(57)【要約】【課題】反応ガスの湿度調整を更に良好に行うことができ、フラッディングを抑制するのに有利な燃料電池システムおよび湿度調整器を提供する。【解決手段】燃料電池システムの湿度調整器６は、燃料電池１の発電流路１３に供給される反応ガスを湿度調整する。湿度調整器６は、反応ガスが燃料電池１の発電流路１３に供給される前の反応ガスに対して湿度調整する上流湿度調整要素９０と、燃料電池１の発電流路の途中部まで通過した反応ガスを前記発電流路１３の途中部の反応ガスに対して湿度調整する下流湿度調整要素９１，９２とをもつ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池と、
前記カソード流体および前記アノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する湿度調整器とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記湿度調整器は、
前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路に供給される前の前記流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、
前記発電流路の途中部まで流れ且つ前記発電流路を迂回するように前記発電流路から流出させた前記流体の湿度を減少させて湿度調整するとともに前記発電流路に戻す下流湿度調整要素とを具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記上流湿度調整要素は、前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路に供給される前の前記流体を加湿させる供給加湿室を有しており、
前記下流湿度調整要素は、前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路の前記途中部から前記発電流路を迂回するように前記発電流路から流出させた前記流体を吸湿させる迂回吸湿室を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池と、
前記カソード流体および前記アノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する湿度調整器とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記湿度調整器は、
前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路に供給される前の前記流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、
前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路の途中部まで流れ且つ前記途中部から前記発電流路を迂回するように前記発電流路から流出させた前記流体を吸湿させ、その後、加湿させて湿度調整するとともに前記発電流路に戻す下流湿度調整要素とを具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３において、前記上流湿度調整要素は、前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路に供給される前に前記一方の流体を加湿させる供給加湿室を有しており、
前記下流湿度調整要素は、前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路の前記途中部から前記発電流路を迂回するように前記発電流路から流出させた前記流体を吸湿させる迂回吸湿室と、前記迂回吸湿室で吸湿された前記流体を加湿させる迂回加湿室とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２または４において、前記湿度調整器は、加湿面および吸湿面をもつ上流水交換膜を備えており、
前記上流水交換膜の前記加湿面は前記供給加湿室に対面し、前記上流水交換膜の前記吸湿面は前記迂回吸湿室に対面していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または５において、前記湿度調整器は、前記途中部よりも下流に位置すると共に加湿面および吸湿面をもつ下流水交換膜を備えており、前記下流水交換膜の前記加湿面は前記迂回加湿室に対面していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のうちの一項において、前記燃料電池における前記発電流路を通過した後に前記燃料電池から排出された発電反応後の前記流体が流れる排出通路が設けられており、前記湿度調整器は、前記排出通路を流れる前記流体を吸湿させる排出吸湿室を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７において、前記排出通路は、前記燃料電池から排出された発電反応後の前記流体を流すことにより前記流体の水分を前記下流湿度調整要素および前記上流湿度調整要素のうちの一方に与える第１排出通路と、前記燃料電池から排出された発電反応後の前記流体を流すことにより、前記流体の水分を前記下流湿度調整要素および前記上流湿度調整要素のうちの他方に与える第２排出通路とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７において、前記排出通路は、前記燃料電池から排出された発電反応後の前記流体の水分を前記下流湿度調整要素および前記上流湿度調整要素のうちの双方に与えない第１排出通路と、前記燃料電池から排出された発電反応後の前記流体を、前記下流湿度調整要素および前記上流湿度調整要素のうちの少なくとも一方に流すことにより、前記流体の水分を前記下流湿度調整要素および前記上流湿度調整要素のうちの少なくとも一方に与える第２排出通路とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８および９において、前記排出通路に流量制御要素が設けられており、前記流量制御要素は、前記第１排出通路を流れる前記流体の単位時間あたり流量と、前記第２排出通路を流れる前記流体の単位時間あたりの流量とを可変に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項８〜１０のうちの一項において、前記第１排出通路の流路抵抗および／または前記第２排出通路の流路抵抗は、前記上流湿度調整要素における湿度調整の目標量および／または前記下流湿度調整要素における湿度調整の目標量に基づいて設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちの一項において、前記燃料電池は、前記上流湿度調整要素で湿度調整された前記流体を前記燃料電池における前記発電流路に流入させる上流流入口と、前記燃料電池における前記発電流路を前記途中部まで通過した後の前記流体を前記下流湿度調整要素に向けて前記発電流路の外部に流出させる上流流出口と、前記下流湿度調整要素で湿度調整された前記流体を前記燃料電池の前記発電流路に流入させる下流流入口と、前記下流流入口から流入され前記燃料電池における前記発電流路を通過した後の前記流体を前記燃料電池の外部に流出させる下流流出口とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池に連通し、且つ、前記カソード流体およびアノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する燃料電池用湿度調整器において、
前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路に供給される前の前記流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、
前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路の途中部まで流れた前記流体を少なくとも吸湿させて湿度調整するとともに前記発電流路に戻す湿度調整要素とを具備していることを特徴とする燃料電池用湿度調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の発電流路に供給される流体の湿度を調整する湿度調整要素を有する燃料電池システムおよび湿度調整器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般的には、燃料電池と、燃料電池のカソードの発電流路に供給されるカソード反応ガスを加湿させる加湿要素とを有する（特許文献１〜３）。燃料電池は、アノード反応ガスが流れるアノードと、カソード反応ガスが流れるカソードと、アノードおよびカソードで挟持されたイオン伝導膜とを備える。特許文献１は、発電反応前の反応ガスと発電反応後のオフガスとの水交換による加湿方式を開示している。特許文献２は、水交換膜を用いて反応済みガスで反応ガスを加湿させる加湿装置を開示している。特許文献３は、水交換膜を用いて反応済みガスで反応ガスを加湿させると共に、燃料電池の反応空気入口の温度、反応済み空気出口の温度を検出し、両温度の結果に基づいて、バイパス弁を駆動し、反応済みガスのバイパス通路への切り替えを行うことで反応空気の加湿量を制御する加湿装置を開示している。
【特許文献１】米国特許公報６７８３８７８
【特許文献２】特許０３１１１６９７号公報
【特許文献３】特開２０００−１６４２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した技術を採用している燃料電池システムによれば、発電反応前の反応ガスを加湿して湿度調整することができる。ところで、燃料電池においてはその発電反応に基づいて水が生成される。生成された水は、反応ガスの流れによって下流領域に次第に移動してくるため、下流領域では水が増加し易い。そこでフラッディングを抑制する対策が更に一層要請されている。フラッディングは、水が反応ガスの発電流路を狭くすることをいう。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、発電流路に供給される流体の湿度調整を更に良好に行うことができ、フラッディングを抑制するのに有利な燃料電池システムおよび湿度調整器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）様相１に係る燃料電池システムは、カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、カソードおよびアノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池と、カソード流体およびアノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する湿度調整器とを具備する燃料電池システムにおいて、湿度調整器は、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路に供給される前の流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、発電流路の途中部まで流れ且つ発電流路を迂回するように発電流路から流出させた流体を吸湿させて湿度調整するとともに発電流路に戻す下流湿度調整要素とを具備していることを特徴とする。
【０００６】
湿度調整器は、カソード流体およびアノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する。従って、湿度調整される流体は、カソード流体でも良いし、アノード流体でも良い。湿度調整される流体はガス状である。湿度調整されない流体はガス状でも良いし、液体状でもよい。一般的には、カソード流体が流れる発電流路は、発電反応のためにカソードに隣接する流路を言う。アノード流体が流れる発電流路は、発電反応のためにアノードに隣接する流路を言う。
【０００７】
湿度調整器は、前記流体が燃料電池の発電流路に供給される前において、流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、燃料電池の発電流路の途中部まで流れ且つ発電流路を迂回する流体を再び湿度調整する下流湿度調整要素とを備えている。発電流路を迂回するとは、発電流路から発電流路の外部に取り出されることをいう。
【０００８】
