JPH11162489A - Fuel cell device and operating method for fuel cell device - Google Patents

Fuel cell device and operating method for fuel cell device

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JPH11162489A
JPH11162489A JP9342140A JP34214097A JPH11162489A JP H11162489 A JPH11162489 A JP H11162489A JP 9342140 A JP9342140 A JP 9342140A JP 34214097 A JP34214097 A JP 34214097A JP H11162489 A JPH11162489 A JP H11162489A
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JP
Japan
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fuel cell
fuel
fuel gas
cooling water
flow path
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JP9342140A
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Japanese (ja)
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Tatsuya Kawahara
竜也 川原
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Toyota Motor Corp
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the steam in the fuel gas from being condensed in the fuel gas passage of a fuel cell when a fuel cell device is started and to quickly set the fuel cell to the stationary state. SOLUTION: The cooling water circulating in a fuel cell device 10 passes through a fuel cell passage 71 and a heat exchanger passage 75 and does not pass through a cooler passage 73 at a start time of the fuel cell device 10. The cooling water cooled nearly to the operating temperature of a fuel cell 20 in the fuel cell passage 71 is heat-exchanged with fuel gas by a heat exchanger 40 and heated. The fuel gas heat-exchanged with the cooling water in the heat exchanger 40 is cooled nearly to the operating temperature of the fuel cell 20. The saturated steam pressure in the fuel gas is lowered, the excess steam in condensed, and the fuel gas removed with the excess steam is fed to the fuel cell 20. The cooling water heated by the heat exchanger 40 again passes through the fuel cell passage 71 and heat-exchanges with the fuel cell 20 in the fuel cell passage 71, thus the temperature of the fuel cell 20 rises.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置に関
し、詳しくは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
る酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を
得る燃料電池装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly, to a fuel cell device that receives a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction.

【０００２】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料が有する化学エネルギ
を、熱エネルギや機械エネルギを経由することなく直接
電気エネルギに変換するため、高いエネルギ変換効率が
実現可能な方法として知られている。燃料電池は、陰極
側には水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極側に
は酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて、その電極部
において以下に示す電気化学反応を進行する。2. Description of the Related Art A fuel cell is known as a method capable of realizing high energy conversion efficiency because chemical energy of fuel is directly converted into electric energy without passing through thermal energy or mechanical energy. In a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to a cathode side, and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to an anode side, and the following electrochemical reaction proceeds at its electrode portion.

【０００３】 Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１） （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２） Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）H 2 → 2H + + 2e − (1) (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2) H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3) )

【０００４】上記（１）式は陰極側における反応、
（２）式は陽極側における反応を示し、燃料電池全体で
は（３）式に示す反応が進行する。燃料電池は使用する
電解質の種類や運転温度等により分類されるが、これら
燃料電池の中で、例えば固体高分子型燃料電池などで
は、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガ
スや燃料ガスを使用することが可能である。そこで、通
常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、
メタノールや天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気
改質して生成した水素含有ガスを燃料ガスとして用いて
いる。The above formula (1) is a reaction on the cathode side,
Equation (2) shows the reaction on the anode side, and the reaction shown in equation (3) proceeds in the whole fuel cell. Fuel cells are classified according to the type of electrolyte used, operating temperature, etc. Among these fuel cells, for example, in a polymer electrolyte fuel cell, etc., due to the nature of the electrolyte, oxidizing gas or fuel containing carbon dioxide is used. It is possible to use gas. Therefore, these fuel cells usually use air as an oxidizing gas,
A hydrogen-containing gas generated by steam reforming of a hydrocarbon-based raw fuel such as methanol or natural gas is used as a fuel gas.

【０００５】そのため、このような燃料電池を備える燃
料電池装置には改質器が設けられており、この改質器に
おいて原燃料の改質を行ない燃料ガスを生成している。
以下に、改質器における原燃料の改質反応について説明
する。ここでは、メタノールを原燃料とし、これを水蒸
気改質する場合について説明する。[0005] Therefore, a fuel cell device provided with such a fuel cell is provided with a reformer, which reforms raw fuel to generate fuel gas.
Hereinafter, the reforming reaction of the raw fuel in the reformer will be described. Here, a case where methanol is used as a raw fuel and steam reforming is performed will be described.

【０００６】 ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ2−９０．０（kJ/mol） …（４） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2＋４０．５ （kJ/mol） …（５） ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2−４９．５（kJ/mol） …（６）CH 3 OH → CO + 2H 2 −90.0 (kJ / mol) (4) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 +40.5 (kJ / mol) (5) CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 -49.5 (kJ / mol) (6)

【０００７】メタノールを水蒸気改質するときの反応
は、（４）式で示したメタノールの分解反応と（５）式
で示した一酸化炭素の変成反応とが同時に進行すると言
われており、全体として（６）式の反応が起こる。改質
器においてこのような水蒸気改質反応を進行させる際に
は、反応を充分に進行させるために過剰量の水蒸気が改
質器に供給されるため、改質器から燃料電池に供給され
る燃料ガスには、所定量の水蒸気が含まれている。In the steam reforming of methanol, it is said that the decomposition reaction of methanol shown in equation (4) and the shift reaction of carbon monoxide shown in equation (5) proceed simultaneously. The reaction of the formula (6) takes place. When such a steam reforming reaction proceeds in the reformer, an excessive amount of steam is supplied to the reformer in order to allow the reaction to proceed sufficiently, and thus the steam is supplied from the reformer to the fuel cell. The fuel gas contains a predetermined amount of water vapor.

【０００８】このような燃料電池装置を起動する際に、
上記したように所定量の水蒸気を含有する燃料ガスを燃
料電池に供給すると、燃料電池内で燃料ガス中の水蒸気
が凝縮してしまうという問題が生じた。すなわち、燃料
電池装置の起動時には、発電の本体である燃料電池の内
部温度が低いため、このような燃料電池に水蒸気を所定
量含有する改質ガスを供給すると、燃料電池のガス流路
内において燃料ガス中の水蒸気が凝縮してガス流路を塞
いでしまうといった不都合を生じる。凝縮水によってガ
ス流路の一部が塞がれると、燃料電池内の一部にガスが
供給されない領域が生じ、部分的に電気化学反応の進行
が妨げられて燃料電池全体の発電状態に悪影響を及ぼ
す。When starting such a fuel cell device,
When the fuel gas containing a predetermined amount of water vapor is supplied to the fuel cell as described above, there has been a problem that water vapor in the fuel gas is condensed in the fuel cell. In other words, when the fuel cell device is started, the internal temperature of the fuel cell, which is the main body of power generation, is low. Therefore, when a reformed gas containing a predetermined amount of water vapor is supplied to such a fuel cell, the fuel cell is placed in the gas passage of the fuel cell. There is a problem that water vapor in the fuel gas condenses and blocks the gas flow path. If a part of the gas flow path is blocked by the condensed water, a part of the fuel cell will not be supplied with gas, and the progress of the electrochemical reaction will be partially hindered, adversely affecting the power generation state of the entire fuel cell Effect.

【０００９】このような不都合を避けるために従来は、
燃料電池装置の起動時には、改質器で生成された燃料ガ
スを、燃料電池に供給するのに先だって、水蒸気改質反
応の原燃料であるメタノールおよび水と熱交換させて、
燃料ガスの温度を下げ、燃料ガス中の水蒸気の一部を凝
縮させた上で燃料電池に供給するといった方法が採られ
ていた（例えば、特開平１−１３４８７０号公報等）。
燃料電池の内部温度が充分に昇温した後には、改質器で
生成された燃料ガスは、メタノールおよび水と熱交換す
ることなく直接燃料電池に供給される。このような方法
によれば、燃料ガス中の余分な水蒸気を凝縮させて予め
取り除いた上で燃料電池に供給するため、燃料電池装置
の起動時に、燃料電池のガス流路内で水蒸気が凝縮して
しまうのを防止することができる。さらに、改質ガスと
熱交換させることによって、原燃料であるメタノールお
よび水を昇温させるため、改質器に供給するのに先立っ
て原燃料を加熱するために要するエネルギを削減するこ
とができ、装置全体のエネルギ効率を向上させることも
できる。Conventionally, to avoid such inconvenience,
At the time of starting the fuel cell device, the fuel gas generated by the reformer is subjected to heat exchange with methanol and water, which are raw fuels for a steam reforming reaction, before being supplied to the fuel cell.
A method has been adopted in which the temperature of the fuel gas is lowered, a part of the water vapor in the fuel gas is condensed, and then supplied to the fuel cell (for example, JP-A-1-134870).
After the internal temperature of the fuel cell is sufficiently raised, the fuel gas generated in the reformer is directly supplied to the fuel cell without exchanging heat with methanol and water. According to such a method, since excess water vapor in the fuel gas is condensed and removed beforehand and supplied to the fuel cell, when the fuel cell device is started, the water vapor condenses in the gas flow path of the fuel cell. Can be prevented. Further, by exchanging heat with the reformed gas, the temperature of the raw fuel methanol and water is raised, so that the energy required to heat the raw fuel prior to supplying the raw fuel to the reformer can be reduced. In addition, the energy efficiency of the entire device can be improved.

【００１０】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように燃料ガスと原燃料とを熱交換させる構成では、
燃料電池装置の起動直後には、燃料ガス中の余分な水蒸
気除去を適切に行なうことができるが、燃料電池を起動
した後に時間が経つにつれて、燃料ガス中の水蒸気量が
不足してしまうという問題があった。以下に、燃料電池
の起動時における水蒸気量の不足の問題について説明す
る。However, as described above, in the configuration for exchanging heat between the fuel gas and the raw fuel,
Immediately after the start of the fuel cell device, excess water vapor in the fuel gas can be appropriately removed, but the amount of water vapor in the fuel gas becomes insufficient over time after the start of the fuel cell. was there. Hereinafter, the problem of the shortage of water vapor at the time of starting the fuel cell will be described.

【００１１】燃料電池において、両極に対する燃料ガス
および酸化ガスの供給を開始すると、電気化学反応の進
行にともなう発熱によって燃料電池が昇温し、これによ
って燃料電池ではより活発に電気化学反応が進行するよ
うになる。このように、電気化学反応の活発化と共に燃
料電池が昇温して、燃料電池はやがて所定の定常状態に
達する。また、燃料電池の陰極側では、既述したように
（１）式に示した反応が進行するが、固体高分子型燃料
電池では、この反応で生じたプロトンは、複数の水分子
と水和した状態で電解質膜中を陽極側に向かって移動す
る。したがって、電気化学反応を滞りなく進行させるに
は、電解質膜の陰極側に対して常に、電気化学反応の進
行量に応じた水蒸気を供給する必要がある。In a fuel cell, when the supply of fuel gas and oxidizing gas to both electrodes is started, the temperature of the fuel cell rises due to the heat generated by the progress of the electrochemical reaction, whereby the electrochemical reaction in the fuel cell proceeds more actively. Become like As described above, the temperature of the fuel cell rises with the activation of the electrochemical reaction, and the fuel cell eventually reaches a predetermined steady state. On the cathode side of the fuel cell, the reaction represented by the equation (1) proceeds as described above. In the polymer electrolyte fuel cell, the protons generated by this reaction are hydrated with a plurality of water molecules. Then, it moves toward the anode side in the electrolyte membrane. Therefore, in order for the electrochemical reaction to proceed smoothly, it is necessary to always supply water vapor to the cathode side of the electrolyte membrane in accordance with the progress of the electrochemical reaction.

【００１２】上記したように、燃料ガスが原燃料と熱交
換する構成では、燃料ガス中の水蒸気圧は外気温の飽和
水蒸気圧に近い状態となるが、燃料電池を起動した後に
燃料電池が次第に昇温して、進行可能な電気化学反応の
量が大きくなるに従って、燃料ガス中の水蒸気量とし
て、外気温の飽和水蒸気圧に対応する水蒸気量では不足
する状態となってしまう。燃料ガス中の水蒸気量が不足
すると、燃料電池において充分に電気化学反応が進行す
ることができなくなり、燃料電池からの出力が上昇しな
くなる。このように、燃料ガス中の水蒸気量が不足する
ことによって電気化学反応の進行が抑えられると、燃料
電池における発熱量も抑えられて、燃料電池が既述した
所定の定常状態に達するのが遅れてしまい、燃料電池装
置の立ち上げにより長い時間を要することになる。As described above, in the configuration in which the fuel gas exchanges heat with the raw fuel, the water vapor pressure in the fuel gas becomes close to the saturated water vapor pressure at the outside temperature. However, after the fuel cell is started, the fuel cell gradually starts operating. As the temperature rises and the amount of electrochemical reaction that can proceed increases, the amount of water vapor in the fuel gas becomes insufficient with the amount of water vapor corresponding to the saturated water vapor pressure of the outside air temperature. If the amount of water vapor in the fuel gas is insufficient, the electrochemical reaction cannot sufficiently proceed in the fuel cell, and the output from the fuel cell does not increase. As described above, when the progress of the electrochemical reaction is suppressed due to the shortage of water vapor in the fuel gas, the calorific value of the fuel cell is also suppressed, and it is delayed for the fuel cell to reach the predetermined steady state described above. As a result, it takes a long time to start up the fuel cell device.

【００１３】なお、燃料電池装置の起動時に燃料ガスと
原燃料とを熱交換させる上記した構成では、燃料電池の
運転温度が所定温度以上になったときには、燃料ガスと
原燃料との熱交換を停止して、燃料ガスを降温させたり
含有する水蒸気の一部を除去することなく、燃料ガスを
燃料電池に供給するように、燃料電池装置の運転状態を
切り替える。したがって、この運転状態の切り替えを行
なうときには、この切り替えの動作の直前には、既述し
たように燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気量が
不足する状態となっており、これが切り替えの動作によ
って、燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気量が過
剰な状態に急激に変化してしまい、燃料電池における発
電の状態を不安定にしてしまうおそれがあった。In the above-described configuration in which the fuel gas exchanges heat with the raw fuel at the time of starting the fuel cell device, the heat exchange between the fuel gas and the raw fuel is performed when the operating temperature of the fuel cell becomes higher than a predetermined temperature. The operation state of the fuel cell device is switched so that the fuel gas is supplied to the fuel cell without stopping the temperature of the fuel gas or removing a part of the water vapor contained therein. Therefore, when the operation state is switched, immediately before the switching operation, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell is insufficient as described above. As a result, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell may suddenly change to an excessive state, and the state of power generation in the fuel cell may become unstable.

