JP6819516B2 - 加湿装置及びそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池から排出されるカソードオフガス中の水分を利用して、燃料電池に供給されるカソードガスを加湿する加湿装置が知られている。カソードガスへの加湿量は、適切に調整することが望まれる。例えば燃料電池の温度が比較的低温の場合に加湿装置によるカソードガスへの加湿量が大きすぎると、燃料電池内で凝縮水が多く発生して、フラッディングが生じる可能性がある。また、燃料電池の温度が比較的高温の場合にカソードガスへの加湿量が不十分だと、燃料電池の電解質膜が乾燥する可能性がある。例えば特許文献１には、カソードオフガスを加湿装置からバイパスさせるバイパス通路と、カソードオフガスのバイパス量を調整するバイパス弁とを備えた構成が開示されている。

特開２００６−１５６２０３号公報

加湿装置の外部に上記のようなバイパス通路やバイパス弁を設けると、システム全体が複雑化又は大型化する。

本発明は、簡易な構造で燃料電池に供給されるカソードガスへの加湿量を適切に調整できる加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、複数の筒状の水分透過部材と、複数の前記水分透過部材を収納したケースと、燃料電池に供給されるカソードガスと前記燃料電池から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の前記水分透過部材の内側を流通する第１流路部と、前記カソードガスと前記カソードオフガスとの他方が、前記ケース内であって前記水分透過部材の外側を流通する第２流路部と、少なくとも一つの前記水分透過部材に取り付けられ、温度に応じて変形すると共に、温度が低下するにつれて前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形する感温部材と、を備え、前記感温部材は、バイメタル及び形状記憶合金の少なくとも一つを含み、前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形することにより前記第２流路部の圧損を増大させる、加湿装置によって達成できる。また、上記目的は、複数の筒状の水分透過部材と、複数の前記水分透過部材を収納したケースと、燃料電池に供給されるカソードガスと前記燃料電池から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の前記水分透過部材の内側を流通する第１流路部と、前記カソードガスと前記カソードオフガスとの他方が、前記ケース内であって前記水分透過部材の外側を流通する第２流路部と、少なくとも一つの前記水分透過部材に取り付けられ、温度に応じて変形すると共に、温度が低下するにつれて前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形する感温部材と、を備え、前記水分透過部材は、中空糸膜であり、前記感温部材は、複数の前記中空糸膜を把持するように湾曲し、前記感温部材は、バイメタル及び形状記憶合金の少なくとも一つを含み、複数の前記中空糸膜を介して互いに対向する２つの平坦部と、複数の前記中空糸膜を介して互いに対向して外側に凸となるように湾曲した２つの湾曲部とを有し、２つの前記湾曲部の少なくとも一方は、温度が低下するにつれて曲率が増大する、加湿装置によっても達成できる。また、上記目的は、複数の筒状の水分透過部材と、複数の前記水分透過部材を収納したケースと、燃料電池に供給されるカソードガスと前記燃料電池から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の前記水分透過部材の内側を流通する第１流路部と、前記カソードガスと前記カソードオフガスとの他方が、前記ケース内であって前記水分透過部材の外側を流通する第２流路部と、少なくとも一つの前記水分透過部材に取り付けられ、温度に応じて変形すると共に、温度が低下するにつれて前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形する感温部材と、前記感温部材を加熱及び冷却の少なくとも一方を実行する素子と、を備えた加湿装置によっても達成できる。

水分透過部材に取り付けられた感温部材の温度は、少なくともカソードオフガスの温度の影響を受ける。ここで、燃料電池の温度が比較的高い場合にはカソードオフガスの温度も比較的高く、燃料電池の温度が比較的低い場合にはカソードオフガスの温度も比較的低い。このため、燃料電池の温度が比較的高い場合には感温部材の温度も比較的高くなり、燃料電池の温度が比較的低い場合には感温部材の温度も比較的低くなる。上述したように感温部材は温度が低下するにつれて水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形するため、感温部材は温度が低下すると水分透過部材同士の隙間を流通するカソードガス又はカソードオフガスの流量が低減される。この結果、水分透過部材を介してカソードオフガス側からカソードガス側へと移動する水分の量も低減される。従って、感温部材の温度が低下するにつれて、カソードガスへの加湿量が低減される。即ち、燃料電池の温度が比較的低温の場合にはカソードガスへの加湿量が低減され、燃料電池の温度が比較的高温の場合にはカソードガスへの加湿量が増大する。このようにして、加湿装置の外部にバイパス通路やバイパス弁を設けていなくても、簡易な構造で燃料電池に供給されるカソードガスへの加湿量を適切に調整できる。

前記水分透過部材は、水分透過膜であり、前記感温部材は、前記水分透過膜の湾曲した部分の内側及び外側の少なくとも一方に貼り付けられていてもよい。

前記感温部材は、前記水分透過部材の一部を露出する多孔体であってもよい。

また、上記目的は、上記の加湿装置と、前記燃料電池と、を備えた燃料電池システムによっても達成できる。

本発明によれば、簡易な構造で燃料電池に供給されるカソードガスへの加湿量を適切に調整できる加湿装置及びそれを備えた燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの概略図である。 図２Ａ〜図２Ｃは、加湿装置の説明図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、水分透過ユニットの外観図であり、図３Ｄは、感温部材の部分拡大図である。 図４Ａ〜図４Ｃは、感温部材が低温時での加湿装置の説明図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、変形例の加湿装置の説明図である。 図６Ａ〜図６Ｄは、変形例の水分透過ユニットの説明図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、変形例の加湿装置の説明図であり、図７Ｃは、感温部材の湾曲部の部分拡大図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、低温時の加湿装置の説明図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ湾曲部が高温時及び低温時での中空糸膜の隙間を示した図である。

