燃料電池３との間の配線に接続され、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３７に電力を供給可能とされている。
【００７０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力を調整する機能を有している。
【００７１】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット２９と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット２９から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。
【００７２】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ４０にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ３８に電気的に接続されている。
【００７３】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３７に供給される。
【００７４】
（７）燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、図１に示すように、燃料供給弁３４が開かれ、第１供給ポンプ３３が駆動されることにより、燃料タンク２２から、液体燃料が、濃度調整タンク２８へ供給される。なお、燃料供給弁３４は、燃料が所定量供給された後に閉じられるが、後の液体燃料の濃度調整時に、適宜開閉される。
【００７５】
そして、第２供給ポンプ３５の駆動により、液体燃料が、濃度調整タンク２８から、燃料電池３の燃料側流路１３に供給される。これによって、液体燃料が、アノード９に供給され、アノード９と接触しながら燃料側流路１３を通過する。
【００７６】
一方、空気供給弁４４が開かれ、エアコンプレッサ４３が駆動されることにより、エアコンプレッサ４３により圧縮された空気が、詳しくは後述するが、加湿モジュール６に供給され、加湿される。そして、加湿された空気は、加湿モジュール６から、燃料電池３の空気側流路１８に供給される。これによって、空気（酸素）が、カソード１０に供給され、カソード１０と接触しながら、空気側流路１８を通過する。
【００７７】
そして、各電極（アノード９およびカソード１０）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料の燃料成分がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード９での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−          （カソード１０での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ              （燃料電池３全体での反応）
このようなアノード９およびカソード１０での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。
【００７８】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、制御部１１では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８により三相交流電力に変換された電気エネルギーが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。一方、動力用バッテリ４０では、その電力が充電される。
【００７９】
また、燃料側流路１３を通過した液体燃料は、燃料電池３から排出され、燃料排出ライン３１を介して、気液分離器２３に流入する。そして、気液分離器２３では、流入した液体燃料から、ガスが分離される。そのようなガスは、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。
【００８０】
一方、ガスが分離された液体燃料は、還流ライン３２を介して、気液分離器２３から濃度調整タンク２８に輸送される。そして、その液体燃料は、濃度調整タンク２８内において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料と混合され、濃度調整された後、燃料電池３の燃料側流路１３に戻される。
【００８１】
このようにして、液体燃料が、クローズドライン（燃料供給ライン３０、燃料側流路１３、燃料排出ライン３１、気液分離器２３、還流ライン３２および濃度調整タンク２８）を循環する。
【００８２】
なお、空気側流路１８を通過した空気は、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される。
【００８３】
３．加湿モジュールおよびラジエータユニットの詳細
加湿モジュール６は、貯留部の一例としての貯留タンク４７と、水蒸気透過膜４５とを備えている。
【００８４】
貯留タンク４７は、燃料電池３よりも前方に配置されている。貯留タンク４７には、水が貯留されている。また、貯留タンク４７には、その下部に、貯留タンク４７の内外を連通させる連通口４９が２つ形成され、その上部に、貯留タンク４７の内外を連通させるライン通過口４８が２つ形成されている。
【００８５】
２つの連通口４９のそれぞれには、後述する往路ライン５１および復路ライン５２のそれぞれが接続されている。
【００８６】
２つのライン通過口４８のそれぞれには、空気供給ライン４１が挿通されており、上記したように、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間の空気供給ライン４１が、貯留タンク４７内を通過するように配設されている。
【００８７】
そして、貯留タンク４７内に配設される空気供給ライン４１は、貯留タンク４７に貯留される水に浸漬されている。
【００８８】
水蒸気透過膜４５は、本実施形態において、貯留タンク４７内に配設される空気供給ライン４１に介在されており、貯留タンク４７内の水に浸漬されている。つまり、水蒸気透過膜４５は、空気供給ライン４１において、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間に設けられている。
【００８９】
水蒸気透過膜４５は、水蒸気を透過する膜であって、特に制限されないが、例えば、孔径が１ｎｍ以下の炭素膜などが挙げられる。水分離膜の孔径は、例えば、１ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以下であり、通常、０．３ｎｍ以上である。
