(57)【要約】  【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せせるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図れた燃料電池システムを提供する。  【解決手段】第１の加湿装置２２における排出ガスの流路において、排出空気経路４、５の流れと、第２の加湿装置における冷却水の流路において、第１の冷却水流路６ａと第２の冷却水流路６ｂの各流れの少なくとも一方は、略Ｕ字形となる流路で構成する。【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の加湿装置と第２の加湿装置とを備え、前記第１の加湿装置は、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利用しての加湿を行い、前記第２の加湿装置は、温水を用いての加湿を行う燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置は、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を形成する第１の流路プレートと、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を形成する第２の流路プレートとを、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た構成とし、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートは、第１の端板と第２の端板との間に介挿され、さらに、前記第２の加湿装置は、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を形成する第３の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第４の流路プレートとを、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た構成とし、前記第３の流路プレートと前記第４の流路プレートは、前記第２の端板と第３の端板との間に介挿され、さらに、前記第１の加湿装置と前記第２の加湿装置を一体化構成した燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の加湿装置における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を、前記排出ガスの入口から出口にかけての流れが反転もしくはそれに近く変更される略Ｕ字形に形成した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の加湿装置における前記冷却水の流路を、前記冷却水の入口から出口にかけての流れが反転もしくはそれに近く変更される略Ｕ字形に形成した請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の流路プレートと前記第３の流路プレートを同一形状とし、さらに、前記第２の流路プレートと前記第４の流路プレートを同一形状とした請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１の端板と、前記第２の端板、およびこれら両端板の間に介挿した前記第１の流路プレートと、前記第２の流路プレートと、エンドプレートより構成し、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートのいずれかを、前記第１の端板と前記第２の端板のいずれかと接し、さらに前記エンドプレートを、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートのいずれかと接するように配置して前記第１の加湿装置を構成し、また、前記第２の端板と、前記第３の端板、およびこれら両端板の間に介挿した前記第３の流路プレートと、前記第４の流路プレートと、エンドプレートより構成し、前記第３の流路プレートと前記第４の流路プレートのいずれかを、前記第２の端板と前記第３の端板のいずれかと接し、さらに前記エンドプレートを、前記第３の流路プレートと前記第４の流路プレートのいずれかと接するように配置して前記第２の加湿装置を構成した請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートと前記エンドプレートにおけるそれぞれの表面と裏面に、外周をシールするシール部を設け、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートにおいて、前記片方の面に取り付けるシール部の断面形状を凸形、他の面に取り付けるシール部の断面形状を平形とし、さらに前記エンドプレートにおけるシール部の断面形状を両面とも凸形とした請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
接合関係にある前記第１の端板と前記第２の端板と前記エンドプレートにおけるそれぞれの接合面に、表面あるいは裏面における規定外の接合を識別する識別手段を設けた請求項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】
前記第１の加湿器と前記第２の加湿器において、同一面上に積層して配置した前記第１の端板と前記第２の端板と前記第３の端板の各同一角部に、同一方向性であることを表示する表示手段を設けた請求項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、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行な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、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とで知られている。
【０００３】
前記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去された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、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なうバブラーがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
