JP2002056873A - 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】 燃料電池への負荷要求の変動に伴い改質装置
に供給する燃料の供給量を変動させても、水蒸気改質反
応を所定の反応温度の下で安定して進行させることので
きる負荷応答性の高い燃料電池装置及びその運転方法を
提供する。 【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を有する燃料電
池ＦＣと、燃料を改質装置３０に供給する燃料供給手段
１０と水を改質装置に供給する水供給手段２０と、燃料
と水とを蒸発させる蒸発部１１０と、蒸発部と改質装置
とを結ぶガスライン上に設けられており、かつ、燃焼触
媒を有しており、酸素を含む燃焼用ガスを使用して蒸発
部から流出する燃料と水の混合ガス中の燃料の一部を燃
焼させることにより燃料と水の混合ガスを水蒸気改質反
応の進行に適した温度にまで昇温させる昇温部１００
と、を備える。

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^-→Ｈ₂Ｏ …（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
（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、例えばメタノールや天然
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、例え
ば空気が用いられる。

【０００５】通常、燃料ガスを得るための水蒸気改質反
応は高分子電解質型燃料電池の作動温度（例えば、６０
〜８０℃程度）よりも高温の温度領域（例えば、２５０
℃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。

【０００６】通常の改質装置は、水蒸気改質反応を行な
う改質部と、水蒸気改質反応により生成させた改質ガス
を導入し当該改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化す
る選択酸化部とを有する構成とされている。この改質装
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、改質装置に燃料タンクと水タンクからそれぞ
れメタノールと水を供給して改質部にて水蒸気改質反応
を行なわせる。このとき、改質部の水蒸気改質反応を効
率よく進行させるためにメタノールと水は改質装置の改
質部に供給する前に予め混合し、更に改質装置の入口に
蒸発器を設置して混合したメタノールと水を加熱して水
蒸気改質反応に適した温度（例えば、２５０℃程度）を
有する混合ガスとしている。この蒸発器における加熱の
方式としては、例えば、蒸発器内にバーナや燃焼触媒な
どを備えた加熱部（加熱・蒸発部）を設け、伝熱壁を介
して改質装置に供給するメタノール（燃料）と水とを加
熱して蒸発させる方式が知られている。

【０００７】そして水蒸気改質反応は、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、メタノ
ールと水との混合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＋２Ｈ₂−９０．９ｋＪ／ｍｏｌ …（４） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４１．０ｋＪ／ｍｏｌ …（５） ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂−４９．８ｋＪ／ｍｏｌ…（６） ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂＋１５１．６ｋＪ／ｍｏｌ…（７）

【０００８】上記の（４）〜（７）式から明らかなよう
に、水蒸気改質反応により生成した改質ガス中には、あ
る程度の一酸化炭素が含まれている。このような一酸化
炭素を含有する改質ガスを、例えば、貴金属触媒を担持
した反応系に直接導入して使用すると、反応温度が比較
的低い領域においては一酸化炭素が貴金属触媒に対して
触媒毒として作用してしまう。そのため、通常は、選択
酸化部において、改質ガスに酸素を供給し、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 ＋２８４．７ｋＪ／ｍｏｌ…（８）

【０００９】ここで、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燃料電池装置を
使用する場合など燃料電池に対する負荷要求が変動する
場合には、その負荷要求の変動に合わせて燃料電池に供
給する燃料ガスの供給量を変化させる必要がある。すな
わち、負荷要求の変動に合わせて改質装置に供給する燃
料と水との供給量を変化させ、負荷要求が上昇するとき
には燃料ガスの生成量を増加させて負荷要求が低下する
ときには燃料ガスの生成量を減少させる必要がある。こ
のとき燃料と水との供給量の変化に追従するようにして
上記（４）〜（８）式を例として示した改質部における
反応を十分に進行させ、所望のガス組成を有する燃料ガ
スを常に得ることが、燃料電池装置の高い負荷応答性と
安定した出力とを得る上で重要となる。

【００１０】改質装置で生成される燃料ガスの組成が改
質装置の改質部の内部温度と選択酸化部の内部温度に大
きく影響をうけるので、負荷要求の変動に合わせて燃料
と水との供給量を変化させたときに、改質部の内部温度
と選択酸化部の内部温度が上記の所望の組成の燃料ガス
を得ることが可能な温度範囲に保たれるように調節する
ことが重要になる。特に、改質部における水蒸気改質反
応は全体として吸熱反応であるので反応を円滑に進行さ
せ続けるためには外部から熱を供給する必要があり、し
かも負荷要求が変動する場合には、この外部から供給す
る熱量を適切に調整する必要がある。

【００１１】そのため、特開２０００−３４１０１号公
報には、蒸発器の加熱部（燃焼部）において燃料（メタ
ノール）と水とを負荷変動にあわせて加熱する際に、燃
料電池から排出される排ガス中の未使用の水素を加熱燃
料として使用し、その供給量を負荷変動にあわせて調節
することにより、所定の温度に調節した燃料と水との混
合ガスを改質装置に供給する構成の燃料電池装置が提案
されている。また、特開２０００−３４１０２号公報に
は、蒸発器の加熱部（燃焼部）において燃料（メタノー
ル）と水とを負荷変動にあわせて加熱する際に、加熱部
に供給する加熱燃料（メタノール）、酸素の少なくとも
一方の供給量を負荷変動にあわせて調節することによ
り、所定の温度に調節した燃料と水との混合ガスを改質
装置に供給する構成の燃料電池装置が提案されている。
更に、特開２０００−５３４０３号公報には、改質装置
の改質部内において、負荷変動にあわせて（７）式に示
す燃料（メタノール）の部分酸化反応に使用する酸素の
供給量を調節することにより、この反応の発熱量と水蒸
気改質反応の吸熱量とを調節し、改質部内を所定の温度
に調節する構成の燃料電池装置が提案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らは、特開２０００−３４１０２号公報に記載の燃料
電池装置であっても、蒸発器の加熱部の伝熱壁の昇温や
減温に時間を要するため、急激な負荷変動に対する的確
な応答性を十分に得ることが困難となる場合があり、未
だ十分なものではないことを見出した。また、本発明者
らは、特開２０００−３４１０１号公報に記載の燃料電
池装置においては、上記の蒸発器の昇温時や減温時の応
答性の問題に加えて、燃料電池を高い水素利用率の条件
の下で作動させる場合に蒸発器の加熱部に対する未反応
の水素ガスの供給量が不足し急激な負荷変動に対する的
確な応答性を十分に得ることが困難となる場合があり、
未だ十分なものではないことを見出した。

【００１３】更に、本発明者らは、特開２０００−５３
４０３号公報に記載の燃料電池装置においても、改質装
置の改質部は比較的大きなスペースを有しているので改
質部内のガスの昇温や減温に時間を要するため、急激な
負荷変動に対する的確な応答性を十分に得ることが困難
となる場合があり、また、部分酸化反応に使用する酸素
の供給口の設置位置が限定されるため改質部内の温度を
均一にすることが困難となるので、局部的に高温となる
領域が生じるとその領域に位置する改質触媒が劣化し触
媒活性が失われてしまう場合があり、未だ十分なもので
はないことを見出した。

【００１４】このように燃料電池への負荷要求の変動に
対する的確な応答性を十分に得ることが困難となり、改
質装置の改質部の温度が所定の温度よりも低温となる
と、改質装置において生成する燃料ガス中の水素濃度が
負荷要求に対応せず所望の出力を得ることが困難とな
る。また、この場合には燃料ガス中の一酸化炭素濃度が
許容範囲の上限を超えてしまい、燃料電池のアノードの
電極触媒を被毒して最終的には燃料電池が発電不能に陥
ってしまう場合がある。一方、改質装置の改質部の温度
が所定の温度よりも高温となると、上記の問題に加えて
改質部に配置されている改質触媒が劣化して触媒活性を
失い、最終的には装置全体が作動不能に陥ってしまう場
合がある。

【００１５】そこで、本発明は、燃料電池への負荷要求
の変動に伴い改質装置に供給する燃料の供給量を変動さ
せても、水蒸気改質反応を所定の反応温度の下で安定し
て進行させることのできる負荷応答性の高い燃料電池装
置及びその運転方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】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、アノードとカソードと
でそれぞれ電気化学反応させて電力を発生する燃料電池
装置において、燃料と水とを含む改質用流体を改質装置
に供給する改質用流体供給手段と、改質用流体供給手段
と改質装置とを結ぶガスライン上に設けられており、改
質用流体を蒸発させる蒸発部と、蒸発部と改質装置とを
結ぶガスライン上に設けられており、かつ、燃焼触媒を
有しており、酸素を含む燃焼用ガスを使用して蒸発部か
ら流出する改質用流体中の燃料の一部を燃焼させること
により当該改質用流体を水蒸気改質反応の進行に適した
温度にまで昇温させる昇温部と、を備えることを特徴と
する。

【００１７】本発明の燃料電池装置における燃焼触媒を
有する昇温部では、昇温部に所定量の燃焼用ガスを供給
することにより、蒸発部から流出する改質用流体中の燃
料の一部を燃焼触媒上で燃焼させ、蒸発部における加熱
方式のように伝熱壁等を介在させることなく改質用流体
を直接昇温することができる。そのため、改質用流体を
必要に応じて極めて迅速に所望の温度にまで昇温するこ
とが可能となる。

