JP2000082481A - 燃料電池用加湿循環装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解質の含水状態の管理が必要な燃料電池に
用いられ、始動性、エネルギー効率に優れ、しかも燃料
電池システム全体を小型化することが可能な燃料電池用
加湿循環装置を提供すること。 【解決手段】 ミスト加湿ユニット５３、５７を備えた
加湿循環装置５２、５６に、さらに加湿水切り替え装置
８１、８３を設け、加湿水切り替え装置８１には、常温
管理されている加湿タンク８０、燃料極側保水タンク４
０ａ及び空気極保水タンク４０ｂを接続し、加湿水切り
替え装置８３には、加湿タンク８０及び空気極保水タン
ク４０ｂを接続した。また、燃料電池４０を運転する際
には、燃料電池の作動状況に応じて、加湿水切り替え装
置８１、８３の接続を切り替え、燃料極側保水タンク４
０ａ及び／又は空気極保水タンク４０ｂ内の高温水をミ
スト加湿ユニット５３、５７に還流させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用加湿循
環装置に関し、さらに詳しくは、車載動力源あるいは定
置型の小型発電器等に用いられる燃料電池に供給される
反応ガスを加湿するための加湿循環装置として好適な、
燃料電池用加湿循環装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の
排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する電池であり、発電効率が高
いこと、大気汚染物質の放出量が少ないこと、騒音が少
ないこと、規模を自由に選べること、等の特徴を有して
いる。燃料電池は、使用する電解質の種類により、固体
高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体
酸化物型等に分類される。

【０００３】これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃
料電池、リン酸型燃料電池、及びアルカリ型燃料電池
は、いずれもプロトンが燃料極から空気極に移動するこ
とにより起電力を発生するものであり、電解質を正常に
機能させるためには、電解質の含水状態の管理が必須で
ある点で共通する。

【０００４】例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質
としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用
いられる。具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポ
ン社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜
に代表されるフッ素系の電解質膜が一般に用いられる。

【０００５】フッ素系の電解質膜は、耐酸化性に優れ、
湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すが、含水率が低
下すると膜抵抗が高くなり、電解質として機能しなくな
るという性質を有している。そのため、フッ素系の電解
質膜は、通常、飽和含水状態で使用されている。

【０００６】しかし、固体高分子型燃料電池の作動温度
は、８０℃前後であるので、燃料電池が作動中に電解質
膜から水分が蒸発し、電解質膜の含水率が徐々に低下す
る。また、プロトンが燃料極側から空気極側に移動する
際、水分子も同時に移動するため、燃料極側は、特に乾
燥しやすくなっている。これを放置すると電解質膜の膜
抵抗が増大して発熱し、電池出力が低下したり、故障の
原因となる。

【０００７】そのため、固体高分子型燃料電池において
は、電解質膜の含水状態を適切に管理し、電解質を正常
に機能させるために、ガス拡散電極に供給される反応ガ
スを加湿することが一般に行われている。

【０００８】また、リン酸型燃料電池は、ＳｉＣマトリ
ックス中に濃厚なリン酸水溶液を含水させたものを電解
質として用いる燃料電池であり、動作温度は、２００℃
前後である。さらに、アルカリ型燃料電池は、マトリッ
クス型と自由電解液型があり、マトリックス型は、アス
ベストに濃度３０〜４５％の水酸化カリウム水溶液を含
浸させたものを電解質として用いる燃料電池であり、動
作温度は、１００℃前後である。

【０００９】リン酸型燃料電池及びアルカリ型燃料電池
においても同様に、電解質を正常に機能させるために
は、電解質の含水状態を適切に管理する必要があり、出
力電圧が低下したり、燃料電池の温度上昇が生じた場合
には、反応ガスを加湿することが行われている。

【００１０】燃料電池に供給される反応ガスを加湿する
ための加湿装置としては、水蒸気を用いて加湿する加湿
装置と、ミストを用いて加湿する加湿装置が知られてい
る。水蒸気を用いた加湿装置は、高温度に維持した加湿
タンク中に反応ガスを通過させ、飽和蒸気圧相当の加湿
を行う装置であり、安定した加湿が行えるという利点が
ある。

【００１１】また、ミストを用いた加湿装置は、微小粒
子化した霧を反応ガスに添加する装置である。例えば、
特開平５−５４９００号公報には、噴霧ノズル又は超音
波振動子を備えたミスト発生器を用いて、燃料あるいは
酸化剤の少なくとも一方側に３００μｍ以下に微小粒子
化した霧を添加する反応ガスの加湿装置を備えた固体高
分子型燃料電池が開示されている。

【００１２】また例えば、特開平６−２３１７８８号公
報には、正極もしくは負極の少なくともどちらか一方に
超音波により加湿ガスを導入する加湿ユニットを備える
と共に、加湿ユニットを燃料電池に隣接して設け、ある
いは燃料電池内部に組み込んだ固体高分子型燃料電池が
開示されている。

【００１３】ミストを用いた加湿装置は、噴霧されたミ
ストが、反応ガスをキャリアとしてそのまま電極に搬送
されるので、加湿水分量を定量的に制御できるという利
点がある。また、ミストが水蒸気になる際、反応ガスか
ら蒸発潜熱を奪うので、反応ガスの冷却効果が期待でき
るという利点がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池の場合、燃料電池が停止している場合には、
通常、電解質膜は乾燥状態にあるが、電解質膜が乾燥し
ていると、燃料電池が安定して始動しない。そのため、
始動に際しては、大量の加湿水分を短時間に供給し、速
やかに電解質膜の湿潤を確保する必要がある。

【００１５】しかしながら、水蒸気により反応ガスを加
湿する加湿装置は、加湿タンクの熱容量が大きいため
に、加湿タンクの温度を所定の温度まで昇温させるのに
長時間を要する。そのため、短時間で電解質膜の湿潤を
確保することができず、始動性に問題がある。

【００１６】これに対し、特開平５−５４９００号公報
に開示されているように、ミストにより反応ガスを加湿
する加湿装置によれば、水のミスト化は、水温の上昇を
待たずに行うことができるので、短時間で電解質膜の湿
潤を確保することができるという利点がある。

【００１７】しかしながら、始動後、燃料電池が昇温す
る過程で、燃料電池に低温のミストを供給すると、燃料
電池の温度が低下する。燃料電池の温度が低下すると、
電極触媒が燃料ガス中に含まれる微量の一酸化炭素に被
毒され、燃料電池の出力が低下する。そのため、ミスト
加湿による場合であっても、電池温度が安定作動可能な
温度に上昇するまで燃料電池を作動させることができ
ず、昇温過程に膨大な時間を要するという問題がある。