図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）の概略図である。システム１は、制御装置１０、燃料電池２０、空気供給系３０、及び冷却系４０等を含む。システム１は、燃料電池２０の発電電力を不図示のモータ等に供給する。制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、燃料電池２０にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系や燃料電池２０の発電電力を制御する電力制御系を含む。

空気供給系３０は、供給経路３１、排出経路３２、コンプレッサ３３、インタークーラ３６、及び背圧弁３８を有している。空気供給系３０は、燃料電池２０に空気を供給するものであり、以下のように構成される。外気から取り込んだ酸素を含む空気（カソードガス）は、供給経路３１を介してコンプレッサ３３により圧縮され、インタークーラ３６により冷却されて、燃料電池２０に供給される。排出経路３２は、燃料電池２０から排出されたカソードオフガスを大気放出する。背圧弁３８は、燃料電池２０の酸化剤側の背圧を調整する。加湿装置５０は、排出経路３２を通過するカソードオフガス中の水分を利用して供給経路３１を通過するカソードガスを加湿する。尚、供給経路３１上には、上流側から順にコンプレッサ３３、インタークーラ３６、及び加湿装置５０が配置されている。排出経路３２には、上流側から順に加湿装置５０及び背圧弁３８が配置されている。

冷却系４０は、循環経路４１、バイパス経路４２、分配経路４３、循環ポンプ４５、ラジエータ４６、三方弁４７、及び温度センサ４８を有している。冷却系４０は、冷却水である冷媒を所定の経路を経て循環させることにより、燃料電池２０を冷却するものであり、以下のように構成される。冷媒は循環ポンプ４５により循環経路４１を流通し、ラジエータ４６で熱交換されて冷却されて、燃料電池２０に供給される。バイパス経路４２は、循環経路４１から分岐してラジエータ４６をバイパスする。三方弁４７は、バイパス経路４２を流通する冷媒の流量を調整する。分配経路４３は、循環経路４１から分岐してインタークーラ３６に接続され再び循環経路４１に接続されており、インタークーラ３６を通過する空気が冷媒により冷却される。温度センサ４８は、燃料電池２０から排出された冷媒の温度を検出する。尚、分配経路４３は、燃料電池２０よりも上流側であって三方弁４７よりも下流側で循環経路４１から分岐して、燃料電池２０よりも下流側であって循環ポンプ４５よりも上流側で循環経路４１に合流している。

次に、加湿装置５０について説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、加湿装置５０の説明図である。尚、図１では加湿装置５０を模式的に示しているため、図２Ａ〜図２Ｃでの加湿装置５０とは形状が異なっているが、加湿装置５０の形状も図２Ａ〜図２Ｃに示したものに限定されない。加湿装置５０は、ケース５０１、ガス導入口５１ａ、ガス排出口５１ｂ、オフガス導入口５２ａ、オフガス排出口５２ｂ、分配管５３ａ、合流管５３ｂ、複数のシール部材５４ａ、複数のシール部材５４ｂ、及び複数の水分透過ユニット５５を有している。

ケース５０１は、略直方体であり、分配管５３ａ、合流管５３ｂ、シール部材５４ａ及び５４ｂ、及び水分透過ユニット５５を収納している。ガス導入口５１ａ及びガス排出口５１ｂは、Ｚ方向に並んで互いに対向する２つのケース５０１の面のそれぞれから外側に突出するように設けられている。オフガス導入口５２ａ及びオフガス排出口５２ｂは、Ｘ方向に並んで互いに対向する２つのケース５０１の面のそれぞれから外側に突出するように設けられている。ガス導入口５１ａ及びガス排出口５１ｂにはそれぞれ配管が接続され、上述した供給経路３１の一部を構成する。同様に、オフガス導入口５２ａ及びオフガス排出口５２ｂにはそれぞれ配管が接続され、排出経路３２の一部を構成する。ケース５０１、ガス導入口５１ａ、ガス排出口５１ｂ、オフガス導入口５２ａ、及びオフガス排出口５２ｂは例えば金属製であるがこれに限定されない。

分配管５３ａ及び合流管５３ｂは、Ｙ方向を長手方向として延びており、それぞれガス導入口５１ａ及びガス排出口５１ｂに接続されている。分配管５３ａ及び合流管５３ｂは、それぞれケース５０１内のＺ方向での一端と他端とに配置されており、Ｘ方向で略中心に配置されている。ガス導入口５１ａ及びガス排出口５１ｂは、それぞれ分配管５３ａ及び合流管５３ｂの外側の面に接合されている。ケース５０１のＺ方向に並んで互いに対向する２つの面にそれぞれ形成された開口からそれぞれガス導入口５１ａ及びガス排出口５１ｂが突出している。分配管５３ａ及び合流管５３ｂ内にはそれぞれ分配路５３１ａ及び合流路５３１ｂが形成されている。分配路５３１ａ及び合流路５３１ｂは、それぞれガス導入口５１ａ及びガス排出口５１ｂに連通している。分配管５３ａ及び合流管５３ｂは例えば金属製であるがこれに限定されない。

