JP2009205946A

JP2009205946A - 燃料電池システムの運転方法および燃料電池システム

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Publication number: JP2009205946A
Application number: JP2008047444A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Masui; 孝年増井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】燃料電池システムに関する状態が変化する場合に、燃料電池システムの発電効率を高め、維持する。
【解決手段】この燃料電池システム１は、第１の燃料電池１０と、発電温度が第１の燃料電池１０よりも高く発電量が多い第２の燃料電池２０と、燃料ガスを供給する供給路５０と、を備える。供給路５０は、第２の燃料電池２０を介さずに第１の燃料電池１０に燃料ガスを供給する第１のモードと、第１の燃料電池１０を介さずに第２の燃料電池２０に燃料ガスを供給する第２のモードとを有する。第１の状態において、第１のモードで燃料ガスを供給する。（ｉ）第１の状態より要求負荷が高いこと、（ｉｉ）第１の状態より燃料電池に供給すべき燃料ガスの温度が高いこと、および（ｉｉｉ）第１の状態より燃料電池から排出される燃料ガスや酸化ガスの温度が高いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、第２のモードで燃料ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池が開発されている。たとえば、ある従来技術においては、炭化水素系ガスは任意の割合に二分され、一方は部分酸化反応を行う低温型の固体酸化物型燃料電池に供給され、もう一方は一酸化炭素及び水素ガスの酸化による発電及び水素の酸化により発生した水蒸気を用いて炭化水素系ガスの改質反応を行う高温型の固体酸化物型燃料電池に供給される。また、低温型の固体酸化物型燃料電池からの排出ガスも高温型の固体酸化物型燃料電池に供給される。そして、各固体酸化物燃料電池に供給する炭化水素ガスの比率を制御することによって、各固体酸化物燃料電池の温度が制御される（特許文献１）。

特開２００２−３４３３７０号公報特開２０００−２６８８３２号公報特開平４−８７２６２号公報特開２００５−５００５６５９号公報

しかし、上記の燃料電池システムにおいては、要求される発電量や、供給される燃料ガスの組成など、燃料電池システムの状態が変化する場合に発電効率を高めること、または発電効率を維持することについては、考慮されていなかった。

本発明は、燃料電池システムの状態が変化する場合に、燃料電池システムの発電効率を高め、維持し、または発電効率の低下を低減することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を取り扱うために、本発明は、一態様としての燃料電池システムにおいて、以下のような構成を採用する。その燃料電池システムは、
第１の燃料電池と、
最も効率的に発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池の当該温度よりも高く、かつ、最も効率的に発電を行うことができる状態において前記第１の燃料電池よりも発電量が多い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、
前記供給路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムに関する第１の状態において、前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させ、
前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも前記燃料電池に対する要求負荷が高いこと、（ｉｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガスの温度が高いこと、および（ｉｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の温度が高いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させる。

このような態様においては、発電を行う燃料電池の温度が第２の状態よりも低い（または低くなる）と推定できる第１の状態においては、第１のモードで燃料電池システムが運転される。このため、第１および第２の燃料電池をそれぞれ最も効率よく運転できる温度よりも低い温度に燃料電池がある状態から、燃料電池の温度を上げて燃料電池システムを運転する場合に、第１の燃料電池を使用して早期に効率的な発電を行うことができる。また、上記の態様においては、発電を行う燃料電池の温度が第１の状態よりも高い（または高くなる）と推定できる状態においては、発電量が多い第２の燃料電池を使用して第２のモードで燃料電池システムが運転される。このため、燃料電池システム全体として、効率の高い発電を行うことができる。

なお、第１と第２の状態は、燃料電池の入力と出力に関するパラメータであって、燃料電池の温度に影響を与えるパラメータによって定められる状態とすることができる。

また、前記第１のモードは、前記第１の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第２の燃料電池に供給するモードとすることができる。

このような態様においては、第１のモードにおいて、第１の燃料電池における発電によって生じた熱を、第１の燃料電池を通過した燃料ガスや酸化ガスを介して第２の燃料電池に伝えることができる。よって、第１のモードにおいて、第２の燃料電池を加熱することができ、または第２の燃料電池の温度の低下を低減することができる。

なお、前記第２のモードは、前記第２の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第１の燃料電池に供給するモードとすることができる。

このような態様においては、第２のモードにおいて、第２の燃料電池における発電によって生じた熱を、第２の燃料電池を通過した燃料ガスや酸化ガスを介して第１の燃料電池に伝えることができる。よって、第２のモードにおいて、第１の燃料電池を加熱することができ、または第１の燃料電池の温度の低下を低減することができる。

上記目的の少なくとも一部を取り扱うために、本発明は、一態様としての燃料電池システムにおいて、以下のような構成を採用する。その燃料電池システムは、
燃料ガスとして一酸化炭素を使用して発電を行うことができず、前記燃料ガスとして水素を使用して発電を行うことができる第１の燃料電池と、
前記燃料ガスとして一酸化炭素および水素を使用して発電を行うことができ、発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、
前記供給路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムに関する第１の状態において前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させ、
前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の水素の量が少ないこと、および（ｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の一酸化炭素の量が多いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させる。

このような態様においては、第２の状態に比べて燃料ガス中に水素が多く、また、一酸化炭素が少ない第１の状態においては、発電を行うことができる温度が第２の燃料電池よりも低い第１の燃料電池で発電を行うことができる。このため、第１の状態においては、発電が可能な温度にするまでに必要な熱量が少ない第１の燃料電池で、効率的に発電を行うことができる。

また、第１の状態に比べて燃料ガス中に一酸化炭素が多いと推定できる第２の状態においては、一酸化炭素および水素を使用して発電を行うことができる第２の燃料電池を使用して、燃料ガスを有効に活用して発電を行うことができる。

なお、燃料電池システムは、前記第１の燃料電池は、前記燃料ガスのうち水素を選択的に透過させる水素透過部を備え、前記水素透過部を透過した水素のイオンを電極間において伝導させることにより発電を行うことができる燃料電池であり、
前記第２の燃料電池は、酸素イオンを電極間において伝導させることにより発電を行うことができる燃料電池である、態様とすることができる。

水素を選択的に透過させる水素透過部は、一酸化炭素と接触すると性能が低下することがある。しかし、上記の態様においては、第１の状態に比べて燃料ガス中に一酸化炭素が多い第２の状態においては、酸素イオンを利用し水素透過部を必要としない第２の燃料電池を主として使用して発電を行う。このため、燃料ガス中の一酸化炭素により燃料電池システムの発電性能が低下してしまう可能性が低い。

なお、上記の燃料電池システムにおいて、
前記第１のモードは、前記第１の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第２の燃料電池に供給するモードとすることができる。

このような態様においては、第１のモードにおいて、第１の燃料電池で反応に使用されなかった酸化ガスを使用して、第１の燃料電池で発電を行うことができる。このため、燃料ガスを有効に活用して、効率的な発電を行うことができる。

また、前記第２のモードは、前記第２の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第１の燃料電池に供給するモードとすることができる。

このような態様においては、第２のモードにおいて、第２の燃料電池で反応に使用されなかった酸化ガスを使用して、第２の燃料電池で発電を行うことができる。このため、燃料ガスを有効に活用して、効率的な発電を行うことができる。また、第２の燃料電池において燃料ガス中の一酸化炭素を発電に使用しているため、その後、燃料ガスを第１の燃料電池に供給しても、第１の燃料電池の水素透過部の性能が低下してしまう可能性が低い。

