JP2021034371A - 燃料電池用加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転条件に従って加湿器の加湿量及び差圧を調節可能な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１００が適用された燃料電池システムにおいて、一側には燃料電池スタック２００から湿潤空気が供給される湿潤空気供給口１１２が形成され、他の一側には湿潤空気排出口１１４が形成されているハウジング１１０と、ハウジングの内部に備えられ、内部に沿って乾燥空気が流動する加湿膜１４０と、を含む。ハウジングの内部には、湿潤空気供給口に供給された湿潤空気中の一部を、加湿膜を通らずに湿潤空気排出口に常時バイパスさせるバイパス流路１１１を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用加湿器に関し、より具体的には、燃料電池の運転条件に従って加湿器の加湿量及び差圧を調節することができる燃料電池用加湿器に関する。

燃料電池システムは、連続的に供給される燃料の化学的な反応により電気エネルギーを継続的に生産するシステムであって、地球環境の問題を解決できる代案として継続的な研究と開発が行われている。

燃料電池システムは、用いられる電解質の種類によってリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ；ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ；ａｌｋａｌｉｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）及び直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）等に分類でき、用いられる燃料の種類とともに作動温度、出力の範囲等によって移動電源用、輸送用、分散発電用等の多様な応用分野に適用され得る。

このうち、高分子電解質型燃料電池は、内燃機関を代替するように開発されている水素自動車（水素燃料電池の自動車）の分野に適用されている。

水素自動車は、水素と酸素の化学反応を介して自体電気を生産し、モーターを駆動して走行するようになっている。より具体的には、水素自動車は、水素（Ｈ_２）が貯蔵される水素タンク（Ｈ_２ Ｔａｎｋ）、水素と酸素（Ｏ_２）の酸化還元反応を介して電気を生産する燃料電池、生成された水を排水するための各種装置、燃料電池で生産された電気を貯蔵するバッテリー、生産された電気を変換及び制御するコントローラー、駆動力を発生させるモーター等を含む。

一方、燃料電池が正常に動作するためには、膜電極接合体の電解質膜が一定の湿度以上に維持されなければならないため、流入ガスは、燃料電池に流入される前に加湿器により加湿されてよい。

最近は、燃料電池から排出される湿潤空気を用いて加湿器を通る流入ガス（乾燥空気）を加湿する方式が提示されている。

また、燃料電池に流入される流入ガスの加湿程度（加湿量）は、燃料電池の運転条件（又は湿度状態）によって調節できなければならない。

しかし、従来は、加湿器の外部に別途のバイパス流路を形成し、流入ガスが加湿器を経て（加湿された状態）燃料電池に流入されるか、加湿器を通らずに加湿器外部のバイパス流路を介して燃料電池に直ちに流入されるようにして燃料電池の湿度を調節しなければならないため、構造が複雑で、設計自由度及び空間活用性が低下するという問題点があり、燃料電池の運転条件に従って流入ガスの加湿量を正確に調節しにくいという問題点があった。

また、加湿器の加湿性能が改善されるほど流入ガスの加湿量は増加し得るが、従来は、流入ガスの加湿量の増加に伴って加湿器の差圧（加湿器の入口と出口の圧力差）が増加するため、エネルギー効率が低下（電力消耗量の増加）するという問題点があった。

さらに、従来は、過度に加湿された流入ガスが燃料電池に継続して供給されるに伴い、燃料電池の内部にフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が発生するという問題点があった。

これにより、最近は、燃料電池スタックの運転条件に従って流入ガスの加湿量を調節しながら加湿器の差圧を調節するための多様な研究がなされているが、まだ不十分なため、これに対する開発が要求されている。

