JP2009259757A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システムの起動時においてスタックとリフォーメートとの温度差によるアノードフラッディングを防止する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。
【解決手段】本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックの温度を検出するステップと、燃料改質部で生成された後、熱交換部を介して燃料電池スタックに供給されるリフォーメートの温度を検出するステップと、システムの起動時間の間、リフォーメートの温度が燃料電池スタックの温度より一定範囲内で低く維持されるように、燃料電池スタックの温度変化に連動してリフォーメートの温度を制御するステップとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、システムの起動時においてスタックとリフォーメートとの温度差によるアノードフラッディングを防止することができる燃料電池システム及びその制御方法に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は、従来のタービン発電機のような燃焼過程や駆動装置がないため、効率が高い上に、大気汚染、振動、騒音のような環境問題を誘発しないことから、次世代発電技術として注目されている。

燃料電池は、電解質の種類により、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などに区分される。各燃料電池は、基本的に同じ原理により作動するが、燃料の種類、運転温度、触媒や電解質が互いに異なる。このような燃料電池は、産業用、家庭用、レジャー用などの様々な用途で研究開発されている。特に、一部の燃料電池は、自動車、船舶などのような移動手段の電源供給装置として盛んに研究開発されている。

前述の燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）は、液体電解質でない固体高分子膜を電解質として用い、リン酸型燃料電池に比べて出力特性がはるかに高く、作動温度が低いという特徴がある。さらに、早い始動及び応答特性を備え、携帯用電子機器の電源のような移動用電源や、自動車、ヨットのような輸送手段用電源はいうまでもなく、住宅、公共建物の静止型発電所のような分散用電源など、その応用範囲が広いという長所がある。

高分子電解質型燃料電池は、大別して２つの構成要素に区分することができるが、その１つはスタック部であり、もう１つはシステム及び運転部である。スタックは、アノード電極触媒、カソード電極触媒、及びこれら電極触媒の間に挿入される電解質からなる膜電極アセンブリを備え、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させて直接電気を生産する。また、スタックは、複数の膜電極アセンブリを積層して作製可能であるが、このような積層型スタックの場合、膜電極アセンブリの間にはセパレータが配置される。システム及び運転部は、燃料供給装置、酸化剤供給装置、熱交換装置、電力変換装置、制御装置などを備えることにより、スタックの運転を制御する。

前述の高分子電解質型燃料電池は、システムの起動初期においてスタックの温度変化が伴う。システムの起動直後、スタックは、燃料と酸化剤との電気化学反応が始まる前であるため、スタックの温度は、通常、正常運転状態の温度より低い温度範囲にある。時間経過に伴い、スタックでは、燃料と酸化剤との電気化学反応により電気エネルギーと熱が発生し、発生した熱により、スタックの温度は次第に上昇する。

一方、システムの起動時、スタックのアノードに、正常運転時の温度で熱交換されたリフォーメートを供給すると、スタックは、通常、正常運転時の温度より低い常温付近の温度を有するため、スタックの内部においてリフォーメートに含まれている水蒸気の一部が凝縮される。このようなスタック内における水蒸気の凝縮は、アノードフラッディング（ａｎｏｄｅ ｆｌｏｏｄｉｎｇ）問題を誘発し、結果として、スタックの正常起動及び運転を妨げる。

特に、スタック内において凝縮された水は、スタックの下部に溜まる可能性が大きい。その場合、スタック内の一部のセルが水に浸ることがあり、このセルがスタックに逆電圧を発生させることでスタックの起動を妨げる。しかも、前述の問題により、システムの起動を繰り返すと、スタックの性能が急激に低下し得る。

特開１９９８−２５５８２８号公報 大韓民国特許公開第２００３−００７３６７７号公報 特開１９９６−１３８７０４号公報 特開２００６−１６９０１３号公報

本発明の目的は、システムの起動時においてスタックとリフォーメートとの温度差によるアノードフラッディングを防止する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である。

