(57)【要約】【課題】  改質部に必要な酸素が不足することがない燃料電池システムを提供する。【解決手段】  酸素含有ガスが流動する冷却通路５ｃが設けられた燃料電池５と、酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質器３と、冷却通路５ｃを経由して改質器３に接続される第１の通路（１０６，５ｃ，１１０）と、冷却通路５ｃを経由せずに改質器３に接続される第２の通路（１１１，１１２）と、第１の通路及び第２の通路のいずれか一方または両方に酸素含有ガスを供給するエアポンプ６及び流量制御弁１３と、第１の通路を流動する酸素含有ガスが改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に、第２の通路に酸素含有ガスを供給するように酸素含有ガス供給手段を制御する制御部１２とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有ガスが流動する冷却通路が設けられた燃料電池と、
前記酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
前記冷却通路を経由して前記改質手段に接続される第１の通路と、
前記冷却通路を経由せずに前記改質手段に接続される第２の通路と、
前記第１の通路及び前記第２の通路のいずれか一方または両方に前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
前記第１の通路を流動する前記酸素含有ガスが前記改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に、前記第２の通路に前記酸素含有ガスを供給するように前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸素含有ガス供給手段は、前記第２の通路を流動する前記酸素含有ガスの流量を調整する流量調整手段を含み、
前記制御手段は、前記第２の通路に供給する酸素含有ガス量が前記改質ガスの生成に必要な酸素含有ガス量と前記燃料電池の冷却に必要な酸素含有ガス量との差分となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の通路は、前記第１の通路の前記冷却通路よりも上流側と前記第１の通路の前記冷却通路の下流側とを接続する通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。
【請求項４】
前記酸素含有ガスは、空気であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質手段は、燃焼手段を含み、
前記燃焼手段は、前記酸素含有ガスと可燃燃料との燃焼反応により前記改質ガスを生成するために必要な熱を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質ガスの少なくとも一部および／または炭化水素系燃料により駆動する動力部と、
前記内燃機関に前記改質ガスを供給する改質ガス供給手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記動力部に供給される前記改質ガスの量が増加する際に前記改質手段に供給する前記酸素含有ガスの量を増大させるように前記酸素含有ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料から燃料電池の燃料に用いる改質ガスを生成する改質部を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
現在、多くの燃料電池においては、改質部によりガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、燃料電池のアノードに供給される。この改質部においては、水蒸気を用いた水蒸気改質反応等により改質が行われている。
【０００４】
この水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、改質部に熱を与える必要がある。そのため、燃焼装置等によって改質部に熱が与えられる燃料電池システムが開発されている。例えば、燃料電池を冷却することによって高温となった空気を用いて、効率の良い燃焼により改質部に熱を与える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、燃焼用空気を加熱する必要がないため、燃料電池発電システムを小型化することができる。
