JP2012252945A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のアノード圧力とカソード圧力との間の差圧を低減させることにより、スタックの破損を防止する。
【解決手段】燃料電池１１のアノード１１ｂの出力側に圧力調整弁２５を設ける。そして、燃料電池１１の始動時に、起動燃焼バーナ２４より出力される燃焼ガスを燃料電池１１のカソード１１ａに供給して昇温する際に、圧力調整弁２５の開度を調整することにより、アノード圧力とカソード圧力との差圧が低減するように調整する。従って、起動燃焼バーナ２４の作動時にカソード圧力が高まってセルが破損するというトラブルの発生を回避することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、アノードとカソードとの圧力差を低減する技術に関する。

例えば、車両用として用いられる固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、イオンを伝導させる電解質と、燃料との間の反応活性が良く且つ電気伝導性が高い材料で構成される燃料極（アノード）と、空気との間の反応活性が良く且つ電気伝導性が高い材料で構成される空気極（カソード）と、を備えている。

一般に電解質は、水素イオンや酸素イオンを伝導させるので、できるだけ薄い方が電解質を通過するイオンの抵抗が低くなり、発電出力や発電効率が高くなることが知られている。しかし、電解質を極端に薄肉化すると、ピンホール等のガスリークパスが発生し、燃料と空気のクロスリークにより発電が低下するので、電解質を一定の厚さよりも薄肉化することができない。

一方、発電性能の観点ではなく強度の観点では、電解質の薄肉化により強度が低下するため、発電運転時に所定のガス流量を流すためのアノード流路、カソード流路にそれぞれ圧力が加えられ、アノードとカソードとの間に圧力差（差圧）が発生し、この差圧が所定値以上に達すると燃料電池を破損してしまう可能性がある。

このような差圧によるセル破損は、発電時のみならず燃料電池の始動時にも対策する必要がある。そこで、例えば特許文献１では、始動時にアノードガスの圧力を定常発電時よりも高くなるように設定し、更に、アノードの圧力上昇に応じてカソード圧力を上昇させることにより、始動時におけるセルの破損を防止している。

特許第４４５０１０９号

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、燃料電池のカソード流路に流通する起動燃焼バーナを用いる場合について考慮されていない。即ち、始動時に起動燃焼バーナの燃焼ガスをカソードに供給して燃料電池を動作温度まで昇温させる場合には、燃料電池の昇温中における温度のばらつきにより燃料電池を破損させないように、起動燃焼バーナのガス流量は発電時に比べて、多量に導入する必要がある。この際、カソードの圧力が上昇し、アノードとの間の差圧により燃料電池セルを破損する可能性がある。

特に、自動車等の移動体に用いられる燃料電池では、急速起動が求められるため、起動燃焼バーナから導入される燃焼ガスの流量は、発電時の数倍以上となるの流量をカソードに流す必要があり、カソード圧力が上昇した際に、アノードとカソードとの差圧を低減させる必要がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の始動時において、アノードとカソードの差圧を低減させる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、アノードに水素ガスが供給され、カソードに空気が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の始動時に、該燃料電池のカソードに燃焼ガスを供給して前記燃料電池を昇温する起動燃焼手段と、前記起動燃焼手段より出力される燃焼ガスを前記燃料電池のカソードに供給する際に、前記燃料電池のカソード圧力の上昇に対して、前記アノード、カソード間の圧力差が低減するように調整する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の始動時において起動燃焼手段によりカソードを昇温させる際に、燃料電池のアノード圧力を調整することにより、カソード圧力とアノード圧力との間の差圧を低減することができるので、燃料電池セルの破損等のトラブルの発生を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ及びアノード１１ｂを備えた燃料電池１１と、燃料改質器１５ａと該燃料改質器１５ａを加熱する改質器加熱器（改質器加熱手段）１５ｂ、及び熱交換器１５ｃを備えた改質装置１５と、を備えている。そして、燃料改質器１５ａより出力される改質ガスは、アノード１１ｂに供給される。また、カソード１１ａの排出ガスは改質器加熱器１５ｂに供給される。

また、燃料電池１１のカソード１１ａに空気を供給する第１空気ブロワ１２と、該第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、第１空気ブロワ１２と空気加熱熱交換器１３との間に設けられる空気分岐弁２３と、アノード１１ｂの出口側に設置され、アノード排気ガスの一部を改質器加熱器１５ｂに供給することによりアノード１１ｂの圧力を調整する圧力調整弁２５と、を備えている。

更に、改質装置１５の燃料改質器１５ａに空気を供給する第２空気ブロワ（新規ガス導入手段、空気供給手段）１７と、燃料改質器１５ａに燃料を供給する第１燃料ポンプ（新規ガス導入手段、燃料供給手段）１８と、該第１燃料ポンプ１８より送出される液体燃料を蒸発させる燃料蒸発器１４と、改質器加熱器１５ｂに空気を供給する第３空気ブロワ２０と、を備えている。従って、第２空気ブロワ１７より送出される空気、及び燃料蒸発器１４で気化された燃料ガスは、混合ガスとして燃料改質器１５ａに供給される。また、空気加熱熱交換器１３より排出される排出ガスは、燃料蒸発器１４に供給されて、燃料蒸発用の熱源として用いられる。更に、第３空気ブロワ２０より送出される空気が改質器加熱器１５ｂに供給され、燃焼用の空気として用いられる。

