(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される供給ガスを加湿するための加湿器において、比較的コンパクトなサイズで供給ガスをより高温高湿な状態にすることが可能な加湿装置を提供する。【解決手段】燃料電池と、燃料電池を冷却するための冷却回路と、冷却回路上にあり、燃料電池の排熱を利用して水を加熱気化することによりガスを加湿する加湿器１０９を備え、加湿器１０９は供給ガスを流通させる供給ガス流路１０７と、供給ガスを加湿する加湿水を流通させる加湿水流路１１０と、燃料電池と加湿器を循環する冷却液により加湿水を加熱するための冷却水流路１０６を有し、冷却水流路１０６を少なくとも２経路以上設け、それぞれ独立して流通させると共に、冷却液と加湿水を単独で熱交換させる領域を設け冷却水により加湿水を昇温した後、供給ガスの加湿を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却回路と、冷却回路上にあり前記燃料電池の排熱を利用し水を加熱気化する事によりガスを加湿する加湿器を備え、前記加湿器は、燃料電池に供給する供給ガスを流通させる供給ガス流路と、供給ガス中に加熱気化する事で供給ガスを加湿するための加湿水を流通させる加湿水流路と、前記冷却回路上の前記燃料電池と前記加湿器を循環する冷却液により加湿水を加熱するための加熱経路を備え、前記加熱経路が少なくとも２経路以上の経路を有し、冷却液がそれぞれ独立して流通することを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項２】
水を加熱するための二つの加熱経路が水のみを加熱する第一の加熱経路と、水と燃料電池に供給するための供給ガスを同時に加熱する第二の加熱経路である事を特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項３】
供給ガス中に加熱気化させる事で供給ガスを加湿するための水である加湿水が第一の加熱経路によって加熱された後、第二の加熱経路によって加熱されながら供給ガスを加湿する事を特徴とする請求項２に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項４】
加湿水が第一の加熱経路を流れる冷却液と対向する方向に流れる事を特徴とする請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項５】
加湿水が供給ガスと対向する方向に流れるとともに第二の加熱経路を流れる冷却液と同一の方向に流れることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項６】
燃料電池から排出される排出燃料ガス中に含まれる水分又は排出酸化剤ガス中に含まれている水分のうち、少なくとも一方を加湿水へと回収する事を特徴とする請求項２、３、４または５に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項７】
燃料電池から排出される燃料ガスや酸化剤ガスなどの排出ガス中に含まれる水分の回収において、前記排出ガスと供給ガスを熱交換させる事によって前記排出ガスを冷却して内部に含まれる水分を凝縮させ前記排出ガス中から加湿水へと回収すると同時に前記供給ガスの温度を昇温する事を特徴とする請求項６に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項８】
排出ガス中に含まれる水分の回収において、前記排出ガスと供給ガスを水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体を介して接触させることで前記排出ガス中に含まれる水蒸気を前記供給ガス側に移行させると共に、熱交換により前記排出ガスの温度が下がり前記排出ガス側に凝縮した水を前記排出ガス中から加湿水へと回収する事を特徴とする請求項６に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項９】
第一の加熱経路と第二の加熱経路の断面形状および流路長さの少なくとも一方が異なる事を特徴とする請求項２、３、４、５、６、７または８に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１０】
第一の加熱経路と第二の加熱経路を流れる冷却液の流量がほぼ等しい事を特徴とする請求項９に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１１】
加熱経路によって加熱された水が水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体を介して供給ガスと接触する事によって供給ガスを加湿する事を特徴とする請求項２、３、４、５、６、７、８、９または１０に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１２】
