JP2003068337A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池に供給するガスを加湿する際に、加
湿量を、所望の量により近づける制御を行なう技術を提
供する。 【解決手段】 燃料電池システム１０では、燃料電池２
０と第１熱交換器３２との間を循環する冷却水は、燃料
電池２０を冷却することで昇温すると共に、第１熱交換
器３２において降温する。加湿器３０と第２熱交換器３
４との間を循環する加湿水は、第２熱交換器３４におい
て昇温すると共に、改質器３０において酸化ガスの加湿
に用いられる。伝熱流路６４は、第１熱交換器３２で冷
却水と熱交換して昇温した水を、第２熱交換器３４に導
く。第２熱交換器３４においてこの水は、上記加湿水と
熱交換して加湿水を昇温させる。第２熱交換器３４で加
湿水との熱交換する水のうち、第１熱交換器３２を経由
しない水の量を調節することで、加湿器３０における加
湿量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素と酸素の供
給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を
備える燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、プロトン導電
性を有する固体高分子膜を電解質層に備える燃料電池で
ある。この固体高分子膜は、湿潤状態にあるときに高い
プロトン導電性を示すので、効率的に発電を行なうため
には、固体高分子膜を充分な湿潤状態に保つことが重要
である。固体高分子膜を湿潤状態に保つために、一般的
に、燃料電池に供給するガスの加湿が行なわれる。

【０００３】燃料電池に供給するガスを加湿する方法の
一つとして、燃料電池から排出されるカソードオフガス
を用いて、燃料電池のカソード側に供給する酸化ガス
（空気）を加湿する方法が知られている（例えば、特開
２０００−１５６２３６号公報等）。カソードオフガス
は、電気化学反応によって生じた生成水が気化した水蒸
気を含有し、ほぼ飽和蒸気圧に達した湿度の高い気体で
ある。また、カソードオフガスは、燃料電池内部で昇温
されて燃料電池の内部温度に略等しい温度となって排出
される。したがって、カソードオフガスを用いて、外部
から取り込んだ空気を加湿することができる。このよう
な構成とすれば、ガスの加湿を行なうために特別に熱源
を設ける必要が無く、燃料電池システム全体のエネルギ
効率の低下を抑えることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カソー
ドオフガスを利用して酸化ガスを加湿する際には、酸化
ガスの加湿量を所望の値に制御することが困難であると
いう問題が生じる。すなわち、加湿量は、加湿のために
用いる湿潤気体の温度や流量に応じた量となるが、カソ
ードオフガスの温度は燃料電池の運転温度によって定ま
り、カソードオフガスの流量は燃料電池における発電量
に応じて定まる。したがって、加湿のための湿潤気体と
してカソードオフガスを用いる場合には、加湿量の制御
が困難となる。

【０００５】なお、カソードオフガスを用いる場合のよ
うに燃料電池で発生する熱を利用することなく、他に熱
源を設け、水蒸気を発生させて加湿する構成も考えられ
る。しかしながら、このような場合には、上記他の熱源
においてエネルギを消費することになるため、システム
全体のエネルギ効率が低下してしまう。

【０００６】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、燃料電池に供給するガスを
加湿する際に、システム全体のエネルギ効率を低下させ
ることなく、加湿量を安定して制御可能となる技術を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明の燃料電池システム
は、電気化学反応を進行して発電を行なう燃料電池を備
える燃料電池システムであって、前記燃料電池で発生し
た熱を用いて加湿用水を昇温する加熱部と、前記加湿用
水を用いて、該加湿用水の温度に応じた加湿量で、電気
化学反応に供するガスを加湿する加湿器と、前記加湿用
水の温度を調節して、前記加湿器における加湿量を制御
する制御部とを備えることを要旨とする。

【０００８】このような燃料電池システムでは、燃料電
池で発生した熱を用いて昇温させた加湿用水を用いて、
加湿用水の温度に応じた加湿量でガスを加湿する際に、
加湿用水の温度を調節して、加湿器における加湿量を制
御する。このように、加湿に要する熱量を燃料電池から
得ているため、ガスを加湿することで燃料電池システム
全体のエネルギ効率が低下してしまうのを抑えることが
できる。また、加湿用水の温度を制御することにより、
燃料電池に供給するガスの加湿量を安定して制御するこ
とが可能となる。

【０００９】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
加熱部は、第１の冷媒を用いて前記燃料電池を冷却する
電池冷却部と、前記第１の冷媒と、前記第１の冷媒とは
異なる第２の冷媒との間での熱交換を行なうことによっ
て前記第２の冷媒を加熱する第１の熱交換器と、前記第
２の冷媒と前記加湿用水との間で熱交換を行なうことに
よって前記加湿用水を加熱する第２の熱交換器と、前記
第２の冷媒を、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換
器の双方を経由して循環させる循環流路と、前記循環流
路に接続され、前記第１の熱交換器をバイパスさせて前
記第２の冷媒を循環させるバイパス流路と、前記循環流
路と前記バイパス流路の流量配分を調節するための流量
配分調節部と、を備え、前記制御部は、前記循環流路と
前記バイパス流路の流量配分を調節することによって前
記加湿量を制御することとしても良い。

【００１０】あるいは、本発明の燃料電池システムにお
いて、前記加熱部は、冷媒として前記加湿用水を用いて
前記燃料電池を冷却する電池冷却部と、前記加湿用水
を、前記燃料電池と前記加湿器の双方を経由して循環さ
せる循環流路と、前記循環流路に接続され、前記燃料電
池をバイパスさせて前記加湿用水を循環させるバイパス
流路と、前記循環流路と前記バイパス流路の流量配分を
調節するための流量配分調節部と、を備え、前記制御部
は、前記循環流路と前記バイパス流路の流量配分を調節
することによって前記加湿量を制御することとしても良
い。

【００１１】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
加湿器は、水蒸気透過性を有する膜を備え、該膜を介し
て前記ガスを加湿することとしても良い。

【００１２】また、本発明の燃料電池システムにおい
て、前記制御部は、前記燃料電池の内部温度に基づいて
前記加湿量を制御することとしても良い。

【００１３】燃料電池の内部温度が変化すると、燃料電
池内部の飽和水蒸気圧が変化し、ガスの加湿量が不足で
あるか過剰であるかの状態が変化する。したがって、燃
料電池の内部温度に基づいて加湿量を制御することによ
り、加湿量を望ましい量に的確に近づけることが可能と
なる。

【００１４】このような本発明の燃料電池システムにお
いて、前記加湿器によって加湿された前記ガスの加湿量
を検出する湿度センサをさらに備え、前記制御部は、前
記ガスの加湿量が、前記燃料電池の内部温度に応じた所
定の目標値に近づくように、前記ガスの加湿量を制御す
ることとしても良い。

【００１５】あるいは、本発明の燃料電池システムにお
いて、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧計をさら
に備え、前記制御部は、前記燃料電池の出力電圧が、前
記燃料電池の内部温度に応じた所定の目標値に近づくよ
うに、前記ガスの加湿量を制御することとしても良い。