【００１４】本発明の燃料電池装置および燃料電池装置
の起動方法は、こうした問題を解決し、燃料電池装置の
起動時に、燃料電池の燃料ガス流路内において燃料ガス
中の水蒸気が凝縮してしまうのを防止すると共に、燃料
電池が速やかに定常状態に達するように燃料電池装置を
起動することを目的としてなされ、次の構成を採った。The fuel cell device and the method of starting the fuel cell device of the present invention solve these problems, and when the fuel cell device is started, water vapor in the fuel gas condenses in the fuel gas flow path of the fuel cell. In order to prevent the fuel cell device from being operated and to start the fuel cell device so that the fuel cell quickly reaches a steady state, the following configuration is employed.

【００１５】[0015]

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の第１の燃料電池装置は、所定量の水蒸気を含有す
る燃料ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を
得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、前記燃料
電池装置の内部で冷却液を循環させるための冷却水路
と、前記燃料ガスを、前記燃料電池に供給する燃料ガス
供給手段と、前記冷却水路の所定の位置に設けられ、前
記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される前記
燃料ガスと、循環する前記冷却液との間で熱交換を行な
わせ、前記燃料ガスを降温させることによって前記燃料
ガスにおける飽和蒸気圧を低下させて、前記燃料ガス中
の水蒸気量を減少させる第１の熱交換手段と、前記冷却
水路の所定の位置に設けられ、前記燃料電池と循環する
前記冷却液との間で熱交換を行なわせる第２の熱交換手
段とを備えることを要旨とする。The first fuel cell device of the present invention is a fuel cell device which receives a supply of a fuel gas containing a predetermined amount of water vapor and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction. A fuel cell device comprising: a cooling water passage for circulating a coolant inside the fuel cell device; fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell; and a predetermined position of the cooling water passage. And heat exchange is performed between the fuel gas supplied to the fuel cell from the fuel gas supply means and the circulating coolant, and the temperature of the fuel gas is decreased to thereby saturate the fuel gas. A first heat exchange means for reducing the vapor pressure to reduce the amount of water vapor in the fuel gas; and a cooling liquid provided at a predetermined position in the cooling water passage and circulating with the fuel cell. And summarized in that and a second heat exchange means to carry out the replacement.

【００１６】以上のように構成された本発明の燃料電池
装置は、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスと、
燃料電池の内部に設けられた冷却水路内を循環する冷却
液との間で熱交換を行なわせ、前記燃料ガスを降温させ
ることによって前記燃料ガスにおける飽和蒸気圧を低下
させて、前記燃料ガス中の水蒸気量を減少させる。水蒸
気量が減少した前記燃料ガスは、前記燃料電池に供給さ
れ、燃料電池は電気化学反応により起電力を得る。ま
た、前記冷却液は、前記燃料電池との間でも熱交換を行
なう。[0016] The fuel cell device of the present invention having the above-described structure includes a fuel gas supplied from fuel gas supply means,
Heat exchange is performed with a cooling liquid circulating in a cooling water passage provided inside the fuel cell, and by lowering the temperature of the fuel gas, the saturated vapor pressure in the fuel gas is reduced, and the fuel gas is cooled. To reduce the amount of water vapor. The fuel gas having a reduced amount of water vapor is supplied to the fuel cell, and the fuel cell obtains an electromotive force by an electrochemical reaction. Further, the cooling liquid also exchanges heat with the fuel cell.

【００１７】このような燃料電池装置によれば、燃料ガ
スは、燃料電池に供給されるのに先立って冷却液と熱交
換することで水蒸気量が減少されるため、燃料ガスが燃
料電池内に持ち込む水蒸気量が抑えられる。したがっ
て、燃料ガス中の過剰の水蒸気が燃料電池内で凝縮して
しまい、ガス流路を塞ぐなどの不都合が生じるのを防止
することができる。ここで、燃料ガス中の水蒸気量を減
少させるために燃料ガスと熱交換させる冷媒としては、
燃料電池との間でも熱交換を行なう冷却液を用いてい
る。燃料電池は、電気化学反応の進行と共に熱を生じて
昇温するため、定常状態において燃料電池の温度を所定
範囲内に保つために、このような冷却液を用いた冷却手
段を備えている。上記したように、燃料電池の冷却用の
冷却液と燃料ガスとを熱交換させる構成とすることによ
って、燃料電池装置において、燃料ガス中の過剰の水蒸
気を取り除くために、特別の冷媒を用意することが不要
となる。According to such a fuel cell device, the amount of water vapor is reduced by exchanging heat with the coolant before the fuel gas is supplied to the fuel cell, so that the fuel gas is stored in the fuel cell. The amount of water vapor brought in is reduced. Therefore, it is possible to prevent the excessive water vapor in the fuel gas from being condensed in the fuel cell, thereby preventing inconvenience such as blocking the gas flow path. Here, as a refrigerant that exchanges heat with the fuel gas in order to reduce the amount of water vapor in the fuel gas,
A coolant that exchanges heat with the fuel cell is used. A fuel cell is provided with a cooling means using such a cooling liquid in order to keep the temperature of the fuel cell within a predetermined range in a steady state in order to generate heat and increase the temperature as the electrochemical reaction proceeds. As described above, in the fuel cell device, a special refrigerant is prepared in order to remove excess water vapor in the fuel gas by adopting a configuration in which heat is exchanged between the cooling liquid for cooling the fuel cell and the fuel gas. It becomes unnecessary.

【００１８】また、このような燃料電池装置では、燃料
ガス中の水蒸気量を減少させるために燃料ガスと熱交換
を行なう冷却水は、冷却水路内を循環しながら燃料電池
とも熱交換を行なっているため、燃料電池の内部温度を
反映する温度となっている。したがって、燃料電池装置
の起動時には、燃料電池に供給する燃料ガスの温度を、
暖機運転中の燃料電池の内部温度に応じた温度に降温さ
せて、燃料電池中の水蒸気量を減少させることができ
る。そのため、燃料電池装置の起動時に燃料電池が昇温
し、燃料電池で進行する電気化学反応が活発化するのに
応じて、燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気量を
増やすことができる。また、燃料ガスと熱交換して昇温
した冷却水は、冷却水路内を循環して燃料電池と熱交換
するため、燃料電池装置の起動時には、冷却水を介して
燃料ガスから供給される熱によって、暖気運転中の燃料
電池を昇温させ、より速く燃料電池を定常状態にするこ
とができる。Further, in such a fuel cell device, the cooling water which exchanges heat with the fuel gas in order to reduce the amount of water vapor in the fuel gas exchanges heat with the fuel cell while circulating in the cooling water passage. Therefore, the temperature reflects the internal temperature of the fuel cell. Therefore, when the fuel cell device is started, the temperature of the fuel gas supplied to the fuel cell is
By lowering the temperature to a temperature corresponding to the internal temperature of the fuel cell during the warm-up operation, the amount of water vapor in the fuel cell can be reduced. Therefore, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell can be increased as the temperature of the fuel cell rises when the fuel cell device starts up and the electrochemical reaction that proceeds in the fuel cell becomes active. In addition, since the cooling water heated by heat exchange with the fuel gas circulates in the cooling water passage and exchanges heat with the fuel cell, the heat supplied from the fuel gas through the cooling water at the time of starting the fuel cell device. Accordingly, the temperature of the fuel cell during the warm-up operation can be increased, and the fuel cell can be brought into a steady state more quickly.

【００１９】また、このような燃料電池装置において、
前記冷却水路において前記第１の熱交換手段と並列的に
設けられ、前記第１の熱交換手段を経由することなく前
記冷却液を前記冷却水路内で循環させるための第１のバ
イパス流路と、前記冷却液が、前記第１の熱交換器と前
記第１のバイパス流路のうちのいずれを経由するかを切
り替える第１の切り替え手段とをさらに備えることとし
てもよい。In such a fuel cell device,
A first bypass flow path provided in the cooling water passage in parallel with the first heat exchange means, for circulating the cooling liquid in the cooling water passage without passing through the first heat exchange means; Further, the cooling liquid may further include first switching means for switching which of the first heat exchanger and the first bypass flow path passes.

【００２０】このような燃料電池装置では、前記冷却液
が、前記燃料ガスと熱交換する流路を経由する状態と、
前記燃料ガスとの熱交換を行なわない流路を経由する状
態とを切り替えることができる。したがって、燃料ガス
と冷却液との熱交換を行なう必要がない場合、すなわ
ち、燃料ガスが充分に昇温しており、燃料ガスを直接燃
料電池に供給しても、燃料ガス中の水蒸気が燃料電池内
で凝縮するおそれがない場合には、冷却液と熱交換させ
ることなく燃料ガスを直接燃料電池に供給することがで
きる。このように、前記第１の熱交換手段を前記冷却液
が経由しないことによって、前記冷却水路内に前記冷却
液を循環させるときに生じる圧損を抑え、前記冷却水路
内に前記冷却液を循環させるために消費されるエネルギ
量を削減することができる。[0020] In such a fuel cell device, the state in which the cooling liquid passes through a flow path for exchanging heat with the fuel gas is as follows:
It is possible to switch between a state where the fuel gas and the fuel gas pass through a channel that does not perform heat exchange. Therefore, when it is not necessary to perform heat exchange between the fuel gas and the coolant, that is, when the temperature of the fuel gas is sufficiently raised and the fuel gas is directly supplied to the fuel cell, the water vapor in the fuel gas does not When there is no risk of condensation in the cell, the fuel gas can be directly supplied to the fuel cell without exchanging heat with the coolant. As described above, since the coolant does not pass through the first heat exchange unit, a pressure loss generated when the coolant is circulated in the coolant channel is suppressed, and the coolant is circulated in the coolant channel. The amount of energy consumed for this purpose can be reduced.

【００２１】また、本発明の燃料電池装置において、前
記冷却水路の所定の位置に設けられ、前記冷却液を冷却
する冷却器と、前記冷却水路において前記冷却器と並列
的に設けられ、前記冷却器を経由することなく前記冷却
水を前記冷却水路内で循環させるための第２のバイパス
流路と、前記冷却液が、前記冷却器と前記第２のバイパ
ス流路のうちのいずれを経由するかを切り替える第２の
切り替え手段と、をさらに備えることとしてもよい。Further, in the fuel cell device according to the present invention, a cooler provided at a predetermined position in the cooling water passage for cooling the cooling liquid, and a cooling device provided in parallel with the cooler in the cooling water passage, A second bypass flow path for circulating the cooling water in the cooling water passage without passing through a cooler, and the cooling liquid passes through any of the cooler and the second bypass flow path And a second switching means for switching between them.

【００２２】このような構成の燃料電池装置は、前記冷
却液を冷却する冷却器を経由する流路と、前記冷却器と
並列的に設けられ、前記冷却器を経由しない第２のバイ
パス流路のうち、いずれの流路を経由して前記冷却水が
前記冷却水路を循環するかを切り替えることができる。
そのため、冷却水路内を循環する前記冷却液を冷却する
必要があるかどうかによって、前記冷却液の流路を切り
替えればよい。燃料電池装置を起動したときに、冷却液
が第２のバイパス流路を経由する状態にすれば、電気化
学反応と共に燃料電池で生じる熱と、前記燃料ガスと熱
交換することで得られる熱とによって、冷却液は昇温し
続けるため、燃料電池をより速く昇温させて定常状態に
することができる。燃料電池が定常状態になった後は、
必要に応じて冷却液が冷却器を経由するように切り替え
て冷却液を冷却することによって、燃料電池の内部温度
を所定の温度範囲にすることができる。[0022] The fuel cell device having the above-described structure includes a flow path passing through a cooler for cooling the cooling liquid, and a second bypass flow path provided in parallel with the cooler and not passing through the cooler. It is possible to switch which flow path the cooling water circulates through the cooling water path.
Therefore, the flow path of the cooling liquid may be switched depending on whether it is necessary to cool the cooling liquid circulating in the cooling water passage. If the coolant is made to pass through the second bypass flow path when the fuel cell device is started, heat generated in the fuel cell together with the electrochemical reaction and heat obtained by exchanging heat with the fuel gas can be obtained. As a result, the temperature of the coolant continues to rise, so that the temperature of the fuel cell can be raised more quickly to a steady state. After the fuel cell is in steady state,
The internal temperature of the fuel cell can be controlled to a predetermined temperature range by cooling the coolant by switching the coolant through the cooler as necessary.

【００２３】あるいは、本発明の燃料電池装置におい
て、前記冷却水路の所定の位置に設けられ、前記冷却液
を冷却する冷却器と、前記冷却水路において前記冷却器
と並列的に設けられ、前記冷却器を経由することなく前
記冷却水を前記冷却水路内で循環させるための第２のバ
イパス流路と、前記冷却器を経由する流路を通過する前
記冷却液の量と、前記第２のバイパス流路を通過する冷
却液の量とを調節する冷却量制御手段とをさらに備える
こととしてもよい。Alternatively, in the fuel cell device according to the present invention, a cooler is provided at a predetermined position in the cooling water passage and cools the cooling liquid; and the cooling water passage is provided in parallel with the cooler in the cooling water passage. A second bypass flow path for circulating the cooling water in the cooling water passage without passing through a cooler, an amount of the cooling liquid passing through a flow path passing through the cooler, and a second bypass flow path. Cooling amount control means for adjusting the amount of the cooling liquid passing through the flow path may be further provided.

