(57)【要約】  【課題】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】水蒸気透過膜４８を枠体４９，５０で保持し、水蒸気透過膜４８を介して被加湿ガスと加湿流体を熱および湿度交換させる加湿器において、水蒸気透過膜４８を介して圧力が低くなる側の枠体に、膜ガイド部材６０を設けたことにより、水蒸気透過膜４８が保護されるものである。【選択図】図４
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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の被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを設け、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の加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、さらに、前記水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を、前記水蒸気透過膜の加湿ガス側に位置する前記支持部材に設けた燃料電池システム。
【請求項２】
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い、冷却水により所定温度範囲内に保持された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の被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを設け、前記加湿器は、前記冷却水と、前記被加湿ガスとを、適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、さらに、前記水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を、前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との圧力が低くなる側に位置する前記支持部材に設けた燃料電池システム。
【請求項３】
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い、冷却水により所定温度範囲内に保持された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の被加湿ガスを順次加湿する第一の加湿器と第二の加湿器とを設け、前記第一の加湿器を、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の加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、また、前記第二の加湿器を、前記冷却水と前記被加湿ガスとを適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、前記第一の加湿器の、少なくとも前記水蒸気透過膜における加湿ガス側と、前記第二の加湿器における前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との圧力が低くなる側にそれぞれ位置する前記支持部材に、前記水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けた燃料電池システム。
【請求項４】
前記膜ガイド部材を、前記水蒸気透過膜の両側位置に設けた請求項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】
前記膜ガイド部材を、網目状あるいは多数の透孔を有する板状部材より構成した請求項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】
前記膜ガイド部材を、金属で形成した請求項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】
前記支持部材を枠体構造とし、前記膜ガイド部材と前記支持部材は、相互に嵌合関係にある突起と凹部をそれぞれ備え、前記突起と凹部の嵌合により固定される請求項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】
前記膜ガイド部材を、前記支持部材における前記水蒸気透過膜と接する面より所定寸法離れて位置させた請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記膜ガイド部材の網目部もしくは透孔における前記膜と対向する側の開口周縁エッジを削除した請求項５から８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】
燃料電池システムでは、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が知られている。そして、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で利用することで、燃料電池システムは、そのエネルギー効率が向上する。また、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ことが行われている。
【０００４】
燃料ガスと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、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、水蒸気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の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７は従来例を示す加湿器の模式図、図８は異なる従来例を示す加湿器の模式図である。
