CN101080838B - 高分子电解质型燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明的高分子电解质型燃料电池发电系统，具备：具有有高分子电解质膜及夹着该高分子电解质膜形成的阳极和阴极的多个电池、形成能够将燃料气体从该燃料气体的入口(403)引向各电池的所述阳极，从该处排出到外部的燃料气体路径、形成能够将氧化剂气体从该氧化剂气体的入口(404)引向各电池的所述阴极，从该处排出到外部的氧化剂气体路径、以及形成能够将冷却流体从该冷却流体的入口(401)通过冷却流体供给总管引向与所述多个电池的所述阳极和阴极构成的发电区域相对的区域，从该处经该冷却流体的出口(402)排出到外部的的冷却流体路径，形成在所述发电区域所述燃料气体与氧化剂气体发生反应，进行伴随发热的发电的结构的燃料电池(101)、向燃料电池的燃料气体入口提供燃料气体的燃料气体供给装置(101)、向燃料电池的所述氧化剂气体入口提供氧化剂气体的氧化剂气体供给装置(103)、使冷却流体通过燃料电池的冷却流体路径流通，以对该燃料电池进行冷却的冷却流体供给装置(104)、以及控制装置(108)，控制装置在进行发电时通过冷却流体供给装置控制冷却流体入口温度，使其满足T1≥T2+1℃的条件，其中，T1表示将燃料气体与氧化剂气体中的至少任意一个的入口(403、404)上的露点换算温度，T2表示冷却流体的入口(401)上的温度。

Description

高分子电解质型燃料电池发电系统

技术领域

本发明涉及便携式电源、电动汽车用电源、热电联供系统等使用的燃料电池发电系统、特别是涉及使用高分子电解质膜的燃料电池发电系统。

背景技术

典型的燃料电池有高分子电解质型燃料电池。这种高分子电解质型燃料电池中，夹着高分子电解质膜形成阳极和阴极，对阳极与阴极分别提供含有氢气的燃料气体和空气等含有氧气的氧化剂气体(下面有时候将燃料气体和氧化剂气体总称为反应气体)。而且，在阳极中由于电极反应，从燃料气体中的氢原子释放出电子，生成氢离子，同时该电子通过外部电路(负载)到达阴极。另一方面，氢离子通过高分子电解质膜到达阴极。而且，在阴极中氢离子、电子与氧化剂气体中的氧结合生成水。而且，在发生该反应时电与热同时发生。

高分子电解质膜采用全氟化碳磺酸(Perfluorocarbon sulfonic acid)系的材料。这种高分子电解质膜在含水分的状态下被发现有离子导电性，因此通常将反应气体加湿后再提供给燃料电池。

但是，阴极中由于生成水，如果对反应气体过多加湿，则有可能发生溢流。另一方面，为了使电池高性能化，有必要提高高分子电解质膜的离子传导性能，因此最好是将反应气体加湿到100％的相对湿度然后提供。而如果提供具有低于燃料电池的工作温度的露点的反应气体，则全氟化碳磺酸系的电解质会发生分解氟化物离子会从高分子电解质膜溶出，借助于此，能够判断高分子电解质膜会劣化的情况。

因此，为了抑制高分子电解质膜的劣化，提高燃料电池的寿命，尝试了在防止溢流的同时，将具有与电池温度相同的温度的露点的反应气体提供给燃料电池使其运行(所谓全加湿运行)的方法(参照例如非专利文献1)。

又，已知有具备各单电池不同的气体流路结构和/或电极结构，向各单电池分配加湿量等相等的反应气体，以此可以防止高分子电解质膜的劣化和防止溢流的燃料电池系统(参照例如专利文献1)。

非专利文献1：第8回燃料电池系统研讨会演讲稿集，第61～64页(特别是参照图3和图4的说明中记载的运行条件)。

专利文献1：特许第3596332号公报

发明内容

但是，非专利文献1的技术达不到充分抑制高分子电解质膜的劣化的程度，燃料电池的寿命不能够充分提高。

而专利文献1的燃料电池系统有必要具备每一个单电池不同的气体流路结构和/或电极结构，结构复杂化。

本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的在于，提供每一个单电池的气体流路或电极结构没有不同，而且能够充分抑制高分子电解质型燃料电池的高分子电解质膜的劣化，因此能够充分延长燃料电池的寿命的高分子电解质型燃料电池发电系统。

本发明的发明人是为实现上述目的而锐意研究。也就是，在最近为了抑制电解质的劣化，特别用电池单体进行了提供与电池温度相同的温度的露点的气体进行运行的试验。电池单体在单电池(单cell)的情况下往往用面状加热器将电池温度保持于一定的温度，因此在电池面内的温度分布难以判断，但是在这样的情况下，对保持于例如80℃的一定温度的电池温度，提供80℃的露点的气体，气体温度保持于比露点高若干度的85～90℃进行试验。而且在使用冷却流体控制电池温度的电池组中，对于例如冷却流体的入口温度为80℃，冷却流体的出口温度为85℃，提供80℃的露点的气体进行试验。在这种情况下，如果冷却流体的流动方式与供给气体的流动方式上的流体的流动方向在宏观上相同，则即使是形成向冷却流体的出口的温度逐步上升的温度分布，也在阴极侧由于发电而生成水，在阳极侧由于反应而消耗氢，通过阳极流动的气体的总量向其出口减少，所以形成电池内的露点向下游侧上升的分布，所以如果在其入口保持充分加湿，则只要不使冷却流体的出口温度为极高的温度，则可以认为能够将电池内的全部气体流路保持充分加湿。但是根据对电池组内部的温度分布进行详细研究的结果，对电池组提供的气体通常暂时提供给总管，再从总管均匀分配到各电池，所以在暂时提供给总管，通过总管的期间，在总管内部与电池进行热交换，在气体实际被引入各电池的时刻，已经上升1～2℃左右，因此在将气体引入气体流路的电极在附近部分，发现没有得到充分加湿。对于充分加湿的含义将在实施形态中进行说明。

因此，本发明的高分子电解质型燃料电池发电系统，具备：具有有高分子电解质膜及在该高分子电解质膜的两个面上形成的阳极和阴极的MEA、在所述MEA的一侧配置为正面与所述阳极接触，该正面的与该阳极接触的区域形成槽状的燃料气体流路的导电性和导热性的板状的阳极侧隔离片、以及在所述MEA的另一侧配置为正面与所述阴极接触，该正面的与该阴极接触的区域形成槽状的氧化剂气体流路的导电性和导热性的板状的阴极侧隔离片的电池多个叠层形成的电池组、燃料气体入口、氧化剂气体入口、冷却流体入口、冷却流体出口、以及所述阳极和所述阴极构成的发电区域的燃料电池、向所述燃料气体入口提供燃料气体的燃料气体供给装置、向所述氧化剂气体入口提供氧化剂气体的氧化剂气体供给装置、使冷却流体通过所述冷却流体入口、冷却流体路径、以及所述冷却流体出口流通，以对该燃料电池进行冷却的冷却流体供给装置、以及控制装置，在所述电池组内部，在所述电池的叠层方向上延伸地形成燃料气体供给总管、燃料气体排出总管、氧化剂气体供给总管、氧化剂气体排出总管、冷却流体供给总管、以及冷却流体排出总管，所述各阳极侧隔离片的所述燃料气体流路是将所述燃料气体供给总管与所述燃料气体排出总管加以连接形成的，所述各阴极侧隔离片的所述氧化剂气体流路是将所述氧化剂气体供给总管与所述氧化剂气体排出总管加以连接形成的，对于每一个电池或每两个电池，所述冷却流体流路从所述阳极隔离片和所述阴极隔离片中的至少任一方的背面的，从所述电池的叠层方向看来，在与所述发电区域重叠的区域，将所述冷却流体供给总管与所述冷却流体主排出总管加以连接形成，所述燃料气体供给总管的上游侧的端部与所述燃料气体入口连通，而且所述燃料气体排出总管的下游侧的端部与外部连通，所述氧化剂气体供给总管的上游侧的端部与所述氧化剂气体入口连通，而且所述氧化剂气体排出总管的下游侧的端部与外部连通，所述冷却流体供给总管的上游侧的端部与所述冷却流体入口连通，而且所述冷却流体排出总管的下游侧的端部与所述冷却流体出口连通，形成为所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路的各自的最上游部以及所述冷却流体流路的最上游部从所述电池的叠层方向看来大致位于相同的位置上，而且所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路的各自的最下游部以及所述冷却流体流路的最下游部从所述电池的叠层方向看来大致位于相同的位置上，在以T1表示将所述燃料气体与所述氧化剂气体中的至少任一气体的入口的全部水分的量换算为露点的温度、即下述入口露点换算温度，T2表示所述冷却流体入口的温度、即下述冷却流体入口温度，T3表示所述冷却流体出口的温度、即下述冷却流体出口温度，T3-T2以ΔT表示，而且所述电池组中叠层的所述电池的数目以N表示的情况下，所述控制装置，在所述燃料电池的所述发电区域所述燃料气体与氧化剂气体发生反应进行伴随发热的发电时，对于每一个电池，所述冷却流体流路形成于所述阳极隔离片与所述阴极隔离片中的至少任一方的背面上时，通过所述冷却流体供给装置控制所述冷却流体入口温度，使其同时满足T1≥T2+2℃的第1条件、T3-T2≤15℃的第2条件、以及T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，X为1,0～2.5范围内的数值，Y为0.02～0.027范围内的数值这一第3条件；对于每两个电池，所述冷却流体流路形成于所述阳极隔离片与所述阴极隔离片中的至少任一方的背面上时，通过所述冷却流体供给装置控制所述冷却流体入口温度，使其同时满足所述第1条件、所述第2条件、以及T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，X为2.8～4.2范围内的数值，Y为0.013～0.033范围内的数值这一第4条件。

采用这样的结构时，燃料气体和氧化剂气体中的至少任一种气体的入口露点换算温度是估计到冷却流体供给总管引起的冷却流体的温度上升造成燃料电池温度的上升的情况的，所以能够抑制提供给燃料电池的该气体由于冷却流体供给总管造成的冷却流体的温度上升造成的干燥。而且能够将发电区域的全部区域保持于充分加湿或过加湿的状态。又，燃料气体和氧化剂气体的至少任一种气体的入口露点换算温度是估计到冷却流体供给总管的两端的温度差产生的电池组两端之间的温度差的情况的，所以能够保持各电池入口的该气体于充分加湿或过加湿的状态。关于过加湿的含义将在实施形态中说明。

上述高分子电解质型燃料电池发电系统，也可以具备调整所述燃料气体与所述氧化剂气体中的至少任一气体的所述入口露点换算温度用的露点调整装置。

也可以是，从所述电池的叠层方向看，在所述电池组的一方的一半周边部形成所述燃料气体供给总管、所述氧化剂气体供给总管、以及所述冷却流体供给总管，而且在所述电池组的另一方的一半周边部形成所述燃料气体排出总管、所述氧化剂气体排出总管、以及所述冷却流体排出总管，对于所述氧化剂气体供给总管中流过的氧化剂气体的所述条件中，X为1.0～1.5范围内的数值，Y为0.02～0.027范围内的数值，而且对于所述燃料气体供给总管中流过的燃料气体的所述条件中，X为2.0～2.5，Y为0.02～0.023。

燃料气体和氧化剂气体的理想的入口露点换算温度是根据燃料气体供给总管以及氧化剂气体供给总管与冷却流体供给总管之间的位置关系决定，因此采用这样的结构时，各电池入口的该气体能够更好地保持于充分加湿或过加湿的状态。

也可以是，从所述电池的叠层方向看，在所述电池组的一方的一半周边部形成所述燃料气体供给总管、所述氧化剂气体供给总管、以及所述冷却流体供给总管，而且在所述电池组的另一方的一半周边部形成所述燃料气体排出总管、所述氧化剂气体排出总管、以及所述冷却流体排出总管，对于所述燃料气体供给总管和所述氧化剂气体供给总管中的接近所述冷却流体供给总管的总管中流过的气体的所述条件中，X为2.8～3.3范围内的数值，Y为0.013～0.033范围内的数值，而且对于所述燃料气体供给总管和所述氧化剂气体供给总管中的远离所述冷却流体供给总管的总管中流过的气体的所述条件中，X为3.7～4.2范围内的数值，Y为0.013～0.030范围内的数值。

燃料气体和氧化剂气体的理想的入口露点换算温度是根据燃料气体供给总管以及氧化剂气体供给总管与冷却流体供给总管之间的位置关系决定，因此采用这样的结构时，各电池入口的该气体能够更好地保持于充分加湿或过加湿的状态。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体出口温度，以使T3-T2≤10℃的条件得到满足。

也可以是，具备进行提供给所述燃料电池的所述燃料气体、即下述供给燃料气体与所述燃料电池排出的所述燃料气体、即下述排出燃料气体的全热交换，和提供给所述燃料电池的所述氧化剂气体、即下述供给氧化剂气体与所述燃料电池排出的所述氧化剂气体、即下述排出氧化剂气体的全热交换中的至少任意一种热交换，以调整进行所述全热交换的气体的所述入口露点换算温度的露点调整装置。

采用这样的结构时，供给燃料气体和供给氧化剂的至少任一种的入口露点换算温度与冷却流体的出口温度连动变化，因此容易控制该入口露点换算温度

也可以所述燃料气体和所述氧化剂气体的至少任一气体的所述入口露点换算温度、所述冷却流体入口温度、以及所述冷却流体出口温度，在进行所述发电时满足T2≤T1≤T3的条件。

也可以是，所述露点调整装置形成在进行所述发电时满足T3-T1≥1℃的条件的结构。

也可以是，所述露点调整装置形成在进行所述发电时满足T3-T1≥2℃的条件的结构。

也可以所述露点调整装置形成能够进行所述供给燃料气体与所述排出燃料气体的全热交换和所述供给氧化剂气体与所述排出氧化剂气体的全热交换中的至少任一种全热交换，而且使进行过这种全热交换的气体与从所述燃料电池排出的冷却流体进行全热交换，将与该冷却流体进行过全热交换的气体提供给所述燃料电池的结构。

也可以所述露点调整装置形成在进行所述发电时满足T3-T1≥4℃的条件的结构。

也可以所述露点调整装置形成能够进行所述供给燃料气体与所述排出燃料气体的全热交换和所述供给氧化剂气体与所述排出氧化剂气体的全热交换中的至少任一种全热交换，而且使进行过这种全热交换的气体与从所述燃料电池排出的冷却流体只进行热交换，将与该冷却流体进行过热交换的气体提供给所述燃料电池的结构。

也可以所述露点调整装置形成能够进行所述供给燃料气体与所述燃料电池排出的冷却流体的全热交换和所述供给氧化剂气体与所述燃料电池排出的冷却流体的全热交换中的至少任一种全热交换，而且将进行过这种全热交换的气体提供给所述燃料电池的结构。

也可以所述冷却流体供给装置具有在所述燃料电池的所述冷却流体路径的两端形成闭流路地连接的冷却流体循环流路、设置于所述冷却流体循环流路中，使所述冷却流体通过所述闭流路循环的冷却流体循环器、以及在所述冷却流体循环流路上，设置于所述冷却流体循环器与所述燃料电池的所述冷却流体的出口之间，使所述冷却流体保持的热量释放出的放热器。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体出口温度，以使T4≥T3的条件得到满足，其中T4表示所述燃料气体和所述氧化剂气体中至少的任一气体在燃料电池出口的全部水分的量换算为露点的温度。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体入口温度，以使50℃≥T2≥70℃的条件得到满足。因为入口露点换算温度T2为70℃时，如果氧化剂气体的利用率没有达到65％以上，则冷却流体的出口露点换算温度不会达到80℃(对于入口露点换算温度T2为+10℃)，而且氧化剂气体的利用率达到65％以上的运行条件也是不现实的。

也可以是，所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体出口温度，以使5℃≤T3-T2的条件得到满足。只有这样构成，才能够使提供给燃料电池的燃料气体或氧化剂气体与燃料电池排出的燃料气体、氧化剂气体、或冷却水进行全热交换。而且在将冷却流体接收的热量使用于热水供应的情况下，供应的热水的温度能够保持于60℃以上。

也可以所述控制装置在所述发电进行时通过所述冷却流体供给装置控制所述冷却流体的流通，以在整个所述发电区域过加湿或充分加湿。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述燃料气体供给装置，使在所述燃料气体流路的出口的所述燃料气体的流速在1.8m/s以上4.1m/s以下，提供所述燃料气体。

采用这样的结构时，将发电区域保持于过加湿状态，这样能够防止发生溢流的情况。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述燃料气体的供应，使所述燃料气体路径的压力损失为2kPa以上10kPa以下。

也可以所述燃料气体流路由多条流路槽构成，该流路槽的等效直径为0.78mm以上1.30mm以下。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述氧化剂气体供给装置，使在所述氧化剂气体流路的出口的所述氧化剂气体的流速为2.8m/s以上7.7m/s以下，提供所述氧化剂气体。