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なう加湿装置が知られている（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なうことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の加湿手段は、前記バブラーにおいて、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ものである。
【０００６】
また、上記特許文献２に記載の加湿装置は、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ず、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ものである。
【０００７】
したがって、かかる加湿装置は、燃料電池システムのコンパクト化が困難となるものであった。
【０００８】
本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を解決するもので、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、システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池システムは、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を加湿する加湿装置を、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う第１の加湿装置と、温水を用いて加湿を行う第２の加湿装置を、端板で分割された構成とし、前記第１の加湿装置と前記第２の加湿装置の連結面を大気と接触しないようにしたものである。
【００１０】
したがって、前記第１の加湿装置と前記第２の加湿装置の連結面が大気と接触しないため、この連結面からの放熱をなくすことができ、効率の高いシステムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
すなわち、本発明の燃料電池システムは、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れる。また、低コスト化及び製造時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、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の加湿装置と第２の加湿装置とを備え、前記第１の加湿装置は、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利用しての加湿を行い、前記第２の加湿装置は、温水を用いての加湿を行う燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置は、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を形成する第１の流路プレートと、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を形成する第２の流路プレートとを、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た構成とし、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートは、第１の端板と第２の端板との間に介挿され、さらに、前記第２の加湿装置は、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を形成する第３の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第４の流路プレートとを、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た構成とし、前記第３の流路プレートと前記第４の流路プレートは、前記第２の端板と第３の端板との間に介挿され、さらに、前記第１の加湿装置と前記第２の加湿装置を一体化構成したものである。
【００１３】
かかる構成とすることにより、前記第１の加湿装置と前記第２の加湿装置は、前記第２の端板で分割され、前記第１の加湿装置と前記第２の加湿装置の連結面が大気と接触しないため、この連結面からの放熱をなくすことができ、システムの効率化が図れるものである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記第１の加湿装置における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を、前記排出ガスの入口から出口にかけての流れが反転もしくはそれに近く変更される略Ｕ字形に形成したものである。
【００１５】
かかる構成とすることにより、前記排出ガスの入口、出口の配管を、前記第１の端板の平面部に集結して配置できるため、システムのコンパクト化が可能となる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記第２の加湿装置における前記冷却水の流路を、前記冷却水の入口から出口にかけての流れが反転もしくはそれに近く変更される略Ｕ字形に形成したものである。
【００１７】
かかる構成とすることにより、前記第２の加湿装置における冷却水の入口、出口の配管を、前記第１の端板の平面部に集結して配置できるため、システムのコンパクト設計が可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記第１の流路プレートと前記第３の流路プレートを同一形状とし、さらに、前記第２の流路プレートと前記第４の流路プレートを同一形状としたものである。
【００１９】
したがって、前記第１の流路プレートと前記第３の流路プレートの共用（兼用）化、および前記第２の流路プレートと前記第４の流路プレートの共用（兼用）化が可能となり、流路プレートの種類を少なくして加湿器製造時の工数が低減できるとともに、部品コストも低減でき、より安価なシステムを提供することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、前記第１の端板と、前記第２の端板、およびこれら両端板の間に介挿した前記第１の流路プレートと、前記第２の流路プレートと、エンドプレートより構成し、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートのいずれかを、前記第１の端板と前記第２の端板のいずれかと接し、さらに前記エンドプレートを、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートのいずれかと接するように配置して前記第１の加湿装置を構成し、また、前記第２の端板と、前記第３の端板、およびこれら両端板の間に介挿した前記第３の流路プレートと、前記第４の流路プレートと、エンドプレートより構成し、前記第３の流路プレートと前記第４の流路プレートのいずれかを、前記第２の端板と前記第３の端板のいずれかと接し、さらに前記エンドプレートを、前記第３の流路プレートと前記第４の流路プレートのいずれかと接するように配置して前記第２の加湿装置を構成したものである。
