(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと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供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して燃料ガスの加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて酸化剤ガスの加湿を行うものであり、
前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器を直列に接続して一体化構成とし、
前記燃料ガス加湿器の冷却水入口マニホールドを前記燃料ガス加湿器の冷却水流路の下方に設け、
前記燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを前記燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設け、
前記燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドの出口及び前記酸化剤ガス加湿器の冷却水入口マニホールドの入口を直列に接続し、
前記酸化剤ガス加湿器の冷却水入口マニホールドを前記酸化剤ガス加湿器の冷却水流路の上方に設け、
前記酸化剤ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを前記酸化剤ガス加湿器の冷却水流路の上方に設けた構成としたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス加湿器の冷却水出口マニホールドの出口及び前記燃料ガス加湿器の冷却水入口マニホールドの入口が、前記燃料電池を介して直列に接続し、
前記燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドの出口を前記燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設けた構成としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス加湿器は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、
前記第１の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、前記第２の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、前記燃料ガス加湿器と前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器を一体化構成した請求項１又は２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、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させることで知られている。
【０００３】
この燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気（オフガス）に含まれる水分（水蒸気）を、水蒸気透過膜を介して燃料電池の空気極側に供給する空気に移動させ、それにより供給空気の加湿を行う加湿装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。
【特許文献１】特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】特開平６−１３２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の加湿手段は、前記バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招くものである。
【０００７】
また、上記特許文献２に記載の加湿装置は、被加湿ガス（ここでは加湿される供給空気）を、加湿ガス（ここでは水分の供給元となる排出空気）以上の露点温度に加湿することができず、また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなるものである。
【０００８】
したがって、かかる加湿装置は、燃料電池システムのコンパクト化の阻害要因となる可能性があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を解決するもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、燃料電池システムのコンパクト化、燃料電池システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと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供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器を備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して燃料ガスの加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて酸化剤ガスの加湿を行うものであり、前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器を直列に接続して一体化構成とし、前記燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを前記燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設け、前記燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドと前記酸化剤ガス加湿器の冷却水マニホールドの入口を直列に接続し、前記酸化剤ガス加湿器の冷却水マニホールドの出口を前記酸化剤ガス加湿器の冷却水流路の上方に設けた構成としたものである。
