(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される水素の加湿を行う新規な加湿手法を提供する。【解決手段】加湿装置３０は、固体高分子電解質膜３１を挟んで一対の電極３２，３３が対設されたセル構造体をセパレータ３６，３７で挟持した加湿セルを有している。ここで、一方の電極である加湿用カソード極３２側に、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を流れる水素が供給され、他方の電極である加湿用アノード極３３側に、水素と水とが供給される。【選択図】図２
2008004444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
水素極に水素が供給されるとともに、酸素極に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることにより、前記水素と前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する第１の燃料電池と、
前記第１の燃料電池の水素極に供給される水素が流れる水素供給流路と、
前記水素供給流路上に設けられ、前記第１の燃料電池の水素極に供給される水素を加湿する加湿手段とを有し、
前記加湿手段は、固体高分子電解質膜を挟んで一対の電極が対設されたセル構造体をセパレータで挟持した加湿セルを有し、前記一対の電極における一方の電極であるカソード極側に、前記水素供給流路を介して水素が供給されるとともに、前記一対の電極における他方の電極であるアノード極側に、水素と水とが供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の燃料電池の水素極から排出されるガスが流れる水素排出流路をさらに有し、
前記加湿手段は、前記アノード極側に、前記水素排出流路を介して前記水素極からの排出ガスが供給されることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の燃料電池の酸素極から排出されるガスが流れる酸素排出流路と、
前記水素供給流路を流れる水素をバイパスさせる水素バイパス流路とをさらに有し、
前記加湿手段は、前記アノード極側に、前記酸素排出流路を介して前記酸素極からの排出ガスに含まれる水が供給されるとともに、前記水素バイパス流路を介して水素が供給されることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿手段よりも上流側に配置されており、前記排出ガス中に含まれる水を凝縮させて回収する凝縮手段をさらに有し、
前記加湿手段は、前記凝縮手段において回収された水が前記アノード極に供給されていることを特徴とする請求項２または３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿手段よりも下流側の前記水素排出流路に設けられており、当該水素排出流路を流れる前記水素極からの排出ガスを外部に排出するパージ手段をさらに有し、
前記水素排出流路は、前記水素極からの排出ガスが前記水素極の水素の供給側に循環するように、前記水素供給流路に接続されているとともに、
前記パージ手段は、前記水素極に供給されるガス中の水素分圧が低下した場合に、前記水素排出流路を流れる前記水素極からの排出ガスを、外部に排出させることを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿手段よりも上流側に設けられ、当該加湿手段の前記アノード極側に供給されるガス中の酸素を酸化反応によって消費する燃焼手段をさらに有することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿手段の前記一対の電極間に電圧を印加する電圧手段と、
前記第１の燃料電池に供給されるガスの湿度を検出する湿度検出手段と、
前記湿度検出手段によって検出される前記ガスの湿度に基づいて、前記加湿手段に流れる電流を制御する制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記加湿手段の前記一対の電極間に電圧を印加する電圧手段と、
前記第１の燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出される前記第１の燃料電池の温度に基づいて、前記加湿手段に流れる電流を制御する制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記加湿手段は、前記加湿セルが複数積層して構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電圧手段は、前記第１の燃料電池とは異なる第２の燃料電池であり、
