JP5234401B2 - 固体電解質型燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、複数の電池ユニットを積層して成るスタック構造体を備えた固体電解質型燃料電池システムに関するものである。

従来において、改質器とスタック構造体を備えた固体電解質型燃料電池システムとしては、ハウジング内に、セルスタックを複数行配設したセルスタック集合体と、セルスタック集合体を設けたガスマニホールドと、水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器とガスマニホールドを連結する改質ガス供給管を収容し、セルスタック集合体から排出されるオフガスにより改質器を加熱するようにしたものがあった（特許文献１参照）。
特開２００５−１８３３７５号公報

ここで、改質器での改質反応には、吸熱反応である水蒸気改質と発熱反応である部分酸化改質とがあり、また、両者を組み合わせて改質反応での吸熱・発熱量をバランスさせたオートサーマル改質がある。上記従来例のように、セルスタック集合体からの排熱を効率的に改質器へ供給することで、吸熱反応である水蒸気改質の割合を増加することができるため、高効率な運転を可能なものとする。

しかしながら、上記したような従来の固体電解質型燃料電池システムは、高効率な運転が可能であって、家庭や工場において定常的に一定電力を供給するための設置型の電力源には好適であるが、電気自動車等の車両における車載型の電力源への適用が困難であった。

つまり、固体電解質型燃料電池システムは、車載型の電力源として用いる場合には、車両の走行状態に応じて負荷変動運転が頻繁に行われることになり、要求出力が急激に増大するような事態にも対処する必要がある。

これに対して、従来の固体電解質型燃料電池システムでは、要求出力が急激に増大した場合には、要求出力に応じてセルスタック集合体の出力を増大させるのであるが、これに先立って、改質器で多量の燃料を改質しなければならない。この際、改質器にはより多くの熱量が必要になるが、改質器の熱源がセルスタック集合体のオフガスであるため、改質器に充分な熱量を速やかに与えることができない。

そこで、改質器に対する熱量供給として、セルスタック集合体のオフガスによる熱量供給以外に、改質反応において部分的に熱熱反応である部分酸化改質の割合を増加したり、燃焼器で燃料と空気を混合燃焼させて、その熱で改質器を加熱したりする方法が考えられた。

ところが、上記のように、改質器をオフガス以外の手段で加熱すると、出力増大のためにセルスタック集合体自体の発熱量が増加するのに加えて、そのセルスタック集合体に、セルスタック集合体とは別の熱源から熱量供給された改質器からの高温の改質ガスが供給されるので、セルスタック集合体が過熱状態となり、セルスタック集合体の耐久性の低下や破損が生じる恐れがあるという問題点があった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、要求出力が急激に増大するような負荷変動運転を行った場合でも、スタック構造体が過熱状態になるのを防ぐことができ、車載用の電力源に好適である固体電解質型燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明の固体電解質型燃料電池システムは、オートサーマル改質により燃料、酸素及び水から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、複数の電池ユニットを積層したスタック構造体を備え、スタック構造体の各電池ユニットに改質ガスと空気を供給して発電するものである。改質器は、水蒸気改質、部分酸化改質、及び水蒸気改質と部分酸化改質を組み合わせたオートサーマル改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する。この際、改質反応が５００〜９００℃で行われるために、スタック構造体に供給される改質ガスも高温となる。

