(57)【要約】【課題】燃料電池の高安定運転を実現するため、特に不安定な状況になりやすい運転起動時にセル温度に露点を追従させて、安定な発電を実現する。【解決手段】高分子電解質膜７とその電極であるカソード８ａ，カソード８ｂからなるセルの冷却を、セル内部を貫流するセル冷却回路９における冷却水で行う。この冷却水の出口に取り付けられたセル出口冷却水温度センサ１４によりセル温度を検出し、演算装置１５にてセル温度とガス圧力の相関関係に従って、水素ガス圧力調整弁６と、空気圧力調整弁５の開度を演算し、この開度を調整することにより燃料ガスである水素ガス２と、酸化ガスである空気１の露点を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、供給する酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス圧力調整手段と、前記燃料ガス圧力調整手段への圧力指令値を前記燃料電池に設置された温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算し、かつ前記酸化ガス圧力調整手段への圧力指令値を前記温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算する演算手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段と燃料電池に設けられた燃料ガス導入口との間に燃料ガス圧力調整手段を設置し、前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と燃料電池に設けられた酸化ガス導入口との間に酸化ガス圧力調整手段を設置したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記燃料ガス圧力調整手段と前記燃料ガス導入口との間に燃料ガス加熱手段を設置し、前記酸化ガス圧力調整手段と前記酸化ガス導入口との間に酸化ガス加熱手段を設置したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記燃料ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に燃料ガス露点計測手段を設置し、前記燃料ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように前記燃料ガス圧力調整手段への指令値を演算出力すると共に前記酸化ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に酸化ガス露点計測手段を設置し、前記酸化ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように前記酸化ガス圧力調整手段への指令値を演算出力する露点制御手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
燃料電池に供給する燃料ガスを分流させ加湿する第１の燃料ガス加湿手段および第２の燃料ガス加湿手段と、前記第１の燃料ガス加湿手段および前記第２の燃料ガス加湿手段の後段に設置され前記第１の燃料ガス加湿手段から出力された加湿燃料ガスと前記第２の燃料ガス加湿手段から出力された加湿燃料ガスを混合する燃料ガス混合手段と、燃料電池に供給する酸化ガスを分流させ加湿する第１の酸化ガス加湿手段および第２の酸化ガス加湿手段と、前記第１の酸化ガス加湿手段および前記第２の酸化ガス加湿手段の後段に設置され前記第１の酸化ガス加湿手段から出力された加湿酸化ガスと前記第２の酸化ガス加湿手段から出力された加湿酸化ガスを混合する酸化ガス混合手段と、前記燃料ガス混合手段への混合比指令値を燃料電池に設置された温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算し、かつ前記酸化ガス混合手段への混合比指令値を前記温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算する演算手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記第１の燃料ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より高温に設定し、前記第２の燃料ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より低温に設定し、前記第１の酸化ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より高温に設定し、前記第２の酸化ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より低温に設定したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記燃料ガス混合手段と燃料ガス導入口との間に燃料ガス加熱手段を設置し、前記酸化ガス混合手段と酸化ガス導入口の間に酸化ガス加熱手段を設置したことを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記燃料ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に燃料ガス露点計測手段を設置し、前記燃料ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように前記燃料ガス混合手段への指令値を演算出力すると共に前記酸化ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に酸化ガス露点計測手段を設置し、前記酸化ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように前記酸化ガス混合手段への指令値を演算出力する露点制御手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
発電部として請求項１〜８いずれか１項に記載の燃料電池発電装置を用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
