JP2007299581A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】温水加湿器の透湿膜が破損して被加湿ガス経路に冷却水が漏れ出た場合でも、起動時の冷却水循環によって冷却水がガス供給装置を破損させることなく、また燃料電池に流入して発電の妨げになることのない、信頼性の高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池と、燃料電池の冷却水循環経路に設けた温水加湿器と、ガス供給装置と、温水加湿器とガス供給装置を接続して冷却水循環経路よりも上方に立ち上げて配管した入口経路と、温水加湿器と燃料電池を接続して冷却水循環経路よりも上方に立ち上げて配管した出口経路と、出口経路に接続した燃料電池回避経路と、燃料電池回避経路に設けた経路切替弁とを備え、燃料電池システム起動時にガス供給装置を駆動して燃料電池回避経路にガスを流通させることにより、被加湿ガス経路に溜まった水がガス供給装置や燃料電池に流入することがなく、ガス供給装置の破損やフラッティングが生じるのを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを反応させることにより、発電を行うもので、発電の際に発熱を伴うことが知られている。

そのため、家庭用燃料電池システムでは、燃料電池に冷却水を循環させることにより熱を搬送し、燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持するとともに、冷却水の熱を給湯器等で利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。

さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、湿潤状態である必要があり、乾燥状態または湿潤不足状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下するため、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を、加湿手段により加湿して、燃料電池に供給する。

従来、この種の燃料電池システムの加湿手段には、燃料電池の冷却水と被加湿ガスを透湿膜を介して接触させることにより、熱および湿度を交換する温水加湿器が利用されているが、燃料電池システムの運転停止時には、前記温水加湿器内で透湿膜を透過して温水側から被加湿空気側に移動する水分が、ガス供給装置や燃料電池内に溜まり込み、ガス供給装置を破損させたり、燃料電池システムの起動の妨げになったりするため、前記温水加湿器の入口とガス供給装置を接続する配管および温水加湿器の出口と燃料電池を接続する配管を、冷却水循環経路よりも上方に立ち上げて配管する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。

図３に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料電池１において、カソード極１０に空気を供給する空気ブロワ７を接続し、アノード極１１に水素を供給する改質装置２を接続していた。そして、燃料電池１の冷却部には、放熱器６と、冷却水循環ポンプ９と、内部に透湿膜１４を設けた温水加湿器５を環状に連結した冷却水循環経路４を接続し、また、放熱器６を、貯湯循環経路８によって貯湯タンク３に接続している。

さらに、空気ブロワ７とカソード極１０を接続する被加湿空気経路は、カソード極１０出口から熱回収する全熱交換器１５と、冷却水循環経路４より上方に立ち上げた入口配管路１２と出口配管路１３を有する温水加湿器５を設けている。
特開２００５−１３５６７３号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があり、更なる改善の余地があった。

すなわち、一般的な従来の燃料電池システムでは、停止の状態から発電状態にシステムを起動させる際に、予め燃料電池１の温度を発電に適した温度（約７０℃）に加熱する必要があり、そのために、冷却水循環経路４内において燃料電池１の冷却水をヒータ等で加熱しながら冷却水循環ポンプ９で循環させていた。

しかしながら、温水加湿器５の透湿膜１４に穴が生じている場合では、穴が比較的小さくて漏れ出す水の量が発電時には問題にならないくらい少ない場合でも、システムの停止中においては、透湿膜１４を透過して温水側から被加湿ガス側に移動し、ここで溜まった水が、冷却水循環ポンプ９の吐出圧により、上方に立ち上げた配管を超えてガス供給装置（空気ブロワ７等）や燃料電池１内に流れ込んでしまうことがあり、結果としてガス供給装置を破損させたり、燃料電池システムの起動の妨げになったりする可能性があった。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、流体をガスとする燃料ガス経路または酸化剤ガス経路において、前記温水加湿器の入口側に、冷却水循環経路よりも高所に位置する立ち上がり部を設け、また前記温水加湿器の出口側に、前記温水加湿器を出た流体の燃料電池への流入を制御する制御手段を設けたものである。

これにより、温水加湿器内において冷却水経路の冷却水が前記ガス経路側に滲み出て溜まり込んだ状態で前記燃料電池システムを起動させても、前記ガス経路内における燃料電池へ流入しようとする冷却水は、前記制御手段によって流入が阻止されるため、余分な水が燃料電池に入り込んでフラッティングが発生し、これに起因した不安定な発電を防止することができる。

