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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024169127
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】燃料電池の制御方法、及び燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04746 20160101AFI20241128BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/04313 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20241128BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04746
H01M8/04014
H01M8/04537
H01M8/0438
H01M8/04858
H01M8/04313
H01M8/0432
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023086344
(22)【出願日】2023-05-25
(71)【出願人】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002468
【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】野田 哲史
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB16
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA33
5H127BA37
5H127BA41
5H127BA47
5H127BB02
5H127BB27
5H127BB28
5H127CC03
5H127CC11
5H127DB02
5H127DB22
5H127DB43
5H127DB66
5H127DC02
5H127DC12
5H127DC22
5H127DC45
5H127DC72
5H127EE13
5H127EE15
5H127EE20
5H127EE23
(57)【要約】
【課題】改質触媒を有する燃料電池の発電状態を良好に維持するとともに酸化剤ガスを供給する際の消費電力を低減する燃料電池の制御方法、及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池スタック１１のアノードに炭化水素を含む燃料を供給し、第１の燃料電池スタック１１のカソードに空気を供給して発電する燃料電池の制御方法であって、第１の燃料電池スタック１１の発電量及び発電効率に基づいて第１の燃料電池スタック１１の発熱量を算出し、燃料の流量と第１の燃料電池スタック１１の燃料利用率に基づいて炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、発熱量と吸熱量との和が０よりも大きくなるように燃料の流量を制御し、制御後の燃料の流量に基づいて空気の流量を制御する。
【選択図】図２
【解決手段】炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池スタック１１のアノードに炭化水素を含む燃料を供給し、第１の燃料電池スタック１１のカソードに空気を供給して発電する燃料電池の制御方法であって、第１の燃料電池スタック１１の発電量及び発電効率に基づいて第１の燃料電池スタック１１の発熱量を算出し、燃料の流量と第１の燃料電池スタック１１の燃料利用率に基づいて炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、発熱量と吸熱量との和が０よりも大きくなるように燃料の流量を制御し、制御後の燃料の流量に基づいて空気の流量を制御する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池のアノードに前記炭化水素を含む燃料を供給し、前記第１の燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池の制御方法であって、
前記第１の燃料電池の発電量及び発電効率に基づいて前記第１の燃料電池の発熱量を算出し、
前記燃料の流量と前記第１の燃料電池の燃料利用率に基づいて前記炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、
前記発熱量と前記吸熱量との和が０よりも大きくなるように前記燃料の流量を制御し、
制御後の前記燃料の流量に基づいて前記酸化剤ガスの流量を制御する燃料電池の制御方法。
前記第１の燃料電池の発電量及び発電効率に基づいて前記第１の燃料電池の発熱量を算出し、
前記燃料の流量と前記第１の燃料電池の燃料利用率に基づいて前記炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、
前記発熱量と前記吸熱量との和が０よりも大きくなるように前記燃料の流量を制御し、
制御後の前記燃料の流量に基づいて前記酸化剤ガスの流量を制御する燃料電池の制御方法。
【請求項2】
前記第１の燃料電池に接続された負荷を制御して前記第１の燃料電池の出力電圧又は出力電流を制御することで前記発電量を制御する請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項3】
前記酸化剤ガスの流量を制御して前記第１の燃料電池の温度を調整することで前記発電効率を制御する請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項4】
炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックのアノードに前記炭化水素を含む燃料を供給する燃料供給部と、
前記第１の燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料供給部及び前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と、を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記第１の燃料電池スタックの発電量及び発電効率に基づいて前記第１の燃料電池スタックの発熱量を算出し、
前記燃料の流量に基づいて前記炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、
前記発熱量と前記吸熱量との和が０よりも大きくなるように前記燃料供給部の前記燃料の流量を制御し、
制御後の前記燃料の流量に基づいて前記酸化剤ガス供給部の前記酸化剤ガスの流量を制御する燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックのアノードに前記炭化水素を含む燃料を供給する燃料供給部と、
前記第１の燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料供給部及び前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と、を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記第１の燃料電池スタックの発電量及び発電効率に基づいて前記第１の燃料電池スタックの発熱量を算出し、
前記燃料の流量に基づいて前記炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、