【００１６】また、本発明の燃料電池システムにおい
て、前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から
排出される排ガス中の湿度を検出する湿度センサと、前
記燃料電池において前記電気化学反応に伴って生じる生
成水量を算出する算出部と、をさらに備え、前記制御部
は、前記加湿器における前記ガスの加湿量と、前記算出
部が算出した前記生成水量とが、前記湿度センサが検出
した前記湿度に基づいて求められる前記排ガス中の水蒸
気量と釣り合うように、前記加湿量を制御することとし
ても良い。

【００１７】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出され
る排ガス中の水蒸気を水として回収する凝縮器をさらに
備え、前記凝縮器で回収した水を、前記加湿用水として
利用することとしても良い。

【００１８】このような構成とすることで、ガスの加湿
に用いるために、燃料電池システムの外部から取り入れ
るべき水の量を削減、あるいは不要とすることができ
る。

【００１９】本発明は、例えば、燃料電池システムにお
けるガスの加湿量の制御方法等、種々の形態で実現する
ことが可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。 Ａ．装置の全体構成： Ｂ．加湿と冷却に関わる構成： Ｃ．燃料電池の冷却に関わる水量制御： Ｄ．加湿量の制御： Ｅ．第２実施例： Ｆ．第３実施例： Ｇ．変形例：

【００２１】Ａ．装置の構成：図１は、本発明の一実施
例としての燃料電池システム１０の構成を表わす説明図
である。まず、図１に基づいて、燃料電池に供給される
ガスの流れについて説明する。燃料電池システム１０
は、改質燃料および水の昇温と混合を行なう蒸発・混合
部７４、改質反応を促進する改質触媒を備える改質器７
５、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減部
７６、燃料電池２０、ブロワ７８を主な構成要素として
いる。なお、本実施例の燃料電池システム１０は、燃料
電池が発電した電力を家庭内で利用する定置型のシステ
ムである。

【００２２】蒸発・混合部７４には、燃料流路７２を介
して、改質器７５で進行する改質反応に供するための改
質燃料が供給される。また、蒸発・混合部７４には、水
流路７３を介して、改質反応に供するための水が供給さ
れる。本実施例では、改質燃料として天然ガスを用いて
おり、燃料流路７２は、天然ガスを供給する商用ガスラ
インと接続されている。同様に、水流路７３は、水を供
給するライン（水道管）と接続されている。蒸発・混合
部７４は、水流路７３から供給された水を気化させると
共に、得られた水蒸気と、燃料流路７２から供給された
改質燃料とを混合し、これらを昇温させる。

【００２３】蒸発・混合部７４から排出された改質燃料
と水との混合ガスは、改質器７５において改質反応に供
されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここ
で、改質器７５には、用いる改質燃料に応じた改質触媒
が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適し
た温度となるように、改質器７５の内部温度が制御され
る。また、改質器７５で進行する改質反応は、水蒸気改
質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたも
のなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、
このように改質器７５内で進行させる改質反応に応じた
ものを選択すればよい。

【００２４】改質器７５で生成された改質ガスは、ＣＯ
低減部７６において一酸化炭素濃度が低減されて、燃料
電池２０のアノード側に対して燃料ガスとして供給され
る。ＣＯ低減部７６は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸
化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備
え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素
濃度を低減するシフト部とすることができる。あるい
は、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応
を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によっ
て水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化
炭素選択酸化部とすることができる。また、これらの両
方を備えることとしても良い。

【００２５】燃料電池２０のカソード側に対しては、ブ
ロワ７８から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。ブ
ロワ７８が外部から取り込んだ空気は、加湿器３０で加
湿された後に、燃料電池２０に供給される。加湿器３０
については、後にさらに説明する。これら燃料ガスおよ
び酸化ガスを利用して、燃料電池２０では電気化学反応
によって起電力が生じる。

【００２６】燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池で
ある。以下に、燃料電池２０で進行する電気化学反応を
表わす式を示す。

【００２７】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） ２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００２８】（１）式はアノード側における反応を示
し、（２）式はカソード側における反応を示し、（３）
式は燃料電池全体で行なわれる反応を示す。（２）式に
示すように、電気化学反応に伴ってカソード側には生成
水が生じるが、このような生成水を含めて、電解質膜が
保持する水分の一部は、酸化ガス中に気化して燃料電池
外に排出される。本実施例の燃料電池システム１０で
は、加湿器３０を用いて燃料電池２０に供給する酸化ガ
スを予め加湿することによって、電解質膜の乾燥を防い
でいる。

【００２９】Ｂ．加湿と冷却に関わる構成：図２は、燃
料電池システム１０において、酸化ガスの加湿と燃料電
池２０の冷却に関わる流路の流れを表わす説明図であ
る。電気化学反応に用いられる空気は、ブロワ７８によ
って外部から取り込まれて酸化ガス流路４０を流れ、既
述した加湿器３０を経由して、燃料電池２０に導かれ
る。加湿器３０では、上記酸化ガス流路４０と共に水流
路６２がその内部を通過するように配設されており、両
者の間で水蒸気の交換が行なわれる。加湿器３０内を通
過する水流路６２には、所定の高温に昇温した加湿用の
水（加湿用水）が流れる。加湿器３０において、酸化ガ
ス流路４０と水流路６２とが接する領域では、両者の壁
面の一部が水蒸気透過性を有する高分子からなる膜３１
によって形成されている。すなわち、加湿器３０内で
は、酸化ガスと加湿用水とが膜３１を境にして接してお
り、この膜３１を介して水流路６２側から酸化ガス流路
４０側に水蒸気が供給されて、酸化ガスの加湿が行なわ
れる。

【００３０】なお、図２では、膜３１を介して酸化ガス
流路４０と水流路６２とが接する様子を簡略化して表わ
したが、膜３１と各流路とは種々の形状とすることが可
能である。膜３１を中空子膜とする場合には、例えば、
中空子膜の内部の空隙を水流路６２として加湿用水を流
し、中空子膜の外部の空間を酸化ガス流路４０とするこ
とで、酸化ガスの加湿を行なうことができる。あるい
は、膜３１を平膜状にして、所定の間隔をおいて複数の
膜３１を重ね合わせることとしても良い。この場合に
は、重ね合わせた膜３１の間に形成される複数の空間
に、加湿用水と空気とをそれぞれ交互に流し、水流路６
２と酸化ガス流路４０とが積層された形状とすること
で、酸化ガスの加湿を行なうことができる。

【００３１】酸化ガス流路４０において、加湿器３０と
燃料電池２０との間には、加湿器３０によって加湿され
た酸化ガスの湿度を検出する湿度センサ５０が設けられ
ている。湿度センサ５０は、後述する制御ユニット３９
に接続されている。

【００３２】酸化ガス流路４０から燃料電池２０に供給
された酸化ガスは、電気化学反応に供された後、カソー
ドオフガス流路４２によって凝縮器３８に導かれる。凝
縮器３８では、カソードオフガスを冷却して気水分離す
る。水分を取り除いた残りのカソードオフガスは、排出
路４４に導かれて外部に排出される。なお、凝縮器３８
でカソードオフガスから取り除いた水は、後述するよう
に、加湿器３０における加湿のために再び用いられる。