【００２４】このような構成の燃料電池装置は、前記冷
却液を冷却する冷却器を通過する冷却液の量と、前記冷
却器と並列的に設けられ、前記冷却器を経由しない第２
のバイパス流路を通過する冷却液の量とを調節する。そ
のため、冷却水路内を循環する前記冷却液を冷却する必
要の度合いに応じて、上記したそれぞれの流路を通過す
る冷却液の量を調節すればよい。いずれかの流路を通過
させる冷却液の量を０となるように調節すれば、冷却水
が通過する流路を切り替える既述した構成と同様の動作
を行なうこととなり、同じ効果を得ることができる。そ
れぞれの流路を通過する冷却水量をさらに細かく調節す
ることで、冷却水の冷却の程度を制御して、冷却水によ
って冷却される燃料電池の温度、あるいは冷却水によっ
て冷却される燃料ガスの温度をより所望の値に近づくよ
うにすることができる。In the fuel cell device having the above-described structure, the amount of the cooling liquid passing through the cooler that cools the cooling liquid and the amount of the second cooling liquid that is provided in parallel with the cooling device and does not pass through the cooling device are provided.
And the amount of cooling liquid passing through the bypass flow path. Therefore, the amount of the coolant passing through each of the above-described flow paths may be adjusted according to the degree of necessity of cooling the coolant circulating in the coolant channel. If the amount of the cooling liquid passing through any one of the flow paths is adjusted to be 0, the same operation as the above-described configuration for switching the flow path through which the cooling water passes is performed, and the same effect can be obtained. it can. By further finely adjusting the amount of cooling water passing through each flow path, the degree of cooling of the cooling water is controlled, and the temperature of the fuel cell cooled by the cooling water or the temperature of the fuel gas cooled by the cooling water Can be made closer to a desired value.

【００２５】本発明の第２の燃料電池装置は、所定量の
水蒸気を含有する燃料ガスの供給を受け、電気化学反応
により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であ
って、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス中の水蒸気
量を、前記燃料電池の内部温度に応じて調節することを
特徴とする。A second fuel cell device according to the present invention is a fuel cell device provided with a fuel cell which receives a supply of a fuel gas containing a predetermined amount of water vapor and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction. The amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell is adjusted according to the internal temperature of the fuel cell.

【００２６】このような燃料電池装置によれば、前記燃
料電池に供給する前記燃料ガス中の水蒸気量が、前記燃
料電池の内部温度に応じて調節されるため、過剰の水蒸
気を含む燃料ガスを燃料電池に供給することによって燃
料電池中で水蒸気が凝縮し、燃料電池の燃料ガス流路を
塞いでしまうのを防止することができる。According to such a fuel cell device, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell is adjusted according to the internal temperature of the fuel cell. By supplying the fuel to the fuel cell, it is possible to prevent water vapor from condensing in the fuel cell and blocking the fuel gas flow path of the fuel cell.

【００２７】本発明の燃料電池装置の運転方法は、所定
量の水蒸気を含有する燃料ガスの供給を受け、電気化学
反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置
の運転方法であって、（ａ）前記燃料電池内に冷却液を
通過させ、前記冷却液と前記燃料電池との間で熱交換を
行なわせる工程と、（ｂ）少なくとも前記燃料電池の起
動時において、前記（ａ）工程で前記燃料電池との間で
熱交換した前記冷却液と、前記燃料ガスとの間で熱交換
を行なわせて前記燃料ガスを冷却し、前記燃料ガスが冷
却されることによって生じる凝縮水を、前記燃料ガスか
ら除去する工程と、（ｃ）前記凝縮水を除去した前記燃
料ガスを前記燃料電池に供給する工程とを備えることを
要旨とする。The method of operating a fuel cell device according to the present invention is a method of operating a fuel cell device provided with a fuel cell that receives a supply of a fuel gas containing a predetermined amount of water vapor and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction. (A) passing a coolant through the fuel cell to cause heat exchange between the coolant and the fuel cell; and (b) the (a) step at least at the time of starting the fuel cell. The coolant that has exchanged heat with the fuel cell, and the fuel gas is cooled by performing heat exchange with the fuel gas, and condensed water generated by cooling the fuel gas is The gist includes a step of removing the condensed water from the fuel gas and a step of supplying the fuel gas from which the condensed water has been removed to the fuel cell.

【００２８】このような燃料電池の運転方法によれば、
燃料ガスは、少なくとも前記燃料電池の起動時には、燃
料電池との間で熱交換を行なった冷却液と熱交換するこ
とで冷却され、冷却されることで生じた凝縮水が取り除
かれてから、燃料ガスは燃料電池に供給される。したが
って、燃料ガス中の過剰の水蒸気が燃料電池内で凝縮し
てしまい、ガス流路を塞ぐなどの不都合が生じるのを防
止することができる。ここで、燃料電池に供給される燃
料ガスは、そのときの燃料電池の内部温度よりもやや高
い温度における飽和蒸気圧に対応する量の水蒸気を含有
することになり、燃料電池装置の起動時に燃料電池が昇
温するのに応じて、燃料電池に供給される燃料ガス中の
水蒸気量も増える。したがって、燃料電池装置の起動時
に燃料電池が昇温する際に、燃料電池において電化学反
応を進行させるために要する水蒸気が不足してしまうこ
とがなく、燃料電池の昇温状態に応じた量の水蒸気を、
燃料ガスと共に燃料電池に供給することができる。According to such a fuel cell operating method,
The fuel gas is cooled by exchanging heat with the coolant that has exchanged heat with the fuel cell at least at the time of starting the fuel cell, and after the condensed water generated by the cooling is removed, the fuel gas is cooled. Gas is supplied to the fuel cell. Therefore, it is possible to prevent the excessive water vapor in the fuel gas from being condensed in the fuel cell, thereby preventing inconvenience such as blocking the gas flow path. Here, the fuel gas supplied to the fuel cell contains an amount of water vapor corresponding to the saturated vapor pressure at a temperature slightly higher than the internal temperature of the fuel cell at that time. As the temperature of the battery rises, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell also increases. Therefore, when the temperature of the fuel cell rises when the fuel cell device is started, there is no shortage of water vapor required for the electrochemical reaction to proceed in the fuel cell. Water vapor,
It can be supplied to the fuel cell together with the fuel gas.

【００２９】[0029]

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。図１は、本発明の第１実施例
である燃料電池装置１０の構成の概略を表わすブロック
図である。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メ
タノールタンク１２と、水タンク１４と、改質器３０
と、熱交換器４０と、冷却器５０と燃料電池２０と、制
御部６０とを主な構成要素として備える。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to further clarify the structure and operation of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described below based on examples. FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell device 10 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell device 10 includes a methanol tank 12, a water tank 14, a reformer 30
, A heat exchanger 40, a cooler 50, a fuel cell 20, and a control unit 60 as main components.

【００３０】メタノールタンク１２はメタノールを、水
タンク１４は水を貯蔵しており、原燃料供給路１７を介
して改質器３０にメタノールと水とを供給する。改質器
３０は、供給されたメタノールおよび水から水素を含有
する燃料ガスを生成する。熱交換器４０は、改質器３０
と燃料電池２０とを接続する流路（燃料供給路４２）
と、燃料電池２０の内部を通過して燃料電池２０を冷却
する冷却水の流路（熱交換器内流路７５）とを内部に備
えており、燃料電池２０に供給する燃料ガスと上記冷却
水との間で熱交換を行なわせる。冷却器５０は、燃料電
池２０を冷却した後に燃料電池２０から排出される上記
冷却水を導入可能な流路（冷却器内流路７３）を内部に
備えており、また、この流路内を通過する上記冷却水を
冷却するための冷却ファン５２を併設している。燃料電
池２０は、改質器３０においてメタノールの水蒸気改質
によって生成した燃料ガスと、ブロワ１６より供給され
る酸化ガス（圧縮空気）との供給を受けて電気化学反応
を行ない、起電力を得る。制御部６０は、燃料電池装置
１０の各部の運転状態を制御している。以下に、改質器
３０と燃料電池２０および制御部６０の構成についてさ
らに詳しく説明する。The methanol tank 12 stores methanol, and the water tank 14 stores water. The methanol tank 12 supplies methanol and water to the reformer 30 via the raw fuel supply path 17. The reformer 30 generates a fuel gas containing hydrogen from the supplied methanol and water. The heat exchanger 40 includes the reformer 30
Connecting the fuel cell 20 and the fuel cell 20 (fuel supply path 42)
And a cooling water passage (a heat exchanger passage 75) for cooling the fuel cell 20 by passing through the inside of the fuel cell 20. Allow heat exchange with water. The cooler 50 has therein a flow path (flow path 73 inside the cooler) through which the cooling water discharged from the fuel cell 20 after cooling the fuel cell 20 can be introduced. A cooling fan 52 for cooling the cooling water passing therethrough is provided. The fuel cell 20 receives the supply of the fuel gas generated by the steam reforming of methanol in the reformer 30 and the oxidizing gas (compressed air) supplied from the blower 16 to perform an electrochemical reaction to obtain an electromotive force. . The control unit 60 controls the operation state of each unit of the fuel cell device 10. Hereinafter, the configurations of the reformer 30, the fuel cell 20, and the control unit 60 will be described in more detail.

【００３１】改質器３０は、蒸発部３２，改質部３４お
よびＣＯ選択酸化部３６を備えている。メタノールタン
ク１２および水タンク１４に貯蔵されたメタノールおよ
び水は、それぞれポンプ１８，１９によってくみ出され
た後に混合され、混合された水メタノール混合液は、原
燃料供給路１７を介してまず蒸発部３２に供給される。
ここで、ポンプ１８，１９は、制御部６０に接続されて
おり、制御部６０から出力される駆動信号によって、蒸
発部３２に供給される水およびメタノールの量が制御さ
れる。蒸発部３２は、改質反応に先立って水メタノール
混合液を気化・昇温させ、水メタノール混合ガスとす
る。改質部３４は、蒸発部３２で気化・昇温させた水メ
タノール混合ガスを、水蒸気改質反応によって改質し
て、水素リッチな改質ガスである燃料ガスを生成する。
ＣＯ選択酸化部３６は、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を
低減する。以下、改質器３０を構成する各部についてさ
らに説明する。The reformer 30 includes an evaporator 32, a reformer 34, and a CO selective oxidizer 36. The methanol and water stored in the methanol tank 12 and the water tank 14 are mixed after being pumped by pumps 18 and 19, respectively. 32.
Here, the pumps 18 and 19 are connected to the control unit 60, and the amount of water and methanol supplied to the evaporating unit 32 is controlled by a drive signal output from the control unit 60. The evaporating section 32 vaporizes and raises the temperature of the water / methanol mixed liquid prior to the reforming reaction, thereby obtaining a water / methanol mixed gas. The reforming section 34 reforms the water-methanol mixed gas vaporized and heated in the evaporating section 32 by a steam reforming reaction to generate a fuel gas that is a hydrogen-rich reformed gas.
The CO selective oxidizing unit 36 reduces the concentration of carbon monoxide in the fuel gas. Hereinafter, each component of the reformer 30 will be further described.

【００３２】蒸発部３２は、図示しないバーナを備えて
おり、このバーナから供給される熱によって水メタノー
ル混合液を気化・昇温させる。蒸発部３２が備えるバー
ナは、メタノールタンク１２から供給されるメタノー
ル、および、燃料電池２０から排出される後述する燃料
排ガスを、燃焼のための燃料として利用している。The evaporating section 32 has a burner (not shown), and vaporizes and raises the temperature of the water-methanol mixture by the heat supplied from the burner. The burner provided in the evaporator 32 uses methanol supplied from the methanol tank 12 and a fuel exhaust gas, which will be described later, discharged from the fuel cell 20 as fuel for combustion.

【００３３】改質部３４は、改質触媒であるＣｕ−Ｚｎ
触媒を内部に備えており、この改質触媒の表面を上記水
メタノール混合ガスが通過する際に、水メタノール混合
ガスを原燃料として、既述した（４）ないし（６）式に
示した水蒸気改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガ
スを生成する。水蒸気改質反応は、既述したように吸熱
反応であるため、反応を進行させるためには熱を供給す
る必要があるが、本実施例では、水蒸気改質反応に要す
る熱は、既述した蒸発部３２から水メタノール混合ガス
自身が改質部３４に持ち込むこととした。もとより、改
質部３４にも所定の加熱装置を設けることとしてもよ
い。このようにして熱を供給し続けることによって、上
記Ｃｕ−Ｚｎ触媒のもとで水蒸気改質反応を進行させる
改質部３４では、その内部は、２５０〜３００℃の温度
範囲に維持される。The reforming section 34 includes a reforming catalyst Cu—Zn
A catalyst is provided inside, and when the water-methanol mixed gas passes through the surface of the reforming catalyst, the water-methanol mixed gas is used as a raw fuel, and the steam shown in the above-described formulas (4) to (6) is used as a raw fuel. The reforming reaction proceeds to generate a hydrogen-rich reformed gas. Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction as described above, it is necessary to supply heat in order to advance the reaction, but in this embodiment, the heat required for the steam reforming reaction is as described above. The water-methanol mixed gas itself is brought into the reforming section 34 from the evaporating section 32. Of course, the reforming section 34 may be provided with a predetermined heating device. By continuing to supply the heat in this manner, the inside of the reforming section 34 in which the steam reforming reaction proceeds under the Cu-Zn catalyst is maintained in a temperature range of 250 to 300C.

