(57)【要約】【課題】発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる固体高分子型燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルＣにおける酸素極側箇所に、酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成され、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段Ｋｓの加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態または燃料電池セルＣの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された固体高分子型燃料電池の運転方法であって、
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態または前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整する請求項１記載の固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記燃料極に供給する前記水素含有ガスを、前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整する請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を調整する制御手段が、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態または前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するように構成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記制御手段が、前記酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するように構成されている請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極に供給する前記水素含有ガスが、前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されている請求項４又は５記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された固体高分子型燃料電池の運転方法、及び、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる固体高分子型燃料電池は、例えば、一般家庭に設置されて、発電した電力を電気負荷に供給し、かつ、燃料電池セルを冷却することにより回収した排熱を貯湯して、貯湯した湯水を給湯に用いるようにする等、いわゆる熱電併給システムを構成するのに利用されることになる。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池の運転方法として、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
ちなみに、特許文献１においては、燃料極に供給する水素含有ガスを、酸素含有ガスと同様に、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５８４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するようにすると、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量を増加できる利点を得ることができる。
【０００６】
しかしながら、発電負荷の変動に拘わらず、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または低加湿状態に維持すると、発電負荷が定格負荷に近い高負荷よりも小さな負荷となったときに、固体高分子電解質膜を十分に湿潤させることができず、燃料電池セルの劣化を促進する虞があり、改善が望まるものであった。
【０００７】
すなわち、発電負荷が定格負荷である等、高負荷である場合には、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側には十分な量の水分が生成されるため、その生成水分によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができる。
【０００８】
このように、発電負荷が高負荷である場合には、発電によって生成される水分によって固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるものの、発電負荷が高負荷よりも小さくなった場合には、酸素極側に生成される水分量が少なくなるため、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができないものとなり、燃料電池セルの劣化を促進する虞がある。
【０００９】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる固体高分子型燃料電池の運転方法を提供する点にある。
また、本発明の別の目的は、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる固体高分子型燃料電池を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体高分子型燃料電池の運転方法は、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された固体高分子型燃料電池の運転方法であって、その第１特徴方法は、
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態または前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、無加湿状態または前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整する。
そして、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整する。
【００１２】
つまり、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側には十分な量の水分が生成されて、その生成水分によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整する。
