(57)【要約】【課題】加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利な加湿システム及び燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】加湿システムは、ガスを加湿する加湿部４１と加湿部４１にガスを導入する導入口４４と加湿部４１で加湿されたガスを導出する導出口４５とをもつ加湿器４と、加湿器４の導入口４４よりも上流に設けられた導入通路５と、導入通路５を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部６とを備えている。燃料電池発電システムに適用できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを加湿する加湿部と前記加湿部にガスを導入する導入口と前記加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とをもつ加湿器と、
前記加湿器の前記導入口よりも上流に設けられた導入通路と、
前記導入通路を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部とを具備していることを特徴とする加湿システム。
【請求項２】
請求項１において、前記導入通路は、少なくとも２本に分岐された分岐通路を有しており、前記ガス温度調整部は、一方の前記分岐通路を流れるガスを、他方の前記分岐通路を流れるガスよりも予熱する予熱量が大きくなるように設定されていることを特徴とする加湿システム。
【請求項３】
請求項２において、少なくとも２本に分岐された前記分岐通路をそれぞれ流れるガスの流量を可変とするガス流量可変要素が設けられていることを特徴とする加湿システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記ガス温度調整部は、前記導入通路の少なくも一部に接触させる流体媒体を収容する収容部を備えており、前記流体媒体を介して前記導入通路の少なくも一部を加熱することを特徴とする加湿システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記ガス温度調整部は、前記導入通路を流れるガスを直接または間接的に予熱するように、前記導入通路に付設されたヒータを備えていることを特徴とする加湿システム。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記ガス温度調整部は、前記導入通路を流れるガスまたは前記導入通路に供給されるガスの温度を検知する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出されたガスの温度に基づいて、前記ガス温度調整部による温度調整量を可変とする制御装置とを備えていることを特徴とする加湿システム。
【請求項７】
燃料が供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有する燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤配管と、
前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料配管と、
前記酸化剤配管及び前記燃料配管のうちの少なくとも一方に配設された加湿システムとを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記加湿システムは
前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿部と前記加湿部にガスを導入する導入口と前記加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とをもつ加湿器と、
前記加湿器の前記導入口よりも上流に設けられた導入通路と、
前記導入通路を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部とを具備していることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項７において、前記ガス温度調整部は、前記導入通路の少なくも一部に接触する流体媒体を収容する収容部を備えており、前記流体媒体を介して前記導入通路の少なくも一部を加熱することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項７において、前記収容部は、前記燃料電池を冷却する冷却液を介して加熱された加熱水を貯留する貯湯槽であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項７〜請求項９のうちのいずれか一項において、更に、燃料を燃焼させる燃焼部と燃焼部により加熱され改質原料を改質させて発電用の燃料ガスを形成する改質部本体とを有する改質部が設けられており、
前記ガス温度調整部は、前記燃焼部を経た燃焼排ガス及び改質された発電用の燃料ガスのうちの少なくとも一方が有する熱量により、前記導入通路の少なくも一部を加熱するように設定されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスを加湿する加湿システム及び燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスの加湿を行う加湿器として、ガスを加湿する加湿部と、加湿部にガスを導入する導入口と、加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とを有するものが知られている。このような加湿器に関する技術として、特許文献１には、導水部材と導水部材の全面を被う透湿膜とからなる導水体の端部を樹脂製のセパレータで挟んだ加湿シートが開示されている。
【０００３】
