(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】水蒸気透過膜を枠体で保持し、前記水蒸気透過膜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、水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との少なくとも一方の配管出口または、被加湿ガス経路と冷却水経路との少なくとも一方に圧力制御装置であるオリフィス６２を設け、相対的に圧力が低くなる側の前記枠体に膜ガイド部材を設ける。【選択図】図８
2006196284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記被加湿ガスとを、流体通過部を有する支持体によりその撓みが規制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、前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との少なくとも一方の配管出口または、被加湿ガス経路と冷却水経路との少なくとも一方に流体の流量を調整する圧力制御装置を設け、相対的に圧力が低くなる側の前記枠体に膜ガイド部材を設けた燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御装置を、前記冷却水側に設けた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力制御装置を、オリフィスとした請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記オリフィスを、ゴム性材料より構成した請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力制御装置を、前記冷却水経路を構成する冷却水室に設けた流路抵抗部材で構成し、前記流路抵抗部材を、冷却水の流れを遮る方向に配置した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流路抵抗部材を、前記冷却水室内において千鳥状に複数配設した請求項５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で知られている。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で利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。また、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構成としている。
【０００４】
前記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である加湿流体とを導くことにより、前記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１２は、従来例を示す加湿器の模式図を示すものである。図１３は、異なる従来例を示す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１２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１３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。
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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は、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、燃料電池を冷却した冷却水とを用いる場合では、被加湿ガス流量と冷却水流量の設定値の関係により、部分負荷時の低負荷運転運転（６０％以下）においては、冷却水側の経路の圧力が被加湿ガス側の経路の圧力に対して圧力が低くなり、そのため、水蒸気透過膜は冷却水側の経路を狭める方向に撓み（膨らみ）、流路抵抗が増加する。また、定格負荷時の高負荷運転においては、逆に冷却水側の経路の圧力が被加湿ガス側の経路の圧力に対して圧力が高くなり、水蒸気透過膜は被加湿側の経路を狭める方向に撓み、流路抵抗が増加する。
【００１３】
このように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ってしまい、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継続して作用すると、長期使用においては水蒸気透過膜が破損してしまうことも考えられる。
【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】
【００１５】
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、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、前記被加湿ガスとを、流体通過部を有する支持体あるいは枠体等によりその撓みが規制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、前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との少なくとも一方の配管出口または、被加湿ガス経路と冷却水経路との少なくとも一方に流体の流量を調整する圧力制御装置を設け、相対的に圧力が低くなる側の前記支持体に膜ガイド部材を設けたものである。