水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体が多孔質の材料で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１３】
水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体が高分子電解質で構成されている事を特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１４】
一部のセパレータが同一面内に少なくとも２種類以上の流体の流路を持ち、加湿器は前記複数の流体流路を持つセパレータを含む少なくとも２種類以上のセパレータを複数積層して構成される請求項１１、１２または１３に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１５】
同一面内に構成される流体流路が供給ガス流路と冷却液が流通する第一の加熱経路である事を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用加湿器。
【請求項１６】
同一面内に構成される流体流路が排出ガス流路と供給ガスを加湿するための水が流通する加湿水流路である事を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用加湿器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に供給する供給ガスを加湿するための加湿器の内部構造および材質と内部を流通する流体の流れ方向に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う固体高分子形燃料電池においては、燃料電池本体に使用される固体高分子電解質膜（イオン交換膜）が乾燥すると導電性が低下し、電解質としての機能を失う事が知られている。したがって、固体高分子形燃料電池においては電解質を一定の含水状態に保つ必要がある。このため、燃料電池本体に加湿装置を付設し、この加湿装置によって加湿した反応ガスを燃料電池本体に供給する事で電解質を湿潤に保つ方法が一般的である。
【０００３】
これについて、特許文献１によって開示された方法では、燃料電池が発電する際に発生する熱を冷却するために燃料電池本体内を循環している冷却水を利用して供給ガスを加湿する方法が示されている。以下、この方法について図を参照しながら説明する。
【０００４】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、供給ガス流入口１０１、供給ガス流出口１０２、冷却水流入口１０３、冷却水の出口１０４が設けられたプレート１０５の表面中央部に平行な多数の冷却水流路１０６が形成され、その裏面中央部に冷却水流路１０６と平行な多数の供給ガス流路１０７が形成されている。このプレート１０５を図７に示すように、水蒸気透過膜１０８を介して冷却水流路１０６と供給ガス流路１０７が対向するように多数積層して加湿器１０９を構成している。
【０００５】
図８に示すように、加湿器１０９の冷却水流入口１０３に燃料電池内部を循環する事で高温となった冷却水を導入し、冷却水流出口１０４へと流通させる。また、供給ガス流入口１０１に燃料電池に供給する供給ガス（燃料ガスもしくは酸化剤ガス）を導入し、供給ガス流出口１０２へと流通させる。この際、供給ガスと高温の冷却水が水蒸気透過膜１０８を介して接触する事で水蒸気透過膜１０８中を水蒸気が冷却水流路１０６側から供給ガス流路１０７へと移動する事で供給ガスを加湿する。加湿された供給ガスは供給ガス流出口１０２から排出され燃料電池へと供給される。
【０００６】
この方法は供給ガスの加湿と同時に燃料電池の冷却を行う事ができるため燃料電池の冷却のための放熱器などを設ける必要がなくシンプルな燃料電池システムを得る事ができる。しかしながら、冷却水を加湿に利用するためには冷却水が純水である必要があり、寒冷地などで燃料電池システムを使用する際に、燃料電池の運転停止時の冷却水の凍結防止の為に冷却液として不凍液などを用いる事ができないという問題を残した。
【０００７】
この問題に対しては、冷却水を直接加湿に用いるのではなく、冷却水により加湿用の純水を加熱し、加熱された純水を用いて供給ガスの加湿を行う方法が考えられる。
【０００８】
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、冷却水流路１０６の背面に加湿用の純水が流通する加湿水流路１１０を設けた加湿プレート１１１に加湿水流入口１１２および加湿水流出口１１３を設ける。さらに図１０（ａ）、（ｂ）、図１１に示すように供給ガス流路１０７を設けた供給ガスプレート１１４の供給ガス流路面と加湿プレート１１１の加湿流路面により水蒸気透過膜１０８を挟持するように複数積層して加湿器１０９を構成する。
