JP2008021458A - 燃料電池、およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、原燃料と水蒸気とが適切に混合されているか否かを確認できるようにすることにより、燃料電池セルの性能が損なわれないようにする。
【解決手段】燃料電池システム１においては、酸化剤および水蒸気改質された燃料を固体電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セル１３と、燃料電池セル１３のアノードに燃料を供給するための燃料供給路２５内に配置された限界電流式湿度センサ３１と、燃料電池セル１３のアノードにて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路２７内に配置された全領域空燃比センサ３３と、を備えている。従って、限界電流式湿度センサ３１および全領域空燃比センサ３３を用いて、燃料供給路２５内の水蒸気量を検出することができるので、燃料電池セル１３のアノードに供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルを備えた燃料電池に関する。

従来、上記燃料電池として、炭化水素ガスやアルコール類等の原燃料に水蒸気を添加して反応させた水蒸気改質後の燃料を燃料電池セルのアノード（負極）に供給する燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

なお、原燃料に添加される水蒸気は、気化器を用いて水を蒸発させることにより供給される。
特開平９−１２９２５６号公報

ところで、燃料電池において使用される燃料は、燃料電池セルの性能（発電効率やセルの耐久性等）を損なわないようにするために、原燃料と水蒸気とが適切な割合で混合されている必要がある。このため、従来の燃料電池においては、例えば、原燃料を供給するバルブや気化器に水を供給するバルブの開度を調節することにより、原燃料と水蒸気との混合割合を調節していた。

しかしながら、上記燃料電池においては、実際に原燃料と気化器により供給された水蒸気とが適切に混合されているか否かを確認することができないので、例えば気化器に不具合が発生し、適切に水蒸気を供給できなくなった場合等に、原燃料と水蒸気との供給バランスが崩れ、燃料電池セルの性能が損なわれてしまう虞があった。

そこで、このような問題点を鑑み、酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルを備えた燃料電池において、原燃料と水蒸気とが適切に混合されているか否かを確認できるようにすることにより、燃料電池セルの性能が損なわれないようにすることを本発明の目的とする。

かかる目的を達成するために成された請求項１に記載の燃料電池は、酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内に配置された全領域空燃比センサと、を備えたことを特徴としている。

即ち、燃料排出路内に配置された全領域空燃比センサは、使用済燃料中に含まれる水蒸気量（厳密には、燃料電池セルの正極にて使用された使用済酸化剤（例えば空気）を排出するための空気排出路が燃料排出路に合流される構成等により、燃料排出路に酸素が導入される場合には、この酸素を含む酸素分圧）に応じた検出信号を出力する。ここで、使用済燃料中に含まれる水蒸気量は、燃料電池セルが一定条件で運転されているのであれば、燃料供給路内の水蒸気量に応じて変化するので、使用済燃料中に含まれる水蒸気量を検出できれば、燃料供給路内の水蒸気量を検出できることになる。

従って、このような燃料電池によれば、燃料排出路内に配置された全領域空燃比センサを、燃料電池セルの負極に燃料を供給するための燃料供給路内の水蒸気量を検出するセンサとして使用することができるので、燃料電池セルの負極に供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。

ところで、上記目的を達成するためには、請求項２に記載のように、燃料電池セルの負極に燃料を供給するための燃料供給路内および燃料排出路内にそれぞれ全領域空燃比センサを備えていてもよい。

このような燃料電池によれば、請求項１の記載と同様に、燃料電池セルの負極に供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。また、燃料電池セルにより燃料が使用される前後で、水蒸気量の変化を検出することができるので、燃料電池セルの故障を検出することができる。

また、上記目的を達成するためには、請求項３に記載のように、酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給するための燃料供給路内に配置された湿度センサと、を備えていてもよい。

このような燃料電池によれば、湿度センサを用いて燃料供給路内の水蒸気量を検出することができるので、燃料電池セルの負極に供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。

さらに、上記目的を達成するためには、請求項１および請求項２に記載の全領域空燃比センサに換えて、請求項４および請求項５に記載のように、湿度センサを備えていてもよい。

このような燃料電池によれば、湿度センサを用いて燃料供給路内の水蒸気量を検出することができるので、燃料電池セルの負極に供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。

特に、請求項３〜請求項５の記載において、湿度センサとしては、湿度に応じた検出信号を出力することができるセンサであればどのような形式の湿度センサを採用しても構わないが、例えば限界電流式湿度センサを用いるようにすれば、他の形式の湿度センサ（例えば、高分子膜湿度センサ等）を用いる場合よりも湿度を精度良く測定することができる。