【００１１】
この構成により、本願発明は、効率の高い加湿装置、およびその加湿装置を備えた燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器のそれぞれの冷却水流路を直列に配管接続することにより、燃料電池システムの冷却水循環ポンプの小型化と効率化が図れるとともに、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器の接続配管が不要になり、加湿装置が小型化でき、しかも接続配管からの放熱を抑制できるので、効率の高い加湿装置、およびその加湿装置を備えた燃料電池システムを提供することができる。
【００１３】
そして、上記構成により、本発明の燃料電池システムは、エネルギー効率を向上させるとともに、安定した燃料電池システムの運転を実現することが可能となるとともに、燃料電池システムのコンパクト化及び簡素化が図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器を備え、燃料ガス加湿器は、燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を、燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して燃料ガスの加湿を行い、酸化剤ガス加湿器は、燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を直列に接続して一体化構成とし、燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設け、燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドと酸化剤ガス加湿器の冷却水マニホールドの入口を直列に接続し、酸化剤ガス加湿器の冷却水マニホールドの出口を酸化剤ガス加湿器の冷却水流路の上方に設けたものである。
【００１５】
かかる構成とすることにより、燃料電池システムの冷却水循環ポンプの小型化と効率化および燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器の接続配管が不要になり、加湿装置が小型化できるとともに接続配管からの放熱を抑制できるので、効率の高い加湿装置、しいては燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００１６】
ここで燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器のそれぞれの冷却水流路を直列に配管接続する利点を詳しく説明する。仮に燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器のそれぞれの冷却水流路を並列に接続すると、加湿装置入口の冷却水流量は、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器で分流されるので、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器での冷却水流量は、加湿装置入口冷却水流量よりも低下する。また、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を直列接続すると、加湿装置入口の冷却水流量は燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を変化することなく流通する。
【００１７】
よって、燃料電池システムを循環する冷却水流量が同じ場合、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を直列接続した方が並列接続するよりも、各加湿器を流通する冷却水流量が多くなり被加湿ガスへの温・湿度交換（以下、総合して温湿交換と称す）の温・湿度供給量が多くなるので、加湿性能は高くなる。
【００１８】
なお、並列接続の加湿装置の加湿性能を直列接続と同一にするには、燃料電池システムの冷却水の循環流量を増やせばよいが、このとき冷却水循環ポンプの出力を大きくする必要があり、燃料電池システムの装置の大型化およびポンプの消費電力の増大による効率低下となってしまう。
【００１９】
第２の発明は、特に第１の発明において、燃料ガス加湿器の冷却水入口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の下方に設け、燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設けたので、加湿器内のガス溜まりを抜き、加湿器の冷却水流路を常に水密状態に保ち、燃料ガスと酸化剤ガスの熱交換、温湿交換が十分に行えるようにしたものである。
【００２０】
また、第３の発明は、第１または２の発明において、燃料ガス加湿器の冷却水入口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の下方に設けて構成し、燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設け、加湿器内のガス溜まりを抜き、加湿器の冷却水流路を常に水密状態に保ち、燃料ガスと酸化剤ガスの熱交換、湿度交換が十分に行えるようにしたものである。