【０００５】
一方、上記改質部により生成された改質ガスを火花点火機関に提供する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この技術によれば、ガソリン及び改質ガス中の水素のいずれか一方または両方を火花点火機関の燃料とすることができ、高い熱効率が得られる。
【特許文献１】特開平１−２９２７５７号公報
【特許文献２】特開平１１−３１１１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の技術を特許文献２記載の技術に適用しようとすると、火花点火機関に水素を供給する場合においては燃料電池の発電量が減少し燃料電池の冷却に必要な空気が減少する。そのため、燃焼用空気が不足し改質部に与える熱量が不足する。その結果、水蒸気改質反応により生成される水素が不足することになる。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、改質部に必要な酸素が不足することがない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、酸素含有ガスが流動する冷却通路が設けられた燃料電池と、酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、冷却通路を経由して改質手段に接続される第１の通路と、冷却通路を経由せずに改質手段に接続される第２の通路と、第１の通路及び第２の通路のいずれか一方または両方に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、第１の通路を流動する酸素含有ガスが改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に、第２の通路に酸素含有ガスを供給するように酸素含有ガス供給手段を制御する制御手段とを備えるものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、酸素含有ガス供給手段により第１の通路及び第２の通路のいずれか一方または両方に酸素含有ガスが供給され、第１の通路に供給された酸素含有ガスは燃料電池の冷却通路を流動して改質手段に供給され、第２の通路に供給された酸素含有ガスは燃料電池の冷却通路を流動せずに改質手段に供給され、改質手段により酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、第１の通路を流動する酸素含有ガスが改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に第２の通路に酸素含有ガスを供給するように酸素含有ガス供給手段が制御手段により制御される。したがって、改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。その結果、改質手段は必要な改質ガスを生成することができる。
【００１０】
酸素含有ガス供給手段は第２の通路を流動する酸素含有ガスの流量を調整する流量調整手段を含み、制御手段は第２の通路に供給する酸素含有ガス量が改質ガスの生成に必要な酸素含有ガス量と燃料電池の冷却に必要な酸素含有ガス量との差分となるように流量調整手段を制御してもよい。この場合、燃料電池を過冷却することなく改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。
【００１１】
第２の通路は、第１の通路の冷却通路よりも上流側と第１の通路の冷却通路の下流側とを接続する通路であってもよい。この場合、第２の通路が省スペース化される。それにより、本発明に係る燃料電池システムを小型化することができる。
【００１２】
酸素含有ガスは、空気であってもよい。この場合、酸素含有ガスを新たに生成する手段が必要ない。その結果、本発明に係る燃料電池システムを小型化することができる。また、コストのかからない空気を利用できることから、低コスト化が図れる。
【００１３】
改質手段は燃焼手段を含み、燃焼手段は酸素含有ガスと可燃燃料との燃焼反応により改質ガスを生成するために必要な熱を生成してもよい。この場合、水蒸気改質反応等の吸熱反応に酸素含有ガスと可燃燃料との燃焼熱を利用することができる。
【００１４】