また、上記目的を達成するためには、請求項６に記載のように、燃料電池セルの負極に燃料を供給するための燃料供給路内、および燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内のうちの一方に配置された全領域空燃比センサと、燃料供給路内および燃料排出路内のうちの他方に配置された湿度センサと、を備えていてもよい。

このような燃料電池によれば、上記各請求項の記載と同様に、燃料電池セルの負極に供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。また、燃料電池セルにより燃料が使用される前後で、水蒸気量の変化を検出することができるので、燃料電池セルの故障を検出することができる。

さらに、請求項１〜請求項６の何れかに記載の燃料電池において、燃料電池セルを構成する電解質体は、請求項７に記載のように、固体電解質体であってもよい。
このような燃料電池において、前記各センサを用いて燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができるので、燃料に水蒸気が適切に添加されないことにより発生するセルの割れや内部損傷等、固体電解質体に発生する特有の不具合を防止することができる。

ところで、一般的に炭素原子を含む原燃料（水蒸気改質される前の燃料）を使用する燃料電池においては、燃料電池セル内における燃料と酸化剤との反応温度が異常に高温になったり、燃料に含まれる水蒸気量が異常に少なくなったりすると、負極にカーボンが析出することがあり、このようになると燃料電池セルの性能が著しく低下することが知られている。

そこで、請求項８に記載の発明は、酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給し、排出するための燃料流通路内に配置され、該燃料流通路内の水蒸気量を検出する水蒸気センサと、を備えた燃料電池において、前記燃料に含まれる原燃料および水蒸気の混合割合を制御する燃料電池の制御方法であって、前記水蒸気センサからの検出信号に基づいて前記燃料に含まれる原燃料および水蒸気の混合割合を演算し、該演算結果に応じて前記燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が１．５以上になるよう少なくとも前記原燃料に混ぜられる水蒸気量を制御することを特徴としている。

このような燃料電池の制御方法によれば、請求項１〜請求項７の何れかに記載の燃料電池における特徴的な構成を備えているので、燃料電池セルの負極に供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。

また、この燃料電池の制御方法によれば、燃料に含まれる水蒸気量が一定値以上（水蒸気量（ｍｏｌ）／炭素量（ｍｏｌ）≧１．５）に制御することができるので、燃料電池セル内における燃料と酸化剤との反応温度が異常に高温になったり、燃料に含まれる水蒸気量が異常に少なくなったりすることを防止することができる。よって、燃料電池セルの負極においてカーボンが析出することを防止することができる。

なお、本発明における水蒸気センサとしては、全領域空燃比センサや、湿度センサ（限界電流式湿度センサを含む）等の各種センサを使用することができる。
さらに、請求項８に記載の燃料電池の制御方法においては、請求項９に記載のように、センサからの検出結果に基づいて、燃料として供給される原燃料および水蒸気の混合割合を制御する制御系に異常があるか否かを検出し、この制御系に異常があることを検出した場合には、燃料に空気を混ぜて燃料電池セルの負極に送る部分改質運転、或いは前記燃料に換えて空気のみを前記燃料電池セルの負極に送るパージ運転を実施するようにしてもよい。

即ち、この制御方法においては、燃料として供給される原燃料および水蒸気の混合割合を制御できなくなった場合等、制御系に異常が検出された場合に、部分改質運転やパージ運転を実施することにより、発電性能を下げた状態で運転したり（部分改質運転）、発電機能そのものを停止させたりする（パージ運転）。

従って、このような燃料電池の制御方法によれば、制御系に異常が検出された場合であっても、燃料電池セルが損傷することを防止することができる。

以下に本発明にかかる実施の形態を図面と共に説明する。
［本実施形態の構成］
図１は本発明が適用された燃料電池システム１の概略構成を模式的に示す説明図である。

燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池セル１３と、燃料電池セル１３に接続された多数の配管と、これらの配管に接続された多数の装置とから構成されている。
燃料電池セル１３は、例えば、周知の固体電解質型燃料電池セル（ＳＯＦＣ）が多数積層された構成とされており、内部において燃料と酸化剤とを、例えばプラチナ電極とジルコニア等の化合物からなる固体電解質からなるセルを介して化学反応させることによりカソード（正極端子）とアノード（負極端子）との間に電力を発生させる。なお、カソードおよびアノードには、これらの端子から駆動対象物までの通電を行うための配線（図示省略）が接続されている。