【００１３】
そして、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することにより、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分による湿潤作用に加えて、酸素含有ガスが保有する水分の湿潤作用によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させるようにする。
【００１４】
したがって、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。
【００１５】
また、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルの劣化を抑制できるのである。
【００１６】
要するに、本発明の第１特徴方法によれば、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる固体高分子型燃料電池の運転方法を提供できる。
【００１７】
本発明の固体高分子型燃料電池の運転方法の第２特徴方法は、上記第１特徴方法に加えて、
前記酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整する点を特徴とする。
【００１８】
すなわち、酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するものであるから、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されることになり、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。
【００１９】
つまり、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分量は、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど少なくなるものの、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されるものであるから、酸素極側に生成される水分量が減少する分を、酸素含有ガスが保有する水分にて補う形態で、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。
【００２０】
要するに、本発明の第２特徴方法によれば、上記第１特徴方法による作用効果に加えて、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる固体高分子型燃料電池の運転方法を提供できる。
【００２１】
本発明の固体高分子型燃料電池の運転方法の第３特徴方法は、上記第１又は第２特徴方法に加えて、前記燃料極に供給する前記水素含有ガスを、前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整する点を特徴とする。
【００２２】
すなわち、燃料極に供給する水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜を酸素極側から湿潤することに加えて、水素含有ガスが保有する水分によって、燃料極側からも湿潤させることができるため、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる。
【００２３】
しかも、水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するものであるから、水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度が露点となる高加湿状態に調整する場合に較べて、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制できる。
【００２４】
要するに、本発明の第３特徴方法によれば、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制しながらも、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる固体高分子型燃料電池の運転方法を提供できる。
【００２５】
本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成されたものであって、その第１特徴構成は、
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を調整する制御手段が、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態または前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するように構成されていることを特徴とする。
【００２６】
すなわち、制御手段が、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、無加湿状態または前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、そして、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整する。
【００２７】
つまり、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側には十分な量の水分が生成されて、その生成水分によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整する。
【００２８】
そして、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することにより、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分による湿潤作用に加えて、酸素含有ガスが保有する水分の湿潤作用によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させるようにする。
【００２９】
したがって、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。
【００３０】
また、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルの劣化を抑制できるのである。
