专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用燃料电池进行发电和供热的燃料电池系统。
另一方面，有下述这样的加湿装置，即，使由燃料电池的空气极侧排出的排出空气(排气)中所含的水分(水蒸汽)，通过水蒸汽透过膜向供给到燃料电池的空气极侧的空气中移动，由此对供给空气进行加湿(例如参照专利文献2)。该加湿装置，通过使用高温的排出空气进行加湿，降低加湿所需的能量。但是，在该加湿装置中，不能将被加湿气体(此处为加湿的供给空气)加湿至加湿气体(此处为水分供给源的排出空气)以上的露点温度。并且，为了将被加湿气体加湿到高露点温度，需要膜面积很大的水蒸汽透过膜，这样，加湿装置的规模增大。因此，难以使燃料电池系统小型化。
(专利文献1)特开平7-288134号公报(专利文献2)特开平6-132038号公报为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统是具有使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池、对分别向上述燃料电池供给的作为燃料气体和氧化剂气体的供给燃料气体和供给氧化剂气体中的至少一种依次进行加湿的第一加湿部和第二加湿部的燃料电池系统，上述第一加湿部使用分别作为由上述燃料电池排出的上述燃料气体和上述氧化剂气体的排出燃料气体和排出氧化剂气体的至少一种所含的水分进行加湿，上述第二加湿部使用温水进行上述加湿。
在这样的结构中，使用排出燃料气体或排出氧化剂气体在第一加湿部中对预先进行加温和加湿的供给燃料气体或供给氧化剂气体在第二加湿部中用温水再次进行加湿。因此，可降低在第二加湿部中的加湿中时消耗的能量(特别是热能)和水分。并且，在第一加湿部中，由于是利用源自燃料电池的排出燃料气体或排出氧化剂气体进行加湿，所以可降低加湿所需要的能量。因此，在这样的结构中，可提高燃料电池整体的能量效率。并且，由于降低在第二加湿部的加湿所需的水分，所以补充到第二加湿部的水分量已经减少，这样，减小了第二加湿部的温度变动。因此，在稳定第二加湿部的加湿量的同时，可使系统运行稳定化。并且，由于即使在高露点下对供给燃料气体或供给氧化剂气体进行加湿，也能够阶段性地用第一和第二加湿部进行加湿，所以能够使燃料电池系统小型化。
还具有使冷却水流通过上述燃料电池的冷却构造，上述温水可以是上述流通过的冷却水。
在这样的结构中，使用用于冷却燃料电池的70～75℃左右的冷却水，在第二加湿部对供给燃料气体或供给氧化剂气体进行加湿。因此，在第二加湿部，不需要如使用扩散器时用于加湿时那样对水加热，这样，就可降低加湿所需的能量。并且，由于冷却水维持在大致稳定的温度下，在第二加湿部中，就可稳定而高效地进行加湿。而且，由于在这样的结构中，通过第一加湿部预先进行加湿，所以降低了在第二加湿部加湿时消耗的水分量，这样，降低了第二加湿部所消耗的冷却水量。因此，就能够抑制补充到冷却构造的水分量，从而能够抑制冷却构造中的温度变动。结果，就能够实现第二加湿部中加湿量的稳定和燃料电池中温度的稳定，从而使系统运行稳定。
还可以具有通过上述冷却水由上述燃料电池回收并存储至少一部分热量的蓄热部，例如，上述蓄热部，还可以包括存储通过与上述冷却水进行热交换而加热的温水的储热水箱。
根据这样的结构，由于可以通过蓄热部回收并有效利用冷却水的热量，所以还能够提高燃料电池系统的能量效率。特别是由于在这样的结构中，第一加湿部设在第二加湿部的上游，所以能够减少在第二加湿部中通过加湿由冷却水夺取的热量和水分。结果，不仅能够增加由冷却水回收用于蓄热部中的能量，而且可以易于控制与冷却水进行热交换后将热水贮存在储热水箱中时的热交换。因此，例如，在蓄热部具有储热水箱时，就能利用该热量增高储热水箱中的温水的温度。由于经这样处理后贮存在储热水箱中的高温的温水能够用于广泛的用途，所以能够提高回收热量的价值。
上述第一加湿部的结构也可以是，上述供给燃料气体和上述排出氧化剂气体中的至少一种的气体流路与上述排出燃料气体和上述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路通过选择性透过水分的水分移动膜相连接。例如，上述第一加湿部的结构可以是，使将在主面上形成上述供给燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路、同时在另一个主面上形成上述排出燃料气体和上述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路的汉路板，以通过上述水分移动膜使上述气体供给气体的流路和上述排出气体的流路相连接的方式，层压多个。
如果采用这样的结构，能够在第一加湿部中，用简单的结构，在同一工序中进行由燃料电池排出的排出燃料气体或排出氧化剂气体中的水分的回收和向该回收的水分的供给燃料气体或供给氧化剂气体的添加。因此，能够简化系统和降低成本。
上述第二加湿部的结构可以是，上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路和上述冷却水的流路，通过选择性透过水分的水分移动膜相连接，例如，上述第二加湿部的结构可以是，将在一个主面上形成上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路、同时在另一个主面上形成上述冷却水流路的流路板，以通过上述水分移动膜使上述供给气体通路和上述冷却水的流路相连接的方式，层压多个。
如果采用这样的结构，能够在第二加湿部中，利用冷却水，用简单的结构，向供给燃料气体或供给氧化剂气体中添加冷却水的水分。因此，能够提高系统的能量效率，同时简化系统和降低成本。
可以具备使上述第一加湿部和上述第二加湿部相邻接地形成一体的加湿装置。例如，上述加湿装置，可以具有通过选择性透过水分的水分移动膜层压多个流路板的结构，可以在各上述流路板的一个主面上，在上述第一加湿部的区域形成上述排出燃料气体和上述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路，同时，在上述第二加湿部的区域形成上述冷却水的流路，在各上述流路板的另一个主面上，形成横跨上述第一加湿部和上述第二加湿部并连续的上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路。或者，上述加湿装置的上述第一加湿部，可以具有通过选择性透过水分的水分移动膜层压多个第一流路板的结构，可以在各上述第一流路板的一个主面上形成上述排出燃料气体和上述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路，在另一个主面上形成上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路，上述加湿装置的上述第二加湿部，可以具有通过选择性透过水分的水分移动膜层压多个第二流路板的结构，可以在各上述第二流路板的一个主面上形成冷却水流路，在另一个主面上形成上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路，可以将上述第一加湿部和上述第二加湿部层压构成上述加湿装置。
如果采用这样的结构，就能够不通过配管等由第一加湿部向第二加湿部提供供给燃料气体或供给氧化剂气体。因此，可使燃料电池系统小型化和降低系统成本，同时，还能防止在配管等中的能量损失，进一步提高能量效率。
既可以使上述加湿装置和上述燃料电池相邻接地形成一体，并且，也可以使上述第二加湿部和上述燃料电池相邻接地形成一体。
如果采用这样的结构，就能够不通过配管等由加湿装置向燃料电池或由第二加湿部向燃料电池提供供给燃料气体或供给氧化剂气体。因此，可使燃料电池系统小型化和降低系统成本，同时，能防止在配管等当中的能量损失，进一步提高能量效率。并且，特别是由于第二加湿部和燃料电池之间不需要配管，所以能够防止将因该配管放热导致结露的水分供给到燃料电池。这样，就能够使燃料电池更稳定地运转。
还可以具备用于检测由上述第二加湿部供给到上述燃料电池的上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的加湿量的加湿量检测器；和，根据由上述加湿量检测器测得的上述供给气体的加湿量来调节上述供给气体的加湿量的控制装置。此时，上述控制装置可以通过调节供给到上述第二加湿部的上述冷却水流量或上述冷却水温度来调节上述供给气体的加湿量，并且，上述冷却构造，可以具有使上述冷却水流通过上述第二加湿部的冷却水通路；和，以在上述第二加湿部进行分流的方式与上述冷却水通路相连接的冷却水旁通路；上述控制装置，可以通过调节经上述冷却水通路供给到上述第二加湿部的上述冷却水流量、和供给到上述冷却水旁通路的上述冷却水流量来调节上述供给气体的加湿量。
