(57)【要約】      （修正有）【課題】水素生成装置から排出される水素含有ガスが加湿不足になった場合、この水素含有ガス中の加湿量を適切に回復可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、原料ガス及び水を用いて水素含有ガスを生成する水素生成装置１０と、水素生成装置への水量を調整する水供給器１２と、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電および発熱する燃料電池１４と、水素含有ガスが流れる水素含有ガス流路２４と、燃料電池１４から排出されるオフガスが流れるオフガス流路２１と、水素含有ガス流路２４の水素含有ガスと、オフガス流路２１のオフガスとの間で熱及び水分を交換する熱交換器１３と、熱交換器出口１３ｏｕｔとアノード入口１４Ａｉｎとの間の水素含有ガス流路２４の水素含有ガスの温度を検知する温度検知器３０と、この温度に基づいて水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量を制御する制御器１８と、を備える。【選択図】図１
2008198546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガス及び水を用いて水素含有ガスを生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置への前記水の供給量を調整する水供給器と、
前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電および発熱する燃料電池と、
前記水素生成装置の出口と前記燃料電池のアノード入口との間を水素含有ガスが流れる水素含有ガス流路と、
前記燃料電池のアノード出口から排出されるオフガスが流れるオフガス流路と、
前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスと、前記オフガス流路内のオフガスとの間で熱及び水分を交換する熱交換器と、
前記熱交換器出口と前記アノード入口との間の前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスの温度を検知する温度検知器、または前記熱交換器出口と前記アノード入口との間の前記水素含有ガス流路内の前記水素含有ガスの圧力を検知する圧力検知器と、
前記温度検知器により検知された温度、または前記圧力検知器で検知された圧力に基づいて前記水供給器により前記水素生成装置に供給される水量を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を備え、
前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスと、前記冷却水流路内の冷却水とが前記熱交換器において熱交換可能なように構成されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記温度の増加に応じて前記水量を増加させる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記温度が所定の閾値を超える場合、前記水量を増加させる請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を備え、
前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスと、前記冷却水流路内の冷却水とが前記熱交換器において熱交換可能なように構成されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記圧力の減少に応じて前記水量を増加させる請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記圧力が所定の閾値を下回る場合、前記水量を増加させる請求項６記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用の燃料電池システムは、既存のインフラから供給される原料ガス及び水を用いて燃料ガス（水素含有ガス）を生成する水素生成装置と、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とを用いて発電および発熱する燃料電池とを備える。つまり、燃料電池システムは、燃料ガスと空気を燃料電池で酸化還元反応させることにより、電気と熱を同時に生成し、かつ利用できる熱電併給システムである。
【０００３】
