JP2013008689A

JP2013008689A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2013008689A
Application number: JP2012189145A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Inoue; 隆治井上; Hideki Uematsu; 秀樹上松; Masahiro Shibata; 昌宏柴田; Hiroya Ishikawa; 浩也石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-01-10

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the performance of a fuel battery cell being degraded by making it possible to check whether a raw fuel and steam are properly mixed in a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell system 1 comprises: a fuel battery cell 13 for generating electric power by causing a chemical reaction of an oxidizer and a steam-reformed fuel by interposing a solid electrolyte body; a limiting current type humidity sensor 31 arranged in a fuel supply passage 25 for supplying fuel to an anode of the fuel battery cell 13; and an all region air-fuel ratio sensor 33 arranged in a fuel exhaust passage 27 for exhausting the spent fuel used at the anode of the fuel battery cell 13. Therefore, since the steam amount in the fuel supply passage 25 can be detected by using the limiting current type humidity sensor 31 and the all region air-fuel ratio sensor 33, it can be detected excellently whether steam is properly added to the fuel supplied to the anode of the fuel battery cell 13.

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。 The present invention relates to a fuel cell including a fuel cell that generates electric power by chemically reacting an oxidant and a steam-reformed fuel through an electrolyte.

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）。 Conventionally, as the fuel cell, there is known a fuel cell that supplies steam-reformed fuel obtained by adding steam to a raw fuel such as hydrocarbon gas or alcohol to the anode (negative electrode) of the fuel cell. (For example, refer to Patent Document 1).

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。 In addition, the water vapor | steam added to raw fuel is supplied by evaporating water using a vaporizer.

特開平９−１２９２５６号公報JP-A-9-129256

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。 By the way, the fuel used in the fuel cell needs to be mixed with an appropriate ratio of raw fuel and water vapor so as not to impair the performance of the fuel cell (power generation efficiency, cell durability, etc.). There is. For this reason, in the conventional fuel cell, for example, the mixing ratio of the raw fuel and the water vapor is adjusted by adjusting the opening of a valve for supplying the raw fuel or a valve for supplying water to the vaporizer.

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。 However, in the fuel cell, since it is not possible to confirm whether or not the raw fuel and the water vapor supplied from the vaporizer are actually mixed properly, for example, a problem occurs in the vaporizer and the water vapor is appropriately generated. When the fuel cannot be supplied, the supply balance between the raw fuel and the water vapor is lost, and the performance of the fuel cell may be impaired.

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。 Therefore, in view of such problems, in a fuel cell including a fuel cell that generates electric power by chemically reacting an oxidant and steam-reformed fuel through an electrolyte, raw fuel and steam are It is an object of the present invention to prevent the performance of the fuel cell from being impaired by making it possible to confirm whether or not the fuel cell is properly mixed.

かかる目的を達成するために成された第１局面の燃料電池は、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。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to a first aspect includes a fuel cell that generates electric power by chemically reacting an oxidant and a steam-reformed fuel through an electrolyte, and the fuel cell. And a full-range air-fuel ratio sensor disposed in a fuel discharge path for discharging spent fuel used at the negative electrode of the cell.

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。 In other words, the full-range air-fuel ratio sensor disposed in the fuel discharge path is configured to detect the amount of water vapor contained in the spent fuel (strictly speaking, the spent oxidant (for example, air) used at the positive electrode of the fuel cell). When oxygen is introduced into the fuel discharge path due to a configuration in which the air discharge path for discharge is joined to the fuel discharge path, a detection signal corresponding to the oxygen partial pressure including oxygen is output. Here, the amount of water vapor contained in the spent fuel is changed depending on the amount of water vapor in the fuel supply path if the fuel cell is operated under a certain condition, and thus is contained in the spent fuel. If the amount of water vapor can be detected, the amount of water vapor in the fuel supply path can be detected.

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。 Therefore, according to such a fuel cell, the full-range air-fuel ratio sensor disposed in the fuel discharge path is used as a sensor for detecting the amount of water vapor in the fuel supply path for supplying fuel to the negative electrode of the fuel cell. Since it can be used, it can be satisfactorily detected whether or not water vapor is appropriately added to the fuel supplied to the negative electrode of the fuel cell.

ところで、上記目的を達成するためには、第２局面の燃料電池のように、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。 By the way, in order to achieve the above object, as in the fuel cell of the second aspect, the full-range air-fuel ratio sensors are respectively provided in the fuel supply path and the fuel discharge path for supplying fuel to the negative electrode of the fuel cell. You may have.

