(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、システム全体の熱効率の低下を招くことなく、加湿制御の安定性、精度、応答性を向上し、また十分な加湿能力を保持したままでシステムを小型化、低コストとする。【解決手段】  燃料電池システムは、カソードエアを加湿して酸化剤極１２に供給する加湿器１４を備えている。加湿器１４は、酸化剤極１２から排出されるカソードオフガスとカソードエアとの間で水蒸気交換することによりカソードエアを加湿する第1加湿器１４ａと、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体（凝縮冷媒）が循環する凝縮冷媒循環回路７５上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することによりカソードエアを加湿する第２加湿器１４ｂとから構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスを加湿して前記酸化剤極に供給する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿器は、前記酸化剤極から排出される酸化剤オフガスと前記酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより前記酸化剤ガスを加湿する第1加湿器と、
前記燃料電池から排出される排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して前記熱媒体を水蒸気化することにより前記酸化剤ガスを加湿する第２加湿器とから構成されてい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において、前記熱媒体循環回路上には、前記第１加湿器を通った後の前記酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段が配設されてい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において、前記第２加湿器は、前記酸化剤オフガス排熱回収手段の下流に配置されてい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乃至請求項３の何れか一項において、前記酸化剤ガスは、前記第１加湿器、第２加湿器の順番に流通した後に前記酸化剤極に供給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１乃至請求項４の何れか一項において、前記加湿器は、前記酸化剤ガス、前記酸化剤オフガスおよび前記熱媒体がそれぞれ流れる流路を備えた一体構造体であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５において、前記酸化剤ガスが流れる流路は、前記酸化剤オフガスおよび前記熱媒体がそれぞれ流れる流路に水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、前記酸化剤オフガスおよび前記熱媒体がそれぞれ流れる流路は互いに水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項において、
前記熱媒体循環回路上に設けられ前記熱媒体を循環する循環手段をさらに備え、
前記循環手段の送出量を制御して、前記燃料電池の酸化剤極に流入する前記酸化剤ガスの温度を目標温度に調整するか、前記第２加湿器の流通後の前記熱媒体の温度を目標温度に調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項において、前記熱媒体循環回路の熱媒体として、少なくとも前記燃料電池から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか一項において、
前記熱媒体循環回路上に設けられ前記第２加湿器をバイパスするバイパス路と、
前記第２加湿器を流れる前記熱媒体の流量と前記第２加湿器をバイパスして前記バイパス路を流れる前記熱媒体の流量を調整する流量調整手段とをさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか一項において、
前記燃料電池へ供給する前記燃料を生成する改質器をさらに備え、
前記第２加湿器は、前記燃料電池から排出される排熱および／または前記改質器にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して前記熱媒体を水蒸気化することにより前記酸化剤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０において、前記熱媒体循環回路の熱媒体として、前記燃料電池から排出されるオフガス、前記改質器で生成された燃料、前記改質器の燃焼器から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用す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、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器と、を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この燃料電池システムとして、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器と、を備えたものはよく知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムの一形式として、特許文献１「燃料電池用加湿システム」に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池用加湿システムは、反応に使用される反応ガスを、反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する水分透過型の加湿装置６を備えたものであり、燃料電池１の要求加湿量に応じて加湿量を制御している。また、反応ガス供給路３であって加湿装置６と燃料電池１のガス入口２との間には燃料電池１内に供給される乾燥エアの露点を測定する露点計１９が設けられている。また、加湿装置６を経て燃料電池１に至る反応ガス供給路３に、加湿装置６をバイパスする反応ガスバイパス路２１が設けられている。ここでこの反応ガスバイパス路２１には、反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁２２が取り付けられ、この流量調整弁２２と前記露点計１９と電圧計２０とが制御装置２３を介して接続されている。露点計１９によって測定された露点に基づいて反応ガスバイパス路２１を流れる乾燥空気の量を調整することで加湿装置６に流れる乾燥空気の量を増減させて、常に最適な露点（要求露点）を維持し、燃料電池１内において結露が生じ発電能力が低下しないよう、最適な状態で燃料電池１が作動するのである。
【０００４】
また、他の形式として、特許文献２「燃料電池運転制御システム及び方法」に示されているものが知られている。特許文献２の図６に示されているように、燃料電池運転制御システムは、固体電解質燃料電池を備えた燃料電池１１と、該燃料電池１１の燃料電池の燃料極へ燃料ガス１２を供給する燃料ガス供給ラインＬ1 と、燃料電池１１から排出される燃料排ガス１３を排出する燃料ガス排出ラインＬ2 と、上記燃料電池１１へ外部から空気１４を供給する空気供給ラインＬ3 と、上記燃料電池１１からの排空気１５を排出する空気排出ラインＬ4 と、上記空気供給ラインＬ3 及び空気排出ラインＬ4 に介装され、供給する空気１４を排空気１５の排熱で予熱する空気予熱器１６と、上記空気供給ラインＬ3 から分枝され、上記空気予熱器１６を迂回して空気を予熱せずに空気を供給するバイパスラインＬ5 と、上記バイパスラインＬ5 が合流した後で燃料電池１１へ供給前の供給空気の温度を測定する温度計１７と、該温度計１７の温度情報によりバイパスラインＬ5 に介装されたバルブＢ3 の調整を行う温度コントローラ１８と、上記空気供給ラインＬ3 に介装され主供給空気の流量を測定する流量計１９及び該流量計１９の情報によりバルブＢ1 の調整を行う流量コントローラ２０とを具備している。このシステムにおいては、必要に応じて燃料電池１１に供給する空気の温度を温度計１７を監視して調整している。