そこで、当該固体電解質型燃料電池システムは、改質器からスタック構造体へ供給する改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段と、スタック構造体の温度を制御する温度制御手段と、改質器から改質ガス冷却手段をバイパスしてスタック構造体に至る改質ガス分配手段を備え、改質ガス冷却手段が、熱交換器を備えていると共に、熱交換器の冷媒流体が空気であって、さらに、熱交換器からスタック構造体に至る空気供給路と熱交換器から外部に至る空気排出路を切り替える空気分配手段を備え、温度制御手段が、スタック構造体に対する要求出力に応じて改質ガス冷却手段、改質ガス分配手段及び空気分配手段の動作を指令する手段である構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の固体電解質型燃料電池システムによれば、必要に応じて改質ガスを冷却することで、スタック構造体に対する改質器の温度変動の影響を極力小さく又は解消することが可能となり、要求出力が急激に増大するような負荷変動運転を行った場合でも、スタック構造体が過熱状態になるのを防ぐことができ、負荷変動運転を頻繁に行う車載用の電力源に非常に好適なものとなる。
また、上記態の固体電解質型燃料電池システムは、改質ガス冷却手段をバイパスする改質ガス分配手段を備えているので、改質ガス冷却手段の作動及び不作動の選択だけでなく、改質ガス分配手段によっても改質ガスの冷却の要否に対応することができる。また、改質ガス分配手段により、冷却した改質ガスと冷却しない改質ガスとを混合してスタック構造体に供給すること、並びに、空気分配手段により、改質ガス冷却手段としての熱交換器からスタック構造体に至る空気供給路と熱交換器から外部に至る空気排出路とを切り替えて冷却媒体である空気を分配することで、スタック構造体に入る熱量を調整することもできる。この場合、改質ガス冷却手段では、常に一定の温度となるように動作すれば良いので、制御や構造がより一層簡単になる。

図１は、本発明の固体電解質型燃料電池システムの一実施形態を説明する図である。
図示の燃料電池システムは、燃料、酸素及び水から水素リッチな改質ガスを生成する改質器１と、複数の電池ユニットＵを積層したスタック構造体Ｓを備え、スタック構造体Ｓの各電池ユニットＵに改質ガスと空気を供給して発電する。

そして、燃料電池システムは、改質器１からスタック構造体Ｓへ供給する改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段Ａと、スタック構造体Ｓの温度を制御する温度制御手段Ｂと、改質器１から改質ガス冷却手段Ａをバイパスしてスタック構造体Ｓに至る改質ガス分配手段Ｃを備えている。

改質器１は、例えば炭化水素系の燃料、酸素（空気等の有酸素ガスを含む）及び水を用いてオートサーマル改質を行うことで、水素リッチな改質ガスを生成する。このとき、改質器１から排出される改質ガスは高温である。

また、改質器１は、スタック構造体Ｓにおける各電池ユニットＵの燃料極に改質ガスを供給する改質ガス供給路（管）２を備えると共に、この実施形態では、燃料の気化器３を備えたものとなっている。

改質ガス冷却手段Ａは、改質器１とスタック構造体Ｓとの間において、改質ガス供給路１ａが貫通状態する熱交換器４を備えている。熱交換器４は、冷媒供給路（管）４ａ及び冷媒排出路（管）４ｂを備え、冷媒流体として空気を用いている。

改質ガス分配手段Ｃは、改質ガス供給路２から分岐し且つ熱交換器４を迂回して改質ガス供給路２に戻るバイパス路（管）５と、改質ガス供給路２とバイパス路５との分岐位置に設けた切替バルブ１４で構成されている。

電池ユニットＵは、図９に示すように、発電要素である単セル５１と、この単セル５１を保持し且つ単セル５１の燃料極側を気密的に被う扁平中空状のセパレータ板５２を備えて、全体として円盤状を成している。セパレータ板５２は、単セル５１の燃料極との間に改質ガス流路を形成し、この改質ガス流路内にガス透過性を有する集電体５３が収容してある。

また、電池ユニットＵは、その中央部に流路部品５４を備えている。この流路部品５４は、電池ユニットＵを積層した状態で、中心線に沿って互いに連通する改質ガス供給管５５を形成すると共に、改質ガス供給管５５から電池ユニットＵ内に連通する改質ガス導入口５６を有している。なお、流路部品５４は、図示を省略したが、改質ガス排出部を有すると共に、互いに連通する改質ガス排出管を形成している。

上記の電池ユニットＵは、複数枚が積層され、この際、単セル５１の空気極と隣接する電池ユニットＵとの間にも集電体５７を介装してスタック構造体Ｓを構成する。このスタック構造体Ｓは、図１０に示すように、中央部に、改質ガスの供給管５５や排出管に連通するパイプＰ１，Ｐ２を連結すると共に、断熱容器Ｈｓに密閉収容される。