【００１８】また、昇温部では、昇温部に供給する燃焼
用ガスを遮断することにより迅速に改質用流体中の燃料
の燃焼反応を停止し、改質用流体の昇温を迅速に停止す
ることができる。そのため、例えば、蒸発部から流出す
る改質用流体の温度を水蒸気改質反応の進行に適した温
度よりも常に低くなるように蒸発部のバーナ等を配置し
た加熱部における加熱条件を設定しておくことによっ
て、後段の昇温部に供給する燃焼用ガスの供給量を減少
させるか又は遮断することにより、改質用流体を必要に
応じて極めて迅速に所望の温度にまで減温することが可
能となる。

【００１９】このような構成の燃料電池装置によれば、
燃料電池への負荷要求が増加して改質装置へ供給する改
質用流体の供給量が増加した場合、蒸発部のバーナ等を
配置した加熱部における加熱条件がこの負荷要求の変動
に迅速に追従できず、改質用流体を迅速に加熱すること
ができなくても、後段の昇温部において極めて迅速に所
望の温度にまで昇温することができる。また、燃料電池
への負荷要求が減少して改質装置へ供給する改質用流体
の供給量が減少した場合、蒸発部の加熱部における加熱
条件がこの負荷要求の変動に迅速に追従できず、改質用
流体を迅速に減温することができなくても、例えば、蒸
発部のバーナ等を配置した加熱部における加熱条件を上
記のように予め設定しておくことにより、後段の昇温部
において極めて迅速に所望の温度にまで減温することが
できる。

【００２０】従って、本発明の燃料電池装置は、負荷要
求の変動に伴い改質装置に供給する燃料の供給量を変動
しても、水蒸気改質反応を所定の反応温度の下で安定し
て進行させることができる高い負荷応答性を有する。

【００２１】なお、昇温部に配置される燃焼触媒の種類
は特に限定されないが、例えば、燃料をメタノールとし
た場合には、Ａｌ₂Ｏ₃にＰｔを所定量担持した触媒（Ｐ
ｔ／Ａｌ₂Ｏ₃）を使用してもよい。そして、昇温部に配
置される燃焼触媒の量は、昇温部における燃焼反応によ
り消費される燃料の量を考慮しつつ燃料電池への負荷要
求が最大となる場合を想定し、十分な量が設定される。
これにより、燃料の供給量が最大となっても、昇温部に
おいて十分に燃焼反応を進行させて水蒸気改質反応の進
行に適した温度の燃料と水との混合ガスを常に改質装置
に供給可能とすることができる。

【００２２】ここで、本発明において、水蒸気改質反応
の進行に適した温度とは、改質装置に配置される改質触
媒が劣化すること無く水蒸気改質反応に対する十分な触
媒活性を継続的に発揮できる温度を示す。水蒸気改質反
応の進行に適した温度は、使用する触媒の種類により好
適な温度範囲があり、改質装置に供給される改質用流体
である燃料と水との混合ガスの供給量に応じてこの温度
範囲内の所定の温度が選択される。例えば、Ｃｕ−Ｚｎ
系の改質触媒を使用する場合においては、例えば、２０
０℃〜３００℃の温度範囲から所定の水蒸気改質反応の
進行に適した温度が選択される。例えば、この場合にＣ
ｕ−Ｚｎ系の改質触媒が３００℃を超える温度領域に置
かれると、劣化して触媒活性が失われてしまう傾向が大
きくなる。一方、Ｃｕ−Ｚｎ系の改質触媒が２００℃未
満の温度領域に置かれると、水蒸気改質反応を十分に進
行することが困難となる。

【００２３】また、本発明の燃料電池装置においては、
昇温部に燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス供給手段と、
昇温部と燃焼用ガス供給手段とを結ぶガスライン上に設
けられた燃焼用ガス流量調整手段と、昇温部と改質装置
とを結ぶガスライン上に設けられており、昇温部から流
出する改質用流体の温度を測定する改質用流体温度測定
手段と、改質用流体温度測定手段により測定された改質
用流体の温度に基づいて燃焼用ガス流量調整手段を制御
する制御手段とを更に備えることが好ましい。

【００２４】このような構成とすれば、燃料電池への負
荷要求が変動して改質装置に供給する改質用流体の供給
量が変動しても、昇温部から流出する改質用流体の温度
をより確実に水蒸気改質反応の進行に適した温度に調節
することができる。例えば、改質用流体の供給量が変動
する場合において、改質用流体温度測定手段により測定
される改質用流体の温度から燃焼用ガス流量調整手段か
ら昇温部に供給する燃焼用ガスの供給量を決定するデー
タは、蒸発部の加熱条件も考慮して理論計算及び実験デ
ータにより予め把握しておくことができる。なお、この
とき負荷変動に伴い改質用流体供給手段から供給される
改質用流体の供給量は、昇温部の部分酸化反応において
消費される燃料の量を加味して設定される。

【００２５】更にこの場合、改質装置が、水蒸気改質反
応により改質用流体から水素と一酸化炭素とを含む改質
ガスを生成する改質部と、改質ガスと酸素を含む選択酸
化用ガスとを導入し当該改質ガス中の一酸化炭素を選択
酸化する選択酸化部と、選択酸化部に選択酸化用ガスを
供給する選択酸化用ガス供給手段と、選択酸化部と選択
酸化用ガス供給手段とを結ぶガスラインに設けられた選
択酸化用ガス流量調整手段と、改質部に設けられた当該
改質部の内部温度を測定する改質部温度測定手段とを備
えており、制御手段は、改質部温度測定手段により測定
された改質部の内部温度に基づいて、選択酸化用ガス流
量調整手段を更に制御することが好ましい。

【００２６】このような構成とすれば、改質部の内部温
度を測定することにより、改質部における混合ガス中の
一酸化炭素の濃度を精度よく測定することができる。更
には、選択酸化部に供給する選択酸化用ガスの供給量も
精度よく設定することができる。これにより、改質部に
おいて生成された改質ガス中の水素の損失を十分に抑制
しつつ、当該改質ガス中に含まれる一酸化炭素を所定値
にまで精度よく低減することが可能である。また、必要
に応じて改質部或いは選択酸化部にCOセンサを更に搭載
して一酸化炭素の濃度を測定してもよい。

【００２７】なお、このように、改質装置の改質部の温
度を測定することにより、改質装置内において生成する
燃料ガス中の一酸化炭素濃度を把握することが可能とな
るのは、改質装置内の水蒸気改質反応及び選択酸化反応
がいずれも金属触媒上で進行する接触反応であるからで
ある。すなわち、改質装置に供給されるメタノール、改
質用水、空気等の反応物の条件（組成比、流量、全圧
等）と触媒の条件（種類、担持量、分散度等）とを設定
すれば、（４）〜（８）式で示される反応が定常状態に
達した際の反応物（燃料、Ｈ₂Ｏ、空気等）と生成物
（Ｈ₂，ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，Ｎ₂等）とからなる混合ガ
ス（改質ガス）の成分組成は、観測される反応温度によ
りほぼ決定できるからである。実際には、改質装置によ
り触媒の条件は決まるので、改質ガス中の一酸化炭素濃
度が許容濃度以下となる所望の定常状態に到達するとき
の上記の反応物及び反応温度の条件を理論計算、及び実
験データにより予め把握しておくことにより、反応物の
条件を設定すれば、改質装置内の温度をモニタすること
によりアノード反応ガス中の一酸化炭素濃度が許容濃度
以下に到達したか否か確認することができる。

【００２８】また、この場合、改質部中の燃料を部分酸
化するための酸素を含む部分酸化用ガスを供給する部分
酸化用ガス供給手段と、改質部と部分酸化用ガス供給手
段とを結ぶガスライン上に設けられた部分酸化用ガス流
量調整手段を更に備え、制御手段は、改質部温度測定手
段により測定された改質部の内部温度に基づいて、部分
酸化用ガス流量調整手段を更に制御することが好まし
い。

【００２９】このように、昇温部における燃焼反応に加
えて改質部における燃料の部分酸化反応を利用すること
により、改質部の内部温度を水蒸気改質反応の進行に適
した温度により精度よく調節することができる。

【００３０】更に、この場合、燃焼用ガス流量調整手段
の出口における流体の圧力を略一定に保つ圧力調整手段
を更に備え、燃焼用ガス供給手段は燃焼用ガス流量調整
手段に略一定の圧力で燃焼用ガスを供給可能であり、燃
焼用ガス流量調整手段は昇温部と燃焼用ガス供給手段と
を結ぶガスラインを断続的に開閉可能であることが好ま
しい。

【００３１】このような構成のもとでは、燃焼用ガス流
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、当該差圧と燃焼用ガス流量調整手段の開通時間
とから昇温部に供給する燃焼用ガス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、燃焼用ガ
ス流量調整手段を開閉制御するだけで、昇温部から流出
する改質用流体の温度を最適かつ精度よく調節すること
が可能となる。

【００３２】更に、この場合、燃焼用ガス流量調整手段
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。

【００３３】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、燃焼用ガスの供給を安定化させることができる。

【００３４】また、この場合、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、改質用流体温度測定手段に
より測定された改質用流体の温度に基づいて燃焼用ガス
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。

