(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２５は、燃料電池１９から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜２５ｃを介して供給燃料ガスの加湿を行い、燃料ガス加湿器２５は外壁２５ａと該外壁の内部に仕切り板２５ｂと水分移動膜２５ｃを設け、燃料ガス冷却水室と、排出燃料ガス室と、供給燃料ガス室に分割させて構成する。【選択図】図２
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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または排出酸化剤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水分移動膜を介して前記供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記燃料冷却水を供給する燃料電池システム。
【請求項２】
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酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤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水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記酸化剤冷却水を供給する燃料電池システム。
【請求項３】
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水分移動膜を介して供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記燃料冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給燃料ガスを供給する燃料電池システム。
【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酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記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水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記酸化剤冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給酸化剤ガスを供給する燃料電池システム。
【請求項５】
前記水分移動膜を複数の中空糸膜とした請求項１から４のいずれか一項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、燃料電池を用いて発電と熱供給と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）。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】
【０００５】
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。
【０００６】
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。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。
【０００７】
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】
【０００８】
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または排出酸化剤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水分移動膜を介して前記供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記燃料冷却水を供給する燃料電池システムとする。
【０００９】
また、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酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤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水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記酸化剤冷却水を供給する燃料電池システムとする。
【００１０】
また、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水分移動膜を介して供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記燃料冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給燃料ガスを供給する燃料電池システムとする。
【００１１】
また、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酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記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水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記酸化剤冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給酸化剤ガスを供給する燃料電池システムとする。
【００１２】
したがって、前記燃料ガス加湿器または酸化剤ガス加湿器は、供給燃料ガスまたは供給酸化剤ガス、排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガス、冷却水のそれぞれの流体が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。
【００１３】
また、本発明は、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器は、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガス室または前記供給酸化剤ガス室を設け、前記水分移動膜と前記仕切り板の間に前記排出燃料ガス室または前記排出酸化剤ガス室を設けて配管し、前記冷却水を前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器の中心部に配置させて外表面から断熱し、冷却水での温度低下を抑制し、前記燃料ガスまたは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）がさらに効率よく行えるようにしたものである。
【００１４】
さらに、本発明は、前記加湿膜を複数の中空糸膜として膜面積を増加させ、温湿交換の効率をよくし、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿装置の出口での露点が、高露点で維持できるようにするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、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】
【００１６】
第１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または排出酸化剤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水分移動膜を介して前記供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記燃料冷却水を供給する燃料電池システムとする。
【００１７】
