(57)【要約】【課題】高温運転時にも、効率よく燃料電池を加湿する。【解決手段】燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２のカソードに供給空気流路１１を介して空気を供給するエアポンプ１０と、供給空気流路１１上に配置され、膜を有し、該膜を介して一方の側に燃料電池スタック２から排出された空気オフガスが流通する空気オフガス通路が設けられ、他方の側に空気が流通する空気通路が設けられ、前記膜を介して空気オフガス中の水分を空気へ移動させて空気を加湿する第１加湿器２１と、供給空気流路１１上の第１加湿器２１の上流に配置された第２加湿器２２とを備え、第２加湿器２２は、膜を有し、該膜の片面が液水に接し他面が空気と接することで空気を加湿し、第２加湿器２２は、その一部が第１加湿器２１の前記空気オフガス通路に熱的に接するとともに前記空気オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有する。【選択図】図１
2012134066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路と、
前記燃料電池のカソードに前記酸化剤流路を介して酸化剤を供給する酸化剤ポンプと、
前記酸化剤流路上に配置され、膜を有し、該膜を介して一方の側に前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス通路が設けられ、他方の側に酸化剤が流通する酸化剤通路が設けられ、前記膜を介して酸化剤オフガス中の水分を酸化剤へ移動させて酸化剤を加湿する第１加湿器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤流路上の前記第１加湿器の上流または下流に配置され、膜を有し、該膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する第２加湿器をさらに備え、
前記第２加湿器は、その一部が前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接するとともに前記酸化剤オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１加湿器の前記膜は中空糸膜で構成され、前記第１加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、
前記第２加湿器は、液水が内側に流れる複数のパイプを有し、該複数のパイプが前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路内に延在することにより、前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接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加湿器の前記膜は中空糸膜で構成され、前記第１加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、
前記第２加湿器は、前記第１加湿器を外側から囲うウォータージャケットを有し、該ウォータージャケットの一部が液水受容部と連通することにより、前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜型の燃料電池では、固体高分子電解質膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなって出力が低下するので、良好な発電状態を維持するためには固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つ必要がある。そのため、燃料電池内部の湿度管理は大変に重要である。
ところで、燃料電池内部の加湿と燃料電池の冷却とを関連させて行う燃料電池システムが考えられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池スタック内において空気通路および水素通路と冷却水通路とを多孔性分離板を介して隣接して配置した燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、冷却水通路に冷却水を循環させることにより燃料電池スタックを冷却し、また、水素と酸素の反応により生成された生成水が空気通路から多孔性分離板を介して冷却水通路にポンピングされ、さらに、冷却水通路の冷却水が多孔性分離板に浸透して空気通路を流れる空気および水素通路を流れる水素を加湿する。つまり、冷却水によって、燃料電池スタックの冷却と燃料電池スタック内部の加湿を行っている。
【０００４】
また、特許文献２には、燃料電池スタック内に空気通路および水素通路から離隔して冷却水通路を設け、水が噴射された空気を冷却水通路に流し、この空気中の水が冷却水通路内で蒸発するときに気化熱により燃料電池スタックを冷却し、冷却水通路から排出される水蒸気と空気をラジエタで冷却した後、燃料電池スタックの空気通路に供給することで、燃料電池スタック内部を加湿する燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムの場合には、冷却水を燃料電池スタックの湿度調整に用いているので、冷却水には純水しか使用することができず、不凍液を使用することができないため、凍結に対する水管理が煩雑である。
また、特許文献２の燃料電池システムでは、同じ水で燃料電池スタックの冷却と燃料電池スタック内部の加湿を行うので、やはり純水を使用しなければならず、水管理が煩雑なだけでなく、ラジエタや、水を貯留しておくためのタンクや、水を噴射するためのポンプおよび噴射ノズル等の装置が必要となるので、部品点数が増え、水噴射のためにポンプ等の制御も必要となり、燃料電池システムが複雑となる。
したがって、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの冷却と加湿をそれぞれ別の系とした方が、凍結対策も取り易く、システムの簡素化の点からも好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５７００５９５号明細書
【特許文献２】特開２００９−２０００２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池スタックの冷却と切り離して燃料電池スタック内部を加湿する手段として、燃料電池スタックから排出される空気オフガスに含まれる水分を、膜を介して、燃料電池スタックに供給される空気に移動させて該空気を加湿する膜加湿器が知られている。
【０００８】
しかしながら、この膜加湿器を用いた燃料電池システムでは、燃料電池スタックが適正な作動温度で運転しているときには、空気オフガスから必要な水分量を回収して空気を十分に加湿することができるが、燃料電池スタックの温度が高温状態となったときに、必要な水分量を空気オフガスから回収することができなくなり、空気が湿度不足となる場合があった。
図９は、燃料電池スタックの水収支を模式的に表したものである。図９（Ａ）は燃料電池スタックが常温（適正な作動温度）で運転されているときの水収支を示す概念図であり、図９（Ｂ）は燃料電池スタックが高温で運転されているときの水収支を示す概念図である。
固体高分子電解質膜型の燃料電池において、燃料電池スタックに供給される空気に含まれる水分により、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー等からなる固体高分子電解質膜の湿潤状態を保持する場合には、燃料電池スタックに供給される空気を加湿する必要がある。
【０００９】
