(57)【要約】【課題】  燃料電池に供給される酸化剤ガスが水蒸気飽和状態でない場合でも、燃料電池システムを大型化・高コスト化することなく、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を精度よく推定し水分状態を良好な状態に制御できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  制御装置は、加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて、酸化剤極内の酸化剤ガス中の水蒸気のモル比を推定モル比として導出する推定モル比導出手段６２と、推定モル比導出手段６２によって導出された推定モル比および目標モル比に基づいて酸化剤オフガス流量調整手段の操作量を導出する操作量導出手段６１と、操作量導出手段６１によって導出された操作量に基づいて酸化剤オフガス流量調整手段を制御する制御手段と、を備えている。【選択図】  図４
2006261002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
前記酸化剤極から排出された前記酸化剤オフガスによって前記酸化剤極に供給される前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤オフガスの前記加湿器への供給量を調節する酸化剤オフガス流量調整手段と、
前記加湿器に導入される前記酸化剤ガスの温度である加湿器酸化剤ガス入口温度を検出する加湿器酸化剤ガス入口温度検出手段と、
前記加湿器に導入される前記酸化剤ガスの流量である加湿器酸化剤ガス入口流量を検出する加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段と、
前記加湿器から導出された前記酸化剤ガスの温度である加湿器酸化剤ガス出口温度を検出する加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段と、
前記燃料電池の周辺温度を検出する燃料電池周辺温度検出手段と、
前記各検出手段によってそれぞれ検出された前記加湿器酸化剤ガス入口温度、前記加湿器酸化剤ガス入口流量、前記加湿器酸化剤ガス出口温度および前記燃料電池周辺温度に基づいて、前記酸化剤極内の酸化剤ガス中の水蒸気のモル比を推定モル比として導出する推定モル比導出手段と、
前記推定モル比導出手段によって導出された推定モル比および目標モル比に基づいて前記酸化剤オフガス流量調整手段の操作量を導出する操作量導出手段と、
前記操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて前記酸化剤オフガス流量調整手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記推定モル比導出手段は、
前記各検出手段によってそれぞれ検出された前記加湿器酸化剤ガス入口温度、前記加湿器酸化剤ガス入口流量、前記加湿器酸化剤ガス出口温度および前記燃料電池周辺温度に基づいて、前記燃料電池に導入される前記酸化剤ガスの湿度を燃料電池酸化剤ガス入口湿度として導出する燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段と、
前記加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段によって検出された前記加湿器酸化剤ガス出口温度に基づいて、前記燃料電池に導入される前記酸化剤ガスの飽和水蒸気圧を導出する飽和水蒸気圧導出手段と、を備え、
前記燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段および前記飽和水蒸気圧導出手段によってそれぞれ導出された燃料電池酸化剤ガス入口湿度および飽和水蒸気圧に基づいて前記推定モル比を導出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記目標モル比は、前記酸化剤極内の水分状態がフラッディング状態でなく、かつ乾き状態とならないように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、前記目標モル比は、前記燃料電池の発電出力に応じて設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤極から排出された酸化剤オフガスによって酸化剤極に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この燃料電池システムの一例として、特許文献１「燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献１に示されているように、燃料電池システムは、加湿器２８を通って燃料電池２２に供給される酸化ガスとしての空気により燃料電池２２に持ち込まれる流入水量Ｗｉｎに燃料電池２２の発電に伴って生成される生成水量Ｗｆｃを加えた値から燃料電池２２の空気系のオフガスにより燃料電池２２から持ち出される流出水量Ｗｏｕｔを減じて収支水量Ｗｂを計算し（Ｓ１００〜Ｓ１３０）、収支水量Ｗｂの絶対値が閾値Ｗｒｅｆより大きいときには収支水量Ｗｂに比例定数ｋ３を乗じた値を用いてエア流量Ｑを増減補正する（Ｓ１４０，Ｓ１５０）。エア流量Ｑの増減は、これに基づく流入水量Ｗｉｎの増減に比して流出水量Ｗｏｕｔの増減の方が大きくなることから、収支水量Ｗｂを値０の方向に移行させ、その絶対値を閾値Ｗｒｅｆ以下となるようにする。こうした制御により、燃料電池内の水分状態を良好な状態とすることができる。
【０００３】
流入水量Ｗｉｎは、燃料電池２２に供給される空気が入口温度Ｔｉｎにおける飽和水蒸気を含むものとして、燃料電池２２に供給される酸化ガスの入口温度Ｔｉｎとエア流量Ｑとに基づいて計算され、流出水量Ｗｏｕｔは、燃料電池２２からの空気系オフガスが出口温度Ｔｏｕｔにおける飽和水蒸気を含むものとして、燃料電池２２からの空気系オフガスの出口温度Ｔｏｕｔとエア流量Ｑとに基づいて計算され、生成水量Ｗｆｃは、発電電流ｉに基づいて計算される。
【０００４】
また、特許文献１の図３の変形例の燃料電池システム２０Ｂに示すように、空気系オフガスの排出管路２７に加湿器２８をバイパスするバイパス管５０を設けると共にこのバイパス管５０に調節弁５２を設け、調節弁５２を開閉制御することにより、空気系オフガスの一部をバイパスさせることにより燃料電池２２に供給される空気の加湿量を調節するものとしてもよい。
【特許文献１】特開２００４−１１９０５２号公報（第４−７頁、第１−３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池２２に供給される空気が入口温度Ｔｉｎにおいて飽和であり、燃料電池２２からの空気系オフガスが出口温度Ｔｏｕｔにおいて飽和であるという条件においては、流入水量Ｗｉｎおよび流出水量Ｗｏｕｔを正確に計算し収支水量Ｗｂを正確に計算してエア流量Ｑを的確に増減することにより燃料電池内の水分状態を良好な状態とすることができる。しかし、燃料電池２２に供給される空気が入口温度Ｔｉｎにおいて飽和でないか、または燃料電池２２からの空気系オフガスが出口温度Ｔｏｕｔにおいて飽和でないという条件においては、すなわち、加湿器２８の水が透過する膜（水蒸気選択透過性の高い中空糸膜）の表面積が十分に大きくない場合、または加湿器の加湿能力が低下した場合には、流入水量Ｗｉｎおよび流出水量Ｗｏｕｔを正確に計算し収支水量Ｗｂを正確に計算することができなくなりエア流量Ｑを的確に増減することができないので、燃料電池内の水分状態を良好な状態とすることができないという問題があった。
【０００６】