本発明は、燃料電池の運転条件に従って加湿器の加湿量及び差圧を調節できる燃料電池用加湿器を提供することを目的とする。

特に、本発明は、加湿器の差圧の増加によるエネルギー効率の低下を最小化できるようにすることを目的とする。

また、本発明は、過度な加湿による燃料電池内のフラッディング現象を抑制できるようにすることを目的とする。

また、本発明は、構造を簡素化し、設計自由度及び空間活用性を向上させることができるようにすることを目的とする。

前述した本発明の目的を達成するための本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池用加湿器は、一側には燃料電池スタックから湿潤空気が供給される湿潤空気供給口が形成され、他の一側には湿潤空気排出口が形成されているハウジングと、ハウジングの内部に備えられ、内部に沿って乾燥空気が流動する加湿膜と、を含み、ハウジングの内部には、湿潤空気供給口に供給された湿潤空気中の一部を、加湿膜を通らずに湿潤空気排出口に常時（ａｌｗａｙｓ）バイパスさせるバイパス流路が形成される。

これは、燃料電池の運転条件に従って加湿器の加湿量及び差圧を調節するためである。

すなわち、従来は、加湿器による流入ガスの加湿量が増加することによって加湿器の差圧（加湿器の入口と出口の圧力の差）が増加するため、エネルギー効率が低下（電力消耗量の増加）するという問題点があった。

また、過度に加湿された流入ガスが燃料電池（例えば、燃料電池の低出力運転時）に継続して供給されることによって、燃料電池の内部にフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が発生するという問題点があった。

しかし、本発明は、湿潤空気供給口を介してハウジングの内部に供給された湿潤空気中の一部が加湿膜を通らずに湿潤空気排出口に常時（ａｌｗａｙｓ）バイパスされるようにすることで、加湿器の差圧が過度に増加することを抑制し、加湿器の差圧の増加によるエネルギー効率の低下を最小化するという有利な効果が得られる。

また、ハウジングの内部に供給された湿潤空気中の一部が加湿膜を通らずに湿潤空気排出口にバイパスされるようにすることで乾燥空気の加湿量を低減させることができるので、燃料電池スタックの低出力運転時に過度な加湿によるフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を防止するという有利な効果が得られる。

より具体的には、ハウジングは、加湿膜が内部に収容され、且つ、加湿膜の上部に配置される第１流路壁が形成されているハウジング本体と、第１流路壁の上部に離隔して配置される第２流路壁が形成され、ハウジング本体の上部に結合されるハウジングキャップと、を含み、第１流路壁及び第２流路壁は互いに協力してバイパス流路を形成する。

好ましくは、バイパス流路は、選択的に断面積が可変するようになっている。
このように、バイパス流路の断面積が選択的に可変するようにすることによって、ハウジングに供給された湿潤空気中、バイパス流路を介してバイパスされる湿潤空気のバイパス流量を選択的に調節できるので、燃料電池スタックの運転条件（又は湿度状態）に従って加湿空気の加湿量と加湿器の差圧を調節するのが可能である。

バイパス流路の断面積は、要求される条件及び設計仕様によって多様な方式に可変し得る。

例えば、ハウジングキャップは、第１流路壁に対して第１高さ（Ｈ１）に配置される第２流路壁が形成され、ハウジング本体に結合される第１キャップ部材と、第１高さ（Ｈ１）と異なる第２高さに（Ｈ２）に配置される第２流路壁が形成され、ハウジング本体に結合される第２キャップ部材と、を含み、第１キャップ部材及び第２キャップ部材のうち何れか一つをハウジング本体に結合してバイパス流路の断面積を可変させることができる。

他の一例として、燃料電池用加湿器は、第１サイズ（Ｌ１）を有するように形成され、バイパス流路を部分的に遮断する第１隔壁部材と、第１サイズ（Ｌ１）と異なる第２サイズ（Ｌ２）を有するように形成され、バイパス流路を部分的に遮断する第２隔壁部材と、を含み、第１隔壁部材及び第２隔壁部材のうち何れか一つをバイパス流路の内部に配置してバイパス流路の断面積を可変させることができる。