【００１８】また、燃料電池を作動させると、反応ガス
中に添加される水分や電極反応により生成する水分が燃
料電池内部に溜まるが、従来の燃料電池においては、電
池内部に溜まった水は、そのまま排出されていた。その
ため、水を排出すると同時に、電池内部の熱も排出さ
れ、エネルギーロスが大きいという問題があった。

【００１９】この点、特開平６−２３１７８８号公報に
開示されているように、加湿ユニットを燃料電池内部あ
るいは燃料電池に隣接して設けるようにすれば、燃料電
池の排熱を利用して加湿ユニットの水源を加温すること
ができるので、電池内部の温度が有効利用され、エネル
ギー効率が向上するという利点がある。

【００２０】しかしながら、加湿ユニットを燃料電池内
部あるいは燃料電池に隣接して設ける方法では、間接的
に加湿ユニットの水源を加温するので、再利用される熱
量は、燃料電池が保有する熱のごく一部であり、エネル
ギー効率の大幅な向上は望めない。

【００２１】また、燃料電池から排出される水量を見込
んで容量の大きな加湿タンクが必要となり、燃料電池シ
ステム全体が大型化するという問題がある。特に、水蒸
気を用いた加湿装置にあっては、温度変更に対する時定
数が大きいために、加湿量を任意に制御することができ
ない。そのため、加湿量が不足しないよう、安全率を見
込んで、常時過剰の水蒸気を発生させておく必要がある
ので、さらに容量の大きな加湿タンク必要となり、シス
テムが大型化するという問題がある。

【００２２】本発明が解決しようとする課題は、電解質
の含水状態の管理が必要な燃料電池に用いられ、始動
性、エネルギー効率に優れ、しかも、燃料電池システム
全体を小型化することが可能な燃料電池用加湿循環装置
を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る燃料電池用加湿循環装置は、燃料電池に
備えられる電解質に供給される反応ガスにミストを添加
するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の燃料極及び
／又は空気極から排出される高温水と加湿タンクに蓄え
られる常温水の少なくとも一方を前記ミスト加湿ユニッ
トに供給する切り替え制御装置とを備えていることを要
旨とするものである。

【００２４】上記構成を有する本発明に係る燃料電池用
加湿循環装置によれば、始動直後においては、加湿タン
クに蓄えられる常温水をミスト加湿ユニットによりミス
ト化し、反応ガスを加湿する。加湿された反応ガスが燃
料電池に供給されると、反応ガス中に含まれる水分は、
燃料電池内部の温度を奪って燃料電池内部に溜まる。

【００２５】次いで、昇温過程においては、切り替え制
御装置を燃料電池側に切り替える。切り替え制御装置が
燃料電池側に切り替えられると、燃料電池の燃料極及び
／又は空気極から排出される高温水は、切り替え制御装
置を介してミスト加湿ユニットに還流され、還流された
高温水が、再度、ミスト加湿ユニットを介して、燃料電
池に供給される。

【００２６】これにより、始動時において電解質膜の湿
潤が短時間で確保されると同時に、燃料電池の燃料極及
び／又は空気極から排出される高温水に蓄えられた熱量
の回収、再利用が図られるので、燃料電池の温度が速や
かに作動温度まで上昇し、燃料電池の始動性が向上す
る。

【００２７】また、燃料電池内部に溜まった高温水の熱
を直接、回収・再利用するので、加湿ユニットを燃料電
池内部あるいは燃料電池に隣接して設ける場合に比較し
て、エネルギー効率がさらに向上する。

【００２８】また、始動後の昇温時等においては、電池
内部に溜まった高温水は、そのまま排出することなく、
循環利用されるので、ミスト加湿に必要な水量を軽減す
ることができる。そのため、加湿タンクの容量を小さく
することができ、燃料電池システム全体を小型化するこ
とができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。本発明は、電解質の含
水状態の管理が必要なあらゆる燃料電池が対象となる。
また、用途は、車載動力源、定置型の小型発電器等が具
体例として挙げられるが、これらに限定されるものでは
ない。以下に、車載動力源用の固体高分子型燃料電池に
本発明を適用した例について説明する。

【００３０】図１は、本発明が適用される燃料電池シス
テムの一例を示すシステム構成図である。図１におい
て、燃料電池システム１０は、改質器システム２０と、
固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とい
う）４０と、加湿循環装置５２、５６とを備えている。

【００３１】改質器システム２０は、燃料となるメタノ
ール改質ガスを燃料電池４０に供給するためのシステム
であり、改質原料蒸発装置２２と、改質熱供給装置３２
ａと、改質反応装置３２と、ＣＯ酸化装置３４とを備え
ている。

【００３２】改質原料蒸発装置２２は、改質ガス原料で
ある水及びメタノールを加熱し、気化させる部分であ
り、その内部には、改質ガス原料に蒸発熱を供給するた
めの蒸発熱供給装置（図示せず）が設けられている。ま
た、改質ガス原料は、水供給装置２４及びメタノール供
給装置２６からそれぞれ供給される水及びメタノールを
改質ガス原料混合装置２８で混合した後、改質原料蒸発
装置２２に供給されるようになっている。

【００３３】さらに、改質原料蒸発装置２２の出口側に
は、改質熱供給装置３２ａが設けられ、改質原料蒸発装
置２２から排出される改質ガス原料の蒸気を数百度まで
加熱できるようになっている。改質ガス原料を数百度ま
で加熱するのは、水蒸気改質反応は、周知のように吸熱
反応であり、改質反応に必要な熱を外部から供給する必
要があるためである。

【００３４】改質反応装置３２は、改質原料蒸発装置２
２及び改質熱供給装置３０を経て供給されるメタノール
蒸気及び水蒸気を触媒存在下で反応させることにより、
水素を主成分とする改質ガスを発生させる部分である。
改質触媒には、一般にＣｕ０−ＺｎＯ系の触媒が用いら
れる。

【００３５】ＣＯ酸化装置３４は、改質反応装置３２で
発生させた改質ガス中に含まれる微量の一酸化炭素を選
択酸化させ、改質ガス中の一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ
以下に低減する部分である。ＣＯ改質装置３４には、空
気供給装置３６が接続され、選択酸化に必要な空気をＣ
Ｏ酸化装置３４に供給するようになっている。

【００３６】また、一酸化炭素の酸化反応は発熱反応で
あるため、ＣＯ酸化装置３４には冷却装置３４ａが設け
られ、ＣＯ酸化装置３４の温度を所定温度に維持するよ
うになっている。

【００３７】燃料電池４０は、固体高分子電解質の両面
にガス拡散電極を接合した電極・電解質接合体４２と、
反応ガスを供給するためのガス流路が設けられた集電体
４４とを備え、電極・電解質接合体４２の両面を集電体
４４で挟持して単電池とし、この単電池を直列に数百セ
ル積層したものである。また、ガス拡散電極には、白金
系の電極触媒が用いられている。

