(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池が発電に伴って生じる熱を用いて水を加温する水加温手段と、
該加温された水に前記原料ガスを構成する少なくとも一部の気体を接触させて加湿することにより該原料ガスに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
該水蒸気供給手段の水を加熱可能な加熱手段と、を備え、
前記気体は、前記炭化水素の燃料を含むガス、酸素を含有する酸素含有ガスを含むガス、または、前記炭化水素系の燃料と酸素を含有する酸素含有ガスとを含むガスであり、
前記酸素含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスと空気とを含むガスであって、
前記酸素含有ガス中に含まれる前記酸化ガスの排ガスと空気との割合を調節する割合調節手段をさらに備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの排ガスを少なくとも燃料の一部として燃焼することにより前記水蒸気供給手段の水を加熱する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記水蒸気供給手段の水の温度を検出する温度検出手段と、
該検出された温度に基づいて前記加熱手段による加熱を制御する加熱制御手段と
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記加熱手段は、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの排ガスを少なくとも燃料の一部として燃焼することにより前記水蒸気供給手段の水を加熱する手段であり、
前記加熱手段に空気を供給可能な空気供給手段を備え、
前記加熱制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて前記加熱手段に供給される空気量を調節するよう前記空気供給手段を制御する手段である
燃料電池システム。
【請求項５】
炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池が発電に伴って生じる熱を用いて水を加温する水加温手段と、
前記改質器における反応に寄与しない非反応気体を空気における窒素の酸素に対する比率より高い比率で含有する非反応気体含有ガスを含む気体を前記水加温手段により加温された水に接触させて加湿することにより該気体に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記非反応気体含有ガスを含む気体と前記燃料とを混和して前記原料ガスとする混和手段と
を備える燃料電池システム。
【請求項６】
前記水蒸気供給手段は、前記混和手段を兼ねる手段である請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記非反応気体含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスである請求項５または６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記非反応気体含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスと空気との混合ガスである請求項５または６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記混合ガスにおける前記酸化ガスの排ガスと空気との混合比を調節する混合比調節手段を備える請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水蒸気供給手段の水を加熱する水加熱手段を備える請求項５ないし９いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水蒸気供給手段の水と接触する前記気体の圧力を調節する圧調節手段を備える請求項１ないし１０いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池を冷却する冷却系の一部を構成する手段である請求項１ないし１１いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記冷却系は、前記水蒸気供給手段の前段で前記燃料電池と熱交換をする手段である請求項１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記冷却系は、前記水蒸気供給手段の後段で水を冷却する冷却手段を備える請求項１２または１３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、加温された水との接触により加湿した空気と炭化水素系の燃料とを含む原料ガスを改質器に供給するものが提案されている（例えば、特開平１０−３３０１０１号公報など）。このシステムでは、炭化水素系の燃料と水蒸気と空気との混合ガスを改質器に供給して、炭化水素系の燃料の空気中の酸素による部分酸化反応と炭化水素系の燃料の水蒸気改質反応とを行なわせて水素リッチガスを生成し、この水素リッチガスと空気とを燃料電池に供給して電力を得ている。改質器に供給される混合ガス中の水蒸気は、燃料電池の冷却に用いた温水に空気を接触させて加湿することにより供給されるようになっている。燃料電池の冷却に用いた温水を用いるのは、空気に含まれる水蒸気の分圧を高めてより多くの水蒸気を混合ガスに供給するためである。また、この公報には、空気と炭化水素系の燃料との混合気体を燃料電池の冷却に用いた温水に接触させて加湿するものも記載されている。なお、炭化水素系の燃料としてメタンを用いた場合におけるメタンの部分酸化反応は次式（１）の反応となり、メタンの水蒸気改質反応は次式（２）の反応となる。なお、式（１）および式（２）により生成された一酸化炭素は更に水蒸気と次式（３）に示すシフト反応により水素を生じる。
