(57)【要約】【課題】燃料電池の出力低下を抑制し、システムを複雑化することなく省エネルギーで、酸化剤ガスを加湿することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料ガス内部流路５１と、酸化剤ガス内部流路５２と、を有する燃料電池１０１と、酸化剤ガス内部流路５２に連通する酸化剤ガス供給経路１２４と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器１０５と、燃料ガス内部流路５１に連通する燃料ガス供給経路１２１と、燃料ガス内部流路５１に連通する燃料ガス排出経路１２２と、燃料ガス排出経路１２２に設けられた燃焼器１０３と、燃焼器１０３にその上流端が接続され、燃焼ガスが通流する燃焼ガス排出経路１２３と、燃焼ガス排出経路１２３を通流する燃焼ガスと酸化剤ガス供給経路１２４を通流する酸化剤ガスとの間で全熱交換するための全熱交換器１０４と、を備える、燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、
前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給経路と、
前記酸化剤ガス供給経路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給経路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、
前記燃料ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する燃料ガス供給経路と、
前記燃料ガス供給経路の上流端に接続され該燃料ガス供給経路を通じて前記燃料ガス内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給器と、
前記燃料ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する燃料ガス排出経路と、
前記燃料ガス排出経路に設けられ、前記燃料電池で消費されなかった前記燃料ガス（以下、オフガス）を燃焼して、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器にその上流端が接続され、前記燃焼ガスが通流する燃焼ガス排出経路と、
前記燃焼ガス排出経路を通流する前記燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給経路を通流する前記酸化剤ガスとの間で全熱交換するための全熱交換器と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼器は、前記燃料ガスを燃焼させるための燃焼触媒を有している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス供給器は、原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有しており、
前記燃焼器は、前記改質器を加熱するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス供給器は、原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器及び該改質器を加熱するバーナを有しており、
前記バーナは、前記燃焼器で燃焼されなかったオフガスが供給されるように構成されている、請求項１に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、燃料電池システムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有する燃料ガスと空気等の酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。このようなＰＥＦＣに使用される燃料ガスである水素ガスは、インフラが整備されていないので、家庭用の燃料電池には、一般に水素生成装置が併設される。
【０００３】
この水素生成装置は、一般には、インフラが整備された都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器を備えている。しかし、この改質ガスは副生物として一酸化炭素（以下、ＣＯという）を多く含むため、通常は、改質器の下流に変成器及び浄化器が設置されて、そのＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減され、これが燃料ガスとしてＰＥＦＣのアノードに供給される。そして、燃料電池に供給された燃料ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった燃料ガスは、水素生成装置のバーナに供給されて、燃焼用燃料として使用される。
【０００４】
一方、ＰＥＦＣに供給する酸化剤ガスは、ＰＥＦＣの性能低下を抑制する（高分子電解質膜の導電性を高く維持する）ために、酸化剤ガスを加湿する必要があり、水素生成装置のバーナで燃焼された排ガスから分離した回収水を酸化剤ガスと接触させる燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池発電システムでは、排ガスから分離した回収水を酸化剤ガスと接触させることにより、回収水に含まれる炭酸イオン濃度を低減することができるとしている。
【特許文献１】特開２００６−４９０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムは、二酸化炭素が溶解した回収水を単に酸化剤ガスと接触させるだけなので、回収水に含まれる炭酸イオン濃度を充分に低減することができない。また、回収水に含まれる炭酸イオン濃度を充分に低減することができたとしても、回収水に溶存した二酸化炭素が酸化剤ガスに混入するため、燃料電池の出力を低下させることになる。このため、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムには、未だ改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力低下を抑制し、システムを複雑化することなく省エネルギーで、酸化剤ガスを加湿することができる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】
