JP2003017097A - ガス加湿装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池への供給ガスを加湿する加湿装置に
ついて、これを小型に維持しつつ、水蒸気透過膜の表面
における結露を回避して充分な加湿量を確保する。 【解決手段】 燃料電池（10）とガス加湿装置（80）と
によって、燃料電池システムを構成する。ガス加湿装置
（80）のガス加熱器（52）は、燃焼器（51）からの燃焼
ガスによって酸化剤ガス（空気）や燃料ガス（水素）を
加熱する。第１加湿器（40）へは、加熱後の酸化剤ガス
が導入される。第１加湿器（40）では、酸素極排ガス中
の水蒸気が水蒸気透過膜（41）を透過して酸化剤ガスに
付与される。第２加湿器（45）へは、加熱後の燃料ガス
が導入される。第２加湿器（45）では、水素極排ガス中
の水蒸気が水蒸気透過膜（46）を透過して燃料ガスに付
与される。燃料電池（10）へは、第１加湿器（40）で加
湿された酸化剤ガス、及び第２加湿器（45）で加湿され
た燃料ガスが供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に対する
供給ガスを加湿するためのガス加湿装置、及びガス加湿
装置と燃料電池とを備える燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、固体高分子電解質型の燃料電
池が広く知られている。この種の燃料電池では、フッ素
系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子
を分散させて電極を形成することで、単電池が構成され
ている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノー
ド）となり、他方が酸素極（カソード）となる。そし
て、上記燃料電池では、水素極側のガス通路へ水素ある
いは水素を含む燃料ガスが供給され、酸素極側のガス通
路へ酸素あるいは酸素を含む空気が供給される。これら
ガス通路へ導入されたガスは、電解質表面の電極と接触
する。

【０００３】上記固体高分子電解質型の燃料電池では、
電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。これは、電解質
膜の含水量が低下すると、電解質膜のプロトン伝導抵抗
が増大し、発電効率の低下を招くからである。このた
め、燃料電池へ供給するガスを予め加湿して電解質膜の
乾燥を防ぐという対策が、従来より講じられている。

【０００４】例えば、特開平６−１３２０３８号公報に
は、燃料電池に対する供給ガスを、燃料電池からの電池
排ガスによって加湿する加湿装置が開示されている。こ
こで、燃料電池では電池反応によってＨ₂Ｏが生成する
ため、燃料電池から排出される電池排ガス（オフガス）
には、多量の水蒸気が含まれている。そこで、上記加湿
装置は、水蒸気透過膜を利用することで電池排ガス中の
水蒸気を供給ガスへ供給している。つまり、上記加湿装
置では、電池排ガスに含まれる水蒸気が、水蒸気透過膜
を透過して供給ガスに付与される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
加湿装置では、水蒸気透過膜の表面で結露が発生し、結
露で生じた水によって水蒸気の透過が阻害されるため、
充分な加湿量を得られないという問題があった。

【０００６】この問題点について説明する。一般に、固
体高分子型燃料電池の作動温度は８０〜９０℃程度であ
り、電池排ガスの温度も８０℃前後となる。また、燃料
電池での電池反応によりＨ₂Ｏが生成するため、電池排
ガスの相対湿度は１００％近くに達している。一方、上
記公報において、燃料電池に対しては、空気とボンベか
らの水素とを供給ガスとして送っている。従って、燃料
電池への供給ガスは、何れも概ね常温状態となってい
る。

【０００７】上記加湿装置において、水蒸気透過膜は、
その一方の表面が高温で高湿度の電池排ガスと接触し、
他方の表面が常温の供給ガスと接触する。従って、水蒸
気透過膜を挟んで存在する電池排ガスと供給ガスの温度
差が過大となり、高湿度の電池排ガスの温度が急速に低
下するため、水蒸気透過膜における電池排ガス側の表面
で結露が生じてしまう。また、上記加湿装置では、電池
排ガスによって供給ガスが加湿されると同時に加熱され
るが、加湿され且つ加熱された供給ガスが周囲へ放熱す
ると、これによって水蒸気透過膜における供給ガス側の
表面でも結露が生じてしまう。

【０００８】このように、水蒸気透過膜の両面が液体で
ある水によって覆われると、水蒸気透過膜の両側におい
て水蒸気圧差は生じない。このため、水蒸気透過膜を水
蒸気が透過しなくなり、供給ガスに対して充分な量の水
蒸気を供給できなくなってしまう。また、水蒸気の透過
が完全に妨げられないまでも、放熱ロスによって供給ガ
スの温度が上昇しなければ、供給ガスに対して充分な量
の水蒸気を供給できなくなってしまう。

【０００９】この問題点については、次のような対策も
考えられる。つまり、上記の加湿装置において、水蒸気
透過膜を挟んで供給ガスと電池排ガスを対向方向（即
ち、反対方向）へ流し、加湿装置の温度効率が１００％
近くに達するまで水蒸気透過膜の面積を拡大すると共
に、加湿装置を断熱材で覆うという対策も、理論上は取
り得る。この構成を採れば、水蒸気透過膜を挟んで流れ
る供給ガスと電池排ガスの温度差が小さくなり、供給ガ
スの温度が緩やかに上昇する一方で電池排ガスの温度が
緩やかに低下してゆくため、電池排ガスの温度がその露
点温度を下回ることもなくなって結露の発生を回避でき
る。また、供給ガスの温度も高く維持され、供給ガス温
度の低下に起因する結露も回避できる。

【００１０】しかしながら、加湿装置における温度効率
を１００％近くに引き上げるには、広大な面積の水蒸気
透過膜が必要となる。従って、この方策を採った場合に
は、加湿装置が非現実的な程に大型化してしまう。ま
た、加湿装置を覆う断熱材によっても、加湿装置の大型
化を招く。従って、この方策を採るのは、現実的に不可
能である。

【００１１】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、燃料電池への供給ガ
スを加湿する加湿装置を小型に維持しつつ、水蒸気透過
膜の表面における結露を回避して充分な加湿量を確保す
ることにある。また、本発明の他の目的は、このガス加
湿装置を用いた燃料電池システムを提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明が講じた第１の解
決手段は、燃料電池（10）へ供給される供給ガスを該燃
料電池（10）から排出された電池排ガスによって加湿す
るガス加湿装置を対象としている。そして、 上記電池
排ガス中の水蒸気が水蒸気透過膜（41,46）を透過して
上記供給ガスに供給される供給ガス加湿部（40,45）
と、上記供給ガス加湿部（40,45）の供給ガス又は上記
供給ガス加湿部（40,45）へ導入される前の供給ガスを
加熱する加熱手段（50）とを備えるものである。

【００１３】本発明が講じた第２の解決手段は、上記第
１の解決手段において、供給ガス加湿部（40）は、燃料
電池（10）の酸素極側のガス通路（11）から電池排ガス
として排出された酸素極排ガス中の水蒸気を、上記酸素
極側のガス通路（11）へ供給ガスとして送られる酸化剤
ガスに供給するものである。

【００１４】本発明が講じた第３の解決手段は、上記第
１の解決手段において、供給ガス加湿部（45）は、燃料
電池（10）の水素極側のガス通路（12）から電池排ガス
として排出された水素極排ガス中の水蒸気を、上記水素
極側のガス通路（12）へ供給ガスとして送られる燃料ガ
スに供給するものである。

【００１５】本発明が講じた第４の解決手段は、上記第
１の解決手段において、加熱手段（50）は、燃料電池
（10）の水素極側のガス通路（12）から排出された水素
極排ガスを燃焼させて供給ガスを加熱するように構成さ
れるものである。

【００１６】本発明が講じた第５の解決手段は、上記第
３の解決手段において、加熱手段（50）は、供給ガス加
湿部（40）から流出した水素極排ガスを燃焼させて供給
ガスを加熱するように構成されるものである。

【００１７】本発明が講じた第６の解決手段は、上記第
４又は第５の解決手段において、加熱手段（50）は、水
素極排ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部（5
1）と、該燃焼ガスと供給ガスを熱交換させる熱交換部
（52）とを備えるものである。

【００１８】本発明が講じた第７の解決手段は、上記第
２の解決手段において、燃料電池（10）の水素極側のガ
ス通路（12）へ送るための燃料ガスを原料ガスの改質に
より製造する改質装置（30）へ供給される原料ガスに対
し、上記水素極側のガス通路（12）から排出された水素
極排ガス中の水蒸気が水蒸気透過膜（46）を透過して供
給される原料ガス加湿部（45）を備え、加熱手段（50）
は、上記原料ガス加湿部（45）の原料ガス又は該原料ガ
ス加湿部（45）へ導入される前の原料ガスをも加熱する
ように構成されるものである。

