(57)【要約】  【課題】燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上せせるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化が図れた燃料電池システムを提供する。  【解決手段】燃料ガス加湿器２０と、第１の酸化剤ガス加湿器２２と第２の酸化剤ガス加湿器２１とを備え、燃料ガス加湿器２０は、排出燃料ガスに含まれる水分を燃料電池１１の発電時の熱を冷却する冷却水の温水で加温して加湿を行い、第１の酸化剤ガス加湿器２２は排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、第２の酸化剤ガス加湿器２１は冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、加湿装置５１は燃料ガス加湿器２０と第１の酸化剤ガス加湿器２２と第２の酸化剤ガス加湿器２１を一体化構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置を備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿装置は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、前記第１の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、前記第２の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、前記燃料ガス加湿器と前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器を、それぞれの外表面からの熱移動が可能な位置関係で一体化構成した燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器に流通する冷却水を、前記燃料ガス加湿器を流通した後に前記第２の酸化剤ガス加湿器を流通するように配管した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス加湿装置を構成する第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を、前記供給酸化剤ガスが、前記第２の酸化剤ガス加湿器で加湿された後に前記第１の酸化剤ガス加湿器で加湿されるように配置した請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置を備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿装置は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、前記第１の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、前記第２の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、前記燃料ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器に流通する冷却水を、前記燃料ガス加湿器を流通した後に前記第２の酸化剤ガス加湿器を流通するように配管した燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤ガス加湿装置を構成する第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を、前記供給酸化剤ガスが、前記第２の酸化剤ガス加湿器で加湿された後に前記第１の酸化剤ガス加湿器で加湿されるように配置した請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置を備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿装置は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、前記第１の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、前記第２の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、前記酸化剤ガス加湿装置を構成する第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を、前記供給酸化剤ガスが、前記第２の酸化剤ガス加湿器で加湿された後に前記第１の酸化剤ガス加湿器で加湿されるように配置した燃料電池システム。
【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】
燃料電池システムは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させることで知られている。
【０００３】
前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤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）。
【０００４】
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気（オフガス）に含まれる水分（水蒸気）を、水蒸気透過膜を介して前記燃料電池の空気極側に供給する空気に移動させ、それにより供給空気の加湿を行う加湿装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。
【特許文献１】特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】特開平６−１３２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の加湿手段は、前記バブラーにおいて、水を加熱するため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くものである。
【０００７】