なお、図１中のスタック構造体Ｓでは、流体配管を図示する都合上、電池ユニットＵの単セルを構成する電解質５１ａ、燃料極５１ｂ及び空気極５１ｃを示している。そして、燃料極５１ｂには、改質ガス供給路２が連通している。

また、燃料極５１ｂには、改質ガス排出路（管）６が連結してあり、この改質ガス排出路６には、切替バルブ７を介して改質器１の気化器３に至る改質ガスリターン路（管）８が連結してある。つまり、気化器３は、燃料の気化の熱源の一部としてスタック構造体Ｓから排出された改質ガスを用いる。さらに、空気極５１ｃには、空気供給路（管）９及び空気排出路（管）１０が連結してある。

この実施形態における温度制御手段Ｂは、スタック構造体Ｓに対する要求出力に応じて改質ガス冷却手段Ａ及び改質ガス分配手段Ｃの動作を指令するものである。この温度制御手段Ｂには、要求出力のほか、改質ガスの熱量（流量、組成及び温度）や、スタック構造体Ｓの温度などの各種データが入力される。

また、改質ガス冷却手段Ａ及び改質ガス分配手段Ｃに対する動作指令は、熱交換器４に対する冷媒流体（空気）の流量、改質ガス供給路２における切替バルブの動作、スタック構造体Ｓに対する空気の流量を夫々制御する指令である。流量制御は、より具体的には、各流路におけるバルブの開度調整である。

そして、この実施形態の燃料電池システムは、改質器１と、熱交換器４及びスタック構造体Ｓを個別の断熱容器Ｈｒ，Ｈｓに収容している。これにより、改質器１とスタック構造体Ｓとの間において、改質ガス以外の熱の授受を抑制することで、改質ガスの熱量制御によるスタック構造体Ｓの温度制御の効果が高められ、スタック構造体Ｓの温度の安定化を実現すると共に、負荷変動運転に対する追従性や耐久性がさらに向上する。

上記構成を備えた燃料電池システムは、とくに、電気自動車等の車両における車載型の電力源として用いられ、改質器１において燃料、酸素及び水を用いてオートサーマル改質を行うことで水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスをスタック構造体Ｓの電池ユニットＵの燃料極５１ｂに供給すると共に、空気を同電池ユニットＵの空気極５１ｃに供給することで、電気化学反応を生じさせて電気エネルギーを発生する。

ここで、燃料電池システムは、車両の電力源として用いることから、車両の走行状態に応じた負荷変動運転に対応しなければならない。そこで、当該燃料電池システムの動作を図２に示す温度制御手段Ｂのフローチャートに基づいて説明する。

温度制御手段Ｂは、制御を開始すると、ステップＳ１において、燃料電池の要求出力を認識し、ステップＳ２において、改質ガスの熱量（流量、組成及び温度）とスタック構造体Ｓの温度を入力する。

次に、温度制御手段Ｂは、ステップＳ３において、要求出力に応じたスタック構造体Ｓの発熱量、改質ガスの熱量、現在のスタック構造体Ｓの温度、配管からの放熱量などに基づいて、要求出力に対応したスタック構造体Ｓの到達温度（推定温度）を算出する。そして、ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲内であるか（改質ガスの熱量制御が必要か）を判定する。

ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲内である（Ｙｅｓ）と判定した場合には、ステップＳ５において、改質ガスの熱量制御すなわち冷却を実施せずに、改質ガスをそのままスタック構造体Ｓに供給する。

また、ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲を超える（Ｎｏ）と判定した場合には、ステップＳ６において、改質ガスからの熱量減衰量（改質ガスの冷却温度）を算出し、ステップＳ７において、算出した熱量減衰量及び熱交換性能から適正な冷媒流体流量すなわち熱交換器４へ供給する空気流量を算出する。

その後、ステップＳ８において、熱交換器４に対して算出した流量で空気を供給し、熱交換器４で冷却した改質ガスをスタック構造体Ｓに供給して、制御を終了する。これにより、スタック構造体Ｓの温度を許容範囲内にして、スタック構造体Ｓが過熱状態になるのを未然に防止する。