また、本発明は、以下のような態様で実現することもできる。すなわち、
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
第１の燃料電池と、
第２の燃料電池であって、最も効率的に発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高く、かつ、最も効率的に発電を行うことができる状態において前記第１の燃料電池よりも発電量が多い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、を備え、
前記方法は、
（ａ）前記燃料電池システムに関する第１の状態において、前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも前記燃料電池に対する要求負荷が高いこと、（ｉｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガスの温度が高いこと、および（ｉｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の温度が高いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、を備える方法である。

さらに、本発明は、以下のような態様で実現することもできる。すなわち、
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料ガスとして一酸化炭素を使用して発電を行うことができず、前記燃料ガスとして水素を使用して発電を行うことができる第１の燃料電池と、
前記燃料ガスとして一酸化炭素および水素を使用して発電を行うことができ、発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、を備え、
前記方法は、
（ａ）前記燃料電池システムに関する第１の状態において前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の水素の量が少ないこと、および（ｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の一酸化炭素の量が多いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、を備える方法。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムおよびその運転方法、燃料電池システムを備えた移動体およびその運転方法、それらの装置または方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．システムの構成：
図１は、本発明の実施例の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１は、第１の燃料電池１０と、第２の燃料電池２０と、改質部３０と、を備えている。燃料電池システム１は、また、第１の燃料電池１０および第２の燃料電池２０に酸化ガスを供給することができる酸化ガス供給路４０と、第１の燃料電池１０および第２の燃料電池２０に燃料ガスを供給することができる燃料供給路５０と、を備えている。

燃料電池システム１は、さらに、第１の燃料電池１０および第２の燃料電池２０で反応に使用された酸化ガスおよび燃料ガスを浄化するための排気浄化部７０と、それら反応に使用された酸化ガスおよび燃料ガスの熱を排気浄化部７０から受け取って、第１の燃料電池１０および第２の燃料電池２０に供給すべき酸化ガスに与えるための熱交換部８０と、を備える。そして、燃料電池システム１は、各部を制御するＥＣＵ１００を備える。

第１の燃料電池１０は、水素分離膜燃料電池（ＨＭＦＣ：Hydrogen Membrence Fuel Cell）である。第１の燃料電池１０は、燃料供給路５０のうちの配管５６から水素ガスの供給を受けて、発電を行うことができる。

第１の燃料電池１０は、水素イオンを伝導することができる電解質層と、電解質層に接合され、燃料ガスのうち水素のみを選択的に透過する水素透過膜とを備える。

なお、本明細書において、「水素のみを選択的に透過する」とは、燃料電池を運転する際の環境下で、水素透過量Ｖｐが５０［Ｎｍ³／ｍ³／ｈｒ］以上である、という条件を満たし、他の気体については、反応に影響を与えるほどに透過しないことを意味する。

第１の燃料電池１０の電解質層は、たとえば、ＢａＣｅＯ₃で形成することができる。また、水素透過膜は、バナジウム（Ｖ）やパラジウム（Ｐｄ）で形成することができる。電解質層のアノード側では以下の反応が起こる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-

生成された水素イオン（Ｈ⁺）は電解質層を通ってカソード側に移動する。カソード側では以下の反応が起こる。

(１／２)Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ → Ｈ₂Ｏ

第１の燃料電池１０のアノードで水素から分離した電子（ｅ^-）は、アノードからカソードに至る回路上を移動する。その結果、回路に電流が流れる。なお、高温域においては、酸素イオン（Ｏ^2-）が電解質層中を移動し、回路に流れる電流の一部が酸素イオンの移動によって実現されることがある。

なお、図１において、第１の燃料電池１０のカソードを模式的にブロック１２で示す。また、第１の燃料電池１０のアノードを模式的にブロック１４で示す。アノードからカソードに至る回路、ならびに電解質層および水素透過膜は、ガスの流れに関する理解を容易にするために、図１において省略する。

第２の燃料電池２０は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid oxide fuel cell）である。第２の燃料電池２０は、燃料供給路５０のうちの配管６４から燃料ガスとしての水素ガスや一酸化炭素の供給を受けて、発電を行うことができる。

第２の燃料電池２０は、酸素イオンを伝導することができる電解質層を備える。電解質層は、たとえば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で生成することができる。電解質層のカソード側では以下の反応が起こる。

１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｏ^2-

生成された酸素イオン（Ｏ^2-）は電解質層を通ってアノード側に移動する。水素を燃料とする場合、アノード側では以下の反応が起こる。

Ｈ₂ ＋Ｏ^2- → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-

第２の燃料電池２０のアノードで水素から分離した電子（ｅ^-）は、アノードからカソードに至る回路上を移動する。その結果、回路に電流が流れる。

なお、図１において、第２の燃料電池２０のカソードを模式的にブロック２２で示す。また、第２の燃料電池２０のアノードを模式的にブロック２４で示す。アノードからカソードに至る回路、ならびに電解質層は、ガスの流れに関する理解を容易にするために、図１において省略する。

改質部３０は、燃料供給路５０のうちの配管５４または６２から炭化水素の供給を受けて、炭化水素を改質し、水素を生成する。なお、改質においては、同時に一酸化炭素も生成される。改質部３０の改質においては、生成ガス中の水素の濃度が高いときには、生成ガス中の一酸化炭素の濃度が低くなる。そして、生成ガス中の一酸化炭素の濃度が高いときには、生成ガス中の水素の濃度は低くなる。言い換えれば、改質部３０の改質においては、水素の発生量が多いときには一酸化炭素の発生量は少なくなり、一酸化炭素の発生量が多いときには水素ガスの発生量は少なくなる。

改質部３０は、配管５４を介して供給された炭化水素を改質し、配管５６を介して第１の燃料電池１０のアノード１４に供給する。また、改質部３０は、配管６２を介して供給された炭化水素を改質し、配管６４を介して第２の燃料電池２０のアノード２４に供給する。なお、配管５６，６２には、生成された燃料ガス中の水素濃度を測定することができるセンサＳ１が設けられている。

以下で、酸化ガス供給路４０について説明する。酸化ガスとしての空気は、ポンプ４１を介して外部から燃料電池システム１内に取り込まれ、配管４２を介して熱交換部８０に供給される。空気は、熱交換部８０ににおいて加熱され、配管４４を介して第１の燃料電池１０のカソード１２に供給される。

第１の燃料電池１０のカソード１２で反応に使用された空気は、配管４６を介して、さらに、第２の燃料電池２０のカソード２２に供給される。第２の燃料電池２０のカソード２２で反応に使用された空気は、配管４８を介して、排気浄化部７０に送られる。燃料電池に酸化ガスを供給するための構成であるポンプ４１、配管４２、４４，４６，４８をまとめて「酸化ガス供給路４０」と呼ぶ。

以下で、燃料供給路５０について説明する。燃料としての炭化水素は、ポンプ５１、配管５２を介して供給源（タンク）から供給される。燃料供給路５０に設けられた弁５３は、配管５２から供給される炭化水素を配管５４または配管６２に選択的に送る。

