JP3282066B2

JP3282066B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3282066B2
Application number: JP20860495A
Authority: JP
Inventors: 裕水野; 富男安間
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2015-08-16
Also published as: JPH0963618A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、原料を改質して
水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給して発電
を行う燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムとして、例えば加熱器
によって蒸発器を加熱し、この蒸発器で気化した原料を
触媒層に供給するようにした改質装置により、原料を改
質して水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給し
て発電を行うものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この燃料電池システム
では、燃料電池のセルの燃料利用効率が通常２０〜９０
％である。これは、燃料電池システムまたは燃料電池の
セルの発電効率または運転時の経済性を考慮して決めら
れている。従って、改質装置が処理する原料の流量は、
燃料電池のセルで消費される正味の流量よりも大きいも
のとなっている。

【０００４】また、定常発電時は、反応ガスを燃料電池
のセルで消費するよりも過剰に製造し、加熱器の燃料と
するのが一般的である。

【０００５】さらに、反応ガス中に含まれるＣＯは、燃
料電池のセルの触媒を被毒してセルの性能を低下させ
る。そのために、改質装置は転化率が高いことが要求さ
れる。このため、触媒量を反応のために充分に確保する
必要があった。従って、改質装置はセルで必要とする流
量よりも多い量を、高い転化率で処理する必要があっ
た。

【０００６】また、反応を進めるためには、熱を与える
必要があるが、触媒の耐熱レベルが低く、入口側は吸
熱、出口側は発熱となるため温度分布が不均一になり易
い。このため、改質装置が大型化し、構造が複雑になっ
た。よって、例えば、自動車に搭載されるような燃料電
池システムでは、小型の移動用には向かない等の問題が
ある。

【０００７】また、燃料電池では、起動から定常までは
水過剰気味、定常状態では水不足、発電終了から停止ま
では水過剰気味となる。このため、それぞれの運転モー
ドに合わせた複雑な水供給制御が必要であった。特に、
起動時は、燃料電池のセルの温度上昇にともなうイオン
交換膜の周辺の湿度変化が大きく、外部から水を供給し
ても、燃料電池のセルが冷えているために水蒸気が途中
でガス通路に凝縮してしまい、電極基材のイオン交換膜
を充分に加湿できなかった。このように、湿度制御が困
難なことが、燃料電池のセルの性能が劣化したり、発電
初期にセル性能が充分に出せない原因にもなっていた。
また、多量の水を必要としたし、それによるガス通路閉
塞などの悪影響も発生した。

【０００８】また、移動用に用いた場合、燃料電池のセ
ルに必要とされる水の供給量は、負荷レベル、セル温度
などにより激しく変動する。一方、加湿量は、その変化
の速さに対応できない。そのため、加湿量を適正に制御
することが困難であった。

【０００９】さらに、加湿不足とならないように、水を
変動の最高値で供給すると水分過剰となり、電極基材で
あるカーボンペーパーの細孔などの、ガスの拡散通路が
水で詰ってしまい、セルの性能が低下するという問題が
あった。また、水の変動を考慮して、平均値で水を供給
すると、供給の過不足を繰返すこととなり、セルの性能
が充分に出せなかった。

【００１０】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、改質装置の効率が向上し、かつ構造が簡単で、装
置が小型化でき、移動性に優れている燃料電池システム
を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し、かつ
目的を達成するために、請求項１記載の発明は、原料を
気化させて原料ガスを生成する蒸発器と、前記原料ガス
を改質して反応ガスを製造する触媒が充填された触媒層
と、原料を燃焼させることにより前記蒸発器と前記触媒
層を加熱する加熱器と、前記触媒層から得られた反応ガ
スを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムに
おいて、前記触媒層は原料ガスが供給されるガス供給口
を有する上流測の触媒層と、反応ガスが取出されるガス
取出口を有する下流側の触媒層からなり、前記上流側の
触媒層と前記下流側の触媒層との途中に反応ガスの一部
を取り出す中間の反応ガス取出部を設け、前記中間の反
応ガス取出部から取出した反応ガスの一部を、バルブを
介して前記加熱器に供給し、原料とともに燃料させるこ
とを特徴としている。

【００１２】このように、上流側の触媒層と下流側の触
媒層との途中に設けた中間の反応ガス取出部から取出し
た反応ガスの一部を、バルブを介して加熱器に供給し、
原料とともに燃料させることで、反応ガス取出部の下流
側では処理量が減少するので相対的に空間速度が低下し
て、反応に有利な状態になる。また、発熱レベルも低下
するので、平衡は反応の進む側に移り、反応転化率は向
上する。また、反応ガス取出部よりも上流側では、下流
側での発熱レベルが低下しているので、加熱器による加
熱量を高めて反応を効果的におこすことが可能となり、
触媒層の入口側に熱を集中でき、触媒層の出口側での発
熱量が減って温度均一化可能となり、改質装置の性能が
向上し、かつ小型化し、それによる加熱器の小型化が可
能となる。

【００１３】さらに、反応ガス取出部から直接加熱器に
反応ガスを供給した方が、燃料電池のセル用に精製した
ガスを原料とする場合に比べて、精製のためのエネルギ
ーが不要となるから、効率が良い。また、改質装置の後
工程でも処理量を低減できるから、転化率の向上、機器
の小型化が可能となる。

【００１４】請求項２記載の発明は、前記加熱器で原料
を燃焼させて発生する加熱ガスは、前記蒸発器を加熱し
た後、前記上流側の触媒層を加熱することを特徴として
いる。加熱ガスは、蒸発器を加熱した後、上流側の触媒
層を加熱することで、上流側の触媒層に熱を集中でき、
熱効率、触媒の温度分布しいては転化率をより一層高め
ることができる。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の燃料電池システ
ムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