前記第２の燃料電池は、前記加湿手段のアノード極に供給されているガス、または、前記加湿手段のアノード極から排出されるガスが、水素極に供給されていることを特徴とする請求項７または８に記載された燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加湿手段は、前記アノード極または前記カソード極を構成する電極触媒に白金黒を用いることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載され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、水素極に水素が供給されるとともに、酸素極に酸化剤ガスが供給されることにより、水素と酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システムに係り、特に、水素極に供給される水素を加湿する手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素極に水素が供給され、酸素極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。燃料電池は、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸素極と水素極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池システムでは、反応ガスを加湿した状態で燃料電池に供給することによって、固体高分子電解質膜を加湿する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿装置として、中空糸膜（水透過膜）を利用した手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１１７８８１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、特許文献１に開示された手法のように、中空糸膜を利用した加湿装置では、中空糸膜によって乾燥気体と湿潤気体との間で水分交換を行うため、その加湿量は、気体間の湿度差に依存する。そのため、燃料電池の運転状態に対して十分な量の加湿を行うことが困難となる事態が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料極に供給される水素の加湿を行う新規な加湿手段を備える燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、第１の燃料電池と、水素供給流路と、加湿手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、第１の燃料電池は、水素極に水素が供給されるとともに、酸素極に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることにより、水素と酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する。水素供給流路は、第１の燃料電池の水素極に供給される水素が流れる。加湿手段は、水素供給流路上に設けられ、第１の燃料電池の水素極に供給される水素を加湿する。この場合、加湿手段は、固体高分子電解質膜を挟んで一対の電極が対設されたセル構造体をセパレータで挟持した加湿セルを有し、一対の電極における一方の電極であるカソード極側に、水素供給流路を介して水素が供給されるとともに、一対の電極における他方の電極であるアノード極側に、水素と水とが供給される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加湿手段のアノード極側に水素と水とを流し、加湿手段のカソード極側に、水素供給流路を介して、水素極に供給される乾燥した水素を流すことにより、電極間に挟持された固体高分子電解質膜を介して、アノード極側からカソード極側へと水が移動する。これにより、水素供給流路を流れ、燃料電池の水素極に供給される水素の加湿を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸素極（カソード極）と水素極（アノード極）とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１では、個々の発電セルにおいて、酸素を含む酸化剤ガス（本実施形態では、空気）が酸素極２に供給され、水素が水素極３に供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。
【０００９】
水素極  ：  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                         （１）
酸素極  ：  ２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ        （２）
具体的には、個々の発電セルでは、（１），（２）に示すように、水素極３に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起きる。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通り、酸素極２側にそれぞれ移動する。酸素極２では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成される。
【００１０】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系１０と、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系２０とが備えられている。また、この他にも、燃料電池システムには、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ４や、燃料電池システムを制御するコントローラ（図示せず）等が備えられている。
【００１１】
空気系１０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ１１によって加圧され、空気供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１の酸素極２に供給される。一方、酸素極２から排出されるガス（以下「カソードオフガス」という）、すなわち、酸素極２において酸素が消費された空気は、空気排出流路Ｌ2を介して大気に排出される。