改質ガスの少なくとも一部および／または炭化水素系燃料により駆動する動力部と、内燃機関に改質ガスを供給する改質ガス供給手段とをさらに備え、制御手段は、動力部に供給される改質ガスの量が増加する際に改質手段に供給する酸素含有ガスの量を増大させるように酸素含有ガス供給手段を制御してもよい。
【００１５】
この場合、動力部は改質ガス中の水素及び炭化水素系燃料の組み合わせにより熱効率の高い運転を行うことができる。また、燃料電池及び動力部を備えることにより、燃料電池から発生する電力及び動力部から発生する動力のいずれか一方又は両方を組み合わせることができる。それにより、本発明に係る燃料電池システムの運転状況に応じた適正な外部出力が可能となる。さらに、動力部に供給する改質ガスの量が増加しても、改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。その結果、改質手段は必要な改質ガスを生成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。その結果、改質手段は必要な改質ガスを生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料タンク１、インジェクタ２，１１、改質器３、熱交換器４，７、燃料電池５、エアポンプ６，８、流量制御弁９、内燃機関１０、制御部１２及び流量制御弁１３を含む。改質器３は、改質部３ａ及び燃焼部３ｂを含む。燃料電池５は水素分離膜電池からなり、アノード５ａ及びカソード５ｂを含む。
【００１９】
燃料タンク１は、配管１０１を介してインジェクタ２に接続されている。インジェクタ２は、改質部３ａに接続されている。改質部３ａは、配管１０２を介してアノード５ａに接続されている。配管１０２の一部は、熱交換器４を通る。アノード５ａは、配管１０３を介して燃焼部３ｂに接続されている。
【００２０】
エアポンプ８は、配管１０４を介してカソード５ｂに接続されている。配管１０４の一部は、熱交換器７及び熱交換器４を通る。カソード５ｂは、配管１０５を介して改質部３ａに接続されている。
【００２１】
エアポンプ６は、配管１０６を介して燃料電池５の冷却通路５ｃに接続されている。冷却通路５ｃは、配管１１０を介して燃焼部３ｂに接続されている。また、配管１０６の途中から配管１１１が分岐しており、流量制御弁１３に接続されている。流量制御弁１３は、配管１１２を介して配管１１０の途中に接続されている。
【００２２】
配管１０７の一端は配管１０２の熱交換器４より上流側に接続され、配管１０７の他端は流量制御弁９に接続されている。また、配管１０７の一部は、熱交換器７を通る。流量制御弁９は、配管１０８を介して内燃機関１０に接続されている。また、燃料タンク１は配管１０９を介してインジェクタ１１に接続されている。インジェクタ１１は、内燃機関１０に接続されている。
【００２３】
次に、燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料タンク１には、炭化水素系燃料としてガソリンが貯蔵されている。燃料タンク１は、制御部１２の指示に従って配管１０１を介して必要量のガソリンをインジェクタ２に供給する。インジェクタ２は、制御部１２の指示に従って必要量のガソリンを改質部３ａに供給する。
【００２４】
改質部３ａにおいては、インジェクタ２から供給されたガソリンと後述するカソードオフガスとにより改質ガスが生成される。まず、インジェクタ２から供給されたガソリンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。
【００２５】
改質部３ａにおいて生成された改質ガスは、熱交換器４において配管１０４を流動するエアによって冷却され、アノード５ａに供給される。アノード５ａにおいては、改質ガス中の水素が水素イオンに変換される。アノード５ａにおいて水素イオンに変換されなかった水素及び改質部３ａにおいて反応しなかった一酸化炭素は、アノードオフガスとして配管１０３を介して燃焼部３ｂに供給され、配管１０６から供給されるエア中の酸素によって燃焼し、燃料電池システム１００の外部へ排出される。この際の燃焼熱は、改質部３ａにおける水蒸気改質反応に利用される。
【００２６】
このように、アノードオフガスを燃料とした燃焼熱を改質部３ａにおける水蒸気改質反応に利用することから、燃焼用の燃料タンク等を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００を小型化することができる。また、アノードオフガスに含まれる一酸化炭素等の不完全燃焼成分を燃焼部３ｂにおいて完全燃焼させることができる。それにより、環境汚染を防止することができる。
