(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と熱交換器との間を循環する冷却液により燃料電池を冷却する冷却系と、
燃料電池のカソード極出口側から排出される高湿潤のカソードオフガスとの間の水分交換によりカソード極入口側に供給される酸化剤ガスを加湿する中空糸膜式水透過型の第１加湿装置と、
燃料電池のアノード極またはカソード極の出口側から排出される高湿潤のオフガスとの間の水分交換によりアノード極入口側に供給される燃料ガスを加湿する中空糸膜式水透過型の第２加湿装置と、
前記燃料電池から吸熱して熱交換器へ向かう前記冷却系の冷却液により前記酸化剤ガスおよび燃料ガスを加熱する加熱手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記第１加湿装置は、第１中空糸膜と、前記第１中空糸膜を収容する第１ハウジングと、を備え、カソードオフガスが前記第１中空糸膜内を通流し、酸化剤ガスが前記第１中空糸膜外であって前記第１ハウジング内を通流する構成であり、
前記第２加湿装置は、第２中空糸膜と、前記第２中空糸膜を収容する第２ハウジングと、を備え、オフガスが前記第２中空糸膜内を通流し、燃料ガスが前記第２中空糸膜外であって前記第２ハウジング内を通流する構成であり、
前記加熱手段は、前記第１ハウジングの周囲に設けられた第１冷却液通路と、前記第２ハウジングの周囲に設けられた第２冷却液通路と、を備え、
前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第１冷却液通路を通流することで、前記第１ハウジング内を通流する酸化剤ガスを加熱し、
前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第２冷却液通路を通流することで、前記第２ハウジング内を通流する燃料ガスを加熱する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスと熱交換する第１熱交換器と、前記第２加湿装置に向かう燃料ガスと熱交換する第２熱交換器と、を備え、
前記第１熱交換器において、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスを加熱し、
前記第２熱交換器において、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第２加湿装置に向かう燃料ガスを加熱する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスが通流する流路に設けられたインタークーラを備え、
前記加熱手段は、前記インタークーラを経由するように、前記燃料電池から吸熱した冷却液を通流させ、
前記インタークーラにおいて、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスを加熱する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２加湿装置は、前記燃料電池のアノード極から排出されたアノードオフガスと、前記燃料電池に向かう燃料ガスとの間で水分交換し、
前記燃料電池に向かう燃料ガスが通流する流路に設けられ、燃料ガスが通流することで負圧を発生させ、この負圧により前記第２加湿装置から排出された水分交換後のアノードオフガスに含まれる凝縮水を吸引し、吸引した凝縮水を前記燃料電池に向かう燃料ガスに混合する水吸引用エゼクタを備え、
前記加熱手段は、前記水吸引用エゼクタの周囲に設けられた第３冷却液通路を備え、
前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第３冷却液通路を通流することで、前記水吸引用エゼクタを通流する燃料ガスを加熱する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池に供給して水素と酸素の化学反応により発電させる燃料電池システムに関し、詳しくは、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスを加熱する構成を備えた燃料電池システムに関するものでる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来のエンジンに代えて走行用モータを搭載する各種の電気自動車が開発されている。この種の電気自動車の一つとして、例えばＰＥＭＦＣ（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）と略称される水素イオン交換膜型燃料電池（以下、ＰＥＭ型燃料電池という。）を走行用モータの電源として搭載する燃料電池自動車の開発が急速に進められている。
【０００３】
前記ＰＥＭ型燃料電池は、発電単位であるセルを多数積層した構造のスタックとして構成されており、各セルは、水素供給路を有するアノード極セパレータと酸素供給路を有するカソード極セパレータとの間にＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と略称される膜・電極接合体を挟み込んだ構造を有している。このＭＥＡは、ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）と略称される固体高分子材料の水素イオン交換膜の片面にアノード側電極触媒層およびガス拡散層が順次積層され、前記ＰＥＭ（水素イオン交換膜）の他の片面にカソード側電極触媒層およびガス拡散層が順次積層されて構成されている。
【０００４】
この種のＰＥＭ型燃料電池では、燃料ガスとしての加湿された水素ガスが前記水素供給路をアノード極入口側からアノード極出口側へ向って通流し、酸化剤ガスとしての加湿された空気が前記酸素供給路をカソード極入口側からカソード極出口側へ向って通流すると、各セルのアノード極側から水素イオンが湿潤状態のＭＥＡのＰＥＭ（水素イオン交換膜）を透過してカソード極側へ移動することにより、各セルが１Ｖ程度の起電力を発生する。この場合、ＰＥＭ型燃料電池は、例えば７０〜８０℃程度の温度環境において最も安定した出力状態が得られる。
