JP2002367639A - 固体高分子型燃料電池、及び、その運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子型燃料電池において改質ガスにお
ける水素ガス濃度の変化に対し適切に対応できるように
する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜６を挟持する一方の
ガス拡散電極７に、原燃料Ｆを改質処理して生成した水
素ガス含有混合ガスである改質ガスＦ′を供給し、か
つ、他方のガス拡散電極８に酸素ガス含有の酸化剤ガス
Ａを供給する固体高分子型燃料電池において、改質ガス
Ｆ′における水素ガス濃度ｄを検出する濃度検出手段１
７を設けるとともに、ガス拡散電極７，８に供給する改
質ガスＦ′又は酸化剤ガスＡの絶対湿度ｘａ，ｘｂを濃
度検出手段１７による検出水素ガス濃度ｄに応じて調整
する湿度制御手段４，５，１８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子型燃料電
池、及び、その運転方法に関し、詳しくは、固体高分子
電解質膜を挟持する一方のガス拡散電極（燃料極）に、
原燃料を改質処理して生成した水素ガス含有混合ガスで
ある改質ガスを供給し、かつ、他方のガス拡散電極（酸
素極）に酸素ガス含有の酸化剤ガスを供給する固体高分
子型燃料電池、及び、その運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型の燃料電池では、燃料極と
してのガス拡散電極に供給する燃料ガスや酸素極として
のガス拡散電極に供給する酸化剤ガスが絶対湿度が低い
湿度不足の状態にあると、固体高分子電解質膜が乾燥し
てその電解質膜のプロトン伝導性が低下することで電池
性能の低下を招き、また逆に、それら燃料ガスや酸化剤
ガスが絶対湿度の高すぎる湿度過剰の状態にあると、電
極部でガス中水分の凝縮が生じて凝縮水が電極部でのガ
ス流通の障害になることで電極のガス拡散性が低下して
やはり電池性能の低下を招いてしまう。

【０００３】このことから、固体高分子型燃料電池で
は、ガス拡散電極に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの絶
対湿度を調整することが必要になるが、従来、この湿度
調整については、電池の作動温度、電解質膜の電気抵
抗、電池の出力電圧、電池負荷、燃料ガス流量のうちの
１つないし複数に応じて、燃料ガスや酸化剤ガスの絶対
湿度をそのガスに対する加湿ないし除湿のいずれかによ
り調整する方式が提案されている（例えば、特開平１１
−１６２４９０号公報、特開平１１−１９１４２３号公
報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、燃料電池では
純水素ガスを燃料ガスに用いる場合を除き、燃料極とし
てのガス拡散電極へは一般に、原燃料を改質処理して生
成した水素ガス含有混合ガスである改質ガスを燃料ガス
として供給する方式が採られるが、この方式では原燃料
の成分比変化などが原因で生成改質ガスにおける水素ガ
ス濃度も変化してしまうことがある。

【０００５】そして、研究の結果、改質ガスにおける水
素ガス濃度が変化すると、ガス拡散電極に供給する改質
ガスや酸化剤ガスの最適絶対湿度（すなわち、前述の如
き湿度不足による電解質膜の乾燥や湿度過剰による電極
のガス拡散性の低下を回避できて最も高効率な電池運転
が可能になる絶対湿度）も変化することが判明したが、
先述した従来の湿度調整方式では、このような改質ガス
における水素ガス濃度の変化に対し適切に対応できず、
その為に、成分比変化を伴う燃料の使用が難しくなって
使用原燃料が制限される、また、そのことで固体高分子
型燃料電池の汎用化が難しくなるなどの問題があった。

【０００６】つまり、電池の作動温度や電解質膜の電気
抵抗あるいは電池の出力電圧に応じた湿度調整では、改
質ガスの水素ガス濃度変化による改質ガスや酸化剤ガス
の最適絶対湿度の変化でそれらガスが相対的に湿度不足
や湿度過剰の状態になって、それによる電池性能の低下
現象として電池の作動温度、電解質膜の電気抵抗、電池
の出力電圧が変化した結果に対し改質ガスや酸化剤ガス
の絶対湿度を調整する言わば後追い的な調整になること
から、燃料極に送る改質ガスの水素ガス濃度変化に対し
即応して電池性能を安定的に高く保つ機能に欠け、改質
ガスにおける水素ガス濃度の変化形態によっては一時的
にせよ電池性能が大きく低下し、最悪の場合には電池の
異常停止や故障を招く虞もある。

