(57)【要約】【課題】起動停止をおこなっても膜の劣化をおこすことが無く、常に最適の加湿をおこなうことができる加湿器を設けた燃料電池システムとその運転方法を提供すること。【解決手段】燃料電池３８と、燃料電池３８に供給されるガスを加湿する加湿器４１、４２とを設け、加湿器は膜式加湿器であり、膜の形状を保持するガイド９６，１０２は膜の片側のみとすることにより、起動停止における膜劣化を抑制し、耐久性を向上させるものである。【選択図】図３
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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、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を加湿する加湿器を設け、前記加湿器は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を一次側流体とし、一次側流体に含まれる熱と水分を用いて二次側流体である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加湿をおこなう構成とし、前記加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、膜の形状を保持するガイドは一次側流体流路のみの構成とした加湿器を有する燃料電池システム。
【請求項２】
少なくとも水素を含む燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を加湿する加湿器とを設け、前記加湿器は前記冷却水を一次側の流体として用い、二次側流体である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加湿をおこなう構成を設け、前記冷却水の循環経路は、冷却水をためる冷却水タンクと、前記冷却水タンクの冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、冷却水循環ポンプにより押し出させた水は、燃料電池を通過した後、加湿器を通過し、その後、流路切替弁に流れ込み、流路切替弁の一方の通路は冷却水タンクにつながり、通過した水は冷却水タンクに戻り、流路切替弁の他方の通路は熱交換器につながっており、熱交換器で熱交換した後の冷却水は冷却水タンクに戻される構成とし、前記加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、膜の形状を保持するガイドは二次側流体流路のみの構成とした加湿器を有する燃料電池システム。
【請求項３】
少なくとも水素を含む燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を順次加湿する第１の加湿器と第２の加湿器とを設け、前記第１の加湿器は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を一次側流体とし、一次側流体に含まれる熱と水分を用いて二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこない、前記第２の加湿器は前記冷却水を一次側の流体として用い、二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこなう構成を設け、前記冷却水の循環経路は、冷却水をためる冷却水タンクと、前記冷却水タンクの冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、冷却水循環ポンプにより押し出させた水は、燃料電池を通過した後、第２の加湿器を通過し、その後、流路切替弁に流れ込み、流路切替弁の一方の通路は冷却水タンクにつながり、通過した水は冷却水タンクに戻り、流路切替弁の他方の通路は熱交換器につながっており、熱交換器で熱交換した後の冷却水は冷却水タンクに戻される構成とし、前記第１と第２の加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、前記第１の加湿器は膜の形状を保持するガイドは一次側流体流路のみの構成とし、前記第２の加湿器は膜の形状を保持するガイドは二次側流体流路のみの構成とした加湿器を有する燃料電池システム。
【請求項４】
加湿器で用いられる膜は、フッ素樹脂であることを特長とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
加湿器で用いられる膜は、フッ素系の陽イオン交換膜であることを特長とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
冷却水を一次側流体とする加湿器は冷却水タンクよりも下方に位置するよう構成された請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項７】
スタックの出口から冷却水を一次側流体とする加湿器の出口の間の冷却水経路にヒータを設けたことを特長とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
冷却水を一次側流体とする加湿器で熱と水分の一次側流体の温度をＴ１ｉｎとし、二次側流体の露点をＴ２ｏｕｔとし、冷却水のスタック入り口温度をＴＦｉｎとし、冷却水のスタック出口温度をＴＦｏｕｔとした場合、以下の（数１）かつ（数２）を満たす請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【数１】
2006147390.tif 000015
【数２】
2006147390.tif 000016
【請求項９】
起動時にはヒータを加熱させ、（式１）を満たすようにする請求項７記載の燃料電池システムの運転方法。
【数１】
2006147390.tif 000017
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一定条件運転状態だけでなく、燃料電池システムを起動や停止の過渡状態を繰り返しても、適切な加湿による燃料電池の劣化の抑制または耐久性の向上を図った燃料電池システムとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムにおいて、燃料ガス中に含まれる水素と、酸化剤ガス中に含まれる酸素を反応させ、電気と熱を発生させるが電解質には水分が必要であるため、供給するガスをあらかじめ加湿しておく必要がある。コンパクトで、エネルギー効率の高い加湿器を持った燃料電池システムが考案されてきた。
【０００３】
