(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質を有する単セルとセパレータとを複数積層させた燃料電池を備え、改質装置で生成されたアノード反応ガスを前記アノードに供給すると共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスを前記カソードに供給し、電気化学反応によって電力を発生する燃料電池装置において、
一端が前記アノードから排出される排ガスを外部に排出する排ガスラインに接続され、他端が前記改質装置と前記アノードとを結ぶガスラインに接続された排ガス供給ラインと、
前記排ガス供給ライン上に設けられており、前記アノードから排出される排ガスの一部を前記アノードに供給する排ガス供給手段と、
前記燃料電池に対する負荷要求に基づいて、前記アノードと前記セパレータにより形成されたガス流路の出口における前記排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように前記排ガス供給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記排ガス供給手段が、
前記アノードから排出される前記排ガスの一部を前記排ガス供給ライン内に吸引するとともに前記改質装置と前記アノードとを結ぶガスラインに向けて吐出する循環ブロアと、
前記循環ブロアから吐出される前記排ガスの流量を調節する流量調整手段とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記アノードの排ガス出口近傍の前記排ガスライン上に設けられており、前記排ガスの流量を検出する第一流量検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に対する負荷要求と、前記第一流量検出手段の検出値とに基づいて、前記排ガス供給手段を更に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記改質装置から流出する前記アノード反応ガスの流量を検出する第二流量検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に対する負荷要求と、前記第一流量検出手段の検出値と、前記第二流量検出手段の検出値とに基づいて、前記排ガス供給手段を更に制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記排ガス供給手段の入口近傍の前記排ガス供給ライン上に設けられており、前記排ガス中に含まれる液滴を除去する液滴除去手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質を有する単セルとセパレータとを複数積層させた燃料電池を備え、改質装置で生成されたアノード反応ガスを前記アノードに供給すると共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスを前記カソードに供給し、電気化学反応によって電力を発生する燃料電池装置の運転方法において、
前記燃料電池に対する負荷要求に基づいて、前記アノードから排出される排ガスの一部を取り出して前記改質装置から流出する前記アノード反応ガスと共に前記アノードに供給し、前記アノードと前記セパレータにより形成されたガス流路の出口における前記排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように前記アノードに供給する前記排ガスの流量を調節することを特徴とする燃料電池装置の運転方法。
【請求項７】
前記アノードから排出される前記排ガスの流量を検出し、検出される検出値に基づいて前記アノードに供給する前記排ガスの流量を調節することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置の運転方法。
【請求項８】
前記改質装置から流出する前記アノード反応ガスの流量を検出し、検出される検出値に基づいて前記アノードに供給する前記排ガスの流量を調節することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置及びその運転方法に関し、特に、高分子電解質を有する燃料電池によって電力を発生させる燃料電池装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電極活物質としての燃料ガス（アノード反応ガス）と酸化用ガス（カソード反応ガス）とを利用した電気化学反応によって発生する電気エネルギを直接取り出すものである。そのため、燃料電池は低温の作動領域において高い発電効率を有する。従って、燃料電池を備えた発電ユニットとしての燃料電池装置によれば、カルノー効率の制約を受ける熱機関と比較して、高い総合エネルギ効率を達成することが可能となり、また、電気化学反応に伴って発生する熱エネルギの回収も容易である。
【０００３】
燃料電池の電極活物質、及び、電解質としては、水素、酸素、及び、プロトン伝導性電解質を用いるのが一般的であり、この場合、アノードにおいて次の（１）式に、カソードにおいて（２）式に、それぞれ示す電極反応が進行し、全体として（３）式に示す全電池反応が進行して起電力が発生する。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                  …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ          …（３）
【０００４】
このような電気化学反応によって電力を発生する燃料電池は、電極活物質、電解質、及び、作動温度等によって分類されるが、中でも、電解質として高分子電解質を用いたいわゆる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）等は、小型軽量化が容易であることから、電気自動車等の移動車両や小型コジェネレーションシステムの電源としての実用化が期待されている。高分子電解質型燃料電池では、電解質としてプロトン導電性を有する陽イオン交換膜（固体高分子電解質膜）をガス拡散電極であるアノードとカソードとの間に配置していわゆる単セルを構成する。そして、燃料ガスとして、メタノールや天然ガスといった炭化水素系原燃料を水蒸気改質して生成される水素含有ガスが用いられ、酸化用ガスとして、空気が用いられる。
【０００５】
この単セルのアノードとカソードとの両面にはガス不透過の導電性材料からなる薄板状のセパレータが配置される。このセパレータの電極との接触面には燃料ガス又は酸化用ガスの流路となる溝が形成されており、外部から供給される燃料ガス及び酸化用ガスは、燃料電池の作動条件に応じた所定の流速でこの流路内に供給され、流路内を入口から出口に進行しつつアノード及びカソード内の微細なガス拡散経路に供給され、それぞれ（１）又は（２）の反応に消費される。また、このガス流路から（３）式により生成する反応生成水や余分な加湿用水が燃料ガス又は酸化用ガスの排ガスと共に外部に排出される。更に、燃料電池をいわゆるスタックとする場合には、使用するセパレータの両面に燃料ガス又は酸化用ガスの流路となる溝を形成し、適宜シール材等を介して単セルとセパレータとを交互に複数積層させる。
【０００６】
かかる高分子電解質型燃料電池を実用化する上で、固体高分子電解質膜のイオン伝導性を良好に維持することが極めて重要となるが、（１）式に示す電極反応によってアノードで生成されるプロトンは、水和水を伴った状態で電解質膜を移動する。これに対して、（３）式に示す全電池反応は発熱反応であることから、燃料電池の作動に伴って電解質膜は昇温、乾燥することになる。従って、電解質膜が乾燥すれば、必然的に電解質抵抗が増大化することになり、膜内に存在するイオン交換基のイオン解離度を保持して燃料電池の性能を安定化させる上で、電解質膜を十分に加湿することが必要となる。
【０００７】
そのため、燃料電池装置は作動中の燃料電池の電解質膜を常時加湿する構成を通常有しており、例えば、燃料ガスや酸化用ガス中に水蒸気成分を含有させてそれぞれアノード、カソードに供給することにより作動中の燃料電池の電解質膜を常時加湿する構成や、燃料電池の冷却水の一部などを利用して加湿用の水を直接燃料電池内に供給する構成などが採用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように構成された燃料電池装置においては、燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化用ガスの流速が低下すると、生成する反応生成水や余分な加湿用水が排ガスと共に外部に速やかに排出されにくくなり、セパレータのガス流路内にこれらの水が滞留してドレンとなり当該ガス流路を塞いでしまうという問題があった。ドレンによりセパレータ内のガス流路が塞がれてしまうと電極反応の進行が妨げられ、所望の電池出力を安定して得ることが困難となってしまう。
【０００９】
通常、セパレータのガス流路は、負荷要求が最大となる作動条件、すなわち、流入するガス流量が最大となる条件を想定し、このときのガス流路の入口と出口のガス圧損が最小限になるように設計されている。そのため、負荷要求の比較的高い作動条件で燃料電池を作動させる場合には、セパレータのガス流路内に発生したドレンは、流量の大きな反応ガスにより速やかに外部搬送されるので運転上支障をきたすことはないが、燃料電池に対する負荷要求が変動し、負荷要求の比較的低い作動条件で燃料電池を作動させる状況となる場合には、ガス流路内を流れる反応ガスの流量は低くなるので、発生したドレンは当該ガス流路内に停滞し易くなる。また、長期にわたり作動させる場合には、負荷要求の変動や作動温度の変動などにより徐々にセパレータのガス流路内にドレンが蓄積される場合もある。
【００１０】
このようなドレンによるガス流路内の閉塞の問題は、アノード側のガス流路において特に発生し易い。すなわち、酸化用ガスは通常空気を使用する場合が多く、その酸素分圧値が比較的低く窒素等の不活性ガスの分圧値が高いため、燃料電池のカソードにむけて必要な量の酸素を供給する際には、酸素に加えて多量の不活性ガスも必然的に供給されること等から、負荷要求の低い作動条件におかれてもガス流路内に発生したドレンを当該ガス流路内に停滞させることなく外部に搬送可能な酸化用ガスの流量を設定することが容易に可能である。一方、燃料ガスは燃料を改質装置において水蒸気改質して生成させたうえでアノードに供給しており、その水素分圧が高いことと、水蒸気分圧も燃料電池の作動温度における飽和水蒸気圧近傍に調節され比較的高くなっていること等から負荷要求の低い作動条件におかれた場合、ガス流路内の燃料ガスの流量が著しく低下してガス流路内にドレンが停滞し易くなる。
【００１１】
