(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および前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する第１酸化剤ガス加湿器及び第２酸化剤ガス加湿器を備えた加湿装置と、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吸熱した冷却水で加温して加湿を行い、
前記第１酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、前記酸化剤ガス加湿器を構成する第１の流路プレートの片面に供給酸化剤ガス経路を設け、もう片面に供給冷却水経路を設け、複数の前記第１の流路プレートの間に水蒸気透過膜を配置し、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設け、
前記第２酸化剤ガス加湿器は、前記第１酸化剤ガス加湿器に隣接して配置され、前記水抜きマニホールドに接続され、前記水抜きマニホールドから前記第１の流路プレートの厚み方向に延長するように形成されたバッファ部を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿装置は、前記燃料ガス加湿器の第２の流路プレートの供給冷却水経路面に設けた第２の冷却水出口マニホールドと前記酸化剤ガス加湿器の前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路に設けた第１の冷却水入り口マニホールドを直列に接続し、前記第２の冷却水出口マニホールドを前記第２の流路プレートの供給冷却水経路の上方に設け、前記第１の冷却水入り口マニホールドと前記第１の冷却水出口マニホールドを前記第１の流路プレートの供給冷却水経路の上方に設けた請求項１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おける燃料電池用ガスの加湿装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。
【０００３】
この燃料電池に使用される高分子電解質膜は、電解質（水素イオン）のイオン導伝性を保つために、燃料ガス及び酸化剤ガス（これらを反応ガスという）の少なくとも一方を加湿して供給することが必要である。
【０００４】
一般的な燃料電池システムでは、スタックから排出される高湿度のオフガスや排冷却水を熱源および水源として、全熱交換型加湿装置により反応ガスの加湿を行っている。
【０００５】
このような加湿装置として、一方の主面に加湿される反応ガスが通流する流路溝が形成され、他方の主面に排冷却水又はオフガスが通流する流路溝が形成されたセパレータと、水蒸気透過膜とを積層し、この積層体を締結した加湿装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、この従来技術における加湿装置では、特に寒冷地での使用に際し、停止時の凍結によって内部残留水が膨張し、特に反応ガスが通流する流路溝の間に位置する部分で水蒸気透過膜が一方のセパレータ側に偏り、水蒸気透過膜が破損するという問題があった。
【０００７】
そこで、水蒸気透過膜の機械的強度が低く、破損し易いことを考慮して、機械的強度が高い水蒸気透過膜を用いる加湿装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
また、機械的強度が低い水蒸気透過膜の破損を防止することを考慮して、網目状又は多数の透孔を有し、水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平９−７６２１号公報
【特許文献２】特開２００１−２３６６２号公報
【特許文献３】特開２０００−３４８７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特に寒冷地において経済効果が高い定置用コージェネレーションシステムにおいては、その耐用期間（１０年以上）を考慮して、数百回の凍結融解を想定する必要があるが、従来技術における補強部材を併用した場合においても耐久性が不足する恐れがあった。
【００１０】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、凍結時に水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる燃料電池用ガスの加湿装置を提供することにより、特に寒冷地における信頼性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池用ガスの加湿装置は、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および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た加湿装置と、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吸熱した冷却水で加温して加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、前記酸化剤ガス加湿器を構成する第１の流路プレートの片面に酸化剤ガス流路を設け、もう片面に供給冷却水経路を設け、複数の前記第１の冷却水プレートの間に水蒸気透過膜を配置し、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたものである。
【００１２】
したがって、前記加湿装置は、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前記燃料ガス加湿器と前記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ために前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続した場合、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたことにより、前記供給冷却水経路内に水を滞留させることがない。
【００１３】
よって前記供給冷却水経路に接する前記水蒸気透過膜の面を全面に渡って水と接触させることがなくなるので、寒冷地の冬季時などに燃料電池システムの長期停止する時においても、前記水蒸気透過膜が水の凍結時の体積膨張の圧力で破損する度合いを低減させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
これにより、本発明の燃料電池用ガスの加湿装置は、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ために前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続した場合において、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたことにより、前記供給冷却水経路内に水を滞留させることがない。よって前記供給冷却水経路に接する前記水蒸気透過膜の面を全面に渡って水と接触させることがなくなるので、寒冷地の冬季時などに燃料電池システムの長期停止する時においても、前記水蒸気透過膜が水の凍結時の体積膨張の圧力で破損する度合いを低減させることができる。
【００１５】
すなわち、水抜き機能を有しながらなお且つ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、安定した燃料電池システムの運転を実現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】
【００１６】
