(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニット制御装置とを備え、
前記ミスト加湿ユニットは、燃料極側に供給される燃料ガスに前記ミストを添加するための２個以上の第１のミスト発生器を備え、
前記加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものであることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
【請求項２】
前記ミスト加湿ユニットは、空気極側に供給される酸化剤ガスに前記ミストを添加するための１個又は２個以上の第２のミスト発生器をさらに備え、
前記加湿ユニット制御装置は、前記電解質の含水量に応じて、前記第２のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項３】
固体高分子型燃料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニット制御装置とを備え、
前記ミスト加湿ユニットは、空気極側に供給される酸化剤ガスに前記ミストを添加するための２個以上の第２のミスト発生器を備え、
前記加湿ユニット制御装置は、前記電解質の含水量に応じて、前記第２のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものであることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
【請求項４】
前記ミスト加湿ユニットは、燃料極側に供給される燃料ガスに前記ミストを添加するための１個又は２個以上の第１のミスト発生器をさらに備え、
前記加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項３に記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項５】
前記加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の電流量、水素消費量、水素供給量、及び／又は、前記燃料ガスに含まれる水蒸気量に応じて、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項１から４までのいずれかに記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項６】
固体高分子型燃料電池に備えられる電解質に供給される燃料ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、
前記燃料ガスを生成する燃料改質装置へ改質ガス原料としての水を供給する水供給ユニットと、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況及び制御特性に応じて、前記ミスト加湿ユニットを介して前記燃料ガスに添加されるミストの量及び前記水供給ユニットを介して前記燃料改質装置に供給される水の量をバランスさせる制御装置とを備えていることを特徴とする燃料電池システム用水管理装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の電流量、水素消費量、水素供給量、電流変化速度及び／又は前記燃料改質装置のＳ／Ｃ比に応じて、前記燃料ガスに添加されるミストの量及び前記燃料改質装置に供給される水の量を決定するものである請求項６に記載の燃料電池システム用水管理装置。
【請求項８】
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニット制御装置をさらに備えていることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム用水管理装置。
【請求項９】
前記ミスト加湿ユニットは、前記燃料ガスにミストを添加するための１個又は２個以上のミスト発生器を備え、
前記加湿ユニット制御装置は、前記制御装置で決定された前記ミストの量に相当するミストが前記燃料ガスに添加されるように、前記ミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項８に記載の燃料電池システム用水管理装置。
【請求項１０】
固体高分子型燃料電池と、
前記固体高分子型燃料電池の燃料極へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子型燃料電池の空気極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガスにミストを添加する第１のミスト加湿ユニットと、
前記酸化剤ガスにミストを添加する第２のミスト加湿ユニットと、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト加湿ユニットを間欠作動させる第１の加湿ユニット制御装置と、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第２のミスト加湿ユニットを間欠作動させる第２の加湿ユニット制御装置とを備え、
前記第１のミスト加湿ユニットは、前記燃料ガスにミストを添加するための２個以上の第１のミスト発生器を備え、
前記第１の加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第２のミスト加湿ユニットは、前記酸化剤ガスにミストを添加するための１個又は２個以上の第２のミスト発生器を備え、
前記第２の加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池に備えられる電解質の含水量に応じて、前記第２のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
固体高分子型燃料電池と、
前記固体高分子型燃料電池の燃料極へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子型燃料電池の空気極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガスにミストを添加する第１のミスト加湿ユニットと、
前記酸化剤ガスにミストを添加する第２のミスト加湿ユニットと、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト加湿ユニットを間欠作動させる第１の加湿ユニット制御装置と、
前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第２のミスト加湿ユニットを間欠作動させる第２の加湿ユニット制御装置とを備え、
前記第２のミスト加湿ユニットは、前記酸化剤ガスにミストを添加するための２個以上の第２のミスト発生器を備え、
前記第２の加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池に備えられる電解質の含水量に応じて、前記第２のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１のミスト加湿ユニットは、前記燃料剤ガスにミストを添加するための１個又は２個以上の第１のミスト発生器を備え、
前記第１の加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第１の加湿ユニット制御装置は、前記固体高分子型燃料電池の電流量、水素消費量、水素供給量、及び／又は、前記燃料ガスに含まれる水蒸気量に応じて、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項１０から１３までのいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料ガス供給手段は、燃料改質装置であり、