また、カソード１１ａの入口側には、燃料電池１１を始動させる際に該燃料電池１１を所定の温度まで上昇させるための、起動燃焼バーナ（起動燃焼手段）２４が設けられている。該起動燃焼バーナ２４の入口側には、第２燃料ポンプ２１、及び燃料蒸発器２２が設けられ、且つ空気分岐弁２３の分岐された出力口に接続されている。そして、起動燃焼バーナ２４は、第２燃料ポンプ２１より供給され、且つ燃料蒸発器２２で気化された燃料を、空気分岐弁２３より供給される空気と混合して燃焼させ、この燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード１１ｂに供給される改質ガスと、カソード１１ａに供給される空気を反応させて電力を発生させ、モータ等の電力需要設備に供給する。

改質装置１５は、例えば熱交換器型改質器であり、改質器加熱器１５ｂより供給される熱により加熱され、第１燃料ポンプ１８より供給される燃料（後述する図３，図５，図７，図９の場合は燃料とアノード排気ガスとの混合ガス）を触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１のアノード１１ｂに供給する。

更に、この燃料電池システム１００は、制御部（制御手段）３１と、カソード１１ａの入口に設置され、カソード１１ａの圧力を検出するカソード圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ１と、アノード１１ｂの入口に設置され、アノード１１ｂの圧力を検出するアノード圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ２と、燃料電池１１のセル温度（例えば、カソード１１ａの温度）を検出する温度センサＴ１と、を備えている。そして、各センサＰ１，Ｐ２，Ｔ１の検出信号は、制御部３１に出力される。

制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、各センサＰ１，Ｐ２，Ｔ１の検出信号に基づき、後述する処理手順により圧力調整弁２５の開度を調整して、カソード１１ａの圧力とアノード１１ｂの圧力との間の差圧を低減させる制御を行う。更に、該制御部３１は、第１空気ブロワ１２、第２空気ブロワ１７、第３空気ブロワ２０、第１燃料ポンプ１８、第２燃料ポンプ２１の各機器に接続され（接続用の配線は図示を省略している）、これらの各機器に制御信号を出力して、燃料電池システム１００を総括的に制御する。

次に、上述のように構成された本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の作用を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。燃料電池１１が始動する前の停止状態では、アノード１１ｂ内の燃料が封止されている。そして、ステップＳ１１において、制御部３１は、燃料電池１１を始動させる。この処理では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１８、第２空気ブロワ１７、及び第３空気ブロワ２０を作動させる。これにより、燃料電池１１のアノード１１ｂに改質ガスが供給される。このため、アノード１１ｂの温度が上昇し、この温度上昇に伴ってアノード１１ｂの圧力は、始動開始後、時間の経過と共に徐々に上昇することになる。また、第１空気ブロワ１２が作動することにより、該第１空気ブロワ１２より送出される空気が空気加熱熱交換器１３で加熱されて燃料電池１１のカソード１１ａに供給される。

ステップＳ１２において、制御部３１は、圧力調整弁２５を所定の開度（初期的に設定する開度）に設定する。この処理により、アノード１１ｂに供給される改質ガスのうちの一部が圧力調整弁２５を介して改質器加熱器１５ｂに供給されるので、アノード１１ｂの圧力が所望する圧力となるように調整される。

ステップＳ１３において、制御部３１は、起動燃焼バーナ２４を起動させる。この処理では、空気分岐弁２３にて分岐する空気を起動燃焼バーナ２４に供給し、更に、第２燃料ポンプ２１を作動させて起動燃焼バーナ２４に燃料を供給することにより、燃料と空気を混合して燃焼させ、高温の燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。そして、カソード１１ａに燃焼ガスが供給されることにより、該カソード１１ａの温度を所望する温度（例えば、６００℃）まで上昇させることができる。この際、燃焼ガスの供給に伴ってカソード１１ａの圧力は上昇することになる。

ステップＳ１４において、制御部３１は、カソード圧力センサＰ１にて検出される圧力（カソード圧力）と、アノード圧力センサＰ２にて検出される圧力（アノード圧力）とを取得する。そして、ステップＳ１５において、カソード圧力とアノード圧力を比較する。

そして、アノード圧力がカソード圧力よりも小さい場合には（ステップＳ１５でＹＥＳ）、ステップＳ１６において、制御部３１は、圧力調整弁２５の開度を減少するように制御する。即ち、圧力調整弁２５を閉じる方向に制御することによりアノード圧力が高まるように調整し、アノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧を低減させる。

一方、アノード圧力がカソード圧力よりも大きい場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、ステップＳ１７において、制御部３１は、圧力調整弁２５の開度を増加するように制御する。即ち、圧力調整弁２５を開く方向に制御することによりアノード圧力が低くなるように調整し、アノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧を低減させる。

