(57)【要約】【課題】燃料電池システムの効率をできるだけ低下させることなく、燃料電池モジュール内の温度上昇時に供給する空気の温度を降下させることができる流体供給装置を提供する。【解決手段】ブロワ１１によって昇圧された低温空気を昇温部１４で昇温された高温空気として燃料電池Ｃ１に供給する高温空気配管１２を備えている流体供給装置Ｂ１において、昇温部１４の上流側で高温空気配管１２から分岐して下流側で接続する低温空気配管２２と、分岐する部分に設けられ空気の流路を段階的に切り替える三方弁１５とを設けた。そして、燃料電池モジュール内の温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合に、三方弁１５を調整して低温空気配管２２の流量を徐々に増加するようにし、燃料電池Ｃ１に供給される空気の温度を降下させるようにした。低温空気供給のためのブロワが必要ないので、消費される電力を削減することができる。【選択図】図１
2012069493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュールに空気を供給する流体供給装置であって、
空気の圧力を上昇させる昇圧手段と、
前記昇圧手段によって昇圧された空気を前記燃料電池モジュールに供給する低温空気供給手段と、
前記昇圧手段によって昇圧された空気の温度を上昇させて、前記燃料電池モジュールに供給する高温空気供給手段と、
を備えていることを特徴とする流体供給装置。
【請求項２】
前記高温空気供給手段は、
通過する空気の温度を上昇させる昇温手段と、
前記昇圧手段から送出される空気を、前記昇温手段を通過させて、前記燃料電池モジュールに供給する高温空気配管と、
を備えており、
前記低温空気供給手段は、前記昇温手段を通過させる手前で前記高温空気配管から分岐して、前記昇圧手段から送出される空気を前記燃料電池モジュールに供給する低温空気配管である、
請求項１に記載の流体供給装置
【請求項３】
前記高温空気配管から前記低温空気配管が分岐する位置に配置され、前記低温空気配管に流れる空気の流量を調整する流量調整手段と、
測定された前記燃料電池モジュールの温度に基づいて、前記流量調整手段に空気の流量を調整させる制御手段と、
をさらに備えている、請求項２に記載の流体供給装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記測定された温度が所定値以下の場合、前記低温空気配管に流れる空気の流量がゼロになるように前記流量調整手段に調整させ、
前記測定された温度が前記所定値より大きい場合、前記低温空気配管に空気が流れるように前記流量調整手段に調整させる、
請求項３に記載の流体供給装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記測定された温度が前記所定値より大きい場合、前記測定された温度が前記所定値以下になるまで、前記低温空気配管に流れる空気の流量を所定量ずつ増加させるように前記流量調整手段に調整させる、請求項４に記載の流体供給装置。
【請求項６】
前記低温空気配管を流れる空気の流量を測定する低温空気流量測定手段、または、前記高温空気配管を流れる空気の流量を測定する高温空気流量測定手段をさらに備え、
前記流量調整手段は三方弁であって、前記制御手段によって指示される開度に基づいて前記低温空気配管に流れる空気の流量を調整し、
前記制御手段は、指示する開度を大きくするように変更したときに、前記低温空気流量測定手段によって測定された流量の増加量が前記所定量未満の場合、または、前記高温空気流量測定手段によって測定された流量の減少量が前記所定量以上の場合、前記昇圧手段が送出する空気の圧力をさらに上昇させる、
請求項５に記載の流体供給装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記低温空気配管に流れる空気の流量を増加させる前に前記昇圧手段が送出する空気の圧力を上昇させ、前記低温空気配管に流れる空気の流量を増加させた後に前記昇圧手段が送出する空気の圧力を降下させる、
請求項４ないし６のいずれかに記載の流体供給装置。
【請求項８】
前記低温空気供給手段は、前記低温空気配管を通過する空気の温度を降下させる降温手段をさらに備えている、請求項１ないし７のいずれかに記載の流体供給装置。
【請求項９】
前記燃料電池モジュールと、請求項１ないし８のいずれかに記載の流体供給装置を備えている燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池モジュールに空気を供給する方法であって、
圧力を上昇させた空気のうちの一部を昇温した高温空気と、前記圧力を上昇させた空気のうちのその他の昇温されていない低温空気とを、前記燃料電池モジュールに供給することを特徴とする流体供給方法。
【請求項１１】
前記燃料電池モジュールの温度を測定し、測定された温度に基づいて前記低温空気の量を調整する、請求項１０に記載の流体供給方法。
【請求項１２】
前記測定された温度が所定値以下の場合、前記低温空気の量がゼロになるように調整する、請求項１１に記載の流体供給方法。
【請求項１３】