上流湿度調整要素は、流体が燃料電池の発電流路に供給される前に、流体を湿度調整（加湿でも良いし、吸湿でも良いが、一般的には加湿である）する。本明細書では、加湿は流体の含水率（単位体積あたりの含水量）を高めることをいう。吸湿は流体の含水率（単位体積あたりの含水量）を低下させることをいう。
【０００９】
下流湿度調整要素は、燃料電池の発電流路の全流路の途中部まで流れ且つ発電流路を迂回する流体を吸湿させて湿度調整するとともに、発電流路（例えば途中部よりも下流）に戻す。従って流体に含まれている過剰の水分が低減される。このように下流湿度調整要素で吸湿された流体は、発電流路（例えば途中部よりも下流領域、場合によっては途中部よりも上流でもいい）に戻されて発電反応に提供される。このため途中部よりも下流に位置する発電流路に供給される流体が水分を過剰に有することが抑制される。従って発電流路におけるフラッディングが抑制され、燃料電池の発電性能が向上する。
【００１０】
本明細書において、途中部とは、燃料電池の発電流路における全流路における途中点を意味する。相対表示で、流体が流れる発電流路の全流路を１００とするとき、発電流路の始点から途中部までの流路距離は４０〜８０の位置、あるいは、５０〜８０の位置にできる。但しこれに限定されるものではない。
【００１１】
様相１によれば、上流湿度調整要素は、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路に供給される前の流体を加湿させる供給加湿室を有しており、下流湿度調整要素は、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路の途中部から発電流路を迂回する流体を吸湿させる迂回吸湿室を備えている形態が例示される。
【００１２】
（２）様相２に係る燃料電池システムは、カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、カソードおよびアノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池と、カソード流体およびアノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する湿度調整器とを具備する燃料電池システムにおいて、湿度調整器は、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路に供給される前の流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路の途中部まで流れ且つ発電流路を迂回する流体を吸湿させ、その後、加湿させて湿度調整するとともに、発電流路に戻す下流湿度調整要素とを具備していることを特徴とする。様相２は様相１の記載を準用できる。
【００１３】
下流湿度調整要素は、燃料電池の発電流路の途中部まで流れ且つ発電流路を迂回する流体を吸湿させ、その後、加湿させて湿度調整するとともに、発電流路（例えば途中部よりも下流、場合によっては、途中部よりも上流でもいい）に戻す。従って流体に含まれている過剰の水分が低減される。更に、流体に対して吸湿させて過剰の水分を除去させた後に加湿させるため、流体を目標湿度に設定し易い。このように吸湿および加湿された流体は、発電流路（例えば途中部以降場合によっては、途中部よりも上流でもいい）に再び流入して発電反応に提供される。このため発電流路におけるフラッディングが抑制される。
【００１４】
また、流体が過剰に吸湿されるときであっても、流体に対して一旦吸湿させて過剰な水分を除去させた後に加湿させるため、流体の湿度（水分量）を目標湿度（目標水分量）に設定し易い利点が得られる。従って発電流路におけるフラッディングおよび／または過剰乾燥が抑制され、燃料電池の発電性能が向上する。
【００１５】
様相２において、上流湿度調整要素は、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路に供給される前の流体を加湿させる供給加湿室を有しており、下流湿度調整要素は、燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路の途中部から燃料電池を迂回する流体を吸湿させる迂回吸湿室と、迂回吸湿室で吸湿された流体を加湿させる迂回加湿室とを備えている形態が例示される。この場合、迂回吸湿室で過剰の水分が一旦除去された流体を迂回加湿室により加湿させる。このため流体を目標加湿量に設定し易い。
【００１６】
（３）様相３に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、湿度調整器は、加湿面および吸湿面をもつ上流水交換膜を備えており、上流水交換膜の加湿面は供給加湿室に対面し、上流水交換膜の吸湿面は迂回吸湿室に対面していることを特徴とする。この場合、供給加湿室の加湿能力が確保され、迂回吸湿室の吸湿能力が確保される。迂回吸湿室の吸湿能力が確保される。
【００１７】
（４）様相４に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、湿度調整器は、途中部よりも下流に位置すると共に加湿面および吸湿面をもつ下流水交換膜を備えており、下流水交換膜の加湿面は迂回加湿室に対面していることを特徴とする。この場合、迂回加湿室の加湿能力が確保される。
【００１８】
（５）様相５に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、燃料電池における発電流路を通過した後に燃料電池から排出された発電反応後の流体が流れる排出通路が設けられており、湿度調整器は、排出通路を流れる流体を吸湿させる排出吸湿室を備えていることを特徴とする。発電反応後の流体は水分を含む。この流体は、排出通路から湿度調整器の排出吸湿室を流れて吸湿される。
【００１９】
（６）様相６に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、排出通路は、燃料電池から排出された発電反応後の流体を流すことにより流体の水分を下流湿度調整要素および上流湿度調整要素のうちの一方に与える第１排出通路と、燃料電池から排出された発電反応後の流体を流すことにより、流体の水分を下流湿度調整要素および上流湿度調整要素のうちの他方に与える第２排出通路とを備えていることを特徴とする。発電反応後の流体は、発電反応に基づく水分を含むと共に、発電反応に基づく熱をもつ。この流体は、下流湿度調整要素および上流湿度調整要素に水分および熱を与え、下流湿度調整要素および上流湿度調整要素における加湿能力を高める。温度が高いと、ガス状の流体に保持される単位体積あたりの水蒸気量が増加する。
【００２０】
（７）様相７に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、排出通路は、燃料電池から排出された発電反応後の流体の水分を下流湿度調整要素および上流湿度調整要素のうちの双方に与えない第１排出通路と、燃料電池から排出された発電反応後の流体を、下流湿度調整要素および上流湿度調整要素のうちの少なくとも一方に流すことにより、流体の水分を下流湿度調整要素および上流湿度調整要素のうちの少なくとも一方に与える第２排出通路とを備えていることを特徴とする。発電反応後の流体は、発電反応に基づく水分を含むと共に、発電反応に基づく熱をもつ。この流体は、下流湿度調整要素および上流湿度調整要素のうちの少なくとも一方に水分および熱を与える。
【００２１】
（８）様相８に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、排出通路に流量制御要素が設けられており、流量制御要素は、第１排出通路を流れる流体の単位時間あたり流量と、第２排出通路を流れる流体の単位時間あたりの流量とを可変に制御することを特徴とする。これにより上流湿度調整要素に与える水分量と、下流湿度調整要素に与える水分量とを調整することができる。ひいては上流湿度調整要素および下流湿度調整要素のそれぞれにおける湿度調整能力を調整することができる。上記した流量制御要素は、開度がオンオフで切り替えられるオンオフ制御弁、開度が可変な制御弁、および、可変絞りのうちの少なくとも一つで形成されていることができる。流量制御要素は、燃料電池の発電出力または発電条件に応じて制御されることができる。発電条件とは、アノード流体および／またはカソード流体の供給条件、運転環境条件（環境温度、環境湿度等）が例示される。オンオフ制御弁は、開度が２段階に切り替えられる弁である。開度が可変な制御弁は、開度が連続的または段階的に切り替えられる弁である。可変絞りは、絞り開度を連続的または段階的に切り替えられる絞りであり、オリフィスおよびノズルを含む。
【００２２】
（９）様相９に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、第１排出通路の流路抵抗および／または第２排出通路の流路抵抗は、上流湿度調整要素における湿度調整の目標量および／または下流湿度調整要素における湿度調整の目標量に基づいて設定されていることを特徴とする。第１排出通路の流路抵抗および／または第２排出通路の流路抵抗を予め設定しておけば、上流湿度調整要素における基本的な湿度調整量、下流湿度調整要素における基本的な湿度調整量を予め設定できる。
【００２３】
（１０）様相１０に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、燃料電池は、上流湿度調整要素で湿度調整された流体を燃料電池における発電流路に流入させる上流流入口と、燃料電池における発電流路を途中部まで通過した後の流体を下流湿度調整要素に向けて燃料電池の外部に流出させる上流流出口と、下流湿度調整要素で湿度調整された流体を燃料電池の発電流路に流入させる下流流入口と、下流流入口から流入され燃料電池における発電流路を通過した後の流体を燃料電池の外部に流出させる下流流出口とを備えていることを特徴とする。この場合、上流湿度調整要素で湿度調整された流体は、上流流入口から燃料電池における発電流路の上流領域に流入される。更に、燃料電池における発電流路の上流領域を通過した後の流体は、上流流出口から下流湿度調整要素に向けて燃料電池の発電流路の外部に流出される。流体は下流湿度調整要素により湿度調整（吸湿、あるいは、吸湿後の加湿）される。下流湿度調整要素で湿度調整された流体は、下流流入口から燃料電池の発電流路に再び流入される。下流流出口は、燃料電池における発電流路の下流領域を通過した後の流体を燃料電池の外部に流出させる。
【００２４】
（１１）様相１１に係る燃料電池システム用湿度調整器は、カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、カソードおよび前記アノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池に連通し、且つ、前記カソード流体およびアノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する燃料電池用湿度調整器において、
前記燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路に供給される前の流体を湿度調整する上流湿度調整要素と、
燃料電池のカソードまたはアノードの発電流路の途中部まで流れた流体を少なくとも吸湿させて湿度調整するとともに前記発電流路に戻す湿度調整要素とを具備していることを特徴とする。
【００２５】
このように下流湿度調整要素で吸湿された流体は、発電流路（例えば、途中部よりも下流、場合によっては途中部よりも上流）に再び流入して発電反応に提供される。このため発電流路において下流の領域に供給される流体が水分を過剰に有することが抑制される。従って発電流路におけるフラッディングが抑制され、燃料電池の発電性能が向上する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、湿度調整器の上流湿度調整要素は、燃料電池の発電流路に供給される前の流体を湿度調整し、更に、湿度調整器の下流湿度調整要素は、燃料電池の発電流路の途中部まで流れ且つ発電流路を迂回する流体を吸湿（または、吸湿後に加湿）させて湿度調整するとともに、再び、発電流路に戻す。このため燃料電池の発電流路を流れる流体を湿度調整を良好に行うことができる。故に、燃料電池の発電流路において（特に、途中部よりも下流に位置する領域において）、フラッディングを抑制するのに貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る燃料電池システムの概念を示す。燃料電池１は、カソード反応ガス（カソード流体）が流れ且つ発電反応に寄与する発電流路１３をもつカソード１０（空気極ともいう）と、アノード反応ガス（アノード流体）が流れ且つ発電反応に寄与する発電流路１３ａをもつアノード１１（燃料極ともいう）と、アノード１１およびカソード１０で挟持された固体高分子系（例えば炭化フッ素系，炭化水素系）または無機系のイオン伝導膜１２とを備える。
