JP2001143732A - 固体高分子型燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

固体高分子型燃料電池発電システム及びその運転方法

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JP2001143732A
JP2001143732A JP32254699A JP32254699A JP2001143732A JP 2001143732 A JP2001143732 A JP 2001143732A JP 32254699 A JP32254699 A JP 32254699A JP 32254699 A JP32254699 A JP 32254699A JP 2001143732 A JP2001143732 A JP 2001143732A
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main body
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controlling
supply
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Takeshi Kuwabara
武 桑原
Tsutomu Aoki
努 青木
Taiji Kogami
泰司 小上
Katsunori Sakai
勝則 酒井
Michio Hori
美知郎 堀
Kazutoshi Goto
一敏 後藤
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】長時間安定した発電特性を有する固体高分子型
燃料電池発電システムを得ることにある。 【解決手段】燃料電池本体の燃料ライン及び空気ライン
の少なくとも何れか一方のガスの利用率を制御する手段
を具備し、燃料電池本体の燃料及び空気の少なくいずれ
か一方の出口の湿度を抑制する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、長期間安定に運転
するための固体高分子型燃料電池発電システム及びその
運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の燃料電池発電システムと
しては、燃料ライン、又は空気ライン、或いはこれら両
ラインの電池本体入口側に外部から加湿する外部加湿装
置を具備するか、又は電池本体内部においてそれぞれの
極室に直接水分を供給して内部を加湿する機能を持たせ
た方式の燃料電池発電システムが提案されている。
【０００３】上記加湿方式の他の方法として、燃料ライ
ン、又は空気ライン、或いはこれら両ラインに電池本体
の排出ガスを入口側に再循環させる再循環ループ(以
降、リサイクルループと称す)を設け、水分を含有する電
池排出ガスをそれぞれ供給ラインに再循環させる機能を
持たせた事例が開示されている。
【０００４】例えば特開平５―９４８３２号公報に示さ
れている加湿方法は、リサイクルループ内に加湿器を設
け、外部から供給されるガスに対して加湿を兼ねるよう
にしたものであり、また特開平９―１８０７４３号公報
に示されている加湿方法はリサイクルループ内に凝縮器
を装備し、この凝縮器の温度を制御することにより、電
池入口の供給ガスの湿度を制御するようにしたものであ
る。
【０００５】また、特開平５―１４４４５１号公報及び
ＵＳＰ第５５４７７７６号公報に示されている加湿方法
は、冷却水入口の低温領域から反応ガスを供給し、冷却
水出口に当たる高温領域から反応生成水によって水蒸気
分圧が高くなった反応ガスを排出する構成を取ることに
より、面内温度分布と面内湿度分布とを互いに一致させ
て生成水の有効利用を考慮したシステムが開示されてい
る。
【０００６】しかしながら、いずれの事例も電池内部の
相対湿度について定量的に扱う内容ではない。一方、こ
れらの発電システムでは、発電効率を高く維持するため
に、燃料及び空気の利用率を高くした運転が要求されて
いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記発電システムの特
に加圧システムにおいて、多くの場合供給空気の加湿は
実施されず、比較的高い空気利用率で運転される場合に
おいても、空気入口領域では高分子電解質膜は乾燥方向
に移動し、プロトン伝導性が低下するため、電池として
の機能が阻害される。
【０００８】一方、空気出口領域では、反応生成水が排
出されることから水蒸気分圧が高くなり、高分子電解質
膜は湿潤方向に移動し、電極触媒層中の水分が増え、電
極へのガス拡散が阻害されるいわゆる“ラッデイング状
態”が発生して電池としての機能が阻害される場合が生
ずる。その結果、電池本体の入口領域と出口領域がとも
に局部的に電池としての機能が阻害されることになり、
極端な場合には運転不可能なまでに電池電圧特性が低下
する問題があった。
【０００９】本発明は上記のような問題点を解消するた
め、電池反応部全面にわたって接する反応ガスの相対湿
度を目標値以内に制御する機能を持たせ、発電システム
を正常な運転状態に維持することにより、発電システム
を長期的に安定に運転することができる固体高分子型燃
料電池発電システム及びその運転方法を提供することを
目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明等は、固体高分子
型燃料電池発電システムの運転温度、水蒸気分圧の影響
をパラメータにして多くの実験を重ねた結果、運転温度
によらず、早退湿度によって固体高分子電解質膜のプロ
トン伝導性が決まることを見出だし、以下のような発明
がなされたものである。
【００１１】請求項１に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電
池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷
却室への冷却水供給手段を含むそれぞれの流体の供給ラ
インと、それらの流体を前記燃料電池本体から排出する
排出ラインと、前記各手段を運転及び監視して制御する
制御装置とを備え、前記制御装置は、カソード空気利用
率及びアノード燃料利用率の少なくとも一方を制御する
機能を有し、これらの機能により電池反応部全面に接す
る反応ガスの相対湿度を予め設定した範囲に制御する。
【００１２】請求項２に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電
池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷
却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する
制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これら
の流体を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、
前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置とを備
え、前記制御装置は、カソード空気利用率及びアノード
燃料利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、こ
れらの機能により電池反応部全面に接する反応ガスの相
対湿度を予め設定した範囲に制御する。
【００１３】請求項３に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
天然ガス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガス
を水素リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本
体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソー
ドへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水
供給手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、それら
の流体を電池本体から排出する排出ラインと、前記各手
段を運転及び監視して制御する制御装置とを備え、前記
制御装置は、カソードの空気利用率及びアノードの燃料
利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、これら
の機能により電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿
度を予め設定した範囲に制御する。
【００１４】請求項４に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
天然ガス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガス
を水素リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本
体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソー
ドへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水