【００３５】このような構成を採用すれば、燃焼用ガス
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、燃焼用ガスの
供給量を極めて精度よく調節することが可能となる。

【００３６】また、本発明による燃料電池装置の運転方
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、アノードとカソードとでそれぞれ電気化学反応させ
て電力を発生させる燃料電池装置の運転方法において、
改質装置に供給する燃料と水とを含む改質用流体を蒸発
させる蒸発部と改質装置とを結ぶガスライン上に、燃焼
触媒を有する昇温部を設け、酸素を含む燃焼用ガスを使
用して蒸発部から流出する改質用流体中の燃料の一部を
燃焼させることにより当該改質用流体を昇温させ、改質
装置の内部温度を水蒸気改質反応の進行に適した温度に
させることを特徴とする。

【００３７】また、この場合、昇温部と改質装置とを結
ぶガスライン内を流通する改質用流体の温度を測定し、
当該温度に基づいて、昇温部に供給する燃焼用ガスの量
を設定することが好ましい。

【００３８】更に、この場合、昇温部と改質装置とを結
ぶガスライン内を流通する改質用流体の温度に基づい
て、昇温部に対して供給する燃焼用ガスの供給継続時間
と供給停止時間との割合を設定することが好ましい。

【００３９】

【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。

【００４０】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。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。

【００４１】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、蒸発部１１０、昇温部１００、及び、改質装置３０
を備えている。改質用流体供給手段としての燃料供給部
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ＰＲＶ
１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ＬＰ
１を介して燃料タンク１１内に返送される。

【００４２】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とL３０とがそれぞれ分岐されている。燃料ラ
インＬ１は中途に電磁弁ＳＶ１を有し、燃料供給ライン
ＬＳ１に接続されている。ここで、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。この電磁弁ＳＶ１は、制御装置９０（図６参
照）と電気的に接続されており、燃料ラインＬ１の開通
時間と閉止時間を制御されている。その結果、燃料供給
部１０から改質装置３０に供給されるメタノールの流量
は、燃料電池装置１の作動状況に応じて調節される。

【００４３】一方、燃料ラインＬ３０は、中途に電磁弁
ＳＶ６を有し、燃料供給ラインＬＳ２に接続されてい
る。そして、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
ているので、電磁弁ＳＶ６の上流側における燃料ライン
Ｌ３０内の流体圧力は常に一定となる。この電磁弁ＳＶ
６も、制御装置９０（図６参照）と電気的に接続されて
おり、燃料ラインＬ３０の開通時間と閉止時間を制御さ
れている。その結果、燃料供給部１０から改質装置３０
に供給されるメタノールの流量は、燃料電池装置１の作
動状況に応じて調節される。

【００４４】同様に、改質用流体供給手段としての水供
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Ｐ
ＲＶ２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。

【００４５】そして、圧力調整ラインＬＰ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と水ラインL４０とがそれぞれが分岐されて
いる。改質用水ラインＬ２は、中途に電磁弁ＳＶ２を有
し、燃料ラインＬ１と燃料供給ラインＬＳ１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。

【００４６】また、この電磁弁ＳＶ２は、制御装置９０
（図６参照）と電気的に接続されており、改質用水ライ
ンＬ２の開通時間と閉止時間を制御されている。その結
果、水供給部２０から改質装置３０に供給される改質用
水の流量は、燃料電池装置１の作動状況に応じて調節さ
れる。例えば、改質用水の流量は、改質装置３０内の水
蒸気改質反応及び選択反応を円滑に進行させて生成して
くるＣＯの分圧を所定範囲内に抑制することが可能であ
る範囲内に調節することが可能である。また、例えば、
改質装置３０で生成される燃料ガスの水蒸気分圧を燃料
電池ＦＣの作動温度における飽和蒸気圧以下となる範囲
内に予め調節して燃料電池ＦＣに備えられている高分子
電解質膜ＥＭの加湿条件を設定することも可能である。

【００４７】また、水ラインＬ４０は、中途に電磁弁Ｓ
Ｖ７を有し、燃料ラインＬ１と燃料供給ラインＬＳ１と
の接続部に合流している。そして、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ので、電磁弁ＳＶ７の上流側に
おける水ラインＬ４０内の流体圧力は常に一定となる。
この電磁弁ＳＶ７も、制御装置９０（図６参照）と電気
的に接続されており、水ラインＬ４０の開通時間と閉止
時間を制御されている。その結果、水供給部２０から改
質装置３０に供給されるメタノールの流量は、燃料電池
装置１の作動状況に応じて調節される。

【００４８】燃料供給部１０から燃料ラインＬ１を経て
供給されるメタノールと水供給部２０から改質用水ライ
ンＬ２を経て供給される改質用水は、燃料供給ラインＬ
Ｓ１との合流部で混ざり合い、燃料供給ラインＬＳ１を
介して蒸発部１１０に供給される。一方、燃料供給部１
０から燃料ラインＬ３０を経て供給されるメタノールと
水供給部２０から水ラインＬ４０を経て供給される改質
用水は、燃料供給ラインＬＳ２との合流部で混ざり合
い、燃料供給ラインＬＳ２を介して蒸発部１１０内に供
給される。

【００４９】蒸発部１１０は、伝熱管Ｔ１１０とＴ１１
２とを有する熱交換部と図示しないバーナを備えた加熱
部とから構成されている。そして、熱交換部の伝熱管Ｔ
１１０には燃料供給ラインＬＳ１が接続されており、伝
熱管Ｔ１１２には燃料供給ラインＬＳ２が接続されてい
る。

【００５０】燃料供給ラインＬＳ１から供給される水メ
タノール混合液は、加熱部のバーナが発生する熱により
熱交換部の伝熱管Ｔ１１０の伝熱壁を介して加熱されて
水メタノール混合ガスとなる。そして、蒸発部１１０で
気化・昇温した水メタノール混合ガスは、伝熱管Ｔ１１
０の出口に接続された燃料供給ラインＬＳ３内を改質装
置３０に向けて進行する。一方、燃料供給部１０及び水
供給部２０から燃料供給ラインＬＳ２を経て供給される
水メタノール混合液は、熱交換部の伝熱管Ｔ１１２内に
おいて予熱されて気化・昇温して水メタノール混合ガス
となる。次に、水メタノール混合ガスは伝熱管Ｔ１１２
の出口に接続された燃料供給ラインＬＳ４と燃料電池Ｆ
Ｃの排ガスラインＬ１４にとの合流部に導かれて排ガス
ラインＬ１４内の排ガスと混合される。そしてこの水メ
タノール混合ガスは燃料電池ＦＣの排ガスとともに蒸発
部１１０の加熱部に導かれ、加熱部においてバーナの燃
料として使用される。蒸発部１１０のバーナには燃焼触
媒が備えられており、排ガスラインＬ１４から流入する
水メタノール混合ガスと燃料電池ＦＣの排ガスとの混合
ガス中の可燃成分と酸素とが燃焼反応を起す。

【００５１】蒸発部１１０と改質装置３０とを結ぶ燃料
供給ラインＬＳ３の中途には、蒸発部１１０から流出す
る水メタノール混合ガスの温度を改質装置における水蒸
気改質反応の進行に適した温度にまで昇温させるための
昇温部１００が配置されている。そして、昇温部１００
と改質装置３０とを結ぶ燃料供給ラインＬＳ３には昇温
部１００から流出する水メタノール混合ガスの温度を測
定するための温度センサＴＳ１００が設けられている。
更に、この昇温部１００と蒸発部１１０とを結ぶ燃料供
給ラインＬＳ３には、中途に燃焼用ガス供給手段として
機能する電磁弁ＳＶ５を有する空気ラインＬ５０が接続
されており、燃料供給ラインＬＳ３との合流部において
蒸発部１１０から流出する水メタノール混合ガスに空気
ラインＬ５０を介して燃焼用ガスとしての空気が必要に
応じて供給される。このようにして昇温部１００内に
は、水メタノール混合ガスに所定量の空気が必要に応じ
て混合されて供給される。

【００５２】昇温部１００の内部には、蒸発部１１０か
ら流入する水メタノール混合ガス中のメタノールの一部
と空気に含まれる酸素とを燃焼反応させる燃焼触媒を坦
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。この燃焼触媒の種類は特に限定されるものでは
なく、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）に白金を１ｗｔ％
以下担持させた微粒子状の触媒が使用される。例えば、
Ａｌ₂Ｏ₃に白金を０．２ｗｔ％担持させた燃焼触媒は、
メタノールの燃焼に対して十分な活性を有している。電
磁弁ＳＶ５によって空気が混合された水メタノール混合
ガスが昇温部１００に流入して当該酸化触媒の表面を通
過すると、燃焼触媒上では水メタノール混合ガス中のメ
タノールの一部と空気に含まれる酸素との間で燃焼反応
が起こり、水メタノール混合ガスが水蒸気改質反応の進
行に適した所定の温度まで昇温調節されて昇温部１００
から流出する。水蒸気改質反応の進行に適した所定の温
度とは、使用する燃料の種類、昇温部１００に配置され
た燃焼触媒の種類とその活性温度、改質装置３０内に配
置される改質触媒の種類とその活性温度等により最適な
温度が実験データや理論計算などにより決定される。例
えば、メタノールを燃料として使用する場合２４０℃〜
２６０℃とすることが好ましい。