また、前記ガス供給装置を起動させても、前記ガス経路内の冷却水が、ガス供給装置側に流出することがなく、前記冷却水の流入によるガス供給装置等の破損が防止できるものである。

さらに、ガス供給装置の起動から所定時間経過後、または前記燃料電池が所定温度に到達した後に、前記切替え手段を、回避経路から供給経路へ切替えるため、前記燃料または酸化剤ガスのガス経路から供給されるガスが燃料電池に供給され、燃料電池の動作を確実にすることができる。

本発明の燃料電池システムは、温水加湿器内において、冷却水経路から被加湿ガス経路に滲み出て溜まり込んだ冷却水のガス供給装置側への流入あるいは燃料電池への流入が防止でき、その結果、被加湿ガス経路に設けた部品の損傷、あるいは燃料電池への流入に起因したフラッティングによる不安定な発電が抑制でき、燃料電池システムの長期停止後の起動や温水加湿器の透湿膜の破損が生じた際においても、再運転を可能にし、信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。

請求項１に記載の発明は、少なくとも、水素を含む燃料ガスが流れる燃料ガス経路と、酸素を含む酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路と、前記燃料ガス経路からの燃料ガスと前記酸化剤ガス経路からの酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池と、冷却水により前記燃料電池を冷却する冷却水循環経路と、内部が透湿膜によって被加湿ガス側と冷却水側に分離され、前記被加湿ガス側を前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れ、前記冷却水側を前記冷却水が流れる際に、前記透湿膜を介して前記被加湿ガス側を流れるガスと前記冷却水を湿熱交換する温水加湿器と、前記温水加湿器の入口側に位置し、前記温水加湿器を経て前記燃料電池に前記湿熱交換されたガスを供給するガス供給装置を具備し、前記温水加湿器の被加湿ガス側を経由する前記燃料ガス経路もしくは前記酸化剤ガス経路において、前記温水加湿器の少なくとも入口側に、前記冷却水循環経路よりも高所に位置する立ち上がり部を設け、さらに前記温水加湿器から前記燃料電池に向かう前記燃料ガス経路もしくは前記酸化剤ガス経路に、前記温水加湿器を出た流体の前記燃料電池への流入を制御する制御手段を設けたものである。

かかる構成とすることにより、燃料システムの停止時において、温水加湿器の被加湿ガス側に冷却水が溜まり込んでも、前記立ち上がり部によってガス供給装置側への流入が防止でき、また、制御手段により、冷却水の燃料電池への流入阻止が可能となる。特に、温水加湿器の透湿膜に破損が生じ、比較的多量の冷却水が前記温水加湿器の被加湿ガス側に溜まり込んだ場合においても、再運転が可能となり、燃料電池システムの信頼性を確保することができる。そして、これらは燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれにも適用可能であり、システムの一層の信頼性向上を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段を、少なくとも前記燃料電池内に連通する供給経路と、前記燃料電池に連通しない回避経路と、前記供給経路と前記回避経路を切替える切替え手段より構成し、ガス供給装置の起動時に前記温水加湿器を出た流体を前記回避経路へ流すようにしたものである。

かかる構成とすることにより、ガス供給装置の起動時は、燃料ガス経路あるいは酸化剤ガス経路を回避経路側に連通して燃料電池との連通を行わないため、前記ガス経路に溜まり込んだ冷却水は、燃料電池に流れ込むことなく外部に排出される。その結果、冷却水の燃料電池への流入に起因したフラッティングによる不安定な発電が抑制でき、燃料電池システムの長期停止後の起動においても、安定した起動が可能となる。

請求項３に記載の発明は、前記ガス供給装置の起動から所定時間経過後、または前記燃料電池が所定温度に到達した後に、前記切替え手段を、回避経路から供給経路へ切替えるようにしたものである。

かかる構成とすることにより、前記燃料または酸化剤ガスのガス経路から供給されるガスが燃料電池に供給されるため、燃料電池の動作あるいは再動作を確実にすることができる。

請求項４に記載の発明は、前記制御手段を、気液分離装置とし、前記気液分離装置で分離された冷却水を、前記冷却水循環経路内へ戻す戻し手段を設けたものである。

かかる構成とすることにより、前記冷却水を外部へ排出することなく冷却水循環経路内へ戻すため、冷却水の減少が抑制でき、前記冷却水循環経路内への冷却水の補充作業頻度も緩和される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図である。なお、本実施の形態１においては、酸素を含む酸化剤ガスを空気とし、その空気が流れる経路で冷却水の溜まり込みが発生するものとして説明する。