【００２７】
エアポンプ８は、制御部１２の指示に従って燃料電池システム１００の外部からエアを配管１０４に供給する。このエアは、熱交換器７において配管１０７を流動する改質ガスを冷却し、続いて熱交換器４において配管１０２を流動する改質ガスを冷却し、カソード５ｂに供給される。カソード５ｂにおいては、アノード５ａにおいて発生した水素イオンとカソード５ｂに供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池５において発生する熱によって水蒸気となる。カソード５ｂにおいて発生した水蒸気及び水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして配管１０５を介して改質部３ａに供給され、それぞれ水蒸気改質反応に用いられる。
【００２８】
このように、カソード５ｂにおいて水素イオンと反応しなかったエア及びカソード５ｂにおいて発生した水蒸気を水蒸気改質反応に用いることから、水タンク等の水蒸気供給手段を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００を小型化することができる。
【００２９】
エアポンプ６は、制御部１２の指示に従って燃料電池システム１００の外部からエアを配管１０６に供給する。配管１０６に供給されたエアは、冷却通路５ｃ及び配管１１１に供給される。冷却通路５ｃに供給されたエアは、燃料電池５を冷却し、配管１１０に供給される。また、配管１１１に供給されたエアは、流量制御弁１３に供給される。流量制御弁１３は、制御部１２の指示に従って配管１１２を介して必要量のエアを配管１１０に供給する。配管１１０に供給されたエアは燃焼部３ｂに供給され、アノードオフガス中の水素及び一酸化炭素の燃焼に用いられる。
【００３０】
このような構成により、燃料電池５の発電量に応じて、エアポンプ６によって冷却通路５ｃに供給するエア量を調整することができる。それにより、燃料電池５の温度を適正範囲内に維持することが可能である。
【００３１】
また、燃料電池５の発電量が減少しても、後述する内燃機関１０への水素供給量が増加する場合には、流量制御弁１３により、燃料電池５を過冷却させることなく燃焼部３ｂにおける燃焼に必要なエアを供給することが可能である。それにより、改質部３ａに与える熱量不足を防止することができる。その結果、ガソリンから必要な水素を生成して内燃機関１０に必要な水素を供給することができる。
【００３２】
さらに、酸素の供給源としてエアを利用することから、酸素を含有するガスを新たに生成する手段が必要ない。その結果、本発明に係る燃料電池システム１００を小型化することができる。また、コストのかからない空気を利用できることから、低コスト化が図れる。
【００３３】
また、配管１１１、１１２を経由して燃焼部３ｂに供給されるエアは配管１０６から供給されることから、新たにエアを供給する手段を設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料電池システム１００を小型化することができる。
【００３４】
配管１０２に供給された改質ガスの一部は、配管１０７に供給され、熱交換器７において配管１０４を流動するエアにより冷却され、流量制御弁９に供給される。流量制御弁９は、制御部１２の指示に従って配管１０８を介して必要量の改質ガスを内燃機関１０に供給する。また、燃料タンク１は、制御部１２の指示に従って配管１０９を介して必要量のガソリンをインジェクタ１１に供給する。インジェクタ１１は、制御部１２の指示に従って必要量のガソリンを内燃機関１０に供給する。
【００３５】
このように、熱交換器７において冷却される改質ガスが内燃機関１０に供給されることから、内燃機関１０の熱損傷または熱劣化を防止することができる。例えば、改質ガスを１００℃〜２００℃程度まで冷却することにより、内燃機関１０に内蔵される吸気系のガスケット、電気部品、電気配線等の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
【００３６】
内燃機関１０は、制御部１２の指示に従って改質ガスの少なくとも一部および／またはガソリンと空気とから所定の空燃比で混合気を作り出し、その混合気を燃焼させることによって動作する。この場合、内燃機関１０は、水素及びガソリンの組み合わせにより熱効率の高い運転を行うことができる。
【００３７】
