(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化及びシステム動作の安定化が図られた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムでは、燃料電池１１を冷却するための冷却水を用いて、燃料電池１１に供給する供給空気の加湿を行う加湿装置２１ａが設けられており、また、燃料電池１１から排出される空気を用いて前記供給空気の加湿を予め行う前段加湿装置２２が、供給空気経路において、加湿装置２１ａよりも上流側に設けられている。燃料電池１１の発電の際に発生する熱を回収した冷却水は、冷却水放熱器１３で熱を放出する。そして、該熱は、貯湯水経路１５を循環する水の加熱に利用され、温水が貯湯水タンク４５に貯まる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第１の加湿部と第２の加湿部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記第１の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、
前記第２の加湿部は、温水を用いて前記加湿を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造をさらに備え、
前記温水は、前記通流する冷却水である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却水によって前記燃料電池から回収した熱の少なくとも一部を回収して蓄える蓄熱部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記蓄熱部は、前記冷却水と熱交換して加熱された温水を蓄える貯湯水タンクを含む請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路と、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路とが、水分を選択透過させる水分移動膜を介して接するように構成された請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が主面に形成されるとともに前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が他方の主面に形成された流路プレートを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成された請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路と、前記冷却水の流路とが、水分を選択透過させる水分移動膜を介して接するように構成された請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第２の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が一方の主面に形成されるとともに前記冷却水の流路が他方の主面に形成された流路プレートを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成された請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが隣接して一体化された加湿装置を有する請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加湿装置は、複数の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記流路プレートの一方の主面には、前記第１の加湿部の領域に前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成されるとともに前記第２の加湿部の領域に前記冷却水の流路が形成され、各前記流路プレートの他方の主面には、前記第１の加湿部及び前記第２の加湿部にわたって連続した前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成された請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加湿装置の前記第１の加湿部は、複数の第１の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第１の流路プレートの一方の主面には前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、
前記加湿装置の前記第２の加湿部は、複数の第２の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第２の流路プレートの一方の主面には前記冷却水の流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガス流路が形成され、
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが積層されて前記加湿装置が構成された請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加湿装置と前記燃料電池とが隣接して一体化された請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２の加湿部と前記燃料電池とが隣接して一体化された請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第２の加湿部から前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を検知する加湿量検知器と、前記加湿量検知器で検知された前記供給ガスの加湿量に基づいて前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えた請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記冷却構造は、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、
前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の温度を検知する冷却水温度検知器と、前記冷却水温度検知器で検知された前記冷却水の温度に基づいて前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えた請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項１７記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記冷却構造は、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流する冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、
前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項１７記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流量を検知するガス流量検知器と、前記ガス流量検知器で検知された前記供給ガスの流量に基づいて前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えた請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項２０記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記冷却構造は、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、
前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項２０記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知器と、前記発電量検知器で検知された前記発電量に基づいて前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えた請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項２３記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記冷却構造は、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、
前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する請求項２３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させる。この燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段として、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この場合、バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招く。
【０００３】
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気（オフガス）に含まれる水分（水蒸気）を、燃料電池の空気極側に供給する空気に、水蒸気透過膜を介して移動させ、それにより、供給空気の加湿を行う加湿装置がある（例えば特許文献２参照）。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。しかしながら、この加湿装置では、被加湿ガス（ここでは加湿される供給空気）を、加湿ガス（ここでは水分の供給元となる排出空気）以上の露点温度に加湿することができない。また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなる。したがって、燃料電池システムのコンパクト化が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】特開平６−１３２０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような従来の燃料電池システムが有する課題を解決するためになされたもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化及びシステム動作の安定化が図られた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第１の加湿部と第２の加湿部とを備えた燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、前記第２の加湿部は温水を用いて前記加湿を行うものである。
【０００７】
かかる構成では、排出燃料ガス又は排出酸化剤ガスを用いて第１の加湿部において予め加温及び加湿した供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスに、第２の加湿部で温水を用いてさらに加湿を行う。このため、第２の加湿部における加湿において消費されるエネルギー（特に熱エネルギー）及び水分の低減化を図ることが可能となる。また、第１の加湿部では、燃料電池からの排出燃料ガス又は排出酸化剤ガスを利用して加湿を行うため、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、かかる構成では、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。また、第２の加湿部での加湿に要する水分の低減化が図られることから、第２の加湿部に補給する水分の量が少なくすみ、よって、第２の加湿部の温度変動が小さくなる。それゆえ、第２の加湿部での加湿量が安定するとともに、システム動作の安定化が図られる。また、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを高露点に加湿する場合であっても、第１及び第２の加湿部で段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、燃料電池システムのコンパクト化が図られる。