【００１６】
これにより、冷却水と被加湿ガスとの間には常に相対的にある範囲の圧力差が生じているため、圧力の低い側に設けられた膜ガイドにより、水蒸気透過膜は膜ガイド部材により撓みを規制され、その結果、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、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、前記被加湿ガスとを、流体通過部を有する支持体によりその撓みが規制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、前記水蒸気透過膜の被加湿ガス側と冷却水側との少なくとも一方の配管出口または、被加湿ガス経路と冷却水経路との少なくとも一方に流体の流量を調整する圧力制御装置を設け、相対的に圧力が低くなる側の前記枠体に膜ガイド部材を設けたものである。
【００１９】
かかる構成とすることにより、圧力制御装置によって前記冷却水経路と被加湿ガス経路との間に生じる圧力差を極力小さくし、水蒸気透過膜の撓み（膨らみ）を抑制して、撓みによる冷却水流路あるいは被加湿ガス経路の萎縮を抑制することができる。その結果、前記経路容積の萎縮に起因する熱および湿度の交換作用の低下を抑制し、安定した動作を得ることができる。また、前記圧力差にアンバランスが生じ、前記水蒸気透過膜に低圧側の経路への撓みが生じても前記支持体により、水蒸気透過膜の撓みが規制される。その結果、前記撓みに起因する低圧力側の経路の狭小化を防ぐことができ、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。したがって、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。
【００２０】
さらに、水蒸気透過膜は、支持体によって保持されるため、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。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、前記圧力制御装置を、前記冷却水側に設けたもので、これにより、部分負荷時における低負荷運転（６０％以下）での被加湿ガス流量と冷却水流量の設定値においても、冷却水の圧力が被加湿ガスに対して圧力が低くならないようにすることができ、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。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、前記圧力制御装置を、オリフィスとしたもので、これにより、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。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、前記オリフィスを、硬度を４０〜８０度のゴム材あるいはゴム性材料としたもので、これにより、材料が持つ圧力によって変形度合いを変える性質を利用し、常に一定の圧力になるようにコントロールすることができ、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。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、前記圧力制御装置を、前記冷却水経路を構成する冷却水室に設けた流路抵抗部材で構成し、前記流路抵抗部材を、冷却水の流れを遮る方向に配置したもので、前記流路抵抗部材により、冷却水の流れを遮ることで加湿器内で単独に冷却水と被加湿ガスとの間において相対的に所定の範囲の圧力差を生じさせることができる。その結果、圧力制御装置を燃料電池システム内に配設する必要がないので、燃料電池システムを簡素化することが可能となる。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、前記流路抵抗部材を、前記冷却水室内において千鳥状に複数配設したもので、かかる構成により、冷却室内全域に略均等の圧力差を生じさせることができ、前記水蒸気透過膜の圧力差に伴う膨らみ（撓み）を一様化でき、温度・湿度交換作用の効率化がはかれる。
【００２６】
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。
【００２７】
（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構成を示す模式図である。
【００２８】
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、熱交換器２６へ流れる流体（冷却水）の圧力（流量）を調整する圧力制御装置６１を主な要素として構成されている。
【００２９】
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、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を通り、燃料電池２２の空気極側に供給される。
【００３０】
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及びアルコール等を主体とする原料が供給される。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、後述する第１の加湿器２１ａにおいて記載した構成の加湿装置が用いられている。
【００３１】