この燃料電池セル１３には、空気供給路２１、空気排出路２３、燃料供給路２５、および燃料排出路２７が接続されている。なお、各供給路２１，２５および各排出路２３，２７（後述する切替路７９および混合路７７についても同様）は、例えば、金属管として構成されている。

空気供給路２１は、燃料電池セル１３のカソードに空気を供給するための経路であって、空気の上流側（図１では右側）から順に、空気三方バルブ７１、空気分岐部８１、空気マスフロー５１を備えている。なお、空気マスフロー５１および後述する各種マスフロー５３，５５，５７は、流体の流量を設定された流量（つまり一定流量）に制御する周知のマスフローコントローラとして構成されている。これらのマスフロー５１，５３，５５，５７は、後述するコントロールユニット１１により駆動制御される。

空気三方バルブ７１は、駆動部６１が駆動することにより開通方向が切り替えられる。即ち、空気三方バルブ７１は、駆動部６１により、上流側から流れてきた空気を燃料電池セル１３のカソード側に送るか、或いは切替路７９側に送るかが切り替えられる。

空気分岐部８１は、空気三方バルブ７１側から流れてきた空気を、燃料電池セル１３のカソード側および混合路７７側に分岐する。
ここで、混合路７７は、燃料供給路２５と接続されており、この混合路７７には、空気供給路２１側から順に、二方バルブ７５および部分酸化空気マスフロー５７が備えられている。

二方バルブ７５は、駆動部６５によりバルブの開閉状態が切り替えられる。
また、部分酸化空気マスフロー５７は、二方バルブ７５が開状態のときに駆動され、この部分酸化空気マスフロー５７が駆動されると、燃料供給路２５に空気を混ぜて燃料電池セル１３のアノード側に送ることができる。

また、空気マスフロー５１は、燃料電池セル１３のカソード側に供給される空気の流量を制御する。
次に、空気排出路２３は、燃料電池セル１３のカソードに供給された空気を排出するための経路として構成されている。

また、燃料供給路２５は、燃料電池セル１３のアソードに燃料を供給するための経路であって、原燃料である都市ガス（メタンが主成分）の上流側から順に、原燃料三方バルブ７３、燃料マスフロー５３、燃料分岐部８３、気化器４１、限界電流式湿度センサ３１、改質器４３を備えている。

原燃料三方バルブ７３は、駆動部６３により開通方向が切り替えられる。即ち、原燃料三方バルブ７３は駆動部６３により、燃料電池セル１３のアノード側に、上流側から流れてきた燃料を送るか、或いは切替路７９側から流れてきた空気を送るかが切り替えられる。

燃料マスフロー５３は、燃料電池セル１３のアソード側に供給される燃料または空気の流量を制御する。
燃料分岐部８３では、空気三方バルブ７１側から流れてきた空気を、燃料マスフロー５３側から流れてきた燃料と合流させる。

気化器４１には、水液体マスフロー５５により流量が所定量に制御された水を導入する水供給路２９が接続され、気化器４１は該導入された水を蒸発させ、水蒸気とした後に、燃料供給路２５を流れている都市ガスにこの水蒸気を混合させる。

限界電流式湿度センサ３１としては、例えば、特開昭６２−１５０１５１号公報に開示されているような限界電流式センサを採用することができる。なお、特開昭６２−１５０１５１号公報には、酸素と水蒸気とを含有するガス中の水蒸気濃度を測定する方法が開示されているが、本実施形態における燃料供給路２５には、ほとんど酸素が存在しないので、このような限界電流式センサを用いれば、水蒸気濃度のみを良好に測定することができる。

なお、このような限界電流式湿度センサ３１において、水蒸気が解離する際の限界電流が検出されるのは、酸素ポンプとして機能するセルに印可する電圧が約１Ｖ以上の場合となる。よって、本実施形態においては、例えば、酸素ポンプとして機能するセルに１．５Ｖの電圧を印可しておく。

次に、改質器４３は、都市ガスを水蒸気改質する。即ち、改質器４３では、都市ガスと水蒸気とが混ざった状態の混合ガスを、水蒸気改質された燃料に変化させる化学反応を行わせる。

より具体的には、この改質器４３の内部では、
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２（水蒸気改質反応）
および、
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２（シフト反応）
の各化学反応を同時に進行させる。この結果、都市ガス（メタン）１ｍｏｌに水蒸気２ｍｏｌを添加することにより、水素４ｍｏｌを得ることができる。