ステップＳ１８において、制御部３１は、温度センサＴ１で検出される燃料電池１１の温度を取得し、この検出温度が所定温度（例えば、６００℃）に達したか否かを判断し、所定温度に達していなければ（ステップＳ１８でＮＯ）、ステップＳ１４に処理を戻し、所定温度に達している場合には（ステップＳ１８でＹＥＳ）、本処理を終了する。

こうして、燃料電池１１による発電を開始する前に、起動燃焼バーナ２４を作動させて燃料電池１１の温度を上昇させる際に、圧力調整弁２５の開度を調整することにより、カソード圧力とアノード圧力の差圧を低減させることができるのである。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１１の始動時に起動燃焼バーナ２４を作動させて、カソード１１ａに燃焼ガスを供給する際に、アノード１１ｂに改質ガスを供給し、更に、アノード１１ｂとカソード１１ａとの差圧が低減するように、圧力調整弁２５の開度を制御する。従って、起動燃焼バーナ２４の作動時においてアノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧が高くなることを抑制することができ、燃料電池１１のセルが破損する等のトラブルの発生を回避することができる。

また、カソード１１ａの入口圧力と、アノード１１ｂの入口圧力に基づいて、各圧力の差圧を求めるので、燃料電池１１内部の電解質を挟むアノード流路とカソード流路の差圧にほぼ等しい差圧を求めることができ、高精度な制御が可能となる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る燃料電池システム１０１は、前述した第１実施形態の燃料電池システム１００と対比して、アノード１１ｂの出口側の流路が循環ブロワ１６に接続され、更に、該循環ブロワ１６の下流側に循環ガス分岐弁１９が設けられ、循環ブロワ１６より送出されるアノード排気ガスの一部を燃料改質器１５ａに循環させ、残りのアノード排気ガスを改質器加熱器１５ｂに供給する構成としている点で相違している。即ち、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、アノード排気ガスの一部が、第１燃料ポンプ１８より送出される燃料、及び第２空気ブロワ１７より送出される空気と混合されて燃料改質器１５ａに供給され、この混合ガスを触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）が燃料電池１１のアノード１１ｂに供給される構成とされている。

また、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、制御部３１は、循環ブロワ１６、及び循環ガス分岐弁１９を制御するための制御信号を出力する構成とされている。それ以外の構成は、図１に示した構成と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１の作用について説明する。燃料電池１１が始動する前の停止状態では、アノード１１ｂ内の燃料が封止されている。そして、ステップＳ３１において、制御部３１は、燃料電池１１を始動させる。この処理では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１８、第２空気ブロワ１７、及び第３空気ブロワ２０を作動させて、燃料電池１１のアノード１１ｂに改質ガスを供給する。このため、アノード１１ｂの圧力は、始動開始後、時間の経過と共に徐々に上昇することになる。また、第１空気ブロワ１２が作動して、該第１空気ブロワ１２より送出される空気が空気加熱熱交換器１３で加熱され、燃料電池１１のカソード１１ａに供給される。

ステップＳ３２において、制御部３１は、循環ガス分岐弁１９の開度を予め設定した所定開度に設定する。この処理では、循環ガス分岐弁１９に供給されるアノード排気ガスのうち、燃料改質器１５ａ側に循環させる排気ガス量と、改質器加熱器１５ｂに供給する排気ガス量が所定の比率となるように循環ガス分岐弁１９の開度を設定する。

ステップＳ３３において、制御部３１は、循環ブロワ１６を起動し、該循環ブロワ１６によるアノード排気ガスの循環流量が所定量となるように調整する。なお、ステップＳ３２で設定した循環ガス分岐弁１９の開度、及びステップＳ３３で設定した循環流量は、燃料電池１１の規格、起動燃焼バーナ２４の規格に基づいて予め設定した値を用いている。

ステップＳ３４において、制御部３１は、起動燃焼バーナ２４を起動させる。この処理では、空気分岐弁２３から分岐した空気を起動燃焼バーナ２４に供給し、更に、第２燃料ポンプ２１を作動させて起動燃焼バーナ２４に燃料を供給し、これらの混合ガスを燃焼させることにより、高温の燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。そして、カソード１１ａに燃焼ガスが供給されることにより、該カソード１１ａの温度を所望する温度（例えば、６００℃）まで上昇させることができる。

この際、カソード１１ａに起動燃焼バーナ２４より送出される燃焼ガスが供給されてカソード１１ａの圧力が上昇することになる。しかし、前述したステップＳ３２、Ｓ３３の処理で循環ブロワ１６の流量、及び循環ガス分岐弁１９の開度が所望の数値に設定されているので、アノード１１ｂに供給される改質ガス量が調整され、アノード１１ｂの圧力がカソード１１ａの圧力とほぼ一致するように設定される。その結果、アノード１１ｂとカソード１１ａの間の差圧が高くなることを抑制できることになる。

