JP2001297786A

JP2001297786A - 燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法。

Info

Publication number: JP2001297786A
Application number: JP2000112423A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Omoto; 節男大本; Keiji Fujikawa; 圭司藤川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2001-10-26

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、高温の燃料ガスを燃料電
池ＦＣのアノードＡに供給する改質装置３０と、改質装
置と燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給ラインＬ５上に設け
られ、燃料ガス供給ライン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、燃料ガス供給ライン内に噴射された加湿
用水はアノード反応ガスとしての燃料ガスと直接熱交換
して蒸発する。これにより、装置全体をコンパクト化で
きると共に電解質膜ＥＭを効率よく加湿して燃料電池Ｆ
Ｃ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）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（ＰＥＦＣ）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。

【０００４】上記のように、燃料ガスは炭化水素系原燃
料の水蒸気改質反応により得ているが、この水蒸気改質
反応は高分子電解質型燃料電池の作動温度（例えば、６
０〜８０℃程度）よりも高温の温度領域（例えば、２５
０℃程度）でないと進行しないので、原燃料を直接アノ
ードに供給して内部改質することができない。そのた
め、燃料電池の外部に改質装置を設置し、当該改質装置
において生成させている。

【０００５】改質装置における燃料ガスの生成反応につ
いて説明すると、例えば、燃料としてメタノールを水蒸
気改質する場合には、先ず、改質装置にメタノールと水
を供給して水蒸気改質反応を行なわせる。水蒸気改質反
応は、次の（４）式で示すメタノールの分解反応と
（５）式で示した一酸化炭素の変成反応とが同時に進行
すると言われており、全体として（６）式の反応が起こ
る。通常、（６）式に示す水素生成反応を十分に進行さ
せるために過剰量の水が改質装置に供給されている。ま
た、必要に応じて、燃料ガスに空気又は純酸素を混入さ
せて、次の（７）式に示すメタノールの部分酸化反応を
進行させる場合もある。ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（４）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（５）ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂−１１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（６）ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂＋３６．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（７）ここで、水蒸気改質反応をにより生成したガス中には、
アノードの電極触媒に対して触媒毒となる一酸化炭素が
含まれている。そのため改質反応よりもやや低温の温度
領域（例えば、１２０〜２００℃程度）において、次の
（８）式に示す一酸化炭素の選択酸化反応を、水素の酸
化反応を抑制しつつ行なわせる。これにより、水素濃度
に比して一酸化炭素濃度が極めて低い燃料ガスが生成さ
れる。ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂ …（８）上記のようにして改質装置によって生成された燃料ガス
の温度は、燃料電池の作動温度に比して高温（例えば、
１２０〜２００℃程度）である。従って、アノードに供
給する際には、燃料電池の作動温度近傍に冷却する必要
がある。

【０００６】高温の燃料ガスを冷却すること無くアノー
ドに供給すると、燃料電池の内部温度が所定の作動温度
よりも上昇してしまう。また、燃料ガスは所定量の水蒸
気成分を含むので、高温の燃料ガスを冷却すること無く
アノードに供給すると燃料電池内のガス流路内において
この水蒸気成分が急速に凝縮してしまう。水蒸気成分の
凝縮により水が生成すると、アノード内のガス流路を塞
いでしまい、アノードの反応サイトである電極触媒への
燃料ガスの供給が遮断され、アノードにおける電極反応
の進行が妨げられてしまう。

【０００７】一方、アノードに供給する燃料ガス中にア
ノードにおいて凝縮を起こさない程度の水蒸気成分を含
ませることは、高分子電解質膜を加湿して燃料電池を安
定した状態で作動させるという観点から重要である。こ
のように高分子電解質膜の加湿が必要なのは、作動中の
高分子電解質型燃料電池では、（１）式及び（２）式に
示した電極反応の進行に伴い水和水を伴ったプロトンが
アノードからカソードに向けて電解質膜中を移動するた
め、電解質膜中の含水量が低下してしまうからである。
電解質膜中の含水量が低下すると必然的に電解質抵抗が
増大化し、所望の電池電圧を得られなくなる。

【０００８】そこで、従来は、改質装置と燃料電池のア
ノードを結ぶガスライン上に凝縮器を設け、高温の燃料
ガスを所定の冷却媒体と熱交換させることにより、燃料
電池の作動温度近傍の所定温度に冷却していた。そし
て、これに伴って凝縮するガス中の水蒸気成分の一部を
外部に除去していた。このようにすることにより、燃料
ガスは、燃料電池の作動温度近傍の温度に冷却されてア
ノードに供給されることになる。然も、アノードに供給
される燃料ガスの水蒸気分圧は燃料電池の作動温度近傍
の温度における飽和水蒸気圧に調節されているので、こ
の水蒸気成分により高分子電解質を加湿できることにな
る。

【０００９】例えば、特開平１−１３４８７０号公報に
は、凝縮器の冷却媒体として改質器に供給するメタノー
ルと水を使用した燃料電池装置及びその運転方法が開示
されている。この燃料電池装置は、改質装置と燃料電池
とを結ぶガスラインとして凝縮器を経由するラインと経
由しないラインとを備え、これらのラインを燃料電池の
作動温度に応じて切換え可能な構成を有している。そし
て、燃料電池装置の起動時などの燃料ガスの温度と燃料
電池の内部温度との差が大きいときには、当該燃料ガス
を凝縮器経由でアノードに供給し、一方、燃料電池の内
部温度が充分に昇温した後には、直接アノードに供給し
ている。