【００５３】また、温度センサＴＳ１００は、昇温部１
００から流出する水メタノール混合ガスの温度が、改質
部３２内の水蒸気改質反応が所定の定常状態で進行する
のに適した温度であるか否かを測定するためのものであ
る。そして、温度センサＴＳ１００は制御装置９０（図
６参照）と電気的に接続されており、温度センサＴＳ１
００により測定された昇温部１００から流出する水メタ
ノール混合ガスの温度のデータは制御装置９０に出力さ
れて処理される。なお、温度センサＴＳ３２としては、
測定温度領域や設置位置などの使用条件のもとで使用可
能な熱電対等が用いられる。更に、電磁弁ＳＶ５も、制
御装置９０（図６参照）と電気的に接続されており、温
度センサＴＳ１００により測定された昇温部１００から
流出する水メタノール混合ガスの温度のデータに基づい
て空気ラインＬ５０の開通時間と閉止時間を制御されて
いる。そして、その結果、昇温部１００に供給される空
気の流量は、燃料電池装置１の作動状況に応じて調節さ
れる。

【００５４】更に、電磁弁ＳＶ５の出口側の空気ライン
Ｌ５０には、電磁弁ＳＶ５の近傍に位置するように圧力
調整手段として機能する圧力調整弁ＰＲＶ６が配置され
ている。この圧力調整弁ＰＲＶ６は、電磁弁ＳＶ５の出
口における空気の圧力を常に所定値に維持するものであ
る。これにより、電磁弁ＳＶ５から空気ラインＬ５０に
供給する空気の圧力を、常に一定に保つことができる。

【００５５】この昇温部１００では、温度センサＴＳ１
００の測定値に基づいて電磁弁ＳＶ５から所定量の燃焼
用ガスである空気を供給することにより、蒸発部１１０
から流出する水メタノール混合ガス中のメタノールの一
部を燃焼触媒上で燃焼させ、蒸発部１１０の加熱部にお
ける加熱方式のように伝熱壁等を介在させることなく水
メタノール混合ガスを直接的にしかも速やかに昇温する
ことができる。そのため、蒸発部１１０から流出する水
メタノール混合ガスの温度が水蒸気改質反応を十分に進
行することのできる所望の温度よりも低い場合でも必要
に応じて極めて迅速に所望の温度にまで昇温することが
可能となる。

【００５６】また、昇温部１００では、電磁弁ＳＶ５か
ら供給する燃焼用の空気を遮断することにより迅速に水
メタノール混合ガス中の燃料の燃焼反応を停止し、水メ
タノール混合ガスの昇温を迅速に停止することができ
る。そのため、例えば、蒸発部１１０から流出する水メ
タノール混合ガスの温度を水蒸気改質反応の進行に適し
た温度よりも常に低くなるように蒸発部１１０の加熱部
における加熱条件を設定しておくことによって、電磁弁
ＳＶ５から後段の昇温部１００に供給する燃焼用ガスの
供給量を減少させるか又は遮断することにより、水メタ
ノール混合ガスを必要に応じて極めて迅速に所望の温度
にまで減温することが可能となる。

【００５７】このような構成によれば、燃料電池ＦＣへ
の負荷要求が急激に増加して改質装置３０へ供給する水
メタノール混合ガスの供給量が増加した場合、蒸発部１
１０の加熱部における加熱条件がこの負荷要求の変動に
迅速に追従できず、水メタノール混合ガスを迅速に加熱
することができなくても、後段の昇温部１００において
極めて迅速に所望の温度にまで昇温することができる。
また、燃料電池ＦＣへの負荷要求が減少して改質装置３
０へ供給する水メタノール混合ガスの供給量が減少した
場合、蒸発部１１０の加熱部における加熱条件がこの負
荷要求の変動に迅速に追従できず、水メタノール混合ガ
スを迅速に減温することができなくても、例えば、蒸発
部１１０の加熱部における加熱条件を上記のように常に
水蒸気改質反応の進行に適した温度よりも常に低くなる
ように予め設定しておくことにより、改質装置３０供給
する水メタノール混合ガスの温度管理を昇温部１００に
おいて最終的に行なうことができ、極めて迅速に所望の
温度にまで減温することができる。

【００５８】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。改質装置３０は、改質部３２及び
選択酸化部３３から構成されている。

【００５９】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、昇温部１００から流出する水メタ
ノール混合ガスは、まず改質部３２に供給される。改質
部３２の内部には、改質触媒として、例えば、ＣＨ₃Ｏ
Ｈ及びＣＯ吸着能をもった微粒子状の複合酸化物触媒を
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＋２Ｈ₂−９０．９ｋＪ／ｍｏｌ …（４） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４１．０ｋＪ／ｍｏｌ …（５） ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂−４９．８ｋＪ／ｍｏｌ …（６）

【００６０】上記（４）〜（６）式に示す水蒸気改質反
応は、全体として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、上述したようにこの燃料電池装置１において
は昇温部１００において昇温された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
されている。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、２４
０〜３００℃の温度範囲が好ましい。

【００６１】更に、この改質部３２には、中途に電磁弁
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、昇温部１００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。この電磁弁ＳＶ３も、制御装置９０（図６
参照）と電気的に接続されており、空気ラインＬ３の開
通時間と閉止時間を制御されている。その結果、改質部
３２に供給される改質用の空気の流量は、燃料電池装置
１の作動状況に応じて調節される。 ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂＋１５１．６ｋＪ／ｍｏｌ…（７）

【００６２】これにより、吸熱反応による熱を更に補う
ことができる。また、この改質部３２には改質部３２内
の温度ｔ₃₂を測定するための温度センサＴＳ３２（図示
せず）が備えられている。この温度センサＴＳ３２は、
（４）〜（７）で示される改質部３２内の水蒸気改質反
応が所定の定常状態で進行しているか否かをモニタする
ためのものである。そして、温度センサＴＳ３２は制御
装置９０（図６参照）と電気的に接続されており、温度
センサＴＳ３２により測定された改質部３２内の温度ｔ
₃₂のデータは制御装置９０に出力されて処理される。な
お、温度センサＴＳ３２としては、測定温度領域や設置
位置などの使用条件のもとで使用可能な熱電対等が用い
られる。

【００６３】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を
有する空気ラインＬ４が接続されており、選択酸化部３
３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。この
電磁弁ＳＶ４も、制御装置９０（図６参照）と電気的に
接続されており、空気ラインＬ４の開通時間と閉止時間
を制御されている。その結果、選択酸化部３３に供給さ
れるＣＯ酸化用の空気の流量は、燃料電池装置１の作動
状況に応じて調節される。 ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂ ＋２８４．７ｋＪ／ｍｏｌ…（８）

【００６４】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。

【００６５】また、この選択酸化部３３には選択酸化部
３３内の温度ｔ₃₃を測定するための温度センサＴＳ３３
（図示せず）が備えられている。この温度センサＴＳ３
３は、（８）式に示される選択酸化部３３内のＣＯ選択
酸化反応が所定の定常状態で進行しているか否かをモニ
タするためのものである。そして、温度センサＴＳ３３
は制御装置９０（図６参照）と電気的に接続されてお
り、温度センサＴＳ３３により測定された選択酸化部３
３内の温度ｔ₃₃のデータは制御装置９０に出力されて処
理される。なお、温度センサＴＳ３３としては、測定温
度領域や設置位置などの使用条件のもとで使用可能な熱
電対等が用いられる。

【００６６】更に、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ＰＲＶ
３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、蒸発部１１０、昇温部１００、改質装置３０（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。

【００６７】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において燃料電池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ＦＣの作動温度における飽和
水蒸気圧以下まで低下する。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。

【００６８】また、例えば、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７を制
御して改質装置３０で生成される燃料ガスの水蒸気分圧
を燃料電池ＦＣの作動温度における飽和蒸気圧以下とす
るように予め調節する場合には、改質装置３０から流出
する燃料ガスは、凝縮器３５において燃料電池ＦＣの作
動温度まで冷却されてもその水蒸気成分が凝縮すること
はない。この場合には、凝縮器３５の規模を大幅に縮小
することが可能となる。また、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
な事態をより効果的に防止することができる。

【００６９】更に、この凝縮器３５には凝縮器３５内の
温度ｔ₃₃を測定するための温度センサＴＳ３５（図示せ
ず）が備えられている。この温度センサＴＳ３５は、凝
縮器３５内の温度ｔ₃₃を測定することにより凝縮器３５
から流出する燃料ガスの温度が所定の温度（例えば、燃
料電池ＦＣの作動温度）にまで冷却されているか否かを
モニタするためのものである。そして、温度センサＴＳ
３５は制御装置９０（図６参照）と電気的に接続されて
おり、温度センサＴＳ３５により測定された凝縮器３５
内の温度ｔ₃₅のデータは制御装置９０に出力されて処理
される。なお、温度センサＴＳ３５としては、測定温度
領域や設置位置などの使用条件のもとで使用可能な熱電
対等が用いられる。

【００７０】一方、図１に示すように燃料電池装置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に向けて圧縮されて所定温度（例えば、１２
０℃程度）まで昇温した空気が供給されることになる。