このような燃料電池によれば、第１局面の燃料電池と同様に、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。 According to such a fuel cell, similarly to the fuel cell of the first aspect, it is possible to satisfactorily detect whether or not water vapor is appropriately added to the fuel supplied to the negative electrode of the fuel cell. Further, since the change in the water vapor amount can be detected before and after the fuel is used by the fuel battery cell, the failure of the fuel battery cell can be detected.

また、上記目的を達成するためには、請求項１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。 In order to achieve the above object, as described in claim 1, a fuel battery cell that generates electric power by chemically reacting an oxidant and a steam-reformed fuel through an electrolyte body; and And a humidity sensor disposed in a fuel supply path for supplying the fuel to the negative electrode of the fuel cell.

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。 According to such a fuel cell, since the amount of water vapor in the fuel supply path can be detected using a humidity sensor, whether or not water vapor is appropriately added to the fuel supplied to the negative electrode of the fuel cell. Can be detected satisfactorily.

さらに、上記目的を達成するためには、第１局面の燃料電池または第２局面の燃料電池において備えられた全領域空燃比センサに換えて、請求項２および請求項３に記載のように、湿度センサを備えていてもよい。 Furthermore, in order to achieve the above object, instead of the full-range air-fuel ratio sensor provided in the fuel cell of the first aspect or the fuel cell of the second aspect, as described in claim 2 and claim 3, A humidity sensor may be provided.

特に、請求項１〜請求項３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。 In particular, in the description of claims 1 to 3, any type of humidity sensor may be adopted as the humidity sensor as long as the sensor can output a detection signal corresponding to the humidity. For example, if a limiting current humidity sensor is used, the humidity can be measured with higher accuracy than when other types of humidity sensors (for example, a polymer film humidity sensor or the like) are used.

また、上記目的を達成するためには、第３局面の燃料電池のように、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。 In order to achieve the above object, the fuel cell used in the fuel supply path for supplying fuel to the negative electrode of the fuel cell and the negative electrode of the fuel cell as in the fuel cell of the third aspect A full-range air-fuel ratio sensor disposed in one of the fuel discharge passages for discharging the spent fuel, and a humidity sensor disposed in the other of the fuel supply passage and the fuel discharge passage. May be.

このような燃料電池によれば、上記各燃料電池と同様に、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。 According to such a fuel cell, it is possible to satisfactorily detect whether or not water vapor is appropriately added to the fuel supplied to the negative electrode of the fuel cell, similarly to the fuel cells described above. Further, since the change in the water vapor amount can be detected before and after the fuel is used by the fuel battery cell, the failure of the fuel battery cell can be detected.

さらに、請求項１〜請求項３の何れか１項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４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。 Furthermore, in the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, the electrolyte body constituting the fuel cell may be a solid electrolyte body as described in claim 4.
In such a fuel cell, it is possible to satisfactorily detect whether or not water vapor is appropriately added to the fuel using each of the sensors. Therefore, cell cracks that occur when water vapor is not appropriately added to the fuel. It is possible to prevent peculiar problems occurring in the solid electrolyte body such as internal damage.

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。 By the way, in a fuel cell that uses a raw fuel (fuel before steam reforming) generally containing carbon atoms, the reaction temperature between the fuel and the oxidant in the fuel cell is abnormally high, It is known that if the amount of water vapor contained in the fuel is abnormally reduced, carbon may be deposited on the negative electrode, and if this is the case, the performance of the fuel cell will be significantly reduced.

そこで、第４局面の発明は、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。 Accordingly, the invention of the fourth aspect provides a fuel cell that generates electric power by chemically reacting an oxidant and steam-reformed fuel through an electrolyte, and supplies the fuel to the negative electrode of the fuel cell. And a water vapor sensor that is disposed in the fuel flow passage for discharging and detects the amount of water vapor in the fuel flow passage, and controls the mixing ratio of raw fuel and water vapor contained in the fuel A control method for a fuel cell, wherein a mixing ratio of raw fuel and water vapor contained in the fuel is calculated based on a detection signal from the water vapor sensor, and water vapor relative to the amount of carbon contained in the fuel is calculated according to the calculation result It is characterized in that at least the amount of water vapor mixed into the raw fuel is controlled so that the molar ratio of the amount is 1.5 or more.

このような燃料電池の制御方法によれば、上記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。 According to such a fuel cell control method, since the fuel cell has a characteristic configuration according to any one of the above, water vapor is appropriately added to the fuel supplied to the negative electrode of the fuel cell. It is possible to detect well whether or not.