【００３１】
要するに、本発明の第１特徴構成によれば、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる固体高分子型燃料電池を提供できる。
【００３２】
本発明の固体高分子型燃料電池の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記制御手段が、前記酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するように構成されている点を特徴とする。
【００３３】
すなわち、制御手段が、酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するものであるから、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されることになり、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。
【００３４】
つまり、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分量は、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど少なくなるものの、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されるものであるから、酸素極側に生成される水分量が減少する分を、酸素含有ガスが保有する水分にて補う形態で、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。
【００３５】
要するに、本発明の第２特徴構成によれば、上記第１特徴構成による作用効果に加えて、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる固体高分子型燃料電池を提供できる。
【００３６】
本発明の固体高分子型燃料電池の第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、前記燃料極に供給する前記水素含有ガスが、前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されている点を特徴とする。
【００３７】
すなわち、燃料極に供給する水素含有ガスが、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されているから、固体高分子電解質膜を酸素極側から湿潤することに加えて、水素含有ガスが保有する水分によって、燃料極側からも湿潤させることができるため、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる。
【００３８】
しかも、水素含有ガスが、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されるものであるから、水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度が露点となる高加湿状態に調整する場合に較べて、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制できる。
【００３９】
要するに、本発明の第３特徴構成によれば、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制しながらも、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる固体高分子型燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】熱電併給システムの全体図
【図２】セルスタックの一部切欠側面図
【図３】燃料電池の縦断側面図
【図４】第１実施形態の酸素側加湿器を示す回路図
【図５】第１実施形態の酸素側加湿器の露点変更形態を示す図
【図６】実験に用いた燃料電池セルの構成を示す表
【図７】実験結果を示すグラフ
【図８】実験結果を示すグラフ
【図９】第２実施形態の酸素側加湿器を示す回路図
【図１０】第２実施形態の酸素側加湿器の露点変更形態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４１】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（熱電併給システムの全体構成）
図１に示すように、熱電併給システムには、発電部１、その発電部１にて発生する排熱によって加熱した湯水を貯湯タンク２に貯湯して給湯する貯湯ユニット３、発電部１及び貯湯ユニット３の運転を制御する運転制御部４等が備えられている。
【００４２】
発電部１には、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池５、燃料電池５に供給する水素含有ガスとしての燃料ガスを生成するガス生成部６、燃料電池５に酸素含有ガスとしての空気を供給するブロア７、燃料電池５から出力される直流電力を交流電力に変換して電力消費機器に供給するインバータ８が設けられている。
【００４３】
燃料電池５は、固体高分子型燃料電池であって、ガス生成部６にて生成されて燃料ガス供給路９を通して供給される燃料ガス中の水素と、ブロア７から空気供給路１０を通して供給される空気中の酸素とを電気化学反応させて発電するように構成されている。
そして、空気供給路１０には、酸素側加湿手段としての酸素側加湿器Ｋｓが設けられ、燃料ガス供給路９には、燃料ガスを加湿する燃料ガス側加湿器Ｋｎが設けられている。
【００４４】
ちなみに、ガス生成部６から供給される燃料ガスは、後述の如く、水蒸気改質処理によって生成されることにより加湿されているため、燃料ガス側加湿器Ｋｎは省略することができる。
尚、本実施形態においては、燃料電池５の作動温度は、７０℃であり、ガス生成部６から供給される燃料ガスの加湿状態は、燃料電池５の作動温度よりも１０℃低い露点となる低加湿状態である。
【００４５】
ガス生成部６には、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１１、供給される改質水にて水蒸気を生成する水蒸気生成部１２、水蒸気生成部１２にて生成された水蒸気が混合された脱硫原燃料ガスを改質反応させる改質処理部１３、その改質処理部１３から排出される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成部１４、その変成部１４から排出される変成ガス中に残留している一酸化炭素を除去するＣＯ除去部１５が備えられている。
