JP5206206B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスあるいは酸化剤極に供給される酸化ガスの加湿を行うための加湿構造に関するものである。

近年、環境に優しい電気自動車として、固体高分子型の燃料電池システムを搭載したものが開発されつつある。上記の燃料電池システムに用いられる燃料電池は、多数の発電セルを積層して構成されている。各発電セルは、水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に対し、白金触媒を担持したアノード側及びカソード側のカーボン電極を積層するとともに、両カーボン電極の表面に反応ガスをそれぞれ供給するためのラスカットメタルよりなるガス通路形成部材をそれぞれ積層し、両ガス通路形成部材の表面に平板状のセパレータをそれぞれ積層して構成されている。

前記アノード電極に燃料ガスとして水素ガスが供給され、カソード電極に酸化ガスとして空気（酸素ガス）が供給される。そして、アノード電極側では、水素ガスがイオン化されて固体高分子電解質膜を透過して、カソード電極に移動し、該カソード電極側では水素イオンが酸素と反応して水が生成され、この生成水の一部はカソード電極側から前記固体高分子電解質膜を透過してアノード電極側に浸透水として流入する。アノード電極の電子は外部負荷を通ってカソード電極に移動される。これらの一連の電気化学反応によって電気エネルギーが取り出される。

燃料電池においては、前記固体高分子電解質膜が乾燥すると、水素イオンの透過率が低下し、エネルギー変換効率、つまり発電効率が低下する。このため、固体高分子電解質膜に水分を供給する必要があり、燃料ガス及び酸化ガスなどの供給ガスを加湿して、電解質膜へ水分を供給し、発電効率を維持させるためのユニット化された加湿装置が設けられている。

上記の燃料電池用加湿装置として特許文献１に開示されたものが提案されている。この加湿装置を図７及び図８に基づいて説明する。燃料電池６０の酸化剤極側の入口には、スーパーチャージャー６１によって加圧された外気が酸化ガスとして酸化ガス配管６２を通して供給されるようになっている。外気（酸素）は燃料電池６０内で酸化剤として用いられた後、生成水とともに酸化オフガスとして酸化剤極側の出口から酸化オフガス配管６３を通して排気されるようになっている。前記酸化ガス配管６２及び酸化オフガス配管６３の途中には、酸化ガスを加湿するためのユニット化された加湿装置６４が接続されている。

上記加湿装置６４は、図８に示すように、ハウジング６５の内部に加湿器６６が収容されている。この加湿器６６は横円筒状をなすケーシング６７と、該ケーシング６７の内部に平行に収容された多数本（一本のみ太く描いて図示）の中空糸６８とにより構成されている。前記各中空糸６８の両端開口には、前記酸化オフガス配管６３が接続されている。前記ケーシング６７には二箇所に開口部６９ａ，６９ｂが形成されている。前記ハウジング６５には前記一方の開口部６９ａに対応して空洞部７０が区画形成され、他方の開口部６９ｂに対応して空洞部７１が区画形成されている。前記空洞部７０，７１には、前記酸化ガス配管６２が接続されている。前記ケーシング６７の内周面と前記各中空糸６８の外周面との間には、前記空洞部７０，７１に前記開口部６９ａ，６９ｂを通して連通された酸化ガスの通路７２が形成されている。

さらに、前記ハウジング６５の中央部には、前記加湿器６６のケーシング６７を加熱するための加熱室７３が形成されている。該加熱室７３には、燃料電池６０の内部を冷却するための冷却液循環配管７４が接続されている。前記燃料電池６０からハウジング６５に至る酸化オフガス配管６３の外周付近には、加熱室７５を形成するケーシング７６が配設されている。燃料電池６０に接続された冷却液循環配管７４は前記加熱室７５にも接続されている。そして、燃料電池６０の冷却により例えば１２０℃に加熱された冷却液をまず前記加熱室７５に導いて、酸化オフガス配管６３内を流れる酸化オフガス及び生成水を加熱する。その後、冷却液循環配管７４から加熱室７３に冷却液が供給され、加熱された冷却液により加湿器６６のケーシング６７の内部の通路７２が加熱され、該通路７２内の加熱された酸化ガスにより中空糸６８が加熱される。そして、中空糸６８の内部を流れる生成水がさらに加熱されて、該生成水が水蒸気となる。この水蒸気が中空糸６８を浸透して通路７２に移動され、該通路７２内の酸化ガスが水蒸気によって加湿され、加湿された酸化ガスが酸化ガス配管６２によって燃料電池６０に供給される。
特開２００１−２１６９８１号公報