【００１２】
水素系２０において、水素は、水素供給装置（例えば、燃料タンク２１である高圧水素ボンベに貯蔵された状態）から、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク２１からの高圧水素は、減圧弁２２によって減圧されて、水素供給流路（上流側）Ｌ3を介して、加湿装置３０に供給される。燃料電池スタック１の水素極３へと供給される水素は、この加湿装置３０によって加湿されるが、その詳細な構成については後述する。また、水素供給流路Ｌ3には、流量コントローラ２３が設けられており、この流量コントローラ２３によって燃料タンク２１から取出す水素量を調整することができる。加湿装置３０によって加湿された水素は、水素供給流路（下流側）Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の入口側における水素供給流路Ｌ4には、湿度センサ２４が設けられており、この湿度センサ２４によって燃料電池スタック１に供給される水素の湿度が検出される。
【００１３】
一方、水素極３から排出されるガス（以下「アノードオフガス」という）、すなわち、未使用の水素を含むガスは、水素循環流路（上流側）Ｌ5を流れて、加湿装置３０に供給される。水素循環流路Ｌ5には、アノードオフガス中に含まれる液水を凝縮させて回収する凝縮器２５が接続されており、凝縮器２５において回収された液水は、加湿装置３０に供給される。加湿装置３０を通過したアノードオフガスは、水素循環流路（下流側）Ｌ6を介して、水素極３の水素の供給側に循環される。そのため、この水素循環流路（下流側）Ｌ6は、その他方の端部が三方弁２７を介して水素供給流路Ｌ4に接続されている。また、水素循環流路Ｌ6には、例えば、水素循環ポンプ２６といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、水素極３側からのアノードオフガスは、その供給側へと循環され、燃費の向上と、燃料電池スタック１における反応効率の向上とを図ることができる。
【００１４】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸素極２側から水素極３側に透過するため、水素系２０における窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ6には、水素系２０内のガスを排出するパージ流路Ｌ7が三方弁２８を介して接続されている。この三方弁２８の開度を制御することにより、水素循環流路Ｌ5，Ｌ6を流れるアノードオフガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が大気に排出される。三方弁２８は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開度が制御される。三方弁２８は、基本的に、水素循環流路Ｌ6を上流側から下流側にかけて連通させた状態となるように、その開度が制御されているが、水素極３における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、水素循環流路Ｌ6の上流側とパージ流路Ｌ7とを連通させた状態となるように、その開度が制御される。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系２０からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。このパージ流路Ｌ7には、燃焼触媒２９が設けられており、この燃焼触媒２９により水素を燃焼させることにより、排出されるガス中の水素濃度を低下させることができる。
【００１５】
図２は、本実施形態にかかる加湿装置３０の概略構成図である。加湿装置３０は、固体高分子電解質膜３１を、一対の電極である加湿用カソード極３２と加湿用アノード極３３とで挟持した加湿セルを備えている。ここで、固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、加湿用カソード極３２は、プラチナ（Ｐｔ）等の触媒を担持した白金系の触媒層３２１と、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層３２２とで構成されている。同様に、加湿用アノード極３３も、プラチナ（Ｐｔ）等の触媒を担持した白金系の触媒層３３１と、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層３３２とで構成されている。この触媒は、水素の酸化還元反応を起こすものであり、この反応は非常に早いため、反応性の低い触媒を使用しても問題ない。本実施形態では、反応性は低いものの、耐腐食性能に優れた白金黒を触媒として用いることで、耐久性と加湿性能との両立を図っている。なお、加湿装置３０には液水が流入する関係上、加湿用アノード極３３のガス拡散層３３２は、親水処理が施されていることが好ましい。
【００１６】
また、加湿用カソード極３２のガス拡散層３２２の外側には、セパレータ３６が配置され、加湿用アノード極３３のガス拡散層３３２の外側には、セパレータ３７が配置されている。これにより、加湿用カソード極３２とセパレータ３６との間にカソードガス流路３４が形成され、また、加湿用アノード極３３とセパレータ３７との間にアノードガス流路３５が形成される。なお、明細書では、加湿セルという用語を、固体高分子電解質膜３１が一対の電極である加湿用カソード極３２と加湿用アノード極３３とによって挟持された状態のものを指す場合に用いるのみならず、広義において、加湿用カソード極３２側のセパレータ３６と、加湿用アノード極３３側のセパレータ３７とまでを含む状態のものを指す場合にも用いる。
