(57)【要約】  【課題】燃料電池システムの低電力量時においても高湿潤ガスの供給熱量に対する加湿器本体の放熱量をまかない、低湿潤ガスが十分な加湿量を得ることにより、スタックの発電性能、耐久性を高めた燃料電池システムを提供する。  【解決手段】燃料電池１９に供給される低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置は、燃料電池１９から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに水分を移動させる複数の膜式の加湿器で構成され、前記燃料電池の発電量に連動して、複数の前記加湿器から前記加湿器を選択して運転するので、低電力量時においても高湿潤ガスの供給熱量に対する加湿器本体の放熱量をまかない、十分な加湿量を得ることにより、スタックの発電性能、耐久性を高めることを可能とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む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燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに湿熱交換膜を介して水分を移動させる膜式の加湿器とし、前記燃料電池の発電量に応じて前記加湿器における湿熱交換表面積を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む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燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに水分を移動させる複数の膜式の加湿器で構成し、前記燃料電池の発電量に応じて前記加湿器を選択して運転する燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数の加湿器を、相互に並列接続した構成とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記複数の加湿器のうち、少なくとも一つの加湿器を他の加湿器よりも小さい表面積または容積とした請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿器を、内部に中空糸膜モジュールを備えた構成とする請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の発電量が所定の発電量以上のときに、前記加湿器を複数選択して運転制御する演算制御部を備えた請求項２から５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、加湿器を備えた燃料電池システムに関し、更に詳しくは、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収し、加湿量を得ることができる加湿器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、発電と発熱を行う。そして、燃料電池により発生した熱は、冷却水を循環させることにより搬送され、燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持し、更に、冷却水の熱を給湯器等で利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【０００３】
また、燃料電池システムでは、必要な電力量に応じて、発電量を変化させるために、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量、冷却水流量等を調整して運転状態を変化させることができる。
【０００４】
さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、高湿潤状態である必要があり、乾燥状態または湿潤不足の状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下し、また耐久性が劣化するため、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を、加湿手段により低湿潤状態から高湿潤状態に加湿して、燃料電池に供給することを行っている。
【０００５】
燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を利用した低湿潤ガスの加湿器モジュールとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。
【０００６】
図１５に示すように、上述の加湿装置１０１は、２個の中空紙膜モジュール１０１ａ、１０１ｂを、供給ガスの低湿潤ガスの側では並列に配管して接続し、排出ガスの高湿潤ガスの側では直列に配管接続されている。
【０００７】
このように構成された中空紙膜モジュール１０１ａ、１０１ｂでは、供給ガスが分岐して流入するので、中空紙膜モジュール１０１ａ、１０１ｂを通流する供給ガスの量は半分になる。前記供給ガスは、中空糸膜モジュール１０１ａ、１０１ｂを出てその後合流する。中空紙膜モジュール１０１ａ、１０１ｂにおいてはこの時、排出ガス流量は供給ガス流量に対して２倍多くなっている。
【特許文献１】特開２００２−７５４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような構成と作用を有する加湿器を使用して、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収して燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給するためには、燃料電池の発電量が最大のとき、つまり燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿ガスの流量が最大のときに合わせて加湿膜面積を決定する必要があった。
【０００９】
その結果、加湿器の表面積あるいは体積は、中空糸膜の本数（例えば２０００本）や加湿器に使用する中空糸膜モジュールの径（ハウジング径）によって決定され、換言すると、加湿器の表面積または体積は、最大発電量で決まっていた。
【００１０】
しかし、上述の如く燃料電池の発電量が最大の高発電量ときに合わせて加湿器を設計すると、以下のような問題があった。
【００１１】
つまり、加湿器モジュールを燃料電池から排出される燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の高湿潤ガス側では直列に配管し、供給ガスの低湿潤ガス側では並列に配管して、高湿潤ガスの流量が低湿潤ガスの流量よりも多くなるように構成することにより、低湿潤ガスで十分な加湿量を得ることができる。
【００１２】
これに比べて従来の構成は、加湿器モジュール自体の表面積または体積が高発電量の時と同じであるため、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量が少ない、すなわち燃料電池の低発電量のときには、高湿潤ガスの供給熱量に対して加湿器本体からの放熱量が大きくなってしまい、したがって、この状態では高湿潤ガスが冷却されて低温となり、前記燃料電池の低発電量に要する高湿潤ガスの保有水分量が少なくなって低湿潤ガスで十分な加湿量を得ることができないという課題を有していた。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の低発電時には加湿器本体からの放熱量を制御し、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記従来の燃料電池が低発電時に十分な加湿量が確保できなくなることに関する課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む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燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である供給ガスの低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに湿熱交換膜を介して水分を移動させる複数の膜式の加湿器を具備した構成とし、前記燃料電池の発電量に応じて前記湿熱交換表面積を制御したり、あるいは前記複数の加湿器を、選択して運転する構成としたものである。