【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７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温度および湿度が交換される。
【０００８】
また、水蒸気透過膜を用いる加湿器は、図８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とが水蒸気透過膜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、もう一つの水蒸気透過膜１２をはさんで配置され、水蒸気透過膜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、熱および湿度交換を行っている。一般的に、この水蒸気透過膜は、薄いほうが水蒸気の透過性および熱伝導性は良いが、膜の強度は低くなる。
【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、燃料電池システムの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】
また、上記従来の多孔質体を用いる加湿器では、メッシュ状の経路にガスを導くために、加湿器内での流路抵抗が大きくなり、燃料電池での反応に必要なガス量を流すために必要となるエネルギーが増加し、送風機の大型化および送風騒音の増加が発生する。また、多孔質体を用いると、多孔質体の厚みのために熱および湿度の交換効率が水蒸気透過膜に比べて比較的低く、熱および湿度の交換効率が低下して加湿器が大きくなる。
【００１１】
一方、水蒸気透過膜によって隔てられた経路に被加湿ガスと加湿流体（オフガスまたは冷却水）とを導く加湿器では、一般的に熱および湿度交換の効率を上げるために、薄い水蒸気透過膜を用いるのが好ましいが、例えば被加湿ガスである酸化剤ガスと、燃料電池から排出された酸化剤ガスのオフガスとを用いる場合では、燃料電池内の圧力損失により水蒸気透過膜を介してオフガス側の経路の方が、酸化剤ガス側の経路に比べ、圧力が低くなる。そのため、前記水蒸気透過膜はオフガス側の経路を狭める方向にたわみ、流路抵抗が増加する。しかも、前記水蒸気透過膜は、燃料電池システムの運転状態により、水蒸気透過膜の撓み具合が異なるため、安定して必要量の加湿を行うことが困難である。また、薄い水蒸気透過膜は膜の強度が弱いため、水蒸気透過膜を保持する部分に局所的に力が作用し続けると、長期の使用により、水蒸気透過膜が破損してしまうことも考えられる。
【００１２】
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ことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、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設け、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、支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、少なくとも前記水蒸気透過膜の加湿ガス側の前記支持部材に、膜ガイド部材を設けたものである。
【００１４】
これにより、前記被加湿ガスと加湿ガスは、圧力差により水蒸気透過膜が押されても、膜ガイド部材によりその撓みが規制されるため、加湿ガス側の経路を狭めることがなく、前記水蒸気透過膜を介して効率よく安定して熱および湿度を交換することができる。
【００１５】
また、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い、冷却水により所定温度範囲内に保持された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設け、前記加湿器を、前記冷却水と前記被加湿ガスとが、前記支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、少なくとも前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との圧力が低くなる側の前記支持部材に、前記膜ガイド部材を設けても良い。
【００１６】
これにより、冷却水と被加湿ガスとの間に圧力差が生じても、水蒸気透過膜は膜ガイド部材によりその撓みが規制されるため、圧力の低い側の経路が狭くなることがなく、水蒸気透過膜を介して効率よく安定して熱および湿度を交換することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムは、水蒸気透過膜を介して効率よく安定して熱および湿度交換ができる加湿器を実現することにより、効率よく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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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の被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを設け、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の加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、さらに、前記水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を、前記水蒸気透過膜の加湿ガス側に位置する前記支持部材に設けたものである。
【００１９】
かかる構成とすることにより、前記加湿ガスと前記被加湿ガスとの圧力差により、水蒸気透過膜の加湿ガス側への撓みに起因して加湿ガスの流路が狭くなるのを防ぐことができる。
【００２０】