また、高い水素利用率（例えば、８０％）の作動条件の下で燃料電池を作動させることは改質装置において生成させた水素を有効に利用する上で重要となるが、このような高い水素利用率でかつ負荷要求の低い作動条件の下では、更に燃料ガスの流量が低下し、ドレンがアノード側のガス流路内により停滞し易くなる。従って、燃料電池装置を実用化するに際しては、アノード側のガス流路のドレンによる閉塞の防止に留意する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、作動中の燃料電池のアノード側のガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止することのできる燃料電池装置、及び、その運転方法の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、アノードに形成されたガス流路内にドレンが生成しても、ガス流路の出口における流速が０．４５ｍ／ｓ以上となるようにアノードに供給するアノード反応ガスの流量を調節することにより、速やかに当該ガス流路外部から排出することが可能となることを見出し、本発明に到達した。
【００１４】
すなわち、本発明による燃料電池装置は、アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質を有する単セルとセパレータとを複数積層させた燃料電池を備え、改質装置で生成されたアノード反応ガスをアノードに供給すると共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスをカソードに供給し、電気化学反応によって電力を発生する燃料電池装置において、一端がアノードから排出される排ガスを外部に排出する排ガスラインに接続され、他端が改質装置とアノードとを結ぶガスラインに接続された排ガス供給ラインと、排ガス供給ライン上に設けられており、アノードから排出される排ガスの一部をアノードに供給する排ガス供給手段と、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように排ガス供給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この燃料電池装置は、移動車両等や家庭用発電ユニット等の電源として採用すると好適なものであり、燃料電池は、アノードとカソードとの間に高分子電解質を配置したものである。また、セパレータは、例えば、薄板状に形成され、アノード側の面にアノード反応ガス（燃料ガス）を流通させるためのガス流路を、カソード側の面にカソード反応ガス（酸化用ガス）を流通させるためのガス流路を有する。
【００１６】
このような燃料電池は、アノード反応ガスを供給する改質装置、カソード反応ガスを供給するブロア若しくは圧縮機等、各種補機類等を有し、アノードには、改質装置等で生成される水素含有ガス等のアノード反応ガス（燃料ガス）が供給される。また、燃料電池のカソードには、ブロア等によって空気等のカソード反応ガス（酸化用ガス）が供給される。これにより、アノードでアノード反応ガスが、カソードでカソード反応ガスがそれぞれ電気化学反応し、燃料電池全体では所定の全電池反応が進行して起電力が得られる。
【００１７】
ここで、このような燃料電池装置の作動中、燃料電池に供給される燃料ガス及び空気の流量は、燃料電池に対する負荷要求の変動に応じて比較的広い範囲内で変化する。そこで、負荷要求の低い作動条件におかれた場合など燃料ガスの流量が著しく低下する場合には、前述したようにアノードのセパレータのガス流路内に反応生成水や余分な加湿用水が滞留してドレンとなり当該ガス流路を塞いでしまうということが想定される。この点に鑑みて、この燃料電池装置には、排ガス供給ラインと、アノードから排出される排ガスの一部をアノードに供給する排ガス供給手段と、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように排ガス供給手段を制御する制御手段とが備えられている。
【００１８】
このような構成とすることにより、燃料電池装置の運転中に、燃料電池に対する負荷要求が低下するなどしてアノードのガス流路内にドレンが生成したとしても、そのドレンを速やかに当該ガス流路から外部へ排出できるので、燃料電池を負荷変動にあわせて常時安定な状態で作動させることができる。すなわち、制御手段は、モーター等の負荷から送出される燃料電池に対する負荷要求信号に基づき、循環ブロア等の排ガス供給手段を作動させてアノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるようにアノードに供給する排ガスの流量を調節する。
【００１９】
このように負荷要求が低下した際に、改質装置から流出するアノード反応ガスと共にアノードから排出される排ガスの一部を再びアノードに供給することにより、アノードのガス流路に供給されるガスは、その水素分圧を低い負荷要求に対応して調整され、かつ、そのガス流量を流路内にドレンが生成したとしてもそのドレンを出口に向けて搬送可能な十分な値（０．４５ｍ／ｓ以上の所定値）に調整される。そのため、例えば、水素利用率を高い水準に設定した作動条件の下でも作動中の燃料電池のアノード側のガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止することが容易に可能となる。
【００２０】
なお、このようにアノード排ガスを燃料ガスに混合してアノードに供給する場合には、アノード排ガスを供給する以前に比べて、アノードに導入されるガスの全流量とアノードから排出されるガスの全流量は増加する。このとき、例えば、装置外部に排出するアノード排ガスの排出量を燃料ガスに混合するアノード排ガスの供給量に一致させるようにすれば、アノード排ガスを供給してもアノードにおける水素利用率をアノード排ガスを供給する以前の値に保つことができる。
【００２１】
一方、ガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ未満となると、ガス流路内にドレンが生成しても速やかに当該ガス流路外部から排出することが困難となり、ガス流路がドレンにより閉塞されてしまう。
【００２２】
ここで、本発明の燃料電池における制御手段は、負荷要求が予め設定された下限値まで低下した際に、排ガス供給手段を作動させる信号を送出するものである。この「負荷要求の下限値」とは、排ガス供給手段を作動させてアノードから排出される排ガスの一部を排ガス供給ラインを介してアノードに供給しない作動条件のもとで燃料電池装置を作動させた場合に、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値をとるように定められる負荷要求値である。この排ガス供給手段を作動させる際の負荷要求の下限値の設定は、ガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上であれば特に限定されず、使用する燃料電池装置の出力や構成、使用環境等により適宜設定してよいが、ドレンの生成をより確実に防止する観点から０．６ｍ／ｓ以上であることがより好ましい。
【００２３】
また、燃料電池に対する負荷要求が上記の負荷要求の下限値以下に低下するときに、循環ブロア等の排ガス供給手段を作動させた後のアノード側のガス流路の出口における排ガスの流速（０．４５ｍ／ｓ以上の所定値）も、０．４５ｍ／ｓ以上であれば特に限定されず、使用する燃料電池装置の出力や構成、使用環境等により適宜設定してよいが、ドレンの生成をより確実に防止する観点及びドレインが生成した場合であってもそのドレンをより確実に燃料電池の外部に排出する観点から、０．６ｍ／ｓ以上であることがより好ましい。そして、循環ブロア等の排ガス供給手段を作動させた後のアノード側のガス流路の出口における排ガスの流速は、０．４５ｍ／ｓ以上であれば、燃料電池に対する負荷要求が上記の負荷要求の下限値以下に低下した際に常に一定値をとるように予め設定してもよく、負荷要求にあわせて変動するように予め設定してもよい。
【００２４】
例えば、上記の負荷要求の下限値と、循環ブロア等の排ガス供給手段を作動させた後のアノード側のガス流路の出口における排ガスの流速とは、使用する燃料電池装置において、負荷要求値とガス流路の出口における排ガスの流速との相関を理論計算値や実験値により解析し決定することが可能である。
【００２５】
また、この場合、排ガス供給手段は、アノードから排出される排ガスの一部を排ガス供給ライン内に吸引するとともに改質装置とアノードとを結ぶガスラインに向けて吐出する循環ブロアと、循環ブロアから吐出される排ガスの流量を調節する流量調整手段とから構成されていることが好ましい。
【００２６】
循環ブロアを使用することにより、アノードから排出される排ガスと改質装置から流出するアノード反応ガスとの間に圧力差が生じていても支障なく確実に両者を混合してアノードに供給することができる。また、流量調整手段を使用することにより、アノードに供給されるガスの水素分圧とガス流量を負荷要求に対応するようにより正確かつより迅速に調節することができる。
【００２７】
更に、本発明の燃料電池装置においては、アノードの排ガス出口近傍の排ガスライン上に設けられており、排ガスの流量を検出する第一流量検出手段を更に備え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求と、第一流量検出手段の検出値とに基づいて、排ガス供給手段を更に制御することが好ましい。
【００２８】
アノード側のセパレータに形成されるガス流路の数とその断面積は予め規定されるので、第一流量検出手段によってアノードの排ガスの流量を検出することにより、アノードのガス流路の出口における流速を検出することができる。すなわち、第一流量検出手段によりアノードのガス流路の出口における流速を直接検出することができ、然も、その設置位置により、アノードのガス流路の出口における流速を単位セル毎、或いはスタック毎に容易に検出することができる。そのため、上記のような構成とすることにより、燃料電池装置の使用環境等の燃料電池に対する負荷要求の変動と異なる要因によりアノードのガス流路の出口における流速が低下する場合にも、ガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止することが可能となる。なお、第一流量検出手段は、例えば、燃料電池のスタック毎に設置してもよく、必要に応じてスタックを構成する各単セル毎に設置してもよい。
【００２９】
また、この場合、改質装置から流出するアノード反応ガスの流量を検出する第二流量検出手段を更に備え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求と、第一流量検出手段の検出値と、第二流量検出手段の検出値とに基づいて、排ガス供給手段を更に制御することが好ましい。このような構成とすることにより、改質装置から流出するアノード反応ガスの供給量をより正確に把握することができるので、アノードに供給する排ガスの供給量をより正確に決定することが可能となる。すなわち、燃料電池の作動条件を負荷要求の変動に対してより迅速に変化させ、アノードのガス流路のドレンによる閉塞をより確実に防止することができる。
【００３０】
