JPWO2007125945A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

原料が供給されて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置（４）と、前記水素生成装置で生成された前記燃料ガスが供給されて該燃料ガスを供給される熱エネルギー及びオフガスを利用して加湿する加湿器（５）と、前記加湿器で前記加湿された燃料ガスが供給されかつ酸化剤ガスが供給されて前記熱エネルギー及びオフガスを排出しながら発電する燃料電池（８）と、を少なくとも備えており、前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を冷却媒体との熱交換により冷却することによって凝縮水に変換させて該凝縮水を前記加湿器に前記加湿のために供給する凝縮器（６）を更に備えている。これにより、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供する。

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する固体高分子形燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。この燃料電池システムは、発電部の本体としての構成要素である燃料電池と、その燃料電池以外の付加的な構成要素とを各々備えている。これらの各々の構成要素を備える発電装置の全体を総称して、通常、燃料電池システムという。
燃料電池システムは、その発電部の本体としての構成要素として、積層型燃料電池（通称「スタック」といい、以下、単に「燃料電池」という）を備えている。この燃料電池では、所定の個数の単電池（通称「セル」という）が積層されている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池、又は、固体電解質形燃料電池等が挙げられる。これらの燃料電池の内で、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池（略称、ＰＥＦＣ）は、発電運転の際の動作温度が他の燃料電池の動作温度と比べて比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として用いられることが多い。特に、固体高分子形燃料電池は、リン酸形燃料電池と比べて電極触媒の劣化が比較的少なくかつ電解質の逸散が発生しないため、携帯用電子機器や電気自動車等の用途において特に好適に用いられる。
固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を用いる。しかし、この水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。従って、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにより所定の電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において水素を生成する必要がある。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池と共に水素生成装置が併設されることが多い。この水素生成装置では、天然ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原料、又は、メタノール等のアルコール系の原料と水とが用いられて、例えば水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスに含まれる水素と空気等の酸化剤ガスに含まれる酸素とが各々供給されることにより、固体高分子形燃料電池は所定の電力を出力する。
ところで、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムでは、その発電運転の際、所定の露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが固体高分子形燃料電池に各々供給される。特に、固体高分子形燃料電池の寿命を考慮する場合には、その固体高分子形燃料電池における燃料ガス及び酸化剤ガスが最初に導入される所定の領域の温度よりも高い露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが、固体高分子形燃料電池に各々供給されることが望ましい。このように、所定の露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガス、又は、所定の領域の温度よりも高い露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより、燃料電池システムにおいて、固体高分子形燃料電池の発電運転が好適に行われる。
通常、固体高分子形燃料電池から排出された酸化剤ガス（以下、単に「オフエア」という）が十分な排気エンタルピーを有するように設計された燃料電池システムでは、全熱交換器におけるオフエアとの全熱交換により、固体高分子形燃料電池に供給される酸化剤ガスは所定の露点にまで容易にかつ確実に加湿される。
一方、水素生成装置を備える燃料電池システムでは、水蒸気改質反応を進行させる際に添加される水の一部が水蒸気として燃料ガス中に残留するため、水素生成装置から排出された燃料ガスはある程度にまでは自動的に加湿されている。従って、水素生成装置の運転条件と固体高分子形燃料電池の運転条件とが適合する限りにおいては、特段の加湿器を設けることなく、水素生成装置が生成した燃料ガスを固体高分子形燃料電池に直接供給することが可能である。しかし、水蒸気改質反応の高効率化のためには、炭素析出を誘発させない範囲内で水の添加量を減少させ、これにより水蒸気改質反応の反応系から奪われる気化潜熱を低減することが望ましい。このような場合、水の添加量が減少されるので、固体高分子形燃料電池の運転条件如何によっては、水素生成装置において燃料ガスが所定の露点にまで加湿されない場合が生じ得る。そのため、水素生成装置を備える燃料電池システムでは、通常、燃料ガスを所定の露点にまで確実に加湿するための加湿器が別途設けられている。この加湿器により、燃料電池システムにおいて、水素生成装置で生成された燃料ガスが所定の露点にまで確実に加湿される。
しかしながら、水素生成装置を備える燃料電池システムにおいては、酸化剤ガスを加湿する構成と同様にして、固体高分子形燃料電池から排出された燃料ガス（以下、単に「オフガス」という）を全熱交換器に供給して全熱交換により水素生成装置で生成された燃料ガスを所定の露点にまで加湿することは、仮にオフガスが十分な排気エンタルピーを有する場合であっても、非常に困難である。その理由は、発電運転の際に固体高分子形燃料電池から排出されるオフガス及びオフエアの各々の流量を比較した場合、オフガスの流量がオフエアの流量よりも著しく少ないからである。
具体的に説明すると、一般的な固体高分子形燃料電池の動作温度は６０〜８０℃程度であり、特にコージェネレーション用途の場合、通常、固体高分子形燃料電池に供給される冷却水の温度とそれから排出される冷却水の温度との温度差が１０℃程度となるように、固体高分子形燃料電池に供給される冷却水の供給量が制御される。
この場合、固体高分子形燃料電池における酸素利用率（略称、Ｕｏ）が５０％であると仮定すると、固体高分子形燃料電池から排出されるオフエアのモル流量は、供給された酸化剤ガスのモル流量の９０％となる。つまり、酸化剤ガスの加湿プロセスでは、全熱交換器に向けて十分な温度及び流量のオフエアが供給される。従って、固体高分子形燃料電池から排出されるオフエアの温度が例えば７０℃である場合、この７０℃の温度のオフエアを利用して全熱交換により酸化剤ガスの露点を６０℃に調整することは、適切に設計された全熱交換器を用いることにより容易にかつ確実に達成される。
しかし、上述したように、オフガスを用いて全熱交換により燃料ガスを所定の露点にまで加湿することは、非常に困難である。その理由は、通常、水素生成装置で生成された燃料ガスは水素と二酸化炭素との比率が８対２程度である混合ガスであり、その一方で、固体高分子形燃料電池における燃料利用率（略称、Ｕｆ）は８０％程度であるため、固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスのモル流量がそれに供給された燃料ガスのモル流量の４０％程度となるからである。つまり、燃料ガスの加湿プロセスでは、全熱交換器に向けて十分な流量のオフガス（十分な熱量）が供給されない。従って、燃料ガスが十分に加熱されない。よって、固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスの温度が仮に７０℃であっても、この７０℃の温度のオフガスを利用して全熱交換により燃料ガスの露点を６０℃に調整することは、適切に設計された全熱交換器を用いても非常に困難である。
そこで、オフガスを熱源として用いて燃料ガスを加湿する構成に代えて、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この従来の提案では、燃料電池から排出された温度上昇した冷却水が、燃料ガスを加湿する際に熱源として利用される。具体的には、燃料電池から排出された温度上昇した冷却水が加湿器に供給されると共に、その燃料電池から排出されたオフガスがその加湿器に供給される。これにより、加湿器において、水素生成装置で生成された燃料ガスが十分に加熱されると共に、供給されるオフガスが十分に加熱されるので、燃料ガスが十分に加湿される。
以下、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する燃料電池システムの構成について概説する。
図９は、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する従来の定置発電用の燃料電池システムの典型的な構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、図９において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図９に示すように、従来の燃料電池システム５００は、ブロア１０１と全熱交換器１０２と凝縮器１０３とを備える酸化剤ガス給排系統と、加熱器１０４ａを備える水素生成装置１０４と加熱器１０５ａを備える加湿器１０５と凝縮器１０６とを備える燃料ガス給排系統と、それらの酸化剤ガス給排系統及び燃料ガス給排系統における全熱交換器１０２及び加湿器１０５から加湿された酸化剤ガス及び加湿された燃料ガスが各々供給されて発電する燃料電池１０７とを備えている。
又、図９に示すように、この従来の燃料電池システム５００は、冷却水タンク１０８とポンプ１０９と加熱器１０５ａと熱交換器１１０とを備える燃料電池１０７及び加湿器１０５の温度を制御するための一次冷却水給排系統と、冷却水タンク１１１とポンプ１１２と凝縮器１０３及び凝縮器１０６と熱交換器１１０と放熱器１１３とを備える全熱交換器１０２及び加湿器１０５から排出されたオフエア及びオフガス及び一次冷却水の温度を制御するための二次冷却水給排系統とを備えている。
つまり、この従来の燃料電池システム５００は、発電部の本体としての構成要素である燃料電池１０７と、その燃料電池１０７以外の付加的な構成要素である酸化剤ガス給排系統、燃料ガス給排系統、一次冷却水給排系統、及び、二次冷却水給排系統等とを各々備えている。
かかる従来の燃料電池システム５００によれば、水素生成装置１０４で生成された燃料ガスを加湿する際、燃料電池１０７から排出される温度上昇した冷却水が加湿器１０５の加熱器１０５ａに供給される。そして、この加熱器１０５ａが、加湿器１０５を十分に加熱する。従って、燃料電池１０７から排出されたオフガスの流量が少ない場合でも、加熱器１０５ａが加湿器１０５を十分に加熱するので、水素生成装置１０４から加湿器１０５に供給された燃料ガスは十分に加熱される。又、燃料電池１０７から加湿器１０５に供給されたオフガスも十分に加熱される。よって、水素生成装置１０４から加湿器１０５に供給された燃料ガスが十分に加湿される。尚、凝縮器１０３及び凝縮器１０６により回収された凝縮水は、所定の浄化工程を経て浄化された後、冷却水等として利用される。
尚、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する他の燃料電池システムとしては、水を加湿器に直接注入して、その注入した水を燃料電池から排出される温度上昇した冷却水により加熱することによって燃料ガスを加湿する燃料電池システムも提案されている。かかる燃料電池システムによっても、加湿器において水素生成装置で生成された燃料ガスが十分に加湿されるので、燃料電池の発電運転が好適に行われる（例えば、特許文献２及び３参照）。
特開２００２−２１６８１６号公報 特願平６−１１８１４９号公報 特開平７−２２６２２２号公報
しかしながら、特許文献１に示す従来の燃料電池システムでは、その発電運転の際、加熱器により加熱されると共に、比較的高温状態の燃料ガスが水素生成装置から供給されるので、加湿器ではオフガスに含まれる水蒸気の凝縮が進行し難い。或いは、水蒸気の凝縮（毛管凝縮）が実質的に進行しない。従って、従来の燃料電池システムでは、加湿器において燃料ガスを加湿するために利用可能な水は、オフガスの液体状部分（通常、オフガスは二層流であって、その二層流の内の液体状部分）のみであった。換言すれば、従来の燃料電池システムの構成では、オフガスの気体状部分に含まれる水蒸気を燃料ガスの加湿のために利用することは困難であった。
一方、従来の燃料電池システムでは、通常、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点は±５℃程度の範囲で変動する。この場合、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点が低いと、それに応じて、燃料電池から排出されたオフガスの液体状部分の排出量も減少する。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が加湿器において不足する場合があった。
つまり、従来の燃料電池システムでは、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水により加湿器が十分に加熱されても、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足する場合があったので、加湿器において水素生成装置で生成された燃料ガスを十分に加湿することができない場合があった。そして、供給する燃料ガスの露点が低いため、燃料電池の寿命に対して悪影響を及ぼす場合があった。
尚、特許文献２及び特許文献３に示す従来の燃料電池システムでは、出力電力が１Ｋｗ程度の小規模な家庭用燃料電池システムにおいては、加湿器に注入する水の注入量が数グラム／分程度であるため、極小容量の給水ポンプ（つまり、専用補機）が必要になる。このような極小容量の給水ポンプの価格は、極めて高額である。又、このような極小容量の給水ポンプでは、流路閉塞等の故障が発生し易い。そのため、燃料電池システムを安価に提供することや、その信頼性を確実に確保することが困難であった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原料が供給されて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置で生成された前記燃料ガスが供給されて該燃料ガスを供給される熱エネルギー及びオフガスを利用して加湿する加湿器と、前記加湿器で前記加湿された燃料ガスが供給されかつ酸化剤ガスが供給されて前記熱エネルギー及びオフガスを排出しながら発電する燃料電池と、を少なくとも備えており、前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を冷却媒体との熱交換により冷却することによって凝縮水に変換させて該凝縮水を前記加湿器に前記加湿のために供給する凝縮器を更に備えている。
かかる構成とすると、オフガスに元々含まれている燃料ガスの加湿のために利用可能な液体状の水に加えて、そのオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させた凝縮水をも燃料ガスの加湿のために利用することができるようになるので、燃料電池システムの発電運転の際、燃料電池に向けて十分に加湿された所定の露点を有する燃料ガスを確実に供給することが可能になる。
上記の場合、前記燃料電池の温度を該燃料電池の内部に一次冷却水を通過させることにより直接的に制御する一次冷却水給排系統を更に備え、前記冷却媒体として前記一次冷却水給排系統における前記一次冷却水が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として一次冷却水給排系統における一次冷却水が用いられるので、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よく生成させることが可能になる。
又、上記の場合、前記燃料電池の温度を前記一次冷却水給排系統の一次冷却水から二次冷却水に伝熱させることにより間接的に制御する二次冷却水給排系統を更に備え、前記冷却媒体として前記二次冷却水給排系統における前記二次冷却水が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として二次冷却水給排系統における二次冷却水が用いられるので、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を更に効率よく生成させることが可能になる。
又、上記の場合、前記燃料電池システムの外部から該燃料電池システムの内部に空気を導入する空気導入装置を更に備え、前記冷却媒体として前記空気導入装置により前記燃料電池システムの内部に導入された空気が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として燃料電池システムの外部にある空気が用いられるので、燃料電池システムの動作に影響を与えることなく、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よく生成させることが可能になる。
又、上記の場合、前記冷却媒体として前記燃料電池システムの内部の空気が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として燃料電池システムの内部にある空気が用いられるので、燃料電池システムの動作に影響を与えることなく、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よくかつ簡易に生成させることが可能になる。尚、この構成には、前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を冷却媒体としての空気との熱交換により放熱フィン、冷却ファン等の冷却機構を用いずに冷却してそれを凝縮水に変換させる構成が含まれる。つまり、この構成には、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流されるオフガス用流路（戻り配管）自体が凝縮器として機能する構成が含まれる。
又、上記の場合、前記凝縮器から前記加湿器に向けて前記凝縮水が重力により自動的に供給されるように構成されている。
かかる構成とすると、凝縮器において強制的に生成された凝縮水が加湿器に向けて重力により自動的に供給されるので、特段の給水装置を設けることなく、簡易な構成により凝縮器から加湿器に向けて凝縮水を確実に供給することが可能になる。
又、上記の場合、前記凝縮器と前記加湿器とが一体化されて凝縮加湿器が構成されている。
かかる構成とすると、凝縮器と加湿器とが一体化されて凝縮加湿器が構成されているので、燃料ガスを所定の露点を有するように加湿するための加湿構成を比較的小型化することができる。これにより、燃料電池システムが大型化することを効果的に防止することが可能になる。
更に、上記の場合、前記燃料電池として前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが供給されて発電する固体高分子形燃料電池を備えている。
かかる構成とすると、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、発電運転の際、固体高分子形燃料電池に向けて十分に加湿された所定の露点を有する燃料ガスを供給することが可能になる。
本発明は、以上に述べたような手段において実施され、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供することが可能になるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の構成の一例を模式的に示す分解斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の断面構成を模式的に示す断面図である。 図４（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。図４（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図６（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。図６（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図９は、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する従来の定置発電用の燃料電池システムの典型的な構成の一部を模式的に示すブロック図である。
符号の説明
１ ブロア
２ 全熱交換器
２ａ 往路
２ｂ 復路
３ 凝縮器
３ａ オフエア用流路
３ｂ 二次冷却水用流路
４ 水素生成装置
４ａ 加熱器
５ 加湿器
５ａ 往路
５ｂ 復路
６ 凝縮器
６ａ オフガス用流路
６ｂ 一次冷却水用流路
７ 凝縮器
７ａ オフガス用流路
７ｂ 二次冷却水用流路
８ 固体高分子形燃料電池
８ａ 酸化剤ガス用流路
８ｂ 燃料ガス用流路
８ｃ 一次冷却水用流路
９ 一次冷却水タンク
１０ ポンプ
１１ 熱交換器
１１ａ 一次冷却水用流路
１１ｂ 二次冷却水用流路
１２ 二次冷却水タンク
１３ ポンプ
１４ 放熱器
１４ａ 二次冷却水用流路
１５ 第２のブロア
１６ 凝縮器
１６ａ 放熱フィン
１６ｂ オフガス用流路
１７ 制御装置
２０ エンドプレート
２０ａ〜２０ｃ 導入口
２０ｄ 排出口
２１ 凝縮用プレート
２１ａ，２１ｂ 凹部
２１ｃ〜２１ｅ 貫通穴
２２ 絶縁プレート
２２ｃ，２２ｄ 貫通穴
２３ 第１加熱用プレート
２３ａ，２３ｂ 凹部
２３ｃ，２３ｄ 貫通穴
２４ 加湿膜
２４ｃ，２４ｄ 貫通穴
２５ 第２加熱用プレート
２５ａ，２５ｂ 凹部
２５ｃ，２５ｄ 貫通穴
２６ エンドプレート
３０ 凝縮加湿器
３０ａ 凝縮部
３０ｂ 加湿部
１０１ ブロア
１０２ 全熱交換器
１０３ 凝縮器
１０４ 水素生成装置
１０４ａ 加熱器
１０５ 加湿器
１０５ａ 加熱器
１０６ 凝縮器
１０７ 燃料電池
１０８ 冷却水タンク
１０９ ポンプ
１１０ 熱交換器
１１１ 冷却水タンク
１１２ ポンプ
１１３ 放熱器
１００〜５００ 燃料電池システム
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明では、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却することにより、そのオフガスに含まれる水蒸気を強制的に凝縮水に変換させる。そして、その水蒸気の凝縮により、燃料ガスを加湿するために利用可能な水、即ち、オフガスの液体状部分を強制的に増量させる。これにより、水素生成装置で生成された燃料ガスを加湿するために利用可能な水が不足することを、簡易でかつ耐久性及び信頼性に優れた廉価な構成において確実に解消する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１では、一次冷却水給排系統を流れる一次冷却水を冷却媒体（以下、単に「冷媒」という）として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これによって、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図１において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。又、以下の説明では、便宜上、熱交換器や凝縮器は一方の給排系統と他方の給排系統との両方に所属しているものとして説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、ブロア１と全熱交換器２と凝縮器３とを備えている。ここで、ブロア１は、酸化剤ガス（即ち、空気）を導入口から導入して、その導入した酸化剤ガスを排出口から排出する。又、全熱交換器２は、往路２ａに供給される酸化剤ガスと復路２ｂに供給されるオフエアとの間で全熱交換を進行させる。又、凝縮器３は、オフエア用流路３ａに供給されるオフエアと二次冷却水用流路３ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、ブロア１の排出口と全熱交換器２の往路２ａの一端とが所定の配管により接続され、この全熱交換器２の往路２ａの他端と固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの他端と全熱交換器２の復路２ｂの一端とが所定の配管により接続され、この全熱交換器２の復路２ｂの他端と凝縮器３のオフエア用流路３ａの一端とが所定の配管により接続されている。更に、凝縮器３のオフエア用流路３ａの他端には、開口端を備える所定の配管の一端が接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、酸化剤ガス給排系統が構成されている。
又、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、加熱器４ａを備える水素生成装置４と、加熱器５ｃを備える加湿器５と、凝縮器６と凝縮器７とを備えている。ここで、加熱器４ａは、供給される燃焼用燃料を燃焼することにより、水素生成装置４で水蒸気改質反応を進行させるための熱エネルギーを生成する。又、水素生成装置４は、天然ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原料、或いは、メタノール等のアルコール系の原料と水とを用いて、水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスを生成する。又、加湿器５は、復路５ｂに供給されるオフガス（オフガスにおける二層流の内の液体状部分）を利用することにより、往路５ａに供給される燃料ガスを加湿する。又、凝縮器６は、オフガス用流路６ａに供給されるオフガスを一次冷却水用流路６ｂに供給される一次冷却水により冷却して、オフガスに含まれる水蒸気を凝縮水に変換する。又、凝縮器７は、オフガス用流路７ａに供給されるオフガスと二次冷却水用流路７ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、水素生成装置４の燃料ガス排出口と加湿器５の往路５ａの一端とが所定の配管により接続され、この加湿器５の往路５ａの他端と固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの他端と凝縮器６のオフガス用流路６ａの一端とが所定の配管により接続され、この凝縮器６のオフガス用流路６ａの他端と加湿器５の復路５ｂの一端とが所定の配管により接続されている。更に、この燃料電池システム１００では、加湿器５の復路５ｂの他端と凝縮器７のオフガス用流路７ａの一端とが所定の配管により接続され、この凝縮器７のオフガス用流路７ａの他端と加熱器４ａの燃焼用燃料導入口とが所定の配管により接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、燃料ガス給排系統が構成されている。
