JP2019204676A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグを適切に考慮することにより、従来に比べて、燃料電池の温度の安定化を図り得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する第１熱媒体が循環する循環経路と、循環経路に設けられ、第２熱媒体との熱交換により第１熱媒体を冷却する熱交換器と、循環経路に設けられ、前記第１熱媒体を循環させる第１供給器と、熱交換器に第２熱媒体を供給する第２供給器と、燃料電池の発電量および第１熱媒体の流量に基づいて、第１供給器および第２供給器の出力を制御する制御器と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池を冷却する熱媒体が流通する循環経路と、受熱流体との熱交換により、この熱媒体を冷却する熱交換器とを備えるコージェネレーションシステムが開示されている。そして、特許文献１のコージェネレーションシステムでは、燃料電池の出力（発電量）に応じて、上記の熱媒体および受熱流体の流量を制御することで、燃料電池の出力が変化した場合でも、燃料電池を安定な温度で動作できることなどが記載されている。

特開２００３−２１７６１９号公報

しかし、従来例は、燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグ（時間遅れ）については十分に検討されていない。

本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグを適切に考慮することにより、従来に比べて、燃料電池の温度の安定化を図り得る燃料電池システムを提供する。

上記の課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が循環する循環経路と、前記循環経路に設けられ、第２熱媒体との熱交換により前記第１熱媒体を冷却する熱交換器と、前記循環経路に設けられ、前記第１熱媒体を循環させる第１供給器と、前記熱交換器に前記第２熱媒体を供給する第２供給器と、前記燃料電池の発電量および前記第１熱媒体の流量に基づいて、前記第１供給器および前記第２供給器の出力を制御する制御器と、を備える。

本開示の一態様の燃料電池システムは、燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグを適切に考慮することにより、従来に比べて、燃料電池の温度の安定化を図り得るという効果を奏する。

図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の燃料電池システムにおける第１供給器および第２供給器の出力制御の一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。 図４は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。

特許文献１のコージェネレーションシステムでは、燃料電池を冷却する熱媒体が循環する循環経路に、燃料電池と熱交換器とが直列的に配置されている。これにより、燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間のタイムラグが様々な状況において発生する。

例えば、燃料電池の発電量の変化が、直ちには燃料電池から流出する熱媒体の温度変化に現れない。また、燃料電池の出口と熱交換器の入口との間は、一般的に、循環経路を構成する流路部材などで接続されているので、燃料電池から流出する熱媒体の温度変化が、直ちには熱交換器に流入する熱媒体の温度変化に現れない。

よって、例えば、燃料電池の発電量の変化と燃料電池から流出する熱媒体の温度変化との間、および、燃料電池から流出する熱媒体の温度変化と熱交換器に流入する熱媒体の温度変化との間でタイムラグが発生するとともに、これらのタイムラグが互いに異なっている。

そして、特許文献１のコージェネレーションシステムでは、上記のとおり、燃料電池を冷却する熱媒体が循環する循環経路に、燃料電池と熱交換器とが直列的に配置されているので、上記のタイムラグが相互に影響し合うことにより、燃料電池の温度が不安定になりやすい。

ここで、発明者らは、上記のタイムラグが熱媒体の流量に依存して変化することを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。

すなわち、本開示の第１態様の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する第１熱媒体が循環する循環経路と、循環経路に設けられ、第２熱媒体との熱交換により第１熱媒体を冷却する熱交換器と、循環経路に設けられ、第１熱媒体を循環させる第１供給器と、熱交換器に第２熱媒体を供給する第２供給器と、燃料電池の発電量および第１熱媒体の流量に基づいて、第１供給器および第２供給器の出力を制御する制御器と、を備える。

かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグを適切に考慮することにより、従来に比べて、燃料電池の温度の安定化を図り得る。

例えば、燃料電池の発電量が増減するとき、仮に、第１熱媒体の流量および熱交換器の熱交換量（放熱量）を直ちに増減させると、燃料電池の発電量の変化と燃料電池から流出する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグ、および、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度変化と熱交換器に流入する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグにより、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度および燃料電池に流入する第１熱媒体の温度が一時的に許容範囲を逸脱する可能性がある。

しかし、本態様の燃料電池システムは、かかるタイムラグを考慮して、第１熱媒体の流量および熱交換器の熱交換量が調整されるので、このような可能性を軽減することができる。