【００７１】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。更に、昇温部
１００に空気を供給するための空気ラインＬ５０は、こ
の空気ラインＬ３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
に改質用空気を供給する流体供給手段及び昇温部１００
に空気を供給するための燃焼用ガス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、燃焼用の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。

【００７２】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、ポンプＰ３に戻され、冷却・再循環させら
れる。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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４
１ｂ側に位置する絶縁板４２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。

【００７７】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、含フッ素重合体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。高分子電解質膜ＰＥＭを構成する固
体高分子材料としては、スルホン酸基を有するパーフル
オロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基
又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体
等を用いることができる。商品としては例えば、ナフィ
オン（デュポン社製）等が挙げられる。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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。

【００８２】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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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とを
有するアノード排ガスラインＬ７に接続されている。そ
してこのアノード排ガスラインＬ７は、蒸発部１１０の
バーナに接続された排ガスラインＬ１４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ＰＲＶ５を有するカソード排ガス
ラインＬ８に接続されている。そしてこのカソード排ガ
スラインＬ８は蒸発部１１０のバーナに接続された排ガ
スラインＬ１４に接続されている。このように燃料電池
ＦＣの各アノードＡで生成されたアノード排ガスは、蒸
発部１１０に設けられているバーナにおける燃料とし
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。

【００９２】このように燃料電池ＦＣから排出される排
ガス中に含まれる水素、微量のその他の可燃成分、酸素
等を燃焼させて、その燃焼熱を蒸発部１１０の加熱部に
おいて燃料と水との加熱に利用することにより、排ガス
を未反応の可燃性分を水や二酸化炭素等の不燃成分に変
換した安全性の高いガスとして装置外部に排出すること
ができると共に改質装置で生成させた水素を無駄無く使
用することができる。すなわち、燃料電池装置の熱変換
効率をより向上させることができる。

【００９３】ここで、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。

【００９４】また、圧力調整弁ＰＲＶ５の下流側のカソ
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。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内に配置される伝熱管Ｔ２０が設け
られている。水タンク２１内に貯留されている水は当該
伝熱管Ｔ２０を介して燃料電池ＦＣ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２
１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は蒸発部１１０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１１
０に設けられているバーナで酸化剤として再利用され
る。なお、カソード排ガスラインＬ８と予熱ラインＬ２
０との分岐部と伝熱管Ｔ２０との間の予熱ラインＬ２０
上に流量調整弁を設け、更にこの流量調整弁を制御装置
９０（図６参照）に電気的に接続して予熱ラインＬ２０
の開通時間と閉止時間を制御し、伝熱管Ｔ２０に供給さ
れるカソード排ガスの流量を燃料電池装置１の作動状況
に応じて調節してもよい。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】更に、この燃料電池ＦＣには、作動中の燃
料電池ＦＣの温度ｔ_FCを測定するための温度センサＴＳ
_FC（図示せず）が各スタック４０の所定の部位、或いは
必要に応じて各スタック４０を構成する各単セルＵＣご
とに備えられている。そして、温度センサＴＳ_FCは制御
装置９０（図６参照）と電気的に接続されており、温度
センサＴＳ_FCにより測定された燃料電池ＦＣ内の温度ｔ
_FCのデータは制御装置９０に出力されて処理される。な
お、温度センサＴＳ_FCとしては、測定温度領域や設置位
置などの使用条件のもとで使用可能な熱電対等が用いら
れる。

【０１００】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。

【０１０１】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。

【０１０２】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、蒸発
部１１０のバーナから排出される排ガスを冷却するため
に用いられる。

【０１０３】蒸発部１１０のバーナの出口側の排ガスラ
インＬ１４上には熱交換器６５が設けられており、更に
熱交換器６５の出口側の排ガスラインＬ１４上には圧力
調整弁ＰＲＶ７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、蒸発部１１０のバーナから流出
する排ガスは、冷却系統６０を流通する冷却水によって
十分に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。

【０１０４】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においては、主として電磁弁ＳＶ１〜Ｓ
Ｖ７を制御手段９０により制御して、改質装置３０内の
改質反応の条件を調節し、改質装置３０から流出する燃
料ガスの水素分圧、ＣＯ分圧、水蒸気分圧を所定値に調
節している。すなわち、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７を制御し
て蒸発部１１０の加熱部に供給する加熱用の燃料及び水
の流量、昇温部１００に供給する燃焼用の空気の流量、
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。

【０１０５】このとき、改質用水の供給量（ｍｏｌ）／
メタノールの供給量（ｍｏｌ）の比（以下、「Ｓ／Ｃ
比」という）の設定が負荷要求に対応した水素分圧と水
蒸気分圧、アノードの触媒被毒を防止可能な一酸化炭素
分圧を有する燃料ガスを改質装置３０内においてより正
確に生成させる上で重要となる。このＳ／Ｃ比は、蒸発
部１１０の加熱部の温度、温度センサＴＳ１００の測定
値、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と、燃料
電池ＦＣの作動温度とを所定の値に定めたうえで、
（１）〜（５）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ガス組成を得る場合のＳ／Ｃ
比を求める。なお、改質部３２の反応として、（４）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ガス組成を得る場合のＳ／Ｃ比を求
める。

【０１０６】例えば、燃料電池ＦＣの作動圧力が1.6ata
（９８０６６Ｐａ）であり、作動温度が８０℃であり、
昇温部３０から流出する水メタノール混合ガスの温度が
２４０〜２６０℃、改質部３２の反応温度が２５０〜３
００℃、選択酸化部３３の反応温度が１２０〜２００℃
℃であり、改質装置３０から流出する燃料ガスの温度が
１２０〜２００℃である場合には、電磁弁ＳＶ１とＳＶ
２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〜
２．５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。

【０１０７】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を超えると、多量の水を蒸発さ
せる必要が生じ、システム効率の低下を招くという不具
合を生じる。なお、必要に応じてＣＯ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、温度センサＴＳ１００に基づく水メタノール混合ガ
スの温度に基づいて電磁弁ＳＶ５を制御し、電磁弁ＳＶ
３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
気を供給し改質反応を負荷要求の変動に追従させるよう
にして進行させる。

【０１０８】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、Ｌ３０、改質用水ライン
Ｌ２、水ラインＬ４０、空気ラインＬ３，Ｌ４，Ｌ５
０、に対して、各ラインを断続的に開閉可能な電磁弁Ｓ
Ｖ１〜ＳＶ７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。

【０１０９】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と電磁弁ＳＶ６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ＬＰ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、電磁弁ＳＶ２と電磁弁ＳＶ７の入口
には水供給部２０から改質用の水が常に一定の圧力で供
給される。また、電磁弁ＳＶ５の入口には、ブロアＢか
ら供給される燃焼用の空気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〜ＳＶ７の入
口における流体圧力は常に一定となる。

【０１１０】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。また、電磁弁ＳＶ３の出口における流
体の圧力も圧力調整弁ＰＲＶ６によって常に一定に保た
れている。更に、燃料供給ラインＬＳ２及びこれに接続
されている排ガスラインＬ１４内部の圧力も圧力調整弁
ＰＲＶ７によって常に一定に保たれている。従って、電
磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７の出口における流体圧力も常に一定
となる。

【０１１１】この結果、この燃料電池装置１では、各電
磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７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〜
ＳＶ７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〜Ｌ４、Ｌ３０、Ｌ４０、Ｌ５０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〜ＳＶ７の開通時間とから蒸発部１１０、昇温
部１００、改質装置３０、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。

【０１１２】このように、燃料電池装置１では、各電磁
弁ＳＶ１〜ＳＶ７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〜ＳＶ７を開閉制御し、蒸発
部１１０、昇温部１００、改質装置３０に対して断続的
に各流体を供給している。これにより、蒸発部１１０、
昇温部１００、改質装置３０に対する流体の供給量、す
なわち、蒸発部１１０の加熱部への燃料（メタノー
ル）、蒸発部１１０の加熱部への水、燃料（メタノー
ル）、改質用水、改質用空気、及び、燃焼用の空気の供
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〜ＳＶ７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。

【０１１３】次に、これら電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７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〜ＳＶ７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〜ＳＶ７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。

【０１１４】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。

【０１１５】これら電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７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〜ＳＶ７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，Ｔｒ６，Ｔｒ７
を介して、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７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。

【０１１６】また、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７と各トラン
ジスタＴｒ１〜Ｔｒ７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〜Ｔｒ７のゲートには、そ
れぞれ、パルス発生装置ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３，ＰＧ
４，ＰＧ５，ＰＧ６，ＰＧ７が接続されている。各パル
ス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ７は、各トランジスタＴｒ１〜
Ｔｒ７をＯＮ／ＯＦＦ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〜Ｔｒ７は、スイッチング素子として機能する
ことになる。

【０１１７】すなわち、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ
７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〜ＳＶ７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〜ＳＶ７が開放されることに
なる。一方、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ７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〜ＳＶ７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〜ＳＶ７が閉鎖されることになる。

【０１１８】このように、各パルス発生装置ＰＧ１〜Ｐ
Ｇ７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〜ＳＶ７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。