供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含む
それぞれの流体の供給ラインと、これらの流体を前記燃
料電池本体から排出する排出ラインと、前記各手段を運
転及び監視して制御する制御装置とを備え、前記制御装
置は、カソードの空気利用率及びアノードの燃料利用率
の少なくとも一方を制御する機能を有し、これらの機能
により電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予
め設定した範囲に制御する。
【００１５】上記請求項１乃至請求項４に対応する発明
の固体高分子型燃料電池発電システムにあっては、制御
装置により流量調節弁によりガス流量を制御し、燃料電
池本体より負荷に流れる負荷電流を比較計算してガス利
用率および出口部の水蒸気分圧を計算し、予め記憶部に
設定値として記憶されている水蒸気分圧と比較演算し、
その演算結果に基づいてガス流量を制御することによ
り、燃料電池本体の出口部の相対湿度を適切な範囲に入
れることができる。
【００１６】また、ガス流量制御手段としては、流量調
節弁のほかにブロワーの回転数を制御することもでき
る。
【００１７】請求項５に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本
体のカソードへの空気供給手段及び燃料電池本体の冷却
室への冷却水供給手段系を含むそれぞれの流体の供給ラ
インと、それらの流体を前記燃料電池本体から排出する
排出ラインと、前記燃料電池本体のカソードあるいはア
ノードの少なくともいすれか一方の出口ラインから入口
ラインに燃料電池本体から排出される反応済みの排ガス
を再循環させる循環ラインと、前記各手段を運転及び監
視して制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前
記循環ラインの循環量を制御して電池反応部全面に接す
る反応ガスの相対湿度を予め設定した範囲内に制御す
る。
【００１８】請求項６に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電
池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷
却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する
制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これら
の流体を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、
前記燃料電池本体のカソードあるいはアノードの少なく
ともいすれか一方の出口ラインから入口ラインに燃料電
池本体から排出される反応済みの排ガスを再循環する循
環ラインと、前記各手段を運転及び監視して制御する制
御装置とを備え、前記制御装置は、前記循環ラインの循
環量を制御して電池反応部全面に接する反応ガスの相対
湿度を予め設定した範囲内に制御する。
【００１９】請求項７に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
天然ガス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガス
を水素リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本
体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソー
ドへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水
供給手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これら
の流体を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、
前記燃料電池本体のカソードあるいはアノードの少なく
ともいすれか一方の出口ラインから入口ラインに燃料電
池本体から排出される反応済みの排ガスを再循環する循
環ラインと、前記各手段を運転及び監視して制御する制
御装置とを備え、前記制御装置は、前記再循環ラインの
循環量を制御して電池反応部全面に接する反応ガスの相
対湿度を予め設定した範囲内に制御する。
【００２０】請求項８に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
天然ガス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガス
を水素リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本
体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソー
ドへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水
供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含む
それぞれの流体の供給ラインと、これらの流体を前記燃
料電池本体から排出する排出ラインと、前記燃料電池本
体のカソードあるいはアノードの少なくともいすれか一
方の出口ラインから入口ラインに燃料電池本体から排出
される反応済みの排ガスを再循環する循環ラインと、前
記各手段を運転及び監視して制御する制御装置とを備
え、前記制御装置は、前記循環ラインの循環量を制御し
て電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設
定した値に制御する手段を有する。
【００２１】上記請求項５乃至請求項８に対応する発明
の固体高分子型燃料電池発電システムにあっては、制御
装置により燃料電池本体の出口部の反応生成水を含む排
出ガスを出口ラインから入口ラインに再循環する循環量
と出口部の水蒸気分圧から燃料電池本体の入口および出
口部の相対湿度を演算し、予め記憶部に設定範囲として
記憶されている湿度範囲になるように循環流量を演算制
御する。その結果、燃料電池本体の入口部および出口部
の相対湿度が適正範囲に制御される。
【００２２】請求項９に対応する発明の固体高分子型燃
料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体と、
燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本
体のカソードへの空気供給手段及び燃料電池本体の冷却
室への冷却水供給手段系を含むそれぞれの流体の供給ラ
インと、それらの流体を前記燃料電池本体から排出する
排出ラインと、前記燃料電池本体のカソードあるいはア
ノードの少なくともいすれか一方の出口ラインから入口
ラインに燃料電池本体から排出される反応済みの排ガス
を再循環させる循環ラインと、前記各手段を運転及び監
視して制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前
記燃料電池本体のカソードの空気利用率及びアノードの
燃料利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、こ
れらの機能により前記循環ラインの循環流量と供給ガス
流量を制御してガス利用率を制御することによって、電
池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定し
た範囲に制御する。
【００２３】請求項１０に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体
と、この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃
料電池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体
の冷却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御
する制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、こ
れらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライン
と、前記燃料電池本体のカソードあるいはアノードの少
なくともいすれか一方の出口ラインから入口ラインに燃
料電池本体から排出される反応済みの排ガスを再循環す
る循環ラインと、前記各手段を運転及び監視して制御す
る制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池本
体のカソードの空気利用率及びアノードの燃料利用率の
少なくとも一方を制御する機能を有し、これらの機能に
より前記循環ラインの循環流量と供給ガス流量を制御し
てガス利用率を制御することによって、電池反応部全面
に接する反応ガスの相対湿度を予め設定した範囲に制御
する。
【００２４】上記請求項９及び請求項１０に対応する発
明の固体高分子型燃料電池発電システムにあっては、反
応ガスの利用率及びリサイクル流量を制御することによ
り、燃料電池本体の入口ぶ及び出口部の相対湿度の制御
範囲をさらに広げることができる。
【００２５】請求項１１に対応する発明は、請求項１及
至請求項１０のいずれかの項に対応する発明の固体高分
子型燃料電池発電システムにおいて、予め設定された相
