JP6573149B2

JP6573149B2 - 燃料電池発電装置と方法

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Publication number: JP6573149B2
Application number: JP2015034938A
Authority: JP
Inventors: 大原　宏明; 宏明大原; 福地　泰彦; 泰彦福地; 貴寛松尾; 竜也袖子田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016157598A

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電装置と方法に関する。

固体高分子型燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｆｕｅｌｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。

ＰＥＦＣの基本構造は、アノード（燃料極、負極）、電解質膜（固体高分子膜）、カソード（空気極、正極）、及びセパレータ（バイポーラプレート）からなる。アノード、電解質膜、カソードを貼り合せて一体化したものを「膜／電極接合体」と呼ぶ。セパレータは、反応ガスの供給流路が彫り込まれた導電板である。膜／電極接合体をセパレータで挟みこんだ１つのセルを「単セル」と呼び、単セルを積層して高電圧を得られるようにしたものを「スタック」と呼ぶ。

アノードでは、水素やメタノールなどの燃料が供給され、式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子に分解する。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
プロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜内を、電子は導線内を通ってカソードに移動する。
カソードでは、電解質膜から来たプロトンと、導線から来た電子が空気中の酸素と反応して、式（２）の反応により水を生成する。
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

ＰＥＦＣでは、膜中の水分がアノードからカソードへと移動し、アノード側では水分が徐々に失われる。そのため、燃料には水分を含ませる必要がある。この「水を使用する」という条件から、ＰＥＦＣは、０℃以下、又は１００℃以上での使用が困難であることが知られている。

上述したＰＥＦＣは、例えば特許文献１〜４に開示されている。
また、ＰＥＦＣ用の加湿手段は、例えば特許文献５〜８に開示されている。

特許第４７２３７２３号公報特開２００７−２２０６３７号公報特開２０１２−２２１８６３号公報特開２００４−２０６９２２号公報特開２００７−０９３１９２号公報特開２０１１−０１４２５６号公報特開２００４−２２１０２０号公報特開２００２−２３１２８２号公報

特許文献１は、７０℃前後の温度で制御しながら発電運転を行なう固体高分子型燃料電池スタックを開示している。また、特許文献１は、燃料電池を冷却するために、ガス流路の向きと実質的に直交する向きに冷却媒体が流れる冷却媒体用流路を備えている。冷却媒体は、水又はエチレングリコール水溶液である。

特許文献２は、燃料電池の反応用ガスの供給経路を燃料電池内部に立体的に形成して、反応用ガスにより燃料電池を冷却すると同時に反応用ガスを加熱する構成を開示している。
すなわち特許文献２では、燃料電池の反応用ガスである水素と空気で冷却を行っているが、ガスによる冷却はその熱容量が小さいことから冷却水による冷却に比べて伝熱面積を大幅に増加する必要がある問題点がある。

特許文献３は、燃料電池の効率を上げるために、耐熱性を有する電解質膜を採用した燃料電池システム（高温型燃料電池）を開示している。高温型燃料電池を用いた場合、７０℃以上、１８０℃以下で燃料電池本体を運転することが可能となる。
また、特許文献３は、燃料電池の冷却を水の蒸発潜熱および蒸気で行う手段を提案している。しかし、水の蒸発潜熱および蒸気で冷却する場合、燃料電池の冷却媒体（水と蒸気）に温度分布が生じ、燃料電池内の温度分布が大きくなり、燃料電池の安定運転が困難になる可能性がある。

特許文献４は、燃料電池本体の運転圧力を上昇させ、外部からの水の補給をなくした燃料電池システム（加圧型燃料電池）を開示している。
しかし、特許文献４では、燃料電池本体を圧力容器内に収容するため、システムが大型化する問題点があった。

特許文献５、６は、膜を用いた加湿を提案している。特許文献５では、カソード排気の蒸気を膜を介してカソード入口ガスの加湿に利用している。特許文献６では、膜を介して必要量の加湿水を入口ガスに供給する手段を提案している。

