(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システム、およびその燃料電池スタックの温度調節方法を提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う燃料電池３０を複数積層させた燃料電池スタック２０と、部分酸化改質器２２ａを介して炭化水素を含んでなる原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する改質器２２と、燃料電池スタック２０から排気される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを排ガス燃焼器２６で燃焼させて生成される燃焼ガスと、酸化剤ガスとの熱交換を行う熱交換器２４と、熱交換器２４を経由して燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する供給路であるメインライン５４と、熱交換器２４をバイパスして燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する供給路であるバイパスライン５７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】
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う燃料電池を複数積層させた燃料電池スタックと、
少なくとも部分酸化改質器を介して炭化水素を含んでなる原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを排ガス燃焼器で燃焼させて生成される燃焼ガスと、前記酸化剤ガスとの熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器を経由して前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第１供給路と、
前記熱交換器をバイパスして前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第２供給路と、
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの温度を計測する温度センサと、
前記第２供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第２の流量調整弁と、
前記第２の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、
を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第１の流量調整弁と、
前記第１の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、
を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１供給路または前記第２供給路に前記酸化剤ガスを供給するブロワ装置と、
前記ブロワ装置の出力制御を行う制御装置と、
を備えていることを特徴とする、請求項３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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、「燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤の供給量を削減し、酸化剤の予熱に必要な燃料のエネルギーを減少させる」固体酸化物形の燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法が記載されている。
また、特許文献２には、「固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することが可能な燃料電池システム」およびその起動方法が記載されている（いずれも要約および発明の名称を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０４４９６０号公報
【特許文献２】特開２０１２−００９２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電負荷を上げたときに、スタック温度が上昇して上限リミットを越えてしまう。
また、一般に空気流量は空気ブロワの出力に比例し所定であるため、空気ブロワの出力が最大値に到達すると、それ以上燃料電池の冷却ができず、発電出力が制限されてしまう。
また、燃料電池スタックのクーリングに多くの時間を要するため、点検・メンテナンス・修理などに着手するまでに長い時間がかかってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池スタックを効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う燃料電池を複数積層させた燃料電池スタックと、少なくとも部分酸化改質器を介して炭化水素を含んでなる原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを排ガス燃焼器で燃焼させて生成される燃焼ガスと、前記酸化剤ガスとの熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器を経由して前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第１供給路と、前記熱交換器をバイパスして前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第２供給路と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、燃料電池スタックに、第２供給路を介して、低温の酸化剤ガスを供給することができる。これによって、燃料電池スタックを冷却できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供できる。