【０００７】また、このように電池の作動温度や電解質
膜の電気抵抗あるいは電池の出力電圧に応じた湿度調整
であれば、改質ガスの水素ガス濃度変化による電池性能
の低下が後追い的な調整ながら絶対湿度の調整に反映さ
れるものの、電池負荷や燃料ガス流量に応じた湿度調整
では、改質ガスの水素ガス濃度変化による電池性能の低
下が絶対湿度の調整に反映されることがなく、この為、
改質ガスの水素ガス濃度変化で生じる湿度不足や湿度過
剰の状態、及び、それによる電池性能の低下状態がその
ままに放置されてしまい、そして、最悪の場合にはやは
り電池の異常停止や故障を招く虞がある。

【０００８】ちなみに、この問題を解消するのに、改質
ガス中における水素ガス以外のガス（主には二酸化炭素
ガス）を除去手段により除去して、改質ガスを純水素ガ
ス化にした上で燃料極に供給する方式も考えられるが、
この場合、除去手段の装備により電池の全体構成が大型
化するとともに装置コストが大きく増大する問題が生じ
る。

【０００９】以上の実情に鑑み、本発明の主たる課題
は、合理的な湿度調整方式を採ることにより、改質ガス
の水素ガス濃度変化に対し適切に対応できるようにし
て、上記の如き問題を効果的に解消する点にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１に係る発
明は固体高分子型燃料電池に係り、その特徴は、固体高
分子電解質膜を挟持する一方のガス拡散電極に、原燃料
を改質処理して生成した水素ガス含有混合ガスである改
質ガスを供給し、かつ、他方のガス拡散電極に酸素ガス
含有の酸化剤ガスを供給する構成において、前記改質ガ
スにおける水素ガス濃度を検出する濃度検出手段を設け
るとともに、前記ガス拡散電極に供給する改質ガス又は
酸化剤ガスの絶対湿度を前記濃度検出手段による検出水
素ガス濃度に応じて調整する湿度制御手段を設けてある
点にある。

【００１１】つまり、この構成によれば、原燃料を改質
処理して生成した改質ガスにおける水素ガスの濃度を検
出し、その検出水素ガス濃度に応じて、燃料極としての
ガス拡散電極に供給する改質ガス又は酸素極としてのガ
ス拡散電極に供給する酸化剤ガスの絶対湿度を調整する
から、改質ガスの水素ガス濃度変化による改質ガスや酸
化剤ガスの最適絶対湿度の変化でそれらガスが相対的に
湿度不足の状態や湿度過剰の状態になること、また、そ
のことで電池性能の低下を招くことを未然に回避するこ
とができ、この点で、電池の作動温度や電解質膜の電気
抵抗あるいは電池の出力電圧に応じて絶対湿度を後追い
的に調整する先述の如き従来の湿度調整方式に比べ、改
質ガスの水素ガス濃度変化に対する対応性を高めること
ができて、改質ガスの水素ガス濃度変化に対し電池性能
を一層安定的に高く保つことができる。

【００１２】そして、このように改質ガスの水素ガス濃
度変化に対し適切に対応できることで、成分比変化を伴
う燃料の使用も容易になって、原燃料として使用し得る
燃料種を効果的に拡大でき、ひいては、そのことで固体
高分子型燃料電池の汎用化を効果的に促進することがで
きる。

【００１３】また、改質ガス中における水素ガス以外の
ガスを除去手段により除去することで改質ガスの水素ガ
ス濃度変化に対応する先述の別方式に比べれば、除去手
段の装備が不要なことで、その除去手段の装備による電
池全体構成の大型化や装置コストの大きな増大を回避し
ながら、改質ガスの水素ガス濃度変化に対し適切に対応
することができる。

【００１４】なお、請求項１に係る発明の実施において
は、上記の湿度制御手段による絶対湿度の調整を、燃料
極としてのガス拡散電極に供給する改質ガスと酸素極と
してのガス拡散電極に供給する酸化剤ガスとの両方に対
して実施する形態、あるいは、それら改質ガスと酸化剤
ガスとのいずれか一方にのみ実施する形態のいずれを採
ってもよい。

