JP4686813B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池装置に関し、詳しくは、酸素極と燃料極間に挟持される電解質層の水分保持に関する。
特に高分子固体電解質膜を有するいわゆるＰＥＭ型の燃料電池装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池装置の電池本体は、燃料極（水素を燃料極とする場合は水素極とも言う）と空気極（酸素が反応ガスであるので酸素極とも言う。また酸化極ともいう）との間に電解質が挟持された構成である。
【０００３】
ところで、上記電解質は、プロトンを伝導させるので、水分を含んでいる必要がある、ところが、燃料電池の温度が高温になると、電解質中の水分が放出され、電解質の抵抗が大きくなり、運転できなくなってしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡易な構成で、電解質中の水分が保持されるようにした燃料電池装置及びその運転方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は空気極に供給された水の蒸発を制御して燃料電池装置を効率良く運転することを一つの目的とする。
かかる目的を達成するため、この発明では次の構成を採用することとした。即ち、
電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体と、
前記空気極表面に液体を供給するとともに、該供給した液体が前記空気極表面において蒸発する蒸発量を調節する蒸発量調節装置と、
前記燃料電池本体の運転状況を検出する運転状況検出手段と、
検出された運転状況に応じて、前記蒸発量調節装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【０００６】
このように構成された燃料電池装置によれば、空気極に供給された水の蒸発が制御されるので、空気極に供給された水の潜熱を利用する冷却が十分かつ効率良く行われる。これにより、空気極ひいては燃料電池本体が効率よく冷却されることとなる。なお、水の潜熱を効率良く利用する手段として、水の粒径は５０μｍ〜５００μｍとすることが好ましい。燃料電池本体の電解質膜の厚さは２００μｍ以下であることが望ましい。
水の代わりに、又は水と併用してアルコール等の液体を使用することも出来る。
即ち、燃料電池本体の温度が高温で運転されてこれの温度を下げたいときには、充分量の水が供給されている下で例えば空気の供給量（送風量、単位時間当たりに供給される空気量、単位時間当たりに空気室Ａ（図３参照）を通過する空気量）を大きくし、水の蒸発量を増大させる。
燃料電池本体が低温で運転されてこれの温度を上げたいときには、空気供給量が過剰とならないように風量を落とす。これにより、水の蒸発量が低下するので燃料電池本体の温度を確実に上げることができると共に、空気供給装置で消費される電力を可及的に小さくし、もって動力損の低減を図る。
また、水リサイクル用の凝縮器についても、内部温度が上がり外気との温度差が大きくなるので、その容量を小さくできる。
更にこの発明によれば、水の蒸発量を制御することにより、電解質内の湿潤状態を常に維持できる。これは、空気極に供給された水は空気流に直接さらされるのでこれが優先的に蒸発して潜熱冷却される。したがって、電解質内はその生成水により充分湿潤状態が維持されることとなる。
燃料極側にも上記と同様に水などの液体を供給してもよい。
空気極に供給された水の蒸発の制御は、送風量制御の代わりに若しくはこれと協働して空気極の表面（空気室を構成する壁）に高周波振動を与えることによっても実現できる。
【０００７】
図１は各ストイキ比における燃料電池本体の負荷（電流密度）と温度（空気排気温度）との理論上の関係を示す。ここに、ストイキ比とは、燃料電池反応で消費される理論上の酸素量を含むプロセス空気量を基準として空気極に供給される空気量を規定したものである。従って、ストイキ比が１の場合は、理論上必要な最小限の空気量が送られる場合であり、ストイキ比が２になると空気供給量はストイキ比１のときの２倍となる。
図１より、ストイキ比が小さいほど、即ち空気供給量が少ないほど同じ負荷を得るのに高い温度で燃料電池本体を運転できることがわかる。燃料電池本体の運転温度はこれが高ければ高いほど効率が高くなる。またその高温運転により排出空気の温度も上がるので凝縮器の容量を小さくすることもできる。従って、要求される負荷を賄える最も高い温度で燃料電池本体を運転することが好ましい。負荷と燃料電池本体の温度とはストイキ比により一義的に決められるので、負荷と温度の一方を検出してストイキ比、即ち空気供給量（厳密には空気室入口おける供給量）を決めればよいことになる。