上述の燃料電池システムでは、原料ガス供給器により、所定量の原料ガス（以下の式（１）では、メタンガスを例示）が水素生成装置に供給され、水供給器により所定量の水が水素生成装置に供給される。そして、この原料ガスと、この水から生成された水蒸気との間の、以下の改質反応により、水素生成装置により、燃料ガスが生成される。
【０００４】
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ４Ｈ2・・・（１）
このようにして生成された燃料ガスと、ブロアにより供給される空気と、がそれぞれ、燃料電池のアノードと燃料電池のカソードとに送り込まれる。これにより、燃料ガスおよび空気に対し、発電および発熱用の上述の酸化還元反応が燃料電池で進行する。
【０００５】
ところで、固体高分子型燃料電池の場合、燃料電池システムの適切な発電効率の維持には、個々の燃料電池を構成している電極や電解質膜への充分な加湿が必要である。つまり、この加湿により、電解質膜のイオン導電性が向上でき、燃料電池の発電時の抵抗損失を抑えることができる。また、燃料電池の反応部の局所的な発熱抑制などによる燃料電池の耐久性向上や電解質膜の劣化抑制の観点でも、燃料電池を充分に加湿することが有効である。このため、燃料電池へ供給される燃料ガスおよび空気の何れも充分に加湿することが好ましい。燃料ガスの加湿例としては、上述の式（１）から理解されるとおり、式（１）の左辺の「Ｈ2Ｏ」に対応する水量を増加させることにより、右辺の燃料ガス中の水分が増し、これにより、燃料ガスの加湿がなされる。
【０００６】
なお、燃料電池に供給される燃料ガスおよび空気を加湿装置により加湿する技術が、既に開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−９６７８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、原料ガスおよび水の水素生成装置への供給には、これらの供給量を決定する因子のうちの操作可能な操作量（例えば、供給器の可変オリフィスの開度）の動作誤差や、流量計の測定誤差が存在する。このため、水素生成装置へ供給される原料ガスの供給量や水の供給量が、目標量（目標とするスチームカーボン比）からずれてしまう。従来、このような誤差があることを見越して、水素生成装置に水を余分に供給して、燃料ガスが加湿不足に陥ることを防止していたが、そうすると、燃料電池システム全体の効率が低下する。
【０００８】
一方、必要最小限の水を水素生成装置に供給すれば、水供給器や原料ガス供給器（以下、これらの供給機器をまとめて「水素生成装置の材料供給系統」と総称する。）の流量誤差により、水素生成装置への水の供給量が、目標量よりも少なくなる場合がある。そうなると、燃料電池のアノードに送られる燃料ガスに含まれる水分量（加湿量）が少なくなり、燃料電池のアノードから排出されたオフガス中に含まれる水分量も減少する。その結果、このオフガスと全熱交換して、新たに燃料電池のアノードに供給される燃料ガス中の水分量は更に少なくなる。このため、燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの水分量が目標量より下回った状態のまま、燃料電池システムの運転継続されることになり、燃料電池の発電効率の低下やその耐久性の低下、電解質膜劣化という問題が発生する場合がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水素生成装置の材料供給系統の流量誤差に基づいて水素生成装置から排出される水素含有ガスが加湿不足になった場合、この燃料ガス中の加湿量を適切に回復可能な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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、原料ガス及び水を用いて水素含有ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置への前記水の供給量を調整する水供給器と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電および発熱する燃料電池と、前記水素生成装置の出口と前記燃料電池のアノード入口との間を水素含有ガスが流れる水素含有ガス流路と、前記燃料電池のアノード出口から排出されるオフガスが流れるオフガス流路と、前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスと、前記オフガス流路内のオフガスとの間で熱及び水分を交換する熱交換器と、前記熱交換器出口と前記アノード入口との間の前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスの温度を検知する温度検知器（または、前記熱交換器出口と前記アノード入口との間の前記水素含有ガス流路内の前記水素含有ガスの圧力を検知する圧力検知器）と、前記温度検知器により検知された温度（または、前記圧力検知器で検知された圧力）に基づいて前記水供給器により前記水素生成装置に供給される水量を制御する制御器と、を備える。