【００３８】さらに、燃料電池４０内部には、図示はし
ないが、燃料極側及び空気極側にそれぞれ電池内保水タ
ンクが設けられ、燃料電池４０にミストとして供給され
た水、あるいは電極反応により生成した水の一部を、燃
料電池４０内部で貯留するようになっている。

【００３９】燃料電池４０は、加湿循環装置５２を介し
て改質器システム２０に接続されており、一方のガス拡
散電極（以下、これを「燃料極」という）に、改質器シ
ステム２０で発生させた改質ガスを供給するようになっ
ている。また、燃料極の排気側には、背圧調整弁４６及
びバーナが接続されている。

【００４０】さらに、燃料電池４０は、加湿循環装置５
６を介して空気供給装置４８に接続されており、他方の
ガス拡散電極（以下、これを「空気極」という）に空気
を供給するようになっている。また、空気極の排気側に
は、背圧調整弁５０及び排気ダクトが接続されている。

【００４１】加湿循環装置５２、５６は、それぞれ、ミ
スト加湿ユニット５３、５７と、加湿ユニット制御装置
５４、５８と、加湿水切り替え装置（切り替え制御装
置）８１、８３と、加湿タンク８０ａ、８０ｂとを備え
ている。また、加湿循環装置５２、５６には、図示はし
ないが、燃料電池の作動状況を検知し、ミスト加湿ユニ
ット５３、５７から反応ガスに添加されるミストの量を
算出するための各種の検出器、制御機器等が設けられて
いる。

【００４２】ミスト加湿ユニット５３、５７には、それ
ぞれミスト発生器（図示せず）が備えられ、燃料電池４
０に供給される改質ガス及び空気に所定量のミストを添
加するようになっている。本実施の形態の場合、ミスト
発生器として、超音波振動子又は噴霧ノズルが用いられ
る。

【００４３】超音波振動子及び噴霧ノズルは、粒径が１
〜３０μｍ程度のミストを容易に発生させることがで
き、ミスト発生のＯＮ／ＯＦＦ制御が容易であり、しか
も、水源を常時高温に維持しておく必要がなく、供給エ
ネルギーを直接加湿に利用可能であるので、ミスト発生
器として特に好適である。

【００４４】また、本実施の形態の場合、燃料極側のミ
スト加湿ユニット５３には、複数個のミスト発生器が設
けられている。車載動力源用の燃料電池システムの場
合、運転中に大きな負荷変動を伴う。しかし、超音波振
動子あるいは噴霧ノズルは、ミストを供給する能力（以
下、これを「作動能力」という）の制御範囲が狭いの
で、単一のミスト発生器では、負荷変動に応じた加湿が
困難になる場合がある。

【００４５】一方、ミスト加湿ユニット５３にミスト発
生器を複数個設けると、大きな負荷変動が生じた場合で
あっても、改質ガスへの加湿量を大幅に、かつ連続的に
変動させることができるので、燃料電池４０を安定して
作動させることができるという利点がある。

【００４６】これに対し、空気極側のミスト加湿ユニッ
ト５７には、十分な作動能力を有する１個のミスト発生
器が設けられている。これは、空気極側には、電極反応
により生成した水と燃料極側からプロトンと共に移動し
た水が存在しているので、通常、空気極側の加湿は不要
であり、負荷変動に応じた厳密な加湿制御を行わなくて
も、燃料電池４０が安定して作動するためである。

【００４７】なお、燃料極側のミスト加湿ユニット５３
に設けられるミスト発生器の個数は、ミスト発生器の作
動能力、燃料電池４０の最大出力等を考慮して決定すれ
ばよい。また、大きな負荷変動を伴わない用途に用いら
れる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側のミス
ト加湿ユニット５３に、十分な作動能力を有する１個の
ミスト発生器を設けるようにしてもよい。また、空気極
側のミスト加湿ユニット５７に複数個のミスト発生器を
設け、燃料電池４０の作動状況に応じて、加湿量を細か
く制御するようにしてもよい。

【００４８】加湿ユニット制御装置５４、５８は、ミス
ト加湿ユニット５３、５７の動作を間欠制御するための
装置であり、各種検出機器を用いて燃料電池の電流量等
を検知し、検知された電流量等を制御パラメータとし
て、ミスト加湿ユニット５３、５７に備えられる各ミス
ト発生器の作動数、作動能力、デューティ比を制御する
ようになっている。

【００４９】なお、ミスト加湿ユニット５３、５７を間
欠制御すると、加湿量を大幅かつ連続的に制御できると
いう利点があるが、大きな負荷変動を伴わない燃料電池
システム１０の場合には、加湿ユニット制御装置５４、
５８を用いてミスト加湿ユニット５３、５７を連続作動
させるようにしても良い。

【００５０】加湿水切り替え装置８１、８３は、それぞ
れ、加湿タンク８０ａ、８０ｂと、燃料電池４０内に設
けられる図示しない電池内保水タンクにつながれてお
り、加湿水切り替え装置８１、８３の給水経路を切り替
えることにより、加湿タンク８０ａ、８０ｂ内の水及び
電池内保水タンク内の水のいずれか一方、あるいは双方
をミスト加湿ユニット５３、５７に供給するようになっ
ている。

【００５１】従って、加湿水切り替え装置８１、８３を
電池内保水タンク側に切り替えれば、電池内保水タンク
内に溜まった水をミスト加湿ユニット５３、５７に還流
させることができる。

【００５２】なお、加湿水切り替え装置８１、８３と、
燃料極側及び空気極側にそれぞれ備えられる双方の電池
内保水タンクとを接続し、双方の電池内保水タンクに溜
まった水をミスト加湿ユニット５３、５７に還流させる
ようにしても良い。あるいは、加湿水切り替え装置８
１、８３といずれか一方の電池内保水タンクとを接続
し、一方の電池内保水タンクに溜まった水をミスト加湿
ユニット５３、５７に還流させるようにしても良い。

【００５３】また、図１においては、加湿水切り替え装
置８１、８３に、それぞれ別個の加湿タンク８０ａ、８
０ｂを接続しているが、双方の加湿水切り替え装置８
１、８３に１つの加湿タンクを接続し、燃料極側及び空
気極側で加湿タンクを共有しても良い。さらに、加湿タ
ンク８０ａ、８０ｂは、常温の水を貯留するようにして
も良く、ヒータ等を設けて温水を貯留するようにしても
良い。

【００５４】特に、加湿タンク８０ａ、８０ｂを常温で
管理する場合には、加湿タンク８０ａ、８０ｂから供給
される冷水をミスト化することにより、反応ガスの冷却
効果が期待できる。そのため、燃料電池４０には、通
常、燃料電池の温度を最適温度に維持するための冷却装
置（図示せず）が備えられているが、その冷却装置の負
荷を軽減できるという利点がある。

