CN1591951A

CN1591951A - 固体高分子型燃料电池系统及其运行方法

Info

Publication number: CN1591951A
Application number: CNA2004100685062A
Authority: CN
Inventors: 小林晋; 松本敏宏; 富泽猛; 粉川胜藏; 神原辉寿
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: EP1513208A3; US7722996B2; CN100405643C; EP1513208A2; CA2478726A1; DE602004032000D1; US20050048338A1; KR20050022349A; EP1513208B1

Abstract

本发明的固体高分子型燃料电池系统具备：得到燃料气体和氧化剂气体的供应，在规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对上述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段，所述燃料气体和氧化剂气体通过所述加湿手段加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点，然后被提供给所述燃料电池。

Description

固体高分子型燃料电池系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及其运行方法，特别是涉及固体高分子型燃料电池系统及其运行方法。

背景技术

近年来，二氧化碳气体浓度的升高引起地球温室化和废气排出量的增加引起的酸雨等的影响，导致人们对地球规模的环境问题越来越关心。因此在电源开发研究领域，高效率、而且不排放二氧化碳的能够实现绿色能量变换的燃料电池系统受到人们的关注。于是，即使是种类繁多的燃料电池系统中，工作温度低，而且输出密度高的固体高分子型燃料电池系统也很受注意，因此被期待能够作为民用电源和汽车动力用的电源。

固体高分子型燃料电池系统是，进行发电用的化学反应的场所采用电解质膜-电极接合体(以下简称为“MEA”)燃料电池系统的一种。装置固体高分子型燃料电池系统，通常在结构上具有：规定数目的各固体高分子型燃料电池(以下简称为“单电池(cell)”)叠层形成的固体高分子型燃料电池叠层体(以下简称为“叠层电池”)与使该叠层电池工作用的下述规定的附属装置。以下依序说明单电池、叠层电池、以及固体高分子型燃料电池系统的结构。

构成叠层电池用的单电池中，设置作为进行发电用的催化剂反应的反应场所使用的MEA。该MEA是使有选择地输送氢离子的固体高分子电解质膜的两个面上形成以承载铂族金属催化剂的碳粉为主成分的一对催化剂层(阳极催化剂层和阴极催化剂层)，而且做成夹着该一对催化剂层配设同时具有通气性能和导电性的主要由碳素纤维构成的气体扩散电极(阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极)构成的。而且，还夹着上述MEA周围的固体高分子电解质膜配设密封用的垫圈，形成MEA-垫圈组装件，该MEA-垫圈组装件被设置有流通燃料气体(氢气、或富氢的改性气体)的燃料气体通道的阳极隔离层和设置有流通氧化剂气体(空气)的氧化剂气体通道的阴极隔离层夹着形成单电池。

如上所述，叠层电池是规定数目的单电池叠层形成的电池叠层体。在固体高分子燃料电池系统中，形成叠层电池组的理由是，单电池的电动势虽然也取决于输出电流密度，但是在常用区域约为0.6～0.8V左右，是低电压。也就是说，通过将单电池叠层形成叠层电池，能够得到使电子设备等工作所需要的足够大的电压。通常叠层电池是数十到数百各单电池叠层形成的叠层体。但是，这种叠层电池由于单电池在发电时发热，会以相应于单电池的叠层数的热量发热。而且，该叠层电池的发热密度比单电池大，因此通常每1～3个单电池设置冷却水通道，用水或乙二醇等冷却剂对叠层电池进行强制冷却。也就是说，用冷却剂将发热的叠层电池的温度维持于合适的温度状态。从而，对该叠层电池有燃料气体、氧化剂气体、以及水(或乙二醇等)三种流体进出。因此形成在阴极隔离层和阳极隔离层中设置有对于这三种流体各一对(根据情况有时候设置多对集流孔(manifold)(共用贯通孔)。各流体从该集流孔引入设置于各隔离层的槽中，分支到各单电池及水冷部的结构。例如燃料气体，从燃料气体供给集流孔被导入阳极隔离层的燃料气体通道，在流过该通道的内部的过程中，消耗于MEA中的发电用的催化剂反应中。还有，发电中未使用的剩余的燃料气体经过燃料气体排出集流孔排放废弃。而且，这些单电池与冷却部交互叠层，隔着集电板和绝缘板，用端板夹着该叠层体，其后，用紧固螺杆从两端加以固定，以此构成通常的叠层电池。

另一方面，所谓固体高分子型燃料电池系统，意味着使上述叠层电池运行取得规定的电力用的整个发电装置。具体地说，在固体高分子燃料电池系统中，直接驱动叠层电池的结构要素是，利用水蒸汽改性法将LPG、LNG、汽油能够得到的燃料前驱体转化为燃料气体的改性器、将该改性得到的燃料气体提供给叠层电池用的燃料气体供给装置、将作为氧化剂气体使用的空气加湿的氧化剂气体加湿装置、将加湿的氧化剂气体提供给叠层电池的氧化剂气体供给装置、将循环冷却水提供给电池组的冷却水供给装置、以及承载电力的电气负载装置等。还有，燃料气体的加湿通常是在改性器中用水蒸汽改性法对燃料气体添加水进行。另一方面，氧化剂气体的加湿通常是利用从叠层电池排出的氧化剂气体(以下称为阴极废气)中包含的生成水，在与空气供给装置输送的氧化剂气体之间进行总热交换，以此得到所希望的加湿量。这种总热交换，通过具有水容易透过，但是，不容易使气体透过的性质的总热交换膜进行。这种总热交换膜适于使用单电池用的固体高分子电解质膜(例如全氟磺酸膜)。然后，上述各结构要素和叠层电池通过适当地连接构筑固体高分子型燃料电池系统。

在这里对固体高分子型燃料电池系统中的单电池的发电原理进行大概说明。

如上所述构成的单电池中，将燃料气体提供给阳极隔离层的燃料气体通道，另一方面，将氧化剂气体提供给阴极隔离层的氧化剂气体通道，使燃料气体曝露于上述MEA的阳极催化剂层一侧的主面，又使氧化剂气体曝露于阴极催化剂层一侧的主面。这时，所提供的燃料气体通过阳极隔离层的燃料气体通道，再通过阳极气体扩散电极，与形成于MEA上的阳极催化剂层接触，利用该阳极催化剂层上的催化反应，电离为氢离子和电子。该电离的电子通过阳极气体扩散电极被回收于阳极隔离层后，被提供给固体高分子型燃料电池系统上连接的电子设备等。另一方面，电离的氢离子通过固体高分子电解质膜的内部移动到阴极催化剂层。然后，移动到阴极催化剂层的氢离子，在该阴极催化剂层上，被使用于用通过阴极气体扩散电极到达阴极催化剂层的氧化剂气体和经过固体高分子型燃料电池系统上连接的上述电子设备等移动到阴极隔离层，再通过阴极气体扩散电极到达阴极催化剂层的电子的，生成水的催化反应。而且因上述一连串的催化反应，来自燃料气体的电子连续发生，借助于此，发现单电池作为电池所规定的功能。

而且发现固体高分子电解质膜在充分湿润的状态下有稳定的氢离子输送功能。因此，在使固体高分子型燃料电池系统工作时，必须提供使固体高分子电解质膜保持湿润状态用的水。通常，这种水是通过对向单电池提供的燃料气体和氧化剂气体进行加湿，同时提供给燃料气体和氧化剂气体。又，为了，使上述催化反应顺利进行，叠层电池至少要加热到60℃以上的温度，最好是加热到60℃～80℃的温度。因此，在固体高分子型燃料电池系统中，将叠层电池一边加热到60℃～80℃，一边使其运行发电。

但是，为了使上述单电池正常工作，有必要使如上所述的固体高分子电解质膜保持充分潮湿的状态，另一方面，有必要防止在MEA生成的水引起的阳极催化剂层和阴极催化剂层的溢流现象(阳极催化剂层及阴极催化剂层被水堵塞的现象)。其理由是一旦发生溢流现象，例如燃料气体电离为氢离子和电子的催化反应和电离产生的氢离子向固体高分子电解质膜的内部的阴极侧的移动难以进行，因此单电池的发电量显著降低。

在这里，为了防止该溢流现象的发生，提出了通过使燃料气体及氧化剂气体的吸入部与排出部之间形成压力损失(压降)，以此，使燃料气体及氧化剂气体的露点经常保持在叠层电池的工作温度以下，以此将过剩的水向单电池的外部排出的方法(例如，日本专利申请；特愿平04-502749号公报)。在这里，对该提案进行具体说明。由于气体的水吸收能力随着压力的降低而提高，因此，设定为随着燃料气体及氧化剂气体向排出部靠近这些气体的压力逐步降低，借助于此，可以将随着催化反应而在单电池内逐步产生的水有效地排出到单电池外部。也就是说，通过将燃料气体及氧化剂气体保持在具有叠层电池工作温度以下的露点的状态，以此，使单电池内生成的水有在燃料气体和氧化剂气体中蒸发的余地，因此，能够将过剩的水与剩余的燃料气体与氧化剂气体一起从单电池排出。在这种情况下，由于固体高分子电解质膜容易透水，因此，即使是形成使例如燃料气体保持具有叠层电池的工作温度以下的露点的状态，在阴极侧生成的水逆向扩散通过固体高分子电解质膜后蒸散于燃料气体中的结构，也能够使剩余的水与剩余的燃料气体一起排出单电池外部。还有，这样的燃料气体或氧化剂气体的压力下降由那些在气体吸入部设置节流孔(orifice)的手段、通道长度的延长、通道截面积改变、通道内表面的至少一部分的摩擦系数的增加、实质上将通道内的燃料气体的流量设定得比燃料气体在阳极侧电离为氢离子和电子的量大的手段具体化。

采用上述的将这种已有的燃料气体和氧化剂气体经常保持于具有小于叠层电池的工作温度的露点的状态方案，能够有效的将阴极侧生成的水排出到单电池的外部，能够可靠地防止发生阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层被水堵塞的溢流现象。也就是说，在阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层的催化反应能够顺利进行，单电池能够有合适的发电量。

但是，本发明人们由于特别重视叠层电池的发电效率，在以低电流密度进行额定运行的用途(特别是固定设置的热电联共系统)中，在上述已有的运行方法中发现了致命的缺陷。即在燃料气体和氧化剂气体这两种气体在叠层电池内的全部发电部位不具有高于该发电部位的工作温度的露点的情况下，MEA中的不具有上述露点的燃料气体和氧化剂气体曝露的部分的固体高分子电解质膜发干，因此固体高分子电解质膜随着时间的经过而变坏，有寿命不保的现象发生。在这种情况下，由催化反应产生的氢离子在固体高分子电解质膜中的移动量由于上述电解质膜变坏而随着时间的经过而降低，因此叠层电池的发电量随着时间的经过而降低。

发明内容

本发明是为了解决上述存在问题而作出的，其目的是，对于在以低电流密度额定运行的用途中使用的固体高分子型燃料电池系统，提供能够长期稳定供应电力的固体高分子型燃料电池系统及其运行方法。

于是，为了实现这些目的，本发明的固体高分子型燃料电池系统，具备供应燃料气体和氧化剂气体给规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对上述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段，上述燃料气体和氧化剂气体通过上述加湿手段加湿，以使其具有高于上述规定温度的露点，然后被提供给上述燃料电池。采用这样的结构，水蒸汽处于过饱和状态的燃料气体和氧化剂气体被提供给单电池内部，因此配设于单电池内部的固体高分子电解质膜得到充分的加湿，所以能够全面防止其发干。其结果是，能够防止固体高分子电解质膜随着时间的经过而变坏，能够长期得到稳定的电压。

在这种情况下，上述规定的发电部位，是上述燃料电池中的，上述提供的上述燃料气体和氧化剂气体最初被消耗于上述发电用的电化学反应中的部位。采用这样的结构，配设于单电池内部的固体高分子电解质膜得到实质性的充分的加湿，所以能够防止固体高分子电解质膜随着时间的经过而变坏，能够长期得到稳定的电压。

又，在上述情况下，上述露点的范围是作为在上述燃料电池中不诱发溢流现象的上限的露点与作为上述规定的温度的下限的露点决定的范围。采用这样的结构，能够更加有效地防止固体高分子电解质膜随着时间的经过而变坏。

又，在上述情况下，上述露点的范围是在50℃以上，而且是在70℃以下。采用这样的结构，也能够更加有效地防止固体高分子电解质膜随着时间的经过而变坏。

又，在上述情况下，上述加湿手段利用从上述燃料电池排出的排出物对上述燃料气体和氧化剂气体加湿，以使其具有高于上述规定温度的露点。采用这样的结构，从燃料电池中排出的排出物中含有水分，因此通过使该排出物与提供的燃料气体和氧化剂气体进行总热交换，能够使提供给叠层电池的燃料气体和氧化剂气体处于水蒸汽过饱和状态。

又，在上述情况下，上述加湿手段利用从上述燃料电池排出的排出物与水的混合物对上述燃料气体和氧化剂气体加湿，以使其具有高于上述规定温度的露点。采用这样的结构，使富含水的该排出物与提供的燃料气体和氧化剂气体进行总热交换，容易使提供给叠层电池的燃料气体和氧化剂气体处于水蒸汽过饱和状态。

在这种情况下，上述排出物是从上述燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中的至少任一种气体。采用这样的结构，由于从燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中包含水分，能够使提供给叠层电池的燃料气体和氧化剂气体处于水蒸汽过饱和状态。

又，在这种情况下，还具备从上述燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中回收水的水回收器，用上述水回收器回收的水作为上述混合物的水使用。采用这样的结构，能够提供水利用效率得到改善的固体高分子型燃料电池系统。