次に、燃料排出路２７は、燃料電池セル１３のアノードに供給された使用済燃料を排出するための経路であって、その内部には全領域空燃比センサ３３が備えられている。
ここで、全領域空燃比センサ３３としては、例えば、特開昭６２−１４８８４９号公報に開示されているような全領域空燃比センサを採用することができる。このような全領域空燃比センサ３３を用いる場合において、燃料排出路２７を流れる使用済燃料に含まれる酸素濃度が一定であれば、この全領域空燃比センサ３３から検出信号は、水蒸気濃度の変化に応じて変化する。よって、全領域空燃比センサ３３を用いて水蒸気濃度を検出することができる。

なお、改質器４３には、温度センサ３５が備えられている。この温度センサ３５は、温度に応じた検出信号を出力する。この検出信号は、後述するコントロールユニット１１にて受信されることにより、コントロールユニット１１により改質器４３内部の温度が監視される。

ところで、燃料電池システム１においては、各マスフロー５１〜５７および駆動部６１〜６５の作動制御を行うコントロールユニット１１が備えられている。なお、このコントロールユニット１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた周知のマイクロコンピュータとして構成されており、燃料電池システム１に備えられた各種センサ３１〜３５からの検出信号を入力し、これらの検出信号に応じた処理（例えば、後述する燃料電池発電制御処理）を実行する。

なお、本実施形態における限界電流式湿度センサ３１および全領域空燃比センサ３３は、本発明でいう水蒸気センサに相当する。また、燃料供給路２５および燃料排出路２７は、本発明でいう燃料流通路に相当する。

［本実施形態にて実施される処理］
次に、燃料電池システム１の運転制御方法について図２を用いて説明する。図２はコントロールユニット１１が実行する燃料電池発電制御処理を示すフローチャートである。

この燃料電池発電制御処理は、コントロールユニット１１の電源が投入されると開始される処理であって、まず、気化器４１を作動させるとともに、空気（Ａｉｒ）マスフロー５１、原燃料マスフロー５３、および水液体マスフロー５５を、それぞれ気体または液体が所定の流量（初期流量：ＲＯＭに記憶されている）で流れるように制御する（Ｓ１１０）。

このとき、空気（Ａｉｒ）三方バルブ７１をカソード方向に開通させ、原燃料三方バルブ７３をアノード方向に開通させる。また、二方バルブ７５を閉状態とするとともに、部分酸化空気（Ａｉｒ）マスフロー５７をＯＦＦ状態とする。

続いて、限界電流式湿度センサ３１（入口センサ）による検出結果（絶対湿度を表す出力値）が、予め設定された所定の入口湿度許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１２０）。限界電流式湿度センサ３１による検出結果が入口湿度許容範囲外であれば（Ｓ１２０：Ｎｏ）、限界電流式湿度センサ３１による検出結果が入口湿度許容範囲よりも大きいか、或いは小さいかに応じて、原燃料マスフロー５３、および水液体マスフロー５５が制御する都市ガスおよび水の流量を、限界電流式湿度センサ３１による検出結果が入口湿度許容範囲内になるように調整する（Ｓ１３０）。

即ち、Ｓ１３０の処理では、限界電流式湿度センサ３１からの検出信号に基づいて燃料に含まれる都市ガスおよび水蒸気の混合割合を演算し、この演算結果に応じて燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が２．５〜３．５の範囲内（少なくとも１．５以上）になるよう都市ガスに混ぜられる水蒸気量を制御する。

ここで、コントロールユニット１１は、各マスフロー５１，５３，５５，５７による流量を変更する際に、この変更後の流量の値をＲＡＭ等のメモリに記憶しており、Ｓ１３０の処理の際に、この流量の値を読み出すことにより燃料に含まれる炭素量を算出できるようにしている。

なお、Ｓ１３０の処理において、燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が２．５以上になるように制御するのは、何らかの要因により燃料に含まれる水蒸気量が変化した場合であっても、すぐにはアノードにカーボンが析出しないようにする（具体的には炭素量に対する水蒸気量のモル比率が１．５未満になることを防止する）ためである。

また、燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が３．５未満になるように制御するのは、燃料中の水蒸気量（つまり酸素分圧）が増えすぎることによる発電効率の低下を防止するためである。

