JPWO2018029829A1 - 燃料電池システム、及び、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える。当該燃料電池システムは、燃料電池に接続され、燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを排気ガスとして外部に排出する排気通路と、排気通路から排出される排気ガスの温度を検出又は推定する排気ガス温度検知部と、排気通路に空気を供給する空気供給部と、検出又は推定された温度に基づいて、空気供給部の空気供給を制御する空気制御部と、を備える。

Description

本発明は、燃料電池システム、及び、燃料電池システムの制御方法に関する。

近年、地球環境問題への関心の高まりから、固体高分子型燃料電池や固体酸化物型燃料電池などの各種燃料電池の自動車への利用が検討されている。これら燃料電池では、水素や炭化水素等を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスとの電気化学的反応により発電が行われる。

ここで、上述の電気化学的反応によって発電が行われた後の燃料電池からは、発電に使用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）及び空気（カソードオフガス）が排出される。固体高分子型燃料電池を使用した場合は、水素を多く含むアノードオフガスを、直接、車両から外部へ放出することができないので、空気で所定の濃度以下に希釈する必要がある。

ＪＰ２００９−１７０２９Ａでは、固体高分子型燃料電池から排出されるアノードオフガスをカソードオフガスで希釈した後、更に、外部から導入される空気により良好に希釈して放出する技術が開示されている。

一方で、発電効率の高い固体酸化物型燃料電池を使用した場合は、その動作温度が８００℃程度と高温なため、発電後に燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスも高温となる。したがって、燃料電池システムの運転状態によっては、排熱温度の観点から、上記アノードオフガス及びカソードオフガスを直接、システム外部へ放出することが困難となるので、排出を許容できる温度にまで下げる必要がある。

本発明は、固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃料電池システム外へ放出することができる温度にまで下げる技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様における燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える。当該燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを排気ガスとして外部に排出する排気通路と、排気通路から排出される排気ガスの温度を検出又は推定する排気ガス温度検知部と、排気通路に空気を供給する空気供給部と、検出又は推定された温度に基づいて、空気供給部の空気供給を制御する空気制御部と、を備える。

本発明の実施形態については、添付された図面とともに以下に詳細に説明する。

図１は、第１実施形態による燃料電池システムの主要構成を示す概略構成図である。 図２は、第１実施形態における空気制御の流れを示すフローチャートである。 図３は、排気ガス温度と車両状態等との関係を説明するための図である。 図４は、燃料電池スタックの目標出力と、運転時間と、排気ガス温度との関係を示す図である。 図５は、第２実施形態による燃料電池システムの主要構成を示す概略構成図である。 図６は、第３実施形態による燃料電池システムの主要構成を示す概略構成図である。 図７は、第３実施形態における空気供給量調整処理の流れを説明するためのフローチャートである。 図８は、第３実施形態の発電量調整処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。

図１で示すように、燃料電池システム１００は、アノードガス（燃料ガス）及びカソードガス（酸化剤ガス）の供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池スタック１０を備える燃料電池システムである。

燃料電池スタック１０は、複数の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を積層した積層電池である。一の固体酸化物型燃料電池（燃料電池セル）は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、アノードガスが供給されるアノード電極と、カソードガスが供給されるカソード電極により挟み込むことにより構成されている。例えば、アノードガスは水素および炭化水素を含むガスであり、カソードガスは酸素等を含むガスである。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するアノードガス供給系統２０と、システム起動時に利用されるシステム起動系統３０と、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するカソードガス供給系統４０と、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスを排気する排気系統５０と、燃料電池スタック１０との間で電力の入出力を行う電力系統６０とから構成される。さらに、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を統括的に制御する制御部８０を備えている。

アノードガス供給系統２０は、アノード供給通路２１と、燃料タンク２２と、フィルタ２３と、ポンプ２４と、インジェクタ２５と、蒸発器２６と、熱交換器２７と、改質器２８等を備えている。

アノード供給通路２１は、燃料タンク２２と、燃料電池スタック１０内に形成されたアノード流路とを接続する通路である。

燃料タンク２２は、例えばエタノールと水を混合させた改質用の液体燃料を蓄える容器である。ポンプ２４は、燃料タンク２２よりも下流側のアノード供給通路２１に設けられる。ポンプ２４は、燃料タンク２２内に蓄えられた改質用燃料を吸引し、当該燃料をインジェクタ２５等に供給する。

