JP5349251B2

JP5349251B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5349251B2
Application number: JP2009245639A
Authority: JP
Inventors: 康浩伊澤; 諭塩川; 孝小野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Kyocera Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011091004A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）とで発電する燃料電池システムが広く適用されている。燃料電池システムは、主に、発電を実行する燃料電池セルの複数個を間に集電部材を介して積層してなる燃料電池スタック、燃料の改質系機器等のプロセス機器と、エアポンプ、改質水ポンプ等の補機と、により構成される。

燃料電池システムは、小型化・簡素化が要求されている。そのため、プロセス機器、補機等を一つのパッケージ内に収納したパッケージ型燃料電池システムの開発が進んでいる。また、燃料電池システムは、高効率化が要求されている。そのため、一般的に、燃料電池スタックおよびプロセス機器と、補機とをパッケージ内で区分し、燃料電池スタックおよびプロセス機器と、補機との間の熱移動等を抑制している。

パッケージ型の燃料電池システムであって、パッケージの側面に設けた換気ファンおよび外気吸入ルーバからなる換気装置を備えたものにおいて、空気ブロアの吐出側に連結されてパッケージ内の熱空気溜まりに冷却空気を放出する複数の分岐空気管路を備えることで、パッケージ内部を冷却する技術が特許文献１に開示されている。

また、断熱隔壁によってパッケージ内を高温装置室と電気装置室とに画成し、電気装置室の外壁に形成された換気孔から吸入した空気を断熱隔壁に形成された通風孔を介して高温装置室に導き、温度の上昇した空気を高温装置室内に吸気口を有する空気ブロワで吸入することで、パッケージ内を強制換気しつつ熱を回収する技術が特許文献２に開示されている。

特開平０７−００６７７７号公報特開平０５−２９０８６８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、冷却に用いた空気を外部に排出してしまうため、冷却に用いた空気を有効利用できない。そのため、システムの簡素化を図ることができない。

また、特許文献２の技術では、空気ブロアの吸気口が高温装置室内に位置しているため、空気ブロワが高温の空気を吸入し、ブロワ効率（吸入空気量／電力消費量）が低下してしまう。そのため、燃料電池システムの効率が低下するおそれがある。

そして、特許文献１、２の技術では、パッケージ内を流れる空気の流路を選択できないため、パッケージ内の冷却が不要なときにも各機器が強制的に冷却されるおそれがある。したがって、システムの熱自立・熱制御が困難である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、システムの簡素化、システム効率の向上、およびシステムの熱自立・熱制御を達成することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルの複数個を間に集電部材を介して積層してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス導入流路とを備える燃料電池モジュールを収納する第１収納室と、前記燃料電池モジュールを作動させるための複数の補機を収納する第２収納室と、外部のエアが前記補機の周囲を流れることなく、前記酸化剤ガス導入流路に流れるための第１の流路と、外部のエアが複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を流れた後、前記酸化剤ガス導入流路に流れるための第２の流路と、前記第１および第２の流路を流れる前記外部のエアの分配比率を調整する分配比調整弁と、該分配比調整弁によって選択された流路を経由して、前記外部のエアを前記酸化剤ガス導入流路に供給するエアポンプと、を備えるパッケージと、前記分配比調整弁の動作を制御するための制御装置とを備えることを特徴とする。

このような構成とすることにより、高温の燃料電池スタック近傍を流れた後の高温エアがエアポンプへ流入することを抑制することができる。この場合、エアポンプの効率（吸入空気量／電力消費量）低下を抑制することができる。それにより、燃料電池システムの効率低下を抑制することができる。また、パッケージ内の冷却が不要な場合には、第１の流路への分配比率を分配比調整弁によって高くすることによって、パッケージ内の過冷却を抑制することができる。したがって、燃料電池システムの熱自立・熱制御を達成することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記第２の流路が、前記外部のエアが、複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を、温度の低い順または発熱量の少ない順に流れた後、前記酸化剤ガス導入流路に流れる流路であることを特徴とすることができる。このような構成とすることで、温度の低いまたは発熱量の少ない補機の過加熱を抑制することができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記第２の流路が、前記燃料電池スタックの発電に利用されなかった前記燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼オフガスと複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を流れた前記外部のエアとが熱交換するための熱交換流路を備えるとともに、複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を流れた前記外部のエアが、前記熱交換流路を流れた後に、前記酸化剤ガス導入流路に流れる流路であることを特徴とすることができる。このような構成とすることで、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの温度を効率よく上昇させることができ、燃料電池モジュールの発電効率を向上させることができる。