このようにＳ１３０処理が終了すると、Ｓ１２０の処理に戻る。
一方、限界電流式湿度センサ３１による検出結果が入口湿度許容範囲内であれば（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）、全領域空燃比センサ３３（出口センサ）による検出結果（絶対湿度を表す出力値）が、予め設定された所定の出口湿度許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１４０）。全領域空燃比センサ３３による検出結果が出口湿度許容範囲内であれば（Ｓ１４０：Ｙｅｓ）、予め設定された所定時間（例えば１秒間程度）、現在の条件のまま（特に二方バルブ７５閉状態）で運転を行う通常運転を実施し（Ｓ１７０）、燃料電池発電制御処理を始めから繰り返す。

また、全領域空燃比センサ３３による検出結果が出口湿度許容範囲外であれば（Ｓ１４０：Ｎｏ）、水液体マスフロー５５が制御する水の流量を、全領域空燃比センサ３３による検出結果が出口湿度許容範囲内になるように調整する（Ｓ１５０）。つまり、Ｓ１５０の処理においては、Ｓ１３０の処理と同様に、全領域空燃比センサ３３からの検出信号に基づいて燃料に含まれる都市ガスおよび水蒸気の混合割合を演算し、この演算結果に応じて燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が２．５〜３．５の範囲内（少なくとも１．５以上）になるよう都市ガスに混ぜられる水蒸気量を制御する。

なお、コントロールユニット１１は、全領域空燃比センサ３３からの検出信号や燃料電池の運転状態（例えば燃料電池セル１３からの出力、原燃料の流量、通常運転であるか否か等）に応じて、燃料に含まれる水蒸気量割合が一義的に算出できるマップをＲＯＭに記憶しており、Ｓ１５０の処理においては、このマップを用いて上記演算を行う。

続いて、再び全領域空燃比センサ３３（出口センサ）による検出結果が、予め設定された出口湿度許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１６０）。
Ｓ１６０の処理は、既に都市ガスおよび水の流量を調整した後に実施されるので、全領域空燃比センサ３３による検出結果に応じて、燃料として供給される都市ガスおよび水蒸気の混合割合（流量）を制御する制御系に異常があるか否かを検出することができる。

つまり、全領域空燃比センサ３３による検出結果が出口湿度許容範囲内であれば（Ｓ１６０：Ｙｅｓ）、この制御系に異常はないものとして、所定時間の通常運転を実施し（Ｓ１７０）、燃料電池発電制御処理を始めから繰り返す。

一方、全領域空燃比センサ３３による検出結果が出口湿度許容範囲外であれば（Ｓ１６０：Ｎｏ）、この制御系に異常があるものとして、燃料に空気を混ぜた運転（部分酸化運転）を実施する（Ｓ１８０）。即ち、二方バルブ７５を開状態とし、部分酸化空気（Ａｉｒ）マスフロー５７を作動させる。この結果、空気は燃料電池セル１３のカソードに供給されるとともに、都市ガスと混ぜられてアノードにも供給される。この結果、燃料電池セル１３の内部では、酸素分圧が上がるので、セルの損傷を防止するとともに、カーボンの析出を防止することができる。

続いて、再度、全領域空燃比センサ３３（出口センサ）による検出結果が、出口湿度許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１９０）。つまり、Ｓ１９０の処理では、部分酸化運転を実施することにより制御系の異常が改善したか否かを判定する。なお、Ｓ１９０の処理における出口湿度許容範囲は、燃料に混ぜられた空気の量に対応した許容範囲に設定されている。

全領域空燃比センサ３３による検出結果が、出口湿度許容範囲内であれば（Ｓ１９０：Ｙｅｓ）、制御系の異常が改善したものとして、予め設定された所定時間（例えば１秒間程度）、現在の条件のまま（特に二方バルブ７５開状態）で運転を行う部分酸化運転を実施し（Ｓ２００）、燃料電池発電制御処理を始めから繰り返す。

一方、全領域空燃比センサ３３による検出結果が、出口湿度許容範囲外であれば（Ｓ１９０：Ｎｏ）、制御系の異常が改善していないものとして、都市ガスを遮断し、空気を燃料電池セル１３のアノードに送り込むよう各バルブおよびマスフローを制御する（Ｓ２１０）。即ち、空気三方バルブ７１を切替路７９（アノード）側に切り替え、二方バルブ７５を閉状態とし、原燃料三方バルブ７３を切替路７９側に切り替える。さらに、原燃料マスフロー５３を全開にし、空気マスフロー５１、水液体マスフロー５５、および部分酸化空気マスフロー５７をＯＦＦ状態にする。