【０００９】
図１２に示すように、冷却水流路１０６に燃料電池内部を循環する事で高温となった冷却水を、供給ガス流路１０７に燃料電池に供給する供給ガスを、加湿水流路１１０に加湿用の純水をそれぞれ流通させる事によって、冷却水により加湿用の純水を昇温し、昇温された加湿水を水蒸気透過膜１０８を介して供給ガスと接触させる事で加湿水が水蒸気の状態で水蒸気透過膜１０８中を加湿水流路１１０側から供給ガス流路１０７へと移動する事で供給ガスが加湿される。この方法により、燃料電池を冷却するための冷却水の水質にかかわらず、純水による供給ガスの加湿と燃料電池の冷却を同時に行う事が可能となる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−７６２２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池用加湿器においては、加湿水が常に供給ガスと熱交換および蒸気の移動を行っているため、水が水蒸気になる際の気化潜熱により加湿水の温度が上昇しにくく、供給ガス出口部での加湿水の温度が冷却液の最高温度に比べ低く供給ガスと加湿水の温度差が小さくなるため加湿量が少なくなってしまい、燃料電池本体の動作温度近くの露点温度まで供給ガスを加湿するのは難しいと言う問題があった。
【００１２】
また、供給ガス出口部における加湿水の温度を冷却液の最高温度近くまで上昇させるには非常に大きな伝熱面積を必要とするため加湿器が極端に大型化してしまい現実的ではなかった。
【００１３】
また、加湿するために加湿用の純水を必要とするため、外部から純水を供給する必要があった。
【００１４】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、供給ガス出口部における加湿水の温度を高くする事で供給ガスをより高温高湿な状態にしながらも比較的コンパクトなサイズの燃料電池用加湿器を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、燃料電池用加湿器の内部を流通させている冷却液の流通経路をそれぞれ別の領域に流通する少なくとも２経路以上設けるようにしたものである。
【００１６】
本発明によれば冷却液の流通経路を２経路以上設けることで供給ガス出口部における加湿水の温度を高温にする事ができ、供給ガスをより高温高湿な状態にする事ができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、２つの経路を流れる冷却液の流通経路がそれぞれ、加湿用の純水のみを加熱する第一の加熱経路と、加湿水と供給ガスを同時に加熱する第二の加熱経路に流通することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によれば第一の加熱経路によって充分に高温となった加湿用の純水を供給ガスの加湿に使用することが可能となり供給ガスをより高温高湿な状態にする事ができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、加湿用の純水が加湿水流路を流通する際に、第一の加熱経路と熱交換を行う領域を通過した後、第二の加熱経路と熱交換をしながら供給ガスの加湿を行う領域へと流通することを特徴としたものである。
【００２０】
本発明によれば、第一の加熱経路を流れる冷却液と熱交換を行うことで充分に高温となった加湿用の純水を供給ガスの加湿に使用することが可能となり、供給ガスをより高温高湿な状態にする事ができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、第一の加熱経路を流れる冷却液と加湿水流路を流れる加湿用の純水の流通方向を互いに対抗する方向にしたものである。
【００２２】
本発明によれば、第一の加熱経路が流通する加熱領域における冷却液と加湿用の純水の間における熱交換が促進され、加湿水の最高温度を上昇させることができる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、供給ガスと加湿用の純水の流通方向を対抗する方向とすると共に、第二の加熱経路を流れる冷却液と加湿用の純水の流通方向を同一の方向としたものである。
【００２４】
