WO2008149753A1

WO2008149753A1 - 加湿器及び燃料電池システム

Info

Publication number: WO2008149753A1
Application number: PCT/JP2008/059850
Authority: WO
Inventors: Hirofumi Kanazawa
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2008-12-11
Also published as: JP2008304114A; CN101680671B; KR101076719B1; CN101680671A; US20100151337A1; EP2157379B1; US9118046B2; JP4386099B2; EP2157379A4; KR20100002303A; EP2157379A1

Abstract

本明細書は、低温時における水蒸気透過膜の損傷を抑制できる加湿器及び燃料電池システムを開示する。本発明の加湿器は、内部に水蒸気透過膜を備える。加湿器は、内部に酸化ガス及びこれよりも高湿度の酸化オフガスを導入し、水蒸気透過膜を介して酸化ガスを酸化オフガスで加湿する。水蒸気透過膜は、酸化ガス用の入口よりも低く且つ出口よりも高い位置にある。また、水蒸気透過膜は、酸化オフガス用の入口よりも低く且つ出口よりも高い位置にある。

Description

明細書加湿器及び燃料電池システム技術分野

本発明は、加湿—器及ぴ燃料電池システムに関し、特に、冬場や寒冷地等での凍結対策の向上に有効な加湿器に関するものである。背景技術

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えている。固体高分子型の燃料電池では、その発電効率を高めるために電解質膜が湿潤状態に保持されることが必要である。この湿潤状態の保持は、一般に、燃料ガス又は酸化ガスを加湿する加湿器で行っている。

従来の加湿器では、高湿の酸化オフガスと低湿の酸化ガスとの間で水分交換を行う内部加湿方式が多く採用されている。酸化オフガスが酸化ガスよりも高湿であるのは、燃料電池の空気極から排出される酸化オフガスには、電気化学反応によって生成された水が含まれているからである。

特開 2 0 0 5— 4 4 6 6 5号公報は、水蒸気透過性を有する中空糸膜をケース内部に備えた内部加湿方式の加湿器を開示している。この加湿器では、ケース上部に酸化ガスの入口及び出口が形成され、さらに、ケース両側部に酸化オフガスの入口及び出口が形成されている。そして、ケース内に酸化ォフガス及び酸化ガスが導入され、それぞれが中空糸膜の外側及び内側に流通する。それにより、高湿の酸化オフガスから中空糸膜に水分が吸収され、その水分が毛細管現象により膜を通って低湿の酸化ガスに移動し、酸化ガスに水分が補給される。発明の開示

ところで、燃料電池システムは、冬場や寒冷地等の低温環境下で使用されることもある。しかしながら、特開 2 0 0 5— 4 4 6 6 5号公報には、加湿器での凍結対策について何ら開示されていない。このため、以下の問題が起こるおそれがある。

すなわち、低温環境下での燃料電池システムの停止中等に、加湿器における酸化オフガス入口に水分が残っていると、これが凝縮して氷となる。すると、燃料電池システムの次回起動時に、導入された酸化オフガスにより氷が飛ばされて中空糸膜に接触し、中空糸膜が損傷するおそれがある。また、ケース内の底で生じた氷が酸化ガスの流れによって中空糸膜を損傷させるおそれもある。

そこで、本発明は、低温時における水蒸気透過膜の損傷を抑制できる加湿器及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するための本発明の加湿器は、内部に水蒸気透過膜を備えると共に、内部に第 1ガス及びこれよりも高湿度の第 2ガスを導入し、水蒸気透過膜を介して第 1ガスを第 2ガスで加湿する。加湿器は、内部と連通する第 1ガス用及び第 2ガス用の入口及び出口をそれぞれ備える。そして、次の（a ) 及び（b ) の少なくとも一方を満たし、好ましくはその両方を満たす。