そして、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックに要求される負荷を検出する要求負荷検出部をさらに備え、前記制御装置が、前記要求負荷検出部により検出された負荷が予め設定された所定の値以下の場合に、前記外部のエアが前記第１の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御し、前記要求負荷検出部により検出された負荷が前記所定の値よりも大きい場合に、前記外部のエアが前記第２の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御することを特徴とすることができる。このような構成とすることで、燃料電池スタックに要求される要求負荷に応じて第１の流路および第２の流路を流れるエアの分配比率を調整することができる。

更に、本発明の燃料電池システムは、前記パッケージ内の温度を検出する温度検出部をさらに備え、前記制御装置が、前記温度検出部により検出された前記パッケージ内の温度が予め設定された所定の温度以下の場合に、前記外部のエアが前記第１の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御し、前記温度検出部により検出された前記パッケージ内の温度が前記所定の温度よりも高い場合に、前記外部のエアが前記第２の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御することを特徴とすることができる。このような構成とすることで、パッケージ内の温度に応じて第１の流路および第２の流路を流れるエアの分配比率を調整することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記温度検出部が、前記第１収納室内の雰囲気、前記第２収納室内の雰囲気、前記燃料電池スタックおよび前記補機のうちいずれかの温度を検出するように配置されていることを特徴とすることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、システムの簡素化、システム効率の向上、およびシステムの熱自立・熱制御を達成することができる。

燃料電池システムの概略構成の一例を示した構成図である。燃料電池スタックの燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。燃料電池スタックを説明するための斜視図である。改質器と燃料電池スタックが固定されるマニホールドとを説明するための斜視図である。改質器の詳細を説明するための斜視図である。燃料電池モジュールの全体構成の一例を説明するための断面図である。制御装置の処理の一例を示したフローチャートである。燃料電池システムの概略構成の他の例を示した構成図である。制御装置の処理の他の例を示したフローチャートである。エアポンプの配置の他の例を示した構成図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の燃料電池システムについて図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１００の概略構成の一例を示した構成図である。

図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池モジュール２００を収納する第１収納室１０１と、補機８１を収納する第２収納室１０２と、を備えている。第１収納室１０１および第２収納室１０２は、連通部８４によって連通されている。また、燃料電池システム１００は、第２収納室１０２内に、外部から第２収納室１０２にエアを導入するエアポンプ８２を備えている。なお、燃料電池モジュール２００は、エアポンプ８２より供給される酸化剤ガスを燃料電池セルに供給するための酸化剤ガス導入流路６４を備えている（図４参照）。また、補機８１は、燃料電池システム１００を正常に運転するために必要な機器（例えば、改質水ポンプなど）により構成されるが、本例である例１では、エアポンプ８２や後述する分配比調整弁８６も補機８１に含まれる。

また、燃料電池システム１００は、エアポンプ８２が導入するエアを、補機８１の周囲に流すことなく、酸化剤ガス導入流路６４に流すための第１流路８３（第１の流路）と、複数の補機のうち少なくとも一部の周囲に流した後（図１においては、補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲に流す場合を示している。）、酸化剤ガス導入流路６４に流すための第２流路８５（第２の流路）と、を備えている。各流路の詳細は、後述する。

更に、燃料電池システム１００は、第１流路８３および第２流路８５を流れるエアの分配比率を調整する分配比調整弁８６を備えている。また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０への要求負荷を検出する要求負荷検出センサ９１（要求負荷検出部）を備えている。そして、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の動作を総括的に制御する制御装置８０を備えている。なお、図１において、破線の矢印はエアの流れ方向を示している。

第１収納室１０１および第２収納室１０２は、パッケージ内を、仕切部材により上下に仕切ることで形成されている。第１収納室１０１および第２収納室１０２は、各機器からの高い輻射熱が互いにまたは外部に漏洩することを抑制するために、断熱性を有することが好ましい。