高分子電解質膜および該高分子電解質膜を挟む一対の電極からなるセルと、前記セルを冷却する冷却回路を備えた燃料電池であって、前記一対の電極のガス吸入側にそれぞれガスの露点を検出するセンサを備えたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を発電する発電装置、およびその発電装置を用いた燃料電池に関し、特に高分子電解質型燃料電池に適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と電子導電性とを併せ持つ、例えばカーボンペーパーあるいはカーボンクロスにより拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスや酸化ガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材あるいはガスケットを配置する。このシール材あるいはガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これをＭＥＡ（膜電極接合体）と呼ぶ場合もある。
【０００４】
前記ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータを配置する。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
前記セパレータの溝に燃料ガスを供給するためは、燃料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を、セパレータ状の溝に直接つなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータに貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口を前記孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。
【０００６】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水などにより冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に重ねていき、１０〜４００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００７】
高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜内を電離した水素が移動しやすくするため、燃料ガスとしての水素を含むガス、あるいは酸化剤としての酸素ガスを含むガスに水蒸気を混合して供給することが一般的である。
【０００８】
一方、発電時の燃焼反応により水分（水蒸気）が生成するため、セパレータに形成された流路溝、あるいはＭＥＡの拡散層，電極部には燃料や酸化剤と混合する水蒸気と、発電により生成する水分（水蒸気）とが通過する。セパレータ表面は、生成した水が必要以上に結露しないように、一定の温度に制御されるのが一般的ではあるが、発電した電力の消費量や燃料供給の変化により、燃料電池内部の発生熱量が変化して、内部温度が変動したり、生成水の量が変動したりする。
【０００９】
例えば温度が低下した場合などには、セパレータ表面が結露しやすくなることがあり、このような現象を完全に排除することは不可能である。結露が発生すると、水滴が流路を塞ぎ、その塞いだ場所以降の電極あるいは触媒に対し燃料供給不足が発生するため、徐々に電圧が低下し、また、その水滴が排出されると、流路閉塞が解除されるため燃料供給が回復し、電圧が上昇するといった電圧不安定現象（フラッディング）が発生するという問題があった。
【００１０】
特に、燃料電池の運転起動時には、セル温度が所定温度に到達する前に、燃料ガスや酸化ガスを所定温度の露点で加湿した状態で供給すると、セル内に加湿ガスが導入された時点で温度が低下するため、加湿ガスに含まれる水分がセル内で結露し、結露した部分でのガス拡散性能が急激に低下することにより燃料ガスや酸化ガスの供給が低下し、発電性能が低下する。
【００１１】
このような問題を解決するために、例えば特許文献１で提案されているように、図６に示すような燃料電池システムが提案されている。図６において、燃料電池４０は、酸化ガス４１の加湿手段である水タンク４２と、燃料ガス４３の加湿手段である水タンク４４と、カソード４５，固体高分子電解質膜４６，アノード４７からなるセル４８と、このセル４８の冷却部４９などからなっている。
【００１２】
そして、前記燃料電池システムの起動方法は、燃料電池４０の起動時に、燃料電池４０を昇温させ、温度を安定させる第１の起動ステップと、第１の起動ステップの終了後、燃料ガス４３と酸化ガス４１の反応により燃料電池内に短時間で結露が生じる条件にて一定時間運転する第２の起動ステップとを含み、第２の起動ステップの終了後、通常の運転に移行する方法である。
【特許文献１】特開２００４−２１３９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来技術のように、セル温度を上げた後、セル温度に等しい露点の加湿ガスを供給するという運転では、加湿された燃料ガスや酸化ガスが安定して供給されるまでの間、セル温度のみが昇温状態にある期間がある。この期間は加湿ガスを生成するための温水タンクの容量，ヒータ容量により異なるが、例えばタンク容量７０リットルでヒータ容量５ｋｗの場合で１時間程度となる。
【００１４】
一般的に家庭用に電気，ガスを供給するコージェネレーションシステムの場合、生活パターンに合わせて日々起動停止を頻繁に繰り返すような運転方法になるため、起動停止の期間が積み重なってセルへの影響が無視できなくなる。つまり、起動停止時に高温低加湿状態となることで高分子電解質膜にダメージを与える。
【００１５】
また、従来技術では、燃料ガス加湿手段，酸化ガス加湿手段の構成として、タンクに温水を貯めて温水中にガスを導入し加湿するという方式であるため、露点を急激に変化させるためにはタンクに貯められた温水の温度を変更する必要があり、タンク，水の熱容量の関係で昇温に時間を要していた。
【００１６】