( a ) 第 1ガス用の入口は、第 1ガス用の出口よりも高い位置にある。

( b ) 第 2ガス用の入口は、第 2ガス用の出口よりも高い位置にある。また、上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、本発明の加湿器を用いて、燃料電池に供給される酸化ガス及び燃料ガスの少なくとも一方を加湿するものである。本発明によれば、第 1ガス及び Z又は第 2ガスに含まれている水分が凝縮して溜まる部分、及び低温時に（例えば 0 °Cで）凝縮水が氷となる部分は、高位の入口側ではなく、低位の出口側であって、しかも第 1ガス及び Z又は第 2ガスの下流側となり得る。これにより、高位の入口から低位の出口にかけて第 1ガス及び Z又は第 2ガスが流れても、その流れによって氷及び水が水蒸気透過膜に向かうことを抑制される。よって、水蒸気透過膜の損傷を抑制できる。また、本発明の加湿器が適用された燃料電池システムは、その低温起動性を向上できる。

好ましい一態様によれば、水蒸気透過膜の位置は、第 1ガス用の入口よりも低く且つ第 1ガス用の出口よりも高いとよレ、。また、好ましい一態様によれば、水蒸気透過膜の位置は、第 2ガス用の入口よりも低く且つ第 2ガス用の出口よりも高いとよい。

この構成によれば、水蒸気透過膜で水が凝縮しても、その水が重力で出口側に移動する。これにより、水蒸気透過膜に水が溜まることを抑制でき、水蒸気透過膜の凍結を抑制できる。

好ましい一態様によれば、第 1ガス用の入口の少なくとも一部は、水蒸気透過膜の上限位置よりも高く、第 1ガス用の出口の少なくとも一部は、水蒸気透過膜の下限位置よりも低いとよい。また、第 2ガス用の入口の少なくとも一部は、水蒸気透過膜の上限位置よりも高く、第 2ガス用の出口の少なくとも一部は、水蒸気透過膜の下限位置よりも低いとよい。

このような構成であっても、水蒸気透過膜に水が溜まることを抑制でき、水蒸気透過膜の凍結を抑制できる。

ここで、水蒸気透過膜としては、平膜状のもの及び中空糸膜のいずれも採用できる。好ましい一態様によれば、水蒸気透過膜は中空糸膜であり、第 1 ガスが中空糸膜の外部を流れ、第 2ガスが中空糸膜の内部を流れるとよい。好ましい一態様によれば、加湿器には、その内部と連通するように第 1ガス又は第 2ガスが流れる配管が接続されるとよい。その配管には、加湿器よりも重力方向の高位に位置する弁体を有する弁が設けられるとよい。

この構成によれば、加湿器内で凝縮した水が弁体で溜まることを抑制できる。これにより、凍結による弁体の動作不良の発生を抑制できる。

好ましい一態様によれば、加湿器は、第 1ガス用及び第 2ガス用の入口及び出口をそれぞれ形成され、且つ内部に水蒸気透過膜が設けられたケースを備えるとよレ、。

上記目的を達成するための本発明の他の加湿器は、第 1ガス及び第 1ガスよりも高湿度の第 2ガスが内部に導入されると共に外部に排出されるケースと、ケース内に設けられた水蒸気透過膜と、を有し、水蒸気透過膜を介して第 1ガスを第 2ガスで加湿する。そして、ケース内での第 1ガス及び第 2ガスの少なくとも一方の流れが重力方向の高位から低位となるように、ケースが構成されているものである。

この構成によっても、凝縮水又はそれが氷となる部分は、ケース内の低位であって、第 1ガス及びノ又は第 2ガスの下流側となり得る。これにより、高位から低位にかけて第 1ガス及び Z又は第 2ガスが流れても、その流れによって凝縮水又は氷が水蒸気透過膜に向かうこと抑制できる。よって、水蒸気透過膜の損傷を抑制できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図 2は、本発明の加湿器の外観を示す斜視図である。