ところが、上記従来の加湿装置６４は、発電中に燃料電池６０の冷却により加熱された冷却液を利用して、前記中空糸６８内の生成水を加熱して水蒸気にすることができるので、加熱専用の機器を用いる必要がないという利点がある反面、次のような問題があった。即ち、ハウジング６５の内部に加湿器６６を収容し、ハウジング６５に空洞部７０，７１及び加熱室７３を形成し、加湿器６６のケーシング６７に開口部６９ａ，６９ｂを設け、ケーシング６７の内部に酸化ガス通路７２を形成し、さらに、加熱室７５を形成するためのケーシング７６を設けている。このため、加湿装置全体の構造が非常に複雑となって、部品点数が多くなり、製造及び組付作業が面倒で、設備コストの低減を図ることができないという問題があった。

従来の加湿装置においては、ケーシング６７の外周側に加熱室７３を設けるとともに、ケーシング６７の内周面と中空糸６８の外周面との間に通路７２を設けているので、加熱室７３内の加熱された冷却水によって中空糸６８の内部の水を間接的に加熱することになる。従って、前記加熱室７５が無ければ、中空糸６８内の生成水を加熱して水蒸気にする効率が低下し、適正な加湿を行うことができない虞がある。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、燃料電池の燃料極又は酸化剤極に供給される供給ガスの加湿のための設備コストを低減することができるとともに、供給ガスの加湿を適正に行うことができる燃料電池システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池の前記燃料極の入口に燃料ガスを供給する燃料ガス配管を接続し、燃料極の出口に燃料オフガス配管を接続し、前記酸化剤極の入口に酸化ガスを供給する酸化ガス配管を接続し、酸化剤極の出口に酸化オフガス配管を接続し、前記燃料電池内の冷却用ジャケットの入口と出口に冷却液を循環させる冷却液循環配管を接続し、該冷却液循環配管に燃料電池内で加熱された冷却液を冷却する熱交換器を設けた燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス配管及び前記酸化オフガス配管のそれぞれの管壁に対向する開口を形成するとともに、両開口により連通孔を形成し、該連通孔に水蒸気透過膜を配設し、前記冷却用ジャケットの出口から前記熱交換器に至る間の冷却液アウト配管の外周面と前記酸化オフガス配管の外周面とを面接触させて、前記冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱を利用して、前記酸化オフガス配管内の水を加熱して水蒸気を生成する加熱部を形成し、前記燃料ガス配管及び前記燃料オフガス配管のそれぞれの管壁に対向する開口を形成するとともに、両開口により連通孔を形成し、該連通孔に水蒸気透過膜を配設し、前記冷却用ジャケットの出口から前記熱交換器に至る間の冷却液アウト配管の外周面と前記燃料オフガス配管の外周面とを面接触させて、前記冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱を利用して、前記燃料オフガス配管内の水を加熱して水蒸気を生成する加熱部を形成したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記水蒸気透過膜と対応する前記酸化ガス配管の管壁と、前記熱交換器から前記冷却用ジャケットの入口に至る間の冷却液イン配管の管壁とを面接触させて前記酸化ガス配管内の酸化ガスを冷却する冷却部を形成したことを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記冷却液イン配管には、前記冷却部を迂回するように冷却液バイパス配管が並列に接続され、該冷却液バイパス配管の上流端と冷却液イン配管との接続部には、冷却液の流路の切換弁が設けられ、前記酸化ガス配管にはその内部の温度を測定するための温度センサが設けられ、該温度センサの測定値が基準値以上になった場合に、制御コントローラから前記切換弁に切換信号が出力されて、冷却液の流路がバイパス配管から冷却部の冷却液イン配管に切り換えられるように構成されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記水蒸気透過膜と対応する前記燃料ガス配管の管壁と、前記熱交換器から前記冷却用ジャケットの入口に至る間の冷却液イン配管の管壁とを面接触させて前記燃料ガス配管内の燃料ガスを冷却する冷却部を形成したことを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記冷却液イン配管には、前記冷却部を迂回するように冷却液バイパス配管が並列に接続され、該冷却液バイパス配管の上流端と冷却液イン配管との接続部には、冷却液の流路の切換弁が設けられ、前記燃料ガス配管にはその内部の温度を測定するための温度センサが設けられ、該温度センサの測定値が基準値以上になった場合に、制御コントローラから前記切換弁に切換信号が出力されて、冷却液の流路がバイパス配管から冷却部の冷却液イン配管に切り換えられるように構成されていることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１において、配管の面接触部の断面形状は、蛇行状に形成されていることを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、配管の面接触部には、熱伝導を促進するための薄肉部が設けられていることを要旨とする。