図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と称す）１９と、一方のガス供給装置である空気供給装置２０と、全熱交換器タイプの第１の加湿器２１と、一方の温水加湿器である第２の加湿器２２と、他方のガス供給装置である燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、他方の全熱交換タイプの加湿器に相当する燃料ガス加湿器２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として構成されている。

また、第１の加湿器２１、第２の加湿器２２、および燃料ガス加湿器２５は、被加湿ガスと、この被加湿ガスに熱および湿度を供給する加湿流体を、透湿膜３０を介して接触させることにより、熱交換と湿気の交換の両方を行う膜式加湿器である。なお、以下の説明においては、前述の「熱交換」と「湿気交換」の両方を行う交換を「湿熱交換」と称して説明する。

上記構成において、燃料電池システムを流れる各流体の流れを説明するとともに、さらに構成について詳述する。

燃料電池システムの運転時、すなわち燃料電池１９の発電時は、酸化剤ガスである空気（前記被加湿ガスに該当し、以下、被加湿空気と称す）は、空気供給装置２０の動作により、被加湿空気経路（酸化剤ガス経路）３１ａを通り、空気フィルタ３１で窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、被加湿空気経路（酸化剤ガス経路）３１ｂを介して第１の加湿器２１に供給される。

第１の加湿器２１において加熱および加湿された被加湿空気は、温水加湿器入口配管（酸化剤ガス経路）３２を通って第２の加湿器２２に供給され、該第２の加湿器２２によってさらに加熱および加湿される。

そして、第２の加湿装置２２を通過した被加湿空気は、温水加湿器出口配管３３（酸化剤ガス経路）を通って燃料電池１９のカソード電極側１９ａに供給される。

一方、燃料処理装置２４には、燃料供給装置２３から燃料ガス経路２４ａを介して、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含むガスまたはアルコール等の原料が供給される。

燃料処理装置２４に供給された原料は、水蒸気を含む高温雰囲気下で燃料処理装置２４内の触媒により、水素リッチな燃料ガスに改質される。本実施の形態１における燃料電池システムでは、都市ガスを原料ガスとして用いた場合について説明する。

上述の如く生成された水素リッチな燃料ガスは、前記被加湿ガスに該当し、燃料ガス経路２４ｂを介して燃料ガス加湿器２５に供給され、ここで加湿される。燃料ガス加湿器２５は、第１の加湿器２１と同様の加熱および加湿方式の加湿装置を用いている。

燃料ガス加湿器２５で加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１９の燃料ガスとして、燃料ガス経路２５ａを通じて燃料電池１９のアノード電極側１９ｂに供給される。

燃料電池１９では、周知の如くカソード電極側１９ａに供給された被加湿空気と、アノード電極側１９ｂに供給された燃料ガス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１９に供給された被加湿空気のうち、反応に利用されなかった空気（以下、排出空気と称す）は、排出空気経路３４を通って、第１の加湿器２１の透湿膜３０を介して酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気と反対側に流れる。この第１の加湿器２１では、前記排出空気が、透湿膜３０を介して酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気と湿熱交換を行い、その結果、燃料電池１９に供給される空気の加湿および加熱が行われる。

そして、第１の加湿器２１を経た排出空気は、排出空気経路３５を通じてシステムの外へ排出される。

同様に、燃料電池１９に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガス（以下、オフガスと称す）は、オフガス経路３６を通って燃料ガス加湿器２５へ流れ、ここで前述の第１の加湿器２１と同様にオフガスが、透過膜３０を介して燃料電池１９に供給される燃料ガスと湿熱交換を行い、燃料電池１９に供給される燃料ガスの加湿および加熱が行われる。

そして、燃料ガス加湿器２５を経たオフガスは、燃料処理装置２４の温度を高温に維持するために、燃料処理装置２４に設けられたバーナー部（図示せず）で燃焼され、その後排気ガスとして排気ガス経路３８から排出される。

また、燃料電池１９で発生した熱を除去するために、冷却水タンク２７の冷却水が、冷却水ポンプ２８により冷却水循環経路３９を介して燃料電池１９に供給される。したがって、燃料電池１９内での熱交換作用によって加熱された冷却水は高温となり、冷却水循環経路４０を介して第２の加湿器２２に供給され、透湿膜３０を介して、第１の加湿器２１で加熱および加湿され、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気と湿熱交換を行い、被加湿空気をさらに加熱および加湿する。