【００１１】
これにより、水素生成装置の材料供給系統の流量誤差に基づいて水素生成装置から排出される水素含有ガスが加湿不足になった場合、制御器が、温度検知器による水素含有ガス流路内の水素含有ガスの温度や圧力検知器による水素含有ガス流路内の水素含有ガスの圧力に基づいて水素含有ガスの加湿不足の状態を適切に検知できる。このため、制御器は、水素含有ガスの加湿不足に対し、温度検知器の温度や圧力検知器の圧力を監視しながら水供給器により水素生成装置に供給される水量をフィードバック制御して、水素含有ガス中の加湿量を速やかに回復させ得る。これにより、燃料電池システムの発電効率や耐久性の向上、電解質膜の劣化の抑制がなされる。
【００１２】
なおここで、前記燃料電池の熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を備え、前記水素含有ガス流路内の水素含有ガスと、前記冷却水流路内の冷却水とが前記熱交換器において熱交換可能なように構成されても良い。
【００１３】
また、前記制御器は、前記温度の増加に応じて前記水量を増加させても良く、前記圧力の減少に応じて前記水量を増加させても良い。
【００１４】
また、前記制御器は、前記温度が所定の閾値を超える場合、前記水量を増加させても良く、前記圧力が所定の閾値を下回る場合、前記水量を増加させても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水素生成装置の材料供給系統の流量誤差に基づいて水素生成装置から排出される水素含有ガスが加湿不足になった場合、この水素含有ガス中の加湿量を適切に回復可能な燃料電池システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１００（燃料電池コージェネレーションシステム）は、水素生成装置１０と、全熱交換器１３（全熱加湿器）と、燃料電池１４と、制御器１８と、を主たる構成機器として備えている。
【００１９】
燃料電池１４は、水素生成装置１０から排出された水素リッチな燃料ガス（水素含有ガス；還元剤ガス）と、ブロア１５から排出された空気（酸化剤ガス）を用いて発電および発熱（排熱放出）する熱電併給システムである。この燃料ガスは、図１に示すように、水素生成装置１０から燃料ガス流路２４（水素含有ガス流路）を介して燃料電池１４のアノード１４Ａに供給され、燃料電池１４で発電用に消費されなかったガス（オフガス）は、オフガス流路２１を介してアノード１４Ａから燃料電池１４の外部に排出される。上述の空気は、ブロア１５から空気流路２５を介して燃料電池１４のカソード１４Ｃに供給され、燃料電池１４で発電用に消費されなかった空気は、空気流路２５を介してカソード１４Ｃから燃料電池１４の外部に排出される。
【００２０】
水素生成装置１０は、改質水を添加させた都市ガス１３Ａなどの原料ガスを改質して、高温（例えば数百度）の燃料電池１４用の燃料ガスを生成する。この都市ガス１３Ａは、既存インフラから原料ガス供給器１１により水素生成装置１０に供給され、純水からなる改質水は、水供給器１２により水素生成装置１０に供給されている。従来の原料ガス供給器には、原料ガス加圧ポンプ、原料ガス流量計および可変オリフィスなどにより構成される供給器があり、上述の原料ガス供給器１１もこのような従来例の構成に倣った。上述の水供給器１２は、定容積型プランジャーポンプからなり、プランジャーの時間当たりの往復回数を制御することにより、水素生成装置１０への水の供給量が制御されている。なお、水供給器１２は、原料ガス供給器１１と同様に、水供給加圧ポンプ、水流量計、および可変オリフィスなどにより構成される供給器であっても良く、他の形式の定容積型ポンプであっても良い。原料ガス供給器１１による水素生成装置１０に供給される原料ガス量の誤差および、水供給器１２による水素生成装置１０に供給される水量の誤差については後述する。
【００２１】
また、図１に示すように、燃料電池１４の内部を一定温度（例えば７０℃）に保つ目的で冷却水（冷却水）を燃料電池１４の内部に導く冷却水流路２２が、燃料電池１４の内部を通って循環している。つまり、この冷却水は、燃料電池１４の発熱（反応熱）による熱を、燃料電池１４の内部を一定温度に保つように燃料電池１４の外部に輸送する役割を担っている。そして、冷却水流路２２内の冷却水を循環可能な冷却水循環ポンプ１６が設けられ、この冷却水循環ポンプ１６により、冷却水流路２２の冷却水流量が適切に調整されている。
【００２２】
