JP2006196249A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、動作の安定化、低コスト化を図る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】第１の加湿装置を供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートとを水分移動膜を介して供給ガスの流路と排出ガスの流路とが接するように複数積層し、第２の加湿装置を、供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを水分移動膜を介して供給ガスの流路と冷却水の流路とが接するように複数積層し、第１の加湿装置の排出ガス流路入口を排出ガス流路出口よりも上方に配置し、第２の加湿装置の冷却水流路入口を冷却水流路出口よりも下方に配置する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行なう燃料電池システムに関するものである。

従来、この種の燃料電池システムでは、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ものとして知られている。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。前記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なうバブラーがある（例えば、特許文献１参照）。

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、燃料電池の空気極側に供給する空気に、水蒸気透過膜を介して移動させ、それにより供給空気の加湿を行なう加湿装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行なうことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることができる。
特開平７−２８８１３４号公報 特開平６−１３２０３８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、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。

また、オフガスにより加湿を行う場合において、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、さらに、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課題があった。

したがって、上記従来の燃料電池システムは、コンパクト化が困難なものであった。

上記従来の課題を解決するために本発明は、燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化剤ガス等の排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて加湿を行うものとした燃料電池システムにおける前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層した構成とし、さらに、前記第１の加湿装置の前記排出燃料ガス及び前記排出酸化ガスの少なくとも一方の排出ガス流路入口を、排出ガス流路出口よりも上方に配置したことにより、前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分が、第１の加湿器内で凝縮した時に滞留することなく流出し、圧損上昇に伴う空気供給装置の大型化が防止できる。

また、前記燃料電池システムにおける前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する第２の加湿装置を、冷却水である温水を用いて加湿を行うものとし、さらに前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層し、前記第２の加湿装置における前記冷却水の冷却水流路入口を、冷却水流路出口よりも下方に配置したもので、前記第２の加湿装置内の運転時において、冷却水は、前記冷却水流路内の前記第１の流路プレート内において満水状態にあり、その結果、流路内における空気の噛み込みによる温度・湿度の交換効率の低下が防止できる。

本発明の燃料電池システムは、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加えて、加湿装置内での温・湿度交換の効率を向上させることにより、よりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化を図ることができる。

請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び、供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する第１の加湿装置を備え、該第１の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層した構成とし、さらに、前記第１の加湿装置の前記排出燃料ガス及び前記排出酸化ガスの少なくとも一方の排出ガス流路入口を、排出ガス流路出口よりも上方に配置したものである。

かかる構成とすることにより、前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分が、第１の加湿器内で凝縮した時に滞留することなく流出し、圧損上昇に伴う空気供給装置の大型化が防止できる。その結果、圧損上昇に伴う空気供給装置の大型化が防止でき、システム動作の安定化がはかれ、低コスト、コンパクトな燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

請求項２に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び、供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する第２の加湿装置を備え、該第２の加湿装置を、冷却水である温水を用いて加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層し、前記第２の加湿装置における前記冷却水の冷却水流路入口を、冷却水流路出口よりも下方に配置したものである。

かかる構成とすることにより、運転時、前記第２の加湿装置内における冷却水を、前記冷却水流路内の前記第１の流路プレートにおいて満水状態とすることができ、流路内での空気の噛み込みによる温度・湿度の交換効率の低下が防止できる。その結果、安定したシステム動作が得られ、低コスト、コンパクト、高効率な燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

請求項３に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び、供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、第１の端板と第２の端板に挟持された第１の加湿装置と、前記第２の端板と第３の端板に挟持された第２の加湿装置より構成し、前記第１の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガス等の排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて前記加湿を行うものとし、前記第２の加湿装置を、冷却水である温水を用いて前記加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、さらに前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する前記第２の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する前記第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第１の加湿装置における前記排出燃料ガス及び前記排出酸化ガスの少なくとも一方の排出ガス流路入口を、排出ガス流路出口よりも上方に配置したものである。