対湿度範囲に関し、電池全面に接する反応ガスの相対湿
度の幅が２０％以内、望ましくは５％から１５％の範囲
とする。
【００２６】請求項１１に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムにあっては、最適な相対湿度に制
御維持した運転が可能となり、長時間安定に運転するこ
とができる。
【００２７】請求項１２に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体
と、この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃
料電池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体
の冷却室への冷却水供給手段を含むそれぞれの流体の供
給ラインと、それらの流体を前記燃料電池本体から排出
する排出ラインと、前記各手段を運転及び監視して制御
する制御装置とを備え、且つ前記燃料電池本体のカソー
ドへの空気入口部と燃料電池本体の冷却室への冷却水入
口部を、またカソードの反応済みの排空気出口部と冷却
室の冷却水出口部をそれぞれ対応させた構成となした固
体高分子型燃料電池発電システムにおいて、前記制御装
置は、冷却水温度を制御することによって、電池反応部
全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定した範囲に
制御するに際して、前記カソードへの空気入口部と出口
部の相対湿度の差が２０％以内となるように制御する。
【００２８】請求項１２に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムにあっては、制御装置により冷却
水温度を制御することにより、燃料電池本体の入口部及
び出口部の水蒸気分圧と燃料電池本体の温度を比較演算
して相対湿度が適正範囲に入るように制御することがで
きる。
【００２９】請求項１３に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体
と、この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃
料電池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体
の冷却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御
する制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、こ
れらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライン
と、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置と
を備え、且つ前記燃料電池本体のカソードへの空気入口
部と燃料電池本体の冷却室への冷却水入口部を、またカ
ソードの反応済みの排空気出口部と冷却室の冷却水出口
部をそれぞれ対応させた構成となした固体高分子型燃料
電池発電システムにおいて、前記制御装置は、冷却水流
量及び冷却水温度を制御して、前記カソードへの空気入
口部と出口部の相対湿度の差が２０％以内となるように
制御する。
【００３０】請求項１４に対応する発明は、固体高分子
型燃料電池本体と、天然ガス、プロパンガス等の炭化水
素からなる燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質
器を含む燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃
料電池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体
の冷却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御
する制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、そ
れらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライン
と、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置と
を備え、且つ前記燃料電池本体のカソードへの空気入口
部と燃料電池本体の冷却室への冷却水入口部を、またカ
ソードの反応済みの排空気出口部と冷却室の冷却水出口
部をそれぞれ対応させた構成となした固体高分子型燃料
電池発電システムにおいて、前記制御装置は、冷却水流
量及び冷却水温度を制御して、前記カソードへの空気入
口部と出口部の相対湿度の差が２０％以内となるように
制御する。
【００３１】請求項１３及び請求項１４に対応する発明
の固体高分子型燃料電池発電システムにあっては、請求
項１２に対応する発明の作用に加えて、冷却水流量を平
行制御することにより、燃料電池本体の入口部及び出口
部の相対湿度の制御幅を広げることが可能となる。
【００３２】請求項１５に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体
と、天然ガス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料
ガスを水素リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電
池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカ
ソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷
却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手段を
含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体を前
記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記燃料電
池本体のアノードへの燃料入口ラインに設けられた湿度
調節手段と、前記各手段を運転及び監視して制御する制
御装置とを備える。
【００３３】請求項1６に対応する発明は、固体高分子
型燃料電池本体と、天然ガス、プロパンガス等の炭化水
素からなる燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質
器を含む燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃
料電池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体
の冷却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御
する制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、こ
れらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライン
と、前記燃料電池本体のアノードへの燃料入口ラインに
湿度調節手段と、前記各手段を運転及び監視して制御す
る制御装置とを備えた固体高分子型燃料電池発電システ
ムの運転方法において、冷却水流量、温度、燃料電池本
体から負荷に流れる負荷電流の値から計算により予め電
池温度及びその分布を予測し、その電池の温度に対応す
るアノード供給ガスの湿度が相対湿度の差として２０％
以内の範囲に入るように前記湿度調節手段の温度を制御
する。
【００３４】請求項１７に対応する発明は、固体高分子
型燃料電池本体と、この燃料電池本体のアノードへの燃
料供給手段、燃料電池本体のカソードへの空気供給手
段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手段及びそれ
らの供給量を制御する制御手段を含むそれぞれの流体の
供給ラインと、これらの流体を前記燃料電池本体から排
出する排出ラインと、前記各手段を運転及び監視して制
御する制御装置とを備えた固体高分子型燃料電池発電シ
ステムの運転方法において、燃料、空気及び冷却水のそ
れぞれの供給ラインに複数台の燃料電池本体をシリーズ
に接続し、且つこれらの燃料電池本体を接続するガス供
給ラインの少なくとも一方に湿度を制御する手段を設
け、前記複数台の燃料電池本体の下流側の燃料電池本体
に供給されるガスの湿度を予め設定した湿度に調整する
機能を待たせ、これら全ての燃料電池本体への燃料及び
空気の入口部、出口部の相対湿度の差がそれぞれ予め設
定した範囲に入るように運転することを特徴とする固体
高分子型燃料電池発電システムの運転方法。
【００３５】請求項１５乃至請求項１７に対応する発明
の固体高分子型燃料電池発電システム及びその運転方法
にあっては、制御装置の機能により供給ガス供給量によ
り利用率を制御し、併せて入口ラインの湿度調節手段を
制御して燃料電池本体の入口部及び出口部の相対湿度を
適正範囲に制御することができる。
【００３６】請求項１８に対応する発明は、固体高分子
型燃料電池本体と、この燃料電池本体のアノードへの燃
料供給手段、燃料電池本体のカソードへの空気供給手
段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手段及びそれ
らの供給量を制御する制御手段を含むそれぞれの流体の
