(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】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１９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装置とを備え、前記加湿装置は前記被加湿ガスと温水（冷却水）とを水透過材料を介して湿熱交換させる加湿装置であり、温水（冷却水）を排出するドレン配管６１が接続された前記温水（冷却水）の前記加湿装置への入口または出口を前記加湿装置の下方に設け、ドレン配管６１に排水電磁弁６２を介挿し、燃料電池システムの運転停止後前記排水電磁弁を開放し冬場の夜間運転停止の際でも加湿装置の残留水が凍結する前に排水可能とした。【選択図】図１
2006338984.tif 000002
【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装置を備え、前記加湿装置を、前記被加湿ガスと前記固体高分子型燃料電池の冷却水を、水透過材料を介して湿熱交換させる加湿装置とし、さらに前記冷却水が流れる水回路に、前記加湿装置内の冷却水を排出する排出手段を設けた燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出手段を、前記加湿装置よりも下方に位置する入口側配管または出口側配管に、前記加湿装置内の残留冷却水を排出するドレン配管を設け、前記ドレン配管に排水弁装置を設けた構成とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排水弁装置を電磁開閉弁とし、さらに燃料電池システムの運転停止後から所定時間経過後に前記電磁開閉弁を開放する制御手段を設けた請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排水弁装置を電磁開閉弁とし、さらに前記燃料電池システムの運転停止後における前記燃料電池システム内の冷却水温度が所定温度以下のときに前記電磁開閉弁を開放する制御手段を設けた請求項２または請求項３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。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を向上させることができる。
【０００３】
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ことができる。
【０００４】
さらに、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の状態では、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を行っている。
【０００５】
燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を利用した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知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
一方、水透過材料を用いて被加湿ガスと加湿ガス、または温水との水蒸気分圧差を利用した加湿装置としては、被加湿ガスと燃料電池から排出されるオフガスを、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装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
さらに、水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を導くことにより、被加湿ガスを加湿する加湿装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
上記従来の加湿手段において、前者の多孔質体を用いる加湿装置は、図８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、さらに、前面のエンドプレート１の上部に、被加湿ガス入口マニホールド６を、下部にオフガス出口マニホールド７をそれぞれ配置し、また、後面エンドプレート２の上部に、オフガス入口マニホールド８を、下部に被加湿ガス出口マニホールド９をそれぞれ配置した構造になっている。
【０００９】
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湿熱交換が行われる構成となっている。
【００１０】
また、後者の水透過膜を用いる加湿器は、図９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が水透過膜１２を介して併設され、さらに被加湿ガス流路１１と電池冷却水加湿流路１３が、もう一つの水透過膜１２を挟んで配置され、水透過膜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湿熱交換が行える構成となっている。
【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】
【００１１】
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こと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。