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。 Further, according to this fuel cell control method, the amount of water vapor contained in the fuel can be controlled to be equal to or greater than a certain value (water vapor amount (mol) / carbon amount (mol) ≧ 1.5). It is possible to prevent the reaction temperature between the fuel and the oxidant in the inside from becoming abnormally high or the amount of water vapor contained in the fuel from being abnormally reduced. Therefore, it is possible to prevent carbon from being deposited on the negative electrode of the fuel cell.

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、第４局面の燃料電池の制御方法においては、第５局面の燃料電池の制御方法のように、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。 In addition, as a water vapor sensor in this invention, various sensors, such as a full range air-fuel ratio sensor and a humidity sensor (a limit current type humidity sensor is included), can be used.
Further, in the control method for the fuel cell according to the fourth aspect, the mixing ratio of the raw fuel and the water vapor supplied as fuel is controlled based on the detection result from the sensor, as in the control method for the fuel cell according to the fifth aspect. Whether or not there is an abnormality in the control system, and if it is detected that there is an abnormality in the control system, a partial reforming operation in which air is mixed with the fuel and sent to the negative electrode of the fuel cell, or the fuel Alternatively, a purge operation in which only air is sent to the negative electrode of the fuel cell may be performed.

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）。 That is, in this control method, the partial reforming operation or the purge operation is performed when an abnormality is detected in the control system, such as when the mixing ratio of the raw fuel and the steam supplied as fuel cannot be controlled. Accordingly, the operation is performed with the power generation performance lowered (partial reforming operation), or the power generation function itself is stopped (purge operation).

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。 Therefore, according to such a control method of the fuel cell, it is possible to prevent the fuel cell from being damaged even when an abnormality is detected in the control system.

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。It is explanatory drawing which shows typically schematic structure of a fuel cell system. 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。It is a flowchart which shows the fuel cell power generation control process in this embodiment. 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。It is a flowchart which shows the fuel cell power generation control process in other embodiment. 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。It is a flowchart which shows the fuel cell power generation control process in other embodiment.

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。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Configuration of this embodiment]
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a schematic configuration of a fuel cell system 1 to which the present invention is applied.

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。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 13, a large number of pipes connected to the fuel battery cell 13, and a large number of devices connected to these pipes.
The fuel cell 13 has a structure in which a number of well-known solid oxide fuel cells (SOFC) are stacked, for example, and a fuel and an oxidant are contained therein, and a solid made of a compound such as a platinum electrode and zirconia, for example. Electric power is generated between the cathode (positive electrode terminal) and the anode (negative electrode terminal) by a chemical reaction through a cell made of an electrolyte. The cathode and the anode are connected to wiring (not shown) for energization from these terminals to the driven object.

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。 An air supply path 21, an air discharge path 23, a fuel supply path 25, and a fuel discharge path 27 are connected to the fuel battery cell 13. In addition, each supply path 21 and 25 and each discharge path 23 and 27 (the same also about the switching path 79 and the mixing path 77 mentioned later) are comprised as a metal pipe, for example.

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。 The air supply path 21 is a path for supplying air to the cathode of the fuel cell 13, and the air three-way valve 71, the air branching portion 81, and the air mass flow 51 are sequentially from the upstream side of air (the right side in FIG. 1). It has. The air mass flow 51 and various mass flows 53, 55, and 57, which will be described later, are configured as well-known mass flow controllers that control the flow rate of the fluid to a set flow rate (that is, a constant flow rate). These mass flows 51, 53, 55, and 57 are driven and controlled by a control unit 11 to be described later.

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。 The opening direction of the air three-way valve 71 is switched when the drive unit 61 is driven. That is, the air three-way valve 71 is switched by the drive unit 61 to send the air flowing from the upstream side to the cathode side of the fuel cell 13 or to the switching path 79 side.

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。 The air branch portion 81 branches the air flowing from the air three-way valve 71 side to the cathode side of the fuel cell 13 and the mixing path 77 side.
Here, the mixing path 77 is connected to the fuel supply path 25, and the mixing path 77 is provided with a two-way valve 75 and a partially oxidized air mass flow 57 in order from the air supply path 21 side.

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。 The two-way valve 75 is switched between open and closed states by the drive unit 65.
The partially oxidized air mass flow 57 is driven when the two-way valve 75 is in an open state. When the partially oxidized air mass flow 57 is driven, air is mixed into the fuel supply path 25 to the anode side of the fuel cell 13. Can be sent to.

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。 The air mass flow 51 controls the flow rate of air supplied to the cathode side of the fuel cell 13.
Next, the air discharge path 23 is configured as a path for discharging the air supplied to the cathode of the fuel cell 13.