【０００５】
また、他の形式として、特許文献３「固体高分子形燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献３の図１に示されているように、固体高分子形燃料電池システムにおいては、電池モジュール１に連結される湿熱交換型加湿器２は、基本的構成として湿熱交換用素子６を挟んでオフガス流路３と、反応ガス流路４と、電池冷却水加湿流路５とが積層配置される。又、電池モジュール１の冷却水出口付近で電池冷却水主回路７と電池冷却水加湿回路８に分岐し、分岐箇所には流量制御手段９を設ける。更に、システムの各所にセンサ１０〜１２を適宜設け、センサからの信号により電池冷却水加湿回路８への電池冷却水の流量を制御する。
【特許文献１】特開２００１−２１６９８４号公報（第３−４頁、第１図）
【特許文献２】特開２００１−２０２９８１号公報（第１頁、第６図）
【特許文献３】特開２００４−３１０７３号公報（第２−９頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に記載の燃料電池用加湿システムにおいては、反応に使用される反応ガスを、反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿しており、すなわちオフガスが加湿源である。しかし、気体であるオフガスの水蒸気分圧によって加湿能力が決まってしまうため、オフガスの水蒸気分圧が変動すると加湿能力も変動するので、加湿源が不安定となるおそれがあり、ひいては加湿精度、応答性が悪化するおそれがあった。また、露点計１９によって測定された露点に基づいて反応ガスバイパス路２１を流れる乾燥空気の量を調整して燃料電池１内を最適加湿状態とするには、加湿装置６から導出される加湿後の反応ガスが飽和（水蒸気飽和）であることが望まれる。これを実現するために、加湿装置６の水が透過する中空糸膜の表面積を十分に大きくすることが考えられる。この場合、燃料電池１内を最適加湿状態とすることができるが、加湿装置６が大型化・高コスト化しひいては燃料電池システム全体が大型化・高コスト化するという問題があった。なお、上述した特許文献２に記載の燃料電池運転制御システムにおいても、同様な問題があった。
【０００７】
上述した特許文献３に記載の固体高分子形燃料電池システムにおいては、前述した各問題に対して大幅な改善を図ることができるが、電池モジュール１の冷却水から熱を奪って反応ガスが加湿されるので、それに伴って冷却水の温度が低下する。電池モジュール１の発電に伴って発生する熱を冷却水を介して貯湯水に回収する場合には、冷却水の温度が低下すると、貯湯水に回収する熱量および貯湯水に戻るお湯の温度（回収湯温）が減少するという問題があった。また、電池モジュール１を適切な温度に制御できなくなり適切に発電できなくなるおそれがあった。さらに、オフガスの熱のうち温熱交換型加湿器２で利用されずに残ったものはそのまま排出されるので、温熱交換型加湿器２で利用が少なかった場合には多量の熱が排出されることとなりオフガスの熱効率が悪くなり、システム全体の熱効率が悪くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システム全体の熱効率の低下を招くことなく、加湿制御の安定性、精度、応答性を向上し、また十分な加湿能力を保持したままでシステムを小型化、低コストとすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器は、酸化剤極から排出される酸化剤オフガスと酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する第1加湿器と、燃料電池から排出される排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することにより酸化剤ガスを加湿する第２加湿器とから構成されていることである。
【００１０】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、熱媒体循環回路上には、第１加湿器を通った後の酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段が配設されていることである。
【００１１】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、第２加湿器は、酸化剤オフガス排熱回収手段の下流に配置されていることである。
【００１２】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、酸化剤ガスは、第１加湿器、第２加湿器の順番に流通した後に酸化剤極に供給されることである。
【００１３】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、加湿器は、酸化剤ガス、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路を備えた一体構造体であることである。
【００１４】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、酸化剤ガスが流れる流路は、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路に水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路は互いに水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないことである。
【００１５】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項６の何れか一項において、熱媒体循環回路上に設けられ熱媒体を循環する循環手段をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池の酸化剤極に流入する酸化剤ガスの温度を目標温度に調整するか、第２加湿器の流通後の熱媒体の温度を目標温度に調整することである。
【００１６】
また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項７の何れか一項において、熱媒体循環回路の熱媒体として、少なくとも燃料電池から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用することである。
【００１７】
また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項８の何れか一項において、熱媒体循環回路上に設けられ第２加湿器をバイパスするバイパス路と、第２加湿器を流れる熱媒体の流量と第２加湿器をバイパスしてバイパス路を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段とをさらに備えたことである。
【００１８】
また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項９の何れか一項において、燃料電池へ供給する燃料を生成する改質器をさらに備え、第２加湿器は、燃料電池から排出される排熱および／または改質器にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することにより酸化剤ガスを加湿することである。
【００１９】
また請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０において、熱媒体循環回路の熱媒体として、燃料電池から排出されるオフガス、改質器で生成された燃料、改質器の燃焼器から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用することである。
【発明の効果】
【００２０】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、加湿器は、第１加湿器にて酸化剤オフガスにより酸化剤ガスを加湿するとともに、第２加湿器にて燃料電池から排出される排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。
【００２１】