供給ラインと、これらの流体を前記燃料電池本体から排
出する排出ラインと、前記各手段を運転及び監視して制
御する制御装置とを備えた固体高分子型燃料電池発電シ
ステムにおいて、燃料、空気及び冷却水のそれぞれの供
給ラインに複数台の燃料電池本体をシリーズに接続し、
且つこれらの燃料電池本体を接続する燃料及び空気供給
ラインの少なくとも一方に湿度を調節する手段を設け、
前記制御装置は、下流側の燃料電池本体に供給されるガ
スの湿度を予め設定した湿度に調整する機能を持ち、こ
れら全ての燃料電池本体への燃料及び空気の入口部、出
口部の相対湿度の差がそれぞれ２０％以内となるように
制御する。
【００３７】請求項１８に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムにあっては、請求項１７と同じ作
用により、適正相対湿度範囲を２０％以内に維持運転が
可能となる。
【００３８】請求項１９に対応する発明は、請求項１乃
至１０、請求項１２乃至請求項１５のいずれかの項に対
応する発明の固体高分子型燃料電池発電システムにおい
て、燃料、空気及び冷却水のそれぞれの供給ラインに複
数台の燃料電池本体をシリーズに接続し、且つこれらの
燃料電池本体を接続する燃料及び空気供給ラインの少な
くとも一方に湿度調節手段を設ける。
【００３９】請求項１９に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムにあっては、請求項１乃至１０、
請求項１２乃至請求項１５に対応する発明の作用効果よ
りさらに広い相対湿度制御幅が得られ、結果として適正
相対湿度に最適制御が可能となる。
【００４０】請求項２０に対応する発明は、請求項１乃
至１０、請求項１２乃至請求項１５、請求項１８のいず
れかの項に対応する発明の固体高分子型燃料電池発電シ
ステムにおいて、燃料電池本体の燃料及び空気供給ライ
ンと排出ラインとを周期的に切替える切替手段を設け
る。
【００４１】請求項２０に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムにあっては、制御装置により配管
ラインの閉止弁を作動して燃料電池本体の入出ラインを
間欠的に切替えることにより、燃料電池本体の入口側と
出口側が切替えられるので、相対湿度分布が変動し、結
果として入口部及び出口部の相対湿度差が存在しても平
均化され、燃料電池本体内の相対湿度分布を均一化でき
る。
【００４２】請求項２１に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムは、固体高分子型燃料電池本体
と、この燃料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃
料電池本体のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体
の冷却室への冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御
する制御手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、こ
れらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライン
と、前記燃料電池本体のカソードあるいはアノードの少
なくともいずれか一方の出口ラインから入口ラインに燃
料電池本体から排出される反応済みの排ガスを再循環す
る循環ラインと、前記燃料電池本体のスタック入口部ま
たは出口部の少なくとも一方のガスの湿度を測定する手
段と、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置
とを備え、前記制御装置は、前記湿度測定手段より湿度
測定信号を受けて、燃料及び空気の供給量と循環流量を
制御する機能を有する。
【００４３】請求項２１に対応する発明の固体高分子型
燃料電池発電システムにあっては、制御装置によりガス
ラインの湿度測定信号を受けて、湿度が設定値になるよ
うにガス流量制御、又はリサイクル量制御、又は入口ラ
インの湿度制御をすることによって、適性相対湿度範囲
に制御することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。
【００４５】図１は本発明による固体高分子型燃料電池
発電システムの第１の実施の形態の概略構成を示すブロ
ック図ある。
【００４６】図１において、１は固体高分子型燃料電池
本体で、この燃料電池本体１の燃料供給系には燃料供給
ブロワー４、改質器２が設けられ、また空気供給系には
空気供給ブロワー３が設けられ、さらに冷却水供給系が
接続されている。
【００４７】ここで、上記燃料電池発電システムの各構
成要素について詳細に説明する。
【００４８】燃料電池本体１は、水素、又は水素リッチ
なガスを供給するアノード１１と、酸化剤である空気を
流すカソード１２と、冷却水を流通させて電気化学的反
応に伴って発生する熱を除去する冷却水室１３とを備え
ている。
【００４９】この燃料電池本体１には、図示していない
単セルの発電電圧がせいぜい０．７Ｖ程度であるため、
多数の単セルを直列に積層し、一般に実用的な数百Ｖの
出力電圧となるスタック構造を有している。
【００５０】なお、ここでいう単セルとは、デュポン社
製の“ Nafion ”膜のような固体高分子イオン伝導性の
膜を多孔質アノード電極と多孔質カソード電極の間に挟
持した最小単位の発電素子をいう。冷却室は各セル毎に
組み込まれていても、数セル毎に一つの冷却水室が組み
込まれていてもよい。
【００５１】また、燃料電池本体１は、それぞれの単セ
ルのアノード（負極）側に水素を含有する燃料ガスの供
給を受け、カソード（正極）側には酸素を含有する酸化
ガスの供給を受けて以下に示す電気化学反応によって起
電力を得る。
【００５２】 Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− ……（１） （１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ ……（２） Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ ……（３） 上記（１）式はアノード（負極）側におけるアノード電
極反応、（２）式はカソード（正極）側におけるカソー
ド電極反応を示し、（３）式は電池全体で起こる反応を
表わしている。
【００５３】燃料供給系に設けられた改質器２は、天然
ガス、プロパンガス、メタノール或いはガソリン等の炭
化水素燃料と水蒸気または空気とが加熱条件下で供給さ
れると、改質反応（分解）が進行し、水素リッチな燃料
ガスを生成する。以下に改質器２内部で行われるメタノ
ール燃料の場合の水蒸気改質の反応を示す。
【００５４】 ＣＨ３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ２ ……（４） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ ……（５） ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋３Ｈ ……（６） 上記改質器２で行われるメタノールの改質反応は、(４)
式で表されるメタノ―ルの分解反応と（５）式で表され
る一酸化炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として
(６)式の反応が起きる。
【００５５】このような改質反応は全体として吸熱反応
である。改質器２で生成された水素リッチな燃料ガス
は、燃料ラインを介して燃料電池本体１に供給され、燃
料電池本体１内では各単セルにおいて、アノード１１に
供給され、アノード電極反応に供される。
【００５６】既述したように、改質器２における改質反
応は吸熱反応であって外部から熱の供給が必要であるた
め、改質器２の内部には図示していないが、一般的には
加熱用のバーナーが備えられている。
【００５７】また、燃料電池本体１内のアノード電極反
応で使用された後の燃料排ガスと空気供給ブロワー３に
よって供給されるカソード電極反応で使用された後の空
気排ガスは、改質器２のバーナーに供給されて燃焼に用
いられ、改質反応に必要な熱量を供給する構成となって
いる。
【００５８】このような燃料電池発電システムは、接続
される負荷の大きさに応じて燃料ガス量及び酸化ガスで
ある空気供給量をそれぞれの供給ラインに設けられた流
量調節弁７，１０の開度を制御装置３０により調節する
ことで、それぞれ制御することができる。この場合、制
御装置３０に燃料ガス供給量及び空気供給量の計測信号
が入力され、制御装置３０から出力される指令により流
量調節弁７，１０の開度が調節される。
【００５９】この制御装置３０は、燃料ガス供給量及び
空気供給量の計測信号を入力し、外部電源を制御駆動電
源として、燃料電池本体の通常運転機能、反応ガスの利
用率制御機能を持っている。
【００６０】上記通常運転機能は、負荷指令により燃料
供給手段である燃料供給ポンプ４、改質器２及び空気供
給手段である空気供給ブロア３等を外部電源に接続して
動作させ、燃料及び空気の供給量、冷却水供給流量、燃
料電池本体１、冷却水等の温度検出器の信号を受けて予
め記憶されている運転条件にプロセス値を制御する。
【００６１】また、利用率制御機能は、予め記憶された
負荷に対する燃料電池本体内部の温度分布と負荷とガス
利用率から燃料電池本体１内部の相対湿度を演算し、そ