【００２１】
さらに、第４の発明は、第１〜３の発明のいずれかにおいて、酸化剤ガス加湿装置が、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、第１の酸化剤ガス加湿器は、燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して加湿を行い、第２の酸化剤ガス加湿器は、燃料電池の発電時の熱を冷却する冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、さらに、燃料ガス加湿器と第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を一体化構成し、燃料ガス加湿器で温湿交換した冷却水の温度降下による供給熱量の低下分を第１の酸化剤ガス加湿器で補うことができ、高露点で維持できるようにするものである。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと称す）の構成を示す模式図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、空気供給装置４０と、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１を備えた酸化剤ガス加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料ガス加湿器２０と、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２と、第１の空気経路１と、第２の空気経路２と、第３の空気経路３と、第１の冷却水流路６ａと、第２の冷却水流路６ｂと、第３の冷却水流路６ｃと、第４の冷却水流路６ｄと、貯湯水タンク４５と、貯湯水循環経路１５を主な要素として構成されている。
【００２４】
特に、燃料ガス加湿器２０と酸化剤ガス加湿装置５０は、一体化され酸化剤・燃料ガス加湿装置５１を構成しており、その詳細については後述する。
【００２５】
次に、システム全体の動作について説明する。
【００２６】
空気供給装置４０から第１の空気経路１を介して酸化剤ガス加湿装置５０に供給された空気（酸化剤ガス）は、第１の酸化剤ガス加湿器２２で加湿され、次に第２の空気経路２を通って、さらに第２の酸化剤ガス加湿器２１によって加湿される。第２の酸化剤ガス加湿器２１によって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、第３の空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。
【００２７】
一方、燃料供給装置４１から第１の燃料ガス経路８を介して、燃料処理装置４２に原料が供給される。原料としては、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物（例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等）を含むガス等あるいはアルコール等が好ましい。
【００２８】
ここでは、燃料処理装置４２は、具体的には、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、この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（いずれも図示せず）を備えており、かかる構成は周知であるため説明を省略する。
【００２９】
そして、燃料処理装置４２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、水素リッチなガスが生成される。この水素リッチなガスは、第２の燃料ガス経路９ａを介して燃料ガス加湿器２０に供給され、加湿される。
【００３０】
加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス（以下、燃料ガスと称す）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。この反応内容については周知であるため、説明を省略する。
【００３１】
第３の空気経路３から燃料電池１１に供給された供給酸化剤ガスのうち、反応に利用されなかった供給酸化剤ガスは、排出酸化剤ガスとなり、第１の排出空気経路４を介して第１の酸化剤ガス加湿器２２に供給される。
【００３２】
前述の第１の空気経路１から第１の酸化剤ガス加湿器２２へ流入した酸化剤ガスの加湿は、ここで排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して行われるもので、厳密には排出酸化剤ガスの熱も利用されていることから、第１の酸化剤ガス加湿器２２内では湿熱交換作用が行われている。
【００３３】
そして、第１の酸化剤ガス加湿器２２を経た排出酸化剤ガスは、第２の排出空気経路５を通じて排出される。
【００３４】
また、燃料電池１１で反応に利用されなかった燃料ガスは排出燃料ガスとなり、第４の燃料ガス経路１０を介して燃料ガス加湿器２０に供給され、燃料ガス排出経路１０ａを通じて排出される。
【００３５】
前述の燃料処理装置４２で生成された水素リッチなガスの加湿は、第４の燃料ガス経路１０を介して第２の酸化剤ガス加湿器２１へ流入した排出ガスの水分を利用して行われるもので、厳密には排出燃料ガスの熱も利用されていることから、燃料ガス加湿器２０内では湿熱交換作用が行われている。