【００１０】また、特開平１１−１６２４８９号公報に
は、凝縮器の冷却媒体として燃料電池の冷却水を使用し
た燃料電池装置及びその運転方法が開示されている。こ
の燃料電池装置は、凝縮器と燃料電池と間を循環する冷
却水の循環ラインとして、凝縮器と燃料電池と間に配置
した冷却器を経由するラインと当該冷却器を経由しない
ラインとを備え、これらのラインを燃料電池の作動温度
に応じて切換え可能な構成を有している。燃料電池の冷
却水の温度は燃料電池の作動温度を反映する温度である
ので、この冷却水と熱交換して冷却させられた燃料ガス
の温度も燃料電池の作動温度を反映する温度とすること
ができる。そして、燃料ガスの温度と燃料電池の内部温
度との差が大きいときには、当該冷却水を凝縮器と燃料
電池と間で直接循環させ、一方、燃料電池の内部温度が
充分に昇温した後には、冷却器経由で循環させている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような燃料ガスに含まれる水蒸気成分の一部を凝縮させ
るための凝縮器を備える燃料電池装置においては、燃料
ガスを冷却媒体との熱交換により確実に冷却させるため
に凝縮器内部の伝熱面積を十分に確保する必要性があ
る。このため、凝縮器の規模が大きくなってしまい、装
置全体としてコンパクト性に欠けるという問題があっ
た。このように、燃料電池装置の規模が大きいと、特に
電気自動車等の移動車輌に使用する上で支障をきたすこ
とになる。

【００１２】更に、大型の凝縮器を使用すると凝縮器内
の温度を迅速に変化させることが困難となる傾向が大き
く、燃料ガス中の水蒸気分圧も迅速に変動させることが
困難となってしまう傾向が大きくなる。そのため、燃料
電池の運転状況の急激な変動に対して、これに見合う加
湿用の水蒸気成分の供給を素早く追従させることが困難
になる場合があった。その結果、高分子電解質膜に対し
てその加湿に必要な水分が十分に供給されないといった
不具合や過剰の水分がアノードに供給されてしまうとい
った不具合が生じてしまう場合があった。

【００１３】このように、高分子電解質膜に対してその
加湿に必要な水分が十分に供給されないと、電解質抵抗
が増大し所望の電池出力を得られなくなる。また、過剰
の水分がアノードに供給されてしまうと、アノードのガ
ス流路内に加湿用水が滞留するいわゆるフラッディング
の問題が起こり電池電圧が急激に低下してしまう。そし
て、これらの問題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。

【００１４】そこで、本発明は、コンパクトに構成する
ことが可能であり、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。

【００１５】

【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、改質装置とアノードとを結ぶアノード反応ガスライ
ン上に設けられており、アノード反応ガスライン内に加
湿用水を噴霧する水噴射手段と、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、水噴射手段から
アノード反応ガスライン内に噴射される加湿用水と改質
装置から流出するアノード反応ガスとを直接熱交換させ
ることにより、加湿用水を気化させることを特徴とす
る。

【００１６】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。この燃料電池のアノードには、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。

【００１７】このように構成された燃料電池装置では、
改質装置において生成させた高温（例えば、１２０〜２
００℃程度）のアノード反応ガスをアノードに供給する
際に燃料電池の作動温度（例えば、６０〜８０℃程度）
まで冷却する必要がある。また、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
加湿することも必要となる。これらの点に鑑みて、この
燃料電池装置には、改質装置と燃料電池のアノードとを
結ぶアノード反応ガスライン上に、水噴射手段が設けら
れている。この水噴射手段には、所定の水供給手段から
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、改質装置と燃料電池のアノードとを結ぶアノー
ド反応ガスラインの内部に供給された加湿用水を噴射す
る。

【００１８】これにより、改質装置と燃料電池のアノー
ドとを結ぶアノード反応ガスライン内では、改質装置か
ら流出する高温のアノード反応ガスと、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互いに接触し合
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、アノード反応ガスから熱を奪って昇温・蒸発する
一方、アノード反応ガスは、加湿用水のミストに熱を与
えて所望の温度まで冷却する。この結果、加湿用水のミ
ストは、気化して水蒸気となり、冷却したアノード反応
ガスに同伴してアノード反応ガスライン内を進行し、燃
料電池のアノードにアノード反応ガスと共に供給される
ことになる。

【００１９】従来の燃料電池装置においては、（4）及
び（5）式に示した改質反応をスムーズに進行させうる
必要量以上の改質用水を改質装置に供給していた。その
ため、改質装置から流出する高温のアノード反応ガス中
には多量の水蒸気成分が含まれており、このアノード反
応ガスを燃料電池の作動温度にまで冷却してアノードに
供給する際には、余分な水蒸気成分が凝縮するのでこれ
を除去していた。そして、冷却後にアノードに供給され
るアノード反応ガス中の水蒸気分圧は燃料電池の作動温
度における飽和水蒸気圧となっており、この水蒸気成分
が電解質の加湿に利用されていた。これに対して本発明
の燃料電池装置においては、水噴射手段から噴射される
加湿用水の気化熱を利用して改質装置から流出する高温
のアノード反応ガスを燃料電池の作動温度にまで冷却す
る。従って、改質装置に供給する改質用水は、改質反応
をスムーズに進行させうる必要量のみとし、電解質の加
湿のためにアノード反応ガスに同伴させる水蒸気成分
は、改質装置の下流に設けた水噴射手段から供給される
加湿用水により調節することが可能となる。すなわち、
作動中の燃料電池において、アノードに水分が滞留して
アノード反応ガスの流入を妨げてしまうような事態を防
止し、ガス拡散電極であるアノードとアノードのガス拡
散性を良好に維持することが可能となる。

【００２０】以上の構成により、この燃料電池装置は、
改質装置から流出するアノード反応ガスを冷却する凝縮
器を省くことが可能となる。凝縮器を省くことにより、
凝縮器内に導入する冷却媒体及び凝縮された水を冷却す
る必要がなくなるので、装置に備える冷却設備の規模も
従来に比して大幅に縮小化することが可能となる。その
ため、コンパクトで低コストな燃料電池装置を構成する
ことが可能となると共に、装置全体のエネルギー変換効
率も向上させることが可能となる。

【００２１】また、水の気化熱は非常に大きいので、改
質装置から流出する高温のアノード反応ガスを所望の温
度まで冷却させるために必要な加湿用水の水量は少量で
済むことになる。そのため、水噴射手段及びこれに加湿
用水を供給する所定の水供給手段の規模も比較的小さく
することできるので、この点においてもこの燃料電池装
置は、装置全体をコンパクト化することができる。更
に、加湿用水の水量が少量で済むので、この燃料電池装
置は、改質装置から流出するアノード反応ガスを非常に
微小な領域内で迅速に冷却すると共に必要な水蒸気成分
をこれに同伴させることが可能となる。従って、電解質
の加湿を迅速且つ効率良く行なうことが可能となる。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。