【０００８】
冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造をさらに備え、前記温水は、前記通流する冷却水であってもよい。
【０００９】
かかる構成では、燃料電池の冷却に用いられる７０〜７５℃程度の冷却水を用いて第２の加湿部で供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿が行われる。したがって、第２の加湿部では、バブラーを用いる場合のように加湿のために水を加熱する必要がなくなり、よって、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。また、冷却水は、ほぼ安定した温度に維持されているため、第２の加湿部において、安定して効率よく加湿を行うことが可能となる。さらに、かかる構成では、第１の加湿部によって予め加湿が行われているため、第２の加湿部で加湿に消費される水分の量が低減されており、よって、第２の加湿部で消費される冷却水の量が低減される。したがって、冷却構造に補給する水分の量を抑えることが可能となり、冷却構造における温度変動を抑制することが可能となる。その結果、第２の加湿部において安定した加湿量及び燃料電池の温度安定を実現することが可能となり、システム動作の安定化が図られる。
【００１０】
前記冷却水によって前記燃料電池から回収した熱の少なくとも一部を回収して蓄える蓄熱部をさらに備えてもよく、例えば、前記蓄熱部は、前記冷却水と熱交換して加熱された温水を蓄える貯湯水タンクを含んでもよい。
【００１１】
かかる構成によれば、蓄熱部によって冷却水の熱を回収して有効利用することが可能となるため、燃料電池システムのエネルギー効率の向上をさらに図ることが可能となる。特に、かかる構成では、第１の加湿部が第２の加湿部の上流側に設けられているため、第２の加湿部における加湿によって冷却水から奪われる熱及び水分を減少させることができる。その結果、冷却水から回収して蓄熱部において利用するエネルギーの量が増加するだけでなく、冷却水と熱交換して湯水を貯湯水タンクに貯める際の熱交換の制御の容易化が図られる。それゆえ、例えば、蓄熱部が貯湯水タンクを備える場合には、該熱を利用して貯湯水タンクの温水の温度を高くすることができる。このようにして貯湯水タンクに貯められた高温の温水は広い用途で利用可能であるため、回収した熱の価値を高めることが可能となる。
【００１２】
前記第１の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路と、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路とが水分を選択透過させる水分移動膜を介して接するように構成されてもよい。例えば、前記第１の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が主面に形成されるとともに前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が他方の主面に形成された流路プレートを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成されてもよい。
【００１３】
かかる構成によれば、第１の加湿部において、燃料電池より排出された排出燃料ガス又は排出酸化剤ガス中の水分の回収と、該回収した水分の供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスへの添加とを簡単な構成により同一工程で行うことができる。したがって、システムの簡素化及びコストの低減化が図られる。
【００１４】
前記第２の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路と、前記冷却水の流路とが、水分を選択透過させる水分移動膜を介して接するように構成されてもよく、例えば、前記第２の加湿部は、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が一方の主面に形成されるとともに前記冷却水の流路が他方の主面に形成された流路プレートを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成されてもよい。
【００１５】
かかる構成によれば、第２の加湿部において、冷却水を利用して、簡単な構成により、冷却水の水分を供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスへ添加することができる。したがって、システムのエネルギー効率の向上が図られるとともに、システムの簡素化及びコストの低減化が図られる。
【００１６】
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが隣接して一体化された加湿装置を備えてもよい。例えば、前記加湿装置は、複数の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記流路プレートの一方の主面には、前記第１の加湿部の領域に前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成されるとともに前記第２の加湿部の領域に前記冷却水の流路が形成され、各前記流路プレートの他方の主面には、前記第１の加湿部及び前記第２の加湿部にわたって連続した前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成されてもよい。あるいは、前記加湿装置の前記第１の加湿部は、複数の第１の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第１の流路プレートの一方の主面には前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、前記加湿装置の前記第２の加湿部は、複数の第２の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第２の流路プレートの一方の主面には前記冷却水流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが積層されて前記加湿装置が構成されてもよい。
【００１７】
かかる構成によれば、第１の加湿部から第２の加湿部に、配管等を介することなく供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを供給することが可能となる。したがって、燃料電池システムの小型化及びシステムコストの低減化が図られるとともに、配管等におけるエネルギー損失を防止してエネルギー効率をより向上させることが可能となる。
【００１８】
前記加湿装置と前記燃料電池とが隣接して一体化されてもよく、また、前記第２の加湿部と前記燃料電池とが隣接して一体化されてもよい。
【００１９】
かかる構成によれば、加湿装置から燃料電池、又は、第２の加湿部から燃料電池に、配管等を介することなく、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを供給することが可能となる。したがって、燃料電池システムの小型化及びシステムコストの低減化が図られるとともに、配管等におけるエネルギー損失を防止してエネルギー効率をより向上させることが可能となる。また、特に、第２の加湿部と燃料電池との間の配管が不要となることから、該配管での放熱により結露した水分が燃料電池に供給されるのを防止することが可能となる。それゆえ、燃料電池システムをより安定して動作させることが可能となる。
【００２０】
前記第２の加湿部から前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を検知する加湿量検知器と、前記加湿量検知器で検知された前記供給ガスの加湿量に基づいて前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えてもよい。この場合、前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよく、また、前記冷却構造が、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【００２１】
また、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の温度を検知する冷却水温度検知器と、前記冷却水温度検知器で検知された前記冷却水の温度に基づいて前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えてもよい。この場合、前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節してもよく、また、前記冷却構造が、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【００２２】
また、前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流量を検知するガス流量検知器と、前記ガス流量検知器で検知された前記供給ガスの流量に基づいて前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えてもよい。この場合、前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよく、また、前記冷却構造は、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【００２３】
また、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知器と、前記発電量検知器で検知された前記発電量に基づいて前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えてもよい。この場合、前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよく、また、前記冷却構造が、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【００２４】
これらの構成によれば、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿量を最適な値に調節することができるため、燃料電池システムの安定性やエネルギー効率の向上が図られる。また、特に、冷却水バイパス経路を設けて冷却水流量を調節する構成では、燃料電池に供給される冷却水の流量と第２の加湿部に供給される冷却水の流量とをそれぞれ個別に調節することができる。それゆえ、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスへの加湿に最適な流量の冷却水を第２の加湿部に供給し、それ以外の冷却水は、バイパス経路を通じて、第２の加湿部を経由することなく通流させることが可能となる。その結果、第２の加湿部における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、第２の加湿部で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池の冷却を効率よく安定して行って燃料電池の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。また、燃料電池の発電量や供給ガスの流量に応じて加湿量を調節する構成では、加湿量調節のための検知器を新たに追加する必要がなく、燃料電池システムの運転状態に応じて加湿量の調節を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
