(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池装置であって、
前記燃料電池に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置を備え、
該酸化ガス供給装置は、
ケーシングと、
前記ケーシング内に回転自在に支持されたロータと、
前記ケーシングの内部空間において、前記ロータの軸方向に磁界を発生させる磁界発生手段と、
前記磁界発生手段によって前記磁界を発生させた前記空間に、少なくとも酸素を含有する混合気体を供給する混合気体供給手段と、
前記空間内で前記混合気体から生じる高酸素濃度気体と残余気体とのうち、高酸素濃度気体を前記磁界の磁極付近から取り出し、該取り出した高酸素濃度気体を前記酸化ガスとして前記燃料電池に供給する高酸素濃度気体生成手段と
を備える燃料電池装置。
【請求項２】
前記酸化ガス供給装置は、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの圧力を上昇させる酸化ガス加圧手段を備える
請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記酸化ガス加圧手段は、前記燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されるタービンによって運転され、前記混合気体または前記高酸素濃度気体を圧縮する圧縮機である
請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池装置であって、
前記磁界発生手段は、前記ケーシングを備えると共に、前記タービンによって運転される前記ロータを備える前記圧縮機内において、該圧縮機の軸方向に磁界を発生させる手段であり、
前記高酸素濃度気体生成手段は、少なくとも一方の前記磁極付近から圧縮された高酸素濃度気体を取り出す手段であり、
前記混合気体供給手段は、前記圧縮機に前記混合気体を取り込ませる手段である
燃料電池装置。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池装置であって、
該燃料電池装置は、複数の前記酸化ガス加圧手段を備え、
該複数の酸化ガス加圧手段は、
前記燃料電池装置を構成する部材の内、それぞれ異なる所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されるタービンによって運転され、前記混合気体または前記高酸素濃度気体を圧縮する圧縮機であり、
前記タービンを駆動する前記高圧ガスの有するエネルギが少ない順に前記圧縮機を接続した
燃料電池装置。
【請求項６】
前記酸化ガス供給装置において、前記磁界を発生させた所定の空間に供給する前記混合気体を冷却する混合気体冷却手段を配設した
請求項１記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関し、詳しくは、酸化ガスと燃料ガスとの供給を受けて起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アノード側に少なくとも水素を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に少なくとも酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて、電気化学反応によって起電力を得る燃料電池では、燃料ガス中の水素分圧や酸化ガス中の酸素分圧を上昇させることによって、電池の起電力ＥT が上昇し、発電効率も向上することが以下に示すＮｅｒｎｓｔの式によってよく知られている。
【０００３】
ＥT＝ＥO＋（ＲＴ・ｌｎ（ＰH2・ＰO21/2／ＰH2O））／２Ｆ    …（１）
ＥT  ：解放電圧
Ｅ0   ：自由エネルギから求まる理論電圧
Ｆ    ：ファラデー定数
Ｒ    ：気体定数
Ｔ    ：温度
ＰH2  ：水素分圧
ＰO2  ：酸素分圧
ＰH2O ：水分圧
【０００４】
ここで、カソード側に供給する酸化ガスにおいて、酸化ガス中の酸素分圧と酸素濃度および供給ガス全圧の関係は以下のようになる。
【０００５】
ＰO2＝Ｐ・ＸO2／１００          …（２）
ＰO2：カソード側に供給する酸化ガス中の酸素分圧
ＸO2：カソード側に供給する酸化ガス中の酸素濃度
Ｐ  ：カソード側に供給する酸化ガスの全圧
【０００６】
上記（２）式から、酸化ガス中の酸素分圧を上昇させることは、酸化ガス全体の圧力を上昇させることによって実現可能であることが分かる。そのため従来は、燃料電池装置に圧縮機を組み込み、この圧縮機によって加圧した空気を酸化ガスとして燃料電池に供給することが広く行なわれてきた。すなわち、酸化ガスである空気全体の圧力を上昇させることよって酸化ガス中の酸素分圧を上昇させ、燃料電池における起電力の向上が図られてきた。一方、酸化ガス中の酸素分圧の上昇は、上記（２）式から分かるように、供給する酸化ガス中の酸素濃度を上昇させることによっても実行可能であり、酸素濃度を上昇させることによって燃料電池の発電性能をさらに向上させることができる。
【０００７】
このように、燃料電池に供給する酸化ガス中の酸素濃度を上げる方法としては、燃料電池装置に窒素分離装置を設け、空気から窒素を分離して除いた酸化ガスを燃料電池に供給する方法が提案されている（例えば、特開平６−１４００６７号公報等）。空気から窒素を分離して得た酸素富化空気を燃料電池に供給する具体的な方法としては、空気をＰＳＡ（Pressure Swing Absorption ）法によって酸素富化した酸化ガスを燃料電池に供給する方法（例えば、特開平４−１９０５７０号公報等）や、酸素透過膜を用いて空気から酸素を選択的に分離して燃料電池に供給する方法（例えば、特開平３−２７６５７６号公報等）などが知られている。これらの方法を用いることによって、燃料電池に供給する酸化ガス中の酸素濃度を上昇させ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ＰＳＡ法とは、空気から水蒸気や二酸化炭素を除いた後、これを、ゼオライトなどを用いて形成したモレキュラシーブス（分子ふるい）に導入し、主として窒素をゼオライトに吸着させることによって、酸素分圧の高い酸化ガスを得る方法である。このＰＳＡ法によれば、酸素分圧が非常に高い（酸素濃度が９０％以上の）酸化ガスを得ることができる。ただし、ＰＳＡ法を行なうためには上記ゼオライトなどの吸着剤が多量に必要であるため装置が大型化し、また、装置を駆動する際に消費する電力量が大きいという問題がある。特に、燃料電池装置を電気自動車に搭載し、燃料電池を車両駆動用の電源として用いる場合には、上記した問題により、ＰＳＡ法は採用し難い。
【０００９】
酸素透過膜を用いて空気から酸素を分離する方法を用いる場合には、酸素を分離する際に常に所定範囲の圧力が上記透過膜に加えられることになり、長期にわたって安定して酸素を分離する装置としては、透過膜の耐久性が不十分であるという問題がある。さらに、充分な酸化ガス流量を確保するためには、透過膜の膜面積を大きくしたり、透過膜の両面で圧力差を大きくしたりして処理量を増やす必要があるが、膜面積の増大は装置全体の大型化につながり、透過膜の両面での圧力差の増大は消費エネルギ量の増大につながるため、上記した車両駆動用の燃料電池に酸化ガスを供給する方法としては採用し難い。
【００１０】
本発明の酸化富化装置を備える燃料電池装置は、こうした問題を解決し、充分に小型でありかつ充分な耐久性を有する装置によって酸化ガス中の酸素濃度を上昇させ、これによって燃料電池の発電効率を向上させると共に、このような酸素分圧を上げる動作の際に消費するエネルギ量を少なくすることを目的としてなされ、次の構成を採った。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池装置は、
少なくとも水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池装置であって、
前記燃料電池に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置を備え、
該酸化ガス供給装置は、
ケーシングと、
前記ケーシング内に回転自在に支持されたロータと、
前記ケーシングの内部空間において、前記ロータの軸方向に磁界を発生させる磁界発生手段と、
前記磁界発生手段によって前記磁界を発生させた前記空間に、少なくとも酸素を含有する混合気体を供給する混合気体供給手段と、
前記空間内で前記混合気体から生じる高酸素濃度気体と残余気体とのうち、高酸素濃度気体を前記磁界の磁極付近から取り出し、該取り出した高酸素濃度気体を前記酸化ガスとして前記燃料電池に供給する高酸素濃度気体生成手段と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置は、磁界発生手段によって磁界を発生させた空間に、少なくとも酸素を含有する混合気体を供給し、磁界を発生させた空間内で前記混合気体から生じた高酸素濃度気体と残余気体とのうち、高酸素濃度気体を磁界の磁極付近から取り出す。燃料電池装置が備える燃料電池は、この高酸素濃度気体からなる酸化ガスと、少なくとも水素を含有する燃料ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る。
【００１３】
このような構成の燃料電池装置によれば、前記混合気体を構成する分子のうち、磁界中で高い磁化率を示して選択的に前記磁界の磁極付近に移動する酸素分子を多く含む高酸素濃度気体を、酸化ガスとして燃料電池に供給することができる。したがって、燃料電池における起電力を上昇させて発電効率を向上させることが可能となる。ここで、少なくとも酸素を含有する混合気体を空気とすれば、混合気体の取り込みが容易となり、磁界式酸素富化装置に安定して上記混合気体を供給することができる。また、酸化ガス中の酸素濃度を上昇させるために、磁界中で示す磁化率の違いによって酸素分子を分離する装置、すなわち、磁界式酸素富化装置を用いているため、酸素富化装置の構成をコンパクトにすることができる。磁界式酸素富化装置において磁界を発生させる手段としては、電磁石を用いることとしてもよいし、永久磁石を用いることとしてもよい。
【００１４】
本発明の燃料電池装置において、前記酸化ガス供給装置は、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの圧力を上昇させる酸化ガス加圧手段を備えることとしてもよい。
【００１５】
このような構成とすれば、燃料電池に供給される酸化ガスは、磁界中で示す磁化率の違いを利用して酸素濃度が上昇されると共に、酸化ガス加圧手段によって加圧される。したがって、酸化ガス中の酸素分圧がさらに上昇することになり、燃料電池において起電力を上昇させて発電効率を向上させる効果をさらに大きくすることができる。ここで、上記酸化ガス加圧手段による加圧の動作は、前記磁界式酸素富化装置による酸素富化の動作の前に行なっても後に行なってもよく、最終的に燃料電池に供給される酸化ガスを加圧することができればよい。
【００１６】