該燃料改質装置へ改質ガス原料としての水を供給する水供給ユニットをさらに備えた請求項１０から１４までのいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記固体高分子型燃料電池の作動状況及び制御特性に応じて、前記第１のミスト加湿ユニットを介して前記燃料ガスに添加されるミストの量及び前記水供給ユニットを介して前記燃料改質装置に供給される水の量をバランスさせる制御装置をさらに備えた請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１のミスト加湿ユニットは、前記燃料ガスにミストを添加するための１個又は２個以上の第１のミスト発生器を備え、
前記第１の加湿ユニット制御装置は、前記制御装置で決定された前記ミストの量に相当するミストが前記燃料ガスに添加されるように、前記第１のミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものである請求項１６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用加湿装置、燃料電池システム用水管理装置及び燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、車載動力源あるいは定置型の小型発電器等に用いられる燃料電池に供給される反応ガスを加湿するための加湿装置及び水管理装置として好適な、燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム用水管理装置、並びに、燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の供給と反応生成物の排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電池であり、発電効率が高いこと、大気汚染物質の放出量が少ないこと、騒音が少ないこと、規模を自由に選べること、等の特徴を有している。燃料電池は、使用する電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。
【０００３】
これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、及びアルカリ型燃料電池は、プロトンが燃料極から空気極に又は水酸化物イオンが空気極から燃料極に移動することにより起電力を発生するものであり、電解質を正常に機能させるためには、電解質の含水状態の管理が必須である点で共通する。
【０００４】
例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜に代表されるフッ素系の電解質膜が一般に用いられる。
【０００５】
フッ素系の電解質膜は、耐酸化性に優れ、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すが、含水率が低下すると電気抵抗が高くなり、電解質として機能しなくなるという性質を有している。そのため、フッ素系の電解質膜は、通常、飽和含水状態で使用されている。
【０００６】
しかし、固体高分子型燃料電池の作動温度は、８０℃前後であるので、燃料電池が作動中に電解質膜から水分が蒸発し、電解質膜の含水率が徐々に低下する。また、プロトンが燃料極側から空気極側に移動する際、水分子も同時に移動するため、燃料極側は、特に乾燥しやすくなっている。これを放置すると電解質膜の電気抵抗が増大して発熱し、電池出力が低下したり、故障の原因となる。
【０００７】
そのため、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜の含水状態を適切に管理し、電解質を正常に機能させるために、ガス拡散電極に供給される反応ガスを加湿することが一般に行われている。
【０００８】
また、リン酸型燃料電池は、ＳｉＣマトリックス中に濃厚なリン酸水溶液を含水させたものを電解質として用いる燃料電池であり、動作温度は、２００℃前後である。さらに、アルカリ型燃料電池は、マトリックス型と自由電解液型があり、マトリックス型は、アスベストに濃度３０〜４５％の水酸化カリウム水溶液を含浸させたものを電解質として用いる燃料電池であり、動作温度は、１００℃前後である。
【０００９】
リン酸型燃料電池及びアルカリ型燃料電池においても同様に、電解質を正常に機能させるためには、電解質の含水状態を適切に管理する必要があり、出力電圧が低下したり、燃料電池の温度上昇が生じた場合には、反応ガスを加湿することが行われている。
【００１０】
燃料電池に供給される反応ガスを加湿するための加湿装置としては、水蒸気を用いて加湿する加湿装置と、ミストを用いて加湿する加湿装置が知られている。水蒸気を用いた加湿装置は、高温度に維持した加湿タンク中に反応ガスを通過させ、飽和蒸気圧相当の加湿を行う装置であり、安定した加湿が行えるという利点がある。
【００１１】
また、ミストを用いた加湿装置は、微小粒子化した霧を反応ガスに添加する装置である。例えば、特開平５−５４９００号公報には、噴霧ノズル又は超音波振動子を備えたミスト発生器を用いて、燃料あるいは酸化剤の少なくとも一方側に３００μｍ以下に微小粒子化した霧を添加する反応ガスの加湿装置を備えた固体高分子型燃料電池が開示されている。
【００１２】
ミストを用いた加湿装置は、噴霧されたミストが、反応ガスをキャリアとしてそのまま電極に搬送されるので、加湿水分量を定量的に制御できるという利点がある。また、ミストが水蒸気になる際、反応ガスから蒸発潜熱を奪うので、反応ガスの冷却効果が期待できるという利点がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水蒸気により反応ガスを加湿する加湿装置は、水蒸気を発生させるための消費エネルギーが大きく、燃料電池の発電効率を低下させる原因となっている。しかも、燃料電池の作動中は、水源を高温に維持し、常に水蒸気を発生させておく必要があるので、未消費の水分量に対しても加熱が必要となり、エネルギーロスがさらに大きくなるという問題がある。
【００１４】
また、常に水蒸気を発生させるために、容量の大きな加湿タンクが必要となるが、大容量の加湿タンクは、熱容量が大きくなるので、温度変更に対する時定数が大きくなる。そのため、加湿タンクの温度を所定の温度まで昇温させるのに長時間を要し、始動性に問題がある。
【００１５】
さらに、温度変更に対する時定数が大きいために、応答性が悪く、過渡制御が困難である。すなわち、負荷が急激に変動して大量の反応ガスが必要になり、これに伴い大量の水蒸気が必要となった場合には、加湿量を急激に増加させることができないので、電解質中の水分量が不足し、出力が低下する。
【００１６】
また逆に、電極に過剰の水蒸気が送られた場合には、ガス流路が液体水で閉塞する、いわゆるフラッディングが生じて出力が低下し、燃料電池の作動状態が不安定になるという問題がある。特に、空気極側は、電極反応により水が生成するので、フラッディングが生じやすくなっている。
【００１７】
これに対し、特開平５−５４９００号公報に開示されているように、ミストにより反応ガスを加湿する加湿装置によれば、噴霧ノズルあるいは超音波振動子で消費される電力は僅かであり、効率的である。また、水のミスト化は、水温の上昇を待つ必要がないので、始動性に問題はない。さらに、加湿量の増減は、水温によらず制御可能であるので、高応答性である。
【００１８】
しかしながら、噴霧ノズルあるいは超音波振動子を用いたミスト加湿器の場合であっても、燃料電池を安定して作動させるためには、反応ガスへのミスト添加量を負荷変動に対応して連続的に変化させる必要があるが、特開平５−５４９００号公報には、出力電力に対応して制御する点が記載されているのみであり、負荷変動に応じてミスト添加量を連続的に変化させる具体的手段については何ら開示されていない。
【００１９】
