WO2021234426A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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WO2021234426A1
WO2021234426A1 PCT/IB2020/000505 IB2020000505W WO2021234426A1 WO 2021234426 A1 WO2021234426 A1 WO 2021234426A1 IB 2020000505 W IB2020000505 W IB 2020000505W WO 2021234426 A1 WO2021234426 A1 WO 2021234426A1
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fuel cell
temperature
fuel
oxidant gas
cell system
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PCT/IB2020/000505
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小幡武昭
筑後隼人
島田一秀
Original Assignee
日産自動車株式会社
ルノー エス． ア． エス．
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell and a control method for the fuel cell system.
  • JP2017-117550A discloses a method of detecting the temperature of the central portion of the cell stack, which has the highest temperature, and controlling the temperature distribution of the entire fuel cell to be uniform.
  • This fuel cell system aims to make the temperature distribution of the entire fuel cell uniform by supplying an inert gas to the central portion of the cell stack, which has the highest temperature, and lowering the temperature of the central portion of the cell stack. ..
  • JP2017-117550A assumes that the central part of the cell stack has the highest temperature, but depending on the fuel cell configuration and / or the driving scene, the central part of the cell stack is compared with other parts. Is not always the highest temperature.
  • a reforming catalyst configured to reform fuel
  • the anode when performing partial oxidation reforming, the anode is more than the central portion of the cell stack.
  • the end on the inlet side is relatively hottest. Therefore, in this internally modified fuel cell, if the temperature is controlled based on the temperature of the central portion of the cell stack, the heat resistance upper limit temperature may be exceeded in a part of the cell stack.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of controlling the temperature within a range not exceeding the heat resistance upper limit temperature of the fuel cell and a control method thereof when the cell stack having a reforming catalyst is provided.
  • the control method of the fuel cell system is a cell stack having a reforming catalyst that produces hydrogen from hydrocarbons, a first flow path for supplying fuel containing hydrocarbons to the cell stack, and facing the fuel.
  • it is a control method of a fuel cell system including a fuel cell having a second flow path for supplying an oxidant gas to the cell stack so as to flow orthogonally, and is an oxidant gas discharged from the second flow path. The temperature of a certain exhaust oxidant gas is detected, and the temperature of the fuel cell is controlled based on the temperature of the exhaust oxidant gas.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the fuel cell system of the first embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a fuel flow path and an oxidant gas flow path in the cell stack.
  • FIG. 3 is a schematic graph showing the temperature distribution in the fuel cell in the case of performing partial oxidation reforming.
  • FIG. 4 is a flowchart relating to temperature control of the fuel cell.
  • FIG. 5 is a graph schematically showing temperature control in warm-up operation.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing temperature control in steady operation.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system of the second embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a modified example in which the mounting position of the temperature sensor is changed.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of a modified example in which the configurations of the flow paths of the fuel and the oxidant gas are changed.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a modified example in which the configuration of the flow path of the fuel and the oxidant gas and the mounting position of the temperature sensor are changed.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the fuel cell system 10 of the first embodiment.
  • the fuel cell system 10 includes a power generation device 11 and a controller 12.
  • the power generation device 11 is a device that generates electricity using the fuel cell 20, and in addition to the fuel cell 20, the fuel flow rate adjusting device 31, the air flow rate adjusting device 33, the oxidant gas supply device 41, the heat exchanger 43, and the combustor 51. , And a temperature sensor 60 and the like.
  • the controller 12 is a control device that comprehensively controls the power generation device 11 and each unit constituting the power generation device 11.
  • the fuel cell 20 includes a fuel cell (hereinafter, simply referred to as a cell) configured to generate electricity by an electrochemical reaction using fuel and an oxidant gas.
  • the fuel cell 20 includes a cell stack 21 composed of a single cell or a stack of a plurality of cells so as to generate the required electric power as a whole.
  • the cell stack 21 has a reforming catalyst (hereinafter referred to as an internal reforming catalyst) inside.
  • the internal reforming catalyst 22 reforms the fuel supplied to the fuel cell 20 (hereinafter referred to as raw fuel) by generating or promoting a specific chemical reaction, and the raw fuel directly to the power generation. Produces usable fuel (hereinafter referred to as reformed fuel (anodic gas)).
  • the raw material fuel is, for example, a fuel containing a raw material containing a hydrocarbon group such as an alkyl group as a main component, and specifically, a hydrocarbon such as methane or an alcohol such as methanol.
  • the internal reforming catalyst 22 produces a reforming fuel containing hydrogen used for power generation from a raw fuel containing hydrocarbons. Therefore, the fuel cell 20 is a so-called direct internal reforming type, and in principle, a separate reformer is not required, and the fuel cell 20 itself supplies unreformed raw fuel or incompletely reformed raw fuel. It can receive and generate electricity.
  • Fuel reforming that can be performed by the cell stack 21 includes, for example, partial oxidation reforming (POX), steam reforming (SR), carbon dioxide reforming, and the like.
  • POX partial oxidation reforming
  • SR steam reforming
  • carbon dioxide reforming and the like.
  • the internal reforming catalyst 22 contributes to some or all of these reforming reactions.
  • Partial oxidation reforming is a reforming reaction in which oxygen (O 2 ) is mixed with a raw material to partially oxidize the raw material to obtain a reformed fuel.
  • oxygen O 2
  • the partial oxidation reforming proceeds mainly by the partial oxidation reaction shown in (1) below.
  • complete combustion (complete oxidation) shown in the following (2) is generated and progresses. Therefore, in the partial oxidation reforming, not only hydrogen (H 2 ) but also water (H 2 O) is generated. Both the partial oxidation reaction of (1) and the complete combustion of (2) are exothermic reactions.
  • partial oxidation modification is an exothermic reaction.
  • the partial oxidation modification is a reaction that consumes oxygen. Therefore, the partial oxidation reforming does not occur uniformly in the entire cell stack 21, but the amount of oxygen generated is relatively large in the upstream portion of the fuel flow path (first flow path 23 described later), and oxygen is generated. The amount generated is relatively small in the downstream part of the flow path of the consumed fuel. This is because oxygen is abundant in the upstream portion, but in the downstream portion, oxygen is sequentially consumed as the partial oxidation reform progresses, and the amount of oxygen contained is relatively small.
  • Steam reforming is a reforming reaction in which a raw fuel or a reformed fuel is partially oxidized to obtain a reformed fuel by the reaction between the raw fuel and water (steam).
  • steam reforming proceeds mainly by the oxidation reaction shown in (3) or (4) below.
  • Steam reforming can be carried out using newly supplied water or water generated by partial oxidation reforming (particularly complete combustion).
  • the cell stack 21 performs steam reforming using water generated by partial oxidation reforming.
  • Steam reforming is an endothermic reaction.
  • Carbon dioxide reforming is a partial reaction of raw fuel or reformed fuel reformed by partial oxidation reforming or steam reforming with carbon dioxide (CO 2). It is a reforming reaction that oxidizes to obtain reformed fuel.
  • carbon dioxide reforming proceeds mainly by the partial oxidation reaction shown in (5) below.
  • Carbon dioxide reforming can proceed by utilizing newly supplied carbon dioxide or carbon dioxide generated by partial oxidation reforming (particularly complete combustion) or steam reforming.
  • the cell stack 21 performs carbon dioxide reforming by utilizing carbon dioxide generated by partial oxidation reforming and / or steam reforming.
  • Carbon dioxide modification is an endothermic reaction. CH 4 + CO 2 ⁇ 2CO + 2H 2 ... (5)
  • the fuel cell 20 is, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the cell stack 21 is oxidized with the first flow path 23, which is a flow path of the raw fuel and / or the reformed fuel (hereinafter, simply referred to as fuel unless a distinction is necessary). It has a second flow path 24, which is a flow path for the agent gas, and an electrolyte (not shown) made of a solid oxide.
  • the cell stack 21 has a structure in which the first flow path 23 and the second flow path 24 are adjacent to each other via an electrolyte. Therefore, the internal reforming catalyst 22 is provided in the first flow path 23, which is the flow path of the fuel.
  • an electrode (hereinafter referred to as an anode) configured to function as a negative electrode is provided on the surface of the electrolyte in the first flow path 23, and the surface of the electrolyte in the second flow path 24 functions as a positive electrode.
  • a configured electrode (hereinafter referred to as a cathode) is provided.
  • the internal reforming catalyst 22 is separate from the anode, but a part or all of the anode may function as the internal reforming catalyst 22. Further, the internal reforming catalyst 22 is provided substantially uniformly throughout the cell stack 21. That is, the internal reforming catalyst 22 is not provided only in a specific part of the first flow path 23, and the raw material fuel is substantially any part of the first flow path 23 in the cell stack 21. Can be reformed.
  • the fuel cell 20 has an anode inlet A1, an anode outlet A2, a cathode inlet C3, and a cathode outlet C4.
  • the anode inlet A1 is an upstream end of the first flow path 23, and is an inlet for raw fuel to the fuel cell 20. Therefore, the anode inlet A1 is connected to the fuel flow rate adjusting device 31 via the fuel supply path 32.
  • the anode outlet A2 is an end portion on the downstream side of the first flow path 23, and used fuel and gas generated by power generation (hereinafter referred to as exhaust fuel (anode off gas)) are sent to the outside of the fuel cell 20. Discharge.
  • the anode outlet A2 is connected to the combustor 51 via the fuel discharge path 34.
  • the cathode inlet C3 is the upstream end of the second flow path 24, and is the inlet of the oxidant gas to the fuel cell 20.
  • the cathode inlet C3 is connected to the oxidant gas supply device 41 via the oxidant gas supply path 42.
  • the cathode outlet C4 is an end portion on the downstream side of the second flow path 24, and oxidant gas used for power generation, gas generated by power generation, and the like (hereinafter referred to as exhaust oxidant gas (cathode off gas)). It is discharged to the outside of the fuel cell 20.
  • the cathode outlet C4 is connected to the combustor 51 via the oxidant gas discharge path 44.
  • the fuel cell 20 supplies electric power to a device or device connected to the fuel cell 20.
  • the device or device connected to the fuel cell 20 is, for example, a storage battery, a motor used as a drive source for an electric vehicle, or the like.
  • the fuel cell 20 is connected to a storage battery connected to a motor for driving an electric vehicle. Therefore, the fuel cell 20 indirectly functions as an energy source for driving the electric vehicle.
  • the fuel flow rate adjusting device 31 is a device (fuel supply device) that supplies raw fuel to the fuel cell 20, and is a device that adjusts the flow rate of the raw material and fuel supplied to the fuel cell 20.
  • the fuel flow rate adjusting device 31 is connected to the anode inlet A1 via the fuel supply path 32.
  • the fuel flow rate adjusting device 31 includes a fuel tank and an injector.
  • the fuel tank stores raw fuel, for example, in a liquid state.
  • the injector ejects raw fuel from the fuel tank to the fuel supply path 32.
  • the fuel flow rate adjusting device 31 supplies the raw fuel to the fuel cell 20.
  • the controller 12 controls the timing at which the fuel flow rate adjusting device 31 supplies the raw fuel to the fuel cell 20, the amount of the raw fuel supplied, and the like.
  • the fuel flow rate adjusting device 31 may include a heat exchanger or the like, if necessary. In this case, the fuel flow rate adjusting device 31 can adjust the temperature, phase, pressure, etc. of the raw material and fuel by heating, heat exchange, or the like. In the present embodiment, the fuel flow rate adjusting device 31 vaporizes the raw fuel and supplies it to the fuel cell 20.
  • the air flow rate adjusting device 33 is connected to the fuel supply path 32, and is a device (air supply device) that mixes air with the raw fuel supplied to the fuel cell 20 by the fuel flow rate adjusting device 31 as needed. Moreover, it is a device that adjusts the flow rate of air mixed with raw materials and fuel.
  • the air flow rate adjusting device 33 is, for example, an air blower.
  • the purpose of mixing air with the raw material by the air flow rate adjusting device 33 is to generate partial oxidation reforming in the cell stack 21 by adding oxygen to the raw material, or it is generated in the cell stack 21. It is to promote partial oxidative reforming. Therefore, the air flow rate adjusting device 33 only needs to be able to mix oxygen with the raw material and fuel as needed.
  • the air flow rate adjusting device 33 may be configured to mix oxygen only, a gas other than oxygen-containing air, air whose constituent components, temperature, etc. are adjusted, and the like, instead of natural air, with the raw material and fuel.
  • the controller 12 controls the timing at which the air flow rate adjusting device 33 mixes air with the raw material, the amount of air mixed with the raw material, and the like.
  • the oxidant gas supply device 41 is a device that supplies the oxidant gas to the fuel cell 20, and is connected to the cathode inlet C3 via the oxidant gas supply path 42.
  • the oxidant gas is air containing oxygen used by the fuel cell 20 for power generation. That is, in the present embodiment, the oxidant gas supply device 41 is an air blower.
  • the heat exchanger 43 is provided in the oxidant gas supply path 42, and heats the oxidant gas by heat exchange. Therefore, the heat exchanger 43 supplies the heated oxidant gas to the fuel cell 20.
  • the heat exchange for heating the oxidant gas is performed with the gas discharged by the combustor 51 (hereinafter referred to as exhaust gas).