又、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての固体高分子形燃料電池８を備えている。ここで、固体高分子形燃料電池８は、発電運転の際、一次冷却水用流路８ｃに供給される一次冷却水により逐次冷却されながら、酸化剤ガス用流路８ａに供給される酸化剤ガスと燃料ガス用流路８ｂに供給される燃料ガスとを用いて発電する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、上述したように、全熱交換器２の往路２ａの他端と固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの一端とが所定の配管により接続され、この固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの他端と全熱交換器２の復路２ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、加湿器５の往路５ａの他端と固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの一端とが所定の配管により接続され、この固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの他端と凝縮器６のオフガス用流路６ａの一端とが所定の配管により接続されている。
一方、図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、一次冷却水タンク９と、ポンプ１０と、凝縮器６と、加熱器５ｃと、熱交換器１１とを備えている。ここで、一次冷却水タンク９は、導入口から導入された一次冷却水を貯蔵し、その貯蔵する一次冷却水を排出口から排出する。又、ポンプ１０は、一次冷却水を導入口から導入して、その導入した一次冷却水を排出口から排出する。又、凝縮器６は、上述したように、オフガス用流路６ａに供給されるオフガスを、一次冷却水用流路６ｂに供給される一次冷却水を用いて冷却する。又、加熱器５ｃは、一次冷却水用流路５ｄに供給される温度上昇した一次冷却水を利用することにより、加湿器５を加熱する。又、熱交換器１１は、一次冷却水用流路１１ａに供給される一次冷却水と二次冷却水用流路１１ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、一次冷却水タンク９の排出口とポンプ１０の導入口とが所定の配管により接続され、このポンプ１０の排出口と凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの他端と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続され、この固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの他端と加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄの一端とが所定の配管により接続されている。更に、この燃料電池システム１００では、加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄの他端と熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａの一端とが所定の配管により接続され、この熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａの他端と一次冷却水タンク９の導入口とが所定の配管により接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、一次冷却水給排系統が構成されている。
又、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、二次冷却水タンク１２と、ポンプ１３と、凝縮器３及び凝縮器７と、熱交換器１１と、放熱器１４とを備えている。ここで、二次冷却水タンク１２は、導入口から導入された二次冷却水を貯蔵し、その貯蔵する二次冷却水を排出口から排出する。又、ポンプ１３は、二次冷却水を導入口から導入して、その導入した二次冷却水を排出口から排出する。又、凝縮器３及び凝縮器７は、上述したように、オフエア用流路３ａに供給されるオフエア及びオフガス用流路７ａに供給されるオフガスと二次冷却水用流路３ｂに供給される二次冷却水及び二次冷却水用流路７ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。又、熱交換器１１は、上述したように、一次冷却水用流路１１ａに供給される一次冷却水と二次冷却水用流路１１ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。又、放熱器１４は、二次冷却水用流路１４ａに供給される二次冷却水が有する熱を放散させることにより、その二次冷却水の温度を低下させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、二次冷却水タンク１２の排出口とポンプ１３の導入口とが所定の配管により接続され、このポンプ１３の排出口と凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂの他端と熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂの一端とが所定の配管により接続され、この熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂの他端と放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａの一端とが所定の配管により接続されている。更に、この燃料電池システム１００では、放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａの他端と二次冷却水タンク１２の導入口とが所定の配管により接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、二次冷却水給排系統が構成されている。
更に、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、制御装置１７を備えている。この制御装置１７の入力端子及び出力端子は、図１では特に図示しないが、燃料電池システム１００を構成する各構成要素の入力端子及び出力端子と電気的にかつ適切に接続されている。そして、制御装置１７は、発電運転等の際、燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成に関し、オフガスを強制的に冷却することにより燃料ガスの加湿に利用可能な水を増量させ、この増量された水を用いて燃料ガスを所定の露点にまで確実に加湿するための構成について説明する。
本実施の形態では、図１に示す加熱器５ｃを備える加湿器５と凝縮器６とを一体化することにより凝縮加湿器を構成して、この凝縮加湿器により加湿するために利用可能な水を増量させて燃料ガスを所定の露点にまで確実に加湿する構成を例示する。
図２は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の構成の一例を模式的に示す分解斜視図である。尚、この図２において、矢印を有する実線は、燃料電池システム１００の発電運転中におけるオフガスの流通経路及びその流通方向を示している。又、矢印を有する破線は、燃料電池システム１００の発電運転中における一次冷却水の流通経路及びその流通方向を示している。
又、図３は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の断面構成を模式的に示す断面図である。尚、この図３では、図２に示す凝縮加湿器の完成体におけるIII−III線に沿った断面構成を模式的に示している。
図２及び図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器３０は、図１に示す凝縮器６に相当する凝縮部３０ａと、図１に示す加熱器５ｃを備える加湿器５に相当する加湿部３０ｂとの各々を備えている。これらの凝縮部３０ａと加湿部３０ｂとが同軸状に積層され、一体化されることにより、凝縮加湿器３０が構成されている。
凝縮部３０ａは、エンドプレート２０と凝縮用プレート２１と絶縁プレート２２とを備えている。これらのエンドプレート２０、凝縮用プレート２１、及び、絶縁プレート２２がその順で同軸状に積層され、一体化されることによって、凝縮部３０ａが構成されている。尚、以下の説明では、便宜上、絶縁プレート２２は、凝縮部３０ａと加湿部３０ｂとの両方に所属しているものとして説明する。
図２及び図３に示すように、エンドプレート２０は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において矩形状の形状を備えている。そして、このエンドプレート２０における所定の位置には、導入口２０ａ、導入口２０ｂ、導入口２０ｃ、排出口２０ｄが各々設けられている。ここで、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂは、図１に示す凝縮器６のオフガス用流路６ａの一端に相当する。又、エンドプレート２０の導入口２０ｃは、図１に示す凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端に相当する。更に、エンドプレート２０の排出口２０ｄは、図１に示す凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの他端に相当する。
本実施の形態では、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂと図１に示す固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの他端とが、所定の配管により接続されている。又、エンドプレート２０の導入口２０ｃと図１に示すポンプ１０の排出口とが、所定の配管により接続されている。更に、エンドプレート２０の排出口２０ｄと固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが、所定の配管により接続されている。そして、導入口２０ａ及び導入口２０ｂには、図１に示す固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが供給される。又、導入口２０ｃには、図１に示すポンプ１０から排出された一次冷却水が供給される。一方、排出口２０ｄからは、導入口２０ｃに供給され、オフガスの冷却のために用いられた後の一次冷却水が、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに向けて排出される。
凝縮用プレート２１は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視においてエンドプレート２０と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この凝縮用プレート２１の図２では上側における所定の略矩形状領域には、凹部２１ａが形成されている。ここで、この凹部２１ａは、上述した所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。一方、この凝縮用プレート２１の図２では下側における所定の略矩形状領域には、凹部２１ｂが形成されている（特に、図３参照）。ここで、この凹部２１ｂは、上述した凹部２１ａと同等の所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。又、この凝縮用プレート２１における所定の位置には、貫通穴２１ｃ、貫通穴２１ｄ、貫通穴２１ｅが各々設けられている。これらの貫通穴２１ｃ、貫通穴２１ｄ、貫通穴２１ｅの各々は、凝縮用プレート２１の厚み方向において貫通している。ここで、貫通穴２１ｄ及び貫通穴２１ｅは、凝縮用プレート２１におけるエンドプレート２０の導入口２０ｃ及び排出口２０ｄと対向する所定の位置に各々設けられている。
本実施の形態では、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂが凝縮用プレート２１の凹部２１ａ及び貫通穴２１ｃに連通している。この導入口２０ａ及び導入口２０ｂ、凹部２１ａ、貫通穴２１ｃにより構成されるオフガス用流路が、図１に示す凝縮器６のオフガス用流路６ａに相当する。貫通穴２１ｃは、図１に示す凝縮器６のオフガス用流路６ａの他端に相当する。又、エンドプレート２０の導入口２０ｃが凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｄを介してその凹部２１ｂに連通し、この凝縮用プレート２１の凹部２１ｂがその貫通穴２１ｅを介してエンドプレート２０の排出口２０ｄに連通している。この導入口２０ｃ、貫通穴２１ｄ、凹部２１ｂ、貫通穴２１ｅ、及び、排出口２０ｄにより構成される一次冷却水用流路が、図１に示す凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに相当する。そして、凝縮用プレート２１の凹部２１ａとエンドプレート２０の下面とで構成される空間には、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂに供給されたオフガスが供給される。この供給されたオフガスは、凝縮用プレート２１の凹部２１ａとエンドプレート２０の下面とで構成される空間を移動した後、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから凝縮水と共に排出される。一方、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｄには、エンドプレート２０の導入口２０ｃに供給された一次冷却水が供給される。この貫通穴２１ｄに供給された一次冷却水は、凝縮用プレート２１の凹部２１ｂと後述する絶縁プレート２２の上面とで構成される空間を移動した後、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｅから排出される。この貫通穴２１ｅから排出された一次冷却水は、エンドプレート２０の排出口２０ｄから固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに向けて排出される。
絶縁プレート２２は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において凝縮用プレート２１と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この絶縁プレート２２における所定の位置には、貫通穴２２ｃ及び貫通穴２２ｄが設けられている。ここで、貫通穴２２ｃは、絶縁プレート２２における凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃと対向する所定の位置に設けられている。この貫通穴２２ｃは、絶縁プレート２２の厚み方向において貫通している。一方、貫通穴２２ｄは、絶縁プレート２２の下面における所定の位置からその側面における所定の位置に向けて逆Ｌ字状に屈曲して貫通するように、絶縁プレート２２における所定の位置に設けられている。ここで、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄは、図１に示す加湿器５の復路５ｂの他端に相当する。
本実施の形態では、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃが絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃに連通している。一方、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄと図１に示す凝縮器７のオフガス用流路７ａの一端とが、所定の配管により接続されている。又、後述する第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄが絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄに連通している。そして、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃには、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。一方、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄには、後述する第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。この絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄに供給されたオフガス及び凝縮水は、その後、その貫通穴２２ｄから凝縮器７のオフガス用流路７ａに向けて排出される。
一方、加湿部３０ｂは、上述した絶縁プレート２２と、第１加熱用プレート２３と、加湿膜２４と、第２加熱用プレート２５と、エンドプレート２６とを備えている。これらの絶縁プレート２２、第１加熱用プレート２３、加湿膜２４、第２加熱用プレート２５、及び、エンドプレート２６がその順で同軸状に積層され、一体化されることによって、加湿部３０ｂが構成されている。
図２及び図３に示すように、第１加熱用プレート２３は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において絶縁プレート２２と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この第１加熱用プレート２３の図２では上側における所定の略矩形状領域には、凹部２３ａが形成されている。ここで、この凹部２３ａは、上述した所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。一方、この第１加熱用プレート２３の図２では下側における所定の略矩形状領域には、凹部２３ｂが形成されている（特に、図３参照）。ここで、この凹部２３ｂは、上述した凹部２３ａと同等の所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。又、この第１加熱用プレート２３における所定の位置には、貫通穴２３ｃ及び貫通穴２３ｄが各々設けられている。これらの貫通穴２３ｃ及び貫通穴２３ｄの各々は、第１加熱用プレート２３の厚み方向において貫通している。ここで、貫通穴２３ｃ及び貫通穴２３ｄは、第１加熱用プレート２３における絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃ及び貫通穴２２ｄの一端と対向する所定の位置に各々設けられている。
本実施の形態では、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃが第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃに連通している。一方、後述する加湿膜２４の貫通穴２４ｄが、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄに連通している。又、図１に示す固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの他端が、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａに連通している。この凹部２３ａにより構成される一次冷却水用流路が、図１に示す加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに相当する。一方、図１に示す水素生成装置４の燃料ガス排出口が、第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂに連通している。この凹部２３ｂにより構成される燃料ガス用流路が、図１に示す加湿器５の往路５ａに相当する。そして、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａと絶縁プレート２２の下面とで構成される空間には、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された一次冷却水が供給される。この供給された一次冷却水は、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａと絶縁プレート２２の下面とで構成される空間を移動した後、図１に示す熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに向けて排出される。一方、第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂと後述する加湿膜２４の上面とで構成される空間には、水素生成装置４の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスが供給される。この供給された燃料ガスは、第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂと加湿膜２４の上面とで構成される空間を移動した後、図１に示す固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに向けて排出される。又、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃには、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。一方、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄには、後述する加湿膜２４の貫通穴２４ｄから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。
加湿膜２４は、所定の厚みを有する透湿性が高い微多孔高分子膜或いは無孔高分子膜により構成され、平面視において第１加熱用プレート２３と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この加湿膜２４における所定の位置には、貫通穴２４ｃ及び貫通穴２４ｄが設けられている。ここで、貫通穴２４ｃは、加湿膜２４における第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃと対向する所定の位置に設けられている。この貫通穴２４ｃは、加湿膜２４の厚み方向において貫通している。一方、貫通穴２４ｄは、加湿膜２４における第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄと対向する所定の位置に設けられている。この貫通穴２４ｄは、加湿膜２４の厚み方向において貫通している。
本実施の形態では、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃが加湿膜２４の貫通穴２４ｃに連通している。一方、後述する第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄが、加湿膜２４の貫通穴２４ｄに連通している。そして、加湿膜２４の貫通穴２４ｃには、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。一方、加湿膜２４の貫通穴２４ｄには、後述する第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。
第２加熱用プレート２５は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において加湿膜２４と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この第２加熱用プレート２５の図２では上側における所定の略矩形状領域には、凹部２５ａが形成されている。ここで、この凹部２５ａは、上述した所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。一方、この第２加熱用プレート２５の図２では下側における所定の略矩形状領域には、凹部２５ｂが形成されている（特に、図３参照）。ここで、この凹部２５ｂは、上述した凹部２５ａと同等の所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。又、この第２加熱用プレート２５における所定の位置には、貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄが各々設けられている。これらの貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄの各々は、第２加熱用プレート２５の厚み方向において貫通している。ここで、貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄは、第２加熱用プレート２５における加湿膜２４の貫通穴２４ｃ及び貫通穴２４ｄと対向する所定の位置に各々設けられている。