并且，还可以具备用于检测供给到上述第二加湿部的上述冷却水温度的冷却水温度检测器；和，根据由上述冷却水温度检测器测得的上述冷却水的温度来调节上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的加湿量的控制装置。此时，上述控制装置可以通过调节供给到上述第二加湿部的上述冷却水的流量或上述冷却水的温度，并且，上述冷却构造可以具有使上述冷却水流通过上述第二加湿部的冷却水通路；和，以在上述第二加湿部进行分流的方式与上述冷却水通路相连接的冷却水旁通路；上述控制装置，可以通过调节经上述冷却水通路供给到上述第二加湿部的上述冷却水流量、和供给到上述冷却水旁通路的上述冷却水流量来调节上述供给气体的加湿量。
并且，还可以具备用于检测供给到上述燃料电池的上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流量的气体流量检测器；和，根据由上述气体流量检测器测得的上述供给气体的流量来调节上述供给气体的加湿量的控制装置。此时，上述控制装置可以通过调节供给到上述第二加湿部的上述冷却水的流量或上述冷却水的温度来调节上述供给气体的加湿量，并且，上述冷却构造可以具有使上述冷却水流通过上述第二加湿部的冷却水通路；和，以在上述第二加湿部进行分流的方式与上述冷却水通路相连接的冷却水旁通路；上述控制装置可以通过调节经上述冷却水通路供给到上述第二加湿部的上述冷却水流量、和供给到上述冷却水旁通路的上述冷却水流量来调节上述供给气体的加湿量。
并且，还可以具备用于检测上述燃料电池的发电量的发电量检测器；和，根据由上述发电量检测器测得的上述发电量来调节上述供给燃料气体和上述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的加湿量的控制装置。此时，上述控制装置可以通过调节供给到上述第二加湿部的上述冷却水的流量或上述冷却水的温度来调节上述供给气体的加湿量，并且，上述冷却构造可以具有使上述冷却水流通过上述第二加湿部的冷却水通路；和，以在上述第二加湿部进行分流的方式与上述冷却水通路相连接的冷却水旁通路，上述控制装置可以通过调节经上述冷却水通路供给到上述第二加湿部的上述冷却水流量、和供给到上述冷却水旁通路的上述冷却水流量来调节上述供给气体的加湿量。
如果采用这样的结构，由于能够将供给燃料气体或供给氧化剂气体的加湿量调整到最佳值，所以能够提高燃料电池系统的稳定性和能量效率。并且，特别是在设置冷却水旁通路来调节冷却水流量的结构中，能够分别调节供给到燃料电池的冷却水流量和供给到第二加湿部的冷却水流量。所以，能够将加湿供给燃料气体或供给氧化剂气体所需最佳流量的冷却水供给到第二加湿部，除此以外的冷却水，经冷却水旁通路，而不经过第二加湿部地流动。其结果是，能够抑制第二加湿部中的冷却水的水分和热能的浪费，并能降低第二加湿部所消耗的冷却水的水分和热能。因此，能够高效地得到最佳加湿量的供给燃料气体或供给氧化剂气体，并且，能使作为冷却水本来功能的对燃料电池的冷却高效稳定地进行，从而调整燃料电池的运转温度为最佳值，同时，还能由冷却水高效回收热能。因此，还能同时提高燃料电池系统的稳定性和能量效率。并且，在根据燃料电池的发电量、供给气体的流量调节加湿量的结构中，就没必要另外加装用于加湿量调节的检测器，使得根据燃料电池系统的运转状态调节加湿量易于进行。
图2是表示构成
图1的前段加湿装置的流路板结构的立体透视图，(a)是由表面看流路板的图，(b)是由背面看流路板的图。
图3是用于说明将图2的若干流路板层压构成的图1的前段加湿装置结构的图，(a)为分解立体图，(b)为立体图。
图4是表示本发明实施方式2的燃料电池系统结构的示意图。
图5是表示本发明实施方式3的燃料电池系统结构的示意图。
图6是表示本发明实施方式4的燃料电池系统结构的示意图。
图7是表示构成图6的加湿装置的流路板结构的立体透视图，(a)是由表面看流路板的图，(b)是由背面看流路板的图。
图8是用于说明将图7的若干流路板层压构成的图6的加湿装置结构的图，(a)为分解立体图，(b)为立体图。
图9表示本发明实施方式4变形例的燃料电池系统的加湿装置结构的立体图。
图10是表示本发明实施方式5的燃料电池系统结构的示意图。
图11是表示本发明实施方式6的燃料电池系统结构的示意图。
图12是表示本发明实施方式6的变形例的燃料电池系统结构的示意图。
图13是表示本发明实施方式7的燃料电池系统结构的示意图。
图14是表示本发明实施方式7的变形例的燃料电池系统结构的示意图。
图15是表示本发明实施方式8的燃料电池系统结构的示意图。
图16是表示本发明实施方式9的燃料电池系统结构的示意图。
图17是表示具有管形结构的前段加湿装置结构的局部切开立体图。
符号说明1、2、3空气通路，4、5排出空气通路，6、6a、6a、7冷却水通路，11燃料电池，12冷却水泵，13冷却水放热器，14冷却水箱，15储热水通路，21a加湿装置，22前段加湿装置，21’加湿部，22’前段加湿部，23水分移动膜，24供给空气流路，25排出空气流路，26冷却水流路，27、27’流路板，44储热水泵，45储热水箱，50加湿装置，61控制装置，62三通阀，63旁通路，70比例阀。
(实施方式1)图1是本发明实施方式1的燃料电池发电及废热供暖系统(以下简称作燃料电池系统)的结构示意图。
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统由包括以空气供给装置40、前段加湿装置22、加湿装置21a、燃料电池11、燃料供给装置41、燃料处理装置42、加湿装置21b、冷却水放热器13、冷却水箱14、冷却水泵12为主要要素而构成。
由空气供给装置40经空气通路1供给到前段加湿装置22的空气，如下所述，通过前段加湿装置22进行加湿。该经过加湿的空气经空气通路2供给到加湿装置21a，通过该装置21a进行进一步加湿。就加湿装置21a来说，目前所使用的加湿装置，例如，可以举出，通过在用加热器加热的温水中通入该空气进行加湿的结构的扩散器、通过喷射器直接将水蒸汽向空气中喷雾对空气加湿的结构的装置等。将通过加湿装置21a进行加湿的空气用作氧化剂气体，经空气通路3供给到燃料电池11的空气极侧。另一方面，源自燃料供给装置41的原料，例如，城市用气、丙烷、甲烷、天然气等含有至少由碳和氢构成的化合物的气体等以及醇类等，经燃料通路8供给到燃料处理装置42。这里，作为燃料处理装置42，具体地说，是使用通过改性反应而生成含氢的改性气体的改性部、和通过转化反应降低改性气体中的一氧化碳的转化部、以及通过选择性氧化反应更进一步地降低经过该转化部的该性气体中的一氧化碳的净化部，在燃料处理装置42中，通过对所供给的原料在含水蒸汽的环境下进行加热，生成富氢气体。该富氢气体经由燃料气体通路9a供给到加湿装置21b，用该装置21b进行加湿。就加温装置21b来说，在加湿装置21a中可使用上述加湿装置。将经过加湿的富氢气体用作燃料电池11的燃料气体，通过燃料气体通路9b供给到燃料电池11的燃料极侧。在燃料电池11中，通过供给到空气极侧的空气与供给到燃料极侧的富氢气体(下文称燃料气体)的反应进行发电，产生电和热。
在供给到燃料电池11的空气中，通过排出空气通路4将反应中未利用的空气供给到前段加湿装置22。在前段加湿装置22中，利用含于所供给的该排出空气中的水分，对用作氧化剂的供给到燃料电池11的空气进行加湿。经过前段加湿装置22的空气，通过排出空气通路5排出。另一方面，燃料电池11反应中未使用的燃料气体通过排出气体通路10排出。
并且，为了除去由燃料电池11产生的热能，冷却水箱14的冷却水通过冷却水泵12进行加压，经由冷却水通路7供给到燃料电池11。这里，冷却水箱14的冷却水维持在70℃左右。燃料电池11的热能，通过所供给的该冷却水除去。回收了该热能后温度变成75℃左右的冷却水经由冷却水流路6再度回流到冷却水箱14中。这样，在冷却水流路6中，设置有冷却水放热器13，通过该冷却水放热器13放出冷却水的热能。通过这样的放热，冷却水再度冷却到70℃左右。在燃料电池系统中，由于冷却水采用这样循环结构，并且该冷却水的温度稳定地维持在规定温度，所以燃料电池11能够维持在规定的温度。
然后，对本实施方式的特征，对给前段加湿装置22中的供给空气加湿的动作进行说明。图2和图3是用于说明图1的燃料电池系统的前段加湿装置的结构的图，图2是构成前段加湿装置的流路板的立体透视图，图2(a)是由表面来看板的图，而图2(b)是由背面来看板的图。图3是将图2的流路板层压构成的前段加湿装置的示意图，(a)为分解立体图，(b)为立体图。