続いて、予め設定された所定時間（例えば１０秒間程度）、現在の条件のまま（空気を燃料電池セル１３のアノードに送り込む状態）で運転を行うパージ運転を実施し（Ｓ２２０）、燃料電池発電制御処理を終了する。

［本実施形態における作用および効果］
以上のように詳述した燃料電池システム１においては、空気および水蒸気改質された燃料を固体電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セル１３と、燃料電池セル１３のアノードに燃料を供給するための燃料供給路２５内に配置された限界電流式湿度センサ３１と、燃料電池セル１３のアノードにて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路２７内に配置された全領域空燃比センサ３３と、を備えている。

即ち、燃料排出路２７内に配置された全領域空燃比センサ３３は、使用済燃料中に含まれる水蒸気量（厳密には固体電解質体を介して導入される酸素を含む酸素分圧）に応じた検出信号を出力する。ここで、使用済燃料中に含まれる水蒸気量は、燃料供給路２５内の水蒸気量に応じて変化するので、使用済燃料中に含まれる水蒸気量を検出できれば、燃料供給路２５内の水蒸気量を検出できることになる。

また、限界電流式湿度センサ３１は燃料供給路２５内の水蒸気量を検出する。
従って、このような燃料電池システム１によれば、限界電流式湿度センサ３１および全領域空燃比センサ３３を用いて、燃料供給路２５内の水蒸気量を検出することができるので、燃料電池セル１３のアノードに供給される燃料に水蒸気が適切に添加されているか否かを良好に検出することができる。

また、燃料電池セル１３により燃料が使用される前後で、水蒸気量の変化を検出することができるので、燃料電池セル１３の故障を検出することができる。
特に、本実施形態の燃料電池システム１においては、限界電流式湿度センサ３１を用いているので、他の形式の湿度センサ（例えば、高分子膜湿度センサ等）を用いる場合よりも湿度を高温で精度良く測定することができる。

さらに、燃料電池セル１３を構成する固体電解質体は、固体電解質体で構成されているので、燃料に水蒸気が適切に添加されないことにより発生するセルの割れや内部損傷等、固体電解質体に発生する特有の不具合を防止することができる。

加えて、本実施形態の燃料電池システム１において、コントロールユニット１１は、燃料に含まれる都市ガス（原燃料）および水蒸気の混合割合を制御する燃料電池発電制御処理（図２）を実施する。この処理においてコントロールユニット１１は、限界電流式湿度センサ３１および全領域空燃比センサ３３からの検出信号に基づいて燃料に含まれる都市ガスおよび水蒸気の混合割合を演算し、この演算結果に応じて燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が１．５以上になるよう都市ガスの流量（原燃料マスフロー５３による流量）、および水蒸気量に影響する水の流量（水液体マスフロー５５による流量）を制御する。

従って、このような燃料電池システム１によれば、燃料に含まれる水蒸気量が一定値以上（水蒸気量（ｍｏｌ）／炭素量（ｍｏｌ）≧１．５）に制御することができるので、燃料電池セル１３内における燃料と空気との反応温度が異常に高温になったり、燃料に含まれる水蒸気量が異常に少なくなったりすることを防止することができる。よって、燃料電池セル１３のアノードにおいてカーボンが析出することを防止することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１において、コントロールユニット１１は、限界電流式湿度センサ３１および全領域空燃比センサ３３からの検出結果に基づいて、燃料として供給される都市ガスおよび水蒸気の混合割合を制御する制御系に異常があるか否かを検出し、この制御系に異常があることを検出した場合には、燃料に空気を混ぜて燃料電池セル１３のアノードに送る部分改質運転を実施し、さらに制御系の異常が改善しない場合には、燃料に換えて空気のみを燃料電池セル１３のアノードに送るパージ運転を実施する。

即ち、この制御方法においては、燃料として供給される都市ガスおよび水蒸気の混合割合を制御できなくなった場合等、制御系に異常が検出された場合に、部分改質運転やパージ運転を実施することにより、発電性能を下げた状態で運転したり（部分改質運転）、発電機能そのものを停止させたりする（パージ運転）。

従って、このような燃料電池システム１によれば、制御系に異常が検出された場合であっても、燃料電池セル１３が損傷することを防止することができる。
［その他の実施形態］
本発明の実施の形態は、上記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