本実施の形態では、加湿膜２４の貫通穴２４ｃが第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃに連通している。一方、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄが、加湿膜２４の貫通穴２４ｄに連通している。又、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃがその第２加熱用プレート２５の凹部２５ａに連通し、その凹部２５ａが第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄに連通している。この凹部２５ａにより構成されるオフガス用流路が、図１に示す加湿器５の復路５ｂに相当する。一方、図１に示す固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの他端が、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂにも連通している。この凹部２５ｂにより構成される一次冷却水用流路も、図１に示す加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに相当する。そして、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃには加湿膜２４の貫通穴２４ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給され、この供給されたオフガス及び凝縮水が第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃからその凹部２５ａと加湿膜２４の下面とで構成される空間に供給される。この供給されたオフガス及び凝縮水は、凹部２５ａと加湿膜２４の下面とで構成される空間を移動した後、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄを介して、加湿膜２４の貫通穴２４ｄに供給される。一方、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂと後述するエンドプレート２６の上面とで構成される空間には、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された一次冷却水が供給される。この供給された一次冷却水は、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂと後述するエンドプレート２６の上面とで構成される空間を移動した後、図１に示す熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに向けて排出される。
エンドプレート２６は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において第２加熱用プレート２５と同等の矩形状の形状を備えている。このエンドプレート２６は、図３に示すように、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄの下側の開口端を各々閉鎖している。
かかる凝縮加湿器３０は、その積層方向と重力方向とを実質的に一致させた状態で、燃料電池システム１００における所定の位置に配設されている。
本実施の形態では、凝縮用プレート２１、第１加熱用プレート２３、及び、第２加熱用プレート２５の各々を、熱伝導率が高い材料により構成している。これにより、凝縮加湿器３０における熱交換が好適に行われる。熱伝導率が高い材料としては、例えば、鉄やステンレス等の金属材料や、固体高分子形燃料電池８の構成要素であるカーボンセパレータと同様のカーボン材料等が挙げられる。又、エンドプレート２０及びエンドプレート２６や、絶縁プレート２２としては、熱伝導率が低い樹脂製の平板状プレートを用いている。これにより、燃料電池システム１００において、凝縮加湿器３０を熱的に独立させることが可能になる。又、凝縮加湿器３０において、凝縮部３０ａと加湿部３０ｂとを熱的に分離することが可能になる。更に、加湿膜２４としては、透湿性が高い微多孔高分子膜或いは無孔高分子膜を用いている。ここで、透湿性が高い微多孔高分子膜或いは無孔高分子膜としては、固体高分子形燃料電池８の構成要素である固体高分子電解質膜と同様の固体高分子電解質膜が挙げられる。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について説明する。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、発電運転において必要となる加湿された酸化剤ガスを得るために、発電運転の際、ブロア１により酸化剤ガスが導入される。この導入された酸化剤ガスは、全熱交換器２の往路２ａに供給される。この全熱交換器２の往路２ａに供給された酸化剤ガスは、その全熱交換器２の往路２ａにおいて、復路２ｂに供給される固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａから排出されたオフガスとの全熱交換により、所定の露点を有するように加湿される。そして、所定の露点を有するように加湿された酸化剤ガスが、全熱交換器２の往路２ａから固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａに供給される。
固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａに供給された酸化剤ガスは、その酸化剤ガス用流路８ａにおいて発電運転のために用いられる。この固体高分子形燃料電池８の発電運転の際、酸化剤ガスが有する酸素は所定の酸素利用率（Ｕｏ）で消費される。
酸化剤ガスは、固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａにおいて酸素が消費された後、その酸化剤ガス用流路８ａからオフエアとして排出される。この排出されたオフエアが、全熱交換器２の復路２ｂに供給される。そして、この復路２ｂに供給されたオフエアが、全熱交換器２において、その往路２ａにブロア１から供給される酸化剤ガスとの全熱交換のために利用される。その後、全熱交換器２において往路２ａに供給された酸化剤ガスとの全熱交換のために用いられたオフエアは、その全熱交換器２の復路２ｂから排出され、凝縮器３のオフエア用流路３ａに供給される。
オフエアは、凝縮器３のオフエア用流路３ａにおいて、その二次冷却水用流路３ｂに供給される二次冷却水との熱交換によって冷却される。この冷却の際、オフエアに含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水として凝縮器３から排出される。この冷却により生成された凝縮水は、凝縮器３においてオフエアから分離された後、燃料電池システム１００において冷却水等として適宜利用される。一方、凝縮器３において除湿されたオフエアは、燃料電池システム１００の外部に向けて排気される。
一方、この燃料電池システム１００では、発電運転において必要となる加湿された燃料ガスを得るために、発電運転の際、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、又は、都市ガス等の原料が水素生成装置４に供給される。又、この際、水素生成装置４に向けて、水道等のインフラストラクチャーから水が供給される。すると、水素生成装置４では、その供給される原料と水とが用いられて、水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスが生成される際、水素生成装置４においては、加熱器４ａにより生成される熱エネルギーが用いられて水蒸気改質反応が進行する。ここで、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、図１に示すように、水素生成装置４の加熱器４ａには凝縮器７から排出されたオフガスが供給される。この供給されるオフガスを燃焼することにより、加熱器４ａは、水蒸気改質反応を進行させるために必要な熱エネルギーを生成する。そして、水素生成装置４で生成された燃料ガスは、加湿器５の往路５ａに供給される。
水素生成装置４で生成された燃料ガスは、加湿器５の往路５ａにおいて、所定の露点を有するように加湿される。この燃料ガスの加湿の際、加湿器５の復路５ｂには、凝縮器６のオフガス用流路６ａから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。又、この際、加湿器５は、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出される温度上昇した一次冷却水が熱源として用いられて、加熱器５ｃにより所定の温度に加熱される。これにより、加湿器５の往路５ａに供給された燃料ガスとその復路５ｂに供給された加湿に利用可能な水とが共に所定の温度に加熱されるので、燃料ガスが所定の露点を有するように加湿される。そして、この所定の露点を有するように加湿された燃料ガスが、加湿器５の往路５ａから固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに供給される。
固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに供給された燃料ガスは、その燃料ガス用流路８ｂにおいて発電運転のために用いられる。この固体高分子形燃料電池８の発電運転の際、燃料ガスが有する水素は所定の燃料利用率（Ｕｆ）で消費される。
燃料ガスは、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂにおいて水素が消費された後、その燃料ガス用流路８ｂからオフガスとして排出される。この燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器６のオフガス用流路６ａに供給される。本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、この凝縮器６において、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されそのオフガス用流路６ａに供給されたオフガス（温度＝Ｔ１）が、一次冷却水タンク９からポンプ１０により供給されその一次冷却水用流路６ｂに供給された一次冷却水（温度＝Ｔ２；Ｔ２＜Ｔ１）が冷媒として用いられて、その冷媒との熱交換により強制的に冷却される。これにより、凝縮器６は、オフガスに含まれる水蒸気を凝縮水に強制的に変換させる。つまり、本実施の形態では、一次冷却水を冷媒として利用してオフガスに含まれる水蒸気を凝縮水に強制的に変換させることにより、凝縮器６において、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。この加湿に利用可能な増量された水が、オフガスと共に、加湿器５の復路５ｂに供給される。そして、この復路５ｂに供給された水が、加湿器５において、その往路５ａに水素生成装置４から供給される燃料ガスの加湿のために利用される。この際、加熱器５ｃは、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された高温状態の一次冷却水が一次冷却水用流路５ｄに供給されて加湿器５を加熱する。これにより、加湿器５において、水素生成装置４で生成された燃料ガスが所定の露点を有するように十分にかつ確実に加湿される。
図１〜図３を参照しながら具体的に説明すると、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出され、凝縮加湿器３０の凝縮部３０ａにおけるエンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂに供給されたオフガスは、凝縮用プレート２１の凹部２１ａに導入される。すると、この凝縮用プレート２１の凹部２１ａに導入されたオフガスは、その凝縮用プレート２１の凹部２１ｂを流れる一次冷却水との熱交換により強制的に冷却される。ここで、一次冷却水は、一次冷却水タンク９からポンプ１０によりエンドプレート２０の導入口２０ｃ及び凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｄを介して凹部２１ｂに導入される。凝縮用プレート２１の凹部２１ｂに導入された一次冷却水は、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｅ及びエンドプレート２０の排出口２０ｄを介して、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに向けて排出される。そして、固体高分子形燃料電池８から排出されたオフガスが凝縮部３０ａにおいて一次冷却水により冷却されることによって、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから、オフガス（二層流中の液体状部分を含む）と、一次冷却水による冷却により生成された凝縮水とが各々排出される。
燃料ガスを加湿するために利用可能な増量された水は、凝縮部３０ａにおける凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから排出された後、重力により降下して、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂにおける第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃに導入される。そして、この貫通穴２５ｃから第２加熱用プレート２５の凹部２５ａに導入される。一方、水素生成装置４で生成された燃料ガスは、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂに導入される。
又、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ａ、及び、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂには、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された高温状態の一次冷却水が供給される。すると、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂでは、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａに供給された高温状態の一次冷却水により凹部２３ｂに導入された燃料ガスが加熱されると共に、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂに供給された高温状態の一次冷却水により凹部２５ａに導入された水が加熱される。これにより、加湿部３０ｂにおいて、第２加熱用プレート２５側から第１加熱用プレート２３側に向けて加湿膜２４を介して水が移動する。そして、加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂにおいて、水素生成装置４で生成された燃料ガスが所定の露点を有するように十分にかつ確実に加湿される。
水素生成装置４で生成された燃料ガスは、加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂで所定の露点を有するように加湿された後、凝縮加湿器３０から排出される。そして、この所定の露点を有するように加湿された燃料ガスが、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに供給される。一方、加湿部３０ｂにおける第２加熱用プレート２５の凹部２５ａに導入された水は、その水の一部が燃料ガスの加湿のために利用された後、オフガスと共に絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄを介して凝縮器７のオフガス用流路７ａに向けて排出される。又、加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ａ及び第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂに供給された一次冷却水は、その一次冷却水の熱エネルギーが燃料ガスの加湿のために利用された後、凝縮加湿器３０から熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに向けて排出される。
さて、加湿器５において往路５ａに供給された燃料ガスの加湿のために用いられたオフガス及び凝縮水は、その加湿器５の復路５ｂから排出された後、凝縮器７のオフガス用流路７ａに供給される。
オフガスは、凝縮器７のオフガス用流路７ａにおいて、その二次冷却水用流路７ｂに供給される二次冷却水との熱交換によって冷却される。この冷却の際、オフガスに含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水として凝縮器７から排出される。この冷却により生成された凝縮水は、凝縮器７においてオフガスから分離された後、燃料電池システム１００において冷却水等として適宜利用される。一方、凝縮器７において除湿されたオフガスは、水素生成装置４の加熱器４ａに燃焼用燃料として供給される。
一方、この燃料電池システム１００では、発電運転の際、固体高分子形燃料電池８が発熱する。そこで、この燃料電池システム１００では、固体高分子形燃料電池８の温度を略一定の温度で維持するために、一次冷却水給排系統において一次冷却水が循環される。この際、一次冷却水は、オフガスの冷却や燃料ガスの加湿のためにも利用される。
本実施の形態では、固体高分子形燃料電池８の温度を略一定の温度で維持するために、発電運転の際、ポンプ１０により一次冷却水タンク９に貯蔵されている一次冷却水が凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給される。すると、凝縮器６の一次冷却水流路６ｂに供給された一次冷却水は、その一次冷却水流路６ｂを通過する際に、オフガス用流路６ａを通過するオフガスの温度を低下させる。そして、凝縮器６においてオフガスの冷却のために用いられた一次冷却水は、その一次冷却水用流路６ｂから排出された後、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに供給される。
固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに供給された一次冷却水は、その一次冷却水用流路８ｃを通過する際に、発電運転に伴って発熱する固体高分子形燃料電池８を冷却する。これにより、燃料電池システム１００において、固体高分子形燃料電池８の温度が略一定の温度に維持される。一方、一次冷却水は、固体高分子形燃料電池８の排熱を受け取って昇温する。そして、固体高分子形燃料電池８において固体高分子形燃料電池８の冷却のために用いられて昇温した一次冷却水は、その一次冷却水用流路８ｃから排出された後、加湿器５における加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに供給される。
加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに供給された一次冷却水は、その一次冷却水用流路５ｄを通過する際に、加湿器５を加熱するための熱源として用いられる。つまり、加熱器５ｃは、その一次冷却水用流路５ｄに供給される高温状態の一次冷却水を熱源として用いることにより、加湿器５を加熱する。これにより、加湿器５が所定の温度に加熱される。そして、加熱器５ｃにおいて加湿器５の加熱のために用いられた一次冷却水は、その一次冷却水用流路５ｄから排出された後、熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに供給される。
熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに供給された一次冷却水は、その一次冷却水用流路１１ａを通過する際に、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給される二次冷却水により冷却される。二次冷却水との熱交換により冷却された一次冷却水は、熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａから排出された後、一次冷却水タンク９に戻される。このような、一次冷却水給排系統における一次冷却水の循環は、ポンプ１０の送水作用により実現される。
又、この燃料電池システム１００では、発電運転の際、加湿器５における加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄから排出される一次冷却水には余剰の熱が残留する。そこで、この燃料電池システム１００では、加熱器５ｃから排出される一次冷却水に残留する余剰の熱を回収及び放熱するために、二次冷却水給排系統において二次冷却水が循環される。この際、二次冷却水は、全熱交換器２及び加湿器５から排出されるオフエア及びオフガスを除湿するためにも利用される。
本実施の形態では、加熱器５ｃから排出される一次冷却水に残留する余剰の熱を回収及び放熱するために、発電運転の際、ポンプ１３により二次冷却水タンク１２に貯蔵されている二次冷却水が凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂに供給される。すると、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂに供給された二次冷却水は、それらの二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂを通過する際に、オフエア用流路３ａ及びオフガス用流路７ａを通過するオフエア及びオフガスの温度を低下させる。そして、凝縮器３及び凝縮器７においてオフエア及びオフガスの冷却のために用いられた二次冷却水は、それらの二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂから排出された後、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給される。
熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給された二次冷却水は、その二次冷却水用流路１１ｂを通過する際に、熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに供給される一次冷却水を冷却する。一次冷却水との熱交換により温度上昇した二次冷却水は、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂから排出された後、放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａに供給される。
放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａに供給された二次冷却水は、その二次冷却水用流路１４ａを通過する際に、例えば空気により所定の温度にまで冷却される。そして、二次冷却水用流路１４ａにおいて冷却された二次冷却水は、放熱器１４から排出された後、二次冷却水タンク１２に戻される。このような、二次冷却水給排系統における二次冷却水の循環は、ポンプ１３の送水作用により実現される。
以上、燃料電池システム１００が上述の如く動作することにより、固体高分子形燃料電池８の出力端子には所定の電圧が発生する。一方、燃料電池システム１００において、固体高分子形燃料電池８の出力端子は、所定の導線を介して、電力負荷回路の入力端子に接続されている。そして、この電力負荷回路の出力端子は、所定の導線を介して、燃料電池システム１００の出力端子に接続されている。使用者は、燃料電池システム１００の出力端子に所望の負荷の電源端子を電気的に接続することにより、その所望の負荷を利用することが可能になる。
本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路から排出される温度上昇した冷却水が熱源として用いられて加熱器が加湿器を加熱する際、水素生成装置で生成された燃料ガスの加湿のために利用可能な水が加湿器に向けて十分な供給量で供給されるので、加湿器において水素生成装置で生成された燃料ガスが十分にかつ確実に加湿される。これにより、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路には、所定の露点を有する燃料ガスが安定して供給される。かかる構成により、燃料電池システムにおいて、固体高分子形燃料電池の寿命に対する悪影響が低減される。その結果、長期間に渡り安定して電力を供給することが可能な、耐久性及び信頼性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の際、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路から排出されたオフガスの露点が低下している場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。従って、加湿器において、水素生成装置で生成された燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することができる。
更に、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、極小容量の給水ポンプ等の専用補機を配設することなく、従来からある加湿器を用いる簡易な構成によって、固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能になる。そして、その結果、廉価でありかつ耐久性及び信頼性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。
（実施例１）
図１に示すブロック構成を備え、更に、図２及び図３に示す構成の凝縮加湿器を備える燃料電池システムを用いて、本発明により得られる効果を検証した。
本検証では、定格出力電力が１ｋｗである定置用の固体高分子形燃料電池を用いた。この固体高分子形燃料電池の積層段数は２０段である。又、この固体高分子形燃料電池における電極面積は、２００平方センチメートルである。そして、この固体高分子形燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、燃料利用率（Ｕｆ）を７５％とし、かつ酸素利用率（Ｕｏ）を５０％として、負荷電流が８０Ａ（電流密度が０．４Ａ／平方センチメートル）の負荷を接続した場合、出力電圧が１４．５Ｖ（セル平均電圧は０．７２５Ｖ）で約１．１５ｋｗの出力電力が得られた。この際、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路には、毎分１４リットルの割合で水素が供給されるよう、燃料ガスを供給した。又、固体高分子形燃料電池の酸化剤ガス用流路には、毎分５５リットルの割合で酸化剤ガスとしての空気が供給された。この空気は、実験施設内の空気をブロアにより圧縮して供給した。これらの燃料ガス及び酸化剤ガスは、露点が６４℃となるように各々加湿された後、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路に供給された。
一方、燃料電池システムの発電運転の際には、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路に供給される一次冷却水の温度が６０℃となり、かつ固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路から排出される一次冷却水の温度が７２℃となるように、一次冷却水給排系統及び二次冷却水給排系統が所定の制御装置により制御された。この際、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路には、毎分１．５リットルの割合で一次冷却水が供給された。ここで、本検証では、一次冷却水としては純水が用いられた。又、二次冷却水としては、３０％の濃度でエチレングリコールを含有する不凍液が用いられた。