電池反応部を通過した既反応ガスと電池反応部を通過する前の未反応ガスを、保水性の多孔質対を介して接触させることにより温室土光間をおこなうもの（例えば特許文献１）、膜式の加湿器を用いスタックからの排ガスと冷却水で供給ガスを加湿するもの（例えば特許文献２および３）などがある。
【特許文献１】特開２０００−１６４２２９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−６３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、加湿器で用いられる膜は含水率が高いために水を十分含んだ状態とあまり含んでいない状態ではサイズが大きく変化する。膜の寸法変化による形状変化を防止するために膜の形状を固定すると、寸法変化の応力が発生し膜の耐久性が低下し、長期間安定した加湿が得られず、耐久性の短い燃料電池システムとなってしまう課題がある。また、膜の形状保持をしないと、運転条件により膜の形状が変形し、安定した加湿を得ることができず、加湿不足または加湿過多により、耐久性の短い燃料電池システムとなってしまう課題がある。また、スタックで発生した冷却水から加湿のための熱を奪うと冷却水温度が低下してしまい、発熱した熱の利用の利用ができにくくなる課題がある。また、従来の方法では燃料電池に供給されるガスが燃料電池に入った時十分な露点を維持するための詳細な燃料電池システムの運転条件は示されていない。さらに、燃料電池システムの起動時においても、十分な加湿を維持する条件は明示されていない。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムを起動や停止の過渡状態を繰り返しても、適切な加湿による燃料電池の劣化の抑制または耐久性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前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、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を加湿する加湿器を設け、加湿器は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を一次側流体とし、一次側流体に含まれる熱と水分を用いて二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこなう構成とし、加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、膜の形状を保持するガイドは一次側流体流路のみの構成とした加湿器を有するものである。
【０００７】
これによって、加湿器に用いられている膜（以降、加湿膜と称する）は片側のみに配置されたガイドによって形状が保持されるため排出ガスを一次側流体としながら安定した加湿を行うことができ、さらにガスの露点の変化による膨張による加湿膜の寸法変化をガイドの無い側へのたわみにより応力を吸収することができるので、加湿膜の状態を安定に保つことができ、安定した加湿による高耐久な燃料電池システムを実現することができるのである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムとその運転方法は、加湿膜の寸法変化による応力の緩和と形状保持による安定した加湿を両立させ、耐久性の高い燃料電池システムとすることができる。さらに、起動時においても、十分な加湿を維持することができるため、起動停止を多数行う条件においても高耐久な燃料電池システムが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を加湿する加湿器を設け、加湿器は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を一次側流体とし、一次側流体に含まれる熱と水分を用いて二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこなう構成とし、加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、膜の形状を保持するガイドは一次側流体流路のみの構成とした加湿器を有する燃料電池システムとしたものである。
【００１０】
これにより、運転時は加湿器の一次側および二次側には空気が流れるが、一次側下流は通常大きなデバイスがないため一次側経路には圧力があまりかからないが、二次側下流には必ず燃料電池があるため、通常においては加湿器の二次側経路の方が一次側経路よりも高圧となる。これにより、二次側経路から一次側経路へ加湿膜が押されるのであるが、一次側経路にはガイドが配置されているので、膜が大きくたわむこと無く形状は保持されるので、安定した加湿が行われる。停止時や膜が膨張した時は二次側経路にはガイドが配置されていないので、加湿膜は自由にたわむことができ不要な応力がかかることが防止でき、加湿膜とガイドが不要に触れたり、擦れたりすることも無くすことができるので加湿膜の劣化を防ぐことができ、長期間安定した加湿をおこなうことができるので、乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができるので、長寿命・高耐久の燃料電池システムとすることができるのである。
【００１１】
第２の発明は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を加湿する加湿器とを設け、加湿器は前記冷却水を一次側の流体として用い、二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこなう構成を設け、冷却水の循環経路は、冷却水をためる冷却水タンクと、冷却水タンクの冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、冷却水循環ポンプにより押し出させた水は、燃料電池を通過した後、加湿器を通過し、その後、流路切替弁に流れ込み、流路切替弁の一方の通路は冷却水タンクにつながり、通過した水は冷却水タンクに戻り、流路切替弁の他方の通路は熱交換器につながっており、熱交換器で熱交換した後の冷却水は冷却水タンクに戻される構成とし、加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、膜の形状を保持するガイドは二次側流体流路のみの構成とした加湿器を有する燃料電池システムとしたものである。
【００１２】