前記発熱量と前記吸熱量との和が０よりも大きくなるように前記燃料供給部の前記燃料の流量を制御し、
制御後の前記燃料の流量に基づいて前記酸化剤ガス供給部の前記酸化剤ガスの流量を制御する燃料電池システム。
【請求項5】
前記制御部は、
前記第１の燃料電池スタックに接続された負荷を制御して前記第１の燃料電池スタックの出力電圧又は出力電流を制御することで前記発電量を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックに接続された負荷を制御して前記第１の燃料電池スタックの出力電圧又は出力電流を制御することで前記発電量を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記制御部は、
前記酸化剤ガスの流量を制御して前記第１の燃料電池スタックの温度を調整することで前記発電効率を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガスの流量を制御して前記第１の燃料電池スタックの温度を調整することで前記発電効率を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記酸化剤ガス供給部と前記第１の燃料電池スタックとの間には前記酸化剤ガスを加熱する熱交換器が配置され、
前記制御部は、
前記酸化剤ガスの流量を制御して前記第１の燃料電池スタックの温度を調整することで前記発電効率を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、
前記酸化剤ガスの流量を制御して前記第１の燃料電池スタックの温度を調整することで前記発電効率を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
前記改質触媒を含まない第２の燃料電池スタックを含み、
前記燃料供給部は、前記第１の燃料電池スタックのアノード入口に向けて前記燃料を供給し、
前記第１の燃料電池スタックのアノード出口は前記第２の燃料電池スタックのアノード入口に接続され、
前記酸化剤ガス供給部は、前記第２の燃料電池スタックのカソード入口に向けて、前記酸化剤ガスを供給し、
前記第２の燃料電池スタックのカソード出口は、前記第１の燃料電池スタックのカソード入口に接続され、
前記第１の燃料電池スタックの電池セル枚数に対する前記第２の燃料電池スタックの電池セル枚数の比率、又は前記第１の燃料電池スタックの発電反応が行われる領域の面積に対する前記第２の燃料電池スタックの発電反応が行われる領域の面積の比率をｘとしたとき、
０．０８≦ｘ≦０．３３
の関係を満たす請求項４に記載の燃料電池システム。
前記燃料供給部は、前記第１の燃料電池スタックのアノード入口に向けて前記燃料を供給し、
前記第１の燃料電池スタックのアノード出口は前記第２の燃料電池スタックのアノード入口に接続され、
前記酸化剤ガス供給部は、前記第２の燃料電池スタックのカソード入口に向けて、前記酸化剤ガスを供給し、
前記第２の燃料電池スタックのカソード出口は、前記第１の燃料電池スタックのカソード入口に接続され、
前記第１の燃料電池スタックの電池セル枚数に対する前記第２の燃料電池スタックの電池セル枚数の比率、又は前記第１の燃料電池スタックの発電反応が行われる領域の面積に対する前記第２の燃料電池スタックの発電反応が行われる領域の面積の比率をｘとしたとき、
０．０８≦ｘ≦０．３３
の関係を満たす請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項9】
前記第１の燃料電池スタックのアノード出口と前記第２の燃料電池スタックのアノード入口との間には、水蒸気又は二酸化炭素を除去する除去手段が配置されている請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項10】
前記除去手段は、前記水蒸気又は前記二酸化炭素を分離する分離膜である請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項11】
前記除去手段は、前記水蒸気を凝集する凝縮器である請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項12】
前記第１の燃料電池スタックのカソード出口と前記第２の燃料電池スタックのアノード出口に接続され、前記第１の燃料電池スタックのカソード出口から供給されたカソードオフガスと前記第２の燃料電池スタックのアノード出口から供給されたアノードオフガスとを混合して燃焼する燃焼器と、
前記酸化剤ガス供給部と前記第２の燃料電池スタックの間に配置され、前記燃焼器から排出された燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給部から供給された前記酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、を含み、
前記熱交換器により加熱された前記酸化剤ガスが前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックを暖気する場合において、
前記制御部は、
前記熱交換器で加熱された前記酸化剤ガスの温度が前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックが発電反応を実行可能な下限温度以上となるように前記燃焼ガスの目標温度を設定し、
前記燃焼ガスの温度が前記目標温度となるように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項８に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス供給部と前記第２の燃料電池スタックの間に配置され、前記燃焼器から排出された燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給部から供給された前記酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、を含み、
前記熱交換器により加熱された前記酸化剤ガスが前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックを暖気する場合において、
前記制御部は、
前記熱交換器で加熱された前記酸化剤ガスの温度が前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックが発電反応を実行可能な下限温度以上となるように前記燃焼ガスの目標温度を設定し、
前記燃焼ガスの温度が前記目標温度となるように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項13】
前記第１の燃料電池スタックのカソード出口と前記第２の燃料電池スタックのアノード出口に接続され、前記第１の燃料電池スタックのカソード出口から供給されたカソードオフガスと前記第２の燃料電池スタックのアノード出口から供給されたアノードオフガスとを混合して燃焼する燃焼器と、
前記酸化剤ガス供給部と前記第２の燃料電池スタックの間に配置され、前記燃焼器から排出された燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給部から供給された前記酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、を含み、
前記制御部は、