【０００３】
ＣＨ4＋（１／２）Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ＋３５．７ｋＪ  （１）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ−２０６．２ｋＪ        （２）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2＋４１．２ｋＪ            （３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の燃料電池システムでは、改質器に供給されるガスに十分な水蒸気を含ませることができないという問題があった。燃料電池の冷却に用いられた温水は、例えば固体高分子型燃料電池の場合、燃料電池の動作温度が８０℃程度であるため、加湿される空気は８０℃における飽和水蒸気圧までしか加湿することができない。この８０℃における飽和水蒸気圧では、炭化水素系の燃料としてメタンを想定した場合、水蒸気のメタンに対するモル比（水蒸気のモル数／メタンのモル数）は１．５程度となる。前述の式（２）および式（３）から解るように、水蒸気は１モルのメタンに対して２モルが必要であり、メタンの転化率（反応率）を高めるためには、水蒸気は１モルのメタンに対して２モル以上必要となるが、８０℃では１．５程度となりメタンの転化率を低下させてしまう。また、こうした水蒸気不足は、改質器の内部でカーボンを析出させたり、改質器での反応温度を高温化したり、得られる水素リッチガス中の一酸化炭素の濃度を高めたりする問題をも生じさせる。
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、改質器に供給される原料ガスに含まれる水蒸気の混合比を高くすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料に見合う水蒸気を改質器に供給することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池が発電に伴って生じる熱を用いて水を加温する水加温手段と、該加温された水に前記原料ガスを構成する少なくとも一部の気体を接触させて加湿することにより該原料ガスに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、該水蒸気供給手段の水を加熱可能な加熱手段とを備え、前記気体は、前記炭化水素の燃料を含むガス、酸素を含有する酸素含有ガスを含むガス、または、前記炭化水素系の燃料と酸素を含有する酸素含有ガスとを含むガスであり、前記酸素含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスと空気とを含むガスであって、前記酸素含有ガス中に含まれる前記酸化ガスの排ガスと空気との割合を調節する割合調節手段をさらに備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の第１の燃料電池システムでは、加熱手段が水蒸気供給手段の水を加熱するから、水と接触して加湿される気体の水蒸気分圧を高くすることができる。この結果、原料ガスに含まれる水蒸気の混合比を高くすることができる。
【００１０】
また、本発明の第１の燃料電池システムによれば、前記酸素含有ガスに含まれる酸化ガスの排ガスは酸素に対する窒素の割合が高いから、加湿される気体のボリュームを多くすることにより多くの水蒸気を原料ガスに含ませることができる。すなわち、排ガスは改質器における反応に寄与しないが水蒸気を運ぶ気体として機能する窒素を多く含むため、原料ガスに排ガスを含ませることにより酸素と炭化水素系の燃料との比を変えることなく原料ガスのボリュームを多くして原料ガスに含まれる水蒸気を多くすることができるのである。
【００１１】
また、本発明の第１の燃料電池システムによれば、前記酸素含有ガス中に含まれる前記酸化ガスの排ガスと空気との割合を調節する割合調節手段を備えることで、酸素含有ガス中の酸素と窒素との割合を調節することができる。この結果、原料ガスに含まれる水蒸気の割合も調節することができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加熱手段は、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの排ガスを少なくとも燃料の一部として燃焼することにより前記水蒸気供給手段の水を加熱する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料ガスの利用効率を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段の水の温度を検出する温度検出手段と、該検出された温度に基づいて前記加熱手段による加熱を制御する加熱制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、水蒸気供給手段の水の温度に制御することにより加湿される気体に含まれる水蒸気の量を制御することができる。
【００１４】
加熱手段に燃料ガスの排ガスを供給すると共に加熱制御手段を備える態様の本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加熱手段に空気を供給可能な空気供給手段を備え、前記加熱制御手段は前記温度検出手段により検出された温度に基づいて前記加熱手段に供給される空気量を調節するよう前記空気供給手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、加熱手段に供給される空気量を調節することにより燃焼ガスの温度を調節することができる。この結果、水蒸気供給手段の水の温度を調節することができ、加湿される気体に含まれる水蒸気の量を調節することができる。