また、水を含む液体である熱媒体が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、熱媒体循環回路上には、第１加湿器を通った後の酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段が配設されているので、酸化剤オフガスの排熱のうち第１加湿器で回収されて利用されずに残ったものが、酸化剤オフガス排熱回収手段によって熱媒体に回収されて利用することができる。したがって、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、第２加湿器は酸化剤オフガス排熱回収手段の下流に配置されていることにより、酸化剤オフガス排熱回収手段にて熱媒体に回収した熱を第２加湿器にて酸化剤ガスを加湿する際に利用することができるので、酸化剤オフガス排熱回収手段にて回収した熱を無駄なく利用することができる。
【００２４】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、酸化剤ガスは、第１加湿器、第２加湿器の順番に流通した後に酸化剤極に供給されることにより、第１加湿器により酸化剤ガスが最適加湿状態とならない場合でも、第２加湿器でさらに加湿されて最適加湿状態となるので、酸化剤極に供給する酸化剤ガスを確実に最適加湿状態とすることができる。また、酸化剤極に供給する酸化剤ガスを温度に対して水蒸気飽和状態とすることにより、加湿状態の把握がその温度により可能となり、制御性の向上、汎用温度センサを使用することによる信頼性の高い維持、コスト低減を達成することができる。
【００２５】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、加湿器は、酸化剤ガス、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路を備えた一体構造体であるので、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００２６】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項５に係る発明において、酸化剤ガスが流れる流路は、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路に水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路は互いに水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないため、熱媒体が酸化剤オフガスを無駄に加湿せず、かつ、酸化剤ガスは熱媒体および酸化剤オフガスを加湿するので、加湿制御性を向上することができる。
【００２７】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項６の何れか一項に係る発明において、熱媒体循環回路上に設けられ熱媒体を循環する循環手段をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池の酸化剤極に流入する酸化剤ガスの温度を目標温度に調整するか、第２加湿器の流通後の熱媒体の温度を目標温度に調整するので、確実かつ的確に湿度を調整でき、さらに雰囲気温度の変動など外乱の影響を低減し、かつ、フラッディングを確実に防止することができる。
【００２８】
上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項１乃至請求項７の何れか一項に係る発明において、熱媒体循環回路の熱媒体として、少なくとも燃料電池から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用することにより、凝縮水を加湿水として利用するので、加湿で使用した水量をオフガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。
【００２９】
上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項１乃至請求項８の何れか一項に係る発明において、熱媒体循環回路上に設けられ第２加湿器をバイパスするバイパス路と、第２加湿器を流れる熱媒体の流量と第２加湿器をバイパスしてバイパス路を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段とをさらに備えているため、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように熱媒体を第２加湿器に供給することができるので、酸化剤ガスを最適加湿することができる。また、熱媒体を必要以上に第２加湿器に供給しないので、熱媒体の温度を必要以上に冷却することを抑制し熱媒体温度を高温に維持して燃料電池システムの熱回収効率を高く維持することができる。
【００３０】
上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、燃料電池システムに改質器が備えられている場合、第２加湿器は、燃料電池から排出される排熱および／または改質器にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することにより酸化剤ガスを加湿する。これにより、改質器を備えて燃料電池システムも、上述した各発明の効果を得ることができる。
【００３１】
上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、請求項１０に係る発明において、熱媒体循環回路の熱媒体として、燃料電池から排出されるオフガス、改質器で生成された燃料、改質器の燃焼器から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用するので、加湿で使用した水量を各ガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
１）第1実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第1実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器２０を備えている。
【００３３】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３（本実施形態では高分子電解質膜）を備えており、燃料極１１に供給された燃料である燃料ガス（改質ガス）および空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
【００３４】
改質器２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、燃焼器であるバーナ（燃焼部）２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００３５】
バーナ２１は、改質部２２を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２１は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、ＣＯ選択酸化部２４から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１から供給されるアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後排気管６３を通って外部に排出されるようになっている。
【００３６】
改質部２２は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器２５からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。
【００３７】
ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。
【００３８】
ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。
【００３９】
蒸発器２５は、一端が貯水器５０内に配置され他端が改質部２２に接続された改質水供給管６８の途中に配設されている。改質水供給管６８には改質水ポンプ５３が設けられている。このポンプ５３は制御装置９０によって制御されており、貯水器５０内の改質水として使用する回収水を蒸発器２５に圧送している。蒸発器２５は例えばバーナ２１から排出される燃焼ガス（または改質部２２、ＣＯシフト部２３などの排熱）によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。