前記第２の燃料電池スタックの温度が前記第２の燃料電池スタックが発電反応を実行可能な下限温度以上となるように且つ前記第１の燃料電池スタックの温度が所定の上限温度を超えないように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項８に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス供給部と前記第２の燃料電池スタックの間に配置され、前記燃焼器から排出された燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給部から供給された前記酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、を含み、
前記制御部は、
前記第２の燃料電池スタックの温度が前記第２の燃料電池スタックが発電反応を実行可能な下限温度以上となるように且つ前記第１の燃料電池スタックの温度が所定の上限温度を超えないように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項14】
前記制御部は、
前記燃焼ガスの温度が前記燃焼器の耐熱上限温度を超えないように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記燃焼ガスの温度が前記燃焼器の耐熱上限温度を超えないように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項15】
前記制御部は、
前記燃焼ガスの温度が前記燃焼器において窒素酸化物の生成を低減する仕様上限温度を超えないように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記燃焼ガスの温度が前記燃焼器において窒素酸化物の生成を低減する仕様上限温度を超えないように前記燃料の流量及び前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項１２又は請求項１３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、燃料電池の制御方法、及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池スタックと、改質触媒を有しない第２の燃料電池スタックが直列に接続され、炭化水素を含む燃料が第１の燃料電池側から供給され、酸化剤ガスが第２の燃料電池側から供給される燃料電池システムにおいて、第１の燃料電池スタックのカソード出口に温度センサを配置し、当該温度センサが検知する温度に基づいて第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックの温度を制御する技術を開示している。当該技術により、スタック内部の最高温度を推定することが可能となり、スタック内部温度過大による劣化を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０２１／２３４４２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、温度センサのみで酸化剤ガスの流量を制御した場合当該流量が過大となり、酸化剤ガスを供給する際の消費電力が増加するおそれがある。
【0005】
本発明は、改質触媒を有する燃料電池の発電状態を良好に維持するとともに酸化剤ガスを供給する際の消費電力を低減する燃料電池の制御方法、及び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】
【0006】
本発明による燃料電池の制御方法は、炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池のアノードに炭化水素を含む燃料を供給し、第１の燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池の制御方法である。この制御方法では、第１の燃料電池の発電量及び発電効率に基づいて第１の燃料電池の発熱量を算出し、燃料の流量と第１の燃料電池の燃料利用率に基づいて炭化水素を改質する際の吸熱量を算出する。そして、発熱量と吸熱量との和が０よりも大きくなるように燃料の流量を制御し、制御後の燃料の流量に基づいて酸化剤ガスの流量を制御する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、第１の燃料電池スタックにおいて吸熱反応で吸熱する熱量が発電を伴う発熱反応により発熱する熱量を超えない程度の流量の燃料を第１の燃料電池スタックに供給するので、第１の燃料電池スタックの失活を防止しより安定的な発電となることで電流を安定的に取り出して第１の燃料電池スタックの劣化を防止できる。また、酸化剤ガスの流量を改質後の燃料の発電反応に必要な酸素を供給可能となる最小の流量に低減でき、酸化剤ガスを供給する手段の消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図6】図６は、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックの合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を７５［％］、発電効率を７０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタックの電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタックの電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックのそれぞれの発熱量の分布である。
【図7】図７は、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックの合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を９４［％］、発電効率を７０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタックの電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタックの電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックのそれぞれの発熱量の分布である。
【図8】図８は、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックの合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を７５［％］、発電効率を６０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタックの電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタックの電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックのそれぞれの発熱量の分布である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0010】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
図１は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
【0011】