図９（Ａ）に示すように、燃料電池スタックの温度が常温の場合には、燃料電池スタックに供給される空気を加湿するために必要な水分量（スタック入口における要求水分量）は少なくて済む。一方、燃料電池スタックから排出される空気オフガスに含まれる水分量（スタック出口における水分量）は、スタック入口における水分に、燃料電池スタック内で生成された生成水（水蒸気および凝縮水）が加わる。燃料電池スタックの温度が常温の場合には、燃料電池スタックから排出される空気オフガスに含まれる水分量が、要求水分量と比較して十分に大きいので、膜加湿器において空気オフガスから前記要求水分量を回収することが可能であり、燃料電池スタックに供給される空気を十分に加湿することが可能である。なお、回収されなかった水分は排気水蒸気となって廃棄される。
【００１０】
これに対して、図９（Ｂ）に示すように、燃料電池スタックが高温の場合、燃料電池スタックに供給される空気を適切に加湿するためには多くの水分量が必要となる。すなわち、スタック入口における要求水分量が大きい。一方、燃料電池スタックで生成される生成水の量は同じである。ここで、膜加湿器の水回収率が同じである場合、膜加湿器において空気オフガスから要求水分量を回収することが不可能となり、水収支が破綻し、燃料電池スタックに供給される空気を十分に加湿することができなくなる。その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保持できなくなり、燃料電池スタックは適正な出力を維持できなくなる。
【００１１】
そこで、この発明は、膜加湿器を用いながら、効率よく燃料電池を加湿することができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック２）と、前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路（例えば、後述する実施例における供給空気流路１１）と、前記燃料電池のカソードに前記酸化剤流路を介して酸化剤を供給する酸化剤ポンプ（例えば、後述する実施例におけるエアポンプ１０）と、前記酸化剤流路上に配置され、膜（例えば、後述する実施例における中空糸膜２６，５７，７５，１５７）を有し、該膜を介して一方の側に前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス通路（例えば、後述する実施例における空気オフガス室３２，６２，８０，１６２）が設けられ、他方の側に酸化剤が流通する酸化剤通路（例えば、後述する実施例における２６ａ，５７ａ，７５ａ，１５７ａ）が設けられ、前記膜を介して酸化剤オフガス中の水分を酸化剤へ移動させて酸化剤を加湿する第１加湿器（例えば、後述する実施例における第１加湿器２１）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）において、前記酸化剤流路上の前記第１加湿器の上流または下流に配置され、膜（例えば、後述する実施例における中空糸膜２６，５７，７８，１５７）を有し、該膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する第２加湿器（例えば、後述する実施例における第２加湿器２２）をさらに備え、前記第２加湿器は、その一部が前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接するとともに前記酸化剤オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部（例えば、後述する実施例における受皿部３３，６８，８７，１６８、水溜まり室３１，６１，８１，１６１）を有することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１加湿器の前記膜は中空糸膜（例えば、後述する実施例における中空糸膜２６）で構成され、前記第１加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、前記第２加湿器は、液水が内側に流れる複数のパイプ（例えば、後述する実施例における冷却パイプ２７）を有し、該複数のパイプが前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路内に延在することにより、前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１加湿器の前記膜は中空糸膜（例えば、後述する実施例における中空糸膜５７，７５，１５７）で構成され、前記第１加湿器は前記中空糸膜の内側を酸化剤が流れ外側を酸化剤オフガスが流れるように構成されており、前記第２加湿器は、前記第１加湿器を外側から囲うウォータージャケット（例えば、後述する実施例におけるウォータージャケット５６，１５６、水溜まり室８１）を有し、該ウォータージャケットの一部が液水受容部と連通することにより、前記第１加湿器の前記酸化剤オフガス通路に熱的に接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、ガス−ガス加湿器である第１加湿器の上流または下流に、水−ガス加湿器である第２加湿器を配置し、第２加湿器の一部で第１加湿器を流通する酸化剤オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた酸化剤オフガス中の水分を凝縮させて液水として回収し、これを第２加湿器において加湿用の水源として利用することができる。そして、酸化剤を第１加湿器と第２加湿器の両方で加湿することができるので、水の回収効率を高めることができる。
また、水−ガス加湿器である第２加湿器による加湿分は、酸化剤オフガスの水蒸気分圧によらずに加湿することができるため、燃料電池の出力の過渡時における酸化剤オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池を高温状態で運転したときにも、酸化剤を十分に加湿することができ、燃料電池の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。さらに、燃料電池の使用温度を高く設定することができるので、酸化剤を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システムを小型化することができる。
【００１６】
請求項２に係る発明によれば、酸化剤オフガスと熱的に接する部分の表面積を大きくでき、冷却効率が向上するので、酸化剤オフガスから回収される凝縮水の量を多くすることができる。
【００１７】
請求項３に係る発明によれば、酸化剤オフガスと熱的に接する部分の保有水量を多くすることができるので、冷却効率が向上し、酸化剤オフガスから回収される凝縮水の量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例１における概略構成図である。
【図２】前記実施例１の燃料電池システムにおいて用いられる加湿装置の断面図である。
【図３】前記実施例１の加湿装置における供給空気および空気オフガスの温度変化を示す図である。
【図４】前記実施例１の燃料電池システムにおける水収支を説明する概念図である。
【図５】この発明に係る燃料電池システムの実施例２において用いられる加湿装置の断面図である。
【図６】この発明に係る燃料電池システムの実施例３において用いられる加湿装置の断面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池システムの実施例４における概略構成図である。
【図８】前記実施例４の燃料電池システムにおいて用いられる加湿装置の断面図である。
【図９】従来の燃料電池システムにおける水収支を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図９の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例における燃料電池システムは、発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池車両に搭載される態様である。