また、上記特許文献２に記載の加湿装置は、被加湿ガス（ここでは加湿される供給空気）を、加湿ガス（ここでは水分の供給元となる排出空気）以上の露点温度に加湿することができず、また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなるものである。
【０００８】
したがって、かかる加湿装置は、燃料電池システムのコンパクト化が困難となるものであった。
【０００９】
本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を解決するもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図れた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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、同様に前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置を備えた構成において、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池からの排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水で加温して加湿を行い、また前記酸化剤ガス加湿装置は第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備えた構成とし、さらに、前記第１の酸化剤ガス加湿器は前記燃料電池からの排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、前記第２の酸化剤ガス加湿器は前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものとし、さらに、前記燃料ガス加湿器と前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器を、それぞれの外表面からの熱移動が可能な位置関係で一体化構成としたものである。
【００１１】
したがって、前記燃料ガス加湿器と前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器は、それぞれの外表面が接触もしくは極近接した配置構成となり、その結果、それぞれの接触面あるいは極近接面から大気への放熱を無くす、もしくは抑制することができ、効率の高いシステムを提供することができる。
【００１２】
また、本発明は、前記燃料ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器に流通する冷却水を、前記燃料ガス加湿器を流通した後に前記第２の酸化剤ガス加湿器を流通するように配管し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの熱交換、湿度交換（以下、総合して湿熱交換と称す）がバランスよく行えるようにしたものである。
【００１３】
さらに、本発明は、前記酸化剤ガス加湿装置を構成する第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を、前記供給酸化剤ガスが、前記第２の酸化剤ガス加湿器で加湿された後に前記第１の酸化剤ガス加湿器で加湿されるように配置し、前記酸化剤ガス加湿装置の出口での露点が、冷却水温度に応じて安定して高露点で維持できるようにするものである。
【発明の効果】
【００１４】
すなわち、本発明の燃料電池システムは、エネルギー効率を向上させるとともに、耐久性に優れ、安定した燃料電池システムの運転を実現することが可能となる。また、燃料電池システムのコンパクト化及び簡素化が図れ、また、低コスト化及び製造時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置を備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿装置は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、前記第１の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、前記第２の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、前記燃料ガス加湿器と前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器を、それぞれの外表面からの熱移動が可能な位置関係で一体化構成したものである。
【００１６】
かかる構成とすることにより、前記燃料ガス加湿器と前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器は、相互の外表面間で熱移動が行える程度に接触（密着）あるいは極近接しているため、加湿要素が占めるスペースが小さくでき、その結果、燃料電池システムのコンパクト化が図れ、また、接触面あるいは極近接面から大気への放熱を無くす、もしくは抑制することができ、効率の高いシステムを提供することができる。
【００１７】
さらに、加湿要素としてユニット化された構成であるため、燃料電池システムの製造時における低コスト化および工数低減と品質の向上が可能となる。
【００１８】
請求項２および請求項４に記載の発明は、前記燃料ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器に流通する冷却水を、前記燃料ガス加湿器を流通した後に前記第２の酸化剤ガス加湿器を流通するように配管したものである。
【００１９】
かかる構成とすることにより、前記燃料ガス加湿器が、前記第２の酸化剤ガス加湿器に比べて吸熱が小さいため、冷却水の温度は、前記第２の酸化剤ガス加湿器の入口でも比較的高温の状態にあり、その結果、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスがバランスよく加湿する。したがって、水蒸気透過膜を具備した加湿装置の場合は、適度な湿度が前記水蒸気透過膜に与えられ、その劣化が抑制されて耐久性の向上が図れるものである。
【００２０】
請求項３、請求項５および請求項６に記載の発明は、前記酸化剤ガス加湿装置を構成する第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を、前記供給酸化剤ガスが、前記第２の酸化剤ガス加湿器で加湿された後に前記第１の酸化剤ガス加湿器で加湿されるように配置したものである。