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システムは、第１の燃料電池スタック１１（ＳＴＫ１１）に対して燃料を供給する燃料供給系統と、第１の燃料電池スタック１１に対して空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系統と、第１の燃料電池スタック１１から排出されたアノードオフガスとカソードオフガスを混合して燃料する燃焼系統（燃焼器４、燃焼ガス通路４１）と、第１の燃料電池スタック１１から電力を取り出す電力系統と、システム全体を制御する制御系統を有し、主に車両（電動車両）に搭載される。
【0012】
燃料供給系統は、燃料タンク２１（ＴＡＮＫ）、インジェクタ２３（ＩＮＪ）を含む。空気供給系統は、ブロワ３２（ＢＬＷ）、熱交換器３３（ＨＥＸ）を含む。燃焼系統は燃焼器４（ＣＭＢ）、燃焼ガス通路４１を含む。
【0013】
電力系統は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１（ＣＯＭＶ）、バッテリ６２（ＢＡＴＴ）、駆動モータ６３（Ｍ）を含む。制御系統は、システム全体を制御する制御部７（ＣＯＮＴ）を含む。
【0014】
第１の燃料電池スタック１１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を備え、アノードガス（改質ガス）が供給されるアノード（燃料極）と、カソードガス（酸化剤ガス）として酸素を含む空気が供給されるカソード（空気極）により挟み込んで得られる電池セルを積層したものである。なお、本実施形態では、第１の燃料電池スタック１１（及び後述の第２の燃料電池スタック１２）は電池セルを積層したスタック構造を前提としているが、電池セルを積層させずに１つの電池セルにより構築してもよい、
【0015】
ここで、アノードとは、第１の燃料電池スタック１１（及び第２の燃料電池スタック１２）において、アノード電極のみならず、アノード電極にアノードガスを供給する内部流路、及びアノード電極で反応後のアノードオフガスを排出させる内部流路も含むものとする。同様に、カソードとは、第１の燃料電池スタック１１（及び第２の燃料電池スタック１２）において、カソード電極のみならず、カソード電極にカソードガスを供給する内部流路、及びカソード電極で反応後のカソードオフガスを排出させる内部流路も含むものとする。第１の燃料電池スタック１１（及び第２の燃料電池スタック１２）を構成する複数の電池セルは、アノード及びカソードに対して並列に接続されるが、電気的には直列に接続される。
【0016】
また、第１の燃料電池スタック１１には、燃料を改質可能な改質触媒が配置されている。第１の燃料電池スタック１１は、燃料を水素を包含するアノードガス（改質燃料）に改質し、改質したアノードガスと空気に含まれる酸素により発電する。よって、第１の燃料電池スタック１１では、発電を伴う発熱反応と改質に伴う吸熱反応が発生する。
【0017】
なお、後述の第２実施形態において、第１の燃料電池スタック１１は、改質により生成したアノードガスであって第１の燃料電池スタック１１の発電反応で消費しなかった分を第２の燃料電池スタック１２に供給する。第１の燃料電池スタック１１において、燃料の流通方向と空気の流通方向は互いに逆向きとなっている。
【0018】
燃料供給系統において、燃料タンク２１は、例えばメタン（炭化水素）、又はメタンを主成分とする天然ガスからなる燃料（ガス）を高圧で蓄えるものであり、インジェクタ２３に対して燃料を改質用燃料として供給する。
【0019】
燃料供給系統は、燃料タンク２１からインジェクタ２３を介して燃料を第１の燃料電池スタック１１のアノードに供給する燃料流路２２を有する。
【0020】
インジェクタ２３は、燃料が圧入されるノズルボディ（不図示）と、ノズルボディの先端にある燃料噴射孔（不図示）を閉止する方向に付勢されたプランジャロッド（不図示）と、プランジャロッドを当該付勢の方向とは逆方向に移動させるソレノイド（不図示）を備える。
【0021】
インジェクタ２３において、ソレノイドに指令信号（電流）を印加することでソレノイドがプランジャロッドを当該逆方向に移動させるように駆動し、これによりプランジャロッドが燃料噴射孔を開放して燃料を噴射する。また、指令信号（電流）を停止することでソレノイドの駆動を停止させ、プランジャロッドが付勢力により移動して燃料噴射孔を閉止して燃料の噴射を停止させる。
【0022】
インジェクタ２３において、燃料噴射孔の開放・閉止のデューティー比は、指令信号（電流）のオン・オフのデューティー比に依存する。よって、インジェクタ２３は、指令信号（電流）のデューティー比を調整することで噴射する燃料の流量を調整することができる。
【0023】
空気供給系統は、空気（酸化剤ガス）を第１の燃料電池スタック１１のカソードに供給する空気流路３１を有する。そして、この空気流路３１に上流からブロワ３２、熱交換器３３が配置されている。
【0024】
ブロワ３２（酸化剤ガス供給部）は、外気を取り入れて空気（酸化剤ガス）を空気流路３１に供給するものである。
【0025】
熱交換器３３は、空気流路３１を介して第１の燃料電池スタック１１のカソードに連通しており、空気を燃焼器４から排出された燃焼ガスにより熱交換（加熱）して第１の燃料電池スタック１１のカソードに供給するものである。なお、熱交換後の燃焼ガスは燃焼ガス通路４１を通じて外部に排出される。
【0026】
燃焼系統において、燃焼器４は、第１の燃料電池スタック１１のアノード出口とカソード出口に連通している。燃焼器４にはアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスが導入される。燃焼器４は当該混合ガスを触媒燃焼して燃焼ガスを生成する。燃焼器４には、前記の触媒燃焼を行うための燃焼触媒（不図示）と、燃料が燃焼可能な温度になるまで燃焼触媒（不図示）を昇温するヒータ（不図示）と、を備える。また、燃焼器４には、燃料供給系統（燃料流路２２）から分岐したインジェクタ（不図示）から燃料供給を受けることもできる。本実施形態では、燃焼器４における燃焼ガスの生成量を制御することで、熱交換器３３における空気の熱交換量を制御している。
【0027】
温度センサ５１は、第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度を検出するものである。
【0028】
流量センサ５２は、ブロワ３２が取り込む空気（カソードガス）の流量を検出するものである。
【0029】
第１電圧センサ５３は、第１の燃料電池スタック１１の出力電圧を検出するものである。
【0030】
電流センサ５５は、直列接続された第１の燃料電池スタック１１とＤＣ／ＤＣコンバータ６１との間を流れる出力電流を検出するものである。
【0031】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、第１燃料電池スタックの１１に接続され、第１の燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してバッテリ６２又は駆動モータ６３に電力を供給するものである。
【0032】
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するとともに、駆動モータ６３に電力を供給することができる。
【0033】
駆動モータ６３は、インバータ（不図示）を介してバッテリ６２及びＤＣ／ＤＣコンバータ６１に接続され、車両の動力源となっている。また、駆動モータ６３は、車両の減速時において、駆動モータ６３は回生電力を発生させるが、これをバッテリ６２に充電させることができる。
【0034】
制御部７は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システムを制御するための処理を実行する。
【0035】