【００１５】
かかる構成とすることにより、前記加湿装置の総合放熱量（高湿潤ガスから低湿潤ガスへの水分移動量）を燃料電池の発電量に応じて可変できるため、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量が少ない燃料電池の低発電量のときには、前記加湿器モジュール自体の表面積または体積が結果として小さくできる。したがって、前記高湿潤ガスの供給熱量に対し加湿装置からの放熱量を小さくすることができ、前記加湿器本体の放熱量を、前記燃料電池の発電量に応じて変えることができる。また、前記加湿装置の放熱量は、前記燃料電池の発電量の変化に連動して可変することもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前記燃料電池の発電量が異なる場合であっても、加湿装置において供給ガスの低湿潤ガスが十分な加湿量を得ることができ、その結果、いかなる発電量に対しても安定して適正な加湿量の供給ガスを燃料電池スタックに供給することができる。したがって、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む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燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに湿熱交換膜を介して水分を移動させる膜式の加湿器とし、前記燃料電池の発電量に応じて前記加湿器における湿熱交換表面積を制御するものである。
【００１８】
かかる構成とすることにより、前記加湿装置における高湿潤ガスから低湿潤ガスへの水分移動量を前記燃料電池の発電量に応じて制御でき、燃料電池の発電性能の確保と、性能劣化の抑制を図ることができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む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燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに水分を移動させる複数の膜式の加湿器で構成し、前記燃料電池の発電量に応じて前記加湿器を選択して運転するものである。
【００２０】
かかる構成によれば、前記加湿装置における加湿器本体の放熱量を、前記燃料電池の発電量に応じて適正に可変できるため、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量を保有した供給ガスを燃料電池スタックに供給することができ、その結果、いかなる発電量においても燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記複数の加湿器を、相互に並列接続した構成とするものである。
【００２２】
かかる構成とすることにより、前記低湿潤ガスの相互の流れおよび高湿潤ガスの相互の流れが並列となり、流れによる圧力損失が小さくでき、その結果、複数の前記加湿器における前記加湿器の圧力損失を軽減して、より加湿装置の単独または組合せの各選択が流動的に行える。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、前記複数の加湿器のうち、少なくとも一つの加湿器を他の加湿器よりも小さい表面積または容積としたものである。
【００２４】
かかる構成とすることにより、前記燃料電池の発電量に適した加湿装置の放熱量制御の選択及び組合せ選択が得られ易くなる。したがって、複数の加湿器を組合せて、より少ない数の加湿器でスペースを最小限に止め、前記燃料電池の発電量の変動に対しても一定の加湿能力を確保することができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、前記加湿器を、内部に中空糸膜モジュールを備えた構成とするものである。
【００２６】
かかる構成とすることにより、前記加湿器の内部構成が簡素化でき、より安価でコンパクトな加湿器を提供することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、前記燃料電池の発電量が所定の発電量以上のときに、前記加湿器を複数選択して運転制御する演算制御部を備えたものである。
【００２８】
かかる構成とすることにより、前記燃料電池の発電量に応じた加湿能力が得られるように運転する加湿器の選択あるいは組合せ選択がプログラム化でき、加湿制御の自動化が可能となり、よりきめ細かな加湿制御を行うことができる。
【００２９】
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、本実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図、図２は同実施の形態における中空糸膜モジュールを示す構成図、図３は図２のＡ−Ａ線による同中空糸膜モジュールの縦断面図、図４は同中空糸膜モジュールに用いる中空糸膜の構成図、図５は同中空糸膜モジュールを具備した加湿器の横断面図、図６は同燃料電池システムの制御構成を示すブロック図、図７は同燃料電池システムの制御内容を示すフローチャート、図８は同実施の形態における加湿器表面積と加湿量の関係を示す特性図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置２０と、同一の構成、同一の大きさからなる複数の加湿器、例えば第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃを備えた空気加湿装置２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿装置２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として構成されている。
【００３２】
空気加湿装置２１は、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃをそれぞれ個別かまたは一体に構成（ユニット化）して燃料電池１９と空気供給装置２０の間に配置され、それぞれは空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃによって分岐（並列）接続されている。
【００３３】
空気供給装置２０からの空気は、空気フィルタ３２で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０を通って空気加湿装置２１に供給される。空気加湿装置２１に供給された空気は、燃料電池１９の発電量に応じて第１の空気経路３０ａを通った第１の加湿器２１ａと、第２の空気経路３０ｂを通った第２の加湿器２１ｂと第３の空気経路３０ｃを通った第３の加湿器２１ｃの少なくとも１つの加湿器あるいはこれらの複数の加湿器によって加湿され、その加湿器の使用数によって空気加湿装置２１としての熱交換、加湿能力（湿熱交換能力）が制御される。そして、空気加湿装置２１を通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３１を通って燃料電池１９のカソード電極に供給される。
【００３４】