かかる構成とすることにより、前記第２の加湿装置における水温の著しい低下が抑制でき、前記水温の維持に消費するエネルギーが抑制できる。また、前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分の凝縮による前記第１の加湿器内での滞留が抑制され、これに起因した圧損上昇に伴う空気供給装置の大型化が防止できる。その結果、圧損上昇に伴う空気供給装置の大型化が防止でき、システム動作の安定化がはかれ、低コスト、コンパクトな燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

請求項４に記載の発明は、前記第２の加湿装置における冷却水流路入口を、冷却水流路出口よりも下方に配置したもので、運転時における前記第２の加湿装置内の冷却水は、前記冷却水流路内の前記第１の流路プレートにおいて満水状態で、流路内での空気の噛み込みによる温度・湿度の交換効率の低下が防止でき、安定したシステム動作が得られ、また、低コスト、コンパクト、高効率な燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池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。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置４０と、第１の加湿装置２２と、第２の加湿装置２１ａよりなる加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料処理加湿装置２１ｂ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、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、貯湯タンク４５と、貯湯水循環経路１５とを主な要素として含んで構成されている。

空気供給装置４０から空気経路１を介して加湿装置５０に供給された空気は、第１の加湿装置２２で加湿され、さらに第２の加湿装置２１ａによって加湿される。第２の加湿装置２１ａによって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、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。

一方、燃料処理装置４２には、燃料供給装置４１から燃料経路８を介して、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等の原料が供給される。前記炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等としては、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等が好ましい。ここでは、燃料処理装置４２として、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が設けられた構成を採用した場合について説明する。

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。該水素リッチなガスは、燃料ガス経路９ａを介して燃料処理加湿装置２１ｂに供給され、加湿される。ここで燃料処理加湿装置２１ｂとしては、第２の加湿装置２１ａにおいて前述した加湿装置が用いられている。

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、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、電気と熱が発生する。

燃料電池１１に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路４を介して、第１の加湿装置２２に供給される。前記第１の加湿装置では、供給された該排出空気に含まれる水分を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１１に供給される空気の加湿が行われる。そして、第１の加湿装置２２を経た空気は、排出空気経路４よりも下方に配置された排出ガス経路５を通じて排出される。一方、燃料電池１１での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路１０を介して排出される。

第２の加湿装置２１ａには、燃料電池１１から回収した第１の冷却水流路６ａが接続され、空気経路１を通り、第１の加湿装置２２で加湿された空気を第２の加湿装置２１ａでさらに加湿した該冷却水が、第１の冷却水流路６ａよりも上方に配置された第２の冷却水流路６ｂへ流れる。

貯湯水タンク４５と貯湯タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と貯湯タンク４５から給水した水を、熱交換器で構成される冷却水放熱器１３を経由して再び貯湯タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５とにより、第２の加湿装置２１ａで加湿に利用された後の冷却水から、冷却水放熱器１３に熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給され、ここで蓄熱される。

また、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水タンク１４の冷却水が、冷却水ポンプ１２によって加圧され、冷却水流路７を介して燃料電池１１に供給される。ここでは、冷却水タンク１４の冷却水が、７０℃程度に維持されている。燃料電池１１の熱は、供給された冷却水によって除去される。

そして、前記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を順次通り、再び冷却水タンク１４に戻される。ここで、第２の冷却水流路６ｂと第３の冷却水流路６ｃ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。

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、該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。

次に、本実施の形態の特徴である、加湿装置５０について説明する。

図２、図３、図４及び図５は、図１の燃料電池システムにおける第１の加湿装置の構成を説明するための図であり、図２は第１の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図、図３は第２の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図、図４は、図２の第１流路プレートと図３の第２の流路プレートを積層して構成された加湿装置の模式的な斜視図、図５は、図４の加湿装置の構成を示す模式的な縦断面図である。