上記の如く、当該燃料電池システムは、車両の加速時などのように要求出力が急激に増大する際に、温度制御手段Ｂによって、要求出力に対応したスタック構造体Ｓの到達温度を算出し、到達温度が許容範囲内であるか否かを判定して、許容範囲を超える場合には、改質ガス冷却手段（熱交換器４）Ａにより、改質ガスを冷却（熱量を減衰）する。

従来の燃料電池システムでは、要求出力が増大した際、スタック構造体自身の発熱に加えて改質器の温度が上昇するので、スタック構造体が過熱状態になり易かった。これに対して、当該燃料電池システムでは、改質ガスの熱量を減衰させるので、スタック構造体Ｓに必要以上に熱量が供給されないうえに、改質ガスが冷却ガスとして機能するために、スタック構造体Ｓの冷却効果が向上する。これにより、スタック構造体Ｓに対する改質器１の温度変動の影響が極力小さいものとなり、要求出力が急激に増大するような負荷変動運転に充分に追従することができる。

なお、図２に示すフローチャートでは、要求出力に応じたスタック構造体Ｓの到達温度を算出し、到達温度が許容範囲内であるか否かを判定するものとしたが、改質ガスの熱量（流量、組成及び温度）やスタック構造体Ｓの温度に基づいて、ステップＳ３において、スタック構造体Ｓの温度を許容範囲内に冷却するための放熱量（冷却量）を算出し、ステップＳ４において、算出した放熱量以下でスタック構造体Ｓの温度調整が可能であるか否かを判定するようにしても良い。

また、とくに小型・高出力のスタック構造体では、空気の流路も狭く設計されているため、空気による冷却能力に限界がある。そこで、本発明のように改質ガスによっても冷却することで、スタック構造体Ｓの運転温度の安定性が向上し、小型・高出力で負荷応答性に優れる燃料電池システムを得ることができる。

ここで、本発明における固体電解質型燃料電池は、とくに固体酸化物を電解質とした中・高温型の燃料電池である。このような燃料電池に対して、本発明の如く、改質器１からスタック構造体Ｓへ供給する熱量を制御すれば、高効率な燃料電池システムを得ることができる。

さらに、温度制御手段Ｂは、スタック構造体Ｓの一箇所の温度推定で熱量制御を行うことができるが、複数箇所の温度推定によって熱量制御を行うこともできる。また、複数箇所で推定される温度の差をもって熱量制御を行うこともできる。

さらに、温度制御手段Ｂは、スタック構造体Ｓへの要求出力の検知手段、スタック構造体Ｓ、改質器１、各ガスの温度検知手段、各ガスの流量検知手段、各ガスの組成の検知手段、予め設定した要求出力の変動に対する改質器１及び各ガスの温度プロファイル、予め設定した運転情報及び交通情報などから推定される要求出力のプロファイルのうち、少なくとも一つ以上の検知情報から推定を行うものとすることができる。

上記実施形態の固体電解質型燃料電池システムは、改質ガス冷却手段（熱交換器４）Ａをバイパスする改質ガス分配手段Ｃを備えているので、改質ガス冷却手段Ａの作動及び不作動の選択だけでなく、改質ガス分配手段Ｃによっても改質ガスの冷却の要否に対応することができる。また、改質ガス分配手段Ｃにより、冷却した改質ガスと冷却しない改質ガスとを混合してスタック構造体Ｓに供給することで、スタック構造体Ｓに入る熱量を調整することもできる。この場合、改質ガス冷却手段Ａでは、常に一定の温度となるように動作すれば良いので、制御や構造がより一層簡単になる。

また、上記実施形態の固体電解質型燃料電池システムは、改質ガス冷却手段Ａとして、冷媒流体（空気）を用いた熱交換器４を採用したことから、改質ガスにより昇温した冷媒流体を燃料や空気の予熱、気化器３の熱源、及び車両の暖房などにも利用することができる。