特許文献７、８は、バブリングによる加湿を提案している。特許文献７では、マスフローコントローラで送ガス量を調整し所望量の搬送ガスをバブリングによる気化器に供給している。特許文献８では、燃料電池に導入する空気と水回収装置の回収水とを直接接触させて加湿している。
しかし、特許文献５〜８の加湿手段では、反応用ガスを高効率かつ高精度に加湿することが困難だった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、耐熱性を有する電解質膜を採用した燃料電池を用いて発電性能を高め、かつ反応用ガスを高効率かつ高精度に加湿することができる燃料電池発電装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
前記運転温度より高い前記燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有する加圧冷却水を前記燃料電池に供給してこれを冷却する閉ループの冷却装置と、
前記燃料電池に供給する反応用ガスを加湿するガス加湿装置と、を備え、
前記燃料電池に供給する前記供給圧は、前記最高セル温度に応じて、０．１２ＭＰａから１．３０ＭＰａの範囲であり、
前記ガス加湿装置は、
加湿用の加湿水を保有し、内部で前記反応用ガスと前記加湿水が直接接触する接触加湿器と、
前記加湿水を前記燃料電池で加熱された前記加圧冷却水で間接加熱する加熱装置と、
前記燃料電池に供給される反応用ガスの水分含有量が、前記加湿水の温度の飽和湿度に相当するように前記加湿水の温度を制御する温度制御装置と、を有する、ことを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。

前記接触加湿器で加湿された反応用ガスを、前記燃料電池を出た反応排ガスで間接加熱する熱交換器を備える。

また、本発明によれば、運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
前記運転温度より高い前記燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有する加圧冷却水を前記燃料電池に供給してこれを冷却する閉ループの冷却装置と、
前記燃料電池に供給する反応用ガスを加湿するガス加湿装置と、を準備し、
前記燃料電池に供給する前記供給圧は、前記最高セル温度に応じて、０．１２ＭＰａから１．３０ＭＰａの範囲であり、
加湿用の加湿水を保有する接触加湿器の内部で前記反応用ガスと前記加湿水を直接接触させ、
加熱装置により前記加湿水を前記燃料電池で加熱された前記加圧冷却水で間接加熱し、
温度制御装置により、前記燃料電池に供給される反応用ガスの水分含有量が、前記加湿水の温度の飽和湿度に相当するように前記加湿水の温度を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電方法が提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池（高温型の固体高分子型燃料電池）を用いるので、従来の７０℃前後の運転温度と比較して発電性能（例えば燃料電池の発電効率）を高めることができる。

また、本発明によれば、燃料電池に供給する反応用ガスを加湿するガス加湿装置を備える。ガス加湿装置は、接触加湿器内の加湿水を燃料電池で加熱された加圧冷却水で加熱するので、追加の熱源が不要であり、反応用ガスを高効率に加湿することができる。

さらに、ガス加湿装置は、温度制御装置により、燃料電池に供給される反応用ガスの水分含有量が、加湿水の温度の飽和湿度に相当するように加湿水の温度を制御するので、反応用ガスに必要な加湿量を高精度に制御することができる。

本発明で用いる燃料電池の模式的構成図である。本発明による燃料電池発電装置の全体構成図である。ガス加湿装置の第２実施形態図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明で用いる燃料電池１０の全体構成図である。
この図において、燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）で
あり、アノードＡ、電解質膜Ｔ、カソードＣ、及びセパレータＳからなる。
なおこの図では、明瞭化のため、それぞれのコンポーネント間を隔てて示している。また、セパレータＳとアノードＡ及びカソードＣとの間にガス拡散層（図示せず）を挟持してもよい。

膜／電極接合体１は、アノードＡ、電解質膜Ｔ、カソードＣを貼り合せて一体化したものである。また単セル２は、膜／電極接合体１を１対のセパレータＳで挟みこんで構成される。さらに、スタック３は、複数の単セル２を積層して構成される。以下、単セル２を単に「セル２」と呼ぶ。

なお、スタック３の両端（図で上端と下端）には、反応ガスの供給流路が片側（内側）のみに設けられた導電板（図示せず）が設けられ、この導電板を介して外部に直流電流を取り出すようになっている。
またこの図において、電解質膜Ｔの上側にカソードＣ、下側にアノードＡを示しているが、上下が逆であってもよい。また、上下方向にセル２を積層したスタック３を示しているが、水平方向でも斜め方向であってもよい。