如图2(a)、(b)和图3(a)、(b)所示，前段加湿装置22是由流路板27经水分移动膜23若干层地层压而构成的。在流路板27中，在表面上形成向燃料电池11供给的空气的通路(以下称为供给空气流路)24的同时，在背面形成由燃料电池11排出的空气的通路(以下称为排出空气通路)25。水分移动膜23是选择性透水膜，例如，可以使用ナフイオン系膜等质子导电性高分子电解质膜。通过在板的表面和背面设置若干带状沟或若干互相平行的弯曲的沟形成流路板27的供给空气流路24和排出空气流路25。并且，在各流路板27上，形成有集流孔28a、28b构成供给空气流路，同时，形成有集流孔29a、29b构成排出空气通路。这样，通过使各流路板27的各集流孔28a、28b、29a、29b的位置各个一致地层压若干个流路板27，在层压体中，形成连通着集流孔28a形成的供给空气的导入流路28a’，连通着集流孔28b形成的供给空气的取出流路28b’，连通着集流孔29a形成的排出空气的导入流路29a’，以及连通着集流孔29b形成的排出空气的取出流路29b’。连通着集流孔28a形成的供给空气的导入流路28a’连接着空气通路1，而连通着集流孔28b形成的供给空气的取出流路28b’连接着空气通路2。这样，由空气通路1供给到前段加湿装置22的流路板27的空气(即供给空气)就沿着形成于该流路板27表面的供给空气流路24流动，输送到空气通路2。另一方面，连通着集流孔29a形成的排出空气的导入流路29a’连接着空气通路4，而连通着集流孔29b形成的排出空气的取出流路29b’连接着空气通路5。这样，由空气通路4供给到前段加湿装置22的流路板27的空气(即排出空气)就沿着形成于该流路板27背面的排出空气流路25流动，输送到空气通路5。这样，在流路板27的表面和背面，形成了供给空气和排出空气的对向流动。
由于在前段加湿装置22中，具有上述结构的若干流路板27分别通过水分移动膜23地层压而成，因此，流路板27表面的供给空气流路24中流动着的供给空气和另一个流路板27背面的排出空气流路25中流动着的排出空气通过水分移动膜23相接触。这样，由于由燃料电池11排出的排出空气比供给空气的含水量多，所以，在这样的结构的前段加湿装置22中，通过该水分移动膜23，由排出空气向供给空气供给水分(具体为水蒸汽)。特别是由于供给空气和排出空气形成对向流动地相接触，所以上述水分的移动效率更高。这样，在前段加湿装置22中，通过由排出空气回收的水蒸汽，对供给空气进行加湿。并且，由于由燃料电池11排出的排出空气的温度高于供给空气的温度，所以在前段加湿装置22中，随着上述水分的移动，热能也由排出空气给予供给空气。这样，对供给空气进行加热。
如上所述地通过前段加湿装置22加湿的供给空气通过空气通路2供给到加湿装置21a。这样，由于供给到加湿装置21a的空气，如上所述地预先通过前段加湿装置22进行加温和加湿，所以与现有的仅通过加湿装置21a进行加湿的情况相比，加湿装置21a处较少进行加热和加湿，所以为优选。因此，可降低加湿装置21a所需的热能、水分等。这样，由于在本实施方式中，通过预先由前段加湿装置22进行供给空气的加温和加湿，可降低加湿装置21a消耗的能量，所以就可谋求提高系统整体的能量效率。并且，由于可降低加湿装置21a消耗的水分，所以就可抑制补充到加湿装置21a的水分量。其结果是，可抑制由补充水分带来的温度变动，并可实现加湿装置21a中稳定的加湿量。另外，由于在这样结构的燃料电池系统中，通过前段加湿装置22和加湿装置21a，可阶段性地提高加湿效率，所以即使在高露点下对供给空气进行加湿的场合，大型的前段加湿装置22和加湿装置21a也不需要，这样，就可达到系统的小型化。
在上述内容中，对仅由加湿装置21b加湿供给到燃料电池11的燃料气体(以下称为供给燃料气体)的情况进行了说明，对于供给燃料气体来说，也同上述供给空气的情况一样，也可以在加湿装置21b的上游设置前段加湿装置，形成阶段性加湿结构。在这样的结构中，由燃料电池11排出的排出燃料气体被供给到前段加湿装置，在前段加湿装置中，排出燃料气体中的水分供给到供给燃料气体，从而对供给燃料气体进行加湿，同时，排出燃料气体的热能供给到供给燃料气体进行对供给燃料气体的加热。这样，在供给空气的场合下，如上所述，能够通过谋求降低加湿装置21b消耗的能量而谋求提高燃料电池系统的能量效率，同时，可通过谋求降低加湿装置21b中消耗的水量而谋求加湿量的稳定化。这样的前段加湿装置，例如在空气供给侧，与上述前段加湿装置22的结构一样，具有通过水分移动膜层压成若干流路板的结构，此时，在流路板的一方的主面上形成供给燃料气体流路，同时，在另一方的主面上形成排出燃料气体流路。
这样，在燃料电池系统中，既可在空气侧和燃料侧两方都设置、也可在任侧设置使用由燃料电池11排出的排出气体对供给气体进行加湿的前段加湿装置。另外，由燃料电池11排出的排出空气与排出燃料气体相比，为高湿度，并且，排出空气比排出燃料气体也更可在通过水分移动膜的水分移动中以更高的效率仅将水给予供给空气。因此，优选为在空气供给侧配置前段加湿装置22。
另外，在下述实施方式2～9中，对在燃料电池11的空气供给侧的加湿进行了说明，在这些实施方式中，与实施方式1一样，在燃料气体供给侧也能适用与空气供给侧一样的结构和加湿方法。
(实施方式2)图4是表示本发明实施方式2的燃料系统结构的示意图。如图4所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式1的燃料电池系统同样的结构，与实施方式1的不同点在于，将使用扩散器等现有的加湿装置的加湿装置21a代之以设置使用用于冷却燃料电池11的循环冷却水对供给空气进行加湿的加湿装置21a’。下面，对该不同点进行说明。
在本实施方式的系统中，加湿装置21a’与用于供给由前段加湿装置22处理的空气的空气通路2相连，同时，与用于向燃料电池11供给经加湿装置21a’进行了加湿处理的空气的空气通路3相连。另外，加湿装置21a’与流动着由燃料电池11回收的冷却水的冷却水通路6a、6b相连，从而形成冷却水在加湿装置21a’中通流的结构。
由于加湿装置21a’具有与实施方式1的前段加湿装置22大致相同的结构，所以此处参照图2(a)、(b)和图3(a)、(b)说明加湿装置21a’的结构。在加湿装置21a’中，在流路板27的表面形成有向燃料电池11供给空气的流路(供给空气流路)24，同时，在它的背面，形成由燃料电池11回收的冷却水的流路(以下称为冷却水流路)25。而且，该流路板27通过水分移动膜23，构成由若干层层压而成的加湿装置21a’。在加湿装置21a’的各个流路板27上，集流孔28a、28b成为供给空气的流路，集流孔29a、29b成为冷却水的流路。通过使各流路板27的各集流孔28a、28b、29a、29b的位置分别一致地层压若干个流路板27，在层压体中，形成连通着集流孔28a形成的供给空气的导入流路28a’，连通着集流孔28b形成的供给空气的取出流路28b’，连通着集流孔29a形成的冷却水的导入流路29a’，以及连通着集流孔29b形成的冷却水的取出流路29b’。连通着集流孔28a形成的供给空气的导入流路28a’连接着空气通路2，而连通着集流孔28b形成的供给空气的取出流路28b’连接着空气通路3。这样，由空气通路2供给到加湿装置21a’的流路板27的空气(即供给空气)就沿着形成于该流路板27表面的供给空气流路24流动，输送到空气通路3。另一方面，连通着集流孔29a形成的冷却水的导入流路29a’连接着冷却水通路6a，而连通着集流孔29b形成的冷却水的取出流路29b’连接着冷却水通路6b。这样，由冷却水通路6a供给到加湿装置21a’的流路板27的冷却水就沿着形成于该流路板27背面的冷却水流路25流动，输送到冷却水通路6b。这样，在流路板27的表面和背面，形成了供给空气和冷却水的对向流动。
由于在加湿装置21a’中，具有上述结构的若干流路板27分别通过水分移动膜23地层压而成，因此，流路板27表面的供给空气流路24中流动着的供给空气和另一个流路板27背面的冷却水流路25中流动着的冷却水通过水分移动膜23相接触。在这样结构的加湿装置21a’中，通过水分移动膜23，由冷却水向供给空气供给水分。特别是由于供给空气和冷却水在此形成对向流动地相接触，所以上述水分的移动效率更高。这样，在加湿装置21a’中，通过由冷却水回收的水分，对供给空气进行加湿。并且，随着上述水分的移动，热能也由冷却水向供给空气移动。这样，对供给空气进行加热。
在本实施方式中，由于前段加湿装置22设于加湿装置21a’的上游，所以可以得到与实施方式1同样的效果。而且，由于在本实施方式中，可通过加湿装置21a’利用冷却水对供给空气进行加温和加湿，所以与如实施方式1一样使用扩散器等进行加湿的场合相比，能降低供给到加湿装置21a’的能量、水分。因此，能够谋求进一步降低加湿装置21a’的消耗能量，提高系统整体的能量效率。并且，在燃料电池系统中，用于冷却燃料电池11的循环冷却水的温度，如上所述通常维持在70～75℃左右，特别是在这里，在实施方式1中如上所述，通过设置前段加湿装置22能够降低补充到加湿装置21a的水分，这样，由于能够抑制加湿装置21a的温度波动，通过使用维持在该规定温度的冷却水进行加湿，就可进行稳定的加湿。而且，由于加湿装置21a’没必要另外设置扩散器、喷射器等加湿机构，而是利用系统内的冷却水循环构造，所以能够以简单的装置结构进行加湿操作。因此，可以使系统简单化，并降低成本。