その結果、加湿ガスと被加湿ガスとの熱交換および湿度交換を効率よく、かつ安定的に行うことができるので、エネルギー効率を低下させることなく、安定して燃料電池システムを運転することができる。
【００２１】
また、前記水蒸気透過膜は、支持部材および膜ガイド部材で保持されるため、応力が分散してかかるので、長期の使用により水蒸気透過膜が破れることを抑制することができ、燃料電池システムを長期間安定して運転することができる。
【００２２】
請求項２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い、冷却水により所定温度範囲内に保持された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の被加湿ガスを順次加湿する加湿器とを設け、前記加湿器は、前記冷却水と、前記被加湿ガスとを、適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、さらに、前記水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を、前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との圧力が低くなる側に位置する前記支持部材に設けたものである。
【００２３】
かかる構成により、前記被加湿ガスと前記冷却水との圧力差により、水蒸気透過膜が低圧側の経路に撓み、流路が狭くなるのを防ぐことができる。その結果、前記被加湿ガスと冷却水との熱交換および湿度交換が効率よく、かつ安定的に行われるので、エネルギー効率を低下させることなく、安定して燃料電池システムを運転することができる。
【００２４】
請求項３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い、冷却水により所定温度範囲内に保持された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の被加湿ガスを順次加湿する第一の加湿器と第二の加湿器とを設け、前記第一の加湿器を、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の加湿ガスと、前記被加湿ガスとを、適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱交換および湿度交換させる膜式の加湿器とし、また、前記第二の加湿器を、前記冷却水と前記被加湿ガスとを適宜箇所に流体が通る通路を有する支持部材で保持された水蒸気透過膜を介して熱および湿度交換させる膜式の加湿器とし、前記第一の加湿器の、少なくとも前記水蒸気透過膜における加湿ガス側と、前記第二の加湿器における前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との圧力が低くなる側にそれぞれ位置する前記支持部材に、前記水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けたものである。
【００２５】
かかる構成とすることにより、前記水蒸気透過膜を介して低圧側の経路に水蒸気透過膜が撓むのを防ぐことができる。その結果、前記被加湿ガスと加湿流体の熱交換および湿度交換が効率よく、かつ安定的に行われるので、エネルギー効率を低下させることなく、安定して燃料電池システムを運転することができる。また、第一の加湿器と第二の加湿器により、加湿量をより安定的に維持することができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、前記膜ガイド部材を、前記水蒸気透過膜の両側位置に設けたもので、前記燃料電池システムの運転状態により通常低圧となる流路が高圧となってしまった場合でも、水蒸気透過膜が低圧側の経路を狭めるといったことが発生せず、より安定して燃料電池システムを運転することができる。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、前記膜ガイド部材を、網目状あるいは多数の透孔を有する板状部材より構成したものである。
【００２８】
かかる構成により、前記熱交換および湿度交換に必要な水蒸気透過膜との接触面積が確保でき、水蒸気透過膜をより安定して膜ガイド部材で保持することが可能となる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、前記膜ガイド部材を、金属で形成したもので、前記熱交換を損なうことが抑制できる。
【００３０】
請求項７に記載の発明は、前記支持部材を枠体構造とし、前記膜ガイド部材と前記支持部材は、相互に嵌合関係にある突起と凹部をそれぞれ備え、前記突起と凹部の嵌合により固定される構成としたものである。
【００３１】
かかる構成により、前記膜ガイド部材と前記支持部材の組立てが行え、比較的簡単な構造で、効率が良く安定した加湿器を提供することができる。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、前記膜ガイド部材を、前記支持部材における前記水蒸気透過膜と接する面より所定寸法離れて位置させたものである。
【００３３】
かかる構成とすることにより、加湿器における量産組立て時のバラツキ等により膜ガイド部材の反り等に起因して前記支持部材から突出して前記水蒸気透過膜を傷つけるといったことを抑制することができ、安定した加湿を実現できる。
【００３４】
請求項９に記載の発明は、前記膜ガイド部材の網目部もしくは透孔における前記膜と対向する側の開口周縁エッジを削除したもので、前記開口周縁を内側に向かってなだらかな形状としたことにより、圧力差により水蒸気透過膜が膜ガイド部材に押し付けられても、膜ガイド部材により水蒸気透過膜を傷つけることが抑制でき、燃料電池システムが運転、停止のサイクルを繰り返して水蒸気透過膜に圧力の付加と緩和が繰り返し行われても、水蒸気透過膜に傷がつくことはないため、長期的にも安定して加湿可能な加湿器を実現できる。
【００３５】