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。 The fuel supply path 25 is a path for supplying fuel to the assortment of the fuel cells 13, and the raw fuel three-way valve 73, in order from the upstream side of the city gas (mainly methane) as the raw fuel, A fuel mass flow 53, a fuel branch 83, a vaporizer 41, a limiting current humidity sensor 31, and a reformer 43 are provided.

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。 The opening direction of the raw fuel three-way valve 73 is switched by the drive unit 63. That is, the raw fuel three-way valve 73 is switched by the driving unit 63 to send the fuel flowing from the upstream side or the air flowing from the switching path 79 side to the anode side of the fuel cell 13.

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。 The fuel mass flow 53 controls the flow rate of fuel or air supplied to the anode side of the fuel cell 13.
In the fuel branch portion 83, the air flowing from the air three-way valve 71 side is merged with the fuel flowing from the fuel mass flow 53 side.

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。 The vaporizer 41 is connected to a water supply path 29 for introducing water whose flow rate is controlled to a predetermined amount by the water liquid mass flow 55. The vaporizer 41 evaporates the introduced water to form water vapor, This water vapor is mixed with the city gas flowing through the supply path 25.

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。 As the limit current type humidity sensor 31, for example, a limit current type sensor as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-150151 can be employed. Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-150151 discloses a method for measuring the water vapor concentration in a gas containing oxygen and water vapor, but almost no oxygen is contained in the fuel supply path 25 in this embodiment. Since such a limiting current sensor is used, only the water vapor concentration can be measured satisfactorily.

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。 In such a limit current type humidity sensor 31, the limit current when water vapor is dissociated is detected when the voltage applied to the cell functioning as the oxygen pump is about 1V or more. Therefore, in this embodiment, for example, a voltage of 1.5 V is applied to a cell that functions as an oxygen pump.

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。 Next, the reformer 43 performs steam reforming of the city gas. That is, in the reformer 43, a chemical reaction is performed in which the mixed gas in a state where the city gas and the steam are mixed is changed to a steam-reformed fuel.

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。 More specifically, in the reformer 43,
CH4 + H2O → CO + 3H2 (steam reforming reaction)
and,
CO + H2O → CO2 + H2 (shift reaction)
These chemical reactions are allowed to proceed simultaneously. As a result, 4 mol of hydrogen can be obtained by adding 2 mol of water vapor to 1 mol of city gas (methane).

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。 Next, the fuel discharge path 27 is a path for discharging spent fuel supplied to the anode of the fuel battery cell 13, and an all-range air-fuel ratio sensor 33 is provided therein.
Here, as the full-range air-fuel ratio sensor 33, for example, a full-range air-fuel ratio sensor as disclosed in JP-A-62-148849 can be employed. When such a full-range air-fuel ratio sensor 33 is used, if the oxygen concentration contained in the spent fuel flowing through the fuel discharge path 27 is constant, the detection signal from the full-range air-fuel ratio sensor 33 is a change in the water vapor concentration. It changes according to. Therefore, the water vapor concentration can be detected using the full-range air-fuel ratio sensor 33.

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。 The reformer 43 is provided with a temperature sensor 35. The temperature sensor 35 outputs a detection signal corresponding to the temperature. When this detection signal is received by the control unit 11 described later, the temperature inside the reformer 43 is monitored by the control unit 11.

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。 By the way, in the fuel cell system 1, the control unit 11 which performs operation control of each mass flow 51-57 and the drive parts 61-65 is provided. The control unit 11 is configured as a well-known microcomputer including a CPU, ROM, RAM, etc., and inputs detection signals from various sensors 31 to 35 provided in the fuel cell system 1. Processing according to the detection signal (for example, fuel cell power generation control processing described later) is executed.

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。 The limit current type humidity sensor 31 and the full-range air-fuel ratio sensor 33 in the present embodiment correspond to the water vapor sensor referred to in the present invention. The fuel supply passage 25 and the fuel discharge passage 27 correspond to the fuel flow passage in the present invention.

［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。 [Processes implemented in this embodiment]
Next, the operation control method of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing a fuel cell power generation control process executed by the control unit 11.

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）。 This fuel cell power generation control process is started when the power of the control unit 11 is turned on. First, the carburetor 41 is operated, and the air (air) mass flow 51, the raw fuel mass flow 53, and the water The liquid mass flow 55 is controlled so that each gas or liquid flows at a predetermined flow rate (initial flow rate: stored in the ROM) (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。 At this time, the air (Air) three-way valve 71 is opened in the cathode direction, and the raw fuel three-way valve 73 is opened in the anode direction. In addition, the two-way valve 75 is closed, and the partially oxidized air (Air) mass flow 57 is turned OFF.