【００２１】図１は燃料電池システムの実施例を示す構
成図である。

【００２２】燃料電池システム１は、例えば電気自動車
に備えられ、燃料電池によって発生する電気を駆動源と
して走行するものがある。この燃料電池システム１は、
メタノールタンク２、改質装置３、シフトコンバータ
４、選択酸化反応器５、燃料電池６、水分回収熱交換器
７、水タンク８及びコントローラ９等から構成されてい
る。コントローラ９は、バルブ、ポンプ、ファン等の各
機器及びセンサと接続されている。改質装置３、シフト
コンバータ４、選択酸化反応器５、燃料電池６の各部に
は温度センサＴｒ、Ｔｂ、Ｔｓ、Ｔｐ、Ｔｃが備えら
れ、これらの温度検出により各部がコントローラ９によ
って適正温度に制御される。

【００２３】改質装置３には、加熱器１０、蒸発器１
１、触媒層１２等が備えられている。加熱器１０には、
温度センサＴｂの温度検出によりバーナーポンプ１３が
駆動されてメタノールタンク２からメタノールが供給さ
れ、またバーナーファン１４の駆動で空気が供給され、
これらで燃焼されて蒸発器１１を加熱する。蒸発器１１
には、メタノールポンプ１５の駆動でメタノールタンク
２から供給されるメタノールと、また水ポンプ１６の駆
動で水タンク８から供給される水が混合して供給され
る。加熱器１０により蒸発器１１を加熱してメタノール
と水の混合燃料を気化し、この蒸発器１１で気化した燃
料を触媒層１２に供給する。

【００２４】この改質装置３により、原料を改質して水
素を製造し、温度センサＴｒの温度検出により得られた
水素をシフトコンバータ４、選択酸化反応器５を介して
燃料電池６に供給する。改質装置３とシフトコンバータ
４との間には、切換弁１７が設けられ、この切換弁１７
の作動で水素が改質装置３の加熱器１０に戻される。シ
フトコンバータ４は温度センサＴｓの温度検出により冷
却用空気ファン１８で冷却される。シフトコンバータ４
から送られる水素に、反応用空気ポンプ１９の駆動で供
給される空気を混合して選択酸化反応器５に供給され
る。選択酸化反応器５は温度センサＴｐの温度検出によ
り冷却用空気ファン２０で冷却される。選択酸化反応器
５と燃料電池６との間には、切換弁２１が設けられ、こ
の切換弁２１の作動で水素が改質装置３の加熱器１０に
戻される。

【００２５】燃料電池６には、冷却加湿ポンプ２２の駆
動で水タンク８から水が供給され、また温度センサＴｃ
の温度検出により加圧空気ポンプ２３の駆動で水分回収
熱交換器７から空気が供給され、これらの水、空気及び
水素から燃料電池６で発電を行う。燃料電池６で用いら
れた水は、水分回収熱交換器７で熱交換で水を得て水タ
ンク８に戻される。また、燃料電池６で発電のために用
いられた水素は、改質装置３の加熱器１０に戻される。

【００２６】燃料電池システム１では、加熱器１０によ
って蒸発器１１を加熱し、この蒸発器１１で気化した原
料を触媒層１２に供給するようにした改質装置３によ
り、原料を改質して水素を製造し、得られた水素をシフ
トコンバータ４及び選択酸化反応器５を介して燃料電池
６に供給して発電を行い、改質装置３は、燃料改質によ
る反応ガスの一部を触媒層１２の途中から取出して、戻
し系３０を介して加熱器１０に戻すように構成してい
る。戻し系３０は、触媒層１２側に設けられた反応ガス
取出部３１と、この反応ガス取出部３１と加熱器１０側
とを連結する配管３２と、この配管３２に備えられたバ
ルブ３３から構成され、バルブ３３を開くことで燃料改
質による反応ガスの一部を触媒層１２から取出して加熱
器１０に戻される。バルブ３３は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ
または流量調整バルブが用いられる。

【００２７】改質装置３での改質反応は、以下のように
示される。ＣＨ₃ＯＨ → ３Ｈ₂ ＋ＣＯ − ２１ｋｃａｌ・・・（１）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ＋１０ｋｃａｌ・・・（２）ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ − １１ｋｃａｌ・・・（３）触媒層１２の加熱器１０に近い入口側では吸熱反応
（１）式が支配的であり、一方、触媒層１２の出口側で
は発熱反応（２）式が支配的であり、全体としては、吸
熱反応（３）式である。

【００２８】触媒層１２の途中から反応ガスを一部取出
すと、反応ガス取出部３１の下流側では処理量が減少す
るので相対的に空間速度が低下して、反応に有利な状態
になる。また、発熱反応（２）式による発熱レベルも低
下するので、平衡は反応の進む右側に移る。よって、反
応転化率は向上する。

【００２９】また、反応ガス取出部３１よりも上流側で
は、下流側での発熱レベルが低下しているので、加熱器
１０による加熱量を高めて吸熱反応（１）式の反応を効
果的におこすことが可能となる。よって、触媒層１２の
入口側に熱を集中でき、触媒層１２の出口側での発熱量
が減って温度均一化可能となり、改質装置３の性能向
上、小型化と、それによる加熱器１０の小型化が可能と
なる。

【００３０】さらに、反応ガス取出部３１から直接加熱
器１０に反応ガスを供給した方が、セル用に精製したガ
スを燃料とする場合に比べて、精製のためのエネルギー
が不要となるから、効率が良い。さらに、改質装置３の
後工程でも処理量を低減できるから、転化率の向上と機
器の小型化が可能となる。