図１において、アノードＡとセパレータＳの間に図示しないマニホールドを介して、水素やメタノールなどの燃料が供給され、上述した式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子に分解する。
また、カソードＣとセパレータＳの間に図示しないマニホールドを介して、空気が供給され、電解質膜Ｔから来たプロトンと、導線から来た電子が空気中の酸素と反応して、式（２）の反応により水を生成する。

図１において、燃料電池１０は、導電性かつ耐圧構造の複数の金属セパレータ１２を有する。金属セパレータ１２は、膜／電極接合体１を間に挟持し、これを冷却する。また、各金属セパレータ１２は、内部に加圧冷却水Ｗが通過する冷却水流路１１を有する。
この構成により、燃料電池１０を圧力容器内に収容することなく、加圧冷却水Ｗで燃料電池１０を冷却することができる。

図２は、本発明による燃料電池発電装置の全体構成図である。
この図において、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池１０、冷却装置２０、及びガス加湿装置３０を備える。
なおこの図におけるガス加湿装置３０は第１実施形態である。

燃料電池１０は、運転温度ｔが８０℃以上、１８０℃以下である高温型の固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０の運転温度ｔとは、燃料電池１０が正常に発電する際の平均温度を意味する。固体高分子型燃料電池は、運転温度ｔより低い温度、例えば常温（約２０〜３０℃）でも発電することができる。

燃料電池１０の運転温度ｔに対し、燃料電池１０内のセル温度はｔ−αからｔ＋αの範囲で温度が制御される。αはこの例では１０℃である。なお、「セル温度」とは、上述したセル２の温度を意味する。
すなわち、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨは、運転温度ｔより高く、例えば９０℃以上、１９０℃以下であり、燃料電池１０内の最低セル温度ｔＬは、運転温度ｔより低く、例えば７０℃以上、１７０℃以下である。

図２において、本発明の燃料電池発電装置は、さらに、原料ガス供給ライン１３、空気供給ライン１４、アノード排気ライン１５、カソード排気ライン１６、インバータ１７、及び制御装置１８を備える。

原料ガス供給ライン１３は、原料ガス（アノードガスＡＧ１）を燃料電池１０のアノードＡへ供給する。原料ガスは、例えば水素や改質ガスである。
空気供給ライン１４は、空気（カソードガスＣＧ１）を燃料電池１０のカソードＣへ供給する。
アノード排気ライン１５は、アノードＡを通過した排ガス（アノード排ガスＡＧ２）を燃料電池１０から排気する。
カソード排気ライン１６は、カソードＣを通過した排ガス（カソード排ガスＣＧ２）を燃料電池１０から排気する。

インバータ１７は、燃料電池１０に接続され、燃料電池１０で発電された直流電力を交流電力に変換する。
制御装置１８は、需要側の要求に応じて、インバータ１７を制御し、変換された発電出力（交流電力）を外部に出力する。また制御装置１８は、冷却装置２０及びガス加湿装置３０も制御する。

図２において、冷却装置２０は、燃料電池１０に加圧冷却水Ｗを供給してこれを冷却する。この加圧冷却水Ｗは、金属セパレータ１２の冷却水流路１１に供給され、各セル２を冷却した後、冷却水流路１１から外部に排出される。

燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗは、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨにおける飽和蒸気圧及び大気圧よりも高い供給圧Ｐ１を有する。燃料電池１０の運転温度ｔが８０℃以上、１８０℃以下である場合、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨは、運転温度ｔより高く、この例では９０℃以上、１９０℃以下である。

大気圧における飽和蒸気圧は、約０．１０ＭＰａであり、１９０℃における飽和蒸気圧は、約１．２６ＭＰａである。従って、燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１は、燃料電池内の最高セル温度ｔＨに応じて、約０．１０ＭＰａから約１．２６ＭＰａの範囲で設定される。

すなわち、燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１は、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨに応じて、その飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１に設定する。
例えば、最高セル温度ｔＨが８０℃以上、１００℃未満の場合には、加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１を大気圧における飽和蒸気圧（約０．１０ＭＰａ）より高い供給圧Ｐ１（例えば、約０．１２ＭＰａ）に設定する。また、最高セル温度ｔＨが１９０℃の場合には、加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１を１９０℃における飽和蒸気圧（約１．２６ＭＰａ）より高い供給圧Ｐ１（例えば、約１．３０ＭＰａ）に設定する。
最高セル温度ｔＨが１００℃以上、１９０℃未満の場合も同様である。