空気加湿装置２１を構成する第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃは、前述の如く空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃを介して並列に分岐接続されており、各空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおける各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの空気入口側には、空気供給装置２０からの空気の流入を制御するａ電磁弁６１ａ、ｂ電磁弁６１ｂ、ｃ電磁弁６１ｃがそれぞれ設けられている。
【００３５】
したがって、主幹空気経路３０を流れる空気は、各電磁弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃの開閉動作によって各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃへの流入が制御される。
【００３６】
燃料電池１９に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、主幹排出空気経路３６を介して、空気加湿装置２１に供給され、空気加湿装置２１内において、供給された該排出空気に含まれる水分と熱を利用して、各空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃを流れる供給空気と湿熱交換を行う。
【００３７】
したがって、各空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃを流れる供給空気は、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気の加湿および加熱が行われる。そして空気加湿装置２１を経た排出空気は、排出主幹空気経路３７を通じて排出される。
【００３８】
ここで、主幹排出空気経路３６には、主幹空気経路３０と同様に、内部を流れる排出空気が各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃへ分岐するように各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃに対応して排出空気経路３６ａ、３６ｂ、３６ｃを備えており、さらに、各排出空気経路３６ａ、３６ｂ、３６ｃにおける各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの排出空気入口側には、各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃへ流れる排出空気の制御を個々に行うｄ電磁弁６２ａ、ｅ電磁弁６２ｂ、ｆ電磁弁６２ｃが設けられている。
【００３９】
一方、燃料処理装置２４には、燃料供給装置２３から燃料経路３３を介して、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等またはアルコール等の原料ガスが供給される。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、都市ガスを原料ガスとして用いた場合について説明する。
【００４０】
また、燃料処理装置２４は、具体的には、いずれも図示しないが、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が設けられた一般的に知られている構成であり、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、水素リッチな燃料ガスが生成される。該水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス経路３４を介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、加湿される。
【００４１】
さらに、燃料ガス加湿装置２５は、空気加湿装置２１と同様の加熱および加湿動作を行う加湿装置であり、その構成も第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃと同様の加湿器構成となっている。
【００４２】
そして、燃料ガス加湿装置２５で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、燃料ガス経路３５を通じて燃料電池１９のアノード電極側に供給される。燃料電池１９では、カソード電極側に供給された空気と、アノード電極側に供給された燃料ガス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。
【００４３】
また、燃料電池１９に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガスは、排燃料ガス経路３８ａを介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、燃料ガス加湿装置２５内において燃料電池１９に供給される前の燃料ガスの加熱および加湿に利用された後、排燃料ガス経路３８ｂを介して燃料処理装置２４の燃焼部に供給され、ここで原料を燃料ガスに改質する燃料処理装置２４の加熱に利用される。
【００４４】
また、燃料電池１９で発生した熱を除去するために、冷却水タンク２７の冷却水が、冷却水ポンプ２８により冷却水経路３９を介して燃料電池１９に供給される。
【００４５】
そして、燃料電池１９内で加熱された冷却水は、冷却水経路４１を介して熱交換器２６に供給される。熱交換器２６では、貯湯タンク２９に貯めた水が貯湯水ポンプ４２によって貯湯水循環経路４３を介して供給されているため、この熱交換器２６での熱交換により冷却水は冷却され、逆に貯湯タンク２９からの水は加熱され、この繰り返しによって貯湯タンク２９内には温水が蓄えられる。
【００４６】
冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池１９で発電とともに発生する熱により加熱され、熱交換器２６で貯湯水と熱交換して再び冷却されるが、燃料電池１９での発熱量は、発電量と相関があるため、冷却水ポンプ２８の運転を制御して発電量に応じた冷却水流量を供給し、さらに貯湯水ポンプ４２で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池１９の温度および冷却水タンク２７内の水温を所定の温度に維持する。
【００４７】
各空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃに設けたａ電磁弁６１ａ、ｂ電磁弁６１ｂ、ｃ電磁弁６１ｃおよび各排出空気経路３６ａ、３６ｂ、３６ｃに設けたｄ電磁弁６２ａ、ｅ電磁弁６２ｂ、ｆ電磁弁６２ｃは、それぞれ加湿器において対として動作し、運転する加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃに対応して開閉動作する。
【００４８】
各空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃに設けた各電磁弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、および各排出空気経路３６ａ、３６ｂ、３６ｃに設けた各電磁弁６２ａ、６２ｂ、６２ｃの開閉動作は、各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの湿熱交換動作を制御するもので、これにより加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの運転台数が制御され、結果として空気加湿装置２１の総合的な湿熱交換能力（湿熱交換面積）が制御される。
【００４９】