【００４６】
改質処理部１３における改質反応が吸熱反応であるので、改質用バーナ１６ａの燃焼熱により改質処理部１３を加熱する改質処理用加熱部１６が設けられている。
改質用バーナ１６ａには、燃料電池５からのオフガスが排燃料ガス路１７を通して供給され、かつ、ブロア７からの空気が空気供給路１０から分岐された燃焼用空気供給路１８を通して供給されて、燃料電池５からのオフガスを燃焼させるように構成されている。
また、改質用バーナ１６ａにおける燃焼排ガスは、水蒸気生成部１２を経由する燃焼排ガス路１９を通して流動されて、水蒸気を生成するための熱源として使用されるように構成されている。
【００４７】
脱硫部１１に原燃料ガスを供給する燃料ガス供給路９の流路中には、燃料電池５への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁２０が設けられている。
そして、運転制御部４が、発電負荷に応じて、燃料ガス供給量調整弁２０の開度とブロア７の作動状態を制御することにより、燃料電池５に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を調整して、燃料電池５からの発電出力を調整するように構成されている。
【００４８】
すなわち、運転制御部４は、発電負荷が大きくなるほど、燃料電池５に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を増大側に調整して、燃料電池５からの発電出力を増大させるように構成されている。
【００４９】
燃料電池５の冷却水を循環させる冷却水循環路２１には、冷却水循環ポンプ２２、及び、燃料電池５の冷却水と貯湯タンク２内の湯水とを熱交換させる排熱回収熱交換器２３が設けられている。
【００５０】
貯湯ユニット３は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯タンク２に貯湯するように構成されるものであって、具体的には、貯湯タンク２の下部と上部とを接続する湯水循環路２４が、排熱回収熱交換器２３を経由する状態で設けられ、湯水循環ポンプ２５の作動によって、貯湯タンク２の下部から取り出した湯水を、排熱回収熱交換器２３を通過させて流動させて、貯湯タンク２の上部に戻すように構成されている。
【００５１】
貯湯タンク２の下部には、水道水圧を用いて給水する給水路２６が設けられて、貯湯タンク２の上部に接続した給湯路２７から湯水が取り出されると、取り出された量に応じた水が貯湯タンク２に給水されるように構成されている。
ちなみに、給湯路２７には、加熱用ガスバーナ２８ａを備えて、給湯路２７を通過する湯水を加熱する補助加熱器２８が設けられている。
【００５２】
（燃料電池の構成）
燃料電池５は、図２及び図３に示すように、固体高分子電解質膜３１の一方の面に酸素極３２を備え、他方の面に燃料極３３を備えた複数の燃料電池セルＣを積層して、セルスタックＮＣとして構成されている。
【００５３】
すなわち、燃料電池セルＣにおける酸素極側箇所に、酸素極３２に酸素含有ガスを供給する酸素供給路Ｒｓを形成する酸素側セパレータ３５が配置され、かつ、燃料電池セルＣにおける燃料極側箇所に、燃料極３３に水素含有ガスを供給する燃料供給路Ｒｎを形成する燃料側セパレータ３６が配置されている。
尚、隣接する酸素側セパレータ３５と燃料側セパレータ３６との間には、燃料電池セルＣを冷却するための冷却水を通流される冷却水流路Ｆが形成されている。
【００５４】
そして、燃料電池セルＣ、酸素側セパレータ３５、及び、燃料側セパレータ３６が順次積層され、この積層体の両端部夫々に、電力取り出し用の集電部３７が設けられて、セルスタックＮＣが構成されている。
尚、一対の集電部３７の間に、電気負荷が接続されることになる。
【００５５】
また、図２に示すように、一対の集電部３７の一方側の外部には、供給側接続部３８が配置され、一対の集電部３７の他方側の外部には、排出側接続部３９が配置されている。
そして、供給側接続部３８には、ガス生成部６にて生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給路９、ブロア７にて送風される空気を供給する空気供給路１０、及び、冷却水循環路２１が接続され、排出側接続部３９には、燃料電池５からのオフガスが流動する排燃料ガス路１７、燃料電池５のから排出される空気が流動する排空気路４０、及び、冷却水循環路２１が接続されている。
【００５６】
ちなみに、空気供給路１０から供給側接続部３８に供給された空気は、複数の燃料電池セルＣの酸素供給路Ｒｓを順次通過して、排出側接続部３９の排空気路４０に流動し、燃料ガス供給路９から供給側接続部３８に供給された燃料ガスは、複数の燃料電池セルＣの燃料供給路Ｒｎを順次通過して、排出側接続部３９の排燃料ガス路１７に流動することになるが、その構成は周知であるので、本実施形態では詳細な説明を省略する。
【００５７】
また、冷却水循環路２１を通して供給側接続部３８に供給された冷却水は、隣接する酸素側セパレータ３５と燃料側セパレータ３６との間の冷却水流路Ｆを順次通過して、排出側接続部３９に流動することになるが、その構成は周知であるので、本実施形態では詳細な説明を省略する。
【００５８】
（燃料電池セルの詳細）
固体高分子電解質膜３１は、例えば、フッ素樹脂系のイオン交換膜（ナフィオン等）にて構成され、酸素極３２及び燃料極３３は、次述の如く、触媒を担持した通気性のある導電材として形成され、酸素側セパレータ３５及び燃料側セパレータ３６は、カーボン等から成る気密性の導電材にて形成されている。
【００５９】
図３に示すように、酸素極３２は、固体高分子電解質膜３１に隣接する酸素側の触媒層３２Ａと、ガス及び水分の透過性を備えた酸素側の拡散層３２Ｂとからなる。
燃料極３３は、固体高分子電解質膜３１に隣接する燃料側の触媒層３３Ａと、ガス及び水分の透過性を備えた燃料側の拡散層３３Ｂとからなる。
【００６０】
酸素極３２の触媒層３２Ａ及び燃料極３３の触媒層３３Ａは、粒径が数ｎｍの微細な白金製の粒子（触媒）を、炭素微粉末に担持させた形態に構成されるものであり、酸素極３２の拡散層３２Ｂ及び燃料極３３の拡散層３３Ｂは、カーボンペイパーやカーボンクロス等を用いて構成されることになる。
【００６１】
そして、本実施形態においては、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、少なければ少ないほど、固体高分子電解質膜３１の耐久性が高いことに鑑みて、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量は、０．１ｍｇｃｍ-2に設定されている。
