(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを有する燃料電池と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記固体高分子膜に水分を供給する水分供給手段と、
前記燃料電池の運転温度を調整する運転温度調整手段と、
前記アノードから排出される燃料ガス中の水分量を測定する水分測定手段と、
前記水分測定手段によって測定される前記燃料ガス中の水分量が前記燃料ガスの飽和水蒸気量以上となるよう、前記運転温度調整手段及び前記水分供給手段の少なくとも一方を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２】
固体高分子膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを、前記アノードに対向してアノード側チャネルが設けられた第１部材及び前記カソードに対向してカソード側チャネルが設けられた第２部材で挟持してなる燃料電池と、
前記アノード側チャネルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記カソード側チャネルに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記アノード側チャネル及びカソード側チャネルの少なくとも一方に水分を供給する水分供給手段と、
前記燃料電池の運転温度を調整する運転温度調整手段と、
前記アノード側チャネルの出口側において燃料ガス中の水分量を測定する水分測定手段と、
前記水分測定手段によって測定される前記燃料ガス中の水分量が前記燃料ガスの飽和水蒸気量以上となるよう、前記運転温度調整手段及び前記水分供給手段の少なくとも一方を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、
前記水分測定手段は、前記アノード側チャネルの出口側において燃料ガスの湿度を測定する湿度測定手段であることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項３記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、
前記水分供給手段は、前記燃料ガス供給手段からアノード側チャネルに供給される燃料ガス及び前記酸化剤ガス供給手段からカソード側チャネルに供給される酸化剤ガスの少なくとも一方を、温水に接触させて加湿するものであることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項４記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、
前記制御手段は、前記温水の温度を調整することによって、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスに供給する水分供給量を制御することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項６】
固体高分子膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを有する燃料電池の、前記アノードに燃料ガス、前記カソードに酸化剤ガスを供給すると共に前記固体高分子膜に水分を供給して運転する固体高分子型燃料電池の運転方法であって、
前記アノードから排出される燃料ガス中の水分量を測定する水分測定ステップと、
前記水分測定ステップで測定される前記燃料ガス中の水分量が前記燃料ガスの飽和水蒸気量以上となるよう、前記燃料電池の運転温度及び前記固体高分子膜への水分供給量の少なくとも一方を制御する制御ステップと、
を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項７】
請求項６記載の固体高分子型燃料電池の運転方法において、
前記水分測定ステップは、前記アノードから排出される燃料ガスの湿度を測定する湿度測定ステップであることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池発電装置及び固体高分子型燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池発電装置は、固体高分子膜の一方の側にカソードが配され他方の側にアノードが配されたセルが、リブ及びガスチャネルが形成された一対のプレート部材で挟持されたものを基本構造とする燃料電池、アノード側チャネルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段、カソード側チャネルに酸化剤ガスを送り込む酸化剤ガス供給手段などから構成され、セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることによって発電を行う。
【０００３】
