JP2017050049A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池からの排ガスを効率良く有効活用する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、燃料電池３と、燃料予熱器８と、空気予熱器１０と、燃焼器１１と、燃料ガス供給管４と、空気供給管１３と、排ガス供給管１７と、排ガス供給管１８と、燃料温度センサ３１と、空気温度センサ３２と、各排ガス供給管１７，１８を流れる排ガスの流量を調整する流量調整部４０と、燃料温度センサ３１により検出された燃料温度と、空気温度センサ３２により検出された空気温度との差が小さくなるように、流量調整部４０の動作を制御する制御装置２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池と、燃料を気化させる燃料気化器と、空気を予熱する空気予熱器と、燃料電池からの排ガスを燃焼する燃焼器と、を備えている。この燃料電池システムでは、燃料電池からの排ガスを、燃料気化器へ供給する第一流路と、燃焼器を通して空気予熱器へ供給する第二流路とに分けて排気している。第一流路により燃料気化器へ供給された排ガスは、燃料の気化に利用されている。第二流路により燃焼器を通して空気予熱器へ供給された排ガスは、空気の予熱に利用されている。

特許第３６１４１１０号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、第一流路を流れる排ガスの流量と、第二流路を流れる排ガスの流量とが成り行きでしか決まらない。このため、例えば、燃料の気化に利用されている排ガスの流量と、空気の予熱に利用されている排ガスの流量とを最適に分配することができず、燃料電池からの排ガスを効率良く有効活用することができない。

本発明は、燃料電池からの排ガスを効率良く有効活用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。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池と、燃料を予熱する燃料予熱器と、空気を予熱する空気予熱器と、燃料電池から排出された排ガスを燃焼する燃焼器と、燃料予熱器により予熱された燃料ガスを燃料電池へ供給する燃料流路と、空気予熱器により予熱された空気を燃料電池へ供給する空気流路と、燃焼器により燃焼された排ガスを燃料予熱器へ供給する第一排ガス流路と、燃焼器により燃焼された排ガスを空気予熱器へ供給する第二排ガス流路と、燃料電池へ供給される燃料の温度を検出する燃料温度センサと、燃料電池へ供給される空気の温度を検出する空気温度センサと、第一排ガス流路を流れる排ガスの流量と第二排ガス流路を流れる排ガスの流量とを調整する流量調整部と、燃料温度センサにより検出された燃料ガスの温度と、空気温度センサにより検出された空気の温度との差が小さくなるように、流量調整部の動作を制御する制御部と、を備える。

本発明に係る燃料電池システムでは、制御部によって、燃料温度センサにより検出された燃料ガスの温度と、空気温度センサにより検出された空気の温度との差が小さくなるように、流量調整部の動作が制御される。これにより、流量調整部は、燃料予熱器から燃料電池へ流入する燃料ガスの温度と、空気予熱器から燃料電池へ流入する空気の温度とが均一になるように、第一排ガス流路及び第二排ガス流路のそれぞれを流れる排ガスの流量を調整することができる。その結果、燃料電池の温度を動作温度に到達し易くすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。以上より、燃料電池からの排ガスを効率良く活用することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、第一排ガス流路と第二排ガス流路とは、燃焼器よりも下流側の位置で分岐しており、流量調整部は、第一排ガス流路と第二排ガス流路との分岐点に配設されていてもよい。この場合、第一排ガス流路と第二排ガス流路との分岐点に流量調整部が配設された簡易な構成により、燃料電池からの排ガスを効率良く活用することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、流量調整部は、第一排ガス流路における燃料予熱器よりも下流側の位置に配設され、第一排ガス流路を流れる排ガスの流量を調整する第一流量調整部と、第二排ガス流路における空気予熱器よりも下流側の位置に配設され、第二排ガス流路を流れる排ガスの流量を調整する第二流量調整部と、を有していてもよい。第一排ガス流路において、燃料予熱器よりも下流側の位置の排ガスの温度は、燃料予熱器よりも上流側の位置の排ガスの温度よりも低い。第二排ガス流路において、空気予熱器よりも下流側の位置の排ガスの温度は、空気予熱器よりも上流側の位置の排ガスの温度よりも低い。よって、第一流量調整部及び第二流量調整部が、第一排ガス流路及び第二排ガス流路におけるこのような排ガスの温度が低い位置に配設されていることにより、第一流量調整部及び第二流量調整部に対する温度負荷を抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池からの排ガスを効率良く活用することができる燃料電池システムが提供される。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 燃料電池システムの起動運転時に、制御装置により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。 制御装置による流量調整部の動作の制御処理の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図１において、燃料電池システム１は、改質器２と、燃料電池３と、燃料タンク５と、ポンプ６と、燃料気化器７と、燃料予熱器８と、エアコンプレッサ９と、空気予熱器１０と、燃焼器１１と、を備えている。

