JP2000082480A - 燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム用水管理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷変動、あるいは改質反応のＳ／Ｃ比の変
動が生じた場合であっても、過不足なく燃料ガスへの加
湿を行うことができ、燃料電池のエネルギー効率、始動
性、応答性、作動安定性を飛躍的に向上させることが可
能な燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム用水管理
装置を提供すること。 【解決手段】 ミスト加湿ユニット５３、５７を備えた
加湿装置５２、５６に、さらに加湿ユニット制御装置５
４、５８を設け、ミスト加湿ユニット５３、５７を、加
湿ユニット制御装置５４、５８を用いて間欠作動させる
ことにより、負荷変動に応じて加湿量を制御する。ま
た、水供給ユニット６９から改質器システム２０に供給
される水の量と、ミスト加湿ユニット５３から反応ガス
に添加されるミストの量をシステム水管理装置６６によ
りバランスさせることにより、Ｓ／Ｃ比の変動に応じて
反応ガスへの加湿量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用加湿装
置及び燃料電池システム用水管理装置に関し、さらに詳
しくは、車載動力源あるいは定置型の小型発電器等に用
いられる燃料電池に供給される反応ガスを加湿するため
の加湿装置及び水管理装置として好適な、燃料電池用加
湿装置及び燃料電池システム用水管理装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の
排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する電池であり、発電効率が高
いこと、大気汚染物質の放出量が少ないこと、騒音が少
ないこと、規模を自由に選べること、等の特徴を有して
いる。燃料電池は、使用する電解質の種類により、固体
高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体
酸化物型等に分類される。

【０００３】これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃
料電池、リン酸型燃料電池、及びアルカリ型燃料電池
は、いずれもプロトンが燃料極から空気極に移動するこ
とにより起電力を発生するものであり、電解質を正常に
機能させるためには、電解質の含水状態の管理が必須で
ある点で共通する。

【０００４】例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質
としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用
いられる。具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポ
ン社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜
に代表されるフッ素系の電解質膜が一般に用いられる。

【０００５】フッ素系の電解質膜は、耐酸化性に優れ、
湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すが、含水率が低
下すると膜抵抗が高くなり、電解質として機能しなくな
るという性質を有している。そのため、フッ素系の電解
質膜は、通常、飽和含水状態で使用されている。

【０００６】しかし、固体高分子型燃料電池の作動温度
は、８０℃前後であるので、燃料電池が作動中に電解質
膜から水分が蒸発し、電解質膜の含水率が徐々に低下す
る。また、プロトンが燃料極側から空気極側に移動する
際、水分子も同時に移動するため、燃料極側は、特に乾
燥しやすくなっている。これを放置すると電解質膜の膜
抵抗が増大して発熱し、電池出力が低下したり、故障の
原因となる。

【０００７】そのため、固体高分子型燃料電池において
は、電解質膜の含水状態を適切に管理し、電解質を正常
に機能させるために、ガス拡散電極に供給される反応ガ
スを加湿することが一般に行われている。

【０００８】また、リン酸型燃料電池は、ＳｉＣマトリ
ックス中に濃厚なリン酸水溶液を含水させたものを電解
質として用いる燃料電池であり、動作温度は、２００℃
前後である。さらに、アルカリ型燃料電池は、マトリッ
クス型と自由電解液型があり、マトリックス型は、アス
ベストに濃度３０〜４５％の水酸化カリウム水溶液を含
浸させたものを電解質として用いる燃料電池であり、動
作温度は、１００℃前後である。

【０００９】リン酸型燃料電池及びアルカリ型燃料電池
においても同様に、電解質を正常に機能させるために
は、電解質の含水状態を適切に管理する必要があり、出
力電圧が低下したり、燃料電池の温度上昇が生じた場合
には、反応ガスを加湿することが行われている。

【００１０】燃料電池に供給される反応ガスを加湿する
ための加湿装置としては、水蒸気を用いて加湿する加湿
装置と、ミストを用いて加湿する加湿装置が知られてい
る。水蒸気を用いた加湿装置は、高温度に維持した加湿
タンク中に反応ガスを通過させ、飽和蒸気圧相当の加湿
を行う装置であり、安定した加湿が行えるという利点が
ある。

【００１１】また、ミストを用いた加湿装置は、微小粒
子化した霧を反応ガスに添加する装置である。例えば、
特開平５−５４９００号公報には、噴霧ノズル又は超音
波振動子を備えたミスト発生器を用いて、燃料あるいは
酸化剤の少なくとも一方側に３００μｍ以下に微小粒子
化した霧を添加する反応ガスの加湿装置を備えた固体高
分子型燃料電池が開示されている。

【００１２】ミストを用いた加湿装置は、噴霧されたミ
ストが、反応ガスをキャリアとしてそのまま電極に搬送
されるので、加湿水分量を定量的に制御できるという利
点がある。また、ミストが水蒸気になる際、反応ガスか
ら蒸発潜熱を奪うので、反応ガスの冷却効果が期待でき
るという利点がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水蒸気
により反応ガスを加湿する加湿装置は、水蒸気を発生さ
せるための消費エネルギーが大きく、燃料電池の発電効
率を低下させる原因となっている。しかも、燃料電池の
作動中は、水源を高温に維持し、常に水蒸気を発生させ
ておく必要があるので、未消費の水分量に対しても加熱
が必要となり、エネルギーロスがさらに大きくなるとい
う問題がある。

【００１４】また、常に水蒸気を発生させるために、容
量の大きな加湿タンクが必要となるが、大容量の加湿タ
ンクは、熱容量が大きくなるので、温度変更に対する時
定数が大きくなる。そのため、加湿タンクの温度を所定
の温度まで昇温させるのに長時間を要し、始動性に問題
がある。

【００１５】さらに、温度変更に対する時定数が大きい
ために、応答性が悪く、過渡制御が困難である。すなわ
ち、負荷が急激に変動して大量の反応ガスが必要にな
り、これに伴い大量の水蒸気が必要となった場合には、
加湿量を急激に増加させることができないので、電解質
中の水分量が不足し、出力が低下する。

【００１６】また逆に、電極に過剰の水蒸気が送られた
場合には、ガス流路が液体水で閉塞する、いわゆるフラ
ッディングが生じて出力が低下し、燃料電池の作動状態
が不安定になるという問題がある。特に、空気極側は、
電極反応により水が生成するので、フラッディングが生
じやすくなっている。

【００１７】これに対し、特開平５−５４９００号公報
に開示されているように、ミストにより反応ガスを加湿
する加湿装置によれば、噴霧ノズルあるいは超音波振動
子で消費される電力は僅かであり、効率的である。ま
た、水のミスト化は、水温の上昇を待つ必要がないの
で、始動性に問題はない。さらに、加湿量の増減は、水
温によらず制御可能であるので、高応答性である。

【００１８】しかしながら、噴霧ノズルあるいは超音波
振動子を用いたミスト加湿器の場合であっても、燃料電
池を安定して作動させるためには、反応ガスへのミスト
添加量を負荷変動に対応して連続的に変化させる必要が
あるが、特開平５−５４９００号公報には、出力電力に
対応して制御する点が記載されているのみであり、負荷
変動に応じてミスト添加量を連続的に変化させる具体的
手段については何ら開示されていない。