図３は、本発明の固体電解質型燃料電池システムの他の実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の固体電解質型燃料電池システムは、改質ガス冷却手段Ａが、空気を冷媒流体に用いた熱交換器４を備えると共に、熱交換器４の冷媒排出路４ｂに、熱交換器４からスタック構造体Ｓに至る空気供給路１１と、熱交換器４から外部に至る空気排出路１２を切り替える空気分配手段Ｄが設けてある。この空気分配手段Ｄは、空気供給路１１と空気排出路１２の分岐部に設けた切替バルブ１３を含むものとなっている。

この場合、温度制御手段Ｂは、スタック構造体Ｓに対する要求出力に応じて改質ガス冷却手段Ａ及び改質ガス分配手段Ｃの動作を指令するのに加えて、空気分配手段Ｄの動作も指令する。

また、当該燃料電池システムは、改質器１と、熱交換器４と、スタック構造体Ｓを個別の断熱容器Ｈｒ，Ｈｈ，Ｈｓに収容している。これにより、改質器１と熱交換器４とスタック構造体Ｓとの間において、改質ガス以外の熱の授受を抑制することで、改質ガスの熱量制御によるスタック構造体Ｓの温度制御の効果がより一層高められ、スタック構造体Ｓの温度のさらなる安定化を実現すると共に、負荷変動運転に対する追従性や耐久性がより高められる。

図４は、上記の燃料電池システムにおける温度制御手段Ｂの処理過程を説明するフローチャートである。なお、ステップＳ１〜Ｓ４は、先の実施形態（図２参照）と同じであるため、説明を省略する。

すなわち、この実施形態では、ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲内である（Ｙｅｓ）と判定した場合には、ステップＳ１１において、改質ガスの熱量をスタック構造体Ｓ以外に放出しないこととし、熱交換器４において改質ガスと所定量の空気（冷媒流体）との間で熱交換をして、加熱された空気を空気供給路１１からスタック構造体Ｓに供給する。

また、ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲を超える（Ｎｏ）と判定した場合には、ステップＳ１２において、改質ガスからの熱量減衰量（改質ガスの冷却温度）を算出し、ステップＳ１３において、算出した熱量減衰量及び熱交換性能から適正な冷媒流体流量すなわち熱交換器４へ供給する空気流量を算出する。

その後、ステップＳ１４において、冷却用と発電用を合わせた流量の空気を熱交換器に供給して改質ガスとの間で熱交換を行い、ステップＳ１５において、切替バルブ１３を調整して冷却用に相当する流量の空気をスタック構造体Ｓの外に排出すると共に、発電用に相当する流量の空気をスタック構造体Ｓに供給し、熱交換器４で冷却した改質ガスをスタック構造体Ｓに供給して、制御を終了する。これにより、スタック構造体Ｓの温度を許容範囲内にして、スタック構造体Ｓが過熱状態になるのを未然に防止する。

このように、上記実施形態の燃料電池システムは、温度制御手段において、スタック構造体Ｓの到達温度や改質ガスで減衰する熱量に基づいて、発電用空気の流量および冷媒としての空気の流量を算出する。そして、算出結果に基づいて発電用の空気および冷媒（空気）を混合して熱交換器４に供給し、熱交換後に冷媒及び発電用の空気流量に分配する。

また、燃料電池システムは、熱交換後の改質ガス及び空気熱量の計測手段を設けて、その計測結果から、スタック構造体Ｓに供給する熱交換後の発電用空気の流量を再計算し、その算出結果に基づいて冷媒及び発電用空気を補正して分配することもできる。

さらに、燃料電池システムは、冷媒流体に空気を使用することで、改質ガスの熱量制御と共に、改質ガスと発電用空気の均熱化を行うことができる。また、改質ガスの熱量を減衰しない場合においては、熱交換器４を発電用空気と改質ガスの熱交換用として利用することができる。これにより、改質ガスと発電用空気の均熱が得られ、スタック構造体Ｓに両ガスを供給した際の熱衝撃が緩和され、負荷変動運転時におけるスタック構造体の温度のさらなる安定化や耐久性の向上を実現することができる。