分配管５３ａの内側の面には、複数のシール部材５４ａがＹ方向に並んで接続されている。シール部材５４ａは、それぞれＸ方向を長手方向とする扁平の有底の筒状である。有底の筒状のシール部材５４ａの底に相当する部分には、分配管５３ａの分配路５３１ａと連通した開口が形成されている。これにより、分配路５３１ａは、シール部材５４ａの内側の空間と連通している。同様に、合流管５３ｂの内側の面には複数のシール部材５４ｂがＹ方向に並んで接続され、シール部材５４ｂは、それぞれＸ方向を長手方向とする扁平の有底の筒状である。有底の筒状のシール部材５４ｂの底に相当する部分には、合流管５３ｂの合流路５３１ｂと連通した開口が形成されている。これにより、合流路５３１ｂは、シール部材５４ｂの内側の空間と連通している。シール部材５４ａ及び５４ｂは、例えばゴム製である。

水分透過ユニット５５は、水分透過膜５６及び感温部材５７を有している。水分透過膜５６は、平膜状の水分透過膜を、シール部材５４ａ及び５４ｂと同様に扁平の筒状に形成したものである。水分透過膜５６の一端の周縁及び他端の周縁がそれぞれシール部材５４ａ及び５４ｂの内周に接合されており、これにより水分透過膜５６は保持されている。従って複数の水分透過膜５６はＹ方向に並んで配置されている。水分透過膜５６の軸心方向であるＺ方向の長さは、シール部材５４ａ及び５４ｂのそれぞれよりも長く形成されている。水分透過膜５６は、筒状の水分透過部材の一例である。

カソードガスは、ガス導入口５１ａから、分配管５３ａの分配路５３１ａ、シール部材５４ａの内側、水分透過膜５６の内側、シール部材５４ｂの内側、合流管５３ｂの合流路５３１ｂ、ガス排出口５１ｂの順に流れる。ガス導入口５１ａ、分配管５３ａ、シール部材５４ａ及び５４ｂ、合流管５３ｂ、及びガス排出口５１ｂは、燃料電池２０に供給されるカソードガスと燃料電池２０から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の水分透過膜５６の内側を流通する第１流路部の一例である。

感温部材５７は、水分透過膜５６に取り付けられている。詳細には、感温部材５７は、水分透過膜５６のシール部材５４ａ及び５４ｂから露出した部分であって、水分透過膜５６が湾曲したＸ方向での一方の側部及び他方の側部のそれぞれの外面にＺ方向に沿って貼り付けされている。従って、感温部材５７自体も湾曲している。水分透過膜５６及び感温部材５７については詳しくは後述する。

オフガス導入口５２ａ及びオフガス排出口５２ｂは、ケース５０１内であってシール部材５４ａ及び５４ｂや水分透過ユニット５５の外側の空間と連通している。このため、カソードオフガスは、オフガス導入口５２ａからケース５０１内に導入され、シール部材５４ａ及び５４ｂや水分透過膜５６の外側を流通してオフガス排出口５２ｂから排出される。また、カソードオフガスは、ケース５０１内で、複数のシール部材５４ａ同士の隙間や、シール部材５４ｂ同士の隙間、水分透過膜５６同士の隙間も流通する。オフガス導入口５２ａ及びオフガス排出口５２ｂは、カソードガスとカソードオフガスとの他方が、ケース５０１内であって水分透過膜５６の外側を流通する第２流路部の一例である。

水分透過膜５６では、内外を流通するガスの水蒸気分圧の差に応じて膜内を水分子が移動する。本実施例では、コンプレッサ３３で圧縮されインタークーラ３６で冷却されたカソードガスが水分透過膜５６の内側を流通し、カソードオフガスが水分透過膜５６の外側を流通する。ここでカソードオフガスは、燃料電池２０の発電反応によって生じた生成水により、カソードガスよりも水蒸気分圧が高くなっている。このため、カソードオフガス中の水分が水分透過膜５６を介してカソードガスへと移動し、カソードガスが加湿される。

次に、感温部材５７について詳細に説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、水分透過ユニット５５の外観図である。感温部材５７は、温度に応じて形状が変形する。具体的には、感温部材５７は低温になるにつれその湾曲形状の曲率は低下する。即ち、感温部材５７は、比較的高温時にはその湾曲形状の曲率は比較的大きくなり、比較的低温時にはその湾曲形状の曲率は比較的小さくなる。図３Ａ及び図３Ｂは感温部材５７が高温時での水分透過ユニット５５を示しており、図３Ｃは感温部材５７が低温時での水分透過ユニット５５を示している。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、感温部材５７が高温時では水分透過膜５６はＸ方向に長くＹ方向に小さい形状となるのに対して、感温部材５７が低温時では水分透過膜５６はＸ方向に短くなりＹ方向に大きい形状に変形する。即ち、感温部材５７が高温時の方が低温時よりも水分透過膜５６がより扁平している。尚、図２Ａ〜図２Ｃは、感温部材５７が高温時での加湿装置５０を示している。