これにより、運転時は加湿器の一次側に冷却水、二次側には空気がそれぞれ流れ、二次側下流には必ず燃料電池があるため高圧となるが、一次側経路の流体は液体であり、加湿器の下流には流路切替弁などの高圧損部品が配置されているため、通常においては加湿器の一次側経路の方が二次側経路よりも高圧となる。これにより、通常運転時には一次側経路から二次側経路へ加湿膜が押されるのであるが、二次側経路にはガイドが配置されているので、膜が大きくたわむこと無く形状は保持されるので、安定した加湿が行われる。停止時や膜が膨張した時は一次側経路にはガイドが配置されていないので、加湿膜は自由にたわむことができ不要な応力がかかることが防止でき、加湿膜とガイドが不要に触れたり、擦れたりすることも無くすことができるので加湿膜の劣化を防ぐことができる。さらに、一次側流体が温水であるので熱と水十分存在するので、長期間、高度に安定した加湿をおこなうことができるので、乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができるので、長寿命・高耐久の燃料電池システムとすることができるのである。
【００１３】
第３の発明は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電と発熱をおこなう燃料電池と、燃料電池が発熱した熱を取り出す冷却水の循環経路と、それぞれ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を順次加湿する第１の加湿器と第２の加湿器とを設け、第１の加湿器は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を一次側流体とし、一次側流体に含まれる熱と水分を用いて二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこない、前記第２の加湿器は前記冷却水を一次側の流体として用い、二次側流体である燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿をおこなう構成を設け、冷却水の循環経路は、冷却水をためる冷却水タンクと、冷却水タンクの冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、冷却水循環ポンプにより押し出させた水は、燃料電池を通過した後、第２の加湿器を通過し、その後、流路切替弁に流れ込み、流路切替弁の一方の通路は冷却水タンクにつながり、通過した水は冷却水タンクに戻り、流路切替弁の他方の通路は熱交換器につながっており、熱交換器で熱交換した後の冷却水は冷却水タンクに戻される構成とし、第１と第２の加湿器は一次側流体と二次側流体とを膜を介して熱と水分を移動させる膜式加湿器であり、第１の加湿器は膜の形状を保持するガイドは一次側流体流路のみの構成とし、第２の加湿器は膜の形状を保持するガイドは二次側流体流路のみの構成とした加湿器を有する燃料電池システムとしたものである。
【００１４】
これにより、第１の加湿器において通常運転時は、一次側および二次側には空気が流れるが、一次側下流は通常大きなデバイスがないため一次側経路には圧力があまりかからないが、二次側下流には必ず燃料電池があるため、通常においては加湿器の二次側経路の方が一次側経路よりも高圧となる。これにより、二次側経路から一次側経路へ加湿膜が押されるのであるが、一次側経路にはガイドが配置されているので、膜が大きくたわむこと無く形状は保持されるので、安定した加湿が行われる。停止時や膜が膨張した時は二次側経路にはガイドが配置されていないので、加湿膜は自由にたわむことができ不要な応力がかかることが防止でき、加湿膜とガイドが不要に触れたり、擦れたりすることも無くすことができるので加湿膜の劣化を防ぐことができ、長期間安定した加湿をおこなうことができる。
【００１５】
さらに、第２の加湿器において通常運転時は、運転時は加湿器の一次側に冷却水、二次側には第１の加湿器で加湿された空気がそれぞれ流れ、二次側下流には必ず燃料電池があるため高圧となるが、一次側経路の流体は液体であり、加湿器の下流には流路切替弁などの高圧損部品が配置されているため、通常においては加湿器の一次側経路の方が二次側経路よりも高圧となる。これにより、通常運転時には一次側経路から二次側経路へ加湿膜が押されるのであるが、二次側経路にはガイドが配置されているので、膜が大きくたわむこと無く形状は保持されるので、安定した加湿が行われる。停止時や膜が膨張した時は一次側経路にはガイドが配置されていないので、加湿膜は自由にたわむことができ不要な応力がかかることが防止でき、加湿膜とガイドが不要に触れたり、擦れたりすることも無くすことができるので加湿膜の劣化を防ぐことができる。
【００１６】
さらに、一次側流体が温水であるので熱と水十分存在するので、長期間、高度に安定した加湿をおこなうことができるのであるが、第２の加湿器においては、前段に配置された第１の加湿器で加湿された後の加湿を行うため、さらに十分に高く安定した加湿をおこなうことができるだけでなく、第２の加湿器の一次側である温水から熱をあまり奪う必要がない。よって、加湿器を通過した後でも、冷却水の温度を高温に維持することができるので、乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができ、長寿命・高耐久だけでなく、高温の冷却水が利用できる熱効率の高い燃料電池システムとすることができるのである。
【００１７】
第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、加湿器で用いられる膜は、フッ素樹脂とすることによって、耐熱性に優れ、高温においても長期間性能劣化が無く、乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができ、長寿命・高耐久の燃料電池システムとすることができるのである。
【００１８】
第５の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、加湿器で用いられる膜は、フッ素系の陽イオン交換膜とすることにより、含水性と、透水性に優れるため、高い加湿性能を発揮することができるので、さらに乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができ、長寿命・高耐久の燃料電池システムとすることができるのである。
【００１９】
第６の発明は、第２または第３の発明の燃料電池システムにおいて、冷却水を一次側流体とする加湿器は冷却水タンクよりも下方に位置するよう構成することにより、停止状態でも冷却水を一次流体とする加湿器の膜は、二次側に配置されたガイドにより、膜が大きくたわむこと無く形状は保持されるので、運転中も停止中も常に同じ方向に力が掛かっているため、膜に不要な応力が掛かることによる膜の破れを防止することができるので、乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができ、長寿命・高耐久の燃料電池システムとすることができるのである。