上述した構成により、燃料電池１０内における加圧冷却水Ｗの沸騰を防止して液体状態を維持することができる。

図２において、冷却装置２０は、加圧水タンク２２、加圧水ポンプ２４、冷却器２６、及び減圧装置２８を有する。

加圧水タンク２２は、供給圧Ｐ１より低くかつ加圧冷却水Ｗの温度における飽和蒸気圧より高い保有圧Ｐ０で加圧冷却水Ｗを保有する。燃料電池１０に供給する供給圧Ｐ１は、上述の例では、約０．１２ＭＰａから約１．３０ＭＰａであり、加圧水タンク２２内の保有圧Ｐ０は、供給圧Ｐ１より低くかつ加圧冷却水Ｗの温度における飽和蒸気圧より高い、例えば約０．１０ＭＰａから約１．２６ＭＰａである。
また、燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗの供給温度ｔ１は、最低セル温度ｔＬ（上述の例では、７０℃以上、１７０℃以下）に設定する。
なお、加圧水タンク２２内の保有圧Ｐ０を、供給圧Ｐ１より低くかつ加圧冷却水Ｗの温度における飽和蒸気圧より高い圧力に保持するための圧力調整装置（図示せず）を設けることが好ましい。
また、加圧水タンク２２内の温度ｔ０を一定に保持するため、図示しない温度調整装置を設けることが好ましい。

加圧水ポンプ２４は、加圧水タンク２２と燃料電池１０（金属セパレータ１２の冷却水流路１１）を結ぶ加圧供給ライン２３に設けられ、加圧水タンク２２から供給される加圧冷却水Ｗを供給圧Ｐ１に加圧して燃料電池１０に供給する。
金属セパレータ１２の冷却水流路１１において、加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１は、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨ（例えば、９０℃以上、１９０℃以下）における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１（約０．１２ＭＰａから約１．３０ＭＰａ）を有する。従って、燃料電池内において加圧冷却水Ｗの沸騰を防止して液体状態を維持できる。

上述した制御装置１８は、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨを上述した範囲に制御する。この制御は、例えば加圧水ポンプ２４による加圧冷却水Ｗの流量を制御することで実施することができる。
燃料電池１０を出た加圧冷却水Ｗの排水温度ｔ２は、燃料電池１０の冷却により供給温度ｔ１より上昇し、この温度上昇により排水圧Ｐ２も供給圧Ｐ１より高くなる。

冷却器２６及び減圧装置２８は、燃料電池１０（金属セパレータ１２の冷却水流路１１）と加圧水タンク２２を結ぶ加圧排水ライン２５に設けられている。

冷却器２６は、加圧冷却水Ｗを排水温度ｔ２から加圧水タンク２２内の保有温度ｔ０まで冷却する。加圧水タンク２２内の保有温度ｔ０は、燃料電池１０に供給する供給温度ｔ１と同一であってもよい。
また冷却器２６は、この例では燃料電池１０から出た加圧冷却水Ｗを冷却しているが、燃料電池１０に供給する前の加圧冷却水Ｗを冷却するように構成してもよい。
冷却器２６は、空冷ラジエータを用いる空冷冷却器、又は冷却媒体（水）と熱交換する水冷冷却器である。

減圧装置２８は、燃料電池１０から出た加圧冷却水Ｗを、排水圧Ｐ２から加圧水タンク内の保有圧Ｐ０まで減圧する。減圧装置２８は、例えば、背圧弁、所定クラック圧を有する弁（例えば逆止弁）、減圧弁である。減圧装置２８は、加圧冷却水Ｗの排水圧Ｐ２を所定値に維持できるように減圧機能を有する弁であればよい。

図２において、ガス加湿装置３０は、燃料電池１０に供給する反応用ガス（アノードガスＡＧ１とカソードガスＣＧ１）を加湿する。以下、特に必要な場合を除き、アノードガスＡＧ１とカソードガスＣＧ１を「反応用ガス」と呼び、アノード排ガスＡＧ２とカソード排ガスＣＧ２を「反応排ガス」と呼ぶ。