アノードに供給する燃料ガスとしては、純粋な水素を用いる場合もあるが、ＬＰＧ，メタノール，ナフサなどを水蒸気と混合して水蒸気改質することによって得られる水素リッチな改質ガスが用いられることも多い。一方、カソードに供給される酸化剤ガスとしては、一般的に空気が用いられる。
このような固体高分子型燃料電池発電装置において、一般的に運転中において燃料電池にかかる負荷は変動するので、負荷変動に応じて燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を調整しながら運転している。
【０００４】
上記の水素リッチな改質ガスは、燃料を改質器及びＣＯ変成器を通して生成されるが、その中には、水素の他に副生産物であるＣＯ2が含まれており、更にＣＯも１％（１０，０００ｐｐｍ）程度含まれている。このＣＯは、燃料電池のアノード電極触媒能を低下させる原因となるので、改質ガスを燃料電池に供給する前に、更にＣＯ除去器を通過させて、改質ガス中のＣＯを選択酸化し、ＣＯの濃度を低いレベルまで下げてから供給するようにしている。
【０００５】
ところで、固体高分子型燃料電池においては、運転中においてセルの固体高分子膜におけるイオン導電性を確保することも必要である。
その為に、従来から、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスや空気供給手段から供給される空気を加湿器で加湿して供給することにより固体高分子膜を保湿する外部加湿が多く用いられているが、このような外部加湿に代わって、内部加湿も用いられている。例えば、特開平５−４１２３０号公報や特開平８−３１５８３９号公報に開示されているように、アノードに対向する複数のチャネルの各々に燃料ガスと液体の水とを共に流通させることによって、アノードに対する水素の供給と固体高分子膜の保湿に加えて電池の冷却を効率よく行い、優れた電池特性を得ることのできる固体高分子型燃料電池も開発されている。
【０００６】
加湿する際の加湿量は、一般的に、燃料ガスに含まれる水蒸気量や空気に含まれる水蒸気量が、燃料電池の運転温度においてほぼ飽和するように設定されている。
また固体高分子型燃料電池発電装置において、加湿量を制御しながら運転する技術も知られており、例えば、特開平７−２８８１３４号公報には、燃料ガスを加湿する際に、加湿温度とセル温度との温度差が常に一定となるよう加湿量を制御する技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして固体高分子型燃料電池を運転するが、運転時においては、負荷が変動しても発電性能を安定して高く維持することが望まれる。
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池の運転方法によれば、運転中安定して高い発電性能を得ることはなかなか難しく、負荷が大きくなったときにかなり発電電圧が低下してしまう傾向が見られる。
【０００８】
この原因は、アノードに供給される改質ガスに含まれるＣＯがわずかな量であっても、固体高分子型燃料電池の運転状態によって、このＣＯがアノード電極の触媒性能をかなり低下させてしまうためと考えられる。
従って、固体高分子型燃料電池において高い発電性能を維持しながら運転するためには、ＣＯによるアノード電極触媒能の低下を確実に抑制すことが必要と考えられる。
【０００９】
このようなＣＯによるアノード電極触媒能の低下を抑えるために、使用する触媒材料の種類も検討されており、Ｐｔ−Ｒｕ触媒を用いると比較的良好であることが知られている。また、燃料ガス中に空気を微量混入させることによっても、ＣＯによるアノード電極触媒能の低下を抑えることができることが知られている。これらの技術も有効と思われるが、これ以外にも更に安定して高いアノード電極触媒能を得ることのできる技術が求められる。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、固体高分子型燃料電池を運転する際に、安定して高い発電性能を得ることのできる技術を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、固体高分子型燃料電池のアノードから排出される燃料ガスの湿度が一定の基準以上となるよう、燃料電池の運転温度及び固体高分子膜への水分供給量の少なくとも一方を制御することとした。
【００１２】
より具体的には、固体高分子型燃料電池のアノード側チャネルの出口側における燃料ガスの湿度を測定して、その湿度が一定の基準以上となるよう、燃料電池の運転温度及びガスチャネルへの水分供給量の少なくとも一方を制御することとした。
ここで、「燃料ガスの湿度」というのは、燃料ガスに含まれる水分量を、燃料電池運転温度における燃料ガスの飽和水蒸気量で除した価のことである。
【００１３】
なお、アノードから排出される燃料ガスには、水蒸気の他に水滴が含まれる場合もあるが、「燃料ガスに含まれる水分量」はこれらすべての水分量のことである。
このような本発明の固体高分子型燃料電池によれば、運転条件の変動したとしても、特に燃料電池にかかる負荷が変動して燃料ガスの供給量が変動したとしても、アノード側から排出される燃料ガスの湿度は常に一定の基準以上に維持されることになる。