本発明によれば、供給ガスの出口部における加湿用の純水の温度をもっとも高い温度とすることができ、なおかつ第二の加熱経路を流通する冷却液による加湿用の純水及び供給ガスの加熱を効率良く行うことが可能となる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、燃料電池から排出される燃料ガスもしくは酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を回収することにより加湿用の純水を供給することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によれば、燃料電池から排出されるガスに含まれる水分を排出ガスから加湿水へと回収して加湿用の純水として利用することで、外部から純水を供給する必要がなくなる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、第一の加熱経路と第二の加熱経路の流路断面形状及び流路長さの少なくとも一方を異なるようにしたものである。
【００２８】
本発明によれば、第一の加熱経路と第二の加熱経路の断面形状及び流路長さを異なる構成とすることで両流路を流通する冷却液の圧力損失をそれぞれ独自に設定することが可能となり、第一の加熱経路と第二の加熱経路の流入口を同一の流入口として一箇所にした場合でもそれぞれの流路を流れる冷却液の流量を所定の配分に設定することができる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、加熱経路により加熱された加湿用の純水を水蒸気選択透過媒体を介して供給ガスと接触させることで供給ガスを加湿するようにしたものである。
【００３０】
本発明によれば、水蒸気選択透過膜を介して加湿を行うことで比較的コンパクトでありながら高効率の加湿器を得ることができる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池用加湿器は上記目的を達成するために、一部のセパレータが同一面内に少なくとも２種類以上の流体の流路を持ち、加湿器は複数の流体流路を持つセパレータを含む少なくとも２種類以上のセパレータを複数積層して構成するようにしたものである。
【００３２】
本発明によれば、同一面内に複数の流体の流路を持たせることにより、よりコンパクトな加湿器を得ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料電池を冷却するための冷却液の持つ排熱を利用して水を加熱気化させる事で燃料電池に供給する供給ガスを加湿する加湿器において、加湿器内部の冷却液により水及び供給ガスを加熱するための加熱経路が少なくとも２種類以上の経路を有し、内部を流れる冷却液が混合することなくそれぞれ独立して流通する事を特徴とするものであり、これにより、冷却液と加湿用の純水を単独で熱交換させる事が可能となり、加湿に使用する純水の温度をより高温にすることが可能となるため、燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態にする事が可能となる。
【００３４】
また、水を加熱するための二つの加熱経路が水のみを加熱する第一の加熱経路と、水と燃料電池に供給するための供給ガスを同時に加熱する第二の加熱経路である事を特徴とする燃料電池用加湿器で、第一の加熱経路により冷却液と加湿用の純水が単独で熱交換を行うため、加湿水から外部に熱が移動する事が無くなり、加湿用の純水をより高温にすることが可能になると共に、第二の加熱経路で更なる加熱を行うことができ、燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態にする事が出来る。
【００３５】
また、供給ガスを加湿するための純水が第一の加熱経路によって加熱された後、第二の加熱経路によって加熱されながら供給ガスを加湿するようにしたもので、これにより第一の加熱経路で冷却液の最高温度近くまで加熱された高温の加湿用の純水を加湿に使用することが可能となり、燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態にする事が出来ると共に供給ガスの加湿を行うことによって熱を奪われる加湿水に冷却液の持つ排熱を供給する事で加湿水の温度を大きく低下させる事無く効率の良い加湿を行う事が出来る。
【００３６】
また、供給ガスを加湿するための純水である加湿水が第一の加熱経路を流れる冷却液と対向する方向に流れるようにしたもので、これにより、冷却液の持つ熱を効率良く熱交換すると共に加湿用の純水の温度をさらに高くすることが可能となり、燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態にする事が出来る。
【００３７】
また、供給ガスを加湿するための加湿水が供給ガスと対向する方向に流れるとともに第二の加熱経路を流れる冷却液と同一の方向に流れるようにしたもので、これにより、供給ガス出口部において加湿用の純水の温度を加湿用の純水の最高温度とすることができ、燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態にする事が出来る。