また、噴霧ノズルあるいは超音波振動子は、ミストを供給する能力の制御範囲が小さく、ミスト添加量を大幅に変更することはできない。例えば、噴霧ノズルを用いてミスト化する方法の場合、反応ガスへのミスト添加量は、一次空気流量により制御することができる。
【００２０】
しかし、一次空気流量には最小流量が存在し、一次空気流量が低すぎると、ミストの粒子径が大きくなりすぎて電極を濡らしたり、あるいはノズル先端から水が流れ落ち、ミスト化が困難になる。
【００２１】
また、超音波振動子を用いてミスト化する方法の場合、ミスト放出のための最小電圧がフル電圧の８０％に近いため、超音波振動子への入力電圧を制御するだけでは、連続的に変化する負荷に対応して、ミスト供給量を大幅に変化させるには限界がある。
【００２２】
さらに、燃料ガスとしてメタノール改質ガスを用いる場合には、通常は、電極触媒の触媒毒となる一酸化炭素を低減するために、Ｓ／Ｃ比（投入水蒸気モル数／投入燃料中の炭素モル数）の高い条件下で改質反応が行われており、その結果として、改質ガス中には多量の水蒸気が含まれている。
【００２３】
しかしながら、出力を増加させるために燃料供給量を急激に増加したい時などには、意図的にＳ／Ｃ比を下げる場合があり、その場合には、改質ガス中に含まれる水蒸気量は減少する。そのため、出力電力に比例して燃料極側への加湿量を決定するだけでは、燃料極側の加湿量が不足したり、あるいは過剰となり、電解質の水管理が十分に行えない場合がある。
【００２４】
本発明が解決しようとする課題は、電解質の含水状態の管理が必要な燃料電池に用いられ、エネルギー効率、応答性及び始動性の低下を伴うことなく、負荷変動に対応して反応ガスを過不足なく加湿することができ、これにより燃料電池の作動安定性を飛躍的に向上させることが可能な燃料電池用加湿装置を提供することにある。
【００２５】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、改質ガスを燃料に用いる燃料電池に用いられ、改質ガス原料のＳ／Ｃ比が変動した場合であっても過不足なく燃料ガスへの加湿を行うことができ、これにより燃料電池の作動安定性を飛躍的に向上させることが可能な燃料電池システム用水管理装置及び燃料電池システムを提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の作動状況に応じて、前記ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニット制御装置とを備えていることを要旨とするものである。
【００２７】
上記構成を有する本発明に係る燃料電池用加湿装置によれば、ミスト加湿ユニットが加湿ユニット制御装置により間欠制御されるので、ミスト加湿ユニットとして、ミストを供給する能力の制御範囲の狭いものを用いた場合であっても、反応ガスに添加するミストの量を連続的かつ大幅に変化させることができる。
【００２８】
そのため、負荷変動等により、燃料電池の作動状況が変化した場合であっても、反応ガスを過不足なく加湿することができ、燃料電池の作動安定性を飛躍的に向上させることができる。
【００２９】
また、反応ガスへの加湿は、ミスト加湿ユニットにより発生させたミストを用いて行われるので、水蒸気加湿に比較してエネルギーロスが少なく、始動性、応答性が向上する。さらに、ミスト加湿ユニットを間欠作動させることにより、ミスト加湿ユニットの低消費動力化も図られる。
【００３０】
また、本発明に係る燃料電池システム用水管理装置は、燃料電池に備えられる電解質に供給される燃料ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、前記燃料ガスを生成する燃料改質装置へ改質ガス原料としての水を供給する水供給ユニットと、前記燃料電池の作動状況及び制御特性に応じて、前記ミスト加湿ユニットを介して前記燃料ガスに添加されるミストの量及び前記水供給ユニットを介して前記燃料改質装置に供給される水の量をバランスさせる制御装置とを備えていることを要旨とするものである。
【００３１】
上記構成を有する本発明に係る燃料電池システム用水管理装置によれば、まず、燃料改質装置には水供給ユニットを介して改質ガス原料である水が供給され、燃料改質装置において、改質ガス原料のＳ／Ｃ比に応じた水蒸気が含まれる燃料ガスが発生する。また、燃料改質装置から供給される燃料ガスには、さらにミスト加湿ユニットからミストが添加されて、燃料電池に備えられる電解質に供給される。
【００３２】
この時、負荷変動等、燃料電池の作動状況と、改質ガス原料のＳ／Ｃ比の変動等、燃料電池の制御特性に応じて、燃料ガスへの総加湿量が所定の値となるよう、水供給ユニットに供給される水の量と、ミスト加湿ユニットから燃料ガスに添加されるミストの量とが制御装置により制御される。
【００３３】
これにより、負荷変動等、燃料電池の作動状況の変動に加えて、改質ガス原料のＳ／Ｃ比の変動等、燃料電池の制御特性が変動した場合であっても、燃料ガスを過不足なく加湿することができ、燃料電池の作動安定性が飛躍的に向上する。さらに、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の燃料極へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の空気極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスにミストを添加する第１のミスト加湿ユニットと、前記酸化剤ガスにミストを添加する第２のミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の作動状況に応じて、前記第１のミスト加湿ユニットを間欠作動させる第１の加湿ユニット制御装置と、前記燃料電池の作動状況に応じて、前記第２のミスト加湿ユニットを間欠作動させる第２の加湿ユニット制御装置とを備えていることを要旨とするものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、電解質の含水状態の管理が必要なあらゆる燃料電池が対象となる。また、用途は、車載動力源、定置型の小型発電器等が具体例として挙げられるが、これらに限定されるものではない。以下に、車載動力源用の固体高分子型燃料電池に本発明を適用した例について説明する。
【００３５】
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１０は、改質器システム２０と、固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」という）４０と、加湿装置５２、５６とを備えている。
【００３６】
改質器システム２０は、燃料となるメタノール改質ガスを燃料電池４０に供給するためのシステムであり、改質原料蒸発装置２２と、改質熱供給装置３２ａと、改質反応装置３２と、ＣＯ酸化装置３４とを備えている。
【００３７】
改質原料蒸発装置２２は、改質ガス原料である水及びメタノールを加熱し、気化させる部分であり、その内部には、改質ガス原料に蒸発熱を供給するための蒸発熱供給装置（図示せず）が設けられている。また、改質ガス原料は、水供給装置２４及びメタノール供給装置２６からそれぞれ供給される水及びメタノールを改質ガス原料混合装置２８で混合した後、改質原料蒸発装置２２に供給されるようになっている。
【００３８】
さらに、改質原料蒸発装置２２の出口側には、改質熱供給装置３２ａが設けられ、改質原料蒸発装置２２から排出される改質ガス原料の蒸気を数百度まで加熱できるようになっている。改質ガス原料を数百度まで加熱するのは、水蒸気改質反応は、周知のように吸熱反応であり、改質反応に必要な熱を外部から供給する必要があるためである。
【００３９】
