(57)【要約】【課題】燃料電池発電システムにおいて、電池排ガスによって燃料ガスまたは酸素含有ガスを加湿する加湿器（４３，２４）　の小型化やシステム効率の向上を図る。【解決手段】燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側や被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側に燃料ガス側送風機（３３）を配置し、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）を配置することで、これらの加湿器（４３，２４）　で水蒸気を渡す側よりも受ける側を相対的に負圧にして、水蒸気の移動速度を速める。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を主体とする燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う燃料電池（１０）と、該燃料電池（１０）へ供給される燃料ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガスによって加湿する燃料ガス加湿器（４３）とを備えた燃料電池発電システムであって、
燃料ガス側の送風機（３３）が、燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　を加湿側通路（４３ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
水素を主体とする燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う燃料電池（１０）と、該燃料電池（１０）へ供給される酸素含有ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガスによって加湿する酸素含有ガス加湿器（２４）とを備えた燃料電池発電システムであって、
酸素ガス側の送風機（２５）が、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　を加湿側通路（２４ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）が配置されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
水素を主体とする燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う燃料電池（１０）と、該燃料電池（１０）へ供給される燃料ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガスによって加湿する燃料ガス加湿器（４３）と、該燃料電池（１０）へ供給される酸素含有ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガスによって加湿する酸素含有ガス加湿器（２４）とを備えた燃料電池発電システムであって、
燃料ガス側の送風機（３３）が、燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　を加湿側通路（４３ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置され、
酸素ガス側の送風機（２５）が、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　を加湿側通路（２４ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置され、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）が配置されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置され、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）が配置されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料ガス加湿器（４３）は、電池排ガスに含まれる水蒸気を透過させて燃料ガスへ供給する水蒸気透過膜（４３ａ）　を備えていることを特徴とする請求項１，２，３，６，７または８記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
酸素含有ガス加湿器（２４）は、電池排ガスに含まれる水蒸気を透過させて酸素含有ガスへ供給する水蒸気透過膜（２４ａ）　を備えていることを特徴とする請求項４，５，６，７または８記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、燃料電池に供給される燃料ガスや酸素含有ガスを効率的に加湿するためのシステム構成に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、固体高分子電解質型の燃料電池が広く知られている。この種の燃料電池では、フッ素系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子を分散させて電極を形成することで、単電池が構成されている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノード）となり、他方が酸素極（カソード）となる。そして、上記燃料電池では、水素極側のガス通路へ水素あるいは水素を含む燃料ガスが供給され、酸素極側のガス通路へ酸素あるいは酸素を含む空気が供給される。これらガス通路へ導入されたガスは、電解質表面の電極と接触する。
【０００３】