このような燃料電池装置において、前記酸化ガス加圧手段は、前記燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されるタービンによって運転され、前記混合気体または前記高酸素濃度気体を圧縮する圧縮機であることとしてもよい。このような構成とすれば、酸化ガスを圧縮する圧縮機は、燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されるため、酸化ガスを圧縮するために特別なエネルギを必要とせず、システム全体のエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００１７】
また、このような燃料電池装置において、
前記磁界発生手段は、前記ケーシングを備えると共に、前記タービンによって運転される前記ロータを備える前記圧縮機内において、該圧縮機の軸方向に磁界を発生させる手段であり、
前記高酸素濃度気体生成手段は、少なくとも一方の前記磁極付近から圧縮された高酸素濃度気体を取り出す手段であり、
前記混合気体供給手段は、前記圧縮機に前記混合気体を取り込ませる手段である構成としても良い。
【００１８】
以上のように構成された燃料電池装置では、少なくとも酸素を含有する混合気体が圧縮機内に取り込まれると、混合気体中の酸素分子は、圧縮機の軸方向に発生する磁界によって磁化されて、磁極付近に移動する。このとき圧縮機は、燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されており、取り込まれた混合ガスの圧縮が行なわれる。従って、少なくとも一方の磁極付近から気体を取り出すならば、酸素富化された圧縮空気を得ることができる。
【００１９】
このような燃料電池装置によれば、圧縮機内部に磁界式酸素富化装置を一体で構成形成しているため、燃料電池に供給する酸化ガスに関して、酸素富化と加圧とを同時に行なうことができ、燃料電池装置の構成を簡素化することができる。また、燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動される圧縮機内部に磁界式酸素富化装置を組み込むことによって、磁界式酸素富化装置を駆動することによって新たに消費してしまうエネルギ量を削減することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池装置において、
該燃料電池装置は、複数の前記酸化ガス加圧手段を備え、
該複数の酸化ガス加圧手段は、
前記燃料電池装置を構成する部材の内、それぞれ異なる所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されるタービンによって運転され、前記混合気体または前記高酸素濃度気体を圧縮する圧縮機であり、
前記タービンを駆動する前記高圧ガスの有するエネルギが少ない順に前記圧縮機を接続した構成としてもよい。
【００２１】
以上のように構成された燃料電池装置は、複数の酸化ガス加圧手段によって加圧された酸化ガスが供給される。この複数の酸化ガス供給手段は、前記燃料電池装置を構成する部材の内、それぞれ異なる所定の部材から排出される高圧ガスによって駆動されるが、この高圧ガスの有するエネルギが少ない順に、それぞれの酸化ガス供給手段は接続される。
【００２２】
このような燃料電池装置によれば、複数の酸化ガス供給手段によって酸化ガスが加圧されるため、燃料電池に供給する酸化ガス中の酸素分圧がさらに上昇し、燃料電池の起電力を向上させる効果をさらに高めることができる。また、上記複数の加圧手段は、それぞれを駆動する高圧ガスの有するエネルギが少ない順に接続されているため、酸化ガスを加圧する効率が向上し、燃料電池を構成する所定の部材から排出されるエネルギを無駄なく利用することができる。なお、このような構成の燃料電池装置において、上記圧縮機の内部に前記磁界式酸素富化装置を組み込むこととしてもよい。磁界式酸素富化装置も複数設けることによって、酸化ガスを加圧する効率と共に酸素富化を行なう効率をさらに高めることができ、燃料電池に供給する酸化ガス中の酸素分圧を一層向上させることが可能となる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池装置は、前記酸化ガス供給装置において、前記磁界を発生させた所定の空間に供給する前記混合気体を冷却する混合気体冷却手段を配設したこととしてもよい。
【００２４】
このような構成の燃料電池装置では、磁界式酸素富化装置に供給する前記混合気体を冷却することによって、混合気体中の酸素分子の磁化率が大きくなり、磁界式酸素富化装置における酸素富化の効率をさらに向上させることができる。従って、燃料電池に供給する酸化ガス中の酸素分圧をさらに大きくすることが可能となり、燃料電池における起電力を上昇させることができる。
【００２５】
【発明の他の態様】
本発明は、さらに以下のような他の態様をとることができる。すなわち、本発明の他の態様としては、所定の電源から電気の供給を受けるモータによって駆動される電気自動車であって、
本発明の燃料電池システムを搭載し、前記モータが要する電力の少なくとも一部を、前記燃料電池システムが備える燃料電池から供給される
電気自動車とすることができる。
【００２６】
このような電気自動車によれば、車両を駆動するモータに電力を供給する燃料電池は、酸素分子の磁界中における磁化率が高いことを利用して酸素富化した酸化ガスを供給されて、電気化学反応を進行するため、発電効率が向上する。したがって、本発明の燃料電池装置が奏する既述した効果に加えて、燃料電池の発電効率が向上することによって燃料電池装置全体を小型化することが可能となるため、電気自動車における設計の自由度を確保することができるという効果を奏する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の構成の概略を例示する概略構成図である。本実施例の燃料電池装置２０は、電気自動車に搭載されており、電気自動車の駆動用電源として働く燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給する装置とから構成されている。この燃料電池装置２０は、磁界式の酸素富化装置によって酸素を富化した酸化ガスを燃料電池に供給することを特徴としている。最初に、本実施例の燃料電池装置２０の全体の構成について説明し、引き続き、本発明の要部に対応する磁界式酸素富化装置について説明する。
【００２８】
燃料電池装置２０は、水を貯留する水タンク２２、メタノールを貯留するメタノールタンク２４、燃焼ガスを発生するバーナ３０、空気の圧縮を行なう圧縮機３２、原燃料であるメタノールを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置２６、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０、磁界式の酸素富化装置である酸素富化部３４、コンピュータにより構成される制御部５０を主な構成要素とする。以下に、これら燃料電池装置２０の構成要素について順次説明する。
【００２９】
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル４８を複数積層したスタック構造を有している。以下に、燃料電池４０で進行する電気化学反応を表わす式を示す。（３）式はアノードにおける反応、（４）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（５）式に示す反応が進行する。
【００３０】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                         …（３）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ        …（４）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                 …（５）
【００３１】
燃料電池４０は、アノード側に水素を含む燃料ガスの供給を受け、カソード側に酸素を含む酸化ガスの供給を受けると、上記（３）〜（５）式に示した反応を進行して起電力を得ることができる。図２は、燃料電池４０を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
【００３２】
アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極に接する片面にだけリブを形成することにしてもよい。
【００３３】
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜４１上にプレスする構成も好適である。
【００３４】
アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード４２およびカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００３５】
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直交するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００３６】
以上、燃料電池４０の基本構造である単セル４８の構成について説明した。実際に燃料電池４０として組み立てるときには、セパレータ４４、アノード４２、電解質膜４１、カソード４３、セパレータ４５の順序で構成される単セル４８を複数組積層し（本実施例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００３７】
次に、燃料電池装置２０を構成する燃料電池４０以外の構成要素およびそれらの接続関係について順次説明する。燃料改質装置２６は、加熱蒸発部２７、改質部２８およびＣＯ低減部２９から構成されている。加熱蒸発部２７は、メタノールタンク２４および水タンク２２からメタノールと水との供給を受け、これらメタノールと水とを気化させる。また、改質部２８では、加熱蒸発部２７で気化されたメタノールおよび水が導かれて水蒸気改質反応が進行する。燃料改質装置２６の加熱蒸発部２７には、後述するように圧縮機３２を介してバーナ３０の燃焼熱が導かれ、この燃焼熱が加熱蒸発部２７の備える熱交換部に伝えられて、加熱蒸発部２７に供給されたメタノールおよび水を昇温・気化させる。
【００３８】
メタノールタンク２４から燃料改質装置２６に原燃料であるメタノールを送り込むメタノール流路６０には第２ポンプ２３が設けられており、燃料改質装置２６に供給するメタノール量を調節可能となっている。この第２ポンプ２３は、制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、燃料改質装置２６に供給するメタノール流量を調節する。
【００３９】