【００１９】また、噴霧ノズルあるいは超音波振動子
は、ミストを供給する能力の制御範囲が小さく、ミスト
添加量を大幅に変更することはできない。例えば、噴霧
ノズルを用いてミスト化する方法の場合、反応ガスへの
ミスト添加量は、一次空気流量により制御することがで
きる。

【００２０】しかし、一次空気流量には最小流量が存在
し、一次空気流量が低すぎると、ミストの粒子径が大き
くなりすぎて電極を濡らしたり、あるいはノズル先端か
ら水が流れ落ち、ミスト化が困難になる。

【００２１】また、超音波振動子を用いてミスト化する
方法の場合、ミスト放出のための最小電圧がフル電圧の
８０％に近いため、超音波振動子への入力電圧を制御す
るだけでは、連続的に変化する負荷に対応して、ミスト
供給量を大幅に変化させるには限界がある。

【００２２】さらに、燃料ガスとしてメタノール改質ガ
スを用いる場合には、通常は、電極触媒の触媒毒となる
一酸化炭素を低減するために、Ｓ／Ｃ比（投入水蒸気モ
ル数／投入燃料中の炭素モル数）の高い条件下で改質反
応が行われており、その結果として、改質ガス中には多
量の水蒸気が含まれている。

【００２３】しかしながら、出力を増加させるために燃
料供給量を急激に増加したい時などには、意図的にＳ／
Ｃ比を下げる場合があり、その場合には、改質ガス中に
含まれる水蒸気量は減少する。そのため、出力電力に比
例して燃料極側への加湿量を決定するだけでは、燃料極
側の加湿量が不足したり、あるいは過剰となり、電解質
の水管理が十分に行えない場合がある。

【００２４】本発明が解決しようとする課題は、電解質
の含水状態の管理が必要な燃料電池に用いられ、エネル
ギー効率、応答性及び始動性の低下を伴うことなく、負
荷変動に対応して反応ガスを過不足なく加湿することが
でき、これにより燃料電池の作動安定性を飛躍的に向上
させることが可能な燃料電池用加湿装置を提供すること
にある。

【００２５】また、本発明が解決しようとする他の課題
は、改質ガスを燃料に用いる燃料電池に用いられ、改質
反応のＳ／Ｃ比が変動した場合であっても過不足なく燃
料ガスへの加湿を行うことができ、これにより燃料電池
の作動安定性を飛躍的に向上させることが可能な燃料電
池システム用水管理装置を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃料電池に備え
られる電解質に供給される反応ガスにミストを添加する
ミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の作動状況に応じ
て、前記ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニ
ット制御装置とを備えていることを要旨とするものであ
る。

【００２７】上記構成を有する本発明に係る燃料電池用
加湿装置によれば、ミスト加湿ユニットが加湿ユニット
制御装置により間欠制御されるので、ミスト加湿ユニッ
トとして、ミストを供給する能力の制御範囲の狭いもの
を用いた場合であっても、反応ガスに添加するミストの
量を連続的かつ大幅に変化させることができる。

【００２８】そのため、負荷変動等により、燃料電池の
作動状況が変化した場合であっても、反応ガスを過不足
なく加湿することができ、燃料電池の作動安定性を飛躍
的に向上させることができる。

【００２９】また、反応ガスへの加湿は、ミスト加湿ユ
ニットにより発生させたミストを用いて行われるので、
水蒸気加湿に比較してエネルギーロスが少なく、始動
性、応答性が向上する。さらに、ミスト加湿ユニットを
間欠作動させることにより、ミスト加湿ユニットの低消
費動力化も図られる。

【００３０】また、本発明に係る燃料電池システム用水
管理装置は、燃料電池に備えられる電解質に供給される
反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、反
応ガスを生成する燃料改質装置へ改質原料としての水を
供給する水供給ユニットと、前記燃料電池の作動状況及
び制御特性に応じて、前記ミスト加湿ユニットを介して
反応ガスに添加されるミストの量及び前記水供給ユニッ
トを介して前記燃料改質装置に供給される水の量をバラ
ンスさせる制御装置とを備えていることを要旨とするも
のである。

【００３１】上記構成を有する本発明に係る燃料電池シ
ステム用水管理装置によれば、まず、燃料改質装置には
水供給ユニットを介して改質原料である水が供給され、
燃料改質装置において、改質反応のＳ／Ｃ比に応じた水
蒸気が含まれる燃料ガスが発生する。また、燃料改質装
置から供給される燃料ガスには、さらにミスト加湿ユニ
ットからミストが添加されて、燃料電池に備えられる電
解質に供給される。

【００３２】この時、負荷変動等、燃料電池の作動状況
と、改質反応のＳ／Ｃ比の変動等、燃料電池の制御特性
に応じて、反応ガスへの総加湿量が所定の値になるよ
う、水供給ユニットに供給される水の量と、ミスト加湿
ユニットから燃料ガスに添加されるミストの量とが制御
装置により制御される。

【００３３】これにより、負荷変動等、燃料電池の作動
状況の変動に加えて、改質反応のＳ／Ｃ比の変動等、燃
料電池の制御特性が変動した場合であっても、反応ガス
を過不足なく加湿することができ、燃料電池の作動安定
性が飛躍的に向上する。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。本発明は、電解質の含
水状態の管理が必要なあらゆる燃料電池が対象となる。
また、用途は、車載動力源、定置型の小型発電器等が具
体例として挙げられるが、これらに限定されるものでは
ない。以下に、車載動力源用の固体高分子型燃料電池に
本発明を適用した例について説明する。

【００３５】図１は、本発明が適用される燃料電池シス
テムの一例を示すシステム構成図である。図１におい
て、燃料電池システム１０は、改質器システム２０と、
固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とい
う）４０と、加湿装置５２、５６とを備えている。

【００３６】改質器システム２０は、燃料となるメタノ
ール改質ガスを燃料電池４０に供給するためのシステム
であり、改質原料蒸発装置２２と、改質熱供給装置３２
ａと、改質反応装置３２と、ＣＯ酸化装置３４とを備え
ている。

【００３７】改質原料蒸発装置２２は、改質ガス原料で
ある水及びメタノールを加熱し、気化させる部分であ
り、その内部には、改質ガス原料に蒸発熱を供給するた
めの蒸発熱供給装置（図示せず）が設けられている。ま
た、改質ガス原料は、水供給装置２４及びメタノール供
給装置２６からそれぞれ供給される水及びメタノールを
改質ガス原料混合装置２８で混合した後、改質原料蒸発
装置２２に供給されるようになっている。

【００３８】さらに、改質原料蒸発装置２２の出口側に
は、改質熱供給装置３２ａが設けられ、改質原料蒸発装
置２２から排出される改質ガス原料の蒸気を数百度まで
加熱できるようになっている。改質ガス原料を数百度ま
で加熱するのは、水蒸気改質反応は、周知のように吸熱
反応であり、改質反応に必要な熱を外部から供給する必
要があるためである。

