JP2001283887A - 燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池装置をコンパクト化し、かつ、電解
質を効率よく加湿して燃料電池を良好に作動させること
を目的とする。 【解決手段】 燃料電池装置１は、アノードＡとカソー
ドＣとによって挟持された電解質膜ＥＭからなる単セル
ＵＣをもった燃料電池ＦＣと、空気を昇温させて燃料電
池ＦＣのカソードＣに供給するカソード反応ガス供給手
段としてのブロアＢと、ブロアＢと燃料電池ＦＣとを結
ぶ空気供給ラインＬ６上に設けられた加湿シェル７０
と、加湿シェル７０内に加湿用水を噴射するノズルＮ
と、ノズルＮに加湿用水を供給する水供給部２０とを備
えており、加湿シェル７０内に噴射された加湿用水はカ
ソード反応ガスとしての空気と直接熱交換して蒸発す
る。これにより、電解質膜ＥＭを効率よく加湿して燃料
電池ＦＣを良好に作動させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置、及
び、その運転方法に関し、特に、アノードとカソードと
によって挟持された高分子電解質を有する燃料電池によ
って電力を発生させる燃料電池装置、及び、その運転方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、アノードとカソードとによっ
て挟持された電解質を有する燃料電池が知られている。
この種の燃料電池は、電極活物質としての燃料ガス（ア
ノード反応ガス）と酸化用ガス（カソード反応ガス）と
を利用した電気化学反応によって発生する電気エネルギ
を直接取り出すものあることから、特に、低温の作動領
域において高い発電効率を有する。従って、燃料電池を
備えた発電ユニットとしての燃料電池装置によれば、カ
ルノー効率の制約を受ける熱機関と比較して、高い総合
エネルギ効率を達成することが可能となり、また、電気
化学反応に伴って発生する熱エネルギの回収も容易であ
る。

【０００３】燃料電池の電極活物質、及び、電解質とし
ては、水素、酸素、及び、プロトン伝導性電解質を用い
るのが一般的であり、この場合、アノードにおいて次の
（１）式に、カソードにおいて（２）式に、それぞれ示
す電極反応が進行し、全体として（３）式に示す全電池
反応が進行して起電力が発生する。 Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（３）

【０００４】このような電気化学反応によって電力を発
生する燃料電池は、電極活物質、電解質、及び、作動温
度等によって分類されるが、中でも、電解質として高分
子電解質を用いた、いわゆる高分子電解質型燃料電池
（ＰＥＭＣ）等は、小型軽量化が容易であることから、
電気自動車等の移動車両や小型コジェネレーションシス
テムの電源としての実用化が期待されている。高分子電
解質型燃料電池では、電解質としてプロトン導電性を有
する陽イオン交換膜（固体高分子電解質膜）が使用され
る。そして、燃料ガスとして、メタノールや天然ガスと
いった炭化水素系原燃料を水蒸気改質して生成される水
素含有ガスが用いられ、酸化用ガスとして、空気が用い
られる。

【０００５】かかる高分子電解質型燃料電池を実用化す
る上で、固体高分子電解質膜のイオン伝導性を良好に維
持することが極めて重要となるが、（１）式に示す電極
反応によってアノードで生成されるプロトンは、水和水
を伴った状態で電解質膜を移動する。これに対して、
（３）式に示す全電池反応は発熱反応であることから、
燃料電池の作動に伴って電解質膜は昇温、乾燥すること
になる。従って、電解質膜が乾燥すれば、必然的に電解
質抵抗の増大化することなり、膜内に存在するイオン交
換基のイオン解離度を保持して燃料電池の性能を安定化
させる上で、電解質膜を十分に加湿することが必要とな
る。

【０００６】固体高分子電解質膜を加湿する手法として
は、例えば、特開平１１−１９１４２３号に開示された
ものが知られている。この公報によって開示された燃料
電池装置は、カソードとアノードとによって挟持された
固体高分子電解質膜からなるセルを複数積層させた燃料
電池（スタック）を備える。このスタックのアノード側
には、燃料ガスが供給される燃焼室が、カソード側に
は、酸化用ガスが供給される酸化剤室がそれぞれ並設さ
れている。更に、燃料室及び酸化剤室の何れか一方の側
方に、多孔性カーボン等からなるプレートを介して冷却
室が並設されている。

【０００７】冷却室内部には、外部の水分供給手段から
加湿用水が供給される。この水分供給手段からの水分供
給量は、制御手段によって調節される。この制御手段に
は、スタック内部温度を計測する温度センサや、電池電
圧を計測する電圧センサ等が接続されており、制御手段
は、各センサによって計測されるスタック内部温度や電
池電圧に応じて水分供給手段から冷却室に供給される加
湿用水の量を変化させる。これにより、この燃料電池装
置では、その運転中に、スタック内部温度や電池電圧に
応じた量の加湿用水が冷却室に供給され、冷却室から
は、多孔性のプレートを通して、アノード又はカソード
に加湿用水が流れ込むことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように構成された燃料電池装置には、次のような問題
点が存在していた。すなわち、上述した燃料電池装置で
は、スタック内部温度や電池電圧等に基づいて冷却室に
供給する加湿用水の量を制御しているが、アノード又は
カソードに加湿用水が直接供給されることにかわりはな
い。この場合、アノード又はカソードにおいて供給され
た加湿用水が完全に蒸発しないと、アノード又はカソー
ド内に加湿用水が滞留してしまう。従って、従来の燃料
電池装置には、アノード又はカソードに滞留する水分に
よってアノード反応ガス又はカソード反応ガスの流入が
妨げられてしまう、いわゆるフラッディングの問題が依
然として存在する。そして、これを解消しようとすれ
ば、結果として電解質膜の加湿効率が低下し、燃料電池
の作動も不安定となってしまうことから、負荷要求の急
激な変動に対して迅速に対応することが困難となる。

【０００９】そこで、本発明は、電解質を効率よく加湿
して燃料電池を良好に作動させることが可能であり、か
つ、コンパクトに構成することができる燃料電池装置、
及び、その運転方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
による燃料電池装置は、アノードとカソードとによって
挟持された高分子電解質を有する燃料電池を備え、改質
装置で生成されたアノード反応ガスをアノードに供給す
ると共に、カソード反応ガスをカソードに供給し、電気
化学反応によって電力を発生する燃料電池装置におい
て、カソード反応ガスを昇温させてカソードに供給する
カソード反応ガス供給手段と、カソード反応ガス供給手
段とカソードとを結ぶガスライン上に設けられた加湿シ
ェルと、加湿シェル内に加湿用水を噴射するための水噴
射手段と、水噴射手段に加湿用水を供給する加湿用水供
給手段とを備え、加湿シェル内に噴射された加湿用水を
カソード反応ガスと直接熱交換させて蒸発させることを
特徴とする。

【００１１】この燃料電池装置は、移動車両や小型コジ
ェネレーションシステムの電源として採用すると好適な
ものであり、アノードとカソードとによって挟持された
固体高分子電解質膜等の電解質が含まれる燃料電池を備
える。この燃料電池のカソードには、改質装置によって
生成される水素含有ガス等のアノード反応ガス（燃料ガ
ス）が供給される。また、燃料電池のカソードには、ブ
ロア等からなるカソード反応ガス供給装置によって空気
等のカソード反応ガス（酸化用ガス）が供給される。こ
れにより、アノードでアノード反応ガスが、カソードで
カソード反応ガスがそれぞれ電気化学反応し、燃料電池
全体では所定の全電池反応が進行して起電力が得られ
る。

【００１２】このように構成された燃料電池装置では、
燃料電池の性能を安定化させる上で、電解質（固体高分
子電解質膜）を十分に加湿することが必要となる。この
点に鑑みて、この燃料電池装置には、カソード反応ガス
供給手段と燃料電池のカソードとを結ぶガスライン上
に、加湿シェルが設けられている。この加湿シェル内に
は、ブロア等からなるカソード反応ガス供給手段によっ
て昇温させられたカソード反応ガスが導入される。ま
た、加湿シェルには、水噴射手段が設けられている。こ
の水噴射手段には、加湿用水供給手段から電解質を加湿
させるための加湿用水が供給され、水噴射手段は、加湿
シェルの内部に供給された加湿用水を噴射する。

【００１３】これにより、加湿シェル内では、カソード
反応ガス供給手段によって昇温させられたカソード反応
ガスと、水噴射手段から噴射された微細な加湿用水のミ
ストとが接触し合って熱交換することになる。すなわ
ち、加湿用水のミストは、カソード反応ガスから熱を奪
って昇温・蒸発する一方、カソード反応ガスは、加湿用
水のミストに熱を与えて降温する。この結果、加湿用水
のミストは、蒸発して水蒸気となり、降温したカソード
反応ガスに同伴して加湿シェルから流出し、燃料電池の
カソードにカソード反応ガスと共に供給されることにな
る。

【００１４】このように、この燃料電池装置では、昇温
した状態でカソードに供給されるカソード反応ガスの顕
熱を利用して電解質を加湿するための加湿用水を蒸発さ
せ、生成した水蒸気をカソード反応ガスに同伴させなが
ら、燃料電池のカソードに供給している。これにより、
電解質を効率よく加湿することが可能となり、かつ、カ
ソードに水分が滞留してカソード反応ガスの流入を妨げ
てしまうような事態を防止することができる。すなわ
ち、ガス拡散電極であるアノードとカソードのガス拡散
性を良好に維持しつつ、電解質を効率よく加湿すること
ができる。この結果、この燃料電池装置では、燃料電池
の出力を容易かつ確実に安定化させることができる。ま
た、加湿シェルは、比較的小サイズのものを用意すれば
よく、電解質を加湿するための機器に必要とされるスペ
ースを、従来に比して縮小化することができるので、燃
料電池装置全体をコンパクト化することも可能となる。

【００１５】なお、この場合、カソード反応ガスに含ま
れる水蒸気の分圧が燃料電池の作動温度における飽和水
蒸気圧となるように、カソード反応ガスの温度等を設定
することが好ましい。また、燃料電池の電解質として固
体高分子電解質を採用する場合には、加湿用水供給手段
を、改質装置に供給される改質用水の供給源と兼用する
と好ましい。これにより、燃料電池装置全体をより一層
コンパクト化することができる。

【００１６】また、加湿用水を予熱する予熱手段を更に
備えると好ましい。

【００１７】このような構成を採用すれば、加湿シェル
でカソード反応ガスから加湿用水（ミスト）に与えられ
るべき気化熱量を減少させることが可能となり、カソー
ド反応ガスを昇温させるカソード反応ガス供給手段の負
担を軽減化することができる。従って、ブロア等からな
るカソード反応ガス供給手段をコンパクト化することに
より、燃料電池装置全体をもコンパクト化することが可
能となる。この場合、予熱手段の熱源としては、燃料電
池又は改質装置から排出される排ガスを利用すると好ま
しく、これにより、燃料電池装置全体のエネルギ変換効
率を向上させると共に、装置全体を一層コンパクト化す
ることができる。

