JP6520252B2

JP6520252B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6520252B2
Application number: JP2015052925A
Authority: JP
Inventors: 和也小畑
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: JP2016110968A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、アノード及びカソードを有する燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）等）を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに供給されるアノードガスと燃料電池のカソードに供給されるカソードガスとを電気化学的に反応させることによって発電を行う。

燃料電池システムの発電量が増加すると、燃料電池の温度が上昇することがある。燃料電池の温度、特に燃料電池スタックの温度が高くなると、燃料電池システムの発電効率は著しく低下する。

そこで、冷却した空気を燃料電池に供給することによって、燃料電池の温度が上昇することを抑制する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００４−３４９２１４号公報特開２００９−２３８６２３号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２で提案されている燃料電池システムでは、冷却した空気による冷却が燃料電池スタックの温度上昇に追いつかず、燃料電池スタックの温度上昇が抑制されないことがある。そのため、燃料電池スタックを効果的に冷却することができる燃料電池システムが望まれている。

本発明は、燃料電池を効果的に冷却することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池と、燃料ガスと改質水とを反応させてアノードガスを生成し、前記燃料電池にアノードガスを供給する改質器と、改質水を前記改質器に供給する改質水供給部であって、前記改質器に供給する改質水の水量を調整する改質水量調整部を有し、前記改質水量調整部により調整された水量の改質水を前記改質器に供給する改質水供給部と、燃料ガスを前記改質器に供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部であって、カソードガスの温度を調整するカソードガス温度調整部を有し、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記改質水量調整部及び前記カソードガス温度調整部を制御する制御部と、を備え、前記カソードガス供給部は、第１温度を有する第１カソードガスを前記燃料電池に供給する第１カソードガス供給部と、前記第１温度よりも低い温度である第２温度を有する第２カソードガスを前記燃料電池に供給する第２カソードガス供給部と、を有し、第１カソードガス及び第２カソードガスの一方又は両方をカソードガスとして供給し、前記カソードガス温度調整部は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合を調整することによって、カソードガスの温度を調整し、通常冷却制御可能条件は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合が基準割合以下の割合であるという条件であり、前記通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、前記制御部は、前記改質水供給部が供給する改質水の水量を第１量に調整するように前記改質水量調整部を制御するとともに、前記温度センサにより測定される前記燃料電池の温度に基づいてカソードガスの温度を調整するように前記カソードガス温度調整部を制御し、前記カソードガス供給部は、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスによって前記燃料電池を冷却し、前記通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、前記制御部は、前記改質水供給部が供給する改質水の水量を第１量よりも多い第２量に調整するように前記改質水量調整部を制御し、前記改質器は、アノードガスによって前記燃料電池を冷却する燃料電池システムに関する。

本発明によれば、燃料電池を効果的に冷却することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。本発明の実施形態の燃料電池システム１における制御部５０の制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。図１において、実線はラインを示し、点線は電気的な接続（有線又は無線）を示している。また、以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、燃料ガス供給部１４と、改質水供給端１５Ａと、改質水量調整部としての改質水量調整ポンプ１５Ｂと、第１カソードガス供給部１６と、第２カソードガス供給部１７と、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａと、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａと、温度センサ１８と、制御部５０と、を備える。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、改質水供給ラインＬ２と、アノードガス供給ラインＬ３と、カソードガス供給ラインＬ４と、アノードオフガスラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、排ガスラインＬ７と、を備える。

燃料ガス供給ラインＬ１の上流側端部は、燃料ガス供給部１４に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の下流側端部は、改質器１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１には、燃料ガス供給部１４から改質器１２に供給される燃料ガスＧ１が流通する。

改質水供給ラインＬ２の上流側端部は、改質水供給端１５Ａに接続されている。改質水供給ラインＬ２の下流側端部は、改質器１２に接続されている。改質水供給ラインＬ２の途中には、改質水量調整ポンプ１５Ｂが設けられている。改質水供給ラインＬ２には、改質水供給端１５Ａから改質器１２に供給される改質水Ｗ１が流通する。また、改質水量調整ポンプ１５Ｂは、入力される制御信号に応じて、改質器１２に供給される改質水Ｗ１の供給量を調整する。なお、改質水供給端１５Ａ及び改質水量調整ポンプ１５Ｂは、改質水供給部１５を構成する。