【００２０】
第７の発明は、第２〜第６のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、スタックの出口から冷却水を一次側流体とする加湿器の出口の間の冷却水経路にヒータを設けることにより、起動時等燃料電池スタックの温度が低い場合など、スタック温度にかかわらず加湿器内の冷却水を高温にすることができ、スタック温度にかかわらず高い露点まで加湿できるので、乾燥による燃料電池システムの劣化を長期間防ぐことができ、長寿命・高耐久の燃料電池システムとすることができる  のである。
【００２１】
第８の発明は、第２〜第７のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、冷却水を一次側流体とする加湿器で熱と水分の一次側流体の温度をＴ１ｉｎとし、二次側流体の露点をＴ２ｏｕｔとし、冷却水のスタック入り口温度をＴＦｉｎとし、冷却水のスタック出口温度をＴＦｏｕｔとした場合、以下の（数１）かつ（数２）を満たす燃料電池システムの運転方法とすることにより、加湿器出口つまりスタックに供給されるガスの露点はスタックの冷却水入り口温度と同等または高いため、スタック内部の乾燥を防ぐことができ、さらにスタックでの冷却水の入り口と出口の温度差は加湿器の一次側供給と二次側出口の温度差よりも大きいので、スタックに供給されるガスの露点はスタックの出口温度以下でも、スタックの入り口温度よりは高く維持できるので、スタック内部の乾燥を防ぐことができ、長寿命・高耐久の燃料電池システムが実現できるのである。
【００２２】
【数１】
2006147390.tif 000003
【００２３】
【数２】
2006147390.tif 000004
【００２４】
第９の発明は、第７の発明の燃料電池システムにおいて、起動時にはヒータを加熱させ、（数１）を満たす燃料電池システムの運転方法とすることにより、スタックの入り口と出口の温度差が無い場合でも、スタックに供給されるガスの露点はスタックの入り口温度よりは高く維持できるので、スタック内部の乾燥を防ぐことができ、長寿命・高耐久の燃料電池システムが実現できるのである。
【００２５】
【数１】
2006147390.tif 000005
【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。
【００２７】
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２８】
（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中でも高分子電解質型燃料電池の基本構成（以降、単セルと称する）を示している。燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質１は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層２を密着して配置してある。この触媒反応層２ａと２ｃで（化学数１）と（化学数２）に示す反応が発生する。少なくとも水素を含む燃料ガスは（化学数１）に示す反応（以降、アノード反応と称する）し、電解質１を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガスと触媒反応層２で（化学数２）に示す反応（以降、カソード反応と称する）により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図ではａを付け表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図ではＣを付け表した。さらに触媒反応層２ａと２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層３ａと３ｃをそれぞれこれに密着して配置する。この拡散層３ａと触媒反応層２ａにより電極４ａを、拡散層３ｃと触媒反応層２ｃにより電極４ｃを構成する。
【００２９】
電極電解質接合体（以降、ＭＥＡと称する）５は、電極４ａと４ｃと電解質１とで形成している。ＭＥＡ５は、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路６ａと６ｃをＭＥＡ５に接する面に形成した一対の導電性セパレータ７ａと７ｃを配置する。電解質１と、１対の触媒反応層２ａと２ｃと、一対の拡散層３ａと３ｃと、一対の電極４ａと４ｃと、一対のセパレータ７ａと７ｃで基本の燃料電池（以降、セルと称する）を形成する。セパレータ７ａと７ｃにはＭＥＡ５とは反対の面に、隣のセルのセパレータ７ｃと７ａが接する。セパレータ７ａと７ｃが接する側には冷却水通路８が設けられており、ここに冷却水９が流れる。冷却水９はセパレータ７ａと７ｃを介してＭＥＡ５の温度を調整するように熱を移動させる。ＭＥＡ５とセパレータ７ａまたは７ｃはＭＥＡガスケット１１で封止され、セパレータ７ａと７ｃはセパレータガスケット１０で封止される。
【００３０】
電解質１には固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。電解質１には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには電解質１が水分を保持していることが必要である。電解質１は水分を含むことにより、電解質１内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。
【００３１】