図３Ｄは、感温部材５７の部分拡大図である。感温部材５７は、線膨張係数が異なる２枚の金属板５７１及び５７３を貼り合わせたバイメタルである。金属板５７１は、水分透過膜５６の湾曲した部分の外面に張り付けられており、金属板５７３は金属板５７１に張り付けられている。即ち、感温部材５７は水分透過膜５６の外側に凸となるように湾曲しており、金属板５７３は金属板５７１よりも外側に位置している。ここで、金属板５７１は金属板５７３よりも線膨張係数が小さい材料によって形成されている。このため高温時には金属板５７１及び５７３の何れも膨張するが、金属板５７１に対する金属板５７３の膨張量の差分が増大し、感温部材５７の曲率が大きくなる。低温時には高温時よりも金属板５７１及び５７３の双方とも収縮するが、金属板５７１に対する金属板５７３の膨張量の差分が減少し、感温部材５７の曲率は低下する。このように感温部材５７は、温度が低下するにつれてその曲率が低下し、上述のように感温部材５７が変形する。

図４Ａ〜図４Ｃは、感温部材５７が低温時での加湿装置５０の説明図である。上述したように感温部材５７の温度が低下するにつれてその曲率が低下するが、水分透過膜５６の一端及び他端はそれぞれシール部材５４ａ及び５４ｂにより接合されている。このため、水分透過膜５６のシール部材５４ａ及び５４ｂの間の部分が変形する。ここで、水分透過ユニット５５はＹ方向に並ぶように配置されているため、感温部材５７が低温になるにつれてＹ方向での水分透過膜５６同士の間隔が狭くなるように変形する。水分透過膜５６同士の間隔が狭くなることにより、水分透過膜５６同士の隙間を流通するカソードオフガスの圧損が増大し、この隙間を流通するカソードオフガスの流量が減少する。即ち、感温部材５７が低温になるにつれて、水分透過膜５６同士の隙間を流通するカソードオフガスの流量が減少する。これにより感温部材５７が低温になるにつれて、水分透過膜５６を介してカソードオフガス側からカソードガス側へと移動する水分の量が減少し、加湿装置５０のカソードガスへの加湿量が低減される。即ち、高温時にはカソードガスへの加湿量が増大し、低温時にはカソードガスへの加湿量は減少する。

ここで感温部材５７は、カソードオフガスに晒されるためカソードオフガスの温度の影響を受ける。また、感温部材５７は、カソードガスに直接的には晒されないが、水分透過膜５６を介してカソードガスの温度の影響受ける。ここで、例えば燃料電池２０の出力が増大すると、燃料電池２０での発電量の増大に起因して燃料電池２０の温度が上昇し、これに伴いカソードオフガスの温度も上昇する。また、燃料電池２０への要求出力が増大すると、燃料電池２０へのカソードガスの供給量を増大させるために、制御装置１０によりコンプレッサ３３の回転速度が上昇するように制御され、この結果、コンプレッサ３３により圧縮されたカソードガスの温度も上昇する。以上のように、燃料電池２０の出力が増大すると、カソードオフガス、カソードガス、及び燃料電池２０の温度が上昇する。従って、燃料電池２０の出力が増大すると、結果的に感温部材５７の温度も上昇してカソードガスへの加湿量が増大する。

また、燃料電池２０の出力が低下すると、燃料電池２０での発電反応に起因した燃料電池２０の温度も低下し、これに伴いカソードオフガスの温度も低下する。また、燃料電池２０への要求出力が低下すると、燃料電池２０へのカソードガスの供給量を減少させるために、制御装置１０によりコンプレッサ３３の回転速度が低下するように制御され、この結果、コンプレッサ３３により圧縮されたカソードガスの温度も低下する。以上のように、燃料電池２０の出力が低下すると、カソードオフガス、カソードガス、及び燃料電池２０の温度も低下する。従って、燃料電池２０の出力が低下すると、結果的に感温部材５７の温度も低下して、カソードガスへの加湿量も低下する。

例えば、燃料電池２０の温度が低い場合に湿度の高いカソードガスが燃料電池２０に供給されると、燃料電池２０内で凝縮水が多く発生してフラッディングが生じる可能性がある。また、燃料電池２０の温度が高い場合に湿度の低いカソードガスが燃料電池２０に供給されると、燃料電池２０の電解質膜が乾燥する可能性がある。本実施例の加湿装置５０によれば、結果的に燃料電池２０の温度が高い場合にはカソードガスへの加湿量が増大して湿度の高いカソードガスが燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の温度が低い場合にはカソードガスへの加湿量が低減され湿度の低いカソードガスが燃料電池２０に供給される。このように加湿装置５０はカソードガスへの加湿量を適切に調整でき、上記のような問題の発生を抑制できる。また、カソードオフガスを加湿装置５０からバイパスさせるバイパス通路やカソードオフガスのバイパス量を調整するバイパス弁を設ける必要がなく、簡易な構造でカソードガスへの加湿量を適切に調整できる。

上記実施例では、水分透過膜５６同士は接触していない状態を低温時として図示したが、水分透過膜５６同士が接触するようになるまで変形してもよい。この場合、水分透過膜５６同士の隙間にはカソードオフガスが略流通しないため、より加湿量を低減できる。

上記実施例では、４つの水分透過ユニット５５が設けられているが、これに限定されず、少なくとも２つあればよい。また、感温部材５７を備えた水分透過ユニット５５は、少なくとも一つあればよい。例えば２つのみの水分透過膜５６が設けられており、一方の水分透過膜５６にのみ感温部材５７が貼り付けられていてもよい。この場合も、感温部材５７の温度に応じて水分透過膜５６同士の間隔が変化して、カソードガスへの加湿量を調整できるからである。また、水分透過膜５６には２つの感温部材５７が貼り付けられているが、少なくとも一つあればよい。