【００１８】更に、加湿シェル内に設けられており、水
噴射手段から噴射された加湿用水を更に所定の熱源との
間で熱交換させる熱交換手段を備えると好ましい。

【００１９】このような構成を採用しても、カソード反
応ガスに加えて、熱交換手段からも加湿用水（ミスト）
に気化熱が与えられることになるので、カソード反応ガ
スを昇温させるカソード反応ガス供給手段の負担を軽減
化することが可能となる。従って、ブロア等からなるカ
ソード反応ガス供給手段をコンパクト化することによ
り、燃料電池装置全体をもコンパクト化することが可能
となる。

【００２０】この場合、熱交換手段は、燃料電池を冷却
させて昇温した冷却媒体を熱源とすると好ましい。

【００２１】このような構成を採用すれば、従来、ラジ
エータ等で放熱させるのみであった燃料電池の冷却媒体
を、加湿用水（ミスト）を蒸発させるための補助熱源と
して有効利用することが可能となり、かつ、加湿シェル
内で加湿用水を確実に蒸発させてカソード反応ガスの湿
度が不足することを防止することができる。また、燃料
電池を冷却させた冷却媒体の温度は、負荷変動等に応じ
て変化する燃料電池の作動温度（例えば、６０〜８０℃
程度）と同程度になる。従って、当該冷却媒体を熱交換
手段の熱源として用いれば、加湿シェル内の温度が燃料
電池の作動温度変化に追従して変化することになり、カ
ソード反応ガスの湿度、つまり、加湿シェル内で蒸発し
てカソード反応ガスに混入する加湿用水の量を燃料電池
の負荷変動に追従させることができる。更に、かかる構
成のもとでは、燃料電池を冷却させた後、加湿シェルを
熱源として通過した冷却媒体は、加湿用水（ミスト）に
対して熱を与えて降温することになる。従って、冷却媒
体を放熱させるためのラジエータ等を大幅にコンパクト
化することが可能となる。この点で、かかる構成は、燃
料電池装置全体をコンパクト化する上で極めて有効であ
る。

【００２２】また、加湿用水供給手段と水噴射手段とを
結ぶ加湿用水ラインに設けられた流量調整手段と、燃料
電池に対する負荷要求に基づいて、加湿シェルから流出
するカソード反応ガスに混入された水蒸気の分圧が燃料
電池の作動温度における飽和水蒸気圧以下になるよう
に、流量調整手段を制御する制御手段を更に備えると好
ましい。

【００２３】このような構成を採用すれば、燃料電池に
対する負荷要求が変化して燃料電池の作動温度等が変化
したとしても、常に適切な湿度をもったカソード反応ガ
スを燃料電池のカソードに供給可能となり、カソードに
水分が滞留してカソード反応ガスの流入を妨げてしまう
ような事態を防止することができる。従って、この燃料
電池装置によれば、急激な負荷要求の変化に対して迅速
に対応することができる。

【００２４】更に、加湿シェル内部の圧力を略一定に保
つ圧力調整手段を更に備え、加湿用水供給手段は、流量
調整手段に略一定の圧力で加湿用水を供給可能であり、
流量調整手段は、加湿用水供給手段と水噴射手段とを結
ぶ加湿用水ラインを断続的に開閉可能であると好まし
い。

【００２５】このような構成のもとでは、流量調整手段
の入口と出口との間の差圧が常に略一定となるので、当
該差圧と流量調整手段の開通時間とから加湿シェル内に
噴射する加湿用水の量を精度よく設定可能となる。従っ
て、この燃料電池装置では、流路開閉手段を開閉制御す
るだけで、カソード反応ガスの湿度を最適かつ精度よく
調節することが可能となる。

【００２６】この場合、流量調整手段は、弁本体に形成
された流路を開閉する弁体に取り付けられた可動鉄心
と、可動鉄心を覆うように配置された電磁コイルとを備
える電磁弁であると好ましい。

【００２７】このような電磁弁は、きわめて低コストか
つコンパクトに製造可能であり、かつ、単純な制御によ
って確実に作動させることが可能なものである。従っ
て、このような構成を採用すれば、燃料電池装置全体を
コストダウン化、コンパクト化することが可能となり、
また、加湿用水の噴射を安定化させることができる。

【００２８】また、電磁コイルに駆動電圧を断続的に印
加するためのパルスを発生するパルス発生手段を更に備
え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求に応じて流
流量調整手段の開通時間と閉止時間とを定め、当該開通
時間と閉止時間とに応じたパルスをパルス発生手段に発
生させるものであると好ましい。

【００２９】このような構成を採用すれば、流量調整手
段としての電磁弁を極めて確実かつ精度よく開閉制御す
ることができる。これにより、加湿用水の噴射量を極め
て精度よく調節することが可能となる。

【００３０】更に、加湿シェルとカソードとを結ぶガス
ライン上に設けられており、加湿シェルから流出するカ
ソード反応ガス中に含まれる液滴を除去する液滴除去手
段を更に備えると好ましい。

【００３１】このような構成を採用すれば、加湿シェル
内で加湿用水のミストが完全に蒸発せず、加湿シェルか
ら流出するカソード反応ガスに加湿用水のミストが混入
したとしても、カソードまで加湿用水のミストが達して
しまうを防止することができる。これにより、カソード
に供給するカソード反応ガス中の水蒸気分圧を燃料電池
の作動温度における飽和水蒸気圧以下に容易かつ確実に
維持可能となるので、カソードに水分が滞留してカソー
ド反応ガスの流入を妨げてしまうような事態を極めて確
実に防止することが可能となる。

【００３２】請求項１０に記載の本発明による燃料電池
の運転方法は、アノードとカソードとによって挟持され
た高分子電解質を有する燃料電池を備え、改質装置で生
成したアノード反応ガスをアノードに供給すると共にカ
ソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスをカソー
ドに供給し、電気化学反応によって電力を発生させる燃
料電池装置の運転方法において、カソード反応ガス供給
手段とカソードとを結ぶガスライン上に加湿シェルを設
けると共に、当該加湿シェルに水噴射手段を設け、加湿
シェル内に昇温させたカソード反応ガスを供給すると共
に、水噴射手段によって加湿用水を噴射し、加湿シェル
内で加湿用水をカソード反応ガスと直接熱交換させて蒸
発させることを特徴とする。

【００３３】また、加湿用水を噴射前に予熱しておくと
好ましい。更に、加湿シェル内に噴射した加湿用水と所
定の熱源とを更に熱交換させると好ましく、この場合、
所定の熱源として、燃料電池を冷却させて昇温した冷却
媒体を用いると好ましい。更に、燃料電池に対する負荷
要求に基づいて、加湿シェルから流出するカソード反応
ガスに混入された水蒸気の分圧が燃料電池の作動温度に
おける飽和水蒸気圧以下になるように、水噴射手段に供
給する加湿用水の量を設定するとよい。

【００３４】また、加湿シェル内部の圧力を略一定に保
つと共に、水噴射手段に対して略一定の圧力で断続的に
加湿用水を供給すると好ましく、燃料電池に対する負荷
要求に基づいて、水噴射手段に対する加湿用水の供給継
続時間と供給停止時間との割合を設定すると好ましい。

【００３５】加えて、加湿シェルから流出するカソード
反応ガス中に含まれる液滴を除去すると好ましい。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
による燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法の
好適な実施形態について詳細に説明する。

【００３７】図１は、本発明による燃料電池装置を示す
系統図である。同図に示す燃料電池装置１は、移動車両
や小型コジェネレーションシステムの電源として採用す
ると好適なものであり、固体高分子電解質型の燃料電池
ＦＣを備える。この燃料電池ＦＣは、水素を含む燃料ガ
ス（アノード反応ガス）と、酸化用ガスとしての空気
（カソード反応ガス）とを利用した電気化学反応によっ
て電気エネルギを発生する。燃料電池ＦＣが発生する電
気エネルギは、移動車両の駆動源や小型コジェネレーシ
ョンシステムの発電源として利用される。なお、燃料電
池装置１に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を
備えることも可能である。

【００３８】図１に示すように、燃料電池装置１は、燃
料ガスを生成するための燃料供給部１０、水供給部２
０、及び、改質装置３０を備えている。燃料供給部１０
は、燃料ガスを生成するためのメタノールを貯留する燃
料タンク１１を有する。燃料タンク１１内には、燃料ポ
ンプＰ１が配置されており、燃料ポンプＰ１の吐出口に
は、圧力調整ラインＬＰ１の一端が接続されている。圧
力調整ラインＬＰ１は、中途に圧力調整弁ＰＲＶ１を有
し、その他端側は燃料タンク１１内に導かれている。圧
力調整弁ＰＲＶ１は、燃料ポンプＰ１から吐出されて圧
力調整ラインＬＰ１内を流通する流体圧力を所定値に保
つ。なお、圧力調整弁ＰＲＶ１による圧力調整によって
余剰となったメタノールは、圧力調整ラインＬＰ１を介
して燃料タンク１１内に返送される。

【００３９】また、圧力調整ラインＬＰ１からは、燃料
ポンプＰ１と圧力調整弁ＰＲＶ１との間において燃料ラ
インＬ１が分岐されている。燃料ラインＬ１は、中途に
流路開閉手段として機能する電磁弁ＳＶ１を有し、燃料
供給ラインＬＳに接続されている。ここで、上述したよ
うに、燃料ポンプＰ１と圧力調整弁ＰＲＶ１との間にお
ける圧力調整ラインＬＰ１内の流体圧力は、燃料供給部
１０の圧力調整弁ＰＲＶ１によって一定に保たれてい
る。従って、電磁弁ＳＶ１の上流側における燃料ライン
Ｌ１内の流体圧力は常に一定となる。

【００４０】同様に、水供給部２０は、燃料（メタノー
ル）を改質する際に改質用流体として利用される水を貯
留する水タンク２１を有する。水タンク２１内には、水
ポンプＰ２が配置されており、水ポンプＰ２の吐出口に
は、圧力調整ラインＬＰ２の一端が接続されている。こ
の圧力調整ラインＬＰ２も、中途に圧力調整弁ＰＲＶ２
を有し、その他端側は水タンク２１内に導かれている。
圧力調整弁ＰＲＶ２は、水ポンプＰ２から吐出されて圧
力調整ラインＬＰ２内を流通する流体圧力を所定値に保
つ。なお、圧力調整弁ＰＲＶ２による圧力調整によって
余剰となった水は、圧力調整ラインＬＰ２を介して水タ
ンク２１内に返送される。