【００９０】
また、水蒸気透過膜４５は、例えば、水蒸気を透過する中空糸膜からなり、具体的には、複数（例えば、５００〜２５００本）の中空糸膜が束ねられ、集合筒状に形成される。水蒸気透過膜４５が中空糸膜からなる場合、水蒸気透過膜４５は、その内部において、空気の通過を許容する。
【００９１】
中空糸膜の内径は、例えば、２００μｍ以上、好ましくは、２５０μｍ以上、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、３５０μｍ以下である。
【００９２】
このような水蒸気透過膜４５として、例えば、特開２００４−２０９４１８号公報に記載の中空糸膜モジュールなどを用いることができる。なお、本実施形態では、水蒸気透過膜４５が、中空糸膜である場合について詳述する。
【００９３】
ラジエータユニット７は、貯留タンク４７に貯留される水を冷却するように構成されており、ラジエータ５０と、往路ライン５１と、復路ライン５２と、リザーブタンク５４と、連結管５５とを備えている。
【００９４】
ラジエータ５０は、貯留タンク４７よりも前方であり、電動車両１の前部に配置されている。ラジエータ５０は、液体（水）の熱を放熱する装置であって、例えば、公知のラジエータが挙げられる。
【００９５】
より具体的には、ラジエータ５０は、その内部に液体（水）が通過するように構成されており、ラジエータ５０の内部への液体（水）の流入を許容する流入口５７と、ラジエータ５０からの液体（水）の流出を許容する排出口５８とを有している。
【００９６】
流入口５７および排出口５８のそれぞれには、後述する往路ライン５１および復路ライン５２のそれぞれが接続されている。
【００９７】
そして、ラジエータ５０は、例えば、電動車両１の走行風や、図示しないファンの駆動により、ラジエータ５０内部を通過する水を冷却できる。
【００９８】
往路ライン５１は、貯留タンク４７からラジエータ５０へ水を搬送するラインである。往路ライン５１の上流側端部は、貯留タンク４７における２つの連通口４９のうち一方の連通口４９（上流側の連通口４９）に接続され、往路ライン５１の下流側端部は、ラジエータ５０の流入口５７に接続されている。
【００９９】
復路ライン５２は、ラジエータ５０から貯留タンク４７へ水を搬送するラインである。復路ライン５２の上流側端部は、ラジエータ５０の排出口５８に接続され、復路ライン５２の下流側端部は、貯留タンク４７における２つの連通口４９のうち他方の連通口４９（下流側の連通口４９）に接続されている。
【０１００】
これによって、貯留タンク４７、往路ライン５１、ラジエータ５０および復路ライン５２は、クローズドラインである循環ライン６０を形成している。
【０１０１】
また、復路ライン５２には、ラジエータポンプ５３が設けられている。ラジエータポンプ５３としては、例えば、上記した公知の送液ポンプが挙げられる。
【０１０２】
リザーブタンク５４は、循環ライン６０に供給する水を貯留している。リザーブタンク５４の配置は、特に制限されないが、例えば、ラジエータ５０の近傍に配置されている。
【０１０３】
連結管５５は、リザーブタンク５４から、循環ライン６０（例えば、ラジエータ５０）へ水を搬送する配管である。なお、本実施形態では、連結管５５は、リザーブタンク５４からラジエータ５０へ水を搬送する。連結管５５の上流側端部は、リザーブタンク５４に接続され、連結管５５の下流側端部は、ラジエータ５０に接続されている。
【０１０４】
４．空気の加湿動作および水の冷却動作
（１）加湿モジュールによる空気の加湿
上記したように、燃料電池システム２の発電では、エアコンプレッサ４３の駆動により、圧縮された空気（以下、圧縮空気とする。）が、加湿モジュール６に供給される。
【０１０５】
なお、加湿モジュール６の供給前（水蒸気透過膜４５の通過前）において、圧縮空気の圧力は、例えば、１００ｋＰａ以上４００ｋＰａ以下である。
【０１０６】
また、加湿モジュール６の供給前（水蒸気透過膜４５の通過前）において、圧縮空気の温度は、例えば、６０℃以上１２０℃以下である。
【０１０７】
加湿モジュール６の供給前（水蒸気透過膜４５の通過前）において、圧縮空気の温度が上記下限以上であれば、加湿モジュール６において圧縮空気を確実に加湿でき、圧縮空気の温度が上記上限以下であれば、燃料電池３の温度が過度に上昇し、電解質層８がダメージを受けることを抑制できる。
【０１０８】
詳しくは、圧縮空気は、エアコンプレッサ４３と水蒸気透過膜４５との間の空気供給ライン４１を介して、貯留タンク４７内の水に浸漬される水蒸気透過膜４５（中空糸膜）に供給され、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）の内部を通過する。
【０１０９】
このとき、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）の外周面は、貯留タンク４７内の水に接触しており、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）の内周面は、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気に接触している。
【０１１０】
そのため、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内の圧縮空気の流れに伴なって、水蒸気透過膜４５の周囲の水が水蒸気化され、その水蒸気が、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）を通過して、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内に到達する（浸透気化法）。
【０１１１】
これによって、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気は、水蒸気と混合され加湿される。つまり、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）は、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内の圧縮空気を加湿するように、水蒸気を透過する。
【０１１２】
また、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気は、水の水蒸気化による気化熱により冷却されるとともに、水蒸気透過膜４５を介して、水蒸気透過膜４５が浸漬される貯留タンク４７内の水と熱交換される。そのため、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気は、加湿されるとともに冷却される。