【００１２】
一方、多孔質体や水透過膜等の水透過材料を用いる加湿装置は、バブラーに対して、燃料電池システムにおける発熱や生成水を利用するため、エネルギー効率がよく、また、比較的コンパクトな構成が可能である反面、燃料電池システムを停止する際には、その都度冷却水を排出する必要性があった。すなわち、例えば冬場において燃料電池内に冷却水が残っていると、水の凍結による体積膨張によって冷却水流路を形成するセパレータが破損し、加湿装置から水が漏れ、その結果、燃料電池システムのエネルギー効率が低下するという課題を有していた。
【００１３】
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、燃料電池に供給するガスを加湿することができ、安定した起動停止運転が可能な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】
【００１４】
上記従来のセパレータの凍結による破損に関する課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、温水（冷却水）が流れる水回路に、前記加湿装置内の温水（冷却水）を排出する排出手段を設けたもので、必要に応じて前記加湿装置内の残留水（冷却水）が排出できるものである。
【００１５】
また、本発明は、前記加湿装置よりも下方に位置する入口側配管または出口側配管に、前記加湿装置内の残留水を排出するドレン配管を設け、前記ドレン配管に排水弁装置を設けた構成とするもので、加湿装置内等の残留水をより多く排出できるものである。
【００１６】
さらに、本発明は、前記排水弁装置に、電磁開閉弁を用いることにより、時間情報、温度情報等を入力として前記電磁開閉弁の開閉制御が行えるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムは、運転停止した場合において、例えば冬場の夜間等のように凍結のおそれがある場合は、排出手段によって加湿装置内等の水を排水することができるため、加湿ガスと温水（冷却水）の流路を区画形成する水透過材料等のセパレータ等を、残留した水の凍結に起因する破損から防止することができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転停止後、タイマー装置により所定の時間を計数して、自動的に加湿装置内等の水を排出することができるため、前記タイマー装置の時刻設定（時間設定）を調節することにより、例えば、冬場に残留した水が凍結する前に、排水することができ、凍結に起因する機器の破損が防止できる。また、水が凍結する前に再起動する場合であれば、タイマー装置の時刻（時間）設定により、水が排水されることはなく、加湿装置の温水（冷却水）側経路には水が残留することになり、水透過材料を湿潤状態に保つことができる。その結果、排水後に水を充填する必要がなく、即座に燃料電池システムが再起動でき、再起動時の時間のロスを最小限に抑えることができる。
【００１９】
さらに、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転停止後、前記燃料電池システム内の温水（冷却水）温度に応じてシステム内の排水が行えるため、凍結のおそれがある温度を検出した場合は、システム内の残留水を排出し、凍結に起因する弊害を防止し、また、凍結のおそれのない温度を検出した場合は、常に加湿装置の温水（冷却水）側経路に水が残留することになるため、前述の如くシステム内の水を補充する必要がなく、燃料電池システム再起動時の時間のロスを最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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装置を備え、前記加湿装置を、前記被加湿ガスと前記固体高分子型燃料電池の冷却水を、水透過材料を介して湿熱交換させる加湿装置とし、さらに前記加湿装置における前記冷却水が流れる水回路に、前記加湿装置内の冷却水を排出する排出手段を設けたものである。
【００２１】
かかる構成によれば、前記排出手段により必要に応じて前記加湿装置内の残留冷却水が排出できるため、残留冷却水を排出することにより、残留冷却水の凍結による加湿装置等の破損が防止でき、また凍結のおそれがない場合は、その残留冷却水を利用して燃料電池システムの次期運転が行えるため、冷却水の補充作業が不要もしくは簡素となり、システムの立ち上げが円滑となる。さらに、前記排出手段を電動式とすることにより、その操作は、より簡単化される。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、前記排出手段を、前記加湿装置よりも下方に位置する入口側配管または出口側配管に、前記加湿装置内の残留冷却水を排出するドレン配管を設け、前記ドレン配管に排水弁装置を設けた構成としたもので、前記加湿装置の下方位置から排水を行うため、前記加湿装置等の残留冷却水を円滑に抜くことができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、前記排水弁装置を電磁開閉弁とし、さらに燃料電池システムの運転停止後から所定時間経過後に前記電磁開閉弁を開放する制御手段を設けたものである。
【００２４】