第１実施形態の燃料電池システムの起動は、まず制御部７が燃焼器４で生成される燃焼ガスの目標温度であって、熱交換器３３で当該燃焼ガスにより加熱された空気の温度が第１の燃料電池スタック１１（及び後述の第２の燃料電池スタック１２）が発電反応が可能となる下限温度以上となる目標温度を設定し、燃焼ガスの温度が当該目標温度となるようにインジェクタ２３及びブロワ３２の出力を設定する。すると、燃焼ガスの温度を目標温度とするための流量の燃料及び空気が第１の燃料電池スタック１１を通じて燃焼器４に供給され、燃焼器４で燃料と空気を混合して燃焼ガスが生成される。次に、目標温度で燃焼する燃焼ガスを熱交換器３３に供給することで空気と燃焼ガスとの熱交換を行い、加熱された空気を第１の燃料電池スタック１１に供給することで第１の燃料電池スタック１１（及び後述の第２の燃料電池スタック１２）を暖気する。
【0036】
そして制御部７は、第１の燃料電池スタック１１の温度（カソード入口の温度）が、発電反応が可能となる下限温度に到達すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を起動して発電を開始し、燃料及び空気の流量を発電時に必要となる流量に制御する。ここで、第１の燃料電池スタック１１で燃料（メタン）を改質可能となる下限温度は、発電反応が可能となる下限温度よりも低い。よって、第１の燃料電池スタック１１の温度が、発電反応が可能となる下限温度に到達する前に改質反応が始まり、改質後の燃料（水素）が燃焼器４で燃焼されている。
【0037】
なお、制御部７は、燃焼器４で生成される燃焼ガスの温度が燃焼器４の耐熱上限温度を超えないように、また窒素酸化物の生成を低減する仕様上限温度（耐熱上限温度よりも低い温度）を超えないように、インジェクタ２３の出力（又はインジェクタ２３とは別のインジェクタであって燃料タンク２１から燃焼器４に直接燃料を供給するインジェクタの出力）、ブロワ３２の出力を制御する。
【0038】
例えば、熱交換器３３で加熱された空気の温度（温度センサ５１が検知する温度）及び空気の流量（ブロワ３２の出力、又は流量センサ５２が検知する空気の流量）と燃焼ガスの温度との関係を示すマップを予め生成し、当該マップに温度センサ５１が検知する温度とブロワ３２の出力を入力して燃焼ガスの温度を推定し、当該燃焼ガスの温度が耐熱上限温度又は仕様上限温度を超えない様にインジェクタ２３の出力、ブロワ３２の出力を制御する。
【0039】
制御部７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の取り出し電流（取り出し電圧）をインジェクタ２３の出力（燃料の流量）に基づいて制御することで、第１の燃料電池スタック１１から排出される未燃の燃料の流量が所定の流量を超えないように制御することもできる。
【0040】
第１の燃料電池スタック１１では、発電を伴う発熱反応と燃料を改質する改質反応（吸熱反応）が発生する。
【0041】
例えば、改質前の燃料となるメタンを第１の燃料電池スタック１１に１モル供給して改質し、第１の燃料電池スタック１１において改質して得られた水素を１モル用いて発熱（発電）する場合を考える。この場合、吸熱反応（改質反応）はＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２－１６５［ｋＪ］となる。一方、発熱反応はＨ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋４８２［ｋＪ］であるが、例えば発電効率が５０［％］の場合、発熱量の半分が電力として取り出されることになるので、正味の発熱量は２４１［ｋＪ］となる。よって、正味の発熱量から吸熱量を差し引くと２４１－１６５＝＋７６［ｋＪ］となって発熱反応が吸熱反応よりも優位となり、第１の燃料電池スタック１１において発電反応を維持できる。一方、発電効率を８０［％］とすると３８５［ｋJ］が電力として取り出されることになるので、正味の発熱量は４８２－３８５＝９７［ｋJ］となる。よって、正味の発熱量から吸熱量を差し引くと９７－１６５＝－６８［ｋＪ］となって吸熱反応が発熱反応よりも優位となり、第１の燃料電池スタック１１が失活（発電不能）するおそれがある。
【0042】
また、改質前の燃料となるメタンを第１の燃料電池スタック１１に２モル供給して改質し、第１の燃料電池スタック１１において改質して得られた水素を１モル用いて発熱（発電）する場合を考える。発電効率を５０［％］とした場合、正味の発熱量から吸熱量を差し引くと２４１―（１６５）×２＝－８９［ｋＪ］となって吸熱反応が発熱反応よりも優位となり、第１の燃料電池スタック１１の温度が低下し失活するおそれがある。
【0043】
そこで制御部７は、第１の燃料電池スタック１１が失活しないように、インジェクタ２３の流量、ブロワ３２の出力、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の取り出し電流（第１の燃料電池スタック１１の発電量）を制御し、その上でブロワ３２の出力が最小となるように制御する。
【0044】
［制御フロー］
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの制御フロー図である。ステップＳ２０１において、制御部７は、第１の燃料電池スタック１１の発電量［ｋＷ］を算出する。第１の燃料電池スタック１１の発電量［ｋＷ］は、電流センサ５５が検知する電流値［Ａ］と第１電圧センサ５３が検知する電圧値［Ｖ］との積として算出する。
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの制御フロー図である。ステップＳ２０１において、制御部７は、第１の燃料電池スタック１１の発電量［ｋＷ］を算出する。第１の燃料電池スタック１１の発電量［ｋＷ］は、電流センサ５５が検知する電流値［Ａ］と第１電圧センサ５３が検知する電圧値［Ｖ］との積として算出する。
【0045】
ステップＳ２０２において、制御部７は、第１の燃料電池スタック１１の発電量［ｋＷ］と発電効率［％］に基づいて第１の燃料電池スタック１１の発熱量［ｋＷ］を算出する。
【0046】
ここで、発熱量［ｋＷ］は、発電量［ｋＷ］×（１－発電効率［％］）／発電効率［％］により算出する。また、発電効率［％］は例えば第１電圧センサ５３が検知する電圧値［Ｖ］を第１の燃料電池スタック１１の解放電圧で除算することにより得られる。
【0047】
ステップＳ２０３において、制御部７は、燃料の流量（インジェクタ２３の出力）に基づいて第１の燃料電池スタック１１における燃料改質時の吸熱量［ｋＷ］を算出する。
【0048】
ステップＳ２０４において、制御部７は、発熱量＋吸熱量＞０となるように燃料の流量を調整する。ここで、第１の燃料電池スタック１１において供給された燃料（メタン）はすべて水素に改質されることを前提とする。改質反応において１モルのメタンが４モルの水素に改質されるが、当該水素のうち所定の燃料利用率分だけが第１の燃料電池スタック１１で発熱反応（発電反応）により消費される。
【0049】
よって、発熱量＋吸熱量＞０となる水素の流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を算出し、燃料（メタン）の流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を水素の流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］／燃料利用率［％］／４により算出する。
【0050】
ここで、燃料利用率［％］は、供給された燃料のうち発電に用いられた燃料の割合であり、第１の燃料電池スタック１１の取り出し電流を変化させることで変化させることができる。なお、燃料利用率［％］の最大値は、例えば第１の燃料電池スタック１１において最大電力（ＩＶ特性において電流と電圧の積が最大となる動作点）を取り出すときであり、７５［％］である。