また、制御部１２は、内燃機関１０に水素を供給しない場合には、あらかじめ作成されたベースマップに従って内燃機関１０の空燃比を制御する。内燃機関１０に水素を供給する場合には、制御部１２は、内燃機関１０に供給される水素量に対応させた希薄燃焼を行うように内燃機関１０の空燃比を制御する。この場合、内燃機関１０に供給する水素の割合に応じて希薄限界を拡大させることができる。例えば、内燃機関１０に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関１０に供給される水素の燃焼熱の５倍になるように、内燃機関１０にガソリン及び水素を供給することにより、空気過剰率（理論空燃比に対する比率）を約２まで増加させることができる。それにより、ガソリン消費量が低減され、窒素酸化物の排出量が低減される。
【００３８】
本発明に係る燃料電池システム１００のように、燃料電池５及び内燃機関１０を備えることにより燃料電池５から発生する電力及び内燃機関１０から発生する動力のいずれか一方又は両方を組み合わせることができる。その結果、燃料電池システム１００の運転状況に応じた適正な外部出力が可能となる。
【００３９】
図２は、制御部１２がエアポンプ６，８、流量制御弁９、内燃機関１０及びインジェクタ１１を制御する際に用いるマップである。図２（ａ）は、燃料電池５の発電量と燃焼部３ｂに必要な酸素量との関係を示すマップである。図２（ａ）の横軸は燃料電池５の発電量を示し、図２（ａ）の縦軸は燃焼部３ｂに必要な酸素量を示す。図２（ａ）に示すように、燃料電池５の発電量に比例して燃焼部３ｂに必要な酸素量が増加する。
【００４０】
図２（ｂ）は、内燃機関１０のトルクと燃焼部３ｂに必要な酸素量との関係を示すマップである。図２（ｂ）の横軸は内燃機関１０のトルクを示し、図２（ｂ）の縦軸は燃焼部３ｂに必要な酸素量を示す。図２（ｂ）に示すように、ある一定のトルクまでは燃焼部３ｂに酸素は必要ないが、ある一定のトルクになると所定量の酸素が燃焼部３ｂに必要になり、それ以上のトルクに比例して燃焼部３ｂに必要な酸素量が増加する。制御部１２は、図２（ａ）及び図２（ｂ）のマップに基づいてエアポンプ６が配管１０６に供給するエア量を計算する。
【００４１】
図２（ｃ）は、燃料電池５の温度と燃料電池５の冷却に必要なエア量との関係を示すマップである。図２（ｃ）の横軸は燃料電池５の温度を示し、図２（ｃ）の縦軸は燃料電池５の冷却に必要なエア量を示す。図２（ｃ）に示すように、燃料電池５の温度の２乗に比例して燃料電池５の冷却に必要なエア量が増加する。制御部１２は、図２（ｃ）のマップに基づいてエアポンプ６及び流量制御弁１３により冷却通路５ｃに供給するエア量を計算する。
【００４２】
図２（ｄ）は、エアポンプ６によるエア供給量とエアポンプ６のポンプ回転数との関係を示すマップである。図２（ｄ）の縦軸はエアポンプ６のポンプ回転数を示し、図２（ｄ）の横軸はエアポンプ６によるエア供給量を示す。図２（ｄ）に示すように、エアポンプ６のエア供給量の２乗に比例してエアポンプ６のポンプ回転数が増加する。制御部１２は、図２（ｄ）のマップに基づいてエアポンプ６を制御する。
【００４３】
図２（ｅ）は、内燃機関１０の回転数、内燃機関１０のトルク及び空気過剰率λとの関係の一例を示すマップである。図２（ｅ）の縦軸は内燃機関１０のトルクを示し、図２（ｅ）の横軸は内燃機関１０の回転数を示す。図中の破線は、空気過剰率λが１である場合のマップであり、図中の実線は空気過剰率λが２である場合のマップである。図２（ｅ）に示すように、内燃機関１０の回転数の増加に伴い内燃機関１０のトルクは増加するが、所定の回転数を境界にして内燃機関１０の回転数の増加に伴い内燃機関１０のトルクは減少する。制御部１２は、図２（ｅ）のマップに基づいて流量制御弁９、内燃機関１０及びインジェクタ１１を制御する。
【００４４】
図３は、本発明に係る燃料電池システム１００をハイブリッド自動車に適用した場合の一例を示す模式図である。図３に示すように、ハイブリッド自動車２００は、燃料電池システム１００、蓄電池２１、動力発生装置２２、動力伝達装置２３、複数の車輪２４及び回生装置２５を含む。
【００４５】
燃料電池システム１００の燃料電池において発生した電力は、動力発生装置２２に与えられ、または蓄電池２１に蓄えられた後に動力発生装置２２に与えられる。動力発生装置２２は、コンバータ、インバータ、電動機等を備え、燃料電池システム１００または蓄電池２１から与えられた電力を軸出力に変換して動力伝達装置に伝達する。動力伝達装置２３は、与えられた軸出力を車輪２４に伝達する。それにより、ハイブリッド自動車２００が動作を開始する。
