JPH09266006A - 固体高分子型燃料電池発電装置、その装置の運転方法および改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起動時間が早く、負荷変動に対応できる固体
高分子型燃料電池発電装置を得る。 【解決手段】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
を改質する改質部の容積が可変の改質器２と、改質器２
から供給された改質ガスと酸化剤との電気化学反応によ
り発電する固体高分子型燃料電池１と、固体高分子型燃
料電池１で使い残した希薄な水素を純水素にし、また純
水素を高圧水素にする水素精製圧縮器３と、この水素精
製圧縮器３からの高圧水素を貯蔵するとともに水素を固
体高分子型燃料電池１に供給する高圧水素タンク４とを
備えたものである。

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、可搬電源、電気
自動車、家庭用電源やビル用電源などに用いられる固体
高分子型燃料電池発電装置、その装置の運転方法および
その装置に組み込まれた改質器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、固体高分子型燃料電池は、
対向して配置された燃料電極と酸化剤電極との間に固体
高分子電解質膜を介在させ、燃料電極に燃料を供給し酸
化剤電極に酸化剤を供給して運転される一種の発電装置
である。

【０００３】固体高分子型燃料電池は、カルノーサイク
ルの制約を受けずに高い発電効率が期待でき、排熱が利
用でき、騒音が少なく排気ガスがクリーンであるという
利点がある。また、液状の電解液を用いないので腐食し
にくく、また他のリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料
電池などに比べてはるかに高い電流密度までとれるの
で、高出力密度が得られるといった利点があり、可搬電
源、電気自動車、家庭用電源やビル用電源などとして開
発されている。

【０００４】固体高分子型燃料電池発電装置は、高い出
力密度が期待されることから、メタノール改質器と組み
合わせて、ガソリン車と同様にメタノールの給油だけで
外部からの充電の不要な電気自動車として期待されてい
る。従来の電気自動車用の固体高分子型燃料電池発電装
置のブロック図を図１５に示す。１は固体高分子型燃料
電池（以下ＰＥＦＣと略記する。）、１６は原燃料から
水素を主成分とする改質ガスに改質する改質器、１９は
改質ガスの原燃料を保存する原燃料タンク、９は原燃料
タンク１９内の原燃料を改質器１６に供給する配管、２
０はＰＥＦＣ１内に酸化剤である空気を供給し、また改
質器１６内で燃料を燃焼させるために用いられる空気を
供給する空気供給ブロワー、２１はＤＣーＡＣインバー
タ、２２は交流（ＡＣ）モータ、２３は空気供給ブロー
２０と、改質器１６、ＰＥＦＣ１とを接続する空気配
管、２４はＰＥＦＣ１から引き出された陰極出力端子配
線、２５はＰＥＦＣ１から引き出された陽極出力端子配
線、２８はＤＣーＡＣインバータ２１とＡＣモータ２２
とを接続する交流端子配線、７１はＤＣーＤＣコンバー
タ、７２はＤＣーＤＣコンバータ７１とＤＣーＡＣイン
バータ２１とを接続する陰極出力端子配線、７３はＤＣ
ーＤＣコンバータ７１とＤＣーＡＣインバータ２１とを
接続する陽極出力端子配線、７４はバッテリーパック、
７５はバッテリーパック７４とＤＣ−ＡＣインバータ２
１とを電気的に接続する配線である。

【０００５】従来の電気自動車用の固体高分子型燃料電
池発電装置は以上のように構成されていたので、ＰＥＦ
Ｃ１とバッテリーパック７４（鉛蓄電池またはＮｉーＣ
ｄ電池）との外部負荷特性（電流ー電圧特性）が大きく
異なるため、ＰＥＦＣ１の直流電圧とバッテリーパック
７４の直流電圧を整合させるために、ＤＣーＡＣインバ
ータ２１に比べて容積が大きく、重量の重いＤＣーＤＣ
コンバータ７１を自動車に搭載する必要があった。ま
た、負荷変動をバッテリーパック７４で吸収してＰＥＦ
Ｃ１の負荷を一定にするために、大きなバッテリーパッ
ク７４を搭載する必要があった。例えば、２００ｋｍの
充電走行距離を満足させるためには、ＮｉーＣｄ電池で
は５００ｋｇ、鉛蓄電池では８４０ｋｇにもなるバッテ
リーパック７４を搭載する必要があった。 この他、固
体高分子型燃料電池発電装置を用いた可搬電源、家庭用
電源やビル用電源についてもやはり、負荷変動に対応す
るためには、ＤＣーＤＣコンバータ７１とバッテリーパ
ック７４とを備える必要があった。

【０００６】ＰＥＦＣ１の負荷を一定にする必要がある
のは、改質能力の増加に伴う改質熱の供給と改質器１６
の昇温に時間がかかるために、改質器１６の改質能力を
負荷変動に応じて直ぐに変更することが困難であるため
である。従来のメタノール改質器として、特開平１ー１
２２９０２号公報に開示されている。また、コンパクト
化を図るために積層型の改質器が開発されており、積層
型のメタノール改質器については、例えば本出願人によ
って出願された特開平５ー３１９８０１号公報に開示さ
れており、積層型のメタン改質器については、特開昭６
２ー１６０１３４号公報に開示されている。

【０００７】なお、特開平１−１２２９０２号公報に記
載の改質器は、触媒を充填した改質反応管を本体底部で
折り返された二重構造に形成し、原料ガスの入口側とな
る一方の側を比較的高温で運転する高温部とし、また改
質ガスの出口側となる他方の側を比較的低温で運転する
低温部として構成した点を特徴とするものである。

【０００８】また、特開平５−３１９８０１号公報に記
載された改質器は、メタノール改質触媒からなる改質セ
ルを改質セル用ガス分離板内に有する改質セルユニット
と、酸化触媒を有する加熱セルを一対の加熱セル用ガス
分離板で挟みつけた加熱セルユニットとを複数積層して
積層体を形成したものである。

【０００９】また、特開昭６２−１６０１３４号公報に
記載された改質器は、改質室と燃焼室とを隔壁を介して
交互に積み重ね、上記改質室に水蒸気と炭化水素燃料を
供給するための供給路を設けるとともに改質されて得ら
れた水素、炭酸ガスを取り出すための排出流路を設け、
かつ燃焼室に燃料と空気を供給するための供給流路を独
立して設けるとともに、燃焼後の排ガスを排出するため
の排出流路を設け、更に燃料と空気とを燃焼用触媒を挟
むように導くように構成して、空気側のみを排ガス排出
流路に連通させたものである。

【００１０】図１６は本出願人によって出願された特開
平５ー３１９８０１号公報に開示された積層型改質器と
類似したものであり、改質セルユニットと触媒燃焼器で
ある加熱セルユニット（構造が簡単であるため省略し
た。）とを交互に積層した積層型改質器の側面図であ
る。４８は改質ガスの出口配管、４９は加熱セルユニッ
トを介して積層されている改質セルユニット、５２は改
質セルユニット４９の上流側に設けられた原燃料の供給
用内部マニホールド、５４は改質セルユニット４９の下
流側に設けられた原燃料の排出用内部マニホールド、５
６は供給用内部マニホールド５２に接続されている原燃
料の供給配管である。原燃料は供給配管５６から各改質
セルユニット４９に並列に流れるように供給されてい
る。即ち、原燃料は改質器全体に同時に供給されている
ので、改質器全体が改質可能な温度にまで昇温されるま
では、改質を開始することはできなかった。他の従来の
改質器もやはり同様に改質器全体が改質可能な温度にま
で昇温されるまで、改質を開始することはできず、燃料
電池発電装置の起動に時間がかかっていた。また、改質
能力を短い時間で変化させることが困難であるので、Ｐ
ＥＦＣ１の出力を極力一定に保ち、改質能力を一定にす
る必要があった。

【００１１】図１７（Ａ）は従来の電気自動車用の固体
高分子型燃料電池発電装置でのモーター出力の時間変
化、図１７（Ｂ）は改質器出力（改質能力）およびＰＥ
ＦＣ出力の時間変化、図１７（Ｃ）はバッテリー出力の
時間変化のシミュレーション結果を示す図である。負荷
変動に対してバッテリーの充放電で対応しており、改質
器出力（改質能力）およびＰＥＦＣ出力は一定になって
いる。なお、種類にもよるが、多くのバッテリーは、所
定の電力値を超えての充電はバッテリーを破損してしま
い、短時間での充電が難しく、およそ８時間かかって満
充電するものがほとんどであり、所定の電力値を超えて
充電できない電力は何等かの方式（抵抗体による発熱な
ど）で捨てて充電する必要がある。