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。この燃料電池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。
【００３２】
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。この第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。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。
【００３３】
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。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、この熱交換器２６での熱交換作用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。
【００３４】
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、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２２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。また、第２の加湿装置２１ｂを経た冷却水は、圧力制御装置６１により、冷却水流量に応じて所定の圧力以上に制御されるので、被加湿ガスよりも常に高圧の状態に設定し、維持することができる。
【００３５】
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２１ａと第２の加湿器２１ｂ、燃料ガス加湿器２５とは、非常に似た構成のため、第２の加湿器２１ｂについて説明し、第１の加湿器２１ａと燃料ガス加湿器２５については、詳細な説明を省略する。
【００３６】
図２は本実施の形態における第２の加湿器の斜視図であり、図３は第２の加湿器を構成する第１の枠体の斜視図、図４（ａ）は同第２の加湿器を構成する第２の枠体と膜ガイド部材の組立て状態を示す斜視図、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２の加湿器内部の流路構成を示す模式図、図７は第２の加湿器における圧力特性の説明図、図８は第２の加湿器と圧力制御装置の取付け構成を示す分解斜視図である。
【００３７】
図２および図６に示すように、第２の加湿器２１ｂは、第１の端板４４と第２の端板４５の間に、冷却水室４６と被加湿ガス室４７が、水蒸気透過膜４８を介して複数段交互に積層して形成されている。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、ガスシール性の優れた、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。
【００３８】
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、冷却水経路４１と接続された冷却水出口４４ｂが設けられている。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、冷却水気経路４０と接続された冷却水入口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、および冷却水出口４４ｂと冷却水入口４５ｂは、投影状態においてそれぞれ対角に位置するように配置されている。
【００３９】
冷却水室４６と被加湿ガス室４７は、水蒸気透過膜４８を、図３および図４に示す如く中央部に流体の通路である貫通穴４９ａを設けた第１の枠体４９と、同じく中央部に流体の通路である貫通穴５０ａを設けた第２の枠体５０とで挟みつけ、積層状態に保持することにより形成される。また、前記積層構造における両端部では、端板４４または４５と水蒸気透過膜４８とによって形成されている。
【００４０】
冷却水室４６を形成する第１の枠体４９には、図３に示す如く冷却水入口４５ｂ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から直角方向に中央部の貫通穴４９ａまで貫通した横穴５１ｂと、縦穴５１ａと横穴５１ｂからなるマニホールド５１と、冷却水出口４４ｂと対応し、厚み方向に貫通した縦穴５２ａと、縦穴５２ａから直角方向に中央部の貫通穴４９ａまで貫通した横穴５２ｂと、縦穴５２ａと横穴５２ｂからなるマニホールド５２と、被加湿ガス出口４５ａと対応した貫通穴５３と、被加湿ガス入口４４ａと対応した貫通穴５４がそれぞれ設けられている。ここで、貫通穴４９ａは、水蒸気透過膜４８等との挟持によって冷却水室４６となる。
【００４１】
また、被加湿ガス室４７を形成する第２の枠体５０は、第１の枠体４９と同様の構造となっており、被加湿ガス入口４４ａと対応し、かつ図４に示すように横穴５５ａにより中央部の貫通穴５０ａと連通した縦穴５５ｂからなるマニホールド５５と、被加湿ガス出口４５ａに対応し、かつ横穴５６ａにより貫通穴５０ａと連通した縦穴５６ｂからなるマニホールド５６と、冷却水入口４５ｂと対応した貫通穴５７と、冷却水出口４４ｂと対応した貫通穴５８がそれぞれ設けられている。ここで、貫通穴５０ａは、水蒸気透過膜４８等との挟持によって被加湿ガス室４７となる。
【００４２】
さらに水蒸気透過膜４８には、図示しないが各入口４４ａ、４５ｂおよび各出口４４ｂ、４５ａに対応する穴がそれぞれ設けられている。
【００４３】
さらに、第１の枠体４９と第２の枠体５０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および各貫通穴５３、５４、５７、５８の外周には、フッ素ゴム等からなるシール部材５９が配置され、冷却水室４６と被加湿ガス室４７との分離性が確保されるように構成されている。
