(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、効率的なガス加湿を行うことを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂが互いに平行に配列されるとともに、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの水平方向一端には、加湿機構を構成する第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂが配設される。第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの軸線方向は、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの連通孔の軸線方向に交差する方向に設定される。【選択図】図１
2006114415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成された内部マニホールド型の２以上の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分により加湿する中空糸膜型の２以上の加湿機構と、
を備え、
前記燃料電池スタック毎に前記加湿機構が配設されるとともに、前記加湿機構の軸線方向は、前記燃料電池スタックの前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔の軸線方向に交差する方向に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、一方の反応ガスである燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給系を備え、
前記燃料ガス供給系を構成し暖機を要する少なくとも一部の機器は、２つの前記加湿機構の間に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給系は、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスの排ガスを前記燃料電池スタックに循環させる燃料ガス循環路を備え、
前記燃料ガス循環路には、前記機器である気液分離器が設けられるとともに、前記気液分離器は、２つの前記加湿機構の間に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、２つの前記燃料電池スタックの間には、加圧された酸化剤ガスを流す酸化剤ガス配管が配設されるとともに、
前記酸化剤ガス配管は、２つの前記加湿機構に連結されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス配管の一部は、前記燃料ガス供給系の少なくとも一部と一体的に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成された内部マニホールド型の２以上の燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水等により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するものが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている加湿ユニットは、図１３に示すように、燃料電池１のアノード側に供給される水素を加湿するためのアノード加湿器２と、前記燃料電池１のカソード側に供給される空気を加湿するためのカソード加湿器３と、水素循環ユニット４と、水素及び空気を前記燃料電池１に供給する通路５、６と、前記燃料電池１から排出される空気（オフガスともいう）の通路７とを備えている。
【０００６】
アノード加湿器２及びカソード加湿器３は、中空糸膜型加湿器を構成している。アノード加湿器２は、カソード加湿器３に対して長手方向にずらして配設されることにより、スペースが形成されるとともに、このスペースには、水素循環ユニット４が配設されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１６５０６１号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、燃料電池は、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために多数の単位セルを積層して燃料電池スタックを構成する必要がある。その際、燃料電池スタックでは、単位セルの積層方向の長さが相当に長尺化すると、燃料ガスや酸化剤ガスを各単位セルに対して均等に供給することができない等の問題がある。このため、それぞれ所定数の単位セルを積層した２以上の燃料電池スタックを設け、前記２以上の燃料電池スタックを並列させる構成が採用されている。
【０００９】
そこで、この種の互いに並列された２以上の燃料電池スタックに、上記の特許文献１に開示されている加湿ユニット等の加湿機構を組み込む燃料電池システムが望まれている。
【００１０】
本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、２以上の燃料電池スタックを並列するとともに、簡単且つコンパクトな構成で、効率的なガス加湿を行うことが可能な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】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成された内部マニホールド型の２以上の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分により加湿する中空糸膜型の２以上の加湿機構とを備えている。
【００１２】
そして、燃料電池スタック毎に加湿機構が配設されるとともに、前記加湿機構の軸線方向は、前記燃料電池スタックの反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の軸線方向に交差する方向に設定されている。
【００１３】
また、一方の反応ガスである燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給系を備え、前記燃料ガス供給系を構成し暖機を要する少なくとも一部の機器は、２つの加湿機構の間に配設されることが好ましい。加湿機構には、例えば、加圧されて比較的高温になっている酸化剤ガス（被加湿ガス）や、燃料電池スタックの運転温度に対応して相当な高温になっているオフガス（加湿ガス）が供給されている。このため、高温な酸化剤ガス及び／又は高温なオフガスを介して、加湿機構間に配設されている燃料ガス供給系の機器を良好に暖機することができる。
【００１４】
さらに、燃料ガス供給系は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスの排ガスを前記燃料電池スタックに循環させる燃料ガス循環路を備え、前記燃料ガス循環路には、機器である気液分離器が設けられるとともに、前記気液分離器は、２つの加湿機構の間に配設されることが好ましい。
【００１５】
気液分離器内には、水分（凝縮水）が多く存在しており、氷点下起動時に前記水分が凍結するおそれがある。そこで、２つの加湿機構の間には、比較的高温な被加湿ガスや加湿ガスが流されるため、この被加湿ガスやこの加湿ガスによって気液分離器の温度を上昇させることが可能になる。これにより、気液分離器内の凍結水の解凍処理が短時間で確実に行われ、燃料ガス供給系の暖機時間が良好に短縮される。