【００１９】本発明が講じた第８の解決手段は、燃料電
池システムを対象とし、上記第１から第６までの何れか
１つの解決手段に係るガス加湿装置（80）と、上記ガス
加湿装置（80）により加湿された供給ガスが供給される
燃料電池（10）とを備えるものである。

【００２０】本発明が講じた第９の解決手段は、燃料電
池システムを対象とし、上記第７の解決手段に係るガス
加湿装置（80）と、原料ガスの改質により燃料ガスを製
造する改質装置（30）と、上記ガス加湿装置（80）によ
り加湿された酸化剤ガス及び上記改質装置（30）で製造
された燃料ガスが供給される燃料電池（10）とを備える
ものである。

【００２１】−作用− 上記第１の解決手段では、燃料電池（10）に対する供給
ガスがガス加湿装置（80）によって加湿される。このガ
ス加湿装置（80）では、供給ガスと電池排ガスとが供給
ガス加湿部（40,45）へ導入される。この電池排ガスに
は、燃料電池（10）での電池反応により生成したＨ₂Ｏ
が、水蒸気の状態で含まれている。そして、供給ガス加
湿部（40,45）では、電池排ガスに含まれる水蒸気が、
水蒸気透過膜（41,46）を透過して供給ガスへ付与され
る。

【００２２】その際、ガス加湿装置（80）の加熱手段
（50）は、供給ガス加湿部（40,45）へ導入される前の
供給ガス、あるいは供給ガス加湿部（40,45）において
水蒸気を付与されつつある供給ガスを加熱する。つま
り、加熱手段（50）の加熱によって、供給ガス加湿部
（40,45）の内部の供給ガスは、供給ガス加湿部（40,4
5）へ流入する前に加熱され、あるいは供給ガス加湿部
（40,45）へ流入した後に加熱される。従って、供給ガ
ス加湿部（40,45）における供給ガスと電池排ガスとの
温度差が小さくなり、供給ガスにより冷やされて電池排
ガスの温度が急激に低下することはない。

【００２３】尚、本解決手段において、供給ガスは、燃
料電池（10）の酸素極側のガス通路（11）へ供給される
酸化剤ガスであってもよく、その水素極側のガス通路
（12）へ供給される燃料ガスであってもよい。また、ガ
ス加湿装置（80）には、酸化剤ガスを加湿する供給ガス
加湿部（40）と、燃料ガスを加湿する供給ガス加湿部
（45）との両方を設けてもよい。

【００２４】更に、本解決手段において、電池排ガス
は、燃料電池（10）の酸素極側のガス通路（11）から排
出される酸素極排ガスであってもよく、その水素極側の
ガス通路（12）から排出される水素極排ガスであっても
よい。また、ガス加湿装置（80）には、酸素極排ガスを
利用して供給ガスを加湿する供給ガス加湿部（40）と、
水素極排ガスを利用して供給ガス加湿する供給ガス加湿
部（45）との両方を設けてもよい。

【００２５】上記第２の解決手段では、供給ガス加湿部
（40）において、燃料電池（10）の酸素極側のガス通路
（11）へ供給される酸化剤ガスの加湿が、酸素極排ガス
中の水蒸気を利用して行われる。つまり、燃料電池（1
0）から排出された酸素極排ガスに含まれる水蒸気は、
供給ガス加湿部（40）の水蒸気透過膜（41）を透過して
酸化剤ガスに付与され、この酸化剤ガスの一成分として
燃料電池（10）へ送り返される。

【００２６】上記第３の解決手段では、供給ガス加湿部
（45）において、燃料電池（10）の水素極側のガス通路
（12）へ供給される燃料ガスの加湿が、水素極排ガス中
の水蒸気を利用して行われる。つまり、燃料電池（10）
から排出された水素極排ガスに含まれる水蒸気は、供給
ガス加湿部（45）の水蒸気透過膜（46）を透過して燃料
ガスに付与され、この燃料ガスの一成分として燃料電池
（10）へ送り返される。

【００２７】上記第４の解決手段では、加熱手段（50）
が水素極排ガスの燃焼熱を利用して供給ガスの加熱を行
う。ここで、現実的には燃料電池（10）の燃料利用率が
１００％に達することは有り得ず、水素極排ガスには未
利用の水素が残存している。そこで、加熱手段（50）
は、水素極排ガス中に残存する水素を燃焼させ、得られ
た燃焼熱を供給ガスに付与する。

【００２８】上記第５の解決手段では、加熱手段（50）
が水素極排ガスの燃焼熱を利用して供給ガスの加熱を行
う。その際、加熱手段（50）は、供給ガス加湿部（45）
から流出した水素極排ガスを燃焼させる。上述のよう
に、燃料電池（10）の水素極側のガス通路（12）から出
た直後の水素極排ガスには、水蒸気と水素とが含まれて
いる。この水素極排ガスは、供給ガス加湿部（45）にお
いて水蒸気を奪われた後に加熱手段（50）へ送られる。
そして、加熱手段（50）は、送り込まれた水素極排ガス
中の水素を燃焼させ、得られた燃焼熱を供給ガスに付与
する。

【００２９】上記第６の解決手段では、燃焼部（51）と
熱交換部（52）とが加熱手段（50）に設けられる。燃焼
部（51）には、水素極排ガスが導入される。燃焼部（5
1）では、水素を含んだ水素極排ガスを燃焼させること
で、高温の燃焼ガスが生成する。燃焼部（51）で生成し
た燃焼ガスは、熱交換部（52）へ送られる。熱交換部
（52）では、供給ガスを高温の燃焼ガスと熱交換させ
る。この熱交換により、燃焼ガスから供給ガスへ燃焼熱
が付与される。

【００３０】上記第７の解決手段では、ガス加湿装置
（80）に原料ガス加湿部（45）が設けられる。ここで、
燃料電池（10）の水素極側のガス通路（12）へ供給され
る燃料ガスは、改質装置（30）において原料ガスを改質
することにより製造される場合がある。このような場合
において、原料ガス加湿部（45）は、水素極排ガス中の
水蒸気を利用して原料ガスの加湿行う。つまり、原料ガ
ス加湿部（45）では、水素極排ガスに含まれる水蒸気
が、水蒸気透過膜（46）を透過して原料ガスへ付与され
る。原料ガスに付与された水蒸気は、原料ガスの一成分
として改質装置（30）へ送られ、原料ガスの改質に利用
される。

【００３１】その際、ガス加湿装置（80）の加熱手段
（50）は、原料ガス加湿部（45）へ導入される前の原料
ガス、あるいは原料ガス加湿部（45）において水蒸気を
付与されつつある原料ガスを加熱する。つまり、加熱手
段（50）の加熱によって、原料ガス加湿部（45）の内部
の原料ガスは、原料ガス加湿部（45）へ流入する前に加
熱され、あるいは原料ガス加湿部（45）へ流入した後に
加熱される。従って、原料ガス加湿部（45）における原
料ガスと電池排ガスとの温度差が小さくなり、原料ガス
により冷やされて電池排ガスの温度が急激に低下するこ
とはない。尚、本解決手段に係る加熱手段（50）では、
原料ガスの加熱と酸化剤ガスの加熱とが同時に並行して
行われる。

【００３２】上記第８の解決手段では、ガス加湿装置
（80）と燃料電池（10）とを備えた燃料電池システムが
構成される。そして、燃料電池（10）へは、ガス加湿装
置（80）によって加湿された供給ガスが送り込まれる。
燃料電池（10）は、酸素極側のガス通路（11）へ導入さ
れた酸化剤ガスと、水素極側のガス通路（12）へ導入さ
れた燃料ガスとを利用して発電を行う。また、燃料電池
（10）から排出された電池排ガスは、ガス加湿装置（8
0）の供給ガス加湿部（40,45）で供給ガスを加湿するた
めに利用される。

【００３３】上記第９の解決手段では、ガス加湿装置
（80）と改質装置（30）と燃料電池（10）とを備えた燃
料電池システムが構成される。改質装置（30）へは、ガ
ス加湿装置（80）の原料ガス加湿部（45）で加湿された
原料ガスが導入される。改質装置（30）では、原料ガス
を改質することによって燃料ガスが製造される。この燃
料ガスは、燃料電池（10）の水素極側のガス通路（12）
へ導入される。一方、燃料電池（10）の酸素極側のガス
通路（11）へは、ガス加湿装置（80）の供給ガス加湿部
（40）で加湿された酸化剤ガスが導入される。