したがって、図８に示すように燃料電池１９の発電量に応じて前記加湿器の運転台数を制御することにより、その発電量に適した加湿、熱交換能力が得られ、結果として、前記発電量に適した水分を含む酸化剤ガスの供給が可能となる。
【００５０】
その結果、かかる制御により、空気加湿装置２１の総合的な湿熱交換面積が制御され、空気加湿装置２１の放熱量を燃料電池の発電量に連動して適正な放熱量に可変できるため、燃料電池の発電性能の低下、および耐久性の劣化が抑制できる。
【００５１】
次に、本実施の形態１の特徴である空気加湿装置２１について説明する。この空気加湿装置２１は、前述の如く同一の構成からなる第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂ、第３の加湿器２１ｃを並列に分岐接続した構成であり、ここでは第１の加湿器２１ａを例に説明するが、他の加湿器２１ｂ、２１ｃについても同じ構成である。
【００５２】
図２は、加湿器２１ａの内部に設けられた中空糸膜モジュールを示し、中空糸膜モジュール７１は、円筒状のハウジング７２と、このハウジング７２内に収容される中空糸膜束７３を含んで構成される。ハウジング７２の周壁には、その両端部近傍に位置する複数の開口部がそれぞれ設けられている。符号７４で示す開口部は高湿潤ガス流入口であり、符号７５で示す開口部は高湿潤ガス流出口である。また、符号７６で示すハウジング７２の一端部は低湿潤ガス流入口であり、符号７７で示すハウジング７２の他端部は低湿潤ガス流出口である。
【００５３】
一方、ハウジング７２に収納される中空糸膜束７３は、図４に示す中空通路８０ａを有する中空糸膜８０を、数千本束ねることによって構成されたものであり、ハウジング７２の両端面（円周方向の開口部よりも端側）に中空糸膜８０の中空通路８０ａを確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束７３をハウジング７２に接着してある部分をポッティング部７８、７９と称すが、このポッティング部７８、７９により中空糸膜束７３の内側である中空通路８０ａを流通する低湿潤状態のガスと中空糸膜８０の外側を流通する高湿潤ガスとが混合しないようになっている。
【００５４】
ちなみに、このような中空糸膜モジュール７１は、ハウジング７２に所定数の中空糸膜８０の束を挿通し、両面近傍を接着剤で十分接着固定した後、ハウジング７２の両端に沿って中空糸膜８０の束を切断除去することによって作成される。
【００５５】
また、中空糸膜モジュール７１としては、内径が０．５〜１．５ｍｍ、外形が０．７〜１．７ｍｍの中空糸膜８０をハウジング７２内に、その内容積の２０〜６０％の割合で充填したものである。
【００５６】
したがって、中空糸膜モジュール７１内においては、各中空糸膜８０の外周に微小の通路空間が確保され、また各中空糸膜８０の中空通路８０ａは、圧縮して潰されることなく所定の通路面積が確保された状態となっている。
【００５７】
そして、加湿器２１ａは、上述の如く構成された中空糸膜モジュール７１を図５に示す如く円筒状のケース２１０内に組込むことによって構成されている。
【００５８】
すなわち、中空糸膜モジュール７１の外周の両端部及び中間部には、それぞれシールリング（以下、Ｏリングと称す）２１１、２１２、２１３が設けられ、このＯリング２１１、２１２、２１３によってケース２１０内へ組込んだ際に、ケース２１０の内部に空気経路３０１ａと排出空気経路３６１ａを区画形成している。
【００５９】
かかる構成とすることにより、空気供給装置２０からの空気は、空気フィルタ３２、主幹空気経路３０をそれぞれ流れ、空気経路３０ａからケース２１０内へ流入する。そして、ケース２１０内の前段に位置する空気経路３０１ａに開口した低湿潤ガス流入口７６から中空糸膜モジュール７１を構成する多数の中空糸膜８０の中空通路８０ａを通り、低湿潤ガス流出口７７から後段に位置する空気経路３０１ａを経て空気経路３０ａと流れる。この流れを低湿潤ガスの流れとして白色矢印で示す。
【００６０】
一方、燃料電池１９から主幹排出空気経路３６を通り、排出空気経路３６ａからケース２１０内へ流入した高湿度の空気は、Ｏリング２１２によって区画された前段の排出空気経路３６１ａから中空糸膜モジュール７１の高湿潤ガス流入口７４を通り、前記密集する中空糸膜８０の外表面で形成された隙間を通って後段の排出空気経路３６１ａへ流入し、ここから排出空気経路３６ａを経て排出主幹空気経路３７へ流れる。この流れを高湿潤ガスの流れとして黒色矢印で示す。
【００６１】
前記低湿潤ガスと高湿潤ガスの温湿交換は、加湿器２１ａ内における双方の流れによって行われる。すなわち、加湿器２１ａの中空糸膜モジュール７１内において、高温、高湿度の高湿潤ガスは、中空糸膜８０の膜組織を介して低温、低湿度の低湿潤ガスと熱交換を行い、同時に前記膜組織を透過して水分が低湿潤ガスへ移動する。
【００６２】
その結果、燃料電池１９へ供給される空気（低湿潤ガス）は、温度、湿度共に高められた状態となり、燃料電池１９の電解質膜の劣化を抑制する酸化剤ガスとなる。
【００６３】
次に、図６を用いて前記燃料電池システムの運転制御を行う制御部の構成を説明する。図６は、本燃料電池システムにおける制御部のブロック構成図で、燃料電池１９の発電量を設定する発電量設定手段６６と、発電量設定手段６６による設定信号に基づき、各電磁弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃの開閉を制御する出力部を兼ねた演算制御部６５を具備する構成を特徴としており、発電量設定手段６６および演算制御部６５は、具体的にはマイクロコンピュータを具備する電子回路で実現できる。
【００６４】
以上のように構成された燃料電池システムの動作について、以下、本実施の形態１の特徴である空気加湿装置の動作を中心に説明する。
【００６５】
燃料電池１９に供給される供給ガスの低湿潤ガスは、燃料電池１９から排出される際に、空気加湿装置２１の第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃの少なくとも一つの加湿器において、燃料電池１９内での発電に伴い発生する熱と生成水により、加熱および加湿された排出空気と湿熱交換される。そして、前記湿熱交換により加熱および加湿された空気経路３０ａ、３０ｂ、３０ｃを流れる被加湿空気は、空気加湿装置２１を出て主幹空気経路３０から燃料電池１９に供給される。
【００６６】
一方、燃料電池１９の運転状態は、電力負荷等を考慮して設定された所定のプログラムによって発電量設定手段６６が発電量を設定している。燃料電池１９の発電量は、電極面積、電流密度、段数が一定のとき、酸化剤ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流量によって決まるので、低発電量の設定時は高発電量の設定時に比べて前記酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれの流量は少ないものとなる。
【００６７】
つまり、燃料電池１９から排出された高湿潤ガスが供給ガス（低湿潤ガス）に供給する熱量も少なくなり、このとき空気加湿装置２１に供給される熱に対して放熱する熱量が多ければ、被加湿ガスが所定の加湿量を得ることができなくなる。これは、水分が不足気味の供給ガスが燃料電池１９の電解質膜と反応することになり、電解質膜の劣化を促進することとなって好ましくない。
【００６８】
なお、燃料電池の発電量に要する加湿器の加湿量は、比例関係にあり、また、加湿器の放熱量と加湿器の表面積が比例関係にあることから、前記発電量と、加湿量と加湿器の表面積（放熱量）の関係は、図８に示す関係にある。
【００６９】
したがって、まず燃料電池１９を最大発電量の３０％以下で運転するときは、ａ電磁弁６１ａとｄ電磁弁６２ａを開放し、第１の加湿器２１ａのみを使用して加湿する。
【００７０】