また、燃料電池発電システムとして、燃料が供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤配管と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料配管と、酸化剤配管に配設された加湿システムとを有するものが知られている。更に、燃料電池発電システムに用いられる加湿技術として、特許文献２には、ガスを加湿する中空糸膜モジュールを有する加湿器のガス出口及びガス入口を暖める温水ライザーを設ける技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１７６９３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した装置によれば、外気を加湿器に導入している。ここで、外気の温度は必ずしも安定しておらず、空気に含まれる水蒸気量にムラが生じることがあった。殊に、気温が低い冬期または地域等においては、加湿器に導入される空気の温度が低いことがあり、この場合、空気の飽和蒸気圧が低いため、空気に含まれる水蒸気量の増加にも限界があり、加湿量の増加にも限界があった。
【０００５】
また、特許文献２に係る技術は、加湿器のガス出口及びガス入口を温水ライザーにより暖めることにしているため、加湿器の導入口に供給される前のガスを暖める方式ではなく、加湿器自体を加熱する方式である。このため加湿器に既に導入されたガスを加湿器内で暖めることになり、ガスの加熱には限界がある。このため燃料電池に供給される加湿量の増加、加湿量の安定化には限界がある。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、加湿器の導入口に供給される前のガスを暖めることができ、これにより加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利な加湿システム及び燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明に係る加湿システムは、ガスを加湿する加湿部と加湿部にガスを導入する導入口と加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とをもつ加湿器と、加湿器の導入口よりも上流に設けられた導入通路と、導入通路を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部とを具備していることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る加湿システムによれば、加湿されるガスは、加湿器の導入口から加湿器に流れ、加湿部で加湿された後に加湿器の導出口から導出される。ガスは、加湿器の導入口に導入される前に、ガス温度調整部により予熱されて暖められている。このため加湿器における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。
【０００９】
（２）本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料が供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤配管と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料配管と、酸化剤配管及び燃料配管のうちの少なくとも一方に配設された加湿システムとを具備する燃料電池発電システムにおいて、
加湿システムは、燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿部と加湿部にガスを導入する導入口と加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とをもつ加湿器と、加湿器の導入口よりも上流に設けられた導入通路と、導入通路を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部とを具備していることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、ガスは、加湿器の導入口から加湿器に流れ、加湿部で加湿された後に加湿器の導出口から導出され、燃料電池に供給される。従って、加湿されるガスは、加湿器の導入口に導入される前に、ガス温度調整部により予熱されて温度調整される。加湿器の導入口に到達したガスは、暖められている。このため加湿器における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利な加湿システム及び燃料電池発電システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
加湿システムは、ガスを加湿する加湿部と加湿部にガスを導入する導入口と加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とをもつ加湿器と、加湿器の導入口よりも上流に設けられた導入通路と、導入通路を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部とを備えている。加湿部はガスを加湿できるものであれば良く、含水膜を用いても良いし、中空糸膜モジュールを用いても良い。
【００１３】
導入通路は、少なくとも２本に分岐された分岐通路を有する形態を例示することができる。この場合、ガス温度調整部は、一方の分岐通路を流れるガスの予熱量と、他方の分岐通路を流れるガスの予熱量とを異ならせるように設定されている形態を例示することができる。
【００１４】
また、導入通路は、少なくとも２本に分岐された分岐通路を有する形態を例示することができ、この場合、ガス温度調整部は、一方の分岐通路を流れるガスを、他方の分岐通路を流れるガスよりも予熱して温度調整する予熱量が大きくなるように設定されている形態を例示することができる。この場合、ガスの温度が低過ぎるときには、一方の分岐通路を流れるガスを予熱する予熱量を増加させることができる。またガスの温度が高過ぎるときには、一方の分岐通路を流れるガスを予熱する予熱量を減少させることができる。これにより加湿器の導入口に供給されるガスの温度を調整できる。