【００２８】
カソード反応ガスは、カソード活物質（酸素等の酸化剤）を含有するガスであり、一般的には空気等の酸素含有ガスまたは酸素ガスである。アノード反応ガスは、アノード活物質（水素）を含有する水素含有ガスまたは水素ガスである。アノード１１は、上流流入口２０ａと下流流出口２３ａとを備えている。燃料電池１のカソード１０の発電流路１３は、仕切部１４により上流領域１５と下流領域１６とに分離分割されている。領域１５，１６の連通は仕切部１４により遮断されている。上流領域１５は、カソード１０の発電流路１３のうち下流領域１６よりも相対的に上流に位置する領域を意味する。下流領域１６は、カソード１０の発電流路１３のうち上流領域１５よりも相対的に下流に位置する領域を意味する。鉛直方向において、上側に上流領域１５が位置しており、下側に下流領域１６が位置している。
【００２９】
図１に示すように、燃料電池１のカソード１０の発電流路１３は、上流領域１５の入口に相当する上流流入口２０と、上流領域１５の出口に相当する上流流出口２１と、下流領域１６の入口に相当する下流流入口２２と、下流領域１６の出口に相当する下流流出口２３とを備えている。燃料電池１のカソード１０の発電流路１３（迂回通路５を含まず）において、相対表示で、上流流出口２１から下流流出口２３までの発電流路距離を１００とするとき、上流領域１５は５０〜７０（６０）の発電流路距離をもつこと、下流領域１６は３０〜５０（４０）の発電流路距離をもつことが例示される。但しこれに限定されるものではない。
【００３０】
図２は、燃料電池１を構成するカソード１０側の発電流路１３を構成するガス配流板１７を示す。図２に示すように、ガス配流板１７においては、反応ガスが流れる上流領域１５と、反応ガスが流れる下流領域１６とが壁状の仕切部１４により仕切られている。従って上流領域１５および下流領域１６は、仕切部１４により非連通とされているものの、上流流出口２１および下流流入口２２を介して連通されている。尚、上流領域１５が重力方向の上側、下流領域１６が下側に配置されているが、逆でも良い。上流領域１５および下流領域１６はガス配流板１７の横方向に左右に分割されていても良い。
【００３１】
図２に示すように、ガス配流板１７の周囲には、上流流入口２０、上流流出口２１、下流流入口２２、下流流出口２３が形成されている。ガス配流板１７には、燃料が通過するアノード１１側の上流流入口２０ａおよび下流流出口２３ａが形成され、更に、燃料電池冷却用の冷媒（水等の冷却液）が通過する冷媒流入口２４および冷媒流出口２５が形成されている。
【００３２】
図１に示すように、燃料電池１のカソード１０の上流には供給通路３が設けられている。供給通路３は、ポンプ３０（搬送源）により反応ガス（カソード反応ガス）を搬送して燃料電池１のカソード１０の発電流路１３に上流流入口２０から流入させる。燃料電池１の下流には排出通路４が設けられている。排出通路４は、燃料電池１の下流流出口２３から流出される反応ガスを燃料電池１の外部に排出させる。迂回通路５は、燃料電池１のカソード１０における発電流路１３の上流領域１５を通過した後の反応ガスを発電流路１３の上流流出口２１（途中部）から、発電流路１３の外部に取り出して迂回させ、その後、反応ガスを燃料電池１における下流流入口２３から発電流路１３の下流領域１６に流す。迂回通路５は、燃料電池１の上流流出口２１から導出されている往路５１と、燃料電池１の下流流入口２２に繋がる復路５２とをもつ。
【００３３】
湿度調整器６は、燃料電池１のカソード１０の発電流路１３に流れるカソード反応ガス（以下、単に反応ガスともいう）を湿度調整する。図１に示すように、湿度調整器６は筐部９を有する。筐部９は、上流水交換膜７と、下流水交換膜８とを備えており、仕切部９ｘで仕切られた第１筐部９ｆおよび第２筐部９ｓを一体的に備えている。第１筐部９ｆは供給加湿室９０（上流湿度調整要素）と、迂回吸湿室９１（下流湿度調整要素）とを有する。第２筐部９ｓは、迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）と、排出吸湿室９３とを備える。仕切部９ｘは迂回吸湿室９１と迂回加湿室９２とを仕切る。
【００３４】
図１に示すように、供給加湿室９０は供給通路３の一部をなす。迂回吸湿室９１は迂回通路５の往路５１の一部をなす。迂回加湿室９２は迂回通路５の復路５２の一部をなす。排出吸湿室９３は排出通路４の一部をなす。
【００３５】
更に図１に示すように、湿度調整器６は上流水交換膜７および下流水交換膜８を有する。上流水交換膜７は、第１筐部９ｆの内部を供給加湿室９０および迂回吸湿室９１とに仕切る。上流水交換膜７は、水分保持機能およびガス遮蔽性を有する水分保持膜で形成することができ、供給加湿室９０に対面する加湿面７ｗ（ｗ：ｗｅｔ）と、迂回吸湿室９１に対面する吸湿面７ｄ（ｄ：ｄｒｙ）とを有する。ここで、加湿面７ｗは、反応ガスが燃料電池１の上流領域１５に供給される前に、供給通路３を流れる反応ガスに水分を与えて反応ガスを供給加湿室９０において加湿させる。吸湿面７ｄは、迂回通路５の往路５１を流れる反応ガスに含まれている水分を吸収して迂回吸湿室９１において反応ガスを吸湿させることができる。吸収された水分は、上流水交換膜７の吸湿面７ｄから加湿面７ｗに移行できる。
【００３６】
また図１に示すように、下流水交換膜８は、水分保持機能およびガス遮蔽性を有する水分保持膜で形成することができ、第２筐部９ｓの内部を迂回加湿室９２と排出吸湿室９３とに仕切る。下流水交換膜８は、迂回加湿室９２に対面する加湿面８ｗと、排出吸湿室９３に対面する吸湿面８ｄとを有する。ここで、下流水交換膜８の加湿面８ｗは、反応ガスが燃料電池１におけるカソード１０の下流領域１６に供給される前に、湿度調整器６の迂回加湿室９２を流れる反応ガスに水分を与えて反応ガスを迂回加湿室９２において加湿させる。下流水交換膜８の吸湿面８ｄは、排出吸湿室９３を流れる反応ガスに含まれている水分を吸収して排出吸湿室９３において吸湿させる。上記した水分保持膜はイオン交換膜等の高分子系が好ましいが、無機系でも良い。
【００３７】
さて発電の際には、ポンプ３０（搬送源）が駆動してカソード１０側の反応ガスがカソード１０側の供給通路３を流れる。カソード１０側の反応ガスが湿度調整器６の供給加湿室９０を介して燃料電池１の上流流入口２０からカソード１０の発電流路１３に供給される。また、アノード１１側の供給通路３ａを介して、アノード反応ガスが燃料電池１のアノード１１側の上流流入口２０ａからアノード１１に供給される。これにより発電反応が行われる。燃料電池１の発電反応に基づいて、水がカソード１０で生成される。発電反応は熱を発生させるため、反応後の反応ガスは反応前に比較して相対的に高温となり、暖かくなる。
【００３８】
カソード１０を流れる反応ガスは下流に向かうため、水を下流に向けて運ぶ。従ってカソード１０においては、本来的には燃料電池１のカソード１０の上流流入口２０から下流流出口２３に向かうにつれて、水が次第に増加する。故に、下流領域１６ではフラッディングが発生するおそれがある。フラッディングはガス流路が水で狭くなることをいう。
【００３９】
この点について本実施形態によれば、燃料電池１のカソード１０の発電流路１３の上流領域１５を流れた反応ガスは、燃料電池１のカソード１０の上流流出口２１（途中部）から発電流路１３の外部に流出され、発電流路１３を迂回する。即ち、反応ガスは、上流流出口２１（途中部）から迂回通路５の往路５１に流れ、湿度調整器６の迂回吸湿室９１の入口９１ｉ（以下、入口にはｉの添え字を付する）から迂回吸湿室９１に流入し、上流水交換膜７の吸湿面７ｄに接触するため迂回吸湿室９１において吸湿される。これにより反応ガスに含まれている過剰の水分は低下する。
【００４０】
ここで、反応ガスに含まれている過剰の水分が除去されることは、反応ガスに含まれている活物質（酸素）の濃度が相対的に高くなるため、発電効率を高めるのに有利である。このように反応ガスは湿度調整（吸湿）される。且つ、上流水交換膜７の水分保持量は増加し、その加湿面７ｗの加湿能力は高まる。
【００４１】
上記したように一旦吸湿された反応ガスは、湿度調整器６の迂回吸湿室９１の出口９１ｐから迂回通路５の復路５２に移行し、入口９２ｉから迂回加湿室９２を流れ、下流水交換膜８の加湿面８ｗに接触するため、目標湿度に迂回加湿室９２において加湿される。これにより反応ガスの加湿量は適切化される。このように反応ガスに含まれる過剰の水分（液相状および／または気相状の水）が一旦除去（吸湿）された後、目標湿度に加湿される。換言すると、反応ガスが過剰に吸湿されるときであっても、吸湿後に反応ガスを加湿させるため、反応ガスの湿度を目標湿度に設定し易い利点が得られる。
【００４２】
その後、反応ガスは迂回加湿室９２の出口９２ｐ（以下、出口にはｐの添え字を付する）から吐出され、燃料電池１の下流流入口２２（途中部よりも下流の部位）から燃料電池１の発電流路１３の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に供される。そして、燃料電池１の下流流出口２３から排出通路４に排出される。更に、排出通路４に排出された反応ガスは、湿度調整器６の第２筐部９ｓの排出吸湿室９３の入口９３ｉから排出吸湿室９３に流れ、下流水交換膜８の吸湿面８ｄに接触しつつ排出吸湿室９３において吸湿される。このように吸湿された反応ガスは第２筐部９ｓの排出吸湿室９３の出口９３ｐから吐出され、更に、排出通路４の排出端４ｘから排出される。
【００４３】
ここで、燃料電池１の上流流出口２１から流出する反応ガスの湿度はかなり高く、多くの水分を含む。その理由としては、カソード１０の上流領域１５における発電反応により生成された水が反応ガスにより下流側に運ばれるためである。このため仮に、上流領域１５を流れた反応ガスがそのまま下流領域１６に流れると、下流領域１６においてフラッディングが発生するおそれが高くなる。この点について本実施形態によれば、前述したように、燃料電池１のカソード１０の発電流路１３の上流領域１５を流れた反応ガスは、上流流出口２１（途中部）から発電流路１３の外部に流出され、発電流路１３を迂回しつつ、迂回通路５の往路５１に流れ、湿度調整器６の上流水交換膜７の吸湿面７ｄに接触して迂回吸湿室９１において吸湿される。従って、吸湿された反応ガスに含まれる過剰の水分（液相状および／または気相状の水）は低下する。このように吸湿された反応ガスは迂回通路５の復路５２を流れ、下流水交換膜８の加湿面８ｗに接触しつつ加湿される。これにより反応ガスの加湿量は適切化される。このため従来、懸念されていた燃料電池１のカソード１０の下流領域１６におけるフラッディングは抑制される。よって燃料電池１の発電出力の低下が抑えられる。
【００４４】
前述したように発電反応は発熱を伴うため、上流流出口２１（途中部）から流出する反応済みの反応ガスは、反応に伴う熱を有する。このような反応ガスが迂回吸湿室９１を流れると、反応ガスの熱が迂回吸湿室９１および上流水交換膜７に伝達され、ひいては湿度調整器６の供給加湿室９０の温度を高めることができる。従って上流水交換膜７による加湿能力を更に高めるのに有利である。同様に、燃料電池１の下流流出口２３から流出する反応済みの反応ガスも、反応に伴う熱を有する。このような反応ガスが排出吸湿室９３を流れると、反応ガスの熱は排出吸湿室９３および下流水交換膜８に伝達され、ひいては湿度調整器６の迂回加湿室９２の温度を高めることができる。従って加湿能力を更に高めるのに有利である。温度が高いほど、反応ガスに保持できる水蒸気量が増加するからである。
【００４５】
なお、図１において、Ｌ１は燃料電池１と湿度調整器６との間隔を模式的に示す。図１はあくまでも概念図を示し、燃料電池１および湿度調整器６が隣接している場合には、Ｌ１は実質的に０または微小距離でも良い。
【００４６】
（実施形態２）
図３は実施形態２に係る燃料電池１を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図３に示すように、排出通路４は、第１排出通路４１と第２排出通路４２とを備えている。第１排出通路４１は、流量制御要素としての制御弁４５を有する。制御弁４５はオンオフ弁でも良いし、開度が無段階または段階的に可変でも良い。
【００４７】