【００２２】更に、本発明の燃料電池装置は、改質器の
出口に設けられたアノード反応ガス流量調整手段と、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上
に設けられた加湿用水流量調整手段と、燃料電池に対す
る負荷要求に基づいて、加湿用水流量調整手段と、アノ
ード反応ガス流量調整手段とを制御することにより、ア
ノードの入口におけるアノ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設定
する制御手段とを更に備えることが好ましい。

【００２３】この燃料電池装置においては、水噴射手段
には加湿用水供給手段が加湿用水ラインを介して接続さ
れており、更に、この加湿用水ライン上には、加湿用水
流量調整手段が設けられている。そして、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、改質装置と燃料電池
のアノードとを結ぶアノード反応ガスラインの内部に供
給された加湿用水を噴射する。

【００２４】このような構成を採用すれば、制御手段に
より、燃料電池に対する負荷要求が変化して燃料電池の
出力電流密度や作動温度等の運転状況が変化したとして
も、水噴射手段から噴射する加湿水の水量の設定変更、
及び改質装置から流出するアノード反応ガスの設定変更
を迅速に行なうことができる。そのため、常に適切な湿
度をもったアノード反応ガスを燃料電池のアノードに供
給可能となり、アノードに水分が滞留してアノード反応
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。

【００２５】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。

【００２６】更に、本発明の燃料電池装置は、改質装置
における改質反応に使用する流体を改質装置に供給する
流体供給手段と、流体供給手段と改質装置とを結ぶ流体
供給ライン上に設けられた流体流量調整手段とを更に備
え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求に基づい
て、流体流量調整手段を更に制御することにより、改質
装置の出口におけるアノ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未満に設定する
ことが好ましい。

【００２７】このような構成を採用すれば、制御手段に
より、改質装置に供給される燃料（メタノール等）、改
質用水、及び酸化用ガス（空気等）の供給量を燃料電池
に対する負荷要求に応じて適切に設定することが容易に
可能となる。更には、改質装置から流出してくるアノー
ド反応ガスの成分組成、特にアノード反応ガス中の水蒸
気分圧を所望の値に設定することが容易にできるように
なる。例えば、アノードの入口におけるアノード反応ガ
ス中の水蒸気分圧を、水蒸気成分の凝縮を防止しつつ常
に燃料電池の作動温度における飽和蒸気圧以下に制御す
ることが容易に可能となる。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より一層迅速
に対応することができるようになる。

【００２８】また、本発明の燃料電池装置は、水噴射手
段の出口におけるアノード反応ガス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、加湿
用水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、加湿水流量調整手段は、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
あることが好ましい。

【００２９】このような構成のもとでは、加湿水流量調
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、当該差圧と加湿水流量調整手段の開通時間とからア
ノード反応ガスライン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、
加湿水流量調整手段を開閉制御するだけで、アノード反
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。

【００３０】この場合、加湿用水流量調整手段は、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
とを備える電磁弁あることが好ましい。

【００３１】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。

【００３２】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信号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、加湿用水流量調整手段の開通時間と閉止時間とを定
め、当開通時間と閉止時間とに応じたパルス信号をパル
ス発生手段に発生させるものであることが好ましい。

【００３３】このような構成を採用すれば、加湿水流量
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、改質装置から流出
してくるアノード反応ガスの流量及びその水蒸気分圧に
応じて加湿水流量調整手段から噴射する加湿用水の噴射
量を極めて精度よく調節することが可能となる。

【００３４】また、本発明の燃料電池装置は、改質装置
の出口におけるアノード反応ガスの圧力を略一定に保つ
圧力調整手段を更に備え、流体供給手段は、流体流量調
整手段に略一定の圧力で流体を供給可能であり、流体流
量調整手段は、流体供給手段と改質装置とを結ぶ流体供
給ラインを断続的に開閉可能であることが好ましい。

【００３５】このような構成のもとでは、流体流量調整
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、当該差圧と流体流量調整手段の開通時間とから改質
装置内に噴射する改質反応に使用される燃料、改質用
水、及び酸化用ガスといった所定の流体の量を精度よく
設定可能となる。従って、この燃料電池装置では、流体
流量調整手段を開閉制御するだけで、改質装置に対する
流体の供給量、すなわち、燃料、改質用水、及び酸化用
ガス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。加えて、流体流量調整手段として、サイズが
大きく高価なサーマルマスフローコントローラ等を使用
する必要がなくなり、小型で安価な電磁弁等を採用可能
となる。従って、燃料電池装置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。

【００３６】この場合、流体流量調整手段は、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
備える電磁弁あることが好ましい。

【００３７】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、改質反応に使用する流体の供給を安定化させるこ
とができる。

【００３８】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信号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、流体流量調整手段の開通時間と閉止時間とを定め、
当開通時間と閉止時間とに応じたパルス信号をパルス発
生手段に発生させるものであることが好ましい。

【００３９】このような構成を採用すれば、流体流量調
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、改質装置に対する流
体の供給量を極めて精度よく調節することが可能とな
る。

【００４０】また、必要に応じて、本発明の燃料電池装
置は、加湿用水を予熱する予熱手段を更に備えると好ま
しい。

【００４１】このような構成を採用すれば、アノード反
応ガスライン内で加湿用水（ミスト）をより確実に気化
させ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、更に、加湿用水供給手段は、改質
用水供給手段と兼用をすることが好ましい。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、装置全体をもコンパクト化することができる。

【００４２】請求項１１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する燃
料電池装置の運転方法において、改質装置とアノードと
を結ぶアノード反応ガスライン内に水噴霧手段を設けて
加湿用水を噴霧し、加湿用水とアノード反応ガスとを直
接熱交換させることにより、加湿用水を気化させること
を特徴とする。

【００４３】また、燃料電池に対する負荷要求に基づい
て、アノ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となるように改質装置か
ら流出するアノード反応ガスの流量と水噴霧手段から噴
霧される加湿用水の流量とを設定することが好ましい。

