JP5189719B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして開発されている固体電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池という）は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応を利用して発電を行うものである。つまり、燃料電池は、燃料ガスをアノード極でイオン化し、酸化剤ガスをカソード極でイオン化し、燃料ガスのイオン（プロトン、水素イオン）を固体電解質膜で移動させ、カソード極側の酸素イオンと反応させて水を生成する際に発生する電気エネルギを取り出すものである。
ここで、このような燃料電池の発電効率を左右するパラメータの一つとして、固体電解質膜内を移動する水素イオンのイオン伝導率があげられる。このイオン伝導率が高いと単位時間当たりに固体電解質膜内を移動できる水素イオンの数が増えるので、その分だけ電気化学反応に伴う発電量を多くすることができる。一方、イオン伝導率が低いと、単位時間当たりに固体電解質膜内を移動できる水素イオンの量が減ることになるので発電量は減ってしまう。
【０００３】
そこで、従来、固体電解質膜のイオン伝導率を高くするための工夫が種々なされており、これらの中には、特願平８−２７３６８７号公報に記載の燃料電池の加湿装置がある。
特願平８−２７３６８７号公報に記載の加湿装置は、燃料電池の冷却水を用いて燃料ガスを加湿するもので、加湿した燃料ガスを燃料電池に供給することで固体電解質膜の乾燥を防止するものである。この加湿装置は、中空糸膜（水透過膜）を備え、この中空糸膜の内側に燃料ガスを通流させ、中空糸膜の外側に水を通流させる構成を有している。この中空糸膜は、中空糸膜の外側の液相と、中空糸膜の内側の気相を分離する役割と、液相中の水分を水蒸気分圧の高い液相側から、相対的に水蒸気分圧の低い気相側に透過させる役割を有している。中空糸膜を透過して液相側から気相側に移動した水分は、燃料ガスの流れにより蒸発するので、燃料ガスは所定量の水蒸気を含む加湿燃料ガスとなる。
【０００４】
しかしながら、燃料ガスの加湿を燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分で行おうとすると、このようなオフガスは未反応の酸素ガスを含む酸化剤ガスと共に排出されるので、中空糸膜の種類によっては、酸素ガス等のガス分子が中空糸膜を透過してしまう可能性があった。オフガス中の酸素ガスが中空糸膜を透過して燃料ガスと混合されると、アノード極に酸素ガスを含む燃料ガスが供給されることになる。このような場合には、アノード極の白金電極を触媒として燃料ガスと酸素ガスが電気化学反応をする前に反応してしまう可能性があり、このとき発生する熱は固体電解質膜や白金電極の劣化等の原因となることがあった。さらに、このような中空糸膜を用いた場合は、燃料電池の運転停止時間が長くなると、この間に中空糸膜を介して燃料ガスや酸素ガスが混合する可能性があるので、燃料電池の始動時に配管中のガスのパージを行うパージラインや制御装置を設ける必要があった。
また、加湿により発電効率を高く維持するためには、酸化剤ガスの加湿を積極的に行うなど、燃料電池システム全体としての加湿手段の最適化が望まれていた。
従って、本発明の解決しようとする課題は、燃料電池に供給される反応ガスを良好に加湿することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、多孔質型の水透過膜を有し、前記燃料電池から排出されたオフガスの水分が、前記多孔質型の水透過膜を透過し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿装置と、前記燃料電池から排出され前記加湿装置に向かうオフガスを前記加湿装置の手前で加熱する加熱手段と、前記燃料電池を経由するように熱媒体を循環させる熱媒体ラインと、を備え、前記加熱手段は、前記燃料電池から排出され前記加湿装置に向かうオフガスと、前記燃料電池から排出され当該燃料電池で加熱された熱媒体との間で熱交換させる熱交換器であることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、カソード用反応ガスとアノード用反応ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