【００１４】
従って、「一定の基準」を、実際には燃料電池運転温度における燃料ガスの飽和水蒸気量に近い適当な値に設定しておくことによって、運転中は常に、アノードに供給される燃料ガス（アノード側チャネル内を流通する燃料ガス）に含まれる水分を、飽和水蒸気量程度もしくはそれ以上に維持することが可能となる。
このようにアノードに供給される燃料ガスに含まれる水分量を常に飽和水蒸気量程度もしくはそれ以上に維持することによって、ＣＯによるアノード電極触媒能の低下は抑制される。その理由は、詳しくは後述するが、燃料ガスに含まれる水分量が飽和水蒸気量程度あれば、アノードが十分湿潤されることによってアノード電極触媒の周囲でイオン導電路のネットワークが確保され、それによって、アノード電極触媒が部分的にＣＯを吸着することによって被毒されたとしても発電性能に影響が及びにくくなるためと考えられる。
【００１５】
なお、アノードに供給される燃料ガスに含まれる水分量が過剰になると、水分供給のために余分な動力が消費され、あまり過剰になると燃料ガスのアノードへの供給が妨げられることもあるので、このような点も考慮すると、アノードから排出される燃料ガスの湿度を一定の基準以上に維持するのと合わせて、当該湿度が過剰とならないように制御することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
（燃料電池発電装置の全体構成の説明）
図１は、本実施の形態にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の全体構成図である。
【００１７】
この発電装置は、固体高分子型の燃料電池１と、燃料を供給する燃料供給源２と、燃料を水蒸気改質することによって水素リッチな改質ガスを生成する改質器３と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水蒸気で変成するＣＯ変成器４と、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して除去するＣＯ除去器５と、ＣＯ除去器５からの改質ガスを加湿する加湿器６と、酸化剤としての空気を送るエアポンプ７と、エアポンプ７からの空気を加湿する加湿器８と、燃料ガスや空気の供給量及び加湿器６，８における加湿量などを制御する制御器９とから構成されている。
【００１８】
図２は、燃料電池１のセルユニット構成を示す分解斜視図である。
このセルユニットは、固体高分子膜１１の中央部にアノード１２とカソード１３（図１においては固体高分子膜１１の背面にある。）とが配されたセル１０と、セル１０を挟持する１対の電池プレート１４，１５と、電池プレート１４，１５とセル１０との間に介挿された一対の集電体（ガス拡散層）１６，１７と、電池プレート１４，１５の外周部とセル１０との間に介挿されこの部分をシールするシール材１８，１９とから構成されている。
【００１９】
アノード１２，カソード１３は、触媒（アノード触媒：Ｐｔ−Ｒｕ、カソード触媒：Ｐｔ）を担持したカーボン粒子とイオン交換樹脂（例えば、デュポン社のＮａｆｉｏｎ膜）とを混合したものからなる触媒層であって、固体高分子膜１１の中央部に密着されている。
電池プレート１４，１５は、カーボン材料をプレート状に成型したものであって、電池プレート１４のアノード１２と対向する側には複数のアノード側チャネルが刻まれ、電池プレート１５のカソード１３と対向する側には複数のカソード側チャネル１５０…が刻まれている。
【００２０】
集電体１６，１７は、溌水処理を施した多孔性カーボンの薄板からなり、アノード１２，カソード１３よりも若干大きい寸法である。
シール材１８，１９は、弾力性のある材料（例えば、ＥＰＤＭゴム）からなる枠体である。
なお、アノード１２，集電体１６及びアノード側チャネルなどが図１のアノード部１ａに相当し、カソード１３，集電体１７及びカソード側チャネル１５０などが図１のカソード部１ｂに相当する。
【００２１】
本実施形態の燃料電池１は、このようなセルユニットが所定個数だけ積層され、その積層体の両端が一対の端板（不図示）で押さえられて構成されている。ここで、積層されるセルユニットの数は、出力しようする電圧に応じて設定される。なお、図示はしないが、セルユニットの積層体には、図１の冷却部１ｃに相当する冷却用プレートが介挿されている。
【００２２】
この冷却部１ｃ（冷却プレート）には、図１に示すように、冷却ポンプ９１によって冷却水が循環し、燃料電池１の運転温度を制御できるようになっている。また、図１に示すように、燃料電池１には、その運転温度を測定するための温度センサ９２が挿設されている。
内部マニホールドを形成するため、固体高分子膜１１の外周部の４つ角の部分には、円形の孔１０１，１０２，１０３…が開設され、同様に、電池プレート１４，１５の各々にも、孔１４１，１４２，１４３，１４４並びに孔１５１，１５２，１５３…が開設され、シール材１８，１９の各々にも孔１８１，１８２，１８３…並びに孔１９１，１９２，１９３…が開設されている。
【００２３】