【００４０】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管６４を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管６５を介してバーナ２１が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２１に供給するようになっている。改質ガス供給管６４とオフガス供給管６５の間には燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管６４およびオフガス供給管６５を直結するバイパス管（図示省略）が設けられている。起動運転時には、改質器２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスが、燃料電池１０に供給されるのを回避するため、バイパス管を流通し、定常運転時には、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０に直接供給されるようになっている。
【００４１】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気供給管６１が接続されており、空気極１２内に空気（カソードエア）が供給されるようになっている。燃料電池１０の空気極１２の導出口には、排気管６２が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。
【００４２】
また、これら空気供給管６１および排気管６２の途中には、空気極１２から排出される酸化剤ガスオフガスであるカソードオフガスによって空気極１２に供給されるカソードエアを加湿する第1加湿器１４ａが両管６１，６２を跨ぐように設けられている。第１加湿器１４ａは、空気極１２から排出されるカソードオフガスとカソードエアとの間で水蒸気交換することによりカソードエアを加湿する水蒸気交換型であり、排気管６２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気を空気供給管６１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。すなわち、第１加湿器１４ａは、水蒸気のみを透過する膜１４ａ１（例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜）を挟んで加湿元の気体（カソードオフガス）と加湿したい気体（カソードエア）を流通させ、加湿元の気体中の水蒸気が膜１４ａ１を透過して加湿したい気体を加湿する膜透過型加湿器である。
【００４３】
さらに、空気供給管６１には空気極１２の入口と第１加湿器１４ａの間に、第２加湿器１４ｂ（後述する）が設けられている。さらに、空気供給管６１には空気極１２の入口と第２加湿器１４ｂの間に、燃料電池１０のカソードエア温度Ｔ１を検出する温度センサ６１ａが設けられており、その検出結果が制御装置９０に送信されるようになっている。
【００４４】
また、改質ガス供給管６４、オフガス供給管６５、排気管６２および排気管６３の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２、カソードオフガス用凝縮器３３および燃焼ガス用凝縮器３４が設けられている。これら各凝縮器３１〜３４は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である凝縮器３０を構成している。改質ガス用凝縮器３１は改質ガス供給管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０のバーナ２１とを連通するオフガス供給管６５の途中に設けられており、そのオフガス供給管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器３３は、第１加湿器１４ａを通った後のカソードオフガスである酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段である。このカソードオフガス用凝縮器３３は、排気管６２に設けられており、その排気管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮することにより、凝縮冷媒にカソードオフガスの排熱を回収する。燃焼ガス用凝縮器３４は排気管６３に設けられており、その排気管６３中を流れる改質部２２から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。
【００４５】
これら凝縮器３１〜３４は配管６６を介して純水器４０に連通しており、各凝縮器３１〜３４にて凝縮された凝縮水は、純水器４０に導出され回収されるようになっている。純水器４０は、凝縮器３０から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器５０に導出するものである。なお、貯水器５０は純水器４０から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器４０には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器４０内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
【００４６】
さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体（凝縮冷媒）が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６と、が備えられている。これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収され、第１熱交換器７４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。また、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の排熱（熱エネルギー）および改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、凝縮器３０を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器７６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。
【００４７】
貯湯槽７１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽７１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽７１に貯留された高温の温水が貯湯槽７１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽７１は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路７２にかかる形式のものである。
【００４８】
貯湯水循環回路７２の一端および他端は貯湯槽７１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路７２上には、一端から他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ７２ａ、第２熱交換器７６、および第１熱交換器７４が配設されている。貯湯水循環ポンプ７２ａは、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路７２を通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、貯湯水は、第２熱交換器７６、第１熱交換器７４をその順番に流通し、第２熱交換器７６にて凝縮冷媒からの熱を回収し第１熱交換器７４にてＦＣ冷却水からの熱を回収する。
【００４９】