【００３３】また、燃料電池システム１０においては、
燃料電池２０の内部を冷却水が通過するように、冷却水
流路６０が設けられている。この冷却水流路６０は、電
気化学反応に伴って発生する熱を除去して燃料電池２０
の内部温度を所定の温度範囲（例えば６０〜１００℃）
に保ち、電気化学反応を効率良く進行させるためのもの
である。

【００３４】燃料電池システム１０は、さらに、燃料電
池２０の冷却に関わる第１熱交換器３２と第１ポンプ５
２とを備えている。上述した冷却水流路６０は、燃料電
池２０の内部と、第１熱交換器３２との間で冷却水を循
環させる。燃料電池２０内を通過して昇温した冷却水
は、第１熱交換器３２において冷却され、冷却水流路６
０内を循環して再び燃料電池２０の冷却に用いられる。
第１ポンプ５２は、冷却水流路６０内を冷却水が循環す
る駆動力を発生するものであり、後述する制御ユニット
３９に接続している。なお、冷却水流路６０内を流れる
冷却水としては、純水や水道水、あるいは不凍液など、
種々のものを用いることができる。

【００３５】燃料電池２０には、さらに、燃料電池２０
の内部温度を検出する第２温度センサ５９が設けられて
いる。第２温度センサ５９は、制御ユニット３９に接続
されている。なお、第２温度センサ５９は、燃料電池２
０内部の所定の位置に配設することとしても良く、ある
いは、冷却水流路６０において、燃料電池２０から冷却
水が排出される出口部付近に配設し、燃料電池２０から
排出される冷却水温度を検出することとしても良い。第
２温度センサ５９は、燃料電池２０の内部温度を反映す
る温度を検出可能であればよい。なお、燃料電池２０に
は、燃料電池２０における出力電流を検出する電流計６
８がさらに設けられている。電流計６８もまた、制御ユ
ニット３９に接続されている。

【００３６】また、燃料電池システム１０は、酸化ガス
の加湿に関わる第２熱交換器３４と第２ポンプ５３とを
備えている。第２熱交換器３４と加湿器３０との間に
は、加湿用水を循環させる水流路６２が設けられてい
る。水流路６２内を流れる加湿用水は、第２熱交換器３
４において昇温した後、加湿器３０において酸化ガスの
加湿に用いられる。第２ポンプ５３は、水流路６２内を
加湿用水が循環する駆動力を発生するものであり、後述
する制御ユニット３９に接続している。なお、本実施例
では、水流路６２を通過する加湿用水として純水を用い
ており、これによって、加湿器３０が備える膜３１上に
不純物が蓄積するのを防止している。

【００３７】水流路６２内を循環する加湿用水は、加湿
器３０において酸化ガスを加湿するのに消費されるた
め、水流路６２に対しては、既述した凝縮器３８および
外部から、水が補給される。凝縮器３８と水流路６２と
の間には、両者を接続する補水路６５が設けられてお
り、補水路６５に設けられた第４ポンプ５５を駆動する
ことで、凝縮器３８においてカソードオフガスから回収
された水が、水流路６２に供給される。また、水流路６
２には、補水路６６と純水器３７とを介して外部の水道
管が接続されている。水道管から供給される水は、純水
器３７によって純水となり、補水路６６を介して水流路
６２に供給される。補水路６６を介して供給される水の
量は、補水路６６に設けた弁５８によって調節される。
なお、水流路６２には、第２熱交換器３４で昇温されて
加湿器３０に供給される水の温度を検出する第１温度セ
ンサ５１が配設されている。第１温度センサ５１と、上
記第４ポンプ５５および弁５８は、制御ユニット３９に
接続されている。

【００３８】さらに、燃料電池システム１０は、貯湯槽
３６を備えている。貯湯槽３６には第３ポンプ５４が併
設されており、第３ポンプ５４によって貯湯槽３６から
汲み上げられた水は、伝熱流路６４に導かれて、第１熱
交換器３２および第２熱交換器３４をこの順に経由して
流れる。伝熱流路６４内を通過する水は、第１熱交換器
３２では、冷却水流路６０内を通過する冷却水との間で
熱交換を行なう。第１熱交換器３２に導かれる冷却水
は、既述したように、燃料電池２０と熱交換することで
昇温している。したがって、第１熱交換器３２において
上記熱交換が行なわれることで、冷却水流路６０内の冷
却水は降温すると共に、伝熱流路６４内を通過する水は
昇温する。

【００３９】第１熱交換器３２において昇温した伝熱流
路６４内の水は、第２熱交換器３４では、水流路６２内
を流れる加湿用水と熱交換して、これを昇温させる。第
２熱交換器３４における熱交換で昇温した水流路６２内
の加湿用水は、既述したように、加湿器３０において酸
化ガスの加湿に用いられる。第２熱交換器３４における
熱交換で降温した伝熱流路６４内の水は、再び貯湯槽３
６に導かれる。このように、本実施例の燃料電池システ
ム１０では、燃料電池２０で生じた熱を、冷却水流路６
０内の冷却水および伝熱流路６４内の水を介して、水流
路６２内の加湿用水に伝えてこれを昇温させ、酸化ガス
の加湿を行なっている。

【００４０】なお、貯湯槽３６とは、伝熱流路６４内を
通過する水が、第１熱交換器３２および第２熱交換器３
４を経由して所定の高温となった後に、導入されるもの
である。燃料電池システム１０は、既述したように、本
実施例の燃料電池２０は、発電した電力を家庭内で利用
する定置型のシステムである。ここでは、貯湯槽３６に
導入されて貯留される水（温水）を、家庭内の給湯や暖
房などに利用することによって、エネルギの有効利用を
図っている。

【００４１】本実施例では、貯湯槽３６に蓄えられて伝
熱流路６４を循環する水として、水道水を用いた。上記
のように、貯湯槽３６に導入される温水は、家庭内での
利用に供される一方、貯湯槽３６へは、新たに水道水が
供給される。そこで、貯湯槽３６からは、貯湯槽３６内
に蓄えられて降温した水と共に、新たに供給された水
が、第３ポンプ５４によって汲み出される。そのため、
貯湯槽３６から汲み出される水は充分に低温となってお
り、第１熱交換器３２における冷却水の冷却や、加湿用
水の温度調節を効果的に行なうことが可能となってい
る。

【００４２】また、燃料電池システム１０においては、
伝熱流路６４から分岐するバイパス流路６３が設けられ
ている。バイパス流路６３は、第３ポンプ５４によって
貯湯槽３６から汲み出された水を、第１熱交換器３２を
経由することなく第２熱交換器３４に導く。伝熱流路６
４およびバイパス流路６３には、両者が分岐する位置よ
りも下流側に、それぞれ、弁５７および弁５６が設けら
れている。これらの弁５６，５７は、制御ユニット３９
に接続されており、弁５６，５７の開度を調節すること
で、第２熱交換器３４に供給される水のうち、第１熱交
換器３２を経由する水の量と経由しない水の量とが制御
される。第１熱交換器３２を経由する水は、第１熱交換
器３２で冷却水と熱交換することで昇温しており、経由
しない水は、温度が低いままである。したがって、これ
らの水の量を調節することで、第２熱交換器３４で加湿
用水と熱交換する水の温度を制御することができる。ま
た、伝熱流路６４において、上記弁５７よりも下流側に
は、第１熱交換器３２を経由する水の量を検出する流量
センサ６７が設けられている。流量センサ６７もまた、
制御ユニット３９に接続されている。