孔１４４…によって形成されるマニホールドでは改質ガスを供給し、孔１０２，１４２，１５２，１８２，１９２によって形成されるマニホールドでは未反応改質ガスを排出する。また、孔１０１，１４１，１５１，１８１，１９１によって形成されるマニホールドでは空気を供給し、孔１０３，１４３，１５３，１８３，１９３によって形成されるマニホールドでは空気を排出する。
【００２４】
燃料供給源２の具体例としては、液化石油ガス（プロパン，ブタン等）のボンベの他に、都市ガスやナフサ等の供給装置を挙げることができる。
改質器３は、水蒸気改質用触媒が充填された改質管３１と、高温の燃焼ガスを発生して改質管３１を加熱するバーナ３２とを備えている。そして、改質管３１をバーナ３２で高温の運転温度（５００〜７００℃）に保ちながら、燃料供給源２からの燃料に水蒸気を混合して改質管３１に供給することによって、水素リッチな改質ガス（ただし一酸化炭素を含む）を生成する。
【００２５】
ＣＯ変成器４は、容器の中にＣＯ変成用の触媒が充填されているものであって、１８０℃〜２５０℃程度の温度範囲に保たれて運転されるようになっている。このＣＯ変成器４で、改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に転化して、一酸化炭素の濃度を１％（１０，０００ｐｐｍ）程度まで低減させる。
ＣＯ除去器５は、容器の中に選択酸化触媒を充填したものであって、ＣＯ変成器４からの改質ガスに少量の空気を混合してこの選択酸化触媒層を通過させることによって一酸化炭素を選択酸化し、一酸化炭素を低い濃度レベルまで除去する。
【００２６】
このＣＯ除去器５を、選択酸化触媒の適温範囲（１００〜２００℃程度）に保ちながら運転することによって、改質ガス中の一酸化炭素の濃度は１００ｐｐｍ程度まで低減される。
図３は、加湿器６及び加湿器８の具体例を示す図である。
本図に示す加湿器は、温水を貯蔵する密封容器６１と、これに挿設されたバブラ６２と、密封容器に温水を循環させる循環ポンプ６３と、温水を加熱する加熱器６４とからなる。
【００２７】
密封容器６１内の温水の温度は、加熱器６４によって所定の設定温度に維持される。そして、ＣＯ除去器５からの改質ガスをバブラ６２から温水中に吹き出して温水と接触させることによって加湿できるようになっている。このときの加湿量は、上記設定温度における飽和水蒸気量とほぼ同等となる。
なお、加湿器としては、この他に、改質ガスを、滞留している温水の表面上を通過させることによって加湿する方式などを用いることもできる。
【００２８】
このような発電装置において、上記ＣＯ除去器５からの改質ガスは、加湿器６で加湿された後に燃料電池１に送られる。一方、エアポンプ７からの空気は、加湿器８で加湿された後に燃料電池１に送られる。そして、燃料電池１では、加湿された改質ガスをアノード側チャネルに、加湿された空気をカソード側チャネルに流通させて発電を行い、外部負荷に電力供給を行う。
【００２９】
（配管及び弁についての説明）
図１に示すように、燃料ガス系の配管として、燃料供給源２から改質器３に燃料ガスを送る配管２０１、燃料供給源２からバーナ３２に燃料ガスを送る配管２０２、改質器３からＣＯ変成器４を経てＣＯ除去器５に改質ガスを送る配管２０３、ＣＯ除去器５から加湿器６を経て燃料電池１のアノード部１ａに改質ガスを送る配管２０４、アノード部１ａからバーナ３２に未反応ガスを送る配管２０５、ＣＯ除去器５からバーナ３２に直接ガスを送るための配管２０６等が配設されている。
【００３０】
また、空気系の配管として、エアポンプ７から加湿器８を経て燃料電池１のカソード部１ｂに空気を送る配管２０７等が配設されている。
そして、配管２０１には改質管３１に供給する燃料ガスの流量を調整する調整弁２１１が、配管２０２にはバーナ３２に供給する燃料ガスの流量を調整する調整弁２１２が、配管２０４，２０６には流路切り換え用の開閉弁２１３，２１４が各々挿設されている。
【００３１】
（発電装置の運転動作について全体的な説明）
起動時の初期においては、開閉弁２１３を閉じ、開閉弁２１４を開いて、ＣＯ除去器５からのガスが燃料電池１を経ずバーナ３２に直接送られるようにしておく。
調整弁２１２を開いて燃料ガスを送り込みバーナ３２を燃焼して改質管３１を加熱昇温する。そして、改質管３１が昇温したら、調整弁２１１を開いて燃料ガスを改質器３に送り込み、燃料の改質を開始する。改質ガスは、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５を加温しながら通過し、バーナ３２に送られて燃焼される。
【００３２】
更に、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５が各運転温度まで昇温されれば、一酸化炭素濃度の低い水素リッチなガスが生成されるので、開閉弁２１４を閉じ、開閉弁２１３を開いて、燃料電池１のアノード部１ａにこの水素リッチなガスの供給を開始すると共に、エアポンプ７によるカソード部１ｂへの空気供給を開始する。これと並行して、加湿器６，８も起動して、燃料電池１に送られる改質ガス及び空気を加湿する。
【００３３】