アノードガス供給ラインＬ３の上流側端部は、改質器１２に接続されている。アノードガス供給ラインＬ３の下流側端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードガス供給ラインＬ３には、改質器１２において生成されたアノードガス（改質ガス）Ｇ２が、燃料電池１１に向けて流通する。アノードガス（改質ガス）Ｇ２には、水素や一酸化炭素、未反応のメタン、未利用の水蒸気等が含まれる。

カソードガス供給ラインＬ４は、第１カソードガス供給ラインＬ４１と、第２カソードガス供給ラインＬ４２と、第３カソードガス供給ラインＬ４３と、カソードガス合流部Ｊ２を備える。

第１カソードガス供給ラインＬ４１の上流側端部は、第１カソードガス供給部１６に接続されている。第１カソードガス供給ラインＬ４１の下流側端部は、カソードガス合流部Ｊ２に接続されている。第１カソードガス供給ラインＬ４１の途中には、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａが設けられている。第１カソードガス供給ラインＬ４１には、第１カソードガス供給部１６から燃料電池１１のカソードに供給される第１カソードガスとしての第１空気Ａ１１が、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する。第１空気Ａ１１は、第１温度Ｔ１の空気である。また、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａは、入力される制御信号に応じて、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する第１空気Ａ１１の量を調整する。

第２カソードガス供給ラインＬ４２の上流側端部は、第２カソードガス供給部１７に接続されている。第２カソードガス供給ラインＬ４２の下流側端部は、カソードガス合流部Ｊ２に接続されている。第２カソードガス供給ラインＬ４２の途中には、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａが設けられている。第２カソードガス供給ラインＬ４２には、第２カソードガス供給部１７から燃料電池１１のカソードに供給される第２カソードガスとしての第２空気Ａ１２が、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する。第２空気Ａ１２は、第１温度Ｔ１よりも低い温度である第２温度Ｔ２の空気である。第２カソードガス供給部１７は、冷却器（不図示）を備えており、冷却器（不図示）によって第２温度Ｔ２に冷却した空気を第２空気Ａ１２として供給する。また、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、入力される制御信号に応じて、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する第２空気Ａ１２の量を調整する。

第３カソードガス供給ラインＬ４３の上流側端部は、カソードガス合流部Ｊ２に接続されている。第３カソードガス供給ラインＬ４３の下流側端部は、燃料電池１１に接続されている。第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１と、第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２とは、カソードガス合流部Ｊ２で合流して混合され、カソードガスＡ１となる。第３カソードガス供給ラインＬ４３には、カソードガスＡ１が、燃料電池１１に向けて流通する。

なお、第１カソードガス供給部１６、第２カソードガス供給部１７、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａ及びカソードガス供給ラインＬ４（第１カソードガス供給ラインＬ４１、第２カソードガス供給ラインＬ４２及び第３カソードガス供給ラインＬ４３）は、カソードガス供給部２１を構成する。

カソードガスＡ１の温度は、第３カソードガス供給ラインＬ４３を流通するカソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（又は、第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１の量と第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２の量との比）によって、調整される。そして、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、第３カソードガス供給ラインＬ４３を流通するカソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（又は、第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１の量と第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２の量との比）を調整することが可能である。よって、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、カソードガス温度調整部２２を構成する。

なお、Ｒの上限は、１００％であり、下限は０％である。Ｒ＝１００％の場合、カソードガスＡ１はすべて第２空気Ａ１２となるため、カソードガスＡ１の温度は、Ｔ２となる。また、Ｒ＝０％の場合、カソードガスＡ１はすべて第１空気Ａ１１となるため、カソードガスＡ１の温度は、Ｔ１となる。すなわち、Ｒの値が変化すると、カソードガスＡ１の温度が変化する。

アノードオフガスラインＬ５の上流側端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ５の下流側端部は、燃焼器１３に接続されている。アノードオフガスラインＬ５には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が、燃焼器１３に向けて流通する。

カソードオフガスラインＬ６の上流側端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードオフガスラインＬ６の下流側端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスラインＬ６には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が、燃焼器１３に向けて流通する。

排ガスラインＬ７の上流側端部は、燃焼器１３に接続されている。排ガスラインＬ７の下流側端部は、熱交換器等（不図示）に接続されている。排ガスラインＬ７には、燃焼器１３から排出される排ガスＧ５が流通する。

燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）である。燃料電池１１は、複数の燃料電池セルが積層配置されて、燃料電池スタック（不図示）とされたものである。燃料電池１１は、改質器１２から供給されたアノードガスＧ２及びカソードガス供給部２１から供給されたカソードガスＡ１を使用して発電する。より具体的には、燃料電池１１は、アノードガスＧ２に含まれる水素及びカソードガスＡ１に含まれる酸素を使用して発電する。