采用这样的结构时，将发电区域保持于过加湿状态，这样能够防止溢流的发生。

也可以所述控制装置在所述发电进行时控制所述氧化剂气体的供应，使所述氧化剂气体路径的压力损失为2kPa以上10kPa以下。

也可以所述氧化剂气体流路分别由多条流路槽构成，该流路槽的等效直径为0.78mm以上1.30mm以下。

也可以所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路、以及所述冷却流体流路分别形成为使得所述燃料气体、所述氧化剂气体、以及所述冷却流体不与重力逆向流动的结构。

本发明的上述目的、其他目的、特征以及优点从参照附图说明的下述最佳实施形态的详细说明中可以清楚了解。

本发明如上所述构成，在高分子电解质型燃料电池发电系统中，可以不使每一个单电池的气体流路或电极的结构不同，能够充分抑制燃料电池的高分子电解质膜的劣化，因此能够充分延长燃料电池的寿命。

附图说明

图1是表示本发明实施形态1的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构示意方框图。

图2是表示图1的燃料电池的大概结构的立体图。

图3是沿着图2中的III-III平面的剖面图。

图4是阴极侧隔离片的正视图。

图5是阴极侧隔离片的背面图。

图6是阳极侧隔离片的正视图。

图7是阳极侧隔离片的背面图。

图8是构成图1的阳极侧全热交换器的全热交换电池组的结构的立体图。

图9是沿着图8中的IX-IX平面的剖面图。

图10是表示测定电池组的温度发布用的隔离片的结构的示意图。

图11是对每一个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布曲线图。

图12是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布曲线图。

图13是表示本发明实施形态1的燃料电池的寿命试验结果的曲线图。

图14是表示本发明实施形态2的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。

图15是表示本发明实施形态3的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。

图16是表示本发明实施形态4的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。

图17是表示本发明实施形态5的燃料电池发电系统的结构的示意方框图。

图18是图17的燃料电池发电系统使用的带加湿器的燃料电池的结构的示意侧面图。

图19是表示构成图18的带加湿器的燃料电池的隔离片，(a)是第1隔离片的正视图，(b)是第2隔离片的正视图。

图20是每一个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图21是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图22是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图23是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图24是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线。

图25是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图26是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图27是每一个电池进行冷却的情况下的露点换算温度T1应该满足的条件式的常数X和系数Y的数值与电流密度一起表示的表。

图28是每两个电池进行冷却的情况下的露点换算温度T1应该满足的条件式的常数X和系数Y的数值与电流密度一起表示的表。

图29是表示气体流量与压力损失的关系的一个例子的关系曲线图。

图30是表示本发明实施形态6的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。

图31是表示燃料气体的出口流速和压力损失与有无发生溢流的关系曲线图。

图32是表示氧化剂气体的出口流速和压力损失与有无发生溢流的关系曲线图。

1  电池组

2  电池

3A、3B  端板

4  氧化剂气体供给总管

5  燃料气体供给总管

6  燃料气体排出总管

7  氧化剂气体排出总管

8  冷却水供给总管

9  冷却水排出总管

10  阴极侧隔离片

11、21  氧化剂气体的入口总管孔

13、23  氧化剂气体的出口总管孔

17  氧化剂气体流路

20  阳极侧隔离片

12、22  燃料气体的入口总管孔

14、24  燃料气体的出口总管孔

15、25  冷却水的入口总管孔

16、26  冷却水的出口总管孔

19、29  冷却水流路

28  燃料气体流路

30  冷却水供给配管

41  高分子电解质膜

42A  阴极

42B  阳极

43  MEA

46  衬垫

48  O形环

51  氧化剂气体供给配管

52  氧化剂气体排出配管

53  燃料气体供给配管

54  燃料气体排出配管

55  冷却水排出配管

100  燃料电池发电系统

101  燃料电池

102  燃料气体供给装置

103  氧化剂气体供给装置

104  冷却系统

105  放热装置

106  冷却水循环泵

107  氧化剂气体排出流路

108  控制装置

109  燃料气体供给流路

110  燃料气体排出流路

111  氧化剂气体排出流路

112  冷却水循环流路

117  阳极侧全热交换器

118  阴极侧全热交换器

202  全热交换电池

203A、203B  端板

204  第1流体供给总管

205  第2流体供给总管

206  第2流体排出总管

207  第1流体排出总管

210  第1隔离片

211、221  第1流体的入口总管孔

213、223  第1流体的出口总管孔

217  第1流体流路

220  第2隔离片

212、222  第2流体的入口总管孔

214、224  第2流体的出口总管孔

228  第2流体流路

243  疑似MEA

251  第1流体供给配管

252  第1流体排出配管

253  第2流体供给配管

254  第2流体排出配管

301  全热交换电池组

301A  第1全热交换电池组

301B  第2全热交换电池组

301C  第3全热交换电池组

301D  第4全热交换电池组

302  全热交换电池叠层体

303A  阳极侧对冷却水热交换器

303B  阴极侧对冷却水热交换器

401  冷却水循环流路往燃料电池的入口

402  冷却水循环流路从燃料电池的出口

403  燃料气体入口

404  氧化剂气体入口

500  带加湿器的燃料电池

501  加湿器和燃料电池一体化的组件

502  电池部

503  加湿器部

504A、504B  端板

510  第1隔离片

511  供给氧化剂气体流路

512  供给燃料气体流路

520  第2隔离片

521  排出氧化剂气体流路

522  排出燃料气体流路

TS1  入口温度传感器

TS2  出口温度传感器

具体实施方式

实施形态1

图1是表示本发明实施形态1的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。

本实施形态的高分子电解质型燃料电池发电系统(以下简称燃料电池发电系统)具备高分子电解质型燃料电池(以下简称燃料电池)101。燃料电池101的向阳极提供燃料气体用的燃料气体入口403上，通过燃料气体供给流路109连接着燃料气体供给装置102。燃料气体供给装置102对燃料电池101的阳极提供燃料气体。燃料气体使用将氢气、碳化氢气体重整的气体等。燃料气体供给装置102在本实施形态中用从原料气体生成重整气体作为燃料气体的氢生成装置构成。原料气体在这里采用天然气。

在燃料电池101的向阴极提供氧化剂气体用的氧化剂气体入口404上，通过氧化剂气体供给流路107连接着氧化剂气体供给装置103。氧化剂气体供给装置103向燃料电池101的阴极提供氧化剂气体。氧化剂气体在这里采用空气。氧化剂气体供给装置103在本实施形态中用空气鼓风机构成。提供给燃料电池101的阳极和阴极的燃料气体和氧化剂气体在这里发生化学反应，由该化学反应发生电力和热(以下称为排热)。燃料电池101的从阳极排出燃料气体用的燃料气体出口(图1中未图示)上连接着燃料气体排出流路110，对上述化学反应没有作出贡献的剩余的燃料气体被从阳极排出到燃料气体排出流路110以进行适当处理。例如排出到燃料气体排出流路110的剩余燃料气体作为构成燃料气体供给装置102的氢生成装置的重整部加热用的燃料使用，或在专用的燃烧器中进行燃烧处理，或经过适当稀释放入大气中。

又，燃料电池101的从阴极排出氧化剂气体用的氧化剂气体出口(图1中未图示)上连接着氧化剂气体排出流路111，对上述化学反应没有作出贡献的剩余的氧化剂气体从阳极通过氧化剂气体排出流路111放到大气中。

另一方面，在该燃料电池发电系统100中，形成通过燃料电池101的，作为冷却流体循环流路的冷却水循环流路112。作为冷却流体的水(以下称为冷却水)，在冷却水循环流路112中循环。还有，冷却流体也可以使用例如防冻液。冷却水循环流路112中配设放热器105和循环泵106。该冷却水循环流路112、放热器105、以及循环泵106构成冷却系统104。放热装置105是使从燃料电池101传递到冷却水中的热从冷却水中放出的装置，用例如从冷却水接收排热利用该排热的排热利用系统，或具有形成散热片的路壁的冷却水流路与向该散热片送风的送风机构成的风冷装置等形成。在该冷却系统104中，借助于循环泵106使冷却水通过冷却水循环流路112在图1的箭头方向上循环，借助于此将冷却水从燃料电池101接收到的排热用放热装置105散发出。借助于此使燃料电池101得到冷却。在这种情况下，放热装置105中每单位流量的冷却水的放热量可以调整，另一方面，在冷却水循环泵106中可以调整冷却水的流量。从而，放热装置105和冷却水循环泵106分别能够决定冷却水的放热量，它们分别作为冷却水的温度调节手段起作用。

而且燃料电池发电系统100具有阳极侧全热交换器117和阴极侧全热交换器118。

阳极侧全热交换器117在内部形成供给侧燃料气体流路117a、排出侧燃料气体流路117b、以及冷却水流路117c。而且形成使流过供给侧燃料气体流路117a的气体和流过排出侧燃料气体流路117b的气体能够进行全热交换的结构。具体地说，供给侧燃料气体流路117a的一部分与排出侧燃料气体流路117b的一部分隔着全热交换膜相邻形成。全热交换膜采用例如在燃料电池101中使用的固体高分子电解质膜。又形成流过供给侧燃料气体流路117a的全热交换后的气体能够与流过冷却水流路117c的冷却水进行全热交换的结构。而且供给侧燃料气体流路117a插入燃料气体供给流路109的中途与该燃料气体供给流路109连接，排出侧燃料气体流路117b插入燃料气体排出流路110的中途与该燃料气体排出流路110连接。又，冷却水循环流路112一部分用两个分流路112a、112b(在这里分流比为1∶1)构成，冷却水流路117c插入冷却水循环流路112的一个分流路112a的中途与该分流路112a连接。

借助于此，从燃料气体供给装置102流出的燃料气体在阳极侧全热交换器117中由从燃料电池101排出的燃料气体加湿和加热，而且用从燃料电池101接收排废热而升温的冷却水加湿和加热，借助于此，形成具有规定的下述露点换算温度的燃料气体。然后该具有规定的露点换算温度的燃料气体经过燃料电池101的燃料气体入口403提供给阳极。

另一方面，阴极侧全热交换器118在内部形成供给侧氧化剂气体流路118a、排出侧氧化剂气体流路118b、以及冷却水流路118c。而且形成使流过供给侧氧化剂流路118a的气体和流过排出侧氧化剂气体流路118b的气体能够进行全热交换的结构。具体地说，供给侧氧化剂气体流路118a的一部分与排出侧氧化剂气体流路118b的一部分隔着全热交换膜相邻形成。全热交换膜采用例如在燃料电池101中使用的固体高分子电解质膜。又形成流过供给侧氧化剂流路118a的全热交换后的气体能够与流过冷却水流路118c的冷却水进行全热交换的结构。而且供给侧氧化剂气体流路118a插入氧化剂气体供给流路107的中途与该氧化剂气体供给流路107连接，排出侧氧化剂气体流路118插入氧化剂气体排出流路111的中途与该氧化剂气体排出流路111连接，冷却水流路118c插入冷却水循环流路112的另一分流路112b的中途与该分流路112b连接。

借助于此，从氧化剂气体供给装置103流出的氧化剂气体在阴极侧全热交换器118中由从燃料电池101排出的氧化剂气体加湿及加热，而且用从燃料电池101接收排热而升温的冷却水加热，借助于此，形成具有规定的下述露点换算温度的氧化剂气体。然后该具有规定的露点换算温度的氧化剂气体经过燃料电池101的氧化剂气体入口404提供给阴极。

在这里，在图1中，只不过是示意性表示出燃料电池101和全热交换器117、118中各气体和冷却流体的流向，并不表示各气体和冷却流体相互间的流动方向的关系(例如所谓平行流动、相对流动等)。这在下面的图14～图17中也相同。

又，燃料电池发电系统100具备入口温度传感器TS1、出口温度传感器TS2、控制装置108。入口温度传感器TS1和出口温度传感器TS2在这里分别由热敏电阻构成，分别检测冷却水循环流路112的燃料电池101(正确地说下述电池组1)的入口401和出口402的冷却水的温度，其检测值分别被输入控制装置108。控制装置108用微电脑等运算装置构成，对燃料电池发电系统100所要的结构要素进行控制，控制该燃料电池发电系统100的动作。在这里，在本说明书中，所谓控制装置不仅意味着单独的控制装置，也意味着多个控制装置协同控制的控制装置群。因此控制装置108不必一定用单独的控制装置构成，也可以采用多个控制装置分散配置，使它们协同动作对燃料电池发电系统101的动作进行控制的结构。

具体地说，控制装置108至少对燃料气体供给装置102、氧化剂气体供给装置103、放热装置105、以及冷却水循环泵109进行控制，特别是根据入口温度传感器TS1和出口温度传感器TS2的检测值对放热装置105和冷却水循环泵109中的至少任一个进行控制，将冷却水的温度调整到规定的温度。

下面对燃料电池101的结构进行详细说明。

图2是表示图1的燃料电池的大概结构的立体图，图3是沿着图2中的III-III平面的剖面图。

在图2中，将燃料电池的上下方向作为图中的上下方向表示。还有，这对于下述图4～图7也相同。

如图2所示，燃料电池101具有电池组1。电池组1具有由板状的整体形状的电池2在其厚度方向叠层形成的电池叠层体201、配置于电池叠层体201两端的第1和第2端板3A、3B、以及将电池叠层体201与第1和第2端板3A、3B在电池2的叠层方向上连接的未图示的连接构件。又，第1和第2端板3A、3B上分别配设集电端子，但是未图示。板状的电池2在铅直面上平行延伸，从而电池2的叠层方向为水平方向。

在电池叠层体201的一个侧部(以下称为第1侧部)的上部，形成在叠层方向上贯通该电池叠层体201的氧化剂气体供给总管4。氧化剂气体供给总管4的一端与形成于第1端板3A上的贯通孔连通，在该贯通孔的外侧开口(氧化剂气体入口404)上连接构成图1的氧化剂气体供给流路107的氧化剂气体供给配管51。氧化剂气体供给总管4的另一端用第2端板3B封闭。又，在电池叠层体201的另一侧部(以下称为第2侧部)的下部，形成在叠层方向上贯通该电池叠层体201的氧化剂气体排出总管7。氧化剂气体排出总管7的一端用第1端板3A封闭。氧化剂气体排出总管7的另一端与形成于第2端板3B上的贯通孔连通，该贯通孔的外侧开口(氧化剂气体出口)上连接构成图1的氧化剂气体排出流路111的氧化剂气体排出配管52。

在电池叠层体201的第2侧部的上部，形成在叠层方向上贯通该电池叠层体201的燃料气体供给总管5。燃料气体供给总管5的一端与形成于第1端板3A上的贯通孔连通，在该贯通孔的外侧开口(燃料气体入口)403上连接构成图1的燃料气体供给流路109的燃料气体供给配管53。燃料气体供给总管5的另一端用第2端板3B封闭。

又，在电池叠层体201的第1侧部的下部，形成在叠层方向上贯通该电池叠层体201的燃料气体排出总管6。燃料气体排出总管6的一端用第1端板3A封闭。燃料气体供给总管5的另一端与形成于第2端板3B上的贯通孔连通，该贯通孔的外侧开口(燃料气体出口)上连接构成图1的燃料气体排出流路110的燃料气体排出配管54。

在氧化剂气体供给总管4的上部的内侧上形成在叠层方向上贯通电池叠层体201的冷却水供给总管8。冷却水供给总管8的一端与形成于第1端板3A上的贯通孔连通，该贯通孔的外侧开口(冷却水入口401)连接冷却水供给配管30。冷却水供给配管30构成图1的冷却水循环流路112的，循环泵106的排出端口(未图示)与燃料电池101之间的部分。冷却水供给总管8的另一端用第2端板3B封闭。

又在氧化剂气体排出总管7的下部的内侧上形成在叠层方向上贯通电池叠层体201的冷却水排出总管9。冷却水排出总管9的一端用第1端板3A封闭。冷却水排出总管9的另一端与形成于第2端板3B上的贯通孔连通，该贯通孔的外侧开口(冷却水出口402)上连接冷却水排出配管31。冷却水供给配管31构成图1的冷却水循环流路112的，循环泵106的吸入端口与燃料电池101之间的部分。

如图3所示，电池2用与板状的MEA43和与MEA43的两个主面接触着配置的阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20构成。而且相邻的电池2、2上，使一个电池2的阴极侧隔离片10的背面与另一电池2的阳极侧隔离片20的背面接触，将电池2叠层。MEA43、阴极侧隔离片10、阳极侧隔离片20形成为大小相同的形状(在这里是矩形)。而且在MEA43、阴极侧隔离片10、阳极侧隔离片20上，在相互对应的规定地方形成在它们的厚度方向上贯通的氧化剂的入口总管孔、氧化剂的出口总管孔、燃料的入口总管孔、燃料的出口总管孔、冷却水的入口总管孔、以及冷却水的出口总管孔，所有的电池2的MEA43、阴极侧隔离片10、以及阳极侧隔离片20、氧化剂的入口总管孔、氧化剂的出口总管孔、燃料的入口总管孔、燃料的出口总管孔、冷却水的入口总管孔、以及冷却水的出口总管孔分别连接，分别形成氧化剂供给总管4、氧化剂排出总管7、燃料供给总管5、燃料排出总管6、冷却水供给总管8、以及冷却水排出总管9。