例えば、本実施形態において、燃料電池セル１３は、固体電界質形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）として構成したが、例えば、固体高分子形燃料電池セル（ＰＥＦＣ）として構成しても、本実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態においては、限界電流式湿度センサ３１を燃料供給管２５における改質器４３の上流側に配置したが、改質器４３の下流側に配置してもよい。
また、本実施形態の燃料電池システム１においては、燃料供給路２５に限界電流式湿度センサ３１を配置し、燃料排出路２７に全領域空燃比センサ３３を配置したが、燃料供給路２５および燃料排出路２７に配置するセンサとしては、限界電流式湿度センサ３１および全領域空燃比センサ３３を任意に組み合わせて配置することができる。

即ち、燃料供給路２５および燃料排出路２７の両方に限界電流式湿度センサ３１または
全領域空燃比センサ３３を配置してもよいし、燃料供給路２５に全領域空燃比センサ３３を配置し、燃料排出路２７に限界電流式湿度センサ３１を配置してもよい。

さらに、燃料供給路２５または燃料排出路２７のみに、限界電流式湿度センサ３１または全領域空燃比センサ３３を配置してもよい。
例えば、燃料供給路２５のみに限界電流式湿度センサ３１または全領域空燃比センサ３３を配置する場合には、コントロールユニット１１は、図２示す燃料電池発電制御処理に換えて、図３に示す燃料電池発電制御処理を実行することになる。

なお、図３に示す燃料電池発電制御処理においては、図２に示す発電制御処理と異なる箇所についてのみ説明する。また、この処理では、燃料供給路２５に限界電流式湿度センサ３１が配置されているものとして説明する。

図３に示す燃料電池発電制御処理では、限界電流式湿度センサ３１（入口センサ）による検出結果が入口湿度許容範囲内であれば（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）、燃料電池セル１３による出力（例えば電圧）が予め設定された出力許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３１０）。燃料電池セル１３による出力が出力許容範囲内であれば（Ｓ３１０：Ｙｅｓ）、Ｓ１７０以下の処理を実行する。

また、燃料電池セル１３による出力が出力許容範囲外であれば（Ｓ３１０：Ｎｏ）、水液体マスフロー５５の流量を増減する再調整を行い（Ｓ３２０）、再び燃料電池セル１３による出力（例えば電圧）が出力許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３３０）。燃料電池セル１３による出力が出力許容範囲内であれば（Ｓ３３０：Ｙｅｓ）、Ｓ１７０以下の処理を実行する。

また、燃料電池セル１３による出力が出力許容範囲外であれば（Ｓ３３０：Ｎｏ）、Ｓ１８０（部分酸化運転を行うための調整）の処理を実施する。そして、Ｓ１８０の処理が終了すると、再度、燃料電池セル１３による出力（例えば電圧）が出力許容範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３４０）。

燃料電池セル１３による出力が出力許容範囲内であれば（Ｓ３４０：Ｙｅｓ）、Ｓ２００以下の処理を実行する。また、燃料電池セル１３による出力が出力許容範囲外であれば（Ｓ３４０：Ｎｏ）、Ｓ２１０以下の処理を実行する。

次に、例えば、燃料排出路２７のみに限界電流式湿度センサ３１または全領域空燃比センサ３３を配置する場合には、コントロールユニット１１は、図２示す燃料電池発電制御処理に換えて、図４に示す燃料電池発電制御処理を実行することになる。

なお、図４に示す燃料電池発電制御処理においては、図２に示す発電制御処理と異なる箇所についてのみ説明する。また、この処理では、燃料排出路２７に全領域空燃比センサ３３が配置されているものとして説明する。

図４に示す燃料電池発電制御処理では、Ｓ１２０，Ｓ１３０の処理は実施されず、Ｓ１１０の処理が終了すると、Ｓ１４０に移行する。そして、Ｓ１４０にて、全領域空燃比センサ３３による検出結果が出口湿度許容範囲外であれば（Ｓ１４０：Ｎｏ）、限界電流式湿度センサ３１による検出結果が出口湿度許容範囲よりも大きいか、或いは小さいかに応じて、原燃料マスフロー５３、および水液体マスフロー５５が制御する都市ガスおよび水の流量を、限界電流式湿度センサ３１による検出結果が出口湿度許容範囲内になるように調整する（Ｓ４１０）。