ここで、制御装置４９により制御弁４５の開度が絞られると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が減少すると共に、第２排出通路４２および排出吸湿室９３を流れる反応ガスの流量が増加し、下流水交換膜８に保持される水分量および熱量が増加し、下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）の加湿能力が増加する。これに対して制御弁４５の開度が増加すると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加すると共に、第２排出通路４２および排出吸湿室９３を流れる反応ガスの流量が減少し、下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）の加湿能力が減少する。流量は単位時間あたりの流量を意味する。このように制御弁４５は、下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２の加湿能力を可変に制御することができる。
【００４８】
燃料電池１の発電電流を検知する電流計４７と、燃料電池１のセル電圧を検知する電圧計４８が設けられている。制御装置４９は、制御弁４５の開度を燃料電池１の発電出力（電流計４７および／または電圧計４８の検知結果）、および／または、周囲環境条件に応じて制御することが好ましい。なお図３において、制御弁４５は第２排出通路４２に設けられていても良いし、分岐部４３に設けられていても良い。制御弁４５に代えて可変絞り賭しても良い。
【００４９】
（実施形態３）
図４は実施形態３に係る燃料電池１を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、排出通路４は、反応ガスに含まれる水分を下流水交換膜８および迂回加湿室９２に与えない第１排出通路４１と、反応ガスに含まれる水分を下流水交換膜８を介して迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）に与える第２排出通路４２とを備えている。
【００５０】
ここで、第１排出通路４１の流路抵抗および／または第２排出通路４２の流路抵抗は、下流水交換膜８の水分保持量、ひいては下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２おける湿度調整に影響を与える。従って上記した流路抵抗は迂回加湿室９２における基本的な湿度調整の目標量に基づいて設定されている。
【００５１】
第１排出通路４１の流路抵抗をＲ１とし、第２排出通路４２の流路抵抗をＲ２とすると、流路抵抗Ｒ１が小さくなると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加する。流路抵抗Ｒ２が小さくなると、第２排出通路４２を流れる反応ガス（排出吸湿室９３を流れる反応ガス）の流量が増加し、下流水交換膜８に与えられる水分量および熱量が増加し、ひいては下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）の加湿能力が増加する。流量は単位時間あたりの流量を意味する。Ｒ１およびＲ２の比率（Ｒ１／Ｒ２）は、下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２における湿度調整の目標量に基づいて設定されている。流路抵抗は一般的には流路断面積等で規定される。従って、流路抵抗を小さくするには、流路断面積を大きくすれば良い。流路抵抗を大きくするには、流路断面積を小さくすれば良い。更には、流路抵抗を調整するためには、流路断面積で決定する他に、可変絞り、固定絞り等の絞り要素を適宜設けることにより実行することもできる。
【００５２】
（実施形態４）
図５および図６は実施形態４の概念を示す。本実施形態は上記した実施形態１（図１）、実施形態２（図３）、実施形態３（図４）で用いる湿度調整器６の一例を示す。図５は湿度調整器６を分解した概念を示すものであり、ガスを流さない部位には、ガスが流れないようにシールされている。図５および図６において、ハッチングが付されている部位は、ガスが積層方向および上下方向に流れ、加湿室または吸湿室に流れることを意味する。図５および図６において、白抜きの部位は、ガスを積層方向にのみ流すことを意味する。
【００５３】
湿度調整器６は、共通の調湿板を用い、調湿板の開口を盲部で適宜塞ぐことにより共通化を図っている。湿度調整器６は、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとを一体的に組み付けて単一構造品として構成されている。但し、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとは分離されていても良い。第１筐部９ｆは複数の第１調湿板９５ｆを積層して形成されている。第２筐部９ｓは複数の第２調湿板９５ｓを積層して形成されている。
【００５４】
図６（Ａ）は第１筐部９ｆを構成する第１調湿板９５ｆを示す。図６（Ａ）に示すように、第１調湿板９５ｆは、供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に対面して両者を仕切る上流水交換膜７を有する。第１調湿板９５ｆは、供給加湿室９０の貫通孔状の入口９０ｉおよび出口９０ｐと、迂回吸湿室９１の貫通孔状の入口９１ｉおよび出口９１ｐとを備えている。更に、第１調湿板９５ｆは、排出吸湿室９３の入口９３ｉに繋がる貫通孔状の通路９３ｋと、排出吸湿室９３の出口９３ｐに繋がる貫通孔状の通路９３ｒとを備えている。
【００５５】
図６（Ｃ）は第２筐部９ｓを構成する第２調湿板９５ｓを示す。図６（Ｃ）に示すように、第２調湿板９５ｓは、迂回加湿室９２および排出吸湿室９３に対面して両者を仕切る下流水交換膜８を有する。第２調湿板９５ｓは、迂回加湿室９２の貫通孔状の入口９２ｉおよび出口９２ｐと、排出吸湿室９３の貫通孔状の入口９３ｉおよび出口９３ｐとを備えている。
【００５６】
図６（Ｂ）は、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとの間において、不要なガス流通を遮断すると共に必要なガス流通を確保するための蓋機能をもつ中間調湿板９ｍを示す。図６（Ｂ）に示すように、中間調湿板９ｍは基本的には遮蔽板とされており、第１調湿板９５ｆとは異なり、供給加湿室９０の入口９０ｉおよび出口９０ｐ、迂回吸湿室９１の入口９１ｉを塞いでいる。中間調湿板９ｍは、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとを連通させる貫通孔状の通路９３ｋおよび通路９３ｒをもつ。
【００５７】
図５から理解できるように、ポンプ３０が駆動すると、反応ガスは供給通路３を流れ、湿度調整器６の供給加湿室９０の入口９０ｉから第１筐部９ｆの供給加湿室９０を矢印Ａ１方向に流れて上側加湿要素７の加湿面７ｗで供給加湿室９０において加湿され、出口９０ｐから吐出され、更に、供給通路３の通路３ａに沿って流れ、上流流入口２０から燃料電池１の上流領域１５に進入する。更に上流領域１５で発電に使用された反応ガスは、燃料電池１の上流流出口２１から迂回通路５の往路５１に流出し、湿度調整器６の第１筐部９ｆの迂回吸湿室９１の入口９１ｉから矢印Ａ２方向に沿って迂回吸湿室９１を流れ、上流水交換膜７の吸湿面７ｄに接触して迂回吸湿室９１において吸湿される。これにより反応ガスの過剰の水分は低下し、反応ガスは乾燥方向に吸湿される。これにより上流水交換膜７の水分保持量および熱量は増加する。よって上流水交換膜７に対面する供給加湿室９０の加湿能力は高まる。
【００５８】
このように吸湿された反応ガスは、湿度調整器６の迂回吸湿室９１の出口９１ｐから矢印Ａ３方向（図５参照）に流れ、第２筐部９ｓの迂回加湿室９２の入口９２ｉに向けて流れ、更に、迂回加湿室９２を矢印Ａ４方向に流れる。このとき反応ガスは下流水交換膜８の加湿面８ｗに接触しつつ迂回加湿室９２において加湿される。これにより反応ガスの加湿量は適切化される。その後、加湿された反応ガスは出口９２ｐから矢印Ａ５方向（図５参照）に流れ、迂回通路５の復路５２を流れ、更に、下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に供される。
【００５９】
そして、下流領域１６において反応済みの反応ガスは、燃料電池１の下流流出口２３から排出通路４に排出される。更に、排出通路４に排出された反応ガスは、湿度調整器６の第１筐部９ｆの通路９３ｋを介して第２筐部９ｓの排出吸湿室９３の入口９３ｉに流れ、更に矢印Ａ６方向に排出吸湿室９３を流れる。このとき反応ガスは下流水交換膜８の吸湿面８ｄに接触して排出吸湿室９３において吸湿され、乾燥方向に湿度調整される。このように吸湿された反応ガスは、第２筐部９ｓの排出吸湿室９３の出口９３ｐから矢印Ａ７方向（図５参照）に流れ、更に、第１筐部９ｆの通路９３ｒを介して排出通路４の排出端４ｘから排出される。なお、図５に示すように、湿度調整器６は第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとに分割されているが、一体化されて単一構造とされていても良い。
【００６０】
（実施形態５）
図７は実施形態５に係る燃料電池１を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、湿度調整器６は、第１上流水交換膜７１および第２上流水交換膜７２と、これらを保持する筐部９とを備えている。筐部９は、供給通路３の一部をなす供給加湿室９０（上流湿度調整要素）と、迂回通路５の一部をなす迂回吸湿室９１（下流湿度調整要素）と、排出通路４の一部をなす排出吸湿室９３とをもつ。
【００６１】
図７に示すように、第１上流水交換膜７１は供給加湿室９０および迂回吸湿室９１を仕切り、供給加湿室９０に対面する第１加湿面７１ｗと、迂回吸湿室９１に対面する第１吸湿面７１ｄとをもつ。第２上流水交換膜７２は、供給加湿室９０に対面する第２加湿面７２ｗと、排出吸湿室９３に対面する第２吸湿面７２ｄとをもつ。第１上流水交換膜７１および第２上流水交換膜７２の双方に対面する供給加湿室９０は、燃料電池１の上流領域１５に供給される前の反応ガスを加湿させる。
【００６２】
換言すると、図７に示すように、第１上流水交換膜７１は供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に対面する。第２上流水交換膜７２は供給加湿室９０および排出吸湿室９３に対面する。従って、供給加湿室９０は、第１上流水交換膜７１の第１加湿面７１ｗと第２上流水交換膜７２の第２加湿面７２ｗとの双方に対面しており、加湿能力を高く設定できる。更に、図７に示すように、供給加湿室９０は、迂回吸湿室９１および排出吸湿室９３の双方に挟まれている。ここで、迂回吸湿室９１および排出吸湿室９３は、燃料電池１の内部において発電反応を経た水分リッチな暖かい反応ガスが流れる。このため供給加湿室９０は、迂回吸湿室９１および排出吸湿室９３の双方から暖められ、加湿効率が高くなる。温度が高い方が、反応ガスが含有できる水蒸気量が増加するためである。
【００６３】
図７に示すように排出通路４が設けられている。排出通路４は、燃料電池１におけるカソード１０の発電流路１３の下流領域１６を通過した後に発電流路１３から流出された反応ガスを排出させる。排出通路４は、第１排出通路４１と第２排出通路４２とを備えている。図７に示すように、第１排出通路４１は、反応ガスに含まれる水分を第１上流水交換膜７１および第２上流水交換膜７２の双方に与えず、ひいては水分を供給加湿室９０に与えない。第２排出通路４２は、反応ガスに含まれる水分を第２上流水交換膜７２の第２吸湿面７２ｄを介して供給加湿室９０に与える。第１排出通路４１および第２排出通路４２は分岐部４３で分岐されている。
【００６４】
発電の際には、ポンプ３０が駆動すると、供給通路３からカソード１０側の反応ガス（一般的には空気）を燃料電池１の上流流入口２０からカソード１０に供給する。アノード１１側の供給通路３ａからアノード１１側の反応ガスを燃料電池１の上流流入口２０ａからアノード１１に供給する。これにより発電反応が行われる。燃料電池１の発電反応に基づいて、水がカソード１０で生成される。
【００６５】
図７に示すように、供給通路３を流れる反応ガスは、燃料電池１に供給される前において、供給加湿室９０（上流湿度調整要素）において、第１上流水交換膜７１の第１加湿面７１ｗと第２上流水交換膜７２の第２加湿面７２ｗとの双方で加湿され、湿度調整される。この場合、加湿量の増加を期待できる。このように加湿された反応ガスが燃料電池１の上流流入口２０からカソード１０の上流領域１５に流入する。
【００６６】