【００１２】図１８（Ａ）はさらに負荷変動の大きい場
合の従来の電気自動車用の固体高分子型燃料電池発電装
置でのモーター出力の時間変化、図１８（Ｂ）は改質器
出力（改質能力）およびＰＥＦＣ出力の時間変化、図１
８（Ｃ）はバッテリー出力の時間変化のシミュレーショ
ン結果を示す図である。この場合でも、負荷変動に対し
てはバッテリーの充放電で対応しているが、改質器出力
（改質能力）およびＰＥＦＣ出力は一定になっている。
負荷変動の大きい分だけバッテリーの放電が大きくなっ
ており、それだけ放電電力の大きなバッテリーパックが
必要になる。

【００１３】重量の大きいＤＣーＤＣコンバータ７１と
バッテリーパック７４とを省略するための方法として、
本出願人は特開平５ー１３０９４号公報で、純水素生成
器と、この純水素生成器によって生成された純水素ガス
を蓄える純水素貯蔵部とを備えた燃料電池発電装置を開
示している。この燃料電池発電装置と類似の電気自動車
用の固体高分子型燃料電池発電装置の構成図を図１９に
示す。ＰＥＦＣ１には、純水素を主成分とする改質ガス
用配管１０を通じて改質器１６からの改質ガスが供給さ
れ、また純水素用配管６を通じて高圧水素タンク４から
の純水素が供給され、さらに空気用配管（図示せず）か
ら空気が供給され、ＰＥＦＣ１では室温から８０℃程度
の温度で発電する。改質器１６の反応としては、配管９
を通じて改質器１６に供給される原燃料と、ＰＥＦＣ１
からの生成水が改質器１６に供給される水蒸気とを原料
とし、その原料に熱を与えて（吸熱反応）水素と二酸化
炭素に改質する水蒸気改質法が一般的であるが、原燃料
によって反応温度が異なり、原燃料がメタノールの場合
２００〜３００℃、メタン、エタノールなどでは６００
℃〜８００℃程度の反応温度が必要である。

【００１４】ＰＥＦＣ１と改質器１６との間に設けられ
た水素精製圧縮器３は、ＰＥＦＣ１で使い残した希薄な
水素を純水素に変換する水素精製部と、純水素を昇圧し
て高圧純水素にする水素圧縮部とを備えたものである。
水素精製部としてはＰｄ薄膜などの水素選択透過膜を用
いたもの、水素圧縮部としては、水素圧縮ポンプが一般
的に用いられる。そして、ＰＥＦＣ１の燃料排ガス中の
残存水素は、水素精製圧縮器３で高圧水素に置き換えら
れ、配管１２を通じて高圧水素タンク４に貯蔵され、必
要に応じてＰＥＦＣ１に配管６を通じて供給される。高
圧水素タンク４は日本では鉄製で１５０気圧程度のシリ
ンダー状の圧力容器が一般的であるが、カナダなどで
は、グラスファイバー、プラスチック、アルミニウムな
どを用いた軽量の２００気圧以上のシリンダー状の圧力
容器がＰＥＦＣを搭載した電気バスなどに用いられてい
る。なお、この構成図では、逆止弁、電磁弁、ポンプ類
などを簡単のために全て省略している。

【００１５】図２０は図１９の固体高分子型燃料電池発
電装置における外部負荷変動（図１７（Ａ）のモーター
出力）に対する出力の時間変化についてのシミュレーシ
ョン結果であり、図２０（Ａ）はＰＥＦＣ１の出力の時
間変化を示し、図１７（Ｃ）のバッテリー出力の放電に
相当する部分は、図２０（Ｃ）から分かるように高圧水
素タンク４から純水素用配管６を介してＰＥＦＣ１への
純水素供給によって賄われ、ＰＥＦＣ１の出力はその分
上昇している。また、図１７（Ｃ）のバッテリー出力の
充電に相当する部分は、水素精製圧縮器３から配管１２
を介して高圧水素タンク４へ送られる高圧水素の貯蔵に
充てられ、図２０（Ｂ）から分かるように外部負荷変動
に対してバッテリー出力を全く得ることなく改質器出力
が一定になっている。即ち、バッテリーパック７４が不
要となり、ＰＥＦＣ１の直流電圧とバッテリーパック７
４の直流電圧とを整合するためのＤＣーＤＣコンバータ
７１も不要となり、ＤＣ−ＤＣコンバータ７１とバッテ
リーパック７４を省略した形で外部負荷に応答すること
ができる。

【００１６】しかし、図１８（Ａ）に示すようなさらに
負荷変動が大きくなった場合は、高圧水素タンク４から
ＰＥＦＣ１への純水素放出が過剰になって、高圧水素タ
ンク４内の高圧純水素が空になり、負荷変動に応答でき
なくなる虞れがある。また、高圧水素タンク４を大きく
すると重量および容積が大きくなり、ＤＣーＤＣコンバ
ータ７１とバッテリーパック７４とを省略することによ
って得られたコンパクト性が失われるという問題点があ
った。さらに、図１９に示す電気自動車用の固体高分子
型燃料電池発電装置では、電気自動車の起動時において
は、運転初期に高圧水素タンク４からの純水素の供給だ
けで運転したとしても、やはり改質器１６が改質可能な
温度に達するまでに例えば１０ｋＷ〜２０ｋＷ級レベル
の改質器１６では２０分程度の時間がかかり、改質器１
６の出力レベルが上昇すれば上昇するほど、改質器１６
から配管１０を通じてＰＥＦＣ１に供給される改質ガス
を用いての燃料電池発電装置の起動に至るまでに時間が
かかっていた。ガソリン車ではキーオンとともにスター
トでき、１０分以内に目的地に到着してキーオフするこ
とも多いので、改質器１６の起動までに２０分もかかる
装置は消費者に受け入れられず、固体高分子型燃料電池
発電装置を搭載した電気自動車用の普及の妨げの一つに
なっていた。このような問題点は、電気自動車用の固体
高分子型燃料電池発電装置に限らず可搬電源、家庭用電
源やビル用電源などの固体高分子型燃料電池発電装置で
も共通した問題点でもあった。

【００１７】また、この他にも、冬期などで０℃以下の
気温になると固体高分子型燃料電池発電装置内では水系
を含んでいるので、水が凍ってしまい配管やＰＥＦＣ１
を損傷する恐れもあった。この問題点は、特に外で放置
されることの多い電気自動車や可搬電源においては大き
な問題点であった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
固体高分子型燃料電池発電装置では、改質器の起動まで
に時間がかかりすぎ、外部負荷に対する燃料電池発電装
置の応答性が充分ではなく、また冬期には水が凍ってし
まい配管やＰＥＦＣが損傷する虞れがあるといった問題
点があった。

【００１９】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題とするものであって、起動が早く、また負
荷変動に対応することができる固体高分子型燃料電池発
電装置、その運転方法および改質器を得ることを目的と
する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明の固体高分子型
燃料電池発電装置は、原燃料から水素を主成分とする改
質ガスに改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改
質器と、燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解
質膜が介在されているとともに、前記改質器から供給さ
れた改質ガスと酸化剤との電気化学反応により発電する
固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池で
使い残した希薄な水素を純水素にする水素精製部、およ
び純水素を高圧水素にする水素圧縮部とを有する水素精
製圧縮器と、この水素精製圧縮器からの高圧水素を貯蔵
するとともに水素を前記固体高分子型燃料電池に供給す
る水素貯蔵・供給装置とを備えたものである。

【００２１】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の運転方法は、起動時に水素貯蔵・供給装置から
の水素を固体高分子型燃料電池に供給して発電させる工
程と、固体高分子型燃料電池で使い残した水素を改質器
に供給して、燃焼により改質器の改質部を加熱し、改質
部の一部分を改質可能な温度にまで昇温させる工程と、
この改質可能な改質可能部に原燃料を供給して改質され
た改質ガスを固体高分子型燃料電池に供給すると共に、
固体高分子型燃料電池で使い残した、水素、改質ガスお
よび酸化剤を改質可能部よりも拡大した非改質部の部分
まで供給することにより、順次改質部の改質可能な部分
を増加し、改質能力を拡大する工程とを備えたものであ
る。

【００２２】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の運転方法は、外部負荷の増加時に水素貯蔵・供
給装置から水素を固体高分子型燃料電池に供給して負荷
電流を上昇させて発電量を増加させて外部負荷の増加に
対応させると共に、固体高分子型燃料電池で使い残し
た、水素、改質ガスおよび酸化剤を改質器の非改質部に
供給して、燃焼により改質器の非改質部を加熱し、改質
可能な温度にまで昇温して改質能力を拡大する工程を備
えたものである。

【００２３】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の運転方法は、外部負荷の減少時に改質器の改質
可能部の容積を減少させ改質能力を縮小するものであ
る。