上記の課題を達成するため、本発明の一態様によれば、燃料電池スタックの温度を検出するステップと、燃料改質部で生成された後、熱交換部を介して燃料電池スタックに供給されるリフォーメートの温度を検出するステップと、システムの起動時間の間、リフォーメートの温度が燃料電池スタックの温度より低く維持されるように、燃料電池スタックの温度変化に連動してリフォーメートの温度を制御するステップとを含む燃料電池システムの制御方法が提供される。

前記リフォーメートの温度を制御するステップは、燃料電池スタックの温度を基準として９０％〜５０％の範囲内で相対湿度が維持されるように、リフォーメートの温度を制御するステップを含むこともできる。

前記リフォーメートの温度を制御するステップは、熱交換部のシステムの起動時における熱交換性能をシステムの正常運転時における熱交換性能より高く制御するステップを含むこともできる。

前記燃料電池スタックの温度を検出するステップは、燃料電池スタックの体積中心部の温度を検出するステップを含むこともできる。

前記燃料電池システムの制御方法は、リフォーメートの温度が燃料電池スタックの温度より所定の大きさだけ低くないとき、リフォーメートを燃料改質部に供給するステップをさらに含むこともできる。

前記燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックのカソードに酸化剤を供給するステップをさらに含むこともできる。

上記の課題を達成するため、本発明の他の様態によれば、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの温度を検出する第１センサと、燃料電池スタックに供給するリフォーメートを生成する燃料改質部と、燃料改質部から燃料電池スタックに供給されるリフォーメートの温度を調節する熱交換部と、熱交換部から流出するリフォーメートの温度を検出する第２センサと、システムの起動時間の間、リフォーメートの温度が燃料電池スタックの温度より低く維持されるように、燃料電池スタックの温度変化に連動してリフォーメートの温度を制御する制御部とを備える燃料電池システムが提供される。

前記制御部は、燃料電池スタックの温度を基準として９０％〜５０％の相対湿度が維持されるように、リフォーメートの温度を制御することもできる。

前記制御部は、熱交換部のシステムの起動時における熱交換性能をシステムの正常運転時における熱交換性能より高く制御する。このため、熱交換部は、主熱交換部と、システムの起動期間にのみ動作する補助熱交換部とを備え、制御部は、システムの起動時、主熱交換部と補助熱交換部とを共に作動させて熱交換性能を高めることもできる。

前記燃料電池システムは、燃料改質部と燃料電池スタックとの間に配置され、リフォーメートの温度が燃料電池スタックの温度以上のとき、リフォーメートを燃料改質部に供給するための弁をさらに備えることもできる。

前記制御部は、燃料電池スタックの温度に連動して熱交換部の動作を自動調節する熱交換温度連動装置を備えることもできる。

前記燃料電池システムは、燃料電池スタックのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給部をさらに備えることもできる。

前記燃料電池スタックは、高分子電解質型燃料電池方式のスタックを含むこともできる。

以上説明したように本発明によれば、本発明によれば、システムの起動時、スタックの温度より所定範囲の低い温度を有するリフォーメートを供給することにより、従来のスタックの内部で発生していたアノードフラッディング問題を防止することができる。また、起動期間にスタックの温度が上昇するにつれ、リフォーメートの温度を連動して上昇させることにより、スタックの起動及び運転の安定性を高め、かつスタックの性能の劣化を防止することができる。さらに、スタックの温度が常温から非常に低い温度、例えば、０℃付近の温度を有する場合も、システムの起動時におけるアノードフラッディングを防止することができる。しかも、システムの起動時、スタックの温度が不安定で制御値より低くなった場合も、熱交換されたリフォーメートの温度がスタックの温度に連動するため、アノードフラッディングを防止することができる。また、システムの起動後、スタックの温度が設定温度以上に上昇した場合も、リフォーメートの温度がスタックの温度に連動するため、スタックの内部乾燥を防止することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。また、以下の実施形態は、本技術分野における通常の知識を有する者に本発明を十分に理解させるためのものであり、本発明の説明において、関連する公知機能等については、その詳細な説明は省略する。

ただし、本発明の明確化のため、実施形態の説明と関係ない部分については図面では省略する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。さらに、図面における各要素の厚さや大きさは、説明の便宜性及び明確性のために拡大されることがあり、これらに限定されるものではない。また、明細書全体において燃料電池スタックという用語を使っているが、これは、便宜のためであって、燃料電池スタックは、積層型スタックまたは平板型スタックを含むことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。