【０１１３】
その後、加湿および冷却された圧縮空気は、水蒸気透過膜４５から、水蒸気透過膜４５よりも下流側の空気供給ライン４１に流出し、燃料電池３に供給される。
【０１１４】
なお、水蒸気透過膜４５の通過後において、圧縮空気の温度は、例えば、４０℃以上、好ましくは、６０℃以上、例えば、１００℃未満、好ましくは、９０℃以下である。
【０１１５】
水蒸気透過膜４５の通過後において、圧縮空気の温度が上記下限以上であれば、燃料電池３の温度が過度に低下することを抑制でき、カソード電圧の向上を図ることができ、圧縮空気の温度が上記上限以下であれば、燃料電池３の温度が過度に上昇することを抑制でき、電解質層８がダメージを受けることを抑制できる。つまり、水蒸気透過膜４５の通過後において、圧縮空気の温度が、上記の範囲であれば、燃料電池３の温度を好適な範囲に確保することができる。
【０１１６】
その後、加湿および冷却された圧縮空気は、上記のように、燃料電池３の空気側流路１８を通過し、カソード１０に供給された後、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される。
【０１１７】
（２）ラジエータユニットによる水の冷却
一方、貯留タンク４７内に貯留される水は、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）を介して、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気を冷却するため、温度が上昇する。
【０１１８】
そのため、貯留タンク４７内に貯留される水の温度が、所定値（例えば、７０℃）を超過すると、コントロールユニット２９がラジエータポンプ５３を駆動させる。
【０１１９】
ラジエータポンプ５３が駆動すると、循環ライン６０内の水が循環する。詳しくは、貯留タンク４７内に貯留される水が、貯留タンク４７から、往路ライン５１を介して、ラジエータ５０に流入する。そして、ラジエータ５０に流入した水が、冷却された後、ラジエータ５０から、復路ライン５２を介して、貯留タンク４７に返送される。つまり、ラジエータユニット７は、貯留タンク４７に貯留される水を冷却する。
【０１２０】
そのため、貯留タンク４７内に貯留される水の温度は、例えば、０℃以上、好ましくは、５０℃以上、例えば、１００℃以下、好ましくは、７０℃以下に維持される。
【０１２１】
また、貯留タンク４７内に貯留される水は、水蒸気化され、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する空気を加湿するので、循環ライン６０を循環する水は、空気の加湿に伴なって徐々に減少する。
【０１２２】
そして、貯留タンク４７における水の水位が、所定値未満となると、コントロールユニット２９が、連結管５５に設けられるポンプ（図示せず）を駆動させる。これにより、リザーブタンク５４内に貯留される水が、連結管５５を介して、ラジエータ５０（循環ライン６０）に供給される。そのため、循環ライン６０を循環する水量は、略一定に維持され、貯留タンク４７における水の水位は、略一定に維持される。
【０１２３】
５．作用効果
燃料電池システム２は、図１に示すように、加湿モジュール６およびラジエータユニット７を備える一方、エアコンプレッサ４３により圧縮された空気を冷却するインタークーラを備えていない。
【０１２４】
ここで、加湿モジュール６の水蒸気透過膜４５は、空気供給ライン４１において、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間に設けられている。そのため、エアコンプレッサ４３により圧縮された空気は、貯留タンク４７に貯留される水に浸漬される水蒸気透過膜４５に供給される。
【０１２５】
そして、水蒸気透過膜４５に空気が供給されると、水蒸気透過膜４５と接触する水が水蒸気化され、その水蒸気が水蒸気透過膜４５を通過する。これにより、水蒸気透過膜４５に供給された空気を、水蒸気により確実に加湿できる。
【０１２６】
また、水蒸気透過膜に供給される空気は、水の水蒸気化による気化熱により冷却されるとともに、水蒸気透過膜４５を介して、貯留タンク４７に貯留される水と効率良く熱交換される。そして、ラジエータユニット７は、貯留タンク４７に貯留される水を冷却するので、水蒸気透過膜に供給される空気は、貯留タンク４７に貯留される水により安定して冷却される。
【０１２７】
そのため、水蒸気透過膜４５に供給され、加湿された空気を安定して冷却できる。そして、加湿および冷却された空気は、空気供給ライン４１を介して、燃料電池３のカソード１０に供給される。これにより、カソード１０を湿潤されることができながら、燃料電池３の温度が過度に上昇することを抑制できる。
【０１２８】
つまり、加湿モジュール６（水蒸気透過膜４５および貯留タンク４７）が、エアコンプレッサ４３から供給される空気を、加湿および冷却できるので、部品点数の低減を図ることができながら、エネルギーを有効に利用でき、省エネルギー化を図ることができる。
【０１２９】
６．変形例
上記の実施形態では、リザーブタンク５４が、連結管５５を介して、ラジエータ５０に接続されるが、連結管５５の接続先は、循環ライン６０であれば特に制限されない。つまり、連結管５５の下流側端部は、貯留タンク４７、往路ライン５１、ラジエータ５０および復路ライン５２のいずれかに接続してもよい。
【０１３０】
上記の実施形態では、貯留タンク４７内に貯留される水の温度が、所定値（例えば、７０℃）を超過すると、コントロールユニット２９がラジエータポンプ５３を駆動させたが、これに限定されない。例えば、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される空気の温度が、所定値（例えば、７０℃）を超過すると、コントロールユニット２９がラジエータポンプ５３を駆動させてもよい。
【０１３１】
これらによっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、これら実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０１３２】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
７      ラジエータユニット
８      電解質層
９      アノード
１０    カソード
４１    空気供給ライン
４３    エアコンプレッサ
４５    水蒸気透過膜
４７    貯留タンク
【図１】
2017069054.tif 000003