上記固体高分子電解質型の燃料電池では、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。これは、電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜のプロトン伝導抵抗が増大し、発電効率の低下を招くからである。このため、燃料電池へ供給するガスを予め加湿して電解質膜の乾燥を防ぐという対策が、従来より講じられている。
【０００４】
例えば、特開平６−１３２０３８号公報には、燃料電池への供給ガスを、燃料電池からの電池排ガスによって加湿する加湿器が開示されている。燃料電池では電池反応によってＨ２Ｏ　が生成されるため、燃料電池から排出される電池排ガス（オフガス）には、多量の水蒸気が含まれている。そこで、上記加湿器は、水蒸気透過膜を利用することで電池排ガス中の水蒸気を供給ガス（燃料ガスや空気）へ供給している。つまり、上記加湿器では、電池排ガスに含まれる水蒸気が、水蒸気透過膜を透過して供給ガスに付与される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の加湿器を用いると、水蒸気透過膜の水蒸気透過速度が遅い場合、システム効率を向上させるためには大きな透過面積が必要となり、結果的に加湿器が大型化することになってしまう。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、燃料電池発電システムの加湿器の小型化やシステム効率の向上を可能にすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加湿器において水蒸気を受ける側を与える側に対して相対的に負圧にすることにより、水蒸気の移動速度を速めるようにしたものである。
【０００８】
具体的に、請求項１〜３に記載の発明は、水素を主体とする燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う燃料電池（１０）と、該燃料電池（１０）へ供給される燃料ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガス（例えば水素極排ガス）によって加湿する燃料ガス加湿器（４３）とを備えた燃料電池発電システムを前提としている。
【０００９】
そして、請求項１に記載の発明は、燃料ガス側の送風機（３３）が、燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　を加湿側通路（４３ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の燃料電池発電システムにおいて、燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１の燃料電池発電システムにおいて、燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置されていることを特徴としている。
【００１２】
これら請求項１，２，３に記載の発明では、燃料ガス加湿器（４３）において、加湿側通路（４３ｃ）　の電池排ガスから被加湿側通路（４３ｂ）　の燃料ガスに水分が与えられ、燃料ガスが加湿される。そして、従来のシステムでは被加湿側通路（４３ｂ）　と加湿側通路（４３ｃ）　に差圧は生じていないのに対して、燃料ガス側送風機（３３）を燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側や被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側などに配置することにより、水蒸気を受ける側である燃料ガス側を相対的に負圧側に、水蒸気を与える側である電池排ガス側を相対的に加圧側にすることができる。したがって、電池排ガスから燃料ガスへの水蒸気の移動速度を速めることができる。
【００１３】
次に、請求項４，５に記載の発明は、水素を主体とする燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う燃料電池（１０）と、該燃料電池（１０）へ供給される酸素含有ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガス（例えば酸素極排ガス）によって加湿する酸素含有ガス加湿器（２４）とを備えた燃料電池発電システムを前提としている。
【００１４】
そして、請求項４に記載の発明は、酸素ガス側の送風機（２５）が、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　を加湿側通路（２４ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４の燃料電池発電システムにおいて、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）が配置されていることを特徴としている。
【００１６】
これらの請求項４，５に記載の発明では、酸素含有ガス加湿器（２４）において、加湿側通路（２４ｃ）　の電池排ガスから被加湿側通路（２４ｂ）　の酸素含有ガスに水分が与えられ、酸素含有ガスが加湿される。そして、従来のシステムでは酸素ガス側送風機（２５）が酸素（空気）系統の回路において最も上流側に配置されていて、被加湿側通路（２４ｂ）　と加湿側通路（２４ｃ）　に差圧が生じていないのに対して、酸素ガス側送風機（２５）を酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側などに配置することにより、水蒸気を受ける側である酸素含有ガス側を相対的に負圧側に、水蒸気を与える側である電池排ガス側を相対的に加圧側にすることができる。したがって、電池排ガスから酸素含有ガスへの水蒸気の移動速度を速めることができる。
【００１７】
次に、請求項６〜８に記載の発明は、水素を主体とする燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う燃料電池（１０）と、該燃料電池（１０）へ供給される燃料ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガス（例えば水素極排ガス）によって加湿する燃料ガス加湿器（４３）と、該燃料電池（１０）へ供給される酸素含有ガスを該燃料電池（１０）から排出された電池排ガス（例えば酸素極排ガス）によって加湿する酸素含有ガス加湿器（２４）とを備えた燃料電池発電システムを前提としている。