改質反応装置３２は、改質原料蒸発装置２２及び改質熱供給装置３２ａを経て供給されるメタノール蒸気及び水蒸気を触媒存在下で反応させることにより、水素を主成分とする改質ガスを発生させる部分である。改質触媒には、一般にＣｕＯ−ＺｎＯ系の触媒が用いられる。
【００４０】
ＣＯ酸化装置３４は、改質反応装置３２で発生させた改質ガス中に含まれる微量の一酸化炭素を選択酸化させ、改質ガス中の一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ以下に低減する部分である。ＣＯ改質装置３４には、空気供給装置３６が接続され、選択酸化に必要な空気をＣＯ酸化装置３４に供給するようになっている。
【００４１】
また、一酸化炭素の酸化反応は発熱反応であるため、ＣＯ酸化装置３４には冷却装置３４ａが設けられ、ＣＯ酸化装置３４の温度を所定温度に維持するようになっている。
【００４２】
燃料電池４０は、固体高分子電解質の両面にガス拡散電極を接合した電極・電解質接合体４２と、反応ガスを供給するためのガス流路が設けられた集電体４４とを備え、電極・電解質接合体４２の両面を集電体４４で挟持して単電池とし、この単電池を直列に数百セル積層したものである。また、ガス拡散電極には、白金系の電極触媒が用いられている。
【００４３】
燃料電池４０は、加湿装置５２を介して改質器システム２０に接続されており、一方のガス拡散電極（以下、これを「燃料極」という）に、改質器システム２０で発生させた改質ガスを供給するようになっている。また、燃料極の排気側には、背圧調整弁４６及びバーナが接続されている。
【００４４】
さらに、燃料電池４０は、加湿装置５６を介して空気供給装置４８に接続されており、他方のガス拡散電極（以下、これを「空気極」という）に空気を供給するようになっている。また、空気極の排気側には、背圧調整弁５０及び排気ダクトが接続されている。
【００４５】
加湿装置５２、５６は、それぞれ、ミスト加湿ユニット５３、５７と、加湿ユニット制御装置５４、５８とを備えている。また、加湿装置５２、５６には、図示はしないが、加湿用の水を貯留するための加湿タンクや、燃料電池の作動状況を検知し、ミスト加湿ユニット５３、５７から反応ガスに添加されるミストの量を算出するための各種の検出器、制御機器等が設けられている。
【００４６】
ミスト加湿ユニット５３、５７には、それぞれミスト発生器（図示せず）が備えられ、燃料電池４０に供給される改質ガス及び空気に所定量のミストを添加するようになっている。本実施の形態の場合、ミスト発生器として、超音波振動子又は噴霧ノズルが用いられる。
【００４７】
超音波振動子及び噴霧ノズルは、粒径が１〜３０μｍ程度のミストを容易に発生させることができ、ミスト発生のＯＮ／ＯＦＦ制御が容易であり、しかも、水源を常時高温に維持しておく必要がなく、供給エネルギーを直接加湿に利用可能であるので、ミスト発生器として特に好適である。
【００４８】
また、本実施の形態の場合、燃料極側のミスト加湿ユニット５３には、複数個のミスト発生器が設けられている。車載動力源用の燃料電池システムの場合、運転中に大きな負荷変動を伴う。しかし、超音波振動子あるいは噴霧ノズルは、ミストを供給する能力（以下、これを「作動能力」という）の制御範囲が狭いので、単一のミスト発生器では、負荷変動に応じた加湿が困難になる場合がある。
【００４９】
一方、ミスト加湿ユニット５３にミスト発生器を複数個設けると、大きな負荷変動が生じた場合であっても、改質ガスへの加湿量を大幅に、かつ連続的に変動させることができるので、燃料電池４０を安定して作動させることができるという利点がある。
【００５０】
これに対し、空気極側のミスト加湿ユニット５７には、十分な作動能力を有する１個のミスト発生器が設けられている。これは、空気極側には、電極反応により生成した水と燃料極側からプロトンと共に移動した水が存在しているので、通常、空気極側の加湿は不要であり、負荷変動に応じた厳密な加湿制御を行わなくても、燃料電池４０が安定して作動するためである。
【００５１】
なお、燃料極側のミスト加湿ユニット５３に設けられるミスト発生器の個数は、ミスト発生器の作動能力、燃料電池４０の最大出力等を考慮して決定すればよい。また、大きな負荷変動を伴わない用途に用いられる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側のミスト加湿ユニット５３に、十分な作動能力を有する１個のミスト発生器を設けるようにしてもよい。さらに、空気極側のミスト加湿ユニット５７に複数個のミスト発生器を設け、燃料電池４０の作動状況に応じて、加湿量を細かく制御するようにしてもよい。
【００５２】
加湿ユニット制御装置５４、５８は、ミスト加湿ユニット５３、５７を間欠制御するための装置であり、各種検出機器を用いて燃料電池の電流量等を検知し、検知された電流量等を制御パラメータとして、ミスト加湿ユニット５３、５７に備えられる各ミスト発生器の作動数、作動能力、デューティ比を制御するようになっている。
【００５３】
さらに、水供給装置２４に供給される水の量と、ミスト加湿ユニット５３から燃料ガスに添加されるミストの量とをバランスさせるための図示しない制御装置を介して、水供給装置２４とミスト加湿ユニット５３とが連結されており、この図示しない制御装置と、ミスト加湿ユニット５３を備えた加湿装置５２と、水供給装置２４により燃料電池システム用水管理装置の主要部分が構成されている。
【００５４】
次に、図１に示す燃料電池システム１０の動作について説明する。まず、水供給装置２４及びメタノール供給装置２６から供給される水及びメタノールを改質原料混合装置２８で混合して改質ガス原料とし、これを改質原料蒸発装置２２に供給する。
【００５５】
改質原料蒸発装置２２では、図示しない蒸発熱供給装置を用いて改質ガス原料に蒸発熱を与え、メタノール蒸気及び水蒸気の混合ガスを発生させる。発生した混合ガスは、改質熱供給装置３２ａにより数百度に加熱され、改質反応装置３２に送られる。改質反応装置３２では、周知のように、次の化１の式に示す改質反応が生じて改質ガスが発生する。
【００５６】
【化１】
ＣＨ３ＯＨ＋（Ｓ／Ｃ）Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２＋（Ｓ／Ｃ−１）Ｈ２Ｏ
【００５７】
ここで、化１式中の「Ｓ／Ｃ」は、投入燃料中の炭素モル数に対する投入水蒸気モル数の比、すなわちＳ／Ｃ比であり、一般に、Ｓ／Ｃ比が大きくなるほど、熱負荷は増加するが、改質ガス中の一酸化炭素濃度は減少する傾向にある。そのため、通常は、Ｓ／Ｃ比の大きな条件下で改質反応が行われている。
【００５８】
改質反応装置３２で得られた改質ガス中には、シフト反応により生成した一酸化炭素が数％含まれているので、次に、ＣＯ酸化装置３４において、改質ガス中の一酸化炭素の選択酸化を行う。
【００５９】
一酸化炭素の選択酸化は、空気供給装置３６から、改質ガス中の一酸化炭素濃度の約２倍の酸素量に相当する空気を改質ガスに供給し、冷却装置３４ａによりＣＯ酸化装置３４の温度を一定に保ちながら、一酸化炭素を酸化除去することにより行われる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が数十ｐｐｍ以下まで減少する。
【００６０】
得られた改質ガスは、次に加湿装置５２のミスト加湿ユニット５３に送られる。ミスト加湿ユニット５３では、図示しない加湿タンクから供給される水がミスト発生器によりミスト化され、改質ガス中に添加される。燃料極側の加湿量の制御は、後述するように、複数個設けられたミスト発生器の作動数、作動能力、及びデューティ比を加湿ユニット制御装置５４を用いて間欠制御することにより行われる。
【００６１】
同様に、空気供給装置４８から供給される空気は、加湿装置５６のミスト加湿ユニット５７送られる。ミスト加湿ユニット５７では、図示しない加湿タンクから供給される水がミスト発生器によりミスト化され、空気中に添加される。空気極側の加湿量の制御は、ミスト発生器の作動能力及びデューティ比を加湿ユニット制御装置５８を用いて間欠制御することにより行われる。