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）。 Subsequently, it is determined whether or not the detection result (output value indicating the absolute humidity) by the limit current humidity sensor 31 (inlet sensor) is within a predetermined inlet humidity allowable range set in advance (S120). If the detection result by the limit current type humidity sensor 31 is outside the allowable inlet humidity range (S120: No), depending on whether the detection result by the limit current type humidity sensor 31 is larger or smaller than the allowable range of the inlet humidity, The flow rates of the city gas and water controlled by the raw fuel mass flow 53 and the water-liquid mass flow 55 are adjusted so that the detection result by the limit current type humidity sensor 31 falls within the allowable inlet humidity range (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。 That is, in the process of S130, the mixing ratio of city gas and water vapor contained in the fuel is calculated based on the detection signal from the limit current humidity sensor 31, and the amount of water vapor relative to the amount of carbon contained in the fuel is calculated according to the calculation result. The amount of water vapor mixed into the city gas is controlled so that the molar ratio is in the range of 2.5 to 3.5 (at least 1.5 or more).

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。 Here, when changing the flow rate of each mass flow 51, 53, 55, 57, the control unit 11 stores the value of the flow rate after the change in a memory such as a RAM, and during the processing of S130, The amount of carbon contained in the fuel can be calculated by reading the value of the flow rate.

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。 In the process of S130, the molar ratio of the water vapor amount to the carbon amount contained in the fuel is controlled to be 2.5 or more even when the water vapor amount contained in the fuel changes due to some factor. This is because carbon is not immediately deposited on the anode (specifically, the molar ratio of the water vapor amount to the carbon amount is prevented from being less than 1.5).

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。 In addition, controlling the molar ratio of the amount of water vapor to the amount of carbon contained in the fuel to be less than 3.5 prevents a decrease in power generation efficiency due to an excessive increase in the amount of water vapor (ie, oxygen partial pressure) in the fuel. It is to do.

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。 When S130 processing ends in this way, the processing returns to S120.
On the other hand, if the detection result by the limit current type humidity sensor 31 is within the allowable range of the inlet humidity (S120: Yes), the detection result (output value indicating the absolute humidity) by the entire region air-fuel ratio sensor 33 (exit sensor) is It is determined whether or not it is within a set predetermined outlet humidity allowable range (S140). If the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is within the allowable range of the outlet humidity (S140: Yes), the current condition is maintained (in particular, the two-way valve 75 is closed) for a predetermined time (for example, about 1 second). ) Is carried out (S170), and the fuel cell power generation control process is repeated from the beginning.

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。 Further, if the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is outside the allowable range of the outlet humidity (S140: No), the flow rate of water controlled by the water / liquid mass flow 55 is detected, and the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is the outlet humidity. Adjustment is made so as to be within the allowable range (S150). That is, in the process of S150, as in the process of S130, the mixing ratio of the city gas and water vapor contained in the fuel is calculated based on the detection signal from the full-range air-fuel ratio sensor 33, and the fuel is determined according to the calculation result. The amount of water vapor mixed into the city gas is controlled so that the molar ratio of the amount of water vapor to the amount of carbon contained in the gas is in the range of 2.5 to 3.5 (at least 1.5).

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。 Note that the control unit 11 responds to the detection signal from the full-range air-fuel ratio sensor 33 and the operating state of the fuel cell (for example, the output from the fuel cell 13, the flow rate of raw fuel, whether or not normal operation is performed, etc.). In addition, a map in which the ratio of the amount of water vapor contained in the fuel can be calculated uniquely is stored in the ROM, and in the processing of S150, the above calculation is performed using this map.

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。 Subsequently, it is determined again whether or not the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 (exit sensor) is within a preset outlet humidity allowable range (S160).
Since the process of S160 is already performed after adjusting the flow rates of the city gas and water, the mixing ratio (flow rate) of the city gas and water vapor supplied as fuel is determined according to the detection result by the all-region air-fuel ratio sensor 33. It is possible to detect whether there is an abnormality in the control system to be controlled.

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。 In other words, if the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is within the allowable range of the outlet humidity (S160: Yes), it is assumed that there is no abnormality in this control system, and a normal operation is performed for a predetermined time (S170). Repeat the power generation control process from the beginning.

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。 On the other hand, if the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is outside the allowable range of the outlet humidity (S160: No), an operation in which air is mixed with fuel (partial oxidation operation) is performed assuming that the control system is abnormal. (S180). That is, the two-way valve 75 is opened, and the partially oxidized air (Air) mass flow 57 is operated. As a result, air is supplied to the cathode of the fuel cell 13 and is also mixed with city gas and supplied to the anode. As a result, the oxygen partial pressure is increased inside the fuel battery cell 13, so that damage to the cell and carbon deposition can be prevented.