【００３９】改質反応装置３２は、改質原料蒸発装置２
２及び改質熱供給装置３０を経て供給されるメタノール
蒸気及び水蒸気を触媒存在下で反応させることにより、
水素を主成分とする改質ガスを発生させる部分である。
改質触媒には、一般にＣｕ０−ＺｎＯ系の触媒が用いら
れる。

【００４０】ＣＯ酸化装置３４は、改質反応装置３２で
発生させた改質ガス中に含まれる微量の一酸化炭素を選
択酸化させ、改質ガス中の一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ
以下に低減する部分である。ＣＯ改質装置３４には、空
気供給装置３６が接続され、選択酸化に必要な空気をＣ
Ｏ酸化装置３４に供給するようになっている。

【００４１】また、一酸化炭素の酸化反応は発熱反応で
あるため、ＣＯ酸化装置３４には冷却装置３４ａが設け
られ、ＣＯ酸化装置３４の温度を所定温度に維持するよ
うになっている。

【００４２】燃料電池４０は、固体高分子電解質の両面
にガス拡散電極を接合した電極・電解質接合体４２と、
反応ガスを供給するためのガス流路が設けられた集電体
４４とを備え、電極・電解質接合体４２の両面を集電体
４４で挟持して単電池とし、この単電池を直列に数百セ
ル積層したものである。また、ガス拡散電極には、白金
系の電極触媒が用いられている。

【００４３】燃料電池４０は、加湿装置５２を介して改
質器システム２０に接続されており、一方のガス拡散電
極（以下、これを「燃料極」という）に、改質器システ
ム２０で発生させた改質ガスを供給するようになってい
る。また、燃料極の排気側には、背圧調整弁４６及びバ
ーナが接続されている。

【００４４】さらに、燃料電池４０は、加湿装置５６を
介して空気供給装置４８に接続されており、他方のガス
拡散電極（以下、これを「空気極」という）に空気を供
給するようになっている。また、空気極の排気側には、
背圧調整弁５０及び排気ダクトが接続されている。

【００４５】加湿装置５２、５６は、それぞれ、ミスト
加湿ユニット５３、５７と、加湿ユニット制御装置５
４、５８とを備えている。また、加湿装置５２、５６に
は、図示はしないが、加湿用の水を貯留するための加湿
タンクや、燃料電池の作動状況を検知し、ミスト加湿ユ
ニット５３、５７から反応ガスに添加されるミストの量
を算出するための各種の検出器、制御機器等が設けられ
ている。

【００４６】ミスト加湿ユニット５３、５７には、それ
ぞれミスト発生器（図示せず）が備えられ、燃料電池４
０に供給される改質ガス及び空気に所定量のミストを添
加するようになっている。本実施の形態の場合、ミスト
発生器として、超音波振動子又は噴霧ノズルが用いられ
る。

【００４７】超音波振動子及び噴霧ノズルは、粒径が１
〜３０μｍ程度のミストを容易に発生させることがで
き、ミスト発生のＯＮ／ＯＦＦ制御が容易であり、しか
も、水源を常時高温に維持しておく必要がなく、供給エ
ネルギーを直接加湿に利用可能であるので、ミスト発生
器として特に好適である。

【００４８】また、本実施の形態の場合、燃料極側のミ
スト加湿ユニット５３には、複数個のミスト発生器が設
けられている。車載動力源用の燃料電池システムの場
合、運転中に大きな負荷変動を伴う。しかし、超音波振
動子あるいは噴霧ノズルは、ミストを供給する能力（以
下、これを「作動能力」という）の制御範囲が狭いの
で、単一のミスト発生器では、負荷変動に応じた加湿が
困難になる場合がある。

【００４９】一方、ミスト加湿ユニット５３にミスト発
生器を複数個設けると、大きな負荷変動が生じた場合で
あっても、改質ガスへの加湿量を大幅に、かつ連続的に
変動させることができるので、燃料電池４０を安定して
作動させることができるという利点がある。

【００５０】これに対し、空気極側のミスト加湿ユニッ
ト５７には、十分な作動能力を有する１個のミスト発生
器が設けられている。これは、空気極側には、電極反応
により生成した水と燃料極側からプロトンと共に移動し
た水が存在しているので、通常、空気極側の加湿は不要
であり、負荷変動に応じた厳密な加湿制御を行わなくて
も、燃料電池４０が安定して作動するためである。

【００５１】なお、燃料極側のミスト加湿ユニット５３
に設けられるミスト発生器の個数は、ミスト発生器の作
動能力、燃料電池４０の最大出力等を考慮して決定すれ
ばよい。また、大きな負荷変動を伴わない用途に用いら
れる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側のミス
ト加湿ユニット５３に、十分な作動能力を有する１個の
ミスト発生器を設けるようにしてもよい。さらに、空気
極側のミスト加湿ユニット５７に複数個のミスト発生器
を設け、燃料電池４０の作動状況に応じて、加湿量を細
かく制御するようにしてもよい。

【００５２】加湿ユニット制御装置５４、５８は、ミス
ト加湿ユニット５３、５７を間欠制御するための装置で
あり、各種検出機器を用いて燃料電池の電流量等を検知
し、検知された電流量等を制御パラメータとして、ミス
ト加湿ユニット５３、５７に備えられる各ミスト発生器
の作動数、作動能力、デューティ比を制御するようにな
っている。

【００５３】さらに、水供給装置２４に供給される水の
量と、ミスト加湿ユニット５３から燃料ガスに添加され
るミストの量とをバランスさせるための図示しない制御
装置を介して、水供給装置２４とミスト加湿ユニット５
３とが連結されており、この図示しない制御装置と、ミ
スト加湿ユニット５３を備えた加湿装置５２と、水供給
装置２４により燃料電池システム用水管理装置の主要部
分が構成されている。

【００５４】次に、図１に示す燃料電池システム１０の
動作について説明する。まず、水供給装置２４及びメタ
ノール供給装置２６から供給される水及びメタノールを
改質原料混合装置２８で混合して改質ガス原料とし、こ
れを改質原料蒸発装置２２に供給する。

【００５５】改質原料蒸発装置２２では、図示しない蒸
発熱供給装置を用いて改質ガス原料に蒸発熱を与え、メ
タノール蒸気及び水蒸気の混合ガスを発生させる。発生
した混合ガスは、改質熱供給装置３２ａにより数百度に
加熱され、改質反応装置３２に送られる。改質反応装置
３２では、周知のように、次の化１の式に示す改質反応
が生じて改質ガスが発生する。

【００５６】

【化１】ＣＨ_３ＯＨ＋（Ｓ／Ｃ）Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
_２＋（Ｓ／Ｃ−１）Ｈ_２Ｏ

【００５７】ここで、化１式中の「Ｓ／Ｃ」は、投入燃
料中の炭素モル数に対する投入水蒸気モル数の比、すな
わちＳ／Ｃ比であり、一般に、Ｓ／Ｃ比が大きくなるほ
ど、熱負荷は増加するが、改質ガス中の一酸化炭素濃度
は減少する傾向にある。そのため、通常は、Ｓ／Ｃ比の
大きな条件下で改質反応が行われている。