さらに、第２の加湿器２２を経た高温の冷却水は、冷却水循環経路４１を介して熱交換器２６に供給される。熱交換器２６には、貯湯水ポンプ４２により、貯湯タンク２９に貯めた温水が貯湯水循環経路４３を介して供給されているため、前記冷却水はここで熱交換して冷却され、また貯湯タンク２９を循環する温水は加熱される。この繰り返しにより、貯湯タンク２９内には温水が蓄えられる。

そして、冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池１９において発電とともに発生する熱により加熱され、熱交換器２６で貯湯水と熱交換して再び冷却されるが、燃料電池１９での発熱量は、発電量と相関があるため、発電量に応じた冷却水流量を冷却水ポンプ２８で循環させ、さらに貯湯水ポンプ４２で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池１９の温度、および冷却水タンク２７内の水温、さらには、第２の加湿器２２に供給される水の温度を所定の温度に維持することができる。

そして、温水加湿器入口配管３２および温水加湿器出口配管３３の一部には、冷却水タンク２７の液面Ｆおよび冷却水循環経路３９、４０、４１の中で最も高い液面Ｆよりも常に上方に位置する立ち上がり部Ｘが設けられている。

また、加湿器出口配管３３における燃料電池１９入口の前には、制御手段を構成する経路切替え弁４４を備えた燃料電池回避経路４５が接続されており、経路切替え弁４４を制御装置５０で制御することにより、第２の加湿器２２から出てきた流体（通常は空気）を、燃料電池１９に連通する供給路３３ａに流すか、燃料電池回避経路４５に流すかを制御する。

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

燃料電池システム運転時には、燃料供給装置２３を動作させ、燃料処理装置２４で燃料ガスを生成することにより、燃料電池１９のアノード極側１９ｂに水素リッチな燃料ガスが供給される。

一方、燃料電池１９のカソード極側１９ａには、空気供給装置２０を動作させ、経路切替え弁４４を供給路３３ａ側に動作させて燃料電池１９と第２の加湿器２２とが連通する状態にすることにより、所定の温湿度に調整された被加湿空気が燃料電池１９のカソード極側１９ａに供給され、燃料電池１９が発電および発熱を行う。

さらに、冷却水ポンプ２８を駆動して冷却水を循環させ、燃料電池１９の冷却を行う。燃料電池１９の発熱により加熱された冷却水は、第２の加湿器２２に供給され、ここで透湿膜３０を介して加湿器入口配管３２の空気と湿熱交換を行う。

すなわち、加湿器入口配管３２には、第１の加湿器２１によりある程度加熱および加湿された被加湿空気が流れており、前記冷却水は、この第２の加湿器２２に供給された被加湿空気と接触して、該被加湿空気をさらに所定の温湿度まで湿熱交換（加熱および加湿）する。この際、第２の加湿器２２内の透湿膜３０を介した冷却水と被加湿空気の圧力差は、それぞれの経路の背圧を調整することによりほぼ同一とすることが可能であり、圧力差に伴う透湿膜３０の破損を抑制して長寿命化をはかることができる。

また、燃料電池システムを停止する際は、空気供給装置２０および燃料供給装置２３の運転を停止してガスの供給を停止するとともに、冷却水ポンプ２８の運転を停止して冷却水の循環も停止する。

そして、燃料電池システムが停止しているとき、第２の加湿器２２内では、透湿膜３０を介して冷却水側Ｗの方が被加湿空気側Ａよりも水頭差の分だけ圧力が高い状態にあり、また、透湿膜３０が性質上水分を微少に透過するものであることから、前記圧力差によって前記冷却水の被加湿空気側への滲み出し（漏れ出し）が発生する。また、第２の加湿器２２内の透湿膜３０に穴が開いている等の場合は、前記冷却水の被加湿空気側Ａへの漏れ出し速度が速くなる。

しかしながら、最終的には、冷却水タンク２７の液面と、冷却水循環経路３９、４０、４１中の一番高い液面Ｆの高さと、被加湿空気側Ａに漏れ出て溜まった冷却水の液面の高さが同じになった時点で漏れは止まる。