これによって燃料電池１は発電を開始し、発電に伴う発熱により昇温する。そして、燃料電池１の温度が所定の設定温度（８０℃程度）に到達すれば通常運転に入る。
通常運転時：通常運転時には、燃料電池１から外部負荷（不図示）への電力供給を行う。
【００３４】
燃料電池１は、発電に伴って発熱するが、冷却ポンプ９１により冷却部１ｃに送られる冷却水によって冷却される。通常運転時において、制御器９は、温度センサ９２から送られる信号から燃料電池１の運転温度を常に監視し、この運転温度が設定温度（８０℃）に保たれるようになっている。
なお、通常運転時には、調整弁２１２は閉じておき、アノード部１ａから排出された未反応のガスをバーナ３２で燃焼させる。
【００３５】
制御器９は、燃料電池１の出力に応じて、エアポンプ７の出力及び調整弁２１１の開閉度を制御することによって、燃料電池１に供給する改質ガス及び空気の量を調整する。
通常運転時においても、加湿器６，８を継続的に駆動して、燃料電池１に送り込まれる改質ガス及び空気を加湿することによって固体高分子膜１１を保湿する。ここで、制御器９は、加湿器６，８における加湿量を以下に説明するように制御する。
【００３６】
（通常運転時における加湿制御とその効果についての説明）
本実施形態では、制御器９は、燃料電池１のアノード部１ａから排出される未反応燃料ガスの湿度を湿度センサ９０（図１参照）で測定しながら、その測定値に基づいて、アノード部１ａから排出される未反応燃料ガス中に含まれる水蒸気量が、常に飽和水蒸気量以上となるように加湿器６，８の制御を行う。
【００３７】
制御器９が加湿器６，８を制御する方法について具体例を示す。
湿度センサ９０としては、例えば静電容量式の湿度センサを用いる。そして、この湿度センサ９０は、燃料電池１におけるアノード側から排出される未反応改質ガスの湿度を測定できる位置に設置する。具体的には、燃料電池１の未反応改質ガス出口と配管２０５との接続部に湿度センサ９０挿設するか、孔１０２，１４２，１５２，１８２，１９２によって形成される未反応改質ガス排出用マニホールドに湿度センサ９０を挿設する。
【００３８】
本実施形態では、燃料電池１の設定温度は常に一定（８０℃）であるものとする。
制御器９は、所定時間（例えば数分）経過ごとに、図４に示すＳ１〜Ｓ２の処理を行う。
すなわち、湿度センサ９０で測定する湿度が、基準値以上であるか否かをチェックし（Ｓ１）、基準値未満であれば、加湿器６，８の温度設定を１℃上昇させ（Ｓ２）ステップＳ１に戻る。そして、測定する湿度が、基準値以上であれば加湿器６，８の温度設定をそのまま維持する。ここでは湿度の基準値は９９％とする。
【００３９】
このように制御することによって、アノード側チャネル出口において未反応改質ガスに含まれる水分量は、電池運転温度における飽和水蒸気量の９９％以上に維持されるので、アノード側チャネルを流通する改質ガスには、実質的に飽和水蒸気量以上の水分が常に含有されることになる。
ここで、アノード側チャネルを流通する改質ガスに含まれる水蒸気量が飽和水蒸気量未満であると、改質ガス中に含まれる微量のＣＯによってアノードの触媒性能が低下する傾向にあるのに対して、アノード側チャネルを流通する改質ガスに飽和水蒸気量以上の水分が含有されていると、改質ガス中に含まれるＣＯが微量含まれていても、アノードの触媒性能の低下は生じにくい（下記図５の実験結果参照）。
【００４０】
よって、上記のように加湿器６，８の加湿量を制御することによって、アノードの触媒性能を維持することができる。
なお、このように制御すれば、通常は、加湿器６，８の温度設定が燃料電池１の運転温度よりも大きく上昇することはないが、もし燃料電池１の設定温度＋１０℃以上（９０℃以上）になった場合には、それ以上加湿器６，８の温度設定を上昇させることのないように、その設定温度を維持するように加湿温度の上限を設定しておいてもよい。
【００４１】
（本願発明による作用効果についての確認実験並びに考察）
アノード側チャネルを流通する燃料ガスに飽和水蒸気量以上の水分が含有されることによって、ＣＯによるアノード触媒の性能低下を抑制できることを確かめるために次の実験１を行った。
〔実験１〕
先ず、以下の仕様で単セル燃料電池を作製した。
【００４２】
集電体（ガス拡散層）として、カーボン多孔体をＰＴＦＥ溶液で溌水処理したものを用い、その上に、各電極触媒層を形成した。電極触媒層は、アノード・カソード共に、白金担持カーボンにＮａｆｉｏｎ溶液（デュポン社）を２０％加えＰＴＦＥを２０％混合したものをスクリーン印刷法で形成した（厚み５０μｍ）。
【００４３】
そして、これらを、ホットプレス（１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ2、６０ｓｅｃ）によって固体高分子膜に融着した。ここで、固体高分子膜としては７ｃｍ角のパーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いた。
このようにして作製したセルを用いて、有効電極面積２５ｃｍ2の単セル燃料電池を作製した。
【００４４】