【００１８】
そして、請求項６に記載の発明は、燃料ガス側の送風機（３３）が燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　を加湿側通路（４３ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置され、酸素ガス側の送風機（２５）が酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　を加湿側通路（２４ｃ）　に対して相対的に負圧にするように配置されていることを特徴としている。つまり、この発明は、請求項１と請求項４の特徴を兼ね備えたものである。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６の燃料電池発電システムにおいて、燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置され、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）が配置されていることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項６の燃料電池発電システムにおいて、燃料ガス加湿器（４３）における被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側に燃料ガス側送風機（３３）が配置され、酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）が配置されていることを特徴としている。
【００２１】
これら請求項６，７，８に記載の発明では、燃料ガス加湿器（４３）において、加湿側通路（４３ｃ）　の電池排ガスから被加湿側通路（４３ｂ）　の燃料ガスに水分が与えられ、燃料ガスが加湿される。そして、従来のシステムでは被加湿側通路（４３ｂ）　と加湿側通路（４３ｃ）　に差圧は生じていないのに対して、燃料ガス側送風機（３３）を燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側や被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側などに配置することにより、水蒸気を受ける側である燃料ガス側を相対的に負圧側に、水蒸気を与える側である電池排ガス側を相対的に加圧側にすることができる。したがって、電池排ガスから燃料ガスへの水蒸気の移動速度を速めることができる。
【００２２】
また、酸素含有ガス加湿器（２４）においては、加湿側通路（２４ｃ）　の電池排ガスから被加湿側通路（２４ｂ）　の酸素含有ガスに水分が与えられ、酸素含有ガスが加湿される。そして、従来のシステムでは酸素ガス側送風機（２５）が酸素（空気）系統の回路において最も上流側に配置されていて、被加湿側通路（２４ｂ）　と加湿側通路（２４ｃ）　に差圧が生じていないのに対して、酸素ガス側送風機（２５）を酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側などに配置することにより、水蒸気を受ける側である酸素含有ガス側を相対的に負圧側に、水蒸気を与える側である電池排ガス側を相対的に加圧側にすることができる。したがって、電池排ガスから酸素含有ガスへの水蒸気の移動速度を速めることができる。
【００２３】
さらに、請求項９に記載の発明は、請求項１，２，３，６，７または８に記載の燃料電池発電システムにおいて、燃料ガス加湿器（４３）が、電池排ガスに含まれる水蒸気を透過させて燃料ガスへ供給する水蒸気透過膜（４３ａ）　を備えていることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項４，５，６，７または８に記載の燃料電池発電システムにおいて、酸素含有ガス加湿器（２４）が、電池排ガスに含まれる水蒸気を透過させて酸素含有ガスへ供給する水蒸気透過膜（２４ａ）　を備えていることを特徴としている。
【００２５】
これらの請求項９，１０に記載の発明においては、上記各請求項の発明における送風機（３３，２５）　の配置により、燃料ガス加湿器（４３）の水蒸気を受ける側が相対的に負圧になり、水蒸気を与える側が加圧側になるために、電池排ガスから燃料ガスまたは酸素含有ガスへの水蒸気透過速度を速めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、この燃料電池発電システムの回路系統図である。この燃料電池発電システムは、燃料電池（１０）と、空気（酸素含有ガス）が流れる酸素系統回路（２０）と、燃料ガスが流れる水素系統回路（３０）とを備えている。水素系統回路（３０）には、原料ガスとしての都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成するように、複数の反応器により構成された改質装置（４０）が設けられている。そして、燃料ガスと酸素含有ガスとが燃料電池（１０）に供給され、該燃料電池（１０）において燃料ガス中の水素と酸素含有ガス（酸化剤ガス）中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００２８】
また、この燃料電池発電システムは、温水を生成する貯湯回路（５０）を備えており、いわゆるコジェネレーションシステムを構成している。
【００２９】