【００５５】また、加湿タンク８０ａ、８０ｂを常温管
理すると、加湿タンク８０ａ、８０ｂから供給される冷
水と、電池内保水タンクから還流される温水とを任意の
比率で混合することができるので、ミストの温度を任意
に調節することができ、ミストにより燃料電池４０の温
度調節を行うことができるという利点がある。

【００５６】次に、図１に示す燃料電池システム１０の
動作について説明する。まず、水供給装置２４及びメタ
ノール供給装置２６から供給される水及びメタノールを
改質原料混合装置２８で混合して改質ガス原料とし、こ
れを改質原料蒸発装置２２に供給する。

【００５７】改質原料蒸発装置２２では、図示しない蒸
発熱供給装置を用いて改質ガス原料に蒸発熱を与え、メ
タノール蒸気及び水蒸気の混合ガスを発生させる。発生
した混合ガスは、改質熱供給装置３２ａにより数百度に
加熱され、改質反応装置３２に送られる。改質反応装置
３２では、周知のように、次の化１の式に示す改質反応
が生じて改質ガスが発生する。

【００５８】

【化１】ＣＨ_３ＯＨ＋（Ｓ／Ｃ）Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
_２＋（Ｓ／Ｃ−１）Ｈ_２Ｏ

【００５９】ここで、化１式中の「Ｓ／Ｃ」は、投入燃
料中の炭素モル数に対する投入水蒸気モル数の比、すな
わちＳ／Ｃ比であり、一般に、Ｓ／Ｃ比が大きくなるほ
ど、熱負荷は増加するが、改質ガス中の一酸化炭素濃度
は減少する傾向にある。そのため、通常は、Ｓ／Ｃ比の
大きな条件下で改質反応が行われている。

【００６０】改質反応装置３２で得られた改質ガス中に
は、シフト反応により生成した一酸化炭素が数％含まれ
ているので、次に、ＣＯ酸化装置３４において、改質ガ
ス中の一酸化炭素の選択酸化を行う。

【００６１】一酸化炭素の選択酸化は、空気供給装置３
６から、改質ガス中の一酸化炭素濃度の約２倍の酸素量
に相当する空気を改質ガスに供給し、冷却装置３４ａに
よりＣＯ酸化装置３４の温度を一定に保ちながら、一酸
化炭素を酸化除去することにより行われる。これによ
り、改質ガス中の一酸化炭素濃度が数十ｐｐｍ以下まで
減少する。

【００６２】得られた改質ガスは、次に加湿循環装置５
２のミスト加湿ユニット５３に送られる。ミスト加湿ユ
ニット５３では、加湿水切り替え装置８１を用いて、図
示しない電池内保水タンク及び／又は加湿タンク８０ａ
から供給される水がミスト発生器によりミスト化され、
改質ガス中に添加される。燃料極側の加湿量の制御は、
後述するように、複数個設けられたミスト発生器の作動
数、作動能力、及びデューティ比を加湿ユニット制御装
置５４を用いて間欠制御することにより行われる。

【００６３】同様に、空気供給装置４８から供給される
空気は、加湿循環装置５６のミスト加湿ユニット５７送
られる。ミスト加湿ユニット５７では、加湿水切り替え
装置８３を用いて、図示しない電池内保水タンク及び／
又は加湿タンク８０ｂから供給される水がミスト発生器
によりミスト化され、空気中に添加される。空気極側の
加湿量の制御は、ミスト発生器の作動能力及びデューテ
ィ比を加湿ユニット制御装置５８を用いて間欠制御する
ことにより行われる。

【００６４】所定量のミストが添加された改質ガス及び
空気が燃料電池４０に供給されると、燃料極側で発生し
たプロトンが空気極側に移動し、空気極側の酸素と反応
して水が生成する。また、プロトンが空気極側に移動す
ることにより電位差が発生し、発生した電位差は、集電
体４４を介して電気出力として外部に取り出される。

【００６５】さらに、反応ガス中に添加されたミスト
は、直接、あるいは電池内部の熱を吸収して水蒸気とな
り、電極・電解質接合体４２に達する。また、電極・電
解質接合体４２に達した水分は、ガス拡散電極を通って
電解質膜に吸収される。これにより、電解質膜の含水率
が所定の値に維持される。

【００６６】燃料極側から排出されるガスは、背圧調整
弁４６で圧力を下げた後、バーナに送られ、排ガス中に
残留する水素が燃焼除去される。また、空気極側から排
出されるガスは、同じく背圧調整弁５０で圧力を下げた
後、排気ダクトから排出される。そして、燃料電池４０
が停止するまで、以上のようなプロセスが繰り返される
ものである。

【００６７】なお、図１に示す燃料電池システム１０に
おいては、燃料極側のミスト加湿ユニット５３をＣＯ酸
化装置３４と燃料電池４０の間に設ける構成としている
が、燃料極側のミスト加湿ユニット５３を改質反応装置
３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けるようにしてもよ
い。

【００６８】燃料極側のミスト加湿ユニット５３を改質
反応装置３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けると、改質
反応装置３２から供給される改質ガスがミスト添加によ
り冷却され、冷却された改質ガスがＣＯ酸化装置３４に
供給される。そのため、冷却装置３４ａの負荷が小さく
なり、エネルギー効率が向上するという利点がある。

【００６９】次に、加湿循環装置５２、５６の加湿量の
制御方法について説明する。本発明における加湿量の制
御は、基本的には、ミスト加湿ユニット５３、５７に備
えられるミスト発生器のＯＮ／ＯＦＦ動作を所定の周期
で繰り返す間欠制御により行う。

【００７０】また、燃料極側と空気極側では、加湿の目
的が異なることから、燃料極側の加湿量と空気極側の加
湿量とは、個別に制御される。この点、改質ガスへの加
湿量と空気への加湿量を同一とし、改質ガス及び空気へ
の総加湿量のみを制御する従来の加湿装置とは異なるも
のである。

【００７１】初めに、燃料極側の加湿循環装置５２の制
御方法について説明する。燃料電池４０が作動中は、プ
ロトンが燃料極側から空気極側に移動する際、水分子も
同時に空気極側に移動するので、燃料極側は、特に水分
量が不足する傾向にある。燃料極側への加湿は、このプ
ロトン移動により不足する水分量の供給を目的とするも
のである。

【００７２】水分子の移動量は、プロトン移動量、すな
わち電流量に比例するので、加湿量を一定にしたまま燃
料電池４０を高電流密度領域で作動させると、燃料極側
への供給水分量が相対的に不足する。

【００７３】燃料極側への供給水分量が不足すると、電
解質膜中の水分量不足を招き、電解質膜の抵抗増加及び
電圧低下を引き起こす。さらに、水分量が不足した場合
には、電池故障の原因となる。