【０００７】
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、触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給経路と、前記酸化剤ガス供給経路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給経路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、前記燃料ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する燃料ガス供給経路と、前記燃料ガス供給経路の上流端に接続され該燃料ガス供給経路を通じて前記燃料ガス内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給器と、前記燃料ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する燃料ガス排出経路と、前記燃料ガス排出経路に設けられ、前記燃料電池で消費されなかった前記燃料ガス（以下、オフガス）を燃焼して、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器にその上流端が接続され、前記燃焼ガスが通流する燃焼ガス排出経路と、前記燃焼ガス排出経路を通流する前記燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給経路を通流する前記酸化剤ガスとの間で全熱交換するための全熱交換器と、を備える。
【０００８】
これにより、燃料ガス中に二酸化炭素が含有していたとしても、全熱交換器は、水を選択的に透過させるため、燃料電池に供給される酸化剤ガス中に二酸化炭素が混入することが抑制される。このため、燃料電池の出力低下を抑制することができ、システムを複雑化することなく省エネルギーで、酸化剤ガスを加湿することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃焼器は、前記燃料ガスを燃焼させるための燃焼触媒を有していてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給器は、原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有しており、前記燃焼器は、前記改質器を加熱するように構成されていてもよい。
【００１１】
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給器は、原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器及び該改質器を加熱するバーナを有しており、前記バーナは、前記燃焼器で燃焼されなかったオフガスが供給されるように構成されていてもよい
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力低下を抑制し、システムを複雑化することなく省エネルギーで、酸化剤ガスを加湿することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合もある。
【００１４】
（実施の形態１）
[燃料電池システムの構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０１、燃料ガス供給器１０２、燃焼器１０３、全熱交換器１０４、酸化剤ガス供給器１０５、及び制御器１１０を備えていて、燃料ガス供給器１０２から供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給器１０５から供給された酸化剤ガスが、燃料電池１０１内で電気化学的に反応して、電気と熱が生成されるように構成されている。
【００１６】
燃料ガス供給器１０２は、本実施の形態では、水素貯蔵タンクで構成されている。燃料ガス供給器１０２の出口には、燃料ガス供給経路１２１の上流端が接続されていて、その下流端は、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路５１の上流端に接続されている。燃料ガス供給経路１２１の途中には、逆止弁１０８が設けられており、燃料ガス供給経路１２１における逆止弁１０８の下流側には、流量調整可能なポンプ１０９が設けられている。これにより、燃料ガス供給経路１２１から燃料ガス供給器１０２への燃料ガスの流入を防止することができ、また、燃料電池１０１への燃料ガスの供給量を調整することができる。
【００１７】
また、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路５１の下流端には、燃料ガス排出経路１２２の上流端が接続されており、燃料ガス排出経路１２２の下流端は、燃焼器１０３の上流端が接続されている。燃焼器１０３には、燃焼用空気経路１２７を介して燃焼用空気供給器１０６が接続されている。燃焼用空気供給器１０６は、燃焼器１０３に酸化剤ガス（ここでは、空気）を供給するように構成されていて、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。燃焼器１０３には、貴金属元素などを含む触媒を担体に担持した燃焼触媒が充填されていて、燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガス（オフガス：水素ガス）を選択的に酸化（燃焼）するように構成されている。ここで、燃焼器１０３について、図２を参照しながらさらに説明する。
【００１８】
図２は、図１に示す燃料電池システム１００における燃焼器１０３の概略構成を示す模式図である。
【００１９】
図２に示すように、燃焼器１０３は、容器９１と、担体９２と、を有していて、容器９１内に担体９２が配置されている。担体９２は、ここでは、ハニカム状に形成されていて、その表面には、燃焼触媒が担持されている。
【００２０】