かかる燃料電池システムでは、発電運転の際に固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスは二層流であった。本検証では、オフガスは、露点が７２℃である排燃料ガスと液体状の水とが混合した混合された状態で排出された。ここで、液体状の水の再気化装置を付設した鏡面式露点計測装置により測定したオフガスの真の露点は、平均で８０℃であった。又、オフガスの真の露点は、８０±２℃の範囲で経時的に変動していることが明らかとなった。このオフガスの露点の経時的な変動は、固体高分子形燃料電池において生成した水が一定の割合で排出されるのではなく、滞留しては吐き出されるためであると解された。
又、本検証では、水素生成装置として、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスの燃焼熱を熱源とするタイプの水素生成装置を用いた。この水素生成装置は、改質部、変成部、及び、選択酸化部の各々を備えている。ここで、改質部は、天然ガス（１３Ａ）を原料とし、白金触媒の触媒作用により水蒸気改質反応を進行させて、水素を含む燃料ガスを生成する。本検証では、白金触媒の温度が６５０℃となるように制御すると共に、Ｓ／Ｃが２．６となるように制御して燃料ガスを生成させたところ、約９０％の転化率で水蒸気改質反応を進行させることができた。又、変成部は、燃料ガスに含有される水を利用して、銅亜鉛触媒の触媒作用により水性ガスシフト反応を進行させることによって、燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を低減する。本検証では、銅亜鉛触媒の温度が３５０℃となるように制御しながら、水性ガスシフト反応を進行させた。更に、選択酸化部は、空気に含有される酸素を利用して、所定の選択酸化触媒の触媒作用により選択酸化反応を進行させることによって、燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を更に低減する。本検証では、所定の選択酸化触媒の温度が１６０℃となるように制御したところ、燃料ガスの一酸化炭素含有濃度が数ｐｐｍにまで低減された。そして、これらの改質部、変成部、選択酸化部により、水素生成装置から固体高分子形燃料電池に向けて、水素含有濃度が約７５％の燃料ガスが毎分１９リットルの割合（ドライガス換算）で供給された。この際、水素生成装置の燃料ガス排出口から排出された直後の燃料ガスの温度は約１００℃であり、その平均露点は５６℃であった。尚、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点には、オフガスの燃焼熱の変動や水蒸気改質反応を進行させるための水の供給量の変動に起因して、±５℃程度の変動が観察された。 更に、本検証では、酸化剤ガスを加湿するための全熱交換器として、ＭＥＡにおいて透湿膜として用いられているものと同様のパーフルオロスルフォン酸膜を使用している、米国パーマピュア社製の中空糸膜型全熱交換器を用いた。この中空糸膜型全熱交換器におけるパーフルオロスルフォン酸膜の総面積は約０．８平方メートルであった。又、この中空糸膜型全熱交換器のエンタルピー効率は約７３％であった。かかる中空糸膜型全熱交換器は、定格運転の際、固体高分子形燃料電池から排出されたオフエアを用いて、露点が６４℃の酸化剤ガスを生成することが可能であった。
又、燃料ガスを加湿するための凝縮加湿器としては、ジャパンゴアテックス社製のゴアセレクト３０膜を加湿膜として備え、固体高分子形燃料電池において用いられているものと同様の東海カーボン社製のカーボンセパレータを凝縮用プレート等として備える凝縮加湿器を設計及び製作して使用した。ここで、凝縮加湿器を構成する上述した加湿膜の物質透過係数は１．０×１０−７（ｋｇ／ｓ／Ｐａ／ｍ２）であり、その実効面積を３００平方センチメートルとすることにより、１．３ｋｃａｌ／分の交換容量を得ることができた。かかる凝縮加湿器は、定格運転の際、固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスを用いて、水素生成装置で生成された露点が５６±５℃の燃料ガスから露点が６４±２℃の燃料ガスを生成することが可能であった。
図４は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量と、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量との相互関係を模式的に示す相関図である。ここで、図４（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。又、図４（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。
尚、図４において、横軸は、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点を示している。又、左側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量を示している。又、右側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量を示している。
更に、図４において、曲線ａは、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量の変化を示している。又、直線ｂは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させない場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。一方、直線ｃは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させる場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、水素生成装置の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスの露点は、露点範囲ΔＴｄ＝５６±５℃の範囲で変動していた。この場合、図４（ａ）に示すように、燃料ガスの露点が低いとそれを最適化するために必要となる水の供給量は多く、それとは反対に、燃料ガスの露点が高いとそれを最適化するために必要となる水の供給量は少なかった。例えば、燃料ガスの露点が５１℃である場合、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量は２．５ｇ／分程度であった。一方、燃料ガスの露点が６１℃である場合、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量は０．７ｇ／分程度であった。
そして、図４（ａ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させなかった場合、燃料ガスの露点が領域Ｒ１の範囲内で、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を下回る場合があった。この場合、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足する場合があったので、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを常に供給することはできなかった。尚、図４（ａ）に示すように、燃料ガスの露点が領域Ｒ２の範囲内である場合には、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を上回っていたため、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足することはなかった。従って、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを供給することが常に可能であった。
しかしながら、図４（ｂ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させた場合には、露点範囲ΔＴｄの全領域において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を常に上回っていた。そのため、燃料電池システムの発電運転において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足することはなかった。従って、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを供給することが常に可能であった。
この燃料電池システムを連続して５０００時間に渡り発電運転させたところ、固体高分子形燃料電池を構成するセルの平均電圧劣化率は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を増量させなかった場合は５ｍＶ／１０００時間であったのに対して、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を増量させた場合には２ｍＶ／１０００時間であった。従って、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供することが可能であることが確認された。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、二次冷却水給排系統を流れる二次冷却水を冷媒として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これによって、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図５において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成は、ポンプ１０の排出口と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続されている点と、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂの他端と凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端とが所定の配管により接続されかつ一次冷却水用流路６ｂの他端と熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂの一端とが所定の配管により接続されている点でのみ、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム２００の構成は燃料電池システム１００の構成と同様である。
かかる燃料電池システム２００では、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂから排出された二次冷却水が、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給される。一方、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器６のオフガス用流路６ａに供給される。そして、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給された二次冷却水が冷媒として用いられることにより、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが凝縮器６のオフガス用流路８ａにおいて強制的に冷却される。これにより、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。凝縮器６においてオフガスの冷却のために用いられた二次冷却水は、一次冷却水用流路６ｂから排出された後、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給される。尚、その他の点については、燃料電池システム２００の動作は燃料電池システム１００の動作と同様である。
本実施の形態に係る燃料電池システムによっても、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。
（実施例２）
図５に示すブロック構成を備え、更に、図２及び図３に示す構成の凝縮加湿器を備える燃料電池システムを用いて、本発明により得られる効果を検証した。
本検証においては、定格出力電力が１００ｋｗである車載用の固体高分子形燃料電池を用いた。この固体高分子形燃料電池の積層段数は４００段である。又、この固体高分子形燃料電池における電極面積は、５００平方センチメートルである。そして、この固体高分子形燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、燃料利用率（Ｕｆ）を７５％とし、かつ酸素利用率（Ｕｏ）を５０％として、負荷電流が３７５Ａ（電流密度が０．７５Ａ／平方センチメートル）の負荷を接続した場合、出力電圧が３３５Ｖ（セル平均電圧は０．６７Ｖ）で約１００ｋｗの出力電力が得られた。
本実施例では、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路に供給される一次冷却水の温度が７０℃となり、かつ固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路から排出される一次冷却水の最大負荷時の温度が８２℃となるように、一次冷却水給排系統及び二次冷却水給排系統が所定の制御装置により制御された。この際、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路には、毎分１５０リットル（最大）の割合で一次冷却水が供給された。
一次冷却水の供給温度は、実際には、定格出力電力の３０％以下の負荷で固体高分子形燃料電池が運転されると共に、その負荷が経時的に変動したため、７０±３℃の温度範囲において大きく変動して、一定値を示すことはなかった。これに対して、二次冷却水の温度は、ラジエータにより逐次放熱されることにより、６０℃程度の温度で安定していた。特に、凝縮器３及び凝縮器７を経て凝縮器６に導入される二次冷却水の温度は、６５℃を超えることは常になかった。従って、固体高分子形燃料電池８から排出されたオフガスを冷却する際には、実施の形態１に示す凝縮器６に一次冷却水を供給する形態よりも、本実施の形態に示す凝縮器６に二次冷却水を供給する形態の方が合理的であると考えられた。
又、本検証では、水素生成装置として、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスの燃焼熱を熱源とするタイプの水素生成装置を用いた。この水素生成装置は、改質部、変成部、及び、選択酸化部の各々を備えている。ここで、改質部は、原料としてメタノールを用い、白金触媒の触媒作用により水蒸気改質反応を進行させて、水素を含む燃料ガスを生成する。本検証では、白金触媒の温度が２８０℃となるように制御すると共に、Ｓ／Ｃが３．１となるように制御して燃料ガスを生成させたところ、露点の範囲が６２±４℃である燃料ガスが生成した。
かかる燃料電池システムでは、発電運転の際に固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスは二層流であって、そのオフガスの真の露点は８１℃〜８７℃の範囲で経時的に変動していることが明らかとなった。
図６は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量と、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量との相互関係を模式的に示す相関図である。ここで、図６（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。又、図６（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。
尚、図６において、横軸は、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点を示している。又、左側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量を示している。又、右側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量を示している。
更に、図６において、曲線ａは、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量の変化を示している。又、直線ｂは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させない場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。一方、直線ｃは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させる場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、水素生成装置の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスの露点は、露点範囲ΔＴｄ＝５７℃〜６７℃程度の範囲で変動していた。そして、図６（ａ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させなかった場合、燃料ガスの露点が領域Ｒ１の範囲内で、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を下回る場合があった。尚、図６（ａ）に示すように、燃料ガスの露点が領域Ｒ２の範囲内である場合には、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を上回っていた。
しかしながら、図６（ｂ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させた場合には、露点範囲ΔＴｄの全領域において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を常に上回っていた。そのため、燃料電池システムの発電運転において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足することはなかった。従って、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを供給することが常に可能であった。
この燃料電池システムを連続して発電運転させたところ、固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガスの露点は、車載用の燃料電池システムとして想定される種々の負荷条件の下で、概ね７２±２℃の範囲内に収まっていた。そして、セルの平均電圧劣化率は、実施の形態１における実施例１の場合と同様の良好な電圧劣化率であった。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、第２のブロアにより燃料電池システムの外部から供給される空気を冷媒として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これにより、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図７において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３００の構成は、ポンプ１０の排出口と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続されている点と、第２のブロア１５における空気の排出口と凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端とが所定の配管により接続されかつその一次冷却水用流路６ｂの他端に開口端を有する所定の配管の一端が接続されている点でのみ、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム３００の構成は燃料電池システム１００の構成と同様である。
かかる燃料電池システム３００では、第２のブロア１５における排出口から排出された空気が、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給される。一方、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器６のオフガス用流路６ａに供給される。そして、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給された空気が冷媒として用いられることにより、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが凝縮器６のオフガス用流路８ａにおいて強制的に冷却される。これにより、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。凝縮器６においてオフガスの冷却のために用いられた空気は、一次冷却水用流路６ｂから排出された後、燃料電池システム３００の外部に向けて排気される。尚、その他の点については、燃料電池システム３００の動作は燃料電池システム１００の動作と同様である。
本実施の形態に係る燃料電池システムによっても、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、燃料電池システムの内部に存在する空気を冷媒として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これによって、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図８において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図８に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム４００の構成は、ポンプ１０の排出口と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続されている点と、図１等に示す凝縮器６に代えて放熱フィン１６ａとオフガス用流路１６ｂとを備える凝縮器１６が配設されている点でのみ、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム４００の構成は燃料電池システム１００の構成と同様である。
かかる燃料電池システム４００では、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器１６のオフガス用流路１６ｂに供給される。そして、凝縮器１６の放熱フィン１６ａが有する放熱作用により、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが凝縮器１６のオフガス用流路１６ｂにおいて強制的に冷却される。これにより、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。尚、その他の点については、燃料電池システム４００の動作は燃料電池システム１００の動作と同様である。
本実施の形態に係る燃料電池システムによっても、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。又、実施の形態１〜３の構成と比べて、より一層簡易な構成により燃料ガスの加湿のために利用可能な水を増量させることが可能になる。
ここで、本実施の形態では、凝縮器１６が放熱フィン１６ａとオフガス用流路１６ｂとを備える形態を例示したが、このような形態に限定されることはない。例えば、固体高分子形燃料燃料８が備える燃料ガス用流路８ｂの一端と加湿器５が備える往路５ｂの一端との間に、凝縮器１６に代えて、オフガス用流路１６ｂに相当するオフガス用流路（オフガス用配管）のみを備える形態としてもよい。このように、オフガス用流路１６ｂに相当するオフガス用流路自体が凝縮器として機能する形態としても、そのオフガス用流路が有する放熱作用により、そのオフガス用流路においてオフガスが強制的に冷却される。これにより、本実施の形態の場合と同様にして、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。
この場合、上記オフガス用流路の形状、及びその配設形態等は、特に限定されることはない。例えば、上述した本実施の形態の変形例では、オフガス用流路が直線状の形状を有していてもよく、或いは、オフガス用流路が螺旋状の形状を有していてもよい。更に、上述した変形例では、オフガス用流路が単に露出する形態としてもよい。つまり、本願に係る効果が得られる範囲において、燃料電池システムの構成等に応じて上記オフガス用流路の形状（直径、長さ、巻き数等）、その材質（カーボン、ステンレス等）、及びその配設形態（露出、断熱材の有無及びその種類等）等を適切に設定することで、凝縮器１６を配設することなく、燃料ガスの加湿のために利用可能な水を強制的に増量させることが可能になる。かかる構成とすることにより、実施の形態１〜３の構成と比べて、更に簡易な構成により燃料ガスの加湿のために利用可能な水を増量させることが可能になる。
尚、オフガスを強制的に冷却するための冷媒として、一次冷却水、二次冷却水、燃料電池システムの外部又は内部の空気の何れを選択すべきであるかは、燃料ガスの供給形態や燃料電池システムの使用用途等に応じて適宜選択すればよい。ここで、燃料ガスの供給形態としては、絶乾ガスの使用を前提としたボンベからの燃料ガスの供給形態や、ある程度にまで自動的に加湿されている燃料ガスの供給形態等が挙げられる。又、燃料電池システムの使用用途としては、定置用又は車載用等の使用用途等が挙げられる。
又、特に水蒸気改質法が用いられることを前提として、比較的少量の追加加湿を行う場合には、燃料電池システムの内部の空気を冷媒として用いる形態や、一次冷却水給排系統を流れる一次冷却水を冷媒として用いる形態が好適である。かかる形態であっても、燃料ガスの加湿のために利用可能な水を十分に増量させることが可能である。
本発明に係る燃料電池システムは、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する固体高分子形燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。この燃料電池システムは、発電部の本体としての構成要素である燃料電池と、その燃料電池以外の付加的な構成要素とを各々備えている。これらの各々の構成要素を備える発電装置の全体を総称して、通常、燃料電池システムという。
燃料電池システムは、その発電部の本体としての構成要素として、積層型燃料電池（通称「スタック」といい、以下、単に「燃料電池」という）を備えている。この燃料電池では、所定の個数の単電池（通称「セル」という）が積層されている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池、又は、固体電解質形燃料電池等が挙げられる。これらの燃料電池の内で、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池（略称、ＰＥＦＣ）は、発電運転の際の動作温度が他の燃料電池の動作温度と比べて比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として用いられることが多い。特に、固体高分子形燃料電池は、リン酸形燃料電池と比べて電極触媒の劣化が比較的少なくかつ電解質の逸散が発生しないため、携帯用電子機器や電気自動車等の用途において特に好適に用いられる。