更に、本発明の燃料電池装置においては、排ガス供給手段の入口近傍の排ガス供給ライン上に設けられており、排ガス中に含まれる液滴を除去する液滴除去手段を更に備えることが好ましい。これにより、アノードに供給される排ガス中の水蒸気成分を十分に除去できるので、アノードのガス流路内におけるドレンの生成を効果的に抑制することができる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池装置の運転方法は、アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質を有する単セルとセパレータとを複数積層させた燃料電池を備え、改質装置で生成されたアノード反応ガスをアノードに供給すると共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスをカソードに供給し、電気化学反応によって電力を発生する燃料電池装置の運転方法において、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノードから排出される排ガスの一部を取り出して改質装置から流出するアノード反応ガスと共にアノードに供給し、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるようにアノードに供給する排ガスの流量を調節することを特徴とする。
【００３２】
また、この場合、アノードから排出される排ガスの流量を検出し、検出される検出値に基づいてアノードに供給する排ガスの流量を調節することが好ましい。
【００３３】
更に、この場合、改質装置から流出するアノード反応ガスの流量を検出し、検出される検出値に基づいてアノードに供給する排ガスの流量を調節することが好ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明による燃料電池装置を示す系統図である。同図に示す燃料電池装置１は、移動車両や小型コジェネレーションシステムの電源として採用すると好適なものであり、固体高分子電解質型の燃料電池ＦＣを備える。この燃料電池ＦＣは、水素を含む燃料ガス（アノード反応ガス）と、酸化用ガスとしての空気（カソード反応ガス）とを利用した電気化学反応によって電気エネルギを発生する。燃料電池ＦＣが発生する電気エネルギは、移動車両の駆動源や小型コジェネレーションシステムの発電源として利用される。なお、燃料電池装置１に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を備えることも可能である。
【００３６】
図１に示すように、燃料電池装置１０は、複数の高分子電解質型の燃料電池ＦＣ、燃料ガスを生成するための燃料供給部１２、水供給部１４、改質装置１５、及び、制御装置９０を備えている。燃料供給部１２は、燃料ガスを生成するためのメタノール等を貯留する燃料タンクや燃料ポンプ（何れも図示せず）を有する。燃料供給部１２には、燃料ラインＬ８の一端が接続されている。燃料供給ラインＬ８は、中途に流量調整弁ＦＲＶ１を有し、その他端側は改質装置１５に接続されている。この流量調整弁ＦＲＶ１は、制御装置９０と電気的に接続されており燃料ラインＬ８に対する開通時間と閉止時間を制御されている。その結果、燃料供給部１２から改質装置１５に供給されるメタノールの流量は、燃料電池装置１０の作動状況に応じて調節される。
【００３７】
同様に、水供給部１４は、燃料（メタノール）を改質する際に改質用流体として利用される水を貯留する水タンクや水ポンプ（何れも図示せず）を有する。水供給部１４には、改質用水ラインＬ９の一端が接続されている。この改質用水ラインＬ９も、中途に流量調整弁ＦＲＶ２を有し、その他端側は改質装置１５に接続されている。この流量調整弁ＦＲＶ２は、制御装置９０と電気的に接続されており、改質用水ラインＬ９の開通時間と閉止時間を制御されている。その結果、水供給部１４から改質装置１５に供給される改質用水の流量は、燃料電池装置１０の作動状況に応じて調節される。
【００３８】
燃料供給部１２から供給されるメタノールと水供給部１４から供給される改質用水は混ざり合い改質装置１５に供給される。改質装置１５は、燃料供給部１２から供給されるメタノールと水供給部１４から供給される改質用水とを利用した水蒸気改質によって水素を含む燃料ガスを生成するものである。このため、改質装置１５は、蒸発部１６、改質部１７、及び、選択酸化部１８を含む。
【００３９】
改質装置１５における燃料ガスの生成工程について説明すると、燃料供給部１２及び水供給部１４からの水メタノール混合液は、まず蒸発部１６に供給される。蒸発部１６は、図示しないバーナを備えており、このバーナが発生する熱によって水メタノール混合液は気化・昇温して水メタノール混合ガスとなる。そして、蒸発部１６で気化・昇温した水メタノール混合ガスは、改質部１７に流入する。
【００４０】
改質部１７の内部には、改質触媒として、例えば、微粒子状の触媒を坦持させたハニカム状の多孔質体（図示せず）が配置されている。改質部１７に流入した水メタノール混合ガスが当該改質触媒の表面を通過すると、以下の（４）及び、（５）式に示した反応が進行し、これにより、水素リッチな改質ガスが生成される。なお、（４）及び、（５）式をあわせて表現すると（６）式となる。
ＣＨ3ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ2−９０．９ｋＪ／ｍｏｌ        …（４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2＋４１．０ｋＪ／ｍｏｌ       …（５）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2−４９．８ｋＪ／ｍｏｌ…（６）
【００４１】
上記（４）〜（６）式に示す水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、反応を進行させるための熱を改質部１７内に供給する必要がある。このためには、蒸発部１６から水メタノール混合ガスが熱を同伴しながら改質部１７に流れ込むように構成すると好ましい。また、改質部１７に所定の加熱装置を設け、反応を進行させるための熱を当該加熱装置から改質部１７内に与えるように構成してもよい。なお、Ｃｕ−Ｚｎ触媒によって水蒸気改質反応を進行させた場合、改質部１７の内部温度は、２５０〜３００℃の温度範囲が好ましい。
【００４２】
ここで、この改質部１７に、中途に流量調整弁を有する空気ライン（何れも図示せず）を接続し、改質用の空気を必要に応じて供給する構成としてもよい。改質部１７内に改質用空気が供給された場合、改質部１７では、蒸発部１６から流入する水メタノール混合ガス中のメタノールと改質用の空気に含まれる酸素との間で、次の（７）式に示す反応が進行する。
ＣＨ3ＯＨ＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＋Ｈ2＋１５１．６ｋＪ／ｍｏｌ…（７）
これにより、吸熱反応による熱を更に補うことができる。そして、この場合には改質部１７に接続された空気ラインの流量調整弁も制御装置９０と電気的に接続し、燃料電池の作動条件にあわせて空気の供給量を制御する構成とすることが好ましい。
【００４３】
また、この改質部１７には改質部１７内のＣＯ濃度を測定するためのＣＯセンサ或いは温度センサなどのＣＯ濃度測定手段を備えることが好ましい。これにより、（４）〜（７）で示される改質部１７内の水蒸気改質反応が所定の定常状態で進行しているか否かをモニタすることが可能となる。そして、この場合には、ＣＯ濃度測定手段も制御装置９０と電気的に接続して、ＣＯ濃度測定手段により測定された改質部１７内のデータを制御装置９０に出力し、ＣＯ濃度に基づいて燃料電池の作動条件にあわせて改質部１７内への空気の供給量を制御させる構成とすることが好ましい。
【００４４】
このようにして改質部１７で生成された改質ガスは、次に、選択酸化部１８に流入する。選択酸化部１８には、メタロシリケート触媒等のＣＯ選択酸化触媒を坦持させた多孔質体（図示せず）が配置されている。また、選択酸化部１８には、中途に流量調整弁を有する空気ライン（何れも図示せず）が接続されており、ＣＯ選択酸化用の空気が供給される構成となっている。そして、選択酸化部１８に流入した改質ガスが当該ＣＯ選択酸化触媒の表面を通過すると、供給されたＣＯ選択酸化用の空気が利用されて、次の（８）式に示す選択酸化反応が進行する。
ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2  ＋２８４．７ｋＪ／ｍｏｌ…（８）
【００４５】
これにより、改質部１７で生成された改質ガス中の一酸化炭素のみが選択的に酸化され、選択酸化部１８では、一酸化炭素濃度が十分に低減された燃料ガスが生成されることになる。そして、改質装置１５の選択酸化部１８で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給ラインＬ１を介して燃料電池ＦＣに供給される。
【００４６】
また、この選択酸化部１８には、内部のＣＯ濃度を測定するためのＣＯセンサ或いは温度センサなどのＣＯ濃度測定手段（図示せず）が備えられており、（８）式に示される選択酸化部１８内のＣＯ選択酸化反応が所定の定常状態で進行しているか否かをモニタする構成とされている。そして、このＣＯ濃度測定手段とＣＯ選択酸化用空気の流量を調整する流量調整弁とは制御装置９０と電気的に接続されており、測定された選択酸化部１８内のＣＯ濃度のデータは制御装置９０に出力されて処理され、選択酸化部１８内のＣＯ濃度を適正な範囲内に保持するためにＣＯ選択酸化用空気の供給量が燃料電池の作動条件にあわせて制御される。
【００４７】
更に、改質装置１５の出口に接続された燃料ガス供給ラインＬ１の中途には、冷却器３５が配置されている。改質装置１５から流出して燃料ガス供給ラインＬ１を流通する燃料ガスは、改質装置１５で進行する水蒸気改質反応の反応温度に応じて昇温しているが、この冷却器３５において燃料電池ＦＣの作動温度近傍まで冷却される。
【００４８】
ここで、冷却器３５は、燃料ガスの冷却に伴って水蒸気成分が凝縮する場合に凝縮水を分離して水供給部１４に供給できる構成を有している。なお、制御手段９０により改質装置１５に供給する燃料、水、改質用空気、ＣＯ選択酸化用空気等の供給量を制御して、生成される燃料ガスの水蒸気分圧を燃料電池ＦＣの作動温度における飽和蒸気圧以下に予め調節するようにしてもよい。この場合には、改質装置１５から流出する燃料ガスは、冷却器３５において燃料電池ＦＣの作動温度まで冷却されてもその水蒸気成分が凝縮することはない。
【００４９】
一方、燃料電池装置１０は、図１に示すように、カソード反応ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するカソード反応ガス供給手段として、ブロアＢ１を備える。このブロアＢ１は、中途に流量調整弁ＦＲＶ３を有する空気供給ラインＬ２を介して燃料電池ＦＣと接続されており、大気中の空気を吸込んで所定圧力まで昇圧させ、燃料電池ＦＣに対して圧送する。これにより、ブロアＢ１から燃料電池ＦＣにむけて、圧縮されて所定温度（例えば、１２０℃程度）まで昇温した空気が供給されることになる。
【００５０】