、カソード用反応ガスを圧縮して吐出し、前記燃料電池に供給する圧縮機と、多孔質型の水透過膜を有し、前記圧縮機から前記燃料電池に向かうカソード用反応ガスを加湿するカソード用加湿装置と、非多孔質型の水透過膜を有し、前記燃料電池に向かうアノード用反応ガスを加湿するアノード用加湿装置と、を備え、前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスは、前記カソード用加湿装置、前記アノード用加湿装置、の順で通流し、前記カソード用加湿装置では、カソードオフガスの水分が、前記多孔質型の水透過膜を透過してカソード用反応ガスを加湿し、前記アノード用加湿装置では、カソードオフガスの水分が、前記非多孔質型の水透過膜を透過してアノード用反応ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
ここで、非多孔質型の水透過膜とは、孔径が１０ｎｍ程度の細孔を備えず、例えばイオン水和作用で流体中の水分のみを透過させる膜である。非多孔質型の水透過膜は、オフガスが未反応の酸化剤ガスを含む場合であっても、水分のみを透過するので、加湿装置において燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを確実に防止することができる。
【０００９】
また、多孔質型の水透過膜とは、水分子が透過可能な細孔（例えば孔径１０ｎｍ程度）を多数備え、例えば毛管凝集作用で流体中の水分を透過させる膜である。多孔質型の水透過膜は、水分の透過を速やかに行うことができると共に、耐熱性に優れるので、酸化剤ガスが加圧圧縮により高温となっている場合であっても、水透過膜を劣化させることなく加湿を行うことができる。従って、燃料電池に充分な水分を安定して供給することが可能となる。なお、水透過膜は、多孔質型であるためオフガス中の未反応の酸化剤ガスを透過することもあるが、加湿されるガスも酸化剤ガスであるため問題はない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の参考の形態を図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本参考の形態における加湿部を有する燃料電池システムの全体構成について説明する。
燃料電池システム１は、燃料電池２、加湿部３、空気圧縮機５、水素貯蔵タンク６などから構成されている。
【００１２】
燃料電池２は、固体電解質膜を用いたものであり、酸化剤ガスとしての加湿空気Ａｗが供給されるカソード極２ａ（酸素極）と、燃料ガスとしての加湿された水素ガス（以下、加湿水素ガスＨｗとする）が供給されるアノード極２ｂ（水素極）とを有しており、それぞれの極に供給された加湿水素ガスＨｗと、加湿空気Ａｗ中の酸素ガスを電気化学反応させて電気エネルギを抽出するものである。
加湿空気Ａｗは、低湿度の空気Ａｄを外気から取り込み、空気圧縮機５で加圧圧縮すると共に、加湿部３で加湿することにより得られる。
加湿水素ガスＨｗは、水素ガスステーション等で水素貯蔵タンク６に充填された水素ガスＨｄを加湿部３で加湿することにより得られる。
なお、加湿部３による空気Ａｄや、水素ガスＨｄの加湿は、燃料電池２のカソード極２ａから排出された水分を多く含むカソードオフガスＣＯＧから空気Ａｄや、水素ガスＨｄが水分を受け取ることにより行われるが、その詳細は後に説明するので、ここでは省略する。
【００１３】
ここで、燃料電池２のカソード極２ａ側では、加湿水素ガスＨｗと酸素ガスの反応生成物である水を多量に含むカソードオフガスＣＯＧが発生し、このカソードオフガスＣＯＧは加湿部３に導かれた後に排出される。
一方、アノード極２ｂ側では、未反応の水素ガスＨｄを含むアノードオフガスＡＯＧが発生し、このアノードオフガスＡＯＧは水素ガスＨｄのインジェクタ７に導入され、再び燃料電池２に供給される。なお、このアノードオフガスＡＯＧを排出する際には、燃料電池２の後段に設けられたバルブ８が開放される。
【００１４】
次に、燃料電池２の構成および作用について説明する。