ステップＳ３５において、制御部３１は、燃料電池が所定の温度（例えば、６００℃）に達したことを確認して、本処理を終了する。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、燃料電池１１の始動時に起動燃焼バーナ２４を作動させて、カソード１１ａに燃焼ガスを供給する際に、アノード１１ｂに改質ガスを供給し、更に、循環ブロワ１６の流量、及び循環ガス分岐弁１９の開度を所定値に設定することにより、アノード１１ｂとカソード１１ａとの差圧を低減させる。従って、起動燃焼バーナ２４の作動時においてアノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧が高くなることを抑制することができ、燃料電池１１のセルが破損する等のトラブルの発生を回避することができる。

また、循環ブロワ１６を用いてアノード排気ガスを循環させるので、発電が行われる前にアノード１１ｂに通じる循環経路を暖気することが可能となる。更に、カソード１１ａの流路のみで燃料電池１１を昇温させる場合（従来の場合）には、燃料電池１１内の温度のばらつきが大きくなるが、循環ブロワ１６を用いてアノード排気ガスを循環させることにより、燃料電池内部の温度のばらつきを低減させることができ、熱応力に起因してセルが破損することを防止できる。

また、燃料電池システム１０１の停止時には、燃料電池１１の燃料極（アノード１１ｂ）が酸化することによる性能の低下を防止するために、発電停止直後において、アノード流路に、改質したガスや液体燃料を導入してアノード流路を封止する操作を行う。この状況下で、燃料電池システム１０１を長期間運転させない場合には、アノード流路に燃料や水が凝縮するという問題が生じる。しかし、本実施形態のように、システムの始動時にアノード１１ｂにアノード排気ガスを循環させることにより、アノード流路に凝縮した燃料や水を再気化させることが可能となり、円滑な始動が可能となる。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０２の構成を示すブロック図である。第３実施形態に係る燃料電池システム１０２は、前述した第２実施形態の燃料電池システム１０１と対比して、カソード１１ａの入口にカソード圧力センサＰ１が設置され、アノード１１ｂの入口にアノード圧力センサＰ２が設置され、更に、燃料電池１１のセル温度を検出する温度センサＴ１が設置されている点で相違している。

また、制御部３１は、各センサＰ１，Ｐ２，Ｔ１の検出信号を取得して、循環ブロワ１６の流量、及び循環ガス分岐弁１９の開度を制御する点で相違している。それ以外の構成は、図３に示した構成と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

次に、図６に示すフローチャートを参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２の作用について説明する。燃料電池１１が始動する前の停止状態では、アノード１１ｂ内の燃料が封止されている。そして、ステップＳ５１において、制御部３１は、燃料電池１１を始動させる。この処理では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１８、第２空気ブロワ１７、及び第３空気ブロワ２０を作動させて、燃料電池１１のアノード１１ｂに改質ガスを供給する。このため、アノード１１ｂの圧力は、始動開始後、時間の経過と共に徐々に上昇することになる。また、第１空気ブロワ１２が作動するので、該第１空気ブロワ１２より送出される空気が空気加熱熱交換器１３で加熱されて燃料電池１１のカソード１１ａに供給される。

ステップＳ５２において、制御部３１は、循環ガス分岐弁１９の開度を初期値に設定する。この処理では、循環ガス分岐弁１９に供給されるアノード排気ガスのうち、燃料改質器１５ａ側に循環させる排気ガス量と、改質器加熱器１５ｂに供給させる量が予め設定した所定の比率となるように循環ガス分岐弁１９の開度を設定する。

ステップＳ５３において、制御部３１は、循環ブロワ１６を起動し、該循環ブロワ１６によるアノード排気ガスの循環流量が予め設定した初期値となるように調整する。

ステップＳ５４において、制御部３１は、起動燃焼バーナ２４を起動させる。この処理では、空気分岐弁２３から分岐した空気を起動燃焼バーナ２４に供給し、更に、第２燃料ポンプ２１を作動させて起動燃焼バーナ２４に燃料を供給し、これらの混合ガスを燃焼させることにより高温の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。そして、カソード１１ａに燃焼ガスが供給されることにより、該カソード１１ａの温度を所望する温度（例えば、６００℃）まで上昇させることができる。この際、カソード１１ａに起動燃焼バーナ２４より送出される燃焼ガスが供給されてカソード１１ａの圧力が上昇することになる。

ステップＳ５５において、制御部３１は、カソード圧力センサＰ１にて検出される圧力（カソード圧力）と、アノード圧力センサＰ２にて検出される圧力（アノード圧力）とを取得する。そして、ステップＳ５６において、カソード圧力とアノード圧力を比較する。

そして、アノード圧力がカソード圧力よりも小さい場合には（ステップＳ５６でＹＥＳ）、ステップＳ５７において、制御部３１は、循環ブロワ１６の流量を増大させるか、或いは、循環ガス分岐弁１９を調整して改質器加熱器１５ｂに供給する排気ガス量を低減させことにより、燃料改質器１５ａに循環させるアノード排気ガスの流量を増大させる制御を行う。即ち、燃料改質器１５ａに循環させるアノード排気ガスの流量を増大させることにより、アノード１１ｂの圧力を上昇させて、カソード１１ａとアノード１１ｂとの間の差圧が低減するように制御する。