【００３８】
また、供給ガスを加湿するための水が燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分又は排出酸化剤ガス中に含まれている水分の少なくとも一方を回収する事で供給されるようにしたもので、これにより、燃料電池に供給する供給ガスを加湿するために外部から純水を供給することなく供給ガスの加湿を行うことが可能となる。
【００３９】
また、排出ガス中の水分の回収において、排出ガスと供給ガスを熱交換させる事によって排出ガスを冷却して内部に含まれる水分を凝縮させ加湿水へと回収すると共に供給ガスの温度を昇温するようにしたものであり、これにより、燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分の回収と、供給ガスの昇温を同時に行うことが可能となり、回収した凝縮水を加湿用の純水として利用する事で外部から純水を供給する必要の無い加湿器を提供することが可能となる。
【００４０】
また、排出ガス中の水分の回収において、排出ガスと供給ガスを水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体を介して接触させることで排出ガス中に含まれる水蒸気を供給ガス側に移行させるとともに、熱交換により排出ガスの温度が下がり排出ガス側に凝縮した水を加湿水へと回収することで加湿に使用する水を供給するようにしたものであり、前述の水分回収、供給ガスの昇温に加え供給ガスの予備加湿も同時に行えるようにしたものである。
【００４１】
また、第一の加熱経路と第二の加熱経路の断面形状および流路長さの少なくとも一方が異なるようにしたもので、これにより、第一の加熱経路と第二の加熱経路の流入口を共通に設けた場合においてもそれぞれの加熱経路内を流れる冷却液の流量を任意の配分に設定することが可能となる。
【００４２】
また、第一の加熱経路と第二の加熱経路を流れる冷却液の流量がほぼ等しくなるようにしたもので、これにより、第一の加熱経路と第二の加熱経路における熱交換量のバランスを最適に保つ事が可能となり、供給ガスをより高温高湿な状態に加湿する事が可能となる。
【００４３】
また、加熱経路によって加熱された水が水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体を介して供給ガスと接触する事によって供給ガスを加湿するようにしたものであり、これにより比較的コンパクトな構成で加湿面積を大きくとることが可能となり、これにより燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態にする事が出来る。
【００４４】
また、水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体が多孔質の材料で構成されているもので、これにより、燃料電池に供給する供給ガスに水滴を含ませることなく高効率の加湿を行うことが可能となる。
【００４５】
また、水蒸気のみを選択的に透過する選択透過媒体が高分子電解質で構成されているもので、これにより、燃料電池に供給する供給ガスに水滴を含ませることなく高効率の加湿を行うことが可能となる。
【００４６】
また、一部のセパレータが同一面内に少なくとも２種類以上の流体の流路を持ち、加湿器は複数の流体流路を持つセパレータを含む少なくとも２種類以上のセパレータを複数積層して構成するようにしたものであり、これにより、従来は複数の流体流路を複数のセパレータに分けて構成していたものを一枚のセパレータに構成することが可能となるため比較的コンパクトなサイズの加湿器を構成することが可能となる。
【００４７】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００４８】
【実施例】
（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、供給ガス流入口１０１、供給ガス流出口１０２冷却水流入口１０３、複数の冷却水流出口１０４（ａ）、１０４（ｂ）、加湿水流入口１１２、加湿水出口１１３、排出ガス流入口１、排出ガス流出口２が設けられた第一セパレータ３の第一の主面に供給ガス流入口１０１および供給ガス流出口１０２に連通し、少なくとも１箇所以上の折り返し部を有することで、第一セパレータ３の第二の領域５、第三の領域６を通過するように供給ガス流路１０７を設けると共に、供給ガス流路１０７と交わらないように第一の領域４に冷却水流入口１０３および冷却水流出口１０４（ａ）を連通する冷却水流路１０６（ａ）を設ける。この際、供給ガス流路１０７は第一の主面と第二の主面を貫通するように構成する。
【００４９】