なお、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度を適宜の温度検知器で検知した後、この検知温度が所望の目標温度になるように第１熱媒体の流量がフィードバック制御されることが一般的に行われる。しかし、この場合、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度変化が温度検知器に検知されるまでのタイムラグにより、第１熱媒体の温度制御が後手に回る可能性がある。すると、燃料電池の温度が不安定になる可能性があるが、本態様の燃料電池システムは、燃料電池の発電量および第１熱媒体の流量の相関関係に基づいて、先手を打って、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度が所望の目標温度になるように第１熱媒体の流量をフィードフォワード制御しているので、上記の可能性も軽減することができる。

本開示の第２態様の燃料電池システムは、第１態様の燃料電池システムにおいて、第１熱媒体の温度を検知する温度検知器を備え、制御器は、燃料電池の発電量、第１熱媒体の流量および温度検知器で検知された検知温度に基づいて、第１供給器および第２供給器の出力を制御してもよい。

燃料電池の発電量および第１熱媒体の流量の相関関係において、燃料電池の発電量から導出される燃料電池の発熱量が、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度と燃料電池に流入する第１熱媒体の温度との間の温度差に比例する。このため、温度検知器で第１熱媒体の温度を検知することにより、上記の温度差における基準温度を知ることができる。

よって、本態様の燃料電池システムは、上記の第１熱媒体の基準温度を知ることで、仮に、何等かの外乱などにより第１熱媒体の温度が変動した場合でも、第１熱媒体の流量調整に対して補正をかけることができる。その結果、本態様の燃料電池システムは、第１熱媒体の温度を検知しない場合に比べてロバスト性が向上する。

また、本態様の燃料電池システムは、例えば、循環経路において、熱交換器の出口と燃料電池の入口との間に、上記の温度検知器を設ける場合、何等かの要因で熱交換器の熱交換の応答性が変化した場合でも、温度検知器の検知温度に基づいて熱交換器の熱交換量の増減を所望の値に高精度に調整することができる。

また、本態様の燃料電池システムは、例えば、循環経路において、燃料電池の出口と熱交換器の入口の間に、上記の温度検知器を設ける場合、温度検知器の検知温度に基づいて第１熱媒体の流量調整に対して補正をかけることができる。

本開示の第３態様の燃料電池システムは、第１態様または第２態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池の発電量および第１熱媒体の流量に基づいて第１供給器の出力を制御して、第１熱媒体の流量を所定の目標流量に調整するとともに、第１熱媒体の目標流量に基づいて第２供給器の出力を制御して、第２熱媒体の流量を所定の目標流量に調整してもよい。

かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、制御器が、燃料電池における第１熱媒体の目標流量と、熱交換器における第２熱媒体の目標流量とをこの順番に個別に調整することにより、燃料電池と熱交換器とが循環経路に直列的に配置される場合に、燃料電池の温度の安定化を適切に図ることができる。

具体的には、第１供給器の出力制御においては、燃料電池の発電量から導出される燃料電池の発熱量および第１熱媒体の流量（状態量）が制御器に入力され、燃料電池から流出する第１熱媒体の温度が所望の目標温度になるように第１熱媒体の目標流量が決定される。

また、第２供給器の出力制御においては、上記の第１熱媒体の目標流量および第１熱媒体の目標温度が制御器に入力され、熱交換器から流出する第１熱媒体の温度（つまり、燃料電池に流入する第１熱媒体の温度）が所望の目標温度になるように熱交換器の熱交換量に対応する第２熱媒体の目標流量が決定される。

本開示の第４態様の燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの燃料電池システムにおいて、第１供給器の出力は、第１供給器の回転数により制御されていてもよい。

一般的に、回転式ポンプ、送風機などの流体機械においては、流体機械から吐出する流体流量と流体機械の回転数はほぼ比例の関係にあるので、流量計を用いずに、後者の回転数から前者の流体流量を知ることが可能である。よって、本態様の燃料電池システムは、第１熱媒体の流量の把握において、第１熱媒体の流量を計測する流量計を必ずしも必要としないので、燃料電池システムのコストを低減できる。また、燃料電池システム内のレイアウトの自由度を高めることができる。

本開示の第５態様の燃料電池システムは、第１態様から第４態様のいずれか一つの燃料電池システムにおいて、第２供給器の出力は、第２供給器の回転数により制御されていてもよい。