【００４１】そして、圧力調整ラインＬＰ２からは、水
ポンプＰ２と圧力調整弁ＰＲＶ２との間において改質用
水ラインＬ２が分岐されている。改質用水ラインＬ２
は、中途に流路開閉手段として機能する電磁弁ＳＶ２を
有し、燃料ラインＬ１と燃料供給ラインＬＳとの接続部
に合流している。ここで、上述したように、水ポンプＰ
２と圧力調整弁ＰＲＶ２との間における圧力調整ライン
ＬＰ２内の流体圧力は、水供給部２０の圧力調整弁ＰＲ
Ｖ２によって一定に保たれている。従って、電磁弁ＳＶ
２の上流側における改質用水ラインＬ２内の流体圧力は
常に一定となる。

【００４２】燃料供給部１０から供給されるメタノール
と水供給部２０から供給される改質用水は、燃料ライン
Ｌ１と、改質用水ラインＬ２と、燃料供給ラインＬＳと
の合流部で混ざり合い、燃料供給ラインＬＳを介して改
質装置３０に供給される。改質装置３０は、燃料供給部
１０から供給されるメタノールを水供給部２０から供給
される改質用水を利用した水蒸気改質によって水素を含
む燃料ガスを生成するものである。このため、改質装置
３０は、蒸発部３１、改質部３２、及び、選択酸化部３
３を含む。

【００４３】改質装置３０における燃料ガスの生成工程
について説明すると、燃料供給部１０及び水供給部２０
からの水メタノール混合液は、燃料供給ラインＬＳを介
して、まず蒸発部３１に供給される。蒸発部３１は、図
示しないバーナを備えており、このバーナが発生する熱
によって水メタノール混合液は気化・昇温して水メタノ
ール混合ガスとなる。そして、蒸発部３１で気化・昇温
した水メタノール混合ガスは、改質部３２に流入する。

【００４４】改質部３２の内部には、改質触媒として、
例えば、微粒子状の触媒を坦持させたハニカム状の多孔
質体（図示せず）が配置されている。改質部３２に流入
した水メタノール混合ガスが当該改質触媒の表面を通過
すると、以下の（４）、（５）、及び、（６）式に示し
た反応が進行し、これにより、水素リッチな改質ガスが
生成される。 ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（４） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（５） ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂−１１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（６）

【００４５】なお、上記（４）〜（６）式に示す水蒸気
改質反応は、吸熱反応であることから、反応を進行させ
るための熱を改質部３２内に供給する必要がある。この
ためには、蒸発部３１から水メタノール混合ガスが熱を
同伴しながら改質部３２に流れ込むように構成すると好
ましい。また、改質部３２に所定の加熱装置を設け、反
応を進行させるための熱を当該加熱装置から改質部３２
内に与えるように構成してもよい。なお、Ｃｕ−Ｚｎ触
媒によって水蒸気改質反応を進行させる場合、改質部３
２の内部温度を、２５０〜３００℃の温度範囲にすると
好ましい。

【００４６】更に、この改質部３２には、中途に流路開
閉手段として機能する電磁弁ＳＶ３を有する空気ライン
Ｌ３が接続されており、改質部３２内には、空気ライン
Ｌ３を介して改質用の空気が必要に応じて供給される。
改質部３２内に改質用空気が供給された場合、改質部３
２では、蒸発部３１から流入する水メタノール混合ガス
中のメタノールと改質用の空気に含まれる酸素との間
で、次の（７）式に示す反応が進行する。 ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂＋３６．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（７） これにより、吸熱反応を進行させるために必要な熱を更
に補うことができる。

【００４７】このようにして改質部３２で生成された改
質ガスは、次に、選択酸化部３３に流入する。選択酸化
部３３には、メタロシリケート触媒等のＣＯ選択酸化触
媒を坦持させた多孔質体（図示せず）が配置されてい
る。また、選択酸化部３３には、中途に電磁弁ＳＶ４
（流路開閉手段）を有する空気ラインＬ４が接続されて
おり、選択酸化部３３内には、空気ラインＬ４を介して
ＣＯ酸化用の空気が供給される。そして、選択酸化部３
３に流入した改質ガスが当該ＣＯ選択酸化触媒の表面を
通過すると、空気ラインＬ４から供給されたＣＯ酸化用
の空気が利用されて、次の（８）式に示す選択酸化反応
が進行する。 ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂ …（８）

【００４８】これにより、改質部３２で生成された改質
ガス中の一酸化炭素のみが選択的に酸化され、選択酸化
部３３では、一酸化炭素濃度が十分に低減された燃料ガ
スが生成されることになる。そして、改質装置３０の選
択酸化部３３で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給ラ
インＬ５を介して燃料電池ＦＣに供給される。この燃料
ガス供給ラインＬ５には、改質装置３０の近傍に位置す
るように圧力調整弁ＰＲＶ３が配置されている。この圧
力調整弁ＰＲＶ３は、改質装置出口における燃料ガス供
給ラインＬ５内の燃料ガスの圧力を常に所定値に維持す
るものである。これにより、改質装置３０（蒸発部３
１、改質部３２、及び、選択酸化部３３）の内部におけ
る水メタノール混合ガス、改質ガスといった流体の圧力
を、燃料電池装置１のコストアップを抑制しながら常に
一定に保つことができる。

【００４９】また、圧力調整弁ＰＲＶ３の下流側には、
凝縮器３５が配置されている。改質装置３０から流出し
て燃料ガス供給ラインＬ５を流通する燃料ガスは、改質
装置３０で進行する水蒸気改質反応の反応温度に応じて
昇温しているが、この凝縮器３５で燃料電池ＦＣの作動
温度近傍まで冷却される。これに伴い、燃料ガス中に含
まれている水蒸気も冷却されて凝縮し、燃料ガス中の水
蒸気分圧も燃料電池の作動温度における飽和水蒸気圧ま
で低下する。この結果、燃料電池ＦＣ内で燃料ガス中の
水蒸気が凝縮してしまうことを防止可能となり、凝縮し
た水によって燃料ガスの流入を妨げてしまうような事態
を防止することができる。なお、凝縮器３５で回収され
た水は、水供給部２０の水タンク２１内に戻されて各種
用途に再利用される。

【００５０】一方、燃料電池装置１は、カソード反応ガ
スとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するカソード反応
ガス供給手段として、ブロアＢを備える。このブロアＢ
は、中途に空気流量調整弁ＦＲＶを有する空気供給ライ
ンＬ６を介して燃料電池ＦＣと接続されており、大気中
の空気を吸込んで所定圧力まで昇圧させ、燃料電池ＦＣ
に対して圧送する。これにより、燃料電池ＦＣには、圧
縮されて所定温度（例えば、１２０℃程度）まで昇温し
た空気が供給されることになる。

【００５１】また、上述した改質用空気を選択酸化部３
３に供給するための空気ラインＬ４は、ブロアＢに接続
された空気供給ラインＬ６から分岐されており、改質用
空気を改質部３２に供給するための空気ラインＬ３は、
この空気ラインＬ４から分岐されている。すなわち、ブ
ロアＢは、改質装置３０の改質部３２及び選択酸化部３
３に改質用空気を供給する流体供給手段としても機能す
る。これにより、改質用空気を供給するための供給源を
別途設ける必要がなくなるので、燃料電池装置１全体の
コンパクト化を図ることができる。

【００５２】このようにして、燃料電池ＦＣは、改質装
置３０から燃料ガスの供給を受け、ブロアＢから空気の
供給を受けることになる。この燃料電池ＦＣについて詳
細に説明すると、燃料電池ＦＣは、図２に示すように、
単セルＵＣ（図３参照）とセパレータＳＰ（図４参照）
とを図示しないシール材を介して交互に多数積層させた
スタック４０を有する。このスタック４０は、各単セル
ＵＣのアノードＡと接続されたアノード集電板４１ａ
と、各単セルＵＣのカソードＣと接続されたカソード集
電板４１ｂとによって挟持されており、アノード集電板
４１ａとカソード集電板４１ｂとの外方には、絶縁板４
２が配置されている。

【００５３】各絶縁板４２の外方には、スタック締付板
４３を介してフランジ４４ａ，４４ｂが配置されてい
る。各フランジ４４ａ，４４ｂは、膜板４５によって連
結されると共に強固に締め付けられている。これによ
り、スタック４０、アノード集電板４１ａ、カソード集
電板４１ｂ、絶縁板４２等が一体化される。なお、各フ
ランジ４４ａ，４４ｂは、リブ構造を有する無垢材から
なり、これにより、燃料電池ＦＣ全体が軽量化される。
また、絶縁板４２とフランジ４４ａ，４４ｂとの間に
は、皿ばね等の弾性体４６を配置すると好ましく、これ
により、燃料電池ＦＣの温度上昇、温度降下によるスタ
ック４０の伸縮を吸収することができる。

【００５４】更に、燃料電池ＦＣは、カソード集電板４
１ｂ側に位置する絶縁板４２の左上コーナー部を貫通す
る燃料ガス入口４７ａ（アノード反応ガス入口）を有
し、この燃料ガス入口４７ａには、改質装置３０と連な
る燃料ガス供給ラインＬ５が接続される。また、燃料電
池ＦＣは、カソード集電板４１ｂ側に位置する絶縁板４
２の右上コーナー部を貫通する空気入口４７ｂ（カソー
ド反応ガス入口）を有し、この空気入口４７ｂには、ブ
ロアＢと連なる空気供給ラインＬ６が接続される。これ
により、燃料ガス入口４７ａから各単セルＵＣのアノー
ドＡに燃料ガスが流れ込み、空気入口４７ｂから各単セ
ルＵＣのカソードＣに酸化用ガスとしての空気が流れ込
むことになる。

【００５５】図３に示すように、各単セルＵＣは、電解
質膜ＥＭをガス拡散電極であるアノードＡとカソードＣ
とによって挟持させたものである。電解質膜ＥＭは、例
えばフッ素系樹脂等の固体高分子材料によって形成され
ており、湿潤状態下で良好なイオン伝導性を示すイオン
交換膜である。電解質膜を構成する固体高分子材料とし
ては、ナフィオン膜（デュポン社製）のほか、パーフル
オロカーボンスルホン酸樹脂、ポリサルホン樹脂、パー
フルオロカルボン酸樹脂、スルホン酸基を有するポリス
チレン系陽イオン交換樹脂、フルオロカーボンマトリッ
クスとトリフルオロエチレンとのグラフト共重合樹脂、
ポリエチレンスルホン酸樹脂、及び、ポリビニルスルホ
ン酸樹脂等を用いることができる。

【００５６】一方、ガス拡散電極であるアノードＡ及び
カソードＣは、何れもガス拡散層と、ガス拡散層上に形
成された反応層（触媒層）とからなる。ここで、ガス拡
散層と反応層とについて簡単に説明すると、ガス拡散層
は、各単セルＵＣ毎に供給された燃料ガス又は空気を反
応層側に円滑かつ均一に供給すると共に、反応層におけ
る電極反応によって生じる電子を単セルＵＣの外部に放
出させる役割を担うものである。 ガス拡散層として
は、例えば、電気伝導性を有する多孔質体（本実施形態
では、炭素繊維からなるカーボンペーパ）にフッ素系樹
脂（例えば、ＰＴＦＥ〔ポリテトラフルオロエチレ
ン〕）を用いて撥水化処理を施したものが使用される。