【０００５】
そこで、このような発電メカニズムを有するＰＥＭ型燃料電池を使用した燃料電池システムには、加湿された空気および水素ガスを連続的に供給して発電を継続させ、かつ、燃料電池を適温範囲に維持するため、例えば過給機により圧送される空気をインタークーラにより冷却してカソード極入口側に供給する空気供給系、カソード極出口側から高湿潤の余剰空気を排出する空気排出系、貯留された水素ガスをアノード極入口側に供給する水素ガス供給系、アノード極出口側から高湿潤の余剰水素ガスを排出する水素ガス排出系、前記空気供給系の空気を前記空気排出系の高湿潤の余剰空気との間の水分交換により加湿する水透過膜型の加湿装置、前記水素ガス供給系の水素ガスを前記水素ガス排出系の高湿潤の余剰水素ガスとの間の水分交換により加湿する水透過膜型の加湿装置、燃料電池と熱交換器との間で冷却液を循環させて燃料電池を適温範囲に維持する冷却系などが設けられている。
【０００６】
ここで、前記水透過型の加湿装置としては、軽量でコンパクトな中空糸膜式加湿器（特開平７−７１７９５号公報参照）が一般に使用されている。また、前記水素ガス供給系の水素ガスを加湿する手段としては、水素ガス排出系に流出する水分を水素ガス供給系に吸い上げる水吸引用のエゼクタも使用されている。一方、前記冷却系としては、燃料電池の液絡現象を防止する観点から、導電性の無いエチレングリコール系の水溶液を１次冷却液として燃料電池と液液式の１次熱交換器との間で循環させ、かつ、前記１次熱交換器と気液式の２次熱交換器（ラジエータ）との間で２次冷却液を循環させる２段冷却式が一般に採用されている。
【０００７】
前記中空糸膜式加湿器は、水透過性の中空糸膜を多数本束ねた構造の中空糸膜集合体が円筒状ハウジング内に収容された中空糸膜モジュールと、この中空糸膜モジュールの両端部にそれぞれ連結されるヘッドブロックとで構成されている。この種の中空糸膜式加湿器においては、例えば前記空気供給系の乾燥した空気がスイープガスとして一方のヘッドブロックから前記円筒状ハウジング内を通過して他方のヘッドブロックへと通流し、同時に、前記空気排出系の高湿潤の余剰空気がカソードオフガスとして他方のヘッドブロックから前記中空糸膜集合体の各中空糸の内部を通過して一方のヘッドブロックへと通流する。そして、各中空糸膜の内部を通過する空気排出系の高湿潤の空気と、各中空糸膜の外周に接触して通過する空気供給系の乾燥した空気との間で水分交換が行われることにより、空気排出系の高湿潤の余剰空気が除湿され、空気供給系の乾燥した空気が加湿される。ここで、前記中空糸膜としては、ガス中の水分を毛管凝縮作用により透過させる多孔質の中空糸膜が耐熱性の高いことから一般に使用される。なお、ガス中の水分のみをイオン水和作用により透過させる非多孔質の中空糸膜（例えばデュポン社製のナフィオン（登録商標）等）も使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の燃料電池システムにおいては、その起動時のように燃料電池自体の温度が低い場合、空気供給系からカソード極入口側に供給される空気の温度が低いと、燃料電池の発電性能が低下する。特に、外気温度が低い場合には、カソード極入口側に供給される空気の温度が一層低くなり、加えて加湿された空気の露点が低くなって加湿量が低下するため、燃料電池の発電性能が極端に低下するという問題がある。そして、この場合には、燃料電池の耐久性が低下するという別の問題も発生する。一方、前記水素ガス供給系の水素ガスを水吸引用のエゼクタにより加湿している場合、アノード極入口側に供給される水素ガスの温度が水吸引用のエゼクタの作動に伴う気化潜熱により低下するため、燃料電池の起動時や外気温が低い場合には、前記と同様の問題が発生する。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合においても、燃料電池の発電性能の低下を防止でき、ひいては燃料電池の耐久性の低下を防止することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１０】
前記の課題を解決する手段として、本発明は、燃料電池と熱交換器との間を循環する冷却液により燃料電池を冷却する冷却系と、燃料電池のカソード極出口側から排出される高湿潤のカソードオフガスとの間の水分交換によりカソード極入口側に供給される酸化剤ガスを加湿する中空糸膜式水透過型の第１加湿装置と、燃料電池のアノード極またはカソード極の出口側から排出される高湿潤のオフガスとの間の水分交換によりアノード極入口側に供給される燃料ガスを加湿する中空糸膜式水透過型の第２加湿装置と、前記燃料電池から吸熱して熱交換器へ向かう前記冷却系の冷却液により前記酸化剤ガスおよび燃料ガスを加熱する加熱手段と、を備える燃料電池システムであって、前記第１加湿装置は、第１中空糸膜と、前記第１中空糸膜を収容する第１ハウジングと、を備え、カソードオフガスが前記第１中空糸膜内を通流し、酸化剤ガスが前記第１中空糸膜外であって前記第１ハウジング内を通流する構成であり、前記第２加湿装置は、第２中空糸膜と、前記第２中空糸膜を収容する第２ハウジングと、を備え、オフガスが前記第２中空糸膜内を通流し、燃料ガスが前記第２中空糸膜外であって前記第２ハウジング内を通流する構成であり、前記加熱手段は、前記第１ハウジングの周囲に設けられた第１冷却液通路と、前記第２ハウジングの周囲に設けられた第２冷却液通路と、を備え、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第１冷却液通路を通流することで、前記第１ハウジング内を通流する酸化剤ガスを加熱し、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第２冷却液通路を通流することで、前記第２ハウジング内を通流する燃料ガスを加熱することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、その起動により燃料電池のカソード極入口側に酸化剤ガスが供給され、アノード極入口側に燃料ガスが供給されると、燃料電池が発電を開始し、カソード極出口側からは余剰の高湿潤のカソードオフガスが排出され、アノード極出口側からは余剰の高湿潤の燃料ガスが排出される。