一般的に、回転式ポンプ、送風機などの流体機械においては、流体機械から吐出する流体流量と流体機械の回転数はほぼ比例の関係にあるので、流量計を用いずに、後者の回転数から前者の流体流量を知ることが可能である。よって、本態様の燃料電池システムは、第２熱媒体の流量の把握において、第２熱媒体の流量を計測する流量計を必ずしも必要としないので、燃料電池システムのコストを低減できる。また、燃料電池システム内のレイアウトの自由度を高めることができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。よって、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、循環経路２と、熱交換器３Ａと、第１供給器４と、第２供給器５Ａと、制御器５０と、を備える。

燃料電池１は、一般的に、複数の単セルを積層させたスタック（図示せず）を備える。なお、単セルは、電解質（図示せず）と、これを挟むように設けられた一対のアノードおよびカソード（いずれも、図示せず）を備える。そして、燃料電池１では、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。

なお、燃料ガスとして、例えば、水素ガスなどを挙げることができる。この場合、水素ガス供給源は、所定の供給元圧を備え、例えば、水素ガスインフラ、水素ガスボンベなどを挙げることができる。また、水素ガス供給源で必要となる水素ガスは、例えば、水電解装置などで生成されてもよい。

また、酸化剤ガスとして、例えば、空気を挙げることができるが、これに限定されない。

燃料電池１は、いずれの種類であってもよい。本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を例に挙げて説明するが、これに限定されない。また、燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給する方式は、循環供給方式であってもよいし、デッドエンド供給方式であってもよい。

循環経路２は、燃料電池１を冷却する第１熱媒体が循環する流路である。つまり、循環経路２には、燃料電池１の温度を所定の許容範囲に維持するための第１熱媒体が循環しており、燃料電池１、第１供給器４および熱交換器３Ａが設けられている。

また、循環経路２には、第１熱媒体の温度を検知する温度検知器が設けられていてもよい。循環経路２に温度検知器を設ける構成については第２実施形態で説明する。

また、循環経路２には、第１熱媒体の流量を計測する流量計などが設けられていてもよいが、かかる流量計が不要な場合がある。理由は後で説明する。

また、循環経路２には、第１熱媒体を一時的に貯蔵するバッファタンクなどが設けられていてもよい。

なお、第１熱媒体として、例えば、水を挙げることができるが、これに限定されない。

第１供給器４は、循環経路２に設けられ、第１熱媒体を循環させる装置である。第１供給器４は、循環経路２において、第１熱媒体（例えば、水）を循環させることができれば、どのような構成であってもよい。第１供給器４として、例えば、回転式ポンプなどを挙げることができるが、これに限定されない。

第１供給器４は、循環経路２を循環する第１熱媒体の流量を調整できる機能（流量調整機能）を備える。かかる流量調整は、例えば、制御器５０から送信される制御信号により行われる。

第１供給器４が、例えば、上記の回転式ポンプの場合、第１供給器４の出力は、回転式ポンプの回転数により制御される。つまり、制御器５０による第１供給器４の操作量（回転式ポンプの回転数）の制御により、第１熱媒体の流量調整（第１供給器４の出力制御）が行われる。

ここで、一般的に、回転式ポンプなどの流体機械においては、流体機械から吐出する流体流量と流体機械の回転数はほぼ比例の関係にあるので、流量計を用いずに、後者の回転数から前者の流体流量を知ることが可能である。よって、この場合、第１熱媒体の流量の把握において、第１熱媒体の流量を計測する流量計を必ずしも必要としないので、燃料電池システム１００のコストを低減できる。また、燃料電池システム１００内のレイアウトの自由度を高めることができる。

なお、以上の第１供給器４の操作量（回転式ポンプの回転数）は例示であって、本例に限定されない。第１供給器４は、例えば、昇圧器と流量調整弁などにより構成されていてもよい。この場合、例えば、制御器５０による流量調整弁の開度制御などにより、第１熱媒体の流量調整（第１供給器４の出力制御）が行われる。