これに対して、加湿器２８の水が透過する膜の表面積を十分に大きくすることが考えられる。この場合、燃料電池内の水分状態を良好な状態とすることができるが、加湿器２８が大型化・高コスト化しひいては燃料電池システム全体が大型化・高コスト化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池に供給される酸化剤ガスが水蒸気飽和状態でない場合でも、燃料電池システムを大型化・高コスト化することなく、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を精度よく推定し水分状態を良好な状態に制御できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤極から排出された酸化剤オフガスによって酸化剤極に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、酸化剤オフガスの加湿器への供給量を調節する酸化剤オフガス流量調整手段と、加湿器に導入される酸化剤ガスの温度である加湿器酸化剤ガス入口温度を検出する加湿器酸化剤ガス入口温度検出手段と、加湿器に導入される酸化剤ガスの流量である加湿器酸化剤ガス入口流量を検出する加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段と、加湿器から導出された酸化剤ガスの温度である加湿器酸化剤ガス出口温度を検出する加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段と、燃料電池の周辺温度を検出する燃料電池周辺温度検出手段と、各検出手段によってそれぞれ検出された加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて、酸化剤極内の酸化剤ガス中の水蒸気のモル比を推定モル比として導出する推定モル比導出手段と、推定モル比導出手段によって導出された推定モル比および目標モル比に基づいて酸化剤オフガス流量調整手段の操作量を導出する操作量導出手段と、操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて酸化剤オフガス流量調整手段を制御する制御手段と、を備えたことである。
【０００９】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、推定モル比導出手段は、各検出手段によってそれぞれ検出された加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて、燃料電池に導入される酸化剤ガスの湿度を燃料電池酸化剤ガス入口湿度として導出する燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段と、加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段によって検出された加湿器酸化剤ガス出口温度に基づいて、燃料電池に導入される酸化剤ガスの飽和水蒸気圧を導出する飽和水蒸気圧導出手段と、を備え、燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段および飽和水蒸気圧導出手段によってそれぞれ導出された燃料電池酸化剤ガス入口湿度および飽和水蒸気圧に基づいて推定モル比を導出することである。
【００１０】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、目標モル比は、酸化剤極内の水分状態がフラッディング状態でなく、かつ乾き状態とならないように設定されていることである。
【００１１】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、目標モル比は、燃料電池の発電出力に応じて設定されていることである。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、加湿器酸化剤ガス入口温度検出手段、加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段、加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段、および燃料電池周辺温度検出手段によってそれぞれ検出された加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて、推定モル比導出手段が酸化剤極内の酸化剤ガス中の水蒸気のモル比を推定モル比として導出し、操作量導出手段が、推定モル比導出手段によって導出された推定モル比および目標モル比に基づいて酸化剤オフガス流量調整手段の操作量を導出し、制御手段が、操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて酸化剤オフガス流量調整手段を制御する。これにより、一般的に高価である高感度・高応答性の湿度計を設けることなく、既存のセンサを利用して酸化剤極内の酸化剤ガス中の水分状態を精度よく推定し、その結果に基づいて酸化剤オフガスの加湿器への供給量を精度よく制御することができる。したがって、加湿器に供給される酸化剤ガスおよび酸化剤オフガスの水蒸気の飽和状態に拘わらず、また加湿器の加湿能力が低下した場合においても、加湿器自体を大型化・高コスト化することなく、すなわち燃料電池システムを全体として大型化・高コスト化することなく、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を精度よく推定し水分状態を良好な状態に制御することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段が、各検出手段によってそれぞれ検出された加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて、燃料電池に導入される酸化剤ガスの湿度を燃料電池酸化剤ガス入口湿度として導出し、飽和水蒸気圧導出手段が、加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段によって検出された加湿器酸化剤ガス出口温度に基づいて燃料電池に導入される酸化剤ガスの飽和水蒸気圧を導出し、推定モル比導出手段が、燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段および飽和水蒸気圧導出手段によってそれぞれ導出された燃料電池酸化剤ガス入口湿度および飽和水蒸気圧に基づいて推定モル比を導出する。これにより、燃料電池に導入される酸化剤ガスの温度に応じてその酸化剤ガスの湿度および飽和水蒸気圧を精度よく推定し、それらに基づいて酸化剤極内の酸化剤ガス中の水分状態であるモル比を精度よく推定し、その結果に基づいて酸化剤オフガスの加湿器への供給量を精度よく制御することができる。
【００１４】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、目標モル比は、酸化剤極内の水分状態がフラッディング状態でなく、かつ乾き状態とならないように設定されているので、酸化剤極内の水分環境をよい状態に維持することにより、燃料電池システムの耐久性と品質を長期に渡って維持することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、目標モル比は、燃料電池の発電出力に応じて設定されているので、電力使用場所の電力負荷の変動によって発電出力も変動し発電に伴って生成される水分量が変動しても、その変動に応じて目標モル比も設定される。これにより、酸化剤極内の水分環境をよい状態に維持することにより、燃料電池システムの耐久性と品質を長期に渡って維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器２０を備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。さらに詳述すると、燃料極１１においては、供給された水素ガスが下記化１のように反応し、生成物である水素イオンが電解質１３を通って空気極１２に供給されるとともに未反応の水素ガスを含んだアノードオフガスが排出される。