【００３４】ＣＯ選択酸化部３６は、改質部３４で生成
した改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化して、改質
ガスを、一酸化炭素濃度が充分に低い燃料ガスにする装
置である。既述したように、改質部３４で進行する改質
反応は（４）式ないし（６）式に従って進行し、これら
の反応が完全におこなわれるならば最終的に一酸化炭素
が生じることはないが、実際の燃料改質装置において
は、上記（５）式の反応を完全に行なわせることは困難
であるため、燃料改質装置で改質された燃料ガス中には
副生成物としての一酸化炭素が微量に含まれる。しかし
ながら、このように一酸化炭素を含有する改質ガスを燃
料ガスとして燃料電池に供給すると、一酸化炭素は燃料
電池が備える白金触媒に吸着されて触媒を劣化させてし
まう。そのため、改質器３０では、ＣＯ選択酸化部３６
を設けて改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減した上で、
一酸化炭素濃度を充分に低減した改質ガスを燃料ガスと
して燃料電池２０に供給し、改質触媒の劣化を防止して
いる。以下に、ＣＯ選択酸化部３６で進行する一酸化炭
素の選択酸化反応を示す。The CO selective oxidizing section 36 selectively oxidizes carbon monoxide in the reformed gas generated in the reforming section 34 to turn the reformed gas into a fuel gas having a sufficiently low carbon monoxide concentration. Device. As described above, the reforming reaction that proceeds in the reforming section 34 proceeds according to the equations (4) to (6), and if these reactions are completely performed, it is unlikely that carbon monoxide is finally generated. However, in an actual fuel reformer, it is difficult to completely carry out the reaction of the above formula (5), so that a by-product as a by-product is contained in the fuel gas reformed by the fuel reformer. Contains trace amounts of carbon monoxide. However, when the reformed gas containing carbon monoxide is supplied to the fuel cell as the fuel gas, the carbon monoxide is adsorbed on the platinum catalyst provided in the fuel cell and deteriorates the catalyst. Therefore, in the reformer 30, the CO selective oxidation unit 36
To reduce the concentration of carbon monoxide in the reformed gas,
A reformed gas having a sufficiently reduced carbon monoxide concentration is supplied as a fuel gas to the fuel cell 20 to prevent the reforming catalyst from deteriorating. Hereinafter, a selective oxidation reaction of carbon monoxide which proceeds in the CO selective oxidation section 36 will be described.

【００３５】 ＣＯ＋（１／２）Ｏ2 → ＣＯ2 …（７）CO + (１ ／) O 2 → CO 2 (7)

【００３６】ＣＯ選択酸化部３６は、一酸化炭素選択酸
化触媒である白金触媒を備えている。また、ＣＯ選択酸
化部３６には、外部から空気が供給され、供給された空
気を利用して上記（７）式の選択酸化反応を進行させ
る。ＣＯ選択酸化部３６で一酸化炭素濃度が低減された
改質ガスは、燃料ガスとして、燃料供給路４２を介して
燃料電池２０に供給される。なお、ＣＯ選択酸化部３６
が備える上記一酸化炭素選択酸化触媒の表面上に、改質
ガスを通過させて得られる燃料ガス中の一酸化炭素濃度
は、ＣＯ選択酸化部３６の運転温度、供給される改質ガ
ス中の一酸化炭素濃度、ＣＯ選択酸化部３６へ供給され
る改質ガスの単位触媒体積当たりの流量（空間速度）な
どによって定まる。The CO selective oxidizing section 36 has a platinum catalyst which is a carbon monoxide selective oxidizing catalyst. Further, air is supplied from the outside to the CO selective oxidizing unit 36, and the selective oxidation reaction of the above formula (7) is advanced using the supplied air. The reformed gas whose carbon monoxide concentration has been reduced in the CO selective oxidizing unit 36 is supplied to the fuel cell 20 via the fuel supply path 42 as a fuel gas. The CO selective oxidizing unit 36
The carbon monoxide concentration in the fuel gas obtained by passing the reformed gas over the surface of the carbon monoxide selective oxidation catalyst provided in It is determined by the concentration of carbon monoxide, the flow rate (space velocity) of the reformed gas supplied to the CO selective oxidation section 36 per unit catalyst volume, and the like.

【００３７】次に、燃料電池２０の構成について説明す
る。燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池であり、単
セルを複数積層したスタック構造を備えている。図２
は、燃料電池２０が備える単セル２８の構成を模式的に
表わす断面図である。単セル２８は、電解質膜２１と、
アノード２２と、カソード２３と、セパレータ２４，２
５とから構成されている。Next, the configuration of the fuel cell 20 will be described. The fuel cell 20 is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a single cell 28 included in the fuel cell 20. The single cell 28 includes the electrolyte membrane 21 and
Anode 22, cathode 23, separators 24, 2
And 5.

【００３８】アノード２２およびカソード２３は、電解
質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。セパレータ２４，２５は、このサンド
イッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２お
よびカソード２３との間に、燃料ガス及び酸化ガスの流
路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間に
は燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３
とセパレータ２５との間には酸化ガス流路２５Ｐが形成
されている。The anode 22 and the cathode 23 are gas diffusion electrodes having a sandwich structure sandwiching the electrolyte membrane 21 from both sides. The separators 24 and 25 form a flow path for the fuel gas and the oxidizing gas between the anode 22 and the cathode 23 while further sandwiching the sandwich structure from both sides. A fuel gas flow path 24P is formed between the anode 22 and the separator 24,
An oxidizing gas flow path 25P is formed between the oxidizing gas passage 25P and the separator 25.

【００３９】ここで、電解質膜２１は、固体高分子材
料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導電
性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性
を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）
を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白
金または白金と他の金属からなる合金が塗布されてい
る。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他
の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、こ
の触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添
加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷
するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持し
たカーボン粉を含有するペーストを膜形成してシートを
作製し、このシートを電解質膜２１上にプレスする構成
も好適である。Here, the electrolyte membrane 21 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and shows good electric conductivity in a wet state. In this embodiment, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) is used.
It was used. The surface of the electrolyte membrane 21 is coated with platinum as a catalyst or an alloy of platinum and another metal. As a method of applying the catalyst, a carbon powder supporting platinum or an alloy composed of platinum and another metal is prepared, and the carbon powder supporting the catalyst is dispersed in an appropriate organic solvent, and an electrolytic solution (eg, Aldrich Chemi) is used.
Cal Co., Nafion Solution) was added in an appropriate amount to form a paste, and screen printing was performed on the electrolyte membrane 21. Alternatively, a configuration is also preferable in which a sheet containing carbon powder supporting the above-described catalyst is formed into a film to form a sheet, and the sheet is pressed on the electrolyte membrane 21.

【００４０】アノード２２およびカソード２３は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されている。なお、本実施例では、アノード２２およ
びカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭
素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルト
により形成する構成も好適である。The anode 22 and the cathode 23 are both formed of carbon cloth woven with carbon fiber yarns. In the present embodiment, the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon cloth, but a configuration formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber is also suitable.

【００４１】セパレータ２４，２５は、ガス不透過の導
電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とし
た緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２
４，２５はその表面に、所定の形状のリブ部を形成して
おり、既述したように、セパレータ２４はアノード２２
の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、セパレータ２
５はカソード２３の表面とで酸化ガス流路２５Ｐを形成
する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブ部
の形状は、ガス流路を形成してガス拡散電極に対して燃
料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。本実施
例では、平行に形成された複数の溝状にリブ部を形成し
た。なお、ここではセパレータ２４とセパレータ２５と
を分けて記述したが、実際の燃料電池２０では両面にリ
ブ部を形成したセパレータを用い、隣合う単セル２８が
セパレータを共有する構成とした。The separators 24 and 25 are formed of a gas-impermeable conductive member, for example, a dense carbon which is made of carbon by compressing carbon. Separator 2
4 and 25 have ribs of a predetermined shape formed on the surface thereof.
And a surface of the fuel gas flow path 24P to form the separator 2
5 and the surface of the cathode 23 form an oxidizing gas flow path 25P. Here, the shape of the rib portion formed on the surface of each separator may be any shape as long as a gas flow path is formed and a fuel gas or an oxidizing gas can be supplied to the gas diffusion electrode. In this embodiment, the rib portions are formed in a plurality of grooves formed in parallel. Although the separator 24 and the separator 25 are described separately here, the actual fuel cell 20 has a configuration in which the ribs are formed on both surfaces, and the adjacent single cells 28 share the separator.

【００４２】以上、燃料電池２０の基本構造である単セ
ル２８の構成について説明した。実際に燃料電池２０と
して組み立てるときには、アノード２２、電解質膜２
１、カソード２３からなる構成の間にセパレータを配置
して単セル２８を複数組積層し（本実施例では１００
組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより構成
される集電板を配置することによってスタック構造を構
成する。なお、燃料電池２０には、図示しない燃料ガス
排出装置および酸化ガス排出装置が接続されており、各
電極での電気化学反応に供された後の燃料排ガスおよび
酸化排ガスが燃料電池２０の外部に排出される。ここ
で、燃料ガス排出装置は、改質器３０における蒸発部３
２に接続しており、既述したように、燃料排ガスは、蒸
発部３２が備えるバーナに供給される。The configuration of the single cell 28 which is the basic structure of the fuel cell 20 has been described above. When the fuel cell 20 is actually assembled, the anode 22, the electrolyte membrane 2
1, a plurality of single cells 28 are stacked with a separator disposed between the configurations of the cathode 23 (100 in this embodiment).
Pair), and a current collector plate composed of a dense carbon or copper plate is arranged at both ends to form a stack structure. A fuel gas discharge device and an oxidizing gas discharge device (not shown) are connected to the fuel cell 20, and the fuel exhaust gas and the oxidizing exhaust gas after being subjected to the electrochemical reaction at each electrode are discharged outside the fuel cell 20. Is discharged. Here, the fuel gas discharge device is connected to the evaporator 3 in the reformer 30.
2, and the fuel exhaust gas is supplied to the burner of the evaporator 32 as described above.

【００４３】制御部６０は、マイクロコンピュータを中
心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定
された制御プログラムに従って所定の演算などを実行す
るＣＰＵ６２と、ＣＰＵ６２で各種演算処理を実行する
のに必要な制御プログラムや制御データなどが予め格納
されたＲＯＭ６４と、同じくＣＰＵ６２で各種演算処理
を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きさ
れるＲＡＭ６６と、後述する水温センサ７９などからの
検出信号を入力すると共に、ＣＰＵ６２での演算結果に
応じて、既述したポンプ１８，１９やブロワ１６などに
駆動信号を出力する入出力ポート６８などを備える。The control unit 60 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer. More specifically, the control unit 60 executes a predetermined operation in accordance with a preset control program. A ROM 64 in which necessary control programs and control data are stored in advance, a RAM 66 in which various data necessary for executing various arithmetic processing by the CPU 62 are temporarily read and written, and a detection from a water temperature sensor 79 described later. An input / output port 68 for inputting a signal and outputting a drive signal to the pumps 18 and 19, the blower 16 and the like according to the calculation result of the CPU 62 is provided.

【００４４】次に、本実施例の燃料電池装置１０の内部
を循環する冷却水の流路について説明する。燃料電池２
０を冷却する冷却水の流路について説明する。この冷却
水の流路の構成は、本発明の要部に対応する構成であ
り、本実施例の燃料電池装置１０は、燃料電池２０を冷
却した冷却水と、改質器３０で生成した燃料ガスとの間
で熱交換を行なうことにより、燃料電池装置１０の起動
時に、燃料電池２０の燃料ガス流路内で燃料ガス中の水
蒸気が凝縮してしまうのを防止することを特徴としてい
る。Next, the flow path of the cooling water circulating inside the fuel cell device 10 of the present embodiment will be described. Fuel cell 2
The flow path of the cooling water for cooling 0 will be described. The configuration of the flow path of the cooling water is a configuration corresponding to the main part of the present invention. The fuel cell device 10 of the present embodiment includes the cooling water that has cooled the fuel cell 20 and the fuel that has been generated by the reformer 30. By exchanging heat with the gas, when the fuel cell device 10 is started, water vapor in the fuel gas is prevented from condensing in the fuel gas flow path of the fuel cell 20.

【００４５】燃料電池装置１０は、冷却水路７０を備え
ている。冷却水路７０は、燃料電池２０，冷却器５０お
よび熱交換器４０の内部を経由する閉環状の流路であ
り、燃料電池２０の内部では電池内流路７１となり、冷
却器５０内では冷却器内流路７３となり、熱交換器４０
内では熱交換器内流路７５となる。冷却水は、上記燃料
電池２０，冷却器５０および熱交換器４０の内部を通過
しながら、冷却水路７０の内部を循環する。冷却水は、
上記電池内流路７１を通過することによって燃料電池２
０との間で熱交換を行なうが、燃料電池２０で進行する
電気化学反応は発熱を伴うため、燃料電池２０が定常状
態となっているときには、冷却水は、燃料電池２０の内
部温度が所定の温度範囲（本実施例では８０〜１００
℃）となるように燃料電池２０を冷却する。電池内流路
７１を通過した冷却水は、さらに冷却水路７０に導かれ
て上記冷却器内流路７３を通過する。冷却器５０には、
既述したように冷却ファン５２が設けられているため、
この冷却ファン５２を駆動することによって、冷却器内
流路７３を通過する冷却水を冷却することができる。The fuel cell device 10 has a cooling water passage 70. The cooling water passage 70 is a closed annular flow passage that passes through the inside of the fuel cell 20, the cooler 50, and the heat exchanger 40. The cooling water passage 70 serves as a battery passage 71 inside the fuel cell 20, and a cooler inside the cooler 50. The inner flow path 73 becomes the heat exchanger 40
Inside, it becomes the heat exchanger flow path 75. The cooling water circulates inside the cooling water passage 70 while passing through the inside of the fuel cell 20, the cooler 50, and the heat exchanger 40. The cooling water is
The fuel cell 2
Although the heat exchange is performed between the fuel cell 20 and the fuel cell 20, since the electrochemical reaction that proceeds in the fuel cell 20 involves heat generation, when the fuel cell 20 is in a steady state, the cooling water has a predetermined internal temperature. Temperature range (80 to 100 in this embodiment)
(° C.). The cooling water that has passed through the battery passage 71 is further guided to the cooling water passage 70 and passes through the cooler passage 73. In the cooler 50,
Since the cooling fan 52 is provided as described above,
By driving the cooling fan 52, the cooling water passing through the cooler flow path 73 can be cooled.

