(57)【要約】  【課題】エネルギー効率を低下させることなく長期的にも安定した加湿を行うことができるコンパクトな加湿器を実現し、効率よく安定した運転ができる燃料電池システムを提供する。  【解決手段】少なくとも、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池１９と、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器２１ａ，２１ｂとを備え、加湿器を、燃料電池から排出される排燃料ガスまたは排酸化剤ガスの少なくとも一方である加湿ガスと前記被加湿ガスを、水透過材料４６を介して熱および湿度交換させる加湿器とし、燃料電池１９から排出される排出ガスの出口を加湿器２１ａ，２１ｂの下方に設けたことにより被加湿ガスとの湿熱交換に起因して排出ガスから発生した凝縮水を加湿器内から速やかに排出可能とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを備え、前記加湿器を、前記燃料電池から排出される排燃料ガスまたは排酸化剤ガスの少なくとも一方である加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、水透過材料を介して熱および湿度交換させる加湿器とし、前記加湿ガスにおける前記加湿器からの出口を前記加湿器の下方に設けた燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿ガスの前記加湿器への入口を、前記加湿器の上方に設けた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿ガスにおける前記加湿器からの出口を、前記加湿器の側面に設けた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
少なくとも、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを備え、前記加湿器を、は前記被加湿ガスと温水とを水透過材料を介して湿熱交換させる加湿器とし、前記温水を排出するドレン配管が接続された前記温水の前記加湿器への入口または出口を、前記加湿器の上方に設けた燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿器を、前記燃料電池の下方に配置し、前記加湿器からの温水の出口を、前記加湿器の上方に設置し、さらに前記ドレン配管を、前記温水の出口側の配管に接続した請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ドレン配管を、前記燃料電池から出た冷却水が前記加湿器に流れる配管ラインに接続し、前記燃料電池からの排水が前記加湿器を介して可能となるように配置した請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記被加湿ガスと前記加湿ガスとによる湿熱交換を行った後の被加湿ガスを、温水と湿熱交換させる請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記加湿器の被加湿ガス出口を、前記加湿器の上方に設けた請求項１から７のいずれか一項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、固体高分子型燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、発電と発熱を行うことで知られている。そして、前記燃料電池により発生した熱は、冷却水を循環させることにより搬送され、燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持し、更に、冷却水の熱を給湯器等に利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。また、前記燃料電池システムでは、必要な電力量に応じて、発電量を変化させるために、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量、冷却水流量等を調整して運転状態を変化させる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、湿潤状態である必要があり、乾燥状態または湿潤不足状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下するため、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方を、加湿手段により加湿して、燃料電池に供給する。
【０００４】
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方である被加湿ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより所定温度に加熱された温水中に被加湿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）。