次に、複数の変形例について説明する。尚、以下の変形例の説明においては、同一の構成には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５Ａ〜図５Ｃは、変形例の加湿装置５０ａの説明図である。図５Ａ及び図５Ｂは、感温部材５７が高温時での加湿装置５０ａを示しており、図５Ｃは、感温部材５７が低温時での加湿装置５０ａを示している。シール部材５４ａ同士の間、及びシール部材５４ｂ同士の間に、それぞれＸ方向に延びた仕切管５９が配置されている。換言すれば、低温時に変形した水分透過ユニット５５と干渉しない位置に仕切管５９が配置されている。仕切管５９は、水分透過ユニット５５のＸ方向の長さよりも長く延びている。オフガス導入口５２ａからケース５０１内に導入されたカソードオフガスの一部は、仕切管５９内を流通してオフガス排出口５２ｂから排出される。ここで、一旦仕切管５９内を流通したカソードオフガスは、水分透過膜５６同士の隙間を流通することなく、ケース５０１から排出される。このため、例えば低温時に、より水分透過膜５６同士の隙間を流通するカソードオフガスの流量を減少することができる。これにより、低温時にカソードガスへの加湿量をより低減できる。

尚、仕切管５９は、シール部材５４ａ同士の間、及びシール部材５４ｂ同士の間の何れかに一つ配置されていてもよい。仕切管５９は、その軸心方向であるＸ方向から見て扁平の円状であるが、これに限定されず、略楕円状や略真円状であってもよいし、略矩形状であってもよい。また、仕切管５９のような管状の部材に限定されず、例えば、シール部材５４ａ同士の間の空間又はシール部材５４ｂ同士の間の空間と、水分透過ユニット５５同士の間の空間とを仕切板により仕切ってもよい。

図６Ａ及び図６Ｂは、変形例の水分透過ユニット５５ａの説明図である。水分透過ユニット５５ａでは、水分透過膜５６の湾曲した部分の内側の面に感温部材５７が貼り付けられている。即ち、金属板５７１よりも線膨張係数が大きい金属板５７３は、水分透過膜５６の湾曲した部分の内側の面に貼り付けされており、金属板５７１は金属板５７３よりも内側に位置している。この場合であっても、感温部材５７は、カソードオフガス及びカソードガスの温度の影響を受け、感温部材５７の温度が低下するにつれてその曲率が低下するため、カソードガスへの加湿量が適切に調整される。尚、本変形例においても水分透過膜５６に対して一つの感温部材５７のみが設けられていてもよい。また、水分透過膜５６の湾曲した部分の内側及び外側の双方の面に、感温部材５７が貼り付けられていてもよい。

図６Ｃは、変形例の水分透過ユニット５５ｂの説明図である。感温部材５７ｂには加熱素子５７ｈが固定されている。加熱素子５７ｈには、制御装置１０が電気的に接続されており、制御装置１０により加熱素子５７ｈの通電状態が制御される。加熱素子５７ｈが通電されることにより、加熱素子５７ｈが発熱して感温部材５７ｂが加熱される。加熱素子５７ｈは例えばペルチェ素子である。

制御装置１０は、燃料電池２０への要求出力に応じて加熱素子５７ｈの通電状態を制御する。例えば、制御装置１０は燃料電池２０への要求出力が所定値以上の場合に、加熱素子５７ｈへの通電を開始して感温部材５７ｂを加熱して感温部材５７ｂの曲率を増大させる。これにより、燃料電池２０への要求出力の増大に対応させてカソードガスへの加湿量を増大できる。また、制御装置１０は燃料電池２０への要求出力の所定時間当たりの増大率が所定値以上の場合に、加熱素子５７ｈへの通電を開始して感温部材５７ｂを加熱してもよい。この場合、燃料電池２０への要求出力の増大に対して応答性よくカソードガスへの加湿量を増大できる。また、制御装置１０は燃料電池２０の温度に応じて加熱素子５７ｈの通電状態を制御してもよい。例えば、制御装置１０は燃料電池２０の温度が所定値以上の場合に、加熱素子５７ｈへの通電を開始して感温部材５７ｂを加熱してもよい。この場合、燃料電池２０の温度の上昇に対応させて応答性よくカソードガスへの加湿量を増大できる。

尚、本変形例では一つの水分透過膜５６に対して設けられた感温部材５７及び５７ｂのうち感温部材５７ｂにのみ加熱素子５７ｈが設けられているが、他方の感温部材５７にも同様に加熱素子５７ｈを設けてもよい。また、感温部材５７ｂは、水分透過膜５６の外側ではなく内側に設けられていてもよい。