図４及び図５に示すように、第１の加湿装置２２は、第１の端板３１と第２の端板３２との間に介挿されており、第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５が水分移動膜２３を介して、交互に複数積層されて構成されている。そして、排出ガス流路入口５１は、排出ガス流路出口５２よりも上方に位置する如く第１の端板３１に配置されている。

ここで、水分移動膜２３は、水分を選択的に透過させる膜であり、例えば、ナフィオン系膜等のプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。

次に、図２乃至図５に基づき、第１の流路プレート２４および第２の流路プレート２５からなる第１の加湿装置２１について説明する。

第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５は、同図に示す如く矩形をベースとする金属材料からなり、それぞれ外周に沿って外周シール部２４ｓ、２５ｓを有している。この外周シール部２４ｓ、２５ｓは、第１の流路プレート２４および第２の流路プレート２５の積層状態において、第１の加湿装置２２から外部への供給空気及び排出空気の漏れをシールするものである。

そして、第１の流路プレート２４には、図２に示す如く中央部に、空気供給装置４０から供給される空気の流路（以下、供給流路と称す）２４ａが設けられている。この供給流路２４ａは、第１の流路プレート２４の貫通した中空部（貫通空間）により形成されている。加えて、供給流路２４ａと連通する一対の各マニホールド孔２８ａ、２８ｂが異なる位置（図２では対角位置）に設けられている。

また、第２の流路プレート２５についても同様に、図３に示す如く中央部に、燃料電池１１から排出された空気の流路（以下、排出流路と称す）２５ａが設けられている。この排出流路２５ａは、第２の流路プレート２５の貫通した中空部（貫通空間）により形成されている。加えて、排出流路２５ａと連通する一対の各マニホールド孔２９ａ、２９ｂが異なる位置（図３では対角位置）に設けられている。

さらに、第１の流路プレート２４には、第２の流路プレート２５との積層状態において第２の流路プレート２５に設けた各マニホールド孔２９ａ、２９ｂと連通するマニホールド孔２９ａ、２９ｂがマニホールド孔２８ａ、２８ｂとは異なる位置（異なる対角位置）に設けられている。なお、図示はしないが、第１の流路プレート２４に設けられた各マニホールド孔２９ａ、２９ｂの各周囲には、シール材が設けられている。

また、第２の流路プレート２５についても同様に、第１の流路プレート２４との積層状態において第１の流路プレート２４に設けた各マニホールド孔２８ａ、２８ｂと連通するマニホールド孔２８ａ、２８ｂがマニホールド孔２９ａ、２９ｂとは異なる位置（異なる対角位置）に設けられている。なお、図示はしないが、第２の流路プレート２５に設けられた各マニホールド孔２８ａ、２８ｂの各周囲には、シール材が設けられている。

したがって、第１の流路プレート２４および第２の流路プレート２５における相互の積層状態においては、各マニホールド孔２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂそれぞれが連通した４本の通路を構成する。この通路については後述する。

上記構成からなる第１の流路プレート２４および第２の流路プレート２５を、水分移動膜２３を介して交互に適宜枚数積層し、第１の端板３１と第２の端板３２で挟持することにより、第１の加湿装置２２が構成される。

その結果、マニホールド孔２８ａは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された供給流路２４ａと連通しつつ積層方向に延びる供給空気の導入流路２８ａ’を形成し、同様にマニホールド孔２８ｂは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された供給流路２４ａと連通しつつ積層方向に延びる供給空気の取り出し流路２８ｂ’を形成し、マニホールド孔２９ａは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された排出流路２５ａと連通しつつ積層方向に延びる排気空気の導入流路２９ａ’を形成し、同様にマニホールド孔２９ｂは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された排出流路２５ａと連通しつつ積層方向に延びる排気空気の取り出し流路２９ｂ’を形成する。

そして、マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’の入口端は、第１の端板３１を介して、空気経路１に接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、第２の端板３２に設けたマニホールド孔３０に接続されている。また、排気空気の導入流路２９ａ’の入口端は、第１の端板３１を介して流入側の排出空気経路４に接続され、排出流路２５ａを介して排気空気の導入流路２９ａ’に連通した排気空気の取り出し流路２９ｂ’の出口端は、第１の端板３１を介して流出側の排出空気経路５に連通している。