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。 Subsequently, it is determined again whether or not the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 (exit sensor) is within the allowable range of the outlet humidity (S190). That is, in the process of S190, it is determined whether or not the control system abnormality has been improved by performing the partial oxidation operation. Note that the allowable outlet humidity range in the process of S190 is set to an allowable range corresponding to the amount of air mixed in the fuel.

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。 If the detection result by the all-range air-fuel ratio sensor 33 is within the allowable range of the outlet humidity (S190: Yes), it is assumed that the abnormality of the control system has been improved and the current time is set for a predetermined time (for example, about 1 second). A partial oxidation operation is performed under the conditions (particularly, the two-way valve 75 is open) (S200), and the fuel cell power generation control process is repeated from the beginning.

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。 On the other hand, if the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is outside the allowable range of the outlet humidity (S190: No), it is determined that the abnormality of the control system has not been improved, the city gas is shut off, and the air is fuel cell. Each valve and the mass flow are controlled so as to be fed into the 13 anodes (S210). That is, the air three-way valve 71 is switched to the switching path 79 (anode) side, the two-way valve 75 is closed, and the raw fuel three-way valve 73 is switched to the switching path 79 side. Further, the raw fuel mass flow 53 is fully opened, and the air mass flow 51, the water liquid mass flow 55, and the partially oxidized air mass flow 57 are turned off.

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。 Subsequently, a purge operation is performed in which the operation is performed under a current condition (a state in which air is sent to the anode of the fuel cell 13) for a predetermined time (for example, about 10 seconds) set in advance (S220), and fuel cell power generation is performed. The control process ends.

［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。 [Operations and effects in this embodiment]
In the fuel cell system 1 described in detail above, the fuel cell 13 that generates electric power by chemically reacting air and steam-reformed fuel through a solid electrolyte body, and the anode of the fuel cell 13 A limit current type humidity sensor 31 disposed in a fuel supply path 25 for supplying fuel to the fuel cell and a fuel discharge path 27 for discharging spent fuel used at the anode of the fuel cell 13. The full-range air-fuel ratio sensor 33 is provided.

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。 In other words, the full-range air-fuel ratio sensor 33 disposed in the fuel discharge path 27 corresponds to the amount of water vapor contained in the spent fuel (strictly speaking, the oxygen partial pressure including oxygen introduced through the solid electrolyte body). The detected signal is output. Here, since the amount of water vapor contained in the spent fuel changes according to the amount of water vapor in the fuel supply path 25, if the amount of water vapor contained in the spent fuel can be detected, the amount of water vapor in the fuel supply path 25 Can be detected.

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。 Further, the limit current humidity sensor 31 detects the amount of water vapor in the fuel supply path 25.
Therefore, according to such a fuel cell system 1, the amount of water vapor in the fuel supply path 25 can be detected using the limit current type humidity sensor 31 and the full-range air-fuel ratio sensor 33, so that the fuel cell 13 It is possible to satisfactorily detect whether or not water vapor is appropriately added to the fuel supplied to the anode.

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。 In addition, since the change in the water vapor amount can be detected before and after the fuel is used by the fuel battery cell 13, a failure of the fuel battery cell 13 can be detected.
In particular, since the limiting current humidity sensor 31 is used in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the humidity is higher than when using other types of humidity sensors (for example, a polymer film humidity sensor). It can measure with high accuracy.

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。 Further, since the solid electrolyte body constituting the fuel battery cell 13 is composed of the solid electrolyte body, the solid electrolyte body generates cracks and internal damage caused by the water vapor not being appropriately added to the fuel. A peculiar malfunction can be prevented.

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。 In addition, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the control unit 11 performs a fuel cell power generation control process (FIG. 2) for controlling the mixing ratio of city gas (raw fuel) and water vapor contained in the fuel. In this process, the control unit 11 calculates the mixing ratio of city gas and water vapor contained in the fuel based on the detection signals from the limit current type humidity sensor 31 and the full-range air-fuel ratio sensor 33, and the fuel is determined according to the calculation result. The flow rate of the city gas (flow rate by the raw fuel mass flow 53) and the flow rate of water affecting the water vapor amount (flow rate by the water liquid mass flow 55) are set so that the molar ratio of the water vapor amount to the carbon amount contained in the gas is 1.5 or more. Control.