上記燃料電池（１０）は、固体高分子電解質型に構成されている。この燃料電池（１０）では、例えばフッ素系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子を分散させて電極を形成することで、単電池が構成されている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノード）となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃料電池（１０）は、バイポーラ板を介して単電池が積層されたスタック（集合電池）を構成している。なお、上述した燃料電池（１０）の構造については、図１において図示を省略している。
【００３０】
上記燃料電池（１０）では、バイポーラ板と電解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路（１１）が形成され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって水素極側ガス通路（１２）が形成されている。酸素極側ガス通路（１１）には、その入口側に空気供給管（２１）が接続され、その出口側に酸素極排気管（２２）が接続されている。一方、水素極側ガス通路（１２）には、その入口側に改質装置（４０）及び水素供給管（３１）が配管接続され、その出口側に水素極排気管（３２）が接続されている。
【００３１】
燃料電池（１０）には、冷却水回路（６０）が接続されている。この冷却水回路（６０）は、冷却水が充填された閉回路であって、冷却水タンク（６２）と冷却水ポンプ（６１）と水熱交換器（６３）と水／燃料熱交換器（６４，６５）　とが接続されている。冷却水回路（６０）は、冷却水が循環することによって、燃料電池（１０）を所定の作動温度に保つ作用をするものである。
【００３２】
上記空気供給管（２１）は、その始端が屋外に開口し、その終端が燃料電池（１０）の酸素極側ガス通路（１１）に接続されている。空気供給管（２１）には、その始端から終端に向かって順に、熱交換器である酸素含有ガス加熱器（２３）と、酸素含有ガス加湿器（２４）と、酸素ガス側送風機（２５）とが設けられている。従来、酸素ガス側送風機（２５）は酸素系統回路（２０）の最も上流側に設けられていたが、本実施形態では酸素ガス側送風機（２５）は酸素含有ガス加湿器（２４）の下流側に位置している。
【００３３】
また、空気供給管（２１）には、第１分岐管（２６）が設けられている。この第１分岐管（２６）は、空気供給管（２１）に対し、その始端が酸素含有ガス加熱器（２３）の上流側に接続されている。また、空気供給管（２１）には第２分岐管（２７）が設けられている。第２分岐管（２７）は、空気供給管（２１）に対し、その始端が酸素含有ガス加湿器（２４）と酸素ガス側送風機（２５）との間に接続されている。
【００３４】
上記酸素含有ガス加湿器（２４）は、水蒸気透過膜（２４ａ）　を備えている。水蒸気透過膜（２４ａ）　は、水蒸気が透過可能な膜であって、例えばポリビニルアルコール膜等の親水性の膜により構成されている。上記酸素含有ガス加湿器（２４）には、水蒸気透過膜（２４ａ）　を介して、酸素含有ガス通路（被加湿側通路）（２４ｂ）　と酸素極排ガス通路（加湿側通路）（２４ｃ）　とが区画形成されている。酸素含有ガス通路（２４ｂ）　には、空気供給管（２１）が接続されており、酸素含有ガスとしての空気が導入される。酸素極排ガス通路（２４ｃ）　には、酸素極排気管（２２）が接続されており、燃料電池（１０）の酸素極側ガス通路（１１）から電池排ガスとして排出された酸素極排ガスが導入される。この酸素極排気管（２２）は、水素極排気管（３２）と合流した後、後述する燃料ガス加熱器（４２）及び上記酸素含有ガス加熱器（２３）を通り、室外に開口している。
【００３５】
この実施形態では、上記空気供給管（２１）には酸素含有ガス加湿器（２４）と燃料電池（１０）との間に酸素ガス側送風機（２５）が接続されているため、酸素含有ガス加湿器（２４）内は、酸素極排ガス通路（２４ｃ）　が相対的に加圧側になり、酸素含有ガス通路（２４ｂ）　が相対的に負圧側となる。
【００３６】
上記改質装置（４０）は、原料ガスとしての都市ガスから水素主体の燃料ガスを生成するように構成されている。この改質装置（４０）には、ガスの流れに沿って順に、脱硫器（４１）と、熱交換器である燃料ガス加熱器（４２）と、燃料ガス加湿器（４３）と、改質器（４４）と、変成器（４５）と、ＣＯ（一酸化炭素）除去器（４６）とが設けられている。上記改質装置（４０）における脱硫器（４１）と燃料ガス加熱器（４２）の間には、空気供給管（２１）の第１分岐管（２６）が接続されている。この第１分岐管（２６）には、電磁弁などの開閉弁（ＳＶ１）　が設けられている。
【００３７】
上記脱硫器（４１）は、原料ガスとして供給された都市ガスから、硫黄分を吸着除去するように構成されている。
【００３８】
上記燃料ガス加湿器（４３）は、水蒸気透過膜（４３ａ）　を備えている。水蒸気透過膜（４３ａ）　は、水蒸気が透過可能な膜であって、例えばポリビニルアルコール膜等の親水性の膜により構成されている。上記燃料ガス加湿器（４３）には、水蒸気透過膜（４３ａ）　を介して、燃料ガス通路（被加湿側通路）（４３ｂ）　と水素極排ガス通路（加湿側通路）（４３ｃ）　とが区画形成されている。燃料ガス通路（４３ｂ）　は、改質装置（４０）における燃料ガス加熱器（４２）と改質器（４４）の間に設けられ、原料ガスが導入される。水素極排ガス通路（４３ｃ）　には、水素極排気管（３２）が接続されており、燃料電池（１０）の水素極側ガス通路（１２）から電池排ガスとして排出された水素極排ガスが導入される。
【００３９】
上記改質器（４４）は、部分酸化反応に対して活性を呈する触媒と、水蒸気改質反応に対して活性を呈する触媒とを備えている。改質器（４４）では、部分酸化反応及び水蒸気改質反応によって、原料ガスから水素が生成される。その際、改質器（４４）は、発熱反応である部分酸化反応の反応熱を、吸熱反応である水蒸気改質反応の反応熱として利用する。改質器（４４）を構成している改質触媒は、例えば、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以上を含む担体に、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持したものである。