ここで、前述の如く第１の端板３１において、排出空気経路５に相当する排出ガス流路出口５２は、排出空気経路４に相当する排出ガス流路入口５１よりも下方に位置するようにその配置が構成されている。

以上の構成により、第１の加湿装置２２が構成されている。

次に、第２の加湿装置２１ａについて説明する。

第２の加湿装置２１ａは、図４及び図５に示すように、第２の端板３２と第３の端板３３との間に介挿されている。この第２の加湿装置２１ａについても、第１の加湿装置２２と同様に、図２および図３に示す第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５を、水分移動膜２３を介して交互に積層することにより構成され、供給空気及び冷却水の外部への漏れがないシール性を有する構造となっている。

したがって、マニホールド孔２８ａは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された供給流路２４ａと連通しつつ積層方向に延びる冷却水の導入流路６ａ’を形成し、同様にマニホールド孔２８ｂは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された供給流路２４ａと連通しつつ積層方向に延びる冷却水の取り出し流路６ｂ’を形成し、マニホールド孔２９ａは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された排出流路２５ａと連通しつつ積層方向に延びる供給空気の導入流路２９ａ’’を形成し、同様にマニホールド孔２９ｂは、水分移動膜２３によって両面が閉塞された排出流路２５ａと連通しつつ積層方向に延びる供給空気の取り出し流路２９ｂ’’を形成する。

そして、マニホールド孔２８ａが連通してなる冷却水の導入流路６ａ’入口端は、第３の端板３３を介して、第１の冷却水流路６ａに接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる冷却水の取り出し流路６ｂ’は、第３の端板３３に設けた第２の冷却水流路６ｂに接続されている。

また、供給空気の導入流路２９ａ’’の入口端は、第２の端板３２に設けられたマニホールド孔３０に接続され、排出流路２５ａを介して供給空気の導入流路２９ａ’’に連通した供給空気の取り出し流路２９ｂ’’の出口端は、第３の端板３３を介して空気経路３に連通している。

ここで、第３の端板３３において第１の冷却水流路６ａに相当する冷却水流路入口５３は、第２の冷却水流路６ｂに相当する冷却水流路出口５４よりも下方に位置するようにその配置が構成されている。

上記各経路を形成した状態で第１のプレート２４、第２のプレート２５の積層構造を、第２の端板３２と第３の端板３３にて挟持することにより、第２の加湿装置２１ａが構成されている。

その結果、図４、図５に示す如く第１の加湿装置２２および第２の加湿装置２１ａを組み込んだ加湿装置５０が構成される。

次に、以上のように構成された燃料電池システムについて、その動作、作用を説明する。

まず、第１の加湿装置２２において、空気経路１から供給された空気（供給空気）は、マニホールド孔２８ａが連通した供給空気の導入流路２８ａ’を流れて第１の加湿装置２２における第１の流路プレート２４に供給され、供給通路２４ａに流入し、ここから供給空気の取り出し流路２８ｂ’を流れて第２の端板３２のマニホールド孔３０に供給される。

一方、マニホールド孔２９ａが連通してなる排出空気の導入流路２９ａ’は、空気経路４と接続され、また、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排出空気の取り出し流路２９ｂ’は、空気経路５に接続されている。

したがって、空気経路４から第１の加湿装置２２を構成する第２の流路プレート２５に供給された空気（排出空気）は、排出空気の導入流路２９ａ´を流れるが、第２の端板３２によりその直線的な流れが遮られ、その結果、第２のプレート２５の排出流路２５ａに沿って流れ、排出空気の取り出し流路２９ｂ’を流れることにより、略Ｕ字形の流路を形成して空気経路５へ流れる。

ここで、第２の流路プレート２５の排出流路２５ａにおいては、対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。その結果、空気経路４、５内及び第２の流路プレート２５で結露した水は、空気供給装置４０により上方から下方に圧送され、第１の加湿装置２２の外へ流出する。