在阴极侧隔离片10的正面和背面上分别形成氧化剂气体流路17和冷却水流路19。氧化剂气体流路17如下所述，形成将氧化剂气体的入口总管孔与氧化剂气体的出口总管孔加以连接的结构，冷却水流路19如下所述形成将冷却水的入口总管孔与冷却水的出口总管孔加以连接的结构。而且阴极侧隔离片10配置为其正面与MEA43接触。

在阳极侧隔离片20的正面和背面上分别形成燃料气体流路28和冷却水流路29。燃料气体流路19如下所述，形成将燃料气体的入口总管孔与燃料气体的出口总管孔加以连接的结构，冷却水流路29如下所述形成将冷却水的入口总管孔与冷却水的出口总管孔加以连接的结构。而且阳极侧隔离片20配置为其正面与MEA43接触。

各流路17、19、28、29由在阴极侧隔离片10或阳极侧隔离片20的主面上形成的槽构成。又，各流路17、19、28、29在图3中分别由两条流路构成，但是也可以由多条流路构成。又，而且形成为相邻的阴极侧隔离片10的冷却水流路19与阳极侧隔离片20的冷却水流路29在电池2叠层时相互接合，两者形成一条冷却水流路。

又，在阴极侧隔离片10的背面和阳极侧隔离片20的背面上，形成冷却水的入口总管孔和出口总管孔以及O形环收容槽以使其分别围绕冷却水流路、氧化剂的入口总管孔、氧化剂的出口总管孔、燃料的入口总管孔、燃料的出口总管孔，在该槽中分别配置O形环47。以此使上述总管孔等相互密封。

MEA43具有高分子电解质膜41、以及阴极42A、以及阳极42B、以及一对衬垫46。而且在高分子电解质膜41的边缘部以外的部分的两个面上分别形成阴极42A和阳极42B，在高分子电解质膜41的边缘部的两个面上分别包围着阴极42A和阳极42B配置衬垫46。一对衬垫46、阴极42A、阳极42B以及高分子电解质膜41形成一体。

高分子电解质膜41用能够有选择地输送氢离子的材料构成，在这里，是用的全氟化碳磺酸系材料构成的。阴极42A和阳极42B用高分子电解质41的相互相反的主面上分别形成的催化剂层(未图示)和在该催化剂层上形成的气体扩散层(未图示)构成。催化剂层主要用承载白金系金属催化剂的碳粉构成。气体扩散层用具有通气性和导电性的无纺布、纸等构成。

又，阴极42A、阳极42B、阴极侧隔离片10上的形成氧化剂气体流路17的区域以及形成冷却水流路19的区域、阳极侧隔离片20上的形成燃料气体流路28的区域以及形成冷却水流路29的区域，配设为从电池2的叠层方向看来实质上相互完全重叠。

下面对阴极侧隔离片和阳极侧隔离片进行详细说明。

图4是阴极侧隔离片的正视图，图5是阴极侧隔离片的背面图，图6是阳极侧隔离片的正视图，图7是阳极侧隔离片的背面图。

如图4所示，阴极侧隔离片10具有氧化剂气体的入口总管孔11及出口总管孔13、燃料气体的入口总管孔12及出口总管孔14、以及冷却水的入口总管孔15及出口总管孔16。隔离片10还在与阴极相对的面上具有连接总管孔11、13的气体的流路17，背面上具有连接冷却水总管孔15、16的流路19。

在图4中，氧化剂气体的入口总管孔11设置于隔离片10的一个侧部(图面左侧的侧部：以下称为第1侧部)的上部，出口总管孔13设置于隔离片10的另一侧部(图面右侧的侧部：以下称为第2侧部)的下部。燃料气体的入口总管孔12设置于隔离片10的第2侧部的上部，出口总管孔14设置于隔离片10的第1侧部的下部。冷却水的入口总管孔15设置于氧化剂气体的入口的总管孔11的上部内侧，出口总管孔16设置于氧化剂气体的出口总管孔13的下部内侧。氧化剂气体的入口总管孔11和出口总管孔13、燃料气体的入口总管孔12和出口总管孔14，形成在铅直方向上长的长孔形状。又，冷却水总管孔15、16形成水平方向上长的长孔形状。

氧化剂气体流路17在本实施形态中以两条流路(流路槽)构成。当然，可以用任意数目的流路构成。各流路实质上由在水平方向上延伸的水平部17a和在铅直方向上延伸的铅直部17b构成。具体地说，氧化剂气体流路17的各流路，从氧化剂气体的入口总管孔11的上部到隔离片10的第2侧部为止沿水平方向延伸，此后向下方延伸某一距离，然后从该处水平延伸到隔离片10的第1侧部，在从该处向下方延伸某一距离。然后从该处开始将上述延伸图案反复进行两次，从其到达点水平延伸到氧化剂气体的出口总管孔13的下部。于是，各流路的在水平方向上延伸的部分形成水平部17a，向下方延伸的部分形成铅直部17b。借助于此，在氧化剂气体流路17中，氧化剂气体交替通过水平部17a和铅直部17b蛇行而且不与重力逆向地流动，其结果是，溢流得到抑制。

还有，各流路在这里由水平部17a和铅直部17b构成，只要向着气体流通方向形成水平或下坡度(包含垂直)即可。但是用水平部17a和铅直部17b构成各流路时可以以高密度形成氧化剂气体流路17。

在图5中，冷却水流路19用两条流路(流路槽)构成。各流路实质上由在水平方向上延伸的水平部19a和在铅直方向上延伸的铅直部19b构成。具体地说，冷却水流路19的各流路从冷却水的入口总管孔15的，靠近氧化剂气体的入口总管孔11一方的端部向下方延伸某一距离，然后从该处水平延伸到隔离片10的第2侧部(图面左侧的侧部)，然后从该处向下方延伸某一距离，在从该处水平延伸到第1侧部(图面右侧的侧部)。然后从该处开始将上述延伸图案反复进行两次，从其到达点开始到冷却水的出口总管孔16的，靠近氧化剂气体的出口总管孔13的一方的端部向下方延伸。于是，各流路的在水平方向上延伸的部分形成水平部19a，向下方延伸的部分形成铅直部19b。借助于此，在冷却水流路19中，冷却水交替通过水平部19a和铅直部19b蛇行而且不与重力逆向地流动。

而且，在这里，要点如下所述。即冷却水的入口总管孔15与氧化剂气体的入口总管孔11靠近设置，冷却水的出口总管孔16与氧化剂气体的出口总管孔13靠近设置，而且形成从隔离片10的厚度方向看来冷却水流路18和氧化剂气体流路17实质上重叠，其结果是，冷却水与氧化剂气体夹着隔离片10实质上在相同方向上流动这一要点。通过形成这样的结构，从隔离片10的厚度方向看来相对湿度最低的氧化剂气体入口部分与冷却水的入口部分大致一致，因此能够消除高分子电解质膜的干燥，从而能够提高高分子电解质膜的耐久性。

还有，在这里各流路实质上由水平部19a和铅直部19b构成，但是也可以向着冷却水的流通方向形成水平或下降梯度。但是如果用水平部19a和铅直部19b构成各流路时，则可以用高密度形成冷却水流路19。

如图6所示，阳极侧隔离片20具有氧化剂气体的入口总管孔21和出口总管孔23、燃料气体的入口总管孔22和出口总管孔24、以及冷却水的入口总管孔25及出口总管孔26。隔离片20还在与阳极相对的面上具有连接总管孔22和24的气体流路28，背面上具有连接冷却水总管孔25和26的流路29。

在图6中，氧化剂气体的入口总管孔21设置于隔离片20的一个侧部(图面右侧的侧部：以下称为第1侧部)的上部，出口总管孔23设置于隔离片20的另一侧部(图面左侧的侧部：以下称为第2侧部)的下部。燃料气体的入口总管孔22设置于隔离片20的第2侧部的上部，出口总管孔24设置于隔离片20的第1侧部的下部。冷却水的入口总管孔25设置于氧化剂气体的入口总管孔21的上部内侧，出口总管孔26设置于氧化剂气体的出口总管孔23的下部内侧。氧化剂气体的入口总管孔21和出口总管孔23、燃料气体的入口总管孔22和出口总管孔24，形成在铅直方向长的长孔形状。又，冷却水总管孔25、26形成在水平方向上长的长孔形状。

燃料气体流路28在本实施形态中用两条流路(流路槽)构成。各流路实质上由在水平方向上延伸的水平部28a和在铅直方向上延伸的铅直部28b构成。具体地说，燃料气体流路28的各流路，从燃料气体的入口总管孔22的上部到隔离片20的第1侧部水平延伸，从该处向下方延伸某一距离，然后从该处水平延伸到隔离片20的第2侧部，在从该处向下方延伸某一距离。然后，从该处开始将上述延伸图案反复进行两次，从其到达点水平延伸到燃料气体的出口总管孔24的下部。于是，各流路的在水平方向上延伸的部分形成水平部28a，向下方延伸的部分形成铅直部28b。借助于此，在燃料气体流路28中，燃料气体交替通过水平部28a和铅直部28b蛇行而且不与重力逆向地流动，其结果是，溢流得到抑制。

还有，各流路在这里实质上由水平部28a和铅直部28b构成，只要向着气体的通流方向水平或形成下降梯度(包括垂直)地构成即可。但是由水平部28a和铅直部28b构成各流路时，可以以高密度形成燃料气体流路28。

在图7中，冷却水流路29在图5的阴极隔离片10的背面上形成，与冷却水流路19在图面上左右相反地形成。也就是说，各流路实质上由在水平方向上延伸的水平部29a和在铅直方向上延伸的铅直部29b构成。具体地说，冷却水流路29的各流路从冷却水的入口总管孔25的，靠近氧化剂气体的入口总管孔21的一端部向下方延伸某一距离，然后从该处水平延伸到隔离片20的第2侧部(图面右侧的侧部)，在从该处向下方延伸某一距离，然后从该处水平延伸到第1侧部(图面左侧的侧部)。然后，从该处开始将上述延伸图案反复进行两次半，从其到达点向下方延伸到冷却水的出口总管孔26的，接近氧化剂气体的出口总管孔23的端部。于是，各流路在水平方向上延伸的部分形成水平部29a，向下方延伸的部分形成铅直部29b。借助于此，在冷却水流路29中冷却水交替通过水平部29a与铅直部29b蛇行而且不与重力逆向地流动。

而且，在这里，要点如下所述。即冷却水的入口总管孔25与燃料气体的入口总管孔22一起设置于隔离片20的上部，冷却水的出口总管孔26与燃料气体的出口总管孔24一起设置于隔离片20的下部，而且形成从隔离片20的厚度方向看来冷却水流路29与燃料气体流路28实质上重叠，其结果是，冷却水与燃料气体在水平方向上夹着隔离片20在相反方向上流动，但是在铅直方向上作为整体一起从上向下在相同方向上流动这一要点。通过形成这样的结构，相对湿度最低的燃料气体流路28的上游部分，在隔离片20的铅直方向上设置冷却水的入口部分，位于温度最低的上部，因此能够有利于消除高分子电解质膜的干燥，从而能够提高高分子电解质膜的耐久性。

还有，在这里各流路实质上由水平部29a和铅直部29b构成，但是也可以向着冷却水的流通方向水平或下降梯度。但是如果用水平部29a和铅直部29b构成各流路时，则可以用高密度形成冷却水流路29。

如上所述，借助于上述阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20夹着MEA构成电池。从而，在相邻的电池之间，阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20使这些冷却水流路19、29相对配置，构成冷却部。在每多个电池设置冷却部的情况下，取代上面所述的多片隔离片，合适地采用一个面作为阴极侧隔离片，另一面作为阳极侧隔离片起作用的单一隔离片。

如上所述构成的在燃料电池101中，燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水如下所述流动。

在图1到图7中，燃料气体通过燃料气体供给配管43被提供给隔离片1的燃料气体供给总管5。该提供的燃料气体从燃料气体供给总管5流入各电池2的入口总管孔22，通过燃料气体流路28流动。然后在其间通过阳极42B、高分子电解质膜41、以及阴极42A与氧化剂气体发生反应而消耗，未消耗的燃料气体从出口总管孔24流出到到燃料气体排出总管6，通过燃料气体排出配管44从电池组1排出。

另一方面，氧化剂气体通过氧化剂气体供给配管41被提供给电池组1的氧化剂气体供给总管8。该提供的氧化剂气体从氧化剂气体供给总管4流入各电池2的入口总管孔11，通过氧化剂气体流路17流动。然后在其间通过阴极、高分子电解质膜、以及阳极与燃料气体发生反应而消耗，未被消耗的氧化剂气体从出口总管孔13流出到氧化剂气体排出总管7，通过氧化剂气体排出配管42从电池组1排出。

而且，冷却水通过冷却水供给配管30被提供给电池组1的冷却水供给总管8。该提供的冷却水从冷却水供给总管8流入各电池2的入口总管孔15、25，通过冷却水流路19、29中流动。然后在其间通过阴极隔离片10和阳极隔离片20对阴极和阳极进行冷却，同时从阴极和阳极吸收热量，然后从出口总管孔16、26流出到冷却水排出总管9，通过冷却水排出配管31从电池组1排出。

而且在该过程中，燃料气体和氧化剂气体分别通过燃料气体流路28和氧化剂气体流路17不与重力逆向地流动，以防止溢流的发生。

又，在各隔离片10、20，相对湿度最低的燃料气体流路28或氧化剂气体流路17的上游部位于冷却水入口近旁部，因此能够防止高分子电解质膜的干燥。

下面对阳极侧全热交换器117和阴极侧全热交换器118的结构例进行说明。

图8是图1的构成阳极侧全热交换器117的全热交换电池组的结构的立体图，图9是沿着图8中的IX-IX平面的剖面图。

如图2、图3、图8和图9所示，阳极侧全热交换器117，由于基本上与燃料电池101的电池组1具有相同结构的全热交换电池组301构成主要部分，所以一边与电池组1比较一边对其结构进行说明。

全热交换电池组301具备：具有板状的总体形状的电池202在其厚度方向上叠层形成的电池叠层体302、在电池叠层体302两端配置的第1和第2端板203A、203B、以及在电池202的叠层方向上将电池叠层体302与第1和第2端板203A、203B加以连接的未图示的连接构件。

在电池叠层体302上形成分别相当于电池组1的氧化剂气体供给总管4、氧化剂气体排出总管5、燃料气体供给总管7、以及燃料气体排出总管6的第1流体供给总管204、第1流体排出总管207、第2流体供给总管205、以及第2流体排出总管206。第1流体供给总管204和第2流体供给总管205分别通过在端板203A上设置的贯通孔连接于第1流体供给配管251和第2流体供给配管253。而且第1流体排出总管207和第2流体排出总管206分别通过设置于端板203B的贯通孔连接于第1流体排出配管252和第2流体排出配管254。还有，与电池组1不同，电池叠层体302上没有设置冷却水供给总管和冷却水排出总管。

全热交换电池202具有疑似MEA243以及夹着他的第1隔离片210和第2隔离片220。疑似MEA243除了在电池组201的MEA43中省略阳极42B和阴极42A以外，与电池组201的MEA43相同结构。从而，疑似MEA243与电池组201的MEA43一样具有固体高分子膜。但是，疑似MEA243中，固体高分子膜作为全热交换膜起作用。

第1、第2隔离片210、220除了在背面(外表面)没有形成冷却水流路以外，具有与电池组201的阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20相同的结构。从而，在第1隔离片210和第2隔离片220的周边部分别形成第1流体的入口总管孔211、221、第1流体的出口总管孔(未图示)、第2流体的入口总管孔212、222、第2流体的出口总管孔(未图示)。第1流体的入口总管孔211、221与第2流体的入口总管孔212、222分别形成于第1隔离片210和第2隔离片220的上部的相反侧的侧部。又，第1流体的出口总管孔与第2流体的出口总管孔形成于第1隔离片210和第2隔离片220下部的相反侧的侧部，第1流体的出口总管孔位于第2流体的入口总管孔212、222的下方，而且第2流体的出口总管孔位于第1流体的入口总管孔211、221的下方。而且在第1隔离片210的正面(内表面)，与阴极侧隔离片10一样，第1流体的流路(以下称为第1流体流路)217将第1流体的入口总管孔211和第1流体的出口总管孔加以连接。在第2隔离片220的正面(内表面)，与阳极侧隔离片20一样，第2流体的流路(以下称为第2流体流路)228将第2流体的入口总管孔221和第2流体的出口总管孔加以连接。又，在疑似MEA243的周边部与第1隔离片210和第2隔离片220的第1流体的入口总管孔211、221、第1流体的出口总管孔(未图示)、第2流体的入口总管孔212、222、第2流体的出口总管孔(未图示)分别对应地形成第1流体的入口总管孔(未图示)、第1流体的出口总管孔(未图示)、第2流体的入口总管孔(未图示)、第2流体的出口总管孔(未图示)。