【００１５】
少なくとも２本に分岐された分岐通路をそれぞれ流れるガスの流量を可変とするガス流量可変要素が設けられている形態を例示することができる。この場合、各分岐通路を流れるガス流量を可変とすれば、加湿器の導入口に導入されるガスの温度を調整できる。この場合、導入通路を流れるガスまたは導入通路に供給されるの温度を検知する温度検出手段を設け、温度検出手段で検出されたガスの温度に基づいて、ガス温度調整部の温度調整量を可変とすることができる。
【００１６】
ガス温度調整部は、導入通路の少なくも一部に接触させる流体媒体を収容する収容部を備えており、流体媒体を介して導入通路の少なくも一部を加熱する形態を例示することができる。流体媒体としては水、アルコール等の液状物が好ましい。このように流体媒体を介して導入通路を加熱すれば、加熱の均一化に有利である。ガス温度調整部は、導入通路を流れるガスを直接的にまたは間接的に予熱できるように、導入通路に付設されたヒータを備えている形態を例示することができる。この場合、導入通路を流れるガスをヒータにより予熱することができる。ヒータについては、導入通路を直接的に加熱しても良いし、液状物等の流体媒体を介して導入通路を間接的に加熱しても良い。ヒータは加熱できる機能をもつものであれば、加熱源を問わない。
【００１７】
ガス温度調整部は、導入通路を流れるガスの温度を検知する温度検出手段と、温度検出手段で検出されたガスの温度に基づいて、ガス温度調整部による温度調整量を可変とする制御装置とを備えている形態を例示することができる。この場合、温度検出手段で検出されたガスの温度に基づいて、制御装置はガス温度調整部の温度調整量を可変とすることができる。従って加湿器の導入口に導入されるガスの適温化を図り得る。温度検出手段で検出するガスの温度ガスとしては、ガス温度調整部を出たガスの温度、ガス温度調整部に入る前のガスの温度、加湿器の導入口に入る前のガスの温度等を例示できる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料が供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤配管と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料配管と、酸化剤配管及び燃料配管のうちの少なくとも一方に配設された加湿システムとを備えている。加湿システムは、燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿部と加湿部にガスを導入する導入口と加湿部で加湿されたガスを導出する導出口とをもつ加湿器と、加湿器の導入口よりも上流に設けられた導入通路と、導入通路を流れるガスを予熱して温度調整するガス温度調整部とを備える。加湿システムにより加湿されるガスとしては、酸化剤ガス、燃料ガスのいずれでも良い。燃料電池の種類によっては、酸化剤ガスのみならず燃料ガスを加湿させることもある。
【００１９】
ガス温度調整部は、導入通路の少なくも一部を浸漬させる流体媒体（例えば水等）を収容する収容部を備えており、流体媒体を介して導入通路の少なくも一部を加熱する形態を例示することができる。収容部については、燃料電池を冷却する冷却液（例えば水等）を介して加熱された加熱水を貯留する容器とすることができる。容器としては貯湯槽を利用できる。この場合、貯湯槽の熱を有効利用できる。燃料電池に供給される燃料としては、改質部で改質原料を改質して形成した改質ガスでも良いし、あるいは、燃料貯蔵タンクから吐出される水素ガス又は水素含有ガス等の燃料でも良い。
【００２０】
本発明によれば、燃料を燃焼させる燃焼部と燃焼部により加熱され改質原料を改質させて発電用の燃料ガスを形成する改質部本体とを有する改質部が設けられている形態を例示することができる。この場合、ガス温度調整部は、燃焼部を経た燃焼排ガス及び改質された発電用の燃料ガスのうちの少なくとも一方が有する熱量により、導入通路の少なくも一部を加熱するように設定されている形態を例示することができる。これにより改質部で発生した熱を利用して導入通路を加熱できる。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の実施例を図１を参照して説明する。本実施例は燃料電池発電システムに適用したものである。図１に示すように、燃料電池発電システムは、燃料が供給される燃料極１０と酸化剤ガスが供給される酸化剤極１１とを有する燃料電池１と、燃料電池１の上流に設けられ燃料電池１の酸化剤極１１に酸化剤を供給するために酸化剤を流す酸化剤配管１３と、燃料電池１の上流に設けられ燃料電池１の燃料極１０に燃料を供給するために燃料を流す燃料配管１４と、酸化剤配管１３に配設された加湿システム３とを備えている。酸化剤配管１３及び燃料配管１４は燃料電池１に接続されている。
【００２２】
燃料電池１において燃料極１０と酸化剤極１１との間には電解質膜が設けられている。燃料配管１４の先端は燃料貯蔵タンクまたは燃料ガス配管等の燃料源に繋がる。酸化剤配管１３には酸化剤ガスを搬送するブロア等の酸化剤搬送源１７が設けられている。酸化剤配管１３においては、燃料電池１の上流に第１開閉バルブ２１が設けられ、燃料電池１の下流には酸化剤ガスを排出するオフガス通路１３ｃが設けられている。オフガス通路１３ｃには第２開閉バルブ２２が設けられている。燃料配管１４には燃料を搬送するブロア等の燃料搬送源１８が設けられている。燃料配管１４においては、燃料電池１の上流に第３開閉バルブ２３が設けられ、燃料電池１の燃料極１０の下流には燃料ガスのオフガスを排出する配管１４ｅが設けられ、この配管１４ｅには第４開閉バルブ２４が設けられている。