同様に、図２に示すように供給ガス流入口１０１、供給ガス流出口１０２、冷却水流入口１０３、複数の冷却水流出口１０４（ａ）、１０４（ｂ）、加湿水流入口１１２、加湿水出口１１２、排出ガス流入口１、排出ガス流出口２が設けられた第二セパレータ７の第一の主面上に加湿水流入口１１２および加湿水流出口１１３を連通するように少なくとも一ヶ所以上の折り返し部を有することで第一の領域４、第三の領域６を通過する加湿水流路１１０を設けると共に、第二セパレータの第二の主面上に排出ガス流入口１および排出ガス流出口２を連通する第二の領域５に排出ガス流路８を設ける。
【００５０】
さらに図３に示すように供給ガス流入口１０１、供給ガス流出口１０２冷却水流入口１０３、複数の冷却水流出口１０４（ａ）、１０４（ｂ）、加湿水流入口１１２、加湿水出口１１２、排出ガス流入口１、排出ガス流出口２が設けられた第三セパレータ９の第一の主面上に冷却水流入口１１１と冷却水流出口１０４（ａ）、１０４（ｂ）を連通するようにそれぞれが独立した領域に流入する複数の冷却水流路１０６（ａ）、１０６（ｂ）を設ける。この際、複数の冷却水流路１０６のうち、第一セパレータの冷却水流路１０６に対応する冷却水流路１０６（ａ）は第一セパレータの冷却水流路１０６（ａ）と対応する第一の領域４に流入し、冷却水流出口１０４（ａ）も同一のものを使用するように構成すると共に、第三セパレータの第一の主面と第二の主面を貫通するように構成する。冷却水流路１０６（ｂ）は冷却水流入口１０３より流入し、第三セパレータ９の第三の領域６を流通した後、折り返し部により向きを変え、第二の領域５を流通して冷却水流出口１０４（ｂ）に連通させる。冷却水流路１０６（ａ）および１０６（ｂ）は流路断面形状が異なるように構成し、それぞれの冷却水流路１０６（ａ）および１０６（ｂ）を流通する冷却水の圧力損失がほぼ等しくなるように構成することで同一の冷却水流入口１０３を使用した場合でもそれぞれの冷却水流路１０６内を流れる冷却水の流量はほぼ等しい状態となる。
【００５１】
図４に示すように第一セパレータ３の供給ガス流路１０７が構成された第二の領域５および第三の領域６の第一の主面側に水蒸気透過膜１０８を介して第二セパレータ７の第二の領域に構成された排出ガス流路８および第二セパレータの第三の領域６に構成された加湿水流路１１０が接触するように積層する。同様に第一セパレータ３の供給ガス流路１０７が構成された第二の領域５および第三の領域６の第二の主面側に第三のセパレータ９の第二の領域５および第三の領域６に構成された冷却水流路１０６（ｂ）が接触するように積層して単セル１０を構成する。こうして構成された単セル１０を複数積層して加湿器１０９を構成する。この際、第一の単セルと接触する第二の単セルとの間には伝熱板１１を介して積層する。
【００５２】
供給ガス流入口１０１、供給ガス流出口１０２、冷却水流入口１０３、冷却水流出口１０４（ｂ）、排出ガス流出口２、は各セパレータの同一端に構成し、冷却水流出口１０４（ａ）、加湿水流入口１１２、加湿水流出口１１３、排出ガス流入口１はセパレータの他端に構成する。
【００５３】
燃料電池に供給する燃料ガスや酸化剤ガスなどの供給ガスは供給ガス流入口１０１より加湿器１０９に流入し、第一セパレータ３内に構成された供給ガス流路１０７内において、第二の領域５を他端まで流通した後、折り返し部で供給ガス流入口１０１方向へと向きを変え、第三の領域６を流通した後供給ガス排出口１０２より加湿器１０９外部に排出される。この際、第二の領域５において水蒸気透過膜１０８を介して接触する排出ガス流路８を流通する燃料電池から排出された高温高湿の空気より水蒸気透過膜１０８を介して水分を回収、昇温されると共に第三のセパレータ９の第二の領域５内を流れる高温の冷却水により昇温されて第三の領域６へと流入する。第三の領域６に流入した供給ガスは水蒸気透過膜１０８を介して接触する第二セパレータの第三の領域６に構成された加湿水流路１１０内を流れる高温の加湿水によってさらに加湿、昇温され、高温高湿な状態となった後供給ガス排出口１０２より加湿器１０９外部に排出され、その後燃料電池へと供給される。
【００５４】
図５に示すように、燃料電池より排出された燃料ガスや酸化剤ガスなどの高温高湿の排出ガスは、排出ガス流入口１より加湿器内部に流入し、第二セパレータ７の第二の領域５に構成された排出ガス流路８内を水蒸気透過膜１０８を介して接触する第一セパレータ３の第三の領域６に構成された供給ガス流路１０７内を流れる供給ガスと対抗する方向に流通した後、排出ガス流出口２より加湿器１０９外部へと排出される。この際、第二の領域５において、水蒸気透過膜１０８を介して接触する供給ガス流路１０７内を流れる供給ガスと全熱交換を行う事で内部に含む水蒸気を供給ガスへと移行させ、供給ガスの温度を昇温し、さらに排出ガスの温度を下げることで内部に含まれる水蒸気を凝縮させ排出ガス流出口２から排出される排出ガスと共に加湿器１０９外部に排出する。加湿器１０９外部に排出された凝縮水（純水）は排出ガス流出口２に連通して設けられた加湿水タンクを兼ねる凝縮水回収部１２によって排出ガスと分離され、加湿水循環ポンプ１３により加湿水流路１１０へと供給される。