【０１１９】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〜ＰＧ７と、ブロ
アＢの下流側に設けられた空気流量調整弁ＦＲＶと、ポ
ンプＰ１〜Ｐ３と、ラジエータ６１とが接続されてい
る。従って、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ７、空気流
量調整弁ＦＲＶ、ポンプＰ１〜Ｐ３、ラジエータ６１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。

【０１２０】更に、制御装置９０の入出力ポート９４に
は、昇温部１００の出口の燃焼供給ラインＬＳ３上に設
けられた温度センサＴＳ１００、改質装置３０の改質部
３２に設けらた温度センサＴＳ３２と、改質装置３０の
選択酸化部３３に設けらた温度センサＴＳ３３と、燃料
電池ＦＣに設けられた温度センサＴＳ_FCと、凝縮器３５
に設けられた温度センサＴＳ３５と、が接続されてい
る。そして、これらの温度センサによって発せられる検
出信号がＣＰＵ９１に与えられる。また、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Ｃ
ＰＵ９１に与えられる。

【０１２１】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。この記憶装置９５には、
温度センサＴＳ１００の温度に基づいて電磁弁ＳＶ５を
制御するためのデータと、改質装置３０の改質部３２の
内部温度に対応して電磁弁ＳＶ３を制御するためのデー
タと、改質装置３０の選択酸化部３３の内部温度に対応
して電磁弁ＳＶ３と電磁弁ＳＶ４とを制御するためのデ
ータと、負荷要求に対応して燃料電池装置全体を定常的
に作動させるためのデータが記憶されている。更にこの
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、燃料電池ＦＣに対する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テーブルと、各電磁
弁ＳＶ２〜ＳＶ７、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、上記各部の温度検出信号
及び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〜ＰＧ７、空気流量調整弁ＦＲ
Ｖ、ポンプＰ１〜Ｐ３、並びに、ラジエータ６１に送出
する制御信号を生成する。

【０１２２】なお、温度センサＴＳ１００の温度に基づ
いて電磁弁ＳＶ５を制御するためのデータと、改質装置
３０の改質部３２の内部温度に対応して電磁弁ＳＶ３を
制御するためのデータと、改質装置３０の選択酸化部３
３の内部温度に対応して電磁弁ＳＶ３と電磁弁ＳＶ４と
を制御するためのデータと、負荷要求に応じて蒸発部の
加熱部に加熱用のメタノールと水とをそれぞれ供給する
電磁弁ＳＶ６と電磁弁ＳＶ７を制御するためのデータ
は、理論計算値、実験値等に基づいて定めることができ
る。

【０１２３】昇温部１００又は改質装置３０に供給され
るメタノール、改質用水、空気等の反応物の条件（組成
比、流量、全圧等）と触媒の条件（種類、担持量、分散
度等）とを設定すれば、定常状態における反応物（燃
料、Ｈ₂Ｏ、空気等）と生成物（Ｈ₂，ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂
Ｏ，Ｎ₂等）とからなる混合ガスの成分組成は、観測さ
れる反応温度によりほぼ決定できる。実際には、昇温部
１００と改質装置３０により触媒の条件は一定に決まる
ので、混合ガスが水蒸気改質反応の進行に適した所望の
温度に到達するとき、及び混合ガスが所望のガス組成と
なるときの上記の反応物及び反応温度の条件を理論計
算、及び実験データにより予め把握しておくことによ
り、反応物の条件を設定すれば、温度センサＴＳ１００
と改質装置３０内の温度を測定することにより混合ガス
が水蒸気改質反応の進行に適した所望の温度に到達した
か否か、及び混合ガスが所望のガス組成となるか否かを
確認することができる。なお、圧力計を改質部３２に設
けて改質部３２内の圧力をモニタできる構成とし、上記
の改質部３２内の混合ガスの全圧のデータを用いて更に
精密に確認するようにしてもよい。

【０１２４】更に、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も、
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〜ＳＶ７、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、蒸
発部１１０の加熱部に供給されるメタノールと水、昇温
部１００に供給される燃焼用の空気、改質空気、選択酸
化用空気の供給量との比から電磁弁ＳＶ２〜ＳＶ７、及
び、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〜ＳＶ７について、燃料電池Ｆ
Ｃ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、及び空気流量調整弁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。

【０１２５】このように構成された制御装置９０等によ
り、各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７、空気流量調整弁ＦＲＶ、
ポンプＰ１〜Ｐ３、及び、ラジエータ６１は、確実かつ
精度よく制御される。従って、燃料ラインＬ１、Ｌ３
０、改質用水ラインＬ２、水ラインＬ４０、空気ライン
Ｌ３，Ｌ４、Ｌ５０、及び、空気供給ラインＬ６から、
燃料であるメタノール（改質部３２の改質反応に使用さ
れるメタノールと蒸発部１１０のバーナにおける燃料と
して使用されるメタノール）、改質用水、蒸発部１１０
のバーナに供給される水、昇温部１００における燃焼用
の空気、改質用空気、一酸化炭素選択酸化用空気、及
び、カソード反応ガスとしての空気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。また、改質装置３
０から、負荷要求に対応した水素濃度及び水蒸気分圧
と、アノードの触媒被毒の発生を防止可能な一酸化炭素
分圧を所定値に調節された燃料ガスがアノードに供給さ
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。

【０１２６】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。

【０１２７】燃料電池装置１を起動させる場合、制御装
置９０のＣＰＵ９１は、ポンプＰ３に駆動信号を出力し
て冷却水の循環を開始させる。そして、改質装置３０の
蒸発部１１０のバーナを点火した後、ＣＰＵ９１は、ポ
ンプＰ１、ポンプＰ２、ブロアＢ、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ
７に駆動信号を出力し、昇温部１００の燃焼反応に使用
する空気、改質部３２の改質反応に使用されるメタノー
ル、蒸発部１１０の加熱部のバーナに供給されるメタノ
ールと水、昇温部１００に供給される燃焼用の空気、改
質用水、改質用空気、ＣＯ選択酸化用空気等を昇温部１
００改質装置３０に所定の条件で供給して改質装置３０
における反応を開始させる（Ｓ１０）。

【０１２８】なお、このときラジエータ６１は起動させ
ず、改質装置３０と燃料電池ＦＣとを速やかに昇温させ
られる状態としておく。なお、このとき改質装置３０に
供給される反応物の供給条件は、改質装置３０が所定の
定常状態に達したときに、水蒸気改質反応が十分に進行
して生成される燃料ガス中の所望のガス組成（水素分
圧、ＣＯ分圧、水蒸気分圧等）になるように予め設定
し、制御装置９０内に記憶しておいた値である。

【０１２９】次に、ＣＰＵ９１は、温度センサＴＳ１０
０から送信される昇温部１００から流出する混合ガスの
温度ｔ₁₀₀を入力する（Ｓ２０）。このとき、温度セン
サＴＳ３２から送信される改質部３２における燃料ガス
の温度ｔ₃₂の検出信号と、温度センサＴＳ３３から送信
される選択酸化部３３における燃料ガスの温度ｔ₃₃の検
出信号についてもそれぞれ入力してもよい。これによっ
て燃料電池ＦＣへの急激な負荷変動が生じ、この変動に
蒸発部１１０における水メタノール混合液の加熱条件が
十分に追従できなくなっても昇温部１００においてより
精密な昇温調節が可能となる。つまり、温度センサＴＳ
１００と、温度センサＴＳ３２と、温度センサＴＳ３３
との検出信号を、予め設定しておいた昇温部１００にお
ける基準温度ｔ⁰ ₁₀₀（水蒸気改質反応の進行に適した温
度）と改質部３２における所定の基準温度ｔ⁰ ₃₂と選択
酸化部３３における基準温度ｔ⁰ ₃₃とをそれぞれ比較す
ることにより改質装置３０供給する水メタノール混合ガ
スを昇温部１００においてどの程度昇温させるかがより
正確に算出できる。

【０１３０】ここで、所定の基準温度ｔ⁰ ₁₀₀とは、改質
装置３０における水蒸気改質反応と選択酸化反応が所定
のガス組成の燃料ガスを得ることのできる定常状態を保
持させるために外部から継続的に供給する熱量を昇温部
１００から流出する水メタノール混合ガスの温度に換算
した値として予め設定し、制御装置９０内に記憶してお
いた値である。また、所定の基準温度ｔ⁰ ₃₂及びｔ⁰ ₃₃と
は、改質装置３０における水蒸気改質反応と選択酸化反
応が所定のガス組成の燃料ガスを得ることのできる定常
状態に達したときの温度として予め設定し、制御装置９
０内に記憶しておいた値である。このような基準温度
は、改質装置３０の作動条件等により適宜設定されるも
のであり、特に限定されないが、例えば、所定の基準温
度ｔ⁰ ₁₀₀としては２４０〜２６０℃、基準温度ｔ⁰ ₃₂と
しては２８０〜３００℃、基準温度ｔ⁰ ₃₃としては１２
０〜１３０℃としてもよい。なお、部分酸化反応を改質
部３２で行なう場合には改質部３２の基準温度ｔ⁰ ₃₂は
別途設定しておく。