前記測定された温度が前記所定値より大きい場合、前記測定された温度が前記所定値以下になるまで、前記低温空気の量を所定量ずつ増加させるように調整する、請求項１２に記載の流体供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおいて燃料電池モジュールに空気を供給する流体供給装置、この流体供給装置を備えた燃料電池システム、および流体供給方法に関し、特に、燃料電池モジュールの温度上昇を抑制するための処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コージェネレーションシステムとして、燃料電池システムが開発されている。燃料電池システムは、燃料電池が発電する際の排熱も有効利用する発電システムである。燃料電池システムには、燃料電池に空気を供給するための流体供給装置が備えられている。
【０００３】
図４は、従来の流体供給装置を備える燃料電池システムを説明するためのブロック図である。燃料電池システムＡは、流体供給装置Ｂ、燃料電池モジュールＣ、インバータ装置Ｄ、および排熱回収装置Ｅを備えている。
【０００４】
流体供給装置Ｂは、燃料電池モジュールＣの燃料電池Ｃ１（後述）に空気を供給するものである。流体供給装置Ｂは、ブロワ１１によって昇圧された空気を、昇温部１４で昇温して、燃料電池Ｃ１に供給する。なお、燃料電池システムＡは、流体供給装置Ｂ以外にも、原燃料を燃料電池モジュールＣの改質器Ｃ２（後述）に供給する流体供給装置なども備えているが、図４においての記載を省略している。
【０００５】
燃料電池モジュールＣは、図示しない流体供給装置から供給される原燃料および流体供給装置Ｂから供給される空気を用いて、電気を生成するものである。燃料電池モジュールＣは、水素と酸素の化学反応を利用して発電を行う燃料電池Ｃ１、および、原燃料と別途供給される水とから水素を生成して燃料電池Ｃ１に供給する改質器Ｃ２を備えている。
【０００６】
燃料電池Ｃ１の燃料極（アノード）には、改質器Ｃ２から水素が供給され、空気極（カソード）には、流体供給装置Ｂから空気が供給される。燃料電池Ｃ１は、水素と空気中の酸素とを反応させて、電気エネルギーと熱エネルギーとを生成する。直流電力として取り出された電気エネルギーは、インバータ装置Ｄに出力される。また、生成された熱エネルギーは、排熱回収装置Ｅによって回収される。燃料電池Ｃ１はその電解質の種類によって分類され、それぞれ運転温度が設定されている。例えば、固体酸化物型燃料電池の場合、運転温度は７５０〜１０００℃の範囲で設定されている。設定されている運転温度を維持するために、流体供給装置Ｂが燃料電池Ｃ１に供給する空気として、昇温部１４で昇温された空気が用いられる。昇温部１４としては、一般的に、バーナ冷却ジャケットが使用されている。バーナ冷却ジャケットは、改質器Ｃ２および燃料電池Ｃ１の温度を運転温度まで引き上げるためのバーナ（図示しない。）を冷却するものである。バーナ冷却ジャケットは、バーナの熱を空気に移動させることでバーナを冷却し、このとき同時にバーナの熱によって空気を昇温する。
【０００７】
改質器Ｃ２は、供給される原燃料に含まれる炭化水素（メタンなど）と別途供給される水との化学反応（水蒸気改質）により、水素を生成するものである。改質器Ｃ２は、生成した水素を燃料電池Ｃ１の燃料極（アノード）に供給する。
【０００８】
インバータ装置Ｄは、燃料電池Ｃ１から入力される直流電力を交流電力に変換して出力するものである。インバータ装置Ｄは電力系統に連系され、出力される交流電力が負荷に供給される。また、インバータ装置Ｄから出力される交流電力の一部およびインバータ装置Ｄに入力される前の直流電力の一部は、燃料電池システムＡの内部で消費される。例えば、交流電力は流量計１３，２３や図示しない電磁弁などで消費され、直流電力はブロワ１１，２１や図示しないマスフロー、ガス検知器などで消費される。排熱回収装置Ｅは、燃料電池Ｃ１での化学反応により出る熱を回収するものである。排熱回収装置Ｅは、燃料電池モジュールＣから出る排ガスの熱を用いて、給湯などに利用している。
【０００９】
流体供給装置Ｂは、燃料電池Ｃ１に設定された運転温度を保つため、燃料電池モジュールＣ内の温度が上昇しすぎた場合に、温度を降下させるための構成を備えている。ブロワ２１および配管２２は、燃料電池モジュールＣ内の温度が所定の温度以上になった場合に、供給する空気の温度を降下させるためのものである。ブロワ２１は、燃料電池システムＡの外部の空気を昇圧して送出するものである。配管２２は、昇温部１４より下流側で配管１２に接続されており、ブロワ２１から送出された外部の空気を燃料電池モジュールＣに供給するものである。流体供給装置Ｂは、配管２２を介して外部の空気を混入することで、燃料電池モジュールＣに供給する空気の温度を降下させて、燃料電池モジュールＣ内の温度を降下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２１８２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、燃料電池モジュールＣに供給する空気に外部空気を混入させるためにブロワ２１を起動させると、ブロワ２１を運転するための直流電力が余分に消費される。したがって、インバータ装置Ｄから出力される交流電力がその分減少して、燃料電池システムＡの効率が低下することになる。
【００１２】