【００２１】
したがって、前記第１の加湿装置と、第２の加湿装置を一体化構成とすることが可能となる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートと前記エンドプレートにおけるそれぞれの表面と裏面に、外周をシールするシール部を設け、前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートにおいて、前記片方の面に取り付けるシール部の断面形状を凸形、他の面に取り付けるシール部の断面形状を平形とし、さらに前記エンドプレートにおけるシール部の断面形状を両面とも凸形としたものである。
【００２３】
かかる構成とすることにより、第１の流路プレートと第２の流路プレートの間及び、前記エンドプレートと前記第２の流路プレートの間に、前記水分移動膜を挟んで組み立てる製造工程において、前記第１の流路プレートの平面シール部を上にして、前記水分移動膜、前記第２の流路プレートの順に積層し、最後にエンドプレートを配置する際に、前記水分移動膜は平面シール部の上に配置され、第１の流路プレートの平面部に密着状態で固定される。よって凸形のシール部の上に乗せることに起因して、前記水分移動膜が組立て時にズレて皺になり、シール不良に至る危険性を回避することができるとともに、組立て製造時の工数低減と品質向上が実現できる。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、接合関係にある前記第１の端板と前記第２の端板と前記エンドプレートにおけるそれぞれの接合面に、表面あるいは裏面における規定外の接合を識別する識別手段を設けたものである。
【００２５】
かかる構成により、前記エンドプレートを前記第１の端板及び前記第３の端板に組込む際に、規定外の組込が識別できるため、シール部が両面凸形の前記エンドプレートを表面と裏面を間違えて、配管流路を逆にするという組立て間違いを防止し、組立て製造時の工数低減と品質向上が実現できる。
【００２６】
請求項８に記載の発明は、前記第１の加湿器と前記第２の加湿器において、同一面上に積層して配置した前記第１の端板と前記第２の端板と前記第３の端板の各同一角部に、同一方向性であることを表示する表示手段を設けたものである。
【００２７】
かかる構成により、前記第１の端板と前記第２の端板と前記第３の端板それぞれの方向性が認識でき、仮に前記第２の端板の裏面と表面とを間違えて組み立てても、表示手段が同一角になければ外観ですぐに発見でき、配管流路を逆にするという組立て間違いを防止して、組立て製造時の工数低減と品質向上が実現できる。
【００２８】
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、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（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称す）の構成を示す模式図である。
【００３０】
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、第１の加湿装置２２とおよび第２の加湿装置２１ａよりなる加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料処理加湿装置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、空気経路３と、第１の冷却水流路６ａと、第２の冷却水流路６ｂと、第３の冷却水流路６ｃと、貯湯タンク４５と、貯湯水循環経路１５とを主な要素として構成されている。
【００３１】
空気供給装置４０から空気経路１を介して加湿装置５０に供給された空気は、第１の加湿装置２２で加湿され、さらに第２の加湿装置２１ａによって加湿される。第２の加湿装置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。
【００３２】
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、原料が供給される。前記原料としては、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物（例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等）を含むガス等あるいはアルコール等が好ましい。ここでは、燃料処理装置４２は、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を備えている。
【００３３】
そして、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を介して燃料処理加湿装置２１ｂに供給され、加湿される。
【００３４】
また、燃料処理加湿装置２１ｂとしては、第２の加湿装置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、燃料ガスと称す）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。
【００３５】
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、第１の加湿装置２２に供給される。前記第１の加湿装置では、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。
【００３６】
そして、第１の加湿装置２２を経た空気は、排出ガス経路５を通じて排出され、また、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。
【００３７】
第２の加湿装置２１ａには、燃料電池１１から回収した第１の冷却水流路６ａと、第２の加湿装置２１ａで加湿した冷却水が流れる第２の冷却水流路６ｂが接続されている。第２の冷却水流路６ｂの冷却水は、空気経路１を通って第１の加湿装置２２で加湿された空気を、第２の加湿装置２１ａでさらに加湿するものである。