【００２６】
すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、エネルギー効率を向上させるとともに、システムの安定した運転を実現することが可能となる。また、システムのコンパクト化及び簡素化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１の前段加湿装置を構成する流路プレートの構成を模式的に示す透視斜視図であり、（ａ）はプレートを表面から見た図であり、（ｂ）は裏面から見た図である。
【図３】図２の流路プレートが複数積層されて構成された図１の前段加湿装置の構成を説明するための図であり、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図７】図６の加湿装置を構成する流路プレートの構成を示す透視斜視図であり、（ａ）はプレートを表面から見た図であり、（ｂ）は裏面から見た図である。
【図８】図７の流路プレートが複数積層されて構成された図６の加湿装置の構成を説明するための図であり、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態４の変形例に係る燃料電池システムの加湿装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態６の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態７の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１７】チューブ型構造を有する前段加湿装置の構成を示す切り欠き斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと呼ぶ）の構成を示す模式図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置４０と、前段加湿装置２２と、加湿装置２１ａと、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、加湿装置２１ｂと、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２とを主な要素として含んで構成されている。
【００３０】
空気供給装置４０から空気経路１を介して前段加湿装置２２に供給された空気は、後述するように、前段加湿装置２２によって加湿される。該加湿された空気は、空気経路２を介して加湿装置２１ａに供給され、該装置２１ａによってさらに加湿される。加湿装置２１ａとしては、従来から使用されている加湿装置、例えば、ヒータで加熱した温水中に該空気を通すことによって加湿を行う構成のバブラーや、インジェクタにより直接水蒸気を該空気に噴霧して該空気を加湿する構成のもの等が挙げられる。加湿装置２１ａによって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。一方、燃料供給装置４１から燃料経路８を介して、燃料処理装置４２に、原料、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等、が供給される。ここでは、燃料処理装置４２として、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が用いられており、燃料処理装置４２では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、燃料ガス経路９ａを介して加湿装置２１ｂに供給され、該装置２１ｂによって加湿される。加湿装置２１ｂとしては、加湿装置２１ａにおいて前述した加湿装置が用いられている。加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、燃料ガス経路９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス（以下、燃料ガスと呼ぶ）とが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。
【００３１】
燃料電池１１に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路４を介して、前段加湿装置２２に供給される。前段加湿装置２２では、供給された該排出空気に含まれる水分を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１１に供給される空気の加湿が行われる。前段加湿装置２２を経た空気は、排出空気経路５を通じて排出される。一方、燃料電池１１での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路１０を介して排出される。
【００３２】
また、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水タンク１４の冷却水が、冷却水ポンプ１２によって加圧されて冷却水経路７を介して燃料電池１１に供給される。ここでは、冷却水タンク１４の冷却水が、７０℃程度に維持されている。燃料電池１１の熱は、供給された該冷却水によって除去される。該熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、冷却水流路６を介して再び冷却水タンク１４に戻される。ここで、冷却水流路６中には、冷却水放熱器１３が設けられており、冷却水の熱は、該冷却水放熱器１３によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。
【００３３】
次に、本実施の形態の特徴である、前段加湿装置２２における供給空気への加湿動作について説明する。図２及び図３は、図１の燃料電池システムの前段加湿装置の構成を説明するための図であり、図２は、前段加湿装置を構成する流路プレートの透視的な斜視図であり、図２（ａ）はプレートを表面から見た図、及び図２（ｂ）は裏面から見た図である。図３は、図２の流路プレートを積層して構成された前段加湿装置の模式図であって、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【００３４】
図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ），（ｂ）に示すように、前段加湿装置２２は、流路プレート２７が、水分移動膜２３を介して、複数積層されて構成される。流路プレート２７には、燃料電池１１に供給される空気の流路（以下、供給空気流路と呼ぶ）２４が表面に形成されるとともに、燃料電池１１から排出された空気の流路（以下、排出空気流路と呼ぶ）２５が裏面に形成されている。水分移動膜２３は、水分を選択的に透過させる膜であり、例えば、ナフィオン系膜等のプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。流路プレート２７の供給空気流路２４及び排出空気流路２５は、プレートの表面及び裏面に、複数のストライプ状の溝、又は、互いに平行に屈曲された複数の溝を設けることにより形成される。また、各流路プレート２７には、供給空気の経路となるマニホールド孔２８ａ，２８ｂが形成されるとともに、排出空気の経路となるマニホールド孔２９ａ，２９ｂが形成されている。そして、各流路プレート２７の各マニホールド孔２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂの位置がそれぞれ一致するように複数の流路プレート２７を積層することによって、積層体において、マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’、マニホールド孔２９ａが連通してなる排出空気の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排出空気の取り出し流路２９ｂ’が形成される。マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’は、空気経路１に接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、空気経路２に接続されている。それにより、空気経路１から前段加湿装置２２の流路プレート２７に供給された空気（すなわち供給空気）が、該プレート２７の表面に形成された供給空気流路２４に沿って流れ、空気経路２に送られる。一方、マニホールド孔２９ａが連通してなる排出空気の導入流路２９ａ’は、空気経路４に接続され、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排出空気の取り出し流路２９ｂ’は、空気経路５に接続されている。それにより、空気経路４から前段加湿装置２２の流路プレート２７に供給された空気（すなわち排出空気）が、該プレート２７の裏面に形成された排出空気流路２５に沿って流れ、空気経路５に送られる。このように、流路プレート２７の表裏面において、対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。
【００３５】
前段加湿装置２２では、上記構成を有する複数の流路プレート２７が、それぞれ水分移動膜２３を介して積層されていることから、流路プレート２７表面の供給空気流路２４を流れる供給空気と、別の流路プレート２７裏面の排出空気流路２５を流れる排出空気とが、水分移動膜２３を介して接している。ここで、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の前段加湿装置２２では、該水分移動膜２３を介して、排出空気から供給空気に水分（具体的には水蒸気）が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、対向する流れを形成して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。このように、前段加湿装置２２では、排出空気から回収された水蒸気によって、供給空気が加湿される。また、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、前段加湿装置２２では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられる。それにより、供給空気が加熱される。
【００３６】
上記のようにして前段加湿装置２２によって加湿された供給空気は、空気経路２を介して、加湿装置２１ａに供給される。ここで、加湿装置２１ａに供給された空気は、前述のようにあらかじめ前段加湿装置２２によって加温及び加湿されているため、従来のように加湿装置２１ａのみで加湿する場合に比べて、加湿装置２１ａでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、加湿装置２１ａに要する熱エネルギーや水分を低減化することが可能となる。このように、本実施の形態では、あらかじめ前段加湿装置２２によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、加湿装置２１ａでの消費エネルギーを低減可能であるため、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることが可能となる。また、加湿装置２１ａでの消費水分を低減可能であることから、加湿装置２１ａに補給する水分の量を抑えることが可能となる。その結果、補給した水分による温度変動を抑制することが可能となり、加湿装置２１ａにおいて安定した加湿量を実現することが可能となる。
【００３７】