尚、酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量が、固体高分子電解質膜３１の耐久性に影響がないことに鑑みて、酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量は、０．３ｍｇｃｍ-2に設定されている。
【００６２】
ちなみに、固体高分子電解質膜３１の劣化のメカニズムの詳細は不明であるが、燃料電池セルＣの内部で生じる過酸化水素がラジカルを発生させて、分解を促進していることが予測されるところ、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量を減少させることにより、リーク空気が触媒と接触する頻度が減少して、燃料極３３で発生する過酸化水素量が減るためであると考えることができる。
【００６３】
次に、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量及び酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量を変化させて発電テストを行った実験結果を説明する。
本実験においては、燃料電池セルＣとして、燃料極３３の触媒層３３Ａや酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量を、０．１ｍｇｃｍ-2〜０．５ｍｇｃｍ-2の間で３段階に変化させた５種類の燃料電池セルＣを用意した（図６参照）。尚、本実験の燃料電池セルＣの面積は、５ｃｍ×５ｃｍである。
【００６４】
そして、それらの燃料電池セルＣを用いて実際に発電した際に、時間経過に伴う開回路電圧（ＯＣＶ）の変化を測定した。つまり、単一の燃料電池セルＣを、燃料極３３に純水素を燃料利用率７０%で供給し、かつ、酸素極３２に純酸素を酸素利用率６５%で供給して、定格（３００ｍＡｃｍ-2）で連続運転し、定期的に開回路電圧（ＯＣＶ）を測定した。
尚、発電時のセル温度は７０℃であり、また、純水素及び純酸素を、露点が３０℃となる状態で加湿した。
【００６５】
図７は、酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量が、０．３ｍｇｃｍ-2であり、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、０．１ｍｇｃｍ-2〜０．５ｍｇｃｍ-2の間で３段階に変化する３種類の燃料電池セルＣについての実験結果を示すものである。
【００６６】
燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、０．１ｍｇｃｍ-2と少ない場合には、運転時間が５０００時間経過しても、燃料電池セルＣの開回路電圧（ＯＣＶ）の低下は見られない。
燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、０．３ｍｇｃｍ-2の場合や燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、０．５ｍｇｃｍ-2の場合には、運転時間が経過するに伴って、燃料電池セルＣの開回路電圧（ＯＣＶ）が低下することになり、しかも、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、０．５ｍｇｃｍ-2と多い場合には大きく低下することになる。
【００６７】
これにより、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量は、少なければ少ないほど、固体高分子電解質膜３１の耐久性が高いことを理解できる。
つまり、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量を低減すると、高分子電解質膜３１の劣化を抑制できると考えられる。
【００６８】
図８は、燃料極３３の触媒層３３Ａの触媒担持量が、０．３ｍｇｃｍ-2であり、酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量が、０．１ｍｇｃｍ-2〜０．５ｍｇｃｍ-2の間で３段階に変化する３種類の燃料電池セルＣについての実験結果を示すものである。
酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量が異なるいずれの場合にも、運転時間が経過するに伴って、燃料電池セルＣの開回路電圧（ＯＣＶ）が低下することになる。
これにより、酸素極３２の触媒層３２Ａの触媒担持量は、固体高分子電解質膜３１の耐久性に影響がないことが理解できる。
【００６９】
（酸素側加湿器の構成）
図４に示すように、酸素側加湿器Ｋｓには、水分供給路４１を通流する高湿度流体が保有する水分と熱を、空気供給路１０を通流する空気に与える全熱交換器４２が備えられている。
そして、水分供給路４１には、全熱交換器４２を迂回するバイパス路４１Ａが接続され、さらには、水分供給路４１を通して高湿度流体を全熱交換器４２に流動させる流量を制御する第１流量制御弁４３、及び、バイパス路４１Ａを通して高湿度流体を流動させる流量を制御する第２流量制御弁４４が設けられている。
【００７０】
したがって、酸素側加湿器Ｋｓは、第１流量制御弁４３、及び、第２流量制御弁４４の開度調節により、空気供給路１０を通流する空気の加湿状態を変更調節できるように構成されており、以下、各部の構成について説明を加える。
【００７１】
水分供給路４１には、燃焼排ガス路１９及び排空気路４０が接続されて、水蒸気生成部１２を通過した後の燃焼排ガス及びセルスタックＮＣから排出された空気が、高湿度流体として混合状態で流動するように構成されている。
ちなみに、燃焼排ガスは、改質用バーナ１６ａでの燃焼に伴って生じる水分を含むものであり、また、セルスタックＮＣから排出された空気は、燃料電池セルＣでの電気化学反応により生じる水分を含むものである。
【００７２】
全熱交換器４２は、空気が通流する空気通流部分と高湿度流体が通流する高湿度流体通流部分との仕切り部に、水分と熱とを通す材料（例えば、電解質膜）を装備した形態に構成されるものであって、高湿度流体通流部分を通流する高湿度流体が保有する水分と熱とを空気通流部分を通流する空気に与えるように構成されている。
尚、水分供給路４１を通流する高湿度流体の全量が全熱交換器４２を通流したときに、全熱交換器４２を通過した後の空気の露点が目標露点（例えば、３０℃）となるように、全熱交換器４２が製作されている。
【００７３】
（酸素側加湿器の制御構成）
酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態が、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態に調整され、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整されるように構成されている。
【００７４】
本実施形態においては、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を調整する制御手段として機能する運転制御部４が、発電負荷が設定負荷以上のときには、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整すべく、第１流量制御弁４３及び第２流量制御弁４４の開度を制御するように構成されている。
本実施形態においては、上述の設定負荷は、定格負荷に設定されている。
【００７５】
すなわち、運転制御部４は、発電負荷が定格負荷のときには、第１流量制御弁４３を全閉開度に調整し、かつ、第２流量制御弁４４を全開開度に調整して、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を無加湿状態にすることになる。
この状態において、空気供給路１０を通してセルスタックＮＣに供給される空気の露点Ｘは、ブロア７にて吸引される外気の湿度に対応する値である（図５参照）。
【００７６】
そして、運転制御部４は、発電負荷を定格負荷よりも小さな低負荷に変更する際には、燃料電池５に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を漸次減少側に調整して、燃料電池５からの発電出力を漸次減少させることになるが、それに伴って、第１流量制御弁４３の開度を漸次開くように制御し、かつ、第２流量制御弁４４の開度を漸次閉じるように制御して、図５に示すように、酸素側加湿器Ｋｓを漸次高加湿状態にすることになる。
この状態において、空気供給路１０を通してセルスタックＮＣに供給される空気は、外気の露点Ｘよりも高い露点Ｙとなる高加湿状態に加湿されることになる。
【００７７】
また、本実施形態においては、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態が、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整されるように構成されている。
具体的には、運転制御部４が、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整すべく、第１流量制御弁４３及び第２流量制御弁４４の開度を制御するように構成されている。
【００７８】
すなわち、空気供給路１０における全熱交換器４２の下流側箇所には、空気供給路１０を通過する空気の露点を検出する露点検出センサ４５が設けられている。
運転制御部４は、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲における電気負荷と目標露点との関係を、電気負荷が小さくなるほど目標露点を大きくする関係として予め記憶しており、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲においては、電気負荷に応じた目標露点となるように、第１流量制御弁４３及び第２流量制御弁４４の開度を調節するように構成されている。
【００７９】
ちなみに、このように電気負荷に応じて空気の加湿状態を調整するにあたり、運転制御部４に、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲における電気負荷と第１流量制御弁４３及び第２流量制御弁４４の目標開度との関係を予め記憶させて、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲においては、電気負荷に応じた目標開度となるように、第１流量制御弁４３及び第２流量制御弁４４の開度を調節する形態で実施してもよく、この場合、露点検出センサ４５を省略することができる。
【００８０】
以上の通り、本実施形態によれば、燃料電池５の発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、セルスタックＮＣに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ｋｓを、無加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルＣを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。
【００８１】
また、燃料電池５の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、セルスタックＮＣに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ｋｓを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜３１を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルＣの劣化を抑制できる。
【００８２】
しかも、本実施形態によれば、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を、燃料電池５の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するものであるから、セルスタックＮＣに供給する空気が、燃料電池５の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されることになり、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜３１を過不足なく適切に湿潤させることができる。
【００８３】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２形態を説明するが、この第２実施形態は、酸素側加湿器Ｋｓの別実施形態を示すものであって、その他の構成は第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明して、第１実施形態と同様な構成については、第１実施形態と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００８４】