  • the combustor 51 is supplied with the discharged fuel from the fuel cell 20 via the fuel discharge path 34. Further, the exhaust oxidant gas is supplied from the fuel cell 20 to the combustor 51 via the oxidant gas discharge passage 44. Then, the combustor 51 burns the discharged fuel and the discharged oxidant gas by, for example, catalytic combustion. The exhaust gas generated as a result of this combustion is discharged from the exhaust passage 52 to the outside of the fuel cell system 10 via the heat exchanger 43. Therefore, the heat generated by the electrochemical reaction in the fuel cell 20 and the generation of exhaust gas is used for heating the oxidant gas in the oxidant gas supply path 42 by heat exchange in the heat exchanger 43.
  • the temperature sensor 60 is provided in the oxidant gas discharge path 44.
  • the temperature sensor 60 detects the temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell 20, more specifically, the oxidant gas discharged from the second flow path 24.
  • the temperature sensor 60 inputs the detected temperature of the discharged oxidant gas to the controller 12.
  • the controller 12 controls the temperature of the fuel cell 20 based on the temperature of the exhaust oxidant gas detected by the temperature sensor 60.
  • the controller 12 controls the temperature of the fuel cell 20 by the heat generated by the partial oxidation reforming in the cell stack 21.
  • the specific method in which the controller 12 controls the temperature of the fuel cell 20 will be described in detail later.
  • the controller 12 is a computer or a microcomputer configured by using a processor such as a CPU or a GPU, a memory, or the like.
  • the controller 12 can be configured as a dedicated computer for controlling the fuel cell system 10, or can be configured as a part of a computer for controlling other devices or systems.
  • the vehicle controller that controls the driving of the electric vehicle can be made to function as the controller 12 of the fuel cell system 10.
  • the controller 12 can be configured as a server-type computer that controls the controller 12 by communicating with the power generation device 11.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a fuel flow path and an oxidant gas flow path in the cell stack 21 of the present embodiment.
  • the first flow path 23 is a flow path for supplying fuel to the cell stack 21.
  • the second flow path 24 is a flow path for supplying the oxidant gas to the cell stack 21 so that the oxidant gas flows toward the fuel.
  • the first flow path 23 and the second flow path 24 are parallel in shape as a flow path, but the direction in which fuel flows through the first flow path 23 and the direction in which the oxidant gas flows through the second flow path 24 are opposite. be.
  • the first flow path 23 and the second flow path 24 are antiparallel or antiparallel, and the fuel and the oxidant gas have a so-called counterflow.
  • the second flow path 24 can be a flow path for supplying the oxidant gas to the cell stack 21 so that the oxidant gas flows orthogonally to the fuel.
  • FIG. 3 is a schematic graph showing the temperature distribution in the fuel cell 20 in the case of performing partial oxidation reforming.
  • the fuel cell 20 is formed when the cell stack 21 has reached a temperature above a level at which partial oxidative reforming can occur as a whole, and the cell stack 21 is subjected to partial oxidative reforming.
  • the temperature at which partial oxidative modification can occur is, for example, about 300 degrees or higher.
  • the horizontal axis represents the position along the first flow path 23 and the second flow path 24. Each cell constituting the cell stack 21 is stacked in the direction of the vertical axis.
  • the graph 101 shown by the solid line represents the temperature of the fuel in the fuel cell 20
  • the graph 102 shown by the broken line represents the temperature of the oxidant gas.
  • the temperatures of the fuel and the oxidant gas in the cell stack 21 can be regarded as substantially the same as the temperature of the fuel cell 20.
  • the fuel cell 20 has the highest temperature Tp at a predetermined position (a position near the anode inlet A1 or the anode inlet A1) biased toward the anode inlet A1 rather than the position of the central portion of the fuel cell 20. Become.
  • the temperature distribution of the oxidant gas follows the temperature distribution formed by the partial oxidative reforming as described above, and has almost the same temperature distribution at least in the cell stack 21. This is because the fuel and the oxidant gas flow in the cell stack 21 integrally on the front and back via the electrolyte, which is a thin film, and thus reach substantially the same temperature due to mutual heat exchange. Therefore, the exhaust oxidant gas discharged from the cathode outlet C4 correlates with a temperature substantially equal to the maximum temperature of the temperature distribution formed by the partial oxidative reforming or the maximum temperature in the temperature distribution formed by the partial oxidative reforming. It is discharged at a certain temperature.
  • the temperature having a correlation with the maximum temperature means a temperature at which the maximum temperature in the fuel cell 20 can be calculated or estimated based on the temperature having a certain relationship with the maximum temperature in the fuel cell 20.
  • the temperature sensor 60 detects the temperature of the discharged oxidant gas. As a result, the temperature sensor 60 detects the maximum temperature in the fuel cell 20 or the temperature that correlates with the maximum temperature in the fuel cell 20.
  • the controller 12 controls the temperature of the fuel cell 20 based on the temperature of the exhaust oxidant gas detected by the temperature sensor 60, thereby controlling the temperature of the fuel cell 20 based on the maximum temperature in the fuel cell 20.
  • the temperature of the discharged oxidant gas is almost equal to the maximum temperature of the temperature distribution formed by the partial oxidative reforming. Therefore, the temperature sensor 60 substantially detects the maximum temperature in the fuel cell 20 by detecting the temperature of the discharged oxidant gas. Then, the controller 12 directly controls the temperature of the fuel cell 20 based on the maximum temperature in the fuel cell 20 by using the temperature of the exhaust oxidant gas detected by the temperature sensor 60.
  • the temperature of the fuel cell 20 drops in the central portion of the cell stack 21 because steam reforming and / or carbon dioxide reforming, which are endothermic reactions, proceed. Further, the temperature of the fuel cell 20 rises from the central portion of the cell stack 21 to the anode outlet A2 and the cathode inlet C3 because the heated oxidant gas is supplied from the cathode inlet C3.
  • FIG. 4 is a flowchart relating to temperature control of the fuel cell 20. That is, when the temperature of the fuel cell 20 is controlled by the heat generated by the partial oxidation reforming in the cell stack 21, the controller 12 has the exhaust oxidant gas temperature acquisition step S101, the determination step S102, the temperature rise limit calculation step S103, and the target calorific value.
  • the temperature of the fuel cell 20 is controlled by repeatedly executing the calculation step S104, the fuel flow rate calculation step S105, the mixed air flow rate calculation step S106, and the control execution step S107 at predetermined time intervals in this order.
  • the "temperature control of the fuel cell 20" is particularly performed in the temperature rise limit calculation step S103, the target calorific value calculation step S104, the fuel flow rate calculation step S105, the mixed air flow rate calculation step S106, and the control execution step S107. Refers to control.
  • the controller 12 acquires the temperature of the exhaust oxidant gas detected by the temperature sensor 60. That is, the controller 12 is configured to function as an exhaust oxidant gas temperature acquisition unit.
  • the controller 12 changes the temperature inside the fuel cell 20 to a temperature at which partial oxidation reform is possible, depending on the temperature of the exhaust oxidant gas detected by the temperature sensor 60 reflecting this temperature. It can be determined whether or not the temperature has been reached.
  • the controller 12 regards the temperature of the exhaust oxidant gas acquired from the temperature sensor 60 as the maximum temperature in the fuel cell 20 and controls the temperature of the fuel cell 20. Perform the steps that follow. If there is a possibility that the temperature of the exhausted oxidizer gas deviates from the maximum temperature in the fuel cell 20 to the extent that a control error is caused due to the operating state of the fuel cell 20, it is detected as necessary. The temperature of the exhaust oxidant gas may be corrected.
  • the controller 12 performs the following steps in consideration of the correlation between the temperature of the discharged oxidant gas and the maximum temperature in the fuel cell 20. Further, when estimating the maximum temperature in the fuel cell 20 using the temperature of the exhaust oxidant gas, for example, it is possible to use a map in which the temperature of the exhaust oxidant gas and the maximum temperature in the fuel cell 20 are associated with each other. can.
  • the controller 12 determines whether or not the temperature of the discharged oxidant gas is equal to or higher than the temperature at which partial oxidation reform is possible. That is, the controller 12 is configured to function as a determination unit. When the temperature of the discharged oxidant gas is lower than the temperature at which partial oxidative reforming is possible, the controller 12 does not execute the step following the determination step S102 and continues to acquire the temperature of the discharged oxidant gas at a predetermined cycle. .. If the temperature of the exhaust oxidant gas, that is, even the maximum temperature of the fuel cell 20 has not reached a temperature at which partial oxidative reforming can be performed, partial oxidative reforming does not occur, and the heat is used for temperature control of the fuel cell 20. Because it cannot be done. When the temperature of the discharged oxidant gas is equal to or higher than the temperature at which partial oxidation reform is possible, the controller 12 executes the temperature rise limit calculation step S103.
  • the controller 12 calculates the temperature rise limit ⁇ Tm using the detected temperature Tq of the discharged oxidant gas. That is, the controller 12 is configured to function as a temperature rise limit calculation unit.
  • the temperature rise limit ⁇ Tm is the exhaust oxidant gas detected from the heat resistance upper limit temperature (hereinafter, simply referred to as the heat resistance upper limit temperature) of the part having the lowest heat resistance temperature among the parts constituting the cell stack 21 and other fuel cells 20. It is a temperature obtained by subtracting the temperature Tq of.
  • the controller 12 calculates a predetermined target calorific value Qt based on the temperature Tq of the discharged oxidant gas. As a result, the controller 12 sets the target calorific value Qt so that the temperature Tq of the discharged oxidant gas does not exceed the heat resistance upper limit temperature Tk of the internal reforming catalyst 22 in the temperature control of the fuel cell 20. That is, the controller 12 is configured to function as a target calorific value calculation unit and / or a target calorific value setting unit.
  • the target calorific value Qt is a target value of the calorific value due to partial oxidation reforming.
  • the target calorific value Qt is a target value of the calorific value per predetermined time (for example, the detection cycle of the temperature Tq of the discharged oxidant gas).
  • the target calorific value Qt can be obtained.
  • the controller 12 calculates the flow rate of the fuel (oxygen) for achieving the target calorific value Qt based on the calorific value obtained from the reaction formula of the partial oxidation reforming.
  • the controller 12 calculates the fuel flow rate Ff, which is the flow rate of the raw fuel, based on the target calorific value Qt. That is, the controller 12 is configured to function as a fuel flow rate calculation unit.
  • the fuel flow rate Ff is the flow rate of the raw fuel required to reach the target calorific value Qt by partial oxidation reforming.
  • the fuel flow rate Ff calculated in the fuel flow rate calculation step S105 is the flow rate of raw fuel for maintaining power generation while achieving the target calorific value Qt.
  • the controller 12 calculates the mixed air flow rate Fa, which is the amount of air to be mixed with the raw fuel, based on the target calorific value Qt. That is, the controller 12 is configured to function as a mixed air flow rate calculation unit.
  • the mixed air flow rate Fa is the flow rate of air that needs to be mixed with the raw fuel in order to reach the target calorific value Qt by partial oxidation reforming.
  • the mixed air flow rate Fa is the flow rate of oxygen-containing air corresponding to the amount of partial oxidation reform to be generated.
  • the controller 12 controls the fuel flow rate adjusting device 31 and the air flow rate adjusting device 33, respectively, so as to realize the calculated fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa. That is, the controller 12 operates the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa so that the calorific value of the partial oxidation reforming in the cell stack 21 becomes the target calorific value Qt. Therefore, the controller 12 is configured to function as a fuel flow rate control unit that controls the flow rate of the raw fuel supplied to the fuel cell 20 by the fuel flow rate adjusting device 31. Further, the controller 12 is configured to function as a mixed air flow rate control unit that controls the flow rate of the air mixed with the raw material and fuel by the air flow rate adjusting device 33.
  • the fuel cell 20 By controlling the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa in this way, even when a temperature distribution that decreases from the anode inlet A1 to the anode outlet A2 is generated inside the fuel cell 20 due to partial oxidation reforming, the fuel cell 20
  • the temperature of the internal reforming catalyst 22 is controlled within a range not exceeding the heat resistance upper limit temperature Tk. Therefore, the fuel cell system 10 operates continuously and efficiently without damaging the internal reforming catalyst 22 even if the fuel is reformed by partial oxidative reforming inside the cell stack 21. be able to.
  • the temperature control of the fuel cell 20 performed by the heat generation of the partial oxidation reforming in the cell stack 21 is performed by the operation scene in which the fuel cell system 10 is warmed up at the start of the fuel cell system 10 and the cell stack 21 by steam reforming or the like. It is particularly useful in an operation scene in which the temperature of the cell stack 21 is restored when the temperature drops.
  • these driving scenes will be described in detail.
  • FIG. 5 is a graph schematically showing temperature control in warm-up operation.
  • the temperature Ta is a temperature at which partial oxidation reform is possible, and is, for example, about 300 degrees.
  • the temperature Tb is a temperature at which power generation is possible when the fuel cell 20 is a solid oxide fuel cell, and is, for example, about 500 degrees.
  • the temperature Tc is a temperature maintained during steady operation in consideration of power generation efficiency when the fuel cell 20 is a solid oxide fuel cell, and is, for example, about 800 degrees to about 1000 degrees.
  • each graph G1 to G6 in FIG. 5 shows the temperature of the oxidant gas when measured at predetermined time intervals and the like.