【００５８】改質反応装置３２で得られた改質ガス中に
は、シフト反応により生成した一酸化炭素が数％含まれ
ているので、次に、ＣＯ酸化装置３４において、改質ガ
ス中の一酸化炭素の選択酸化を行う。

【００５９】一酸化炭素の選択酸化は、空気供給装置３
６から、改質ガス中の一酸化炭素濃度の約２倍の酸素量
に相当する空気を改質ガスに供給し、冷却装置３４ａに
よりＣＯ酸化装置３４の温度を一定に保ちながら、一酸
化炭素を酸化除去することにより行われる。これによ
り、改質ガス中の一酸化炭素濃度が数十ｐｐｍ以下まで
減少する。

【００６０】得られた改質ガスは、次に加湿装置５２の
ミスト加湿ユニット５３に送られる。ミスト加湿ユニッ
ト５３では、図示しない加湿タンクから供給される水が
ミスト発生器によりミスト化され、改質ガス中に添加さ
れる。燃料極側の加湿量の制御は、後述するように、複
数個設けられたミスト発生器の作動数、作動能力、及び
デューティ比を加湿ユニット制御装置５４を用いて間欠
制御することにより行われる。

【００６１】同様に、空気供給装置４８から供給される
空気は、加湿装置５６のミスト加湿ユニット５７送られ
る。ミスト加湿ユニット５７では、図示しない加湿タン
クから供給される水がミスト発生器によりミスト化さ
れ、空気中に添加される。空気極側の加湿量の制御は、
ミスト発生器の作動能力及びデューティ比を加湿ユニッ
ト制御装置５８を用いて間欠制御することにより行われ
る。

【００６２】所定量のミストが添加された改質ガス及び
空気が燃料電池４０に供給されると、燃料極側で発生し
たプロトンが空気極側に移動し、空気極側の酸素と反応
して水が生成する。また、プロトンが空気極側に移動す
ることにより電位差が発生し、発生した電位差は、集電
体４４を介して電気出力として外部に取り出される。

【００６３】さらに、反応ガス中に添加されたミスト
は、直接、あるいは電池内部の熱を吸収して水蒸気とな
り、電極・電解質接合体４２に達する。また、電極・電
解質接合体４２に達した水分は、ガス拡散電極を通って
電解質膜に吸収される。これにより、電解質膜の含水率
が所定の値に維持される。

【００６４】燃料極側から排出されるガスは、背圧調整
弁４６で圧力を下げた後、バーナに送られ、排ガス中に
残留する水素が燃焼除去される。また、空気極側から排
出されるガスは、同じく背圧調整弁５０で圧力を下げた
後、排気ダクトから排出される。そして、燃料電池４０
が停止するまで、以上のようなプロセスが繰り返される
ものである。

【００６５】なお、図１に示す燃料電池システム１０に
おいては、燃料極側の加湿装置５２をＣＯ酸化装置３４
と燃料電池４０の間に設ける構成としているが、燃料極
側の加湿装置５２を改質反応装置３２とＣＯ酸化装置３
４の間に設けるようにしてもよい。

【００６６】燃料極側のミスト加湿ユニット５３を改質
反応装置３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けると、改質
反応装置３２から供給される改質ガスがミスト添加によ
り冷却され、冷却された改質ガスがＣＯ酸化装置３４に
供給される。そのため、冷却装置３４ａの負荷が小さく
なり、エネルギー効率が向上するという利点がある。

【００６７】次に、加湿装置５２、５６の加湿量の制御
方法について説明する。本発明における加湿量の制御
は、基本的には、ミスト加湿ユニット５３、５７に備え
られるミスト発生器のＯＮ／ＯＦＦ動作を所定の周期で
繰り返す間欠制御により行う。

【００６８】また、燃料極側と空気極側では、加湿の目
的が異なることから、燃料極側の加湿量と空気極側の加
湿量とは、個別に制御される。この点、改質ガスへの加
湿量と空気への加湿量を同一とし、改質ガス及び空気へ
の総加湿量のみを制御する従来の加湿装置とは異なるも
のである。

【００６９】初めに、燃料極側の加湿装置５２の制御方
法について説明する。燃料電池４０が作動中は、プロト
ンが燃料極側から空気極側に移動する際、水分子も同時
に空気極側に移動するので、燃料極側は、特に水分量が
不足する傾向にある。燃料極側への加湿は、このプロト
ン移動により不足する水分量の供給を目的とするもので
ある。

【００７０】水分子の移動量は、プロトン移動量、すな
わち電流量に比例するので、加湿量を一定にしたまま燃
料電池４０を高電流密度領域で作動させると、燃料極側
への供給水分量が相対的に不足する。

【００７１】燃料極側への供給水分量が不足すると、電
解質膜中の水分量不足を招き、電解質膜の抵抗増加及び
電圧低下を引き起こす。さらに、水分量が不足した場合
には、電池故障の原因となる。

【００７２】また、燃料電池４０を改質器システム２０
と結合させた燃料電池システム１０においては、通常
は、一酸化炭素濃度の低い改質ガスが安定して得られる
Ｓ／Ｃ比の高い条件下で改質反応が行われている。しか
し、例えば出力増加のために燃料供給量を急激に増加さ
せたい時などの改質過渡反応時には、改質ガス原料中の
水熱容量を小さくするために、意図的にＳ／Ｃ比を下げ
る場合がある。

【００７３】これは、改質過渡反応時に、高Ｓ／Ｃ比に
維持したまま改質反応装置に大量の改質ガス原料を供給
すると、熱量が不足し、改質ガス原料を改質反応に適し
た温度まで加熱することができないためである。

【００７４】しかしながら、改質反応のＳ／Ｃ比を下げ
た場合には、化１の式に示すように、同時に改質ガス中
に含まれる水蒸気量も少なくなる。そのため、電流量の
みでミストによる加湿量を制御すると、燃料極側に供給
される総加湿量が不足し、電圧低下や故障の原因とな
る。

【００７５】従って、燃料極側は、燃料電池４０の作動
状態、特に電流量に応じて加湿量を加減し、ミストを過
不足なく供給することが重要である。また、燃料電池４
０を改質器システム２０と結合させる場合には、電流量
に加え、改質反応のＳ／Ｃ比に応じて、加湿量を調節す
ることが重要である。

【００７６】そこで、本実施の形態では、負荷変動、あ
るいはＳ／Ｃ比の変動に応じて、加湿量を、連続的かつ
大幅に増減できるよう、燃料極側のミスト加湿ユニット
５３には、複数のミスト発生器が備えられている。ま
た、加湿量の制御は、各ミスト発生器の作動数、作動能
力及びデューティ比を制御することにより行う。

【００７７】例えば、ミスト発生器の作動数及び作動能
力を一定に保った状態で、各ミスト発生器のデューティ
比を個別に制御すれば、各ミスト発生器は、作動状態
（ＯＮ）と停止状態（ＯＦＦ）を間欠的に繰り返すだけ
であるが、デューティ比の大きなミスト発生器の数が多
くなるほど加湿量は増大する。従って、デューティ比の
異なるミスト発生器を間欠作動させるだけでも、系全体
の加湿量を連続的に変化させることができる。