請求項８に記載の発明は、燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池の前記燃料極の入口に燃料ガスを供給する燃料ガス配管を接続し、燃料極の出口に燃料オフガス配管を接続し、前記酸化剤極の入口に酸化ガスを供給する酸化ガス配管を接続し、酸化剤極の出口に酸化オフガス配管を接続し、前記燃料電池内の冷却用ジャケットの入口と出口に冷却液を循環させる冷却液循環配管を接続し、該冷却液循環配管に燃料電池内で加熱された冷却液を冷却する熱交換器を設けた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス配管及び前記燃料オフガス配管のそれぞれ管壁に対向する開口を形成するとともに、両開口により連通孔を形成し、該連通孔に水蒸気透過膜を配設し、前記冷却用ジャケットの出口から前記熱交換器に至る間の冷却液アウト配管の外周面と、前記燃料オフガス配管の外周面とを面接触させて、冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱によって前記燃料オフガス配管内の水を加熱して水蒸気を生成する加熱部を形成したことを要旨とする。

（作用）
請求項１記載の発明は、冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱が冷却液アウト配管と酸化オフガス配管との加熱部（面接触部）を通して、該酸化オフガス配管内の水に効率よく伝達されて、水蒸気が生成される。この水蒸気が水蒸気透過膜を透過して、酸化ガス配管に流入し、酸化ガスの加湿が適正に行われる。

請求項１記載の発明は、酸化ガス配管及び酸化オフガス配管に開口部を設け、両開口部により連通孔を形成し、この連通孔に水蒸気透過膜を配設するという構成のため、加湿構造を簡素化することができる。さらに、加熱部の構造として、酸化オフガス配管の外周面に冷却液アウト配管の外周面を面接触させているので、専用の加熱手段を省略することができるとともに、加熱部の構造を簡素化することができる。

本発明によれば、燃料電池の燃料極又は酸化剤極に供給される供給ガスの加湿のための設備コストを低減することができるとともに、供給ガスの加湿を適正に行うことができる。

以下、本発明を具体化した燃料電池システムの一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示す燃料電池１１の内部には燃料極１２、酸化剤極１３及び両極１２，１３間に介在された固体電解質膜１４などにより構成された多数枚の発電セルが積層されている。この発電セルは図１において、一つのみ簡略化して表されている。前記燃料極１２の入口１２ａには、水素ガスを燃料として供給するための水素ガス供給系１５が接続されている。前記酸化剤極１３の入口１３ａには、酸化ガスとして酸素ガスを含む空気を供給するための空気供給系２３が接続されている。そして、燃料電池１１内の各発電セルに供給された水素ガスと酸素ガスとが化学的に反応して発電が行われるようになっている。

前記水素ガス供給系１５は、高圧の水素ガスを供給するための水素ガスボンベ１６から燃料ガス配管１７及び従来周知の加湿器１８を通して前記燃料極１２に加湿された水素ガスを供給するようになっている。前記燃料極１２の出口１２ｂには、電池反応に用いられなかった水素ガス及び窒素ガスなどの燃料オフガスを外部に排出するための燃料オフガス配管１９が接続されている。該燃料オフガス配管１９には、燃料オフガスに含まれる水素ガスを分離する水素分離器２０が接続されている。該水素分離器２０により分離された水素ガスは、水素ガス循環配管２１及び該配管２１に接続されたポンプ２２によって、前記加湿器１８の上流側の燃料ガス配管１７に還元されるようになっている。