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。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は本発明による実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【００３７】
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２２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とを主な要素として構成されている。
【００３８】
空気供給装置２０から空気経路３０を介して空気加湿装置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、空気経路３１を通って第２の加湿器２１ｂに供給され、この第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２２の空気極側に供給される。
【００３９】
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、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の原料が供給される。前記供給されるガス等、アルコール等の原料としては、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ものが好ましい。
【００４０】
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、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、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、第１の加湿器２１ａにおいて記載した加湿装置が用いられている。
【００４１】
加湿された水素リッチなガスは、燃料電池２２の燃料ガスとして、燃料ガス経路３５を通じて燃料電池２２の燃料極側に供給される。燃料電池２２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。
【００４２】
燃料電池２２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２２に供給される空気の加湿および加熱が行われる。そして、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。一方、燃料電池２２での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路３８を介して排出される。
【００４３】
また、燃料電池２２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２２に供給される。燃料電池２２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、酸化剤ガスとして燃料電池２２に供給される第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。
【００４４】
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、該熱交換器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、温水が蓄えられる。
【００４５】
冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池２２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２２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、更に貯湯水ポンプ４２で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池２２の温度および冷却水タンク２７内の水温、更には、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。
【００４６】
次に、本実施の形態の特徴である加湿器について説明する。なお、本実施の形態では、第１の加湿器と第２の加湿器、燃料ガス加湿器とは、非常に似た構成のため、第１の加湿器について説明し、第２の加湿器と燃料ガス加湿器については、詳細な説明を省略する。
【００４７】
図２は本実施の形態１における第１の加湿器の斜視図であり、図３は第１の加湿器を構成する第１の枠体（支持部材）の斜視図、図４（ａ）は第１の加湿器を構成する第２の枠体（支持部材）と膜ガイド部材の組立て状態を示す斜視図、図４（ｂ）は同第２の枠体と膜ガイド部材の分解斜視図、図５は図４（ｂ）におけるＡ−Ａ線による膜ガイド部材の断面図、図６は第１の加湿器内部の流路構成を示す模式図である。
【００４８】
図２から図６に示すように、第１の加湿器２１ａは、第１の端板４４と第２の端板４５の間に、被加湿空気室４６と排出空気室４７を、水蒸気透過膜４８を介して複数段積層することにより構成されている。本実施の形態では、水蒸気透過膜４８には、薄くて伝熱性能がよく、ガスシール製の優れた、厚さ１５μｍから３０μｍのフッ素樹脂系イオン交換膜（ジャパンゴアテックス社製Ｇｏｒｅ−ｓｅｌｅｃｔ）を用いた。
【００４９】
第１の端板４４には、空気経路３０と接続された被加湿空気入口４４ａと、排出空気経路３７と接続された排出空気出口４４ｂが設けられ、また、第２の端板４５には、空気経路３１と接続された被加湿空気出口４５ａと、排出空気経路３６と接続された排出空気入口４５ｂが設けられている。被加湿空気入口４４ａと被加湿空気出口４５ａ、排出空気出口４４ｂと排出空気入口４５ｂは、それぞれ対角に位置するように配置されている。
【００５０】