かかる構成とすることにより、運転停止後から自動的に加湿装置内等の冷却水を排出することができ、その時間設定により、凍結発生前での排水が設定可能となる。また、凍結発生前（設定時間経過前）に再起動されるシステムであれば排水されないため、水の補給作業が不要となり、時間のロスを最小限にしてシステムの立ち上げを円滑とすることができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、前記排水弁装置を電磁開閉弁とし、さらに前記燃料電池システムの運転停止後における前記燃料電池システム内の冷却水温度が所定温度以下のときに前記電磁開閉弁を開放する制御手段を設けたもので、凍結が発生する前の温度で排水するため、凍結が発生しない温度の場合は、排水されることがなく、環境温度に応じての排水制御が行える。その結果、凍結に起因する加湿装置等の破損防止と、不要な排水に伴うシステム再起動時の給水時間ロス等が抑制できる。
【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、本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、図２は同実施の形態における排水手段を備えた空気加湿装置の斜視図、図３は同実施の形態における空気加湿装置内部の流路構成を示す模式図、図４は同実施の形態における燃料電池システムの制御回路を示すブロック図、図５は同実施の形態における燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。
【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の加湿装置２１ａおよび第２の加湿装置２１ｂよりなる空気加湿装置２１と、固体高分子型の燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿装置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を主な要素として構成されている。空気加湿装置２１は、第１の加湿装置２１ａと第２の加湿装置２１ｂを一体に構成化して燃料電池１９の下方に配置されている。
【００２９】
空気供給装置２０から空気経路３０ａを通り、空気フィルタ３０で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０ｂを介して空気加湿装置２１に供給された空気は、第１の加湿装置２１ａで加熱および加湿され、空気加湿装置２１内の空気経路３１を通って第２の加湿装置２１ｂに供給され、第２の加湿装置２１ｂによって更に加熱および加湿される。そして、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１９のカソード電極１ｂ側に供給される。
【００３０】
なお、本実施の形態では、第１の加湿装置２１ａと第２の加湿装置２１ｂを一体構成化したため、実際には空気経路３１は、空気加湿装置２１内、すなわち第１の加湿装置２１ａと第２の加湿装置２１ｂに亘って形成されている。
【００３１】
一方、燃料処理装置２４には、燃料供給装置２３から燃料経路３３を介して、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またはアルコール等の原料が供給される。本実施の形態の燃料電池システムでは、都市ガスを原料ガスとして用いた場合について説明する。また、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、水素リッチな燃料ガスが生成される。該水素リッチな燃料ガスは、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。
【００３２】
さらに、燃料ガス加湿装置２５としては、空気加湿装置２１の第１の加湿装置２１ａと同様の加熱および加湿方式の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１９の燃料ガスとして、燃料ガス経路３５を通じて燃料電池１９のアノード電極側に供給される。燃料電池１９では、カソード電極側に供給された空気と、アノード電極側に供給された燃料ガス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。
【００３３】
燃料電池１９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の加湿装置２１ａに供給される。第１の加湿装置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１９に供給される空気の加湿および加熱が行われる。第１の加湿装置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。
【００３４】
また、燃料電池１９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１９に供給される。
【００３５】
すなわち、燃料電池１９内で加熱された冷却水は、冷却水経路４０を介して第２の加湿装置２１ｂに供給され、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される第１の加湿装置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。そして、第２の加湿装置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、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。