【０００８】
しかしながら現状の燃料電池では燃料電池本体の運転温度とストイキ比（空気供給量）とに各種の制限がある。例えば、燃料電池本体の焼きつきを確実に防止するため、その運転温度は、例えば１００〜８０℃以下とする必要がある。また、本発明者らの検討によれば、図１に示す破線Ｌより上側の条件での運転は不可能であった。これは、空気供給量が少ないときには（風量が小さいときには）、空気供給路やガス拡散層の抵抗、触媒の能力等のため空気が空気極に充分届かないなどの理由によるものと推定される。
従って、図１において、例えば８０℃以下でかつ破線Ｌより下側の領域（所定の範囲内）で燃料電池本体は運転可能である。そして、その効率を考慮すれば、当該運転可能領域の最高温度縁でこれを運転することが好ましい。
【０００９】
負荷変動の激しい車輌用の燃料電池装置では、要求される負荷に応じて空気供給量を変化させる。そのとき同時に燃料電池本体の温度を検出して、要求された負荷を実現できる最高温度、即ち最小のストイキ比（空気供給量）となるように空気供給量を調整することが好ましい。
一方、殆ど負荷が変動しない環境で使用される燃料電池装置においては、実質的に燃料電池本体の温度のみを監視して、その温度が変動したときのみこれが所望の温度となるように空気供給量を調節すればよい。即ち、燃料電池本体の温度が所望の温度範囲より低くなった場合には空気供給量を低減させて水の潜熱を利用した冷却効果を下げ、他方燃料電池本体の温度が所望の温度範囲より高くなった場合には空気供給量を増大して水の潜熱を利用した冷却効果を上げる。
外部の環境や補機の性能により燃料電池装置の運転条件には様々な制限が課せられる。場合によっては、燃料電池本体の運転条件が図１における運転可能条件領域において四角で示した領域に限られることがある。この領域では、燃料電池本体の運転温度はストイキ比１のラインを超えることはない（燃料電池本体を常に稼動させておくため常に少なくともストイキ比１に対応した空気量が供給されているものとする。）。従って、燃料電池本体の温度を監視する必要はない。よって、負荷のみを監視して当該負荷を出力可能な最低量の空気が供給されるようにする。
【００１０】
上記いずれの場合においても、空気極には常に充分な量の水が供給されているものとする。即ち、燃料電池本体の熱により蒸発するものがあっても、空気極及びその周囲（即ち空気室内）には、燃料電池装置の運転中は常に液体状の水が存在しているものとする。
このように空気極に水が常に存在するので水の潜熱を効率良く利用できることとなる結果、燃料電池本体のスタックから冷却板を間引いたりこれを省略することができる。充分な量の水の蒸発が確保できないおそれのある場合を考慮して、冷却板若しくは冷却パイプその他の冷却装置を燃料電池本体のスタックに備えておくことが好ましい。かかる冷却装置へ流通する熱媒体（通常は水）によりスタックの熱を外部に取り出し、車内の暖房などに利用することができる（いわゆるコジェネとしての利用）。
【００１１】
上記において、プロセス空気は実質的に圧縮されずに空気極に供給されるものである。なお、この発明は加圧された酸化ガス供給系を備えるタイプの燃料電池装置に適用することもできる。酸化ガス供給系に酸化ガスの圧縮機が備えられる場合はもとより、ガス配管の管路抵抗によって系内が大気圧より高い圧力となる場合も当該加圧された酸化ガス供給系に含まれる。
燃料電池本体の温度は当該燃料電池本体に温度計を付設してこれを測定できることは勿論であるが、図１に示すように、排気空気の温度を測定することによりその温度を間接的に測定することも可能である。この場合、燃料電池本体から排出された直後の空気の温度を測定することが好ましい。これらの温度に基づき燃料電池本体の運転状況を検出する。温度計が運転状況検出手段となる。
燃料電池本体の負荷は、燃料電池本体の両極間の電流と電圧の積である。プロセス空気の供給量を制御するときに参考とするパラメータとしては、燃料電池本体が現実に出力している現在の負荷を検出し、これを用いることができる。その他、燃料電池本体に次に要求される負荷、例えば速度、トルク若しくはアクセルの開度を検出し、これを当該パラメータとして用いることもできる。
【００１２】
【実施例】
次ぎに、この発明の実施例について説明をする。
図２は実施例の燃料電池装置１の概略構成を示す。図３は燃料電池本体１０の基本ユニットを示す。
図２に示すように、この装置１は燃料電池本体１０、燃料ガスとしての水素ガス供給系２０、空気供給系３０、水供給系４０から概略構成される。
【００１３】