同図に示すように、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に供給するリフォーメートを生成する燃料改質部２０と、燃料改質部２０から燃料電池スタック１０に供給されるリフォーメートの温度を調節する熱交換部３０と、燃料電池スタック１０の温度を検出する第１センサ４２と、熱交換部３０またはリフォーメートの温度を検出する第２センサ４４と、システムの起動初期において、リフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より一定範囲内で低く維持されるように、燃料電池スタック１０の温度変化に連動して、熱交換部３０を制御する制御部５０と、を備える。

燃料電池スタック１０は、基本的にアノード電極触媒、カソード電極触媒、及びこれら電極触媒の間に挿入される電解質からなる膜電極アセンブリを備える。また、燃料電池スタック１０は、複数の膜電極アセンブリを積層して作製可能であるが、このような積層型スタックの場合、膜電極アセンブリの間にはセパレータが配置される。

前述の燃料電池スタック１０は、アノードインレット１２に供給される燃料と、カソードインレット１６に供給される酸化剤との電気化学反応により、電気エネルギーと熱を生成する。燃料電池スタック１０に流入した燃料及び酸化剤は、アノードアウトレット１４及びカソードアウトレット１８を介してスタック１０の外部に排出され得る。前述の燃料は、天然ガス、メタノール、エタノールなどの原料を改質して得られる。

燃料改質部２０は、燃料電池スタック１０に適した最適な燃料である水素を供給するための装置である。燃料改質部２０は、天然ガス、ガソリン、メタノールなどの原料を改質して水素リッチリフォーメートを生成する。燃料改質部２０は、水蒸気改質、部分酸化改質、自熱改質、または、これらの組み合わせで行われる改質反応のための触媒工程を含むことができる。また、燃料改質部２０は、燃料中の一酸化炭素や硫黄などの不純物を除去するための触媒工程を含むことができる。前述の触媒工程は、水性ガスシフト（ＷＧＳ：Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ）のための触媒工程、選択的酸化（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）のための触媒工程を含む。

熱交換部３０は、燃料電池システムの運転時に発生する熱を変換する装置である。熱交換部３０は、燃料電池スタック１０、モータ、各種制御器などが、一定の温度で作動するように機能することができる。特に、本実施形態に係る熱交換部３０は、システムの起動時において、燃料改質部２０から燃料電池スタック１０に供給されるリフォーメートの温度が、スタック１０の温度より一定範囲内で低く維持されるように、燃料電池スタック１０の温度変化に連動して、熱変換する。

第１センサ４２は、システムの起動時において、常温から正常運転温度まで急激に変化する燃料電池スタック１０の温度を検出することができる温度センサである。第１センサ４２は、燃料電池スタック１０の温度を正確に検出するために、スタック１０の体積中心部に設けることが好ましい。

第２センサ４４は、燃料電池スタック１０の温度に連動して変化するリフォーメートの温度を検出することができる温度センサである。第２センサ４４は、熱交換部３０の温度、熱交換部３０から流出するリフォーメートの温度、及び燃料電池スタック１０のアノードインレット１２に流入するリフォーメートの温度のうち少なくともいずれかの温度を検出するように設けられる。

第１センサ４２及び第２センサ４４は、サーミスタ、抵抗温度検出器、熱電対、半導体温度センサなどから選択される少なくともいずれか１つを含むことができる。

制御部５０は、第１センサ４２及び第２センサ４４から検出された温度信号を所定の入力ポートを介して受信し、受信した温度信号により燃料電池スタック１０の温度及びリフォーメートの温度を感知する。制御部５０の入力ポートは、アナログデジタルコンバータを備えることができる。制御部５０は、マイクロプロセッサまたはフリップフロップを用いた論理回路で実現可能である。

また、制御部５０は、システムの起動時、燃料電池スタック１０に供給されるリフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より一定範囲内で低く維持されるように、燃料電池スタック１０の温度変化に連動して、熱交換部３０を制御する。好ましくは、リフォーメートの温度は、燃料電池スタック１０の温度を基準として約９０％〜５０％の相対湿度に対応する温度範囲にあるように設定される。