【００３６】
冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池１９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１９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１９の温度および冷却水タンク２７内の水温、さらには、第２の加湿装置２１ｂに供給される水の温度を所定の温度に維持する。
【００３７】
また、第２の加湿装置２１ｂに入る冷却水が通る冷却水経路４０には、ドレン配管６１が接続されており、このドレン配管６１には排水電磁弁６２が設けられている。
【００３８】
排水電磁弁６２は、図４に示すように、燃料電池システムの停止後に計数を開始するタイマー６３、およびタイマー６３が所定時間計数後に出力して排水電磁弁６２を開放制御する演算制御部ａによって、その開閉動作が制御される。
【００３９】
かかる制御により、冬場において燃料電池システムを夜間停止させた際に、前記燃料電池システムが設置された場所の雰囲気温度が零度以下のときでも、燃料電池システムから水は所定時間経過後自動的に排出されているので、燃料電池システム内の水が凍結してしまうことがない。
【００４０】
また、燃料電池１９に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガスは、排燃料ガス経路３８ａを介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、燃料電池１９に供給される前の燃料ガスの加熱および加湿に利用された後、排燃料ガス経路３８ｂを介して燃料処理装置２４の燃焼部に供給され、ここで原料を燃料ガスに改質する燃料処理装置２４の加熱に利用される。
【００４１】
次に、本実施の形態の特徴である加湿装置について説明する。
【００４２】
図２、３に示すように、空気加湿装置２１は、第１の端板４４と中端板４５の間に設けられた第１の加湿装置２１ａと、中端板４５と第２の端板５０との間に設けられた第２の加湿装置２１ｂによって構成されている。
【００４３】
そして、第１の加湿装置２１ａは、シール材４９ｂによって挟まれた膜状の水透過材料４６と、水透過材料４６およびシール材４９ｂを保持する枠体４９を交互に複数積層することによって構成されている。その結果、内部には水透過材料４６を介して被加湿空気経路４７と排出空気経路４８が形成されている。
【００４４】
また、第２の加湿装置２１ｂは、同様にシール材４９ｂによって挟まれた膜状の水透過材料４６と、水透過材料４６およびシール材４９ｂを保持する枠体４９を交互に複数積層することによって構成されている。その結果、内部には水透過材料４６を介して被加湿空気経路４７と冷却水経路５１が形成されている。
【００４５】
さらに、第１の端板４４には、上方片側に位置し、被加湿空気経路４７の入口通路となる被加湿空気入口５２と、被加湿空気入口５２の反対上方側に位置し、排出空気経路４８の入口通路となる排出空気入口５３と、排出空気入口５３の対角の下方側に位置し、排出空気経路４８の出口通路となる排出空気出口５４が設けられている。
【００４６】
また、第２の端板５０には、被加湿空気入口５２と対向する上方片側に位置し、被加湿空気経路４７の出口通路となる被加湿空気出口５５と、被加湿空気出口５５の下方に位置し、冷却水経路５１の入口通路となる冷却水入口５６と、冷却水入口５６の対角上方に位置し、冷却水経路５１の出口通路となる冷却水出口５７が設けられている。
【００４７】
さらに、中端板４５には、第１の加湿装置２１ａから第２の加湿装置２１ｂへ被加湿空気を供給するための空気経路３１に相当する穴４５ａが設けられている。穴４５ａは、被加湿空気入口５２と対角に相当する位置（本実施の形態では、被加湿空気出口５５の対角に相当する位置でもある）に設けられている。
【００４８】
なお、本実施の形態では、第１の加湿装置２１ａと第２の加湿装置２１ｂの構成に当り、低コスト化を図るために、水透過材料４６および枠体４９を汎用し、同じ部材を用いている。したがって、排出空気入口５３と冷却水出口５７、および排出空気出口５４と冷却水入口５６は、それぞれ投影方向面において、対応した位置関係にある。
【００４９】
また、水透過材料４６と枠体４９には、被加湿空気入口５２から被加湿空気出口５５に連通する被加湿空気経路４７を形成するべく、また、排出空気入口５３から排出空気出口５４に連通する排出空気経路４８を形成するべく、さらに、冷却水入口５６から冷却水出口５７に連通する冷却水経路５１を形成するべく、また、第１の加湿装置２１ａと第２加湿装置２１ｂに亘る空気経路３１を形成するべく、積層方向に貫通する穴４６ａ（水透過材料４６については図示せず）が設けられている。
【００５０】
さらに枠体４９には、被加湿空気経路４７と排出空気経路４８および、冷却水経路５１に、所定の流体（ガスあるいは水）のみを供給するように、貫通穴からなるマニホールド部４９ａが設けられ、またシール材４９ｂによって空気経路３１（被加湿空気経路４７）、排出空気経路４８、冷却水経路５１を流れる各流体が混在して流れないようにシールされている。
【００５１】