の相対湿度と予め記憶している値とを比較演算し、燃料
供給流量調節弁７及び空気供給流量調節弁１０の開度を
調節して、燃料電池本体１の出口側の相対湿度が適正範
囲になるように制御する。
【００６２】ここで、燃料及び空気の利用率とは、それ
ぞれ供給した量に対して消費されるガス量の割合を言
う。従って、利用率が分れば消費するガス量も決定さ
れ、出口のガス組成として水蒸気分圧も決まる。また、
燃料電池本体１の温度が分れば、相対湿度も計算で求め
ることができる。この場合、燃料電池本体の温度は実測
しても良い。
【００６３】次に上記のように構成された燃料電池発電
システムの作用を述べる。
【００６４】カソードにおける酸素利用率を２０％に下
げて運転すると、４０％で運転していた時に比べて下記
の如く出口ラインの湿度は約半分になる。
【００６５】すなわち、（３）式の反応によりカソード
では空気中の酸素が電気化学的に反応して水を生成す
る。その量を１とすると、酸素の利用率（すなわち供給
する酸素の量に対する実際の発電反応に利用される酸素
の量の比率）が４０％から２０％になると、水蒸気分圧
比は空気中の酸素の濃度を２０％として計算すると、下
記表に示す通りとなる。
【００６６】
【表１】
【００６７】上記表からも明らかなように、酸素利用率
２０％及び酸素利用率４０％のそれぞれの出口での水蒸
気分圧比率（相対湿度比）は、１／２６対１／１３．５
となり、２０％の利用率にした場合の方が約半分の水蒸
気分圧となる。
【００６８】入口の水蒸気分圧（相対湿度）が同じ条件
として比較すると、入口と出口の相対湿度の差も約半分
となり、電池本体全面の相対湿度の分布も半分に低減さ
れることになる。図２はこの現象を図示したものであ
る。
【００６９】このようにカソードに供給される空気中の
酸素利用率を低く運転することにより、電池本体全面に
対して水蒸気分圧の均一化を図ることができる。
【００７０】一方、電池本体の電解質膜は、運転温度と
水蒸気分圧によりその含水率が変化し、その結果プロト
ン伝導性も変化することが知られている。その現象につ
いて、本発明者等は、相対湿度により、電解質膜のプロ
トン伝導性が変化することを見出だした。
【００７１】従って、電池本体の温度分布を想定すれ
ば、電池本体全面の相対湿度も制御でき、電池本体全面
の電解質膜のプロトン伝導性も制御でき、且つ電池本体
全面にわたって、過剰な相対湿度になることを防止でき
るので、電極のガス拡散阻害に結びつく現象を抑制で
き、長時間安定に運転することができる。図３は上記実
施の形態の効果を説明するための一例を示している。
【００７２】また、アノード側についても同じ方法で同
じ効果を得ることができる。
【００７３】なお、燃料としては、水素でも良いし、水
素リッチな炭化水素燃料の改質ガスでもよい。
【００７４】ここで、本発明の第１の実施の形態におい
て、制御装置３０は流量調節弁７および１０によりガス
流量を制御し、燃料電池本体より負荷に流れる負荷電流
を比較計算してガス利用率および出口部の水蒸気分圧を
計算し、予め記憶部に設定値として記憶されている水蒸
気分圧と比較演算し、その演算結果に基づいてガス流量
を制御することにより、燃料電池本体の出口部の相対湿
度を適切な範囲に入れることができる。
【００７５】また、ガス流量制御手段としては、流量調
節弁のほかにブロワーの回転数を制御することもでき
る。この場合、ガス流量制御手段は流量と負荷の比較演
算ではなく、入口部または出口部の反応ガス成分の濃度
と負荷の比較比較演算でガス利用率および水蒸気分圧、
即ち相対湿度を計算することができる。
【００７６】図４は本発明による固体高分子型燃料電池
発電システムの第２の実施の形態を示すブロック構成図
であり、図１と同一要素には同一符号を付してその説明
を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００７７】第２の実施の形態では、アノード側の燃料
供給系及びカソード側の空気供給系において、燃料電池
本体１の出口側ラインと入口側ラインとの間に循環ライ
ンを設けて再循環するリサイクルループを形成する構成
とし、これらの循環ラインにガスを循環させるブロア
５，６と、リサイクル流量を制御する流量調節弁８，９
を設けて図１と同様の制御装置３０により流量調節弁
８，９の開度を調節することでリサイクル機能をもたせ
る。
【００７８】また、ブロア５，６を通して再循環するリ
サイクル流量の計測信号を制御装置３０に入力し、この
制御装置３０から出力される指令により流量調節弁８，
９の弁開度を調節することでリサイクル流量が制御され
る。
【００７９】次にこのような構成の燃料電池発電システ
ムの作用を述べる。
【００８０】燃料電池本体１の出口側ラインのガス中に
は、発電反応により発生した生成水が含まれているの
で、このガスを燃料電池本体１の入口側ラインに再循環
(リサイクル)することにより、電池入口側の供給ガスの
水蒸気分圧をあげることができる。
【００８１】従って、リサイクル流量を流量調節弁８，
９により制御することにより、電池入口側の供給ガスの
湿度を制御することが可能となる。また、出口側は、外
部から供給するガスの利用率によりその水蒸気分圧が決
まるので、入口側の湿度を上げることにより電池反応部
全面の水蒸気分圧、すなわち相対湿度の分布が均一化さ
れる。
【００８２】このような構成とすれば、第１の実施の形
態と同等に電池反応部全面の相対湿度が均一化され、電
池本体全面にわたって、高分子電解質膜のプロトン伝導
性が維持され、且つ過剰の水蒸気分圧によるガス拡散阻
害も防止でき、長時間安定に運転することができる。
【００８３】なお、リサイクルループは、アノード又は
カソードのいずれかに装備してもよく、また燃料として
水素を用いても同様の効果を得ることができる。
【００８４】ここで、本発明の第２の実施の形態では、
制御装置３０により燃料電池本体１の出口部の反応生成
水を含む排出ガスを出口ラインから入口ラインに再循環
する循環量と出口部の水蒸気分圧から燃料電池本体の入
口および出口部の相対湿度を演算し、予め記憶部に設定
範囲として記憶されている湿度範囲になるように循環流
量を演算制御する。その結果、燃料電池本体の入口部お
よび出口部の相対湿度は適正範囲に制御される。
【００８５】図５は本発明による固体高分子型燃料電池
発電システムの第３の実施の形態を示すブロック構成図
であり、図１と同一要素には同一符号を付しろてその説
明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００８６】第３の実施の形態では、アノード側の燃料
供給系及びカソード側の空気供給系において、燃料電池
本体１の出口側ラインと入口側ラインとの間に循環ライ
ンを設けてリサイクルするリサイクルループを形成する
と共に、これらの循環ラインにガスを循環させるブロア
５，６と、リサイクル流量を制御する流量調節弁８，９
を設け、且つ燃料供給系のアノード側入口部に湿度調整
装置２２を設ける構成とし、図１と同様の通常運転機
能、利用率制御機能に加えて温度制御機能を持たせた制
御装置３０により流量調節弁８，９の開度を調節すると
同時に湿度制御装置２２を制御するものである。
【００８７】この場合、湿度制御装置２２は、気水分離
機能を有し、液層の温度を制御することで水蒸気分圧を
水蒸気を制御する方式でも、水蒸気を注入する方式のい
ずれでも良い。
【００８８】このような構成の燃料電池発電システムと
すれば、制御装置３０の利用率制御機能により、リサイ
クル流量制御を、併せて温度制御機能により湿度制御装
置２２の温度を制御することで、第１及び第２の実施の
形態と同等の効果を得ることができる。
【００８９】本発明では前述した第１の実施の形態乃至
第３の実施の形態に限定されるものではなく、次のよう
な構成の実施の形態としても同様に適用できるものであ
る。
【００９０】本発明の第４の実施の形態では、図１及び
図５における燃料電池本体１のカソード１２の入口部を
冷却水入口部に対応させ、カソード１２の出口を冷却水
出口部にそれぞれ対応させた電池流路構成とし、制御装
置３０により冷却水流量を制御すると同時に、この制御
装置に追加された温度制御機能により冷却水入口温度ま
たは出口温度を制御する構成とするものである。
【００９１】このような構成の燃料電池発電システムと
すれば、冷却水入口に比較して冷却水出口の温度は、冷
却水が発電反応によって発生した熱を吸収するために高
くなる。一方、カソード側の出口の空気排ガスは発電反
応によって発生した生成水を含むため、高い水蒸気圧を
示す。
【００９２】従って、低温の冷却水入口に水蒸気分圧の
相対的に低い空気入口を、高温の冷却水出口領域に空気
の排出されるカソード出口を対応させる構成となり、冷
却水入口温度を制御することによって、燃料電池本体の
空気入口部の相対湿度を制御することが可能となり、且
つ冷却水流量を制御することによって、出口温度を制御
でき、電池反応部全面にわたってその相対湿度を予め設
定した範囲内に入るように調整することが可能となる。
【００９３】また、負荷電流、冷却水流量、燃料電池本
体１の冷却水入口温度からセル面の温度分布を予め計算
で求め、セル面に接する反応ガスの相対湿度を計算で求
め、冷却水流量、温度を制御することによって相対湿度
の範囲は２０％以内、更に望ましくは５から１５％に制
御することにより最大の効果を発揮させることができ
る。
【００９４】本発明の第５の実施の形態では、図４及び
図５において、リサイクル流量と反応ガスの利用率の制
御モードを同時に動作させる機能を備えた構成とするも