燃料電池本体１０の単位ユニットは空気極１１と燃料極１３とで固体高分子電解質膜１２を挟持した構成である。実際の装置ではこの単位ユニットが複数枚積層されている（燃料電池スタック）。空気極１１の上方及び下方にはそれぞれ空気を吸入、排気するための空気マニホールド１４、１５が形成されている。上方のマニホールド１４にはノズル４１を取り付けるための取付孔が形成されている。ノズル４１から噴出される水の噴出角度には制限があり、かつ水を霧状にしてこれを空気極１１の全面に行き渡らせるには、ノズルと空気極１１との間に所定の間隔が必要になる。従って、このマニホールド１４は比較的背の高いものとなる。一方、下側の空気マニホールド１５は滴下した水を効率よく排出できるものとする。
なお、ノズルはマニホールド１４の側面に設けることもできる。かかるノズルより噴出される水はマニホールド１４内の全域に行き渡り、よって空気極１１の全面に行き渡ることとなる。ノズルをマニホールド１４の側面に設けることにより、低いマニホールドが採用できる。よって燃料電池本体の小型化を図ることができる。
【００１４】
これにより空気供給量の如何に拘わらず、所望の量の水を空気極表面に供給することが出来る。即ち、空気の供給量と水の供給量とを独立して制御可能となる（独立供給タイプ）。かかる独立供給タイプによれば、起動時など大きな空気供給量（風量）の状態においても所望量の水を確実に空気極表面に供給できる。よって、起動時間の短縮が図れる。
【００１５】
図３に示すように、上記空気極１１−固体高分子電解質膜１２−燃料極１３の単位ユニットは薄い膜状であり、一対のカーボン製コネクタ板１６、１７により挟持されている。空気極１１に対向するコネクタ板１６の面には空気を流通させるための溝１８が複数条形成されている。各溝１８は上下方向に形成されてマニホールド１４、１５を連通している。その結果、ノズル４１より供給される霧状の水は当該溝１８に沿って空気極１１の下側部分まで達する。
この溝１８の周面及び空気極１１の表出面により空気室Ａが構成される。空気室Ａの図示上側開口部が送風の入口（上流側開口部）であり、図示下側の開口部が送風の出口（下流側開口部）である。この出口の排気温度を検出するように温度計を設けることが好ましい。実施例では水などの液体を上流側開口部に対して直接噴出させて供給する構成であるが、水などの液体は下流側開口部から供給することも可能である。更には、コネクタ板に図示左右方向の貫通孔を形成し、ここから空気室Ａへ水などの液体を供給することも出来る。このようにして供給された水は空気室Ａを構成する面（溝１８の周面及び空気極１１の表出面：これらは比較的高温になり易い）において専ら蒸発する。
同様に、燃料極１３に対向するコネクタ板１７の面には水素ガスを流通させるための溝１９が形成されている。実施例ではこの溝１９を水平方向に複数条形成した。この溝１９の周面とコネクタ板１７の表出面とで燃料室Ｂが形成される。この燃料室Ｂに対して、既述の空気室Ａと同様にな方法で水を供給することも出来る。
【００１６】
空気極１１には水が供給されるのでこれは耐水性のある材料で形成される。また、そこに水の膜ができると空気極１１の実効面積が減少するので空気極１１の材料には高い撥水性も要求される。かかる材料として、カーボンクロスを基材として（Ｃ＋ＰＴＦＥ）をぬりこんだガス拡散層を使用した。
固体高分子電解質膜１２には汎用的なナフィオン（商品名：デュポン社）の薄膜を使用した。
尚、膜の厚さは空気極側からの生成水の逆浸透が可能であればよく、例えば２０〜２００μｍとする。
燃料極１３は空気極１１と同じ構造で形成されている。燃料極１３と空気極１１とでその構造を変化させても良い。
【００１７】
空気極１１、及び燃料極１３において電解質膜１２と接触する方の面には、ある程度の厚さでもって酸素と水素の反応を促進するために用いられる周知の白金系触媒がそれぞれ均一に分散されていて、空気極１１及び燃料極１３における触媒層として形成される。
【００１８】
水素ガス供給系２０の水素供給装置２１として、この実施例では水素吸蔵合金からなる水素ボンベを利用した。その他、液体水素の水素ボンベ、水／メタノール混合液等の改質原料を改質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素源とすることもできる。燃料電池装置１を室内で固定して使用する場合には、水素配管を水素源とすることができる。
水素供給装置２１と燃料極１３とは水素供給調圧弁２３を介して水素ガス供給路２２により接続されている。調圧弁２３は燃料極１３に供給する水素ガスの流量を調整するものであり、汎用的な構成のものを利用できる。
【００１９】
燃料極１３からの排気ガスは外気へ排出される。なお、この排気ガスを空気マニホールドへ供給し、ここで空気と混合することもできる。