前記空気供給系２３は、空気を圧縮して供給するポンプ２４と、該ポンプ２４によって供給された空気を前記酸化剤極１３の入口１３ａに供給するための酸化ガス配管２５とによ構成されている。前記酸化剤極１３の出口１３ｂには電池反応に用いられなかった酸化ガスを酸化オフガスとして外部に排出するための酸化オフガス配管２６が接続されている。前記水素分離器２０の下流側の燃料オフガス配管１９には、水素希釈装置２７が接続され、該水素希釈装置２７には前記酸化オフガス配管２６が接続されている。そして、前記水素分離器２０によって分離されなかった水素ガスを水素希釈装置２７の内部に導き、この水素ガスを酸化オフガス配管２６から水素希釈装置２７内に供給された酸化オフガスによって希釈して、燃料オフガス配管１９から大気へ排出するようになっている。

次に、前記燃料電池１１の運転時に燃料電池１１の発電セルを冷却して、発電を適正に行うようにした冷却回路について説明する。
前記燃料電池１１の内部には、積層された発電セルを覆うように冷却用ジャケット３１が形成されている。この冷却用ジャケット３１の入口３１ａと出口３１ｂには、冷却液を循環させる冷却液循環配管３２が接続されている。前記冷却液循環配管３２にはポンプ３３が接続されている。この実施形態では、前記冷却液として水にエチレングリコールを含有させたＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。前記ポンプ３３の上流側の冷却液循環配管３２には、前記燃料電池１１の冷却によって例えば１００〜１２０℃に加熱された冷却液を例えば２０〜３０℃に冷却するための熱交換器３４が接続されている。この熱交換器３４は冷却液循環配管３２に接続されたラジエータ３５と、このラジエータ３５に空気を吹き付けて冷却液を冷却するための送風ファン３６とによって構成されている。

この実施形態では前記熱交換器３４から冷却用ジャケット３１の入口３１ａに至る冷却液循環配管３２を冷却液イン配管３２ａといい、冷却用ジャケット３１の出口３１ｂから前記熱交換器３４に至る冷却液循環配管３２を冷却液アウト配管３２ｂという。

次に、この実施形態の要部の構成について説明する。
前記酸化ガス配管２５は大半が円筒状のパイプによって形成され、その前記酸化剤極１３の入口１３ａ寄りの中間部には図２及び図３に示すように扁平４角筒状の角パイプ３７が直列に接続されている。前記角パイプ３７の両端開口部は蓋板３８によってそれぞれ閉塞され、両蓋板３８には前記酸化ガス配管２５を接続するためのボス部３９が形成されている。

前記酸化剤極１３の出口１３ｂから前記水素希釈装置２７に至る酸化オフガス配管２６の大半も円筒状のパイプによって形成され、その中間部には図２及び図３に示すように扁平４角筒状の角パイプ４０が直列に接続されている。前記角パイプ４０の両端開口部は蓋板３８によってそれぞれ閉塞され、両蓋板３８には前記酸化ガス配管２５を接続するためのボス部３９が形成されている。前記角パイプ３７の底板３７ａの下面には前記角パイプ４０の上板４０ａの上面が面接触されている。前記角パイプ３７の底板３７ａには、平面視四角形状の開口３７ｂが形成され、前記角パイプ４０の上板４０ａにも前記開口３７ｂと同形の開口４０ｂが形成され、両開口３７ｂ，４０ｂによって、角パイプ３７の内部と角パイプ４０の内部を連通する連通路４１が形成されている。この連通路４１には水蒸気透過膜４２が配設されている。この水蒸気透過膜４２の外周縁は前記角パイプ３７の底板３７ａと角パイプ４０の上板４０ａとの間に挟着されている。

前記冷却用ジャケット３１の出口３１ｂから前記ラジエータ３５に至る冷却液アウト配管３２ｂの大半も円筒状のパイプによって形成され、その中間部には図２及び図３に示すように扁平４角筒状の角パイプ４３が直列に接続されている。前記角パイプ４３の両端開口部は蓋板３８によってそれぞれ閉塞され、両蓋板３８には前記冷却液アウト配管３２ｂを接続するためのボス部３９が形成されている。前記角パイプ４０の底板４０ｃの下面には前記角パイプ４３の上板４３ａの上面が面接触されている。