被加湿空気室４６と排出空気室４７は、水蒸気透過膜４８を、中央部に流体の通路となる貫通穴（貫通空間）４９ａを設けた第１の枠体４９と、同じく中央部に貫通穴（貫通空間）５０ａを設けた第２の枠体５０とで挟みつけて保持することにより、水蒸気透過膜４８によって仕切られた状態で形成される。なお、両端部に位置する被加湿空気室４６と排出空気室４７は、端板４４、４５と水蒸気透過膜４８との間に形成されている。
【００５１】
被加湿空気室４６を形成する第１の枠体４９には、被加湿空気入口４４ａと対応し、第１の枠体４９の厚み方向に貫通した縦穴５１ａと、縦穴５１ａから垂直方向に中央部の貫通穴４９ａまで貫通した横穴５１ｂからなるマニホールド５１と、被加湿空気出口４５ａと対応し、厚み方向に貫通した縦穴５２ａと、縦穴５２ａから垂直方向に中央部の貫通穴４９ａまで貫通した横穴５２ｂからなるマニホールド５２と、排出空気出口４４ｂと対応した貫通穴５３と、排出空気入口４５ｂと対応した貫通穴５４が設けられている。
【００５２】
また、排出空気室４７を形成する第２の枠体５０には、第１の枠体４９と同様の構造で、排出空気入口４５ｂと対応した縦穴５５ａと横穴５５ｂからなるマニホールド５５と、排出空気出口４４ｂに対応した縦穴５６ａと横穴５６ｂからなるマニホールド５６と、被加湿空気入口４４ａと対応した貫通穴５７と、被加湿空気出口４５ａと対応した貫通穴５８とを設けた構成となっている。
【００５３】
なお、図６においては、模式図であることおよび説明の便宜上、前記各縦穴、横穴をそれぞれに対応するマニホールドの符号を付して説明している。
【００５４】
さらに、水蒸気透過膜４８についても図示はしないが各入口４４ａ、４５ｂ、および各出口４４ｂ、４５ａに対応する穴が設けられている。
【００５５】
また、第１の枠体４９と第２の枠体５０それぞれにおける水蒸気透過膜４８を保持する面の外周および、各マニホールド５１、５２、５５、５６の縦穴５１ａ、５２ａ、５５ａ、５６ａさらに各貫通穴５３、５４、５７、５８の外周には、フッ素ゴム等からなるシール部材５９ａ、５９ｂがそれぞれ配置され、被加湿空気室４６と排出空気室４７との分離性が確保されるように工夫してある。
【００５６】
なお、各枠体４９、５０の加工成形を容易にするために、被加湿空気室４６と排出空気室４７とのシール性が確保できるならば、各マニホールドの横穴５１ｂ、５２ｂ、５５ｂ、５６ｂに変えてマニホールド５１、５２、５５、５６の縦穴５１ａ、５２ａ、５５ａ、５６ａから中央部貫通穴４９ａ、５０ａに向けて溝が形成された部材を重ね合わせて構成することも可能である。
【００５７】
さらに、第２の枠体５０の中央部貫通穴５０ａには、中央部貫通穴５０ａを覆う網目状の膜ガイド部材６０が配置されている。膜ガイド部材６０は、水蒸気透過膜４８が第２の枠体５０と接しないように、水蒸気透過膜４８を第２の枠体５０から０．５ｍｍから１ｍｍ程度離して支持している。膜ガイド部材６０と第２の枠体５０との結合固定は、図５中において膜ガイド部材６０の左右端部に第２の枠体５０方向に延出された爪６０ａと、第２の枠体５０における中央部貫通穴５０ａの内側壁に形成した爪嵌合部５０ｂの嵌合により行われる。爪６０ａおよび爪嵌合部５０ｂは、同図に示す如くＬ形に形成されており、図中上下からの嵌合後に前後へ移動させることによって嵌合の抜け止め、解除が行える。また、水蒸気透過膜４８は、膜ガイド部材６０の嵌合状態において前述の第２の枠体５０から離れて保持される。
【００５８】
また、膜ガイド部材６０は、網目の開口率が水蒸気透過膜４８と排出空気の接触面積が充分確保できる開口率で、かつ被加湿空気と排出空気の圧力差により、水蒸気透過膜４８が被加湿空気室４７方向に押されても、膜ガイド部材６０で支えることができる強度をもつことが必要である。さらに、水蒸気透過膜４８と排出空気との直接の接触面積以上の伝熱性能を発揮させるために、膜ガイド部材６０は、ステンレス等の耐腐食性に優れ、熱伝導率のよい金属で成形されることが望ましい。また、膜ガイド部材６０の網目部は、図５に示す如く水蒸気透過膜４８と対向する面と垂直方向の面（膜ガイド部材６０の厚さ方向の面）との接合部（エッジ部）６０ｂがなだらかに面取りされている。
【００５９】
以上の構成による第１の加湿器２１ａについて、以下、その動作を説明する。
【００６０】
被加湿空気入口４４ａから第１の加湿器２１ａ内に供給される比較的低温で相対湿度の低い被加湿空気は、第１の枠体４９に形成されたマニホールド５１の縦穴５１ａと第２の枠体５０に形成された貫通穴５７を通って、積層状態にある第１の枠体４９の横穴５１ｂから、各層の被加湿空気室４６に流入する。
【００６１】
一方、排出空気室４７には、排出空気入口４５ｂから、第２の枠体５０のマニホールド５５を通って、燃料電池２２で加熱された比較的高温で相対湿度の高い排出空気が排出空気室４７へ供給される。
【００６２】
そして、被加湿空気室４６内の被加湿空気は、水蒸気透過膜４８を介して排出空気室４７内の排出空気と接触し、これによって熱及び湿度を受け取り、マニホールド５２の横穴５２ｂから、縦穴５２ａ、第２の枠体５０の貫通穴５８を通って被加湿空気出口４５ａから第１の加湿器２１ａ外へ出て行く。
【００６３】
同様に、第１の加湿器２１ａ内に供給された排出空気も、排出空気室４７からマニホールド５６および貫通穴５３を通って、排出空気出口４４ｂから第１の加湿器２１ａ外に排出される。
【００６４】
上記被加湿空気と排出空気の流れにおいて、水蒸気透過膜４８を介した状態での被加湿空気室４６と排出空気室４７との圧力の関係は、前記被加湿空気が第１の加湿器２１ａから排出された後、第２の加湿器２１ｂおよび燃料電池２２を経由して再び第１の加湿器２１ａに供給されるため、第２の加湿器２１ｂおよび燃料電池２２を流れることによる圧力損失により、被加湿空気室４６内の圧力の方が高くなる。加えて、水蒸気透過膜４８は、が加湿器製造時の乾燥している時に比べ、動作時に熱と水分により伸張することにより、使用状態では、状況が変化する。すなわち、製造時に十分に張った状態で第１の枠体４９、第２の枠体５０間に固定していても、動作時には弛みが生じてしまう。
【００６５】