大気圧下において、ある温度の空気が有し得る水分の量が表１のとおりである場合、燃料電池スタック１０の温度が大気圧で３１℃であれば、リフォーメートの温度は、３１℃の飽和水蒸気量３２．０ｇ／ｍ^３より所定量少ない水分を有する温度範囲で選択されることになる。例えば、リフォーメートの水分量を燃料電池スタック１０の温度を基準として相対湿度９０％に設定すると、リフォーメートの水分量は、３２．０ｇ／ｍ^３の０．９倍、すなわち、２８．８ｇ／ｍ^３になり、これにより、リフォーメートの温度は、２８．８ｇ／ｍ^３の水分量を含むことができる温度、すなわち、約２９℃に設定される。また、例えば、リフォーメートの水分量を燃料電池スタック１０の温度３１℃を基準として相対湿度５０％に設定すると、リフォーメートの水分量は、３２．０ｇ／ｍ^３の０．５倍、すなわち、１６．０ｇ／ｍ^３になり、これにより、リフォーメートの温度は、１６．０ｇ／ｍ^３の水分量を含むことができる温度、すなわち、約１９℃〜２０℃程度に設定される。

他の例として、燃料電池システムの制御部５０は、システムの起動直後、燃料電池スタック１０の温度が３１℃のとき、リフォーメートの温度を約２９℃に設定し、この設定に対応するように熱交換部３０を制御することができる。このとき、燃料電池スタック１０の温度を基準として、リフォーメートは約９０％の相対湿度を有することになる。また、制御部５０は、システムが起動して一定時間経過後に、燃料電池スタック１０の温度が約６１℃になると、正常運転のために、リフォーメートの温度が約４６℃になるように熱交換部３０を制御することができる。すなわち、燃料電池スタック１０の温度を基準として、約５０％の相対湿度に設定することにより、リフォーメートの温度を調整することができる。

前述の説明において、説明の便宜上、リフォーメートの温度は、燃料改質部２０と、燃料電池スタック１０のアノードインレット１２とを連結する配管内の圧力を考慮しなかった。配管を通過するリフォーメートに加えられる圧力を考慮すると、リフォーメートが有し得る水分の量はさらに減少することになる。したがって、制御部５０は、リフォーメートの温度を測定する位置に基づいて配管内の圧力を考慮することにより、大気圧下の条件と比較して、リフォーメートの温度が高くなるようにまたは低くなるように、熱交換部３０を制御することも可能である。さらに、リフォーメートは、大気中の空気ではないことから、含有し得る水分の量も、表１の値とは実際には異なる。しかしながら、リフォーメートも大気中の空気と同様に含有し得る水分量が温度によって定まる。したがって、表１の空気中の温度と水分量の関係と同様に、リフォーメートの温度と水分量の関係に基づいて、リフォーメートの温度を調整することにより含有する水分量を任意に調整することができる。

前述の燃料電池システムは、燃料改質部２０で生成された後、熱交換部３０を介して熱交換され、アノードインレット１２に供給されるリフォーメート中の水素と、酸化剤供給部６０を介してカソードインレット１６に供給される空気中の酸素との電気化学反応により、下記式１〜３のように電気エネルギーと熱を発生させる。酸化剤供給部６０は、空気ポンプ又は送風機を含むことができる。

（反応式１）
アノード：Ｈ_２（ｇ）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

（反応式２）
カソード：１／２Ｏ_２（ｇ）＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（ｌ）

（反応式３）
全体：Ｈ_２（ｇ）＋１／２Ｏ_２（ｇ）→Ｈ_２Ｏ（ｌ）＋電気エネルギー＋熱

前述の燃料電池システムの制御過程をより詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。

図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、以下の各ステップを含む。まず、本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、システムを起動させるステップＳ１０を含む。本ステップＳ１０は、ユーザのスイッチ操作やプログラムされた運転ルーチンにより発生した運転制御信号を制御部で感知した後に行われ、システムの起動に必要な動作を含む。