そして、カソード極出口側から排出される高湿潤のカソードオフガスとカソード極入口側に供給される酸化剤ガスとが水透過膜型の第１加湿装置により水分交換することにより、排出されるカソードオフガスが除湿され、供給される酸化剤ガスが加湿される。同様に、アノード極またはカソード極の出口側から排出される高湿潤のオフガスとアノード極入口側に供給される燃料ガスとが水透過膜型の第２加湿装置により水分交換することにより、排出されるオフガスが除湿され、供給される燃料ガスが加湿される。一方、燃料電池を適温範囲に保持するように、冷却系の冷却液が燃料電池と熱交換器との間を循環する。その際、燃料電池から吸熱して熱交換器へ向かう冷却液を熱源として、加熱手段がカソード極入口側に供給される加湿された酸化剤ガスおよびアノード極入口側に供給される加湿された燃料ガスをそれぞれ加熱する。
【００１２】
また、このような燃料電池システムによれば、第１加湿装置および第２加湿装置は、露点温度の高い酸化剤ガスおよび燃料ガスに対してそれぞれ加湿することができ、酸化剤ガスおよび燃料ガスの加湿量を増大することができるので好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記加熱手段は、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスと熱交換する第１熱交換器と、前記第２加湿装置に向かう燃料ガスと熱交換する第２熱交換器と、を備え、前記第１熱交換器において、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスを加熱し、前記第２熱交換器において、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第２加湿装置に向かう燃料ガスを加熱することが好ましい。
このように、各熱交換器が各加湿装置の上流側にそれぞれ配置されていると、それぞれ加湿装置に供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの温度を予め上昇させてその露点温度を上昇でき、加湿装置による酸化剤ガスおよび燃料ガスの加湿量を速やかに増大できるので好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスが通流する流路に設けられたインタークーラを備え、前記加熱手段は、前記インタークーラを経由するように、前記燃料電池から吸熱した冷却液を通流させ、前記インタークーラにおいて、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第１加湿装置に向かう酸化剤ガスを加熱することが好ましい。
このような燃料電池システムによれば、第１加湿装置に供給される酸化剤ガスの温度を予め上昇させてその露点温度を上昇でき、第１加湿装置による酸化剤ガスの加湿量を速やかに増大できる。また、別途の熱交換器などを設ける必要がないため、燃料電池システムをコンパクトに構成することができる。なお、前記冷却系の冷却液の循環経路には、燃料電池から吸熱して熱交換器へ向かう冷却液と、熱交換器により放熱して燃料電池へ向かう冷却液とを切り換えて前記インタークーラへ供給できるように３方切換弁などの切換手段を設けるのが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記第２加湿装置は、前記燃料電池のアノード極から排出されたアノードオフガスと、前記燃料電池に向かう燃料ガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう燃料ガスが通流する流路に設けられ、燃料ガスが通流することで負圧を発生させ、この負圧により前記第２加湿装置から排出された水分交換後のアノードオフガスに含まれる凝縮水を吸引し、吸引した凝縮水を前記燃料電池に向かう燃料ガスに混合する水吸引用エゼクタを備え、前記加熱手段は、前記水吸引用エゼクタの周囲に設けられた第３冷却液通路を備え、前記燃料電池で吸熱した冷却液が、前記第３冷却液通路を通流することで、前記水吸引用エゼクタを通流する燃料ガスを加熱することが好ましい。
このような燃料電池システムによれば、水吸引用エゼクタが燃料ガスを加湿する際の気化潜熱による燃料ガスの温度低下を防止して燃料ガスの露点温度を上昇でき、水吸引用エゼクタによる燃料ガスの加湿量を増大できるので好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。図１に示す第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池（ＦＣ）１に空気供給系２、空気排出系３、水素ガス供給系４、水素ガス排出系５および冷却系６が付設された燃料電池システムであって、例えば燃料電池電気自動車に走行用モータの駆動電源として搭載される。
【００１７】
前記燃料電池（ＦＣ）１は、発電単位であるセルが多数積層された構造のＰＥＭ型燃料電池であり、例えば７０〜８０℃程度の温度環境において、最も安定した出力状態が得られる。この燃料電池（ＦＣ）１は、図示しない出力電流制御装置を介してバッテリおよび走行用モータの駆動ユニットに給電するように回路構成されている。
【００１８】
前記空気供給系２は、酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給する。このため、空気供給系２には、その上流側から下流側へ向かって過給機（Ｓ／Ｃ）２Ａ、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂが配設されている。また、カソード極入口側に供給する空気を加熱して加湿するため、前記インタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂの下流側には、熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃおよび水透過膜型の加湿装置としての中空糸膜式加湿器２Ｄが配設されている。なお、前記過給機（Ｓ／Ｃ）２Ａの上流側には、図示しない消音器およびエアフィルタが配設されている。