配管５２に送られた炭化水素は、前述のように改質部３０で改質され、水素ガスとなる。その水素ガスは、燃料ガスとして、配管５６を介して第１の燃料電池１０のアノード１４に供給される。第１の燃料電池１０のアノード１４で反応に使用された水素ガスは、配管５８を介して、さらに、第２の燃料電池２０のアノード２４に供給される。第２の燃料電池２０のアノード２４で反応に使用された空気は、配管６０を介して、排気浄化部７０に送られる。なお、配管６０には、第２の燃料電池２０のアノード２４から排出される使用済みの燃料ガスの温度を測定できるセンサＳ２が設けられている。

一方、配管６２に送られた炭化水素は、やはり前述のように改質部３０で改質され、水素ガスとなる。なお、改質部３０の運転状態によっては、炭化水素の一部は、一酸化炭素となることがある。それらのガスは、燃料ガスとして、配管６４を介して第２の燃料電池２０のアノード２４に供給される。第２の燃料電池２０のアノード２４で反応に使用された燃料ガスは、配管６６を介して、さらに、第１の燃料電池１０のアノード１４に供給される。第１の燃料電池１０のアノード１４で反応に使用された空気は、配管６８を介して、排気浄化部７０に送られる。なお、配管６８には、第１の燃料電池１０のアノード１４から排出される使用済みの燃料ガスの温度を測定できるセンサＳ３が設けられている。

排気浄化部７０は、反応に使用された燃料ガスおよび酸化ガスから有害物を除去する。その後、それらのガスは配管９０を介して外部に排出される。また、排気浄化部７０は、反応に使用された燃料ガスおよび酸化ガスの熱を熱交換部８０に供給する。その熱は、熱交換部８０において、外部から取り込まれた酸化ガスとしての空気に与えられる。

ＥＣＵ１００は、センサＳ１〜Ｓ３からの出力に応じて、第１の燃料電池１０、第２の燃料電池２０、改質部３０の運転を制御する。また、ＥＣＵ１００は、センサＳ１〜Ｓ３からの出力に応じて、燃料供給路５０の弁５３を制御する。

Ａ２．第１と第２の燃料電池の特性：
水素分離膜燃料電池（ＨＭＦＣ：Hydrogen Membrence Fuel Cell）である第１の燃料電池１０は、４００〜６００°Ｃで発電を行うことができる。これに対して、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid oxide fuel cell）である第２の燃料電池２０は、６００°Ｃ以上で発電を行うことができる。すなわち、第２の燃料電池２０は、発電を行うことができる温度が第１の燃料電池１０よりも高い。このため、燃料電池の温度が環境温度（たとえば２０°Ｃ程度）に等しい状態から燃料電池の温度を上げて発電を開始する場合には、第１の燃料電池１０の方が第２の燃料電池２０よりも早く発電を開始することができる。

なお、本明細書において、燃料電池に関して「発電を行うことができる温度」とは、その燃料電池において最も効率的に発電を行うことができる温度で発電を行った際に生成される電力の１０％以上の電力を生成できる温度域（Ｔｍｉｎ〜Ｔｍａｘ）をいう。また、本明細書において燃料電池に関して「発電を行うことができる温度が高い」とは、ある燃料電池の「発電を行うことができる温度（域）」（Ｔ２ｍｉｎ〜Ｔ２ｍａｘ）の下端（Ｔ２ｍｉｎ）が他の燃料電池の「発電を行うことができる温度（域）」（Ｔ１ｍｉｎ〜Ｔ１ｍａｘ）の下端（Ｔ１ｍｉｎ）よりも高いことを意味する。

また、第２の燃料電池２０は、最も効率的に発電を行うことができる温度が第１の燃料電池１０よりも高い。なお、各燃料電池の発電の効率は、十分な量の燃料ガスと酸化ガスを供給して、各温度において発電される電力を測定することにより、決定することができる。最も高い電力を供給できる温度が、その燃料電池において最も効率的に発電を行うことができる温度である。

また、電解質における水素イオンおよび酸素イオンの活性は、燃料電池における発電の効率を左右する。これらのイオンの活性は、温度が高いほど高くなる。しかし、第１の燃料電池１０の動作温度（４００〜６００°Ｃ）において、もっとも活性が高いときの水素イオンの伝導率は、第２の燃料電池２０の動作温度（６００°Ｃ〜）において、もっとも活性が高いときの酸素イオンの伝導率よりも低い。このため、各燃料電池について最も効率的に発電を行うことができる温度のもとでは、第２の燃料電池２０の方が、第１の燃料電池１０よりも発電量が多い。

また、水素分離膜燃料電池である第１の燃料電池１０は、水素ガスのみを燃料として発電を行う。そして、一酸化炭素を供給されると、水素透過膜の性能が低下する。これに対して、固体酸化物燃料電池である第２の燃料電池２０は、水素ガスと一酸化炭素の両方を燃料として発電を行うことができる。したがって、改質によって一酸化炭素が所定量以上尾、発生している場合には、第２の燃料電池２０で発電を行うことが好ましい。

Ａ３．燃料電池システムの運転：
図２は、ＥＣＵ１００が燃料電池システム１の運転を制御する際の処理を示すフローチャートである。燃料電池システムの運転が開始されたときには、まず、ステップＳ１０において、第１のモードで燃料電池システム１の運転が行われる。

図３は、第１のモードにおける燃料ガスの流れを示すブロック図である。図３において、細い破線および細い一点鎖線で示す配管６２，６４，６６，６８等においては、燃料および排ガスは流通しない。第１のモードにおいては、弁５３は、配管５２から供給される炭化水素を配管５４に送る。そして、弁５３は、配管５２から供給される炭化水素を配管６２には送らない。その結果、燃料ガスとしての水素ガスがまず第１の燃料電池１０に送られ（配管５６参照）、その後、第２の燃料電池２０に送られる（配管５８参照）。なお、酸化ガスとしての空気も、まず第１の燃料電池１０に送られ（配管４４参照）、その後、第２の燃料電池２０に送られる（配管４６参照）。

なお、第１の燃料電池１０に供給される酸化ガスは、第１の燃料電池１０に供給される燃料ガスをすべて反応させるのに十分な量の酸素を含んでいるものとする。また、第２の燃料電池２０に供給される酸化ガスとしての第１の燃料電池１０の排ガスは、第２の燃料電池２０に供給される燃料ガスをすべて反応させるのに十分な量の酸素を含んでいるものとする。

その結果、第１のモードにおいては、発電は主として第１の燃料電池１０において行われる。そして、第２の燃料電池２０において、第１の燃料電池１０において使用された後の燃料ガスを利用して補助的に発電が行われる。このような態様とすれば、燃料電池システム１の燃料電池がそれぞれの運転に適した温度よりも低い温度（たとえば、２０°Ｃ）にある状態から燃料電池の温度を上昇させて燃料電池システム１の運転を行う場合に、早期に効率的な発電を行うことができる。