フィルタ２３は、燃料タンク２２とポンプ２４との間のアノード供給通路２１に配置される。フィルタ２３は、ポンプ２４に吸引される前の改質用燃料に含まれる異物等を除去する。

インジェクタ２５は、ポンプ２４と蒸発器２６との間のアノード供給通路２１に配置される。インジェクタ２５は、ポンプ２４から供給された燃料を蒸発器２６内に噴射供給する。

蒸発器２６は、インジェクタ２５よりも下流側のアノード供給通路２１に設けられる。蒸発器２６は、インジェクタ２５から供給された燃料を気化させ、熱交換器２７に供給する。蒸発器２６は、後述する排気燃焼器５３から排出される排気の熱を利用して燃料を気化させる。

熱交換器２７は、蒸発器２６よりも下流側のアノード供給通路２１に設けられ、排気燃焼器５３に隣接するように配置される。熱交換器２７は、排気燃焼器５３から伝達してくる熱を利用し、蒸発器２６において気化した燃料をさらに加熱する。蒸発器２６と熱交換器２７との間のアノード供給通路２１には、熱交換器２７に供給される気化燃料の圧力を調整する調圧弁２９が設けられる。調圧弁２９の開度は、制御部８０によって制御される。

改質器２８は、熱交換器２７と燃料電池スタック１０との間のアノード供給通路２１に設けられる。改質器２８は、当該改質器２８内に設けられた触媒を用いて燃料を改質する。改質用燃料は、改質器２８での触媒反応により、水素や炭化水素、一酸化炭素等を含むアノードガスに改質される。このように改質されたアノードガスは、高温状態のまま燃料電池スタック１０のアノード流路に供給される。

なお、アノード供給通路２１は、当該アノード供給通路２１から分岐する分岐路７１、７２、７３を備える。分岐路７１は、ポンプ２４とインジェクタ２５との間のアノード供給通路２１から分岐し、拡散燃焼器３１に燃料を供給するインジェクタ７１Ａに接続する。分岐路７１には、当該分岐路７１を開閉する開閉弁７１Ｂが設けられている。分岐路７２は、ポンプ２４とインジェクタ２５とのアノード供給通路２１から分岐し、触媒燃焼器３２に燃料を供給するインジェクタ７２Ａに接続する。分岐路７２には、当該分岐路７２を開閉する開閉弁７２Ｂが設けられている。インジェクタ７１Ａには、液体燃料を気化させるための加熱装置として電気ヒータ７１Ｃが設置されている。

上述した開閉弁７１Ｂ、７２Ｂの開度は制御部８０によって制御される。開閉弁７１Ｂ、７２Ｂは、例えば、燃料電池システム１００の起動時に開弁され、起動終了後に閉弁される。

次に、図１を参照して、カソードガス供給系統４０及びシステム起動系統３０について説明する。

カソードガス供給系統４０は、カソード供給通路４１と、フィルタ４２と、コンプレッサ４３と、熱交換器４４等を備えている。システム起動系統３０は、拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２等を備えている。

カソード供給通路４１は、コンプレッサ４３と、燃料電池スタック１０内に形成されたカソード流路とを接続する通路である。

コンプレッサ４３は、フィルタを通じて外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気をカソードガスとして燃料電池スタック１０等に供給する空気供給装置である。フィルタ４２は、コンプレッサ４３に取り込まれる前の空気に含まれる異物を除去する。

熱交換器４４は、コンプレッサ４３よりも下流側のカソード供給通路４１に設けられる。熱交換器４４は、排気燃焼器５３から排出された排気の熱を利用して、カソードガス（空気）を加熱する装置である。熱交換器４４で加熱されたカソードガスは、システム起動系統３０の一部を構成する拡散燃焼器３１に供給される。

コンプレッサ４３と熱交換器４４との間のカソード供給通路にはスロットル４５（流量調整部）が設けられており、スロットル４５の開度に応じてカソードガスの流量が調整される。スロットル４５の開度は制御部８０によって制御される。

なお、カソード供給通路４１は、当該カソード供給通路４１から分岐する分岐路４６を備える。分岐路４６は、コンプレッサ４３とスロットル４５との間のカソード供給通路４１から分岐し、後述する触媒燃焼器３２に接続する。分岐路４６にはスロットル４６Ａが取り付けられ、スロットル４６Ａの開度に応じて空気液量が調整される。スロットル４６Ａの開度は制御部８０によって制御される。スロットル４６Ａは、燃料電池システム１００の起動時に一定量の空気を触媒燃焼器３２に供給させるように開弁され、起動終了後は閉弁される。