【００２０】
空気極１１にはファン３８によって大気中より空気が供給される。図の符号３１は空気の供給路であり空気極１１のマニホールド１４に連結されている。下側のマニホールド１５には空気極１１を通過した空気を循環若しくは排気するための空気路３２が連結され、水を分離する凝縮器３３を介して排気ガスは排気路３６へ送られる。空気排気調圧弁３４の開度により排気路３６から排気される量が調節される。また、排気調圧弁３４を省略し、排気ガスをそのまま大気へ排出する構成とすることもできる。
かかる空気供給系３０においては、空気圧縮機は特に備えられておらず、系全体に渡って実質的に大気圧が維持される。
符号３９は排出された空気の温度を検出するための温度計である。
【００２１】
凝縮器３３で分離された水はタンク４２へ送られる。タンク４２には水位センサ４３が付設される。この水位センサ４３により、タンク４２の水位が所定の値以下となると、アラーム４４が点滅してオペレータに水不足を知らせる。それとともに、凝縮器３３の能力を変化させて水の回収量を調整することが好ましい。即ち、水が不足しているときは凝縮器３３のファンの回転数を高めて水をより多く回収し、他方水が過剰になると凝縮器３３のファンの回転数を低下若しくは停止して水の回収量を少なくする。
【００２２】
実施例の水供給系４０では、タンク４２から水供給路４５がポンプ４６、水圧センサ４７及び調圧弁４８を介して、ノズル４１まで連結されている。調圧弁４８により所望の水圧に調節され、もって流量の調節された水はノズル４１から吹き出して空気マニホールド１４内では霧状になる。そして、吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および空気流等によって空気極１１の実質的な全面に霧状の水が供給される。水量及び水の供給は、調圧弁とノズルとの組み合わせに限定されるものではない。
【００２３】
このようにして空気極１１の表面に供給された水はそこで周囲の空気、電極表面、さらにはセパレータ表面から潜熱を奪って蒸発する。これにより、電解質膜１２の水分の蒸発が制御される。
また、空気極１１へ供給された水は空気極１１からも潜熱を奪うので、これを冷却する作用もある。
【００２４】
図中の符号５０は電流計であり、空気極１１と燃料極１３との間の電流を計測する。電流計５０により計測された電流より図１の電流密度が求められる。この実施例では抵抗５１が一定のため、両極１１、１３間の電流を測定することにより燃料電池本体１０に掛かっている負荷（＝仕事）が求められる。
燃料電池装置を車輌用に使用するときには両極間の電流と電圧を共に測定し、もって燃料電池本体に掛かっている負荷（燃料電池本体が現在出力してるパワー）を得ることが好ましい。車輌用の場合には、速度、トルク若しくはアクセルの開度から燃料電池本体に要求されるパワーを予測してその値を用いることもできる。
【００２５】
次ぎに、実施例の燃料電池装置１の動作を説明する。
図４は燃料電池装置１の動作を制御するときに関与する要素を示したブロック図である。図５は燃料電池装置１の制御を示すメインフローである。
図４において、制御装置７０及びメモリ７３は燃料電池装置１のコントロールボックス（図１に示されていない）に収納されている。メモリ７３にはコンピュータからなる制御装置７０の動作を規定するコントロールプログラム及び各種制御を実行するときのパラメータやルックアップテーブルが収納されている。
【００２６】
まず、図５のステップ１で実行される水素ガス供給系２０の動作について説明する。
起動時には、水素排気弁２５を閉に保持しておいて、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極１３に供給されるように水素供給調圧弁２３を調整する。
排気弁２５を閉じた状態で燃料電池装置１を運転すると、空気極より透過するＮ_２、Ｏ_２あるいは生成水の影響で燃料極１３で消費される水素の分圧が徐々に低下するためこれに伴って出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなる。
【００２７】
そこで、予め定めれた規則に基づいて弁２５を解放して水素分圧の低下したガスを排気し、燃料極１３の雰囲気ガスをリフレッシュする。
予め定めれた規則はメモリ７３に保存されており、弁２５の開閉及び調圧弁２３の調整は制御装置７０が当該規則をメモり７３から読み出して実行する。
【００２８】
この実施例では、電流計５０で出力電流をモニタし、出力電流が所定の閾値を超えて低下したら所定の時間（例えば１秒間）弁２５を解放する。