【００４３】制御ユニット３９は、マイクロコンピュー
タを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予
め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを
実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するの
に必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納され
たＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必
要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、既
述した各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰ
Ｕでの演算結果に応じて信号を出力する入出力ポート等
を備える。

【００４４】Ｃ．燃料電池の冷却の制御：燃料電池２０
の温度制御は、冷却水流路６０を通過する冷却水の流量
と、伝熱流路６４内を通過して第１熱交換器３２で上記
冷却水と熱交換する水の流量とを制御することによって
行なわれる。

【００４５】燃料電池２０が発電するときには、第２温
度センサ５９が検出する燃料電池２０の内部温度に応じ
て、第１ポンプ５２の駆動量（回転数）が制御される。
また、第２温度センサ５９が検出する燃料電池２０の内
部温度に応じて、弁５７の開度および第３ポンプ５４の
駆動量が制御される。制御ユニット３９は、燃料電池２
０の内部温度に応じたポンプ５２，５４の回転数の目標
値のマップを、予め記憶している。制御ユニット３９
は、第２温度センサ５９から検出信号を入力すると、こ
れらのマップを参照してポンプ５２，５４の回転数の目
標値をそれぞれ決定し、これに従ってポンプ５２，５４
に駆動信号を出力する。

【００４６】ここで、上記第１ポンプ５２および第３ポ
ンプ５４の目標回転数のマップは、例えば、燃料電池２
０の内部温度が所定の温度となるまでは、内部温度の上
昇に応じて回転数が上昇することとし、所定の温度を超
えると所定の最大値をとることとすることができる。図
３に、第１ポンプ５２の目標回転数のマップの一例を示
す。

【００４７】なお、第３ポンプ５４によって送り出され
る水は、弁５７を経由して流れる他に、弁５６を備える
バイパス流路６３にも流れる。後述するように、バイパ
ス流路６３を経由する水の量の制御は、加湿器３０で酸
化ガスを加湿するために用いる水の温度を制御するため
に行なわれ、加湿量は燃料電池の内部温度を参照して決
定される。本実施例では、第３ポンプ５４の回転数を決
定するための上記マップは、燃料電池２０の内部温度に
応じてバイパス流路６３を経由する水の流量が増加した
ときにも、弁５７を経由する水の流量が充分に確保でき
るように予め定められている。

【００４８】弁５７の開度は、流量センサ６７が検出す
る水の流量が、第２温度センサ５９が検出する燃料電池
２０の内部温度に応じた所望の流量となるように、制御
される。本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電
池２０の内部温度に対応して、伝熱流路６４内を流れる
水流量の目標値のマップを、予め制御ユニット３９内に
記憶している。制御ユニット３９は、第２温度センサ５
９から検出信号を入力すると、上記マップを参照して伝
熱流路６４内を流れる水流量の目標値を決定する。そし
て、流量センサ６７が検出する実際の水流量が、上記目
標値となるように、弁５７に駆動信号を出力して弁５７
の開度を調節する。

【００４９】なお、伝熱流路６４内を流れる水流量の目
標値は、第１ポンプ５２を燃料電池の内部温度に応じて
マップに従い駆動したときに、燃料電池２０の温度が所
望の範囲に収まるように設定されている。すなわち、貯
湯槽３６から汲み上げられる水の温度や、第１熱交換器
３２における熱交換効率を考慮して、第１熱交換器３２
において伝熱流路６４内の水によって冷却水を充分に冷
却可能となるように、水流量の目標値が定められてい
る。

【００５０】上記のように、第１ポンプ５２の回転数や
流量センサ６７が検出する流量は、燃料電池２０の内部
温度の検出値に基づいて、内部温度を所望の範囲内に維
持できるように制御することとしたが、負荷変動量をさ
らに考慮することとしても良い。燃料電池２０における
発電量が多いほど発熱量は多くなる。そこで、負荷が大
きく増大するときには、現在の燃料電池２０の内部温度
に見合った冷却量よりも、冷却量が多くなるように第１
ポンプ５２の回転数および上記流量を制御することで燃
料電池の急激な温度上昇を防止することができる。ある
いは、負荷が大きく減少するときには、現在の燃料電池
２０の内部温度に見合った冷却量よりも、冷却量が少な
くなるように第１ポンプ５２の回転数および上記流量を
制御することで燃料電池の急激な温度低下を防止するこ
とができる。

【００５１】Ｄ．加湿量の制御：水蒸気透過性を有する
膜３１を用いて酸化ガスの加湿を行なう際には、その加
湿量は、膜３１の面積や、膜３１の透過係数、加湿され
る酸化ガス中の水蒸気分圧、加湿に用いる水流路６２内
の加湿用水の温度に依存する。ここで、膜３１の面積や
膜３１の透過係数は、加湿器３０を組み立てる際に定ま
るものであり、加湿される酸化ガス中の水蒸気分圧も、
ブロワ７８によって取り込む空気中の水蒸気量によって
定まる。そこで本実施例の燃料電池システム１０は、加
湿に用いる水流路６２内の加湿用水の温度を調節するこ
とで、加湿量の制御を行なっている。

【００５２】図４は、水流路６２内を流れて加湿器３０
に供給される加湿用水の温度と、酸化ガスの加湿量との
関係を表わす説明図である。図４は、加湿器３０に供給
される酸化ガスの湿度が一定のときに、水流路６２内を
流れて加湿器３０に供給される加湿用水の温度が高くな
るほど、加湿器３０から排出される酸化ガスの湿度が高
くなることを示している。本実施例では、加湿器３０に
供給される加湿用水を加熱するために、第２熱交換器３
４において、この加湿用水と伝熱流路６４内を流れる水
との間で熱交換を行なわせている。その際、バイパス流
路６３に設けた弁５６の開度を調節することで、伝熱流
路６４内を流れて第２熱交換器３４に供給される水のう
ち、第１熱交換器３２を経由しない水の量を調節してい
る。これによって、伝熱流路６４内を流れて第２熱交換
器３４に供給される水の温度を調節している。さらに、
第２熱交換器３４に供給される水の温度を調節すること
によって、第２熱交換器３４で加熱される加湿用水の温
度を制御し、最終的に酸化ガスの加湿量を制御してい
る。

【００５３】酸化ガスの加湿量の最適値は、燃料電池２
０の内部温度や、燃料電池２０における発電量によって
定まる。燃料電池２０の内部温度が低いときには、燃料
電池２０の内部において飽和水蒸気圧が低くなるため、
供給する酸化ガス中の湿度をより低くして、燃料電池２
０内の酸化ガスの流路で水蒸気が凝縮するのを防止する
ことが求められる。また、燃料電池２０の内部温度が高
いときには、電解質膜からの水の気化が促進されるた
め、供給する酸化ガス中の湿度をより高くして、電解質
膜が乾燥するのを防止することが求められる。

【００５４】燃料電池２０における発電量が少ないとき
には、電気化学反応に伴って生じる生成水量が少なくな
り、電解質膜が乾燥しやすくなるため、酸化ガスの加湿
量を増加させることが求められる。また、燃料電池２０
における発電量が多いときには、電気化学反応に伴って
生じる生成水量が多くなり、湿度が過剰となりやすいた
め、酸化ガスの加湿量を抑えることが求められる。