【００４４】
なお、各枠体４９、５０の成形を容易にするために、各マニホールド５１、５２、５５、５６の横穴５１ｂ、５２ｂ、５５ａ、５６ａについては、冷却水室４６と被加湿ガス室４７とのシール性が確保できるならば、マニホールド５１、５２、５５、５６の縦穴５１ａ、５２ａ、５５ｂ、５６ｂから中央部の貫通穴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。
【００４５】
さらに、第２の枠体５０の中央部に形成された矩形状の貫通穴５０ａには、貫通穴５０ａを覆い、第１の枠体４９と挟持状態にある水蒸気透過膜４８を支持する支持面６０ｂが網目状に形成された膜ガイド部材６０が、着脱可能に取り付けられている。この膜ガイド部材６０は、本発明の流体通過部を有する支持体に相当する。膜ガイド部材６０は、前記支持面が水蒸気透過膜４８と第２の枠体５０とが接する面よりも、０．５ｍｍから１ｍｍ程度水蒸気透過膜４８から離れる関係となるようにその寸法が設定されている。そして、膜ガイド部材６０の第２の枠体５０への取付け構造は、膜ガイド部材６０の相対する端部に、支持面６０ｂと直角方向で第２の枠体５０の貫通穴５０ａ方向に延出したＬ字状の爪６０ａと、第２の枠体５０における貫通穴５０ａの相対する端部に爪６０ａに対応して形成したＬ字状の爪嵌合部５０ｂより構成され、図中上下方向から爪６０ａを爪嵌合部５０ｂに嵌合し、その後前後方向にスライドさせることによって膜ガイド部材６０の固定が行える。
【００４６】
さらに、膜ガイド部材６０は、網目の開口率が、水蒸気透過膜４８と冷却水の接触面積が充分確保できる開口率に設定され、また、被加湿空気と冷却水の圧力差により、水蒸気透過膜４８が被加湿ガス室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に設定されている。さらに、膜ガイド部材６０は、水蒸気透過膜４８と冷却水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、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ているが、同等の条件を満たす合成樹脂材料にて成形してもよい。また、膜ガイド部材６０の網目部６０ｃの内周縁は、図５に示すように水蒸気透過膜４８と対向する支持面６０ｂ側において、水蒸気透過膜４８が当接しても、水蒸気透過膜４８を損傷しないように面取り６０ｄが施されている。
【００４７】
また、第２の加湿器２１ｂにおける冷却水出口４４ｂの後方には、図８に示す如く圧力制御装置６１が配設されている。圧力制御装置６１は、冷却水出口４４ｂと冷却水経路４１の接合部に設けられ、冷却水出口４４ｂと冷却水経路４１を流れる流体を遮る面に小孔６２ａを設けた円筒状のオリフィス６２によって構成されている。オリフィス６２は、硬度が４０〜８０度程度のゴム材よりなり、適度の弾性を利用し、圧力によって変形度合いが変わるものである。オリフィス６２の冷却水出口４４ｂあるいは冷却水経路４１への固定は、周知の構成でよいため、説明を省略する。
【００４８】
そして、上記構成からなる第１の枠体４９と第２の枠体５０を、図６に示す如く経路が形成されるよう方向性をもって交互に積層することにより、第２の加湿器２１ｂが形成される。
【００４９】
以上の構成による第２の加湿器２１ｂについて、以下、その動作を説明する。ここで、燃料電池２２の冷却を行うための空気供給装置２０による空気流、燃料供給装置２３による燃料の流れ、冷却水タンク２７からの冷却水の流れ等、システム全体における流体の流れは、図１で説明した通りであるため、ここでは、空気加湿装置２１を構成する第２の加湿器２１ｂにおける各流体の流れについて説明する。なお、第１の加湿器２１ａについては、第２の加湿器２１ｂと同様の構成を成し、図１で説明した通り、燃料電池２２側へ流れる空気流と、燃料電池２２からの空気流において、水蒸気透過膜４８を介して温度・湿度の授受作用が行われるもので、そのときに生じる水蒸気透過膜４８の撓みについても、第２の加湿器２１ｂにおいて規制される関係構成要件と、それらが機能する作用と同じであるため、説明を省略する。
【００５０】
図２乃至図６において、被加湿空気入口４４ａから第２の加湿器２１ｂ内に供給された比較的低温で相対湿度の低い空気は、第２の枠体５０におけるマニホールド５５の縦穴５５ｂと第１の枠体４９の貫通穴５９を通って、積層された第２の枠体５０の横穴５５ａから、各層の被加湿ガス室４７に流入する。
【００５１】
一方、冷却水室４６には、冷却水入口４５ｂから、第１の枠体４９のマニホールド５１を通って、燃料電池２２で加熱された比較的高温水冷却水が供給される。
【００５２】
前記被加湿空気は、水蒸気透過膜４８を介して冷却水と接触して熱及び湿度を受け取り、マニホールド５６の横穴５６ａから、縦穴５６ｂ、第１の枠体４９の貫通穴５３を通り、被加湿空気出口４５ａから第２の加湿器２１ｂ外へ出て行く。
【００５３】
同様に、第２の加湿器２１ｂ内に供給された冷却水も、冷却水室４６から横穴５２ｂを介してマニホールド５２および貫通穴５８を通り、冷却水出口４４ｂから第２の加湿器２１ｂ外に排出される。
【００５４】
この状態において、水蒸気透過膜４８を介しての被加湿ガス室４７と冷却水室４６との圧力の関係は、図７に示すように、負荷の増加につれて冷却水室４６の圧力が二次関数的に増加する状態にある。したがって、破線で示すように圧力制御装置６１がなければ、部分負荷時低負荷運転時（約６０％以下）においては、被加湿ガス流量と冷却水流量の設定値の関係上、冷却水の圧力が被加湿ガスに対して圧力が低くなる。