また他の一例として、燃料電池用加湿器は、バイパス流路を部分的に開閉する遮断部材と、燃料電池スタックの湿度に対応して遮断部材の開閉を制御する制御部と、を含み、遮断部材を開閉してバイパス流路の断面積を可変させることができる。

例えば、遮断部材は、第２流路壁に昇降可能に結合され、遮断部材を選択的に昇降させる昇降部を含んでよく、制御部は、燃料電池スタックの湿度に対応して昇降部を制御する。

好ましくは、制御部は、燃料電池スタックの湿度が目標湿度の範囲より低ければ、遮断部材を下降させてバイパス流路の断面積を縮小し、燃料電池スタックの湿度が目標湿度の範囲より高ければ、遮断部材を上昇させてバイパス流路の断面積を拡張し得る。

本発明による燃料電池用加湿器が適用された燃料電池システムを説明するための図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。 本発明の第３実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。

以下、図を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明が実施形態によって制限されるか又は限定されるのではない。ちなみに、本説明において同一の番号は実質的に同一の要素を指し、このような規則に基づき他の図に記載されている内容を引用して説明することができ、当業者に明らかであると思われるか繰り返される内容は省略されてよい。

図１は、本発明による燃料電池用加湿器が適用された燃料電池システムを説明するための図である。また、図２及び図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。図４及び図５は、本発明の第２実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。図６は、本発明の第３実施形態による燃料電池用加湿器を説明するための図である。

図１から図６に示す通り、本発明による燃料電池用加湿器１００は、一側には燃料電池スタック２００から湿潤空気が供給される湿潤空気供給口１１２が形成され、他の一側には湿潤空気排出口１１４が形成されているハウジング１１０と、ハウジング１１０の内部に備えられ、内部に沿って乾燥空気が流動する加湿膜１４０と、を含み、ハウジング１１０の内部には、湿潤空気供給口１１２に供給された湿潤空気中の一部を、加湿膜１４０を通らずに湿潤空気排出口１１４に常時（ａｌｗａｙｓ）バイパスさせるバイパス流路１１１が形成される。

本発明による燃料電池用加湿器１００は、燃料電池スタック２００に流入される流入ガス（例えば、空気）を加湿するために設けられる。

ちなみに、燃料電池スタック２００は、燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、空気）の酸化還元反応を介して電気を生産できる多様な構造で形成されてよい。

例えば、燃料電池スタック２００は、水素イオンが移動する電解質膜を中心に膜の両方に電気化学反応が起こる触媒電極層が付着された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）（図示省略）、反応気体を均一に分布させて発生した電気エネルギーを伝達する役割を担う気体拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）（図示省略）、反応気体及び冷却水の気密性と適正な締結圧を維持するためのガスケット及び締結具（図示省略）、そして、反応気体及び冷却水を移動させる分離板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）（図示省略）を含む。

より具体的には、燃料電池スタック２００において、燃料である水素と酸化剤である空気（酸素）が分離板の流路を介して膜電極接合体のアノード（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）にそれぞれ供給され、この際、水素はアノードに供給され、空気はカソードに供給される。

アノードに供給された水素は、電解質膜の両方に成されている電極層の触媒によって水素イオン（ｐｒｏｔｏｎ）と電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）に分解され、このうち水素イオンだけが選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、同時に電子は導体である気体拡散層と分離板を介してカソードに伝達される。

カソードでは、電解質膜を介して供給された水素イオンと分離板を介して伝達された電子が、空気供給装置によりカソードに供給された空気中の酸素と接して水を生成する反応を起こす。この時に起こる水素イオンの移動に起因して外部導線を通じた電子の流れが発生し、このような電子の流れにより電流が生成される。

ハウジング１１０は、内部に所定の収容空間を有するように設けられる。
ハウジング１１０の形状及び構造は、要求される条件及び設計仕様によって多様に変更されてよく、ハウジング１１０の形状及び構造により本発明が制限されるか限定されるのではない。例えば、ハウジング１１０は、内部に収容空間を有する四角形の箱状に形成されてよい。