【０００５】
一方、水透過材料を用いて被加湿ガスと加湿ガスまたは温水との水蒸気分圧差を利用した加湿器として、被加湿ガスと燃料電池から排出されるオフガスとを、保水性の多孔質体で隔てられ、少なくとも一方が多孔質体に接したメッシュ状の経路に導くことにより、被加湿ガスを加湿する加湿器（例えば、特許文献２参照）や、水透過膜により隔てられた経路に、被加湿ガスと、オフガスまたは燃料電池の冷却水の少なくとも一方である加湿流体とを導くことにより、被加湿ガスを加湿する加湿器（例えば、特許文献３参照）が提案されている。
【０００６】
図５は、従来の加湿器の模式図を示すものである。図６は、従来の異なる加湿器の模式図を示すものである。
【０００７】
上記従来の加湿手段のうち、多孔質体を用いる加湿器は、図５のように、前面のエンドプレート１と後面のエンドプレート２との間に、被加湿ガス用のメッシュプレート３、オフガス用のメッシュプレート４および多孔質体５を交互に積層し、前面のエンドプレート１の上部には被加湿ガス入口マニホールド６、下部にはオフガス出口マニホールド７が配設され、後面エンドプレート２の上部にはオフガス入口マニホールド８、下部には被加湿ガス出口マニホールド９が配置された構造になっている。そして、加湿手段に導入されたオフガスと被加湿ガスは、保水性の多孔質体５を介して互いに接触することにより湿熱交換が行われる構成となっている。
【０００８】
また、水透過膜を用いる加湿器は、図６のように、基本構成としてオフガス流路１０と被加湿ガス流路１１とが水透過膜１２を介して配置され、さらに被加湿ガス流路１１と電池冷却水加湿流路１３とが、もう一つの水透過膜１２をはさんで配置され、水透過膜１２を介して被加湿ガスと加湿流体が接触することにより湿熱交換を行う構成となっている。
【特許文献１】特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４２２９号公報
【特許文献３】特開２００４−３１０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の加湿手段のうち、バブラーによる場合は、バブラーにおいて水を所定温度に加熱するのにエネルギーを消費するため、燃料電池システムにおけるエネルギー効率の低下を招き、また、バブラーの設置により、燃料電池システムのコンパクト化が困難である。
【００１０】
一方、多孔質体や水透過膜等の水透過材料を用いる加湿器は、バブラーに対して、燃料電池システムにおける発熱や生成水を利用するため、エネルギー効率がよく、また、比較的コンパクトな構成が可能であるが、燃料電池のオフガスを利用して被加湿ガスを加湿する加湿器では、オフガスと被加湿ガスとの湿熱交換に伴い、加湿器内のオフガス流路に順次凝縮水が生成する。
【００１１】
また、燃料電池システムが停止した際には、加湿器内に湿度の高いガスが滞留し、温度の低下によって凝縮水が貯まることになる。加湿器内の経路に貯まった凝縮水は、経路の一部を閉塞して圧力損失を増大させ、その結果、所定流量のガスを供給するための供給装置の消費電力が増大することになる。
【００１２】
また一方で、燃料電池の冷却水は、燃料電池システムを長期間停止する際に、例えば冬場において燃料電池内に冷却水が残っていると、水の凍結による体積膨張によって冷却水流路を形成するセパレータが破損する恐れがあるため、冷却水を排出するドレン配管が設けられていることが多いが、冷却水を利用する加湿器では、加湿器内の水を排水した状態で燃料電池システムを長期間停止すると、水透過材料は徐々に乾燥していく。
【００１３】
しかし、水透過材料はその特性上、乾燥と湿潤を繰り返すことにより収縮と膨張を繰り返し、水透過材料に貫通穴が生じてしまうことがあり、冷却水または加湿ガスと被加湿ガスとの混入により、場合によっては燃料電池システムの運転に支障が出る可能性があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムのエネルギー効率を低下させることなく、燃料電池に供給するガスを安定して加湿することができ、結果として安定した運転および起動停止運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記従来の課題であるオフガス経路内の水の凝縮による経路閉塞を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器を、前記燃料電池から排出される排燃料ガスまたは排酸化剤ガスの少なくとも一方である加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、水透過材料を介して熱および湿度交換させる加湿器とし、前記加湿器における前記加湿ガスの出口を前記加湿器の下方に設けたものである。
【００１６】
これにより、被加湿ガスと湿熱交換を行った加湿ガスから発生する凝縮水は、自重により、もしくは加湿ガスに押し出されることにより加湿器の加湿ガス出口から順次排出される。また、燃料電池システムを停止した際においても、前記加湿器内の加湿ガス温度が低下することにより発生する凝縮水は、自重、もしくは、燃料電池システムを再度運転開始した際の加湿ガスの圧力により加湿ガス出口から速やかに排出される。