【００３１】例えば電気自動車に備えられる移動用燃料
電池システム１は、その改質装置３に使用される触媒層
１２の触媒が、主として銅系の触媒である。銅系の触媒
は、耐熱性が低く、約３００℃であり、これを越えると
触媒の劣化が激しいため、加熱器１０による加熱時は、
触媒温度の上限を守るように配慮される。

【００３２】また、吸熱反応（１）式の反応が、主に触
媒層１２の上流側で起きるので、上流側には熱を積極的
に与え、下流側では熱を穏やかに与えて発熱反応（２）
式の反応を進ませることが、反応転化率を向上させるた
めに有効である。よって、反応ガス取出部３１の位置
は、加熱器１０の熱が直接あたり易い高温部より、下流
側とするのがよい。

【００３３】図２及び図３に基づいて改質装置の具体的
な実施例を説明する。図２は改質装置の断面図、図３は
図２のIII-III線に沿う断面図である。

【００３４】図において、４１は改質装置３の筒状のハ
ウジングであり、その下部に設けた加熱室４２にスパイ
ラル状のパイプから形成された原料気化用の蒸発器１１
が設けられている。蒸発器１１は連続状のパイプが螺旋
状に巻かれて構成されており、原料を気化するための蒸
発部１１ａと、その気化された原料ガスをさらにスーパ
ヒートさせる過熱部１１ｂとを有している。蒸発器１１
の下方には、加熱器１０を構成するバーナ４３が設置さ
れている。また、加熱室４２にはファン４４が接続さ
れ、空気が強制送風されるようになっている。

【００３５】加熱室４２の上方には、２枚の平行な板材
がスパイラル状に巻かれて形成された触媒層１２が設け
られている。また、触媒層１２と平行に隣接してスパイ
ラル状の加熱層４５が形成されている。スクロール状を
した触媒層１２と加熱層４５との中心部に上下に貫通す
る加熱ガス通路４６が設けられ、下部の加熱室４２と加
熱層４５とを連通している。加熱層４５には、その途中
に加熱室４２に通ずるバイパス４７が数カ所に設けら
れ、中間域の温度分布が調整されるようになっている。
また、加熱ガス通路４６の中には、蒸発器１１の蒸発部
１１ａから延びる過熱部１１ｂが貫通し、さらに過熱部
１１ｂから延びるパイプ４８が触媒層１２に連通してい
る。

【００３６】改質装置３において、加熱器１０のバーナ
の加熱によって加熱室４２で生成された加熱ガスは、加
熱ガス通路４６を経て加熱層４５に入り、その中心部か
ら外側に向けてスパイラル状に流されながら触媒層１２
を加熱し、最後に外周の排出口４９から排気される。一
方、蒸発器１１の蒸発部１１ａには供給管５０から原
料、例えば、メタノールと水との混合液が供給され、加
熱器１０のバーナの加熱によって気化されて原料ガスに
なる。その原料ガスは過熱部１１ｂ，パイプ４８を経て
触媒層１２ヘ供給され、その中心部からスパイラル状に
外側に向けて流動する間に加熱層４５によって加熱され
ることにより反応を行い、水素ガス主体の反応ガスにな
る。その反応ガスは排出管５１から燃料電池側に供給さ
れる。

【００３７】改質装置３は、触媒層１２がスパイラル状
であることによって反応経路が長くなり、またスパイラ
ル状の連続層で形成するため、部品点数を少なく、単純
化することができる。

【００３８】また、触媒層１２では、前記（１）式と
（２）式の反応が起こり、その結果として（３）式の右
辺に示すような反応ガスが生成される。前記（１），
（２）式のうち初めの（１）式は吸熱反応であるのに対
し、後の（２）式は発熱反応であり、しかも（２）式は
高温雰囲気中では逆方向（←方向）の反応を起こしやす
い傾向がある。このため、触媒層１２の原料ガスと加熱
層の加熱ガスとは同一方向に平行に流されるので、反応
初期は高温に、後期には低温になっているから、前記
（２）式の逆方向の反応は起こりにくく、極めて効率的
な反応が行われる。また、実施例のように加熱ガスを改
質装置３の中心部から外側に向けて流すようにすると、
外周部ほど低温になるので、外部に対する熱エネルギー
のロスを少なくすることができる。

【００３９】この改質装置３は、燃料改質による反応ガ
スの一部を触媒層１２の途中から取出して、戻し系３０
を介して加熱器１０に戻すように構成している。戻し系
３０は、触媒層１２側に設けられた反応ガス取出部３１
と、この反応ガス取出部３１と加熱器１０側とを連結す
る配管３２と、この配管３２に備えられたバルブ３３か
ら構成され、バルブ３３を開くことで燃料改質による反
応ガスの一部を触媒層１２から取出して加熱器１０に戻
される。

【００４０】図４及び図５に基づいて改質装置の他の実
施例を説明する。図４の実施例の改質装置３は、複数の
触媒層１２ａ，１２ｂが上下に直列に接続され、下側の
触媒層１２ａに原料が供給され、上側の触媒層１２ｂか
ら反応ガスが排出される。直列に接続された触媒層１２
ａ，１２ｂの間に反応ガス取出部３１が設けられ、この
反応ガス取出部３１と加熱器１０側とを配管３２で連結
し、この配管３２にバルブ３３が備えられている。バル
ブ３３を開くことで燃料改質による反応ガスの一部を触
媒層１２ａから取出して加熱器１０に戻される。