システム起動系統３０を構成する拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２は、基本的にシステム起動中に使用される装置である。

拡散燃焼器３１は、熱交換器４４よりも下流側のカソード供給通路４１に配置される。システム起動時には、コンプレッサ４３からの空気と、インジェクタ７１Ａから噴射された燃料が拡散燃焼器３１内に供給される。インジェクタ７１Ａから噴射される燃料は電気ヒータ７１Ｃで加熱され、気化した状態で拡散燃焼器３１に供給される。そして、拡散燃焼器３１に付属する着火装置により混合器が着火され、触媒燃焼器３２を加熱するための予熱バーナが形成される。

起動終了後には、燃料の供給及び着火装置の作動が停止され、コンプレッサ４３から供給された空気は拡散燃焼器３１を通過して触媒燃焼器３２に供給される。

触媒燃焼器３２は、拡散燃焼器３１と燃料電池スタック１０との間のカソード供給通路４１に設けられる。触媒燃焼器３２は内部に触媒を備えており、当該触媒を用いて高温の燃焼ガスを生成する装置である。システム起動時には、分岐路４６からの空気と、インジェクタ７２Ａから噴射された燃料が触媒燃焼器３２内に供給される。触媒燃焼器３２の触媒は予熱バーナにより加熱されており、加熱された触媒上で空気と燃料が燃焼して燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、酸素をほとんど含まない高温の不活性ガスであって、燃料電池スタック１０に供給され、当該燃料電池スタック１０等を加熱する。

起動終了後は分岐路７２、４６から燃料及び空気の供給が停止され、コンプレッサ４３からの空気（アノードガス）は拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２を通じて燃料電池スタック１０に供給される。

次に排気系統５０について説明する。排気系統５０は、アノード排出通路５１と、カソード排出通路５２と、排気燃焼器５３と、合流排気通路５４と、空気供給器５５と、温度センサ５６等を備えている。

アノード排出通路５１は、燃料電池スタック１０のアノード流路と排気燃焼器５３のアノード側入口部とを接続する。アノード排出通路５１は、燃料電池スタック１０のアノード流路から排出されるアノードガスを含むガス（アノードオフガス）を流す通路である。

カソード排出通路５２は、燃料電池スタック１０のカソード流路と排気燃焼器５３のカソード側入口部とを接続する。カソード排出通路５２は、燃料電池スタック１０のカソード流路から排出されるカソードガスを含むガス（カソードオフガス）を流す通路である。

排気燃焼器５３は、各排出通路５１、５２から供給されたアノードオフガスとカソードオフガスを触媒燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする燃焼ガス（排気ガス）を生成する。

なお、排気燃焼器５３は熱交換器２７と隣接するように配置されているため、排気燃焼器５３の触媒燃焼による熱は熱交換器２７に伝達される。このように熱交換器２７に伝達された熱は、燃料を加熱するために使用される。

排気燃焼器５３のガス出口部（下流端）には、合流排気通路５４が接続されている。排気燃焼器５３から排出された排気は、合流排気通路５４を通じて、燃料電池システム１００の外部に排出される。すなわち、合流排気通路５４は、排気燃焼器５３から排出される排気ガスを大気に排出する排気通路として機能する。また、合流排気通路５４は蒸発器２６及び熱交換器４４を通過するように構成されており、蒸発器２６及び熱交換器４４は合流排気通路５４を通過する排気により加熱される。

ここで、固体酸化物型燃料電池から構成される燃料電池スタック１０は、電解質材料として安定化ジルコニアを採用し、酸素イオンをキャリアとするため、固体高分子型燃料電池よりも高温で動作する。このため、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスも高温となり、さらに、排気燃焼器５３においてアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させた排気ガスも高温となる。したがって、排気燃焼器５３から出る高温の排気ガスをそのまま燃料電池システム１００外（以下、単にシステム外という）に排出すると、燃料電池システム１００の運転状態によっては、システム外への排出可能な許容温度を越えてしまう場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システム１００では、合流排気通路５４において高温の排気ガスを外気（空気）で希釈することにより、当該排気ガスの温度をシステム外への排出を許容できる温度にまで低減させる。