【００１５】また、改質ガスにおける水素ガス濃度を検
出するのに、水素ガス濃度そのものの検出に代え、改質
ガス中における水素ガス以外のガスの濃度を検出して、
その検出ガス濃度に基づき改質ガスにおける水素ガス濃
度を判定する検出形態を採ってもよい。

【００１６】請求項１に係る発明において、上記の湿度
制御手段は、対象ガスの絶対湿度を加湿により調整する
もの、あるいは、除湿により調整するもののいずれであ
ってもよく、対象ガスとしての改質ガスや酸化剤ガスの
調整前の湿度条件に応じていずれかを採用すればよい。

【００１７】また、湿度制御手段を加湿による絶対湿度
調整と除湿による絶対湿度調整との両方を行なえるもの
にしておけば、対象ガスの調整前湿度条件の変化に対す
る対応性、及び、改質ガスの水素ガス濃度変化による対
象ガス最適絶対湿度の変化に対する対応性を一層高める
ことができ、この点で、電池性能を高く安定的に保つ機
能に一層優れたものにすることができる。

【００１８】〔２〕請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明の実施に好適な実施形態を特定するものであ
り、その特徴は、電池出力状態を検出する出力状態検出
手段を設け、前記湿度制御手段を、この出力状態検出手
段による検出出力状態に基づいて前記検出水素ガス濃度
に応じた湿度調整に補正を加える構成にしてある点にあ
る。

【００１９】つまり、請求項１に係る発明の実施におい
ては、改質ガスにおける水素ガス濃度の変化に対し、水
素ガス濃度と最適絶対湿度との関係を予め把握しておい
て、その把握関係に基づき改質ガスや酸化剤ガスの絶対
湿度をそのときの検出水素ガス濃度に対応する最適絶対
湿度に調整する形態になるが、電池の経年使用や電池の
運転条件などによっては、水素ガス濃度と最適絶対湿度
との関係が変化する可能性がある。

【００２０】このことに対し、上記の如く電池の出力状
態を検出して、その検出出力状態に基づき前記の検出水
素ガス濃度に応じた湿度調整に補正を加えるようにすれ
ば、水素ガス濃度と最適絶対湿度との関係に変化があっ
て上記把握関係が不適切なものになったとしても、改質
ガスや酸化剤ガスの絶対湿度を各時点の正しい最適絶対
湿度に調整する適切な湿度調整機能を上記補正をもって
維持するようにすることができ、これにより、改質ガス
の水素ガス濃度変化に対する対応性を一層高めることが
できる。

【００２１】〔３〕請求項３に係る発明は固体高分子型
燃料電池の運転方法に係り、その特徴は、固体高分子電
解質膜を挟持する一方のガス拡散電極に、原燃料を改質
処理して生成した水素ガス含有混合ガスである改質ガス
を供給し、かつ、他方のガス拡散電極に酸素ガス含有の
酸化剤ガスを供給することにおいて、前記改質ガスにお
ける水素ガス濃度を検出して、前記ガス拡散電極に供給
する改質ガス又は酸化剤ガスの絶対湿度を検出水素ガス
濃度に応じ調整する点にある。

【００２２】つまり、この方法によれば、改質ガスにお
ける検出水素ガス濃度に応じて、燃料極としてのガス拡
散電極に供給する改質ガス又は酸素極としてのガス拡散
電極に供給する酸化剤ガスの絶対湿度を調整するから、
前述した請求項１に係る発明と同様の効果を得ることが
できる。

【００２３】なお、請求項３に係る発明の実施において
は、請求項１に係る発明と同様、検出水素ガス濃度に応
じた上記の絶対湿度調整を、燃料極としてのガス拡散電
極に供給する改質ガスと酸素極としてのガス拡散電極に
供給する酸化剤ガスとの両方に対して実施する形態、あ
るいは、それら改質ガスと酸化剤ガスとのいずれか一方
にのみ実施する形態のいずれを採ってもよい。