ハウジング１１０の一側には乾燥空気が供給される乾燥空気供給口（図示省略）が形成され、ハウジング１１０の他の一側には乾燥空気が排出される乾燥空気排出口（図示省略）が形成される。

例えば、図１を基準に、ハウジング１１０の右側端には乾燥空気が供給される乾燥空気供給口（図示省略）が形成され、ハウジング１１０の左側端には乾燥空気排出口（図示省略）が形成される。

ちなみに、乾燥空気供給口に供給された乾燥空気は、加湿膜１４０の通過中に加湿されてよく、乾燥空気排出口を介して排出された加湿空気（加湿処理された乾燥空気）は燃料電池スタック２００に供給されてよい。

また、ハウジング１１０の一側（例えば、図１を基準に左上端）には湿潤空気供給口１１２が形成され、ハウジング１１０の他の一側（例えば、図１を基準に右上端）には湿潤空気排出口１１４が形成される。

燃料電池スタック２００から排出される湿潤空気（又は生成された水）は、燃料電池スタック２００とハウジング１１０の湿潤空気供給口１１２を連結する連結流路（図示省略）に沿ってハウジング１１０の内部に流入されてよく、ハウジング１１０の内部では多湿な湿潤空気を用いて加湿膜１４０に沿って流動する乾燥空気を加湿させてよい。

加湿膜１４０は、ハウジング１１０の内部に備えられ、内部に沿って乾燥空気が流動するようになっている。

例えば、加湿膜１４０は、内部に沿って乾燥空気が流動可能なチューブ状の中空糸膜（Ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ）に形成され、ハウジング１１０の内部で加湿膜１４０の一端（入口端）及び他端（出口端）はポッティング材１４２によって固定される。

ちなみに、加湿膜１４０は中空糸膜に形成されるため、ハウジング１１０の内部に供給された水分（例えば、湿潤空気の水分）は、加湿膜１４０の外部から加湿膜１４０の内部に透過して乾燥空気に伝達できるが、乾燥空気は、加湿膜１４０の内部から加湿膜１４０の外部に透過できない。

また、ハウジング１１０の内部には、湿潤空気供給口１１２に供給された湿潤空気中の一部を、加湿膜１４０を通らずに湿潤空気排出口１１４に常時（ａｌｗａｙｓ）バイパスさせるバイパス流路１１１が形成される。

このように、ハウジング１１０の内部に供給された湿潤空気中の一部が湿潤空気排出口１１４に常時バイパスされるようにすることで、加湿器１００の差圧が過度に増加することを抑制し、差圧の増加による電力の消耗量を低減させるという有利な効果が得られる。

また、ハウジング１１０の内部に供給された湿潤空気中の一部が加湿膜１４０を通らずに湿潤空気排出口１１４にバイパスされるようにすることで乾燥空気の加湿量を低減させることができるので、燃料電池スタック２００の低出力運転時に過度な加湿によるフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を防止するという有利な効果が得られる。

より具体的には、ハウジング１１０は、加湿膜１４０が内部に収容され、且つ、加湿膜１４０の上部に配置される第１流路壁１２２が形成されているハウジング本体１２０と、第１流路壁１２２の上部に離隔して配置される第２流路壁１３２が形成され、ハウジング本体１２０の上部に結合されるハウジングキャップ１３０と、を含み、第１流路壁１２２及び第２流路壁１３２は互いに協力してバイパス流路１１１を形成する。

ここで、第１流路壁１２２及び第２流路壁１３２が互いに協力してバイパス流路１１１を形成するというのは、バイパス流路１１１の一部の壁面が第１流路壁１２２によって形成され、バイパス流路１１１の他の壁面が第２流路壁１３２によって形成されるものであると定義する。