改質器１２は、燃料ガス供給部１４から供給される燃料ガスＧ１及び改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１を所定の熱量で加熱して触媒上で反応させ、水（水蒸気）が含まれるアノードガスＧ２を生成する。このアノードガスＧ２は、燃料電池１１に供給される。燃料ガス供給部１４から供給される燃料ガスＧ１の量及び改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１の量は、改質器１２がアノードガスＧ２を生成するために最適な量に設定される。例えば、燃料ガス供給部１４から供給される燃料ガスＧ１の量及び改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１の量は、改質器１２に供給される燃料ガスＧ１のカーボン量Ｃに対する改質器１２に供給される改質水Ｗ１の水蒸気量Ｓのモル比（以下、Ｓ／Ｃという。）が所定のＳ／Ｃ（例えば、３．０）となる量である。以下の説明において、アノードガスＧ２に含まれる水（水蒸気）のことを冷却水蒸気Ｗ２ということがある。

冷却水蒸気Ｗ２の量は、改質水供給部１５が改質器１２に供給する改質水Ｗ１の供給量に依存する。改質水Ｗ１の供給量が相対的に多ければ、改質水Ｗ１の水蒸気量Ｓが多くなるため、Ｓ／Ｃが大きくなり、冷却水蒸気Ｗ２の量も相対的に多くなる。改質水Ｗ１の供給量が相対的に少なければ、改質水Ｗ１の水蒸気量Ｓが少なくなるため、Ｓ／Ｃが小さくなり、冷却水蒸気Ｗ２の量も相対的に少なくなる。また、改質水Ｗ１の供給量が相対的に多い場合、アノードガスＧ２の温度は、相対的に低くなる。改質器１２において、アノードガスＧ２を生成する際の過熱に使用される所定の熱量が一定であるため、改質水Ｗ１の供給量が多くなると、所定の熱量は改質水Ｗ１の加熱に消費されることになり、アノードガスＧ２は、相対的に過熱されにくくなるからである。

よって、改質水Ｗ１の供給量が相対的に多くなると、冷却水蒸気Ｗ２の量が多くなるとともに、アノードガスＧ２の温度は低くなる。すなわち、改質水Ｗ１の供給量が相対的に多くなると、アノードガスＧ２による燃料電池１１（燃料電池スタック）の冷却能力は相対的に上がることになる。

燃焼器１３は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼させて、排ガスＧ５として排ガスラインＬ７に排出する。

温度センサ１８は、燃料電池１１の燃料電池スタック（不図示）近傍に設けられている。温度センサ１８は、燃料電池スタック近傍の雰囲気温度を測定する。温度センサ１８は、制御部５０に電気的に接続されている。温度センサ１８は、測定した温度を燃料電池１１の温度Ｔｃとして制御部５０に出力する。なお、「温度センサ１８」が「燃料電池スタックの近傍に設けられている」とは、温度センサ１８が測定する温度が、燃料電池スタックの温度と同視し得るか、又は燃料電池スタックの温度と相関を持つ温度である程度に、「燃料電池スタック」に近い位置（接する位置も含む）に設けられていることを意味する。

制御部５０は、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａ、改質水量調整ポンプ１５Ｂ及び温度センサ１８に電気的に接続されている。制御部５０は、温度センサ１８から出力された燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａを制御することにより、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（又は、第３カソードガス供給ラインＬ４３に供給する第１空気Ａ１１の量と第２空気Ａ１２の量との比）を調整する。また、制御部５０は、第１カソードガス供給ラインＬ４１に流通する第１空気Ａ１１の量、及び第２カソードガス供給ラインＬ４２に流通する第２空気Ａ１２の量も調整することで、カソードガスＡ１の量も調整し得る。

上述したように、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、カソードガス温度調整部２２を構成する。制御部５０は、温度センサ１８から出力された燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて、カソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御する。よって、燃料電池１１には、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１が供給される。そのため、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１は、燃料電池１１（燃料電池スタック）を冷却することになる。カソードガスＡ１による燃料電池１１（燃料電池スタック）の冷却は、燃料電池システム１が動作している限り、行われる冷却である。そのため、以下の説明において、カソードガスＡ１による燃料電池１１（燃料電池スタック）の冷却のことを通常冷却ということがある。