【００３４】そして、燃料電池（10）は、酸素極側のガ
ス通路（11）へ導入された酸化剤ガスと、水素極側のガ
ス通路（12）へ導入された燃料ガスとを利用して発電を
行う。また、燃料電池（10）から排出された電池排ガス
は、ガス加湿装置（80）において、供給ガス加湿部（4
0）での供給ガスの加湿や、原料ガス加湿部（45）での
原料ガスの加湿に利用される。

【００３５】

【発明の効果】本発明では、燃料電池（10）に対する供
給ガスを加熱手段（50）によって加熱し、供給ガス加湿
部（40,45）における供給ガスと電池排ガスの温度差を
縮小している。このため、供給ガス加湿部（40,45）で
は、高湿度の電池排ガスが供給ガスによって過度に冷や
されることはなく、電池排ガスが冷却されて結露が発生
することもない。また、供給ガス加湿部（40,45）へ加
熱後の供給ガスを導入しているため、放熱によって加湿
後の供給ガス温度が露点温度を下回ることもなくなり、
供給ガスの温度低下に起因する結露も回避できる。従っ
て、本発明によれば、供給ガス加湿部（40,45）におい
て、結露により生じた水（液体）で水蒸気透過膜（41,4
6）の両側の表面が覆われるのを防止でき、水蒸気透過
膜（41,46）を透過する水蒸気の量が確保されて供給ガ
スの加湿を充分に行うことができる。

【００３６】また、本発明では、加熱手段（50）で供給
ガスを加熱することにより、水蒸気透過膜（41,46）の
表面における結露を防止している。このため、結露の防
止策として、水蒸気透過膜（41,46）の面積を拡大し、
供給ガス加湿部（40,45）の温度効率を引き上げるとい
う対策を講じる必要はない。従って、本発明によれば、
供給ガス加湿部（40,45）の大型化を回避しつつ、水蒸
気透過膜（41,46）の表面における結露を回避できる。

【００３７】更に、本発明によれば、加熱手段（50）で
供給ガスを加熱しているため、加熱により飽和蒸気圧の
高まった供給ガスを供給ガス加湿部（40,45）へ導入す
ることができる。従って、本発明によれば、供給ガスへ
付与し得る水蒸気の量を増大させることができ、この点
でも供給ガスの加湿を充分に行うことができる。

【００３８】上記第４，第５，第６の解決手段によれ
ば、燃料電池（10）で利用されずに排出された水素極排
ガス中の水素を利用して、供給ガスの加熱を行うことが
できる。従って、これら解決手段によれば、ガス加湿装
置（80）の加熱手段（50）で供給ガスを加熱するため
に、天然ガス等の燃料を別途供給する必要がなくなる。

【００３９】特に、上記第５の解決手段では、供給ガス
加湿部で水蒸気を奪われた水素極排ガスが加熱手段（5
0）へ送られる。このため、加熱手段（50）で燃焼させ
る水素極排ガス中の水蒸気量を削減でき、水素極排ガス
の燃焼温度を上昇させて供給ガスの加熱を充分に行うこ
とができる。

【００４０】上記第７の解決手段によれば、改質装置
（30）で燃料ガスを製造する場合において、改質装置
（30）へ供給される原料ガスの加湿を、水素極排ガス中
の水蒸気を利用して行うことができる。その際、原料ガ
ス加湿部（45）では、水蒸気透過膜を透過した水蒸気が
原料ガスに供給される。つまり、原料ガス加湿部（45）
では、原料ガスの改質に必要なＨ₂Ｏが、水素極排ガス
から原料ガスへ水蒸気の状態で付与される。

【００４１】ここで、従来は、原料ガスの改質に必要な
水蒸気を得るために、液体である水を加熱して蒸発させ
ていた。このため、原料ガスを改質する改質装置（30）
へは、Ｈ₂Ｏの蒸発潜熱に相当する熱を供給する必要が
あった。これに対し、本解決手段によれば、もともと水
蒸気の状態で水素極排ガスに含まれているＨ₂Ｏを、水
蒸気の状態のままで原料ガスへ付与できる。従って、本
解決手段によれば、Ｈ ₂Ｏの蒸発潜熱分だけ改質装置（3
0）へ供給する熱量を削減でき、改質装置（30）での燃
料ガスの製造に要するエネルギを削減できる。

【００４２】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００４３】図１に示すように、本実施形態１に係る燃
料電池システムは、燃料電池（10）とガス加湿装置（8
0）を備えている。このガス加湿装置（80）は、第１加
湿器（40）、第２加湿器（45）、燃焼器（51）、及びガ
ス加熱器（52）を備えている。このうち、燃焼器（51）
とガス加熱器（52）とが、加熱手段（50）を構成してい
る。

【００４４】上記燃料電池（10）は、固体高分子電解質
型に構成されている。この燃料電池（10）では、フッ素
系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子
を分散させて電極を形成することで、単電池が構成され
ている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノー
ド）となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃
料電池（10）は、バイポーラ板を介して単電池が積層さ
れたスタック（集合電池）を構成している。尚、上述し
た燃料電池（10）の構造についは、図１において図示を
省略する。

【００４５】上記燃料電池（10）では、バイポーラ板と
電解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路（11）が
形成され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって
水素極側ガス通路（12）が形成されている。酸素極側ガ
ス通路（11）には、その入口側に空気供給管（20）が接
続され、その出口側に酸素極排気管（24）が接続されて
いる。一方、水素極側ガス通路（12）には、その入口側
に燃料ガス供給管（28）が配管接続され、その出口側に
水素極排気管（25）が接続されている。

【００４６】また、燃料電池（10）には、冷却水回路
（60）が接続されている。燃料電池（10）は、この冷却
水回路（60）を循環する冷却水によって冷却され、所定
の作動温度に保たれる。

【００４７】上記空気供給管（20）は、その始端が屋外
に開口し、その終端が燃料電池（10）の酸素極側ガス通
路（11）に接続されている。空気供給管（20）には、そ
の始端から終端に向かって順に、ブロワ（23）と、ガス
加熱器（52）と、第１加湿器（40）とが設けられてい
る。

【００４８】上記第１加湿器（40）は、供給ガス加湿部
を構成している。第１加湿器（40）には、水蒸気透過膜
（41）が設けられている。この水蒸気透過膜（41）は、
水蒸気が透過可能な膜であって、例えばポリビニルアル
コール膜や、アルグン酸膜等の親水性の膜により構成さ
れている。尚、この水蒸気透過膜（41）としては、スル
ホン酸基を持つポリマー膜、例えばパーフルオロスルホ
ン酸ポリマー膜を用いてもよい。

【００４９】上記第１加湿器（40）には、第１被加湿側
通路（42）と第１排ガス通路（43）とが区画形成されて
いる。第１被加湿側通路（42）と第１排ガス通路（43）
は、上記水蒸気透過膜（41）によって仕切られている。
第１被加湿側通路（42）には、空気供給管（20）が接続
されており、酸化剤ガスとしての空気が導入される。第
１排ガス通路（43）には、酸素極排気管（24）が接続さ
れており、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）か
ら電池排ガスとして排出された酸素極排ガスが導入され
る。

【００５０】上記燃料ガス供給管（28）は、その始端が
図外の水素ボンベに接続されている。燃料ガス供給管
（28）には、その始端から終端に向かって順に、ガス加
熱器（52）と第２加湿器（45）とが設けられている。燃
料ガス供給管（28）では、水素ボンベから流出した水素
（Ｈ₂）が燃料ガスとして流通する。

【００５１】上記第２加湿器（45）は、供給ガス加湿部
を構成している。第２加湿器（45）は、水蒸気透過膜
（46）を備えている。この水蒸気透過膜（46）は、水蒸
気が透過可能な膜であって、例えばポリビニルアルコー
ル膜や、アルグン酸膜等の親水性の膜により構成されて
いる。尚、この水蒸気透過膜（46）としては、スルホン
酸基を持つポリマー膜、例えばパーフルオロスルホン酸
ポリマー膜を用いてもよい。

【００５２】上記第２加湿器（45）には、第２被加湿側
通路（47）と第２排ガス通路（48）とが区画形成されて
いる。第２被加湿側通路（47）と第２排ガス通路（48）
は、上記水蒸気透過膜（46）によって仕切られている。
第２被加湿側通路（47）には、燃料ガス供給管（28）が
接続されており、燃料ガス（Ｈ₂）が導入される。第２
排ガス通路（48）には、水素極排気管（25）が接続され
ており、燃料電池（10）の水素極側ガス通路（12）から
電池排ガスとして排出された水素極排ガスが導入され
る。