図 3は、本発明の加湿器の内部を示す正面断面図である。

図 4は、本発明の加湿器の中空糸膜の拡大断面図である。

図 5は、第 2実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す構成図である, 図 6は、本発明の加湿器とバルブとのレイアウトの第 1の例を示す模式断面図である。

図 7は、本発明の加湿器とバルブとのレイァゥトの第 2の例を示す模式断面図である。

図 8は、本発明の加湿器とバルブとのレイァゥトの第 3の例を示す模式断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る加湿器を燃料電池システムに適用した例について説明する。第 1実施形態

図 1に示すように、燃料電池システム 1は、燃料電池 2、酸化ガス配管系 3、燃料ガス配管系 4、冷媒配管系 5、及び制御装置 7を備える。燃料電池システム 1は、車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池 2は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路 2 aに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路 2 bに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池 2は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池 2は発熱すると共に空気極側に水を生成する。固体高分子電解質型の燃料電池 2の温度は、およそ 6 0〜8 0 °Cとなる。

酸化ガス配管系 3は、供給路 1 1及び排出路 1 2を有する。供給路 1 1には、酸化ガス流路 2 aに供給される酸化ガスが流れる。排出路 1 2には、酸化ガス流路 2 aから排出された酸化オフガスが流れる。酸化オフガスは、燃料電池 2の電気化学反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となつている。コンプレッサ 1 4は、供給路 1 1に設けられ、エアクリーナ 1 3を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池 2に圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器 1 5によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。

エア調圧弁 1 6は、排出路 1 2において空気極出口付近に配設され、空気極側の背圧を調整する。バイパス路 1 7は、酸化ガスが燃料電池 2をバイパスして流れるように、供給路 1 1と排出路 1 2とを接続する。バイパス路 1 7は、加湿器 1 5の上流側の接続点 Bで供給路 1 1に接続されると共に、カロ湿器 1 5の下流側の接続部 Cで排出路 1 2に接続される。酸化オフガスは、図示省略したマフラーを経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。バイパス通路 1 7に設けたバイパス弁 1 8の開弁により、酸化ガスの一部がバイパス路 1 7へと分流され、マフラーへと導かれる。バイパスされる酸化ガスによって、低効率運転時に排出路 1 2へと排出されるいわゆるボンビング水素が希釈される。

燃料ガス配管系 4は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池 2に給排する。燃料ガス配管系 4は、水素供給源 2 1、供給路 2 2、循環路 2 3、ポンプ 2 4及びパージ路 2 5を有する。水素ガスは、元弁 2 6を開くことで水素供給源 2 1から供給路 2 2に流出し、レギュレータ 2 7及び遮断弁 2 8を経て燃料ガス流路 2 bに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路 2 bから水素オフガスとして循環路 2 3に排出される。水素オフガスは、循環路 2 3 と供給路 2 2との合流点 Aにポンプ 2 4によって戻され、再び燃料ガス流路 2 bに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁 3 3の適宜の開弁により、循環路 2 3からパージ路 2 5へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。

冷媒配管系 5は、冷媒（例えば冷却水）を燃料電池 2内の冷却流路 2 cに循環し、燃料電池 2を所定の運転温度に保持する。冷却流路 2 cには、燃料電池 2とラジェータ 43との間で冷媒を循環する冷媒流路 4 1が連通する。冷媒は、冷却ポンプ 4 2によって冷却流路 2 cに圧送され、冷却流路 2 cから排出された後、ラジェータ 4 3によって冷却される。バイパス流路 44は、冷媒がラジェータ 43をバイパスして流れるように、冷媒流路 4 1に接続される。切替え弁 4 5は、ラジェータ 4 3とバイパス流路 44との間で冷媒の通流を設定する制御弁である。

制御装置 7は、内部に C PU, ROM, RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成され、システム 1を統括制御する。 C PUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。 ROMは、 C PUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。 RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置 7は、圧力センサ、温度センサなどの各種のセンサからの検出信号入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