燃料電池スタック２０は、後述する改質器３０から供給される燃料ガス（水素）と、エアポンプ８２から圧送供給される酸化剤ガス（エア）中の酸素とを用いて発電する。燃料電池スタック２０は、一般的な固体酸化物形（ＳＯＦＣ）の高温作動型燃料電池を適用するが、ＳＯＦＣに代えて溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）を適用することもできる。また、高温作動型に代えてリン酸形（ＰＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＭＦＣ）等の低温作動型燃料電池を適用することもできる。

図２は、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。

燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気相酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ^２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を直列接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。

例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が互いに近いものが好適である。

図３は、燃料電池スタック２０を説明するための斜視図である。図３に示すように、燃料電池スタック２０においては、複数の燃料電池セル１０が間に集電部材（図示しない）を介して積層されている。この場合、各燃料電池セル１０は、酸素極１５側とインターコネクタ１７側とが対向するように積層される。なお、図３において、矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。

図４は、改質器３０と燃料電池スタック２０が固定されるマニホールド４０とを説明するための斜視図である。図４に示すように、マニホールド４０上に２組の燃料電池スタック２０が配置され、燃料電池スタック２０の上方に改質器３０が配置されている。

２組の燃料電池スタック２０は、それぞれの燃料電池スタック２０を構成する燃料電池セル１０の積層方向が略平行になるように並列配置されている。改質器３０は、一方の燃料電池スタック２０の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って伸び、他方の燃料電池スタック２０の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿ってコ字状に折り返す。改質器３０の出口とマニホールド４０の入口とは、燃料ガス配管５０によって接続されている。

燃料電池スタック２０の下端は、マニホールド４０に固定されている。マニホールド４０には、各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２と連通する孔が形成されている。それにより、改質器３０から燃料ガス配管５０、マニホールド４０および燃料ガス通路１２へと連通する燃料ガス流路が形成される。

図５は、改質器３０の詳細を説明するための斜視図である。図５に示すように、改質器３０は、入口側から、気化部３１、加熱部３２、および改質部３３が順に接続された構造を有する。気化部３１は、後述する燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水を気化（蒸発）させる空間部である。

加熱部３２は、燃料オフガスの燃焼熱によって改質水および炭化水素系燃料を加熱する空間部である。気化部３１および加熱部３２には、例えば、アルミナ等のセラミックスボールが封入されている。改質部３３は、改質水と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質部３３には、例えば、Ｎｉ系またはＲｕ系の改質触媒が担持された、例えば、アルミナ等のセラミックスボールが封入されている。

図６は、本例に係る燃料電池モジュール２００の全体構成の一例を説明するための断面図である。図６に示すように、燃料電池モジュール２００は、酸化剤ガス（エア）が流動するための流路を形成する２重壁からなるケーシング６０内の下部断熱材６１および側部断熱部材６２によって、図４の燃料電池スタック２０、改質器３０、およびマニホールド４０が囲まれた構造を有する。なお、本例においては、燃料電池セル１０の改質器３０側を上方とし、マニホールド４０側を下方とする。

ケーシング６０への酸化剤ガスの入口は、ケーシング６０の底面に設けられている。酸化剤ガスは、酸化剤ガスＢＯＸを介して、ケーシング６０の側部の流路を通って、各燃料電池スタック２０の上方に流動する。その後、酸化剤ガスは、一方の燃料電池スタック２０と他方の燃料電池スタック２０との間に設けられた酸化剤ガス導入流路６４を通って下方に流動し、各燃料電池スタック２０に下端部から供給される。また、燃料ガスはマニホールド４０から各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２へと供給される。それにより、各燃料電池セル１０において発電が行われる。

燃料電池セル１０において発電に供された後の未反応の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の未反応の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル１０の上端において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃料電池セル１０の上端と改質器３０との間において燃料オフガスが燃焼する部位を燃焼部７０と称する。燃焼部７０の燃焼熱は、改質器３０に供給される。それにより、改質器３０の温度を上昇させることができ、改質反応が促進される。

燃焼部７０における燃焼後の燃料オフガスおよび酸化剤オフガス（以下、燃焼オフガス）は、側部断熱部材６２とケーシング６０との間を下方に流動し、外部に排出される。この場合、ケーシング６０内を流動する酸化剤ガスは、燃焼オフガスによって加熱される。それにより、燃料電池スタック２０への低温ガスの供給が抑制される。その結果、燃料電池スタック２０における温度分布の発生が抑制される。

