JP5144441B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法に関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムには、改質器によって原料（アルコール、炭化水素、アルデヒド等）を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスに含まれる燃料ガス（水素）を燃料電池による発電に利用するタイプの、いわゆる改質型燃料電池システムがある。

このような燃料電池システムでは、改質器における原料の改質には、水素収率に優れた水蒸気改質反応が用いられることが多い。そして、この水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、改質器の始動時には、改質器を暖機するために、改質器に原料および空気が供給され、発熱反応である原料の部分酸化反応が利用される。

特開２００１−３１３０４８号公報 特開２００５−３５０３４５号公報 特開２００１−２４３６４９号公報

ところで、上述した改質型燃料電池システムでは、システムの小型化や、低コスト化を図るために、燃料電池のカソードへの空気（酸化剤ガス）供給用、および、改質器への空気供給用に、１つの空気供給装置（エアブロアや、エアコンプレッサ等）を共通に用いる場合がある（例えば、上記特許文献参照）。そして、燃料電池システムの起動時に、燃料電池および改質器を速やかに暖機するためには、燃料電池のカソードに供給される空気、および、改質器に供給される空気の流量が、それぞれ、適切に制御されることが好ましい。

しかし、上記特許文献に記載された燃料電池システムでは、燃料電池のカソードに供給される空気、および、改質器に供給される空気の流量の制御については、何ら考慮されておらず、また、燃料電池のカソードに供給される空気、および、改質器に供給される空気の流量を、同時に、かつ、適切に制御することは困難だった。このため、燃料電池システムの起動時に、燃料電池および改質器を効率よく速やかに暖機することができなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のカソードへの空気供給用、および、改質器への空気供給用に、１つの空気供給装置を共通に用いるタイプの改質型燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの起動時に、燃料電池および改質器を効率よく速やかに暖機することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムであって、前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に空気を供給するために共通に用いられる１つの空気供給装置と、前記空気供給装置から送出された空気を前記燃料電池のカソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管から分岐し、前記空気供給装置から送出された空気を前記改質器に供給するための分岐配管と、前記空気供給装置から送出された空気を、前記分岐配管を介して、前記改質器に供給するか否かを切り換え可能なバルブと、前記バルブを少なくとも開弁して前記空気供給装置から送出された空気を前記改質器に供給するときに、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させる流量制御部と、を備える燃料電池システム。

改質器の暖気時、すなわち、改質器における原料の部分酸化反応時に、改質器に供給される原料に含まれる炭素量に対して、改質器に供給される空気に含まれる酸素量が、多過ぎたり、少な過ぎたりすると、改質器に備えられた触媒の劣化を招くという不具合が生じる。つまり、改質器の暖機時に改質器に供給される空気の流量には適切な範囲が存在する。一方、燃料電池の暖気時に、燃料電池のカソードに供給される空気の流量が、多過ぎたり、少な過ぎたりすると、燃料電池の暖機が効率よく行われないという不具合が生じる。つまり、燃料電池の暖機時に燃料電池のカソードに供給される空気の流量にも適切な範囲が存在する。そして、１つの空気供給装置を用いて、燃料電池のカソード、および、改質器に供給される空気の流量を、それぞれ、同時に、かつ、適切な範囲内となるようにすることは、燃料電池システムの設計上、容易ではない。

適用例１の燃料電池システムでは、流量制御部によって、１つの空気供給装置から燃料電池のカソード、および、改質器に供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させるので、燃料電池の暖機に適した範囲内の量の空気を、少なくとも周期的に、燃料電池のカソードに供給するとともに、改質器の暖機に適した範囲内の量の空気を、少なくとも周期的に、改質器に供給するようにすることができる。この結果、燃料電池および改質器を効率よく速やかに暖機することができる。また、適用例１の燃料電池システムによれば、改質器の暖機を適切に行うことができるので、改質器の暖機時の空気の過不足に起因する種々の不具合を回避することもできる。