水タンク２２から燃料改質装置２６に水を送り込む給水路６２には第１ポンプ２１が設けられており、燃料改質装置２６に供給する水の量を調節可能となっている。この第１ポンプ２１は、第２ポンプ２３と同じく制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、燃料改質装置２６に供給する水量を調節する。上記メタノール流路６０と給水路６２とのそれぞれは、燃料改質装置２６の加熱蒸発部２７に接続する。メタノール流量と水量とは上記第２ポンプ２３と第１ポンプ２１とによって調節されるため、加熱蒸発部２７ではメタノールと水とは所定量ずつ混合されて昇温・気化され、気化したメタノールおよび水からなる原燃料ガスは、改質部２８に導入されて水蒸気改質反応に供される。なお、加熱蒸発部２７においてメタノールと水とが混合される割合は、改質部２８において水蒸気改質反応が充分に進行可能となる量であって、生成された改質ガス中に、燃料電池４０に供給する燃料ガスとして充分量の水蒸気が含まれるようになる量として定められる。以下に、改質部２８で進行するメタノールを原燃料とした水蒸気改質反応を表わす式を示す。
【００４０】
ＣＨ3ＯＨ  →  ＣＯ＋２Ｈ2−９０．０（kJ/mol）      …（６）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2＋４０．５  （kJ/mol）   …（７）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋３Ｈ2−４９．５（kJ/mol）        …（８）
【００４１】
メタノールを水蒸気改質する反応では、（６）式で示したメタノールの分解反応と、（７）式で示した一酸化炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として（８）式の反応が起こる。燃料改質装置２６が備える改質部２８では、加熱蒸発部２７で昇温・気化されたメタノールと水とからなる原燃料ガスを供給されて、上記（６）〜（８）式に示した反応が進行して水素リッチな改質ガスが生成される。
【００４２】
改質部２８は、改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットが充填されており、充分に昇温された上記原燃料ガスの供給を受けて改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスを生成する。ここで、触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットとは、銅と酸化亜鉛とを用いて共沈法によって作成した触媒金属にアルミナなどのバインダを加えて、押しだし成形によって直径３〜７ｍｍ程度の粒子状に成形したものをいう。本実施例では、約３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの大きさに成形したペレットを用いた。このＣｕ−Ｚｎ触媒からなるペレットは、改質部２８において均一に充填されている。改質部２８内部に導入された上記原燃料ガスは、上記ペレット表面の触媒金属と接触して改質反応を進行しながらＣＯ低減部２９側に向かって移動する。なお、改質部２８内に充填する触媒ペレットは、上記した共沈法の他、含浸法など他の方法によって作成したものを用いることとしてもよい。
【００４３】
また、改質部２８は、上記した触媒ペレットを充填する構成の他、ハニカムによって構成することとしてもよい。この場合には、ハニカムの表面に改質触媒を担持させ、このようなハニカム表面に原燃料ガスを通過させることによって改質反応を進行させることができる。触媒を担持したハニカムは、金属製のハニカム表面にアルミナをコーティングし、さらにその表面に触媒金属を塗布したり、既述した触媒ペレットを粉砕したものにバインダを加えてハニカム表面に塗布するなどの方法により作成することができる。
【００４４】
改質部２８で進行する水蒸気改質反応は、（６）〜（８）式に示したように吸熱反応であるため、改質反応を進行させるためには外部から改質部２８に対して熱量を供給する必要がある。本実施例の燃料電池装置２０では、加熱蒸発部２７においてメタノールおよび水を気化して原燃料ガスを生成する際に、充分に改質反応が進行する温度にまで原燃料を昇温している。すなわち、改質反応で要する熱量を、原燃料ガスによって加熱蒸発部２７から改質部２８に持ち込む構成となっている。もとより、改質部２８にヒータなどの加熱手段を設け、改質反応で要する熱量を賄うこととしてもよい。あるいは、改質部２８において、上記水蒸気改質反応に加えて、発熱を伴う酸化改質反応を進行させることとし、酸化改質反応で生じる熱量を利用して水蒸気改質反応を進行させることとしてもよい。
【００４５】
改質部２８で生成された水素リッチな改質ガスは、さらにＣＯ低減部２９に導かれる。ＣＯ低減部２９は、改質部２８から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度を低減させて、充分に一酸化炭素濃度が低い燃料ガスとして燃料電池４０に供給する装置である。メタノールの一般的な改質反応はすでに（６）式ないし（８）式に示したが、実際に改質反応が行なわれるときにはこれらの式に表わしたように理想的に反応が進行するわけではなく、改質部２８で生成された燃料ガスは所定量の一酸化炭素を含んでいる。そこで、ＣＯ低減部２９を設けることで、燃料電池４０に供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。
【００４６】
本実施例の燃料電池４０は固体高分子型の燃料電池であって、電池反応を促進する白金または白金と他の金属とからなる触媒を備えているが（本実施例では白金触媒を電解質膜４１の表面に塗布した）、燃料ガス中に一酸化炭素が含まれる場合には、この一酸化炭素が白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、（３）式に示したアノードにおける反応を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまう。そのため、燃料電池４０のような固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行なうためには、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定量以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必須となる。なお、このような固体高分子型燃料電池において、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度としての許容濃度は通常は数ｐｐｍ程度以下である。
【００４７】
ＣＯ低減部２９に供給される改質ガスは、上記したように所定量の一酸化炭素を含有する水素リッチガスであり、ＣＯ低減部２９においては、改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化が行なわれる。ＣＯ低減部２９には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。また、ＣＯ低減部２９における一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素は、ブロワ３８によって供給される加圧空気によって賄われる。このブロワ３８は制御部５０に接続されており、ブロワ３８の駆動量、すなわちＣＯ低減部２９に供給される加圧空気量は制御部５０によって制御される。
【００４８】
また、ＣＯ低減部２９で行なわれる一酸化炭素の選択酸化反応は発熱反応であるため、ＣＯ低減部２９は所定の冷却手段を備え、ＣＯ低減部２９内部を一酸化炭素選択酸化反応に適した所定の温度範囲に保つ構成となっている。所定の冷却手段としては、例えば、水タンク２２が貯留する水を冷却水として用い、この冷却水を、ＣＯ低減部２９内に設けた流路を循環させるなどの構成とすることができる。
【００４９】
このＣＯ低減部２９で処理された燃料ガス中の一酸化炭素濃度は、ＣＯ低減部２９の運転温度、供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度、ＣＯ低減部２９への単位触媒体積当たりの改質ガスの供給流量等によって定まる。ＣＯ低減部２９には、図示しない一酸化炭素濃度センサが設けられている。この一酸化炭素濃度センサは制御部５０に接続されており、一酸化炭素濃度センサの測定結果に基づいてＣＯ低減部２９の運転温度や供給する改質ガス流量を調節し、処理後の燃料ガス中の一酸化炭素濃度が許容される値以下となるように制御している。ＣＯ低減部２９で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、燃料供給路６３によって燃料電池４０に導かれ、アノード側における電池反応に供される。なお、改質部２８で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度が許容範囲であるときには、燃料改質装置２６において上記ＣＯ低減部２９を設けない構成としてもよい。
【００５０】
既述したように、加熱蒸発部２７には、圧縮機３２を介してバーナ３０から高温の燃焼ガスが供給される。圧縮機３２は、燃料電池装置２０の外部から空気を取り込んでこれを圧縮し、圧縮した空気を後述する酸素富化部３４に供給するための装置である。圧縮機３２は、タービン３２ａおよびコンプレッサ３２ｂを備え、これらは羽根車型に成形されている。タービン３２ａおよびコンプレッサ３２ｂは同軸上のシャフト３２ｃで連結されており、タービン３２ａを回転駆動することにより、コンプレッサ３２ｂを回転駆動することができる。圧縮機３２のタービン３２ａは、バーナ３０から供給される高温の燃焼ガスによって駆動される。タービン３２ａの回転と共にコンプレッサ３２ｂも回転し、このコンプレッサ３２ｂは既述したように空気の圧縮を行なう。コンプレッサ３２ｂへは、空気導入路６５を介して外気が取り込み可能となっている。
【００５１】
ここで、タービン３２ａは、バーナ３０からの高温の燃焼ガスにより駆動されるので、耐熱性および耐久性を実現するために超耐熱合金やセラミックス等により形成される。本実施例では、ニッケルベースの合金（インコネル７００、インコネル社）を使用した。また、コンプレッサ３２ｂは、軽量なアルミニウム合金により形成される。このように圧縮機３２によって加圧された圧縮空気は、酸素富化部３４に供給されて酸素の富化が行なわれ、酸化ガスとして燃料電池４０に供給される。なお、酸素富化部３４の構成については、後に詳しく説明する。
【００５２】
タービン３２ａを駆動するバーナ３０は、燃焼のための燃料を、燃料電池４０のカソード側およびメタノールタンク２４から供給される。燃料電池４０は、メタノールを燃料改質装置２６で改質して生成した水素リッチガスを燃料として電気化学反応を行なうが、燃料電池４０に供給されたすべての水素が消費されるわけではなく、消費されずに残った水素を含む燃料排ガスは燃料排ガス路６４から排出される。バーナ３０は、この燃料排ガス路６４に接続して燃料排ガスの供給を受け、消費されずに残った水素を完全燃焼させて燃料の利用率の向上を図っている。このような排燃料だけでは燃料として不足する分、および燃料電池装置２０の起動時のように燃料電池４０から排燃料の供給を受けられないときは、バーナ３０はメタノールタンク２４からメタノールの供給を受ける。メタノールをバーナ３０へ供給するために、メタノール分岐路６１が設けられている。このメタノール分岐路６１は、メタノールタンク２４から燃料改質装置２６にメタノールを供給するメタノール流路６０から分岐しており、第３ポンプ２５を備えている。第３ポンプ２５は、制御部５０に接続され、制御部５０からの駆動信号を受けてバーナ３０に供給するメタノール量を調節している。