【００５７】また、反応層は、アノードでは、上記
（１）式、カソードでは、上記（２）式にそれぞれ示す
電極反応が進行させる役割を担う。この反応層は、いわ
ゆる反応サイトの三次元化、すなわち、触媒とイオン伝
導性の電解質からなる領域（電解質ネットワーク）と燃
料ガス又は空気が供給される領域（ガス拡散ネットワー
ク）との三相界面面積の増大化が図られている。具体的
には、触媒表面積の大きな触媒担持カーボンブラック微
粒子で基礎となる骨格を形成し、当該骨格の一部分にＰ
ＴＦＥ等の撥水剤を分散させて撥水化処理を施すること
により、疎水性のガス拡散ネットワークを構築する。そ
して、上記骨格の他の部分に、高分子電解質を有機溶媒
に溶解させた溶液を浸透塗布等して、触媒担持カーボン
ブラックの表面を高分子電解質で被覆し親水性の電解質
ネットワークを構築する。これにより、燃料ガス又は空
気とイオン（プロトン）と触媒とを効率よく接触させて
各電極反応を速やかに進行させることが可能となる。

【００５８】このようなガス拡散層と反応層とからなる
アノードＡとカソードＣは、以下のような手順に従って
製造される。先ず、界面活性剤を含む有機溶媒中に親水
性のカーボンブラック微粒子と疎水性のカーボンブラッ
ク微粒子とＰＴＦＥとを混入し、ＵＳＨＭ（超音波ホモ
ジナイザー）やビーズミルなどによって分散混合させて
ペースト状のスラリーを調製する。次に、当該スラリー
をガス拡散層となるカーボンぺーパ上に厚さが均一にな
るように塗布した上で乾燥させる。そして、当該カーボ
ンペーパに電気炉又はホットプレス等を用いて熱処理を
施し、スラリー内のＰＴＦＥを焼結させると共に界面活
性剤を除去することにより反応層を形成する。更に、反
応層の表面に電極触媒を構成する金属塩を含む溶液（例
えば、塩化白金酸水溶液等）を塗布し、電気炉等で乾燥
・熱分解させた後、水素還元等の処理を施す。これによ
り、アノードＡとカソードＣとが完成する。

【００５９】この場合、電極触媒を構成する金属塩を含
む溶液は、親水性の電解質ネットワークを経由して反応
層内の細部に浸透して行くことから、水素還元処理等を
施した後の反応層内には、電極触媒が高い分散度で担持
されることになる。なお、必要に応じて、触媒担持量を
低減させたり、疎水性のより優れたガス拡散ネットワー
クの構築したりするために、フッ素系樹脂で予め被覆し
た触媒無担持のカーボンブラック微粒子を触媒担持カー
ボンブラック微粒子に分散させてもよい。

【００６０】また、反応層の電気抵抗を低減させるため
に、触媒無担持のカーボンブラック微粒子からなる骨格
に撥水化処理を施すことなく、高分子電解質のみで被覆
して高分子電解質自体が構造的に有する疎水性領域をガ
ス拡散ネットワークとすることも可能である。更に、ア
ノードＡ及びカソードＣは、カーボンフエルトや、炭素
繊維からなるカーボンクロス等を用いて構成してもよ
い。

【００６１】そして、上述した構成を有するアノードＡ
及びカソードを、固体高分子材料からなる電解質膜ＥＭ
に接合させることにより、単セルＵＣが形成される。具
体的には、アノードＡとカソードＣとの反応層を電解質
膜ＥＭと接触させた上で、電気炉やホットプレス等で熱
処理することにより、単セルＵＣが完成する。この場
合、アノードＡ及びカソードＣの接合面における密着性
を向上させるために、アノードＡ及びカソードＣの反応
層表面に高分子電解質の膜を有機溶媒に溶解させた溶液
を少量塗布した上で熱処理を施すと好ましい。また、ア
ノードＡとカソードＣとを接合する前に、過酸化水素の
希薄溶液にて電解質膜ＥＭ中の不純物を酸化除去し、そ
の後、硫酸水溶液で電解質膜ＥＭ内のイオン交換基をプ
ロトンフォームにする等して電解質膜の活性化処理を施
すと好ましい。

【００６２】上述したように構成された単セルＵＣと共
に、スタック４０を構成するセパレータＳＰは、図３に
示すように、１体の単セルＵＣに対して、アノードＡ側
と、カソードＣ側とにそれぞれ１体ずつ装着される。セ
パレータＳＰは、例えば、カーボンを圧縮してガス不透
過とした緻密質カーボンといったようなガス不透過の導
電性部材により形成され、図４（ａ）及び図４（ｂ）に
示すように、矩形薄板状を呈する。ここで、図４（ａ）
は、セパレータＳＰの表裏面のうち、アノードＡと接す
る側の面（以下「アノード接触面」という）をアノード
Ａ側から視た平面図であり、カソードＣと接する側の面
（以下「カソード接触面」という）をカソードＣ側から
視た平面図である。

【００６３】図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、
セパレータＳＰの四隅には、その側縁部に沿って延びる
長穴状の開口部５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが形成
されている。また、セパレータＳＰのアノード接触面に
は、一端側が図中右上の開口部５０ａと連通し、他端側
が図中左下の開口部５１ａと連通するように、Ｓ字状に
屈曲する複数の溝５２が形成されている。更に、セパレ
ータＳＰのカソード接触面には、一端側が図中右上の開
口部５０ｂと連通し、他端側が図中左下の開口部５１ｂ
と連通するように、Ｓ字状に屈曲する複数の溝５３が形
成されている。

【００６４】このように構成されたセパレータＳＰと単
セルＵＣとを多数積層させてスタック４０を構成する
と、各開口部５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂは、それ
ぞれ１本の流路を形成する。また、各セパレータＳＰの
アノード接触面に形成された各溝５２は、各単セルＵＣ
のアノードＡの表面とにより、燃料ガス流路５４を画成
する（図３参照）。更に、各セパレータＳＰのカソード
接触面に形成された各溝５３は、各単セルＵＣのカソー
ドＣの表面とにより、空気流路５５を画成する（図３参
照）。そして、開口部５０ａが形成する流路は、燃料ガ
ス入口４７ａと連通され、開口部５０ｂが形成する流路
は、空気入口４７ｂと連通される。

【００６５】これにより、改質装置３０で生成された燃
料ガスは、燃料ガス入口４７ａと、各セパレータＳＰの
開口部５０ａとを介して、各セパレータＳＰの各溝５２
とアノードＡの表面とによって画成される燃料ガス流路
５４に流れ込む。そして、燃料ガスが燃料ガス流路５４
を流通すると、各アノードＡで上記（１）式に示す反応
が進行する。また、ブロアＢから供給される酸化用ガス
としての空気は、空気入口４７ｂと、各セパレータＳＰ
の開口部５０ｂが形成する流路とを介して、各セパレー
タＳＰの各溝５３とカソードＣの表面とによって画成さ
れる空気流路５５に流れ込む。そして、空気が空気流路
５５を流通すると、各カソードＣで上記（２）式に示す
反応が進行する。この結果、各単セルＵＣで上記（３）
式に示す全電池反応が進行し、燃料電池ＦＣのアノード
集電板４１ａとカソード集電板４１ｂとから起電力を得
ることができる。

【００６６】また、この燃料電池ＦＣのセパレータＳＰ
では、燃料ガス流路５４を画成する溝５２と、空気流路
５５を画成する溝５３とがＳ字状に屈曲されている。従
って、各単セルＵＣのアノードＡに供給された燃料ガス
は、Ｓ字状の燃料ガス流路５４内を開口部５０ａから開
口部５１ａに向けて規則的に進行し、燃料ガス流路５４
の途中におけるアノード反応サイトで消費されることに
なる。同様に、各単セルＵＣのカソードＣに供給された
空気は、Ｓ字状の空気流路５５を開口部５０ｂから開口
部５１ｂに向けて規則的に進行し、空気流路５５の途中
におけるカソード反応サイトで消費される。

【００６７】これにより、燃料ガスと空気とは互いに逆
方向かつ規則的に進行するので、電極反応の進行に伴う
反応熱によって各アノードＡ及びカソードＣに不均一な
温度分布が生じてしまうことが効果的に抑制できる。こ
の結果、燃料電池ＦＣ内では、上記（１）に示すアノー
ド電極反応と（２）に示すカソード電極反応とが良好に
進行することになる。なお、燃料ガス流路５４及び空気
流路５５はＳ字状のものに限られず、他の形態の流路５
４，５５を画成するようにカソードＣに溝５２，５３を
形成してもよい。

【００６８】燃料ガス流路５４を流通しながらアノード
Ａで反応した燃料ガスは、アノード排ガスとなり、各セ
パレータＳＰの開口部５１ａが形成する流路に流れ込
む。各セパレータＳＰの開口部５１ａが形成する流路
は、空気入口４７ｂの下方に配置されたアノード排ガス
出口４８ａ（図２参照）に接続されている。また、空気
流路５５を流通しながらカソードＣで反応した空気は、
カソード排ガスとなり、各セパレータＳＰの開口部５１
ｂが形成する流路に流れ込む。各セパレータＳＰの開口
部５１ｂが形成する流路は、燃料ガス入口４７ａの下方
に配置されたカソード排ガス出口４８ｂ（図２参照）に
接続されている。

【００６９】燃料電池ＦＣのアノード排ガス出口４８ａ
は、図１に示すように、中途に圧力調整弁ＰＲＶ４を有
するアノード排ガスラインＬ７を介して、改質装置３０
の蒸発部３１に接続されている。同様に、燃料電池ＦＣ
のカソード排ガス出口４８ｂも、中途に圧力調整弁ＰＲ
Ｖ５を有するカソード排ガスラインＬ８を介して、改質
装置３０の蒸発部３１（バーナ）に接続されている。そ
して、燃料電池ＦＣの各アノードＡで生成されたアノー
ド排ガスは、改質装置３０の蒸発部３１に設けられてい
るバーナで燃料として、各カソードＣで生成されたカソ
ード排ガスは、酸化剤として再利用される。

【００７０】なお、圧力調整弁ＰＲＶ４は、アノード排
ガスラインＬ７を流通するアノード排ガスの圧力を燃料
電池ＦＣの出口で所定値に保つものであり、圧力調整弁
ＰＲＶ５は、カソード排ガスラインＬ８を流通するカソ
ード排ガスの圧力を燃料電池ＦＣの出口で所定値に保つ
ものである。これにより、燃料電池ＦＣの内部における
流体圧力、すなわち、各セパレータＳＰの開口部５０
ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが形成する流路や、各燃料
ガス流路５４、各空気流路５５の内部における燃料ガ
ス、及び、空気の圧力を一定に保つことが可能となり、
燃料電池ＦＣを所望の電池電圧で作動させることができ
る。