  • the controller 12 warms up the fuel cell 20 by flowing the oxidant gas obtained by heating the oxidant gas to the fuel cell 20 while supplying the oxidant gas and the raw fuel to the combustor 51.
  • the fuel cell 20 gradually warms up and approaches a temperature at which power can be generated.
  • the temperature Td1 is the temperature Tq of the discharged oxidant gas at the time point of the graph G1.
  • the temperature Td2 is the temperature Tq of the discharged oxidant gas at the time point of the graph G2.
  • the fuel cell 20 warms up slowly and reaches a temperature at which the fuel cell 20 can generate electricity, as shown by the intervals between the graphs G1 and G3. It takes a long time to reach it. Therefore, as shown in the graph G3, when the temperature Tq of the discharged oxidant gas reaches the temperature Td3 and becomes a temperature equal to or higher than the temperature Ta at which partial oxidation reform is possible, the controller 12 starts from the heat resistance upper limit temperature Tk. By subtracting the detected temperature Td3 of the discharged oxidizer, the temperature rise limit ⁇ 3, which is the temperature rise limit ⁇ Tm at the time of the graph G3, is calculated.
  • the controller 12 calculates the target calorific value Qt based on the temperature rise limit ⁇ 3, and further calculates the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa based on the calculated target calorific value Qt. After that, when the controller 12 controls the fuel flow rate adjusting device 31 and the air flow rate adjusting device 33 according to the calculated fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa, respectively, as shown in the graph G3 *, in the predetermined range Rpox of the cell stack 21. Partial oxidation reform progresses. As a result, the temperature of this predetermined range Rpox rises due to the heat generation of the partial oxidation reforming. However, even in the predetermined range Rpox, the maximum temperature of the fuel cell 20 is equal to or less than the heat resistant upper limit temperature Tk.
  • the heat generated by the partial oxidation modification of the graph G3 * propagates through the cell stack 21. Therefore, as shown in the graph G4, at the timing of detecting the temperature Tq of the discharged oxidant gas next, the interval between the graphs G3 and the graph G4 is larger than the interval between the graphs G1 and the graph G3. Become. That is, in the operation scene of warm-up operation, the warm-up of the fuel cell 20 is promoted by generating the partial oxidation reforming.
  • the temperature Tq of the discharged oxidant gas is the temperature Td4, which is lower than the temperature Tb at which power generation is possible, but higher than the temperature Ta at which partial oxidation reform is possible. Therefore, the controller 12 performs partial oxidation reforming again in the cell stack 21 in the same manner as described above, and promotes warming up of the fuel cell 20 by the heat thereof. That is, the controller 12 calculates the temperature rise limit ⁇ 4 at the time of the graph G4. Then, the controller 12 calculates the target calorific value Qt based on the temperature rise limit ⁇ 4, and further calculates and controls the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa based on the calculated target calorific value Qt. As a result, as shown in the graph G4 *, partial oxidative reforming occurs in the predetermined range Rpox of the cell stack 21, and the heat propagates to accelerate the warm-up of the fuel cell 20 again.
  • the target calorific value Qt at the time of graph G4 is smaller than the target calorific value Qt at the time of graph G3.
  • the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa at the time of the graph G4 are also smaller than the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa at the time of the graph G3.
  • the calorific value of the partial oxidation modification generated in the predetermined range Rpox of the cell stack 21 is suppressed at the time point of graph G4 than at the time point of graph G3.
  • the maximum temperature of the fuel cell 20 is maintained at the heat resistance upper limit temperature Tk or less even if the partial oxidation reform is additionally performed at the time of graph G4.
  • the cell stack 21 After that, as shown in the graph G5, when the temperature Tq of the discharged oxidant gas becomes the temperature Td5 and exceeds the temperature Tb that can generate power, the cell stack 21 generates power by supplying the fuel and the oxidant gas. Begins. Generally, the higher the temperature of the fuel cell 20, the higher the power generation efficiency. Therefore, the fuel cell 20 is operated at a high temperature as much as possible within the range of the heat resistance upper limit temperature Tk or less. Therefore, even after the start of power generation, as shown in the graph G5, when the temperature Tc, which is the target of steady operation, is not reached, the controller 12 warms the fuel cell 20 in the same manner as described above. Continue the opportunity. That is, the controller 12 calculates the temperature rise limit ⁇ 5 at the time of graph G5.
  • the controller 12 calculates the target calorific value Qt based on the temperature rise limit ⁇ 5, and further calculates and controls the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa based on the calculated target calorific value Qt.
  • the controller 12 calculates the target calorific value Qt based on the temperature rise limit ⁇ 5, and further calculates and controls the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa based on the calculated target calorific value Qt.
  • the warm-up operation is completed in a short time as compared with the case where the warm-up operation is performed by flowing the oxidant gas heated only by the heater or the combustor 51 as in the conventional case, and the fuel cell system 10 is equipped with the fuel cell system 10. It is possible to shift to a steady operation in which power is generated in the cell stack 21.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing temperature control in steady operation. Even if the temperature of the fuel cell 20 exceeds the temperature Tc maintained during steady operation and the steady operation is continued, the fuel cell may be affected by the amount of heat absorbed by steam reforming or the load on the fuel cell 20. The temperature of 20 may drop. For example, when the output power required for the fuel cell 20 is medium or low and the load on the fuel cell 20 is low or medium for steady operation, the temperature distribution in the fuel cell 20 is generally cathode. The temperature distribution is such that the temperature rises from the inlet C3 to the cathode outlet C4.
  • the temperature distribution in the fuel cell 20 is the temperature distribution in the fuel cell 20 from the cathode inlet C3 to the cathode outlet C4. May be a temperature distribution that decreases.
  • the amount of heat generated by power generation is large, but the amount of heat absorbed by steam reforming or the like is even larger, so that the amount of heat generated by power generation is lower than the amount of heat absorbed by steam reforming or the like.
  • the temperature of the fuel cell 20 changes during the steady operation even after the start of the steady operation. It may be below the temperature Tc to be maintained. If the steady operation is simply continued in such a state, the temperature may fall below the temperature Tb at which power generation is possible, and power generation may not be continued.
  • the controller 12 continues to detect the temperature Tq of the discharged oxidant gas even after shifting to the steady operation. Then, when the temperature of the discharged oxidant gas becomes Tq or less, which should be maintained during steady operation, the controller 12 heats the fuel cell 20 by the heat generated by the partial oxidation reforming. For example, as shown in the graph G7, when the temperature Tq of the discharged oxidant gas becomes the temperature Td7 and falls below the temperature Tc to be maintained during steady operation, the controller 12 calculates the temperature rise limit ⁇ 7.
  • the controller 12 calculates the target calorific value Qt based on the temperature rise limit ⁇ 7, and further calculates and controls the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa based on the calculated target calorific value Qt.
  • the controller 12 calculates the target calorific value Qt based on the temperature rise limit ⁇ 7, and further calculates and controls the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa based on the calculated target calorific value Qt.
  • partial oxidation modification occurs in the predetermined range Rpox of the cell stack 21.
  • the temperature of the fuel cell 20 becomes a temperature equal to or higher than the temperature Tc that should be maintained during steady operation, as shown in Graph G8.
  • the fuel cell 20 can continue power generation while satisfying the required output power even if the high load state continues.
  • the controller 12 controls the temperature based on the temperature Tq of the exhaust oxidant gas. Therefore, the temperature of the fuel cell 20 does not exceed the heat resistance upper limit temperature Tk even when viewed locally. Therefore, the fuel cell system 10 can stably continue steady operation without damaging the fuel cell 20.
  • the control method of the fuel cell system 10 of one embodiment includes a cell stack 21 having an internal reforming catalyst 22 which is a reforming catalyst for generating hydrogen from hydrocarbons, and the cell stack 21 containing hydrocarbons.
  • a fuel cell system 10 comprising a fuel cell 20 comprising a first flow path 23 for supplying fuel and a second flow path 24 for supplying an oxidant gas to the cell stack 21 so as to flow opposite or orthogonal to the fuel.
  • the temperature Tq of the exhausted oxidant gas which is the oxidant gas discharged from the second flow path 24, is detected, and the temperature of the fuel cell 20 is controlled based on the temperature Tq of the discharged oxidant gas.
  • the temperature may be relatively high near the anode inlet A1 rather than the central portion of the cell stack 21.
  • the fuel cell 20 is a so-called counter flow or cross flow, and the temperature of the cathode outlet C4 can be regarded as the temperature of the anode inlet A1 which is a relatively high temperature portion.
  • the controller 12 of the fuel cell system 10 controls the temperature of the fuel cell 20 based on the temperature Tq of the exhaust oxidant gas detected at the cathode outlet C4 near the anode inlet A1.
  • the temperature is controlled based on the temperature of the relative high temperature portion in the fuel cell 20, so that the heat resistance upper limit temperature Tk, which is the heat resistance standard, can be more reliably determined. Stable control that complies with can be realized.
  • the control method of the fuel cell system 10 can operate the fuel cell 20 more reliably and stably without damaging the fuel cell 20 as compared with the control method of the conventional fuel cell system.
  • the above control method of the fuel cell system 10 is particularly suitable when partial oxidation reform occurs in the cell stack 21.
  • the anode inlet A1 side is the fuel cell 20 due to the heat generated by the partial oxidation reforming. It becomes the highest temperature in the temperature distribution inside. Therefore, even when partial oxidative reforming is performed to warm up the fuel cell 20, the temperature Tq of the exhaust oxidant gas is detected by the temperature sensor 60 provided at the cathode outlet C4 as described above, and the detected emission is performed.
  • the temperature of the fuel cell 20 By controlling the temperature of the fuel cell 20 based on the temperature Tq of the oxidant gas, it is possible to promote warming up of the fuel cell 20 within a range that does not exceed the heat resistance upper limit temperature Tk even when viewed locally.
  • the temperature Tq of the exhaust oxidant gas detected by the temperature sensor 60 is substantially equal to the maximum temperature of the fuel cell 20. Therefore, the above temperature control can be performed particularly accurately.
  • the temperature control of the fuel cell 20 is controlled so that the temperature of the fuel cell 20 is equal to or less than the heat resistant upper limit temperature Tk, which is a predetermined temperature.
  • the heat resistance upper limit temperature Tk is arbitrary. Therefore, the control method of the fuel cell system 10 according to the above embodiment is particularly suitable when the temperature of the fuel cell 20 is controlled to be equal to or lower than a predetermined temperature, and the fuel cell 20 and the fuel cell system 10 are damaged or the like. It is possible to realize stable control with reduced fear.
  • the fuel flow rate adjusting device 31 for adjusting the flow rate of the fuel supplied to the fuel cell 20 and the air for adjusting the flow rate of the air to be mixed with the fuel are adjusted.
  • a flow rate adjusting device 33 is further provided.
  • the calorific value of the partial oxidation reforming in the cell stack 21 is a predetermined value based on the temperature Tq of the exhaust oxidant gas.
  • the fuel flow rate Ff which is the flow rate of the fuel
  • the mixed air flow rate Fa which is the flow rate of the air to be mixed with the fuel
  • the control method of the fuel cell system 10 of the above embodiment realizes the temperature control of the fuel cell 20 by utilizing the partial oxidation reforming that inevitably occurs due to the nature of the internal reforming catalyst 22. That is, in the control method of the fuel cell system 10 of the above embodiment, the temperature control of the fuel cell 20 without the preparation of a special heat source or cold heat source is realized.
  • partial oxidation reforming is positively generated by mixing air with the fuel by the air flow rate adjusting device 33. Then, in the fuel cell system 10, the target calorific value Qt is determined based on the temperature Tq of the exhausted oxidant gas, and the fuel flow rate Ff and the mixed air flow rate Fa are controlled. As a result, in the fuel cell system 10, the temperature of the fuel cell 20 is controlled by controlling the calorific value of the generated partial oxidation reforming. As described above, if the heat generation of the partial oxidation reforming is controlled based on the temperature Tq of the discharged oxidant gas, the temperature control of the fuel cell 20 can be suitably performed.
  • the fuel cell system 10 when warming up the fuel cell 20 and when trying to maintain the temperature of the fuel cell 20 in order to continue using the fuel cell 20 with a high load, the fuel cell system 10 can be viewed locally.
  • the temperature of the fuel cell 20 can be controlled particularly appropriately within a range not exceeding the heat resistance upper limit temperature Tk.
  • the warm-up can be promoted by the above-mentioned temperature control using the heat generated by the partial oxidation reforming.
  • the temperature Tc that should be maintained for steady operation can be maintained.
  • the target calorific value Qt is set so that the temperature Tq of the discharged oxidant gas does not exceed the heat resistance upper limit temperature Tk of the internal reforming catalyst 22 which is the reforming catalyst.
  • Tk the heat resistance upper limit temperature of the internal reforming catalyst 22 which is the reforming catalyst.
  • the fuel and the fuel are mixed.
  • the temperature of the fuel cell 20 is controlled by supplying air or the like.
  • the temperature of the fuel cell 20 can be controlled by appropriately supplying the fuel and air mixture only when the temperature range at which partial oxidation reform is possible is reached, and utilizing the heat generated by the partial oxidation reform. ..
  • waste of fuel can be eliminated and problems such as carbon precipitation can be prevented.