改質器２は、例えばＡＴＲ（Auto Thermal Reforming）型の改質器である。改質器２は、空気を導入してアンモニア（ＮＨ_３）を改質することで、水素を含有する燃料ガスを生成する。改質器２には、燃料電池システム１の起動運転時（後述）に改質器２を加熱する始動用の電気ヒータ１９が設けられている。また、改質器２には、改質器２内の触媒の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。

燃料電池３は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide FuelCell）である。燃料電池３は、燃料ガス供給管４（燃料流路）を介して改質器２と接続されていると共に、空気供給管１３（空気流路）を介してエアコンプレッサ９に接続されている。燃料電池３は、改質器２により生成された燃料ガスと、エアコンプレッサ９からの空気とを用いて発電を行う。燃料電池３は、複数の単セルが積層されてなるスタック構造を有している。単セルは、アノード（燃料極）３ａと、カソード（空気極）３ｂと、アノード３ａとカソード３ｂとの間に配置された電解質（不図示）とを有している。アノード３ａには、燃料ガス供給管４が接続されており、燃料ガス供給管４を介して燃料ガスが導入される。カソード３ｂには、空気供給管１３が接続されており、空気供給管１３を介して空気が導入される。電解質は、安定化ジルコニア等のセラミックで構成されている。

燃料電池３には、燃料電池３の温度を検出する温度センサ２１が設けられている。温度センサ２１は、例えば燃料電池３における未反応の燃料ガスが排出される出口付近の温度を検出する。

燃料タンク５は、アンモニアを液体状態で貯蔵する。燃料タンク５は、例えば常温（約２０〜２５℃程度）且つ数気圧（約８〜１０気圧程度）でアンモニアを貯蔵する。

ポンプ６は、アンモニア供給管１２を介して改質器２と接続されている。ポンプ６は、燃料タンク５に貯蔵された液体状態のアンモニア（以下、液体アンモニア）を改質器２に向けて送り出す。

燃料気化器７は、アンモニア供給管１２に配設されている。つまり、燃料気化器７は、ポンプ６と改質器２との間に配置されている。燃料気化器７は、液体アンモニアを気化させる。

燃料予熱器８は、燃料ガス供給管４に配設されている。つまり、燃料予熱器８は、改質器２と燃料電池３との間に配置されている。燃料予熱器８は、燃料電池３に送り込む燃料ガスを、燃料電池３からの排ガスと熱交換して予熱する。燃料ガス供給管４は、燃料予熱器８により予熱された燃料ガスを燃料電池３へ供給する燃料流路である。

エアコンプレッサ９は、空気を吹き出して燃料電池３及び改質器２へ圧送する。エアコンプレッサ９は、空気供給管１３を介して燃料電池３と接続されている。空気供給管１３の一端部は、エアコンプレッサ９に接続されており、空気供給管１３の他端部は、燃料電池３のカソード３ｂと接続されている。

空気供給管１３には、空気供給管１４が分岐接続されている。空気供給管１４の一端部は、エアコンプレッサ９に接続されており、空気供給管１４の他端部は、改質器２に接続されている。エアコンプレッサ９から空気供給管１３に吹き出された空気の一部は、空気供給管１４を介して改質器２へ供給される。空気供給管１４には、バルブ１５が配設されている。バルブ１５は、エアコンプレッサ９から改質器２へ供給される空気の流量を調整する電磁式の流量調整弁である。