【００４１】図５の実施例の改質装置は、複数の触媒層
１２ｃ，１２ｄが２重円筒で構成され、内側円筒の触媒
層１２ｃと、外側円筒の触媒層１２ｄとが接続されてい
る。直列に接続された触媒層１２ｃ，１２ｄの間に反応
ガス取出部３１が設けられ、この反応ガス取出部３１と
加熱器１０側とを配管３２で連結し、この配管３２にバ
ルブ３３が備えられている。バルブ３３を開くことで燃
料改質による反応ガスの一部を触媒層１２ｃと触媒層１
２ｄの間から取出して加熱器１０に戻される。

【００４２】図６及び図７は図５に示す改質装置の具体
的な構成を示し、図６は改質装置の断面図、図７は図６
のVII-VII線に沿う断面図である。

【００４３】改質装置３は、液体原料を気化するための
蒸発器１１、この蒸発器１１の下方に設置されたバーナ
からなる加熱器１０が備えられている。蒸発器１１の上
方には、同心状に筒状の触媒層１２ｃ，１２ｄが配置さ
れ、このように配置された触媒層１２ｃの内側、両触媒
層１２ｃ，１２ｄの間、触媒層１２ｄの外側には、それ
ぞれ加熱ガスが通る加熱層４５ａ，４５ｂ，４５ｃが形
成されている。

【００４４】蒸発器１１は連続状のパイプが螺旋状に巻
かれて構成されており、原料を気化するための蒸発部１
１ａと、その気化された原料ガスをさらにスーパヒート
させる過熱部１１ｂとを有している。蒸発部１１ａはパ
イプが円板状の螺旋となって加熱器１０のバーナに直接
対面し、また過熱部１１ｂはパイプが円筒状の螺旋とな
って加熱層４５ａの中に挿入されている。このようにパ
イプが円板状或いは円筒状になって面状に並び、その面
状に並んだ部分によって加熱器１０と触媒層１２ｃ，１
２ｄ及び加熱層４５ｂ，４５ｃとの間を隔壁状に仕切っ
ている。このような蒸発器１１に対し供給管５０から反
応用の原料が供給されると、加熱器１０によって外側か
ら加熱され、まず蒸発部１１ａで気化され、次いで過熱
部１１ｂでスーパヒートされる。

【００４５】加熱器１０は燃料供給源から供給された燃
焼用燃料を、空気口５１から矢印のように空気を取り入
れて燃焼させるようにしている。この燃焼によって発生
した加熱ガスは、蒸発器１１を加熱したのち、面状に並
ぶパイプの隙間を抜け出て、矢印のように加熱層４５
ａ，４５ｂ，４５ｃをそれぞれ上昇し、触媒層１２ｃ，
１２ｄを流下する反応ガスと向流しながら熱交換を行っ
て、上部の排気管５２から排気ガスが排出される。

【００４６】触媒層１２ｃの上部は、過熱部１１ｂの上
部と連通され、過熱部１１ｂから反応ガスが供給され
る。触媒層１２ｃ，１２ｄの下部側は連通室５３により
互いに運結され、触媒層１２ｄの上部側は集合室５４で
集合され、集合室５４に導出管５５が設けられ、さらに
燃料電池本体に接続している。このような触媒層１２
ｃ、１２ｄに、蒸発器１１で気化した原料ガスが矢印の
ように供給され、そこで反応を行うことによって水素ガ
ス主体の反応ガスになり、上部の集合室５４を経て導出
管５５から燃料電池本体ヘ供給される。

【００４７】改質装置３によると、蒸発器１１が螺旋状
に巻かれたパイプから構成されているので、コンパクト
でありながら大きな熱交換面積を確保することができ、
負荷応答性を良好にすることができる。また、パイプ間
に多数の隙間を有する形態であるため、加熱ガスを低圧
損下に触媒槽１２ｃ，１２ｄ側へ導入することができ
る。

【００４８】さらに、改質装置３では、蒸発器１１を構
成するパイプが面状に並んで加熱器１０と触媒層１２
ｃ，１２ｄとの間を仕切るようにしているから、この面
状に並ぶパイプが隔壁効果を発揮し、１０００℃以上に
もなる加熱器１０の加熱ガスが触媒層１２ｃ，１２ｄに
対して直接及ぶことがないようにしている。

【００４９】この改質装置３では、複数の触媒層１２
ｃ，１２ｄが２重円筒で構成され、内側円筒の触媒層１
２ｃと、外側円筒の触媒層１２ｄとが連通室５３を介し
て接続されている。この直列に接続された触媒層１２
ｃ，１２ｄの間に反応ガス取出部３１が設けられ、この
反応ガス取出部３１と加熱器１０側とを配管３２で連結
し、この配管３２にバルブ３３が備えられている。バル
ブ３３を開くことで改質による反応ガスの一部を触媒層
１２ｃと触媒層１２ｄの間から取出して加熱器１０に戻
される。

【００５０】次に、図８乃至図１０に基づいて燃料電池
の具体的な実施例を説明する。図８は燃料電池の正面
図、図９は図８のIX-IX線に沿う断面図、図１０は図８
のＸ−Ｘ線及びＹ−Ｙ線に沿う断面図である。