【００４０】
上記変成器（４５）は、シフト反応（一酸化炭素変成反応）に活性を呈する触媒を備えている。変成器（４５）では、シフト反応によって、ガス中の一酸化炭素が削減されると同時に水素が増加する。変成器（４５）を構成している変成触媒は、例えば、セリア、ジルコニア、チタニアの少なくとも１つ以上を含む担体に白金を担持したものである。
【００４１】
上記ＣＯ除去器（４６）は、ＣＯ選択酸化反応に活性を呈する触媒を備えている。ＣＯ除去器（４６）では、ＣＯ選択酸化反応によって、ガス中のＣＯが更に削減される。そして、ＣＯ除去器（４６）から出た水素主体のガスが、燃料ガスとして燃料電池（１０）の水素極側ガス通路（１２）へ供給されるように、水素供給管（３１）が燃料電池（１０）に接続されている。ＣＯ除去器（４６）を構成しているＣＯ除去触媒は、例えば、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以上を含む担体に、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持したものである。
【００４２】
上記水素供給管（３１）には、ＣＯ除去器（４６）の前後に、上記水／燃料熱交換器（６５，６４）　が接続されている。水／燃料熱交換器（６５，６４）　では、水素供給管（３１）を流れる燃料ガスと冷却水回路（６０）を流れる冷却水とが熱交換を行う。
【００４３】
また、水素供給管（３１）には、ＣＯ除去器（４６）と燃料電池（１０）との間に、燃料ガス側送風機（３３）が設けられている。この燃料ガス側送風機（３３）は、燃料ガスを燃料電池（１０）から燃料ガス加湿器（４３）の水素極排ガス通路（４３ｃ）　に押し込み、燃料ガス加湿器（４３）内で水素極排ガス通路（４３ｃ）　を相対的に加圧側に、燃料ガス通路（４３ｂ）　を相対的に負圧側にする作用を行う。
【００４４】
上記水素極排気管（３２）は、燃料ガス加湿器（４３）の水素極排ガス通路（４３ｃ）　を介し、燃焼器（オフガスバーナ）（７０）に接続されている。水素極排気管（３２）には、燃料ガス加湿器（４３）と燃焼器（７０）との間に、上記空気供給管（２１）の第２分岐管（２７）が接続されている。この第２分岐管（２７）には、電磁弁などの開閉弁（ＳＶ２）　が設けられている。
【００４５】
上記燃焼器（７０）は、水素極排気管（３２）の終端に接続され、水素極排ガス中に残存する水素（Ｈ２）　などの可燃成分を、第２分岐管（２７）から供給される空気を利用して燃焼させるように構成されている。燃焼器（７０）を構成している燃焼触媒は、例えば、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以上を含む担体に、パラジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持したものである。
【００４６】
また、燃焼器（７０）には、燃焼ガス管（７１）の始端が接続されている。燃焼ガス管（７１）は、その終端が屋外に開口すると共に、その途中に、後述する温水／排ガス熱交換器（５２）と、上記燃料ガス加熱器（４２）及び酸素含有ガス加熱器（２３）が順に設けられている。上記酸素含有ガス加湿器（２４）の酸素極排ガス通路（２４ｃ）　は、この燃焼ガス管（７１）に対して、温水／排ガス熱交換器（５２）と燃料ガス加熱器（４２）との間で接続されている。水素極排ガスの燃焼によって生成される高温の燃焼排ガスは、酸素極排ガスとともに燃焼ガス管（７１）を流れて屋外へ排出される。
【００４７】
上記貯湯回路（５０）は、熱媒水が充填された閉回路である。この貯湯回路（５０）には、熱媒水の循環方向において、循環ポンプ（５１）と、上記水熱交換器（６３）と、温水／排ガス熱交換器（５２）と、貯湯タンク（５３）とが順に設けられている。貯湯回路（５０）を循環する熱媒水は、水熱交換器（６３）及び温水／排ガス熱交換器（５２）で加熱され、温水となって貯湯タンク（５３）に蓄えられる。そして、貯湯タンク（５３）の温水は、必要に応じて給湯に供される。
【００４８】
上記水熱交換器（６３）には、図示していないが冷却水流路と熱媒水流路とが区画形成されている。水熱交換器（６３）は、その冷却水流路が上記冷却水回路（６０）に接続され、その熱媒水流路が上記貯湯回路（５０）に接続されている。この水熱交換器（６３）は、冷却水流路の冷却水と熱媒水流路の熱媒水とを熱交換させるように構成されている。また、上記温水／排ガス熱交換器（５２）は、燃焼排ガスと熱媒水とを熱交換させるように構成されている。
【００４９】
−運転動作−
次に、上記燃料電池発電システムの運転動作を説明する。通常の運転時は、上記開閉弁（ＳＶ１，ＳＶ２）　は開かれた状態にセットされている。
【００５０】
まず、システムを起動して空気供給管（２１）の酸素ガス側送風機（２５）を運転すると、該空気供給管（２１）に空気が取り込まれる。この空気は、水素供給管（３１）における燃料ガスの流れに伴って、一部が第１分岐管（２６）を通じて改質装置（４０）へ送られ、残りが酸素含有ガス（酸化剤ガス）として酸素含有ガス加熱器（２３）へ導入される。この酸素含有ガスは、酸素含有ガス加熱器（２３）を流れる間に、空気極排ガスと燃焼ガスとから吸熱して加熱される。
【００５１】
酸素含有ガス加熱器（２３）において加熱された酸素含有ガスは、続いて酸素含有ガス加湿器（２４）の酸素含有ガス通路（２４ｂ）　へ流入する。このとき、酸素含有ガス加湿器（２４）の酸素極排ガス通路（２４ｃ）　には、酸素極排ガスが導入されている。そして、酸素含有ガス通路（２４ｂ）　の酸素含有ガス（空気）には、酸素含有ガス加湿器（２４）の水蒸気透過膜（２４ａ）　を透過した酸素極排ガス中の水蒸気が供給される。つまり、この酸素含有ガス加湿器（２４）では、燃料電池（１０）から排出された水蒸気が酸素含有ガス（空気）に回収される。上述したように、酸素極排ガス通路（２４ｃ）　が加圧側に、酸素含有ガス通路（２４ｂ）　が負圧側になっているため、水蒸気は酸素極排ガスから酸素含有ガスに効率よく移動する。
