JP2007220637A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給ガスと余剰ガス混合時の結露の低減・防止すること、燃料電池を冷却するための冷却水を不要とすること、排熱を利用して燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）を加熱・加湿することで、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減が可能な燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】供給ガスを用いて発電し、余剰のガスは外部へ排出される燃料電池発電装置において、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスを加熱して燃料電池の電極部へ供給すると共に、燃料電池から排出された余剰ガスを供給ガスと混合して再使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子形燃料電池の排熱・排気ガスを利用し、供給ガスの加熱・加湿と補器類の削減と消費エネルギーの低減を図った燃料電池発電装置に関するものである。

従来、効率的なエネルギー利用の視点から、水素と酸素（空気）の反応により水と電気が発生することを利用した燃料電池が注目されている。その中でも特に作動温度が７０〜８０℃程度で小型軽量化が可能である固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称する）に注目が集まっている。しかし、ＰＥＦＣ等の燃料電池のみで発電させようとした場合、燃料電池は外部負荷の出力変動に対して出力応答が悪いため、例えば無停電電源装置のような瞬時に電力の供給を要するものへの導入は困難であった。

しかし近年、バックアップ電源の分野でＰＥＦＣ等の燃料電池を採用する動きがある。長年、バックアップ電源の分野では鉛蓄電池が用いられてきたが、重くスペースをとるという欠点があった。また、長時間電力を供給するためには蓄電池の数を増やさなければならず、設備の大型化を招いていた。一方、ＰＥＦＣ等の燃料電池は燃料（水素ガスや酸素ガス）さえ供給し続ければ、継続的に発電することができるため、長時間の電力供給を行なう場合でも設備の大型化が抑えることが可能である。

バックアップ電源用としてＰＥＦＣ等の燃料電池を用いる場合、以下のような欠点が挙げられる。
（１）発電効率の低さ（排熱を用いて水を温め給湯などに利用すれば総合効率は高くなるが、バックアップ電源ではお湯は不要）
（２）コストが高い
（３）補器類のメンテナンスが煩雑
（４）補器類を運転するためにエネルギーが必要
上記するように、ＰＥＦＣ等の燃料電池では現状のバックアップ電源としては使い難い面がある。また、バックアップ電源への利用以外の場合においても上記問題は回避することができない。そこで、燃料電池に供給される燃料（水素）ガスおよび酸化剤（酸素又は空気）ガスの消費量を低減すること、並びに、水素の利用率を高めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを循環させ、外部より新たに供給される燃料ガスと混合させて、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式の燃料電池システムやガス通路内の結露防止などを行う方法などが各種提案されている。

例えば、燃料電池とガス加湿装置とによって構成される燃料電池システムにおいて、該ガス加湿装置のガス加湿器は、燃焼器からの燃焼ガスによって燃料ガスや酸化剤ガスを加熱し、第１加湿器では、酸素極排ガス中に水蒸気が水蒸気透過膜を透過して酸化剤ガスに付与され、第２加湿器へは、加熱後の燃料ガスが導入され、第２加湿器では水素ガス排ガス中の蒸気が水蒸気透過膜を透過して燃料ガスに付与され、燃料電池へは第１加湿器で加湿された酸化剤ガス、および第２加湿器で加湿された燃料ガスを供給すること（特許文献１）や、燃料電池システムの水素ガス供給系には、燃料電池本体から排出された排出ガスを、新たに供給される水素ガスと合流・混合させて、燃料電池本体に再循環させる水素循環ラインが設けられており、燃料電池本体の燃料極入口と合流点との間に加湿器が配置され、合流点と加湿器との間に、合流点で混合された後の燃料ガス中の水分を回収する水分回収手段を設けること（特許文献２）、などが行われている。