ガス加湿装置３０は、反応用ガス（アノードガスＡＧ１とカソードガスＣＧ１）をそれぞれ処理するために、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂ、加熱装置３４Ａ、３４Ｂ、及び温度制御装置３６Ａ、３６Ｂを有する。

接触加湿器３２Ａ、３２Ｂは、それぞれ加湿用の加湿水Ｗ２を内部に保有し、内部で反応用ガスと加湿水Ｗ２が直接接触する。接触加湿器３２Ａ、３２Ｂは、この例では、加湿水Ｗ２を内部に保有する加湿水タンクであり、反応用ガスが加湿水内を通過する際に、反応用ガスに水分を加湿するようになっている。

接触加湿器３２Ａ、３２Ｂによる加湿手段は、この例では、加湿水内に反応用ガスを下部から供給してバブリングさせて加湿するバブリング手段である。なお本発明はこれに限定されず、充填材を充填して充填水を循環させながら下部から供給する反応用ガスを加湿する水循環手段、或いは、膜を通して反応用ガスに加湿する手段であってもよい。

加熱装置３４Ａ、３４Ｂは、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂ内の加湿水Ｗ２を燃料電池１０で加熱された加圧冷却水Ｗで加熱する。加熱装置３４Ａ、３４Ｂは、この例では、加湿水内に配置された伝熱管であり、加熱装置３４Ａ、３４Ｂによる加熱は、この例では、加圧冷却水Ｗによる間接加熱である。

温度制御装置３６Ａ、３６Ｂは、燃料電池１０に供給される反応用ガスの水分含有量が、加湿水Ｗ２の温度の飽和湿度に相当するように加湿水Ｗ２の温度を制御する。

温度制御装置３６Ａ、３６Ｂは、この例では、温度センサと、加熱水供給ライン３１Ａ、３１Ｂに設けられた流量調節弁からなる。加熱水供給ライン３１Ａ、３１Ｂは、上述した加圧排水ライン２５から分岐されている。

温度センサは、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂ内の加湿水Ｗ２の温度を検出する。流量調節弁は、加圧排水ライン２５から燃料電池１０で加熱された高温の加圧冷却水Ｗを加熱装置３４Ａ、３４Ｂ（伝熱管）に供給する。
また加熱装置３４Ａ、３４Ｂ（伝熱管）を出た加圧冷却水Ｗは、加熱水排出ライン３３Ａ、３３Ｂを介して加圧水タンク２２に戻るようになっている。

すなわち、加湿水Ｗ２の温度を制御するため、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂには加湿水Ｗ２の温度を検出する温度センサを備え、加湿水Ｗ２の温度が一定値になるように高温の加圧冷却水Ｗを供給する。
高温の加圧冷却水Ｗの供給手段は、所定流量を間欠的に供給する手段、又は流量を調整しながら連続的に供給する手段が有効である。
高温の加圧冷却水Ｗの供給を間欠的に制御するために、電動弁、電磁弁を用いるのがよい。
高温の加圧冷却水Ｗの供給を流量調節しながら連続的に行う手段として、出力可変の水ポンプを用いる手段、又は流路の開度を流量調節弁でインバータ制御する手段が有効である。
また温度センサには、熱電対を用いてアナログデータを計測するセンサ、又は所定の温度で信号を発信する温度スイッチを使用することが有効である。

図２において、接触加湿器３２Ａより上流側の原料ガス供給ライン１３には、上流側から減圧弁１３ａと遮断弁１３ｂが設けられ、原料ガスが減圧弁１３ａと遮断弁１３ｂを介して接触加湿器３２Ａに供給される。

上述した構成により、接触加湿器３２Ａの内部でアノードガスＡＧ１と加湿水Ｗ２が直接接触して、アノードガスＡＧ１に水分を加湿する。また、アノードガスＡＧ１の水蒸気含有量が、加湿水Ｗ２の温度の飽和湿度に相当するように加湿水Ｗ２の温度が制御されているので、接触加湿器３２Ａに充填する水の温度の飽和蒸気圧まで、アノードガスＡＧ１を加湿することができる。
従って、接触加湿器３２Ａから、原料ガス供給ライン１３を介して燃料電池１０に供給されるアノードガスＡＧ１は、必要量の水分を含んだ状態となる。