【００７１】また、カソード排ガスラインＬ８からは、
予熱ラインＬ２０が分岐されている。この予熱ラインＬ
２０は、圧力調整弁ＰＲＶ５の下流側でカソード排ガス
ラインＬ８から分岐しており、図１に示すように、その
中途には、水供給部２０の水タンク２１内に配される伝
熱管Ｔ２０が設けられている。当該伝熱管Ｔ２０を介し
て、水タンク２１内に貯留されている水は、燃料電池Ｆ
Ｃから昇温した状態で排出されるカソード排ガスと熱交
換することになる。これにより、カソード排ガスの熱を
利用して、水タンク２１内の水（改質用水、及び、加湿
用水）を所定温度（例えば、８０℃程度）まで予熱する
ことが可能となる。予熱ラインＬ２０は、改質装置３０
の蒸発部３１の手前で再度、カソード排ガスラインＬ８
と合流しており、水供給部２０の水タンク２１を熱源と
して通過したカソード排ガスは、蒸発部３１に設けられ
ているバーナで酸化剤として再利用される。

【００７２】一方、このように構成された燃料電池ＦＣ
は、上記（１）に示すアノード電極反応と（２）に示す
カソード電極反応とが進行するにつれて発熱するが、燃
料電池ＦＣの作動を安定化させるためには、その作動温
度を略一定に維持することが重要である。このため、燃
料電池ＦＣは内部に冷却媒体を流通させることができる
ように構成されており、燃料電池装置１には、冷却系統
６０が備えられている。燃料電池ＦＣの冷却構造につい
て説明すると、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すよう
に、燃料電池ＦＣのスタック４０を構成する各セパレー
タＳＰには、開口部５０ａと開口部５１ｂとの間に更な
る開口部５６が形成されている。更に、開口部５０ｂと
開口部５１ａとの間には、開口部５６と対向するように
開口部５７が形成されている。

【００７３】このように形成された各セパレータＳＰの
開口部５６，５７は、セパレータＳＰと単セルＵＣとを
多数積層させてスタック４０を構成した際に、それぞ
れ、１本の流路を形成する。そして、各開口部５６が形
成する流路と、各開口部５７が形成する流路とは、アノ
ード集電板４１ａ側に配置されているフランジ４４ａの
内部に形成されている図示しない流路を介して互いに連
通しており、冷却流路５８（図１参照）を形成する。ま
た、図２に示すように、燃料電池ＦＣのフランジ４４ｂ
側には、冷却媒体入口４９ａが設けられており、この冷
却媒体入口４９ａは、上記各開口部５６が形成する流路
に連通されている。更に、燃料電池ＦＣのフランジ４４
ｂ側には、冷却媒体出口４９ｂが設けられており、この
冷却媒体出口４９ｂは、上記各開口部５７が形成する流
路に連通されている。

【００７４】一方、冷却系統６０は、冷却媒体循環ポン
プＰ３、冷却媒体ラインＬ９、冷却媒体戻りラインＬ１
０、熱交換器６２とファン６３等からなるラジエータ６
１等から構成されている。すなわち、燃料電池ＦＣの冷
却媒体入口４９ａには、図１に示すように、冷却媒体ラ
インＬ９を介して、冷却媒体循環ポンプＰ３が接続され
ている。また、燃料電池ＦＣの冷却媒体出口４９ｂに
は、冷却媒体戻りラインＬ１０が接続されており、この
冷却媒体戻りラインＬ１０は、ラジエータ６１を構成す
る熱交換器６２の冷媒入口ＲＩに接続されている。

【００７５】従って、冷却媒体循環ポンプＰ３を作動さ
せれば、冷却水等が冷却媒体ラインＬ９、冷却媒体入口
４９ａを介して、燃料電池ＦＣの冷却流路５８に導入さ
れ、燃料電池ＦＣのスタック４０等から熱を奪って昇温
した冷却水等は、冷却媒体出口４９ｂ、冷却媒体戻りラ
インＬ１０を介して、ラジエータ６１に戻される。冷却
水等は、ラジエータ６１で冷却され、冷却媒体循環ポン
プＰ３によって再度、燃料電池ＦＣに対して供給され
る。これにより、燃料電池ＦＣの作動温度は、常に好適
範囲（例えば、６０℃〜８０℃程度）に保たれる。

【００７６】また、この冷却系統６０を流通する冷却水
等は、凝縮器３５で燃料ガスを冷却させる冷熱源として
も用いられる。すなわち、冷却媒体ラインＬ９からは、
冷却媒体ラインＬ１１が分岐されており、この冷却媒体
ラインＬ１１は、凝縮器３５を構成する伝熱管Ｔ３５に
接続されている。これにより、冷却媒体循環ポンプＰ３
を作動させれば、凝縮器３５の伝熱管Ｔ３５にも冷却水
等が供給されることになる。伝熱管Ｔ３５を流通した冷
却水等は、図示しない配管を介して、ラジエータ６１を
構成する熱交換器６２の冷媒入口ＲＩに戻され、冷却・
再循環させられる。

【００７７】更に、冷却媒体ラインＬ９からは、冷却媒
体ラインＬ１２が分岐されており、この冷却媒体ライン
Ｌ１２は、改質装置３０の改質部３２内に配置された伝
熱管Ｔ３２の流体入口に接続されている。そして、伝熱
管Ｔ３２の流体出口は、選択酸化部３３内に配置された
伝熱管Ｔ３３の流体入口の入口に接続されている。従っ
て、冷却媒体循環ポンプＰ３を作動させれば、改質部３
２の伝熱管Ｔ３２と、選択酸化部３３の伝熱管Ｔ３３に
も冷却水等が供給されることになる。これにより、冷却
系統６０を流通する冷却水等を利用して、改質部３２及
び選択酸化部３３の内部で発生する余分な反応熱を取り
除くことができる。なお、選択酸化部３３の伝熱管Ｔ３
３を流通した冷却水等は、図示しない配管を介して、ラ
ジエータ６１を構成する熱交換器６２の冷媒入口ＲＩに
戻され、冷却・再循環させる。

【００７８】加えて、冷却媒体ラインＬ１２からは、更
なる冷却媒体ラインＬ１３が分岐されており、この冷却
媒体ラインＬ１３を介して抽出される冷却水等は、改質
装置３０の蒸発部３１から排出される排ガスを冷却する
ために用いられる。すなわち、蒸発部３１には、内部で
燃焼したアノード排ガス、カソード排ガス等を排出させ
る排ガスラインＬ１４が接続されており、この排ガスラ
インＬ１４上には、熱交換器６５が設けられている。そ
して、冷却媒体ラインＬ１２から分岐された冷却媒体ラ
インＬ１３は、熱交換器６５を構成する伝熱管Ｔ６５の
流体入口に接続されている。これにより、改質装置３０
の排ガスは、冷却系統６０を流通する冷却水等によって
冷却された後、系外に排出されることになる。熱交換器
６５の伝熱管Ｔ６５を流通した冷却水等も、図示しない
配管を介して、ラジエータ６１を構成する熱交換器６２
の冷媒入口ＲＩに戻され、冷却・再循環させられる。

【００７９】ここで、このように構成された燃料電池装
置１では、燃料電池ＦＣの性能を安定化させる上で、各
単セルＵＣの電解質膜ＥＭ（固体高分子電解質膜）を十
分に加湿することが必要となる。この点に鑑みて、この
燃料電池装置１は、カソード反応ガス供給手段としての
ブロアＢから圧送されるカソード反応ガスとしての空気
を加湿した上で、燃料電池ＦＣの各カソードＣに供給で
きるように構成されている。

【００８０】このため、図１に示すように、カソード反
応ガス供給手段としてのブロアＢと、燃料電池ＦＣの各
カソードＣと接続されている空気入口４７ｂとを結ぶ空
気供給ラインＬ６上には、加湿シェル７０が設けられて
いる。これにより、ブロアＢから圧送される空気は、加
湿シェル７０の内部を経由した後、燃料電池ＦＣの空気
入口４７ｂに流入することになる。加湿シェル７０は、
密閉容器として構成されており、その側部には、ノズル
Ｎが接続されている。このノズルＮは、流量調整手段と
して機能する電磁弁ＳＶ５を介して加湿用水ラインＬ１
５の一端と接続されている。加湿用水ラインＬ１５の他
端は、図１に示すように、水供給部２０の水ポンプＰ２
と圧力調整弁ＰＲＶ２との間において圧力調整ラインＬ
Ｐ２に接続されている。

【００８１】上述したように、水ポンプＰ２と圧力調整
弁ＰＲＶ２との間における圧力調整ラインＬＰ２内の流
体圧力は、圧力調整弁ＰＲＶ２によって一定に保たれて
いる。従って、加湿用水ラインＬ１５内が常時、水タン
ク２１内の水で満たされると共に、電磁弁ＳＶ５の上流
側（水供給部２０側）における加湿用水ラインＬ１５内
の流体圧力が常に一定となる。この結果、電磁弁ＳＶ５
を断続的に開閉させれば、水タンク２１から加湿用水ラ
インＬ１５内に流れ込んだ水（加湿用水）がノズルＮに
供給され、水噴射手段としてのノズルＮから加湿用の水
が加湿シェル７０内に断続的に噴射されることになる。
また、このように、改質装置３０に改質用水を供給する
手段である水供給部２０を加湿用の水を供給するための
手段としても利用することにより、燃料電池装置１の全
体をより一層コンパクト化することができる。

【００８２】更に、加湿シェル７０内には、伝熱管Ｔ７
０が配置されている。そして、冷却系統６０の冷却媒体
戻りラインＬ１０からは、熱交換器６２の冷媒入口ＲＩ
の上流側において、冷却媒体ラインＬ１６が分岐されて
おり、この冷却媒体ラインＬ１６は、伝熱管Ｔ７０の流
体入口に接続されている。これにより、スタック４０等
を冷却させて所定温度（例えば、９０℃〜９５℃程度）
に昇温し、燃料電池ＦＣの冷却媒体出口４９ｂから流出
する冷却水等の一部は、ラジエータ６１に戻されず、加
湿シェル７０内に配置されている伝熱管Ｔ７０に流れ込
むことになる。加湿シェル７０内に配置された伝熱管Ｔ
７０の流体出口には、冷却媒体戻りラインＬ１７が接続
されており、冷却媒体戻りラインＬ１７は、冷却媒体循
環ポンプＰ３の吸込口に接続されている。