【００２３】
燃料電池１を冷却するための冷却系２が燃料電池１に付設されている。冷却系２は、燃料電池１に付設されている冷却部１５の冷却水吐出ポート１５ａ及び冷却水帰還ポート１５ｃに繋がる冷却通路２０と、冷却通路２０を流れる冷却水を搬送して循環させるポンプなどの冷却水搬送源２５と、冷却通路２０のうちの一部で構成された加熱部２６とを有する。冷却水搬送源２５が駆動すると、冷却通路２０の冷却水が冷却通路２０及び冷却部１５を循環して燃料電池１を冷却する。
【００２４】
図１に示すように、加湿システム３は、酸化剤配管１３を流れるガス（酸化剤ガス）を加湿する加湿器４と、加湿器４よりも上流に設けられ酸化剤配管１３の一部を構成するた導入通路５と、加湿器４よりも上流に設けられ導入通路５を流れるガスの温度を調整するガス温度調整部６とを備えている。酸化剤ガスは空気を用いる。
【００２５】
加湿器４は、基体４０と、加湿室４２及び吸湿室４３を仕切る含水可能なシート状の加湿部４１と、加湿器４の加湿室４２にガスを導入する導入口４４と、加湿部４１で加湿されたガスを導出する導出口４５とをもつ。加湿部４１はシート状に限定されない。加湿器４の吸湿室４３はオフガス通路１３ｃに繋がる。従って、燃料電池１の酸化剤極１１から吐出された酸化剤ガスの発電反応後のオフガスは、オフガス通路１３ｃを経て加湿器４の吸湿室４３に供給され、オフガスの水分は加湿部４１に奪われ、加湿部４１の水分は増加する。加湿器４の加湿室４２に供給されたガスは加湿部４１により加湿される。これにより燃料電池１の酸化剤極１１に供給されるガスは加湿される。オフガスは加湿器４の排出口４６から排出される。
【００２６】
図１に示すように、導入通路５は、ガス予熱用の第１分岐通路５１と、第１分岐通路５１に並設されガス予熱を予定しない第２分岐通路５２とに分岐されている。第１分岐通路５１及び第２分岐通路５２は分岐部５３により分岐され、合流部５４で合流している。ガス流量可変要素として導入バルブ５５が導入通路５に設けられている。導入バルブ５５は、第１分岐通路５１を流れる単位時間当たりのガスの流量Ｖ１と、第２分岐通路５２を流れる単位時間当たりのガスの流量Ｖ２とを連続的にまたは段階的に可変とする。このようにＶ１及びＶ２の比率を可変とすれば、加湿器４の導入口４４に導入されるガスの温度を微調整できる。
【００２７】
導入バルブ５５は全閉・全開方式でもよいし、開口量を連続的または段階的に可変とする方式でも良い。
【００２８】
ガス温度調整部６は、導入通路５を構成する第１分岐通路５１の少なくとも一部を浸漬させて第１分岐通路５１に接触させる流体媒体としての水６１を収容する容器６０（収容部）と、容器６０内の水６１を加熱する電気式のヒータ６２と、燃料電池１の冷却系２の冷却通路２０の一部である加熱部２６とを有する。容器６０は非密閉式でも良いし、密閉式でも良い。容器６０の内容量は適宜選択できる。容器６０は通常の容器でも良いし、あるいは、保温性を有するように断熱層で覆われているタイプでも良い。水６１に浸漬されている第１分岐通路５１の部分はコイル状に図示されているが、コイル状に限定されるものではなく、要するに水６１と熱交換可能とされていれば良い。
【００２９】
加熱部２６は容器６０内の水６１（流体媒体，液状物）に浸漬されており、水６１を加熱することができる。加熱部２６はコイル状に模式化されているが、コイル状に限定されるものではない。ヒータ６２は、容器６０内の水６１に浸漬させた状態で第１分岐通路５１から離間しても良いし、あるいは、容器６０内の水６１に浸漬させた状態で第１分岐通路５１に一体的に取り付けて、ヒータ６２からの熱伝達性を高めても良い。後者の場合、ヒータ６２を第１分岐通路５１に巻き付けても良いし、第１分岐通路５１に並走させても良い。
【００３０】
なお、図１では第１分岐通路５１は１個のみ設けられているが、複数個の第１分岐通路５１を水６１に浸漬させても良い。また図１では、伝熱面積を増加させるために第１分岐通路５１は螺旋的に巻回状態として図示されているが、これに限られるものでない。第１分岐通路５１に伝熱面積を増加させる伝熱フィンを設けても良い。
【００３１】
容器６０内の水６１はヒータ６２で加熱されるばかりか、燃料電池１を冷却する冷却系２の冷却通路２０の加熱部２６によっても加熱される。第１分岐通路５１は容器６０内の水６１に浸漬されているが、第２分岐通路５２は容器６０内の水６１に浸漬されていない。本実施例によれば、容器６０に収容されている水６１を介して導入通路５の第１分岐通路５１を間接的に加熱するため、急激加熱を抑制でき、更に、水６１と第１分岐通路５１との伝熱面積を増加でき、第１分岐通路５１を流れるガスの均一加熱化に有利である。
【００３２】
容器６０内の水６１については、相対的に高温の水が上側に存在しがちであるため、第１分岐通路５１を容器６０内の水６１の上側に設けることができる。場合によっては、第１分岐通路５１は容器６０内の水６１の中間側または下側に設けることもできる。
【００３３】
本実施例によれば、加湿器４の導入口４４に供給されるガスの温度を検知する温度検出手段９０を加湿器４の導入口４４の上流、つまり、ガス温度調整部６の出口側に設けている。具体的には、温度検出手段９０は、ガス温度調整部６の出口から流れるガスの温度を検出する。温度検出手段９０で検出されたガスの温度に基づいて、制御装置９１は、ガス温度調整部６の温度調整量を可変とする。即ち、加湿器４の導入口４４に導入される前（ガス温度調整部６を出た後）のガスの温度が適温よりも低過ぎるときには、第１分岐通路５１を流れるガスを予熱する予熱量を増加させる。このため、制御装置９１は、導入バルブ５５の開放量を低減させたり導入バルブ５５を閉鎖することにより第１分岐通路５１を流れるガスの流量を増加させる指令を導入バルブ５５に出力する。また、加湿器４の導入口４４に導入される前（ガス温度調整部６を出た後）のガスの温度が適温よりも高過ぎるときには、第２分岐通路５２にガスをバイパスさせる量を増加させることにより、第１分岐通路５１を流れるガスを予熱する予熱量を減少させる。即ち、ガス温度調整部６の出口から流れるガスの温度に応じて、制御装置９１は、導入バルブ５５の開放量を増加させたり導入バルブ５５を全開とすることにより、第１分岐通路５１を流れるガスの流量を減少させたり０とする指令を導入バルブ５５に出力する。このようにして加湿器４の導入口４４に供給されるガスの温度を調整でき、加湿器４の導入口４４に導入される前のガスの適温化を図り得る。