加熱素子５７ｈの代わりに、通電により感温部材５７ｂを冷却する冷却素子を用いてもよい。この場合も、制御装置１０は、燃料電池２０への要求出力に応じて冷却素子の通電状態を制御する。例えば、制御装置１０は燃料電池２０への要求出力が所定値未満の場合に、冷却素子への通電を開始して感温部材５７ｂを冷却して感温部材５７ｂの曲率を低下させてもよい。これにより、燃料電池２０への要求出力の低下に対応させてカソードガスへの加湿量を低減できる。また、制御装置１０は燃料電池２０への要求出力の所定時間当たりの減少率が所定値以上の場合に、冷却素子への通電を開始して感温部材５７ｂを冷却してもよい。この場合、燃料電池２０への要求出力の減少に対して応答性よくカソードガスへの加湿量を低減できる。また、制御装置１０は燃料電池２０の温度に応じて冷却素子の通電状態を制御してもよい。例えば、制御装置１０は燃料電池２０の温度が所定値未満の場合に、冷却素子への通電を開始して感温部材５７ｂを冷却してもよい。この場合、燃料電池２０の温度の低下に対応させて応答性よくカソードガスへの加湿量を低減できる。尚、燃料電池２０の温度は、冷媒の温度を検出する温度センサ４８の検出値に基づいて推定してもよいし、燃料電池２０の温度を直接検出するセンサにより取得してもよいし、その他の手法により取得してもよい。

また、上述した加熱素子５７ｈと冷却素子とを一つの感温部材５７ｂに設けて、燃料電池２０への要求出力や燃料電池２０の温度に応じて加熱素子５７ｈ及び冷却素子の一方のみが通電される状態と他方のみが通電される状態と双方とも通電されない状態とを切り替えてもよい。また、加熱素子５７ｈや冷却素子は、必ずしも感温部材５７ｂに直接接触している必要はなく、例えばケース５０１内であって感温部材５７ｂを加熱又は冷却できる程度に離間した位置に設けられていてもよい。

冷却素子は、上述した加熱素子５７ｈとして用いられたペルチェ素子を用いることができる。具体的には、加熱素子５７ｈとして用いられた場合でのペルチェ素子の通電方向と逆に設定することにより、ペルチェ素子を冷却素子として用いることができる。従って、単一のペルチェ素子の通電方向を切り替えることにより、状況に応じてペルチェ素子を加熱素子又は冷却素子として用いてもよい。

図６Ｄは、変形例の水分透過ユニット５５ｃの説明図である。感温部材５７ｃは、複数の湾曲部５７ｃ１と複数の連結部５７ｃ３とを有している。連結部５７ｃ３は、例えば合成樹脂製であって、水分透過膜５６の湾曲した部分に沿って水分透過膜５６の軸心方向に平行なＺ方向に延びた細い棒状であり、互いに略平行に並んでいる。湾曲部５７ｃ１は、湾曲した糸状であり、複数の連結部５７ｃ３と略直交するように跨って固定されており、Ｚ方向に間隔を空けて互いに略平行となるように並んでいる。湾曲部５７ｃ１は連結部５７ｃ３を介して互いに連結されている。湾曲部５７ｃ１も同様に、例えば線膨張係数が異なる２種類の金属により構成されて、温度に応じて変形し、温度が低温するにつれて曲率が低下する。また、湾曲部５７ｃ１と連結部５７ｃ３との隙間からは水分透過膜５６が部分的に露出している。即ち、感温部材５７ｃは、水分透過膜５６の一部を露出する多孔体の一例である。このため、上述した感温部材５７と比較して感温部材５７ｃの方が水分透過膜５６を覆う部分の面積が小さく、カソードオフガスが水分透過膜５６に接触する面積が確保されており、カソードオフガス側からカソードガスへの水分の移動量を確保でき、効率的にカソードガスを加湿できる。

感温部材５７ｃは、水分透過膜５６の外側ではなく内側に設けられていてもよい。一つの水分透過膜５６に対して一つの感温部材５７ｃのみが設けられていてもよい。感温部材５７ｃにも、上述した加熱素子及び冷却素子の少なくとも一方を設けてもよい。また、上述した感温部材５７ｃのように連結部５７ｃ３は合成樹脂製に限られず、例えば金属によって構成されてもよい。この場合、周囲の温度変化によって水分透過膜５６の軸心方向に曲率が変化しないように、１種類の金属によって構成されてもよい。連結部５７ｃ３を金属製とする場合、連結部５７ｃ３の材料を湾曲部５７ｃ１の一方の金属と同一の材料としてもよく、例えばメッシュ状の金属部材に線膨張係数が異なる金属材料の湾曲部を組み合わせて、感温部材５７ｃを構成してもよい。

図７Ａ及び図７Ｂは、変形例の加湿装置５０ｄの説明図である。加湿装置５０ｄは、ケース５０２、ガス導入口５１ａ、ガス排出口５１ｂ、オフガス導入口５２ａ、オフガス排出口５２ｂ、分配管５３ａ１、合流管５３ｂ１、及び水分透過ユニット５５ｄを有している。ケース５０２は、分配管５３ａ１、合流管５３ｂ１、及び水分透過ユニット５５ｄを収納している。ケース５０２は、略円柱状であり、Ｚ方向から見て略楕円状である。分配管５３ａ１及び合流管５３ｂ１は、Ｚ方向の厚みが薄い板状であるが、ケース５０２の形状に対応するようにＺ方向から見て略楕円状である。分配管５３ａ１と合流管５３ｂ１との間に、水分透過ユニット５５ｄが配置されている。