【０００８】
また、本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度センサと、前記第２供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第２の流量調整弁と、前記第２の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、前記第１供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第１の流量調整弁と、前記第１の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、前記第１供給路または前記第２供給路に前記酸化剤ガスを供給するブロワ装置と、前記ブロワ装置の出力制御を行う制御装置と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
これらの構成によれば、燃料電池スタックをさらにより一層効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池スタックを効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの制御ブロックの構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムのＥＣＵが行うバイパスエア供給制御の処理手順を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの、（ａ）は空気流量とスタック温度の状態の変遷過程を説明する図、（ｂ）は空気流量と燃料電池スタックの発電出力の関係を説明する図、（ｃ）はスタック温度の経時変化を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの、（ａ）は運転中のスタック入口空気温度の経時変化を説明する図であり、（ｂ）は発電停止時からの燃料電池スタックのクーリング所要時間を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施形態の説明）
以下、本発明の一実施形態について説明する。以下では、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システム１０が、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である場合を例に挙げて説明する。また各図で重複する説明は適宜省略することがある。
【００１５】
＜システムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成説明図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（原燃料ポンプ１２を含む）１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ブロワ１６を含む）１８とを備える。なお、空気ブロワ１６はＥＣＵ５００（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）に接続される（図２で後述）。
また、燃料電池システム１０は、後述する部分酸化改質器２２ａに空気を供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ１０２を含む）１０４を備える。
そして、部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置１０４は、空気を部分酸化改質器２２ａに供給する部分酸化改質用酸化剤ガス通路１０６を備えている。
【００１６】
さらに燃料電池システム１０は、平板積層型の燃料電池スタック２０、改質器２２、熱交換器（ＨＥＸ）２４、蒸発器（ＥＶＰ）２５、排ガス燃焼器２６およびスタック用加熱器２８を備える。燃料電池スタック２０は、燃料ガス（水素ガスを主成分とする気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形の燃料電池３０を備える。複数の燃料電池３０は、鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、燃料電池積層方向（以下、単に積層方向という）両端には、エンドプレート３１ａ、３１ｂが配置される。なお、本実施形態では、燃料電池３０を鉛直方向に積層しているが、特に限られることなく、水平方向に積層してよい。
【００１７】
燃料電池３０は、例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極およびアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。
【００１８】
燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯが電解質のアノード電極側に供給される。
【００１９】
燃料電池スタック２０には、各酸化剤ガス流路４４の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、酸化剤ガス流路４４の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４８ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａおよび酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。
【００２０】