另外，在本实施方式中，对使用由燃料电池11回收的冷却水进行供给空气的加湿的情况做出了说明，而作为本实施方式的变形例，也可以是，通过将供给到燃料电池11之前的冷却水，即，流动在冷却水通路7中的冷却水供给到加湿装置21a’进行上述加湿的结构。并且，除设有用于冷却燃料电池11的冷却水循环通路6、7之外，还可以采用设置用于由冷却水箱14向加湿装置21a’供给冷却水的通路和用于由加湿装置21a’输出冷却水的通路，使用流经这些通路的与加湿装置21a’相通流动的冷却水，由加湿装置21a’进行上述加湿的结构。
(实施方式3)图5是表示本发明实施方式3的燃料电池系统结构的示意图。如图5所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式2的燃料电池系统相同的结构，它与实施方式2的不同点在于冷却水放热器13由换热器构成，通过冷却水放热器13将由冷却水放出的热量用于对储热水箱45的水进行加热。下面，对该不同点进行说明。
在本实施方式的系统中，设有储热水箱45、用于供给贮存于该水箱45中的水的储热水泵44、和使由该水箱45供给的水经由冷却水放热器13再度回到该水箱45的储热水循环通路15。在这样的结构中，由用于凭借加湿装置21a’进行加湿之后的冷却水向由换热器构成的冷却水放热器13供热，该热量还供给到在储热水循环通路15中循环的水。这样，储热水箱45中的水得到加热，变成温水贮存在该温水箱45中。
由于在本实施方式中设有前段加湿装置22，所以在实施方式2中，如上所述，在由加湿装置21a’进行加湿时，就可降低由冷却水向供给空气供给水分，以及随着该水分一起向供给空气移动的热量。这样，由于通过加湿由冷却水夺取的热量和水分少，所以通过冷却水放热器13，就能够由冷却水回收更多的热量，使该热量用于对储热水箱45中的水的加热。因此，在可高效地得到温水的同时，还可提高储热水的温度。结果，就可谋求提高系统整体的能量效率。并且，由于如上所述回收的储热水温度高，因此可用于广泛的用途中，这样，就可提高由燃料电池11回收的热价值。
另外，在上述内容中，对本实施方式将实施方式2的燃料电池系统的结构作为基本结构的情形做出了说明，即使是将实施方式1的燃料电池系统的结构作为基本结构的情形下，也可适用于具有储热水箱的本实施方式。
(实施方式4)图6是表示本发明实施方式4的燃料电池系统的结构的示意图。如图6所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式3的燃料电池系统同样的结构，但与实施方式3的不同点在于，设置具有前段加湿装置22和加湿装置21a’形成一体的结构，即，设置具有前段加湿部22’和加湿部21’的加湿装置50。下面，对该不同点进行说明。
在加湿装置50中，在前段加湿部22’连接有提供供给空气的空气通路1、供给由燃料电池11排出的空气的排出空气通路4、将用于加湿的排出空气由前段加湿部22’取出的排出空气通路5。并且，在加湿部21’连接有用于向加湿部21’供给由燃料电池11取出的冷却水的冷却水通路6a，将用于加湿的冷却水由加湿部21’取出的冷却水通路6b，向燃料电池11供给经加湿的供给空气的空气通路3。
图7和图8是表示加湿装置50的结构示意图，图7是构成加湿装置50的流路板的立体透视图，(a)是由表面看流路板的图，(b)是由背面看流路板的图。图8是图7的若干流路板层压形成的加湿装置50的示意图，(a)为分解立体图，(b)为立体图。
如图7(a)、(b)和8(a)、(b)所示，加湿装置50的前段加湿部22’具有与实施方式1～3的前段加湿装置22同样的结构，另一方面，加湿部21’具有与实施方式2、3的加湿装置21a’同样的结构。即，加湿装置50由若干流路板27’通过水分移动膜23层压而成。在流路板27’的表面形成有排出空气流路25和冷却水流路26，形成排出空气流路25的区域相当于前段加湿部22’，同时形成冷却水流路26的区域相当于加湿部21’。在流路板27’的背面以排出空气流路25和冷却水流路26的下方一致的方式连续地遍及前段加湿部22’和加湿部21’地形成供给空气流路24。并且，在流路板27’上，在除了形成各流路24、25、26的区域之外的区域，还形成有集流孔31a～31f。然后，使各流路板27’的各集流孔31a～31f的位置分别一致地层压流路板27’。这样，在层压体中，形成连通着集流孔31c形成的排出空气的导入流路31c’，连通着集流孔31a形成的排出空气的取出流路31a’，连通着集流孔31f形成的冷却水的导入流路31f’，以及连通着集流孔31d形成的冷却水的取出流路31d’。并且，在形成有连通着集流孔31b形成的供给空气的导入流路31b’的同时，还形成有连通着集流孔31e形成的供给空气的取出流路31e’。连通着集流孔31c形成的排出空气的导入流路31c’连接着排出空气通路4，而连通着集流孔31a形成的排出空气的取出流路31a’连接着排出空气通路5。这样，由排出空气通路4供给到加湿装置50的前段加湿部21’的排出空气就沿着形成于流路板27’表面的排出空气流路25流动，输送到排出空气通路5。另一方面，连通着集流孔31f形成的冷却水的导入流路31f’连接着冷却水通路6a，连通着集流孔31d形成的冷却水的取出流路31d’连接着冷却水通路6b。这样，由冷却水通路6a供给到加湿装置50的流路板27’的加湿部21’的冷却水就沿着形成于该流路板27’表面的冷却水流路26流动，输送到冷却水通路6b。这样，在流路板27’的表面，在前段加湿部22’形成排出空气流，而在加湿部21’则形成冷却水流。上述排出空气流和冷却水流沿同一方向流动。
另一方面，连通着集流孔31b形成的供给空气的导入流路31b’连接着空气通路1，而连通着集流孔31e形成的供给空气的取出流路31e’连接着空气通路3。这样，由空气通路1供给到加湿装置50的流路板27’的前段加湿部22’的供给空气就沿着形成于该流路板27’背面的供给空气流路24流动，而且，在沿着加湿部21’的供给空气流路24流动后，输送到空气通路3。这样，在遍及前段加湿部22’和加湿部21’地形成的供给空气流与形成于流路板27’表面的排出空气流和冷却水流呈相对的方向。
这样，在加湿装置50中，具有上述结构的若干流路板27’分别通过水分移动膜23地层压而成，因此，在前段加湿部22’，流路板27’表面的排出空气流路25中流动着的排出空气和在另一个流路板27’背面的供给空气流路24中流动着的供给空气通过水分移动膜23相接触。因此，在前段加湿部22’中，如在上述前段加湿装置22中所述，通过该水分移动膜23，由排出空气向供给空气供给水分和热能。并且，在加湿部21’中，流经流路板27’表面的冷却水流路26的冷却水与流经另一流路板27’背面的供给空气流路24的供给空气，通过水分移动膜23连接。因此，在加湿部21’中，如在上述加湿装置21a’中所述，通过水分移动膜23由冷却水向供给空气供给水分和热能。在此，如上所述，由于供给空气和冷却水以及排出空气形成对向流地相接触，所以能够以很高的效率进行前段加湿部22’和加湿部21’中的上述水分和热能的移动。这样，在加湿装置50中，在前段加湿部22’中，在使用排出空气对供给空气进行加温和加湿的同时，在加湿部21’中，使用冷却水再对供给空气进行加温和加湿。
在这样结构的燃料电池系统中，可以得到与实施方式3中的上述效果同样的效果。并且，由于设有前段加湿部22’和加湿部21’形成一体的加湿装置50，所以前段加湿部22’和加湿部21’之间不需要配管(具体地说，相当于构成实施方式3中的空气通路2的配管)。因此，可以谋求系统的小型化，同时，还可能谋求防止配管中的热损失，从而提高热效率。
另外，在上述内容中，在加湿装置50中，前段加湿部22’和加湿部21’在水平方向上并列配置，但前段加湿部22’和加湿部21’的配置并不局限于此。例如，也可采用前段加湿部22’与加湿部21’层压形成一体的结构。
图9是表示本实施方式变形例的燃料电池系统的加湿装置50的结构的立体图。如图9所示，在本例的加湿部50中，前段加湿部22’的上面层压有加湿部21’，前段加湿部22’和加湿部21’在垂直方向上并列配置。前段加湿部22’具有与上述前段加湿装置22同样的结构，并且，加湿部21’具有与上述加湿装置21a’同样的结构。这样，通过构成前段加湿部22’的流路板27的集流孔28a形成的供给空气的导入流路28a’与空气通路1相连，由集流孔29a形成的排出空气的导入流路29a’与排出空气通路4相连，由集流孔29b形成的排出空气的取出流路29b’与排出空气通路5相连。并且，通过加湿部21’的流路板27的集流孔28a形成的供给空气的取出流路28a”与空气通路3相连，由集流孔29b形成的冷却水的导入流路29b”与冷却水通路6a相连，由集流孔29a形成的冷却水的取出流路29a”与冷却水通路6b相连。并且，在前段加湿部22’中通过集流孔28b形成的供给空气的取出流路28b’与在加湿部21’中通过集流孔28b’形成的供给空气的导入流路28b”相连。