あるいは、弁２５を閉とした状態で燃料電池装置１を運転したときに出力電圧が低下し始める時間間隔を予め計測しておき、その時間間隔と実質的に同一又は若干短い周期で弁２５を解放するように、弁２５を間欠的に開閉制御する。
【００２９】
次ぎに、図５のステップ３で実行される空気供給系３０の動作について、図６を参照しながら説明する。
ステップ３１において燃料電池本体１０から排出された直後の排気空気の温度を温度計３９により検出する。その温度が８０℃を超えていると（ステップ３２）、燃料電池本体１０が焼きつくおそれがあるので、ファン３８の回転数を増して風量を増大し（ステップ３３）、もって熱発生源である空気極１１の温度を下げる。このとき、当然ながら空気極１１には８０℃を超えた燃料電池本体１０を冷却するのに必要な量の水が供給されているものとする。
検出された温度が８０℃以下の場合には、燃料電池本体１０の負荷を検出する（ステップ３４）。本実施例の場合は、図１の関係を制御に用いるので、空気極１１と燃料極１３の間の電流を検出する。制御装置７０は電流計５０で検出した電流値から電流密度を演算する。そして、制御装置７０はその電流密度の値とステップ３１で検出した温度とをメモリ７３にテーブル形式で保存されている図１の関係に照らし合わせる。
【００３０】
例えば、検出された温度と電流密度の関係が図１のＡの条件であれば、風量を下げて、燃料電池本体１０の運転状態を図１のＢの条件に移行させる。即ち空気の供給量をストイキ比２に対応する量にまで下げて潜熱による冷却効果を低減させる。これにより、燃料電池本体１０は出力（電流密度）を維持したまま、最も高い温度で運転されることとなる。なお、燃料電池本体１０の温度を効率よく上げるためには、燃料電池本体が酸素不足にならないレベルで当初の風量をストイキ比２に対応するものよりも小さくして昇温速度を速め、条件Ｂの温度（ほぼ８０℃）に近づいてきたところで、風量をストイキ比２に対応するものとすることが好ましい。
なお、空気供給量（ストイキ比）と風量（ファン３８の回転数）との関係が予めメモリ１に保存されており、制御装置７０は求める空気供給量に対応した風量が得られるようファン３８の回転数を制御する。ファン３８には例えばサーボモータ駆動タイプが用いられる。
【００３１】
条件Ｂで運転されていた燃料電池本体１０の電流密度が０．７に変化したとすると、燃料電池本体１０は条件Ｃで運転する必要がある。この場合は、風量を条件Ｃの風量（ストイキ比５に対応するところ）まで上げて燃料電池本体１０の温度を条件Ｃの温度（ほぼ７０℃）まで下げる。
このように燃料電池本体１０の運転温度はその運転可能領域において可能な限り高い温度とすることが好ましい。
【００３２】
次ぎに、図５のステップ５で実行される水供給系４０の動作について説明する。
タンク４２の水がポンプ４６で圧送される。そして、噴射圧力調整弁４８でその圧力が調整されてノズル４１から噴霧される。これにより、水が液体の状態（霧の状態）で空気極１１に供給されることとなる。勿論、調圧弁４８を省略して、ポンプ４６に印加される電圧を調整しポンプ４６の吐出圧力自体を制御し、もっと所望の水量を得ることもできる。
【００３３】
水の供給量は燃料電池本体の温度に応じて予め定められいる。即ち、燃料電池本体をその温度に維持するために必要な最小量の水が供給される。ポンプ４６による動力損をできる限り少なくするためである。なお、燃料電池本体が所定の温度（例えば３０℃）以下になれば、水の供給を止めることもできる。また、他の所定温度（例えば５０℃）以下３０℃を越えるとき、水の供給を間欠的にすることもできる。燃料電池本体１０の温度とそのときに供給すべき水量との関係はメモリ７３に保存されている。
この実施例では、図７に示すとおり、まず排出空気の温度が検出される（ステップ５１）。そして、検出された温度に基づき最適水噴射量が演算される（ステップ５３）。この演算はメモリ７３に保存されていた関係を参照して行われる。
【００３４】
次ぎに、ステップ５３において最適水噴射量に対応する最適水圧力を演算する。例えば、水噴射量と水圧力とは図８に示す関係があるので、この関係が方程式若しくはルックアップテーブルのかたちでメモり７３に予め保存されている。
この実施例では、ポンプ４６を一定のパワーで運転しておいて循環路４９の調圧弁４８の開度によりノズル４１の水圧力を調節している。即ち、調圧弁４８の開度が大きく（小さく）なればノズル４１の水圧力は小さく（大きく）なる。
【００３５】
従って、ステップ５４では水圧センサ４７によりノズル４１にかかる水圧力を検出し、フィードバック制御によりその水圧力が所望の値（最適水圧力）となるように調圧弁４８を調節する（ステップ５５）。
【００３６】