また、前記制御方法は、システムの起動期間において、燃料電池スタック１０の温度Ｔ_Ｓを検出するステップＳ１２を含む。本ステップＳ１２は、燃料電池スタック１０に連結された第１センサ４２により、燃料電池スタック１０の温度を周期的に検出し、制御部５０により、第１センサ４２により検出された温度を周期的に感知することを含む。

また、前記制御方法は、システムの起動期間において、燃料改質部２０で生成された後、熱交換部３０を介して燃料電池スタック１０に供給されるリフォーメートの温度Ｔ_Ｒを検出するステップＳ１４を含む。本ステップＳ１４は、熱交換部３０の温度またはリフォーメートの温度を周期的に検出する第２センサ４４と、第２センサ４４から検出された温度を周期的に感知する制御部５０とによって行うことができる。

さらに、前記制御方法は、システムの起動期間において、リフォーメートの温度Ｔ_Ｒが燃料電池スタック１０の温度Ｔ_Ｓより一定範囲内の低い温度であるか否かを判断するステップＳ１６を含む。本ステップＳ１６は、燃料電池スタック１０の温度Ｔ_Ｓから、リフォーメートの温度Ｔ_Ｒを差し引いた値が０を超え、かつ基準温度の範囲内になるように動作することを含む。ここで基準温度の範囲内とは、スタック１０の温度から、スタック１０の温度に相応する飽和水蒸気量の９０％〜５０％の飽和水蒸気量を有する温度を差し引いた範囲である。リフォーメートの温度が前記基準温度の範囲より低ければ、スタックの内部乾燥が発生しやすくなり、リフォーメートの温度が前記基準温度の範囲より高ければ、スタックの内部にアノードフラッディングが発生し得る。

また、前記制御方法は、前記ステップＳ１６の判断結果が「はい」であれば、熱交換されたリフォーメートを燃料電池スタック１０に供給するステップＳ１８を含む。本ステップＳ１８は、燃料電池スタック１０のアノードインレット１２側に設けられた弁のチャネルを開放するステップを含むことができる。弁は、ソレノイドバルブを含む。

また、前記制御方法は、前記ステップＳ１６の判断結果が「いいえ」であれば、熱交換されたリフォーメートを燃料電池スタック１０に供給せず、再び燃料電池スタック１０の温度Ｔ_Ｓおよび熱交換されたリフォーメートの温度Ｔ_Ｒを検出する。その後、リフォーメートの温度Ｔ_Ｒが燃料電池スタックの温度Ｔ_Ｓより一定範囲内で低いのかを再判断する。また、燃料電池スタック１０に供給されなかったリフォーメートは、燃料改質部２０に供給され、燃料改質部２０で燃料改質部２０を加熱するための燃料として使用することも可能である。

図３は、本発明の燃料電池システムの作動過程を説明するためのグラフである。

本実験例では、２００Ｗ級の燃料電池システムを用いた。図３に示すように、システムの起動直後、燃料電池スタック１０の温度は、常温付近の約３１℃であった。また、約１０分の起動時間の間、燃料電池スタック１０の温度は、約３１℃から約６３℃まで急激に上昇した。

ここで、従来の燃料電池システムの起動時においては、仮に燃料電池スタックの正常運転状態における温度である約６３℃に合わせて、リフォーメートの温度を約５０℃程度に制御した後、燃料電池スタックに供給すると、燃料電池スタックには、約５０℃のリフォーメートが供給されることとなる。したがって、燃料電池スタックの内部では、リフォーメートの温度より低いスタックの温度によりリフォーメートに含まれている水蒸気の一部が凝縮される。凝縮された水は、アノードインレットを塞ぐか、アノード側の燃料チャネルを塞ぐことにより、リフォーメートの供給を妨げることがある。また、凝縮された水は、燃料電池スタックの下部に溜まることになる。その場合、燃料電池スタックの下部に位置するセルは、水に浸って正常な起動ができないか、逆電圧を発生させることにより、スタックに悪影響を及ぼすといった問題が発生し得る。