全熱交換器１３は、アノード入口１４Ａｉｎに供給される燃料ガスと、アノード出口１４Ａｏｕｔから水素生成装置１０の加熱用のバーナ１７に向けて排出されるオフガスとの間で、熱および水分を交換するように構成されている。つまり、全熱交換器１３の内部には、図１に示すように、水素生成装置１０の出口１０ｏｕｔと燃料電池１４のアノード入口１４Ａｉｎとの間を連通する燃料ガス流路２４と、燃料電池１４のアノード出口１４Ａｏｕｔから排出されるオフガスが流れるオフガス流路２１と、が通るようになっている。これにより、燃料ガス流路２４内の燃料ガスと、オフガス流路２１内のオフガスとが、全熱交換器１３において、オフガスから燃料ガスに水分を与えるようにして熱及び水分を交換できる。
【００２３】
また、全熱交換器１３の内部には、上述の冷却水流路２２が通るようになっている。これにより、燃料ガス流路２４内の燃料ガスと、燃料電池１４の排熱により暖められた冷却水流路内の冷却水とが、全熱交換器１３において、冷却水から燃料ガスに熱を与えるようにして熱を交換できる。
【００２４】
インバータ１９は、燃料電池１４から出力される直流の発電電力を交流電力に変換する。このインバータ１９の出力側は、電力検知器（不図示）を介してインバータ１９の交流電力を供給する電力負荷（例えば、家庭用電力負荷）と既存インフラの電力系統の両方に接続されている。
【００２５】
また、全熱交換器１３の出口１３ｏｕｔと燃料電池１４のアノード入口１４Ａｉｎとの間（温度検知器３０の応答性向上の観点から好ましくは出口１３ｏｕｔの直近）の燃料ガス流路２４には、この燃料ガス流路２４を流れる燃料ガスの温度を検知可能な温度検知器３０（例えばサーミスタや熱電対）が配設されている。そして、制御器１８は、図示していないメモリやＣＰＵにより構成され、この温度検知器３０により検知された、燃料ガスの温度を取得して、この温度に基づいて、水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量を制御している。制御器１８による水量の制御動作の詳細は、後述する。
【００２６】
なお、制御器１８は、上述の水量の制御に代えて、燃料ガスの温度に基づいて、原料ガス供給器１１により水素生成装置１０に供給される原料ガス量を制御しても良い。
【００２７】
次に、水供給加圧ポンプ、水流量計、および可変オリフィスにより構成された水供給器１２を例にして、この水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量の誤差について述べる。なお、同様の議論は、原料ガス供給器１１にも当て嵌まる。
【００２８】
水供給器１２により供給される水量は、例えば、水供給器１２の水流量計の測定誤差などに影響されるが、これ以外にも、各種の誤差要因を内包している。ここでは、その一例として、水供給器１２の可変オリフィスに関連する水量の誤差を説明する。
【００２９】
図２は、横軸に可変オリフィスの開度をとり、縦軸にＣｖ値をとって、水供給器の流量特性の一例を示した図である。なお、Ｃｖ値とは、水供給器１２の流量特性を表示する水の流れ易さの係数であり、水量の多少を表す指標である。
【００３０】
水供給器１２のＣｖ値は、通常、可変オリフィスの開度に対して、図２に示す如く、非線形性の特性を示すことが知られている。そして、この可変オリフィスの開度調整は、ステッピングモータにより制御されており、このことが、ステッピングモータの１ステップパルス当たりの開度に相当する、所定の開度ばらつきΔＶを必然的に可変オリフィスに与える。
【００３１】
以上の状況において、水量Ｑが少なめの領域で水供給器１２を使用する場合、水量Ｑの誤差ΔＱ1が生じる。一方、水量Ｑが多めの領域で水供給器１２を使用すれば、水量Ｑの誤差ΔＱ2は、誤差ΔＱ1より小さくできるが、水量Ｑは燃料電池１４の発電状況に応じて変動することから、ある程度の流量誤差発生は避けられない。また、図２のように水量Ｑ（可変オリフィスの開度）の値に応じてその誤差が変化すること自体、水供給器１２による水量Ｑの調整を複雑化させる。
【００３２】
次に、水素生成装置１０の材料供給系統の流量誤差により、水素生成装置１０に供給される水蒸気量と原料ガス量との間の公知の比率であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃが、正常な状態のスチームカーボン比Ｓ／Ｃ（以下、「正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃ」と略す）から、燃料ガスが加湿不足になる方向にずれた場合の不都合について説明する。
【００３３】