【００１７】
また、上記従来の課題である水透過材料の乾燥に関する課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器を、前記被加湿ガスと温水とを水透過材料を介して湿熱交換させる加湿器とし、前記加湿器における温水を排出するドレン配管が接続された温水の入口または出口を、前記加湿器の上方に設けたものである。
【００１８】
これにより、燃料電池システムを停止した際でも、加湿器の温水側経路には水が残留することになるため、水透過材料を湿潤状態に保つことが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、運転中に加湿器の加湿ガス経路内に発生する凝縮水を順次排出することが可能であるため、加湿器の圧力損失の増加を抑え、安定した運転が可能な燃料電池システムを提供することができる。また、長期間の運転停止においても、加湿器の水透過材料を湿潤状態に保つことが可能であるため、水透過材料の乾燥と湿潤との繰り返しによる破損を防止することができ、安定した運転が可能な燃料電池システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
請求項１に記載の発明は、少なくとも、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを備え、前記加湿器を、前記燃料電池から排出される排燃料ガスまたは排酸化剤ガスの少なくとも一方である加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、水透過材料を介して熱および湿度交換させる加湿器とし、前記加湿ガスにおける前記加湿器からの出口を前記加湿器の下方に設けたものである。
【００２１】
かかる構成とすることにより、前記燃料電池システムの運転中において、被加湿ガスと湿熱交換をすることによって加湿ガスの温度が低下し、これに起因して凝縮水が発生した場合でも、前記凝縮水は順次加湿器の加湿ガス出口から排出されるため、加湿器内の加湿ガス経路を閉塞することがなく、よって加湿器の圧力損失が増加することがないため、安定して燃料電池システムを運転することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、前記加湿ガスの前記加湿器への入口を、前記加湿器の上方に設けたものである。
【００２３】
かかる構成により、前記燃料電池システムを停止した際に加湿器の加湿ガス経路内における加湿ガスの温度が低下し、凝縮水が発生しても前記凝縮水は、加湿器側から逆流し、燃料電池側に流入して燃料電池内のガス流路を閉塞することがないため、速やかに再運転を開始することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、前記加湿ガスにおける前記加湿器からの出口を、前記加湿器の側面に設けたもので、かかる構成とすることにより、前記燃料電池システムを停止した際に、若干量の凝縮水が加湿器の加湿ガス経路に残るため、水透過材料の乾燥を防止することができる。したがって、乾燥と湿潤の繰り返しによる水透過材料の破損を抑制することができる。
【００２５】
さらに、燃料電池システムを再度運転する際には、加湿器の加湿ガス経路内の凝縮水は、加湿ガスにより加湿ガス経路から押し出されるため、前記加湿器の圧力損失の増加は一時的であり、安定して燃料電池システムを運転することができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、少なくとも、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを備え、前記加湿器を、前記被加湿ガスと温水とを水透過材料を介して湿熱交換させる加湿器とし、前記温水を排出するドレン配管が接続された前記温水の前記加湿器への入口または出口を、前記加湿器の上方に設けたものである。
【００２７】
かかる構成とすることにより、前記燃料電池システムの長期停止等によって燃料電池システム内の水を、ドレン配管を通して排水した際にも、加湿器内に水を残存させることができる。したがって、水透過材料の乾燥を防止することができ、乾燥と湿潤の繰り返しによる水透過材料の破損を抑制することができる。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、前記加湿器を、前記燃料電池の下方に配置し、前記加湿器からの温水の出口を、前記加湿器の上方に設置し、さらに前記ドレン配管を、前記温水の出口側の配管に接続したものである。
【００２９】
かかる構成とすることにより、前記燃料電池から水を排水した際にも、前記加湿器内に水を残存させることができ、その結果、水透過材料の乾燥を防止することができるので、乾燥と湿潤の繰り返しによる水透過材料の破損を抑制することができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明は、前記ドレン配管を、前記燃料電池から出た冷却水が前記加湿器に流れる配管ラインに接続し、前記燃料電池からの排水が前記加湿器を介して可能となるように配置したものである。