【００１７】
カソードガス流路３４は、一方の端部が水素供給流路（上流側）Ｌ3に接続され、また、他方の端部が水素供給流路（下流側）Ｌ4に接続されている。これにより、加湿用カソード極３２には、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を介して、乾燥した水素（以下「ドライ水素」）ＤＨが供給される。一方、アノードガス流路３５は、一方の端部が水素循環流路（上流側）Ｌ5に接続され、他方の端部が水素循環流路（下流側）Ｌ6に接続されている。さらに、このアノードガス流路３５には、凝縮器２５によって回収された液水が供給されるようになっている。これにより、加湿用アノード極３３には、凝縮器２５からの液水と、水素循環流路Ｌ6を介した水素とが、ウェット水素ＷＨとして供給される。
【００１８】
加湿用アノード極  ：  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−        （３）
加湿用カソード極  ：  ２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２        （４）
一対の電極３２，３３間に電圧が印加されていることを前提に（すなわち、加湿用カソード極３２を負、加湿用アノード極３３を正）、加湿用カソード極３２にドライ水素ＤＨが供給され、加湿用アノード極３３にウェット水素ＷＨが供給された場合、加湿用アノード極３３側と加湿用カソード極３２側とでは、（３），（４）に示す反応が生じる。電解質膜の状態に依存するものの、プロトン１個あたり約１分子の水が加湿用アノード極３３側から加湿用カソード極３２側に移動することとなる。これにより、ウェット水素ＷＨに含まれる水がドライ水素ＤＨへと移動することにより、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素を加湿することができる。ここで、加湿用カソード極３２と加湿用アノード極３３とに印加する電圧は、燃料電池スタック１の発電電力、或いは、二次電池（図示せず）の放電電力を用いることができる。また、燃料電池スタック１あるいは二次電池から加湿装置３０に供給される電流は、コントローラによって制御することができる。
【００１９】
図３は、加湿装置３０の電流密度と、加湿装置３０から排出されるガスの湿度との対応関係を示す図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は電流密度（左側の軸）と加湿装置３０の出口のガスの相対湿度（右側の軸）とを示す。ここで、加湿装置３０の電流密度の時間的な推移は、黒塗りの三角形でプロットされている。また、その電流密度に対する、加湿用カソード極３２側から排出されるガスの相対湿度が、黒塗りの四角形（菱形）でプロットされ、加湿用アノード極３３側から排出されるガスの相対湿度が、白塗りの四角形でプロットされている。
【００２０】
電流密度と加湿用アノード極３３側の相対湿度との関係から分かるように、加湿用アノード極３３に供給されるウェット水素ＷＨは、電流が流れることによって水が奪われるため、加湿用アノード極３３から排出されるガスは、電流密度の増加に応じて相対湿度が減少する傾向を示す。一方、電流密度と加湿用カソード極３２側の相対湿度との関係から分かるように、加湿用カソード極３２に供給されるドライ水素ＤＨは、電流が流れることによって加湿されるため、加湿用カソード極３２から排出されるガスは、電流密度の増加に応じて相対湿度が増加する傾向を示す。
【００２１】
このように、加湿用アノード極３３側では、供給されたガス（ウェット水素ＷＨ）から水が奪われ、加湿用カソード極３２側では、供給されたガス（ドライ水素ＤＨ）、すなわち、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素が加湿されることとなる。また、加湿装置３０は、図３に示すように、電流の程度によって、燃料電池スタック１の水素極に供給される水素の湿度を自在にコントロールすることができる。これにより、コントローラは、例えば、湿度センサ２４や、温度センサ４からの検出値をフィードバックすることにより、燃料電池スタック１の乾燥状態に応じて、必要なケースで、必要な量の加湿をドライ水素ＤＨに行うことができる。
【００２２】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１と、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4と、加湿装置（加湿手段）３０とを主体に構成されている。ここで、燃料電池スタック１は、水素極３に水素が供給されるとともに、酸素極２に酸素を含む酸化剤ガス（本実施形態では、空気）が供給されることにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を発電する。水素供給流路Ｌ3，Ｌ4は、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素が流れる流路である。加湿装置３０は、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4上に設けられ、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素を加湿する。この場合、加湿装置３０は、固体高分子電解質膜３１を挟んで一対の電極３２，３３が対設されたセル構造体をセパレータで挟持した加湿セルを有している。そして、一対の電極３２，３３のうち、一方の電極である加湿用カソード極３２側に、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を介して水素が供給されるとともに、他方の電極である加湿用アノード極３３側に、水素と水とが供給される。