燃料電池１４の酸化還元反応を安定に進めるには、上述のとおり、燃料電池１４に冷却水を通水することにより、燃料電池内部の温度を一定に保つ必要がある。通常、燃料電池１４に通水する冷却水の入口温度を略６０℃に、同出口温度を略６５℃程度の温度に保つ必要がある。一方、燃料電池１４の酸化還元反応により、電気と生成物である水（生成水）が、燃料電池１４のカソード１４Ｃ側で生成される。そして、この生成水は、燃料電池１４の電極および電解質膜を逆拡散して、燃料電池１４のアノード１４Ａ側に供与される。アノード出口１４Ａｏｕｔから排出されたオフガスは、上述の逆拡散された生成水により付加的に加湿され、燃料電池１４の冷却水の出口温度（６５℃）と同程度の温度になり、全熱交換器１３へ入る。燃料ガス流路２４を流れる燃料ガスは、燃料電池１４の前段に設けられた全熱交換器１３において、オフガス流路２１を流れるオフガスに含まれる水分を受け取り、これにより、燃料ガスは加湿される。
【００３４】
ところが、水素生成装置１０に供給される原料ガスおよび水蒸気のスチームカーボン比Ｓ／Ｃが、水供給器１２の流量誤差により正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃに比べて小さい側にずれた場合（つまり、水素生成装置１０に供給される水量が少なくなった場合）、全熱交換器１３の出口１３ｏｕｔから排出される燃料ガス中の加湿量は低下する。そして、このような燃料ガスの加湿不足は、オフガスの加湿不足を招き、最終的には、上述のとおり、燃料電池の発電効率の低下や耐久性の低下、燃料電池の電解質膜劣化という問題を引き起こす。
【００３５】
次に、燃料ガスの加湿不足を検知する方法について述べる。
【００３６】
水素生成装置１０に供給される水量が、水供給器１２の流量誤差により少なくなった場合（言い換えれば、水素生成装置１０におけるスチームカーボン比Ｓ／Ｃが、正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃよりも小さくなった場合）、全熱交換器１３において、燃料ガスに含まれる水が水蒸気に気化する際に、この水が冷却水から持ち去る熱量が少なくなる。よって、全熱交換器１３から排出される燃料ガスの温度は上昇する。つまり、全熱交換器１３では、燃料ガスとオフガスとの間で水分の交換が実行される際に、燃料ガス中の水蒸発に必要な熱は、冷却水から与えられる。このため、燃料ガスの加湿量が少ない場合には、燃料ガス中の水が、冷却水から奪う熱量も減り、全熱交換器１３から排出される冷却水の温度が高くなる。その結果、燃料ガスの温度は、正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃの場合の温度検知器３０の温度（以下、「基準温度」と略す）よりも上昇すると考えられる。このような燃料ガスの温度上昇のメカニズムに基づいて、全熱交換器１３を通過した後の燃料ガスの温度に基づいて、燃料ガスの加湿不足が適切に推定できるようになる。
【００３７】
次に、水素生成装置１０の材料供給系統の流量誤差に起因した燃料ガスの加湿不足に対する対処法について説明する。
【００３８】
制御器１８は、図１に示すように、温度検知器３０の温度を監視しており、この温度が、予めメモリに記憶された上述の基準温度より高くなると、これを基準温度に戻すようにフィードバック制御により、水供給器１２を用いて水素生成装置１０に供給される水量を調整している。つまり、燃料ガスの加湿不足の場合、温度検知器３０の温度をもとに、スチームカーボン比Ｓ／Ｃが、正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃになるように、水供給器１２の操作量（例えば可変オリフィスの開度）により、水供給器１２の制御量である水量を上述の温度の増加に応じて増加させ、これにより、この水量が適切に調整されている。このため、水素生成装置１０の材料供給系統の流量誤差に基づく各種の不都合を防止でき、燃料電池１４を適切に運転継続できる。
【００３９】
つまり、燃料電池に供給された燃料ガスは、燃料ガス中に含まれる水蒸気が燃料電池１４の内部を適切に加湿することにより、燃料電池１４中の電解質膜の導電率を向上させるとともに、熱損失を低減させ、燃料電池１４の発電電圧が向上する。また、燃料電池１４の内部が充分に加湿されることにより、燃料電池１４の電極触媒で起こる電気化学反応の発生熱による熱ダメージが低減し、電気化学反応に有害なコンタミ物質の影響を希釈効果により低減できる。その結果、電解質膜の劣化（例えば電解質膜の穴あきなどの発生）を防止し、可燃ガスのクロスリーク発生を防いで燃料電池１４の耐久性が向上する。
【００４０】
ところで、スチームカーボン比Ｓ／Ｃは、通常は水供給器１２および原料ガス供給器１１の何れの制御量によっても調整可能であるが、本実施形態では、水供給器１２の制御量により、スチームカーボン比Ｓ／Ｃのずれを調整した。これは以下の理由によるものである。
