(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子固体電解質膜の両側に、酸化剤ガスが供給される空気極と加湿されていない燃料ガスが供給される燃料極とが配されてなる燃料電池と、前記空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスを系外に排出可能な排気バルブと、前記排出ガスの温度を測定する温度測定手段と、前記燃料電池からの出力電流値を測定する電流測定手段と、これら測定手段により測定される排出ガス温度および出力電流値に基づいて前記排気バルブの開度を制御して反応生成水を前記高分子固体電解質膜に移動させて加湿する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データおよびＣ＝排気バルブ温度と排気バルブを通る排出ガス量との相関データが記憶されており、前記排出ガス温度から定められる飽和水蒸気量と前記排気バルブの開度から定められる排気バルブを通る排出ガス量と定数とを乗じた値が、前記出力電流値から定められる燃料電池内部での生成水量と等しくなるように、排出ガス温度と出力電流値とをモニタしながら前記排気バルブの開度を調整することを特徴とする請求項１の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電装置、特に高分子固体電解質型燃料電池を用いた発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子固体電解質型燃料電池においては電解質としてイオン導電膜が用いられ、該燃料電池の燃料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電解質膜中を空気極側に伝達することにより起電力が得られるものであるが、安定した高出力を得るためには、この電解質膜を常に最適な水分を均一に含んだ状態に保持しておくことが重要である。
【０００３】
このために、従来は、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（空気または酸素）をバブリング装置等の加湿器を用いて加湿し、この加湿されたガスを電解質膜に通すことによって電解質膜を加湿する方法が一般に採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来技術によるときは、加湿器および水貯蔵タンク等の周辺機器を備えるために燃料電池の大型化、重量化が避けられない。このことは特に車載を意図する場合には致命的な不利欠点となる。
【０００５】
さらに、加湿器による加湿量を制御して電解質膜を最適な湿潤状態に保持する必要があるが、電解質膜乾燥の原因となる酸化剤ガスの流量およびセル温度との兼ね合いが難しく、かかる制御は困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、高分子固体電解質膜を湿潤させるための加湿器およびその周辺機器を不要化し、小型且つ軽量で車載に適した燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の両側に、酸化剤ガスが供給される空気極と加湿されていない燃料ガスが供給される燃料極とが配されてなる燃料電池と、前記空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスを系外に排出可能な排気バルブと、前記排出ガスの温度を測定する温度測定手段と、前記燃料電池からの出力電流値を測定する電流測定手段と、これら測定手段により測定される排出ガス温度および出力電流値に基づいて前記排気バルブの開度を制御して反応生成水を前記高分子固体電解質膜に移動させて加湿する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置である。
【０００８】
制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データおよびＣ＝排気バルブ温度と排気バルブを通る排出ガス量との相関データが記憶されており、排出ガス温度から定められる飽和水蒸気量と排気バルブの開度から定められる排気バルブを通る排出ガス量と定数とを乗じた値が、出力電流値から定められる燃料電池内部での生成水量と等しくなるように、排出ガス温度と出力電流値とをモニタしながら排気バルブの開度を調整する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電装置の構成を示す概略図であり、燃料電池１０は空気極（カソード）の側から見た側面図として示されている。公知のように、この燃料電池においては高分子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水素等の燃料ガスが導入される燃料極（アノード）が配されている。
【００１０】
空気極には酸化剤ガスとしての空気が空気導入部１１から空気導入路１２およびファン１３を介して導入される。
【００１１】
公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水を生成する。
【００１２】
したがって、空気極から排出される排出ガスには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成水が水蒸気として含まれている。
【００１３】
この排出ガスを排出する空気排出路１４には排気バルブ１６が設けられ、空気極からの排気ガスは、そのうちの排気バルブ１６の開度に応じた一定量が系外に排出される。
【００１４】
すなわち、排気バルブ１６の開度が絞られることにより、反応生成水（水蒸気）が濃度差により電解質膜に浸透して燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、これら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且つ平均的に行われる。
【００１５】
排気バルブ１６の開度は、燃料電池１０の出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関によって決定され、燃料電池１０に最適な水バランス条件を与えるよう制御手段（ＣＰＵ）１７により制御される。
【００１６】
すなわち、ＣＰＵ１７には次の３つの相関データが記憶されており、排出ガス温度から定められる飽和水蒸気量（ｇ／ｌ）と排気バルブ１６の開度から定められる排気バルブ１６を通る排出ガス量（ｌ／ｓｅｃ）と定数αとを乗じた値が、出力電流値から定められる燃料電池１０内部での生成水量（ｇ／ｓｅｃ）と等しくなるように、排出ガス温度と電流値とをモニタしながら、排気バルブ１６の開度を調整する（図２参照）。
【００１７】
Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ
Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データ
Ｃ＝排気バルブ開度と排気バルブを通る排出ガス量との相関データ
排出ガス温度と電流値をモニターするために温度センサ１８および電流計１９が設けられる。なお、図示実施例において排出ガス温度は排気バルブ１６の手前に設けられる温度センサ１８によりモニタされるが、場合によってはセル温度を測定してこれを排出ガス温度として代表させることも可能である。
【００１８】
このようにして排気バルブ１６の開度を制御することにより、外部からの水供給の必要なしに、セル温度とガス流量との相関によって定められる最適な水バランス条件（図３において斜線で示される範囲）で燃料電池１０を運転することができる。
【００１９】
なお、本発明では、燃料電池１０の空気極における反応生成水で電解質膜を湿潤する電気浸透水を供給するため、燃料電池１０の作動温度は１００℃未満の低温とすることが好ましい。このために、燃料電池１０に冷却用ファン１５を付設して、温度センサ１８によりモニタされる温度が所定値を超えた場合に該冷却ファン１５を作動させて冷却するよう構成することが好ましい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、発電により燃料電池の空気極において生成する水を利用して電解質膜を加湿させるため、外部からの水供給が不要となり、従来必要とされていた加湿器やその周辺機器を設ける必要がない。このため、燃料電池発電装置を大幅に小型軽量化することができ、特に車載に適したものを提供することができる。
【００２１】
また、燃料電池を低温で作動させることが可能となるため、起動時間が短縮され、作動温度にまで昇温させるための外部ヒータも不要となる。
【００２２】
通常運転時には、排気ガス温度と電流値とをモニタしながら排気バルブの開度を調整して最適な水バランス条件を保持するものであるが、負荷変動に応じて変化する電流値をモニタするため、負荷変動に対して迅速に応答することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】排気バルブ開度を制御する制御手段（ＣＰＵ）における相関式を示す説明図である。
【図３】燃料電池の稼動における最適な水バランス範囲をガス流量とセル温度との相関で示す図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池
１１  空気導入部
１２  空気導入路
１３  ファン
１４  空気排出路
１５  冷却ファン
１６  排気バルブ
１７  制御手段（ＣＰＵ）
１８  温度センサ
１９  電流計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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