【００２４】また、改質ガスにおける水素ガス濃度を検
出するのに、水素ガス濃度そのものの検出に代え、改質
ガス中における水素ガス以外のガスの濃度を検出して、
その検出ガス濃度に基づき改質ガスにおける水素ガス濃
度を判定する検出形態を採ってもよい。

【００２５】請求項３に係る発明において、検出水素ガ
ス濃度に応じた上記の絶対湿度調整は、対象ガスに対す
る加湿による調整、あるいは、除湿による調整のいずれ
であってもよく、対象ガスとしての改質ガスや酸化剤ガ
スの調整前の湿度条件に応じていずれかを採用すればよ
い。

【００２６】また、加湿による絶対湿度の調整と除湿に
よる絶対湿度の調整との両方を行なえるようにすれば、
対象ガスの調整前湿度条件の変化に対する対応性、及
び、改質ガスの水素ガス濃度変化による対象ガス最適絶
対湿度の変化に対する対応性を一層高めることができ、
この点で、電池性能を一層安定的に高く保つことができ
る。

【００２７】〔４〕請求項４に係る発明は、請求項３に
係る発明の実施に好適な実施形態を特定するものであ
り、その特徴は、電池出力状態を検出して、その検出出
力状態に基づき前記検出水素ガス濃度に応じた湿度調整
に補正を加える点にある。

【００２８】つまり、請求項３に係る発明の実施におい
ては、請求項１に係る発明と同様、改質ガスにおける水
素ガス濃度の変化に対し、水素ガス濃度と最適絶対湿度
との関係を予め把握しておいて、その把握関係に基づき
改質ガスや酸化剤ガスの絶対湿度をそのときの検出水素
ガス濃度に対応する最適絶対湿度に調整する形態になる
が、これに対し、上記の如く電池の出力状態を検出し
て、その検出出力状態に基づき前記の検出水素ガス濃度
に応じた湿度調整に補正を加えるようにすれば、電池の
経年使用や電池の運転条件などによって水素ガス濃度と
最適絶対湿度との関係が変化する可能性があることに対
し、請求項２に係る発明と同様の効果を得ることができ
る。

【００２９】なお、本発明において実施する上記の如き
検出水素ガス濃度に応じた湿度調整や検出出力状態に基
づく補正は、生成改質ガスにおける水素ガス濃度の経時
的な変化は無いないし極少ない原燃料を新たに使用する
際の初期設定的なものとして実施する場合にも極めて有
効であり、絶対湿度を後追い的に調整する湿度調整方式
に比べ、その原燃料を用いた電池運転においてその運転
開始時の早期から高い電池性能を適切に発揮させること
ができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１は固体高分子型燃料電池を示
し、１はセル２を多数積層して形成した電池スタック、
３は原燃料Ｆを改質処理して改質ガスＦ′を生成する改
質装置、４は水素ガス含有の混合ガスである改質ガス
Ｆ′に対する燃料側の調湿器、５は酸化剤ガスとしての
空気Ａに対する酸素側の調湿器である。

【００３１】電池スタック１を形成するセル２は、図２
に示す如く、固体高分子電解質膜６を燃料極（アノー
ド）としてのガス拡散電極７と酸素極（カソード）とし
てのガス拡散電極８とにより挟持して膜挟持体９を形成
し、その膜挟持体９をさらに、反応ガス流路として用い
る多数の溝１０ａ，１０ｂを両面に形成したガス不透過
性のセパレータ１０により挟持して構成してある。

【００３２】また、各電極７，８は多孔質材で形成した
電極本体７ａ，８ａの電解質側の面にガス透過性の触媒
層７ｂ，８ｂを備えさせた構成にしてあり、この構成に
より、図３に模式的に示す如く、燃料極７ではそれに面
するセパレータ１０の溝１０ａに改質ガスＦ′を通過さ
せることで、その改質ガスＦ′を電解質膜６の側に拡散
させて触媒層７ｂの触媒作用及び電解質膜６のプロトン
（Ｈ⁺ ）伝導作用の下で次の（式１）に示すアノード反
応を進行させ、また、酸素極８ではそれに面するセパレ
ータ１０の溝１０ｂに酸化剤ガスとしての空気Ａを通過
させることで、その空気Ａを電解質膜６の側に拡散させ
て触媒層８ｂの触媒作用及び電解質膜６を通じての燃料
極７の側からのプロトン（Ｈ⁺ ）伝導の下で次の（式
２）に示すカソード反応を進行させ、これら反応に伴う
外部回路１１での電子ｅ―の流れもって負荷側に電力供
給する。