更に、ブロアＢ１と、燃料電池ＦＣの各カソードＣと接続されている空気入口４７ｂとを結ぶ空気供給ラインＬ２上には、熱交換器７０が設けられている。これにより、ブロアＢ１から圧送される空気は、熱交換器７０の内部を経由した後、燃料電池ＦＣの空気入口４７ｂに流入することになる。熱交換器７０は、密閉容器として構成されており、その内部には伝熱管（図示せず）が配置されている。そして、冷却系統５０の冷却媒体戻りラインＬ５が、伝熱管の流体入口に接続されている。これにより、スタック４０等を冷却させて燃料電池の内部温度を反映する所定温度（例えば、６０℃〜８０℃程度）に昇温されて燃料電池ＦＣの冷却媒体出口４９ｂから流出する冷却水等の一部は、熱交換器７０内に配置されている伝熱管に流れ込むことになる。熱交換器７０内に配置された伝熱管の流体出口には、冷却媒体戻りラインＬ５が再び接続されており、冷却媒体戻りラインＬ５は、ラジエーターＲに戻されて冷却・再循環させられる。
【００５１】
一方、熱交換器７０の内部には、燃料電池ＦＣを冷却させた冷却水等が流通する伝熱管が配置されているので、所定温度（１２０℃程度）まで昇温させられた空気は、燃料電池ＦＣを冷却させて所定温度（例えば、６０℃〜８０℃程度）まで昇温した冷却媒体と伝熱管を介して熱交換することになる。これにより、熱交換器７０の内部において、ブロアＢ１から流入する空気は燃料電池ＦＣの作動温度近傍（例えば、６０℃〜８０℃程度）まで冷却させられる燃料電池ＦＣの各カソードＣに供給されることになる。
【００５２】
なお、ここで、カソードＣ側より高分子電解質膜ＥＭを加湿する場合には、図示しない加湿手段により空気に水蒸気成分を同伴させて各カソードＣに供給する。また、熱交換器７０内における熱交換条件等により熱交換器７０から流出する空気の温度が燃料電池ＦＣの作動温度よりも高くなる場合においては、熱交換器７０と燃料電池ＦＣを結ぶ空気供給ラインＬ２上に必要に応じて、更に冷却手段を設置してもよい。
【００５３】
また、上述した改質用空気を選択酸化部１８に供給するための空気ライン（図示せず）と、改質用空気を改質部１７に供給するための空気ライン（図示せず）とは、ブロアＢ１に接続された空気供給ラインＬ２から分岐する構成としてもよい。これにより、改質用空気を供給するための供給源を別途設ける必要がなくなるので、燃料電池装置１０全体のコンパクト化を図ることができる。このようにして、燃料電池ＦＣは、改質装置１５から燃料ガスの供給を受け、ブロアＢ１から空気の供給を受けることになる。
【００５４】
この燃料電池ＦＣについて詳細に説明すると、図２に示すように、燃料電池ＦＣは、単セルＵＣ（図３参照）とセパレータＳＰ（図３及び図４参照）とをシール材２１を介して交互に多数積層させたスタック４０を有する。そして各単セルＵＣは、電解質膜ＥＭをガス拡散電極であるアノードＡとカソードＣとの間に配置させたものである。このスタック４０は、各単セルＵＣのアノードＡと接続されたアノード集電板４１ａと、各単セルＵＣのカソードＣと接続されたカソード集電板４１ｂとによって挟持されている。また、アノード集電板４１ａとカソード集電板４１ｂとの外方には、絶縁板４２が配置されている。
【００５５】
各絶縁板４２の外方には、スタック締付板４３を介してフランジ４４ａ，４４ｂが配置されている。各フランジ４４ａ，４４ｂは、膜板４５によって連結されると共に強固に締め付けられている。これにより、スタック４０、アノード集電板４１ａ、カソード集電板４１ｂ、絶縁板４２等が一体化される。なお、各フランジ４４ａ，４４ｂは、リブ構造を有する無垢材からなり、これにより、燃料電池ＦＣ全体が軽量化される。また、絶縁板４２とフランジ４４ａ，４４ｂとの間には、皿ばね等の弾性体４６を配置すると好ましく、これにより、燃料電池ＦＣの温度上昇、温度降下によるスタック４０の伸縮を吸収することができる。
【００５６】
更に、燃料電池ＦＣは、カソード集電板４１ｂ側に位置する絶縁板４２の左上コーナー部を貫通する燃料ガス入口４７ａ（アノード反応ガス入口）を有し、この燃料ガス入口４７ａには、改質装置１５と連なる燃料ガス供給ラインＬ１が接続される。また、燃料電池ＦＣは、カソード集電板４１ｂ側に位置する絶縁板４２の右上コーナー部を貫通する空気入口４７ｂ（カソード反応ガス入口）を有し、この空気入口４７ｂには、ブロアＢと連なる空気供給ラインＬ２が接続される。これにより、燃料ガス入口４７ａから各単セルＵＣのアノードＡに燃料ガスが流れ込み、空気入口４７ｂから各単セルＵＣのカソードＣに酸化用ガスとしての空気が流れ込むことになる。
【００５７】
電解質膜ＥＭは、例えば、含フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成されており、湿潤状態下で良好なイオン伝導性を示すイオン交換膜である。高分子電解質膜ＰＥＭを構成する固体高分子材料としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。商品としては例えば、ナフィオン（デュポン社製）等が挙げられる。
【００５８】
一方、ガス拡散電極であるアノードＡ及びカソードＣは、何れもガス拡散層と、ガス拡散層上に形成された反応層（触媒層）とからなる。ここで、ガス拡散層と反応層とについて簡単に説明すると、ガス拡散層は、各単セルＵＣ毎に供給された燃料ガス又は空気を反応層側に円滑かつ均一に供給すると共に、反応層における電極反応によって生じる電子を単セルＵＣの外部に放出させる役割を担うものである。ガス拡散層としては、例えば、電気伝導性を有する多孔質体（本実施形態では、炭素繊維からなるカーボンペーパ）にフッ素系樹脂（例えば、ＰＴＦＥ〔ポリテトラフルオロエチレン〕）を用いて撥水化処理を施したものが使用される。
【００５９】
また、反応層は、アノードＡでは先に述べた（１）式、カソードＣでは先に述べた（２）式にそれぞれ示す電極反応を進行させる役割を担う。この反応層は、いわゆる反応サイトの三次元化、すなわち、触媒とイオン伝導性の電解質からなる領域（電解質ネットワーク）と燃料ガス又は空気が供給される領域（ガス拡散ネットワーク）との三相界面面積の増大化が図られている。具体的には、触媒表面積の大きな触媒担持カーボンブラック微粒子で基礎となる骨格を形成し、当該骨格の一部分にＰＴＦＥ等の撥水剤を分散させて撥水化処理を施することにより、疎水性のガス拡散ネットワークを構築する。そして、上記骨格の他の部分に、高分子電解質を有機溶媒に溶解させた溶液を浸透塗布等して、触媒担持カーボンブラックの表面を高分子電解質で被覆し親水性の電解質ネットワークを構築する。これにより、燃料ガス又は空気とイオン（プロトン）と触媒とを効率よく接触させて各電極反応を速やかに進行させることが可能となる。
【００６０】
このようなガス拡散層と反応層とからなるアノードＡとカソードＣは、例えば、以下のような手順に従って製造される。先ず、界面活性剤を含む有機溶媒中に親水性のカーボンブラック微粒子と疎水性のカーボンブラック微粒子とＰＴＦＥとを混入し、ＵＳＨＭ（超音波ホモジナイザー）やビーズミルなどによって分散混合させてペースト状のスラリーを調製する。次に、当該スラリーをガス拡散層となるカーボンぺーパ上に厚さが均一になるように塗布した上で乾燥させる。そして、当該カーボンペーパに電気炉又はホットプレス等を用いて熱処理を施し、スラリー内のＰＴＦＥを焼結させると共に界面活性剤を除去することにより反応層を形成する。更に、反応層の表面に電極触媒を構成する金属塩を含む溶液（例えば、塩化白金酸水溶液等）を塗布し、電気炉等で乾燥・熱分解させた後、水素還元等の処理を施す。これにより、アノードＡとカソードＣとが完成する。
【００６１】
この場合、電極触媒を構成する金属塩を含む溶液は、親水性の電解質ネットワークを経由して反応層内の細部に浸透して行くことから、水素還元処理等を施した後の反応層内には、電極触媒が高い分散度で担持されることになる。なお、必要に応じて、触媒担持量を低減させたり、疎水性のより優れたガス拡散ネットワークを構築したりするために、フッ素系樹脂で予め被覆した触媒無担持のカーボンブラック微粒子を触媒担持カーボンブラック微粒子に分散させてもよい。
【００６２】
また、反応層の電気抵抗を低減させるために、触媒無担持のカーボンブラック微粒子からなる骨格に撥水化処理を施すことなく、高分子電解質のみで被覆して高分子電解質自体が構造的に有する疎水性領域をガス拡散ネットワークとすることも可能である。更に、アノードＡ及びカソードＣは、カーボンフエルトや、炭素繊維からなるカーボンクロス等を用いて構成してもよい。
【００６３】
そして、上述した構成を有するアノードＡ及びカソードＣを、固体高分子材料からなる電解質膜ＥＭに接合させることにより、単セルＵＣが形成される。具体的には、アノードＡとカソードＣとの反応層を電解質膜ＥＭと接触させた上で、電気炉やホットプレス等で熱処理することにより、単セルＵＣが完成する。この場合、アノードＡ及びカソードＣの接合面における密着性を向上させるために、アノードＡ及びカソードＣの反応層表面に高分子電解質の膜を有機溶媒に溶解させた溶液を少量塗布した上で熱処理を施すと好ましい。また、アノードＡとカソードＣとを接合する前に、過酸化水素の希薄溶液にて電解質膜ＥＭ中の不純物を酸化除去し、その後、硫酸水溶液で電解質膜ＥＭ内のイオン交換基をプロトンフォームにする等して電解質膜の活性化処理を施すと好ましい。
【００６４】
上述したように構成された単セルＵＣと共に、スタック４０を構成するセパレータＳＰは、図３に示すように、１体の単セルＵＣに対して、アノードＡ側と、カソードＣ側とにそれぞれ１体ずつ装着される。セパレータＳＰは、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といったようなガス不透過の導電性部材により形成され、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、矩形薄板状を呈する。ここで、図４（ａ）は、セパレータＳＰの表裏面のうち、アノードＡと接する側の面（以下「アノード接触面」という）をアノードＡ側から視た平面図であり、カソードＣと接する側の面（以下「カソード接触面」という）をカソードＣ側から視た平面図である。
【００６５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、セパレータＳＰの四隅には、その側縁部に沿って延びる長穴状の開口部５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが形成されている。また、セパレータＳＰのアノード接触面には、一端側が図中右上の開口部５０ａと連通し、他端側が図中左下の開口部５１ａと連通するように、Ｓ字状に屈曲する複数の溝５２が形成されている。更に、セパレータＳＰのカソード接触面には、一端側が図中右上の開口部５０ｂと連通し、他端側が図中左下の開口部５１ｂと連通するように、Ｓ字状に屈曲する複数の溝５３が形成されている。
【００６６】