【００６２】
所定量のミストが添加された改質ガス及び空気が燃料電池４０に供給されると、燃料極側で発生したプロトンが空気極側に移動し、空気極側の酸素と反応して水が生成する。また、プロトンが空気極側に移動することにより電位差が発生し、発生した電位差は、集電体４４を介して電気出力として外部に取り出される。
【００６３】
さらに、反応ガス中に添加されたミストは、直接、あるいは電池内部の熱を吸収して水蒸気となり、電極・電解質接合体４２に達する。また、電極・電解質接合体４２に達した水分は、ガス拡散電極を通って電解質膜に吸収される。これにより、電解質膜の含水率が所定の値に維持される。
【００６４】
燃料極側から排出されるガスは、背圧調整弁４６で圧力を下げた後、バーナに送られ、排ガス中に残留する水素が燃焼除去される。また、空気極側から排出されるガスは、同じく背圧調整弁５０で圧力を下げた後、排気ダクトから排出される。そして、燃料電池４０が停止するまで、以上のようなプロセスが繰り返されるものである。
【００６５】
なお、図１に示す燃料電池システム１０においては、燃料極側の加湿装置５２をＣＯ酸化装置３４と燃料電池４０の間に設ける構成としているが、燃料極側の加湿装置５２を改質反応装置３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けるようにしてもよい。
【００６６】
燃料極側のミスト加湿ユニット５３を改質反応装置３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けると、改質反応装置３２から供給される改質ガスがミスト添加により冷却され、冷却された改質ガスがＣＯ酸化装置３４に供給される。そのため、冷却装置３４ａの負荷が小さくなり、エネルギー効率が向上するという利点がある。
【００６７】
次に、加湿装置５２、５６の加湿量の制御方法について説明する。本発明における加湿量の制御は、基本的には、ミスト加湿ユニット５３、５７に備えられるミスト発生器のＯＮ／ＯＦＦ動作を所定の周期で繰り返す間欠制御により行う。
【００６８】
また、燃料極側と空気極側では、加湿の目的が異なることから、燃料極側の加湿量と空気極側の加湿量とは、個別に制御される。この点、改質ガスへの加湿量と空気への加湿量を同一とし、改質ガス及び空気への総加湿量のみを制御する従来の加湿装置とは異なるものである。
【００６９】
初めに、燃料極側の加湿装置５２の制御方法について説明する。燃料電池４０が作動中は、プロトンが燃料極側から空気極側に移動する際、水分子も同時に空気極側に移動するので、燃料極側は、特に水分量が不足する傾向にある。燃料極側への加湿は、このプロトン移動により不足する水分量の供給を目的とするものである。
【００７０】
水分子の移動量は、プロトン移動量、すなわち電流量に比例するので、加湿量を一定にしたまま燃料電池４０を高電流密度領域で作動させると、燃料極側への供給水分量が相対的に不足する。
【００７１】
燃料極側への供給水分量が不足すると、電解質膜中の水分量不足を招き、電解質膜の抵抗増加及び電圧低下を引き起こす。さらに、水分量が不足した場合には、電池故障の原因となる。
【００７２】
また、燃料電池４０を改質器システム２０と結合させた燃料電池システム１０においては、通常は、一酸化炭素濃度の低い改質ガスが安定して得られるＳ／Ｃ比の高い条件下で改質反応が行われている。しかし、例えば出力増加のために燃料供給量を急激に増加させたい時などの改質過渡反応時には、改質ガス原料中の水熱容量を小さくするために、意図的にＳ／Ｃ比を下げる場合がある。
【００７３】
これは、改質過渡反応時に、高Ｓ／Ｃ比に維持したまま改質反応装置に大量の改質ガス原料を供給すると、熱量が不足し、改質ガス原料を改質反応に適した温度まで加熱することができないためである。
【００７４】
しかしながら、改質ガス原料のＳ／Ｃ比を下げた場合には、化１の式に示すように、同時に改質ガス中に含まれる水蒸気量も少なくなる。そのため、電流量のみでミストによる加湿量を制御すると、燃料極側に供給される総加湿量が不足し、電圧低下や故障の原因となる。
【００７５】
従って、燃料極側は、燃料電池４０の作動状態、特に電流量に応じて加湿量を加減し、ミストを過不足なく供給することが重要である。また、燃料電池４０を改質器システム２０と結合させる場合には、電流量に加え、改質ガス原料のＳ／Ｃ比に応じて、加湿量を調節することが重要である。
【００７６】
そこで、本実施の形態では、負荷変動、あるいはＳ／Ｃ比の変動に応じて、加湿量を、連続的かつ大幅に増減できるよう、燃料極側のミスト加湿ユニット５３には、複数のミスト発生器が備えられている。また、加湿量の制御は、各ミスト発生器の作動数、作動能力及びデューティ比を制御することにより行う。
【００７７】
例えば、ミスト発生器の作動数及び作動能力を一定に保った状態で、各ミスト発生器のデューティ比を個別に制御すれば、各ミスト発生器は、作動状態（ＯＮ）と停止状態（ＯＦＦ）を間欠的に繰り返すだけであるが、デューティ比の大きなミスト発生器の数が多くなるほど加湿量は増大する。従って、デューティ比の異なるミスト発生器を間欠作動させるだけでも、系全体の加湿量を連続的に変化させることができる。
【００７８】
さらにデューティ比を制御することに加え、ミスト発生器の作動数及び作動能力を燃料電池の作動状況に応じて変化させれば、作動能力の制御範囲が小さいミスト発生器を使用する場合であっても、改質ガスへの加湿量を、連続的かつ大幅に変化させることができる。これにより、車載動力源用の燃料電池システムのように、大幅な負荷変動を伴う場合であっても、燃料電池システムを安定して作動させることが可能となる。
【００７９】
また、本発明に係る燃料電池システム用水管理装置は、水供給装置２４から改質器システム２０に供給される水の量とミスト加湿ユニット５３から反応ガスに添加されるミストの量をバランスさせる制御装置を備えている。そのため、改質器システム２０を用いる燃料電池システム１０においてＳ／Ｃ比が変動した場合であっても、各ミスト発生器の作動数、作動能力、デューティ比を個別に制御すれば、Ｓ／Ｃ比の変動に対応してミストを過不足なく添加することができ、燃料電池システム１０を安定して作動させることが可能となる。
【００８０】
この場合、負荷変動に伴う燃料極側の加湿量を決定するパラメータとしては、電流量、水素消費量、水素供給量等を用いることができる。具体的には、パラメータとして水素消費量を用い、プロトン移動及びバックリフュージョンを考慮して、水素消費量に比例してミストによる加湿量を加減するとよい。
【００８１】
また、Ｓ／Ｃ比が変動する場合には、燃料電池システム用水管理装置に備えられる図示しない制御装置において、電流量、水素消費量又は水素供給量をパラメータに用いて、改質ガスへの総加湿量を算出し、さらに、電流変化速度及び電流量（水素供給量）を用いて、改質反応による水蒸気量とミストによる加湿量の和が総加湿量に一致するように、加湿量の分配比率を決定するとよい。
【００８２】
一般的には、電流変化速度が大きくなるほどＳ／Ｃ比を小さくし、ミストによる加湿量を増加させるとよい。Ｓ／Ｃ比を小さくすると、改質ガス原料の熱容量が小さくなるので、改質原料蒸発装置２２の温度が低い場合であっても改質ガス原料の昇温時間を短縮できる。そのため、急激な負荷変動があっても、大量の燃料を迅速に供給でき、燃料電池４０を安定して作動させることができる。
【００８３】
また、電流量が多くなるほど、Ｓ／Ｃ比を小さくし、ミストによる加湿量を増加させるとよい。Ｓ／Ｃ比を小さくすることにより、改質ガス原料の熱容量が小さくなるので、熱負荷が同一であっても改質ガス原料の供給量を増加させることができる。
【００８４】
そのため、改質原料蒸発装置２２に備えられる蒸発熱供給装置の蒸発能力に制約がある場合であっても、改質反応装置３２に多量の改質ガス原料を供給することができ、燃料電池４０を高電流密度領域で安定して作動させることができる。