次に、作製した単セル燃料電池を用いて、燃料ガスとして純粋な水素を用いた場合と、ＣＯを１００ｐｐｍ含む水素ガスを用いた場合との各々について、アノード側チャネル出口における湿度（ガス中の飽和水蒸気量に対するガス中の水分測定量）が０．８〜１．２の範囲内でいろいろな値をとるように加湿量を変化させながら運転し、発電電圧を測定した。なお、アノード側チャネル出口における燃料ガス中の水分量は、アノード側チャネル出口においてガスをサンプリングし、その含有水分量を定量分析することによって行った。
【００４５】
燃料電池の運転条件は、次のとおりである。
燃料ガスとしては、純粋な水素、並びにＣＯを１００ｐｐｍ含む水素を用い、酸化剤ガスとしては空気を用いた。電流密度は０．５Ａ／ｃｍ2、セル温度は８０℃、燃料利用率Ｕｆは５０％、酸素利用率Ｕoxは２０％とした。
そして、燃料ガスとして純粋な水素を用いた場合の発電電圧ＶH2と、ＣＯを１００ｐｐｍ含む水素を用いた場合の発電電圧ＶCO100との差（ＶH2−ＶCO100）をＣＯによるセル電圧低下量ΔＶとして、各湿度ごとにＣＯによるセル電圧低下量ΔＶを測定した。
【００４６】
図５は、この実験の結果得られたものであって、アノード側チャネル出口における未反応燃料ガスの湿度と、ＣＯによるセル電圧低下量ΔＶとの関係を示す特性図である。なお、図５中において、「Water content in the anode outlet gas」と記載されているのは、「アノード排ガス中の水分量／飽和水蒸気量」のことである。
【００４７】
本図によれば、アノード側チャネル出口における湿度が１．０以上の範囲ではＣＯによるセル電圧低下量ΔＶが低い値を示しているが、当該湿度が１．０未満の範囲では当該湿度が小さいほどＣＯによるセル電圧低下量ΔＶが大きくなっている。
この実験結果は、アノード側チャネルを流通する燃料ガスに飽和水蒸気量以上の水分が含有されると、ＣＯによるアノード触媒の性能低下を抑制できることを示している。
【００４８】
アノード側チャネルを流通する燃料ガス中の水分量を飽和水蒸気量以上とすることによって、ＣＯによるアノード触媒性能の低下を抑制できる理由については、以下のように考察される。
アノード触媒層においては、上述したように、触媒が担持されたカーボン粒子及びイオン交換樹脂が混在している。
【００４９】
このアノード触媒層においては、水素が触媒と接触することによって、下記反応式に示すように水素イオンと電子が生成する反応が起こる。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-
従って、アノード触媒層のイオン交換樹脂がよく湿潤していれば、触媒上で生成する水素イオンが移動しやすい状態にあるので、触媒の中で反応に寄与できる状態にある部分の割合が多いことになる。そのため、改質ガス中に含まれるＣＯが触媒に吸着して部分的に不活性になったとしても、残りの触媒活性部分だけで十分に反応量を確保することが可能である。
【００５０】
これに対して、アノード触媒層のイオン交換樹脂が湿潤していなければ、触媒上で生成する水素イオンが移動しにくい状態にあるため、触媒の中で反応に寄与できる割合が少ない状態にある。そのため、改質ガス中に含まれるＣＯが触媒に吸着して部分的に不活性になったなら、残りの触媒活性部分だけで十分に反応量を確保することができず、触媒性能の低下として現れるものと考えられる。
【００５１】
〔実施の形態２〕
本実施の形態における燃料電池発電装置の全体構成は、実施の形態１と同様である。
本実施形態では、燃料電池１の未反応改質ガス出口と配管２０５との接続部において水分測定器が挿設されている。この水分測定器は、ガスをサンプリングしてそこに含まれる水分量を測定するものであって、ガス中に飽和水蒸気量以上の水分が含まれている場合（湿度１００％以上の場合）であっても、その水分量を測定できるようになっている。
【００５２】
図６に示す水分測定器３００はその一具体例である。
この水分測定器３００においては、ガス流通管３０１を流通する未反応改質ガスをサンプリングするためにバイパス３０２が設けられている。そして、バイパス３０２を流通するガスに含まれる水分を測定するために、バイパス３０２の途中にはサンプリング室３０３が形成され、このサンプリング室３０３に湿度センサ３０４が挿設されている。
【００５３】
また、サンプリング室３０３にはこれを加熱するヒータ３０５が設けられ、水分測定器３００は全体的に保温材３０６で覆われている。このヒータ３０５によって、サンプリング室３０３内は、燃料電池１の運転温度よりも高い一定の温度（例えば９０℃）に維持されるようになっている。
このような水分測定器３００によれば、アノード側チャネルの出口における未反応改質ガス中に含まれる水分が飽和水蒸気量を越える場合でも、サンプリング室３０３内ではガス中の水分が飽和水蒸気量以下となる。すなわち、燃料電池１の運転温度においては、未反応改質ガスの湿度が１００％を越えてガス中に水滴が生成しているような場合であっても、サンプリング室３０３内では水分は完全に気化するので、湿度センサ３０４によってサンプリング室３０３内におけるガスの湿度を測定すれば、アノード側チャネルの出口における未反応改質ガス中に含まれる水分量を知ることができる。