【００５３】上記燃焼器（51）は、燃焼部を構成してい
る。この燃焼器（51）には、酸素極排気管（24）の終端
と、水素極排気管（25）の終端とが接続されている。そ
して、燃焼器（51）は、酸素極排ガス中に残存する酸素
（Ｏ₂）を利用して、水素極排ガス中に残存する水素
（Ｈ₂）を燃焼させるように構成されている。

【００５４】また、燃焼器（51）には、燃焼ガス管（2
6）の始端が接続されている。燃焼ガス管（26）は、そ
の終端が屋外に開口する共に、その途中にガス加熱器
（52）が設けられている。水素極排ガスの燃焼によって
生成した高温の燃焼ガスは、この燃焼ガス管（26）を流
れて屋外へ排出される。

【００５５】上記ガス加熱器（52）は、熱交換部を構成
している。このガス加熱器（52）には、空気流路（53）
と、燃料ガス流路（58）と、燃焼ガス流路（55）とが区
画形成されている。ガス加熱器（52）は、その空気流路
（53）が空気供給管（20）に接続され、その燃料ガス流
路（58）が燃料ガス供給管（28）に接続され、その燃焼
ガス流路（55）が燃焼ガス管（26）に接続されている。
このガス加熱器（52）は、燃焼ガス流路（55）の燃焼ガ
スと空気流路（53）の空気とを熱交換させて酸化剤ガス
としての空気を加熱すると同時に、燃焼ガス流路（55）
の燃焼ガスと燃料ガス流路（58）の燃料ガスとを熱交換
させて燃料ガスを加熱するように構成されている。

【００５６】−運転動作− 上記燃料電池システムの運転動作を説明する。

【００５７】ブロワ（23）を運転すると、空気供給管
（20）に空気が取り込まれる。この空気は、酸化剤ガス
としてガス加熱器（52）の空気流路（53）へ導入され
る。この酸化剤ガス（空気）は、空気流路（53）を流れ
る間に燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスから吸熱する。

【００５８】ガス加熱器（52）において加熱された酸化
剤ガス（空気）は、続いて第１加湿器（40）の第１被加
湿側通路（42）へ流入する。一方、第１加湿器（40）の
第１排ガス通路（43）には、酸素極排ガスが導入されて
いる。そして、第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガス
（空気）には、水蒸気透過膜（41）を透過した酸素極排
ガス中の水蒸気が供給される。つまり、この第１加湿器
（40）では、燃料電池（10）から排出された水蒸気が酸
化剤ガス（空気）に回収される。

【００５９】その際、第１被加湿側通路（42）へは、ガ
ス加熱器（52）で予め加熱された酸化剤ガス（空気）が
流入する。従って、この第１加湿器（40）において、第
１排ガス通路（43）の酸素極排ガスが冷却されて水蒸気
透過膜（41）の表面で結露が生じることはない。また、
放熱によって第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガスの温
度が露点温度よりも低くなることはなく、第１被加湿側
通路（42）の側においても水蒸気透過膜（41）の表面で
結露が生じることはない。

【００６０】第１加湿器（40）において加湿された酸化
剤ガス（空気）は、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）へ導入される。このように、本実施形態１では、
酸素極側ガス通路（11）へ導入される酸化剤ガス（空
気）を第１加湿器（40）で加湿しておくことで、燃料電
池（10）における電解質膜の乾燥を防止している。

【００６１】図外の水素ボンベから流出した水素は、燃
料ガスとして燃料ガス供給管（28）を流れる。この燃料
ガス（水素）は、ガス加熱器（52）の燃料ガス流路（5
8）へ導入される。この燃料ガス（水素）は、燃料ガス
流路（58）を流れる間に燃焼ガス流路（55）の燃焼ガス
から吸熱する。

【００６２】ガス加熱器（52）において加熱された燃料
ガス（水素）は、続いて第２加湿器（45）の第２被加湿
側通路（47）へ流入する。一方、第２加湿器（45）の第
２排ガス通路（48）には、水素極排ガスが導入されてい
る。そして、第２被加湿側通路（47）の燃料ガス（水
素）には、水蒸気透過膜（46）を透過した水素極排ガス
中の水蒸気が供給される。

【００６３】その際、第２被加湿側通路（47）へは、ガ
ス加熱器（52）で予め加熱された燃料ガス（水素）が流
入する。従って、第２排ガス通路（48）の水素極排ガス
が冷却されて、水蒸気透過膜（46）の表面で結露が生じ
ることはない。また、放熱によって第２被加湿側通路
（47）の燃料ガスの温度が露点温度よりも低くなること
はなく、第２被加湿側通路（47）の側においても水蒸気
透過膜（46）の表面で結露が生じることはない。

【００６４】第２加湿器（45）において加湿された燃料
ガス（水素）は、燃料電池（10）の水素極側ガス通路
（12）へ導入される。このように、本実施形態１では、
水素極側ガス通路（12）へ導入される燃料ガス（水素）
を第２加湿器（45）で加湿しておくことで、燃料電池
（10）における電解質膜の乾燥を防止している。

【００６５】上述のように、燃料電池（10）には、水素
極側ガス通路（12）へ燃料ガス（水素）が供給され、酸
素極側ガス通路（11）へ酸化剤ガス（空気）が供給され
る。燃料電池（10）は、燃料ガスである水素を燃料と
し、酸化剤ガス（空気）中の酸素を酸化剤として発電を
行う。具体的に、燃料電池（10）では、水素極及び酸素
極の電極表面において下記の電池反応が行われる。 水素極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- 酸素極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ この電池反応により、燃料ガスである水素の燃焼反応の
化学エネルギが電気エネルギに変換される。

【００６６】燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）
からは、電池排ガスとして酸素極排ガスが排出される。
この酸素極排ガスには、電池反応に使われなかった余剰
酸素が含まれている。また、酸素極排ガス中には、電池
反応によって生じたＨ₂Ｏが水蒸気の状態で存在してい
る。この酸素極排ガスは、酸素極排気管（24）を通じて
第１加湿器（40）の第１排ガス通路（43）へ導入され
る。上述のように、酸素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気
透過膜（41）を透過して第１被加湿側通路（42）の酸化
剤ガス（空気）へ供給される。第１加湿器（40）におい
て水蒸気を奪われた酸素極排ガスは、燃焼器（51）へ送
り込まれる。

【００６７】一方、燃料電池（10）の水素極側ガス通路
（12）からは、電池排ガスとして水素極排ガスが排出さ
れる。この水素極排ガスには、電池反応に使われなかっ
た水素が残存している。また、水素極排ガス中には、電
池反応によって生じたＨ₂Ｏが水蒸気の状態で存在して
いる。この水素極排ガスは、水素極排気管（25）を通じ
て第２加湿器（45）の第２排ガス通路（48）へ導入され
る。上述のように、水素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気
透過膜（46）を透過して第２被加湿側通路（47）の燃料
ガス（水素）へ供給される。第２加湿器（45）において
水蒸気を奪われた水素極排ガスは、燃焼器（51）へ送り
込まれる。

【００６８】燃焼器（51）は、酸素極排ガス中の酸素を
利用して、水素極排ガス中の水素を燃焼させる。この水
素極排ガスの燃焼によって、高温の燃焼ガスが生成す
る。この燃焼ガスは、燃焼ガス管（26）を流れてガス加
熱器（52）の燃焼ガス流路（55）へ導入される。ガス加
熱器（52）では、燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスが、空
気流路（53）の酸化剤ガス（空気）及び燃料ガス流路
（58）の燃料ガス（水素）に対して放熱する。その後、
燃焼ガスは、燃焼ガス流路（55）から出て屋外へ排気さ
れる。

【００６９】−実施形態１の効果− 本実施形態１では、燃焼器（51）やガス加熱器（52）で
構成される加熱手段（50）を設け、水素ボンベから流出
したほぼ常温の燃料ガス（水素）を予め加熱し、加熱後
の燃料ガスを第２加湿器（45）の第２被加湿側通路（4
7）へ導入している。このため、相対湿度がほぼ１００
％の水素極排ガスを第２排ガス通路（48）へ導入する第
２加湿器（45）においても、燃料ガス（水素）によって
冷やされて水素極排ガスの温度がその露点温度を下回る
ことはない。また、加熱後の燃料ガスを第２加湿器（4
5）へ供給しているため、放熱によって第２被加湿側通
路（47）内の燃料ガスの温度がその露点温度を下回るこ
とはない。