【００２４】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の運転方法は、外部負荷の減少時に、固体高分子
型燃料電池の余った電力を水素精製圧縮器に供給して、
水素精製圧縮器で高圧水素を生成し、この高圧水素を水
素貯蔵・供給装置に貯蔵すると共に改質器の改質可能部
の容積を減少させ改質能力を縮小するものである。

【００２５】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の運転方法は、外部負荷が無くなった後も電力を
水素精製圧縮器に供給して、水素精製圧縮器で高圧水素
を生成し、この高圧水素を水素貯蔵・供給装置が所定の
圧力になるまで供給した後運転を停止するものである。

【００２６】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の運転方法は、装置周辺の温度が所定の温度近く
にまで下がった場合に、水素貯蔵・供給装置から水素を
固体高分子型燃料電池に供給して発電を行って空気ブロ
ワーを駆動させて空気を改質器に供給させて、この改質
器で固体高分子型燃料電池で使い残した水素を燃焼さ
せ、この燃焼熱により固体高分子型燃料電池、改質器を
保温するものである。

【００２７】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素貯蔵・供給装置が、高圧水素タンクから
なるものである。

【００２８】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素貯蔵・供給装置が、水素吸蔵合金タンク
と、この水素吸蔵合金タンクの温度を制御する温度制御
手段とを備えたものである。

【００２９】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素精製部がリン酸を電解質とする電気化学
素子を有しているものである。

【００３０】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素精製部が改質器に近接して設けられ、改
質器の熱が水素精製部に伝達させるようにしたものであ
る。

【００３１】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素精製部が固体高分子電解質膜を用いた電
気化学素子を有しており、水素精製部が固体高分子型燃
料電池に近接されて、固体高分子型燃料電池の熱が水素
精製部に伝達させるようになっているものである。

【００３２】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素精製部が水素圧縮部と直結させているも
のである。

【００３３】また、この発明の固体高分子型燃料電池発
電装置は、水素圧縮部が固体高分子電解質膜を用いた電
気化学素子を有しているものである。

【００３４】また、この発明の改質器は、複数の改質
室、各改質室に配設されたバーナーおよび燃焼室を有
し、原燃料から水素を主成分とする改質ガスを各改質室
内で生成する改質部を備え、改質室に原燃料を選択して
供給し、改質可能部の容積を変えて改質能力を可変とす
るようになっているものである。

【００３５】また、この発明の改質器は、原燃料から水
素を主成分とする改質ガスに改質する改質セルユニット
と、この改質セルユニットと交互に積層され改質セルユ
ニットを加熱するための加熱セルユニットと、各改質セ
ルユニットへの原燃料の供給を積層方向で可変とする原
燃料供給可変手段と、各加熱セルユニットへの燃焼ガス
の供給を積層方向で可変とする燃焼ガス供給可変手段と
を備え、改質可能な改質セルユニットの枚数を調節し
て、改質可能部の容積を変えて改質能力を可変とするよ
うになっているものである。

【００３６】また、この発明の改質器は、原燃料供給可
変手段が、原燃料の内部マニホールドに積層方向に挿入
可能な原燃料用挿入棒であり、燃焼ガス供給可変手段
が、燃焼ガスの内部マニホールドに積層方向に挿入可能
な燃焼ガス用挿入棒であるものである。

【００３７】また、この発明の改質器は、原燃料供給可
変手段が、原燃料の内部マニホールドに回転可能に設け
られ、内部に原燃料供給路が形成されているとともに側
面に複数の原燃料供給穴が形成された原燃料用回転棒で
あり、回転による原燃料供給穴の位置の変化によって改
質セルユニットへの原燃料の供給を積層方向で変化させ
るようになっており、また燃焼ガス供給可変手段が、燃
焼ガスの内部マニホールドに回転可能に設けられ、内部
に燃焼ガス供給路が形成されているとともに側面に複数
の燃焼ガス供給穴が形成された燃焼ガス用回転棒であ
り、回転による燃焼ガス供給穴の位置の変化によって加
熱セルユニットへの燃焼ガスの供給を積層方向で変化さ
せるようになっているものである。

【００３８】また、この発明の改質器は、運転当初に原
燃料が供給される改質セルユニットの容積が他の改質セ
ルユニットの容積よりも小さく改質能力が低くなってお
り、また運転当初に燃焼ガスが供給される加熱セルユニ
ットの容積が他の加熱セルユニットの容積よりも小さく
燃焼能力が低くなっているものである。

【００３９】また、この発明の改質器は、各改質セルユ
ニットには改質セルユニット内の温度を測定する温度セ
ンサを設けたものである。

【００４０】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の実施の形態を図につい
て説明する。図１はこの発明の固体高分子型燃料電池発
電装置の構成図である。なお、固体高分子型燃料電池発
電装置の出力規模としては１０ｋＷ〜２０ｋＷ程度を想
定している。１は燃料電極と酸化電極との間に固体高分
子電解質膜が介在されているとともに改質ガスと酸化剤
との電気化学反応により発電する固体高分子型燃料電池
（以下、ＰＥＦＣと略称する。）、２は原燃料から水素
を主成分とする改質ガスに改質する改質部の改質可能部
の容積が可変の改質器、３は希薄な水素を純水素にする
水素精製部と、純水素を高圧水素にする水素圧縮部とを
有する水素精製圧縮器、４は高圧水素タンクである。こ
の実施の形態では、純水素貯蔵・供給装置として高圧水
素タンク４を用いている。５は高圧水素タンク４が空に
なった場合や高圧水素タンク４内の圧力が不十分な場合
などに、外部から高圧純水素を高圧水素タンク４内に充
填するための配管である。６は高圧水素タンク４からＰ
ＥＦＣ１に純水素を供給するための純水素用配管、７は
ＰＥＦＣ１の燃料排ガスの出口配管で、ＰＥＦＣ１と水
素精製圧縮器３とを接続している。８は水素精製圧縮器
３と改質器２とを接続する配管で、水素精製圧縮器３が
動作していない場合は、ＰＥＦＣ１の燃料排ガスがその
まま改質器２へ流れるようになっている。９は改質する
原燃料を改質器２に供給する配管で、原燃料としては、
メタノール、エタノール、メタン、天然ガス、都市ガ
ス、プロパン、ガソリンなどが用いられる。１０は改質
された改質ガスをＰＥＦＣ１に供給する配管である。１
１は改質器２を燃焼によって加熱するために改質器２に
供給された燃料および空気（図示せず）の排ガス用の配
管である。１２は水素精製圧縮器３で精製、圧縮された
高圧純水素を高圧水素タンク４に供給する配管である。

【００４１】次に、本発明の固体高分子型燃料電池発電
装置の運転方法の一形態である起動方法について、図１
の装置構成図を用いて説明する。起動時には、高圧水素
タンク４から純水素を配管６を通じてＰＥＦＣ１に供給
して、ＰＥＦＣ１を発電させると共に、ＰＥＦＣ１で使
い残した燃料排ガスである純水素を配管７、８を介して
改質器２に供給する。燃焼による改質器２の加熱として
は、ＰＥＦＣ１の燃料排ガスを触媒燃焼により燃焼して
昇温したときには、バーナ燃焼による燃焼熱によって改
質器を昇温した場合と比べて、燃料排ガスを燃焼させる
ためのバーナーなどの機構が不要になり、改質器２およ
び燃料電池発電装置の構成が簡単になる。また、従来、
改質器２の起動時に改質器２の昇温のために改質原料で
ある原燃料を燃焼させた場合、例えばメタノールを原燃
料として用いたときには多量のＮＯｘが排出されるホル
ムアルデヒドが改質器２から排出されるなどの問題点が
あったが、ＰＥＦＣ１からの純水素を用いて改質器２を
昇温する本発明の起動方法では、改質器２からは水（水
蒸気）がほとんど排出され、対環境性に優れていること
は明らかである。さらに、本発明の固体高分子型燃料電
池発電装置の起動方法では、起動時にはＰＥＦＣ１には
純水素しか供給されず、ＰＥＦＣ１の低温動作で問題に
なる一酸化炭素（ＣＯ）を一切含まないので、ＰＥＦＣ
１が低温である室温であっても高電流密度で発電装置を
動作させることが可能である。即ち、本発明の起動方法
では、ＰＥＦＣ１を発電させながら室温から通常の動作
温度である８０℃まで昇温することができる。次に、純
水素の燃焼により改質可能な温度にまで昇温された改質
器２の改質可能部に改質原料である原燃料を供給して改
質し、改質ガスをＰＥＦＣ１に供給すると共に、ＰＥＦ
Ｃ１で使い残した純水素および改質ガスを改質器２の一
部分よりも拡大した改質器２の部分にまで供給すること
により、順次改質器２の改質可能部の容積を増加し、改
質能力を拡大するようにしたものである。改質部の改質
可能部の容積が可変の改質器の構造については後述す
る。