一方、アノード圧力がカソード圧力よりも大きい場合には（ステップＳ５６でＮＯ）、ステップＳ５８において、制御部３１は、循環ブロワ１６の流量を減少させるか、或いは循環ガス分岐弁１９を調整して改質器加熱器１５ｂに供給する排気ガス量を増加させることにより、燃料改質器１５ａに循環させるアノード排気ガスの流量を減少させる制御を行う。即ち、燃料改質器１５ａに循環させるアノード排気ガスの流量を減少させることにより、アノード１１ｂの圧力を低下させて、カソード１１ａとアノード１１ｂとの間の差圧が低減するように制御する。

ステップＳ５９において、制御部３１は、温度センサＴ１で検出される燃料電池１１のセル温度を取得し、検出した温度が所定温度（例えば、６００℃）に達したか否かを判断し、所定温度に達していなければ（ステップＳ５９でＮＯ）、ステップＳ５５に処理を戻し、所定温度に達している場合には（ステップＳ５９でＹＥＳ）、本処理を終了する。

こうして、燃料電池１１による発電を開始する前に、起動燃焼バーナ２４を作動させて燃料電池１１の温度を上昇させる際に、循環ブロワ１６によるアノード排気ガスの循環流量、或いは循環ガス分岐弁１９の開度を調整することにより、カソード圧力とアノード圧力の差圧を低減させることができるのである。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、燃料電池１１の始動時に起動燃焼バーナ２４を作動させて、カソード１１ａに燃焼ガスを供給する際に、アノード１１ｂに改質ガスを供給し、更に、循環ブロワ１６の流量、及び循環ガス分岐弁１９の開度を適宜調整することにより、アノード１１ｂとカソード１１ａとの差圧を低減させるので、起動燃焼バーナ２４の作動時においてアノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧が高くなることを抑制することができ、燃料電池１１のセルが破損する等のトラブルの発生を回避することができる。

また、前述した第２実施形態と同様に、循環ブロワ１６を用いてアノード排気ガスを循環させるので、発電が行われる前にアノード１１ｂに通じる循環経路を暖気することが可能となる。更に、循環ブロワ１６を用いてアノード排気ガスを循環させることにより、燃料電池内部の温度のばらつきを低減させることができ、熱応力に起因してセルが破損することを防止できる。また、システムの始動時にアノード１１ｂにアノード排気ガスを循環させることにより、アノード流路に凝縮した燃料や水を再気化させることが可能となり、円滑な始動が可能となる。

また、本実施形態では、循環ブロワ１６の流量と、循環ガス分岐弁１９の双方を調整しているので、広い範囲で圧力調整を行うことが可能となる。即ち、アノード１１ｂとカソード１１ａの差圧を調整するために、循環ブロワ１６による流量調整のみを行う場合には、圧力調整に限界があり、アノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧を所定値以下にすることができない場合があり得る。このような状況下において、アノード１１ｂの圧力を増加させる場合は、循環ガス分岐弁１９を調整することにより、アノード排気ガスをアノード循環流路（燃料改質器１５ａ側）へ全て流す。これにより、アノード１１ｂの圧力を増加させることができる。

反対に、アノード１１ｂの圧力を低下させる場合には、アノード排気ガスの一部を分流させて改質器加熱器１５ｂへ供給することにより、アノード１１ｂの圧力を低下させることができる。この場合、循環ブロワ１６の性能は、始動時のために余剰なガス供給能力を設ける必要がなく、通常発電の運転に必要な性能を備えていれば良い。従って、循環ブロワ１６を高機能化する必要が無く、スペックの増大や装置の大型化を招くことが無い。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図７は、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３の構成を示すブロック図である。第４実施形態に係る燃料電池システム１０３は、前述した第３実施形態の燃料電池システム１０１と対比して、起動燃焼バーナ２４が作動している際に、第１燃料ポンプ１８、及び第２空気ブロワ１７を制御する点で相違する。即ち、図７に示す燃料電池システム１０３では、制御部３１と、第１燃料ポンプ１８、及び第２空気ブロワ１７とを接続する計装配線を記載している点で図５に示した第３実施形態と相違している。また、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３では、アノード圧力とカソード圧力との間の差圧を低減するために、第１燃料ポンプ１８、及び第２空気ブロワ１７を制御する点で第３実施形態と相違している。それ以外の構成は、図５に示した構成と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

次に、図８に示すフローチャートを参照して、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３の作用について説明する。燃料電池１１が始動する前の停止状態では、アノード１１ｂ内の燃料が封止されている。そして、ステップＳ７１において、制御部３１は、燃料電池１１を始動させる。この処理では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１８、第２空気ブロワ１７、及び第３空気ブロワ２０を作動させて、燃料電池１１のアノード１１ｂに改質ガスを供給する。このため、アノード１１ｂの圧力は、始動開始後、時間の経過と共に徐々に上昇することになる。また、第１空気ブロワ１２が作動することにより、該第１空気ブロワ１２より送出される空気が空気加熱熱交換器１３で加熱されて燃料電池１１のカソード１１ａに供給される。