その他、所定の時間経過（例えば５〜１０秒）ごとに、一定の水圧で水供給系４０を稼働させても良い。
【００３７】
次ぎに、実施例の燃料電池装置１の起動時の動作について説明する。
図９に示すとおり、スイッチ（図示せず）がオンとなると（ステップ９１）、ポンプ４６をオンとする（ステップ９３）。そして、燃料電池本体１の運転状況（運転温度）に無関係に、所定の水噴射量となるように調圧弁４８が調節されてノズル４１より水が噴射される（ステップ９５）。異常反応から燃料電池本体１０を守るために空気極１１へ噴射される水量は最大量とする。
【００３８】
その後、空気供給系３０をオンにする（ステップ９７）。このときファン３８の風量も最大として燃料電池本体１０を冷却し、異常反応の防止を図る。引き続いて水素供給系２０をオンにする（ステップ９９）。
空気極１１と燃料極１５との間に所望の出力が確認されたら、電力を外部に出力する。
【００３９】
上記において、空気供給系３０の稼動は水供給系４０の稼動前であっても良い。また、水素供給系２０の稼動の後に空気供給系３０を稼動させても良い。
ただし、水素供給系２０を稼動させる前に水供給系４０を稼動させる必要がある。空気供給系３０の稼動の有無にかかわらず燃料電池本体１には空気が存在しているので、電解質膜１２が乾燥した状態で水素を供給すると、異常燃焼の発生する可能性がある。つまり、この異常熱が発生したとき、燃料電池本体１がダメージを被らないように、水素を供給する前に水を噴射して予め空気極１１を濡らしておく。こうすることで、異常熱を水の蒸発熱に換え、更には電解質膜１２の湿潤を促進して、燃料電池本体１のダメージを未然に防止する。
【００４０】
次に、他の実施例を図１０〜１２に基づいて説明する。なお、既述の実施例で説明した要素及びステップには同一の参照番号を付してその説明を省略する。
この実施例の燃料電池装置１０１では、ファン３８の下流側にダンパ１３８が設けられる。ファン３８を一定の回転数で駆動させておいてダンパ１３８を調節することにより空気供給量を変化させる。またこの実施例では温度計を燃料電池本体１０に、好ましくは空気極側のコネクタ板に、取り付け、燃料電池本体１０の温度を直接測定する。更にこの実施例では、車輌用のアクセルの開度を検出し、検出した開度より燃料電池本体１０へ次に要求される負荷を制御装置７０が演算する（図１２、ステップ１３４）。なお、このステップ１３４において、図１の関係が利用できるように、制御装置７０は得られた負荷を更に電流密度に変換するものとする。
【００４１】
この実施例によれば、燃料電池本体に要求される負荷をアクセルの状態から直接読み取るので、空気供給量をより迅速に制御できる。
この実施例の他の作用効果は前の実施例と同じである。
【００４２】
【発明の効果】
このように構成された燃料電池装置によれば、空気極に供給された水の蒸発量を制御できるので、空気極に供給された水による潜熱冷却量を制御できる。このため、空気極表面での蒸発量を制御することにより、蒸発面の温度を下げ、燃料電池装置の運転温度を制御することができる。これにより、運転温度が過度に上昇することによって生じる電解質からの水分の蒸発を抑制することができるので、電解質で生成する水自体によって、電解質の水分を維持することができる。
又、電解質で生成された生成水により電解質の湿潤を確保できるため、燃料極室外から燃料極へ水分を供給することなく、又、電解質へ専用の水分供給路を設けることなく、空気極側への液体による水分の供給とその蒸発だけで、燃料電池の電解質の水分を保持するように燃料電池を運転できる。
空気極に供給された水の蒸発量を制御する場合としては、水の供給量を多くする場合及び供給された水の蒸発量を制御することが考えられる。水の供給量と蒸発量をともに別々に制御することにより、少ない水量で、燃料電池装置を効率の良い、かつ電解質の水分を保持できる温度で運転できる。
【００４３】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池本体の電流密度（負荷）、空気排気温度（本体自体の温度）及びストイキ比（空気供給量）との関係を示すグラフである。
【図２】この発明の位置の実施例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。
【図３】同じく燃料電池本体の基本構成を示す断面図である。
【図４】同じく燃料電池装置の制御系を示す模式図である。
【図５】同じく燃料電池装置の動作を示すメインフローである。
【図６】同じく空気供給系の動作を示すフローチャートである。
【図７】同じく水供給系の動作を示すフローチャートである。
【図８】同じく水噴射量と水圧力の関係を示すグラフ図である。
【図９】同じく起動時の制御を示すフローチャートである。