なお、適用例１の燃料電池システムにおいて、上記分岐配管は、１つであってもよいし、複数であってもよい。また、上記バルブは、開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記流量制御部は、前記改質器に供給される空気の流量が、少なくとも周期的に、前記原料の部分酸化反応による前記改質器の暖機に適した範囲内に入るように、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を変化させる、燃料電池システム。

適用例２の燃料電池システムでは、改質器に供給される空気の流量が、少なくとも周期的に、原料の部分酸化反応による改質器の暖機に適した範囲内に入るように、燃料電池のカソード、および、改質器に供給される空気の流量を変化させるので、効率よく改質器の暖機を行うことができる。

［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、前記原料の部分酸化反応による前記改質器の暖機に適した範囲は、前記改質器に供給される空気に含まれる酸素（Ｏ）と、前記改質器に供給される前記原料に含まれる炭素（Ｃ）との比であるＯ／Ｃ比に基づいて定められている、燃料電池システム。

［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池のアノードから排出された前記燃料ガスを含むガスを、前記燃料電池のカソードから排出された空気を利用して燃焼させることによって、前記改質器を加熱する燃焼部を備え、前記流量制御部は、前記燃料電池のカソードから排出されて前記燃焼部に供給される空気の流量が、少なくとも周期的に、前記燃料ガスを含むガスの燃焼に適した範囲内に入るように、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を変化させる、燃料電池システム。

燃料電池システムが、上記燃焼部を備える場合、この燃焼部によって、外部から改質器を効率よく過熱する観点から、燃料電池のカソードから排出されて燃焼部に供給される空気の流量にも適切な範囲が存在する。

適用例４の燃料電池システムでは、燃料電池のカソードから排出されて上記燃焼部に供給される空気の流量が、少なくとも周期的に、燃料ガスを含むガスの燃焼に適した範囲内に入るように、燃料電池のカソード、および、改質器に供給される空気の流量を変化させるので、さらに効率よく改質器の暖機を行うことができる。

［適用例５］適用例４記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスを含むガスの燃焼に適した範囲は、前記燃焼部における空気過剰率λに基づいて定められている、燃料電池システム。

本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、いわゆる改質型燃料電池システムであり、原料を改質する改質器２０と、この改質器２０によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガス（水素）を用いて発電を行う燃料電池１００とを備えている。また、改質器２０は、吸熱反応である水蒸気改質反応によって原料の改質を行うため、燃料電池システム１０００は、改質器２０を外部から加熱するための燃焼部４０も備えている。この燃焼部４０は、燃料電池システム１０００の起動時に、改質器２０や燃料電池１００を暖機するためにも用いられる。なお、本実施例では、燃料電池１００として、固体酸化物型の燃料電池を用いるものとした。この場合、水素だけでなく、改質ガスに含まれる炭化水素等の未反応燃料（未改質原料）や、改質反応によって生成された一酸化炭素も燃料電池１００での発電に使われる。燃料電池１００として、固体高分子型やリン酸型や溶融炭酸塩型などの他のタイプの燃料電池を用いるようにしてもよい。

この燃料電池システム１０００では、図示しない原料タンクに貯蔵された原料が、昇圧ポンプ１０によって昇圧され、配管１２を介して改質器２０に供給される。原料としては、ガソリンや、メタノール等のアルコール、エーテル、アルデヒド等の炭化水素化合物が用いられる。改質器２０への原料の供給量は、例えば、昇圧ポンプ１０が備えるモータの回転数や、配管１２に配設された図示しない流量調整弁の開度を変化させることによって制御される。原料タンク、昇圧ポンプ１０、流量調整弁等は、本発明における原料供給部に相当する。また、改質器２０には、水蒸気改質反応に用いられる水が、改質水ポンプ１４を用いて、配管１６を介して供給される。改質器２０への水の供給量は、改質水ポンプ１４が備えるモータの回転数を変化させることによって制御される。

改質器２０は、水蒸気改質反応によって原料を改質し、燃料ガスとしての水素を含む混合ガス（改質ガス）を生成する。改質器２０によって生成された水素を含む混合ガスは、配管２２を介して燃料電池１００のアノードに供給される。そして、燃料電池１００のアノードから排出されたアノードオフガスは、配管２４を介して、燃焼部４０に供給される。アノードオフガスには、燃料電池１００における発電で未消費の水素や未反応燃料や一酸化炭素が含まれる。