図２はセルを積層したものでスタックと呼ばれる。燃料電池セルの電圧は通常０．７５ｖ程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。スタックから外部には一対の集電板２１から電流が取り出され、一対の絶縁板２２によりセルと外部を電気的に絶縁され、一対の端板２３により、セルを積層したスタックは締結され、機械的に保持される。酸化剤ガスは端板２３ｃの上部に設けられた酸化剤ガス入り口２４ｉｎ（以降、カソード入り口と称する）と、冷却水入り口２６ｉｎが設けられており、下部には燃料ガス出口２５ｏｕｔ（以降、アノード出口と称する）が設けられている。カソード入り口２４ｉｎが設けられた端板と対を形成する他方の端板の上部には燃料ガス入り口２５ｉｎ（以降、アノード入り口と称する）が設けられており、下部には酸化剤ガス出口２４ｏｕｔ（以降、カソード出口と称する）と、冷却水出口２６ｏｕｔが設けられている。酸化剤ガスおよび燃料ガスはカソード入り口２４ｉｎおよびアノード入り口２５ｉｎを介して、スタックに供給され、上部に配置されているマニホールドを介して全単セルに供給される。単セルにおいてガスは、ガス流路６ａおよび６ｃは蛇行形状（いわゆるサーペンタイン形状）など様々な形状であるが、全体としては上部から下部の方向に流れ、その後、酸化剤ガスおよび燃料ガスは各単セルから集められ、カソード出口２４ｏｕｔおよびアノード出口２５ｏｕｔからそれぞれ排出される。また、冷却水は冷却水入り口２６ｉｎからスタックに入り、上部に配置されているマニホールドを介して全単セルに供給される。単セルにおいては、冷却水経路８はストレート形状、蛇行形状など様々な形状があるが全体として水は上部から下部に向かって流れている。よって、燃料電池の発電・発熱中の冷却水は冷却水入り口２６ｉｎよりも、冷却水出口２６ｏｕｔの方が温度は高く、各単セルにおいても上部より下部の方が温度は高い傾向となる。
【００３２】
図３は燃料電池システムの構成図である。燃料電池システムは外筐体３１に納められている。外部から原料ガス配管３３から取り入れられた原料ガスは燃料電池に悪影響を与える物質を除去する清浄部３２で清浄化された後、清浄ガス配管３６を介して燃料生成器３５に導かれる。原料ガス配管３３の経路中には弁３４が設けられており、原料ガスの流れを制御し、燃料生成器３５にガスを流すときは開となる。燃料生成器３５は、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。３８はスタックであり、図１および図２で詳細が示される燃料電池の単セルを積層したスタックである。燃料生成器３５からスタック３８には燃料ガス配管３７を介してアノード入り口２５ｉｎより燃料ガスが導かれる。スタック３８で使用されなかった燃料ガスはアノード出口２５ｏｕｔよりオフガス管４８を通じて再び、燃料生成器３５に流れ込む。オフガス管４８からのガスは燃料生成器３５にもうけられたバーナーなどで燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。燃焼等の排ガスはアノード排ガス口５０により外部に排出される。
【００３３】
酸化剤ガスとしての空気は吸気管４０を通してブロワ３９により、外部から第１の加湿器４１に導かれ、その後第２の加湿器４２で加湿された後、二次アウト配管５１を介してカソード入り口２４ｉｎからスタック３８に導かれる。スタック３８で使用されなかった酸化剤ガスはカソード出口２４ｏｕｔからカソードオフガス管６２を通過し、第１の加湿器の水分と熱の一次経路に流れ込み、その後排気管６３から燃料電池システムの外に排出される。６７はスタックの出口から冷却水を一次側流体とする加湿器の出口の間の冷却水経路に設けられたヒータであり、本実施の形態では第二の加湿器に隣接するように設けた。冷却水温度の低い起動時や低温での休止時などに使用する。
【００３４】
燃料電池スタック３８の電圧は電圧測定部５２で計測され、電力は電力回路部４３により取り出され、ガスや電力回路部などは制御部４４で制御される。
【００３５】
スタック３８から熱を奪う冷却水は冷却水タンク６０に貯められている。冷却水タンク６０の冷却水は、冷却水循環ポンプ４５により、冷却水入り口配管４６から冷却水入り口２６ｉｎを介して燃料電池スタック３８の水経路に水が流され、燃料電池３８を流れた水は冷却水出口２６ｏｕｔから冷却水出口配管４７を介して第２の加湿器４２に流れ込み、第２の加湿器４２で水と熱を交換する一次側流体として作用した後、温水一次出配管５４を介して３方弁５５に流れ込む、３方弁５５は接続されている冷却水戻り配管５６と熱交配管５７に流れる冷却水の割合を制御する。冷却水タンク６０に配置されている温度センサー６１により冷却水タンク６０内の冷却水の温度が高ければ３方弁５５は熱交配管５７に流れる冷却水の割合を増やし、冷却水タンク６０内の冷却水の温度が低ければ３方弁５５は冷却水戻り配管５６に流れる冷却水の割合を増やす。熱交配管５７を流れた冷却水は熱交換機５８に流れ込む。熱交換機５８は冷却水を熱交換の一次側流体として熱を移動させ、熱交換機５８を通過した冷却水は熱交戻り配管５９を介して冷却水タンク６０に戻る。熱交換機５８の二次側は二次入り配管６５と二次出配管６６が接続されており、熱交換機５８で冷却水より交換された熱は外部の貯湯機などで蓄える。スタック３８では燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が反応し（化学数１）と（化学数２）に示す反応が発生し、燃料電池全体としては（化学式３）に示す反応が発生する。
【００３６】
【化１】
2006147390.tif 000006
【００３７】
【化２】
2006147390.tif 000007
【００３８】
【化３】
2006147390.tif 000008
【００３９】
スタック３８内では水素と酸素が反応し水が生成し、このとき電気と熱が発生する。スタック３８は上部から下部へと酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が流れているため、上部より下部の方が燃料ガス中の水素ガス分圧および酸化剤ガス中の酸素分圧が低く、水分量と温度が高い。スタック３８から取り出す電流で反応量が決定されるため、発熱量もほぼ決定できる。そのためスタック３８に流れ込む冷却水の温度とその速度を制御することによりスタック３８の温度条件をほぼ一定に保つことができるのである。
【００４０】
図４は第１の加湿器４１と第２の加湿器４２の一次側および二次側流体の流れを示す図である。図５は第１の加湿器４１の一次側流体であるスタック３８で使用されなかった酸化剤ガスの経路を示し、図６は第２の加湿器４２の一次側流体である冷却水の経路を示し、図７は第１の加湿器および第２の加湿器の二次側流体であるブロワ３９から送り込まれた空気の経路を示す。
【００４１】
第１の加湿器（以降、プレ加湿器と称する）４１において、一次側流体であるスタックで使用されなかった酸化剤ガスの流れについて図４および図５を用いて説明する。カソードオフガス管６２を流れる流体はスタック３８で使用されなかった酸化剤ガスであり、酸素分圧は低くなっているが、多量の水分を含んでおり、温度も高い。これがプレ加湿器の下部にもうけられたプレ一次入り口７１から入り、プレ加湿器内のマニホールド７２を通過し並行に設置されたプレ一次流路７３を上昇し通過する。プレ一次流路７３はプレ加湿膜７４により区切られており、プレ加湿膜７４を介して一次側流体と二次側流体で水分と熱の交換が行われるのである。プレ加湿膜７４で水分と熱を交換した一次側流体はマニホールド７５を通過した後、プレ加湿器の上部にもうけられたプレ一次出口７６よりプレ加湿器４１の外部に排出される。