【００７４】また、燃料電池４０を改質器システム２０
と結合させた燃料電池システム１０においては、通常
は、一酸化炭素濃度の低い改質ガスが安定して得られる
Ｓ／Ｃ比の高い条件下で改質反応が行われている。しか
し、例えば出力増加のために燃料供給量を急激に増加さ
せたい時などの改質過渡反応時には、改質ガス原料中の
水熱容量を小さくするために、意図的にＳ／Ｃ比を下げ
る場合がある。

【００７５】これは、改質過渡反応時に、高Ｓ／Ｃ比に
維持したまま改質反応装置に大量の改質ガス原料を供給
すると、熱量が不足し、改質ガス原料を改質反応に適し
た温度まで加熱することができないためである。

【００７６】しかしながら、改質反応のＳ／Ｃ比を下げ
た場合には、化１の式に示すように、同時に改質ガス中
に含まれる水蒸気量も少なくなる。そのため、電流量の
みでミストによる加湿量を制御すると、燃料極側に供給
される総加湿量が不足し、電圧低下や故障の原因とな
る。

【００７７】従って、燃料極側は、燃料電池４０の作動
状態、特に電流量に応じて加湿量を加減し、ミストを過
不足なく供給することが重要である。また、燃料電池４
０を改質器システム２０と結合させる場合には、電流量
に加え、改質反応のＳ／Ｃ比に応じて、加湿量を調節す
ることが重要である。

【００７８】そこで、本実施の形態では、負荷変動、あ
るいはＳ／Ｃ比の変動に応じて、加湿量を、連続的かつ
大幅に増減できるよう、燃料極側のミスト加湿ユニット
５３には、複数のミスト発生器が備えられている。ま
た、加湿量の制御は、各ミスト発生器の作動数、作動能
力及びデューティ比を制御することにより行う。

【００７９】例えば、ミスト発生器の作動数及び作動能
力を一定に保った状態で、各ミスト発生器のデューティ
比を個別に制御すれば、各ミスト発生器は、作動状態
（ＯＮ）と停止状態（ＯＦＦ）を間欠的に繰り返すだけ
であるが、デューティ比の大きなミスト発生器の数が多
くなるほど加湿量は増大する。従って、デューティ比の
異なるミスト発生器を間欠作動させるだけでも、系全体
の加湿量を連続的に変化させることができる。

【００８０】さらにデューティ比を制御することに加
え、ミスト発生器の作動数及び作動能力を燃料電池の作
動状況に応じて変化させれば、作動能力の制御範囲が小
さいミスト発生器を使用する場合であっても、改質ガス
への加湿量を、連続的かつ大幅に変化させることができ
る。

【００８１】これにより、車載動力源用の燃料電池シス
テムのように、大幅な負荷変動を伴う場合であっても、
燃料電池システムを安定して作動させることが可能とな
る。また、改質器システムを用いる燃料電池システムに
おいて、Ｓ／Ｃ比が変動した場合も同様であり、各ミス
ト発生器の作動数、作動能力、デューティ比を個別に制
御することにより、Ｓ／Ｃ比の変動に対応してミストを
過不足なく添加すれば、燃料電池システムを安定して作
動させることが可能となる。

【００８２】この場合、負荷変動に伴う燃料極側の加湿
量を決定するパラメータとしては、電流量、水素消費
量、水素供給量等を用いることができる。具体的には、
パラメータとして水素消費量を用い、プロトン移動及び
バックリフュージョンを考慮して、水素消費量に比例し
てミストによる加湿量を加減するとよい。

【００８３】また、Ｓ／Ｃ比が変動する場合には、電流
量、水素消費量又は水素供給量をパラメータに用いて、
改質ガスへの総加湿量を算出し、さらに、電流変化速度
及び電流量（水素供給量）を用いて、改質反応による水
蒸気量とミストによる加湿量の和が総加湿量に一致する
ように、加湿量の分配比率を決定するとよい。

【００８４】一般的には、電流変化速度が大きくなるほ
ど、Ｓ／Ｃ比を小さくし、ミストによる加湿量を増加さ
せるとよい。Ｓ／Ｃ比を小さくすると、改質ガス原料の
熱容量が小さくなるので、改質原料蒸発装置２２の温度
が低い場合であっても改質ガス原料の昇温時間を短縮で
きる。そのため、急激な負荷変動があっても、大量の燃
料を迅速に供給でき、燃料電池４０を安定して作動させ
ることができる。

【００８５】また、電流量が多くなるほど、Ｓ／Ｃ比を
小さくし、ミストによる加湿量を増加させるとよい。Ｓ
／Ｃ比を小さくすることにより、改質ガス原料の熱容量
が小さくなるので、熱負荷が同一であっても改質ガス原
料の供給量を増加させることができる。

【００８６】そのため、改質原料蒸発装置２２に備えら
れる蒸発熱供給装置の蒸発能力に制約がある場合であっ
ても、改質反応装置３２に多量の改質ガス原料を供給す
ることができ、燃料電池４０を高電流密度領域で安定し
て作動させることができる。

【００８７】なお、大きな負荷変動を伴わない用途に用
いられる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側の
ミスト加湿ユニット５３の各ミスト発生器を連続作動さ
せると共に、作動数及び／又は作動能力のみを制御する
ことにより、加湿量を増減させるようにしても良い。

【００８８】次に、空気極側の加湿循環装置５６の制御
方法について説明する。空気極側への加湿は、始動時、
乾燥状態にある電解質膜を速やかに加湿し、プロトンの
スムーズな移動を補助することを目的とする。これは、
燃料電池４０が停止している場合には、通常、電解質膜
は乾燥状態にあるが、電解質膜が乾燥していると、燃料
電池４０は、安定して始動しないためである。

【００８９】また、安定作動時は、空気極側では電極反
応により水が生成するため、加湿は不要である。むし
ろ、高電流密度状態や供給ガス不足状態において、空気
極側を加湿すると、生成水と供給加湿水及びガスの排出
能力とのバランスによりフラッディングが発生する場合
がある。フラッディングは、流路に発生した液体水によ
りガス閉塞を起こす現象であるが、ガス閉塞は、積層ス
タックの一部に発生するため、局所的に電池出力を低下
させる原因となる。

【００９０】一方、高電流密度状態や供給ガス不足状態
では、内部発熱（発電ロス）により空気極側が乾燥傾向
を示すことがある。この場合に適切な処置を行わない
と、抵抗増加や電圧低下を引き起こし、さらに進むと電
池故障の原因となる。

【００９１】従って、空気極側は、始動時には大量の加
湿水分を供給し、電解質膜の湿潤を短時間で確保するこ
とが重要である。また、フラッディングを抑制するため
には、安定作動時には空気極側の加湿を行わず、空気極
側に存在する水の気化除去を促進することが重要であ
る。さらに、電極乾燥時には、空気極側に適切な加湿補
給を行うことが重要となる。