燃料電池２は、図示しない固体電解質膜を挟んでアノード極２ｂとカソード極２ａを有し、そのそれぞれには白金系の触媒を有する電極が設けられている。そして、アノード極２ｂには加湿水素ガスＨｗが通流され、カソード極２ａには加湿空気Ａｗが通流される。ここで、固体電解質膜は、高分子膜、例えば、プロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。この固体電解質膜は、高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で高いプロトン伝導率を示すものである。従って、触媒によりアノード極２ｂで発生したプロトン（水素イオン）は、容易に固体電解質中を移動してカソード極２ａ側に到達することができる。そして、カソード極２ａ側に到達したプロトンがアノード極２ｂで発生した酸素イオンと反応して水を生成する。生成した水は未反応成分を含む加湿空気Ａｗと共にカソードオフガスＣＯＧとしてカソード極２ａ側の出口から排出される。このとき、アノード極２ｂとカソード極２ａを外部負荷を介して電気的に接続して回路を形成すると、水素のイオン化の際に発生する電子がこの回路に流れ、この電子の量が燃料電池２の発電量となる。
【００１５】
ここで、燃料電池２の発電量を決定するパラメータとしては、電極および固体電解質膜からなるセルの数や大きさ、加湿水素ガスＨｗおよび加湿空気Ａｗの供給量、固体電解質膜のプロトン伝導率等があげられる。これらのうち、固体電解質膜のプロトン伝導率について説明する。
プロトン伝導率は、固体電解質膜内でのプロトンの移動しやすさを表している。従って、プロトン伝導率が大きいほど、プロトン（水素イオン）がアノード極２ｂ側からカソード極２ａ側に移動しやすくなるので、プロトン（水素イオン）と酸素イオンの反応頻度が増大し、発電量を増加させることができる。一方、プロトン伝導率が低くなると、プロトンの透過率が減少するので、プロトン（水素イオン）と酸素イオンの反応が減り、発電量が減少する。
なお、このプロトン伝導率は、固体電解質膜が乾燥していると低くなる。従って、本参考の形態においては、加湿部３で水素ガスＨｄおよび空気Ａｄを加湿することで、固体電解質膜に充分な水分を供給し、固体電解質膜のプロトン伝導率を大きくし、発電効率の向上および安定を図っている。
【００１６】
次に、本参考の形態における加湿部３について図２、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
図２に示すように、加湿部３は、カソードオフガスＣＯＧの流れる方向を基準として燃料電池２の近くに設けられた第一の加湿装置３１と、第一の加湿装置３１の後段に配置されている第二の加湿装置３２とを有しており、燃料電池２から排出されるオフガス（カソードオフガスＣＯＧ）を用いて、アノード極２ｂを充分に加湿することを目的としている。なお、理解の便宜上、以下においてカソードオフガスＣＯＧは加湿用オフガスＭＧとして説明する。
【００１７】
第一の加湿装置３１は、燃料電池２のカソード極２ａの出口と配管２１で接続され、配管２４により供給される水素ガスＨｄを加湿する装置である。なお、加湿後の加湿水素Ｈｗは、配管２５を通って燃料電池２のアノード極２ｂに供給される。
第一の加湿装置３１の構成は、図３（ａ）、（ｂ）に例示するように、略円柱形をした中空糸膜モジュール３３を並列に四本備えると共に、その各々の端部を一端側分配器３４および他端側分配器３５で保持した直方体形状となっている。
中空糸膜モジュール３３は、円筒形状のハウジング３６と、ハウジング３６に束ねて収納されている多数の水透過膜である第一の中空糸膜Ｐ１を有している。第一の中空糸膜Ｐ１は、外径が十分の数ミリ程度であり、第一の中空糸膜Ｐ１の外側を通流する水素ガスＨｄとの接触面積を確保するために、互いにハウジング３６内で離間するように配置されている。また、ハウジング３６には円周上に複数の開口３７ａ，３７ｂを有しており、この開口３７ａ，３７ｂは、水素ガスＨｄが中空糸膜モジュール３３の内部に流入するための流入口３７ａ、および、加湿水素ガスＨｗが中空糸膜モジュール３３から流出する流出口３７ｂとなっている。一方、加湿用オフガスＭＧは、各中空糸膜モジュール３３の一端面３３ａから第一の中空糸膜Ｐ１の内側の中空部分に流入し、中空糸膜モジュール３３の他端面３３ｂから流出する。
【００１８】
一端側分配器３４は、図２に示す配管２１を流れてきた加湿用オフガスＭＧを各中空糸膜モジュール３３に導入するためのオフガス導入口３８が側面に形成されており、上面および底面には加湿水素ガスＨｗを排出するための水素ガス排出口３９が形成されている。また、他端側分配器３５は、中空糸膜モジュール３３を通流した後の加湿用オフガスＭＧを配管２２に排出するオフガス排出口４０が側面に形成されており、上面および底面には中空糸膜モジュール３３に水素ガスＨｄを導入するための水素ガス導入口４１が形成されている。なお、水素ガス導入口４１は、図２に示す配管２４に連結され、水素排出口３９は、配管２５に連結されている。