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、燃料電池システムの効率をできるだけ低下させることなく、燃料電池モジュール内の温度上昇時に供給する空気の温度を降下させることができる流体供給装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１４】
本発明の第１の側面によって提供される流体供給装置は、燃料電池モジュールに空気を供給する流体供給装置であって、空気の圧力を上昇させる昇圧手段と、前記昇圧手段によって昇圧された空気を前記燃料電池モジュールに供給する低温空気供給手段と、前記昇圧手段によって昇圧された空気の温度を上昇させて、前記燃料電池モジュールに供給する高温空気供給手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記高温空気供給手段は、通過する空気の温度を上昇させる昇温手段と、前記昇圧手段から送出される空気を、前記昇温手段を通過させて、前記燃料電池モジュールに供給する高温空気配管とを備えており、前記低温空気供給手段は、前記昇温手段を通過させる手前で前記高温空気配管から分岐して、前記昇圧手段から送出される空気を前記燃料電池モジュールに供給する低温空気配管である。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記高温空気配管から前記低温空気配管が分岐する位置に配置され、前記低温空気配管に流れる空気の流量を調整する流量調整手段と、測定された前記燃料電池モジュールの温度に基づいて、前記流量調整手段に空気の流量を調整させる制御手段とをさらに備えている。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段は、前記測定された温度が所定値以下の場合、前記低温空気配管に流れる空気の流量がゼロになるように前記流量調整手段に調整させ、前記測定された温度が前記所定値より大きい場合、前記低温空気配管に空気が流れるように前記流量調整手段に調整させる。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段は、前記測定された温度が前記所定値より大きい場合、前記測定された温度が前記所定値以下になるまで、前記低温空気配管に流れる空気の流量を所定量ずつ増加させるように前記流量調整手段に調整させる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記低温空気配管を流れる空気の流量を測定する低温空気流量測定手段、または、前記高温空気配管を流れる空気の流量を測定する高温空気流量測定手段をさらに備え、前記流量調整手段は三方弁であって、前記制御手段によって指示される開度に基づいて前記低温空気配管に流れる空気の流量を調整し、前記制御手段は、指示する開度を大きくするように変更したときに、前記低温空気流量測定手段によって測定された流量の増加量が前記所定量未満の場合、または、前記高温空気流量測定手段によって測定された流量の減少量が前記所定量以上の場合、前記昇圧手段が送出する空気の圧力をさらに上昇させる。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段は、前記低温空気配管に流れる空気の流量を増加させる前に前記昇圧手段が送出する空気の圧力を上昇させ、前記低温空気配管に流れる空気の流量を増加させた後に前記昇圧手段が送出する空気の圧力を降下させる。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記低温空気供給手段は、前記低温空気配管を通過する空気の温度を降下させる降温手段をさらに備えている。
【００２２】
本発明の第２の側面によって提供される燃料電池システムは、前記燃料電池モジュールと、本発明の第１の側面によって提供される流体供給装置とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第３の側面によって提供される流体供給方法は、燃料電池モジュールに空気を供給する方法であって、圧力を上昇させた空気のうちの一部を昇温した高温空気と、前記圧力を上昇させた空気のうちのその他の昇温されていない低温空気とを、前記燃料電池モジュールに供給することを特徴とする。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記燃料電池モジュールの温度を測定し、測定された温度に基づいて前記低温空気の量を調整する。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記測定された温度が所定値以下の場合、前記低温空気の量がゼロになるように調整する。
【００２６】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記測定された温度が前記所定値より大きい場合、前記測定された温度が前記所定値以下になるまで、前記低温空気の量を所定量ずつ増加させるように調整する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、昇圧手段によって昇圧された空気を、低温空気供給手段がそのまま燃料電池モジュールに供給し、高温空気供給手段が温度を上昇させて燃料電池モジュールに供給する。したがって、低温空気供給手段による空気の供給量と高温空気供給手段による空気の供給量とを調整することで、燃料電池モジュールに供給する空気の温度を調整することができる。これにより、燃料電池モジュール内の温度上昇時に低温空気供給手段による空気の供給量を増加させることで、燃料電池モジュールに供給する空気の温度を降下させることができる。また、低温空気供給手段および高温空気供給手段は共通する昇圧手段によって昇圧された空気を利用するので、それぞれ別の昇圧手段によって昇圧された空気を利用する場合と比べて、昇圧手段で消費される電力の合計量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効率が低下することを抑制することができる。また、必要な昇圧手段の数が抑制されるので、流体供給装置およびこれを用いた燃料電池システムを小型化することができるし、製造コストを抑制することができる。