前述したように下流領域１６ではフラッディングが発生するおそれがある。この点について本実施形態によれば、燃料電池１の上流領域１５を流れた反応ガスは、燃料電池１の上流流出口２１（途中部）から発電流路１３の外部に流出されて、発電流路１３を迂回し、迂回通路５の往路５１側の迂回吸湿室９１に流れ、第１上流水交換膜７１の第１吸湿面７１ｄに接触して迂回吸湿室９１において吸湿される。これにより反応ガスに含まれている過剰の水分が低下する。よって迂回通路５を流れる反応ガスは湿度調整（吸湿）され、反応ガスの水分量は適切化される。
【００６７】
このとき第１上流水交換膜７１の水分保持量および熱量が増加するため、第１上流水交換膜７１に対面する供給加湿室９０の加湿能力が増加する。このように第１上流水交換膜７１は水分および熱を補充される。このため、第１上流水交換膜７１の第１加湿面７１ｗに対面する供給加湿室９０の加湿能力は高くなる。
【００６８】
更に、図７から理解できるように、実施形態１と異なり、迂回通路５の復路５２を流れた反応ガスは、加湿されないまま、下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に供される。そして、燃料電池１の下流流出口２３から排出通路４に排出され、分岐部４３を介して第１排出通路４１および第２排出通路４２に分岐される。
【００６９】
第１排出通路４１を流れる反応ガスは外部に排出される。第２排出通路４２を流れる反応ガスは、入口９３ｉから排出吸湿室９３に流れ、第２上流水交換膜７２の第２吸湿面７２ｄに接触するため排出吸湿室９３において吸湿され、出口９３ｐから排出される。これにより反応ガスの水分は低下され、第２排出通路４２の排出端４２ｘから排出される。このように第２上流水交換膜７２の水分および熱は補充されるため、第２上流水交換膜７２の第２加湿面７２ｗに対面する供給加湿室９０の加湿能力は高くなる。
【００７０】
上記したように本実施形態によれば、燃料電池１の上流流出口２１（途中部）から流出された反応ガスは迂回吸湿室９１で吸湿されるものの、加湿されず、燃料電池１の下流領域１６から発電流路１３に戻される。このような本実施形態は、上流流出口２１（途中部）から流出された反応ガスに過剰の水が含まれている場合に適する。
【００７１】
さて、第１排出通路４１の流路抵抗および／または第２排出通路４２の流路抵抗は、供給加湿室９０（上流湿度調整要素）おける湿度調整の目標量（加湿目標量）に基づいて設定されている。ここで、第１排出通路４１の流路抵抗をＲ１とし、第２排出通路４２の流路抵抗をＲ２とすると、流路抵抗Ｒ１が小さくなると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加すると共に、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量し、第２上流水交換膜７２に与える水分量および熱量が減少し、第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が減少する。
【００７２】
これに対して流路抵抗Ｒ２が小さくなると、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が増加するため、第２上流水交換膜７２に与える水分量および熱量が増加し、第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が増加する。流量は単位時間あたりの流量を意味する。流路抵抗は流路断面積、絞り等で規定される。
【００７３】
（実施形態６）
図８は実施形態６に係る燃料電池１を示す。本実施形態は実施形態５（図７参照）と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図８に示すように排出通路４が設けられている。排出通路４は、燃料電池１における下流領域１６を通過した後に下流領域１６から流出された反応ガスを排出させる。図８に示すように、排出通路４は、燃料電池１の下流流出口２３から排出された反応ガスに含まれる水分を第２上流水交換膜７２を介して供給加湿室９０に与えるように、第２上流水交換膜７２に向けて導出されている。図８から理解できるように、燃料電池１の下流流出口２３から排出された過剰の水を含む反応ガス（発電反応の熱をもつ）は、全て、排出通路４を介して、湿度調整器６の排出吸湿室９３に流れる。このため第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力および温度を高めることができる。
【００７４】
（実施形態７）
図９は実施形態７に係る燃料電池１を示す。本実施形態は実施形態５（図７参照）と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図９に示すように、排出通路４は燃料電池１の下流流出口２３から流出された反応ガスを排出させる。図９に示すように、排出通路４は、反応ガスに含まれる水分を第１上流水交換膜７１および第２上流水交換膜７２の双方に与えない第１排出通路４１と、反応ガスに含まれる水分を第２上流水交換膜７２の第２吸湿面７２ｄを介して供給加湿室９０（上流湿度調整要素）に与える第２排出通路４２とを備えている。第１排出通路４１および第２排出通路４２は分岐部４３で分岐されている。
【００７５】
第１排出通路４１のうち分岐部４３よりも下流に、流量調整要素として機能する制御弁４５が設けられている。制御弁４５の開度が絞られると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が減少すると共に、第２排出通路４２および排出吸湿室９３を流れる反応ガスの流量が増加する。よって第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が増加する。
【００７６】
これに対して、制御弁４５の開度が増加すると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加すると共に、第２排出通路４２および排出吸湿室９３を流れる反応ガスの流量が減少する。よって第２上流水交換膜７２に与えられる水分量および熱量が低下し、第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が減少する。このように制御弁４５は、供給加湿室９０の加湿能力を可変に制御することができる。制御弁４５はオンオフ弁でも良いし、開度が無段階で可変でも良い。ここで、制御弁４５の開度は燃料電池１の発電出力に応じて設定される。流量は単位時間あたりの流量を意味する。なお図９において、制御弁４５は第２排出通路４２に設けられていても良いし、分岐部４３に設けられていても良い。制御弁４５に代えて可変絞りでも良い。
【００７７】
（実施形態８）
図１０および図１１は実施形態８を示す。本実施形態は上記した実施形態５（図７）、実施形態６（図８）、実施形態７（図９）で用いる湿度調整器６の一例を示す。図１０はあくまでも概念を示すものであり、不必要な部位にガスが流れないようにシールされている。図１０は湿度調整器６を分解して示す。従って、湿度調整器６は第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとを一体的に組み付けて構成されている。但し、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとは分離されていても良い。第１筐部９ｆは複数の第１調湿板９５ｆを積層して形成されている。第２筐部９ｓは複数の第２調湿板９５ｓを積層して形成されている。
【００７８】
図１１（Ａ）は、第１筐部９ｆを構成する第１調湿板９５ｆを示す。図１１（Ａ）に示すように、第１調湿板９５ｆは、供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に対面する膜状の第１上流水交換膜７１を保持している。第１調湿板９５ｆは、供給加湿室９０の貫通孔状をなす入口９０ｉおよび出口９０ｐと、迂回吸湿室９１の貫通孔状をなす入口９１ｉおよび出口９１ｐとを備えている。更に第１調湿板９５ｆは、排出吸湿室９３の入口９３ｉに繋がる貫通孔状をなす通路９３ｍと、排出吸湿室９３の出口９３ｐに繋がる貫通孔状をなす通路９３ｎとを備えている。
【００７９】
図１１（Ｂ）は、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとの間に配置される中間調湿板９ｍを示す。中間調湿板９ｍは、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとの間において、必要なガスを連通させるものの、不必要なガスの連通を遮断する蓋機能をもつ。中間調湿板９ｍは、第１調湿板９５ｆとは異なり、供給加湿室９０の入口９０ｉおよび出口９０ｐを有するものの、迂回吸湿室９１の入口９１ｉおよび出口９１ｐを塞いでいる。中間調湿板９ｍは、排出吸湿室９３の入口９３ｉに繋がる貫通孔状をなす通路９３ｍと、排出吸湿室９３の出口９３ｐに繋がる貫通孔状をなす通路９３ｎとを備えている。
【００８０】
図１１（Ｃ）は第２筐部９ｓを構成する第２調湿板９５ｓを示す。第２調湿板９５ｓは、供給加湿室９０および排出吸湿室９３に対面する膜状の第２水交換膜７２を保持している。図１１（Ｃ）に示すように、第２調湿板９５ｓは、供給加湿室９０の貫通孔状をなす入口９０ｉおよび出口９０ｐと、排出吸湿室９３の貫通孔状をなす入口９３ｉおよび出口９３ｐとを備えている。
【００８１】
図１０から理解できるように、ポンプ３０が駆動すると、反応ガスは供給通路３を流れ、湿度調整器６の入口９０ｉから矢印Ｂ１方向に第１筐部９ｆの供給加湿室９０を流れ、第１上流水交換膜７１の加湿面７１ｗにより供給加湿室９０において加湿された後、第１筐部９ｆの出口９０ｐから吐出される。同様に、反応ガスは第２筐部９ｓの供給加湿室９０を流れ、第２上流水交換膜７２の加湿面７２ｗにより供給加湿室９０において加湿された後、第２筐部９ｓの出口９０ｐから吐出される。
【００８２】
更に、供給通路３の通路３ａを流れ、上流流入口２０から燃料電池１の上流領域１５に流れ、発電反応に供せられる。更に反応ガスは燃料電池１の上流流出口２１（途中部）から流出されて迂回通路５の往路５１を流れ、湿度調整器６の第１筐部９ｆの入口９１ｉから矢印Ｂ２方向に迂回吸湿室９１を流れる。このとき反応ガスは、第１上流水交換膜７１の吸湿面７１ｄに接触して迂回吸湿室９１において吸湿される。更に、吸湿された反応ガスは、迂回吸湿室９１の出口９１ｐから吐出され、その後、矢印Ｂ５方向（図１０参照）に流れ、迂回通路５の復路５２を流れ、下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に供される。そして、反応済みの反応ガスは、下流流出口２３から燃料電池１の外部に排出され、つまり排出通路４に排出される。更に、排出通路４に排出された反応済みの反応ガスは、湿度調整器６の第１筐部９ｆの通路９３ｍを介して矢印Ｂ５ａ方向に流れ、第２筐部９ｓの入口９３ｉから排出吸湿室９３に至り、更に矢印Ｂ６方向に沿って排出吸湿室９３を流れ、下流水交換膜７２の吸湿面７２ｄに接触しつつ排出吸湿室９３において吸湿される。このように吸湿された反応ガスは、第２筐部９ｓの出口９３ｐから吐出され、更に、中間調湿板９ｍの通路９３ｎ、第１筐部９ｆの通路９３ｎを介して排出通路４の排出端４ｘから排出される。なお、図１０においては、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとに分割されているように図示されているが、湿度調整器６はこれらを一体に組み付けた単一構造となるようにされている。但し、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓとに分割されていても良い。
【００８３】
（実施形態９）
図１２は実施形態９を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図１２に示すように、上流水交換膜７は第１上流水交換膜７１と第２上流水交換膜７２とで形成されている。図１２に示すように、第１上流水交換膜７１は供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に対面して両者を仕切るものであり、供給加湿室９０に対面する第１加湿面７１ｗと、迂回吸湿室９１に対面する第１吸湿面９１ｄをもつ。また、第２上流水交換膜７２は湿度調整器６の供給加湿室９０および第２排出吸湿室９５に対面して両者を仕切るものであり、供給加湿室９０に対面する第２加湿面７２ｗと、第２排出吸湿室９５に対面する第２吸湿面７２ｄをもつ。更に図１２に示すように、下流水交換膜８は迂回加湿室９２および第１排出吸湿室９３に対面して両者を仕切るものであり、迂回加湿室９２に対面する加湿面８ｗと、第１排出吸湿室９３に対面する吸湿面８ｄとをもつ。