燃料電池１００のカソードには、本発明における空気供給装置としてのエアブロア３０から送出された空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして、配管３２を介して供給される。また、改質器２０の始動時には、エアブロア３０から送出された空気は、配管３２から分岐した分岐配管３６を介して、改質器２０にも供給され、発熱反応である原料の部分酸化反応によって、改質器２０の暖機が行われる。なお、分岐配管３６には、電磁弁３７が配設されており、この電磁弁３７の開閉状態を切り換えることによって、改質器２０に空気を供給するか否かが切り換えられる。また、燃料電池１００のカソード、および、改質器２０への空気の供給量は、エアブロア３０が備えるモータの回転数を変化させることによって制御される。そして、燃料電池１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、配管３４を介して、燃焼部４０に供給される。カソードオフガスには、燃料電池１００における発電で未消費の酸素が含まれており、この酸素は、燃焼部４０において、水素や未反応燃料や一酸化炭素を燃焼させるための支燃ガスとして利用される。

燃焼部４０は、アノードオフガスに含まれる、燃料電池１００における発電で未消費の水素や未反応燃料や一酸化炭素を燃焼させて、改質器２０、および、燃料電池１００を加熱する。燃焼部４０から排気された排気ガスは、配管４２を介して、図示しない触媒装置に供給され、この触媒装置によって、燃焼部４０で燃焼し切らなかった未反応燃料と一酸化炭素、および、燃焼部４０で発生した窒素酸化物が除去された後、外部に排気される。なお、排気ガスに含まれる水蒸気は、図示しない熱交換器を用いて回収され、例えば、改質器２０における原料の改質に再利用される。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。後述するように、制御ユニット５０、エアブロア３０、電磁弁３７は、本発明における流量調整部に相当する。

燃料電池システム１０００において、燃料電池１００、および、改質器２０の起動時（暖機時）に、配管３２を介して燃料電池１００のカソードに供給される空気の流量と、分岐配管３６を介して改質器２０に供給される空気の流量とは、大きく異なるため、配管３２の口径と、分岐配管３６の口径とは、大きく異なっている。具体的には、分岐配管３６の口径は、配管３２の口径よりも小さい。そして、両者の圧力損失の差によって、以下に説明するように、エアブロア３０から送出される空気の流量と、改質器２０に供給される空気の流量との関係は、非線形となる。

図２は、電磁弁３７を開弁したときのエアブロア３０から送出される空気の流量（エア流量）と、燃料電池１００のカソードにおける圧力損失（カソードエア供給圧力損失）との関係、および、エアブロア３０から送出される空気の流量（エア流量）と、改質器２０に供給される空気の流量（改質器供給エア流量）との関係を示す説明図である。図２（ａ）に、エアブロア３０から送出されるエア流量と、カソードエア供給圧力損失との関係を示した。また、図２（ｂ）に、エアブロア３０から送出されるエア流量と、改質器供給エア流量との関係を示した。

図２（ａ）に示したように、エアブロア３０から送出されるエア流量が増加するに伴い、カソードエア供給圧力損失は、急激に増加する。そして、図２（ｂ）に示したように、燃料電池１００のカソードにおける圧力損失の急激な増加によって、分岐配管３６を介して改質器２０に供給される空気の流量も急激に増加することになる。このため、本実施例の燃料電池システム１０００では、改質器２０の暖機時に、１つのエアブロア３０から送出される空気を、燃料電池１００のカソード、および、改質器２０に、バランス良く供給することは容易ではない。

また、改質器２０の暖気時、すなわち、改質器２０における原料の部分酸化反応時に、改質器２０に供給される原料に含まれる炭素量に対して、改質器２０に供給される空気に含まれる酸素量が、多過ぎたり、少な過ぎたりすると、改質器２０に備えられた触媒の劣化を招くという不具合が生じる。つまり、改質器２０の暖機時に改質器２０に供給される空気の流量には適切な範囲が存在する。一方、燃料電池１００の暖気時に、燃料電池１００のカソードに供給される空気の流量が、多過ぎたり、少な過ぎたりすると、燃料電池１００の暖機が効率よく行われなかったり、燃焼部４０における燃焼が適切に行われないという不具合が生じる。つまり、燃料電池１００のカソードに供給される空気の流量にも適切な範囲が存在する。