空気予熱器１０は、空気供給管１３に配設されている。つまり、空気予熱器１０は、エアコンプレッサ９と燃料電池３との間に配置されている。空気予熱器１０は、エアコンプレッサ９から燃料電池３に送り込まれる空気を燃料電池３からの排ガスとの間で熱交換して予熱する。空気供給管１３は、空気予熱器１０により予熱された空気を燃料電池３へ供給する空気流路である。

燃焼器１１は、排気管１６に配設されている。燃焼器１１は、排気管１６を介して燃料電池３のアノード３ａ及びカソード３ｂと接続されている。排気管１６には、アノード３ａから排出された未反応の燃料ガスとカソード３ｂから排出された未反応の空気との混合ガスが排ガス（オフガス）として流れる。燃焼器１１は、排ガスを燃焼する。具体的には、燃焼器１１は、排ガス中に残存する水素及びアンモニアを燃焼し、触媒で分解して除外する。燃焼器１１により排ガスが燃焼されると、排ガスの温度が上昇する。

また、燃料電池システム１は、燃焼器１１により燃焼された排ガスを燃料予熱器８へ供給する排ガス供給管１７（第一排ガス流路）と、燃焼器１１により燃焼された排ガスを空気予熱器１０へ供給する排ガス供給管１８（第二排ガス流路）と、を備えている。以下、上流側及び下流側とは、燃料電池３からの排ガスが燃料予熱器８又は空気予熱器１０へ供給される供給方向（以下、単に「排気方向」ともいう）での上流側及び下流側を示す。

排ガス供給管１７と排ガス供給管１８とは、一つの流路である排気管１６から排気方向で燃焼器１１よりも下流側の位置で互いに分岐している。すなわち、排ガス供給管１７と排ガス供給管１８とは、排気管１６における燃焼器１１よりも下流側に位置する分岐点４１から分岐している。

排ガス供給管１７には、燃料予熱器８及び燃料気化器７が配設されている。燃料予熱器８及び燃料気化器７は、排ガス供給管１７の上流側から下流側に向かって、燃料予熱器８、及び燃料気化器７の順に並んで位置している。燃料予熱器８は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの廃熱を利用した熱交換によって、燃料ガスを予熱する。燃料気化器７は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの廃熱によって、液体アンモニアを気化させる。排ガス供給管１７を流れる排ガスは、排ガス供給管１７における燃料気化器７よりも下流側（すなわち、排気方向で燃料気化器７よりも下流側）で大気開放される。

排ガス供給管１８には、空気予熱器１０が配設されている。空気予熱器１０は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの廃熱を利用した熱交換によって、空気を予熱する。排ガス供給管１８を流れる排ガスは、排ガス供給管１８における空気予熱器１０よりも下流側（すなわち、排気方向で空気予熱器１０よりも下流側）で大気開放される。

さらに、燃料電池システム１は、燃料温度センサ３１と、空気温度センサ３２と、流量調整部４０と、制御装置２２（制御部）と、を備えている。

燃料温度センサ３１は、燃料ガス供給管４における燃料予熱器８と燃料電池３との間に配設されている。燃料温度センサ３１は、燃料予熱器８を通って燃料電池３へ供給される燃料ガスの温度を検出する。すなわち、燃料温度センサ３１は、燃料予熱器８により予熱された後に燃料電池３へ流入してくる燃料ガスの温度を検出する。燃料温度センサ３１は、例えば燃料電池３に燃料ガスが流入してくる入口付近の温度を検出する。

空気温度センサ３２は、空気供給管１３における空気予熱器１０と燃料電池３との間に配設されている。空気温度センサ３２は、空気予熱器１０を通って燃料電池３へ供給される空気の温度を検出する、すなわち、空気温度センサ３２は、空気予熱器１０により予熱された後に燃料電池３へ流入してくる空気の温度を検出する。空気温度センサ３２は、例えば燃料電池３に空気が流入してくる入口付近の温度を検出する。

流量調整部４０は、排気方向で少なくとも燃焼器１１よりも下流側に位置し、排気方向で少なくとも燃焼器１１よりも下流側を流れる排ガスの流量を調整する。流量調整部４０は、例えば、排ガス供給管１７と排ガス供給管１８との分岐点４１に配設されている。流量調整部４０は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量と排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量とを調整する。流量調整部４０は、例えば可変オリフィス弁、バタフライバルブ、又は比例制御電磁弁等の流量制御弁である。流量調整部４０の動作は、制御装置２２によって制御される。