熱交換器３Ａは、循環経路２に設けられ、第２熱媒体との熱交換により第１熱媒体を冷却するための装置である。なお、第２熱媒体として、例えば、水を挙げることができるが、これに限定されない。熱交換器３Ａは、第２熱媒体（例えば、水）との熱交換により第１熱媒体を冷却することができれば、どのような構成であってもよい。熱交換器の他の構成は変形例で説明する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、第１熱媒体が流通する循環経路２および第２熱媒体が流通する経路を構成する流路部材がそれぞれ、熱交換器３Ａ内を通過している。このような熱交換器３Ａとして、例えば、プレート型の熱交換器を挙げることができるが、これに限定されない。

第２供給器５Ａは、熱交換器３Ａに第２熱媒体を供給する装置である。第２供給器５Ａは、熱交換器３Ａに第２熱媒体（例えば、水）を供給することができれば、どのような構成であってもよい。第２供給器５Ａとして、例えば、回転式ポンプなどを挙げることができるが、これに限定されない。

第２供給器５Ａは、第２熱媒体の流量を調整できる機能（流量調整機能）を備える。かかる流量調整は、例えば、制御器５０から送信される制御信号により行われる。

第２供給器５Ａが、例えば、上記の回転式ポンプの場合、第２供給器５Ａの出力は、回転式ポンプの回転数により制御される。つまり、制御器５０による第２供給器５Ａの操作量（回転式ポンプの回転数）の制御により、第２熱媒体の流量調整（第２供給器５Ａの出力制御）が行われる。

ここで、一般的に、回転式ポンプなどの流体機械においては、流体機械から吐出する流体流量と流体機械の回転数はほぼ比例の関係にあるので、流量計を用いずに、後者の回転数から前者の流体流量を知ることが可能である。よって、この場合、第２熱媒体の流量の把握において、第２熱媒体の流量を計測する流量計を必ずしも必要としないので、燃料電池システム１００のコストを低減できる。また、燃料電池システム１００内のレイアウトの自由度を高めることができる。

なお、以上の第２供給器５Ａの操作量（回転式ポンプの回転数）は例示であって、本例に限定されない。第２供給器５Ａは、例えば、昇圧器と流量調整弁などにより構成されていてもよい。この場合、例えば、制御器５０による流量調整弁の開度制御などにより、第２熱媒体の流量調整（第２供給器５Ａの出力制御）が行われる。

また、図１の場合において、第２供給器５Ａは第２熱媒体を熱交換器３Ａに供給する熱媒体供給経路６上に設けられている。これにより、第２熱媒体は熱交換器３Ａに供給され、第１熱媒体の熱を奪い、第１熱媒体の熱を有する第２熱媒体は熱媒体排出経路７より排出される。なお、第２熱媒体が水の場合は、熱媒体供給経路６および熱媒体排出経路７が、例えば、積層沸き上げ式の貯湯タンクなどに接続されていてもよい。この場合、例えば、貯湯タンクの下部から熱媒体供給経路６を通じて熱交換器３Ａに供給された冷水が、上記の熱交換器３Ａにおいて第１熱媒体の熱を回収することで昇温する。そして、熱媒体排出経路７を通じて温水が、貯湯タンクの上部に貯えられる。貯湯タンクの上部の温水は、適時に、家庭などの給湯に利用することができる。

このようにして、本実施形態の燃料電池システム１００では、第１供給器４および第２供給器５Ａがそれぞれ動作することで、上記の流路部材のそれぞれに高温の第１熱媒体（加熱流体）および低温の第２熱媒体（受熱流体）がそれぞれ流通する。このとき、第１熱媒体と第２熱媒体とが熱交換することにより、第１熱媒体の熱が第２熱媒体に回収されて、第１熱媒体が冷却される。

制御器５０は、燃料電池１の発電量および第１熱媒体の流量に基づいて、第１供給器４および第２供給器５Ａの出力を制御する。例えば、制御器５０は、燃料電池１の発電量および第１熱媒体の流量に基づいて第１供給器４の出力を制御して、第１熱媒体の流量を所定の目標流量に調整するとともに、第１熱媒体の目標流量に基づいて第２供給器５Ａの出力を制御して、第２熱媒体の流量を所定の目標流量に調整する。制御器５０による第１供給器４および第２供給器５Ａの出力制御の詳細については後で説明する。

なお、制御器５０は、燃料電池システム１００の全体の動作を制御してもよい。

制御器５０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器５０は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

[第１供給器および第２供給器の出力制御の内容]
燃料電池１の発電量から導出される燃料電池１の発熱量の変化が、直ちには燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化に現れない。また、燃料電池１の出口と熱交換器３Ａの入口との間は、一般的に、循環経路２を構成する流路部材などで接続されているので、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化が、直ちには熱交換器３Ａに流入する第１熱媒体の温度変化に現れない。