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および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た加湿装置と、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前記燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水で加温して加湿を行い、酸化剤ガス加湿器は、燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、酸化剤ガス加湿器を構成する第１の流路プレートの片面に酸化剤ガス流路を設け、もう片面に供給冷却水経路を設け、複数の前記第１の冷却水プレートの間に水蒸気透過膜を配置し、第１の流路プレートの供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたものである。
【００１７】
かかる構成とすることにより、本発明の燃料電池システムは、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ために前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続した場合において、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたことにより、供給冷却水経路内に水を滞留させることがない。
【００１８】
よって前記供給冷却水経路に接する前記水蒸気透過膜の面を全面に渡って水と接触させることがなくなるので、寒冷地の冬季時などに燃料電池システムの長期停止する時においても、前記水蒸気透過膜が水の凍結時の体積膨張の圧力で破損する度合いを低減させることができる。
【００１９】
すなわち、燃料電池システムの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し、また、コンパクト化及び簡素化を図ることが可能となる燃料電池システムの加湿装置を提供することが可能となる。
【００２０】
また、第２の発明は、特に第１の発明において、燃料ガス加湿器の第２の流路プレートの供給冷却水経路面に設けた第２の冷却水出口マニホールドと酸化剤ガス加湿器の第１の流路プレートの供給冷却水経路に設けた第１の冷却水入り口マニホールドを直列に接続し、第２の冷却水出口マニホールドを第２の流路プレートの供給冷却水経路の上方に設け、第１の冷却水入り口マニホールドと第１の冷却水出口マニホールドを第１の流路プレートの供給冷却水経路の上方に設けたものである。
【００２１】
ここで加湿装置の燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経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供給冷却水経路を並列に接続すると、加湿装置入り口の冷却水流量は、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、加湿装置入り口冷却水流量よりも低下する。
【００２２】
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、加湿装置入り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。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。
【００２３】
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。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池用ガスの加湿装置を備えた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。
【００２５】
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の冷却水経路６ａと、第２の冷却水経路６ｂと、第３の冷却水経路６ｃと、第４の冷却水経路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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、システム全体の動作について説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。この原料としては、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。
【００３０】
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、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（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。
【００３１】
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に供給されて加湿される。
【００３２】
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、第３の燃料ガス経路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酸化剤ガスと、燃料極側に供給された水素リッチな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。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。
【００３３】
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の酸化剤ガス排出経路４を介して第１の酸化剤ガス加湿器２２に供給される。
【００３４】
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発生している。
【００３５】
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の酸化剤ガス排出経路５を通じて排出される。
【００３６】
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１０ａ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１０ｂを通じて排出される。
【００３７】
燃料処理装置４２で生成された水素リッチな燃料ガスの加湿は、燃料電池１１から第４の燃料ガス経路１０ａを介して燃料ガス加湿器２０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発生している。
【００３８】
また、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第１の冷却水経路６ａを介して燃料ガス加湿器２０に流入し、次に第２の冷却水経路６ｂより第２の酸化剤ガス加湿器２１に流入し、その後、第３の冷却水経路６ｃを介して冷却水放熱器１３に供給されて、ここで熱回収される。
【００３９】
すなわち、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第４の燃料ガス経路１０ａ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へ流れて、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、厳密には前記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、湿熱交換作用が発生している。
【００４０】
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の酸化剤ガス排出経路４から流入する排出ガスの水分と熱を利用して行われ、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行われている。
【００４１】