【００７８】さらにデューティ比を制御することに加
え、ミスト発生器の作動数及び作動能力を燃料電池の作
動状況に応じて変化させれば、作動能力の制御範囲が小
さいミスト発生器を使用する場合であっても、改質ガス
への加湿量を、連続的かつ大幅に変化させることができ
る。これにより、車載動力源用の燃料電池システムのよ
うに、大幅な負荷変動を伴う場合であっても、燃料電池
システムを安定して作動させることが可能となる。

【００７９】また、本発明に係る燃料電池システム用水
管理装置は、水供給装置２４から改質器システム２０に
供給される水の量とミスト加湿ユニット５３から反応ガ
スに添加されるミストの量をバランスさせる制御装置を
備えている。そのため、改質器システム２０を用いる燃
料電池システム１０においてＳ／Ｃ比が変動した場合で
あっても、各ミスト発生器の作動数、作動能力、デュー
ティ比を個別に制御すれば、Ｓ／Ｃ比の変動に対応して
ミストを過不足なく添加することができ、燃料電池シス
テム１０を安定して作動させることが可能となる。

【００８０】この場合、負荷変動に伴う燃料極側の加湿
量を決定するパラメータとしては、電流量、水素消費
量、水素供給量等を用いることができる。具体的には、
パラメータとして水素消費量を用い、プロトン移動及び
バックリフュージョンを考慮して、水素消費量に比例し
てミストによる加湿量を加減するとよい。

【００８１】また、Ｓ／Ｃ比が変動する場合には、燃料
電池システム用水管理装置に備えられる図示しない制御
装置において、電流量、水素消費量又は水素供給量をパ
ラメータに用いて、改質ガスへの総加湿量を算出し、さ
らに、電流変化速度及び電流量（水素供給量）を用い
て、改質反応による水蒸気量とミストによる加湿量の和
が総加湿量に一致するように、加湿量の分配比率を決定
するとよい。

【００８２】一般的には、電流変化速度が大きくなるほ
どＳ／Ｃ比を小さくし、ミストによる加湿量を増加させ
るとよい。Ｓ／Ｃ比を小さくすると、改質ガス原料の熱
容量が小さくなるので、改質原料蒸発装置２２の温度が
低い場合であっても改質ガス原料の昇温時間を短縮でき
る。そのため、急激な負荷変動があっても、大量の燃料
を迅速に供給でき、燃料電池４０を安定して作動させる
ことができる。

【００８３】また、電流量が多くなるほど、Ｓ／Ｃ比を
小さくし、ミストによる加湿量を増加させるとよい。Ｓ
／Ｃ比を小さくすることにより、改質ガス原料の熱容量
が小さくなるので、熱負荷が同一であっても改質ガス原
料の供給量を増加させることができる。

【００８４】そのため、改質原料蒸発装置２２に備えら
れる蒸発熱供給装置の蒸発能力に制約がある場合であっ
ても、改質反応装置３２に多量の改質ガス原料を供給す
ることができ、燃料電池４０を高電流密度領域で安定し
て作動させることができる。

【００８５】なお、大きな負荷変動を伴わない用途に用
いられる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側の
ミスト加湿ユニット５３の各ミスト発生器を連続作動さ
せると共に、作動数及び／又は作動能力のみを制御する
ことにより、加湿量を増減させるようにしても良い。

【００８６】次に、空気極側の加湿装置５６の制御方法
について説明する。空気極側への加湿は、始動時、乾燥
状態にある電解質膜を速やかに加湿し、プロトンのスム
ーズな移動を補助することを目的とする。これは、燃料
電池４０が停止している場合には、通常、電解質膜は乾
燥状態にあるが、電解質膜が乾燥していると、燃料電池
４０は、安定して始動しないためである。

【００８７】また、安定作動時は、空気極側では電極反
応により水が生成するため、加湿は不要である。むし
ろ、高電流密度状態や供給ガス不足状態において、空気
極側を加湿すると、生成水と供給加湿水及びガスの排出
能力とのバランスによりフラッディングが発生する場合
がある。フラッディングは、流路に発生した液体水によ
りガス閉塞を起こす現象であるが、ガス閉塞は、積層ス
タックの一部に発生するため、局所的に電池出力を低下
させる原因となる。

【００８８】一方、高電流密度状態や供給ガス不足状態
では、内部発熱（発電ロス）により空気極側が乾燥傾向
を示すことがある。この場合に適切な処置を行わない
と、抵抗増加や電圧低下を引き起こし、さらに進むと電
池故障の原因となる。

【００８９】従って、空気極側は、始動時には大量の加
湿水分を供給し、電解質膜の湿潤を短時間で確保するこ
とが重要である。また、フラッディングを抑制するため
には、安定作動時には空気極側の加湿を行わず、空気極
側に存在する水の気化除去を促進することが重要であ
る。さらに、電極乾燥時には、空気極側に適切な加湿補
給を行うことが重要となる。

【００９０】そこで、本実施の形態では、必要な時に十
分な加湿が速やかに行えるよう、空気極側のミスト加湿
ユニット５７には、十分な作動能力を有する１個のミス
ト発生器が備えられている。また、加湿量の制御は、ミ
スト発生器の作動能力及びデューティ比を制御すること
により行う。

【００９１】すなわち、始動時は、電解質膜が乾燥して
いるので、始動と同時にミスト発生器を連続作動、ある
いは高デューティ比、高作動能力で作動させ、電解質膜
に多量の加湿水分を短時間で供給すればよい。これによ
り、始動時における電解質膜の乾燥状態が短時間で解消
され、燃料電池４０の始動性が向上する。

【００９２】また、燃料電池４０の安定作動時には、電
極反応により水が生成しており、加湿は不要であるの
で、ミスト発生器を停止させればよい。また、高電流密
度状態等、空気極側が乾燥傾向にある場合にのみミスト
発生器を作動させ、加湿量の増減は、デューティ比及び
作動能力を調節することにより行えばよい。

【００９３】これにより、安定作動時には、空気極流路
内での水の気化除去が促進され、フラッディングを防止
することができる。また、高電流密度状態や供給ガス不
足状態では、電解質膜の乾燥に起因する電圧低下が抑制
され、燃料電池システムを安定して作動させることが可
能となる。

【００９４】この場合、空気極側の加湿量を決定するパ
ラメータとしては、電解質膜中の含水率を用いるとよ
い。含水率は、電池セル抵抗、作動温度、電流条件等を
用いて算出する。そして、電解質膜中の含水率が、ある
「しきい値」より小さくなった場合にはミスト発生器を
作動させ、含水率が「しきい値」以上である場合にはミ
スト発生器を停止させればよい。また、含水率としきい
値との差が大きくなるほど、デューティ比及び／又は作
動能力を大きくし、単位時間当たりの加湿量を大きくす
ると良い。

【００９５】以上のように、燃料極側の加湿量と空気極
側の加湿量を分離制御すると同時に、ミスト加湿ユニッ
ト５２、５６を間欠作動させれば、燃料電池の始動性、
作動安定性の向上を図ることができる。