  • the fuel cell system 10 of the above embodiment has a cell stack 21 having an internal reforming catalyst 22 which is a reforming catalyst that generates hydrogen from hydrocarbons, and a first fuel cell system 21 that supplies fuel containing hydrocarbons to the cell stack 21.
  • a fuel cell 20 including a flow path 23 and a second flow path 24 that supplies an oxidant gas to the cell stack 21 so as to flow facing or orthogonal to the fuel, and oxidation discharged from the second flow path 24. It includes a temperature sensor 60 that detects the temperature Tq of the exhausted oxidant gas, which is an agent gas, and a controller 12 that controls the temperature of the fuel cell 20 based on the temperature Tq of the exhausted oxidant gas.
  • the configuration of the fuel cell system 10 can be changed within a range that does not deviate from the purpose of temperature control of the fuel cell 20 according to the above embodiment.
  • the temperature of the fuel cell 20 is controlled by utilizing the heat generated by the partial oxidation reforming has been described, but the temperature of the fuel cell 20 is controlled based on the temperature Tq of the exhaust oxidant gas. If this can be done, the temperature of the fuel cell 20 can be controlled by a method other than utilizing the heat generated by the partial oxidation reforming, such as heating with a heater.
  • the controller 12 uses an oxidant gas supply device so that the temperature Tq of the exhaust oxidant gas reaches a desired temperature (for example, to keep a predetermined upper limit temperature).
  • a desired temperature for example, to keep a predetermined upper limit temperature.
  • the amount of air supplied by 41 or the amount of fuel, exhaust gas, and / or new air supplied to the combustor 51 may be controlled.
  • the temperature control of the fuel cell 20 using the partial oxidation reforming is particularly preferable because a special configuration for controlling the temperature of the fuel cell 20 is not required.
  • the fuel cell system 10 of the first embodiment includes one internally reformed fuel cell 20 having a cell stack 21 having an internal reformed catalyst 22.
  • Such an internally modified fuel cell 20 is used by supplying raw fuel in an excessive amount in order to prevent carbon precipitation and the like. Therefore, the fuel utilization rate is low. Therefore, in the fuel cell system 10 of the first embodiment, the fuel utilization rate can be improved by using another fuel cell in combination as described below.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system 210 of the second embodiment.
  • the fuel cell 20 of the fuel cell system 10 of the first embodiment is used as the first fuel cell, and the second fuel cell 220 is added. Therefore, the configuration common to the fuel cell system 10 of the first embodiment is designated by the same reference numerals as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the second fuel cell 220 is a fuel cell having a cell stack 221 having a smaller number of internal reforming catalysts 22 as compared with the fuel cell 20 which is the first fuel cell.
  • the cell stack 221 of the second fuel cell 220 is a solid oxide fuel cell having no internal reforming catalyst 22. That is, the second fuel cell 220 generates electricity by supplying the reformed fuel.
  • the anode inlet A3 of the second fuel cell 220 is connected to the anode outlet A2 of the fuel cell 20. Further, the anode outlet A4 of the second fuel cell 220 is connected to the combustor 51 via the fuel discharge path 34. That is, in the second fuel cell 220, the fuel discharged from the fuel cell 20 is supplied as fuel. Since the raw fuel is supplied in excess, the discharged fuel of the fuel cell 20 is not completely used as fuel, hydrogen remains, and it can still be used as fuel. On the other hand, almost all of the raw fuel of the exhaust fuel of the fuel cell 20 is reformed to hydrogen by the internal reforming of the fuel cell 20. Therefore, the discharged fuel of the fuel cell 20 is used as the reforming fuel in the second fuel cell 220.
  • the cathode inlet C1 of the second fuel cell 220 is connected to the oxidant gas supply device 41 via the oxidant gas discharge path 44. Further, the cathode outlet C2 of the second fuel cell 220 is connected to the cathode inlet C3 of the fuel cell 20. That is, the second fuel cell 220 uses the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 41 for power generation. After that, the second fuel cell 220 supplies the oxidant gas (exhausted oxidant gas) discharged from the second fuel cell 220 to the fuel cell 20 as the oxidant gas.
  • the exhaust oxidant gas of the second fuel cell 220 contains oxygen, and can sufficiently function as the oxidant gas in the fuel cell 20 as well.
  • the fuel cell system 210 of the second embodiment includes a second fuel cell 220 in addition to the fuel cell 20 which is the first fuel cell. Then, the fuel discharged from the fuel cell 20 is supplied to the second fuel cell 220.
  • the fuel utilization rate is low because the internally reformed fuel cell 20 is used by supplying raw fuel in an excessive manner, but the discharged fuel of the fuel cell 20 is used for power generation in the second fuel cell 220. Will be reused. Therefore, the fuel cell system 210 can be used for power generation with almost no surplus raw fuel, and the fuel utilization rate can be improved as compared with the fuel cell system 10 of the first embodiment.
  • the fuel cell system 210 of the second embodiment supplies the exhausted oxidant gas, which is the oxidant gas discharged from the second fuel cell 220, to the fuel cell 20 as the oxidant gas.
  • the exhausted oxidant gas which is the oxidant gas discharged from the second fuel cell 220
  • the temperature of the fuel cell 20 drops, but as described above, the exhaust oxidant gas heated by the power generation in the second fuel cell 220 is the fuel cell 20.
  • the fuel cell system 210 as a whole can easily maintain the heat balance. Therefore, the controller 12 can easily maintain the internally modified fuel cell 20 in steady operation more stably and with high efficiency.
  • the second fuel cell 220 added by the fuel cell system 210 of the second embodiment adopts one having a smaller number of internal reforming catalysts 22 than the fuel cell 20. Therefore, in the second fuel cell 220, endothermic reactions such as steam reforming are less likely to occur. Therefore, by supplying the exhaust oxidant gas of the second fuel cell 220 to the fuel cell 20, the controller 12 is particularly easy to maintain the heat balance between the heat generated by the power generation in the fuel cell 20 and the heat absorption due to the fuel reforming. Moreover, it is easy to maintain the heat balance as a whole of the fuel cell system 210. When the second fuel cell 220 does not have the internal reforming catalyst 22 as in the second embodiment, it is most likely to maintain these heat balances.
  • the temperature sensor 60 is provided at the cathode outlet C4 in which the second flow paths 24 branching into a plurality of branches in the cell stack 21 are once again integrated into one.
  • the arrangement of the sensor 60 can be arbitrarily changed within a range in which the maximum temperature in the temperature distribution in the fuel cell 20 can be detected or estimated.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a modified example in which the mounting position of the temperature sensor 60 is changed. As shown in FIG. 8, a part of the second flow path 24 branched in the cell stack 21 is pulled out, a flow path 301 that joins the cathode outlet C4 is provided, and a temperature sensor 60 can be provided in this flow path 301. ..
  • the fuel cell 20 has the first flow path 23 and the first flow path 23 due to the overall structural convenience of the fuel cell 20. Even when the temperature distribution is formed in the Y direction perpendicular to the two flow paths 24, the controller 12 can easily accurately detect or estimate the maximum temperature of the fuel cell 20 regardless of the temperature distribution in the Y direction.
  • the fuel and the oxidant gas of the fuel cell 20 have a counterflow, but the fuel and the oxidant gas of the fuel cell 20 can have a so-called cross flow.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of a modified example in which the configurations of the flow paths of the fuel and the oxidant gas are changed. That is, the fuel cell 20 replaces the counterflow cell stack 21 with a second flow path 24 that supplies the oxidant gas to the cell stack 21 so that the oxidant gas flows orthogonally to the fuel.
  • the cell stack 302 can be adopted.
  • the control methods of the first embodiment and the second embodiment can be executed and the effect can be obtained.
  • the temperature of the exhaust oxidant gas has a certain correlation with the maximum temperature in the temperature distribution in the fuel cell 20, so that the controller 12 can change the temperature of the exhaust oxidant gas into the fuel cell 20 from the temperature of the exhaust oxidant gas. This is because the maximum temperature of can be estimated.
  • a parallel flow cell stack in which the first flow path 23 and the second flow path 24 are parallel to each other and the fuel and the oxidant gas flow in parallel to these flow paths. Also in this case, the control methods of the first embodiment and the second embodiment can be executed and the effects thereof can be obtained.
  • a counterflow cell stack 21 or a crossflow cell stack 302 is adopted in order to make the temperature distribution in the fuel cell 20 evenly close and to improve the power generation efficiency. It is particularly preferable to adopt the counterflow cell stack 21.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a modified example in which the configuration of the flow path of the fuel and the oxidant gas and the mounting position of the temperature sensor 60 are changed with respect to the first embodiment and the second embodiment.
  • a cross-flow cell stack 302 is adopted, and then a flow path 303 is provided which draws out a part of the second flow path 24 and joins the cathode outlet C4.
  • the temperature sensor 60 is provided in the flow path 303.
  • the cross-flow cell stack 302 is adopted, if the flow path 303 from which a part of the second flow path 24 is drawn out is provided and the temperature sensor 60 is provided here, the temperature distribution in the fuel cell 20 is set.
  • the correlation between the maximum temperature and the temperature Tq of the discharged oxidant gas to be detected becomes high. Therefore, when the controller 12 estimates the maximum temperature in the fuel cell 20, the accuracy is improved, and as a result, the accuracy of the temperature control of the fuel cell 20 is improved.
  • the controller 12 estimates the maximum temperature in the fuel cell 20
  • the accuracy is improved, and as a result, the accuracy of the temperature control of the fuel cell 20 is improved.
  • the heat generated by the partial oxidation reforming causes the maximum on the anode inlet A1 side in the fuel cell 20.
  • the temperature can be detected directly and accurately. Therefore, the temperature control of the fuel cell 20 by the controller 12 can be performed particularly accurately.