【００５５】
凝縮水回収部１２により回収された凝縮水は加湿水循環ポンプ１３によって加湿水として加湿水流入口１１２より加湿器１０９内部に供給され、第二セパレータ７内の第一の領域４に構成された加湿水流路１１０を第三セパレータ９の第一の領域に構成された冷却水流路１０６（ａ）内を流れる冷却水とは対抗する方向へ他端まで流通した後、折り返し部にて向きを変え、第三の領域６へと流入する。第三の領域６へ流入した加湿水は第一セパレータ３の第三の領域６に構成された供給ガス流路１０７内を流れる供給ガスと対抗する方向へ加湿水流路１１０を流通した後、加湿水流出口１１３より排出され、凝縮水回収部１２へと戻される。この際、加湿水は第一の領域４において伝熱板１１を介して接触する第三セパレータ９の第一の領域４に構成された冷却水流路１０６（ａ）内を流れる高温の冷却水により加熱され、高温となった後第三の領域６へと流入する。高温となった加湿水は第三の領域６において水蒸気透過膜１０８を介して接触する第一セパレータ３の第三の領域６に構成された供給ガス流路１０７内を流通する供給ガスを加湿する。供給ガスと熱交換する事によって加湿水は温度が低下するが、第一セパレータ３とは他の面に接触している第三のセパレータ９内を流れる高温の冷却水により昇温される事で大きく温度を下げることなく加湿水流出口１１３まで流通する。
【００５６】
燃料電池より排出された高温の冷却水は、冷却水流入口１０３より加湿器内部に流入し、第一セパレータ３および第三セパレータ９の第一の領域４に設けられた冷却水流路１０４（ａ）、第三セパレータ９の第二の領域５および第三の領域６に設けられた冷却水流路（ｂ）へとそれぞれ独立して流通する。この際、第一の領域４の冷却水流路１０４（ａ）において冷却水は第二セパレータ７の第一の領域４内を流れる加湿水と対抗する方向に流通する。これとは独立して冷却水流入口１０３より流入した冷却水は第三の領域６内を第一セパレータ３の第三の領域６内を流れる供給ガスとは対向する方向、つまり、第二セパレータ７の第三の領域６内を流れる加湿水と同一の方向へと他端まで流通した後、折り返し部で向きを変え、第二の領域５へと流入する。第二の領域においては第一セパレータ３の第二の領域５内を流れる供給ガスとは対向する方向、つまり、第二セパレータ７の第二の領域５内を流れる排出ガスと同一の方向へと流通した後、冷却水流出口１０４（ｂ）から加湿器１０９外部へと排出される。この際、冷却水は第一の領域４を流通する冷却水流路１０６（ａ）において、伝熱板１１を介して接触する第二セパレータ７の第一の領域４内を流れる加湿水と熱交換を行い加湿水を昇温させた後、冷却水流出口１０４（ａ）より加湿器外部に排出される。また、第三の領域６へと流入した冷却水は第三の領域６において伝熱板１１を介して接触する第一セパレータ３の第三の領域６内を流通する供給ガスを昇温すると共に第二セパレータ７の第三の領域６内を流通する加湿水と熱交換する事で加湿水の温度が下がるのを防止した後、第二の領域５へと流入し、伝熱板１１を介して接触する第一セパレータ３の第二の領域５内を流通する供給ガスと熱交換を行う事で供給ガスの昇温を行い、その後冷却水流出口１０４（ｂ）より加湿器１０９外部へと排出され、再び燃料電池へと戻る。このとき、冷却水流路１０６（ａ）および１０６（ｂ）内部を流れる冷却水はその流量がほぼ等しくなるようにする事で加湿水の昇温と保温のバランスを取る事ができ、最も効率良く加湿を行う事ができる。
【００５７】
このような構成を取る事により、燃料電池から排出された排出ガスを燃料電池に供給する供給ガスと熱交換させる事で排出ガス中に含まれる水分を供給ガスの加湿用の純水として回収する事ができる。加湿水の昇温においても、第一の領域４において加湿水と高温の冷却水を単独で熱交換させる事が可能であり、冷却水と加湿水の流通方向を対抗する方向にしているため効率よく熱交換を行う事が可能となるため加湿水をより高温な状態としてから供給ガスの加湿に利用する事ができる。また、加湿水による供給ガスの加湿においても、供給ガスの出口部において、加湿水をもっとも高温な状態にする事が可能となると共に供給ガスを加湿する事によって温度が低下する加湿水を高温の冷却水により保温する事ができる為、常に高温の加湿水により供給ガスの加湿が行えるため供給ガスを高温高湿の状態にする事が可能となる。
【００５８】
加湿水と冷却水を第一の領域４において単独で熱交換させるため加湿水をより高温な状態、つまり、冷却水の最も高い温度により近づける事が可能となる。さらに、冷却水流路１０６を２系統設けることで供給ガス出口部において供給ガス、加湿水、冷却水のそれぞれが最も高い温度の状態で接触する事ができ、それぞれの流体の温度関係の逆転による加湿水から冷却水への熱移動や供給ガスから冷却水への熱移動を防止することが可能となり、より多くの熱（潜熱を含む）を供給ガスへと移動させる事が可能となる。