この状態は、温水加湿器入口配管３２と温水加湿器出口配管３３に立ち上がり部Ｘを設け、この立ち上がり部Ｘが前記４箇所の高さよりも常に高い位置にあるためであり、被加湿空気側Ａに漏れ出た冷却水は、温水加湿器入口配管３２と温水加湿器出口配管３３との間に溜まり込み、燃料電池１９や空気供給装置２０側に流れ込むことはない。

また、燃料電池システムを、停止中の状態から発電の状態まで移行させる起動時においては、燃料供給装置２３を駆動して都市ガスを燃料処理装置２４のバーナー部（図示せず）に送り込んで燃焼させ、燃料処理装置２４の温度を、都市ガスを効率よく改質するのに適した温度にまで上昇させ、燃料電池１９のアノード極側１９ｂに燃料ガスを供給する。

これと同時に、停止中にほぼ外気温近くまで低下した燃料電池１９の温度を発電に適した温度まで加熱するために、冷却水タンク２７に設置したヒータ（図示せず）で冷却水を加熱しながら冷却水を冷却水ポンプ２８で循環させる。

一方、燃料電池１９のカソード極側１９ａには、燃料電池１９の温度および燃料処理装置２４の温度が安定し、燃料電池システムが安定して運転が行える状態になるまでは、空気の供給は行わない。これは、燃料電池１９が高電位になり、カソード極側１９ａの触媒が劣化するのを抑制するためである。

しかしながら、被加湿空気を第２の加湿器２２に供給しない状態で冷却水の循環を行うと、第２の加湿器２２内において透湿膜３０を介在する冷却水側Ｗと被加湿空気側Ａとの圧力差が大きくなり、冷却水ポンプ２８の吐出圧により、被加湿空気側Ａに溜まっていた冷却水が、温水加湿器入口配管３２および温水加湿器出口配管３３の立ち上がり部Ｘを超えて燃料電池１９のカソード極側１９ａや空気フィルタ３１、空気供給装置２０に流入してしまい、その結果、空気フィルタ３１および空気供給装置２０の破損、あるいは燃料電池１９のフラッティングによる不安定な発電の要因となってしまう。

冷却水ポンプ２８の吐出圧がかかっても、第２の加湿器２２の被加湿空気側Ａに溜まり込んだ冷却水が温水加湿器入口配管３２および温水加湿器出口配管３３の立ち上がり部Ｘを越えないようにするには、立ち上げの高さをさらに高くすることも考えられるが、熱交換器２６で効率よく貯湯タンク２９に貯める温水の熱交換をするためには、第２の加湿器２２の背圧は比較的高くなるために、燃料電池システムが大型化してしまう。

そこで、本実施の形態１においては、冷却水ポンプ２８を駆動させると同時に（略同時も含む）もしくは連動させ、制御装置５０により経路切替え弁４４を制御して温水加湿器出口配管３３と燃料電池回避経路４５を連通させた状態にし、空気供給装置２０を駆動する。

したがって、温水加湿器入口配管３２と温水加湿器出口配管３３の間に溜まっていた冷却水は、空気供給装置２０の吐出圧に押され、温水加湿器出口配管３３の立ち上がり部Ｘを越えて経路切替え弁４４へ流れ、ここから燃料電池回避経路４５を流れてシステムの外部へ排出される。

かかることにより、燃料システムの起動時において、第２の加湿器２２の被加湿空気側Ａに溜まり込んだ冷却水の空気供給装置２０側への流入、および燃料電池１９のカソード極側１９ａ側への流入が防止でき、空気フィルタ３１および空気供給装置２０の破損、あるいは燃料電池１９のフラッティングによる不安定な発電を防止する。

さらに、温水加湿器入口配管３２および温水加湿器出口配管３３の立ち上がり部Ｘの高さを最低限の高さとすることができるため、燃料電池システムの大型化が抑制でき、また第２の加湿器２２内の透湿膜３０を介した冷却水側Ｗと被加湿空気側Ａの圧力差を小さくすることができるため、燃料電池システムの運転停止時における冷却水の被加湿空気側Ａへの滲み出しを少なくし、冷却水の溜まり込みを抑制することができる。

次に、燃料電池１９および燃料処理装置２４の温度が適温で安定し、燃料電池システムの安定運転が可能な状態になると、制御装置５０により経路切替え弁４４を制御して温水加湿器出口配管３３と燃料電池１９のカソード極側１９ａが連通する方向に経路を切替え、燃料電池１９のカソード極側１９ａに被加湿空気の供給を開始して発電を開始する。