【００１５】
本発明の第２の燃料電池システムは、
炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池が発電に伴って生じる熱を用いて水を加温する水加温手段と、
前記改質器における反応に寄与しない非反応気体を空気における窒素の酸素に対する比率より高い比率で含有する非反応気体含有ガスを含む気体を前記水加温手段により加温された水に接触させて加湿することにより該気体に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記非反応気体含有ガスを含む気体と前記燃料とを混和して前記原料ガスとする混和手段と
を備えることを要旨とする。
【００１６】
この本発明の第２の燃料電池システムでは、改質器における反応に寄与しない非反応気体を空気における窒素の酸素に対する比率より高い比率で含有する非反応気体含有ガスを含む気体を加湿し、この気体と炭化水素系の燃料とを混和して原料ガスとする。本発明の第２の燃料電池システムによれば、原料ガスにおける非反応気体の比率を高くすることにより、炭化水素系の燃料に対する水蒸気の比率を高くすることができる。
【００１７】
こうした本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段は、前記混和手段を兼ねる手段であるものとすることもできる。こうすれば、炭化水素系の燃料も水蒸気を運ぶキャリアとして機能するから、原料ガス中の水蒸気の比率をより高くすることができる。
【００１８】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記非反応気体含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスであるものとすることもできる。酸化ガスの排ガスは、燃料電池で酸素が消費されているから、改質器における反応に寄与しない非反応気体としての窒素の比率が高くなっている。こうすれば、非反応気体含有ガスを貯蔵する必要がない。
【００１９】
あるいは、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記非反応気体含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスと空気との混合ガスであるものとすることもできる。この態様の本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記混合ガスにおける前記酸化ガスの排ガスと空気との混合比を調節する混合比調節手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、原料ガス中の酸素と窒素の比を調節することができ、この結果、原料ガス中の水蒸気の比率を調節することができる。
【００２０】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段の水を加熱する水加熱手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、加湿される気体の飽和水蒸気圧を高くすることができ、結果として原料ガス中の水蒸気の比率を高くすることができる。
【００２１】
これら各態様を含め本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段の水と接触する前記気体の圧力を調節する圧調節手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、加湿される気体の圧力を調節することにより水蒸気量を調節することができる。
【００２２】
また、本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池を冷却する冷却系の一部を構成する手段であるものとすることもできる。こうすれば、水系統を複数持つ必要がなく、システムをコンパクトにすることができる。この態様の本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記冷却系は、前記水蒸気供給手段の前段で前記燃料電池と熱交換をする手段であるものとすることもできる。また、同様の態様の本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記冷却系は、前記水蒸気供給手段の後段で水を冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、炭化水素系の燃料としてのメタンを水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器２２と、燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとしての空気との供給を受けて発電する燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却系統４０と、この冷却系統４０に組み込まれ改質器２２に供給するメタンや酸素を含むガスを加湿する加湿器５０と、燃料電池システム２０全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。
【００２４】