さらに、空気加湿装置２１における第２加湿装置２１ｂの冷却水入口５６側には、排水電磁弁６２を備えたドレン配管６１が接続されている。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、水透過材料４６として、透湿性とガスバリア性に優れた、厚さ１５μｍから３０μｍのフッ素樹脂系イオン交換膜を用いた。
【００５３】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下、その動作を、本実施の形態の特徴である空気加湿装置の動作を中心に説明する。
【００５４】
燃料電池１９に供給される被加湿空気は、燃料電池１９から排出される際に、第１の加湿装置２１ａ内において、燃料電池１９内での発電に伴い発生する熱と生成水により加熱および加湿された排出空気と湿熱交換される。具体的には、水透過材料４６を介して被加湿空気経路４７と排出空気経路４８の間で湿熱交換が行なわれる。そして、湿熱交換により加熱および加湿された被加湿空気は、第２の加湿装置２１ｂに供給され、第２の加湿装置２１ｂ内において、水透過材料４６を介して燃料電池１９の発電に伴う発熱により加熱された冷却水と湿熱交換を行い、一層加熱及び加湿され、その状態を保ちつつ空気加湿装置２１を出て燃料電池１９に供給される。
【００５５】
一方、第１の加湿装置２１ａに供給された排出空気は、前述の被加湿空気に熱と水蒸気（湿度）を供給することにより、温度と湿度が低下する。この際、水蒸気の供給が熱の供給に対して少ない場合は、水蒸気が凝縮して排出空気経路４８内に水が生成することになる。
【００５６】
しかしながら、排出空気出口５４が第１の加湿装置２１ａ側面の下方に設けられていることにより、排出空気経路４８内の水は、排出空気の流れに押されて第１の加湿装置２１ａから順次排出されるため、第１の加湿装置２１ａ内に凝縮水が一定量以上貯まることはない。したがって、空気加湿装置２１内において排出空気経路４８を閉塞して圧力損失が増加することはなく、所定の空気量を供給するための空気供給装置２０の消費電力が増加することがない。
【００５７】
また、燃料電池システムの運転を停止した際には、第１の加湿装置２１ａ内の被加湿空気および排出空気の温度が低下するため、被加湿空気経路４７および排出空気経路４８内には凝縮水が貯まることになるが、排出空気入口５３が第１の加湿装置２１ａ上方に、排出空気出口５４が第１の加湿装置２１ａ下方に設けられているために、排出空気経路４８内に発生した凝縮水が、燃料電池システムの運転停止中に排出空気経路４８を逆流して燃料電池１９内に流入することはなく、排出空気出口５４から自然に流出する。もしくは、再び燃料電池システムの運転を開始して空気供給装置２０を駆動した際に、排出空気出口５４から排出される。また、被加湿空気出口５５が、空気加湿装置２１の上方に設けられていることにより、被加湿空気経路４７内の水が一気に燃料電池１９内に流入して、燃料電池１９内の被加湿空気流路を閉塞して発電を阻害することもない。
【００５８】
さらに、排出空気出口５４が空気加湿装置２１の側面下方に設けられていることにより、第１の加湿装置２１ａ内には、生成した凝縮水を一定量蓄えることができる。そのため、燃料電池システムが停止した際でも、水透過材料４６を湿潤状態に保つことが可能であり、水透過材料４６の乾燥と湿潤の繰り返しによる破損の負荷を低減することができる。
【００５９】
また、空気加湿装置２１が燃料電池１９の下方に設けられていることにより、第２の加湿器２１ｂ内に水を充満させた状態で燃料電池１９から水を排出することが可能となり、燃料電池システムを、冬場の夜間停止させる際には、ドレン配管６１に設けた排水電磁弁６２を開放動作することにより、燃料電池１９から水を排水することができる。その結果、燃料電池システムの停止中に雰囲気温度が零度以下になり、水が凍結する条件になった場合でも、燃料電池１９の冷却水経路が水の凍結による体積膨張で破損することはない。
【００６０】
一方、排水電磁弁６２の開放動作により、空気加湿装置２１内においても冷却水入口５６から内部の水が排水されているため、被加湿空気経路４７と冷却水経路５１、あるいは排出空気経路４８等を分離構成する膜状の水透過材料４６、枠体４９あるいはシール材４９ｂ等で構成されるセパレータの破損を防止することができる。
【００６１】
また、燃料電池システムの運転が停止したときの加湿装置内に残留した冷却水を排水する動作は、図５に示すフローにしたがって行なわれる。
【００６２】
図５において、燃料電池システムが停止すると（ＳＴＥＰ１）、タイマー６３が計数を開始し（ＳＴＥＰ２）、計数時間が所定の時間Ｔ１以上ならば排水電磁弁６２を開放し（ＳＴＥＰ３）、加湿装置内の残留水を排水する。
【００６３】
このように、燃料電池システムの運転停止後は、タイマー６３で所定時間計数するまでは演算制御部ａ６４により排水電磁弁６２は閉じているので、空気加湿装置２１内には冷却水が満たされており、空気加湿装置２１内の水透過材料４６の湿潤状態を維持するので、水透過材料４６が乾燥と湿潤を繰り返す頻度、あるいは乾燥する時間を極力抑制し、水透過材料４６の乾燥と湿潤の繰り返しによる劣化を極力抑制する。
【００６４】