この実施形態においては、前記角パイプ４０と角パイプ４３との面接触部によって、加熱部４４が形成されている。該加熱部４４は、前記角パイプ４０の内部を流れる酸化オフガス及び生成水を、燃料電池１１の冷却によって加熱された角パイプ４３内を流れる高温（例えば１２０℃）の冷却液によって加熱して水蒸気を生成する機能を有している。生成された水蒸気は、前記水蒸気透過膜４２を透過して角パイプ３７内の酸化ガスに混入され、酸化ガスの加湿に用いられる。

前記ポンプ３３から前記冷却用ジャケット３１の入口３１ａに到る冷却液イン配管３２ａも大半は円筒状のパイプによって形成され、その中間部には図２及び図３に示すように扁平４角筒状の角パイプ４５が直列に接続されている。前記角パイプ４５の両端開口部は蓋板３８によってそれぞれ閉塞され、両蓋板３８には前記冷却液イン配管３２ａを接続するためのボス部３９が形成されている。前記角パイプ４５の底板４５ａの下面は前記角パイプ３７の上板３７ｃの上面に面接触されている。

この実施形態においては、前記角パイプ３７と角パイプ４５との面接触部によって、冷却部４６が形成されている。該冷却部４６は、前記熱交換器３４によって所定温度（例えば２０〜３０℃）に冷却された前記角パイプ３７内を流れる冷却液によって、角パイプ３７内を流れる例えば４０〜５０℃の酸化ガス及び水蒸気を適正温度（例えば２０〜３０℃）に冷却して、酸化ガスの温度を適正に保持する機能を備えている。

次に、前記のように構成した燃料電池システムの動作について説明する。
図１において、図示しないに制御コントローラからの制御信号によって、燃料電池システムが起動されると、水素ガスボンベ１６から水素ガスが燃料ガス配管１７を介して加湿器１８に供給され、加湿器１８によって加湿された水素ガスが燃料電池１１の燃料極１２側に供給される。一方、空気供給系２３を構成するポンプ２４によって、空気が酸化ガス配管２５を介して燃料電池１１の酸化剤極１３側に供給される。そして、燃料電池１１の内部にスタックされた発電セルによって水素ガスと空気中に含まれる酸素ガスとが反応して発電が行われる。発電された電力は図示しないインバータによって、直流から交流に変換され、例えば、自動車の走行用モータなどの駆動に用いられる。

燃料電池１１による発電中は、燃料電池１１の燃料極１２側の出口１２ｂから前記燃料オフガス配管１９に窒素ガス、水素ガスなどの燃料オフガス及び浸透水が排出される。一方、酸化剤極１３側の出口１３ｂから酸素ガス、窒素ガスなどの酸化オフガス及び生成水が酸化オフガス配管２６に排出される。そして、水素分離器２０によって分離された水素は、空気供給系２３において水素ガス循環配管２１を通して燃料ガス配管１７に還流され発電に利用される。前記水素分離器２０によって大半の水素ガスの分離された燃料オフガスと浸透水は、酸化オフガス配管２６を通して水素希釈装置２７に供給される。この水素希釈装置２７内において水素ガスと水素ガス以外の他の窒素ガスなどの他のガスとの混合が行われて、水素ガスが希釈され、燃料オフガス配管１９から大気中に放出される。

又、燃料電池１１による発電中は、ポンプ３３によって冷却液循環配管３２内の冷却液が燃料電池１１の冷却用ジャケット３１に循環供給され、燃料電池１１内の発電セルが冷却され、適正な発電が行われる。

前記酸化剤極１３の出口１３ｂに接続された酸化オフガス配管２６には前述したように酸素ガス、窒素ガスなどの酸化オフガス及び生成水が供給される。一方、燃料電池１１の冷却に用いられた冷却液は、燃料電池１１内で加熱された後、冷却液アウト配管３２ｂ内に排出され、角パイプ４３に流れる。この角パイプ４３内の加熱された冷却液によって、前記角パイプ４０内の生成水が加熱されて水蒸気が生成される。このようにして、生成された水蒸気は水蒸気透過膜４２を透過して角パイプ３７内に流入する。このため、角パイプ３７内の酸化ガスが水蒸気によって加湿され、加湿された酸化ガスが酸化剤極１３に供給される。