【００５１】燃料電池６は、組付軸１０２により組み付
けられたセルスタック１０３を備えている。セルスタッ
ク１０３はセパレータ１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを
組みにして複数積層して組み付けて構成され、セパレー
タ１０４ａとセパレータ１０４ｃとの間にガス遮断板１
０４ｄが設けられている。セパレータ１０４ｃには、ガ
ス遮断板１０４ｄとの間にトンネル通路１１５ｂが形成
されている。セパレータ１０４ａ，１０４ｂの間には、
セル１０６が備えられている。セル１０６の電極基材Ｂ
は、イオン交換膜１０７、正の触媒電極１０８及び負の
触媒電極１０９から構成されている。イオン交換膜１０
７の外周部１０７ａは、セパレータ１０４ａ，１０４ｂ
の間に挟んで保持され、イオン交換膜１０７の一方面に
は正の触媒電極１０８を有し、他方面に負の触媒電極１
０９を有しており、このセル１０６により反応ガスの水
素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に電気を発
生させる。

【００５２】セル１０６の正の触媒電極１０８の外側に
は、ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体１１０
を接触させて配置され、負の触媒電極１０９の外側にも
ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体１１１を接
触させて配置され、ポーラス部材で電極基材の外側に水
過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部Ａを
構成している。

【００５３】ポーラスガイド体１１０，１１１は多孔質
なポーラス部材で成形され、それぞれ一面側には等間隔
に溝１１０ａ，１１１ａが形成されている。ポーラスガ
イド体１１０は溝１１０ａが形成された側を正の触媒電
極１０８と接触させ、ポーラスガイド体１１１は溝１１
１ａをポーラスガイド体１１０の溝１１０ａと直交する
方向に向けて配置されている。ポーラスガイド体１１０
の溝１１０ａと正の触媒電極１０８との間に連通する反
応ガス通路１１２が設けられ、ポーラスガイド体１１１
の溝１１１ａと負の触媒電極１０９との間に連通する反
応ガス通路１１３が設けられている。

【００５４】セルスタック１０３には、セル１０６が角
度α傾斜させて配置され、セル１０６の周囲を囲むセパ
レータ１０４ｂ，１０４ｃの間にガスケット１１４が設
けられ、ガスケット１１４によりセル１０６をシールし
ている。セルスタック１０３の左側上方には水素の入口
部１１５が設けられ、右側下方には水素の出口部１１６
が設けられ、入口部１１５及び出口部１１６の周囲を囲
むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｂとの間にガスケ
ット１１７，１１８が設けられ、入口部１１５及び出口
部１１６をシールしている。入口部１１５には、セル１
０６の積層方向に入口通路１１５ａが形成され、この入
口通路１１５ａから４個のトンネル通路１１５ｂがガス
ケット１１４の下方を通ってセル１０６の分配通路１１
５ｃに連通し、分配通路１１５ｃから反応ガス通路１１
３に連通している。出口部１１６には、セル１０６の積
層方向に出口通路１１６ａが形成され、この出口通路１
１６ａに連通された４個のトンネル通路１１６ｂはガス
ケット１１４の下方を通ってセル１０６の集合通路１１
６ｃに連通し、集合通路１１６ｃは反応ガス通路１１３
と連通している。

【００５５】セルスタック１０３の上方右側には酸素の
入口部１１９が設けられ、下方左側には酸素の出口部１
２０が設けられ、入口部１１９及び出口部１２０の周囲
を囲むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｂの間にガス
ケット１２１，１２２が設けられ、入口部１１９及び出
口部１２０をシールしている。入口部１１９には、セル
１０６の積層方向に入口通路１１９ａが形成され、この
入口通路１１９ａから４個のトンネル通路１１９ｂがガ
スケット１１４の下方を通ってセル１０６の分配通路１
１９ｃに連通し、分配通路１１９ｃから反応ガス通路１
１２に連通している。出口部１２０には、セル１０６の
積層方向に出口通路１２０ａが形成され、この出口通路
１２０ａに連通された４個のトンネル通路１２０ｂはガ
スケット１１４の下方を通ってセル１０６の集合通路１
２０ｃに連通し、集合通路１２０ｃは反応ガス通路１１
２と連通している。

【００５６】また、ガス遮断板１０４ｄの図９での下面
であるポーラスガイド体１１０との接触部には水通路１
２３が形成されている。水通路１２３の一方１２３ａ
は、ガスケット１１４の下方を通るトンネル通路１２４
ａを介して水素の入口部１１５の近傍で上側に設けられ
た排出部１２４に連通され、他方１２３ｂはガスケット
１１４の下方を通るトンネル通路１２５ａを介して水素
の出口部１１６の近傍で下側に設けられた供給部１２５
に連通されている。排出部１２４及び供給部１２５の周
囲を囲むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｃの間にガ
スケット１２６ａ，１２７ａが設けられ、排出部１２４
及び供給部１２５をシールしている。

【００５７】また、セパレータ１０４ｂの図９での上面
であるポーラスガイド体１１０との接触部には、水通路
１２８が形成されている。水通路１２８の一方１２８ａ
はガスケット１１４の下方を通るトンネル通路１２９ａ
を介して酸素の入口部１１９の近傍で右側に設けられた
排出部１２９に連通され、他方１２８ｂはガスケット１
１４の下方を通るトンネル通路１３０ａを介して酸素の
出口部１２０の近傍で左側に設けられた供給部１３０に
連通されている。排出部１２９及び供給部１３０の周囲
を囲むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｂの間にガス
ケット１２６ｂ，１２７ｂが設けられ、排出部１２９及
び供給部１３０をシールしている。

【００５８】従って、セルスタック１０３の水素の入口
部１１５から加温、加湿した水素を供給すると、この水
分を含む水素は入口通路１１５ａからトンネル通路１１
５ｂを通ってセル１０６の分配通路１１５ｃに導かれ、
分配通路１１５ｃから反応ガス通路１１３を流れる。一
方、酸素の入口部１１９から加温、加湿した酸素を供給
すると、この水分を含む酸素は入口通路１１９ａからト
ンネル通路１１９ｂを通ってセル１０６の分配通路１１
９ｃに連通し、分配通路１１９ｃから反応ガス通路１１
２を流れる。