【０１３１】一方、燃料電池装置１０の起動直後から蒸
発部１１０が備える加熱部は負荷応答性が悪いので徐々
に昇温する。このように蒸発部１１０から流出する水メ
タノール混合ガスが徐々に昇温し温度変化しても、昇温
部１１０から流出する水メタノール混合ガスの温度は電
磁弁ＳＶ５される燃焼用の空気の供給量を調節している
ので常に所望の温度に調整される。そして、この改質装
置３０で生成される燃料ガスも、改質装置３０の内部温
度に応じた所定の基準温度に徐々に昇温される。このと
き、冷却媒体ラインＬ１２内を通過して改質装置３０内
に流入する冷却水も、改質装置３０内の伝熱管Ｔ３２及
びＴ３３において上記燃料ガスと熱交換することによっ
て昇温する。更に、この昇温した冷却水は、引き続き熱
交換器６２及び冷却媒体ラインＬ９を経由して燃料電池
ＦＣ内の冷却流路５８内を通過することによって、燃料
電池ＦＣを次第に昇温させる。冷却流路５８で燃料電池
ＦＣと熱交換した冷却水は、そのときの燃料電池ＦＣの
内部温度と同程度の温度にまで降温して、再び冷却媒体
ラインＬ１２を通過して改質装置３０に導かれて燃料ガ
スと熱交換を行なう。

【０１３２】また、上記の改質装置３０内の伝熱管Ｔ３
２及びＴ３３において昇温した冷却水は、冷却媒体ライ
ンＬ９から分岐された冷却媒体ラインＬ１１を経由して
凝縮器３５内の伝熱間Ｔ３５内も通過する。このため、
凝縮器３５も燃料電池ＦＣの内部温度と同程度の温度と
なるように次第に昇温させられる。なお、このとき、燃
料電池ＦＣ及び凝縮器３５の温度が所定の温度よりも高
くなる場合には、ＣＰＵ９１は、燃料電池ＦＣ及び凝縮
器３５にそれぞれ備えた温度センサＴＳ_FC及びＴＳ３５
からの検出信号に基づいてラジエーター６１に駆動信号
を出力するように設定しておいてもよい。そして、ラジ
エーター６１により冷却水の温度を調節することにより
燃料電池ＦＣ及び凝縮器３５の温度が所定の温度に保持
される。

【０１３３】改質装置３０が定常的な作動状態に達して
燃料ガスがアノードＡに供給されるようになると、ＣＰ
Ｕ９１は、負荷要求に対応して燃料電池装置全体を定常
的に作動させるためのデータに基づき、新たな駆動信号
を電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７、ポンプＰ３、空気流量調整弁
ＦＲＶ、及びラジエーター６１に送信し（Ｓ３０）、燃
料電池装置１全体のバランスのとれた制御を開始する。
このとき、既述のとおり、燃料電池ＦＣ及び凝縮器３５
は所定の作動温度に調節されているので、燃料ガス及び
空気が供給され始めても速やかに所定の出力で定常的に
作動できる状態となる。また、作動中の蒸発部１１０、
昇温部１００の出口、改質装置３０の改質部３２と選択
酸化部３３、凝縮器３５、燃料電池ＦＣの温度は、これ
らにそれぞれ備えられた温度センサの検出結果に基づい
て、ラジエータ６１及びポンプＰ３等の駆動状態を制御
装置９０により制御することによって所望の温度範囲内
に保たれる。

【０１３４】このようにして、燃料電池装置１が所定の
作動条件で定常的に作動するようになると、制御装置９
０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（Ｓ４０）、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ＳＶ１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、Ｃ
ＰＵ９１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ＰＧ１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（Ｓ５０）。

【０１３５】また、Ｓ５０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
〜ＳＶ７、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、Ｓ４０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〜ＰＧ７、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を介して供給される改質用空気、電磁弁Ｓ
Ｖ４を介して供給される一酸化炭素選択酸化用空気、電
磁弁ＳＶ５を介して供給される燃焼用空気、電磁弁ＳＶ
６を介して供給される蒸発部１１０のバーナへ供給され
るメタノール、電磁弁ＳＶ７を介して供給される蒸発部
１１０のバーナへ供給される水が、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（Ｓ６
０）。

【０１３６】なお、このとき、ＣＰＵ９１は負荷要求信
号に示されている燃料電池ＦＣに対する負荷要求に対応
するデータに基づいてパルス発生装置ＰＧ６とＰＧ７１
に制御信号を送出して電磁弁ＳＶ６と電磁弁ＳＶ７とを
制御する。すなわち、ＣＰＵ９１は負荷要求に応じて改
質装置３０に供給されるメタノールの供給量が変化して
も蒸発部１１０において改質用流体となる水メタノール
の混合液を十分に蒸発させて改質器３０に供給できるよ
うに蒸発部１１０の加熱部のバーナへ供給されるメタノ
ールの供給量と水の供給量を設定する。更にこのとき、
蒸発部１１０のバーナへ供給されるメタノールの供給量
と水の供給量は、改質装置３０に供給されるメタノール
の供給量が変化することに伴い変化する燃料電池ＦＣか
ら排出される排ガス中の可燃成分量も必要に応じて考慮
される。

【０１３７】しかし、急激な負荷変動には蒸発部１１０
の加熱部の加熱条件が追従できなくなる場合があるので
ＣＰＵ９１は、昇温部１００において水メタノール混合
ガスを所望の温度にまで昇温できるように温度センサＴ
Ｓ１００に対応するデータに基づいてパルス発生装置Ｐ
Ｇ５に制御信号を送出して電磁弁ＳＶ５とを制御し、改
質装置３０に供給する燃料ガスの温度を調節する。

【０１３８】Ｓ５０とＳ６０における処理を行ったＣＰ
Ｕ９１は、各パルス発生装置ＰＧ１〜ＰＧ７に対して、
負荷要求に応じた各電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７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（Ｓ７０）。以上説明したＳ４０〜Ｓ７００
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。

【０１３９】一方、Ｓ７０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〜ＳＶ７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〜ＳＶ７に
よって、各ライン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、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。

【０１４０】この結果、昇温部１００には負荷要求に応
じた量の燃焼用の空気と水メタノール混合ガス、改質装
置３０の改質部３２と選択酸化部３３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温度でかつ精
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、一酸化炭素選択酸化用
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、所望のガ
ス組成を有する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、所望のガス組成の燃料ガス
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。また、燃料ガス供給ラインＬ５の内部
には所定温度（１２０℃程度）の燃料ガスが改質装置３
０から供給されている。

【０１４１】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〜
ＳＶ７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。

【０１４２】すなわち、この燃料電池装置１では、電磁
弁ＳＶ１〜ＳＶ７の比例定数は、昇温部１１０から流出
する水メタノール混合ガスの温度、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
料ガスが負荷要求に対応する水素分圧と水蒸気分圧、ア
ノードＡの触媒毒を防止可能な許容範囲の一酸化炭素分
圧を有するように定められている。なお、凝縮器３５に
おいて改質装置３０から流出する燃料ガスを燃料電池Ｆ
Ｃの作動温度近傍に冷却する際に凝縮水が生成しないよ
うに、改質装置３０から流出する燃料ガス中の水蒸気分
圧が燃料電池ＦＣの作動温度における飽和水蒸気圧以下
となるように電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ７の比例定数を予め設
定してもよい。

【０１４３】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ＣＯ濃度の極めて低い燃
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の電極触媒の被毒やアノード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。

【０１４４】更に、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
って空気ラインＬ５０が断続的に開閉される。

【０１４５】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるも
のではない。

【０１４６】例えば、上記の実施形態においては、昇温
部に燃焼触媒のみを配置する構成について説明したが、
本発明の燃料電池装置はこれに限定されるものではな
く、燃焼触媒に改質用触媒を所定量混入させて昇温部内
に配置してもよい。また、昇温部内を、水と燃料の混合
ガスの流れ方向に沿って上流側に燃焼触媒のみ担持した
担体部分を配置し、下流側に改質用触媒のみ担持した担
体部分を配置する構成としてもよい。このように昇温部
内に燃焼触媒に加えて改質用触媒を配置することによ
り、改質装置に供給する前に水と燃料の混合ガスの一部
を改質することができるとともに、改質反応が吸熱反応
であることを利用して昇温部内の異常な温度上昇を防止
することができ燃焼触媒の熱による劣化を防止すること
ができる。この改質用触媒としては、改質装置の改質部
に配置されているものと同様の触媒であってもよく、よ
り耐熱性の高い触媒であってよい。

【０１４７】また、上記の実施形態においては、改質装
置３０の改質部３２、及び選択酸化部３３におけるガス
中の一酸化炭素濃度を所定の許容範囲内に制御する際
に、温度センサＴＳ３２及びＴＳ３３を用いる場合につ
いて説明したが、本発明の燃料電池装置はこれに限定さ
れるものではなく、例えばＣＯセンサを使用してもよ
い。

【０１４８】更に、上記の実施形態においては、電磁弁
ＳＶ５の出口側の空気ラインＬ５０に、圧力調整手段と
して機能する圧力調整弁ＰＲＶ６を配置する構成につい
て説明したが、本発明の燃料電池装置はこれに限定され
るものではなく、電磁弁ＳＶ５の入口と出口における空
気の差圧を略一定とすることが可能であれば、図１に示
す圧力調整弁ＰＲＶ３を圧力調整手段として用いてもよ
い。この場合には圧力調整弁ＰＲＶ６を配置せずともよ
い。