【００５９】
また、同一セパレータ内に供給ガス流路と冷却水流路、排出ガス流路と加湿水流路のような異なる流体の流路を同時に設ける事で、従来、２枚のセパレータに分けて各流体流路を設けた場合に生じていたセパレータ枚数の増加に伴う加湿器の大型化を防止する事ができ、比較的コンパクトなサイズで供給ガスをより高温高湿な状態にする事が可能となる。
【００６０】
なお、本実施例においては排出ガスと供給ガスを熱交換する事で排出ガス中に含まれる水分を回収する構成としたが、排出ガス中に含まれる水分を回収して供給ガスの加湿に使用する構成を取れば良く、加湿器外部に設けた凝縮器を用いて排出ガス中に含まれる水分を加湿水へと回収する方式を取ってもその作用効果に差異を生じない。
【００６１】
また、本実施例における水蒸気透過膜とは水蒸気のみを選択的に透過する膜であり、多孔質や高分子電解質膜などの水蒸気選択透過性のある材料であれば良く、なお望ましくは、液体としての水分を供給ガス側へ移行させる事がなく、熱交換を促進させるために極力薄い膜であると同時に耐熱性、耐水性に優れ、両面に接する流体の圧力差によって破損する事の無いフッ素系材料や、ポリイミドなどの材質が好ましいが、材質の違いによる作用効果については差異を生じない。
【００６２】
また、本実施例では水蒸気透過膜を介して供給ガスを加湿する方法を取ったが、供給ガスと加湿水を直接接触させることにより加湿を行う方法であっても良く、その作用効果に差異を生じず、なお好ましくは加湿水と供給ガスの接触面積を極力大きく取れる構造が望ましい。例えば、直接接触させる場合には、加湿水を霧状にして供給ガス中に噴霧するなどして供給ガスと加湿水の接触面積を増加させる事が望ましい。
【００６３】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、燃料電池に供給する供給ガスをより高温高湿な状態に加湿する事ができる加湿器を提供できる。
【００６４】
また、同程度の加湿を行う加湿器よりも比較的コンパクトな構成の加湿器を提供する事ができる。
【００６５】
また、燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水蒸気を回収し加湿用の純水として利用する事で加湿用の純水を外部から供給する必要のない加湿器を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１の第一セパレータを示す概略図（表面）
（ｂ）本発明の実施例１の第一セパレータを示す概略図（裏面）
【図２】（ａ）本発明の実施例１の第一セパレータを示す概略図（表面）
（ｂ）本発明の実施例１の第一セパレータを示す概略図（裏面）
【図３】（ａ）同実施例１の第三セパレータを示す概略図（表面）
（ｂ）同実施例１の第三セパレータを示す概略図（裏面）
【図４】同実施例１の単セルの積層時の断面図
【図５】同実施例１の熱および水の移動の概略図
【図６】（ａ）本発明の従来例のプレートを示す図（表面）
（ｂ）本発明の従来例のプレートを示す図（裏面）
【図７】同従来例のプレート積層時の断面図
【図８】同従来例の各流体の流れの概略図
【図９】（ａ）同従来例の加湿プレートを示す図（表面）
（ｂ）同従来例の加湿プレートを示す図（裏面）
【図１０】（ａ）同従来例の供給ガスプレートを示す図（表面）
（ｂ）同従来例の供給ガスプレートを示す図（裏面）
【図１１】同従来例の加湿プレートおよび供給ガスプレートの積層時の断面図
【図１２】同従来例の加湿水を使用する場合の各流体の流れの概略図
【符号の説明】
１      排出ガス流入口
２      排出ガス流出口
３      第一セパレータ
４      第一の領域
５      第二の領域
６      第三の領域
７      第二セパレータ
８      排出ガス流路
９      第三セパレータ
１０    単セル
１１    伝熱板
１２    凝縮水回収部
１３    加湿水循環ポンプ
１０１  供給ガス流入口
１０２  供給ガス流出口
１０３  冷却水流入口
１０４  冷却水流出口
１０５  プレート
１０６  冷却水流路
１０７  供給ガス流路
１０８  水蒸気透過膜
１０９  加湿器
１１０  加湿水流路
１１１  加湿プレート
１１２  加湿水流入口
１１３  加湿水流出口
１１４  供給ガスプレート
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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