【００４２】この実施の形態では、固体高分子型燃料電
池発電装置の起動時間が従来例に比べて極めて早くなる
効果がある。この効果を図２を用いて説明する。図２
（Ａ）は固体高分子型燃料電池発電装置を電気自動車に
搭載した場合の起動時のモーター出力およびＰＥＦＣ出
力の時間変化（分）、図２（Ｂ）は改質器出力（改質能
力）の時間変化（分）、および図２（Ｃ）は高圧水素タ
ンクの動作の時間変化（分）を示したものである。従来
は、改質器が改質可能な温度になるまで原燃料をバーナ
燃焼または触媒燃焼により燃焼し続ける必要があり、そ
の時間も約２０分程度を要していた。従って、電気自動
車では、２０分も待ってから乗る必要があった。しか
し、この実施の形態では、それぞれの構成要素の性能を
基にしたシミュレーションによる検討を行なった結果、
図２（Ｂ）から分かるように僅か１分で改質器２は改質
が可能になり、３分後には改質器２の１００％稼働が可
能になることが分かった。また、図２（Ａ）、（Ｃ）か
ら分かるように、１５秒後には、高圧水素タンク４から
の高圧純水素を用いたＰＥＦＣ１の室温での発電が開始
され、４５秒後にはＰＥＦＣ１出力が１００％であり、
８０℃の動作温度にまで達している。従って、電気自動
車でもバッテリーを用いなくても一分以内で発車できる
ことが明らかになった。これは、電気自動車ではもちろ
ん、可搬電源、家庭用電源やビル用電源などでも極めて
大きな効果である。

【００４３】実施の形態２．本発明の固体高分子型燃料
電池発電装置の運転方法についても、同じく図１の装置
構成図を用いて説明する。本発明の固体高分子型燃料電
池発電装置の運転方法は、外部負荷の増加時に高圧水素
タンク４から純水素を放出して固体高分子型燃料電池の
負荷電流を上昇させ、発電量を増加して外部負荷の増加
に対応させると共に、固体高分子型燃料電池で使い残し
た純水素および改質ガスを改質器２の非改質部に供給し
て、触媒燃焼またはバーナ燃焼により改質器２の非改質
部を加熱し、改質可能な温度にまで昇温して改質可能部
の容積を増大させて改質能力を拡大するようにしたもの
である。また、外部負荷の減少時には改質器２の改質可
能部の容積を減少させ、改質能力を縮小するようにした
ものである。さらに外部負荷の減少時に、ＰＥＦＣ１で
余った電力を水素精製部および水素圧縮部からなる水素
精製圧縮器３に供給して高圧水素タンク４に純水素を貯
蔵すると共に改質器２の改質可能部の容積を減少させ改
質能力を縮小するようにしたものである。

【００４４】図３は上記実施の形態についての装置構成
を示したブロック図で、２６は水素精製圧縮器３とＤＣ
−ＡＣインバータ２１とを接続する陰極出力端子配線、
２７は水素精製圧縮器３への陽極出力端子配線である。
従来例では、負荷変動を吸収するために電力量の大きな
バッテリーパック７４が必要であったが、この実施の形
態では不要である。また、バッテリーパック７４とＰＥ
ＦＣ１との直流電圧レベルを揃えるために必要であった
ＤＣーＤＣコンバータ７１も不要である。大きなバッテ
リーパック７４とＤＣーＤＣコンバータ７１とは重量が
大きいだけではなく、容積も大きいので、燃料電池を搭
載した電気自動車の重量と容積を大きくして、電気自動
車の性能を低下させる原因になっていたので、大きなバ
ッテリーパック７４とＤＣーＤＣコンバータ７１が省略
できることは極めて大きな効果である。

【００４５】上記実施の形態についてシミュレーション
による負荷変動の検討を行なった結果を図４に示す。図
４ではもモータ出力は従来例の図１８（Ａ）と同じであ
るとしている。図４（Ａ）はＰＥＦＣ出力の時間変化
（分）、図４（Ｂ）は改質器出力（改質能力）の時間変
化、図４（Ｃ）は高圧水素タンクからの水素放出の時間
変化および水素精製圧縮器での水素貯蔵の時間変化を示
している。改質器出力は、図４（Ｂ）から分かるように
出力レベル１００の一定ではなく、出力レベル２００ま
で増大している。これは、ＰＥＦＣ１で使い残した純水
素および改質ガスを改質器２の非改質部に供給して、触
媒燃焼により改質器２の非改質部を加熱し、改質可能な
温度にまで昇温して改質可能部の容積を大ききして改質
能力を徐々に拡大して出力レベル２００まで増大したた
めである。この改質能力の増大によって、高圧水素タン
ク４からの水素放出量を抑えるとともに、定常的な負荷
上昇にも対応できる。また、高圧水素タンク４からの水
素放出量が抑えられるとともに水素精製圧縮器３で生成
された高圧水素が配管１２を通じて高圧水素タンク４に
供給され、高圧水素タンク４内では純水素満充填が短時
間で行われ、次の外部負荷の増大にいちはやく備えるこ
とができる。即ち、外部負荷の変動に対する追従性がよ
り向上する。さらに、高圧水素タンク４からの水素放出
と水素精製圧縮器３から高圧水素タンク４への水素貯蔵
を別々に制御しており、外部負荷電流の増加値と改質器
出力（原燃料消費量）とから高圧水素タンク４からＰＥ
ＦＣ１への純水素供給量を自動的に演算して、高圧水素
タンク４からの純水素放出量を制御し、また時間変化の
早い外部負荷電流の減少値から水素精製圧縮器３での水
素貯蔵量を制御、即ち余分の電力を水素精製圧縮器３で
の電力消費に回している。このように、高圧水素タンク
４からの純水素放出と水素精製圧縮器３での純水素貯蔵
を別々に制御することにより、外部負荷の秒単位の早い
変化にも追従することができる。

【００４６】実施の形態３．本発明の固体高分子型燃料
電池発電装置の運転方法の一形態である停止方法は、外
部負荷が無くなった後もＰＥＦＣ１の発生電力を水素精
製部および水素圧縮部からなる水素精製圧縮器３に供給
し、水素精製圧縮器３で生成された高圧水素を高圧水素
タンク４内に所定の圧力になるまで配管１２を介して供
給した後運転を停止するようにしたものである。この実
施の形態例でのシミュレーションによる検討では、１０
リットルの高圧水素タンク４を電気自動車に搭載した場
合、高圧水素タンク４が空の状態から１５０気圧になる
まで水素を充填を続けるのにおよそ３０分程度ＰＥＦＣ
１の発電を続ける必要性があることが分かった。しか
し、この停止方法を採用することによって、燃料電池発
電装置の始動時に高圧水素タンク４からの純水素の供給
でフル出力での運転が可能になるので効果が大きい。ま
た、電気自動車の停止後一定時間発電を続けることにな
るので、この期間に再始動するような場合には、改質器
２の能力も充分にあり、直ちに電気自動車の起動運転す
ることが可能になる。

【００４７】実施の形態４．本発明の固体高分子型燃料
電池発電装置の運転方法の一形態である保温方法は、装
置周辺の温度が０℃近くにまで下がった場合に、高圧水
素タンク４から少量の純水素を放出して、ＰＥＦＣ１で
小量の発電を行なって空気ブロワー２０を駆動させると
共に、改質器２の加熱ユニットでＰＥＦＣ１で使い残し
た純水素を触媒燃焼させることにより、保温が必要な箇
所を保温するようにしたものである。この実施の形態を
図１を用いて説明する。図１には示していないが、装置
周辺の温度を熱電対でモニターし、０℃近く（この実施
の形態では２℃）にまで達したのを検知して、高圧水素
タンク４から小量の純水素を配管６を介して、ＰＥＦＣ
１に供給し、ＰＥＦＣ１で小量の発電を行ない空気供給
ブロワー２０を駆動させる。また、ＰＥＦＣ１で使い残
した純水素を改質部容積可変の改質器２に配管７、８を
介して供給し、改質器２の加熱ユニットで触媒燃焼さ
せ、その燃焼熱で保温の必要なＰＥＦＣ１、改質器２、
水素精製圧縮器３および各配管を保温することができ
る。この時、改質器２の改質能力は最低レベルに保持さ
れる。