【００８４】
排出通路４は、分岐部４３で分岐された第１排出通路４１および第２排出通路４２を備えている。第１排出通路４１は、反応ガスに含まれる水分および熱を下流水交換膜８を介して迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）に与える。第２排出通路４２は、反応ガスに含まれる水分および熱を第２上流水交換膜７２の第２吸湿面７２ｄを介して供給加湿室９０（上流湿度調整要素）に与える。
【００８５】
図１２に示すように、湿度調整器６は、上流水交換膜７および下流水交換膜８を保持する筐部９を備えている。筐部９は、供給通路３の一部をなす供給加湿室９０と、迂回通路５の一部をなす迂回吸湿室９１と、第２排出通路４２の一部をなす第２排出吸湿室９５とをもち、且つ、迂回通路５の一部をなす迂回加湿室９２と、第１排出通路４１の一部をなす第１排出吸湿室９３とをもつ。
【００８６】
発電の際には、前述同様に、燃料電池１の発電反応に基づいて、水がカソード１０で生成される。この点について本実施形態によれば、燃料電池１のカソード１０の発電流路１３の上流領域１５を流れた反応ガスは、燃料電池１の上流流出口２１（途中部）から外部に流出されて発電流路１３を迂回し、迂回通路５の往路５１を流れ、湿度調整器６の迂回吸湿室９１の入口９１ｉから迂回吸湿室９１に流れ、第１上流水交換膜７１の第１吸湿面７１ｄに接触して迂回吸湿室９１において吸湿される。これにより上流流出口２１から流出された反応ガスに含まれている過剰の水分は低下する。このように迂回通路５を流れる反応ガスは迂回吸湿室９１において吸湿されて湿度調整される。
【００８７】
更に、反応ガスは、湿度調整器６の迂回吸湿室９１の出口９１ｐを介して入口９２ｉから迂回加湿室９２に流れる。迂回加湿室９２を流れる反応ガスは、下流水交換膜８の加湿面８ｗに接触して迂回加湿室９２において加湿される。その後、燃料電池１の下流流入口２２から燃料電池１のカソード１０の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に供される。そして、下流流出口２３から排出通路４に排出され、分岐部４３を介して第１排出通路４１および第２排出通路４２に分岐される。第１排出通路４１を流れる反応ガスは、湿度調整器６の第１排出吸湿室９３において下流水交換膜８の吸湿面８ｄに接触して吸湿される。これにより反応後の反応ガスに含まれている過剰の水分は除去され、第１排出端４１の排出端４１ｘから排出される。
【００８８】
これに対して第２排出通路４２を流れる反応ガスは、湿度調整器６の入口９５ｉから第２排出吸湿室９５に流れ、第２上流水交換膜７２の第２吸湿面７２ｄに接触して第２排出吸湿室９５において吸湿される。これにより反応ガスの過剰な水分は低下され、第２排出通路４２の第２排出端７２ｘから外部に排出される。このように第２上流水交換膜７２の水分および熱は反応ガスから補充されるため、第２上流水交換膜７２の第２加湿面７２ｗの加湿能力は高くなる。このように供給加湿室９０は、第１上流水交換膜７１の第１加湿面７１ｗおよび第２上流水交換膜７２の第２加湿面７２ｗの双方に対面する。故に供給加湿室９０（上流湿度調整要素）の加湿能力は高い。
【００８９】
さて本実施形態においても、第１排出通路４１の流路抵抗および／または第２排出通路４２の流路抵抗は、迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）および供給加湿室９０（上流湿度調整要素）おける湿度調整の目標量に基づいて設定されている。ここで前述したように、第１排出通路４１の流路抵抗をＲ１とし、第２排出通路４２の流路抵抗をＲ２とすると、流路抵抗Ｒ１が小さくなると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加し、下流水交換膜８に与えられる水分量および熱量が増加し、ひいては下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２の加湿能力が増加する。更に、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が減少し、第２上流水交換膜７２に与えられる水分量および熱量が減少し、第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が低下する。
【００９０】
これに対して流路抵抗Ｒ２が小さくなると、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が増加し、第２上流水交換膜７２に与えられる水分量および熱量が増加し、第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が増加する。このとき迂回加湿室９２の加湿能力は低下する。流量は単位時間あたりの流量を意味する。上記したようにＲ１／Ｒ２は、供給加湿室９０（上流湿度調整要素）および迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）における加湿能力を影響を与え、このため、湿度調整器６における加湿目標量に基づいて設定されている。なお流路抵抗は第１排出通路４１および第２排出通路４２の流路断面積、絞り等で規定される。
【００９１】
（実施形態１０）
図１３は実施形態１０を示す。本実施形態は実施形態９と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図１３に示すように、第１排出通路４１には、流量制御要素として機能する制御弁４５が設けられている。制御弁４５は、第１排出通路４１において湿度調整器６よりも下流に配置されている。制御弁４５の開度が絞られると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が減少し、下流水交換膜８に与えられる水分量および熱量が減少し、迂回加湿室９２の加湿能力が減少する。更に、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が増加するため、第２上流水交換膜７２に与えられる水分量が増加し、供給加湿室９０の加湿能力が増加する。
【００９２】
これに対して、制御弁４５の開度が増加すると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加し、下流水交換膜８に与えられる水分量および熱量が増加し、迂回加湿室９２の加湿能力が増加する。更に第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が減少し、第２上流水交換膜７２に与えられる水分量および熱量が減少し、供給加湿室９０の加湿能力が減少する。このように制御弁４５は、第１排出吸湿室９３を流れる反応ガスの流量と、第２排出吸湿室９５を流れる反応ガスの流量とを可変に制御する。この結果、供給加湿室９０（上流湿度調整要素）および迂回加湿室９２（下流湿度調整要素）の双方の加湿能力に影響を与える。
【００９３】
なお図１３において、制御弁４５は第１排出通路４１のうち排出吸湿室９３の上流に設けられていても良いし、第２排出通路４２に設けられていても良いし、分岐部４３に設けられていても良い。制御弁４５に代えて可変絞りでも良い。
【００９４】
（実施形態１１）
図１４および図１５は実施形態１１を示す。本実施形態は上記した実施形態９（図１２参照）および実施形態１０で用いる湿度調整器６（図１３参照）の一例を示す。図１４はあくまでも分解した状態の概念を示すものであり、不必要な部位にガスが流れないようにシールされている。図１４に示すように、湿度調整器６は、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓと第３筐部９ｔとを一体的に備えている。第１筐部９ｆは複数の第１調湿板９５ｆを積層して形成されている。第２筐部９ｓは複数の第２調湿板９５ｓを積層して形成されている。第３筐部９ｔは複数の第３調湿板９５ｔを積層して形成されている。
【００９５】
図１５（Ａ）は第１筐部９ｆを構成する第１調湿板９５ｆを示す。図１５（Ａ）に示すように、第１調湿板９５ｆは、供給加湿室９０および第２排出吸湿室９５に対面する膜状の第２上流水交換膜７２を保持している。第１調湿板９５ｆは、供給加湿室９０の貫通孔状をなす入口９０ｉおよび出口９０ｐと、第２排出吸湿室９５の貫通孔状をなす入口９５ｉおよび出口９５ｐとを有する。
【００９６】
図１５（Ｂ）は第１筐部９ｆと第３筐部９ｔとの間に配置される第２筐部９ｓを示す。図１５（Ｂ）に示すように、第２調湿板９５ｓは、供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に対面する膜状の第１上流水交換膜７１を保持している。第２調湿板９５ｓは、供給加湿室９０の貫通孔状をなす入口９０ｉおよび出口９０ｐと、迂回吸湿室９１の貫通孔状をなす入口９１ｉおよび出口９１ｐを有する。
【００９７】
図１５（Ｃ）は第３筐部９ｔを構成する第３調湿板９５ｔを示す。図１５（Ｃ）に示すように、第３調湿板９５ｔは迂回加湿室９２および第１排出吸湿室９３に対面する下流水交換膜８を保持しており、迂回加湿室９２の貫通孔状をなす入口９２ｉおよび出口９２ｐと、第１排出吸湿室９３の貫通孔状をなす入口９３ｉおよび出口９３ｐとを備えている。
【００９８】
さて図１４から理解できるように、ポンプ３０が駆動すると、反応ガスは供給通路３を流れ、第１筐部９ｆの入口９０ｉから供給加湿室９０に進入し、矢印Ｃ１ａ方向に流れ、第２上流水交換膜７２の加湿面７２ｗで供給加湿室９０において加湿される。同様に、反応ガスは、第２筐部９ｓの入口９０ｉから供給加湿室９０に進入し、矢印Ｃ１ｃ方向に流れ、第１上流水交換膜７１の加湿面７１ｗで供給加湿室９０において加湿される。
【００９９】
このように加湿された反応ガスは第１筐部９ｆおよび第２筐部９ｓの出口９０ｐから吐出され、供給通路３の通路３ａ（図１４参照）を介して上流流入口２０から燃料電池１の上流領域１５に進入し、発電反応に供せられる。
【０１００】
上流領域１５において反応済みの反応ガスは、上流流出口２１（途中部）から流出され、迂回通路５の往路５１に流れ、第１筐部９ｆの入口９１ｉから第２筐部９ｓの入口９１ｉに至り、更に、矢印Ｃ２方向に第２筐部９ｓの迂回吸湿室９１を流れ、第１上流水交換膜７１の吸湿面７１ｄに接触して迂回吸湿室９１において吸湿される。これにより反応ガスに含まれる過剰の水分は低下し、反応ガスは湿度調整される。従って第１上流水交換膜７１の水分保持量および熱量は増加し、第１上流水交換膜７１に対面する供給加湿室９０の加湿能力は高まる。
【０１０１】
更に、上記したように吸湿された反応ガスは出口９１ｐから矢印Ｃ２ａ方向（図１４参照）に吐出され、第３筐部９ｔの入口９２ｉに流れ、矢印Ｃ４方向に迂回加湿室９２を流れ、下流水交換膜８の加湿面８ｗに接触しつつ迂回加湿室９２において加湿される。これにより反応ガスの加湿量は適切化される。このように加湿された反応ガスは第３筐部９ｔの出口９２ｐから矢印Ｃ５方向（図１４参照）に吐出され、更に、迂回通路５の復路５２を介して、下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に供される。そして、下流領域１６において反応済みの反応ガスは燃料電池１の下流流出口２３から排出通路４に排出される。
【０１０２】
更に、排出通路４に排出された反応ガスは、第１筐部９ｆの入口９５ｉを介して第２排出吸湿室９５を矢印Ｃ８方向に流れ、第２水交換膜７２の吸湿面７２ｄに接触しつつ第２排出吸湿室９５において吸湿される。
【０１０３】
また排出通路４に排出された反応ガスは、第１筐部９ｆの入口９５ｉおよび第２筐部９ｓの通路９３ｈを介して第３筐部９ｔの入口９３ｉに至り、入口９３ｉから第１排出吸湿室９３を矢印Ｃ７方向に流れ、下流水交換膜８の吸湿面８ｄに接触しつつ第１排出吸湿室９３において吸湿される。このように吸湿された反応ガスは第３筐部９ｔの出口９３ｐ、第２筐部９ｓの通路９３ｕ、第１筐部９ｆの出口９５ｐを経て、排出通路４の排出端４ｘから排出される。なお図１４は、湿度調整器６を分解し、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓと第３筐部９ｔとして示す。従って第１筐部９ｆと第２筐部９ｓと第３筐部９ｔは一体化され単一構造とされている。但し、場合によっては、第１筐部９ｆと第２筐部９ｓと第３筐部９ｔとに分割されていても良い。
【０１０４】
（実施形態１２）