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、前段加湿装置２２と加湿装置２１ａとにより、段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、供給空気を高露点に加湿する場合においても、大型の前段加湿装置２２及び加湿装置２１ａを必要とせず、よって、システムのコンパクト化を図ることが可能となる。
【００３８】
上記においては、燃料電池１１に供給される燃料ガス（以下、供給燃料ガスと呼ぶ）が、加湿装置２１ｂのみで加湿される場合について説明したが、供給燃料ガスについても、前述の供給空気の場合と同様に、加湿装置２１ｂの上流に前段加湿装置を設けて段階的に加湿を行う構成であってもよい。かかる構成では、燃料電池１１から排出される排出燃料ガスが前段加湿装置に供給され、前段加湿装置において、排出燃料ガスの水分が供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加湿が行われるとともに、排出燃料ガスの熱エネルギーが供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加熱が行われる。それにより、供給空気の場合において前述したように、加湿装置２１ｂの消費エネルギーの低減化が図られて燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図られるとともに、加湿装置２１ｂにおける水分の消費量の低減化が図られて加湿量の安定化が図られる。このような前段加湿装置は、例えば空気供給側において前述した前段加湿装置２２の構成と同様、水分移動膜を介して複数の流路プレートを積層された構成を有しており、この場合、流路プレートの一方の主面に供給燃料ガス流路が形成されるとともに、他方の主面に排出燃料ガス流路が形成される。
【００３９】
このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池１１からの排出ガスを用いて供給ガスの加湿を行う前段加湿装置は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に設けられてもよい。なお、燃料電池１１からの排出空気は、排出燃料ガスよりも高湿度であり、また、排出空気の方が、排出燃料ガスよりも、水分移動膜を介した水分移動において、効率よく水分のみを供給空気に与えることが可能である。このことから、空気供給側に前段加湿装置２２を配置することが好ましい。
【００４０】
なお、以下の実施の形態２〜９においては、燃料電池１１の空気供給側における加湿について説明するが、これらの実施の形態では、実施の形態１と同様、燃料ガス供給側についても空気供給側と同様の構成及び加湿方法を適用することが可能である。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図４に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有するが、バブラー等の従来の加湿装置を用いる加湿装置２１ａの代わりに、燃料電池１１を冷却するために循環させる冷却水を用いて供給空気の加湿を行う加湿装置２１ａ’が設けられた点が、実施の形態１とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【００４１】
本実施の形態のシステムでは、加湿装置２１ａ’に、前段加湿装置２２で処理された空気を供給する空気経路２が接続されるとともに、加湿装置２１ａ’で加湿処理した空気を燃料電池１１に供給するための空気経路３が接続されている。さらに、加湿装置２１ａ’には、燃料電池１１から回収した冷却水が流れる冷却水経路６ａ，６ｂが接続されており、冷却水が加湿装置２１ａ’を通流する構成となっている。
【００４２】
加湿装置２１ａ’は、実施の形態１の前段加湿装置２２とほぼ同様の構成を有するので、ここでは図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ），（ｂ）を参照して加湿装置２１ａ’の構成を説明する。加湿装置２１ａ’では、流路プレート２７の表面に燃料電池１１に供給される空気の流路（供給空気流路）２４が形成されるとともに、その裏面に、燃料電池１１から回収された冷却水の流路（以下、冷却水流路と呼ぶ）２５が形成されている。そして、該流路プレート２７が、水分移動膜２３を介して、複数積層されて加湿装置２１ａ’が構成される。加湿装置２１ａ’の各流路プレート２７では、マニホールド孔２８ａ，２８ｂが供給空気の流路となり、マニホールド孔２９ａ，２９ｂが冷却水の流路となる。各流路プレート２７の各マニホールド孔２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂの位置がそれぞれ一致するように複数の流路プレート２７を積層することによって、積層体において、マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’、マニホールド孔２９ａが連通してなる冷却水の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる冷却水の取り出し流路２９ｂ’が形成される。マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’は、空気経路２に接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、空気経路３に接続されている。それにより、空気経路２から加湿装置２１ａ’の流路プレート２７に供給された空気（すなわち供給空気）が、該プレート２７の表面に形成された供給空気流路２４に沿って流れ、空気経路３に送られる。一方、マニホールド孔２９ａが連通してなる冷却水の導入流路２９ａ’は、冷却水経路６ａに接続され、マニホールド孔２９ｂが連通してなる冷却水の取り出し流路２９ｂ’は、冷却水経路６ｂに接続されている。それにより、冷却水経路６ａから加湿装置２１ａ’の流路プレート２７に供給された冷却水が、該プレート２７の裏面に形成された冷却水流路２５に沿って流れ、冷却水流路６ｂに送られる。このように、流路プレート２７の表裏面において、供給空気と冷却水との対向する流れが形成される。
【００４３】
加湿装置２１ａ’では、上記構成を有する複数の流路プレート２７が、それぞれ水移動膜２３を介して積層されていることから、流路プレート２７表面の供給空気流路２４を流れる供給空気と、別の流路プレート２７裏面の冷却水流路２５を流れる冷却水とが、水分移動膜２３を介して接している。このような構成の加湿装置２１ａ’では、水分移動膜２３を介して、冷却水から供給空気に水分が与えられる。特に、供給空気と冷却水とは、ここでは対向する流れを形成して接しているため、前記水分の移動が効率よく行われる。このように、加湿装置２１ａ’では、冷却水から回収した水分によって、供給空気が加湿される。また、このような水分の移動とともに、冷却水から供給空気へ熱エネルギーが移動する。それにより、供給空気が加熱される。
【００４４】
本実施の形態では、前段加湿装置２２が加湿装置２１ａ’の上流に設けられているため、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態では、加湿装置２１ａ’により、冷却水を利用して供給空気の加温及び加湿を行うことができるため、実施の形態１のようにバブラー等を用いて加湿を行う場合に比べて、加湿装置２１ａ’に供給するエネルギーや水分の低減化を図ることが可能となる。したがって、加湿装置２１ａ’での消費エネルギーをさらに低減し、システム全体のエネルギー効率の向上をさらに図ることが可能となる。また、燃料電池システムでは、燃料電池１１を冷却するために循環させる冷却水の温度が、前述のように７０〜７５℃程度に常に維持されており、特に、ここでは、実施の形態１において前述したように、前段加湿装置２２が設けられたことにより加湿装置２１ａに補給する水分量を低減でき、それゆえ、加湿装置２１ａ’の温度変動を抑制することが可能となっているため、この所定の温度に維持された冷却水を用いて加湿を行うことにより、安定して加湿を行うことが可能となる。さらに、加湿装置２１ａ’は、バブラーやインジェクタ等の加湿手段を別に設ける必要がなく、システム内の冷却水の循環構造を利用するので、簡単な装置構成で加湿を行うことができる。したがって、システムの簡素化及びコストの低減化を図ることが可能となる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、燃料電池１１から回収した冷却水を用いて供給空気の加湿を行う場合について説明したが、本実施の形態の変形例として、燃料電池１１に供給される前の冷却水、すなわち冷却水経路７を流れる冷却水を加湿装置２１ａ’に供給することにより前記加湿を行う構成であってもよい。また、燃料電池１１を冷却するための冷却水循環経路６，７とは別に、冷却水タンク１４から加湿装置２１ａ’に冷却水を供給するための経路と、加湿装置２１ａ’から冷却水を取り出すための経路とをさらに設け、これらの経路を通じて加湿装置２１ａ’を通流する冷却水を用いて加湿装置２１ａ’により前記加湿を行う構成であってもよい。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムと同様の構成を有するが、冷却水放熱器１３が熱交換器で構成され、冷却水放熱器１３により冷却水から放熱させた熱を貯湯水タンク４５の水の加熱に利用する構成である点が、実施の形態２とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【００４６】
本実施の形態のシステムには、貯湯水タンク４５と、該タンク４５に貯められた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、該タンク４５から給水した水を冷却水放熱器１３を経由して再び該タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５とが設けられている。かかる構成においては、加湿装置２１ａ’での加湿に利用された後の冷却水から、熱交換器で構成される冷却水放熱器１３に熱が与えられ、この熱が、さらに貯湯水循環経路１５を循環する水に与えられる。それにより、貯湯水タンク４５の水が加熱され、温水が該タンク４５に蓄えられる。
【００４７】
本実施の形態では、前段加湿装置２２が設けられているため、実施の形態２において前述したように、加湿装置２１ａ’での加湿において冷却水から供給空気に与えられる水分、及び、該水分とともに供給空気に移動する熱を低減することが可能となる。このように、冷却水から加湿により奪われる熱及び水分が少ないことから、冷却水放熱器１３により、より多くの熱を冷却水から回収し、該熱を貯湯水タンク４５の水の加熱に利用することができる。それゆえ、効率よく温水が得られるとともに貯湯水の温度を高くすることが可能となる。その結果、システム全体のエネルギー効率の向上が図られる。また、上記のようにして回収した貯湯水は、温度が高いので広い用途に用いることができ、よって、燃料電池１１から回収した熱の価値を高めることが可能となる。
【００４８】
なお、上記においては、本実施の形態が、実施の形態２の燃料電池システムの構成を基本構成とする場合について説明したが、実施の形態１の燃料電池システムの構成を基本構成とする場合においても、貯湯水タンクを備えた本実施の形態を適用することが可能である。
（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図６に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成を有するが、前段加湿装置２２と加湿装置２１ａ’とが一体化した構成、すなわち、前段加湿部２２’と加湿部２１’とを有する加湿装置５０が設けられている点が、実施の形態３とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【００４９】