【００２０】
＜実施例１＞
初めに、この発明に係る燃料電池システムの実施例１を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１は、実施例１における燃料電池システム１の概略構成を示した図である。
燃料電池スタック（燃料電池）２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素ガス（燃料）を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気（酸化剤）を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００２１】
図示しない水素タンクから供給される水素ガスは、水素ガス供給流路３、エゼクタ４を通って燃料電池スタック２のアノードに供給される。燃料電池スタック２で消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池スタック２から水素オフガスとして排出され、水素オフガス流路５を通ってエゼクタ４に戻され、水素タンクから供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池スタック２のアノードに供給される。水素オフガス流路５からは、パージ弁６を備えたパージ流路７が分岐し、パージ流路７は希釈器８に接続されている。パージ弁６は通常は閉じていて、燃料電池スタック２の運転状態に応じて開弁され、水素オフガス流路５を流れる水素オフガスを希釈器８へ排出する。
【００２２】
空気はエアポンプ（酸化剤ポンプ）１０によって加圧され、供給空気流路（酸化剤流路）１１、加湿装置２０を通って燃料電池スタック２のカソードに供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック２から空気オフガス（酸化剤オフガス）として排出され、空気オフガス流路１３を通って希釈器８に排出される。希釈器８よりも上流の空気オフガス流路１３には、燃料電池スタック２のカソード内の空気圧力を調整するための背圧弁１４が設けられている。なお、以下の説明では、燃料電池スタック１に供給される空気を供給空気と称す。パージ弁６の開放により希釈器８へ排出された水素オフガスは、希釈器８において空気オフガスによって希釈され、系外に排出される。
なお、燃料電池スタック２は図示しない冷却装置によって冷却可能となっている。つまり、この燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の冷却と燃料電池スタック２の加湿とを別々に処理している。
【００２３】
加湿装置２０は、空気オフガス中の水分を供給空気に移動させることによって供給空気を加湿する装置であり、第１加湿器２１と第２加湿器２２とを備えて構成されている。供給空気は、初めに第２加湿器２２で加湿され、次に第１加湿器２１で加湿されて燃料電池スタック２のカソードへ供給される。
【００２４】
第１加湿器２１は、供給空気流路１１上に配置され、水透過膜を有し、該水透過膜を介して一方の側に空気オフガスが流通する空気オフガス通路が設けられ、他方の側に供給空気が流通する供給空気通路が設けられ、前記水透過膜を介して空気オフガス中の水分を供給空気へ移動させて供給空気を加湿するガス−ガス加湿器である。
【００２５】
第２加湿器２２は、供給空気流路１１上の第１加湿器２１よりも上流に配置され、水透過膜を有し、該水透過膜の片面が液水に接し他面が酸化剤と接することで酸化剤を加湿する水−ガス加湿器である。第２加湿器２２は、その一部が第１加湿器２１の前記空気オフガス通路に熱的に接するとともに前記空気オフガス通路で凝縮した凝縮水を液水として受容する液水受容部を有しており、この液水受容部の液水が前記水透過膜の片面に接する液水となる。
【００２６】
加湿装置２０の具体的な構造を図２の図面を参照して説明する。
加湿装置２０は、長手方向（軸心方向）を水平にして配置された略矩形筒状のハウジング２３を備え、ハウジング２３の長手方向の一端側には、空気流入口２４ａを備えた空気入口筒体２４が連結され、長手方向の他端側には空気流出口２５ａを備えた空気出口筒体２５が連結されている。なお、ハウジング２３と空気入口筒体２４と空気出口筒体２５はいずれも金属製であるのが熱伝達の観点から望ましい。
【００２７】
ハウジング２３の内部には、ハウジング２３の長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜２６と複数の冷却パイプ２７がほぼ均等に配置されて収納されており、これら中空糸膜２６および冷却パイプ２７を支持するために、ハウジング２３の長手方向の両端部および中間部に樹脂製のポッティング部２８ａ，２８ｂ，２８ｃが設けられている。
【００２８】
中空糸膜２６は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーからなり、その内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水蒸気分圧の大きい流体中の水分が中空糸膜を透過して水蒸気分圧の小さい流体へと移動する特性を有している。
中空糸膜２６は、その長手方向の両端部がポッティング部２８ａ，２８ｂに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部２８ｃに貫通状態に固定されている。
ハウジング２３の長手方向の両端部はポッティング部２８ａ，２８ｂによって塞がれており、ポッティング部２８ａと空気入口筒体２４との間には拡散室２９が形成され、ポッティング部２８ｂと空気出口筒体２５との間には集合室３０が形成されている。
各中空糸膜２６の内側の通路２６ａは拡散室２９および集合室３０に連通している。
【００２９】
冷却パイプ２７は熱伝導率の高い金属で形成され、拡散室２９に近い側の端部が開口し、集合室３０に近い側の端部が閉塞しており、開口側の端部がポッティング部２８ｃに貫通状態に固定され、閉塞側の端部がポッティング部２８ｂに貫通状態に固定されている。
ハウジング２３の内部空間は、ポッティング部２８ｃによって長手方向に二分されており、拡散室２９に近い側が水溜まり室３１、集合室３０に近い側が空気オフガス室３２となっている。冷却パイプ２７の内部の通路２７ａは水溜まり室３１に連通している。
【００３０】
また、ハウジング２３の底部であってポッティング部２８ｃの下方に位置する部位には、下側に膨出する受皿部３３が形成されている。ポッティング部２８ｃにおいて受皿部３３に没入する部分には、水溜まり室３１と空気オフガス室３２とを連通する連通孔３４が設けられている。
ハウジング２３の底部には空気オフガス室３２に連なるオフガス流入口３５が設けられ、ハウジング２３の上部には、空気オフガス室３２に連なるオフガス流出口３６と、水溜まり室３１に連なる水流出口３７が設けられている。
【００３１】
次に、加湿装置２０の作用を説明する。
エアポンプ１０から送られてくる供給空気は、空気流入口２４ａから拡散室２９に導入され、拡散室２９から各中空糸膜２６の内側の通路２６ａを通って集合室３０へと流れ、集合室３０から空気流出口２５ａを通って燃料電池スタック２のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック２から排出された空気オフガスは、加湿装置２０のオフガス流入口３５から空気オフガス室３２に導入され、空気オフガス室３２を流通してオフガス流出口３６から流出され、希釈器８へ送られる。
今、図２に示すように、水溜まり室３１の内部と、全ての冷却パイプ２７内の通路２７ａと、受皿部３３内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