図９に示すように、酸素側加湿器Ｋｓには、水分供給路４１を通流する高湿度流体が保有する水分と熱を、空気供給路１０を通流する空気に与える全熱交換器４２が備えられている点、及び、水分供給路４１には、全熱交換器４２を迂回するバイパス路４１Ａが接続されている点は、第１実施形態と同様である。
【００８５】
この第２実施形態においては、水分供給路４１を流動する高湿度流体を全熱交換器４２に流動させる流動状態と流動停止状態に切り換える第１電磁開閉弁４６、及び、バイパス路４１Ａを通して高湿度流体を流動させる流動状態と流動停止状態とに切り換える第２電磁開閉弁４７が設けられている。
【００８６】
したがって、酸素側加湿器Ｋｓは、第１電磁開閉弁４６を開いて流動状態としかつ第２電磁開閉弁４７を閉じて流動停止状態にすると、空気供給路１０を通流する空気を加湿する加湿状態になり、また、第１電磁開閉弁４６を閉じて流動停止状態としかつ第２電磁開閉弁４７を開いて流動状態にすると、空気供給路１０を通流する空気を加湿しない無加湿状態になるように構成されている。
【００８７】
そして、この第２実施形態においては、運転制御部４が、発電負荷が設定負荷以上のときには、酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整すべく、第１電磁開閉弁４６及び第２電磁開閉弁４７を制御するように構成されている。
この第２実施形態においては、上述の設定負荷は、第１実施形態と同様に定格負荷に設定されている。
【００８８】
すなわち、運転制御部４は、発電負荷が定格負荷のときには、第１電磁開閉弁４６を閉じて流動停止状態としかつ第２電磁開閉弁４７を開いて流動状態にすることにより、酸素側加湿器Ｋｓを無加湿状態に調整する。
尚、この状態における空気の露点Ｘは、ブロア７にて吸引される外気の湿度に対応する値である（図１０参照）。
【００８９】
そして、運転制御部４は、発電負荷を定格負荷よりも小さな低負荷に変更する際には、第１電磁開閉弁４６を開いて流動状態としかつ第２電磁開閉弁４７を閉じて流動停止状態にして、酸素側加湿器Ｋｓを加湿状態に調整する。
空気供給路１０を通流する空気は、酸素側加湿器Ｋｓによって、外気の露点Ｘよりも高い露点Ｙとなる高加湿状態に加湿されることになる。
【００９０】
したがって、この第２実施形態においては、燃料電池５の発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、セルスタックＮＣに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ｋｓを、無加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルＣを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。
【００９１】
また、燃料電池５の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、セルスタックＮＣに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ｋｓを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜３１を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルＣの劣化を抑制できる。
【００９２】
〔別実施形態〕
（１）上記第１及び第２実施形態では、運転制御部４が、発電負荷が設定負荷以上のときには、酸素側加湿手段としての酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を、無加湿状態に調整する場合を例示したが、発電負荷が設定負荷以上のときには、酸素側加湿手段としての酸素側加湿器Ｋｓの加湿状態を、燃料電池セルＣの動作温度（例えば、７０℃）よりも低い露点となる低加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整する形態で実施してもよい。
【００９３】
（２）上記第１及び第２実施形態では、発電負荷が定格負荷のときを、発電負荷が設定負荷以上のときとする場合を例示したが、発電負荷が定格負荷よりも設定値低い基準負荷よりも大きいときを、発電負荷が設定負荷以上のときとする形態で実施してもよい。
【００９４】
（３）上記第１及び第２実施形態では、酸素側加湿器Ｋｓに、燃焼排ガス及びセルスタックＮＣから排出された空気が、高湿度流体として混合状態で流動する全熱交換器４２が備えられる場合を例示したが、全熱交換器４２として、燃焼排ガスが高湿度流体として流動する燃焼排ガス側全熱交換器と、セルスタックＮＣから排出された空気が高湿度流体として流動する排空気側全熱交換器とを各別に備えさせて、それらの全熱交換器を、目標とする加湿状態に合わせて選択的に使用する形態で実施してもよい。
【００９５】
（４）上記第１及び第２実施形態では、酸素側加湿手段として、全熱交換器４２を備える酸素側加湿器Ｋｓを例示したが、酸素側加湿手段としては、貯留した加湿水中に酸素含有ガスを噴出させて加湿する、所謂、バブリング式の加湿器を用いる等、種々の形態の加湿器を使用できる。この場合、例えば、加湿水を加熱する電気ヒータの加熱量の調整によって加湿水の温度を調整することにより、加湿状態を調整できる。
【００９６】
（５）上記第１及び第２実施形態では、燃料極３３に供給する水素含有ガスとして、ガス生成部６にて改質処理された燃料ガスを供給する場合を例示したが、水素ボンベや水素貯蔵合金等に貯蔵された水素を、燃料極３３に供給してもよく、この場合、燃料極３３に供給する水素を加湿することが好ましいものであり、具体的には、燃料側加湿器Ｋｎによって、燃料電池セルＣの動作温度（例えば、７０℃）よりも低い露点となる低加湿状態に調整することが好ましい。
【符号の説明】
【００９７】
４          制御手段
３１        固体高分子電解質膜
３２        酸素極
３３        燃料極
Ｃ          燃料電池セル
Ｋｓ        酸素側加湿手段
Ｒｓ        酸素供給路
Ｒｎ        燃料供給路
【図１】
2014192020.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014192020.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014192020.tif 000009
【図８】
2014192020.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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