【００２８】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る流体供給装置の第１実施形態を説明するためのブロック図である。
【図２】三方弁の開度を調整するための処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明に係る流体供給装置の第２実施形態を説明するためのブロック図である。
【図４】従来の流体供給装置を備える燃料電池システムを説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る流体供給装置の第１実施形態を説明するためのブロック図である。流体供給装置Ｂ１は、図４に示す燃料電池システムＡにおける流体供給装置Ｂに相当するものである。なお、図１において、流体供給装置Ｂと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。
【００３２】
流体供給装置Ｂ１は、燃料電池モジュールＣの燃料電池Ｃ１のカソード側に空気を供給するものである（図４参照）。なお、本実施形態では、燃料電池Ｃ１に固体酸化物型燃料電池を用いた場合について説明する。流体供給装置Ｂ１は、ブロワ１１、配管１２，２２、流量計１３，２３、昇温部１４、三方弁１５、および制御部３を備えている。
【００３３】
ブロワ１１は、空気を昇圧して送出するものである。ブロワ１１は、回転数を増加することで空気の昇圧度を増加させて、送出する空気の流量を増加させる。また、回転数を減少することで空気の昇圧度を減少させて、送出する空気の流量を減少させる。本実施形態では、排熱回収装置Ｅ（図４参照）を通って予め昇温された空気がブロワ１１によって送出される。なお、燃料電池システムＡの外部の空気を昇圧して送出するようにしてもよい。いずれにしても、ブロワ１１から送出される空気は後述する昇温部１４で昇温された空気に比べると温度が低いので、以下ではブロワ１１から送出される空気を「低温空気」と記載する。一方、昇温部１４で昇温された空気を「高温空気」と記載する。なお、ブロワ１１の容量は、燃料電池Ｃ１の通常の定格運転時に使用される空気の流量に応じた容量とされている。
【００３４】
配管１２は、ブロワ１１の送出口と燃料電池Ｃ１の吸入口とを接続する配管である。配管１２は、ブロワ１１から送出された低温空気を昇温部１４を通過させることで高温空気にする流路を構成するものなので、以下では、「高温空気配管」１２と記載する場合がある。配管２２は、昇温部１４の上流側で高温空気配管１２から分岐し、昇温部１４の下流側で高温空気配管１２に接続する配管である。配管２２は、ブロワ１１から送出された低温空気をそのまま（昇温せずに）燃料電池Ｃ１に供給するための流路を構成するものなので、以下では、「低温空気配管」２２と記載する場合がある。
【００３５】
流量計１３，２３は、それぞれ配管１２，２２を流れる空気の流量を計測するものであり、計測した流量値を制御部３に出力する。流量計１３は、高温空気配管１２を流れる空気の流量を計測することで、燃料電池Ｃ１に供給される高温空気の流量Ｖ1を計測する。一方、流量計２３は、低温空気配管２２を流れる空気の流量を計測することで、燃料電池Ｃ１に供給される低温空気の流量Ｖ2を計測する。
【００３６】
昇温部１４は、高温空気配管１２を流れる空気を、燃料電池Ｃ１に設定されている運転温度を維持するための温度に、昇温するものである。本実施形態では、バーナ冷却ジャケットを昇温部１４としている。バーナ冷却ジャケットは、改質器Ｃ２（図４参照）および燃料電池Ｃ１の温度を運転温度まで引き上げるためのバーナ（図示しない。）を冷却するものである。バーナ冷却ジャケットは、バーナの熱を空気に移動させることでバーナを冷却し、このとき同時にバーナの熱によって空気を昇温する。なお、ブロワ１１が燃料電池システムＡの外部の空気を昇圧して送出する構成の場合は、排熱回収装置Ｅおよびバーナ冷却ジャケットが昇温部１４と考えられる。すなわち、高温空気配管１２を流れる低温空気を運転温度を維持するための温度に昇温するものが昇温部１４に相当する。
【００３７】
三方弁１５は、高温空気配管１２から低温空気配管２２が分岐する部分に設けられており、ブロワ１１から送出される空気の流路を段階的に切り替えるものである。三方弁１５の流入口には、ブロワ１１から送出される空気が流入する。三方弁１５の一方の送出口から送出された空気は、高温空気配管１２をそのまま流れて、昇温部１４で昇温された上で燃料電池Ｃ１に供給される。三方弁１５の他方の送出口から送出された空気は、低温空気配管２２を流れて、昇温されることなく燃料電池Ｃ１に供給される。三方弁１５は、例えば電動比例制御弁であり、開度を比例制御することができる。したがって、三方弁１５は、ブロワ１１から送出される空気のうち、昇温しないで燃料電池Ｃ１に直接供給する空気の量を調整することができる。なお、以下では、開度を低温空気配管２２側の開度とする。すなわち、開度が０％（全閉）の場合、流入した空気の全流量が高温空気配管１２側に送出され、開度が１００％（全開）の場合、流入した空気の全流量が低温空気配管２２側に送出される。