制御装置２２は、燃料電池システム１の運転時にシステム全体を制御する。具体的には、制御装置２２は、温度センサ２１，３３の検出値等に基づいて、ポンプ６、エアコンプレッサ９、バルブ１５、及び電気ヒータ１９を制御する。さらに、本実施形態では、制御装置２２は、燃料温度センサ３１により検出された燃料ガスの温度と、空気温度センサ３２により検出された空気の温度とに基づいて、流量調整部４０の動作を制御する。

制御装置２２は、燃料温度センサ３１により検出された燃料ガスの温度（以下、「燃料温度」とも称する）と、空気温度センサ３２により検出された空気の温度（以下、「空気温度」とも称する）とを取得し、両者の温度に差がある場合には、この差が小さくなるように、流量調整部４０の動作を制御する。

ここで、燃料温度と空気温度とに差がある場合とは、例えば燃料温度と空気温度とが略同じであるとみなせない程度の差（例えば１０℃以上）がある場合である。つまり、燃料温度と空気温度とに差がある場合とは、燃料温度と空気温度との差が所定値以上である場合をいう。また、燃料温度と空気温度との差が小さいとは、例えば、燃料温度と空気温度とが略同じであるとみなせる程度の差（例えば１０℃未満）であることをいう。つまり、燃料温度と空気温度との差が小さいとは、燃料温度と空気温度との差が所定値未満であることをいう。以下、燃料温度と空気温度との差が小さいことを、燃料温度と空気温度とが均一であるともいう。

燃料温度と空気温度とに差がある場合として、例えば、燃料温度が燃料電池３の動作温度（例えば、約７００℃程度）を超えているのに対し、空気温度が燃料電池３の動作温度よりも低い場合がある。例えば、燃料温度が約７４５℃程度であるのに対し、空気温度が約６１３℃程度である場合等である。このように、燃料温度が燃料電池３の動作温度を超えていても、空気温度が燃料電池３の動作温度よりも低いと、燃料電池３を動作温度まで暖め難く、燃料電池３の温度が動作温度に到達するまでに時間がかかってしまう。

そこで、この場合、制御装置２２は、空気予熱器１０で熱交換に利用される排ガスの流量が、燃料予熱器８に利用される排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０を制御する。すなわち、制御装置２２は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量が排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０の動作を制御する。これにより、流量調整部４０は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量を、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量よりも増やす。

その結果、空気予熱器１０による空気との熱交換に利用される排ガスの熱量が大きくなるため、空気温度をより効率的に高めて燃料温度に近づけることができる。すなわち、燃料温度と空気温度とを均一にすることができる。よって、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができ、燃料電池３の温度を効率的に動作温度へ到達させることができる。また、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができるため、燃料電池３における熱応力の負荷を緩和することができる。

また、燃料温度と空気温度とに差がある場合として、例えば、燃料温度が燃料電池３の動作温度よりも低いのに対し、空気温度が燃料電池３の動作温度を超えている場合がある。

この場合、制御装置２２は、燃料予熱器８に利用される排ガスの流量が、空気予熱器１０で熱交換に利用される排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０を制御する。すなわち、制御装置２２は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量が排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０を制御する。これにより、流量調整部４０は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量を、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量よりも増やす。

その結果、燃料予熱器８による燃料ガスとの熱交換に利用される排ガスの熱量が大きくなるため、燃料温度をより効率的に高めて空気温度に近づけることができる。すなわち、燃料温度と空気温度とを均一にすることができる。よって、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができ、燃料電池３の温度を効率的に動作温度へ到達させることができる。また、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができるため、燃料電池３における熱応力の負荷を緩和することができる。

また、例えば、燃料温度及び空気温度の何れもが燃料電池３の動作温度に達していない場合にも、上記同様、制御装置２２は、燃料温度と空気温度との温度差が小さくなるように、流量調整部４０の動作を制御する。

具体的には、制御装置２２は、燃料温度の方が空気温度よりも高い場合には、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量が排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０を制御する。また、制御装置２２は、空気温度の方が燃料温度よりも高い場合には、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量が排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０を制御する。