【００４１】
制御量（例えば水量や原料ガス量）が、操作量（例えば可変オリフィスの開度）により完全に決まるのであれば問題ないが、制御量は、一般的には、操作量だけでなく様々な要因に左右される。このような操作量以外の制御量の決定因子は、外乱と呼ばれ、フィードバック制御では、このような外乱の抑制効果が期待できる。言い換えれば、フィードバック制御では、外乱が多い方の制御対象の制御量を操作する方が好ましいと言える。
【００４２】
ここで、水供給器１２の制御量と、原料ガス供給器１１の制御量とを比較した場合、水供給器１２の制御量の方が、誤差を生じ易い（つまり、外乱が多い）と考えられる。水中には溶存酸素などの気体が溶け込んでおり、水の状態如何によっては、その溶存気体が気泡となって出現する場合がある。そして、ポンプ計量部に気体が噛みこん場合には、水量の計量誤差が生じる。また、このような気体がポンプ計量部から消滅や排出された後は、正規の計量値に戻るなど、計量誤差が経時変化する場合もある。このため、本実施形態では、誤差が生じ易い制御対象である水供給器１１の制御量のフィードバック制御により、スチームカーボン比Ｓ／Ｃのずれを調整した。なお、スチームカーボン比Ｓ／Ｃのずれの調整（ひいては燃料ガスの加湿量調整）は、原料ガス供給器１１の原料ガス量を制御量として行うことも可能であるが、ここでは、詳細な説明は省く。
【００４３】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００による燃料ガス加湿量の制御動作について図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図３は、本実施形態の燃料電池システムによる燃料ガス加湿量の制御ルーチンを示したフローチャートである。制御器１８により、燃料電池システム１００の発電動作中に、以下の燃料ガス加湿量の制御動作が実行される。この燃料ガス加湿量の制御動作では、まず、制御器１８は、予めメモリに記憶された燃料ガス加湿量の制御用のプログラムを読み出し、このプログラムが、以下の処理を、制御器１８のＣＰＵ、水供給器１２および原料ガス供給器１１を制御しながら実行する。
【００４５】
まず、制御器１８のＣＰＵは、燃料電池１４の発電量（例えば、電流量や電力量）を特定する（ステップＳ３０１）。
【００４６】
次に、制御器１８のＣＰＵは、この発電量に基づいて原料ガス供給器１１による水素生成装置１０への原料ガス量を設定するとともに（ステップＳ３０２）、水供給器１２による水素生成装置１０への水量を設定する（ステップＳ３０３）。
【００４７】
そして、ステップＳ３０２により供給量設定された原料ガスが、水素生成装置１０に供給され、ステップＳ３０３により供給量設定された水が、水素生成装置１０に供給される（ステップＳ３０４）。
【００４８】
ここで、制御器１８のＣＰＵは、温度検知器３０の温度が、予めメモリに記憶された所定の閾値を越えているか否かについて判定する（ステップＳ３０５）。上述の閾値とは、例えば、正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃの場合の温度検知器３０の温度（基準温度）である。
【００４９】
この温度が、所定の閾値以下であれば（ステップＳ３０５において「Ｎｏ」）、そのまま燃料電池システム１００の発電が継続される。この温度が、所定の閾値を超えれば（ステップ「Ｓ３０５に「おいてＹｅｓ」」、水供給器１２による水素生成装置１０への水量を増やすように、水供給器１２の水量が調整され（ステップＳ３０６）、再び、ステップＳ３０５の判定動作がなされる。
【００５０】
なおここでは、水供給器１２による水量の制御により、水素生成装置１０のスチームカーボン比Ｓ／Ｃを調整しているが、原料ガス供給器１１による原料ガス量の制御により、このスチームカーボン比Ｓ／Ｃを調整する場合には、図３のステップＳ３０６に示した処理内容を、原料ガス量の調整を行うように変更すれば良い。
【００５１】
以上に述べたように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス及び水を用いて燃料ガスを生成する水素生成装置１０と、水素生成装置１０への水量を調整する水供給器１２と、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電および発熱する燃料電池１４と、水素生成装置の出口１０ｏｕｔと燃料電池１４のアノード入口１４Ａｉｎとの間を燃料ガスが流れる燃料ガス流路２４と、燃料電池１４のアノード出口１４Ａｏｕｔから排出されるオフガスが流れるオフガス流路２１と、燃料ガス流路２４内の燃料ガスと、オフガス流路２１内のオフガスとの間で熱及び水分を交換する全熱交換器１３と、全熱交換器１３の出口１３ｏｕｔとアノード入口１４ｉｎとの間の燃料ガス流路２４内の燃料ガスの温度を検知する温度検知器３０と、温度検知器３０により検知された温度に基づいて水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量を制御する制御器１８と、を備える。