【００５４】
従って、サンプリング室３０３の温度（９０℃）における未反応改質ガスの飽和水蒸気量をＡ、燃料電池１の運転温度（８０℃）における未反応改質ガスの飽和水蒸気量をＢとすると、下記（１）式によってアノード側チャネルの出口における未反応改質ガスの湿度を算出することができる。
（サンプリング室３０３内での湿度測定値）×Ａ／Ｂ…（１）
本実施形態では、制御器９は、所定時間経過ごとに図７に示すＳ１１〜Ｓ１４の処理を行う。
【００５５】
すなわち、上記算出方法を用いて、湿度センサ３０４から送られてくる測定湿度からアノード側チャネルの出口における未反応改質ガスの湿度を算出する（Ｓ１１）。
そして、算出した湿度と、予め設定してある湿度の基準範囲（例えば、９９〜１０５％）とを比較する（Ｓ１２）。
【００５６】
算出した湿度が基準範囲内にあれば、加湿器６及び加湿器８における加湿温度設定（密封容器６１内の温水の温度設定）をそのまま維持する。
一方、算出した湿度が基準範囲未満（９９％未満）であれば、加湿器６及び加湿器８における加湿温度設定を１℃上昇させ（Ｓ１３）、算出した湿度が基準範囲を越えていれば（１０５％を越えていれば）、加湿器６及び加湿器８における加湿温度設定を１℃下降させ（Ｓ１４）、ステップＳ１２に戻る。
【００５７】
このように制御することによって、アノード側チャネル出口における未反応改質ガスに含まれる水分量は、電池運転温度における飽和水蒸気量付近に維持されることになる。
よって、実施の形態１と同様に、アノード側チャネルを流通する燃料ガス中の水分量を飽和水蒸気量以上に維持し、ＣＯによるアノード触媒性能の低下を抑制できるが、更に、本実施形態では、運転中は、ＣＯによるアノード触媒性能の低下を抑制するのに必要な量だけ加湿され、過剰に加湿されることはない。
【００５８】
〔実施の形態３〕
燃料電池発電装置の全体構成は実施の形態１，２と同様である。ただし、上記実施の形態１，２では、制御器９は、加湿器６，８の加湿量を制御することによって、アノード側チャネル出口側のガスの湿度を制御するようにしたが、本実施の形態では、燃料電池の運転温度を制御することによって、アノード側チャネル出口側のガスの湿度を制御する例を示す。
【００５９】
本実施の形態では、実施の形態２と同様に、燃料電池１の未反応改質ガス出口と配管２０５との接続部において水分測定器３００が挿設されているものとする。
また、加湿器６，８における加湿温度は一定（例えば８０℃）とする。
制御器９は、所定時間経過ごとに図８に示すＳ２１〜Ｓ２４の処理を行う。
【００６０】
すなわち、湿度センサ３０４から送られてくる測定湿度からアノード側チャネルの出口における未反応改質ガスの湿度を算出する（Ｓ２１）。
そして、算出した湿度と、予め設定してある湿度の基準範囲（例えば、９９〜１０５％）とを比較する（Ｓ２２）。
算出した湿度が基準範囲内にあれば、燃料電池１の運転温度の設定をそのまま維持する。
【００６１】
一方、算出した湿度が基準範囲未満（９９％未満）であれば、燃料電池１の運転温度の設定を１℃下降させ（Ｓ２３）、算出した湿度が基準範囲を越えていれば（１０５％を越えていれば）、燃料電池１の運転温度の設定を１℃上昇させ（Ｓ２４）、ステップＳ２２に戻る。
このように燃料電池の運転温度を制御することによっても、アノード側チャネル出口における未反応改質ガスに含まれる水分量は、電池運転温度における飽和水蒸気量付近に維持されることになる。
【００６２】
よって、上記実施の形態１，２と同様に、アノード側チャネルを流通する燃料ガス中の水分量を飽和水蒸気量以上に維持し、ＣＯによるアノード触媒性能の低下を抑制できる。
【００６３】
【実施例】
〔実験２〕
上記実験１で説明したのと同様の仕様で単セル燃料電池（セルＡ及びセルＢ）を作製した。
そして、セルＡ（実施例）及びセルＢ（比較例）について以下の運転条件で長時間連続運転しながらセル電圧の変化を測定した。
【００６４】
運転条件は、以下のとおりである。
燃料ガス：ＣＯを１００ｐｐｍ含む水素（燃料利用率Ｕｆ＝５０％）、
酸化剤ガス：空気（酸素利用率Ｕox＝２０％）
電流密度：０．５Ａ／ｃｍ2
セル温度：８０℃
但し、セルＡにおいては、運転開始直後の加湿の条件は、燃料ガスの加湿温度：８０℃、空気の加湿温度：７０℃とし、アノード側チャネルの出口において燃料ガスの湿度をセンシングし、飽和水蒸気量に保たれるよう加湿温度を制御した。なお、連続運転の途中で、燃料ガスの加湿温度を人為的に一時的に５０℃に低下させたが加湿制御は継続的に行った。
【００６５】
一方、セルＢにおいては、加湿温度の制御はせず、運転開始直後の加湿の条件は、燃料ガスの加湿温度：８０℃で固定し、連続運転の途中で、同様に燃料ガスの加湿温度を人為的に５０℃に低下させ、その後もそのままの加湿条件で運転した。
図９は、この実験結果を示すものであって、運転時間ごとのセル電圧を示すグラフである。
【００６６】
セルＡでは、加湿温度が低下した直後に一時的にセル電圧が低下しているが、運転時間経過に伴ってほぼもとのセル電圧まで回復している。これは、燃料ガスの加湿量が低下することによってアノード触媒性能が一旦は低下したけれども、その後燃料ガスの加湿量が再び増加することによってアノード触媒性能が回復したことを示している。