而且，所有的全热交换电池202上的疑似MEA243、第1隔离片210及第2隔离片220的第1流体的入口总管孔、第1流体的出口总管孔、第2流体的入口总管孔、第2流体的出口总管孔分别连接，分别形成第1流体供给总管204、第1流体排出总管207、第2流体供给总管205、第2流体排出总管206。还有，第1隔离片210和第2隔离片220也可以用一片隔离片构成。

而且，阳极侧全热交换器117具有用该全热交换电池组301构成的第1全热交换电池组301A和第2全热交换电池组301B。

在第1全热交换电池组301A中，第1流体供给总管204、第1流体流路217、以及第1流体排出总管207构成阳极侧全热交换器117的供给侧燃料气体流路117a的上游侧部分，第2流体供给总管206、第2流体流路228、以及第2流体排出总管205构成阳极侧全热交换器117的排出侧燃料气体流路117b。又，第1流体供给配管251构成燃料气体供给流路109的燃料气体供给装置102一侧的部分109a，第1流体排出配管252连接于下述的第2全热交换电池组301B的第1流体供给总管204的入口。又，第2流体供给配管254构成燃料气体排出流路110的燃料电池101一侧的部分110a，第2流体排出配管253构成燃料气体排出流路110的大气一侧的部分110b。

又，在第2全热交换电池组301B中，第1流体供给总管204、第1流体流路217、以及第1流体排出总管207构成阳极侧全热交换器117的供给侧燃料气体流路117a的下游侧部分，第2流体供给总管206、第2流体流路228、以及第2流体排出总管205构成阳极侧全热交换器117的冷却水流路117c。又，第1流体供给配管251构成第1全热交换电池组的第1流体排出配管252，第1流体排出配管252构成燃料气体供给流路109的燃料电池101一侧的部分109b。又，第2流体供给配管254构成冷却水循环流路112的分流路112a的燃料电池101一侧的部分，第2流体排出配管253构成冷却水循环流路112的分流路112a的放热装置105一侧的部分。

这样构成的阳极侧全热交换器117中，在第1全热交换电池组301A中，对第1流体总管204提供向燃料电池101提供的燃料气体(以下称为供给燃料气体)，对第2流体总管206提供从燃料电池101排出的燃料气体(以下称为排出燃料气体)。而且，在各全热交换电池202中，流过第1流体流路217的供给燃料气体与流过第2流体流路228的排出燃料气体通过高分子电解质膜41进行全热交换(热与水分的双方交换)，借助于此，利用排出燃料气体对供给燃料气体进行加湿和加热。而且，在第2全热交换电池组301B中，对第1流体总管204提供在第1全热交换电池组中进行了全热交换的供给燃料气体，对第2流体总管206提供从燃料电池101排出的冷却水(以下称为排出冷却水)。而且，在各全热交换电池202中，流过第1流体流路217的供给燃料气体与流过第2流体流路228的排出冷却水通过高分子电解质膜41进行全热交换，借助于此，在第1全热交换电池组301A中进行了全热交换的供给燃料气体，利用通过燃料电池101升温的排出冷却水进一步加湿和加热。然后，将这样加湿和加热过的供给燃料气体被提供给燃料电池101。

下面对阴极侧全热交换器118的构成进行说明。阴极侧全热交换器118具有与阳极侧全热交换器117基本相同的结构。也就是说，阴极侧全热交换器118具有用图8和图9所示的全热交换电池组301构成的第3全热交换电池组301C与第4全热交换电池组301D。而且在第3全热交换电池组301C中，第1流体供给配管251构成氧化剂气体供给流路107的氧化剂气体供给装置103一侧的部分107a，第1流体供给总管204、第1流体流路217以及第1流体排出总管207构成阴极侧全热交换器118的供给侧氧化剂气体流路118a的上游侧，第1流体排出配管252连接于第4全热交换电池组301D的第1流体供给总管204的入口上。又，第2流体供给配管254构成氧化剂气体排出流路111的燃料电池101一侧的部分111a，第2流体供给总管206、第2流体流路228、以及第2流体排出总管205构成阴极侧全热交换器118的排出侧氧化剂气体流路118b，第2流体排出配管254构成氧化剂气体排出流路111的大气一侧的部分111b。

又，在第4全热交换电池组301D中，第1流体供给总管204、第1流体流路217、以及第1流体排出总管207构成阴极侧全热交换器118的供给侧氧化剂气体流路118a的下游侧部分，第2流体供给总管206、第2流体流路228、以及第2流体排出总管205构成阴极侧全热交换器118的冷却水流路118c。又，第1流体供给配管251构成第3全热交换电池组301C的第1流体排出配管252，第1流体排出配管252构成氧化剂气体供给流路107的燃料电池101一侧的部分107b。又，第2流体供给配管254构成冷却水循环流路112的分流路112b的燃料电池101一侧的部分，第2流体排出配管253构成冷却水循环流路112的分流路112a的放热装置105一侧的部分。

这样构成的阴极侧全热交换器118中，在第1全热交换电池组301C中，对第1流体总管204提供向燃料电池101提供的氧化剂气体(以下称为供给氧化剂气体)，对第2流体总管206提供从燃料电池101排出的氧化剂气体(以下称为排出氧化剂气体)。而且，在各全热交换电池202中，流过第1流体流路217的供给氧化剂气体和流过第2流体流路228的排出氧化剂气体通过高分子电解质膜41进行全热交换，借助于此，利用排出氧化剂气体对供给氧化剂气体进行加湿和加热。然后，在第4全热交换电池组301D中，对第1流体总管204提供在第3全热交换电池组中进行了全热交换的供给氧化剂气体，对第2流体总管206提供从燃料电池101排出的排出冷却水。而且，在各全热交换电池202中，流过第1流体流路217的供给氧化剂气体与流过第2流体流路228的排出冷却水通过高分子电解质膜41进行全热交换，借助于此，在第3全热交换电池组中进行了全热交换的供给氧化剂气体，利用通过燃料电池101升温的排出冷却水进一步加湿和加热。然后，将这样加湿和加热过的供给氧化剂气体提供给燃料电池101。

还有，在以下说明中，将供给燃料气体与供给氧化剂气体总称为供给反应气体，有时候将排出燃料气体与排出氧化剂气体总称为排出反应气体。

下面对本发明的特征的结构进行说明。

在图1～图3中，本发明的要点如下所述。即反应气体加湿到对于燃料电池101的温度其相对湿度为100％(正确地说是加湿到下面所述的露点换算温度)然后被提供给燃料电池101。在这里，在本说明书中，把将反应气体的全部水分量换算为露点的温度称为“露点换算温度”。导入这样的概念是为了对包括反应气体的相对湿度超过100％的状态，反应气体中水分以雾的状态存在的这样的状态的与反应气体一起存在的全部水分量进行定义。又，在本说明书中，将反应气体中能够存在热力学上的液态水的状态称为“过加湿”，将反应气体的相对湿度为100％，而且其中不能够存在热力学上的液态水的状态称为“充分加湿”的状态。通过如上所述对反应气体进行加湿，燃料气体101的内部的，发电用的电化学反应(以下称为发电反应)发生的区域，在其全部区域保持于相对湿度加湿到100％以上的(充分加湿或过加湿的)环境中。借助于此，可以防止高分子电解质膜41以及阳极42B和阴极42A中包含的高分子电解质的化学劣化，能够提高燃料电池101的耐久性。又，燃料电池的高分子电解质膜采用全氟化碳磺酸系的材料。这种高分子电解质膜在含有水分的状态下被发现有离子导电性，因此对燃料电池101内部的发生发电反应的区域，在其全部区域使其保持充分加湿或过加湿的环境用的运行方法，可以利用不使燃料电池发电系统100效率降低的方法实现。

成为本发明的契机的真知灼见

在这里，本发明人制作了基本上具有图1～图7所示的结构，使用为了温度测定用特别加工的隔离片的燃料电池并使其工作，实际测定了发生发电反应的区域的温度分布。但是燃料气体和氧化剂气体不是使用全热交换器而是使用扩散器(bubbler)进行加湿。在这里，所谓“发生发电反应的区域”(下面有时候也称为“发电区域”)，是指阳极42b和阴极42A。

图10是表示测定电池组的温度分布用的隔离片的结构的示意图。图10中表示出阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20从电池的厚度方向上透视的情况。而且隔离片10、20的各流路17、19、28、29用一条线表示。

如图10所示，在该阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20上，与主面平行地形成细孔200。该细孔200从各隔离片10、20的端面向其中心部延伸，或从一端面到相反端面，通过中心斜着贯通隔离片10、20形成。通过将热电偶插入该细孔200适当的深度，测定各隔离片10、20的5个位置A～E的温度。测定位置C是各隔离片10、20俯视时的中心。测定位置A、B、D、E分别位于俯视图中各隔离片10、20的与阴极42A和阳极42B重叠的区域的，靠近氧化剂气体的入口总管孔11的位置、靠近燃料气体的入口总管孔12的位置、靠近氧化剂气体的出口总管孔13的位置、靠近燃料气体的出口总管孔14的位置。而且，测定位置A～E在隔离片10、20的俯视图中沿着冷却水流路19、29从上游到下游依序配置。

从该温度分布的测定结果，本发明人发现下述事实。

图11是对每一个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的一个测定例的分布曲线图。在图11中，横轴表示电池编号，纵轴表示电池组的温度。又，黑色圆点的曲线表示图10所示的隔离片10、20的测定位置A的温度，黑色菱形点的曲线表示图10所示的隔离片10、20的测定位置B的温度，黑色正方形点的曲线表示图10所示的隔离片10、20的测定位置C的温度，黑色三角形点的曲线表示图10所示的隔离片10、20的测定位置D的温度，白色菱形点的曲线表示图10所示的隔离片10、20的测定位置E的温度。电池编号从接近通向电池组1的冷却水的入口(图2的端板3A的贯通孔的外侧开口)401的电池2开始依序编号。图11的测定例(下述图27的实验编号1)，电池组1的电池数目为40。

参照图11，在电池2中，形成沿着冷却水流路19、29，越向下游越高的温度分布。这是当然的。另一方面，在该温度测定中，对温度进行控制以使流向电池组1的冷却水的入口401上温度为60℃，该冷却水被提供给电池组1。冷却水从该入口401流入电池组1，在到达最接近入口401的电池2(电池编号1)的发生发电反应的区域(阳极42B和阴极42A)(正确地说，是夹着该区域的隔离片10、20相对的区域)之前，温度已经上升约1℃。而且在电池2之间电池编号越大则电池2的温度越高。也就是说，随着远离流入电池组1的冷却水的入口401，电池2的温度也随之升高。最接近流入电池组1的冷却水的入口401的电池2(电池编号1)和与其第二远离的电池2(电池编号39)的温度差(以下称为电池组两端之间的温度差)约为1℃。这些现象对于本发明人来说是预料以外的现象，是新的发现。

参照图2、图3以及图10，冷却水被提供给电池组1之后，首先由冷却水供给总管8分配给每规定数目的(在这里是每一个)电池设置的冷却水流路19、29，流过冷却水流路19、29之后，汇集到冷却水排出总管9，从冷却水排出总管9排出到电池组1外部。在该过程中进入电池组1的冷却水，由于暂时流入冷却水供给总管8，在流过冷却水供给总管8的期间与燃料电池101(电池组1)发生热交换，因此在冷却水到达各电池2的时刻，其温度被认为比进入电池组1的入口401上的温度高。而且，在冷却水供给总管8的内部，也在电池组1的叠层方向上存在冷却水的上游侧和下游侧，冷却水在从上游经过冷却水供给总管8内向下游流动期间与电池组1进行热交换，可以认为其结果是，与电池组1的冷却水供给总管8的上游端附近的部分相比，电池组1的冷却水供给总管8的下游端附近的部分温度更高。还有，在图11中，电池组1的两端的温度比其他部分的温度低，是由于端部释放热量。这在下面所述的图12中也相同。

以上现象在冷却水进入电池组1的入口的温度(以下称为冷却水入口温度)与提供给电池组1的反应气体的露点换算温度相同的情况下，由于在发生发电反应的区域电池组1的温度比冷却水入口温度高1℃以上，意味着反应气体处于换算为露点干燥1℃左右的状态。从而，实际上如果提供反应气体时不使反应气体的露点换算温度比冷却水入口温度至少高1℃，则不能够使电池组1内的发生发电反应的全部区域保持于充分加湿或过加湿的环境下。而且，如果考虑电池2之间的温度差，则在提供该反应气体时使反应气体的露点换算温度比冷却水入口温度至少高2℃更加理想，如果不那样，则不能够将电池组1的发生发电反应的全部区域保持于充分加湿或过加湿的环境下。但是，该电池组两端之间的温度差因电池组1的电池数目N而变化，因此如果考虑这个因素，则最好使反应气体在电池组1的入口的露点换算温度(以下称为入口露点换算温度，以T1表示)T1比冷却水入口温度(以下以T2表示)高(1℃+0.02℃×(N-1))以上。对此将在后面详细说明。

但是在阳极中由于发电反应而消耗燃料气体，越是燃料气体流路28的上游燃料气体总量中水分的比例(以下称为燃料气体的含水比例)越少，越下游燃料气体的含水比例越多。也就是说，燃料气体的露点换算温度在燃料气体流路28中从上游到下游越来越高。另一方面，即使在阳极，也由于发电反应生成水，越是氧化剂气体流路17的上游，氧化剂气体的总量中水分的比例(以下称为氧化剂气体含水比例)越少，越下游氧化剂气体的含水比例越多。也就是说，氧化剂气体的露点换算温度在氧化剂气体流路18中从上游到下游越来越高。另一方面，冷却水越是从冷却水入口向冷却水出口流动，与电池组1的热交换量越多，因此在各电池2中形成从冷却水入口到冷却水出口温度越来越高的温度分布。

在这里，在各电池2(正确地说，各隔离片10、20)上，使反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的总量中水分的比例(以下称为反应气体的含水比例)最低的反应气体流路17、28的最上游部与冷却水的温度最低的冷却水流路19、29的最上游部从其厚度方向看来大致位于相同位置上，而且反应气体含水比例最高的反应气体流路17、28的最下游部与冷却水的温度最高的冷却水流路19、29的最下游部从其厚度方向看来大致位于相同位置上，这样，从电池2的厚度方向看来冷却水流路19、29的最上游部和最下游部分别为反应气体流路17、28的露点换算温度最低的部分和露点换算温度最高的部分。其结果是，在各电池2中，从其厚度方向看来，形成大致从冷却水流路19、29的最上游端向冷却水流路19、29的最下游端温度变高的温度梯度，另一方面，反应气体从宏观上看来(作为整体)，从冷却水流路19、29的最上游部向最下游部流动。从而，在反应气体的流路17、28中，反应气体的露点换算温度与温度一起大致形成从最上游向最下游越来越高的分布。这样，反应气体的相对湿度在该流路17、28中大致保持一定。从而，反应气体如果在该电池2(正确地说各隔离片10、20)的入口(入口总管孔11、12)上满足充分加湿或过加湿的条件(露点换算温度高于电池组1的温度)，则在该流路17、28的全长满足充分加湿或过加湿的条件，能够将电池组1的发生发电反应的全部区域保持于充分加湿或过加湿的气氛下。还有，在本发明中将上述「使反应气体流路17、28的最上游部与冷却水流路19、29的最上游部从电池2的厚度方向看来位于大概相同的位置，而且使反应气体流路17、28的最下游部与冷却水流路19、29的最下游部从电池2的厚度看来大致位于相同位置」的结构称为「反应气体温度上升梯度配置」。

又，根据本实施形态这样利用燃料电池101的排热对供给燃料气体和供给氧化剂气体进行加湿和加热的情况下，加湿和加热使得供给燃料气体和供给氧化剂气体的露点换算温度比冷却水在电池组1的出口(图2的端板3B的贯通孔的外侧开口)402的温度(以下称为冷却水出口温度)高在原理上是不可能的，但是采用如上所述结构时，要提供给燃料电池101的反应气体的露点换算温度只要比冷却水出口温度低就够了，因此从原理上说，能够利用燃料电池101的排热对供给燃料气体和供给氧化剂气体进行加湿和加热。

但是，反应生成的水的量由电流密度决定，电池组1的出口的干气为基准的燃料气体和氧化剂气体的流量，由燃料气体利用率(Uf)以及氧化剂气体利用率(Uo)决定，因此(冷却水出口温度T3)-(冷却水入口温度T2)＝ΔT时，根据电流密度、燃料气体利用率、氧化剂气体利用率，计算使ΔT为几度以下，则在电极(阳极42B和阴极42A)面的全部区域(即发生发电反应的全部区域)能够实现充分加湿或过加湿。实际上在阴极42B和阳极42A之间，伴随由于反应而发生的质子移动，水从阳极42B一侧向阴极42A一侧移动的现象与被称为逆扩散的生成的水从阴极42A向阳极42B一侧移动的现象同时发生，因此从电流密度和燃料气体利用率、氧化剂气体利用率计算出来的阳极42B以及阴极42A的全部水量的露点换算温度相对于计算值有若干偏离。