【００８５】
なお、大きな負荷変動を伴わない用途に用いられる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側のミスト加湿ユニット５３の各ミスト発生器を連続作動させると共に、作動数及び／又は作動能力のみを制御することにより、加湿量を増減させるようにしても良い。
【００８６】
次に、空気極側の加湿装置５６の制御方法について説明する。空気極側への加湿は、始動時、乾燥状態にある電解質膜を速やかに加湿し、プロトンのスムーズな移動を補助することを目的とする。これは、燃料電池４０が停止している場合には、通常、電解質膜は乾燥状態にあるが、電解質膜が乾燥していると、燃料電池４０は、安定して始動しないためである。
【００８７】
また、安定作動時は、空気極側では電極反応により水が生成するため、加湿は不要である。むしろ、高電流密度状態や供給ガス不足状態において、空気極側を加湿すると、生成水と供給加湿水及びガスの排出能力とのバランスによりフラッディングが発生する場合がある。フラッディングは、流路に発生した液体水によりガス閉塞を起こす現象であるが、ガス閉塞は、積層スタックの一部に発生するため、局所的に電池出力を低下させる原因となる。
【００８８】
一方、高電流密度状態や供給ガス不足状態では、内部発熱（発電ロス）により空気極側が乾燥傾向を示すことがある。この場合に適切な処置を行わないと、抵抗増加や電圧低下を引き起こし、さらに進むと電池故障の原因となる。
【００８９】
従って、空気極側は、始動時には大量の加湿水分を供給し、電解質膜の湿潤を短時間で確保することが重要である。また、フラッディングを抑制するためには、安定作動時には空気極側の加湿を行わず、空気極側に存在する水の気化除去を促進することが重要である。さらに、電極乾燥時には、空気極側に適切な加湿補給を行うことが重要となる。
【００９０】
そこで、本実施の形態では、必要な時に十分な加湿が速やかに行えるよう、空気極側のミスト加湿ユニット５７には、十分な作動能力を有する１個のミスト発生器が備えられている。また、加湿量の制御は、ミスト発生器の作動能力及びデューティ比を制御することにより行う。
【００９１】
すなわち、始動時は、電解質膜が乾燥しているので、始動と同時にミスト発生器を連続作動、あるいは高デューティ比、高作動能力で作動させ、電解質膜に多量の加湿水分を短時間で供給すればよい。これにより、始動時における電解質膜の乾燥状態が短時間で解消され、燃料電池４０の始動性が向上する。
【００９２】
また、燃料電池４０の安定作動時には、電極反応により水が生成しており、加湿は不要であるので、ミスト発生器を停止させればよい。また、高電流密度状態等、空気極側が乾燥傾向にある場合にのみミスト発生器を作動させ、加湿量の増減は、デューティ比及び作動能力を調節することにより行えばよい。
【００９３】
これにより、安定作動時には、空気極流路内での水の気化除去が促進され、フラッディングを防止することができる。また、高電流密度状態や供給ガス不足状態では、電解質膜の乾燥に起因する電圧低下が抑制され、燃料電池システムを安定して作動させることが可能となる。
【００９４】
この場合、空気極側の加湿量を決定するパラメータとしては、電解質膜中の含水率を用いるとよい。含水率は、電池セル抵抗、作動温度、電流条件等を用いて算出する。そして、電解質膜中の含水率が、ある「しきい値」より小さくなった場合にはミスト発生器を作動させ、含水率が「しきい値」以上である場合にはミスト発生器を停止させればよい。また、含水率としきい値との差が大きくなるほど、デューティ比及び／又は作動能力を大きくし、単位時間当たりの加湿量を大きくすると良い。
【００９５】
以上のように、燃料極側の加湿量と空気極側の加湿量を分離制御すると同時に、ミスト加湿ユニット５２、５６を間欠作動させれば、燃料電池の始動性、作動安定性の向上を図ることができる。
【００９６】
また、燃料極側及び空気極側ともに、加湿が必要となったときにのみ、ミスト発生器を作動させればよいので、ミスト加湿ユニット５３、５７の総作動時間が短縮され、低消費動力化を図ることが可能となる。
【００９７】
さらに、ミスト加湿ユニット５２、５６を間欠作動させることにより、加湿量を大幅に可変できるので、安全率を見込んで加湿量を過剰にする必要がない。そのため、加湿水の保水量を最小にすることができ、燃料電池システム１０全体を小型化することができる。
【００９８】
次に、Ｓ／Ｃ比の変動を伴わない場合における、燃料極側及び空気極側の加湿量の具体的な制御方法について説明する。図２は、本発明に係る加湿装置５２、５６を備えた燃料電池システム１０のブロック構成図である。
【００９９】
図２に示す燃料電池システム１０において、燃料極側の加湿装置５２は、ミスト加湿ユニット５３、加湿ユニット制御装置５４、及び加湿量算出装置６３を備えている。また、空気極側の加湿装置５６は、ミスト加湿ユニット５７、加湿ユニット制御装置５８、抵抗検出装置７２、電解質膜含水率算出装置７３、及び含水率判別装置７４を備えている。
【０１００】
初めに、燃料極側の加湿量の制御方法について説明する。図２において、まず車両の加速・減速制御が行われると、車両制御装置６０から電流制御装置６１に制御信号が送られる。電流制御装置６１では、制御信号に基づき、燃料電池４０に出力させる電流量（以下、これを「指示電流量」という）を算出し、これを水素供給量算出装置６２及び空気供給量算出装置７０に出力する。
【０１０１】
水素供給量算出装置６２では、指示電流量を出力するために必要な水素流量（以下、これを「必要水素流量」という）を算出し、算出された必要水素流量をそれぞれ加湿量算出装置６３及び水素量制御装置６５に出力する。
【０１０２】
水素量制御装置６５では、必要水素流量に相当する水素がミスト加湿ユニット５３に供給されるよう、水素供給源から供給される燃料ガスの流量を制御する。なお、水素供給源としては、図１に示す改質器システム２０の他、水素ボンベ等、他の水素供給源を用いてもよい。
【０１０３】
また、加湿量算出装置６３では、水素供給量算出装置６２から出力された必要水素流量に基づき、プロトン移動及びバックリフュージョンを考慮し、水素消費量に比例した加湿水分量を算出する。算出された加湿水分量は、加湿装置５２の加湿ユニット制御装置５４に出力される。なお、水素供給源として改質器システム２０を用いる場合には、加湿水分量の算出に際し、改質ガス原料のＳ／Ｃ比を考慮すると良い。
【０１０４】
加湿ユニット制御装置５４では、加湿量算出装置６３で算出された加湿水分量に相当するミストが燃料ガスに供給されるよう、ミスト加湿ユニット５３に備えられるミスト発生器の作動数、作動能力及びデューティ比を決定する。
【０１０５】
ミスト加湿ユニット５３では、加湿ユニット制御装置５４で決定された作動数、作動能力及びデューティ比に従って各ミスト発生器を作動させ、加湿水分量に相当するミストを水素量制御装置６５から供給される燃料ガスに添加する。そして、ミストが添加された燃料ガスは、燃料電池４０の燃料極側に供給される。
【０１０６】
次に、空気極側の加湿量の制御方法について説明する。図２において、車両制御装置６０から電流制御装置６１に制御信号が送られ、電流制御装置６１において指示電流量が算出されると、算出された指示電流量が空気供給量算出装置７０に出力される。
【０１０７】
空気供給量算出装置７０では、指示電流量を出力するために必要な空気流量（以下、これを「必要空気流量」という）を算出し、算出された必要空気流量を空気量制御装置７１に出力する。空気量制御装置７１では、必要空気流量に相当する空気が加湿装置５６のミスト加湿ユニット５７に供給されるよう、空気供給源から供給される空気量を制御する。
【０１０８】
これとは別に、抵抗検出装置７２では、燃料電池４０の電池セル抵抗を検出し、検出された電池セル抵抗を電解質膜含水率算出装置７３に出力する。電解質膜含水率算出装置７３では、検出された電池セル抵抗の他、燃料電池４０の作動温度、電流条件等を用いて、電解質膜の含水率を算出する。