さらに、スタック構造体をバイパスする空気は、図示しない燃焼器で利用できるほか、車両の暖房用空気などにも使用することができ、とくに用途が限定されることはない。

図５は、本発明の固体電解質型燃料電池システムのさらに他の実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態の固体電解質型燃料電池システムは、基本的に先の実施形態のシステム（図３参照）と同等であるが、改質ガス冷却手段Ａの熱交換器４において、改質ガスの排出側及び冷媒流体である空気の排出側に、夫々の温度測定器１５，１６が設けてある。これらの温度測定器１５，１６からの測定結果は、温度制御手段Ｂに入力する。

図６は、上記の燃料電池システムにおける温度制御手段Ｂの処理過程を説明するフローチャートである。なお、ステップＳ１〜Ｓ４及びステップＳ１１〜１５は、先の実施形態（図４参照）と同じであるため、説明を省略する。

ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲を超える（Ｎｏ）と判定した場合には、ステップＳ１２〜Ｓ１４を経た後、ステップＳ２１において、温度測定器１５，１６により熱交換後の改質ガス及び空気（発電用空気）の夫々の温度を測定し、ステップＳ２２において、測定温度と想定温度との差が予め定めた設定値以下であるか否かを判定する。

そして、ステップＳ２２において、測定温度と想定温度との差が設定値以下である（Ｙｅｓ）と判定した場合には、ステップＳ１５において、冷却用空気の分配を行って制御を終了する。

また、ステップＳ２２において、測定温度と想定温度との差が設定値以下ではない（Ｎｏ）と判定した場合には、ステップＳ２３において、当初の温度制御手段Ｂの算出結果に対して、実際に熱交換器４を経た改質ガス及び空気の温度にずれが生じている場合には、測定温度に基づいて冷却用空気と発電用空気の分配量を再計算する。

そして、ステップＳ１５において、冷却用空気の分配を行う。この際、当初の算出結果よりも改質ガスの温度が高い（空気の温度が低い）場合には、当初の計算結果の通りの分配量では、システム外へ排出する熱量が少ないために、スタック構造体Ｓの温度が上昇する。そこで、熱交換器４を経た改質ガス及び空気の温度に基づいて、スタック構造体Ｓに供給する空気流量を当初の算出結果よりも温度のずれ分だけ多く設定する。また、逆の場合には、スタック構造体Ｓに供給する空気流量を少なく設定する。

図７は、本発明の固体電解質型燃料電池システムのさらに他の実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態の固体電解質型燃料電池システムは、改質ガス冷却手段Ａが、熱交換器４と、熱交換器４を経た改質ガスから水蒸気を分離する水蒸気分離器２４を備えている。このため、先の実施形態（図３参照）では、熱交換器４に、空気供給路１１、空気排出路１２及び切替バルブ１３を含む空気分配手段Ｄを設けたが、この実施形態では、水蒸気分離器２４に同様の空気分配手段Ｄが設けてある。

また、水蒸気分離手段２４で分離した水蒸気は、リターン配管２５を経て気化器へ供給され、新たに供給される燃料ガスの改質反応に利用される。または、排出配管２６を経て液化して水タンク２７に貯蔵した後、水用配管２８を経て改質用水として気化器３へ供給される。リターン配管２５と排出配管２６の分岐部には、切替バルブ２９が設けてある。

さらに、この実施形態の燃料電池システムは、改質器１からスタック構造体Ｓに至る改質ガス供給路２において、改質ガス分配手段Ｃが、熱交換器４をバイパスするバイパス路５に加えて、熱交換器４及び水蒸気分離器２４をバイパスする第２のバイパス路３０を備えている。

図８は、上記の燃料電池システムにおける温度制御手段Ｂの処理過程を説明するフローチャートである。なお、ステップＳ１〜Ｓ４は、先の実施形態（図２参照）と同じであるため、説明を省略する。

ステップＳ２とステップＳ３の間のステップＳ２０において、発電に適した水蒸気分離後の改質ガスの熱量を計算する。ステップＳ３におけるスタック構造体Ｓの到達温度の算出には、この所定量の水蒸気を分離した後の改質ガスの熱量を用いる。