これに対して、本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタック１０に供給されるリフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より低く、かつ所定の温度差を有して燃料電池スタック１０の温度に連動するようにリフォーメートの温度を制御することにより、前述の問題の発生を防止する。すなわち、本実験形態では、システムの起動時間の間、約３１℃から約６３℃まで上昇する燃料電池スタック１０の温度変化に連動して、スタック１０の温度と所定の温度差を有して、リフォーメートの温度を約２９℃から約５０℃まで上昇するように制御する。

燃料電池スタック１０の温度に連動してリフォーメートの温度を制御するための基準温度は、リフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より低く、かつリフォーメートが燃料電池スタック１０の内部に供給されたとき、燃料電池スタック１０の内部は、約９０％〜５０％の相対湿度を維持できるように設定される。

一方、図３に示すように、システムの正常運転状態では、スタック１０の温度とリフォーメート温度がほぼ一定の温度差を持つので、スタック１０内の加湿条件がこれらの温度が急激に変化する起動時に比べて緩和される。したがって、起動直後の相対湿度より低い正常運転時の相対湿度でリフォーメートを制御する。このとき、正常運転状態で燃料電池スタック１０の温度が約６３℃のとき、リフォーメートの温度は、約４８℃〜約５２℃程度に設定される。

このように、本実施形態によれば、システムの起動時、スタックの温度とリフォーメートの温度との差により、スタック１０内に凝縮水が過度に発生することを防止するだけでなく、スタック１０の温度とリフォーメートの温度との不均衡により低加湿雰囲気が形成され、それにより、スタック１０の内部乾燥を防止することもできる。

図４は、本発明の燃料電池システムに採用可能な熱交換温度連動装置の例を示す図である。すなわち、同図は、燃料電池システムの制御部に備えられる熱交換温度連動装置５２のインタフェースの一例を示す。

本実施形態に係る燃料電池システムは、リフォーメートの温度と燃料電池スタック１０の温度とを連動させるための熱交換温度連動装置５２を備える。熱交換温度連動装置５２は、システムの正常運転時における燃料電池スタック１０の温度とリフォーメート温度との連動だけでなく、システムの起動期間における燃料電池スタック１０の温度とリフォーメートの温度との連動を自動モード（Ａｕｔｏ ｍｏｄｅ）または手動モードで制御するためのものである。

図４に示すように、熱交換温度連動装置５２において、正常運転時の燃料電池スタック１０の温度を約６３℃に設定すると、システムの起動時、スタック冷却用ファン（ｓｔａｃｋ ｆａｎ）は、燃料電池スタック１０の温度が約６３℃を超えるまでは動作せずに待機する。また、正常運転時のリフォーメートの温度を約５０℃に設定すると、システムの起動時、熱交換部ファン（Ｈ／Ｘ ｆａｎ）は、リフォーメートの温度が約５０℃を超えるまでは動作せずに待機する。さらに、正常運転状態になっても、自動モードがオフに設定されていると、相変わらず既設定の条件に従ってのみ待機または動作することになる。

一方、本実施形態に係る熱交換温度連動装置５２において、熱交換部ファン及びスタック冷却用ファン５２ａを自動モードＯＮに設定すると、システムの起動直後、常温付近の温度を有する燃料電池スタック１０の温度より所定温度低くリフォーメートの温度を制御するだけでなく、燃料電池スタック１０の温度変化に連動してリフォーメートの温度変化を自動的に制御することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムは、リフォーメートの温度を燃料電池スタック１０の温度に連動させるため、燃料改質部２０の特定の地点でリフォーメートの温度を制御することができる。例えば、燃料改質部２０が水蒸気改質反応部（ＳＲ反応部）、水性ガスシフト反応部（ＷＧＳ反応部）、及び選択酸化反応部（ＰＲＯＸ反応部）を備える場合、本実施形態に係る燃料電池システムは、ＷＧＳ反応部から流出するリフォーメートの温度と燃料電池スタック１０の温度とが連動するように動作することができる。この場合、リフォーメートの温度は、ＰＲＯＸ反応部での温度変化及び熱交換部３０での温度変化を考慮して設定可能である。他の例として、本実施形態に係る燃料電池システムは、ＰＲＯＸ反応部から流出するリフォーメートの温度と燃料電池スタック１０の温度とが連動するように動作することができる。この場合、リフォーメートの温度は、基本的に熱交換部３０での温度変化を考慮して設定可能である。追加的に、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料改質部２０と燃料電池スタック１０とを連結する配管を通過しながらリフォーメートの温度及び圧力が変化することを考慮して、リフォーメートの温度を設定することができる。