【００３１】
かかることにより、前記燃料電池から水を排水した際にも、前記加湿器内に水を残存させることができ、水透過材料の乾燥を防止することができるので、乾燥と湿潤の繰り返しによる水透過材料の破損を抑制することができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明は、前記被加湿ガスと前記加湿ガスとによる湿熱交換を行った後の被加湿ガスを、温水と湿熱交換させるもので、前記被加湿ガスと温水の湿熱交換により、燃料電池に充分に加湿されたガスを供給することが可能となる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、前記加湿器の被加湿ガス出口を、前記加湿器の上方に設けたもので、燃料電池システムの停止時に、被加湿ガス経路の被加湿ガスが冷却されて凝縮水が貯まったばあいであっても、凝縮水は、燃料電池システムを再度運転した場合であっても、前記被加湿ガス出口が上方に位置している関係からそのエネルギーが緩和されるため、燃料電池に一気に流入することがなく、燃料電池の被加湿ガス経路が比較的多量の凝縮水により閉塞されて発電を阻害することもない。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【００３６】
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池システムは、空気供給装置２０と、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂよりなる空気加湿装置２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿器２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として含んで構成され、空気加湿装置２１は、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂとを一体に構成して燃料電池１９の下方に配置されている。
【００３７】
空気供給装置２０からの空気は、空気経路３０ａを通り、空気フィルタ３０で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０ｂを介して空気加湿装置２１に供給される。空気加湿装置２１に供給された空気は、第１の加湿器２１ａで加熱および加湿され、加湿装置２１内の空気経路３１を通って第２の加湿器２１ｂに供給され、第２の加湿器２１ｂによって更に加熱および加湿される。第２の加湿装置２１ｂを通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３２を通って燃料電池１９のカソード電極１ｂ側に供給される。なお、本実施の形態では、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂとを一体化したため、実際には空気経路３１は、空気加湿装置２１内に形成されている。
【００３８】
一方、燃料供給装置２３から燃料経路３３を介して、燃料処理装置２４に、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またはアルコール等の原料が供給される。
【００３９】
本実施の形態１における燃料電池システムでは、都市ガスを原料ガスとして用いた。ここでは、燃料処理装置２４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設けられており、燃料処理装置２４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、水素リッチな燃料ガスが生成される。該水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス経路３４を介して燃料ガス加湿器２５に供給され、加湿される。燃料ガス加湿器２５としては、空気加湿装置２１の第１の加湿器２１ａと同様の原理、構成からなる加熱および加湿方式の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１９の燃料ガスとして、燃料ガス経路３５を通じて燃料電池１９のアノード電極１ａ側に供給される。燃料電池１９では、カソード電極１ｂ側に供給された空気と、アノード電極１ａ側に供給された燃料ガス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。
【００４０】
燃料電池１９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３６を介して、第１の加湿器２１ａに供給される。第１の加湿器２１ａでは、供給された該排出空気に含まれる水分と熱を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気の加湿および加熱が行われる。第１の加湿器２１ａを経た排出空気は、排出空気経路３７を通じて排出される。