【００１９】
前記空気排出系３は、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極出口側から反応水を含んだ余剰空気である高湿潤のカソードオフガスを排出する。この高湿潤のカソードオフガスにより前記カソード極入口側に供給される空気を加湿するため、空気排出系３には前記中空糸膜式加湿器２Ｄが配設され、その下流側にはカソードオフガスの排出制御弁３Ａが介設されている。
【００２０】
前記水素ガス供給系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池（ＦＣ）１のアノード極入口側に循環して供給する。このため、水素ガス供給系４には、水素タンク４Ａおよびエゼクタ４Ｂが配設されている。また、アノード極入口側に供給する水素ガスを加熱して加湿するため、前記エゼクタ４Ｂの上流側には熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃが配設され、エゼクタ４Ｂの下流側には水透過膜型の加湿装置としての中空糸膜式加湿器４Ｄが配設されている。また、この中空糸膜式加湿器４Ｄと並列に、前記熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃの下流側と中空糸膜式加湿器４Ｄの下流側との間には、水吸引用のエゼクタ４Ｅ（以下、発明の実施の形態の説明においては、「水吸引エゼクタ４Ｅ」と略称する。）が介設されている。
【００２１】
前記エゼクタ４Ｂおよび水吸引エゼクタ４Ｅは、図示しないディフューザおよびノズルにより主流の流速を圧力変換して吸引室に負圧を発生させるように構成された一種のジェットポンプであり、構造が簡単で、操作・保守が容易であり、耐久性に優れている。ここで、前記エゼクタ４Ｂは、水素ガス排出系５に排出されるアノードオフガスを吸引して水素ガス供給系４に循環させる。一方、水吸引エゼクタ４Ｅは、水素ガス排出系５に排出されるアノードオフガス中の凝縮水を吸引して水素ガス供給系４に還流する。
【００２２】
前記水素ガス排出系５は、燃料電池（ＦＣ）１のアノード極出口側から反応水を含んだ余剰水素ガスである高湿潤のアノードオフガスを排出する。この高湿潤のカソードオフガスにより前記アノード極入口側に供給される水素ガスを加湿するため、水素ガス排出系５には前記中空糸膜式加湿器４Ｄが配設され、その下流側にはアノードオフガスの排出制御弁５Ａが介設されている。
【００２３】
前記冷却系６は、燃料電池（ＦＣ）1と熱交換器６Ａとの間を循環する冷却液により燃料電池（ＦＣ）1を適温範囲に冷却する。このため、冷却系６は、熱交換器６Ａにより放熱した冷却液を循環ポンプ６Ｂにより燃料電池（ＦＣ）１へ送出する冷却液循環往路６Ｃと、燃料電池（ＦＣ）１から吸熱した冷却液を熱交換器６Ａに戻す冷却液循環復路６Ｄとを少なくとも備えている。なお、図示を省略したが、この冷却系６には、燃料電池（ＦＣ）１の暖機を促進するため、熱交換器６Ａのバイパス流路と、このバイパス流路を冷却液の設定温度に応じて開閉するサーモスタットバルブとが設けられている。なお、前記バイパス流路を開放する冷却液の設定温度は、通常、７０℃程度に設定され、バイパス流路を閉鎖する冷却液の設定温度は、通常、８０℃程度に設定される。
【００２４】
前記冷却系６が２次冷却液の循環流路を有する２次冷却系を図示のように備えていない場合、前記熱交換器６Ａは、大気との間で熱交換可能な空冷式（気液式）のいわゆるラジエータで構成される。なお、冷却系６がラジエータを有する２次冷却系を備えている場合、前記熱交換器６Ａは、２次冷却液との間で熱交換可能な液液式の熱交換器で構成される。
【００２５】
前記燃料電池（ＦＣ）１の液絡現象を防止するため、前記熱交換器６Ａと燃料電池（ＦＣ）１との間を循環する冷却液としては、通常、導電率が低く維持された純水、または、導電性の無いエチレングリコール系の水溶液が使用される。また、冷却液循環往路６Ｃおよび冷却液循環復路６Ｄの配管材料は、絶縁性が高くイオンの溶出し難い合成樹脂管などで構成されている。
【００２６】
ここで、第１実施形態の燃料電池システムにおいては、前記冷却系６の燃料電池（ＦＣ）１から吸熱して熱交換器６Ａへ向かう冷却液により、前記燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気およびアノード極入口側に供給される水素ガスを加熱する手段が設けられている。すなわち、燃料電池（ＦＣ）１から熱交換器６Ａへ向かう冷却液循環復路６Ｄは、空気供給系２を通流する空気を加熱するため、冷却液が中空糸膜式加湿器２Ｄを循環して熱交換器６Ａへ戻り、また、熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃを循環して熱交換器６Ａへ戻るように配管されている。同様に、燃料電池（ＦＣ）１から熱交換器６Ａへ向かう冷却液循環復路６Ｄは、水素ガス供給系４を通流する水素ガスを加熱するため、冷却液が中空糸膜式加湿器４Ｄを循環して熱交換器６Ａへ戻り、また、熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃを循環して熱交換器６Ａへ戻り、さらに、水吸引エゼクタ４Ｅを循環して熱交換器６Ａへ戻るように配管されている。
【００２７】
前記空気供給系２の中空糸膜式加湿器２Ｄは、一端部に複数の気体流入孔が周方向に沿って配列され、他端部に複数の気体流出孔が周方向に沿って配列された円筒状ハウジング内に、多孔質の水透過性の中空糸膜を多数本束ねた構造の中空糸膜集合体を収容してなる中空糸膜モジュールを備えている。この中空糸膜モジュールは、スイープガス流入通路およびオフガス流出通路を有する一方のヘッドブロックに一端部が連結して支持され、また、スイープガス流出通路およびオフガス流入通路を有する他方のヘッドブロックに他端部が連結して支持されている。そして、この中空糸膜式加湿器２Ｄには、冷却液の循環路であるウォータジャケットが前記円筒状ハウジングの周囲に設けられている。