【００３３】 Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ― ……（式１） １／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ―→Ｈ₂ Ｏ ……（式２）

【００３４】そして、改質ガスＦ′の流路と酸化剤ガス
としての空気Ａの流路を仕切るためのセパレータ１０を
導電材（例えば膨張黒鉛）で形成して多数のセル２を積
層することで、それらセル２を電気的に直列に接続した
電池スタック１を形成し、この電池スタック１の両端間
で負荷側の要求電位差を得る。

【００３５】なお、固体高分子電解質膜６には、パーフ
ロロカーボンスルホン酸膜や、スルホン酸基を有するポ
リスチレン系陽イオン交換膜をカチオン導電性膜にした
ものなど、湿潤状態においてプロトン伝導性を有するも
のであれば種々の材質のものを使用でき、また、電極本
体７ａ，８ａの代表例としては多孔質カーボン薄板を挙
げることができ、触媒層７ｂ，８ｂの代表例としては白
金系の触媒層を挙げることができる。

【００３６】改質装置３は、原燃料Ｆを脱硫処理した後
に触媒の存在下で水蒸気と反応させて一酸化炭素ガスを
含む水素ガス富裕の中間改質ガスを生成（水蒸気改質処
理）し、続いて、その中間改質ガス中の一酸化炭素ガス
を触媒の存在下で水蒸気と反応させて二酸化炭素ガスに
し（ＣＯ変成処理）、さらに、そのＣＯ変成処理後にお
いて未だ中間改質ガス中に残る微量の一酸化炭素ガスを
触媒作用により選択酸化して、最終的に一酸化炭素ガス
をほぼ除去した水素ガスと二酸化炭素ガスとを主成分と
する改質ガスＦ′を生成するものである。

【００３７】なお、原燃料Ｆによって、改質ガスＦ′中
に水素ガス及び二酸化炭素ガス以外の微量の他のガス
（例えば窒素ガス）が存在する場合もある。

【００３８】燃料側の調湿器４は、改質装置３により生
成した改質ガスＦ′を電池スタック１における各セル２
の燃料極７に送る途中で加湿又は除湿してその改質ガス
Ｆ′の絶対湿度ｘａを調整し、また、酸素側の調湿器５
は、同じく酸化剤ガスとしての空気Ａを電池スタック１
における各セル２の酸素極７に送る途中で加湿又は除湿
してその空気Ａの絶対湿度ｘｂを調整するものであり、
これら調湿器４，５は、水Ｗを貯留する密閉型容器１２
ａ，１２ｂと、その容器内の貯留水Ｗを加熱するヒータ
１３ａ，１３ｂと、容器内の貯留水Ｗを冷却水Ｃと熱交
換させて冷却する冷却器１３ａ′，１３ｂ′と、先端を
容器底部において貯留水Ｗ中で開口させた螺旋構造のガ
ス導入管１４ａ，１４ｂと、先端を貯留水Ｗ上の容器内
空間で開口させたガス送出管１５ａ，１５ｂとを備えて
いる。

【００３９】つまり、これら調湿器４，５では、対象ガ
スＦ′，Ａをヒータ１３ａ，１３ｂ又は冷却器１３
ａ′，１３ｂ′により温度調整した貯留水Ｗと螺旋構造
のガス導入管１４ａ，１４ｂの管内通過過程で熱交換さ
せた上で、その対象ガスＦ′，Ａをガス導入管１４ａ，
１４ｂの先端から貯留水Ｗ中に吐出させてバブリング処
理し、このバブリング処理により対象ガスＦ′，Ａを所
定温度の水蒸気飽和状態にする露点制御的な調整形態で
加湿又は除湿（すなわち、貯留水Ｗの温度を処理前対象
ガスＦ′，Ａの露点温度よりも高くした状態では加湿、
また、貯留水Ｗの温度を処理前対象ガスＦ′，Ａの露点
温度よりも低くした状態では除湿）して、それら対象ガ
スＦ′，Ａの絶対湿度ｘａ，ｘｂを調整する。そして、
貯留水Ｗ上の容器内空間に溜まる湿度調整後の改質ガス
Ｆ′及び空気Ａをガス送出管１５ａ，１５ｂを通じ容器
１２ａ，１２ｂから取り出して電池スタック１に送る。