のである。
【００９５】このような構成とすれば、図２に示すよう
に利用率を制御することにより燃料電池本体１の出口領
域の相対湿度は低減され、且つリサイクル流量を制御す
ることにより燃料電池本体１の相対湿度の制御範囲をさ
らに広くできる効果を得ることができる。
【００９６】かくして、燃料電池本体１の反応部全面に
わたって相対湿度の差が２０％以内、望ましくは５〜１
５％の範囲に制御することにより、最適な相対湿度に制
御維持運転が可能となり、長時間安定に運転することが
できる。
【００９７】さらに、本発明の第６の実施の形態では、
図５に示すように燃料電池本体１のアノード側出口ライ
ン及びカソード側出口ラインに湿度検出器３１，３２を
それぞれ設け、その実測信号により相対湿度を制御する
ものである。
【００９８】なお、燃料電池本体１のアノード側入口ラ
イン及びカソード側入口ラインに湿度検出器を設けても
良い。
【００９９】本発明の第７の実施の形態を図６により説
明するに、図１と同一要素には同一符号を付してその説
明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【０１００】第７の実施の形態では、複数台（ここでは
２台）の燃料電池本体１ａ，１ｂを反応ガス系統（燃料
ライン及び空気ライン）をシリーズ（タンデム）に接続
し、且つ燃料電池本体１ａ，１ｂ間を結ぶ燃料ライン及
び空気ラインの配管に湿度調整装置４０ａ，４０ｂ，４
１ａ，４１ｂをそれぞれ設け、下流側の電池の入口側燃
料、或いは空気の湿度を上流側電池本体の出口湿度より
低減する機能を持たせる構成とするものである。
【０１０１】このような構成とすれば、複数の燃料電池
本体をシリーズに接続することにより、それぞれの電池
内部のガスの利用率を低減でき、且つ燃料電池本体間の
配管で湿度調整が可能となり、各燃料電池本体内部の湿
度の均一化を図ることが可能となり、図７に示すように
燃料電池本体内部の反応部全面に渡って相対湿度差を小
さく維持することができる。
【０１０２】次に本発明の第８の実施の形態を図８によ
り説明するに、図１と同一要素には同一符号を付してそ
の説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べ
る。
【０１０３】第７の実施の形態では、燃料電池本体１の
燃料供給ライン及び排出ラインと空気供給ラインと排出
ラインを周期的に切替える切替手段を設けるものであ
る。
【０１０４】即ち、燃料供給ラインと排出ラインに流路
切替弁３３，３４を設け、流路切替弁３３の入口側と流
路切替弁３４の入口側間をバイパス配管により接続する
と共に、このバイパス配管に流路切替弁３５を設け、流
路切替弁３３の出口側と流路切替弁３４の出口側間をバ
イパス配管により接続すると共に、このバイパス配管に
流路切替弁３６を設ける構成とするものである。
【０１０５】このような構成の固体高分子型燃料電池発
電システムにおいて、最初の運転では流量切替弁３３，
３４を開とし、流量切替弁３５，３６を閉として運転を
継続し、一定時間運転後に制御装置３０により流量切替
弁３３，３４を閉とし、流量切替弁３５，３６を開とす
ることにより、燃料電池本体１の入口ラインと出口ライ
ンとが切替えられる。
【０１０６】従って、低湿度領域入口部と高湿度領域の
出口部が周期的に交代するため運転中の湿度の偏りが回
復され、結果として電池反応部全面の湿度の偏りが抑制
され電池全面の湿度は一定の差以内に維持できる。
【０１０７】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、セル
全面の相対湿度の均一化を図ることができとともに、電
流密度の局在化が防止でき、長時間高電圧に安定に維持
できる固体高分子型燃料電池発電システムを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池発電システ
ムの第１の実施の形態を示すブロック構成図。
【図２】同実施の形態における効果の根拠を説明するた
めの図。
【図３】同実施の形態における試験検証結果を説明する
ための図。
【図４】本発明による固体高分子型燃料電池発電システ
ムの第２の実施の形態を示すブロック構成図。
【図５】本発明による固体高分子型燃料電池発電システ
ムの第３の実施の形態を示すブロック構成図。
【図６】本発明による固体高分子型燃料電池発電システ
ムの第７の実施の形態を示すブロック構成図。
【図７】同実施の形態における試験検証結果を説明する
ための図。
【図８】本発明による固体高分子型燃料電池発電システ
ムの第８の実施の形態を示すブロック構成図。
【符号の説明】
１……燃料電池本体 ２……改質器 ３，４，５，６……ブロワ ７，８，９，１０……流量調節弁 １１……アノード １２……カソード １３……冷却室 ２０……冷却水入口ライン ２１……冷却水出口ライン ２２……湿度調整装置 ３０……制御装置
フロントページの続き (72)発明者 小上 泰司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 酒井 勝則 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 堀 美知郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 後藤 一敏 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA10 BA19 BC19 CC06 KK00 KK28 KK48 KK56 MM03 MM04 MM08 MM12 MM16

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃料
    電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体の
    カソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への
    冷却水供給手段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、
    それらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライ
    ンと、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置
    とを備え、 前記制御装置は、カソード空気利用率及びアノード燃料
    利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、これら
    の機能により電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿
    度を予め設定した範囲に制御することを特徴とする固体
    高分子型燃料電池発電システム。
  2. 【請求項２】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃料
    電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体の
    カソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への
    冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手段
    を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体を
    前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記各手
    段を運転及び監視して制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、カソード空気利用率及びアノード燃料
    利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、これら
    の機能により電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿
    度を予め設定した範囲に制御することを特徴とする固体
    高分子型燃料電池発電システム。
  3. 【請求項３】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、それらの流体
    を電池本体から排出する排出ラインと、前記各手段を運
    転及び監視して制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、カソードの空気利用率及びアノードの
    燃料利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、こ
    れらの機能により電池反応部全面に接する反応ガスの相
    対湿度を予め設定した範囲に制御することを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  4. 【請求項４】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含むそれぞ
    れの流体の供給ラインと、これらの流体を前記燃料電池
    本体から排出する排出ラインと、前記各手段を運転及び