燃料電池スタック２０には、各燃料ガス流路４６の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔５０ａと、燃料ガス流路４６の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔５０ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔５０ａおよび燃料ガス出口連通孔５０ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。
【００２１】
改質器２２は、一般的に炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。本実施形態では、改質器２２は、部分酸化改質器（ＰＯＸ）２２ａと水蒸気改質器（ＳＲ）２２ｂとを備え、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとは、直列に接続される。
【００２２】
部分酸化改質器２２ａは、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と酸化剤ガスとの部分酸化反応により原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。
【００２３】
部分酸化改質器２２ａは、具体的には、原燃料中に含まれるメタン（ＣＨ４）のほか、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）およびブタン（Ｃ４Ｈ１０）などの炭素数が２以上の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化改質するための改質器である。部分酸化改質器２２ａは、約５００℃〜１０００℃の作動温度に設定される。部分酸化改質器２２ａは、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。
【００２４】
水蒸気改質器２２ｂは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。水蒸気改質器２２ｂは、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）またはＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。
【００２５】
熱交換器２４は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器２６は、燃料電池スタック２０から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させるとともに、熱交換器２４に供給する。
【００２６】
蒸発器２５は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、水蒸気を水蒸気通路７０を介して改質器２２の水蒸気改質器２２ｂに供給する。この際、混合器を用いて、原燃料通路５２（後述）を通流する原燃料と適宜混合してもよい。蒸発器２５は、燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）に、そして熱交換器２４よりも燃焼ガス流れ方向下流側に配置される。
【００２７】
スタック用加熱器２８は、燃料電池スタック２０の昇温、降温または温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータや燃焼バーナーなどが使用される。
【００２８】
燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）には、改質器（部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂ）２２、熱交換器２４、蒸発器２５および排ガス燃焼器２６が配置される。燃料電池スタック２０の積層方向他端側（エンドプレート３１ｂ側）には、スタック用加熱器２８が配置される。
【００２９】
原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器２２ａに供給する原燃料通路５２を備える。酸化剤ガス供給装置１８は、酸化剤ガスを熱交換器２４に供給する酸化剤ガス通路となるメインライン５４（第１供給路）を備える。また、酸化剤ガス供給装置１８は、熱交換器２４で熱交換された酸化剤ガスを燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給する酸化剤ガス供給通路５５を備える。さらには、メインライン５４から分岐する酸化剤ガス通路のバイパスライン５７（第２供給路）を備える。このバイパスライン５７は、熱交換器２４を迂回して酸化剤ガス供給通路５５の途上に接続され、酸化剤ガスである空気が熱交換器２４を介さずに燃料電池スタック２０へと供給される。
【００３０】
そして、酸化剤ガス供給通路５５の途上のうちバイパスライン５７との合流部よりも下流側の地点、例えば燃料電池スタック２０の入口付近には、温度センサＴ２が設置される。そして、温度センサＴ２はＥＣＵ５００に接続され、温度Ｔｓｉが送信される。
【００３１】
また、燃料電池システム１０は、空気ブロワ１６から熱交換器２４までの間のメインライン５４の途上において、流量調整弁Ｖ１（第１の流量調整弁）を備えている。流量調整弁Ｖ１は、ＥＣＵ５００に接続され、ＥＣＵ５００の指令に基いて例えば弁の開度の調整を実行する。このようにして、メインライン５４を通流する酸化剤ガスである空気の流量調整を行う。
【００３２】
また、燃料電池システム１０は、バイパスライン５７の途上において、流量調整弁Ｖ２（第２の流量調整弁）を備えている。流量調整弁Ｖ２は、ＥＣＵ５００に接続され、ＥＣＵ５００の指令に基いて例えば弁の開度の調整を実行する。このようにして、バイパスライン５７を通流する酸化剤ガスである空気の流量調整を行う。
【００３３】