【００５３】
一方バーナ３０は、上記燃焼のための燃料の他に、燃焼に必要な酸素の供給を受けている。この燃焼に必要な酸素は、ブロワ３１によって供給される加圧空気として供給される。このブロワ３１は制御部５０と接続しており、制御部５０からの駆動信号を受けて、バーナ３０に供給する加圧空気量を調節している。
【００５４】
バーナ３０で発生した燃焼ガスは、タービン３２ａを回転駆動したのち、燃焼排ガスとして燃料改質装置２６の加熱蒸発部２７に導かれる。タービン３２ａでの熱交換効率は余り高くないため（約１０％以内）、バーナ３０で発生した熱エネルギの多くは加熱蒸発部２７に導かれる。加熱蒸発部２７では、このバーナ３０から供給された高温燃焼排ガスによって、既述したようにメタノールと水との気化・昇温が行なわれる。
【００５５】
燃料電池４０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、既述したように、圧縮機３２で圧縮した空気を酸素富化部３４に供給して酸素富化したものを用いている。酸素富化部３４には、圧縮機３２で圧縮された空気が、圧縮空気路６６を介して供給される。酸素富化部３４で酸素富化された酸素富化空気は、酸化ガスとして酸化ガス路６７を介して燃料電池４０に供給される。なお、磁界式酸素富化装置である酸素富化部３４の構成については後述する。
【００５６】
酸化ガス路６７を介して燃料電池４０に供給された酸化ガスは、電池反応に供された後に酸化排ガスとなって酸化排ガス路６８に排出されるが、この酸化排ガス路６８には凝縮水回収器３６が設けられている。燃料電池４０で電気化学反応が進行する際には、燃料電池４０の酸素極側において既述した（４）式の反応によって水が生じる。本実施例の燃料電池装置２０では、電池反応による生成水からなる水蒸気を含有する酸化排ガスを凝縮水回収器３６に導いて、酸化排ガス中の生成水を凝縮させて回収し、回収した水を再利用している。凝縮水回収器３６で回収された生成水は、水回収路６９を介して水タンク２２に供給され、加熱蒸発部２７を経て改質部２８で行なわれる原燃料の水蒸気改質反応に供される。凝縮水回収器３６で生成水を回収された酸化排ガスは、電池反応で利用されずに残った酸素を含むため、酸化排ガス路７０を経由してバーナ３０に供給され、バーナ３０における燃焼反応のための酸化ガスとして働く。
【００５７】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５８と、ＣＰＵ５４での演算結果に応じて既述した各種ポンプやブロワなどに駆動信号を出力する入出力ポート５２等を備える。
【００５８】
なお、図１には示さなかったが、燃料電池装置２０は、燃料電池４０とは別に所定の２次電池を備えている。この２次電池は、燃料電池装置２０の起動時において燃料電池４０から充分な電力の供給が得られない間に、既述した各種ポンプなどを駆動するための電源として利用される。また、燃料電池装置２０は、別々のブロワ３１，３８によってバーナ３０およびＣＯ低減部２９に空気を供給する構成としたが、単一のブロワによって空気を供給してもよい。
【００５９】
次に、本発明の要部に対応する酸化ガスの酸素富化に関わる構成について説明する。最初に、酸素富化部３４において行なわれる酸素富化について説明する。酸素富化部３４は、磁界式の酸素富化装置であり、酸素分子が常磁性であって高い磁化率を示すことを利用して、空気中の酸素濃度を上昇させる処理（酸素富化）を行なう。酸素分子の磁化率は、１０６．２×１０-6ｅｍｕ／ｇである。このように、空気中の約２３％を占める酸素が常磁性であるのに対し、空気中の約７５．５％を占める窒素は反磁性であって、その磁化率は−０．４３×１０-6ｅｍｕ／ｇである。従って、これらの性質を利用して、酸素と窒素とを磁界の中で分離し、空気から高濃度の酸素を得ることができる。すなわち、空気を磁界の中に導くと、常磁性を示す酸素は磁極方向に移動し、大部分が窒素からなる空気の残りの成分は反磁性を示すため磁極から遠ざかる方向に移動し、これによって、磁極付近から高濃度の酸素を取り出すことができる。
【００６０】
本実施例の燃料電池装置２０は、上記酸素富化部３４として、ロータリタイプの磁界式酸素富化装置を備える。図３および図４は、酸素富化部３４の構成の概略を表わす説明図である。ここで、図３は、酸素富化部３４の縦断面図であり、図４は、図３に示した酸素富化部３４におけるＡ−Ａ断面を表わす断面図である。
【００６１】
酸素富化部３４は、非磁性体のケーシング８０と、ケーシング８０内に回転自在に支持された非磁性体のロータ８１と、ケーシング８０に沿ってその厚み方向に跨ぐように取り付けられた磁界発生部９０と、ケーシング８０に設けられた空気取り入れ口８４と、ケーシング８０の軸方向端部のＮ極およびＳ極側に設けられた酸素富化空気出口８５と、ケーシング８０においてＮ極とＳ極との中間の位置に設けられた窒素富化空気出口８６とを備えている。ここで、ケーシング８０は、中空の円筒状壁とその両端に設けられた端板とから形成されている。また、ロータ８１はシャフト８３と複数の羽部８２とを備えている。シャフト８３は、ラジアル玉軸受けからなる軸受け８７によってケーシング８０に支持されており、モータなどの図示しない回転駆動手段によって回転駆動される。シャフト８３が回転駆動されると、羽部８２はシャフト８３と一体で回転し、ブロワとして機能する。磁界発生部９０は、ケーシング８０の内部空間において、上記シャフト８３の軸方向に磁力線が走る磁界を発生する。空気取り入れ口８４は、既述した圧縮空気路６６に接続しており、圧縮機３２で圧縮された空気を取り入れ可能となっている。また、酸素富化空気出口８５は、酸化ガス路６７に接続しており、酸素富化部３４によって酸素富化した酸化ガスを燃料電池４０に供給可能となっている。なお、酸素富化空気出口８５には、酸素を選択的に通す酸素透過膜を設けて、酸化ガス中の酸素濃度をさらに上昇させる構成としてもよい。
【００６２】
ケーシング８０とロータ８１との間の空間に磁界を発生させる磁界発生部９０は、ケーシング８０両端に設けられた端板においてこの端板を貫通して配設された２つの磁極と、これら２つの磁極をケーシング８０の外部で連結する連結部と、この連結部の外周に巻き付けられたコイル８８とを備えている。コイル８８には、端子８９を介して所定の直流電源から直流電流が供給可能となっており、コイル８８に直流電流を通電させることで、既述した磁界が発生する。
【００６３】
次に、上記構成を備えた酸素富化部３４の動作について説明する。酸素富化部３４は、ロータ８１を上記回転駆動手段によって回転駆動し、端子８９を介してコイル８８に直流電流を通電し、圧縮機３２から圧縮空気路６６および空気取り入れ口８４を介して圧縮空気を導入すると、酸素富化空気出口８５および窒素富化空気出口８６から空気が吐出される。このとき、磁界発生部９０では、コイル８８に通電することによって、ケーシング８０とロータ８１との間の空間において、両磁極間に磁界が発生する。常磁性体である分子は、磁界の作用で磁化され、Ｎ極付近ではＮ極から磁気吸引力を受け、Ｓ極付近ではＳ極から磁気吸引力を受ける。従って、酸素富化部３４内に導入された圧縮空気中の酸素分子は、常磁性体で磁化率が大きいため上記した磁気吸引力を受けて磁界のＮ極側あるいはＳ極側に移動する。これによって、磁界のＮ極側およびＳ極側の空間は酸素富化の状態となり、酸素富化空気出口８５からは選択的に酸素富化空気が吐出される。一方、酸素富化部３４に供給された空気中の窒素分子は、磁化率が小さいためほとんど磁化されず、磁化されても反磁性体であるため酸素分子とは反対の極性に磁化されるため、両磁極とは離れた両極の中間付近で高濃度となる。従って、ケーシング８０の軸方向中央部付近に設けられた窒素富化空気出口８６からは、酸素が選択的に取り除かれた残りの空気（窒素富化空気）が吐出される。
【００６４】
既述したように、酸素富化部３４には圧縮機３２によって圧縮された空気が供給されるため、酸素富化部３４から酸化ガス路６７に吐出される酸化ガスもまた所定の圧力を有している。したがって、燃料電池４０のカソード側には、加圧と酸素富化とを行なうことによって充分に酸素分圧が上昇された酸化ガスが供給される。
【００６５】
以上のように構成された本実施例の燃料電池装置２０によれば、酸素富化部３４によって酸素富化を行なった酸化ガスを燃料電池４０に供給しているため、燃料電池４０における発電効率を向上させることができる。すなわち、酸素富化を行なうことによって酸化ガス中の酸素分圧が上昇し、燃料電池４０における起電力を上昇させることができる（既述したＮｅｒｎｓｔの式を参照）。
【００６６】
図５は、以上説明した第１実施例の燃料電池４０と同様の燃料電池に対して酸素濃度の異なる酸化ガスを供給したときに、この燃料電池において、出力電流密度に対する起電力および出力電圧がどうなるかをシミュレーションした結果を表わす説明図である。図５中のＡのグラフは燃料電池に空気を供給した場合、同じくＣのグラフは燃料電池に純度の高い酸素ガス（酸素富化ガス（ＩＩ））を供給した場合、同じくＢのグラフは、上記実施例と同様の構成を有する酸素富化装置によって酸素富化を行なった空気（酸素富化ガス（Ｉ））を燃料電池に供給した場合をそれぞれ表わす。図５によれば、燃料電池に供給する酸化ガスを酸素富化することによって、燃料電池のＶ−Ｉ特性、起電力共に向上することが分かり、この効果は酸化ガスにおける酸素富化の程度が大きくなるほど顕著となるといえる。したがって、上記実施例においても、酸素富化部３４を設けることによって、燃料電池４０の電池性能を向上させる明らかな効果が期待できる。
【００６７】
このように、燃料電池４０の電池性能を向上させることによって、燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。エネルギ効率が向上することによって、上記した酸素富化を行なわない場合に比べて、所定の電力を得るための燃料電池が小さくて済み、燃料電池システム全体を小型化することが可能となる。上記実施例のように、燃料電池を車両の駆動用電源として用いる場合には、燃料電池装置を搭載可能なスペースに厳しい制限があるため、燃料電池システムが小型化可能であることは特に有利となり、車両の設計の自由度が向上するという効果を奏する。さらに、本実施例では、酸素富化部３４として磁界式酸素富化装置を用いているため、コンパクトで耐久性に優れた酸素富化装置によって、燃料電池に供給する酸化ガスを充分に酸素富化することができ、車載に適した燃料電池装置を構成することができる。ここで、酸素富化部３４が酸化ガスを酸素富化する性能に対応する値であって、磁界発生部９０で発生する磁界の強さを表わす磁束密度に関する式を以下に示す。