図８に従来技術におけるセル温度とガス露点の変化の状態を説明する。ｔ０は起動タイミングであり、セル温度上昇の指令によりセル温度制御ヒータがＯＮして、セル温度が上昇する。ｔ１で所定温度（この場合７０℃）にセル温度が上昇した後、ｔ２のタイミングで燃料ガスおよび酸化ガスの加湿ガス供給が開始される。加湿ガスの露点を７０℃にするための加湿タンク温度として予め測定した温度（この場合７５℃）に加湿タンク温度が到達し、露点が７０℃に到達するタイミングをｔ３とすると、セル内部の加湿状態が飽和状態に達しない低加湿状態にある期間（ｔ３−ｔ２）が存在する。この期間が繰り返されると高分子電解質膜の固有抵抗が上昇し、熱的なダメージが加わり、電池性能が低下する。
【００１７】
そこで、燃料電池の運転起動時にセル温度が上昇した状態で燃料ガス露点，酸化ガス露点がセル温度に到達するまでの過渡時にも、セル内部が高温低加湿状態にならず、あるいは、その逆の過加湿状態になって、セル内に水分が結露するようなこともない状態にし、燃料電池に接続された負荷が変動したり、燃料供給量が変動しても電圧低下や上昇を起こしたりしない、安定した発電性能を有する燃料電池を提供することが要求される。それを実現することは、セル温度の変化に追従する露点操作の高応答性を可能にすることである。
【００１８】
本発明の目的は、前記従来技術に鑑み、燃料電池の高安定運転を実現するため、特に不安定な状況になりやすい運転起動時にセル温度に露点を追従させて、安定な発電を実現する燃料電池発電装置および燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池発電装置において、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、供給する酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス圧力調整手段と、前記燃料ガス圧力調整手段への圧力指令値を前記燃料電池に設置された温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算し、かつ前記酸化ガス圧力調整手段への圧力指令値を前記温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の燃料電池発電装置において、燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段と燃料電池に設けられた燃料ガス導入口との間に燃料ガス圧力調整手段を設置し、酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と燃料電池に設けられた酸化ガス導入口との間に酸化ガス圧力調整手段を設置したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス圧力調整手段と燃料ガス導入口との間に燃料ガス加熱手段を設置し、酸化ガス圧力調整手段と酸化ガス導入口との間に酸化ガス加熱手段を設置したことを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に燃料ガス露点計測手段を設置し、燃料ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように燃料ガス圧力調整手段への指令値を演算出力すると共に酸化ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に酸化ガス露点計測手段を設置し、酸化ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように酸化ガス圧力調整手段への指令値を演算出力する露点制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、燃料電池発電装置において、燃料電池に供給する燃料ガスを分流させ加湿する第１の燃料ガス加湿手段および第２の燃料ガス加湿手段と、前記第１の燃料ガス加湿手段および前記第２の燃料ガス加湿手段の後段に設置され前記第１の燃料ガス加湿手段から出力された加湿燃料ガスと前記第２の燃料ガス加湿手段から出力された加湿燃料ガスを混合する燃料ガス混合手段と、燃料電池に供給する酸化ガスを分流させ加湿する第１の酸化ガス加湿手段および第２の酸化ガス加湿手段と、前記第１の酸化ガス加湿手段および前記第２の酸化ガス加湿手段の後段に設置され前記第１の酸化ガス加湿手段から出力された加湿酸化ガスと前記第２の酸化ガス加湿手段から出力された加湿酸化ガスを混合する酸化ガス混合手段と、前記燃料ガス混合手段への混合比指令値を燃料電池に設置された温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算し、かつ前記酸化ガス混合手段への混合比指令値を前記温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の燃料電池発電装置において、第１の燃料ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より高温に設定し、第２の燃料ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より低温に設定し、第１の酸化ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より高温に設定し、第２の酸化ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より低温に設定したことを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス混合手段と燃料ガス導入口との間に燃料ガス加熱手段を設置し、酸化ガス混合手段と酸化ガス導入口の間に酸化ガス加熱手段を設置したことを特徴とする。
【００２６】
請求項８に記載の発明は、請求項７記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に燃料ガス露点計測手段を設置し、燃料ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように燃料ガス混合手段への指令値を演算出力すると共に酸化ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に酸化ガス露点計測手段を設置し、酸化ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように酸化ガス混合手段への指令値を演算出力する露点制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、燃料電池において、発電部として請求項１〜８いずれか１項に記載の燃料電池発電装置を用いたことを特徴とする。