図５は、本発明の燃料電池システムに採用可能な熱交換部３０ａのブロック図である。

同図に示すように、熱交換部３０ａは、ボックスとして概略的に示す配管ブロック３２と、配管ブロック３２を通りリフォーメートを冷却させる冷却手段とを備える。冷却手段は、第１ファン３４ａ及び第２ファン３４ｂを備える。配管ブロック３２は、実際に蛇行状に延びるか螺旋状に延びることができる。配管ブロック３２の出口付近には、凝縮された水を排出するための排水弁３３が連結され得る。また、配管ブロック３２の出口には、熱交換されたリフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より高い場合には、そのリフォーメートＲ１を酸化燃料として燃料改質部２０に供給し、熱交換されたリフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より所定の範囲で低い場合には、そのリフォーメートＲ２を燃料電池スタック１０に供給するための三方弁３５が連結され得る。

燃料電池システムの起動期間において、２つのファン３４ａ、３４ｂは、配管ブロック３２に流入するリフォーメートＲ０の温度が常温のスタック１０の温度よりやや低くなるように高出力で作動する。その後、燃料電池スタック１０の温度上昇に連動してリフォーメートの温度が次第に高くなるようにその出力を徐々に減少することができる。また、システムの正常運転時、リフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度とほぼ一定の温度差を有して維持されるように、２つのファン３４ａ、３４ｂのいずれか１つのファンだけを作動することも可能である。

もちろん、本実施形態に係る熱交換部３０ａは、２つのファン３４ａ、３４ｂの動作速度の強弱を用いて、システムの起動期間には、高速動作でリフォーメートの温度を大きく下げてリフォーメートの温度がスタック１０の温度よりやや低くなるように動作し、正常運転期間には、リフォーメートの温度がスタック１０の温度より低く所定値付近で適宜維持されるように、前記高速動作より相対的に低い速度で動作することができる。

図６は、本発明の他の実施形態に係る気液（Ｇａｓ／Ｌｉｑｕｉｄ）セパレータ（以下、「Ｇ／Ｌセパレータ」とする）を備えた燃料電池システムのブロック図である。

本実施形態に係る２つのＧ／Ｌセパレータ３６ａ、３６ｂは、基本的に、図１のシステムブロック図からみると、燃料改質部２０と燃料電池スタック１０との間に連結される。このとき、燃料改質部２０と２つのＧ／Ｌセパレータ３６ａ、３６ｂとの間には、従来の熱交換器が設けられてもよい。他方、本実施形態に係る２つのＧ／Ｌセパレータ３６ａ、３６ｂは、図１のシステムブロック図からみると、熱交換部３０と燃料電池スタック１０との間に連結され得る。この場合、図５の熱交換部３０ａから流出するリフォーメートＲ２は、図６のリフォーメートＲａであって、第１Ｇ／Ｌセパレータに流入すると考えられる。

図６に示すように、本実施形態に係る熱交換部３０ｂは、燃料改質部２０と燃料電池スタック１０との間を連結する第１配管〜第７配管３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇと、第１配管３２ａと第２配管３２ｂとの間に配置される第１Ｇ／Ｌセパレータ３６ａと、第３配管３２ｃと第４配管３２ｄとの間に配置される第２Ｇ／Ｌセパレータ３６ｂとを備える。

熱交換部３０ｂは、第２配管３２ｂ、第３配管３２ｃ、第６配管３２ｆ、及び第７配管３２ｇを連結する四方弁３７ａを備える。ここで、第６配管３２ｆは、第２配管３２ｂを通過するリフォーメートが第２Ｇ／Ｌセパレータ３６ｂを経由せず、第５配管３２ｅを介して燃料電池スタック１０に供給されるように、第２配管３２ｂと第５配管３２ｅとの間にバイパスを形成する。また、第７配管３２ｇは、第２配管３２ｂを通過するリフォーメートの温度が燃料電池スタック１０の温度より低い所望の温度でない場合、そのリフォーメートＲｂを燃料改質部２０に供給するための配管である。