【0051】
第１の燃料電池スタック１１では、吸熱反応のほかに、空気（カソードガス）との熱交換による第１の放熱量、第１の燃料電池スタック１１本体による外部への第２に放熱量があるので、発熱量＋吸熱量＋第１の放熱量＋第２の放熱量＞０となるように燃料の流量を設定する必要がある。第１の放熱量及び第２の放熱量は第１の燃料電池スタック１１及びこれを含む燃料電池システムの仕様に基づいて実験により予め定めることができる。
【0052】
ステップＳ２０５において、制御部７は、調整後の燃料の流量（インジェクタ２３の出力）に基づいて空気の流量（ブロワ３２の出力）を調整する。前記のように１モルの燃料（メタン）を改質すると４モルの水素が生成される。また、発熱反応（発電反応）においてアノードの水素（Ｈ２）１モルが必要とする酸素（Ｏ２）は１／２モルである。よって、空気の流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］は、燃料の流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］×４×燃料利用率［％］×（１／２）×（１／空気中の酸素の組成比）により定めることができる。
【0053】
［第１の燃料電池スタック１１の温度分布］
図３は、第１の燃料電池スタック１１の温度分布であって第１の燃料電池スタック１１に供給する空気の温度を変化させた場合と当該空気の流量を変化させた場合を示す。
図３は、第１の燃料電池スタック１１の温度分布であって第１の燃料電池スタック１１に供給する空気の温度を変化させた場合と当該空気の流量を変化させた場合を示す。
【0054】
図３の上段に示すように、ブロワ３２が供給する空気は外気温であり、そのまま第１の燃料電池スタック１１に供給すると第１の燃料電池スタック１１を暖気できない。そこで、第１の燃料電池スタック１１のアノードから排出されるアノードオフガスとカソードから排出されるカソードオフガスを燃焼器４で燃焼して燃焼ガスを生成し、燃焼ガスを熱交換器３３に供給する。そして、ブロワ３２から供給された空気を熱交換器３３において熱交換し、高温となった空気を第１の燃料電池スタック１１に供給して第１の燃料電池スタック１１を暖気し、暖気後の第１の燃料電池スタック１１を発電させる。
【0055】
第１の燃料電池スタック１１は、供給された空気と熱交換をするため、その分温度が低下する。一方、第１の燃料電池スタック１１（カソード）に供給された空気は第１の燃料電池スタック１１内を下流側に進行するほど熱交換が進むため温度が上昇する。よって、第１の燃料電池スタック１１は、下流側に向かうほど空気との温度差が小さくなるので、空気との熱交換量も小さくなる。
【0056】
従って、図３に示すように、第１の燃料電池スタック１１の温度分布は、結果的に第１の燃料電池スタック１１に供給された空気の温度分布と同様となり下流側に向かうにつれて単調に増加する。
【0057】
ここで、第１の燃料電池スタック１１に供給する前の空気の温度を上昇させると第１の燃料電池スタック１１の温度が全体的に高温側に平行移動し、逆に空気の温度を低下させると第１の燃料電池スタック１１の温度が全体的に低温側に平行移動する。
【0058】
空気の温度を変化させるためには、インジェクタ２３とは異なるインジェクタ（不図示）を燃焼器４に配置し、燃料タンク２１から燃焼器４に燃料を供給して当該燃料を燃焼器４で燃焼させて燃焼ガスの流量（温度）を変化させることで、熱交換器３３における熱交換量を変化させる。又は、第１の燃料電池スタック１１の発電量を変化させて、残余の燃料（改質後の燃料）が燃焼器４に向かう流量を変化させ、当該燃料を燃焼器４で燃焼させて燃焼ガスの流量（温度）を変化させることで、熱交換器３３における熱交換量を変化させればよい。いずれの場合も燃焼器４で燃焼させる燃料の流量を増加させると空気の温度は上昇し、逆に当該燃料の流量を減少させると空気の温度は低下する。
【0059】
一方、空気の流量（ブロワ３２の出力）を減少させると、空気の顕熱が減少するので熱交換器３３から排出される空気の温度が上昇し、これにより第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が上昇する。さらに、前記のように空気の顕熱が減少するので、第１の燃料電池スタック１１の空気の流通方向における空気の温度勾配が急になり、結果的に第１の燃料電池スタック１１の空気の流通方向における第１の燃料電池スタック１１の温度勾配も急になる。
【0060】
逆に空気の流量（ブロワ３２の出力）を増加させると、空気の顕熱が増加するので熱交換器３３から排出される空気の温度が減少し、これにより第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が低下する。さらに、前記のように空気の顕熱が増加するので、第１の燃料電池スタック１１の空気の流通方向における空気の温度勾配が緩やかになり、結果的に第１の燃料電池スタック１１の空気の流通方向における第１の燃料電池スタック１１の温度勾配も緩やかになる。
【0061】
第１の燃料電池スタック１１（及び後述の第２の燃料電池スタック１２）には発電反応を安定的に行うための下限温度（Ｔｍｉｎ）と、熱ダメージを回避するための上限温度（Ｔｍａｘ）が設定されている。
【0062】
第１実施形態では、図３の中段及び下段に示された温度分布をマップとして取得する。
【0063】
第１実施形態は、ブロワ３２の出力（消費電力）を低減することを目的としているが、制御部７は、第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度（Ｔ１ｉｎ）（温度センサ５１が検知する温度）が下限温度（Ｔｍｉｎ）よりも低くならず、且つ第１の燃料電池スタック１１のカソード出口の温度（Ｔ１ｏｕｔ）が上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないように、ブロワ３２の出力、燃焼器４における燃料の燃焼量（第１の燃料電池スタック１１の発電量）を前記のマップに基づいて制御することができる。なお、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口にも温度センサを配置し、当該温度センサが検知する温度（Ｔ１ｏｕｔ）が上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないように、ブロワ３２の出力、燃焼器４における燃料の燃焼量（第１の燃料電池スタック１１での発電量）を前記のマップに基づいて制御してもよい。
【0064】
［第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性］
図４は、第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性であって、第１の燃料電池スタック１１の発電効率を回復させる場合を説明するための図である。燃料電池では、取り出し電圧が燃料電池の劣化を抑制する下限の電圧となる下限電圧（Ｖｍｉｎ）以上となるように取り出し電流を制御している。また、ＩＶ特性は燃料電池の温度が上昇すると改善する。そこで、例えば第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性が図４の「ａ」の特性を有する場合であって、取り出し電流を「Ｉ１」とし、取り出し電圧を「Ｖｍｉｎ」により発電していた場合、取り出し電流を「Ｉ１」よりも低い「Ｉ２」に設定し、取り出し電圧を「Ｖｍｉｎ」よりも高い「Ｖ１」に設定して発電量を減少させる。これにより、前記のように第１の燃料電池スタック１１で消費されなかった残余の燃料の流量が増加し、これが燃焼器４に供給されて燃焼ガスの流量（温度）が上昇する。