【００１８】
（化１）
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極１２においては、供給された空気中の酸素および燃料極１１から電解質１３を介して供給された水素イオンが下記化２のように反応し、水（水蒸気）が生成されその水蒸気を含んだカソードオフガスが排出される。
【００１９】
（化２）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
すなわち、燃料極１１で生成された電子は外部に接続されたインバータ５０を通って空気極１２に到達し、空気極１２にてその電子を使用して上記化２に示す反応が生じこれにより燃料電池１０は発電する。
【００２０】
改質器２０は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０の燃料極１１に供給するものであり、バーナ（燃焼部）２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００２１】
バーナ２１は、起動時に外部からの燃焼用燃料、または／および一酸化炭素濃度が高く燃料電池１０に供給されないＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが供給され、一方、定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各ガスを燃焼用空気で燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後蒸発器２５を通って外部に排気される。なお、燃焼用燃料および燃焼用空気は、それぞれ燃焼用燃料供給手段および燃焼用空気供給手段である燃焼用燃料ポンプＰ１および燃焼用空気ポンプＰ２によってバーナ２１に供給されるようになっている。両ポンプＰ１，Ｐ２は制御装置６０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。
【００２２】
改質部２２は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器２５からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを導入し、その混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。なお、改質用燃料は改質用燃料供給手段である燃料ポンプＰ３によって改質部２２に供給されるようになっている。また、改質水は改質水供給手段である改質水ポンプＰ４によって改質水タンク（図示省略）から改質部２２に供給されるようになっている。これらポンプＰ３，Ｐ４は制御装置６０によってそれぞれ制御されて各流量（送出量）が制御されるようになっている。
【００２３】
ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。
【００２４】
ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。なお、ＣＯ酸化用の空気（エア）はＣＯ酸化用エア供給手段であるＣＯ酸化用エアポンプによってＣＯ選択酸化部２４に供給されるようになっている。このポンプは制御装置６０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。
【００２５】
蒸発器２５は、改質水タンクから改質部２２に供給される改質水を、改質部２２を通って排出される燃焼排ガスによって加熱することにより水蒸気化するものである。
【００２６】
燃料電池１０の燃料極１１の入口は、改質ガス供給管３１を介してＣＯ選択酸化部２４に連通し、燃料電池１０の燃料極１１の出口は、アノードオフガス供給管３２を介してバーナ２１に連通し、そして、改質ガス供給管３１およびアノードオフガス供給管３２は、燃料電池１０をバイパスする改質ガスバイパス管３３によって連通している。
【００２７】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管３１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはアノードオフガス供給管３２を介してバーナ２１が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２１に供給するようになっている。改質ガスバイパス管３３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管３１およびアノードオフガス供給管３２を直結するものである。改質ガス供給管３１には改質ガスバイパス管３３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ３４が設けられている。アノードオフガス供給管３２には改質ガスバイパス管３３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ３５が設けられている。改質ガスバイパス管３３には第２改質ガスバルブ３６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ３４，３６およびオフガスバルブ３５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置６０により制御されている。起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避して燃焼用としてバーナ２１に供給するため、第１改質ガスバルブ３４およびオフガスバルブ３５を閉じ第２改質ガスバルブ３６を開き、定常運転時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ３４およびオフガスバルブ３５を開き第２改質ガスバルブ３６を閉じている。
【００２８】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口にはカソードエア供給管４１が接続されており、空気極１２にカソードエアが供給されるようになっている。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。空気極１２の導出口にはカソードオフガス排出管４２が接続されており、燃料電池１０からカソードオフガスが排出されるようになっている。
【００２９】
これらカソードエア供給管４１およびカソードオフガス排出管４２の途中には、空気極１２から排出されたカソードエアオフガスによって空気極１２に供給されるカソードエアを加湿する加湿器４３が設けられている。この加湿器４３は水蒸気交換型であり、カソードオフガス排出管４２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気をカソードエア供給管４１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。すなわち、加湿器４３は、水蒸気のみを透過する膜４３ａ（例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜）を挟んで加湿元の気体（カソードオフガス）と加湿したい気体（カソードエア）を流通させ、加湿元の気体中の水蒸気が膜４３ａを透過して加湿したい気体を加湿する膜透過型加湿器である。