【００１６】
さらにまた、２つの燃料電池スタックの間には、加圧された酸化剤ガスを流す酸化剤ガス配管が配設されるとともに、前記酸化剤ガス配管は、２つの加湿機構に連結されることが好ましい。
【００１７】
酸化剤ガス配管内には、加圧されて比較的高温になっている酸化剤ガスが流動している。従って、高温の酸化剤ガスを利用して２つの燃料電池スタックや気液分離器等の暖機を効率的に行うことができ、燃料電池システム全体の暖機時間が一層短縮される。
【００１８】
また、酸化剤ガス配管の一部は、燃料ガス供給系の少なくとも一部と一体的に構成されることが好ましい。高温の酸化剤ガスの熱を燃料ガス供給系の機器に一層確実に伝えることが可能になるとともに、暖機時間がより短縮されるからである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池スタック毎に加湿機構が配設されるため、例えば、２以上の燃料電池スタックに単一の加湿機構を採用する構成に比べ、前記燃料電池スタックと前記加湿機構とを接続する配管長を有効に短尺することができる。しかも、加湿機構の軸線方向は、燃料電池スタックの反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の軸線方向に交差する方向に設定されており、配管が簡素化されて配管長を一層短尺化することが可能になる。
【００２０】
これにより、配管部分での放熱が良好に削減され、２以上の燃料電池スタックに対して湿度及び温度が安定した反応ガスを確実に供給することができる。従って、燃料電池スタックでは、効率的且つ安定した発電性能を確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の基本構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の概略全体斜視図である。
【００２２】
燃料電池システム１０は、それぞれ積層方向が矢印Ａ方向（水平方向）に沿って配設されるとともに、矢印Ｂ方向に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の少なくとも第１燃料電池スタック１２ａと第２燃料電池スタック１２ｂとを備える。第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの矢印Ａ方向一端には、加湿機構を構成する第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂが配設される。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス供給系１５と、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給系１６と、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに冷却媒体を循環供給する冷却媒体供給系１７とを備える。
【００２４】
図３に示すように、第１燃料電池スタック１２ａは、複数の単位セル１８が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２０を備える。積層体２０の積層方向一端には、ターミナルプレート２２ａ、絶縁プレート２４及び第１エンドプレート２６ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体２０の積層方向他端には、ターミナルプレート２２ｂ、絶縁性スペーサ部材２８及び第２エンドプレート２６ｂが外方に向かって、順次、配設される。第１燃料電池スタック１２ａは、四角形（長方形）に構成される第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂを端板として含むケーシング２９により一体的に保持される。
【００２５】
図３及び図４に示すように、各単位セル１８は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
【００２６】
単位セル１８の長辺方向（図４中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとが設けられる。
【００２７】
単位セル１８の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａと、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂとが設けられる。
【００２８】
単位セル１８の下端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられるとともに、前記単位セル１８の上端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。
【００２９】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。
【００３０】
アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。
【００３１】
第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、Ｕ次状に湾曲する複数の流路溝により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝により構成される。
【００３２】
第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、Ｕ次状に湾曲する複数の流路溝からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。
【００３３】
第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。
【００３４】
第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。
【００３５】
図３に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が直接ケーシング２９に接触することを阻止すべく、シール５７が介装される。図２及び図３に示すように、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。
【００３６】
ケーシング２９は、図２及び図３に示すように、端板である第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと、積層体２０の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。
【００３７】
図３に示すように、スペーサ部材２８は、ケーシング２９の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２８は、積層体２０の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体２０に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。なお、積層体２０の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２８を用いなくてもよい。