【００４０】１６ａ，１６ｂは燃料側及び酸素側の調湿
器４，５夫々における貯留水Ｗ上の容器内空間温度ｔ
ａ，ｔｂ（すなわち、湿度調整後の水蒸気飽和状態にあ
る改質ガスＦ′及び空気Ａ夫々の温度）を検出する温度
センサ、１７は改質装置３から送出される改質ガスＦ′
の水素ガス濃度ｄを検出する濃度センサ、１８は制御器
であり、この制御器１８は上記温度センサ１６ａ，１６
ｂ、濃度センサ１７、並びに、後述の電圧計１９の検出
情報に基づいて次の（イ）〜（ハ）の湿度制御を実行す
る。

【００４１】（イ）温度センサ１６ａ，１６ｂの検出温
度ｔａ，ｔｂに基づき、それら検出温度ｔａ，ｔｂが夫
々の目標温度ｔａｓ，ｔｂｓになるように（すなわち、
湿度調整後の改質ガスＦ′や空気Ａが目標温度ｔａｓ，
ｔｂｓの水蒸気飽和状態になって、それら改質ガスＦ′
や空気Ａの絶対湿度ｘａ，ｘｂが目標温度ｔａｓ，ｔｂ
ｓの水蒸気飽和状態における絶対湿度ｘａｓ，ｘｂｓに
なるように）、燃料側及び酸素側の調湿器４，５夫々に
おけるヒータ１３ａ，１３ｂの加熱出力又は冷却器１３
ａ′，１３ｂ′の冷却出力を調整してそれら調湿器４，
５夫々における容器内貯留水Ｗの温度を調整する。

【００４２】なお、ｖａ，ｖｂは冷却器１３ａ′，１３
ｂ′に対する冷却水Ｃの供給量を調整する弁であり、こ
れら弁ｖａ，ｖｂによる冷却水供給量の調整をもって容
器内貯留水Ｗに対する冷却器１３ａ′，１３ｂ′の冷却
出力を調整する。

【００４３】（ロ）原燃料Ｆ（例えば天然ガスやバイオ
ガスなど）の成分比変化などが原因で改質ガスＦ′の水
素ガス濃度ｄが変化すると、例えば図４に示す如く改質
ガスＦ′や空気Ａの絶対湿度ｘ（ｘａないしｘｂ）とセ
ル２の発生電圧Ｖとの関係において、セル電圧Ｖがピー
クを示す最適絶対湿度ｘｍ（すなわち、湿度不足による
電解質膜６の乾燥及び湿度過剰による電極７，８のガス
拡散性の低下の両方を防止できて最も高効率な電池運転
が可能になる絶対湿度）が変化することに対し、改質ガ
スＦ′及び空気Ａの夫々について水素ガス濃度ｄと最適
絶対湿度ｘｍとの関係Ｋに相当する水素ガス濃度ｄと目
標温度ｔａｓ，ｔｂｓとの関係Ｋ′を予め記憶する。

【００４４】そして、この記憶関係Ｋ′において濃度セ
ンサ１７による検出水素ガス濃度ｄに対応する目標温度
ｔａｓ，ｔｂｓを抽出し、上記（イ）でのヒータ１３
ａ，１３ｂの出力調整又は冷却器１３ａ′，１３ｂ′の
出力調整による容器内空間温度ｔａ，ｔｂの調整におけ
る目標温度ｔａｓ，ｔｂｓをその抽出温度に設定変更す
る。

【００４５】すなわち、この目標温度ｔａｓ，ｔｂｓの
設定変更により、改質ガスＦ′及び空気Ａの夫々につい
て、その絶対湿度ｘ（ｘａないしｘｂ）をそのときの改
質ガスＦ′の水素ガス濃度ｄに対応する最適絶対湿度ｘ
ｍに調整する。

【００４６】なお、改質ガスＦ′における水素ガス濃度
ｄと絶対湿度ｘとセル電圧Ｖとの相関は、図４に示す相
関に限られるものではなく、個々の燃料電池の特性とし
て燃料電池ごとに異なるものである。