なお、本発明にかかる燃料電池システムは、上述の排気燃焼器５３を必ずしも備える必要はない。排気燃焼器５３を備えない場合、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスはアノード排出通路５１を介して、カソードオフガスはカソード排出通路５２を介して、それぞれ排気ガスとしてシステム外へ排出されるように構成される。また、排気燃焼器５３を備えない場合であっても、アノード排出通路５１と、カソード排出経路５２とが合流して合流排気通路５４を構成することにより、燃料電池スタック１０から排出されるオフガスが、排気ガスとして合流排気通路５４を介してシステム外へ排出されるように構成されても良い。

空気供給器５５は、例えばコンプレッサであり、合流排気通路５４に空気を供給する空気供給部として機能する。すなわち、空気供給器５５は、排気ガスの温度をシステム外への排出が可能な温度にまで下げることを目的として外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気を合流排気通路５４に供給することにより、排気燃焼器５３から排出される排気ガスの温度を低下させる。

なお、カソードオフガスとアノードオフガスとが、それぞれアノード排出通路５１とカソード排出通路５２とを介してシステム外へ排出される場合は、空気供給器５５はアノード排出通路５１とカソード排出通路５２とに空気を供給するように構成される。

温度センサ５６は、排気燃焼器５３から排出される排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検知部として機能する。温度センサ５６は、合流排気通路５４の終端付近、あるいは、少なくとも空気供給部５５から供給される空気と排気燃焼器５３からの排気ガスとの合流地点よりも下流側に設置されるので、空気供給部５５から供給される空気により希釈された後の排気ガスの温度を取得することができる。

なお、カソードオフガスとアノードオフガスとが、それぞれアノード排出通路５１とカソード排出通路５２とを介してシステム外へ排出される場合は、温度センサ５６は、アノード排出通路５１とカソード排出通路５２のそれぞれ終端付近、あるいは、少なくとも空気供給部５５から供給される空気との合流地点よりも下流側に設置される。

また、上述の空気供給器５５から合流排気通路５４に供給される空気量は、排気ガスの温度に応じて変化する。換言すると、空気供給器５５から合流排気通路５４に供給される空気量は、温度センサ５６により取得された温度に基づいて制御される。当該制御の詳細は、後述する。

次に、電力系統６０について説明する。電力系統６０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、バッテリ６２と、駆動モータ６３等を備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック１０に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してバッテリ６２又は駆動モータ６３に電力を供給する。バッテリ６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１から供給された電力を充電したり、駆動モータ６３に電力を供給したりするように構成されている。

駆動モータ６３は、三相交流モータであって、車両の動力源として機能する。駆動モータ６３は、インバータを介してバッテリ６２及びＤＣ−ＤＣコンバータ６１に接続されている。制動時には駆動モータ６３は回生電力を発生させ、この回生電力は例えばバッテリ６２の充電に利用される。

制御部８０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。制御部８０は、特定のプログラムを実行することにより、上述の空気供給器５５を含む燃料電池システム１００を制御するための処理を実行する。

制御部８０には、電流センサ８１や電圧センサ８２、温度センサ８３等の各種センサからの信号の他、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ８４や、上述した排気ガスの温度を検出する温度センサ５６等の車両状態を検出するセンサからの信号が入力される。

電流センサ８１は、燃料電池スタック１０から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ８２は、燃料電池スタック１０の出力電圧、つまりアノード電極側端子とカソード電極側端子の間の端子間電圧を検出する。温度センサ８３は、燃料電池スタック１０に設けられ、当該燃料電池スタック１０の温度を検出又は推定する。

以上が、第１実施形態による燃料電池システム１００の主要構成である。続いて、上記の構成を前提に、本発明に特徴的な構成である空気供給器５５に対して行われる空気制御について説明する。空気制御は制御部８０（空気制御部）により実行される。

＜空気制御＞
図２は、本実施形態の燃料電池システム１００の制御部８０が実行する空気制御の流れを示すフローチャートである。空気制御は、燃料電池システム１００が起動してから停止するまで実行される。

ステップＳ１００では、制御部８０は、温度センサ５６が検出した排気ガス温度Ｔｅがシステム外への排出を許容できる温度Ｔｆより大きいか否かを判定する。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆより大きい場合は、排気ガス温度が高く、システム外への排出を許容できないので、続くステップＳ１０１の処理を実行する。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆ以下の場合は、排気ガス温度がシステム外への排出を許容できる温度なので、排気ガス温度が温度Ｔｆを超えるまでステップＳ１００をループすることにより、排気ガスの温度がシステム外への放出を許容できる温度以下であるか否かの監視を継続する。なお、温度Ｔｆは、システム外への排気を許容できる温度上限値以下の温度が設定される。