図２において、接触加湿器３２Ｂより上流側の空気供給ライン１４には、空気ブロア１４ａが設けられ、空気ブロア１４ａから空気（カソードガスＣＧ１）が接触加湿器３２Ｂに供給される。
上述した構成により、接触加湿器３２Ｂの内部でカソードガスＣＧ１と加湿水Ｗ２が直接接触して、カソードガスＣＧ１に水分を加湿する。また、カソードガスＣＧ１の水蒸気含有量が、加湿水Ｗ２の温度の飽和湿度に相当するように加湿水Ｗ２の温度が制御されているので、接触加湿器３２Ｂに充填する水の温度の飽和蒸気圧まで、カソードガスＣＧ１を加湿することができる。
従って、接触加湿器３２Ｂから、空気供給ライン１４を介して燃料電池１０に供給されるカソードガスＣＧ１は、必要量の水分を含んだ状態となる。

燃料電池入口の反応用ガスの相対湿度を制御する場合は、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂを出た後の熱交換器４１Ａ、４２Ａ（後述する）で加熱された反応用ガスの温度から飽和蒸気圧を計算する。次いで、加湿水Ｗ２の飽和蒸気圧の情報から相対湿度を算出し、この相対湿度を加湿水Ｗ２の飽和蒸気圧、具体的には加湿水Ｗ２の温度を制御することで制御する。

図２において、アノード排気ライン１５には、冷却器１５ａ、気水分離機１５ｂ、及び減圧弁１５ｃが設けられ、アノード排ガスＡＧ２を冷却して水分を凝縮させ、アノード排ガスＡＧ２から水分を分離し、減圧弁１５ｃを介して排気するようになっている。
この排ガス（アノード排ガスＡＧ２）は、主成分が水素と水蒸気であり、再利用することができる。
また、気水分離機１５ｂで分離された水は、上述した接触加湿器３２Ａ（又は加圧水タンク２２）に補給水として供給される。

図２において、カソード排気ライン１６には、冷却器１６ａ、気水分離機１６ｂ、及び減圧弁１６ｃが設けられ、カソード排ガスＣＧ２を冷却して水分を凝縮させ、カソード排ガスＣＧ２から水分を分離し、減圧弁１６ｃを介して排気するようになっている。
この排ガス（カソード排ガスＣＧ２）は、主成分が空気と水蒸気であり、そのまま排気することができる。
また、気水分離機１６ｂで分離された水は、上述した接触加湿器３２Ｂ（又は加圧水タンク２２）に補給水として供給される。

また後述する熱交換器４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂによる反応排ガスの冷却が不十分な場合でも、冷却器１５ａ、１６ａにより反応排ガスをさらに冷却し水分を凝縮させるので、気水分離機１５ｂ、１６ｂで効率よく水分を分離することができる。
冷却器１５ａ、１６ａは、冷水を用いて冷却するガス液熱交換器、又は雰囲気空気を用いてガスガス熱交換で冷却する手段が有効である。

図２において、本発明の燃料電池発電装置は、さらに、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂで加湿された反応用ガスを、燃料電池１０を出た反応排ガスで間接加熱する熱交換器４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂを備える。熱交換器４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂは、ガスガス熱交換器である。
すなわち、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂを出た反応用ガスと燃料電池１０を出た反応排ガスを熱交換器４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂで熱交換する。

熱交換器４１Ａ、４１Ｂは、原料ガス供給ライン１３に設けられた熱交換器４１Ａと、アノード排気ライン１５に設けられた熱交換器４１Ｂとからなり、高温のアノード排ガスＡＧ２で低温のアノードガスＡＧ１を予熱する。

熱交換器４２Ａ、４２Ｂは、燃料電池１０に近い空気供給ライン１４に設けられた熱交換器４２Ａと、燃料電池１０に近いカソード排気ライン１６に設けられた熱交換器４２Ｂとからなり、高温のカソード排ガスＣＧ２で低温のカソードガスＣＧ１を予熱する。