これらの場合にも、燃料温度と空気温度とを均一にすることができる。よって、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができ、燃料電池３の温度を効率的に動作温度へ到達させることができる。また、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができるため、燃料電池３における熱応力の負荷を緩和することができる。

なお、例えば、燃料温度及び空気温度の何れもが燃料電池３の動作温度に達している場合にも、上記同様、制御装置２２は、燃料温度と空気温度との温度差が小さくなるように、流量調整部４０の動作を制御してもよい。この場合にも、燃料温度と空気温度とを均一にすることができる。よって、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができ、燃料電池３における熱応力の緩和を抑制することができる。

制御装置２２が流量調整部４０の動作を上述のように制御する際、各排ガス供給管１７，１８を流れる排ガスの流量の流量差は、例えば燃料温度と空気温度との温度差に応じて予め設定されていてもよい。当該流量差は、燃料温度と空気温度との温度差が大きいほど大きくてもよい。制御装置２２は、燃料温度と空気温度とが略同じ温度になるまでの所定時間、流量調整部４０の動作の上述したような制御を続行する。

次に、以上のような燃料電池システム１における起動運転時から通常運転を開始するまでの動作を説明する。図２は、燃料電池システム１の起動運転時に、制御装置２２により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。ここで、起動運転とは、燃料電池３の温度が動作温度（例えば、約７００℃程度）に達する前に実施される運転である。通常運転とは、燃料電池３の温度が動作温度に達したときに実施される運転である。

燃料電池システム１の電源スイッチ（不図示）がＯＮになると、起動運転の実行が開始される。図２に示すように、まず、制御装置２２は、始動用の電気ヒータ１９をＯＮにするように制御する（Ｓ１）。これにより、改質器２の温度が上昇すると共に、燃料電池３の温度が上昇する。

続いて、制御装置２２は、エアコンプレッサ９により空気を吹き出すようにエアコンプレッサ９を制御する（Ｓ２）。これにより、改質器２及び燃料電池３に空気が供給される。

続いて、制御装置２２は、温度センサ３３の検出値に基づき、改質器２の触媒が活性温度に達したか否かを判定する（Ｓ３）。改質器２の触媒が活性温度に達していない場合（Ｓ３；ＮＯ）、Ｓ２の処理に戻る。一方、改質器２の触媒が活性温度に達している場合（Ｓ３；ＹＥＳ）には、Ｓ４の処理へ進む。すなわち、制御装置２２は、ポンプ６により液体アンモニアを改質器２に向けて送り出すようにポンプ６を制御する（Ｓ４）。これにより、液体アンモニアが燃料気化器７により気化される。そして、気化されたアンモニアが改質器２に供給される。

アンモニア及び空気が改質器２に導入されると、その熱により水素を含む燃料ガスが生成される。なお、改質器２から排出されるときの燃料ガスの温度が例えば約７００℃を超えるように、アンモニアの量が予め設定されていてもよい。燃料ガスは、燃料ガス供給管４を通って燃料予熱器８に送られる。燃料予熱器８では、排ガス供給管１７を流れる排ガスの廃熱により燃料ガスが熱交換されて予熱される。予熱された燃料ガスは、燃料ガス供給管４を通って燃料電池３のアノード３ａに供給される。

また、エアコンプレッサ９によって常温の空気が空気供給管１３を通って空気予熱器１０に送られる。空気予熱器１０では、排ガス供給管１８を流れる排ガスの廃熱により常温の空気が熱交換されて予熱される。予熱された空気は、空気供給管１３を通って燃料電池３のカソード３ｂに供給される。

燃料ガス及び空気が燃料電池３に導入されると、燃料電池３において、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが化学反応して水が生成されると共に、直流電力が発生する。燃料電池３で発生した直流電力は、インバータ２３により交流電力に変換される。そして、交流電力は、電力負荷２４に供給される。