燃料電池による発電（電気化学反応）においては、熱が発生する。このため、主として発電を行う第１の燃料電池１０で発電に使用された燃料ガスおよび酸化ガスは、加熱されている。上記のように、第１の燃料電池１０で発電に使用された燃料ガスおよび酸化ガスを、補助的に発電を行う第２の燃料電池２０に供給することにより、以下のような効果が得られる。すなわち、補助的に発電を行うため自身の発熱の量が多くはない第２の燃料電池２０に、第１の燃料電池１０で生じた熱を伝えることができる。このため、第１のモードによる運転中に、第２の燃料電池２０を加熱することができる。よって、第１の燃料電池１０の温度が上昇し、第２の燃料電池２０を使用しても発電が可能な状態であると推定できる場合に、スムーズに第２のモードに運転を切り換えることができる。

また、上記のように、第２の燃料電池２０の温度が第２の燃料電池２０による発電に最適な温度ではなかったとしても、第１の燃料電池１０で発電に使用された燃料ガスおよび酸化ガスを、第２の燃料電池２０に供給して補助的に発電を行わせることにより、以下のような効果が得られる。すなわち、第１の燃料電池１０において反応に使用されなかった燃料ガスおよび酸化ガスを有効に活用して、全体として効率の高い発電を行うことができる。

さらに、第２の燃料電池２０に補助的に発電を行わせることにより、第２の燃料電池２０自身の発電による発熱で、第２の燃料電池２０の温度を上げることができる。

図２のステップＳ１５では、ＥＣＵ１００は、燃料電池システム１が、第１の運転モードで運転されているか、第２の運転モードで運転されているかを判定する。燃料電池システム１が第１の運転モードで運転されているときには、処理はステップＳ２０に進む。燃料電池システム１が第２の運転モードで運転されているときには、処理はステップＳ４０に進む。

ステップＳ２０では、第１のモードにおいて下流側に位置する第２の燃料電池２０から排出された燃料ガスの温度が、センサＳ２により測定される（図３参照）。

ステップＳ２５では、ＥＣＵ１００は、センサによる測定値が第２の条件を満たすか否かについて判定する。第１実施例においては、第２の条件とは、ステップＳ２０で測定された燃料ガスの温度が所定のしきい値Ｔｈｔ２よりも高いことである。Ｔｈｔ２は、たとえば６５０°Ｃとすることができる。

燃料ガスの温度が所定のしきい値Ｔｈｔ２よりも高く、第２の条件が満たされる場合には（ステップＳ２５においてＹｅｓ）、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第２のモードによる燃料電池システム１の運転が行われる。なお、第２の条件が満たされる状態を、本明細書において「第２の状態」と呼ぶことがある。

図４は、第２のモードにおける燃料ガスの流れを示すブロック図である。図４においても、細い破線および細い一点鎖線で示す配管５４，５６，５８，６０等においては、燃料および排ガスは流通しない。第２のモードにおいては、弁５３は、配管５２から供給される炭化水素を配管６２に送る。そして、弁５３は、配管５２から供給される炭化水素を配管５４には送らない。その結果、燃料ガスがまず第２の燃料電池２０に送られ（配管６４参照）、その後、第１の燃料電池１０に送られる（配管６６参照）。なお、酸化ガスとしての空気は、第１のモードと同様に、まず第１の燃料電池１０に送られ（配管４４参照）、その後、第２の燃料電池２０に送られる（配管４６参照）。

なお、第２のモードにおいても、第１の燃料電池１０に供給される酸化ガスは、第１の燃料電池１０に供給される燃料ガスをすべて反応させるのに十分な量の酸素を含んでいるものとする。また、第２の燃料電池２０に供給される酸化ガスとしての第１の燃料電池１０の排ガスは、第２の燃料電池２０に供給される燃料ガスをすべて反応させるのに十分な量の酸素を含んでいるものとする。

その結果、第２のモードにおいては、発電は主として第２の燃料電池２０において行われる。そして、第１の燃料電池１０において、第２の燃料電池２０において使用された後の燃料ガスを利用して補助的に発電が行われる。

このような態様とすれば、第２の燃料電池２０および第１の燃料電池１０の温度を反映している排ガス（燃料ガス）の温度が高く（図２のステップＳ２５においてＹｅｓ）、第２の燃料電池２０の温度が第２の燃料電池２０の運転に適していると推定できるときに、発電効率の高い第２の燃料電池２０によって発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

また、上記のように、第２のモードにおいて、第２の燃料電池２０で発電に使用された燃料ガスを、補助的に発電を行う第１の燃料電池１０に供給することにより、以下のような効果が得られる。すなわち、補助的に発電を行うため自身の発熱の量が多くはない第１の燃料電池１０に、第２の燃料電池２０で生じた熱を伝えることができる。このため、第１の燃料電池１０が、発電に適さない温度にまで冷えてしまう事態を防止できる。

なお、前述のように、第２の燃料電池２０を運転できる温度は、第１の燃料電池１０を運転できる温度よりも高い。しかし、第２の燃料電池２０から排出された燃料ガスは配管６６においてある程度、冷却される。また、第２の燃料電池２０内を通過する燃料ガスが完全に第２の燃料電池２０と同じ温度になるわけではない。このため、第２の燃料電池２０から供給されるガスによって、第１の燃料電池１０が効率的に運転できなくなるほどの高温に、第１の燃料電池１０が加熱されることはない。

また、上記のように、第２の燃料電池２０で発電に使用された燃料ガスを、第１の燃料電池１０に供給することにより、第２の燃料電池２０において反応に使用されなかった燃料ガスを有効に活用して、全体として効率の高い発電を行うことができる。

さらに、上記のように、第１の燃料電池１０に補助的に発電を行わせることにより、第１の燃料電池１０自身の発電による発熱で、第１の燃料電池１０の温度を上げることができ、または第１の燃料電池１０が冷えてしまうのを防止できる。

一方、図２のステップＳ２５において、燃料ガスの温度がしきい値Ｔｈｔ２（たとえば、６５０°Ｃ）以下であり、第２の条件が満たされない場合には（ステップＳ２５においてＮｏ）、処理はステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、第１のモードによる燃料電池システム１の運転が継続される。

このような態様においては、燃料電池に供給される燃料ガスの温度が低く（図２のステップＳ２５においてＮｏ）、第２の燃料電池２０の温度が第２の燃料電池２０の運転に適していないと推定できるときには、より低い温度で発電を行うことができる第１の燃料電池１０によって発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

その後、ステップＳ５５では、ＥＣＵ１００は、燃料電池システム１の運転を終了すべきか否かについて、判定を行う。たとえば、ユーザが燃料電池システム１の運転を終了すべき旨の指示を出した場合や、システムに重大な異常が生じた場合には、ステップＳ５５における判定は、Ｙｅｓとなる。燃料電池システム１の運転を終了すべき場合には、ＥＣＵ１００は、燃料電池システム１の運転を終了する。一方、燃料電池システム１の運転を終了すべきではない場合は、処理は、ステップＳ１５に戻る。

ステップＳ１５においては、ＥＣＵ１００は、燃料電池システム１が、第１の運転モードで運転されているか、第２の運転モードで運転されているかを判定する。燃料電池システム１が第１の運転モードで運転されているときの処理は、前述のとおりである。燃料電池システム１が第２の運転モードで運転されているときには、処理はステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、第２のモードにおいて下流側に位置する第１の燃料電池１０から排出された燃料ガスの温度が、センサＳ３により測定される（図４参照）。