以上を換言すると、本実施形態に係わる燃料電池システム１０は、メインライン５４および熱交換器２４をバイパスするバイパスライン５７を備え、さらに流量調整弁Ｖ１，Ｖ２によって、流量比を調整可能にしている。これによって、熱交換器２４後の高温の空気に熱交換器２４をバイパスした低温の空気を混合させることができる。また、メインライン５４とバイパスライン５７の流量比を可変にできるので、燃料電池スタック２０に入る空気温度（温度Ｔｓｉ）、ひいては燃料電池スタック２０の温度（温度Ｔｓｏ）を調整することができる。なお、流量調整弁Ｖ１，Ｖ２はいずれか一方が省略されていてもよい。
【００３４】
部分酸化改質器２２ａには、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給する燃料ガス通路５８が接続される。燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが直列に接続される。具体的には、部分酸化改質器２２ａは、水蒸気改質器２２ｂよりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置される。
【００３５】
燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口連通孔４８ｂには、燃料電池スタック２０から排出される酸化剤排ガス（排空気）を排ガス燃焼器２６に導入させる酸化剤排ガス通路（排ガス出口）６０が接続される。
また、燃料電池スタック２０の燃料ガス出口連通孔５０ｂには、燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる燃料排ガス通路（排ガス出口）６２が接続される。さらには、燃料排ガス通路６２の途上のうち、燃料電池スタック２０の出口付近には温度センサＴ１が設置される。そして、温度センサＴ１はＥＣＵ５００に接続され、温度Ｔｓｏが送信される。なお、温度センサＴ１の設置場所は、燃料電池スタック２０の内部の化学反応の温度を略検知することができる場所であれば、特にこの場所には限定されない。
【００３６】
排ガス燃焼器２６の出口側には、燃焼ガス通路６４の一端が連通するとともに、燃焼ガス通路６４の他端が熱交換器２４に接続される。熱交換器２４の出口側には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス（排ガス）を排出する排気通路６６が接続される。排気通路６６の途上には、蒸発器２５が配置される。
【００３７】
蒸発器２５の入口側には、水供給通路６８が接続されるとともに、蒸発器２５の出口側には、水蒸気通路７０の一端が接続される。水蒸気通路７０の他端は、部分酸化改質器２２ａを介して水蒸気改質器２２ｂに接続される。
【００３８】
＜システムの動作＞
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス供給装置１８では、空気ブロワ１６の駆動作用下に酸化剤ガス通路のメインライン５４およびバイパスライン５７に空気が供給される。そして、メインライン５４の空気は、流量調整弁Ｖ１、熱交換器２４を介して酸化剤ガス供給通路５５に供給される。一方、バイパスライン５７の空気は、流量調整弁Ｖ２を介して、熱交換器２４を介さずに酸化剤ガス供給通路５５に供給される。
また、部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置１０４では、空気ポンプ１０２の駆動作用下に部分酸化改質用酸化剤ガス通路１０６に空気が供給される。
【００３９】
一方、原燃料供給装置１４では、原燃料ポンプ１２の駆動作用下に原燃料通路５２に、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）などの原燃料が供給される。原燃料は、部分酸化改質器２２ａ内に供給される。このため、部分酸化改質器２２ａ内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、部分酸化改質が開始される。
【００４０】
例えば、Ｏ２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器２２ａから高温（約５００℃〜１０００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。
【００４１】
高温の還元ガスは、水蒸気改質器２２ｂを加温するとともに、燃料ガス通路５８を介して燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給される。燃料電池スタック２０では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路４６を流通した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂから燃料排ガス通路６２に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路６２に連通する排ガス燃焼器２６内に導入される。
【００４２】
排ガス燃焼器２６には、後述するように、空気（酸化剤排ガス）が供給されており、空気と還元ガスとが、自己着火され、または着火手段（図示せず）により着火され、燃焼される。排ガス燃焼器２６内に発生した燃焼ガスは、熱交換器２４に供給される。熱交換器２４では、供給された空気が燃焼ガスにより昇温される。燃焼ガスは、排気通路６６を介して蒸発器２５内に導入されて排気される。
【００４３】
昇温された空気は、酸化剤ガス供給通路５５を通って燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給される。この空気は、各酸化剤ガス流路４４を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂから酸化剤排ガス通路６０に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器２６に導入されて、燃焼処理に使用される。このため、排ガス燃焼器２６では、燃焼により燃料電池スタック２０をエンドプレート３１ａ側から輻射または伝熱加熱するとともに、改質器２２を加熱する。