【００４６】冷却器内流路７３を通過した冷却水は、さ
らに冷却水路７０に導かれて熱交換器内流路７５を通過
する。熱交換器４０は、上記した冷却水路７０と共に、
改質器３０で生成した燃料ガスを燃料電池２０に供給す
る燃料供給路４２を内部に備えており、熱交換器内流路
７５を通過する冷却水は、燃料供給路４２を通過する燃
料ガスとの間で熱交換を行なう。改質器３０で生成され
た燃料ガスは、改質器３０で進行する水蒸気改質反応の
反応温度に応じた所定の高温となっているため、熱交換
器内流路７５を通過する冷却水は、燃料ガスを冷却す
る。このように、熱交換器４０において燃料ガスと冷却
水とが熱交換し、これによって燃料ガスが降温すると、
燃料ガスにおける飽和蒸気圧が低下する。したがって、
燃料ガスが含有する水蒸気のうち、熱交換器４０におい
て燃料ガスが降温したときの飽和蒸気圧に対応する水蒸
気量を超えた量の水蒸気が、燃料供給路４２内で凝縮す
る。この凝縮水は、熱交換器４０内で回収され、回収さ
れた凝縮水は、水回収路４４を介して水タンク１４に供
給されてここで貯留される。なお、熱交換器４０で回収
された凝縮水は、水回収路４４に設けられたポンプ４６
によってくみ出されて、上記したように水タンク１４に
供給される。また、熱交換器内流路７５を通過した冷却
水は、さらに冷却水路７０に導かれて、再び電池内流路
７１を通過する。The cooling water that has passed through the cooler passage 73 is further guided to the cooling water passage 70 and passes through the heat exchanger passage 75. The heat exchanger 40, together with the cooling water passage 70 described above,
The fuel supply passage 42 that supplies the fuel gas generated by the reformer 30 to the fuel cell 20 is provided therein, and the cooling water passing through the heat exchanger internal passage 75 is supplied by the fuel gas passing through the fuel supply passage 42. Heat exchange between Since the fuel gas generated in the reformer 30 has a predetermined high temperature in accordance with the reaction temperature of the steam reforming reaction that proceeds in the reformer 30, the cooling water passing through the heat exchanger flow path 75 Cools the fuel gas. As described above, when the fuel gas and the cooling water exchange heat in the heat exchanger 40, and thereby the temperature of the fuel gas decreases,
The saturated vapor pressure in the fuel gas decreases. Therefore,
Of the steam contained in the fuel gas, an amount of steam exceeding the amount of steam corresponding to the saturated vapor pressure when the temperature of the fuel gas is decreased in the heat exchanger 40 is condensed in the fuel supply passage 42. The condensed water is collected in the heat exchanger 40, and the collected condensed water is supplied to the water tank 14 via the water recovery path 44 and stored therein. The condensed water recovered by the heat exchanger 40 is supplied to a pump 46 provided in the water recovery path 44.
And is supplied to the water tank 14 as described above. Further, the cooling water that has passed through the flow path 75 inside the heat exchanger is further guided to the cooling water path 70 and passes through the flow path 71 inside the battery again.

【００４７】なお、電池内流路７１，冷却器内流路７３
および熱交換器内流路７５を有する上記した冷却水路７
０において、上述した経路の流路から分岐して、バイパ
ス流路７２，７４がさらに設けられている。バイパス流
路７２は、既述した冷却器内流路７３と並列的に設けら
れており、冷却器内流路７３に至る流路とバイパス流路
７２との分岐点には、流路切り替え弁７６が設けられて
いる。この流路切り替え弁７６を切り替えることによっ
て、燃料電池２０から排出された冷却水の流れを、冷却
器内流路７３を経由する流路と、冷却器内流路７３を経
由せずにバイパス流路７２を通過する流路との間で切り
替えることができる。The battery passage 71 and the cooler passage 73
Cooling water channel 7 having a heat exchanger internal flow path 75
At 0, bypass passages 72 and 74 are further provided, branching off from the above-described passage. The bypass flow path 72 is provided in parallel with the above-described cooler flow path 73, and a branch point between the flow path leading to the cooler flow path 73 and the bypass flow path 72 is provided with a flow path switching valve. 76 are provided. By switching the flow path switching valve 76, the flow of the cooling water discharged from the fuel cell 20 is divided into a flow path through the cooler flow path 73 and a bypass flow without passing through the cooler flow path 73. It can be switched between the flow path passing through the path 72 and the flow path.

【００４８】バイパス流路７４は、既述した熱交換器内
流路７５と並列的に設けられており、熱交換器内流路に
至る流路とバイパス流路７４との分岐点には、流路切り
替え弁７８が設けられている。この流路切り替え弁７８
を切り替えることによって、冷却器内流路７３あるいは
バイパス流路７２を通過した冷却水の流れを、熱交換器
内流路７５を経由する流路と、熱交換器内流路７５を経
由せずにバイパス流路７４を通過する流路との間で切り
替えることができる。なお、流路切り替え弁７６，７８
は、制御部６０に接続されており、制御部６０から出力
される駆動信号によって、それぞれの流路の切り替え状
態が制御される。The bypass flow path 74 is provided in parallel with the above-described heat exchanger internal flow path 75, and a branch point between the flow path leading to the heat exchanger internal flow path and the bypass flow path 74 is: A flow path switching valve 78 is provided. This flow path switching valve 78
The flow of the cooling water that has passed through the cooler flow path 73 or the bypass flow path 72 is switched between the flow path that passes through the heat exchanger flow path 75 and the flow path that does not pass through the heat exchanger flow path 75. And the flow path passing through the bypass flow path 74. The flow path switching valves 76 and 78
Are connected to the control unit 60, and the switching state of each flow path is controlled by a drive signal output from the control unit 60.

【００４９】ここで、冷却水路７０にはポンプ７７が設
けられており、このポンプ７７を駆動することによっ
て、冷却水路７０内で冷却水は所定の方向（図１中の矢
印Ａの方向）に循環するようになり、燃料電池装置１０
内の各部を上記した順序で通過する。ポンプ７７は制御
部６０に接続されており、制御部６０から入力される駆
動信号によって駆動される。また、冷却水路７０では、
電池内流路７１から冷却水が排出される箇所の近傍に、
さらに水温センサ７９が設けられており、この水温セン
サ７９によって、電池内流路７１から排出された冷却水
の水温が検出される。このように、水温センサ７９が水
温を検出する冷却水は燃料電池２０から排出されたもの
であるため、水温センサ７９が検出する水温は、燃料電
池２０の内部温度を反映する値となる。水温センサ７９
は制御部６０に接続されており、水温センサ７９によっ
て検出された冷却水の水温に関する情報は制御部６０に
入力される。Here, a pump 77 is provided in the cooling water passage 70. By driving the pump 77, the cooling water in the cooling water passage 70 is directed in a predetermined direction (the direction of arrow A in FIG. 1). The fuel cell device 10
Pass in the order described above. The pump 77 is connected to the control unit 60 and is driven by a drive signal input from the control unit 60. In the cooling water channel 70,
In the vicinity of the place where the cooling water is discharged from the battery flow path 71,
Further, a water temperature sensor 79 is provided, and the water temperature sensor 79 detects the temperature of the cooling water discharged from the flow path 71 in the battery. As described above, since the cooling water for which the water temperature sensor 79 detects the water temperature has been discharged from the fuel cell 20, the water temperature detected by the water temperature sensor 79 has a value reflecting the internal temperature of the fuel cell 20. Water temperature sensor 79
Is connected to the control unit 60, and information about the coolant temperature detected by the coolant temperature sensor 79 is input to the control unit 60.

【００５０】このような冷却水路７０では、燃料電池装
置１０の起動時、および燃料電池２０が定常状態に達し
たときには、流路切り替え弁７６，７８の駆動状態を調
節することによって、冷却水の流路が制御される。燃料
電池装置１０の起動時には、流路切り替え弁７６は、冷
却水が冷却器内流路７３を経由せずにバイパス流路７２
を通過するように切り替えられ、流路切り替え弁７８
は、冷却水が熱交換器内流路７５を経由せずにバイパス
流路７４を通過するように切り替えられる。これによっ
て、冷却水は、所定の高温となっている燃料ガスと熱交
換することによって昇温した後、暖機中の燃料電池２０
と熱交換することによって降温する。このとき、定常状
態に達する前の暖機中の燃料電池２０は、冷却水と熱交
換することによって昇温する。In the cooling water passage 70, when the fuel cell device 10 starts up and when the fuel cell 20 reaches a steady state, the driving state of the flow path switching valves 76 and 78 is adjusted to thereby provide the cooling water. The flow path is controlled. When the fuel cell device 10 is started, the flow path switching valve 76 controls the bypass flow path 72
And the flow path switching valve 78
Is switched so that the cooling water passes through the bypass flow path 74 without passing through the heat exchanger flow path 75. As a result, the temperature of the cooling water is increased by exchanging heat with the fuel gas having a predetermined high temperature.
The temperature is lowered by exchanging heat with. At this time, the temperature of the fuel cell 20 during warm-up before reaching the steady state is increased by exchanging heat with the cooling water.

【００５１】また、燃料電池２０が定常状態に達した後
は、流路切り替え弁７６は、冷却水が冷却器内流路７３
を経由するように切り替えられ、流路切り替え弁７８
は、冷却水が熱交換器内流路７５を経由するように切り
替えられる。これによって、冷却水は、冷却器５０によ
って冷却されると共に、発熱を続ける燃料電池２０と熱
交換することによって昇温する。定常状態となって電気
化学反応に伴って発熱する燃料電池２０は、冷却水と熱
交換することによって降温し、これによって燃料電池２
０の内部温度が上昇してしまうのを防ぐことができる。
水温センサ７９が検出した冷却水温に基づいて、冷却フ
ァン５２およびポンプ７７の駆動状態を制御することに
よって、燃料電池２０の内部温度を所定の温度範囲に保
つことができる。以下、冷却水の流路の切り替えに関す
る具体的な動作について詳しく説明する。After the fuel cell 20 has reached the steady state, the flow switching valve 76 sets the cooling water into the flow path 73 inside the cooler.
And the flow path switching valve 78
Is switched so that the cooling water passes through the heat exchanger passage 75. Thus, the cooling water is cooled by the cooler 50 and heats up by exchanging heat with the fuel cell 20 which continues to generate heat. The fuel cell 20, which is in a steady state and generates heat due to the electrochemical reaction, cools down by exchanging heat with cooling water.
0 can be prevented from rising.
By controlling the driving states of the cooling fan 52 and the pump 77 based on the cooling water temperature detected by the water temperature sensor 79, the internal temperature of the fuel cell 20 can be kept within a predetermined temperature range. Hereinafter, a specific operation related to switching of the flow path of the cooling water will be described in detail.

【００５２】燃料電池装置１０の運転が開始されると、
制御部６０において、図３に示す冷却水流路制御処理ル
ーチンが実行され、冷却水の通過する流路が燃料電池装
置１０の運転状態に応じて制御される。なお、燃料電池
装置１０の起動時には、図３に示した冷却水流路制御処
理ルーチンが実行されるのに先立って、改質器３０が起
動される。改質器３０の起動時には、まず、蒸発部３２
が備える既述したバーナが点火されるが、このバーナか
ら供給される熱によって、蒸発部３２をはじめとする改
質器３０の内部は急速に加熱され、改質器３０は速やか
に定常状態に達することができる。本実施例の燃料電池
装置１０では、起動直後の改質器３０から排出される燃
料ガス（改質反応が不十分であるガス）は、蒸発部３２
が備えるバーナに供給することとし、改質器３０を起動
して所定の時間が経過すると、改質器３０が定常状態に
達したものと判断して、燃料ガスを燃料供給路４２に供
給すると共に、冷却水流路制御処理ルーチンを実行す
る。When the operation of the fuel cell device 10 is started,
In the control unit 60, a cooling water flow path control processing routine shown in FIG. 3 is executed, and the flow path through which the cooling water passes is controlled according to the operating state of the fuel cell device 10. When the fuel cell device 10 is started, the reformer 30 is started before the cooling water flow path control processing routine shown in FIG. 3 is executed. When the reformer 30 is started, first, the evaporator 32
Is ignited, the heat supplied from the burner rapidly heats the inside of the reformer 30 including the evaporator 32, and the reformer 30 quickly enters a steady state. Can be reached. In the fuel cell device 10 of the present embodiment, the fuel gas (the gas having an insufficient reforming reaction) discharged from the reformer 30 immediately after the start-up is supplied to the evaporator 32.
Is supplied to the burner included in the fuel cell, and when a predetermined time has elapsed since the start of the reformer 30, it is determined that the reformer 30 has reached the steady state, and the fuel gas is supplied to the fuel supply path 42. At the same time, a cooling water flow path control processing routine is executed.

【００５３】本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２
は、まず、ポンプ７７に駆動信号を出力して冷却水の循
環を開始させると共に、ポンプ４６に駆動信号を出力し
て、熱交換器４０で生成した凝縮水を水タンク１４に回
収可能にする。また、流路切り替え弁７６，７８に駆動
信号を出力して、流路切り替え弁７６は、冷却水がバイ
パス流路７２を通過する状態となるように、流路切り替
え弁７８は、冷却水が熱交換器内流路７５を経由する状
態となるように、それぞれの切り替え状態を制御する
（ステップＳ１００）。すなわち、冷却水は、熱交換器
内流路７５と電池内流路７１を通過しながら循環し、冷
却器内流路７３は通過しない状態となる。When this routine is executed, the CPU 62
First, a drive signal is output to the pump 77 to start circulation of the cooling water, and a drive signal is output to the pump 46 so that the condensed water generated in the heat exchanger 40 can be collected in the water tank 14. . Further, a drive signal is output to the flow path switching valves 76 and 78, and the flow path switching valve 78 controls the cooling water so that the cooling water passes through the bypass flow path 72. Each switching state is controlled so as to be in a state of passing through the heat exchanger internal flow path 75 (step S100). That is, the cooling water circulates while passing through the heat exchanger flow path 75 and the battery flow path 71, and does not pass through the cooler flow path 73.