この例において、本発明の燃料電池発電装置は、さらに、熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備える。
熱交換器４３Ａ、４３Ｂは、接触加湿器３２Ｂより上流の空気供給ライン１４に設けられた熱交換器４３Ａと、熱交換器４２Ｂより下流のカソード排気ライン１６に設けられた熱交換器４３Ｂとからなり、高温のカソード排ガスＣＧ２で低温のカソードガスＣＧ１を予熱する。

カソードＣに供給する空気は、アノードＡに供給する原料ガスに比べて流量が大きく、接触加湿器３２Ｂで蒸発する蒸発水の量が多い。そのため接触加湿器３２Ｂの熱負荷が高い。そこで、接触加湿器３２Ｂに供給する空気（カソードガスＣＧ１）を予めカソード排ガスＣＧ２と熱交換して温度を上げることで、接触加湿器３２Ｂにおける熱負荷を軽減することが有効となる。
すなわち、上述のようにカソード排ガスＣＧ２と接触加湿器３２Ｂに供給するカソードガスＣＧ１を、熱交換器４３Ａ、４３Ｂ（ガスガス熱交換器）で熱交換することが好ましい。

上述した熱交換器４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂにより、アノードガスＡＧ１とカソードガスＣＧ１を高効率に予熱することができる。

図３は、ガス加湿装置３０の第２実施形態図である。なおこの例は、原料ガス供給ライン１３について説明しているが、空気供給ライン１４も同様である。
この例において、ガス加湿装置３０は、さらに、加熱水供給ライン３１Ａから加圧冷却水Ｗを分岐する分岐ライン３７、分岐ライン３７の流量を制御する流量制御弁３８、及び、接触加湿器３２Ａの内部に加圧冷却水Ｗをスプレイするスプレイノズル３９を有する。
この構成により、接触加湿器３２Ａ内の加湿水Ｗ２を高温の加圧冷却水Ｗで直接加熱することができる。なおこの図で４０は随伴する水滴を除去するためのエルミネータである。
その他の構成は、図２と同様である。

図３のガス加湿装置３０を用いる場合、加圧冷却水Ｗが接触加湿器３２Ａに供給されるため、加圧水タンク２２内の加圧冷却水Ｗの量が減少する。そのため、上述した気水分離機１５ｂ、１６ｂで分離した水を図示しない加圧ポンプを介して加圧水タンク２２に補給することが好ましい。

本発明の燃料電池発電方法は、上述した燃料電池１０、冷却装置２０、及びガス加湿装置３０を準備し、
（Ａ）加湿用の加湿水Ｗ２を保有する接触加湿器３２Ａ、３２Ｂの内部で反応用ガスと加湿水Ｗ２を直接接触させ、
（Ｂ）加熱装置３４Ａ、３４Ｂにより加湿水Ｗ２を燃料電池１０で加熱された加圧冷却水Ｗで加熱し、
（Ｃ）温度制御装置３６Ａ、３６Ｂにより、燃料電池１０に供給される反応用ガスの水分含有量が、加湿水の温度の飽和湿度に相当するように加湿水の温度を制御する。

上述した（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は同時に実施することが好ましい。

上述した本発明の装置及び方法によれば、運転温度ｔが８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池１０（高温型の固体高分子型燃料電池）を用いるので、従来の７０℃前後の運転温度と比較して発電性能（例えば燃料電池１０の発電効率）を高めることができる。

また、燃料電池１０に加圧冷却水Ｗを供給してこれを冷却する冷却装置２０を備える。加圧冷却水Ｗは、燃料電池内の最高セル温度ｔＨ（例えば、９０℃以上、１９０℃以下）における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１（約０．１２ＭＰａから約１．３０ＭＰａ）を有する。従って、燃料電池内において加圧冷却水Ｗの沸騰を防止して液体状態を維持できる。

従って、燃料電池１０は常に液体状態の加圧冷却水Ｗで冷却されるので、燃料電池内の温度分布を狭く制御して安定運転が可能となる。

また、本発明によれば、燃料電池１０に供給する反応用ガス（アノードガスＡＧ１とカソードガスＣＧ１）を加湿するガス加湿装置３０を備える。ガス加湿装置３０は、接触加湿器３２Ａ、３２Ｂ内の加湿水Ｗ２を燃料電池１０で加熱された加圧冷却水Ｗで加熱するので、追加の熱源が不要であり、反応用ガスを高効率に加湿することができる。