【００２８】
請求項１０に記載の発明は、高分子電解質膜および該高分子電解質膜を挟む一対の電極からなるセルと、前記セルを冷却する冷却回路を備えた燃料電池であって、前記一対の電極のガス吸入側にそれぞれガスの露点を検出するセンサを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料電池の運転起動時などの過渡状態にも、加湿ガスの露点がセル温度に追従するため、セル内部が高温低加湿状態になって、起動停止を繰り返すことにより高分子電解質膜が劣化したり、逆に過加湿状態になることで水分が結露して、燃料ガスあるいは酸化ガス供給量が低下することにより発電性能が低下したりすることがなく、長期に安定した発電状態を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３１】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
【００３２】
図１において、１は酸化ガスである空気、２は燃料ガスである水素ガス、３は酸化ガス加湿手段である空気加湿タンク、４は燃料ガス加湿手段である水素ガス加湿タンク、５は酸化ガス圧力調整手段である空気圧力調整弁、６は燃料ガス圧力調整手段である水素ガス圧力調整弁、７は高分子電解質膜、８ａは高分子電解質膜７の一方の電極であるカソード、８ｂは高分子電解質膜７の他方の電極であるアノードであって、高分子電解質膜７とカソード８ａとアノード８ｂとによりセルが構成される。
【００３３】
９はセルを冷却するセル冷却回路、１０はセル冷却回路９に連結する冷却水高温タンク、１１はセル冷却回路９に連結する冷却水低温タンク、１２は冷却水混合弁、１３はセル入口冷却水温度センサ、１４はセル出口冷却水温度センサ、１５は、前記各センサ１３，１４にて計測された温度情報を受け、前記各圧力調整弁５，６に対する圧力指令値を演算して出力するＣＰＵ（中央演算処理装置）などからなる演算装置である。
【００３４】
ここで、本実施形態に共通の高分子電解質型燃料電池（セル）について、その作成方法を説明する。
【００３５】
まず、触媒層を形成した電極の作成方法を説明する。アセチレンブラック粉末に、平均粒径が約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、触媒ペースト状にした。
【００３６】
一方、電極の支持体になるカーボンペーパーを撥水処理した。外寸１４ｃｍ×１４ｃｍ、厚み３６０μｍのカ−ボン不織布（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ダイキン工業社製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱することによって撥水性を与えた。
【００３７】
このカ−ボン不織布の一方の面に、触媒ペーストをスクリ−ン印刷法を用いて塗布することにより触媒層を形成した。このとき、触媒層の一部は、カ−ボン不織布の中に埋まり込んでいる。このようにして作成した触媒層とカ−ボン不織布とを合わせて電極とした。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．６ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２となるよう調整した。
【００３８】
そして外寸が１５ｃｍ×１５ｃｍのプロトン伝導性高分子電解質膜の裏表両面に、一対の電極を触媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレスで接合し、これを電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。
【００３９】
次に、導電性セパレータについて説明する。まず、平均粒径が約５０μｍの人造黒鉛粉末を用意し、人造黒鉛粉末８０重量％に、熱硬化性フェノール樹脂２０重量％を押し出し混練機で混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝およびマニホールドを成形するための加工を施した金型に投入し、ホットプレスした。ホットプレスの条件は、金型温度１５０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ２で１０分間とした。得られたセパレータは、外寸が２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚みが３．０ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深さが１．０ｍｍであった。したがって、セパレータの最も肉薄部の厚みは１．０ｍｍである。
【００４０】
ここで、実施形態１の燃料電池発電装置について、図１を参照して具体的に説明する。
【００４１】
空気加湿タンク３の容量は７０リットル、耐圧は０．５ＭＰａで構成し、本例では８０℃に温度調節した。水素ガス加湿タンク４の容量は２０リットル、耐圧は０．５ＭＰａで構成し、本例では８０℃に温度調節した。空気圧力調節弁５と水素ガス圧力調節弁６の開度は図７に示すガス露点とガス圧力の関係に従って、設定したい露点をセル温度としてセル出口冷却水温度センサ１４で計測し、その温度に対応した圧力になるように演算装置１５で演算した開度に調節する。このとき設定した圧力になっているか否かを各加湿タンク３，４に取り付けた圧力センサ（図示せず）により検出して開度調整する。
【００４２】
セル冷却は、セル冷却回路９に供給する冷却水を冷却水高温タンク１０と冷却水低温タンク１１の温水の混合比を、冷却水混合弁１２により調整することで行われ、発電によりセル温度設定温度である７０℃を超える場合は冷却し、７０℃を下回る場合は加熱する。本例では冷却水低温タンク１１の水温を５０℃、冷却水高温タンク１０の水温を８５℃とした。
【００４３】