【００５４】次に、ＣＰＵ６２は、水温センサ７９か
ら、燃料電池２０より排出された冷却水の水温Ｔを入力
し（ステップＳ１１０）、この冷却水の水温Ｔと、予め
設定しておいた所定の基準値Ｔ1 とを比較する（ステッ
プＳ１２０）。ここで、水温センサ７９が検出した水温
は、既述したように、燃料電池２０の運転温度を反映し
た値となっている。また、所定の基準値Ｔ1 とは、燃料
電池２０が所定の定常状態に達したときの冷却水の温度
として予め設定し、制御部６０内に記憶しておいた値で
ある。本実施例では、この基準値Ｔ1 を８０℃とした。Next, the CPU 62 inputs the temperature T of the cooling water discharged from the fuel cell 20 from the water temperature sensor 79 (step S110), and the water temperature T of the cooling water and a predetermined temperature set in advance. The value is compared with the reference value T1 (step S120). Here, the water temperature detected by the water temperature sensor 79 is a value reflecting the operating temperature of the fuel cell 20 as described above. The predetermined reference value T1 is a value previously set as the temperature of the cooling water when the fuel cell 20 reaches a predetermined steady state and stored in the control unit 60. In this embodiment, the reference value T1 is set to 80.degree.

【００５５】冷却水の水温Ｔが上記所定の基準値Ｔ1 よ
りも低い場合には、燃料電池２０の内部温度がまだ充分
に昇温していないと判断されて、流路切り替え弁７６，
７８の切り替え状態がそのまま維持される（ステップＳ
１３０）。したがって、冷却水は、熱交換器内流路７５
を通過して燃料ガスとの間で熱交換を行なうと共に、電
池内流路７１を通過して燃料電池２０との間で熱交換を
行なう状態を維持する。改質器３０は、既述したよう
に、燃料電池装置１０の起動直後から蒸発部３２が備え
るバーナによって加熱されて昇温するため、この改質器
３０で生成された燃料ガスも、改質器３０の内部温度に
応じた所定の高温となっている。そのため、冷却水は、
熱交換器４０内を通過して上記燃料ガスと熱交換するこ
とによって昇温する。この昇温した冷却水は、引き続き
電池内流路７１を通過することによって、燃料電池２０
を昇温させる。電池内流路７１で燃料電池２０と熱交換
した冷却水は、そのときの燃料電池２０の運転温度と同
程度の温度にまで降温して、再び熱交換器内流路７５に
導かれて燃料ガスと熱交換を行なう。If the temperature T of the cooling water is lower than the predetermined reference value T1, it is determined that the internal temperature of the fuel cell 20 has not yet sufficiently increased, and the flow path switching valve 76,
The switching state of No. 78 is maintained as it is (step S
130). Therefore, the cooling water is supplied to the flow path 75 in the heat exchanger.
, Heat exchange with the fuel gas is performed, and the state in which heat exchange is performed with the fuel cell 20 through the in-cell passage 71 is maintained. As described above, since the reformer 30 is heated by the burner of the evaporator 32 immediately after the start of the fuel cell device 10 to increase the temperature, the fuel gas generated by the reformer 30 is also reformed. It has a predetermined high temperature corresponding to the internal temperature of the vessel 30. Therefore, the cooling water
The temperature rises by passing through the heat exchanger 40 and exchanging heat with the fuel gas. The heated cooling water continues to pass through the in-cell flow path 71, and
Is heated. The cooling water that has exchanged heat with the fuel cell 20 in the flow path 71 within the battery cools down to a temperature substantially equal to the operating temperature of the fuel cell 20 at that time, and is then guided again to the flow path 75 inside the heat exchanger, Perform heat exchange with gas.

【００５６】また、熱交換器４０を経由した燃料ガス
は、上記したように燃料電池２０の運転温度と同程度の
温度となっている冷却水と熱交換することによって、燃
料電池２０の運転温度よりも若干高い温度にまで降温す
る。このように燃料ガスが降温することによって、燃料
ガス中の水蒸気量は、降温した温度における飽和蒸気圧
に対応する量となり、これによって、燃料ガスに含まれ
ていた水蒸気の一部が凝縮する。降温して水蒸気量が減
少した燃料ガスは、そのまま燃料供給路４２に導かれて
燃料電池２０に供給され、電気化学反応に供される。熱
交換器４０で水蒸気が凝縮して生じた水は、既述したよ
うに、水回収路４４に導かれて水タンク１４に供給され
る。The fuel gas that has passed through the heat exchanger 40 exchanges heat with the cooling water having a temperature substantially equal to the operating temperature of the fuel cell 20 as described above, so that the operating temperature of the fuel cell 20 is increased. To a slightly higher temperature. As the temperature of the fuel gas falls, the amount of water vapor in the fuel gas becomes an amount corresponding to the saturated vapor pressure at the temperature at which the temperature has dropped, whereby a part of the water vapor contained in the fuel gas is condensed. The fuel gas whose temperature has been lowered and the amount of water vapor has been reduced is directly guided to the fuel supply path 42 and supplied to the fuel cell 20 to be subjected to an electrochemical reaction. Water generated by condensation of steam in the heat exchanger 40 is guided to the water recovery path 44 and supplied to the water tank 14 as described above.

【００５７】上記ステップＳ１３０を実行した後は、再
びステップＳ１１０に戻って水温センサ７９が検出する
冷却水温Ｔを読み込むと共に、読み込んだ冷却水温Ｔを
所定の基準値Ｔ1 と比較する（ステップＳ１２０）操作
を繰り返し、冷却水温Ｔが所定の基準値Ｔ1 以上となる
まで流路切り替え弁７６，７８の状態を維持する。この
ような状態では、燃料電池２０には、燃料電池２０のそ
のときの運転温度よりもやや高い温度となり、過剰な水
蒸気が除去された燃料ガスが供給され続け、燃料電池２
０は、熱交換器４０において燃料ガスによって昇温され
た冷却水によって、加熱され続ける。After executing step S130, the operation returns to step S110 to read the cooling water temperature T detected by the water temperature sensor 79 and compare the read cooling water temperature T with a predetermined reference value T1 (step S120). Are repeated until the cooling water temperature T becomes equal to or higher than the predetermined reference value T1. In such a state, the temperature of the fuel cell 20 is slightly higher than the operating temperature of the fuel cell 20 at that time, and the fuel gas from which excess water vapor has been removed is continuously supplied to the fuel cell 20.
0 is continuously heated by the cooling water heated by the fuel gas in the heat exchanger 40.

【００５８】このように燃料電池２０が昇温し続けて、
燃料電池２０から排出される冷却水の温度、すなわち水
温センサ７９が検出する冷却水温Ｔが所定の基準値Ｔ1
を越えると、燃料電池２０は定常状態に達したと判断さ
れて、切り替え弁７６，７８に駆動信号を出力する（ス
テップＳ１４０）。これによって、流路切り替え弁７６
は、冷却水が冷却器内流路７３を経由する切り替え状態
となり、流路切り替え弁７８は、冷却水がバイパス流路
７４を通過する切り替え状態となる。As described above, the temperature of the fuel cell 20 continues to rise,
The temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 20, that is, the cooling water temperature T detected by the water temperature sensor 79 is a predetermined reference value T1.
Is exceeded, it is determined that the fuel cell 20 has reached the steady state, and a drive signal is output to the switching valves 76 and 78 (step S140). Thereby, the flow path switching valve 76
Is in a switching state in which the cooling water passes through the in-cooler flow path 73, and the flow path switching valve 78 is in a switching state in which the cooling water passes through the bypass flow path 74.

【００５９】さらに、冷却器５０に併設された冷却ファ
ン５２およびポンプ４６に駆動信号を出力して、冷却器
５０において冷却水の冷却を開始すると共に、熱交換器
４０内で凝縮した水のくみ出しを停止し（ステップＳ１
５０）、本ルーチンを終了する。ここで、燃料電池２０
は所定の定常状態となっているため、電気化学反応の進
行と共に燃料電池２０は発熱し、電池内流路７１を通過
することによって、冷却水は自身は昇温すると共に燃料
電池２０を冷却する。この昇温した冷却水は、冷却器内
流路７３を通過することで降温し、再び電池内流路７１
に導かれるという動作を繰り返すようになる。ここで、
冷却器内流路７３を通過することで冷却水が冷却される
程度は、冷却器５０の大きさや冷却ファン５２の駆動状
態、あるいは、冷却水路７０内を冷却水が循環する速さ
などによって変わる。本実施例の燃料電池装置１０で
は、既述したように、水温センサ７９の検出結果に基づ
いて、制御部６０が冷却ファン５２およびポンプ７７の
駆動状態を制御して、燃料電池２０の内部温度を所望の
温度範囲（８０〜１００℃）内に保っている。Further, a drive signal is output to a cooling fan 52 and a pump 46 provided in parallel with the cooler 50 to start cooling the cooling water in the cooler 50 and to extract water condensed in the heat exchanger 40. Is stopped (step S1).
50), end this routine. Here, the fuel cell 20
Is in a predetermined steady state, the fuel cell 20 generates heat as the electrochemical reaction progresses, and the cooling water itself rises in temperature and cools the fuel cell 20 by passing through the in-cell flow path 71. . The heated cooling water is cooled by passing through the cooler passage 73, and is again cooled by the battery passage 71.
Will be repeated. here,
The extent to which the cooling water is cooled by passing through the in-cooler flow path 73 varies depending on the size of the cooler 50, the driving state of the cooling fan 52, the speed at which the cooling water circulates in the cooling water passage 70, and the like. . In the fuel cell device 10 of the present embodiment, as described above, the control unit 60 controls the driving states of the cooling fan 52 and the pump 77 based on the detection result of the water temperature sensor 79, and Is kept within a desired temperature range (80 to 100 ° C.).

【００６０】また、ステップＳ１４０において流路切り
替え弁７８の切り替え状態を変更することによって、冷
却水は、熱交換器内流路７５を通過しなくなるため、改
質器３０で生成される燃料ガスは、冷却水によって冷却
されなくなる。したがって、燃料ガスは、含有する水蒸
気量が削減されることなく、所定の高温を保った状態で
燃料電池２０に供給されるようになる。なお、本実施例
の燃料電池装置１０では、改質器３０で生成された燃料
ガス中の水蒸気量は、燃料電池２０が定常状態に達した
ときの運転温度における飽和蒸気圧に対応する水蒸気量
と同程度である。Also, by changing the switching state of the flow path switching valve 78 in step S140, the cooling water does not pass through the flow path 75 inside the heat exchanger, so that the fuel gas generated in the reformer 30 , Will not be cooled by the cooling water. Therefore, the fuel gas is supplied to the fuel cell 20 at a predetermined high temperature without reducing the amount of water vapor contained. In the fuel cell device 10 of the present embodiment, the amount of water vapor in the fuel gas generated by the reformer 30 is the amount of water vapor corresponding to the saturated vapor pressure at the operating temperature when the fuel cell 20 reaches a steady state. About the same.

【００６１】なお、上記実施例では、燃料電池装置１０
の起動時に、改質器３０を起動してから所定時間が経過
すると、改質器３０が定常状態に達したと判断し、燃料
ガスを燃料電池に供給し始めると共に、冷却水流路制御
処理ルーチンを実行することとしたが、異なる方法で、
改質器３０が定常状態に達したと判断することとしても
よい。例えば、改質部３４やＣＯ選択酸化部３６に水温
センサを設けて内部温度を直接測定したり、燃料供給路
４２にガス分析装置を設けて、改質器３０から排出され
る燃料ガスの組成を分析して改質反応の進行状態を検出
することによって、改質器３０が定常状態に達したと判
断することとしてもよい。In the above embodiment, the fuel cell device 10
When a predetermined time has elapsed since the start of the reformer 30 at the start of the process, it is determined that the reformer 30 has reached a steady state, fuel gas is supplied to the fuel cell, and the cooling water flow path control processing routine is started. But in a different way,
It may be determined that the reformer 30 has reached the steady state. For example, a water temperature sensor is provided in the reforming unit 34 or the CO selective oxidizing unit 36 to directly measure the internal temperature, or a gas analyzer is provided in the fuel supply path 42 to provide a composition of the fuel gas discharged from the reformer 30. May be analyzed to detect the progress of the reforming reaction, thereby determining that the reformer 30 has reached the steady state.