また、以下の説明において、制御部５０が、通常冷却で燃料電池１１を十分に冷却できるか否かを判断する際に使用する条件のことを「通常冷却制御可能条件」ということがある。通常冷却制御可能条件が満たされる場合、制御部５０は、通常冷却で燃料電池１１を十分に冷却できると判断し、通常冷却制御可能条件が満たされない場合、制御部５０は、通常冷却では燃料電池１１を十分に冷却できないと判断する。

よって、通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１に調整するように改質水量調整ポンプ１５Ｂを制御するとともに、温度センサ１８により測定される燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいてカソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御し、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を冷却する。また、通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１よりも多い第２量Ｖ２に調整するように改質水量調整ポンプ１５Ｂを制御し、改質器１２は、改質水量調整ポンプ１５ＢによりＳ／Ｃが調整されたアノードガスＧ２によって燃料電池１１を冷却する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１において、制御部５０が行う制御について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。図２は、本発明の実施形態の燃料電池システム１における制御部５０の制御を示すフローチャートである。

図２に示すように、ステップＳＴ１０１において、制御部５０は、温度センサ１８から出力される燃料電池１１の温度Ｔｃを取得する。

ステップＳＴ１０２において、制御部５０は、取得した燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（以下、第２空気割合Ｒという。）をＲ１に決定する。そして、制御部５０は、第２空気割合ＲをＲ１に設定する制御信号をカソードガス温度調整部２２に出力する。

なお、Ｒ１は、以下のような考え方に基づいて決定される。燃料電池１１の温度Ｔｃが相対的に高いほど、燃料電池１１の冷却の必要性は相対的に高くなる。一方、第２空気割合Ｒが相対的に大きいほど、カソードガスＡ１の温度は相対的に低くなるため、通常冷却の能力は高くなる。また、第２空気割合Ｒが相対的に小さければ、カソードガスＡ１の温度は相対的に高くなるため、通常冷却の能力は低くなる。よって、制御部５０は、燃料電池１１の温度Ｔｃが大きくなるにしたがって第２空気割合Ｒを大きくし、カソードガスＡ１の温度を低くする制御を行う。よって、Ｒ１は、例えば、燃料電池１１の温度Ｔｃと第２空気割合Ｒとを対応させた表や関数等（燃料電池１１の温度Ｔｃが高くなるに従って、第２空気割合Ｒが大きくなる表や関数等）を用いて決定される。

ステップＳＴ１０３において、制御部５０は、通常冷却制御可能条件が満たされているか否かを判断する。ここでは、通常冷却制御可能条件として、Ｒ１が基準割合Ｒ０以下の割合であるという条件が使用される。

よって、ステップＳＴ１０３において、制御部５０は、Ｒ１と予め設定・保持しておいた基準割合Ｒ０とを比較する。制御部５０により、Ｒ１≦Ｒ０であると判定された場合（ＹＥＳ）に、処理はステップＳＴ１０４へ移行する。また、制御部５０により、Ｒ１≦Ｒ０でないと判定された場合（ＮＯ）に、処理はステップＳＴ１０５へ移行する。なお、基準割合Ｒ０は、許容される燃料電池１１の温度Ｔｃ、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２等に応じて、適宜決定される。

ステップＳＴ１０４において、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１に調整する制御信号を改質水量調整ポンプ１５Ｂに出力する。この第１量Ｖ１は、改質器１２のＳ／Ｃが第１のＳ／Ｃ（例えば、３．０）になるように設定された量である。この第１のＳ／Ｃは、改質器１２が相対的に効率良くアノードガスＧ２を生成することができるＳ／Ｃである。改質器１２は、燃料ガスＧ１及び第１量Ｖ１の改質水Ｗ１を触媒上で反応させて、冷却水蒸気Ｗ２を含むアノードガスＧ２を生成する。冷却水蒸気Ｗ２の量は、第１水蒸気量Ｕ１になる。

ステップＳＴ１０２及びＳＴ１０４では、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１に調整するように改質水量調整ポンプ１５Ｂを制御するとともに、温度センサ１８により測定される燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいてカソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御していることになる。よって、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を通常冷却する。また、改質器１２は、第１水蒸気量Ｕ１の冷却水蒸気Ｗ２を含むアノードガスＧ２によって燃料電池１１を冷却する。