本実施形態は、燃料電池１の発電電流に応じて制御弁４５の開度を制御する形態を示す。制御弁４５が装備されている燃料電池システムであれば、適用できる。  
【０１０５】
（制御則１）
制御則１は、燃料電池１の発電電流に基づいて制御弁４５の開度を制御する態様を示す。図１６の特性線Ｗ１は、発電電流と制御弁４５の開度との関係を示す。図１６において横軸は燃料電池１の発電電流の目標値（相対表示）を示す。縦軸は制御弁４５の開度を示す。図１６の特性線Ｗ１に示すように、燃料電池１の発電電流の目標値が増加すると、発電出力を確保すべく、反応ガスに対する加湿量を増加させることが好ましい。このため、制御装置４９は制御弁４５の開度を小さくするように制御弁４５を制御する。このため、燃料電池１の発電電流の目標値が増加すると、制御弁４５の開度が小さく設定され、排出通路４の第１排出通路４１から排出される反応ガスの単位時間あたりの流量が減少する。
【０１０６】
従って、図３に示す燃料電池システムによれば、制御弁４５の開度が小さく設定されると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が減少し、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が増加し、下流水交換膜８の吸湿膜８２ｄに与える水分量および熱量が増加し、下流水交換膜８の水分保持量が増加し、下流水交換膜８に対面する迂回加湿室９２の加湿能力が相対的に増加する。
【０１０７】
また、図９に示す燃料電池システムによれば、制御弁４５の開度が小さく設定されると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が減少し、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が増加し、第２上流水交換膜７２の吸湿膜７２ｄに与える水分量および熱量が増加し、第２上流水交換膜７２の水分保持量が増加し、供給加湿室９０の加湿能力が相対的に増加する。
【０１０８】
また、図１３に示す燃料電池システムによれば、制御弁４５の開度が小さく設定されると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が減少し、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が増加し、第２上流水交換膜７２の吸湿膜７２ｄに与える水分量および熱量が増加し、第２上流水交換膜７２の水分保持量が増加し、第２上流水交換膜７２に対面する供給加湿室９０の加湿能力が相対的に増加する。なお、図１６において、特性線Ｗ２、特性線Ｗ３に示すようにしても良い。
【０１０９】
（制御則２）
制御則２は、燃料電池１のセル電圧に基づいて制御弁４５の開度を制御する態様を示す。図１７はセル電圧と制御弁４５の開度との関係を示す。図１７において、特性線Ｘ１は制御弁４５の開度を示し、特性線Ｘ２は燃料電池１のセル電圧（相対表示）を示す。図１７の特性線Ｘ１に示すように、燃料電池１のセル電圧はほぼ一定を示す時刻ｔａ〜ｔｂでは、有害なフラッディングは発生していないと推定される。これに対して燃料電池１のセル電圧が閾値Ｖｓにまで低下した時刻ｔｃでは、有害なフラッディングは発生していると推定される。そこで、セル電圧が閾値Ｖｓ（例えば相対表示で７０）に到達すると、制御弁４５の開度をθａからθｃに増加させる。
【０１１０】
従って、図３に示す燃料電池システムによれば、制御弁４５の開度が増加すると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加し、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が減少し、下流水交換膜８の吸湿膜８ｄに与える水分量が減少し、下流水交換膜８の水分保持量が減少し、迂回加湿室９２を流れる反応ガスの加湿量が相対的に減少する。これによりフラッディングが抑制される。また、図９に示す燃料電池システムによれば、制御弁４５の開度が増加すると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加し、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が減少し、第２上流水交換膜７２の吸湿膜７２ｄに与える水分量および熱量が減少し、第２上流水交換膜７２の水分保持量が減少し、供給加湿室９０の加湿能力が相対的に減少する。これによりフラッディングが抑制される。
【０１１１】
また、図１３に示す燃料電池システムによれば、制御弁４５の開度が増加すると、第１排出通路４１を流れる反応ガスの流量が増加し、第２排出通路４２を流れる反応ガスの流量が減少し、第２上流水交換膜７２の吸湿膜７２ｄに与える水分量が減少、第２上流水交換膜７２の水分保持量が減少し、供給加湿室９０の加湿能力が相対的に減少する。これによりフラッディングが抑えられる。セル電圧が復帰した時刻ｔｄから所定時刻経過した時刻ｔｅにおいて、制御弁４５の開度をθｃからθａに戻す。このようにして制御弁４５の開度調整によりフラッディングが抑えられ、燃料電池の発電出力の信頼性が向上する。
【０１１２】
（制御則３）
制御則３は制御則１および制御則２を併用する態様を示す。図１８は制御則３のフローチャートの一例を示す。まず、制御装置４９は燃料電池１の電流値を検知する（ステップＳ１０２）。次に、制御装置４９は、その電流値に基づいて、即ち、図１６に示す特性線に基づいて、制御弁４５の開度θ１を決定する（ステップＳ１０４）。制御装置４９は、制御弁４５の開度がθ１になるように、制御弁４５を作動させる（ステップＳ１０６）。次に、制御装置４９は燃料電池１のセル電圧を検出し、セル電圧の変動を監視する（ステップＳ１０８）。ここで、時刻ｔ１のときのセル電圧をＶ（ｔ１）とし、その後の時刻ｔ２のときのセル電圧をＶ（ｔ２）とするとき、時間あたりのセル電圧の変動値を求める。即ち、｛Ｖ（ｔ１）−Ｖ（ｔ２）｝／｛ｔ２−ｔ１｝の絶対値の値を求める。これが閾値ａ以上であるか否か判定する（ステップＳ１１０）。セル電圧の変動値が閾値ａ以上であれば（ステップＳ１１０のＹｅｓ）であれば、制御弁４５の開度θｎ＝１．０５×θｎ-1になるように、つまり、開度が増加する方向に、制御弁４５の開度を設定させ（ステップＳ１１２）、ステップＳ１０８に戻る。θｎ-1は前回の開度を意味する。θｎは今回の開度を意味する。セル電圧の変動値が閾値ａ未満であれば（ステップＳ１１０のＮｏ）であれば、Ｖ（ｔ１）の９９％に対してＶ（ｔ２）がそれ以上であるか否か判定する（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１４においてＹｅｓであれば、ステップＳ１０２にリターンする。ステップＳ１１４においてＮｏであれば、ステップＳ１１２に戻る。このように制御則１および制御則２を併用するため、フラッディングが効果的に抑制され、燃料電池の発電出力の信頼性が向上する。
【０１１３】
（実施形態１３）
図１９および図２０は実施形態１３を示す。図１９に示すように、湿度調整器６は、第１室６ｆと第２室６ｓとを仕切る壁状の仕切部６ｘを有する筐部９と、筐部９に支持された水交換膜７Ｅとを有する。水交換膜７Ｅの一部分（上部）は、第１室６ｆを供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に仕切るため、供給加湿室９０および迂回吸湿室９１に対面する。水交換膜７Ｅの他部分（下部）は、第２室６ｓを排出吸湿室９３および迂回加湿室９２に仕切るため、排出吸湿室９３および迂回加湿室９２に対面する。
【０１１４】
換言すると、図１９に示すように、水交換膜７Ｅの厚み方向の一方の表面は、迂回吸湿室９１および迂回加湿室９２の双方に対面することにより、吸湿機能及び加湿機能の双方（互いに逆の機能）を発揮する。水交換膜７Ｅの厚み方向の他方の表面は、供給加湿室９０および排出吸湿室９３の双方に対面することにより、加湿機能および吸湿機能の双方（互いに逆の機能）を発揮する。仕切部６ｘには、迂回吸湿室９１および迂回加湿室９２を連通させる連通路６ｙをもつ。場合によっては、迂回吸湿室９１および迂回加湿室９２を仕切る仕切部６ｘを廃止しても良い。
【０１１５】
発電の際には、前述同様に、ポンプ３０が駆動すると、反応ガスは供給通路３から湿度調整器６の第１室６ｆの入口９０ｉから供給加湿室９０に流れて水交換膜７Ｅの加湿面７ｗで加湿された後、出口９０ｐから吐出され、更に、供給通路３を流れ、上流流入口２０から燃料電池１のカソード１０の発電流路１３のうち上流領域１５に流れ、発電反応に提供される。更に、上流領域１５において反応済みの反応ガスは、発電反応で生じた水分および熱を有するものの、上流流出口２１（途中部）から発電流路１３を迂回するように迂回通路５の往路５１に流出され、湿度調整器６の迂回吸湿室９１の入口９１ｉから迂回吸湿室９１を流れて吸湿され、その後、迂回加湿室９２を流れて加湿され、出口９２ｐを経て、迂回通路５の復路５２を流れ、下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入し、下流領域１６において発電反応に提供される。
【０１１６】
更に、下流領域１６において発電反応に提供された反応ガスは、下流流出口２３から排出通路４に流出され、湿度調整器６の入口９３ｉから排出吸湿室９３に流れ、水交換膜７Ｅの吸湿面７ｄに接触して吸湿される。これにより反応ガスに含まれている過剰の水分は除去される。更に反応ガスは、排出吸湿室９３の出口９３ｐから排出通路４に排出される。これにより反応ガスの過剰の水分は除去され、排出通路４の排出端４ｘから外部に排出される。
【０１１７】
図１９に示すように、水交換膜７Ｅの厚み方向における水の移動方向は、第１室６ｆおよび第２室６ｓで別方向である。即ち、水交換膜７Ｅの上部（一部）側は、燃料電池１の上流流入口２０に流入する前の反応ガスを加湿させるために使用される。水交換膜７Ｅの下部（反対）側は、下流流入口２２から下流領域１５に流入する前の反応ガスを加湿させるために使用される。
【０１１８】
図２０は、図１９に示す湿度調整器６の筐部９を構成する調湿板９５ｗを模式的に示す。図２０に示すように、調湿板９５ｗは、第１室６ｆおよび第２室６ｓを仕切る仕切部６ｘを有すると共に、膜状の水交換膜７Ｅを挟む。調湿板９５ｗは、供給加湿室９０の貫通孔状をなす入口９０ｉおよび出口９０ｐを有するとともに、排出吸湿室９３の貫通孔状をなす入口９３ｉおよび出口９３ｐを有し、更に、迂回吸湿室９１の入口９１ｉおよび迂回加湿室９２の出口９２ｐとを有する。
【０１１９】
（実施形態１４）
図２１は実施形態１４を示す。本実施形態は実施形態１０（図１３）と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。但し、流量制御要素として機能する可変絞り４６が排出通路４の第１排出通路４１のうち排出吸湿室９３の下流に設けられている。可変絞り４６は第１排出通路４１を流れる反応ガスの単位時間あたりの流量を調整できるため、基本的には制御弁と同様の作用効果を有する。これに限らず、可変絞り４６は、排出通路４の第１排出通路４１のうち排出吸湿室９３と燃料電池１の下流流出口２３との間に設けられていても良い。あるいは、可変絞り４６は排出通路４の第２排出通路４２に設けられていても良い。
【０１２０】
（実施形態１５）
図２２は実施形態１５を示す。本実施形態は実施形態１０（図１３）と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。但し、水素含有ガスまたは水素ガス等のアノート流体を湿度調整器６で加湿および吸湿させる点を除いて、実施形態７と同様であるため、説明を簡略化する。燃料電池１のアノード１１は、上流領域１５の入口に相当する上流流入口２０と、上流領域１５の出口に相当する上流流出口２１と、下流領域１６の入口に相当する下流流入口２２と、下流領域１６の出口に相当する下流流出口２３とを備えている。
【０１２１】
図２２に示すように、燃料電池１のカソード１０は、上流領域１５ｃの入口に相当する上流流入口２０ｃと、上流領域１５ｃの出口に相当する上流流出口２１ｃと、下流領域１６ｃの入口に相当する下流流入口２２ｃと、下流領域１６ｃの出口に相当する下流流出口２３ｃとを備えている。カソード１０側の反応ガスについても、実施形態７と同様にカソード１０用の図略の湿度調整器６により加湿させる。
【０１２２】
（実施形態１６）