【００９２】そこで、本実施の形態では、必要な時に十
分な加湿が速やかに行えるよう、空気極側のミスト加湿
ユニット５７には、十分な作動能力を有する１個のミス
ト発生器が備えられている。また、加湿量の制御は、ミ
スト発生器の作動能力及びデューティ比を制御すること
により行う。

【００９３】すなわち、始動時は、電解質膜が乾燥して
いるので、始動と同時にミスト発生器を連続作動、ある
いは高デューティ比、高作動能力で作動させ、電解質膜
に多量の加湿水分を短時間で供給すればよい。これによ
り、始動時における電解質膜の乾燥状態が短時間で解消
され、燃料電池４０の始動性が向上する。

【００９４】また、燃料電池４０の安定作動時には、電
極反応により水が生成しており、加湿は不要であるの
で、ミスト発生器を停止させればよい。また、高電流密
度状態等、空気極側が乾燥傾向にある場合にのみミスト
発生器を作動させ、加湿量の増減は、デューティ比及び
作動能力を調節することにより行えばよい。

【００９５】これにより、安定作動時には、空気極流路
内での水の気化除去が促進され、フラッディングを防止
することができる。また、高電流密度状態や供給ガス不
足状態では、電解質膜の乾燥に起因する電圧低下が抑制
され、燃料電池システムを安定して作動させることが可
能となる。

【００９６】この場合、空気極側の加湿量を決定するパ
ラメータとしては、電解質膜中の含水率を用いるとよ
い。含水率は、電池セル抵抗、作動温度、電流条件等を
用いて算出する。そして、電解質膜中の含水率が、ある
「しきい値」より小さくなった場合にはミスト発生器を
作動させ、含水率が「しきい値」以上である場合にはミ
スト発生器を停止させればよい。また、含水率としきい
値との差が大きくなるほど、デューティ比及び／又は作
動能力を大きくし、単位時間当たりの加湿量を大きくす
ると良い。

【００９７】以上のように、燃料極側の加湿量と空気極
側の加湿量を分離制御すると同時に、ミスト加湿ユニッ
ト５２、５６を間欠作動させれば、燃料電池の始動性、
作動安定性の向上を図ることができる。

【００９８】また、燃料極側及び空気極側ともに、加湿
が必要となったときにのみ、ミスト発生器を作動させれ
ばよいので、ミスト加湿ユニット５３、５７の総作動時
間が短縮され、低消費動力化を図ることが可能となる。

【００９９】さらに、ミスト加湿ユニット５２、５６を
間欠作動させることにより、加湿量を大幅に可変できる
ので、安全率を見込んで加湿量を過剰にする必要がな
い。そのため、加湿水の保水量を最小にすることがで
き、燃料電池システム１０全体を小型化することができ
る。

【０１００】次に、加湿循環装置５２、５７に備えられ
るミスト加湿ユニット５３、５７への水の供給方法につ
いて、具体的に説明する。図２は、本発明に係る加湿循
環装置５２、５６を備えた燃料電池システム１０のブロ
ック構成図である。

【０１０１】図２に示す燃料電池システム１０におい
て、燃料電池４０内部には、電池内保水タンク４０ａ、
４０ｂが設けられ、それぞれ、燃料極側及び空気極側で
生成した水を貯留できるようになっている。

【０１０２】また、燃料極側の加湿循環装置５２は、ミ
スト加湿ユニット５３、加湿ユニット制御装置５４、加
湿量算出装置６３、加湿タンク８０、加湿水切り替え装
置８１及び加湿水供給装置８２を備えている。

【０１０３】加湿水切り替え装置８１は、加湿タンク８
０、燃料極側の電池内保水タンク（以下、単に「燃料極
保水タンク」という）４０ａ、及び空気極側の電池保水
タンク（以下、単に「空気極保水タンク」という）４０
ｂに接続されており、これらのタンクの内、いずれか１
以上のタンクに蓄えられた水を加湿水供給装置８２を介
して、ミスト加湿ユニット５３に供給できるようになっ
ている。

【０１０４】従って、加湿水切り替え装置８１に燃料極
保水タンク４０ａ及び／又は空気極保水タンク４０ｂを
接続すれば、燃料電池４０内の温水をミスト加湿ユニッ
ト５３に還流させることができる。また、本実施の形態
の場合、加湿タンク８０は、常温で管理されているの
で、加湿水切り替え装置８１に、加湿タンク８０を接続
すれば、ミスト加湿ユニット５３に、常温に管理された
冷水を供給することができる。

【０１０５】さらに、加湿水切り替え装置８１に、加湿
タンク８０と燃料極保水タンク４０ａ及び／又は空気極
保水タンク４０ｂの双方を接続すれば、常温に管理され
た加湿タンク８０内の冷水と、燃料電池４０から排出さ
れる温水とを任意の比率で混合し、混合された水をミス
ト加湿ユニット５３に供給することができる。

【０１０６】また、空気極側の加湿循環装置５６は、ミ
スト加湿ユニット５７、加湿ユニット制御装置５８、加
湿量算出装置７５、加湿タンク８０、加湿水切り替え装
置８３、及び加湿水供給装置８４を備えており、燃料極
側の加湿装置５２とは、加湿タンク８０を共有する構成
になっている。

【０１０７】加湿水切り替え装置８３は、加湿タンク８
０、及び空気極保水タンク４０ｂに接続されており、こ
れらのタンクの内、いずれか１以上のタンクに蓄えられ
た水を加湿水供給装置８４を介して、ミスト加湿ユニッ
ト５７に供給できるようになっている。

【０１０８】従って、加湿水切り替え装置８３に空気極
保水タンク４０ｂを接続すれば、燃料電池４０内の温水
をミスト加湿ユニット５７に還流させることができ、加
湿水切り替え装置８３に加湿タンク８０を接続すれば、
ミスト加湿ユニット５３に、冷水を供給することができ
る。また、加湿水切り替え装置８３に、加湿タンク８０
と空気極保水タンク４０ｂの双方を接続すれば、冷水と
温水とを任意の比率でミスト加湿ユニット５７に供給す
ることができる。

【０１０９】次に、始動時におけるミスト加湿ユニット
５３、５７への水の供給手順について説明する。まず、
燃料電池システム１０の制御を開始した直後は、図２に
示すように、燃料極側の加湿水切り替え装置８１及び空
気極側の加湿水切り替え装置８２に加湿タンク８０を接
続し、加湿タンク８０内の水が、加湿水供給装置８２及
び８４を介して、それぞれミスト加湿ユニット５３及び
５７に供給される状態にする。

【０１１０】次いで、燃料極側に設けられた水素量制御
装置６５により、指示された出力を得るために必要な水
素量（以下、これを「必要水素流量という」）に相当す
る燃料ガスがミスト加湿ユニット５３に供給される。