【００４２】
第２の加湿器（以降、温水加湿器と称する）４２での一次側流体である冷却水の流れについて、図４および図６を用いて説明する。冷却水は発熱を行っているスタック３８を通過するため温度が上昇している。これが温水加湿器の上部にもうけられた温水一次入り口８０から入り、温水加湿器内のマニホールド８１を通過し並行に設置された温水一次流路８２を下に向かって通過する。温水一次流路８２は温水加湿膜８３により区切られており、温水加湿膜８３を介して一次側流体と二次側流体で水分と熱の交換が行われるのである。温水加湿膜８３で水分と熱を交換した一次側流体はマニホールド８４を通過した後、温水加湿器の下部にもうけられた温水一次出口８５より温水加湿器４２の外部に排出される。
【００４３】
プレ加湿器４１と温水加湿器４２において、二次側流体であるブロワ３９により外部から取り込まれた酸化剤ガスである空気の流れについて図４および図７を用いて説明する。ブロワ３９より送り込まれた空気はプレ加湿器の上部にもうけられたプレ二次入り口８６から入り、プレ加湿器内のマニホールド８７を通過し並行に設置されたプレ二次流路８８を下に向かって通過する。プレ二次流路８８はプレ加湿膜７４により区切られており、プレ加湿膜７４を介して一次側流体と二次側流体で水分と熱の交換が行われるのである。二次側流体である空気は通常２５℃程度の温度と２５℃未満の露点である。プレ加湿器４１の一次側流体はスタックでスタック出口と同程度の温度まで加熱され、さらにスタック出口の露点と凝縮した水分を含んでいる。
【００４４】
よって、プレ加湿器では一次側流体から二次側流体へと熱および水分が移動する。一次側流体と二次側流体は互いに対向する方向で流れているので、マニホールド８９を通過する二次側流体の温度は、マニホールド７２を通過する一次側流体に近くなり、露点も温度とほぼ同じ値となる。プレ加湿膜７４で水分と熱を与えられた二次側流体はマニホールド８９を通過した後、中端版７０の下部を通過し温水加湿器の下部にもうけられたマニホールド９０に流れ込む。マニホールド９０からは、並行に設置された温水二次流路９１を上に向かって通過する。温水二次流路９１は温水加湿膜８３により区切られており、温水加湿膜８３を介して一次側流体と二次側流体で水分と熱の交換が行われるのである。二次側流体であるプレ加湿器で加熱と加湿された空気はスタック出口の温度よりも通常わずかに低い温度と露点である。温水加湿器４２の一次側流体はスタックでの発熱により加熱された冷却水であり、スタック出口温度となっている。
【００４５】
よって、温水加湿器では一次側流体から二次側流体へと熱および水分が移動する。一次側流体と二次側流体は互いに対向する方向で流れているので、マニホールド９２を通過する二次側流体の温度は、スタック３８の出口の温度と同じとなり、露点も温度と同じ値となる。温水加湿膜８３で水分と熱を交換した二次側流体はマニホールド９２を通過した後、温水加湿器の上部にもうけられた温水二次出口９３より温水加湿器４２の外部に排出される。
【００４６】
図８に第一の加湿器４１の一部の流路の停止時の断面を示す。プレセパレーター９５でプレ加湿膜７４を積層することにより、プレ一次流路７３とプレ二次流路８８を形成している。プレセパレーター９５とプレ加湿膜７４はプレガスケット９７により封止されている。膜の形状を保持するガイドとしてプレガイド９６は、一次側流体流路であるプレ一次流路７３のみに設けられている。
【００４７】
図９に第二の加湿器４１の一部の流路の停止時の断面を示す。温水セパレーター１０１で温水加湿膜７４を積層することにより、温水一次流路８８と温水二次流路９１を形成している。温水セパレーター１０１と温水加湿膜８３は温水ガスケット１０３により封止されている。膜の形状を保持するガイドとして温水ガイド１０２は、二次側流体流路である温水二次次流路９１のみに設けられている。
【００４８】
基本動作を説明する。図３において、弁３４が開となり、原料ガス配管３３から原料ガスが清浄部３２に流れ込む。原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することが出来るが、本実施の形態としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである都市ガスの１３Ａを用いた。清浄部３２としては、特にＴＢＭ（ターシャリブチルメルカプタン）、ＤＭＳ（ジメチルサルファイド）、ＴＨＴ（テトラヒドロチオフィン）等のガス付臭剤の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。燃料生成器３５では（化学式４）に示す反応等により、水素と一酸化炭素が生成される。同時に発生する一酸化炭素は、（化学式５）に示されるようなシフト化反応と（化学式６）に示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、１０ｐｐｍ以下となるように除去される。
【００４９】
【化４】
2006147390.tif 000009
【００５０】
【化５】
2006147390.tif 000010
【００５１】
【化６】
2006147390.tif 000011
【００５２】
ここで、水を反応に必要な最低限量以上を入れると、水素と水分を含む燃料ガスが作成できる。水素と水分を含む燃料ガスは燃料生成器３５からスタック３８へ燃料ガス配管３７を通過し、導かれる。次にブロワ３９を動作させ酸素を含有する酸化剤ガスとしての空気を第一の加湿器４１に流れ込む。ここで、ブロワ３９から導かれた空気は、スタック３８からカソードオフガス管６２を通って導かれたガスから熱と水分を受け取り、第二の加湿器に流れ込む。
【００５３】
第二の加湿器では、冷却水からさらに熱と水分を受け取り、十分に加湿される。ここでスタックから流れ込むカソードオフガスと冷却水の温度は、スタックで十分反応が進み温度が上がった部分と同じ温度となっている。この温度とほぼ同じ温度と露点にまで加湿されるのである。加湿された空気は二次アウト配管５１を通じてスタック３８に導かれる。スタック３８では反応により熱が発生しているが、冷却水により冷却されている。よって反応前ガスと熱を奪う前の冷却水が導かれるスタック３８の上部または上流部は下部または下流部に比べて温度が低くなっている。
【００５４】