【００５９】このとき、セル１０６により反応ガスの水
素と酸素の電気化学的な反応により水を生成し、その際
の自由エネルギーの変化を電気エネルギーとして取り出
す発電が行われる。セル１０６は、セパレータ１０４ｃ
を介して隣接したセル１０６と直列に接続され、発生し
た電力はセルスタック１０３の両端部に設けられた不図
示の集電部より取り出される。

【００６０】主として水素と水はセル１０６の集合通路
１１６ｃに集められ、トンネル通路１１６ｂを通って出
口通路１１６ａに導かれて出口部１１６から排出され
る。主として酸素と水はセル１０６の集合通路１２０ｃ
に集められ、トンネル通路１２０ｂを通って出口通路１
２０ａに導かれて出口部１２０から排出される。

【００６１】セル１０６による水素と酸素の電気化学的
な反応は、一方では酸素と水がポーラスガイド体１１
０、正の触媒電極１０８を通り、イオン交換膜１０７の
表面に供給され、他方では水素と水がポーラスガイド体
１１１、負の触媒電極１０９を通り、イオン交換膜１０
７の表面に供給され、この正の触媒電極１０８とイオン
交換膜１０７の界面及び負の触媒電極１０９とイオン交
換膜１０７の界面で行われる。イオン交換膜１０７は、
含水率により伸びが大きく変化するので、イオン交換膜
１０７の加湿レベルを常に適正に保ってイオン交換膜１
０７の伸びを一定に保ち、界面を安定に保つことが必要
である。

【００６２】このセル１０６による反応ガスの水素と酸
素の電気化学的な反応で電気が発生し、その際に水が生
成されるが、このセル１０６内部の相対湿度による伸び
だけではなく、内部に発生する凝縮水、生成水、供給過
剰水などの過剰水が、イオン交換膜１０７に直接接触す
るとさらに伸び、セル１０６の性能が劣化するが、セル
１０６の両側の触媒電極１０８，１０９にポーラスガイ
ド体１１０，１１１を接触させて配置しており、セル１
０６内部に発生する凝縮水、生成水、供給過剰水などの
過剰水をポーラスガイド体１１０，１１１により吸収し
て除去することができる。

【００６３】このため、イオン交換膜１０７の伸びを防
止でき、セル１０６の性能を長期間、高効率に保つこと
ができ、また反応ガスの拡散性低下を防止している。こ
のように、特別な装置を使用しないで過剰水を除去する
ことができ、簡単、低価格、コンパクト及び軽量な装置
とすることができる。ポーラスガイド体１１０，１１１
により反応ガス通路１１２，１１３を形成することで、
水を供給する時にポーラスガイド体１１０，１１１によ
り吸収されて一部は反応ガス通路１１２，１１３に拡散
し、一部は直接触媒電極１０８，１０９へ移動すること
により加湿を効果的に行なうとともに、過剰水が発生し
た場合、これを吸収して不足時に供給するダンパー効果
があり、適量の加湿が可能である。

【００６４】また、燃料電池６のセルスタック１０３内
部に、イオン交換膜１０７、正の触媒電極１０８及び負
の触媒電極１０９から構成されている電極基材の外側に
水過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部Ａ
を設け、停止時水保管部Ａに水を保管しておき、起動時
水保管部Ａの水を供給するように構成している。

【００６５】このように、起動時水保管部Ａの水を供給
することで、起動時に、水保管部Ａがセル１０６とほぼ
同じ温度で上昇していくため、外部から水を供給するも
のに比べて正確な湿度管理ができる。また、停止時に、
水をセル１０６の内部または近傍に含んだ状態で水保管
部Ａに保管できるので、保管中もセル１０６のイオン交
換膜１０７の湿度をほぼ飽和状態に保つことが可能であ
る。

【００６６】さらに、燃料電池６の水の供給制御が容易
であり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が
可能となる。また、水の供給量をセル１０６が必要な最
小限度とすることができるので、水使用量の低減、水供
給に必要なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、
熱交換器等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効
率・小型軽量化が可能となる。

【００６７】また、起動時水保管部Ａに水を保管してお
き、定常時水保管部Ａの水を供給するように構成してい
る。このように、定常時水保管部Ａの水を供給するよう
にすることで、起動時に、凝縮水や過剰水を確保でき、
加湿水の供給量を低減できる。また、起動中、加湿に寄
与しない水がガス通路から除去されるので、発電開始か
ら性能を高く維持できる。

【００６８】さらに、燃料電池６の水の供給制御が容易
であり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が
可能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度
とすることができるので、水使用量の低減、水供給に必
要なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換
器等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小
型軽量化が可能となる。

【００６９】図１１乃至図１４は水保管部の他の実施例
を示している。図１１の水保管部Ａは、多層構造になっ
ており、第１保管部Ａ１は通路３００を有するポーラス
部材で形成され、第２保管部Ａ２も同様にポーラス部材
で形成されている。水は、第１保管部Ａ１の通路３００
から第２保管部Ａ２に吸収して保持されるが、第１保管
部Ａ１が第２保管部Ａ２より水の吸収が良く、水保管部
Ａを多層構造にすることで保水量を増やしている。