【００５２】
酸素含有ガス加湿器（２４）において加湿された酸素含有ガスは、酸素ガス側送風機（２５）を通り、燃料電池（１０）の酸素極側ガス通路（１１）へ導入される。このように、酸素極側ガス通路（１１）へ導入される酸素含有ガスを酸素含有ガス加湿器（２４）で加湿しておくことで、燃料電池（１０）における電解質膜の乾燥を防止している。
【００５３】
改質装置（４０）へは、原料ガスとして都市ガスが供給される。この原料ガスは、先ず脱硫器（４１）へ導入される。脱硫器（４１）では、原料ガスに含まれる硫黄分が除去される。脱硫器（４１）から出た原料ガスは、第１分岐管（２６）からの空気が混入された後に、燃料ガス加熱器（４２）へ導入される。この原料ガスは、燃料ガス加熱器（４２）を流れる間に燃焼ガスから吸熱して加熱される。
【００５４】
燃料ガス加熱器（４２）において加熱された原料ガスは、続いて燃料ガス加湿器（４３）の燃料ガス通路（４３ｂ）　へ流入する。一方、燃料ガス加湿器（４３）の水素極排ガス通路（４３ｃ）　には、水素極排ガスが導入されている。そして、燃料ガス通路（４３ｂ）　の原料ガスには、水蒸気透過膜（４３ａ）　を透過した水素極排ガス中の水蒸気が供給される。この燃料ガス加湿器（４３）では、改質器（４４）における水蒸気改質反応と変成器（４５）におけるシフト反応とに必要な量の水蒸気が、原料ガスに対して付与される。この燃料ガス加湿器（４３）においても、水素極排ガス通路（４３ｃ）　が加圧側に、燃料ガス通路（４３ｂ）　が負圧側になっているため、水蒸気は水素極排ガスから原料ガスに効率よく移動する。
【００５５】
燃料ガス加湿器（４３）で加湿された原料ガスは、改質器（４４）へ導入される。つまり、改質器（４４）に対しては、都市ガス、空気、及び水蒸気の混合物である原料ガスが供給される。改質器（４４）では、メタン（ＣＨ４）の部分酸化反応と水蒸気改質反応とが行われ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。改質器（４４）における部分酸化反応及び水蒸気改質反応の反応式は、
ＣＨ４＋１／２Ｏ２　→　ＣＯ＋２Ｈ２　…　部分酸化反応
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ＋３Ｈ２　　　…　水蒸気改質反応
に示す通りである。
【００５６】
改質器（４４）から流出した反応後のガスは、変成器（４５）へ送られる。変成器（４５）へ導入されるガスには、改質器（４４）で生成した水素と一酸化炭素が含まれている。また、このガスには、燃料ガス加湿器（４３）において供給されたものの水蒸気改質反応に用いられなかった水蒸気が残存している。変成器（４５）では、シフト反応が行われ、一酸化炭素が減少すると同時に水素が増加する。シフト反応の反応式は、
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋Ｈ２　　　　…　シフト反応
に示す通りである。
【００５７】
変成器（４５）から出たガスは、ＣＯ除去器（４６）へ導入される。ここで、変成器（４５）からＣＯ除去器（４６）へ送られるガスは、水素が主成分となっているものの、未だに一酸化炭素を含んでいる。この一酸化炭素は、残ったままでは水素極の触媒毒となる。そこで、ＣＯ除去器（４６）は、ＣＯ選択酸化反応によってガス中の一酸化炭素を更に削減する。ＣＯ選択酸化反応の反応式は、次の通りである。
ＣＯ＋１／２Ｏ２　→　ＣＯ２　　　　　…　ＣＯ選択酸化反応
そして、ＣＯ除去器（４６）で一酸化炭素を削減されたガスは、燃料ガスとして燃料電池（１０）の水素極側ガス通路（１２）へ供給される。
【００５８】
上述のように、燃料電池（１０）には、水素極側ガス通路（１２）へ燃料ガスが供給され、酸素極側ガス通路（１１）へ酸素含有ガス（酸化剤ガス）が供給される。燃料電池（１０）は、燃料ガス中の水素を燃料とし、酸素含有ガス中の酸素を酸化剤として発電を行う。具体的に、燃料電池（１０）では、水素極及び酸素極の電極表面において下記の電池反応が行われる。
水素極：２Ｈ２　→　４Ｈ＋＋４ｅ−
酸素極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−　→　２Ｈ２Ｏ
この電池反応により、燃料ガスに含まれる水素の燃焼反応の化学エネルギが電気エネルギに変換される。
【００５９】
燃料電池（１０）の酸素極側ガス通路（１１）からは、電池排ガスとして酸素極排ガスが排出される。この酸素極排ガスには、電池反応に使われなかった余剰酸素が含まれている。また、酸素極排ガス中には、電池反応によって生じたＨ２Ｏ　が水蒸気の状態で存在している。この酸素極排ガスは、酸素極排気管（２２）を通じて酸素含有ガス加湿器（２４）の酸素極排ガス通路（２４ｃ）　へ導入される。上述のように、酸素極排ガス通路（２４ｃ）　を加圧側に、酸素含有ガス通路（２４ｂ）　を負圧側にしているので、酸素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気透過膜（２４ａ）　を透過して酸素含有ガス通路（２４ｂ）　の酸素含有ガス（空気）へ効率よく供給される。酸素含有ガス加湿器（２４）において水蒸気を奪われた酸素極排ガスは、燃料ガス加熱器（４２）及び酸素含有ガス加熱器（２３）を通過した後、排気される。
【００６０】
一方、燃料電池（１０）の水素極側ガス通路（１２）からは、電池排ガスとして水素極排ガスが排出される。この水素極排ガスには、電池反応に使われなかった水素が残存している。また、水素極排ガス中には、電池反応によって生じたＨ２Ｏ　が水蒸気の状態で存在している。この水素極排ガスは、水素極排気管（３２）を通じて燃料ガス加湿器（４３）の水素極排ガス通路（４３ｃ）　へ導入される。上述のように、水素極排ガス通路（４３ｃ）　を加圧側に、燃料ガス通路（４３ｂ）　を負圧側にしているので、水素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気透過膜（４３ａ）　を透過して燃料ガス通路（４３ｂ）　の原料ガスへ効率よく供給される。燃料ガス加湿器（４３）において水蒸気を奪われた水素極排ガスは、燃焼器（７０）へ送り込まれる。