よって、上記の燃料電池１の発熱量の変化と燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化との間でタイムラグが発生する。また、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化と、熱交換器３Ａに流入する第１熱媒体の温度変化との間でタイムラグが発生する。

そして、以上の互いに異なるタイムラグはいずれも、第１熱媒体の流量に依存して変化する。例えば、第１熱媒体の流量が大きい程、燃料電池１の発熱量の変化が、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化に迅速に現れる。また、第１熱媒体の流量が大きい程、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化が、熱交換器３Ａに流入する第１熱媒体の温度変化に迅速に現れる。よって、第１熱媒体の流量から上記のタイムラグを予測することができる。

ところで、燃料電池１の発電量が増減するとき、燃料電池１の発電量から導出される燃料電池１の発熱量は、第１熱媒体の流量と、第１熱媒体の比熱と、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度と燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度との間の温度差とを用いて、以下の式（１）で表される。

Ｗ＝Ｑ×Ｃ_ｐ×（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）・・・（１）
式（１）において、Ｗは燃料電池１の発熱量である。Ｑは第１熱媒体の流量である。Ｃ_ｐは第１熱媒体の比熱である。Ｔ_ｏｕｔは燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度である。Ｔ_ｉｎは燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度である。

ここで、燃料電池１の発電量は、例えば、図示しない電圧計、電流計などの負荷測定手段によって測定した負荷（電圧と電流との積）から知ることができる。また、燃料電池１の発電量は、燃料電池システム１００の負荷追従運転における燃料電池１の発電量の目標値として特定することもできる。そして、燃料電池１の発熱量Ｗは、燃料電池１の発電量にほぼ比例した量になるので、燃料電池１の発電量から導出することができる。

また、燃料電池１の発熱量Ｗの変化と燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグについては、例えば、第１熱媒体の流量Ｑとの関係を予備実験などにより求めて、テーブル化しておき、制御器５０の記憶部に記億してもよい。また、このタイムラグを、燃料電池１内の流路部材の容積と、第１熱媒体の流量Ｑとから演算してもよい。

燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化と熱交換器３Ａに流入する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグについては、例えば、第１熱媒体の流量Ｑとの関係を予備実験などにより求めて、テーブル化しておき、制御器５０の記憶部に記億してもよい。また、このタイムラグを、燃料電池１の出口と熱交換器３Ａの入口との間の循環経路２を構成する流路部材の容積と、第１熱媒体の流量Ｑとから演算してもよい。

図２は、第１実施形態の燃料電池システムにおける第１供給器および第２供給器の出力制御の一例を示す図である。

まず、制御器５０は、燃料電池１の発電中、例えば、燃料電池１の発電量が増減するとき、制御器５０は、燃料電池１の発電量から導出される燃料電池１の発熱量Ｗおよび第１熱媒体の流量Ｑ（式（１）の相関関係）に基づいて、上記の温度差（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）が所定の目標温度差になるように、第１熱媒体の目標流量を決定する（つまり、第１供給器４の操作量の目標値を決定する）。なお、このとき、式（１）の温度Ｔ_ｉｎとして、所定温度Ｔ（目標温度）が設定される。

具体的には、図２に示すように、第１供給器４の出力制御においては、燃料電池１の発電量から導出される燃料電池１の発熱量Ｗおよび第１熱媒体の流量Ｑ（状態量）が制御器５０に入力され、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度Ｔ_ｏｕｔが所望の目標温度になるように第１熱媒体の目標流量が決定される。

ここで、以上の第１熱媒体の目標流量の決定において、燃料電池１の発熱量Ｗの変化と燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグが考慮される。つまり、このタイムラグと第１熱媒体の流量Ｑとの関係を示すテーブルなどを基にして、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度Ｔ_ｏｕｔが、このタイムラグの影響を受けて許容範囲を逸脱しないように第１熱媒体の目標流量が決定される。例えば、燃料電池１の発電量が増減するとき、第１熱媒体の流量を直ちに増減させると、上記のタイムラグにより、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度Ｔ_ｏｕｔが一時的に許容範囲を逸脱する可能性があるが、本実施形態の燃料電池システム１００は、かかるタイムラグを考慮して、第１熱媒体の流量が調整されるので、このような可能性を軽減することができる。