さらに、貯湯水タンク４５と、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。
【００４２】
また、冷却水放熱器１３を通過した冷却水は、第４の冷却水経路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、冷却水経路７を介して再び燃料電池１１に供給されて循環を繰り返す。
【００４３】
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。
【００４４】
さらに、この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の冷却水経路６ａ、第２の冷却水経路６ｂ、第３の冷却水経路６ｃ、第４の冷却水経路６ｄを介して再び冷却水タンク１４に戻される。
【００４５】
ここで、第３の冷却水経路６ｃと第４の冷却水経路６ｄの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、この冷却水の熱は、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。
【００４６】
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、こ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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と当接し、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が介挿されている。
【００５０】
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、水抜き口１１０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、第１の端板６１における水抜き口１１０は冷却水入口７３よりも下方に位置している。
【００５１】
また、中端板６４は、供給酸化剤ガス経路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９９ａと、排出燃料ガス入口６８と、第１の連通穴９１ａと、水抜き穴１０９ｃとを有し、水抜き穴１０９ｃは中端板６４の周囲下方に位置して構成されている。
【００５２】
また、第１の酸化剤ガス加湿器２２は、加湿モジュール７５とその加湿モジュール７５に配管（図示せず）を導くケーシング７６より構成され、ケーシング７６には水抜き口１１０と連通する連通管７６ａが水平もしくは下方に傾斜して構成されている。
【００５３】
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と水蒸気透過膜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経路７８、他の面に第１の供給冷却水経路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、水抜きマニホールド１０８ａとを有して構成され、前記第１の冷却水入口マニホールドと前記第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、前記水抜きマニホールド１０８ｂは、第１の流路プレート７７の下方に位置している。
【００５４】
また、酸化剤ガス端板６３は、排出燃料ガス入口６８と、第１の供給冷却水経路７９と、酸化剤ガス入口穴８０ａと、水抜きマニホールド１０８ｃとを有し、水抜きマニホールド１０８ｃは酸化剤ガス端板６３の周囲下方に位置して構成されている。
【００５５】
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と水蒸気透過膜２３で構成されている。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の供給冷却水経路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の間に水蒸気透過膜２３を配設して形成され、第２の流路プレート８５には、第２の冷却水入口マニホールド９０と、水抜きマニホールド１０８ａと、第２の冷却水出口マニホールド９１と、供給酸化剤ガス貫通穴９４と、供給燃料ガス貫通穴９５とを有し、そのうちの前記第２の供給冷却水経路８８において、前記第２の冷却水入口マニホールド９０と、水抜きマニホールド１０８ａとが第２の流路プレート８５の周囲下方に、そして前記第２の冷却水出口マニホールド９１が第２の流路プレート８５の周囲上方に位置している。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と、水抜き穴１０９ａよりなり、前記第２の冷却水入口穴９８と、水抜き穴１０９ａは前記第３の流路プレート８６の周囲下方に位置している。
【００５６】
燃料ガス加湿器２０と、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、内部が水蒸気透過膜２３で区切られており、水蒸気透過膜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、該水蒸気透過膜２３は前記燃料ガス加湿器２０で使用される場合は第１の枠体１０２で一体化され、前記第２の酸化剤ガス加湿器２１で使用される場合は第２の枠体１０５ａで一体化されている。
【００５７】
ここで、水蒸気透過膜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。
【００５８】
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一対の端版６１、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。
【００５９】
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、２１、第１の酸化剤ガス加湿器２２には、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）および冷却水が次のように流れる。
【００６０】
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。
【００６１】
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１０ａ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１０ｂを通じて排出される。
【００６２】
排出燃料ガス流路８７内の凝縮水の水分（水蒸気）は、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。
【００６３】
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の供給冷却水経路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の供給冷却水経路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。
【００６４】
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。
【００６５】
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、前記燃料電池１１内での反応により、前記供給燃料ガスと反応せずに残った前記排出酸化剤ガスは、高温で多くの水分を含むことから、第１の酸化剤ガス排出経路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の前記加湿モジュール７５で供給酸化剤ガスと湿熱交換した後、第２の酸化剤ガス排出経路５から排出される。そして前記酸化剤ガスは前記第１の流路プレート７７の前記供給酸化剤ガス経路７８に流入し、前記水蒸気透過膜２３を介して第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９の冷却水とさらに湿熱交換する。