図 2は、加湿器 1 5の外観を示す斜視図であり、図 3は、加湿器 1 5の内部を示す正面断面図である。加湿器 1 5は、内部加湿方式を採用し、低湿潤状態の酸化ガスを高湿潤状態の酸化オフガスで加湿する。

図 2及び図 3に示すように、加湿器 1 5は、箱型のケース 7 1を有する。ケース 7 1の正面 7 1 aには、酸化ガスの入口配管 1 1 _IN及び出口配管 1 1。_υτをそれぞれ接続するための入口 7 2 _ΙΝ及び出口 7 2_OUTが形成されている。また、正面 7 1 aには、酸化オフガスの入口配管 1 2 _{I N}及び出口配管 1 2。_υτをそれぞれ接続するための入口 7 3 _ΙΝ及び出口 7 3。_υτが形成されている。

入口 7 2 _ΙΝ及び 7 3 _ΙΝは、それぞれ酸化ガス及び酸化オフガスをケース 7 1の外部から内部へと導入するためのものである。出口 72_OUT及び 73 _ουτは、それぞれ酸化ガス及び酸化オフガスをケース 7 1の内部から外部へと排出するためのものである。入口 72 _ΙΝ、 73 _ΙΝ及び出口 72_OUT、 7 3。_υτは、ケース 71の内部と外部とを連通しており、ケース 71外の配管との接続部、連通部又は開口部と換言することが可能な部分を意味する。なお、図 3に円形の点線で示されている 4つの部分が、それぞれ、入口 72 , _Ν、 73 _ΙΝ及び出口 72_OUT、 73_OUTに相当する。

入口配管 1 1 _ΙΝと出口配管 1 1_ουτとは、ケース 7 1内を介して連通し、上記の供給路 1 1を構成する。入口配管 1 1 _ΙΝは、一端が入口 72 _ΙΝに接続されており、ケース 7 1内に酸化ガスを導入する。出口配管 1 1。_υτは、一端が出口 72。_υτに接続され且つ他端が燃料電池 2に接続されており、カロ湿器 1 5において加湿された酸化ガスをケース 71外に排出して燃料電池 2 に供給する。

入口配管 1 2 _ΙΝと出口配管 1 2_OUTとは、ケース 7 1内を介して連通し、上記の排出路 1 2を構成する。入口配管 1 2 _ΙΝは、一端が入口 73 _ΙΝに接続され且つ他端が燃料電池 2に接続されており、燃料電池 2から排出された酸化オフガスをケース 7 1内に導入する。出口配管 1 2_ουτは、一端が出口 73 _ουτに接続されており、加湿のために使用された酸化オフガスをケース 7 1外に排出する。

図 3に示すように、中空糸膜の束 8 1 (以下、「中空糸膜束 8 1」という。）がケース 71内に設けられている。中空糸膜束 8 1は、内径が例えば数百 m程度の公知の中空糸膜 82を多数束ねたものである。中空糸膜 82 は、水蒸気透過性を有するフィルタ部材であり、望ましくは水蒸気のみを透過させる特性を有するとよい。

図 4に示すように、中空糸膜 82は、その外部に酸化ガスが流れ、その内部（中空部）に酸化オフガスが流れる。高湿の酸化オフガスの水分は、中空糸膜 82に吸収され、その外周へと毛細管現象により吸い上げられ、中空糸膜 82の外周を通過する低湿の酸化ガスに移動する。これにより、酸化ガスが加湿される。なお、配管の接続先を変更することにより、中空糸膜 82の外側に酸化オフガスを流通させ、内側に酸化ガスを流通させてもよい。