図４は、第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性であって、第１の燃料電池スタック１１の発電効率を回復させる場合を説明するための図である。燃料電池では、取り出し電圧が燃料電池の劣化を抑制する下限の電圧となる下限電圧（Ｖｍｉｎ）以上となるように取り出し電流を制御している。また、ＩＶ特性は燃料電池の温度が上昇すると改善する。そこで、例えば第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性が図４の「ａ」の特性を有する場合であって、取り出し電流を「Ｉ１」とし、取り出し電圧を「Ｖｍｉｎ」により発電していた場合、取り出し電流を「Ｉ１」よりも低い「Ｉ２」に設定し、取り出し電圧を「Ｖｍｉｎ」よりも高い「Ｖ１」に設定して発電量を減少させる。これにより、前記のように第１の燃料電池スタック１１で消費されなかった残余の燃料の流量が増加し、これが燃焼器４に供給されて燃焼ガスの流量（温度）が上昇する。
【0065】
よって、ブロワ３２から供給された空気の熱交換器３３における熱交換量が増加し、第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が上昇し、結果的に図３の中段に示すように第１の燃料電池スタック１１の温度特性が高温側にシフトする。これに伴い、図４に示すように第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性が例えば「ａ」から「ｃ」に改善すると、取り出し電圧が「Ｖ１」よりも値の高い「Ｖ２」となる。この状態で、取り出し電圧を「Ｖ２」から「Ｖｍｉｎ」に戻すと、取り出し電流は「Ｉ１」よりも値の高い「Ｉ３」となる。
【0066】
よって、第１の燃料電池スタック１１のＩＶ特性が劣化した場合は、一時的に発電量を低下させて燃焼器４で燃焼させる燃料の流量を増加させることでＩＶ特性を改善させることができる。
【0067】
［第２実施形態］
図５は、第２実施形態の燃料電池システムのブロック図である。第２実施形態の燃料電池システムでは、第１の燃料電池スタック１１（ＳＴＫ１）に第２の燃料電池スタック１２（ＳＴＫ２）が接続されている。
図５は、第２実施形態の燃料電池システムのブロック図である。第２実施形態の燃料電池システムでは、第１の燃料電池スタック１１（ＳＴＫ１）に第２の燃料電池スタック１２（ＳＴＫ２）が接続されている。
【0068】
第２の燃料電池スタック１２は、第１の燃料電池スタック１１と同様に固体酸化物形燃料電池であるが、燃料を改質する改質触媒を有しないものである。
【0069】
第２の燃料電池スタック１２のアノード入口は第１の燃料電池スタック１１のアノード出口に接続され、第２の燃料電池スタック１２のアノード出口は燃焼器４に連通している。
【0070】
第２の燃料電池スタック１２のカソード入口は熱交換器３３に連通し、第２の燃料電池スタック１２のカソード出口は第１の燃料電池スタック１１のカソード入口に接続されている。
【0071】
温度センサ５１は、第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度を測定する。
【0072】
第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２は電気的には直列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、第１の燃料電池スタック１１、第２の燃料電池スタック１２で閉回路を形成している。
【0073】
第２電圧センサ５４は、第２の燃料電池スタック１２の電圧を検知する。
【0074】
第２実施形態の燃料電池システムの起動は、第１実施形態と同様であるが、第２の燃料電池スタック１２の温度（カソード入口の温度）が、発電反応が可能となる下限温度に到達するとＤＣ／ＤＣコンバータ６１を起動して発電を開始する。
【0075】
［第２の燃料電池スタックの燃料利用率と電池セル枚数］
第２の燃料電池スタック１２は、第１の燃料電池スタック１１で生成された改質後の燃料（水素）であって第１の燃料電池スタック１１で消費されなかった燃料を用いて発電する。よって、第２の燃料電池スタック１２は、第１の燃料電池スタック１１から供給される燃料を消費するために必要な最小限の電池セル枚数（電池セルの発電反応を行う領域の面積）有すればよい。
第２の燃料電池スタック１２は、第１の燃料電池スタック１１で生成された改質後の燃料（水素）であって第１の燃料電池スタック１１で消費されなかった燃料を用いて発電する。よって、第２の燃料電池スタック１２は、第１の燃料電池スタック１１から供給される燃料を消費するために必要な最小限の電池セル枚数（電池セルの発電反応を行う領域の面積）有すればよい。
【0076】
ここで、第１の燃料電池スタック１１の燃料利用率をＵｆ１とし、第２の燃料電池スタック１２の燃料利用率をＵｆ２とし、第１の燃料電池スタック１１に供給される燃料（改質前の燃料）の流量をＦ０とし、第１の燃料電池スタック１１から第２の燃料電池スタック１２に供給される燃料（改質後の燃料）の流量をＦ１とし、第２の燃料電池スタック１２から排出される燃料（改質後の燃料）の流量をＦ２とすると、以下の（１）式、（２）式の関係を有する。
【数1】
【数2】
【0077】
第１の燃料電池スタック１１、第２の燃料電池スタック１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１からなる閉回路に流れる電流をＩとし、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（電池セルの発電反応を行う領域の面積（有効面積））をＸ１とし、第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（有効面積）をＸ２とすると以下の（３）式、（４）式の関係を有する。
【数3】
【数4】
【0078】
ここで、Ｆはファラデー定数（電気素量とアボガドロ数の積）である。
【0079】
また、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２で消費された燃料使用量（Ｆ０－Ｆ２）は、以下の（５）式となる。
【数5】
【0080】
（１）式、（３）式、（４）式から燃料利用率と発電セル枚数（有効面積）の関係は以下の（６）式となる。
【数6】
【0081】
（１）式、（２）式により、Ｆ２は以下の（７）式の関係を有する。
【数7】
【0082】
第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２とを直列に接続したシステム全体が目標とする燃料利用率をＵｆｓとすると、Ｕｆｓは（７）式により以下の（８）式となる。
【数8】
【0083】
（６）式、（８）式により、第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（有効面積）Ｘ２は、以下の（９）式となる。
【数9】
【0084】
また（８）式により、第２の燃料電池スタック１２の燃料利用率Ｕｆ２は、以下の（１０）式となる。
【数10】
【0085】
よって、第１の燃料電池スタック１１の燃料利用率（Ｕｆ１）及び電池セル枚数（有効面積）（Ｘ１）、及びシステム全体が目標とする燃料利用率（Ｕｆｓ）から第２の燃料電池スタック１２の燃料利用率（Ｕｆ２）及び電池セル枚数（有効面積）（Ｘ２）を設定できる。
【0086】
［発電効率及び燃料利用率とシステム全体の発熱量との関係］