ステップＳ１０１では、空気供給器５５は、排気燃焼器５３から排出される高温の排気ガスを希釈するために、合流排気通路５４に空気を供給する。なお、供給する空気量は、取得した排気ガス温度に応じて可変としてもよい。その場合は、取得した排気ガス温度が高いほど、空気供給器５５から供給される空気量が多くなるように構成される。

ステップ１０２では、制御部８０は、排気ガス温度Ｔｅがシステム外への排出を許容できる温度Ｔｆより大きいか否かを判定する。排気ガスが空気供給器５５から供給される空気によって希釈されたことにより、排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆ以下となった場合は、続くステップＳ１０３へ進む。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆより大きい場合は、排気ガス温度が温度Ｔｆ以下となるまで空気供給器５５からの空気の供給を続けるために、ステップＳ１０１の処理を再度実行する。

ステップＳ１０３では、排気ガス温度Ｔｅがシステム外への排出を許容できる温度Ｔｆ以下となったことが確認されたので、空気供給器５５からの空気の供給を停止し、本処理を終了する。なお、排気ガス温度Ｔｆの値は車両状態等によって変化する。

図３は、排気ガス温度Ｔｆの設定方法の一例であって、燃料電池システム１００を車両に適用した場合の排気ガス温度Ｔｆと車両状態等との関係を説明するための図である。縦軸は排気ガス温度Ｔｆの値を示し、横軸は車速を示している。また、図中のi〜iiiは、外気温の違いによる排気ガス温度Ｔｆと車速との関係を表しており、iからiiiまで外気温が順に高くなる場合を示す。

図示するとおり、排気ガス温度Ｔｆの値は、車速に基づいて設定され、車速が速くなるほど高く設定される。また、排気ガス温度Ｔｆの値は、外気温に基づいて設定され、外気温が低いほど高く設定される。これにより、システム外への排出が許容できる温度としての排気ガス温度Ｔｆを、より適切に設定することができる。

また、上述の説明では、排気ガス温度Ｔｅは温度センサ５６により検出されると述べたが、必ずしもセンサにより検出する必要はなく、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて推定してもよい。例えば、図４に示すような燃料電池スタック１０の目標出力と、運転時間と、排気ガス温度Ｔｅとの関係を実験等により求めたテーブルを予め記憶しておき、当該テーブルを参照することにより、目標出力および時間との関係から排気ガス温度Ｔｅを推定することができる。

以上、第１実施形態の燃料電池システム１００は、カソードガス及びアノードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池スタック１０を備える。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガス及びアノードオフガスを排気ガスとしてシステム外に排出する合流排気通路５４と、合流排気通路５４から排出される排気ガスの温度を検出又は推定する温度センサ５６又は制御部８０と、排気通路に空気を供給する空気供給器５５と、検出又は推定された温度に基づいて、空気供給器５５の空気供給を制御する制御部８０と、を備える。これにより、排気燃焼器５３から排出される高温のガスの温度を、システム外への放出が許容できる温度にまで下げることができる。

また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部８０は、排気通路から排出される排気ガスが所定の温度（排気ガス温度Ｔｆ）以下、すなわち、システム外への排気を許容できる温度上限値以下になるように、空気供給器５５を制御する。これにより、合流排気通路５４において、排気燃焼器５３から排出される高温のガスの温度をシステム外への放出が許容できる温度にまで下げることができる。

また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、当該燃料電池システムは車両に適用され、車両外への放出が許容できる温度を車速に応じて設定し、車速が速いほど、高い温度に設定する。これにより、車両外へ排出される時点での排気ガスの温度を高くしても、排気ガスと外気とが車速が速いほど素早く混合されて、温度がより早く低下するので、排気燃焼器５３から排出される排気ガスの許容温度をより適切な値に設定することができる。

また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、システム外への放出が許容できる温度を外気温に応じて設定し、外気温が低いほど高い温度に設定する。これにより、システム外へ排出される時点での排気ガスの温度が高くても、外気と混合された排気ガスの温度は外気温が低いほどより低下しやすいので、排気燃焼器５３から排出される高温の排気ガスの許容温度をより適切な値に設定することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池システム２００について説明する。本実施形態の燃料電池システム２００は、合流排気通路５４の構成が第１実施形態とは異なる。