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Abstract

燃料電池システムは、炭化水素から水素を生成する内部改質触媒を有するセルスタックと、セルスタックに炭化水素を含む燃料を供給する第1流路と、燃料と対向または直交して流れるように酸化剤ガスをセルスタックに供給する第2流路と、を有する燃料電池を備える。そして、燃料電池から排出された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度を検出し、排出酸化剤ガスの温度に基づいて燃料電池の温度制御を行う。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
　本発明は、燃料電池を有する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
　ＪＰ２０１７−１１７５５０Ａは、最も高温となるセルスタックの中央部分の温度を検出して、燃料電池全体の温度分布が均一となるように制御する方法を開示している。この燃料電池システムは、最も高温となるセルスタックの中央部分に不活性ガスを供給して、セルスタックの中央部分の温度を低下させることにより、燃料電池全体の温度分布の均一化を図っている。
　上記のように、ＪＰ２０１７−１１７５５０Ａはセルスタックの中央部分が最も高温になることを前提としているが、燃料電池の構成及び／または運転シーンによっては、他の部分と比較してセルスタックの中央部分が常に最高温になるとは限らない。例えば、燃料を改質するように構成された触媒（以下、改質触媒という）をセルスタックの内部に有する燃料電池では、部分酸化改質を行う場合に、セルスタックの中央部分よりもアノードの入口側の端部が相対的に最も高温になる。したがって、この内部改質型の燃料電池において、セルスタックの中央部分の温度に基準とする温度制御を行うと、セルスタックの一部において耐熱上限温度を超えてしまう可能性がある。
　本発明は、改質触媒を有するセルスタックを備える場合に、燃料電池の耐熱上限温度を超えない範囲において温度制御を行うことができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様による燃料電池システムの制御方法は、炭化水素から水素を生成する改質触媒を有するセルスタックと、セルスタックに炭化水素を含む燃料を供給する第１流路と、燃料と対向または直交して流れるように酸化剤ガスをセルスタックに供給する第２流路と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、第２流路から排出された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度を検出し、排出酸化剤ガスの温度に基づいて燃料電池の温度制御を行う。
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図２は、セルスタックにおける燃料の流路及び酸化剤ガスの流路を示す説明図である。 図３は、部分酸化改質を行う場合における燃料電池内の温度分布を示す模式的なグラフである。 図４は、燃料電池の温度制御に関するフローチャートである。 図５は、暖機運転における温度制御を模式的に示すグラフである。 図６は、定常運転における温度制御を模式的に示すグラフである。 図７は、第２実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図８は、温度センサの取り付け位置を変更した変形例の説明図である。 図９は、燃料及び酸化剤ガスの流路の構成を変更した変形例の説明図である。 図１０は、燃料及び酸化剤ガスの流路の構成と、温度センサの取り付け位置を変更した変形例の説明図である。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の燃料電池システム１０の構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、発電装置１１と、コントローラ１２と、を備える。発電装置１１は、燃料電池２０を用いて発電する装置であり、燃料電池２０の他、燃料流量調節装置３１、空気流量調節装置３３、酸化剤ガス供給装置４１、熱交換器４３、燃焼器５１、及び、温度センサ６０等を備える。コントローラ１２は、発電装置１１及び発電装置１１を構成する各部を統括的に制御する制御装置である。
　燃料電池２０は、燃料と酸化剤ガスとを用いて電気化学反応により発電するように構成された燃料電池セル（以下、単にセルという）を備える。本実施形態においては、燃料電池２０は、単一のセルにより構成され、または、複数のセルを積層して構成され、全体として必要な電力を生成するように構成されたセルスタック２１を備える。
　セルスタック２１は、その内部に改質触媒（以下、内部改質触媒という）を有する。内部改質触媒２２は、特定の化学反応を発生させ、または促進することにより、燃料電池２０に供給される燃料（以下、原燃料という）を改質し、原燃料から、発電に直接的に利用できる燃料（以下、改質燃料（アノードガス）という）を生成する。原燃料は、例えば、アルキル基等の炭化水素基を含む原料を主な成分として含有する燃料であり、具体的には、メタン等の炭化水素類、または、メタノール等のアルコール類である。内部改質触媒２２は、炭化水素を含む原燃料から、発電に用いられる水素を含む改質燃料を生成する。したがって、燃料電池２０はいわゆる直接内部改質型であり、原則として別途の改質器を要せず、燃料電池２０自身が未改質の原燃料あるいは改質が不完全な原燃料の供給を受けて発電することができる。
　セルスタック２１が行い得る燃料の改質には、例えば、部分酸化改質（ＰＯＸ）、水蒸気改質（ＳＲ）、及び、二酸化炭素改質等がある。内部改質触媒２２は、これらの一部または全部の改質反応に寄与する。
　部分酸化改質は、原燃料に酸素（Ｏ２）を混合させることにより、原燃料を部分的に酸化して改質燃料を得る改質反応である。例えば、原燃料がメタン（ＣＨ４）である場合、部分酸化改質は、主に下記（１）に示す部分酸化反応によって進行する。なお、一部のごく例外的な触媒上で発生する場合を除けば、部分酸化改質では、例えば初期段階において、下記（２）に示す完全燃焼（完全酸化）が発生及び進行する。このため、部分酸化改質では、水素（Ｈ２）の他、水（Ｈ２Ｏ）も発生する。（１）の部分酸化反応、及び、（２）の完全燃焼はいずれも発熱反応である。このため、部分酸化改質は発熱反応である。また、（１）及び（２）から分かるとおり、部分酸化改質は、酸素を消費する反応である。このため、部分酸化改質は、セルスタック２１の全体において均一に発生するのではなく、燃料の流路（後述する第１流路２３）の上流部分において相対的に発生量が多く、酸素が消費された燃料の流路の下流部分においては相対的に発生量が少ない。上流部分においては酸素が豊富であるが、下流部分においては、部分酸化改質の進行によって酸素が順次に消費され、相対的に含有する酸素の量が少なくなるからである。このように、部分酸化改質は、セルスタック２１において燃料の流路に沿って傾斜的に発生量が変化するので、セルスタック２１に大きな温度勾配を発生させる場合がある。
　ＣＨ４＋１／２Ｏ２　→　ＣＯ　＋２Ｈ２　　　　…（１）
　ＣＨ４＋　　２Ｏ２　→　ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ　　　…（２）
　水蒸気改質は、原燃料と水（水蒸気）との反応により、原燃料または改質燃料を部分的に酸化して改質燃料を得る改質反応である。例えば、原燃料がメタンである場合、水蒸気改質は、主に下記（３）または（４）に示す酸化反応によって進行する。水蒸気改質は、新たに供給する水、または、部分酸化改質（特に完全燃焼）によって発生する水、を利用して進行させることができる。本実施形態においては、セルスタック２１は、部分酸化改質によって発生する水を利用して水蒸気改質を行う。水蒸気改質は吸熱反応である。
　ＣＨ４＋　　Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ　＋３Ｈ２　　　　…（３）
　ＣＨ４＋　２Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋４Ｈ２　　　　…（４）
　二酸化炭素改質は、原燃料、もしくは、部分酸化改質または水蒸気改質によって改質された改質燃料、と二酸化炭素（ＣＯ２）との反応により、原燃料または改質燃料を部分的に酸化して改質燃料を得る改質反応である。例えば、原燃料がメタンである場合、二酸化炭素改質は、主に下記（５）に示す部分酸化反応によって進行する。二酸化炭素改質は、新たに供給する二酸化炭素、もしくは、部分酸化改質（特に完全燃焼）または水蒸気改質によって発生する二酸化炭素、を利用して進行させることができる。本実施形態においては、セルスタック２１は、部分酸化改質及び／または水蒸気改質によって発生する二酸化炭素を利用して二酸化炭素改質を行う。二酸化炭素改質は吸熱反応である。
　ＣＨ４＋　　ＣＯ２　→２ＣＯ　＋２Ｈ２　　　　…（５）
　また、燃料電池２０は、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池２０がＳＯＦＣである場合、セルスタック２１は、原燃料及び／または改質燃料（以下、区別が必要な場合を除き、単に燃料という）の流路である第１流路２３と、酸化剤ガスの流路である第２流路２４と、固体酸化物からなる電解質（図示しない）と、を有する。そして、セルスタック２１は、第１流路２３と第２流路２４とが電解質を介して隣接する構造を有する。したがって、内部改質触媒２２は、燃料の流路である第１流路２３に設けられる。また、第１流路２３における電解質の表面には負極として機能するように構成された電極（以下、アノードという）が設けられ、第２流路２４における電解質の表面には正極として機能するように構成された電極（以下、カソードという）が設けられている。なお、本実施形態では内部改質触媒２２はアノードと別体であるが、アノードの一部または全部が内部改質触媒２２として機能する場合がある。また、内部改質触媒２２は、セルスタック２１内の全体に実質的に一様に設けられる。すなわち、内部改質触媒２２は、第１流路２３の特定の部分にのみ設けられている等ということがなく、セルスタック２１内においては実質的に第１流路２３の任意部分で原燃料を改質し得る。
　燃料電池２０は、アノード入口Ａ１、アノード出口Ａ２、カソード入口Ｃ３、及び、カソード出口Ｃ４を有する。
　アノード入口Ａ１は、第１流路２３の上流側の端部であり、燃料電池２０への原燃料の入口である。したがって、アノード入口Ａ１は、燃料供給路３２を介して燃料流量調節装置３１と接続する。一方、アノード出口Ａ２は、第１流路２３の下流側の端部であり、使用済みの燃料及び発電により生じたガス等（以下、排出燃料（アノードオフガス）という）を燃料電池２０の外部に排出する。本実施形態においては、アノード出口Ａ２は燃料排出路３４を介して燃焼器５１と接続する。
　カソード入口Ｃ３は、第２流路２４の上流側の端部であり、燃料電池２０への酸化剤ガスの入口である。本実施形態においては、カソード入口Ｃ３は、酸化剤ガス供給路４２を介して酸化剤ガス供給装置４１と接続する。一方、カソード出口Ｃ４は、第２流路２４の下流側の端部であり、発電に使用済みの酸化剤ガス及び発電により生じたガス等（以下、排出酸化剤ガス（カソードオフガス）という）を燃料電池２０の外部に排出する。本実施形態においては、カソード出口Ｃ４は、酸化剤ガス排出路４４を介して燃焼器５１と接続する。
　なお、燃料電池２０は、燃料電池２０に接続された機器または装置等に電力を供給する。燃料電池２０に接続された機器または装置等とは、例えば、蓄電池、または、電動車両の駆動源として利用するモータ等である。本実施形態においては、図示を省略するが、燃料電池２０は、電動車両を駆動するためのモータに接続した蓄電池に接続される。このため、燃料電池２０は、間接的に電動車両を駆動するエネルギー源として機能する。
　燃料流量調節装置３１は、燃料電池２０に原燃料を供給する装置（燃料供給装置）であり、かつ、燃料電池２０に供給する原燃料の流量を調節する装置である。燃料流量調節装置３１は、燃料供給路３２を介してアノード入口Ａ１に接続する。燃料流量調節装置３１は、燃料タンクとインジェクタとを備える。燃料タンクは、原燃料を例えば液体の状態で貯蓄する。インジェクタは、燃料タンクから燃料供給路３２に原燃料を噴出させる。これにより、燃料流量調節装置３１は燃料電池２０に原燃料を供給する。燃料流量調節装置３１が燃料電池２０に原燃料を供給するタイミング、及び、原燃料の供給量等は、コントローラ１２が制御する。なお、燃料流量調節装置３１は、必要に応じて熱交換器等を含む場合がある。この場合、燃料流量調節装置３１は、加熱または熱交換等により、原燃料の温度、相、及び圧力等を調整することができる。本実施形態においては、燃料流量調節装置３１は、原燃料を気化して燃料電池２０に供給する。
　空気流量調節装置３３は、燃料供給路３２に接続しており、燃料流量調節装置３１が燃料電池２０に供給する原燃料に、必要に応じて空気を混合させる装置（空気供給装置）であり、かつ、原燃料に混合させる空気の流量を調節する装置である。空気流量調節装置３３は、例えば、エアブロアである。空気流量調節装置３３によって、原燃料に空気を混合させる目的は、原燃料に酸素を含ませることにより、セルスタック２１において部分酸化改質を発生させること、または、セルスタック２１で発生している部分酸化改質を促進することである。したがって、空気流量調節装置３３は、必要に応じて原燃料に酸素を混合させることができればよい。このため、空気流量調節装置３３は、自然な空気の代わりに、酸素のみ、酸素を含む空気以外の気体、構成成分や温度等を調整した空気等を原燃料に混合させる構成にしてもよい。空気流量調節装置３３が原燃料に空気を混合させるタイミング、及び、原燃料に混合させる空気の量等は、コントローラ１２が制御する。
　酸化剤ガス供給装置４１は、燃料電池２０に酸化剤ガスを供給する装置であり、酸化剤ガス供給路４２を介してカソード入口Ｃ３に接続する。本実施形態においては、酸化剤ガスは、燃料電池２０が発電に使用する酸素を含む空気である。すなわち、本実施形態においては、酸化剤ガス供給装置４１はエアブロアである。
　熱交換器４３は、酸化剤ガス供給路４２に設けられており、熱交換により、酸化剤ガスを加熱する。したがって、熱交換器４３は、燃料電池２０に加熱した酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスを加熱するための熱交換は、燃焼器５１が排出するガス（以下、排ガスという）との間で行われる。
　燃焼器５１には、燃料排出路３４を介して燃料電池２０から排出燃料が供給される。また、燃焼器５１には、酸化剤ガス排出路４４を介して燃料電池２０から排出酸化剤ガスが供給される。そして、燃焼器５１は、排出燃料と排出酸化剤ガスを例えば触媒燃焼により燃焼する。この燃焼の結果として生成される排ガスは、排気路５２から熱交換器４３を介して燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池２０における電気化学反応や排ガスの生成等によって生じる熱は、熱交換器４３における熱交換により、酸化剤ガス供給路４２にある酸化剤ガスの加熱に利用される。