例えば、バイパス流路１１１の底面は第１流路壁１２２によって形成されてよく、バイパス流路１１１の天井面は第２流路壁１３２によって形成されてよい。本発明の他の実施形態によれば、第１流路壁の側端部に上部へ折り曲げられた第１延長壁（図示省略）を形成し、第２流路壁の側端部に下部へ折り曲げられた第２延長壁（図示省略）を形成し、第１延長壁及び第２延長壁によってバイパス流路の両側面が形成されるように構成することも可能である。

ちなみに、湿潤空気供給口１１２を介してハウジング１１０の内部に流入された湿潤空気中の一部は、バイパス流路１１１に沿って流動された後、直ちに湿潤空気排出口１１４を介してハウジング１１０の外部に排出され、湿潤空気供給口１１２を介してハウジング１１０の内部に流入された湿潤空気中の残りは、加湿膜１４０を経る（通過する）加湿流路（図１を基準にバイパス流路の下部空間）（図示省略）に沿って流動された後、湿潤空気排出口１１４を介してハウジング１１０の外部に排出される。

好ましくは、バイパス流路１１１は、選択的に断面積が可変されるようになっている。

このように、バイパス流路１１１の断面積が選択的に可変されるようにすることで、ハウジング１１０に供給された湿潤空気中、バイパス流路１１１を介してバイパスされる湿潤空気のバイパス流量を選択的に調節することができるので、燃料電池スタック２００の運転条件（又は湿度状態）に従って加湿空気の加湿量と加湿器１００の差圧を調節するのが可能である。

これは、バイパス流路１１１を介してバイパスされる湿潤空気のバイパス流量を制御することにより、加湿空気の加湿量と加湿器１００の差圧を調節できるということに起因したものである。

例えば、バイパス流路１１１の断面積を低減（縮小）させるほど、バイパス流路１１１を介してバイパスされる湿潤空気のバイパス流量は少なくなる一方、加湿流路に沿って流動する湿潤空気の流量は増加するようになる。

加湿流路に沿って流動する湿潤空気の流量が増加すれば、加湿空気の加湿量が増加して燃料電池スタック２００の性能は向上されるが、加湿器１００の差圧（ハウジング１１０の入口と出口の圧力差）が高くなるので、電力の消費が高くなる。

逆に、バイパス流路１１１の断面積を増加（拡張）させるほど、バイパス流路１１１を介してバイパスされる湿潤空気のバイパス流量は増加し、加湿流路に沿って流動する湿潤空気の流量は減少するようになる。

加湿流路に沿って流動する湿潤空気の流量が減少すれば、加湿器１００の差圧が低くなるため電力の消費は低くなるが、加湿空気の加湿量が減少して燃料電池スタック２００の性能が低下する。

したがって、バイパス流路１１１の断面積を選択的に可変することで、燃料電池スタック２００の運転条件（又は湿度状態）に従って加湿空気の加湿量と加湿器１００の差圧を調節するのが可能である。

バイパス流路１１１の断面積は、要求される条件及び設計仕様によって多様な方式に可変し得る。

例えば、ハウジングキャップ１３０は、互いに異なる高さに第２流路壁１３２が形成されている複数のキャップ部材を含んでよく、キャップ部材を交替することによりバイパス流路１１１の断面積を可変させることができる。

より具体的には、図２及び図３に示す通り、ハウジングキャップ１３０は、第１流路壁１２２に対して第１高さ（Ｈ１）に配置される第２流路壁１３２が形成され、ハウジング本体１２０に結合される第１キャップ部材１３０’と、第１高さ（Ｈ１）と異なる第２高さに（Ｈ２）に配置される第２流路壁１３２が形成され、ハウジング本体１２０に結合される第２キャップ部材１３０’’と、を含み、第１キャップ部材１３０’及び第２キャップ部材１３０’’のうち何れか一つをハウジング本体１２０に結合してバイパス流路１１１の断面積を可変させることができる。