前記角パイプ４３内において前記角パイプ４０内の生成水の加熱に用いられた冷却液の温度は加熱部４４における熱交換によって低下するが、冷却液としての適正な温度に低下することはない。角パイプ４３から出た冷却液は、熱交換器３４のラジエータ３５に流入されて送風ファン３６によって冷却され、ポンプ３３により前記冷却液イン配管３２ａから角パイプ４５に供給される。このため、角パイプ４５内を流れる冷却液によって前記酸化ガス配管２５の角パイプ３７内の酸化ガス及び水蒸気が冷却され、酸化ガス及び水蒸気が適正温度に保持され、燃料電池１１の発電効率が適正に維持される。

上記実施形態の燃料電池システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、図２に示すように、酸化ガス配管２５、酸化オフガス配管２６及び冷却液アウト配管３２ｂに対し、角パイプ３７，４０，４３を連結し、それらを互いに面接触させた。又、角パイプ３７，４０の面接触部に開口３７ｂ，４０ｂによって連通路４１を設け、該連通路４１に水蒸気透過膜４２を配設した。そして、角パイプ４０，４３の外周面を面接触させることによって加熱部４４を形成した。このため、燃料電池１１の冷却用ジャケット３１から冷却液アウト配管３２ｂに排出される加熱された冷却液によって、角パイプ４０内の生成水を加熱させて水蒸気を生成し、この水蒸気を前記水蒸気透過膜４２を透過させて角パイプ３７内に導くことができ、角パイプ３７内の酸化ガスを適正に加湿することができる。又、角パイプ３７内の酸化ガスを加湿するための専用の加熱手段を不要にすることができるとともに、ユニット化された構造が複雑な加湿装置を不要にして、構造を簡素化して、部品点数を低減し、製造及び組付作業を容易に行い、設備コストを低減することができる。

（２）上記実施形態では、角パイプ４０の下面に角パイプ４３の上面を面接触したので、伝熱面積を広く設定することができ、角パイプ４３内の加熱された冷却液の熱を、角パイプ４０内の生成水に効率よく伝達して、生成水から水蒸気を効率的に生成することができ、加湿効率を向上することができる。

（３）上記実施形態では、角パイプ３７の上面に対し角パイプ４５の下面を面接触させて冷却部４６を形成したので、角パイプ３７内の酸化ガス及び水蒸気を冷却液によって適正温度に冷却することができ、前記燃料電池１１の酸化剤極１３に供給される酸化ガスの温度を適正化して、発電効率を適正に維持することができる。

次に、この発明の別の実施形態を図４及び図５に基づいて順次説明する。
図４に示す実施形態は、図１に示す水素ガス供給系１５の加湿器１８に代えて、図２に示す空気供給系２３の加湿構造と同様の加湿構造を適用したものである。即ち、前記燃料ガス配管１７の中間部に前記角パイプ３７と同様の角パイプ３７Ａが直列に接続され、前記燃料電池１１から水素分離器２０に至る燃料オフガス配管１９の中間部に前記角パイプ４０と同様の角パイプ４０Ａが直列に連結されている。前記角パイプ４０Ａと前記角パイプ４３とによって、加熱部４４Ａが形成されている。前記角パイプ３７Ａと角パイプ４５とによって、冷却部４６Ａが形成されている。その他の構成は空気供給系２３側の加湿構造と同様である。

上記実施形態においては、角パイプ４３内の加熱された冷却液によって、燃料オフガス配管１９から角パイプ４０Ａに流入した燃料オフガス及び浸透水が加熱される。浸透水は水蒸気となって、水蒸気透過膜４２を上方に透過して、角パイプ３７Ａの燃料ガスに混合され、燃料ガスが加湿される。角パイプ４５内の冷却液によって角パイプ３７Ａ内の燃料ガス及び水蒸気が適正温度に冷却され、発電効率が適正に維持される。