このように構成されたセパレータＳＰと単セルＵＣとを多数積層させてスタック４０を構成すると、各開口部５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂは、それぞれ１本の流路を形成する。また、各セパレータＳＰのアノード接触面に形成された各溝５２は、各単セルＵＣのアノードＡの表面とにより、燃料ガス流路５４を画成する（図３参照）。更に、各セパレータＳＰのカソード接触面に形成された各溝５３は、各単セルＵＣのカソードＣの表面とにより、空気流路５５を画成する（図３参照）。そして、開口部５０ａが形成する流路は、燃料ガス入口４７ａと連通され、開口部５０ｂが形成する流路は、空気入口４７ｂと連通される。
【００６７】
これにより、改質装置１５で生成された燃料ガスは、燃料ガス入口４７ａと、各セパレータＳＰの開口部５０ａとを介して、各セパレータＳＰの各溝５２とアノードＡの表面とによって画成される燃料ガス流路５４に流れ込む。そして、燃料ガスが燃料ガス流路５４を流通すると、各アノードＡで上記（１）式に示す反応が進行する。また、ブロアＢから供給される酸化用ガスとしての空気は、空気入口４７ｂと、各セパレータＳＰの開口部５０ｂが形成する流路とを介して、各セパレータＳＰの各溝５３とカソードＣの表面とによって画成される空気流路５５に流れ込む。そして、空気が空気流路５５を流通すると、各カソードＣで上記（２）式に示す反応が進行する。この結果、各単セルＵＣで上記（３）式に示す全電池反応が進行し、燃料電池ＦＣのアノード集電板４１ａとカソード集電板４１ｂとから起電力を得ることができる。
【００６８】
また、この燃料電池ＦＣのセパレータＳＰでは、燃料ガス流路５４を画成する溝５２と、空気流路５５を画成する溝５３とがＳ字状に屈曲されている。従って、各単セルＵＣのアノードＡに供給された燃料ガスは、Ｓ字状の燃料ガス流路５４内を開口部５０ａから開口部５１ａに向けて規則的に進行し、燃料ガス流路５４の途中におけるアノード反応サイトで消費されることになる。同様に、各単セルＵＣのカソードＣに供給された空気は、Ｓ字状の空気流路５５を開口部５０ｂから開口部５１ｂに向けて規則的に進行し、空気流路５５の途中におけるカソード反応サイトで消費される。
【００６９】
これにより、燃料ガスと空気とは互いに逆方向かつ規則的に進行するので、電極反応の進行に伴う反応熱によって各アノードＡ及びカソードＣに不均一な温度分布が生じてしまうことが効果的に抑制できる。この結果、燃料電池ＦＣ内では、上記（１）に示すアノード電極反応と（２）に示すカソード電極反応とが良好に進行することになる。なお、燃料ガス流路５４及び空気流路５５はＳ字状のものに限られず、他の形態の流路５４，５５を画成するようにカソードＣに溝５２，５３を形成してもよい。
【００７０】
燃料ガス流路５４を流通しながらアノードＡで反応した燃料ガスは、アノード排ガスとなり、各セパレータＳＰの開口部５１ａが形成する流路に流れ込む。各セパレータＳＰの開口部５１ａが形成する流路は、空気入口４７ｂの下方に配置されたアノード排ガス出口４８ａ（図２参照）に接続されている。また、空気流路５５を流通しながらカソードＣで反応した空気は、カソード排ガスとなり、各セパレータＳＰの開口部５１ｂが形成する流路に流れ込む。各セパレータＳＰの開口部５１ｂが形成する流路は、燃料ガス入口４７ａの下方に配置されたカソード排ガス出口４８ｂ（図２参照）に接続されている。
【００７１】
燃料電池ＦＣのアノード排ガス出口４８ａは、図１に示すようにアノード排ガスラインＬ３を介して、改質装置１５の蒸発部１６に接続されている。同様に、燃料電池ＦＣのカソード排ガス出口４８ｂも、カソード排ガスラインＬ４を介して、改質装置１５の蒸発部１６（バーナ）に接続されている。そして、燃料電池ＦＣの各アノードＡで生成されたアノード排ガスは、改質装置１５の蒸発部１６に設けられているバーナで燃料として、各カソードＣで生成されたカソード排ガスは、酸化剤として再利用される。
【００７２】
なお、アノード排ガスラインＬ３の中途に圧力調整弁（図示せず）を配置すると共にカソード排ガスラインＬ４の中途に圧力調整弁を配置してもよい。これらの圧力調整弁により、アノード排ガスラインＬ３を流通するアノード排ガスの圧力を燃料電池ＦＣの出口で所定値に保つことができ、カソード排ガスラインＬ４を流通するカソード排ガスの圧力を燃料電池ＦＣの出口で所定値に保つことができる。これにより、燃料電池ＦＣの内部における流体圧力、すなわち、各セパレータＳＰの開口部５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが形成する流路や、各燃料ガス流路５４、各空気流路５５の内部における燃料ガス、及び、空気の圧力を一定に保つことが可能となり、燃料電池ＦＣを所望の電池電圧で作動させることができる。
【００７３】
ここで、図１に示すように、この燃料電池装置１０では作動中の燃料電池ＦＣのアノードＡ側のガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止する点に鑑みて、以下説明する排ガス供給ラインＬ７と、循環ブロアＢ２と、流量調整弁ＦＲＶ４と、制御手段９０とが備えられている。更に、この燃料電池装置１０においては、複数の燃料電池ＦＣのアノードＡから流出するアノード排ガスの総流量を測定するための流量検出器（第一流量検出手段）Ｓ１が燃料電池ＦＣと改質装置１５とを結ぶアノード排ガスラインＬ３上に設けられている。また、この燃料電池装置１０においては、冷却器３５から流出する燃料ガスの流量を測定するための流量検出器（第二流量検出手段）Ｓ２が冷却器３５と燃料電池ＦＣとを結ぶ燃料ガス供給ラインＬ１上に設けられている。
【００７４】
排ガス供給ラインＬ７は、複数の燃料電池ＦＣのアノードAから流出するアノード排ガスの一部を再び複数の燃料電池ＦＣのアノードAに供給するためのガスラインである。この排ガス供給ラインＬ７は、その一端が流量検出器Ｓ１と改質装置１５の蒸発部１６とを結ぶアノード排ガスラインＬ３に接続され、他端が流量検出器Ｓ２と燃料電池ＦＣとを結ぶ燃料ガス供給ラインＬ１に接続されている。そして、排ガス供給ラインＬ７の中途には、燃料電池ＦＣのアノードAから排出される排ガスの一部を当該排ガス供給ラインＬ７内に吸引し、燃料ガス供給ラインＬ１と排ガス供給ラインＬ７との合流部に向けて吐出する循環ブロアＢ２と、循環ブロアから吐出される排ガスの流量を調節する流量調整手段として機能する流量調整弁ＦＲＶ４とが設けられている。
【００７５】
これらの流量検出器Ｓ１、流量検出器Ｓ２、循環ブロアＢ２、及び流量調整弁ＦＲＶ４は制御装置９０と電気的に接続されている。そして、先に述べたように、循環ブロアＢ２と流量調整弁ＦＲＶ４は、燃料電池に対する負荷要求値（電流値等）、流量検出器Ｓ１における検出値、流量検出器Ｓ２における検出値に基づいて制御手段９０により制御される。このようにして燃料電池ＦＣの作動中、燃料電池に対する負荷要求が低下して設定された下限値に達した場合に、アノードＡに形成された各燃料ガス流路５４の各出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように、アノードＡに供給するアノード排ガスの供給量が調節される。これにより、燃料電池装置１０の運転中に、燃料電池ＦＣに対する負荷要求が低下して各燃料ガス流路５４内にドレンが生成したとしても、そのドレンを速やかに外部へ排出できるので、燃料電池ＦＣを負荷変動にあわせて常時安定な状態で作動させることができる。
【００７６】
制御装置９０は、主として流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４、及び循環ブロアＢ２を制御して改質装置１５に供給するメタノール、改質用水、及び空気の流量を所定の値に調節するとともに、燃料電池ＦＣに供給するアノード反応ガス（燃料ガス）、空気、アノード排ガスの流量を所定の値に調節する。
【００７７】
この制御装置９０は、図５に示すように、ＣＰＵ９１、ＲＯＭ９２、及び、ＲＡＭ９３を有する。ＣＰＵ９１は、マイクロプロセッサ等からなり、各種演算処理を行う。また、ＲＯＭ９２には、制御・演算処理のためのプログラムが予め記憶されており、ＲＡＭ９３は、制御・演算処理の際に各種データを読み書きするために用いられる。
【００７８】
また、制御装置９０は、図５に示すように、ＣＰＵ９１と接続された入出力ポート９４を有する。この入出力ポート９４には、流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４、ブロアＢ１、循環ブロアＢ２、ポンプＰｃ（図示せず）、ラジエータＲ（図示せず）とが接続されている。従って、ブロアＢ１、循環ブロアＢ２、ポンプＰｃ、ラジエータＲには、入出力ポート９４を介して、ＣＰＵ９１の演算処理によって生成された各種信号等が与えられる。
【００７９】
更に、制御装置９０の入出力ポート９４には、流量検出器Ｓ１と流量検出器Ｓ２とが接続されている。そして、流量検出器Ｓ１と流量検出器Ｓ２によって発せられる検出信号がＣＰＵ９１に与えられる。また、この制御装置９０の入出力ポート９４には、燃料電池ＦＣに対する負荷を設定する負荷設定手段（図示せず）が更に接続されており、当該負荷要求手段によって発せられる負荷要求信号がＣＰＵ９１に与えられる。
【００８０】
加えて、制御装置９０は、記憶装置９５を有し、この記憶装置９５は、入出力ポート９４を介してＣＰＵ９１と接続されている。この記憶装置９５には、負荷要求信号と、流量検出器Ｓ１と流量検出器Ｓ２によって発せられる検出信号とに基づいて流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４、ブロアＢ１、循環ブロアＢ２、ポンプＰｃ、ラジエータＲを制御するためのデータが記憶されている。
【００８１】
すなわち、記憶装置９５には、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じた流量調整弁ＦＲＶ１における流量を示すテーブルと、流量調整弁ＦＲＶ２〜ＦＲＶ４について定められた所定の比例定数を示すデータとが記憶されている。また、燃料電池ＦＣに対する負荷要求が予め設定された下限値まで低下した際に、燃料電池ＦＣのスタックを構成する単セルＵＣのアノードＡとセパレータＳＰとにより形成される各燃料ガス流路５４の各出口におけるアノード反応ガスの流速が、０．４５以上の所定値となるように循環ブロアＢ２と流量調整弁ＦＲＶ４とを制御するためのデータも記憶されている。これら各種データは、上記各部の流量検出信号、及び、負荷要求信号を受け取ったＣＰＵ９１に読み出される。そして、ＣＰＵ９１は、上記各部の温度検出信号及び負荷要求信号に基づいて、流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４、ブロアＢ１、循環ブロアＢ２、ポンプＰｃ、ラジエータＲを制御するに送出する制御信号を生成する。
【００８２】
なお、燃料電池ＦＣに対する負荷要求が予め設定された下限値まで低下した場合、或いは、負荷要求の低下以外の他の要因で燃料電池ＦＣのアノード排ガスの総流量から換算されるアノードAとセパレータＳＰにより形成された各燃料ガス流路５４の各出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ未満の値になる場合に、循環ブロアＢ２と流量調整弁ＦＲＶ４とを制御するためのデータは、使用する燃料電池装置のスケール、出力、燃料電池の作動条件（例えば、作動温度、アノード反応ガスの反応圧力、カソード反応ガスの反応圧力、設定される水素利用率、設定されるいわゆるＳ／Ｃ比の範囲等）等により適宜決定されるものであり、理論計算値、実験値等に基づいて定めることができる。