より具体的には、図２に示す通り、第１キャップ部材１３０’には第２流路壁１３２が第１流路壁１２２に対して第１高さ（Ｈ１）に配置されるように形成され、バイパス流路１１１の断面積（ＣＳ１）は、第１高さ（Ｈ１）に配置される第２流路壁１３２及び第１流路壁１２２によって決定されてよい。

図３に示す通り、第２キャップ部材１３０’’には第２流路壁１３２が第１高さ（Ｈ１）より高い第２高さ（Ｈ２）に配置されるように形成され、バイパス流路１１１の断面積（ＣＳ２）は、第２高さ（Ｈ２）に配置される第２流路壁１３２及び第１流路壁１２２によって決定されてよい。

再び図２及び図３に示す通り、ハウジング本体１２０に第２キャップ部材１３０’’を結合すれば、ハウジング本体１２０に第１キャップ部材１３０’が結合された場合よりバイパス流路１１１の断面積が拡張（ＣＳ２＞ＣＳ１）される。逆に、ハウジング本体１２０に第１キャップ部材１３０’を結合すれば、ハウジング本体１２０に第２キャップ部材１３０’’が結合された場合よりバイパス流路１１１の断面積が縮小（ＣＳ１＜ＣＳ２）される。

前述及び図示した本発明の実施形態では、互いに異なる高さに第２流路壁１３２が形成されている２つのキャップ部材を用いてバイパス流路１１１の断面積を可変する例を挙げて説明しているが、本発明の他の実施形態によれば、互いに異なる高さに第２流路壁が形成されている３つ以上のキャップ部材を用いてバイパス流路の断面積を可変することも可能である。

他の一例として、燃料電池用加湿器１００は、互いに異なるサイズを有し、バイパス流路１１１を部分的に遮断する複数の隔壁部材を含んでよく、隔壁部材を交替することによりバイパス流路１１１の断面積を可変させることができる。

より具体的には、図４及び図５に示す通り、燃料電池用加湿器１００は、第１サイズ（Ｌ１）を有するように形成され、バイパス流路１１１を部分的に遮断する第１隔壁部材１５０と、第１サイズ（Ｌ１）と異なる第２サイズ（Ｌ２）を有するように形成され、バイパス流路１１１を部分的に遮断する第２隔壁部材１５０’と、を含み、第１隔壁部材１５０及び第２隔壁部材１５０’のうち何れか一つをバイパス流路１１１の内部に配置してバイパス流路１１１の断面積を可変させることができる。

ちなみに、本発明において第１隔壁部材１５０と第２隔壁部材１５０’が互いに異なるサイズを有するというのは、第１隔壁部材１５０と第２隔壁部材１５０’の長さ、幅、高さ、面積のうち何れか一つ以上が互いに異なるものであると定義される。

より具体的には、図４に示す通り、第１隔壁部材１５０は第１サイズ（Ｌ１）を有するように形成され、バイパス流路１１１を部分的に遮断するようにバイパス流路１１１の内部に配置され、バイパス流路１１１の断面積（ＣＳ１）は第１サイズ（Ｌ１）を有する第１隔壁部材１５０と第１流路壁１２２（又は第２流路壁）によって決定されてよい。例えば、第２流路壁１３２の内面には結合溝１３４が形成されてよく、第１隔壁部材１５０は結合溝１３４に結合されバイパス流路１１１を部分的に遮断することができる。

図５に示す通り、第２隔壁部材１５０’は第１サイズ（Ｌ１）より大きい第２サイズ（Ｌ２）を有するように形成され、バイパス流路１１１の断面積（ＣＳ２）は第２隔壁部材１５０’と第１流路壁１２２（又は第２流路壁）によって決定されてよい。例えば、第２流路壁１３２の内面には結合溝１３４が形成されてよく、第２隔壁部材１５０’は結合溝１３４に結合されバイパス流路１１１を部分的に遮断することができる。