【００８３】一方、空気供給ラインＬ６には、加湿シェ
ル７０の下流側に圧力調整弁ＰＲＶ６が配置されてい
る。この圧力調整弁ＰＲＶ６は、加湿シェル７０の出口
における空気供給ラインＬ６内の空気圧力を常に所定値
に維持するものである。これにより、加湿シェル７０の
内部における流体の圧力は、常に一定に保たれる。更
に、空気供給ラインＬ６には、圧力調整弁ＰＲＶ６の下
流側にデミスタＤが配置されている。このデミスタＤ
は、気体に同伴されている水滴（液滴）を除去可能なも
のである。なお、デミスタＤで回収された水は、水供給
部２０の水タンク２１内に戻されて各種用途に再利用さ
れる。

【００８４】ところで、この燃料電池装置１では、上述
したように、燃料ラインＬ１、改質用水ラインＬ２、空
気ラインＬ３，Ｌ４、及び、ノズルＮ（加湿用水ライン
Ｌ１５）に対して、各ラインを断続的に開閉可能な電磁
弁ＳＶ１〜ＳＶ５が備えられている。そして、このよう
な構成を採用することにより、燃料電池装置１は、大幅
な低コスト化、コンパクト化が図られている。

【００８５】すなわち、メタノールを改質装置３０に供
給する燃料供給部１０には、圧力調整弁ＰＲＶ１が設け
られており、この圧力調整弁ＰＲＶ１によって燃料ポン
プＰ１から吐出されて圧力調整ラインＬＰ１内を流通す
る流体圧力が一定に保たれている。従って、燃料供給部
１０から電磁弁ＳＶ１の入口には、燃料としてのメタノ
ールが常に一定の圧力で供給される。同様に、改質用水
及び加湿用水の供給源となる水供給部２０には、圧力調
整弁ＰＲＶ２が設けられており、この圧力調整弁ＰＲＶ
２によって水ポンプＰ２から吐出されて圧力調整ライン
ＬＰ２内を流通する流体圧力が常に一定に保たれてい
る。従って、水供給部２０から電磁弁ＳＶ２及び電磁弁
ＳＶ５の入口には、改質用の水が常に一定の圧力で供給
される。また、改質用空気の供給源となるブロアＢから
は、電磁弁ＳＶ３，ＳＶ４の入口に改質用の空気が一定
の圧力で供給される。従って、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５
の入口における流体圧力は常に一定となる。

【００８６】一方、燃料電池装置１では、改質装置３０
の内部における水メタノール混合ガス、改質ガスといっ
た流体の圧力は、圧力調整弁ＰＲＶ３によって常に一定
に保たれている。同様に、加湿シェル７０の内部におけ
る流体の圧力は、圧力調整弁ＰＲＶ６によって常に一定
に保たれている。従って、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の出口
における流体圧力も常に一定となる。

【００８７】この結果、この燃料電池装置１では、各電
磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の入口と出口との間の差圧は、常に
一定に保たれることになる。そして、各電磁弁ＳＶ１〜
ＳＶ５の入口と出口との間の差圧を一定に保つことによ
り、各ラインＬ１、Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４、及び、Ｌ１５に
おける流量特性が極めて単純化され、当該各差圧と各電
磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の開通時間とから改質装置３０と加
湿シェル７０とに対する流体の供給量を極めて容易に定
めることが可能となる。

【００８８】このように、燃料電池装置１では、各電磁
弁ＳＶ１〜ＳＶ５の入口と出口との間の差圧を一定に保
ちながら、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５を開閉制御し、改質
装置３０と加湿シェル７０とに対して断続的に各流体を
供給している。これにより、改質装置３０と加湿シェル
７０とに対する流体の供給量、すなわち、燃料（メタノ
ール）、改質用水、改質用空気、及び、加湿用水の供給
量を常に最適かつ精度よく調節することが可能となる。
この結果、流路開閉手段として、サイズが大きく高価な
サーマルマスフローメータ等を使用する必要がなくな
り、小型で安価な電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５を採用可能とな
る。従って、燃料電池装置１の全体を大幅にコストダウ
ン化、コンパクト化することができる。

【００８９】次に、これら電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の具体
的構成について、図５を参照しながら説明する。電磁弁
ＳＶ１〜ＳＶ５は、何れも同一の構成を有し、きわめて
低コストかつコンパクト（例えば、全長５〜１０ｃｍ程
度）に製造可能である。電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５は、図５
に示すように、略円筒状に形成された弁本体８０を有す
る。この弁本体８０には、一端側に弁入口８１が、他端
側に弁出口８２がそれぞれ形成されており、弁入口８１
と弁出口８２とは、真っ直ぐに伸びる流路８３により連
通されている。

【００９０】また、弁本体８０に形成された流路８３内
の弁出口８２の近傍には、弁座８４が形成されており、
流路８３内には、シャフトを介して可動鉄心８６に取り
付けられた弁体８５が摺動自在に配置されている。弁体
８５及び可動鉄心８６とは、図示しないバネ等の付勢手
段によって、弁座８４に対して付勢されており、通常、
流路８３は、弁座８４と弁体８５とによって閉鎖されて
いる。そして、弁本体８０には、流路８３及び可動鉄心
８６の周囲を覆うように電磁コイル８７が配置されてい
る。なお、加湿シェル７０に加湿用の水を供給する加湿
用水ラインＬ１５に設けられる電磁弁ＳＶ５について
は、図５の引き出し部に示すように、弁出口８２内にノ
ズルＮを配置して両者を一体化させると好ましい。これ
により、加湿シェル７０周辺の構成をコンパクト化する
ことが可能となる。

【００９１】これら電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５には、定電圧
電源装置８８から駆動電圧が供給される。この定電圧電
源装置８８は、図示しない直流電源と定電圧回路とを有
し、当該直流電源の発生する非安定直流電圧を定電圧回
路で安定化させて、安定直流電圧を発生するものであ
る。図５及び図６に示すように、定電圧電源装置８８の
プラス出力端子には、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の電磁コ
イル８７の一端が並列に接続されている。一方、定電圧
電源装置８８のマイナス出力端子は、トランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５を介して、各電磁
弁ＳＶ１〜ＳＶ５に含まれる電磁コイル８７の他端が並
列に接続されている。

【００９２】また、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５と各トラン
ジスタＴｒ１〜Ｔｒ５とを結ぶ電気ラインには、バイパ
ス用の抵抗Ｒ及びコンデンサＣｏが設けられている。そ
して、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５のゲートには、そ
れぞれ、パルス発生装置ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３，ＰＧ
４，ＰＧ５が接続されている。各パルス発生装置ＰＧ１
〜ＰＧ５は、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５をＯＮ／Ｏ
ＦＦさせるためのパルス（パルス電圧）を発生するもの
である。これにより、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５
は、スイッチング素子として機能することになる。

【００９３】すなわち、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ
５からのパルスによって各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５
がＯＮすると、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の電磁コイル８
７に対して駆動電圧が印加される。これにより、電磁コ
イル８７が励磁され、可動鉄心８６と共に弁体８５が上
昇するので、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５が開放されることに
なる。一方、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ５からのパ
ルスによって各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５がＯＦＦす
ると、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の電磁コイル８７に対す
る駆動電圧の印加が解除され、可動鉄心８６と弁体８５
と付勢手段によって弁座８４に対して付勢されるので、
電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５が閉鎖されることになる。

【００９４】このように、各パルス発生装置ＰＧ１〜Ｐ
Ｇ５は、電磁コイルに駆動電圧を断続的に印加するため
のパルスを発生するものであるが、当該パルスの幅と周
期、すなわち、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の開通時間と閉
止時間とは、図５及び図６に示す制御装置９０によって
制御される。制御装置９０は、図６に示すように、ＣＰ
Ｕ９１、ＲＯＭ９２、及び、ＲＡＭ９３を有する。ＣＰ
Ｕ９１は、マイクロプロセッサ等からなり、各種演算処
理を行う。また、ＲＯＭ９２には、制御・演算処理のた
めのプログラムが予め記憶されており、ＲＡＭ９３は、
制御・演算処理の際に各種データを読み書きするために
用いられる。

【００９５】また、制御装置９０は、ＣＰＵ９１と接続
された入出力ポート９４を有する。この入出力ポート９
４には、上記各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ５と、ブロ
アＢの下流側に設けられた空気流量調整弁ＦＲＶとが接
続されている。従って、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ
５や空気流量調整弁ＦＲＶには、入出力ポート９４を介
して、ＣＰＵ９１の演算処理によって生成された各種信
号等が与えられる。更に、制御装置９０の入出力ポート
９４には、燃料電池ＦＣに対する負荷を設定する負荷設
定手段（図示せず）が接続されており、当該負荷要求手
段によって発せられる負荷要求信号がＣＰＵ９１に与え
られる。

【００９６】加えて、制御装置９０は、記憶装置９５を
有し、この記憶装置９５は、入出力ポート９４を介して
ＣＰＵ９１と接続されている。記憶装置９５には、燃料
電池ＦＣに対する負荷要求に応じた電磁弁ＳＶ１の開通
時間と閉止時間とを示すテーブルと、各電磁弁ＳＶ２〜
ＳＶ５、及び、空気流量調整弁ＦＲＶについて定められ
た所定の比例定数を示すデータとが記憶されている。こ
れら各種データは、負荷要求信号を受け取ったＣＰＵ９
１に読み出される。そして、ＣＰＵ９１は、負荷要求信
号に基づいて、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ５、並び
に、空気流量調整弁ＦＲＶに送出する制御信号を生成す
る。

【００９７】なお、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応
じた電磁弁ＳＶ１の開通時間と閉止時間、すなわち、負
荷要求に応じたメタノールの供給量を示すテーブルは、
理論計算値、実験値等に基づいて定めることができる。
また、電磁弁ＳＶ２〜ＳＶ５、及び、空気流量調整弁Ｆ
ＲＶに関する比例定数は、電磁弁ＳＶ１の開通時間と閉
止時間とで定まるメタノールの供給量と、改質用水、改
質空気、加湿用水の供給量との比から電磁弁ＳＶ２〜Ｓ
Ｖ５、空気流量調整弁ＦＲＶ毎に求められる。なお、こ
のような比例定数のデータを記憶装置９５に記憶させる
代わりに、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５について、燃料電池
ＦＣに対する負荷要求に応じた開通時間と閉止時間とを
示すデータを作成すると共に、空気流量調整弁ＦＲＶに
ついて、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じた開度を
示すデータを作成し、これらのデータを記憶装置９５に
記憶させてもよい。

【００９８】このように構成された制御装置９０等によ
り、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５、及び、空気流量調整弁Ｆ
ＲＶは、確実かつ精度よく制御される。従って、燃料ラ
インＬ１、改質用水ラインＬ２、空気ラインＬ３，Ｌ
４、空気供給ラインＬ６、及び、加湿用水ラインＬ１５
から、燃料であるメタノール、カソード反応ガスとして
の空気、改質用水、改質空気、及び、加湿用水が各対象
機器に安定かつ精度よく供給されることになる。なお、
制御装置９０は、シーケンサとして構成することも可能
である。