前記構成の実施形態１の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、まず、燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極（アノード８ｂ）側に７０℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス２を、また他方の電極（カソード８ａ）側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気１を供給した。
【００４４】
その起動時におけるセル温度とガス露点の変化の状態を図９に示す。セル温度が７０．５℃に制御されているのに対し、ガス露点は６８℃となった。設定温度に対し２℃の差が発生した理由として、配管途中での結露などが考えられる。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５ｍΩであった。
【００４５】
実施形態１の燃料電池を燃料利用率８５％，酸素利用率５０％，電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約１年間で３００回の起動停止を実施した。その結果、実施形態１の燃料電池は、通電時間の累計で８０００時間以上にわたって、約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００４６】
（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。なお、以下の実施形態の説明において、既に説明されている部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００４７】
図２において、２つの空気高温加湿タンク１８，１９を設置し、第１の空気高温加湿タンク１８は容量を７０リットル、耐圧を０．５ＭＰａで構成し、８０℃に温度調節し、第２の空気低温加湿タンク１９の容量を２０リットル、耐圧を０．５ＭＰａで構成し、５０℃に温度調節した。さらに、２つの水素ガス高温加湿タンク２０，２１を設置し、第１の水素ガス高温加湿タンク２０は容量を２０リットル、耐圧を０．５ＭＰａで構成し、８０℃に温度調節し、第２の水素ガス低温加湿タンク２１は容量を１０リットル、耐圧を０．５ＭＰａで構成し、５０℃に温度調節した。
【００４８】
酸化ガス混合手段であるカソード加湿ガス混合比例弁１６と、燃料ガス混合手段であるアノード加湿ガス混合比例弁１７とは、設定したい露点をセル温度としてセル出口冷却水温度センサ１４で計測し、その温度に対応した露点になるように演算装置１５でＰＩＤ演算した混合比に調節する。その他の構成については実施形態１と同様である。
【００４９】
前記構成の実施形態２の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態１と同様に、まず、燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス２を、また他方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気１を供給した。
【００５０】
セル温度が７０．５℃に制御されているのに対し、ガス露点は６８℃となった。発電特性としては、電流を外部に出力しない無負荷時には９６Ｖの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５ｍΩであった。
【００５１】
実施形態２の燃料電池を、燃料利用率８５％，酸素利用率５０％，電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約１年間で３００回の起動停止を実施した。その結果、実施形態２の燃料電池は、実施形態１と同様、通電時間の累計で８０００時間以上にわたって約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００５２】
（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
【００５３】
実施形態３では実施形態２の構成に加え、図３に示すように、空気１が燃料電池に供給されるまでの配管の途中を管状構造にし、１．５ｋｗのヒータを内蔵した酸化ガス加熱手段である空気加熱器２２と、同様に水素ガス２が燃料電池に供給されるまでの配管の途中を管状構造にし、１．５ｋｗのヒータを内蔵した燃料ガス加熱手段である水素ガス加熱器２３を装備し、温度調節装置２４で両加熱器２２，２３の温度調節を行っている。
【００５４】
さらに、空気加熱器２２の直後にガス露点を計測する酸化ガス露点計測手段である空気露点センサ２５を配置し、さらに水素ガス加熱器２３の直後にガス露点を計測する燃料ガス露点計測手段である水素ガス露点センサ２６を配置し、演算装置１５にて両露点センサ２５，２６の出力を取り込んでＰＩＤ演算し、その演算出力で両ガス混合比例弁１６，１７の混合比例値を、それぞれ調節するように構成した。その他の構成については実施形態１，２と同様である。
【００５５】
前記構成の実施形態３の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態１，２と同様に、まず、燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス２を、他方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気１を供給した。
【００５６】
セル温度が７０．５℃に制御されているのに対し、ガス露点は６９．５℃となった。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５ｍΩであった。
【００５７】
実施形態３の電池を燃料利用率８５％，酸素利用率５０％，電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約１年間で６００回の起動停止を実施した。その結果、実施形態３の電池は、実施形態１，２より特性が改善し、通電時間の累計で１００００時間以上にわたって、約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００５８】
（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