【００２８】
前記中空糸膜式加湿器２Ｄにおいては、前記空気供給系２の過給機（Ｓ／Ｃ）２Ａによって燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側へ圧送される乾燥した空気がスイープガスとして一方のヘッドブロックのスイープガス流入通路から前記円筒状ハウジング内を通過して他方のヘッドブロックのスイープガス流出通路へと通流し、同時に、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極出口側から排出される空気排出系３の高湿潤の余剰空気がカソードオフガスとして他方のヘッドブロックのオフガス流入通路から前記中空糸膜集合体の各中空糸の内部を通過して一方のヘッドブロックのオフガス流出通路へと通流する。そして、各中空糸膜の内部を通過する高湿潤の余剰空気であるカソードオフガスと、スイープガスとして各中空糸膜の外周に接触して通過する乾燥した空気との間で水分交換が行われることにより、空気排出系３の高湿潤のカソードオフガスが除湿され、空気供給系２の乾燥した空気が加湿される。
【００２９】
なお、水素ガス供給系４の中空糸膜式加湿器４Ｄは、前記中空糸膜式加湿器２Ｄと同様の構造を有するので、その構造についての詳細な説明は省略する。この中空糸膜式加湿器４Ｄにおいては、水素ガス排出系５の高湿潤の余剰水素ガスがアノードオフガスとして各中空糸膜の内部を通過し、水素ガス供給系４の乾燥した水素ガスがスイープガスとして各中空糸膜の外周に接触して通過するのであり、水素ガス排出系５の高湿潤の余剰水素ガスが除湿され、水素ガス供給系４の乾燥した水素ガスが加湿される。
【００３０】
前記熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃは、空気供給系２の空気と冷却系６の冷却液との間で熱交換する気液式の熱交換器である。同様に、前記熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃは、水素ガス供給系４の水素ガスと冷却系６の冷却液との間で熱交換する気液式の熱交換器である。一方、前記水吸引エゼクタ４Ｅは、前記燃料電池（ＦＣ）１のアノード極出口側から中空糸膜式加湿器４Ｄを通過して水素ガス排出系５に排出されるアノードオフガス中の凝縮水を吸引する。そして、この水吸引エゼクタ４Ｅは、水素ガス供給系４の乾燥した水素ガスが図示しないディフューザおよびノズルを通過することにより、吸引した凝縮水を乾燥した水素ガスに混合して水素ガスを加湿する。この水吸引エゼクタ４Ｅの周囲には、冷却液の循環路であるウォータジャケットが設けられている。
【００３１】
以上のように構成された第１実施形態の燃料電池システムにおいては、その起動により空気供給系２の過給機（Ｓ／Ｃ）２Ａから圧送される空気がインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂ、熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃ、中空糸膜式加湿器２Ｄを経由して燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される。同時に、水素ガス供給系４の水素タンク４Ａからの水素ガスが熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃ、エゼクタ４Ｂ、中空糸膜式加湿器４Ｄを経由して燃料電池（ＦＣ）１のアノード極入口側に供給される。これにより、燃料電池（ＦＣ）１は発電を開始し、そのカソード極出口側からは余剰の高湿潤の空気がカソードオフガスとして排出され、アノード極出口側からは余剰の高湿潤の水素ガスがアノードオフガスとして排出される。
【００３２】
こうして燃料電池システムが起動すると、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極出口側から排出される空気排出系３の高湿潤のカソードオフガスと、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気供給系２の空気との間で中空糸膜式加湿器２Ｄにより水分交換が行われ、空気排出系３のカソードオフガスが除湿され、空気供給系２の空気が加湿される。同様に、燃料電池（ＦＣ）１のアノード極出口側から排出される水素ガス排出系５の高湿潤のアノードオフガスと、燃料電池（ＦＣ）１のアノード極入口側に供給される水素ガス供給系４の水素ガスとの間で中空糸膜式加湿器４Ｄにより水分交換が行われ、水素ガス排出系５のアノードオフガスが除湿され、水素ガス供給系４の水素ガスが加湿される。また、水素ガス供給系４の水素ガスに対しては、水吸引エゼクタ４Ｅが水素ガス排出系５に排出される水分を吸引して混合することにより加湿する。
【００３３】
一方、燃料電池（ＦＣ）１を適温範囲に保持するように、冷却系６の循環ポンプ６Ｂの作動に伴い冷却液が冷却液循環往路６Ｃおよび冷却液循環復路６Ｄを介して燃料電池（ＦＣ）１と熱交換器６Ａとの間を循環する。その際、燃料電池（ＦＣ）１から吸熱した冷却液は、冷却液循環復路６Ｄにより中空糸膜式加湿器２Ｄ、熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃ、中空糸膜式加湿器４Ｄ、熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃおよび水吸引エゼクタ４Ｅを循環し、これらを加熱しつつ熱交換器６Ａへと戻る。このため、空気供給系２を通流する空気は、前記中空糸膜式加湿器２Ｄおよび熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃを介して加熱される。同様に、水素ガス供給系４を通流する水素ガスは、前記中空糸膜式加湿器４Ｄ、熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃおよび水吸引エゼクタ４Ｅを介して加熱される。