又，在上述情况下，上述加湿手段具备总热交换器和能够加热该总热交换器的加热装置，上述排出物或上述混合物与上述燃料气体和氧化剂气体被提供给上述总热交换器，进行相互之间的总热交换，并且由上述加热装置对上述总热交换器进行加热，并对上述燃料气体和氧化剂气体进行加湿，使其具有高于上述规定温度的露点。采用这样的结构，能够合适地对燃料气体和氧化剂气体进行加湿。

在这种情况下，上述加热装置利用上述燃料气体或上述燃料电池排出的燃料气体燃烧发生的热量加热上述总热交换器。采用这样的结构，燃料气体或从燃料电池排出的燃料气体燃烧得到的是高温，因此总热交换器的加热能够高效率进行。又，提供给叠层电池的燃料气体并非全部使用于发电，其一部分被排出，但是由于该排出的燃料气体得到再利用，因此能够有效地使用燃料气体。

在这种情况下，上述加热装置利用上述燃料气体或上述燃料电池排出的燃料气体与上述氧化剂气体或上述燃料电池排出的氧化剂气体在催化剂作用下燃烧发生的热量加热上述总热交换器。采用这样的结构，能够利用在催化剂作用下燃烧高效率加热总热交换器。也就是说，能够高效率地得到水蒸汽过饱和状态下的燃料气体和氧化剂气体。

又，在这种情况下，上述燃料电池利用热介质的流通在规定的温度下工作，进行发电，上述加热装置利用上述燃料电池排出的上述热介质的热量加热上述总热交换器。采用这样的结构，能够提供热利用效率得到改善的固体高分子型燃料电池系统。

又，在这种情况下，还具备从上述燃料气体的前驱体生成上述燃料气体的改性器，上述加热装置利用上述前驱体燃烧发生的热对上述总热交换器进行加热。采用这样的结构，燃料气体的前驱体的一部分事前被使用于对总热交换器进行加热，因此能够减少燃料气体的排出量。

又，在这种情况下，还具备从上述燃料气体的前驱体生成上述燃料气体的改性器，上述加热装置利用上述改性器排出的废热对上述总热交换器进行加热。采用这样的结构，从改性器排出的废气是高温的，因此能够有效地对总热交换器进行加热。又，用于废热能够再度利用，热利用效率得到提高，因此能够实现发电效率良好的固体高分子型燃料电池系统。

又，在上述情况下，上述加热装置是直接对上述总热交换器进行加热的直接加热型加热装置。采用这样的结构，总热交换器的加热效率得到改善。其结果是，对总热交换器加热所需要的热量能够限制于最低限度。

又，在上述情况下，上述加热装置是间接对上述总热交换器进行加热的间接加热型加热装置。采用这样的结构，对总热交换器加热时，总热交换器的温度缓慢变化。其结果是，对总热交换器加热的温度能够精密控制。

又，在上述情况下，上述燃料电池与上述加湿手段形成一体，并且一起绝热。采用这样的结构，能够将对总热交换器加热时该总热交换器的热损失抑制于最低限度。其结果是，容易高效率地生成水蒸汽处于过饱和状态下的燃料气体和氧化剂气体。

又，本发明的固体高分子型燃料电池系统的运行方法，是使用供应燃料气体和氧化剂气体给规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对上述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段的固体高分子型燃料电池系统的运行方法，上述燃料气体和氧化剂气体通过上述加湿手段加湿，以使其具有高于上述规定温度的露点，将上述加湿的具有高于上述规定温度的露点的上述燃料气体和氧化剂气体提供给上述燃料电池。采用这样的结构，将水蒸汽处于过饱和状态下的燃料气体和氧化剂气体提供给单电池内部，因此配设于单电池内部的固体高分子电解质膜能够得到充分加湿，能够全面防止其发干。其结果是，能够防止固体高分子电解质膜随着时间的经过而损坏，能够长期得到稳定的电压。

本发明的上述目的、其他目的、特征以及优点从参照附图进行的下述详细说明中能够更加清楚了解到。

附图说明

图1是本发明第1实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图2是本发明第2实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图3是本发明第3实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图4是本发明第4实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图5是本发明第5实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图6是本发明第6实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图7是本发明第7实施形态的固体高分子型燃料电池系统结构的示意方框图。

图8是使叠层电池在电流密度0.7A/cm²的条件下工作时的电池寿命特性曲线图。

图9是使叠层电池在电流密度0.2/cm²的条件下工作时的电池寿命特性曲线图。

图10是调查叠层电池寿命下降原因的试验方法的说明用的示意图。

图11是电流密度为0.7A/cm²(Tda＝Tdc＝68℃、流动模式(flow patern)1)的条件下使叠层电池运行时的寿命低下的原因的调查试验结果曲线图。

图12是电流密度为0.7A/cm²(Tda＝Tdc＝60℃、流动模式1)的条件下使叠层电池运行时的寿命低下的原因的调查试验结果曲线图。

图13是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝72℃、流动模式1)的条件下使叠层电池运行时的寿命低下的原因的调查试验结果曲线图。

图14是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝70℃、流动模式1)的条件下使叠层电池运行时的寿命低下的原因的调查试验结果曲线图。

图15是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝68℃、流动模式1)的条件下使叠层电池运行时的寿命低下的原因的调查试验结果曲线图。

图16是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝70℃、流动模式2)的条件下使叠层电池运行时的寿命低下的原因的调查试验结果曲线图。

图17是温水加湿试验的试验结果曲线图。

图18总热交换试验的试验结果曲线图。

图19总热交换试验的试验结果曲线图。

图20总热交换试验的试验结果曲线图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施形态。

第1实施形态

在本发明第1实施形态中，就具备改性器的固体高分子型燃料电池系统，对从改性器排出的废热的一部分加以利用，生成过加湿状态的燃料气体及氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

首先参照图1对本发明第1实施形态的固体型燃料电池系统的结构进行说明。

如图1所示，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统100具备：向配管1a及配管1b提供燃料气体和氧化剂气体进行发电的固体高分子型燃料电池叠层体1(以下称为叠层电池1)、将城市煤气或液化丙烷气体等燃料气体前驱体改性生成用于发电的燃料气体的改性部2a和变性部2b以及一氧化碳去除部2c构成的改性器2、将改性器2加热到改性反应所需要的温度并且保持该温度的改性器用燃烧器3、将发电用的氧化剂气体输送到叠层电池1的空气供给装置4、利用提供给叠层电池1的燃料气体和氧化剂气体与从叠层电池1排出的阳极废气和阴极废气的总热交换进行加湿和加热的总热交换器5、将总热交换器5加热到叠层电池1的规定的发电部位的工作温度以上的温度的加热装置6、用一氧化碳去除部2c排出的废热对加热装置6进行加热的热交换器7、回收从叠层电池1经过总热交换器5排出的燃料气体(即阳极废气)中包含的水的燃料侧水回收器8、将利用燃料侧水回收器8回收的水加以贮存的燃料侧蓄水箱9、回收从叠层电池1经过总热交换器5排出的氧化剂气体(即阴极废气)中包含的水的氧化剂侧水回收器10、以及贮存利用氧化剂侧水回收器10回收的水的氧化剂侧蓄水箱11。

又，该固体高分子型燃料电池系统100具备使发电动作中发热的叠层电池1维持于规定的温度用的冷却水的蓄水箱12、使贮存于蓄水箱12的冷却水的热向外部释放，使冷却水冷却的冷却水用放热器13。

还有，该固体高分子型燃料电池系统100具备将在一氧化碳去除部2c的外侧面上螺旋状卷绕的配管2d的内部充填的热介质向热交换器7的内部配设的配管7a内输送的泵14、将贮存在热交换器7内部的热介质向配设于加热装置6内部的配管6a内输送的泵15、将贮存于氧化剂侧蓄水箱11的水向连接改性部2a、叠层电池1、总热交换器5的流通阴极废气的配管输送的泵16、将用燃料侧水回收器8除湿的阳极废气输送到改性器用燃烧器3的泵17、以及将蓄水箱12中贮存的水向配设于叠层电池1内部的配管1c内输送的泵18。

在这里对总热交换器5的结构进行说明。

如图1所示，总热交换器5具有对氧化剂气体进行加湿和加热的阴极侧加湿回路5a、以及对燃料气体进行加湿和加热的阳极侧加湿回路5b。

在阴极侧加湿回路5a中，形成将氧化剂气体引入的氧化剂气体导入区域a和将阴极废气引入的阴极废气导入区域b。而且，氧化剂气体导入区域a和阴极废气导入区域b利用阴极侧总热交换膜A隔离。该阴极侧总热交换膜A，在这里采用和叠层电池1使用的固体高分子电解质膜相同的固体高分子电解质膜。也就是说，阴极侧加湿回路5a形成能够利用被引入氧化剂气体导入区域a的氧化剂气体和被引入阴极废气导入区域b的阴极废气之间的通过阴极侧总热交换膜A的总热交换，将被引入氧化剂气体导入区域a的氧化剂气体调整到规定的温度和湿度的结构。

另一方面，在阳极侧加湿回路5b，形成引入燃料气体的燃料气体导入区域c和引入阳极废气的阳极废气导入区域d。而且，燃料气体导入区域c和阳极废气导入区域d利用阳极侧总热交换膜B隔离。该阳极侧总热交换膜在这里也采用与叠层电池1使用的固体高分子电解质膜相同的固体高分子电解质膜。也就是说，阳极侧加湿回路5b形成能够利用燃料气体导入区域c中导入的燃料气体和阳极废气导入区域d中导入的阳极废气之间的通过阳极侧总热交换膜B的总热交换，将引入燃料气体导入区域c的燃料气体调整到规定温度和湿度的结构。

还有，在总热交换器5设置有加热装置6，形成能够利用该加热装置6的动作，总热交换器5整体被加热到比叠层电池1中规定的发电部位的工作温度更高的温度的结构。

又，如上所述，将叠层电池1与总热交换器5加以连接的流通阴极废气的配管的规定位置上，连接从氧化剂侧蓄水箱11通过泵16延伸出的配管。也就是说，在固体高分子型燃料电池系统100中，形成能够将氧化剂侧蓄水箱11中贮存的水输送到流通阴极废气的配管内的结构。

下面参照附图对本发明第1实施形态的固体高分子型燃料电池系统的动作进行说明。

图1所示的结构的固体高分子型燃料电池系统100中，将LPG、LNG、汽油或城市煤气等燃料气体的前驱体提供给改性器2的改性部2a。于是，被提供给改性部2a的燃料气体的前驱体，在该改性部2a进行规定的改性之后被提供给变性部2b。然后，在变性部2b进行规定的变性生成的燃料气体被提供给一氧化碳去除部2c。一氧化碳被从提供给一氧化碳去除部的燃料气体中去除，其后从改性器2排出。这时，改性器2利用改性器用燃烧器3加热到将所述燃料气体的前驱体改性为燃料气体所需要的温度并进行保温。也就是说，在改性器2中，所述燃料气体的前驱体在规定的温度条件下改性，以此生成发电用的燃料气体。

改性器2生成的燃料气体被引入总热交换器5上配设的阳极侧加湿回路5b的燃料气体导入区域c。被引入燃料气体导入区域c的燃料气体，利用与被引入阳极废气导入区域d的，叠层电池1排出的阳极废气之间的总热交换，调整为具有高于叠层电池1的规定的发电部位的工作温度的露点的气体。燃料气体能够这样调整，是因为阳极废气含有在改性器2的改性部2a得到的水与叠层电池1发电生成的水的总热交换中需要的充分的水分，而且总热交换器5利用加热装置6加热到叠层电池1的规定的发电部位的工作温度以上的温度。在这里，叠层电池1的规定发电部位是指燃料气体和氧化剂气体被提供给叠层电池1的供给部位。更具体地说，该叠层电池1的规定的发电部位，在概念上表示图1所示的燃料气体和氧化剂气体的供给部位1d和1e，意味着所供给的燃料气体和氧化剂气体最初能够消耗于通过固体高分子电解质膜进行的电化反应的部位。在以下的说明中，还将该部位(区域)简单表达为“规定的发电部位”。又，叠层电池1的规定发电部位的工作温度是指上述规定的发电部位的发电中的单电池温度，该单电池温度近似于上述规定的发电部位的冷却水的温度，因此，实际上是上述规定的发电部位的，对叠层电池1进行冷却的冷却水的温度。该冷却水的温度利用热敏电阻等温度检测手段容易测定。该规定的发电部位的冷却水的温度，在下面的说明中也简单地表达为“工作温度”。

在这里，对总热交换器5的加热方法进行说明如下，在改性器2中有改性部2a(反应温度＝600～800℃)、变性部2b(反应温度＝250～300℃)、一氧化碳去除部2c(反应温度＝150～200℃)这三部分，在这里，利用从一氧化碳去除部2c排出的废热对加热装置6进行加热，借助于此，加热装置6对总热交换器5进行加热。更具体地说，在利用一氧化碳去除部2c排出的废热对利用焊接方法固定在一氧化碳去除部2c外侧表面上的配管2d内部充填的初级热介质(根据温度要求适于使用硅油等油冷用介质)进行加热之后，利用泵14的动作以规定的流量将上述初级热介质送出到热交换器7的配管7a内部。借助于此，将热交换器7的内部的次级热介质(由于处理容易，适于使用水)加热到一定温度(例如，叠层电池1中的规定的发电部位的工作温度为70℃的情况下为78℃)。然后，使该达到一定温度的刺激热介质流过设在加热装置6上的配管6a的内部，借助于此，加热装置6间接对总热交换器5进行加热，这样，总热交换器5、即阴极侧加湿回路5a和阳极侧加湿回路5b被保持于所希望的温度下。还有，加热装置6的温度控制是这样进行的，即通过泵14控制所述初级热介质的循环量以将上述刺激热介质的温度控制在一定温度下。