    監視して制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、カソードの空気利用率及びアノードの
    燃料利用率の少なくとも一方を制御する機能を有し、こ
    れらの機能により電池反応部全面に接する反応ガスの相
    対湿度を予め設定した範囲に制御することを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  5. 【請求項５】 固体高分子型燃料電池本体と、燃料電池
    本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソ
    ードへの空気供給手段及び燃料電池本体の冷却室への冷
    却水供給手段系を含むそれぞれの流体の供給ラインと、
    それらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライ
    ンと、前記燃料電池本体のカソードあるいはアノードの
    少なくともいすれか一方の出口ラインから入口ラインに
    燃料電池本体から排出される反応済みの排ガスを再循環
    させる循環ラインと、前記各手段を運転及び監視して制
    御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、前記循環ラインの循環量を制御して電
    池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定し
    た範囲内に制御することを特徴とする固体高分子型燃料
    電池発電システム。
  6. 【請求項６】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃料
    電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体の
    カソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への
    冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手段
    を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体を
    前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記燃料
    電池本体のカソードあるいはアノードの少なくともいす
    れか一方の出口ラインから入口ラインに燃料電池本体か
    ら排出される反応済みの排ガスを再循環する循環ライン
    と、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置と
    を備え、 前記制御装置は、前記循環ラインの循環量を制御して電
    池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定し
    た範囲内に制御することを特徴とする固体高分子型燃料
    電池発電システム。
  7. 【請求項７】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体
    を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記燃
    料電池本体のカソードあるいはアノードの少なくともい
    すれか一方の出口ラインから入口ラインに燃料電池本体
    から排出される反応済みの排ガスを再循環する循環ライ
    ンと、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置
    とを備え、 前記制御装置は、前記再循環ラインの循環量を制御して
    電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定
    した範囲内に制御することを特徴とする固体高分子型燃
    料電池発電システム。
  8. 【請求項８】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含むそれぞ
    れの流体の供給ラインと、これらの流体を前記燃料電池
    本体から排出する排出ラインと、前記燃料電池本体のカ
    ソードあるいはアノードの少なくともいすれか一方の出
    口ラインから入口ラインに燃料電池本体から排出される
    反応済みの排ガスを再循環する循環ラインと、前記各手
    段を運転及び監視して制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、前記循環ラインの循環量を制御して電
    池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定し
    た値に制御する手段を有することを特徴とする固体高分
    子型燃料電池発電システム。
  9. 【請求項９】 固体高分子型燃料電池本体と、燃料電池
    本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソ
    ードへの空気供給手段及び燃料電池本体の冷却室への冷
    却水供給手段系を含むそれぞれの流体の供給ラインと、
    それらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出ライ
    ンと、前記燃料電池本体のカソードあるいはアノードの
    少なくともいすれか一方の出口ラインから入口ラインに
    燃料電池本体から排出される反応済みの排ガスを再循環
    させる循環ラインと、前記各手段を運転及び監視して制
    御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、前記燃料電池本体のカソードの空気利
    用率及びアノードの燃料利用率の少なくとも一方を制御
    する機能を有し、これらの機能により前記循環ラインの
    循環流量と供給ガス流量を制御してガス利用率を制御す
    ることによって、電池反応部全面に接する反応ガスの相
    対湿度を予め設定した範囲に制御することを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  10. 【請求項１０】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃
    料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体
    のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室へ
    の冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体
    を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記燃
    料電池本体のカソードあるいはアノードの少なくともい
    すれか一方の出口ラインから入口ラインに燃料電池本体
    から排出される反応済みの排ガスを再循環する循環ライ
    ンと、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置
    とを備え、 前記制御装置は、前記燃料電池本体のカソードの空気利
    用率及びアノードの燃料利用率の少なくとも一方を制御
    する機能を有し、これらの機能により前記循環ラインの
    循環流量と供給ガス流量を制御してガス利用率を制御す
    ることによって、電池反応部全面に接する反応ガスの相
    対湿度を予め設定した範囲に制御することを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  11. 【請求項１１】 請求項１及至請求項１０のいずれかの
    項に記載の固体高分子型燃料電池発電システムにおい
    て、予め設定された相対湿度範囲に関し、電池全面に接
    する反応ガスの相対湿度の幅が２０％以内、望ましくは
    ５％から１５％の範囲とすることを特徴とする固体高分
    子型燃料電池発電システム。
  12. 【請求項１２】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃
    料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体
    のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室へ
    の冷却水供給手段を含むそれぞれの流体の供給ライン
    と、それらの流体を前記燃料電池本体から排出する排出
    ラインと、前記各手段を運転及び監視して制御する制御
    装置とを備え、且つ前記燃料電池本体のカソードへの空
    気入口部と燃料電池本体の冷却室への冷却水入口部を、
    またカソードの反応済みの排空気出口部と冷却室の冷却
    水出口部をそれぞれ対応させた構成となした固体高分子
    型燃料電池発電システムにおいて、 前記制御装置は、冷却水温度を制御することによって、
    電池反応部全面に接する反応ガスの相対湿度を予め設定
    した範囲に制御するに際して、前記カソードへの空気入