改質器２２は、メタンと酸素と水蒸気とを含む原料ガスに対して主として前述した式（１）の部分酸化反応と式（２）の水蒸気改質反応を行なう改質部２４と、主として改質部２４により生成された一酸化炭素を式（３）のシフト反応により水素と二酸化炭素にするシフト部２６と、こうして得られた燃料ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化するＣＯ選択酸化部２８とを備える。なお、改質器２２は、ＣＯ選択酸化部２８における一酸化炭素の選択酸化のために、燃料ガスに空気を導入するブロワ２７も備えている。
【００２５】
燃料電池３０は、単電池３１を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００２６】
冷却系統４０は、冷却水の循環管路４２を備えており、この循環管路４２には、冷却水の不足分を補給する水タンク４４、循環管路４２に冷却水を循環させる循環ポンプ４５、燃料電池３０と熱交換するための熱交換器４６、前述の加湿器５０、冷却水を外気により冷却するラジエータ４８がこの順に接続されている。熱交換器４６には、燃料電池３０をその一部として循環管路を形成する循環管路４７の一部が導入されており、循環管路４２を循環する冷却水と循環管路４７を循環する冷却媒体（例えば、水）とが熱交換するようになっている。したがって、循環管路４２を循環する冷却水は、この熱交換器４６で燃料電池３０の運転温度である約８０℃程度まで加温されて、加湿器５０に流入することになる。
【００２７】
加湿器５０は、温水のタンクとして形成されており、カソード排ガス管６４を介して供給される燃料電池３０のカソード３４からの排ガスとブロワ６８からの空気の混合ガスやメタンを貯蔵するメタンタンク６０からのメタンを加湿すると共に、加湿されたこれらのガスを混和する混和槽として機能する。加湿器５０には、その内部の温水を加熱するための燃焼器５２が併設されており、この燃焼器５２には、燃料電池３０のアノード３３からの排ガスとブロワ５４からの空気が導入されるようになっている。加湿器５０で加湿され混和された原料ガスは、原料ガス供給管７０を介して改質器２２に供給される。この原料ガス供給管７０の加湿器５０出口付近には調圧弁７２が取り付けられており、加湿器５０の内部の圧力が調節できるようになっている。なお、メタンタンク６０からのメタンの供給管には電磁弁６２が取り付けられており、その供給量の調節ができるようになっている。また、カソード排ガス管６４には分岐管が取り付けられており、分岐管に取り付けられた電磁弁６６を開成することにより、カソード３４の排ガスの一部または全部は大気に開放されるようになっている。
【００２８】
電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット８０には、改質器２２の各部の温度などの各種信号や加湿器５０に取り付けられた温度センサ５１からの加湿器５０内部の水温などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、改質器２２の各部への駆動信号やブロワ２９，５４，６８への駆動信号，電磁弁６２，６６を駆動するためのアクチュエータ６３，６７への駆動信号，調圧弁７２を駆動するためのアクチュエータ７３への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２９】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に改質器２２に供給する原料ガスの加湿の動作について説明する。改質器２２に供給される原料ガス中のメタンの単位時間当たりの量（モル数）は、燃料電池３０の規模やアノード３３から排出される排ガス中の水素濃度の設定などにより定められる。こうしたメタンの量に対して原料ガス中の酸素の比率はモル比［Ｏ2／ＣＨ4］で０．４ないし０．６程度に設定される。これは、このモル比［Ｏ2／ＣＨ4］が０．５弱では上述した式（１）ないし式（３）の反応が化学平衡上反応熱の収支が値０となるオートサーマルから発熱を実現し、モル比［Ｏ2／ＣＨ4］が０．５以上では改質部２４は全体として発熱体となることに基づく。実施例では、メタンタンク６０からのメタンの量に対してカソード３４からの排ガスと空気との混合ガス中の酸素の量がモル比［Ｏ2／ＣＨ4］で０．５程度になるよう調節される。なお、カソード３４からの排ガスと空気との割合は原料ガス中における水蒸気の比率をも考慮して設定されている。
【００３０】
原料ガスにおける水蒸気の比率は、温度と圧力とによって定まる。図３にキャリアガスに対する水蒸気の量と温度と圧力との関係を示す。図示するように、温度を一定とすれば圧力が高くなるほど水蒸気量は減少し、圧力を一定とすれば温度が高くなるほど水蒸気量は増加する。いま、加湿器５０の圧力が２気圧で温度が９０℃、カソード３４からの排ガスの酸素と窒素の構成比が１：８（カソード空気利用率を５０％とした場合）、混合ガス中のカソード３４からの排ガス中の酸素と空気中の酸素との混合比が１：１、原料ガス中の酸素のメタンに対するモル比［Ｏ2／ＣＨ4］が０．５の場合を考えれば、図３のグラフから水蒸気のキャリアガスに対するモル比は約５５％であり、キャリアガスはメタンと混合ガスの和となるからメタンの当量当たり４．５モルとなる。したがって、飽和水蒸気圧でキャリアガスが加湿されるとすれば、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ2Ｏ／ＣＨ4］は２．４７５となる。
【００３１】