在这样结构的加湿装置50中，供给空气通过空气通路1供给到前段加湿部22’，在各流路板27表面的供给空气流路24中流动，流入由集流孔28b构成的供给空气取出流路28b’中。另一方面，通过排出空气通路4供给到前段加湿部22’的排出空气，在前段加湿部22’的各流路板27背面的排出空气流路25中流动，输送到排出空气通路5。在前段加湿部22’，通过这样在流路板27的表面和背面形成对向的供给空气流与排出空气流，如上所述，通过水分移动膜23向供给空气供给排出空气的水分和热能，对供给空气进行加温和加湿。然后，经过这样加湿的供给空气沿由前段加湿部22’的集流孔28b构成的供给空气的取出流路28b’垂直向下流动，然后，通过连通着该前段加湿部22’的供给空气的取出流路28b’的加湿部21’的供给空气的导入流路28b”，供给到加湿部21’的流路板27。在加湿部21’的各流路板27的表面，这样地由前段加湿部22’供给的供给空气沿着供给空气流路24流动。在此，形成与上述前段加湿部22’中的供给空气流路24相对向的流动。并且，在加湿部21’。通过冷却水通路6a将冷却水供给到各流路板27背面的冷却水流路26。在该冷却水沿着冷却水流路26在板背面流动后，向冷却水通路6b输送。在加湿部21’中，通过这样在流路板27的表面和背面形成供给空气流和冷却水流，如上所述，通过水分移动膜23向供给空气供给冷却水的水分和热能，对供给空气进行进一步的加温和加湿。即使在具有这样结构的加湿装置50的燃料电池系统中，也能够得到与前段加湿部22’和加湿部21’在水平方向并排配置时的同等效果。另外，在前段加湿部22’和加湿部21’在水平方向并排配置的结构中，由于不需要如在垂直方向上层压时那样的将前段加湿部22’和加湿部21’叠积的工序，所以可谋求简化制造工艺，这样，可谋求削减燃料电池系统的成本。
(实施方式5)图10是表示本发明实施方式5的燃料电池系统结构的示意图。如图10所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式4的燃料电池系统同样的结构，与实施方式4的不同点在于，燃料电池11配置为与加湿装置50相邻的结构。下面，对不同点做出说明。
即，在本实施方式的燃料电池系统中，燃料电池11配置为与实施方式4的加湿装置50相邻的结构。加湿装置50的前段加湿部22’与给予供给空气的空气通路1连接，同时，与取出用于加湿的排出空气的排出空气通路5相连。并且，加湿装置50的加湿部21’与供给冷却水的冷却水通路7相连，同时，与用于取出用以加湿供给空气和冷却燃料电池11的冷却水的冷却水通路6相连。在这样的结构中，由于燃料电池11和加湿装置50形成一体，所以可将排出空气由燃料电池11直接供给到加湿装置50的前段加湿部22’。并且，加湿装置50的加湿部21’可形成将冷却水直接供给到燃料电池11以及由燃料电池直接回收冷却水的循环。另外，可由加湿部21’直接将供给空气供给到燃料电池11。这样，由于在本实施方式的燃料电池系统中，在燃料电池11和加湿装置50之间，不需要由配管等构成的通路，而可直接地进行排出空气、供给空气以及冷却水的供给，所以不需要实施方式4的系统中的空气通路2、3，排出空气通路4，以及冷却水通路6a、6b。因此，不需要构成这些通路的配管，这样，就可防止该配管中的热损失。所以，可提高燃料电池系统的热效率，同时还能达到系统的小型化。并且，特别是由于不需要用于由加湿装置50的加湿部21’向燃料电池11给予供给空气的配管(具体地说，相当于构成空气通路3的配管)，所以可防止向燃料电池11供给由该配管放热导致结露的水分，其结果是，可使系统稳定地运行。
另外，只要燃料电池11与加湿装置50相连，对两者的配置就没有特别的限制，优选为将燃料电池11配置在构成加湿装置50的流路板27’(或27)的层压方向。此时，由于可使配管没有弯折，可谋求系统的小型化。而且，在上述内容中，对前段加湿部22’和加湿部21’一体化的加湿装置50与燃料电池11相连地配置的情况进行了说明，但例如，也可以在如实施方式3那样将前段加湿装置22和加湿部21a’分开设置的场合下，构成加湿装置21a’和燃料电池11相接的系统。
(实施方式6)图11是表示本发明实施方式6的燃料电池系统结构的示意图。如图11所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式3的燃料电池系统相同的结构，但与实施方式3具有如下的不同。即，本实施方式的燃料电池系统中，在由加湿装置21a’向燃料电池11供给空气的空气通路3中设有供给空气的加湿量(具体地指该空气的湿度)的检测器60，同时，设有根据由该检测器60得到的数据来调节供给到加湿装置21a’的冷却水的流量的控制装置61。在此，通过控制冷却水泵12的输出或转数，控制装置61对冷却水的流量进行调节。
在这样的结构的燃料电池系统中，用检测器60检测通过空气通路3供给到燃料电池11的供给空气的加湿量。就检测器60来说，例如，可以使用电阻式湿度传感器、热敏电阻式湿度传感器，该检测器60配置在空气通路3的燃料电池11的正前部分。由检测器60得到的加湿量数据传递到控制装置61。
例如，当由检测器60测得的加湿量小于规定值时，控制装置61根据加湿量数据，增加冷却水泵12的输出或增加该泵12的转数。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量增加，结果，在加湿装置21a’中，由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量增加。因此，就能调节供给空气的加湿量到最佳值。
另一方面，当供给空气的加湿量大于规定值时，控制装置61根据加湿量数据，减少冷却水泵12的输出或减少该泵12的转数。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量减少，结果，在加湿装置21a’中，由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量减少。因此，就能调节供给空气的加湿量到最佳值。
如上所述，通过根据供给空气的加湿量控制冷却水的供给流量，就可将供给空气的加湿量保持在最佳值。这样，就能提高燃料电池系统的能量效率，同时提高系统的稳定性。
在此，在上述内容中，对通过用控制装置61控制冷却水泵12以调节供给到加湿装置21a的冷却水流量的情形进行了说明，但冷却水流量的调节方法不限于此。例如，作为本实施方式的变形例，也可以采用下述结构，如图12所示，在向加湿装置21a’供给冷却水的冷却水通路6a中，设有能自动调节开闭的比例阀70，同时，控制装置61根据源自检测器60的数据调节该比例阀70的开闭的结构。在这样的结构中，例如，当由检测器60测得的加湿量小于规定值时，控制装置61根据加湿量数据，增大比例阀70的开度。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量增加，结果，在加湿装置21a’中，增加了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。另一方面，当供给空气的加湿量大于规定值时，控制装置61根据加湿量数据，减小比例阀70的开度地闭合该阀70。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量减少，结果，在加湿装置21a’中，减少了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。通过这样使用比例阀70调节供给到加湿装置21a’的冷却水流量，取得与上述同样的效果。