【００５５】本実施例の燃料電池システム１０は、燃料
電池２０の内部温度と燃料電池２０における発電量と
に、酸化ガスの加湿量（湿度）の目標値を対応させたマ
ップを、予め制御ユニット３９内に記憶している。この
マップは、燃料電池２０内の飽和蒸気圧を考慮して、上
記のように燃料電池２０の内部温度や発熱量に応じて、
電解質膜の乾燥や水蒸気の凝縮を防止可能となるように
設定されている。このマップを参照することで、酸化ガ
スの加湿量を、最適値により近づくように制御してい
る。図５は、酸化ガスの加湿量を制御するために実行さ
れる湿度制御処理ルーチンを表わすフローチャートであ
る。本ルーチンは、燃料電池システム１０が起動される
と、所定の時間ごとに制御ユニット３９において実行さ
れる。

【００５６】本ルーチンが開始されると、制御ユニット
３９のＣＰＵは、第２温度センサ５９から燃料電池２０
の内部温度に関わる検出信号を入力すると共に、電流計
６８から燃料電池２０の出力電流（発電量）を読み込む
（ステップＳ１００）。次に、上記マップを参照して、
ステップＳ１００で読み込んだ内部温度と出力電流とに
基づいて、酸化ガスの湿度の目標値Ｈ₀ を決定する（ス
テップＳ１１０）。その後、湿度センサ５０から、酸化
ガスの実際の湿度Ｈ₁ を読み込んで（ステップＳ１２
０）、この実際の湿度Ｈ₁ と湿度の目標値Ｈ₀ とを比較
する（ステップＳ１３０）。

【００５７】湿度の目標値Ｈ₀ の方が実際の湿度Ｈ₁ よ
りも高い場合には、弁５６の開度を減らすように弁５６
に対して駆動信号を出力して本ルーチンを終了する（ス
テップＳ１４０）。弁５６の開度を減らすことで、伝熱
流路６４内を流れて第２熱交換器３４に供給される水の
温度が上昇し、これによって加湿用水が昇温し、酸化ガ
スの加湿量が増加する。

【００５８】湿度の目標値Ｈ₀ と実際の湿度Ｈ₁ とが略
等しい場合には、弁５６の開度をそのまま維持して本ル
ーチンを終了する（ステップＳ１５０）。これによっ
て、酸化ガスの加湿量は維持される。

【００５９】湿度の目標値Ｈ₀ の方が実際の湿度Ｈ₁ よ
りも低い場合には、弁５６の開度を増やすように弁５６
に対して駆動信号を出力して本ルーチンを終了する（ス
テップＳ１６０）。弁５６の開度を増やすことで、伝熱
流路６４内を流れて第２熱交換器３４に供給される水の
温度が低下し、これによって加湿用水が降温し、酸化ガ
スの加湿量が減少する。

【００６０】なお、ステップＳ１４０およびステップＳ
１６０で行なう弁５６の開度の増減の動作は、例えば、
弁５６の開度を予め定めた所定量だけ増減することとす
ればよい。あるいは、弁５６の開度の増減量は、湿度の
目標値Ｈ₀ と実際の湿度Ｈ₁との差に応じた量としても
良い。また、ステップＳ１００においては、電流計６８
から燃料電池２０の出力電流を読み込むこととしたが、
これに代えて、燃料電池２０に対する負荷指令値を読み
込むこととしても良い。

【００６１】以上のように構成された本実施例の燃料電
池システム１０によれば、酸化ガスの湿度を常に適正に
保つことができる。従って、酸化ガスの加湿量が不足し
て電解質膜が乾燥したり、酸化ガスの加湿量が多すぎて
燃料電池内で凝縮水が生じ、フラッディング（水滴がガ
ス流路内に滞留する）などの不都合が生じることがな
い。このような制御は、燃料電池２０の内部温度や酸化
ガスの実際の加湿量に基づいて行なわれるため、定常運
転時のみならず、起動・停止時、負荷変動時にも、加湿
量を適正に保つことができる。

【００６２】また、本実施例では、酸化ガスを加湿する
ために加湿用の水を加熱するための熱源として、燃料電
池２０で発生する熱を利用している。したがって、酸化
ガスの加湿のために特別に熱源を用意する必要が無いこ
とに加えて、燃料電池システム１０全体のエネルギ効率
を向上させることができる効果が得られる。

【００６３】このように、燃料電池で生じる熱を利用し
て加湿用の水を加熱する際に、本実施例では、燃料電池
２０を冷却する冷却水の流路と、加湿用水の流路とを分
離し、伝熱流路６４と２つの熱交換器によって両者間で
熱の受け渡しを行なっている。したがって、燃料電池２
０は適正温度に制御しつつ、燃料電池２０の温度制御と
は独立して、酸化ガスの加湿量を適正な量に制御するこ
とができる。

【００６４】また、本実施例では、水蒸気透過性を有す
る膜を用いてガスを加湿する際に、昇温させた水を用い
ている。水は気体に比べて熱交換による温度制御が容易
であり、加湿のために湿潤気体を用いる場合に比べて、
加湿量の制御をより正確に行なうことが可能となる。ま
た、ガスの加湿の際に、単位膜面積当たりの水蒸気透過
量は、湿潤気体を用いる場合よりも昇温した水を用いた
方が多くなる。したがって、加湿のために湿潤気体を用
いる場合に比べて、加湿器をより小型化することが可能
となる。

【００６５】なお、燃料電池２０における発電量が変化
するときには、これに応じてブロワ７８の駆動量が調節
されて、燃料電池２０に供給される酸化ガス量が増減さ
れる。このように加湿器３０に供給される酸化ガスの流
量が変化すると、加湿器３０における加湿の効率も変化
する。したがって、弁５６の開度を調節して酸化ガスの
加湿量を制御するときには、ブロワ７８から加湿器３０
に供給される酸化ガスの流量をさらに考慮することが望
ましい。

【００６６】Ｅ．第２実施例：上記第１実施例では、酸
化ガスの加湿量の目標値は、燃料電池２０の内部温度や
発熱量に対応して、温度ごとの飽和蒸気圧を踏まえ、電
解質膜の乾燥やフラッディングを防止可能となるよう
に、予め定めることとした。これに対して、加湿量と燃
料電池２０の出力電圧との関係に基づいて、酸化ガスの
加湿量を制御することも可能である。このような制御を
第２実施例として以下に説明する。

【００６７】図６は、酸化ガスの加湿量と燃料電池２０
の出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を表わす説明図であ
る。図６に示すように、酸化ガスの加湿量を徐々に増や
すに従って、電解質膜の乾きが改善されて電池性能が向
上することによりＦＣ電圧が上昇し、ＦＣ電圧はやがて
最大値に達する。その後さらに加湿量を増加させると、
フラッディングの問題が生じて電池性能が低下すること
により、ＦＣ電圧は次第に低下する。なお、図６は、燃
料電池２０の運転温度を所定の温度に設定したときの様
子を表わしており、燃料電池２０の運転温度ごとに、図
６に示すように最適加湿量Ｈ_A を定めることができる。
したがって、燃料電池２０が取りうる運転温度に対応し
て、ＦＣ電圧が最も高くなる最適加湿量Ｈ_A のマップを
予め記憶し、これを参照して加湿量を制御することとし
ても良い。なお、最適加湿量Ｈ_A は、ＦＣ電圧が充分に
高くなる加湿量の範囲において、燃料電池システムで加
湿量の制御を行なう際の応答性を考慮して、適宜設定す
ればよい。