【００９９】引き続き、上述した燃料電池装置１の動作
について、図７に示すフローチャート等を参照しながら
説明する。

【０１００】この燃料電池装置１の運転が開始される
と、制御装置９０のＣＰＵ９１に対しては、所定の負荷
設定手段から負荷要求信号が与えられる。ＣＰＵ９１
は、負荷要求信号を受け取ると（Ｓ１０）、負荷要求信
号に基づいて、記憶装置９５に記憶されている電磁弁Ｓ
Ｖ１の開通時間と閉止時間とを示すテーブルにアクセス
する。そして、ＣＰＵ９１は、当該テーブルの中から、
負荷要求信号に示されている燃料電池ＦＣに対する負荷
要求に対応するデータを読み出し、当該負荷要求に応じ
た電磁弁ＳＶ１の開通時間と閉止時間とを示すデータに
基づいて、電磁弁ＳＶ１に接続されたパルス発生装置Ｐ
Ｇ１に送出する制御信号を生成する。このように、電磁
弁ＳＶ１の開通時間と閉止時間とを定めることにより、
燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じたメタノールの供
給量が決定されることになる（Ｓ１２）。

【０１０１】また、Ｓ１２において、燃料電池ＦＣに対
する負荷要求に応じたメタノールの供給量を決定したＣ
ＰＵ９１は、次に、記憶装置９５から、各電磁弁ＳＶ２
〜ＳＶ５、及び、空気流量調整弁ＦＲＶについて定めら
れた所定の比例定数を示すデータを読み出す。そして、
ＣＰＵ９１は、当該データと、Ｓ１２で読み出した負荷
要求に応じた電磁弁ＳＶ１の開通時間と閉止時間とを示
すデータと乗じて各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ５、及
び、空気流量調整弁ＦＲＶに送出する制御信号を生成す
る。これにより、空気流量調整弁ＦＲＶを介して供給さ
れる空気、電磁弁ＳＶ２を介して供給される改質用水、
電磁弁ＳＶ３，及び、ＳＶ４を介して供給される改質用
空気、及び、電磁弁ＳＶ５を介して供給される加湿用水
の供給量が、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じるよ
うに決定されることになる（Ｓ１４）。

【０１０２】Ｓ１２とＳ１４における処理を行ったＣＰ
Ｕ９１は、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ５に対して、
負荷要求に応じた各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５の開通時間と
閉止時間とを示す制御信号を、空気流量調整弁ＦＲＶに
対して、負荷要求に応じた開度を示す制御信号をそれぞ
れ送出する（Ｓ１６）。以上説明したＳ１０〜Ｓ１６に
おける処理は、制御装置９０のＣＰＵ９１が負荷要求信
号を受け取る度に繰り返される。

【０１０３】Ｓ１６でＣＰＵ９１によって生成された制
御信号を制御装置９０から受け取ったパルス発生装置Ｐ
Ｇ１〜ＰＧ４は、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ４に対してパル
スを送出する。これにより、各電磁コイル８７に駆動電
圧が断続的に印加され、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ４によっ
て、各ラインＬ１〜Ｌ４が断続的に開閉される。また、
空気流量調整弁ＦＲＶのアクチュエータ部は、ＣＰＵ９
１からの制御信号を受け取ると、その開度を負荷要求に
応じるように変化させる。

【０１０４】この結果、改質装置３０の蒸発部３１に
は、負荷要求に応じた量のメタノールと改質用水とが最
適かつ精度よく供給され、改質部３２と選択酸化部３３
には、負荷要求に応じた量の改質用空気が最適かつ精度
よく供給される。従って、燃料電池ＦＣに対する負荷要
求が変化し、燃料電池ＦＣに供給すべき燃料ガスの量が
変化したとしても、常に、一酸化炭素濃度が極めて低い
アノード反応ガスを改質装置３０で生成可能となる。ま
た、燃料電池ＦＣに、極めて一酸化炭素濃度が低い燃料
ガスを精度よく供給することにより、燃料電池ＦＣを安
定的に作動させると共に、アノードＡの寿命を長期化さ
せることができる。また、空気入口４７ｂには、負荷要
求に応じた量の空気が加湿シェル７０を介して精度よく
供給されることになる。

【０１０５】一方、ＣＰＵ９１から制御信号を受け取っ
たパルス発生装置ＰＧ５も、電磁弁ＳＶ５に対してパル
スを送出する。これにより、電磁弁ＳＶ５の電磁コイル
８７に駆動電圧が断続的に印加され、電磁弁ＳＶ５によ
って加湿用水ラインＬ１５が断続的に開閉される。従っ
て、加湿シェル７０に設けられたノズルＮには、水タン
ク２１内で伝熱管Ｔ２０を介して燃料電池ＦＣから排出
されるカソード排ガスによって所定温度（例えば、８０
℃程度）まで予熱された断続的に加湿用水が供給され
る。この結果、加湿シェル７０の内部に水噴射手段とし
てのノズルＮから、加湿用水が断続的に噴射される。

【０１０６】上述したように、加湿シェル７０の内部に
は、所定温度（１２０℃程度）まで昇温させられたカソ
ード反応ガスとしての空気がブロアＢから供給されてい
る。従って、加湿シェル７０の内部では、昇温した空気
と、ノズルＮから噴射された微細な加湿用水のミストと
が接触し合って熱交換することになる。また、加湿シェ
ル７０内には、燃料電池ＦＣを冷却させた冷却水等が流
通する伝熱管Ｔ７０が配置されているので、ノズルＮか
ら噴射された加湿用水のミストは、伝熱管Ｔ７０を介し
て、燃料電池ＦＣを冷却させて所定温度（例えば、９０
℃〜９５℃程度）まで昇温した冷却媒体とも熱交換する
ことになる。

【０１０７】これにより、加湿用水のミストは、ブロア
Ｂからの空気と、燃料電池ＦＣからの冷却水等とから熱
を奪って昇温・蒸発する一方、カソード反応ガスとして
の空気は、加湿用水のミストに熱を与え、燃料電池ＦＣ
の作動温度近傍（例えば、６０℃〜８０℃程度）まで降
温する。この結果、加湿用水のミストは、蒸発して水蒸
気となり、降温した空気に同伴して加湿シェル７０から
流出し、燃料電池ＦＣの各カソードＣに空気と共に供給
されることになる。

【０１０８】ここで、この燃料電池装置１では、記憶装
置９５に記憶されているデータのうち、電磁弁ＳＶ５に
ついての比例定数は、上述したように、燃料電池ＦＣに
対する負荷要求、すなわち、負荷要求に応じたメタノー
ル量に比例する空気の量に対する比例定数として定めら
れると共に、更に、次の条件を満たすように定められて
いる。すなわち、この燃料電池装置１では、電磁弁ＳＶ
５についての比例定数は、水タンク２１における水の予
熱条件（予熱ラインＬ２０内の流体温度）、熱交換手段
としての伝熱管Ｔ７０を流通する冷却媒体の温度等の運
転中における変動を踏まえた上で、加湿シェル７０から
流出する空気に混入されている水蒸気の分圧が燃料電池
ＦＣの作動温度における飽和水蒸気圧以下になるように
定められている。

【０１０９】これにより、燃料電池ＦＣに対する負荷要
求が変化して燃料電池ＦＣの作動温度等が変化したとし
ても、常に適切な湿度をもったカソード反応ガスとして
の空気を燃料電池ＦＣの各カソードＣに供給可能とな
り、カソードＣに水分が滞留して空気の流入を妨げてし
まうような事態を防止することができる。なお、この燃
料電池装置１の空気供給ラインＬ６には、加湿シェル７
０と燃料電池ＦＣ（カソードＣ）との間に位置するよう
に、デミスタＤが設けられている。従って、加湿シェル
７０内で加湿用水のミストが完全に蒸発せず、加湿シェ
ル７０から流出する空気に加湿用水のミスト（液滴）が
混入したとしても、燃料電池ＦＣの各カソードＣまで加
湿用水のミストが達してしまうを防止することができ
る。これにより、カソードＣに水分が滞留して空気の流
入を妨げてしまうような事態は、極めて確実に防止され
る。

【０１１０】このように、この燃料電池装置１では、昇
温した状態で燃料電池ＦＣの各カソードＣに供給される
空気の顕熱を利用して燃料電池ＦＣの電解質膜ＥＭを加
湿するための加湿用水を蒸発させ、生成した水蒸気を空
気に同伴させながら、燃料電池ＦＣの各カソードＣに供
給している。これにより、電解質膜ＥＭを効率よく加湿
することが可能となり、かつ、カソードＣに水分が滞留
して空気の流入を妨げてしまうような事態を防止するこ
とができる。この結果、この燃料電池装置１では、燃料
電池ＦＣの出力を容易かつ確実に安定化させることがで
きる。また、加湿シェル７０は、比較的小サイズのもの
を用意すればよく、電解質膜ＥＭを加湿するための機器
に必要とされるスペースを従来に比して縮小化すること
ができるので、燃料電池装置１の全体をコンパクト化す
ることも可能となる。

【０１１１】更に、この燃料電池装置１では、加湿用水
として供給される水タンク２１内の水は、カソード排ガ
スの熱を利用して予熱されている。そして、加湿シェル
７０内に噴射された加湿用水のミストには、空気の顕熱
に加えて、燃料電池ＦＣを冷却させた冷却水等の熱が熱
交換手段としての伝熱管Ｔ７０からも与えられている。
従って、加湿シェル７０で空気から加湿用水（ミスト）
に与えるべき気化熱量を減少させることが可能となり、
空気を昇温させるブロアＢの負担を軽減化することがで
きる。これにより、ブロアＢをコンパクト化できるの
で、燃料電池装置１の全体をもコンパクト化することが
可能となる。

【０１１２】また、加湿シェル７０に配置された熱交換
手段である伝熱管Ｔ７０に、燃料電池ＦＣを冷却させて
昇温した冷却水等を流通させることは、次のような点
で、きわめて有効である。すなわち、このような構成を
採用すれば、従来、ラジエータ６１で放熱させるのみで
あった燃料電池ＦＣの冷却水等を、加湿用水（ミスト）
を蒸発させるための補助熱源として有効利用することが
可能となり、かつ、加湿シェル７０内で加湿用水を確実
に蒸発させて空気の湿度が不足することを防止すること
ができる。

【０１１３】更に、燃料電池ＦＣを冷却させた冷却水等
の温度は、負荷変動等に応じて変化する燃料電池ＦＣの
作動温度（例えば、８０〜１００℃程度）と同程度にな
る。従って、当該冷却水等を伝熱管Ｔ７０に流通させれ
ば、加湿シェル７０内の温度が燃料電池ＦＣの作動温度
変化に追従して変化することになり、カソード反応ガス
としての空気の湿度、つまり、加湿シェル７０内で蒸発
して空気に混入する加湿用水の量を燃料電池ＦＣの負荷
変動に追従させることができる。