【００４４】
上記の酸化剤ガス供給装置１８および原燃料供給装置１４の駆動と同時に、スタック用加熱器２８が駆動される。従って、燃料電池スタック２０は、エンドプレート３１ｂ側からも加熱される。
【００４５】
そこで、蒸発器２５、燃料電池スタック２０および水蒸気改質器２２ｂが、水凝縮温度以上に昇温された際、水が蒸発器２５に供給され、水蒸気が得られる。この水蒸気は、水蒸気通路７０を通って部分酸化改質器２２ａから水蒸気改質器２２ｂに送られる。
【００４６】
部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂでは、空気の供給が停止されており、不図示の混合器を介すなどして原燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。混合ガスは、部分酸化改質器２２ａで部分酸化改質、および水蒸気改質器２２ｂ内で水蒸気改質され、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素が改質されて水素を主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、燃料電池スタック２０に供給される。そして、発電時には、部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂで改質された燃料ガスが、燃料電池スタック２０に供給されて、空気との化学反応により発電が行われる。
【００４７】
燃料電池スタック２０の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路４４を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４６を流通する。これにより、各燃料電池３０のカソード電極に空気が供給されるとともに、アノード電極に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００４８】
改質器２２は、原燃料と酸化剤ガスとの部分酸化反応により原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する部分酸化改質器２２ａを備えている。また、改質器２２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器２２ｂを備えている。部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとは、直列に接続されている。
【００４９】
このため、起動時には、部分酸化改質器２２ａにより燃料電池スタック２０の昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器２２ｂにより改質効率に優れた改質が促進され、発電効率および熱効率が良好に向上する。
【００５０】
また、燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２ａが、水蒸気改質器２２ｂよりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されている。従って、起動時には、部分酸化改質器２２ａにより燃料電池スタック２０および水蒸気改質器２２ｂの昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器２２ｂにより改質効率に優れた改質が促進され、発電効率および熱効率が良好に向上する。
【００５１】
しかも、部分酸化改質器２２ａは、発熱反応であるとともに、水蒸気改質器２２ｂは、吸熱反応である。これにより、水蒸気改質器２２ｂの温度が低下した際、部分酸化改質器２２ａから熱エネルギを供給することが可能になる。
【００５２】
さらにまた、燃料電池システム１０は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、水蒸気を水蒸気改質器２２ｂに供給する蒸発器２５を備えている。その際、蒸発器２５は、熱交換器２４から燃焼ガスが排出される排気通路６６に配置されている。これにより、蒸発器２５では、水が燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することができ、起動性および熱効率の向上が良好に図られる。
【００５３】
＜制御ブロックの構成＞
次に、図２を参照しながら、本実施形態に係わる燃料電池システム１０の制御ブロックの構成を説明する。なお、本実施形態において、ＥＣＵ５００は温度センサＴ１の値（温度Ｔｓｏ）に基いて流量調整弁Ｖ１，Ｖ２の弁の開度を制御する。これによって、バイパスライン５７を介して燃料電池スタック２０に酸化剤ガスとして所望の冷却空気（クールエア）を供給するものである。
図２に示すように、ＥＣＵ５００には、入力側として、温度センサＴ１，Ｔ２が接続されて温度情報が入力される。また、図１では不図示の運転スイッチが接続されて燃料電池システム１０の発電指令に係わるＯＮ／ＯＦＦなどの運転信号が入力される。
さらには、ＥＣＵ５００には、出力側として、バイパスライン５７側の流量調整弁Ｖ２、メインライン５４側の流量調整弁Ｖ１、空気ブロワ１６（ブロワ装置）が接続される。
【００５４】
ＥＣＵ５００は温度情報取得部５０１、状態判定部５０２、バイパス側流量調整弁制御部５０３、メイン側流量調整弁制御部５０４、空気ブロワ制御部５０５を含んでなる。なお、各部の機能は不図示の記憶部に記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭ（Random Access Memory）上に展開し、プロセッサが実行することで具現化される。
【００５５】
温度情報取得部５０１は、温度センサＴ１，Ｔ２から温度情報を取得して、状態判定部５０２に引き渡す。
状態判定部５０２は、運転スイッチからのＯＮ／ＯＦＦなどの運転情報および、温度情報取得部５０１から受け継いだ温度センサＴ１，Ｔ２の情報に基いて、所定の条件（詳細は図３で後述）が成立するか否かを判定する。