また、制御器５０は、第１熱媒体の目標流量に基づいて、上記の温度差（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）が所定の目標温度差になるように熱交換器３Ａの熱交換量（放熱量）を導出した後、この熱交換量が得られるような第２熱媒体の目標流量を決定する（つまり、第２供給器５Ａの操作量の目標値を決定する）。なお、このとき、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度Ｔ_ｏｕｔは、上記の第１熱媒体の目標温度である。

具体的には、図２に示すように、第２供給器５Ａの出力制御においては、第１熱媒体の目標流量および第１熱媒体の目標温度が制御器５０に入力され、熱交換器３Ａから流出する第１熱媒体の温度（＝燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度Ｔ_ｉｎ）が、上記の所定温度Ｔ（目標温度）になるように熱交換器３Ａの熱交換量に対応する第２熱媒体の目標流量が決定される。

ここで、以上の第２熱媒体の目標流量の決定において、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化と、熱交換器３Ａに流入する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグが考慮される。つまり、このタイムラグと第１熱媒体の流量Ｑとの関係を示すテーブルなどを基にして、熱交換器３Ａから流出する第１熱媒体の温度（＝燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度Ｔ_ｉｎ）が、タイムラグの影響を受けて許容範囲を逸脱しないように第２熱媒体の目標流量が決定される。例えば、燃料電池１の発電量が増減するとき、熱交換器３Ａの熱交換量を直ちに増減させると、上記のタイムラグにより、燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度Ｔ_ｉｎが一時的に許容範囲を逸脱する可能性があるが、本実施形態の燃料電池システム１００は、かかるタイムラグを考慮して、熱交換器３Ａの熱交換量が調整されるので、このような可能性を軽減できる。

次に、制御器５０は、第１供給器４の出力を制御して（つまり、第１供給器４の操作量を制御して）、第１熱媒体の流量を、上記の決定された目標流量に調整するとともに、第２供給器５Ａの出力を制御して（つまり、第２供給器５Ａの操作量を制御して）、第２熱媒体の流量を、上記の決定された目標流量に調整する。

なお、上記の第１供給器および第２供給器の出力制御は例示であって、本例に限定されない。例えば、制御器５０は、第１供給器４の出力を制御して、第１熱媒体の流量を、上記の決定された目標流量に調整した後、第２熱媒体の目標流量を決定してもよい。

このようにして、本実施形態の燃料電池システム１００は、制御器５０が、燃料電池１における第１熱媒体の目標流量と、熱交換器３Ａにおける第２熱媒体の目標流量とをこの順番に個別に調整することにより、燃料電池１と熱交換器３Ａとが循環経路２に直列的に配置される場合に、燃料電池１の温度の安定化を適切に図ることができる。

以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電量の変化と燃料電池１を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグを適切に考慮することにより、従来に比べて、燃料電池１の温度の安定化を図り得る。

例えば、燃料電池１の発電量が増減するとき、仮に、第１熱媒体の流量および熱交換器３Ａの熱交換量を直ちに増減させると、燃料電池１の発電量の変化と燃料電池１から流出する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグ、および、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化と熱交換器３Ａに流入する第１熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグにより、燃料電池１に流出する第１熱媒体の温度および燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度が、一時的に許容範囲を逸脱する可能性がある。

しかし、本実施形態の燃料電池システム１００は、かかるタイムラグを考慮して、第１熱媒体の流量および熱交換器３Ａの熱交換量が調整されるので、このような可能性を軽減することができる。

なお、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度を適宜の温度検知器で検知した後、この検知温度が所望の目標温度になるように第１熱媒体の流量がフィードバック制御されることが一般的に行われる。しかし、この場合、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度変化が温度検知器に検知されるまでのタイムラグにより、第１熱媒体の温度制御が後手に回る可能性がある。すると、燃料電池１の温度が不安定になる可能性があるが、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電量および第１熱媒体の流量の相関関係に基づいて、先手を打って、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度が所望の目標温度になるように第１熱媒体の流量をフィードフォワード制御しているので、上記の可能性も軽減することができる。

（変形例）
図３は、第１実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。

図３に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、循環経路２と、熱交換器３Ｂと、第１供給器４と、第２供給器５Ｂと、制御器５０と、を備える。