本例においては、ケーシング６０への酸化剤ガス入口から酸化剤ガス導入流路６４までの流路が、燃料電池モジュール２００との熱交換流路として機能する。なお、熱交換流路は、図６の構成に限られず、燃料電池モジュール２００と熱交換可能であればどのような流路であっても構わない。本例において上述した第１流路８３は、補機８１の周囲や熱交換流路を流れることなく、酸化剤ガス導入流路６４に直接接続されることで構成されている。一方、本例において上述した第２流路８５は、複数の補機８１のうち少なくとも一部の周囲を流れた外部のエアが、この熱交換流路を流れた後、酸化剤ガス導入流路６４に流れるように構成されている。

図１に示す制御装置８０は、演算処理を行うＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、プログラム等を記憶するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、データ等を記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＮＶＲＡＭ（ＮｏｎＶｏｌａｔｉｌｅＲＡＭ）等を備えるコンピュータである。制御装置８０は、燃料電池スタック２０、改質器３０、改質水ポンプ等の補機８１（ａ）〜（ｃ）、エアポンプ８２の運転動作を総合的に制御する。また、制御装置８０は、要求負荷検出センサ９１の検出結果に基づいて後述する分配比調整弁８６の動作を制御することで、エアポンプ８２が外部から導入するエアが第１流路８３および第２流路８５を流れる分配比率を調整する。

例えば、制御装置８０が分配比調整弁８６の動作を制御することにより、エアポンプ８２は、外部より吸引したエアを第１流路８３より圧送することができる。エアポンプ８２は、制御装置８０の指令に従って駆動力を調整することで、所望する量のエアを燃料電池モジュール２００へと供給する。エアポンプ８２は、燃料電池システム１００内部の任意の位置に配置することができるが、好ましくは第２収納室１０２内部の比較的低温の位置に配置する。それにより、エアポンプ８２がより低温のエアを吸引して圧送することができることから、エアポンプ８２の効率（吸入空気量／電力消費量）低下を抑制することができる。その結果、燃料電池システム１００の発電効率の低下を抑制することができる。また、エアポンプ８２は、第２流路８５より圧送されたエアがその周囲を流れる位置に設置することもできる（図１０参照）。

第１流路８３は、第２流路８５と途中から分岐して酸化剤ガス導入流路６４に接続されている。本例において、第１流路８３は、エアが補機８１の周囲を流れることなく、直接酸化剤ガス導入流路６４に導入される構成となっている。それにより、システム起動時や低負荷時など、燃料電池システム１００の冷却が不要な場合に、複数の補機のうち少なくとも一部である補機８１（ａ）〜（ｃ）および燃料電池スタック２０の過冷却を抑制することができる。その結果、燃料電池システム１００の熱自立・熱制御を達成することができる。

一方で、制御装置８０が分配比調整弁８６の動作を制御することにより、エアポンプ８２は、外部より吸引したエアを第２流路８５より圧送することもできる。第２流路８５は、エアポンプが圧送するエアが、例えば、補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲を流れた後に、連通部８４を通じて第１収納室１０１へと流動可能な任意の構成を採用する。これにより、発電反応用エアによってパッケージ内を換気することができることから、システムを簡素化することができる。

また、第２流路８５は、エアポンプ８２が圧送するエアが複数の補機のうち少なくとも一部（図１においては、補機８１（ａ）〜（ｃ））と熱交換可能となるように流すための流路である。例えば、エアを補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲に流す。これにより、エアポンプ８２が圧送するエアによって補機８１（ａ）〜（ｃ）を効率よく冷却することができる。第２流路８５は、エアが、複数の補機のうち少なくとも一部である補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲を、温度の低い順にまたは発熱量の少ない順に流れた後、酸化剤ガス導入流路６４に流れるように構成することができる。このような構成とすることで、温度の低いまたは発熱量の少ない補機の過加熱を抑制することができる。この場合、エアが効率よく補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲を流れるよう、第２収納室１０２内に整流板を設けてもよい。また、第２流路８５は、複数の補機のうち少なくとも一部である補機８１（ａ）〜（ｃ）の各近傍に分岐する構成を採用することで、補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲に個別にエアを流すことで冷却することもできる。