【００７０】同様に、本実施形態１では、ほぼ常温の酸
化剤ガス（空気）をガス加熱器（52）で予め加熱し、加
熱後の酸化剤ガス（空気）を第１加湿器（40）の第１被
加湿側通路（42）へ送り込んでいる。このため、相対湿
度がほぼ１００％の酸素極排ガスを第１排ガス通路（4
3）へ導入する第１加湿器（40）においても、酸化剤ガ
ス（空気）によって冷やされて酸素極排ガスの温度がそ
の露点温度を下回ることはない。また、加熱後の酸化剤
ガスを第１加湿器（40）へ供給しているため、放熱によ
って第１被加湿側通路（42）内の酸化剤ガスの温度がそ
の露点温度を下回ることはない。

【００７１】従って、本実施形態１によれば、第２加湿
器（45）や第１加湿器（40）において、結露により生じ
た水（液体）で水蒸気透過膜（41,46）の両側の表面が
覆われるのを防止できる。この結果、水蒸気透過膜（4
1,46）を透過する水蒸気量を充分に確保でき、第２加湿
器（45）における燃料ガス（水素）の加湿や、第１加湿
器（40）における酸化剤ガス（空気）を確実に行うこと
ができる。

【００７２】また、本実施形態１では、水素極排ガス中
の水素を燃焼器（51）で燃焼させ、得られた燃焼ガスを
用いて燃料ガス（水素）や酸化剤ガス（空気）の加熱を
行っている。つまり、燃料電池（10）で利用されずに排
出された水素極排ガス中の水素を利用して、燃料ガス
（水素）や酸化剤ガス（空気）を加熱している。従っ
て、本実施形態１によれば、水素ボンベから燃料電池
（10）へ燃料ガスとして供給された水素を、余すことな
く全て利用することが可能となる。また、天然ガス等の
燃料を別途供給しなくても、燃料ガス（水素）や酸化剤
ガス（空気）を加熱することができる。

【００７３】更に、本実施形態１において、水素極排ガ
スや酸素極排ガスは、第２加湿器（45）や第１加湿器
（40）で水蒸気を奪われた後に、燃焼器（51）へ送り込
まれる。従って、燃焼器（51）での燃焼反応に供される
水素極排ガスや酸素極排ガス中の水蒸気量を削減でき、
燃焼器（51）における燃焼温度を上昇させることができ
る。このため、燃焼器（51）で得られる燃焼ガスの温度
を高めることができ、ガス加熱器（52）における燃料ガ
ス（水素）や酸化剤ガス（空気）の加熱を充分に行うこ
とができる。

【００７４】

【発明の実施の形態２】本発明の実施形態２は、上記実
施形態１の水素ボンベに代えて、改質装置（30）を燃料
ガス供給管（28）に接続したものである。つまり、本実
施形態２の燃料電池システムは、燃料電池（10）と、ガ
ス加湿装置（80）と、改質装置（30）とを備えている。
また、本実施形態２の燃料電池システムは、水循環路
（65）を備えており、いわゆるコジェネレーションシス
テムを構成している。ここでは、本実施形態２につい
て、上記実施形態１と異なる点を説明する。

【００７５】図２に示すように、本実施形態２の空気供
給管（20）には、第１分岐管（21）と第２分岐管（22）
とが設けられている。第１分岐管（21）は、その始端が
ブロワ（23）とガス加熱器（52）の間に接続されてい
る。一方、第２分岐管（22）は、その始端がガス加熱器
（52）と第１加湿器（40）の間に接続されている。

【００７６】上記改質装置（30）は、原料ガスとして供
給された天然ガスから水素主体の燃料ガスを製造するよ
うに構成されている。この改質装置（30）には、ガスの
流れに沿って順に、脱硫器（31）と、本体部（32）とが
設けられている。また、改質装置（30）における脱硫器
（31）と本体部（32）の間には、空気供給管（20）の第
１分岐管（21）と水蒸気供給管（29）とが接続されてい
る。

【００７７】上記脱硫器（31）は、原料ガスとして供給
された天然ガスから、硫黄分を吸着除去するように構成
されている。

【００７８】上記本体部（32）には、ガスの流れに沿っ
て順に、改質器（33）と、変成器（34）と、ＣＯ除去器
（35）とが設けられている。また、本体部（32）におけ
る変成器（34）とＣＯ除去器（35）の間には、空気供給
管（20）の第２分岐管（22）が接続されている。

【００７９】上記改質器（33）は、部分酸化反応に対し
て活性を呈する触媒と、水蒸気改質反応に対して活性を
呈する触媒とを備えている。改質器（33）では、部分酸
化反応及び水蒸気改質反応によって、メタン（ＣＨ₄）
を主成分とする天然ガス（即ち、原料ガス）から水素を
生成させる。その際、改質器（33）は、発熱反応である
部分酸化反応の反応熱を、吸熱反応である水蒸気改質反
応の反応熱として利用する。

【００８０】上記変成器（34）は、シフト反応（一酸化
炭素変成反応）に活性を呈する触媒を備えている。変成
器（34）では、シフト反応によって、ガス中の一酸化炭
素が削減されると同時に水素が増加する。

【００８１】上記ＣＯ除去器（35）は、ＣＯ選択酸化反
応に活性を呈する触媒を備えている。ＣＯ除去器（35）
では、ＣＯ選択酸化反応によって、ガス中のＣＯが更に
削減される。そして、このＣＯ除去器（35）が、燃料ガ
ス供給管（28）を介して燃料電池（10）に接続されてい
る。ＣＯ除去器（35）から出た水素主体のガスは、燃料
ガス供給管（28）を流れ、燃料ガスとして燃料電池（1
0）の水素極側ガス通路（12）へ供給される。

【００８２】本実施形態２のガス加熱器（52）には、空
気流路（53）及び燃焼ガス流路（55）だけが区画形成さ
れている。つまり、このガス加熱器（52）において、上
記実施形態１のものとは異なり、原料ガス流路（54）は
形成されていない。そして、このガス加熱器（52）は、
燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスと空気流路（53）の空気
とを熱交換させて、酸化剤ガスとしての空気を加熱する
ように構成されている。

【００８３】本実施形態２において、冷却水回路（60）
には、冷却水ポンプ（61）と第１熱交換器（71）とが接
続されている。冷却水回路（60）で冷却水を循環させる
ことによって、燃料電池（10）が所定の作動温度に保た
れる。

【００８４】上記水循環路（65）は、熱媒水が充填され
た閉回路である。この水循環路（65）には、熱媒水の循
環方向において、循環ポンプ（66）と、第１熱交換器
（71）と、第２熱交換器（74）と、貯湯タンク（67）と
が順に設けられている。水循環路（65）を循環する熱媒
水は、第１熱交換器（71）及び第２熱交換器（74）で加
熱され、温水となって貯湯タンク（67）に蓄えられる。
そして、貯湯タンク（67）の温水は、必要に応じて給湯
に供される。

【００８５】上記第１熱交換器（71）には、冷却水流路
（72）と水流路（73）とが区画形成されている。第１熱
交換器（71）は、その冷却水流路（72）が冷却水回路
（60）に接続され、その水流路（73）が水循環路（65）
に接続されている。この第１熱交換器（71）は、冷却水
流路（72）の冷却水と水流路（73）の熱媒水とを熱交換
させるように構成されている。

【００８６】上記第２熱交換器（74）には、燃焼ガス流
路（75）と水流路（76）とが区画形成されている。第２
熱交換器（74）は、その燃焼ガス流路（75）が燃焼ガス
管（26）における燃焼器（51）とガス加熱器（52）の間
に接続され、その水流路（76）が水循環路（65）に接続
されている。この第２熱交換器（74）は、燃焼ガス流路
（75）の燃焼ガスと水流路（76）の熱媒水とを熱交換さ
せるように構成されている。

【００８７】−運転動作−本実施形態２の燃料電池シス
テムの運転動作を説明する。

【００８８】ブロワ（23）を運転すると、空気供給管
（20）に空気が取り込まれる。この空気は、その一部が
第１分岐管（21）を通じて改質装置（30）へ送られ、残
りが酸化剤ガスとしてガス加熱器（52）の空気流路（5
3）へ導入される。ガス加熱器（52）へ流入した酸化剤
ガス（空気）は、空気流路（53）を流れる間に燃焼ガス
流路（55）の燃焼ガスから吸熱する。