図５は、第２実施形態の燃料電池システム２００を説明するための図である。本実施形態の燃料電池システム２００は、合流排気通路５４に排気ガス希釈器５７を備えている。

排気ガス希釈器５７は、合流排気通路５４上において、断面積を他の部分より大きくすることによりガス容積を増大させた部分である。排気ガス希釈器５７は、形状や配置の観点からいえば、例えば内燃機関を備える車両が一般的に有するマフラのようなものでもよい。

また、本実施形態では、空気供給器５５は、空気を排気ガス希釈器５７に供給する。このようにして、合流排気通路５４上の特にガス容積の大きい部分において排気ガスを希釈することにより、高温の排気ガスと空気とをより均一に混合することができる。また、排気ガスと空気とがより効率よく混合されるので、排気ガス希釈器５７よりも下流に配置された温度センサ５６を用いて排気ガスの温度を検出する場合は、検出される値が安定する。なお、温度センサ５６は、排気ガス希釈器５７内に設置しても良い。

以上、第２実施形態の燃料電池システム２００によれば、合流排気通路５４は、合流排気通路５４上において断面積を他より大きくすることによりガス容積を高めた排気ガス希釈器５７を有し、空気供給器５５は、排気ガス希釈器５７に空気を供給する。これにより、排気燃焼器５３からの高温の排気ガスと空気とをより効率よく混合することができるので、高温の排気ガスをより効率的に空気で希釈することができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の燃料電池システム３００について説明する。本実施形態の燃料電池システム３００は、合流排気通路５４への空気供給手段が第１、第２実施形態とは異なる。以下、図面を参照して詳細を説明する。

図６は、本実施形態の燃料電池システム３００の主要構成を示す概略構成図である。

本実施形態では、コンプレッサ４３が合流排気通路５４に空気を供給する空気供給部としての機能を備える。すなわち、本実施形態のコンプレッサ４３は、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するカソードガス供給系統４０への空気供給に加えて、排気燃焼器５３から排出された排気ガスを排気する排気系統５０への空気供給を兼務する。なお、カソードガス供給系統４０の空気供給経路はカソード供給通路４１を使用し、排気系統５０の空気供給経路は希釈用供給通路５８を使用する。また、カソード供給通路４１は、スロットル４５、４６Ａを備えており、希釈用供給通路５８は、スロットル５８Ａを備える。

次に、コンプレッサ４３の空気供給量の制御であって、カソード供給通路４１への空気供給量と希釈用供給通路５８への空気供給量を車両状態等に応じて調整する空気供給量調整処理について説明する。

上述の通り、コンプレッサ４３がカソード供給通路４１と希釈用供給通路５８とに空気を供給するが、コンプレッサ４３が供給できる空気量（最大空気供給量Ａｍａｘ）には限度がある。一方で、車両からの排気ガスの温度低減を目的とする希釈用供給通路５８への空気供給量は優先的に確保する必要がある。したがって、以下に説明する空気供給量調整処理では、希釈用供給通路５８およびカソード供給通路４１への空気供給量の総量を最大空気供給量Ａｍａｘ以下にしながら、希釈用供給通路５８への空気供給量を確保する。

なお、希釈用供給通路５８およびカソード供給通路４１へのそれぞれ空気供給量は、空気供給量調整処理によって設定された空気量に基づいて制御されるコンプレッサ４３から供給される空気量と、スロットル４５、４６Ａ，および、５８Ａの開度に応じて調整される。コンプレッサ４３、および、各スロットルの開度は制御部８０によって制御される。

図７は、空気供給量調整処理の流れを説明するためのフローチャートである。空気供給量調整処理は、燃料電池システム３００が起動してから停止するまで実行される。

ステップＳ３０１では、制御部８０は、温度センサ５６が検出した排気ガス温度Ｔｅがシステム外への排出を許容できる温度Ｔｆより大きいか否かを判定する。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆより大きい場合は、続くステップＳ３０３の処理を実行する。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆ以下の場合は、ステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２では、排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆ以下であり、希釈用供給通路５８への空気供給を要さないので、コンプレッサ４３から供給する空気量はカソード供給通路４１への空気供給量Ｓに設定される。なお、カソード供給通路４１への空気供給量Ｓは、車両の運転状態に応じて設定される燃料電池の目標発電量に基づき算出される。コンプレッサ４３から供給される空気量が空気供給量Ｓに設定された後、本処理は終了する。

ステップＳ３０３では、制御部８０が、排気ガス温度Ｔｅを温度Ｔｆ以下にするために要する希釈用供給通路５８への空気供給量Ｅを算出する。空気供給量Ｅを算出した後、ステップＳ３０４の処理を実行する。