なお、担体９２は、燃焼触媒を担持する面積を大きくする観点から外表面に凹凸を有することが好ましく、オフガスの通過をよくする観点から非常に空隙率の大きな多孔質体であることがより好ましい。このような材質を有するものとして、例えば、メタルリボン、メタルハニカム、発泡金属、セラミックハニカム及びペレットなどが挙げられる。担体に用いる金属材料としては、鉄、ニッケル、クロムなどの元素を合金及び金属間化合物などを用いることができる。担体に用いるセラミック材料としては、アルミナ、ムライト、コージェライトなどを用いることができる。また、燃焼触媒を担持する面積を大きくする観点から多孔質体の細孔の内面に燃焼触媒が担持されていることがより好ましい。触媒に用いる貴金属元素としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム及び銀などを用いることができる。
【００２１】
また、燃焼器１０３の下流端には、燃焼ガス排出経路１２３の上流端が接続されており、燃焼ガス排出経路１２３の下流端は、燃料電池１００外に開放されている。また、燃焼ガス排出経路１２３の途中には、全熱交換器１０４が設けられており、該全熱交換器１０４の一次流路１０４Ａと燃焼ガス排出経路１２３とが連通するように全熱交換器１０４は構成されている。ここで、全熱交換器１０４について、図３を参照しながら説明する。
【００２２】
図３は、図１に示す燃料電池システム１００における全熱交換器１０４の概略構成を示す模式図である。
【００２３】
図３に示すように、全熱交換器１０４は、板状の全体形状を有する加湿セル１４０がその厚み方向に積層されて形成されている。加湿セル１４０は、片状の水蒸気透過膜１４１と、板状の湿潤ガスセパレータ１４２Ａと、乾燥ガスセパレータ１４２Ｂと、を有している。水蒸気透過膜１４１、湿潤ガスセパレータ１４２Ａ、及び乾燥ガスセパレータ１４２Ｂの周縁部には、厚み方向に貫通する湿潤ガス供給マニホールド孔１４４、湿潤ガス排出マニホールド孔（図示せず）、乾燥ガス供給マニホールド孔１４５、及び乾燥ガス排出マニホールド孔（図示せず）が設けられている。（以下、必要に応じて、湿潤ガス供給マニホールド孔１４４、湿潤ガス排出マニホールド孔、乾燥ガス供給マニホールド孔１４４及び乾燥ガス排出マニホールド孔を乾燥ガス供給マニホールド孔１４４等のマニホールド孔と呼ぶ。）水蒸気透過膜１４１に設けられた湿潤ガス供給マニホールド孔１４４は、加湿セル１４０を積層したときに厚み方向につながって、湿潤ガス供給マニホールド１５４のマニホールドが形成される。同様に、水蒸気透過膜１４１に設けられた湿潤ガス排出マニホールド孔、乾燥ガス供給マニホールド孔１４４及び乾燥ガス排出マニホールド孔は、加湿セル１４０を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、湿潤ガス排出マニホールド（図示せず）、乾燥ガス供給マニホールド１５５及び乾燥ガス排出マニホールドのマニホールド（図示せず）がそれぞれ形成される。
【００２４】
また、湿潤ガスセパレータ１４２Ａの水蒸気透過膜１４１と接触する側の主面（以下、内面という）には、湿潤ガス供給マニホールド孔１４４等のマニホールド孔を囲むように、シール部材（例えば、Ｏリング）１４６、１５０が設けられている。同様に、乾燥ガスセパレータ１４２Ｂの水蒸気透過膜１４１と接触する側の主面（以下、内面という）には、湿潤ガス供給マニホールド孔１４４等のマニホールド孔を囲むように、シール部材１４７、１５１が設けられている。さらに、乾燥ガスセパレータ１４２Ｂの水蒸気透過膜１４１と接触しない側の主面には、湿潤ガス供給マニホールド孔１４４等のマニホールド孔を囲むように、シール部材１５２、１５３が設けられている。
【００２５】
また、湿潤ガスセパレータ１４２Ａの内面には、湿潤ガス（ここでは、オフガス）を通流させるための湿潤ガス流路１４３Ａが設けられていて、湿潤ガス流路１４３Ａの周縁部には、該湿潤ガス流路１４３Ａを囲むように、シール部材１４８が設けられている。同様に、乾燥ガスセパレータ１４２Ｂの水蒸気透過膜１４１と接触する側の主面（以下、内面という）には、乾燥ガス（ここでは、酸化剤ガス）を通流させるための乾燥ガス流路１４３Ｂが設けられていて、乾燥ガス流路１４３Ｂの周縁部には、該乾燥ガス流路１４３Ｂを囲むように、シール部材１４９が設けられている。
【００２６】
そして、湿潤ガス供給マニホールド１５４、湿潤ガス流路１４３Ａ、及び湿潤ガス排出マニホールド（図示せず）から一次流路１０４Ａ（図１参照）が形成され、乾燥ガス供給マニホールド１５５、乾燥ガス流路１４３Ｂ、及び乾燥ガス排出マニホールド（図示せず）から二次流路１０４Ｂ（図１参照）が形成される。
【００２７】
このように構成された全熱交換器１０４では、一次流路１０４Ａと二次流路１０４Ｂとの間で、水を選択的に透過させることができる。換言すると、全熱交換器１０４では、水（水蒸気）以外の気体が、一次流路１０４Ａと二次流路１０４Ｂとの間で、互いにリークしないように構成されている。
【００２８】
なお、水蒸気透過膜１４１は、水蒸気を透過させる、厚み方向に貫通する微小な孔が多数設けられている膜（例えば、旭化成社製  商品名ハイポア７０２５）や水蒸気透過能力を有する膜（例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（Ｄｕ  Ｐｏｎｄ社製  商品名Ｎａｆｉｏｎ）で構成することができ、水蒸気を透過することができれば、特に限定されない。
【００２９】
そして、図１に示すように、燃料ガス供給器１０２から燃料電池１０１の燃料ガス内部流路５１に燃料ガスが供給され、燃料ガス内部流路５１に供給された燃料ガスは、燃料ガス内部流路５１を通流する間に、各セル７１のアノード４Ａ（図５参照）に供給されて、電気化学反応に供される。また、燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガス（オフガス）が、燃料ガス排出経路１２２に供給され、燃料ガス排出経路１２２を通流するオフガスは、燃焼器１０３で燃焼されて、熱が発生し、燃焼ガスである水（水蒸気）が生成される。生成された燃焼ガスは、全熱交換器１０４の一次流路１０４Ａに供給される。そして、全熱交換器１０４の一次流路１０４Ａを通流した燃焼ガスは、燃焼ガス排出経路１２３を介して、燃料電池システム１００外に排出される。