【００９６】また、燃料極側及び空気極側ともに、加湿
が必要となったときにのみ、ミスト発生器を作動させれ
ばよいので、ミスト加湿ユニット５３、５７の総作動時
間が短縮され、低消費動力化を図ることが可能となる。

【００９７】さらに、ミスト加湿ユニット５２、５６を
間欠作動させることにより、加湿量を大幅に可変できる
ので、安全率を見込んで加湿量を過剰にする必要がな
い。そのため、加湿水の保水量を最小にすることがで
き、燃料電池システム１０全体を小型化することができ
る。

【００９８】次に、Ｓ／Ｃ比の変動を伴わない場合にお
ける、燃料極側及び空気極側の加湿量の具体的な制御方
法について説明する。図２は、本発明に係る加湿装置５
２、５６を備えた燃料電池システム１０のブロック構成
図である。

【００９９】図２に示す燃料電池システム１０におい
て、燃料極側の加湿装置５２は、ミスト加湿ユニット５
３、加湿ユニット制御装置５４、及び加湿量算出装置６
３を備えている。また、空気極側の加湿装置５６は、ミ
スト加湿ユニット５７、加湿ユニット制御装置５８、抵
抗検出装置７２、電解質膜含水率算出装置７３、及び含
水率判別装置７４を備えている。

【０１００】初めに、燃料極側の加湿量の制御方法につ
いて説明する。図２において、まず車両の加速・減速制
御が行われると、車両制御装置６０から電流制御装置６
１に制御信号が送られる。電流制御装置６１では、制御
信号に基づき、燃料電池４０に出力させる電流量（以
下、これを「指示電流量」という）を算出し、これを水
素供給量算出装置６２及び空気供給量算出装置７０に出
力する。

【０１０１】水素供給量算出装置６２では、指示電流量
を出力するために必要な水素流量（以下、これを「必要
水素流量」という）を算出し、算出された必要水素流量
をそれぞれ加湿量算出装置６３及び水素量制御装置６５
に出力する。

【０１０２】水素量制御装置６５では、必要水素流量に
相当する水素がミスト加湿ユニット５３に供給されるよ
う、水素供給源から供給される燃料ガスの流量を制御す
る。なお、水素供給源としては、図１に示す改質器シス
テム２０の他、水素ボンベ等、他の水素供給源を用いて
もよい。

【０１０３】また、加湿量算出装置６３では、水素供給
量算出装置６２から出力された必要水素流量に基づき、
プロトン移動及びバックリフュージョンを考慮し、水素
消費量に比例した加湿水分量を算出する。算出された加
湿水分量は、加湿装置５２の加湿ユニット制御装置５４
に出力される。なお、水素供給源として改質器システム
２０を用いる場合には、加湿水分量の算出に際し、改質
反応のＳ／Ｃ比を考慮するとよい。

【０１０４】加湿ユニット制御装置５４では、加湿量算
出装置６３で算出された加湿水分量に相当するミストが
燃料ガスに供給されるよう、ミスト加湿ユニット５３に
備えられるミスト発生器の作動数、作動能力及びデュー
ティ比を決定する。

【０１０５】ミスト加湿ユニット５３では、加湿ユニッ
ト制御装置５４で決定された作動数、作動能力及びデュ
ーティ比に従って各ミスト発生器を作動させ、加湿水分
量に相当するミストを水素量制御装置６５から供給され
る燃料ガスに添加する。そして、ミストが添加された燃
料ガスは、燃料電池４０の燃料極側に供給される。

【０１０６】次に、空気極側の加湿量の制御方法につい
て説明する。図２において、車両制御装置６０から電流
制御装置６１に制御信号が送られ、電流制御装置６１に
おいて指示電流量が算出されると、算出された指示電流
量が空気供給量算出装置７０に出力される。

【０１０７】空気供給量算出装置７０では、指示電流量
を出力するために必要な空気流量（以下、これを「必要
空気流量」という）を算出し、算出された必要空気流量
を空気量制御装置７１に出力する。空気量制御装置７１
では、必要空気流量に相当する空気が加湿装置５６のミ
スト加湿ユニット５７に供給されるよう、空気供給源か
ら供給される空気量を制御する。

【０１０８】これとは別に、抵抗検出装置７２では、燃
料電池４０の電池セル抵抗を検出し、検出された電池セ
ル抵抗を電解質膜含水率算出装置７３に出力する。電解
質膜含水率算出装置７３では、検出された電池セル抵抗
の他、燃料電池４０の作動温度、電流条件等を用いて、
電解質膜の含水率を算出する。

【０１０９】含水率判別装置７４では、電解質膜含水率
算出装置７３で算出された含水率と、予め定められた
「しきい値」との大小関係が判別される。含水率がしき
い値より小さいと判断された場合には、電解質膜が乾燥
状態にあることを示しているので、加湿ユニット制御装
置５８に加湿信号ＯＮが出力される。

【０１１０】加湿ユニット制御装置５８に加湿信号ＯＮ
が出力されると、加湿ユニット制御装置５８からミスト
加湿ユニット５７に制御信号が送られ、所定のデューテ
ィ比及び作動能力でミスト加湿ユニット５７が作動す
る。これにより、空気量制御装置７１から供給される空
気に所定量のミストが添加されて、燃料電池４０の空気
極に供給される。

【０１１１】一方、含水率判別装置７４において、電解
質膜含水率算出装置７３で算出された含水率がしきい値
以上であると判断された場合には、電解質膜が湿潤状態
にあることを示しているので、加湿ユニット制御装置５
８に加湿信号ＯＦＦが出力される。

【０１１２】加湿ユニット制御装置５８に加湿信号ＯＦ
Ｆが出力されると、加湿ユニット制御装置５８からミス
ト加湿ユニット５７に制御信号が送られ、ミスト加湿ユ
ニット５７が停止する。これにより、空気量制御装置７
１から供給される空気にミストを添加することなく、そ
のまま燃料電池４０の空気極に供給される。

【０１１３】ミスト加湿ユニット５３及び５７により、
加湿量が個別に制御された燃料ガス及び空気が燃料電池
４０に供給されると、燃料電池４０において電極反応が
進行し、燃料電池４０の作動電流、作動電圧が変化す
る。

【０１１４】この作動電流及び作動電圧を電流制御装置
６１により検出し、作動電流と車両制御装置６０から送
られる指示電流量とを対比する。そして、作動電流と指
示電流量が一致するまで上述した制御が繰り返される。

【０１１５】以上のように、ミスト加湿ユニット５３、
５７を間欠作動させる方法によれば、大幅な負荷変動が
生ずる場合であっても、燃料極側及び空気極側を過不足
なく加湿することができ、燃料電池４０を安定して作動
させることが可能となる。また、フィードバック制御だ
けでなく、フィードフォワード制御も有効となる。例え
ば、急激な負荷増に対し、予め高加湿状態を作っておけ
るからである。

【０１１６】次に、水素供給源として改質器システム２
０を用い、Ｓ／Ｃ比が変動する場合における、燃料極側
の加湿量の具体的な制御方法について説明する。図３
は、本発明に係る燃料電池システム用水管理装置５５を
備えた燃料電池システム１０のブロック構成図である。