【００６２】以上のように構成された本発明の第１実施
例の燃料電池装置１０によれば、燃料電池装置１０の起
動時に、燃料電池２０に供給される燃料ガスを熱交換器
４０において降温させ、燃料ガスが含有する水蒸気の一
部を除去しているため、まだ定常状態に達しておらず充
分に昇温していない燃料電池２０に燃料ガスを供給して
も、燃料電池２０内において燃料ガス中の水蒸気が凝縮
してしまうことがなく、燃料電池２０内のガス流路を凝
縮水が塞いで不都合を生じてしまうことがない。特に、
熱交換器４０において燃料ガスを降温させる冷媒とし
て、燃料電池２０から排出された冷却水を用いるため、
燃料ガス中の水蒸気量を、そのときの燃料電池２０の運
転温度よりもやや高めの温度の飽和水蒸気圧に対応する
量とすることができる。したがって、燃料電池２０に供
給する燃料ガス中の水蒸気量を、常に充分な状態とする
ことができ、燃料ガス中の水蒸気の一部を除去すること
によって燃料電池２０における電気化学反応が抑えられ
てしまうことがない。なお、燃料電池装置１０において
上記した効果を充分に実現するためには、熱交換器４０
における燃料ガスと冷却水との間の熱交換効率、および
燃料電池２０における燃料電池２０と冷却水との間の熱
交換効率が、できるだけ高いことが望ましい。According to the fuel cell device 10 of the first embodiment of the present invention, the fuel gas supplied to the fuel cell 20 is cooled down in the heat exchanger 40 when the fuel cell device 10 is started. Since a part of the water vapor contained in the fuel gas is removed, even if the fuel gas is supplied to the fuel cell 20 which has not yet reached the steady state and has not been sufficiently heated, the fuel cell 20 The water vapor in the fuel gas is not condensed, and the gas flow path in the fuel cell 20 is not blocked by the condensed water, thereby causing no inconvenience. Especially,
Since the cooling water discharged from the fuel cell 20 is used as a refrigerant for lowering the temperature of the fuel gas in the heat exchanger 40,
The amount of water vapor in the fuel gas can be an amount corresponding to the saturated water vapor pressure at a temperature slightly higher than the operating temperature of the fuel cell 20 at that time. Therefore, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell 20 can always be kept sufficient, and the electrochemical reaction in the fuel cell 20 is suppressed by removing a part of the water vapor in the fuel gas. There is no end. In order to sufficiently realize the above-described effects in the fuel cell device 10, the heat exchanger 40
It is desirable that the heat exchange efficiency between the fuel gas and the cooling water in the fuel cell 20 and the heat exchange efficiency between the fuel cell 20 and the cooling water in the fuel cell 20 be as high as possible.

【００６３】また、燃料電池２０に供給する燃料ガス中
の水蒸気量を熱交換器４０において減少させるために、
燃料電池２０の冷却水（燃料電池２０が定常状態である
ときに、燃料電池２０が過剰に加熱するのを防ぐ目的で
通常使用される冷却水）を冷媒として用いるため、燃料
ガス中の水蒸気量を制御するために、燃料電池装置１０
において特別に冷媒を用意する必要がない。さらに、水
蒸気量の変化が燃料電池２０の昇温状態に追従して徐々
に増加するため、ある時点で急激に燃料ガス中の水蒸気
量が変化してしまうことがなく、燃料電池２０で進行す
る電気化学反応の状態に不都合が生じることがない。ま
た、本実施例では、燃料電池２０は、熱交換器４０にお
いて燃料ガスと熱交換することによって昇温した冷却水
によって加熱されるため、内部で進行する電気化学反応
に伴って生じる熱だけによって昇温する場合よりもはる
かに速く燃料電池２０を昇温させることができ、燃料電
池２０が定常状態に達するまでに要する時間をより短く
することができる。In order to reduce the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell 20 in the heat exchanger 40,
Since the cooling water of the fuel cell 20 (the cooling water normally used to prevent the fuel cell 20 from being excessively heated when the fuel cell 20 is in a steady state) is used as the cooling medium, the amount of water vapor in the fuel gas is reduced. To control the fuel cell system 10
It is not necessary to prepare a special refrigerant. Further, since the change in the amount of water vapor gradually increases in accordance with the temperature rise state of the fuel cell 20, the amount of water vapor in the fuel gas does not suddenly change at a certain point in time, and proceeds in the fuel cell 20. There is no inconvenience in the state of the electrochemical reaction. Further, in the present embodiment, the fuel cell 20 is heated by the cooling water whose temperature has been raised by exchanging heat with the fuel gas in the heat exchanger 40, and therefore, only by the heat generated by the electrochemical reaction progressing inside. The temperature of the fuel cell 20 can be increased much faster than when the temperature is increased, and the time required for the fuel cell 20 to reach a steady state can be further reduced.

【００６４】既述したように、本実施例の燃料電池装置
１０では、改質器３０で生成された燃料ガス中の水蒸気
量は、燃料電池２０が定常状態に達したときの運転温度
における飽和蒸気圧に対応する水蒸気量と同程度であ
る。したがって、燃料電池２０が定常状態に達した後に
は、冷却水を熱交換器４０内に供給し続け、熱交換器４
０において冷却水と燃料ガスとの熱交換を引き続き行な
う動作が不要となる。すなわち、改質器３０で生成され
た燃料ガスを、冷却器４０において冷却水と熱交換させ
ることなく燃料電池２０に供給し、燃料電池２０内で燃
料ガスが降温してその飽和水蒸気圧が低下した場合であ
っても、燃料ガスはこの飽和蒸気圧に対応する量の水蒸
気を含有していないため、燃料ガス中の水蒸気が凝縮し
て不都合を生じることがない。本実施例では、燃料電池
２０が定常状態に達した後には、冷却水は、熱交換器内
流路７５に代わってバイパス流路７４を通過させること
とし、冷却水と燃料ガスとの間の熱交換は行なわない構
成とすることで、冷却水路７０内を循環する冷却水にお
いて、熱交換器内流路７５を通過することで生じる圧損
を低減することができる。したがって、冷却水路７０内
で冷却水が循環するための駆動力を与えるポンプ７７に
おける消費電力量を少なくすることができ、燃料電池装
置１０全体のエネルギ効率を低減することができる。As described above, in the fuel cell device 10 of the present embodiment, the amount of water vapor in the fuel gas generated by the reformer 30 is saturated at the operating temperature when the fuel cell 20 reaches the steady state. It is about the same as the amount of water vapor corresponding to the vapor pressure. Therefore, after the fuel cell 20 reaches the steady state, the cooling water continues to be supplied into the heat exchanger 40 and the heat exchanger 4
At 0, the operation of continuously performing heat exchange between the cooling water and the fuel gas becomes unnecessary. That is, the fuel gas generated in the reformer 30 is supplied to the fuel cell 20 without exchanging heat with the cooling water in the cooler 40, and the temperature of the fuel gas in the fuel cell 20 decreases, and the saturated steam pressure decreases. Even in this case, since the fuel gas does not contain an amount of water vapor corresponding to the saturated vapor pressure, the water vapor in the fuel gas does not condense and cause inconvenience. In the present embodiment, after the fuel cell 20 has reached the steady state, the cooling water passes through the bypass flow path 74 instead of the heat exchanger internal flow path 75, and the cooling water flows between the cooling water and the fuel gas. By adopting a configuration in which heat exchange is not performed, pressure loss caused by passing through the heat exchanger passage 75 in the cooling water circulating in the cooling water passage 70 can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the amount of power consumption in the pump 77 that provides the driving force for circulating the cooling water in the cooling water passage 70, and to reduce the energy efficiency of the entire fuel cell device 10.

【００６５】なお、改質器３０から供給される燃料ガス
中の水蒸気量は、改質器３０で進行する水蒸気改質反応
の条件などによって決まるため、改質器３０で進行する
水蒸気改質反応の条件によっては、改質器３０から供給
される燃料ガス中の水蒸気量が、燃料電池２０が定常状
態に達したときの運転温度における飽和蒸気圧に対応す
る水蒸気量を越える場合がある。このような場合には、
燃料電池２０が定常状態になったと判断された後にも、
熱交換器内流路７５に冷却水を通過させ続けることとす
ればよい。改質器３０で生成される燃料ガス中の水蒸気
量は、改質器３０に供給するメタノールおよび水の割合
をどのように設定するかによって決まる。（６）式に示
したように、水蒸気改質反応に要するメタノールおよび
水の割合は理論的には１：１であるが、改質器３０で進
行する水蒸気改質反応をより速く進行させ、生成される
燃料ガス中の一酸化炭素濃度をより低くするには、メタ
ノールおよび水のうち、水の割合を増やす必要がある。
また、改質器３０内の蒸発部において、原燃料を気化・
昇温させるのに消費してしまうエネルギ量を抑えるため
には、水の割合を抑える必要がある。改質器３０に供給
する水の割合を多く設定し、改質器３０で生成される燃
料ガス中の水蒸気量が、定常状態となった燃料電池２０
の運転温度における飽和水蒸気圧に対応する水蒸気量よ
りも多いときには、バイパス流路７４を設けることな
く、常に熱交換器内流路７５に冷却水を通過させて、燃
料ガスから過剰の水蒸気を取り除く構成とすればよい。Since the amount of steam in the fuel gas supplied from the reformer 30 is determined by the conditions of the steam reforming reaction progressing in the reformer 30, the steam reforming reaction progressing in the reformer 30 is performed. In some cases, the amount of water vapor in the fuel gas supplied from the reformer 30 exceeds the amount of water vapor corresponding to the saturated vapor pressure at the operating temperature when the fuel cell 20 reaches the steady state. In such a case,
Even after the fuel cell 20 is determined to be in a steady state,
What is necessary is just to continue to let cooling water pass through the flow path 75 in a heat exchanger. The amount of water vapor in the fuel gas generated by the reformer 30 depends on how the ratio of methanol and water supplied to the reformer 30 is set. As shown in the equation (6), the ratio of methanol and water required for the steam reforming reaction is theoretically 1: 1. However, the steam reforming reaction that proceeds in the reformer 30 proceeds more quickly. To lower the concentration of carbon monoxide in the generated fuel gas, it is necessary to increase the proportion of water in methanol and water.
Further, in the evaporating section in the reformer 30, the raw fuel is vaporized /
In order to reduce the amount of energy consumed for raising the temperature, it is necessary to reduce the proportion of water. The proportion of water to be supplied to the reformer 30 is set to be large, and the amount of water vapor in the fuel gas generated in the reformer 30 is reduced to a steady state.
When the amount of water vapor is larger than the amount of water vapor corresponding to the saturated water vapor pressure at the operation temperature, the cooling water is always passed through the heat exchanger flow path 75 without providing the bypass flow path 74, thereby removing excess water vapor from the fuel gas. What is necessary is just to be a structure.

【００６６】図１に示した燃料電池装置１０の構成にお
いて上記した動作を行なうと、燃料電池２０から排出さ
れた冷却水は、熱交換器内流路７５を通過するのに先立
って冷却器内流路７３を通過する。すなわち、発熱を続
ける燃料電池２０を冷却することによって昇温した冷却
水は、まず、冷却器５０において冷却された後、熱交換
器内流路７５を通過することによって燃料ガスを冷却
し、その後再び燃料電池２０を冷却する。そのため、熱
交換器４０において、燃料ガスをどのくらい降温させて
どのくらいの水蒸気を除去するのかは、冷却器５０の能
力（冷却水をどのくらい降温させるか）と、熱交換器４
０における冷却水と燃料ガスとの間の熱交換効率によっ
て定まる。すなわち、冷却器５０の能力と熱交換器４０
における上記熱交換効率とのバランスをとることによっ
て、燃料電池２０に供給する燃料ガス中の水蒸気量を、
所望の量にまで減少させることができる。冷却器５０で
冷却された冷却水を熱交換器４０における冷媒として用
いたときに、燃料ガス中の水蒸気量が、燃料電池２０に
供給する燃料ガス中の水蒸気量として所望の量となるよ
うに、熱交換器４０の性能に基づいて冷却器５０の駆動
状態を制御すればよい。When the above-described operation is performed in the configuration of the fuel cell device 10 shown in FIG. 1, the cooling water discharged from the fuel cell 20 is supplied to the inside of the cooler before passing through the passage 75 in the heat exchanger. It passes through the flow path 73. That is, the cooling water that has been heated by cooling the fuel cell 20 that continues to generate heat is first cooled in the cooler 50, and then cools the fuel gas by passing through the heat exchanger passage 75, The fuel cell 20 is cooled again. Therefore, how much the fuel gas is cooled and how much water vapor is removed in the heat exchanger 40 depends on the capacity of the cooler 50 (how much the cooling water is cooled) and the heat exchanger 4.
It depends on the heat exchange efficiency between the cooling water and the fuel gas at zero. That is, the capacity of the cooler 50 and the heat exchanger 40
By balancing with the above heat exchange efficiency, the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell 20 is
It can be reduced to the desired amount. When the cooling water cooled by the cooler 50 is used as the refrigerant in the heat exchanger 40, the amount of water vapor in the fuel gas becomes a desired amount as the amount of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell 20. The driving state of the cooler 50 may be controlled based on the performance of the heat exchanger 40.

【００６７】また、燃料電池装置１０において、燃料電
池２０が定常状態となってからも熱交換器４０において
燃料ガス中の水蒸気の一部を除去する場合に、上記した
ように、電池内流路７１，冷却器内流路７３，熱交換器
内流路７５の順に冷却水が通過する方向に冷却水を循環
させる代わりに、電池内流路７１，熱交換器内流路７
５，冷却器内流路７３の順に冷却水が通過する逆の方向
に冷却水を循環させることとしてもよい。このような構
成にすると、熱交換器内流路７５には、電池内流路７１
を通過することで昇温した冷却水が供給される。このよ
うな場合には、電池内流路７１，冷却器内流路７３，熱
交換器内流路７５の順に冷却水を循環させる既述した場
合に比べて、熱交換器４０における熱交換効率が高なる
ように設計し、熱交換器４０において燃料ガスの温度を
冷却水の温度に充分に近づけることで、燃料ガス中の水
蒸気量を所望の量にまで減少させることが可能となる。Further, in the fuel cell device 10, when a part of the water vapor in the fuel gas is removed in the heat exchanger 40 even after the fuel cell 20 is in the steady state, as described above, the flow path in the cell is removed. Instead of circulating the cooling water in the direction in which the cooling water passes in the order of the cooling water 71, the cooler flow path 73, and the heat exchanger flow path 75, the battery flow path 71, the heat exchanger flow path 7
5, The cooling water may be circulated in the reverse direction in which the cooling water passes in the order of the flow path 73 inside the cooler. With such a configuration, the flow path in the heat exchanger 75 is provided in the flow path 71 in the battery.
, The cooling water whose temperature has been raised is supplied. In such a case, the heat exchange efficiency in the heat exchanger 40 is smaller than that in the case where the cooling water is circulated in the order of the flow path 71 in the battery, the flow path 73 in the cooler, and the flow path 75 in the heat exchanger. By increasing the temperature of the fuel gas sufficiently close to the temperature of the cooling water in the heat exchanger 40, the amount of water vapor in the fuel gas can be reduced to a desired amount.