ステップＳＴ１０５において、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１よりも多い第２量Ｖ２に調整する制御信号を改質水量調整ポンプ１５Ｂに出力する。改質器１２は、燃料ガスＧ１及び第２量Ｖ２の改質水Ｗ１を触媒上で反応させて、冷却水蒸気Ｗ２を含むアノードガスＧ２を生成する。アノードガスＧ２に含まれる冷却水蒸気Ｗ２の量は、第１水蒸気量Ｕ１よりも多い第２水蒸気量Ｕ２になる。上述したように、第２水蒸気量Ｕ２となった冷却水蒸気Ｗ２を含むアノードガスＧ２の温度は、第１水蒸気量Ｕ１であった冷却水蒸気Ｗ２を含むアノードガスＧ２の温度に比べて低くなる。よって、改質器１２は、第２水蒸気量Ｕ２の冷却水蒸気Ｗ２を含むアノードガスＧ２によって燃料電池１１を冷却する。また、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を通常冷却する。

なお、改質水Ｗ１の水量が第２量Ｖ２に調整されると、改質器１２は相対的に効率良くアノードガスＧ２を生成することができなくなることがあり得る。しかし、ステップＳＴ１０５においては、改質器１２におけるアノードガスＧ２の効率的な生成をある程度低下させることになったとしても、燃料電池１１の冷却を優先する。

制御部５０が、ＳＴ１０４又はＳＴ１０５におけるいずれかの制御を行った後、本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ１０１へリターンする。）。

ステップＳＴ１０３において、制御部５０が、Ｒ１と基準割合Ｒ０とを比較する理由は、次の通りである。
Ｒ１≦Ｒ０である場合、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合は、相対的に小さい。よって、Ｒ１が大きくなれば、カソードガスＡ１の温度は下がる状態である。すなわち、通常冷却の能力に余力がある。よって、Ｒ１≦Ｒ０である場合、燃料電池１１の冷却は通常冷却で足り、改質器１２におけるアノードガスＧ２の効率的な生成をある程度低下させてまで、冷却水蒸気Ｗ２の量を第２水蒸気量Ｕ２に増やして冷却を行う必要はない。

一方、Ｒ１≦Ｒ０でない場合、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合は、十分に大きく、Ｒ１を大きくしても、カソードガスＡ１の温度は下がらない状態（又は下がりにくい状態）である。すなわち、通常冷却の能力に余力がない。ここで、Ｒ１は、燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて決められるものであるから、Ｒ１≦Ｒ０でない場合、カソードガスＡ１の温度は下がらない状態（又は下がりにくい状態）となっているにも関わらず、燃料電池１１の温度Ｔｃは高い状態になっていることが分かる。すなわち、Ｒ１≦Ｒ０でない状態は、通常冷却だけでは、燃料電池１１の温度が十分に下がらない状態である。この場合、改質器１２におけるアノードガスＧ２の効率的な生成をある程度低下させることになったとしても、冷却水蒸気Ｗ２の量を第２水蒸気量Ｕ２に増やして冷却を行う必要がある。
よって、ステップＳＴ１０３の処理は、冷却水蒸気Ｗ２の量を第２水蒸気量Ｕ２に増やして冷却を行う必要があるか否かを判断するために行われる。

本実施形態の燃料電池システム１は、アノード及びカソードを有する燃料電池１１と、燃料ガスＧ１と改質水Ｗ１とを反応させてアノードガスＧ２を生成し、燃料電池１１にアノードガスＧ２を供給する改質器１２と、改質水Ｗ１を改質器１２に供給する改質水供給部１５であって、改質器１２に供給する改質水Ｗ１の水量を調整する改質水量調整ポンプ１５Ｂを有し、改質水量調整ポンプ１５Ｂにより調整された水量の改質水Ｗ１を改質器１２に供給する改質水供給部１５と、燃料ガスＧ１を改質器１２に供給する燃料ガス供給部１４と、燃料電池１１にカソードガスＡ１を供給するカソードガス供給部２１であって、カソードガスの温度を調整するカソードガス温度調整部２２を有し、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１を燃料電池１１に供給するカソードガス供給部２１と、燃料電池１１の温度Ｔｃを測定する温度センサ１８と、改質水量調整ポンプ１５Ｂ及びカソードガス温度調整部２２を制御する制御部５０と、を備えている。そして、通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１に調整するように改質水量調整ポンプ１５Ｂを制御するとともに、温度センサ１８により測定される燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいてカソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御し、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を冷却し、通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、制御部５０は、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を第１量Ｖ１よりも多い第２量Ｖ２に調整するように改質水量調整ポンプ１５Ｂを制御し、改質器１２は、アノードガスＧ２によって燃料電池１１を冷却する。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１１を効果的に冷却することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１において、カソードガス供給部２１は、第１温度Ｔ１を有する第１カソードガスとしての第１空気Ａ１１をカソードに供給する第１カソードガス供給部１６と、第１温度Ｔ１よりも低い温度である第２温度Ｔ２を有する第２カソードガスとしての第２空気Ａ１２をカソードに供給する第２カソードガス供給部１７と、を有している。そして、カソードガス供給部２１は、第１空気Ａ１１及び第２空気Ａ１２の一方又は両方をカソードガスＡ１として供給する。更に、カソードガス温度調整部２２は、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒを調整することによって、カソードガスＡ１の温度を調整する。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、カソードガスＡ１の温度を適切に調整することが可能である。