【００８９】ガス加熱器（52）で加熱された酸化剤ガス
（空気）は、その一部が第２分岐管（22）を通じて改質
装置（30）へ送られ、残りが第１加湿器（40）の第１被
加湿側通路（42）へ導入される。この第１加湿器（40）
では、第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガス（空気）に
対し、酸素極排ガス中の水蒸気が付与される。この第１
加湿器（40）の動作は、上記実施形態１と同様である。

【００９０】第１加湿器（40）において加湿された酸化
剤ガス（空気）は、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）へ導入される。このように、酸素極側ガス通路
（11）へ導入される酸化剤ガス（空気）を第１加湿器
（40）で加湿しておくことで、燃料電池（10）における
電解質膜の乾燥を防止している。

【００９１】改質装置（30）へは、原料ガスとしてメタ
ンを主成分とする天然ガスが供給される。この原料ガス
は、先ず脱硫器（31）へ導入される。脱硫器（31）で
は、原料ガスに含まれる硫黄分が除去される。脱硫器
（31）から出た原料ガスには、第１分岐管（21）からの
空気と、水蒸気供給管（29）からの水蒸気が混入され
る。

【００９２】その後、原料ガスは、改質器（33）へ導入
される。つまり、改質器（33）に対しては、天然ガス、
空気、及び水蒸気の混合物である原料ガスが供給され
る。改質器（33）では、メタン（ＣＨ₄）の部分酸化反
応と水蒸気改質反応とが行われ、水素（Ｈ₂）と一酸化
炭素（ＣＯ）が生成する。改質器（33）における部分酸
化反応及び水蒸気改質反応の反応式は、次に示す通りで
ある。 ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂ … 部分酸化反応 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ … 水蒸気改質反応

【００９３】改質器（33）から流出した反応後のガス
は、変成器（34）へ送られる。変成器（34）へ導入され
るガスには、改質器（33）で生成した水素と一酸化炭素
が含まれている。また、このガスには、第２加湿器（4
5）において供給されたものの水蒸気改質反応に用いら
れなかった水蒸気が残存している。変成器（34）では、
シフト反応が行われ、一酸化炭素が減少すると同時に水
素が増加する。シフト反応の反応式は、次の通りであ
る。 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ … シフト反応

【００９４】変成器（34）から出たガスは、第２分岐管
（22）からの空気と混合された後にＣＯ除去器（35）へ
導入される。ここで、変成器（34）からＣＯ除去器（3
5）へ送られるガスは、水素が主成分となっているもの
の、未だに一酸化炭素を含んでいる。この一酸化炭素
は、水素極の触媒毒となる。そこで、ＣＯ除去器（35）
は、ＣＯ選択酸化反応によってガス中の一酸化炭素を更
に削減する。ＣＯ選択酸化反応の反応式は、次の通りで
ある。 ＣＯ＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ₂ … ＣＯ選択酸化反応 そして、ＣＯ除去器（35）で一酸化炭素を削減されたガ
スは、燃料ガスとして燃料ガス供給管（28）へ送り出さ
れる。

【００９５】燃料ガス供給管（28）へ送出された燃料ガ
スは、第２加湿器（45）の第２被加湿側通路（47）へ流
入する。この第２加湿器（45）では、第２被加湿側通路
（47）の燃料ガスに対し、水素極排ガス中の水蒸気が付
与される。この第２加湿器（45）の動作は、上記実施形
態１と同様である。そして、第２加湿器（45）で加湿さ
れた燃料ガスが、燃料電池（10）の水素極側ガス通路
（12）へ供給される。

【００９６】上述のように、燃料電池（10）に対して
は、改質装置（30）で製造されて第２加湿器（45）で加
湿された燃料ガスが水素極側ガス通路（12）へ供給さ
れ、第１加湿器（40）酸化剤ガス（空気）が酸素極側ガ
ス通路（11）へ供給される。従って、燃料電池（10）に
おける電解質膜の乾燥が回避される。そして、この燃料
電池（10）は、上記実施形態１と同様に動作して発電を
行う。

【００９７】燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）
から排出された酸素極排ガスは、酸素極排気管（24）を
流れ、第１加湿器（40）で水蒸気を奪われた後に燃焼器
（51）へ送り込まれる。また、燃料電池（10）の水素極
側ガス通路（12）から排出された水素極排ガスは、水素
極排気管（25）を流れ、第２加湿器（45）で水蒸気を奪
われた後に燃焼器（51）へ送り込まれる。そして、燃焼
器（51）は、酸素極排ガス中の酸素を利用して、水素極
排ガス中の水素を燃焼させる。これらの動作は、上記実
施形態１と同様である。

【００９８】水素極排ガスの燃焼により生成した高温の
燃焼ガスは、燃焼器（51）から燃焼ガス管（26）へ流出
する。この燃焼ガスは、燃焼ガス管（26）を流れて第２
熱交換器（74）の燃焼ガス流路（75）へ導入される。第
２熱交換器（74）では、燃焼ガス流路（75）の燃焼ガス
が水流路（76）の熱媒水に対して放熱する。

【００９９】第２熱交換器（74）で放熱した燃焼ガス
は、続いてガス加熱器（52）の燃焼ガス流路（55）へ導
入される。ガス加熱器（52）では、燃焼ガス流路（55）
の燃焼ガスが、空気流路（53）の酸化剤ガス（空気）に
対して更に放熱する。その後、燃焼ガスは、燃焼ガス流
路（55）から出て屋外へ排気される。

【０１００】冷却水ポンプ（61）を運転すると、冷却水
回路（60）において冷却水が循環する。冷却水ポンプ
（61）から吐出された冷却水は、燃料電池（10）へ送ら
れて吸熱する。この冷却水の吸熱により、燃料電池（1
0）が所定の作動温度（例えば、８５℃程度）に保たれ
る。燃料電池（10）で吸熱した冷却水は、第１熱交換器
（71）の冷却水流路（72）へ導入される。この冷却水
は、冷却水流路（72）を流れる間に水流路（73）の熱媒
水に対して放熱する。第１熱交換器（71）において放熱
した冷却水は、冷却水ポンプ（61）に吸入される。そし
て、冷却水ポンプ（61）が放熱後の冷却水を再び燃料電
池（10）へ向けて送り出し、この循環が繰り返される。

【０１０１】循環ポンプ（66）を運転すると、水循環路
（65）において熱媒水が循環する。貯湯タンク（67）の
底部から流出した熱媒水は、循環ポンプ（66）によって
第１熱交換器（71）の水流路（73）へ送り込まれる。第
１熱交換器（71）において、熱媒水は、水流路（73）を
流れる間に冷却水流路（72）の冷却水から吸熱する。つ
まり、燃料電池（10）の排熱が、熱媒水に回収される。

【０１０２】その後、熱媒水は、第２熱交換器（74）の
水流路（76）へ導入される。第２熱交換器（74）におい
て、熱媒水は、水流路（76）を流れる間に燃焼ガス流路
（75）の燃焼ガスから吸熱する。つまり、水素極排ガス
中に残存する水素の燃焼熱が、熱媒水に回収される。そ
して、第２熱交換器（74）から出た熱媒水は、貯湯タン
ク（67）へ送り返され、温水として貯留される。貯湯タ
ンク（67）に温水として蓄えられた熱媒水は、給湯に利
用される。

【０１０３】

【発明の実施の形態３】本発明の実施形態３は、上記実
施形態２において、ガス加熱器（52）の構成を変更する
と共に、第２加湿器（45）及び第２分岐管（22）の配置
を変更したものである。ここでは、本実施形態３につい
て、上記実施形態２と異なる部分を説明する。

【０１０４】図３に示すように、本実施形態３のガス加
熱器（52）には、空気流路（53）及び燃焼ガス流路（5
5）の他に、原料ガス流路（54）が区画形成されてい
る。この原料ガス流路（54）は、改質装置（30）におけ
る第１分岐管（21）の終端と本体部（32）の間に接続さ
れている。このガス加熱器（52）は、燃焼ガス流路（5
5）の燃焼ガスと空気流路（53）の空気とを熱交換させ
て酸化剤ガスとしての空気を加熱すると同時に、燃焼ガ
ス流路（55）の燃焼ガスと原料ガス流路（54）の原料ガ
スとを熱交換させて原料ガスを加熱するように構成され
ている。

【０１０５】本実施形態３において、第２加湿器（45）
は、改質装置（30）におけるガス加熱器（52）と本体部
（32）の間に接続されている。この第２加湿器（45）
は、上記実施形態２のものとは異なり、原料ガス加湿部
を構成している。つまり、この第２加湿器（45）では、
第２加湿器（45）の第２被加湿側通路（47）に対し、脱
硫器（31）から本体部（32）へ向けて流れる原料ガスが
導入される。そして、水素極排ガス中の水蒸気は、第２
被加湿側通路（47）の原料ガスに対して付与される。
尚、本実施形態３においても、第１加湿器（40）は供給
ガス加湿部を構成している。また、本実施形態３では、
水蒸気供給管（29）が省略されている。