【００３６】
また、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第１の冷却水流路６ａを介して燃料ガス加湿器２０に流入し、次に第２の冷却水流路６ｂより第２の酸化剤ガス加湿器２１に流入し、そして、第３の冷却水流路６ｃを介して冷却水放熱器１３に供給され、ここで熱回収される。
【００３７】
すなわち、冷却水は、第４の燃料ガス経路１０を介して燃料ガス加湿器２０に供給された排出燃料ガスの凝縮水を加温し、その後、第２の酸化剤ガス加湿器２１へ流れ、ここで燃料電池１１へ供給される供給酸化剤ガスの加湿を行う。この第２の酸化剤ガス加湿器２１で行われる加湿についても、厳密には冷却水の水分に加えて冷却水の温度も利用されていることから、湿熱交換作用が行われている。
【００３８】
換言すると、空気供給装置４０から供給される供給酸化剤ガスの加湿（湿熱交換作用）は、第１の酸化剤ガス加湿器２２では第１の排出空気経路４から流入する排出ガスの水分と熱を利用して、第２の酸化剤ガス加湿器２１では冷却水の水分と熱を利用してそれぞれ行われるものである。
【００３９】
さらに、貯湯水タンク４５と、その貯湯水タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、貯湯水タンク４５から給水した水を、冷却水放熱器（熱交換器）１３を経由して再び貯湯水タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５において、冷却水放熱器１３には、前述の如く第２の酸化剤ガス加湿器２１で加湿に利用された後の冷却水の熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給、蓄熱される。
【００４０】
また、冷却水放熱器１３を通過した冷却水は、第４の冷却水流路６ｄを介して冷却水タンク１４へ流れる。そして、冷却水タンク１４の冷却水は、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水ポンプ１２によって加圧され、冷却水流路７を介して再び燃料電池１１に供給される循環を繰り返す。
【００４１】
ここで、冷却水タンク１４の冷却水は、７０℃程度に維持されており、この温度は、燃料電池１１と十分熱交換できる温度である。
【００４２】
さらに、冷却水について詳述すると、燃料電池１１の熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、第１の冷却水流路６ａ、第２の冷却水流路６ｂ、第３の冷却水流路６ｃ、第４の冷却水流路６ｄを介して再び冷却水タンク１４に戻される。
【００４３】
ここで、第３の冷却水流路６ｃと第４の冷却水流路６ｄの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、冷却水の熱は、冷却水放熱器１３によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。
【００４４】
本実施の形態１における燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、その冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。
【００４５】
さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス加湿器２０および酸化剤ガス加湿装置５０が一体化された酸化剤・燃料ガス加湿装置５１を構成しており、次に、本実施の形態１の特徴である、燃料ガス加湿器２０および酸化剤・燃料ガス加湿装置５１について説明する。
【００４６】
図２〜図６は、図１に示す燃料電池システムにおける酸化剤・燃料ガス加湿装置５１の構成および湿熱交換作用を説明するための説明図である。
【００４７】
図２において、酸化剤・燃料ガス加湿装置５１は、ともに冷却水を用いて加湿する燃料ガス加湿器２０と第２の酸化剤ガス加湿器２１を直列に接続した構成であり、第１の端板６１と第２の端板６２で挟まれており、第１の酸化剤ガス加湿器２２は第１の端板６１と当接され、第１の酸化剤ガス加湿器２２の反対面と第２の酸化剤ガス加湿器２１の間には、酸化剤ガス端板６３が当接され、第２の酸化剤ガス加湿器２１の反対面と燃料ガス加湿器２０の間には、中端板６４が介挿されて構成されている。
【００４８】
また、第１の端板６１は、供給酸化剤ガス入口６５と、排出酸化剤ガス入口６６と、排出酸化剤ガス出口６７とを有し、第２の端板６２は、供給酸化剤ガス出口６９と、供給燃料ガス出口７０と、供給燃料ガス入口７１と、排出燃料ガス出口７２と、冷却水入口７３と、冷却水出口７４とを有し、冷却水出口７４は第２の端板６２の冷却水入口７３よりも上方に位置している。第１の酸化剤ガス加湿器２２は、第１の加湿モジュール７５とこの第１の加湿モジュール７５に配管（図示せず）を導くケーシング７６より構成されている。
【００４９】
また、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、第１の流路プレート７７と水分移動膜２３を複数段積層して構成され、第１の流路プレート７７は片面に供給酸化剤ガス流路７８、他の面に第１の冷却水流路７９が構成され、供給酸化剤ガス入口マニホールド８０と、酸化剤ガス入口穴８０ａと、供給酸化剤ガス出口マニホールド８１と、第１の冷却水入口マニホールド８２と、第１の冷却水出口マニホールド８３とを有して構成され、第１の冷却水入口マニホールドと第１の冷却水出口マニホールドは、ともに第１の流路プレート７７の上方に位置している。
【００５０】