【００６８】
Ｂ＝μＨ  ただし、Ｈ∝ｎｉ            …（９）
ここで、  Ｂ：磁束密度、Ｈ：磁界の強さ、μ：物質の透磁率、ｎ：コイル巻き数、ｉ：コイル電流
【００６９】
上記（９）式より、発生する磁界の強さは、コイル８８で消費される電流ｉの大きさと、コイル８８のコイル巻き数によって決まることが分かる。したがって、コイル８８で消費される電流ｉを小さくして酸素富化部３４における消費電力を少なくしても、コイル８８のコイル巻き数を大幅に増やすことによって、充分な強さの磁界を確保することが可能であるといえる。このような構成にすれば、磁界を発生させるために消費する電力量を抑えることができ、燃料電池装置２０全体において、エネルギ効率を向上させることができる。特に、本実施例の酸素富化部３４は、コイル８８を備える磁界発生部９０がケーシング８０の外側に設けられているため、コイル８８の巻き数に関してケーシング８０の大きさや形状による制限が少なくなり、コイルの巻き数を増やすことによって磁束密度を増大させることが容易となる。さらに、磁界発生部９０がケーシング８０の外側に設けられていることにより、酸素富化部３４の製造の際に、コイル８８の巻き付け作業が容易になりコストを低くすることができるという効果を奏する。
【００７０】
ここで、酸素富化部３４において磁界を発生させるために消費する電力、すなわち、コイル８８に供給する直流電流は、燃料電池４０から供給することとしてもよく、他の蓄電手段から供給することとしてもよく、また、燃料電池４０と他の蓄電手段との両方を用いることとしてもよい。他の蓄電手段としては、燃料電池装置２０の起動時などに必要な電力を供給する既述した２次電池を用いることにすれば、酸素富化部３４で磁界を発生させるために特別に蓄電手段を設ける必要がない。また、酸素富化部３４において所定の磁界を発生させるために、コイル８８の巻き数によって所望の強さの磁界が発生可能となる電磁石を用いているため、必要な強さの磁界を発生させるために装置を大型化する必要がない。もとより、所定のスペース内で充分な強さの磁界を発生可能であれば、酸素富化部３４における磁界の発生は、既述したように電磁石を用いる代わりに永久磁石を用いることとしてもよい。この場合には、磁界を発生させるために電力を消費してしまうことがなく、電磁石を用いる場合よりもさらに高いエネルギ効率が実現可能となる。
【００７１】
上記実施例では、コイル８８の巻き数を充分に多くすることによって充分な磁束密度を確保しているが、既述した（９）式に基づいて、μを大きくすることによっても磁束密度を大きくすることが可能であり、これによって酸素富化の効率を向上させることができる。すなわち、磁界発生部９０におけるソレノイドの内部（既述した磁極および連結部からなり、内部磁界を形成する部材）を、μの値が大きくなる物質によって形成することによって、磁界の強さをさらに強くすることができ、磁界を発生させるために消費する電力をさらに少なくすることができる。上記（９）式においてμを大きくする物質としては、パーマロイ，センダスト，純鉄，電磁軟鉄などを挙げることができる。
【００７２】
また、酸素富化部３４において、上記したように磁界発生部９０をケーシング８０の外側に設ける代わりに、ケーシング８０の内側に設けることもできる。このような構成の酸素富化部３４ａを、第１実施例の変形例として図６および図７に示す。図６および図７に示した酸素富化部３４ａにおいて、第１実施例の酸素富化部３４と共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。酸素富化部３４ａは、第１実施例の酸素富化部３４とは異なり、ケーシング８０の内壁面に沿わせてコイル８８ａが設けられている。また、酸素富化空気出口８５は、ケーシング８０の軸方向端部の端板に設けられている。窒素富化空気出口８６は、酸素富化部３４の場合と同様に、ケーシング８０の軸方向中央部の壁面に設けられている。
【００７３】
このような酸素富化部３４ａでは、端子８９を介して所定の直流電源から直流電流をコイル８８ａに供給すると、図６中に点線で表わしたように磁界が発生し、空気取り入れ口８４から取り込まれた空気中の酸素はこの磁界によって磁化され、磁極側に引き寄せられる。この結果、酸素富化空気出口８５からは酸素富化空気が排出される。
【００７４】
また、磁界式酸素富化装置である酸素富化部３４は、さらに異なる構成とすることもできる。例えば、磁界を発生するコイルをケーシングの内壁に設ける代わりにシャフト８３の外周部に設けたり、あるいは、ケーシング内に複数のロータを組み込むなどとすることもできる。燃料電池装置に組み込む酸素富化部としては、この酸素富化部が所定のスペース内に設置可能であり、充分な強さの磁界を発生させて酸素富化を行なうことができる磁界式酸素富化装置であれば、上記第１実施例の酸素富化部３４を備える場合と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
さらに、第１実施例の燃料電池装置２０では、酸素富化部３４が外部から取り込んだ空気を用いて酸素富化を行なっているため、燃料電池４０に供給するための酸化ガスを予め燃料電池装置２０に搭載して準備したり、搭載した酸化ガスが不足した場合に酸化ガスを充填したりする必要がない。したがって、酸化ガスとして酸素ガスなどをボンベの状態で搭載する場合のように、高圧ガスを取り扱うための構成を備えておく必要がなく、装置の構成を簡素化することができ、コストの低減を図ることができる。さらに、本実施例の燃料電池装置２０を搭載した電気自動車では、搭載する酸化ガス量によって車両の走行可能距離が影響されてしまうことがないため、充分な走行距離を確保するために多量の酸化ガスを搭載して車両のスペースが占有されてしまうことがなく、設計の自由度を確保することができる。
【００７６】
また、本実施例の燃料電池装置２０では、圧縮機３２によって空気を圧縮した上で、この圧縮空気を酸素富化部３４に供給するため、酸素富化の効果をさらに高めることができる。すなわち、燃料電池４０に供給する酸化ガスにおける酸素分圧の上昇は、酸素富化部３４における酸素富化に加えて、圧縮機３２による加圧によっても達成されるため、燃料電池４０における電池性能が向上する効果をさらに高めることができる。
【００７７】
さらに、本実施例の燃料電池装置２０が備える酸素富化部３４は、既述したように、ケーシング８０内にロータ８１を回転自在に配置し、ロータ８１とケーシング８０間の空間に磁界を形成するロータリー式の酸素富化装置としたが、異なるタイプの磁界式酸素富化装置を用いることとしてもよい。例えば、ピストン式やバッチ式の酸素富化装置を用いることもできる。ここで、本実施例のようにロータリー式の酸素富化装置を用いる場合には、酸素富化の際の酸素の収率（生成される酸素富化空気中の酸素濃度）や、得られる酸素富化空気の流量や、連続運転を行なう際の性能などの点で、他種の磁界式酸素富化装置を用いる場合に比べて有利である。
【００７８】
上記第１実施例では、圧縮機３２と酸素富化部３４とを別体で設け、圧縮機３２で圧縮した空気を酸素富化部３４に供給する構成としたが、圧縮機と酸素富化部とを一体で設け、空気の圧縮と酸素富化とを同時に行なう構成とすることとしてもよい。このような構成を第２実施例として以下に示す。
【００７９】
図８は、第２実施例の燃料電池装置２０ｂの構成の概略を表わす説明図である。第２実施例の燃料電池装置２０ｂは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して詳しい説明は省略する。燃料電池装置２０ｂは、燃料電池装置２０と異なり、内部に磁界式酸素富化装置である酸素富化部３４ｂを組み込んだ圧縮機７２を備えている。この圧縮機７２は、第１実施例における圧縮機３２と同様に空気の圧縮を行なうが、同時に酸素富化をも行なう。図９に、この圧縮機７２の構成の概略を示す。
【００８０】
圧縮機７２は、第１実施例の圧縮機３２と同様にタービン７２ａ，コンプレッサ７２ｂおよびこれらを連結するシャフト７２ｃを備えており、これらはケーシング８０ｂ内に格納されている。また、第１実施例と同様に、バーナ３０から供給される燃焼ガスによってタービン７２ａが回転駆動することによってコンプレッサ７２ｂも回転駆動され、コンプレッサ７２ｂ側に取り込んだ空気が圧縮される。この圧縮機７２は、コンプレッサ７２ｂとその周辺領域において酸素富化部３４ｂを形成している。
【００８１】
コンプレッサ７２ｂの周辺部において、圧縮機７２の端部に相当する側には永久磁石のＮ極が、圧縮機７２の中央部に対応する側には永久磁石のＳ極が配設されており、コンプレッサ７２ｂの周辺領域において、圧縮機７２の軸方向に磁界を発生させている。また、圧縮機７２は、コンプレッサ７２ｂ側の端部において、空気導入路６５を介して圧縮機７２内に外気を取り込む空気取り入れ口８４ｂを備えている。圧縮機７２におけるコンプレッサ７２ｂ側の壁面には、端部よりの位置に酸素富化空気出口８５ｂが、中央部よりの位置には残空気出口８６ｂが設けられている。コンプレッサ７２ｂは、端部側ほどその羽根車形状の半径が小さく形成されており、ケーシング８０ｂもまたコンプレッサ７２ｂに対応する形状となっているため、ケーシング８０ｂとコンプレッサ７２ｂとの間の空間の容積も、端部側ほど小さく形成されている。また、上記残空気出口８６ｂには圧力制御弁８６ｃが設けられており、酸素富化空気出口８５ｂには流量制御弁８５ｃが設けられている。これら圧力制御弁８６ｃおよび流量制御弁８５ｃは制御部５０に接続されており、制御部５０によって駆動状態が制御される。圧力制御弁８６ｃを制御することによってケーシング８０ｂ内の圧力状態を調節することが可能であり、流量制御弁８５ｃを制御することによって燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調節することが可能である。
【００８２】
コンプレッサ７２ｂが回転駆動されると、既述したように空気取り入れ口８４ｂから空気が取り込まれて圧縮されるが、このとき既述した磁界のために空気中の酸素の分離がおこなわれる。常磁性の酸素は磁界中で磁化されてＮ極側に移動する。また、タービン７２ａが回転されることによってコンプレッサ７２ｂが駆動されると、空気取り入れ口８４から取り込まれた空気が圧縮される。したがって、圧縮された酸素富化空気が酸素富化空気出口８５ｂから排出され、この圧縮された酸素富化空気は酸化ガス路６７を介して燃料電池４０のカソード側に供給される。なお、上記第２実施例の酸素富化部３４ｂでは、酸素を分離するための磁界を発生させるのに永久磁石を用いることとしたが、第１実施例と同様に電磁石を用いて磁界を発生させることとしてもよい。
【００８３】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池装置２０ｂによれば、圧縮機７２の内部に組み込んだ磁界式酸素富化装置によって空気の酸素富化を行ない、酸素富化した空気を酸化ガスとして燃料電池４０に供給するため、第１実施例の燃料電池装置２０と同様の効果を得ることができる。さらに、第２実施例の燃料電池装置２０ｂでは、圧縮機７２内に磁界式酸素富化装置を組み込んでいるため、空気の圧縮と酸素富化とを同時に行なうことができる。したがって、装置全体の構成がさらに簡素化され、コンパクトになるという利点を有する。構成が簡素化されることは、燃料電池装置２０ｂを電気自動車に搭載して燃料電池を車両の駆動用電源として用いる場合には、設計の自由度が向上するなど特に有利である。