【００６８】このような制御は、図２に示した燃料電池
システム１０と同様のシステムにおいて、図５に示した
湿度制御処理ルーチンと同様の処理によって行なうこと
ができる。すなわち、ステップＳ１００に対応する工程
で第２温度センサ５９から燃料電池２０の内部温度を読
み込み、ステップＳ１１０に対応する工程で、上記ＦＣ
電圧に基づくマップを参照して湿度の目標値Ｈ₀ を決定
する。その後、ステップＳ１２０以降の処理を行ない、
実際の酸化ガスの湿度Ｈ₁ と湿度の目標値Ｈ₀とを比較
した結果に基づいて弁５６の開度を調節することで、湿
度を最適値に近づける制御を行なう。

【００６９】このような構成とすれば、第１実施例と同
様の効果を得ることができる。また、湿度の目標値を、
ＦＣ電圧が充分に高くなるように設定しているため、酸
化ガスの加湿量を制御することで効果的に燃料電池の電
池性能を確保することができる。

【００７０】なお、加湿量と出力電圧との関係に基づい
て加湿量を制御する際には、予め定めた最適加湿量と実
際の加湿量との差に基づく方法の他に、出力電圧が最大
値（予め定めた設計電圧）となるように制御する方法を
採ることもできる。すなわち、図６に示すように、燃料
電池ではその運転温度ごとに、加湿量が所定の値（最適
加湿量Ｈ_A ）のときにＦＣ電圧は最大電圧Ｖ_A を示すた
め、ＦＣ電圧がこの最大電圧Ｖ_A に近づくように加湿量
を制御することができる。

【００７１】ＦＣ電圧に基づいて加湿量を制御するに
は、例えば図２に示した燃料電池システム１０におい
て、燃料電池２０の電圧を検出する電圧計をさらに設け
ればよい。ここでは、制御ユニット３９内において、燃
料電池２０の各運転温度に対応して出力電圧の最大値を
マップとして記憶している。このような燃料電池システ
ムにおいて、ＦＣ電圧に基づいて加湿量を制御する際に
実行される湿度制御処理ルーチンを図７に示す。本ルー
チンは、燃料電池システム１０が起動されると、所定の
時間ごとに制御ユニット３９において実行される。

【００７２】本ルーチンが開始されると、制御ユニット
３９のＣＰＵは、第２温度センサ５９から燃料電池２０
の内部温度に関わる検出信号を入力すると共に、上記電
圧計から燃料電池２０の出力電圧Ｖ₁ を読み込む（ステ
ップＳ２００）。次に、上記マップを参照して、ステッ
プＳ２００で読み込んだ内部温度における出力電圧の最
大値を、設計電圧Ｖ₀ として読み込む（ステップＳ２１
０）。その後、設計電圧Ｖ₀ と出力電圧Ｖ₁ との差Ｄ₁
を算出し（ステップＳ２２０）、差Ｄ₁ が略０であるか
否かを判断する（ステップＳ２３０）。

【００７３】ステップＳ２３０において、差Ｄ₁ が略０
である、すなわち実際の出力電圧Ｖ ₁ が設計電圧Ｖ₀ に
略等しいと判断されるときには、弁５６の開度をそのま
ま維持して（ステップＳ２９０）、本ルーチンを終了す
る。

【００７４】ステップＳ２３０において、差Ｄ₁ が略０
ではないと判断されるときには、弁５６の開度を減らす
ように弁５６に対して駆動信号を出力して（ステップＳ
２４０）、その後再び電圧計から出力電圧Ｖ₂ を読み込
む（ステップＳ２５０）。さらに、設計電圧Ｖ₀ と出力
電圧Ｖ₂ との差Ｄ₂ を算出し（ステップＳ２６０）、差
Ｄ₂ が差Ｄ₁ よりも小さいかどうかを判断する（ステッ
プＳ２７０）。既述したように、弁５６の開度を減らす
ことで酸化ガスの加湿量が増加するため、加湿量不足が
原因で出力電圧が設計電圧よりも低かった場合には、差
Ｄ₂ が差Ｄ₁ よりも小さくなる。加湿量不足が軽減され
て、ステップＳ２７０で差Ｄ₂ が差Ｄ₁よりも小さいと
判断されたときには、弁５６の開度をそのまま維持して
（ステップＳ２９０）、本ルーチンを終了する。

【００７５】出力電圧が設計電圧よりも低い原因が加湿
量過剰である場合には、ステップＳ２４０で弁５６の開
度を減らすことで加湿量過剰が進行してしまう。したが
って、ステップＳ２７０において差Ｄ₂ が差Ｄ₁ よりも
小さくならない。このような場合には、弁５６の開度
が、ステップＳ２４０で開度を減らす以前よりも増すよ
うに、弁５６に対して駆動信号を出力して（ステップＳ
２８０）、本ルーチンを終了する。これによって、酸化
ガスの加湿量が減少し、加湿量過剰が軽減される。

【００７６】なお、ステップＳ２４０およびステップＳ
２８０で行なう弁５６の開度の増減の動作は、例えば、
弁５６の開度を予め定めた所定量だけ増減することとす
れば良い。あるいは、弁５６の開度の増減量は、差Ｄ₂
や差Ｄ₁ の大きさに応じて設定することとしても良い。

【００７７】また、図７の湿度制御処理ルーチンでは、
ステップＳ２３０において差Ｄ₁ が略０ではないと判断
されたときに、まず弁５６の開度を減らすこととした
が、弁５６の開度を増やす動作を先に行なっても良い。
あるいは、燃料電池２０における発電量や負荷指令値な
どに基づいて、加湿不足と加湿過剰のどちらの傾向にあ
るかを予測し、弁５６の開度を減らす動作と増やす動作
のどちらを先に行なうかを決定しても良い。

【００７８】Ｆ．第３実施例：酸化ガスの加湿量の目標
値を、燃料電池における水の収支に基づいて決定するこ
とも可能である。ここで、水の収支に基づいて加湿量の
目標値を決定するとは、燃料電池で生じる生成水量と酸
化ガスの加湿量の合計が、カソードオフガス中の水蒸気
量に釣り合うように、酸化ガスの加湿量を決定すること
を指す。このような加湿量の制御方法を第３実施例とし
て以下に説明する。本実施例では、図２に示した燃料電
池システム１０と同様のシステムにおいて、このような
水の収支に基づいた制御を実行することとし、図２に示
した各部を用いて説明する。

【００７９】図９は、図２と同様の燃料電池システム１
０において、水の収支に基づいて加湿量を制御する際に
実行される湿度制御処理ルーチンである。本ルーチン
は、燃料電池システム１０が起動されると、所定の時間
ごとに制御ユニット３９において実行される。