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。 Therefore, according to such a fuel cell system 1, the amount of water vapor contained in the fuel can be controlled to be equal to or greater than a certain value (water vapor amount (mol) / carbon amount (mol) ≧ 1.5). It is possible to prevent the reaction temperature between the fuel and air in the cell 13 from becoming abnormally high or the amount of water vapor contained in the fuel from being abnormally reduced. Therefore, it is possible to prevent carbon from being deposited at the anode of the fuel battery cell 13.

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。 Furthermore, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the control unit 11 is based on the detection results from the limit current type humidity sensor 31 and the full-range air-fuel ratio sensor 33, and the mixing ratio of city gas and water vapor supplied as fuel When it is detected whether or not there is an abnormality in the control system that controls the fuel, and when it is detected that there is an abnormality in the control system, a partial reforming operation in which air is mixed with the fuel and sent to the anode of the fuel cell 13 is performed. If the control system abnormality is not improved, a purge operation is performed in which only air is supplied to the anode of the fuel cell 13 instead of the fuel.

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）。 In other words, in this control method, when an abnormality is detected in the control system, such as when the mixing ratio of city gas and water vapor supplied as fuel cannot be controlled, partial reforming operation and purge operation are performed. Accordingly, the operation is performed with the power generation performance lowered (partial reforming operation), or the power generation function itself is stopped (purge operation).

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。 Therefore, according to such a fuel cell system 1, even if abnormality is detected in the control system, it is possible to prevent the fuel cell 13 from being damaged.
[Other Embodiments]
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can take various forms as long as they belong to the technical scope of the present invention.

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。 For example, in the present embodiment, the fuel cell 13 is configured as a solid electrolyte fuel cell (SOFC). However, for example, the fuel cell 13 may be configured as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). Similar effects can be obtained.

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。 Further, in the present embodiment, the limit current type humidity sensor 31 is disposed on the upstream side of the reformer 43 in the fuel supply pipe 25, but may be disposed on the downstream side of the reformer 43.
In the fuel cell system 1 of the present embodiment, the limit current type humidity sensor 31 is disposed in the fuel supply path 25 and the full-range air-fuel ratio sensor 33 is disposed in the fuel discharge path 27. As the sensor disposed in the discharge path 27, the limit current type humidity sensor 31 and the full-range air-fuel ratio sensor 33 can be disposed in any combination.

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。 That is, the limit current type humidity sensor 31 or the full-range air-fuel ratio sensor 33 may be arranged in both the fuel supply path 25 and the fuel discharge path 27, or the full-range air-fuel ratio sensor 33 is arranged in the fuel supply path 25, A limit current type humidity sensor 31 may be disposed in the fuel discharge path 27.

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。 Furthermore, the limit current type humidity sensor 31 or the full-range air-fuel ratio sensor 33 may be disposed only in the fuel supply path 25 or the fuel discharge path 27.
For example, when the limiting current humidity sensor 31 or the full-range air-fuel ratio sensor 33 is disposed only in the fuel supply path 25, the control unit 11 replaces the fuel cell power generation control process shown in FIG. 2 with the fuel shown in FIG. Battery power generation control processing is executed.

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。 In the fuel cell power generation control process shown in FIG. 3, only portions different from the power generation control process shown in FIG. 2 will be described. Further, in this process, a description will be given assuming that the limit current type humidity sensor 31 is disposed in the fuel supply path 25.

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。 In the fuel cell power generation control process shown in FIG. 3, if the detection result by the limit current humidity sensor 31 (inlet sensor) is within the allowable inlet humidity range (S120: Yes), the output (for example, voltage) from the fuel cell 13 is It is determined whether or not the output is within a preset allowable range (S310). If the output from the fuel cell 13 is within the allowable output range (S310: Yes), the processing from S170 onward is executed.

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。 If the output from the fuel cell 13 is outside the allowable output range (S310: No), readjustment to increase or decrease the flow rate of the water-liquid mass flow 55 is performed (S320), and the output (for example, voltage) from the fuel cell 13 again. Is within the allowable output range (S330). If the output from the fuel cell 13 is within the allowable output range (S330: Yes), the processing from S170 is executed.

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）。 If the output from the fuel cell 13 is outside the allowable output range (S330: No), the process of S180 (adjustment for performing the partial oxidation operation) is performed. Then, when the processing of S180 is completed, it is determined again whether or not the output (for example, voltage) by the fuel cell 13 is within the output allowable range (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。 If the output from the fuel cell 13 is within the allowable output range (S340: Yes), the processing from S200 is executed. If the output from the fuel cell 13 is outside the allowable output range (S340: No), the processing from S210 onward is executed.