【００３８】
第２燃料電池スタック１２ｂは、上記のように構成される第１燃料電池スタック１２ａと略同一に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂを構成する各積層体２０は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第２燃料電池スタック１２ｂを構成する前記積層体２０を、前記第１燃料電池スタック１２ａを構成する前記積層体２０に対して鉛直軸回りに１８０°反転させている（図５参照）。
【００４０】
第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂは、円筒形状のハウジング７０を備える（図２参照）。ハウジング７０内には、図６に示すように、複数の中空糸膜７２が収容される。複数の中空糸膜７２は、束状に構成されており、両端部にポッティング部７４ａ、７４ｂが設けられる。ハウジング７０の外周部一端側には、複数のオフガス供給用開口部７６ａが形成されるとともに、前記ハウジング７０の外周部他端側には、オフガス排出用開口部７６ｂが形成される。
【００４１】
図１に示すように、酸化剤ガス供給系１５は、圧縮器、例えば、スーパーチャージャ８０を備え、このスーパーチャージャ８０は、必要に応じて冷却器８２を介装して酸化剤ガス配管８４に接続される。酸化剤ガス配管８４の先端は、管路８４ａ、８４ｂに分岐しており、前記管路８４ａ、８４ｂは、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各ポッティング部７４ａに連結される（図６参照）。
【００４２】
第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各ポッティング部７４ｂと、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各酸化剤ガス入口連通孔３６ａとは、酸化剤ガス供給配管８６により連結される。第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各開口部７６ａとは、オフガス配管８８を介して連結される。
【００４３】
第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各開口部７６ｂには、排気配管９０が連結されるとともに、この排気配管９０は、例えば、図示しない背圧弁を介して外部に開放可能である。
【００４４】
図１に示すように、燃料ガス供給系１６は水素タンク９２を備え、この水素タンク９２は、エゼクタ９４を介して燃料ガス循環路９６に接続される。燃料ガス循環路９６の先端は、管路９６ａ、９６ｂに分岐するとともに、前記管路９６ａ、９６ｂは、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各燃料ガス入口連通孔３８ａに連結される（図２参照）。
【００４５】
第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂを介して気液分離器１００に連通する。この気液分離器１００は、逆止め弁１０２を介してエゼクタ９４に連通するとともに、パージ弁１０４を介して外部に開放自在である（図１参照）。
【００４６】
燃料ガス供給系１６では、図２に示すように、暖機を要する少なくとも一部の機器、例えば、エゼクタ９４及び気液分離器１００が、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの間に配設される。
【００４７】
冷却媒体供給系１７は、図１に示すように、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各冷却媒体入口連通孔４０ａと各冷却媒体出口連通孔４０ｂとに接続される冷却媒体循環路１０６ａ、１０６ｂを備える。冷却媒体循環路１０６ａ、１０６ｂには、ラジエータ１０８ａ、１０８ｂが介装されて冷却媒体の温度調整を行う。
【００４８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４９】
先ず、図１に示すように、燃料電池システム１０では、酸化剤ガス供給系１５を構成するスーパーチャージャ８０を介して、酸化剤ガス配管８４に酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス供給系１６を構成する水素タンク９２から燃料ガス循環路９６に、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給系１７を構成する冷却媒体循環路１０６ａ、１０６ｂには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が循環される。
【００５０】
酸化剤ガス配管８４に供給される加圧された酸化剤ガスは、図６に示すように、管路８４ａ、８４ｂに分岐して第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各ポッティング部７４ａに導入される。酸化剤ガスは、ハウジング７０内に収容されている複数の中空糸膜７２の内側を通って前記ハウジング７０の軸方向一方に移動した後、ポッティング部７４ｂに排出される。
【００５１】
その際、ハウジング７０の開口部７６ａには、後述するように反応に使用された酸化剤ガス（以下、オフガスともいう）が、オフガス配管８８を介して供給されている。このオフガスは、複数の中空糸膜７２の外側を通ってハウジングの軸方向他方に移動した後、開口部７６ｂから排気配管９０に放出される。
【００５２】
このため、中空糸膜７２の外側及び内側を介して、酸化剤ガスにはオフガス中に含まれる水分が移動し、前記酸化剤ガスが加湿される。この加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管８６から第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。
【００５３】
次いで、第１燃料電池スタック１２ａ内では、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、管路９６ａから燃料ガス入口連通孔３８ａに供給されて第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。
【００５４】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５５】
次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って流動した後、オフガス配管８８に排出される（図６参照）。
【００５６】
同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに排出されて流動し、燃料ガス排出配管９８ａに排出される（図１及び図２参照）。この燃料ガスは、気液分離器１００に導入されて水分が除去された後、エゼクタ９４の作用下に燃料ガス循環路９６に送られて、再度、燃料ガスとして第１燃料電池スタック１２ａに供給される。
【００５７】
また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂを移動して冷却媒体循環路１０６ａに排出される。
【００５８】