また、タイマー６３が所定の時間（凍結発生を予測し設定した時間）を計数して、演算制御部ａ６４により排水電磁弁６２が開放された後は、空気加湿装置２１内の冷却水は、冬場において冷却水が凍結する前に排水されるので、セパレータ機構の破損を防止することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態１においては、ドレン配管６１を冷却水入口５６側に設けたが、冷却水出口５７側に設けても同様に空気加湿装置２１等の凍結破損が防止できる。この場合、冷却水の流れる方向を変更する等して冷却水出口５７を、下方に配置した構成とする。
【００６６】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの制御回路を示すブロック図、図７は同実施の形態における燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。
【００６７】
図６に示す温度検知手段６５は、図１に示すように、空気加湿装置２１に接触または近傍に配設されている。また、演算制御部ｂ６６は、前記燃料電池システムの運転が停止のときにおいて、温度検知手段６５が所定の温度以下を検出したときに、排水電磁弁６２を開放する信号を出力する。
【００６８】
以上のように構成された燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転が停止したときにおける加湿装置内に残留した冷却水を排水する動作について、図７に基づき説明する。
【００６９】
図７において、燃料電池システムが停止し（ＳＴＥＰ１）、温度検知手段６５の温度が所定温度Ｘ℃以下を検知したならば（ＳＴＥＰ２）、排水電磁弁６２を開放する（ＳＴＥＰ３）。その結果、先の実施の形態１と同様に空気加湿装置２１内の残留水が排水される。
【００７０】
以上のように、本実施の形態においては、冷却水（温水）を排出するドレン配管６１が接続された第２の加湿装置２１ｂの冷却水入口５６または冷却水出口５７を、第２の加湿装置２１ｂの下方に設け、さらに、ドレン配管６１に排水電磁弁６２を設けた構成とし、さらに、空気加湿装置２１と接触して、もしくは空気加湿装置２１の近傍に設けた温度検知手段６５と、温度検知手段６５の検知温度が所定の温度以下であれば、排水電磁弁６２を開放して第２の加湿装置２１ｂの残留水を排水する演算制御部ｂ６６を設けたものである。
【００７１】
かかる構成とすることにより、燃料電池システムの運転停止後は、温度検知手段６５が所定温度以下を検知するまでは演算制御部ｂ６６により排水電磁弁６２は閉じているので、第２の加湿装置２１ｂ内に冷却水が満たされており、これによって、第２の加湿装置２１ｂ内における水透過材料４６は、その湿潤状態が維持され、乾燥と湿潤の繰り返しによる水透過材料４６の劣化を極力抑制することができる。
【００７２】
また、冬場等に気温が零下になり、凍結の虞が発生した場合は、温度検知手段６５が予め設定した所定の温度以下を検知して、演算制御部ｂ６６により排水電磁弁６２を開放するので、第２の加湿装置２１ｂ内の冷却水は、冷却水が凍結する前に確実に排水される。
【００７３】
したがって、先の実施の形態１と同様に、被加湿空気経路４７と冷却水経路５１、あるいは排出空気経路４８等を分離構成する膜状の水透過材料４６、枠体４９あるいはシール材４９ｂ等で構成されるセパレータの破損を防止することができる。
【００７４】
つまり、冬場において燃料電池システムを夜間停止させる際に、燃料電池システムが設置された場所の雰囲気温度が零度以下となった場合において、燃料電池システム内の水が凍結してしまうことが考えられる条件であれば、必要に応じて燃料電池システムから水を排出することができる。これにより、燃料電池システムの冷却水が凍結しない環境で燃料電池システムを再起動するとき、冷却水の再充填の必要がないため、再起動時のロスタイムを必要最小限に抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
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】
【００７６】
【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空気加湿装置の斜視図
【図３】同実施の形態における空気加湿装置内部の流路構成を示す模式図
【図４】同実施の形態における燃料電池システムの制御回路を示すブロック図
【図５】同実施の形態における燃料電池システムの制御を示すフローチャート
【図６】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの制御回路を示すブロック図
【図７】同実施の形態における燃料電池システムの制御を示すフローチャート
【図８】従来例を示す加湿器の模式図
【図９】異なる従来例を示す加湿器の模式図
【符号の説明】
【００７７】
１９  燃料電池
２０  空気供給装置
２１  空気加湿装置
２１ａ  第１の加湿装置
２１ｂ  第２の加湿装置
４４  第１の端板
４５  中端板
４６  水透過材料
４７  被加湿空気経路
４８  排出空気経路
４９  枠体
５０  第２の端板
５１  冷却水経路
５２  被加湿空気入口
５３  排出空気入口
５４  排出空気出口
５５  被加湿空気出口
５６  冷却水入口
５７  冷却水出口
６１  ドレン配管
６２  排水電磁弁
６３  タイマー
６４  演算制御部ａ
６５  温度検知手段
６６  演算制御部ｂ
【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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