特開２００３−１７０９７号公報 特開２００２−２４６０５９号公報

特許文献１記載の方法は、燃料電池からの排気ガスを用いて供給ガスを加湿する加湿装置に水蒸気透過膜を用いている。この場合、この膜の表面に結露が生じ、水蒸気の透過が阻害されることがあり、水蒸気透過膜の透過性を維持する必要がでてくる。そこで、供給ガスを加熱し供給ガス加湿部における電池排気ガスと供給ガスの温度差を少なくし、電池排ガスが冷却され結露が発生するのを防止するものである。
特許文献２に記載の方法は、再循環水素ガスの水分除去を行い、その後再循環水素ガスと新たに供給された水素ガスを混合し、この混合ガスの水分除去（気液分離方式）も行なうものである。また、燃料電池への供給前の加圧空気の温度は、供給前の混合水素より高く、加圧空気の熱を利用し、混合水素を加温するのである。そして、供給ガスを加熱することで排気ガスと供給ガスの温度差を少なくし、結露を防止し、供給ガスを加熱し排気ガスの水分のみを供給ガスに加湿するものである。

しかしながら、夫々特許文献に記載の方法は、水蒸気透過膜の結露防止や供給ガスと余剰ガスとを混合後に結露対策をすると共に、余剰ガスの再使用を行うものであり、燃料電池を冷却するための冷却水を不要とすることや、補器類（ヒータや加湿器）の消費電力を小さくするなどについては行われていなかった。

このような背景の下、燃料電池を冷却するための冷却水を不要とすること、排熱を利用して供給ガスである燃料ガス（水素ガス）や酸化剤ガス（空気）を加熱・加湿することで、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減すること、更には、供給ガスと余剰ガス混合時の結露の低減・防止することが可能な燃料電池発電装置を提供することが望まれている。

本発明は、水素ガスや酸素ガス等の供給ガスを用いて発電し、余剰のガスは外部へ排出される燃料電池発電装置において、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスを加熱して燃料電池の電極部へ供給することを特徴とするものである。

また、供給ガスと燃料電池から排出された高温の余剰のガスとを混合して再使用する際に、供給ガスを加熱することを特徴とするものである。

従来、ＰＥＦＣの電解質中を水素イオンが移動するには水分が必要であり、この水分が不足するとイオンの移動がうまく行われないため、濃度分極が増加する。また、ＰＥＦＣに低温の水素ガスや酸素ガスを供給すると、該ＰＥＦＣ内部の触媒（白金等）が冷やされ触媒の活性が低下する。逆に、内部温度が高くなりすぎると、燃料電池の性能が低下し短寿命となる。また、ＰＥＦＣに供給する水素ガスや酸素ガスは加湿・加温され、ＰＥＦＣ内の熱は水を循環させることで冷却される。そして、水素ガスや酸素ガスの加湿・加温や冷却水の循環のためにポンプ・加湿器などの補器類が必要となり、これらの電力はＰＥＦＣ自身の発電電力により賄われる。これにより、補器類のコスト、消費電力、メンテナンスの手間などが発生していた。

燃料電池を運転する場合、燃料電池の内部温度を適温に保つ必要がある。温度が低すぎると触媒活性が低くなり、高すぎると燃料電池の劣化・性能低下が進む。実際に燃料電池を運転すると、酸化・還元反応や濃度分極などにより熱が発生するため、冷却を行なう必要がある。
請求項１の発明によれば、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスの加熱を行うものである。電極で発生した熱はセパレータなどに拡散するが、セパレータ内のガス供給経路にＰＥＦＣ本体よりも低温〜中温の燃料ガスと酸化剤ガス等の供給ガスを流ことで、供給ガス中にセパレータの熱を拡散させ、ガスを加熱する。流路が立体的であるため、供給ガスとセパレータの接触面積が大きくなり、熱交換に適した構造になっている。また、セパレータ内の流路周辺が冷却されるので、発生した熱がこの部位に拡散し、燃料電池を冷却することができる。このようにセパレータを介した供給ガスの加熱と燃料電池の冷却を行なう。従来のように供給経路が短い場合、燃料ガスと酸化剤ガスが低温であってもＰＥＦＣ本体を冷却する効果はあまり得られない。
ここで、本発明における供給経路を立体的に形成するとは、従来の平面で形成された供給経路に奥行き（ｚ軸）を持たせ供給経路を３次元的に長く形成することであり、供給経路をジグザグや格子状にすることで長く形成するものである。