【０１１４】加えて、かかる構成のもとでは、燃料電池
ＦＣを冷却させた後、加湿シェルとを熱源として通過し
た冷却水等は、加湿用水（ミスト）に対して熱を与えて
十分に降温することになる。従って、燃料電池ＦＣを流
通した後、加湿シェル７０を通過した冷却水等は、ラジ
エータ６１で放熱させる必要が無くなる。これにより、
冷却水等を放熱させるためのラジエータ６１を大幅にコ
ンパクト化することが可能となる。この点で、かかる構
成は、燃料電池装置１の全体をコンパクト化する上で極
めて有効である。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による燃料
電池装置は、カソード反応ガス供給手段と燃料電池のカ
ソードとを結ぶガスライン上に設けられた加湿シェル
と、加湿用水供給手段から供給された加湿用水を加湿シ
ェル内に噴射する水噴射手段とを備える。そして、本発
明による燃料電池装置の運転方法では、加湿シェル内に
昇温させたカソード反応ガスを供給しながら、加湿用水
を噴射し、加湿シェル内で加湿用水をカソード反応ガス
と直接熱交換させて蒸発させる。これにより、電解質を
効率よく加湿して燃料電池を良好に作動させることが可
能となり、かつ、燃料電池装置をコンパクトに構成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池装置を示す系統図であ
る。

【図２】図１の燃料電池装置に備えられた燃料電池を示
す斜視図である。

【図３】図２の燃料電池に設けられた単セル及びセパレ
ータを示す断面図である。

【図４】図４（ａ）は、図３に示すセパレータをアノー
ド側からみた平面図であり、図４（ｂ）は、図３に示す
セパレータをカソード側からみた平面図である。

【図５】図５は、図１の燃料電池装置に採用されている
電磁弁を説明するための模式図である。

【図６】図１に示す燃料電池装置の制御ブロック図であ
る。

【図７】図１に示す燃料電池装置の制御手順を説明する
ためのフローチャートである。

【符号の説明】

１…燃料電池装置、１０…燃料供給部、１１…燃料タン
ク、２０…水供給部、２１…水タンク、３０…改質装
置、３１…蒸発部、３２…改質部、３３…選択酸化部、
３５…凝縮器、４０…スタック、４１ａ…アノード集電
板、４１ｂ…カソード集電板、４２…絶縁板、４３…ス
タック締付板、４４ａ，４４ｂ…フランジ、４５…膜
板、４７ａ…燃料ガス入口、４７ｂ…空気入口、４８ａ
…アノード排ガス出口、４８ｂ…カソード排ガス出口、
４９ａ…冷却媒体入口、４９ｂ…冷却媒体出口、５０
ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂ，５６，５７…開口部、５
２，５３…溝、５４…燃料ガス流路、５５…空気流路、
５８…冷却流路、６０…冷却系統、６１…ラジエータ、
６５…熱交換器、７０…加湿シェル、８０…弁本体、８
１…弁入口、８２…弁出口、８３…流路、８４…弁座、
８５…弁体、８６…可動鉄心、８７…電磁コイル、８８
…定電圧電源装置、９０…制御装置、９２…ＲＯＭ、９
３…ＲＡＭ、９４…入出力ポート、９５…記憶装置、Ａ
…アノード、Ｂ…ブロア、Ｃ…カソード、Ｃｏ…コンデ
ンサ、Ｄ…デミスタ、ＥＭ…電解質膜、ＦＣ…燃料電
池、ＦＲＶ…空気流量調整弁、Ｌ１…燃料ライン、Ｌ２
…改質用水ライン、Ｌ３，Ｌ４…空気ライン、Ｌ５…燃
料ガス供給ライン、Ｌ６…空気供給ライン、Ｌ７…アノ
ード排ガスライン、Ｌ８…カソード排ガスライン、Ｌ
９，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１６…冷却媒体ライ
ン、Ｌ１０，Ｌ１７…冷却媒体戻りライン、Ｌ１４…排
ガスライン、Ｌ１５…加湿用水ライン、Ｌ２０予熱ライ
ン、ＬＰ１，ＬＰ２…圧力調整ライン、ＬＳ…燃料供給
ライン、Ｎ…ノズル、Ｐ１…燃料ポンプ、Ｐ２…水ポン
プ、Ｐ３…冷却媒体循環ポンプ、ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ
３，ＰＧ４，ＰＧ５…パルス発生装置、ＰＲＶ１，ＰＲ
Ｖ２，ＰＲＶ３，ＰＲＶ４，ＰＲＶ５，ＰＲＶ６…圧力
調整弁、Ｒ…抵抗、ＲＩ…冷媒入口、ＵＣ…単セル、Ｓ
Ｐ…セパレータ、ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４，Ｓ
Ｖ５…電磁弁、Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３５，Ｔ７０…伝熱
管、Ｔｒ１，Ｔｒ２、Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５…トラン
ジスタ。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 AA08 CC03 CC08 5H027 AA06 AA08 BA09 BA10 CC06 KK02 KK05 KK10 KK22 KK25 KK31 KK41 MM04 MM09 MM26

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アノードとカソードとによって挟持され
   た高分子電解質を有する燃料電池を備え、改質装置で生
   成されたアノード反応ガスを前記アノードに供給すると
   共に、カソード反応ガスを前記カソードに供給し、電気
   化学反応によって電力を発生する燃料電池装置におい
   て、 前記カソード反応ガスを昇温させて前記カソードに供給
   するカソード反応ガス供給手段と、 前記カソード反応ガス供給手段と前記カソードとを結ぶ
   ガスライン上に設けられた加湿シェルと、 前記加湿シェル内に加湿用水を噴射するための水噴射手
   段と、 前記水噴射手段に加湿用水を供給する加湿用水供給手段
   とを備え、前記加湿シェル内に噴射された加湿用水を前
   記カソード反応ガスと直接熱交換させて蒸発させること
   を特徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 前記加湿用水を予熱する予熱手段を更に
   備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装
   置。
3. 【請求項３】 前記加湿シェル内に設けられており、前
   記水噴射手段から噴射された加湿用水を更に所定の熱源
   との間で熱交換させる熱交換手段を備えることを特徴と
   する請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 【請求項４】 前記熱交換手段は、前記燃料電池を冷却
   させて昇温した冷却媒体を熱源とすることを特徴とする
   請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 【請求項５】 前記加湿用水供給手段と前記水噴射手段
   とを結ぶ加湿用水ラインに設けられた流量調整手段と、 前記燃料電池に対する負荷要求に基づいて、前記加湿シ
   ェルから流出するカソード反応ガスに混入された水蒸気
   の分圧が前記燃料電池の作動温度における飽和水蒸気圧
   以下になるように、前記流量調整手段を制御する制御手
   段とを更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れ
   かに記載の燃料電池装置。
6. 【請求項６】 前記加湿シェル内部の圧力を略一定に保
   つ圧力調整手段を更に備え、前記加湿用水供給手段は、
   前記流量調整手段に略一定の圧力で加湿用水を供給可能
   であり、前記流量調整手段は、前記加湿用水供給手段と
   前記水噴射手段とを結ぶ加湿用水ラインを断続的に開閉
   可能であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池
   装置。
7. 【請求項７】 前記流量調整手段は、弁本体に形成され
   た流路を開閉する弁体に取り付けられた可動鉄心と、前
   記可動鉄心を覆うように配置された電磁コイルとを備え
   る電磁弁であることを特徴とする請求項６に記載の燃料
   電池装置。
8. 【請求項８】 前記電磁コイルに駆動電圧を断続的に印
   加するためのパルスを発生するパルス発生手段を更に備
   え、前記制御手段は、前記燃料電池に対する負荷要求に
   応じて前記流流量調整手段の開通時間と閉止時間とを定
   め、当該開通時間と閉止時間とに応じたパルスを前記パ
   ルス発生手段に発生させることを特徴とする請求項７に
   記載の燃料電池装置。
9. 【請求項９】 前記加湿シェルと前記カソードとを結ぶ
   ガスライン上に設けられており、前記加湿シェルから流
   出するカソード反応ガス中に含まれる液滴を除去する液
   滴除去手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜７
   の何れかに記載の燃料電池装置。
10. 【請求項１０】 アノードとカソードとによって挟持さ
    れた高分子電解質を有する燃料電池を備え、改質装置で
    生成したアノード反応ガスを前記アノードに供給すると
    共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスを
    前記カソードに供給し、電気化学反応によって電力を発
    生させる燃料電池装置の運転方法において、 前記カソード反応ガス供給手段と前記カソードとを結ぶ
    ガスライン上に加湿シェルを設けると共に、当該加湿シ
    ェルに水噴射手段を設け、前記加湿シェル内に昇温させ
    たカソード反応ガスを供給すると共に、水噴射手段によ
    って加湿用水を噴射し、前記加湿シェル内で加湿用水を
    前記カソード反応ガスと直接熱交換させて蒸発させるこ
    とを特徴とする燃料電池装置の運転方法。
11. 【請求項１１】 前記加湿用水を噴射前に予熱しておく
    ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池装置の運
    転方法。
12. 【請求項１２】 前記加湿シェル内に噴射した加湿用水
    と所定の熱源とを更に熱交換させることを特徴とする請
    求項１０又は１１に記載の燃料電池装置の運転方法。
13. 【請求項１３】 前記所定の熱源として、前記燃料電池
    を冷却させて昇温した冷却媒体を用いることを特徴とす
    る請求項１２に記載の燃料電池装置の運転方法。
14. 【請求項１４】 前記燃料電池に対する負荷要求に基づ
    いて、前記加湿シェルから流出するカソード反応ガスに
    混入された水蒸気の分圧が前記燃料電池の作動温度にお
    ける飽和水蒸気圧以下になるように、前記水噴射手段に
    供給する加湿用水の量を設定することを特徴とする請求
    項１０〜１３の何れかに記載の燃料電池装置の運転方
    法。
15. 【請求項１５】 前記加湿シェル内部の圧力を略一定に
    保つと共に、前記水噴射手段に対して略一定の圧力で断
    続的に加湿用水を供給することを特徴とする請求項１４
    に記載の燃料電池装置の運転方法。
16. 【請求項１６】 前記燃料電池に対する負荷要求に基づ
    いて、前記水噴射手段に対する加湿用水の供給継続時間
    と供給停止時間との割合を設定することを特徴とする請
    求項１５に記載の燃料電池装置の運転方法。
17. 【請求項１７】 前記加湿シェルから流出するカソード
    反応ガス中に含まれる液滴を除去することを特徴とする
    請求項１０〜１６の何れかに記載の燃料電池装置の運転
    方法。