【００４８】実施の形態５．本発明の固体高分子型燃料
電池発電装置の実施例は、水素貯蔵・供給装置として水
素吸蔵合金タンクおよび水素吸蔵合金タンクの温度制御
手段を用いたものである。この装置の構成を図５に示
す。３８は、水素吸蔵合金タンク、３９は温度制御用の
水配管、４０は温水タンク、４１は冷水タンクである。
水素吸蔵合金は加温と減圧によって水素を放出し、冷却
と加圧によって水素を吸蔵する性質を持っている。従っ
て、図１の高圧水素タンク４の場合と異なって、水素の
放出時に加温、水素の吸蔵時に冷却する必要がある。こ
の実施例では水素吸蔵合金タンク３８に水配管３９を介
して温水タンク４０が接続され、水素吸蔵合金タンク３
８に水配管３９を介して冷却タンク４１が接続されてい
る。温水タンク４０は、ＰＥＦＣ１のセルを冷却する冷
却水との熱交換により加熱される。また、冷水タンク４
１の冷却には、車のラジエータ（放熱器）を用いること
ができる。図１に示した高圧水素タンク４の場合と比べ
てタンク、配管等の部材が増えるが、水素精製圧縮器３
で昇圧する圧力を数気圧にまで下げることができ、容積
密度を高圧水素タンクの場合よりも高めることができ
る。

【００４９】高圧水素タンク４の代わりに水素吸蔵合金
タンク３８および水素吸蔵合金タンク３８の温度制御手
段（温水タンク４０、冷水タンク４１）を備えた図５の
固体高分子型燃料電池発電装置についても、本発明の固
体高分子型燃料電池発電装置の起動方法、運転方法、停
止方法および保温方法として適用することができる。

【００５０】実施の形態６．図６は水素精製圧縮器３の
ブロック図で、３３はＰｄ薄膜からなる水素精製部、３
４は中圧水素圧縮部、３５は高圧水素圧縮部で、中圧水
素圧縮部３４、高圧水素圧縮部３５で常圧から１５０気
圧まで昇圧できる。

【００５１】この実施の形態では、図６の水素精製部３
３についての試験を行ない、水素精製部３３をＰｄ薄膜
による膜分離方式からリン酸を電解質とする電気化学素
子を用いた構成とした。図７は水素精製部の断面図であ
り、６１は燃料極、６２はリン酸を電解質とする電解質
マトリックス、６３は酸化剤電極、６４は通路６４ａを
有するアノード側セパレータ、６５は通路６５ａを有す
るカソード側セパレータ、６６はアノード側ヒータ板、
６７はカソード側ヒータ板である。

【００５２】この水素精製部３３は、有効面積１００ｃ
ｍ²のリン酸燃料電池の単セルで構成されており、アノ
ード側セパレータ６４の通路６４ａに純水素分圧が０．
１気圧で、ＣＯを１００ｐｐｍ含み、残りが二酸化炭素
からなる混合ガスを供給し、酸化剤極６３側に純水素を
発生させるように、酸化剤極６３と燃料極６１との間に
直流電圧をかけて、直流電圧値、電流値、および発生純
水素量を調べた。動作温度はヒーター板６６、６７で加
熱して１５０℃とした。わずかな直流電圧値で純水素が
発生し、直流電圧値と電流値とはほぼ直線関係にあっ
て、その傾きはほぼこのリン酸を電解質とする電気化学
素子の内部抵抗値に等しいことが分かった。このことか
らリン酸を電解質とする電気化学素子では、純水素の酸
化還元に対しての反応過電圧が充分小さく、効率よく純
水素を分圧の低い状態から純水素へ変換できることが明
らかになった。リン酸を電解質とする電気化学素子を用
いた場合、動作温度が高いのでＣＯ濃度が高くてもＣＯ
被毒を受けにくい利点もある。

【００５３】実施の形態７．図８は水素精製部３３を改
質器２に近接させた構成を示すものであり、改質器２の
熱は水素精製部３３に伝達されるようになっている。こ
の構成で運転したところ、ヒーター板６６、６７を通電
することなく、水素精製部３３は実際には１５０℃前後
の動作温度を保つことができた。動作温度が低くなると
リン酸を電解質とする電気化学素子では内部抵抗が著し
く増大するので、純水素を精製するために必要な直流電
圧値が増大し効率の低下を招くことになる。しかし、１
５０℃前後の動作温度を保つためにヒーター板６６で加
熱すればヒーター板の電力消費を招くことになる。ＰＥ
ＦＣ１の動作温度は８０℃程度でリン酸を電解質とする
電気化学素子には低過ぎるが、改質器２の反応温度は最
も低いメタノール改質器の場合でも２００〜３００℃あ
るので、水素精製部３３を改質器２に近接させ、改質器
２からの排熱を利用するだけで１９０℃前後の水素精製
部３３の動作温度を保つことが可能である。

【００５４】実施の形態８．次に、リン酸を電解質とす
る水素精製部３３の代わりに、固体高分子電解質膜を用
いた水素精製部３３の性能を８０℃で調べた。その結
果、リン酸を電解質とする水素精製部３３と同程度の直
流電圧値で効率良く純水素を分圧の低い状態から純水素
へ変換できることが明らかになった。そこで、固体高分
子電解質膜を用いた水素精製部３３をＰＥＦＣ１に近接
させて動作させたところ、ヒーター板６６、６７で加熱
する６０℃の動作温度が保たれ、８０℃で動作させた場
合とほぼ同程度の純水素精製効率が得られた。

【００５５】実施の形態９．さらに、固体高分子電解質
膜を用いた水素精製部３３を固体高分子電解質膜を用い
た水素圧縮部３４、３５に連結させて、水素精製部から
水素圧縮部への配管３６を無くして装置を構成し、水素
精製および水素圧縮性能を調べた。その結果、水素精製
および水素圧縮性能は実施の形態１０の場合と同程度に
保たれ、しかも配管３６、３７が省略されること、水素
精製部３３および水素圧縮部３４、３５への電気配線が
独立して必要だったのが、１系統に簡略化され、装置が
大幅に簡略化されることが分かった。

【００５６】実施の形態１０．本発明の固体高分子型燃
料電池発電装置の他の実施の形態は、水素圧縮部に固体
高分子電解質膜を用いた電気化学素子を用いたもので、
水素昇圧ポンプを用いるよりも少ない電力で高圧純水素
を得ることができる。固体高分子電解質膜を用いた電気
化学素子で、少ない電力で純水素を昇圧できることは、
本出願人が出願して公開された特開平５ー２４２８５０
号公報に詳細に記述されている。

【００５７】この公報には、プロトン導電性膜の両側に
触媒を担持したガス拡散電極を配置してなる電池にイオ
ン化可能なガスを投入し両電極に所定の電位を与えるこ
とにより、ガスが一方の電極上でイオン化してプロテン
導電性膜をイオンとして移動し他方の電極上でガスに戻
ることにより、他方の電極側で圧縮したガスを得ること
ができる電気化学的ガス圧縮器が示されている。

【００５８】実施の形態１１．本発明の固体高分子型燃
料電池発電装置に用いられる改質部の改質可能部の容積
が可変の改質器２の実施の形態を図９に示す。図９
（Ａ）は改質部の改質可能部の容積が可変のメタノール
改質器の正面図、図９（Ｂ）はその側面図であり、改質
部は、６つの改質室４４から構成されている。４５は各
改質室４４に原燃料を供給する供給配管、４６ａは改質
室４４内に設けられた配管、４６ｂは配管４６ａ内に設
けられたバーナ、４６ｃは燃焼室である。なお簡単のた
め、正面図では改質ガスマニホールド４７と改質ガスの
出口配管４８を省略し、側面図では、手前の２つの改質
室４４のみを図に示した。各々の改質室４４への原燃料
の供給、バーナ４６ｂへの燃焼ガスの供給はそれぞれ独
立しており、改質室４４はバーナー燃焼によって加熱さ
れ、原燃料は改質室４４内に導入され、改質させる。従
って、配管４５、４６ａに取り付けられたバルブ（図示
せず）の開閉により改質器２の改質能力を可変とするこ
とができる。

【００５９】実施の形態１２．図１０は改質セルユニッ
トと加熱セルユニットとを交互に積層した積層型改質器
の側面図、図１１は図１０の改質器の正面図であるが、
加熱セルユニットについては構造が簡単のために省略し
た。図１０の実施の形態では７つの改質セルユニット４
９が積層されている。改質セルユニット４９への供給配
管４５を通じての原燃料の供給、および加熱セルユニッ
トへの供給配管８０を通じての燃焼ガスの供給は、積層
方向で可変とし、改質器２の改質部を改質可能部と非改
質部とに分割して、改質器２の改質能力を可変としたも
のである。これにより、改質器２の起動時間が短くなる
とともに、負荷変動に対する応答性が改善される。