【００６６】
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。
【００６７】
このとき、冷却水は、冷却水経路７から冷却水入り口７３、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を通って前記第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の供給冷却水経路８８に流入し、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６４の上方に位置する第１の連通穴９１ａを通り、第２の枠体１０５ａの上方に位置する第２の連通穴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の供給冷却水経路７９で冷却水はコの字を描いて再び上方に流れ、第３の枠体１０５ｂの上方に位置した第３の連通穴１０７を通り、第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路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の上方に位置した第３の連通穴１０７を通り、中端板６４の上方に位置した冷却水戻り穴９９ａ、第２の流路プレート８５の上方に位置した冷却水戻り穴９９ｂ、第１の枠体１０２の上方に位置した冷却水戻り穴９９ｃ、第３の流路プレート８６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の冷却水経路６ｃに流出し、システムを循環する。
【００６９】
次に、第１の流路プレート７７と酸化剤ガス端板６３の第１の供給冷却水経路７９の冷却水の水抜き動作について説明する。燃料電池システムの冷却水は、燃料電池システムの動作中は第１の供給冷却水経路７９に冷却水が満たされた状態で燃料電池システム内を循環している。
【００７０】
燃料電池システムが停止すると、第１の供給冷却水経路７９の冷却水は第１の供給冷却水経路７９に満たされたままの状態である。第１の供給冷却水経路７９の冷却水の水抜きは、まず水抜き経路１１１の下流に設けた水抜きコック（図示せず）を開放する。
【００７１】
これにより、第１の供給冷却水経路７９の冷却水は、第１の流路プレート７７の水抜きマニホールド１０８ｂと酸化剤ガス端板６３の水抜きマニホールド１０８ｃで合流し、ケーシング７６の連通管７６ａを通って第１の端板６１の水抜き口１１０から前記水抜き経路１１１を介して排出される。
【００７２】
このように本実施の形態１においては、水蒸気透過膜２３と接する第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９内に貯留した冷却水は、上記構成において水抜きを行うことにより、燃料電池システムが停止時に凍結するような環境にあっても、第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９の下方に前記水抜きマニホールド１０８ｂを配置したので、水抜きを行うことができ、水蒸気透過膜２３を破損させることはない。
【００７３】
また、第１の流路プレート７７の水抜きマニホールド１０８ｂ、酸化剤ガス端板６３の水抜きマニホールド１０８ｃと第２の枠体１０５ａの水抜き穴１０９ｄ、第３の枠体１０５ｂの水抜き穴１０９ｅは、酸化剤・燃料ガス加湿装置５１として積層されて一体に組み立てられており、この時水抜きマニホールド１０８ｂ、酸化剤ガス端板６３の水抜きマニホールド１０８ｃと水抜き穴１０９ｄ、１０９ｅは、プレートの厚み方向に空洞を形成し、また、ケーシング７６の連通管部においても空洞（図示しない）を形成する。
【００７４】
水抜き作業においては一旦水抜きした後も、第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９や水蒸気透過膜２３の冷却水接触面に残留した冷却水の残水が時間経過とともに落下し、下部に流れるが、この時空洞がバッファになり冷却水の残水を貯水できるので、水抜き後の残水が水蒸気透過膜２３の面まで溜まることはなく、安定して凍結時の膜の損傷を防止することができる。
【００７５】
また、この残水の量は、加湿器の性能をさらに向上させるために前記水蒸気透過膜を多段に積層する場合もあり、その時はより残水量が増加する。よって、本発明によれば、前記ケーシング７６の連通管７６ａも空洞となりさらにバッファとして利用することができるので、さらに高性能な加湿器を搭載した燃料電池システムにおいては、より安定して凍結時の膜の損傷を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように本発明にかかる燃料電池用ガスの加湿装置を備えた燃料電池システムは、水抜き機能を有しながらなお且つ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】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる燃料電池用ガスの加湿装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同加湿装置の構成図
【図３】同加湿装置の冷却水経路を説明するための要部分解斜視図
【図４】同加湿装置の冷却水経路を説明するための要部分解斜視図
【図５】同加湿装置の供給酸化剤ガス経路を説明するための要部分解斜視図
【図６】同加湿装置の供給酸化剤ガス経路を説明するための要部分解斜視図
【符号の説明】
【００７８】
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の酸化剤ガス排出経路
５    第２の酸化剤ガス排出経路
６ａ    第１の冷却水経路
６ｂ    第２の冷却水経路
６ｃ    第３の冷却水経路
６ｄ    第４の冷却水経路
７    冷却水経路
８    第１の燃料ガス経路
９ａ    第２の燃料ガス経路
９ｂ    第３の燃料ガス経路
１０ａ    第４の燃料ガス経路
１０ｂ    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
２３    水蒸気透過膜
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
６３    酸化剤ガス端板
６４    中端板
６８    排出燃料ガス入口
７５    加湿モジュール
７６    ケーシング
７６ａ    連通管
７７    第１の流路プレート
７８    供給酸化剤ガス経路
７９    第１の供給冷却水経路
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の供給冷却水経路
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    冷却水出口マニホールド
９１ａ    第１の連通穴
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    冷却水戻り穴
９９ａ，９９ｂ，９９ｃ    冷却水戻り穴
１００    排出燃料ガス貫通穴
１０１    酸化剤ガス貫通穴
１０２    第１の枠体
１０３    第１の連通穴
１０５ａ    第２の枠体
１０５ｂ    第３の枠体
１０６    第２の連通穴
１０７    第３の連通穴
１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ    水抜きマニホールド
１０９ａ，１０９ｃ，１０９ｄ，１０９ｅ    水抜き穴
【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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