【００４４】更に、燃料電池に対する負荷要求に基づい
て、改質装置の出口におけるアノード反応ガス中の水蒸
気分圧が燃料電池の作動温度における飽和水蒸気圧未満
となるように、改質装置における改質反応に使用する流
体を該改質装置に供給することが好ましい。

【００４５】また、水噴射手段の出口におけるアノード
反応ガス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ことが
好ましい。更に、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ことが好ましい。

【００４６】また、改質装置の出口におけるアノード反
応ガスの圧力を略一定に保つと共に、改質装置に対して
略一定の圧力で断続的に流体を供給することが好まし
い。更に、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、改質
装置に対する流体の供給継続時間と供給停止時間との割
合を設定することが好ましい。更に、加湿用水を噴射前
に予熱しておくことが好ましい。

【００４７】

【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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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
流体流量調整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。

【００５１】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。

【００５２】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、中途に流体流量調整手段として機能する電磁弁ＳＶ
２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、水供給部２０の圧力調整弁
ＰＲＶ２によって一定に保たれている。従って、電磁弁
ＳＶ２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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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）及び、（５）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。なお、（４）及び、（５）式をあわせて表現すると
（６）式となる。ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（４）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（５）ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂−１１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ …（６）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た場合、改質部３２の内部温
度は、２５０〜３００℃の温度範囲が好ましい。

【００５６】更に、この改質部３２には、中途に流体流
量調整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３２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、吸熱反応による熱を更に補うことができ
る。

【００５７】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
（流体流量調整手段）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３３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）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。

【００５８】この燃料ガス供給ラインＬ５上には、改質
装置３０の近傍に位置するように燃料ガス流量調整手段
として機能する燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１が配置され
ている。この燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１は、改質装置
から流出する燃料ガスの流量を燃料電池ＦＣの負荷要求
に対応した所定値に維持するものである。

【００５９】また、燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１の下流
側の燃料ガス供給ラインＬ５上には、水噴射手段として
のノズルＮが配置されている。そして、このノズルＮ
は、加湿用水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Ｌ１５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
との間に接続されている。電磁弁ＳＶ５は、加湿用水ラ
インＬ１５を断続的に開閉することにより、水供給部２
０からノズルＮに向けて供給される加湿用水の流量を調
節して燃料電池ＦＣの負荷要求に対応した加湿条件を満
たすように、電磁弁ＳＶ５から流出する燃料ガス中の水
蒸気分圧を所定値に調節するものである。

【００６０】ここで、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ＬＰ
２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Ｌ
１５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
用の水が燃料ガス供給ラインＬ５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。

【００６１】更に、ノズルNの下流側の燃料ガス供給ラ
インＬ５上には圧力調整弁ＰＲＶ３が配置されている。
この圧力調整弁ＰＲＶ３は、当該圧力調整弁ＰＲＶ３の
上流の燃料ガス供給ラインＬ５内及び改質装置３０内の
燃料ガスの圧力の圧力を常に所定値に維持するものであ
る。すなわち、圧力調整弁ＰＲＶ３は、流体流量調整手
段である電磁弁ＳＶ１、電磁弁ＳＶ２、電磁弁ＳＶ３、
電磁弁ＳＶ４、及び水噴射手段であるノズルＮの噴射口
における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３１、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。

【００６２】一方、燃料電池装置１は、図１に示すよう
に、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、ブ
ロアＢから燃料電池ＦＣにむけて、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。

【００６３】更に、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、熱交換器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、熱交換器
７０の内部を経由した後、燃料電池ＦＣの空気入口４７
ｂに流入することになる。熱交換器７０は、密閉容器と
して構成されている。また、熱交換器７０内には、伝熱
管Ｔ７０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
冷却させて燃料電池の内部温度を反映する所定温度（例
えば、６０℃〜８０℃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、熱交換器７０内に配置されて
いる伝熱管Ｔ７０に流れ込むことになる。熱交換器７０
内に配置された伝熱管Ｔ７０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、熱交換器６２の冷却入口Ｒｉに戻され、冷
却・再循環させられる。

【００６４】一方、熱交換器７０の内部には、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、所定温度（１２０℃程度）まで昇温
させられた空気は、燃料電池ＦＣを冷却させて所定温度
（例えば、６０℃〜８０℃程度）まで昇温した冷却媒体
と伝熱管Ｔ７０を介して熱交換することになる。これに
より、熱交換器７０の内部において、ブロアＢから流入
する空気は燃料電池ＦＣの作動温度近傍（例えば、６０
℃〜８０℃程度）まで冷却させられ、燃料電池ＦＣの各
カソードＣに供給されることになる。なお、ここで、カ
ソード側より高分子電解質膜を加湿する場合には、図示
しない加湿手段により空気に水蒸気成分を同伴させて各
カソードＣに供給する。また、熱交換器７０内における
熱交換条件等により熱交換器７０から流出する空気の温
度が燃料電池ＦＣの作動温度よりも高くなる場合におい
ては、熱交換器７０と燃料電池ＦＣを結ぶ空気供給ライ
ンＬ６上に必要に応じて、更に冷却手段を設置してもよ
い。

【００６５】また、上述したＣＯ酸化用の空気を選択酸
化部３３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Ｌ
３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３３にＣＯ酸化用の空気及び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、ＣＯ酸化
用の空気及び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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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
クを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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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。

【００８２】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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】また、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。このようにして改質部３２及び選択
酸化部３３の冷却が行われることにより、改質装置３０
の出口から流出する燃料ガスの温度は、例えば、１２０
〜２００℃程度になる。なお、選択酸化部３３の伝熱管
Ｔ３３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。

【００９１】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。

【００９２】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、改質装置３０から流出する高温の燃
料ガスをノズルＮから噴射する加湿用水により冷却させ
ると共に加湿した上で、燃料電池ＦＣの各アノードＡに
供給できるように構成されている。

【００９３】これにより、改質装置３０と燃料電池ＦＣ
の各アノードＡとを結ぶ燃料ガス供給ラインＬ５内で
は、改質装置３０から流出する高温（例えば、１２０〜
２００℃程度）の燃料ガスと、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。すなわち、加湿用水のミストは、燃料ガスか
ら熱を奪って昇温・蒸発する一方、燃料ガスは、加湿用
水のミストに熱を与えて所望の温度まで冷却する。この
結果、加湿用水のミストは、気化して水蒸気となり、冷
却した燃料ガスに同伴して燃料ガス供給ラインＬ５内を
進行し、燃料電池ＦＣの各アノードＡに燃料ガスと共に
供給されることになる。