【０１４９】また、上記の実施形態においては、制御手
段９０により燃料電池に対する負荷変動に合わせて図１
に示す電磁弁ＳＶ１から供給する燃料（メタノール）供
給量を決定し、電磁弁ＳＶ６と電磁弁ＳＶ７を比例制御
し、蒸発部１００に供給する加熱用の燃料と水との供給
量を調節する構成について説明したが、本発明の燃料電
池装置において、図１に示す電磁弁ＳＶ６と電磁弁ＳＶ
７の制御手段９０による制御方式はこれに限定されるも
のではない。例えば、電磁弁ＳＶ１と電磁弁ＳＶ２を制
御し、改質反応用の燃料と水との供給量を負荷変動に合
わせて変動させる一方で、蒸発部１１０の出口の水と燃
料との混合ガスの温度をある所定値（例えば、改質部３
２の改質反応温度よりも低い２００℃程度）となるよう
に電磁弁ＳＶ６と電磁弁ＳＶ７を制御してもよい。この
場合にも、水と燃料との混合ガスの温度は昇温部１００
において負荷変動に対応した温度に調節することが可能
である。なお、この場合には図１に示す圧力調整弁ＰＲ
Ｖ７を配置せずともよい。

【０１５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
装置は、蒸発部と改質装置とを結ぶガスライン上に燃焼
触媒を有する昇温部を設けた構成を有しており、昇温部
から流出する燃料と水とを含む改質用流体の混合ガス中
の燃料の一部を直接燃焼させて迅速に昇温させるこや、
燃焼を速やかに停止して改質用流体の混合ガスを迅速に
減温するとができる。そのため、燃料電池への負荷要求
が急激に増加或いは減少して改質装置へ供給する改質用
流体の供給量が急激に増加或いは減少した場合に、蒸発
部の加熱部における加熱条件がこの負荷要求の変動に迅
速に追従できず、燃料と水とを含む改質用流体を迅速に
加熱或いは減温することができなくても、後段の昇温部
において極めて迅速に所望の温度に調節することができ
る。

【０１５１】従って、本発明の燃料電池装置によれば、
負荷要求の変動に伴い改質装置に供給する燃料の供給量
を変動させても、水蒸気改質反応を所定の反応温度の下
で安定して進行させることができる高い負荷応答性を有
する燃料電池装置を提供することができる。

【０１５２】そして、本発明による燃料電池装置の運転
方法では、蒸発部から流出する改質用流体を改質装置に
直接供給する前に燃焼触媒を有する昇温部に導入し、必
要に応じて改質用流体中の燃料の一部を燃焼して昇温さ
せることにより、負荷要求の変動に伴い改質装置に供給
する燃料の供給量を変動しても、水蒸気改質反応を所定
の反応温度の下で安定して進行させることが容易に可能
となる。

【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、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、５０ａ，５０ｂ，５１
ａ，５１ｂ，５６，５７…開口部、５２，５３…溝、５
４…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、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、９３…ＲＡＭ、９４…
入出力ポート、９５…記憶装置、１００…昇温部、１１
０…蒸発部、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、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、Ｌ１９…燃料ガスバイパスライン、Ｌ２０
…予熱ライン、Ｌ３０…燃料ライン、Ｌ４０…水ライ
ン、Ｌ５０…空気ライン、ＬＰ１，ＬＰ２…圧力調整ラ
イン、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３，ＬＳ４…燃料供給ライ
ン、Ｐ１…燃料ポンプ、Ｐ２…水ポンプ、Ｐ３…冷却媒
体循環ポンプ、ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３，ＰＧ４，ＰＧ
５，ＰＧ６，ＰＧ７…パルス発生装置、ＰＲＶ１，ＰＲ
Ｖ２，ＰＲＶ３，ＰＲＶ４，ＰＲＶ５，ＰＲＶ６，ＰＲ
Ｖ７…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，ＳＶ６，ＳＶ７…電磁弁、Ｔ３２，Ｔ
３３，Ｔ３５，Ｔ７０，Ｔ１１０，Ｔ１１２…伝熱管、
Ｔｒ１，Ｔｒ２、Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６，Ｔ
ｒ７…トランジスタ、ＴＳ１００…温度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤川 圭司 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB03 EB14 EB23 EB31 EB32 EB43 5H026 AA06 AA08 CC03 CC08 5H027 AA06 AA08 BA09 BA10 DD00 KK42 KK44 MM12 MM13

Claims (10)

【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、前記
   アノードと前記カソードとでそれぞれ電気化学反応させ
   て電力を発生する燃料電池装置において、 燃料と水とを含む改質用流体を前記改質装置に供給する
   改質用流体供給手段と、 前記改質用流体供給手段と前記改質装置とを結ぶガスラ
   イン上に設けられており、前記改質用流体を蒸発させる
   蒸発部と、 前記蒸発部と前記改質装置とを結ぶガスライン上に設け
   られており、かつ、燃焼触媒を有しており、酸素を含む
   燃焼用ガスを使用して前記蒸発部から流出する前記改質
   用流体中の前記燃料の一部を燃焼させることにより当該
   改質用流体を水蒸気改質反応の進行に適した温度にまで
   昇温させる昇温部と、を備えることを特徴とする燃料電
   池装置。
2. 【請求項２】 前記昇温部に前記燃焼用ガスを供給する
   燃焼用ガス供給手段と、 前記昇温部と前記燃焼用ガス供給手段とを結ぶガスライ
   ン上に設けられた燃焼用ガス流量調整手段と、 前記昇温部と前記改質装置とを結ぶガスライン上に設け
   られており、前記昇温部から流出する前記改質用流体の
   温度を測定する改質用流体温度測定手段と、 前記改質用流体温度測定手段により測定された前記改質
   用流体の温度に基づいて前記燃焼用ガス流量調整手段を
   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に記載の燃料電池装置。
3. 【請求項３】 前記改質装置が、水蒸気改質反応により
   前記改質用流体から水素と一酸化炭素とを含む改質ガス
   を生成する改質部と、前記改質ガスと酸素を含む選択酸
   化用ガスとを導入し当該改質ガス中の一酸化炭素を選択
   酸化する選択酸化部と、前記選択酸化部に前記選択酸化
   用ガスを供給する選択酸化用ガス供給手段と、前記選択
   酸化部と前記選択酸化用ガス供給手段とを結ぶガスライ
   ンに設けられた選択酸化用ガス流量調整手段と、前記改
   質部に設けられた当該改質部の内部温度を測定する改質
   部温度測定手段とを備えており、 前記制御手段は、前記改質部温度測定手段により測定さ
   れた前記改質部の内部温度に基づいて、前記選択酸化用
   ガス流量調整手段を更に制御することを特徴とする請求
   項２に記載の燃料電池装置。
4. 【請求項４】 前記改質部中の前記燃料を部分酸化する
   ための酸素を含む部分酸化用ガスを供給する部分酸化用
   ガス供給手段と、前記改質部と前記部分酸化用ガス供給
   手段とを結ぶガスライン上に設けられた部分酸化用ガス
   流量調整手段を更に備え、 前記制御手段は、前記改質部温度測定手段により測定さ
   れた前記改質部の内部温度に基づいて、前記部分酸化用
   ガス流量調整手段を更に制御することを特徴とする請求
   項３に記載の燃料改質装置。
5. 【請求項５】 前記燃焼用ガス流量調整手段の出口にお
   ける流体の圧力を略一定に保つ圧力調整手段を更に備
   え、 前記燃焼用ガス供給手段は前記燃焼用ガス流量調整手段
   に略一定の圧力で前記燃焼用ガスを供給可能であり、前
   記燃焼用ガス流量調整手段は前記昇温部と前記燃焼用ガ
   ス供給手段とを結ぶガス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又は４に記載の燃料電池装
   置。
6. 【請求項６】 前記燃焼用ガス流量調整手段は、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５に
   記載の燃料電池装置。
7. 【請求項７】 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、前記改質用流体温度測定手段により測
   定された前記改質用流体の温度に基づいて前記燃焼用ガ
   ス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６に記載の燃料
   電池装置。
8. 【請求項８】 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、前記アノードと前記カソードとで
   それぞれ電気化学反応させて電力を発生させる燃料電池
   装置の運転方法において、 前記改質装置に供給する燃料と水とを含む改質用流体を
   蒸発させる蒸発部と前記改質装置とを結ぶガスライン上
   に、燃焼触媒を有する昇温部を設け、 酸素を含む燃焼用ガスを使用して前記蒸発部から流出す
   る前記改質用流体中の前記燃料の一部を燃焼させること
   により当該改質用流体を昇温させ、前記改質装置の内部
   温度を水蒸気改質反応の進行に適した温度にさせること
   を特徴とする燃料電池装置の運転方法。
9. 【請求項９】 前記昇温部と前記改質装置とを結ぶガス
   ライン内を流通する前記改質用流体の温度を測定し、当
   該温度に基づいて、前記昇温部に供給する前記燃焼用ガ
   スの量を設定することを特徴とする請求項８に記載の燃
   料電池装置の運転方法。
10. 【請求項１０】 前記昇温部と前記改質装置とを結ぶガ
    スライン内を流通する改質用流体の温度に基づいて、前
    記昇温部に対して供給する前記燃焼用ガスの供給継続時
    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９に記載の燃料電池装置の運転方法。