ＰＥＦＣ本体を本発明のような構造とすることで、従来のようにＰＥＦＣ本体の冷却に冷却水を用いる必要が無くなり、補器類（ポンプや冷却水等）を削減することができるので、補器類のコスト・消費電力・メンテナンスの手間を省くことが可能である。また、水素ガスと空気を加熱するためのヒータ等の消費電力を削減することができ、補器類を小型化することが可能である。
なお、本発明において高温とは７０℃以上、中温とは５０℃以上７０℃未満、低温とは５０℃未満の範囲である。
なお、従来のように供給経路が立体的でない（平面・短い）場合、燃料ガスと酸化剤ガスが低温であってもＰＥＦＣ本体を冷却する効果はあまり得られない。

請求項２の発明によれば、供給ガスと燃料電池から排出された高温の余剰ガスとを混合して再使用する際に、湿度が高い余剰ガスが低温の供給ガスによって冷やされ、結露が発生（温度差により）することがある。そして、結露によって発生した結露水が燃料電池内に流れ込み目詰まりを起しガスの拡散を妨害するため、出力が低下する可能性があった。そこで、低温の供給ガスを事前に加熱することで、供給ガスと余剰ガスの温度差を少なくできるので、混合ガスの結露を低減・防止することが可能である。

本発明によれば、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、冷却水の循環を行わずにＰＥＦＣ本体の冷却を行うことが可能であり、同時に供給ガスの加熱を行うことが可能であり、エネルギーの有効利用と補器類の削減と消費エネルギーの低減が可能となる。
また、供給ガスと余剰ガスを混合する際に２つのガスの温度差から結露が発生することがあったが、供給ガスを加熱することでこれを防止することができる。

本発明の実施形態を、図１〜６を用いて説明する。なお、同一構成部品には同一番号を付記してある。

図１に本発明におけるＰＥＦＣの単一セル構造を示す。図１に示す通り、ＰＥＦＣ５の単一セルは膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）５１を燃料極側のセパレータ５２と空気極側のセパレータ５３とで狭持する構造となっている。ＭＥＡ５１は、イオン交換膜５１１と、その両側に相対向して設置された触媒層５１２および拡散層５１３から構成されている（触媒層５２１と拡散層５１３を合わせて電極と呼ぶ）。夫々の方形のセパレータ５２、５３は中空の供給経路５２３と５３３を多数有し、その供給経路５２３、５３３を介して破線矢示の如く夫々燃料ガス（以下、水素ガスとする）および酸化剤ガス（以下、空気とする）を供給することにより、燃料極の触媒層５１２上で水素ガスが水素イオンと電子に分かれる。そして、水素イオンはイオン交換膜５１１中のクラスターを水と一体となって移動し、電子は外部回路（図示せず）を介して空気極へ移動し、空気極では酸素、電子および水素イオンが反応して水が生成される。そしてそれぞれ燃料極と空気極で発生する起電力差により電力を得るものである。

該セパレータの溝の向きは燃料極と空気極とで互いに直交する向きになる様に配置されており、このような構造とすることで電極面積を広くすることが可能である。
そして、図１に示すように夫々のセパレータ５２、５３は内部にガスの供給経路をジグザグに折り返すように立体的に構成（破線の矢印）している。図１に示す立体構造は、鋳型により夫々の供給経路が等間隔となる様に一体に構成されたものであり、供給経路以外のセパレータ部分は熱伝導がしやすい物質（金属又は炭素材）で構成されている。そして、夫々形成されたセパレータの供給経路の水素入口５２１より水素ガスが供給され、水素出口５２２より排出される。同様構成された空気極側も、供給経路の空気入口５３１から供給ガス（空気）供給され、空気出口５３２より排出される。ＰＥＦＣ５本体よりも夫々の供給ガスの温度が低く、ＰＥＦＣ本体と供給ガスとの温度差が少なくとも１０℃以上生じるため（ＰＥＦＣ本体の温度のほうが高い）、夫々の供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、ＰＥＦＣ５本体の冷却が可能となっている。また、供給ガスによってＰＥＦＣ５本体を冷却すると同時に、水素流路５２３および空気流路５３３を通過中にＰＥＦＣ本体の熱により供給ガスを加熱することが可能である。
このように、ガスの供給経路を立体的にすることで、冷却水の循環を行わずにＰＥＦＣ本体の冷却を行うことが可能となり、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減が可能となる。