上記構成を有する複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５は、それぞれ水分移動膜２３を介して積層されているため、第１の流路プレート２４の供給流路２４ａに形成された供給空気流路を流れる供給空気と、第２の流路プレート２５の排出流路２５ａに形成された排出空気流路を流れる排出空気は、水分移動膜２３を介して接している。

ここで、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の第１の加湿装置２２では、水分移動膜２３を介して、排出空気から供給空気に水分（具体的には水蒸気）が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、前述の如く対向する流れを形成して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。また、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、第１の加湿装置２２では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられ、それにより供給空気が加熱される。

次に、第２の加湿装置２１ａにおいて、第２の端板３２のマニホールド孔３０から供給空気の導入流路２９ａ’’を通って第２の加湿装置２１ａにおける第２の流路プレート２５に供給された空気（供給空気）は、第２の流路プレート２５の排出流路２５ａに沿って流れ、供給空気の取り出し流路２９ｂ’’を通って空気経路３に送られる。

一方、マニホールド孔２８ａが連通してなる冷却水流路入口の導入流路６ａ’は、第１の冷却水流路６ａに接続され、また、マニホールド孔２８ｂが連通してなる冷却水の取り出し流路６ｂ’は、第２の冷却水流路６ｂに接続されている。

上記構成を有する複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５とが、それぞれ水分移動膜２３を介して積層されており、第１の流路プレート２４の供給流路２４ａに形成された供給空気流路を流れる供給空気と、第２の流路プレート２５の排出流路２５ａに形成された排出空気流路を流れる排出空気が、水分移動膜２３を介して接している。

ここで、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の第１の加湿装置２２では、水分移動膜２３を介して、排出空気から供給空気に水分（具体的には水蒸気）が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、対向する流れを形成して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。また、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、第１の加湿装置２２では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられ、それにより供給空気が加熱される。このとき、第１の冷却水流路６ａから第２の加湿装置２１ａにおける第１の流路プレート２４に供給された冷却水は、冷却水の導入流路６ａ’を流れるが、第２の端板３２によってその直線的な流れが遮られるため、第１のプレート２４の供給流路２４ａに沿って流れ、冷却水の取り出し流路６ｂ’を流れることにより、略Ｕ字形の流路を形成して第２の冷却水流路６ｂへ流れる。

ここで、第１の流路プレート２４の供給流路２４ａにおいては、対向する供給空気と冷却水の流れが形成され、冷却水流路入口５３から冷却水流路出口５４の間では、運転時において常に下方から上方に冷却水が流れ、その結果、第１の流路プレート２４の供給流路２４ａでは満水状態が保たれる。よって第１の流路プレート２４の全面を用いて前記供給空気と前記冷却水の温度・湿度交換が行なわれることになり、その交換効率は、さらに高い効率となる。

また、第２の加湿装置２１ａに供給された空気は、前述のようにあらかじめ第１の加湿装置２２によって加温及び加湿されているため、従来のように第２の加湿装置２１ａのみで加湿する場合に比べて、第２の加湿装置２１ａでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、第２の加湿装置２１ａに要する熱エネルギーや水分を低減することが可能となる。

このように本実施の形態では、あらかじめ第１の加湿装置２２によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、第２の加湿装置での２１ａでの消費エネルギーを低減するため、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることが可能となる。また、第２の加湿装置２１ａでの消費水分を低減できることから、第２の加湿装置２１ａに補給する水分の量を抑えることが可能となる。その結果、補給した水分による温度変動を抑制し、第２の加湿装置２１ａにおいて安定した加湿量を実現できる。

さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、第１の加湿装置２２と第２の加湿装置２１ａとにより、段階的に効率よく加湿を行うため、供給空気を高露点に加湿する場合においても、大型の第１の加湿装置及び第２の加湿装置を必要とせず、よってシステムのコンパクト化を図ることが可能となる。