カソード３４からの排ガスと空気との混合ガスについてもう少し説明する。図３のグラフに示すように水蒸気量はキャリアガスが多くなれば多くなるから、改質器２２に供給される原料ガスのメタンと酸素との比率を変更せずに原料ガス量を増やすことができれば、原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を高くすることができる。カソード３４からの排ガスは、燃料電池３０により酸素が消費された後の空気であり、改質器２２の反応（前述の式（１）ないし式（３））に寄与しない気体としての窒素が空気の割合に対して多くなっている。したがって、この排ガスを原料ガスに含ませることにより、原料ガスのメタンと酸素との比率を変更せずに原料ガス量を増やすことができ、この結果、原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を高くすることができる。例えば、上述の例の混合ガスをカソード３４からの排ガスのみにした場合、キャリアガスはメタンの当量当たり５．５モルとなり、飽和水蒸気圧でキャリアガスが加湿されるとすれば、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ2Ｏ／ＣＨ4］は３．０２５となる。また、同様な条件で加湿器５０の温度を８０℃とすれば、図３のグラフから水蒸気のキャリアガスに対するモル比は約３０％となり、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ2Ｏ／ＣＨ4］は１．６５となる。更に、加湿器５０の圧力を１．５気圧とすれば、水蒸気のキャリアガスに対するモル比は約４５％となり、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ2Ｏ／ＣＨ4］は２．４７５となる。このように混合ガス中のカソード３４からの排ガスと空気との混合比を調節することにより、メタンの当量当たりの原料ガス量を調節でき、この結果、原料ガス中の水蒸気のメタンに対する比率を調節できるのである。
【００３２】
説明の容易のため、実施例の燃料電池システム２０を前述した加湿器５０の圧力が２気圧で温度が９０℃、カソード３４からの排ガスの酸素と窒素の構成比が１：８、混合ガス中のカソード３４からの排ガスと空気との混合比が１：１、原料ガス中の酸素のメタンに対するモル比［Ｏ2／ＣＨ4］が０．５となるよう運転するものとする。燃料電池３０のカソード３４に酸化ガスとしての空気を供給するブロワ２９の運転と、カソード３４からの排ガスに空気を導入するブロワ６８の運転と、電磁弁６６の開度は、加湿器５０に供給されるメタンタンク６０からのメタンの流量に対して、混合比が１：１のカソード３４からの排ガスと空気との混合ガスの流量がその比で３．５となるよう調節すればよい。
【００３３】
加湿器５０の温水の温度は、図４に例示する温度調節処理ルーチンにより行なわれる。このルーチンは、実施例の燃料電池システム２０の運転が開始されシステムが定常運転された後に所定時間毎（例えば、５秒毎）に繰り返し実行される。本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、まず温度センサ５１により検出される加湿器５０の温水の温度Ｔを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。続いて読み込んだ温度Ｔを閾値Ｔｒと比較する（ステップＳ１０２）。ここで、閾値Ｔｒは、加湿器５０の温水の設定温度やこの温度より若干高い温度として設定されるものである。
【００３４】
加湿器５０の温水の温度Ｔが閾値Ｔｒ未満のときには、ブロワ５４から燃焼器５２に供給される空気量Ｑａに所定値Ｑ１を設定し（ステップＳ１０４）、温度Ｔが閾値Ｔｒ以上のときには、ブロワ５４から燃焼器５２に供給される空気量Ｑａに所定値Ｑ１よりΔＱだけ大きな値を設定する（ステップＳ１０６）。ここで、所定値Ｑ１は、燃焼器５２に供給されるアノード３３の排ガスの水素に対して理論空燃比となる空気量の値やこれより若干大きな値として設定されるものであり、燃料電池３０の特性や実施例の燃料電池システム２０の仕様設定などにより定まる。そして、設定した空気量Ｑａが燃焼器５２に供給されるようブロワ５４を駆動して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。この処理で加湿器５０の温水の温度の調節を行なうことができるのは、供給される燃料の量に対する空気量が理論空燃比より大きいときには燃焼ガスの温度が低くなることに基づく。すなわち、加湿器５０の温水の温度Ｔが設定値より高いときには、燃焼器５２に供給する空気量を理論空燃比より多くして燃焼ガスの温度を低くすることにより加湿器５０の温水の温度を下げ、逆に加湿器５０の温水の温度Ｔが設定値より低いときには、燃焼器５２に供給する空気量を理論空燃比に近くして燃焼ガスの温度を高くすることにより加湿器５０の温水の温度を上げるのである。
【００３５】
以上説明したように、実施例の燃料電池システム２０によれば、加湿器５０に供給される混合ガスの流量と構成比率，加湿器５０の圧力，加湿器５０の温水の温度を調節することにより、メタンに対する水蒸気の比率が良好な原料ガスを改質器２２に供給することができる。即ち、実施例の燃料電池システム２０によれば、燃焼器５２によって加湿器５０の温水の温度を調節することにより原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を調節することができ、調圧弁７２によって加湿器５０の圧力を調節することにより原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を調節することができ、カソード３４の排ガスを原料ガスに導入することにより原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を調節することができ、この結果、メタンに対する水蒸気の比率が良好な原料ガスを改質器２２に供給することができるのである。
【００３６】
また、実施例の燃料電池システム２０によれば、加湿器５０を燃料電池３０の冷却系統４０の一部として構成したから、全体としての熱効率を向上させることができる。しかも、水系統を複数持たなくてよいから、システムをコンパクトなものにすることができる。