【００３２】
加湿器２０内において、供給空気は、初めに中空糸膜２６において水溜まり室３１内に収容された部分を流通する。この部分の中空糸膜２６は、その外面が水溜まり室３１に収容された液水に接しており、内面が通路２６ａを流れる供給空気に接している。そのため、水溜まり室３１の液水が中空糸膜２６を透過し、透過する際に気化して水蒸気となり、中空糸膜２６の通路２６ａを流れる供給空気に移動する。また、供給空気はこのときの気化熱によって熱を奪われ、冷やされる（図３（Ｂ）参照）。同時に、水溜まり室３１内の液水も気化熱によって熱を奪われ、冷やされる。このように、供給空気は、水溜まり室３１内の中空糸膜２６の通路２６ａを流通する際に加湿され、冷却される。
【００３３】
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜２６において空気オフガス室３２内に収容された部分を流通する。この部分の中空糸膜２６は、その外面が空気オフガス室３２を流れる空気オフガスに接しており、内面が通路２６ａを流れる供給空気に接している。ここで、燃料電池スタック２から排出される空気オフガスは、燃料電池スタック２における発電に伴い生成される生成水（液滴および水蒸気）を含む極めて湿度の高いガスである。そのため、空気オフガス中の水蒸気が中空糸膜２６を透過し、中空糸膜２６の通路２６ａを流れる供給空気に移動する。また、空気オフガスは供給空気よりも温度が高いため、空気オフガス室３２内において中空糸膜２６を介して空気オフガスと供給空気との間で熱交換が行われ、供給空気は空気オフガスの熱を奪って上昇し（図３（Ａ）参照）、空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。このように、供給空気は、空気オフガス室３２内の中空糸膜２６の通路２６ａを流通する際に加湿され、昇温される。
【００３４】
また、空気オフガスは空気オフガス室３２を流れる間に、内部に液水を充満させた冷却パイプ２７と接触し冷却される。前述したように、空気オフガスは、発電に伴い生成された生成水（液滴および水蒸気）を含む極めて湿度の高いガスであるので、冷却パイプ２７の表面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が冷却パイプ２７の表面で凝縮して結露し（図３（Ａ）参照）、液滴となって空気オフガス室３２の底部に落下する。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室３２の底部に溜まる。空気オフガス室３２は、受皿部３３の連通孔３４および水溜まり室３１を介して、空気オフガス室３２よりも圧力の低い希釈器８に接続されているので、空気オフガス室３２の底部に落下した液滴は、この圧力差によって受皿部３３へと導かれ、受皿部３３に溜まって液水となり、水溜まり室３１に供給される。水溜まり室３１をオーバーフローした水は水流出口３７から希釈器８に排出される。
【００３５】
なお、図３（Ａ）において、実線はこの実施例のように冷却パイプ２７を設けた場合の空気オフガスの温度変化を示し、破線は冷却パイプ２７を設けない場合の空気オフガスの温度変化を示している。冷却パイプ２７を設けない場合には、空気オフガスの温度低下が少なく、したがって凝縮水量も少なくなる。
【００３６】
この実施例１では、中空糸膜２６において空気オフガス室３２内に収容されている部分は第１加湿器２１の膜を構成し、その内側の通路２６ａは第１加湿器２１の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室３２は第１加湿器２１の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第１加湿器２１が構成されている。
また、この実施例１では、中空糸膜２６において水溜まり室３１内に収容されている部分は第２加湿器２２の膜を構成し、冷却パイプ２７は第１加湿器２１の酸化剤オフガス通路（空気オフガス室３２）に延在して熱的に接するパイプを構成し、この冷却パイプ２７と受皿部３３と水溜まり室３１は第２加湿器２２の液水受容部を構成し、これらによって第２加湿器２２が構成されている。
【００３７】
このように、この加湿装置２０では、ガス−ガス加湿器である第１加湿器２１の上流に、水−ガス加湿器である第２加湿器２２を配置し、第２加湿器２２の冷却パイプ２７で、第１加湿器２１の空気オフガス室３２を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第２加湿器２２において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第１加湿器２１と第２加湿器２２の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第１加湿器２１から第２加湿器２２へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置２０を小型化することができる。
【００３８】
図４は、この燃料電池システム１において燃料電池スタック２を高温状態で運転したときの水収支を示した概念図である。この図において「アシスト」と記載されている部分が、第２加湿器２２により回収される（加湿される）水分量を示しており、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック２の入口における要求水分量を、加湿装置２０において回収することが可能となる。
前記アシスト分、すなわち第２加湿器２２による加湿分は、空気オフガスの水蒸気分圧によらずに加湿することができるため、燃料電池スタック２の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
【００３９】
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック２の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック２の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム１を小型化することができる。
【００４０】
＜実施例２＞
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例２を図５の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システム１の概略構成は実施例１と同じであるので、図１を援用して説明を省略する。
実施例２の燃料電池システム１が実施例１の燃料電池システム１と相違する点は、加湿装置２０における第２加湿器２２の具体的な構成にある。以下、図５の断面図を参照して実施例２の加湿装置２０を説明する。
【００４１】
加湿器２０は、長手方向（軸心方向）を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング５１と、長手方向（軸心方向）を水平にして内側ハウジング５１を外側から囲うように配置された略矩形筒状の外側ハウジング５２とを備えている。内側ハウジング５１は長手方向の一端部を外側ハウジング５２から突出させて外側ハウジング５２内に収容されている。外側ハウジング５２の長手方向の他端側は内側ハウジング５１の長手方向の他端側よりも外方へ延出しており、その延出した端部に、空気流入口５３ａを備えた空気入口筒体５３が連結されている。また、内側ハウジング５１の一端部には、空気流出口５４ａを備えた空気出口筒体５４が連結されている。
なお、内側ハウジング５１と外側ハウジング５２と空気入口筒体５３と空気出口筒体５４はいずれも金属製であるのが熱伝達の観点から望ましい。
【００４２】