したがって、空気加湿装置２１の湿熱交換面積は、最も小さい状態で酸化剤ガスと排出空気の湿熱交換が行われる。その結果、さほど大きくない熱量、水分量を持つ排出ガスと燃料電池１９に供給される酸化剤ガス（供給空気）の熱交換、湿度交換が限られた面積の範囲で行われるため、密度の高い湿熱交換となり、酸化剤ガスは燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【００７１】
また、燃料電池１９の最大発電量の３０％を超えて８０％以下で運転するときは、ａ電磁弁６１ａとｄ電磁弁６２ａの開放に加えてｂ電磁弁６１ｂとｅ電磁弁６２ｂを開放し、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂを使用して加湿する。
【００７２】
この場合は、前述の如く第２の加湿器２１ｂが第１の加湿器２１ａより２倍の大きさとなっているため、空気加湿装置２１としての湿熱交換面積が燃料電池１９の発電量に比例して大きくなる。
【００７３】
したがって、燃料電池１９の発電量に比例して必要とする酸化剤ガスの量、および排出空気の熱量も多くなるが、前記湿熱交換面積が大きくなっていることから、湿熱交換の密度は高い状態で維持される。
【００７４】
その結果、前記酸化剤ガスは、燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【００７５】
また、燃料電池１９の最大発電量の８０％を超えて１００％以下で運転するときは、すべての電磁弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃを開放し、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃを使用して加湿する。
【００７６】
この場合は、空気加湿装置２１としての湿熱交換面積が最大となり、燃料電池１９の発電量に比例して必要とする酸化剤ガスの量、および排出空気の熱量も最大もしくはそれに近い状態となるが、前記湿熱交換面積がさらに大きくなっていることから、湿熱交換の密度も引き続き高い状態で維持される。
【００７７】
その結果、前記酸化剤ガスは、燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【００７８】
したがって、かかる制御によれば、燃料電池１９の発電量に比例して空気加湿装置２１の加湿量を制御し、燃料電池１９に供給される酸化剤ガスと燃料電池１９から排出される排出空気の湿熱交換量は、前記発電量に応じて確保でき、その結果、燃料電池１９へは、発電量に適した温度、湿度状態の酸化剤ガスが供給されることとなる。
【００７９】
換言すると、燃料電池システムの運転状態における加湿装置２１の一連の動作は、図７に示すフローにしたがって行なわれる。
【００８０】
図７において、稼動前に電力負荷の特性（負荷変動の頻度、負荷変動の大きさ等）、容量等に応じて燃料電池システムの発電量の設定を行い（ＳＴＥＰ１）、発電量が最大発電量の３０％以下ならば（ＳＴＥＰ２）、ａ電磁弁６１ａとｄ電磁弁６２ａに通電し、これらを開放する（ＳＴＥＰ３）。
【００８１】
また、前記発電量が最大発電量の３０％を超え８０％以下ならば（ＳＴＥＰ４）、ａ電磁弁６１ａと、ｂ電磁弁６１ｂと、ｄ電磁弁６２ａと、ｅ電磁弁６２ｂに通電し、これらを開放する（ＳＴＥＰ５）。
【００８２】
さらに、前記発電量が最大発電量の８０％を超えて１００％以下ならば（ＳＴＥＰ６）、ａ電磁弁６１ａ、ｂ電磁弁６１ｂ、ｃ電磁弁６１ｃ、ｄ電磁弁６２ａ、ｅ電磁弁６２ｂ、ｆ電磁弁６２ｃのすべてに通電し、すべての電磁弁を開放する（ＳＴＥＰ７）。
【００８３】
このように、空気加湿装置２１の放熱量を燃料電池１９の発電量に連動して適正に可変できるため、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量のガス（酸化剤ガス）を燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池１９の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を抑制できる。
【００８４】
また、本実施の形態１においては、燃料電池１９の発電量に応じて加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの運転台数を制御し、空気加湿装置２１の湿熱交換能力（湿熱交換面積）を制御する構成としたが、前記発電量を得るための周囲条件（例えば、燃料電池１９に供給する酸化剤ガスの供給量、燃料ガスの供給量等）によって前述と同様に空気加湿装置２１の湿熱交換能力（湿熱交換面積）を制御することも可能である。
【００８５】
さらに、本実施の形態１においては、酸素を含む酸化剤ガス、すなわち空気加湿装置２１を例に説明したが、水素を含む燃料ガスの加湿装置２５を、同様に複数の加湿器を具備し、燃料電池１９の発電量に応じて加湿器の動作台数を制御する構成とすることも可能である。
【００８６】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図９は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す模式図、図１０は同燃料電池システムの制御構成を示すブロック図、図１１は同燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。
【００８７】
なお、先の実施の形態１と同一の構成、作用についてはその説明を省略する。
【００８８】
本実施の形態２における燃料電池システムは、図９に示すように、複数の加湿器、例えば第１の加湿器２１ａおよび第２の加湿器２１ｂよりなる空気加湿装置２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿装置２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として構成されている点は、先の実施の形態１と変わらない。
【００８９】
空気加湿装置２１は、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂをそれぞれ個別かまたは一体に構成（ユニット化）して燃料電池１９と空気供給装置２０の間に配置され、それぞれは空気経路３０ａ、３０ｂによって分岐（並列）接続されている。
【００９０】
また、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂは、構成を同一としながらその大きさが異なり、第２の加湿器２１ｂが寸法的に大きく設定されている。
【００９１】
第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂの構成は、先の実施の形態１における各加湿器と同様に、円筒状のハウジング７２内に中空糸膜束７３を配置した中空糸膜モジュール７１を、図５に示す如くケース２１０内に組込み、構成されたもので、同一の構成となっているが、例えば、中空糸膜モジュール７１の円筒ハウジング径を異ならせ、その中に配置する中空糸膜束７３の本数を比例的に異ならせ、あるいは使用する中空糸膜８０の径を異ならせる等して第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂの寸法を異ならせている。したがって、中空糸膜モジュール７１内における中空糸幕８０の表面積（湿熱交換面積）は、使用する中空糸膜８０の量に比例して大きくなる。
【００９２】
本実施の形態２においては、双方の加湿器２１ａ、２１ｂを運転稼動することにより、燃料電池１９の最大発電時に適した湿熱交換面積が得られるように設定しており、第２の加湿器２１ｂは、その湿熱交換面積が第１の加湿器２１ａの湿熱交換面積に対して２倍の面積に設定されている。
【００９３】