【００３８】
貯湯水タンク４５と、貯湯タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、貯湯タンク４５から給水した水を冷却水放熱器（熱交換器）１３を経由して再び貯湯タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５には、第２の加湿装置２１ａで加湿に利用された後の冷却水が流れる。その結果、冷却水放熱器１３には、前記冷却水の熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給、蓄熱される。
【００３９】
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、供給された冷却水との熱交換によって除去される。
【００４０】
燃料電池１１の熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、第１の冷却水流路６ａ、第２の冷却水流路６ｂ、第３の冷却水流路６ｃを介して再び冷却水タンク１４に戻される。ここで、第２の冷却水流路６ｂと第３の冷却水流路６ｃの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、前記冷却水の熱は、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。
【００４１】
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。
【００４２】
次に、本実施の形態の特徴である、加湿装置５０の第１の加湿装置における供給空気への加湿動作について説明する。図２、図３、図４及び図５は、図１に示す燃料電池システムにおける第１の加湿装置の構成を説明するための図である。図２及び図３は、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）は第１の流路プレートの斜視図、図２（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線による第１の流路プレートの要部断面図である。図３（ａ）は第２の流路プレートの斜視図、図３（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線による第２の流路プレートの断面図である。図４は、図２に示す第１流路プレートと図３に示す第２の流路プレートを積層して構成された加湿装置の模式的な斜視図である。図５は、加湿装置の構成を示す縦断面図である。
【００４３】
図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）、図４及び図５において、第１の加湿装置２２は、第１の端板３１と第２の端板３２との間に介挿されており、第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５が水分移動膜２３を介して、複数積層することにより構成されている（図５）。第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５は、それぞれ表裏に外周シール部２４ｓ、２５ｓを有し、第１の加湿装置２２から外部への供給空気及び排出空気のもれをシールしている。
【００４４】
また、第１の流路プレート２４に形成した貫通空間状態の中空部を、燃料電池１１から供給される空気の流路（以下、供給空気流路と称す）２４ａとし、また、第２の流路プレート２５に形成した貫通空間状態の中空部を、燃料電池１１から排出された空気の流路（以下、排出空気流路と称す）２５ａとしている。
【００４５】
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。
【００４６】
また、第１の流路プレート２４には、前述の如くプレートの中央部を貫通空間状態とし、その周縁の相対する位置に、供給空気の経路となるマニホールド孔２８ａ、２８ｂを開口することにより、貫通空間の供給空気流路２４ａと、この供給空気流路２４ａと離れ、かつ相対する位置で開口したマニホールド孔２９ａ、２９ｂを設けた構成となっている。
【００４７】
また、第２の流路プレート２５には、第１の流路プレート２４と同様にプレートの中央部を貫通空間状態とし、その周縁の相対する位置に排出空気の経路となるマニホールド孔２９ａ、２９ｂを開口することにより、貫通空間の排出空気流路２５ａと、この排出空気流路２５ａと離れ、かつ相対する位置で開口したマニホールド孔２８ａ、２８ｂを設けた構成となっている。
【００４８】
そして、上記のように形成された第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５を複数交互に配置し、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積層することにより、その積層構造において、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が連通してなる排気空気の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排気空気の取り出し流路２９ｂ’がそれぞれ形成される。
【００４９】
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、第２の端板３２のマニホールド孔３０に接続されている。
【００５０】
それにより、空気経路１から第１の加湿装置２２における第１の流路プレート２４に供給された空気（すなわち供給空気）は、第１の流路プレート２４の中空穴（貫通空間）に形成された供給空気流路２４ａに沿って流れ、第２の端板３２のマニホールド孔３０に送られる。
【００５１】
そして、このマニホールド孔３０から第２の加湿装置２１ａに形成された導入流路２８ａ”、２８ｂ”を経由し、空気経路３から燃焼電池１１へ流入し、前述の如く燃料電池１１の空気極へ供給される。
【００５２】
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。
【００５３】
それにより、空気経路４から第１の加湿装置２２における第２の流路プレート２５に供給された空気（すなわち排出空気）は、排出空気の導入流路２９ａ’を通って第２の端板３２に当たり、プレート２５の中空穴（貫通空間）に形成された排出空気流路２５ａに沿って流れ、略Ｕ字形流路を形成して排出空気の取り出し流路２９ｂ’から空気経路５に送られる。このように第２の流路プレート２５の中空穴（貫通空間）において、水分移動膜２３を介して対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。