【００８３】
更に、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じた流量調整弁ＦＲＶ１における流量、すなわち、負荷要求に応じたメタノールの供給量を示すテーブルも、理論計算値、実験値等に基づいて同様に定めることができる。また、流量調整弁ＦＲＶ２〜ＦＲＶ４に関する比例定数は、流量調整弁ＦＲＶ１における流量で定まるメタノールの供給量と、改質用水の供給量、改質反応用の空気の供給量、ＣＯ選択酸化用の空気との比から流量調整弁ＦＲＶ２〜ＦＲＶ４毎に求められる。なお、このような比例定数のデータを記憶装置９５に記憶させる代わりに、各流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４について、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じた流量を示すデータを作成し、これらのデータを記憶装置９５に記憶させてもよい。
【００８４】
このように構成された制御装置９０等により、流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４、ブロアＢ１、循環ブロアＢ２、ポンプＰｃ、ラジエータＲは、確実かつ精度よく制御される。従って、燃料ラインＬ８、改質用水ラインＬ９、空気供給ラインＬ２，燃料ガス供給ラインＬ１、及び、排ガス供給ラインＬ７から、燃料であるメタノール、改質用水、カソード反応ガスとしての空気、所定の温度と成分組成を有する燃料ガス、及びアノード排ガスが、各対象機器に安定かつ精度よく供給されることになる。なお、制御装置９０は、シーケンサとして構成することも可能である。
【００８５】
なお、先に述べたように、改質装置１５の改質部１７や選択酸化部１８にＣＯ濃度検出手段、部分酸化用の空気を供給する空気供給手段、選択酸化用の空気を供給する空気供給手段を必要に応じて設ける場合には、これらも制御装置９０に接続し、ＣＯ濃度検出手段から得られる検出信号に基づいて、改質装置１５の改質部１７や選択酸化部１８における各反応を負荷変動に応じて制御してもよい。これにより、改質装置１５から、ＣＯ分圧及び水蒸気分圧を所定値により精度よく調節された燃料ガスがアノードAに供給されることになる。
【００８６】
また、本発明の燃料電池１０を作動させる際の作動条件の一つである、いわゆるＳ／Ｃ比、すなわち、改質用水の供給量（ｍｏｌ）／メタノールの供給量（ｍｏｌ）の比の範囲は以下のように設定される。すなわち、このＳ／Ｃ比は、改質部１７の反応温度と、選択酸化部１８反応温度と、改質装置１５から流出する燃料ガスの温度と、燃料電池ＦＣの作動温度とを所定の値に定めたうえで、（４）〜（８）式で示される改質反応及び選択酸化反応の速度定数をそれぞれに設定し、メタノール、改質用水、及び、改質部１７や選択酸化部１８に供給する空気の供給量を変化させて速度論的解析を行ない、改質装置１５から流出する燃料ガス中の成分組成を算出することにより設定されるものである。このとき、例えば、燃料電池に対する負荷要求値の変動範囲の条件と燃料電池の高分子電解質膜の加湿条件の変動範囲の条件を考慮し、算出される燃料ガス中の成分組成の結果より、改質装置１５から流出する燃料ガス中の水素分圧、ＣＯ分圧、水蒸気圧等が、これらの条件を満たすようにＳ／Ｃ比を求める。なお、改質部１７の反応として、（７）式で示されるようなメタノール等の燃料の部分酸化反応を行わない場合にも同様にして改質装置１５から流出する燃料ガス中の所望の水蒸気圧を得る場合のＳ／Ｃ比を求める。
【００８７】
例えば、燃料電池ＦＣの作動圧力が1.6ata（９８０６６Ｐａ）であり、燃料電池ＦＣの作動温度が８０℃であり、改質部１７の反応温度及び選択酸化部１８の反応温度が所定の温度であり、改質装置１５から流出する燃料ガスの温度Ｔ１が、１２０〜２００℃である場合には、流量調整弁ＦＲＶ１とＦＲＶ２とを制御して、改質用水の供給量（ｍｏｌ）／メタノールの供給量（ｍｏｌ）の比（Ｓ／Ｃ比）を１．５〜２．５とすることが好ましく、１．８〜２．０とすることが更に好ましい。
【００８８】
ここで、Ｓ／Ｃ比が、１．５未満であると改質装置１５から流出する燃料ガス中のＣＯの濃度が増大し、燃料電池ＦＣの各アノードＡ内において電極触媒の被毒を著しく進行させてしまう傾向が大きくなる。一方、Ｓ／Ｃ比が、２．５を超えると、多量の水を蒸発させる必要が生じ、システム効率の低下を招くという不具合を生じる。なお、必要に応じてＣＯの濃度を低下させるために選択酸化部１８の冷却条件を変更し、選択酸化部１８の反応温度を通常よりも下げる場合もある。そして、必要に応じて改質部１７や選択酸化部１８に供給する空気の供給量を制御して改質装置１５に（７）及び／又は（８）式で示される化学量論比に基づいた所定量の空気を供給し反応を進行させる。
【００８９】
一方、このように構成された燃料電池ＦＣは、上記（１）に示すアノード電極反応と（２）に示すカソード電極反応とが進行するにつれて発熱するが、燃料電池ＦＣの作動を安定化させるためには、その作動温度を略一定に維持することが重要である。このため、燃料電池ＦＣは内部に冷却媒体を流通させることができるように構成されており、燃料電池装置１０には、冷却系統５０が備えられている。燃料電池ＦＣの冷却構造について説明すると、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、燃料電池ＦＣのスタック４０を構成する各セパレータＳＰには、開口部５０ａと開口部５１ｂとの間に更なる開口部５６が形成されている。更に、開口部５０ｂと開口部５１ａとの間には、開口部５６と対向するように開口部５７が形成されている。
【００９０】
このように形成された各セパレータＳＰの開口部５６，５７は、セパレータＳＰと単セルＵＣとを多数積層させてスタック４０を構成した際に、それぞれ、１本の流路を形成する。そして、各開口部５６が形成する流路と、各開口部５７が形成する流路とは、アノード集電板４１ａ側に配置されているフランジ４４ａの内部に形成されている図示しない流路を介して互いに連通しており、冷却流路５８（図１参照）を形成する。また、図２に示すように、燃料電池ＦＣのフランジ４４ｂ側には、冷却媒体入口４９ａが設けられており、この冷却媒体入口４９ａは、上記各開口部５６が形成する流路に連通されている。更に、燃料電池ＦＣのフランジ４４ｂ側には、冷却媒体出口４９ｂが設けられており、この冷却媒体出口４９ｂは、上記各開口部５７が形成する流路に連通されている。
【００９１】
一方、冷却系統５０は、冷却媒体循環ポンプＰｃ、冷却媒体ラインＬ６、冷却媒体戻りラインＬ５、熱交換器とファン等からなるラジエータＲ等から構成されている。すなわち、燃料電池ＦＣの冷却媒体入口４９ａには、図１に示すように、冷却媒体ラインＬ６を介して、冷却媒体循環ポンプＰｃが接続されている。また、燃料電池ＦＣの冷却媒体出口４９ｂには、冷却媒体戻りラインＬ５が接続されており、この冷却媒体戻りラインＬ５は、ラジエータＲを構成する熱交換器の冷媒入口に接続されている。
【００９２】
従って、冷却媒体循環ポンプＰｃを作動させれば、冷却水等が冷却媒体ラインＬ６、冷却媒体入口４９ａを介して、燃料電池ＦＣの冷却流路５８に導入され、燃料電池ＦＣのスタック４０等から熱を奪って昇温した冷却水等は、冷却媒体出口４９ｂ、冷却媒体戻りラインＬ５を介して、ラジエータＲに戻される。冷却水等は、ラジエータＲで冷却され、冷却媒体循環ポンプＰｃによって再度、燃料電池ＦＣに対して供給される。これにより、燃料電池ＦＣの作動温度は、常に好適範囲（例えば、６０℃〜８０℃程度）に保たれる。
【００９３】
ここで、この燃料電池ＦＣにおいて、作動中の燃料電池ＦＣの温度ＴFCを測定するための温度センサＳFC（図示せず）を各スタック４０の所定の部位、或いは必要に応じて各スタック４０を構成する各単セルＵＣごとに備えてもよい。そしてこの場合には、温度センサＳFCとラジエータＲとを制御装置９０と電気的に接続し、温度センサＳFCにより測定された燃料電池ＦＣ内の温度ＴFCのデータを制御装置９０に出力して処理し、ラジエータＲの出力を制御させて燃料電池ＦＣの作動温度を調節する構成とすることが好ましい。
【００９４】
また、冷却系統５０を流通する冷却水等は、冷却器３５で燃料ガスを冷却させる冷熱源としても用いてもよい。更に、冷却系統５０を流通する冷却水等は、改質装置１５の改質部１７と選択酸化部１８との内部を所定の反応温度に調節するための冷熱源としても用いてもよい。
【００９５】
次に、上述した燃料電池装置１０の動作について、図６に示すフローチャート等を参照しながら説明する。
【００９６】
燃料電池装置１０を起動させる場合、制御装置９０のＣＰＵ９１は、ポンプＰｃに駆動信号を出力して冷却水の循環を開始させる。次に、改質装置１５の蒸発部１６のバーナを点火した後、ＣＰＵ９１は、流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ３、必要に応じて配置された改質装置１５への空気供給手段に駆動信号を出力し、メタノール、改質用水、改質用の空気、ＣＯ選択酸化用の空気等を改質装置１５に所定の条件で供給して改質装置１５における反応を開始させる。次に、改質装置１５の各部の反応温度が所定の温度に到達し、改質装置１５から流出する燃料ガスの成分組成（水素分圧、ＣＯ分圧、水蒸気分圧等）が、燃料電池に対する負荷要求の変動に対応して変動可能な状態に到達した後、ＣＰＵ９１は、改質装置１５から流出する燃料ガスを燃料電池ＦＣに供給する制御信号を送出するとともに、ブロアＢ１とラジエータＲとに駆動信号を送出し燃料電池ＦＣの反応を開始させる。なお、例えば、図１に図示しないバイパスラインを燃料ガス供給ラインＬ１から分岐させ、改質装置１５から流出する燃料ガスを燃料ガス供給ラインＬ１とバイパスラインとで切り替え可能な構成とし、ＣＰＵ９１に改質装置１５の各部の反応温度が所定の温度に到達するまでは、バイパスラインを通じて改質装置１５から流出する燃料ガスを外部或いは蒸発部１６のバーナに導くように制御させる（Ｓ１０）。
【００９７】
改質装置１５が定常的な作動状態に達して燃料ガスがアノードＡに供給されるようになると、ＣＰＵ９１は、以下に説明するように負荷要求に対応して燃料電池装置全体を定常的に作動させるためのデータに基づき、新たな駆動信号を流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４、ポンプＰｃ、ブロアＢ１、循環ブロアＢ２及びラジエータＲ等に送信して、燃料電池装置１０全体のバランスのとれた制御を開始する。このとき、既述のとおり、燃料電池ＦＣ及び冷却器３５は所定の作動温度に調節されているので、燃料ガス及び空気が供給され始めても速やかに所定の出力で定常的に作動できる状態となる。また、作動中の改質装置１５、冷却器３５、燃料電池ＦＣの温度は、例えば、これらにそれぞれ備えられた温度センサの検出結果に基づいて、ラジエータＲ及びポンプＰ３等の駆動状態を制御装置９０により制御することによって所望の温度範囲内に保つことが可能となる。