【００７０】図１２の水保管部Ａも、多層構造になって
おり、第１保管部Ａ１は同様に通路３００を有するポー
ラス部材で形成され、第２保管部Ａ２はポーラス部材ま
たは不浸透材で形成されている。第２保管部Ａ２の第１
保管部Ａ１側に凹部を有しており、この凹部と第１保管
部Ａ１との間に空間が形成され、この空間で通路３０１
を形成している。水は、第１保管部Ａ１の通路３００か
ら第２保管部Ａ２に吸収して保持されるが、さらに通路
３０１によって水が多量に且つ確実に保持される。

【００７１】図１３の水保管部Ａも、多層構造になって
おり、第１保管部Ａ１は通路３００を有するポーラス部
材で形成され、第２保管部Ａ２も同様にポーラス部材で
形成されているが、この第２保管部Ａ２の外側に不浸透
材Ｃが配置されている。第１保管部Ａ１には通路３００
の間に、電極基材Ｂの外側と第２保管部Ａ２とを連通す
るガイド通路３０２が形成されている。また、第２保管
部Ａ２には、不浸透材Ｃとの間に水通路３０３が形成さ
れている。従って、負圧で引くことによって、第１保管
部Ａ１に水が通路３００から吸収され、さらにガイド通
路３０２により第２保管部Ａ２に吸収され、水の吸収が
速くなっている。

【００７２】図１４の水保管部Ａも、多層構造になって
おり、第１保管部Ａ１は通路３００を有するポーラス部
材で形成され、この第１保管部Ａ１の外側に不浸透材Ｃ
が配置されている。不浸透材Ｃには、第１保管部Ａ１と
の間に水通路３０４が形成され、水が水通路３０４から
第１保管部Ａ１に円滑に供給される。

【００７３】図１５及び図１６は水保管部Ａの配置位置
を示している。図１５の実施例では、電極基材で構成さ
れるセル１０６の両側にガス通路４００が形成されてお
り、このガス通路４００の空間内に水保管部Ａが形成さ
れている。このように、水保管部Ａが電極基材のセル１
０６から離れた位置に配置され、水ポンプ４０１により
供給される水は水保管部Ａに保管される。

【００７４】図１６の実施例では、電極基材で構成され
るセル１０６の両側に、水素の入口部１１５と、水素の
出口部１１６が設けられている。入口部１１５には、セ
ル１０６の積層方向に入口通路１１５ａが形成され、こ
の入口通路１１５ａから４個のトンネル通路１１５ｂが
セル１０６の分配通路１１５ｃに連通され、この入口側
に水保管部Ａが形成される。

【００７５】また、出口部１１６には、セル１０６の積
層方向に出口通路１１６ａが形成され、この出口通路１
１６ａから４個のトンネル通路１１６ｂがセル１０６の
集合通路１１６ｃに連通され、この出口側に水保管部Ａ
が形成される。

【００７６】次に、図１７に基づき燃料電池システムの
運転について説明する。図１７（ａ）において、特性曲
線ａ１は従来の運転を、特性曲線ｂ１は請求項１記載の
発明を、特性曲線ｃ１は請求項２記載の発明を示してい
る。また、図１７（ｂ）において、特性曲線ａ２は従来
の運転を、特性曲線ｂ２は請求項１記載の発明を、特性
曲線ｃ２は請求項２記載の発明を示している。

【００７７】従来のものでは、停止時において、燃料電
池システムの停止操作直後に、燃料電池への水蒸気の供
給を徐々に停止する。保管時において、周囲の温度によ
り、セル内部の湿度が変化する。温度が低下により徐々
に飽和湿度に近づき、それを越えると水分が凝縮して通
路などを閉塞する。また、温度が上昇しても凝縮水が偏
在しているため、電極基材の膜への加湿効果は少ない。
起動時において、発電開始に先だって、外部から水（ま
たは水蒸気）を供給するための準備（ポンプを駆動し
て、加熱または熱交換により水蒸気を作る。）を行って
おく。発電開始にともない、セルの温度を適正温度まで
上昇させるとともに、外部から水（または水蒸気）を供
給していく。発電時において、出力及びセルの温度など
に応じて、水分供給量を変える必要があるため、頻繁に
加湿量を変えなくてはならない等の問題がある。

【００７８】請求項１記載の発明の燃料電池システム１
では、停止時において、水蒸気の供給を停止せず、発電
時と同じかまたはそれ以上の流量を送り続け、水保管部
Ａに水として吸収させる。保管時において、周囲の温度
による飽和湿度に保たれ、凝縮分は、さらに吸収され
る。起動時において、発電開始にともない、セル１０６
の温度を適正温度まで上昇させる。これには、外部加熱
または自己発熱を用いる。外部からの水（または水蒸
気）供給は初期には行わず、水保管部Ａの水を利用す
る。水保管部Ａの水は、セル温度の上昇とともに温度が
上昇し、ガス通路へ蒸発していく。これにより、ガス通
路は飽和湿度近くに保たれる。保管水の自然蒸発による
加湿だけでは、時間的に限界があるので、起動時間を短
縮するために、一定時間経過後、外部から水（または水
蒸気）を供給していく。発電時において、水分の吸収・
放出効果を利用できるので、頻繁に加湿量を変えなくて
も適正加湿制御が可能である。

【００７９】また、請求項２記載の発明の燃料電池シス
テム１では、停止時において、システムの停止操作直後
に、水蒸気の供給を徐々に停止する。保管時において、
周囲の温度による飽和湿度に保たれる。凝縮分は、さら
に吸収される。起動時において、発電開始に先だって、
外部から水（または水蒸気）を供給するための準備（ポ
ンプを駆動して、加熱または熱交換により水蒸気を作
る。）を行っておく。発電開始にともない、セルの温度
を適正温度まで上昇させるとともに、外部から水（また
は水蒸気）を供給していく。水保管部Ａの水を多少利用
できるため、外部からの水（または水蒸気）供給は初期
には行わず水保管部Ａの水を利用する。そのため水供給
量は従来に比べて少なくて済む。水を供給しながら、水
保管部Ａに水を保管しておき後で湿度管理に使う。発電
時において、水分の吸収・放出効果を利用できるので、
頻繁に加湿量を変えなくても適正加湿制御が可能であ
る。