固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を用いる。しかし、この水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。従って、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにより所定の電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において水素を生成する必要がある。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池と共に水素生成装置が併設されることが多い。この水素生成装置では、天然ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原料、又は、メタノール等のアルコール系の原料と水とが用いられて、例えば水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスに含まれる水素と空気等の酸化剤ガスに含まれる酸素とが各々供給されることにより、固体高分子形燃料電池は所定の電力を出力する。
ところで、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムでは、その発電運転の際、所定の露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが固体高分子形燃料電池に各々供給される。特に、固体高分子形燃料電池の寿命を考慮する場合には、その固体高分子形燃料電池における燃料ガス及び酸化剤ガスが最初に導入される所定の領域の温度よりも高い露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが、固体高分子形燃料電池に各々供給されることが望ましい。このように、所定の露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガス、又は、所定の領域の温度よりも高い露点を有するように加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより、燃料電池システムにおいて、固体高分子形燃料電池の発電運転が好適に行われる。
通常、固体高分子形燃料電池から排出された酸化剤ガス（以下、単に「オフエア」という）が十分な排気エンタルピーを有するように設計された燃料電池システムでは、全熱交換器におけるオフエアとの全熱交換により、固体高分子形燃料電池に供給される酸化剤ガスは所定の露点にまで容易にかつ確実に加湿される。
一方、水素生成装置を備える燃料電池システムでは、水蒸気改質反応を進行させる際に添加される水の一部が水蒸気として燃料ガス中に残留するため、水素生成装置から排出された燃料ガスはある程度にまでは自動的に加湿されている。従って、水素生成装置の運転条件と固体高分子形燃料電池の運転条件とが適合する限りにおいては、特段の加湿器を設けることなく、水素生成装置が生成した燃料ガスを固体高分子形燃料電池に直接供給することが可能である。しかし、水蒸気改質反応の高効率化のためには、炭素析出を誘発させない範囲内で水の添加量を減少させ、これにより水蒸気改質反応の反応系から奪われる気化潜熱を低減することが望ましい。このような場合、水の添加量が減少されるので、固体高分子形燃料電池の運転条件如何によっては、水素生成装置において燃料ガスが所定の露点にまで加湿されない場合が生じ得る。そのため、水素生成装置を備える燃料電池システムでは、通常、燃料ガスを所定の露点にまで確実に加湿するための加湿器が別途設けられている。この加湿器により、燃料電池システムにおいて、水素生成装置で生成された燃料ガスが所定の露点にまで確実に加湿される。
しかしながら、水素生成装置を備える燃料電池システムにおいては、酸化剤ガスを加湿する構成と同様にして、固体高分子形燃料電池から排出された燃料ガス（以下、単に「オフガス」という）を全熱交換器に供給して全熱交換により水素生成装置で生成された燃料ガスを所定の露点にまで加湿することは、仮にオフガスが十分な排気エンタルピーを有する場合であっても、非常に困難である。その理由は、発電運転の際に固体高分子形燃料電池から排出されるオフガス及びオフエアの各々の流量を比較した場合、オフガスの流量がオフエアの流量よりも著しく少ないからである。
具体的に説明すると、一般的な固体高分子形燃料電池の動作温度は６０〜８０℃程度であり、特にコージェネレーション用途の場合、通常、固体高分子形燃料電池に供給される冷却水の温度とそれから排出される冷却水の温度との温度差が１０℃程度となるように、固体高分子形燃料電池に供給される冷却水の供給量が制御される。
この場合、固体高分子形燃料電池における酸素利用率（略称、Ｕｏ）が５０％であると仮定すると、固体高分子形燃料電池から排出されるオフエアのモル流量は、供給された酸化剤ガスのモル流量の９０％となる。つまり、酸化剤ガスの加湿プロセスでは、全熱交換器に向けて十分な温度及び流量のオフエアが供給される。従って、固体高分子形燃料電池から排出されるオフエアの温度が例えば７０℃である場合、この７０℃の温度のオフエアを利用して全熱交換により酸化剤ガスの露点を６０℃に調整することは、適切に設計された全熱交換器を用いることにより容易にかつ確実に達成される。
しかし、上述したように、オフガスを用いて全熱交換により燃料ガスを所定の露点にまで加湿することは、非常に困難である。その理由は、通常、水素生成装置で生成された燃料ガスは水素と二酸化炭素との比率が８対２程度である混合ガスであり、その一方で、固体高分子形燃料電池における燃料利用率（略称、Ｕｆ）は８０％程度であるため、固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスのモル流量がそれに供給された燃料ガスのモル流量の４０％程度となるからである。つまり、燃料ガスの加湿プロセスでは、全熱交換器に向けて十分な流量のオフガス（十分な熱量）が供給されない。従って、燃料ガスが十分に加熱されない。よって、固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスの温度が仮に７０℃であっても、この７０℃の温度のオフガスを利用して全熱交換により燃料ガスの露点を６０℃に調整することは、適切に設計された全熱交換器を用いても非常に困難である。
そこで、オフガスを熱源として用いて燃料ガスを加湿する構成に代えて、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この従来の提案では、燃料電池から排出された温度上昇した冷却水が、燃料ガスを加湿する際に熱源として利用される。具体的には、燃料電池から排出された温度上昇した冷却水が加湿器に供給されると共に、その燃料電池から排出されたオフガスがその加湿器に供給される。これにより、加湿器において、水素生成装置で生成された燃料ガスが十分に加熱されると共に、供給されるオフガスが十分に加熱されるので、燃料ガスが十分に加湿される。
以下、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する燃料電池システムの構成について概説する。
図９は、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する従来の定置発電用の燃料電池システムの典型的な構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、図９において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図９に示すように、従来の燃料電池システム５００は、ブロア１０１と全熱交換器１０２と凝縮器１０３とを備える酸化剤ガス給排系統と、加熱器１０４ａを備える水素生成装置１０４と加熱器１０５ａを備える加湿器１０５と凝縮器１０６とを備える燃料ガス給排系統と、それらの酸化剤ガス給排系統及び燃料ガス給排系統における全熱交換器１０２及び加湿器１０５から加湿された酸化剤ガス及び加湿された燃料ガスが各々供給されて発電する燃料電池１０７とを備えている。
又、図９に示すように、この従来の燃料電池システム５００は、冷却水タンク１０８とポンプ１０９と加熱器１０５ａと熱交換器１１０とを備える燃料電池１０７及び加湿器１０５の温度を制御するための一次冷却水給排系統と、冷却水タンク１１１とポンプ１１２と凝縮器１０３及び凝縮器１０６と熱交換器１１０と放熱器１１３とを備える全熱交換器１０２及び加湿器１０５から排出されたオフエア及びオフガス及び一次冷却水の温度を制御するための二次冷却水給排系統とを備えている。
つまり、この従来の燃料電池システム５００は、発電部の本体としての構成要素である燃料電池１０７と、その燃料電池１０７以外の付加的な構成要素である酸化剤ガス給排系統、燃料ガス給排系統、一次冷却水給排系統、及び、二次冷却水給排系統等とを各々備えている。
かかる従来の燃料電池システム５００によれば、水素生成装置１０４で生成された燃料ガスを加湿する際、燃料電池１０７から排出される温度上昇した冷却水が加湿器１０５の加熱器１０５ａに供給される。そして、この加熱器１０５ａが、加湿器１０５を十分に加熱する。従って、燃料電池１０７から排出されたオフガスの流量が少ない場合でも、加熱器１０５ａが加湿器１０５を十分に加熱するので、水素生成装置１０４から加湿器１０５に供給された燃料ガスは十分に加熱される。又、燃料電池１０７から加湿器１０５に供給されたオフガスも十分に加熱される。よって、水素生成装置１０４から加湿器１０５に供給された燃料ガスが十分に加湿される。尚、凝縮器１０３及び凝縮器１０６により回収された凝縮水は、所定の浄化工程を経て浄化された後、冷却水等として利用される。
尚、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する他の燃料電池システムとしては、水を加湿器に直接注入して、その注入した水を燃料電池から排出される温度上昇した冷却水により加熱することによって燃料ガスを加湿する燃料電池システムも提案されている。かかる燃料電池システムによっても、加湿器において水素生成装置で生成された燃料ガスが十分に加湿されるので、燃料電池の発電運転が好適に行われる（例えば、特許文献２及び３参照）。
特開２００２−２１６８１６号公報 特願平６−１１８１４９号公報 特開平７−２２６２２２号公報
しかしながら、特許文献１に示す従来の燃料電池システムでは、その発電運転の際、加熱器により加熱されると共に、比較的高温状態の燃料ガスが水素生成装置から供給されるので、加湿器ではオフガスに含まれる水蒸気の凝縮が進行し難い。或いは、水蒸気の凝縮（毛管凝縮）が実質的に進行しない。従って、従来の燃料電池システムでは、加湿器において燃料ガスを加湿するために利用可能な水は、オフガスの液体状部分（通常、オフガスは二層流であって、その二層流の内の液体状部分）のみであった。換言すれば、従来の燃料電池システムの構成では、オフガスの気体状部分に含まれる水蒸気を燃料ガスの加湿のために利用することは困難であった。
一方、従来の燃料電池システムでは、通常、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点は±５℃程度の範囲で変動する。この場合、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点が低いと、それに応じて、燃料電池から排出されたオフガスの液体状部分の排出量も減少する。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が加湿器において不足する場合があった。
つまり、従来の燃料電池システムでは、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水により加湿器が十分に加熱されても、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足する場合があったので、加湿器において水素生成装置で生成された燃料ガスを十分に加湿することができない場合があった。そして、供給する燃料ガスの露点が低いため、燃料電池の寿命に対して悪影響を及ぼす場合があった。
尚、特許文献２及び特許文献３に示す従来の燃料電池システムでは、出力電力が１Ｋｗ程度の小規模な家庭用燃料電池システムにおいては、加湿器に注入する水の注入量が数グラム／分程度であるため、極小容量の給水ポンプ（つまり、専用補機）が必要になる。このような極小容量の給水ポンプの価格は、極めて高額である。又、このような極小容量の給水ポンプでは、流路閉塞等の故障が発生し易い。そのため、燃料電池システムを安価に提供することや、その信頼性を確実に確保することが困難であった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原料が供給されて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置で生成された前記燃料ガスが供給されて該燃料ガスを供給される熱エネルギー及びオフガスを利用して加湿する加湿器と、前記加湿器で前記加湿された燃料ガスが供給されかつ酸化剤ガスが供給されて前記熱エネルギー及びオフガスを排出しながら発電する燃料電池と、を少なくとも備えており、前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を冷却媒体との熱交換により冷却することによって凝縮水に変換させて該凝縮水を前記加湿器に前記加湿のために供給する凝縮器を更に備えている。
かかる構成とすると、オフガスに元々含まれている燃料ガスの加湿のために利用可能な液体状の水に加えて、そのオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させた凝縮水をも燃料ガスの加湿のために利用することができるようになるので、燃料電池システムの発電運転の際、燃料電池に向けて十分に加湿された所定の露点を有する燃料ガスを確実に供給することが可能になる。
上記の場合、前記燃料電池の温度を該燃料電池の内部に一次冷却水を通過させることにより直接的に制御する一次冷却水給排系統を更に備え、前記冷却媒体として前記一次冷却水給排系統における前記一次冷却水が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として一次冷却水給排系統における一次冷却水が用いられるので、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よく生成させることが可能になる。
又、上記の場合、前記燃料電池の温度を前記一次冷却水給排系統の一次冷却水から二次冷却水に伝熱させることにより間接的に制御する二次冷却水給排系統を更に備え、前記冷却媒体として前記二次冷却水給排系統における前記二次冷却水が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として二次冷却水給排系統における二次冷却水が用いられるので、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を更に効率よく生成させることが可能になる。
又、上記の場合、前記燃料電池システムの外部から該燃料電池システムの内部に空気を導入する空気導入装置を更に備え、前記冷却媒体として前記空気導入装置により前記燃料電池システムの内部に導入された空気が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として燃料電池システムの外部にある空気が用いられるので、燃料電池システムの動作に影響を与えることなく、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よく生成させることが可能になる。
又、上記の場合、前記冷却媒体として前記燃料電池システムの内部の空気が用いられるように構成されている。
かかる構成とすると、冷却媒体として燃料電池システムの内部にある空気が用いられるので、燃料電池システムの動作に影響を与えることなく、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よくかつ簡易に生成させることが可能になる。尚、この構成には、前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を冷却媒体としての空気との熱交換により放熱フィン、冷却ファン等の冷却機構を用いずに冷却してそれを凝縮水に変換させる構成が含まれる。つまり、この構成には、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流されるオフガス用流路（戻り配管）自体が凝縮器として機能する構成が含まれる。
又、上記の場合、前記凝縮器から前記加湿器に向けて前記凝縮水が重力により自動的に供給されるように構成されている。
かかる構成とすると、凝縮器において強制的に生成された凝縮水が加湿器に向けて重力により自動的に供給されるので、特段の給水装置を設けることなく、簡易な構成により凝縮器から加湿器に向けて凝縮水を確実に供給することが可能になる。
又、上記の場合、前記凝縮器と前記加湿器とが一体化されて凝縮加湿器が構成されている。
かかる構成とすると、凝縮器と加湿器とが一体化されて凝縮加湿器が構成されているので、燃料ガスを所定の露点を有するように加湿するための加湿構成を比較的小型化することができる。これにより、燃料電池システムが大型化することを効果的に防止することが可能になる。
更に、上記の場合、前記燃料電池として前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが供給されて発電する固体高分子形燃料電池を備えている。
かかる構成とすると、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、発電運転の際、固体高分子形燃料電池に向けて十分に加湿された所定の露点を有する燃料ガスを供給することが可能になる。
本発明は、以上に述べたような手段において実施され、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供することが可能になるという効果を奏する。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明では、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却することにより、そのオフガスに含まれる水蒸気を強制的に凝縮水に変換させる。そして、その水蒸気の凝縮により、燃料ガスを加湿するために利用可能な水、即ち、オフガスの液体状部分を強制的に増量させる。これにより、水素生成装置で生成された燃料ガスを加湿するために利用可能な水が不足することを、簡易でかつ耐久性及び信頼性に優れた廉価な構成において確実に解消する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１では、一次冷却水給排系統を流れる一次冷却水を冷却媒体（以下、単に「冷媒」という）として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これによって、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図１において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。又、以下の説明では、便宜上、熱交換器や凝縮器は一方の給排系統と他方の給排系統との両方に所属しているものとして説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、ブロア１と全熱交換器２と凝縮器３とを備えている。ここで、ブロア１は、酸化剤ガス（即ち、空気）を導入口から導入して、その導入した酸化剤ガスを排出口から排出する。又、全熱交換器２は、往路２ａに供給される酸化剤ガスと復路２ｂに供給されるオフエアとの間で全熱交換を進行させる。又、凝縮器３は、オフエア用流路３ａに供給されるオフエアと二次冷却水用流路３ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、ブロア１の排出口と全熱交換器２の往路２ａの一端とが所定の配管により接続され、この全熱交換器２の往路２ａの他端と固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの他端と全熱交換器２の復路２ｂの一端とが所定の配管により接続され、この全熱交換器２の復路２ｂの他端と凝縮器３のオフエア用流路３ａの一端とが所定の配管により接続されている。更に、凝縮器３のオフエア用流路３ａの他端には、開口端を備える所定の配管の一端が接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、酸化剤ガス給排系統が構成されている。
又、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、加熱器４ａを備える水素生成装置４と、加熱器５ｃを備える加湿器５と、凝縮器６と凝縮器７とを備えている。ここで、加熱器４ａは、供給される燃焼用燃料を燃焼することにより、水素生成装置４で水蒸気改質反応を進行させるための熱エネルギーを生成する。又、水素生成装置４は、天然ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原料、或いは、メタノール等のアルコール系の原料と水とを用いて、水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスを生成する。又、加湿器５は、復路５ｂに供給されるオフガス（オフガスにおける二層流の内の液体状部分）を利用することにより、往路５ａに供給される燃料ガスを加湿する。又、凝縮器６は、オフガス用流路６ａに供給されるオフガスを一次冷却水用流路６ｂに供給される一次冷却水により冷却して、オフガスに含まれる水蒸気を凝縮水に変換する。又、凝縮器７は、オフガス用流路７ａに供給されるオフガスと二次冷却水用流路７ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、水素生成装置４の燃料ガス排出口と加湿器５の往路５ａの一端とが所定の配管により接続され、この加湿器５の往路５ａの他端と固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの他端と凝縮器６のオフガス用流路６ａの一端とが所定の配管により接続され、この凝縮器６のオフガス用流路６ａの他端と加湿器５の復路５ｂの一端とが所定の配管により接続されている。更に、この燃料電池システム１００では、加湿器５の復路５ｂの他端と凝縮器７のオフガス用流路７ａの一端とが所定の配管により接続され、この凝縮器７のオフガス用流路７ａの他端と加熱器４ａの燃焼用燃料導入口とが所定の配管により接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、燃料ガス給排系統が構成されている。
又、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての固体高分子形燃料電池８を備えている。ここで、固体高分子形燃料電池８は、発電運転の際、一次冷却水用流路８ｃに供給される一次冷却水により逐次冷却されながら、酸化剤ガス用流路８ａに供給される酸化剤ガスと燃料ガス用流路８ｂに供給される燃料ガスとを用いて発電する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、上述したように、全熱交換器２の往路２ａの他端と固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの一端とが所定の配管により接続され、この固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａの他端と全熱交換器２の復路２ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、加湿器５の往路５ａの他端と固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの一端とが所定の配管により接続され、この固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの他端と凝縮器６のオフガス用流路６ａの一端とが所定の配管により接続されている。
一方、図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、一次冷却水タンク９と、ポンプ１０と、凝縮器６と、加熱器５ｃと、熱交換器１１とを備えている。ここで、一次冷却水タンク９は、導入口から導入された一次冷却水を貯蔵し、その貯蔵する一次冷却水を排出口から排出する。又、ポンプ１０は、一次冷却水を導入口から導入して、その導入した一次冷却水を排出口から排出する。又、凝縮器６は、上述したように、オフガス用流路６ａに供給されるオフガスを、一次冷却水用流路６ｂに供給される一次冷却水を用いて冷却する。又、加熱器５ｃは、一次冷却水用流路５ｄに供給される温度上昇した一次冷却水を利用することにより、加湿器５を加熱する。又、熱交換器１１は、一次冷却水用流路１１ａに供給される一次冷却水と二次冷却水用流路１１ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、一次冷却水タンク９の排出口とポンプ１０の導入口とが所定の配管により接続され、このポンプ１０の排出口と凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの他端と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続され、この固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの他端と加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄの一端とが所定の配管により接続されている。更に、この燃料電池システム１００では、加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄの他端と熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａの一端とが所定の配管により接続され、この熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａの他端と一次冷却水タンク９の導入口とが所定の配管により接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、一次冷却水給排系統が構成されている。