【００１９】
ここで、第一の加湿装置３１に備えられている第一の中空糸膜Ｐ１は、高分子電解質膜から構成されている。この高分子電解質膜は、イオン水和型の水透過膜であって、その代表例としてはパーフルオロカーボンスルフォン酸を用いたデュポン社のＮＡＦＩＯＮ膜があげられる。このような高分子電解質膜は、後述する多孔質型の高分子膜が有する孔径１０ｎｍ程度の細孔を備えていないので、加湿用オフガスＭＧや空気Ａｄに含まれるガス以外の成分を透過させない性質を有している。また、このような高分子電荷質膜は、ポリマー構造として疎水性の強い主鎖部分と親水性の交換基を共存させており、この親水性の交換基が水分子と水素結合を行うことで水分を捉える、イオン水和作用を有している。従って、このような高分子電解質膜からなる第一の中空糸膜Ｐ１の内側に水分を多く含んだ加湿用オフガスＭＧを通流させ、第一の中空糸膜Ｐ１の外側に水分をほとんど含まない水素ガスＨｄを通流させると（図３（ａ）参照）、第一の中空糸膜Ｐ１の内周面で、例えばイオン水和作用により、加湿用オフガスＭＧに含まれている水分が次々に捉えられ、第一の中空糸膜Ｐ１の内部に浸透しつつ、その外周面に送り出される、いわゆる水の輸送現象が起こる。そして、この外周面に沁み出した水分は水素ガスＨｄの通流により気化して水蒸気になり、この水蒸気が水素ガスＨｄに混合されて、加湿水素ガスＨｗとなる。
ここにおいて、加湿用オフガスＭＧの水分以外の成分である酸素ガスや窒素ガス等の気体は、上述のような細孔を備えない高分子電解質膜内を通過することができないので、水素ガスＨｄに酸素ガス等が混入することはない。なお、このような高分子電解質膜からなる第一の中空糸膜Ｐ１が、特許請求の範囲に記載の非多孔質型の水透過膜に相当する。
【００２０】
また、図２に示すように、第二の加湿装置３２は、第一の加湿装置３１と配管２２により連結されており、空気圧縮機５から配管２６を通って供給される空気Ａｄを加湿するための加湿装置である。なお、加湿後の空気Ａｄ、つまり、加湿空気Ａｗは、配管２７により燃料電池２のカソード極２ａに供給される。
第二の加湿装置３２の構成は、第一の加湿装置３１と同様の構成を有している。第二の加湿装置３２が第一の加湿装置３１と異なる点は、第一の中空糸膜Ｐ１とは異なる第二の中空糸膜Ｐ２を用いている点であり、第二の中空糸膜Ｐ２は中空糸膜モジュール３３に収納されている。
第二の加湿装置３２に用いられる中空糸膜モジュール３３のハウジング３６に束ねて収納されている第二の中空糸膜Ｐ２は、多孔質型、すなわち、分子が拡散可能な大きさの細孔（孔径１０ｎｍ程度）を多数備えている高分子膜から構成されている。この高分子膜は、細孔を通じて、例えば毛管凝縮作用により、水分を透過させることができる。従って、このような高分子膜からなる第二の中空糸膜Ｐ２の内側に水分を多く含んだ加湿用オフガスＭＧを通流させ、第二の中空糸膜Ｐ２の外側に水分をほとんど含まない空気Ａｄを通流させると（図３（ａ）参照）、第二の中空糸膜Ｐ２の内周面で凝縮し、または、細孔内に分散した水分が、例えば毛管凝縮作用により、第二の中空糸膜Ｐ２の内部に浸透し、その外周面に沁み出す。そして、外周面に沁み出した水分は、空気Ａｄの通流により気化して水蒸気となり、この水蒸気が空気Ａｄと混合されて加湿空気Ａｗとなる。
このような高分子膜からなる水透過膜は、細孔を通じて水分の他、酸素ガス等を透過させることができが、特に気化した水分を確実に輸送できる特徴がある。なお、この第二の中空糸膜Ｐ２が、特許請求の範囲に記載の多孔質型の水透過膜に相当する。また、このような水透過膜の細孔の孔径は、水分子が自由に透過できるものであれば１０ｎｍ以上であっても良い。
【００２１】
ここで、加湿部３におけるガスの流れを加湿用ガスＭＧ、水素ガスＨｄ、空気Ａｄの順番に説明する。
まず、燃料電池２のカソード極２ａからカソードオフガスＣＯＧとして排出された水分を多く含む加湿用オフガスＭＧは、配管２１を通り加湿部３を構成する第一の加湿装置３１のオフガス導入口３８に導入され、ここで、四本の中空糸モジュール３３に収納された多数の第一の中空糸膜Ｐ１の中空部分に分流する。そして、加湿用オフガスＭＧに含まれている水分の一部は、第一の中空糸膜Ｐ１の中空部分を通流する際に、第一の中空糸膜Ｐ１の内周面に凝縮する。なお、この凝縮した水分は前記のようにして水素ガスＨｄに回収される。