　温度センサ６０は、酸化剤ガス排出路４４に設けられる。温度センサ６０は、燃料電池２０から排出された酸化剤ガス、より具体的には第２流路２４から排出された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度を検出する。温度センサ６０は、検出した排出酸化剤ガスの温度をコントローラ１２に入力する。
　コントローラ１２は、温度センサ６０が検出した排出酸化剤ガスの温度に基づいて燃料電池２０の温度制御を行う。特に、本実施形態では、コントローラ１２は、セルスタック２１における部分酸化改質の発熱によって燃料電池２０の温度制御を行う。コントローラ１２が燃料電池２０の温度制御を行う具体的な方法については詳細を後述する。また、コントローラ１２は、ＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサやメモリ等を用いて構成されるコンピュータあるいはマイクロコンピュータである。コントローラ１２は、燃料電池システム１０を制御するための専用のコンピュータとして構成することができる他、他の装置またはシステム等を制御するコンピュータの一部として構成できる。例えば、燃料電池システム１０を電動車両に搭載する場合には、その電動車両の駆動等を制御する車両コントローラを、燃料電池システム１０のコントローラ１２として機能させることができる。また、コントローラ１２は、発電装置１１と通信することによりこれを制御するサーバ型のコンピュータとして構成できる。
　図２は、本実施形態のセルスタック２１における燃料の流路及び酸化剤ガスの流路を示す説明図である。図２に示すように、第１流路２３は、セルスタック２１に燃料を供給する流路である。また、第２流路２４は、酸化剤ガスが燃料と対向して流れるように、酸化剤ガスをセルスタック２１に供給する流路である。第１流路２３と第２流路２４は、流路としての形状は平行であるが、第１流路２３を燃料が流れる方向と第２流路２４を酸化剤ガスが流れる方向は反対である。したがって、燃料と酸化剤ガスの流れる方向まで考慮すると、第１流路２３と第２流路２４は反平行あるいは逆平行であり、燃料と酸化剤ガスはいわゆるカウンターフローとなっている。なお、後述するように、第２流路２４は、酸化剤ガスが燃料と直交して流れるように、酸化剤ガスをセルスタック２１に供給する流路にすることができる。
　図３は、部分酸化改質を行う場合における燃料電池２０内の温度分布を示す模式的なグラフである。図３では、セルスタック２１が、全体として部分酸化改質が起こり得る程度の温度以上に到達しており、その上でセルスタック２１において部分酸化改質を行った場合に形成される燃料電池２０の温度分布を表している。部分酸化改質が起こり得る程度の温度とは、例えば約３００度以上である。なお、横軸は第１流路２３及び第２流路２４に沿った位置を表す。セルスタック２１を構成する各セルはこの縦軸の方向にスタックされている。また、実線で示すグラフ１０１は燃料電池２０内の燃料の温度を表し、破線で示すグラフ１０２は酸化剤ガスの温度を表す。セルスタック２１内における燃料及び酸化剤ガスの温度は、実質的に燃料電池２０の温度と同一とみなすことができる。
　原燃料がアノード入口Ａ１から例えば常温で供給され、原燃料がセルスタック２１に到達すると、発熱反応である部分酸化改質が発生する。その結果、グラフ１０１に示すように、部分酸化改質の発生量に応じて、燃料及び燃料電池２０の温度が上昇する。部分酸化改質は、前述のように、酸素が豊富なアノード入口Ａ１側において相対的に多く発生し、酸素が消費されたアノード出口Ａ２側においては相対的に発生量が少なくなる。このため、グラフ１０１に示すように、部分酸化改質は、アノード入口Ａ１からアノード出口Ａ２にかけて概ね減少する温度分布を燃料電池２０に形成する。この温度分布により、燃料電池２０は、燃料電池２０の中央部分の位置ではなく、アノード入口Ａ１側に偏った所定位置（アノード入口Ａ１またはアノード入口Ａ１の近傍の位置）において最も高温の温度Ｔｐとなる。
　グラフ１０２に示すように、酸化剤ガスの温度分布は、上記のように部分酸化改質によって形成される温度分布に追従し、少なくともセルスタック２１内においてはほぼ同一の温度分布となる。燃料と酸化剤ガスは、薄膜である電解質を介して表裏一体にセルスタック２１内を流れるので、相互の熱交換により、実質的に同じ温度になるからである。したがって、カソード出口Ｃ４から排出される排出酸化剤ガスは、部分酸化改質によって形成された温度分布の最高温度にほぼ等しい温度、または、部分酸化改質によって形成された温度分布における最高温度に相関がある温度、となって排出される。最高温度に相関がある温度とは、燃料電池２０内の最高温度と一定の関係性があることにより、その温度に基づいて、燃料電池２０内の最高温度を算出または推定し得る温度をいう。
　温度センサ６０は、排出酸化剤ガスの温度を検出する。その結果、温度センサ６０は、燃料電池２０内の最高温度、または、燃料電池２０内の最高温度に相関がある温度を検出する。コントローラ１２は、温度センサ６０が検出した排出酸化剤ガスの温度に基づいて燃料電池２０の温度制御をすることにより、燃料電池２０内の最高温度に基づいて燃料電池２０の温度制御をする。
　本実施形態では、燃料と酸化剤ガスはカウンターフローとなっているので、排出酸化剤ガスの温度は、部分酸化改質によって形成された温度分布の最高温度にほぼ等しい温度である。したがって、温度センサ６０は、排出酸化剤ガスの温度を検出することによって、実質的に燃料電池２０内の最高温度を検出する。そして、コントローラ１２は、温度センサ６０が検出した排出酸化剤ガスの温度を用いることによって、直接的に、燃料電池２０内の最高温度に基づいて燃料電池２０の温度制御をする。
　なお、セルスタック２１の中央部分において燃料電池２０の温度が低下するのは、吸熱反応である水蒸気改質及び／または二酸化炭素改質が進行するからである。また、セルスタック２１の中央部分からアノード出口Ａ２及びカソード入口Ｃ３にかけて燃料電池２０の温度が上昇するのは、カソード入口Ｃ３から加熱された酸化剤ガスが供給されるからである。
　以下、コントローラ１２が、セルスタック２１における部分酸化改質の発熱によって、燃料電池２０の温度を制御する方法を説明する。図４は、燃料電池２０の温度制御に関するフローチャートである。すなわち、セルスタック２１における部分酸化改質の発熱によって燃料電池２０の温度制御を行う場合、コントローラ１２は、排出酸化剤ガス温度取得ステップＳ１０１、判定ステップＳ１０２、昇温限界演算ステップＳ１０３、目標発熱量演算ステップＳ１０４、燃料流量演算ステップＳ１０５、混合空気流量演算ステップＳ１０６、及び、制御実行ステップＳ１０７をこの順に、所定の時間間隔で繰り返し実行することにより、燃料電池２０の温度を制御する。なお、「燃料電池２０の温度制御」は、特に、昇温限界演算ステップＳ１０３、目標発熱量演算ステップＳ１０４、燃料流量演算ステップＳ１０５、混合空気流量演算ステップＳ１０６、及び、制御実行ステップＳ１０７で行われる制御をいう。
　排出酸化剤ガス温度取得ステップＳ１０１では、コントローラ１２は、温度センサ６０で検出される排出酸化剤ガスの温度を取得する。すなわち、コントローラ１２は排出酸化剤ガス温度取得部として機能するように構成されている。燃料電池システム１０の暖機運転中（部分酸化改質の開始前）においては、カソード出口Ｃ４側（アノード入口Ａ１側）の温度が低くなる。このため、暖機運転中の場合、コントローラ１２は、この温度を反映した温度センサ６０で検出される排出酸化剤ガスの温度によって、燃料電池２０内の温度が、部分酸化改質が可能な温度に達したか否かを判定することができる。一方、部分酸化改質が開始されると、温度センサ６０で検出される排出酸化剤ガスの温度は、部分酸化改質による発熱を反映して、燃料電池２０内の最高温度とほぼ等しい温度となる。このため、部分酸化改質の開始後においては、コントローラ１２は、温度センサ６０から取得した排出酸化剤ガスの温度を燃料電池２０内の最高温度とみなし、当該燃料電池２０の温度を制御するための後続のステップを実行する。なお、燃料電池２０の運転状態などによって、排出酸化剤ガスの温度が燃料電池２０内の最高温度から制御上の誤差をもたらす程度にずれる可能性がある場合には、必要に応じて、検出した排出酸化剤ガスの温度を補正してもよい。この場合、コントローラ１２は、排出酸化剤ガスの温度と、燃料電池２０内の最高温度との相関関係を考慮して以下のステップを行う。また、排出酸化剤ガスの温度を用いて、燃料電池２０内の最高温度を推定する場合、例えば、排出酸化剤ガスの温度と燃料電池２０内の最高温度とを対応付けたマップを用いることができる。
　判定ステップＳ１０２では、コントローラ１２は、排出酸化剤ガスの温度が、部分酸化改質が可能な温度以上であるか否かを判定する。すなわち、コントローラ１２は判定部として機能するように構成されている。排出酸化剤ガスの温度が、部分酸化改質が可能な温度未満である場合、コントローラ１２は、判定ステップＳ１０２に続くステップを実行せず、所定周期で排出酸化剤ガスの温度の取得を継続する。排出酸化剤ガスの温度すなわち燃料電池２０の最高温度ですら部分酸化改質を行い得る温度に到達していない場合、部分酸化改質が発生しないので、その熱を燃料電池２０の温度制御に利用し得ないからである。排出酸化剤ガスの温度が、部分酸化改質が可能な温度以上である場合、コントローラ１２は、昇温限界演算ステップＳ１０３を実行する。
　昇温限界演算ステップＳ１０３では、コントローラ１２は、検出した排出酸化剤ガスの温度Ｔｑを用いて昇温限界ΔＴｍを演算する。すなわち、コントローラ１２は、昇温限界演算部として機能するように構成されている。昇温限界ΔＴｍとは、セルスタック２１及びその他の燃料電池２０を構成する部品のうち、最も耐熱温度が低い部品の耐熱上限温度（以下、単に耐熱上限温度という）から、検出した排出酸化剤ガスの温度Ｔｑを減算して求める温度である。本実施形態においては、内部改質触媒２２の耐熱上限温度Ｔｋが、セルスタック２１及びその他の燃料電池２０の部品の耐熱上限温度の中で最も低い。このため、コントローラ１２は、昇温限界ΔＴｍをΔＴｍ＝Ｔｋ−Ｔｑによって算出する。
　目標発熱量演算ステップＳ１０４では、コントローラ１２は、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づく所定の目標発熱量Ｑｔを演算する。これにより、コントローラ１２は、燃料電池２０の温度制御において、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが内部改質触媒２２の耐熱上限温度Ｔｋを超えないように、目標発熱量Ｑｔを設定する。すなわち、コントローラ１２は、目標発熱量演算部及び／または目標発熱量設定部として機能するように構成されている。目標発熱量Ｑｔとは、部分酸化改質による発熱量の目標値である。また、目標発熱量Ｑｔは、所定時間（例えば排出酸化剤ガスの温度Ｔｑの検出周期）当たりの発熱量の目標値である。目標発熱量Ｑｔは、例えば、昇温限界ΔＴｍと、セルスタック２１あるいは各セルの比熱Ｓｈと、部分酸化改質が発生するセルの質量Ｍｃと、の積、すなわちＱｔ＝ΔＴｍ×Ｓｈ×Ｍｃによって目標発熱量Ｑｔを求めることができる。コントローラ１２は、目標発熱量Ｑｔを達成するための燃料（酸素）の流量を、部分酸化改質の反応式から求める発熱量に基づいて演算する。
　燃料流量演算ステップＳ１０５では、コントローラ１２は、目標発熱量Ｑｔに基づいて、原燃料の流量である燃料流量Ｆｆを演算する。すなわち、コントローラ１２は、燃料流量演算部として機能するように構成されている。燃料流量Ｆｆは、部分酸化改質によって目標発熱量Ｑｔに達するために必要な原燃料の流量である。セルスタック２１において発電が開始している場合、燃料流量演算ステップＳ１０５において算出する燃料流量Ｆｆは、目標発熱量Ｑｔを達成しつつ、発電を維持するための原燃料の流量である。
　混合空気流量演算ステップＳ１０６では、コントローラ１２は、目標発熱量Ｑｔに基づいて、原燃料に混合させる空気の量である混合空気流量Ｆａを演算する。すなわち、コントローラ１２は、混合空気流量演算部として機能するように構成されている。混合空気流量Ｆａは、部分酸化改質によって目標発熱量Ｑｔに達するために原燃料に混合させることが必要な空気の流量である。セルスタック２１において発電が開始している場合、混合空気流量Ｆａは、発生させる部分酸化改質の量に対応した酸素を含む空気の流量である。
　制御実行ステップＳ１０７では、コントローラ１２は、演算した燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを実現するように、燃料流量調節装置３１及び空気流量調節装置３３をそれぞれ制御する。すなわち、コントローラ１２は、セルスタック２１における部分酸化改質の発熱量が目標発熱量Ｑｔとなるように、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを操作する。したがって、コントローラ１２は、燃料流量調節装置３１が燃料電池２０に供給する原燃料の流量を制御する燃料流量制御部として機能するように構成されている。また、コントローラ１２は、空気流量調節装置３３が原燃料に混合させる空気の流量を制御する混合空気流量制御部として機能するように構成されている。このように、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを制御することによって、部分酸化改質によって燃料電池２０の内部にアノード入口Ａ１からアノード出口Ａ２にかけて減少する温度分布が発生する場合でも、燃料電池２０の温度は内部改質触媒２２の耐熱上限温度Ｔｋを超えない範囲内において制御される。したがって、燃料電池システム１０は、セルスタック２１の内部で部分酸化改質によって燃料の改質を行っても、内部改質触媒２２を損傷することなく、継続的に、かつ、効率的に運転することができる。
　上記のように、セルスタック２１における部分酸化改質の発熱によって行う燃料電池２０の温度制御は、燃料電池システム１０の始動時に暖機運転をする運転シーンと、水蒸気改質等によりセルスタック２１の温度が低下した場合に、セルスタック２１の温度を回復する運転シーンにおいて特に有用である。以下、これらの運転シーンについて詳細に説明する。
　図５は、暖機運転における温度制御を模式的に示すグラフである。温度Ｔａは、部分酸化改質が可能となる温度であり、例えば約３００度である。温度Ｔｂは、燃料電池２０が固体酸化物型燃料電池である場合に、発電が可能になる温度であり、例えば約５００度である。温度Ｔｃは、燃料電池２０が固体酸化物型燃料電池である場合に、発電効率を考慮して定常運転時に維持する温度であり、例えば約８００度から約１０００度である。また、図５の各グラフＧ１~Ｇ６は、所定の時間間隔で計測等した場合の酸化剤ガスの温度を表している。