【００３０】
また、カソードエア供給管４１の加湿器４３の上流には、上流から順にカソードエアポンプＰ５、流量計４４および温度センサＴ１が設けられ、カソードエア供給管４１の加湿器４３の下流には、温度センサＴ２が設けられている。カソードエアポンプＰ５は、カソードエアを燃料電池１０の空気極１２に供給するカソードエア（酸化剤ガス）供給手段であり、制御装置６０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。流量計４４は、加湿器４３に導入されるカソードエア（酸化剤ガス）の流量である加湿器酸化剤ガス入口流量（ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ）を検出する加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段であり、その検出信号を制御装置６０に出力するようになっている。温度センサＴ１は、加湿器４３に導入されるカソードエア（酸化剤ガス）の温度である加湿器酸化剤ガス入口温度（ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ）を検出する加湿器酸化剤ガス入口温度検出手段であり、その検出信号を制御装置６０に出力するようになっている。温度センサＴ２は、加湿器４３から導出されたカソードエア（酸化剤ガス）の温度である加湿器酸化剤ガス出口温度（ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ）を検出する加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段であり、その検出信号を制御装置６０に出力するようになっている。
【００３１】
また、カソードオフガス排出管４２には、加湿器４３をバイパスするカソードオフガスバイパス管４５が設けられるとともにこのバイパス管４５に電磁バルブからなる調節弁（流量調整器）４６が設けられている。この調節弁４６は、制御装置６０の指令に応じてカソードオフガス（酸化剤オフガス）の加湿器４３への供給量（流量）を調節する酸化剤オフガス流量調整手段である。なお、調節弁４６の代わりに流量比を調節可能な三方弁（入力ポートを１つ、出力ポートを２つ有するもの）を設けるようにしてもよい。この三方弁は、制御装置６０の指令に応じてカソードオフガスの加湿器４３への供給量（流量）を調節するようにすればよい。また、カソードオフガス排出管４２から分岐した後再び同排出管４２に合流するカソードオフガスバイパス管４５に代えて、カソードオフガス排出管４２から分岐した後外部に直接連通する排気管を採用するようにしてもよい。
【００３２】
さらに、燃料電池システムは、インバータ（電力変換器）５０を備えている。インバータ５０は、燃料電池１０の発電出力を交流電力に変換して送電線を介して電力使用場所に供給するものである。電力使用場所には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である負荷装置（図示省略）が設置されており、インバータ５０から供給される交流電力が必要に応じて負荷装置に供給されている。なお、インバータ５０と電力使用場所とを接続する送電線には電力会社の系統電源も接続されており（系統連系）、燃料電池１０の発電出力より負荷装置の総消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源から受電して補うようになっている。また、インバータ５０は燃料電池１０の発電出力（発電電流）を検出して制御装置６０に送信するようになっている。
【００３３】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池１０の周辺に配設されている温度センサＴ３を備えている。この温度センサＴ３は、燃料電池１０の周辺温度（ａｒ＿ｔｅｍｐ）を検出する燃料電池周辺温度検出手段であり、その検出信号を制御装置６０に出力するようになっている。
【００３４】
また、上述した各温度センサＴ１〜Ｔ３、流量計４４、各ポンプＰ１〜Ｐ５、各バルブ３４〜３６および流量調整器（バルブ）４６は制御装置６０に接続されている（図２参照）。制御装置６０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、各温度センサＴ１〜Ｔ３からの各温度、および流量計４４からの流量を入力して、各ポンプＰ１〜Ｐ５、各バルブ３４〜３６、および流量調整器（バルブ）４６を制御することにより、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、改質水およびカソードエアの各供給量を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００３５】
さらに、制御装置６０の記憶部には、図３に示すマップまたは演算式が記憶されている。このマップまたは演算式は、目標モル比と燃料電池１０の発電出力（出力電力）との相関関係を示すものである。目標モル比は、燃料電池１０の空気極１２内の水分状態を示すモル比の目標値である。モル比は、空気極１２内の乾燥気体のモル数に対する水（水蒸気）のモル数の比であり、また空気極１２内のドライ空気の圧力に対する水蒸気の分圧の比と同等である。一方、相対湿度は下記数１に示すように水蒸気圧と飽和水蒸気圧によって表される。
【数１】
2006261002.tif 000003
上記数１から水蒸気圧は下記数２のように示される。
【数２】
2006261002.tif 000004
したがって、燃料電池１０の空気極１２内のモル比は、空気極１２内のドライ空気の圧力に対する水蒸気圧で表すと、下記数３のように示される。
【数３】
2006261002.tif 000005
【００３６】
また、図３に示すマップまたは演算式から明らかなように目標モル比と燃料電池１０の発電出力とは逆比例の関係にある。これは次の理由による。燃料電池１０の発電出力が高くなるほど、発電に伴って生成される水（水蒸気）が多くなりモル比が増大して水分過多状態となる。したがって、最適加湿状態とするためにモル比を減少させて水（水蒸気）を減少させる必要があるので、目標モル比を低く設定する。また、燃料電池１０の発電出力が低くなるほど、発電に伴って生成される水（水蒸気）が少なくなりモル比が減少して水分不足状態となる。したがって、最適加湿状態とするためにモル比を増大させて水（水蒸気）を増大させる必要があるので、目標モル比を高く設定する。この目標モル比は、燃料電池１０の最小出力（例えば２５０Ｗ）に対して設定される目標モル比上限値（例えば０．２２）と燃料電池１０の最大出力（例えば１０００Ｗ）に対して設定される目標モル比下限値（例えば０．１８）との範囲内に設定されるのが好ましい。目標モル比上限値は、空気極１２内の水分状態が乾き状態とならないように設定されるのが好ましく、目標モル比下限値は、空気極１２内の水分状態がフラッディング状態とならないように設定されるのが好ましい。すなわち、モル比が目標モル比上限値および下限値との範囲内にあれば、燃料電池１０の空気極１２内は最適加湿状態であることになる。
【００３７】