そして、中空糸膜モジュール３３の他端面３３ｂから流出した加湿用オフガスＭＧは、第一の加湿装置３１のオフガス排出口４０から排出され、配管２２を通り、第二の加湿装置３２に導かれる。
第二の加湿装置３２に導かれた加湿用オフガスＭＧは、四本の中空糸モジュールに収納された多数の第二の中空糸膜Ｐ２の中空部分に分流する。そして、加湿用オフガスＭＧに含まれている水分は、その一部が第二の中空糸膜Ｐ２の中空部分を通流する際に、第二の中空糸膜Ｐ２の内周面に凝縮する。また、水分の一部が第二の中空糸膜Ｐ２の細孔内に拡散する。なお、この凝縮したり、細孔内に拡散した水分は前記のようにして空気Ａｄに回収される。そして、中空糸膜モジュール３３から流出した加湿用オフガスＭＧは、第二の加湿装置３２から排出され、配管２３から排出される。
【００２２】
水素ガスＨｄは、インジェクタ１１から配管２４を経て、加湿部３の第一の加湿装置３１の水素ガス導入口４１に導入される。そして、流入口３７ａから中空糸膜モジュール３３のハウジング３６の内側に入り、中空糸膜モジュール３３の長軸方向に沿って流れる。この際に、水素ガスＨｄは、第一の中空糸膜Ｐ１の外周面に沁み出した水分を受け取ることで加湿され、流出口３７ｂから流出し、さらに、水素ガス排出口３９から加湿水素ガスＨｗとして排出され、配管２５を通り燃料電池２のアノード極２ｂに導入される。
一方、空気Ａｄは、空気圧縮機５から配管２６を通り、加湿部３の第二の加湿装置３２に導入され、中空糸膜モジュール３３の内部を流れる。この際に、空気Ａｄは、第二の中空糸膜Ｐ２の外周面に沁み出した、または、細孔を拡散してきた水分を受け取ることで加湿され、加湿空気Ａｗとなる。そして、第二の加湿装置３２から排出された加湿空気Ａｗは、配管２７を通って燃料電池２のカソード極２ａに導入される。ここで、第二の中空糸膜Ｐ２は酸素ガス等のガス成分も透過することがあるが、第二の加湿装置３２で加湿されるガスである空気Ａｄに酸素ガスが混入しても燃料電池２に悪影響を及ぼすことはない。
【００２３】
なお、第二の中空糸膜Ｐ２に用いられている多孔質型の水透過膜は、一般に耐熱性が高く、２００℃程度に加熱されても安定であるため、空気圧縮機５で加圧圧縮された際に圧縮熱で高温となった空気Ａｄを、冷却することなく第二の加湿装置３２に導入することができる。
導入される空気Ａｄの温度が高いと、第二の中空糸膜Ｐ２の外周面で水分が蒸発しやすく、また、空気Ａｄが含有できる水蒸気量も増えることが予想されるので、より多くの水分を燃料電池２に供給できるから、発電効率を向上させることができる。さらに、第二の中空糸膜Ｐ２の細孔も水分の透過を促進する役割を有しているため、発電効率の向上に寄与している。なお、第二の加湿装置３２にも非多孔質型の水透過膜からなる第一の中空糸膜Ｐ１を使用することが可能である。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態を図４を参照して説明する。なお、図２と同じ構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
図４に示すように、加湿部４０は、第一の加湿装置３１と、第二の加湿装置３２とを有しており、第一の加湿装置３１は水素ガスＨｄを加湿し、第二の加湿装置３２は空気Ａｄを加湿する点では図２に示す参考の形態と同様であるが、本実施の形態においては、燃料電池２からの加湿用オフガスＭＧは、まず、第二の加湿装置３２に導入され、次に第一の加湿装置３１に導入される。
【００２５】
加湿用オフガスＭＧは、ガス温度の高い状態で比較的高温の空気Ａｄを加湿することになるので、より大量の水分を、空気をキャリアガスとして燃料電池２に供給することが可能となる。特に第二の加湿装置３２が細孔を有する第二の中空糸膜Ｐ２を備えている場合は、水分の透過効率が高いので、大量の水分を燃料電池２に供給することができる。従って、本実施の形態においては、カソード極２ａを充分に加湿することができる。
そして、このような場合は、第二の加湿装置３２における加湿用オフガスＭＧの温度低下は少ないか、若しくは、空気Ａｄにより却って加熱されることもあるので、第二の加湿装置３２の後段に配置された第一の加湿装置３１においても、充分に水素ガスＨｄを加湿することが可能である。