外側ハウジング５２の一端部に設けられた閉塞部５５は内側ハウジング５１の外周面に接合されている。内側ハウジング５１の外周面と外側ハウジング５２の内周面との間には全周に亘って空間が形成されており、この空間がウォータージャケット５６となっている。なお、内側ハウジング５１の長手方向の他端側の外周面と、これに対向する外側ハウジング５２の外周面は、周方向に適宜の間隔で設けられたサポート部６７によって連結されている。
【００４３】
内側ハウジング５１と外側ハウジング５２の内部には、その長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜５７がほぼ均等に配置されて収納されており、これら中空糸膜５７を支持するために、内側ハウジング５１の長手方向の両端部および外側ハウジング５２において空気入口筒体５３に近い側の端部に、樹脂製のポッティング部５８ａ，５８ｂ，５８ｃが設けられている。中空糸膜５７は実施例１における中空糸膜２６と同じであるので、その説明は省略する。
中空糸膜５７は、その長手方向の両端部がポッティング部５８ａ，５８ｃに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部５８ｂに貫通状態に固定されている。
【００４４】
内側ハウジング５１の長手方向の両端部はポッティング部５８ａ，５８ｂによって塞がれており、内側ハウジング５１の内部は空気オフガス室６２となっている。空気オフガス室６２はその全周をウォータージャケット５６によって囲まれている。一方、外側ハウジング５２において空気入口筒体５３に近い側の端部はポッティング部５８ｃによって塞がれている。外側ハウジング５２においてポッティング部５８ｂとポッティング部５８ｃとの間に形成された空間は水溜まり室６１となっていて、この水溜まり室６１に前述したウォータージャケット５６が連通している。
ポッティング部５８ｃと空気入口筒体５３との間には拡散室５９が形成され、ポッティング部５８ａと空気出口筒体５４との間には集合室６０が形成されている。
空糸膜５７の内側の通路５７ａは拡散室５９および集合室６０に連通している。
【００４５】
また、内側ハウジング５１の底部には、下側に膨出する受皿部６８が形成されており、受皿部６８の底部には、ウォータージャケット５６と空気オフガス室６２とを連通する連通孔６３が設けられている。
内側ハウジング５１の底部には空気オフガス室６２に連なるオフガス流入ノズル６４が固定され、オフガス流入ノズル６４は、ウォータージャケット５６および外側ハウジング５２の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング５１の上部には空気オフガス室６２に連なるオフガス流出ノズル６５が固定され、オフガス流出ノズル６５はウォータージャケット５６および外側ハウジング５２の上部を貫通し、突出している。さらに、内側ハウジング５１の上部には水溜まり室６１に連なる水流出口６６が設けられている。
【００４６】
この実施例２の加湿装置２０では、ウォータージャケット５６が実施例１における冷却パイプ２７の機能を担い、ウォータージャケット５６の内壁となる内側ハウジング５１を介して空気オフガス室６２内の空気オフガスを水冷し、空気オフガス中の水蒸気を凝縮し、第２加湿器２２において加湿に供される液水を得る。
【００４７】
以下、実施例２の加湿装置２０の作用を説明する。
エアポンプ１０から送られてくる供給空気は、空気流入口５３ａから拡散室５９に導入され、拡散室５９から各中空糸膜５７の内側の通路５７ａを通って集合室６０へと流れ、集合室６０から空気流出口５４ａを通って燃料電池スタック２のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック２から排出された空気オフガスは、加湿装置２０のオフガス流入ノズル６４から空気オフガス室６２に導入され、空気オフガス室６２を流通してオフガス流出ノズル６５から流出され、希釈器８へ送られる。
今、図５に示すように、水溜まり室６１の内部と、ウォータージャケット５６の内部と、受皿部６８内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
【００４８】
加湿器２０内において、供給空気は、初めに中空糸膜５７において水溜まり室６１内に収容された部分を流通する。このときに、実施例１の場合と同様、供給空気は、水溜まり室６１内における中空糸膜５７の通路５７ａを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室６１内の液水も冷却される。
【００４９】
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜５７において空気オフガス室６２内に収容された部分を流通する。このときに、実施例１の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室６２内における中空糸膜５７の通路５７ａを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室６２内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
【００５０】
また、空気オフガス室６２は内側ハウジング５１を介して、液水を充満させたウォータージャケット５６に熱的に接しているので、空気オフガスは空気オフガス室６２を流れる間に冷却される。そして、内側ハウジング５１の内面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が内側ハウジング５１の内面で凝縮して結露し、液滴となって空気オフガス室６２の底部に溜まる。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室６２の底部に溜まる。空気オフガス室６２は、受皿部６８の連通孔６３および水溜まり室６１を介して、空気オフガス室６２よりも圧力の低い希釈器８に接続されているので、空気オフガス室６２の底部に溜まった液滴は、この圧力差によって受皿部６８へと導かれ、受皿部６８に溜まって液水となり、水溜まり室６１に供給される。なお、水溜まり室６１をオーバーフローした水は水流出口６６から希釈器８に排出される。
【００５１】
この実施例２では、中空糸膜２６において空気オフガス室６２内に収容されている部分は第１加湿器２１の膜を構成し、その内側の通路５７ａは第１加湿器２１の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室６２は第１加湿器２１の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第１加湿器２１が構成されている。
また、この実施例２では、中空糸膜５７において水溜まり室６１内に収容されている部分は第２加湿器２２の膜を構成し、受皿部６８と水溜まり室６１は第２加湿器２２の液水受容部を構成し、ウォータージャケット５６が第２加湿器２２のウォータージャケットを構成し、これらによって第２加湿器２２が構成されている。
【００５２】
この実施例２の加湿装置２０によっても、実施例１の加湿装置２０と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、実施例２の加湿装置２０では、ガス−ガス加湿器である第１加湿器２１の上流に、水−ガス加湿器である第２加湿器２２を配置し、第２加湿器２２のウォータージャケット５６で、第１加湿器２１の空気オフガス室６２を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第２加湿器２２において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第１加湿器２１と第２加湿器２２の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第１加湿器２１から第２加湿器２２へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置２０を小型化することができる。