また、酸化剤ガス端板６３は、排出燃料ガス入口６８と、第１の冷却水流路７９と酸化剤ガス入口穴８０ａとを有して構成されている。
【００５１】
また、燃料ガス加湿器２０は、第２の流路プレート８５と第３の流路プレート８６と水分移動膜（水蒸気透過膜）２３で構成されており、この水分移動膜２３は第１の枠体１０２で一体化されている。
【００５２】
第２の流路プレート８５は片面に排出燃料ガス流路８７、他の面に第２の冷却水流路８８が形成され、第３の流路プレート８６は片面に供給燃料ガス流路８９が形成され、第２の流路プレート８５の排出燃料ガス流路８７と第３の流路プレート８６の供給燃料ガス流路８９の間に水分移動膜２３を配設して形成されている。
【００５３】
第２の流路プレート８５の周囲上方には第２の冷却水入口マニホールド９０と、第２の冷却水出口マニホールド９１とがともに位置し、排出燃料ガス入口マニホールド９２と、排出燃料ガス出口マニホールド９３と、供給酸化剤ガス貫通穴９４と、供給燃料ガス貫通穴９５とを有する。
【００５４】
第３の流路プレート８６には供給燃料ガス入口マニホールド９６と、供給燃料ガス出口マニホールド９７と、第２の冷却水入口穴９８と、冷却水戻り穴９９と、排出燃料ガス貫通穴１００と、酸化剤ガス貫通穴１０１よりなり、燃料ガス加湿器２０と、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、内部が水分移動膜（水蒸気透過膜）２３で区切られており、水分移動膜２３によって高水分濃度側から低水分濃度側への水分（水蒸気）移動が可能で、加えて高温度側から低温度側への熱移動が可能な材料より構成されており、この水分移動膜２３は第２の枠体１０５で一体化されている。
【００５５】
ここで、水分移動膜２３には、例えば、ナフィオン系膜等で代表されるプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。
【００５６】
さらに、燃料ガス加湿器２０、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１は、それぞれの外殻が接触して配置されている構成であり、同図に示す如くそれらの両端が対をなす第１の端板６１と第２の端板６２に適宜手段にて固定され、単一の酸化剤・燃料ガス加湿装置５１となるようにユニット化されている。
【００５７】
上記構成とする酸化剤・燃料ガス加湿装置５１の燃料ガス加湿器２０、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１には、酸化剤ガス（空気）および冷却水が次のように流れる。
【００５８】
燃料ガスは、第２の燃料ガス経路９ａから燃料ガス加湿器２０の第３の流路プレート８６の供給燃料ガス入口マニホールド９６から供給燃料ガス流路８９に流入し、供給燃料ガス出口マニホールド９７を通って第３の燃料ガス経路９ｂから燃料電池１１の燃料極側に流入して酸化剤と反応する。この反応に伴って凝縮水も発生する。
【００５９】
また、中端板６４は、供給酸化剤ガス流路７８と供給酸化剤ガス出口マニホールド８１と、冷却水戻り穴９９と排出燃料ガス入口６８と冷却水連通穴９１ａとを有して構成されている。
【００６０】
酸化剤と反応せずに残った燃料ガスは、第４の燃料ガス経路１０から再び燃料ガス加湿器２０の排出燃料ガス流路８７へ凝縮水とともに流入し、一旦滞留する。そして、排出燃料ガス流路８７内の燃料ガスは、燃料ガス排出経路１０ａを通じて排出される。
【００６１】
排出燃料ガス流路８７内の凝縮水１１ａの水分（水蒸気）は、水分移動膜（水蒸気透過膜）２３の水分を透過させる作用により、供給燃料ガス流路８９へ透過する。
【００６２】
また、熱伝導性の良好な材料からなる第２の流路プレート８５の両面には、一方を排出燃料ガス流路８７、他方には第２の冷却水流路８８が配設されている。排出燃料ガスは、排出燃料ガス流路８７で滞留し温度が５０℃程度にまで降下する。しかし第２の冷却水流路８８の冷却水温度は燃料電池１１を出たときの温度の約７５℃を常に維持しているため、排出燃料ガス流路８７の凝縮水を一定温度に加温している。
【００６３】
したがって、供給燃料ガス流路８９へ透過した凝縮水分（水蒸気）も所定の高温度を維持し、凝縮水分は、供給燃料ガス流路８９を流れる燃料ガスと湿熱交換を行い、燃料ガスを加湿する。
【００６４】
また、酸化剤ガスは、第１の空気経路１から酸化剤ガス加湿装置５０の第１の酸化剤ガス加湿器２２に流入した後、第１の流路プレートの供給酸化剤ガス流路７８に流入し、水分移動膜２３を介して第１の流路プレートの第１の冷却水流路７９と湿熱交換する。
【００６５】
その後、供給酸化剤ガスは、第３の空気経路３を通って燃料電池１１の空気極側に流入し、燃料ガスと反応する。
【００６６】
そして、供給燃料ガスと反応せずに残った排出酸化剤ガスは、燃料電池１１内での反応により、供給空気よりも高温で多くの水分を含むことから、第１の排出空気経路４を通り、排出酸化剤ガス入口６６から第１の酸化剤ガス加湿器２２で水分移動膜（図示せず）を介して排出酸化剤ガスが与えられ、湿熱交換を行い第２の排出空気経路５から排出される。
【００６７】
このとき、冷却水は、冷却水流路７から冷却水入口７３と燃料ガス加湿器の第３の流路プレート８６の第２の冷却水入口穴９８、第１の枠体１０２の下方の第１の連通穴１０３を通って第２の流路プレート８５の下方に位置する第２の冷却水入口マニホールド９０から第２の冷却水流路８８に流入し、その第２の流路プレート８５の上方に位置する第２の冷却水出口マニホールド９１から中端板の上方に位置する中端板６４の第１の連通穴１０４を通り、第２の枠体１０５ａの上方に位置する第１連通穴１０６を通って、酸化剤ガス端板６３に到達する。