また、図４に示すように、制御装置６０は、追従制御ロジック部６１とモル比推定ロジック部６２とを備えている。追従制御ロジック部６１は、目標モル比ｒｍｏｌとモル比推定ロジック部６２からの推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌに基づいて、流量調整器である調節弁４６の操作量であるデューティ比ｄｕｔｙを演算し、その演算結果を調節弁４６のドライバ回路４６ａへ出力するものである。具体的には、加算器６３は、目標モル比ｒｍｏｌと推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌを入力し、目標モル比ｒｍｏｌと推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌの偏差を演算し、その演算結果を追従制御ロジック部６１に出力する。そして、追従制御ロジック部６１は、目標モル比ｒｍｏｌと推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌの偏差が「０」となるようにデューティ比ｄｕｔｙを演算する。これにより、調節弁４６は演算結果に基づいたデューティ比ｄｕｔｙでＰＷＭ制御される（パルスの大きさは一定で，パルス幅をデューティ比に応じて変化させて制御する）。目標モル比ｒｍｏｌは、予め記憶されている図３に示すマップまたは演算式から燃料電池１０の出力電力に基づいて導出されるものである。なお、加算器６３を設けないで、追従制御ロジック部６１は、目標モル比ｒｍｏｌと推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌを直接入力し、推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌが目標モル比ｒｍｏｌとなるようにデューティ比ｄｕｔｙを演算するようにしてもよい。
【００３８】
モル比推定ロジック部６２は、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐを入力してそれらに基づいて推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌを導出して、その推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌを追従制御ロジック部６１に出力するものである。
【００３９】
このように、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐから推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌを演算することができる理由を説明する。燃料電池１０の空気極１２内のモル比は、上記数３から明らかなように、飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓと燃料電池カソードエア入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄから算出することができる。
【００４０】
飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓは、空気極１２に供給されるカソードエア中の水の飽和水蒸気圧のことであり、一般的には下記数４に示すように空気極１２内のカソードエアの温度によって表される。しかし、実際には、空気極１２内のカソードエアの温度ひいては燃料電池１０のカソードエア入口温度を検出しておらず、これら空気極１２内のカソードエア温度および燃料電池１０のカソードエア入口温度と相関がある加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを検出し、その検出した温度から飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓを算出している。これは以下の理由による。
【００４１】
一般的に、下記数４から飽和水蒸気圧ｅｗが算出される。
【数４】
2006261002.tif 000006
ここで、ｌｎは自然対数であり、Ｔは絶対温度（ｋ）＝（ｔ℃＋２７３．１５）である。
したがって、この数４を変形した下記数５を用いて燃料電池１０のカソードエア入口温度（ＦＣ入口温度）に応じた飽和水蒸気圧を算出することができる。
【数５】
2006261002.tif 000007
【００４２】
そして、実際に燃料電池システムを運転して、燃料電池１０のカソードエア入口温度を測定し、取得したＦＣ入口温度を上記数５に代入して実際の運転状況に即したＦＣ入口温度の温度範囲内における飽和水蒸気圧の理論特性を算出する。なお、このＦＣ入口温度を測定するためにカソードエア供給管４１の燃料電池１０の入口に温度センサを設置している。さらに、上記数５を使用してＦＣ入口温度から飽和水蒸気圧を算出する場合、処理に時間がかかるので、数５に代わる簡易な計算式を使用するのが好ましい。そこで、本願の発明者は、ＦＣ入口温度の三次関数（下記数６）が飽和水蒸気圧の理論特性に最も近似する簡易な関数であることを見出した。
【数６】
2006261002.tif 000008
ここで、係数ａ１からａ４は定数である。
【００４３】
一方、燃料電池１０のカソードエア入口温度（ＦＣ入口温度）と加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐは、同一のカソードエア供給管４１を流れるカソードエアを加湿器４３の出口で検出する温度と燃料電池１０の入口で検出した温度であるため、相関関係にあると考えられる。ただし、加湿器４３から燃料電池１０までのカソードエア供給管４１の距離または構造、もしくは加湿器４３と燃料電池１０の構造または位置関係などの設計事項により、燃料電池１０のカソードエア入口温度と加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐの関係は異なるものとなる。したがって、実機を使用して燃料電池１０のカソードエア入口温度と加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐをそれぞれ測定し、その測定結果に基づいて、燃料電池１０のカソードエア入口温度と加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐの相関関係を示すマップまたは演算式を作成するのが好ましい。本実施形態においては、図５に示すように、燃料電池１０のカソードエア入口温度は、加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐの一次関数で表している。図５において、実機を使用して測定した実機特性は比較的濃い色で示しており、この特性に近似する近似直線を比較的薄い色で示す。したがって、図５から明らかなように燃料電池１０のカソードエア入口温度と加湿器カソードエア出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐは下記数７に示す相関関係にある。
【００４４】
（数７）
ＦＣ入口温度＝ａ５×（加湿器カソードエア出口温度）−ａ６
ここで、係数ａ５およびａ６は定数である。
【００４５】
上述した数６および数７から明らかなように、飽和水蒸気圧は、加湿器酸化剤ガス（カソードエア）出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐの三次関数（下記数８）として表すことができる。
【数８】
2006261002.tif 000009
【００４６】
なお、上述した各係数Ａ１〜Ａ４は、次のように決定される。まず、実機を運転して、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを測定し、実測データを取得する。そして、取得した実測データと上記数８とを用いて、係数Ａ１〜Ａ４を波形フィッティングによって算出する。これにより、係数Ａ１〜Ａ４が求まるので、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐに基づいて上記数８から飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓを算出することができる。