【００３４】
また、温度検出手段９０で検出されたガスの温度に基づいて、制御装置９１は、ヒータ６２の発熱量を可変とすることができる。具体的には、システムの起動直後等のように、加湿器４の導入口４４に導入される前（ガス温度調整部６を出た後）のガスの温度が適温よりも低過ぎるときには、ヒータ６２の発熱量を増加させる。また、加湿器４の導入口４４に導入される前（ガス温度調整部６を出た後）のガスの温度が適温よりも高過ぎるときには、ヒータ６２の発熱量を低下させたり、０にできる。
【００３５】
本実施例では、容器６０内の水６１の温度を検出する温度検出手段９５が設けられている。そして、温度検出手段９５で検出された水６１の温度に基づいて、制御装置９１は、ヒータ６２の発熱量を可変とすることができる。具体的には、システムの起動直後等のように、容器６０内の水６１の温度が適温よりも低過ぎるときには、ヒータ６２の発熱量を増加させる。また、容器６０内の水６１の温度が適温よりも高過ぎるときには、ヒータ６２の発熱量を低下させたり、０とする。これにより容器６０内の水６１の温度を一定領域に維持する。なお、温度検出手段９０による制御が容易であるときには、温度検出手段９５を廃止することもできる。
【００３６】
燃料電池１の発電運転時には、第１開閉バルブ２１及び第２開閉バルブ２２が開放し、酸化剤ガスが酸化剤配管１３を介して燃料電池１の酸化剤極１１に供給される。また、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４が開放し、燃料ガスが燃料配管１４を介して燃料電池１の燃料極１０に供給される。これにより発電が行われる。
【００３７】
以上説明したように本実施例によれば、酸化剤ガスは、加湿器４の導入口４４に導入される前に、ガス温度調整部６により予熱されて温度調整され、適温化される。このため加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。殊に加湿器４それ自体を加熱する方式ではなく、加湿器４の導入口４４に導入される直前のガスをガス温度調整部６の加熱された水６１により暖める方式であるため、ガスを効果的に且つ均一的に暖めることができ、加湿量の増加、加湿量の安定化に有利である。故に、冬期または寒冷地であっても、加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。これにより燃料電池１の早期運転を行うことができ、発電効率を安定化させ得る。
【００３８】
殊に、燃料電池発電システムの起動時には、容器６０内の水６１の温度が低かったり、燃料電池１の温度が低いため冷却系２の加熱部２６の温度が低かったりすることがある。このような場合であっても、ヒータ６２により容器６０内の水６１を迅速に加熱できるため、ガスの温度をガス温度調整部６により迅速に予熱することができる。燃料電池発電システムが起動時から定常運転に移行すれぱ、燃料電池１の温度が上昇するため、冷却系２の加熱部２６の温度が上昇する。この場合、制御装置９１は、ヒータ６２の電力使用量を減少させるために、ヒータ６２への給電量を減少させてヒータ６２の発熱量を減少させたり０にすることができる。なお上記したようにガス温度調整部６の水６１を利用しているが、水６１は比熱が大きいため、水６１の温度の変動頻度を抑制するのに有利であり、加湿量の安定化に貢献できる。
【実施例２】
【００３９】
図２は実施例２を模式的に示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。燃料電池１を冷却するための冷却系２が燃料電池１に付設されている。冷却系２は、燃料電池１の冷却水吐出ポート１５ａ及び冷却水帰還ポート１５ｃに繋がる冷却通路２０と、冷却通路２０を流れる冷却水を搬送して循環させるポンプなどの冷却水搬送源２５と、冷却通路２０のうちの一部で構成された加熱部２６とを有する。冷却水搬送源２５が駆動すると、冷却通路２０の冷却水が冷却通路２０を循環して燃料電池１を冷却する。
【００４０】
図２に示すように、燃料電池１の排熱を有効利用する貯湯システム７の貯湯槽７０が容器として設けられている。貯湯槽７０は、実施例１の場合の容器６０よりも水の収容量が大型化している。貯湯システム７は、貯湯槽７０と、貯湯槽７０の吐出ポート７１と貯湯槽７０の吸込ポート７２とを繋ぐ循環通路７３と、循環通路７３に設けられ水を搬送するポンプなどの水搬送源７４と、貯湯槽７０の水が減少したときに貯湯槽７０内に水道水等の水を補充する補水部７５と、循環通路７３に設けられた熱交換器７６とを有する。熱交換器７６は、循環通路７３を流れる水と、冷却通路２０を流れる冷却水とを熱交換し、循環通路７３の水を加熱する。これにより貯湯槽７０の水が温水として維持される。
【００４１】
複数の第１分岐通路５１は貯湯槽７０内の暖かい水６１に浸漬されている。図２では、第１分岐通路５１は伝熱面積を確保するため複数本とされているが、単数でも良い。第２分岐通路５２は貯湯槽７０の外方に配置されており、貯湯槽７０の暖かい水６１には浸漬されていないので、貯湯槽７０によっては加熱されない。貯湯槽７０内の水６１を介して導入通路５の第１分岐通路５１を間接的に加熱するため、伝熱面積が確保され、第１分岐通路５１を流れるガスの均一加熱化に有利である。なお、貯湯槽７０内では熱対流により上側の水温が高くなる傾向であるため、加熱効率を高めるためには、第１分岐通路５１を貯湯槽７０内の上側（貯湯槽７０の１／２の高さよりも上側）に配置することが好ましい。
【００４２】