ここで、燃料電池１、循環経路２および第１供給器４については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

熱交換器３Ｂは、循環経路２に設けられ、第２熱媒体との熱交換により第１熱媒体を冷却するための装置である。なお、第２熱媒体として空気を挙げることができるが、これに限定されない。熱交換器３Ｂは、第２熱媒体（例えば、空気）との熱交換により第１熱媒体を冷却することができれば、どのような構成であってもよい。熱交換器３Ｂは、空冷式のラジエータであってもよい。空冷式のラジエータとして、例えば、フィンアンドチューブ型のラジエータを挙げることができるが、これに限定されない。

第２供給器５Ｂは、熱交換器３Ｂに第２熱媒体（例えば、空気）を供給する装置である。第２供給器５Ｂは、熱交換器３Ｂに第２熱媒体（例えば、空気）を供給することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、第２供給器５Ｂは、羽根の回転数が制御可能な送風機であってもよい。

第２供給器５Ｂは、第２熱媒体の流量を調整できる機能（流量調整機能）を備える。かかる流量調整は、例えば、制御器５０から送信される制御信号により行われる。

第２供給器５Ｂが、例えば、上記の送風機の場合、第２供給器５Ｂの出力は、送風機の回転数により制御される。つまり、制御器５０による第２供給器５Ｂの操作量（送風機の回転数）の制御により、第２熱媒体の流量調整（第２供給器５Ｂの出力制御）が行われる。

熱交換器３Ｂ内には、第１熱媒体が流通する流路部材が通過しており、この流路部材は、例えば、ステンレス製の配管などで構成され、放熱フィンなどの熱交換部材（図示せず）を備えてもよい。

本変形例の燃料電池システム１００では、第２供給器５Ｂが動作することで、熱交換器３Ｂに設けられた給気口（図示せず）から第２熱媒体（例えば、空気）が熱交換器３Ｂ内に流入した後、熱交換器３Ｂに設けられた排気口（図示せず）から熱交換器３Ｂ外へ排出される。また、第１供給器４が動作することで、第１熱媒体が、熱交換器３Ｂ内の流路部材を流通する。このとき、高温の第１熱媒体（加熱流体）と低温の第２熱媒体（受熱流体）との熱交換により、第１熱媒体の熱が第２熱媒体に奪われて、第１熱媒体が冷却される。

ここで、一般的に、送風機などの流体機械においては、流体機械から吐出する流体流量と流体機械の回転数はほぼ比例の関係にあるので、流量計を用いずに、後者の回転数から前者の流体流量を知ることが可能である。よって、この場合、第２熱媒体の流量の把握において、第２熱媒体の流量を計測する流量計を必ずしも必要としないので、燃料電池システム１００のコストを低減できる。また、燃料電池システム１００内のレイアウトの自由度を高めることができる。

本変形例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、実施形態の燃料電池システム１００と同様であってもよい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

図４に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、循環経路２と、熱交換器３Ａと、第１供給器４と、第２供給器５Ａと、温度検知器８と、制御器５０と、を備える。

ここで、燃料電池１、循環経路２、熱交換器３Ａ、第１供給器４および第２供給器５Ａについては第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

温度検知器８は、第１熱媒体の温度を検知するセンサである。温度検知器８は、循環経路２内を循環する第１熱媒体の温度を検知できれば、どのような構成であってもよい。温度検知器８として、例えば、熱電対を挙げることができるが、これに限定されない。

また、循環経路２において、温度検知器８が設けられる位置は任意である。

例えば、図４に示すように、温度検知器８は、第１熱媒体の流通方向において、熱交換器３Ａより下流であって、熱交換器３Ａにおいて第２熱媒体との熱交換によって冷却された第１熱媒体が流通する循環経路２に設けられてもよい。すなわち、温度検知器８は、循環経路２において、熱交換器３Ａの出口および燃料電池１の入口との間に設けられていてもよい。この場合、本実施形態の燃料電池システム１００は、何等かの要因で熱交換器３Ａの熱交換の応答性が変化した場合でも、温度検知器８の検知温度に基づいて熱交換器３Ａの熱交換量の増減を高精度に所望の値に調整することができる。