【００８４】
さらに、第２実施例の燃料電池装置２０ｂでは、酸素富化部３４ｂを圧縮機７２内部に組み込んでいるため、燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガス（本実施例ではバーナ３０から供給される燃焼ガス）によって圧縮機７２を駆動することができる。したがって、特別にエネルギを消費することなく磁界式酸素富化装置を駆動することができ、燃料電池に供給する酸化ガス中の酸素分圧を上昇させることによって、燃料電池装置全体のエネルギ効率を低下させてしまうことがない。
【００８５】
また、第２実施例の圧縮機７２が備える酸素富化部３４ｂでは、ケーシング８０ｂとコンプレッサ７２ｂとの間の容積は、酸素富化空気出口８５ｂの近傍の方が、残空気出口８６ｂの近傍よりも小さく形成されているため、空気中の含有量が窒素よりも少ない酸素をより効果的に富化することができる構成となっている。すなわち、磁化された酸素分子がより容積が狭い側に移動するため、酸素富化空気出口８５ｂの近傍では酸素富化の効果をさらに高めることができ、より酸素分圧の高い酸化ガスを燃料電池４０に供給することができる。
【００８６】
本実施例の酸素富化部３４ｂでは、より酸素分圧の高い酸化ガスを得るために、上記したように酸素富化部３４ｂ内の容積がより小さい側の端部にのみ酸素富化空気出口８５ｂを設けることとした。ここで、図９に示した酸素富化部３４ｂにおいて、磁界中で磁化された酸素分子はＮ極とＳ極の両方に向かって移動するため、酸素富化部３４内の容積が大きい側、すなわち、残空気出口８６ｂを設けた側の端部においても酸素の富化は行なわれている。したがって、酸素富化部３４ｂにおいてＳ極を設けた側の端部にも酸素富化空気出口を設け、両方の磁極の近傍から酸素富化空気を取り出すこととしてもよい。この場合には、窒素富化空気出口は、第１実施例の酸素富化部３４と同様に両磁極の中間の位置に設けることとすればよい。もとより、両方の磁極の近傍から酸素富化空気を取り出す場合には、酸素富化部は、第１実施例の酸素富化部３４と同様に、その横断面の面積を均一にして上記したような容積の変化のない構成としてもよい。
【００８７】
上記第２実施例では、磁界式酸素富化装置である酸素富化部３４ｂを圧縮機７２内に組み込み、バーナ３０で発生する燃焼ガスをこの圧縮機７２に供給することによって磁界式酸素富化装置を駆動する構成としたが、燃料電池装置を構成する各部材のうち、バーナ３０以外で発生する高圧ガスを利用して磁界式酸素富化装置を駆動することとしてもよい。このような構成の一例を第３実施例として以下に示す。
【００８８】
図１０は、第３実施例の燃料電池装置２０ｃの構成の概略を表わす説明図である。燃料電池装置２０ｃは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。第３実施例の燃料電池装置２０ｃは、酸素富化部３４ｃを備え、この酸素富化部３４ｃは燃料電池４０から排出される酸化排ガスによって駆動される圧縮機７４内に組み込まれている。すなわち、第３実施例の燃料電池装置２０ｃでは、第２実施例の燃料電池装置２０ｂが備える圧縮機７２と同様の圧縮機７４を、バーナ３０から供給される燃焼ガスの代わりに、燃料電池４０から排出される酸化排ガスによって駆動する。このような燃料電池装置２０ｃでは、バーナ３０で発生した燃焼ガスは直接燃料改質装置２６の加熱蒸発部２７に供給される。また、圧縮機７４を駆動した酸化排ガスは、既述した実施例と同様に凝縮水回収器３６に供給される。
【００８９】
第３実施例の燃料電池装置２０ｃによれば、第１および第２実施例と同様に、酸素富化して圧縮した空気を酸化ガスとして燃料電池に供給することによる効果を得ることができる。また、第２実施例の燃料電池装置２０ｂと同様に、酸素富化部を圧縮機内に組み込むことで構成を簡素化できることによる効果を得ることができる。さらに、燃料電池装置２０ｃでは、酸素富化部３４ｃを組み込んだ圧縮機７４を、燃料電池４０から排出される酸化排ガスによって駆動しているため、酸素富化部３４ｃを駆動するために特別にエネルギを消費してしまうことがなく、酸素富化部３４ｃを用いて酸化ガスの酸素富化を行なうことによって燃料電池装置２０ｃ全体のエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００９０】
上述したように、圧縮機７４では、燃料電池４０に供給する酸化ガスを加圧するために燃料電池４０から排出される酸化排ガスのエネルギを利用している。このような構成において、燃料電池４０に供給する酸化ガスの圧力を充分な圧力とするためには、圧縮機７４のタービン側とコンプレッサ側との間でギア比を変えて、コンプレッサ側の回転数を確保することとしてもよい。また、燃料電池４０から排出される酸化排ガスの有するエネルギだけでは酸化ガスを充分に加圧できない場合には、酸化排ガスの有するエネルギ以外のエネルギを補って、酸化ガスを充分に加圧することとしてもよい。
【００９１】
次に、第４実施例として、燃料改質装置の加熱蒸発部から排出される燃焼排ガスを利用して酸素富化部を駆動する構成を示す。図１１は、第４実施例の燃料電池装置２０ｄの構成の概略を表わす説明図である。燃料電池装置２０ｄは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。第４実施例の燃料電池装置２０ｄは、酸素富化部３４ｄを備え、この酸素富化部３４ｄは加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動される圧縮機７６内に組み込まれている。すなわち、第４実施例の燃料電池装置２０ｄでは、第２実施例の燃料電池装置２０ｂが備える圧縮機７２と同様の圧縮機７６を、バーナ３０から供給される燃焼ガスの代わりに、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動する。このような燃料電池装置２０ｄでは、バーナ３０で発生した燃焼ガスは、第３実施例と同様に直接燃料改質装置２６の加熱蒸発部２７に供給される。
【００９２】
第４実施例の燃料電池装置２０ｄによれば、既述した実施例と同様に、圧縮して酸素富化した空気を酸化ガスとして燃料電池に供給することによる効果を得ることができる。また、第２および第３実施例と同様に、酸素富化部を圧縮機内に組み込むことで構成を簡素化できることによる効果を得ることができる。さらに、燃料電池装置２０ｄでは、酸素富化部３４ｄを組み込んだ圧縮機７６を、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動しているため、酸素富化部３４ｄを駆動するために特別にエネルギを消費してしまうことがなく、酸素富化部３４ｄを用いて酸化ガスの酸素富化を行なうことによって燃料電池装置２０ｄ全体のエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００９３】
既述した第２ないし第４実施例では、燃料電池装置を構成する所定の部材から排出される高圧ガスによって、酸素富化部を組み込んだ圧縮機を駆動しているが、空気の酸素富化を複数の酸素富化部を組み合わせて行なうこととし、燃料電池装置を構成する複数の部材から排出される高圧のガスを用いて、これら複数の酸素富化部を駆動することとしてもよい。このような構成の燃料電池装置を第５実施例として以下に示す。図１２は、第５実施例の燃料電池装置２０ｅの構成の概要を表わす説明図である。燃料電池装置２０ｅは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。第５実施例の燃料電池装置２０ｅは、圧縮機７２ｅ，７４ｅ，７６ｅを備えている。これらの圧縮機のそれぞれは、内部に酸素富化部が組み込まれている。圧縮機７２ｅは、既述した第２実施例の圧縮機７２と同様の構成を備えており、バーナ３０から供給される燃焼ガスによって駆動される。圧縮機７４ｅは、既述した第３実施例の圧縮機７４と同様の構成を備えており、燃料電池４０から排出される酸化排ガスによって駆動される。また、圧縮機７６ｅは、既述した第４実施例の圧縮機７６と同様の構成を備えており、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動される。燃料電池装置２０ｅでは、外部から取り込まれた空気は、まず圧縮機７４ｅによって圧縮と酸素富化が行なわれ、その後に圧縮機７６ｅによって圧縮と酸素富化とが行なわれ、さらに圧縮機７２ｅによって圧縮と酸素富化とが行なわれ、酸化ガスとして燃料電池４０に供給される。
【００９４】
以上のように構成された第５実施例の燃料電池装置２０ｅによれば、既述した実施例と同様に、酸素富化して圧縮した空気を酸化ガスとして燃料電池に供給することによる効果を得ることができる。また、第２ないし第４実施例と同様に、酸素富化部を圧縮機内に組み込むことで構成を簡素化できることによる効果を得ることができる。さらに、燃料電池装置２０ｅでは、内部に酸素富化部を組み込んだ複数の圧縮機を備え、燃料電池装置２０ｅを構成する複数の部材から排出される高温ガスを利用してこれらを駆動している。このように、内部に酸素富化部を組み込んだ圧縮機を複数備えることによって、空気を圧縮および酸素富化する効率をさらに向上させることができる。さらに、燃料電池装置２０ｅから利用されることなく排出されてしまうエネルギ量を少なくすることができ、エネルギの有効利用を図ることができる。特に本実施例では、複数の圧縮機を接続する際に、各圧縮機を駆動する高温ガスの有するエネルギが小さいものからより大きいものへと接続することによって、燃料電池４０に供給する酸化ガスを生成する過程で、酸化ガスの過給効率と酸素富化効率を向上させ、酸化ガスにおける酸素分圧をより高くすることが可能となっている。
【００９５】
なお、図１２に示した燃料電池装置２０ｅにおいて、圧縮機７２ｅ，７４ｅ，７６ｅに代えて、酸素富化部を組み込んでいない圧縮機をそれぞれ設けることとし、これらの圧縮機を接続した流路の下流に酸素富化部を別途設けることとしてもよい。このような構成の燃料電池装置２０ｆを図１３に示す。燃料電池装置２０ｆは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。燃料電池装置２０ｆは、圧縮機３２ｄ，３２ｅ，３２ｆおよび酸素富化部３４ｆを備えている。圧縮機３２ｄ，３２ｅ，３２ｆは、第１実施例の燃料電池装置２０が備える圧縮機３２と同様の構成を備えており、酸素富化部３４ｆは、同じく燃料電池装置２０が備える酸素富化部３４と同様の構成を備えている。圧縮機３２ｄ，３２ｅ，３２ｆの配設されている場所は、第５実施例の燃料電池装置２０ｅにおいて圧縮機７４ｅ，７６ｅ，７２ｅが設けられている場所とそれぞれ同じであり、酸素富化部３４ｆは、圧縮機３２ｆのさらに下流側に設けられている。外部から取り込まれた空気は、燃料電池４０から排出される酸化排ガス，加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガス，バーナ３０から供給される燃焼ガスによりそれぞれ駆動される圧縮機３２ｄ，３２ｅ，３２ｆによって順次加圧され、加圧された空気は酸素富化部３４ｆにおいて酸素富化されて、酸化ガスとして燃料電池４０に供給される。