【００４７】（ハ）電池の出力状態を示すものとして電
圧計１９によりセル電圧Ｖを検出し、この検出セル電圧
Ｖに基づき、上記（ロ）の制御に対する補正として、そ
のときの改質ガス供給量及び空気供給量の下で最も高い
セル電圧Ｖが上記（ロ）の制御において得られるように
前記の記憶関係Ｋ′を修正する。

【００４８】以上要するに、本実施形態において、濃度
センサ１７は水素ガス含有混合ガスである改質ガスＦ′
の水素ガス濃度ｄを検出する濃度検出手段を構成し、ま
た、電圧計１９は電池出力状態を検出する出力状態検出
手段を構成する。

【００４９】そして、調湿器４，５及び制御器１８は、
ガス拡散電極７，８に供給する改質ガスＦ′及び酸化剤
ガスとしての空気Ａの絶対湿度ｘａ，ｘｂを改質ガス
Ｆ′の検出水素ガス濃度ｄに応じて調整するとともに、
電池の検出出力状態Ｖに基づき上記の検出水素ガス濃度
ｄに応じた湿度調整に補正を加える湿度制御手段を構成
する。

【００５０】〔別実施形態〕次に別の実施形態を列記す
る。

【００５１】原燃料Ｆとしては天然ガス、プロパン、灯
油、バイオガスなど種々の燃料を使用でき、また、酸化
剤ガスＡも空気に限定されるものではなく空気以外の酸
素ガス含有ガスや純酸素ガスであってもよい。

【００５２】改質ガスＦ′や酸化剤ガスＡの絶対湿度を
調整する方式は、前述の実施形態で示したバブリング方
式に限られるものではなく、加湿による調整については
加湿用水を対象ガスに噴霧する噴霧方式、加湿用水を膜
透過させて対象ガスに供給する膜加湿方式、超音波によ
り加湿用水をミスト化して対象ガスに供給する超音波加
湿方式など種々の加湿方式を採用でき、また、除湿によ
る調整についても対象ガスを冷却コイルにより冷却して
ガス中水分を凝縮させる冷却コイル方式、対象ガス中の
水分を膜透過により除去する膜除湿方式、吸湿材により
対象ガス中の水分を除去する吸湿方式など種々の除湿方
式を採用できる。

【００５３】前述の実施形態では、加湿による絶対湿度
の調整と除湿による絶対湿度の調整との両方が可能な調
湿器４，５をもって改質ガスＦ′及び酸化剤ガスＡの絶
対湿度を調整する例を示したが、加湿による絶対湿度の
調整のみを行なう加湿器と除湿による絶対湿度の調整の
みを行なう除湿器とを各別に対象ガスの供給路に介装し
た構成にして、それら加湿器又は除湿器により対象ガス
の絶対湿度を調整するようにしてもよい。

【００５４】また、湿度調整前における改質ガスＦ′や
酸化剤ガスＡの絶対湿度が常に最適絶対湿度ｘｍの変化
範囲よりも低湿側にある場合には、加湿による絶対湿度
の調整のみを行なう構成にしてもよく、逆に湿度調整前
における改質ガスＦ′や酸化剤ガスＡの絶対湿度が常に
最適絶対湿度ｘｍの変化範囲よりも高湿側にある場合に
は、除湿による絶対湿度の調整のみを行なう構成にして
もよい。

【００５５】前述の実施形態では、改質ガスＦ′と酸化
剤ガスＡとの両方に対して検出水素ガス濃度ｄに応じた
絶対湿度の調整を施す例を示したが、改質ガスＦ′と酸
化剤ガスＡとのいずれか一方にのみ検出水素ガス濃度ｄ
に応じた絶対湿度の調整を施すようにしてもよく、また
場合によっては、改質ガスＦ′と酸化剤ガスＡとのいず
れか一方に対する加湿処理や除湿処理そのものを省略す
る構成にしてもよい。

【００５６】改質ガスＦ′における水素ガス濃度ｄの検
出については、水素ガス濃度そのものの検出に代え、改
質ガスＦ′中における水素ガス以外の改質ガス構成ガス
（例えば二酸化炭素ガスや窒素ガス）の濃度を検出し
て、その検出ガス濃度に基づき改質ガスにおける水素ガ
ス濃度を判定する検出形態を採ってもよい。