【００２１】
かかる構成とすることにより、前記第２の酸化剤ガス加湿器は熱源に前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水（温水）の温度を用いているため、前記燃料電池の排気酸化剤ガスに含まれるガス中の水分を熱源とする前記第１の酸化剤ガス加湿器に比べ高熱量を一定温度で安定して供給できるので、前記酸化剤ガス加湿装置の出口露点は、前記冷却水温度に応じて安定して高露点を維持することができる。このことは、前記酸化剤ガスと冷却水の湿熱交換が安定し、特に水蒸気透過膜を具備した加湿装置の場合は、効率性および耐久性の面で効果が大きい。
【００２２】
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、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと称す）の構成を示す模式図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、空気供給装置４０と、第１の酸化剤ガス加湿器２２とおよび第２の酸化剤ガス加湿器２１を備えた酸化剤ガス加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料ガス加湿器２０と、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２と、第１の空気経路１と、第２の空気経路２と、第３の空気経路３と、第１の冷却水経路６ａと、第２の冷却水経路６ｂと、第３の冷却水経路６ｃと、第４の冷却水経路６ｄと、貯湯タンク４５と、貯湯水循環経路１５を主な要素として構成されている。
【００２５】
特に、燃料ガス加湿器２０と酸化剤ガス加湿装置５０は、一体化され加湿装置５１を構成しており、その詳細については後述する。
【００２６】
次に、システム全体の動作について説明する。
【００２７】
空気供給装置４０から第１の空気経路１を介して酸化剤ガス加湿装置５０に供給された空気は、第１の酸化剤ガス加湿器２２で加湿され、次に第２の空気経路２を通って、さらに第２の酸化剤ガス加湿器２１によって加湿される。第２の加湿器２１によって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、第３の空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。
【００２８】
一方、燃料供給装置４１から第１の燃料ガス経路８を介して、燃料処理装置４２に、原料が供給される。前記原料としては、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物（例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等）を含むガス等あるいはアルコール等が好ましい。
【００２９】
ここでは、燃料処理装置４２は、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（いずれも図示せず）を備えており、かかる構成は周知であるため、説明を省略する。
【００３０】
そして、燃料処理装置４２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、第２の燃料ガス経路９ａを介して燃料ガス加湿器２０に供給され、加湿される。
【００３１】
加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、第３の燃料ガス経路９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１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。この反応内容については周知であるため、説明を省略する。
【００３２】
第３の空気経路３から燃料電池１１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、排出空気となり、排出空気経路４を介して第１の酸化剤ガス加湿器２２に供給される。
【００３３】
前述の第１の空気経路１から第１の酸化剤ガス加湿器２２へ流入した空気（酸化剤ガス）の加湿は、ここで前記排出空気に含まれる水分を利用して行われるもので、厳密には前記排出空気の熱も利用されていることから、第１の酸化剤ガス加湿器２２内では湿熱交換作用が行われている。
【００３４】
そして、第１の酸化剤ガス加湿器２２を経た排出空気は、排出ガス経路５を通じて排出される。
【００３５】
また、燃料電池１１で反応に利用されなかった燃料ガスは排出燃料ガスとなり、第４の燃料ガス経路１０を介して燃料ガス加湿器２０に供給され、燃料ガス排出経路１０ａを通じて排出される。
【００３６】
前述の燃料処理装置４２で生成された水素リッチなガスの加湿は、第４の燃料ガス経路１０を介して第２の酸化剤ガス加湿器２１へ流入した排出ガスの水分を利用して行われるもので、厳密には前記排出燃料ガスの熱も利用されていることから、燃料ガス加湿器２０内では湿熱交換作用が行われている。
【００３７】
また、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第１の冷却水経路６ａを介して燃料ガス加湿器２０に流入し、次に第２の冷却水経路６ｂより第２の酸化剤ガス加湿器２１に流入し、そして、第３の冷却水経路６ｃを介して冷却水放熱器１３に供給され、ここで熱回収される。
【００３８】
すなわち、前記冷却水は、第４の燃料ガス経路１０を介して燃料ガス加湿器２０に供給された排出ガスの凝縮水を加温し、その後、第２の加湿器２１へ流れ、ここで燃料電池１１へ供給される空気（酸化剤ガス）の加湿を行う。この第２の加湿器２１で行われる加湿についても、厳密には前記冷却水の水分に加えて冷却水の温度も利用されていることから、湿熱交換作用が行われている。
【００３９】
換言すると、空気供給装置４０から供給される空気の加湿（湿熱交換作用）は、第１の酸化剤ガス加湿器２２では第１の排出空気経路４から流入する排出ガスの水分と熱を利用して、第２の酸化剤ガス加湿器２１では冷却水の水分と熱を利用してそれぞれ行われるものである。
【００４０】