第２燃料電池スタック１２ｂでは、上記の第１燃料電池スタック１２ａと同様に、使用済みの酸化剤ガスは、オフガス配管８８に排出される（図６参照）。さらに、使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出配管９８ｂに排出されるとともに、使用済みの冷却媒体は、冷却媒体循環路１０６ｂに排出される（図１参照）。
【００５９】
この場合、第１の実施形態では、第１燃料電池スタック１２ａに第１加湿器１４ａが配設されるとともに、第２燃料電池スタック１２ｂに第２加湿器１４ｂが配設されている。そして、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの軸線方向（中空糸膜７２の軸線方向）である矢印Ｂ方向は、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの酸化剤ガス入口連通孔３６ａを含む連通孔群の軸線方向（矢印Ａ方向）に交差する方向に設定されている（図６参照）。
【００６０】
このため、例えば、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに単一の加湿機構を組み込む場合に比べ、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂと加湿機構とを接続する配管長を有効に短尺化することができる。しかも、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂと第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂとの配置姿勢を設定することにより、配管自体が相当に簡素化されるとともに、配管長が一層短尺化される。
【００６１】
これにより、燃料電池システム１０では、配管部分での放熱が良好に削減され、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに対して湿度及び温度が安定した酸化剤ガスを確実に供給することが可能になるという効果が得られる。従って、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂでは、効率的且つ安定した発電性能を確保することができる。
【００６２】
また、第１の実施形態では、燃料ガス供給系１６を構成し暖機を要する機器、例えば、エゼクタ９４及び気液分離器１００は、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの間に配設されている（図２参照）。
【００６３】
ここで、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂには、前記第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂ間に酸化剤ガス配管８４から分岐した管路８４ａ、８４ｂ内を通って比較的高温になっている酸化剤ガスが流動している。一方、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂからは、酸化剤ガスを加湿した後の相当に高温（単位セル１８の運転温度に相当）なオフガスが排出されている。
【００６４】
このため、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂ間に配設されるエゼクタ９４及び気液分離器１００は、比較的高温の酸化剤ガス及びオフガスにより暖機される。これにより、特に、低温始動時における凍結水の解凍処理が迅速に行われ、燃料ガス供給系１６の暖機時間が良好に短縮されるという利点がある。
【００６５】
さらにまた、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間に酸化剤ガス配管８４が配設されており、この酸化剤ガス配管８４を流動する比較的高温の酸化剤ガスによって前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂを暖機することができる。従って、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの暖機時間が一層短縮される。
【００６６】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
図７及び図８に示すように、燃料電池システム１２０は、矢印Ｂ方向に沿って互いに平行に且つ極性を判定して配設される第１及び第２燃料電池スタック１２２ａ、１２２ｂを備え、前記第１及び第２燃料電池スタック１２２ａ、１２２ｂには、加湿機構を構成する第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂが配設される。
【００６８】
第１及び第２燃料電池スタック１２２ａ、１２２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとが対角位置に設けられる。一方、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとは、同様に、対角位置に設けられる。
【００６９】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０の一部断面説明図であり、図１０は、前記燃料電池システム１３０の反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。
【００７０】
燃料電池システム１３０は、第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂを備える。第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂのそれぞれ対角位置には、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂとが設けられる。第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂが並列される際に、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ同士及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ同士が互いに近接する。
【００７１】
第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂの外方には、酸化剤ガス配管１３４ａ、１３４ｂが配設される。酸化剤ガス配管１３４ａ、１３４ｂは、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂに連結される。
【００７２】
上記の第２及び第３の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７３】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１４０の概略全体斜視図である。
【００７４】
燃料電池システム１４０は、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂに直接連結される流路ブロック１４２を備える。この流路ブロック１４２は、例えば、鋳造により一体成形されており、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの互いに近接する端部に装着される。なお、流路ブロック１４２は、切削加工等により形成することも可能である。