ＦＣ冷却水循環回路７３上には、ＦＣ冷却水循環手段であるＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａが配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａは、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、ＦＣ冷却水循環回路７３上には、温度センサ７３ｂ，７３ｃが配設されており、温度センサ７３ｂ，７３ｃは、それぞれ燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ５を検出し、それら検出結果を制御装置９０に出力するものである。さらに、ＦＣ冷却水循環回路７３上には第１熱交換器７４が配設されている。これにより、ＦＣ冷却水は、燃料電池１０に流通され、燃料電池１０で発生する熱を回収し昇温し、その熱が第１熱交換器７４にて貯湯水に回収され降温して再び燃料電池１０を流通する。
【００５０】
凝縮冷媒循環回路７５上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ７５ａが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは、矢印方向へ凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６から下流に順番にラジエータ７７、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａ、アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３、改質ガス用凝縮器３１、温度センサ７５ｂ、流量調整器７９、第２加湿器１４ｂ、および温度センサ７５ｃが配設されている。
【００５１】
なお、各凝縮器３１〜３４の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器３１〜３４は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路７５を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、凝縮冷媒循環回路７５上には少なくともカソードオフガス用凝縮器３３が配置されるようになっている。
【００５２】
ラジエータ７７は、凝縮冷媒を冷却する冷却手段であり、制御装置９０の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。温度センサ７５ｂは、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ２を検出し、その検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００５３】
第２加湿器１４ｂは、水蒸気のみを透過する膜１４ｂ１（例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜）を挟んで水を含む液体（例えば純水）と加湿したい気体を流通させ水を含む液体を加湿源として気体を加湿する膜透過型加湿器である。本実施の形態においては、加湿源は凝縮冷媒である純水であり、加湿したい気体はカソードエア（酸化剤ガス）である。このように、水を含む液体である熱媒体が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高くかつ一定に維持することができる。これにより、第２加湿器１４ｂは、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することによりカソードエアを加湿する。なお、この第２加湿器１４ｂは、カソードオフガス用凝縮器３３および改質ガス用凝縮器３１の下流、かつ第２熱交換器７６の上流に配置されている。
【００５４】
さらに、凝縮冷媒循環回路７５には、第２加湿器１４ｂをバイパスするバイパス路７８が設けられるとともに、第２加湿器１４ｂを流れる熱媒体の流量と第２加湿器１４ｂをバイパスしてバイパス路７８を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整器７９（流量調整手段）が設けられている。バイパス路７８の分岐点から合流点までの凝縮冷媒循環回路７５上には、上流から順番に流量調整器７９である電磁バルブ、第２加湿器１４ｂおよび温度センサ７５ｃが配設されている。流量調整器（電磁バルブ）７９は、制御装置９０の指令によって凝縮冷媒循環回路７５を開閉するとともに熱媒体の流量を調整するものである。この流量調整器７９は、エアバルブのようなガス系のバルブでなく、水系のバルブである。温度センサ７５ｃは、第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒出口温度Ｔ３を検出し、その検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００５５】
これにより、凝縮冷媒は、各凝縮器３２，２４，３３，３１を流通し各凝縮器３２，２４，３３，３１にて各凝縮器３２，２４，３３，３１を流通する各ガスと熱交換して各ガスの顕熱・潜熱を回収し昇温する。その後凝縮冷媒は、第２加湿器１４ｂが配設された凝縮冷媒循環回路７５とバイパス路７８に分流する。なお、両流路の流量は流量調整器７９により調整される。凝縮冷媒循環回路７５を流れる凝縮冷媒は、第２加湿器１４ｂを流通し第２加湿器１４ｂにて水蒸気・熱交換によりカソードエアを加湿するとともに降温する。そして、その凝縮冷媒は、バイパス路７８を流れる凝縮冷媒と合流した後、第２熱交換器７６を流通し先に回収した熱が第２熱交換器７６にて貯湯水に回収され降温して再び各凝縮器３２，２４，３３，３１を流通する。なお、貯湯槽７１内が温度的に満水の状態である場合など、第２熱交換器７６にて十分な熱回収が行われない場合には、ラジエータ７７がオンされてラジエータ７７により凝縮冷媒が降温される。
【００５６】
燃料電池１０から排出される排熱には、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードおよびカソードオフガス）の排熱だけでなく、燃料電池１０の発電で発生する排熱が含まれている。燃料電池１０の発電で発生する排熱は、燃料電池１０のＦＣ冷却水を介する排熱である。また、改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。
【００５７】
なお、凝縮冷媒循環回路７５には凝縮冷媒として純水を流通（使用）している。凝縮冷媒循環回路７５上には、補給器７５ｄが配設されている。この補給器７５ｄは貯水器５０内の純水を給水管６７を介して凝縮冷媒循環回路７５に自動的に補給するものであり、例えば、自動車のエンジンのラジエータに設けられているラジエータキャップと同様な構造をしている。これにより、加湿によって凝縮冷媒循環回路７５の純水が低減しても、自動的に純水を補給することができる。
【００５８】
加湿器１４は、上述した第１および第２加湿器１４ａ，１４ｂから構成されており、図２に示すように、カソードエアが流れる流路１４ｃ、カソードオフガスが流れる１４ｄおよび凝縮冷媒が流れる流路１４ｅを備えた一体構造体である。カソードエアが流れる流路１４ｃは、膜１４ａ１および１４ｂ１をそれぞれ介してカソードオフガスが流れる流路１４ｄおよび凝縮冷媒が流れる流路１４ｅに隣り合って配設されている。さらに、カソードオフガスが流れる流路１４ｄおよび凝縮冷媒が流れる流路１４ｅは、互いに膜１４ａ１または１４ｂ１を介して隣り合って配設されることがない。
【００５９】