【００９８】
このようにして、燃料電池装置１０が所定の作動条件で定常的に作動するようになると、制御装置９０のＣＰＵ９１に対しては、所定の負荷設定手段から負荷要求信号が与えられる。また、ＣＰＵ９１は、流量検出器Ｓ１から送信される燃料電池ＦＣのアノード排ガスの総流量を示す検出信号と、流量検出器Ｓ２から送信される改質装置１５から流出する燃料ガスの流量を示す検出信号とをそれぞれ受信する（Ｓ２０）。
【００９９】
次に、ＣＰＵ９１は、受信した負荷要求信号が示す負荷要求値と記憶装置９５に記憶されている負荷要求の設定下限値とを比較する。また、ＣＰＵ９１は、受信した流量検出器Ｓ１からの検出信号が示すアノード排ガスの総流量と記憶装置９５に記憶されているアノード排ガスの総流量の設定下限流量とを比較する。更に、ＣＰＵ９１は、受信した流量検出器Ｓ２からの検出信号が示す燃料ガスの流量と記憶装置９５に記憶されている燃料ガスの流量の設定下限流量とを比較する（Ｓ３０）。
【０１００】
そして、受信した負荷要求信号が示す負荷要求値がその設定下限値を超えており、受信したアノード排ガスの総流量がその設定下限流量を超えており、かつ、受信したアノード排ガスの総流量がその設定下限流量を超えている場合には、ＣＰＵ９１は、負荷要求信号に基づいて、記憶装置９５に記憶されている流量調整弁ＦＲＶ１における流量を示すテーブルにアクセスする。そして、ＣＰＵ９１は、当該テーブルの中から、負荷要求信号に示されている燃料電池ＦＣに対する負荷要求に対応するデータを読み出し、当該負荷要求に応じた流量調整弁ＦＲＶ１における流量とを示すデータに基づいて、流量調整弁ＦＲＶ１に送出する制御信号を生成する。このように、流量調整弁ＦＲＶ１における流量を定めることにより、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じたメタノールの供給量が決定されることになる（Ｓ４０）。
【０１０１】
また、Ｓ４０において、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じたメタノールの供給量を決定したＣＰＵ９１は、次に、記憶装置９５から、流量調整弁ＦＲＶ２及び流量調整弁ＦＲＶ３について定められた所定の比例定数を示すデータを読み出す。そして、ＣＰＵ９１は、当該データと、Ｓ４０で読み出した負荷要求に応じた流量調整弁ＦＲＶ１における流量を示すデータを乗じて流量調整弁ＦＲＶ２及び流量調整弁ＦＲＶ３に送出する制御信号を生成する。これにより、流量調整弁ＦＲＶ２を介して供給される改質用水、流量調整弁ＦＲＶ３を介して供給される空気の供給量が、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じるように決定されることになる。なお、このとき、改質装置１５の改質部１７と選択酸化部１８にそれぞれ空気を供給する構成の場合には、その空気供給手段も上記の流量調整弁ＦＲＶ２及び流量調整弁ＦＲＶ３と同様に流量調整弁ＦＲＶ１に対して比例制御してもよい。（Ｓ５０）。
【０１０２】
Ｓ４０とＳ５０における処理を行ったＣＰＵ９１は、負荷要求に応じた各流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ３のそれぞれについての流量を示す制御信号をそれぞれ送出する（Ｓ６０）。
【０１０３】
そして、Ｓ６０でＣＰＵ９１によって生成された制御信号を制御装置９０から受け取った流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ３のアクチュエータ部は、ＣＰＵ９１からの制御信号を受け取ると、その開度を負荷要求に応じるように変化させる。この結果、改質装置１５の蒸発部１６には、負荷要求に応じた量のメタノールと改質用水とが最適かつ精度よく供給され、改質部１７と選択酸化部１８には、負荷要求に応じた量の改質用空気が最適かつ精度よく供給される。従って、燃料電池ＦＣに対する負荷要求が変化し、燃料電池ＦＣに供給すべき燃料ガスの量が変化したとしても、常に、一酸化炭素濃度が極めて低い燃料ガスを改質装置１５で生成可能となる。また、燃料電池ＦＣに、極めて一酸化炭素濃度が低い燃料ガスを精度よく供給することにより、燃料電池ＦＣを安定的に作動させると共に、アノードＡの寿命を長期化させることができる。また、空気入口４７ｂには、負荷要求に応じた量の空気が熱交換器７０を介して精度よく供給されることになる。
【０１０４】
以上説明したＳ１０〜Ｓ６０における処理は、Ｓ３０の負荷要求、アノード排ガス流量、及び燃料ガス流量の全ての条件がそれぞれの設定下限値、設定下限流量を超える状態で保持される限りにおいて制御装置９０のＣＰＵ９１が負荷要求信号を受け取る度に繰り返される。
【０１０５】
一方、Ｓ３０において、負荷要求、アノード排ガス流量、及び燃料ガス流量の条件のうち少なくとも１つの条件が、それぞれの設定下限値、設定下限流量に一致する場合には、ＣＰＵ１は、燃料電池装置の運転中に燃料電池に対する負荷要求が低下する等してアノードＡの各燃料ガス流路５４内にドレンが生成したとしても、そのドレンを速やかに当該各燃料ガス流路５４から外部へ排出できるように流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ３、ブロアＢ１、ラジエータＲ等に加えて、流量調整弁ＦＲＶ４と循環ブロアＢ２とを作動させ、その制御を開始する。
【０１０６】
すなわち、ＣＰＵ９１は、先ず、Ｓ３０における負荷要求信号に基づいて、記憶装置９５に記憶されている流量調整弁ＦＲＶ１における流量を示すテーブルにアクセスする。そして、ＣＰＵ９１は、当該テーブルの中から、負荷要求信号に示されている燃料電池ＦＣに対する負荷要求に対応するデータを読み出し、当該負荷要求に応じた流量調整弁ＦＲＶ１における流量とを示すデータに基づいて、流量調整弁ＦＲＶ１に送出する制御信号を生成する。このように、流量調整弁ＦＲＶ１における流量を定めることにより、Ｓ４０と同様に燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じたメタノールの供給量が決定されることになる（Ｓ７０）。
【０１０７】
また、Ｓ７０において燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じたメタノールの供給量を決定したＣＰＵ９１は、次に、記憶装置９５から、流量調整弁ＦＲＶ２及び流量調整弁ＦＲＶ３について定められた所定の比例定数を示すデータを読み出す。なお、このデータは、例えば、Ｓ５０におけるデータと同じでもよい。そして、ＣＰＵ９１は、当該データと、Ｓ４０で読み出した負荷要求に応じた流量調整弁ＦＲＶ１における流量を示すデータを乗じて流量調整弁ＦＲＶ２及び流量調整弁ＦＲＶ３に送出する制御信号を生成する。これにより、流量調整弁ＦＲＶ２を介して供給される改質用水、流量調整弁ＦＲＶ３を介して供給される空気の供給量が、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じるように決定されることになる。なお、このとき、改質装置１５の改質部１７と選択酸化部１８にそれぞれ空気を供給する構成の場合には、その空気供給手段も上記の流量調整弁ＦＲＶ２及び流量調整弁ＦＲＶ３と同様に流量調整弁ＦＲＶ１に対して比例制御してもよい。（Ｓ８０）。
【０１０８】
次に、ＣＰＵ９１は、記憶装置９５から、アノードＡとセパレータＳＰにより形成された各燃料ガス流路５４の各出口における排ガスの流速が、０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように、負荷要求値、アノード排ガスの総流量、或いは、燃料ガスの流量に基づき流量調整弁ＦＲＶ４について定められた所定のデータを読み出す。そして、ＣＰＵ９１は、このデータに基づき流量調整弁ＦＲＶ４送出する制御信号を生成する。これにより、流量調整弁ＦＲＶ４を介して供給されるアノード排ガスの供給量が、燃料電池ＦＣに対する負荷要求に応じるように決定されることになる（Ｓ９０）。
【０１０９】
次に、ＣＰＵ９１は、循環ブロアＢ２と流量調整弁ＦＲＶ４に駆動信号を送出する（Ｓ１００）。次に、Ｓ７０〜Ｓ１００における処理を行ったＣＰＵ９１は、負荷要求に応じた各流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４のそれぞれについての流量を示す制御信号をそれぞれ送出する（Ｓ１１０）。
【０１１０】
そして、Ｓ７０〜Ｓ９０でＣＰＵ９１によって生成された制御信号を制御装置９０から受け取った流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４のアクチュエータ部は、ＣＰＵ９１からの制御信号を受け取ると、その開度を負荷要求に応じるように変化させる。この結果、改質装置１５の蒸発部１６には、負荷要求に応じた量のメタノールと改質用水とが最適かつ精度よく供給され、改質部１７と選択酸化部１８には、負荷要求に応じた量の改質用空気が最適かつ精度よく供給される。更に、改質装置１５からアノードAに供給される燃料ガスと排ガス供給ラインからアノードAに供給されるアノード排ガスとの混合ガスは、アノードＡとセパレータＳＰにより形成された各燃料ガス流路５４の各出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となる流量を保つように制御される。
【０１１１】
なお、このようにアノード排ガスを燃料ガスに混合してアノードAに供給する場合には、アノード排ガスを供給する以前に比べて、アノードAに導入されるガスの全流量とアノードAから排出されるガスの全流量は増加する。このとき、例えば、装置外部に排出するアノード排ガスの排出量を燃料ガスに混合するアノード排ガスの供給量に一致させるようにすれば、アノード排ガスを供給してもアノードAにおける水素利用率をアノード排ガスを供給する以前の値に保つことができる。
【０１１２】
従って、燃料電池装置の運転中に、燃料電池ＦＣに対する負荷要求が変化し、アノードＡの各燃料ガス流路５４の各出口にドレンが生成したとしても、そのドレンを速やかに当該各燃料ガス流路５４から外部へ排出できるので、燃料電池を負荷変動にあわせて常時安定な状態で作動させることができる。
【０１１３】
以上説明したＳ３０、Ｓ７０〜Ｓ１１０における処理は、Ｓ３０の負荷要求、アノード排ガス流量、及び燃料ガス流量の条件のうち少なくとも１つの条件が、それぞれの設定下限値、設定下限流量に一致する状態で保持される限りにおいて制御装置９０のＣＰＵ９１が負荷要求信号を受け取る度に繰り返される。
【０１１４】