【００４６】
続いて、ハイブリッド自動車２００は、負荷が増加するにしたがって動力を内燃機関に切り替える。まず、動力伝達装置２３は、動力発生装置２２からの軸出力の供給を停止する。次に、燃料電池システム１００の内燃機関により発生した動力が軸出力として動力伝達装置２３に与えられる。動力伝達装置２３は、与えられた軸出力を車輪２４に伝達する。さらに負荷が増大すれば、動力伝達装置２３は、燃料電池システム１００の内燃機関及び動力発生装置２２の両方から与えられる軸出力を車輪２４に伝達する。
【００４７】
回生装置２５はジェネレータ等を備える。使用者がハイブリッド自動車２００を減速させる場合、回生装置２５のジェネレータは、車輪２４の動力を電力に変換し、変換した電力をバッテリー２１に供給する。
【００４８】
このように、本発明に係る燃料電池システム１００をハイブリッド自動車に適用することにより、運転状況に応じて電動機及び内燃機関のいずれか一方または両方の動力を選択することが可能である。それにより、熱効率を向上させることができる。
【００４９】
次に、図１の改質部３ａにおける炭素析出について説明する。図４は、炭素析出について説明するための図である。図４の縦軸は改質部３ａにおけるＳ／Ｃ比を示し、図４の横軸は改質部３ａにおける空気過剰率λを示す。ここで、Ｓ／Ｃ比は、改質部３ａに供給される水蒸気と改質部３ａに供給されるガソリン中の炭素とのモル比を示す。
【００５０】
図４に示すように、Ｓ／Ｃ比が１．５以上であれば改質部３ａに供給されるガソリンに対して水蒸気が過剰に供給されることになり、炭素が析出することはない。しかしながら、内燃機関１０へ供給する改質ガスの量が増大するにつれてカソード５ｂにおいて発生する水蒸気量が減少する。それにより、改質部３ａに供給される水蒸気量が減少し、Ｓ／Ｃ比が減少する。Ｓ／Ｃ比が１．５以下になれば、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足し、改質部３ａにおいて炭素が析出し得る。
【００５１】
この場合、エアポンプ８によるエア供給量を増大させることによって改質部３ａにおける空気過剰率λを増大させることができる。それにより、改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止することができる。例えば、Ｓ／Ｃ比が０になっても、空気過剰率λを０．４以上にすることにより改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止することができる。
【００５２】
次に、内燃機関１０を動作させる場合において、燃焼部３ｂにおける燃焼に必要なエアを供給するために制御部１２が行う制御について説明する。図５は、制御部１２が行う制御についてのフローチャートを示す図である。
【００５３】
図５に示すように、制御部１２は、燃料電池５の発電量及び内燃機関１０への水素供給量から、燃焼部３ｂに供給する必要のあるエア量Ａを計算する（ステップＳ１）。この場合、図２（ａ）及び図２（ｂ）で説明したグラフに基づいて燃焼部３ｂに供給する必要のあるエア量Ａが計算される。
【００５４】
次に、制御部１２は、燃料電池５の温度から冷却通路５ｃに供給する必要のあるエア量Ｂを計算する（ステップＳ２）。この場合、図２（ｃ）で説明したマップに基づいて冷却通路５ｃに供給する必要のあるエア量Ｂが計算される。
【００５５】
次いで、制御部１２は、燃焼部３ｂに必要なエア量Ａ及び冷却通路５ｃに必要なエア量Ｂのいずれが大きいかを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３において、燃焼部３ｂに必要なエア量Ａの方が大きいと判定された場合には、制御部１２は、燃焼部３ｂに必要なエアを配管１０６に供給するようにエアポンプ６を制御する（ステップＳ４）。この場合、図２（ｄ）で説明したマップに基づいて配管１０６に供給する必要のあるエアが計算される。
【００５６】
次に、制御部１２は、配管１１１に供給するエア量が燃焼部３ｂに必要なエア量Ａと冷却通路５ｃに必要なエア量Ｂとの差になるように流量制御弁１３を制御する（ステップＳ５）。以下、制御部１２は、ステップＳ１の動作から繰り返す。
【００５７】
ステップＳ３において、燃焼部３ｂに必要なエア量Ａの方が大きいと判定されなかった場合、制御部１２は、冷却通路５ｃに必要なエアを配管１０６に供給するようにエアポンプ６を制御する（ステップＳ６）。この場合、図２（ｄ）で説明したマップに基づいて配管１０６に供給する必要のあるエアが計算される。