また、熱交換部３０ｂは、第２Ｇ／Ｌセパレータ３６ｂから第４配管３２ｄを介して流出するリフォーメートＲｃの流れと、第６配管３２ｆを通るリフォーメートＲｃの流れを選択的に制御するための三方弁３７ｂを備える。

前述の熱交換部３０ｂにおいて、第１Ｇ／Ｌセパレータ３６ａは、流入したリフォーメートＲａの加湿量を調節するため、システムの起動時にのみ単独で運用される主加湿量調節部に相応し、第２Ｇ／Ｌセパレータ３６ｂは、第１Ｇ／Ｌセパレータ２６ａを通過したリフォーメートの加湿量を再調節するため、システムの正常運転時に第１Ｇ／Ｌセパレータ３６ａを補助するように運用される補助加湿量調節部に相応する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの作動過程を説明するためのグラフである。 本発明の燃料電池システムに採用可能な熱交換温度連動装置の例を示す図である。 本発明の燃料電池システムに採用可能な熱交換部のブロック図である。 本発明の燃料電池システムの熱交換部に採用可能な気液セパレータの概略的な構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
２０ 燃料改質部
３０ 熱交換部
４２ 第１センサ
４４ 第２センサ
５０ 制御部
６０ 酸化剤供給部

Claims (15)

1. 燃料電池スタックの温度を検出するステップと、
   燃料改質部で生成された後、熱交換部を介して前記燃料電池スタックに供給されるリフォーメートの温度を検出するステップと、
   前記システムの起動時間の間、前記リフォーメートの温度が前記燃料電池スタックの温度より低く維持されるように、前記燃料電池スタックの温度変化に連動して前記リフォーメートの温度を制御するステップと
   を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 前記リフォーメートの温度を制御するステップは、前記燃料電池スタックの温度を基準として９０％〜５０％の範囲内で相対湿度が維持されるように、前記リフォーメートの温度を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
3. 前記リフォーメートの温度を制御するステップは、前記熱交換部のシステムの起動時における熱交換性能を、システムの正常運転時における熱交換性能より高く制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
4. 前記リフォーメートの温度を制御するステップは、前記システムの起動時においては、主熱交換部と、前記システムの起動時にのみ動作する補助熱交換部とを動作させるステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法。
5. 前記燃料電池スタックの温度を検出するステップは、前記燃料電池スタックの体積中心部の温度を検出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
6. 前記リフォーメートの温度が前記燃料電池スタックの温度と同じかまたは高いとき、前記リフォーメートを前記燃料改質部に供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤を供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの温度を検出する第１センサと、
   前記燃料電池スタックに供給するリフォーメートを生成する燃料改質部と、
   該燃料改質部から前記燃料電池スタックに供給される前記リフォーメートの温度を調節する熱交換部と、
   該熱交換部から流出する前記リフォーメートの温度を検出する第２センサと、
   前記システムの起動時間の間、前記リフォーメートの温度が前記燃料電池スタックの温度より低く維持されるように、前記燃料電池スタックの温度変化に連動して前記リフォーメートの温度を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度を基準として９０％〜５０％の相対湿度が維持されるように、前記リフォーメートの温度を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御部は、前記熱交換部のシステムの起動時における熱交換性能を、システムの正常運転時における熱交換性能より高く制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記熱交換部は、主熱交換部と、前記システムの起動時にのみ動作する補助熱交換部とを備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料改質部と前記燃料電池スタックとの間に配置され、前記リフォーメートの温度が前記燃料電池スタックの温度以上のとき、前記リフォーメートを前記燃料改質部に供給するための弁をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
13. 前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度に連動して前記熱交換部の動作を自動調節する熱交換温度連動装置を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給部をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタックは、高分子電解質型燃料電池方式のスタックを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。

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