【００８０】図１８は燃料電池システムの他の実施例を
示す構成図である。この実施例の燃料電池６は、図１と
同様に構成されるが、図１と異なりエア用ポンプ５００
の駆動で改質装置３に配置される加熱部５０１に水タン
ク８から空気を送り、この加熱部５０１で加熱された空
気を燃料電池６の入口側５０２に送るように構成されて
いる。また、水用加湿ポンプ５１０の駆動で改質装置３
に配置される加熱部５１１に水タンク８から水を送り、
この加熱部５１１で加熱された水を燃料電池６の入口側
５１２に送るように構成されている。

【００８１】燃料電池６では、水素側は入口が水分多
く、また空気側は出口が水分多くなる。このため、所定
のタイミングでエア用ポンプ５００の駆動で改質装置３
に配置される加熱部５０１に送り、この加熱部５０１で
加熱された空気を燃料電池６の入口側５０２に送る。ま
た、所定のタイミングで水素用加湿ポンプ５１０の駆動
で改質装置３に配置される加熱部５１１に水タンク８か
ら水素を送り、この加熱部５１１で加熱された水素を燃
料電池６の入口側５１２に送る。

【００８２】このように、エア用ポンプ５００及び水用
加湿ポンプ５１０の駆動による入換え、これにより水分
を均一に保つことができ、この入換えのタイミングは、
一定時間おき、一定電流量発生後、一定電力量発生後、
負荷が０（または一定値以下）になる度毎、或は起動／
停止の度毎に行なう。この空気の入換えは、バルブ５０
３，５０４の作動で行ない、また水素の入換えは、バル
ブ５１３，５１４の作動で行なう。

【００８３】

【発明の効果】前記したように、請求項１記載の発明で
は、上流側の触媒層と下流側の触媒層との途中に反応ガ
スの一部を取り出す中間の反応ガス取出部を設け、中間
の反応ガス取出部から取出した反応ガスの一部を、バル
ブを介して加熱器に供給し、原料とともに燃料させるか
ら、反応ガス取出部の下流側では処理量が減少するので
相対的に空間速度が低下して、反応に有利な状態にな
り、また発熱レベルも低下するので、平衡は反応の進む
側に移り、反応転化率は向上する。また、反応ガス取出
部よりも上流側では、下流側での発熱レベルが低下して
いるので、加熱器による加熱量を高めて反応を効果的に
おこすことが可能となり、触媒層の入口側に熱を集中で
き、触媒層の出口側での発熱量が減って温度均一化可能
となり、改質装置の性能が向上し、かつ小型化し、それ
による加熱器の小型化が可能となる。

【００８４】さらに、反応ガス取出部から直接加熱器に
反応ガスを供給するから、燃料電池のセル用に精製した
ガスを燃料とする場合に比べて、精製のためのエネルギ
ーが不要となり、効率が良い。また、改質装置の後工程
でも処理量を低減できるから、転化率の向上、機器の小
型化が可能となる。

【００８５】請求項２記載の発明は、加熱器で原料を燃
焼させて発生する加熱ガスは、蒸発器を加熱した後、上
流側の触媒層を加熱するから、上流側の触媒層に熱を集
中でき、熱効率、触媒の温度分布しいては転化率をより
一層高めることができる。

【００８６】

【００８７】

【００８８】

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池システムの実施例を示す構成図であ
る。

【図２】改質装置の断面図である。

【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。

【図４】改質装置の他の実施例を示す構成図である。

【図５】改質装置のさらに他の実施例を示す構成図であ
る。

【図６】改質装置の断面図である。

【図７】図６のVII-VII線に沿う断面図である。

【図８】燃料電池の正面図である。

【図９】図８のIX-IX線に沿う断面図である。

【図１０】図８のＸ−Ｘ線及びＹ−Ｙ線に沿う断面図で
ある。

【図１１】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図１２】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図１３】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図１４】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図１５】水保管部の配置を示す他の実施例を示す図で
ある。

【図１６】水保管部の配置を示す他の実施例を示す図で
ある。

【図１７】燃料電池システムの運転について説明するず
である。

【図１８】燃料電池システムの他の実施例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１燃料電池システム１０加熱器１１蒸発器１２触媒層

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/06 H01M 8/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原料を気化させて原料ガスを生成する蒸発
器と、前記原料ガスを改質して反応ガスを製造する触媒
が充填された触媒層と、原料を燃焼させることにより前
記蒸発器と前記触媒層を加熱する加熱器と、前記触媒層
から得られた反応ガスを燃料電池に供給して発電を行う
燃料電池システムにおいて、前記触媒層は原料ガスが供給されるガス供給口を有する
上流測の触媒層と、反応ガスが取出されるガス取出口を
有する下流側の触媒層からなり、前記上流側の触媒層と前記下流側の触媒層との途中に反
応ガスの一部を取り出す中間の反応ガス取出部を設け、前記中間の反応ガス取出部から取出した反応ガスの一部
を、バルブを介して前記加熱器に供給し、原料とともに
燃料させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記加熱器で原料を燃焼させて発生する加
熱ガスは、前記蒸発器を加熱した後、前記上流側の触媒
層を加熱することを特徴とする請求項１に項記載の燃料
電池システム。