ステップＳ４５において、ＥＣＵ１００は、センサによる測定値が第１の条件を満たすか否かについて判定する。第１実施例においては、第１の条件とは、ステップＳ４０で測定された燃料ガスの温度が所定のしきい値Ｔｈｔ１よりも低いことである。なお、しきい値Ｔｈｔ１はしきい値Ｔｈｔ２よりも小さい値である。Ｔｈｔ１は、たとえば５５０°Ｃとすることができる。

燃料ガスの温度が所定のしきい値Ｔｈｔ１よりも低く、第１の条件が満たされる場合には（ステップＳ４５においてＹｅｓ）、処理はステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、第１のモードによる燃料電池システム１の運転が行われる。なお、第１の条件が満たされる状態を、本明細書において「第１の状態」と呼ぶことがある。

このような態様においては、第２の燃料電池２０および第１の燃料電池１０の温度を反映している排ガス（燃料ガス）の温度が低く（図２のステップＳ４５においてＹｅｓ）、第２の燃料電池２０の温度が第２の燃料電池２０の運転に適した温度よりも低い、または低くなると推定できるときに、より低い温度で発電を行うことができる第１の燃料電池１０によって発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

一方、ステップＳ４５において、燃料ガスの温度が所定のしきい値Ｔｈｔ１（たとえば５５０°Ｃ）以上であり、第１の条件が満たされない場合には（ステップＳ４５においてＮｏ）、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第２のモードによる燃料電池システム１の運転が継続される。

このような態様においては、燃料電池に供給される燃料ガスの温度が高く（図２のステップＳ４５においてＮｏ）、第２の燃料電池２０の温度が第２の燃料電池２０の運転に適していると推定できるときには、発電効率の高い第２の燃料電池２０によって発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

また、本実施例においては、主として第１の燃料電池１０を使用する第１のモードから、主として第２の燃料電池２０を使用する第２のモードに移行する際の燃料ガスの温度のしきい値Ｔｈｔ２を（ステップＳ２５においてＹｅｓ）、第２のモードから第１のモードに移行する際の燃料ガスの温度のしきい値Ｔｈｔ１（ステップＳ４５においてＹｅｓ）よりも高く設定している。すなわち、現在実行中の運転モードに移行した際の条件を満たさなくなっても、すぐには運転モードが変更されない（ステップＳ２５においてＮｏ。ステップＳ４５においてＮｏ）。このため、燃料ガスの温度が微小幅で上昇および下降を繰り返す場合に、頻繁に運転モードが切り替わってしまう事態を防止できる。

その後、処理はステップＳ５５に進む。ステップＳ５５以下の処理は、上述のとおりである。

以上で説明した第１実施例の燃料電池システム１によれば、燃料電池の状態が変化する場合にも、効率的な発電を行うことができる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例においては、第１のモードによる運転を開始する際の第１の条件（図２のステップＳ４５参照）と、第２のモードによる運転を開始する際の第２の条件（図２のステップＳ２５参照）とが、第１実施例とは異なっている。また、それに応じて、センサで測定する量も、第１実施例とは異なっている（同、ステップＳ４０，Ｓ２０参照）。第２実施例の他の点は、第１実施例と同じである。

第２実施例においては、図２のステップＳ２０では、センサＳ１により配管５６内の燃料ガスの水素の濃度を測定する（図３参照）。そして、ステップＳ２５において、ＥＣＵ１００は、測定値が第２の条件を満たすか否かについて判定する。第２実施例においては、第２の条件とは、ステップＳ２０で測定された燃料ガスの水素の濃度が所定のしきい値Ｔｈｈ２よりも低いことである。

水素の濃度が所定のしきい値Ｔｈｈ２よりも低く、第２の条件が満たされる場合には（ステップＳ２５においてＹｅｓ）、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第２の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

このような態様とすれば、燃料ガス中の水素の濃度が低く、したがって、一酸化炭素の量が多いと推定できる場合に、第２の燃料電池２０によって、その一酸化炭素も有効に活用して発電を行うことができる。

また、燃料ガス中の一酸化炭素が第２の燃料電池２０において反応に使用されるため、その後、第１の燃料電池１０に供給される燃料ガス（図４の配管６６参照）中の一酸化炭素の濃度が低くなる。よって、第２の燃料電池２０において反応に使用された燃料ガスを第１の燃料電池１０に供給しても、第１の燃料電池１０の水素透過膜が一酸化炭素によって劣化してしまう可能性は低い。

一方、ステップＳ２５において、水素の濃度が所定のしきい値Ｔｈｈ２以上であり、第２の条件が満たされない場合には（ステップＳ２５においてＮｏ）、処理はステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、第１の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

このような態様とすれば、燃料ガス中の水素の濃度が高い場合に、水素を燃料として発電を行う第１の燃料電池１０を主として使用して、発電を行うことができる。このため、燃料電池システム１全体として効率の高い発電を行うことができる。

また、本実施例においては、一酸化炭素濃度が低いと推定できる場合に、第１の燃料電池１０を主とした発電が行われる。このため、第１の燃料電池１０の水素透過膜の一酸化炭素による劣化の可能性が低い。

一方、第２実施例においては、図２のステップＳ４０では、センサＳ１により配管６４内の燃料ガスの水素の濃度を測定する（図４参照）。そして、ステップＳ４５において、ＥＣＵ１００は、測定値が第１の条件を満たすか否かについて判定する。第２実施例においては、第１の条件とは、ステップＳ４０で測定された燃料ガスの水素の濃度が所定のしきい値Ｔｈｈ１よりも高いことである。なお、しきい値Ｔｈｈ１はしきい値Ｔｈｈ２よりも高い値である。

水素の濃度が所定のしきい値Ｔｈｈ１よりも高く、第１の条件が満たされる場合には（ステップＳ４５においてＹｅｓ）、処理はステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、第１の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

一方、ステップＳ４５において、水素の濃度が所定のしきい値Ｔｈｈ１以下であり、第１の条件が満たされない場合には（ステップＳ４５においてＮｏ）、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第２の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

また、本実施例においては、主として第１の燃料電池１０を使用する第１のモードから、主として第２の燃料電池２０を使用する第２のモードに移行する際の水素濃度のしきい値Ｔｈｈ２を（ステップＳ２５においてＹｅｓ）、第２のモードから第１のモードに移行する際の水素濃度のしきい値Ｔｈｈ１（ステップＳ４５においてＹｅｓ）よりも低く設定している。すなわち、現在実行中の運転モードに移行した際の条件を満たさなくなっても、すぐには運転モードが変更されない（ステップＳ２５においてＮｏ。ステップＳ４５においてＮｏ）。このため、燃料ガス中の水素濃度が微小幅で上昇および下降を繰り返す場合に、頻繁に運転モードが切り替わってしまう事態を防止できる。

以上で説明した第２実施例の燃料電池システム１によっても、燃料電池の状態が変化する場合に、効率的な発電を行うことができる。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例においては、第１のモードによる運転を開始する際の第１の条件（図２のステップＳ４５参照）と、第２のモードによる運転を開始する際の第２の条件（図２のステップＳ２５参照）とが、第１実施例とは異なっている。また、それに応じて、センサで測定する量も、第１実施例とは異なっている（同、ステップＳ２０，Ｓ４０参照）。第３実施例の他の点は、第１実施例と同じである。