【００７５】
流路ブロック１４２の内部には、図２に示す管路８４ａ、８４ｂ、燃料ガス循環路９６、管路９６ａ、９６ｂ及び燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂに相当する配管路が形成される。これらの配管路は、流路ブロック１４２に一体成形された配管接続部１４４に連通するとともに、管路９６ａ、９６ｂ及び燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂに相当する配管接続部１４４は、可撓性管路１４６を介して燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂに接続される。流路ブロック１４２には、さらにエゼクタ９４及び気液分離器１００が埋設される。
【００７６】
このように構成される第４の実施形態では、少なくとも酸化剤ガス配管８４の一部から管路８４ａ、８４ｂが、燃料ガス供給系１６の少なくとも一部であるエゼクタ９４及び気液分離器１００と一体的に流路ブロック１４２に形成されている。このため、エゼクタ９４及び気液分離器１００には、高温の酸化剤ガスの熱を一層確実に伝えることが可能になるとともに、燃料ガス供給系１６の暖機時間がより短縮されるという効果が得られる。
【００７７】
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略全体斜視図である。
【００７８】
燃料電池システム１５０は、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂ間に介装される流路ブロック１５２を備える。この流路ブロック１５２は、例えば、鋳造により一体成形されているが、切削加工等により形成することも可能である。
【００７９】
流路ブロック１５２は、少なくとも酸化剤ガス配管８４に供給される高温の空気が気液分離器１００に伝熱され易いように、前記酸化剤ガス配管８４に連結される配管部１５４、前記気液分離器１００及びエゼクタ９４が一体的に成形される。なお、配管部１５４と気液分離器１００とを覆って伝熱材料を設けてもよい。流路ブロック１５２は、管路８４ａ、８４ｂ、管路９６ａ、９６ｂ及び燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂに相当する配管接続部１５６を備えるとともに、それぞれ可撓性管路１４６に接続される。
【００８０】
このように構成される第５の実施形態では、流路ブロック１５２が設けられることにより、少なくとも酸化剤ガス配管８４に供給される高温の空気が気液分離器１００に伝熱され易く、燃料ガス供給系１６の暖機時間がより短縮される等、第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８１】
なお、第１〜第５の実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材６２ａ〜６２ｄを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板６０ａ〜６０ｄ自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板６０ａ〜６０ｄ同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板６０ａ〜６０ｄ同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。
【００８２】
さらに、ケーシング２９に代替して、第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂを図示しないタイロッドで締め付け保持する構成を採用してもよい。さらにまた、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂは、単位セル１８の矢印Ｂ方向両端部に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの概略全体斜視図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。
【図６】前記燃料電池システムを構成する第１及び第２加湿器内の流れ説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成説明図である。
【図８】前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成説明図である。
【図１０】前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体斜視図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体斜視図である。
【図１３】特許文献１に係る加湿モジュールの断面説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０、１２０、１３０、１４０、１５０…燃料電池システム
１２ａ、１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…燃料電池スタック
１４ａ、１４ｂ…加湿器          １５…酸化剤ガス供給系
１６…燃料ガス供給系            １７…冷却媒体供給系
１８…単位セル                  ２０…積層体
２６ａ、２６ｂ…エンドプレート  ２９…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体      ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔    ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔      ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔      ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…固体高分子電解質膜        ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極            ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路              ５２…酸化剤ガス流路
５８ａ、５８ｂ…端子部          ６０ａ〜６０ｄ…側板
７０…ハウジング                ７２…中空糸膜
８０…スーパーチャージャ        ８４、１３４ａ、１３４ｂ…酸化剤ガス配管
８６…酸化剤ガス供給配管        ８８…オフガス配管
９０…排気配管                  ９２…水素タンク
９４…エゼクタ                  ９６…燃料ガス循環路
１００…気液分離器              １０６ａ、１０６ｂ…冷却媒体循環路
１４２、１５２…流路ブロック    １４４、１５６…配管接続部
１５４…配管部
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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