【００６１】
燃焼器（７０）は、第２分岐管（２７）から供給される酸素含有ガスを利用して、水素極排ガス中の水素を燃焼させる。この水素極排ガスの燃焼によって、高温の燃焼ガスが生成する。この燃焼ガスは、温水／排ガス熱交換器（５２）において、貯湯回路（５０）を流れる熱媒水に対して放熱する。
【００６２】
燃焼器（７０）から流出した燃焼ガスは、続いて燃料ガス加熱器（４２）へ導入される。燃料ガス加熱器（４２）では、燃焼ガスが原料ガスに対して放熱する。また、この燃焼ガスは、さらに酸素含有ガス加熱器（２３）を通過し、その際に酸素含有ガス（空気）に対して更に放熱する。その後、燃焼ガスは、燃焼ガスの流路から出て屋外へ排気される。
【００６３】
一方、冷却水ポンプ（６１）の運転により、冷却水回路（６０）において冷却水が循環する。具体的には、冷却水は、まず冷却水タンク（６２）から冷却水ポンプ（６１）を経て水熱交換器（６３）へ流れ、貯湯回路（５０）の熱媒水に対して放熱した後、燃料電池（１０）へ送られて吸熱作用を行う。この冷却水の吸熱作用により、燃料電池（１０）が所定の作動温度（例えば８５℃程度）に維持される。燃料電池（１０）で吸熱した冷却水は、水／燃料熱交換器（６４，６５）　において加熱された後、冷却水タンク（６２）へ戻る。冷却水は、以上の循環を繰り返し、燃料電池（１０）とＣＯ除去器（４６）の前後とから回収した熱を、水熱交換器（６３）を介して貯湯回路（５０）の熱媒水に与える。
【００６４】
また、貯湯回路（５０）においては、循環ポンプ（５１）の運転により熱媒水が循環する。具体的には、貯湯タンク（５３）から流出した熱媒水は循環ポンプ（５１）によって水熱交換器（６３）へ送り込まれる。水熱交換器（６３）において、熱媒水は、熱媒水流路を流れる間に冷却水流路の冷却水から吸熱する。これにより、上述したように燃料電池（１０）とＣＯ除去器（４６）の前後からの排熱が熱媒水に回収される。
【００６５】
その後、熱媒水は、温水／排ガス熱交換器（５２）へ導入される。温水／排ガス熱交換器（５２）において、熱媒水は、燃焼器（７０）の燃焼ガスから吸熱する。つまり、水素極排ガス中に残存する水素の燃焼熱が、熱媒水に回収される。そして、温水／排ガス熱交換器（５２）から出た熱媒水は、貯湯タンク（５３）へ送り返され、温水として貯留される。貯湯タンク（５３）に温水として蓄えられた熱媒水は、給湯に利用される。
【００６６】
−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、燃料ガス加湿器（４３）については水素極排ガス通路（４３ｃ）　の上流側に燃料ガス側送風機（３３）を接続し、酸素含有ガス加湿器（２４）については酸素含有ガス通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）を接続しているので、両加湿器（４３，２４）　とも水蒸気を受ける側である被加湿側通路（４３ｂ，２４ｂ）　（燃料ガス通路（４３ｂ）　及び酸素含有ガス通路（２４ｂ）　）が相対的に負圧側に、水蒸気を与える側である加湿側通路（４３ｃ，２４ｃ）　（水素極排ガス通路（４３ｃ）　及び酸素極排ガス通路（２４ｃ）　）が相対的に加圧側になる。したがって、電池排ガス中の水蒸気が水蒸気透過膜（４３ａ，２４ａ）　を従来よりも速い速度で透過する。
【００６７】
ここで、図２には、加圧側と負圧側との圧力比（圧縮比）と、加湿器のサイズとの関係を示すグラフを示している。このグラフでは、圧力比を１としたときの加湿器のサイズに対して、圧力比が大きくなったときの加湿器のサイズを２種類の湿度交換効率について示している。図示するように、圧力比が大きくなると加湿器（４３，２４）　のサイズを小さくすることができ、特に湿度交換効率が高いほどその効果が大きい。
【００６８】
したがって、本実施形態では、各加湿器（４３，２４）　について加湿側と被加湿側とに圧力差を付けているので、従来と同じシステム効率を得るための水蒸気透過面積を小さくでき、その結果、両加湿器（４３，２４）　の小型化が可能となる。また、例えば水蒸気透過面積を従来と同じにした場合は、システム効率を高めることも可能となる。
【００６９】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、図３に示すように、燃料ガス側送風機（３３）の配置を実施形態１とは異なるようにしたものである。
【００７０】
具体的には、この実施形態２において、燃料ガス側送風機（３３）は燃料ガス加湿器（４３）における水素極排ガス通路（４３ｃ）　の上流側でなく、燃料ガス通路（４３ｂ）　の下流側に接続されている。このシステムのその他の構成は、実施形態１と同様である。
【００７１】
この例のように、酸素含有ガス加湿器である酸素含有ガス加湿器（２４）について酸素含有ガス通路（２４ｂ）　の下流側に酸素ガス側送風機（２５）を接続し、燃料ガス加湿器である燃料ガス加湿器（４３）について燃料ガス通路（４３ｂ）　の下流側に燃料ガス側送風機（３３）を接続した場合でも、両加湿器（４３，２４）　とも水蒸気を受ける側である被加湿側通路（４３ｂ，２４ｂ）　（燃料ガス通路（４３ｂ）　及び酸素含有ガス通路（２４ｂ）　）が相対的に負圧側に、水蒸気を与える側である加湿側通路（４３ｃ，２４ｃ）　（水素極排ガス通路（４３ｃ）　及び酸素極排ガス通路（２４ｃ）　）が相対的に加圧側になる。したがって、電池排ガス中の水蒸気が水蒸気透過膜（４３ａ，２４ａ）　を従来よりも速い速度で透過するので、従来と同じシステム効率を得るための透過面積を小さくでき、加湿器（４３，２４）　の小型化が可能となる。また、水蒸気透過面積を同じにした場合は、システム効率を高めることも可能となる。
【００７２】
【発明の実施の形態３】