第２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酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤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水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記酸化剤冷却水を供給する燃料電池システムとする。
【００１８】
第１の発明または第２の発明とすることにより、前記燃料ガス加湿器または前記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。
【００１９】
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。
【００２０】
また、前記冷却水を前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器の中心部に配置させて外表面から断熱し、冷却水での温度低下を抑制し、前記燃料ガスまたは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）がさらに効率の高いシステムを提供することができる。
【００２１】
第３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水分移動膜を介して供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記燃料冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給燃料ガスを供給する燃料電池システムとする。
【００２２】
第４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酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記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水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記酸化剤冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給酸化剤ガスを供給する燃料電池システムとする。
【００２３】
第３の発明または第４の発明とすることにより、前記燃料冷却水または前記酸化剤冷却水の温度を伝熱する仕切り板の面積を、水分移動膜の面積以上に確保し凝縮水室の温度を十分に昇温することができるので、排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスから供給燃料ガスまたは供給酸化剤ガスへの湿熱交換が十分におこなえ、高露点の燃料ガスまたは酸化剤ガスを燃料電池に供給することがでるので、高性能で耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。
【００２４】
第５の発明は、第１から４のいずれか一項に記載の発明に加え、前記水分移動膜を複数の中空糸膜としたものである。
【００２５】
かかる構成とすることにより、前記燃料ガス加湿器または前記酸化ガス加湿器は水分移動膜面積を増加させ、温湿交換の効率をよくし、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿装置の出口での露点が、高露点で維持することができる。
【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、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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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２０と、酸化剤ガス加湿器２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿器２５と、冷却水放熱器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、第１の冷却水経路３９と、第２の冷却水経路４０と、第３の冷却水経路４１と、第４の冷却水経路４２と、貯湯タンク２９と、貯湯水循環経路４４を主な要素として構成されている。
【００２９】
特に、燃料ガス加湿器２５または酸化剤ガス加湿器２１は、その詳細については後述する。
【００３０】
次に、システム全体の動作について説明する。空気供給装置２０から第１の空気経路３０を介して酸化剤ガス加湿器２１に供給された空気は、酸化剤ガス加湿器２１で加湿される。酸化剤ガス加湿器２１によって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、第２の空気経路３１を介して燃料電池１９の空気極側に供給される。
【００３１】
一方、燃料供給装置２３から第１の燃料ガス経路３３を介して、燃料処理装置２４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。
【００３２】
ここでは、燃料処理装置２４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）を備えている。
【００３３】
そして、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３４を介して燃料ガス加湿器２５に供給され、加湿される。
【００３４】
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、第３の燃料ガス経路３５を介して燃料電池１９の燃料極側に供給される。燃料電池１９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。
【００３５】
燃料電池１９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３８ａを介して燃料ガス加湿器２５に供給され、第５の燃料ガス排出経路３８ｂを通じて燃料処理装置２４に供給される。
【００３６】
前述の燃料処理装置２４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３８ａを介して燃料ガス加湿器２５へ流入した排出燃料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おり、また、第１の冷却水経路３９から吸熱し、前記燃料ガスを加熱していることから燃料ガス加湿器２５内では湿熱交換作用が行われている。
【００３７】
また、燃料電池１９で熱を回収した冷却水は、第１の冷却水経路３９を介して燃料ガス加湿器２５に流入し、そして第２の冷却水経路４０、その後前記酸化剤ガス加湿器２１を介して冷却水放熱器２６に供給され、ここで回収される。
【００３８】
また、冷却水放熱器２６を通過した冷却水は、第３の冷却水経路４１を介して冷却水タンク２７へ流れる。そして、冷却水タンク２７の冷却水は、燃料電池１９で発生した熱を除去するために、冷却水ポンプ２８によって加圧され、第４の冷却水経路４２を介して再び燃料電池１９に供給される循環を繰り返す。
【００３９】
ここで、冷却水タンク２７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１９と十分熱交換できる温度である。
【００４０】
さらに、前記冷却水について詳述すると、燃料電池１９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３９、第２の冷却水流路４０、第３の冷却水流路４１を介して再び冷却水タンク２７に戻される。
【００４１】
ここで、第２の冷却水流路４０と第３の冷却水流路４１の間には、冷却水放熱器２６が設けられており、前記冷却水の熱は、冷却水放熱器２６によって貯湯水循環経路４４の水に放出される。貯湯水循環経路４４内の水は、貯湯ポンプ４３により給水経路（図示せず）から給水・貯水された貯湯タンク２９と冷却水放熱器２６を循環している。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。
【００４２】
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１９を所定の温度に維持することが可能となる。
【００４３】
さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス加湿器２５は、冷却水と排出燃料ガスと供給燃料ガスを一体化して構成している。また、酸化剤ガス加湿器２１は冷却水と排出酸化剤ガスと供給酸化剤ガスを一体化して構成している。
【００４４】
次に、本実施の形態１の特徴である、燃料ガス加湿装置２５について説明する。図２、図４、図６は、図１に示す燃料電池システムにおける加湿装置２５の構成および熱交換・湿度交換（以下、総合して湿熱交換と称す）作用を説明するための説明図である。図２、図４、図６において、燃料ガス加湿器２５および酸化剤ガス加湿器２１はそれぞれ同様の構成を採用しており、ここでは燃料ガス加湿器２５について説明する。
【００４５】
すなわち、燃料ガス加湿器２５は、外観筒状の構成をしており内部が中心部に燃料冷却水室４５を設け、燃料冷却水室４５の外周に仕切り板２５ｂを設け、仕切り板２５ｂの外周に設けた水分移動膜２５ｃとの間に凝縮水室４６を形成し、さらに外壁２５ａと水分移動膜２５ｃとの間に供給燃料ガス室４７を形成した構成をしている。また、水分移動膜２５ｃ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。ここで、水分移動膜２５ｃ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。
【００４６】
さらに詳述すると、燃料ガス加湿器２５は、水分移動膜２５ｃによって供給燃料ガス室４７と凝縮水室４６にその縦断面形状を中空形状（たとえばドーナツ形状）に区切られ、さらに燃料ガス加湿器２５は、熱伝達良好な材料からなる仕切板２５ｂによって凝縮水室４６と燃料ガス冷却水室４５にその縦断面形状を中空形状に区切られており、燃料ガス室４７、凝縮水室４６、燃料ガス冷却水室４５を中空状に保つため、固定部材２５ｅ、２５ｄ（ポッティングなど）により外壁２５ａと水分移動膜２５ｃと仕切板２５ｂとが固定、密着されている。
【００４７】
また、前記加湿器の縦断面形状はドーナツ状の中空形状としたが、さらに燃料ガス加湿器２５のコンパクト化を図るためには四角形および多角形としても構わない。
【００４８】
上記構成とする燃料ガス加湿器２５の各燃料ガス室４７、凝縮水室４６、燃料冷却水室４５には、供給燃料ガス、排出燃料ガスおよび冷却水が次のように流れる。
【００４９】
供給燃料ガスは、固定部材２５ｄに設けた供給燃料ガス入口４７ａから燃料ガス加湿器２５の供給燃料ガス室４７に流入し、供給燃料ガス出口４７ｂから流出する。排出燃料ガスは、固定部材２５ｅに設けた排出燃料ガス入口４６ａから燃料ガス加湿器２５の凝縮水室４６に流入し、排出燃料ガス出口４６ｂから流出する。冷却水は、固定部材２５ｄに設けた燃料冷却水入口４５ａから燃料ガス加湿器２５の燃料冷却水室４５に流入し、燃料ガス冷却水出口４５ｂから流出する。
【００５０】
さらに詳述すると、燃料電池１９で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３８ａから再び燃料ガス加湿器２５の凝縮水室４６へ排出燃料ガス入口４６ａから前記凝縮水とともに流入し、一旦滞留する。そして、凝縮水室４６内の燃料ガスは、排出燃料ガス出口４６ｂから燃料ガス排出経路３８ｂを通じて燃料処理装置２４に供給される。凝縮水室４６内の凝縮水の水分（水蒸気）は、水分移動膜（水蒸気透過膜）２５ｃの水分を透過させる作用により、供給燃料ガス室４７へ透過する。
【００５１】
また、凝縮水室４６には、熱伝導性の良好な材料からなる仕切板２５ｂを介して燃料ガス冷却水室４５が配設されている。排出燃料ガス室４６に流入する凝縮水は、燃料電池１９を出たとき、約７５℃程度に加温されているが凝縮水室４６で滞留し温度が５０℃程度にまで降下する。しかし燃料ガス冷却水室４５の冷却水温度は燃料電池１９を出たときの温度の約７５℃を常に維持しているため、凝縮水室４６の凝縮水を一定温度に加温している。
【００５２】
したがって、供給燃料ガス室４７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、供給燃料ガス室４７を流れる供給燃料ガスと湿熱交換を行い、供給燃料ガスを加湿する。
【００５３】
ここで、燃料ガス加湿器２５において、前記冷却水と前記排出燃料ガスが仕切り板２５ｂを介して対向して流れるようにすれば、前記燃料冷却水から前記凝縮水への熱の移動は一層効率よく行われ、また前記凝縮水と前記供給燃料ガスが水分移動膜（水蒸気透過膜）２５ｃを介して対向して流れるようにすれば、前記凝縮水から前記供給燃料ガスへの水分の移動は一層効率よく行われる。
【００５４】
このように本実施の形態１においては、燃料電池１９に供給される燃料ガスを、水分移動膜２３を介して燃料電池１９で反応した排出燃料ガス、燃料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１９に供給するため、電解質膜の劣化を抑制して燃料システムの耐久性を向上し、効率の高いシステムを提供することができ、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。
【００５５】
また、燃料ガス加湿器２５は、前記燃料冷却水を中心部に配置させて外表面から断熱して構成しているため、燃料冷却水の温度低下を抑制し、前記燃料ガスの湿熱交換がさらに効率の高いシステムを提供することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の特徴である、燃料ガス加湿装置２５について説明する。図３、図５、図７は、図１に示す燃料電池システムにおける加湿装置２５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。図３、図５、図７において、燃料ガス加湿器２５および酸化剤ガス加湿器２１はそれぞれ同様の構成を採用しており、ここでは燃料ガス加湿器２５について説明する。
【００５７】
すなわち、燃料ガス加湿器２５は、内部が中心部に供給燃料ガス室４７を設け、供給燃料ガス室４７の外周に水分移動膜２５ｃを設け、水分移動膜２５ｃの外周に設けた仕切り板２５ｂとの間に凝縮水室４６を形成し、さらに外壁２５ａと仕切り板２５ｂとの間に燃料冷却水室４５を形成した構成をしている。
【００５８】
このように本実施の形態２においては、前記燃料冷却水または前記酸化剤冷却水の温度を伝熱する仕切り板の面積を、水分移動膜の面積以上に確保し凝縮水室の温度を十分に昇温することができるので、排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスから供給燃料ガスまたは供給酸化剤ガスへの湿熱交換が十分におこなえ、高露点の燃料ガスまたは酸化剤ガスを燃料電池に供給することがでるので、高性能で耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
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】
【００６０】
【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における燃料ガス加湿器の構成および湿熱交換作用を示す縦断面図
【図３】同実施の形態２における燃料ガス加湿器の構成および湿熱交換作用を示す縦断面図
【図４】同実施の形態１における燃料ガス加湿器の構成を示す側断面図
【図５】同実施の形態２における燃料ガス加湿器の構成を示す側断面図
【図６】同実施の形態１における燃料ガス加湿器の左側面図
【図７】同実施の形態２における他の燃料ガス加湿器の左側面図
【符号の説明】
【００６１】
１９  燃料電池
２０  空気供給装置
２１  酸化剤ガス加湿器
２３  燃料供給装置
２４  燃料処理装置
２５  燃料ガス加湿器
２５ａ  外壁
２５ｂ  仕切り板
２５ｃ  水分移動膜
２５ｄ，２５ｅ  固定部材
２６  冷却水放熱器
２７  冷却水タンク
２８  冷却水ポンプ
２９  貯湯タンク
３９  第１の冷却水経路
４０  第２の冷却水経路
４１  第３の冷却水経路
４２  第４の冷却水経路
４３  貯湯水ポンプ
４４  貯湯水循環経路
４５  燃料ガス冷却水室
４５ａ  燃料ガス冷却水入口
４５ｂ  燃料ガス冷却水出口
４６  凝縮水室
４６ａ  排出燃料ガス入口
４６ｂ  排出燃料ガス出口
４７  供給燃料ガス室
４７ａ  供給燃料ガス入口
４７ｂ  供給燃料ガス出口
【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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