【００３４】
従って、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池（ＦＣ）１自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合においても、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気およびアノード極入口側に供給される水素ガスの温度を燃料電池（ＦＣ）１と略同等の温度に維持することができる。また、供給される前記空気および水素ガスの露点温度の低下を防止してその加湿量の低下を防止できる。その結果、燃料電池（ＦＣ）１の発電性能の低下を防止でき、ひいては燃料電池（ＦＣ）１の耐久性の低下を防止することができる。
【００３５】
ここで、第１実施形態の燃料電池システムにおいては、空気供給系２の中空糸膜式加湿器２Ｄに供給される空気をその上流側の熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃが予め加熱し、さらに中空糸膜式加湿器２Ｄ自体が加熱するため、中空糸膜式加湿器２Ｄは露点温度の高い空気に対して加湿することができ、空気の加湿量を増大することができる。同様に、水素ガス供給系４の中空糸膜式加湿器４Ｄに供給される水素ガスをその上流側の熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃが予め加熱するため、中空糸膜式加湿器４Ｄは露点温度の高い水素ガスに対して加湿することができ、水素ガスの加湿量を増大することができる。また、水吸引エゼクタ４Ｅが加熱されることにより、水素ガスを加湿する際の気化潜熱による水素ガスの温度低下が防止される。その結果、水吸引エゼクタ４Ｅ内の水素ガスの露点温度が上昇するのであり、水吸引エゼクタ４Ｅによる水素ガスの加湿量を増大することができる。
【００３６】
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて水素ガス供給系４および水素ガス排出系５に跨って配設される中空糸膜式加湿器４Ｄを水素ガス供給系４および空気排出系３に跨って配設される中空糸膜式加湿器４Ｇに変更したものである。第２実施形態に係る燃料電池システムのその他の構成部分は、第１実施形態の燃料電池システムと同様であるから、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３７】
第２実施形態の燃料電池システムにおいて、前記中空糸膜式加湿器４Ｇは、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極出口側から排出される空気排出系３の高湿潤の余剰空気がオフガスとされて前記中空糸膜集合体の各中空糸の内部を通過し、また、水素ガス供給系４のエゼクタ４Ｂから送出される乾燥した水素ガスがスイープガスとされて各中空糸膜の外周に接触して通過するように構成されている。また、この中空糸膜式加湿器４Ｇの各中空糸膜は、イオン水和作用により水分のみを透過させ、酸素などは透過させない非多孔質の中空糸膜によって構成されている。そして、この中空糸膜式加湿器４Ｇを通過する水素ガス供給系４の水素ガスを加熱するため、前記冷却系６の冷却液循環復路６Ｄは、中空糸膜式加湿器４Ｇを循環して熱交換器６Ａへ戻るように配管されている。
【００３８】
第２実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極出口側から排出される空気排出系３の高湿潤のカソードオフガスと、燃料電池（ＦＣ）１のアノード極入口側に供給される水素ガス供給系４の水素ガスとの間で中空糸膜式加湿器４Ｇにより水分交換が行われる。その際、中空糸膜式加湿器４Ｇにおいては、カソードオフガスに含有される酸素の透過が阻止され、カソードオフガスに含有される水分のみが非多孔質の各中空糸膜をイオン水和作用により透過し、この透過する水分によって水素ガス供給系４の乾燥した水素ガスが加湿される。そして、この中空糸膜式加湿器４Ｇを燃料電池（ＦＣ）１から吸熱した冷却系６の冷却液が冷却液循環復路６Ｄにより循環することにより、水素ガス供給系４を通流する水素ガスが中空糸膜式加湿器４Ｇを介して加熱される。
【００３９】
なお、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、第１実施形態の燃料電池システムと同様の構成部分については同様の作用効果を奏するため、第２実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池（ＦＣ）１自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合においても、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気およびアノード極入口側に供給される水素ガスの温度を燃料電池（ＦＣ）１と略同等の温度に維持することができる。また、供給される前記空気および水素ガスの露点温度の低下を防止してその加湿量の低下を防止できる。その結果、燃料電池（ＦＣ）１の発電性能の低下を防止でき、ひいては燃料電池（ＦＣ）１の耐久性の低下を防止することができる。
【００４０】
続いて、図３を参照して本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおける空気供給系２から熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃを排除し、かつ、冷却系６の冷却液循環往路６Ｃおよび冷却液循環復路６Ｄの配管構成を変更したものである。第３実施形態に係る燃料電池システムのその他の構成部分は、第１実施形態の燃料電池システムと同様であるから、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４１】