而且，在上述内容中，通过调节冷却水的供给量来调节供给空气的加湿量，但除此以外，也可通过调节供给到加湿装置21a’的冷却水的温度来调节供给空气的加湿量。供给到加湿装置21a’的冷却水的温度，对加湿装置21a’中由冷却水向供给空气的水分移动产生影响，与供给空气有如下关系，如果冷却水的温度高，给予供给空气的水分增多，如果冷却水的温度低，给予的水分减少。因此，作为本实施方式的变形例，例如，可以将如上所述的调节冷却水的流量代之以根据供给空气的加湿量用加热器来调节冷却水温度，或通过调节冷却水放热器13中的冷却水的放热量，调节冷却水的温度。在这样的结构中，当由检测器60测得的加湿量小于规定值时，控制装置61根据加湿量数据，通过加热器将冷却水升温，或者减少冷却水放热器13中的放热量。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水的温度上升，结果，在加湿装置21a’中，增加了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。另一方面，当供给空气的加湿量大于规定值时，控制装置61根据加湿量数据，降低冷却水温度，或者增加冷却水放热器13中的放热量。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水的温度下降，结果，在加湿装置21a’中，减少了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。通过这样调节供给到加湿装置21a’的冷却水温度，也可以取得同上所述的效果。
另外，在上述内容中，对与实施方式3的燃料电池系统具有相同结构的燃料电池系统的基本结构的情况做出了说明，但根据供给空气的加湿量调节冷却水的流量等的本实施方式也能够适用于以实施方式2、4、5的各燃料电池系统的结构为基本结构的情况。
(实施方式7)
图13是表示本发明的实施方式7的燃料电池系统的结构示意图。本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式6同样的结构，但与实施方式6具有下述不同点。即，在本实施方式的燃料电池系统中，以在加湿装置21a’进行分流的方式循环冷却水的旁通路63与冷却水通路6a和冷却水通路6b相连。这样，使旁通路63和加湿装置21a’并列配置。并且，在向加湿装置21a’供给冷却水的冷却水通路6a中，设有三通阀62。三通阀62具有三个配管连接口，构成冷却水通路6a的配管64a连接着该连接口其中的一个，构成冷却水通路6b的配管64b连接着其中的另一连接口，并且，构成旁通路63的配管63’连接着另一连接口。这样，三通阀62通路控制装置61的控制，可将由配管64a供给的冷却水分别向配管63’和配管64b中的任一方进行流量分配，或形成可自动调节该分配量的结构。
在这种结构的燃料电池系统中，用检测器60检测通过空气通路3供给到燃料电池11的供给空气的加湿量，根据该加湿量的数据，控制装置61对三通阀62进行调节。这样，就可以调节由配管64a供给的冷却水分配到各配管64b，63’的供给流量。
例如，当由检测器60测得的供给空气的加湿量小于规定值时，根据加湿量数据，控制装置61调节三通阀62以使供给到加湿装置21a’的冷却水流量增加，且供给到旁通路63的冷却水流量减少。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量增加，结果，在加湿装置21a’中，增加了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。这样，可将供给空气的加湿量调节到最佳值。另一方面，当供给空气的加湿量大于规定值时，根据加湿量数据，控制装置61调节三通阀62以使供给到加湿装置21a’的冷却水流量减少，且供给到旁通路63的冷却水流量减少。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量减少，结果，在加湿装置21a’中，减少了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。这样，可将供给空气的加湿量调节到最佳值。
如上所述，在本实施方式的燃料电池系统中，根据供给空气的加湿量用三通阀62控制到加湿装置21a’的冷却水的供给流量，这样就能将供给空气的加湿量调节到最佳值。因此，在实施方式6中可以得到与上述效果相同的效果。而且，由于在本实施方式系统中能以在加湿装置21a’进行分流的方式循环冷却水，所以能够分别调节供给到燃料电池11的冷却水流量和供给到加湿装置21a’的冷却水流量。因此，可使最适于对供给空气加湿的流量的冷却水供给到加湿装置21a’，并可使除此以外的冷却水通过旁通路63，不经加湿装置21a’地循环。结果，就能够抑制加湿装置21a’中的冷却水的水分和热能的浪费，并可谋求降低加湿装置21a’所消耗的冷却水的水分和热能。因此，就能得到高效率的、最佳的加湿量的供给空气，并且，可使作为冷却水的固有功能的对燃料电池11的冷却以更高的效率稳定地进行，从而将燃料电池11调整至最佳作业温度，同时，还能由冷却水高效地将热量回收至储热水中。因此，还能够同时提高燃料电池系统的稳定性和能量效率。
另外，在上述内容中，对通过三通阀62调节供给至各配管64b、63的冷却水的流量的情况做出了说明，但也可以将设置三通阀62代之以，例如，在构成旁通路63、冷却水通路6a、和冷却水通路6b的各个配管中适当设置比例阀。
图14是表示本实施方式变形例中的燃料电池系统结构的一部分的示意图，在此，表示加湿装置21a和其周边的结构。如图14所示，在这种情况下，构成旁通路63的配管63’与构成冷却水通路6a的配管6a’和构成冷却水通路6b的配管6b’相连。而且，在配管6a’上，在配管63’的连接部分的更下游测设有比例阀70a。另一方面，在配管63’上，在与配管6a连接部分的侧端部设有比例阀70b。通过控制装置61可以自动控制该比例阀70a和70b的开闭。例如，当由检测器60检测到的供给空气的加湿量小于规定值时，控制装置61调节比例阀70a以增加供给到加湿装置21a’的冷却水的供给流量，同时，调节比例阀70b以减少供给到旁通路63的冷却水供给流量。另一方面，当供给空气的加湿量大于规定值时，控制装置61调节比例阀70a以减小供给到加湿装置21a’的冷却水的供给流量，同时，调节比例阀70b以增加供给到旁通路63的冷却水供给流量。这样，即使在这样的结构中，也能取得与实施方式6同样的效果。
另外，在上述内容中，对基本结构与实施方式3的燃料电池系统具有相同结构的情况做出了说明，但根据供给空气的加湿量分别调节供给到加湿装置21a和旁通路63的冷却水供给流量等的本实施方式也能够适用于实施方式2、4、5的各燃料电池系统的结构。
(实施方式8)图15是表示本发明实施方式8的燃料电池系统结构的示意图。如图15所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式6相同的结构，与实施方式6的不同点在于，将检测供给空气的加湿量的检测器60代之以设置检测供给到加湿装置21a’的冷却水温度的检测器65。下面，对不同点做出说明。
在实施方式6中，如上所述，冷却水的温度与对供给空气的加湿量相关。因此，在本实施方式的燃料电池系统中，用检测器65检测供给到加湿装置21a’的冷却水的温度，根据该温度数据，控制装置61调节供给到加湿装置21a’的冷却水的流量。在此，作为检测器65，例如，可以使用电阻式温度传感器、接触式温度传感器等，该检测器65配置在冷却水通路6a的加湿装置21a’的正前部分。
例如，当由检测器65测得的冷却水的温度小于规定值时，与冷却水温度高时相比，由于从冷却水向供给空气移动的水分少，所以需要增加冷却水的流量以使供给空气达到最佳的加湿量。因此，在这种情况下，控制装置61根据冷却水的温度数据，增加冷却水泵12的输出或增加该泵12的转数。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量增加，结果，在加湿装置21a’中，增加了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。这样，就能调节供给空气的加湿量到最佳值。另一方面，当冷却水的温度高于规定值时，由于从冷却水向供给空气移动的水分多，所以能以少于温度低时的冷却水供给流量达到最佳的加湿量。因此，在这种情况下，控制装置61根据冷却水的温度数据，减少冷却水泵12的输出或减少该泵12的转数。这样，供给到加湿装置21a’的冷却水流量减少，结果，在加湿装置21a’中，减少了由冷却水给予供给空气的水分量，即加湿量。这样，就能调节供给空气的加湿量到最佳值。
如上所述，由于本实施方式是根据冷却水的温度控制冷却水的供给流量，所以能够得到与实施方式6中所述效果同样的效果。
另外，在上述内容中，对通过调节冷却水泵12来调节冷却水的供给流量的情形进行了说明，但冷却水流量的调节方法不限于此，例如，也可以如在上述实施方式6中所述，在冷却水通路6a中设置比例阀，用该阀对冷却水的流量进行调节。并且，也可以如在上述实施方式6中所述，将调节冷却水的流量代之以调节冷却水的温度以调节供给空气的加湿量。并且，在上述内容中，对与实施方式3的燃料电池系统具有相同的基本结构的燃料电池系统的情况做出了说明，但本实施方式燃料电池系统的基本结构也可与实施方式2、4、5的燃料电池系统的结构相同。而且，也可以在实施方式7的燃料电池系统结构中，设置适于本实施方式的结构，即，将加湿装置21a’分流的旁通路63。