その後、供給ガス（水素ガス）は燃料極で酸化反応を起こし、水素イオンは水素ガス中の水分とともにイオン交換膜を移動し、空気極に至る。一方、供給ガス（空気）は空気流路５３３を通過中にＰＥＦＣを冷却すると同時に加熱される。その後、空気極で還元反応を起こす。また、空気は乾燥しているため、燃料極より移動してきた水分を蒸発させ、このとき発生する蒸発潜熱でさらにＰＥＦＣ本体の冷却を行なうことができる。
なお、蒸発潜熱とは、水が蒸発する時に熱を奪う現象である。一般的には、夫々の供給ガスを加湿するが、空気が高湿になっていると水分が蒸発しにくいので、蒸発潜熱による冷却効果が薄くなる。よって、水素ガスのみ加湿することが好ましい。燃料極から空気極へ移動する水分と、空気極で生成される水分を乾燥した空気で蒸発させ、蒸発潜熱によりセルまたはスタックの冷却が可能となっている。
なお、本実施例では単一セル構造について説明したが、単一セルでは単セルの電圧は低いため、単セルを複数個直列に積層することで所望の電圧に調整し高出力のＰＥＦＣ５を構成することが通常行われている。

図２は、本発明のセパレータの概略図を示したものである。図２に示される構造は並列型と呼ばれ、平面構造（ａ）、立体構造（ｂ）をそれぞれ示したものである。平面構造（ａ）は供給ガス入口５２１（５３１）より水素ガスまたは空気が供給され、供給ガスは流路内に均一に行き渡り電極の上に供給され余剰ガスは排出５２２（５３２）される。一方、立体構造（ｂ）は、平面構造をｚ軸方向に重ねるように流路を形成するものであり、例えば３層構造とすると、１層目の出口と２層目の入口および２層目の出口と３層目の入口の部分を接合することで、立体構造のセパレータを形成することが可能である。

図３は、本発明のその他のセパレータの平面構造の概略図を示したものである。（ａ）は蛇状型、（ｂ）は並列蛇状型、（ｃ）はグリット型である。これらは、（ａ）〜（ｃ）に示される平面構造を図２（ｂ）と同様にｚ軸方向に流路を重ねるように構成することで立体構造とするものである。
なお、立体構造はここに示されるものに限定されるものではなく、供給経路に奥行き（ｚ軸）を持たせ長く形成させたものなら何でも良い。

図４は、本発明の第１の実施形態を示すＰＥＦＣ発電装置の概略図である。１は水素ボンベ、４は加湿器、５は燃料電池本体、６ｂは温湿度センサ、６１は温湿度センサ６ｂで測定された温湿度制御装置、７はブロワ、８は冷却器、９１は回収水タンク、９２は補給水、９３は回収水ポンプである。

まず、ＰＥＦＣ５の燃料極に供給される供給ガス（水素ガス）の経路について説明する。水素ボンベ１に貯えられた供給ガスは、配管Ｈを通り加湿器４により所望の湿度に加湿され、ＰＥＦＣ５本体の燃料極の水素入口に供給される。ＰＥＦＣ５に供給される供給ガスは、燃料極と空気極での化学反応に使用され、化学反応に使用しきれなかった余剰ガスは燃料極の水素出口から排出される。
なお、水素極中で発生した水素イオンはイオン交換膜中のクラスターを水と一体となって空気極へ移動し、空気極の酸素と反応して水が生成されが、水の逆拡散により燃料極中にも多少の水が流入する。これにより、水素ガスはＰＥＦＣ５内で反応後、若干の水分を有することとなる。