貯湯槽７０内にはヒータ６２が設けられている。ヒータ６２は第１分岐通路５１に接近または接触しているため、貯湯槽７０の水６１の温度が低いときであっても、第１分岐通路５１を流れるガスを早期に予熱することができる。ヒータ６２より第１分岐通路５１を流れるガスを予熱するとき、貯湯槽７０内の水６１も加熱できる。貯湯槽７０内の水６１の温度が適温であるときには、ヒータ６２の発熱量を減少させたり０にすることができる。図２に示すように、貯湯槽７０内を仕切部材７０ｙにより、互いに連通する副貯湯室７０ｗと主貯湯室７０ｘに分けている。副貯湯室７０ｗは主貯湯室７０ｘの上側に位置している。そして、主貯湯室７０ｘよりも容積が小さな副貯湯室７０ｗ内にヒータ６２及び第１分岐通路５１を浸漬させる。この場合、ヒータ６２による加熱応答性を高めるのに有利である。なお、場合によっては副貯湯室７０ｗを形成しなくても良い。
【実施例３】
【００４３】
図３は実施例３を模式的に示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。燃料配管１４には、改質原料を改質させて発電用の燃料ガスを生成する改質部８が設けられている。改質部８は、燃焼用の燃料を燃焼させる燃焼部８０と、燃焼部８０により高温に加熱され改質原料を改質させて発電用の燃料ガスを形成する改質部本体８２と、燃焼部８０に繋がり燃焼部８０で発生して高温の燃焼排ガスを外方に排気する排気管８３とを有する。
【００４４】
図３に示すように、燃料配管１４から分岐した配管１４ｍ及び第１燃料バルブ１４ｎを介して、燃焼用の燃料は改質部８の燃焼部８０に供給される。酸化剤配管１３から分岐した配管１３ｍ及び空気バルブ１３ｎを介して燃焼用の空気は、改質部８の燃焼部８０に供給され、燃焼部８０で燃焼に使用される。燃料配管１４に設けられている第２燃料バルブ１４ｐを介して、改質用の燃料は水蒸気と共に改質部本体８２に供給され、水蒸気を利用した改質反応によって、改質ガスである発電用の燃料ガスとなる。発電用の燃料ガスは燃料配管１４を介して燃料電池１の燃料極１０に供給される。なお、図示はしないものの、改質された燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減させる浄化部が燃料配管１４に設けられている。
【００４５】
図３に示すように、燃焼部８０から導出された燃焼排ガスを排出するための排気管８３は、排気加熱管８３ａと、排気加熱管８３ａに対して分岐された排気分岐管８３ｂと、バルブ８３ｃとを有する。バルブ８３ｃは、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの単位時間当たりの流量と、排気分岐管８３ｂを流れる燃焼排ガスの単位時間当たりの流量とを可変とするものであり、流量調整手段として機能できる。排気分岐管８３ｂは容器６０内の水６１に浸漬されていないが、排気加熱管８３ａは容器６０内の水６１に浸漬されて接触している。従って、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの熱を容器６０内の水６１に伝達させることができる。
【００４６】
本実施例では、ガス温度調整部６は、導入通路５を構成する第１分岐通路５１を浸漬させている水６１を収容する容器６０と、容器６０内の水６１を加熱する電気式のヒータ６２と、排気加熱管８３ａとを有する。故に、容器６０内の水６１はヒータ６２で加熱されるばかりか、排気加熱管８３ａにより加熱される。
【００４７】
燃料電池発電システムの起動時においては、改質部８の燃焼部８０が早期に高温とされ、燃焼部８０から排出される燃焼排ガスは高温である。上記したように改質部８の燃焼部８０に繋がる排気管８３の一部である排気加熱管８３ａを容器６０内の水６１に浸漬させて水に接触させてガス温度調整部６を形成しているため、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの排熱により、容器６０内の水６１を効率よく短時間に加熱できる。従って、起動時においても、酸化剤ガスは、加湿器４の導入口４４に導入される前にガス温度調整部６の水６１により予熱されて温度調整され、適温化される。このため起動時においても、加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。故に、冬期または寒冷地であっても、起動時から加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利であり、燃料電池１における発電効率を安定化させ得る。
【００４８】
また、ガス温度調整部６の出口から吐出される酸化剤ガスの温度が低すぎるとき、あるいは、容器６０内の水６１の温度が低すぎるときには、制御装置９１はバルブ８３ｃを制御し、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの流量を増加すると共に、排気分岐管８３ｂを流れる燃焼排ガスの流量を減少または０とする。また、ガス温度調整部６の出口から吐出されるガスの温度が高すぎたり、あるいは、容器６０内の水６１の温度が高すぎるときには、制御装置９１はバルブ８３ｃを制御し、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの流量を減少または０とすると共に、排気分岐管８３ｂを流れる燃焼排ガスの流量を増加させる。従って排気加熱管８３ａ、排気分岐管８３ｂ及びバルブ８３ｃは、改質部８の燃焼部８０から排出される燃焼排ガスの排熱によりガス温度調整部６における予熱量を調整できる予熱量調整手段として機能できる。なお、実施例１のように、燃料電池１の冷却系２の冷却通路２０の一部である加熱部２６を利用して容器６０内の水６１を加熱する形態を併用しても良い。
【実施例４】
【００４９】