【００２３】
かかる構成によれば、加湿用アノード極３３側に水素と水とを含むウェット水素ＷＨを流し、加湿用カソード極３２側に、燃料電池スタック１の水素極３に供給される乾燥した水素（ドライ水素ＤＨ）を流すことにより、電極間に挟持された固体高分子電解質膜を介して、ウェット水素ＷＨから水と水素とがドライ水素ＤＨへと移動する。これにより、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素の加湿を行うことができる。
【００２４】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の水素極３から排出されるガス（アノードオフガス）が流れる水素循環流路（水素排出流路）Ｌ5，Ｌ6をさらに有している。この場合、加湿装置３０は、加湿用アノード極３３側に、水素循環流路Ｌ5，Ｌ6を介してアノードオフガスが供給される。燃料電池スタック１の水素極３からのアノードオフガスには、水素と水とが含まれているため、これを加湿用アノード極３３側に供給することにより、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素の加湿を行うことができる。また、かかる構成によれば、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを用いて加湿を行うことができるので、ガスの運用を効率的に行うことができる。
【００２５】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、アノードオフガス中に含まれる水を凝縮させて回収する凝縮器（凝縮手段）２５をさらに有しており、この凝縮器２５は、加湿装置３０よりも上流側に配置されている。この場合、加湿装置３０は、凝縮器２５において回収された水が加湿用アノード極３３に供給されている。かかる構成によれば、凝縮器を用いて凝縮水を取出し、この凝縮水を加湿用アノード極３３に直接的に供給することにより、加湿用アノード極３３側から加湿用カソード極３２側へと効率的に多くの水を移動させることができる。
【００２６】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、加湿装置３０よりも下流側の水素循環流路Ｌ6に設けられており、この水素循環流路Ｌ6を流れるアノードオフガスを外部に排出するパージ手段（本実施形態では、三方弁２８およびパージ流路Ｌ7がこれに該当する）をさらに有している。この場合、水素循環流路Ｌ5，Ｌ6は、アノードオフガスが、水素極３の水素の供給側に循環するように、水素供給流路Ｌ4に接続されている。また、パージ手段は、水素極３に供給されるガス中の水素分圧が低下した場合に、水素循環流路Ｌ5，Ｌ6を流れるアノードオフガスを、外部に排出させる。かかる構成によれば、水素系２０における水素濃度低下の抑制することができるとともに、より少ない量の水素排気でパージが完了する。
【００２７】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、加湿装置３０の一対の電極３２，３３間に電圧を印加する電圧手段（本実施形態では、燃料電池スタック１または二次電池がこれに該当する）と、燃料電池スタック１に供給されるガスの湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）２４と、湿度センサ２４によって検出されるガスの湿度に基づいて、加湿装置３０に流れる電流を制御するコントローラ（制御手段）とをさらに有している。かかる構成によれば、湿度センサ２４を用いることにより、より正確に燃料電池スタック１に供給する水素の湿度をコントロールすることが可能となる。なお、このような電流制御は、湿度センサ２４のみならず、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ４を用い、燃料電池スタック１の温度に基づいて、電流制御を行ってもよい。かかる構成によれば、温度センサ４を用いることにより、湿度測定が困難な極低湿度や１００％ＲＨに近い極高湿度もコントロールすることが可能となる。
【００２８】
さらに、本実施形態において、加湿装置３０は、加湿用アノード極３３または加湿用カソード極３２を構成する電極触媒に白金黒を用いている。かかる構成によれば、電極３２，３３の触媒を白金黒とすることで、性能劣化を抑制することが可能となる。
【００２９】
なお、本実施形態では、加湿装置３０を単一の加湿セルで構成したが、複数の加湿セルを積層して構成してもよい。例えば、加湿装置３０の変形例である加湿装置３０ａを図４に示すように、加湿装置３０ａは、例えば、２つ加湿セルを積層した構成であってもよい。電源から供給された電流が一定の場合、積層数を倍にすれば、２つの加湿セルに直列に電流が流れるため、単一の加湿セルで構成した場合と比較して、電流あたりの水移動量が２倍となる。このように、積層枚数を増やすことによって、電流が小さくても水移動量を増加させることが可能となる。この観点によれば、加湿装置３０に供給可能な電流量から、必要な水移動量を予め計算し、加湿セルの積層枚数を決定することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムは、加湿装置３０のレイアウトにおいて相違する。以下、第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用し、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