【００９４】なお、加湿用水のミストの気化熱により冷
却された後の燃料ガスの温度は、燃料電池ＦＣの作動温
度であることが好ましい。冷却後の燃料ガスの温度が燃
料電池ＦＣの作動温度よりも低いと、冷却後の燃料ガス
が燃料電池ＦＣの各アノードＡに流入した際に、燃料電
池ＦＣの作動温度を低下させてしまい、燃料電池ＦＣの
出力の変動を引き起こすと共に各アノードＡのガス流路
５４内の水蒸気成分が凝縮してしまう場合がある。ま
た、冷却後の燃料ガスの温度が燃料電池ＦＣの作動温度
よりも高いと、冷却後の燃料ガスが燃料電池ＦＣの各ア
ノードＡに流入した際に、燃料電池ＦＣの作動温度を上
昇させてしまい、燃料電池ＦＣの出力の変動を引き起こ
すと共に各アノードＡの触媒層内の電解質ネットワーク
及び高分子電解質膜の乾燥を引き起こしてしまう場合が
ある。

【００９５】ここで、この燃料電池１においては、改質
装置３０において生成される高温（Ｔ１℃）の燃料ガス
をノズルＮから噴射される加湿用水の気化熱により、所
定の温度（Ｔ２℃；例えば、燃料電池の作動温度Ｔ_FC）
に冷却した際に、冷却後の当該燃料ガス中の水蒸気成分
が過剰となると、その過剰な水蒸気成分が凝縮を起こし
てしまう。このように凝縮により水が生成してしまう
と、燃料ガス供給ラインＬ５内或いは各アノードＡ内の
ガス流路を塞いでしまうという不具合が発生することに
なる。

【００９６】そのため、この燃料電池１においては、こ
のような不具合を防止しつつ上記の装置構成を効果的に
機能させるために、主として電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５と燃
料ガス流量調整弁ＦＲＶ１とを制御して改質装置３０内
の改質反応とノズルＮから噴出させる加湿用水の流量を
調節することにより、改質装置３０から流出するＴ１℃
の燃料ガス中の水蒸気分圧Ｐ_T1と、加湿用水の気化熱に
より所望の温度Ｔ２℃（＜Ｔ１℃）に冷却させられた後
の燃料ガス中の水蒸気分圧Ｐ_T2とを以下のように設定す
る。

【００９７】すなわち、第一に、改質装置３０から流出
する高温（Ｔ1℃）の燃料ガス中の水蒸気分圧Ｐ_T1は、
燃料電池ＦＣの作動温度Ｔ_FCにおける飽和水蒸気圧Ｐ⁰
_TFC未満の値となるように予め設定する。従って、改質
装置３０から流出する高温（Ｔ1℃）の燃料ガスは、そ
れ自体では、燃料電池ＦＣの作動温度Ｔ_FCにまで冷却さ
れた場合においても燃料ガス中の水蒸気成分が凝縮する
ことが無い。

【００９８】ここで、改質装置３０から流出するＴ1℃
の燃料ガス中の水蒸気分圧Ｐ_T1を上記のように設定する
には、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ４を制御して改質装置３０に
供給するメタノール、改質用水、及び空気の流量を所定
の値に調節することによって行なう。このとき、特に、
改質用水の供給量（ｍｏｌ）／メタノールの供給量（ｍ
ｏｌ）の比（以下、「Ｓ／Ｃ比」という）の設定が重要
となる。このＳ／Ｃ比は、改質部３２の反応温度と、選
択酸化部３３反応温度と、改質装置３０から流出する燃
料ガスの温度Ｔ１と、燃料電池ＦＣの作動温度Ｔ_FCとを
所定の値に定めたうえで、（４）〜（８）式で示される
改質反応及び選択酸化反応の速度定数をそれぞれに設定
し、メタノール、改質用水、及び、空気の供給量を変化
させて速度論的解析を行ない、改質装置３０から流出す
る燃料ガス中の成分組成を算出することにより得られる
ものである。算出される燃料ガス中の成分組成の結果よ
り、改質装置３０から流出する燃料ガス中の所望の水蒸
気圧Ｐ_T1を得る場合のＳ／Ｃ比を求める。なお、改質部
３２の反応として、（７）式で示されるようなメタノー
ル等の燃料の部分酸化反応を行わない場合にも同様にし
て改質装置３０から流出する燃料ガス中の所望の水蒸気
圧Ｐ_T1を得る場合のＳ／Ｃ比を求める。

【００９９】例えば、燃料電池ＦＣの作動圧力が1.6ata
（９８０６６Ｐａ）であり、作動温度Ｔ_FCが８０℃であ
り、改質部３２の反応温度及び選択酸化部３３の反応温
度が所定の温度であり、改質装置３０から流出する燃料
ガスの温度Ｔ１が、１２０〜２００℃である場合には、
電磁弁ＳＶ１とＳＶ２とを制御して、改質用水の供給量
（ｍｏｌ）／メタノールの供給量（ｍｏｌ）の比（Ｓ／
Ｃ比）を１．５以上２．５未満とすることが好ましく、
１．８〜２．０とすることが更に好ましい。

【０１００】このＳ／Ｃ比がそれぞれ１．５、１．８、
２．０、２．４、及び２．５であるときには、改質装置
３０から流出する燃料ガス中の水蒸気圧Ｐ_T1の値は、そ
れぞれ６５．５℃、７１．２℃、７４．２℃、７８．９
℃、及び８０．０℃の飽和水水蒸気圧に相当する値とな
る。ここで、Ｓ／Ｃ比が、１．５未満であると改質装置
３０から流出する燃料ガス中のＣＯの濃度が増大し、燃
料電池ＦＣの各アノードＡ内において電極触媒の被毒を
著しく進行させてしまう傾向が大きくなる。一方、Ｓ／
Ｃ比が、２．５以上となると、改質装置３０から流出す
る燃料ガス中の水蒸気圧が燃料電池の作動温度である８
０℃における飽和水蒸気圧以上になり、下流の燃料供給
ライン内においてノズルＮからの加湿用水により冷却す
ることができなくなると共に燃料供給ライン内を凝縮水
が塞いでしまう不具合を生じる。なお、必要に応じてＣ
Ｏの濃度を低下させるために選択酸化部３３の冷却条件
を変更し、選択酸化部３３の反応温度を通常よりも下げ
る場合もある。そして、電磁弁ＳＶ３及びＳＶ４を制御
して改質装置３０に（７）及び／又は（８）式で示され
る化学量論比に基づいた所定量の空気を供給し反応を進
行させる。