水分透過ユニット５５ｄは、複数の中空糸膜５６ｄと、単一の感温部材５７ｄとを有している。中空糸膜５６ｄは、Ｚ方向に延びて互いに略平行に配置され、一端は分配管５３ａ１に固定され他端が合流管５３ｂ１に固定されている。また、分配管５３ａ１には、ガス導入口５１ａ内と連通し複数の中空糸膜５６ｄ内とも連通する流路が形成されている。同様に、合流管５３ｂ１には、ガス排出口５１ｂ内と連通し複数の中空糸膜５６ｄ内とも連通する流路が形成されている。中空糸膜５６ｄは、上述した水分透過膜５６よりも径が小さい円筒状である。中空糸膜５６ｄは、筒状の水分透過部材の一例である。

カソードガスは、ガス導入口５１ａ、分配管５３ａ１、中空糸膜５６ｄ、合流管５３ｂ１、ガス排出口５１ｂの順に流れる。ガス導入口５１ａ、分配管５３ａ１、合流管５３ｂ１、及びガス排出口５１ｂは、燃料電池２０に供給されるカソードガスと燃料電池２０から排出されたカソードオフガスとの一方を、筒状の中空糸膜５６ｄの内側に流通させる第１流路部の一例である。

感温部材５７ｄは、略筒状であって複数の中空糸膜５６ｄを束ねており、金属製のメッシュ状である。このため、感温部材５７ｄは、中空糸膜５６ｄの一部を露出する多孔体の一例である。また、感温部材５７ｄは、湾曲部５７ｄ１と平坦部５７ｄ３とを有し、湾曲部５７ｄ１は、複数の中空糸膜５６ｄを把持するように湾曲している。湾曲部５７ｄ１と平坦部５７ｄ３とについては詳しくは後述する。感温部材５７ｄは、Ｚ方向を長手方向とする中空糸膜５６ｄよりも、Ｚ方向の長さが短く形成されている。

カソードオフガスは、オフガス導入口５２ａからケース５０２内に導入され、水分透過ユニット５５ｄ周辺を流通してオフガス排出口５２ｂから排出される。ここで、感温部材５７ｄはメッシュ状であるため、カソードオフガスの一部は、感温部材５７ｄの網目の隙間から感温部材５７ｄの内側に流れて中空糸膜５６ｄの外側を流通する。オフガス導入口５２ａ及びオフガス排出口５２ｂは、カソードガスとカソードオフガスとの他方を、ケース５０２内であって中空糸膜５６ｄの外側に流通させる第２流路部の一例である。

ここで、中空糸膜５６ｄは、上述した水分透過膜５６よりも径が小さい円筒状であり、内外を流通するガスの水蒸気分圧の差に応じて膜内を水分子が移動する。中空糸膜５６ｄの内側をカソードガスが流通し中空糸膜５６ｄの外側をカソードオフガスが流通することにより、カソードオフガス中の水分が中空糸膜５６ｄを介してカソードガスへと移動し、カソードガスが加湿される。また、中空糸膜５６ｄを用いることにより、単位体積当たりの有効膜面積が増大する。

感温部材５７ｄの湾曲部５７ｄ１は、湾曲しており複数の中空糸膜５６ｄを介して互いに対向している。換言すれば、２つの湾曲部５７ｄ１は、内側に複数の中空糸膜５６ｄが位置しており、外側に凸となるように湾曲している。平坦部５７ｄ３は、略平坦であり複数の中空糸膜５６ｄを介して互いに対向している。湾曲部５７ｄ１は、温度に応じて変形し、低温時の場合には高温時と比較して曲率が増大する。尚、平坦部５７ｄ３は、温度に応じて僅かに伸縮するが、曲率は略変化しない。

図７Ｃは、感温部材５７ｄの湾曲部５７ｄ１の部分拡大図である。湾曲部５７ｄ１は、線膨張係数が異なる２枚の金属製のメッシュ５７１ｄ及び５７３ｄを貼り合わせたバイメタルである。メッシュ５７１ｄは、湾曲したメッシュ５７３ｄの外側に位置し、メッシュ５７３ｄは中空糸膜５６ｄ側に位置している。メッシュ５７１ｄは中空糸膜５６ｄとは接触しない位置にある。メッシュ５７１ｄはメッシュ５７３ｄよりも線膨張係数が小さい。このため高温時にはメッシュ５７１ｄに対するメッシュ５７３ｄの膨張量の差分が増大し、湾曲部５７ｄ１の曲率が小さくなる。低温時には高温時よりも、メッシュ５７１ｄに対するメッシュ５７３ｄの膨張量の差分が減少し、湾曲部５７ｄ１の曲率は大きくなる。即ち、湾曲部５７ｄ１は、温度が低下するにつれて曲率が増大する。

図８Ａ及び図８Ｂは、低温時の加湿装置５０ｄの説明図である。低温時には、上述したように高温時と比較して湾曲部５７ｄ１の曲率が大きくなるため、感温部材５７ｄにより中空糸膜５６ｄを部分的に押しつぶすように変形する。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ湾曲部５７ｄ１が高温時及び低温時での中空糸膜５６ｄの隙間を示した図である。高温時には、中空糸膜５６ｄ同士の隙間は比較的広く、中空糸膜５６ｄ同士の隙間を流通するカソードオフガスの流量は確保されている。これに対して低温時には、湾曲部５７ｄ１の曲率が変形することにより中空糸膜５６ｄ同士の間隔が狭くなり、中空糸膜５６ｄ同士の隙間を流通するカソードオフガスの圧損が増大して、中空糸膜５６ｄ同士の隙間を流通するカソードオフガスの流量が低減される。このため、湾曲部５７ｄ１の温度が低下するにつれて、湾曲部５７ｄ１は中空糸膜５６ｄ同士の隙間を狭くするように変形し、カソードガスへの加湿量が低減される。尚、中空糸膜５６ｄ内には、コンプレッサ３３の圧縮によりカソードオフガスよりも高圧のカソードガスが流通するため、図８Ｂに示すように中空糸膜５６ｄが圧縮されて変形しても、中空糸膜５６ｄの内部空間は潰れない。