燃料電池３からは、排ガス（オフガス）が排出される。排ガスは、排気管１６を通って燃焼器１１に供給され、燃焼器１１により燃焼される。燃焼器１１で燃焼された排ガスは、排ガス供給管１７を通って燃料予熱器８及び燃料気化器７に供給される。そして、その排ガスの廃熱が、燃料予熱器８による燃料ガスの予熱及び燃料気化器７による液体アンモニアの気化に利用される。また、燃焼器１１で燃焼された排ガスは、排ガス供給管１８を通って空気予熱器１０に供給される。そして、その排ガスの廃熱が、空気予熱器１０による空気の予熱に利用される。

続いて、制御装置２２は、流量調整部４０によって各排ガス供給管１７，１８を流れる排ガスの流量が調整されるように、流量調整部４０の動作を制御する（Ｓ５）。なお、Ｓ５の処理は、例えば、改質器２の触媒が活性温度に達してから燃料電池３の温度が動作温度（例えば、約７００℃程度）に達するまでの間行われてもよい。流量調整部４０の動作の制御処理の手順の一例は、図３を参照して後述する。

続いて、制御装置２２は、始動用の電気ヒータ１９をＯＦＦするように制御する（Ｓ６）。すなわち、制御装置２２は、起動運転を終了して、通常運転を開始する。なお、Ｓ３の判定により改質器２の触媒が活性温度に達していると判定された場合、触媒が活性化されることによりアンモニアが燃焼して熱を発生するようになるため、電気ヒータ１９は、燃料電池３の温度が動作温度に達する前にＯＦＦされてもよい。すなわち、Ｓ６の処理は、Ｓ５の処理が終了した後でなく、Ｓ５の処理の前又はＳ５の処理の途中で行われてもよい。以上より、燃料電池システム１における起動運転時から通常運転を開始するまでの動作が終了する。

次に、図３を参照して、制御装置２２による流量調整部４０の動作の制御処理の手順を説明する。図３は、制御装置２２による流量調整部４０の動作の制御処理の手順を示すフローチャートである。

図３に示すように、流量調整部４０の動作の制御が開始すると、まず、制御装置２２は、燃料温度センサ３１及び空気温度センサ３２の検出値を取得する（Ｓ５１）。すなわち、制御装置２２は、燃料温度及び空気温度を取得する。

続いて、制御装置２２は、燃料温度及び空気温度の少なくとも一方が燃料電池３の動作温度未満であるか否かを判定する（Ｓ５２）。燃料温度及び空気温度の少なくとも一方が燃料電池３の動作温度未満ではない場合（Ｓ５２；ＮＯ）、すなわち、燃料温度及び空気温度の何れもが燃料電池３の動作温度以上である場合、Ｓ５（図２参照）の処理を終了する。

燃料温度及び空気温度の少なくとも一方が燃料電池３の動作温度未満である場合（Ｓ５２；ＹＥＳ）、制御装置２２は、燃料温度と空気温度とに差があるか否かを判定する（Ｓ５３）。つまり、制御装置２２は、燃料温度と空気温度とが略同じであるとみなせない程度の差（例えば１０℃以上）があるか否かを判定する。燃料温度と空気温度とに差がない場合（Ｓ５３；ＮＯ）、すなわち燃料温度と空気温度とが略同じであるとみなせる程度の差（例えば１０℃未満）である場合、Ｓ５（図２参照）の処理を終了する。

燃料温度と空気温度とに差がある場合（Ｓ５３；ＹＥＳ）、制御装置２２は、燃料温度が空気温度より高いか否かを判定する（Ｓ５４）。この判定結果に応じて、制御装置２２は、燃料温度と空気温度との温度差が小さくなるように、流量調整部４０の動作を制御する。すなわち、燃料温度が空気温度より高い場合（Ｓ５４；ＹＥＳ）、制御装置２２は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量が排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０の動作を制御する（Ｓ５５）。一方、燃料温度が空気温度よりも低い場合（Ｓ５４；ＮＯ）、制御装置２２は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量が排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量よりも多くなるように、流量調整部４０の動作を制御する（Ｓ５６）。Ｓ５５又はＳ５６の処理の後、再度Ｓ５１の処理を繰り返す。以上が、制御装置２２による流量調整部４０の動作の制御処理の手順である。