【図１０】この発明の他の実施例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。
【図１１】同じく制御系を示す模式図である。
【図１２】同じく空気供給系の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１０１ 燃料電池装置
１０ 燃料電池本体
１１ 空気極
３０ 空気供給系
３８ ファン
３９、１３９ 温度計
４０ 水供給系
５０ アンペアメータ

Claims (30)

1. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体と、
   前記空気極表面に液体を供給するとともに、前記空気極への空気供給量を調節することにより該供給した液体が前記空気極表面において蒸発する蒸発量を調節する蒸発量調節装置と、
   前記燃料電池本体の運転状況を検出する運転状況検出手段と、
   検出された運転状況に応じて、前記蒸発量調節装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記蒸発量調節装置は、前記空気極表面での蒸発量を変化させるために該表面に対して送る空気の量を調節する空気量調節装置を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記液体は水である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記蒸発量調節装置は、前記電解質内での生成水により前記電解質の湿潤が確保されるように調節される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置。
5. 前記蒸発量調節装置は、前記電解質の湿潤が専ら、前記電解質内での生成水により確保されるように調節される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置。
6. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体と、
   前記空気極の表面に液体を供給する液体供給手段と、
   前記空気極への空気供給量を調節することにより前記空気極表面の液体の蒸発量を調節する蒸発量調節装置と、
   前記燃料電池本体の運転状況を検出する運転状況検出手段と、
   検出された運転状況に応じて、前記蒸発量調節手段を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
7. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の空気極を備えた空気室に液体を供給する液体供給手段と、
   前記空気室への空気供給量を調節することにより該供給した液体が前記空気室内おいて蒸発する蒸発量を調節する蒸発量調節装置と、
   前記燃料電池本体の運転状況を検出する運転状況検出手段と、
   検出された運転状況に応じて、前記蒸発量調節装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
8. 前記液体供給手段は前記空気室の開口部に対して前記液体を直接供給する、ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記液体供給手段は前記空気室の上流側開口部に対して前記液体を直接供給する、ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
10. 前記蒸発量調節装置は、前記空気室内での蒸発量を変化させるために該空気室内へ送る空気の量を調節する空気量調節装置を含む、ことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池装置。
11. 前記運転状況検出手段は前記燃料電池本体自体の温度若しくは前記燃料電池本体から排出される空気の温度を検出する、ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の燃料電池装置。
12. 前記蒸発量調節装置は、前記電解質内での生成水により前記電解質の湿潤が確保されるように調節される、ことを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の燃料電池装置。
13. 前記蒸発量調節装置は、前記電解質の湿潤が専ら、前記電解質内での生成水により確保されるように調節される、ことを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の燃料電池装置。