本発明の実施形態３は、図４に示すように、酸素ガス側送風機（２５）を実施形態１，２と同様に配置する一方、燃料ガス側送風機（３３）を設けない構成にしたものである。この実施形態３は、燃料ガス側で都市ガスの供給源からの供給圧を利用して水素系統回路（３０）に燃料ガスを流せる場合に対応したもので、燃料ガス側送風機（３３）の配置を特定することによる燃料ガス加湿器（４３）の小型化よりも燃料ガス側送風機（３３）が不要になることを優先したものである。この場合、燃料ガス加湿器（４３）は従来通りの大きさ、性能になる。
【００７３】
この実施形態３では、燃料側は従来と同じ性能であるものの、酸素ガス側送風機（２５）を実施形態１，２と同様に配置しているので、酸素含有ガス加湿器（２４）の小型化や、空気側でのシステム効率の向上を図ることが可能である。
【００７４】
【発明のその他の実施の形態】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００７５】
例えば、上記送風機（３３，２５）　の配置は各実施形態で説明した位置に限定されるものではなく、燃料ガス側及び／または酸素含有ガス側の加湿器（４３，２４）　において、水蒸気を受ける側が負圧側になり、与える側が加圧側になる限りは、各実施形態で説明した配置とは違った配置にしてもよい。例えば、燃料ガス側送風機（３３）を燃料電池（１０）の水素極側ガス通路（１２）と燃料ガス加湿器（４３）の水素極排ガス通路（加湿側通路）（４３ｃ）　の間に配置したり、酸素ガス側送風機（２５）を燃料電池（１０）の酸素極側ガス通路（１１）と酸素含有ガス加湿器（２４）の酸素極排ガス通路（加湿側通路）（２４ｃ）　の間に配置したりしてもよい。
【００７６】
また、上記各実施形態では、加湿器には水蒸気透過膜（４３ａ，２４ａ）　を用いたものについて説明したが、水蒸気を受ける側を与える側よりも負圧にすることで水蒸気の移動速度が速くなるような水蒸気透過膜（４３ａ，２４ａ）　以外の水蒸気移動媒体を用いたものを用いてもよい。例えば、酸素極排ガスや水素極排ガスから水分を吸着し、その水分を酸素含有ガスや燃料ガスに放出可能な吸着剤を用いるとともに、水分吸着側を水分放出側よりも相対的に負圧にする構成にしてもよい。
【００７７】
【発明の効果】
請求項１〜３に記載の発明によれば、燃料ガス側送風機（３３）を燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側や被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側などに配置することにより、水蒸気を受ける被加湿側通路（４３ｂ）　の燃料ガス側を相対的に負圧側に、水蒸気を与える加湿側通路（４３ｃ）　の電池排ガス側を相対的に加圧側にして、電池排ガスから燃料ガスへの水蒸気の移動速度を速めることができるため、水蒸気の移動する面積を小さくしても従来と同等のシステム効率を得ることができる。また、水蒸気の移動する面積を従来と同じにするのであれば、システム効率を高めることが可能となる。したがって、燃料ガス加湿器（４３）の小型化やシステム効率の向上を図ることができる。
【００７８】
また、請求項４，５に記載の発明によれば、酸素ガス側送風機（２５）を酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側などに配置することにより、水蒸気を受ける被加湿側通路（２４ｂ）　の燃酸素含有ガス側を相対的に負圧側に、水蒸気を与える加湿側通路（２４ｃ）　の電池排ガス側を相対的に加圧側にして、電池排ガスから酸素含有ガスへの水蒸気の移動速度を速めることができるため、水蒸気の移動する面積を小さくしても従来と同等のシステム効率を得ることができる。また、水蒸気の移動する面積を従来と同じにするのであれば、システム効率を高めることが可能となる。したがって、酸素含有ガス加湿器（２４）の小型化やシステム効率の向上を図ることができる。
【００７９】
また、請求項６〜８に記載の発明によれば、燃料ガス側送風機（３３）を燃料ガス加湿器（４３）における加湿側通路（４３ｃ）　の上流側や被加湿側通路（４３ｂ）　の下流側などに配置することに加えて、酸素ガス側送風機（２５）を酸素含有ガス加湿器（２４）における被加湿側通路（２４ｂ）　の下流側などに配置したことにより、燃料ガス側と酸素含有ガス側の両方で、加湿側通路（４３ｃ，２４ｃ）　から被加湿側通路（４３ｂ，２４ｂ）　への水蒸気の移動速度を速めることが可能となり、両加湿器（４３，２４）　の小型化やシステム効率の向上を図ることができる。
【００８０】
また、請求項９，１０に記載の発明によれば、水蒸気透過膜（４３ａ，２４ａ）　を備えた燃料ガス加湿器（４３）や酸素含有ガス加湿器（２４）において、水蒸気透過面積を小さくしても従来と同じシステム効率を得ることができ、水蒸気透過面積を同じにすれば従来よりもシステム効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池発電システムの回路系統図である。
【図２】加湿器における圧力比と加湿器サイズとの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態２に係る燃料電池発電システムの回路系統図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る燃料電池発電システムの回路系統図である。
【符号の説明】
（１０）　燃料電池
（２０）　酸素系統回路
（２４）　酸素含有ガス加湿器
（２４ａ）　水蒸気透過膜
（２４ｂ）　酸素含有ガス通路
（２４ｃ）　酸素極排ガス通路
（２５）　酸素ガス側送風機
（３０）　水素系統回路
（３３）　燃料ガス側送風機
（４０）　改質装置
（４１）　脱硫器
（４３）　燃料ガス加湿器
（４３ａ）　水蒸気透過膜
（４３ｂ）　燃料ガス通路
（４３ｃ）　水素極排ガス通路
（４４）　改質器
（４５）　変成器
（４６）　ＣＯ除去器
（５０）　貯湯回路
（６０）　冷却水回路
（７０）　燃焼器
【図１】
2004022225.tif 000003
【図２】
2004022225.tif 000004
【図３】
2004022225.tif 000005
【図４】
2004022225.tif 000006