図２３は実施形態１６を示す。本実施形態は実施形態２（図３）と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。バイパス通路５４が設けられている。バイパス通路５４は、燃料電池１の上流領域１５の上流流出口２１（途中部）から流出するガス状の流体を湿度調整器６の迂回吸湿室９１および迂回加湿室９２に流さないで、下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入させる。バイパス通路５４にはバイパス弁５５ａが設けられている。迂回通路５の往路５１には弁５５ｂが設けられている。迂回通路５の復路５２には弁５５ｃが設けられている。湿度調整する必要があるときには、弁５５ｂ，５５ｃが開放され、バイパス弁５５ａが閉鎖される。湿度調整する必要がないときには、バイパス弁５５ａ，５５ｂが閉鎖され、バイパス弁５５ａが開放される。弁５５ａ，５５ｂ，５５ｃおよびバイパス通路５４は、流体を湿度調整器６の迂回吸湿室９１および迂回加湿室９２に流さない形態と流す形態とを切り替える制御バルブ要素として機能することができる。あるいは、弁５５ａ，５５ｂ，５５ｃおよびバイパス通路５４は、湿度調整器６の迂回吸湿室９１および迂回加湿室９２に流すガス流量を調整する制御バルブ要素として機能することができる。迂回切替バルブ要素は他の実施形態に適用しても良い。
【０１２３】
（実施形態１７）
図２４は実施形態１７を示す。本実施形態は実施形態６（図８）と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。湿度調整器６は、上流湿度調整要素として機能する供給加湿室９０をもつ筐部６ｘと、下流湿度調整要素として機能する凝縮器６０ｗとを備えている。凝縮器６０ｗは迂回通路５に設けられており、邪魔板部材６００と、冷媒（冷却液等）が流れる冷媒管６０１と、底面に形成され貯水部６０２に繋がる開閉要素としてのバルブ６０３とをもつ。上流流出口２１から流出された反応ガスは迂回通路５を介して凝縮器６０ｗに流れ、邪魔板６００に衝突し、水分を低下させると共に、冷媒管６０１により冷却されて凝縮水を生成させる。これにより反応ガスに含まれている過剰の水分は除去され、反応ガスは吸湿される。このように吸湿された反応ガスは下流流入口２２から燃料電池１の下流領域１６に流入し、発電に提供される。
【０１２４】
（その他）
上記した実施形態１によれば、相対表示で、燃料電池１の発電流路１３において、入口に相当する上流流出口２１から、発電流路１３の出口に相当する下流流出口２３までの流路距離（迂回通路５の距離を除く）を１００とするとき、上流流出口２１から上流流出口２２（途中部）までに相当する上流領域１５は、５０〜７０（６０）の流路距離とされており、下流領域１６は３０〜５０（４０）の流路距離とされている。しかし、相対表示で、上流領域１５は４０〜５０の流路距離とされ、下流領域１６は６０〜５０の流路距離とされていても良い。
【０１２５】
水交換膜としては高分子系の膜（イオン交換膜）が採用されているが、これに限らず、ガラス系等の無機系の膜でも良い。要するに水分保持性、水分浸透性およびガス遮蔽性を有するものであれば良い。
【０１２６】
湿度調整器は、複数の筐部に分離されていても良いし、単一構造とされていても良い。湿度調整器は燃料電池と分離されていても良いし、燃料電池１に隣接して取り付けられて一体化されていても良い。上記した実施形態１に係る燃料電池によれば、重力方向において上側に上流領域１５が位置しており、下側に下流領域１６が位置している。これに限らず、上流領域１５および下流領域１６は水平方向に沿って並設されていても良いし、あるいは、重力方向に沿って傾斜して並設されていても良い。上記した各実施形態の特徴構成を併有することにしても良い。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
【０１２７】
（付記項１）カソードと、アノードと、カソードおよびアノードで挟持されたイオン伝導膜をもつ燃料電池において、カソードおよび／またはアノードの発電流路は、仕切部により上流領域と下流領域とに分割されており、上流領域は、上流湿度調整要素で湿度調整された流体を燃料電池における発電流路に流入させる上流流入口と、燃料電池における発電流路を途中部まで通過した後の流体を下流湿度調整要素に向けて発電流路の外部に流して発電流路を迂回させる上流流出口と、下流湿度調整要素で湿度調整された流体を発電流路（例えば途中部よりも下流に位置する下流領域、場合によっては、途中部よりも上流）に流入させる下流流入口（再流入口）と、燃料電池における発電流路の下流領域を通過した後の流体を燃料電池の外部に流出させる下流流出口（再流出口）とを備えていることを特徴とする燃料電池。この場合、燃料電池の発電流路を途中部まで通過した流体に含まれる過剰の水分を低減させた後に、発電流路に再び流入させて発電させる。このため燃料電池の下流領域におけるフラッディングが効果的に抑制される燃料電池を提供できる。
【０１２８】
（付記項２）上記した請求項において、燃料電池の発電流路の途中部から迂回する迂回通路が設けられており、湿度調整器は、供給通路の一部をなす供給加湿室と、迂回通路の一部をなす迂回吸湿室および迂回加湿室と、排出通路の一部をなす排出吸湿室とを備えており、湿度調整する流体を湿度調整器の供給加湿室、燃料電池の上流領域、迂回吸湿室、迂回加湿室、燃料電池の下流領域、排出吸湿室の順に流すことを特徴とする燃料電池システム。この場合、燃料電池の下流領域におけるフラッディングが抑制される。
【０１２９】
（付記項３）上記した請求項において、湿度調整器は、供給通路の一部をなす供給加湿室と、迂回通路の一部をなす迂回吸湿室と、排出通路の一部をなす排出吸湿室とを備えており、湿度調整する流体を湿度調整器の供給加湿室、燃料電池の上流領域、迂回吸湿室、燃料電池の下流領域、排出吸湿室の順に流すことを特徴とする湿度調整器。この場合、燃料電池の下流領域におけるフラッディングが抑制される。
【０１３０】
（付記項４）燃料電池に用いられるカソード反応ガスまたはアノード反応ガスのいずれかが流れる発電流路をもつガス配流板であって、反応ガスが流れる発電流路の上流領域と、反応ガスが流れる発電流路の下流領域と、上流領域および下流領域を仕切る仕切部と、上流領域を流れた反応ガスを発電流路外に流出させる上流流出口と、少なくとも吸湿された反応ガスを発電流路の下流領域に流入させる下流流入口とをもち、上流領域および下流領域は、仕切部により非連通とされており、且つ、上流流出口および下流流入口により連通可能とされていることを特徴とする燃料電池用ガス配流板。
【０１３１】
（付記項５）供給通路の一部をなす供給加湿室と、迂回通路の一部をなす迂回吸湿室と、排出通路の一部をなす排出吸湿室と、水交換膜とを備えており、水交換膜の一部分（例えば上部）は、供給加湿室および迂回吸湿室に対面し、水交換膜の他部分（例えば下部）は、排出吸湿室および迂回加湿室に対面しており、水交換膜の厚み方向の一方の表面は、迂回吸湿室および迂回加湿室の双方に対面することにより、吸湿機能及び加湿機能の双方（互いに逆の機能）を発揮し、水交換膜の厚み方向の反対側の表面は、供給加湿室および排出吸湿室の双方に対面することにより、加湿機能および吸湿機能の双方（互いに逆の機能）を発揮することを特徴とする湿度調整器。
【０１３２】
（付記項６）(i)カソード流体が流れる発電流路をもつカソードと、アノード流体が流れる発電流路をもつアノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟持されたイオン伝導膜とを備える燃料電池と、(ii)前記カソード流体および前記アノード流体のうちの少なくとも一方の流体を湿度調整する湿度調整器とを具備する燃料電池システムにおいて、前記湿度調整器は、前記燃料電池の前記カソードまたは前記アノードの前記発電流路の途中部まで流れ且つ前記発電流路から流出する前記流体の湿度を減少させて湿度調整するとともに前記発電流路に戻す湿度調整要素とを具備していることを特徴とする燃料電池システム。この場合、発電流路の途中部まで流れ且つ発電流路から流出する流体の湿度を減少させて湿度調整するとともに発電流路に戻す。発電流路におけるフラッディングが抑制される。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用等の燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図２】実施形態１に係る湿度調整器を構成するガス配流板を示す正面図である。
【図３】実施形態２に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図４】実施形態３に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図５】実施形態４に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図６】実施形態４に係り、（Ａ）は湿度調整器を構成する第１調湿板を示す正面図であり、（Ｂ）は湿度調整器を構成する中間調湿板を示す正面図であり、（Ｃ）は湿度調整器を構成する第２配流板を示す正面図である。
【図７】実施形態５に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図８】実施形態６に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図９】実施形態７に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図１０】実施形態８に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図１１】実施形態８に係り、（Ａ）は湿度調整器を構成する第１調湿板を示す正面図であり、（Ｂ）は湿度調整器を構成する中間調湿板を示す正面図であり、（Ｃ）は湿度調整器を構成する第２配流板を示す正面図である。
【図１２】実施形態９に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図１３】実施形態１０に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図１４】実施形態１１に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図１５】実施形態１１に係り、（Ａ）は湿度調整器を構成する第１調湿板を示す正面図であり、（Ｂ）は湿度調整器を構成する第２配流板を示す正面図であり、（Ｃ）は湿度調整器を構成する第３配流板を示す正面図である。
【図１６】実施形態１２に係り、制御弁の開度と発電電流値との関係を示すグラフである。
【図１７】制御弁の開度とセル電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図１８】制御弁を制御する制御則の一例を示すフローチャートである。
【図１９】実施形態１３に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図２０】実施形態１３に係り、湿度調整器を構成する配流板を示す正面図である。
【図２１】実施形態１４に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図２２】実施形態１５に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図２３】実施形態１６に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【図２４】実施形態１７に係る燃料電池システムの概念を示す図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１は燃料電池、１０はカソード、１１はアノード、１２はイオン伝導膜、１３は発電流路、１４は仕切部、１５は上流領域、１６は下流領域、２０は上流流入口、２１は上流流出口（途中部）、２２は下流流入口、２３は下流流出口、３は供給通路、３０はポンプ（搬送源）、４は排出通路、４１は第１排出通路、４２は第２排出通路、４５は制御弁（流量制御要素）、５は迂回通路、５１は往路、５２は復路、６は湿度調整器、７は上流水交換膜、７１は第１上流水交換膜、７２は第２上流水交換膜、７ｗは加湿面、７ｄは吸湿面、８は下流水交換膜、８ｗは加湿面、８ｄは吸湿面、９は筐部、９０は供給加湿室（上流湿度調整要素）、９１は迂回吸湿室（下流湿度調整要素）、９２は迂回加湿室（下流湿度調整要素）、９３は排出吸湿室を示す。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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