【００３７】
更に、実施例の燃料電池システム２０によれば、燃焼器５２の燃料としてアノード３３の排ガスを用いるから、システム全体としてのエネルギ効率を向上させることができる。
【００３８】
実施例の燃料電池システム２０では、カソード３４からの排ガスおよび空気の混合ガスとメタンタンク６０からのメタンとを加湿器５０で加湿するものとしたが、カソード３４からの排ガスおよび空気の混合ガスを加湿器５０で加湿した後に加湿した混合ガスとメタンと混和するものとしてもよく、逆にメタンタンク６０からのメタンを加湿器５０により加湿した後に加湿されたメタンとカソード３４からの排ガスや空気と混和するものとしてもよい。また、カソード３４からの排ガスおよび空気の混合ガスとメタンタンク６０からのメタンとを混和してから加湿器５０で加湿するものとしてもよい。
【００３９】
実施例の燃料電池システム２０では、カソード３４からの排ガスを加湿して改質器２２に供給する原料ガスに含ませたが、カソード３４からの排ガスを用いないものとしてもよい。
【００４０】
実施例の燃料電池システム２０では、カソード３４からの排ガスと空気とが所定の割合になるようブロワ６８の運転を設定したが、カソード３４からの排ガスと空気との混合ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサや混合ガスの流量計を取り付け、この酸素センサにより検出される値や流量計の値に基づいて単位時間当たりに供給される混合ガス中の酸素量をブロワ６８の運転によりフィードバック制御するものとしてもよい。こうすれば、より確実に原料ガス中の酸素とメタンとの比率を所望のものとすることができる。
【００４１】
実施例の燃料電池システム２０では、加湿器５０の温水を加熱する燃焼器５２を備えるが、カソード３４からの排ガスを用いることにより原料ガスにおけるメタンに対する水蒸気の比率が十分な場合には、燃焼器５２を備えない構成としてもよい。また、実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器５２にアノード３３からの排ガスを供給してこれを燃料としたが、メタンタンク６０からメタンを供給するものとしてもよく、あるいはアノード３３からの排ガスと共にメタンタンク６０からのメタンを供給するものとしてもよい。さらに、実施例の燃料電池システム２０では、燃料を燃焼して熱を得る燃焼器５２を備えるが、燃焼器５２に代えて電力の供給を受けて熱を得る電気ヒータを備えるものとしてもよい。
【００４２】
実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器５２へ供給する空気量の増減で加湿器５０の温水の温度を制御するものとしたが、冷却系統４０の循環管路４２を循環する冷却水の流量を増減することにより加湿器５０の温水の温度を制御するものとしてもよい。具体的には、温度センサ５１により検出される温度が設定した温度となるよう循環ポンプ４５の回転数をフィードバック制御すればよい。
【００４３】
実施例の燃料電池システム２０では、加湿器５０の内部の圧力が所定圧力で一定になるよう原料ガス供給管７０に調圧弁７２を取り付けたが、更に加湿器５０の内部の圧力を検出する圧力センサを取り付け、この圧力センサにより検出される値に基づいて調圧弁７２の開度をフィードバック制御するものとしてもよい。こうすれば、より確実に加湿器５０の内部の圧力を一定に保つことができる。さらに、加湿器５０の内部の目標圧力を設定できるものとすれば、加湿器５０の内部の圧力を所望の圧力にすることができる。こうすれば、炭化水素系の燃料としてメタン以外のものを燃料として用いた際に、その燃料に対して最適な圧力設定をすることができる。
【００４４】
実施例の燃料電池システム２０では、加湿器５０を燃料電池３０の冷却系統４０の一部に取り込んだ構成としたが、燃料電池３０の冷却系統とは別に加湿器５０を構成するものとしてもよい。
【００４５】
実施例の燃料電池システム２０では、炭化水素系の燃料としてメタンを用いたが、他の飽和炭化水素や不飽和炭化水素を用いてもよく、メタノール等のアルコールやエーテルなど種々の炭化水素系の燃料を用いるものとしてもよい。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  燃料電池３０を構成する単電池３１の概略の構成を示す構成図である。
【図３】  キャリアガスに対する水蒸気量と温度と圧力との関係の一例を示すグラフである。
【図４】  電子制御ユニット８０により実行される温度調節処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０  燃料電池システム、２２  改質器、２４  改質部、２６  シフト部、２７  ブロワ、２８  ＣＯ選択酸化部、３０  燃料電池、３１  単電池、３２  電解質膜、３３  アノード、３４  カソード、３５  セパレータ、３６，３７  流路、４０  冷却系統、４２  循環管路、４４  水タンク、４５  循環ポンプ、４６  熱交換器、４７  循環管路、４８  ラジエータ、５０  加湿器、５１  温度センサ、５２  燃焼器、５４  ブロワ、６０  メタンタンク、６２，６６  電磁弁、６３，６７  アクチュエータ、６４  カソード排ガス管、６８  ブロワ、７０  原料ガス供給管、７２  調圧弁、７３  アクチュエータ、８０  電子制御ユニット、８２  ＣＰＵ、８４  ＲＯＭ、８６  ＲＡＭ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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