図５は、燃料ガス中の水素濃度Ｃｈと、燃料電池システム１に対する要求負荷Ｌに基づいて定められる第１の条件と第２の条件を表す図である。図５において、横軸が燃料電池システム１に対する要求負荷Ｌであり、縦軸がセンサＳ１によって測定される燃料ガス中の水素濃度Ｃｈである（図１参照）。直線Ｔｈ１よりも左の領域が、第１の条件が満たされる領域であり、直線Ｔｈ２よりも右の領域が、第２の条件が満たされる領域である。Ｔｈ１は、以下の式（１）で表される直線である。Ｔｈ２は、以下の式（２）で表される直線である。

Ｃｈ＝ａ１×Ｌ＋ｂ１・・・（１）
Ｃｈ＝ａ２×Ｌ＋ｂ２・・・（２）

ここで、ａ１，ａ２は、正の定数である。ｂ１，ｂ２は、負の定数である。ｂ２はｂ１より小さい数である。なお、燃料電池システム１の運転において想定される要求負荷の範囲、および燃料ガス中の水素の濃度の範囲において（図５の縦軸および横軸参照）、直線Ｔｈ１とＴｈ２とは交わることはない。

第３実施例においては、図２のステップＳ２０では、センサＳ１により配管５６内の水素ガスの濃度を測定する（図３参照）。また、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０において、燃料電池システム１に対する要求負荷Ｌを取得する。燃料電池システム１に対する要求負荷とは、燃料電池システム１における発電量の目標値である。なお、燃料電池システム１に対する要求負荷は、ステップＳ２０において計算してもよいし、あらかじめ用意しておいてもよい。

ステップＳ２５において、ＥＣＵ１００は、センサによる測定値および要求負荷が第２の条件を満たすか否かについて判定する。第３実施例においては、第２の条件とは、センサＳ１によって測定された水素ガスの濃度Ｃｈおよび要求負荷Ｌが以下の式（３）を満たすことである。

Ｃｈ＜ａ２×Ｌ＋ｂ２・・・（３）

第３実施例における第２の条件は、「センサＳ１によって測定された水素ガスの濃度Ｃｈと、要求負荷Ｌとの組み合わせによって定められる点」が、図５において直線Ｔｈ２の右側に位置すること、と言い換えることができる。

式（３）が満たされる場合、すなわち、第２の条件が満たされる場合には（ステップＳ２５においてＹｅｓ）、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第２の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

第２の条件を定める式（３）は、右上がりの直線（ａ２＞０）である。このような態様においては、燃料ガス中の水素の濃度が低く、かつ、要求負荷が高い場合に、主として第２の燃料電池２０によって第２のモードで発電を行うことになる（図４参照）。

燃料電池においては、要求負荷（目標発電量）が高いほど、発電による発熱量が大きくなる。したがって、要求負荷が高いときには、発電により燃料電池自身の温度も高くなると推定できる。このため、ステップＳ２５において上記のような処理をおこなうことにより、以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池における発熱量が多く、その結果、第２の燃料電池２０の運転に適した温度で第２の燃料電池２０を運転できると推定できるときには、発電効率の高い第２の燃料電池２０によって発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

そして、ステップＳ２５において上記のような処理をおこなうことにより、燃料ガス中の水素の濃度が低く、したがって、一酸化炭素の量が多いと推定される場合に、第２の燃料電池２０によって、その一酸化炭素も有効に活用して発電を行うことができる。

一方、図２のステップＳ２５において、式（３）が満たされない場合、すなわち、第２の条件が満たされない場合には（ステップＳ２５においてＮｏ）、処理はステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、第１の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

このような態様においては、燃料ガス中の水素の濃度が高く、かつ、要求負荷が低い場合に、主として第１の燃料電池１０によって第１のモードで発電を行うことになる。

燃料電池においては、要求負荷が低いときには、発電による発熱量が少ないため、燃料電池自身の温度も低くなると推定できる。よって、ステップＳ２５において上記のような処理をおこなうことにより、以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池における発熱量が少なく、第２の燃料電池２０の運転に適した温度で第２の燃料電池２０を運転できないと考えられるときには、より低い温度域において発電を行うことができる第１の燃料電池１０を主に使用して発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

また、第１の燃料電池１０を主に使用して発電を行うのは、燃料ガス中の水素の濃度が高い場合（図５参照）、すなわち、一酸化炭素濃度が低いと推定できる場合である。このため、上記のような処理を行うことで、第１の燃料電池１０の水素透過膜を劣化させてしまう可能性を低くすることができる。

一方、第３実施例においては、図２のステップＳ４０では、センサＳ１により配管６４内の燃料ガスの水素の濃度を測定する（図４参照）。また、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４０において、燃料電池システム１に対する要求負荷Ｌを取得する。なお、燃料電池システム１に対する要求負荷は、ステップＳ４０において計算してもよいし、あらかじめ用意しておいてもよい。

ステップＳ４５において、ＥＣＵ１００は、センサによる測定値および要求負荷が第１の条件を満たすか否かについて判定する。第３実施例においては、第１の条件とは、センサＳ１によって測定された水素ガスの濃度Ｃｈおよび要求負荷Ｌが以下の式（４）を満たすことである。

Ｃｈ＞ａ１×Ｌ＋ｂ１・・・（４）

第３実施例における第１の条件は、「センサＳ１によって測定された水素ガスの濃度Ｃｈと、要求負荷Ｌとの組み合わせによって定められる点」が、図５において直線Ｔｈ１の左側に位置すること、と言い換えることができる。

式（４）が満たされる場合、すなわち、第１の条件が満たされる場合には（ステップＳ４５においてＹｅｓ）、処理はステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、第１の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

このような態様においては、燃料ガス中の水素の濃度が高く、かつ、要求負荷が低い場合に、主として第１の燃料電池１０によって発電を行うことになる。

このような態様とすれば、燃料電池における発熱量が少なく、第２の燃料電池２０の運転に適した温度で第２の燃料電池２０を運転できないと考えられるときには、より低温度域において発電を行うことができる第１の燃料電池１０を主に使用して発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

また、第１の燃料電池１０を主に使用して発電を行うのは、燃料ガス中の水素の濃度が高い場合（図５参照）、すなわち、一酸化炭素濃度が低い場合である。このため、上記のような処理を行うことで、第１の燃料電池１０の水素透過膜を劣化させてしまう可能性を低くすることができる。

一方、図２のステップＳ４５において、式（４）が満たされない場合、すなわち、第１の条件が満たされない場合には、（ステップＳ４５においてＮｏ）、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第２の運転モードによる燃料電池システム１の運転が行われる。

このような態様においては、燃料ガス中の水素の濃度が低く、かつ、要求負荷が高い場合に、主として第２の燃料電池２０によって発電を行うことになる（図４参照）。

ステップＳ４５において上記のような処理をおこなうことにより、以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池における発熱量が多く、その結果、第２の燃料電池２０の運転に適した温度で第２の燃料電池２０を運転できると推定できるときには、発電効率の高い第２の燃料電池２０によって発電を行うことができる。よって、燃料電池システム１全体として、効率の高い発電を行うことができる。