　燃料電池システム１０を起動し、燃料電池２０を発電可能な温度域まで暖機運転をする場合、燃料電池２０は、発電可能な温度よりも低温である。このため、コントローラ１２は、燃焼器５１に酸化剤ガスと原燃料を供給しつつ、酸化剤ガスを燃料電池２０に加熱した酸化剤ガスを流すことによって燃料電池２０を暖機する。これにより、グラフＧ１及びグラフＧ２に示すように、燃料電池２０は徐々に温まり、発電可能な温度に近づく。温度Ｔｄ１は、グラフＧ１の時点における排出酸化剤ガスの温度Ｔｑである。温度Ｔｄ２は、グラフＧ２の時点における排出酸化剤ガスの温度Ｔｑである。
　ここで、上記の過熱した酸化剤ガスを用いた暖機運転を継続すると、グラフＧ１からグラフＧ３の各間隔によって示す通り、燃料電池２０が温まる速度が遅く、燃料電池２０が発電可能な温度に到達するまでには長時間を要する。そこで、グラフＧ３に示すように、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが温度Ｔｄ３に到達し、部分酸化改質が可能な温度Ｔａ以上の温度になった場合、コントローラ１２は、耐熱上限温度Ｔｋから、検出した排出酸化剤の温度Ｔｄ３を減算することにより、グラフＧ３の時点における昇温限界ΔＴｍである昇温限界δ３を演算する。コントローラ１２は、昇温限界δ３に基づいて目標発熱量Ｑｔを演算し、さらに、算出した目標発熱量Ｑｔに基づいて、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを演算する。その後、算出した燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａにしたがって、コントローラ１２が燃料流量調節装置３１及び空気流量調節装置３３をそれぞれ制御すると、グラフＧ３＊に示すように、セルスタック２１の所定範囲Ｒｐｏｘにおいて部分酸化改質が進行する。その結果、この所定範囲Ｒｐｏｘの温度が、部分酸化改質の発熱によって上昇する。但し、所定範囲Ｒｐｏｘにおいても燃料電池２０の最高温度は耐熱上限温度Ｔｋ以下である。
　グラフＧ３＊の部分酸化改質によって発生した熱は、セルスタック２１を伝搬する。このため、グラフＧ４に示すように、次に排出酸化剤ガスの温度Ｔｑを検出するタイミングにおいては、グラフＧ１からグラフＧ３までの各グラフ間隔と比較して、グラフＧ３からグラフＧ４の間隔は大きくなる。すなわち、暖機運転をする運転シーンにおいて、部分酸化改質を発生させることで、燃料電池２０の暖機が促進される。
　グラフＧ４の時点では、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑは、温度Ｔｄ４であり、発電が可能な温度Ｔｂよりも低いが、部分酸化改質が可能な温度Ｔａよりは高い。このため、コントローラ１２は、上記と同様に、セルスタック２１において再び部分酸化改質を行い、その熱によって燃料電池２０の暖機を促進する。すなわち、コントローラ１２は、グラフＧ４の時点における昇温限界δ４を算出する。そして、コントローラ１２は、昇温限界δ４に基づいて目標発熱量Ｑｔを演算し、さらに、算出した目標発熱量Ｑｔに基づいて、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを演算及び制御する。これにより、グラフＧ４＊に示すように、セルスタック２１の所定範囲Ｒｐｏｘにおいて部分酸化改質が発生し、その熱が伝搬することによって燃料電池２０の暖機が再び促進される。
　グラフＧ４時点の昇温限界δ４は、グラフＧ３時点の昇温限界δ３よりも小さいので、当然に、グラフＧ４時点の目標発熱量ＱｔはグラフＧ３時点の目標発熱量Ｑｔよりも小さい。また、グラフＧ４時点の燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａも、グラフＧ３時点の燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａよりも少ない。その結果、セルスタック２１の所定範囲Ｒｐｏｘにおいて発生する部分酸化改質の発熱量は、グラフＧ４時点の方がグラフＧ３時点よりも抑えられる。その結果、グラフＧ４時点において追加的に部分酸化改質を行っても、燃料電池２０の最高温度は耐熱上限温度Ｔｋ以下に保たれる。
　その後、グラフＧ５に示すように、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが温度Ｔｄ５となって、発電可能な温度Ｔｂを超えるようになると、セルスタック２１においては、燃料及び酸化剤ガスの供給により、発電が始まる。燃料電池２０は、通常、温度が高いほど発電効率も高い。このため、燃料電池２０は、耐熱上限温度Ｔｋ以下の範囲内において可能な限り高温を保って運転される。したがって、発電が開始された後であっても、グラフＧ５で示すように、定常運転の目標とする温度Ｔｃに到達しないような場合には、コントローラ１２は、上記と同様に燃料電池２０の暖機を継続する。すなわち、コントローラ１２は、グラフＧ５時点の昇温限界δ５を算出する。そして、コントローラ１２は、昇温限界δ５に基づいて目標発熱量Ｑｔを演算し、さらに、算出した目標発熱量Ｑｔに基づいて、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを演算及び制御する。これにより、グラフＧ４＊に示すように、セルスタック２１の所定範囲Ｒｐｏｘにおいて部分酸化改質が発生し、その熱が伝搬することによって燃料電池２０の暖機が促進される。この結果、グラフＧ６の時点で、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑは温度Ｔｄ６となり、燃料電池２０の全体の温度も定常運転時に維持する温度Ｔｃを超える。これにより、従来のようにヒータや燃焼器５１のみで加熱した酸化剤ガスを流すことによって暖機運転をする場合と比較して、短時間で暖機運転は完了し、燃料電池システム１０は、セルスタック２１において発電をする定常運転に移行することができる。
　図６は、定常運転における温度制御を模式的に示すグラフである。燃料電池２０の温度が概ね定常運転時に維持する温度Ｔｃを超え、定常運転が継続している場合であっても、水蒸気改質等による吸熱量や燃料電池２０への負荷等によっては、燃料電池２０の温度が低下する場合がある。例えば、燃料電池２０に要求される出力電力が中程度であるか少なく、燃料電池２０に対する負荷が低負荷または中負荷で定常運転をしている場合、燃料電池２０内の温度分布は、概ねカソード入口Ｃ３からカソード出口Ｃ４にかけて温度が上昇する温度分布となる。本実施形態の燃料電池２０では、低負荷または中負荷の場合、発電によって発生する熱量が少ないが、水蒸気改質等による吸熱量はさらに小さいので、発電による発熱量が水蒸気改質等による吸熱量を上回るからである。一方、燃料電池２０に要求される出力電力が大きく、燃料電池２０に対する負荷が高い場合、燃料電池２０内の温度分布は、燃料電池２０内の温度分布は、カソード入口Ｃ３からカソード出口Ｃ４にかけて温度が低下する温度分布となる場合がある。本実施形態の燃料電池２０では、高負荷の場合、発電によって発生する熱量が大きいが、水蒸気改質等による吸熱量がさらに大きいので、発電による発熱量が水蒸気改質等による吸熱量を下回るからである。このように、燃料電池２０が高負荷の状態で定常運転を継続すると、例えば、グラフＧ７に示すように、定常運転の開始後であるにもかかわらず、燃料電池２０の温度が、定常運転時に維持すべき温度Ｔｃを下回る場合がある。このような状態で、単に定常運転を継続し続けると、その後、発電可能な温度Ｔｂをも下回り、発電を継続できなくなるおそれがある。
　このため、コントローラ１２は、定常運転に移行後も排出酸化剤ガスの温度Ｔｑの検出を継続する。そして、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑ定常運転時に維持すべき温度Ｔｃ以下となった場合には、コントローラ１２は部分酸化改質の発熱により、燃料電池２０を加熱する。例えば、グラフＧ７のように、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが温度Ｔｄ７となり、定常運転時に維持すべき温度Ｔｃを下回ると、コントローラ１２は昇温限界δ７を算出する。そして、コントローラ１２は、昇温限界δ７に基づいて目標発熱量Ｑｔを演算し、さらに、算出した目標発熱量Ｑｔに基づいて、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを演算及び制御する。これにより、グラフＧ７＊に示すように、セルスタック２１の所定範囲Ｒｐｏｘにおいて部分酸化改質が発生させる。そして、発生させた部分酸化改質の熱が伝搬することによって、グラフＧ８に示すように、燃料電池２０の温度は、定常運転時に維持すべき温度Ｔｃ以上の温度になる。この温度制御の結果、燃料電池２０は高負荷の状態が続いても、要求される出力電力を満たしながら発電を継続できる。また、このように定常運転時に維持すべき温度Ｔｃ以上の温度に燃料電池２０の温度を維持する温度制御をする場合も、コントローラ１２は、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいた温度制御をするので、燃料電池２０の温度は局所的に見ても耐熱上限温度Ｔｋを超えることがない。したがって、燃料電池システム１０は、燃料電池２０を破損等することなく、定常運転を安定的に継続できる。
　上記のように、一実施形態の燃料電池システム１０の制御方法は、炭化水素から水素を生成する改質触媒である内部改質触媒２２を有するセルスタック２１と、セルスタック２１に炭化水素を含む燃料を供給する第１流路２３と、燃料と対向または直交して流れるように酸化剤ガスをセルスタック２１に供給する第２流路２４と、を有する燃料電池２０を備える燃料電池システム１０の制御方法であって、第２流路２４から排出された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度Ｔｑを検出し、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて燃料電池２０の温度制御を行う。
　この燃料電池システム１０の制御方法では、上記の通り、燃料電池２０が内部改質型であるため、セルスタック２１の中央部分よりもアノード入口Ａ１の付近で相対的に高温になる場合がある。また、燃料電池２０は、いわゆるカウンターフローまたはクロスフローであり、カソード出口Ｃ４の温度は、相対的な高温部分であるアノード入口Ａ１の温度とみなすことができる。そして、燃料電池システム１０のコントローラ１２は、アノード入口Ａ１に近いカソード出口Ｃ４で検出した排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて燃料電池２０の温度制御を行う。すなわち、上記実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法では、燃料電池２０内での相対的な高温部分の温度に基づいて温度制御を行うので、より確実に耐熱基準である耐熱上限温度Ｔｋを遵守した安定的な制御を実現できる。
　一方、従来のように燃料電池２０の中央部分の温度に基づいて燃料電池２０の温度制御をする場合、燃料電池２０が内部改質型であって、セルスタック２１の中央部分よりもアノード入口Ａ１の付近で相対的に高温になる運転シーンにおいて、アノード入口Ａ１の付近の相対的な高温部分が耐熱基準である耐熱上限温度Ｔｋを超え、燃料電池２０を破損等してしまうおそれがある。したがって、上記実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法は、従来の燃料電池システムの制御方法と比較して、燃料電池２０を破損等せず、より確実に安定的に運転できる。
　セルスタック２１の中央部分よりもアノード入口Ａ１の付近が相対的な高温部分になりやすい場面の例としては、部分酸化改質が生じる運転シーンがある。このため、上記の燃料電池システム１０の制御方法は、セルスタック２１において部分酸化改質が生じる場合に特に好適である。
　例えば、燃料電池２０の暖機（昇温）を促進するため、約３００度程度の低温域から部分酸化改質を積極的に行う場合、部分酸化改質の発熱によってアノード入口Ａ１側が燃料電池２０内の温度分布において最高温度になる。このため、燃料電池２０の暖機のために部分酸化改質を行う場合にも、上記のようにカソード出口Ｃ４に設けた温度センサ６０によって排出酸化剤ガスの温度Ｔｑを検出し、検出した排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて燃料電池２０の温度制御を行うことで、局所的に見ても耐熱上限温度Ｔｋを超えない範囲で、燃料電池２０の暖機を促進することができる。なお、上記実施形態のように、燃料と酸化剤ガスがカウンターフローとなっている場合、温度センサ６０によって検出する排出酸化剤ガスの温度Ｔｑは、実質的に燃料電池２０の最高温度と等しくなるので、上記の温度制御を特に正確に実行できる。
　なお、上記実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法では、特に、燃料電池２０の温度制御を、燃料電池２０の温度が所定温度である耐熱上限温度Ｔｋ以下となるように制御する。そして、耐熱上限温度Ｔｋは任意である。したがって、上記実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法は、燃料電池２０の温度が所定温度以下となるように制御する場合に特に好適であり、燃料電池２０及び燃料電池システム１０を破損等の恐れを低減した安定的な制御を実現することができる。
　上記実施形態の燃料電池システム１０は、上記の基本的な構成に加えて、燃料電池２０に供給する燃料の流量を調節する燃料流量調節装置３１と、燃料に混合させる空気の流量を調節する空気流量調節装置３３と、をさらに備える。そして、上記実施形態の燃料電池システム１０の制御方法では、燃料電池２０の温度制御において、具体的に、セルスタック２１における部分酸化改質の発熱量が排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づく所定の目標発熱量Ｑｔとなるように、燃料の流量である燃料流量Ｆｆと、燃料に混合させる空気の流量である混合空気流量Ｆａと、を操作する。したがって、上記実施形態の燃料電池システム１０の制御方法は、燃料電池２０の温度制御を、内部改質触媒２２の性質上必然的に生じる部分酸化改質を利用するという方法で実現する。すなわち、上記実施形態の燃料電池システム１０の制御方法では、特別な熱源又は冷熱源の準備を要しない燃料電池２０の温度制御が実現される。
　また、燃料電池システム１０では、空気流量調節装置３３によって燃料に空気を混合させることにより、部分酸化改質を積極的に発生させる。そして、燃料電池システム１０では、この排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて目標発熱量Ｑｔを定め、燃料流量Ｆｆ及び混合空気流量Ｆａを制御する。その結果、燃料電池システム１０では、発生させる部分酸化改質の発熱量を制御することにより、燃料電池２０の温度が制御される。このように、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて部分酸化改質の発熱を制御すると、燃料電池２０の温度制御を好適に行うことができる。特に、燃料電池２０を暖機する場合、及び、燃料電池２０を高負荷で使用継続するために燃料電池２０の温度を維持しようとする場合に、燃料電池システム１０は、局所的に見ても耐熱上限温度Ｔｋを超えない範囲で、特に適切に燃料電池２０の温度を制御できる。燃料電池２０の暖機については、部分酸化改質の発熱を利用した上記の温度制御により、暖機を促進できる。また、高負荷で燃料電池２０を使用する場合については、定常運転のために維持すべき温度Ｔｃを維持できる。