連通部８４は、第１収納室１０１と第２収納室１０２とを連通させて、エアが通過可能な構成を採る。連通部８４は、複数の補機のうち少なくとも一部である補機８１（ａ）〜（ｃ）の周囲を流れたエアが第１収納室１０１へと流動可能な任意の位置に設けられる。これにより、エアポンプ８２から圧送されるエアを、補機８１（ａ）〜（ｃ）と熱交換させた後に第１収納室１０１へと流すことができる。よって、補機８１（ａ）〜（ｃ）の熱を外部に排出することなく燃料電池スタック２０の発電反応に用いることができることから、燃料電池スタック２０の発電効率を向上させることができる。

また、連通部８４は、第２収納室１０２を流れたエアが、連通部８４を通過した後に燃料電池モジュール２００に効率よく取り込まれるような任意の位置に設けることが好ましい。例えば、連通部８４を、燃料電池モジュール２００のエア取込口の近傍に設けることができる。

そして、連通部８４は、エアの通過量を制御可能な電動または自立作動による連通制御バルブを設けることで、第２収納室１０２から第１収納室１０１へと通過するエア量を所望する量に制御することもできる。

要求負荷検出センサ９１は、燃料電池スタック２０の発電に要求される要求負荷を検出し、その結果を制御装置８０へ送信する。要求負荷検出センサ９１が検出する要求負荷としては、例えば、燃料電池スタック２０に要求される発電量等がある。要求負荷検出センサ９１は、燃料電池スタック２０への要求負荷を検出できればいずれの位置に設けられてもよい。制御装置８０は、要求負荷検出センサ９１から受信した要求負荷に基づいて燃料電池スタック２０の負荷を認識し、分配比調整弁８６の調整動作を制御することで、燃料電池システム１００内部を流動するエアの流路を切り替える。なお、要求負荷の代わりに、燃料電池スタック２０の実際の発電量を検出してもよい。

分配比調整弁８６は、第１流路８３と第２流路８５との分岐部に設けられる。分配比調整弁８６は、制御装置８０の指令に従って、アクチュエータ等の動力源によって第１流路８３および第２流路８５を流れるエアの分配比率を調整する。この場合、分配比調整弁８６は、第１流路８３または第２流路８５を流れるエアの分配比率を０〜１００％の間で任意に調整できる種々の構成を採用することができる。制御装置８０は、要求負荷検出センサ９１の検出結果に基づいて分配比調整弁８６を制御することで、エアの流通経路を切り替えて燃料電池システム１００の冷却能力を調整する。

つづいて、分配比調整弁８６の動作の一例を説明する。図７は、制御装置８０の処理の一例を示したフローチャートである。制御装置８０の制御は、燃料電池システム１００の運転要求がされると開始し、燃料電池システム１００が運転する間、以下の処理を繰り返す。まず、制御装置８０はステップＳ１で、要求負荷検出センサ９１の検出結果を受信することで燃料電池スタック２０の負荷を認識する。制御装置８０は、ステップＳ１の処理を終えると、次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２で、制御装置８０は、ステップＳ１で認識した負荷が予め設定された所定の値以下であるか否かを判断する。ここで、予め設定された所定の値とは、燃料電池システム１００の冷却が必要であると判断できる要求負荷を適用することができ、燃料電池スタック２０や補機８１の性能に基づき決定する。この場合、制御装置８０は、燃料電池スタック２０の要求負荷に限られず、その他パラメータの検出結果に基づいて燃料電池スタック２０の負荷を認識してもよい。認識した負荷が予め設定された所定の値以下でない場合（ステップＳ２／ＮＯ）、制御装置８０はステップＳ４へ進む。認識した負荷が予め設定された所定の値以下である場合（ステップＳ２／ＹＥＳ）は、制御装置８０は次のステップＳ３へ進む。

ステップＳ３で、制御装置８０は、要求負荷検出センサ９１の検出結果が予め設定された所定の値以下である場合、燃料電池システム１００の冷却が不要であると判断し、外部のエアが、第１流路８３を流れるように、または第１流路８３を流れる分配比率を、第２流路８５を流れる分配比率よりも大きくするように分配比調整弁８６に指令する。これにより、エアを補機８１と熱交換させずに酸化剤ガス導入流路６４へと供給することができる。よって、燃料電池システム１００の過冷却を抑制することができることから、燃料電池システム１００の熱自立・熱制御を達成することができる。この場合、制御装置８０は、燃料電池スタック２０および補機８１の温度を運転効率の高い温度領域に維持するために、第１流路８３および第２流路８５を流れる分配比率を調整することで、両流路にエアを流すこともできる。運転効率の高い温度領域とは、例えば、燃料電池スタック２０が顕著な発電効率の低下を引き起こす所定の温度を下まわらない温度領域や、補機８１が温度上昇による効率低下や故障を引き起こす所定の温度を超えない温度領域をいう。制御装置８０は、ステップＳ３の処理を終えると、制御の処理を終了する。