【０１１７】図３に示す燃料電池システム１０におい
て、燃料電池システム用水管理装置５５は、燃料極側の
加湿装置５２と、空気極側の加湿装置５６（図３には図
示せず）と、水供給ユニット６９と、加湿装置５２から
反応ガスに添加されるミストの量と、水供給ユニット６
９から改質器システム２０に供給される水の量とをバラ
ンスさせるためのシステム水管理装置（制御装置）６６
とを備えている。

【０１１８】さらに、水供給ユニット６９は、Ｓ／Ｃ算
出装置６７、水流量算出装置２４ａ、及び水供給装置２
４を備えている。また、燃料極側の加湿装置５２は、図
２と同様、ミスト加湿ユニット５３、加湿ユニット制御
装置５４、及び加湿量算出装置６３とを備えている。な
お、空気極側の加湿装置は、図示はしないが、図２に示
す加湿装置５６と同様の構成を有するものである。

【０１１９】図３において、まず車両の加速・減速制御
が行われると、図示しない車両制御装置から電流制御装
置６１に制御信号が送られる。電流制御装置６１では、
制御信号をそれぞれ、電流変化速度制御装置６１ａ及び
電流量制御装置６１ｂに出力する。

【０１２０】電流変化速度制御装置６１ａでは、電流変
化速度を算出し、算出された電流変化速度を、それぞれ
システム水管理装置６６及びシステム熱管理装置６８に
出力する。また、電流量制御装置６１ａでは、燃料電池
４０に出力させる指示電流量を算出し、算出された指示
電流量を、水素供給量算出装置６２に出力する。

【０１２１】水素供給量算出装置６２では、指示電流量
を出力するために必要な必要水素流量を算出し、算出さ
れた必要水素流量をそれぞれ水素量制御装置６５及びシ
ステム水管理装置６６に出力する。

【０１２２】水素量制御装置６５に出力された必要水素
流量は、メタノール流量算出装置２６ａに送られ、メタ
ノール流量算出装置２６ａでは、必要水素流量が得られ
るメタノール流量を算出する。そして、算出されたメタ
ノール流量に基づき、メタノール供給装置２６が制御さ
れ、所定量のメタノールが改質原料混合装置２８に供給
される。また、算出されたメタノール流量は、水流量算
出装置２４ａに出力される。

【０１２３】これとは別に、システム水管理装置６６で
は、水素供給量算出装置６２から出力される必要水素流
量に基づき、燃料ガスへの総加湿量を算出する。また、
必要水素流量、及び電流変化速度制御装置６１ａから出
力される電流変化速度に基づき、総加湿量を、改質反応
時に改質ガス原料に添加する水供給量（以下、これを
「水蒸気改質添加水分量」という）と、ミスト加湿によ
る水供給量に分配する。分配された水蒸気改質添加水分
量とミスト加湿による水供給量は、それぞれＳ／Ｃ算出
装置６７及び加湿量算出装置６３に出力される。

【０１２４】Ｓ／Ｃ算出装置６７では、システム水管理
装置６６で分配された水蒸気改質添加水分量を用いて、
改質反応のＳ／Ｃ比を算出する。算出されたＳ／Ｃ比
は、水流量算出装置２４ａに出力される。

【０１２５】水流量算出装置２４ａでは、Ｓ／Ｃ算出装
置６７で算出されたＳ／Ｃ比と、メタノール流量算出装
置２６ａで算出されたメタノール流量に基づき、改質反
応に必要な供給水流量を算出する。そして、算出された
供給水流量に基づき、水供給装置２４が制御され、所定
量の水が改質原料混合装置２８に供給される。

【０１２６】改質原料混合装置２８では、水供給装置２
４及びメタノール供給装置２６からそれぞれ供給される
水及びメタノールが十分に混合される。この時、改質原
料混合装置２８に供給される改質ガス原料の流量が、改
質原料流量検出装置２８ａにより検出され、検出された
流量がシステム熱管理装置６８に出力される。

【０１２７】システム熱管理装置６８では、電流変化速
度制御装置６１ａで算出された電流変化速度と、改質原
料流量検出装置２８ａで検出された改質ガス原料の流量
に基づき、改質ガス原料の熱容量と、装置調節用熱量と
を算出する。装置調節用熱量とは、改質原料蒸発装置２
２の温度及び改質反応装置３２の温度を、それぞれ改質
ガス原料の蒸発温度及び改質反応温度に維持するために
必要な熱量をいう。また、算出された改質ガス原料の熱
容量及び装置調節用熱量は、それぞれ蒸発熱算出装置２
２ｃ及び改質熱算出装置３２ｃに出力される。

【０１２８】蒸発熱算出装置２２ｃでは、改質ガス原料
の熱容量と、装置調節用熱量を用いて、改質原料蒸発装
置２２に供給する熱量（以下、これを「蒸発装置熱量」
という）を算出する。そして、算出された蒸発装置熱量
が改質原料蒸発装置２２に与えられるように、蒸発熱制
御装置２２ｂにより蒸発熱供給装置２２ａが制御され
る。

【０１２９】例えば、始動時など、改質原料蒸発装置２
２の温度が、改質ガス原料の蒸発温度より低い場合に
は、改質ガス原料の熱容量から算出される改質ガス原料
の潜熱＋顕熱、もしくは蒸発熱＋昇温熱に装置調節用熱
量を加えた熱量が、蒸発装置熱量となる。

【０１３０】また、逆に改質原料蒸発装置２２の温度
が、改質ガス原料の蒸発温度より高い場合には、蒸発装
置熱量は、装置調節用熱量分、小さくなる。

【０１３１】そして、改質原料蒸発装置２２において、
改質原料混合装置２８から供給される十分に混合された
改質ガス原料が、蒸発熱供給装置２２ａから供給される
蒸発装置熱量相当の熱入力により気化され、メタノール
蒸気及び水蒸気の混合ガスとなる。得られた混合ガス
は、改質反応装置３２に供給される。

【０１３２】また、改質熱算出装置３２ｃでは、システ
ム熱管理装置６８で算出された改質ガス原料の熱容量及
び装置調節用熱量を用いて、改質反応装置３２に供給す
る熱量（以下、これを「改質装置熱量」という）を算出
する。そして、算出された改質装置熱量が改質反応装置
３２に与えられるように、改質熱制御装置３２ｂにより
改質熱供給装置３２ａが制御される。

【０１３３】例えば、始動時など、改質反応装置３２の
温度が、改質反応温度より低い場合には、改質ガス原料
のモル流量から算出される水蒸気改質反応に必要な熱量
（以下、これを「水蒸気改質反応熱」という）に装置調
節用熱量を加えた熱量が、改質装置熱量となる。

【０１３４】また、逆に改質反応装置３２の温度が、改
質反応温度より高い場合には、改質装置熱量は、装置調
節用熱量分、小さくなる。

【０１３５】そして、改質反応装置３２において、改質
原料蒸発装置２２から供給されるメタノール蒸気及び水
蒸気の混合ガスに、改質熱供給装置３２ａから改質装置
熱量に相当する熱量が与えられ、化１の式に示す水蒸気
改質反応により、水素を主成分とする改質ガスとなる。
得られた改質ガスは、ＣＯ酸化装置３４に供給される。