　上記実施形態の燃料電池システム１０の制御方法では、具体的に、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが改質触媒である内部改質触媒２２の耐熱上限温度Ｔｋを超えないように、目標発熱量Ｑｔを設定する。これにより、局所的に見ても耐熱上限温度Ｔｋを超えない範囲で、特に適切に燃料電池２０の温度を制御できる。
　上記実施形態の燃料電池システム１０の制御方法では、具体的に、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが、セルスタック２１において部分酸化改質が可能な温度以上である場合に、燃料及び燃料に混合させる空気の供給を行う等、燃料電池２０の温度制御を実行する。これにより、部分酸化改質が可能な温度域に達している場合にのみ適切に燃料及び空気の混合気を供給して、部分酸化改質の発熱を利用した燃料電池２０の温度制御を実施できる。その結果、燃料の無駄を省き、炭素の析出等の不具合も防止できる。
　なお、上記実施形態の燃料電池システム１０は、炭化水素から水素を生成する改質触媒である内部改質触媒２２を有するセルスタック２１と、セルスタック２１に炭化水素を含む燃料を供給する第１流路２３と、燃料と対向または直交して流れるように酸化剤ガスをセルスタック２１に供給する第２流路２４と、を備えた燃料電池２０と、第２流路２４から排出された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度Ｔｑを検出する温度センサ６０と、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて燃料電池２０の温度制御を行うコントローラ１２と、を備えるものである。
　この燃料電池システム１０は、上記実施形態に係る燃料電池２０の温度制御の趣旨を逸脱しない範囲で構成を変更することができる。例えば、上記実施形態においては、部分酸化改質の発熱を利用して、燃料電池２０の温度制御を行う例を説明したが、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑに基づいて燃料電池２０の温度制御を行うことができれば、ヒータで加熱する等、部分酸化改質の発熱を利用する以外の方法で燃料電池２０の温度を制御することができる。例えば、部分酸化改質の発熱を利用する代わりに、コントローラ１２は、排出酸化剤ガスの温度Ｔｑが所望の温度となるように（例えば所定の上限温度を守るように）、酸化剤ガス供給装置４１による空気の供給量、もしくは、燃焼器５１への燃料、排ガス、及び／または、新規の空気の供給量を制御してもよい。但し、上記実施形態のように、部分酸化改質を利用する燃料電池２０の温度制御は、燃料電池２０の温度を制御するための特別の構成が不要であるため、特に好ましい。
　（第２実施形態）
　上記第１実施形態の燃料電池システム１０は、内部改質触媒２２を有するセルスタック２１を備えた内部改質型の燃料電池２０を１つ備える。このような内部改質型の燃料電池２０は、炭素の析出等を防ぐために、原燃料を過剰気味に供給して使用する。このため、燃料の利用率が低い。そこで、上記第１実施形態の燃料電池システム１０は、以下のように、さらに別の燃料電池を併用することで、燃料の利用率を向上することができる。
　図７は、第２実施形態の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図である。この第２実施形態の燃料電池システム２１０は、第１実施形態の燃料電池システム１０の燃料電池２０を第１燃料電池として利用しつつ、第２燃料電池２２０を加えたものである。このため、第１実施形態の燃料電池システム１０と共通の構成は、第１実施形態と同一の符号を付し、説明を省略する。
　第２燃料電池２２０は、第１燃料電池である燃料電池２０と比較して、内部改質触媒２２が少ないセルスタック２２１を有する燃料電池である。本実施形態では、第２燃料電池２２０のセルスタック２２１は、内部改質触媒２２を有しない固体酸化物型燃料電池である。すなわち、第２燃料電池２２０は、改質燃料が供給されることにより発電をする。
　第２燃料電池２２０のアノード入口Ａ３は、燃料電池２０のアノード出口Ａ２に接続される。また、第２燃料電池２２０のアノード出口Ａ４は燃料排出路３４を介して燃焼器５１に接続する。すなわち、第２燃料電池２２０は、燃料電池２０から排出された燃料が、燃料として供給される。燃料電池２０の排出燃料は、原燃料が過剰気味に供給されているので、燃料として完全に使用されきっているわけではなく、水素が残存しており、未だ燃料として使用可能である。一方、燃料電池２０の排出燃料は、燃料電池２０の内部改質によって、原燃料はほぼ全て水素に改質されている。したがって、燃料電池２０の排出燃料は、第２燃料電池２２０において改質燃料として使用される。
　第２燃料電池２２０のカソード入口Ｃ１は酸化剤ガス排出路４４を介して酸化剤ガス供給装置４１に接続される。また、第２燃料電池２２０のカソード出口Ｃ２は、燃料電池２０のカソード入口Ｃ３に接続する。すなわち、第２燃料電池２２０は、酸化剤ガス供給装置４１から供給された酸化剤ガスを発電に使用する。その後、第２燃料電池２２０は、第２燃料電池２２０から排出された酸化剤ガス（排出酸化剤ガス）を、酸化剤ガスとして燃料電池２０に供給する。第２燃料電池２２０の排出酸化剤ガスは酸素を含んでおり、燃料電池２０においても十分に酸化剤ガスとして機能し得る。
　上記のように、第２実施形態の燃料電池システム２１０は、第１燃料電池である燃料電池２０の他に、第２燃料電池２２０を備える。そして、第２燃料電池２２０には、燃料電池２０から排出された燃料が供給される。その結果、内部改質型の燃料電池２０には過剰気味に原燃料を供給して使用するので燃料の利用率が低いが、燃料電池２０の排出燃料は第２燃料電池２２０において発電のために再利用される。したがって、燃料電池システム２１０は、原燃料を殆ど余らせることなく発電に利用でき、第１実施形態の燃料電池システム１０よりも燃料の利用率を向上することができる。
　また、第２実施形態の燃料電池システム２１０は、第２燃料電池２２０から排出された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスを、燃料電池２０に酸化剤ガスとして供給する。燃料電池２０の内部で水蒸気改質等の吸熱反応が進行すると燃料電池２０の温度が低下するが、上記のように、第２燃料電池２２０における発電によって加熱された排出酸化剤ガスが燃料電池２０に酸化剤ガスとして供給されることにより、燃料電池２０における発電による発熱と、燃料改質による吸熱の熱収支を維持しやすくなる。また、燃料電池システム２１０の全体としてみても、熱収支を維持しやすくなる。したがって、コントローラ１２は、内部改質型の燃料電池２０を、より安定的に高効率に定常運転を維持しやすい。
　また、第２実施形態の燃料電池システム２１０が加える第２燃料電池２２０は、燃料電池２０に比べて内部改質触媒２２が少ないものを採用する。このため、第２燃料電池２２０では、水蒸気改質等の吸熱反応の発生が少ない。したがって、第２燃料電池２２０の排出酸化剤ガスを燃料電池２０に供給することにより、コントローラ１２は、燃料電池２０における発電による発熱と、燃料改質による吸熱の熱収支を特に維持しやすい。また、燃料電池システム２１０の全体としてみても、熱収支を維持しやすい。そして、上記第２実施形態のように、第２燃料電池２２０が内部改質触媒２２を有しない場合には、これらの熱収支を最も維持しやすい。
　（変形例）
　上記の第１実施形態及び第２実施形態においては、温度センサ６０は、セルスタック２１内で複数に分岐する第２流路２４が再び１つにまとまったカソード出口Ｃ４に設けているが、温度センサ６０の配置は、燃料電池２０内の温度分布における最高温度を検出または推定できる範囲内おいて任意に変更できる。例えば、図８は、温度センサ６０の取り付け位置を変更した変形例の説明図である。図８に示すように、セルスタック２１内で分岐した第２流路２４の一部を引き出し、カソード出口Ｃ４に合流する流路３０１を設け、この流路３０１に温度センサ６０を設けることができる。このように、第２流路２４の一部を引き出した流路３０１に温度センサ６０を設けると、燃料電池２０の全体的な構造上の都合により、燃料電池２０に第１流路２３及び第２流路２４に対して垂直なＹ方向に温度分布が形成される場合でも、このＹ方向の温度分布によらず、コントローラ１２は燃料電池２０の最高温度を正確に検出または推定しやすい。
　上記第１実施形態及び第２実施形態においては、燃料電池２０の燃料及び酸化剤ガスはカウンターフローとなっているが、燃料電池２０の燃料及び酸化剤ガスはいわゆるクロスフローにすることができる。例えば、図９は、燃料及び酸化剤ガスの流路の構成を変更した変形例の説明図である。すなわち、燃料電池２０は、カウンターフローのセルスタック２１の代わりに、第２流路２４を、酸化剤ガスが燃料と直交して流れるように、酸化剤ガスをセルスタック２１に供給する流路にしたセルスタック３０２を採用することができる。このように、燃料と酸化剤ガスがいわゆるクロスフローのセルスタック３０２を採用する場合も、上記第１実施形態及び第２実施形態の制御方法を実行し、その効果を得ることができる。クロスフローのセルスタック３０２においても、排出酸化剤ガスの温度は、燃料電池２０内の温度分布における最高温度と一定の相関を有するので、コントローラ１２は、排出酸化剤ガスの温度から燃料電池２０内の最高温度を推定できるからである。
　なお、第１流路２３と第２流路２４を平行にし、かつ、これらの流路に燃料と酸化剤ガスを平行に流すパラレルフローのセルスタックを採用することもできる。この場合も、上記第１実施形態及び第２実施形態の制御方法を実行し、その効果を得ることができる。但し、部分酸化改質を行うか否かに関わらず、燃料電池２０内の温度分布を均一に近づけ、発電効率を高めるためには、カウンターフローのセルスタック２１またはクロスフローのセルスタック３０２を採用することが好ましく、カウンターフローのセルスタック２１を採用することが特に好ましい。
　図１０は、上記第１実施形態及び第２実施形態に対して燃料及び酸化剤ガスの流路の構成と、温度センサ６０の取り付け位置を変更した変形例の説明図である。図１０の燃料電池２０の変形例は、クロスフローのセルスタック３０２を採用した上で、第２流路２４の一部を引き出し、カソード出口Ｃ４に合流する流路３０３を設けている。そして、温度センサ６０はこの流路３０３に設けられる。このように、クロスフローのセルスタック３０２を採用する場合に、第２流路２４の一部を引き出した流路３０３を設け、ここに温度センサ６０を設けると、燃料電池２０内の温度分布における最高温度と、検出する排出酸化剤ガスの温度Ｔｑとの相関が高くなる。したがって、コントローラ１２が燃料電池２０内の最高温度を推定する場合にはその精度が向上し、結果として燃料電池２０の温度制御の精度が向上する。特に、図１０に示すように、流路３０３を部分酸化改質が相対的に多く発生するアノード入口Ａ１側に設けると、部分酸化改質の発熱によって燃料電池２０内でアノード入口Ａ１側に最高温度の部分が発生する場合に、その温度を直接的にかつ正確に検出できる。このため、コントローラ１２による燃料電池２０の温度制御が特に正確に実施できる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。また、上述した実施形態及び変形例で説明した技術思想は適宜組み合わせが可能である。

Claims (8)

  1. 　炭化水素から水素を生成する改質触媒を有するセルスタックと、前記セルスタックに炭化水素を含む燃料を供給する第１流路と、前記燃料と対向または直交して流れるように酸化剤ガスを前記セルスタックに供給する第２流路と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記第２流路から排出された前記酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度を検出し、
    　前記排出酸化剤ガスの温度に基づいて前記燃料電池の温度制御を行う、
    燃料電池システムの制御方法。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記燃料電池システムは、前記燃料電池に供給する前記燃料の流量を調節する燃料流量調節装置と、前記燃料に混合させる空気の流量を調節する空気流量調節装置をさらに備え、
    　前記燃料電池の温度制御では、
    　前記セルスタックにおける部分酸化改質の発熱量が前記排出酸化剤ガスの温度に基づく所定の目標発熱量となるように、前記燃料の流量と前記空気の流量とを操作する、
    燃料電池システムの制御方法。
  3. 　請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記燃料電池の温度制御では、
    　前記排出酸化剤ガスの温度が前記改質触媒の耐熱上限温度を超えないように、前記目標発熱量を設定する、
    燃料電池システムの制御方法。
  4. 　請求項２又は３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記排出酸化剤ガスの温度が、前記セルスタックにおいて部分酸化改質が可能な温度以上である場合に、前記燃料電池の温度制御を実行する、
    燃料電池システムの制御方法。
  5. 　炭化水素から水素を生成する改質触媒を有するセルスタックと、前記セルスタックに炭化水素を含む燃料を供給する第１流路と、前記燃料と対向または直交して流れるように酸化剤ガスを前記セルスタックに供給する第２流路と、を備えた第１燃料電池と、
    　前記第２流路から排出された前記酸化剤ガスである排出酸化剤ガスの温度を検出する温度センサと、
    　前記排出酸化剤ガスの温度に基づいて前記第１燃料電池の温度制御を行うコントローラと、
    を備える、燃料電池システム。
  6. 　請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    　前記第１燃料電池から排出された前記燃料が供給される第２燃料電池をさらに備える、
    燃料電池システム。
  7. 　請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    　前記第２燃料電池から排出された酸化剤ガスが前記第１燃料電池に供給される、
    燃料電池システム。
  8. 　請求項６または７に記載の燃料電池システムであって、
    　前記第２燃料電池は、前記第１燃料電池よりも前記改質触媒が少ない、
    燃料電池システム。
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