一旦燃料气体在燃料气体导入区域c如上所述被加湿和加热调整到具有高于叠层电池组1的规定的发电部位的工作温度的露点，该被调整的燃料气体就从燃料气体导入区域c被送入叠层电池组1。然后，被送入叠层电池组1的燃料气体在通过叠层电池1内部设置的燃料气体用通道1b之后，被送入总热交换器5的阳极侧加湿回路5b的阳极废气导入区域d。在这里，如上所述，被送入该阳极废气导入区域d的阳极废气中含有足够多的总热交换需要的水，因此阳极废气适于在燃料气体的加湿过程中使用。其后，在总热交换器5的总热交换中使用的阳极废气被送入燃料侧水回收器8。被送入燃料侧水回收器8，从叠层电池1经过总热交换器5排出的阳极废气通过燃料侧水回收器8除湿。利用燃料侧水回收器8从阳极废气得到的水，被贮存于燃料侧蓄水箱9。在该燃料侧蓄水箱9中贮存的水被送出到下述氧化剂侧蓄水箱11。又，除湿后的干燥状态的阳极废气在这里利用泵17提供给改性器用燃烧器3，使用于该改性器用燃烧器3进行燃烧。

另一方面，为了得到叠层电池1发电运行所需要的氧化剂气体，氧化剂气体被提供给总热交换器5。也就是说，上述氧化剂气体由空气供给装置4送入总热交换器5中的阴极侧加湿回路5a的氧化剂气体导入区域a。于是，被引入氧化剂气体导入区域a的氧化剂气体，通过与被导入阴极废气导入区域b的，从叠层电池1排出的阴极废气之间的总热交换，与燃料气体的情况同样地，调整为具有高于叠层电池1的规定的发电部位的工作温度的露点的状态。这时，如图1所示，在连接叠层电池1与总热交换器5的，阴极废气流通的配管的规定位置上，连接从下述氧化剂侧蓄水箱11通过泵16延伸出的配管，通过该延伸的配管，对叠层电池1排出的阴极废气添加氧化剂侧蓄水箱11送出的水。这样对叠层电池1排出的阴极废气加水，是因为从该叠层电池1排出的阴极废气中没有包含总热交换器5的总热交换中所需要的足够的水。还有，向叠层电池1排出的阴极废气添加水的添加形态，可以采用对阴极废气喷水的形态，也可以采用将液态状态的水原封不动地引入阴极废气流过的配管内的形态。借助于此，可以生成适合发电需要的氧化剂气体，然后将该调整过的氧化剂气体从氧化剂气体导入区域a送入叠层电池1。送入该叠层电池1的氧化剂气体通过设置于叠层电池1内部的氧化剂气体用通道1a。通过氧化剂气体用通道1a，从叠层电池1排出的发电中不能使用的阴极废气，在如上所述添加水之后，被送往设置于总热交换器5的阴极侧加湿回路5a的阴极废气导入区域b。该被送入的阴极废气被使用于总热交换器5的与燃料气体的总热交换。其后，从总热交换器5排出的总热交换中没有使用的阴极废气被送往氧化剂侧水回收器10。然后，该被送往氧化剂侧水回收器10的阴极废气利用氧化剂侧水回收器10除湿。这时，利用氧化剂侧水回收器10得到的水被贮存于氧化剂侧蓄水箱11。该氧化剂侧蓄水箱11中贮存的水，被使用于改性器2的改性部2a的改性反应和对叠层电池1排出的阴极废气加水。而用氧化剂侧水回收器10除湿的阴极废气被排出到大气中。

又在叠层电池1进行发电的期间，叠层电池1发热。因此，为了将叠层电池1维持于一定的温度，使泵18工作，以使蓄水箱12中贮存的冷却水通过设置于叠层电池1内部的冷却水用通道1c循环。也就是说，上述冷却水利用泵18的动作从蓄水箱12通过设置于叠层电池1内部的冷却水用通道1c，然后再度流回蓄水箱12。还利用冷却用放热器13使因叠层电池1发热而温度上升的，返回蓄水箱12的冷却水冷却到规定的温度。

由于固体高分子型燃料电池系统100如上所述动作，在叠层电池1中特别是在图1中未图示的功率输出端子上发生规定的电力。于是，使用者通过将与设置于固体高分子型燃料电池系统100的与叠层电池1的所述输出端子电气连接的外部连接端子，与电子设备等的电源端子电气连接，能够使该电子设备正常工作。

如上所述构成的固体高分子型燃料电池系统100中，例如在叠层电池1的规定的发电部位的工作温度为70℃的情况下，将一氧化碳去除部2c来的废热作为热源使用，将总热交换器5的温度维持于78℃，以此将提供给叠层电池1的燃料气体和氧化剂气体的露点调整为72℃。其结果是在该规定的发电部位的工作温度维持于70℃的叠层电池1的内部发生结露，以此能够全面防止MEA中的固体高分子电解质膜发干。也就是说，能够防止固体高分子电解质膜随着时间的经过而损坏，寿命不保的现象发生。其结果是，对于在低密度额定电流下额定运行的用途上使用的固体高分子型燃料电池系统，能够提供其固体高分子电解质膜能够经常含有所需要的足够的水分并且加以保持，能长期稳定提供电力供应的固体高分子型燃料电池系统。

第2实施形态

本发明的第2实施形态中，对具备改性器的固体高分子型燃料电池系统，就利用阳极废气或燃料气体前驱体等可燃性气体的一部分燃烧得到的热生成加湿状态的燃料气体和氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

如图2所示，本发明第2实施形态的固体高分子型燃料电池系统200具有对热交换器7进行加热用的热交换器用燃烧器19。而且，总热交换器5的加热是将LPG、LNG、汽油、或城市煤气等燃料气体的前驱体、或燃料侧水回收器8排出的阳极废气等可燃性气体的一部分提供给热交换器用燃烧器19，使所提供的燃料气体前驱体或阳极废气燃烧，对热交换器7的内部的热介质进行加热，将该加热的热介质提供给设置于总热交换器5的加热装置进行的。也就是说，如图2所示，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统200中，得到所述燃料气体前驱体供应的，图2中未表示出的供给口与改性器2的改性部2a相连接的配管的图中所连接的配管，与从燃料侧水回收器8通过泵17延伸的配管上连接的配管，连接于三通阀21上，该三通阀21与热交换器用燃烧器19利用配管连接。而且形成通过对三通阀21进行适当操作就能够通过配管将燃料气体前驱体或阳极废气提供给热交换器用燃烧器19的结构。还有，随着热交换器用燃烧器19的设置，图1所示的固体高分子型燃料电池系统100中的配管2d、泵14以及配管7a被删除。其他要点与第1实施形态的情况相同。这样构成的本实施形态的固体高分子型燃料电池系统200中，燃料气体前驱体的大部分消耗于改性器2中，而其余部分在热交换器用燃烧器19中消耗于热介质的加热。又，在向热交换器用燃烧器19提供阳极废气的情况下，阳极废气在改性器用燃烧器3与热交换器用燃烧器19中分别消耗。从而，利用热交换器用燃烧器19得到的是高温，因此总热交换器5的加热能够高效率进行。又，提供给叠层电池组1的燃料气体并不是其全部都使用于发电，而是其一部分作为阳极废气排出，但是该排出的阳极废气的一部分也在总热交换器5的加热中使用，因此，能够改善燃料气体的利用效率。还有，从叠层电池1排出的阳极废气的排出量是向叠层电池提供的燃料气体的20％～30％(例如燃料利用率如果是80％，则阳极废气的排出量为20％)，通常将其在改性器2中燃烧、重新利用而不废弃。在这里，从叠层电池1排出的阳极废气由于含有大量的水，难以得到高燃烧温度，作为燃烧用气体其质量低。但是，在本实施形态中，利用燃料侧水回收器8将阳极废气除湿，因此，作为燃料用气体其质量得到提高。也就是说，在热交换器用燃烧器19中能够得到高燃烧温度。还有，即使是不使用燃料侧水回收器8的情况下，热介质加热中使用的部分也不产生任何问题。

还有，在本实施形态，使用阳极废气的情况下，将燃料侧水回收器8排出的阳极废气的一部分使用于热交换器7的加热，因此有时候维持改性器2的温度所需要的阳极废气不足。在这种情况下，阳极废气不足的部分利用提供给改性器用燃烧器3以燃料气体前驱体的方法补足。以此提高改性器2的改性效率。

又，与第1实施形态中所示形态相比，由于改性器2与热介质的加热各自热收支相互独立，因此能够各自独立控制。例如，改性器2在启动时或停下时即使处于热不平衡状态的情况下也能够独立、并行地进行对提供给叠层电池1的燃料气体和氧化剂气体的加湿，总体上容易控制。

又，在改性器2生成的燃料气体也可以使用于热交换器7中的热介质的加热，但是由于燃料气体是比改性前的燃料气体前驱体质量更高的能源，所以，如果是只以在热交换器用燃烧器19中燃烧为目的，则消耗燃料气体前驱体或阳极废气对于总体发电效率会更加有利。还有，例如在车用的情况下以高压氢为燃料时，由于不使用改性器2，必然将燃料气体的一部分用于进行热介质的加热。这种实施形态，将作为第5实施形态叙述。但是，在这种情况下，为了对热介质进行加热，装载高压氢气以外的燃料(汽油等)使其燃烧的实施形态是更加有利的。

第3实施形态

本发明的第3实施形态中，对具备改性器的固体高分子型燃料电池系统，就利用燃料侧水回收器及氧化剂侧水回收器除湿的阳极废气和阴极废气催化燃烧得到的热生成过加湿状态的燃料气体和氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

如图3所示，本发明第3实施形态的固体高分子型燃料电池系统300为对总热交换器5进行直接加热用，具有装设在总热交换器5上的催化燃烧加热装置20。该催化燃烧加热装置20具有引入阳极废气和阴极废气用的催化燃烧区域20a和阳极废气和阴极废气进行催化燃烧的催化燃烧板20b。在这里，催化燃烧区域20a是引入阳极废气和阴极废气用的空间。又，催化燃烧板20b是引入催化燃烧区域20a的阳极废气和阴极废气的催化燃烧进行的反应部位。还有，催化燃烧板20b必须具有进行催化燃烧所需要的足够大的表面积。因此，如图3所示，催化燃烧板20b的表面在这里形成为凹凸状。又，构成该催化燃烧板20b的材料，适于采用成形堇青石等通常作为催化燃烧用基材使用的材料。而且，在成形堇青石等催化燃烧用基材的表面上，形成主要由铂族金属构成的催化剂层后烧结，以此形成催化燃烧板20b。

本实施形态的固体高分子型燃料电池系统300，为了驱动催化燃烧加热装置20，形成这样的结构，即从连接燃料侧水回收器8和改性器用燃烧器3的配管的中途连接通向催化燃烧区域20a的配管，同时设置从氧化剂侧水回收器10通向催化燃烧区域20a的配管，利用这些配管从叠层电池1排出的阳极废气和阴极废气被提供给催化燃烧加热装置20。还有，随着催化燃烧加热装置20的设置，省去了图1所示的固体高分子型燃料电池系统100中的配管2d、泵14和15、配管7a和热交换器7、配管6a和加热装置6。其他要点与第1实施形态的情况相同。

这样构成的本实施形态的固体高分子型燃料电池系统300中，从叠层电池1排出，而且用燃料侧水回收器8除湿的阳极废气的一部分和从叠层电池1排出而且用氧化剂侧水回收器10除湿的阴极废气被引入催化燃烧加热装置20的催化燃烧区域20a，在其内部催化燃烧，直接加热阳极侧加湿回路5b和阴极侧加湿回路5a。还有，催化燃烧加热装置20的燃烧温度的控制，通过控制引入催化燃烧区域20a的阳极废气或阴极废气的导入量使总热交换器5的温度为一定值进行。又，总热交换器5的工作温度必须相对于叠层电池1的规定发电部位的工作温度高5℃～10℃，阳极废气和阴极废气的催化剂燃烧在这个温度区域能够实现。而且，该阳极废气与阴极废气的催化剂燃烧在装设于总热交换器5上的催化燃烧板20b上进行，因此，能够以极高的效率对总热交换器5进行加热。又，使用于催化燃烧的阳极废气和阴极废气的量很少，无损于固体高分子型燃料电池系统300的总发电效率。又，催化燃烧加热装置20容易实现小型化，因此通过与叠层电池1形成一体可以实现固体高分子型燃料电池系统300的小型化。而且，在催化燃烧加热装置20中未使用的剩余的阳极废气和阴极废气的混合气体被排出催化燃烧加热装置20之外。

还有，在本实施形态中，对向催化燃烧加热装置20提供阳极废气和阴极废气的形态进行了说明，但是，也可以采用改性器2排出的燃料气体取代阳极废气，采用空气供给装置4提供的氧化剂气体取代阴极废气，提供给各催化燃烧加热装置20的形态。又可以采用阳极废气与氧化剂气体的组合或燃料气体与阴极废气的组合。采用这样的结构也能够得到与本实施形态的情况同样的效果。

第4实施形态

本发明的第4实施形态中，对具备改性器的固体高分子型燃料电池系统，就利用对发电中的叠层电池进行冷却因而温度上升的冷却水的热生成过加湿状态的燃料气体和氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

如图4所示，本发明第4实施形态的固体高分子型燃料电池系统400，为了用对发电中的叠层电池1进行冷却而温度上升的冷却水的热量对总热交换器5进行加热，形成这样的结构，即利用规定的配管将配设于叠层电池1内的冷却水用通道1c的冷却水出口侧的端部与加热装置6的配管6a的一端加以连接，同时，利用规定的配管将所述配管6a的另一端与蓄水箱12连接，利用这些规定的配管将从叠层电池1排出的温度升高的冷却水提供给加热装置6。还有，从叠层电池1排出的温度升高的冷却水的热被利用来对总热交换器5进行加热，因此，省去图1所示的固体高分子型燃料电池系统100中的配管2d、泵14和15、热交换器7及配管7a。其他要点与第1实施形态的情况相同。