ステップＳ７２において、制御部３１は、循環ガス分岐弁１９の開度を初期値に設定する。この処理では、循環ガス分岐弁１９に供給される全てのアノード排気ガスが、改質器加熱器１５ｂに循環するように循環ガス分岐弁１９の開度を設定する（つまり、改質器加熱器１５ｂに供給する流量をゼロとする）。

ステップＳ７３において、制御部３１は、循環ブロワ１６を起動し、該循環ブロワ１６によるアノード排気ガスの循環流量が所定の流量となるように調整する。

ステップＳ７４において、制御部３１は、起動燃焼バーナ２４を起動させる。この処理では、空気分岐弁２３かあ分岐する空気を起動燃焼バーナ２４に供給し、更に、第２燃料ポンプ２１を作動させて起動燃焼バーナ２４に燃料を供給することにより燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。そして、カソード１１ａに燃焼ガスが供給されることにより、該カソード１１ａの温度を所望する温度（例えば、６００℃）まで上昇させることができる。この際、カソード１１ａに起動燃焼バーナ２４より送出される燃焼ガスが供給されてカソード１１ａの圧力が上昇することになる。

ステップＳ７５において、制御部３１は、カソード圧力センサＰ１にて検出される圧力（カソード圧力）と、アノード圧力センサＰ２にて検出される圧力（アノード圧力）とを取得する。そして、ステップＳ７６において、カソード圧力とアノード圧力を比較する。

そして、アノード圧力がカソード圧力よりも小さい場合には（ステップＳ７６でＹＥＳ）、ステップＳ７７において、制御部３１は、新規ガス（燃料と空気の混合ガス）を追加する制御を行う。この処理では、第１燃料ポンプ１８より送出される燃料量、及び第２空気ブロワ１７より送出される空気量を調整することにより、燃料改質器１５ａより送出される改質ガス流量を増加してアノード１１ｂの圧力を上昇させる。即ち、新規ガスを追加することにより、アノード１１ｂとカソード１１ａの差圧が低減するように制御する。

一方、アノード圧力がカソード圧力よりも高い場合には（ステップＳ７６でＮＯ）、ステップＳ７８において、制御部３１は、循環ガス分岐弁１９の開度を調整することにより、燃料改質器１５ａに循環させるアノード排気ガスの量を減少させる。即ち、燃料改質器１５ａに供給する循環ガス流量を減少させることにより、カソード１１ａとアノード１１ｂとの間の差圧が低減するように制御する。

ステップＳ７９において、制御部３１は、温度センサＴ１で検出される燃料電池１１のセル温度を取得し、検出した温度が所定温度（例えば、６００℃）に達したか否かを判断し、所定温度に達していなければ（ステップＳ７９でＮＯ）、ステップＳ７５に処理を戻し、所定温度に達している場合には（ステップＳ７９でＹＥＳ）、本処理を終了する。

こうして、燃料電池１１による発電を開始する前に、起動燃焼バーナ２４を作動させて燃料電池１１の温度を上昇させる際に、新規ガスの追加、或いは燃料改質器１５ａに供給する循環ガスの流量を低減することにより、カソード圧力とアノード圧力の差圧を低減させることができるのである。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３では、燃料電池１１の始動時に起動燃焼バーナ２４を作動させて、カソード１１ａに燃焼ガスを供給する際に、アノード圧力がカソード圧力よりも低い場合には新規ガスを追加し、反対に、アノード圧力がカソード圧力よりも高い場合いは、アノード排気ガスの循環流量を低減することにより、アノード１１ｂとカソード１１ａとの差圧を低減させるので、起動燃焼バーナ２４の作動時においてアノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧が高くなることを抑制することができ、燃料電池１１のセルが破損する等のトラブルの発生を回避することができる。

また、第４実施形態では、差圧を調整するために新規に供給するガス流量を調整するので、循環ブロワ１６による流量調整のみでアノード１１ｂの圧力を所望する圧力まで上昇させることができない場合であっても、新規ガスを供給することにより、アノード１１ｂの圧力を上昇させ、アノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧を低減することが可能となる。

更に、新規ガスを燃料ガスとした場合には、アノード１１ｂの圧力を高めることができる。一方、新規ガスを空気とする場合には、液体燃料を導入する場合に比べて、燃料を気化するために必要となる熱エネルギー、及び所要時間が必要ないので、効率と応答性に優れる。また、導入した空気中の酸素は、燃料改質器１５ａが暖気後に部分酸化反応により消費される。

また、燃料電池１１を停止させた後、長時間が経過した場合には、燃料循環系に封入した液体燃料のうち、軽い分子は気化し、その一部は外部に漏れ出すことがある。この場合には、燃料循環系には重い分子のみが凝縮することになり、これらを気化させるための気化温度が高くなり、アノード１１ｂに循環ガスを用いて昇圧させるだけではアノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧を低減できない場合が発生する。本実施形態では、新規ガス（燃料、空気）を導入するので、この問題を解決することが可能となる。