因此，将冷却水入口温度设定为60℃，估计燃料气体供给总管5和氧化剂气体供给总管4等的热交换造成的温度上升值，测定将燃料气体和氧化剂气体均以露点换算温度64℃、气体温度64℃(相对湿度100％)提供的情况下，燃料气体和氧化剂气体在电池组1的出口的露点换算温度(以下称为出口露点换算温度)是几度。其结果是，以水蒸汽重整气体为燃料气体，电流密度为0.2A/cm²，燃料气体利用率Uf为75％，氧化剂气体利用率Uo为50％的情况下，燃料气体和氧化剂气体的出口露点换算温度在计算上为，燃料气体出口温度换算温度为75.8℃，氧化剂气体出口露点换算温度为73.6℃，而实际测量结果是燃料气体的出口露点换算温度为79℃，氧化剂气体的出口露点换算温度为72.5℃。从而判定，如果使ΔT小于12.5℃，则在电极面内不能够在整个面进行充分加湿或过加湿。

又，在上述燃料电池101中，电流密度为0.07A/cm²，燃料气体利用率Uf为70％，而且氧化剂气体利用率Uo为45％的情况下，燃料气体和氧化剂气体的全部水分的出口露点换算温度，在计算上为，燃料气体为75.4℃，氧化剂气体为73.1℃，而实际测量结果是，燃料气体为82℃，氧化剂气体为71℃。从而，在该情况下，如果使ΔT小于11℃，则对于电极面不能够在整个面上充分加湿或过加湿。作为一种倾向，电流密度越大，则燃料气体的出口露点换算温度和氧化剂气体的出口露点换算温度越是趋向于变为相等，燃料气体的出口露点换算温度与氧化剂气体的出口露点换算温度之差越大，则越是有必要将冷却水出口温度压低到较低的一方的出口露点换算温度以下的温度，因此不能够使ΔT变大。所以判定，燃料气体的全部水分的出口露点换算温度与氧化剂气体的全部水分的出口露点换算温度变为相等是理想的。

又，在上述燃料电池101中，将冷却水入口温度设定为66℃，燃料气体与氧化剂气体一起以露点换算温度70℃(相对湿度100％)供应，以水蒸汽重整气体作为燃料，电流密度为0.7A/cm²，燃料利用效率Uf为75％，而且氧化剂气体利用率Uo为50％的情况下，在计算上使燃料气体和氧化剂气体的全部水分的出口露点换算温度两者相等时，约为79℃。从而判定为，即使是该情况下，如果不使ΔT为13℃以下，则不能够对电极面内全面充分加湿或过加湿。而且判明，这时通过使氧化剂气体利用率Uo加大，能够提高出口露点换算温度，但是在与上述条件相同的条件下，在使氧化剂气体利用率Uo为60％的情况下，出口露点换算温度约为80℃，即使是使氧化剂气体利用率Uo为70％的情况下，出口露点换算温度也是81℃，在该情况下，也有必要使ΔT为15℃以下。

像本实施形态这样，在燃料电池发电系统100中有效利用燃料电池101的排热对反应气体进行加湿和加热然后提供的情况下，从原理上说将反应气体加湿和加热到比冷却水出口温度高的露点换算温度是不可能的，因此根据上述见解，为了提供具有比冷却水入口温度高2℃以上的露点换算温度的反应气体，尽可能加大ΔT，这从便于反应气体的加湿和加热的考虑出发，可以认为是有利的。但是，如上所述为了对电极面内全面充分加湿或过加湿而加大ΔT是有限度的，对实际燃料电池发电系统100中的温度控制的温度变动幅度(例如±2℃)等也加以考虑，判明无论在什么情况下，为了对电极面全面充分加湿或过加湿，现实上最好是将ΔT抑制于10℃以下。

又，在燃料电池发电系统100中，有效利用燃料电池101的排热对提供给燃料电池101的反应气体进行加湿和加热的情况下，发现由于使反应气体流路形成上述「反应气体温度上升梯度配置」，而且使其满足一定的条件(加湿和加热之前的反应气体温度、热交换效率等)，T2≤T1≤T3成立，其中T3为冷却水出口温度。

在这里，由于反应气体在电池组1的出口的温度大致等于冷却水出口温度T3，所以与T4-T3相当的水分作为结露的露水排出，其中T4表示反应气体在电池组1的出口上的露点换算温度(以下称为出口露点换算温度)。因此在只利用供给反应气体与排出反应气体的热交换对供给反应气体进行加湿和加热的情况下，为了高效率地对供给反应气体进行加湿和加热，另外需要与使露水蒸发使用于加湿用的潜热相当的热量。本发明人认为，在这种情况下，如果将从电池组1排出的冷却水(排出冷却水)具有的热量作为与潜热相当的热量的热源使用，则能够进行更高效率的热交换。

另一方面，也发现不这样利用排出的冷却水具有的热量，而只是利用供给反应气体与排出反应气体的全热交换对供给反应气体进行加湿和加热时(相当于下述实施形态4)，如果将全热交换器加大，则效率能够提高，但是在实用范围的全热交换器的情况下，能够热交换的，冷却水的出口温度T3与反应气体的入口露点换算温度T1的温度差(以下称为可热交换温度差)大致限于T3-T1≥4℃。

又，冷却流体为水的情况下，虽然也能够直接进行供给反应气体与排出冷却水的全热交换(相当于下述实施形态3)，但是也发现即使是在该情况下，可热交换温度差也T3-T1≥2℃左右为界限。

又，使供给反应气体与排出反应气体进行全热交换，同时将排出冷却水具有的热量作为与潜热相当的热量的热源利用，对供给反应气体进行加湿和加热的情况下(相当于本实施形态2)，也发现可热交换温度差T3-T1≥2℃左右为界限。

又，如果利用全热交换对供给反应气体和排出反应气体进行加湿和加热，再使该加湿和加热过的供给反应气体与排出的冷却水进行全热交换(相当于本实施形态)，则发现热交换可能温度差能够使极限值提高到T3-T1≥1℃左右。

从而判明在有效利用燃料电池101的排热对提供给燃料电池101的反应气体极限加湿和加热的情况下，满足T2≤T1≤T3、T3-T2≤10℃、T1-T2≥2℃、T3-T1≥1℃全部这些条件是理想的。

下面对这一见解加以补充。

在利用燃料电池101的排热进行加湿和加热的情况下，有必要根据燃料电池发电系统选择最合适的方式。例如在热电联供系统那样将质量良好的热使用于提供热水的系统等的情况下，利用供给反应气体与排出冷却水的单纯全热交换对供给反应气体进行加湿和加热的方式中，由于冷却水的热的质量劣化，最好是选择在使供给反应气体与排出反应气体进行全热交换的同时再使该全热交换之后的供给反应气体与排出冷却水进行全热交换的方式。而在冷却介质是水以外的介质(例如防冻液)的情况下，排出冷却介质不能够与供给反应气体直接进行全热交换，因此最好是选择在使供给反应气体与排出反应气体进行全热交换的同时再使该全热交换之后的供给反应气体与排出冷却水进行单纯热交换的方式。

而且，根据另行进行的研究结果，发现对于供给燃料气体，在供给燃料气体是水蒸汽重整气体那样的预先包含某种程度的水分的情况下，基本上只要进行与排出燃料气体的总热交换就足够了，但是有时候使进行全热交换之后的供给燃料气体再进行与排出冷却水的单纯热交换，只将排出冷却水的热量作为潜热有效利用，能够提供有更高露点换算温度的燃料气体。

下面对以另一种观点为依据的见解进行说明。

在发生发电反应的全部区域保持充分加湿或过加湿的环境时，发生溢流的可能性很大。因此使反应气体不逆重力方向流动地形成该流路，能够在排出生成的水和结露水时有效利用重力，根据其结果判明，能够抑制溢流。

又，由于高分子电解质膜41的玻璃化转变(glass transition)温度是约90℃，考虑高分子电解质膜41的耐久性、蠕变性(creep resistance)等性能，最好是冷却水出口温度T3在90℃以下，而且根据耐久实验结果，判明冷却水出口温度T3为80℃以下更加理想。

又，在将燃料电池发电系统100作为家庭用的热电联供系统使用的情况下，对供给反应气体进行加热的热源温度越高越好，但是从耐久性、特别是从对影响高分子电解质膜41的耐久性的劣化的考虑出发，最好是0℃以上的温度而且尽可能低。而且在以热电联供系统作为热水供应系统利用热量的情况下，从防止贮热水槽内的军团菌等细菌的繁殖的考虑出发，最好是贮存的热水的温度在60℃以上。为了使供热水与冷却水进行热交换以得到60℃的贮存热水的温度，有必要使冷却水为约63℃，但是该冷却水与反应气体进行全热交换或热交换而降温，所以有必要使冷却水出口温度T3更高约3℃，根据以上所述，最好是冷却水出口温度T3为66℃以上。

而且在燃料气体采用水蒸汽重整气体的情况下，从阳极的催化剂的耐一氧化碳中毒的考虑出发，最好是燃料气体露点换算温度T1为50℃以上。

以上见解是关于对每一个电池进行冷却的情况的见解，但是发明人对于对每两个电池进行冷却的情况也另外做了研究。

图12是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的一个测定例的分布曲线图。在图12中，横轴表示电池编号，纵轴表示电池组的温度，电池组的温度测定与上述对每一个电池进行冷却的情况相同。其研究结果是表明，每两个电池进行冷却的情况下，电流密度为0.1A/cm²～0.3A/cm²左右时，电池组两端的温度差为2℃左右，但是在电流密度为0.3A/cm²以上的情况下，温度分布进一步变大，在电流密度为0.5A/cm²时，如图12所示，该温度为约4℃、1.0A/cm²的情况下，发生约6℃的叠层方向的温度分布。因此判明即使是在0.1A/cm²到0.3A/cm²左右的电流密度范围使用燃料电池101，每两个电池进行冷却时，如果提供相对于冷却流体入口温度约高4℃以上的高露点换算温度的供给气体，则不能够将发电反应的区域全部维持于充分加湿或过加湿的环境中。还有，电池组两端之间的温度差因电池组1的电池数目N而变化，因此如果考虑到这个问题，最好使反应气体的露点换算温度T1高于冷却水入口温度(3℃+0.02℃×(N-1))以上。对此将在下面进行详细说明。

<关于反应气体的理想的露点换算温度T1的探讨>

下面首先探讨对每一个电池进行冷却的情况。

上面叙述了对每一个电池进行冷却的情况下，露点换算温度T1最好是冷却水入口温度T2+(1℃+0.02℃×(N-1))以上，对此将补充数据进行详细研讨。

图20是每一电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图20的测定例除了电池组1的电池数目为66外，与图11的测定例相同。还有，电池组1中间的温度没有表示出，这是因为该电池温度与电池组1的两端部的电池温度显示出相同的倾向，因此其测定省略。

这些测定例的测定条件(实验条件)如下所述。

在这些测定例中，冷却水入口温度T2为60℃，冷却水出口温度T3为68℃，冷却水入口温度T2与冷却水出口温度T3的温度差ΔT为8℃。

又，燃料气体的利用率Uf为75％，氧化剂气体的利用率Uo为40％。

又，氧化剂气体流路17的各流路(流路槽)的等效直径为0.99mm，燃料气体流路28的各流路(流路槽)的等效直径为0.99mm。

燃料气体的流路出口的流速为4.4m/s，氧化剂气体的流路出口的流速为4.5m/s。

氧化剂气体流路17的压力损失为4kPa，燃料气体流路28的压力损失为6kPa。

下面探讨露点换算温度T1能够满足的条件式。

在图11和图20中，测定位置A和测定位置B的温度(单位℃)T，以冷却水入口温度T2(在这些测定例中为60℃)为基准时，关于电池数N，可以以T＝X℃+Y℃×(N-1)的直线近似表达。

而且，电池组两端之间的温度差与冷却水出口温度T3和冷却水入口温度T2的温度差ΔT成正比，而且在这些测定例中，ΔT＝8℃，因此考虑到这点时，可以用直线T＝X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃近似表达。因此露点换算温度T1能够满足的条件式为

T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)。

这一直线近似式可以通过对测定数据进行统计处理得到。作为这种统计方法，有例如回归法、最小二乘法等。在这里利用最小二乘法处理。

然后从图11和图20的测定例求出这一条件式中的常数X和系数Y的数值。

图27是每一个电池进行冷却的情况下的露点换算温度T1应该满足的条件式的常数X和系数Y的数值与电流密度一起表示的表。

在图27中，“阴极”表示常数X和系数Y是对于测定位置A上的测定数据常数和系数，“阳极”表示常数X和系数Y是对于测定位置B上的测定数据的常数和系数。测定位置A是相当于氧化剂气体流路的入口部分的位置，测定位置B是相当于燃料气体流路的入口部分的位置。而且，在本实施形态(本测定例)中，从电池2的叠层方向观察，在电池组1的上半部分(一半部)的周边部，形成氧化剂气体供给总管4、燃料气体供给总管5、以及冷却流体供给总管8，而且在电池组1的下半部分(另一半部)的周边部，形成氧化剂气体排出总管7、燃料气体排出总管6、以及冷却流体排出总管9。而且相对于冷却流体供给总管8，燃料气体供给总管5和氧化剂供给总管4中的氧化剂气体总管4配置得比较近，燃料气体供给总管5配置得比较远(参照图2)。因此相当于氧化剂气体流路的入口部分的测定位置A的温度比相当于燃料气体流路的入口部分的测定位置B的温度高。从而，通过这样将两者加以区别，求常数X和系数Y的数值，能够对于氧化剂气体和燃料气体分别确切地设定露点换算温度T1能够满足要求的条件式。

在这些测定例中，对于氧化剂气体(阴极)，X在1.0～1.5的数值范围内，Y在0.02～0.027的数值范围内，对于燃料气体(阳极)，X为2.0～2.5，Y为0.02～0.023。从而，对于反应气体(氧化剂气体或燃料气体)，X为1.0～2.5范围的数值，Y为0.02～0.027范围的数值。

在这些测定例中，两个测定例的电流密度均为0.160A/cm²(额定)，因此不能够确认常数X和系数Y与电流密度的关系。还有，常数X和系数Y与电池数N的关系被认为在理论上和测定数据上都不存在。人们认为这在下述每两个电池进行冷却的情况下也相同。

下面对每两个电池进行冷却的情况进行探讨。

在上面，叙述了每两个电池进行冷却的情况下露点换算温度T1最好是冷却水入口温度T2+(3℃+0.02℃×(N-1))以上，对此将补充数据进行详细探讨。

图21～图26是每两个电池进行冷却的情况下的电池组的温度分布的另一测定例的分布曲线图。

图21～图26分别是电流密度为0.300A/cm²的情况、电流密度0.250A/cm²的情况、电流密度为0.160A/cm²(额定)的情况、电流密度0.116A/cm²的情况、电流密度0.078A/cm²的情况、以及电流密度0.050A/cm²的情况下的测定例。

在这些测定中，除了都是电池组1的电池数为54以外，均与图12的测定例相同。还有，电池组1当中的电池温度没有表示出，因为这显示出该电池的温度与电池组1的两端部的电池温度相同的倾向，所以省略测定。

但是，在这些测定中，电池编号依序从靠近向电池组1的冷却水出口(图2的端板3B的贯通孔的外侧开口)402的电池2开始编号(与图12的测定例相反)。又，图21～图26中的各曲线的标记与图12中的各曲线的标记不同。即图21～图26中，黑色菱形点的曲线表示图10中所示的隔离片10、20的测定位置A上的温度，黑色正方形点的曲线表示图10中所示的隔离片10、20的测定位置B上的温度，黑色三角形点的曲线表示图10中所示的隔离片10、20的测定位置C上的温度，黑色圆点的曲线表示图10中所示的隔离片10、20的测定位置D上的温度，白色菱形点的曲线表示图10中所示的隔离片10、20的测定位置E上的温度。

这些测定例的测定条件(实验条件)如下所述。

在任何一个测定例子中都是冷却水入口温度T2为60℃，冷却水出口温度T3为68℃，冷却水入口温度T2与冷却水出口温度T3的温度差ΔT为8℃。

在图21～图23的测定例中，燃料气体的利用率Uf为72.5％，氧化剂气体的利用率Uo为52.5％。图24的测定例中，燃料气体利用率Uf为72.5％，氧化剂气体的利用率Uo为47.5％。在图25的测定例中，燃料气体的利用率Uf为67.5％，氧化剂气体的利用率Uo为42.5％。在图26的测定例中，燃料气体的利用率Uf为67.5％，氧化剂气体的利用率Uo为42.5％。