次に、ＰＥＦＣ５の空気極に供給される供給ガス（空気）の経路について説明する。酸化剤として、酸素または空気が用いられており、空気はメンテナンスを必要としないため一般的に用いられている。本発明の実施の形態では酸化剤として空気を用い、外気（空気）はブロワ７を用いて取り込んでいる。ブロワ７によって取り込まれた空気は、加圧・圧縮され、ＰＥＦＣ５の空気極の空気入口に供給される。ＰＥＦＣ５に供給される空気は、燃料極と空気極での化学反応に使用され、化学反応に使用しきれなかった余剰ガス（以下、余剰空気と呼ぶ）は空気極の空気出口から排出される。このとき、空気出口から排出された余剰空気は多量の水分を含んでおり、発生した水分が回収水タンク９１に保存される。この回収水は回収水ポンプ９３から加湿器４へ送られ、供給ガスの加湿に利用される。
なお、水分とならなかった回収水タンク９１中の余剰空気は、排気バルブ３１を介して大気に放出される。
また、余剰空気は高温で多量の水分を含んでいるので水分を回収することは可能であるが、冷却器８を用いて冷却する（余剰空気を急冷する）ことでより多くの水分を回収することが可能である。

ここで、ＰＥＦＣ５の冷却方法と供給ガスの加熱方法について説明する。ＰＥＦＣ５本体に供給される供給ガスは常温であり、ＰＥＦＣ５本体の温度に比し低温となっている。従来、供給ガスの供給経路（セパレータ）はジグザグ構造となっていない。本発明では供給経路を燃料電池内部においてジクザグ構造とし、供給経路を立体的に形成することで、ＰＥＦＣ５本体の冷却が可能となっている。これは、ＰＥＦＣ５本体の温度に比し供給ガスおよび空気の温度が低温であるのでＰＥＦＣ５本体の冷却が可能となっている。
同時に、低温であった供給ガスは、ＰＥＦＣ５本体から発生する熱（ＰＥＦＣ本体は約７０〜８０℃である）によって常温であったものが約７０〜８０℃程度まで加熱され、夫々の電極部に到達する。供給ガスを加熱するのは、ＰＥＦＣ５の動作温度が約７０〜８０℃であり、供給ガスを低温とすると動作が困難となるため、これ相応の温度を有する供給ガスを提供することでＰＥＦＣ５を動作（低温でも動作可能であるが出力が低下する）させるためである。
よって、ガスの供給経路を立体的にすることで、冷却水の循環を行わずにＰＥＦＣ本体の冷却を行うことが可能となり、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減が可能となる。

ＰＥＦＣ５はイオン交換膜内において、イオンの流れによって燃料極から水の持ち去り（電気浸透現象）が起こる。これにより、イオン交換膜の乾燥が起こり、ひいては電気抵抗の増大によって出力が低下する。そこで、イオン交換膜中の水分の管理をするために、外部から水を送る（水素ガスに水を含ませる）方法、ＰＥＦＣ５内で生成する水を利用する方法、電池内部を多湿に保って管理する方法が挙げられる。本実施形態では、上記方法のうち外部から水を送る方法を用い、加湿器４を使用することにより供給ガスに水分を含有させた。加湿方法としては、必要量の水を必要なだけ霧化することができる微粒化法を採用した。

