以下、添付の図面を参照しつつ本発明の� ��施形態について説明する。

(第1実施形態)
 図1は、本実施形態の燃料電池システムの構 成図である。燃料電池システム200は、燃料電 池12、空気供給装置14、加湿装置16、改質装置 18および冷却系統20を備えている。燃料電池� �ステム200を構成するこれらの機器は、加湿� �置16を除いて公知のものであるため、その詳 細な説明は省略する。

 燃料電池12(燃料電池スタック)には、改質 装置18から水蒸気改質された改質ガス(水素濃 度75~80%)が燃料ガスとして供給され、空気供� �装置14から空気が酸化剤ガスとして供給され る。燃料電池12は、改質ガスに含まれる水素� ��空気に含まれる酸素とを反応させて発電す� ��。燃料電池12を所定の温度条件に保つため� �、冷却系統20より、所定温度および所定水量 の冷却水が燃料電池12に供給される。

 燃料電池12は、例えば高分子電解質形燃� �電池である。燃料電池12に水和電解質が用い られているので、燃料電池12に供給される改� ��ガスおよび空気は、適切に加湿されている� ��とが必要である。本実施形態において、改� ��ガスは水蒸気改質によるものであるから、� ��のS/C比(スチームカーボン比)に応じて自動� �に加湿がなされる。他方、空気の加湿は、� �湿装置16で行われる。もちろん、水素を含む 燃料ガスを加湿するために加湿装置16を用い� ��もよい。加湿装置16は、燃料ガスおよび酸� �剤ガスから選ばれる一方または両方のガス� �燃料電池12への供給経路に配置される。

 図2Aは、第1実施形態の加湿装置16の縦断� �図であり、図2Bは、図2Aに示す加湿装置16のA� ��視図である。加湿装置16は、中空糸モジュ� �ル42とケース30とを備えている。中空糸モジ� ��ール42は、ケース30に収容されている。ケー ス30の内部の空間が、被加湿ガスを加湿する� ��湿ガスの流路30hとして用いられる。流路30h� ��、中空糸モジュール42の長手方向に沿って� �成されている。中空糸モジュール42の内部(� �密には中空糸モジュール42を構成する多数の 中空糸の内部)を流通する被加湿ガスと、ケ� �ス30の内部の流路30hを流通する加湿ガスとの 間で全熱交換が行われ、加湿ガスから被加湿 ガスへと水分が補給される。

 ケース30は、筒状の形状を有する部品で� �る。ケース30には、流路30hに加湿ガスを導入 するための導入口32が一端側の周面に形成さ� ��、流路30hから加湿ガスを排出するための排� ��口34が他端側の周面に形成されている。導� �口32と排出口34との間において、流路30hの断� ��積および断面形状は一定である。導入口32� �排出口34との間の2箇所でケース30が湾曲する ことにより、第1の湾曲部分37および第2の湾� �部分39が形成されている。第1の湾曲部分37は 、導入口32が形成されている上流側の直線部� ��40から続いている部分である。第1の湾曲部� ��37と、排出口34が形成されている下流側の直 線部分41との間の部分が第2の湾曲部分39であ� ��。ケース30の内部において、中空糸モジュ� �ル42が、これら湾曲部分37,39に沿って湾曲し� ��いる。これらの湾曲部分37,39を設けること� �より、加湿ガスから生成する凝縮水と中空� �モジュール42との接触時間を長くすることが できる。

 なお、ケース30の一端側の周面とは、ケ� �ス30の中央部から一方の開口部(開口部36)ま� �の間の周面を指す。ケース30の他端側の周面 とは、ケース30の中央部から他方の開口部(開 口部38)までの間の周面を指す。

 ケース30は、第1の湾曲部分37および第2の� ��曲部分39が、それぞれ180°の角度の円弧状を なすように湾曲しているとよい。そのように すれば、凝縮水と中空糸モジュール42との接� ��時間を長くする効果が高まる。また、本実� ��形態において、ケース30は、2つの湾曲部分3 7,39を含み、かつS字形状を有する。言い換え� ��ば、流路30hがS字を描くようにケース30が湾� ��している。さらに言い換えれば、ケース30� �、U字状に湾曲した部分を2箇所に有する。複 数の湾曲部分37,39を設けることにより、凝縮� ��と中空糸モジュール42との接触時間を長く� �る効果がさらに高まる。なお、湾曲部分を� �ける箇所は2箇所に限定されるものではなく� ��例えば偶数箇所に設けることができる。

 本実施形態の加湿装置16は、直線部分40を 水平に保ち、導入口32が排出口34よりも上方� �位置する姿勢で設置され、使用されること� �想定している。したがって、本明細書では� �導入口32が形成されている直線部分40を水平� ��保ったまま、鉛直方向に関する導入口32と� �出口34との距離が最大となるように導入口32� ��排出口34よりも上方に位置させた状態を加� �装置16の設置状態(実際の使用状態)と定義す� ��。

