JP2000306594A

JP2000306594A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2000306594A
Application number: JP11112438A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Aoyama; 智青山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: JP4599634B2

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化水素系の燃料と酸素と水蒸気とを含む原
料ガスに含まれる水蒸気の割合を多くして炭化水素系の
燃料に見合う量の水蒸気を改質器に供給する。【解決手段】カソードからの排ガスおよび空気の混合
ガスとメタンタンク６０からのメタンを加湿器５０の温
水に接触させて加湿して改質器２２に供給する。アノー
ドからの排ガスを燃焼器５２で燃焼して加湿器５０の温
水を加熱すると共に加湿器５０の圧力を調圧弁７２によ
り調節する。原料ガス中の飽和水蒸気圧は温度や圧力に
より定まり、飽和水蒸気圧の原料ガス中の水蒸気のメタ
ンに対する比率は原料ガス中のメタンの分圧により定ま
る。したがって、原料ガスにカソードの排ガスを含ませ
てメタンの分圧を調節すると共に加湿器５０の温度と圧
力の調節により飽和水蒸気圧を調節して原料ガス中の水
蒸気のメタンに対する比率を調節する。

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８
０℃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８
０℃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。

【０００９】本発明の第１の燃料電池システムにおい
て、前記気体は前記炭化水素系の燃料を含むガスである
ものとすることもできる。

【００１０】また、本発明の第１の燃料電池システムに
おいて、前記気体は酸素を含有する酸素含有ガスを含む
ガスであるものとすることもできるし、前記気体は前記
炭化水素系の燃料と酸素を含有する酸化ガスとを含むガ
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１の燃料電池システムにおいて、前記酸素含有ガスは
空気を含むガスであるものとすることもできる。同様の
態様の本発明の第１の燃料電池システムにおいて、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
スの排ガスを含む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、酸素含有ガスを含む気体を加湿する
態様の本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記
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り、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ものとすることもでき
る。こうすれば、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】これら各態様を含め本発明の第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２
４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３
３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３
５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
のラジエータ４８で燃料電池３０の運転温度である約８
０℃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６
０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５
０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ＲＯＭ８
４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［Ｈ₂
Ｏ／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Ｓ１
０２）。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６
８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４
２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２
０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、２８ＣＯ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、８２ＣＰ
Ｕ、８４ＲＯＭ、８６ＲＡＭ。

Claims

【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る
燃料電池システム。
【請求項２】前記気体は、前記炭化水素系の燃料を含
むガスである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記気体は、酸素を含有する酸素含有ガ
スを含むガスである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記気体は、前記炭化水素系の燃料と酸
素を含有する酸化ガスとを含むガスである請求項１記載
の燃料電池システム。
【請求項５】前記酸素含有ガスは、空気を含むガスで
ある請求項３または４記載の燃料電池システム。
【請求項６】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を含むガスである請求
項３または４記載の燃料電池システム。
【請求項７】請求項３または４記載の燃料電池システ
ムであって、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り、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燃料電池
システム。
【請求項８】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ないし７いずれか記載の燃料電
池システム。
【請求項９】請求項１ないし８いずれか記載の燃料電
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１０】請求項８に係る請求項９記載の燃料電
池システムであって、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燃料
電池システム。
【請求項１１】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１２】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１１記載の燃料電池システ
ム。
【請求項１３】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
１１または１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】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１１または１２記載の燃料電池シス
テム。
【請求項１５】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１４記載の燃料電池システム。
【請求項１６】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１１ないし１５いずれか記載の
燃料電池システム。
【請求項１７】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１６いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１８】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１７いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１９】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１
８記載の燃料電池システム。
【請求項２０】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１８または
１９記載の燃料電池システム。