そして、ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲内である（Ｙｅｓ）と判定した場合には、ステップＳ３１において、所定量の空気と改質ガスの熱交換を行い、熱交換後の改質ガスから発電に適した所定量の水蒸気を分離して、空気及び改質ガスをスタック構造体Ｓへ供給する。

また、ステップＳ４において、スタック構造体Ｓの到達温度が許容範囲を超える（Ｎｏ）と判定した場合には、ステップＳ３２において、水蒸気分離後の改質ガスの熱量調整でスタック構造体Ｓの温度調整が可能であるか否かを判定する。

そして、ステップＳ３２において、スタック構造体Ｓの温度調整が可能である（Ｙｅｓ）と判定した場合には、ステップＳ３３において、改質ガスからの熱量減衰量（冷却温度）と冷却用空気の流量を算出する。その後、ステップＳ３４において、所定量空気と改質ガスを熱交換すると共に、熱交換後の改質ガスから発電に適した所定の水蒸気量を分離し、さらに、空気を冷却用と発電用に分配して、空気及び改質ガスをスタック構造体Ｓに供給する。

他方、ステップＳ３２において、スタック構造体Ｓの温度調整が可能ではない（Ｎｏ）と判定した場合には、ステップＳ３５において、改質ガス中に含まれる水蒸気量のうちのスタック構造体Ｓの冷却に必要な水蒸気量を算出する。その後、ステップＳ３６において、所定量空気と改質ガスを熱交換すると共に、熱交換後の改質ガスから冷却に適した所定の水蒸気量を分離し、さらに、空気を冷却用と発電用に分配して、空気及び改質ガスをスタック構造体Ｓに供給する。

上記の燃料電池システムでは、温度制御手段Ｂの判定により、改質ガスの熱量を減衰する（冷却する）必要がないと判定した場合には、改質ガスの組成に基づいて発電に最適な水蒸気量を算出する。そして、水蒸気量の算出結果に基づいて、水蒸気分離器２４の調圧や、水蒸気分離器２４に供給する改質ガスとバイパスする改質ガスの分配比を調整を行い、発電に最適な水蒸気量となるように改質ガスから水蒸気を分離する。

また、温度制御手段Ｂの判定により、改質ガスの熱量を減衰する（冷却する）必要があると判定した場合には、スタック構造体Ｓから改質ガス及び空気が奪う熱量の大きさによって、水蒸気分離量を決定する。

すなわち、改質ガス中の水蒸気量を発電に最適な水蒸気量に調整しても、残りの改質ガス及び空気によってスタック構造体Ｓの冷却が充分に行える場合には、発電に最適な水蒸気量の調整を行う。逆に、スタック構造体Ｓから奪う熱量が大きく、改質ガスから水蒸気を分離し過ぎると、所望の熱量をスタック構造体Ｓから受け取ることができなくなる場合があるので、スタック構造体Ｓの冷却に必要な水蒸気量を残して、改質ガスから部分的に水蒸気を分離する。なお、発電に適した水蒸気量の調整ではなく、スタック構造体Ｓの冷却に適した水蒸気量の調整を優先する。

このように、当該燃料電池システムは、定常運転時には、改質ガス中に含まれる水蒸気量をスタック構造体Ｓでの発電に最適なものに調整するために、水蒸気分離器２４を採用している。発電に最適な水蒸気量は、改質ガス中に含まれる未改質炭化水素燃料を考慮して決定する。

スタック構造体Ｓが過熱状態に陥ると判定される場合には、改質ガス中に含まれる水蒸気量が多い方が改質ガスの熱容量が大きく、スタック構造体Ｓに供給した際に同スタック構造体Ｓを冷却する効果が高い。したがって、発電に適した水蒸気量調整より優先して、スタック構造体Ｓの温度を安定（冷却）させる目的で、改質ガスから分離する水蒸気量を決定する。

ここで、上記の各実施形態では、電池ユニットＵが、図９及び図１０に示す如く全体として円盤状を成していて、この電池ユニットＵを積層してスタック構造体Ｓを構成している。このようなスタック構造体Ｓでは、円盤中心の積層部分の熱容量が大きく、その周囲から発電用の空気を吹き付けて空気極に供給するので、空気によるスタック構造体Ｓの冷却だけでは中心部分に熱がこもり易い。