【００５８】
次に、制御部１２は、配管１１１へのエア供給を停止するように流量制御弁１３を制御する（ステップＳ７）。以下、制御部１２は、ステップＳ１の動作から繰り返す。
【００５９】
以上のように、冷却通路５ｃに必要なエアが減少しても必要なエアが燃焼部３ｂに供給されることから、改質部３ａに与える熱量不足を防止することができる。
【００６０】
図６は、制御部１２が行う制御についてのフローチャートの他の例を示す図である。図６に示すように、制御部１２は、内燃機関１０に水素を供給する必要があるか否かを判定する（ステップＳ１１）。具体的には、内燃機関１０が高負荷回転または高速回転を行うか否かによって判定する。ステップＳ１１において、内燃機関１０に水素を供給する必要があると判定された場合には、制御部１２は、内燃機関１０に供給する水素量を計算する（ステップＳ１２）。この場合、内燃機関１０に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関１０に供給される水素の燃焼熱の５倍になるように、内燃機関１０に供給される水素量が計算される。
【００６１】
次に、制御部１２は、上記水素量及び燃料電池５の運転に必要な水素量に基づいて改質部３ａに供給するガソリンの量を計算する（ステップＳ１３）。次いで、制御部１２は、アノード５ａにおいて消費される水素量に基づいて、カソード５ｂから改質部３ａに供給される水蒸気量を計算する（ステップＳ１４）。
【００６２】
次に、制御部１２は、カソード５ｂにおいて消費される酸素量及び改質部３ａにおいて炭素が析出しないために必要な酸素量に基づいて、エアポンプ８が供給すべきエアの量を計算する（ステップＳ１５）。この場合、図４で説明したグラフに基づいて改質部３ａにおいて炭素が析出しないために必要なエアの量が計算される。
【００６３】
次いで、制御部１２は、燃料電池５の発電量及び内燃機関１０への水素供給量から、燃焼部３ｂに供給する必要のあるエア量Ａを計算する（ステップＳ１６）。この場合、図２（ａ）及び図２（ｂ）で説明したマップに基づいて燃焼部３ｂに供給する必要のあるエア量Ａが計算される。
【００６４】
次に、制御部１２は、燃料電池５の温度から冷却通路５ｃに供給する必要のあるエア量Ｂを計算する（ステップＳ１７）。この場合、図２（ｃ）で説明したマップに基づいて冷却通路５ｃに供給する必要のあるエア量Ｂが計算される。
【００６５】
次いで、制御部１２は、燃焼部３ｂに必要なエア量Ａ及び冷却通路５ｃに必要なエア量Ｂのいずれが大きいかを判定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８において、燃焼部３ｂに必要なエア量Ａの方が大きいと判定された場合には、制御部１２は、燃焼部３ｂに必要なエアを配管１０６に供給するようにエアポンプ６を制御する（ステップＳ１９）。この場合、図２（ｄ）で説明したマップに基づいて配管１０６に供給する必要のあるエアが計算される。
【００６６】
次に、制御部１２は、配管１１１に供給するエア量が燃焼部３ｂに必要なエア量Ａと冷却通路５ｃに必要なエア量Ｂとの差になるように流量制御弁１３を制御する（ステップＳ２０）。
【００６７】
次いで、制御部１２は、ステップＳ１３における計算結果に基づいてインジェクタ２を制御し、ステップＳ１５における計算結果に基づいてエアポンプ８を制御する（ステップＳ２１）。この場合、制御部１２は、図２（ａ）のマップに従ってエアポンプ８を制御する。
【００６８】
次に、制御部１２は、内燃機関１０へ添加する水素とガソリンとの比が、目標値になるように流量制御弁９及びインジェクタ１１を制御する（ステップＳ２２）。この場合、内燃機関１０に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関１０に供給される水素の燃焼熱の５倍になるように流量制御弁９及びインジェクタ１１を制御する。次いで、制御部１２は、空気過剰率λが２程度になるように、内燃機関１０の空燃比を制御する（ステップＳ２３）。以下、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。
【００６９】
ステップＳ１８において、燃焼部３ｂに必要なエア量Ａの方が大きいと判定されなかった場合、制御部１２は、冷却通路５ｃに必要なエアを配管１０６に供給するようにエアポンプ６を制御する（ステップＳ２４）。この場合、図２（ｄ）で説明したマップに基づいて配管１０６に供給する必要のあるエアが計算される。