【００９６】
このような構成の燃料電池装置２０ｆによっても、第５実施例の燃料電池装置２０ｅと同様の効果を得ることができる。燃料電池装置に備えられた複数の部材から排出される高圧のガスを無駄なく利用して空気の加圧を行ない、酸化ガス中の酸素分圧を上昇させて燃料電池４０における発電効率を向上させることができる。
【００９７】
上記した燃料電池装置２０ｆでは、燃料電池４０に酸化ガスを供給する流路において、圧縮機３２ｄ，３２ｅ，３２ｆのさらに下流側に酸素富化部３４ｆを配設することとしたが、同様の燃料電池装置において、酸素富化部３４ｆを設ける代わりに、いずれかの圧縮機に酸素富化部を組み込むこととしてもよい。例えば、一番下流側の圧縮機３２ｆだけを第５実施例の燃料電池装置２０ｅが備える圧縮機７２ｅと同様の圧縮機、すなわち酸素富化装置を内部に組み込んだ圧縮機としてもよい。このような構成によっても、燃料電池装置に備えられた複数の部材から排出される高圧のガスを無駄なく利用して空気の加圧を行ない、酸化ガス中の酸素分圧を上昇させて燃料電池４０における発電効率を向上させることができる。
【００９８】
なお、既述した第５実施例の燃料電池装置２０ｅおよび燃料電池装置２０ｆでは、複数の圧縮機を接続する際には、それぞれの圧縮機を駆動するガスが、燃料電池４０から排出される酸化排ガス，加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガス，バーナ３０から供給される燃焼ガスの順となるように構成したが、この順位は、実際の燃料電池装置の運転状態に応じて変更することとすればよい。例えば、燃料電池４０から排出される酸化排ガスの方が、加熱蒸発部から排出される燃焼排ガスよりも有するエネルギ量が多い場合には、酸化排ガスによって駆動される圧縮機７４ｅあるいは圧縮機３２ｄを、圧縮機７６ｅあるいは圧縮機３２ｅよりも上流側に接続することとすればよい。
【００９９】
また、既述した燃料電池装置２０ｅおよび燃料電池装置２０ｆでは、バーナ３０から供給される燃焼ガスと、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスと、燃料電池４０から排出される酸化排ガスとを利用して、燃料電池４０に供給する酸化ガスの加圧を行なうこととしているが、これらすべての高温ガスを利用する必要はない。例えばこれらのうちの２種類の高温ガスを利用することとしてもよく、また、燃料電池装置を構成する他の部材や、燃料電池装置を搭載する電気自動車を構成する所定の部材から排出される高圧のガスを利用することとしてもよい。いずれの場合にも、利用する高圧ガスについて、有するエネルギの少ないものから多いものの順に利用することとすれば、無駄なくエネルギを利用して酸化ガスの加圧を行なうことができる。
【０１００】
以上説明した各実施例の燃料電池装置が備える酸素富化部では、既述したように、酸素分子が常磁性体であることに基づいて、発生させた磁界中で酸素分子が磁極側に移動することを利用して酸素富化を行なっている。ここで、酸素は常磁性体であるので、酸素富化の程度に関わる酸素の磁化率は、キュリーの法則に従う。キュリーの法則を以下に示す。
【０１０１】
χ＝Ｃ／Ｔ                            …（１０）
χ  ：酸素の磁化率
Ｃ  ：キュリー定数
Ｔ  ：絶対温度
【０１０２】
上記キュリーの法則より、酸素の磁化率は絶対温度Ｔが小さいほど大きくなるといえる。すなわち、酸素富化装置に供する空気の温度を下げるほど酸素の磁化率は大きくなり、酸素富化装置における酸素の富化収率（酸素富化空気中の酸素濃度）を上昇させるこ
とができるといえる。磁界式酸素富化装置によって酸化ガス中の酸素分圧を上げる際に、このように、酸素富化装置に供給する空気の温度を下げることによって酸化ガス中の酸素分圧をさらに上げる構成を、第６実施例として以下に示す。
【０１０３】
図１４は、第６実施例の燃料電池装置２０ｇの構成の概略を表わす説明図である。燃料電池装置２０ｇは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。第６実施例の燃料電池装置２０ｇは、バーナ３０から供給される燃焼ガスによって駆動される圧縮機３２ｇと、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動される圧縮機３２ｈと、冷却装置７８と、酸素富化部３４ｇとを備えている。燃料電池装置２０ｇでは、外部から取り込まれた空気は、まず圧縮機３２ｇによって圧縮されて冷却装置７８に供給される。冷却装置７８に供給された圧縮空気は、冷却装置７８によって冷却された後に酸素富化部３４ｇに供給される。酸素富化部３４ｇで酸素富化された空気は、さらに圧縮機３２ｈに供給されて圧縮され、酸化ガスとして燃料電池４０に供給される。ここで、酸素富化部３４ｇは、第１実施例の燃料電池装置２０が備える酸素富化部３４と同様の構成を備えており、圧縮機３２ｇ，３２ｈは、第１実施例の圧縮機３２と同様の構成を備えている。
【０１０４】
また、上記冷却装置７８として、本実施例では、ボルテックス型の冷却装置（Ｖｏｒｔｅｃ社製、ボルテックスチューブ）を使用した。ボルテックス型の冷却装置とは、冷却のための特別のエネルギを必要とせず、圧縮空気の供給を受けることによって冷却空気が吐出可能となる装置である。圧縮機３２ｇによって圧縮され、圧縮空気路６６を介して冷却装置７８内に供給された圧縮空気は、冷却装置が備えるチューブ内で渦流となって高速回転する。チューブ内を高速回転した空気は、冷却装置７８の端部に設けられた温風排出口から温風として排出され、残りの空気は上記チューブのさらに内側を回転しながら逆方向に移動し、冷却装置７８の他端に設けられた冷風出口から排出される。ここで、チューブの外側を回転しながら移動する空気に供給される熱量と、チューブの内側を回転しながら戻ってくる空気から持ち去られる熱量とは等しいため、温風排出口から排出される温風量を調節するコントロール弁を制御することによって、冷風出口から排出される冷風温度を調節することができる。冷却装置７８から排出された冷却空気は、酸素富化部３４ｇで酸素富化されるが、この冷却装置７８から排出される冷却空気は略大気圧となっているため、酸素富化部３４ｇから排出された酸素富化空気はさらに圧縮機３２ｈに供給されて圧縮された後に、酸化ガスとして燃料電池４０に供給される。
【０１０５】
以上のように構成された第６実施例の燃料電池装置２０ｇによれば、既述した実施例と同様に、圧縮して酸素富化した空気を酸化ガスとして燃料電池に供給することによる効果を得ることができる。さらに、燃料電池装置２０ｇでは、磁界式の酸素富化部３４ｇに空気を供給する際に、冷却空気を供給する構成となっているため、酸素富化部３４ｇにおける酸素の富化収率（酸素富化空気中の酸素濃度）をより高くすることができる。ここで、酸素富化部３４ｇに供給する空気を冷却する際に、本実施例では既述したボルテックス型の冷却装置を用いているため、加圧した空気を冷却装置７８に供給するだけで空気の冷却を行なうことができ、冷却装置７８を設けることによって燃料電池装置全体の構成が複雑化してしまうことがない。また、酸素富化部３４ｇに供給する空気を冷却するために特別なエネルギ供給手段を設ける必要がなく、エネルギ効率が低下してしまうことがない。
【０１０６】
また、本実施例の燃料電池装置２０ｇでは、酸素富化部３４ｇで酸素富化した酸化ガスを、燃料電池４０における電気化学反応に必要とされる所定の圧力に昇圧するために、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動される圧縮機３２ｈを用いている。このような圧縮機を駆動するためのエネルギ源としては、圧縮機３２ｈが利用している加熱蒸発部２７からの燃焼排ガスの他に、燃料電池４０から排出される酸化排ガスなども利用可能である。しかしながら、本実施例のように、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスを利用することによって、燃料電池装置２０ｇの始動時にもより速やかに酸化ガスの加圧を行なうことが可能となる。すなわち、燃料電池装置２０ｇの始動時にバーナ３０による加熱蒸発部２７の加熱が開始されると、加熱蒸発部２７からは速やかに燃焼排ガスが排出されるようになり、圧縮機３２ｈによって加圧された酸化ガスを燃料電池４０に供給することが可能となる。
【０１０７】
上記第６実施例の燃料電池装置２０ｇでは、酸素富化部３４ｇに供給する空気を冷却するためにボルテックス型の冷却装置を用いたが、異なる種類の冷却装置を用いることもできる。異なる種類の冷却装置を用いた構成の一例を、第７実施例として以下に示す。図１５は、第７実施例の燃料電池装置２０ｈの構成の概略を表わす説明図である。燃料電池装置２０ｈは、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えているため、共通する部材には同じ番号を付して説明を省略する。第７実施例の燃料電池装置２０ｈは、バーナ３０から供給される燃焼ガスによって駆動される圧縮機３２ｉと、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって駆動される冷却水ポンプ９１と、燃料電池４０から排出される酸化排ガスによって駆動される吸収液ポンプ９２と、少電型の吸収型冷却装置９３と、上記圧縮機３２ｉで圧縮された空気と冷却装置９３で冷却された冷却水との間で熱交換を行なって圧縮空気を冷却する熱交換部９５と、熱交換部９５で冷却された圧縮空気を供給されて酸素富化を行なう酸素富化部３４ｈとを備えている。
【０１０８】
ここで、圧縮機３２ｉは、外部から取り込んだ空気を圧縮して、この圧縮空気を上記熱交換部９５を介して酸素富化部３４ｈに供給する装置であり、第１実施例の燃料電池装置２０が備える圧縮機３２と同様の構成を備えている。酸素富化部３４ｈは、第１実施例の燃料電池装置２０が備える酸素富化部３４と同様の構成を備えており、熱交換部９５で冷却された圧縮空気を供給されてこれを酸素富化し、酸化ガスとして燃料電池４０に供給する。冷却水ポンプ９１は、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスによって、冷却装置９３内で冷却水が循環するための駆動力を得る。吸収液ポンプ９２は、燃料電池４０から排出される酸化排ガスによって駆動力を得て、冷却装置９３から吸収液をくみ出してバーナ３０に供給する。冷却水ポンプ９１および吸収液ポンプ９２は、上記駆動ガスによって回転されるインペラをそれぞれ備えており、このインペラの回転駆動力をシャフトを介して伝えることで、ポンピングの動作を行なう。図１５に示した燃料電池装置２０ｈの構成のうち、圧縮空気の冷却に関わる構成の詳細を図１６に示す。
【０１０９】