以上、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、制御装置２２によって、燃料温度と空気温度との差が小さくなるように、流量調整部４０の動作が制御される。これにより、流量調整部４０は、燃料予熱器８から燃料電池３へ流入する燃料ガスの温度と、空気予熱器１０から燃料電池３へ流入する空気の温度とが均一になるように、排ガス供給管１７及び排ガス供給管１８のそれぞれを流れる排ガスの流量を調整することができる。その結果、燃料電池３の温度を動作温度に達し易くすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。以上より、燃料電池３からの排ガスを効率良く活用することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、排ガス供給管１７と排ガス供給管１８との分岐点４１に流量調整部４０が配設された簡易な構成により、燃料電池３からの排ガスを効率良く活用することができる。

さらに、燃料電池システム１によれば、燃料ガス及び空気を均一な温度で燃料電池３に流入させることができ、燃料電池３における熱応力の緩和を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａを示す概略構成図である。

本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、上記実施形態に係る燃料電池システム１と同様、改質器２と、燃料電池３と、燃料タンク５と、ポンプ６と、燃料気化器７と、燃料予熱器８と、エアコンプレッサ９と、空気予熱器１０と、燃焼器１１と、排ガス供給管１７（第一排ガス流路）と、排ガス供給管１８（第二排ガス流路）と、燃料温度センサ３１と、空気温度センサ３２と、制御装置２２（制御部）と、を備えている。

本実施形態に係る燃料電池システム１Ａが上記実施形態に係る燃料電池システム１と異なる点は、流量調整部４０に代えて、二つの流量調整部４２，４４を備えている点である。すなわち、燃料電池システム１Ａにおいては、流量調整部が第一流量調整部及び第二流量調整部を有して構成されている。各流量調整部４２，４４は、例えば可変オリフィス弁、バタフライバルブ、又は比例制御電磁弁等の流量制御弁である。

流量調整部４２（第一流量調整部）は、排ガス供給管１７における最下流側である燃料気化器７よりも下流側の位置に配設されている。すなわち、流量調整部４２は、排ガス供給管１７における排気方向で燃料予熱器８よりも下流側の位置に配設されている。排ガス供給管１７において、排気方向で燃料予熱器８よりも下流側の位置の排ガスの温度は、排気方向で燃料予熱器８よりも上流側の位置の排ガスの温度よりも低い。流量調整部４２は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量を調整する。

流量調整部４４（第二流量調整部）は、排ガス供給管１８における最下流側である空気予熱器１０よりも下流側の位置に配設されている。すなわち、流量調整部４４は、排ガス供給管１８における排気方向で空気予熱器１０よりも下流側の位置に配設されている。排ガス供給管１８において、排気方向で空気予熱器１０よりも下流側の位置の排ガスの温度は、排気方向で空気予熱器１０よりも上流側の位置の排ガスの温度よりも低い。流量調整部４４は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量を調整する。

各流量調整部４２，４４の動作は、制御装置２２によって制御される。制御装置２２は、燃料温度センサ３１により検出された燃料温度と、空気温度センサ３２により検出された空気温度とに基づいて、各流量調整部４２，４４の動作を制御する。制御装置２２は、燃料温度と空気温度とを取得し、両者の温度に差がある場合には、この差が小さくなるように、各流量調整部４２，４４の動作を制御する。

具体的に、燃料温度の方が空気温度よりも高い場合には、制御装置２２は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量よりも排ガス供給管１８を流れる排ガスの方が多くなるように、各流量調整部４２，４４の動作を制御する。これにより、流量調整部４２は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量を減らし、流量調整部４４は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量を増やす。

また、空気温度の方が燃料温度よりも高い場合には、制御装置２２は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量よりも排ガス供給管１７を流れる排ガスの方が多くなるように、各流量調整部４２，４４の動作を制御する。これにより、流量調整部４４は、排ガス供給管１８を流れる排ガスの流量を減らし、流量調整部４２は、排ガス供給管１７を流れる排ガスの流量を増やす。