第３実施形態の燃料電池システムにおいて、冷却系６の冷却液循環復路６Ｄは、冷却液が中空糸膜式加湿器２Ｄを循環することなくインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂを循環して熱交換器６Ａに戻るように配管されている。この冷却液循環復路６Ｄにおいて、燃料電池（Ｆ／Ｃ）１からインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂへ向かう部分には３方弁６Ｅが介設され、また、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂから熱交換器６Ａへ戻る部分には３方弁６Ｆが介設されている。そして、前記インタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂに循環ポンプ６Ｂから送出される冷却液を循環可能とさせるように、循環ポンプ６Ｂの下流側には、冷却液循環往路６Ｃから分岐して３方弁６Ｅに接続される分岐流路６Ｇと、３方弁６Ｆから分岐して冷却液循環往路６Ｃに合流する合流流路６Ｈとが設けられている。
【００４２】
第３実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池（Ｆ／Ｃ）１自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合、３方弁６Ｅは分岐流路６Ｇを遮断して燃料電池（Ｆ／Ｃ）１からインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂへ向かう冷却液循環復路６Ｄを連通し、３方弁６Ｆは合流流路６Ｈを遮断してインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂから熱交換器６Ａへ戻る冷却液循環復路６Ｄを連通するように管路を切り換える。その結果、冷却液循環復路６Ｄの冷却液がインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂを循環する。このため、過給機（Ｓ／Ｃ）２Ａによって中空糸膜式加湿器２Ｄに供給される空気供給系２の空気は、その途中のインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂにより燃料電池（ＦＣ）１から吸熱した冷却液循環復路６Ｄの冷却液によって加熱される。従って、中空糸膜式加湿器２Ｄは露点温度の高い空気に対して加湿することができ、空気の加湿量を増大することができる。
【００４３】
なお、燃料電池（Ｆ／Ｃ）１の暖機が完了すると、前記３方弁６Ｅは分岐流路６Ｇをインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂへ向かう冷却液循環復路６Ｄに連通し、３方弁６Ｆはインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂからの冷却液循環復路６Ｄを合流流路６Ｈに連通するように管路を切り換える。その結果、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）２Ｂには、循環ポンプ６Ｂから送出される冷却液を循環する。
【００４４】
第３実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システムと同様の構成部分が同様の作用効果を奏するため、燃料電池（ＦＣ）１自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合においても、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気およびアノード極入口側に供給される水素ガスの温度を燃料電池（ＦＣ）１と略同等の温度に維持することができる。また、供給される前記空気および水素ガスの露点温度の低下を防止してその加湿量の低下を防止できる。その結果、燃料電池（ＦＣ）１の発電性能の低下を防止でき、ひいては燃料電池（ＦＣ）１の耐久性の低下を防止することができる。
【００４５】
次に、図４を参照して本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおける空気供給系２から熱交換器（Ｈ／Ｅ）２Ｃを排除し、かつ、水素ガス供給系４から熱交換器（Ｈ／Ｅ）４Ｃおよび水吸引エゼクタ４Ｅを排除したものであり、これに応じて冷却系６の冷却液循環復路６Ｄの配管構成が変更されている。この第４実施形態の燃料電池システムにおいては、空気供給系２の中空糸膜式加湿器２Ｄの下流側に電気ヒータ等のヒータ２Ｅが介設され、水素ガス供給系４の中空糸膜式加湿器４Ｄの下流側にも同様のヒータ４Ｆが介設されている。なお、第４実施形態に係る燃料電池システムのその他の構成部分は、第１実施形態の燃料電池システムと同様であるから、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４６】
第４実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池（ＦＣ）１自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合、空気供給系２の過給機（Ｓ／Ｃ）２Ａによって燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気は、中空糸膜式加湿器２Ｄで加湿された直後にヒータ２Ｅによって加熱される。また、水素タンク４Ａから燃料電池（ＦＣ）１のアノード極入口側に供給される水素ガスは、中空糸膜式加湿器４Ｄで加湿された直後にヒータ４Ｆによって加熱される。その結果、燃料電池（ＦＣ）１に供給される空気および水素ガスの温度を上昇させ、その露点温度の上昇により凝結した水分を気化させることもでき、空気および水素ガスの加湿量を増大することができる。
【００４７】