上記の水素ガス供給系１５の燃料ガスの加湿構造も、空気供給系２３の酸化ガスの加湿構造と同様に、角パイプ３７Ａ内の燃料ガスを加湿するための専用の加熱手段を不要にすることができるとともに、ユニット化された構造が複雑な加湿装置を不要にして、構造を簡素化して、部品点数を低減し、製造及び組付作業を容易に行い、設備コストを低減することができる。

次に、図５に示す別の実施形態について説明する。
この実施形態においては、前記角パイプ４５と並列にバイパス配管３２ｃを接続するとともに、バイパス配管３２ｃの上流側の冷却液イン配管３２ａとの接続部に電磁切換弁５１を設けている。前記冷却液イン配管３２ａ及びバイパス配管３２ｃには、逆止弁５２，５３が接続されている。前記電磁切換弁５１を前記角パイプ３７（又は角パイプ３７Ａ）内に配設された温度センサ５４の検出信号に基づいて、制御コントローラ５５から前記電磁切換弁５１に切換信号が出力されるように構成されている。その他の構成は前述した本実施形態と同様である。

上記実施形態においては、前記温度センサ５４によって前記角パイプ３７（角パイプ３７Ａ）内の酸化ガス（燃料ガス）及び水蒸気の温度が検出される。そして、温度の検出値が前記制御コントローラ５５の記憶媒体に予め記憶された基準値（設定温度）よりも高くなった場合に、制御コントローラ５５から切換信号が出されて、前記電磁切換弁５１が作動されて、冷却液の流路がバイパス配管３２ｃから角パイプ４５に切り換えられる。従って、角パイプ３７（角パイプ３７Ａ）内の酸化ガス（燃料ガス）及び水蒸気の温度が低い場合には、その冷却が行われないので、燃料電池１１の酸化剤極１３（燃料極１２）に対し、より適正な温度の酸化ガス（燃料ガス）及び水蒸気の供給を行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 図６（ａ）に示すように、角パイプ４０（４０Ａ）と角パイプ４３との面接触部の横断面形状を波形状に形成しても良い。図６（ｂ）に示すように、角パイプ４０（４０Ａ）の底板に放熱用のフィン５６を複数箇所に立設してもよい。図６（ｂ）に示すように、角パイプ４３の上板に開口部４３ｂを形成し、加熱部４４を角パイプ４０の底板４０ｃによって形成してもよい。この場合には底板４０ｃが薄肉部となり、熱伝導が促進され、角パイプ４０内の水の加熱を効率的に行うことができる。

・ 図６（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、角パイプ３７、角パイプ４０、角パイプ４３の横断面形状を伝熱面積が広くなるように適宜形状に変更してもよい。
上述した各実施形態においては、角パイプ４３内の熱エネルギーの伝熱面積を広くして角パイプ４０（４０Ａ）内の生成水（浸透水）を効率よく加熱して水蒸気を生成することができる。

・ 燃料電池システムの水素ガス供給系１５側のみに図４に示す加湿構造を用いてもよい。

この発明の燃料電池システムを具体化した１実施形態を示す略体回路図。 燃料電池システムの要部構成を示す斜視図。 燃料電池システムの要部構成を示す縦断面図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す要部構成を示す斜視図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す略体回路図。 （ａ）〜（ｅ）は、それぞれこの発明の別の実施形態を示す要部の横断面図。 従来の燃料電池システムの略体回路図。 従来の燃料電池システムの加湿装置を示す拡大縦断面図。

符号の説明

１１…燃料電池、１２…燃料極、１２ａ，１３ａ，３１ａ…入口、１２ｂ，１３ｂ，３１ｂ…出口、１３…酸化剤極、１７…燃料ガス配管、１９…燃料オフガス配管、２１…配管、２５…酸化ガス配管、２６…酸化オフガス配管、３１…冷却用ジャケット、３２…冷却液循環配管、３２ａ…冷却液イン配管、３２ｂ…冷却液アウト配管、３２ｃ…バイパス配管、３４…熱交換器、３７ｂ，４０ｂ…開口、４２…水蒸気透過膜、４４，４４Ａ…加熱部、４６，４６Ａ…冷却部、５４…温度センサ、５５…制御コントローラ。

Claims (8)