加湿装置５０では、前段加湿部２２’に、供給空気を供給する空気経路１と、燃料電池１１からの排出空気を供給する排出空気経路４と、加湿に用いられた排出空気を前段加湿部２２’から取り出す排出空気経路５とが接続されている。また、加湿部２１’には、燃料電池１１から取り出した冷却水を加湿部２１’に供給する冷却水経路６ａと、加湿に用いられた冷却水を加湿部２１’から取り出す冷却水経路６ｂと、加湿された供給空気を燃料電池１１に供給する空気経路３とが接続されている。
【００５０】
図７及び図８は、加湿装置５０の構成を示す模式図であり、図７は加湿装置５０を構成する流路プレートの透視的な斜視図であり、（ａ）はプレートを表面から見た図であり、（ｂ）は裏面から見た図である。図８は、図７の流路プレートを複数積層してなる加湿装置５０の模式図であって、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【００５１】
図７（ａ），（ｂ）及び図８（ａ），（ｂ）に示すように、加湿装置５０の前段加湿部２２’は、実施の形態１〜３の前段加湿装置２２と同様の構成を有し、一方、加湿部２１’は、実施の形態２，３の加湿装置２１ａ’と同様の構成を有する。すなわち、加湿装置５０は、複数の流路プレート２７’が、水分移動膜２３を介して積層されて構成されている。流路プレート２７’は、表面に、排出空気流路２５と冷却水流路２６とが形成されており、排出空気流路２５が形成された領域が前段加湿部２２’に相当するとともに、冷却水流路２６が形成された領域が加湿部２１’に相当する。流路プレート２７’の裏面には、排出空気流路２５及び冷却水流路２６の下方に一致するように、前段加湿部２２’及び加湿部２１’にわたって連続して供給空気流路２４が形成されている。また、流路プレート２７’には、各流路２４，２５，２６が形成された領域を除く領域に、複数のマニホールド孔３１ａ〜３１ｆが形成されている。そして、各流路プレート２７’の各マニホールド孔３１ａ〜３１ｆがそれぞれ一致して配置されるように、流路プレート２７’が積層されている。それにより、積層体において、マニホールド孔３１ｃが連通してなる排出空気の導入流路３１ｃ’、マニホールド孔３１ａが連通してなる排出空気の取り出し流路３１ａ’、マニホールド孔３１ｆが連通してなる冷却水の導入流路３１ｆ’、及び、マニホールド孔３１ｄが連通してなる冷却水の取り出し流路３１ｄ’が形成される。また、マニホールド孔３１ｂが連通してなる供給空気の導入流路３１ｂ’が形成されるとともに、マニホールド孔３１ｅが連通してなる供給空気の取り出し流路３１ｅ’が形成される。マニホールド孔３１ｃが連通してなる排出空気の導入流路３１ｃ’は、排出空気経路４に接続され、マニホールド孔３１ａが連通してなる排出空気の取り出し流路３１ａ’は、排出空気経路５に接続されている。それにより、排出空気経路４から加湿装置５０の前段加湿部２１’に供給された排出空気が、流路プレート２７’の表面に形成された排出空気流路２５に沿って流れ、排出空気経路５に送られる。一方、マニホールド孔３１ｆが連通してなる冷却水の導入流路３１ｆ’は、冷却水流路６ａに接続され、マニホールド孔３１ｄが連通してなる冷却水の取り出し流路３１ｄ’は、冷却水流路６ｂに接続されている。それにより、冷却水流路６ａから加湿装置５０の流路プレート２７’の加湿部２１’に供給された冷却水が、該プレート２７’の表面に形成された冷却水流路２６に沿って流れ、冷却水流路６ｂに送られる。このように、流路プレート２７’の表面において、前段加湿部２２’には排出空気の流れが形成され、加湿部２１’には冷却水の流れが形成される。この排出空気の流れ及び冷却水の流れは、同一方向の流れである。
【００５２】
一方、マニホールド孔３１ｂが連通してなる供給空気の導入流路３１ｂ’は、空気経路１に接続され、マニホールド孔３１ｅが連通してなる供給空気の取り出し流路３１ｅ’は、空気経路３に接続されている。それにより、空気経路１から加湿装置５０の流路プレート２７’の前段加湿部２２’に供給された供給空気が、該プレート２７’の裏面に形成された供給空気流路２４に沿って流れ、さらに、加湿部２１’の供給空気流路２４に沿って流れた後、空気経路３に送られる。このように、前段加湿部２２’及び加湿部２１’にわたって形成される供給空気の流れは、プレート２７’表面に形成される排出空気及び冷却水の流れと対向する方向である。
【００５３】
ここで、加湿装置５０では、上記構成を有する複数の流路プレート２７’が、それぞれ水移動膜２３を介して積層されていることから、前段加湿部２２’では、流路プレート２７’の表面の排出空気流路２５を流れる排出空気と、別の流路プレート２７’裏面の供給空気流路２４を流れる供給空気とが、水分移動膜２３を介して接している。したがって、前段加湿部２２’においては、前段加湿装置２２において前述したように、水分移動膜２３を介して排出空気から供給空気に水分及び熱エネルギーが与えられる。また、加湿部２１’では、流路プレート２７’表面の冷却水流路２６を流れる冷却水と、別の流路プレート２７’裏面の供給空気流路２４を流れる供給空気とが、水分移動膜２３を介して接している。したがって、加湿部２１’においては、加湿装置２１ａ’において前述したように、水分移動膜２３を介して冷却水から供給空気に水分及び熱エネルギーが与えられる。ここで、前述のように、供給空気と、冷却水及び排出空気とは、対向する流れを形成して接しているため、前段加湿部２２’及び加湿部２１’における前記水分及び熱エネルギーの移動が、効率よく行われる。このように、加湿装置５０では、前段加湿部２２’において、排出空気を用いて供給空気の加温及び加湿が行われるとともに、加湿部２１’において、冷却水を用いてさらに供給空気の加温及び加湿が行われる。
【００５４】
かかる構成の燃料電池システムにおいては、実施の形態３において前述した効果と同様の効果が得られる。また、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが一体化した加湿装置５０が設けられているため、前段加湿部２２’と加湿部２１’との間の配管（具体的には、実施の形態３の空気経路２を構成する配管に相当）が不要となる。このため、システムの小型化が図られとともに、配管における熱の損失を防止して熱効率の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
なお、上記においては、加湿装置５０において、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが水平方向に並べて配置されているが、前段加湿部２２’及び加湿部２１’の配置は、これに限定されるものではない。例えば、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが、積層されて一体化した構成であってもよい。
【００５６】
図９は、本実施の形態の変形例における燃料電池システムの加湿装置５０の構成を示す斜視図である。図９に示すように、本例の加湿部５０では、前段加湿部２２’の上に加湿部２１’が積層され、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが鉛直方向に並べて配置されている。前段加湿部２２’は、前述の前段加湿装置２２と同様の構成を有しており、また、加湿部２１’は、前述の加湿装置２１ａ’と同様の構成を有する。そして、前段加湿部２２’を構成する流路プレート２７のマニホールド孔２８ａによって形成される供給空気の導入流路２８ａ’に空気経路１が接続され、マニホールド孔２９ａによって形成される排出空気の導入流路２９ａ’に排出空気経路４が接続され、マニホールド孔２９ｂによって形成される排出空気の取り出し流路２９ｂ’に排出空気経路５が接続されている。また、加湿部２１’の流路プレート２７のマニホールド孔２８ａによって形成される供給空気の取り出し流路２８ａ’’に空気経路３が接続され、マニホールド孔２９ｂによって形成される冷却水の導入流路２９ｂ’’に冷却水経路６ａが接続され、マニホールド孔２９ａによって形成される冷却水の取り出し流路２９ａ’’に冷却水経路６ｂが接続されている。また、前段加湿部２２’においてマニホールド孔２８ｂによって形成される供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、加湿部２１’においてマニホールド孔２８ｂ’によって形成される供給空気の導入流路２８ｂ’’に連結されている。
【００５７】
かかる構成の加湿装置５０では、空気経路１を通じて供給空気が前段加湿部２２’に供給され、各流路プレート２７表面の供給空気流路２４を流れてマニホールド孔２８ｂからなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’に入る。一方、排出空気経路４を通じて前段加湿部２２’に供給された排出空気は、前段加湿部２２’の各流路プレート２７裏面の排出空気流路２５を流れて排出空気経路５に送られる。前段加湿部２２’では、このように流路プレート２７の表裏面に供給空気の流れと排出空気の流れとが対向して形成されることにより、前述のように、水分移動膜２３を介して排出空気の水分及び熱エネルギーが供給空気に与えられ、供給空気の加温及び加湿が行われる。そして、このように加湿された供給空気は、前段加湿部２２’のマニホールド孔２８ｂから形成される供給空気の取り出し流路２８ｂ’を鉛直下向きに流れ、その後、この前段加湿部２２’の供給空気の取り出し流路２８ｂ’に連通する加湿部２１’の供給空気の導入流路２８ｂ’’を通じて、加湿部２１’の流路プレート２７に供給される。加湿部２１’の各流路プレート２７の表面では、このようにして前段加湿部２２’から供給された供給空気が、供給空気流路２４に沿って流れる。ここでは、前述の前段加湿部２２’における供給空気流路２４と対向する方向の流れが形成される。また、加湿部２１’では、冷却水経路６ａを通じて各流路プレート２７裏面の冷却水流路２６に冷却水が供給される。該冷却水は、冷却水流路２６に沿ってプレート裏面を流れた後、冷却水経路６ｂに送られる。加湿部２１’では、このように流路プレート２７の表裏面に供給空気の流れと冷却水の流れとが形成されることにより、前述のように、水分移動膜２３を介して冷却水の水分及び熱エネルギーが供給空気に与えられ、供給空気の加温及び加湿がさらに行われる。かかる構成の加湿装置５０を有する燃料電池システムにおいても、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが水平方向に並べて配置された場合と同様の効果が得られる。なお、前段加湿部２２’と加湿部２１’とを水平方向に並べて配置する構成では、鉛直方向に積層する場合のように前段加湿部２２’と加湿部２１’とを積み重ねる工程が不要となるため、製造工程の簡略化が図られ、それにより、燃料電池システムのコスト削減が図られる。
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１０に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態４の燃料電池システムと同様の構成を有するが、加湿装置５０に隣接して燃料電池１１が配置された構成である点が、実施の形態４とは異なっている。以下に、相違点について説明する。
【００５８】
すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、実施の形態４の加湿装置５０に隣接して、燃料電池１１が配置されている。加湿装置５０の前段加湿部２２’には、供給空気を供給する空気経路１が接続されるとともに、加湿に用いた排出空気を取り出す排出空気経路５が接続されている。また、加湿装置５０の加湿部２１’には、冷却水を供給する冷却水経路７が接続されるとともに、供給空気の加湿及び燃料電池１１の冷却に用いられた冷却水を取り出すための冷却水経路６が接続されている。かかる構成では、燃料電池１１と加湿装置５０とが一体化しているため、燃料電池１１から加湿装置５０の前段加湿部２２’に、直接的に排出空気を供給することが可能となる。また、加湿装置５０の加湿部２１’は冷却水を燃料電池１１に直接的に供給及び燃料電池から直接的に回収して循環させることが可能となる。さらに、加湿部２１’から燃料電池１１に、直接的に供給空気を供給することが可能となる。このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池１１と加湿装置５０との間で、配管等から構成される経路を要することなく、直接的に、排出空気、供給空気、及び、冷却水の供給を行うことが可能となるため、実施の形態４のシステムにおける空気経路２，３、排出空気経路４、及び、冷却水経路６ａ，６ｂが不要となる。したがって、これらの経路を構成する配管が不要となり、よって、該配管における熱の損失を防止することが可能となる。それゆえ、燃料電池システムにおける熱効率を向上させることが可能となるとともに、システムの小型化が図られる。また、特に、加湿装置５０の加湿部２１’から燃料電池１１に供給空気を供給するための配管（具体的には、空気経路３を構成する配管に相当）が不要となることから、該配管での放熱により結露した水分が燃料電池１１に供給されるのを防止することが可能となり、その結果、システムを安定して動作させることが可能となる。
【００５９】
なお、燃料電池１１と加湿装置５０とが接するのであれば、両者の配置は特に限定されるものではないが、加湿装置５０を構成する流路プレート２７’（又は２７）の積層方向に燃料電池１１を配置することが好ましい。この場合、配管の引き回しをなくすことができるため、システムの小型化が図られ。さらに、上記においては、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが一体化された加湿装置５０が燃料電池１１と接して配置される場合について説明したが、例えば、実施の形態３のように前段加湿装置２２と加湿部２１ａ’とが別々に設けられた場合において、加湿装置２１ａ’と燃料電池１１とが接するようにシステムを構成してもよい。
（実施の形態６）
図１１は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態３とは異なっている。すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、加湿装置２１ａ’から燃料電池１１に空気を供給する空気経路３に、供給空気の加湿量（具体的には、該空気の湿度）検知器６０が設けられるとともに、該検知器６０からの情報に基づいて加湿装置２１ａ’に供給する冷却水の流量を調節する制御装置６１が設けられている。ここでは、制御装置６１は、冷却水ポンプ１２の出力又は回転数を制御することにより、冷却水の流量調節を行う。
【００６０】
かかる構成の燃料電池システムでは、空気経路３を通じて燃料電池１１に供給される供給空気の加湿量を検知器６０によって検知する。検知器６０としては、例えば、電気抵抗式湿度センサやサーミスタ式湿度センサ等が用いられ、該検知器６０は、空気経路３の燃料電池１１の直前部分に配置される。検知器６０で得られた加湿量の情報は、制御装置６１に伝えられる。
【００６１】
例えば、検知器６０によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を増加させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。したがって、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【００６２】
一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を減少させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を減少させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。したがって、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【００６３】
上記のように、供給空気の加湿量に応じて冷却水の供給流量を制御することにより、供給空気の加湿量を最適値に保つことが可能となる。それにより、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図れるとともに、システムの安定性の向上が図られる。
【００６４】
ここで、上記においては、冷却水ポンプ１２を制御装置６１で制御することによって加湿装置２１ａに供給される冷却水の流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではない。例えば、本実施の形態の変形例として、図１２に示すように、加湿装置２１ａ’に冷却水を供給する冷却水経路６ａに、自動で開閉調節可能な比例弁７０を設けるとともに、制御装置６１が、検知器６０からの情報に基づいて、該比例弁７０の開閉を調節する構成であってもよい。かかる構成では、例えば、検知器６０によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合に、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、比例弁７０をより大きく開く。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、比例弁７０の開きがより小さくなるように該弁７０を閉じる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。このように比例弁７０を用いて加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量を調節することにより、上記と同様の効果が得られる。
【００６５】
さらに、上記においては、冷却水の供給量を調節することによって供給空気の加湿量を調節しているが、これ以外に、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量を調節してもよい。加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度は、加湿装置２１ａ’における冷却水から供給空気への水分移動に影響を与え、冷却水の温度が高いと供給空気へ与えられる水分が多くなり、冷却水の温度が低いと与えられる水分が少なくなり、供給空気の加湿量に関与する。したがって、本実施の形態の他の変形例として、例えば、上記のように冷却水の流量を調節する代わりに、供給空気の加湿量に応じて、ヒータ等を用いて冷却水の温度を調節するか、又は、冷却水放熱器１３における冷却水の放熱量を調節することにより、冷却水の温度を調節してもよい。かかる構成では、検知器６０によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合に、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、ヒータ等により冷却水を昇温するか、又は、冷却水放熱器１３における放熱量を減少させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度が上昇し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、冷却水の温度を下げるか、又は、冷却水放熱器１３における放熱量を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度が下がり、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。このように加湿装置２１ａ’に供給する冷却水の温度を調節することによっても、上記と同様の効果が得られる。
【００６６】
なお、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成である場合について説明したが、供給空気の加湿量に応じて冷却水の流量等を調節する本実施の形態は、実施の形態２，４，５の各燃料電池システムの構成を基本構成とする場合においても適用可能である。
（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態６と同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態６とは異なっている。すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、加湿装置２１ａ’をバイパスして冷却水を循環させることを可能とするバイパス経路６３が、冷却水経路６ａと冷却水流路６ｂとに接続されている。それにより、バイパス経路６３が加湿装置２１ａ’と並列に配置される。また、加湿装置２１ａ’に冷却水を供給する冷却水経路６ａ中には、三方弁６２が設けられている。三方弁６２は、３つの配管接続口を有し、該接続口の１つには冷却水経路６ａを構成する配管６４ａが接続され、別の接続口には冷却水経路６ａを構成する配管６４ｂが接続され、また別の接続口にはバイパス経路６３を構成する配管６３’が接続されている。そして、三方弁６２は、制御装置６１によって制御され、配管６４ａから供給される冷却水を、配管６３’及び配管６４ｂにどれだけの流量ずつ分配するか、自動で該分配量を調節可能に構成されている。
【００６７】
かかる構成の燃料電池システムでは、空気経路３を通じて燃料電池１１に供給される供給空気の加湿量が検知器６０によって検知され、該加湿量の情報に基づいて、制御装置６１が、三方弁６２を調節する。それにより、配管６４ａから供給された冷却水の、各配管６４ｂ，６３’への分配供給流量が調節される。
【００６８】
例えば、検知器６０によって検知された供給空気の加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置６１は、加湿量情報に基づいて、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、かつ、バイパス経路６３に供給される冷却水の流量が減少するように、三方弁６２を調節する。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。それにより、供給空気の加湿量が最適値になるように調節される。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、かつ、バイパス経路６３に供給される冷却水の流量が増加するように、三方弁６２を調節する。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。それにより、供給空気の加湿量が最適値になるように調節される。
【００６９】
上記のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、供給空気の加湿量に応じて三方弁６２を用いて加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量を制御することにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。したがって、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態のシステムでは、加湿装置２１ａ’をバイパスさせて冷却水を循環させることが可能であるため、燃料電池１１に供給される冷却水の流量と加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量とを個別に調節することが可能となる。それゆえ、供給空気への加湿に最適な流量の冷却水を加湿装置２１ａ’に供給して、それ以外の冷却水は、バイパス経路６３を通じて、加湿装置２１ａ’を経由することなく循環させることが可能となる。その結果、加湿装置２１ａ’における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、加湿装置２１ａ’で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給空気を得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池１１の冷却を効率よく安定して行って燃料電池１１の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を貯湯水に回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。