［第５実施形態の説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図９は、第５実施形態に係る燃料電池システム１０４の構成を示すブロック図である。第４実施形態に係る燃料電池システム１０４は、前述した第４実施形態の燃料電池システム１０３と対比して、アノード１１ｂの入口に、該アノード１１ｂに供給される改質ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）Ｎ１を設けている点で相違している。

そして、本実施形態では、アノード１１ｂに供給される改質ガスの酸素濃度を測定し、測定した酸素濃度に応じて新規に導入するガスを燃料とするか、或いは空気とするかを切り換える制御を行う。それ以外の構成は、図７に示した構成と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

次に、図１０に示すフローチャートを参照して、第５実施形態に係る燃料電池システム１０４の作用について説明する。燃料電池１１が始動する前の停止状態では、アノード１１ｂ内の燃料が封止されている。そして、ステップＳ８１において、制御部３１は、燃料電池１１を始動させる。この処理では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１８、第２空気ブロワ１７、及び第３空気ブロワ２０を作動させて、燃料電池１１のアノード１１ｂに改質ガスを供給する。このため、アノード１１ｂの圧力は、始動開始後、時間の経過と共に徐々に上昇することになる。また、第１空気ブロワ１２が作動し、該第１空気ブロワ１２より送出される空気が空気加熱熱交換器１３で加熱されて燃料電池１１のカソード１１ａに供給される。

ステップＳ８２において、制御部３１は、循環ガス分岐弁１９の開度を初期値に設定する。この処理では、循環ガス分岐弁１９に供給されるアノード排気ガスのうち、燃料改質器１５ａ側に循環させる排気ガス量と、改質器加熱器１５ｂに供給する排気ガス量が所定の比率となるように循環ガス分岐弁１９の開度を設定する。

ステップＳ８３において、制御部３１は、循環ブロワ１６を起動し、該循環ブロワ１６によるアノード排気ガスの循環流量が所定の流量となるように調整する。

ステップＳ８４において、制御部３１は、起動燃焼バーナ２４を起動させる。この処理では、空気分岐弁２３から分岐する空気を起動燃焼バーナ２４に供給し、更に、第２燃料ポンプ２１を作動させて起動燃焼バーナ２４に燃料を供給することにより、空気と燃料の混合ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。そして、カソード１１ａに燃焼ガスが供給されることにより、該カソード１１ａの温度を所望する温度（例えば、６００℃）まで上昇させることができる。この際、カソード１１ａに起動燃焼バーナ２４より送出される燃焼ガスが供給されてカソード１１ａの圧力が上昇することになる。

ステップＳ８５において、制御部３１は、カソード圧力センサＰ１にて検出される圧力（カソード圧力）と、アノード圧力センサＰ２にて検出される圧力（アノード圧力）とを取得する。そして、ステップＳ８６において、カソード圧力とアノード圧力を比較する。

そして、アノード圧力がカソード圧力よりも高い場合には（ステップＳ８６でＮＯ）、ステップＳ９２において、制御部３１は、循環ブロワ１６の流量を低減するか、或いは、循環ガス分岐弁１９の開度を調整することにより、燃料改質器１５ａに循環させるアノード排気ガスの量を減少させる。即ち、燃料改質器１５ａに供給する改質ガス流量を減少させることにより、アノード圧力を低減してカソード１１ａとアノード１１ｂとの間の差圧が低減するように制御する。その後、ステップＳ９１に処理を進める。

一方、アノード圧力がカソード圧力よりも低い場合には（ステップＳ８６でＹＥＳ）、ステップＳ８７において、制御部３１は、循環ブロワ１６及び循環ガス分岐弁１９が上限値に達しているか否かを判断する。この処理では、循環ブロワ１６によるアノード排気ガスの流量が最大（これ以上、循環量を増やすことができない状態）であり、且つ、循環ガス分岐弁１９により全ての循環ガスが燃料改質器１５ａに供給されている場合に、上限であると判断する。

そして、上限でない場合には（ステップＳ８７でＮＯ）、ステップＳ９３において、制御部３１は、循環ブロワ１６、或いは循環ガス分岐弁１９を制御して、アノード排気ガスの循環量を増加させる。即ち、燃料改質器１５ａに供給する改質ガス流量を増加することにより、アノード圧力を増加してカソード１１ａとアノード１１ｂとの間の差圧が高まるように制御する。

他方、上限である場合には（ステップＳ８７でＹＥＳ）、ステップＳ８８において、制御部３１は、酸素濃度センサＮ１により検出される酸素濃度データを取得する。

ステップＳ８９において、制御部３１は、取得した酸素濃度が予め設定した所定値以下であるか否かを判断する。

そして、酸素濃度が所定値以下である場合には（ステップＳ８９でＹＥＳ）、アノード１１ｂに供給する空気量を増加させて良いものと判断し、ステップＳ９０において、制御部３１は、第２空気ブロワ１７より新規の空気を燃料改質器１５ａに供給する。その後、ステップＳ９０に処理を進める。