【０１３６】ＣＯ酸化装置３４では、改質反応装置３２
から供給される改質ガス中に、図示しない空気供給装置
から少量の空気を導入し、改質ガス中に含まれる一酸化
炭素の選択酸化が行われる。これにより、改質ガス中の
一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ以下まで低減することがで
きる。得られた、低ＣＯ濃度の改質ガスは、加湿装置５
２のミスト加湿ユニット５３に送られる。

【０１３７】一方、加湿量算出装置６３では、システム
水管理装置６６で分配されたミスト加湿による水供給量
に基づき、ミストによる加湿水分量が算出される。算出
された加湿水分量は、加湿装置５２の加湿ユニット制御
装置５４に出力される。

【０１３８】加湿ユニット制御装置５４では、加湿量算
出装置６３で算出された加湿水分量に相当するミストが
燃料ガスに供給されるよう、ミスト加湿ユニット５３に
備えられる各ミスト発生器の作動数、作動能力及びデュ
ーティ比を決定する。

【０１３９】ミスト加湿ユニット５３では、加湿ユニッ
ト制御装置５４で決定された作動数、作動能力及びデュ
ーティー比に従って各ミスト発生器を作動させ、加湿水
分量に相当するミストを、ＣＯ酸化装置３４から供給さ
れる燃料ガスに添加する。そして、ミストが添加された
燃料ガスが燃料電池４０の燃料極側に供給される。

【０１４０】なお、空気極側の加湿量の制御は、図２と
同様の手順に従って行えばよいので、詳細な説明は省略
する。

【０１４１】Ｓ／Ｃ比の変動に応じて加湿水分量が調節
された燃料ガス、及び燃料極側とは独立に加湿量が制御
された空気が燃料電池４０に供給されると、燃料電池４
０において電極反応が進行し、燃料電池４０の作動電
流、作動電圧が変化する。

【０１４２】この作動電流及び作動電圧を電流制御装置
６１により検出し、作動電流と電流制御装置６１ａから
送られる指示電流量とを対比する。そして、作動電流と
指示電流量が一致するまで上述した制御が繰り返され
る。なお、上述のようなフィードバック制御に代えて、
フィードフォワード制御を行っても良い点は、図２の場
合と同様である。

【０１４３】以上のように、電流量及び電流変化速度に
応じてＳ／Ｃ比を変動させ、Ｓ／Ｃ比の変動に応じて燃
料極側のミスト加湿量を制御する方法によれば、急激な
負荷変動が生じた場合であっても、燃料極側及び空気極
側を過不足なく加湿することができ、燃料電池４０を安
定して作動させることが可能となる。

【０１４４】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。

【０１４５】例えば、上記実施の形態では、車載動力源
用の燃料電池システムにおけるミスト加湿量の制御方法
について詳細に説明したが、他の用途、例えば定置型の
小型発電器等におけるミスト加湿量の制御も同様であ
り、負荷変動あるいはＳ／Ｃ比の変動に応じて、燃料極
側及び空気極側の加湿量を個別に間欠制御すれば、反応
ガスを過不足なく加湿することができ、燃料電池システ
ムを安定して作動させることが可能となる。

【０１４６】また、上記実施の形態では、固体高分子型
燃料電池を用いた燃料電池システムについて説明した
が、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等、電解質
の水管理が必要な他の燃料電池の加湿量を制御する場合
も同様であり、その燃料電池の加湿量制御に最適な制御
パラメータを用いて、燃料極側及び空気極側の加湿量を
個別に間欠制御すれば、反応ガスを過不足なく加湿する
ことができ、燃料電池システムを安定して作動させるこ
とが可能となる。

【０１４７】さらに、上記実施の形態では、加湿装置を
燃料電池の外部に設ける構成としているが、加湿装置の
一部、例えばミスト加湿ユニットを、燃料電池内部ある
いはＣＯ酸化装置内部に組み込むようにしても良く、こ
れにより上記実施の形態と同様の効果を得ることができ
る。

【０１４８】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃
料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミス
トを添加するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の作
動状況に基づき、該ミスト加湿ユニットを間欠作動させ
る加湿ユニット制御装置とを備えているので、エネルギ
ーロスが少なく、応答性に優れ、始動性も向上するとい
う効果がある。

【０１４９】また、燃料電池の作動状況に応じてミスト
加湿ユニットを間欠制御するので、大幅な負荷変動が生
じた場合であっても、反応ガスを過不足なく加湿するこ
とができるという効果がある。

【０１５０】さらに、本発明に係る燃料電池システム用
水管理装置は、水供給ユニットから改質器システムに供
給される水の量とミスト加湿ユニットから反応ガスに添
加されるミストの量をバランスさせる制御装置を備えて
おり、Ｓ／Ｃ比の変動に応じてミスト加湿ユニットから
添加されるミストの量が制御されるので、燃料供給シス
テムとしてメタノールの水蒸気改質システムを用いる燃
料電池に本発明を適用した場合には、改質反応のＳ／Ｃ
比が急激に変動した場合であっても、過不足なく燃料ガ
スへの加湿を行うことができるという効果がある。

【０１５１】以上のように、本発明に係る燃料電池用加
湿装置及び燃料電池システム用水管理装置によれば、エ
ネルギー効率、始動性、応答性を損なうことなく、燃料
電池システムの作動安定性を飛躍的に向上させることが
可能となるので、これを例えば車載動力源用の燃料電池
システムに応用すれば、自動車の操作性や燃費の向上等
に寄与するものであり、産業上その効果の極めて大きい
発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される燃料電池システムのシステ
ム構成図である。

【図２】本発明に係る加湿装置を備えた燃料電池システ
ムのブロック構成図である。

【図３】本発明に係る燃料電池システム水管理装置を備
えた燃料電池システムのブロック構成図である。

【符号の説明】

１０ 燃料電池システム ２０ 改質器システム ４０ 固体高分子型燃料電池（燃料
電池） ５２、５６ 加湿装置 ５３、５７ ミスト加湿ユニット ５４、５８ 加湿ユニット制御装置 ５５ 燃料電池システム用水管理装
置 ６６ システム水管理装置（制御装
置） ６９ 水供給ユニット

フロントページの続き (72)発明者 若杉 知寿 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 朝岡 賢彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 廣嶋 一崇 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大矢 豊 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 山田 勝仁 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16 CC06 KK25 KK56 MM04 MM09 MM12

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池に備えられる電解質に供給され
   る反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、 前記燃料電池の作動状況に応じて、前記ミスト加湿ユニ
   ットを間欠作動させる加湿ユニット制御装置とを備えて
   いることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 【請求項２】 燃料電池に備えられる電解質に供給され
   る反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、 反応ガスを生成する燃料改質装置へ改質原料としての水
   を供給する水供給ユニットと、 前記燃料電池の作動状況及び制御特性に応じて、前記ミ
   スト加湿ユニットを介して反応ガスに添加されるミスト
   の量及び前記水供給ユニットを介して前記燃料改質装置
   に供給される水の量をバランスさせる制御装置とを備え
   ていることを特徴とする燃料電池システム用水管理装
   置。