(实施方式9)图16是表示本发明实施方式9的燃料电池系统结构的示意图。如图16所示，本实施方式的燃料电池系统具有与实施方式6相同的结构，与实施方式6的不同点在于，将检测供给空气的加湿量的检测器60代之以设置检测燃料电池11的发电量的检测器66。可将功率表用作检测器66。在此，通常在燃料电池系统中，由于系统一边运转一边检测发电量，所以不用新设功率表，而可以将现有的系统中具有的功率表作为检测器66。下面，对与实施方式6的不同点做出说明。
燃料电池11的发电量与供给到空气极侧的空气的供给量和供给到燃料极侧的燃料气体的供给量相对应。因此，当燃料电池11的发电量多时，流向燃料电池11的供给空气的流量也增多，这样，为了对该供给空气进行加湿，就需要增多供给到加湿部21a’的冷却水的流量。另一方面，当燃料电池11的发电量少时，流向燃料电池11的供给空气的流量也减少，这样，为了对该供给空气进行加湿，也可以减少供给到加湿部21a的冷却水的流量。因此，通过根据燃料电池11的发电量调节流向加湿装置21a的冷却水的供给流量，就能够将供给空气的加湿量调整为最佳值。
例如，当由检测器66测得的燃料电池11的发电量多于规定值时，由于供给到燃料电池11的空气供给量多，所以在加湿装置21a’中，由冷却水给予该供给空气的水分量(即加湿量)增多。因此，此时，控制装置61根据由检测器66得到的发电量的数据，增加冷却水泵12的输出或增加该泵12的转数，从而增加供给到加湿装置21a’的冷却水流量。这样，在加湿装置21a’中，即使供给空气流量很大也能够进行最佳的加湿操作。另一方面，也可以在燃料电池11的发电量少于规定值时，由于供给到燃料电池11的空气供给量少，所以在加湿装置21a’中，减少由冷却水给予该供给空气的水分量(即加湿量)。因此，此时，控制装置61根据由检测器66得到的发电量的数据，减少冷却水泵12的输出或减少该泵12的转数，从而减少供给到加湿装置21a’的冷却水流量。这样，就能够对供给空气进行最佳的加湿操作如上所述，在本实施方式中，由于根据燃料电池11的发电量控制流向加湿装置21a’的冷却水的供给流量，所以就能根据燃料电池11的动作状态，稳定地供给最佳加湿量的供给空气。因此，就能得到与上述实施方式6中的效果同样的效果。并且，如上所述，由于能够将系统中通常具有的发电计用作检测器66，所以没必要再设置用于调节加湿量的检测器，就能达到系统的简化和降低成本。
另外，在上述内容中，对通过调节冷却水泵12来调节冷却水的供给流量的情形进行了说明，但冷却水流量的调节方法不限于此，例如，也可以如在上述实施方式3中所述，在冷却水通路6a中设置比例阀，同时用该阀进行调节。并且，也可以如在上述实施方式6中所述，将调节冷却水的流量代之以调节冷却水的温度以调节供给空气的加湿量。
并且，在上述内容中，对根据燃料电池11的发电量调节供给空气的加湿量的情形做出了说明，但除此以外，也可以直接检测供给到燃料电池11的供给空气的流量，根据该供给空气的流量调节加湿量。例如，在空气通路3的燃料电池11的正前部分设有检测供给空气的流量的检测器，当由该检测器测得的供给空气的流量多时，同上所述，通过促进向该空气的水分移动增加加湿量，另一方面，当由该检测器测得的供给空气的流量少时，同上所述，通过抑制向该空气的水分移动减少加湿量。这样，就能得到同上所述的效果。
并且，在上述内容中，对与实施方式3的燃料电池系统具有相同的基本结构的燃料电池系统的情况做出了说明，但本实施方式燃料电池系统的基本结构也可与实施方式2、4、5的燃料电池系统的结构相同。而且，也可以在实施方式7的燃料电池系统结构中，设置适于本实施方式的结构，即，设置将加湿装置21a’分流的旁通路63。
在上述实施方式中，对具有前段加湿装置22和前段加湿部22’与加湿装置21a和加湿部21’通过水分移动膜23由若干流路板27、27’层压的结构(即板形结构)的情况进行了说明，但它们的结构并不限于板形结构。例如，前段加湿装置22、前段加湿部22’、加湿装置21a’和加湿部21’也可以是具有管型的结构。下面，举例说明具有管型结构的前段加湿装置。
图17是表示具有管型结构的前段加湿装置22的结构的局部切开立体示意图。如图17所示，前段加湿装置22通过形成排出空气入口101和排出空气出口102的圆板103、104将两端部密封，并且，在侧面形成供给空气入口105和供给空气出口106的圆筒形本体100的内部，与轴向一致地收藏构成由水分移动膜23构成的若干中空纤维丝23’集成束状地构成的水分移动膜模件105。而且，本体100的排出空气入口101与排出空气通路4(未图示)相连，排出空气出口102与排出空气通路5(未图示)相连，供给空气入口105与供给空气流路1(未图示)相连，供给空气出口106与供给空气流路2(未图示)相连。在水分移动膜模件105的两端部安装有封装部件108，这样，在本体100的内部，被分割成通过排出空气入口101连通到排出空气通路4的第一空间109A；通过形成于水分移动膜模件105的外周的供给空气入口105和供给空气出口106分别与供给空气流路1、2相连的第二空间109B；通过排出空气出口102与排出空气通路5连通的第三空间109C。
在这样的结构的前段加湿装置22中，通过供给空气入口105向本体100的第二空间109B输入供给空气，同时，通过供给空气出口106由该空间109B取出供给空气。这样，在第二空间109B中，在水分移动膜模件107的外周以及构成该膜模件107的各中空纤维丝23’的外周形成供给空气流。另一方面，通过排出空气入口101向本体100的第一空间109A供给的排出空气，由水分移动膜模件107的一个端面进入模件内。而且，排出空气在构成水分移动膜模件107的各中空纤维丝23’的内部沿轴向流动，然后由模件另一端面释放到第三空间109C中，由排出空气出口102取出。这样，就从第一空间109A至第三空间109C形成排出空气流。
在此，由于在本体100的第二空间109B中，形成通过水分移动膜23将如上所述地形成于水分移动膜模件107和构成它们的中空纤维丝23’的外周的供给空气流路和形成于该膜模件107的中空纤维丝23’内部的排出空气流路相连的结构，所以与上述板形构造的情形一样，由排出空气通过水分移动膜23向供给空气供给水分和热能。这样，就能够由本体100取出通过排出空气进行加热和加湿的供给空气。因此，在这样的具备具有管形构造的前段加湿装置22的燃料电池系统中，也能取得同上所述的效果。另外，在此，对前段加湿装置22进行了说明，在前段加湿部22’、加湿装置21a’和加湿部21’中也能适用图17所示的管形构造。
本发明按照如上所述的方式进行实施，具有如下所述的效果。即，如果按照本发明的燃料电池系统，能提高能量效率，同时还能实现系统的稳定运转。并且，还能达到系统的小型化和简单化。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具有使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池、对分别向所述燃料电池供给的作为燃料气体和氧化剂气体的供给燃料气体和供给氧化剂气体中的至少一种依次进行加湿的第一加湿部和第二加湿部，其特征是所述第一加湿部使用分别由所述燃料电池排出的作为所述燃料气体和所述氧化剂气体的排出燃料气体和排出氧化剂气体中的至少一种所含的水分进行所述加湿，所述第二加湿部使用温水进行所述加湿。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是还具有使冷却水在所述燃料电池中通流的冷却构造，所述温水是所述通流的水。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是还具有通过所述冷却水回收并存储从所述燃料电池回收的至少一部分热量的蓄热部。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征是所述蓄热部包括存储通过与所述冷却水进行热交换而被加热的温水的储热水箱。
5.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征是所述第一加湿部的结构是，所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路、与所述排出燃料气体和所述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路，通过选择性透过水分的水分移动膜相连接。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征是所述第一加湿部的结构是，将在主面上形成所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路的同时、在另一主面上形成所述排出燃料气体和所述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路的流路板，以通过所述水分移动膜使所述供给气体的流路和所述排出气体的流路相连接的方式，层压多个。