二次アウト配管５１で導かれるガスの温度と露点はスタック３８の下部または下流部とほぼ同じ温度となっているため、スタック３８の上部または上流部においては、酸化剤ガス中の水分が結露することが発生するなど、相対湿度は１００％でガス温とガス露点が一致する状態（以降、フル加湿と称する）が実現される。ＭＥＡ５はフル加湿状態では十分な耐久性を示すことができる。酸化剤ガス中の酸素は、スタック３８で反応し、発生する熱と水分を含みカソードのオフガスはスタック３８から第一の加湿器４１に流れ込むのである。また、燃料ガスと酸化剤ガスがスタック３８に流れ込む前に冷却水は必要によりヒータ６７で加熱しながらスタック３８に流し込む。スタック３８で反応および発熱が起こると冷却水の温度は上昇し、第二の加湿器での加湿および熱交換機５８を介して、外部で熱としての利用が図れるようになる。
【００５５】
発明の詳細を説明する。第一の加湿器４１において、運転中は図１０に示すように、プレ加湿膜７４はプレガイド９６に密着している。燃料電池システムにおいて、流体の経路はできるだけ圧力損失（以降、圧損と称する）が小さい用に設計される。圧損が大きいとブロワ３９または冷却水循環ポンプ４５の動作電力が大きくなり、エネルギーの有効利用を妨げるからである。第一の加湿器４１において一次側流体は加湿器４１の後段には、熱交換機しかなく圧損を小さくできる。しかし、二次流体経路には必ずスタック３８が必要であり、さらに後段には第一の加湿器４１の二次側経路となる。スタック３８では有効に反応が行われ、また発生する水を溜まることなく排出する必要があるので、一定以上の流速を確保する必要があるのである程度の流路圧損が必然的に生じてしまうのである。よって、第一の加湿器４１においては、二次側流体の経路の方が、一次側流体の経路よりも大きくなるので、一次側経路７３にプレガイド９６を配置することにより、プレ加湿膜７４を有効に利用できるのである。
【００５６】
なお、プレガイド９６を二次経路のみに配置し、運転を行った時を図１１に示す。プレ加湿膜７４は大きくたわみ、冷却水流れの偏りなどにより、プレ二次経路８８の流路を十分に確保できなく、十分な加湿特性を発揮できなくなる。さらに、膜のたわみによりプレ加湿膜７４に亀裂や破断が生じることがある。これでは十分な加湿特性を得ることができなくなり、寿命の短いＦＣシステムとなってしまう。また、一次側と二次側の経路の両方にプレガイド９６を設けると、プレ加湿膜７４が温度などでの伸び縮みする際に問題が生じる。片側のみにガイドを配置した場合は、膨張し寸法が広がった場合には、ガイドが無い方向にたわむなどして無理な力が掛からないようになる。しかし、両側にプレガイドを配置した場合は、膜の膨張・収縮などの寸法変化を吸収できる空間が無く、プレ加湿膜に非常の多くの応力が掛かることになる。プレ加湿膜７４に不要な応力をかけると膜の破れや伸びが発生し、十分な加湿ができなくなり、寿命の短いＦＣシステムとなってしまうのである。
【００５７】
また、第二の加湿器４２において、運転中は図１２に示すように、温水加湿膜８２は温水ガイド１０２に密着している。本発明の第二の加湿器４２は一次側流体として液体である冷却水を用いている。冷却水に蓄えられる熱量や水分はカードのオフガスよりも非常に多いが、気体に比べて液体の密度や粘度が大きいため、一次側経路の方が二次側経路よりも圧力が高い状態となるからである。よって、一次側流体の経路の方が、二次側流体の経路よりも大きくなるので、二次側経路９１に加湿ガイド１０２を配置することにより、温水加湿膜８２を有効に利用できるのである。
【００５８】
なお、温水ガイド８２を一次経路のみに配置し、運転を行った時を図１３に示す。温水加湿膜８２は大きくたわみ、冷却水流れの偏りなどにより、温水一次経路８２の流路を十分に確保できなく、十分な加湿特性を発揮できなくなる。さらに、膜のたわみにより温水加湿膜８２に亀裂や破断が生じることがある。これでは十分な加湿特性を得ることができなくなり、寿命の短いＦＣシステムとなってしまう。また、一次側と二次側の経路の両方に温水ガイド８２を設けると、温水加湿膜８２が温度などでの伸び縮みする際に、問題が生じる。片側のみにガイドを配置した場合は、膨張し寸法が広がった場合には、ガイドが無い方向にたわむなどして無理な力が掛からないようになる。しかし、両側にプレガイドを配置した場合は、膜の膨張・収縮などの寸法変化を吸収できる空間が無く、温水加湿膜８３に非常の多くの応力が掛かることになる。温水加湿膜８２に不要な応力をかけると膜の破れや伸びが発生し、十分な加湿ができなくなり、寿命の短いＦＣシステムとなってしまうのである。
【００５９】
また、第一の加湿器と第二の加湿器を設け、第一の加湿器の一次側はスタック３８のカソードオフガスとし、第二の加湿器の一次側を冷却水とすると、二次側の空気をスタック排ガスのエネルギーでまず加湿できるため、第二の加湿器で加湿に必要な熱が小さくなるのである。冷却水の熱は外部で利用できるため、加湿器で多く使用すると利用できる熱量が減少してしまう。しかし、カソードオフガスのみでフル加湿を常に作るのは難しいので、第一の加湿器の一次側はスタック３８のカソードオフガスとし、第二の加湿器の一次側を冷却水とすることにより、安定したフル加湿の実現によるＦＣシステムの高耐久化と、高い温度の冷却水を維持できることによる高効率かが同時に図れるのである。
【００６０】
さらに第一の加湿器４１においては一次側経路７３にプレガイド９６を配置し、第二の加湿器においては二次側経路９１に加湿ガイド１０２を配置することにより、それぞれプレ加湿膜７３と温水加湿膜８２を有効に利用でき、寸法変化による応力の発生を防ぐことができるので、フル加湿を長期間維持できるので、寿命の長いＦＣシステムが実現できるのである。
【００６１】
また、本発明において加湿に用いる膜はフッ素樹脂とした。フッ素樹脂は耐熱性が高いので、長期間形状や特性を維持することができる。よって、フル加湿を長期間維持でき、寿命の長いＦＣシステムが実現できるのである。
【００６２】
また、本発明において加湿には、ナフィオン（デュポン社製）やフレミオン（旭硝子社製）といったフッ素系の陽イオン交換膜を用いた。加湿に用いることのできる膜は、フッ素系の陽イオン交換膜以外にも、イオン交換性を持たないポリスルホン系樹脂などがある。しかし、膜に電化を有することにより多くの水を透過することができ、より安定してフル加湿が実現できるだけでなく、膜に含まれている水分は温度が氷点下になっても凍結しないため、様々な環境で加湿膜の形状や特性を維持することができるのである。よって、本素材を加湿膜とすることにより、より安定してフル加湿を実現することができるので、より安定して寿命の長いＦＣシステムが実現できるのである。
【００６３】