【００４１】
また、燃料電池１９で発生した熱を除去するために、冷却水タンク２７の冷却水が、冷却水ポンプ２８により冷却水経路３９を介して燃料電池１９に供給される。燃料電池１９内で加熱された冷却水は、冷却水経路４０を介して第２の加湿器２１ｂに供給され、ここで第１の加湿器２１ａで加熱および加湿された空気を、さらに加熱および加湿する。第１の加湿器２１ａで加熱、加湿された空気は、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される。
【００４２】
また、第２の加湿器２１ｂを経た冷却水は、冷却水経路４１を介して熱交換器２６に供給されるが、熱交換器２６には、貯湯タンク２９に貯めた水が貯湯水ポンプ４２によって貯湯水循環経路４３を介して供給されているため、熱交換により冷却水は冷却され、逆に貯湯タンク２９内の水は加熱され、温水となって蓄えられる。
【００４３】
冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池１９で発電とともに発生する熱により加熱され、熱交換器２６で貯湯水と熱交換して再び冷却されるが、燃料電池１９での発熱量は、発電量と相関があるため、発電量に応じた冷却水流量を冷却水ポンプ２８で供給し、さらに貯湯水ポンプ４２で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池１９の温度および冷却水タンク２７内の水温、さらには、第２の加湿器２１ｂに供給される水の温度を所定の温度に維持することができる。
【００４４】
なお、第２の加湿器２１ｂを出た冷却水が通る冷却水経路４１には、手動もしくは電動のバルブ４１ｂを設けたドレン配管４１ａが接続されており、燃料電池システムを長期停止させた場合において、燃料電池システムが設置された場所の雰囲気温度が零度以下になり、燃料電池システム内の水が凍結してしまうことが考えられる場合等には、予めバルブ４１ｂを開放して燃料電池システムから水を排出することができるようになっている。したがって、冷却水経路４１およびドレン配管４１ａの位置は、燃料電池システムにおける下部に配置されている。望ましくは、燃料電池１９、冷却水経路４０、空気加湿装置２１、冷却水経路４１で構成される冷却水ラインの最下部（最低水位となる位置）に設けることが好ましい。
【００４５】
また、燃料電池１９に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガスは、排燃料ガス経路３８ａを介して燃料ガス加湿器２５に供給され、ここで燃料電池１９に供給される前の燃料ガスの加熱および加湿に利用される。そして、その後、排燃料ガス経路３８ｂを介して燃料処理装置２４の燃焼部に供給され、原料を燃料ガスに改質するために燃料処理装置２４の加熱に利用される。
【００４６】
次に、本実施の形態の特徴である空気加湿装置２１について説明する。
【００４７】
図２および図３は、本実施の形態１における燃料電池システムの空気加湿装置を示し、それぞれ異なる角度からの斜視図であり、図４は、同空気加湿装置内部の流露構成を示す模式図である。
【００４８】
図２乃至図４に示すように、空気加湿装置２１は、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂを一体化した組立て構造体である。
【００４９】
第１の加湿器２１ａは、第１の端板４４と中端板４５との間において、水透過材料４６を両側より枠体４９によって挟持した構造体を複数積層することにより構成され、その結果、水透過材料４６を挟む両側には、被加湿空気経路４７と排出空気経路４８とが形成され、前記複数積層により、被加湿空気経路４７と排出空気経路４８が交互に配列されている。そして被加湿空気経路４７と排出空気経路４８それぞれの端部は連通しており、流体が分岐して流れる並列回路に形成され、その関係を維持した状態で、被加湿空気経路４７と排出空気経路４８が交互に位置している。
【００５０】
第２の加湿器２１ｂは、中端板４５と第２の端板５０との間において、第１の加湿器２１ａと同様に水透過材料４６を両側より枠体４９によって挟持した構造体を複数積層することにより構成され、その結果、水透過材料４６を挟む両側には、被加湿空気経路４７と冷却水経路５１とが形成され、前記複数積層により、被加湿空気経路４７と冷却水経路５１が交互に配列されている。そして被加湿空気経路４７と冷却水経路５１それぞれの端部は連通しており、流体が分岐して流れる並列回路に形成され、その関係を維持した状態で、被加湿空気経路４７と冷却水経路５１が交互に位置している。
【００５１】
さらに、第１の端板４４には、上方において、図１における空気経路３０ｂと連通した被加湿空気入口５２と、同様に第１の端板４４の上方において、被加湿空気入口５２とは離れた位置で、かつ図１における排出空気経路３６と連通した排出空気入口５３と、第１の端板４４の下方において、排出空気入口５３の対角位置で、かつ図１における排出空気経路３７と連通した排出空気出口５４がそれぞれ設けられている。
【００５２】