【００５３】
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック２の入口における要求水分量を、加湿装置２０において回収することが可能となる。
また、燃料電池スタック２の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック２の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック２の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム１を小型化することができる。
【００５４】
＜実施例３＞
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例３を図６の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システム１の概略構成は実施例１と同じであるので、図１を援用して説明を省略する。
実施例３の燃料電池システム１が実施例１および実施例２の燃料電池システム１と相違する点は、加湿装置２０における第２加湿器２２の具体的な構成にある。以下、図６の断面図を参照して実施例３の加湿装置２０を説明する。
【００５５】
加湿器２０は、長手方向（軸心方向）を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング７１と、内側ハウジング７１の全体を外側から囲う略矩形箱状の外側ハウジング７２とを備えている。外側ハウジング７２の長手方向の一端側は内側ハウジング７１の長手方向の一端側よりも長手方向の外側へ所定寸法突出しており、内側ハウジング７１の前記一端側の端部の全周に連結された矩形環状の仕切筒７３が、外側ハウジング７２の前記一端側に向かって延び、外側ハウジング７２の前記一端側の端板７４に連結されている。また、外側ハウジング７２の長手方向の他端側も内側ハウジング７１の長手方向の他端側よりも長手方向の外側へ所定寸法突出している。
なお、内側ハウジング７１と外側ハウジング７２と仕切筒７３はいずれも金属製である。
【００５６】
内側ハウジング７１の内部には、その長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜７５がほぼ均等に配置されて収納されており、この中空糸膜７５を支持するために、内側ハウジング７１の長手方向の両端部に、樹脂製のポッティング部７６ａ，７６ｂが設けられている。中空糸膜７５は、その長手方向の両端部がポッティング部７６ａ，７６ｂに貫通状態に固定されている。内側ハウジング７１の長手方向の両端部はポッティング部７６ａ，７６ｂによって塞がれており、内側ハウジング７１の内部は空気オフガス室８０となっている。
【００５７】
また、内側ハウジング７１の外周面と外側ハウジング７２の内周面との間に形成された矩形環状の空間部７７にも、外側ハウジング７２の長手方向に沿って水平に延びる複数の中空糸膜７８がほぼ均等に配置されて収納されており、この中空糸膜７８を支持するために、空間部７７において内側ハウジング７１の長手方向の両端部に対応する部分に、樹脂製のポッティング部７９ａ，７９ｂが設けられている。中空糸膜７８は、その長手方向の両端部がポッティング部７９ａ，７９ｂに貫通状態に固定されている。空間部７７は内側ハウジング７１の長手方向の両端部に対応する部分をポッティング部７９ａ，７９ｂによって塞がれており、ポッティング部７９ａ，７９ｂに挟まれた空間が水溜まり室８１となっている。なお、この水溜まり室８１は実施例２の加湿装置２０におけるウォータージャケット５６を兼ねており、空気オフガス室８０の外周を囲っている。
中空糸膜７５，７８は実施例１における中空糸膜２６と同じであるので、その説明は省略する。
【００５８】
ポッティング部７９ａと外側ハウジング７２と仕切筒７３とによって囲まれて形成される環状の空間は拡散室８２となっていて、外側ハウジング７２の一端側の上部には拡散室８２に連なる空気流入口８３が設けられている。また、ポッティング部７６ａと外側ハウジング７２の端板７４と仕切筒７３とによって囲まれて形成される空間は集合室８４となっていて、端板７４には集合室８４に連なる空気流出口８５が設けられている。また、ポッティング部７６ｂ，７９ｂと外側ハウジング７２とによって囲まれて形成された空間は反転室８６となっている。
中空糸膜７５の内側の通路７５ａは集合室８４および反転室８６に連通しており、中空糸膜７８の内側の通路７８ａは拡散室８２および反転室８６に連通している。
【００５９】
また、内側ハウジング７１の底部には、下側に膨出する受皿部８７が形成されており、受皿部８７の底部には、空気オフガス室８０と水溜まり室８１とを連通する連通孔８８が設けられている。なお、受皿部８７を設けず、連通孔８８だけを設けてもよい。
内側ハウジング７１の底部には空気オフガス室８０に連なるオフガス流入ノズル８９が固定され、オフガス流入ノズル８９は、水溜まり室８１および外側ハウジング７２の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング７１の上部には空気オフガス室８０に連なるオフガス流出ノズル９０が固定され、オフガス流出ノズル９０は水溜まり室８１および外側ハウジング７２の上部を貫通し、突出している。さらに、外側ハウジング７２の上部には水溜まり室８１に連なる水流出口９１が設けられている。
【００６０】
この実施例３の加湿装置２０では、水溜まり室８１が実施例２におけるウォータージャケット５６を兼ねており、水溜まり室８１の内壁となる内側ハウジング７１を介して空気オフガス室８０内の空気オフガスを水冷し、空気オフガス中の水蒸気を凝縮して、第２加湿器２２において加湿に供される液水を得る。
【００６１】
以下、実施例３の加湿装置２０の作用を説明する。
エアポンプ１０から送られてくる供給空気は、空気流入口８３ａから拡散室８２に導入され、拡散室８２から中空糸膜７８の内側の通路７８ａを通って反転室８６に流れ、反転室８６内において流れの向きを反転させて、反転室８６から中空糸膜７５の内側の通路７５ａを通って集合室８４に流れ、集合室８４から空気流出口８５を通って燃料電池スタック２のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック２から排出された空気オフガスは、加湿装置２０のオフガス流入ノズル８９から空気オフガス室８０に導入され、空気オフガス室８０を流通してオフガス流出ノズル９０から流出され、希釈器８へ送られる。
今、図６に示すように、水溜まり室８１の内部と受皿部８７内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
【００６２】
加湿器２０内において、供給空気は、初めに中空糸膜７８を流通する。このときに、実施例１の場合と同様、供給空気は、水溜まり室８１内における中空糸膜７８の通路７８ａを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室８１内の液水も冷却される。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜７５を流通する。このときに、実施例１の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室８０内における中空糸膜７５の通路７５ａを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室８０内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
【００６３】