図３は、改質器２０の暖機に適した燃焼部４０における空気過剰率λの適正範囲、および、改質器２０の暖機に適した改質器２０におけるＯ／Ｃの適正範囲を示す説明図である。図３（ａ）に、燃焼部４０における空気過剰率λの適正範囲をハッチングで示した。この適正範囲の上限値、および、下限値は、例えば、改質器２０の性能に応じて、適宜、変更される。図３（ａ）において、燃焼部４０における空気過剰率λは、エアブロア３０から送出されるエア流量に対応している。燃焼部４０における空気過剰率λが適正範囲の上限値よりも大きい場合には、燃焼部４０を流れる空気による燃焼部４０からの熱の持ち去りが大きくなるため、燃焼部４０の温度上昇が不十分になる場合がある。一方、燃焼部４０における空気過剰率λが適正範囲の下限値よりも小さい場合には、燃焼部４０を流れる空気による燃焼部４０からの熱の持ち去りが少なくなり、改質器２０が過剰に加熱されたり、酸素不足による失火が生じたりする場合がある。

また、図３（ｂ）に、改質器２０におけるＯ／Ｃの適正範囲をハッチングで示した。この適正範囲の上限値、および、下限値は、例えば、改質器２０の性能に応じて、適宜、変更される。ここで、「Ｏ／Ｃ」は、改質器２０に供給される空気に含まれる酸素（Ｏ）と、改質器２０に供給される原料に含まれる炭素（Ｃ）との比である。改質器２０におけるＯ／Ｃが適正範囲の上限値よりも大きい場合には、改質器２０が備える触媒が触媒反応によって異常に加熱されて溶損する場合がある。また、改質器２０におけるＯ／Ｃが適正範囲の下限値よりも小さい場合には、原料の部分酸化反応時に、酸素不足により、原料からカーボンが析出して触媒表面を覆って劣化させる場合がある。

図３（ａ），（ｂ）の比較から分かるように、改質器２０の暖機に適した燃焼部４０における空気過剰率λの適正範囲に対応するエア流量と、改質器２０の暖機に適した改質器２０におけるＯ／Ｃの適正範囲に対応するエア流量とは乖離している。したがって、改質器２０の暖機時に、ただ単に電磁弁３７を開弁して、エアブロア３０から送出された空気を改質器２０に供給するだけでは、両方の適正範囲を同時に満たすことができず、改質器２０の暖機特性が悪かった。具体的には、図４に実線で示したように、破線で示した理想的な暖機特性よりも暖機特性が悪くなることが実験的に確認された。

そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機時に、エアブロア３０から改質器２０、および、燃料電池１００のカソードに供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させることとした。なお、本実施例では、エアブロア３０が備えるモータの回転数を変化させることによって、エアブロア３０から改質器２０、および、燃料電池１００のカソードに供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させることとした。

図５は、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機時の、エアブロア３０が備えるモータの回転数の変化の様子を示す説明図である。図示するように、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機を開始してから終了するまでの時刻ｔ０〜ｔ１にかけて、エアブロア３０が備えるモータの回転数を、所定の振幅および周期で変化させるものとした。こうすることによって、エアブロア３０から改質器２０、および、燃料電池１００のカソードに供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させることができる。時刻ｔ１において、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機が終了したときには、電磁弁３７は閉弁される。なお、本実施例では、図３に示した各適正範囲内の量の空気が、改質器２０、および、燃料電池１００に（さらに、燃焼部４０に）、それぞれ、周期的に供給されるように、エアブロア３０が備えるモータの回転数の振幅および周期を、それぞれ、Ｒ±５％（ｒｐｍ）、１／６０（ｓ）とした。上記振幅および周期は、図３に示した各適正範囲の乖離の程度、および、改質器２０に備えられた触媒量や、燃焼部４０における燃焼の安定性を考慮して、適宜、決定される。