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。 Next, for example, when the limit current type humidity sensor 31 or the full-range air-fuel ratio sensor 33 is arranged only in the fuel discharge path 27, the control unit 11 replaces the fuel cell power generation control process shown in FIG. The fuel cell power generation control process shown in FIG.

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。 In the fuel cell power generation control process shown in FIG. 4, only portions different from the power generation control process shown in FIG. 2 will be described. Further, in this processing, the description will be made assuming that the entire region air-fuel ratio sensor 33 is disposed in the fuel discharge path 27.

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）。 In the fuel cell power generation control process shown in FIG. 4, the processes of S120 and S130 are not performed, and when the process of S110 ends, the process proceeds to S140. In S140, if the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 33 is outside the outlet humidity allowable range (S140: No), the detection result by the limit current humidity sensor 31 is larger than the outlet humidity allowable range, or Depending on whether it is small, the flow rates of the city gas and water controlled by the raw fuel mass flow 53 and the water liquid mass flow 55 are adjusted so that the detection result by the limit current type humidity sensor 31 falls within the allowable range of the outlet humidity (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。 Then, when the process of S410 ends, the processes of S160 and subsequent steps are executed.
As described above, even when the limiting current humidity sensor 31 or the full-range air-fuel ratio sensor 33 is disposed only in the fuel supply path 25 or the fuel discharge path 27, the fuel cell power generation control process shown in FIG. By carrying out, the same effect as this embodiment can be obtained.

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。 Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which discharges used air and a spent fuel, without making the air exhaust path 24 and the fuel exhaust path 27 merge, the air exhaust path 24 and the fuel exhaust path 27 join. After that, the configuration may be such that spent air and spent fuel are discharged.

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。 As such a fuel cell system, for example, as shown in FIG. 1, the air discharge path 24 is discharged from the air upstream of the sensor disposed in the fuel discharge path 27 (in the above embodiment, the full-range air-fuel ratio sensor 33). A first combined flow path 85 connected to the path 27 may be provided, or a second combined flow path 87 connecting the air discharge path 24 to the fuel discharge path 27 on the downstream side of the sensor disposed in the fuel discharge path 27. You may have.

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。 Here, in the fuel cell system provided with the first combined flow path 85, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is relatively high in the vicinity of the sensor disposed in the fuel discharge path 27. As the sensor to be disposed in the air-fuel ratio sensor, it is desirable to employ the full-range air-fuel ratio sensor 33 that measures the oxygen concentration rather than the humidity sensor and obtains the humidity from the decrease amount.

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。 Further, in the fuel cell system 1 and the fuel cell system including the second combined flow path 87 in the present embodiment, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is extremely low near the sensor disposed in the fuel discharge path 27. Therefore, even if the limiting current humidity sensor 31 is employed as the sensor disposed in the fuel discharge path 27, the water vapor amount can be measured with high accuracy.

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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 11 ... Control unit, 13 ... Fuel cell, 21 ... Air supply path, 23 ... Air discharge path, 25 ... Fuel supply path, 27 ... Fuel discharge path, 29 ... Water supply path, 31 ... Limit Current humidity sensor 33 ... Air-fuel ratio sensor, 41 ... Vaporizer, 43 ... Reformer, 51 ... Air mass flow, 53 ... Raw fuel mass flow, 55 ... Water liquid mass flow, 57 ... Partial oxidation air mass flow, 61 ... Drive part 63 ... Drive part 65 ... Drive part 71 ... Air three-way valve 73 ... Raw fuel three-way valve 75 ... Two-way valve 77 ... Mixing path 79 ... Switching path 81 ... Air branching part 83 ... Fuel branching portion, 85... First joint channel, 87.

Claims

A fuel cell for generating electric power by chemically reacting an oxidant and steam-reformed fuel through an electrolyte body;
A humidity sensor disposed in a fuel supply path for supplying the fuel to the negative electrode of the fuel battery cell;
A fuel cell comprising:

A fuel cell for generating electric power by chemically reacting an oxidant and steam-reformed fuel through an electrolyte body;
A humidity sensor disposed in a fuel discharge path for discharging spent fuel used in the negative electrode of the fuel cell;
A fuel cell comprising:

A fuel cell for generating electric power by chemically reacting an oxidant and steam-reformed fuel through an electrolyte body;
A first humidity sensor disposed in a fuel supply path for supplying the fuel to the negative electrode of the fuel cell;
A second humidity sensor disposed in a fuel discharge path for discharging spent fuel used in the negative electrode of the fuel cell;
A fuel cell comprising:

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte body constituting the fuel cell is a solid electrolyte body.