【０１０６】本実施形態３において、空気供給管（20）
の第２分岐管（22）は、その始端が空気供給管（20）に
おける第１加湿器（40）と燃料電池（10）の間に接続さ
れている。この第２分岐管（22）は、第１加湿器（40）
で加湿された酸化剤ガス（空気）の一部を改質装置（3
0）へ供給している。

【０１０７】−運転動作− 本実施形態３の燃料電池システムの運転動作について説
明する。ここでも、上記実施形態２と異なる点について
説明する。

【０１０８】本実施形態３において、ガス加熱器（52）
の空気流路（53）を流れる間に加熱された酸化剤ガス
（空気）は、その全てが第１加湿器（40）の第１被加湿
側通路（42）へ導入されて加湿される。この第１加湿器
（40）で加湿された酸化剤ガス（空気）は、その一部が
第２分岐管（22）を通じて改質装置（30）へ送られ、残
りが燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）へ導入さ
れる。

【０１０９】脱硫器（31）で硫黄分を除去された原料ガ
スは、第１分岐管（21）からの空気が混入された後に、
ガス加熱器（52）の原料ガス流路（54）へ導入される。
この原料ガスは、原料ガス流路（54）を流れる間に燃焼
ガス流路（55）の燃焼ガスから吸熱する。

【０１１０】ガス加熱器（52）において加熱された原料
ガスは、続いて第２加湿器（45）の第２被加湿側通路
（47）へ流入する。一方、第２加湿器（45）の第２排ガ
ス通路（48）には、水素極排ガスが導入されている。そ
して、原料ガス流路（54）の原料ガスには、水蒸気透過
膜（46）を透過した水素極排ガス中の水蒸気が供給され
る。この第２加湿器（45）では、改質器（33）における
水蒸気改質反応、及び変成器（34）におけるシフト反応
に必要な量の水蒸気が、原料ガスに対して付与される。

【０１１１】その際、原料ガス流路（54）へは、ガス加
熱器（52）で予め加熱された原料ガスが流入する。従っ
て、第２排ガス通路（48）の水素極排ガスが冷却され
て、水蒸気透過膜（46）の表面で結露が生じることはな
い。また、放熱によって第２被加湿側通路（47）の原料
ガスの温度が露点温度よりも低くなることはなく、第２
被加湿側通路（47）の側においても水蒸気透過膜（46）
の表面で結露が生じることはない。

【０１１２】第２加湿器（45）で加湿された原料ガス
は、本体部（32）へ導入される。つまり、本体部（32）
に対しては、天然ガス、空気、及び水蒸気の混合物であ
る原料ガスが供給される。本体部（32）では、供給され
た原料ガスから水素主体の燃料ガスが製造される。本体
部（32）における動作は、上記実施形態２と同様であ
る。

【０１１３】その際、変成器（34）からＣＯ除去器（3
5）へ向かって流れるガスには、第１加湿器（40）で加
湿された酸化剤ガス（空気）が第２分岐管（22）を通じ
て供給される。この酸化剤ガス（空気）に含まれる水蒸
気は、ＣＯ除去器（35）を通過し、燃料ガスの一成分と
して燃料電池（10）の水素極側ガス通路（12）へ供給さ
れる。これによって、燃料電池（10）の電解質膜が湿潤
状態に保たれる。

【０１１４】−実施形態３の効果− 本実施形態３によれば、上記実施形態１，２で得られる
効果に加え、以下のような効果が発揮される。

【０１１５】具体的に、本実施形態３では、第２加湿器
（45）において、水素極排ガス中の水蒸気が原料ガスに
対して水蒸気の状態で供給される。つまり、第２加湿器
（45）では、改質装置（30）の本体部（32）における原
料ガスの改質に必要なＨ₂Ｏが、水素極排ガスから原料
ガスへ水蒸気の状態で付与される。このため、水を加熱
して得られた水蒸気を原料ガスへ供給するものとは異な
り、原料ガスを改質する改質装置（30）に対しては、Ｈ
₂Ｏの蒸発潜熱に相当する熱を供給する必要がなくな
る。従って、本実施形態３によれば、Ｈ₂Ｏの蒸発潜熱
分だけ改質装置（30）へ供給する熱量を削減でき、改質
装置（30）での燃料ガスの製造に要するエネルギを削減
できる。

【０１１６】

【発明の実施の形態４】本発明の実施形態４は、上記実
施形態３が燃焼器（51）とガス加熱器（52）によって加
熱手段を構成しているのに代えて、空気加熱部（57）に
よって加熱手段（50）を構成し、ガス加熱器（52）を省
略したものである。ここでは、本実施形態４について、
上記実施形態３と異なる点を説明する。

【０１１７】図４に示すように、上記空気加熱部（57）
は、空気供給管（20）におけるブロワ（23）と第１分岐
管（21）の間に設けられている。この空気加熱部（57）
は、本体部（32）の改質器（33）、変成器（34）、及び
ＣＯ除去器（35）の近傍に形成された空気の通路であっ
て、内部を流れる空気が改質器（33）、変成器（34）、
及びＣＯ除去器（35）の排熱を吸熱するように構成され
ている。

【０１１８】本実施形態４において、空気供給管（20）
に取り込まれた空気は、先ず空気加熱部（57）へ導入さ
れる。この空気は、空気加熱部（57）を流れる間に、Ｃ
Ｏ除去器（35）、変成器（34）、及び改質器（33）から
の排熱を順に吸熱し、加熱される。空気加熱部（57）で
加熱された空気は、その一部が第１分岐管（21）を通じ
て改質装置（30）へ送られ、残りが酸化剤ガスとして第
１加湿器（40）の第１被加湿側通路（42）へ導入され
る。

【０１１９】このように、本実施形態４では、空気加熱
部（57）で加熱された空気が、酸化剤ガスとして第１加
湿器（40）の第１被加湿側通路（42）へ送り込まれる。
従って、本実施形態４の第１加湿器（40）においても、
第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガス（空気）によって
第１排ガス通路（43）の酸素極排ガスが冷やされること
はなく、更には第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガス温
度が露点温度を下回ることもない。このため、上記第１
加湿器（40）においても、水蒸気透過膜（41）の両面が
水（液体）で覆われて水蒸気の透過が阻害されることも
ない。

【０１２０】また、本実施形態４では、上述のように、
空気加熱部（57）で加熱された空気が、第１分岐管（2
1）を通じて改質装置（30）へ供給される。この加熱後
の空気は、脱硫器（31）から第２加湿器（45）へ向けて
流れる原料ガスに混入される。そして、原料ガスと加熱
された空気とを混合すると、両者の直接接触による熱交
換が行われ、混合後の原料ガスの温度が上昇する。つま
り、本体部（32）の排熱を吸熱した空気を混入すること
で原料ガスが加熱され、加熱後の原料ガスが第２加湿器
（45）の第２被加湿側通路（47）へ導入される。

【０１２１】このため、本実施形態４の第２加湿器（4
5）においても、第２被加湿側通路（47）の原料ガスに
よって第２排ガス通路（48）の水素極排ガスが冷やされ
ることはなく、更には第２被加湿側通路（47）の原料ガ
ス温度が露点温度を下回ることもない。従って、上記第
２加湿器（45）においても、水蒸気透過膜（46）の両面
が水（液体）で覆われて水蒸気の透過が阻害されること
もない。

【０１２２】このように、本実施形態４によれば、改質
装置（30）の本体部（32）から放出される排熱を利用し
て、原料ガスや酸化剤ガス（空気）の加熱を行うことが
できる。従って、本実施形態４によれば、本体部（32）
の排熱を捨てることなく原料ガスや酸化剤ガス（空気）
の加熱に利用できるため、ガス加湿装置（80）における
消費エネルギを低く抑えることができる。

【０１２３】

【発明の実施の形態５】本発明の実施形態５は、上記実
施形態３において、ガス加熱器（52）及び水循環路（6
5）の構成を変更し、燃料電池（10）や改質装置（30）
の排熱を利用して原料ガスや酸化剤ガス（空気）の加熱
を行うものである。ここでは、本実施形態５について、
上記実施形態３と異なる点を説明する。