本実施形態の加湿器４の湿度の制御方法について説明する。ＰＥＦＣ５の空気極から排出された余剰空気は多量の水分を含んでおり、温湿度センサ６ｂ（空気極側）によって余剰空気の湿度が計測される。温湿度センサ６ｂによって計測されたデータは温湿度制御装置６１に信号処理され送られる。そして、温湿度制御装置６１より加湿器４に信号が送られ、基準値よりも低い場合は、回収水ポンプ９３から供給される水のノズルからの噴霧量を増やし、水の霧化量を増やすことで供給ガスの水分量を増やし、逆に、基準値よりも高い場合は、回収水ポンプ９３から供給される水のノズルからの噴霧量を減らし、水の霧化量を減らすことで供給ガスの水分量を減らす。このようにして、供給された水素ガスと霧化された水とが混合され水分を含んだ供給ガスが生成される。
例えば、加湿器の基準値を８０％としたとき、温湿度センサ６ｂにより測定された湿度が７０％と基準値より下回った場合、温湿度制御装置６１より加湿器４に送られた信号により回収水ポンプ９３から供給される水のノズルからの噴霧量が増やされる。

なお、従来のように供給経路をジグザグ構造としないものでは、供給ガスおよび空気の温度が低温であってもＰＥＦＣ５本体の冷却効果はあまり得られなかった。
また、本実施の形態ではＰＥＦＣ５を冷却および供給ガス・空気を加熱するため供給経路は内部をジグザグに３回折り返すように構成したが、この構成に限定されるものではない。
また、本実施形態では加湿方式として水をスプレー状に噴霧させる微粒化法を用いたが、温水タンクの中にガスをバブリングさせ、ガスを飽和水蒸気状態とするバブラー法、超音波振動子やインジェクタといった機械的振動を与えることによる水の霧化させる微粒化法などを用いることが可能である。

本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態において余剰ガスを循環し、供給ガスと余剰ガスを合流・混合させて使用するものである。供給ガスと余剰ガスを合流・混合する際、結露が生じる恐れがあるが、供給ガスを事前に加熱することで結露を防止し得るものである。

図５は、本発明の第２の実施形態を示すＰＥＦＣ発電装置の概略図である。２、２´は夫々水素ガスと空気を加熱するための補助ヒータ、３はバルブ、６ａは温湿度センサである。
図５に示すように、燃料極の水素出口から排出される余剰ガスは、配管Ｈとバルブ３が接続されており、配管Ｈを通りバルブ３に到達する。そして、水素ボンベ１から新たに供給される供給ガスとＰＥＦＣから排出された余剰ガスは、バルブ３の地点で合流・混合され、加湿器４を介してＰＥＦＣ５の燃料極に至り、ＰＥＦＣから排出された余剰ガスは循環される。バルブ３の地点で合流・混合される供給ガスと余剰ガスは温度差があり、結露を生じる恐れがあるため、供給ガスを合流・混合される前に補助ヒータ２を介して加熱する。このような構成とすることで、供給ガスと余剰ガスの温度差が減少するため、合流・混合の際に結露が生じることは無い。
なお、ＰＥＦＣ５の冷却方法と供給ガスの加熱方法については第１の実施形態に示す通りである。

ここで、第２の実施形態では補助ヒータ２によって供給ガス（水素ガスおよび空気）の加熱を行っている。また加湿器に供給される水は加熱され、ノズルより霧化され状態で噴霧される。そして、供給ガスと霧化された水分を混合することで供給ガスに水分を含有させおり、供給ガスの温度は中温となっている。例えば、水素ガスが補助ヒータ２で７０℃に加熱され、バルブ３の地点で余剰ガス（約８０℃）と合流・混合された温度が約８０℃であった場合、加湿器４に供給された水を７０℃まで加熱すると、加湿器４から排出される水分を含んだ供給ガスは約７０℃程度となる。そして、約７０℃になった供給ガスが燃料極の水素入口に供給される。
従って、補助ヒータを用いた場合でも、第１の実施形態同様にＰＥＦＣ本体と供給ガスとの温度差が少なくとも１０℃以上生じるため（ＰＥＦＣ本体の温度のほうが高い）、夫々の供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、ＰＥＦＣ５本体の冷却が可能となっている。また、供給ガスによってＰＥＦＣ５本体を冷却すると同時に、水素流路および空気流路を通過中にＰＥＦＣ本体の熱により供給ガスを加熱することが可能である。