【００５２】
よって、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素生成装置１０の材料供給系統の流量誤差に基づいて水素生成装置１０から排出される燃料ガスが加湿不足になった場合、制御器１８が、温度検知器３０による燃料ガス流路２４内の燃料ガスの温度に基づいて燃料ガスの加湿不足を適切に検知できる。このため、制御器１８は、燃料ガスの加湿不足に対し、温度検知器３０の温度を監視しながら水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量をフィードバック制御して、燃料ガス中の加湿量を速やかに回復させ得る。これにより、燃料電池システム１００の発電効率や耐久性の向上、電解質膜の劣化の抑制がなされる。
【００５３】
なお、燃料ガスの加湿量検知に、サーミスタや熱電対などの安価かつ応答性に優れた温度検知器が使用されていることから、燃料電池システム１００の低コスト化およびフィードバック制御の応答性向上が図れて好適である。
〔変形例〕
ここまで、制御器１８が、温度検知器３０による燃料ガス流路２４内の燃料ガスの温度に基づいて水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量を制御する例を述べたが、これに代えて、圧力検知器により燃料ガス流路２４内の燃料ガスの圧力を検知しても良い。全熱交換器１３から燃料電池１４に向けて排出された燃料ガスの加湿が少なくなれば、燃料ガス中に含まれる水蒸気量が減り、必然的に燃料ガス全体の流量は低下する。このため、燃料ガスが流れる燃料ガス流路２４の圧力が低下する。そこで、制御器１８が、例えば燃料ガスが流れる燃料ガス流路２４の圧力を圧力検知器から受け取り、この圧力が所定の閾値を下回る場合、燃料ガスの加湿不足の状態（つまり、スチームカーボン比Ｓ／Ｃが、正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃからずれた状態）にあると判定しても良い。なお、この所定の閾値とは、例えば、正常スチームカーボン比Ｓ／Ｃの場合の圧力検知器の圧力である。
【００５４】
そして、制御器１８が、燃料ガスの加湿不足に対し、圧力検知器の圧力を監視しながら水供給器１２により水素生成装置１０に供給される水量をフィードバック制御して、これにより、制御器１８が、水量を上述の圧力の減少に応じて増加させ、燃料ガス中の加湿量を速やかに回復させ得る。
【００５５】
なお、圧力は流路内を伝播することから、原料ガス供給器１１とアノード入口１４Ａｉｎの間の流路であれば何処に圧力検知器を設置しても良いが、圧力検知器の応答性向上の観点から全熱交換器１３の出口１０ｏｕｔの直近の流路に設置する方が好ましい。また、このような圧力検知の他、圧力に相関するような他の物理量、例えば、流量や差圧を検知しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の燃料電池システムによれば、水素生成装置の材料供給系統の流量誤差に基づいて水素生成装置から排出される燃料ガスが加湿不足になった場合、この燃料ガス中の加湿量を適切に回復可能であり、例えば、家庭用の燃料電池システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。
【図２】水供給器の流量特性の一例を示した図である。
【図３】本実施形態の燃料電池システムによる燃料ガス加湿量の制御ルーチンを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１０  水素生成装置
１０ｏｕｔ  水素生成装置のガス出口
１１  原料ガス供給器
１２  水供給器
１３  全熱交換器
１３ｏｕｔ  全熱交換器の出口
１４  燃料電池
１４Ａ  アノード
１４Ｃ  カソード
１４Ａｉｎ  アノード入口
１４Ａｏｕｔ  アノード出口
１５  ブロア
１６  冷却水循環ポンプ
１７  バーナ
１８  制御器
１９  インバータ
２１  オフガス流路
２２  冷却水流路
２４  燃料ガス流路
２５  空気流路
３０  温度検知器
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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