ここで、この燃料電池装置１０では、記憶装置９５に記憶されているデータのうち、流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４の比例定数は、上述したように、燃料電池ＦＣに対する負荷要求、すなわち、負荷要求に応じたメタノール量に比例する比例定数として定められると共に、更に、次の条件を満たすように定められている。すなわち、この燃料電池装置１０では、流量調整弁ＦＲＶ１〜ＦＲＶ４の比例定数は、蒸発部１６内の流体の温度、改質部１７の流体の温度、及び、選択酸化部１８の流体の温度の運転中における変動を踏まえた上で、改質装置１５から流出する燃料ガス中のＣＯ分圧がアノードＡの触媒毒とならない許容範囲内に抑制されており、かつ、その水蒸気分圧が燃料電池ＦＣの高分子電解質膜ＥＭの加湿に適した値となるように定められている。
【０１１５】
これにより、燃料電池装置１０の運転中に、燃料電池ＦＣに対する負荷要求が低下する等してアノードＡの各燃料ガス流路５４内にドレンが生成したとしても、そのドレンを速やかに当該各燃料ガス流路５４から外部へ排出できるので、燃料電池ＦＣを負荷変動にあわせて常時安定な状態で作動させることができる。
【０１１６】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明の燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１１７】
例えば、上記の実施形態の燃料電池装置１０の運転方法について、負荷要求値、アノード排ガスの流量、及び、燃料ガスの流量の全ての検出値に基づいてアノード排ガスのアノードＡへの供給を決定する運転方法について説明したが、本発明の燃料電池装置の運転方法は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、負荷要求値の検出値のみに基づいてアノード排ガスのアノードＡへの供給を決定してもよく、負荷要求値とアノード排ガスの流量との検出値に基づいてアノード排ガスのアノードＡへの供給を決定してもよい。
【０１１８】
また、図７に示す燃料電池装置１０Ａのように、循環ブロアＢ２の入口近傍の排ガス供給ラインＬ７上にアノード排ガス中の水分を除去するデミスタＤ２を設けてもよい。これにより、アノードＡに供給するアノード排ガス中の水分を十分に低減し、アノードＡの各燃料ガス流路５４におけるドレンの生成を効果的に抑制することができる。
【０１１９】
更に、上記の実施形態の燃料電池装置１０においては、複数のスタック構造を有する燃料電池ＦＣについてアノード反応ガスを並列的に供給する構成について説明したが、本発明の燃料電池装置はこれに限定されるものではなく、例えば、図７に示す燃料電池装置１０Ａのように、複数のスタック構造を有する燃料電池ＦＣについてアノード反応ガスを直列的に供給する構成を有していてもよい。この場合、複数の燃料電池ＦＣの間の燃料ガスラインＬ３上には、上流側に位置する燃料電池ＦＣから排出される燃料ガス（アノード排ガス）中の水分を除去するデミスタＤ１を設けることが好ましい。これにより、下流側に位置する燃料電池ＦＣのアノードのガス流路におけるドレンの生成を効果的に抑制することができる。
【０１２０】
また、本発明の燃料電池装置において、燃料電池のセパレータに形成されるガス流路の形状は特に限定されるものではなく、例えば、図８に示すように波型の形状を有していてもよい。
【０１２１】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の燃料電池装置の内容を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１２２】
（実施例１）
図1に示す燃料電池装置１０Ａと同様の構成を有する燃料電池装置を作製した。搭載する燃料電池スタックは２つとし、その最大出力は３１ｋＷとした。また、２つの燃料電池スタック内に配置されている全ての単セルにおけるアノードの燃料ガス流路の断面積の総和は、０．００５５４ｍ2とした。
【０１２３】
この燃料電池装置について、その作動条件を、燃料電池の作動温度；８０℃、燃料電池に供給する水素圧；７６０００Ｐａ、燃料電池に供給する空気圧；１８２３８５Ｐａ（酸素圧；３８３００Ｐａ）、アノードにおける水素利用率；８０％、改質装置に供給する水とメタノールのＳ／Ｃ比；１．８に設定した場合、燃料電池に対する負荷要求の最大値は１１４Ａとなる。この値は、改質装置出口における燃料ガス中の水素製造量に換算すると２３．４ｍ3（Normal）／ｈとなる。
【０１２４】
この燃料電池装置を上記の作動条件の下で、負荷変動に応じて作動させる場合の負荷要求値の設定下限値、アノード排ガスの設定下限流量、及び、燃料ガスの設定下限流量を以下に説明するようにして決定した。なお、説明の便宜上、上記の燃料電池に対する負荷要求の最大値を１００％として、燃料電池に対する負荷要求を百分率で表現することにする。
【０１２５】
すなわち、この燃料電池装置について図１に示した流量調整弁ＦＲＶ４と循環ブロアＢ２を作動させずにアノード排ガスをアノードに供給することなく負荷要求を１００％から徐々に低下させて作動させた場合、負荷要求が３２％に到達したときに、単セルのアノード側のセパレータに形成したガス流路の出口のアノード排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓとなることが理論計算と実験データからわかった。そこで、負荷要求値の設定下限値を３２％とした。また、上記のアノード排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓとなるとき（負荷要求が３２％となるとき）の燃料電池スタックから排出される全てのアノード排ガスの流量を理論計算と実験データから求め、アノード排ガスの設定下限流量を１４９．８Ｌ／ｍｉｎとした。更に、負荷要求が３２％となるときの改質装置から流出する燃料ガスのを理論計算と実験データから求め、燃料ガスの設定下限流量を２４９．６Ｌ／ｍｉｎとした。
【０１２６】
そして、この負荷要求値の設定下限値、アノード排ガスの設定下限流量、及び燃料ガスの設定下限流量に基づいて、流量調整弁ＦＲＶ４と循環ブロアＢ２を作動させるように制御装置を設定した。また、負荷要求が３２％以下の値となるときの単セルのアノード側のセパレータに形成した各ガス流路の各出口のアノード排ガスの流速は、常に０．４５ｍ／ｓ以上の十分に大きな値である０．８５ｍ／ｓ（「０．４５ｍ／ｓ以上の所定値」）となるように設定した。
【０１２７】
（比較例１）
図1に示す排ガス供給ラインＬ７、循環ブロアＢ２、流量調整弁ＦＲＶ４、流量検出器Ｓ１，流量検出器Ｓ２を搭載しない構成とした以外は、実施例１と同様にして燃料電池装置を構成した。
【０１２８】
[負荷変動時における運転試験]
上記の実施例１及び比較例１の燃料電池装置について燃料電池に対する負荷要求を変動させた場合の運転試験を行ない、アノード側のセパレータに形成されたガス流路のドレンによる閉塞の発生の有無について検討した。運転試験は、先ず、燃料電池に対する負荷要求値が１００％の作動条件のもとで燃料電池装置を約５時間作動させ、次に、燃料電池に対する負荷要求値を６０％と３０％に順次変更してそれぞれの作動条件のもとで約１０時間作動させた。実施例１及び比較例１の燃料電池装置の試験結果を表１に示す。
【表１】
0004672120.tif 000002
【０１２９】
表１に示した結果から明らかなように、上記の実用的な作動条件の下で、実施例１の本発明の燃料電池装置は、燃料電池に対する負荷要求値が負荷要求値の設定下限値である３２％よりも低い３０％に変動したときに流量調整弁ＦＲＶ４と循環ブロアＢ２とが作動し、アノード側のセパレータに形成されたガス流路のドレンによる閉塞の発生を招くこと無く長時間（約１０ｈ以上）にわたり安定して作動することが確認された。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による燃料電池装置は、一端がアノードから排出される排ガスを外部に排出する排ガスラインに接続され、他端が改質装置とアノードとを結ぶガスラインに接続された排ガス供給ラインと、排ガス供給ライン上に設けられており、アノードから排出される排ガスの一部をアノードに供給する排ガス供給手段と、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるように排ガス供給手段を制御する制御手段とを備える。そして、本発明による燃料電池装置の運転方法では、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノードから排出される排ガスの一部を取り出して改質装置から流出するアノード反応ガスと共にアノードに供給し、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流速が０．４５ｍ／ｓ以上の所定値となるようにアノードに供給する排ガスの流量を調節する。この結果、作動中の燃料電池のアノード側のガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池装置の好適な一実施形態を示す系統図である。
【図２】図１の燃料電池装置に備えられた燃料電池を示す斜視図である。
【図３】図２の燃料電池に設けられた単セル及びセパレータを示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、図３に示すセパレータをアノード側からみた平面図であり、図４（ｂ）は、図３に示すセパレータをカソード側からみた平面図である。
【図５】図１に示す燃料電池装置の制御ブロック図である。
【図６】図１に示す燃料電池装置の制御手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明による燃料電池装置の他の実施形態を示す系統図である。
【図８】図４（ａ）に示すセパレータの他の形態を示す平面図である。
【符号の説明】
３…負荷、１０，１０Ａ，…燃料電池装置、１２…燃料供給部、１４…水供給部、１５…改質装置、１６…蒸発部、１７…改質部、１８…選択酸化部、２１…シール材、３５…冷却器、４０…スタック、４１ａ…アノード集電板、４１ｂ…カソード集電板、４２…絶縁板、４３…スタック締付板、４４ａ，４４ｂ…フランジ、４５…膜板、４７ａ…燃料ガス入口、４７ｂ…空気入口、４８ａ…アノード排ガス出口、４８ｂ…カソード排ガス出口、４９ａ…冷却媒体入口、４９ｂ…冷却媒体出口、５０…冷却系統、５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂ，５６，５７…開口部、５２，５３…溝、５４…燃料ガス流路、５５…空気流路、Ｒ…ラジエータ、９０…制御装置、Ａ…アノード、Ｂ１…ブロア、Ｂ２…循環ブロア、Ｃ…カソード、ＥＭ…電解質膜、ＦＣ…燃料電池、ＦＲＶ１，ＦＲＶ２，ＦＲＶ３，ＦＲＶ４…流量調整弁、Ｌ１…燃料ガス供給ライン、Ｌ２…空気供給ライン、Ｌ３…アノード排ガスライン、Ｌ４…カソード排ガスライン、Ｌ７…アノード排ガス供給ライン、Ｐｃ…ポンプ、Ｓ…水素濃度センサ、ＳＰ…セパレータ、ＵＣ…単セル。
【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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