【０１０９】
含水率判別装置７４では、電解質膜含水率算出装置７３で算出された含水率と、予め定められた「しきい値」との大小関係が判別される。含水率がしきい値より小さいと判断された場合には、電解質膜が乾燥状態にあることを示しているので、加湿ユニット制御装置５８に加湿信号ＯＮが出力される。
【０１１０】
加湿ユニット制御装置５８に加湿信号ＯＮが出力されると、加湿ユニット制御装置５８からミスト加湿ユニット５７に制御信号が送られ、所定のデューティ比及び作動能力でミスト加湿ユニット５７が作動する。これにより、空気量制御装置７１から供給される空気に所定量のミストが添加されて、燃料電池４０の空気極に供給される。
【０１１１】
一方、含水率判別装置７４において、電解質膜含水率算出装置７３で算出された含水率がしきい値以上であると判断された場合には、電解質膜が湿潤状態にあることを示しているので、加湿ユニット制御装置５８に加湿信号ＯＦＦが出力される。
【０１１２】
加湿ユニット制御装置５８に加湿信号ＯＦＦが出力されると、加湿ユニット制御装置５８からミスト加湿ユニット５７に制御信号が送られ、ミスト加湿ユニット５７が停止する。これにより、空気量制御装置７１から供給される空気にミストを添加することなく、そのまま燃料電池４０の空気極に供給される。
【０１１３】
ミスト加湿ユニット５３及び５７により、加湿量が個別に制御された燃料ガス及び空気が燃料電池４０に供給されると、燃料電池４０において電極反応が進行し、燃料電池４０の作動電流、作動電圧が変化する。
【０１１４】
この作動電流及び作動電圧を電流制御装置６１により検出し、作動電流と電流制御装置６１で算出される指示電流量とを対比する。そして、作動電流と指示電流量が一致するまで上述した制御が繰り返される。
【０１１５】
以上のように、ミスト加湿ユニット５３、５７を間欠作動させる方法によれば、大幅な負荷変動が生ずる場合であっても、燃料極側及び空気極側を過不足なく加湿することができ、燃料電池４０を安定して作動させることが可能となる。また、フィードバック制御だけでなく、フィードフォワード制御も有効となる。例えば、急激な負荷増に対し、予め高加湿状態を作っておけるからである。
【０１１６】
次に、水素供給源として改質器システム２０を用い、Ｓ／Ｃ比が変動する場合における、燃料極側の加湿量の具体的な制御方法について説明する。図３は、本発明に係る燃料電池システム用水管理装置５５を備えた燃料電池システム１０のブロック構成図である。
【０１１７】
図３に示す燃料電池システム１０において、燃料電池システム用水管理装置５５は、燃料極側の加湿装置５２と、空気極側の加湿装置５６（図３には図示せず）と、水供給ユニット６９と、加湿装置５２から反応ガスに添加されるミストの量と、水供給ユニット６９から改質器システム２０に供給される水の量とをバランスさせるためのシステム水管理装置（制御装置）６６とを備えている。
【０１１８】
さらに、水供給ユニット６９は、Ｓ／Ｃ算出装置６７、水流量算出装置２４ａ、及び水供給装置２４を備えている。また、燃料極側の加湿装置５２は、図２と同様、ミスト加湿ユニット５３、加湿ユニット制御装置５４、及び加湿量算出装置６３とを備えている。なお、空気極側の加湿装置は、図示はしないが、図２に示す加湿装置５６と同様の構成を有するものである。
【０１１９】
図３において、まず車両の加速・減速制御が行われると、図示しない車両制御装置から電流制御装置６１に制御信号が送られる。電流制御装置６１では、制御信号をそれぞれ、電流変化速度制御装置６１ａ及び電流量制御装置６１ｂに出力する。
【０１２０】
電流変化速度制御装置６１ａでは、電流変化速度を算出し、算出された電流変化速度を、それぞれシステム水管理装置６６及びシステム熱管理装置６８に出力する。また、電流量制御装置６１ｂでは、燃料電池４０に出力させる指示電流量を算出し、算出された指示電流量を、水素供給量算出装置６２に出力する。
【０１２１】
水素供給量算出装置６２では、指示電流量を出力するために必要な必要水素流量を算出し、算出された必要水素流量をそれぞれ水素量制御装置６５及びシステム水管理装置６６に出力する。
【０１２２】
水素量制御装置６５に出力された必要水素流量は、メタノール流量算出装置２６ａに送られ、メタノール流量算出装置２６ａでは、必要水素流量が得られるメタノール流量を算出する。そして、算出されたメタノール流量に基づき、メタノール供給装置２６が制御され、所定量のメタノールが改質原料混合装置２８に供給される。また、算出されたメタノール流量は、水流量算出装置２４ａに出力される。
【０１２３】
これとは別に、システム水管理装置６６では、水素供給量算出装置６２から出力される必要水素流量に基づき、燃料ガスへの総加湿量を算出する。また、必要水素流量、及び電流変化速度制御装置６１ａから出力される電流変化速度に基づき、総加湿量を、改質反応時に改質ガス原料に添加する水供給量（以下、これを「水蒸気改質添加水分量」という）と、ミスト加湿による水供給量に分配する。分配された水蒸気改質添加水分量とミスト加湿による水供給量は、それぞれＳ／Ｃ算出装置６７及び加湿量算出装置６３に出力される。
【０１２４】
Ｓ／Ｃ算出装置６７では、システム水管理装置６６で分配された水蒸気改質添加水分量を用いて、改質ガス原料のＳ／Ｃ比を算出する。算出されたＳ／Ｃ比は、水流量算出装置２４ａに出力される。
【０１２５】
水流量算出装置２４ａでは、Ｓ／Ｃ算出装置６７で算出されたＳ／Ｃ比と、メタノール流量算出装置２６ａで算出されたメタノール流量に基づき、改質反応に必要な供給水流量を算出する。そして、算出された供給水流量に基づき、水供給装置２４が制御され、所定量の水が改質原料混合装置２８に供給される。
【０１２６】
改質原料混合装置２８では、水供給装置２４及びメタノール供給装置２６からそれぞれ供給される水及びメタノールが十分に混合される。この時、改質原料混合装置２８に供給される改質ガス原料の流量が、改質原料流量検出装置２８ａにより検出され、検出された流量がシステム熱管理装置６８に出力される。
【０１２７】
システム熱管理装置６８では、電流変化速度制御装置６１ａで算出された電流変化速度と、改質原料流量検出装置２８ａで検出された改質ガス原料の流量に基づき、改質ガス原料の熱容量と、装置調節用熱量とを算出する。装置調節用熱量とは、改質原料蒸発装置２２の温度及び改質反応装置３２の温度を、それぞれ改質ガス原料の蒸発温度及び改質反応温度に維持するために必要な熱量をいう。また、算出された改質ガス原料の熱容量及び装置調節用熱量は、それぞれ蒸発熱算出装置２２ｃ及び改質熱算出装置３２ｃに出力される。
【０１２８】
蒸発熱算出装置２２ｃでは、改質ガス原料の熱容量と、装置調節用熱量を用いて、改質原料蒸発装置２２に供給する熱量（以下、これを「蒸発装置熱量」という）を算出する。そして、算出された蒸発装置熱量が改質原料蒸発装置２２に与えられるように、蒸発熱制御装置２２ｂにより蒸発熱供給装置２２ａが制御される。
【０１２９】
例えば、始動時など、改質原料蒸発装置２２の温度が、改質ガス原料の蒸発温度より低い場合には、改質ガス原料の熱容量から算出される改質ガス原料の潜熱＋顕熱、もしくは蒸発熱＋昇温熱に装置調節用熱量を加えた熱量が、蒸発装置熱量となる。
【０１３０】
また、逆に改質原料蒸発装置２２の温度が、改質ガス原料の蒸発温度より高い場合には、蒸発装置熱量は、装置調節用熱量分、小さくなる。
【０１３１】
そして、改質原料蒸発装置２２において、改質原料混合装置２８から供給される十分に混合された改質ガス原料が、蒸発熱供給装置２２ａから供給される蒸発装置熱量相当の熱入力により気化され、メタノール蒸気及び水蒸気の混合ガスとなる。得られた混合ガスは、改質反応装置３２に供給される。
【０１３２】