また、本実施形態の燃料電池システム１において、通常冷却制御可能条件は、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒが基準割合Ｒ０以下の割合であるという条件である。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、改質水供給部１５が供給する改質水Ｗ１の水量を適切に調整することが可能である。

以上、本発明の本実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において種々に変形可能である。

上記実施形態では、カソードガス供給部２１は、２つのカソードガス供給部（すなわち、第１カソードガス供給部１６及び第２カソードガス供給部１７）を有していたが、これに限定されない。カソードガス供給部２１は、３つ以上のカソードガス供給部を有していてもよい。この場合、３つ以上のカソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度は、互いに異なる温度であることが好ましい。

上記実施形態では、カソードガス供給部２１は、２つのカソードガス供給源（すなわち、第１カソードガス供給部１６及び第２カソードガス供給部１７）を有しており、カソードガス温度調整部２２は、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒを調整することによって、カソードガスＡ１の温度を調整していたが、これに限定されない。カソードガス供給部２１は、１つのカソードガス供給源であり、カソードガス温度調整部２２が、１つのカソードガス供給源から供給されるカソードガスの温度を調整する冷却器であってもよい。

上記実施形態では、通常冷却制御可能条件は、第２空気割合Ｒが基準割合Ｒ０以下の割合であるという条件であったが、これに限定されない。例えば、通常冷却制御可能条件は、燃料電池１１に供給されるカソードガスＡ１の温度が所定温度以下という条件、燃料電池１１の温度Ｔｃが所定時間以内に所定温度以下になるという条件等であってもよい。

上記実施形態では、第２空気割合Ｒは、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒであったが、これに限定されない。例えば、第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１の量と第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２の量との比であってもよい。

１燃料電池システム
１１燃料電池
１２改質器
１４燃料ガス供給部
１５改質水供給部
１５Ｂ改質水量調整ポンプ（改質水量調整部）
１６第１カソードガス供給部
１７第２カソードガス供給部
１８温度センサ
２１カソードガス供給部
２２カソードガス温度調整部
５０制御部
Ｇ１燃料ガス
Ｇ２アノードガス（改質ガス）
Ａ１カソードガス
Ａ１１第１空気（第１カソードガス）
Ａ１２第２空気（第２カソードガス）
Ｗ１改質水

Claims

アノード及びカソードを有する燃料電池と、
燃料ガスと改質水とを反応させてアノードガスを生成し、前記燃料電池にアノードガスを供給する改質器と、
改質水を前記改質器に供給する改質水供給部であって、前記改質器に供給する改質水の水量を調整する改質水量調整部を有し、前記改質水量調整部により調整された水量の改質水を前記改質器に供給する改質水供給部と、
燃料ガスを前記改質器に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部であって、カソードガスの温度を調整するカソードガス温度調整部を有し、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、
前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
前記改質水量調整部及び前記カソードガス温度調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記カソードガス供給部は、第１温度を有する第１カソードガスを前記燃料電池に供給する第１カソードガス供給部と、前記第１温度よりも低い温度である第２温度を有する第２カソードガスを前記燃料電池に供給する第２カソードガス供給部と、を有し、第１カソードガス及び第２カソードガスの一方又は両方をカソードガスとして供給し、
前記カソードガス温度調整部は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合を調整することによって、カソードガスの温度を調整し、
通常冷却制御可能条件は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合が基準割合以下の割合であるという条件であり、
前記通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、前記制御部は、前記改質水供給部が供給する改質水の水量を第１量に調整するように前記改質水量調整部を制御するとともに、前記温度センサにより測定される前記燃料電池の温度に基づいてカソードガスの温度を調整するように前記カソードガス温度調整部を制御し、前記カソードガス供給部は、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスによって前記燃料電池を冷却し、
前記通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、前記制御部は、前記改質水供給部が供給する改質水の水量を第１量よりも多い第２量に調整するように前記改質水量調整部を制御し、前記改質器は、アノードガスによって前記燃料電池を冷却する
燃料電池システム。