【００５９】
実施形態４では実施形態３の構成に加え、図４に示すように、冷却水の水温制御の応答性と安定性を両立させるための構成となっており、冷却水低温タンク１１と冷却水高温タンク１０に冷却水温調タンク２９を並設している。本例では、冷却水温調タンク２９の容量は２０リットルで、温度は７０℃に調整されている。冷却水低温タンク１１と冷却水高温タンク１０は、セル温度を可変させる際に混合比を調節して使用し、セル温度を一定値に安定させたい発電時には、調節弁２７と調節弁２８とを切り替えて、冷却水が冷却水温調タンク２９に冷却水を循環させる。その他の構成については実施形態１，３と同様である。
【００６０】
前記構成の実施形態４の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態１〜３と同様に、まず、燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス２を、他方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気１を供給した。
【００６１】
セル温度が７０．０℃に制御され、ガス露点は６９．５℃となった。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ約４５ｍΩであった。
【００６２】
実施形態４の燃料電池を、燃料利用率８５％，酸素利用率５０％，電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約１年間で６００回の起動停止を実施した。その結果、実施形態４の燃料電池は、実施形態１，２より特性改善し、通電時間の累計で１００００時間以上にわたって約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００６３】
（実施形態５）
図５は本発明の実施形態５を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
【００６４】
実施形態５では、図５に示すように、空気加湿タンク３０として容量が７０リットルのものを用いて８０℃に温度調節し、空気３２をドライガスとして８０℃に温度調節した。また、水素ガス加湿タンク３１として容量が２０リットルのものを用いて８０℃に温度調節し、水素ガス３３をドライガスとして８０℃に温度調節した。
【００６５】
酸化ガス混合手段であるカソード加湿ガス混合比例弁３４と、燃料ガス混合手段であるアノード加湿ガス混合比例弁３５とは、設定したい露点をセル温度としてセル出口冷却水温度センサ１４で計測し、その温度に対応した露点になるように演算装置１５でＰＩＤ演算した混合比に調節する。その他の構成については実施形態１と同様である。
【００６６】
前記構成の実施形態５の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態１〜４と同様に、まず、燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した水素ガスを、他方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
【００６７】
セル温度が７０．５℃に制御されているのに対し、ガス露点は６８℃となった。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５ｍΩであった。
【００６８】
実施形態５の燃料電池を、燃料利用率８５％，酸素利用率５０％，電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約１年間で３００回の起動停止を実施した。その結果、実施形態５の燃料電池は、実施形態１と同様、通電時間の累計で８０００時間以上にわたって約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、高分子電解質型燃料電池の発電装置に適用され、環境温度と相対湿度を制御する装置の加湿制御方法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態１を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図
【図２】本発明の実施形態２を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図
【図３】本発明の実施形態３を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図
【図４】本発明の実施形態４を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図
【図５】本発明の実施形態５を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図
【図６】従来の燃料電池発電装置の構成図
【図７】実施形態１におけるガス圧力とガス露点の関係を表す図
【図８】従来の燃料電池発電装置における燃料電池起動時のセル温度とガス露点の関係を表す図
【図９】実施形態における燃料電池起動時のセル温度とガス露点の関係を表す図
【符号の説明】
【００７１】
１，３２  空気
２，３３  水素ガス
３，３０  空気加湿タンク
４，３１  水素ガス加湿タンク
５  空気圧力調整弁
６  水素ガス圧力調整弁
７  高分子電解質膜
８ａ  カソード
８ｂ  アノード
９  セル冷却回路
１０  冷却水高温タンク
１１  冷却水低温タンク
１２  冷却水混合弁
１３  セル入口冷却水温度センサ
１４  セル出口冷却水温度センサ
１５  演算手段
１６，３４  カソード加湿ガス混合比例弁
１７，３５  アノード加湿ガス混合比例弁
１８，１９  空気高温加湿タンク
２０，２１  水素ガス高温加湿タンク
２２  空気加熱器
２３  水素ガス加熱器
２４  温度調節装置
２５  空気露点センサ
２６  水素ガス露点センサ
２７，２８  調節弁
２９  冷却水温調タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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