以上のように、燃料電池システムを停止した際に、第２の加湿器２２内において透湿膜３０を透過して冷却水側Ｗから被加湿空気側Ａへ滲み出したあるいは漏れ出た冷却水は、燃料電池システムを再起動した場合においても、空気供給装置２０や空気フィルタ３１に流入することがないため、これらの部品を破損させることがなく、システムの信頼性を向上することができる。

また、前記冷却水は、燃料電池１９のカソード極側１９ａに流入することもなく、発電開始時に燃料電池１９がフラッティングを起こして電圧が不安定となることもない。

さらに、冷却水ポンプ２８と空気供給装置２０を、同時（略同時も含む）に駆動することにより、第２の加湿器２２内の透湿膜３０を介した被加湿空気側Ａと冷却水側Ｗの圧力差を小さくすることができるため、透湿膜３０に穴が生じた場合であっても、穴が比較的小さければ透湿膜３０から漏れ出てくる冷却水の量を低減することができる。

なお、本実施の形態１においては、燃料電池回避経路４５において、温水加湿器出口配管３３と接続されていない側（出口先端）を、システムの外部に開放して説明したが、燃料電池回避経路４５の配管引廻しの都合によっては、排出空気経路３４、３５と接続しても構わない。

また、本実施の形態１においては、第１の加湿器２１と第２の加湿器２２との間の被加湿空気経路である温水加湿器入口配管３２に立ち上がり部Ｘを設けた構成としたが、空気フィルタ３１と第１の加湿器２１を接続する被加湿空気経路３１ｂを立ち上げる構成としても構わない。

さらに、本実施の形態１においては、第２の加湿器２２の入口と出口の双方に立ち上がり部Ｘを設けた構成としたが、第２の加湿器２２の入口側にのみ立ち上がり部Ｘを設けた構成としても、燃料電池システムの停止中に経路切替え弁４４を燃料電池回避経路４５側に切替えておくことにより、同様の作用効果が得られる。

また、立ち上がり部Ｘおよび経路切替え弁４４を酸化剤ガス側である被加湿空気経路（温水加湿器入口配管３２、温水加湿器出口配管３３）に設け、燃料ガス加湿器２５に全熱交換タイプの加湿器を用いた構成としたが、燃料ガス加湿器に温水加湿器を用いた際には、燃料ガス側である燃料ガス経路２５ａ側に設ける構成としてもよく、その場合においても水分の混入による燃料電池１９および燃料供給装置２３への影響が防止できる。

（実施の形態２）
次に、図２により本発明の実施の形態２について説明する。図２は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの要部構成を示す模式図である。ここでは、先の実施の形態１と異なる部分について異なる符号を付し、実施の形態１と同じ構成要件については同一の符号を付している。また、燃料電池システムにおける運転安定時の各構成要件の動作は、先の実施の形態１と同じであるため、ここでは、本発明の課題と最も関連する燃料電池システムの運転開始時を中心に説明する。

本実施の形態２においては、温水加湿器出口配管３３上の立ち上がり部Ｘに制御手段である気液分離装置４６を設け、気液分離装置４６の貯液部４６ａと冷却水タンク２７の上部空間を、開閉弁４７を備えた冷却水戻り配管４８で接続した構成が先の実施の形態１と相違する。なお、開閉弁４７は制御装置５０により制御される。また、第２の加湿器２２の被加湿空気側Ａには、先の実施の形態１で説明した理由により、冷却水が溜まり込んでいる。

かかる構成において、燃料電池システムの起動時は、開閉弁４７を開け、また経路切替え弁４４を燃料電池回避経路４５側に切替えた状態として空気供給装置２０を駆動する。

これにより、燃料電池システムの停止中に第２の加湿器２２中の被加湿空気側Ａに溜まり込んだ冷却水は、空気供給装置２０からの空気によって気液分離装置４６へ押し出され、ここで冷却水は自重で貯液部４６ａに溜まり、空気は温水加湿器出口配管３３を通って経路切替え弁４４へ流れ、燃料電池回避経路４５から燃料電池１９に供給されることなく燃料電池システムの外に排出される。