また、上述した各温度センサ６１ａ，７３ｂ，７３ｃ，７５ｂ，７５ｃ、各ポンプ５３，７２ａ，７３ａ，７５ａ、および流量調整器７９は制御装置９０に接続されている（図３参照）。制御装置９０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図４のフローチャートに対応したプログラムを実行して、各温度センサ６１ａ，７３ｂ，７３ｃ，７５ｂ，７５ｃが検出した各温度に基づいて各ポンプ７２ａ，７３ａ，７５ａ、および流量調整器７９を制御して燃料電池１０の温度・湿度を適切に制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００６０】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図４に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置９０は、図示しないスタートスイッチがオンされると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置９０は、図４のステップ１００にてプログラムの実行を開始する毎に、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ２（または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度）を温度センサ７５ｂにより検出し（ステップ１０２）、検出した改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ２（または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度）が目標温度Ｔ２＊（例えば５０〜６０℃）となるように凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを流量制御している（ステップ１０４）。改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ２が高いほど第２熱交換器７６における貯湯水の凝縮回収熱量の回収効率がよいので、目標温度Ｔ２＊は高く設定するのが望ましい。一方、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ２が高くなると、改質ガス用凝縮器３１にて凝縮冷媒と熱交換する改質ガスの温度すなわち改質ガスのＦＣ入口温度が高くなり、燃料電池１０の燃料極１１にフラッディングが発生する。したがって、目標温度Ｔ２＊はフラッディングが発生しない範囲内で、凝縮回収熱量の回収効率ができるだけよい温度に設定されている。
【００６１】
制御装置９０は、燃料電池１０（の空気極１２）のカソードエア入口温度Ｔ１を温度センサ６１ａによって検出し（ステップ１０６）、検出した燃料電池１０のカソードエア入口温度Ｔ１が目標温度Ｔ１＊となるように流量調整器７９を制御して第２加湿器１４ｂを流通するカソードエアの流量を調整している（ステップ１０８）。目標温度Ｔ１＊は、燃料電池１０の出力電流、カソードエア流量、カソードオフガス出口温度（水蒸気量）を考慮して決定される加湿量に相当するものであり、カソードエアが最適加湿されるように設定されている。なお、カソードオフガス出口温度（水蒸気量）の代用としてＦＣ温度（例えば燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ５）を使用することができる。これにより、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように凝縮冷媒を第２加湿器１４ｂに供給することができるので、カソードエアを最適加湿することができる。
【００６２】
なお、燃料電池１０のカソードエア入口温度Ｔ１を検出してその温度Ｔ１を目標温度Ｔ１＊となるように流量調整器７９を制御する代わりに、第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒出口温度Ｔ３（または第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒入口温度）を温度センサ７５ｃによって検出し、検出した第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒出口温度Ｔ３（または第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒入口温度）が目標温度Ｔ３＊となるように流量調整器７９を制御するようにしてもよい。目標温度Ｔ３＊も目標温度Ｔ１＊と同様に設定されている。
【００６３】
制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ５をそれぞれ第４および第５温度センサ７３ａ，７３ｂによって検出し（ステップ１１０）、検出した燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４（または燃料電池１０のＦＣ冷却水出口温度Ｔ５）が目標温度Ｔ４＊（またはＴ５＊）となるように貯湯水循環ポンプ７２ａを流量制御している（ステップ１１２）。目標温度Ｔ４＊およびＴ５＊は、燃料電池１０の最適運転温度である。
【００６４】
そして、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ５の差ΔＴを算出し（ステップ１１４）、その差ΔＴが所定温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるようにＦＣ冷却水循環ポンプＰ３を流量制御している（ステップ１１６）。所定温度差ΔＴ＊は、燃料電池１０の改質ガス流路または空気流路内の水蒸気を最適加湿条件に維持することができるように設定されている。その後、プログラムをステップ１１８に進めて一旦終了する。
【００６５】
上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、加湿器１４は、第１加湿器１４ａにて酸化剤オフガス（カソードオフガス）により酸化剤ガス（カソードエア）を加湿するとともに、第２加湿器１４ｂにて燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体（凝縮冷媒）により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池１０の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体（ＦＣ冷却水）から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池１０を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。また、水を含む液体である熱媒体（凝縮冷媒）が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。
【００６６】
また、流量調整器７９としては、エアバルブのようなガス系のバルブでなく、水系のバルブを使用することができるので、すなわち従来技術のごとく流量の多いガス系のバルブを使用する場合と比べて、流量が少なくてすむ小型で低コストである水系のバルブを使用することができるので、燃料電池システムの小型化、低コスト化を図ることができる。また、小型化という観点から、ガス系のバルブを小型化するという考えもあるが、そうすると圧損が大きくなり高発電効率が要求される燃料電池システムにおいては好ましくない。したがって、高発電効率の観点からも水系のバルブを使用するメリットがある。
【００６７】
また、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱が、燃料電池１０から排出されるオフガス、改質器２０で生成された燃料ガス、改質器２０のバーナ２１から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガス中の水蒸気を凝縮させたときに発生する凝縮熱であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成かつ確実に凝縮熱を利用して熱媒体（凝縮冷媒）を水蒸気化することができる。
【００６８】
また、熱媒体循環回路（凝縮冷媒循環回路）７５上には、第１加湿器１４ａを通った後の酸化剤オフガス（カソードオフガス）の排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段（カソードオフガス用凝縮器３３）が配設されているので、酸化剤オフガスの排熱のうち第１加湿器１４ａで回収されて利用されずに残ったものが、酸化剤オフガス排熱回収手段によって熱媒体（凝縮冷媒）に回収される。そして、その熱が、カソードオフガス用凝縮器３３の下流に位置する第２加湿器１４ｂおよび第２熱交換器７６にて、それぞれ水蒸気熱交換に利用することができたり、貯湯水の昇温に利用することができたりする。したがって、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。
【００６９】
また、第２加湿器１４ｂは酸化剤オフガス排熱回収手段（カソードオフガス用凝縮器３３）の下流に配置されていることにより、酸化剤オフガス排熱回収手段にて熱媒体（凝縮冷媒）に回収した熱を第２加湿器１４ｂにて酸化剤ガス（カソードエア）を加湿する際に利用することができるので、酸化剤オフガス排熱回収手段にて回収した熱を無駄なく利用することができる。