 導入口32は、加湿装置16が設置状態となっ たときに上方に向かって開口しているとよい 。言い換えれば、加湿装置16の上面図に導入� ��32の全部が現れているとよい。そのように� �れば、燃料電池12の排気に凝縮水が含まれて いても、その凝縮水を導入口32から流路30hに� ��ムーズに導くことができる。他方、排出口3 4は、加湿装置16が上記設置状態となったとき に下方に向かって開口しているとよい。言い 換えれば、加湿装置16の下面図に排出口34の� �部が現れているとよい。そのようにすれば� �ケース30から凝縮水をスムーズに排出できる ので、ブロワの動力増を抑制する観点では有 利である。

 ただし、第2実施形態で説明するように、 排出口34は、上方に向かって開口していても� ��い。また、導入口32はケース30の周面の複数 箇所に形成されていてもよいし、本実施形態 のように1つのみ形成されていてもよい。排� �口34についても同様である。導入口32の数お� ��び排出口34の数をそれぞれ1つに制限すると� ��導入口32および排出口34のそれぞれに配管を 接続しやすく、設計も容易である。

 ケース30の一方の開口部36には、被加湿ガ スを中空糸モジュール42に供給するための配� ��が図示しないヘッド(給排気ブロック)を介� �て接続され、他方の開口部38には、加湿され たガスを燃料電池12に供給するための配管が� ��続される。したがって、加湿装置16におい� �は、加湿ガスの流れ方向と被加湿ガスの流� �方向とが互いに向かい合う交換系が形成さ� �ている。Oリング35は、加湿装置16と、図示し ないヘッド(給排気ブロック)とのシールに用� ��られる。

 ケース30は、金属や樹脂のような材料で� �成されているとよい。樹脂は射出成形など� �成形方法によって様々な形状に容易に成形� �き、湾曲部分37,39を容易に設けることができ るので、ケース30の材料として好適である。� ��た、ケース30を構成するべき部品として2つ� ��樋状の部品を準備し、一方に中空糸モジュ� ��ル42を嵌め込み、その後、他方で蓋をして� �体化することにより、加湿装置16を組み立て るようにしてもよい。2つの樋状の部品を一� �化する方法は特に限定されず、超音波溶着� �熱溶着、接着剤の使用などの方法を例示で� �る。これらの方法によれば、ケース30の内部 に中空糸モジュール42を簡単に収容できる。

 次に、中空糸モジュール42について説明� �る。中空糸モジュール42は、1つまたは複数� �束に束ねられた多数の中空糸によって構成� �れている。中空糸が散開しないように、中� �糸モジュール42の両端部43,43は、樹脂などの� ��料で固められている。ケース30の内部にお� �て、中空糸モジュール42は、流路30hと同じ形 状に保持される。ケース30から加湿ガスが漏� ��ないように、中空糸モジュール42の両端部43 ,43とケース30との隙間は封止材で埋められて� ��る。

 中空糸は、透湿性を有するものであれば� ��類は問わず、樹脂多孔質材料から製造され� ��一般的なものでよい。例えば、ポリスルフ� ��ン系の多孔質中空糸は、紡糸後の熱処理に� ��って膜から溶剤が抜けて多孔質となり、透� ��性が付与される。紡糸直後は可撓性に富む� ��方、熱処理によって硬化して安定な形状と� ��る中空糸を用いて中空糸モジュールを製造� ��る場合、次のような操作を行えばよい。ま� ��、紡糸直後に予備乾燥を行う(例えば50℃で1 時間)。予備乾燥後、可撓性のある状態で中� �糸を結束して、中空糸モジュールを得る。� �らに、中空糸モジュールを金型(例えばS字の 金型)に嵌めて、金型とともに熱処理する(例� ��ば160℃で30分間)。このようにすれば、S字状 に硬化した中空糸モジュール42を製造するこ� ��ができる。

 なお、透湿性を獲得した後も可撓性を有� ��る中空糸、例えば、パーフルオロスルホン� ��樹脂(Du Pond社製 商品名Nafion)等の材料でで� ��た中空糸を用いて中空糸モジュール42を製� �すると、ケース30に収容する前の成形が不要 となる。その他、ポリテトラフルオロエチレ ンに代表されるフッ素樹脂でできた多孔質中 空糸を用いてもよい。