図６は、本実施例の制御による改質器２０の暖機特性についての効果を示す説明図である。本実施例における改質器２０の暖機特性を実線で示した。また、先に図４に示した比較例の暖機特性を破線で示した。図６から、本実施例の燃料電池システム１０００の制御によって、改質器２０の暖機特性が向上したことが分かる。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池システム１０００の暖機時に、１つのエアブロア３０から燃料電池１００のカソード、および、改質器２０に供給される空気の流量が、それぞれ、所定の振幅および周期で変化するように、エアブロア３０を制御するので、燃料電池１００の暖機に適した範囲内の量の空気を、周期的に、燃料電池１００のカソードに供給するとともに、改質器２０の暖機に適した範囲内の量の空気を、周期的に、改質器２０に供給するようにすることができる。この結果、燃料電池１００および改質器２０を効率よく速やかに暖機することができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、改質器２０の暖機を適切に行うことができるので、例えば、改質器２０の異常加熱による触媒の溶損や、原料の部分酸化反応時の酸素不足による原料からのカーボン析出等を回避することもできる。

Ｂ．第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。ただし、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、電磁弁３７が配設された分岐配管３６と並列して、電磁弁３９が配設された分岐配管３８が、配管３２から分岐して接続されている。そして、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、制御ユニット５０Ａが燃料電池１００、および、改質器２０の起動時（暖機時）に実行する制御の内容が、第１実施例における制御ユニット５０が実行する制御の内容と異なっている。制御ユニット５０Ａ、エアブロア３０、電磁弁３７，３９は、本発明における流量制御部に相当する。

図８は、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機時の、電磁弁３７，３９の開閉制御の様子を示す説明図である。図示するように、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機を開始してから終了するまでの時刻ｔ０〜ｔ１にかけて、エアブロア３０が備えるモータの回転を一定とした状態で、電磁弁３７を開弁するとともに、電磁弁３９を所定の周期で開閉制御するものとした。こうすることによって、エアブロア３０から改質器２０、および、燃料電池１００のカソード（さらに、燃焼部４０）に供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させることができる。時刻ｔ１において、改質器２０、および、燃料電池１００の暖機が終了したときには、電磁弁３７，３９は閉弁される。なお、上記振幅は、分岐配管３６，３８の口径によって決定され、上記振幅および周期は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、図３に示した各適正範囲の乖離の程度、および、改質器２０に備えられた触媒量や燃焼部４０における燃焼の安定性を考慮して、適宜、決定される。

以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによれば、１つのエアブロア３０から燃料電池１００のカソード、および、改質器２０に供給される空気の流量が、それぞれ、所定の振幅および周期で変化するように、電磁弁３７，３９を制御するので、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、燃料電池１００の暖機に適した範囲内の量の空気を、周期的に、燃料電池１００のカソードに供給するとともに、改質器２０の暖機に適した範囲内の量の空気を、周期的に、改質器２０に供給するようにすることができる。この結果、燃料電池１００および改質器２０を効率よく速やかに暖機することができる。

また、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、改質器２０の暖機を適切に行うことができるので、例えば、改質器２０の異常加熱による触媒の溶損や、原料の部分酸化反応時の酸素不足による原料からのカーボン析出等を回避することもできる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、燃料電池システム１０００の起動時に、エアブロア３０が備えるモータの回転数を周期的に変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。上記モータの回転数を一定とし、分岐配管３６に配設された電磁弁３７を周期的に開閉制御するようにしてもよい。ただし、この場合、所定量の空気が改質器２０に供給されるように、分岐配管３６における電磁弁３７と改質器２０との間にバッファを設けるようにすることが好ましい。

Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例では、燃料電池システム１０００の起動時に、分岐配管３６に配設された電磁弁３７を開弁し、エアブロア３０が備えるモータの回転数を周期的に変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、さらに、配管３２に電磁弁や流量調整弁を配設するようにし、エアブロア３０が備えるモータの回転数を一定としたまま、これらの弁の駆動を周期的に制御するようにしてもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、燃料電池システム１０００Ａは、電磁弁３７，３９がそれぞれ配設された２つの分岐配管３６，３８を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。分岐配管を１つとし、この分岐配管に流量調整弁を備えるようにし、この流量調整弁を制御することによって、燃料電池１００のカソード、および、改質器２０に供給される空気の流量が、それぞれ、所定の振幅および周期で変化するようにしてもよい。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 電磁弁３７を開弁したときのエアブロア３０から送出されるエア流量とカソードエア供給圧力損失との関係、および、エアブロア３０から送出されるエア流量と改質器供給エア流量との関係を示す説明図である。 改質器２０の暖機に適した燃焼部４０における空気過剰率λの適正範囲、および、改質器２０の暖機に適した改質器２０におけるＯ／Ｃの適正範囲を示す説明図である。 従来の改質器２０の暖機特性を示す説明図である。 改質器２０、および、燃料電池１００の暖機時の、エアブロア３０が備えるモータの回転数の変化の様子を示す説明図である。 本実施例の制御による改質器２０の暖機特性についての効果を示す説明図である。 本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。 改質器２０、および、燃料電池１００の暖機時の、電磁弁３７，３９の開閉制御の様子を示す説明図である。

符号の説明

１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
１０…昇圧ポンプ
１２…配管
１４…改質水ポンプ
１６…配管
２０…改質器
２２…配管
２４…配管
３０…エアブロア
３２…配管
３４…配管
３６…分岐配管
３７…電磁弁
３８…分岐配管
３９…電磁弁
４０…燃焼部
４２…配管
５０，５０Ａ…制御ユニット
１００…燃料電池

Claims (6)

1. 原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムであって、
   前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
   前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に空気を供給するために共通に用いられる１つの空気供給装置と、
   前記空気供給装置から送出された空気を前記燃料電池のカソードに供給するための空気供給配管と、
   前記空気供給配管から分岐し、前記空気供給装置から送出された空気を前記改質器に供給するための分岐配管と、
   前記空気供給装置から送出された空気を、前記分岐配管を介して、前記改質器に供給するか否かを切り換え可能なバルブと、
   前記バルブを少なくとも開弁して前記空気供給装置から送出された空気を前記改質器に供給するときに、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させる流量制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記流量制御部は、前記改質器に供給される空気の流量が、少なくとも周期的に、前記原料の部分酸化反応による前記改質器の暖機に適した範囲内に入るように、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を変化させる、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記原料の部分酸化反応による前記改質器の暖機に適した範囲は、前記改質器に供給される空気に含まれる酸素（Ｏ）と、前記改質器に供給される前記原料に含まれる炭素（Ｃ）との比であるＯ／Ｃ比に基づいて定められている、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池のアノードから排出された前記燃料ガスを含むガスを、前記燃料電池のカソードから排出された空気を利用して燃焼させることによって、前記改質器を加熱する燃焼部を備え、
   前記流量制御部は、前記燃料電池のカソードから排出されて前記燃焼部に供給される空気の流量が、少なくとも周期的に、前記燃料ガスを含むガスの燃焼に適した範囲内に入るように、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を変化させる、
   燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料ガスを含むガスの燃焼に適した範囲は、前記燃焼部における空気過剰率λに基づいて定められている、
   燃料電池システム。
6. 原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える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、
   前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
   前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に空気を供給するために共通に用いられる１つの空気供給装置と、
   前記空気供給装置から送出された空気を前記燃料電池のカソードに供給するための空気供給配管と、
   前記空気供給配管から分岐し、前記空気供給装置から送出された空気を前記改質器に供給するための分岐配管と、
   前記空気供給装置から送出された空気を、前記分岐配管を介して、前記改質器に供給するか否かを切り換え可能なバルブと、を備えており、
   前記制御方法は、
   前記バルブを少なくとも開弁して前記空気供給装置から送出された空気を前記改質器に供給するときに、前記燃料電池のカソード、および、前記改質器に供給される空気の流量を、それぞれ、所定の振幅および周期で変化させる工程を備える、
   制御方法。

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