【００３８】
制御部３は、流体供給装置Ｂ１の制御を行うものである。流体供給装置Ｂ１は、温度検出手段（図示しない。）から入力される燃料電池モジュールＣ内の温度Ｔに応じて、燃料電池Ｃ１に供給する高温空気と低温空気の割合を調整する。すなわち、流体供給装置Ｂ１は、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下の場合、高温空気のみを供給し、温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合、低温空気の供給を開始して、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下となるまで低温空気の割合を徐々に増加する。閾値温度Ｔ0は、燃料電池Ｃ１の運転温度の許容範囲の上限値に基づいて予め設定されている値であり、燃料電池Ｃ１の仕様に応じて設定される。制御部３は、三方弁１５の開度およびブロワ１１の回転数を調整することにより、燃料電池Ｃ１に供給される高温空気と低温空気の割合を調整する。制御部３は、温度検出手段から燃料電池モジュールＣ内の温度Ｔを入力され、流量計１３から高温空気の流量Ｖ1を入力され、流量計２３から低温空気の流量Ｖ2を入力される。また、制御部３は、ブロワ１１に制御信号を出力してブロワ１１の回転数を調整し、三方弁１５に開閉制御信号を出力して三方弁１５の開度を調整する。
【００３９】
制御部３は、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下の場合、三方弁１５の開度を０％とする。これにより、ブロワ１１から送出される低温空気が全て昇温部１４で昇温され、高温空気として燃料電池Ｃ１に供給される。一方、制御部３は、温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えている場合、三方弁１５の開度を増加させる。これにより、ブロワ１１から送出される低温空気のうち燃料電池Ｃ１に直接供給される割合が増加される。したがって、燃料電池Ｃ１に供給される高温空気の流量が減少し、低温空気の流量が増加するので、燃料電池モジュールＣ内の温度が低下する。温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下となるまで三方弁１５の開度が増加され、燃料電池Ｃ１に供給される低温空気の割合が増加される。
【００４０】
本実施形態では、三方弁１５の開度の変更時に空気が逆流して、燃料電池Ｃ１に供給される空気の総流量（高温空気と低温空気の流量の合計）が不足することを回避するために、三方弁１５の開度変更前にブロワ１１の回転数を増加させることで燃料電池Ｃ１に供給される空気の総流量を増加させる。三方弁１５の開度変更後、ブロワ１１の回転数を元に戻して、燃料電池Ｃ１に供給される空気の総流量を定格流量に戻す。なお、三方弁１５の開度の変更時の空気の総流量の減少が許容範囲の場合は、ブロワ１１の回転数を変化させることなく、三方弁１５の開度を変更するようにしてもよい。この場合、ブロワ１１の回転数を増加させないので、消費電力を低減することができる。
【００４１】
また、三方弁１５の開度を１００％にしても（燃料電池Ｃ１に供給される空気をすべて低温空気にしても）、温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えている場合、制御部３はブロワ１１の回転数を増加させて、低温空気の供給量を増加させる。この場合でも温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えている場合、燃料電池モジュールＣに異常がある可能性が考えられるので、制御部３は燃料電池システムＡの運転を停止させる。
【００４２】
制御部３は、燃料電池Ｃ１に供給される低温空気の割合を増加させることで温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下となり、その状態が所定時間（例えば、１分間）継続した場合、三方弁１５の開度を減少させて、０％に戻す。すなわち、燃料電池Ｃ１に供給される空気が全て高温空気とされ、低温空気の供給が停止される。三方弁１５の開度を減少させる場合、制御部３は、開度変更前にブロワ１１の回転数を減少させ、開度変更後にブロワ１１の回転数を元に戻す。この場合、ブロワ１１の回転数を減少させている間の消費電力を低減することができる。なお、ブロワ１１の回転数を変化させることなく、三方弁１５の開度を変更するようにしてもよい。また、三方弁１５の開度を０％に戻すための条件を、温度Ｔが所定温度以下になったこととしてもよいし、温度Ｔが所定温度以下の状態が所定時間継続したこととしてもよい。
【００４３】
なお、制御部３が行う、温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合の三方弁１５の開度の調整方法の詳細については後述する。