【００６０】実施の形態１３．本発明の積層型改質器の
他の実施の形態の構成を図１２に示す。図１２は改質セ
ルユニットと加熱セルユニットとを交互に積層した積層
型改質器の側面図であるが、加熱セルユニットについて
は簡単のために図示を省略した。５０、５１は容積の小
さい第１および第２改質セルユニット、５３は原燃料の
供給用内部マニホールド５２に挿入される原燃料供給可
変手段である原燃料用挿入棒、５５は原燃料の排出用内
部マニホールド５４に挿入される挿入棒である。内部マ
ニホールド５２、５４に挿入した棒５３、５５を左右に
動かすことにより、内部マニホールド５２から改質セル
ユニット４９、５０、５１に原燃料を導入する改質セル
ユニット４９、５０、５１の本数、および改質セルユニ
ット４９、５０、５１から内部マニホールド５４に改質
ガスを排出する改質セルユニット４９、５０、５１の本
数を変更することができる。図示していないが、加熱セ
ルユニットについても図１２と同様に、燃焼ガス供給可
変手段である燃焼ガス用挿入棒（図示せず）を左右に動
かすことにより、燃焼ガスを導入する加熱セルユニット
の本数、および燃焼排ガスを排出する加熱セルユニット
の本数を変更することができる。これにより、外部負荷
の変化に応じて改質能力を変更できる。従って、従来負
荷変動に応じるために必要であったバッテリーパック７
４を減少あるいは省略することが可能になる。また、燃
料電池発電装置の起動についても、燃焼ガス用の挿入
棒、燃焼排ガス用の挿入棒を最も左にある状態（全閉）
から徐々に右に動かし、触媒燃焼により、最も左にある
加熱セルユニットから順に加熱し、その隣接する改質セ
ルユニット５０を改質可能な温度になるまで加熱する。
改質可能な温度になれば、内部マニホールド５２に挿入
した挿入棒５３、５５を最も左にある状態（全閉）から
徐々に右に動かすことにより、改質ガスの流量を徐々に
上げることができるので、従来よりも早い時間からのＰ
ＥＦＣ１の改質ガスによる運転が可能になる。

【００６１】また、左に位置する改質セルユニット５
０、５１の容積を他の改質セルユニット４９の容積より
も小さくしてあるので、より早い時間で改質可能な温度
に達することができ、燃料電池発電装置の起動時間をよ
り短くすることができる。

【００６２】実施の形態１４．本発明の積層型改質器の
他の実施の形態の構成を図１３に示す。５７は原燃料供
給用内部マニホールドに回転可能に設けられ側面に複数
のガス供給穴が形成された原燃料供給可変手段である原
燃料用回転棒、５８は回転棒５７の内部を貫通する原燃
料供給路、５９は改質ガス排出用の内部マニホールド５
４に設けられ側面に複数のガス排出穴が形成された回転
棒、６０は回転棒５９の内部を貫通する改質ガス排出路
である。さらに、原燃料供給可変手段である原燃料用回
転棒５７の詳細を図１４に示す。図１４（Ａ）は回転棒
５７の正面図、図１４（Ｂ）は回転棒５７の平面図、図
１４（Ｃ）は回転棒５７の円筒面の展開図である。３つ
の図面の位置関係は、Ａ、Ｂの矢印で示している。６１
は第１改質セルユニット５０への供給穴、６２は第２改
質セルユニット５１への供給穴、６３は第３改質セルユ
ニットへの供給穴、６４は第４改質セルユニットへの供
給穴、６５は第５改質セルユニットへの供給穴、６６は
第６改質セルユニットへの供給穴、６７は第７の改質セ
ルユニットへの供給穴である。この回転棒５７を回転さ
せると、改質セルユニットへの供給穴の数が０個から７
個まで変化し、図１４の７つの改質セルユニットへの原
燃料の供給に対応している。円筒面の上部の０、I、I
I、III、IV‥‥‥‥ の記号は、回転棒５７が回転して
改質セルユニット４９、５０、５１への供給側がこれら
の位置になった場合の供給穴の数を示している。回転棒
５７を回転させるだけで、原燃料ガスが供給される改質
セルユニット４９、５０、５１の数を選択できるので、
改質能力の加減を容易に行なうことができる。なお、加
熱セルユニット側についても、図示されていないが同じ
構成である。燃焼ガスの内部マニホールドには燃焼ガス
用回転棒が回転可能に設けられている。燃焼ガス供給可
変手段である燃焼ガス用回転棒は、その内部に燃焼ガス
供給路が形成されているとともに側面に複数の燃焼ガス
供給穴が形成されている。そして、燃焼ガス用回転棒の
回転により、燃焼ガス供給穴の位置変化によって加熱セ
ルユニットへの燃焼ガスの供給を積層方向で変化するよ
うになっている。

【００６３】また、積層型改質器の各改質セルユニット
４９には温度センサである熱電対８１が設けられてお
り、各改質セルユニット４９の温度が測定されるように
なっているものである。この実施の形態では、図１３の
積層型メタノール改質器の７つの改質セルユニット４
９、５０、５１および７つの加熱セルユニットにアロメ
ルカロメル（ＣＡ）熱電対を挿入した状態で、改質セル
ユニット用および加熱セルユニット用の回転棒５７を回
転させて、改質セルユニット４９、５０、５１の改質機
能および加熱セルユニットの加熱機能を変化させ、各改
質セルユニット４９、５０、５１の温度変化と改質能力
との対応を調べた。その結果、各改質セルユニット４
９、５０、５１の温度をモニターしていれば、各改質セ
ルユニットの改質率を低下させることなく、全体としの
改質能力を自由に増減できることが明らかになった。制
御は主として改質セルユニットの温度が改質に充分な温
度に達したかどうかの判定をもって行われる。

【００６４】なお、上記実施例では、水素精製部と水素
圧縮部を駆動させる電力としてＰＥＦＣの余剰電力を用
いた場合を示したが、他の電力、例えば回生ブレーキや
フライホイール、ウルトラキャパシターなどの電力発生
源がある場合には、これらの電力を用いて水素精製部と
水素圧縮部を駆動させてもよい。さらに外部電源や商用
電源を用いて水素精製部と水素圧縮部を駆動させてもよ
い。商用電源を用いるケースとしては、夜間電力を用い
た純水素貯蔵装置への純水素貯蔵が考えられ、安価な夜
間電力を有効に利用することができる。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の固体高
分子型燃料電池発電装置によれば、改質部の改質可能部
の容積が可変の改質器、固体高分子型燃料電池、水素精
製圧縮器、および純水素貯蔵・供給装置を備えたので、
負荷変動に応じて改質可能部の容積を変更し、また純水
素貯蔵・供給装置から純水素を燃料電池に供給し、また
水素精製圧縮器から純水素貯蔵・供給装置に純水素を充
填することができ、起動が早く、負荷変動に対応でき
る。

【００６６】また、固体高分子型燃料電池で使い残した
水素を改質器に供給して、燃焼により改質器の一部分を
改質可能な温度にまで昇温した後、原燃料を改質器の改
質可能部に供給して改質し、順次改質器の改質可能部の
容積を増加し、改質能力を拡大するようにしたので、改
質器のわずかな加熱で、改質を開始することが可能にな
り、燃料電池発電装置の起動時間が早くなる。

【００６７】また、外部負荷の増加時に水素貯蔵・供給
装置から水素を放出して固体高分子型燃料電池の出力を
上げて対応させると共に、固体高分子型燃料電池で使い
残した、水素、改質ガスおよび酸化剤を改質器の非改質
部に供給して、燃焼により改質器の非改質部を加熱し、
改質可能な温度にまで昇温して改質可能部の容積を増大
させて改質能力を拡大することで、改質ガスを用いての
固体高分子型燃料電池の出力を上昇させることができる
ので、定常的な大きな負荷の上昇にも対応できる。

【００６８】また、外部負荷の減少時に改質器の改質可
能部の容積を減少させ改質能力を縮小するようにしたの
で、固体高分子型燃料電池の出力が過剰になるのを防ぐ
ことができ、無駄な燃料消費を抑えて発電効率を高く保
つことができる。

【００６９】また、外部負荷の減少時に、余った電力を
水素精製圧縮器部に供給して水素貯蔵・供給装置に水素
を貯蔵すると共に改質器の改質可能部の容積を減少させ
改質能力を縮小するようにしたので、固体高分子型燃料
電池の出力が過剰になるのを防ぐことができ、無駄な燃
料消費を抑えて発電効率を高く保つことができる。

【００７０】また、外部負荷が無くなった後も電力を水
素精製圧縮器に供給して、水素貯蔵・供給装置が所定の
圧力になるまで発電を続けた後運転を停止するようにし
たので、起動時には常に充分な水素を貯蔵しておくこと
ができ、起動時間の短縮、および負荷応答性の改善を毎
回維持することができる。

【００７１】また、装置周辺の温度が所定の温度近くに
まで下がった場合に、水素貯蔵・供給装置から少量の水
素を放出して、固体高分子型燃料電池で少量の発電を行
ない空気供給ブロワーを駆動させると共に、改質器の加
熱ユニットで固体高分子型燃料電池で使い残した水素を
燃焼させることにより、装置全体を凍結しないように保
温することができる。