以上、本実施形態に係る燃料電池システム１によっても、制御装置２２によって、燃料温度と空気温度との差が小さくなるように、各流量調整部４２，４４の動作が制御される。これにより、各流量調整部４２，４４は、燃料予熱器８から燃料電池３へ流入する燃料ガスの温度と、空気予熱器１０から燃料電池３へ流入する空気の温度とが均一になるように、各排ガス供給管１７，１８を流れる排ガスの流量を調整することができる。その結果、燃料電池３の温度を動作温度に到達し易くすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。以上より、燃料電池３からの排ガスを効率良く活用することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、排ガス供給管１７及び排ガス供給管１８における排ガスの温度が低い位置に流量調整部４２，４４が配設されていることにより、流量調整部４２，４４に対する温度負荷を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。

例えば、流量調整部が配設されている位置は、上記実施形態に限られない。流量調整部は、例えば排ガス供給管１７における燃料気化器７よりも上流側の位置（すなわち、排気方向で燃料気化器７よりも上流側の位置）、及び、排ガス供給管１８における空気予熱器１０よりも上流側の位置（すなわち、排気方向で空気予熱器１０よりも上流側の位置）の少なくとも一方に配設されていてもよい。

上記実施形態において、制御装置２２による流量調整部４０の動作の制御処理の手順として、燃料温度及び空気温度の少なくとも一方が燃料電池３の動作温度未満ではない場合（Ｓ５２；ＮＯ）、すなわち、燃料温度及び空気温度の何れもが燃料電池３の動作温度以上である場合、Ｓ５の処理を終了するとしたが、これに限られない。例えば、燃料温度及び空気温度の何れもが燃料電池３の動作温度以上である場合にも、制御装置２２は、燃料温度と空気温度とに差が小さくなるように、流量調整部４０の動作を制御してもよい。

また、上記実施形態において、液体アンモニアを貯蔵する燃料タンク５を備えているが、燃料タンクに貯蔵される燃料としては、特に液体アンモニアに限られず、軽油または都市ガス等であってもよい。また、水素を貯蔵する燃料タンクを備え、燃料タンク内の水素を直接燃料電池３に供給するようにしてもよい。この場合には、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器が不要となる。

１，１Ａ…燃料電池システム、３…燃料電池、４…燃料ガス供給管（燃料流路）、８…燃料予熱器、１０…空気予熱器、１１…燃焼器、１３…空気供給管（空気流路）、１７…排ガス供給管（第一排ガス流路）、１８…排ガス供給管（第二排ガス流路）、２２…制御装置（制御部）、３１…燃料温度センサ、３２…空気温度センサ、４０…流量調整部、４１…分岐点、４２…流量調整部（第一流量調整部）、４４…流量調整部（第二流量調整部）。

Claims (3)

1. 燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池と、
   燃料ガスを予熱する燃料予熱器と、
   空気を予熱する空気予熱器と、
   前記燃料電池から排出された排ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃料予熱器により予熱された前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給する燃料流路と、
   前記空気予熱器により予熱された前記空気を前記燃料電池へ供給する空気流路と、
   前記燃焼器により燃焼された前記排ガスを前記燃料予熱器へ供給する第一排ガス流路と、
   前記燃焼器により燃焼された前記排ガスを前記空気予熱器へ供給する第二排ガス流路と、
   前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの温度を検出する燃料温度センサと、
   前記燃料電池へ供給される前記空気の温度を検出する空気温度センサと、
   前記第一排ガス流路を流れる前記排ガスの流量と前記第二排ガス流路を流れる前記排ガスの流量とを調整する流量調整部と、
   前記燃料温度センサにより検出された前記燃料ガスの温度と、前記空気温度センサにより検出された前記空気の温度との差が小さくなるように、前記流量調整部の動作を制御する制御部と、を備える、燃料電池システム。
2. 前記第一排ガス流路と前記第二排ガス流路とは、前記燃焼器よりも下流側の位置で分岐しており、
   前記流量調整部は、前記第一排ガス流路と前記第二排ガス流路との分岐点に配設されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記流量調整部は、前記第一排ガス流路における前記燃料予熱器よりも下流側の位置に配設され、前記第一排ガス流路を流れる前記排ガスの流量を調整する第一流量調整部と、前記第二排ガス流路における前記空気予熱器よりも下流側の位置に配設され、前記第二排ガス流路を流れる前記排ガスの流量を調整する第二流量調整部と、を有している、請求項１に記載の燃料電池システム。

Images