【０１２４】図５に示すように、本実施形態５の水循環
路（65）には、第１熱交換器（71）と第２熱交換器（7
4）の間に熱回収部（77）が設けられている。この熱回
収部（77）は、本体部（32）の改質器（33）、変成器
（34）、及びＣＯ除去器（35）の近傍に形成された熱媒
水の通路であって、内部を流れる熱媒水が改質器（3
3）、変成器（34）、及びＣＯ除去器（35）の排熱を吸
熱するように構成されている。

【０１２５】尚、本実施形態５において、水循環路（6
5）に貯湯タンク（67）は設けられていない。従って、
本実施形態５の燃料電池システムにおいて、給湯は行わ
れない。

【０１２６】一方、本実施形態５のガス加熱器（52）に
は、燃焼ガス流路（55）に代えて、熱媒水流路（56）が
区画形成されている。この熱媒水流路（56）は、水循環
路（65）における第２熱交換器（74）と循環ポンプ（6
6）の間に設けられている。そして、本実施形態５のガ
ス加熱器（52）は、熱媒水流路（56）の熱媒水と空気流
路（53）の空気とを熱交換させて酸化剤ガスとしての空
気を加熱すると同時に、熱媒水流路（56）の熱媒水と原
料ガス流路（54）の原料ガスとを熱交換させて原料ガス
を加熱するように構成されている。

【０１２７】上記水循環路（65）で循環する熱媒水は、
先ず第１熱交換器（71）において冷却水回路（60）を循
環する冷却水と熱交換し、燃料電池（10）の排熱を吸熱
する。その後、熱媒水は、熱回収部（77）へ導入され
る。この熱回収部（77）を流れる間に、ＣＯ除去器（3
5）、変成器（34）、及び改質器（33）からの排熱を順
に吸熱する。その後、熱媒水は、第２熱交換器（74）へ
導入されて燃焼排ガスから吸熱する。

【０１２８】第１熱交換器（71）、熱回収部（77），及
び第２熱交換器（74）で加熱された熱媒水は、ガス加熱
器（52）の熱媒水流路（56）へ導入される。この熱媒水
は、熱媒水流路（56）を流れる間に、空気流路（53）の
酸化剤ガス（空気）及び原料ガス流路（54）の原料ガス
に対して放熱する。そして、ガス加熱器（52）で放熱し
た熱媒水は、循環ポンプ（66）を通じて第１熱交換器
（71）へ送り返され、この循環が繰り返される。

【０１２９】このように、本実施形態５によれば、改質
装置（30）の本体部（32）や燃料電池（10）から放出さ
れる排熱を利用して、原料ガスや酸化剤ガス（空気）の
加熱を行うことができる。従って、本実施形態５によれ
ば、本体部（32）や燃料電池（10）の排熱を捨てること
なく原料ガスや酸化剤ガス（空気）の加熱に利用できる
ため、ガス加湿装置（80）における消費エネルギを低く
抑えることができる。

【０１３０】

【発明のその他の実施の形態】−第１変形例− 上記実施形態１，３，５では、ガス加熱器（52）に空気
流路（53）及び原料ガス流路（54）を形成し、第１加湿
器（40）へ導入される酸化剤ガス（空気）や第２加湿器
（45）へ導入される原料ガスを予め加熱するようにして
いる。また、上記実施形態２では、ガス加熱器（52）に
空気流路（53）を形成し、第１加湿器（40）へ導入され
る酸化剤ガス（空気）を予め加熱するようにしている。
これに対し、これらの実施形態については、次のような
構成としてもよい。ここでは、本変形例を上記実施形態
１に適用したものについて説明する。

【０１３１】図６に示すように、本変形例のガス加熱器
（52）には、燃焼ガス流路（55）だけが区画形成されて
いる。また、このガス加熱器（52）は、第１加湿器（4
0）及び第２加湿器（45）と一体に形成されている。こ
のガス加熱器（52）は、燃焼ガス流路（55）を流れる高
温の燃焼ガスとの熱交換によって、第１加湿器（40）の
第１被加湿側通路（42）において加湿されつつある酸化
剤ガス（空気）と、第２加湿器（45）の第２被加湿側通
路（47）において加湿されつつある燃料ガスとの両方を
加熱するように構成されている。

【０１３２】−第２変形例− 上記の各実施形態の水循環路（65）では、図７に示すよ
うに、第２熱交換器（74）に代えて水加熱部（78）を設
けてもよい。尚、図７は、本変形例を上記実施形態１に
適用したものである。この水加熱部（78）は、燃焼器
（51）の近傍に形成された熱媒水の通路であって、内部
を流れる熱媒水が燃焼器（51）から放出される熱を吸熱
するように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図２】実施形態２に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図３】実施形態３に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図４】実施形態４に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図５】実施形態５に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図６】その他の実施形態（第１変形例）に係る燃料電
池システムの概略構成図である。

【図７】その他の実施形態（第２変形例）に係る燃料電
池システムの概略構成図である。

【符号の説明】

（10） 燃料電池 （11） 酸素極側ガス通路 （12） 水素極側ガス通路 （30） 改質装置 （32） 本体部 （40） 第１加湿器（供給ガス加湿部） （41） 水蒸気透過膜 （45） 第２加湿器（供給ガス加湿部、原料ガス加湿
部） （46） 水蒸気透過膜 （50） 加熱手段 （51） 燃焼器（燃焼部） （52） ガス加熱器（熱交換部） （80） ガス加湿装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池上 周司 大阪府堺市築港新町３丁12番地 ダイキン 工業株式会社堺製作所臨海工場内 (72)発明者 大久保 英作 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 栗原 利行 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 DD05 MM04 MM09 MM12

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池（10）へ供給される供給ガスを
   該燃料電池（10）から排出された電池排ガスによって加
   湿するガス加湿装置であって、 上記電池排ガス中の水蒸気が水蒸気透過膜（41,46）を
   透過して上記供給ガスに供給される供給ガス加湿部（4
   0,45）と、 上記供給ガス加湿部（40,45）の供給ガス又は上記供給
   ガス加湿部（40,45）へ導入される前の供給ガスを加熱
   する加熱手段（50）とを備えているガス加湿装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガス加湿装置において、 供給ガス加湿部（40）は、燃料電池（10）の酸素極側の
   ガス通路（11）から電池排ガスとして排出された酸素極
   排ガス中の水蒸気を、上記酸素極側のガス通路（11）へ
   供給ガスとして送られる酸化剤ガスに供給しているガス
   加湿装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のガス加湿装置において、 供給ガス加湿部（45）は、燃料電池（10）の水素極側の
   ガス通路（12）から電池排ガスとして排出された水素極
   排ガス中の水蒸気を、上記水素極側のガス通路（12）へ
   供給ガスとして送られる燃料ガスに供給しているガス加
   湿装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のガス加湿装置において、 加熱手段（50）は、燃料電池（10）の水素極側のガス通
   路（12）から排出された水素極排ガスを燃焼させて供給
   ガスを加熱するように構成されているガス加湿装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載のガス加湿装置において、 加熱手段（50）は、供給ガス加湿部（40）から流出した
   水素極排ガスを燃焼させて供給ガスを加熱するように構
   成されているガス加湿装置。
6. 【請求項６】 請求項４又は５記載のガス加湿装置にお
   いて、 加熱手段（50）は、水素極排ガスを燃焼させて燃焼ガス
   を生成する燃焼部（51）と、該燃焼ガスと供給ガスを熱
   交換させる熱交換部（52）とを備えているガス加湿装
   置。
7. 【請求項７】 請求項２記載のガス加湿装置において、 燃料電池（10）の水素極側のガス通路（12）へ送るため
   の燃料ガスを原料ガスの改質により製造する改質装置
   （30）へ供給される原料ガスに対し、上記水素極側のガ
   ス通路（12）から排出された水素極排ガス中の水蒸気が
   水蒸気透過膜（46）を透過して供給される原料ガス加湿
   部（45）を備え、 加熱手段（50）は、上記原料ガス加湿部（45）の原料ガ
   ス又は該原料ガス加湿部（45）へ導入される前の原料ガ
   スをも加熱するように構成されているガス加湿装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至６の何れか１記載のガス加
   湿装置（80）と、 上記ガス加湿装置（80）により加湿された供給ガスが供
   給される燃料電池（10）とを備えている燃料電池システ
   ム。
9. 【請求項９】 請求項７記載のガス加湿装置（80）と、 原料ガスの改質により燃料ガスを製造する改質装置（3
   0）と、 上記ガス加湿装置（80）により加湿された酸化剤ガス及
   び上記改質装置（30）で製造された燃料ガスが供給され
   る燃料電池（10）とを備えている燃料電池システム。