【００７２】また、水素貯蔵・供給装置を高圧水素タン
クで構成したので、高圧水素タンクの圧力によって貯蔵
量を正確に把握することができ、しかも急速に水素を放
出して固体高分子型燃料電池に供給することができる。

【００７３】また、純水素貯蔵・供給装置を水素吸蔵合
金タンクおよび水素吸蔵合金タンクの温度制御手段で構
成したので、水素を低圧に保ちながら、体積貯蔵密度を
高めて効率良く貯蔵することができる。

【００７４】また、水素精製部をリン酸を電解質とする
電気化学素子を用いて構成したので、ＣＯ被毒に強く、
効率良く希薄な燃料排ガスから純水素を取り出すことが
できる。

【００７５】また、リン酸を電解質とする電気化学素子
からなる水素精製部を改質器に近接させて、改質器の熱
を水素精製部に伝達させるようにしたので、水素精製部
をヒーターなど余分の電力を消費することなくリン酸を
電解質とする電気化学素子からなる水素精製部の望まし
い動作温度である１２０℃〜２００℃に保つことができ
る。

【００７６】また、水素精製部を固体高分子電解質膜を
用いた電気化学素子を用いて構成し、固体高分子型燃料
電池に近接させて、熱を水素精製部に伝達させるように
したので、ヒーターなど余分の電力を消費することなく
固体高分子電解質膜を電解質とする電気化学素子からな
る水素精製部の望ましい動作温度である５０℃〜８０℃
に保つことができる。

【００７７】また、水素精製部を固体高分子電解質膜を
用いた電気化学素子を用いて構成し、水素精製部を水素
圧縮部に連結させて、水素精製部から水素圧縮部への配
管を無くしたので、構造を簡単にすることができ、コン
パクトになる。

【００７８】また、水素圧縮部に固体高分子電解質膜を
用いた電気化学素子を用いたので、効率良く高圧純水素
を得ることができる。

【００７９】また、複数の改質室、各改質室に配設され
たバーナおよび燃焼室を有し、原燃料から水素を主成分
とする改質ガスを各改質室内で生成する改質部を備え、
改質室に原燃料を選択して供給し、改質器の改質能力を
可変としたので、負荷の変動に対して早い応答が可能に
なる。

【００８０】また、原燃料から水素を主成分とする改質
ガスに改質する改質セルユニットと、この改質セルユニ
ットと交互に積層され改質セルユニットを加熱するため
の加熱セルユニットと、各改質セルユニットへの原燃料
の供給を積層方向で可変とする原燃料供給可変手段と、
各加熱セルユニットへの燃焼ガスの供給を積層方向で可
変とする燃焼ガス供給可変手段とを備えたので、改質可
能な改質セルユニットの枚数を調節して、改質可能部の
容積を調節して改質能力を可変とすることができ、負荷
の変動に対して早い応答が可能になる。

【００８１】また、原燃料供給可変手段を原燃料の内部
マニホールドに積層方向に挿入可能な原燃料用挿入棒で
構成し、燃焼ガス供給可変手段を燃焼ガスの内部マニホ
ールドに積層方向に挿入可能な燃焼ガス用挿入棒で構成
したので、挿入する棒の長さによって改質セルユニット
への原燃料の供給、および加熱セルユニットへの燃焼ガ
スの供給を積層方向で変化させることができ、改質可能
部の容積を変更することで、負荷の変動に対して早い応
答が可能になる。

【００８２】また、原燃料供給可変手段を原燃料用回転
棒で構成し、また燃焼ガス供給可変手段を燃焼ガス用回
転棒で構成したので、回転によって改質セルユニットへ
の原燃料の供給、および加熱セルユニットへの燃焼ガス
の供給を積層方向で変化させることができ、改質可能部
の容積を変更することで、負荷の変動に対して早い応答
が可能になる。

【００８３】また、運転当初に原燃料が供給される改質
セルユニットの容積が他の改質セルユニットの容積より
も小さく改質能力が低くなっており、また運転当初に燃
焼ガスが供給される加熱セルユニットの容積が他の加熱
セルユニットの容積よりも小さく燃焼能力が低くなって
いるので、改質できるまでの起動時間を大幅に短縮する
ことができる。

【００８４】また、各改質セルユニットには改質セルユ
ニット内の温度を測定する温度センサを設けたので、温
度センサからの値により改質能力を判定することがで
き、各改質セルユニットの制御が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態を示す固体高分子型燃
料電池発電装置の構成図である。

【図２】 （Ａ）は図１の固体高分子型燃料電池発電装
置を電気自動車に搭載した場合の起動時のモーター出力
および固体高分子型燃料電池の出力の時間変化を示し、
（Ｂ）は改質器出力の時間変化を示し、（Ｃ）は高圧水
素タンクの動作の時間変化を示す。

【図３】 本発明の一実施の形態を示す固体高分子型燃
料電池発電装置のブロック図である。

【図４】 （Ａ）は固体高分子型燃料電池発電装置出力
の時間変化を示し、（Ｂ）は改質器出力（改質能力）の
時間変化を示し、（Ｃ）は高圧水素タンクからの水素放
出の時間変化および水素精製圧縮器での水素貯蔵の時間
変化を示す。

【図５】 本発明の他の実施の形態を示す固体高分子型
燃料電池発電装置のブロック図である。

【図６】 本発明の固体高分子型燃料電池発電装置の水
素精製圧縮器の構成図である。

【図７】 水素精製部の断面図である。

【図８】 本発明の他の実施の形態を示す固体高分子型
燃料電池発電装置の構成図である。

【図９】 （Ａ）は本発明の改質部容積が可変の改質器
の平面図、（Ｂ）は図（Ａ）の側面図である。

【図１０】 本発明の積層型改質器の構成図である。

【図１１】 図１０の積層型改質器の正面図である。

【図１２】 本発明の他の実施の形態を示す固体高分子
型燃料電池発電装置の構成図である。

【図１３】 本発明の他の実施の形態を示す固体高分子
型燃料電池発電装置の構成図である。

【図１４】 （Ａ）は回転棒の正面図、（Ｂ）は回転棒
の平面図、（Ｃ）は回転棒の円筒面の展開図である。

【図１５】 従来の電気自動車用の固体高分子型燃料電
池発電装置のブロック図である。

【図１６】 従来の積層型のメタノール改質器の構成図
である。

【図１７】 （Ａ）は従来の電気自動車用の固体高分子
型燃料電池発電装置でのモーター出力の時間変化を示
し、（Ｂ）は改質器出力（改質能力）およびＰＥＦＣ出
力の時間変化を示し、（Ｃ）はバッテリー出力の時間変
化を示す。

【図１８】 （Ａ）は負荷変動の大きい場合の従来の電
気自動車用の固体高分子型燃料電池発電装置でのモータ
ー出力の時間変化を示し、（Ｂ）は改質器出力（改質能
力）およびＰＥＦＣ出力の時間変化を示し、（Ｃ）はバ
ッテリー出力の時間変化を示す。

【図１９】 従来の固体高分子型燃料電池発電装置の構
成図である。

【図２０】 （Ａ）は従来の固体高分子型燃料電池発電
装置出力の時間変化を示し、（Ｂ）は改質器出力の時間
変化を示し、（Ｃ）は高圧水素タンクの水素の動作の時
間変化を示す。