再び図 3に示すように、中空糸膜束 81は、この周囲を取り囲むハウジング 83に収容されている。ハウジング 83は、その長手方向（水平方向）の両端が開口する円筒状をなし、中空糸膜束 81と同程度の長さで水平方向に延在する。ハウジング 83は、その外壁とケース 7 1との間が複数の Oリング 84によりシールされた状態で、ケース 71内に収納される。ハウジング 83の周壁には、酸化ガス導入用の孔 85 _IN及び酸化ガス排出用の孔 85。 _υτが形成されている。孔 85 _ΙΝ及び孔 85_OUTは、それぞれ、入口 72 _ΙΝ 及び出口 72。_υτに対応する長手方向の位置で周方向に一以上形成される。中空糸膜束 81の軸線方向の両端部には、中空糸膜 82、 82同士の隙間、及ぴ中空糸膜 82とハウジング 83の内壁との隙間を、気密及び液密に封止するためのポッティング部 88が形成されている。ポッティング部 88は、例えば接着剤をポッティングすることで形成され、中空糸膜束 8 1をハウジング 83の両端部に固定する。ポッティング部 88により、中空糸膜 82の中空部を流れる酸化オフガスと、中空糸膜 82の外側を流れる酸化ガスとがハウジング 83内で直接触れ合うことはなく、両ガス間の水分交換は中空糸膜 82を介して行われることになる。

ここで、加湿器 1 5の凍結対策に有効な構成について詳述する。

酸化ガス用の入口 72 _ΙΝはその出口 72_OUTよりも重力方向の高位に位置し、入口 72 _ΙΝと出口 72_OUTとの間に中空糸膜束 8 1が位置する。同様に、酸化オフガス用の入口 73 _ΙΝはその出口 73_OUTよりも重力方向の高位に位置し、入口 73 _ΙΝと出口 73_OUTとの間に中空糸膜束 81が位置する。なお、加湿器 1 5を車両などの移動体に搭載する場合も、このような重力方向の位置関係とすればよい。

酸化ガスは、入口 7 2 _{I N}からケース 7 1内に導入された後、孔 8 5 _{I N}を介してハウジング 8 3内に導入され、ハウジング 8 3と中空糸膜 8 2との隙間及び中空糸膜 8 2、 8 2同士の隙間を流れる。中空糸膜 8 2によって加湿された酸化ガスは、孔 8 5。_{υ τ}を介してハウジング 8 3外に排出され、最終的に出口 7 2 _{O U T}からケース 7 1外へと排出される。この一連の流れでは、酸化ガスが入口 7 2 _{ί Ν}から出口 7 2。_{υ τ}にかけて重力方向の高位から低位へと流れるようになる。

一方、酸化オフガスは、入口 7 3 _{Ι Ν}からケース 7 1内に導入された後、ハウジング 8 3の外側で斜め下方に流れた後、各中空糸膜 8 2の一端からその内部へと流れ込む。そして、酸化オフガスは、各中空糸膜 8 2を一端から他端'（図 3では右端から左端）に向けて水平に流れ、その間に中空糸膜 8 2 に水分を奪われる。その後、酸化オフガスは、各中空糸膜 8 2の他端から流れ出て、ハウジング 8 3の外側で斜め下方に流れた後、最終的に出口 7 3。 _{υ τ}からケース 7 1外へと排出される。この一連の流れでは、酸化オフガスが入口 7 3 _{Ι Ν}から出口 7 3。_{υ τ}にかけて重力方向の高位から低位へと流れるようになる。