さらに、貯湯水タンク４５と、該貯湯水タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、貯湯タンク４５から給水した水を冷却水放熱器（熱交換器）１３を経由して再び該貯湯タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５において、冷却水放熱器１３には、前述の如く第２の酸化剤加湿器２１で加湿に利用された後の冷却水の熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給、蓄熱される。
【００４１】
また、冷却水放熱器１３を通過した冷却水は、第４の冷却水経路６ｄを介して冷却水タンク１４へ流れる。そして、冷却水タンク１４の冷却水は、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水ポンプ１２によって加圧され、冷却水経路７を介して再び燃料電池１１に供給される循環を繰り返す。
【００４２】
ここで、冷却水タンク１４の冷却水は、７０℃程度に維持されており、この温度は、燃料電池１１と十分熱交換できる温度である。
【００４３】
さらに、前記冷却水について詳述すると、燃料電池１１の熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、第１の冷却水流路６ａ、第２の冷却水流路６ｂ、第３の冷却水流路６ｃ、第４の冷却水流路６ｄを介して再び冷却水タンク１４に戻される。
【００４４】
ここで、第３の冷却水流路６ｃと第４の冷却水流路６ｄの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、前記冷却水の熱は、冷却水放熱器１３によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。
【００４５】
本実施の形態１における燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。
【００４６】
さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス加湿器２０および酸化剤ガス加湿装置５０が一体化された加湿装置５１を構成しており、次に、本実施の形態１の特徴である、燃料ガス加湿装置２０および加湿装置５１について説明する。
【００４７】
図２は、図１に示す燃料電池システムにおける加湿装置の構成および湿熱交換作用を説明するための説明図である。
【００４８】
図２において、燃料ガス加湿器２０および第１の酸化剤ガス加湿器２２、第２の酸化剤ガス加湿器２１はそれぞれ同様の構成を採用している。
【００４９】
すなわち、燃料ガス加湿器２０および第１の酸化剤ガス加湿器２２、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、内部が水分移動膜（水蒸気透過膜）２３で区切られており、水分移動膜２３によって高水分濃度側から低水分濃度側への水分（水蒸気）移動が可能で、加えて高温度側から低温度側への熱移動が可能な材料より構成されている。
【００５０】
ここで、水分移動膜２３には、例えば、ナフィオン系膜等で代表されるプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。
【００５１】
さらに詳述すると、燃料ガス加湿器２０は、水分移動膜２３によって燃料ガス室２０ａともう一つの部屋に区切られ、もう一つの部屋は、熱伝達良好な材料からなる仕切板２０ｄによって凝縮水室２０ｂと燃料ガス冷却水室２０ｃに区切られている。
【００５２】
また、第１の酸化剤ガス加湿器２２は、水分移動膜２３により第１の酸化剤ガス室２２ａと排出酸化剤ガス室２２ｂに区切られ、さらに、第２の酸化剤ガス加湿器２１も同様に水分移動膜２３により、第２の酸化剤ガス室２１ａと酸化剤ガス冷却水室２１ｂに区切られている。
【００５３】
さらに、燃料ガス加湿器２０、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１は、図では説明の便宜上分離して記載しているが、それぞれの外殻が接触して配置されている構成であり、同図に示す如くそれらの両端が一対の端版５２、５３に適宜手段にて固定され、単一の加湿装置５１となるようにユニット化されている。
【００５４】
このユニット化に際しての構成は、一対の端版５２、５３を用いる構成に限らず、各加湿器２０、２１、２２を集合して金属バンド等で締結する構成、あるいは単一のケース内に配置固定する構成等、周知の技術で実現できる。
【００５５】
また、各加湿器２０、２１、２２の外殻を角柱状とすることにより、相互の接触が面となって安定し、また接触面積も安定する。
【００５６】
さらに、各加湿器２０、２１、２２の外殻に、相互に噛み合う凹凸を設け、接触面積の増加と一層の接触の安定化を図る構成とすることもできる。
【００５７】
上記構成とする加湿装置５１の各加湿器２０、２１、２２には、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）および冷却水が次のように流れる。
【００５８】
燃料ガスは、第２の燃料ガス経路９ａから燃料ガス加湿器２０の燃料ガス室２０ａに流入し、第３の燃料ガス経路９ｂから燃料電池１１の燃料極側に流入して酸化剤と反応する。この反応に伴って凝縮水も発生する。
【００５９】
前記酸化剤と反応せずに残った燃料ガスは、第４の燃料ガス経路１０から再び燃料ガス加湿器２０の凝縮水室２０ｂへ凝縮水１１ａとともに流入し、一旦滞留する。そして、凝縮水室２０ｂ内の燃料ガスは、燃料ガス排出経路１０ａを通じて排出される。
【００６０】
凝縮水室２０ｂ内の凝縮水１１ａの水分（水蒸気）は、水分移動膜（水蒸気透過膜）２３の水分を透過させる作用により、燃料ガス室２０ａへ透過する。
【００６１】
また、凝縮水室２０ｂには、熱伝導性の良好な材料からなる仕切板２０ｄを介して燃料ガス冷却水室２０ｃが配設されている。燃料ガス冷却水室２０ｃを流れる冷却水は、燃料電池１１を出たとき、約７５℃程度に加温されているが、凝縮水室２０ｂで滞留し、燃料ガス室２０ａとの湿熱交換作用によって熱が奪われ、温度が５０℃程度にまで降下する。
【００６２】
しかし、凝縮水室２０ｂの凝縮水は、冷却水室２０ｃの冷却水温度が燃料電池１１を出たときの温度の約７５℃を常に維持しているため、この熱の供給を受けて略一定温度に保たれる。
【００６３】