【００４４】
なお、図１においては図示していないが、配管１２および２２にはそれぞれ、配管内の圧力を検出する圧力計、配管の流量を調整するための電磁弁、空気が逆流することを防ぐための逆止弁が設けられている。これらは本発明の説明に直接関係しないので、各図への記載および説明を省略している。
【００４５】
図２は、制御部５が行う、三方弁１５の開度を調整するための処理（以下では、「開度調整処理」とする。）を説明するためのフローチャートである。当該開度調整処理は、流体供給装置Ｂ１が起動された時、および、三方弁１５の開度調整により温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下に低下され所定時間が経過して三方弁１５の開度が０％に戻されたときに開始される。
【００４６】
当該開度調整処理が開始されると、まず、変数ｎが「１」に初期化される（Ｓ１）。本実施形態では、温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合に、高温空気の流量を所定の流量ΔＶ（以下では、「変更流量ΔＶ」と記載する。）ずつ減少させ、低温空気の流量を変更流量ΔＶずつ増加させる。変数ｎは、流量の変更回数をカウントするものであって、開度調整処理における何回目の流量変更であるかを示すものである。
【００４７】
次に、温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きいか否かが判別される（Ｓ２）。温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きい場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、三方弁１５の開度の調整が行われる。一方、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下の場合（Ｓ２：ＮＯ）ステップＳ２に戻る。すなわち、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下の間は、三方弁１５の開度の調整が行われず（開度が０％のまま）、ステップＳ２の判別が繰り返される。この間、ブロワ１１の定格空気流量Ｖ0がすべて高温空気配管１２を流れるので、流量計１３が検出する高温空気の流量Ｖ1＝Ｖ0となり、流量計２３が検出する低温空気の流量Ｖ2＝０となる。
【００４８】
ステップＳ３では、流量Ｖ1が変更流量ΔＶ以上か否かが判別される（Ｓ３）。流量Ｖ1が変更流量ΔＶ以上の場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、流量Ｖ1を変更流量ΔＶだけ減らすことができるので、ステップＳ４〜Ｓ８の流量変更処理が行われる。一方、流量Ｖ1が変更流量ΔＶより小さい場合（Ｓ３：ＮＯ）、流量Ｖ1を変更流量ΔＶだけ減らすことができないので、ステップＳ４〜Ｓ８の流量変更処理が行われず、ステップＳ１０に進む。
【００４９】
ステップＳ４では、ブロワ１１の回転数が増加されて、高温空気の流量Ｖ1と低温空気の流量Ｖ2の合計である合計流量が変更流量ΔＶだけ増加される（Ｓ４）。すなわち、Ｖ1＋Ｖ2＝Ｖ0＋ΔＶの状態が所定時間（例えば、１０秒）以上継続するように、ブロワ１１の回転数が増加される。
【００５０】
次に、三方弁１５の開度が調整される（Ｓ５）。ここでは、三方弁１５の開度が所定量（例えば、３０％）だけ増加された後、Ｖ1＝Ｖ0−（ｎ−１）・ΔＶ、Ｖ2＝ｎ・ΔＶとなるように調整される。例えば、第１回目の流量変更（ｎ＝１）の場合、Ｖ1＝Ｖ0、Ｖ2＝ΔＶとなるように調整され、第２回目の流量変更（ｎ＝２）の場合、Ｖ1＝Ｖ0−ΔＶ、Ｖ2＝２・ΔＶとなるように調整される。なお、調整の結果、Ｖ1＋Ｖ2＜Ｖ0＋ΔＶとなって流量不足となる場合が有る。この場合（Ｓ６：ＹＥＳ）はステップＳ４に戻ってブロワ１１の回転数が増加され（Ｓ４）、三方弁１５の開度が調整される。なお、この場合（ステップＳ６：ＹＥＳでステップＳ４に戻る場合）、合計流量がさらに変更流量ΔＶだけ増加するまでブロワ１１の回転数を増加する必要はない。三方弁１５の開度の調整により、Ｖ1≧Ｖ0−（ｎ−１）・ΔＶかつＶ2≧ｎ・ΔＶとなって、流量不足が解消される（Ｓ６：ＮＯ）まで、ステップＳ４〜Ｓ６が繰り返される。
【００５１】
ステップＳ６において、流量不足でない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ブロワ１１の回転数が減少されて、合計流量が定格流量Ｖ0に戻される（Ｓ７）。次に、三方弁１５の開度が調整される（Ｓ８）。ここでは、Ｖ1＝Ｖ0−ｎ・ΔＶ、Ｖ2＝ｎ・ΔＶとなるように、三方弁１５の開度が調整される。例えば、第１回目の流量変更（ｎ＝１）の場合、Ｖ1＝Ｖ0−ΔＶ、Ｖ2＝ΔＶとなるように調整され、第２回目の流量変更（ｎ＝２）の場合、Ｖ1＝Ｖ0−２・ΔＶ、Ｖ2＝２・ΔＶとなるように調整される。
【００５２】