ケース 7 1は、酸化オフガスに含まれる水分が溜まりにくいように工夫されている。詳細には、ケース 7 1の箱型形状は、天壁 9 1、底壁 9 2及び一対の側壁 9 3 , 9 4からなり、点対称に近い形状からなる。側壁 9 3は、天壁 9 1から下側に連続する鉛直壁 1 0 1と、底壁 9 2から上側に連続する鉛直壁 1 0 2と、鉛直壁 1 0 1， 1 0 2間で外方に突出して延在する湾曲壁 1 0 3と、からなる。湾曲壁 1 0 3の内側上部に入口 7 3 _{Ι Ν}が位置し、入口 7 3 _{Ι Ν}よりも下側に位置する湾曲壁 1 0 3の内壁 1 0 3 aが下方に向かつて内側に傾斜している。内壁 1 0 3 aの下端は、水平部を介することなく、鉛直壁 1 0 2に連続している。このような構成により、内壁 1 03 aに水が付着しても、水は内壁 1 0 3 aをったつて下方に落下すると共に、その下端で溜まることなく、中空糸膜束 8 1から出口 7 3。_υτへと移動するようになっている。なお、側壁 9 3と同様に、側壁 94は、天壁 9 1から下側に連続する鉛直壁 1 1 1と、底壁 9 2から上側に連続する鉛直壁 1 1 2と、鉛直壁 1 1 1 , 1 1 2間で外方に突出して延在する湾曲壁 1 1 3と、からなる。湾曲壁 1 1 3の内側下部に出口 7 3。_υτが位置し、出口 7 3。_υτよりも上側に位置する湾曲壁 1 1 3の内壁 1 1 3 aが下方に向かって外側に傾斜している。

以上説明した加湿器 1 5によれば、酸化ガスの入口 7 2 _IN、中空糸膜束 8 1、及び出口 7 2_OUTについての高さレベルが、この順番となる。これにより、酸化ガスに含まれる水分が結露等によって水となっても、この水は入口 7 2 _ΙΝ側に溜まりにくく、出口 7 2。_υτ側に溜まるようになる。同様に、酸化オフガスの入口 7 3 _ΙΝ、中空糸膜束 8 1、及び出口 7 3 _ουτの順で、重力方向の高位に位置する。これにより、酸化オフガスに含まれる水分が結露等によって水となっても、この水は入口 7 3 _{Ι Ν}側に溜まりにくく、出口 7 3。_υτ側に溜まるようになる。

したがって、燃料電池システム 1の運転停止後の低温時に（例えば 0°C で）、ケース 7 1内で氷ができたとしても、その氷発生箇所は、出口 7 2。 _υτ及び出口 7 3。_υτ側であり、酸化ガス及び酸化オフガスの流れの下流となる。よって、燃料電池システム 1の次回起動時に、ケース 7 1内に導入される酸化ガス及び酸化オフガスが、氷や凝縮水を中空糸膜束 8 1に向かって飛ばすことを抑制できるので、中空糸膜束 8 1の損傷を抑制できる。また、凝縮水が出口 7 2_OUT及び出口 7 3_OUT側に溜まるようになるので、中空糸膜束 8 1の凍結も抑制できる。このように、本実施形態によれば、加湿器 1 5 の凍結を抑制できるので、燃料電池システム 1の低温起動性の向上を図ることができる。なお、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り適宜変更を加えることができる。

例えば、加湿器 1 5は、燃料電池 2に供給される燃料ガスを加湿するものでもよレ、。また、加湿される乾燥ガス（第 1ガス）を酸化ガス又は燃料ガスとした場合、これらの加湿に用いる湿潤ガス（第 2ガス）は、酸化オフガス又は燃料オフガスに限らず、燃料電池 2の運転とは無関係のガスであってもよい。さらに、中空糸膜 8 2の内側及び外側に流すガスは、加湿器 1 5への流入ガス及び加湿器 1 5からの流出ガスの組み合わせであれば、どちらを中空糸膜 8 2の内側に流してもよい。

また、入口 7 2 _{I N}の全部分及び入口 7 3 _{I N}の全部分が中空糸膜束 8 1よりも高くなぐてもよいし、同様に、出口 7 2。_{υ τ}の全部分及び出口 7 3。_{υ τ} の全部分が中空糸膜束 8 1よりも低くなくてもよレ、。具体的には、入口 7 2 _{Ι Ν}の最も高位に位置する部位が、中空糸膜束 8 1の上限位置 1 2 1、すなわち最も高位な位置よりも高ければよく、入口 7 2 _{Ι Ν}の一部は、中空糸膜束 8 1の上限位置 1 2 1よりも低くてもよレヽ。この点、入口 7 3 _{Ι Ν}も同様である。また、出口 7 2。_{υ τ}の最も低位に位置する部位が、中空糸膜束 8 1 の下限位置 1 2 2、すなわち最も低位な位置よりも低ければよく、出口 7 2 _{ο υ τ}の一部は、中空糸膜束 8 1の下限位置 1 2 2よりも高くてもよレ、。この点、出口 7 3 _{ο υ τ}も同様である。このような構成であっても、中空糸膜束 8 1の凍結を抑制できる。