また、例えば、図示を省略するが、温度検知器は、第１熱媒体の流通方向において、燃料電池１より下流であって、燃料電池１の発熱によって加熱された第１熱媒体が流通する循環経路２に設けられてもよい。すなわち、温度検知器８は、循環経路２において、燃料電池１の出口と熱交換器３Ａの入口との間に設けられていてもよい。この場合、本実施形態の燃料電池システム１００は、温度検知器の検知温度に基づいて第１熱媒体の流量調整に対して補正をかけることができる。

制御器５０は、燃料電池１の発電量、第１熱媒体の流量および温度検知器８で検知された検知温度に基づいて、第１供給器４および第２供給器５Ａの出力を制御する。

燃料電池１の発電量および第１熱媒体の流量の相関関係において、上記の式（１）のとおり、燃料電池１の発電量から導出される燃料電池１の発熱量Ｗが、燃料電池１から流出する第１熱媒体の温度Ｔ_ｏｕｔと燃料電池１から流入する第１熱媒体の温度Ｔ_ｉｎとの温度差（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）に比例する。このため、温度検知器８で第１熱媒体の温度を検知することにより、上記の温度差（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）における基準温度を知ることができる。

よって、本実施形態の燃料電池システム１００は、上記の第１熱媒体の基準温度を知ることで、仮に、何等かの外乱などにより第１熱媒体の温度が変動した場合でも、第１熱媒体の流量調整に対して補正をかけることができる。その結果、本実施形態の燃料電池システム１００は、第１熱媒体の温度を検知しない場合に比べてロバスト性が向上する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の変形例の燃料電池システム１００と同様であってもよい。例えば、図４では、第１実施形態の燃料電池システム１００（図１）に、温度検知器８を設ける構成が示されているが、第１実施形態の変形例の燃料電池システム１００（図３）に、このような温度検知器を設けてもよい。

第１実施形態、第１実施形態の変形例および第２実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。

また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

例えば、図１、図３および図４において図示されてはいないが、燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電動作において必要となる機器を適宜、備える。

一例として、燃料電池システム１００は、燃料電池１のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備えてもよい。酸化剤ガスが空気の場合、酸化剤ガス供給器として、例えば、ブロア、シロッコファンなどの送風機を挙げることができる。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池１のアノードに流入する前の燃料ガスを加湿する加湿器を備えてもよい。加湿器として、例えば、燃料ガスを温水に潜らせて加湿するバブラー構成の加湿器、燃料ガスを透湿膜で加湿する構成の加湿器を挙げることができる。

また、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給源の供給元圧が燃料電池システム１００において必要な供給圧力（燃料ガスの供給圧力）よりも高い場合、燃料ガス供給経路において、燃料ガスの圧力を下げて一定の供給圧力とするためのガバナを備えてもよい。

本開示の一態様は、燃料電池の発電量の変化と燃料電池を通過する熱媒体の温度変化との間で発生するタイムラグを適切に考慮することにより、従来に比べて、燃料電池の温度の安定化を図り得る燃料電池システムに利用することができる。

１ ：燃料電池
２ ：循環経路
３Ａ ：熱交換器
３Ｂ ：熱交換器
４ ：第１供給器
５Ａ ：第２供給器
５Ｂ ：第２供給器
６ ：熱媒体供給経路
７ ：熱媒体排出経路
８ ：温度検知器
５０ ：制御器
１００ ：燃料電池システム

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が循環する循環経路と、
   前記循環経路に設けられ、第２熱媒体との熱交換により前記第１熱媒体を冷却する熱交換器と、
   前記循環経路に設けられ、前記第１熱媒体を循環させる第１供給器と、
   前記熱交換器に前記第２熱媒体を供給する第２供給器と、
   前記燃料電池の発電量および前記第１熱媒体の流量に基づいて、前記第１供給器および前記第２供給器の出力を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。
2. 前記第１熱媒体の温度を検知する温度検知器を備え、
   前記制御器は、前記燃料電池の発電量、前記第１熱媒体の流量および前記温度検知器で検知された検知温度に基づいて、前記第１供給器および前記第２供給器の出力を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量および前記第１熱媒体の流量に基づいて前記第１供給器の出力を制御して、前記第１熱媒体の流量を所定の目標流量に調整するとともに、前記第１熱媒体の目標流量に基づいて前記第２供給器の出力を制御して、前記第２熱媒体の流量を所定の目標流量に調整する請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１供給器の出力は、前記第１供給器の回転数により制御される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２供給器の出力は、前記第２供給器の回転数により制御される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
   

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