【００６７】
一方、セルＢでは、加湿温度が低下した直後にセル電圧が低下したまま回復していない。これは、燃料ガスの加湿量が低いままであるため、アノード触媒性能が回復しないことを示している。
（実施の形態１〜３の変形例などについて）
実施の形態１，２では加湿器６，８の加湿温度を制御することによって、また実施の形態３では燃料電池１の運転温度を制御することによって、アノード側チャネル出口における湿度を制御する例を示したたが、この両者を併用して、アノード側出口における未反応加湿ガスの湿度測定値に基づいて、加湿器６，８の加湿温度と、燃料電池１の運転温度の運転温度とを共に制御するようにしてもよい。
【００６８】
実施の形態１，２では、アノード側出口における未反応加湿ガスの湿度測定値に基づいて、加湿器６，８の両方の加湿温度を制御するようにしたが、加湿器８の加湿温度は一定とし、加湿器６の加湿温度だけを上記と同様に制御してもよい。
逆に、加湿器６は設けず、加湿器８で空気だけを加湿する場合において、運転条件によっては、実施の形態１，２のように加湿器６の加湿温度を制御したり実施の形態３のように燃料電池の運転温度を制御することによって、同様の効果を得ることは可能と考えられる。
【００６９】
また、上記実施の形態１〜３の燃料電池発電装置では、加湿器６，８を用いてアノード部１ａに供給される改質ガス及びカソード部１ｂに供給される空気を共に加湿する例を示した。このように改質ガスと空気の両方を加湿することは固体高分子膜１１を保湿しやすい点で好ましいが、装置の簡略化のために加湿器８は設けず、加湿器６で改質ガスだけを加湿するようにしてもよく、この場合も、実施の形態１，２のように加湿器８の加湿温度を制御したり、実施の形態３のように燃料電池の運転温度を制御すれば、同様の効果を奏する。
【００７０】
また、上記実施の形態１〜３の燃料電池発電装置では、改質ガスや空気を加湿することによって固体高分子膜１１を保湿する外部加湿方式の例を示したが、燃料電池の内部に水を供給して固体高分子膜を保湿する内部加湿方式の場合においても、実施の形態１，２と同様に、アノード側チャネル出口における改質ガスの湿度が基準以上となるように燃料電池内部への水の供給量を制御したり、実施の形態３のように燃料電池の運転温度を制御することによって、同様の効果を奏する。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体高分子型燃料電池のアノードから排出される燃料ガス（アノード側チャネルの出口側における燃料ガス）の湿度が一定の基準以上となるよう、燃料電池の運転温度及び固体高分子膜への水分供給量の少なくとも一方を制御することによって、燃料電池運転中は常に、燃料ガス中に含まれるＣＯによってアノード触媒性能が低下するのが抑制されるので、燃料電池運転中は安定して高い発電性能を得ることができる。
【００７２】
また本発明は、従来技術で説明した燃料ガス中に空気を微量混入させる技術と組み合わせて適用することもできるので、そのような面でも実用的価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】上記燃料電池発電装置における燃料電池のセルユニット構成を示す分解斜視図である。
【図３】上記燃料電池発電装置における加湿器の具体例を示す図である。
【図４】実施の形態１において制御器が行う加湿温度制御を示すフローチャートである。
【図５】実験１の結果を示すものであって、アノード側チャネル出口における未反応燃料ガスの湿度と、ＣＯによるセル電圧低下量ΔＶとの関係を示す特性図である。
【図６】実施の形態２の燃料電池発電装置において用いる水分測定器の一具体例である。
【図７】実施の形態２において制御器が行う加湿温度制御を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態３において制御器が行う加湿温度制御を示すフローチャートである。
【図９】実験２の結果を示すものであって、運転時間ごとのセル電圧を示すグラフである。
【符号の説明】
１    燃料電池
１ａ  アノード部
１ｂ  カソード部
１ｃ  冷却部
２    燃料供給源
３    改質器
４    ＣＯ変成器
５    ＣＯ除去器
６，８  加湿器
７    エアポンプ
９    制御器
１０    セル
１１    固体高分子膜
１２    アノード
１３    カソード
１４，１５  電池プレート
１６，１７  集電体
６１    密封容器
６２    バブラ
６３    循環ポンプ
６４    加熱器
９０    湿度センサ
９１    冷却ポンプ
９２    温度センサ
１５０    カソード側チャネル
３００    水分測定器
【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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