感温部材５７ｄに対して、温度に応じて変形する湾曲部５７ｄ１が一つのみ設けられていてもよい。湾曲部５７ｄ１を加熱又は冷却する素子を設けてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記の実施例及び変形例において、筒状の水分透過部材の内側にカソードオフガスを流通させ、筒状の水分透過部材の外側にカソードガスを流通させてもよい。この場合、水分透過部材同士の間隔が狭い場合には、水分透過部材同士の隙間を流通するカソードガスの流量が低減されるため、カソードガスへの加湿量が低減される。水分透過部材同士の間隔が広い場合には、水分透過部材同士の隙間を流通するカソードガスの流量が増大し、カソードガスへの加湿量が増大する。従って、この場合においてもカソードガスへの加湿量が適切に調整される。

上記の実施例及び変形例では、感温部材の一例としてバイメタルを説明したが、感温部材はこれに限定されずに、例えば温度に応じて変形する形状記憶合金であってもよい。形状記憶合金の場合も同様に、図２Ａ〜図６Ｄで例示したように、形状記憶合金の温度が低下するにつれて曲率が低下して水分透過膜５６同士の間隔が狭くなるように変形するように形成する。図７Ａ〜図８Ｂの例では、形状記憶合金の温度が低下するにつれて曲率が増大して中空糸膜５６ｄ同士の間隔が狭くなるように変形するように形成する。また、単一の感温部材の一部がバイメタルであり、他の部分が形状記憶合金であってもよい。この場合も、感温部材の温度が低下するにつれてバイメタルの部分と形状記憶合金の部分とが協働で、温度が低下するにつれて水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形すればよい。

２０ 燃料電池
５０、５０ｄ 加湿装置
５６ 水分透過膜（水分透過部材）
５６ｄ 中空糸膜（水分透過部材）
５７、５７ｄ 感温部材
５７ｈ 加熱素子
５０１、５０２ ケース

Claims (6)

1. 複数の筒状の水分透過部材と、
   複数の前記水分透過部材を収納したケースと、
   燃料電池に供給されるカソードガスと前記燃料電池から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の前記水分透過部材の内側を流通する第１流路部と、
   前記カソードガスと前記カソードオフガスとの他方が、前記ケース内であって前記水分透過部材の外側を流通する第２流路部と、
   少なくとも一つの前記水分透過部材に取り付けられ、温度に応じて変形すると共に、温度が低下するにつれて前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形する感温部材と、を備え、
   前記感温部材は、バイメタル及び形状記憶合金の少なくとも一つを含み、前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形することにより前記第２流路部の圧損を増大させる、加湿装置。
2. 複数の筒状の水分透過部材と、
   複数の前記水分透過部材を収納したケースと、
   燃料電池に供給されるカソードガスと前記燃料電池から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の前記水分透過部材の内側を流通する第１流路部と、
   前記カソードガスと前記カソードオフガスとの他方が、前記ケース内であって前記水分透過部材の外側を流通する第２流路部と、
   少なくとも一つの前記水分透過部材に取り付けられ、温度に応じて変形すると共に、温度が低下するにつれて前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形する感温部材と、を備え、
   前記水分透過部材は、中空糸膜であり、
   前記感温部材は、複数の前記中空糸膜を把持するように湾曲し、
   前記感温部材は、バイメタル及び形状記憶合金の少なくとも一つを含み、複数の前記中空糸膜を介して互いに対向する２つの平坦部と、複数の前記中空糸膜を介して互いに対向して外側に凸となるように湾曲した２つの湾曲部とを有し、
   ２つの前記湾曲部の少なくとも一方は、温度が低下するにつれて曲率が増大する、加湿装置。
3. 複数の筒状の水分透過部材と、
   複数の前記水分透過部材を収納したケースと、
   燃料電池に供給されるカソードガスと前記燃料電池から排出されたカソードオフガスとの一方が、筒状の前記水分透過部材の内側を流通する第１流路部と、
   前記カソードガスと前記カソードオフガスとの他方が、前記ケース内であって前記水分透過部材の外側を流通する第２流路部と、
   少なくとも一つの前記水分透過部材に取り付けられ、温度に応じて変形すると共に、温度が低下するにつれて前記水分透過部材同士の間隔を狭くするように変形する感温部材と、
   前記感温部材を加熱及び冷却の少なくとも一方を実行する素子と、を備えた加湿装置。
4. 前記水分透過部材は、水分透過膜であり、
   前記感温部材は、前記水分透過膜の湾曲した部分の内側及び外側の少なくとも一方に貼り付けられている、請求項１又は３の加湿装置。
5. 前記感温部材は、前記水分透過部材の一部を露出する多孔体である、請求項１乃至４の何れかの加湿装置。
6. 請求項１乃至５の何れかの加湿装置と、
   前記燃料電池と、を備えた燃料電池システム。
   

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