在任何一个测定例中，都是氧化剂气体流路17的各流路(流路槽)的等效直径为0.99mm，燃料气体流路28的各流路(流路槽)的等效直径为0.99mm。

图23的测定例中，燃料气体的流路入口的流速为4.4m/s，燃料气体的流路出口的流速为2.2m/s，氧化剂气体的流路入口的流速为4.26m/s，氧化剂气体的流路出口的流速为4.15m/s。又，图21的测定例中，燃料气体的流路出口的流速为4.1m/s，氧化剂气体的流路出口的流速为7.7m/s。还有，图21的测定例的燃料气体的流路入口的流速和氧化剂气体的流路入口的流速以及图22、图24、图25、以及图26的测定例中的燃料气体的流路入口的流速、燃料气体的流路的出口的流速、氧化剂气体的流路入口的流速、以及氧化剂气体的流路出口的流速，能够从各测定例的燃料气体利用率Uf以及氧化剂气体利用率Uo、以及电流密度、和图23的测定例的各气体流速计算出，因此在这里省略其记载。还有，图21～图26的测定中的电流密度如图28所示。

图21的测定例中，电池组1中的燃料气体的压力损失和氧化剂气体的压力损失分别为13.8kPa、以及11.4kPa。图22的测定例中，电池组1中的燃料气体的压力损失和氧化剂气体的压力损失分别为11.9kPa、以及9.7kPa。图23的测定例中，电池组1中的燃料气体的压力损失和氧化剂气体的压力损失分别为9.6kPa、以及6.0kPa。图24的测定例中，电池组1中的燃料气体的压力损失和氧化剂气体的压力损失分别为5.9kPa、以及4.9kPa。图25的测定例中，电池组1中的燃料气体的压力损失和氧化剂气体的压力损失分别为4.6kPa、以及3.7kPa。图26的测定例中，电池组1中的燃料气体的压力损失和氧化剂气体的压力损失分别为3.6kPa、以及2.7kPa。

在这些每两个电池进行冷却的情况的测定例中，也和上述每一个电池进行冷却的情况的测定例相同，露点换算温度T1应该满足的条件式为

T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)。

测定数据与每一个电池进行冷却的情况相同，利用最小二乘法进行统计处理。

然后从图12、图21～图26的测定例中求出该条件式的常数X和系数Y的数值。

图28是每两个电池进行冷却的情况下的露点换算温度T1应该满足的条件式的常数X和系数Y的数值与电流密度一起表示的表。

图28中，实验编号1～6分别表示图21～图26的测定例。“阴极”以及“阳极”的意思与图27相同。

在本测定例中，对于氧化剂气体(阴极)，X为2.8～3.3范围内的数值，Y为0.013～0.033范围内的数值，对于燃料气体(阳极)，X为3.7～4.2范围内的数值，Y为0.013～0.030范围的数值。从而，对于反应气体(氧化剂气体和燃料气体)，X为2.8～4.2范围内的数值，Y为0.013～0.033范围内的数值。

在这些测定例中，随着电流密度的增大，大体上常数X有若干增大，而系数Y减小，还有，在这些测定例中，使电流密度改变到实际运行中设想的限度，因此可以在上述数值范围内考虑电流密度对常数X和系数Y进行适当选择，以此适当设定露点换算温度T1能够满足的条件式。

<反应气体的理想的流速和压力损失>

图29是表示气体流量与压力损失的关系的一个例子的关系曲线图。

在该测定例中使用的电池组，除了电池数目为54以外，其他与上述情况相同。

在图29中，“阴极”表示电池组1中的氧化剂气体的压力损失，“阳极”表示电池组1中的燃料气体的压力损失。与“阴极”和“阳极”分别对应的压力损失曲线C和压力损失曲线A中，各曲线气体流量分别从小到大依序表示额定输出30％的情况、额定输出50％的情况、额定输出75％的情况、额定输出100％的情况。

在额定输出30％的情况下，电流密度为0.05A/cm²，燃料气体的利用率Uf为62.5％，氧化剂气体的利用率Uo为37.5％。在额定输出为50％的情况下，电流密度为0.078A/cm²，燃料气体的利用率Uf为67.5％，氧化剂气体的利用率Uo为42.5％。在额定输出75％的情况下，电流密度为0.116A/cm²，燃料气体的利用率Uf为72.5％，氧化剂气体的利用率Uo为47.5％。在额定输出为100％的情况下，电流密度为0.16A/cm²，燃料气体的利用率Uf为72.5％，氧化剂气体的利用率Uo为52.5％。

从图29可知，反应气体的压力损失与反应气体的流量成正比，反应气体的流量与反应气体的流速成正比，因此反应气体的压力损失与反应气体的流速成正比。又，随着电流密度的增加，反应气体的流速变大，而且反应气体的压力损失变大。

但是在本发明中，以在将发电区域42A、42B全部区域保持于充分加湿或过加湿的坏境中为其特征。从而，位于发电区域42A、42B的流路17、28中流过的反应气体的流速一旦低于某一数值，就会发生溢流给发电带来麻烦。

另一方面，如图29所示，随着反应气体的流速变大，电池组1中的反应气体的压力损失变大，因此提供给反应气体所需要的压力(以下称为供给压力)变得过大。因此，在本实施形态中，将燃料气体流路28的出口(与燃料气体的出口总管孔24连接的部分)上的流速(在下面有时候称为出口气体流速)控制于1.8m/s以上、4.1m/s以下，而且将氧化剂气体的流路17的出口(与氧化剂气体的出口总管孔13连接的部分)的流速为(以下也可称为出口气体流速)2.8m/s以上、7.7m/s以下。

这些下限值和上限值中的上限值根据有关辅机(在这里是燃料供给用泵和氧化剂供给气体用鼓风机)反应气体供给压力的性能的考虑按照经验决定的。

另一方面，这些下限值和上限值中的下限值从实验中求得。在该实验中，做成与上述测定中使用的电池组具有相同的整体结构，燃料气体流路28和氧化剂气体流路17的结构相互不同的5种电池组。然后，对这些电池组，使燃料气体利用率Uf、氧化剂气体利用率Uo、以及电流密度改变，以此改变出口气体流速和压力损失，对各种情况，根据是否能够稳定发电判断有无溢流的情况发生。

图31是表示燃料气体的出口流速和压力损失与有无发生溢流的关系的曲线图。而图32是表示氧化剂气体的出口流速和压力损失与有无发生溢流的关系的曲线图。

在图31和图32中圆点的曲线表示能够稳定发电的情况、即没有溢流发生的情况。三角形点的曲线表示由于溢流发生、发电不稳定的情况。×记号的曲线表示由于溢流发生而不能发电的情况。

从图31中可以清楚了解到，燃料气体的出口气体流速最好为1.8m/s以上。而从图32可以清楚了解到，氧化剂气体的出口气体流速为2.8m/s以上为佳。

在这种情况下，燃料电池101，运行的前提是，燃料气体的利用率为60％以上，氧化剂气体的利用率为40％以上，80％以下，电流密度为0.15A/cm²以上，0.30A/cm²以下。也就是说，这些气体流速范围在这一运行条件下是有效的。气体的流速被控制为随着电流密度的变大而变大。

该燃料气体和氧化剂气体的流速控制具体如下所述进行。

流速Va为

Va＝Qa/Sa

其中Qa表示燃料气体的流量，Sa表示燃料气体流路28的截面积。

在这里，Qa是燃料气体流路28的出口的未使用的氧化剂气体的流量、将提供的全部水分换算为水蒸汽的情况下的气体流量、以及发电反应发生的全部水分换算为水蒸汽的情况下的气体流量的总和。未使用的燃料气体的流量是将提供的燃料气体流量乘以燃料气体的利用率计算出的。Sa是出口近旁的燃料气体流路28的截面积，是各流路(流路槽)的截面积的总和。各流路(流路槽)的有效直径(与其截面积等效的圆的直径)形成为0.78mm以上、1.30mm以下。

而氧化剂气体的流量以Qc表示，氧化剂气体流路17的截面积以Sc表示时，氧化剂气体的流速Vc为，Vc＝Qc/Sc。

在这里，Qc是氧化剂气体流路17的出口的未使用的氧化剂气体的流量、将提供的全部水分换算为水蒸汽的情况下的气体流量、以及发电反应发生的全部水分换算为水蒸汽的情况下的气体流量的总和。未使用的氧化剂气体的流量是将提供的氧化剂气体流量乘以氧化剂气体的利用率计算出的。Sc是出口近旁的氧化剂气体流路17的截面积，是各流路(流路槽)的截面积的总和。各流路(流路槽)的有效直径形成为0.78mm以上、1.30mm以下。

从而，借助于控制装置108对燃料气体供给流量、燃料气体利用率、氧化剂气体供给流量、氧化剂气体利用率、以及燃料气体和氧化剂气体的的露点换算温度T1的控制，对燃料气体的流速Va和氧化剂气体的流速Vc加以控制。

下面对反应气体的压力损失进行说明。

为防止溢流，反应气体流路17、28的压力损失较大会比较理想。但是如果压力损失过大，则反应气体的供给压力过大。

在这里，在本实施形态中，电池组1的反应气体的压力损失控制为2kPa以上、10kPa以下。

该上限值和下限值中的上限值是根据有关辅机的反应气体供给压力的性能的考虑按照经验决定的。

另一方面，该下限值和上限值中的下限值从实验中与出口气体流速一起求得。也就是说，从图31可知，电池组的燃料气体的压力损失最好是3.6kPa以上。而从图32可知，电池组的氧化剂气体的压力损失最好是2.0kPa以上。从而，如果以燃料气体和氧化剂气体这样的上位概念把握，则最好是该压力损失为2.0kPa以上。

还有，图21和图22的测定例中，反应气体的压力损失偏离该理想的范围，这是因为，为了取得电池组的温度分布数据，进行了特别的过负载运行，在热电联供系统中通常不进行这样的过负载运行。

如上所述，通过控制反应气体的流速和反应气体的压力损失，能够防止溢流的发生，同时能够将发电区域42A、42B全部区域都保持于充分加湿或过加湿的气氛中。

<关于燃料电池的额定值的有效范围>

关于上述露点换算温度应该满足的条件的研究用额定输出为DC1.2kW的燃料电池进行。但是，该研究的结果在理论上也可以使用于不同的额定输出的燃料电池(对其是有效的)。具体地说，大致能够可靠使用于额定输出为DC0.4kW～2.4kW的燃料电池。而且通过单纯增加例如电池组的电池的叠层数目，也能够使用于额定输出不高于DC5kW的燃料电池。

根据上述观点，将燃料电池发电系统的运行条件加以归纳如下。

燃料电池发电系统101在其运行中最好是满足T1≥T2+1℃(运行条件1)这样的条件。

而且最好是满足T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，其中X＝1～2.5，Y＝0.02～0.027(运行条件2)这样的条件。

又，最好是满足T3-T2≤15℃(运行条件3)，还有T3-T2≤10℃(运行条件4)。

又，最好是满足T2≤T1≤T3(运行条件5)。

又，最好是满足T3-T1≥1℃(运行条件6)

又，最好是满足90℃≥T3≥66℃(运行条件7)、T1≥50℃(运行条件8)、以及80℃≥T3≥66℃(运行条件9)。

而且，在每两个电池进行冷却的情况下，最好是满足T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，其中X＝2.8～4.2而且Y＝0.013～0.033(运行条件10)。

根据以上所述见解，在本实施形态中，构成燃料气体发电系统100并且使其满足运行条件1～运行条件9。

具体地说，在图1～图9中，阴极侧隔离片10和阳极侧隔离片20中，反应气体流路17、28和冷却水流路19、29形成「反应气体温度上升梯度配置」。而且反应气体的加湿和加热利用供给反应气体与排出反应气体的全热交换进行加湿和加热，而且使用使该加湿和加热过的供给气体与排出冷却水进行全热交换的全热交换器117、118，以使能够进行热交换的温度差T3-T1为1℃左右。又设定相对于电池组1的最大发热量的，冷却系统104的最大冷却能力，并且使其能够满足冷却水出口温度T3与冷却水入口温度T2的温度差T3-T2≤10℃的条件。然后调整冷却水的温度，使冷却水出口温度T3满足80℃≥T3≥66℃的条件。这时具体的冷却水出口温度T3考虑燃料电池101的规定输出电流密度决定。该冷却水的温度调整通过控制装置108对冷却系统104的放热装置105的放热量以及冷却水循环泵109的流量中的至少任一项进行控制进行。而且该冷却水的温度控制根据分别对冷却水入口温度T2和冷却水出口温度T3进行检测的温度传感器TS1和温度传感器TS2的检测值，利用控制装置108对冷却水入口温度T2和冷却水出口温度T3进行反馈控制实现。

又，氧化剂气体流路17和燃料气体流路28的各流路(流路槽)形成等效直径为0.78mm～1.30mm以下的流路。而控制装置108对氧化剂气体供给装置103进行控制，使得氧化剂气体流路17的氧化剂气体的流速为2.8m/s～7.7m/s范围内的流速，电池组1的压力损失为2kPa～10kPa地提供氧化剂气体。而且控制装置108对燃料气体供给装置102进行控制，使得燃料气体流路28的燃料气体的流速为1.8m/s～4.1m/s范围内的数值，电池组1的压力损失为2kPa～10kPa范围内的数值地提供燃料气体。

下面对如上所述构成的燃料电池发电系统100的动作进行说明。燃料电池发电系统100利用控制装置108的控制进行工作，具有启动模式、运行模式、以及停止模式。在启动模式中，依序执行规定的启动动作，以顺利启动燃料电池发电系统100。运行模式(发电运行时)进行通常的发电。停止模式依序执行规定的停止动作，以平稳地停止燃料电池发电系统100的工作。在本实施形态中，启动模式和停止模式执行众所周知的动作，因此省略其说明，以下只说明运行模式。

参照图1～图9，在运行模式中，从燃料气体供给装置102向燃料电池101的阳极42B提供燃料气体(供给燃料气体)。另一方面，从氧化剂气体供给装置103向燃料电池101的阴极42A提供氧化剂气体(供给氧化剂气体)。然后，在阳极42B和阴极42A发生发电反应，产生电和热。没有被该发电反应消耗的未反应的燃料气体(排出燃料气体)和氧化剂气体(排出氧化剂气体)从燃料电池101排出。另一方面，燃料电池101利用通过冷却水系统104的冷却水循环流路112循环的冷却水冷却。

在这一过程中，供给燃料气体在阳极侧全热交换器117中与排出燃料气体进行全热交换之后，再度与通过燃料电池101之后的冷却水(排出冷却水)进行全热交换，进行加湿和加热，使得在该燃料电池101的入口上的露点换算温度(入口露点换算湿度)T1达到规定值。

另一方面，供给氧化剂气体在阴极侧全热交换器118中与排出氧化剂进行全热交换之后，再与排出冷却水进行全热交换，加湿并加热到该入口露点换算温度T1为规定值。

又，控制装置108根据入口温度传感器TS1和出口温度传感器TS2的检测值，控制冷却系统104的放热装置105的放热量和冷却水循环泵106的流量，调节冷却水入口温度T2和冷却水出口温度T3。在这种情况下，根据冷却系统对于燃料电池101的发热量的冷却能力(放热量)决定冷却水入口温度T2，根据冷却水的流量决定冷却水入口温度T2和冷却水出口温度T3的温度差ΔT。而冷却水出口温度T3一旦决定，就根据实际上阳极侧全热交换器117以及阴极侧全热交换器118的可热交换的温度差T3-T1，决定供给燃料气体于供给氧化剂气体的入口露点换算温度T1。即通过对冷却系统104的放热装置105的放热量和冷却水循环泵106的流量进行控制，可以控制冷却水出口温度T3、冷却水入口温度T2、以及燃料气体和氧化剂气体的入口露点换算温度T1。还有，相应于燃料电池101的输出变动，燃料电池101排出的热量也发生变化，因此控制装置108一边根据该排出的热量的变化改变冷却系统104的冷却能力一边控制上述冷却水的温度。这样，利用控制装置108的控制，在运行模式中燃料电池发电系统100满足上述运行条件1～运行条件9地运行。这样，使得燃料电池101的发电区域全部保持于充分加湿或过加湿的气氛中。其结果是，能够抑制MEA43的高分子电解质膜41的量化，提高燃料电池101的寿命。

下面根据下述实施例的实验结果对本实施形态的上述特征性结构的效果进行说明。

图13是表示燃料电池寿命试验结果的曲线图。在图13中，横轴表示运行时间，纵轴表示电池电压。

在这一实验中，一边在第1运行条件与第2运行条件之间切换运行条件，一边运行硬件除了全热交换器117、118外按照本实施形态作成的燃料电池发电系统100，以此实施作为本实施形态的实施例。在本实施例的燃料电池发电系统100中，采用扩散器代替全热交换器117、118，利用这种扩散器对燃料气体和氧化剂气体进行加湿和加热，使其实现规定的入口露点换算温度T1。从而，燃料气体和氧化剂气体的入口露点换算温度T1与使本实施形态(图1)的燃料电池系统100的动作的情况同样得到控制。还有，燃料气体流路28的燃料气体的流速被控制于1.8m/s～4.1m/s的范围内，氧化剂气体流路17的氧化剂气体的流速被控制于2.8m/s～7.7m/s的范围内，电池组1的氧化剂气体和燃料气体的压力损失被控制于2kPa～10kPa。