また、図３に示すようなＦＣシステムの概略図においてでは、第二の加湿器４２は冷却水タンクよりも上部に図示しているが、本発明においては、第二の加湿器４２は冷却水タンクよりも重力に対しては下方に配置した。これにより、ＦＣシステムが運転中次のみならず、停止中も冷却水タンクの水面位置に相当する圧力が第二の加湿器の一次側経路に掛かることになる。これにより、運転時も停止時も温水加湿膜８３は常に温水ガイド１０２に密着するようになり、膜のたわみの変化をほとんど起こすことが無くなる。これにより温水加湿膜８３に掛かる繰り返し応力を最小限にすることができるので、第二の加湿器４２は長期間フル加湿を維持することができ、これによって長期間の寿命のＦＣシステムを実現できるのである。
【００６４】
また本発明においては、スタックの出口か冷却水を一次側流体とする加湿器の出口の間の冷却水経路として、第二の加湿器４２にヒータ６７を設けた。ＦＣシステムが停止時から起動させる時は、いずれも部品も冷えている場合がある。このときは冷却水の温度も低いため、高い温度と露点のガスをスタック３８に送ることができない。スタック３８は反応が始まると発熱もともなうため高温になる。高温のスタックに低い温度と露点のガスを送ると非常な劣化を起こしてしまう可能性がある。そこで、ヒータ６７により第二の加湿器４２を加熱すると加湿器内部の冷却水温度は高くなるため、高いガス温及び露点のガスを供給することできるのである。これにより、スタック３８の劣化を防止することができ、高耐久なＦＣシステムが実現できるのである。また、起動時にヒータを加熱させる場合、（数１）を満たすような運転の方法としている。
【００６５】
【数１】
2006147390.tif 000012
【００６６】
冷却水のスタック入り口温度ＴＦｉｎよりも第二の加湿器４２の二次側流体である酸化剤ガスの露点Ｔ２ｏｕｔは同じまたは高くなるように運転させる方法である。これには、ヒータによる加熱量と冷却水の循環流量、酸化剤ガスと燃料ガスの流量およびスタック３８から取り出す電流量の制御となる。これにより、スタック３８の入り口部でも供給されるガスはフル加湿となり、スタック３８の劣化をさせることなく、長寿命なＦＣシステムを実現できる運転方法である。
【００６７】
また本発明においては、定常時などには（数１）と（数２）をいずれも満たす運転方法を用いている。
【００６８】
【数１】
2006147390.tif 000013
【００６９】
【数２】
2006147390.tif 000014
【００７０】
冷却水のスタック入り口温度ＴＦｉｎよりも第二の加湿器４２の二次側流体である酸化剤ガスの露点Ｔ２ｏｕｔは同じまたは高くなるように運転させるとともに、スタックの冷却水の入り口と出口の温度差（Ｔ１ｉｎ−Ｔ２ｏｕｔ）は、加湿器の一次側の入り口温度と二次側出口の温度差（ＴＦｏｕｔ−ＴＦｉｎ）よりも大きくする運転方法である。加湿器では一次側より熱と水分を二次側に移動させる。よって、理論上一次側の温度および一次側の温度と同じ数値の露点が二次側流体の到達できる最大の値である。実際には一定の時間で熱交換が行われているので、一次側の入り口温度よりも若干低い温度と露点となる。この差よりもスタックの入り口と出口の温度差が小さいと、スタック入り口では露点はスタック温度よりも低いこととなり水分不足による劣化が発生してしまうが、スタックの入り口と出口の温度差が大きくなるように冷却水の速度を調整するなどを行うことにより、ヒータなどのスタック以外の加熱手段を設けることなく、常にフル加湿が実現できるため、長寿命なＦＣシステムを実現できる運転方法を提供することができるのである。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の燃料電池システムとその運転方法は、長寿命を要求する加湿器によるガスの加湿を行う高分子電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。
【００７２】
また、高い熱効率を実現できるため、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池の単電池の一部を示す構造図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池を積層したスタックの構造図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図
【図４】本発明の実施の形態１における第１の加湿器と第２の加湿器を示す構成図
【図５】本発明の実施の形態１における第一の加湿器と第二の加湿器で排酸化剤ガスの経路を示す構成図
【図６】本発明の実施の形態１における第一の加湿器と第二の加湿器で冷却水の経路を示す構成図
【図７】本発明の実施の形態１における第一の加湿器と第二の加湿器でブロワから送り込まれた空気の経路を示す構成図
【図８】本発明の実施の形態１における第一の加湿器一部の流路の停止時の断面構成図
【図９】本発明の実施の形態１における第二の加湿器一部の流路の停止時の断面構成図
【図１０】本発明の実施の形態１における第一の加湿器一部の流路の運転中の断面構成図
【図１１】本発明の実施の形態１における比較例である第一の加湿器二次経路のみにガイドを配置した一部の流路の運転中の断面構成図
【図１２】本発明の実施の形態１における第二の加湿器一部の流路の運転中の断面構成図
【図１３】本発明の実施の形態１における比較例である第二の加湿器二次経路のみにガイドを配置した一部の流路の運転中の断面構成図
【符号の説明】
【００７４】
２４ｉｎ  酸化剤ガス入り口
２４ｏｕｔ  酸化剤ガス出口
２５ｉｎ  燃料ガス入り口
２５ｏｕｔ  燃料ガス出口
２６ｉｎ  冷却水入り口
２６ｏｕｔ  冷却水出口
４１  第１の加湿器
４２  第２の加湿器
４５  冷却水循環ポンプ
５５  流路切替弁
５８  熱交換器
６０  冷却水タンク
７３  プレ一次流路
７４  プレ加湿膜
８２  温水一次流路
８３  温水加湿膜
８８  プレ二次流路
９１  温水二次流路
９６  プレガイド（ガイド）
１０２  温水ガイド（ガイド）
【図３】
2006147390.tif 000018
【図４】
2006147390.tif 000019
【図５】
2006147390.tif 000020
【図６】
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【図７】
2006147390.tif 000022
【図１】
2006147390.tif 000023
【図２】
2006147390.tif 000024
【図８】
2006147390.tif 000025
【図９】
2006147390.tif 000026
【図１０】
2006147390.tif 000027
【図１１】
2006147390.tif 000028
【図１２】
2006147390.tif 000029
【図１３】
2006147390.tif 000030