空気供給装置２０からの空気は、空気フィルタ３２で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０を通って空気加湿装置２１に供給される。空気加湿装置２１に供給された空気は、燃料電池１９の発電量に応じて第１の空気経路３０ａを通った第１の加湿器２１ａと、第２の空気経路３０ｂを通った第２の加湿器２１ｂの少なくともいずれか一方の加湿器あるいは双方の加湿器によって加湿され、使用する加湿器、あるいは加湿器の使用台数によって空気加湿装置２１としての熱交換、加湿能力（湿熱交換能力）が制御される。
【００９４】
そして、空気加湿装置２１を通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３１を通って燃料電池１９のカソード電極に供給される。
【００９５】
空気加湿装置２１を構成する第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂは、前述の如く空気経路３０ａ、３０ｂを介して並列に分岐接続されており、各空気経路３０ａと３０ｂにおける各加湿器２１ａ、２１ｂの空気入口側には、空気供給装置２０からの空気の流入を制御するａ電磁弁６１ａ、ｂ電磁弁６１ｂがそれぞれ設けられている。
【００９６】
したがって、主幹空気経路３０を流れる空気は、各電磁弁６１ａ、６１ｂの開閉動作によって各加湿器２１ａ、２１ｂへの流入が制御される。
【００９７】
燃料電池１９に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、主幹排出空気経路３６を介して、空気加湿装置２１に供給され、空気加湿装置２１内において、供給された該排出空気に含まれる水分と熱を利用して、各空気経路３０ａ、３０ｂを流れる供給空気と湿熱交換を行う。したがって、各空気経路３０ａ、３０ｂを流れる供給空気は、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気の加湿および加熱が行われる。そして空気加湿装置２１を経た排出空気は、排出主幹空気経路３７を通じて排出される。
【００９８】
ここで、主幹排出空気経路３６には、主幹空気経路３０と同様に、内部を流れる排出空気が各加湿器２１ａ、２１ｂへ分岐するように各加湿器２１ａ、２１ｂに対応して排出空気経路３６ａ、３６ｂを備えており、さらに、各排出空気経路３６ａ、３６ｂにおける各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの排出空気入口側には、各加湿器２１ａ、２１ｂへ流れる排出空気の制御を個々に行うｄ電磁弁６２ａとｅ電磁弁６２ｂが設けられている。
【００９９】
さらに、燃料ガス加湿装置２５は、空気加湿装置２１と同様の加熱および加湿動作を行う加湿装置であり、その構成も第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂと同様の構成となっている。
【０１００】
各空気経路３０ａ、３０ｂに設けたａ電磁弁６１ａ、ｂ電磁弁６１ｂおよび各排出空気経路３６ａ、３６ｂに設けたｄ電磁弁６２ａ、ｅ電磁弁６２ｂは、それぞれ加湿器において対として動作し、運転する加湿器２１ａ、２１ｂに対応して開閉動作する。
【０１０１】
したがって、先の実施の形態１で説明したように、図８に示す如く燃料電池１９の発電量に応じて加湿器２１ａ、２１ｂを選択していずれかを、あるいは全数を運転稼動することにより、その発電量に適した加湿、熱交換能力が得られ、結果として前記発電量に適した水分を含む酸化剤ガスの供給が可能となる。
【０１０２】
その結果、かかる制御により、空気加湿装置２１の総合的な湿熱交換面積が制御され、空気加湿装置２１の放熱量を燃料電池の発電量に連動して適正な放熱量に可変できるため、燃料電池の発電性能の低下、および耐久性の劣化が抑制できる。
【０１０３】
上述の制御を、図８を用いて具体的に説明する。まず燃料電池１９の最大発電量の３０％以下で運転するときは、ａ電磁弁６１ａとｄ電磁弁６２ａを開放し、第１の加湿器２１ａのみを使用して加湿する。
【０１０４】
したがって、空気加湿装置２１の湿熱交換面積は、最も小さい状態で酸化剤ガスと排出空気の湿熱交換が行われる。その結果、さほど大きくない熱量、水分量を持つ排出ガスと燃料電池１９に供給される酸化剤ガス（供給空気）の熱交換、湿度交換が限られた面積の範囲で行われるため、密度の高い湿熱交換となり、酸化剤ガスは燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【０１０５】
また、燃料電池１９の最大発電量の３０％を超えて８０％以下で運転するときは、ｂ電磁弁６１ｂとｅ電磁弁６２ｂを開放し、第２の加湿器２１ｂのみを使用して加湿する。
【０１０６】
この場合は、前述の如く第２の加湿器２１ｂが第１の加湿器２１ａより２倍の大きさとなっているため、空気加湿装置２１としての湿熱交換面積が燃料電池１９の発電量に比例して大きくなる。
【０１０７】
したがって、燃料電池１９の発電量に比例して必要とする酸化剤ガスの量、および排出空気の熱量も多くなるが、前記湿熱交換面積が大きくなっていることから、湿熱交換の密度は高い状態で維持される。
【０１０８】
その結果、前記酸化剤ガスは、燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【０１０９】
さらに、燃料電池１９の最大発電量の８０％を超えて１００％以下で運転するときは、すべての電磁弁６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂを開放し、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂの両方を使用して加湿する。
【０１１０】
この場合は、空気加湿装置２１としての湿熱交換面積が最大となり、燃料電池１９の発電量に比例して必要とする酸化剤ガスの量、および排出空気の熱量も最大もしくはそれに近い状態となるが、前記湿熱交換面積がさらに大きくなっていることから、湿熱交換の密度も引き続き高い状態で維持される。
【０１１１】
その結果、前記酸化剤ガスは、燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【０１１２】
次に、図１０を用いて前記燃料電池システムの運転制御を行う制御部の構成を説明する。図１０は、本燃料電池システムにおける制御部のブロック構成図で、先の実施の形態１と同様に、燃料電池１９の発電量を設定する発電量設定手段６６と、発電量設定手段６６による設定信号に基づき、各電磁弁６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの開閉を制御する出力部を兼ねた演算制御部６５を具備する構成を特徴としており、発電量設定手段６６および演算制御部６５は、具体的にはマイクロコンピュータを具備する電子回路で実現できる。
【０１１３】
また、燃料電池システムの運転状態における加湿装置２１の動作は、図１１に示すフローにしたがって行なわれる。
【０１１４】
図１１において、稼動前に電力負荷の特性（負荷変動の頻度、負荷変動の大きさ等）、容量等に応じて燃料電池システムの発電量の設定を行い（ＳＴＥＰ１）、発電量が最大発電量の３０％以下ならば（ＳＴＥＰ２）、ａ電磁弁６１ａとｄ電磁弁６２ａに通電し、これらを開放する（ＳＴＥＰ３）。
【０１１５】
また、前記発電量が最大発電量の３０％を超え８０％以下ならば（ＳＴＥＰ４）、ａ電磁弁６１ａとｄ電磁弁６２ａを閉じ、ｂ電磁弁６１ｂとｅ電磁弁６２ｂに通電してこれらを開放する（ＳＴＥＰ５）。
【０１１６】
さらに、前記発電量が最大発電量の８０％を超えて１００％以下ならば（ＳＴＥＰ６）、すべての電磁弁６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂに通電してこれらを開放する（ＳＴＥＰ７）。
【０１１７】
このように、本実施の形態２においても、空気加湿装置２１の放熱量を燃料電池１９の発電量に連動して適正に可変できるため、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量の供給ガス（酸化剤ガス）を燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池１９の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を抑制できる。