図１６に基づいて、冷却装置９３を中心とした冷却に関する動作について説明する。冷却装置９３は、吸収型の冷却装置であり、一体で形成された蒸発器９６および吸収器９７を備えている。蒸発器９６には、蒸発器９６と熱交換部９５との間で冷却水を循環させる冷却水路９４が配設されている。また、蒸発器９６には、冷媒流路９８を介して冷媒（本実施例では水）が供給されており、この冷媒は、蒸発器９６内に配設された冷却水路９４上に滴下される。ここで、蒸発器９６および吸収器９７内部は数ｍｍＨｇ程度の真空状態となっており、滴下された冷媒は、冷却水路９４の冷却水から気化熱を奪いながら蒸発する。このようにして冷やされた冷却水は、冷却水路９４を循環し、熱交換部９５において、圧縮機３２ｉから供給される圧縮空気を冷却する。熱交換部９５で冷却された圧縮空気は、酸素富化部３４ｈに供給されて酸素富化され、酸化ガスとして燃料電池４０に供給される。このように、本実施例の燃料電池装置２０ｈでは、酸素富化部３４ｈに供給する空気を冷却する動作は、主として、冷却装置９３が備える蒸発器９６と熱交換部９５において行なわれる。熱交換部９５において圧縮空気と熱交換することによって昇温した冷却水は、再び蒸発器９６に戻って冷却され、上記した動作を繰り返す。
【０１１０】
また、蒸発器９６と共に真空状態となっている吸収器９７では、濃縮吸収液路９９を介して吸収液（本実施例では臭化リチウム水溶液）が滴下される。滴下された吸収液は、吸収器９７内で水蒸気を吸収して希釈される。ここで、吸収液が吸収する水蒸気は、蒸発器９６において、既述したように冷却水路９４中の冷却水から気化熱を奪って蒸発した冷媒（水蒸気）である。水蒸気を吸収して希釈された吸収液は、既述した吸収液ポンプ９２によって蒸発器９６からくみ出され、希釈吸収液路１００を介してバーナ３０に供給される。
【０１１１】
バーナ３０は、既述したように、圧縮機３２ｉを介して加熱蒸発部２７に燃料ガスを供給する装置であるが、その内部には高温再生器１０１が設けられており、この高温再生器１０１において上記希釈吸収液を加熱することによって希釈吸収液から水蒸気を追い出し、吸収液の濃縮を行なう。高温再生器１０１で濃縮された吸収液は、低温再生器１０２に導かれて、この低温再生器１０２でさらに濃縮される。高温再生器１０１で吸収液から追い出された水蒸気は、水蒸気流路１０３を介して低温再生器１０２に導かれ、この水蒸気が有する熱量は、低温再生器１０２において、上記吸収液のさらなる濃縮のために利用される。
【０１１２】
低温再生器１０２は、圧力を低く設定することによって高温再生器１０１よりも沸点を下げる構成となっており、高温再生器１０１で発生した水蒸気を導いて、この水蒸気の有する熱量を利用して加熱を行ない、吸収液をさらに濃縮する。低温再生器１０２で濃縮された吸収液は、濃縮吸収液路９９を介して再び吸収器９７内に滴下されて、蒸発した冷媒を吸収するために用いられる。水蒸気流路１０３を介して低温再生器１０２に導かれた水蒸気は、上記したように吸収液を加熱することによって降温し、さらに、低温再生器１０２と一体で形成された凝縮水回収器１０４において、所定の冷却水によって冷却されて凝縮する。凝縮水回収器１０４で凝縮した水は、冷媒流路９８を介して既述した蒸発器９６に供給され、冷媒として冷却水路９４上に滴下される。
【０１１３】
なお、凝縮水回収器１０４において水蒸気を凝縮させる既述した冷却水の流路は、冷却水路１０５を形成しており、冷却水路１０５は、凝縮水回収器１０４，吸収器９７，熱交換器１０６および冷却水ポンプ９１を接続する閉環状の流路として形成されている。冷却水路１０５中の冷却水は、冷却水ポンプ９１によって、流路を循環するための駆動力を得る。この冷却水は、熱交換器１０６で冷却されると、まず吸収器９７において、冷媒蒸気が吸収液に吸収されるときに発生する熱を取り去る働きをする。その後冷却水は、凝縮水回収器１０４において、上述したように水蒸気を冷やして元の冷媒液に戻す働きをする。吸収器９７および凝縮水回収器１０４において昇温した冷却水は、再び熱交換器１０６で冷却され、上記した動作を繰り返す。
【０１１４】
本実施例の燃料電池装置２０ｈによれば、外部から取り入れた空気を一旦冷却して酸素富化部に供給しているため、第６実施例の燃料電池装置２０ｇと同様の効果を得ることができる。さらに本実施例の燃料電池装置２０ｈでは、冷却装置９３は、第６実施例の冷却装置７８とは異なり、予め加圧した空気の圧力が冷却の動作の際に大きく低下してしまうことがない。したがって、加圧した空気を冷却装置９３に供給することによって高い圧力の冷却ガスを得ることができ、酸素富化した酸化ガスを燃料電池に供給する際に再加圧を行なう必要がない。そのため、燃料電池の構成を簡素化することができ、酸化ガスを再加圧することによってエネルギ効率が低下してしまうことがない。もとより、再加圧による効果が充分に得られる場合には、酸素富化部３４ｈによって酸素富化した酸化ガスを再加圧して、さらに酸化ガスを昇圧することとしてもよい。
【０１１５】
また、本発明の燃料電池装置２０ｈは、酸素富化部３４ｈに供給する酸化ガスを冷却する冷却装置９３において、冷却の動作に関わる冷却水や吸収液を循環させるために、加熱蒸発部２７から排出される燃焼排ガスや、燃料電池４０から排出される酸化排ガスを利用している。従って、燃料電池装置全体でエネルギを有効に利用することが可能となると共に、冷却装置９３を運転するために消費してしまうエネルギ量を削減することができる。
【０１１６】
冷却装置としては、第６実施例で示したボルテックス型や第７実施例で示した吸収型以外のものを用いてもよく、空気を酸素富化部に供給するのに先立って冷却を行なうこととすれば同様の効果を得ることができる。消費エネルギが許容範囲内であって、充分に酸素を冷却して酸素富化装置に供給可能であればよい。その際、用いる冷却装置の種類などによって、必要に応じて酸化ガスを再加圧して燃料電池に供給することとすればよい。
【０１１７】
既述した実施例の燃料電池装置では、いずれも磁界式酸素富化装置である酸素富化部と共に圧縮機を設け、酸素富化と共に酸化ガスの圧縮も行なう構成としたが、酸素富化を行なって酸化ガス中の酸素分圧を上昇させることによって電池性能が向上する効果が充分であるならば、燃料電池に供給する酸化ガスの加圧の程度を減少させることもできる。
【０１１８】
また、既述した実施例では、燃料電池装置が備える燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、りん酸型燃料電池など異なる種類の燃料電池を備える燃料電池に本発明の構成を適用することもできる。すなわち、カソード側に供給する酸化ガス中の酸素分圧を、磁界式酸素富化装置を用いて上昇させることによって、燃料電池の性能を向上させることができる。このように異なる種類の燃料電池に本発明を適用する場合にも、アノード側に供給する燃料ガスを、メタノールなどの原燃料を改質することによって生成するならば、既述した実施例と同様に、燃料の改質に関わる所定の部材から排出される高圧ガスを利用して磁界式の酸素富化装置を駆動することが可能となり、エネルギを有効に利用することができる。
【０１１９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の構成の概略を表わす概略構成図である。
【図２】燃料電池４０における単セル４８の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図３】酸素富化部３４の構成を表わす断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面における酸素富化部３４の断面図である。
【図５】燃料電池に対して酸素濃度の異なる酸化ガスを供給したときの、出力電流密度に対する起電力および出力電圧の様子をシミュレーションした結果を表わす説明図である。
【図６】酸素富化部３４ａの構成を表わす断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ断面における酸素富化部３４ａの断面図である。
【図８】燃料電池装置２０ｂの構成の概略を表わす説明図である。
【図９】圧縮機７２の構成の概略を示す説明図である。
【図１０】燃料電池装置２０ｃの構成の概略を表わす説明図である。
【図１１】燃料電池装置２０ｄの構成の概略を表わす説明図である。
【図１２】燃料電池装置２０ｅの構成の概略を表わす説明図である。
【図１３】燃料電池装置２０ｆの構成の概略を表わす説明図である。
【図１４】燃料電池装置２０ｇの構成の概略を表わす説明図である。
【図１５】燃料電池装置２０ｈの構成の概略を表わす説明図である。
【図１６】燃料電池装置２０ｈの構成のうち、圧縮空気の冷却に関わる構成を詳細に表わす説明図である。
【符号の説明】
２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈ…燃料電池装置
２１…第１ポンプ
２２…水タンク
２３…第２ポンプ
２４…メタノールタンク
２５…第３ポンプ
２６…燃料改質装置
２７…加熱蒸発部
２８…改質部
２９…ＣＯ低減部
３０…バーナ
３１，３８…ブロワ
３２，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ，３２ｈ，３２ｉ…圧縮機
３２ａ…タービン
３２ｂ…コンプレッサ
３２ｃ…シャフト
３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｆ，３４ｇ，３４ｈ…酸素富化部
３６…凝縮水回収器
４０…燃料電池
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４，４５…セパレータ
４４Ｐ…燃料ガス流路
４５Ｐ…酸化ガス流路
４８…単セル
５０…制御部
５２…入出力ポート
５４…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５８…ＲＡＭ
６０…メタノール流路
６１…メタノール分岐路
６２…給水路
６３…燃料供給路
６４…燃料排ガス路
６５…空気導入路
６６…圧縮空気路
６７…酸化ガス路
６８…酸化排ガス路
６９…水回収路
７０…酸化排ガス路
７２，７２ｅ，７２ｆ…圧縮機
７２ａ…タービン
７２ｂ…コンプレッサ
７２ｃ…シャフト
７４，７４ｅ…圧縮機
７６，７６ｅ…圧縮機
７８…冷却装置
８０，８０ｂ…ケーシング
８１…ロータ
８２…羽部
８３…シャフト
８４，８４ｂ…空気取り入れ口
８５，８５ｂ…酸素富化空気出口
８５ｃ…流量制御弁
８６…窒素富化空気出口
８６ｂ…残空気出口
８６ｃ…圧力制御弁
８８，８８ａ…コイル
８９…端子
９０…磁界発生部
９１…冷却水ポンプ
９２…吸収液ポンプ
９３…冷却装置
９４…冷却水路
９５…熱交換部
９６…蒸発器
９７…吸収器
９８…冷媒流路
９９…濃縮吸収液路
１００…希釈吸収液路
１０１…高温再生器
１０２…低温再生器
１０３…水蒸気流路
１０４…凝縮水回収器
１０５…冷却水路
１０６…熱交換器
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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