なお、第一の加湿装置３１に用いられる中空糸膜は、前記の参考の形態と同様に非多孔質の高分子膜からなる水透過膜である第一の中空糸膜Ｐ１であるため、この実施の形態においても、水素ガスＨｄの加湿時に水素ガスＨｄに酸素ガスが混入することはない。また、第二の加湿装置３２に用いられる中空糸膜も参考の形態と同様に、耐熱性の高い、多孔質の高分子膜からなる水透過膜である第二の中空糸膜Ｐ２であるため、空気圧縮機５の圧縮熱で高温になった空気Ａｄを第二の加湿装置３２に導入することができる。
【００２６】
さらに、本発明の別の実施の形態を図５を参照して説明する。なお、図２と同じ構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
図５に示すように、加湿部５０は、第一の加湿装置５１と、第二の加湿装置５２を有し、第一の加湿装置５１は水素ガスＨｄを加湿し、第二の加湿装置５２は空気Ａｄを加湿する点、および、第一の加湿装置５１および第二の加湿装置５２の位置関係は図２に示す参考の形態と同様であるが、本実施の形態において、加湿部５０は、ガス等を加熱する加熱手段を有している。加熱手段は、第一の加湿装置５１に設けられた熱交換手段５３と、第二の加湿装置５２に設けられた熱交換手段５４、ならびに、第一の加湿装置５１と第二の加湿装置５２の間の配管２２に設けられた熱交換器５５とから構成されている。なお、第一の加湿装置５１および第二の加湿装置５２は熱交換手段５３，５４を有する他は、図３（ａ）、（ｂ）に示す構成と同様の構成を有しているものとする。
【００２７】
ここで、加湿部５０の加熱手段について、熱交換手段５３，５４、熱交換器５５の順番に説明する。
熱交換手段５３，５４は、例えば、図３（ａ）に示した中空糸膜モジュール３３の外周面を覆うように設けられたチューブからなり、中空糸膜モジュール３３の一端部から他端部まで循環水ＣＷを中空糸膜モジュール３３の長手方向に沿って流す、いわゆるジャケットタイプのものを使用することができる。このような構成にすると、循環水ＣＷが保有する熱を中空糸膜モジュール３３のハウジング３６を介して、水素ガスＨｄや、空気Ａｄ、加湿用オフガスＭＧや、第一、第二の中空糸膜Ｐ１，Ｐ２に伝達することで、これらを加熱することができる。また、この熱交換手段５３，５４への循環水ＣＷの導入および排出は、燃料電池２に連結された循環水ライン５６により行われている。なお、熱交換手段５３，５４は、循環水ＣＷの保有する熱を、水素ガスＨｄ等に伝達できる構成であれば、図に示すものに限定されずに、種々の構成とすることができる。
【００２８】
熱交換器５５は、第一の加湿装置５１と第二の加湿装置５２の間に設けられ、第一の加湿装置５１を通過した加湿用オフガスＭＧが流れる配管２２を覆うように設けられたチューブや、配管２２の外周に螺旋状に巻かれた配管等から構成されている。この熱交換器５５によれば、第二の加湿装置５２に導入する加湿用オフガスＭＧが保有する水分の凝縮を防止し、再蒸発を促すことができるので、第二の加湿装置５２における空気Ａｄの加湿の効率を向上させることができる。熱交換器５５への循環水ＣＷの導入や排出も前記の循環水ライン５６により行われる。
【００２９】
このような加熱手段を設けて、加湿用オフガスＭＧ、水素ガスＨｄ、空気Ａｄを加熱することで、水素ガスＨｄおよび空気Ａｄに含有される水分量を増やすことができる。従って、燃料電池２の固体電解質膜に水分を安定して供給できるので、プロトン伝導率が高くなり、固体電解質膜を透過するプロトン（水素イオン）の数を増やし、発電効率を向上させることができる。
ここで、循環水ＣＷは、熱交換手段５３，５４および熱交換器５５における熱交換により冷却される。そして、この冷却された循環水ＣＷが再び燃料電池２の冷却に用いられるので、燃料電池２の廃熱を有効に利用する効果も兼ねている。
【００３０】
なお、本発明は前記の各実施の形態に限定されずに、広く応用することが可能である。例えば、加湿部３において、第一の加湿装置３１と第二の加湿装置３２の配置を図２、図４、図５に示すような直列とする替わりに、加湿用オフガスＭＧの流れに対して並列に配置することも可能である。
また、水透過膜は中空糸膜Ｐ１，Ｐ２に限定されずに、シート形状等の任意の形状で用いることができる。