【００７０】
なお、上記においては、三方弁６２により各配管６４ｂ，６３への冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、三方弁６２を設ける代わりに、例えば、バイパス経路６３、冷却水経路６ａ、及び、冷却水経路６ｂを構成する個々の配管に、適宜、比例弁を設けてもよい。
【００７１】
図１４は、本実施の形態の変形例における燃料電池システムの構成の一部を示す模式図であり、ここでは、加湿装置２１ａ’及びその周辺の構成について示している。図１４に示すように、この場合には、バイパス経路６３を構成する配管６３’が、冷却水経路６ａを構成する配管６ａ’と冷却水流路６ｂを構成する配管６ｂ’とに接続されている。そして、配管６ａ’には、配管６３’の接続部分よりも下流側に比例弁７０ａが設けられている。一方、配管６３’には、配管６ａとの接続部分側端部に、比例弁７０ｂが設けられている。これらの比例弁７０ａ，７０ｂの開閉は、制御装置６１によって自動制御される。例えば、検知器６０で検知された供給空気の加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置６１が、加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量が増加するように比例弁７０ａを調節するとともに、バイパス経路６３への冷却水の供給流量が減少するように比例弁７０ｂを調節する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１は、加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量が減少するように比例弁７０ａを調節するとともに、バイパス経路６３への冷却水の供給流量が増加するように比例弁７０ｂを調節する。それにより、かかる構成においても、実施の形態６と同様の効果が得られる。
【００７２】
なお、上記においては、基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成を有する場合について説明したが、供給空気の加湿量に応じて加湿装置２１ａ’及びバイパス経路６３への冷却水の供給流量をそれぞれ調節する本実施の形態は、実施の形態２，４，５の各燃料電池システムの構成においても適用可能である。
（実施の形態８）
図１５は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１５に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態６と同様の構成を有するが、供給空気の加湿量を検知する検知器６０の代わりに、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度を検知する検知器６５が設けられた点が、実施の形態６とは異なっている。以下、相違点について説明する。
【００７３】
実施の形態６において前述したように、冷却水の温度は、供給空気への加湿量に関与する。したがって、本実施の形態の燃料電池システムでは、検知器６５によって、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度を検知し、この温度情報に基づいて、制御装置６１が、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量を調節する。ここでは、検知器６５として、例えば電気抵抗式温度センサや接触式温度センサ等が用いられ、該検知器６５は、冷却水経路６ａの加湿装置２１ａ’の直前部分に配置される。
【００７４】
例えば、検知器６５によって検知された冷却水の温度が所定値よりも低い場合には、冷却水の温度が高い場合に比べて冷却水から供給空気へ移動する水分が少ないため、供給空気を最適な加湿量とするには冷却水の流量を増加させる必要がある。したがって、この場合には、制御装置６１が冷却水の温度情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を増加させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。それにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。一方、冷却水の温度が所定値よりも高い場合には、冷却水から供給空気へ移動する水分が多いので、温度が低い場合よりも少ない冷却水の供給流量で最適な加湿量とすることができる。したがって、この場合には、制御装置６１が冷却水の温度情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を減少させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を減少させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。それにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【００７５】
上記のように、本実施の形態では、冷却水の温度に応じて冷却水の供給流量を制御するため、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。
【００７６】
なお、上記においては、冷却水ポンプ１２を調節することにより冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではなく、例えば、実施の形態６において前述したように、比例弁を冷却水経路６ａに設け、該弁を用いて冷却水流量の調節を行ってもよい。また、実施の形態６において前述したように、冷却水の流量を調節する代わりに、冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量の調節を行ってもよい。また、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様である場合について説明したが、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、実施の形態２，４，５の燃料電池システムの構成と同様であってもよい。さらに、実施の形態７の燃料電池システムの構成に本実施の形態を適用した構成、すなわち、加湿装置２１ａ’をバイパスするバイパス経路６３が設けられた構成であってもよい。
（実施の形態９）
図１６は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１６に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態６と同様の構成を有するが、供給空気の加湿量を検知する検知器６０の代わりに、燃料電池１１の発電量を検知する検知器６６が設けられた点が、実施の形態６とは異なっている。検知器６６としては、電力計が用いられる。ここで、通常、燃料電池システムでは、発電量を検知しながらシステムの運転を行っていることから、新たに電力計を設けることなく、もとからシステムが備える電力計を検知器６６として利用することができる。以下、実施の形態６との相違点について説明する。
【００７７】
燃料電池１１の発電量は、空気極側に供給される空気の供給量と、燃料極側に供給される燃料ガスの供給量に対応している。したがって、燃料電池１１の発電量が多い場合には、燃料電池１１への供給空気の流量も多くなり、よって、この供給空気を加湿するために、加湿部２１ａ’への冷却水の供給流量を多くする必要がある。一方、燃料電池１１の発電量が少ない場合には、燃料電池１１への供給空気の流量も少なくなり、よって、供給空気を加湿するために加湿装置２１ａへ供給する冷却水の流量も少なくてよい。したがって、燃料電池１１の発電量に応じて加湿装置２１ａへの冷却水の供給流量を調節することにより、供給空気の加湿量を最適値に調整することが可能となる。
【００７８】
例えば、検知器６６によって検知された燃料電池１１の発電量が所定値より多い場合には、燃料電池１１に供給される空気の供給量が多いので、加湿装置２１ａ’において冷却水から該供給空気に与えられる水分の量（すなわち加湿量）が多くなる。したがって、この場合には、制御装置６１が検知器６６からの発電量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を増加させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を増加させ、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’において、流量の多い供給空気に対しても最適な加湿を行うことが可能となる。一方、燃料電池１１での発電量が所定値よりも少ない場合には、燃料電池１１に供給される空気の供給量が少ないので、加湿装置２１ａ’において冷却水から該供給空気に与えられる水分の量（すなわち加湿量）も少なくてよい。したがって、この場合には、制御装置６１が検知器６６からの発電量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を減少させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を減少させ、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量を減少させる。それにより、供給空気に対して最適な加湿を行うことが可能となる。
【００７９】
上記のように、本実施の形態では、燃料電池１１の発電量に応じて、加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量を制御するため、燃料電池１１の動作状態に応じて、最適な加湿量の供給空気を安定して供給することが可能となる。したがって、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。また、前述のように、システムが通常備えている発電計を検知器６６として利用できるため、加湿量の調節のための検知器を別に設ける必要がなく、システムの簡素化及びコストの削減化が図られる。
【００８０】
なお、上記においては、冷却水ポンプ１２を調節することにより冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではなく、実施の形態３において前述したように、比例弁を冷却水経路６ａに設けるとともに該弁を用いて調節を行ってもよい。また、実施の形態６において前述したように、冷却水の流量を調節する代わりに、冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量の調節を行ってもよい。
【００８１】
さらに、上記においては、燃料電池１１の発電量に応じて供給空気の加湿量を調節する場合について説明したが、これ以外に、燃料電池１１に供給される供給空気の流量を直接検知し、該供給空気の流量に応じて加湿量を調節してもよい。例えば、空気経路３の燃料電池１１の直前部分に供給空気の流量を検知する検知器を配置し、該検知器で検知された供給空気の流量が多い場合には、前述と同様にして該空気への水分移動を促進させて加湿量を増加させ、一方、該検知器で検知された供給空気の流量が少ない場合には、前述と同様にして該空気への水分移動を抑制して加湿量を減少させる。それにより、前述と同様の効果が得られる。
【００８２】
また、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様である場合について説明したが、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、実施の形態２，４，５の燃料電池システムの構成と同様であってもよい。さらに、実施の形態７の燃料電池システムの構成に本実施の形態を適用した構成、すなわち、加湿装置２１ａ’をバイパスするバイパス経路６３が設けられた構成であってもよい。