【００７０】
また、酸化剤ガス（カソードエア）は、第１加湿器１４ａ、第２加湿器１４ｂの順番に流通した後に酸化剤極（空気極）１２に供給されることにより、第１加湿器１４ａにより酸化剤ガスが最適加湿状態とならない場合でも、第２加湿器１４ｂでさらに加湿されて最適加湿状態となるので、酸化剤極１２に供給する酸化剤ガスを確実に最適加湿状態とすることができる。また、酸化剤極１２に供給する酸化剤ガスを温度に対して水蒸気飽和状態とすることにより、加湿状態の把握がその温度により可能となり、制御性の向上、汎用温度センサを使用することによる信頼性の高い維持、コスト低減を達成することができる。
【００７１】
また、加湿器１４は、酸化剤ガス（カソードエア）、酸化剤オフガス（カソードオフガス）および熱媒体（凝縮冷媒）がそれぞれ流れる流路１４ｃ，１４ｄ，１４ｅを備えた一体構造体であるので、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００７２】
また、酸化剤ガス（カソードエア）が流れる流路１４ｃは、酸化剤オフガス（カソードオフガス）および熱媒体（凝縮冷媒）がそれぞれ流れる流路１４ｄ，１４ｅに膜１４ａ１，１４ｂ１を介して水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路１４ｄ，１４ｅは互いに水蒸気のみを透過する膜を介して水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないため、熱媒体が酸化剤オフガスを無駄に加湿せず、かつ、酸化剤ガスは熱媒体および酸化剤オフガスを加湿するので、加湿制御性を向上することができる。
【００７３】
また、熱媒体循環回路（凝縮冷媒循環回路）７５の熱媒体として、燃料電池１０から排出されるオフガス、改質器２０で生成された燃料ガス、改質器２０のバーナ２１から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用することにより、凝縮水を加湿水として利用するので、加湿で使用した水量を各ガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。
【００７４】
また、熱媒体循環回路（凝縮冷媒循環回路）７５上に設けられ第２加湿器１４ｂをバイパスするバイパス路７８と、第２加湿器１４ｂを流れる熱媒体（凝縮冷媒）の流量と第２加湿器１４ｂをバイパスしてバイパス路７８を流れる熱媒体（凝縮冷媒）の流量を調整する流量調整手段（流量調整器）７９とをさらに備えているため、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように熱媒体を第２加湿器１４ｂに供給することができるので、酸化剤ガス（カソードエア）を最適加湿することができる。また、熱媒体（凝縮冷媒）を必要以上に第２加湿器１４ｂに供給しないので、熱媒体の温度を必要以上に冷却することを抑制し熱媒体温度を高温に維持して燃料電池システムの熱回収効率を高く維持することができる。
【００７５】
また、上述した第１実施形態においては、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａの送出量を制御して、熱媒体の温度Ｔ２を目標温度Ｔ２＊に調整することにより、凝縮器３０の熱回収効率を向上することができるとともに、流量調整器７９を制御し第２加湿器１４ｂへの凝縮冷媒の流量を制御して、第２加湿器１４ｂのカソードエア出口温度Ｔ１を目標温度Ｔ１＊に調整することにより、カソードエアの加湿を最適に制御することができる。
【００７６】
なお、上述した第１実施形態においては、凝縮冷媒として凝縮器３０にて回収された凝縮水を使用したが、これに限らず、燃料電池システムで使用される純水を使用するようにしてもよい。
【００７７】
また、上述した第１実施形態においては、凝縮冷媒として純水器４０により精製した純水を用いるようにしたが、これに限らず、凝縮器３０にて回収された凝縮水を直接使用するようにしてもよい。
【００７８】
また、上述した第１実施形態においては、バイパス路７８および流量調整器７９を設けないようにしてもよい。この場合、凝縮冷媒循環回路７５上に設けられ熱媒体を循環する循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ７５ａの送出量を制御して、カソードエア出口温度Ｔ１を目標温度Ｔ１＊に調整することにより酸化剤ガス（カソードエア）を所望の湿度とする。すなわち、第２加湿器１４ｂのカソードエア出口温度Ｔ１を第１温度センサ６１ａによって検出し、検出した第２加湿器１４ｂのカソードエア出口温度Ｔ１が目標温度Ｔ１＊となるように凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを流量制御する。なお、燃料電池１０のカソードエア入口温度Ｔ１を検出してその温度Ｔ１を目標温度Ｔ１＊となるように凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを流量制御する代わりに、第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒出口温度Ｔ３（または第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒入口温度）を温度センサ７５ｃによって検出し、検出した第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒出口温度Ｔ３（または第２加湿器１４ｂの凝縮冷媒入口温度）が目標温度Ｔ３＊となるように凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを流量制御するようにしてもよい。
【００７９】
これによっても、燃料電池１０の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体（ＦＣ冷却水）から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池１０を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。したがって、確実かつ的確に湿度を調整でき、さらに雰囲気温度の変動など外乱の影響を低減し、かつ、フラッディングを確実に防止することができる。また、液体である熱媒体（凝縮冷媒）が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。また、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。
【００８０】
また、上述した第１実施形態において、流量調整器７９は電磁バルブでなく、流量比制御可能な三方弁で構成されるようにしてもよい。この場合、流量調整器７９は、バイパス路７８の分岐点に設けられる。
【００８１】
２）第２実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について図５を参照して説明する。図５は第２実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第１実施形態においては、貯湯水循環回路７２と凝縮冷媒循環回路７５とを独立して設けたが、図５に示すように本第２実施形態においては、これら循環回路７２，７５を一つの熱媒体循環回路（貯湯水循環回路７２）としている。この場合、第２熱交換器７６、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは削除され、貯湯水循環回路７２上には、貯湯槽７１の出口から下流に順番に、貯湯水循環ポンプ７２ａ、ラジエータ７７、補給器７５ｄ、各凝縮器３２，３４，３３，３１、第１熱交換器７４、温度センサ７５ｂ、第２加湿器１４ｂ、および温度センサ７５ｃが配設されている。また、この場合、貯湯水循環回路７２に第２加湿器１４ｂをバイパスするバイパス路７８を設けるとともに、第２加湿器１４ｂを流れる熱媒体の流量と第２加湿器１４ｂをバイパスしてバイパス路７８を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整器７９を設けている。流量調整器７９としては、バイパス路７８の分岐点に流量比制御可能な三方弁７９を設けるようにしている。なお、第１実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。また、温度センサ７５ｃは、第２加湿器１４ｂを通った後の貯湯水温度Ｔ３を検出するようになっている。