ステップＳ３０４では、制御部８０は、空気供給量Ｅと空気供給量Ｓとの合計が、コンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘ以下か否かを判定する（Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘ）。Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘが成立する場合は、ステップＳ３０５の処理を実行する。Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘが成立しない場合は、ステップＳ３０６の処理が実行される。

ステップＳ３０５では、空気供給量Ｅと空気供給量Ｓとの合計が、コンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘ以下であるため、空気供給量Ｅと空気供給量Ｓとをコンプレッサ４３で十分に賄える。したがって、制御部８０は、コンプレッサ４３から供給する空気量を、希釈用供給通路５８へ空気供給量Ｅを供給し、カソード供給通路４１へ空気供給量Ｓを供給するように設定する。設定した後、本処理は終了する。

ステップＳ３０６は、空気供給量Ｅと空気供給量Ｓとの合計が、コンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘより大きい場合に実行される。この場合は、空気供給量Ｅと空気供給量Ｓとをコンプレッサ４３では賄えない。したがって、制御部８０は、カソード供給通路４１への空気供給量Ｓを低減させることにより、ステップＳ３０２において算出した希釈用供給通路５８への空気供給量Ｅを確保する。すなわち、ステップＳ３０６では、制御部８０は、コンプレッサ４３から希釈用供給通路５８への空気供給量を空気供給量Ｅに設定し、且つ、カソード供給通路４１への空気供給量Ｓをコンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘから空気供給量Ｅを減算した値（Ａｍａｘ−Ｅ）に設定する。設定後、本処理は終了する。

これにより、希釈用供給通路５８およびカソード供給通路４１への空気供給量の総量を最大空気供給量Ａｍａｘ以下にしながら、希釈用供給通路５８への空気供給量Ｅを確保することができる。

以上、第３実施形態の燃料電池システム３００によれば、空気供給部としてのコンプレッサ４３が合流排気通路５４に空気を供給するとともに、燃料電池スタック１０にアノードガスとしての空気を供給するように構成される。これにより、合流排気通路５４と燃料電池スタック１０への空気供給手段を一元化し、燃料電池システムを簡素化することができる。

また、第３実施形態の燃料電池システム３００によれば、希釈用供給通路５８への空気供給量と、燃料電池スタック１０（カソード供給通路４１）への空気供給量の合計がコンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘを超える場合は、カソード供給通路４１への空気供給量Ｓを低減させる。これにより、燃料電池の発電量は一時的に制限されるものの、排気ガスの温度と、燃料電池スタック１０の発電量とを協調して制御することができる。したがって、燃料電池システム３００がどのような運転状態であっても、希釈用供給通路５８への空気供給量を確保し、排気ガス温度を低減することができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の燃料電池システム４００について説明する。本実施形態の燃料電池システム４００は、希釈用供給通路５８への空気供給量を確保する方法が第３実施形態と異なる。より具体的には、本実施形態においては、空気供給量Ｅと空気供給量Ｓとの合計がコンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘを超える場合は、燃料電池スタック１０の発電量を下げる発電量調整処理を実行することにより希釈用供給通路５８への空気供給量を確保する。燃料電池スタック１０の発電を制御する発電量調整処理（発電制御）は、制御部８０（発電制御部）によって実行される。以下、図８を参照して本実施形態の発電量調整処理について説明する。

図８は、発電量調整処理の流れを説明するためのフローチャートである。発電量調整処理は、燃料電池システム４００が起動してから停止するまで実行される。

ステップＳ４０１では、制御部８０は、温度センサ５６が検出した排気ガス温度Ｔｅがシステム外への排出を許容できる温度Ｔｆより大きいか否かを判定する。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆより大きい場合は、排気ガス温度が高く、システム外への排出を許容できないので、続くステップＳ４０２の処理を実行する。排気ガス温度Ｔｅが温度Ｔｆ以下の場合は、排気ガス温度がシステム外への排出を許容できる温度なので、排気ガス温度が温度Ｔｆを超えるまでステップＳ４０１をループすることにより、排気ガスの温度がシステム外への排出を許容できる温度以下であるか否かの監視を継続する。

ステップＳ４０２では、制御部８０は、排気ガス温度Ｔｅを温度Ｔｆ以下にするために要する希釈用供給通路５８への空気供給量Ｅを算出する。空気供給量Ｅを算出した後、ステップＳ４０３の処理を実行する。