また、酸素濃度が所定値を超える場合には（ステップＳ８９でＮＯ）、アノード１１ｂに供給する空気量を増加させることができないものと判断し、ステップＳ９４において、制御部３１は、第１燃料ポンプ１８より新規の燃料を燃料改質器１５ａに供給する。その後、ステップＳ９１に処理を進める。

ステップＳ９０において、制御部３１は、燃料電池温度が所定温度に達したか否かを判断し、所定温度に達していない場合にはステップＳ８５に処理を戻し、所定温度に達している場合には、本処理を終了する。こうして、アノード排気ガスの循環流量、及び新規空気、新規燃料の供給量を制御することにより、アノード１１ｂとカソード１１ａの間の差圧を低減させることができるのである。

このようにして、第５実施形態に係る燃料電池システム１０４では、燃料電池１１の始動時に起動燃焼バーナ２４を作動させて、カソード１１ａに燃焼ガスを供給する際に、アノード圧力がカソード圧力よりも低い場合には、アノード排気ガスの循環流量、或いは、新規燃料、新規空気の供給量を制御することにより、アノード１１ｂとカソード１１ａとの差圧を低減させるので、起動燃焼バーナ２４の作動時においてアノード１１ｂとカソード１１ａとの間の差圧が高まることを抑制することができ、燃料電池１１のセルが破損する等のトラブルの発生を回避することができる。

また、燃料改質器１５ａに新規ガスを供給する場合には、アノード１１ｂ入口の酸素濃度を検出し、酸素濃度が所定値以下である場合には、空気を供給し、所定値を超える場合には、燃料を供給するので、アノード１１ｂに供給される改質ガスの酸素濃度が高まることを防止でき、安定した制御が可能となる。更に、アノード１１ｂの入口で酸素濃度を検出しているので、アノード１１ｂに供給されるガスに含まれる酸素が過多となって、燃料極が酸化することを確実に防止することができる。

以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、燃料電池の始動時にアノード、カソード間の差圧を低減することに利用することができる。

１１ 燃料電池
１１ａ カソード
１１ｂ アノード
１２ 第１空気ブロワ
１３ 空気加熱熱交換器
１４ 燃料蒸発器
１５ 燃料改質装置
１５ａ 燃料改質器
１５ｂ 改質器加熱器
１５ｃ 熱交換機
１６ 循環ブロワ
１７ 第２空気ブロワ
１８ 第１燃料ポンプ
１９ 循環ガス分岐弁
２０ 第３空気ブロワ
２１ 第２燃料ポンプ
２２ 燃料蒸発器
２３ 空気分岐弁
２４ 起動燃焼バーナ
２５ 圧力調整弁
３１ 制御部
Ｐ１ カソード圧力センサ
Ｐ２ アノード圧力センサ
Ｔ１ カソード温度センサ

Claims (9)

1. アノードに水素ガスが供給され、カソードに空気が供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の始動時に、該燃料電池のカソードに燃焼ガスを供給して前記燃料電池を昇温する起動燃焼手段と、
   前記起動燃焼手段より出力される燃焼ガスを前記燃料電池のカソードに供給する際に、前記燃料電池のカソード圧力の上昇に対して、前記アノード、カソード間の圧力差が低減するように調整する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池のカソード圧力、及びアノード圧力を検出する圧力検出手段と、供給される混合ガスから水素ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する改質器加熱手段と、前記アノードの排出ガスを前記改質器加熱手段に循環させる経路に設けられた圧力調整弁と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段にて検出されるカソード圧力及びアノード圧力からこれらの圧力差を求め、前記圧力調整弁を調整することにより、前記圧力差を低減させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池のカソード圧力、及びアノード圧力を検出する圧力検出手段と、供給される混合ガスから水素ガスを生成する改質器と、前記アノードの排出ガスを前記改質器に循環させる流量を調整する流量調整手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段にて検出されるカソード圧力及びアノード圧力からこれらの圧力差を求め、該圧力差に基づき、前記流量調整手段により前記排出ガスの循環流量を調整することにより、前記圧力差を低減させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記流量調整手段は、前記アノードの排出ガスの一部をアノードに循環させる循環ガス分岐弁であり、前記制御手段は、前記循環ガス分岐弁を調整して前記圧力差を低減させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記アノードに新規ガスを導入する新規ガス導入手段と、前記アノードに供給されるガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記新規ガス導入手段により導入する新規ガス量を調整することにより、前記アノード、カソード間の圧力差を低減させ、且つ、前記酸素濃度が予め設定した所定濃度以下とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記新規ガス導入手段は、前記アノードに燃料を供給する燃料供給手段であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記新規ガス導入手段は、前記アノードに空気を供給する空気供給手段であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記酸素濃度検出手段は、前記アノードの入口に設置されることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記アノードとカソードの圧力差を、前記アノード入口と前記カソード入口で検出することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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