这样构成的本实施形态的固体高分子型燃料电池系统400中，将叠层电池1排出的温度升高的冷却水引入对加热装置6进行加热，利用该加热过的加热装置6间接对总热交换器5的阳极侧加湿回路5b及阴极侧加湿回路5a进行加热。还有，加热装置6的温度控制通过控制向蓄水箱12回流的冷却水量进行，以此使总热交换器5的温度为一定温度。又，总热交换器5的工作温度有必要比叠层电池1的规定的发电部位的工作温度高5℃～10℃，从叠层电池1排出的冷却水的温度由于叠层电池1的发电同时产生的热而上升到所需要的足够的温度，因此能够对总热交换器5充分进行加热。而且，采用本实施形态，由于对叠层电池1进行冷却而温度上升的冷却水的热量被使用于总热交换器5的加热，因此，对冷却用放热器13的负荷下降，能够实现能量利用效率高的固体高分子型燃料电池系统。又，不再需要配管2d和热交换器7、热交换器用的燃烧器19、催化燃烧加热装置20等构件，装置结构能够得到简化，因此能够实现廉价的固体高分子型燃料电池系统。

第5实施形态

本发明的第5实施形态中，对不具备改性器而具备氢气瓶等氢供给手段的固体高分子型燃料电池系统，就利用阳极废气或燃料气体(氢气)等可燃性气体的一部分燃烧得到的热生成过加湿状态的燃料气体和氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

如图5所示，本发明第5实施形态的固体高分子型燃料电池系统500的结构，与第2实施形态所示的固体高分子型燃料电池系统200的构成基本相同。也就是说，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统500中，可燃性气体被提供给热交换器用燃烧器19，利用该热交换用燃烧器19中的可燃性气体的燃烧对热交换器7进行加热，通过该热交换器7的加热，加热装置6得到加热，以此将总热交换器5加热到规定的温度。但是，在本实施形态的固体高分子型燃料电池系统500中，不设置在第1～第4实施形态有设置的改性器2。而且，设置能够提供氢气的氢气瓶22代替改性器2。也就是说，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统500中，使用氢气瓶22提供的氢气，进行叠层电池1的发电运行。又，总热交换器5的加热，是将氢气瓶22提供的氢气、或燃料侧水回收器8排出的阳极废气等可燃性气体的一部分提供给热交换器用燃烧器19，使该提供的氢气或阳极废气燃烧，对热交换器7的内部的热介质进行加热，将该加热过的热介质提供给装设在总热交换器5上的加热装置进行加热的。也就是说，如图5所示，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统500中，将连接在氢气瓶22的没有特别图示的氢气供给口上的配管和从燃料侧水回收器8通过泵17延伸出的配管连接在三通阀21上，该三通阀21与热交换器用燃烧器19通过规定的配管连接。而且形成通过对三通阀21进行适当的操作能够利用规定的配管将氢气或阳极废气提供给热交换器用燃烧器19的结构。

又，在本实施形态中，对叠层电池1的燃料气体供应利用氢气瓶22进行。在这种情况下，由氢气瓶22向叠层电池1提供的氢气通常采用干燥状态的氢气。而且，在将该干燥状态的氢气作为燃料气体提供叠层电池1使用的情况下，从叠层电池1排出的阳极废气虽然含有随着叠层电池1的发电而生成的水的一部分，但是不含有总热交换器5的阳极侧加湿回路5b中的总热交换中所需要的量的水。因此，在本实施形态中，形成将氧化剂侧蓄水箱中贮存的水添加于将叠层电池1与总热交换器5加以连接的、阴极废气流过的配管和将叠层电池1与总热交换器5加以连接的阳极废气流过的配管双方的结构。因此，在本实施形态的固体高分子型燃料电池系统500中，从氧化剂侧蓄水箱11通过泵16延伸出的配管，与将叠层电池1与总热交换器5加以连接的、阴极废气流过的配管和将叠层电池1与总热交换器5加以连接的阳极废气流过的配管双方连接。以此对叠层电池1排出的阳极废气添加总热交换器5的总热交换中所需要的足够量的水。而且随着氢气瓶22的设置，图2所示的固体高分子型燃料电池系统200中的改性器2、对改性器2的改性部2a提供氧化剂侧蓄水箱11中贮存的水用的配管、以及将用燃料侧水回收器8进行除湿的阳极废气提供给改性器用燃烧器3用的配管就不再配置。其他要点与第2实施形态的情况相同。

这样构成的本实施形态的固体高分子型燃料电池系统500中，在向热交换器用燃烧器19提供氢气的情况下，氢气的大部分消耗于叠层电池7进行的发电，但是其一部分消耗于在热交换器用燃烧器19中对热介质的加热。又，在对热交换器用燃烧器19提供阳极废气的情况下，阳极废气的全部消耗于热交换器用燃烧器19。从而，热交换器用燃烧器19中的氢气或阳极废气燃烧得到的热高温，因此总热交换器5的加热能够高效率进行。又，与第2实施形态相同，提供给叠层电池1的氢气并不是全部被使用于发电，而是其一部分作为阳极废气排出，但是该排出的阳极废气被使用于对总热交换器5的加热，因此能够提高氢气的利用率。还有，从叠层电池1排出的阳极废气含有大量的水，因此作为燃料用气体其质量低，但是在本实施形态中也利用燃料侧水回收器8进行阳极废气的除湿，因此在热交换器用燃烧器19中能够得到高燃烧温度。而且在本实施形态中使用氢气瓶22作为燃料气体的供应源，因此能够提供可移动的固体高分子型燃料电池系统500。这样的可移动的固体高分子型燃料电池系统500，适于作为车用燃料电池系统。

第6实施形态

本发明的第6实施形态中，对不具备改性器而具备氢气瓶等氢供给手段的固体高分子型燃料电池系统，就利用由燃料侧水回收器和氧化剂侧水回收器除湿过的阳极废气和阴极废气在催化燃烧中得到的热生成过加湿状态的燃料气体和氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

如图6所示，本发明第6实施形态的固体高分子型燃料电池系统600的结构，与第3实施形态所示的固体高分子型燃料电池系统300的构成基本相同。也就是说，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统600中，用氧化剂侧水回收器10除湿的阴极废气和用燃料侧水回收器8除湿的阳极废气被提供给催化燃烧加热装置20，通过在该催化燃烧加热装置20阳极废气和阴极废气的催化燃烧对催化燃烧加热装置20进行加热，利用该催化燃烧加热装置20的加热使总热交换器5升高到规定的温度。又，与第5实施形态的情况相同，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统600中也不设置改性器2，而设置能够提供氢的氢气瓶22代替改性器2。也就是说，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统600中也使用氢气瓶22提供的氢，进行叠层电池1的发电运行。又，与第5实施形态的情况相同，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统600中也对叠层电池1排出的阳极废气和阴极废气，添加氧化剂侧蓄水箱11贮存的水。为此，从氧化剂侧蓄水箱11通过泵16延伸出的配管连接于将叠层电池1和总热交换器5加以连接的阴极废气通过的配管和将叠层电池1与总热交换器5加以连接的阳极废气通过的配管这两根配管上。还有，随着氢气瓶22的设置，图3所示的固体高分子型燃料电池系统300中的改性器2、对改性器2的改性部2a提供氧化剂侧蓄水箱11中贮存的水用的配管、以及将用燃料侧水回收器8除湿的阳极废气提供给改性器用燃烧器3用的配管被省掉。其他要点与第3实施形态和第5实施形态的情况相同。如上所述构成的本实施形态的固体高分子型燃料电池系统600，与第3实施形态的情况相同，将从叠层电池1排出的，而且用燃料侧水回收器8除湿的阳极废气和叠层电池1排出的而且用氧化剂侧水回收器10除湿的阴极废气引入催化燃烧加热装置20的催化燃烧区域20a，在该内部使催化燃烧进行，直接对阳极侧加湿回路5b和阴极侧加湿侧回路5a进行加热。又，催化燃烧加热装置20的燃烧温度的控制，通过控制向催化燃烧区域20a导入阳极废气或阴极废气的导入量进行。而且，由于在装设于总热交换器5上的催化燃烧板20b上进行该阳极废气和阴极废气的催化燃烧，能够以及其良好的效率对总热交换器5进行加热。这时，使用于催化燃烧的阳极废气和阴极废气的量非常少，因此无损于固体高分子型燃料电池系统系统600的总发电效率。也就是说，采用这样的结构能够得到与实施形态3和实施形态5的情况同样的效果。

在本实施形态中，也与第3实施形态的情况一样，对将阳极废气和阴极废气提供给催化燃烧加热装置20的形态进行说明，但是，也可以采用向各催化燃烧加热装置20提供氢气瓶22贮存的氢气代替阳极废气，提供空气供给装置4供应的氧化剂气体代替阴极废气的形态。又，也可以采用阳极废气与氧化剂气体的组合，或氢气与阴极废气的组合。采用这样的结构，也能够得到与本实施形态的情况形态的效果。

第7实施形态

本发明的第7实施形态中，对不具备改性器，而具备氢气瓶等氢供应手段的固体高分子型燃料电池系统，就利用对发电中的叠层电池进行冷却因而温度上升的冷却水的热，生成过加湿状态的燃料气体和氧化剂气体，将其提供给燃料电池的实施形态进行说明。

如图7所示，本发明第7实施形态的固体高分子型燃料电池系统700的结构基本上与第4实施形态所示的固体高分子型燃料电池系统400的结构相同。也就是说，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统700中，由于对发电中的叠层电池1进行冷却而温度上升的冷却水被导入加热装置6的配管6a，该被导入的温度上升的冷却水的热对加热装置6进行加热，该加热过的加热装置6将总热交换器5加热到规定的温度。又，与第5实施形态和第6实施形态的情况相同，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统700中也不设置改性器2，而配设能够供应氢的氢气瓶22。也就是说，在本实施形态的固体高分子型燃料电池系统700中，也使用氢气瓶22提供的氢进行叠层电池的发电运行。又，与第5实施形态和第6实施形态的情况相同，本实施形态的固体高分子型燃料电池系统700中，也对叠层电池1排出的阳极废气和阴极废气添加氧化剂侧蓄水箱11中贮存的水。还有，对叠层电池1排出的阳极废气和阴极废气添加水的结构与第5实施形态和第6实施形态的情况相同。又，随着氢气瓶22的设置，图4所示的固体高分子型燃料电池系统400中的改性器2、对改性器2的改质部2a提供氧化剂侧蓄水箱11中贮存的水用的配管、将用燃料侧水回收器8除湿过的阳极废气提供给改性器用燃烧器3用的配管以及泵17被省去。其他要点与第4实施形态、第5实施形态、第6实施形态的情况相同。这样构成的本实施形态的固体高分子型燃料电池系统700中，与第4实施形态的情况一样，将叠层电池1排出的温度升高的冷却水引入对加热装置6进行加热，利用该加热过的加热装置6间接加热总热交换器5的阳极侧加湿回路5b及阴极侧加湿回路5a。又，加热装置6的温度控制通过冷却水返回控制蓄水箱12的回流量以使总热交换器5的温度为一定的方法进行。还有，与第4实施形态的情况一样，本实施形态也是将冷却叠层电池1而升高温度的冷却水的热量用于总热交换器5的加热，因此，对于冷却用放热器13的负荷降低，能够实现能量利用效率良好的固体高分子型燃料电池系统。也就是说，采用这样的结构，也能够得到与第4实施形态、第5实施形态、以及第6实施形态的情况相同的效果。

第8实施形态

在本发明的第8实施形态中，将第1～第7实施形态中所示的固体高分子型燃料电池系统100～700，表示为将叠层电池1与总热交换器5一体化，利用绝热材料将该整个一体化的叠层电池1与总热交换器5加以覆盖，以此减少从总热交换器5排出的燃料气体和氧化剂气体的放热的形态。

采用本实施形态，在由总热交换器5把调整为具有高于叠层电池1的规定的发电部位的工作温度的露点的燃料气体和氧化剂气体提供给叠层电池1时，连接总热交换器5和叠层电池1的，所述燃料气体和氧化剂气体流通的配管的放热受到绝热材料的阻挡，因此所述调整过的燃料气体和氧化剂气体能够状态不改变地提供给叠层电池1。也就是说，MEA和固体高分子电解质膜得到充分的有效的加湿，因此能够实现可长期稳定地工作的固体高分子型燃料电池系统100～700。而且能够将热交换器5加热时的热损失抑制于最低限度。因此在总热交换器5容易高效率地生成水蒸汽过饱和状态下的燃料气体和氧化剂气体。

实施例1

使用30个单电池叠层形成的叠层电池，进行关于燃料气体和氧化剂气体的含水量对电池寿命特性的影响的试验。

图8表示使叠层电池在电流密度0.7A/cm²的条件下工作的情况下的电池寿命特性曲线。而图9表示使叠层电池在电流密度0.2A/cm²的条件下工作的情况下的电池寿命特性曲线。而且，图8和图9所示的曲线横轴为运行时间(小时)，纵轴为各单电池的电池电压平均值(mV)。在本试验中，使叠层电池工作时的热量利用率(Uf)为75％，空气利用率(Uo)为40％，叠层电池中的规定的部位的工作温度为70℃。

还有，在图8中，关于提供的燃料气体的露点(以下称为“Tda”)及氧化剂气体的露点(以下称为“Tdc”)，曲线VIIIa表示Tda＝Tdc＝60℃的情况下的电池寿命特性，曲线VIIIb表示Tda＝Tdc＝64℃的情况下的电池寿命特性，曲线VIIIc表示Tda＝Tdc＝66℃的情况下的电池寿命特性，曲线VIIId表示Tda＝Tdc＝68℃的情况下的电池寿命特性，曲线VIIIe表示Tda＝Tdc＝70℃的情况下的电池寿命特性。又，在图9中，曲线IXa表示Tda＝Tdc＝74℃的情况下的电池寿命特性，曲线IXb表示Tda＝Tdc＝72℃的情况下的电池寿命特性，曲线IXc表示Tda＝Tdc＝68℃的情况下的电池寿命特性，曲线IXd表示Tda＝Tdc＝65℃的情况下的电池寿命特性，曲线IXe表示Tda＝Tdc＝60℃的情况下的电池寿命特性。