又、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、二次冷却水タンク１２と、ポンプ１３と、凝縮器３及び凝縮器７と、熱交換器１１と、放熱器１４とを備えている。ここで、二次冷却水タンク１２は、導入口から導入された二次冷却水を貯蔵し、その貯蔵する二次冷却水を排出口から排出する。又、ポンプ１３は、二次冷却水を導入口から導入して、その導入した二次冷却水を排出口から排出する。又、凝縮器３及び凝縮器７は、上述したように、オフエア用流路３ａに供給されるオフエア及びオフガス用流路７ａに供給されるオフガスと二次冷却水用流路３ｂに供給される二次冷却水及び二次冷却水用流路７ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。又、熱交換器１１は、上述したように、一次冷却水用流路１１ａに供給される一次冷却水と二次冷却水用流路１１ｂに供給される二次冷却水との間で熱交換を進行させる。又、放熱器１４は、二次冷却水用流路１４ａに供給される二次冷却水が有する熱を放散させることにより、その二次冷却水の温度を低下させる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、二次冷却水タンク１２の排出口とポンプ１３の導入口とが所定の配管により接続され、このポンプ１３の排出口と凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂの一端とが所定の配管により接続されている。又、この燃料電池システム１００では、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂの他端と熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂの一端とが所定の配管により接続され、この熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂの他端と放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａの一端とが所定の配管により接続されている。更に、この燃料電池システム１００では、放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａの他端と二次冷却水タンク１２の導入口とが所定の配管により接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、二次冷却水給排系統が構成されている。
更に、図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、制御装置１７を備えている。この制御装置１７の入力端子及び出力端子は、図１では特に図示しないが、燃料電池システム１００を構成する各構成要素の入力端子及び出力端子と電気的にかつ適切に接続されている。そして、制御装置１７は、発電運転等の際、燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成に関し、オフガスを強制的に冷却することにより燃料ガスの加湿に利用可能な水を増量させ、この増量された水を用いて燃料ガスを所定の露点にまで確実に加湿するための構成について説明する。
本実施の形態では、図１に示す加熱器５ｃを備える加湿器５と凝縮器６とを一体化することにより凝縮加湿器を構成して、この凝縮加湿器により加湿するために利用可能な水を増量させて燃料ガスを所定の露点にまで確実に加湿する構成を例示する。
図２は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の構成の一例を模式的に示す分解斜視図である。尚、この図２において、矢印を有する実線は、燃料電池システム１００の発電運転中におけるオフガスの流通経路及びその流通方向を示している。又、矢印を有する破線は、燃料電池システム１００の発電運転中における一次冷却水の流通経路及びその流通方向を示している。
又、図３は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の断面構成を模式的に示す断面図である。尚、この図３では、図２に示す凝縮加湿器の完成体におけるIII−III線に沿った断面構成を模式的に示している。
図２及び図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器３０は、図１に示す凝縮器６に相当する凝縮部３０ａと、図１に示す加熱器５ｃを備える加湿器５に相当する加湿部３０ｂとの各々を備えている。これらの凝縮部３０ａと加湿部３０ｂとが同軸状に積層され、一体化されることにより、凝縮加湿器３０が構成されている。
凝縮部３０ａは、エンドプレート２０と凝縮用プレート２１と絶縁プレート２２とを備えている。これらのエンドプレート２０、凝縮用プレート２１、及び、絶縁プレート２２がその順で同軸状に積層され、一体化されることによって、凝縮部３０ａが構成されている。尚、以下の説明では、便宜上、絶縁プレート２２は、凝縮部３０ａと加湿部３０ｂとの両方に所属しているものとして説明する。
図２及び図３に示すように、エンドプレート２０は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において矩形状の形状を備えている。そして、このエンドプレート２０における所定の位置には、導入口２０ａ、導入口２０ｂ、導入口２０ｃ、排出口２０ｄが各々設けられている。ここで、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂは、図１に示す凝縮器６のオフガス用流路６ａの一端に相当する。又、エンドプレート２０の導入口２０ｃは、図１に示す凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端に相当する。更に、エンドプレート２０の排出口２０ｄは、図１に示す凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの他端に相当する。
本実施の形態では、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂと図１に示す固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂの他端とが、所定の配管により接続されている。又、エンドプレート２０の導入口２０ｃと図１に示すポンプ１０の排出口とが、所定の配管により接続されている。更に、エンドプレート２０の排出口２０ｄと固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが、所定の配管により接続されている。そして、導入口２０ａ及び導入口２０ｂには、図１に示す固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが供給される。又、導入口２０ｃには、図１に示すポンプ１０から排出された一次冷却水が供給される。一方、排出口２０ｄからは、導入口２０ｃに供給され、オフガスの冷却のために用いられた後の一次冷却水が、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに向けて排出される。
凝縮用プレート２１は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視においてエンドプレート２０と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この凝縮用プレート２１の図２では上側における所定の略矩形状領域には、凹部２１ａが形成されている。ここで、この凹部２１ａは、上述した所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。一方、この凝縮用プレート２１の図２では下側における所定の略矩形状領域には、凹部２１ｂが形成されている（特に、図３参照）。ここで、この凹部２１ｂは、上述した凹部２１ａと同等の所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。又、この凝縮用プレート２１における所定の位置には、貫通穴２１ｃ、貫通穴２１ｄ、貫通穴２１ｅが各々設けられている。これらの貫通穴２１ｃ、貫通穴２１ｄ、貫通穴２１ｅの各々は、凝縮用プレート２１の厚み方向において貫通している。ここで、貫通穴２１ｄ及び貫通穴２１ｅは、凝縮用プレート２１におけるエンドプレート２０の導入口２０ｃ及び排出口２０ｄと対向する所定の位置に各々設けられている。
本実施の形態では、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂが凝縮用プレート２１の凹部２１ａ及び貫通穴２１ｃに連通している。この導入口２０ａ及び導入口２０ｂ、凹部２１ａ、貫通穴２１ｃにより構成されるオフガス用流路が、図１に示す凝縮器６のオフガス用流路６ａに相当する。貫通穴２１ｃは、図１に示す凝縮器６のオフガス用流路６ａの他端に相当する。又、エンドプレート２０の導入口２０ｃが凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｄを介してその凹部２１ｂに連通し、この凝縮用プレート２１の凹部２１ｂがその貫通穴２１ｅを介してエンドプレート２０の排出口２０ｄに連通している。この導入口２０ｃ、貫通穴２１ｄ、凹部２１ｂ、貫通穴２１ｅ、及び、排出口２０ｄにより構成される一次冷却水用流路が、図１に示す凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに相当する。そして、凝縮用プレート２１の凹部２１ａとエンドプレート２０の下面とで構成される空間には、エンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂに供給されたオフガスが供給される。この供給されたオフガスは、凝縮用プレート２１の凹部２１ａとエンドプレート２０の下面とで構成される空間を移動した後、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから凝縮水と共に排出される。一方、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｄには、エンドプレート２０の導入口２０ｃに供給された一次冷却水が供給される。この貫通穴２１ｄに供給された一次冷却水は、凝縮用プレート２１の凹部２１ｂと後述する絶縁プレート２２の上面とで構成される空間を移動した後、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｅから排出される。この貫通穴２１ｅから排出された一次冷却水は、エンドプレート２０の排出口２０ｄから固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに向けて排出される。
絶縁プレート２２は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において凝縮用プレート２１と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この絶縁プレート２２における所定の位置には、貫通穴２２ｃ及び貫通穴２２ｄが設けられている。ここで、貫通穴２２ｃは、絶縁プレート２２における凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃと対向する所定の位置に設けられている。この貫通穴２２ｃは、絶縁プレート２２の厚み方向において貫通している。一方、貫通穴２２ｄは、絶縁プレート２２の下面における所定の位置からその側面における所定の位置に向けて逆Ｌ字状に屈曲して貫通するように、絶縁プレート２２における所定の位置に設けられている。ここで、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄは、図１に示す加湿器５の復路５ｂの他端に相当する。
本実施の形態では、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃが絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃに連通している。一方、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄと図１に示す凝縮器７のオフガス用流路７ａの一端とが、所定の配管により接続されている。又、後述する第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄが絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄに連通している。そして、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃには、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。一方、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄには、後述する第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。この絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄに供給されたオフガス及び凝縮水は、その後、その貫通穴２２ｄから凝縮器７のオフガス用流路７ａに向けて排出される。
一方、加湿部３０ｂは、上述した絶縁プレート２２と、第１加熱用プレート２３と、加湿膜２４と、第２加熱用プレート２５と、エンドプレート２６とを備えている。これらの絶縁プレート２２、第１加熱用プレート２３、加湿膜２４、第２加熱用プレート２５、及び、エンドプレート２６がその順で同軸状に積層され、一体化されることによって、加湿部３０ｂが構成されている。
図２及び図３に示すように、第１加熱用プレート２３は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において絶縁プレート２２と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この第１加熱用プレート２３の図２では上側における所定の略矩形状領域には、凹部２３ａが形成されている。ここで、この凹部２３ａは、上述した所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。一方、この第１加熱用プレート２３の図２では下側における所定の略矩形状領域には、凹部２３ｂが形成されている（特に、図３参照）。ここで、この凹部２３ｂは、上述した凹部２３ａと同等の所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。又、この第１加熱用プレート２３における所定の位置には、貫通穴２３ｃ及び貫通穴２３ｄが各々設けられている。これらの貫通穴２３ｃ及び貫通穴２３ｄの各々は、第１加熱用プレート２３の厚み方向において貫通している。ここで、貫通穴２３ｃ及び貫通穴２３ｄは、第１加熱用プレート２３における絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃ及び貫通穴２２ｄの一端と対向する所定の位置に各々設けられている。
本実施の形態では、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃが第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃに連通している。一方、後述する加湿膜２４の貫通穴２４ｄが、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄに連通している。又、図１に示す固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの他端が、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａに連通している。この凹部２３ａにより構成される一次冷却水用流路が、図１に示す加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに相当する。一方、図１に示す水素生成装置４の燃料ガス排出口が、第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂに連通している。この凹部２３ｂにより構成される燃料ガス用流路が、図１に示す加湿器５の往路５ａに相当する。そして、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａと絶縁プレート２２の下面とで構成される空間には、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された一次冷却水が供給される。この供給された一次冷却水は、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａと絶縁プレート２２の下面とで構成される空間を移動した後、図１に示す熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに向けて排出される。一方、第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂと後述する加湿膜２４の上面とで構成される空間には、水素生成装置４の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスが供給される。この供給された燃料ガスは、第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂと加湿膜２４の上面とで構成される空間を移動した後、図１に示す固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに向けて排出される。又、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃには、絶縁プレート２２の貫通穴２２ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。一方、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄには、後述する加湿膜２４の貫通穴２４ｄから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。
加湿膜２４は、所定の厚みを有する透湿性が高い微多孔高分子膜或いは無孔高分子膜により構成され、平面視において第１加熱用プレート２３と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この加湿膜２４における所定の位置には、貫通穴２４ｃ及び貫通穴２４ｄが設けられている。ここで、貫通穴２４ｃは、加湿膜２４における第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃと対向する所定の位置に設けられている。この貫通穴２４ｃは、加湿膜２４の厚み方向において貫通している。一方、貫通穴２４ｄは、加湿膜２４における第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｄと対向する所定の位置に設けられている。この貫通穴２４ｄは、加湿膜２４の厚み方向において貫通している。
本実施の形態では、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃが加湿膜２４の貫通穴２４ｃに連通している。一方、後述する第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄが、加湿膜２４の貫通穴２４ｄに連通している。そして、加湿膜２４の貫通穴２４ｃには、第１加熱用プレート２３の貫通穴２３ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。一方、加湿膜２４の貫通穴２４ｄには、後述する第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。
第２加熱用プレート２５は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において加湿膜２４と同等の矩形状の形状を備えている。そして、この第２加熱用プレート２５の図２では上側における所定の略矩形状領域には、凹部２５ａが形成されている。ここで、この凹部２５ａは、上述した所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。一方、この第２加熱用プレート２５の図２では下側における所定の略矩形状領域には、凹部２５ｂが形成されている（特に、図３参照）。ここで、この凹部２５ｂは、上述した凹部２５ａと同等の所定の略矩形状領域において、略同一の深さを有するように形成されている。又、この第２加熱用プレート２５における所定の位置には、貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄが各々設けられている。これらの貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄの各々は、第２加熱用プレート２５の厚み方向において貫通している。ここで、貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄは、第２加熱用プレート２５における加湿膜２４の貫通穴２４ｃ及び貫通穴２４ｄと対向する所定の位置に各々設けられている。
本実施の形態では、加湿膜２４の貫通穴２４ｃが第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃに連通している。一方、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄが、加湿膜２４の貫通穴２４ｄに連通している。又、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃがその第２加熱用プレート２５の凹部２５ａに連通し、その凹部２５ａが第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄに連通している。この凹部２５ａにより構成されるオフガス用流路が、図１に示す加湿器５の復路５ｂに相当する。一方、図１に示す固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの他端が、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂにも連通している。この凹部２５ｂにより構成される一次冷却水用流路も、図１に示す加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに相当する。そして、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃには加湿膜２４の貫通穴２４ｃから排出されたオフガス及び凝縮水が供給され、この供給されたオフガス及び凝縮水が第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃからその凹部２５ａと加湿膜２４の下面とで構成される空間に供給される。この供給されたオフガス及び凝縮水は、凹部２５ａと加湿膜２４の下面とで構成される空間を移動した後、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｄを介して、加湿膜２４の貫通穴２４ｄに供給される。一方、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂと後述するエンドプレート２６の上面とで構成される空間には、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された一次冷却水が供給される。この供給された一次冷却水は、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂと後述するエンドプレート２６の上面とで構成される空間を移動した後、図１に示す熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに向けて排出される。
エンドプレート２６は、所定の厚みを有する平板状のプレートにより構成され、平面視において第２加熱用プレート２５と同等の矩形状の形状を備えている。このエンドプレート２６は、図３に示すように、第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃ及び貫通穴２５ｄの下側の開口端を各々閉鎖している。
かかる凝縮加湿器３０は、その積層方向と重力方向とを実質的に一致させた状態で、燃料電池システム１００における所定の位置に配設されている。
本実施の形態では、凝縮用プレート２１、第１加熱用プレート２３、及び、第２加熱用プレート２５の各々を、熱伝導率が高い材料により構成している。これにより、凝縮加湿器３０における熱交換が好適に行われる。熱伝導率が高い材料としては、例えば、鉄やステンレス等の金属材料や、固体高分子形燃料電池８の構成要素であるカーボンセパレータと同様のカーボン材料等が挙げられる。又、エンドプレート２０及びエンドプレート２６や、絶縁プレート２２としては、熱伝導率が低い樹脂製の平板状プレートを用いている。これにより、燃料電池システム１００において、凝縮加湿器３０を熱的に独立させることが可能になる。又、凝縮加湿器３０において、凝縮部３０ａと加湿部３０ｂとを熱的に分離することが可能になる。更に、加湿膜２４としては、透湿性が高い微多孔高分子膜或いは無孔高分子膜を用いている。ここで、透湿性が高い微多孔高分子膜或いは無孔高分子膜としては、固体高分子形燃料電池８の構成要素である固体高分子電解質膜と同様の固体高分子電解質膜が挙げられる。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について説明する。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、発電運転において必要となる加湿された酸化剤ガスを得るために、発電運転の際、ブロア１により酸化剤ガスが導入される。この導入された酸化剤ガスは、全熱交換器２の往路２ａに供給される。この全熱交換器２の往路２ａに供給された酸化剤ガスは、その全熱交換器２の往路２ａにおいて、復路２ｂに供給される固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａから排出されたオフガスとの全熱交換により、所定の露点を有するように加湿される。そして、所定の露点を有するように加湿された酸化剤ガスが、全熱交換器２の往路２ａから固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａに供給される。
固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａに供給された酸化剤ガスは、その酸化剤ガス用流路８ａにおいて発電運転のために用いられる。この固体高分子形燃料電池８の発電運転の際、酸化剤ガスが有する酸素は所定の酸素利用率（Ｕｏ）で消費される。
酸化剤ガスは、固体高分子形燃料電池８の酸化剤ガス用流路８ａにおいて酸素が消費された後、その酸化剤ガス用流路８ａからオフエアとして排出される。この排出されたオフエアが、全熱交換器２の復路２ｂに供給される。そして、この復路２ｂに供給されたオフエアが、全熱交換器２において、その往路２ａにブロア１から供給される酸化剤ガスとの全熱交換のために利用される。その後、全熱交換器２において往路２ａに供給された酸化剤ガスとの全熱交換のために用いられたオフエアは、その全熱交換器２の復路２ｂから排出され、凝縮器３のオフエア用流路３ａに供給される。