さらに、ガス加湿装置３０は、温度制御装置３６Ａ、３６Ｂにより、燃料電池１０に供給される反応用ガスの水分含有量が、加湿水Ｗ２の温度の飽和湿度に相当するように加湿水Ｗ２の温度を制御するので、反応用ガスに必要な加湿量を高精度に制御することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Ａアノード（燃料極、負極）、Ｃカソード（空気極、正極）、
Ｓセパレータ（バイポーラプレート）、Ｔ電解質膜（固体高分子膜）、
ＡＧ１アノードガス、ＡＧ２アノード排ガス、ＣＧ１カソードガス、
ＣＧ２カソード排ガス、Ｗ加圧冷却水、Ｗ２加湿水、ｔ運転温度、
ｔＨ最高セル温度、ｔＬ最低セル温度、ｔ０保有温度、
ｔ１供給温度、ｔ２排水温度、Ｐ０保有圧、Ｐ１供給圧、
Ｐ２排水圧、１膜／電極接合体、２単セル（セル）、３スタック、
１０燃料電池（高温型の固体高分子型燃料電池）、１１冷却水流路、
１２金属セパレータ、１３原料ガス供給ライン、１３ａ減圧弁、
１３ｂ遮断弁、１４空気供給ライン、１４ａ空気ブロア、
１５アノード排気ライン、１５ａ冷却器、１５ｂ気水分離機、
１５ｃ減圧弁、１６カソード排気ライン、１６ａ冷却器、
１６ｂ気水分離機、１６ｃ減圧弁、１７インバータ、１８制御装置、
２０冷却装置、２２加圧水タンク、２３加圧供給ライン、
２４加圧水ポンプ、２５加圧排水ライン、２６冷却器、
２８減圧装置、３０ガス加湿装置、
３２Ａ、３２Ｂ接触加湿器（加湿水タンク）、
３４Ａ、３４Ｂ加熱装置（伝熱管）、３６Ａ、３６Ｂ温度制御装置、
３７分岐ライン、３８流量制御弁、３９スプレイノズル、
４０エルミネータ、４１Ａ、４１Ｂ熱交換器、
４２Ａ、４２Ｂ熱交換器、４３Ａ、４３Ｂ熱交換器

Claims

運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
前記運転温度より高い前記燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有する加圧冷却水を前記燃料電池に供給してこれを冷却する閉ループの冷却装置と、
前記燃料電池に供給する反応用ガスを加湿するガス加湿装置と、を備え、
前記燃料電池に供給する前記供給圧は、前記最高セル温度に応じて、０．１２ＭＰａから１．３０ＭＰａの範囲であり、
前記ガス加湿装置は、
加湿用の加湿水を保有し、内部で前記反応用ガスと前記加湿水が直接接触する接触加湿器と、
前記加湿水を前記燃料電池で加熱された前記加圧冷却水で間接加熱する加熱装置と、
前記燃料電池に供給される反応用ガスの水分含有量が、前記加湿水の温度の飽和湿度に相当するように前記加湿水の温度を制御する温度制御装置と、を有する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
前記接触加湿器で加湿された反応用ガスを、前記燃料電池を出た反応排ガスで間接加熱する熱交換器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
前記運転温度より高い前記燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有する加圧冷却水を前記燃料電池に供給してこれを冷却する閉ループの冷却装置と、
前記燃料電池に供給する反応用ガスを加湿するガス加湿装置と、を準備し、
前記燃料電池に供給する前記供給圧は、前記最高セル温度に応じて、０．１２ＭＰａから１．３０ＭＰａの範囲であり、
加湿用の加湿水を保有する接触加湿器の内部で前記反応用ガスと前記加湿水を直接接触させ、
加熱装置により前記加湿水を前記燃料電池で加熱された前記加圧冷却水で間接加熱し、
温度制御装置により、前記燃料電池に供給される反応用ガスの水分含有量が、前記加湿水の温度の飽和湿度に相当するように前記加湿水の温度を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電方法。