空気系１０において、空気は、大気がコンプレッサ１１によって加圧され、空気供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。一方、酸素極２側からのカソードオフガス、すなわち、燃料電池スタック１の酸素極２において酸素が消費された空気は、空気排出流路Ｌ2を介して凝縮器１２へと排出される。凝縮器１２は、カソードオフガス中に含まれる液水を凝縮させて回収するものであり、回収された液水を液水排出流路Ｌ8へと排出するとともに、これを通過したカソードオフガスを気体排出流路Ｌ9を介して大気へ排出する。液水排出流路Ｌ8に排出された液水は、燃焼器１３を通り、加湿流路Ｌ11を介して加湿装置３０の加湿用アノード極３３側に供給される。
【００３２】
これに対して水素系２０において、水素は、燃料タンク２１である高圧水素ボンベから、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク２１からの高圧水素は、水素供給流路（上流側）Ｌ3を介して加湿装置３０に供給される。加湿装置３０によって加湿された水素は、水素供給流路（下流側）Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の水素極３側から排出されるアノードオフガスは、水素循環流路Ｌ5へと排出され、この水素循環流路Ｌ5を介して、水素極３への水素の供給側に循環されるようになっている。
【００３３】
また、この水素系２０において、加湿装置３０よりも上流側、かつ、水素循環流路Ｌ5との合流部位よりも下流側の水素供給流路Ｌ3には、水素供給流路Ｌ3を流れる水素を、燃焼器１３へとバイパスさせる水素バイパス流路Ｌ10が設けられている。この水素バイパス流路Ｌ10により、空気系１０において分離された液水とドライ水素ＤＨとが混合される。水素供給流路Ｌ3と、水素バイパス流路Ｌ10との接続部位には、三方弁４０が設けられており、この三方弁４０の開度に応じて、水素バイパス流路Ｌ10側へと流れる水素量を調整することができる。
【００３４】
このようなシステム構成において、加湿装置３０は、第１の実施形態と同様の構成となっている。この加湿装置３０において、カソードガス流路３４は、一方の端部が水素供給流路（上流側）Ｌ3に接続され、他方の端部が水素供給流路（下流側）Ｌ4に接続されている。これにより、加湿用カソード極３２には、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を介して、乾燥した水素（以下「ドライ水素」という）ＤＨが供給される。一方、アノードガス流路３５は、加湿流路Ｌ11に接続される。これにより、加湿用アノード極３３には、水素バイパス流路Ｌ10を介したドライ水素ＤＨと、空気排出流路Ｌ2を介して、カソードオフガスに含まれる水（具体的には、凝縮器１２において凝縮された液水）とを含むウェット水素ＷＨが供給されるようになっている。
【００３５】
加湿用カソード極３２にドライ水素ＤＨが供給され、加湿用アノード極３３にウェット水素ＷＨが供給された状態において、一対の電極３２，３３間に電圧を印加した場合（加湿用カソード極３２を負、加湿用アノード極３３を正）、加湿用アノード極３３側と加湿用カソード極３２側との反応はそれぞれ（３），（４）に示す通りとなる。電解質膜の状態に依存するものの、プロトン１個あたり約１分子の水が加湿用アノード極３３側から加湿用カソード極３２側に移動することとなる。これにより、ウェット水素ＷＨに含まれる水がドライ水素ＤＨへと移動することにより、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素を加湿することができる。
【００３６】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、その特徴の一つとして、燃料電池スタック１の酸素極２からのカソードオフガスが流れる空気排出流路Ｌ2と、水素供給流路Ｌ3，Ｌ4を流れる水素をバイパスさせる水素バイパス流路Ｌ10とをさらに有している。この場合、加湿装置３０は、加湿用アノード極３３側に、空気排出流路Ｌ2を介してカソードオフガスに含まれる水が供給されるとともに、水素バイパス流路Ｌ10を介して水素が供給される。カソードオフガスには、（２）式で示すように、反応にともない生成水が含まれるため、このカソードオフガスに含まれる水と、水素バイパス流路Ｌ10からの水素とを加湿用アノード極３３側に供給することにより、燃料電池スタック１の水素極３に供給される水素の加湿を行うことができる。
【００３７】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、カソードオフガス中に含まれる水を凝縮させて回収する凝縮器（凝縮手段）１２をさらに有しており、この凝縮器１２は、加湿装置３０よりも上流側に配置されている。この場合、加湿装置３０は、凝縮器１２において回収された水が加湿用アノード極３３に供給されている。かかる構成によれば、凝縮器を用いて凝縮水を取出し、この凝縮水を加湿用アノード極３３に直接的に供給することにより、加湿用アノード極３３側から加湿用カソード極３２側へと効率的に多くの水を移動させることができる。