【０１１１】加湿量算出装置６３では、水素量制御装置
６５から供給される必要水素流量に基づき、プロトン移
動及びバックリフュージョンを考慮し、水素消費量に比
例した加湿水分量を算出する。算出された加湿水分量
は、加湿装置５２の加湿ユニット制御装置５４に出力さ
れる。なお、水素供給源として、図１に示す改質器シス
テム２０を用いる場合には、加湿水分量の算出に際し、
改質反応のＳ／Ｃ比を考慮するとよい。

【０１１２】加湿ユニット制御装置５４では、加湿量算
出装置６３で算出された加湿水分量に相当するミストが
燃料ガスに供給されるよう、ミスト加湿ユニット５３に
備えられるミスト発生器の作動数、作動能力及びデュー
ティ比を決定する。

【０１１３】ミスト加湿ユニット５３では、加湿ユニッ
ト制御装置５４で決定された作動数、作動能力及びデュ
ーティ比に従って各ミスト発生器を作動させる。そし
て、加湿タンク８０から供給される冷水をミスト化し、
発生したミストを、燃料ガスと共に燃料電池４０の燃料
極側に供給する。

【０１１４】一方、空気極側に設けられた空気量制御装
置７１では、指示された出力を得るために必要な空気流
量（以下、これを「必要空気流量」という）に相当する
空気を加湿装置５６のミスト加湿ユニット５７に供給す
る。

【０１１５】ミスト加湿ユニット５７では、加湿タンク
８０から供給される冷水をミスト化し、空気量制御装置
７１から供給される空気に添加する。始動直後において
は、電解質膜の湿潤を短時間で確保することが重要であ
るので、この場合には、ミスト加湿ユニット５７を最大
作動能力で連続作動させるとよい。そして、加湿タンク
８０から供給される冷水をミスト化し、発生した多量の
ミストを、空気と共に燃料電池４０の空気極側に供給す
る。

【０１１６】以上のように、始動直後に、燃料極側のミ
スト加湿ユニット５３を負荷に応じて作動させると共
に、空気極側のミスト加湿ユニット５７を連続作動させ
れば、電解質膜を短時間で湿潤させることが可能とな
る。

【０１１７】次に、昇温過程におけるミスト加湿ユニッ
ト５３、５７への水の供給手順について説明する。始動
直後に燃料電池４０に多量のミストを供給した後、昇温
過程においては、燃料極側のミスト加湿ユニット５３へ
の給水経路を切り替え、図３に示すように、燃料極側の
加湿水切り替え装置８１に燃料極保水タンク４０ａ及び
空気極保水タンク４０ｂを接続し、燃料電池４０内の水
が加湿供給装置８２を介して、ミスト加湿ユニット５３
に供給される状態にする。

【０１１８】次いで、燃料極側のミスト加湿ユニット５
３を、上述と同様の手順に従い、負荷に応じて作動させ
る。そして、燃料極保水タンク４０ａ及び空気極保水タ
ンク４０ｂから供給される燃料電池４０内の温水をミス
ト化し、発生したミストを、燃料ガスと共に燃料電池４
０の燃料極側に供給する。

【０１１９】また、空気極側では、加湿水切り替え装置
８３と加湿タンク８０及び空気極保水タンク４０ｂとの
接続を解除する。接続が解除されると、加湿ユニット制
御装置５８からミスト加湿ユニット５７に加湿信号ＯＦ
Ｆが出力されるので、空気極側には、ミストが添加され
ていない空気が空気量制御装置７１を介してそのまま供
給される。

【０１２０】これにより、燃料極側においては、水が燃
料電池４０とミスト加湿ユニット５３との間を循環し、
燃料電池４０内部の熱が有効に回収・再利用されるの
で、冷水をミスト化する場合と異なり、昇温過程におけ
る燃料電池４０の温度低下を軽減することができる。

【０１２１】また、空気極側においては、電解質膜の空
気極側の含水率が低下して高抵抗となり、電解質膜が発
熱するので、さらに燃料電池４０内部の温度の上昇速度
が速くなり、燃料電池４０を短時間で作動温度まで昇温
させることができる。

【０１２２】以上のように、昇温時においては、燃料電
池４０内の水をミスト加湿ユニット５３に還流させると
同時に、空気極側のミスト加湿ユニット５７への給水を
停止すれば、燃料電池の昇温時間を大幅に短縮すること
ができる。また、燃料電池４０内部で発生する熱を有効
利用できるので、燃料電池システム１０全体のエネルギ
ー効率を向上させることができる。

【０１２３】次に、温度安定過程におけるミスト加湿ユ
ニット５３、５７への水の供給手順について説明する。
燃料電池４０の温度が十分高くなり、作動状態が安定し
た場合には、図２と同様の給水経路に再度切り替える。
すなわち、燃料極側の加湿水切り替え装置８１及び空気
極側の加湿水切り替え装置８２に加湿タンク８０を接続
し、加湿タンク８０内の水が、加湿水供給装置８２及び
８４を介して、それぞれミスト加湿ユニット５３及び５
７に供給される状態にする。

【０１２４】次いで、燃料極側のミスト加湿ユニット５
３を、上述と同様の手順に従い、負荷に応じて作動させ
る。そして、加湿タンク８０から供給される冷水をミス
ト化し、発生したミストを、燃料ガスと共に燃料電池４
０の燃料極側に供給する。

【０１２５】これに対し、空気極側では、加湿量制御装
置７５において、燃料電池４０の電池セル抵抗を検出
し、検出された電池セル抵抗に基づいて電解質膜の含水
率を算出し、算出された含水率と予め定められた「しき
い値」との大小関係を判別することにより、空気極側の
加湿水分量を算出する。

【０１２６】加湿ユニット制御装置５８では、加湿量制
御装置７５で算出された加湿水分量に相当するミストが
空気に供給されるよう、ミスト加湿ユニット５７に備え
られるミスト発生器の作動能力及びデューティ比を決定
する。

【０１２７】ミスト加湿ユニット５７では、加湿ユニッ
ト制御装置５８で決定された作動能力及びデューティ比
に従ってミスト発生器を作動させ、加湿タンク８０から
供給される冷水をミスト化する。そして、発生した多量
のミストを、空気量制御装置７１から供給される空気に
添加し、空気と共に燃料電池４０の空気極側に供給す
る。

【０１２８】以上のように、温度安定時においては、ミ
スト加湿ユニット５３、５７により、ミストが過不足な
く反応ガスに添加されるので、加湿不足に起因する出力
低下や、フラッディングに起因する出力低下が生ずるこ
とがなく、燃料電池４０を安定して作動させることが可
能となる。

【０１２９】また、ミストを過不足なく反応ガスに添加
できるので、安全率を見込んで過剰に加湿していた従来
の加湿装置に比較して、加湿タンク８０の保水量を少な
くすることができる。そのため、加湿タンク８０の容量
を小さくすることができ、燃料電池システム１０全体を
小型化することができる。