オフエアは、凝縮器３のオフエア用流路３ａにおいて、その二次冷却水用流路３ｂに供給される二次冷却水との熱交換によって冷却される。この冷却の際、オフエアに含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水として凝縮器３から排出される。この冷却により生成された凝縮水は、凝縮器３においてオフエアから分離された後、燃料電池システム１００において冷却水等として適宜利用される。一方、凝縮器３において除湿されたオフエアは、燃料電池システム１００の外部に向けて排気される。
一方、この燃料電池システム１００では、発電運転において必要となる加湿された燃料ガスを得るために、発電運転の際、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、又は、都市ガス等の原料が水素生成装置４に供給される。又、この際、水素生成装置４に向けて、水道等のインフラストラクチャーから水が供給される。すると、水素生成装置４では、その供給される原料と水とが用いられて、水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスが生成される際、水素生成装置４においては、加熱器４ａにより生成される熱エネルギーが用いられて水蒸気改質反応が進行する。ここで、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、図１に示すように、水素生成装置４の加熱器４ａには凝縮器７から排出されたオフガスが供給される。この供給されるオフガスを燃焼することにより、加熱器４ａは、水蒸気改質反応を進行させるために必要な熱エネルギーを生成する。そして、水素生成装置４で生成された燃料ガスは、加湿器５の往路５ａに供給される。
水素生成装置４で生成された燃料ガスは、加湿器５の往路５ａにおいて、所定の露点を有するように加湿される。この燃料ガスの加湿の際、加湿器５の復路５ｂには、凝縮器６のオフガス用流路６ａから排出されたオフガス及び凝縮水が供給される。又、この際、加湿器５は、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出される温度上昇した一次冷却水が熱源として用いられて、加熱器５ｃにより所定の温度に加熱される。これにより、加湿器５の往路５ａに供給された燃料ガスとその復路５ｂに供給された加湿に利用可能な水とが共に所定の温度に加熱されるので、燃料ガスが所定の露点を有するように加湿される。そして、この所定の露点を有するように加湿された燃料ガスが、加湿器５の往路５ａから固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに供給される。
固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに供給された燃料ガスは、その燃料ガス用流路８ｂにおいて発電運転のために用いられる。この固体高分子形燃料電池８の発電運転の際、燃料ガスが有する水素は所定の燃料利用率（Ｕｆ）で消費される。
燃料ガスは、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂにおいて水素が消費された後、その燃料ガス用流路８ｂからオフガスとして排出される。この燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器６のオフガス用流路６ａに供給される。本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、この凝縮器６において、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されそのオフガス用流路６ａに供給されたオフガス（温度＝Ｔ１）が、一次冷却水タンク９からポンプ１０により供給されその一次冷却水用流路６ｂに供給された一次冷却水（温度＝Ｔ２；Ｔ２＜Ｔ１）が冷媒として用いられて、その冷媒との熱交換により強制的に冷却される。これにより、凝縮器６は、オフガスに含まれる水蒸気を凝縮水に強制的に変換させる。つまり、本実施の形態では、一次冷却水を冷媒として利用してオフガスに含まれる水蒸気を凝縮水に強制的に変換させることにより、凝縮器６において、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。この加湿に利用可能な増量された水が、オフガスと共に、加湿器５の復路５ｂに供給される。そして、この復路５ｂに供給された水が、加湿器５において、その往路５ａに水素生成装置４から供給される燃料ガスの加湿のために利用される。この際、加熱器５ｃは、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された高温状態の一次冷却水が一次冷却水用流路５ｄに供給されて加湿器５を加熱する。これにより、加湿器５において、水素生成装置４で生成された燃料ガスが所定の露点を有するように十分にかつ確実に加湿される。
図１〜図３を参照しながら具体的に説明すると、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出され、凝縮加湿器３０の凝縮部３０ａにおけるエンドプレート２０の導入口２０ａ及び導入口２０ｂに供給されたオフガスは、凝縮用プレート２１の凹部２１ａに導入される。すると、この凝縮用プレート２１の凹部２１ａに導入されたオフガスは、その凝縮用プレート２１の凹部２１ｂを流れる一次冷却水との熱交換により強制的に冷却される。ここで、一次冷却水は、一次冷却水タンク９からポンプ１０によりエンドプレート２０の導入口２０ｃ及び凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｄを介して凹部２１ｂに導入される。凝縮用プレート２１の凹部２１ｂに導入された一次冷却水は、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｅ及びエンドプレート２０の排出口２０ｄを介して、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに向けて排出される。そして、固体高分子形燃料電池８から排出されたオフガスが凝縮部３０ａにおいて一次冷却水により冷却されることによって、凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから、オフガス（二層流中の液体状部分を含む）と、一次冷却水による冷却により生成された凝縮水とが各々排出される。
燃料ガスを加湿するために利用可能な増量された水は、凝縮部３０ａにおける凝縮用プレート２１の貫通穴２１ｃから排出された後、重力により降下して、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂにおける第２加熱用プレート２５の貫通穴２５ｃに導入される。そして、この貫通穴２５ｃから第２加熱用プレート２５の凹部２５ａに導入される。一方、水素生成装置４で生成された燃料ガスは、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂに導入される。
又、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ａ、及び、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂには、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃから排出された高温状態の一次冷却水が供給される。すると、凝縮加湿器３０の加湿部３０ｂでは、第１加熱用プレート２３の凹部２３ａに供給された高温状態の一次冷却水により凹部２３ｂに導入された燃料ガスが加熱されると共に、第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂに供給された高温状態の一次冷却水により凹部２５ａに導入された水が加熱される。これにより、加湿部３０ｂにおいて、第２加熱用プレート２５側から第１加熱用プレート２３側に向けて加湿膜２４を介して水が移動する。そして、加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂにおいて、水素生成装置４で生成された燃料ガスが所定の露点を有するように十分にかつ確実に加湿される。
水素生成装置４で生成された燃料ガスは、加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ｂで所定の露点を有するように加湿された後、凝縮加湿器３０から排出される。そして、この所定の露点を有するように加湿された燃料ガスが、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂに供給される。一方、加湿部３０ｂにおける第２加熱用プレート２５の凹部２５ａに導入された水は、その水の一部が燃料ガスの加湿のために利用された後、オフガスと共に絶縁プレート２２の貫通穴２２ｄを介して凝縮器７のオフガス用流路７ａに向けて排出される。又、加湿部３０ｂにおける第１加熱用プレート２３の凹部２３ａ及び第２加熱用プレート２５の凹部２５ｂに供給された一次冷却水は、その一次冷却水の熱エネルギーが燃料ガスの加湿のために利用された後、凝縮加湿器３０から熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに向けて排出される。
さて、加湿器５において往路５ａに供給された燃料ガスの加湿のために用いられたオフガス及び凝縮水は、その加湿器５の復路５ｂから排出された後、凝縮器７のオフガス用流路７ａに供給される。
オフガスは、凝縮器７のオフガス用流路７ａにおいて、その二次冷却水用流路７ｂに供給される二次冷却水との熱交換によって冷却される。この冷却の際、オフガスに含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水として凝縮器７から排出される。この冷却により生成された凝縮水は、凝縮器７においてオフガスから分離された後、燃料電池システム１００において冷却水等として適宜利用される。一方、凝縮器７において除湿されたオフガスは、水素生成装置４の加熱器４ａに燃焼用燃料として供給される。
一方、この燃料電池システム１００では、発電運転の際、固体高分子形燃料電池８が発熱する。そこで、この燃料電池システム１００では、固体高分子形燃料電池８の温度を略一定の温度で維持するために、一次冷却水給排系統において一次冷却水が循環される。この際、一次冷却水は、オフガスの冷却や燃料ガスの加湿のためにも利用される。
本実施の形態では、固体高分子形燃料電池８の温度を略一定の温度で維持するために、発電運転の際、ポンプ１０により一次冷却水タンク９に貯蔵されている一次冷却水が凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給される。すると、凝縮器６の一次冷却水流路６ｂに供給された一次冷却水は、その一次冷却水流路６ｂを通過する際に、オフガス用流路６ａを通過するオフガスの温度を低下させる。そして、凝縮器６においてオフガスの冷却のために用いられた一次冷却水は、その一次冷却水用流路６ｂから排出された後、固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに供給される。
固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃに供給された一次冷却水は、その一次冷却水用流路８ｃを通過する際に、発電運転に伴って発熱する固体高分子形燃料電池８を冷却する。これにより、燃料電池システム１００において、固体高分子形燃料電池８の温度が略一定の温度に維持される。一方、一次冷却水は、固体高分子形燃料電池８の排熱を受け取って昇温する。そして、固体高分子形燃料電池８において固体高分子形燃料電池８の冷却のために用いられて昇温した一次冷却水は、その一次冷却水用流路８ｃから排出された後、加湿器５における加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに供給される。
加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄに供給された一次冷却水は、その一次冷却水用流路５ｄを通過する際に、加湿器５を加熱するための熱源として用いられる。つまり、加熱器５ｃは、その一次冷却水用流路５ｄに供給される高温状態の一次冷却水を熱源として用いることにより、加湿器５を加熱する。これにより、加湿器５が所定の温度に加熱される。そして、加熱器５ｃにおいて加湿器５の加熱のために用いられた一次冷却水は、その一次冷却水用流路５ｄから排出された後、熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに供給される。
熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに供給された一次冷却水は、その一次冷却水用流路１１ａを通過する際に、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給される二次冷却水により冷却される。二次冷却水との熱交換により冷却された一次冷却水は、熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａから排出された後、一次冷却水タンク９に戻される。このような、一次冷却水給排系統における一次冷却水の循環は、ポンプ１０の送水作用により実現される。
又、この燃料電池システム１００では、発電運転の際、加湿器５における加熱器５ｃの一次冷却水用流路５ｄから排出される一次冷却水には余剰の熱が残留する。そこで、この燃料電池システム１００では、加熱器５ｃから排出される一次冷却水に残留する余剰の熱を回収及び放熱するために、二次冷却水給排系統において二次冷却水が循環される。この際、二次冷却水は、全熱交換器２及び加湿器５から排出されるオフエア及びオフガスを除湿するためにも利用される。
本実施の形態では、加熱器５ｃから排出される一次冷却水に残留する余剰の熱を回収及び放熱するために、発電運転の際、ポンプ１３により二次冷却水タンク１２に貯蔵されている二次冷却水が凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂに供給される。すると、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂに供給された二次冷却水は、それらの二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂを通過する際に、オフエア用流路３ａ及びオフガス用流路７ａを通過するオフエア及びオフガスの温度を低下させる。そして、凝縮器３及び凝縮器７においてオフエア及びオフガスの冷却のために用いられた二次冷却水は、それらの二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂから排出された後、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給される。
熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給された二次冷却水は、その二次冷却水用流路１１ｂを通過する際に、熱交換器１１の一次冷却水用流路１１ａに供給される一次冷却水を冷却する。一次冷却水との熱交換により温度上昇した二次冷却水は、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂから排出された後、放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａに供給される。
放熱器１４の二次冷却水用流路１４ａに供給された二次冷却水は、その二次冷却水用流路１４ａを通過する際に、例えば空気により所定の温度にまで冷却される。そして、二次冷却水用流路１４ａにおいて冷却された二次冷却水は、放熱器１４から排出された後、二次冷却水タンク１２に戻される。このような、二次冷却水給排系統における二次冷却水の循環は、ポンプ１３の送水作用により実現される。
以上、燃料電池システム１００が上述の如く動作することにより、固体高分子形燃料電池８の出力端子には所定の電圧が発生する。一方、燃料電池システム１００において、固体高分子形燃料電池８の出力端子は、所定の導線を介して、電力負荷回路の入力端子に接続されている。そして、この電力負荷回路の出力端子は、所定の導線を介して、燃料電池システム１００の出力端子に接続されている。使用者は、燃料電池システム１００の出力端子に所望の負荷の電源端子を電気的に接続することにより、その所望の負荷を利用することが可能になる。
本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路から排出される温度上昇した冷却水が熱源として用いられて加熱器が加湿器を加熱する際、水素生成装置で生成された燃料ガスの加湿のために利用可能な水が加湿器に向けて十分な供給量で供給されるので、加湿器において水素生成装置で生成された燃料ガスが十分にかつ確実に加湿される。これにより、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路には、所定の露点を有する燃料ガスが安定して供給される。かかる構成により、燃料電池システムにおいて、固体高分子形燃料電池の寿命に対する悪影響が低減される。その結果、長期間に渡り安定して電力を供給することが可能な、耐久性及び信頼性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の際、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路から排出されたオフガスの露点が低下している場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。従って、加湿器において、水素生成装置で生成された燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することができる。
更に、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、極小容量の給水ポンプ等の専用補機を配設することなく、従来からある加湿器を用いる簡易な構成によって、固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能になる。そして、その結果、廉価でありかつ耐久性及び信頼性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。
（実施例１）
図１に示すブロック構成を備え、更に、図２及び図３に示す構成の凝縮加湿器を備える燃料電池システムを用いて、本発明により得られる効果を検証した。
本検証では、定格出力電力が１ｋｗである定置用の固体高分子形燃料電池を用いた。この固体高分子形燃料電池の積層段数は２０段である。又、この固体高分子形燃料電池における電極面積は、２００平方センチメートルである。そして、この固体高分子形燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、燃料利用率（Ｕｆ）を７５％とし、かつ酸素利用率（Ｕｏ）を５０％として、負荷電流が８０Ａ（電流密度が０．４Ａ／平方センチメートル）の負荷を接続した場合、出力電圧が１４．５Ｖ（セル平均電圧は０．７２５Ｖ）で約１．１５ｋｗの出力電力が得られた。この際、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路には、毎分１４リットルの割合で水素が供給されるよう、燃料ガスを供給した。又、固体高分子形燃料電池の酸化剤ガス用流路には、毎分５５リットルの割合で酸化剤ガスとしての空気が供給された。この空気は、実験施設内の空気をブロアにより圧縮して供給した。これらの燃料ガス及び酸化剤ガスは、露点が６４℃となるように各々加湿された後、固体高分子形燃料電池の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路に供給された。
一方、燃料電池システムの発電運転の際には、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路に供給される一次冷却水の温度が６０℃となり、かつ固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路から排出される一次冷却水の温度が７２℃となるように、一次冷却水給排系統及び二次冷却水給排系統が所定の制御装置により制御された。この際、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路には、毎分１．５リットルの割合で一次冷却水が供給された。ここで、本検証では、一次冷却水としては純水が用いられた。又、二次冷却水としては、３０％の濃度でエチレングリコールを含有する不凍液が用いられた。
かかる燃料電池システムでは、発電運転の際に固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスは二層流であった。本検証では、オフガスは、露点が７２℃である排燃料ガスと液体状の水とが混合した混合された状態で排出された。ここで、液体状の水の再気化装置を付設した鏡面式露点計測装置により測定したオフガスの真の露点は、平均で８０℃であった。又、オフガスの真の露点は、８０±２℃の範囲で経時的に変動していることが明らかとなった。このオフガスの露点の経時的な変動は、固体高分子形燃料電池において生成した水が一定の割合で排出されるのではなく、滞留しては吐き出されるためであると解された。
又、本検証では、水素生成装置として、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスの燃焼熱を熱源とするタイプの水素生成装置を用いた。この水素生成装置は、改質部、変成部、及び、選択酸化部の各々を備えている。ここで、改質部は、天然ガス（１３Ａ）を原料とし、白金触媒の触媒作用により水蒸気改質反応を進行させて、水素を含む燃料ガスを生成する。本検証では、白金触媒の温度が６５０℃となるように制御すると共に、Ｓ／Ｃが２．６となるように制御して燃料ガスを生成させたところ、約９０％の転化率で水蒸気改質反応を進行させることができた。又、変成部は、燃料ガスに含有される水を利用して、銅亜鉛触媒の触媒作用により水性ガスシフト反応を進行させることによって、燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を低減する。本検証では、銅亜鉛触媒の温度が３５０℃となるように制御しながら、水性ガスシフト反応を進行させた。更に、選択酸化部は、空気に含有される酸素を利用して、所定の選択酸化触媒の触媒作用により選択酸化反応を進行させることによって、燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を更に低減する。本検証では、所定の選択酸化触媒の温度が１６０℃となるように制御したところ、燃料ガスの一酸化炭素含有濃度が数ｐｐｍにまで低減された。そして、これらの改質部、変成部、選択酸化部により、水素生成装置から固体高分子形燃料電池に向けて、水素含有濃度が約７５％の燃料ガスが毎分１９リットルの割合（ドライガス換算）で供給された。この際、水素生成装置の燃料ガス排出口から排出された直後の燃料ガスの温度は約１００℃であり、その平均露点は５６℃であった。尚、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点には、オフガスの燃焼熱の変動や水蒸気改質反応を進行させるための水の供給量の変動に起因して、±５℃程度の変動が観察された。
更に、本検証では、酸化剤ガスを加湿するための全熱交換器として、ＭＥＡにおいて透湿膜として用いられているものと同様のパーフルオロスルフォン酸膜を使用している、米国パーマピュア社製の中空糸膜型全熱交換器を用いた。この中空糸膜型全熱交換器におけるパーフルオロスルフォン酸膜の総面積は約０．８平方メートルであった。又、この中空糸膜型全熱交換器のエンタルピー効率は約７３％であった。かかる中空糸膜型全熱交換器は、定格運転の際、固体高分子形燃料電池から排出されたオフエアを用いて、露点が６４℃の酸化剤ガスを生成することが可能であった。
又、燃料ガスを加湿するための凝縮加湿器としては、ジャパンゴアテックス社製のゴアセレクト３０膜を加湿膜として備え、固体高分子形燃料電池において用いられているものと同様の東海カーボン社製のカーボンセパレータを凝縮用プレート等として備える凝縮加湿器を設計及び製作して使用した。ここで、凝縮加湿器を構成する上述した加湿膜の物質透過係数は１．０×１０-7（ｋｇ／ｓ／Ｐａ／ｍ2）であり、その実効面積を３００平方センチメートルとすることにより、１．３ｋｃａｌ／分の交換容量を得ることができた。かかる凝縮加湿器は、定格運転の際、固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスを用いて、水素生成装置で生成された露点が５６±５℃の燃料ガスから露点が６４±２℃の燃料ガスを生成することが可能であった。
図４は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量と、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量との相互関係を模式的に示す相関図である。ここで、図４（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。又、図４（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。
尚、図４において、横軸は、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点を示している。又、左側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量を示している。又、右側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量を示している。
更に、図４において、曲線ａは、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量の変化を示している。又、直線ｂは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させない場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。一方、直線ｃは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させる場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、水素生成装置の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスの露点は、露点範囲ΔＴｄ＝５６±５℃の範囲で変動していた。この場合、図４（ａ）に示すように、燃料ガスの露点が低いとそれを最適化するために必要となる水の供給量は多く、それとは反対に、燃料ガスの露点が高いとそれを最適化するために必要となる水の供給量は少なかった。例えば、燃料ガスの露点が５１℃である場合、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量は２．５ｇ／分程度であった。一方、燃料ガスの露点が６１℃である場合、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量は０．７ｇ／分程度であった。