【０１０１】第二に、ノズルＮから噴射される加湿用水
の気化により所望の温度（Ｔ2℃）に冷却されると共に
水蒸気成分を増加された後の燃料ガス中の水蒸気分圧
（Ｐ_T2atm）は、燃料電池ＦＣの作動温度（Ｔ_FC℃）に
おける飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _TFC atm）以下の値となるよう
に、予め設定される。但し、このときＰ_T2＝Ｐ⁰ _TFC と
なる場合にも、燃料ガス中に凝縮した水が含まれること
が無いように、ノズルＮから噴射される加湿用水の水量
が調節されるものとする。

【０１０２】ここで、ノズルＮから噴射する加湿用水の
水量の調節は、改質装置から流出する高温Ｔ1℃（＞
T_FC）の燃料ガス中の水蒸気分圧Ｐ_T1（＜Ｐ⁰ _TFC）を先
に述べたように設定した上で、燃料ガス流量調整弁ＦＲ
Ｖ１と電磁弁ＳＶ５とを制御することにより行なうこと
ができる。

【０１０３】これについて、以下図８を用いて説明す
る。図８はアノード反応ガス中の水蒸気成分の気液平衡
を模式的に示す状態図である。図中のSCは、飽和蒸気圧
曲線を示す。例えば、改質装置の出口における高温（Ｔ
1℃）の燃料ガスを、燃料電池の作動温度（Ｔ_FC℃）に
まで冷却させる場合には、図８に示すように、水蒸気分
圧に換算してＰ⁰ _TFC−Ｐ_T1以下の範囲内に相当する水量
の加湿用水を水噴射噴射から噴霧することが可能であ
る。そして、この範囲内において、ノズルＮから噴射さ
れる加湿用水の水量をその気化熱がＴ1−Ｔ_FCに相当す
るように設定する。このとき、燃料電池ＦＣに対する負
荷要求により燃料電池ＦＣのアノードにおいて消費され
る燃料ガスの量が決まるので、それに応じて燃料ガス流
量調整弁ＦＲＶ１を制御し、アノードに供給する燃料ガ
スの流量が決まる。そして、アノードに供給する燃料ガ
スの流量により、電磁弁ＳＶ５を制御してノズルＮから
噴射される加湿用水の水量をその気化熱がＴ1−Ｔ_FCに
相当するように設定する。

【０１０４】このようにして、アノードに供給する燃料
ガス中の水蒸気分圧Ｐ_TFCは常にＰ_T _FC≦Ｐ⁰ _TFCであり、
且つＰ_TFC＝Ｐ⁰ _TFCとなる場合においても、燃料ガス中
の水蒸気が凝縮されないように設定される。

【０１０５】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、燃料ガス供給ラインＬ５及び、ノ
ズルＮに対して、各ラインを断続的に開閉可能な電磁弁
ＳＶ１〜ＳＶ６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。

【０１０６】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ＬＰ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１
０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ＰＲＶ２
によって水ポンプＰ２から吐出されて圧力調整ラインＬ
Ｐ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。

【０１０７】一方、燃料電池装置１では、改質装置３０
の内部及び改質装置３０と圧力調整弁ＰＲとを結ぶ燃料
ガス供給ライン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。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。

【０１０８】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〜Ｌ５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とノズルN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。

【０１０９】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とノズルN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とノズルN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
体流量調整手段として、サイズが大きく高価なサーマル
マスフローコントローラ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。

【０１１０】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。

【０１１１】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、ノズルN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、
ノズルN周辺の構成をコンパクト化することが可能とな
る。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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。

【０１１６】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、改質
装置３０の下流側に設けられた燃料ガス流量調整弁ＦＲ
Ｖ１と、ブロアＢの下流側に設けられた空気流量調整弁
ＦＲＶ２とが接続されている。従って、各パルス発生装
置ＰＧ１〜ＰＧ５、燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１、空気
流量調整弁ＦＲＶ２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。

【０１１７】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、燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１、及び、空気流量
調整弁ＦＲＶ２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ＣＰＵ９１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、燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ
１、並びに、空気流量調整弁ＦＲＶ２に送出する制御信
号を生成する。

【０１１８】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、燃料ガス流量調整弁ＦＲ
Ｖ１、及び、空気流量調整弁ＦＲＶ２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〜ＳＶ５、燃料ガス流量調
整弁ＦＲＶ１、及び、空気流量調整弁ＦＲＶ２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、燃料ガ
ス流量調整弁ＦＲＶ１及び空気流量調整弁ＦＲＶ２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。

【０１１９】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、燃料ガス流量調整弁ＦＲ
Ｖ１、及び、空気流量調整弁ＦＲＶ２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，Ｌ４、空気供給ラインＬ
６、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。

【０１２０】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。

【０１２１】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）。

【０１２２】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、燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１、及び、空気流
量調整弁ＦＲＶ２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Ｓ
Ｖ１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、燃料ガス流量調整弁ＦＲ
Ｖ１、及び、空気流量調整弁ＦＲＶ２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ＦＲＶ２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）。

【０１２３】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、燃料ガス流量調整弁ＦＲ
Ｖ１、空気流量調整弁ＦＲＶ２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（Ｓ１
６）。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。

【０１２４】一方、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ＰＧ１〜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、燃料ガス流量調整弁ＦＲＶ１及び空気流量調整弁Ｆ
ＲＶ２のアクチュエータ部は、ＣＰＵ９１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。

【０１２５】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
燃料ガスを改質装置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
た量の空気が熱交換器７０を介して精度よく供給される
ことになる。