本実施の形態においては、燃料電池１１に供給される燃料ガス（以下、供給燃料ガスと称す）が、燃料加湿装置２１ｂのみで加湿される場合について説明したが、供給燃料ガスについても、前述の供給空気の場合と同様に、第２の燃料加湿装置の上流に第１の燃料加湿装置を設け、段階的に加湿を行う構成とすることができる。

かかる構成では、燃料電池１１から排出される排出燃料ガスが第１の燃料加湿装置に供給され、第１の燃料加湿装置において、排出燃料ガスの水分が供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加湿が行われるとともに、排出燃料ガスの熱エネルギーが供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加熱が行われる。

それにより、供給空気の場合と同様に、第２の燃料加湿装置２１ｂの消費エネルギーの低減化が図れ、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図れるとともに、第２の燃料加湿装置２１ｂにおける水分の消費量の低減化が図れ、加湿量の安定化が得られる。このような第１の燃料加湿装置は、例えば空気供給側において前述した第１の加湿装置２２の構成と同様、水分移動膜２３を介して複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５を積層した構成を有しており、この場合、第１の流路プレート２４の供給流路２４ａは供給燃料ガスが流れる流路となり、第２の流路プレート２５の排出流路２５ａは排出燃料ガスが流れる流路となる。

このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池１１からの排出ガスを用いて供給ガスの加湿を行う第１の加湿装置２２は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に用いられてもよい。なお、燃料電池１１からの排出空気は、排出燃料ガスよりも高湿度であり、また、排出空気の方が、排出燃料ガスよりも、水分移動膜２３を介した水分移動において、効率よく水分のみを供給空気に与えることが可能である。このことから、空気供給側に第１の加湿装置２２を配置することが好ましい。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、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、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化を図ることが可能となるので、第１の加湿器の排出空気経路４の除湿が行なえることを利用して、空気の除湿等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態における加湿装置を構成する第１の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図 同実施の形態における加湿装置を構成する第２の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図 同実施の形態における加湿装置の模式的な斜視図 同実施の形態における図４の加湿装置の構成を示す模式的な縦断面図

符号の説明

１，３，４ 空気経路
５ 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
７ 冷却水流路
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 貯湯水経路
２１ａ 第２の加湿装置
２２ 第１の加湿装置
２３ 水分移動膜
２４ 第１の流路プレート
２４ａ 供給流路
２４ｓ，２５ｓ 外周シール部
２５ 第２の流路プレート
２５ａ 排出流路
３１ 第１の端板
３２ 第２の端板
３３ 第３の端板
５０ 加湿装置
５１ 排出ガス流路入口
５２ 排出ガス流路出口
５３ 冷却水流路入口
５４ 冷却水流路出口

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び、供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する第１の加湿装置を備え、該第１の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層した構成とし、さらに、前記第１の加湿装置の前記排出燃料ガス及び前記排出酸化ガスの少なくとも一方の排出ガス流路入口を、排出ガス流路出口よりも上方に配置した燃料電池システム。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び、供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する第２の加湿装置を備え、該第２の加湿装置を、冷却水である温水を用いて加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層し、前記第２の加湿装置における前記冷却水の冷却水流路入口を、冷却水流路出口よりも下方に配置した燃料電池システム。
3. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給燃料ガス及び、供給酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、第１の端板と第２の端板に挟持された第１の加湿装置と、前記第２の端板と第３の端板に挟持された第２の加湿装置より構成し、前記第１の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガス等の排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて前記加湿を行うものとし、前記第２の加湿装置を、冷却水である温水を用いて前記加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、さらに前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する前記第２の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する前記第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第１の加湿装置における前記排出燃料ガス及び前記排出酸化ガスの少なくとも一方の排出ガス流路入口を、排出ガス流路出口よりも上方に配置した燃料電池システム。
4. 前記第２の加湿装置における冷却水流路入口を、冷却水流路出口よりも下方に配置した請求項３に記載の燃料電池システム。

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