【０１１８】
特に、加湿器の大きさの違う第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂを組合せることにより、先の実施の形態１と異なり、加湿器の数以上の段階的な加湿性能を得ることができる。したがって、より少ない加湿器の数を用いて燃料電池スタックを加湿することができ、空気加湿装置２１が小型化でき、コンパクトな燃料電池システムを提供することが可能となる。
【０１１９】
また、本実施の形態２構成についても、先の実施の形態１と同様に、前記発電量を得るための周囲条件によって空気加湿装置２１の湿熱交換能力（湿熱交換面積）を制御することができる。
【０１２０】
さらに、本実施の形態２における加湿装置２１は、酸素を含む酸化剤ガスの加湿装置としたが、水素を含む燃料ガスの加湿装置２５についても、同様に複数の加湿器を具備し、燃料電池１９の発電量に応じて加湿器の動作台数を制御、あるいは加湿器を選択して運転する構成とすることも可能である。
【０１２１】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１２は本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図、図１３は同燃料電池システムの制御構成を示すブロック図、図１４は同燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。
【０１２２】
なお、先の実施の形態１、２と同一の構成、作用についてはその説明を省略する。
【０１２３】
本実施の形態３における燃料電池システムは、図１２に示すように、複数の加湿器、例えば第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂ、第３の加湿器２１ｃが直列に接続された空気加湿装置２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿装置２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として構成されている。
【０１２４】
空気加湿装置２１は、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃをそれぞれ個別かまたは一体に構成（ユニット化）して燃料電池１９と空気供給装置２０の間に配置されている。
【０１２５】
また、各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ同一の構成、大きさのもので、具体的には、先の実施の形態１で説明した構成のものである。
【０１２６】
空気供給装置２０からの空気は、空気フィルタ３２で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０１を通って空気加湿装置２１に供給される。空気加湿装置２１に供給された空気は、燃料電池１９の発電量に応じて第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃの少なくとも１つの加湿器で加湿され、使用する加湿器の台数によって空気加湿装置２１としての熱交換、加湿能力（湿熱交換能力）が制御される。
【０１２７】
そして、加湿装置２１を通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３１を通って燃料電池１９のカソード電極に供給される。
【０１２８】
空気加湿装置２１を構成する第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂと第３の加湿器２１ｃの空気経路３０ａと３０ｂには、空気供給装置２０からの空気の流入を切換え制御するａ三方電磁弁６３ａとｂ三方電磁弁６３ｂが設けられており、それぞれ第２の加湿器２１ｂおよび第３の加湿器２１ｃの入口側に配置されている。
【０１２９】
燃料電池１９に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路３６１を介して、空気加湿装置２１に供給され、空気加湿装置２１内において、供給された該排出空気に含まれる水分と熱を利用して、空気経路３０１を流れる供給空気と酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気の加湿および加熱（湿熱交換）が行われる。そして加湿装置２１を経た排出空気は、排出空気経路３７１を通じて排出される。
【０１３０】
ここで、空気加湿装置２１を構成する第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂ、第３の加湿器２１ｃは、空気経路３０１と連続する空気経路３０ａ、３０ｂおよび、排出空気経路３６１と連続する排出空気経路３７ａ、３７ｂを備えており、先の実施の形態１で説明した原理に基づいて前述の加湿と加熱（湿熱交換）を行う。
【０１３１】
また、排出空気経路３６１、３７ｂには、前述の如く燃料電池１９で反応しなかった排出空気の各加湿器２１ａ、２１ｂ、２１への流入を制御するｃ三方電磁弁６４ｃとｄ三方電磁弁６４ｄが設けられており、それぞれ第３の加湿器２１ｃおよび第２の加湿器２１ｂの入口側に配置されている。
【０１３２】
さらに、燃料ガス加湿装置２５は、空気加湿装置２１と同様の加熱および加湿動作を行う加湿装置であり、その構成もの第１の加湿器２１ａ、第２の加湿器２１ｂおよび第３の加湿器２１ｃと同様の構成となっている。
【０１３３】
各空気経路３０ａ、３０ｂに設けたａ三方電磁弁６３ａ、ｂ三方電磁弁６３ｂおよび各排出空気経路３６１、３６ｂに設けたｃ三方電磁弁６４ｃ、ｄ三方電磁弁６４ｄは、それぞれ加湿器の運転稼動に応じて切換え動作する。
【０１３４】
したがって、先の実施の形態１、２で説明したように、図８に示す如く燃料電池１９の発電量に応じて加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃを選択していずれかを、あるいは全数を運転稼動することにより、その発電量に適した加湿、熱交換能力が得られ、結果として前記発電量に適した水分を含む酸化剤ガスの供給が可能となる。
【０１３５】
その結果、かかる制御により、空気加湿装置２１の総合的な湿熱交換面積が制御され、空気加湿装置２１の放熱量を燃料電池の発電量に連動して適正な放熱量に可変できるため、燃料電池の発電性能の低下、および耐久性の劣化が抑制できる。
【０１３６】
上述の制御を、図８を用いて具体的に説明する。まず燃料電池１９の最大発電量の３０％以下で運転するときは、第１の加湿器２１ａのみで湿熱交換させるように空気の流れを制御する。本実施の形態３においては、ａ三方電磁弁６３ａおよびｃ三方電磁弁６４ｃに通電しておく。
【０１３７】
したがって、空気供給装置２０からの空気は空気経路３０１を通って第１の加湿器２１ａに入り、ａ三方電磁弁６３ａにおいてＮＣ側へ空気を流通させる。そして、前記供給空気（酸化剤ガス）は、ａ三方電磁弁６３ａのＮＣ側から空気経路３１ａ、空気経路３１ｂを通って空気経路３１から燃料電池１９に流れる。
【０１３８】
一方、燃料電池１９で反応しなかった排出空気は、前述の如くｃ三方電磁弁６４ｃが通電されていることから、排出空気経路３６からＮＣ側へ導かれ、排出空気経路３７ｂ、排出空気経路３７ａを通って第１の加湿器２１ａに流入し、ここで実施の形態１、２で説明した如く湿熱交換を行い、排出空気経路３７から排出される。
【０１３９】