バイパス側流量調整弁制御部５０３は、バイパスライン５７の途上に設置された流量調整弁Ｖ２の弁の開度調整に係わる駆動制御を掌る。
メイン側流量調整弁制御部５０４は、メインライン５４の途上に設置された流量調整弁Ｖ１の弁の開度調整に係わる駆動制御を掌る。
空気ブロワ制御部５０５は、酸化剤ガス供給装置１８の空気ブロワ１６に係わる出力制御を掌る。
【００５６】
以上を換言すると、ＥＣＵ５００は流量調整弁Ｖ１（第１の流量調整弁）および流量調整弁Ｖ２（第２の流量調整弁）の開度調整を行うとともに、空気ブロワ１６（ブロワ装置）の出力制御を行う制御装置である。
【００５７】
＜バイパスエア供給制御＞
次に、図３のフローチャートを参照しながら、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムのＥＣＵが行うバイパスラインを用いた空気（エア）供給制御の処理手順を説明する。なお、この処理を開始する前提として、燃料電池システム１０は運転中であるものとする。
ステップＳ１０において、ＥＣＵ５００の状態判定部５０２は、燃料電池システム１０の発電停止信号を受信したか否かを判定する。これは、例えば運転スイッチからＯＦＦ信号を受信したか否かで判定すればよい。ステップＳ１０でＹｅｓのときはステップＳ１３０に進む。ステップＳ１０でＮｏのときはステップＳ２０に進む。
【００５８】
ステップＳ１０でＮｏのとき、ステップＳ２０において状態判定部５０２は、燃料電池スタック２０の温度（温度Ｔｓｏ）が所定の目標温度の範囲内（Ｔｇｌ≦Ｔｓｏ≦Ｔｇｈ）にあるか否かを判定する。なお、燃料電池スタック２０の温度は前述した通り、燃料電池スタック２０の燃料排ガス（アノードオフガス）の出口温度を計測する温度センサＴ１の値（温度Ｔｓｏ）で代用することができる。なお、目標温度の上限値Ｔｇｈ，目標温度の下限値Ｔｇｌは、燃料電池スタック２０の所定の反応温度帯（７００℃〜７５０℃）をそれぞれ超えないよう、例えば７５０℃をわずかに下回るとともに、７００℃をわずかに上回るよう設定することが望ましい。ステップＳ２０でＹｅｓのときはステップＳ１００に進む。ステップＳ２０でＮｏのときはステップＳ３０に進む。
【００５９】
ステップＳ２０でＮｏのとき、ステップＳ３０において状態判定部５０２は、燃料電池スタック２０の温度（温度Ｔｓｏ）が所定の目標温度の上限値（温度Ｔｇｈ）よりも高いか否かを判定する（Ｔｓｏ＞Ｔｇｈ）。ステップＳ３０でＹｅｓのときはステップＳ７０に進む。ステップＳ３０でＮｏのときはステップＳ４０に進む。
【００６０】
ステップＳ３０でＮｏのときは、燃料電池スタック２０の温度が所定の目標温度の範囲内でなく（ステップＳ２０→Ｎｏ）、温度センサＴ１の値（温度Ｔｓｏ）が目標温度の上限値Ｔｇｈよりも低い（ステップＳ３０→Ｎｏ）、つまり目標温度の下限値Ｔｇｌよりも低いときである。この場合は、ステップＳ４０においてＥＣＵ５００のバイパス側流量調整弁制御部５０３は、バイパスライン５７の途上に設けられた流量調整弁Ｖ２の弁の開度が現状の開度よりも閉まる方向に制御する。
そして、ステップＳ５０において、メイン側流量調整弁制御部５０４は、メインライン５４の途上の流量調整弁Ｖ１の弁の開度を、現状の開度よりも開く方向に制御する。
さらには、ステップＳ６０において、空気ブロワ制御部５０５は、熱交換器２４の内部における圧力損失の発生を考慮し、空気ブロワ１６の出力を現状よりも増大させる方向に制御して、ステップＳ１０にリターンする。
これによって、バイパスライン５７を流れる空気流量を減少させるとともに、メインライン５４を流れる空気流量を増加させることができる。ゆえに、燃料電池スタック２０に熱交換器２４を経由した高温の空気を大量に供給することができる。また、速やかに燃料電池スタック２０の温度（温度Ｔｓｏ）が目標温度の下限値Ｔｇｌよりも高くなるように誘導できる。
【００６１】
ステップＳ３０でＹｅｓ、すなわち燃料電池スタック２０の温度が所定の目標温度の上限値Ｔｇｈよりも高いとき、ステップＳ７０においてＥＣＵ５００のバイパス側流量調整弁制御部５０３は、流量調整弁Ｖ２の弁の開度を現状の開度よりも開く方向に制御する。
そして、ステップＳ８０において、メイン側流量調整弁制御部５０４は、流量調整弁Ｖ１の弁の開度を現状の開度よりも閉まる方向に制御する。
さらには、ステップＳ９０において、空気ブロワ制御部５０５は、燃料電池スタック２０の冷却を早く行うため、空気ブロワ１６の出力を現状よりも増大させる方向に制御して、ステップＳ１０にリターンする。
これによって、バイパスライン５７を流れる空気流量を増加させるとともに、メインライン５４を流れる空気流量を減少させることができる。ゆえに、燃料電池スタック２０の過昇温を防ぐことができる。また、速やかに燃料電池スタック２０の温度（温度Ｔｓｏ）が目標温度の上限値Ｔｇｈよりも低い温度となるように誘導できる。
【００６２】
ステップＳ２０でＹｅｓのとき、ステップＳ１００においてＥＣＵ５００のバイパス側流量調整弁制御部５０３は、流量調整弁Ｖ２の弁の開度を現状の開度よりも開く方向に制御する。
そして、ステップＳ１１０において、メイン側流量調整弁制御部５０４は、流量調整弁Ｖ１の弁の開度を現状の開度よりも閉まる方向に制御する。
さらには、ステップＳ１２０において、空気ブロワ制御部５０５は、空気ブロワ１６の出力を現状よりも減少させる方向に制御して、ステップＳ１０にリターンする。
【００６３】
また、ステップＳ１０でＹｅｓのときは、燃料電池システム１０による発電を停止させ、速やかに燃料電池スタック２０をクールダウンさせることが望まれる。
この場合は、ステップＳ１３０においてＥＣＵ５００のバイパス側流量調整弁制御部５０３は、流量調整弁Ｖ２の弁の開度を全開の方向に制御する。
そして、ステップＳ１４０において、メイン側流量調整弁制御部５０４は、流量調整弁Ｖ１の弁の開度を全閉の方向に制御する。
さらには、ステップＳ１５０において、空気ブロワ制御部５０５は、空気ブロワ１６の出力が最大となるように制御して、本フローを終了する。