【００４７】
ここまで、飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓの算出（推定）方法について説明したが、次に、燃料電池酸化剤ガス（カソードエア）入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄの算出（推定）方法について説明する。本願の発明者は、燃料電池カソードエア入口湿度は、カソードエアがカソードエアポンプから吐出されて燃料電池１０に供給されるまでのカソードエアの温度、流量、周辺温度などの状態を示すパラメータ、すなわち加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐと相関があることを見出した。
【００４８】
そして、燃料電池カソードエア入口湿度は、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐを変数とする一次関数（下記数９）として表すことができる。
【数９】
2006261002.tif 000010
【００４９】
そして、実機を運転して、燃料電池カソードエア入口湿度、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐを測定し、実測データを取得する。なお、燃料電池カソードエア入口湿度を測定するために燃料電池１０の空気極１２の入口に湿度計を設置している。そして、取得した実測データと上記数９とを用いて、係数Ｂ１〜Ｂ４を線形計画問題（例えば最小二乗法）に基づいて算出する。これにより、係数Ｂ１〜Ｂ４が求まるので、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐに基づいて上記数９から燃料電池カソードエア入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄを算出することができる。
【００５０】
モル比推定ロジック部６２に説明を戻すと、モル比推定ロジック部６２は、図６に示すように、燃料電池カソードエア入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄを導出する燃料電池酸化剤ガス入口湿度推定ロジック部７０と、飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓを導出する飽和水蒸気圧推定ロジック部８０を備えている。燃料電池酸化剤ガス入口湿度推定ロジック部７０は、流量センサ（流量計）４４によって検出した加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘであって上下限制限器６２ａによってガード処理されたものを入力（受信）し、温度センサＴ１によって検出した加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐであって上下限制限器６２ｂによってガード処理されたものを入力し、温度センサＴ３によって検出した燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐであって上下限制限器６２ｃによってガード処理されたものを入力し、温度センサＴ２によって検出した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐであって上下限制限器６２ｄによってガード処理されたものを入力する。そして、燃料電池酸化剤ガス入口湿度推定ロジック部７０は、後述する図７に示すロジックによって加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐに基づいて燃料電池カソードエア入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄを算出して乗算器６２ｅに出力する。
【００５１】
具体的には、図７に示すように、燃料電池酸化剤ガス入口湿度推定ロジック部７０は、乗算器７１〜７４、メモリ７５、加算器７６および上下限制限器７７を備えている。乗算器７１〜７４は、それぞれ入力した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、および燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐに係数Ｂ１〜Ｂ４を乗算して加算器７６に出力するものである。加算器７６は、各乗算器７１〜７４から乗算値を入力するとともにメモリ７５に予め記憶されている定数Ｂ５を入力してこれらを加算して、その加算値を上下限制限器７７によってガード処理して、その値を燃料電池カソードエア入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄとして図６の乗算器６２ｅに出力する。
【００５２】
飽和水蒸気圧推定ロジック部８０は、図６に示すように、温度センサＴ２によって検出した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐであって上下限制限器６２ｄによってガード処理されたものを入力する。そして、飽和水蒸気圧推定ロジック部８０は、後述する図８に示すロジックによって加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐに基づいて飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓを算出して乗算器６２ｅに出力する。
【００５３】
具体的には、図８に示すように、飽和水蒸気圧推定ロジック部８０は、乗算器８１〜８５、メモリ８６、加算器８７および上下限制限器８８を備えている。乗算器８１は、入力した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを三乗して出力するものであり、乗算器８２は、入力した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを二乗して出力するものである。乗算器８３は、乗算器８１から入力した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを三乗した値に係数Ａ１を乗算して加算器８７に出力するものである。乗算器８４は、乗算器８２から入力した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを二乗した値に係数Ａ２を乗算して加算器８７に出力するものである。乗算器８５は、入力した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐに係数Ａ３を乗算して加算器８７に出力するものである。加算器８７は、各乗算器８３〜８５から乗算値を入力するとともにメモリ８６に予め記憶されている定数Ａ４を入力してこれらを加算して、その加算値を上下限制限器８８によってガード処理して、その値を飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓとして図６の乗算器６２ｅに出力する。
【００５４】