また、空気オフガス室８０は内側ハウジング７１を介して、液水を充満させた水溜まり室（ウォータージャケット）８１に熱的に接しているので、空気オフガスは空気オフガス室８０を流れる間に冷却される。そして、内側ハウジング７１の内面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が内側ハウジング７１の内面で凝縮して結露し、液滴となって空気オフガス室８０の底部に溜まる。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室８０の底部に溜まる。空気オフガス室８０は、受皿部８７の連通孔８８および水溜まり室８１を介して、空気オフガス室８０よりも圧力の低い希釈器８に接続されているので、空気オフガス室８０の底部に溜まった液滴は、この圧力差によって受皿部８７へと導かれ、受皿部８７に溜まって液水となり、水溜まり室８１に供給される。なお、水溜まり室８１をオーバーフローした水は水流出口９１から希釈器８に排出される。
【００６４】
この実施例３では、中空糸膜７５は第１加湿器２１の膜を構成し、その内側の通路７５ａは第１加湿器２１の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室８０は第１加湿器２１の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第１加湿器２１が構成されている。
また、この実施例３では、中空糸膜７８は第２加湿器２２の膜を構成し、受皿部８７と水溜まり室８１は第２加湿器２２の液水受容部を構成し、水溜まり室８１は第２加湿器２２のウォータージャケットを構成し、これらによって第２加湿器２２が構成されている。
【００６５】
この実施例３の加湿装置２０によっても、実施例１の加湿装置２０と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、実施例３の加湿装置２０では、ガス−ガス加湿器である第１加湿器２１の上流に、水−ガス加湿器である第２加湿器２２を配置し、第２加湿器２２の水溜まり室８１で、第１加湿器２１の空気オフガス室８０を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第２加湿器２２において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第１加湿器２１と第２加湿器２２の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第１加湿器２１から第２加湿器２２へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置２０を小型化することができる。
【００６６】
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック２の入口における要求水分量を、加湿装置２０において回収することが可能となる。
また、燃料電池スタック２の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック２の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック２の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム１を小型化することができる。
【００６７】
なお、実施例１〜３の燃料電池システム１では放熱器を設けていないが、エアポンプ１０と加湿装置２０との間の供給空気流路１１上に放熱器を設けてもよい。
【００６８】
＜実施例４＞
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例４を図７，図８の図面を参照して説明する。
図７は、実施例４における燃料電池システム１の概略構成を示した図である。実施例４の燃料電池システム１と実施例１の燃料電池システム１との構成上の相違点は、実施例４では、エアポンプ１０と加湿装置２０との間に放熱器９が設けられている点と、加湿装置２０において水−ガス加湿器である第２加湿器２２がガス−ガス加湿器である第１加湿器２１の下流に設けられている点だけである。その他の構成は実施例１と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００６９】
前述したように、実施例４における加湿装置２０では、水−ガス加湿器である第２加湿器２２がガス−ガス加湿器である第１加湿器２１の下流に設けられており、供給空気は、初めに第１加湿器２１で加湿され、次に第２加湿器２２で加湿されて燃料電池スタック２のカソードへ供給される。
【００７０】
次に、加湿装置２０の具体的な構造を図８の図面を参照して説明する。
図８に示される実施例４の加湿装置２０の構成は、図５に示される実施例２の加湿器２０において供給空気の流れ方向を逆にしたものである。
加湿器２０は、長手方向（軸心方向）を水平にして配置された略矩形筒状の内側ハウジング１５１と、長手方向（軸心方向）を水平にして内側ハウジング１５１を外側から囲うように配置された略矩形筒状の外側ハウジング１５２とを備えている。内側ハウジング１５１は長手方向の一端部を外側ハウジング１５２から突出させて外側ハウジング１５２内に収容されている。内側ハウジング１５１の一端部には、空気流入口１５３ａを備えた空気入口筒体１５３が連結されている。外側ハウジング１５２の長手方向の他端側は内側ハウジング１５１の長手方向の他端側よりも外方へ延出しており、その延出した端部に、空気流出口１５４ａを備えた空気出口筒体１５４が連結されている。
なお、内側ハウジング１５１と外側ハウジング１５２と空気入口筒体１５３と空気出口筒体１５４はいずれも金属製である。
【００７１】
外側ハウジング１５２の一端部に設けられた閉塞部１５５は内側ハウジング１５１の外周面に接合されている。内側ハウジング１５１の外周面と外側ハウジング１５２の内周面との間には全周に亘って空間が形成されており、この空間がウォータージャケット１５６となっている。なお、内側ハウジング１５１の長手方向の他端側の外周面と、これに対向する外側ハウジング５２の外周面は、周方向に適宜の間隔で設けられたサポート部１６７によって連結されている。
【００７２】
内側ハウジング１５１と外側ハウジング１５２の内部には、その長手方向に沿って酢弊に延びる複数の中空糸膜１５７がほぼ均等に配置されて収納されており、これら中空糸膜１５７を支持するために、内側ハウジング１５１の長手方向の両端部および外側ハウジング１５２において空気出口筒体１５４に近い側の端部に、樹脂製のポッティング部１５８ａ，１５８ｂ，１５８ｃが設けられている。中空糸膜１５７は実施例１における中空糸膜２６と同じであるので、その説明は省略する。
中空糸膜１５７は、その長手方向の両端部がポッティング部１５８ａ，１５８ｃに貫通状態に固定され、長手方向の中間部がポッティング部１５８ｂに貫通状態に固定されている。
【００７３】
内側ハウジング１５１の長手方向の両端部はポッティング部１５８ａ，１５８ｂによって塞がれており、内側ハウジング１５１の内部は空気オフガス室１６２となっている。空気オフガス室１６２はその全周をウォータージャケット１５６によって囲まれている。一方、外側ハウジング１５２において空気出口筒体１５４に近い側の端部はポッティング部１５８ｃによって塞がれている。外側ハウジング１５２においてポッティング部１５８ｂとポッティング部１５８ｃとの間に形成された空間は水溜まり室１６１となっていて、この水溜まり室１６１に前述したウォータージャケット１５６が連通している。
ポッティング部１５８ａと空気入口筒体１５３との間には拡散室１５９が形成され、ポッティング部１５８ｃと空気出口筒体５４との間には集合室１６０が形成されている。
各中空糸膜１５７の内側の通路１５７ａは拡散室１５９および集合室１６０に連通している。