【符号の説明】

１ 固体高分子型燃料電池（固体高分子型燃料電池）、
２ 改質器、３ 水素精製圧縮器、４ 高圧水素タン
ク、１９ 原燃料タンク、２０ 空気供給ブロワー、３
３ 水素精製部、３４、３５ 水素圧縮部、３８ 純水
素吸蔵合金タンク、４０ 温水タンク、４１ 冷水タン
ク、４４ 改質室、４６ｂ バーナ、４７改質ガスマニ
ホールド、４９、５０、５１ 改質セルユニット、５
２、５４内部マニホールド、５３ 挿入棒、５７ 原燃
料用回転棒、５８ 原燃料供給路、５９ 挿入棒、６１
燃料極、６２ 電解質マトリックス、６３ 酸化剤
極、８１ 熱電対。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｓ Ｒ Ｂ (72)発明者 鷲野 翔一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 安西 清治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   に改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池と、 前記固体高分子型燃料電池で使い残した希薄な水素を純
   水素にする水素精製部、および純水素を高圧水素にする
   水素圧縮部とを有する水素精製圧縮器と、 この水素精製圧縮器からの高圧水素を貯蔵するとともに
   水素を前記固体高分子型燃料電池に供給する水素貯蔵・
   供給装置とを備えた固体高分子型燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   に改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池と、 水素を貯蔵するとともに水素を前記固体高分子型燃料電
   池に供給する水素貯蔵・供給装置とを備えた固体高分子
   型燃料電池発電装置の運転方法であって、 起動時に前記水素貯蔵・供給装置からの水素を前記固体
   高分子型燃料電池に供給して発電させる工程と、 前記固体高分子型燃料電池で使い残した前記水素を前記
   改質器に供給して、燃焼により改質器の改質部を加熱
   し、改質部の一部分を改質可能な温度にまで昇温させる
   工程と、 この改質可能な前記改質部の改質可能部に前記原燃料を
   供給して改質された改質ガスを前記固体高分子型燃料電
   池に供給すると共に、固体高分子型燃料電池で使い残し
   た、前記水素、前記改質ガスおよび前記酸化剤を前記改
   質部の一部分よりも拡大した非改質部まで供給すること
   により、順次改質部の改質可能部の容積を増加し、改質
   能力を拡大する工程とを備えた固体高分子型燃料電池発
   電装置の運転方法。
3. 【請求項３】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   を改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池と、 水素を貯蔵するとともに水素を前記固体高分子型燃料電
   池に供給する水素貯蔵・供給装置とを備えた固体高分子
   型燃料電池発電装置の運転方法であって、 外部負荷の増加時に前記水素貯蔵・供給装置から水素を
   前記固体高分子型燃料電池に供給して負荷電流を上昇さ
   せて発電量を増加させて外部負荷の増加に対応させると
   共に、固体高分子型燃料電池で使い残した、前記水素、
   前記改質ガスおよび前記酸化剤を前記改質器の非改質部
   に供給して、燃焼により改質器の非改質部を加熱し、改
   質可能な温度にまで昇温して、改質可能部の容積を増大
   させ改質能力を拡大する工程とを備えた固体高分子型燃
   料電池発電装置の運転方法。
4. 【請求項４】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   に改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池とを備えた固体高分子型燃料電池発電装
   置の運転方法であって、 外部負荷の減少時に前記改質器の改質可能部の容積を減
   少させ改質能力を縮小する固体高分子型燃料電池発電装
   置の運転方法。
5. 【請求項５】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   に改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池と、 前記固体高分子型燃料電池で使い残した希薄な水素を純
   水素にする水素精製部、および純水素を高圧水素にする
   水素圧縮部とを有する水素精製圧縮器と、 この水素精製圧縮器からの水素を貯蔵するとともに水素
   を前記固体高分子型燃料電池に供給する水素貯蔵・供給
   装置とを備えた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方
   法であって、 外部負荷の減少時に、前記固体高分子型燃料電池の余っ
   た電力を前記水素精製圧縮器に供給して、水素精製圧縮
   器で高圧水素を生成し、この高圧水素を前記水素貯蔵・
   供給装置に貯蔵すると共に改質器の改質可能部の容積を
   減少させ改質能力を縮小する固体高分子型燃料電池発電
   装置の運転方法。
6. 【請求項６】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   に改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池と、 前記固体高分子型燃料電池で使い残した希薄な水素を純
   水素にする水素精製部、および純水素を高圧水素にする
   水素圧縮部とを有する水素精製圧縮器と、 この水素精製圧縮器からの高圧水素を貯蔵するとともに
   水素を前記固体高分子型燃料電池に供給する水素貯蔵・
   供給装置とを備えた固体高分子型燃料電池発電装置の運
   転方法であって、 外部負荷が無くなった後も電力を前記水素精製圧縮器に
   供給して、水素精製圧縮器で高圧水素を生成し、この高
   圧水素を前記水素貯蔵・供給装置が所定の圧力になるま
   で供給した後運転を停止する固体高分子型燃料電池発電
   装置の運転方法。
7. 【請求項７】 原燃料から水素を主成分とする改質ガス
   に改質する改質部の改質可能部の容積が可変の改質器
   と、 燃料電極と酸化剤電極との間に固体高分子電解質膜が介
   在されているとともに、前記改質器から供給された改質
   ガスと、酸化剤との電気化学反応により発電する固体高
   分子型燃料電池と、 水素を貯蔵するとともに水素を前記固体高分子型燃料電
   池に供給する水素貯蔵・供給装置とを備えた固体高分子
   型燃料電池発電装置の運転方法であって、 装置周辺の温度が所定の温度近くにまで下がった場合
   に、前記水素貯蔵・供給装置から水素を前記固体高分子
   型燃料電池に供給して発電を行って空気ブロワーを駆動
   させて空気を前記改質器に供給させて、この改質器で固
   体高分子型燃料電池で使い残した水素を燃焼させ、この
   燃焼熱により前記固体高分子型燃料電池、前記改質器を
   保温する固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
8. 【請求項８】 水素貯蔵・供給装置が、高圧水素タンク
   からなる請求項１記載の固体高分子型燃料電池発電装
   置。
9. 【請求項９】 水素貯蔵・供給装置が、水素吸蔵合金タ
   ンクと、この水素吸蔵合金タンクの温度を制御する温度
   制御手段とを備えた請求項１記載の固体高分子型燃料電
   池発電装置。
10. 【請求項１０】 水素精製部はリン酸を電解質とする電
    気化学素子を有している請求項１記載の固体高分子型燃
    料電池発電装置。
11. 【請求項１１】 水素精製部は改質器に近接して設けら
    れ、改質器の熱を水素精製部に伝達させるようにした請
    求項１０記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
12. 【請求項１２】 水素精製部は固体高分子電解質膜を用
    いた電気化学素子を有しており、前記水素精製部を固体
    高分子型燃料電池に近接させて、前記固体高分子型燃料
    電池の熱を水素精製部に伝達させるようにした請求項１
    ０項記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
13. 【請求項１３】 水素精製部は水素圧縮部と直結させて
    いる請求項１、１０、１１、１２の何れかに記載の固体
    高分子型燃料電池発電装置。
14. 【請求項１４】 水素圧縮部は固体高分子電解質膜を用
    いた電気化学素子を有している請求項１記載の固体高分
    子型燃料電池発電装置。
15. 【請求項１５】 複数の改質室、各改質室に配設された
    バーナーおよび燃焼室を有し、原燃料から水素を主成分
    とする改質ガスを各改質室内で生成する改質部を備え、
    前記改質室に前記原燃料を選択して供給し、改質可能部
    の容積を変えて改質能力を可変とするようになっている
    改質器。
16. 【請求項１６】 原燃料から水素を主成分とする改質ガ
    スに改質する改質セルユニットと、この改質セルユニッ
    トと交互に積層され改質セルユニットを加熱するための
    加熱セルユニットと、前記各改質セルユニットへの前記
    原燃料の供給を積層方向で可変とする原燃料供給可変手
    段と、前記各加熱セルユニットへの燃焼ガスの供給を積
    層方向で可変とする燃焼ガス供給可変手段とを備え、改
    質可能な前記改質セルユニットの枚数を調節して、改質
    可能部の容積を変えて改質能力を可変とするようになっ
    ている改質器。
17. 【請求項１７】 原燃料供給可変手段は、原燃料の内部
    マニホールドに積層方向に挿入可能な原燃料用挿入棒で
    あり、燃焼ガス供給可変手段は、燃焼ガスの内部マニホ
    ールドに積層方向に挿入可能な燃焼ガス用挿入棒である
    請求項１６記載の改質器。
18. 【請求項１８】 原燃料供給可変手段は、原燃料の内部
    マニホールドに回転可能に設けられ、内部に原燃料供給
    路が形成されているとともに側面に複数の原燃料供給穴
    が形成された原燃料用回転棒であり、回転による原燃料
    供給穴の位置の変化によって改質セルユニットへの原燃
    料の供給を積層方向で変化させるようになっており、 燃焼ガス供給可変手段は、燃焼ガスの内部マニホールド
    に回転可能に設けられ、内部に燃焼ガス供給路が形成さ
    れているとともに側面に複数の燃焼ガス供給穴が形成さ
    れた燃焼ガス用回転棒であり、回転による燃焼ガス供給
    穴の位置の変化によって加熱セルユニットへの燃焼ガス
    の供給を積層方向で変化させるようになっている請求項
    １６記載の改質器。
19. 【請求項１９】 運転当初に原燃料が供給される改質セ
    ルユニットの容積が他の改質セルユニットの容積よりも
    小さく改質能力が低くなっており、また運転当初に燃焼
    ガスが供給される加熱セルユニットの容積が他の加熱セ
    ルユニットの容積よりも小さく燃焼能力が低くなってい
    る請求項１６ないし請求項１８の何れかに記載の改質
    器。
20. 【請求項２０】 各改質セルユニットには改質セルユニ
    ット内の温度を測定する温度センサが設けられている請
    求項１６ないし請求項１９の何れかに記載の改質器。