【００３０】
また、酸化剤ガス供給器１０５は、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路５２に酸化剤ガス（ここでは、空気）を供給することができるように構成されていて、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。具体的には、酸化剤ガス供給器１０５には、酸化剤ガス供給経路１２４の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路５２の上流端に接続されている。また、酸化剤ガス供給経路１２４の途中には、全熱交換器１０４が設けられており、該全熱交換器１０４の二次流路１０４Ｂと酸化剤ガス供給経路１２４とが連通している。すなわち、全熱交換器１０４は、燃焼ガス排出経路１２３と、酸化剤ガス供給経路１２４とに跨って設けられている。
【００３１】
また、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路５２の下流端には、酸化剤ガス排出経路１２５の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池システム１００の外部に開放されている。
【００３２】
これにより、酸化剤ガス供給器１０５から酸化剤ガス供給経路１２４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給経路１２４を通流して、全熱交換器１０４の二次流路１０４Ｂに供給される。二次流路１０４Ｂに供給された酸化剤ガスは、該二次流路１０４Ｂを通流する間に、一次流路１０４Ａを通流する燃焼ガス（水蒸気）と熱交換する。このとき、全熱交換器１０４は、一次流路１０４Ａと二次流路１０４Ｂとの間で、水を選択的に透過させるように構成されているため、二次流路１０４Ｂを通流する酸化剤ガスは、加湿される。また、一次流路１０４Ａを通流する気体に二酸化炭素等が含まれていたとしても、全熱交換器１０４は、水（水蒸気）以外の液体及び気体が、一次流路１０４Ａと二次流路１０４Ｂとの間で、互いにリークしないように構成されているため、酸化剤ガスに二酸化炭素等が混入することがない。このため、燃料電池１０１の出力低下が抑制される。
【００３３】
また、全熱交換器１０４で加湿された酸化剤ガスは、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路５２に供給され、酸化剤ガス内部流路５２に供給された酸化剤ガスは、該酸化剤ガス内部流路５２を通流する間に、各セル７１のカソード４Ｂ（図５参照）に供給されて、電気化学反応に供される。燃料電池１０１で使用されなかった余剰の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１２５から燃料電池システム１００外に排出される。
【００３４】
そして、燃料電池１０１では、各セル７１のアノード４Ａに供給された燃料ガスとカソード４Ｂに供給された酸化剤ガスが、電気化学的に反応して水が生成し、電気と熱が発生する。なお、燃料電池１０１には、インバータ（図示せず）が電気的に接続されていて、インバータは、燃料電池１０１が発電した直流電力を交流電力に変換し、燃料電池システム１００外の電力負荷にその交流電力を供給する。
【００３５】
また、燃料電池１０１には、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発生した熱を回収して、燃料電池１０１を冷却するための冷却媒体（例えば、水）が通流する冷却媒体内部流路５３が設けられている。冷却媒体内部流路５３には、冷却媒体循環路１２６が接続されており、冷却媒体循環路１２６の途中には、冷却媒体タンク１０７が設けられている。なお、冷却媒体循環路１２６の途中には、冷却媒体循環路１２６及び冷却媒体内部流路５３を通流する冷却媒体の流量を調整するためのポンプ（図示せず）が設けられている。これにより、燃料電池１０１内を所定の温度に保つことができる。
【００３６】
制御器１１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。
【００３７】
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御装置群をも意味する。このため、制御器１１０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。
【００３８】
［燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１の構成について、図４を参照しながら説明する。
【００３９】
図４は、図１に示す燃料電池システム１００における燃料電池１０１の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図４において、燃料電池１０１の上下方向を図における上下方向として表している。
【００４０】
図４に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１０１は、板状の全体形状を有するセル（単電池）７１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体８１と、セル積層体８１の両端に配置された第１端板６１Ａ及び第２端板６１Ｂと、セル積層体８１と第１及び第２端板６１Ａ、６１Ｂとをセル７１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第１及び第２端板６１Ａ、６１Ｂの内方には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル７１は、鉛直面に平行に延在しており、セル７１の積層方向は水平方向となっている。
【００４１】