【００７４】
また、内側ハウジング１５１の底部には、下側に膨出する受皿部１６８が形成されており、受皿部１６８の底部には、ウォータージャケット１５６と空気オフガス室１６２とを連通する連通孔１６３が設けられている。
内側ハウジング１５１の底部には空気オフガス室１６２に連なるオフガス流入ノズル１６４が固定され、オフガス流入ノズル１６４は、ウォータージャケット１５６および外側ハウジング１５２の底部を貫通し、突出している。内側ハウジング１５１の上部には空気オフガス室１６２に連なるオフガス流出ノズル１６５が固定され、オフガス流出ノズル１６５はウォータージャケット１５６および外側ハウジング１５２の上部を貫通し、突出している。さらに、内側ハウジング１５１の上部には水溜まり室１６１に連なる水流出口１６６が設けられている。
【００７５】
この実施例４の加湿装置２０では、ウォータージャケット１５６の内壁となる内側ハウジング１５１を介して空気オフガス室１６２内の空気オフガスを水冷し、空気オフガス中の水蒸気を凝縮して、第２加湿器２２において加湿に供される液水を得る。
【００７６】
以下、実施例４の加湿装置２０の作用を説明する。
エアポンプ１０から送られてくる供給空気は、空気流入口１５３ａから拡散室１５９に導入され、拡散室１５９から中空糸膜１５７の内側の通路１５７ａを通って集合室１６０へと流れ、集合室１６０から空気流出口１５４ａを通って燃料電池スタック２のカソードに供給される。
一方、燃料電池スタック２から排出された空気オフガスは、加湿装置２０のオフガス流入ノズル１６４から空気オフガス室１６２に導入され、空気オフガス室１６２を流通してオフガス流出ノズル１６５から流出され、希釈器８へ送られる。
今、図８に示すように、水溜まり室１６１の内部と、ウォータージャケット１５６の内部と、受皿部１６８内は、空気オフガスから回収した水で満たされているものとする。
【００７７】
加湿器２０内において、供給空気は、初めに中空糸膜１５７において空気オフガス室１６２内に収容された部分を流通する。このときに、実施例１の場合と同様、供給空気は、空気オフガス室１６２内における中空糸膜１５７の通路１５７ａを流通する際に加湿され、昇温される。また、空気オフガス室１６２内の空気オフガスは供給空気に熱を奪われて温度低下する。
そして、加湿された供給空気は、次に中空糸膜１５７において水溜まり室１６１内に収容された部分を流通する。このときに、実施例１の場合と同様、供給空気は、水溜まり室１６１内における中空糸膜１５７の通路１５７ａを流通する際に加湿され、冷却される。同時に、水溜まり室１６１内の液水も冷却される。
【００７８】
また、空気オフガス室１６２は内側ハウジング１５１を介して、液水を充満させたウォータージャケット１５６に熱的に接しているので、空気オフガスは空気オフガス室１６２を流れる間に冷却される。そして、内側ハウジング１５１の内面温度が露点以下となると、空気オフガス中の水蒸気が内側ハウジング１５１の内面で凝縮して結露し、液滴となって空気オフガス室１６２の底部に溜まる。また、空気オフガス中に初めから含まれていた液滴も空気オフガス室１６２の底部に溜まる。空気オフガス室１６２は、受皿部１６３の連通孔１６３および水溜まり室１６１を介して、空気オフガス室１６２よりも圧力の低い希釈器８に接続されているので、空気オフガス室１６２の底部に溜まった液滴は、この圧力差によって受皿部１６３へと導かれ、受皿部１６３に溜まって液水となり、水溜まり室１６１に供給される。なお、水溜まり室１６１をオーバーフローした水は水流出口１６６から希釈器８に排出される。
【００７９】
この実施例４では、中空糸膜１５７において空気オフガス室１６２内に収容されている部分は第１加湿器２１の膜を構成し、その内側の通路１５７ａは第１加湿器２１の酸化剤通路を構成し、空気オフガス室１６２は第１加湿器２１の酸化剤オフガス通路を構成し、これらによって第１加湿器２１が構成されている。
また、この実施例４では、中空糸膜１５７において水溜まり室１６１内に収容されている部分は第２加湿器２２の膜を構成し、受皿部１６８と水溜まり室１６１は第２加湿器２２の液水受容部を構成し、ウォータージャケット１５６が第２加湿器２２のウォータージャケットを構成し、これらによって第２加湿器２２が構成されている。
【００８０】
この実施例４の加湿装置２０によっても、実施例１の加湿装置２０と同じ作用効果を奏することができる。
すなわち、実施例４の加湿装置２０では、ガス−ガス加湿器である第１加湿器２１の下流に、水−ガス加湿器である第２加湿器２２を配置し、第２加湿器２２のウォータージャケット１５６で、第１加湿器２１の空気オフガス室１６２を流通する空気オフガスを冷却することにより、従来は回収しきれずに排出されていた空気オフガス中の水蒸気を凝縮させて液水として回収し、これを第２加湿器２２において加湿用の水源として利用し、供給空気を加湿することができる。したがって、酸化剤を第１加湿器２１と第２加湿器２２の両方で加湿することができ、水の回収効率を高めることができる。しかも、空気オフガスの圧力エネルギーを利用して、液水を第１加湿器２１から第２加湿器２２へ移動させることができるので、新たにポンプ等の構成を付加する必要もなく、構成が簡単である。その結果、加湿装置２０を小型化することができる。
【００８１】
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも、供給空気を適切に加湿するために必要な水分量、すなわち燃料電池スタック２の入口における要求水分量を、加湿装置２０において回収することが可能となる。
また、燃料電池スタック２の出力の過渡時における空気オフガスの温度変化や圧力変化に依存せずに安定した加湿を行うことができる。
また、燃料電池スタック２を高温状態で運転したときにも供給空気を十分に加湿することができ、その結果、燃料電池スタック２の固体高分子電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができるので、燃料電池スタック２の使用温度を高く設定することができ、供給空気を冷却するための放熱器を不要もしくは小型にすることができ、燃料電池システム１を小型化することができる。
【００８２】
なお、実施例４では、第２加湿器２２を第１加湿器２１の下流に配置した加湿装置２０として、図５に示された実施例２の加湿器２０において供給空気の流れ方向を逆にしたもので説明したが、第２加湿器２２を第１加湿器２１の下流に配置した加湿装置２０は、図２に示された実施例１の加湿器２０において供給空気の流れ方向を逆にしたものや、図６に示された実施例３の加湿器２０において供給空気の流れ方向を逆にしたもので構成することも可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック（燃料電池）
１０  エアポンプ（酸化剤ポンプ）
１１  供給空気流路（酸化剤流路）
２１  第１加湿器
２２  第２加湿器
２６，５７，７５，７８，１５７  中空糸膜（膜）
２６ａ，５７ａ，７５ａ，１５７ａ  通路（酸化剤通路）
２７  冷却パイプ（パイプ）
３２，６２，８０，１６２  空気オフガス室（酸化剤オフガス通路）
３３，６８，８７，１６８  受皿部（液水受容部）
３１，６１，８１，１６１  水溜まり室（液水受容部）
５６，１５６  ウォータージャケット
【図１】
2012134066.tif 000003
【図２】
2012134066.tif 000004
【図３】
2012134066.tif 000005
【図４】
2012134066.tif 000006
【図５】
2012134066.tif 000007
【図６】
2012134066.tif 000008
【図７】
2012134066.tif 000009
【図８】
2012134066.tif 000010
【図９】
2012134066.tif 000011