7.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征是所述第二加湿部的结构是，所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路、和所述冷却水流路，通过选择性透过水分的水分移动膜相连接。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是所述第二加湿部的结构是，将在一个主面上形成所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路的同时、在另一主面上形成所述冷却水流路的流路板，以通过所述水分移动膜使所述供给气体的流路和所述冷却水的流路相连接的方式，层压多个。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是具有使所述第一加湿部和所述第二加湿部相邻接地形成一体的加湿装置。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征是所述加湿装置具有通过选择性透过水分的水分移动膜层压多个流路板的结构，在各所述流路板的一个主面上，在所述第一加湿部的区域形成所述排出燃料气体和所述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路，并且在所述第二加湿部的区域形成所述冷却水的流路，在各所述流路板的另一个主面上，形成横跨所述第一加湿部和所述第二加湿部并连续的所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路。
11.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征是所述加湿装置的所述第一加湿部具有通过选择性透过水分的水分移动膜层压多个第一流路板的结构，在各所述第一流路板的一个主面上形成所述排出燃料气体和所述排出氧化剂气体中的至少一种的排出气体的流路，在另一个主面上形成所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路，所述加湿装置的所述第二加湿部具有通过选择性透过水分的水分移动膜层压多个第二流路板的结构，在各所述第二流路板的一个主面上形成所述冷却水的流路，在另一个主面上形成所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流路，将所述第一加湿部和所述第二加湿部层压构成所述加湿装置。
12.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征是所述加湿装置和所述燃料电池相邻接地形成一体。
13.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是所述第二加湿部和所述燃料电池相邻接地形成一体。
14.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是还具有用于检测由所述第二加湿部供给到所述燃料电池的所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的加湿量的加湿量检测器；和根据由所述加湿量检测器测得的所述供给气体的加湿量来调节所述供给气体的加湿量的控制装置。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其特征是所述控制装置通过调节供给到所述第二加湿部的所述冷却水流量或所述冷却水温度来调节所述供给气体的加湿量。
16.如权利要求14所述的燃料电池系统，其特征是所述冷却构造具有使所述冷却水流通过所述第二加湿部的冷却水通路；以及，以在所述第二加湿部进行分流的方式与所述冷却水通路相连接的冷却水旁通路，所述控制装置通过调节经所述冷却水通路供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量、和供给到所述冷却水旁通路的所述冷却水的流量来调节所述供给气体的加湿量。
17.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是还具有用于检测供给到所述第二加湿部的所述冷却水温度的冷却水温度检测器；根据由所述冷却水温度检测器测得的所述冷却水的温度来调节所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的加湿量的控制装置。
18.如权利要求17所述的燃料电池系统，其特征是所述控制装置通过调节供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量或所述冷却水的温度来调节所述供给气体的加湿量。
19.如权利要求17所述的燃料电池系统，其特征是所述冷却构造具有使所述冷却水流通过所述第二加湿部的冷却水通路；以及，以在所述第二加湿部进行分流的方式与所述冷却水通路相连接的冷却水旁通路，所述控制装置通过调节经所述冷却水通路供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量、和供给到所述冷却水旁通路的所述冷却水的流量来调节所述供给气体的加湿量。
20.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是还具有用于检测供给到所述燃料电池的所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的流量的气体流量检测器；根据由所述气体流量检测器测得的所述供给气体的流量来调节所述供给气体的加湿量的控制装置。
21.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征是所述控制装置通过调节供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量或所述冷却水的温度来调节所述供给气体的加湿量。
22.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征是所述冷却构造具有使所述冷却水流通过所述第二加湿部的冷却水通路；以及，以在所述第二加湿部进行分流的方式与所述冷却水通路相连接的冷却水旁通路，所述控制装置通过调节经所述冷却水通路供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量、和供给到所述冷却水旁通路的所述冷却水的流量来调节所述供给气体的加湿量。
23.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征是还具有用于检测所述燃料电池的发电量的发电量检测器；根据由所述发电量检测器测得的所述发电量来调节所述供给燃料气体和所述供给氧化剂气体中的至少一种的供给气体的加湿量的控制装置。
24.如权利要求23所述的燃料电池系统，其特征是所述控制装置通过调节供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量或所述冷却水的温度来调节所述供给气体的加湿量。
25.如权利要求23所述的燃料电池系统，其特征是所述冷却构造具有使所述冷却水流通过所述第二加湿部的冷却水通路；以及，以在所述第二加湿部进行分流的方式与所述冷却水通路相连接的冷却水旁通路，所述控制装置通过调节经所述冷却水通路供给到所述第二加湿部的所述冷却水的流量、和供给到所述冷却水旁通路的所述冷却水的流量来调节所述供给气体的加湿量。
全文摘要
本发明提供一种通过削减供给到燃料电池的气体所需能量而提高系统整体的能量效率、并使系统小型化和系统运行稳定的燃料电池系统。在燃料电池系统中，设置有使用用于冷却燃料电池(11)的冷却水对供给到燃料电池(11)的供给空气进行加湿的加湿装置(21a)，并且，使用由燃料电池(11)排出的空气预先对上述供给空气进行加湿的前段加湿装置(22)设置在供给空气流路中的加湿装置(21a)的上游测。回收了燃料电池(11)发电时产生的热量的冷却水通过冷却水放热器(13)放出热量。然后，将该热量利用于对在储热水通路(15)中循环的水的加热中，将温水储存在储热水箱(45)中。
文档编号H01M8/06GK1452263SQ03121860
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月15日 优先权日2002年4月15日
发明者田中良和, 原田照丸, 宫内伸二, 上田哲也 申请人:松下电器产业株式会社