【００８３】
上記の実施の形態においては、前段加湿装置２２及び前段加湿部２２’と加湿装置２１ａ’及び加湿部２１’とが、水分移動膜２３を介して複数の流路プレート２７，２７’を積層してなる構成（いわゆるプレート型構造）を有する場合について説明したが、これらの構成は、プレート型に限定されるものではない。例えば、前段加湿装置２２、前段加湿部２２’、加湿装置２１ａ’、及び、加湿部２１’が、チューブ型構造を有していてもよい。以下においては、チューブ型構造を有する前段加湿装置を例に挙げて説明する。
【００８４】
図１７は、チューブ型構造を有する前段加湿装置２２の構成を示す模式的な切り欠き斜視図である。図１７に示すように、前段加湿装置２２は、排出空気入口１０１及び排出空気出口１０２が形成された円板１０３，１０４によって両端部が封止され、かつ、側面に供給空気入口１０５と供給空気出口１０６とが形成された円筒形の本体１００の内部に、水分移動膜２３から構成される複数の中空糸繊維２３’が束状に集められて構成された水分移動膜モジュール１０７が、軸方向が一致するように収納されて構成されている。そして、本体１００の排出空気入口１０１には排出空気経路４（図示せず）が接続され、排出空気出口１０２には排出空気経路５（図示せず）が接続され、供給空気入口１０５には供給空気経路１（図示せず）が接続され、供給空気出口１０６には供給空気経路２（図示せず）が接続される。水分移動膜モジュール１０７の両端部にはシール部材１０８が装着されており、それにより、本体１００の内部が、排出空気入口１０１を介して排出空気経路４に連通する第１の空間１０９Ａと、水分移動膜モジュール１０７の外周に形成され供給空気入口１０５及び供給空気出口１０６を介してそれぞれ供給空気経路１，２に連通する第２の空間１０９Ｂと、排出空気出口１０２を介して排出空気経路５に連通する第３の空間１０９Ｃとに区画されている。
【００８５】
かかる構成の前段加湿装置２２では、供給空気入口１０５を通じて本体１００の第２の空間１０９Ｂに供給空気が供給されるとともに、供給空気出口１０６を通じて該空間１０９Ｂから供給空気が取り出される。それにより、第２の空間１０９Ｂにおいて、水分移動膜モジュール１０７の外周、及び、該膜モジュール１０７を構成する各中空糸繊維２３’の外周に、供給空気の流れが形成される。一方、排出空気入口１０１を通じて本体１００の第１の空間１０９Ａに供給された排出空気は、水分移動膜モジュール１０７の一方の端面からモジュール内に入る。そして、排出空気は、水分移動膜モジュール１０７を構成する各中空糸繊維２３’の内部を軸方向に沿って流れた後、モジュールの他方の端面から第３の空間１０９Ｃに放出され、排出空気出口１０２から取り出される。それにより、第１から第３の空間１０９Ａ〜１０９Ｃに至る排出空気の流れが形成される。
【００８６】
ここで、本体１００の第２の空間１０９Ｂでは、上記のように水分移動膜モジュール１０７及びこれを構成する中空糸繊維２３’の外周に形成された供給空気の流路と、該膜モジュール１０７の中空糸繊維２３’の内部に形成された排出空気流路とが、水分移動膜２３を介して接した構成であるため、前述のプレート型構造の場合と同様、排出空気から供給空気に、水分移動膜２３を介して水分及び熱エネルギーが与えられる。それゆえ、排出空気によって加熱及び加湿された供給空気を本体１００から取り出すことが可能となる。したがって、このようなチューブ型構造を有する前段加湿装置２２を備えた燃料電池システムにおいても、前述と同様の効果が得られる。なお、ここでは、前段加湿装置２２について説明したが、前段加湿部２２’、加湿装置２１ａ’、及び、加湿部２１’においても、図１７に示すチューブ型構造を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１，２，３      空気経路
４，５   排出空気経路
６，６ａ，６ａ，７    冷却水経路
１１            燃料電池
１２            冷却水ポンプ
１３            冷却水放熱器
１４            冷却水タンク
１５            貯湯水経路
２１ａ 加湿装置
２２            前段加湿装置
２１’          加湿部
２２’          前段加湿部
２３            水分移動膜
２４            供給空気流路
２５            排出空気流路
２６            冷却水流路
２７，２７’ 流路プレート
４４            貯湯水ポンプ
４５            貯湯水タンク
５０            加湿装置
６１            制御装置
６２            三方弁
６３ バイパス経路
７０            比例弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010147029.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010147029.tif 000012
【図１１】
2010147029.tif 000013
【図１２】
2010147029.tif 000014
【図１３】
2010147029.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2010147029.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月22日(2010.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第１の加湿部と第２の加湿部と、冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造とを備えた燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、前記第２の加湿部は、前記冷却水を用いて前記加湿を行い、前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流量を検知するガス流量検知器と、前記ガス流量検知器で検知された前記供給ガスの流量に基づいて前記第２の加湿部における前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、かかる構成では、燃料電池の冷却に用いられる７０〜７５℃程度の冷却水を用いて第２の加湿部で供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿が行われる。したがって、第２の加湿部では、バブラーを用いる場合のように加湿のために水を加熱する必要がなくなり、よって、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。また、冷却水は、ほぼ安定した温度に維持されているため、第２の加湿部において、安定して効率よく加湿を行うことが可能となる。さらに、かかる構成では、第１の加湿部によって予め加湿が行われているため、第２の加湿部で加湿に消費される水分の量が低減されており、よって、第２の加湿部で消費される冷却水の量が低減される。したがって、冷却構造に補給する水分の量を抑えることが可能となり、冷却構造における温度変動を抑制することが可能となる。その結果、第２の加湿部において安定した加湿量及び燃料電池の温度安定を実現することが可能となり、システム動作の安定化が図られる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
また、前記冷却構造が、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
冷却水バイパス経路を設けて冷却水流量を調節する構成では、燃料電池に供給される冷却水の流量と第２の加湿部に供給される冷却水の流量とをそれぞれ個別に調節することができる。それゆえ、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスへの加湿に最適な流量の冷却水を第２の加湿部に供給し、それ以外の冷却水は、バイパス経路を通じて、第２の加湿部を経由することなく通流させることが可能となる。その結果、第２の加湿部における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、第２の加湿部で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池の冷却を効率よく安定して行って燃料電池の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。また、燃料電池の発電量や供給ガスの流量に応じて加湿量を調節する構成では、加湿量調節のための検知器を新たに追加する必要がなく、燃料電池システムの運転状態に応じて加湿量の調節を容易に行うことができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第１の加湿部と第２の加湿部と、
冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記第１の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、
前記第２の加湿部は、前記冷却水を用いて前記加湿を行い、
前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流量を検知するガス流量検知器と、
前記ガス流量検知器で検知された前記供給ガスの流量に基づいて前記第２の加湿部における前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却構造は、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流する冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、
前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが隣接して一体化された加湿装置を有し、
前記加湿装置は、複数の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、
各前記流路プレートの一方の主面には、前記第１の加湿部の領域に前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成されるとともに前記第２の加湿部の領域に前記冷却水の流路が形成され、各前記流路プレートの他方の主面には、前記第１の加湿部及び前記第２の加湿部にわたって連続した前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成された、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが隣接して一体化された加湿装置を有し、
前記加湿装置の前記第１の加湿部は、複数の第１の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第１の流路プレートの一方の主面には前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、
前記加湿装置の前記第２の加湿部は、複数の第２の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第２の流路プレートの一方の主面には前記冷却水の流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガス流路が形成され、
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが積層されて前記加湿装置が構成された請求項１記載の燃料電池システム。