一方、ステップＳ４で、制御装置８０は、要求負荷検出センサ９１の検出結果が予め設定された所定の値以下でない場合（予め設定された所定の値よりも大きい場合）、燃料電池システム１００の冷却が必要であると判断し、外部のエアが、第２流路８５を流れるように、または第２流路８５を流れる分配比率を、第１流路８３を流れる分配比率よりも大きくするように分配比調整弁８６に指令する。これにより、複数の補機のうち少なくとも一部である補機８１（ａ）〜（ｃ）や燃料電池モジュール２００（熱交換流路）と熱交換させて昇温させたエアを、酸化剤ガス導入流路６４へと供給することができる。よって、燃料電池システム１００を効率よく冷却しつつ、燃料電池スタック２０の発電効率を向上させることができる。この場合、制御装置８０は、ステップＳ３の制御と同様に、第１流路８３および第２流路８５を流れる分配比率を調整することで、両流路にエアを流すこともできる。制御装置８０は、ステップＳ４の処理を終えると、制御の処理を終了する。

つづいて、本発明の例２について説明する。図８は、本例の燃料電池システム１００ａの他の例を示した構成図である。なお、図８において、破線の矢印はエアの流れ方向を示している。また、例１と同様の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

本例の燃料電池システム１００ａは、パッケージ内の温度を検出する温度センサ９２（温度検出部）を備える点で燃料電池システム１００と相違している。温度センサ９２は、例えば、第２収納室１０２内の雰囲気温度を検出する。

温度センサ９２は、例えば、第２収納室１０２の内部に設けられており、第２収納室１０２内の雰囲気温度を検出し、検出結果を制御装置８０へと送信する。制御装置８０は、温度センサ９２から受信した温度に基づいて燃料電池システム１００ａのパッケージ内の温度を認識し、分配比調整弁８６の切り替え動作を制御することで、燃料電池システム１００ａ内部を流動するエアの流路を切り替える。この場合、温度センサ９２は、１つに限られず、任意の位置に複数個設けることもできる。

つづいて、分配比調整弁８６の動作の一例を説明する。図９は、制御装置８０の処理の他の例を示したフローチャートである。制御装置８０の制御は、例１と同様に、燃料電池システム１００ａの運転要求がされると開始し、燃料電池システム１００ａが運転する間、以下の処理を繰り返す。まず、制御装置８０はステップＳ５で、温度センサ９２の検出結果を受信することでパッケージ内の温度を認識する。制御装置８０は、ステップＳ５の処理を終えると、次のステップＳ６へ進む。

ステップＳ６で、制御装置８０は、ステップＳ５で認識した温度が予め設定された所定の温度以下であるか否かを判断する。ここで、予め設定された所定の温度とは、燃料電池システム１００の冷却が必要であると判断できる雰囲気温度を適用することができ、燃料電池スタック２０や補機８１の性能に基づき決定する。この場合、制御装置８０は、第２収納室１０２内の雰囲気温度に限られず、第１収納室１０１内の雰囲気、燃料電池スタック２０および補機８１のいずれかの温度の検出結果に基づいてパッケージ内の温度を認識してもよい。認識した温度が予め設定された所定の温度以下でない場合（ステップＳ６／ＮＯ）、制御装置８０はステップＳ８へ進む。認識した温度が予め設定された所定の温度以下である場合（ステップＳ６／ＹＥＳ）は、制御装置８０は次のステップＳ７へ進む。