そのため、水蒸気透過膜４８は、排出空気室４７を閉塞させる方向に変形しようとするが、第２の枠体５０に取り付けられた膜ガイド部材６０により、一定寸法以上は膨らむことができず、その結果、排出空気室４７の体積を保つことができる。このため、排出空気の圧力損失の増加を抑制することができ、また、排気空気室４７の流れも、水蒸気透過膜４８の開口面全面を有効に利用して熱交換及び湿度交換を行うことができる。
【００６６】
さらに、膜ガイド部材６０は、水蒸気透過膜４８と排出空気との接触面積を、加湿に充分な開口面積を損なわないように配慮した網目状になっているため、充分な加湿が実現できる。加えて膜ガイド部材６０を金属で形成したことにより、網目状の開口部以外の部分でも、水蒸気透過膜４８を介して排出空気と被加湿空気の熱交換が可能である。
【００６７】
よって、第１の加湿器２１ａでは、比較的コンパクトな形状で、被加湿空気と排出空気の熱交換及び湿度交換が効率よく安定して行うことが可能であり、燃料電池に充分に加湿された酸化剤ガスを供給することができる。したがって、比較的コンパクトな構成で燃料電池システムを安定して運転することが可能となる。
【００６８】
また、膜ガイド部材６０と第２の枠体５０との固定を、爪６０ａと第２の枠体５０に形成した溝５０ｂによるものとしたことにより、比較的簡単に第１の加湿器２１ａを製造することができる。そのため、第１の加湿器２１ａの製造コストを抑制することができ、結果的に前記燃料電池システムの製造コストを抑制することができる。
【００６９】
さらに、膜ガイド部材６０を、第２の枠体５０と水蒸気透過膜４８との接触面から、水蒸気透過膜４８と離れる方向に所定寸法を挟んで配置したことにより、薄い金属製の膜ガイド部材６０が、製造上のバラツキ、例えば反り等で第２の枠体５０と水蒸気透過膜４８との接触面から突出して、水蒸気透過膜４８を傷つけるといったことが抑制できるため、安定した加湿性能が実現でき、安定した燃料電池システムの実現が可能である。
【００７０】
また、前記膜ガイド部材の網目部のエッジをなだらかにしたことにより、水蒸気透過膜４８が圧力差により膜ガイド部材６０に押し付けられても、膜ガイド部材６０のエッジ部６０ｂで水蒸気透過膜４８を傷つける危険性が低下し、安定した加湿性能を実現でき、安定した燃料電池システムの実現が可能である。
【００７１】
なお、本実施の形態において、第２の加湿器２１ｂの構成は、第１の加湿器２１ａの被加湿空気が流れる流路に燃料電池２２からの冷却水を、排出空気が流れる流路に第１の加湿器２１ａから出てきた被加湿空気をそれぞれ供給するように構成した。これは、本実施の形態における燃料電池システムの各流路抵抗により、第２の加湿器２１ｂ内における水蒸気透過膜４８を介しての圧力差が、冷却水側のほうが被加湿空気側よりも高くなったためである。この圧力関係は、燃料電池システムの構成により変わることがあるため、それぞれの燃料電池システムにおいて、圧力が低くなる方に膜ガイド部材６０を配置すればよい。
【００７２】
さらに、本実施の形態では、膜ガイド部材６０には、網目状のものを用いたが、例えば、枠体の中央部貫通穴に断面形状が丸のステンレス線を複数本橋渡しあるいは格子状に架けるような形状でも同様の効果が得られる。
【００７３】
また、本実施の形態では、燃料ガス加湿器として、第２の加湿器と同様の配管経路の加湿器を用いたが、第１の加湿器と同様の配管経路の加湿器を用いてもよい。
【００７４】
さらに、燃料処理装置で原料となる都市ガス等を改質する際に加える水蒸気の量を制御することにより、燃料ガス加湿器を無くして燃料電池システムの構成を簡略化することも可能である。
【００７５】
また、本実施の形態では、膜ガイド部材６０を水蒸気透過膜４８を介して低圧となる枠体側にのみ設けたが、膜ガイド部材６０を第１の枠体４９と第２の枠体５０の両方に配置することにより、燃料電池システムによる各経路の圧力損失を考慮する必要がなく、汎用性がよくなり、部品点数増加によるコスト増加を量産効果で抑制することが期待でき、また、加湿器内部の圧力変動に強い加湿器が実現できるため、安定した運転の可能な燃料電池システムを提供することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように、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】
【００７７】
【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】同実施の形態における第１の加湿器の斜視図
【図３】同実施の形態における第１の加湿器を構成する第１の枠体の斜視図
【図４】（ａ）同実施の形態における第２の枠体と膜ガイド部材の組立て状態を示す斜視図（ｂ）同第２の枠体と膜ガイド部材の分解斜視図
【図５】図４（ｂ）におけるＡ−Ａ線による膜ガイド部材の断面図
【図６】同実施の形態における第１の加湿器内部の流路構成を示す模式図
【図７】従来例を示す加湿器の模式図
【図８】異なる従来例を示す加湿器の模式図
【符号の説明】
【００７８】
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
２２  燃料電池
２３  燃料供給装置
２４  燃料処理装置
２５  燃料ガス加湿器
２６  熱交換器
２７  冷却水タンク
２８  冷却水ポンプ
２９  貯湯タンク
４２  貯湯水ポンプ
４４  第１の端板
４４ａ  被加湿空気入口
４４ｂ  排出空気出口
４５  第２の端板
４５ａ  被加湿空気出口
４５ｂ  排出空気入口
４６  被加湿空気室
４７  排出空気室
４８  水蒸気透過膜
４９  第１の枠体
４９ａ，５０ａ  中央部貫通穴
５０  第２の枠体
５０ｂ  爪嵌合部
５１，５２，５５，５６  マニホールド
５１ａ，５２ａ  縦穴
５１ｂ，５２ｂ  横穴
５３，５４，５７，５８  貫通穴
５９  シール部材
６０  膜ガイド部材
６０ａ  爪
【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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