したがって、排出空気出口５４は、第１の加湿器２１ａにおける被加湿空気入口５２および排出空気入口５３よりも低い位置となるようにレイアウトされ、また空気加湿装置２１もかかる条件を満たすように方向、角度等を考慮して取付けられている。
【００５３】
また、第２の端板５０には、上方において、図１の空気経路３２と連通する被加湿空気出口５５と、同様に第２の端板５０の上方において、被加湿空気出口５５とは離れた位置で、かつ図１における冷却水経路４１と連通した冷却水出口５７と、第２の端板５０の下方において、冷却水出口５７の対角位置で、かつ図１における冷却水経路４０と連通した冷却水入口５６がそれぞれ設けられている。
【００５４】
したがって、冷却水入口５６は、第２の加湿器２１ｂにおける被加湿空気出口５５および冷却水出口５７よりも低い位置となるようにレイアウトされ、また加湿装置２１もかかる条件を満たすように方向、角度等を考慮して取付けられている。
【００５５】
さらに、中端板４５には、第１の加湿器２１ａから第２の加湿器２１ｂへ被加湿空気を供給するための空気経路３１を形成する穴が、被加湿空気入口５２と対角に相当する位置（本実施の形態１では、被加湿空気出口５５の対角に相当する位置でもある）に設けられている。なお、本実施の形態では、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂは、水透過材料４６および枠体４９に同じ部材（部品）を使用し、汎用性を持たせることによって低コスト化を図っている。その結果、排出空気入口５３と冷却水出口５７とが、さらに排出空気出口５４と冷却水入口５６とがそれぞれ対応した位置関係にある。
【００５６】
また、水透過材料４６と枠体４９には、第１の加湿器２１ａにおいては、被加湿空気入口５２、排出空気入口５３、排出空気出口５４および空気経路３１に対応した積層方向に貫通する穴が設けられ、第２の加湿器２１ｂにおいては、被加湿空気出口５５、冷却水出口５７、冷却水入口５６および空気経路３１に対応した積層方向に貫通する穴がそれぞれ設けられている。
【００５７】
さらに枠体４９には、被加湿空気経路４７、排出空気経路４８または冷却水経路５１には、所定のガスあるいは水が供給できるように貫通穴からなるマニホールド部４９ａおよびシール部４９ｂが設けられている。
【００５８】
なお、本実施の形態１においては、水透過材料４６として、透湿性とガスバリア性に優れた、厚さ１５μｍから３０μｍのフッ素樹脂系イオン交換膜を用いた。
【００５９】
したがって、上記空気加湿装置２１において、被加湿空気入口５２は、第１の加湿器２１ａに形成された各マニホールド部４９ａ、被加湿空気経路４７から空気経路３１および第２の加湿器２１ｂに形成された各マニホールド部４９ａ、被加湿空気経路４７を介して第２の加湿器２１ｂに形成された被加湿空気出口５５に連通している。
【００６０】
また、排出空気入口５３は、各マニホールド部４９ａ、排出空気経路４８を介して排出空気出口５４に連通している。
【００６１】
さらに、冷却水入口５６は、各マニホールド部４９ａ、冷却水経路５１を介して冷却水出口５７に連通している。
【００６２】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下、その動作を、本実施の形態１の特徴である空気加湿装置の動作を中心に説明する。
【００６３】
燃料電池１９に供給される被加湿空気は、空気経路３０ｂから第１の加湿器２１ａの被加湿空気入口５２へ流れ、この第１の加湿器２１ａ内の被加湿空気経路４７から空気経路３１を介して第２の加湿器２１ｂへ流れる。このとき、第１の加湿器２１ａには、燃料電池１９から排出された排出空気が、排出空気経路３６から第１の加湿器２１ａの排出空気入口５３へ流れ、この第１の加湿器２１ａ内の排出空気経路４８を流れて第１の加湿器２１ａに設けられた排出空気出口５４から排出空気経路３７へと流出する。
【００６４】
燃料電池１９からの排出空気は、燃料電池１９内での発電に伴い発生する熱と生成水により加熱および加湿された状態にあり、したがって、第１の加湿器２１ａ内においては、膜状の水透過材料４６を介して被加湿空気と排出空気との間で湿熱交換が行われる。
【００６５】
これにより、前記被加湿空気は、加熱および加湿された状態で空気経路３１を流れ、第２の加湿器２１ｂに供給される。
【００６６】
そして、第２の加湿器２１ｂに流入した被加湿空気は、この第２の加湿器２１ｂ内に形成された被加湿空気経路４７を流れ、被加湿空気出口５５から空気経路３２を流れ、燃料電池１９のカソード電極１ｂ側へ流れる。
【００６７】
第２の加湿器２１ｂ内においても、燃料電池１９の発電に伴う発熱により加熱された冷却水が、冷却水経路４０から冷却水入口５６を経由して第２の加湿器２１ｂ内に形成された冷却水経路５１を流れ、冷却水出口５７から冷却水経路４１へと流れているため、第２の加湿器２１ｂ内に流れ込んだ被加湿空気は、第２の加湿器２１ｂ内に設けられた水透過材料４６を介して前記冷却水と湿熱交換が行われ、さらに加熱及び加湿される。
【００６８】
上述の如く加熱及び加湿された空気は、空気加湿装置２１を出て、燃料電池１９に供給される。
【００６９】