在这里，第1运行条件是作为不满足T1≥T2+1℃(运行条件1)的比较例的运行条件，具体地说，冷却水入口温度T2为64℃，冷却水出口温度T3为69℃，燃料气体和氧化剂气体的入口露点换算温度T1为64℃。第2运行条件是满足T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，其中X＝1～2.5，而且Y＝0.02～0.027(运行条件2(以及运行条件1))的本发明的运行条件，具体地说，冷却水入口温度T2为61℃，冷却水出口温度T3为69℃，燃料气体和氧化剂气体的入口露点换算温度T1为64℃。

而且，从运行开始到经过约4400小时为止的期间P1中，在不满足(运行条件1的)第1运行条件下使燃料电池发电系统100运行。于是，电池电压慢慢下降。其后，在400小时左右的期间P2中以满足(运行条件2(以及运行条件1))第2运行条件运行。于是，电池电压上升(恢复)。其后，在400小时左右的期间P3中再度以满足(运行条件1的)第1运行条件运行。于是，电池电压再度缓慢下降。其后，在从运行开始到经过约9400小时为止的期间P4中，再度以满足(运行条件2(以及运行条件1))的第2运行条件下运行。于是，电池电压再度恢复，即使是从运行开始经过约9400小时其电池电压也得到维持。

这种情况证实了这样的事实，即与预先采用已有的运行方法时燃料电池101的性能(电池电压)下降，能预料燃料电池101的寿命缩短的情况，但采用本发明的运行方法(满足运行条件1和运行条件2的运行方法)时，暂时下降的燃料电池101性能在恢复后保持原样，燃料电池101的寿命得到提高。

实施形态2

图14是表示本发明实施形态2的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。在图14中，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。

如图14所示，在本实施形态中，形成能够进行下述热交换的结构，即阳极侧全热交换器117和阴极侧全热交换器118使供给反应气体与排出反应气体进行全热交换，使该进行全热交换之后的供给反应气体与排出冷却水进行单纯热交换的结构。而且图2和图3的电池组1每两个电池进行冷却。其他与上述实施形态1相同。

详细地说，本实施形态的阳极侧全热交换器117，在图1所示的结构中，取代第2全热交换电池组301B，具有阳极侧对冷却水热交换器303A。如图14、图8、以及图9所示，在第1全热交换电池组301A中，第1流体供给总管204、第1流体流路217、以及第1流体排出总管207构成阳极侧全热交换器117的燃料气体流路117a，第2流体供给总管205、第2流体流路228、以及第2流体排出总管206构成阳极侧全热交换器117的燃料气体流路117b。又，第1流体供给配管251构成燃料气体供给流路109的燃料气体供给装置102一侧的部分109a，第1流体排出配管252连接于阳极侧对冷却水热交换器303A的次级侧流路的入口。又，第2流体供给配管253构成燃料气体排出流路110的燃料电池101一侧的部分110a，第2流体排出配管254构成燃料气体排出流路110的大气一侧的部分110b。

又，阳极侧对冷却水热交换器303A具有形成为能够使流过初级侧流路的流体与流过次级侧流路的流体进行热交换的众所周知的结构，初级侧流路构成阳极侧全热交换器117的冷却水流路117c。而且该初级侧流路的两端连接于冷却水循环流路112的分流路112a。而且，次级侧流路的入口连接在如上所述一端连接于全热交换电池组301的第1流体排出总管207上的第1流体排出配管252的另一端上，次级侧流路的出口连接于燃料气体供给流路109的燃料电池101一侧的部分109b上。从而，该次级侧流路构成阳极侧全热交换器117的燃料气体流路117a的一部分。

在这样构成的阳极侧全热交换器117中，在第1全热交换电池组301A中，由第1流体总管204对燃料电池101提供供给燃料气体，对第2流体总管205提供燃料电池101排出的排出燃料气体。而且，在各全热交换电池202中，流过第1流体流路217的供给燃料气体与流过第2流体流路228的排出燃料气体通过高分子电解质膜41进行全热交换，以此利用排出燃料气体对供给燃料气体进行加湿和加热。然后，在阳极侧对冷却水热交换器303A中，流过初级侧流路的冷却水与流过次级侧流路的供给燃料气体进行热交换，以此用通过燃料电池101升高了温度的冷却水进一步对全热交换之后的供给燃料气体进行加热。然后将经过这样加湿和加热的供给燃料气体提供给燃料电池101。

下面对阴极侧全热交换器118的结构进行说明。本实施形态的阴极侧全热交换器118，是在图1所示的结构中，采用阴极侧对冷却水热交换器303B，代替第4全热交换电池组301D。在第3全热交换电池组301C中，第1流体供给配管251构成氧化剂气体供给流路107的氧化剂气体供给装置103一侧的部分107a，第1流体供给总管204、第1流体流路217、以及第1流体排出总管207构成阴极侧全热交换器118的氧化剂气体流路118a，第1流体排出配管252连接于阴极侧对冷却水热交换器303B的次级侧流路的入口上。而第2流体供给配管253构成氧化剂气体排出流路111的燃料电池101一侧的部分111a，第2流体供给总管205、第2流体流路228、以及第2流体排出总管206构成阴极侧全热交换器118的氧化剂气体流路118b，第2流体排出配管254构成氧化剂气体排出流路111的大气一侧的部分111b。

又，阴极侧对冷却水热交换器303B具有形成为能够使流过初级侧流路的流体与流过次级侧流路的流体进行热交换的众所周知的结构，初级侧流路构成阴极侧全热交换器118的冷却水流路118c。而且该初级侧流路的两端连接于冷却水循环流路112的分流路112b。而且次级侧流路的入口连接在如上所述一端连接于全热交换电池组301的第1流体排出总管207上的第1流体排出配管252的另一端上，次级侧流路的出口连接于氧化剂气体供给流路107的燃料电池101一侧的部分107b上。从而，该次级侧流路构成阴极侧全热交换器118的氧化剂气体流路118a的一部分。

在这样构成的阴极侧全热交换器118中，在第3全热交换电池组301C，对第1流体总管204提供对燃料电池101提供的氧化剂气体(以下称为供给氧化剂气体)，对第2流体总管205提供燃料电池101排出的氧化剂气体(以下称为排出氧化剂气体)。而且在各全热交换电池202中，流过第1流体流路217的供给氧化剂气体与流过第2流体流路228的排出氧化剂气体通过高分子电解质膜41进行全热交换，以此利用排出氧化剂气体对供给氧化剂气体进行加湿和加热。然后，在阴极侧对冷却水热交换器303B中，流过初级侧流路的冷却水与流过次级侧流路的氧化剂燃料气体进行热交换，以此用通过燃料电池101升高了温度的冷却水进一步对全热交换之后的供给氧化剂气体进行加热。然后将经过这样加湿和加热的供给氧化剂气体提供给燃料电池101。

又，图3所示的电池组1形成在阴极隔离片10和阳极隔离片20上形成冷却水流路19、29的电池2与在阴极隔离片10和阳极隔离片20上没有形成冷却水流路19、29的电池2交互叠层的结构。

而控制装置108控制反应气体入口露点换算温度T1和冷却水入口温度T2，使其满足

T1≥T2+(3℃+0.02℃×(N-1))(运行条件10)这样的条件。

这样能够将燃料电池101的发生发电反应的区域全部保持于加湿或过加湿的坏境中。其结果是，能够防止高分子电解质膜41的劣化，延长燃料电池101的寿命。而且能够简化阳极侧对冷却水热交换器303A以及阴极侧对冷却水热交换器303B的结构。

还有，在上面所述中，燃料电池发电系统100同时具有阳极侧全热交换器117和阴极侧全热交换器118，但是在简化的情况下，任何一个都可以省略。

实施形态3

图15是表示本发明实施形态3的(高分子电解质型)燃料电池发电系统的结构的示意方框图。在图15中，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。

如图15所示，在本实施形态中，具备只进行反应气体与冷却水之间的全热交换的阳极侧全热交换器121和阴极侧全热交换器122，以取代除了进行反应气体之间的全热交换，还进行反应气体与冷却水的全热交换的，图1的阳极侧全热交换器117以及阴极侧全热交换器118。除此以外，各点与实施形态1相同。

具体地说，阳极侧全热交换器121具有与实施形态1的阳极侧全热交换器117的第2全热交换电池组301B完全相同的结构，因此省略其详细说明。在该阳极侧全热交换器121中，使供给侧燃料气体流路121a中流过的供给燃料气体与冷却水流路121b中流过的排出冷却水进行全热交换，进行加湿和加热。

又，阴极侧全热交换器122具有与实施形态1的阴极侧全热交换器118的第4全热交换电池组301D完全相同的结构，因此省略其详细说明。在该阴极侧全热交换器122中，使供给侧氧化剂气体流路122a中流过的供给氧化剂气体与冷却水流路122b中流过的排出冷却水进行全热交换，进行加湿和加热。

在这种情况下，阳极侧全热交换器121与阴极侧全热交换器122之间能够进行热交换的温度差为T3-T1≥2℃左右。

这样构成的本实施形态的燃料电池发电系统中，能够得到与实施形态1的燃料电池发电系统相同的效果。

还有，在简化的情况下，阳极侧全热交换器121和阴极侧全热交换器122中的任何一个都可以省略。

实施形态4

图16是表示本发明实施形态4的(高分子电解质型)燃料电池发电系统的结构的示意方框图。在图16中，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。

如图16所示，在本实施形态中，具备只进行相同的反应气体的供给侧气体与排出侧气体之间的全热交换的阳极侧全热交换器119和阴极侧全热交换器120，以取代除了进行反应气体之间的全热交换外还进行反应气体与冷却水的全热交换的，图1的阳极侧全热交换器117以及阴极侧全热交换器118。除此以外，各点与实施形态1相同。

具体地说，阳极侧全热交换器119具有与实施形态1的阳极侧全热交换器117的第1全热交换电池组301A完全相同的结构，因此省略其详细说明。在该阳极侧全热交换器119中，使供给侧燃料气体流路119a中流过的供给燃料气体与排出侧燃料气体流路119b中流过的排出燃料气体进行全热交换，进行加湿和加热。

又，阴极侧全热交换器120具有与实施形态1的阴极侧全热交换器118的第3全热交换电池组301C完全相同的结构，因此省略其详细说明。在该阴极侧全热交换器122中，使供给侧氧化剂气体流路122a中流过的供给氧化剂气体与排出侧氧化剂气体流路122b中流过的排出冷却氧化剂气体进行全热交换，进行加湿和加热。

在这种情况下，阳极侧全热交换器119与阴极侧全热交换器120之间能够进行热交换的温度差为T3-T1≥4℃左右。

这样构成的本实施形态的燃料电池发电系统中，也能够得到与实施形态1的燃料电池发电系统相同的效果。

还有，在简化的情况下，阳极侧全热交换器119和阴极侧全热交换器120中的任何一个都可以省略。

实施形态5

图17是表示本发明实施形态5的燃料电池发电系统的结构的示意方框图，图18是图17的燃料电池发电系统使用的带加湿器的燃料电池的结构的示意侧面图，图19表示构成图18的带加湿器的燃料电池的隔离片，(a)是第1隔离片的正视图，(b)是第2隔离片的正视图。在图17中，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。又，在图18中与图2和图8相同的符号表示相同或相当的部分。

如图17所示，在本实施形态中，燃料电池发电系统100具备带加湿器的燃料电池500，取代图1的燃料电池101。其他点与实施形态1相同。

带加湿器的燃料电池500形成能够使供给燃料气体与排出燃料气体进行全热交换，同时使这些气体与排出冷却水只进行热交换，而且在使供给氧化剂气体与排出氧化剂气体进行全热交换的同时，使这些气体与冷却水进行只进行热交换的结构。

如图18所示，具有与图1的燃料电池101的电池叠层体201相同结构的电池部502和加湿部503。加湿部503具有与图8的全热交换电池组302相同的结构。而且在电池部502将电池2叠层，并且在加湿部503将全热交换电池202叠层，并且在该电池2与全热交换电池202构成的叠层体的两端配设一对端板504A和504B，形成电池与加湿器一体化的电池组501。

在本实施形态中，全热交换电池202在图9所示的结构中，配设图19(a)所示的第1隔离片510和图19(b)所示的第2隔离片520，以取代第1隔离片210和第2隔离片220。

如图19(a)所示，在第1隔离片510的正面上形成供给氧化剂气体流路511和供给燃料气体流路512。在图19(a)中，供给氧化剂气体流路511和供给燃料气体流路512的区域由分别形成的区域(一点锁线包围的区域)表示。从全热交换电池202的厚度方向(叠层方向)看来，这些区域重叠于疑似MEA243(参照图9)的高分子电解质膜4露出的区域上并且在左右保持间隔并排形成。在第1隔离片510的背面上，与图3的阴极侧隔离片10的冷却水流路19一样形成冷却水流路(未图示)。在第1隔离片510的周边部的适当的地方，形成分别连接于供给氧化剂气体流路511的上游端和下游端的入口总管孔和出口总管孔(未图示)、分别连接于供给燃料气体流路512的上游端和下游端的入口总管孔和出口总管孔(未图示)、以及分别连接于冷却水流路的上游端和下游端的入口总管孔和出口总管孔(未图示)。

如图19(b)所示，在第2隔离片520的正面上形成排出氧化剂气体流路521和排出燃料气体流路522。在图19(b)中，排出氧化剂气体流路521和排出燃料气体流路522由分别形成的区域(一点锁线包围的区域)表示。从全热交换电池202的厚度方向看来，这些区域重叠于疑似MEA243(参照图9)的高分子电解质膜4露出的区域上并且在左右保持间隔并排形成。而且排出氧化剂气体流路521和排出燃料气体流路522从全热交换电池202的厚度方向看来，第1隔离片510的供给氧化剂气体流路511和供给燃料气体流路512实质上相互重叠形成。在第2隔离片520的背面上，与图3的阳极侧隔离片20的冷却水流路29一样形成冷却水流路(未图示)。在第2隔离片520的周边部的适当的地方，形成分别连接于排出氧化剂气体流路521的上游端和下游端的入口总管孔和出口总管孔(未图示)、分别连接于排出燃料气体流路522的上游端和下游端的入口总管孔和出口总管孔(未图示)、以及分别连接于冷却水流路的上游端和下游端的入口总管孔和出口总管孔(未图示)。

而且在电池和加湿器一体化的电池组501整体上，贯通加湿器部503及电池部502，形成提供供给燃料气体的供给燃料气体供给总管(未图示)、排出供给燃料气体的供给燃料气体排出总管(未图示)、提供排出燃料气体的排出燃料气体供给总管(未图示)、将排出燃料气体排出的排出燃料气体排出总管(未图示)、提供供给氧化剂气体的供给氧化剂气体供给总管(未图示)、排出供给氧化剂气体的供给氧化剂气体排出总管(未图示)、提供排出氧化剂气体的排出氧化剂气体供给总管(未图示)、将排出氧化剂气体排出的排出氧化剂气体排出总管(未图示)、提供冷却水的冷却水供给总管(未图示)、以及排出冷却水的冷却水排出总管(未图示)。各总管在加湿器部503的第1隔离片210、疑似MEA243、第2隔离片220，以及电池部502的阴极侧隔离片10、MEA43、阳极侧隔离片20上形成包含上述总管孔的，与各总管对应的总管孔，这些总管孔相连接着形成。

在如上所述构成的带加湿器的燃料电池500中，在加湿器部503的全热交换电池组202中，第1隔离片510的供给燃料气体流路512中流过的供给燃料气体与第2隔离片520的排出燃料气体流路522中流过的排出燃料气体通过高分子电解质膜4(参照图9)进行全热交换。又，第1隔离片510的供给氧化剂气体流路511中流过的供给氧化剂气体与第2隔离片520的排出氧化剂气体流路521中流过的排出氧化剂气体通过高分子电解质膜4(参照图9)进行全热交换。而且在这时，利用第1隔离片510的冷却水流路和第2隔离片520的冷却水流路(未图示，由两者形成一个冷却水流路)中流过的排出冷却水对供给燃料气体和供给氧化剂气体，同时还有排出燃料气体和排出氧化剂气体一起进行加热。

如果利用这样的本实施形态，由于也利用排出冷却水对排出燃料气体和排出氧化剂气体进行加热，所以排出冷却水对供给燃料气体和供给氧化剂气体的加热效率与实施形态1相比相应下降，但是能够有效利用从电池部502排出的水分和排热对供给燃料气体和供给氧化剂气体进行加湿和加热。而且由于加湿器部503与电池部502形成一体，所以能够使燃料电池发电系统小型化。

实施形态6

图30是表示本发明实施形态6的高分子电解质型燃料电池发电系统的结构的示意方框图。在图30中，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。