したがって、前記冷却水は、気液分離装置４６から冷却水タンク２７に戻されるため、冷却循環経路における冷却水の減少が抑制される。

また、第２の加湿器２２の被加湿空気側Ａに溜まり込んだ冷却水の燃料電池１９への流れ込みによる不都合を解消することについては、先の実施の形態１と同様である。

なお、燃料電池システムの発電中においては、開閉弁４７は閉じた状態に維持しておく。

また、本実施の形態２においては、気液分離装置４６を立ち上がり部Ｘに設けたが、燃料電池システムの停止中に経路切替え弁４４を燃料電池回避経路４５側に切替えておくことにより、立ち上がり部Ｘを廃止することも可能である。その場合は、冷却水戻り配管４８に給水ポンプを設ける構成とすれば、気液分離装置４６と冷却水タンク２７の間に落差があっても同様に支障なく回収できる。

さらに、燃料ガス加湿器２５に温水加湿器を用いた場合には、気液分離装置４６および開閉弁４７、冷却水戻り配管４８と、制御手段を構成する流路切替え弁４４、燃料電池回避経路４５、供給路３３ａを、燃料ガス側である燃料ガス経路２５ａ側に設ける構成としてもよく、その場合においても同様に水分の混入による燃料電池１９および、燃料供給装置２３への影響が防止できる。

このように、本実施の形態２においては、燃料電池システムの停止中に、第２の加湿器２２内の透湿膜３０を通って被加湿空気側Ａに滲み出たあるいは漏れ出た冷却水を、冷却水戻り配管４８を介して冷却水タンク２７に回収することができるので、無用に冷却水が減少するのを抑制することが可能である。

本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を用いて発電と停止を繰り返し行う燃料電池システムの用途に適用できる。

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 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの要部構成を示す模式図 従来の燃料電池システムの構成を示す模式図

符号の説明

１９ 燃料電池
２０ 空気供給装置（ガス供給装置）
２２ 第２の加湿器（温水加湿器）
２３ 燃料供給装置（ガス供給装置）
２４ａ 燃料ガス経路
２５ａ 燃料ガス経路
３０ 透湿膜
３１ａ 被加湿空気経路（酸化剤ガス経路）
３１ｂ 被加湿空気経路（酸化剤ガス経路）
３２ 温水加湿器入口配管（酸化剤ガス経路）
３３ 温水加湿器出口配管（酸化剤ガス経路）
３３ａ 供給路
３９ 冷却水循環経路
４４ 経路切替え弁
４５ 燃料電池回避経路
４６ 気液分離装置
４７ 開閉弁
４８ 冷却水戻り配管
Ａ 被加湿空気側（被加湿ガス側）
Ｗ 冷却水側
Ｘ 立ち上がり部

Claims (4)

1. 少なくとも、水素を含む燃料ガスが流れる燃料ガス経路と、酸素を含む酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路と、前記燃料ガス経路からの燃料ガスと前記酸化剤ガス経路からの酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池と、冷却水により前記燃料電池を冷却する冷却水循環経路と、内部が透湿膜によって被加湿ガス側と冷却水側に分離され、前記被加湿ガス側を前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れ、前記冷却水側を前記冷却水が流れる際に、前記透湿膜を介して前記被加湿ガス側を流れるガスと前記冷却水を湿熱交換する温水加湿器と、前記温水加湿器の入口側に位置し、前記温水加湿器を経て前記燃料電池に前記湿熱交換されたガスを供給するガス供給装置を具備し、前記温水加湿器の被加湿ガス側を経由する前記燃料ガス経路もしくは前記酸化剤ガス経路において、前記温水加湿器の少なくとも入口側に、前記冷却水循環経路よりも高所に位置する立ち上がり部を設け、さらに前記温水加湿器から前記燃料電池に向かう前記燃料ガス経路もしくは前記酸化剤ガス経路に、前記温水加湿器を出た流体の前記燃料電池への流入を制御する制御手段を設けた燃料電池システム。
2. 前記制御手段を、少なくとも前記燃料電池内に連通する供給経路と、前記燃料電池に連通しない回避経路と、前記供給経路と前記回避経路を切替える切替え手段より構成し、前記ガス供給装置の起動時に前記温水加湿器を出た流体を前記回避経路へ流すようにした請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス供給装置の起動から所定時間経過後、または前記燃料電池が所定温度に到達した後に、前記切替え手段を、回避経路から供給経路へ切替えるようにした請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段を、気液分離装置とし、前記気液分離装置で分離された冷却水を、前記冷却水循環経路内へ戻す戻し手段を設けた請求項１に記載の燃料電池システム。

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