再び図４及び図５に示す通り、第２流路壁１３２に第２隔壁部材１５０’を結合すれは、第２流路壁１３２に第１隔壁部材１５０が結合された場合よりバイパス流路１１１の断面積が拡張（ＣＳ２＞ＣＳ１）される。逆に、第２流路壁１３２に第１隔壁部材１５０を結合すれば、第２流路壁１３２に第２隔壁部材１５０’が結合された場合よりバイパス流路１１１の断面積が縮小（ＣＳ１＜ＣＳ２）される。

前述及び図示した本発明の実施形態では、互いに異なるサイズを有する２つの隔壁部材を用いてバイパス流路１１１の断面積を可変する例を挙げて説明しているが、本発明の他の実施形態によれば、互いに異なるサイズを有する３つ以上の隔壁部材を用いてバイパス流路の断面積を可変することも可能である。

また他の一例として、燃料電池用加湿器１００は、バイパス流路１１１を部分的に開閉する遮断部材１６０を含んでよく、遮断部材１６０を開閉することによってバイパス流路１１１の断面積を可変させることができる。

より具体的には、図６に示す通り、燃料電池用加湿器１００は、バイパス流路１１１を部分的に開閉する遮断部材１６０と、燃料電池スタック２００の湿度に対応して遮断部材１６０の開閉を制御する制御部１８０と、を含み、遮断部材１６０を開閉してバイパス流路１１１の断面積（ΔＣＳ）を可変させることができる。

例えば、遮断部材１６０は第２流路壁１３２に昇降可能に結合され、遮断部材１６０を選択的に昇降させる昇降部１７０を含んでよく、制御部１８０は燃料電池スタック２００の湿度に対応して昇降部１７０を制御する。

遮断部材１６０は、第２流路壁１３２に昇降可能に結合され、遮断部材１６０が昇降しつつ第２流路壁１３２の内面に突出（開閉）する程度によってバイパス流路１１１が部分的に遮断され得る。

昇降部１７０は、遮断部材１６０を昇降させることができる多様な構造に形成されてよく、昇降部１７０の構造及び昇降の方式によって本発明が制限されるか限定されるのではない。例えば、昇降部１７０は、モーターによって回転するリードスクリューにより遮断部材１６０を昇降させるようになされてよい。本発明の他の実施形態によれば、昇降部がリニアモーター又はソレノイド等を用いて遮断部材を昇降させるようになることも可能である。

制御部１８０は、燃料電池スタック２００の湿度に対応して昇降部１７０を制御するように設けられ、制御部１８０によって遮断部材１６０の昇降の可否及び昇降の高さが制御され得る。

例えば、制御部１８０は、燃料電池スタック２００の湿度が目標湿度の範囲より低ければ（低加湿状態）、遮断部材１６０を下降させてバイパス流路１１１の断面積を縮小し、燃料電池スタック２００の湿度が目標湿度の範囲より高ければ（過度な加湿状態）、遮断部材１６０を上昇させてバイパス流路１１１の断面積を拡張し得る。さらに、燃料電池スタック２００の湿度が目標湿度の範囲にあれば、遮断部材１６０の昇降が停止され得る。

前述及び図示した本発明の実施形態で、遮断部材１６０が昇降されつつバイパス流路１１１の断面積を可変させる例を挙げて説明しているが、本発明の他の実施形態によれば、遮断部材がカメラの絞り方式でバイパス流路を部分的に開閉するか、引き戸方式でバイパス流路を部分的に開閉しつつ、バイパス流路の断面積を可変させることも可能である。

前述した通り、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者であれば、特許請求の範囲に記載されている本発明の思想及び領域から外れない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更し得ることが理解できるはずである。