さらに、酸化ガスの入口 7 2 _{Ι Ν}を出口 7 2。_{υ τ}よりも低位に配置し、且つ酸化オフガスの入口 7 3 _{Ι Ν}を出口 7 3 _{OU T}よりも高位に配置するなど、酸化ガス及び酸化オフガスの一方の出入口について高さレベルを逆転した構成としてもよい。さらに、水蒸気透過膜として中空糸膜 8 2を用いたが、これに代えて平膜タイプのものを用いてもよい。第 2実施形態

次に、図 5ないし図 8を参照して、本発明の第 2実施形態について相違点を中心に説明する。第 1実施形態との相違点は、加湿器 1 5の周辺に配置される弁と加湿器 15との位置関係を規定したことである。

図 5に示すように、燃料電池システム 200では、出口配管 1 1 _ουτ及び入口配管 1 2 _INにそれぞれシャット弁 20 1， 202が設けられる。また、入口配管 1 1 _INと出口配管 12 _ουτとを接続するバイパス路 1 7には、上記したバイパス弁 18が設けられる。出口配管 1 2。_υτの下流には、水素希釈器 203及びマフラー 204が設けられる。なお、第 1実施形態の燃料電池システム 1におけるエアクリーナ 1 3及ぴエア調圧弁 16は図示を省略している。

本実施形態では、シャット弁 201、シャット弁 202及びバイパス弁 1 8は、それぞれ、各弁体が出口 72_OUT、入口 73 _ΙΝ及び出口 73 _ουτよりも重力方向で高位に配置される。以下、シャット弁 201の弁体と出口 72 _ουτとの高さ位置の関係を例に説明するが、シャツト弁 202及びバイパス弁 18についても同様であることは言うまでもない。また、図 6〜8では、加湿器 1 5の構成を省略して示す。

図 6に示すように、出口配管 1 1 _ουτの一部を構成するホース 210の一端は、出口 72。_υτに接続され、他端はシャット弁 20 1の流出口 220に接続される。ホース 210は、出口 72。_υτから流出口 220にかけて上方に屈曲して延在する。シャット弁 201は、例えば電磁弁からなり、電磁力によって弁体 221が水平方向に移動して流出口 220を開閉する。弁体 2 2 1は、流出口 220と同じ高さレベルに位置しており、出口 72。_υτよりも高い位置にある。

したがって、燃料電池システム 200の運転停止後などに、出口 72_OUT 側（上記した湾曲壁 1 1 3の内側下部）に水が溜まったとしても、この水がホース 2 1 0を介して弁体 2 2 1に達することを抑制できる。これにより、外気温が水の凍結温度（例えば、 0 °C) を下回ったとしても、弁体 2 2 1が固着して動作不良となることを抑制できる。

図 6に示すレイアウトに代えて、図 7又は図 8に示すレイアウトを採用してもよい。

図 7に示すように、ホース 2 1 0は、出口 7 2 _{O U T}と流出口 2 2 0との間で、これらよりも下方に位置する部位 2 3 0を有してもよい。このように、重力方向において最も低位となる部位 2 3 0をホース 2 1 0に設けることで、出口 7 2。_{υ τ}から排出された水が部位 2 3 0に溜まるようになる。

図 8に示すように、弁体 2 2 1が出口 7 2。_{υ τ}よりも低位又は同じ高さに位置する場合には、図 7に示すレイアウトと同様に、出口 7 2。_{υ τ}及び流出口 2 2 0よりも下方に位置する部位 2 4 0をホース.2 1 0に設定すればよレ、。この場合にも、出口 7 2。_{υ τ}から排出された水が部位 2 4 0に溜まるようになる。