図４は実施例４を模式的に示す。本実施例は実施例３と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。酸化剤配管１３、第１分岐通路５１、第２分岐通路５２を切り替える三方バルブ５７が設けられている。三方バルブ５７は、第１分岐通路５１を流れる単位時間当たりのガスの流量と第２分岐通路５２を流れる単位時間当たりのガスの流量とを可変とするガス流量可変要素として機能できる。改質部８は、燃料を燃焼させる燃焼部８０と、燃焼部８０により加熱され改質原料を改質させて発電用の燃料ガスを形成する改質部本体８２と、燃焼部８０を経た燃焼排ガスを排気する排気管８３とを有する。図４に示すように、排気管８３の一部である排気加熱管８３ａを容器６０内の水６１に浸漬させて接触させている。
【００５０】
更に、図４に示すように燃料配管１４は、本管１４ａと、本管１４ａに対して分岐され且つ合流部１４ｆで合流する分岐管１４ｂ（燃料配管の一部）と、バルブ１４ｃとを有する。バルブ１４ｃは、本管１４ａを流れる燃料ガスの単位時間当たりの流量と、分岐管１４ｂを流れる燃料ガスの単位時間当たりの流量とを可変とするものであり、流量調整手段として機能できる。
【００５１】
本実施例によれば、改質部本体８２に繋がる燃料配管１４の分岐管１４ｂを容器６０内の水６１に浸漬させて接触させている。従ってガス温度調整部６は、第１分岐通路５１を浸漬させる水６１を収容する容器６０と、容器６０内の水６１を加熱する電気式のヒータ６２と、排気管８３の一部である排気加熱管８３ａと、燃料配管１４の一部である分岐管１４ｂとを有する。故に容器６０内の水はヒータ６２で加熱されるばかりか、排気加熱管８３ａ、燃料配管１４の分岐管１４ｂにより加熱される。
【００５２】
燃料電池発電システムの起動時においては、改質部８の燃焼部８０が高温であると共に、改質部本体８２で生成される燃料ガスも高温である。このため起動時においても、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの熱、燃料配管１４を流れる改質ガスである燃料ガスの熱により、容器６０内の水６１を効率よく短時間に加熱することができる。従って、起動時においても、酸化剤ガスは、加湿器４の導入口４４に導入される前にガス温度調整部６により予熱され、適温化される。このため起動時においても、加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。故に、冬期または寒冷地であっても、起動時から加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利であり、燃料電池１における発電効率を安定化させ得る。
【００５３】
更に、改質部８において水蒸気改質反応により生成された改質ガスである燃料ガスは、水蒸気を多く含むことがある。このような水蒸気リッチな燃料ガスを燃料電池１の燃料極１０に供給する前に、燃料ガスから必要以上の水蒸気を低減させたい場合がある。この場合、本実施例によれば、図４に示すように、燃料配管１４の一部である分岐管１４ｂを容器６０内の水６１に浸漬させているため、燃料配管１４の分岐管１４ｂを流れる燃料ガスの温度が水６１の温度よりも高温であれば、分岐管１４ｂを流れる燃料ガスを水６１で冷却できる。このように燃料ガスを冷却すれば、燃料ガスに含まれている過剰な水蒸気を凝縮させて低減させることができる。なお凝縮させた水をトラップするトラップ機構を設けることが好ましい。
【００５４】
なお本実施例によれば、ガス温度調整部６の出口から吐出される酸化剤ガスの温度が低すぎるとき、あるいは、容器６０内の水６１の温度が低すぎるときには、制御装置９１はバルブ１４ｃを制御し、分岐管１４ｂを流れる燃料ガスの流量を増加すると共に、本管１４ａを流れる燃料ガスの流量を減少させる。また、ガス温度調整部６の出口から吐出されるガスの温度が高すぎたり、あるいは、容器６０内の水６１の温度が高すぎるときには、制御装置９１はバルブ１４ｃを制御し、分岐管１４ｂを流れる燃料ガスの流量を減少または０とすると共に、本管１４ａを流れる燃料ガスの流量を増加させる。従って本管１４ａ、分岐管１４ｂ及びバルブ１４ｃは、燃料ガスの熱によりガス温度調整部６における予熱量を調整できる予熱量調整手段として機能できる。なお、実施例１のように、燃料電池１の冷却系２の冷却通路２０の一部である加熱部２６を利用して容器６０内の水６１を加熱する形態を併用しても良い。
【実施例５】
【００５５】
図５は実施例５を模式的に示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例では、導入通路５は分岐されていない。ガス温度調整部６は、導入通路５を浸漬させる流体媒体としての水６１を収容する容器６０と、容器６０内の水６１を加熱する電気式のヒータ６２とを有する。燃料電池１を冷却する冷却系２の冷却通路２０の一端２０ｓ及び他端２０ｒは容器６０内に連通している。故に容器６０は冷却系２の冷却水を貯留する貯水タンクを兼用している。
【実施例６】
【００５６】
図６は実施例６を模式的に示す。本実施例は実施例３と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。酸化剤配管１３、第１分岐通路５１、第２分岐通路５２を切り替える三方バルブ５７が設けられている。燃料配管１４には改質部８が設けられている。改質部８は、燃焼部８０と、発電用の燃料ガスを形成する改質部本体８２と、燃焼部８０を経た燃焼排ガスを排気する排気管８３とを有する。酸化剤配管１３から分岐した配管１３ｍ及び空気バルブ１３ｎを介して燃焼用の空気は、燃焼部８０に供給される。燃料配管１４に設けられている燃料バルブ１４ｐを介して燃焼用の燃料は、水蒸気と共に改質部本体８２に供給され、水蒸気を利用した改質反応により、水素を主要成分とする改質ガスが生成される。改質ガスは発電用の燃料ガスとして燃料電池１の燃料極１０に供給される。燃料配管１４から分岐した配管１４ｍ及び燃料バルブ１４ｎを介して燃焼用の燃料は燃焼部８０に供給される。図６に示すように、排気管８３の一部である排気加熱管８３ａを導入通路５の第１分岐通路５１と接近または接触させることにより、ガス温度調整部６は形成されている。なお、排気管８３の排気加熱管８３ａ及び導入通路５の第１分岐通路５１を並走させても良いし、互いに巻き付けても良い。