乗算器６２ｅは、それぞれ入力した燃料電池カソードエア入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄおよび飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓを乗算して、その乗算値を加算器６２ｇおよび乗除算器６２ｈにそれぞれ出力する。加算器６２ｇは、メモリ６２ｆから入力した定数（例えば７６０００）から前述の乗算値を減算して、その減算値を乗除算器６２ｈに出力する。乗除算器６２ｈは、乗算器６２ｅから入力した乗算値を加算器６２ｇから入力した減算値で除算して、その除算値を上下限制限器６２ｉによってガード処理して、その値を推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌとして図４の加算器６３に出力する。これにより、この推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌは上記数３の右辺のように表される。
【００５５】
上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置６０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。制御装置６０は、第１改質ガスバルブ３４およびオフガスバルブ３５を閉じ第２改質ガスバルブ３６を開いてＣＯ選択酸化部２４を燃焼部２１に接続し、燃焼用燃料ポンプＰ１および燃焼用空気ポンプＰ２を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部２１に供給して燃焼部２１を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２２内の改質触媒および蒸発器２５が加熱される。
【００５６】
制御装置６０は、温度センサにより蒸発器２５の温度を検出し、この検出した温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、水バルブを開き、改質水ポンプＰ４を駆動させ改質水を所定流量（所定供給量）だけ蒸発器２５を介して改質部２２に供給する。
【００５７】
制御装置６０は、蒸発器２５の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）からタイマのカウントを開始する。タイマが第１所定時間Ｔ１（例えば１分）以上となれば、改質用燃料ポンプＰ３を駆動させ改質用燃料を所定流量（所定供給量）だけ改質部２２に供給するとともに、空気バルブを開いて空気ポンプを駆動させ酸化用空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２２に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２２では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２２から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃焼部２１に供給され燃焼される。
【００５８】
このように改質ガスの生成中において、制御装置６０は、温度センサによりＣＯ選択酸化部２４の触媒の温度を検出し、この検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ４）、第１改質ガスバルブ３４およびオフガスバルブ３５を開き第２改質ガスバルブ３６を閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口を燃焼部２１に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。
【００５９】
制御装置６０は、定常運転（燃料電池１０を発電させる運転モード）を開始する。このとき、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給するようになっている。制御装置６０は、所望の出力電流となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように改質用燃料ポンプＰ３を駆動させ、演算した改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水ポンプＰ４を駆動させ、アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部２１にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、燃焼部２１に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプＰ１を駆動させ、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプＰ２を駆動させ、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように空気ポンプ６３を駆動させ、そして、改質装置２０から燃料電池１０に供給される改質ガスの供給量に対応する適切なカソードエアの供給量を演算しその供給量となるようにカソードエアポンプＰ５を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。
【００６０】
さらに、燃料電池１０の空気極１２の水分状態を表す推定モル比の算出および算出した推定モル比による調節弁４６の制御について図９に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置６０は、図示しないスタートスイッチがオンされると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置６０は、図９のステップ１００にてプログラムの実行を開始する毎に、流量センサ（流量計）４４によって検出した加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘを入力（受信）し、温度センサＴ１によって検出した加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐを入力し、温度センサＴ３によって検出した燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐを入力し、温度センサＴ２によって検出した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐを入力する（ステップ１０２）。
【００６１】
制御装置６０は、ステップ１０４にて、ステップ１０２で検出した加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐから上記数８に基づいて飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓを算出（推定）する。制御装置６０は、ステップ１０６にて、ステップ１０２でそれぞれ検出した加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐおよび加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐから上記数９に基づいて燃料電池酸化剤ガス入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄを算出（推定）する。そして、制御装置６０は、ステップ１０８にて、ステップ１０４で算出した飽和水蒸気圧ｓｔ＿ｐｒｅｓｓとステップ１０６で算出した燃料電池酸化剤ガス入口湿度ｓｔｉｎ＿ｈｕｍｉｄから上記数３の右辺に基づいて推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌを算出（推定）する。
【００６２】