如图30所示，在本实施形态中，阳极侧全热交换器117在图1所示的结构中具有阳极侧对冷却水热交换器303A，以取代第2全热交换电池组301B。此外与上述实施形态2相同。

如果采用这样的结构，则在阳极侧全热交换器117中，供给燃料气体与排出燃料气体能够进行全热交换，该全热交换后的供给燃料气体与排出冷却水只进行热交换。另一方面，在阴极侧全热交换器118中，与实施形态1一样，供给氧化剂气体与排出氧化剂气体进行全热交换，该全热交换后的供给氧化剂气体与排出冷却水进行全热交换。

但是，像实施形态2那样，使阳极侧全热交换器117和阴极侧全热交换器118形成能够使供给反应气体与排出反应气体进行全热交换，使该全热交换后的供给反应气体与排出冷却水只进行热交换的结构时，由排出反应气体加热升温的供给反应气体在由排出冷却水的显热进行加热，因此供给反应气体中的水分(液态水的分量)少，与通过使供给反应气体与排出冷却水进行全热交换用该排出冷却水的显热和潜热两者进行加热的情况相比，从排出冷却水向供给反应气体传递的热量、即加热能力降低。在这里，由于燃料气体的利用率高，所以排出燃料气体大量包含结露水，与该排出燃料气体进行全热交换后的供给燃料气体也大量包含水分。从而即使是使供给燃料气体与排出冷却水单纯进行热交换，也不会降低排出冷却水的加热能力。另一方面，由于氧化剂气体利用率低，排出氧化剂气体的水分少，与该排出氧化剂气体进行热交换的供给氧化剂气体水分越少。但是，由于供给氧化剂气体与排出冷却水进行全热交换，所以被排出冷却水充分加热。

因此，如果采用本实施形态，则能够在不降低排出冷却水对反应气体的加热能力的前提下简化阳极侧和阴极侧中的任意一方的全热交换器117的结构。

实施例

作为本发明的实施形态的实施例，制作具有图1～图9所示的结构的燃料电池发电系统。

在图1～图9中，在这里，只对燃料电池101、阳极侧全热交换器117、以及阴极侧全热交换器118表示出具体的结构。其他部分的结构是众所周知的结构。

首先对阳极42B和阴极42A(以下称为电极)的制作方法进行说明。

使乙炔黑粉末承载25重量％的平均粒径约为

的白金颗粒，将其作为催化剂使用。在将该催化剂粉末分散于异丙醇中形成的溶液中，混合将全氟化碳磺酸分散于乙醇的溶液的分散溶液，作成催化剂糊。

另一方面，对构成气体扩散层的外径尺寸12cm×12cm、厚度220μm的碳纤维(布)复合材料(12cm×12cm、厚度220μmのカ一ボンクロス)(TORAY制TGP-H-090)进行拔水处理。在形成该carbon cloth催化剂层的侧面上，涂布碳黑粉末(电气化学工业株式会社制造的DENKA BLACKFX-35)与PTFE的水性分散液(大金DAIKIN制造D-1)的混合物，在400℃烧结30分钟赋予其拨水层。形成该carbon cloth的面上用网板印刷方法涂布催化剂糊，以此形成催化剂层。然后，用该形成催化剂层的carbon cloth作为电极。形成该催化剂层的电极中包含的白金含量为0.3mg/cm²，全氟化碳磺酸含量为1.0mg/cm²。

接着，采用外形尺寸20cm×20cm的全氟化碳磺酸膜(DUPONT公司制造的Nafion112(注册商标))作为高分子电解质膜41。用热压方法使一对电极与该高分子电解质膜41的两面接合，以使催化剂层与高分子电解质膜41接触，以此制作MEA43，在这里，高分子电解质膜采用将全氟化碳磺酸做成薄膜，形成30μm厚度的薄膜。

接着，将平均粒径100微米的人造石墨粉末80重量％、碳黑5重量％、热固化前的苯酚树脂15重量％加以混合，制造混合物。将该混合物投入具有复制隔离片形状的模具，以180℃进行热压，以此使苯酚树脂固化，借助于此，制作图4～图7所示的导电性成型隔离片10、20。图4和图6表示形成于隔离片10、20的正面(内表面)的气体流通用槽的形状。隔离片10、20的大小为20cm×20cm，厚度3mm，反应气体流路17、28形成为宽度1.2mm、深度0.7mm的槽状。

接着，在隔离片10、20上形成氧化剂气体的总管孔21、23和燃料气体的总管孔22、24。

又，图5和图7表示冷却水流路19、29的形状，形成于图4和图6所示的隔离片19的背面(外表面)。冷却水流路19、29形成为深度0.7mm的槽状流路。

接着，MEA43的高分子电解质膜41上形成冷却水、燃料气体、以及氧化剂气体流通用的总管孔，在MEA43的，中央部的电极部分的周围与各总管孔11～16的周围粘贴バイトン制造的O形环状的流体密封构件作为衬垫。

用这样制作的阳极侧隔离片20和阴极侧隔离片10夹着MEA43制作电池2。将40个该电池2叠层制作电池叠层体201。然后，在该电池叠层体201两端配设铜表面镀金的集电板、PPS制造的、对SUS进行切削加工制造的端板3A、3B，将这些构件用紧固螺杆固定。这时的固定压力是每单位电极面积10kgf/cm²。这样做成燃料电池101(电池组1)。

又，用与上述燃料电池101相同方法制造阳极侧全热交换器117和阴极侧全热交换器118。

用这样制作的本实施例的燃料电池发电系统100，进行在实施形态1根据图13说明的寿命试验。

其结果是，能够如实施形态1所述提高燃料电池101的寿命。

还有，在上述实施形态1～3中，利用与燃料电池101排出的反应气体和冷却水中的至少某一种的全热交换，对反应气体进行加湿和加热使其具有规定的入口露点换算温度，但是也可以使用扩散器等一般的加湿器进行这一工作。

又，在上述实施形态1～3中，阳极侧全热交换器117、119、121与阴极侧全热交换器118、120、122采用分别形成的方式制作，但是也可以将其形成一体。又，也可以将这些构件与电池组1形成一体。在这种情况下，阳极侧全热交换器117、119、121、阴极侧全热交换器118、120、122、以及电池组1基本结构相同，因此容易将其形成一体。

又，在实施形态1和实施形态2中，将阳极侧全热交换器117、121与阴极侧全热交换器118、22与冷却系统104的冷却循环流路112并排连接，但是也可以将阳极侧全热交换器117、121、阴极侧全热交换器118、22与冷却系统104的冷却循环流路112串联连接。

又，在上述实施形态1到实施形态3中，每一个和两个电池设置冷却水循环流路19、29，但是也可以每三个以上的电池设置该流路。

从上述说明可知，对于本行业的普通技术人员来说，本发明的许多改良和气体实施形态是显而易见的。从而上述说明只应该解释为例示，是以向本行业的普通技术人员示教执行本发明的最佳形态为目的而提供的。在不超出本发明的精神的情况下，其结构以及/或功能的细节可以有实质性变更。

工业应用性

本发明的高分子电解质型燃料电池发电系统作为便携式电源、电动汽车的车用电源、热电联供系统等使用的燃料电池发电系统是有用的。

Claims (25)

1.一种高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，

具备

具有多个电池叠层形成的电池组、燃料气体入口、氧化剂气体入口、冷却流体入口、冷却流体出口、以及阳极和阴极构成的发电区域的燃料电池、

向所述燃料气体入口提供燃料气体的燃料气体供给装置、

向所述氧化剂气体入口提供氧化剂气体的氧化剂气体供给装置、

使冷却流体通过所述冷却流体入口、冷却流体路径、以及所述冷却流体出口流通，以对该燃料电池进行冷却的冷却流体供给装置、以及

控制装置，

所述电池具有有高分子电解质膜及在该高分子电解质膜的两个面上形成的阳极和阴极的MEA、在所述MEA的一侧配置为正面与所述阳极接触，该正面的与该阳极接触的区域形成槽状的燃料气体流路的导电性和导热性的板状的阳极侧隔离片、以及在所述MEA的另一侧配置为正面与所述阴极接触，该正面的与该阴极接触的区域形成槽状的氧化剂气体流路的导电性和导热性的板状的阴极侧隔离片，

在所述电池组内部，在所述电池的叠层方向上延伸地形成燃料气体供给总管、燃料气体排出总管、氧化剂气体供给总管、氧化剂气体排出总管、冷却流体供给总管、以及冷却流体排出总管，

所述各阳极侧隔离片的所述燃料气体流路是将所述燃料气体供给总管与所述燃料气体排出总管加以连接形成的，

所述各阴极侧隔离片的所述氧化剂气体流路是将所述氧化剂气体供给总管与所述氧化剂气体排出总管加以连接形成的，

对于每一个电池或每两个电池，所述冷却流体流路从所述阳极隔离片和所述阴极隔离片中的至少任一方的背面的，从所述的叠层方向看来，在与所述发电区域重叠的区域，将所述冷却流体供给总管与所述冷却流体主排出总管加以连接形成，

所述燃料气体供给总管的上游侧的端部与所述燃料气体入口连通，而且所述燃料气体排出总管的下游侧的端部与外部连通，

所述氧化剂气体供给总管的上游侧的端部与所述氧化剂气体入口连通，而且所述氧化剂气体排出总管的下游侧的端部与外部连通，

所述冷却流体供给总管的上游侧的端部与所述冷却流体入口连通，而且所述冷却流体排出总管的下游侧的端部与所述冷却流体出口连通，

所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路的各自的最上游部以及所述冷却流体流路的最上游部从所述电池的叠层方向看来大致位于相同的位置上，而且所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路的各自的最下游部以及所述冷却流体流路的最下游部从所述电池的叠层方向看来大致位于相同的位置上，

在以T1表示将所述燃料气体与所述氧化剂气体中的至少任一气体的入口的全部水分的量换算为露点的温度、即入口露点换算温度，T2表示所述冷却流体入口的温度、即冷却流体入口温度，T3表示所述冷却流体出口的温度、即冷却流体出口温度，T3-T2以ΔT表示，而且所述电池组中叠层的所述电池的数目以N表示的情况下，所述控制装置，在所述燃料电池的所述发电区域所述燃料气体与氧化剂气体发生反应进行伴随发热的发电时，对于每一个电池，所述冷却流体流路形成于所述阳极隔离片与所述阴极隔离片中的至少任一方的背面上时，通过所述冷却流体供给装置控制所述冷却流体入口温度，使其同时满足T1≥T2+2℃的第1条件、T3-T2≤15℃的第2条件、以及T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，X为1.0～2.5范围内的数值，Y为0.02～0.027范围内的数值这一第3条件；对于每两个电池，所述冷却流体流路形成于所述阳极隔离片与所述阴极隔离片中的至少任一方的背面上时，通过所述冷却流体供给装置控制所述冷却流体入口温度，使其同时满足所述第1条件、所述第2条件、以及T1≥T2+(X℃+Y℃×(N-1)×ΔT/8℃)，X为2.8～4.2范围内的数值，Y为0.013～0.033范围内的数值这一第4条件。

2.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，具备调整所述燃料气体与所述氧化剂气体中的至少任一气体的所述入口露点换算温度用的露点调整装置。

3.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，

从所述电池的叠层方向看，在所述电池组的一方的一半周边部形成所述燃料气体供给总管、所述氧化剂气体供给总管、以及所述冷却流体供给总管，而且在所述电池组的另一方的一半周边部形成所述燃料气体排出总管、所述氧化剂气体排出总管、以及所述冷却流体排出总管，

对于每一个电池，所述冷却流体流路形成于所述阳极隔离片与所述阴极隔离片中的至少任一方的背面上时，对于所述氧化剂气体供给总管中流过的氧化剂气体的所述条件中，X为1.0～1.5范围内的数值，Y为0.02～0.027范围内的数值，而且对于所述燃料气体供给总管中流过的燃料气体的所述条件中，X为2.0～2.5，Y为0.02～0.023。

4.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，

从所述电池的叠层方向看，在所述电池组的一方的一半周边部形成所述燃料气体供给总管、所述氧化剂气体供给总管、以及所述冷却流体供给总管，而且在所述电池组的另一方的一半周边部形成所述燃料气体排出总管、所述氧化剂气体排出总管、以及所述冷却流体排出总管，

对于每两个电池，所述冷却流体流路形成于所述阳极隔离片与所述阴极隔离片中的至少任一方的背面上时，对于所述燃料气体供给总管和所述氧化剂气体供给总管中的接近所述冷却流体供给总管的总管中流过的气体的所述条件中，X为2.8～3.3范围内的数值，Y为0.013～0.033范围内的数值，而且对于所述燃料气体供给总管和所述氧化剂气体供给总管中的远离所述冷却流体供给总管的总管中流过的气体的所述条件中，X为3.7～4.2范围内的数值，Y为0.013～0.030范围内的数值。

5.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体出口温度，以使T3-T2≤10℃的条件得到满足。

6.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，具备进行提供给所述燃料电池的所述燃料气体、即供给燃料气体与所述燃料电池排出的所述燃料气体、即排出燃料气体的全热交换，和提供给所述燃料电池的所述氧化剂气体、即供给氧化剂气体与所述燃料电池排出的所述氧化剂气体、即排出氧化剂气体的全热交换中的至少任意一种热交换，以调整进行所述全热交换的气体的所述入口露点换算温度的露点调整装置。

7.根据权利要求6所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料气体和所述氧化剂气体的至少任一气体的所述入口露点换算温度、所述冷却流体入口温度、以及所述冷却流体出口温度，在进行所述发电时满足T2≤T1≤T3的条件。

8.根据权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述露点调整装置形成在进行所述发电时满足T3-T1≥1℃的条件的结构。

9.根据权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述露点调整装置形成在进行所述发电时满足T3-T1≥2℃的条件的结构。

10.根据权利要求8所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述露点调整装置形成能够进行所述供给燃料气体与所述排出燃料气体的全热交换和所述供给氧化剂气体与所述排出氧化剂气体的全热交换中的至少任一种全热交换，而且使进行过这种全热交换的气体与从所述燃料电池排出的冷却流体进行全热交换，将与该冷却流体进行过全热交换的气体提供给所述燃料电池的结构。

11.根据权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述露点调整装置形成在进行所述发电时满足T3-T1≥4℃的条件的结构。

12.根据权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述露点调整装置形成能够进行所述供给燃料气体与所述排出燃料气体的全热交换和所述供给氧化剂气体与所述排出氧化剂气体的全热交换中的至少任一种全热交换，而且使进行过这种全热交换的气体与从所述燃料电池排出的冷却流体只进行热交换，将与该冷却流体进行过热交换的气体提供给所述燃料电池的结构。

13.根据权利要求11所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述露点调整装置形成能够进行所述供给燃料气体与所述燃料电池排出的冷却流体的全热交换和所述供给氧化剂气体与所述燃料电池排出的冷却流体的全热交换中的至少任一种全热交换，而且将进行过这种全热交换的气体提供给所述燃料电池的结构。

14.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述冷却流体供给装置具有在所述燃料电池的所述冷却流体路径的两端形成闭流路地连接的冷却流体循环流路、设置于所述冷却流体循环流路中，使所述冷却流体通过所述闭流路循环的冷却流体循环器、以及在所述冷却流体循环流路上，设置于所述冷却流体循环器与所述燃料电池的所述冷却流体的出口之间，使所述冷却流体保持的热量释放出的放热器。

15.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体出口温度，以使T4≥T3的条件得到满足，其中T4表示所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少任一气体在燃料电池出口的全部水分的量换算为露点的温度，即出口露点换算温度。

16.根据权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体入口温度，以使50℃≥T2≥70℃的条件得到满足。

17.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述冷却流体出口温度，以使5℃≤T3-T2的条件得到满足。

18.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时通过所述冷却流体供给装置控制所述冷却流体的流通，以在整个所述发电区域过加湿或充分加湿。

19.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述燃料气体供给装置使在所述燃料气体流路的出口的所述燃料气体的流速为1.8m/s以上4.1m/s以下，提供所述燃料气体。

20.根据权利要求19所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述燃料气体的供应，使所述燃料气体路径的压力损失为2kPa以上10kPa以下。

21.根据权利要求19所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料气体流路由多条流路槽构成，该流路槽的等效直径为0.78mm以上1.30mm以下。

22.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述氧化剂气体供给装置，使在所述氧化剂气体流路的出口的所述氧化剂气体的流速为2.8m/s以上7.7m/s以下，提供所述氧化剂气体。

23.根据权利要求22所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述控制装置在所述发电进行时控制所述氧化剂气体的供应，使所述氧化剂气体路径的压力损失为2kPa以上10kPa以下。

24.根据权利要求22所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述氧化剂气体流路由多条流路槽构成，该流路槽的等效直径为0.78mm以上1.30mm以下。

25.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路、以及所述冷却流体流路分别形成为使得所述燃料气体、所述氧化剂气体、以及所述冷却流体不与重力逆向流动的结构。

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