【００６８】燃料電池装置１０において、改質器３０で
生成された燃料ガス中の水蒸気量が、定常状態となって
いる燃料電池２０の運転温度における飽和蒸気圧に対応
する水蒸気量を下回る場合には、既述した実施例のよう
に、改質器３０で生成された燃料ガスを、熱交換器４０
によって冷却することなく燃料電池２０に供給する。こ
こで、改質器３０で生成された燃料ガス中の水蒸気量
が、定常状態となっている燃料電池２０で充分に電気化
学反応を進行させるのに要する水蒸気量を下回る場合に
は、燃料供給路４２にさらに加湿器を設け、燃料電池２
０に供給する燃料ガスを予め積極的に加湿することとす
ればよい。ここで、加湿器としては、例えば、中空糸膜
を介して燃料ガスと所定の高温となっている水とを接触
させ、燃料ガスを加湿する構成などを挙げることができ
る。中空糸膜は、液状の水は通さないが気化した水分子
は透過させる性質を持っており、この中空糸膜の中に所
定の圧力をかけた水を通すことによって、燃料ガス中に
水を気化させ、燃料ガスの加湿を行なうことができる。In the fuel cell device 10, when the amount of water vapor in the fuel gas generated by the reformer 30 is lower than the amount of water vapor corresponding to the saturated vapor pressure at the operating temperature of the fuel cell 20 in a steady state. Converts the fuel gas generated in the reformer 30 into the heat exchanger 40 as in the above-described embodiment.
To the fuel cell 20 without cooling. If the amount of water vapor in the fuel gas generated by the reformer 30 is lower than the amount of water vapor required for the electrochemical cell 20 to proceed sufficiently in the steady state, the fuel supply A humidifier is further provided in the passage 42, and the fuel cell 2
The fuel gas supplied to 0 may be actively humidified in advance. Here, examples of the humidifier include a configuration in which a fuel gas is brought into contact with water at a predetermined high temperature via a hollow fiber membrane to humidify the fuel gas. Hollow fiber membranes have the property of not allowing liquid water to pass through, but allowing vaporized water molecules to permeate.By passing water under a predetermined pressure through this hollow fiber membrane, water is introduced into the fuel gas. The fuel gas can be vaporized and humidified.

【００６９】このように、燃料供給路４２に上記した構
成の加湿器を設ける場合には、中空糸膜を通過させて加
湿に用いる水として、電池内流路７１から排出された冷
却水を用いることとしてもよい。すなわち、電池内流路
７１から排出された冷却水を、上記した加湿器に供給し
て燃料ガスの加湿のために用い、加湿器から排出された
冷却水を冷却器内流路７３に導いてさらに冷却する。電
池内流路７１を通過して昇温した冷却水は、燃料ガスを
加湿するのに充分な温度を有している。また、電池内流
路７１から排出された冷却水を加湿のために用いること
によって、この冷却水をある程度降温させることができ
るため、冷却器５０において冷却水を充分に冷却するた
めに、冷却器５０で消費するエネルギを削減することが
できる。As described above, when the humidifier having the above-described structure is provided in the fuel supply path 42, the cooling water discharged from the flow path 71 in the battery is used as the water used for humidification through the hollow fiber membrane. It may be that. That is, the cooling water discharged from the battery flow path 71 is supplied to the above-described humidifier and used for humidifying the fuel gas, and the cooling water discharged from the humidifier is guided to the cooler flow path 73. Cool further. The cooling water, which has passed through the internal flow path 71 and has been heated, has a temperature sufficient to humidify the fuel gas. Further, by using the cooling water discharged from the battery passage 71 for humidification, the temperature of the cooling water can be lowered to some extent. At 50, the energy consumed can be reduced.

【００７０】なお、既述した実施例において、冷却水路
７０内を循環する冷却水としては、純度の高い水の他、
寒冷地での使用のために不凍液を用いるなど、充分な熱
容量を有する液体であれば差し支えない。ここで、上記
したように冷却水を加湿のためにも用いる場合には、加
湿器に供給する冷却液は、中空糸膜を水分子が透過する
のを妨げる不純物を有していない冷却液を用いる必要が
ある。In the embodiment described above, the cooling water circulating in the cooling water passage 70 is not only high-purity water but also water.
Any liquid having a sufficient heat capacity, such as using an antifreeze for use in cold regions, may be used. Here, when the cooling water is also used for humidification as described above, the cooling liquid supplied to the humidifier is a cooling liquid that does not have impurities that prevent water molecules from passing through the hollow fiber membrane. Must be used.

【００７１】以上説明した実施例では、燃料電池として
固体高分子型燃料電池を用いたが、本発明は、この他、
りん酸型燃料電池など、水蒸気改質反応によって生成し
た燃料ガスを用いる他の燃料電池にも用いることがで
き、燃料電池装置の起動時に、燃料ガス流路内で燃料ガ
ス中の水蒸気が凝縮してしまうのを防ぐことができる。In the embodiments described above, a polymer electrolyte fuel cell is used as a fuel cell.
It can also be used in other fuel cells that use fuel gas generated by a steam reforming reaction, such as a phosphoric acid type fuel cell. When the fuel cell device starts up, water vapor in the fuel gas condenses in the fuel gas flow path. Can be prevented.

【００７２】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる
様態で実施し得ることは勿論である。The embodiments of the present invention have been described above.
The present invention is not limited to such embodiments at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池装置１
０の構成の概略を表わすブロック図である。FIG. 1 shows a fuel cell device 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a zero.

【図２】燃料電池２０における単セル２８の構成を表わ
す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a single cell 28 in the fuel cell 20.

【図３】燃料電池装置１０の起動時に実行される冷却水
流路制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart illustrating a cooling water flow path control processing routine executed when the fuel cell device 10 is started.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０…燃料電池装置 １２…メタノールタンク １４…水タンク １６…ブロワ １７…原燃料供給路 １８，１９…ポンプ ２０…燃料電池 ２１…電解質膜 ２２…アノード ２３…カソード ２４，２５…セパレータ ２４Ｐ…燃料ガス流路 ２５Ｐ…酸化ガス流路 ２８…単セル ３０…改質器 ３２…蒸発部 ３４…改質部 ３６…ＣＯ選択酸化部 ４０…熱交換器 ４２…燃料供給路 ４４…水回収路 ４６…ポンプ ５０…冷却器 ５２…冷却ファン ６０…制御部 ６２…ＣＰＵ ６４…ＲＯＭ ６６…ＲＡＭ ６８…入出力ポート ７０…冷却水路 ７１…電池内流路 ７２，７４…バイパス流路 ７３…冷却器内流路 ７５…熱交換器内流路 ７６，７８…流路切り替え弁 ７７…ポンプ ７９…水温センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell device 12 ... Methanol tank 14 ... Water tank 16 ... Blower 17 ... Raw fuel supply path 18, 19 ... Pump 20 ... Fuel cell 21 ... Electrolyte membrane 22 ... Anode 23 ... Cathode 24, 25 ... Separator 24P ... Fuel gas Channel 25P ... Oxidizing gas channel 28 ... Single cell 30 ... Reformer 32 ... Evaporation unit 34 ... Reforming unit 36 ... CO selective oxidation unit 40 ... Heat exchanger 42 ... Fuel supply path 44 ... Water recovery path 46 ... Pump Reference Signs List 50 cooler 52 cooling fan 60 control unit 62 CPU 64 ROM 66 RAM 68 input / output port 70 cooling water passage 71 battery flow passage 72, 74 bypass flow passage 73 cooler flow passage 75: flow path in heat exchanger 76, 78: flow switching valve 77: pump 79: water temperature sensor

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 所定量の水蒸気を含有する燃料ガスの供
給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を
備える燃料電池装置であって、 前記燃料電池装置の内部で冷却液を循環させるための冷
却水路と、 前記燃料ガスを、前記燃料電池に供給する燃料ガス供給
手段と、 前記冷却水路の所定の位置に設けられ、前記燃料ガス供
給手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスと、
循環する前記冷却液との間で熱交換を行なわせ、前記燃
料ガスを降温させることによって前記燃料ガスにおける
飽和蒸気圧を低下させて、前記燃料ガス中の水蒸気量を
減少させる第１の熱交換手段と、 前記冷却水路の所定の位置に設けられ、前記燃料電池と
循環する前記冷却液との間で熱交換を行なわせる第２の
熱交換手段とを備える燃料電池装置。1. A fuel cell device including a fuel cell that receives a supply of a fuel gas containing a predetermined amount of water vapor and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction, wherein a coolant is circulated inside the fuel cell device. A fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell; and a fuel gas provided at a predetermined position in the cooling water path and supplied to the fuel cell from the fuel gas supply means. When,
A first heat exchange for causing a heat exchange with the circulating coolant and lowering the temperature of the fuel gas, thereby lowering the saturated vapor pressure in the fuel gas and reducing the amount of water vapor in the fuel gas. And a second heat exchange means provided at a predetermined position of the cooling water passage and exchanging heat between the fuel cell and the circulating coolant. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池装置であって、 前記冷却水路において前記第１の熱交換手段と並列的に
設けられ、前記第１の熱交換手段を経由することなく前
記冷却液を前記冷却水路内で循環させるための第１のバ
イパス流路と、 前記冷却液が、前記第１の熱交換器と前記第１のバイパ
ス流路のうちのいずれを経由するかを切り替える第１の
切り替え手段とをさらに備える燃料電池装置。2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the coolant is provided in the cooling water passage in parallel with the first heat exchange means, and does not pass through the first heat exchange means. A first bypass flow passage for circulating the cooling water in the cooling water passage; and a first switch for switching which one of the first heat exchanger and the first bypass flow passage the cooling liquid passes through. The fuel cell device further comprising: a switching unit. 【請求項３】 請求項１または２記載の燃料電池装置で
あって、 前記冷却水路の所定の位置に設けられ、前記冷却液を冷
却する冷却器と、 前記冷却水路において前記冷却器と並列的に設けられ、
前記冷却器を経由することなく前記冷却水を前記冷却水
路内で循環させるための第２のバイパス流路と、 前記冷却液が、前記冷却器と前記第２のバイパス流路の
うちのいずれを経由するかを切り替える第２の切り替え
手段と、 をさらに備える燃料電池装置。3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the cooler is provided at a predetermined position in the cooling water passage and cools the cooling liquid, and the cooling water passage is provided in parallel with the cooler. Provided in
A second bypass flow path for circulating the cooling water in the cooling water passage without passing through the cooler; and the cooling liquid may be any one of the cooler and the second bypass flow path. And a second switching unit that switches whether to pass through the fuel cell device. 【請求項４】 請求項１または２記載の燃料電池装置で
あって、 前記冷却水路の所定の位置に設けられ、前記冷却液を冷
却する冷却器と、 前記冷却水路において前記冷却器と並列的に設けられ、
前記冷却器を経由することなく前記冷却水を前記冷却水
路内で循環させるための第２のバイパス流路と、 前記冷却器を経由する流路を通過する前記冷却液の量
と、前記第２のバイパス流路を通過する冷却液の量とを
調節する冷却量制御手段とをさらに備える燃料電池装
置。4. The fuel cell device according to claim 1, wherein the cooler is provided at a predetermined position in the cooling water passage and cools the cooling liquid, and the cooling water passage is provided in parallel with the cooler. Provided in
A second bypass flow path for circulating the cooling water in the cooling water passage without passing through the cooler; an amount of the cooling liquid passing through a flow path passing through the cooler; And a cooling amount control means for adjusting an amount of the cooling liquid passing through the bypass passage. 【請求項５】 所定量の水蒸気を含有する燃料ガスの供
給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を
備える燃料電池装置であって、 前記燃料電池に供給する前記燃料ガス中の水蒸気量を、
前記燃料電池の内部温度に応じて調節することを特徴と
する燃料電池装置。5. A fuel cell device comprising a fuel cell that receives a supply of a fuel gas containing a predetermined amount of water vapor and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction, wherein the water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell is provided. Quantity
A fuel cell device, wherein the temperature is adjusted according to the internal temperature of the fuel cell. 【請求項６】 所定量の水蒸気を含有する燃料ガスの供
給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を
備える燃料電池装置の運転方法であって、 （ａ）前記燃料電池内に冷却液を通過させ、前記冷却液
と前記燃料電池との間で熱交換を行なわせる工程と、 （ｂ）少なくとも前記燃料電池の起動時において、前記
（ａ）工程で前記燃料電池との間で熱交換した前記冷却
液と、前記燃料ガスとの間で熱交換を行なわせて前記燃
料ガスを冷却し、前記燃料ガスが冷却されることによっ
て生じる凝縮水を、前記燃料ガスから除去する工程と、 （ｃ）前記凝縮水を除去した前記燃料ガスを前記燃料電
池に供給する工程とを備える燃料電池装置の運転方法。6. A method for operating a fuel cell device provided with a fuel cell that receives a supply of a fuel gas containing a predetermined amount of water vapor and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction, comprising: (a) cooling inside the fuel cell; Allowing the liquid to pass therethrough to perform heat exchange between the cooling liquid and the fuel cell; and (b) at least at the time of starting the fuel cell, performing heat exchange with the fuel cell in the step (a). A step of performing heat exchange between the exchanged coolant and the fuel gas to cool the fuel gas, and removing condensed water generated by cooling the fuel gas from the fuel gas; (C) supplying the fuel gas from which the condensed water has been removed to the fuel cell.
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