したがって、空気加湿装置２１の湿熱交換面積は、最も小さい状態で酸化剤ガスと排出空気の湿熱交換が行われる。その結果、さほど大きくない熱量、水分量を持つ排出ガスと燃料電池１９に供給される酸化剤ガス（供給空気）の熱交換、湿度交換が限られた面積の範囲で行われるため、密度の高い湿熱交換となり、酸化剤ガスは燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【０１４０】
また、燃料電池１９の最大発電量の３０％を超えて８０％以下で運転するときは、第１の加湿器２１ａに加えて第２の加湿器２１ｂも運転稼動するようにｂ三方電磁弁６３ｂおよびｃ三方電磁弁６４ｃとｄ三方電磁弁６４ｄに通電する。
【０１４１】
したがって、空気供給装置２０からの空気は、空気経路３０１を通って第１の加湿器２１ａに入り、空気経路３０ａからａ三方電磁弁６３ａのＮＯ側から第２の加湿器２１ｂに流れる。そして、第２の加湿器２１ｂを出た空気は、空気経路３０ｂからｂ三方電磁弁６３ｂのＮＣ側へ流れ、空気経路３１ｂを通って空気経路３１から燃料電池１９に流れる。
【０１４２】
一方、排出空気は排出空気経路３６１からｃ三方電磁弁６４ｃのＮＣ側へ導かれ、排出空気経路３７ｂを流れてｄ三方電磁弁６４ｄのＮＣ側へ導かれる。そして排出空気経路３６ｂを通って第２の加湿器２１ｂに入り、排気空気経路３６ａを通って第１の加湿器２１ａに入る。また、前記供給空気と排出空気は、第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂによって湿熱交換が行われ、供給空気は燃料電池１９へ供給され、排出空気は、排出空気経路３７から排出される。
【０１４３】
この場合は、前述の如く第１の加湿器２１ａと第２の加湿器２１ｂが運転稼動していることから空気加湿装置２１としては全体の２／３の湿熱交換面積で運転稼動しており、空気加湿装置２１としての湿熱交換面積が燃料電池１９の発電量に比例して大きくなっている。
【０１４４】
したがって、燃料電池１９の発電量に比例して必要とする酸化剤ガスの量、および排出空気の熱量も多くなるが、前記湿熱交換面積が大きくなっていることから、湿熱交換の密度は高い状態で維持される。
【０１４５】
その結果、前記酸化剤ガスは、燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【０１４６】
さらに、燃料電池１９の最大発電量の８０％を超えて１００％以下で運転するときは、すべての加湿器２１ａ、２１ｂ、２１ｃが運転稼動するようにａ三方電磁弁６３ａ、ｂ三方電磁弁６３ｂおよびｃ三方電磁弁６４ｃとｄ三方電磁弁６４ｄを制御する。本実施の形態３においては、各三方電磁弁６３ａ、６３ｂ、６４ｃ、６４ｄを非通電とすることにより、その回路が形成される。
【０１４７】
したがって、空気供給装置２０からの供給空気は、空気経路３０１から第１の加湿器２１ａ、空気経路３０ａ、第２の加湿器２１ｂ、空気経路３０ｂ、第３の加湿器２１ｃ、空気経路３１を通って燃料電池１９へと流れる。
【０１４８】
また、燃料電池１９からの排気空気は、排気空気経路３６１から第３の加湿器２１ｃに入り、排気空気経路３６ｂを通って第２の加湿器２１ｂに入り、排気空気経路３６ａを通って第１の加湿器２１ａに入り、排出空気経路３７から排出される。
【０１４９】
この場合は、空気加湿装置２１としての湿熱交換面積が最大となり、燃料電池１９の発電量に比例して必要とする酸化剤ガスの量、および排出空気の熱量も最大もしくはそれに近い状態となるが、前記湿熱交換面積がさらに大きくなっていることから、湿熱交換の密度も引き続き高い状態で維持される。
【０１５０】
その結果、前記酸化剤ガスは、燃料電池１９の発電量に適した温度、湿度を維持して燃料電池１９に供給される。
【０１５１】
次に、図１３を用いて前記燃料電池システムの運転制御を行う制御部の構成を説明する。図１３は、本燃料電池システムにおける制御部のブロック構成図で、先の実施の形態１および２と同様に、燃料電池１９の発電量を設定する発電量設定手段６６と、発電量設定手段６６による設定信号に基づき、各三方電磁弁６３ａ、６３ｂ、６４ｃ、６４ｄの開閉を制御する出力部を兼ねた演算制御部６５を具備する構成を特徴としており、発電量設定手段６６および演算制御部６５は、具体的にはマイクロコンピュータを具備する電子回路で実現できる。
【０１５２】
また、燃料電池システムの運転状態における加湿装置２１の動作は、図１４に示すフローにしたがって行なわれる。
【０１５３】
図１４において、稼動前に電力負荷の特性（負荷変動の頻度、負荷変動の大きさ等）、容量等に応じて燃料電池システムの発電量の設定を行い（ＳＴＥＰ１）、発電量が最大発電量の３０％以下ならば（ＳＴＥＰ２）、ａ三方電磁弁６３ａとｃ三方電磁弁６３ｃに通電してこれらを開放し、ｂ三方電磁弁６３ｂおよびｄ三方電磁弁６３ｄを非通電とする（ＳＴＥＰ３）。
【０１５４】
また、前記発電量が最大発電量の３０％を超え８０％以下ならば（ＳＴＥＰ４）、すべての三方電磁弁６３ａ、６３ｂ、６４ｃ、６４ｄに通電し、これらを開放する（ＳＴＥＰ５）。
【０１５５】
さらに、前記発電量が最大発電量の８０％を超えて１００％以下ならば（ＳＴＥＰ６）、すべての三方電磁弁６３ａ、６３ｂ、６４ｃ、６４ｄを非通電とし、これらを閉塞状態とする（ＳＴＥＰ７）。
【０１５６】
このように、本実施の形態３においても、空気加湿装置２１の放熱量を燃料電池１９の発電量に連動して適正に可変できるため、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量の供給ガス（酸化剤ガス）を燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池１９の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を抑制できる。
【０１５７】
また、本実施の形態３についても、先の実施の形態１および２と同様に、前記発電量を得るための周囲条件によって空気加湿装置２１の湿熱交換能力（湿熱交換面積）を制御することができる。
【０１５８】
さらに、本実施の形態３の加湿装置２１は、酸素を含む酸化剤ガスの加湿装置としたが、水素を含む燃料ガスの加湿装置２５についても、同様に複数の加湿器を具備し、燃料電池１９の発電量に応じて加湿器の動作台数を制御する構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池システムの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明の実施の形態１におけ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における中空糸膜モジュールを示す構成図
【図３】図２のＡ−Ａ線による同中空糸膜モジュールの縦断面図
【図４】同中空糸膜モジュールに用いる中空糸膜の構成図
【図５】同中空糸膜モジュールを具備した加湿器の横断面図
【図６】同燃料電池システムの制御構成を示すブロック図
【図７】同燃料電池システムの制御内容を示すフローチャート
【図８】同実施の形態１における加湿器表面積と加湿量の関係を示す特性図
【図９】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図１０】同燃料電池システムの制御構成を示すブロック図
【図１１】同燃料電池システムの制御内容を示すフローチャート
【図１２】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図１３】同燃料電池システムの制御構成を示すブロック図
【図１４】同燃料電池システムの制御内容を示すフローチャート
【図１５】従来の燃料電池システムの構成を示す模式図
【符号の説明】
【０１６１】
１９  燃料電池
２１  空気加湿装置
２１ａ  第１の加湿器
２１ｂ  第２の加湿器
２１ｃ  第３の加湿器
６５  演算制御部
７１  中空糸膜モジュール
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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