由图8可知，叠层电池在高电流密度(0.7A/cm²)条件使用的情况下，随着燃料气体和氧化剂气体的露点变得比叠层电池的规定的部位的工作温度越来越低，能够得到更加良好的电池特性。另一方面从图9可知，叠层电池在低电流密度(0.2A/cm²)条件使用的情况下，随着燃料气体和氧化剂气体的露点变得比叠层电池的规定的部位的工作温度越来越高，能够得到更加良好的电池特性。也就是明白了这样的情况，即为了注重发电效率，在以低电流密度条件额定运行的固定热电联供系统等用途中，通过使提供的燃料气体和氧化剂气体的露点高于叠层电池的规定的发电部位的工作温度，能够得到良好的电池寿命特性。

下面为了对上述现象进行更加详细的分析，对引起叠层电池的寿命下降的原因进行调查试验。

图10是对调查叠层电池(单电池)的寿命下降的原因的试验方法进行说明用的示意图。该图10表示支持从叠层电池(单电池)取出的MEA30a的MEA单元30的状态。而且，燃料气体接触路径30b表示通过燃料气体供给口30c或30d引入的燃料气体与MEA30a的第1主面101接触的路径。又，在MEA30a的第2主面102上，存在通过氧化剂气体供给口30e或30f引入的氧化剂气体与之接触的，与在这里未图示的燃料气体接触路径30b相同的氧化剂气体接触路径。

本试验通过下述方法实施，即使叠层电池在70℃连续运行2000小时之后，暂时使其停止运行，将停止的该叠层电池中的一个单电池取出，其后，再度以70℃运行2000小时，如此反复间歇运行。然后，从上述取出的各单电池中分别取出MEA，将该MEA切成如图10所示18片，即No.1～No.18，对该切断的各MEA测定其电池开放电压并对其进行外观观察，以此确定MEA的损伤处所和损伤原因，以此调查叠层电池的寿命下降原因。还有，使叠层电池运行时的燃料气体和氧化剂气体的流动模式，采用使燃料气体从燃料气体供给口30c向30d方向流动，并且使氧化剂气体从氧化剂气体供给口30e向30f方向流动的流动模式1、以及使燃料气体从燃料气体供给口30d向30c方向流动，并且使氧化剂气体从氧化剂气体供给口30e向30f方向流动的流动模式2这两种模式。又，所谓电池开放电压，是指无负载时的电池电压，通常，在初始状态每一个单电池显示出0.98V左右的值。由此了解到电池开放电压的下降主要是由于在MEA中的固体高分子电解质膜的损伤造成的。

图11～图16是叠层电池寿命低下原因调查试验结果的曲线图。在这里，图11是电流密度为0.7A/cm²(Tda＝Tdc＝68℃，流动模式1)的条件下运行的情况下的试验结果。图12是电流密度为0.7A/cm²(Tda＝Tdc＝60℃，流动模式1)的条件下运行的情况下的试验结果。又，图13是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝72℃，流动模式1)的条件下运行的情况下的试验结果，图14是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝70℃，流动模式1)的条件下运行的情况下的试验结果，图15是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝68℃，流动模式1)的条件下运行的情况下的试验结果，图16是电流密度为0.2A/cm²(Tda＝Tdc＝70℃，流动模式2)的条件下运行的情况下的试验结果。又，在图11～图16中，将各试验结果分别表示为运行时间为0小时情况下的曲线、运行时间为2000小时情况下的曲线、运行时间为4000小时情况下的曲线、运行时间为6000小时情况下的曲线、运行时间为8000小时情况下的曲线、运行时间为10000小时情况下的曲线。还有，图11～图16所示的曲线的横轴是在图10中表示的样品号，纵轴是电池开放电压(mV)。

下面参照附图对从本试验得到的结果进行说明。

如图11和图12所示，在电流密度为0.7A/cm²的情况下，对于取样的全部18片MEA，即使是相对于叠层电池的规定的发电部位的工作温度下的饱和水蒸汽量，燃料气体和氧化剂气体处于比较干燥的状态(Tda＝Tdc＝60℃，参照图12)，或燃料气体和氧化剂气体处于比较湿润的状态(Tda＝Tdc＝68℃，参照图11)，长时间运行后的电池开放电压也看不出有下降。也就是说，电流密度为0.7A/cm²的情况下发生的电流寿命下降不是由于MEA或固体高分子电解质膜的物理损伤引起的，而可以认为主要是阳极催化剂层和阴极催化剂层或阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极随着时间的经过浸湿情况的发展(随着时间的经过亲水性增大的现象)妨碍了气体的透过，随着时间的经过所发生的溢流现象。

另一方面，如图13～图16所示，在电流密度为0.2A/cm²的情况下，在燃料气体和氧化剂气体的含水量超过叠层电池的规定的发电部位的工作温度下的饱和水蒸汽量的运行条件下(Tda＝Tdc＝72℃，参照图13)，没有发现长时间运行后，电池开放电压的下降，但是，在其他运行条件下(Tda＝Tdc＝70℃，参照图14和图16、Tda＝Tdc＝68℃，参照图15)，局部或在整个MEA可以发现电池开放电压有下降。而且发现，该电池开放电压的下降程度是燃料气体和氧化剂气体中包含的水分越少越严重(参照图15)。又，这时，仔细观察取样的18片MEA的外观，结果可以发现燃料气体和氧化剂气体中包含的水量不足引起的MEA或固体高分子电解质膜的物理损伤。又，该损伤的发生部位是图14和图15中的样品No.1和No.6，在图16中是样品No.6和No.13，因此可以判定是在将燃料气体和氧化剂气体提供给叠层电池的供给口附近。

根据以上试验结果可以判定，以低电流密度运行的固体高分子型燃料电池系统中，由于使燃料气体和氧化剂气体在叠层电池的规定的发电部位的工作温度下的饱和水蒸汽量以下的干燥状态运行，MEA或固体高分子电解质膜受到物理性破坏，因此引起叠层电池(单电池)的寿命下降。也就是说，由于发电时生成的水量与电流密度有关，在固体高分子型燃料电池系统以高电流密度运行的情况下，溢流现象比MEA或固体高分子电解质膜的干燥更成问题，因此，为了排除伴随该发电产生的水，推荐使提供的燃料气体和氧化剂气体的露点低于叠层电池的规定发电部位的工作温度的方法。但是，在低电流密度条件下使固体高分子型燃料电池系统运行的情况下，与上面所述相反，判明与其说是溢流现象，不如说是MEA或固体高分子电解质膜的干燥是导致电池寿命下降的主要原因。

如上所述，MEA或固体高分子电解质膜的损伤部位集中于将燃料气体和氧化剂气体提供给叠层电池的供给口附近。这是由于在叠层电池(单电池)中，对于两个电极都是，燃料气体和氧化剂气体的入口附近是最容易发干的部分。也就是说，是因为在阴极侧，由于有随着发电用的催化反应而发生的生成水，随着从氧化剂气体供给口向排出口接近，水蒸汽越来越趋向过饱和状态。又，在阳极侧，燃料气体和所提供的水蒸汽都因为发电的催化反应而消耗，但是特别是阴极侧过剩的生成水容易向固体高分子电解质膜逆扩散，因此实际上燃料气体的消耗速度高于所提供的水蒸汽的消耗速度，其结果是，随着燃料气体从供给口向排出口流动，水蒸汽越来越趋向过饱和状态。从而得出这样的结论，即所提供的燃料气体和氧化剂气体的含水量在向叠层电池导入的导入口必须是已经处于过饱和状态，这一点得到保证之后才使MEA全部区域不存在干燥部位，能够防止叠层电池寿命的减少。

对于燃料气体和氧化剂气体处于干燥状态的情况下MEA和固体高分子电解质膜受到破坏的现象，其发生机制尚未完全了解。但是，本发明人推测认为，MEA或固体高分子电解质膜的损伤与MEA发生的热的发生方式以及冷却方式有关。下面对MEA等被破坏的机制的考察结果进行叙述。

MEA等的冷却是，通过也是热的良导体的阳极气体扩散极和阴极气体扩散电极，利用隔离层的冷却进行的传热冷却和利用催化反应生成的水或水蒸汽进行的热交换冷却两者协调进行。也就是说，在MEA中发生的热第一次利用内包的水或接触的水去除，第二次则在传递到阳极扩散电极和阴极扩散电极以及隔离层之后，利用冷却水去除。也就是说，水或水蒸汽在叠层电池内部作为冷却用热介质(致冷剂)起作用。还有，由于燃料气体和氧化剂气体的比热远小于水，因此可以认为其作为致冷剂的作用可以忽略不计。

另一方面，厚度约为30～50微米的固体高分子电解质膜通常是氢离子传导体，同时又显示出若干对于燃料气体(氢气)的透气性。而且固体高分子电解质膜的含水量越是上升，其透气量越下降。也就是说，所含有的水妨碍燃料气体的透过。从而，在提供调整到叠层电池的规定的发电部位的工作温度以下的露点的干燥的燃料气体和氧化剂气体使固体高分子型燃料电池系统运行的情况下，在固体高分子电解质膜上，伴随发电用的催化反应而发生的热量与热量气体的透过产生的催化燃烧发生的热共存。

但是，单电池的发电效率由实际电池电压除以理论电动势(1.48V)得到的商给出。例如单电池电压为0.74的情况下，该单电池的发电效率为50％。而且，随着发电用的催化反应发生的热是总能量减去该发电效率的部分。在上述情况下，随着所述催化反应发生的热为总能量的50％。但是，在透过固体高分子电解质膜的燃料气体在阴极侧催化燃烧的情况下，由该催化燃烧产生的能量全部转换为热。因此，两者共存的环境、即燃料气体和氧化剂气体以干燥状态提供的发电的情况下，与叠层电池(单电池)的发电量相比，其发热量比较多。也就是说，在MEA的干燥部位，发热量比较多，其冷却不充分。而且，在干燥部位产生MEA越来越干燥的恶性循环，因此与时间经过的同时，燃料气体的透过得到促进，因此产生的过剩的发热被认为会损伤固体高分子电解质膜。

又，在考虑MEA的一个区域的情况下，与MEA相接触的燃料气体和氧化剂气体的露点与叠层电池中的规定的发电部位的工作温度(也就是，上述规定的发电部位的冷却水的温度)相同，也就是在比发电中的MEA的温度低的情况下，与固体高分子电解质膜接触的，或固体高分子电解质膜内包的水有汽化溶入燃料气体和氧化剂气体中的余地。也就是说，能够从固体高分子电解质膜中夺取水。另一方面，在该被夺取的水存在的地方，可能由在该微小区域生成的水直接补偿或利用MEA的其他部位剩余的水的移动进行间接补偿，但是，如果在上述水被夺取的速度比该补偿的速度快时，该区域的固体高分子电解质膜单独进行干燥。

又，在叠层电池(单电池)中，由于有在阴极侧伴随发电用的催化反应产生的水，从提供氧化剂气体的供给口到排出口，水蒸汽逐渐趋向过饱和状态。又，在阳极侧，燃料气体和所提供的水蒸汽都由于发电用的催化反应而被消耗，特别是在阴极侧过剩的水容易通过固体高分子电解质膜逆向扩散，因此实际上燃料气体的消耗速度比提供的水蒸汽的消耗速度快，结果，从供给口到排出口水蒸汽逐渐趋向过饱和状态。

根据这些观点考虑燃料气体和氧化剂气体供给口近旁的MEA，即使使所提供的燃料气体和氧化剂气体的露点与叠层电池中的规定部位的工作温度相等，该露点也是比MEA的温度低，因此从MEA看来，当然连续提供有溶解水蒸汽的余地的燃料气体和氧化剂气体，并且与MEA的其他区域不同，没有补充从上游来的剩余水，所以越来越干燥是不言自明的。

因此，所供给的燃料气体和氧化剂气体的露点有必要高于叠层电池的规定部位的工作温度(也就是过饱和状态)。而且，在这一点得到保证之后才能够使MEA的全部区域没有干燥部位，才能够防止其随时间的经过而变坏。

因此，对于所提供的燃料气体和氧化剂气体包含的理想的水蒸汽的量，根据图14的曲线所示的试验结果，在使燃料气体和氧化剂气体的露点与叠层电池的规定部位的工作温度相等的情况下，水蒸汽的量是不足的，最好是具有比此更高的露点(也就是过饱和状态)。这是因为发电中的MEA的温度比叠层电池的工作温度高一些。

实施例2

使用具有与实施例1的情况不同的规格的另一1kw级的固体高分子型燃料电池系统，对提供给该固体高分子型燃料电池系统的燃料气体、氧化剂气体以及水的收支进行实际测量。还有，本实施例中用的固体高分子型燃料电池系统的规格是，电极面积为169cm²，单电池的叠层层数为50层，额定电流密度为0.2A/cm²。又，作为基本的运行条件，燃料气体采用有水蒸汽改性生成的含有20％的二氧化碳的氢气，氧化剂气体采用空气。燃料气体和氧化剂气体的露点采用64℃。在这种情况下，燃料利用率为75％，空气利用率为50％。

这样构成的固体高分子型燃料电池系统中的理论物质收支如下。

也就是，如本发电所涉及的基本化学反应式(1)所示。

...(1)

在这种情况下，发电所涉及的化学反应的每单位时间的反应的摩尔数可以如12所示求得。

50(级)×169(cm²)×0.2(A/cm²)/(96500×2)＝0.0087564(mol/秒) ...(2)