【００５７】電池の出力状態を検出して、その検出出力
状態に基づき前記の如き検出水素ガス濃度ｄに応じた絶
対湿度の調整に補正を加える場合、検出対象とする電池
出力状態はセル電圧Ｖに限らず出力電流や出力電力であ
ってもよく、また、具体的な補正方式も、前述の実施形
態の如く記憶関係Ｋ′そのものを修正する方式に限ら
ず、記憶関係Ｋ′の修正は行なわずに検出水素ガス濃度
ｄに応じた湿度調整で調整した絶対湿度を最も良好な電
池出力状態が得られる値（すなわち、そのときの正しい
最適絶対湿度）に逐次補正調整する方式など、種々の補
正方式を採用できる。

【００５８】前述の実施形態では、改質ガスＦ′におけ
る水素ガス濃度ｄの検出、その検出水素ガス濃度ｄに応
じた湿度調整、並びに、電池の検出出力状態Ｖに基づく
補正を自動的に行なう例を示したが、場合によっては、
これら濃度検出、湿度調整、及び、補正を人為操作によ
り行なうようにしてもよい。

【００５９】なお、本発明において実施する検出水素ガ
ス濃度ｄに応じた湿度調整や検出出力状態Ｖに基づく補
正は、生成改質ガスＦ′における水素ガス濃度ｄの経時
的な変化は無いないし極少ない原燃料Ｆを新たに使用す
る際の初期設定的なものとして実施してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池の構成図

【図２】セル構造を示す分解斜視図

【図３】燃料電池の発電原理を示す図

【図４】改質ガスの水素ガス濃度と絶対湿度とセル電圧
との相関を示すグラフ

【符号の説明】

４，５，１８ 湿度制御手段 ６ 固体高分子電解質膜 ７ ガス拡散電極（燃料極） ８ ガス拡散電極（酸素極） １７ 濃度検出手段 １９ 出力状態検出手段 Ａ 酸化剤ガス ｄ 水素ガス濃度 Ｆ 原燃料 Ｆ′ 改質ガス Ｖ 電池出力状態（セル電圧） ｘａ 改質ガスの絶対湿度 ｘｂ 酸化剤ガスの絶対湿度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 洋 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会社 クボタ技術開発研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 HH00 HH05 5H027 AA06 BA01 KK00 KK31

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜を挟持する一方のガ
   ス拡散電極に、原燃料を改質処理して生成した水素ガス
   含有混合ガスである改質ガスを供給し、かつ、他方のガ
   ス拡散電極に酸素ガス含有の酸化剤ガスを供給する固体
   高分子型燃料電池であって、 前記改質ガスにおける水素ガス濃度を検出する濃度検出
   手段を設けるとともに、前記ガス拡散電極に供給する改
   質ガス又は酸化剤ガスの絶対湿度を前記濃度検出手段に
   よる検出水素ガス濃度に応じて調整する湿度制御手段を
   設けてある固体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】 電池出力状態を検出する出力状態検出手
   段を設け、 前記湿度制御手段を、この出力状態検出手段による検出
   出力状態に基づいて前記検出水素ガス濃度に応じた湿度
   調整に補正を加える構成にしてある請求項１記載の固体
   高分子型燃料電池。
3. 【請求項３】 固体高分子電解質膜を挟持する一方のガ
   ス拡散電極に、原燃料を改質処理して生成した水素ガス
   含有混合ガスである改質ガスを供給し、かつ、他方のガ
   ス拡散電極に酸素ガス含有の酸化剤ガスを供給する固体
   高分子型燃料電池の運転方法であって、 前記改質ガスにおける水素ガス濃度を検出して、前記ガ
   ス拡散電極に供給する改質ガス又は酸化剤ガスの絶対湿
   度を検出水素ガス濃度に応じ調整する固体高分子型燃料
   電池の運転方法。
4. 【請求項４】 電池出力状態を検出して、その検出出力
   状態に基づき前記検出水素ガス濃度に応じた湿度調整に
   補正を加える請求項３記載の固体高分子型燃料電池の運
   転方法。