そして、図４（ａ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させなかった場合、燃料ガスの露点が領域Ｒ１の範囲内で、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を下回る場合があった。この場合、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足する場合があったので、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを常に供給することはできなかった。尚、図４（ａ）に示すように、燃料ガスの露点が領域Ｒ２の範囲内である場合には、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を上回っていたため、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足することはなかった。従って、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを供給することが常に可能であった。
しかしながら、図４（ｂ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させた場合には、露点範囲ΔＴｄの全領域において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を常に上回っていた。そのため、燃料電池システムの発電運転において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足することはなかった。従って、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを供給することが常に可能であった。
この燃料電池システムを連続して５０００時間に渡り発電運転させたところ、固体高分子形燃料電池を構成するセルの平均電圧劣化率は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を増量させなかった場合は５ｍＶ／１０００時間であったのに対して、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を増量させた場合には２ｍＶ／１０００時間であった。従って、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムを提供することが可能であることが確認された。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、二次冷却水給排系統を流れる二次冷却水を冷媒として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これによって、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図５において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成は、ポンプ１０の排出口と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続されている点と、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂの他端と凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端とが所定の配管により接続されかつ一次冷却水用流路６ｂの他端と熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂの一端とが所定の配管により接続されている点でのみ、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム２００の構成は燃料電池システム１００の構成と同様である。
かかる燃料電池システム２００では、凝縮器３及び凝縮器７の二次冷却水用流路３ｂ及び二次冷却水用流路７ｂから排出された二次冷却水が、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給される。一方、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器６のオフガス用流路６ａに供給される。そして、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給された二次冷却水が冷媒として用いられることにより、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが凝縮器６のオフガス用流路８ａにおいて強制的に冷却される。これにより、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。凝縮器６においてオフガスの冷却のために用いられた二次冷却水は、一次冷却水用流路６ｂから排出された後、熱交換器１１の二次冷却水用流路１１ｂに供給される。尚、その他の点については、燃料電池システム２００の動作は燃料電池システム１００の動作と同様である。
本実施の形態に係る燃料電池システムによっても、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。
（実施例２）
図５に示すブロック構成を備え、更に、図２及び図３に示す構成の凝縮加湿器を備える燃料電池システムを用いて、本発明により得られる効果を検証した。
本検証においては、定格出力電力が１００ｋｗである車載用の固体高分子形燃料電池を用いた。この固体高分子形燃料電池の積層段数は４００段である。又、この固体高分子形燃料電池における電極面積は、５００平方センチメートルである。そして、この固体高分子形燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、燃料利用率（Ｕｆ）を７５％とし、かつ酸素利用率（Ｕｏ）を５０％として、負荷電流が３７５Ａ（電流密度が０．７５Ａ／平方センチメートル）の負荷を接続した場合、出力電圧が３３５Ｖ（セル平均電圧は０．６７Ｖ）で約１００ｋｗの出力電力が得られた。
本実施例では、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路に供給される一次冷却水の温度が７０℃となり、かつ固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路から排出される一次冷却水の最大負荷時の温度が８２℃となるように、一次冷却水給排系統及び二次冷却水給排系統が所定の制御装置により制御された。この際、固体高分子形燃料電池の一次冷却水用流路には、毎分１５０リットル（最大）の割合で一次冷却水が供給された。
一次冷却水の供給温度は、実際には、定格出力電力の３０％以下の負荷で固体高分子形燃料電池が運転されると共に、その負荷が経時的に変動したため、７０±３℃の温度範囲において大きく変動して、一定値を示すことはなかった。これに対して、二次冷却水の温度は、ラジエータにより逐次放熱されることにより、６０℃程度の温度で安定していた。特に、凝縮器３及び凝縮器７を経て凝縮器６に導入される二次冷却水の温度は、６５℃を超えることは常になかった。従って、固体高分子形燃料電池８から排出されたオフガスを冷却する際には、実施の形態１に示す凝縮器６に一次冷却水を供給する形態よりも、本実施の形態に示す凝縮器６に二次冷却水を供給する形態の方が合理的であると考えられた。
又、本検証では、水素生成装置として、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスの燃焼熱を熱源とするタイプの水素生成装置を用いた。この水素生成装置は、改質部、変成部、及び、選択酸化部の各々を備えている。ここで、改質部は、原料としてメタノールを用い、白金触媒の触媒作用により水蒸気改質反応を進行させて、水素を含む燃料ガスを生成する。本検証では、白金触媒の温度が２８０℃となるように制御すると共に、Ｓ／Ｃが３．１となるように制御して燃料ガスを生成させたところ、露点の範囲が６２±４℃である燃料ガスが生成した。
かかる燃料電池システムでは、発電運転の際に固体高分子形燃料電池から排出されるオフガスは二層流であって、そのオフガスの真の露点は８１℃〜８７℃の範囲で経時的に変動していることが明らかとなった。
図６は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量と、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量との相互関係を模式的に示す相関図である。ここで、図６（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。又、図６（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。
尚、図６において、横軸は、水素生成装置で生成された燃料ガスの露点を示している。又、左側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量を示している。又、右側の縦軸は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量を示している。
更に、図６において、曲線ａは、燃料ガスの露点を最適化するために必要となる水の供給量の変化を示している。又、直線ｂは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させない場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。一方、直線ｃは、凝縮加湿器の凝縮部で水を増量させる場合における燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量の変化を示している。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、水素生成装置の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスの露点は、露点範囲ΔＴｄ＝５７℃〜６７℃程度の範囲で変動していた。そして、図６（ａ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させなかった場合、燃料ガスの露点が領域Ｒ１の範囲内で、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を下回る場合があった。尚、図６（ａ）に示すように、燃料ガスの露点が領域Ｒ２の範囲内である場合には、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を上回っていた。
しかしながら、図６（ｂ）に示すように、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させた場合には、露点範囲ΔＴｄの全領域において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水の供給量がそれを最適化するために必要となる水の供給量を常に上回っていた。そのため、燃料電池システムの発電運転において、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水が不足することはなかった。従って、燃料電池システムの発電運転において、固体高分子形燃料電池に所定の露点を有する燃料ガスを供給することが常に可能であった。
この燃料電池システムを連続して発電運転させたところ、固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガスの露点は、車載用の燃料電池システムとして想定される種々の負荷条件の下で、概ね７２±２℃の範囲内に収まっていた。そして、セルの平均電圧劣化率は、実施の形態１における実施例１の場合と同様の良好な電圧劣化率であった。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、第２のブロアにより燃料電池システムの外部から供給される空気を冷媒として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これにより、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図７において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３００の構成は、ポンプ１０の排出口と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続されている点と、第２のブロア１５における空気の排出口と凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂの一端とが所定の配管により接続されかつその一次冷却水用流路６ｂの他端に開口端を有する所定の配管の一端が接続されている点でのみ、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム３００の構成は燃料電池システム１００の構成と同様である。
かかる燃料電池システム３００では、第２のブロア１５における排出口から排出された空気が、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給される。一方、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器６のオフガス用流路６ａに供給される。そして、凝縮器６の一次冷却水用流路６ｂに供給された空気が冷媒として用いられることにより、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが凝縮器６のオフガス用流路８ａにおいて強制的に冷却される。これにより、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。凝縮器６においてオフガスの冷却のために用いられた空気は、一次冷却水用流路６ｂから排出された後、燃料電池システム３００の外部に向けて排気される。尚、その他の点については、燃料電池システム３００の動作は燃料電池システム１００の動作と同様である。
本実施の形態に係る燃料電池システムによっても、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、燃料電池システムの内部に存在する空気を冷媒として利用することにより、固体高分子形燃料電池から排出されたオフガスを凝縮器において強制的に冷却する。これによって、燃料ガスを加湿するために利用可能な水を強制的に増量させる。
図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。尚、この図８において、矢印を有する実線の各々は、燃料電池システムにおける各構成要素間の接続状態と、発電運転中における燃料ガス、酸化剤ガス、一次冷却水、二次冷却水の流通方向とを各々示している。
図８に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム４００の構成は、ポンプ１０の排出口と固体高分子形燃料電池８の一次冷却水用流路８ｃの一端とが所定の配管により接続されている点と、図１等に示す凝縮器６に代えて放熱フィン１６ａとオフガス用流路１６ｂとを備える凝縮器１６が配設されている点でのみ、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム４００の構成は燃料電池システム１００の構成と同様である。
かかる燃料電池システム４００では、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが、凝縮器１６のオフガス用流路１６ｂに供給される。そして、凝縮器１６の放熱フィン１６ａが有する放熱作用により、固体高分子形燃料電池８の燃料ガス用流路８ｂから排出されたオフガスが凝縮器１６のオフガス用流路１６ｂにおいて強制的に冷却される。これにより、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。尚、その他の点については、燃料電池システム４００の動作は燃料電池システム１００の動作と同様である。
本実施の形態に係る燃料電池システムによっても、発電運転の際、水素生成装置において生成される燃料ガスの露点が低下した場合であっても、凝縮器によりオフガスに含まれる水蒸気が凝縮水に強制的に変換されるので、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が不足することはない。又、実施の形態１〜３の構成と比べて、より一層簡易な構成により燃料ガスの加湿のために利用可能な水を増量させることが可能になる。
ここで、本実施の形態では、凝縮器１６が放熱フィン１６ａとオフガス用流路１６ｂとを備える形態を例示したが、このような形態に限定されることはない。例えば、固体高分子形燃料燃料８が備える燃料ガス用流路８ｂの一端と加湿器５が備える往路５ｂの一端との間に、凝縮器１６に代えて、オフガス用流路１６ｂに相当するオフガス用流路（オフガス用配管）のみを備える形態としてもよい。このように、オフガス用流路１６ｂに相当するオフガス用流路自体が凝縮器として機能する形態としても、そのオフガス用流路が有する放熱作用により、そのオフガス用流路においてオフガスが強制的に冷却される。これにより、本実施の形態の場合と同様にして、燃料ガスの加湿のために利用可能な水が強制的に増量される。
この場合、上記オフガス用流路の形状、及びその配設形態等は、特に限定されることはない。例えば、上述した本実施の形態の変形例では、オフガス用流路が直線状の形状を有していてもよく、或いは、オフガス用流路が螺旋状の形状を有していてもよい。更に、上述した変形例では、オフガス用流路が単に露出する形態としてもよい。つまり、本願に係る効果が得られる範囲において、燃料電池システムの構成等に応じて上記オフガス用流路の形状（直径、長さ、巻き数等）、その材質（カーボン、ステンレス等）、及びその配設形態（露出、断熱材の有無及びその種類等）等を適切に設定することで、凝縮器１６を配設することなく、燃料ガスの加湿のために利用可能な水を強制的に増量させることが可能になる。かかる構成とすることにより、実施の形態１〜３の構成と比べて、更に簡易な構成により燃料ガスの加湿のために利用可能な水を増量させることが可能になる。
尚、オフガスを強制的に冷却するための冷媒として、一次冷却水、二次冷却水、燃料電池システムの外部又は内部の空気の何れを選択すべきであるかは、燃料ガスの供給形態や燃料電池システムの使用用途等に応じて適宜選択すればよい。ここで、燃料ガスの供給形態としては、絶乾ガスの使用を前提としたボンベからの燃料ガスの供給形態や、ある程度にまで自動的に加湿されている燃料ガスの供給形態等が挙げられる。又、燃料電池システムの使用用途としては、定置用又は車載用等の使用用途等が挙げられる。
又、特に水蒸気改質法が用いられることを前提として、比較的少量の追加加湿を行う場合には、燃料電池システムの内部の空気を冷媒として用いる形態や、一次冷却水給排系統を流れる一次冷却水を冷媒として用いる形態が好適である。かかる形態であっても、燃料ガスの加湿のために利用可能な水を十分に増量させることが可能である。
本発明に係る燃料電池システムは、特段の専用補機を配設することなく、加湿器を用いる簡易な構成により固体高分子形燃料電池に供給する燃料ガスを十分にかつ確実に加湿することが可能である、耐久性及び信頼性に優れた廉価な燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の構成の一例を模式的に示す分解斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る凝縮加湿器の断面構成を模式的に示す断面図である。 図４（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。図４（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図６（ａ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させない場合の相関関係を示している。図６（ｂ）は、燃料ガスの露点を最適化するために利用可能な水を凝縮加湿器の凝縮部で増量させる場合の相関関係を示している。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一部を模式的に示すブロック図である。 図９は、燃料電池から排出される温度上昇した冷却水を熱源として用いて燃料ガスを加湿する従来の定置発電用の燃料電池システムの典型的な構成の一部を模式的に示すブロック図である。
符号の説明
１ ブロア
２ 全熱交換器
２ａ 往路
２ｂ 復路
３ 凝縮器
３ａ オフエア用流路
３ｂ 二次冷却水用流路
４ 水素生成装置
４ａ 加熱器
５ 加湿器
５ａ 往路
５ｂ 復路
６ 凝縮器
６ａ オフガス用流路
６ｂ 一次冷却水用流路
７ 凝縮器
７ａ オフガス用流路
７ｂ 二次冷却水用流路
８ 固体高分子形燃料電池
８ａ 酸化剤ガス用流路
８ｂ 燃料ガス用流路
８ｃ 一次冷却水用流路
９ 一次冷却水タンク
１０ ポンプ
１１ 熱交換器
１１ａ 一次冷却水用流路
１１ｂ 二次冷却水用流路
１２ 二次冷却水タンク
１３ ポンプ
１４ 放熱器
１４ａ 二次冷却水用流路
１５ 第２のブロア
１６ 凝縮器
１６ａ 放熱フィン
１６ｂ オフガス用流路
１７ 制御装置
２０ エンドプレート
２０ａ〜２０ｃ 導入口
２０ｄ 排出口
２１ 凝縮用プレート
２１ａ，２１ｂ 凹部
２１ｃ〜２１ｅ 貫通穴
２２ 絶縁プレート
２２ｃ，２２ｄ 貫通穴
２３ 第１加熱用プレート
２３ａ，２３ｂ 凹部
２３ｃ，２３ｄ 貫通穴
２４ 加湿膜
２４ｃ，２４ｄ 貫通穴
２５ 第２加熱用プレート
２５ａ，２５ｂ 凹部
２５ｃ，２５ｄ 貫通穴
２６ エンドプレート
３０ 凝縮加湿器
３０ａ 凝縮部
３０ｂ 加湿部
１０１ ブロア
１０２ 全熱交換器
１０３ 凝縮器
１０４ 水素生成装置
１０４ａ 加熱器
１０５ 加湿器
１０５ａ 加熱器
１０６ 凝縮器
１０７ 燃料電池
１０８ 冷却水タンク
１０９ ポンプ
１１０ 熱交換器
１１１ 冷却水タンク
１１２ ポンプ
１１３ 放熱器
１００〜５００ 燃料電池システム
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原料が供給されて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置で生成された前記燃料ガスが供給されて、該燃料ガスを供給される熱エネルギー及びオフガスを利用して加湿する加湿器と、前記加湿器で前記加湿された燃料ガスが供給されかつ酸化剤ガスが供給されて前記熱エネルギー及びオフガスを排出しながら発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を該燃料電池の内部に一次冷却水を通過させることにより直接的に制御する一次冷却水給排系統と、を少なくとも備えており、前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を、前記一次冷却水給排系統における前記一次冷却水との熱交換により冷却することによって凝縮水に変換させて、該凝縮水を前記加湿器に前記加湿のために供給する凝縮器を更に備えている。
かかる構成とすると、オフガスに元々含まれている燃料ガスの加湿のために利用可能な液体状の水に加えて、そのオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させた凝縮水をも燃料ガスの加湿のために利用することができるようになるので、燃料電池システムの発電運転の際、燃料電池に向けて十分に加湿された所定の露点を有する燃料ガスを確実に供給することが可能になる。又、冷却媒体として一次冷却水給排系統における一次冷却水が用いられるので、凝縮器において燃料ガスの加湿のために利用可能な凝縮水を効率よく生成させることが可能になる。

Claims (8)

  1. 原料が供給されて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、
    前記水素生成装置で生成された前記燃料ガスが供給されて該燃料ガスを供給される熱エネルギー及びオフガスを利用して加湿する加湿器と、
    前記加湿器で前記加湿された燃料ガスが供給されかつ酸化剤ガスが供給されて前記熱エネルギー及びオフガスを排出しながら発電する燃料電池と、
    を少なくとも備えており、
    前記燃料電池から排出されたオフガスが有する水蒸気を冷却媒体との熱交換により冷却することによって凝縮水に変換させて該凝縮水を前記加湿器に前記加湿のために供給する凝縮器を更に備えている、燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池の温度を該燃料電池の内部に一次冷却水を通過させることにより直接的に制御する一次冷却水給排系統を更に備え、
    前記冷却媒体として前記一次冷却水給排系統における前記一次冷却水が用いられるように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池の温度を前記一次冷却水給排系統の一次冷却水から二次冷却水に伝熱させることにより間接的に制御する二次冷却水給排系統を更に備え、
    前記冷却媒体として前記二次冷却水給排系統における前記二次冷却水が用いられるように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池システムの外部から該燃料電池システムの内部に空気を導入する空気導入装置を更に備え、
    前記冷却媒体として前記空気導入装置により前記燃料電池システムの内部に導入された空気が用いられるように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  5. 前記冷却媒体として前記燃料電池システムの内部の空気が用いられるように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 前記凝縮器から前記加湿器に向けて前記凝縮水が重力により自動的に供給されるように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  7. 前記凝縮器と前記加湿器とが一体化されて凝縮加湿器が構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池として前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが供給されて発電する固体高分子形燃料電池を備えている、請求項１乃至７記載の燃料電池システム。
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