从而，发电所需要的氢量可以如式(3)所示求得。

0.0087564(mol/秒)×60(秒)×22.4(L)/0.75(UF)＝15.69(NL/分) ...(3)

借助于此，发电所需要的燃料气体的供应量可以利用式(4)求得。

15.69(NL/分)/0.8(氢分压)＝19.61(NL/分) ...(4)

又，发电所需要的氧气量可以利用式(5)求得。

(1/2)×0.0087564(mol/秒)×60(秒)×22.4(L)/0.5(Uo)＝11.76(NL/分) ...(5)

借助于此，发电所需要的空气供应量可以利用式(6)求得。

11.76(NL/分)/0.2(氧分压)＝58.84(NL/分) ...(6)

另一方面，水的收支如下所述。即在64℃的饱和水蒸汽压为179.38mmHg，因此阳极侧的必要的加湿量可以如式(7)所示求得。

19.61(NL/分)×(1/(760(mmHg)-179.38(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝4.87(g/分) ...(7)

又，阴极侧的必要加湿量可以如式(8)所示求得。

58.84(NL/分)×(1/(760(mmHg)-179.38(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝14.61(g/分) ...(8)

又，伴随发电而生成的水的水量的理论值可以如式(9)所示求得。

0.0087564(mol/秒)×60(秒)×18＝9.45(g/分) ...(9)

为了测定该固体高分子型燃料电池系统中的实质性的水收支，利用上述运行条件进行额定运行，用冰冷的水将这时排出的阳极废气和阴极废气中包含的水加以冷却回收。这时，各排出的水量，对于阴极废气为20.52g/分(＝投入的水+5.91g；露点换算71.5℃)，对于阳极废气为7.65g/分(＝投入的水+2.78g；露点换算84℃)。于是，不能回收的水量可以如式(10)所示求得。也就是说，在这种情况下的水的回收率为97％。

(4.87(g/分)+14.61(g/分)+9.45(g/分))-(19.52(g/分)+8.65(g/分))＝0.76(g/分) ...(10)

通常，在固体高分子型燃料电池系统中，存在着阳极侧投入的水与氢气的移动相同方向移动的相伴水移动和在阴极侧的生成水通过电解质膜向阴极侧移动的逆向扩散移动。又，在实际运行状况中，可以认为有复杂的而且是动态的水移动。但是，在只着眼于量的情况下，被判明有超过在阳极侧和阴极侧一起投入的水量以上的排水量，生成的水得到适当的分配。

又，该结果表示，通过以大约70％以上的效率回收生成的水，上述固体高分子型燃料电池系统在水量上能够独立动作。

实施例3

为了调查总热交换器的基础特性，试制上述1kw级固体高分子型燃料电池系统驱动用的阴极侧总热交换器，进行以下所述试验。在这里，本实施例中使用的阴极侧总热交换器，是用总热交换膜(在这里是日本戈尔JAPANGORETEX株式会社制造的30μm厚度的GORESELECT)隔开从叠层电池排出的阴极废气(初次侧空气)与向叠层电池提供的氧化剂气体(次级测空气)进行总热交换的膜式总热交换器。又，本实施例中，采用在总热交换器的每一级上，在各背面设置一级温度调节用水回路的，与叠层电池近似的3流体形总热交换器。又，总热交换器的每一级的热交换面积为150cm²，将其20层叠层形成3000cm²的总热交换面积。还有，构成本总热交换器的通道的隔离层采用切削碳隔离层(东海碳株式会社制造)，接膜部介质采用以硅胶进行过亲水处理的厚度为0.4mm的碳素纤维布(东海碳株式会社制造)。

使用这样构成的总热交换器，首先进行温水加湿试验和所提供的氧化剂气体与阴极废气的总热交换试验这两种试验进行。在这里，所谓温水加湿试验，是在上述系统中，在次级侧空气的流量与总热交换器的内部温度的关系中弄清楚对将初级侧水密封的情况下可能提供的露点的试验，是验证利用上述总热交换器的膜面积最多能够在多大程度上进行空气的加湿的试验。另一方面，在总热交换器中，以上述1kw级的固体高分子型燃料电池系统的额定流量为基准，将接收水的一侧、即次级侧的空气流量(也就是对叠层电池的空气供给侧)设定为58.84NL，提供水的一侧、即初级侧的空气流量(也就是从叠层电池排出空气的一侧，在Uo＝50的情况下为供给空气×0.9的流量)设定为52.95NL。又，次级侧的空气采用干燥状态下的干燥空气，初级侧的空气采用通过温度控制下的扩散器加湿的空气。又，在具有总热交换器的内部温水回路中，温度控制下的温水以2L/分的比例流动，以此对总热交换器的内部温度进行控制。然后，利用这样构成的试验系统，在与初级提供的露点的关系中弄清楚总热交换器的内部温度与能够提供的露点。

图17表示温水加湿试验的试验结果。而图18表示总热交换试验的试验结果。还有，在图17及图18中，横轴表示总热交换器的内部温度(℃)，纵轴表示次级侧排出气体的露点(℃)。

如图17所示，根据温水加湿试验的试验结果可知，总热交换器的初级侧水密封的情况下，在达到额定电流的2倍左右之前，可提供大约与总热交换器的内部温度(温水温度)相等的露点的水蒸汽。另一方面，在达到额定电流的3倍以上的情况下，不可提供与总热交换器的内部温度相等的露点的水蒸汽。在这里，在次级侧的空气流量增大的情况下能够提供的露点低的理由是可以认为是，在热交换部发生潜热冷却，因此热交换部的温度下降。又，在这种状态被认为是对热交换部的温度下降的热补偿由于隔离层和其他介质的热传导率的制约因而未能充分实施的状态。以上所述是本实施例的总热交换器的基本性质，可知如果向初级侧提供水，而且该水汽化所需要的热得到充分供应，在额定电流就能够充分发挥其性能。

另一方面，如图18所示，根据总热交换器的试验结果，可知在总热交换器的内部温度低的区域的次级侧排出气体的露点是取决于内部温度的，在内部温度高的区域，取相应于初级侧供给露点的一定值。这表示在内部温度低的区域初级侧供应的水蒸汽结露，滞留于初级侧通道，因此显示出与温水加湿器同样的行为，在不发生结露的内部温度高的区域，由于与投入的水蒸汽平衡，露点是唯一决定了的。从结果可知，实施例2所示的阴极废气的水量(露点换算为71℃)的情况下，不管内部温度如何上升，提供给叠层电池的氧化剂气体的露点停留于64℃左右。

下面对提供的氧化剂气体和添加水的阴极废气的总热交换进行说明。

该总热交换中，根据上述1kw固体高分子型燃料电池系统的额定流量，接受水的一侧即次级侧的空气流量(即对叠层电池供给空气的一侧)设定为58.84NL，供给水的一侧即初级侧的空气流量(即从叠层电池排出空气的一侧，Uo＝50的情况下为供给空气×0.9的流量)设定为52.95NL。又，次级侧空气采用干燥状态下的干燥空气。而初级侧的空气采用温度控制于71℃的，通过扩散器加湿并且以10g/分的比例添加60℃的水的空气。而且，在具有总热交换器的内部温水回路以2L/分的比例流过控制温度的温水，一侧控制总热交换器的内部温度。

图19表示上述总热交换试验的试验结果。还有，在图19中，横轴表示总热交换器的内部温度(℃)，纵轴表示次级侧排出气体的露点(℃)。

如图19所示，在所提供的氧化剂气体与添加水的阴极废气逐渐的总热交换中，所提供的氧化剂气体的露点显示出与使用温水加热器的情况大致相似的行为。又，在总热交换器的内部温度为70℃以下的情况下，得到与内部温度有良好的直线性关系的露点。

由上述试验结果可知，在膜式总热交换器中，如果对初级侧充分供水，则仅理由总热交换器内部温度的调节就大约能够得到所希望的露点。而且只用包含于阴极废气中的水的情况下受到平衡的制约，由于在初级侧添加液态水，显示出与温水加湿器的情况下相同的性能。

实施例4

试制驱动上述1kw级的固体高分子型燃料电池系统用的阳极侧总热交换器，继续以下所示的试验。在这里，本实施例中使用的阳极侧总热交换器，是用总热交换膜(在这里是JANPAN GORETEX株式会社制造的30μm厚度的GORESELECT)隔开叠层电池排出的废气(初级侧废气)与提供给叠层电池的燃料气体(次级侧燃料气体)，进行总热交换的膜式总热交换器。又，本实施例中，采用在总热交换器的每一级上，在各背面设置一级温度调节用水回路的，与叠层电池近似的3流体形总热交换器。又，总热交换器的每一级的热交换面积为150cm²，将其8层叠层形成1200cm²的总热交换面积。还有，本实施例的总热交换器的其他规格与实施例3的情况相同。

使用这样构成的阳极侧总热交换器，进行以下所示的试验。即在次级侧，将氢气与二氧化碳以4∶1的比例混合之后，将其通往受到温度控制的扩散器进行加湿，投入加湿的19.6NL的模拟燃料气体。又在初级侧将氢气与二氧化碳以1∶1的比例混合之后，将其通往控制于80℃的温度下的扩散器进行加湿，再在其后将其冷却到64℃，投入双层流化的7.8NL的模拟阳极废气。又，内部温水回路中流动2L/分的受到温度控制的温水，以此对总热交换器的内部温度进行控制。还有，上述各流量是Uf采用75％的情况下，叠层电池要求的燃料气体量和阳极废气量。又，初级侧的扩散器的温度考虑在实施例2中求出的阳极废气中的水量的露点换算值，又考虑安全系数将其减去数℃。而且，在本实施例中，在这样构成的试验系统中，对次级侧的供给气体的露点取与S/C分别为2.7、2.9、3.1的情况相当的温度、即58℃、60℃、62℃的情况下的次级侧排出气体的露点进行调查。

图20表示上述总热交换试验的试验结果。在图20中，横轴表示总热交换器的内部温度(℃)，纵轴表示提供给叠层电池的燃料气体的露点(℃)。

如图20所示，在相当于上述S/C的各试验区分中，阳极总热交换器排出的模拟燃料气体的露点看不出有很大的不同。而且，在总热交换器的内部温度为70℃以下的情况下，模拟燃料气体的露点为大概近似于内部温度的露点。这被解释为是因为，阳极废气中包含的水量如实施例2中所示，为7～8g左右，另一方面，S/C(蒸汽/碳之比、即水与投入的燃料气体的比例)＝2.7，排出(气体)露点为70℃的情况下需要的追加加湿量为2.3g，从而，由于追加加湿量只有阳极废气中包含的水量的1/4左右，所以如实施例3所示，作为事实上的温水加湿器工作。

实施例5

从上述实施例1的结果可知，为了长期稳定地使叠层电池正常运行，所提供的燃料气体和氧化剂气体两者必须有高于叠层电池的规定的发电部位的工作温度的露点。在实际固体高分子型燃料电池系统(1kw级的固体高分子型燃料电池热电联共系统)中，向所提供的燃料气体和氧化剂气体提供水的水源，是从叠层电池排出的随着发电生成的生成水。也就是说，通过使阴极废气与所提供的氧化剂气体进行总热交换，进行对提供的氧化剂气体的加热和加湿。这时，在总热交换中没有被利用的剩余水由凝集器液化，贮存在蓄水箱里。另外被排出的阳极废气里包含的水用凝集器液化，贮存该液化的水、然后将其送入改性器，同时进行燃料气体的前驱体的改性和通过该改性得到的燃料气体的加湿。但是，如实施例3所示，在总热交换器中没有加热手段，并且水资源只能从阴极废气中的水蒸汽得到的方法中，能够提供的露点存在制约，要使提供给叠层电池的氧化剂气体的露点高于叠层电池的氧化剂气体供给部中的工作温度是有困难的。又，对于提供给叠层电池的燃料气体，也由于改性器的改性效率的制约而最好添加的水不超过一定值，因此，不能使燃料气体的露点高于叠层电池的燃料气体供给部的工作温度。例如，在甲烷改性型的改性器的情况下，为了确保改性效率在80％以上，必须使S/C＝2.7，但是，这种情况下的燃料气体的露点的实测值为58℃左右。该燃料气体的露点比通常的叠层电池的运行温度即60～80℃低，因此，相对于考虑电池寿命的情况下所需要的露点是不够的。

从以上说明可知，继续使叠层电池发电运行时连续生成的水量足够保持连续提供的燃料气体和氧化剂气体有高于叠层电池的规定发电部位的工作温度的露点。但是，已有的固体高分子型燃料电池系统中，凝集的水不再投入总热交换器，而且，总热交换器的运行温度低，因此，不能够充分利用伴随发电而生成的水，这一点从上面所述的计算和实测值结果可以清楚了解到。

因此，试制具有图1示意性表示的方框图的，利用改性器排出的发热的一部分对总热交换器进行加热的形态的固体高分子型燃料电池系统，供给对其各种特性进行评价。该系统将管道焊接于改性器最后一级的一氧化碳去除部的壁面上，将其导向热交换器，在这里使初级热介质(适于使用硅油)循环由壁面吸收热，在热交换器加热作为次级热介质的水，使该加热的次级热介质(温水)循环，对加热装置进行加热，以此将总热交换器的温度加热到高于叠层电池的规定的发电部位的工作温度的温度。在阳极侧总热交换器中，在叠层电池排出的阳极废气与投入叠层电池的燃料气体之间进行总热交换。然后，在将提供给叠层电池的燃料气体的露点提高到高于叠层电池的规定的发电部位的工作温度之后，将其引向叠层电池，在该叠层电池的内部使其结露，将其引入单电池内的燃料气体导入部。这时，如实施例4所示，在阳极侧，阳极废气中包含的水量超过燃料气体加湿所需要的水量。因此，总热交换之后的阳极废气中包含的剩余水在经过燃料侧水回收器之后，在燃料侧蓄水箱中储备一定数量，其剩余部分被送出到氧化剂侧蓄水箱。