また、本実施例においては、主として第１の燃料電池１０を使用する第１のモードから、主として第２の燃料電池２０を使用する第２のモードに移行する際の条件式（３）を（ステップＳ２５においてＹｅｓ）、第２のモードから第１のモードに移行する際の条件式（４）（ステップＳ４５においてＹｅｓ）よりも第１の燃料電池１０の運転に適さない条件を表す式にしている。また、第２のモードから第１のモードに移行する際の条件式（４）を（ステップＳ４５においてＹｅｓ）、第１のモードから第２のモードに移行する際の条件式（３）（ステップＳ２５においてＹｅｓ）よりも第２の燃料電池２０の運転に適さない条件を表す式にしている。

このため、第３実施例においては、現在実行中の運転モードに移行した際の条件を満たさなくなっても、すぐには運転モードが変更されない（ステップＳ２５においてＮｏ。ステップＳ４５においてＮｏ）。よって、燃料ガス中の水素濃度や要求負荷が微小幅で上昇および下降を繰り返す場合に、頻繁に運転モードが切り替わってしまう事態を防止できる。

以下では、具体的な６個の状態における燃料電池システム１の運転状態について説明する。図５において、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、それぞれ要求負荷Ｌと燃料ガスの水素濃度Ｃｈに基づいて定められる燃料電池システムの運転状態である。状態Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３は、燃料ガスの水素濃度Ｃｈが互いに等しく、要求負荷Ｌがその順に小さい３個の状態である。状態Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、要求負荷Ｌが互いに等しく、燃料ガスの水素濃度Ｃｈがその順に大きい３個の状態である。

状態Ｓ１１においては、第５実施例の燃料電池システム１は、第１のモードで運転される。そして、状態Ｓ１１よりも要求負荷が大きい状態Ｓ１３においては、第５実施例の燃料電池システム１は、第２のモードで運転される。また、状態Ｓ２１においては、第５実施例の燃料電池システム１は、第１のモードで運転される。そして、状態Ｓ１１よりも水素濃度が低い状態Ｓ２３においては、第５実施例の燃料電池システム１は、第２のモードで運転される。

これに対して、直線Ｔｈ１と直前Ｔｈ２の間にある状態Ｓ１２，Ｓ２２における運転モードは、それ以前の状態に応じて異なる。

燃料電池システムの運転状態が状態Ｓ１１から状態Ｓ１２に変化した場合は（図５の矢印Ａ１１２参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第１の運転モードのままである（図２のステップＳ２５においてＮｏ）。そして、燃料電池システムの運転状態がさらに変化して状態Ｓ１３となったときには（図５の矢印Ａ１２３参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第２の運転モードに移行する（図２のステップＳ２５においてＹｅｓ）。

また、燃料電池システムの運転状態が状態Ｓ１３から状態Ｓ１２に変化した場合は（図５の矢印Ａ１３２参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第２の運転モードのままである（図２のステップＳ４５においてＮｏ）。そして、燃料電池システムの運転状態がさらに変化して状態Ｓ１１となったときには（図５の矢印Ａ１２１参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第１の運転モードに移行する（図２のステップＳ４５においてＹｅｓ）。

同様に、燃料電池システムの運転状態が状態Ｓ２１から状態Ｓ２２に変化した場合は（図５の矢印Ａ２１２参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第１の運転モードのままである（図２のステップＳ２５においてＮｏ）。そして、燃料電池システムの運転状態がさらに変化して状態Ｓ２３となったときには（図５の矢印Ａ２２３参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第２の運転モードに移行する（図２のステップＳ４５においてＹｅｓ）。

また、燃料電池システムの運転状態が状態Ｓ２３から状態Ｓ２２に変化した場合は（図５の矢印Ａ２３２参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第２の運転モードのままである（図２のステップＳ４５においてＮｏ）。そして、燃料電池システムの運転状態がさらに変化して状態Ｓ２１となったときには（図５の矢印Ａ２２１参照）、第５実施例の燃料電池システム１の運転モードは、第１の運転モードに移行する（図２のステップＳ４５においてＹｅｓ）。

以上で説明した第３実施例の燃料電池システム１によっても、燃料電池の状態が変化する場合に、効率的な発電を行うことができる。

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

Ｄ１．変形例１：
上記実施例においては、酸化ガスの供給路は運転モードに応じて切り換えられない（図３および図４参照）。しかし、酸化ガスの供給路も、第１のモードにおいて、まず第１の燃料電池１０に供給され、第１の燃料電池１０を通過した酸化ガスが第２の燃料電池２０に供給される態様とすることができる。そして、酸化ガスの供給路は、第２のモードにおいて、まず第２の燃料電池２０に供給され、第２の燃料電池２０を通過した酸化ガスが第１の燃料電池１０に供給される態様とすることができる。このような態様とすれば、最初に反応ガスが供給され、その結果、主として発電を行う燃料電池の熱を、補助的に発電を行う他方の燃料電池に供給することができる。

なお、本明細書において第１と第２の燃料電池のうち一方の燃料電池が「主として発電を行う」とは、他方の燃料電池よりも発電量が多いことを表す。

Ｄ２．変形例２：
また、上記実施例および変形例においては、燃料ガスおよび酸化ガスは、第１と第２の燃料電池のうち一方の燃料電池を通過した後、他方の燃料電池を通過する。しかし、燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方が、第１と第２の燃料電池のうち一方の燃料電池を通過した後、他方の燃料電池を通過しない態様とすることもできる。そのような態様としても、それぞれの状態に適した燃料電池によって発電を行うことができる。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例においては、温度に基づく燃料電池システムの運転制御は、燃料ガスの流れにおける下流側の燃料電池が排出した燃料ガスの温度に基づいて行われる。しかし、温度に基づく燃料電池システムの運転制御は、他の態様で行うこともできる。

たとえば、燃料ガスの流れにおける上流側の燃料電池に供給される燃料ガスの温度に基づいて行うこともできる。また、燃料ガスの流れにおける上流側の燃料電池と下流側の燃料電池の間のにおける燃料ガスの温度に基づいて行うこともできる。さらに、各モードにおいて第１と第２の燃料電池のうち一方のみに燃料ガスを供給する場合には、その燃料電池に供給されるべき燃料ガス、またはその燃料電池から排出される燃料ガスの温度に基づいて、燃料電池システムの運転制御を行うこともできる。

なお、以上で説明したような、燃料電池に対する反応ガスの測定位置の置き換えが可能である点は、酸化ガスの温度に基づいて燃料電池システムの運転制御を行う場合についても同様である。

Ｄ４．変形例４：
上記第１実施例では、燃料電池システム１の状態であって、第１の条件としての「排出された燃料ガスの温度がＴｈｔ１よりも低いこと」を満たす第１の状態において、第１のモードで運転が行われる。そして、燃料電池システム１の状態であって、第２の条件としての「排出された燃料ガスの温度がＴｈｔ２よりも高いこと」を満たす第２の状態において、第２のモードで運転が行われる。また、上記第３実施例では、燃料電池システム１に対する要求負荷に基づいて、燃料電池システム１の運転モードが決定される（図５参照）。

しかし、燃料電池システムの運転モードは他の態様で定められることができる。ただし、燃料電池に供給される反応ガス（酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方）の温度や、燃料電池システムに対する要求負荷、環境温度など、発電を行う燃料電池の温度に影響を与えるパラメータに基づいて燃料電池システムの運転モードが決定されることが好ましい。なお、各パラメータを得るためのセンサは、燃料電池システムの好適な位置に適宜、設置することができる。