【００５５】
加えて、水蒸気透過膜４８は、加湿器製造時の乾燥している時に比べ、動作時における熱と水分により伸張しており、製造時に十分に張った状態で第１および第２の枠体４９、５０に固定していても、動作時には弛みが生じてしまう。
【００５６】
したがって、上記部分負荷時低負荷運転時（約６０％以下）においては、被加湿ガス室４７と冷却水室４６との圧力の差に起因して水蒸気透過膜４８は、冷却水室４６を閉塞させる方向に変形しようとする。
【００５７】
ところが、圧力制御装置６１を冷却水経路４１側に配設することにより、部分負荷運転においても冷却水室４６の圧力は、被加湿ガス室４７の圧力よりも高く維持できる。
【００５８】
したがって、水蒸気透過膜４８は、被加湿ガス室４７を塞ぐ方向に膨らむが、第２の枠体５０に取り付けられた膜ガイド部材６０により、一定以上は膨らむことができず、その結果、被加湿ガス室４７の内容積を保つことができる。このため、被加湿空気の圧力損失の増加を抑制することができ、また、被加湿ガス室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及び湿度交換を行うことができる。
【００５９】
ここで、上記圧力の関係が均衡状態である場合は、水蒸気透過膜４８の膜ガイド部材６０への押圧当接は発生しない、もしくは軽い当接となることはいうまでもない。
【００６０】
さらに、圧力制御装置６１は、オリフィス６２としたことにより、比較的簡単な構造で、安価であり、しかも加湿器の動作を安定させ、その結果、効率が良く安定した加湿器を提供することができる。
【００６１】
よって、第２の加湿器２１ｂでは、比較的コンパクトな形状で、被加湿空気と冷却水の熱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ので、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である。
【００６２】
また、さらに、オリフィス６２は、硬度を４０〜８０度のゴム材としたことにより、ゴムが圧力によって変形度合いを変える性質を利用できるので、常に一定の圧力になるようにコントロールすることができ、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。
【００６３】
（実施の形態２）
次に、図９に基づき、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２では、第１の枠体４９の構成が先の実施の形態１と異なり、圧力制御装置６１を構成するオリフィスを、第１の枠体４９に設けた流路抵抗部材６３に替えて構成したものである。
【００６４】
したがって、ここでは、被加湿空気および冷却水が流れる流路は同一であるため、同一の構成要件については同一の符号を付して、また、全体の説明は省略し、関係する箇所を中心に説明する。
【００６５】
図９（ａ）は本発明の実施の形態２における第１の枠体と流路ガイド部材の組立て状態を示す斜視図、図９（ｂ）は同第１の枠体と流路ガイド部材の分解斜視図である。
【００６６】
図９において、冷却水室４６を形成する貫通穴４９ａには、第２の枠体５０と同様に網目状に形成された金属あるいは合成樹脂からなる板状の流路ガイド部材６４が設けられている。流路ガイド部材６４の網目面６４ａの略中央には、マニホールド５１からマニホールド５２へ流れる冷却水の流れを遮るように流路抵抗部材６３が設けられている。この流路抵抗部材６３は、金属性であれば流路ガイド部材６４に溶接あるいはねじ止めされ、また合成樹脂性であれば、流路ガイド部材６４と一体成型もしくは接着手段等の適宜手段にて固定されている。
【００６７】
流路ガイド部材６４の第１の枠体４９への取付け構造は、流路ガイド部材６４の相対する端部に、網目面６４ａと直角方向で第１の枠体４９の貫通穴４９ａ方向に延出したＬ字状の爪６４ｂと、第１の枠体４９における貫通穴４９ａの相対する端部に爪６４ｂに対応して形成したＬ字状の爪嵌合部４９ｂより構成され、図中上下方向から爪６４ｂを爪嵌合部４９ｂに嵌合し、その後前後方向にスライドさせることによって流路ガイド部材６４の第１の枠体４９への固定が行える。
【００６８】
したがって、冷却水室４６内においては、同図（ａ）の矢印で示すように、流路抵抗部材６３によって冷却水の流れが特に流路抵抗部材６３の上流側での圧力が高くなり、その結果、冷却水と被加湿ガスとの間に相対的に所定範囲の圧力差を生じさせることができ、この圧力によって前述の実施の形態１と同様に水蒸気透過膜４８を被加湿ガス室４７側へ膨らませることができる。したがって、冷却水室４６の内容積を保持でき、冷却水の圧力損失の増加が抑制でき、水蒸気透過膜４８の開口面（露出面）全面を有効に利用して熱及び湿度交換を行うことができる。
【００６９】
また、かかる構成は、圧力制御装置を燃料電池システム内に配設する必要がないので、燃料電池システムを簡素化することが可能となる。
【００７０】
さらに、本実施の形態２において、先の実施の形態１に示す被加湿ガス室４７の構成と組み合わせることにより、一層バランスの取れた熱及び湿度交換作用が得られる。
【００７１】
（実施の形態３）
次に、図１０に基づき、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３は、先の実施の形態２で説明した流路抵抗部材６３を、冷却室４６（貫通穴４９ａ）に複数配置した構成である。したがって、ここでは同一の構成要件については同一の符号を付して、関係する箇所を中心に説明する。
【００７２】
図１０（ａ）は本発明の実施の形態３における第１の枠体と流路ガイド部材の組立て状態を示す斜視図、図１０（ｂ）は同第１の枠体と流路ガイド部材の分解斜視図である。