另一方面，如实施例3所示，在阴极侧总热交换器中，只利用叠层电池排出的阴极侧废气将提供给叠层电池的氧化剂气体调整到所希望的露点是不可能的。因此，由氧化剂侧蓄水箱提供与叠层电池的运行负荷条件相应的适量的水混合于阴极侧废气中，使在总热交换器中将从空气供给装置送出的氧化剂气体的露点高于叠层电池的规定发电部位的工作温度之后将其引向叠层电池，在该叠层电池内部使其结露，然后将其引入单电池内的氧化剂气体导入部。

在图1示意性表示的系统中，采用具有20级的阴极废气/供给氧化剂气体总热交换器和8级的阴极废气/供给燃料气体总热交换器的总热交换器，用适当的方法控制初级热介质流量和次级热介质流量，使该总热交换器的温度保持于70℃，使改性器提供的燃料气体为21.3升/分、使空气供给装置提供的氧化剂气体量为100升/分，在以MEA电流密度0.18A/cm²、空气利用率40％、燃料利用率75％、工作温度65±0.3℃的条件驱动1kw级叠层电池(66级、电极面积144cm²)的情况下，由所述总热交换器提供给叠层电池的氧化剂气体的露点为68.2℃，燃料电池的露点为68.0。然后确认，将具有高于上述工作温度的露点的燃料气体和氧化剂气体在叠层电池内部冷却到上述工作温度，以过饱和状态提供给各单电池。又，这时的总热交换器的压力损失，在氧化剂气体侧为138mmAq，在燃料气体侧为93mmAq，与叠层电池的压力损失(氧化剂气体侧为780mmAq，在燃料气体侧为690mmAq)相比是十分低的，对空气供给装置和燃料气体供给泵没有施加过剩的负荷，能够稳定控制和运行。使该固体高分子型燃料电池系统连续运行10000小时的情况下的各单电池的电压平均劣化率为3.2mV/1000小时，显然与具有已有技术结构的1kw级燃料电池热电联供系统的电压平均劣化率18mV/1000小时相比有很大提高。

还有，在本实施例中，由于吸收改性器的热对总热交换器进行加热，因此改性器的改性效率有若干降低。具体地说，在已有技术例中，改性效率为80.3％，而本实施例中为79.4％，但是，叠层电池效率的劣化率在已有技术例中为1.2％/1000小时，(18mV/1480mV)，但是在本实施例中为0.22％/1000小时(3.2mV/1480mV)，因此，在大约运行1000小时以后，整个系统的效率以本实施例为佳，其好处补足了改性器的改性效率的下降而有余。

实施例6

取代实施例5的形态，试制具有图2所示的示意性方框图的固体高分子型燃料电池系统。也就是说是，不是从改性器得到对总加热器进行加热用的热量，而是使燃料气体、燃料前驱体、或叠层电池排出的阳极废气燃烧以对总热交换器加热用介质进行加热，使其循环，将总热交换器加热到所希望的温度的形态。该形态与实施例5相比的有利之处在于，总热交换器的运行状况与改性器的运行状况无关，在额定运行以外的、系统的调试时、系统下线时、或负荷变动运行时，改性器热稳定状态差的状况下也能够独立控制总热交换器。可以说改性后的燃料气体是比改性前的燃料气体前驱更好的气体，因此，本来使用于总热交换器的加热的气体，使用燃料气体的前驱体更能够有利于提高系统的效率。但是，燃料电池的极限燃料利用率由与系统压力损失的匹配、MEA的一氧化碳耐性、电池的压力损失设计、对溢流特性、负荷变动对应能力等复杂的因素所决定，又，改性器的驱动所需要的燃料量也为了确保转换率、一氧化碳去除性能等，并非一律与负荷成正比。鉴于这点，在额定运行时优先使用燃料气体前驱体，在由于负荷变动等原因，阳极废气有多余的情况下优先将阳极废气使用于这个目的，这对于使能量平衡最佳化是必要的。在本实施例中，鉴于这点，采用能够根据状况切换使用两者的结构。

以使实施例5的系统与本实施例的系统8小时运行、4小时停止地间歇运行的模式进行加速试验的情况下，运行5000小时为止的平均劣化率，在实施例5为8.7mV/1000小时，而本实施例中为4.5mV/1000小时。又，以额定(MEA电流密度0.2A/cm²)条件使运行负荷进行2小时运行，然后，将输出缩小到额定的25％(0.05A)运行2小时，然后在恢复到额定值的反复改变负荷运行模式中进行比较试验，结果是，运行时间6000小时(1500循环)为止的平均劣化率，与实施例5中的7.5mV/1000小时相比，本实施例中为3.9mV/1000小时。根据该结果可知，在实施例5中，在间歇运行时，负荷变动时改性器为热非平衡状态的情况下发生的叠层电池的干燥运行在本实施例中得到改善。

实施例7

取代实施例6的形态，试制具有图3示意性表示的方框图的固体高分子型燃料电池系统。也就是说，本实施例不是在总热交换器的外部使燃料、或叠层电池排出的阳极废气燃烧对总热交换器用加热介质进行加热，使该总热交换器用加热介质循环，将总热交换器加热到所希望的温度的形态(间接加热型)，而是在总热交换器的内部使燃料气体或排出的阳极废气与氧化剂气体或阴极废气催化燃烧，以此将总热交换器加热到所希望的温度的形态(直接加热型)的固体高分子型燃料电池系统。

阳极废气(氢气)是在60℃以上能够催化燃烧的气体，因此，能够在总热交换器要求的温度范围进行良好控制调节温度。又，不进行特别的热设计、放热对策、安全设计，也没有利用燃烧器的高温燃烧，能够简便而且高效率地对总热交换器进行加热。

本实施例与图1所示的间接加热型的系统的巨大差异在于，本实施例的固体高分子型燃料电池系统具有承载催化剂的陶瓷布发热体。利用这种结构，使所提供的燃料气体或排出的阳极废气与氧化剂气体的混合气体在所述陶瓷布发热体内催化燃烧，直接对其背面的气体通道进行加热。借助于此，能够将足够的水从阳极废气和阴极废气转移到提供的燃料气体和氧化剂气体中。

本实施例所示的直接加热型与间接加热型相比的优点在于，在表面积大厚度薄的热交换隔离层的气体通道背面使催化燃烧发生，其热量能够无损失地直接传递到阴极废气和阳极废气中。又，与间接加热型相比，燃烧器损失少，并且不存在间接加热型系统中所需要的致冷剂用配管、循环泵来的热或动力上的损失。而且，为了达到上述目的而损失的能量是非常少的。

在本实施例中，使二硝基二氨合铂水溶液对硅溶胶水溶液(日产化学株式会社制造スノテツクス0硅胶20Wt/Vol)混合，使其中包含的铂含量与硅胶之比为2∶100，然后用水稀释到30倍形成的催化剂浆液中，浸入陶瓷十字管(cross)(住友3M株式会社制造的ネクステル 0.6t)，将其在500℃的温度下在空气中退火烧结5小时，以此得到铂催化剂承载量为0.3mg/cm²(单位面积重量)的陶瓷布发热体，然后将该承载白金催化剂的陶瓷布发热体敷设在设置已有的调温水回路的调温面上使用，构成具备20级的阴极废气/供给氧化剂气体总热交换器和8级的阳极废气/供给燃料气体总热交换器的直接加热型总热交换器。还有，总热交换器隔离层材料采用组成包含70％的碳填料和30％的树脂的高分子电解质型燃料电池用压力成型隔离层(日清纺株式会社试制品)。对于该隔离层材料，实施例1所示的材料中也希望使用特别是耐热性、热传导率、热转移率高的材料，对于树脂成型品，填料与其使用玻璃不如使用碳制品更好，其含量越高则热传导、热转移越好，越是有利。在这点上，包含有大量碳填料的超级工程塑料是选择对象之一，包含70％短纤维碳填料的PPS合金(大日本油墨株式会社试制品)的射出成型品也组装成与上面所述同样的总热交换器，进行与实施例3和实施例4所示的情况相同的动作确认。其结果是，可以确认没有发生特别问题。

其后，与叠层电池、改性器等连接，构成固体高分子型燃料电池系统，将其提供给以后进行的特性评价中使用。

具体地说，采用具有与实施例2的情况相同规格的另一1kw级固体高分子型燃料电池系统。在这里，本实施例中使用的固体高分子型燃料电池系统的规格是，电极面积为169cm²，单电池的叠层级数为50，额定电流密度为0.2A/cm²。又，作为基本运行条件，燃料气体采用以水蒸汽改性法生成的含有20％二氧化碳的氢气，氧化剂气体采用空气。燃料利用率为75％，空气利用率为50％。又，改性器以S/C＝2.7运行，其露点为58℃。

叠层电池的温度利用以10L/分的比例提供的调温水(冷却水)维持，进水温度为64℃，出水温度为67℃。因此，根据如实施例3和实施例4所示的总热交换器基础特性图所示，在控制投入总热交换器的阳极废气等的供应量的条件下运行，以使阳极侧和阴极侧的对叠层电池提供的燃料气体和氧化剂气体的露点都在67℃以上，而总热交换器的内部温度为69℃。又，这时所需要的阳极废气等的供应量为3.3L/分。在这里，氢的燃烧能量为3.05千卡/升，因此，3.3L的阳极废气(其中氢气为1.65L)的燃烧能量计算值为5.03千卡。又，水的蒸发潜热为0.54千卡/克，因此，这个系统的总热交换器的追加加湿量计算值为9.31克/分。

这样构成的固体高分子型燃料电池系统的理论物质收支如下所述。即，涉及发电的基本化学反应式如式(11)所示。

...(11)

在这种情况下，涉及发电的化学反应的每单位时间的反应摩尔数可以如式(12)所示求出。

50(级)×169(cm²)×0.2(A/cm²)/(96500×2)＝0.0087564(mol/秒)

...(12)

从而，发电所需要的氢量可以用式(13)求出。

0.0087564(mol/秒)×60(秒)×22.4(L)/0.75(Uf)＝15.69(NL/分) ...(13)

借助于此，发电所需要的燃料气体的供给量如式(14)所示求出。

15.69(NL/分)/0.8(氢分压)＝19.61(NL/分) ...(14)

又，发电所需要的氧量如式(15)所示求出。

(1/2)×0.0087564(mol/秒)×60(秒)×22.4(L)/0.5(Uo)＝11.76(NL/分) ...(15)

又，发电所需要的空气供给量如式(16)所示求出。

11.76(NL/分)/0.2(氧分压)＝58.84(NL/分) ...(16)

另一方面，关于水的收支，情况如下所述。即67℃温度下的饱和水蒸汽分压为205.05mmHg，因此，阳极侧的必要加湿量可以由式(17)求出。

19.61(NL/分)×(1/(760(mmHg)-205.05(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝5.82(g/分) ...(17)

又，阴极侧的必要加湿量可以由式(18)求出。

58.84(NL/分)×(1/(760(mmHg)-205.05(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝17.46(g/分) ...(18)

又，如上所述，在本实施例中，改性器以S/C＝2.7运行，其露点为58℃。即58℃温度下的饱和水蒸汽分压为136.15mmHg，因此，燃料气体的水量可以由式(19)求出。

19.61(NL/分)×(1/(760(mmHg)-136.15(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝3.43(g/分) ...(19)

在这里，阳极侧的必要加湿量减去燃料气体的水量得到的是阳极侧的追加加湿量，该追加加湿量的计算值为5.82g/分-3.43g/分＝2.39g/分。从而，阴极侧的追加计算值为9.31g/分-2.39g/分＝6.90g/分。于是，从阴极侧的必要加湿量即17.46g/分减去该值得到的10.56g/分为没有进行加热和凝集水的再投入时的单纯全热交换产生的加湿量，将其换算为露点得到的计算值约为58℃。也就是说，利用本实施例的加湿系统，将在阴极侧以单纯全热交换得到的露点58℃，还有在阳极侧的改性器露点58℃，分别提高到67℃。还有，本实施例的固体高分子型燃料电池系统也具有与实施例6所述情况相同的良好的寿命特性。

又，直接加热型与间接加热型相比的优点是，是启动时间短。即由于在间接加热型中是用燃烧器加热热介质使其循环以对总热交换器进行保温，受到燃烧器和热介质的热容量的影响，启动时间大约需要15分钟，而在本实施例中，将其缩短到大约1/20。而且从上述计算可知，燃料气体和氧化剂气体加湿所需要的能量与引入叠层电池的燃料气体和氧化剂气体的量成正比，只要燃料利用率和空气利用率不变，该量是与叠层电池的负荷成正比的。同样，阳极废气的量也与叠层电池的负荷成正比。从而，利用叠层电池排出的阳极废气高效率地对燃料气体和氧化剂气体进行加湿意味着对负荷的变动几乎没有时间滞后，并且以高线性大致自动地跟踪负荷变动。又，在间接加热型的情况下需要的，对应于负荷的燃烧器和泵的控制不再需要，是一种合理性高的系统，这一点是很清楚的。

实施例8

实施例2中所示的叠层电池中，提供给叠层电池的燃料气体和氧化剂气体的露点为64℃，而阴极废气的露点为71.5℃，阳极废气的露点为84℃。从而，单电池内的燃料气体通道和氧化剂通道与冷却水通道方向一致，向燃料气体的供给口和氧化剂气体的供给口近旁提供冷却水，从燃料气体排出口和氧化剂气体排出口近旁排出冷水的并列配置中，只要该冷却水的投入温度在64℃以下，而且，排出温度为71.5℃以下，根据实施例1所述的理由，在叠层电池内能够保持水蒸汽饱和条件。