【００７０】
次に、制御部１２は、配管１１１へのエア供給を停止するように流量制御弁１３を制御する（ステップＳ２５）。以下、制御部１２は、ステップＳ２１の動作を行う。
【００７１】
ステップＳ１１において、内燃機関１０に水素を供給する必要がないと判定された場合には、制御部１２は、燃料電池５の発電に必要な量の水素及び酸素をそれぞれアノード５ａ及びカソード５ｂに供給するように、インジェクタ２及びエアポンプ８を制御する（ステップＳ２６）。この場合、制御部１２は、図２（ａ）のマップに従ってエアポンプ８を制御する。
【００７２】
次に、制御部１２は、内燃機関１０への水素添加を停止するように流量制御弁９を制御する（ステップＳ２７）。次いで、制御部１２は、ベースマップに従って内燃機関１０の空燃比を制御する（ステップＳ２８）。次に、制御部１２は、配管１１１へのエア供給を停止するように流量制御弁１３を制御する（ステップＳ２９）。以下、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。
【００７３】
以上のように、内燃機関１０へ供給する水素量に応じて内燃機関１０内の空燃比を制御することから、熱効率の高い燃焼を実現することができる。また、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足しても酸素供給量の割合が増加することから、改質部３ａにおける炭素の析出を防止することができる。さらに、冷却通路５ｃに必要なエアが減少しても燃焼部３ｂに必要なエアが供給されることから、改質部３ａに与える熱量不足を防止することができる。その結果、内燃機関１０に必要な水素を供給することができる。
【００７４】
本実施例においては、配管１０６，１１０及び冷却通路５ｃが第１の通路に相当し、配管１１１，１１２が第２の通路に相当し、エアポンプ６及び流量制御弁１３が酸素含有ガス供給手段に相当し、流量制御弁１３が流量調整手段に相当し、燃焼部３ｂが燃焼手段に相当し、改質器３が改質手段に相当し、内燃機関１０が動力部に相当し、流量制御弁９が改質ガス供給手段に相当し、制御部１２が制御手段に相当する。
【００７５】
なお、本実施例においては、配管１１１は配管１０６の途中から分岐しているが、配管１０６を介さずに燃料電池システム１００の外部に通じていてもよい。また、ガソリンエンジンとして用いることができる内燃機関１０を動力部として用いたが、水素燃焼タービン等の他の内燃機関を用いることもできるし、水素を燃料とする外燃機関を用いることもできる。さらに、燃料電池５として水素分離膜電池を用いたが、他の燃料電池を用いてもよい。例えば、固体酸化物形燃料電池等を用いることもできる。この場合、アノードオフガス中の水蒸気を改質部３ａにおける水蒸気改質反応に利用することができる。また、炭化水素系燃料としてガソリンを用いたが、天然ガス、メタノール等の他の炭化水素系燃料を用いることもできる。さらに、本実施例においてはエアポンプから供給されたエアを燃焼部３ｂにおける燃焼に利用しているが、改質部３ａにおける部分酸化反応に利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】制御部が燃料電池システムの構成機器を制御する際に従うマップを示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムをハイブリッド自動車に適用した場合の一例を示す模式図である。
【図４】炭素析出について説明するための図である。
【図５】内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートを示す図である。
【図６】内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートの他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  燃料タンク
２，１１  インジェクタ
３  改質器
３ａ  改質部
３ｂ  燃焼部
４，７  熱交換器
５  燃料電池
５ａ  アノード
５ｂ  カソード
６，８  エアポンプ
９  流量制御弁
１０  内燃機関
１２  制御部
１３  流量制御弁
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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