【００７３】
同図において、流路抵抗部材６３は、流路ガイド部材６４の網目面６４ａにおいてマニホールド５１からマニホールド５２へ流れる冷却水の流れを遮るように複数設けられ、千鳥状に配置されている。
【００７４】
したがって、冷却水室４６内においては、同図（ａ）の矢印で示すように、複数の流路抵抗部材６３によって冷却水の流れが蛇行状態となり、その結果、冷却水室４６内の圧力を、略均等に上昇させる。その結果、冷却水と被加湿ガスとの間に相対的に所定範囲の圧力差を生じさせることができ、この圧力によって前述の実施の形態２と同様に水蒸気透過膜４８を被加湿ガス室４７側へ膨らませることができる。したがって、冷却水室４６の内容積を保持でき、冷却水の圧力損失の増加が抑制でき、水蒸気透過膜４８の開口面全面を有効に利用して熱及び湿度交換を行うことができる。
【００７５】
また、かかる構成においても、圧力制御装置を燃料電池システム内に配設する必要がないので、燃料電池システムを簡素化することが可能となる。
【００７６】
さらに、本実施の形態３において、先の実施の形態１に示す被加湿ガス室４７の構成と組み合わせることにより、一層バランスの取れた熱及び湿度交換作用が得られる。
【００７７】
（実施の形態４）
次に、図１１に基づき、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態４は、先の実施の形態１で説明した圧力制御装置６１を構成するオリフィスに替えて電動式の圧力調整弁装置６２を前記冷却水経路の冷却水出口４４ｂに設けたものである。
【００７８】
したがって、ここでは、被加湿空気および冷却水が流れる流路は同一であるため、同一の構成要件については同一の符号を付して、また、全体の説明は省略し、関係する箇所を中心に説明する。
【００７９】
図１１は、本発明の実施の形態４における圧力制御装置を備えた第２の加湿器の斜視図である。
【００８０】
図１１において、圧力調整弁装置６２は、周知の如くモータ部６２ａと、モータ部６２ａによって駆動され、内部の流路面積を可変する流路面積調整部（以下、面積調整部と称す）６２ｂより構成されている。モータ部６２ａには、ステッピングモータ等の如く微動調整もできるモータが採用され、その微動にも追従して面積調整部６２ｂの弁開度が調整され、流量が調整される。この流量調整によって冷却室４６内の圧力が調整される。
【００８１】
モータ部６２ａの入力は、燃料電池システムの負荷に対応（追従）して設定入力され、例えば、図７に示す如く負荷が所定値（例えば６０％）までは設定入力に応じた流量制御を行い、それを越えた時点で、弁開度を一定にする等して流量制御が機能しない状態にする制御が好ましい。
【００８２】
かかる制御により、負荷に適した圧力調整が行え、水蒸気透過膜４８の膨らみを適正にして冷却室４６の内容積、被加湿ガス室４７の内容積をともに適正に確保し、水蒸気透過膜４８の開口面全面を有効に利用して熱および湿度交換を行うことができる。
【００８３】
かかる制御は、負荷を検出する検出要素からの信号によって自動制御することも可能であり、負荷変動に対して追従性のよい制御として、熱および湿度交換の効率の安定化あるいは向上が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
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】
【００８５】
【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２の加湿器の斜視図
【図３】同第２の加湿器を構成する第１の枠体の斜視図
【図４】（ａ）同第２の加湿器を構成する第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】同第２の加湿器内部の流路構成を示す模式図
【図７】同第２の加湿器内部における圧力特性の説明図
【図８】同第２の加湿器における圧力制御装置の取付け構成を示す分解斜視図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態２における第１の枠体と流路ガイド部材の組立て状態を示す斜視図（ｂ）同第１の枠体と流路ガイド部材の分解斜視図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３における第１の枠体と流路ガイド部材の組立て状態を示す斜視図（ｂ）同第１の枠体と流路ガイド部材の分解斜視図
【図１１】本発明の実施の形態４における圧力制御装置を備えた第２の加湿器の斜視図
【図１２】従来例を示す加湿器の模式図
【図１３】異なる従来例を示す加湿器の模式図
【符号の説明】
【００８６】
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
４１  冷却水経路
４２  貯湯水ポンプ
４４  第１の端板
４４ａ  被加湿空気入口
４４ｂ  冷却水出口
４５  第２の端板
４５ａ  被加湿空気出口
４５ｂ  冷却水入口
４６  冷却水室
４７  被加湿ガス室
４８  水蒸気透過膜
４９  第１の枠体
４９ｂ，５０ｂ  爪嵌合部
４９ａ，５０ａ  中央部貫通穴
５０  第２の枠体
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，６４ｂ  爪
６１  圧力制御装置
６２  オリフィス（圧力制御装置）
６３  流路抵抗部材
６４  流路ガイド部材
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１０】
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