【０１３０】さらに、温度安定過程において冷水をミス
ト化すると、ミストが反応ガスから蒸発熱を奪うので、
ミストにより反応ガスを冷却することができる。そのた
め、燃料電池４０を冷却するための冷却装置（図示せ
ず）の容量を小さくすることができ、燃料電池システム
１０を小型化することができる。

【０１３１】なお、燃料電池４０の温度が過度に低下し
た場合には、加湿水切り替え装置８１、８３を燃料極保
水タンク４０ａ及び／又は空気極保水タンク４０ｂ側に
切り替え、燃料電池４０内部の温水を循環させるように
するとよい。

【０１３２】次に、再起動過程におけるミスト加湿ユニ
ット５３、５７への水の供給手順について説明する。再
起動時においては、燃料電池４０内に温水が残留してい
るので、再起動に際しては、その温水の持つ熱量を利用
する。

【０１３３】すなわち、図４に示すように、燃料極側の
ミスト加湿ユニット５３への給水経路を切り替え、燃料
極側の加湿水切り替え装置８１に燃料極保水タンク４０
ａのみを接続し、燃料極保水タンク４０ａ内の水が加湿
供給装置８２を介して、ミスト加湿ユニット５３に供給
される状態にする。

【０１３４】次いで、燃料極側のミスト加湿ユニット５
３を、上述と同様の手順に従い、負荷に応じて作動させ
る。そして、燃料極保水タンク４０ａから供給される燃
料極保水タンク４０ａ内の温水をミスト化し、発生した
ミストを、燃料ガスと共に燃料電池４０の燃料極側に供
給する。

【０１３５】また、空気極側では、加湿水切り替え装置
８３に空気極保水タンク４０ｂを接続し、空気極保水タ
ンク４０ｂ内の水が加湿供給装置８４を介して、ミスト
加湿ユニット５７に供給される状態にする。

【０１３６】そして、再起動直後は、ミスト加湿ユニッ
ト５７を最大作動能力で連続作動させ、空気極保水タン
ク４０ｂから供給される温水をミスト化し、発生したミ
ストを、空気と共に燃料電池４０の空気極側に供給す
る。これにより、電池温度を低下させることなく短時間
で電解質膜の湿潤が確保される。

【０１３７】さらに、電解質膜の湿潤が確保された後
は、図３に示すような給水経路に切り替え、燃料ガスに
燃料極保水タンク４０ａ及び空気極保水タンク４０ｂの
温水を用いて発生させたミストを添加すると共に、空気
極側の加湿を停止させる。なお、電池燃料極・空気極保
水タンク中の水分量が不足している場合には、外部タン
クから一度、燃料電池内部に水分を供給し、余熱後に使
用するとよい。

【０１３８】これにより、燃料電池４０内部に残留する
温水の持つ熱量の有効利用が図られ、再起動後の昇温時
間をさらに短縮することができると共に、エネルギー効
率も向上する。

【０１３９】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。

【０１４０】例えば、上記実施の形態では、車載動力源
用の燃料電池システムに本発明に係る加湿循環装置を適
用した例について詳細に説明したが、他の用途、例えば
定置型の小型発電器等に本発明に係る加湿循環装置を適
用する場合も同様であり、始動時にはミスト加湿により
電解質膜を短時間で湿潤させ、昇温時には燃料電池内の
温水をミスト加湿ユニットに還流させ、さらに温度安定
には燃料電池の温度に応じて、冷水と燃料電池から還流
される温水を任意に混合してミスト加湿ユニットに供給
すれば、燃料電池システムの始動性、作動安定性、再起
動性を飛躍的に向上させることができる。

【０１４１】また、上記実施の形態では、固体高分子型
燃料電池を用いた燃料電池システムについて説明した
が、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等、電解質
の水管理が必要な他の燃料電池の場合も同様であり、燃
料電池内部の保水タンクと常温水を貯留する加湿タンク
との切り替え制御装置を備えた加湿循環装置を用いて反
応ガスを加湿すれば、上記実施の形態と同様の効果を得
ることができる。

【０１４２】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃
料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミス
トを添加するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の燃
料極及び／又は空気極から排出される高温水と加湿タン
クに蓄えられる常温水の少なくとも一方を前記ミスト加
湿ユニットに供給する切り替え制御装置とを備えている
ので、ミスト加湿により短時間で電解質膜の湿潤が確保
されると同時に、燃料電池の温度が短時間で作動温度ま
で上昇し、燃料電池の始動性が向上するという効果があ
る。

【０１４３】また、従来、廃棄されていた燃料電池内の
高温水が切り替え制御装置を介して再利用されるので、
燃料電池システムに保有させる加湿水の水量を削減する
ことができ、燃料電池システム全体を小型化することが
できるという効果がある。

【０１４４】さらに、燃料電池内の高温水を燃料電池に
環流させる切り替え制御装置を備えていることにより、
従来、水と共に廃棄されていた燃料電池内の熱の回収・
再利用を図ることができ、燃料電池システムのエネルギ
ー効率を向上させることができるという効果がある。

【０１４５】以上のように、本発明に係る燃料電池用加
湿循環装置よれば、燃料電池の始動性、エネルギー効率
が向上し、しかも燃料電池システム全体の小型化が可能
となるので、これを例えば、車載動力源用の燃料電池シ
ステムに応用すれば、自動車の操作性の向上、軽量化、
燃費の向上等に寄与するものであり、産業上その効果の
極めて大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池システムのシステム構成
図である。

【図２】始動時及び温度安定過程におけるミスト加湿ユ
ニットへの水の供給経路を説明するためのブロック構成
図である。

【図３】昇温過程におけるミスト加湿ユニットへの水の
供給経路を説明するためのブロック構成図である。

【図４】再起動過程におけるミスト加湿ユニットへの水
の供給経路を説明するためのブロック構成図である。

【符号の説明】

１０ 燃料電池システム ２０ 改質器システム ４０ 固体高分子型燃料電池（燃料
電池） ４０ａ 電池内保水タンク（燃料極保
水タンク） ４０ｂ 電池内保水タンク（空気極保
水タンク） ５２、５６ 加湿装置 ５３、５７ ミスト加湿ユニット ５４、５８ 加湿ユニット制御装置 ８０ 加湿タンク ８１、８３ 加湿水切り替え装置（切り替
え制御装置） ８２、８４ 加湿水供給装置

フロントページの続き (72)発明者 若杉 知寿 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 朝岡 賢彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 廣嶋 一崇 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大矢 豊 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 山田 勝仁 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 BA16 CC06 MM01 MM03 MM08

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池に備えられる電解質に供給され
   る反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、 前記燃料電池の燃料極及び／又は空気極から排出される
   高温水と加湿タンクに蓄えられる常温水の少なくとも一
   方を前記ミスト加湿ユニットに供給する切り替え制御装
   置とを備えていることを特徴とする燃料電池用加湿循環
   装置。