なお、第４実施形態の燃料電池システムにおいて、第１実施形態の燃料電池システムと同様の構成部分については同様の作用効果を奏するため、第４実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池（ＦＣ）１自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合においても、燃料電池（ＦＣ）１のカソード極入口側に供給される空気およびアノード極入口側に供給される水素ガスの温度を燃料電池（ＦＣ）１と略同等の温度に維持することができる。また、供給される前記空気および水素ガスの露点温度の低下を防止してその加湿量の低下を防止できる。その結果、燃料電池（ＦＣ）１の発電性能の低下を防止でき、ひいては燃料電池（ＦＣ）１の耐久性の低下を防止することができる。
【００４８】
なお、第１、第３または第４の各実施形態の燃料電池システムにおける中空糸膜式加湿器２Ｄおよび中空糸膜式加湿器４Ｄは、第２実施形態の燃料電池システムにおける中空糸膜式加湿器４Ｇと同様に、イオン水和作用のある非多孔質の中空糸膜で中空糸膜モジュールの中空糸膜集合体を構成してもよい。この非多孔質の中空糸膜は、イオン水和作用によりガス中の水分のみを透過させ、その他のガス成分の透過を阻止するものであり、例えばデュポン社製のナフィオン（登録商標）等として知られている。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムでは、その起動により燃料電池のカソード極入口側に酸化剤ガスが供給され、アノード極入口側に燃料ガスが供給されると、燃料電池が発電を開始し、カソード極出口側からは余剰の高湿潤の空気がカソードオフガスとして排出され、アノード極出口側からは余剰の高湿潤の燃料ガスがアノードオフガスとして排出される。そして、カソード極出口側から排出される高湿潤のカソードオフガスとカソード極入口側に供給される酸化剤ガスとが水透過膜型の加湿装置により水分交換することにより、排出されるカソードオフガスが除湿され、供給される酸化剤ガスが加湿される。同様に、アノード極またはカソード極の出口側から排出される高湿潤のオフガスとアノード極入口側に供給される燃料ガスとが水透過膜型の加湿装置により水分交換することにより、排出されるオフガスが除湿され、供給される燃料ガスが加湿される。一方、燃料電池を適温範囲に保持するように、冷却系の冷却液が燃料電池と熱交換器との間を循環する。その際、燃料電池から吸熱して熱交換器へ向かう冷却液を熱源として、加熱手段がカソード極入口側に供給される加湿された酸化剤ガスおよびアノード極入口側に供給される加湿された燃料ガスをそれぞれ加熱する。従って、本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池自体の温度が低い起動時や外気温度が低い場合においても、供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの温度を燃料電池と略同等の温度に維持することができる。また、供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの露点温度の低下を防止してその加湿量の低下を防止できる。その結果、燃料電池の発電性能の低下を防止することができ、ひいては燃料電池の耐久性の低下を防止することができる。
【００５０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記加熱手段が前記酸化剤ガスの加湿装置および前記燃料ガスの加湿装置を加熱することにより酸化剤ガスおよび燃料ガスをそれぞれ加熱するように構成されている場合、前記加湿装置は、露点温度の高い酸化剤ガスおよび燃料ガスに対してそれぞれ加湿することができ、酸化剤ガスおよび燃料ガスの加湿量を増大することができる。
【００５１】
また、前記加熱手段が前記酸化剤ガスの供給経路に設けられた熱交換器および前記燃料ガスの供給経路に設けられた熱交換器を介して酸化剤ガスおよび燃料ガスをそれぞれ加熱するように構成されている場合、各熱交換器が各加湿装置の上流側にそれぞれ配置されていると、それぞれ加湿装置に供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの温度を予め上昇させてその露点温度を上昇でき、加湿装置による酸化剤ガスおよび燃料ガスの加湿量を速やかに増大できる。
【００５２】
さらに、前記加熱手段が前記酸化剤ガスの供給経路の前記加湿装置より上流側に設けられたインタークーラを介して酸化剤ガスを加熱するように構成されている場合、加湿装置に供給される酸化剤ガスの温度を予め上昇させてその露点温度を上昇でき、加湿装置による酸化剤ガスの加湿量を速やかに増大できると共に、別途の熱交換器などを設ける必要がないため、燃料電池システムをコンパクトに構成することができる。
【００５３】
また、前記加熱手段が前記燃料ガスの供給経路に設けられた水吸引用のエゼクタを加熱することにより燃料ガスを加熱するように構成されている場合、水吸引用のエゼクタが燃料ガスを加湿する際の気化潜熱による燃料ガスの温度低下を防止して燃料ガスの露点温度を上昇でき、水吸引用のエゼクタによる燃料ガスの加湿量を増大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
１  ：燃料電池（Ｆ／Ｃ）
２  ：空気供給系
２Ａ：過給機（Ｓ／Ｃ）
２Ｂ：インタークーラ（Ｉ／Ｃ）
２Ｃ：熱交換器（Ｈ／Ｅ）
２Ｄ：中空糸膜式加湿器
２Ｅ：ヒータ
３  ：空気排出系
３Ａ：排出制御弁
４  ：水素ガス供給系
４Ａ：水素タンク
４Ｂ：エゼクタ
４Ｃ：熱交換器（Ｈ／Ｅ）
４Ｄ：中空糸膜式加湿器
４Ｅ：水吸引エゼクタ
４Ｆ：ヒータ
４Ｇ：中空糸膜式加湿器
５  ：水素ガス排出系
５Ａ：排出制御弁
６  ：冷却系
６Ａ：熱交換器
６Ｂ：循環ポンプ
６Ｃ：冷却液循環往路
６Ｄ：冷却液循環復路
６Ｅ：３方弁
６Ｆ：３方弁
６Ｇ：分岐流路
６Ｈ：合流流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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