一方、第１の加湿器２１ａに供給された排出空気は、被加湿空気に熱と水蒸気（湿度）を供給することにより、温度と湿度が低下する。
【００７０】
ここで、前記排出空気において、水蒸気の供給が熱の供給に対して少ない場合は、水蒸気が凝縮して水が生成することになる。しかしながら、排出空気出口５４が、第１の加湿器２１ａの側面において排出空気入口５３よりも下方に設けられていることにより、排出空気の流れに押されて第１の加湿器２１ａから順次排出されるため、この第１の加湿器２１ａ内に凝縮水が一定量以上貯まることはない。
【００７１】
その結果、第１の加湿器２１ａ内における排出空気経路４８を閉塞して圧力損失が増加することがなく、空気供給装置２０における所定の空気量を供給するための消費電力が増加することもない。
【００７２】
また、燃料電池システムの運転を停止した際には、第１の加湿器２１ａ内の被加湿空気および排出空気の温度が低下するため、第１の加湿器２１ａにおける被加湿空気経路４７および排出空気経路４８内には凝縮水が貯まることになるが、排出空気入口５３が第１の加湿器２１ａの上方に、また、排出空気出口５４が第１の加湿器２１ａの下方に設けられているため、排出空気経路４８内に発生した凝縮水は、排出空気出口５４から自然に流出するか、再び燃料電池システムの運転を開始して空気供給装置２０を駆動した際にその圧力で排出空気出口５４から排出されるため、前記燃料電池システムの運転停止中に排出空気経路を逆流して燃料電池１９内に流入することはない。
【００７３】
また、第２の加湿器２１ｂにおける被加湿空気出口５５が、第２の加湿器２１ｂの側面において上方に設けられていることにより、第２の加湿器２１ｂ内に設けた被加湿空気経路４７内の水が一気に燃料電池１９内に流入して、燃料電池１９内の被加湿空気流路を閉塞してしまい、発電を阻害するといったこともない。
【００７４】
さらに、排出空気出口５４が第１の加湿器２１ａの側面下方に設けられていることにより、第１の加湿器２１ａ内には、生成した凝縮水を一定量蓄えることができる。そのため、前記燃料電池システムが長期間停止した際でも、水透過材料４６を湿潤状態に保つことが可能であり、水透過材料４６の乾燥と湿潤の繰り返しによる破損を低減することが可能である。
【００７５】
また、燃料電池１９の冷却水を用いた第２の加湿器２１ｂの冷却水経路４０、４１においては、燃料電池システムからの冷却水を排水するためのドレン配管４１ａが接続され、本実施の形態においては、第２の加湿器２１ｂの冷却水出口５７側に設けている。しかも、冷却水出口５７は、第２の加湿器２１ｂの側面における上方に設けているため、ドレン配管４１ａを通して冷却水を排水した際にも、第２の加湿器２１ｂ内においては冷却水経路５１内に水が貯まった状態を維持している。したがって、水透過材料４６の湿潤状態を継続して維持することでき、乾燥と湿潤の繰り返しによる水透過材料４６の劣化が防止できる。
【００７６】
さらに、空気加湿装置２１が燃料電池１９の下方に設けられていることにより、燃料電池１９の排水を行っても第２の加湿器２１ｂ内に水を充満させておくことができ、したがって、燃料電池システムを長期間停止させる際には、ドレン配管４１ａを通して燃料電池１９から水を排水しておけば、燃料電池システムの停止中に雰囲気温度が零度以下になり、水が凍結したとしても、燃料電池１９における冷却水経路が水の凍結に起因した体積膨張で破損することもない。
【００７７】
一方、空気加湿装置２１内では、水が凍結して体積膨張したとしても、第２の加湿器２１ｂ内において、冷却水経路５１から被加湿空気経路４７側に水透過材料４６が変形するため、この変形によって体積膨張分が吸収され、破損が防止される。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池システムの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの全体構成を示す模式図
【図２】同実施の形態１における空気加湿装置の斜視図
【図３】同実施の形態１における空気加湿装置の異なる角度からの斜視図
【図４】同実施の形態１における空気加湿装置内部の流路構成を示す模式図
【図５】従来の加湿器の模式図
【図６】従来の異なる加湿器の模式図
【符号の説明】
【００８０】
１９  燃料電池
２０  空気供給装置
２１  空気加湿装置
２１ａ  第１の加湿器
２１ｂ  第２の加湿器
４１ａ  ドレン配管
４４  第１の端板
４５  中端板
４６  水透過材料
４７  被加湿空気経路
４８  排出空気経路
４９  枠体
５０  第２の端板
５１  冷却水経路
５２  被加湿空気入口
５３  排出空気入口
５４  排出空気出口
５５  被加湿空気出口
５６  冷却水入口
５７  冷却水出口
【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】
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【図６】
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