セル積層体８１には、該セル積層体８１のセル７１の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス排出マニホールド１３２、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス排出マニホールド１３４、冷却媒体供給マニホールド１３５、及び冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。具体的には、セル積層体８１における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられていて、その下方には、冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。また、燃料ガス供給マニホールド１３１の上方の内側には、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。また、セル積層体８１における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の上部には、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、その下方には、酸化剤ガス供給マニホールド１３３が設けられている。また、酸化剤ガス供給マニホールド１３３の下方の内側には、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。
【００４２】
また、燃料ガス供給マニホールド１３１の第１端板６１Ａ側端には、燃料ガス供給経路１２１の下流端が接続されていて、燃料ガス排出マニホールド１３２の第２端板６１Ｂ側端には、燃料ガス排出経路１２２の上流端が接続されている。また、酸化剤ガス供給マニホールド１３３の第２端板６１Ｂ側端には、酸化剤ガス供給経路１２４の下流端が接続されていて、酸化剤ガス排出マニホールド１３４の第１端板６１Ａ側端には、酸化剤ガス排出経路１２５の上流端が接続されている。さらに、冷却媒体供給マニホールド１３５の第２端板６１Ｂ側端には、冷却媒体循環路１２６の一端が接続されており、冷却媒体排出マニホールド１３６の第１端板６１Ａ側端には、冷却媒体循環路１２６の他端が接続されている。
【００４３】
[セルの構成]
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００におけるセル７１の構成について図５を参照しながら説明する。
【００４４】
図５は、図４に示す燃料電池１０１におけるセル７１の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００４５】
図５に示すように、セル７１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を有している。ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード４Ａと、カソード４Ｂと、を有していて、高分子電解質膜１の両面に、その周縁部より内方に位置するようにアノード４Ａとカソード４Ｂが、それぞれ設けられている。
【００４６】
高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。高分子電解質膜１の周縁部には、高分子電解質膜１の厚み方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４等の各マニホールド孔が設けられている。
【００４７】
なお、高分子電解質膜１としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるＤｕ  Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）、旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名）やＡｃｉｐｌｅｘ（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳＩＩ等を使用することができる。
【００４８】
高分子電解質膜１の一方の主面には、アノード４Ａが設けられていて、高分子電解質膜１の他方の主面には、カソード４Ｂが設けられている。アノード４Ａは、電極触媒（例えば、白金等の貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるアノード触媒層２Ａと、アノード触媒層２Ａの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。同様に、カソード４Ｂは、電極触媒（例えば、白金等の貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。
【００４９】
なお、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
【００５０】
また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。
【００５１】
また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂとしては、例えば、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをアノードガス拡散層３Ａ又はカソードガス拡散層３Ｂの中に分散させてもよい。さらに、充分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でアノードガス拡散層３Ａ又はカソードガス拡散層３Ｂを構成してもよい。
【００５２】
さらに、アノードガス拡散層３Ａとアノード触媒層２Ａとの間、及び、カソードガス拡散層３Ｂとカソード触媒層２Ｂとの間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。これにより、ＭＥＡ５における水管理（ＭＥＡ５の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易に、かつ、より確実に行うことができる。
【００５３】
次に、セル７１の他の要素について説明する。
【００５４】
ＭＥＡ５の高分子電解質膜１の一方の主面の周縁部には、アノード４Ａを囲むようにフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されていて、同様に、高分子電解質膜１の他方の主面の周縁部には、カソード４Ｂを囲むようにフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが抑制され、また、セル７１内でこれらのガスが互いに混合されることが抑制される。なお、ガスケット７の周縁部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００５５】