【００３８】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、加湿装置３０よりも上流側に設けられ、加湿用アノード極３３側に供給されるガス中の酸素を酸化反応により消費する燃焼器（燃焼手段）１３をさらに有している。かかる構成によれば、カソードオフガス中の酸素が消費されるので、加湿性能の向上を図ることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図であり、図７は、本実施形態にかかる加湿装置の概略構成図である。本実施形態の燃料電池システムは、基本的な構成において第２の実施形態と概ね同じであるものの、加湿装置に電圧を印加する電圧印加手段として、新たな燃料電池スタック（以下「サブ燃料電池スタック」という）３８を備えている点にある。以下、第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて、第２の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第２の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用し、その詳細な説明は省略する。なお、本実施形態では、加湿装置３０として、図４に示すように、加湿セルが複数積層された加湿装置３０ａが用いられている。
【００４０】
具体的には、サブ燃料電池スタック３８は、上述した燃料電池スタック１と同様に、固体高分子電解質膜を挟んで酸素極（カソード極）と水素極（アノード極）とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される。サブ燃料電池スタック３８は、個々の発電セルにおいて、酸素極に酸素を含む酸化剤ガス（本実施形態では、空気）が供給されるとともに、水素極に水素が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。
【００４１】
本実施形態において、凝縮器１２を通過したカソードオフガス（気体）が流れる気体排出流路Ｌ9は、サブ燃料電池スタック３８接続されており、これにより、サブ燃料電池スタック３８の酸化剤極にカソードオフガス（酸素）が供給される。また、加湿装置３０の加湿用アノード極３３側から排出された水素が流れる流路Ｌ12が、サブ燃料電池スタック３８に接続されており、これにより、サブ燃料電池スタック３８の燃料極に水素が供給される。
【００４２】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、加湿装置３０の一対の電極３２，３３間に電圧を印加する電圧手段として、燃料電池スタック１とは異なるサブ燃料電池スタック３８が設けられている。ここで、サブ燃料電池スタック３８は、加湿装置３０の加湿用アノード極３３から排出されるガスが、その水素極に供給されている。
【００４３】
かかる構成によれば、加湿用アノード極３３側に供給したウェット水素ＷＨと、サブ燃料電池スタック３８に用いることで、加湿装置３０に外部から電圧を与えることなく、加湿装置３０として機能することができる。
【００４４】
なお、第２または第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、加湿装置３０は、加湿装置３０への電流によって自在に湿度をコントロールする。コントローラは、例えば、湿度センサ２４や、温度センサ４からの検出値をフィードバックすることにより、燃料電池スタック１の乾燥状態に応じて、必要なケースで、必要な量の加湿をドライ水素ＤＨに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】第１の実施形態にかかる加湿装置３０の概略構成図
【図３】加湿装置３０の電流密度と、加湿装置３０から排出される水素の湿度との対応関係を示す図
【図４】加湿装置３０の変形例である加湿装置３０ａの概略構成図
【図５】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図６】第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図７】第３の実施形態にかかる加湿装置３０ａを含む概略構成図
【符号の説明】
【００４６】
１    燃料電池スタック
２    酸素極
３    水素極
４    温度センサ
１０    空気系
１１    コンプレッサ
１２    凝縮器
１３    燃焼器
２０    水素系
２１    燃料タンク
２２    減圧弁
２３    流量コントローラ
２４    湿度センサ
２５    凝縮器
２６    水素循環ポンプ
２７    三方弁
２８    三方弁
２９    燃焼触媒
３０    加湿装置
３０ａ  加湿装置
３１    固体高分子電解質膜
３２    加湿用カソード極
３３    加湿用アノード極
３４    カソードガス流路
３５    アノードガス流路
３６    セパレータ
３７    セパレータ
３８    サブ燃料電池スタック
４０    三方弁
３２１  触媒層
３２２  ガス拡散層
３３１  触媒層
３３２  ガス拡散層
【図１】
2008004444.tif 000003
【図２】
2008004444.tif 000004
【図３】
2008004444.tif 000005
【図４】
2008004444.tif 000006
【図５】
2008004444.tif 000007
【図６】
2008004444.tif 000008
【図７】
2008004444.tif 000009