そして、Ｓ４１０の処理が終了すると、Ｓ１６０以下の処理を実行する。
以上のように、燃料供給路２５または燃料排出路２７のみに、限界電流式湿度センサ３１または全領域空燃比センサ３３を配置した場合においても、図３または図４に示す燃料電池発電制御処理を実施することにより、本実施形態と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態においては、空気排出路２４と燃料排出路２７とを合流させることなく使用済空気および使用済燃料を排出する構成にしたが、空気排出路２４と燃料排出路２７とを合流させてから使用済空気および使用済燃料を排出する構成にしてもよい。

このような燃料電池システムとしては、例えば図１に示すように、燃料排出路２７に配置されたセンサ（上記実施形態では全領域空燃比センサ３３）よりも上流側で空気排出路２４を燃料排出路２７に接続する第１合流路８５を備えていてもよいし、燃料排出路２７に配置されたセンサよりも下流側で空気排出路２４を燃料排出路２７に接続する第２合流路８７を備えていてもよい。

ここで、第１合流路８５を備えた燃料電池システムにおいては、燃料排出路２７に配置されたセンサ付近で酸素濃度（酸素分圧）が比較的高い状態になっているので、燃料排出路２７に配置するセンサとしては、湿度センサよりは酸素濃度を測定し、その減少量から湿度を求める全領域空燃比センサ３３を採用することが望ましい。

また、本実施形態における燃料電池システム１や、第２合流路８７を備えた燃料電池システムにおいては、燃料排出路２７に配置されたセンサ付近で酸素濃度（酸素分圧）は極めて低い状態になっているので、燃料排出路２７に配置するセンサとして、限界電流式湿度センサ３１を採用しても精度良く水蒸気量を測定することができる。

燃料電池システムの概略構成を模式的に示す説明図である。 本実施形態における燃料電池発電制御処理を示すフローチャートである。 その他の実施形態における燃料電池発電制御処理を示すフローチャートである。 その他の実施形態における燃料電池発電制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、１１…コントロールユニット、１３…燃料電池セル、２１…空気供給路、２３…空気排出路、２５…燃料供給路、２７…燃料排出路、２９…水供給路、３１…限界電流式湿度センサ、３３…全領域空燃比センサ、４１…気化器、４３…改質器、５１…空気マスフロー、５３…原燃料マスフロー、５５…水液体マスフロー、５７…部分酸化空気マスフロー、６１…駆動部、６３…駆動部、６５…駆動部、７１…空気三方バルブ、７３…原燃料三方バルブ、７５…二方バルブ、７７…混合路、７９…切替路、８１…空気分岐部、８３…燃料分岐部、８５…第１合流路、８７…第２合流路。

Claims (9)

1. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内に配置された全領域空燃比センサと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給するための燃料供給路内に配置された第１全領域空燃比センサと、
   前記燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内に配置された第２全領域空燃比センサと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
3. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給するための燃料供給路内に配置された湿度センサと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
4. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内に配置された湿度センサと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
5. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給するための燃料供給路内に配置された第１湿度センサと、
   前記燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内に配置された第２湿度センサと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
6. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給するための燃料供給路内、および前記燃料電池セルの負極にて使用された使用済燃料を排出するための燃料排出路内のうちの一方に配置された全領域空燃比センサと、
   前記燃料供給路内、および前記燃料排出路内のうちの他方に配置された湿度センサと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
7. 前記燃料電池セルを構成する電解質体は、固体電解質体であることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の燃料電池。
8. 酸化剤および水蒸気改質された燃料を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの負極に前記燃料を供給し、排出するための燃料流通路内に配置され、該燃料流通路内の水蒸気量を検出する水蒸気センサと、
   を備えた燃料電池において、前記燃料に含まれる原燃料および水蒸気の混合割合を制御する燃料電池の制御方法であって、
   前記水蒸気センサからの検出信号に基づいて前記燃料に含まれる原燃料および水蒸気の混合割合を演算し、
   該演算結果に応じて前記燃料に含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比率が１．５以上になるよう少なくとも前記原燃料に混ぜられる水蒸気量を制御すること
   を特徴とする燃料電池の制御方法。
9. 前記センサからの検出結果に基づいて、前記燃料として供給される原燃料および水蒸気の混合割合を制御する制御系に異常があるか否かを検出し、
   前記制御系に異常があることを検出した場合には、前記燃料に空気を混ぜて前記燃料電池セルの負極に送る部分改質運転、或いは前記燃料に換えて空気のみを前記燃料電池セルの負極に送るパージ運転を実施すること
   を特徴とする請求項８に記載の燃料電池の制御方法。

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