ＰＥＦＣから排出された余剰ガスと余剰空気の温度および湿度は、温湿度センサ６ａ（燃料極側）、６ｂ（空気極側）で夫々計測される。温湿度センサ６ａで余剰ガスの温湿度を測定し、温湿度センサ６ｂで余剰空気の温湿度を測定する。そして、温湿度センサ６ａによって計測されたデータは温湿度制御装置６１に信号処理され送られ、温湿度制御装置６１より補助ヒータ２に信号が送られ、基準値よりも高い場合は設定温度を低くし、逆に基準値よりも低い場合は設定温度を高くする制御が行われる。
補助ヒータ２の温度は、約７０℃となる様に制御を行った。例えば、ＰＥＦＣ本体の動作温度７０℃を基準とし、その値より余剰ガスと余剰空気の温度および湿度が低い場合は設定値を高くし、逆にその値より余剰ガスと余剰空気の温度および湿度が高い場合は設定値を低くする。
なお、加湿器４の制御方法は第１の実施形態に示す通りである。
なお、水素ガスの加熱は、配管Ｈを補助ヒータによって直接加熱することにより行う。
なお、外気（空気）はブロワ７によって取り込まれた空気を加圧・圧縮し使用するが、加圧・圧縮後ブロワとＰＥＦＣ間に補助ヒータ２´を配設し、補助ヒータ２´で配管を加熱し高温で乾燥された状態でＰＥＦＣ５の空気極の空気入口に供給しても良い。

図６に本発明の補助ヒータおよび加湿器の温湿度制御法を示す。図６に示す如く、本発明は夫々の補助ヒータ２の温度制御および加湿器４の湿度制御を温湿度センサ６ａ、６ｂで測定し、信号処理されたデータを温湿度制御装置６１に送信して、夫々設けられた基準値と比較し、補助ヒータ２の温度および加湿器４の湿度を制御するものである。
本発明の補助ヒータの温度と加湿器の湿度の制御は、補助ヒータ２の温度と加湿器４の湿度にある基準値を設け、その基準値より高いか低いかを判断し、それに応じて出力の調節を行う。

まず、補助ヒータ２の制御方法について説明する。ＰＥＦＣ５本体の燃料極側から排出される余剰ガスは、配管の外周に接続された熱電対によって測定され、温湿度センサ６ａで信号処理される。このとき、熱電対は配管の外周に接続されているため、配管の熱伝導率を考慮し測定された値に補正を行っている。そして、温湿度センサ６ａによって信号処理されたデータは、温湿度制御装置６１に送信され、基準値と比較して補助ヒータ２の温度の昇温・降温を行った。補助ヒータ２の温度の基準値は７０℃とし、これはＰＥＦＣ５本体の最適動作温度が約７０〜８０℃であるからである。

ＰＥＦＣ５本体の燃料極から排出された余剰ガスは、温湿度センサ６ａで温度１分ごとに測定される。測定された温度から７０℃（基準値）を引いた値がマイナスだった場合、即ち、余剰ガスの温度が基準値より低い場合は、温度差の大きさに応じて補助ヒータの出力を大きくする。逆に、測定された温度から７０℃（基準値）を引いた値がプラスだった場合は補助ヒータ２の出力を小さくする。

例えば、補助ヒータを制御する温度を基準値から５℃刻みで±８段階とする。測定された温度が８１℃であった場合、補助ヒータの出力を２段階落とし７０℃として、供給ガスを加熱しバルブ３で合流・混合する。ここで、補助ヒータの設定は５℃刻みであり、２.５℃未満は１段階下の設定値、２.５℃以上は１段階上の設定値で行う（８３℃の場合は補助ヒータの設定は３段階落とす）。
このように、低温のボンベからの供給ガスと高温の余剰ガスとを直接混合すると結露が発生し易くなるが、低温のボンベからの供給ガスと高温の余剰ガスとを混合する前に、補助ヒータ２で供給ガスを加熱することにより、結露を防止・低減することが可能である。
なお、補助ヒータ２からバルブ３までの配管Ｈに保温材を施し、加熱した供給ガスの温度を一定に保つことが好ましい。
従って、補助ヒータを用いた場合でも、ＰＥＦＣ本体と供給ガスとの温度差を生じさせることが可能であり、夫々の供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、ＰＥＦＣ５本体の冷却が可能となっている。