    口部と出口部の相対湿度の差が２０％以内となるように
    制御することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電シ
    ステム。
  13. 【請求項１３】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃
    料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体
    のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室へ
    の冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体
    を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記各
    手段を運転及び監視して制御する制御装置とを備え、且
    つ前記燃料電池本体のカソードへの空気入口部と燃料電
    池本体の冷却室への冷却水入口部を、またカソードの反
    応済みの排空気出口部と冷却室の冷却水出口部をそれぞ
    れ対応させた構成となした固体高分子型燃料電池発電シ
    ステムにおいて、 前記制御装置は、冷却水流量及び冷却水温度を制御し
    て、前記カソードへの空気入口部と出口部の相対湿度の
    差が２０％以内となるように制御することを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  14. 【請求項１４】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含むそれぞ
    れの流体の供給ラインと、それらの流体を前記燃料電池
    本体から排出する排出ラインと、前記各手段を運転及び
    監視して制御する制御装置とを備え、且つ前記燃料電池
    本体のカソードへの空気入口部と燃料電池本体の冷却室
    への冷却水入口部を、またカソードの反応済みの排空気
    出口部と冷却室の冷却水出口部をそれぞれ対応させた構
    成となした固体高分子型燃料電池発電システムにおい
    て、 前記制御装置は、冷却水流量及び冷却水温度を制御し
    て、前記カソードへの空気入口部と出口部の相対湿度の
    差が２０％以内となるように制御することを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  15. 【請求項１５】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含むそれぞ
    れの流体の供給ラインと、これらの流体を前記燃料電池
    本体から排出する排出ラインと、前記燃料電池本体のア
    ノードへの燃料入口ラインに設けられた湿度調節手段
    と、前記各手段を運転及び監視して制御する制御装置と
    を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電シ
    ステム。
  16. 【請求項1６】 固体高分子型燃料電池本体と、天然ガ
    ス、プロパンガス等の炭化水素からなる燃料ガスを水素
    リッチなガスに改質する改質器を含む燃料電池本体のア
    ノードへの燃料供給手段、燃料電池本体のカソードへの
    空気供給手段、燃料電池本体の冷却室への冷却水供給手
    段及びそれらの供給量を制御する制御手段を含むそれぞ
    れの流体の供給ラインと、これらの流体を前記燃料電池
    本体から排出する排出ラインと、前記燃料電池本体のア
    ノードへの燃料入口ラインに湿度調節手段と、前記各手
    段を運転及び監視して制御する制御装置とを備えた固体
    高分子型燃料電池発電システムの運転方法において、 冷却水流量、温度、燃料電池本体から負荷に流れる負荷
    電流の値から計算により予め電池温度及びその分布を予
    測し、その電池の温度に対応するアノード供給ガスの湿
    度が相対湿度の差として２０％以内の範囲に入るように
    前記湿度調節手段の温度を制御することを特徴とする固
    体高分子型燃料電池発電システムの運転方法。
  17. 【請求項１７】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃
    料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体
    のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室へ
    の冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体
    を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記各
    手段を運転及び監視して制御する制御装置とを備えた固
    体高分子型燃料電池発電システムの運転方法において、 燃料、空気及び冷却水のそれぞれの供給ラインに複数台
    の燃料電池本体をシリーズに接続し、且つこれらの燃料
    電池本体を接続するガス供給ラインの少なくとも一方に
    湿度を制御する手段を設け、前記複数台の燃料電池本体
    の下流側の燃料電池本体に供給されるガスの湿度を予め
    設定した湿度に調整する機能を待たせ、これら全ての燃
    料電池本体への燃料及び空気の入口部、出口部の相対湿
    度の差がそれぞれ予め設定した範囲に入るように運転す
    ることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム
    の運転方法。
  18. 【請求項１８】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃
    料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体
    のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室へ
    の冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体
    を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記各
    手段を運転及び監視して制御する制御装置とを備えた固
    体高分子型燃料電池発電システムにおいて、 燃料、空気及び冷却水のそれぞれの供給ラインに複数台
    の燃料電池本体をシリーズに接続し、且つこれらの燃料
    電池本体を接続する燃料及び空気供給ラインの少なくと
    も一方に湿度を調節する手段を設け、 前記制御装置は、下流側の燃料電池本体に供給されるガ
    スの湿度を予め設定した湿度に調整する機能を持ち、こ
    れら全ての燃料電池本体への燃料及び空気の入口部、出
    口部の相対湿度の差がそれぞれ２０％以内となるように
    制御することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電シ
    ステム。
  19. 【請求項１９】 請求項１乃至１０、請求項１２乃至請
    求項１５のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池
    発電システムにおいて、 燃料、空気及び冷却水のそれぞれの供給ラインに複数台
    の燃料電池本体をシリーズに接続し、且つこれらの燃料
    電池本体を接続する燃料及び空気供給ラインの少なくと
    も一方に湿度調節手段を設けたことを特徴とする固体高
    分子型燃料電池発電システム。
  20. 【請求項２０】 請求項１乃至１０、請求項１２乃至請
    求項１５、請求項１８のいずれかの項に記載の固体高分
    子型燃料電池発電システムにおいて、 燃料電池本体の燃料及び空気供給ラインと排出ラインと
    を周期的に切替える切替手段を設けたことを特徴とする
    固体高分子型燃料電池発電システム。
  21. 【請求項２１】 固体高分子型燃料電池本体と、この燃
    料電池本体のアノードへの燃料供給手段、燃料電池本体
    のカソードへの空気供給手段、燃料電池本体の冷却室へ
    の冷却水供給手段及びそれらの供給量を制御する制御手
    段を含むそれぞれの流体の供給ラインと、これらの流体
    を前記燃料電池本体から排出する排出ラインと、前記燃
    料電池本体のカソードあるいはアノードの少なくともい
    ずれか一方の出口ラインから入口ラインに燃料電池本体
    から排出される反応済みの排ガスを再循環する循環ライ
    ンと、前記燃料電池本体のスタック入口部または出口部
    の少なくとも一方のガスの湿度を測定する手段と、前記
    各手段を運転及び監視して制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、前記湿度測定手段より湿度測定信号を
    受けて、燃料及び空気の供給量と循環流量を制御する機
    能を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電
    システム。
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