【００８０】本ルーチンが開始されると、制御ユニット
３９のＣＰＵは、カソードオフガス中の水蒸気量を求め
る（ステップＳ３００）。このカソードオフガス中の水
蒸気量とは、燃料電池システム１０において、カソード
オフガス流路４２に湿度計を設け、カソードオフガス中
の湿度を実際に測定することによって求めることができ
る。あるいは、カソードオフガス流路４２に温度センサ
を設けてカソードオフガスの温度を測定し、その温度で
の飽和蒸気圧に対応する水蒸気量をカソードオフガスが
含有するものとして求めても良い。実際に、燃料電池内
部が充分な湿潤状態にあるときには、カソードオフガス
中の水蒸気はほぼ飽和蒸気圧に対応する量となるため、
カソードオフガス中の水蒸気量としてこのような値を用
いることができる。なお、カソードオフガス中の水蒸気
量をこのように飽和蒸気圧に対応する量に設定すること
は、電解質膜の乾燥を確実に防止可能となって望まし
い。

【００８１】次に、燃料電池２０における生成水量を算
出する（ステップＳ３０５）。生成水は、（１）式ない
し（３）式に示したように、進行した電気化学反応の量
に応じて生成する。進行する電気化学反応の量として、
電流計６８が検出した出力電流値、あるいは負荷指令値
を入力することで、生成水量を算出することができる。

【００８２】次に、湿度の目標値Ｈ₀ を決定する（ステ
ップＳ３１０）。湿度の目標値Ｈ₀は、ステップＳ２０
０で求めたカソードオフガス中の水蒸気量と、ステップ
Ｓ２０５で算出した生成水量との差として決定される。
すなわち、酸化ガスの湿度をこのように求めた目標値と
等しくすることで、燃料電池２０に供給する酸化ガス中
の水蒸気量と燃料電池２０内で生じる生成水量の合計
が、カソードオフガス中の水蒸気量と釣り合うことにな
る。

【００８３】このように湿度の目標値を決定すると、そ
の後、図５のステップＳ１２０ないしステップＳ１６０
と同様の工程であるステップＳ３２０ないしステップＳ
３６０の工程を実行して、本ルーチンを終了する。すな
わち、湿度の目標値と、実際の酸化ガスの加湿量とを比
較して、上記目標値に実際の湿度が近づくように、弁５
６の開度を調節する。

【００８４】Ｇ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００８５】Ｇ１．変形例１：既述した実施例では、燃
料電池システム１０は、燃料電池が発生した電力を家庭
内で利用する定置型のシステムとしたが、異なる目的で
用いても良い。店舗やオフィスビルのように、より規模
の大きなシステムに適用することもできる。また、燃料
電池システムを定置型のシステムとする代わりに、移動
体の駆動用電源として用いることとしても良い。このよ
うに本発明を移動用電源に適用する場合には、貯湯槽に
代えてラジエータを設ければよい。例えば、図２に示し
た燃料電池システム１０を移動用電源として用いる場合
には、伝熱流路６４内を流れる水は、第２熱交換器３４
を経由した後はラジエータで冷却し、その後は第１熱交
換器３２に供給して、冷却水の冷却のために用いること
とすればよい。

【００８６】また、燃料電池システムを移動用電源とし
て用いる場合には、図１に示した燃料電池システム１０
において、改質燃料を貯蔵する燃料タンクや、改質に要
する水を貯蔵する水タンクを設けることとすればよい。
すなわち、燃料流路７２を天然ガス供給ラインと接続す
る代わりに燃料タンクと接続し、水流路７３を水供給ラ
イン（水道管）と接続する代わりに水タンクと接続すれ
ばよい。

【００８７】Ｇ２．変形例２：上記実施例では、燃料電
池２０を冷却する冷却水の流路と、酸化ガスの加湿に用
いる加湿用水の流路とを分離し、伝熱流路６４内の水に
よって、燃料電池２０で発生し冷却水が回収した熱を、
加湿用水に伝えた。これに対して、冷却水の流路と加湿
用水の流路とを共通化することも可能である。図８は、
冷却水の流路と加湿用水の流路とを共通化した燃料電池
システム１１０の構成を表わす説明図である。図８で
は、図２に示した燃料電池システム１０と共通する部分
には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略す
る。

【００８８】燃料電池システム１１０では、燃料電池２
０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１６０は、燃料
電池２０を経由して加湿器３０に接続しており、燃料電
池２０で昇温した冷却水は、加湿器３０において加湿用
水として用いられる。加湿器３０で酸化ガスの加湿に用
いられた残りの冷却水は、熱交換器１３６で冷却され、
その後再び燃料電池２０に導かれて燃料電池２０を冷却
するために用いられる。

【００８９】このように、燃料電池２０と加湿器３０と
熱交換器１３６との間で冷却水を循環させる冷却水流路
１６０には、バイパス流路１６３が分岐して設けられて
いる。バイパス流路１６３は、熱交換器１３６から排出
された冷却水を、燃料電池２０を経由することなく加湿
器３０に導く流路であり、バイパス流路１６３を通過す
る冷却水量を調節するための第２ポンプ１５３を備えて
いる。燃料電池システム１１０では、第２ポンプ１５３
の駆動量を調節することで、燃料電池２０を経由するこ
となく加湿器３０に導かれる冷却水量を制御して、加湿
器３０に供給される冷却水温度を調節し、酸化ガスの加
湿量を制御している。なお、燃料電池システム１１０で
は、冷却水として純水を用いることで、加湿器３０にお
いて膜３１上に不純物が堆積するのを防止している。

【００９０】加湿器３０に供給される冷却水温度の調節
は、既述した実施例と同様に行なうことができる。例え
ば、第１実施例と同様に、燃料電池２０の内部温度に応
じた加湿量の目標値をマップとして制御ユニット３９内
に記憶し、図５の湿度制御処理ルーチンと同様の処理を
行なえばよい。この場合には、ステップＳ１４０ないし
ステップＳ１６０では、弁５６の開度を調節する代わり
に、第２ポンプ１５３の駆動量を調節する。

【００９１】また、第２実施例と同様に、燃料電池２０
の出力電圧が最大値（設計電圧）となるように制御する
こととしても良い。その際、図７に示した湿度制御処理
ルーチンと同様の処理を行なう場合には、燃料電池２０
にさらに電圧計を設けると共に、弁５６の開度を調節す
る代わりに第２ポンプ１５３の駆動量を調節する。

【００９２】また、第３実施例と同様に、燃料電池で生
じる生成水量と酸化ガスの加湿量の合計が、カソードオ
フガス中の水蒸気量に釣り合うように、酸化ガスの加湿
量を決定することとしても良い。その際、図９に示した
湿度制御処理ルーチンと同様の処理を行なう場合には、
弁５６の開度を調節する代わりに第２ポンプ１５３の駆
動量を調節する。

【００９３】このように冷却水の流路と加湿用水の流路
とを共通化したシステムにおいても、冷媒によって燃料
電池から取り出された熱のうち、加湿用水に伝えられる
熱の量を調節して加湿量を制御することができる。これ
によって、既述した実施例と同様の効果を奏することが
できる。