さらに、ＭＥＡ５とガスケット７、７を挟むように、導電性を有する板状のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数のセル７１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６Ａ、６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５６】
また、図５に示すように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂは、ＭＥＡ５とガスケット７、７を挟むように配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数のセル７１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５７】
アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード４Ｂと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。なお、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び冷却媒体流路１０は、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの主面のほぼ全域を反応ガス又は熱媒体が通流するようにすれば、どのような形状であってもよい。
【００５８】
これにより、燃料ガスは、アノード４Ａに接触するようにして燃料ガス流路８を通流し、該燃料ガス流路８を通流する間にアノード４Ａに供給される。また、酸化剤ガスは、カソード４Ｂに接触するようにして酸化剤ガス流路９を通流し、該酸化剤ガス流路９を通流する間にカソード４Ｂに供給される。アノード４Ａ及びカソード４Ｂに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが反応して電気と熱が発生し、水を生成する。また、冷却媒体が冷却媒体流路１０に通流することにより、発生した熱の回収が行われる。
【００５９】
そして、このように構成されたセル７１をその厚み方向に積層することにより、セル積層体８１が形成される（図４参照）。このとき、高分子電解質膜１、ガスケット７、アノードセパレータ６Ａ、及びカソードセパレータ６Ｂに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔３４等のマニホールド孔は、セル７１を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、酸化剤ガス排出マニホールド１３４等のマニホールドが、それぞれ形成される。そして、セル積層体８１の両端に集電板及び絶縁板を配置し、その両端に更に第１端板４１Ａ及び第２端板４１Ｂを配置して、締結具で締結することにより、燃料電池１０１が形成される。
【００６０】
なお、各セル７１に設けられた燃料ガス流路８、燃料ガス供給マニホールド１３１、及び燃料ガス排出マニホールド１３２から燃料ガス内部流路５１が構成され、また、各セル７１に設けられた酸化剤ガス流路９、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、及び酸化剤ガス排出マニホールド１３４から酸化剤ガス内部流路５２が構成される。
【００６１】
このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、全熱交換器１０４を用いて酸化剤ガスを加湿しているため、二酸化炭素等が酸化剤ガスに混入することがない。このため、燃料電池１０１の出力低下を抑制することができる。また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガス（オフガス）を、燃焼触媒で燃焼させることにより、水を生成するので、省エネルギーで酸化剤ガスを加湿することができる。さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料ガス排出経路１２２に燃焼器１０３を配設し、該燃焼器１０３の下流側の燃焼ガス排出経路１２３と、酸化剤ガス供給経路１２４とに跨るように、全熱交換器１０４を配設することで、燃料電池システム１００を複雑化することなく、燃料電池１０１に供給する酸化剤ガスを加湿することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００６３】
図６に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃焼用空気供給器が設けられていない点が異なる。具体的には、燃焼器１０３には、酸化剤ガス排出経路１２５の下流端が接続されていて、燃料電池１０１で使用されなかった酸化剤ガスが、燃焼器１０３に燃焼用空気として供給される。
【００６４】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、燃焼用空気供給器を設けていないため、より燃料電池システム１００を複雑化することがなく、また、低コスト化をより図ることができる。
【００６５】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００６６】
図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給器１０２が水素生成装置で構成され、また、該水素生成装置１０２の改質器１０２Ｂを燃焼器１０３が加熱するように構成されている点が異なる。なお、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、燃料ガス供給器１０２として、水素生成装置を用いたことにより、逆止弁１０８とポンプ１０９を設けない構成としている。
【００６７】