【００５４】
第１の加湿装置２２では、上記構成を有する複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５とが、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、第１の流路プレート２４の供給空気流路２４ａを流れる供給空気と第２の流路プレート２５の排出空気流路２５ａ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、かかる構成の第１の加湿装置２２では、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、第１の加湿装置２２内において対向する流れを形成し、水分移動膜２３を介して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。
【００５５】
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、第１の加湿装置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、それにより供給空気が加熱される。
【００５６】
以上のようにして第１の加湿装置２２によって加湿された供給空気は、第２の端板３２を介して、第２の加湿装置２１ａに供給される。ここで、第２の加湿装置２１ａに供給された空気は、前述のようにあらかじめ第１の加湿装置２２によって加温及び加湿されているため、従来のように第２の加湿装置２１ａのみで加湿する場合に比べて、第２の加湿装置２１ａでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、第２の加湿装置２１ａに要する熱エネルギーや水分を低減することが可能となる。
【００５７】
このように本実施の形態では、あらかじめ第１の加湿装置２２によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、第２の加湿装置での２１ａでの消費エネルギーを低減することが可能であるため、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、第２の加湿装置２１ａでの消費水分が低減可能であることから、第２の加湿装置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、第２の加湿装置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。
【００５８】
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、第１の加湿装置２２と第２の加湿装置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、大型の第１の加湿装置及び第２の加湿装置を必要とせず、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。
【００５９】
本実施の形態においては、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、燃料加湿装置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、第２の燃料加湿装置の上流に第１の燃料加湿装置を設けて段階的に加湿を行う構成とすることができる。
【００６０】
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第１の燃料加湿装置に供給され、第１の燃料加湿装置において、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、第２の燃料加湿装置２１ｂにおける消費エネルギーの低減化が図れ、燃料電池システムのエネルギー効率の向上を図ることができるとともに、第２の燃料加湿装置２１ｂにおける水分の消費量の低減化が図れ、その結果、加湿量の安定化を図ることができる。
【００６１】
このような第１の燃料加湿装置は、例えば空気供給側において、前述した第１の加湿装置２２の構成と同様、水分移動膜２３を介して複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５を交互に積層した構成を有しており、この積層構造は、第１の流路プレート２４の中空穴（貫通空間）に供給燃料ガス流路２４ａが形成されるとともに、第２の流路プレート２５の中空穴（貫通空間）に排出燃料ガス流路２５ａが形成される。
【００６２】
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第１の加湿装置は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に用いられてもよい。
【００６３】
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、空気供給側に第１の加湿装置を配置することが好ましい。
【００６４】
以下の実施の形態２から４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。
【００６５】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの加湿装置の構成を示す模式的な斜視図である。図９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、エンドプレート３４を先の実施の形態１に示す構成に加え、さらに、第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５のそれぞれに設けた外周シール部２４ｓ、２５ｓを、その断面形状を同一とした構成である点が、実施の形態１とは異なっている。
【００６６】
以下、実施の形態２について説明する。ここで、先の実施の形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６７】