前述した通り、本発明によれば、燃料電池の運転条件に従って加湿器の加湿量及び差圧を調節するという有利な効果が得られる。

特に、本発明によれば、加湿器の差圧の増加によるエネルギー効率の低下を最小化するという有利な効果が得られる。

また、本発明によれば、過度な加湿による燃料電池内のフラッディング現象を抑制するという有利な効果が得られる。

また、本発明によれば、構造を簡素化し、設計自由度及び空間活用性を向上させるという有利な効果が得られる。

１００：加湿器
１１０：ハウジング
１１１：バイパス流路
１１２：湿潤空気供給口
１１４：湿潤空気排出口
１２０：ハウジング本体
１２２：第１流路壁
１３０：ハウジングキャップ
１３０’：第１キャップ部材
１３０’’：第２キャップ部材
１３２：第２流路壁
１３４：結合溝
１４０：加湿膜
１５０：第１隔壁部材
１５０’：第２隔壁部材
１６０：遮断部材
１７０：昇降部
１８０：制御部
２００：燃料電池スタック

Claims (9)

1. 一側には燃料電池スタックから湿潤空気が供給される湿潤空気供給口が形成され、他の一側には湿潤空気排出口が形成されているハウジングと、
   前記ハウジングの内部に備えられ、内部に沿って乾燥空気が流動する加湿膜と、を含み、
   前記ハウジングの内部には、前記湿潤空気供給口に供給された前記湿潤空気中の一部を、前記加湿膜を通らずに前記湿潤空気排出口に常時（ａｌｗａｙｓ）バイパスさせるバイパス流路が形成されている燃料電池用加湿器。
2. 前記ハウジングは、
   前記加湿膜が内部に収容され、且つ、前記加湿膜の上部に配置される第１流路壁が形成されているハウジング本体と、
   前記第１流路壁の上部に離隔して配置される第２流路壁が形成され、前記ハウジング本体の上部に結合されるハウジングキャップと、を含み、
   前記第１流路壁及び前記第２流路壁は、互いに協力して前記バイパス流路を形成する、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記バイパス流路は、選択的に断面積が可変される、請求項２に記載の燃料電池用加湿器。
4. 前記ハウジングキャップは、
   前記第１流路壁に対して第１高さに配置される前記第２流路壁が形成され、前記ハウジング本体に結合される第１キャップ部材と、
   前記第１高さと異なる第２高さに配置される前記第２流路壁が形成され、前記ハウジング本体に結合される第２キャップ部材と、を含み、
   前記第１キャップ部材及び前記第２キャップ部材のうち何れか一つを前記ハウジング本体に結合して前記バイパス流路の断面積を可変する、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
5. 第１サイズを有するように形成され、前記バイパス流路を部分的に遮断する第１隔壁部材と、
   前記第１サイズと異なる第２サイズを有するように形成され、前記バイパス流路を部分的に遮断する第２隔壁部材と、を含み、
   前記第１隔壁部材及び前記第２隔壁部材のうち何れか一つを前記バイパス流路の内部に配置して前記バイパス流路の断面積を可変する、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
6. 前記第１流路壁及び前記第２流路壁のうち何れか一つには、前記第１隔壁部材又は前記第２隔壁部材が結合される結合溝が形成される、請求項５に記載の燃料電池用加湿器。
7. 前記バイパス流路を部分的に開閉する遮断部材と、
   前記燃料電池スタックの湿度に対応して前記遮断部材の開閉を制御する制御部と、を含み、
   前記遮断部材を開閉して前記バイパス流路の断面積を可変する、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
8. 前記遮断部材は、前記第２流路壁に昇降可能に結合され、
   前記遮断部材を選択的に昇降させる昇降部を含み、且つ、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの湿度に対応して前記昇降部を制御する、請求項７に記載の燃料電池用加湿器。
9. 前記制御部は、
   前記燃料電池スタックの湿度が目標湿度の範囲より低ければ、前記遮断部材を下降させて前記バイパス流路の断面積を縮小し、
   前記燃料電池スタックの湿度が目標湿度の範囲より高ければ、前記遮断部材を上昇させて前記バイパス流路の断面積を拡張する、請求項８に記載の燃料電池用加湿器。
   

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