次に、加湿器４の制御方法について説明する。ＰＥＦＣ５本体の空気極側から排出される余剰空気は、配管に接続された湿度計によって測定され、温湿度センサ６ｂで信号処理される。そして、温湿度センサ６ｂによって信号処理されたデータは、温湿度制御装置６１に送信され、基準値と比較して加湿器４の湿度の制御を行った。加湿器４の湿度の基準値の範囲は８０〜９５％とし、これは湿度があまり低いと水分量が少ないため電気浸透現象（水分子そのものもイオンの動きと共に動く現象）がうまくいかず発電効率が低下するためである。

ＰＥＦＣ５本体の空気極から排出された余剰空気は、温湿度センサ６ｂで湿度を１分ごとに測定される。測定された湿度から８０％を引いた値がマイナスだった場合、即ち、余剰空気の湿度が基準値の範囲より低い場合（湿度が８０％以下の場合）は、湿度差の大きさに応じて加湿器４の出力を大きくする。逆に、測定された湿度から８０％を引いた値が１５％を超える場合は加湿器４の出力を小さくする。それ以外は、加湿器４の出力調整は行わない。

湿度の制御は温度制御と同様に、測定された湿度から湿度８０％を引いた値がマイナスだった場合、即ち、余剰ガスの湿度が基準値の範囲より低い場合は、湿度差の大きさに応じて加湿器の出力を大きくする。逆に、測定された湿度から８０％を引いた値が１５％を超える場合は加湿器の出力を小さくする。例えば、加湿器の設定を５％刻みで±４段階とする。測定された湿度が７１％であった場合、加湿器の出力を２段階上げて９０％とする。ここで、加湿器の設定は５％刻みであり、２.５％未満は１段階下の設定値、２.５％以上は１段階上の設定値で行う（７３％の場合は補助ヒータの設定は１段階上げる）。
なお、本発明において補助ヒータや温湿度センサ等の電力を必要とする装置は、全てＰＥＦＣから供給を行った。

以上、本発明の燃料電池発電装置を用いることにより、冷却水の循環を行わずにＰＥＦＣ本体の冷却を行うことが可能であり、同時に供給ガスの加熱を行うことが可能であり、エネルギーの有効利用と補器類の削減と消費エネルギーの低減が可能となる。
また、供給ガスと余剰ガスを混合する際に２つのガスの温度差から結露が発生することがあったが、供給ガスを加熱することでこれを防止することができる。

本発明のＰＥＦＣの単一セル構造の概略図。 本発明のセパレータの平面構造（ａ）および立体構造（ｂ）。 本発明のその他のセパレータの平面構造の概略図（ａ）〜（ｃ）。 本発明の第１の実施形態を示すＰＥＦＣ発電装置の概略図。 本発明の第２の実施形態を示すＰＥＦＣ発電装置の概略図。 本発明の実施形態を示す温湿度制御装置の概略図。

符号の説明

１ 水素ボンベ
２ 補助ヒータ
３ バルブ
４ 加湿器
５ 燃料電池本体
５２、５３ セパレータ
５２３、５３３ 供給経路
６ａ 温湿度センサ
７ ブロワ
８ 冷却器
９１ 回収水タンク
９２ 補給水
９３ 回収水ポンプ
Ｈ 配管

Claims (2)

1. 供給ガスを用いて発電し、余剰のガスは外部へ排出される燃料電池発電装置において、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスを加熱して燃料電池の電極部へ供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 供給ガスと燃料電池から排出された高温の余剰のガスとを混合して再使用する際に、供給ガスを加熱することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。