ステップＳ４０３では、制御部８０は、空気供給量Ｅとカソード供給通路４１への空気供給量Ｓとの合計が、コンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘ以下か否かを判定する（Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘ）。Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘが成立する場合は、ステップＳ４０４の処理を実行する。Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘが成立しない場合は、排気ガス温度が温度Ｔｆを超え、さらに、Ｅ＋Ｓ≦Ａｍａｘが成立するまでステップＳ４０１〜Ｓ４０３をループすることにより、排気ガスの温度がシステム外への排出を許容できる温度以下であるか否か、および、空気供給量Ｅとカソード供給通路４１への空気供給量Ｓとの合計がコンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘ以下であるか否かの監視を継続する。

ステップＳ４０４では、制御部８０は、燃料電池スタック１０の発電量を所定量下げる。本処理において燃料電池スタック１０の発電量が低減されると、カソード供給通路４１へ必要となる空気供給量Ｓが低減されるので、結果として希釈用供給通路５８への空気供給量を確保することができる。なお、発電量を下げる際の所定量は、発電量を下げた結果、空気供給量Ｅとカソード供給通路４１への空気供給量Ｓとの合計がコンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘ以下となるような値に設定される。燃料電池スタック１０の発電量を下げた後、本処理は終了する。

以上、第４実施形態の燃料電池システム４００によれば、希釈用供給通路５８への空気供給量と、燃料電池スタック１０（カソード供給通路４１）への空気供給量の合計がコンプレッサ４３の最大空気供給量Ａｍａｘを超える場合は、燃料電池スタック１０の発電量を低下させる。これにより、燃料電池スタック１０が要するカソードガス量（空気量）が下がるので、結果として希釈用供給通路５８への空気供給量を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。例えば、空気供給部として機能する空気供給器５５あるいはコンプレッサ４３は、空気を合流排気通路５４あるいは排気ガス希釈器５７内に供給する旨説明したが必ずしもこれに限定されない。すなわち、空気供給器５５あるいはコンプレッサ４３は、合流排気通路５４あるいは排気ガス希釈器５７の外面に空気を供給しても良い。これにより、合流排気通路５４あるいは排気ガス希釈器５７そのものを空気で冷やすことができるので、結果として内部を流れる排気ガスを冷却することができる。また、空気供給器５５あるいはコンプレッサ４３は、合流排気通路５４から排出された後の排気ガスに空気を供給し、当該排気ガスと空気とを混合させることにより、排気ガスの温度を冷却してもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムを車両に適用した場合を中心に説明したが、本発明に係る燃料電池システムは必ずしも車両に適用されるものではなく、例えば家庭用の据え置き型の燃料電池システム等に適用することもできる。

Claims (9)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを排気ガスとして外部に排出する排気通路と、
   前記排気通路から排出される排気ガスの温度を検出又は推定する排気ガス温度検知部と、
   前記排気通路に空気を供給する空気供給部と、
   前記検出又は推定された温度に基づいて、前記空気供給部の空気供給を制御する空気制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記空気制御部は、前記排気通路から排出される排気ガスが所定の温度以下になるように、前記空気供給部を制御する、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   当該燃料電池システムは車両に適用され、
   前記所定の温度は車速に応じて設定され、当該車速が速いほど高く設定される、
   燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記所定の温度は外気温に応じて設定され、当該外気温が低いほど高く設定される、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記排気通路は、排気通路上において断面積を他より大きくした排気ガス希釈部を有し、
   前記空気供給部は、前記排気ガス希釈部に前記空気を供給する、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記空気供給部は、前記排気通路に空気を供給するとともに、前記燃料電池に前記酸化剤ガスとして空気を供給するように構成される、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記空気制御部は、前記排気通路への空気供給量と前記燃料電池への空気供給量との合計が前記空気供給部の最大空気供給量を超える場合は、前記燃料電池への空気供給量を低下させるように前記空気供給部を制御する、
   燃料電池システム。
8. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   燃料電池の発電状態を制御する発電制御部をさらに備え、
   前記発電制御部は、前記排気通路への空気供給量と前記燃料電池への空気供給量との合計が前記空気供給部の最大空気供給量を超える場合は、前記燃料電池の発電量を低下させる、
   燃料電池システム。
9. 固体酸化物型の燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを排気ガスとして大気に排出する排気通路と、
   空気を供給する空気供給部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記排気通路から排出される排気ガスの温度を取得し、
   取得した前記排気ガスの温度に基づいて、前記空気供給部からの空気を用いて前記排気ガスの温度を冷却する、
   燃料電池システムの制御方法。

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