14. 前記液体は水である、ことを特徴とする請求項７〜１３のいずれかに記載の燃料電池装置。
15. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極を備えた燃料電池本体と、
    前記空気極を備えた空気室に液体を供給する液体供給手段と、
    前記空気室への空気供給量を調節することにより該供給した液体が前記空気室おいて蒸発する蒸発量を調節する蒸発量調節装置と、
    前記燃料電池本体の運転状況を検出する運転状況検出手段と、
    検出された運転状況に応じて、前記蒸発量調節装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
16. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体の運転方法において、
    前記空気極の表面に液体を供給する工程と、
    前記空気極への空気供給量を調節することにより該供給した液体が前記空気極表面において蒸発する蒸発量を調節する蒸発量調節工程と、を含むことを特徴とする燃料電池本体の運転方法。
17. 前記蒸発量調節工程は、前記空気極表面での蒸発量を変化させるために該表面に対して送る空気の量を調節する工程を含む、ことを特徴とする請求項１６に記載の運転方法。
18. 前記液体は水である、ことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の運転方法。
19. 前記蒸発量調節工程では、前記電解質内での生成水により前記電解質の湿潤が確保されるように調節される、ことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の運転方法。
20. 前記蒸発量調節工程では、前記電解質の湿潤が専ら、前記電解質内での生成水により確保されるように調節される、ことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の運転方法。
21. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体の運転方法において、
    前記燃料電池本体の運転状況を検出して、前記空気室の表面に水を供給するとともに前記空気室への空気供給量を調節することにより該空気極表面の水の蒸発量を調節する蒸発量調節工程を含むことを特徴とする燃料電池本体の運転方法。
22. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体に対し前記空気極を備えた空気室に水を供給する燃料電池装置の運転方法において、
    前記空気室への空気供給量を調節することにより前記供給された水が前記空気室内で蒸発する量を調節する、ことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。
23. 前記水は前記空気室の開口部に対して直接噴射して供給される、ことを特徴とする請求項２２に記載の運転方法。
24. 前記水は前記空気室の上流側開口部に対して直接噴射して供給される、ことを特徴とする請求項２２に記載の運転方法。
25. 前記空気室へ送る空気の量により前記水の蒸発量の制御がなされる、ことを特徴とする請求項２２〜２４のいずれかに記載の運転方法。
26. 前記水の蒸発制御は前記燃料電池本体の運転状態に基づいて行われる、ことを特徴とする請求項２２〜２５のいずれかに記載の運転方法。
27. 前記水の蒸発制御は前記燃料電池本体自体の温度若しくは前記燃料電池本体から排出される空気の温度に基づいて行われる、ことを特徴とする請求項２２〜２５のいずれかに記載の運転方法。
28. 前記電解質内での生成水により前記電解質の湿潤が確保されるように前記空気室内での前記水の蒸発が調節される、ことを特徴とする請求項２２〜２７のいずれかに記載の運転方法。
29. 前記電解質の湿潤が専ら、前記電解質内での生成水により確保されるように前記空気室内での前記水の蒸発が調節される、ことを特徴とする請求項２２〜２７のいずれかに記載の運転方法。
30. 電解質と該電解質を挟持するように配設された燃料極及び空気極とを備えた燃料電池本体に対しその空気室に水を供給する燃料電池装置の運転方法において、
    空気供給量を調節することにより前記供給された水が前記空気室内で蒸発する量を調節する、ことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。

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