さらに、加湿用オフガスＭＧは、カソードオフガスＣＯＧとしたが、アノードオフガスＡＯＧが水分を多く含む場合は、アノードオフガスＡＯＧを加湿用オフガスＭＧとすることができる。この場合は、加湿用オフガスＭＧに未反応の水素ガスＨｄが含まれる可能性があるので、空気Ａｄを加湿する第二の加湿装置３２には、非多孔質型の水透過膜を用いることが望ましい。
【００３１】
そして、図５において加熱手段は、第一の加湿装置５１や、第二の加湿装置５２、または、配管２２のみに設けることもできる。また、燃料電池２と第一の加湿装置５１との間の配管２５や、燃料電池２と第二の加湿装置３２との間の配管２７に加熱手段を設けることもできる。特に、配管２５および配管２７を加熱すると、加湿水素ガスＨｗや加湿空気Ａｗが燃料電池２に供給されるまでに冷却されて、水が配管２５，２７中に凝縮することを防止できる。
さらに、加熱手段は、熱交換手段５３，５４および熱交換器５５のほかに、所定の構造を有するヒータとすることもできる。ヒータを用いる場合は、加湿用オフガスＭＧ、水素ガスＨｄ、空気Ａｄをより高温に加熱することができるので、充分な水分を燃料電池２の固体電解質膜に供給することができる。
また、空気圧縮機５と第二の加湿装置５２との間に、空気Ａｄを所定温度まで冷却する冷却装置を設けても良い。空気Ａｄの温度が所定温度よりも高くなる場合であっても、水透過膜の耐久性を維持することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池に供給される反応ガスを良好に加湿できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考の形態における燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】本発明の参考の形態における燃料電池および加湿部の構成を示す構成図である。
【図３】（ａ）第一の加湿装置の側部断面図、（ｂ）第一の加湿装置の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池および加湿部の構成を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の別の形態における燃料電池および加湿部の構成を示す構成図である。

Claims (2)

1. 反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
   多孔質型の水透過膜を有し、前記燃料電池から排出されたオフガスの水分が、前記多孔質型の水透過膜を透過し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿装置と、
   前記燃料電池から排出され前記加湿装置に向かうオフガスを前記加湿装置の手前で加熱する加熱手段と、
   前記燃料電池を経由するように熱媒体を循環させる熱媒体ラインと、
   を備え、
   前記加熱手段は、前記燃料電池から排出され前記加湿装置に向かうオフガスと、前記燃料電池から排出され当該燃料電池で加熱された熱媒体との間で熱交換させる熱交換器である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. カソード用反応ガスとアノード用反応ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
   カソード用反応ガスを圧縮して吐出し、前記燃料電池に供給する圧縮機と、
   多孔質型の水透過膜を有し、前記圧縮機から前記燃料電池に向かうカソード用反応ガスを加湿するカソード用加湿装置と、
   非多孔質型の水透過膜を有し、前記燃料電池に向かうアノード用反応ガスを加湿するアノード用加湿装置と、
   を備え、
   前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスは、前記カソード用加湿装置、前記アノード用加湿装置、の順で通流し、
   前記カソード用加湿装置では、カソードオフガスの水分が、前記多孔質型の水透過膜を透過してカソード用反応ガスを加湿し、
   前記アノード用加湿装置では、カソードオフガスの水分が、前記非多孔質型の水透過膜を透過してアノード用反応ガスを加湿する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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