Ｄ５．変形例５：
上記第２実施例では、燃料電池システム１の状態であって、第１の条件としての「燃料ガス中の水素濃度がＴｈｈ１よりも高いこと」を満たす第１の状態において、第１のモードで運転が行われる。そして、燃料電池システム１の状態であって、第２の条件としての「燃料ガス中の水素濃度がＴｈｈ２よりも低いこと」を満たす第２の状態において、第２のモードで運転が行われる。また、上記第３実施例では、燃料ガス中の水素濃度に基づいて、燃料電池システム１の運転モードが決定される（図５参照）。

しかし、燃料電池システムの運転モードは他の態様で定められることができる。たとえば、燃料電池システムの運転制御は、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度に基づいて行うこともできる。

なお、炭化水素を改質して水素を得る場合には、水素の生成量が多いときには、一酸化炭素の生成量が少なく、水素の生成量が少ないときには、一酸化炭素の生成量が多い、という傾向がある。このため、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度に基づいて燃料電池システムの運転制御を行う場合には、上記実施例における水素濃度の大小に関する判定処理を一酸化炭素に適用する場合には、判断は大小関係を逆にして行われる。

すなわち、燃料ガス中の水素濃度や燃料ガス中の一酸化炭素濃度など、燃料ガス中の一酸化炭素濃度に影響を与えるパラメータに基づいて燃料電池システムの運転モードが決定されることが好ましい。なお、各パラメータを得るためのセンサは、燃料電池システムの好適な位置に適宜、設置することができる。

Ｄ６．変形例６：
上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、ＥＣＵ１００（図１）の機能の一部をハードウェア回路が実行するようにすることもできる。

このような機能を実現するコンピュータプログラムは、フロッピディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で提供される。ホストコンピュータは、その記録媒体からコンピュータプログラムを読み取って内部記憶装置または外部記憶装置に転送する。あるいは、通信経路を介してプログラム供給装置からホストコンピュータにコンピュータプログラムを供給するようにしてもよい。コンピュータプログラムの機能を実現する時には、内部記憶装置に格納されたコンピュータプログラムがホストコンピュータのマイクロプロセッサによって実行される。また、記録媒体に記録されたコンピュータプログラムをホストコンピュータが直接実行するようにしてもよい。

この明細書において、ホストコンピュータとは、ハードウェア装置とオペレーションシステムとを含む概念であり、オペレーションシステムの制御の下で動作するハードウェア装置を意味している。コンピュータプログラムは、このようなホストコンピュータに、上述の各部の機能を実現させる。なお、上述の機能の一部は、アプリケーションプログラムでなく、オペレーションシステムによって実現されていても良い。

なお、この発明において、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。

本発明の実施例の燃料電池システム１の構成を示すブロック図。ＥＣＵ１００が燃料電池システム１の運転を制御する際の処理を示すフローチャート。第１のモードにおける燃料ガスの流れを示すブロック図。第２のモードにおける燃料ガスの流れを示すブロック図。燃料ガス中の水素濃度Ｃｈと、燃料電池システム１に対する要求負荷Ｌに基づいて定められる第１の条件と第２の条件を表す図。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…第１の燃料電池
１２…カソード
１４…アノード
２０…第２の燃料電池
２２…カソード
２４…アノード
３０…改質部
４０…酸化ガス供給路
４１…ポンプ
４２、４４，４６，４８…酸化ガス供給路の配管
５０…燃料供給路
５１…ポンプ
５２，５４，５６，５８，６０，６４，６６，６８…燃料供給路の配管
５３…弁
７０…排気浄化部
８０…熱交換部
９０…配管
１００…ＥＣＵ
Ｃｈ…水素濃度
Ｌ…要求負荷
Ｓ１…燃料ガス中の水素濃度を測定するためのセンサ
Ｓ２，Ｓ３…燃料ガスの温度を測定するためのセンサ
Ｔｈ１…第１の条件を示す直線
Ｔｈ２…第２の条件を示す直線

Claims

燃料電池システムであって、
第１の燃料電池と、
最も効率的に発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高く、かつ、最も効率的に発電を行うことができる状態において前記第１の燃料電池よりも発電量が多い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、
前記供給路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムに関する第１の状態において、前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させ、
前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも前記燃料電池に対する要求負荷が高いこと、（ｉｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガスの温度が高いこと、および（ｉｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の温度が高いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させる、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記第１のモードは、前記第１の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第２の燃料電池に供給するモードである、燃料電池システム。
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記第２のモードは、前記第２の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第１の燃料電池に供給するモードである、燃料電池システム。
燃料電池システムであって、
燃料ガスとして一酸化炭素を使用して発電を行うことができず、前記燃料ガスとして水素を使用して発電を行うことができる第１の燃料電池と、
前記燃料ガスとして一酸化炭素および水素を使用して発電を行うことができ、発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、
前記供給路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムに関する第１の状態において前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させ、
前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の水素の量が少ないこと、および（ｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の一酸化炭素の量が多いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させる、燃料電池システム。
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記第１の燃料電池は、前記燃料ガスのうち水素を選択的に透過させる水素透過部を備え、前記水素透過部を透過した水素のイオンを電極間において伝導させることにより発電を行うことができる燃料電池であり、
前記第２の燃料電池は、酸素イオンを電極間において伝導させることにより発電を行うことができる燃料電池である、燃料電池システム。
請求項４または５記載の燃料電池システムであって、
前記第１のモードは、前記第１の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第２の燃料電池に供給するモードである、燃料電池システム。
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記第２のモードは、前記第２の燃料電池を通過した前記燃料ガスと前記酸化ガスの少なくとも一方を前記第１の燃料電池に供給するモードである、燃料電池システム。
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
第１の燃料電池と、
第２の燃料電池であって、最も効率的に発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高く、かつ、最も効率的に発電を行うことができる状態において前記第１の燃料電池よりも発電量が多い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、を備え、
前記方法は、
（ａ）前記燃料電池システムに関する第１の状態において、前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも前記燃料電池に対する要求負荷が高いこと、（ｉｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガスの温度が高いこと、および（ｉｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の温度が高いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、を備える方法。
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料ガスとして一酸化炭素を使用して発電を行うことができず、前記燃料ガスとして水素を使用して発電を行うことができる第１の燃料電池と、
前記燃料ガスとして一酸化炭素および水素を使用して発電を行うことができ、発電を行うことができる温度が前記第１の燃料電池よりも高い第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池を介さずに前記第１の燃料電池に燃料ガスを供給する第１のモードと、前記第１の燃料電池を介さずに前記第２の燃料電池に燃料ガスを供給する第２のモードと、で前記燃料電池に燃料ガスを供給することができる供給路と、を備え、
前記方法は、
（ａ）前記燃料電池システムに関する第１の状態において前記第１のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムに関する第２の状態であって、（ｉ）前記第１の状態よりも発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の水素の量が少ないこと、および（ｉｉ）前記第１の状態よりも前記発電を行う燃料電池に供給すべき燃料ガス中の一酸化炭素の量が多いこと、のうちの少なくとも一つを満たす第２の状態において、前記第２のモードで前記供給路に燃料ガスを供給させて、前記燃料電池システムに発電を行わせる工程と、を備える方法。