ステップＳ７で、制御装置８０は、温度センサ９２の検出結果が予め設定された所定の温度以下である場合、燃料電池システム１００ａの冷却が不要であると判断し、外部のエアが、第１流路８３を流れるように、または第１流路８３を流れる分配比率を、第２流路８５を流れる分配比率よりも大きくするように分配比調整弁８６に指令する。これにより、エアを補機８１と熱交換させずに酸化剤ガス導入流路６４へと供給することができる。よって、燃料電池システム１００ａの過冷却を抑制することができることから、燃料電池システム１００ａの熱自立・熱制御を達成することができる。この場合、制御装置８０は、燃料電池スタック２０および補機８１の温度を運転効率の高い温度領域に維持するために、第１流路８３および第２流路８５を流れる分配比率を調整することで、両流路にエアを流すこともできる。運転効率の高い温度領域とは、例えば、燃料電池スタック２０が顕著な発電効率の低下を引き起こす所定の温度を下まわらない温度領域や、補機８１が温度上昇による効率低下や故障を引き起こす所定の温度を超えない温度領域をいう。制御装置８０は、ステップＳ７の処理を終えると、制御の処理を終了する。

一方、ステップＳ８で、制御装置８０は、温度センサ９２の検出結果が予め設定された所定の温度以下でない場合（予め設定された所定の温度よりも高い場合）、燃料電池システム１００ａの冷却が必要であると判断し、外部のエアが、第２流路８５を流れるように、または第２流路８５を流れる分配比率を、第１流路８３を流れる分配比率よりも大きくするように分配比調整弁８６に指令する。これにより、複数の補機のうち少なくとも一部である補機８１（ａ）〜（ｃ）や燃料電池モジュール２００（熱交換流路）と熱交換させて昇温させたエアを、酸化剤ガス導入流路６４へと供給することができる。よって、燃料電池システム１００ａを効率よく冷却しつつ、燃料電池スタック２０の発電効率を向上させることができる。この場合、制御装置８０は、ステップＳ７の制御と同様に、第１流路８３および第２流路８５を流れる分配比率を調整することで、両流路にエアを流すこともできる。制御装置８０は、ステップＳ８の処理を終えると、制御の処理を終了する。

上記例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０燃料電池セル
２０燃料電池スタック
３０改質器
６０ケーシング
８０制御装置
８１（ａ）〜（ｃ）補機
８２エアポンプ
８３第１流路（第１の流路）
８４連通部
８５第２流路（第２の流路）
８６分配比調整弁
９１要求負荷検出センサ（要求負荷検出部）
９２温度センサ（温度検出部）
１００燃料電池システム
１０１第１収納室
１０２第２収納室

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルの複数個を間に集電部材を介して積層してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス導入流路とを備える燃料電池モジュールを収納する第１収納室と、前記燃料電池モジュールを作動させるための複数の補機を収納する第２収納室と、
外部のエアが前記補機の周囲を流れることなく、前記酸化剤ガス導入流路に流れるための第１の流路と、外部のエアが複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を流れた後、前記酸化剤ガス導入流路に流れるための第２の流路と、
前記第１および第２の流路を流れる前記外部のエアの分配比率を調整する分配比調整弁と、
該分配比調整弁によって選択された流路を経由して、前記外部のエアを前記酸化剤ガス導入流路に供給するエアポンプと、
を備えるパッケージと、
前記分配比調整弁の動作を制御するための制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記第２の流路は、前記外部のエアが、複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を、温度の低い順または発熱量の少ない順に流れた後、前記酸化剤ガス導入流路に流れる流路であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記第２の流路は、前記燃料電池スタックの発電に利用されなかった前記燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼オフガスと複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を流れた前記外部のエアとが熱交換するための熱交換流路を備えるとともに、複数の前記補機のうち少なくとも一部の周囲を流れた前記外部のエアが、前記熱交換流路を流れた後に、前記酸化剤ガス導入流路に流れる流路であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックに要求される負荷を検出する要求負荷検出部をさらに備え、
前記制御装置は、前記要求負荷検出部により検出された負荷が予め設定された所定の値以下の場合に、前記外部のエアが前記第１の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御し、前記要求負荷検出部により検出された負荷が前記所定の値よりも大きい場合に、前記外部のエアが前記第２の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記パッケージ内の温度を検出する温度検出部をさらに備え、
前記制御装置は、前記温度検出部により検出された前記パッケージ内の温度が予め設定された所定の温度以下の場合に、前記外部のエアが前記第１の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御し、前記温度検出部により検出された前記パッケージ内の温度が前記所定の温度よりも高い場合に、前記外部のエアが前記第２の流路を流れる分配比率を大きくするように前記分配比調整弁の動作を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記温度検出部は、前記第１収納室内の雰囲気、前記第２収納室内の雰囲気、前記燃料電池スタックおよび前記補機のうちいずれかの温度を検出するように配置されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。