【００６８】
酸化剤ガス端板６３の第１の冷却水流路７９で冷却水はコの字を描いて再び上方にあり、第２の枠体１０５ｂの上方に位置した連通穴１０７を通り、第１の流路プレート７７の第１の冷却水流路７９で第１の冷却水入口マニホールド８２からコの字を描いた冷却水が上方に位置した第１の冷却水出口マニホールド８３で合流し、第２の枠体１０５ａの上方に位置した連通穴１０７を通り、中端板６４の上方に位置した冷却水戻り穴９９ａ、第３の流路プレートの上方に位置した冷却水戻り穴９９ｂ、第１の枠体の上方に位置した冷却水戻り穴９９ｃ、第３の流路プレートの上方に位置した冷却水戻り穴９９を通り、第２の端板６２の上方に位置する冷却水出口７４より第３の冷却水流路６ｃに流出し、システムを循環する。
【００６９】
このように本実施の形態１においては、冷却水は、燃料ガス加湿器で加湿し、その後直列に接続した第２の酸化剤ガス加湿器でも加湿する温湿熱源として使用されるため、燃料電池システムを循環する冷却水流量が同じ場合、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を並列接続するよりも、各加湿器を流通する冷却水流量が多くなり被加湿ガスへの温・湿度交換（以下、総合して温湿交換と称す）の温・湿度供給量が多くなるので、加湿性能は高くなる。
【００７０】
なお、並列接続の加湿装置の加湿性能を直列接続と同一にするには、燃料電池システムの冷却水の循環流量を増やせばよいが、このとき冷却水循環ポンプの出力を大きくする必要があり、燃料電池システムの装置の大型化およびポンプの消費電力の増大による効率低下となってしまう。
【００７１】
また、本発明は、加湿装置の燃料ガス加湿器の冷却水入口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の下方に設け、燃料ガス加湿器の冷却水出口マニホールドを燃料ガス加湿器の冷却水流路の上方に設けて構成し、加湿器内のガス溜まりを抜き、加湿器の冷却水流路を常に水密状態に保ち、燃料ガスと酸化剤ガスの熱交換、湿度交換が十分に行えるようにしたものである。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、システム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した動作が可能となり、燃料電池コージェネレーションシステムのほか、燃料電池自動車等へも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同燃料電池システムの加湿装置の湿熱交換作用の説明図
【図３】同燃料電池システムの加湿装置の湿熱交換作用を説明する分解斜視図
【図４】同燃料電池システムの加湿装置の湿熱交換作用を説明する分解斜視図
【図５】同燃料電池システムの加湿装置の湿熱交換作用を説明する分解斜視図
【図６】同燃料電池システムの加湿装置の湿熱交換作用を説明する分解斜視図
【符号の説明】
【００７４】
１    第１の空気経路
２    第２の空気経路
３    第３の空気経路
４    第１の排出空気経路
５    第２の排出空気経路
６ａ    第１の冷却水流路
６ｂ    第２の冷却水流路
６ｃ    第３の冷却水流路
６ｄ    第４の冷却水流路
７    冷却水流路
８    燃料ガス経路
９ａ    第２の燃料ガス経路
９ｂ    第３の燃料ガス経路
１０    第４の燃料ガス経路
１０ａ    燃料ガス排出経路
１１    燃料電池
１２    冷却水ポンプ
１３    冷却水放熱器
１４    冷却水タンク
１５    貯湯水循環経路
２０    燃料ガス加湿器
２１    第２の酸化剤ガス加湿器
２２    第１の酸化剤ガス加湿器
４０    空気供給装置
４１    燃料供給装置
４２    燃料処理装置
４４    貯湯水ポンプ
４５    貯湯水タンク
５０    酸化剤ガス加湿装置
５１    酸化剤・燃料ガス加湿装置
６１    第１の端板
６２    第２の端板
６３    酸化剤ガス端板
６４    中端板
６５    供給酸化剤ガス入口
６６    排出酸化剤ガス入口
６７    排出酸化剤ガス出口
６８    排出燃料ガス入口
６９    供給酸化剤ガス出口
７０    供給燃料ガス出口
７１    供給燃料ガス入口
７２    排出燃料ガス出口
７３    冷却水入口
７４    冷却水出口
７５    第１の加湿モジュール
７６    ケーシング
７７    第１の流路プレート
７８    供給酸化剤ガス流路
７９    第１の冷却水流路
８０    供給酸化剤ガス入口マニホールド
８０ａ    酸化剤ガス入口穴
８１    供給酸化剤ガス出口マニホールド
８２    第１の冷却水入口マニホールド
８３    第１の冷却水出口マニホールド
８５    第２の流路プレート
８６    第３の流路プレート
８７    排出燃料ガス流路
８８    第２の冷却水流路
８９    供給燃料ガス流路
９０    第２の冷却水入口マニホールド
９１    第２の冷却水出口マニホールド
９２    排出燃料ガス入口マニホールド
９３    排出燃料ガス出口マニホールド
９４    供給酸化剤ガス貫通穴
９６    供給燃料ガス入口マニホールド
９７    供給燃料ガス出口マニホールド
９８    第２の冷却水入口穴
９９，９９ａ，９９ｂ，９９ｃ    冷却水戻り穴
【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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