 次に、図3を参照して加湿装置16の作用を� ��明する。空気などの被加湿ガスは、白抜き� ��印で示すように、ケース30の下側の開口部38 から中空糸モジュール42の内部に導かれる。� ��空糸モジュール42の内部を下から上へと流� �した被加湿ガスは、ケース30の上側の開口部 36から加湿装置16の外部へと排出され、燃料� �池12に送られる。一方、加湿ガスは、導入口 32からケース30の内部の流路30hへと導かれ、� �流側の排出口34に向かって流通する。中空糸 モジュール42の内部を流通する被加湿ガスと� ��流路30hを流通する加湿ガスとの間で全熱交� ��が行われ、加湿ガスから被加湿ガスに水分� ��補給される。

 加湿ガスは、水蒸気で飽和していたり、� ��れに近い状態であったりする。さらに、後� ��するように、燃料電池12の排気には、加湿� �置16に導入される以前に凝縮水が含まれるこ とがある。導入口32から流路30hに導入された� ��縮水は、自重により、導入口32が形成され� �いる側とは反対側の内周面30pに達する(破線( 1))。このとき、凝縮水は、中空糸モジュール 42を貫通する経路をたどり、中空糸モジュー� ��42の中心部に位置する中空糸および導入口32 に向かい合う側とは反対側に位置する中空糸 にも接することとなる。

 さらに、凝縮水は、ケース30の内周面30p� �沿って流れる。第1の湾曲部分37に達した凝� �水は、自重により、ケース30の内周面30pから 離れ、中空糸モジュール42を貫通する経路を� ��どる形で反対側の内周面30qに達する(破線(2) )。凝縮水は、第2の湾曲部分39でも同様の経� �をたどり(破線(3))、排出口34からケース30の� �部へと排出される。このように、湾曲部分37 ,39が設けられていることにより、凝縮水が壁 伝いに流れにくくなり、結果として、凝縮水 と中空糸モジュール42との接触機会が増える( 接触時間が長くなる)。

 従来のストレート形状の加湿装置(図8参� �)では凝縮水と中空糸モジュールの接触機会� ��限られるので、凝縮水の有効利用を図りに� ��い。これに対し、本実施形態の加湿装置16� �よれば、凝縮水が中空糸モジュール42の長手 方向を何度も横切るような形で流れるので、 凝縮水からも効率的に水を回収することがで きる。

 図3に破線で示すような凝縮水の流れが形成 されるには、次のような条件を満足すればよ い。まず、図4に示すように、加湿装置16の姿 勢を上述した設置状態に定める。この設置状 態での縦断面(加湿装置16の縦断面)に現れる� �ース30の内周面30pの接線TL(図4の例では接線TL ₁ および接線TL ₂ )と、鉛直方向に平行かつ上記縦断面に直交� �る基準面BLとのなす角度θが加湿ガスの流れ� ��向の下流側に進むにつれて連続的または段� ��的に小さくなり、ゼロを跨いで再び増加に� ��じるように、湾曲部分37,39の形状が定めら� �ているとよい。

 なお、「角度θが段階的に小さくなる」� �は、中空糸モジュール40を構成する中空糸の 折れが顕在化しない範囲内であれば、湾曲部 分37,39の形状は、当該湾曲部分37,39における� �周面30p,30qが縦断面で直線を示すように定め� ��れていてもよいことを意味する。縦断面に� ��いて湾曲部分37,39の内周面30p,30qが直線を示� ��場合、厳密には接線を定義することができ� ��いので、その直線自体を図4に示す接線TLと� ��て取り扱うものとする。

 なお、上記「縦断面」とは、ケース30が2� ��元の湾曲形状を有する場合には、加湿ガス� ��流れ方向に沿ってケース30を左右2つの樋状� ��分に分割する断面のことである。ケース30� �3次元の湾曲形状を有する場合には、加湿ガ� ��の流れ方向に沿ってケース30を左右2つの樋� ��部分に分割する曲面状の断面の平面への投� ��図が、上記「縦断面」となる。そして、こ� ��らの縦断面において、上記接線がそれぞれ� ��義されうる。

 別の視点から、第1の湾曲部分37は、以下� ��ような条件を満足する形状を有していても� ��い。すなわち、上述した設置状態において� ��導入口32が形成されている位置でのケース30 の底面(内周面30p)が、導入口32から排出口34に 向かう経路上で上面へと切り替わるように、 湾曲部分37の形状が定められているとよい。� ��入口32が形成されている位置でのケース30の 底面(内周面30p)が、導入口32から排出口34に向 かう経路上で上面へと切り替わり、その後さ らに底面へと切り替わることにより、第2の� �曲部分39が形成される。底面が上面へと変化 するような切り替わり部分、すなわち、湾曲 部分37,39があると、凝縮水は壁伝いに流れに� ��くなり、図3に示すような経路をたどりやす くなる。