具体的には、水素生成装置１０２は、バーナ１０２Ａ、改質器１０２Ｂ、変成器、及び浄化器（いずれも図示せず）を有していて、バーナ１０２Ａ及び燃焼器１０３で生成された燃焼ガスの伝熱を利用して、改質器１０２Ｂ等が加熱される。水素生成装置１０２の改質器１０２Ｂには、原料ガス供給器（図示せず）から原料ガス（例えば、メタン）が供給され、また、水供給器（図示せず）から水が供給される。
【００６８】
そして、改質器１０２Ｂでは、原料ガス供給器から供給される原料ガスと、水供給器から供給される水と、が改質反応することにより、水素リッチな改質ガスが生成される。また、変成器及び浄化器では、改質器１０２Ｂで生成された改質ガスを、変成反応及び選択反応させることにより、一酸化炭素が数ｐｐｍ以下にまで低減した燃料ガスが生成される。
【００６９】
このようにして水素生成装置１０２で生成された燃料ガスは、水素生成装置１０２の出口から燃料ガス供給経路１２１を介して、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路５１に供給される。
【００７０】
また、燃焼器１０３は、ここでは、水素生成装置１０２の外壁と接触するように設けられていて、燃焼器１０３で生成された燃焼ガスが有する熱を水素生成装置１０２の外壁を介して伝達し、水素生成装置１０２内に配置されている改質器１０２Ｂ等を加熱するように構成されている。なお、本実施の形態３においては、燃焼器１０３は、水素生成装置１０２の外部に配置する構成としたが、これに限定されず、水素生成装置１０２の改質器１０２Ｂ等を加熱することができれば、水素生成装置１０２の内部に配置する構成としてもよい。
【００７１】
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００７２】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００７３】
図８に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給器１０２が、水素生成装置で構成され、また、該水素生成装置１０２のバーナ１０２Ａに燃焼ガス排出経路１２３の下流端が接続されている点が異なる。なお、水素生成装置１０２の構成は、上記実施の形態３で説明しているため、その詳細な説明は省略する。
【００７４】
ところで、燃料電池１０１から燃焼器１０３に供給されたオフガスの全てが、燃焼反応に供されるわけではない。本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、燃焼器１０３で燃焼されなかったオフガスを、燃焼用燃料として、水素生成装置１０２のバーナ１０２Ａに供給している。これにより、水素生成装置１０２の改質器１０２Ｂをより効率よく加熱することができる。
【００７５】
このため、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏するとともに、より省エネルギー化を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力低下を抑制し、システムを複雑化することなく省エネルギーで、酸化剤ガスを加湿することが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃焼器の概略構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す燃料電池システムにおける全熱交換器の概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】図５は、図４に示す燃料電池におけるセルの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード触媒層
２Ｂ  カソード触媒層
３Ａ  アノードガス拡散層
３Ｂ  カソードガス拡散層
４Ａ  アノード
４Ｂ  カソード
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス流路
９  酸化剤ガス流路
１０  冷却媒体流路
３４  酸化剤ガス排出マニホールド孔
５１  燃料ガス内部流路
５２  酸化剤ガス内部流路
５３  冷却媒体内部流路
６１Ａ  第１端板
６１Ｂ  第２端板
７１  セル
８１  セル積層体
９１  容器
９２  担体
１００  燃料電池システム
１０１  燃料電池
１０２  水素生成装置（燃料ガス供給器）
１０２Ａ  バーナ
１０２Ｂ  改質器
１０３  燃焼器
１０４  全熱交換器
１０４Ａ  一次流路
１０４Ｂ  二次流路
１０５  酸化剤ガス供給器
１０６  燃焼用燃料ガス供給器
１０７  冷却媒体タンク
１０８  逆止弁
１０９  ポンプ
１１０  制御器
１２１  燃料ガス供給経路
１２２  燃料ガス排出経路
１２３  燃焼ガス排出経路
１２４  酸化剤ガス供給経路
１２５  酸化剤ガス排出経路
１２６  冷却媒体循環路
１２７  燃焼用空気供給経路
１３１  燃料ガス供給マニホールド
１３２  燃料ガス排出マニホールド
１３３  酸化剤ガス供給マニホールド
１３４  酸化剤ガス排出マニホールド
１３５  冷却媒体供給マニホールド
１３６  冷却媒体排出マニホールド
１４０  加湿セル
１４１  水蒸気透過膜
１４２Ａ  湿潤ガスセパレータ
１４２Ｂ  乾燥ガスセパレータ
１４３Ａ  湿潤ガス流路
１４３Ｂ  乾燥ガス流路
１４４  湿潤ガス供給マニホールド孔
１４５  乾燥ガス供給マニホールド孔
１４７  シール部材
１４８  シール部材
１４９  シール部材
１５０  シール部材
１５１  シール部材
１５２  シール部材
１５３  シール部材
１５４  湿潤ガス供給マニホールド
１５５  乾燥ガス供給マニホールド
【図１】
2010182517.tif 000003
【図２】
2010182517.tif 000004
【図３】
2010182517.tif 000005
【図４】
2010182517.tif 000006
【図５】
2010182517.tif 000007
【図６】
2010182517.tif 000008
【図７】
2010182517.tif 000009
【図８】
2010182517.tif 000010