したがって、燃料電池システム 2 0 0の運転停止後などに、部位 2 3 0又は部位 2 4 0に溜まった水が溜まったとしても、この水がホース 2 1 0を介して弁体 2 2 1に達することを抑制される。よって、図 7又は図 8に示すレィアウトによれば、図 6に示すレイアウトと同様に、外気温が水の凍結温度 (例えば、 0 °C) を下回ったとしても、弁体 2 2 1が固着して動作不良となることを抑制できる。

Claims

請求の範囲

1 . 内部に水蒸気透過膜を備えると共に、

内部に第 1ガス及び当該第 1ガスよりも高湿度の第 2ガスを導入し、前記水蒸気透過膜を介して当該第 1ガスを当該第 2ガスで加湿する加湿器において、

当該加湿器の内部と連通する前記第 1ガス用の入口及び出口と、当該加湿器の内部と連通する前記第 2ガス用の入口及び出口と、を備え、次の（a ) 及び（b ) の少なくとも一方を満たす、加湿器。

( a ) 前記第 1ガス用の入口は、前記第 1ガス用の出口よりも高い位置にある。

( b ) 前記第 2ガス用の入口は、前記第 2ガス用の出口よりも高い位置にある。

2 . 前記（a ) 及び（b ) の両方を満たす、請求項 1に記載の加湿器。

3 . 前記水蒸気透過膜は、前記第 1ガス用の入口よりも低い位置にあり、且つ前記第 1ガス用の出口よりも高い位置にある、請求項 1または 2に記載の加湿器。

4 . 前記水蒸気透過膜は、前記第 2ガス用の入口よりも低い位置にあり、且つ前記第 2ガス用の出口よりも高い位置にある、請求項 1ないし 3のいずれか一項に記載の加湿器。

5 . 前記第 1ガス用の入口の少なくとも一部は、前記水蒸気透過膜の上限位置よりも高く、前記第 1ガス用の出口の少なくとも一部は、前記水蒸気透過膜の下限位置よりも低い、請求項 1または 2に記載の加湿器。

6 . 前記第 2ガス用の入口の少なくとも一部は、前記水蒸気透過膜の上限位置よりも高く、前記第 2ガス用の出口の少なくとも一部は、前記水蒸気透過膜の下限位置よりも低い、請求項 1ないし 3のいずれか一項に記載の加湿器。

7 . 前記水蒸気透過膜は中空糸膜であり、

前記第 1ガスが前記中空糸膜の外部を流れ、

前記第 2ガスが前記中空糸膜の内部を流れる、請求項 1ないし 6のいずれか項に記載の加湿器。

8 . 当該加湿器には、当該加湿器の内部と連通するように前記第 1ガス又は第 2ガスが流れる配管が接続され、

前記配管には、当該加湿器よりも重力方向の高位に位置する弁体を有する弁が設けられている、請求項 1ないし 7のいずれか一項に記載の加湿器。

9 . 前記第 1ガス用の入口及び出口並びに前記第 2ガス用の入口及び出口が形成され、且つ内部に前記水蒸気透過膜が設けられたケースを備えた、請求項 1ないし 8のいずれか一項に記載の加湿器。

1 0 . 第 1ガス及び当該第 1ガスよりも高湿度の第 2ガスが、内部に導入されると共に外部に排出されるケースと、

前記ケース内に設けら Lた水蒸気透過膜と、を有し、

前記水蒸気透過膜を介して前記第 1ガスを前記第 2ガスで加湿する加湿器において、

前記ケースは、当該ケース内での前記第 1ガス及び第 2ガスの少なくとも一方の流れが重力方向の高位から低位となるように構成されている、加湿器。

1 1 . 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、

前記加湿器として、請求項 1ないし 1 0のいずれか一項に記載の加湿器が用いられている燃料電池システム。