したがって、燃料ガス室２０ａへ透過した凝縮水分（水蒸気）も所定の温度であり、前記凝縮水分は、燃料ガス室２０ａを流れる燃料ガスと湿熱交換を行い、燃料ガスを加湿する。
【００６４】
また、酸化剤ガスは、第１の空気経路１から酸化剤ガス加湿装置５０の第１の酸化剤ガス加湿器２２に形成した第１の酸化剤ガス室２２ａに流入した後、第２の酸化剤ガス経路２から第２の酸化剤加湿器２１に形成した第２の酸化剤ガス室２１ａに流入する。
【００６５】
その後、前記酸化剤ガスは、第３の空気経路３を通って燃料電池１１の空気極側に流入し、燃料ガスと反応する。
【００６６】
そして、前記燃料ガスと反応せずに残った酸化剤ガスは、第１の排出空気経路４から再び第１の酸化剤ガス加湿器２２に形成した排出酸化剤ガス室２２ｂに流入し、第２の排出空気経路５から排出される。
【００６７】
燃料電池１１から排出された排出酸化剤ガスは、燃料電池１１内での反応により、供給空気よりも高温で多くの水分を含むことから、第１の酸化剤ガス加湿器２２では、水分移動膜２３を介して排出酸化剤ガス室２２ｂを流れる排出酸化剤ガスから第１の酸化剤ガス室２２ａを流れる供給空気に水分（水蒸気）が与えられ、湿熱交換を行う。
【００６８】
ここで、第１の酸化剤ガス加湿器２２において、第１、第２の排出空気経路４、５の接続位置を変更する等して前記供給空気と排出酸化剤ガスが水分移動膜２３を介して対向して流れるようにすれば、前記水分の移動が一層効率よく行われる。
【００６９】
また、第２の酸化剤ガス加湿器２１に形成した酸化剤ガス冷却水室２１ｂには、燃料ガス冷却水室２０ｃを経由した冷却水が第２の冷却水経路６ｂを通って流入する。この冷却水は、燃料電池１１を出た後、燃料ガス冷却水室２０ｃで放熱され約１Ｋ程度温度は低下するが、約７４℃程度には加温されている。そのため、酸化剤ガス室２１ａ内の酸化剤ガスは、酸化剤ガス冷却水室２１ｂの冷却水を熱源とし、水分移動膜２３を介して湿熱交換され、加湿される。
【００７０】
このように本実施の形態１においては、燃料電池１１に供給される燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を、水分移動膜２３を介して燃料電池１１で反応した排出燃料ガス、排出酸化剤ガス、冷却水のそれぞれがもつ熱、水分と湿熱交換を行い、加湿した状態で燃料電池１１に供給するため、燃料電池１１に設けられた電解質膜（図示せず）の劣化を抑制して燃料システムの耐久性を向上することができる。
【００７１】
また、燃料ガス加湿器２０、酸化剤ガス加湿装置５０は、相互に接触して一体化（連結）した加湿装置５１とされているため、それぞれの加湿器の連結面が大気と接触することがなく、この連結面からの放熱をなくすことができ、各加湿器２０、２１、２２で行われる湿熱交換の損失も抑制でき、その結果、システムの効率化が図れるものである。
【００７２】
また、加湿装置５１の一体化により、システム全体のコンパクト化および簡素化が図れ、さらに、予めの加湿装置５１のユニット化により、組立て性に優れた構成となり、低コスト化および製造時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。
【００７３】
さらに、前記コンパクト化に伴い、回路を形成する配管も最短化でき、より一層の低コスト化、湿熱交換効率の低下抑制が行え、システム効率を高めることができる。
【００７４】
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、燃料ガス加湿器２０が、第２の酸化剤ガス加湿器２１に比べて吸熱が小さいため、冷却水の温度は第２の酸化剤ガス加湿器２１の入口でも比較的高温の状態であることから、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスがバランスよく加湿することが可能となる。
【００７５】
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、熱源に燃料電池１１の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いているため、燃料電池１１の排気酸化剤ガスに含まれるガス中の水分を熱源とする第１の酸化剤ガス加湿器２２に比べ、高熱量を一定温度で安定して供給できるので、酸化剤ガス加湿装置５０の出口露点は冷却水温度に応じて安定して高露点を維持することができる。その結果、前記酸化剤ガスと冷却水の湿熱交換が安定し、特に水分移動膜２３を具備した加湿装置５１の場合は、効率性および耐久性の面で効果が大きいものとなる。
【００７６】
なお、本実施の形態１においては、第１の酸化剤ガス加湿器２２、第２の酸化剤ガス加湿器２１および燃料ガス加湿器２０を、それぞれ接触（連結）した一体化のユニット構成としたが、各加湿器２０、２１、２２の外殻は接触に限らず、外気に影響されない程度で熱伝導が可能な極近接配置関係のユニット構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、システム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した動作が可能となり、電気自動車等へも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１に係わ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１における加湿装置の構成および湿熱交換作用の説明図
【符号の説明】
【００７９】
１    第１の空気経路
２    第２の空気経路
３    第３の空気経路
４    第１の排出空気経路
５    第２の排出空気経路
６ａ  第１の冷却水流路
６ｂ  第２の冷却水流路
６ｃ  第３の冷却水流路
７    冷却水流路
１１  燃料電池
１２  冷却水ポンプ
１３  冷却水放熱器
１４  冷却水タンク
１５  貯湯水経路
２０  燃料ガス加湿器
２０ａ  燃料ガス室
２０ｂ  凝縮水室
２０ｃ  燃料ガス冷却水室
２１  第２の酸化剤ガス加湿器
２１ａ  第２の酸化剤ガス室
２１ｂ  酸化剤ガス冷却水室
２２  第１の酸化剤ガス加湿器
２２ａ  第１の酸化剤ガス室
２２ｂ  排出酸化剤ガス室
２３  水分移動膜
５０  酸化剤ガス加湿装置
５１  加湿装置
【図１】
2008041388.tif 000003
【図２】
2008041388.tif 000004