【００９４】なお、熱交換器１３６に貯水槽を併設して
降温した冷却水の一部を貯留可能としてもよい。これに
よって、冷却水流路１６０内を流れる冷却水量を増減す
ることが可能となる。また、第４ポンプ５５によって、
凝縮器３８から補水路６５を経由して冷却水流路１６０
に供給する水の量を調節することができる。あるいは、
弁５８によって、純水器３７をから冷却水流路１６０に
供給される水の量を調節することができる。このよう
に、冷却水流路１６０内の冷却水流量を調節すること
で、燃料電池２０に供給される冷却水流量と冷却水温
度、さらに、加湿器３０に供給される冷却水（加湿用
水）流量と冷却水温度を、望ましい値に制御することが
より容易となる。したがって、燃料電池２０の内部温度
および酸化ガスの加湿量を、より正確に所望の温度に制
御可能となる。

【００９５】Ｇ３．変形例３：実施例の燃料電池システ
ムでは、改質燃料として天然ガスを用いたが、改質燃料
としては種々のものを用いることができる。天然ガス
（メタン）等の気体炭化水素の他、ガソリンなどの液体
炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド
類など、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化
水素系燃料を選択することができる。

【００９６】Ｇ４．変形例４：また、システムが備える
燃料電池も、固体高分子型燃料電池に限るものではな
く、他種の燃料電池を用いることもできる。燃料電池で
生じた熱を冷媒によって回収し、回収した熱をガスの加
湿のために用いるシステムであれば、本発明を適用する
ことができる。

【００９７】ＧＦ５．変形例５：上記実施例では、燃料
電池に供給する酸化ガスを加湿するために本発明を適用
したが、アノード側に供給する燃料ガスの加湿において
本発明を適用することとしても良い。例えば、燃料ガス
として、水素ボンベに貯蔵した水素ガスや水素吸蔵合金
に吸蔵させて貯蔵した水素ガスを用いる場合に本発明を
適用し、実施例と同様の加湿器を用いて燃料ガスを加湿
することで、電解質膜の乾燥を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池システム１０の構成を表わす説明図で
ある。

【図２】燃料電池システム１０において、酸化ガスの加
湿と燃料電池２０の冷却に関わる流路の流れを表わす説
明図である。

【図３】第１ポンプ５２の目標回転数のマップの一例を
示す説明図である。

【図４】加湿用水の温度と酸化ガスの加湿量との関係を
表わす説明図である。

【図５】湿度制御処理ルーチンを表わすフローチャート
である。

【図６】酸化ガスの加湿量とＦＣ電圧との関係を表わす
説明図である。

【図７】湿度制御処理ルーチンを表わすフローチャート
である。

【図８】燃料電池システム１１０の構成を表わす説明図
である。

【図９】湿度制御処理ルーチンを表わすフローチャート
である。

【符号の説明】

１０，１１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…加湿器 ３１…膜 ３２…第１熱交換器 ３４…第２熱交換器 ３６…貯湯槽 ３７…純水器 ３８…凝縮器 ３９…制御ユニット ４０…酸化ガス流路 ４２…カソードオフガス流路 ４４…排出路 ５０…湿度センサ ５１…第１温度センサ ５２…第１ポンプ ５３，１５３…第２ポンプ ５４…第３ポンプ ５５…第４ポンプ ５６，５７，５８…弁 ５９…第２温度センサ ６０，１６０…冷却水流路 ６２…水流路 ６３，１６３…バイパス流路 ６４…伝熱流路 ６５，６６…補水路 ６７…流量センサ ６８…電流計 ７２…燃料流路 ７３…水流路 ７４…混合部 ７５…改質器 ７６…ＣＯ低減部 ７８…ブロワ １３６…熱交換器

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気化学反応を進行して発電を行なう燃
   料電池を備える燃料電池システムであって、 前記燃料電池で発生した熱を用いて加湿用水を昇温する
   加熱部と、 前記加湿用水を用いて、該加湿用水の温度に応じた加湿
   量で、電気化学反応に供するガスを加湿する加湿器と、 前記加湿用水の温度を調節して、前記加湿器における加
   湿量を制御する制御部とを備える燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記加熱部は、 第１の冷媒を用いて前記燃料電池を冷却する電池冷却部
   と、 前記第１の冷媒と、前記第１の冷媒とは異なる第２の冷
   媒との間での熱交換を行なうことによって前記第２の冷
   媒を加熱する第１の熱交換器と、 前記第２の冷媒と前記加湿用水との間で熱交換を行なう
   ことによって前記加湿用水を加熱する第２の熱交換器
   と、 前記第２の冷媒を、前記第１の熱交換器と前記第２の熱
   交換器の双方を経由して循環させる循環流路と、 前記循環流路に接続され、前記第１の熱交換器をバイパ
   スさせて前記第２の冷媒を循環させるバイパス流路と、 前記循環流路と前記バイパス流路の流量配分を調節する
   ための流量配分調節部と、を備え、 前記制御部は、前記循環流路と前記バイパス流路の流量
   配分を調節することによって前記加湿量を制御する燃料
   電池システム。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記加熱部は、 冷媒として前記加湿用水を用いて前記燃料電池を冷却す
   る電池冷却部と、 前記加湿用水を、前記燃料電池と前記加湿器の双方を経
   由して循環させる循環流路と、 前記循環流路に接続され、前記燃料電池をバイパスさせ
   て前記加湿用水を循環させるバイパス流路と、 前記循環流路と前記バイパス流路の流量配分を調節する
   ための流量配分調節部と、を備え、 前記制御部は、前記循環流路と前記バイパス流路の流量
   配分を調節することによって前記加湿量を制御する燃料
   電池システム。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電
   池システムであって、 前記加湿器は、水蒸気透過性を有する膜を備え、該膜を
   介して前記ガスを加湿する燃料電池システム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電
   池システムであって、 前記制御部は、前記燃料電池の内部温度に基づいて前記
   加湿量を制御する燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項５記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記加湿器によって加湿された前記ガスの加湿量を検出
   する湿度センサをさらに備え、 前記制御部は、前記ガスの加湿量が、前記燃料電池の内
   部温度に応じた所定の目標値に近づくように、前記ガス
   の加湿量を制御する燃料電池システム。
7. 【請求項７】 請求項５記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧計をさらに備
   え、 前記制御部は、前記燃料電池の出力電圧が、前記燃料電
   池の内部温度に応じた所定の目標値に近づくように、前
   記ガスの加湿量を制御する燃料電池システム。
8. 【請求項８】 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電
   池システムであって、 前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出
   される排ガス中の湿度を検出する湿度センサと、 前記燃料電池において前記電気化学反応に伴って生じる
   生成水量を算出する算出部と、 をさらに備え、 前記制御部は、前記加湿器における前記ガスの加湿量
   と、前記算出部が算出した前記生成水量とが、前記湿度
   センサが検出した前記湿度に基づいて求められる前記排
   ガス中の水蒸気量と釣り合うように、前記加湿量を制御
   する燃料電池システム。
9. 【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、 前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出
   される排ガス中の水蒸気を水として回収する凝縮器をさ
   らに備え、 前記凝縮器で回収した水を、前記加湿用水として利用す
   る燃料電池システム。