三方弁１５の開度調整後、変数ｎが「１」増加されて、ステップＳ２に戻る。温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きいままの場合（Ｓ２：ＹＥＳ）は、ステップＳ３〜Ｓ９が繰り返される。一方、高温空気および低温空気の流量変更によって、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下となり（Ｓ２：ＮＯ）、ステップＳ２が繰り返されて所定時間が経過すると、開度調整処理は終了される。そして、三方弁１５の開度が０％に戻された上で、開度調整処理が再び開始される。しかし、所定時間が経過する前に温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合（Ｓ２：ＹＥＳ）は、ステップＳ３〜Ｓ９が繰り返される。なお、ブロワ１１の回転数を変化させることなく三方弁１５の開度調整のみで流量の変更を行う場合は、ステップＳ４〜Ｓ７の処理を行わないようにすればよい。
【００５３】
ステップＳ３において、流量Ｖ1が変更流量ΔＶより小さい場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、三方弁１５の開度が１００％にされて（Ｓ１０）、温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きいか否かが判別される（Ｓ１１）。すなわち、燃料電池Ｃ１に供給される空気が全て低温空気となった状態（Ｖ1＝０、Ｖ2＝Ｖ0）で、温度Ｔが閾値温度Ｔ0と比較される。温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下となった場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ２：ＮＯが繰り返されて所定時間が経過すると、開度調整処理は終了され、三方弁１５の開度が０％に戻された上で、開度調整処理が再び開始される。しかし、所定時間が経過する前に温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合（Ｓ２：ＹＥＳ）は、すでに三方弁１５の開度が全開となっているので、ステップＳ３：ＮＯ、ステップＳ１１：ＹＥＳとなって、ステップＳ１２に進む。
【００５４】
ステップＳ１１において、温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きい場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ブロワ１１の回転数が増加されて（Ｓ１２）、温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きいか否かが判別される（Ｓ１３）。すなわち、燃料電池Ｃ１に供給される低温空気の流量Ｖ2が定格流量Ｖ0より大きくされた状態で、温度Ｔが閾値温度Ｔ0と比較される。温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下となった場合（Ｓ１３：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ２：ＮＯが繰り返されて所定時間が経過すると、開度調整処理は終了され、三方弁１５の開度が０％に戻された上で、開度調整処理が開始される。しかし、所定時間が経過する前に温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えた場合（Ｓ２：ＹＥＳ）は、すでに三方弁１５の開度が全開となり、燃料電池Ｃ１に供給される低温空気の流量Ｖ2が定格流量Ｖ0より大きくされているので、ステップＳ３：ＮＯ、ステップＳ１１：ＹＥＳ、ステップＳ１３：ＹＥＳとなって、ステップＳ１４に進む。
【００５５】
ステップＳ１３において、温度Ｔが閾値温度Ｔ0より大きい場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、燃料電池モジュールＣに異常があると判断されて、燃料電池システムＡの運転が停止され、開度調整処理は終了される。なお、ステップＳ１３：ＹＥＳの場合に、燃料電池システムＡの運転を停止させるのではなく、警報などで報知するようにしてもよい。また、ステップＳ１３：ＹＥＳの場合に、さらにブロワ１１の回転数を増加させてから温度Ｔを閾値温度Ｔ0と比較するようにしてもよい。
【００５６】
なお、図２に示す開度調整処理のフローチャートは一例であって、これに限定されない。
【００５７】
本実施形態において、流体供給装置Ｂ１は、昇温部１４の上流側で高温空気配管１２から分岐し昇温部１４の下流側で高温空気配管１２に接続する低温空気配管２２を備えており、当該分岐する部分に設けられた三方弁１５の開度を調整することで、燃料電池Ｃ１に供給する高温空気の流量を減らして低温空気の流量を増やすことができる。したがって、燃料電池モジュールＣ内の温度上昇時に、燃料電池Ｃ１に供給する空気の温度を降下させることができ、燃料電池モジュールＣ内の温度を降下させることができる。また、流体供給装置Ｂ１は１台のブロワ１１で高温空気と低温空気とを燃料電池Ｃ１に供給することができるので、高温空気を供給するためのブロワと低温空気を供給するためのブロワとを別々に備える場合と比べて、ブロワで消費される電力を抑制することができる。したがって、燃料電池システムＡの効率が低下することを抑制することができる。また、必要なブロワの数が抑制されるので、流体供給装置Ｂ１およびこれを用いた燃料電池システムＡを小型化することができるし、製造コストを抑制することができる。
【００５８】