【０１２６】一方、ＣＰＵ９１から制御信号を受け取っ
たパルス発生装置ＰＧ５は、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、燃料ガス供給ラインＬ５上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）まで予熱された加湿用水が供給
される。この結果、燃料ガス供給ラインＬ５の内部に水
噴射手段としてのノズルＮから、加湿用水が噴射され
る。

【０１２７】上述したように、燃料ガス供給ラインＬ５
の内部には、所定温度Ｔ１（１２０℃程度）の燃料ガス
が改質装置３０から供給されている。従って、燃料ガス
供給ラインＬ５の内部では、所定温度Ｔ１の燃料ガス
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。

【０１２８】これにより、加湿用水のミストは、改質装
置３０から流出する燃料ガスから熱を奪って昇温・蒸発
する一方、所定温度Ｔ１の燃料ガスは、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）まで冷却する。この結果、加湿用
水のミストは、蒸発して水蒸気となり、冷却した燃料ガ
スに同伴して燃料電池ＦＣの各アノードAに燃料ガスと
共に供給されることになる。

【０１２９】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ＳＶ１〜
ＳＶ４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ＳＶ１〜ＳＶ４の
比例定数は、蒸発部３１内の流体の温度、改質部３２の
流体の温度、及び、選択酸化部３３の流体の温度の運転
中における変動を踏まえた上で、改質装置３０から流出
する燃料ガスに混入されている水蒸気成分の分圧が燃料
電池ＦＣの作動温度における飽和水蒸気圧未満になるよ
うに定められている。

【０１３０】また、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ＳＶ５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）、アノード反応ガス流量調整手段としての燃料ガ
ス流量調整弁ＦＲＶ１を流通する燃料ガスの流量、改質
装置３０の改質部３２及び選択酸化部３３内に配置され
た伝熱管Ｔ３２及びＴ３３を流通する冷却媒体（燃料電
池の冷却水等）の温度等の運転中における変動を踏まえ
た上で、改質装置３０から流出する燃料ガスに混入され
ている水蒸気成分の分圧が燃料電池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。

【０１３１】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燃料ガスを燃料電池ＦＣ
の各アノードＡに供給可能となり、アノードＡに水分が
滞留し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。

【０１３２】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の各アノードＡに供給される
燃料ガス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の各アノードＡ
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、アノードＡ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。

【０１３３】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、この燃料電池装置１は、従来の燃料電池装
置のように、改質装置において生成される燃料ガスを冷
却させると共にその水蒸気成分の一部を凝縮させるため
の凝縮器を省くことが可能となる。そのため、装置に備
える冷却設備も凝縮器内に導入する冷却媒体及び凝縮し
た水を冷却する必要がないため規模を縮小化できる。こ
のように、燃料電池ＦＣの電解質を加湿するために必要
とされる機器スペースを従来に比して大幅に縮小化する
ことができるので、コンパクトで低コストな燃料電池装
置を構成することが可能となると共に、装置全体のエネ
ルギー変換効率も向上させることが可能となる。

【０１３４】実際に、図１に示した構成の燃料電池装置
は以下のような結果が得られている。すなわち、燃料電
池の作動温度を８０℃とし、改質装置から流出する燃料
ガスに関しては、その温度を１２０℃、その全圧を１．
６ata（９８０６６Ｐａ）、その流量を２０８５mol/h、
その組成をＣＯ２：１８．６％、Ｎ２：１０．８％、Ｈ
２：５０．０％、Ｈ２Ｏ：２０．６％とした。この改質
装置から流出する１２０℃の燃料ガスの水蒸気圧は、７
１℃の飽和水蒸気圧に相当する値となる。従って、燃料
電池の作動温度に対応する８０℃の飽和水蒸気圧に比し
て小さいので、この燃料ガスにノズルＮから加湿用水を
噴霧することができる。このとき、この改質装置から流
出する１２０℃の燃料ガスを８０℃に冷却するための除
去熱量は、８４０kcal/mol（約３５１５Ｊ/mol）となる
ので、ノズルＮから噴霧する加湿用水の水量は、１．５
５kg/hとなる。

【０１３５】この結果、８０℃に冷却後の燃料ガス中の
水蒸気分圧は、冷却以前に比して約２４％増加すること
になる。例えば、この冷却後の燃料ガスをアノードに供
給して所望の電池反応を行なわせ、その後、アノード排
ガス及びカソード排ガスを冷却し、ガス中の水蒸気成分
を凝縮して回収するために装置に設けなければならない
水回収用の凝縮器の伝熱面積の増加率を算出してみる
と、燃料ガス中の水素の利用率が５０％の条件で電池反
応がこれに対応する反応熱を伴って進行する場合には、
約８％となる。なお、伝熱面積の増加率とは、カソード
排ガスと、水噴射手段から供給される加湿用水により増
加した燃料ガス中の水蒸気成分を含むアノード排ガスと
を冷却・凝縮して回収するために新たに必要な装置内の
凝縮器の伝熱面積を、水噴射手段から供給される加湿用
水を考慮しない仮定のもとに予め装置全体に備えられて
いる熱交換手段の全伝熱面積で除した値を示す。これに
対して、改質装置から流出する１２０℃の燃料ガス中の
水蒸気分圧を７１℃の飽和水蒸気圧とし、改質装置の下
流側に凝縮器を備えてこの燃料ガスを８０℃に冷却させ
た以外は燃料ガスの条件を上記の条件と等しくした場合
の燃料電池装置の伝熱面積の増加率は約１８０％となっ
た。これにより、本発明の燃料電池装置は、従来の燃料
電池装置に比べて非常にコンパクトに構成できることが
確認できた。

【０１３６】また、水の気化熱は非常に大きいので、改
質装置３０から流出する高温の燃料ガスを所望の温度ま
で冷却させるために必要な加湿用水の水量は少量で済む
ことになる。このことから、この燃料電池装置１では、
改質装置３０から流出する燃料ガスをノズルＮの近傍の
非常に微小な領域内で迅速に冷却することが可能とな
る。更に、ノズルＮから噴射する加湿用水の水量を制御
手段９０により制御される電磁弁ＳＶ５を用いて調節す
ることにより冷却後の燃料ガス中の水蒸気分圧も調節す
ることも可能となる。従って、凝縮器を備えた従来の燃
料電池装置と比較して、燃料電池ＦＣの急激な負荷変動
に追従しうる加湿用水の供給を迅速に行なうことが可能
となる。