図６及び図７は、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６（ａ）は第１の流路プレートの斜視図、図６（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線による第１の流路プレートの要部断面図である。図７（ａ）は第２の流路プレートの斜視図、図７（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線による第２の流路プレートの要部断面図である。図８（ａ）はエンドプレートの透視状態による斜視図、図８（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線によるエンドプレートの要部断面図である。図９は、図８のエンドプレート３４を第１の端板３１に当接させ、エンドプレート３４と図６に示す第１の流路プレート２４の間で水分移動膜２３を挟み、さらに第１の流路プレート２４と図７に示す第２の流路プレート２５の間に水分移動膜２３を挟んで積層して構成された加湿装置５０の模式的な斜視図である。図１０は、加湿装置の構成を示す縦断面図である。
【００６８】
図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）、図９及び図１０に示すように、第１の加湿装置２２は、第１の端板３１と第２の端板３２との間に介挿されており、エンドプレート３４を第１の端板３１に当接させ、エンドプレート３４と図６に示す第１流路プレート２４の間で水分移動膜２３を挟み、さらに、第１の流路プレート２４と図７に示す第２の流路プレート２５の間に水分移動膜２３を挟んで複数積層することにより構成されている（図１０）。エンドプレート３４に形成した中空部（貫通空間）を、燃料電池１１から供給される供給空気流路３４ａとしている。この供給空気流路３４ａは、マニホールド孔２８ａ、２８ｂを介して第１の流路プレート２４に導かれる。第２の流路プレート２５には、流路プレート２５に形成した中空部（貫通空間）を、燃料電池１１からの排出空気流路２５ａとしている。エンドプレート３４の供給空気流路３４ａ及び第１の流路プレート２４の供給空気流路２４ａは、プレートの中央部を貫通空間状態とすることにより形成され、その周縁の相対する位置に供給空気の経路となるマニホールド孔２８ａ、２８ｂを一体に設けた構成となっている。
【００６９】
また、第２の流路プレート２５の排出空気流路２５ａも同様に、プレートの中央部を貫通空間状態とすることにより形成され、その周縁の相対する位置に前記供給空気の経路となるマニホールド孔２８ａ、２８ｂを設け、また前記供給空気経路と離れ、かつ相対する位置で排出空気の経路となるマニホールド孔２９ａ、２９ｂを設けた構成となっている。
【００７０】
そして、エンドプレート３４と、第１の流路プレート２４と、第２の流路プレート２５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積層し、続けて複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５を交互に積層することによって、積層体が構成される。
【００７１】
その結果、前記積層体において、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が連通してなる排気空気の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排気空気の取り出し流路２９ｂ’がそれぞれ形成される。
【００７２】
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、第２の端板３２のマニホールド孔３０に接続される。
【００７３】
したがって、空気経路１から第１の加湿装置２２における第１の流路プレート２４に供給された空気（すなわち供給空気）は、第１の流路プレート２４の中空穴（貫通空間）に形成された供給空気流路２４ａに沿って流れ、第２の端板３２のマニホールド孔３０に送られる。
【００７４】
そして、このマニホールド孔３０から第２の加湿装置２１ａに形成された導入流路２８ａ”、２８ｂ”を経由し、空気経路３から燃焼電池１１へ流入し、前述の如く燃料電池１１の空気極へ供給される。
【００７５】
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。
【００７６】
それにより、空気経路４から第１の加湿装置２２における第２の流路プレート２５に供給された空気（すなわち排出空気）は、排出空気の導入流路２９ａ’を通って第２の端板３２に当たり、プレート２５の中空穴（貫通空間）に形成された排出空気流路２５ａに沿って流れ、略Ｕ字形流路を形成して排出空気の取り出し流路２９ｂ’から空気経路５に送られる。このように第２の流路プレート２５の中空穴（貫通空間）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。
【００７７】
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５の間及び、エンドプレート３４と第２の流路プレート２５の間に、水分移動膜２３を挟んで組み立てる工程において、第１の流路プレート２４の平面シール部を上にして、水分移動膜２３、第２の流路プレート２５の順に積層し、最後にエンドプレート３４を配置するため、水分移動膜２３は平面シール部の上に配置され、第１の流路プレート２４の平面部に密着し固定される。
【００７８】
よって凸シール部２５ｓ、３４ｓの上に乗せることに起因して水分移動膜２３が組立て時にズレて皺になり、シール不良に至る危険性を回避することができ、また、組立て時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。
【００７９】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの加湿装置の構成を示す模式的な斜視図である。
【００８０】
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２の燃料電池システムと同様の構成を有するが、第１の端板３１と第３の端板３３において、エンドプレート３４と接する面に突起を設け、かつエンドプレート３４と対面する位置にこの突起を回避する切り欠き又は小穴を設けた点で先の実施の形態２とは異なっている。
【００８１】
以下、実施の形態３について説明する。ここで、先の各実施の形態と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明を省略する。また、具体的な構成については、説明の便宜上第１の端板３１とエンドプレート３４の構成を例にして説明する。
【００８２】
同図に示すように、第１の端板３１には、エンドプレート３４側へ突出する一対の突起３１ｂ及び３１ｃが略対角位置に設けられている。
【００８３】