そこで、本発明の燃料電池システムのように、空気と均熱化した改質ガスをスタック構造体Ｓの冷却に利用すれば、改質ガスが中心部分の内側から各電池ユニットＵに供給されるので、熱がこもり易いスタック構造体Ｓの中心部分を効率的に冷却することが可能となり、しかも、空気と改質ガスが均熱化していることにより、スタック構造体Ｓの全体を内側と外側から均一に冷却して温度制御することが可能となる。

よって、本発明の固体電解質型燃料電池システムを搭載した車両において、負荷変動運転に対する追従性に優れると共に、小型で高出力な電力源を実現することができる。

なお、本発明の固体電解質型燃料電池システムは、その構成が上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。

本発明の固体電解質型燃料電池システムの一実施形態を説明するブロック図である。 図１に示す燃料電池システムにおける温度制御手段の処理過程を説明するフローチャートである。 本発明の固体電解質型燃料電池システムの他の実施形態を説明するブロック図である。 図３に示す燃料電池システムにおける温度制御手段の処理過程を説明するフローチャートである。 本発明の固体電解質型燃料電池システムのさらに他の実施形態を説明するブロック図である。 図５に示す燃料電池システムにおける温度制御手段の処理過程を説明するフローチャートである。 本発明の固体電解質型燃料電池システムのさらに他の実施形態を説明するブロック図である。 図７に示す燃料電池システムにおける温度制御手段の処理過程を説明するフローチャートである。 電池ユニット及びスタック構造体の構造を説明する断面図である。 スタック構造体を説明する斜視図である。

符号の説明

Ａ 改質ガス冷却手段
Ｂ 温度制御手段
Ｃ 改質ガス分配手段
Ｄ 空気分配手段
Ｈｒ 断熱容器（改質器の断熱容器）
Ｈｓ 断熱容器（スタック構造体の断熱容器）
Ｈｈ 断熱容器（改質ガス冷却手段の断熱容器）
Ｓ スタック構造体
Ｕ 電池ユニット
１ 改質器
４ 熱交換器
１１ 空気供給路
１２ 空気排出路
２４ 水蒸気分離器
５１ 単セル
５１ａ 固体電解質層
５１ｂ 燃料極層
５１ｃ 空気極層
５２ セパレータ板

Claims (6)

1. オートサーマル改質により燃料、酸素及び水から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、複数の電池ユニットを積層したスタック構造体を備え、スタック構造体の各電池ユニットに改質ガスと空気を供給して発電する固体電解質型燃料電池システムにおいて、
   改質器からスタック構造体へ供給する改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段と、
   スタック構造体の温度を制御する温度制御手段と、
   改質器から改質ガス冷却手段をバイパスしてスタック構造体に至る改質ガス分配手段を備え、
   改質ガス冷却手段が、熱交換器を備えていると共に、熱交換器の冷媒流体が空気であって、
   熱交換器からスタック構造体に至る空気供給路と熱交換器から外部に至る空気排出路を切り替える空気分配手段を備え、
   温度制御手段が、スタック構造体に対する要求出力に応じて改質ガス冷却手段、改質ガス分配手段及び空気分配手段の動作を指令する手段であることを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
2. 改質ガス冷却手段が、熱交換器と、熱交換器を経た改質ガスから水蒸気を分離する水蒸気分離器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池システム。
3. 改質器とスタック構造体を個別の断熱容器に収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池システム。
4. 改質器と改質ガス冷却手段とスタック構造体を個別の断熱容器に収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池システム。
5. 電池ユニットが、固体電解質層を燃料極層と空気極層で挟んだ構造を有する単セルと、単セルを保持し且つ単セルの燃料極層側を気密的に被う扁平中空状のセパレータを備えて全体として円盤状を成し、この電池ユニットを積層してスタック構造体を構成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池システムを電力源として搭載したことを特徴とする車両。

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