 また、図2Bに示すA矢視図から理解できる� ��うに、本実施形態の加湿装置16は、横断面� �形状が扁平状となっている。中空糸モジュ� �ル42の長手方向に直交する断面を横断面と定 義したとき、導入口32を含む位置における中� ��糸モジュール42の横断面は、水平方向の長� �Wが鉛直方向の長さHよりも大である扁平形状 をなしている。ただし、水平方向および鉛直 方向は、加湿装置16の設置状態で定まる方向� ��ある。

 図5Aに示すように、例えば、ケース29およ び中空糸モジュール46が円筒形の場合、凝縮� ��は、中空糸モジュール46の外周面およびケ� �ス29の内周面を伝って流れ落ちやすいので、 中空糸モジュール46を貫通する経路をたどる� ��(画分)が少なくなる。これに対し、図5Bに示 すように、本実施形態によれば、中空糸モジ ュール42を貫通する経路をたどる凝縮水の量� ��増やすことができるため、凝縮水からの水� ��回収効率が高まる。

(第2実施形態)
 図6Aは、第2実施形態の加湿装置56の縦断面� �であり、図6Bは、図6Aに示す加湿装置56のA矢� ��図である。本実施形態は、ケースの湾曲部� ��が奇数箇所である点で第1実施形態と相違す る。

 図6Aおよび図6Bに示すように、ケース31は� ��湾曲部分47を1箇所含み、かつU字形状を有す る。湾曲部分47の上流側と下流側には、それ� ��れ、直線部分57,58がある。上流側の直線部� �57に導入口32が形成され、下流側の直線部分5 8に排出口34が形成されている。本実施形態に よれば、湾曲部分47が1箇所にのみ設けられて いるため、第1実施形態の加湿装置16よりも小 型化の面で有利である。

 導入口32の位置は、本実施形態と第1実施� ��態とで同じであるが、排出口34の位置が本� �施形態と第1実施形態とで相違している。具� ��的には、加湿装置56を設置状態としたとき� �、排出口34が上方に向かって開口している。 排出口34は、直線部分58に収容されている中� �糸モジュール42よりも高い位置にある。

 図7に示すように、導入口32から流路31hに� ��入された凝縮水は、自重により、導入口32� �形成されている側とは反対側の内周面31pに� �する(破線(1))。このとき、凝縮水は、中空糸 モジュール42を貫通する経路をたどり、中空� ��モジュール42の中心部に位置する中空糸に� �接することとなる。さらに、凝縮水は、ケ� �ス31の内周面31pに沿って流れる。湾曲部分47� ��達した凝縮水は、自重により、ケース31の� �周面31pから離れ、中空糸モジュール42を貫通 する経路をたどる形で反対側の内周面31qに達 する(破線(2))。排出口34が上方を向いている� �で、凝縮水はケース31の底部(直線部分58の流 路31h)に貯留ないし滞留しやすい。凝縮水が� �留ないし滞留すると、中空糸モジュール42が 凝縮水に浸漬された状態となるので、加湿効 率が高まる。

(燃料電池の排気について)
 次に、燃料電池の排気について説明する。� ��置コージェネレーション用1kW級の燃料電池� ��ステムの典型的な仕様および運転条件を表1 に示す。なお、このシステムでは高分子電解 質形燃料電池が用いられている。

 この燃料電池システムは、1.2kWの出力を� �るために、毎分11.5リットル(slpm:standard liter� �per minutes)の水素と5.7リットルの酸素とを消� ��する。適切な燃料利用率(75%)および酸素利� �率(50%)を勘案し、実際にスタックに供給され る水素量は毎分15.3リットル、空気量は54.6リ� ��トルである。また、発生する熱を除去する� ��めに、60℃の冷却水が毎分1.6リットルの流� �でスタックに供給される。スタックに供給� �れた冷却水は、スタックの内部で約11℃昇温 し、71℃の温水となって排出される。

 前述の通り、水素の加湿は不要であり、� ��気の加湿はスタックからの排気を用いて行� ��れる。ここで、スタックからの排気の熱条� ��について表2に示す。スタックに供給された 毎分54.6リットルの空気に含まれる酸素は、� �の半分が消費される(酸素利用率50%)。したが って、ドライガス換算で毎分49リットルのガ� ��がスタックから排出される。排気の温度は7 0.5℃であり、この排気が水蒸気で飽和してい ると仮定すると、スタックから排出される水 量は毎分18.1gとなる。

 ところが、表1および表2の条件を満足す� �現実の燃料電池システムの排気を氷冷凝縮� �て回収される水量は毎分21.6gであり、上述の 計算値よりも3.5g多かった。すなわち、この3. 5gに相当する水は、水蒸気ではなく温水とし� ��スタックから排出されていた。なお、仮に� ��の3.5gに相当する水が水蒸気として排出され た場合の蒸気圧は35800Paであり、そのときの� �点は73.2℃である。この数値を換算露点と定� ��し、以降の試験で二相流を作るときの装置� ��御パラメータとした。