このようにすることで、空気ブロワ１６によって供給された冷えた空気（外気）の全量を、熱交換器２４を迂回するバイパスライン５７を介して、燃料電池スタック２０に供給することができる。これによって、燃料電池スタック２０の効率的なクールダウンを実現することができる。このため、内部点検などをすぐに行えるようになる。
【００６４】
以上を換言すると、ＥＣＵ５００は、温度センサＴ１の計測値（温度Ｔｓｏ）が所定の目標温度の範囲を外れて高いとき（ステップＳ３０→Ｙｅｓ）、または燃料電池システム１０の発電を停止させるときは（ステップＳ１０→Ｙｅｓ）、流量調整弁Ｖ２を開いて流量調整弁Ｖ１を閉じる方向に制御するとともに、空気ブロワ１６の出力を増大させる。
また、ＥＣＵ５００は、温度センサＴ１の計測値（温度Ｔｓｏ）が所定の目標温度の範囲内にあるときは（ステップＳ２０→Ｙｅｓ）、流量調整弁Ｖ２を開いて流量調整弁Ｖ１を閉じる方向に制御するとともに、空気ブロワ１６の出力を減少させる。
【００６５】
なお、ステップＳ４０〜ステップＳ６０、ステップＳ７０〜ステップＳ９０、ステップＳ１００〜ステップＳ１２０、ステップＳ１３０〜ステップＳ１５０の各処理はそれぞれ、必ずしもこの順序で実行されることを要しない。さらには、それぞれが並行処理されてもよい。例えば、ステップＳ４０〜ステップＳ６０の各処理は、ステップＳ５０→ステップＳ４０→ステップＳ６０の順で順次処理してもよいし、ステップＳ４０、ステップＳ５０、ステップＳ６０の各処理を、時間的に重複するように並行処理してもよい。ステップＳ７０〜ステップＳ９０、ステップＳ１００〜ステップＳ１２０、ステップＳ１３０〜ステップＳ１５０についても同様である。
また、ステップＳ６０、ステップＳ９０、ステップＳ１００〜ステップＳ１２０、ステップＳ１５０の処理は必ずしも必須でなく、適宜省略して現状維持のままとしてもよい。
【００６６】
次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実施形態に係わる燃料電池システム１０の、（ａ）では空気流量とスタック温度の状態の変遷過程を、（ｂ）では空気流量と燃料電池スタックの発電出力の関係を、（ｃ）ではスタック温度の経時変化を説明する。
まず、図４（ａ）を参照して、燃料電池システム１０の酸化剤ガス供給通路５５の空気流量、および燃料電池スタック２０の温度の関係が、状態Ｐにある場合を考える。このとき、燃料電池システム１０がバイパスライン５７を備えていないと、空気ブロワ１６の出力を減少させて酸化剤ガス供給通路５５の空気流量を少なくすると、状態Ｑへと遷移してしまう（状態Ｐ→状態Ｑ）。つまり、酸化剤ガス供給通路５５の空気流量を少なくすると、燃料電池スタック２０の温度が上昇してしまう。
しかし、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、バイパスライン５７を備えている。ゆえに、仮に空気ブロワ１６の出力を所定値とし、空気流量は所定量のまま不変でも、バイパスライン５７を介して低温の空気を燃料電池スタック２０に供給できる。ゆえに、燃料電池スタック２０の温度を下げることができる（状態Ｑ→状態Ｒ）。
つまり、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、状態Ｐ→（白抜き矢印）状態Ｒに示すように、バイパスライン５７でクールエアを燃料電池スタック２０に供給できるので、スタック温度を維持しつつ、空気ブロワ１６の出力を減少させて空気流量を減らすことができる。（前述した図３のステップＳ１００〜ステップＳ１２０の処理を併せて参照のこと。）また、状態Ｐから空気ブロワ１６の出力を減少させて空気流量を減らしても、状態Ｐ→状態Ｑのようにスタック温度を昇温させることなく、スタック温度を維持することができる（状態Ｐ→（白抜き矢印）状態Ｒ）。
【００６７】
ここで図４（ｂ）も併せて参照する。つまり、本実施形態の燃料電池システム１０は、スタック温度を維持、すなわち発電出力を維持しつつ、空気流量を減らすことができる（図中矢印α参照）。つまり、空気ブロワ１６の所定の流量範囲（送風能力）はそのままに、バイパスライン５７の冷却空気を併用することで燃料電池スタック２０の昇温を押さえ、発電を継続させることができる。つまり、発電時間の範囲を広げることができるので、発電出力を大きくできる。また、空気ブロワ１６の出力を下げて運転できるので、空気ブロワ１６自体の消費電力を削減しつつ、それ以外のその他の負荷の利用可能電力の発電範囲を拡張できる。
【００６８】
また、図４（ｃ）に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０はバイパスライン５７の低温の空気で燃料電池スタック２０を冷却することができるので、例え発電負荷が上昇するなどした場合でも、燃料電池スタック２０の昇温を抑制することができる。（図中矢印β参照。）
また、燃料電池スタック２０を速やかに冷却し、所定の目標温度の範囲内に戻すことができる（Ｔｓｏ＜Ｔｇｈ）。
【００６９】
次に、図５は本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの、（ａ）は運転中のスタック入口空気温度Ｔｓｉの経時変化を説明する図であり、（ｂ）は発電停止時からの燃料電池スタックのクーリング所要時間を説明する図である。
まず、図５（ａ）を参照して、本実施形態に係わる燃料電池システム１０の場合は、メインライン５４に加えて、熱交換器２４を迂回するバイパスライン５７を併用して、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック２０に供給できる。ゆえに、メインライン５４のみを用いる場合と比較して、運転中は常時低い温度（安定した温度）の空気を燃料電池スタック２０に供給することができる。
【００７０】
また、図５（ｂ）は、発電停止時からのスタック出口空気温度の経時変化を説明する図であり、燃料電池スタック２０のクーリング所要時間を説明する図である。