1. 燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池の前記燃料極の入口に燃料ガスを供給する燃料ガス配管を接続し、燃料極の出口に燃料オフガス配管を接続し、前記酸化剤極の入口に酸化ガスを供給する酸化ガス配管を接続し、酸化剤極の出口に酸化オフガス配管を接続し、前記燃料電池内の冷却用ジャケットの入口と出口に冷却液を循環させる冷却液循環配管を接続し、該冷却液循環配管に燃料電池内で加熱された冷却液を冷却する熱交換器を設けた燃料電池システムにおいて、
   前記酸化ガス配管及び前記酸化オフガス配管のそれぞれの管壁に対向する開口を形成するとともに、両開口により連通孔を形成し、該連通孔に水蒸気透過膜を配設し、前記冷却用ジャケットの出口から前記熱交換器に至る間の冷却液アウト配管の外周面と前記酸化オフガス配管の外周面とを面接触させて、前記冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱を利用して、前記酸化オフガス配管内の水を加熱して水蒸気を生成する加熱部を形成し、
   前記燃料ガス配管及び前記燃料オフガス配管のそれぞれの管壁に対向する開口を形成するとともに、両開口により連通孔を形成し、該連通孔に水蒸気透過膜を配設し、前記冷却用ジャケットの出口から前記熱交換器に至る間の冷却液アウト配管の外周面と前記燃料オフガス配管の外周面とを面接触させて、前記冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱を利用して、前記燃料オフガス配管内の水を加熱して水蒸気を生成する加熱部を形成したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記水蒸気透過膜と対応する前記酸化ガス配管の管壁と、前記熱交換器から前記冷却用ジャケットの入口に至る間の冷却液イン配管の管壁とを面接触させて前記酸化ガス配管内の酸化ガスを冷却する冷却部を形成したことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記冷却液イン配管には、前記冷却部を迂回するように冷却液バイパス配管が並列に接続され、該冷却液バイパス配管の上流端と冷却液イン配管との接続部には、冷却液の流路の切換弁が設けられ、前記酸化ガス配管にはその内部の温度を測定するための温度センサが設けられ、該温度センサの測定値が基準値以上になった場合に、制御コントローラから前記切換弁に切換信号が出力されて、冷却液の流路がバイパス配管から冷却部の冷却液イン配管に切り換えられるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１において、前記水蒸気透過膜と対応する前記燃料ガス配管の管壁と、前記熱交換器から前記冷却用ジャケットの入口に至る間の冷却液イン配管の管壁とを面接触させて前記燃料ガス配管内の燃料ガスを冷却する冷却部を形成したことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記冷却液イン配管には、前記冷却部を迂回するように冷却液バイパス配管が並列に接続され、該冷却液バイパス配管の上流端と冷却液イン配管との接続部には、冷却液の流路の切換弁が設けられ、前記燃料ガス配管にはその内部の温度を測定するための温度センサが設けられ、該温度センサの測定値が基準値以上になった場合に、制御コントローラから前記切換弁に切換信号が出力されて、冷却液の流路がバイパス配管から冷却部の冷却液イン配管に切り換えられるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１において、配管の面接触部の断面形状は、蛇行状に形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、配管の面接触部には、熱伝導を促進するための薄肉部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
8. 燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池の前記燃料極の入口に燃料ガスを供給する燃料ガス配管を接続し、燃料極の出口に燃料オフガス配管を接続し、前記酸化剤極の入口に酸化ガスを供給する酸化ガス配管を接続し、酸化剤極の出口に酸化オフガス配管を接続し、前記燃料電池内の冷却用ジャケットの入口と出口に冷却液を循環させる冷却液循環配管を接続し、該冷却液循環配管に燃料電池内で加熱された冷却液を冷却する熱交換器を設けた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス配管及び前記燃料オフガス配管のそれぞれ管壁に対向する開口を形成するとともに、両開口により連通孔を形成し、該連通孔に水蒸気透過膜を配設し、前記冷却用ジャケットの出口から前記熱交換器に至る間の冷却液アウト配管の外周面と、前記燃料オフガス配管の外周面とを面接触させて、冷却液アウト配管内の加熱された冷却液の熱によって前記燃料オフガス配管内の水を加熱して水蒸気を生成する加熱部を形成したことを特徴とする燃料電池システム。

Images