そして、制御装置６０は、ステップ１１０にて、別に導出されるモル比設定値（目標モル比）ｒｍｏｌを入力し、ステップ１１２にて、入力したモル比設定値ｒｍｏｌとステップ１０８で算出した推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌとに基づいて、モル比設定値ｒｍｏｌに追従する操作量である調節弁４６のデューティ比ｄｕｔｙ（フィードバック制御量）を算出する。そして、ステップ１１４にて、先に算出した調節弁４６のデューティ比ｄｕｔｙを調節弁４６のドライバ回路４６ａへ出力して、調節弁４６を駆動する。その後プログラムをステップ１１６に進めて一旦終了する。
【００６３】
このようにして推定した燃料電池１０の空気極１２の水分状態を表す推定モル比を使用して調節弁４６の開閉制御を行って実際のモル比（実モル比）を測定した結果を図１０に示す。なお、図１０において、縦軸および横軸にモル比および時間を示す。また、図１０においては、推定モル比を比較的薄い色のグラフＬ１で示しており、これに対して実モル比を比較的濃い色のグラフＬ２で示している。図１０から明らかなように、推定モル比は非常によく実モル比に追従しており、したがって、推定モル比を精度よく算出（推定）することができる。
【００６４】
上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、加湿器酸化剤ガス入口温度検出手段（温度センサＴ１）、加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段（流量センサ４４）、加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段（温度センサＴ２）、および燃料電池周辺温度検出手段（温度センサＴ３）によってそれぞれ検出された加湿器酸化剤ガス入口温度ｋｉｎ＿ｔｅｍｐ、加湿器酸化剤ガス入口流量ｋａｉｒ＿ｆｌｕｘ、加湿器酸化剤ガス出口温度ｋｏｕｔ＿ｔｅｍｐおよび燃料電池周辺温度ａｒ＿ｔｅｍｐに基づいて、推定モル比導出手段（モル比推定ロジック部６２、ステップ１０８）が酸化剤極（空気極１２）内の酸化剤ガス（カソードエア）中の水蒸気のモル比を推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌとして導出し、操作量導出手段（ステップ１１２）が、推定モル比導出手段によって導出された推定モル比ｅｓｔ＿ｍｏｌおよび目標モル比ｒｍｏｌに基づいて酸化剤オフガス流量調整手段（調節弁４６）の操作量ｄｕｔｙを導出し、制御手段（ステップ１１４）が、操作量導出手段によって導出された操作量ｄｕｔｙに基づいて酸化剤オフガス流量調整手段を制御する。これにより、一般的に高価である高感度・高応答性の湿度計を設けることなく、既存のセンサを利用して酸化剤極内の酸化剤ガス中の水分状態を精度よく推定し、その結果に基づいて酸化剤オフガスの加湿器への供給量を精度よく制御することができる。したがって、加湿器４３に供給される酸化剤ガスおよび酸化剤オフガスの水蒸気の飽和状態に拘わらず、また加湿器４３の加湿能力が低下した場合においても、加湿器自体を大型化・高コスト化することなく、すなわち燃料電池システムを全体として大型化・高コスト化することなく、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を精度よく推定し水分状態を良好な状態に制御することができる。
【００６５】
また、燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段（燃料電池カソードエア入口湿度推定ロジック部７０）が、各検出手段によってそれぞれ検出された加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて、燃料電池１０に導入される酸化剤ガスの湿度を燃料電池酸化剤ガス入口湿度として導出し、飽和水蒸気圧導出手段（飽和水蒸気圧推定ロジック部品供給装置８０）が、加湿器酸化剤ガス出口温度検出手段によって検出された加湿器酸化剤ガス出口温度に基づいて燃料電池に導入される酸化剤ガスの飽和水蒸気圧を導出し、推定モル比導出手段（モル比推定ロジック部６２）が、燃料電池酸化剤ガス入口湿度導出手段および飽和水蒸気圧導出手段によってそれぞれ導出された燃料電池酸化剤ガス入口湿度および飽和水蒸気圧に基づいて推定モル比を導出する。これにより、燃料電池に導入される酸化剤ガスの温度に応じてその酸化剤ガスの湿度および飽和水蒸気圧を精度よく推定し、それらに基づいて酸化剤極内の酸化剤ガス中の水分状態であるモル比を精度よく推定し、その結果に基づいて酸化剤オフガスの加湿器への供給量を精度よく制御することができる。
【００６６】
また、目標モル比ｒｍｏｌは、酸化剤極内の水分状態がフラッディング状態でなく、かつ乾き状態とならないように設定されているので、酸化剤極内の水分環境をよい状態に維持することにより、燃料電池システムの耐久性と品質を長期に渡って維持することができる。
【００６７】
また、目標モル比ｒｍｏｌは、燃料電池の発電出力に応じて設定されているので、電力使用場所の電力負荷の変動によって発電出力も変動し発電に伴って生成される水分量が変動しても、その変動に応じて目標モル比も設定される。これにより、酸化剤極内の水分環境をよい状態に維持することにより、燃料電池システムの耐久性と品質を長期に渡って維持することができる。
【００６８】
なお、上述した実施形態においては、加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度に基づいて燃料電池酸化剤ガス入口湿度として導出し、加湿器酸化剤ガス出口温度に基づいて飽和水蒸気圧を導出するようにしたが、加湿器酸化剤ガス入口温度、加湿器酸化剤ガス入口流量、加湿器酸化剤ガス出口温度および燃料電池周辺温度にそれぞれ相関する値に基づいて燃料電池酸化剤ガス入口湿度として導出し、加湿器酸化剤ガス出口温度に相関する値に基づいて飽和水蒸気圧を導出するようにしてもよい。
【００６９】
また、上述した実施形態においては、気体を送出する送出手段としての各ポンプＰ１〜Ｐ５をブロアにしてもよい。
【００７０】
また、上述した実施形態においては、燃料電池１０の燃料極１１に、改質器２０から改質ガスを供給するようにしたが、水素ガス貯蔵装置から水素ガスを供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】目標モル比と出力電力との相関関係を示すマップである。
【図４】図２に示した制御装置のブロック線図である。
【図５】燃料電池カソードエア入口温度と加湿器カソードエア出口温度との相関関係を示すマップである。
【図６】図４に示したモル比推定ロジック部のブロック線図である。
【図７】図６に示した燃料電池カソードエア入口湿度推定ロジック部のブロック線図である。
【図８】図６に示した飽和水蒸気圧推定ロジック部のブロック線図である。
【図９】図２に示す制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図１０】推定した推定モル比を使用して調節弁の開閉制御を行って実際のモル比を測定した図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…燃焼部、２２…改質部、２３…ＣＯシフト部、２４…ＣＯ選択酸化部、２５…蒸発器、４１…カソードエア供給管、４２…カソードオフガス供給管、４３…加湿器、４４…流量計（流量センサ）、４５…バイパス管、４６…調節弁（流量調整器）、５０…インバータ、６０…制御装置。
【図１】
2006261002.tif 000011
【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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