【０１３７】

【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、改質装置と燃料電池のアノードとを結ぶア
ノード反応ガスライン上に、加湿用水供給手段から供給
された加湿用水を当該アノード反応ガスライン内に噴射
する水噴射手段を備える。そして、本発明による燃料電
池装置の運転方法では、アノード反応ガスライン内に加
湿用水を噴射し、アノード反応ガスライン内で昇温した
アノード反応ガスと加湿用水とを直接熱交換させて蒸発
させる。これにより、燃料電池装置をコンパクトに構成
することが可能となり、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。

【図８】図１に示す燃料電池装置の燃料ガス供給ライン
内を流通する燃料ガス中の水蒸気分圧を模式的に示すグ
ラフである。

【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…熱交換器、８０…弁本体、８１
…弁入口、８２…弁出口、８３…流路、８４…弁座、８
５…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、９３
…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、ＥＭ…電解質膜、ＦＣ…燃料電池、ＦＲＶ１…燃料
ガス流量調整弁、ＦＲＶ２…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、Ｌ９，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、Ｌ２
０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、Ｐ
２…水ポンプ、Ｐ３…冷却媒体循環ポンプ、ＰＧ１，Ｐ
Ｇ２，ＰＧ３，ＰＧ４，ＰＧ５…パルス発生装置、ＰＲ
Ｖ１，ＰＲＶ２，ＰＲＶ３，ＰＲＶ４，ＰＲＶ５，ＰＲ
Ｖ６…圧力調整弁、Ｒ…抵抗、Ｒｉ…冷媒入口、ＵＣ…
単セル、ＳＰ…セパレータ、ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，
ＳＶ４，ＳＶ５…電磁弁、Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３５，Ｔ
７０…伝熱管、Ｔｒ１，Ｔｒ２、Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ
５…トランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記改質装置と前記アノードとを結ぶアノード反応ガス
ライン上に設けられており、該アノード反応ガスライン
内に加湿用水を噴霧する水噴射手段と、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、前記水噴射手段から前記アノード反応ガスライン内に噴
射される前記加湿用水と前記改質装置から流出する前記
アノード反応ガスとを直接熱交換させることにより、該
加湿用水を気化させることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】前記改質器の出口に設けられたアノード
反応ガス流量調整手段と、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
水ライン上に設けられた加湿用水流量調整手段と、前記燃料電池に対する負荷要求に基づいて、前記加湿用
水流量調整手段と、前記アノード反応ガス流量調整手段
とを制御することにより、前記アノードの入口における
アノード反応ガス中の水蒸気分圧を前記燃料電池の作動
温度における飽和水蒸気圧以下に設定する制御手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電
池装置。
【請求項３】前記改質装置における改質反応に使用す
る流体を該改質装置に供給する流体供給手段と、前記流体供給手段と前記改質装置とを結ぶ流体供給ライ
ン上に設けられた流体流量調整手段と、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基づ
いて、前記流体流量調整手段を更に制御することによ
り、前記改質装置の出口における前記アノード反応ガス
中の水蒸気分圧を前記燃料電池の作動温度における飽和
水蒸気未満に設定することを特徴とする請求項２に記載
の燃料電池装置。
【請求項４】前記水噴射手段の出口における前記アノ
ード反応ガス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、前記加湿用水流量調整手段に
略一定の圧力で前記加湿用水を供給可能であり、前記加湿水流量調整手段は、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３に記載の燃料電池
装置。
【請求項５】前記加湿用水流量調整手段は、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４に記
載の燃料電池装置。
【請求項６】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信号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、前記加湿用水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信号
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５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】前記改質装置の出口における前記アノー
ド反応ガスの圧力を略一定に保つ圧力調整手段を更に備
え、前記流体供給手段は、前記流体流量調整手段に略一定の
圧力で前記流体を供給可能であり、前記流体流量調整手段は、前記流体供給手段と前記改質
装置とを結ぶ流体供給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３に記載の燃料電池装置。
【請求項８】前記流体流量調整手段は、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７に記載
の燃料電池装置。
【請求項９】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信号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、前記流体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信号を前
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
８に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】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。
【請求項１１】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
生する燃料電池装置の運転方法において、前記改質装置と前記アノードとを結ぶアノード反応ガス
ライン内に水噴霧手段を設けて加湿用水を噴霧し、該加
湿用水と前記アノード反応ガスとを直接熱交換させるこ
とにより、該加湿用水を気化させることを特徴とする燃
料電池装置の運転方法。
【請求項１２】前記燃料電池に対する負荷要求に基づ
いて、前記アノード反応ガス中の水蒸気分圧を前記燃料
電池の作動温度における飽和水蒸気圧以下となるように
前記改質装置から流出する前記アノード反応ガスの流量
と前記水噴霧手段から噴霧される加湿用水の流量とを設
定することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池装
置の運転方法。
【請求項１３】前記燃料電池に対する負荷要求に基づ
いて、前記改質装置の出口におけるアノード反応ガス中
の水蒸気分圧が前記燃料電池の作動温度における飽和水
蒸気圧未満となるように、前記改質装置における改質反
応に使用する流体を該改質装置に供給することを特徴と
する請求項１１又は１２に記載の燃料電池装置の運転方
法。
【請求項１４】前記水噴射手段の出口における前記ア
ノード反応ガス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１３に記載の燃料電池装置
の運転方法。
【請求項１５】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１４に記載の燃料電池装置の運転方法。
【請求項１６】前記改質装置の出口における前記アノ
ード反応ガスの圧力を略一定に保つと共に、前記改質装
置に対して略一定の圧力で断続的に前記流体を供給する
ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池装置の運
転方法。
【請求項１７】前記燃料電池に対する負荷要求に基づ
いて、前記改質装置に対する前記流体の供給継続時間と
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１６に記載の燃料電池装置の運転方法。
【請求項１８】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１１に記載の燃料電池装置の運
転方法。