在这里，构筑具有图4所示的方框图的固体高分子型燃料电池系统，使具有上述通道结构的电极面积为169cm²，单电池的叠层数为50级的叠层电池的叠层电池运行。还有，基本运行条件为，额定电流密度0.2A/cm²，燃料气体采用以水蒸汽改性法生成的含有20％二氧化碳的氢气，氧化剂采用空气。又，燃料利用率为75％，空气利用率为50％。又，总热交换器采用与实施例5所示的总热交换器相同规格的，具有内部调温水回路的20级的阴极废气/供给氧化剂气体总热交换器和8级的阴极废气/供给燃料气体总热交换器的总热交换器。而且，改性器的S/C＝2.7。

在这样构成的固体高分子型燃料电池系统中，控制外部调温水回路的流量，使提供给叠层电池的冷却水的温度为60℃，而由于叠层电池发热进行加热的叠层电池排出的冷却水的温度为69℃。又，冷却水的流动形态采用将叠层电池排出的冷却水引向总热交换器的内部调温水回路，在对总热交换器进行加热之后回到蓄水箱，在该蓄水箱冷却到60℃之后，再提供给叠层电池的形态。这时，在额定运行时如果将冷却水的流量减少到2L/分，则可以利用上述温度条件运行。又，在这种情况下，对总热交换器提供68.5℃的冷却水，而总热交换器排出的冷却水的温度为66℃，因此，对总热交换器进行加热消耗的热量计算值为2000×2.5＝5.0千卡。该值除以水的蒸发潜热即0.54千卡/克得到的9.25g/分就是追加加湿量，这一计算结果与实施例7所述的直接加热方式的情况下的试验值大致一致。又，利用热电偶测定的总热交换器的内部温度中心值为67.5℃，根据上述总热交换器的基础特性，推断由总热交换器向叠层电池提供了露点大约为66℃燃料气体和氧化剂气体。所以，本实施例的固体高分子型燃料电池系统也具有与实施例6所述的情况相同的良好的寿命特性。

实施例9

在实施例8中从叠层电池排出的冷却水的温度为69℃，提供给总热交换器的冷却水的温度为68.5℃。从而，冷却水的温度在从叠层电池向总热交换器转移的时候，下降0.5℃。该移动时产生的冷却水温度下降是单纯由于配管放热引起的温度下降。

但是，在实际的固体高分子型燃料电池系统中，除了额定运行以外也进行微弱运行、负荷变动运行等叠层电池发热量少的发电运行。而且，在这样的叠层电池发电量少的运行条件下，也强烈要求维持上述燃料气体和氧化剂气体的露点与叠层电池的内部温度的良好关系。

鉴于这点而研究出来的最合理的配置，是总热交换器与叠层电池紧密接触或靠近并以短管连接，对其统一绝热的形态。采用这样的形态，以最短距离的配管连接叠层电池与总热交换器，因此不用特别的控制，就能够满足上述良好关系，在这种采用使总热交换器与叠层电池紧密接触或靠近并且统一绝热的形态的固体高分子型燃料电池系统中，在30％负荷(发热量300W)，冷却水流量为0.7L/分的情况下，提供给叠层电池的冷却水温度为59℃，叠层电池排出的冷却水温度为67℃。而且，在总热交换器几乎不发生热损失得到提供的冷却水温度约67℃。又，提供给总热交换器的冷却水在该总热交换器损失1.6千卡的热量，温度降低2℃之后，返回蓄水箱，这时的热交换器的内部温度为66℃，因此推断向叠层电池提供了大约露点为65℃的燃料气体和氧化剂气体。该露点是比叠层电池燃料气体和氧化剂气体供给部的温度高5℃的温度。也就是说，本实施例的固体高分子型燃料电池系统也具有与实施例6所述的情况相同的良好的寿命特性。

实施例10

取代实施例5～8所示的形态，试制具有图5～7示意性表示的方框图的固体高分子型燃料电池系统。也就是说，本实施例不是将燃料前驱体改性生成燃料气体的形态，而是显示出具备例如氢气瓶等燃料气体供给手段的形态的固体高分子型燃料电池系统。这样的固体高分子型燃料电池系统可以举出例如具备氢气瓶的车用固体高分子型燃料电池系统。

具备这种氢气瓶等燃料气体供给手段的固体高分子型燃料电池系统中，与实施例5～8那样的将利用水蒸汽改性法生成的含有一定水的燃料气体提供给叠层电池的情况不同，燃料气体在绝对干燥状态下提供给叠层电池。因此，仅仅用阳极废气中包含的水是不可能将燃料气体加湿到所希望的露点的，因此在本实施例中，采用将燃料侧水回收器回收的水送往氧化剂侧蓄水箱，用该氧化剂侧蓄水箱内的水对燃料气体和氧化剂气体两者进行加湿的形态。

下面对采用具有图6所示的结构的直接加热型的固体高分子型燃料电池系统的情况下的实施例进行说明。

在本实施例中，使用与实施例6的情况相同的规格的固体高分子型燃料电池系统。在这里，本实施例采用的固体高分子型燃料电池系统的规格是，电极面积169cm²，单电池的叠层级数为50级，最大电流负荷为0.8A/cm²，最大输出功率为4.5kW。又，基本运行条件是，燃料气体采用氢气瓶提供的纯氢气，氧化剂气体使用空气，燃料利用率为85％，空气利用率为50％。

又，叠层电池的温度，在提供给叠层电池的冷却水的温度为64℃的情况下，利用控制外部调温回路的方法适当进行温度调节，使从叠层电池排出的冷却水的温度为67℃。

又，作为总热交换器，采用具备与实施例7所示的总热交换器相同规格的，阴极废气/供给氧化剂气体总热交换器为80级，阳极废气/供给燃料气体总热交换器为32级的总热交换器。而且根据实施例3和实施例4所示的总热交换器的基础特性图，控制着对总热交换器进行加热的阳极废气的使用量运行，使阳极侧和阴极侧的向叠层电池提供的燃料气体和氧化剂气体的露点都在67℃以上，上述总热交换器的内部温度为69℃。

又，如下所述，在本实施例中允许的水损失为31％。因此阳极侧和阴极侧的水回收器必须将叠层电池排出的阳极废气和阴极废气冷却到饱和水蒸汽为205mmHg×0.31＝63mmHg以下的温度范围。满足该冷却条件的温度，根据饱和水蒸汽量的曲线，大约为43℃。因此，在本实施例中，在阳极侧和阴极侧的水回收器设置大容量的放热器，采用风扇空气冷却方式。

这样构成的固体高分子型燃料电池系统电流负荷每0.1A/cm²的理论物质收支如下所述。发电涉及的基本化学反应式(20)如下所示。

...(20)

在这种情况下，涉及发电的化学反应的每单位时间的反应摩尔数可以如式(21)所示求出。

50(级)×169(cm²)×0.1(A/cm²)/(96500×2)＝0.0043782(mol/秒)

...(21)

从而，发电所需要的氢量可以用式(22)求出。

0.0043782(mol/秒)×60(秒)×22.4(L)/0.85(Uf)＝6.92(NL/分) ...(22)

借助于此，发电所需要的燃料气体的供给量如式(23)所示求出。

6.92(NL/分)/0.8(氢分压)＝8.65(NL/分) ...(23)

又，发电所需要的氧量如式(24)所示求出。

(1/2)×0.0043782(mol/秒)×60(秒)×22.4(L)/0.5(Uo)＝5.88(NL/分) ...(24)

借助于此，发电所需要的空气供给量如式(25)所示求出。

5.88(NL/分)/0.2(氧分压)＝29.42(NL/分) ...(25)

又，从叠层电池排出的氢量可如式(26)所示求出。

6.92(NL/分)×0.15＝1.038(NL) ...(26)

另一方面，关于水的收支，情况如下所述。即伴随发电生成的水量可如式(27)所示求出。

0.0043782(摩尔/秒)×60(秒)×18＝4.72(g/分) ...(27)

又，67℃温度下的饱和水蒸汽分压为205.05mmHg，因此，阳极侧的必要加湿量可以由式(28)求出。

6.92(NL/分)×(1/(760(mmHg)-205.05(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝2.05(g/分) ...(28)

又，阴极侧的必要加湿量可以由式(29)求出。

29.42(NL/分)×(1/(760(mmHg)-205.05(mmHg))-1)×(18/22.4(L))＝8.73(g/分) ...(29)

如上所述，本实施例的固体高分子型燃料电池系统自主运行所需要的水回收率可以由式(30)求出。

(2.05(g/分)+8.73(g/分)/(4.72(g/分))+2.05(g/分)+8.73(g/分))＝69％ ...(30)

使这种固体高分子型燃料电池系统独立运行时，从叠层电池每0.1A电流密度排出约1NL的阳极废气。而且，该排出的阳极废气大致全部使用于总热交换器的加热时，总热交换器的温度约为69℃，提供给叠层电池的燃料气体和氧化剂气体的露点成为67℃。该总热交换器的温度与露点的关系即使是在电流密度有增减的情况下也是一定的。也就是说，能够相当于负荷大致直线性地对燃料气体和氧化剂气体进行加湿。

又，氢的燃烧能量为3.05千卡/L，因此每1NL的阳极废气的燃烧能量的计算值为约3千卡。然后将该值除以水的蒸发潜热0.54千卡/g，计算出每一分钟的追加加湿量为约5.5g。

另一方面，根据实施例7的结果，阴极侧的单纯总热交换效率约为60％。根据该结果，推断阴极侧的追加加湿量为8.73×0.4＝3.49g/分左右。然后，对该阴极侧的追加加湿量值加以阳极侧的必需的加湿量2.05g/分，得到的数值大致与每一分钟的追加加湿量(约5.5g)一致。根据这一结果可知，本实施例的固体高分子型燃料电池系统中，叠层电池和总热交换器得当地工作着。还可以认为，在阳极侧的必要加湿量中的几分是来自阳极的单纯总热交换份额，但是阳极废气的流量比提供给叠层电池的燃料气体的流量少，因此没有阴极侧那么大的贡献程度。也就是说也可以判定，本实施例的固体高分子型燃料电池系统也具有与实施例6所述的情况一样良好的寿命特性。

还有，在上述说明中，举出了固体高分子型燃料电池系统的一个例子进行了说明，但是其他形式的燃料电池系统也可以实施或运用本发明。

本发明以上面所述的手段实施，具有下面所述的效果，即对以低电流密度额定运行的用途上使用的固体高分子型燃料电池系统，能够提供可长期稳定供应电力的固体高分子型燃料电池系统及其运行方法。

又，本发明的固体高分子型燃料电池系统及其运行方法，对以低电流密度额定运行的用途上使用的固体高分子型燃料电池系统，作为可长期稳定供应电力的固体高分子型燃料电池系统及其运行方法是有用的。

根据以上说明，对于本行业的普通技术人员来说，是能够了解本发明的大量改良和其他实施形态的。从而，以上说明应该仅被解释为例示，是以向本行业的普通技术人员说明本发明的最佳实施形态为目的提供的例子。在不脱离本发明的精神的条件下，其结构及/或功能是详细情况可以有实质性变化。

Claims

1.一种固体高分子型燃料电池系统，具备供应燃料气体和氧化剂气体给规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对所述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段，其特征在于，

所述燃料气体和氧化剂气体通过所述加湿手段加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点，然后被提供给所述燃料电池。

2.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述规定的发电部位，是所述燃料电池中的，所述提供的所述燃料气体和氧化剂气体最初被消耗于所述发电用的电化学反应中的部位。

3.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述露点的范围是作为所述燃料电池中不诱发溢流现象的上限的露点与作为所述规定的温度的下限的露点决定的范围。

4.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述露点的范围是在50℃以上，而且是在70℃以下。

5.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加湿手段利用从所述燃料电池排出的排出物对所述燃料气体和氧化剂气体加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点。

6.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加湿手段利用从所述燃料电池排出的排出物与水的混合物对所述燃料气体和氧化剂气体加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点。

7.如权利要求5或6所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述排出物是从所述燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中的至少任一种气体。

8.如权利要求6所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，

还具备从所述燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中回收水的水回收器，

用所述水回收器回收的水作为所述混合物的水使用。

9.如权利要求5或6所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，

所述加湿手段具备总热交换器和能够加热该总热交换器的加热装置，

所述排出物或所述混合物与所述燃料气体和氧化剂气体被提供给所述总热交换器，进行相互之间的总热交换，并且由所述加热装置对所述总热交换器进行加热，并对所述燃料气体和氧化剂气体进行加湿，使其具有高于所述规定温度的露点。

10.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加热装置利用所述燃料气体或所述燃料电池排出的燃料气体燃烧发生的热量加热所述总热交换器。

11.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加热装置利用所述燃料气体或所述燃料电池排出的燃料气体与所述氧化剂气体或所述燃料电池排出的氧化剂气体在催化剂作用下燃烧发生的热量加热所述总热交换器。

12.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池利用热介质的流通在规定的温度下工作，进行发电，

所述加热装置利用所述燃料电池排出的所述热介质的热量加热所述总热交换器。

13.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，

还具备从所述燃料气体的前驱体生成所述燃料气体的改性器，

所述加热装置利用所述前驱体燃烧发生的热对所述总热交换器进行加热。

14.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，

所述加热装置利用所述改性器排出的废热对所述总热交换器进行加热。

15.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加热装置是直接对所述总热交换器进行加热的直接加热型加热装置。

16.如权利要求9所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加热装置是间接对所述总热交换器进行加热的间接加热型加热装置。

17.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池与所述加湿手段形成一体，并且一起绝热。

18.一种固体高分子型燃料电池系统的运行方法，是使用供应燃料气体和氧化剂气体给规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对所述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段的固体高分子型燃料电池系统的运行方法，其特征在于，

所述燃料气体和氧化剂气体通过所述加湿手段加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点，

将所述加湿的具有高于所述规定温度的露点的所述燃料气体和氧化剂气体提供给所述燃料电池的固体高分子型燃料电池系统的运行方法。