また、改質熱算出装置３２ｃでは、システム熱管理装置６８で算出された改質ガス原料の熱容量及び装置調節用熱量を用いて、改質反応装置３２に供給する熱量（以下、これを「改質装置熱量」という）を算出する。そして、算出された改質装置熱量が改質反応装置３２に与えられるように、改質熱制御装置３２ｂにより改質熱供給装置３２ａが制御される。
【０１３３】
例えば、始動時など、改質反応装置３２の温度が、改質反応温度より低い場合には、改質ガス原料のモル流量から算出される水蒸気改質反応に必要な熱量（以下、これを「水蒸気改質反応熱」という）に装置調節用熱量を加えた熱量が、改質装置熱量となる。
【０１３４】
また、逆に改質反応装置３２の温度が、改質反応温度より高い場合には、改質装置熱量は、装置調節用熱量分、小さくなる。
【０１３５】
そして、改質反応装置３２において、改質原料蒸発装置２２から供給されるメタノール蒸気及び水蒸気の混合ガスに、改質熱供給装置３２ａから改質装置熱量に相当する熱量が与えられ、化１の式に示す水蒸気改質反応により、水素を主成分とする改質ガスとなる。得られた改質ガスは、ＣＯ酸化装置３４に供給される。
【０１３６】
ＣＯ酸化装置３４では、改質反応装置３２から供給される改質ガス中に、図示しない空気供給装置から少量の空気を導入し、改質ガス中に含まれる一酸化炭素の選択酸化が行われる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ以下まで低減することができる。得られた、低ＣＯ濃度の改質ガスは、加湿装置５２のミスト加湿ユニット５３に送られる。
【０１３７】
一方、加湿量算出装置６３では、システム水管理装置６６で分配されたミスト加湿による水供給量に基づき、ミストによる加湿水分量が算出される。算出された加湿水分量は、加湿装置５２の加湿ユニット制御装置５４に出力される。
【０１３８】
加湿ユニット制御装置５４では、加湿量算出装置６３で算出された加湿水分量に相当するミストが燃料ガスに供給されるよう、ミスト加湿ユニット５３に備えられる各ミスト発生器の作動数、作動能力及びデューティ比を決定する。
【０１３９】
ミスト加湿ユニット５３では、加湿ユニット制御装置５４で決定された作動数、作動能力及びデューティー比に従って各ミスト発生器を作動させ、加湿水分量に相当するミストを、ＣＯ酸化装置３４から供給される燃料ガスに添加する。そして、ミストが添加された燃料ガスが燃料電池４０の燃料極側に供給される。
【０１４０】
なお、空気極側の加湿量の制御は、図２と同様の手順に従って行えばよいので、詳細な説明は省略する。
【０１４１】
Ｓ／Ｃ比の変動に応じて加湿水分量が調節された燃料ガス、及び燃料極側とは独立に加湿量が制御された空気が燃料電池４０に供給されると、燃料電池４０において電極反応が進行し、燃料電池４０の作動電流、作動電圧が変化する。
【０１４２】
この作動電流及び作動電圧を電流制御装置６１により検出し、作動電流と電流量制御装置６１ｂから送られる指示電流量とを対比する。そして、作動電流と指示電流量が一致するまで上述した制御が繰り返される。なお、上述のようなフィードバック制御に代えて、フィードフォワード制御を行っても良い点は、図２の場合と同様である。
【０１４３】
以上のように、電流量及び電流変化速度に応じてＳ／Ｃ比を変動させ、Ｓ／Ｃ比の変動に応じて燃料極側のミスト加湿量を制御する方法によれば、急激な負荷変動が生じた場合であっても、燃料極側及び空気極側を過不足なく加湿することができ、燃料電池４０を安定して作動させることが可能となる。
【０１４４】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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で種々の改変が可能である。
【０１４５】
例えば、上記実施の形態では、車載動力源用の燃料電池システムにおけるミスト加湿量の制御方法について詳細に説明したが、他の用途、例えば定置型の小型発電器等におけるミスト加湿量の制御も同様であり、負荷変動あるいはＳ／Ｃ比の変動に応じて、燃料極側及び空気極側の加湿量を個別に間欠制御すれば、反応ガスを過不足なく加湿することができ、燃料電池システムを安定して作動させることが可能となる。
【０１４６】
また、上記実施の形態では、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムについて説明したが、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等、電解質の水管理が必要な他の燃料電池の加湿量を制御する場合も同様であり、その燃料電池の加湿量制御に最適な制御パラメータを用いて、燃料極側及び空気極側の加湿量を個別に間欠制御すれば、反応ガスを過不足なく加湿することができ、燃料電池システムを安定して作動させることが可能となる。
【０１４７】
さらに、上記実施の形態では、加湿装置を燃料電池の外部に設ける構成としているが、加湿装置の一部、例えばミスト加湿ユニットを、燃料電池内部あるいはＣＯ酸化装置内部に組み込むようにしても良く、これにより上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の作動状況に基づき、該ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニット制御装置とを備えているので、エネルギーロスが少なく、応答性に優れ、始動性も向上するという効果がある。
【０１４９】
また、燃料電池の作動状況に応じてミスト加湿ユニットを間欠制御するので、大幅な負荷変動が生じた場合であっても、反応ガスを過不足なく加湿することができるという効果がある。
【０１５０】
さらに、本発明に係る燃料電池システム用水管理装置は、水供給ユニットから改質器システムに供給される水の量とミスト加湿ユニットから燃料ガスに添加されるミストの量をバランスさせる制御装置を備えており、Ｓ／Ｃ比の変動に応じてミスト加湿ユニットから添加されるミストの量が制御されるので、燃料供給システムとしてメタノールの水蒸気改質システムを用いる燃料電池に本発明を適用した場合には、改質ガス原料のＳ／Ｃ比が急激に変動した場合であっても、過不足なく燃料ガスへの加湿を行うことができるという効果がある。
【０１５１】
以上のように、本発明に係る燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム用水管理装置によれば、エネルギー効率、始動性、応答性を損なうことなく、燃料電池システムの作動安定性を飛躍的に向上させることが可能となるので、これを例えば車載動力源用の燃料電池システムに応用すれば、自動車の操作性や燃費の向上等に寄与するものであり、産業上その効果の極めて大きい発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】本発明に係る加湿装置を備えた燃料電池システムのブロック構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システム水管理装置を備えた燃料電池システムのブロック構成図である。
【符号の説明】
１０                    燃料電池システム
２０                    改質器システム
４０                    固体高分子型燃料電池（燃料電池）
５２、５６              加湿装置
５３、５７              ミスト加湿ユニット
５４、５８              加湿ユニット制御装置
５５                    燃料電池システム用水管理装置
６６                    システム水管理装置（制御装置）
６９                    水供給ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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