【００５７】
図６に示すように、燃焼部８０から導出された排気管８３は、排気加熱管８３ａと、排気分岐管８３ｂと、バルブ８３ｃとを有する。バルブ８３ｃは、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの単位時間当たりの流量と、排気分岐管８３ｂを流れる燃焼排ガスの単位時間当たりの流量とを可変とする。排気分岐管８３ｂは第１分岐通路５１に接近していないが、排気加熱管８３ａは第１分岐通路５１に接近または接触している。これにより排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの熱は第１分岐通路５１に伝達される。
【００５８】
燃料電池発電システムの起動時においては、改質部８の燃焼部８０が早期に高温とされ、燃焼部８０から排出される燃焼排ガスは高温である。上記したように改質部８の燃焼部８０に繋がる排気管８３の一部である排気加熱管８３ａを導入通路５の第１分岐通路５１に接近または接触させている。このため起動時においても、排気加熱管８３ａを流れる高温の燃焼排ガスの排熱により、導入通路５の第１分岐通路５１のガスを効率よく加熱することができる。従って、起動時においても、酸化剤ガスは、加湿器４の導入口４４に導入される前にガス温度調整部６により予熱されて温度調整され、適温化される。このため起動時においても、冬期または寒冷地等においても、加湿器４における加湿量を増加させると共に加湿量の安定化を図るのに有利である。
【００５９】
また、ガス温度調整部６の出口から吐出される酸化剤ガスの温度が高すぎるときには、制御装置９１はバルブ８３ｃを制御し、排気加熱管８３ａを流れる燃焼排ガスの流量を減少または０とすると共に、排気分岐管８３ｂを流れる燃焼排ガスの流量を増加させる。従って排気加熱管８３ａ、排気分岐管８３ｂ及びバルブ８３ｃは、改質部８の燃焼部８０から排出される燃焼排ガスの排熱によりガス温度調整部６における予熱量を調整できる予熱量調整手段として機能できる。
【実施例７】
【００６０】
図７は実施例７を模式的に示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。導入通路５は、第１分岐通路５１と第１分岐通路５１に並設された第２分岐通路５２とに分岐されている。ガス温度調整部６は、導入通路５を構成する第１分岐通路５１を加熱する電気式のヒータ６２を有する。ヒータ６２は第１分岐通路５１に接近または接触しており、第１分岐通路５１を加熱するが、第２分岐通路５２を加熱しない。ヒータ６２が発熱すると、導入通路５を構成する第１分岐通路５１を流れるガスがヒータ６２により加熱される。水６１を介さずに第１分岐通路５１のガスを加熱するため、加熱応答性を高めるのに有利となる。
（その他）
上記した実施例１では、加湿器４は、加湿室４２及び吸湿室４３を仕切る含水可能なシート状の加湿部４１を有する構成であるが、これに限定されず、中空通路を有する中空糸膜式でも良く、要するに加湿機能を有していれば良い。上記した実施例１では容器６０内の水６１をヒータ６２で加熱できるようにされているが、ヒータ６２を廃止しても良い。上記した実施例では導入通路５のうち第２分岐通路５２に導入バルブ５５が設けられているが、場合によっては、導入通路５のうち第１分岐通路５１に導入バルブ５５を設けても良い。また導入通路５のうち第１分岐通路５１及び第２分岐通路５２にそれぞれ導入バルブ５５を設けても良い。一の実施例が、他の実施例が有する特徴を備えていないときには、当該一の実施例は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で他の実施例の特徴を併有することができる。本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は加湿システムに利用できる。殊に、車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用等の燃料電池発電システムに使用される加湿システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施例１に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【図２】実施例２に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【図３】実施例３に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【図４】実施例４に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【図５】実施例５に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【図６】実施例６に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【図７】実施例７に係り、燃料電池発電シテスムを模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
１は燃料電池、１３は酸化剤配管、１４は燃料配管、２は冷却系、２０は冷却通路、２６は加熱部、３は加湿システム、４は加湿器、４１は加湿部、４４は導入口、 ４５は導出口、５５は導入バルブ（ガス流量可変要素）、６はガス温度調整部、６０は容器（収容部）、６１は水、６２はヒータ、７は貯湯システム、７０は貯湯槽、８は改質部、８０は燃焼部、８２は改質部本体、８３は排気管、８３ａは排気加熱管を示す。
【図１】
2006236779.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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