なお、上記第１実施形態では、ブロワ１１から送出される低温空気が、低温空気配管２２を流れて、そのまま燃料電池Ｃ１に供給される場合について説明したが、これに限られない。例えば、低温空気配管２２を流れる低温空気が降温されてから、燃料電池Ｃ１に供給されるようにしてもよい。以下に説明する第２実施形態に係る流体供給装置は、低温空気配管２２を流れる低温空気を降温する構成を設けているものである。
【００５９】
図３は、第２実施形態に係る流体供給装置Ｂ２を説明するためのブロック図である。流体供給装置Ｂ２は、図４に示す燃料電池システムＡにおける流体供給装置Ｂに相当するものである。なお、図３において、第１実施形態に係る流体供給装置Ｂ１（図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。
【００６０】
流体供給装置Ｂ２は、低温空気配管２２に降温部２４を備えている点で、第１実施形態に係る流体供給装置Ｂ１と異なる。降温部２４は、低温空気配管２２を流れる低温空気をさらに降温するものである。本実施形態では、給水用の配管（図示しない。）との熱交換器を降温部２４としている。給水用の配管には水が流れており、熱交換器は、低温空気の熱を給水用の配管に流れている水に移動させることで、低温空気の降温を行う。なお、降温部２４はこれに限られず、低温空気の熱を吸収して、低温空気の降温を行うものであればよい。
【００６１】
流体供給装置Ｂ２は、低温空気を降温してから燃料電池Ｃ１に供給することができるので、燃料電池モジュールＣ内の温度上昇時に燃料電池Ｃ１に供給する空気の温度を降下させるという効果を、第１実施形態に係る流体供給装置Ｂ１より顕著に発揮することができる。つまり、燃料電池Ｃ１に供給する空気の温度を同じだけ降下させる場合の高温空気と低温空気の流量の変更量を、流体供給装置Ｂ２は流体供給装置Ｂ１より少なくすることができる。また、流体供給装置Ｂ２は、燃料電池Ｃ１に供給する空気をすべて低温空気とした場合に、燃料電池モジュールＣ内の温度を、流体供給装置Ｂ１より低下させることができる。
【００６２】
なお、昇温部１４としてのバーナ冷却ジャケットによる空気の昇温により高温空気の温度が高くなりすぎる場合は、高温空気配管１２のバーナ冷却ジャケットの下流側に給水用の配管との熱交換器を配置して、高温空気の温度を降温するようにしてもよい。
【００６３】
なお、上記第１および第２実施形態では、温度Ｔが閾値温度Ｔ0以下のときは三方弁１５の開度を０％とし、温度Ｔが閾値温度Ｔ0を超えているときにのみ三方弁１５の開度を増加させる場合について説明したが、これに限られない。例えば、三方弁１５の開度を調整して、燃料電池モジュールＣ内の温度Ｔをフィードバック制御するようにしてもよい。すなわち、温度Ｔの目標温度Ｔ1を設定しておき、温度Ｔと目標温度Ｔ1との偏差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ1）をゼロにするように、三方弁１５の開度を調整するようにしてもよい。この場合でも１台のブロワ１１で高温空気と低温空気とを燃料電池Ｃ１に供給するので、燃料電池システムＡの効率をできるだけ低下させることなく、温度Ｔを目標温度Ｔ1に制御することができる。
【００６４】
なお、三方弁１５の代わりに２つの制御弁を用いて、一方の制御弁の開度に応じて他方の制御弁の開度を変化させるようにしてもよい。すなわち、一方の制御弁の開度が１００％のとき他方の制御弁の開度を０％とし、一方の制御弁の開度が０％のとき他方の制御弁の開度を１００％とするように調整するようにしてもよい。
【００６５】
なお、上記第１および第２実施形態においては、燃料電池Ｃ１が固体酸化物型燃料電池の場合について説明したが、これに限られない。本発明は、例えば溶融炭酸塩形燃料電池などの動作温度が高い燃料電池を用いる燃料電池モジュールに空気を供給する場合にも適用することができる。
【００６６】
なお、上記第１および第２実施形態においては、燃料電池Ｃ１に空気を供給する流体供給装置Ｂ１（Ｂ２）が、１系統のみの場合について説明したが、これに限られず、流体供給装置Ｂ１（Ｂ２）が複数系統設けられていても構わない。
【００６７】
本発明に係る流体供給装置、燃料電池システム、および流体供給方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る流体供給装置、燃料電池システム、および流体供給方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ  燃料電池システム
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２  流体供給装置
１１，２１  ブロワ（昇圧手段）
１２  高温空気配管（低温空気供給手段）
２２  低温空気配管（高温空気供給手段）
１３  流量計（高温空気流量測定手段）
２３  流量計（低温空気流量測定手段）
１４  昇温部（高温空気供給手段、昇温手段）
２４  降温部（低温空気供給手段、降温手段）
１５  三方弁（流量調整手段）
３  制御部
Ｃ  燃料電池モジュール
Ｃ１  燃料電池
Ｃ２  改質器
Ｄ  インバータ装置
Ｅ  排熱回収装置
【図１】
2012069493.tif 000003
【図２】
2012069493.tif 000004
【図３】
2012069493.tif 000005
【図４】
2012069493.tif 000006