図５（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、発電停止時においても、バイパスライン５７を用いることで、低い温度の空気を燃料電池スタック２０に供給できる。ゆえに、クーリングの所要時間を大幅に短縮することができ、これによって、点検・メンテナンス・修理などに素早く着手することができる。つまり、作業効率を向上させることができる。
【００７１】
（作用・効果）
燃料電池システム１０によれば、発電出力が高出力のときに、空気の流量を減らしても燃料電池スタック２０の温度を過昇温させることなく適正に温度調整できる。ゆえに、空気ブロワ１６の流量の上限リミットまでに余裕を確保することができる。その結果として、発電範囲を広げることができる（図４（ｂ）参照）。
また、空気の流量を減らすことができるので、空気ブロワ１６の消費電力も低減することができ、経済的になる。さらには、燃料電池スタック２０の劣化に伴って発熱量が増加することがあるが、その効果的な冷却が可能になる。
また、熱交換器２４をバイパスした低温の空気で燃料電池スタック２０を冷却可能なので、発電負荷を上げた時の燃料電池スタック２０の温度上昇を早めに抑制できる（図４（ｃ）参照）。これによって、燃料電池スタック２０が、所定の反応温度の上限超えの状態、すなわち７５０℃超のリミットオーバー状態となることを防止できる。
また、発電停止時に熱交換器２４をバイパスした低温の空気で燃料電池スタック２０を冷却可能なので、クーリング所要時間を大幅に短縮することができる。これによって、点検・メンテナンス・修理などに着手するまでの時間が短縮される。
【００７２】
上記した実施形態は本発明を分かりやすくするために詳細に説明したものであり、必ずしも、説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、制御線や情報線、電源線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしもすべての制御線や情報線、電源線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成機器が相互に接続されていると考えてもよい。
【００７３】
また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成の一部もしくは全てを加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００７４】
（変形例）
具体的には、上記実施形態では流量調整弁Ｖ１，Ｖ２を別個に備えるものとしたが、例えば３方弁で１つに統合してもよい。この場合は、メインライン５４とバイパスライン５７の分岐点に設置する。また、３方弁の各流路の開度が独立に制御できるものを用いる。
また、燃料電池スタック２０の温度（温度Ｔｓｏ）の計測地点は、燃料排ガス通路６２の燃料電池スタック２０の出口温度付近に限定されず、例えば酸化剤排ガス通路６０の燃料電池スタック２０の出口温度付近、または燃料電池スタック２０の内部温度を直接計測してもよい。また、ＥＣＵ５００のバイパス側流量調整弁制御部５０３、メイン側流量調整弁制御部５０４、空気ブロワ制御部５０５は、図３のフローチャートで温度センサＴ２の計測値の温度Ｔｓｉを、各制御の補正パラメータとして適宜参照してもよい。
また、空気ブロワ１６と空気ポンプ１０２は別個の装置として説明したが、同一の装置であってもよい。その場合には、酸化剤ガス流路を適宜分岐させて引き回せばよい。
また、例えばＥＣＵ５００は流量調整弁Ｖ１，Ｖ２の開閉制御のみを行い、空気ブロワ１６の出力制御は行わない構成であってもよい。
また、改質器２２は部分酸化改質のみを行うもの（シフト反応器付き）であってもよく、水蒸気改質のみを行うものであってもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１０…燃料電池システム
１２…原燃料ポンプ                        １４…原燃料供給装置
１６…空気ブロワ（ブロワ装置）、１０２…空気ポンプ  １８…酸化剤ガス供給装置
２０…燃料電池スタック                    ２２…改質器
２２ａ…部分酸化改質器                    ２４…熱交換器
２５…蒸発器                              ２６…排ガス燃焼器
２８…スタック用加熱器                    ３０…燃料電池
４４…酸化剤ガス流路                      ４６…燃料ガス流路
４８ａ…酸化剤ガス入口連通孔              ４８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔                ５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２…原燃料通路                          ５４…メインライン（第１供給路）
５７…バイパスライン（第２供給路）        ５８…燃料ガス通路
６０…酸化剤排ガス通路                    ６２…燃料排ガス通路
６４…燃焼ガス通路                        ６６…排気通路
６８…水供給通路                          ７０…水蒸気通路
１０４…部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置  ５００…ＥＣＵ（制御装置）
Ｔ１，Ｔ２…温度センサ                    Ｔｓｏ，Ｔｓｉ…温度
Ｖ１，Ｖ２…流量調整弁（第１の流量調整弁，第２の流量調整弁）
【図１】
2017183222.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2017183222.tif 000006
【図５】
2017183222.tif 000007