また、エンドプレート３４の外周縁部には、第１の端板３１に設けられた一対の突起３１ｂ、３１ｃと対応する略対角位置に一対の切欠き３４ｂ、３４ｃが設けられている。なお、第３の端板３３についても、第１の端板３１と同様に一対の突起が設けられている。また、切欠き３４ｂ、３４ｃに代えて小穴とすることも可能である。さらに、突起３１ｂ、３１ｃと、切欠き３４ｂ、３４ｃは、その雌雄結合関係が維持される構成であれば、エンドプレート３４、第１の端板３１、第３の端板３３にいずれを設けても良いことは言うまでもない。
【００８４】
かかる構成では、エンドプレート３４を第１の端板３１及び第３の端板３３に組み込む際、第１の端板３１と第３の端板３３の突起３１ｂ、３１ｃがエンドプレート３４の切欠き３４ｂ、３４ｃに嵌まり込まないとエンドプレート３４がめくれて組み立てられない。しかも、突起３１ｂ、３１ｃと切欠き３４ｂ、３４ｃの位置が共に対角にあるため、エンドプレート３４の表面と裏面を間違えた場合には、両者の嵌合が不可能となり、誤組立てが解消できる。かかる構成は、特に同じ形状のシール部３４ｓを表裏両面に設けている場合に有用であり、エンドプレート３４を、表面と裏面を間違えて、配管流路を逆にするという組立て間違いを防止し、組立て時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。
【００８５】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの加湿装置の構成を示す模式図である。
【００８６】
図１２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、第１の端板３１と、第２の端板３２と、第３の端板３３の同一角部を面取りした点で、実施の形態３の構成とは異なっている。
【００８７】
以下、実施の形態４について説明する。ここで、先の各実施の形態と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８８】
図１２は、第１の端板３１と、第２の端板３２と、第３の端板３３と、図８に示すエンドプレート３４と、図６に示す第１流路プレート２４と、図７に示す第２の流路プレート２５を積層して構成された加湿装置５０の模式的な斜視図である。
【００８９】
同図において、第１の端板３１と、第２の端板３２と、第３の端板３３の同一角部にそれぞれ同一条件（角度等）の面取り部３１ａ、３２ａ、３３ａを設けている。
【００９０】
したがって、組立て時において、仮に第２の端板３２を裏面と表面または左右の方向性を間違えて組み立てた場合は、面取り部３２ａが他の面取り部３１ａ、３３ａと異なる位置となるため、外観で組立て誤りがすぐに発見できる。
【００９１】
したがって、配管流路を逆にするという組立て間違いを防止し、組立て時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。
【００９２】
なお、上記表示は、面取りに限らず、同一角部を着色塗装する等の表示手段を講じても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、システム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した動作が可能となり、電気自動車等へも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【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構成を示す模式図
【図２】（ａ）同実施の形態１における第１の流路プレートの透視状態による斜視図（ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ線による第１の流路プレートの要部断面図
【図３】（ａ）同実施の形態１における第２の流路プレートの透視状態による斜視図（ｂ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線による第２の流路プレートの要部断面図
【図４】同実施の形態１における第１流路プレートと第２の流路プレートを積層して構成された加湿装置の模式的な斜視図
【図５】同実施の形態１における加湿装置の構成を示す縦断面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態２における第１の流路プレートの透視状態による斜視図（ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ線による第１の流路プレートの要部断面図
【図７】（ａ）同実施の形態２における第２の流路プレートの透視状態による斜視図（ｂ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線による第２の流路プレートの要部断面図
【図８】（ａ）同実施の形態２におけるエンドプレートの透視状態による斜視図（ｂ）同図（ａ）のＣ−Ｃ線によるエンドプレートの要部断面図
【図９】同実施の形態２における第１流路プレートと第２の流路プレートとエンドプレートを積層して構成された燃料電池システムの加湿装置の模式的な斜視図
【図１０】同実施の形態２における加湿装置の構成を示す縦断面図
【図１１】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの加湿装置の構成を示す模式的な斜視図
【図１２】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの加湿装置の模式的な斜視図
【符号の説明】
【００９５】
１，２，３  空気経路
４，５  排出空気経路
６ａ  第１の冷却水流路
６ｂ  第２の冷却水流路
６ｃ  第３の冷却水流路
７    冷却水流路
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  第２の加湿装置
２２  第１の加湿装置
２３  水分移動膜
２４  第１の流路プレート
２４ａ，３４ａ  供給空気流路
２４ｓ，２５ｓ，３４ｓ  シール部
２５  第２の流路プレート
２５ａ  排出空気流路
３１  第１の端板
３２  第２の端板
３３  第３の端板
３４  エンドプレート
５０  加湿装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006210149.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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