【００８２】
この場合、制御装置９０は、温度センサ７３ｂ（または温度センサ７３ｃ）によって検出した燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４（または燃料電池１０のＦＣ冷却水出口温度Ｔ５）が目標温度Ｔ４＊（またはＴ５＊）となるように貯湯水循環ポンプ７２ａを流量制御する。また、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ４およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ５の差ΔＴを算出し、その差ΔＴが所定温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるようにＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａを流量制御する。
【００８３】
さらに、制御装置９０は、第２加湿器１４ｂのカソードエア出口温度Ｔ１が目標温度Ｔ１＊となるように流量調整器７９を制御して第２加湿器１４ｂへの貯湯水の流量を制御している。これにより、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように貯湯水を第２加湿器１４ｂに供給することができるので、カソードエアを最適加湿することができる。なお、第２加湿器１４ｂのカソードエア出口温度Ｔ１と相関関係があると考えられるその他の温度例えば熱媒体（貯湯水）の温度Ｔ３を目標温度Ｔ３＊となるように流量調整器７９を制御して第２加湿器１４ｂへの貯湯水の流量を制御するようにしてもよい。
【００８４】
これによれば、加湿器１４は、第１加湿器１４ａにて酸化剤オフガス（カソードオフガス）により酸化剤ガス（カソードエア）を加湿するとともに、第２加湿器１４ｂにて燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体（貯湯水）により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池１０の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体（ＦＣ冷却水）から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池１０を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。また、液体である熱媒体（貯湯水）が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。
【００８５】
また、熱媒体循環回路（貯湯水冷媒循環回路）７２上には、第１加湿器１４ａを通った後の酸化剤オフガス（カソードオフガス）の排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段（カソードオフガス用凝縮器３３）が配設されているので、酸化剤オフガスの排熱のうち第１加湿器１４ａで回収されて利用されずに残ったものが、酸化剤オフガス排熱回収手段によって熱媒体（貯湯水）に回収される。そして、その熱が、カソードオフガス用凝縮器３３の下流に位置する第２加湿器１４ｂにて水蒸気熱交換に利用することができる。したがって、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。
【００８６】
また、熱媒体循環回路である貯湯水循環回路７２上に、燃料電池１０と熱交換する燃料電池冷却水と熱媒体（貯湯水）との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４を設けたため、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した熱媒体は、燃料電池１０の発電による排熱をさらに回収するので、より高温の熱媒体となり、この高温の熱媒体を第２加湿器１４ｂで利用できる。このため、加湿制御範囲をより拡張し、制御性をより向上することができる。なお、第１熱交換器７４の配置場所は、第２加湿器１４ｂの下流でもよい。
【００８７】
また、上述した各実施形態においては、本発明を、改質器２０を備えた燃料電池システムに適用するようにしたが、改質器２０を備えないで燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料電池システムに適用することは可能である。この燃料電池システムとしては、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素貯蔵器を備え、この水素貯蔵器から水素ガスを燃料電池１０に供給するシステム、燃料としてのメタノールを貯蔵するメタノール貯蔵器を備え、このメタノール貯蔵器からメタノールを燃料電池１０に供給するシステムなどがある。
【００８８】
この場合、加湿器１４は、第１加湿器１４ａにて酸化剤オフガス（カソードオフガス）により酸化剤ガス（カソードエア）を加湿するとともに、第２加湿器１４ｂにて燃料電池１０から排出される排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体（凝縮冷媒）により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池１０の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体（ＦＣ冷却水）から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池１０を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。また、液体である熱媒体（凝縮冷媒）が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。
【００８９】
また、熱媒体循環回路（凝縮冷媒循環回路）７５の熱媒体として、少なくとも燃料電池１０から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用する。これにより、凝縮水を加湿水として利用するので、加湿で使用した水量をそのオフガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムで使用する加湿器を示す概要図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図４】図３に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図５】本発明による燃料電池システムの第２実施形態の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１３…電解質、１４…加湿器、１４ａ…第１加湿器、１４ｂ…第２加湿器、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…蒸発器、３０…凝縮器、３１…改質ガス用凝縮器、３２…アノードオフガス用凝縮器、３３…カソードオフガス用凝縮器、３４…燃焼ガス用凝縮器、４０…純水器、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１…空気供給管、６２，６３…排気管、６４…改質ガス供給管、６５…オフガス供給管、６６…配管、６７…給水管、６８…改質水供給管、７１…貯湯槽、７２…貯湯水循環回路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７４…第１熱交換器、７５…凝縮冷媒循環回路、７５ｃ…補給器、７６…第２熱交換器、７７…ラジエータ、７８…バイパス路、７９…流量調整器（電磁バルブ、三方弁）、７２ａ，７３ａ，７５ａ…ポンプ、６１ａ、７５ｂ，７５ｃ，７３ｂ，７３ｃ…温度センサ、９０…制御装置。
【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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