図６は、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を７５［％］、発電効率を７０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のそれぞれの発熱量の分布である。
図６は、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を７５［％］、発電効率を７０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のそれぞれの発熱量の分布である。
【0087】
図７は、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を９４［％］、発電効率を７０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のそれぞれの発熱量の分布である。
【0088】
図８は、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を７５［％］、発電効率を６０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のそれぞれの発熱量の分布である。
【0089】
図９は、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の合計の発熱量を一定とし、燃料利用率を９４［％］、発電効率を６０［％］とした場合において、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のそれぞれの発熱量の分布である。
【0090】
前記のように、１段の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）に係る燃料電池システムの燃料利用率の上限値は７５［％］である。一方、２段の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２）に係る燃料電池システムの場合、燃料利用率の上限値は（８）式により約９４［％］となる。この場合、後段の燃焼器４に燃料を供給することを考慮して燃料利用率を上限値よりも低く設定できるが、１段の燃料電池システムの場合よりも効率的な発電を行うことを考慮して、燃料利用率の下限値は１段の燃料電池システムの上限値（７５［％］）に設定することが好適である。
【0091】
固体酸化物形燃料電池の運転温度（例えばカソード入口の温度とカソード出口の温度の平均）を例えば６００～７００［℃］に設定すると、解放電圧（Ｖｏｐｅｎ）は１．１～１．２［Ｖ］であり、燃料電池の劣化を抑制する下限の電圧となる下限電圧（Ｖｍｉｎ）は０．７［Ｖ］となる。この場合の燃料電池の発電効率は６０［％］～７０［％］に設定される。
【0092】
そこで、本願発明者は、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の合計の発熱量（発電量）を一定とした場合において、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（有効面積）（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（有効面積）（Ｘ２）の割合（ｘ＝Ｘ２／Ｘ１）を変化させたときの、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のそれぞれの発熱量の分布を調査した。
【0093】
調査の前提として、第１の燃料電池スタック１１では、電池セル枚数（有効面積）（Ｘ１）に関わらず燃料タンク２１から供給された燃料（メタン）はすべて燃料（水素）に改質するとした。また、改質後の燃料のうち燃料利用率（Ｕｆ１）の分だけ発熱反応（発電反応）に用いるとした。また、前記の発熱反応で得られる発熱量のうち発電効率の分だけ電力として取り出し、残りの発熱量からさらに改質時の吸熱量（一定）を差し引くことで正味の発熱量とした。
【0094】
また、第２の燃料電池スタック１２では、第１の燃料電池スタック１１から供給された燃料のうち燃料利用率（Ｕｆ２）の分だけ発熱反応（発電反応）に用いるとした。また、前記の発熱反応で得られる発熱量のうち発電効率の分だけ電力として取り出し、残りの発熱量を正味の発熱量とした。
【0095】
そして、２段の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１、第２の燃料電池スタック１２）の発電効率と燃料利用率の組み合わせ（発電効率［％］、燃料利用率［％］）を（７０［％］，７５［％］）（図６）、（７０［％］，９４［％］）（図７）、（６０［％］，７５［％］）（図８）、（６０［％］，９４［％］）（図９）とした。
【0096】
図６－図９において、Ｘ２／Ｘ１＝０のときは、第２の燃料電池スタック１２が存在せず、第１の燃料電池スタック１１のみで構成された燃料電池システムと同義であり、第１の燃料電池スタック１１の発熱量（ＳＴＫ１）がシステム全体の発熱量（ＴＯＴＡＬ）となっている。
【0097】
そして、Ｘ２／Ｘ１がゼロよりも大きくなると、第２の燃料電池スタック１２の発熱量（ＳＴＫ２）はゼロから単調に増加し、第１の燃料電池スタック１１の発熱量（ＳＴＫ１）は単調に減少するが、システム全体の発熱量（ＴＯＴＡＬ）は一定である。
【0098】
そして、Ｘ２／Ｘ１が所定値になると第１の燃料電池スタック１１の発熱量（ＳＴＫ１）と第２の燃料電池スタック１２の発熱量（ＳＴＫ２）が一致する。所定値は図６において０．０８であり、図７では０．１９であり、図８では０．２２となり、図９では０．３３となる。
【0099】
さらに、Ｘ２／Ｘ１が所定値を超えると第２の燃料電池スタック１２の発熱量（ＳＴＫ２）が第１の燃料電池スタック１１の発熱量（ＳＴＫ１）よりも大きくなる。なお、第１の燃料電池スタック１１の発熱量（ＳＴＫ１）はさらに単調に減少して負の値となるが、システム全体の発熱量（ＴＯＴＡＬ）は一定である。
【0100】
ここで、第１の燃料電池スタック１１は第２の燃料電池スタック１２から空気が供給されるので、システム全体において第１の燃料電池スタック１１のカソード出口が最も高い温度となるが、当該カソード出口の温度が上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないように供給する空気の流量は、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２のうち発熱量の大きいほうの発熱量に基づいて設定すればよい。
【0101】
よって、ブロワ３２の出力は、図６－図９に示す曲線（ＭＡＸ）に基づいて設定することができるが、図６に示す曲線（ＭＡＸ）は所定値（０．０８）において最小値（極小値）となり、図７に示す曲線（ＭＡＸ）は所定値（０．１９）において最小値（極小値）となり、図８に示す曲線（ＭＡＸ）は所定値（０．２２）において最小値（極小値）となり、図９に示す曲線（ＭＡＸ）は所定値（０．３３）において最小値（極小値）となっている。
【0102】
前記のように２段の燃料電池システムにおける燃料利用率は７５［％］～９４［％］の範囲で設定可能であり、固体酸化物形燃料電池の発電効率は６０［％］～７０［％］に設定される。従って、第１の燃料電池スタック１１の発電セル枚数（有効面積）（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の発電セル枚数（有効面積）（Ｘ２）の割合（Ｘ２／Ｘ１）を０．０８≦Ｘ２／Ｘ１≦０．３３の範囲に設定することで、空気の供給量、すなわちブロワ３２の出力を小さく設定できるので、システムの効率（出力／消費電力）を向上させることができる。
【0103】
そして、割合（Ｘ２／Ｘ１）を０．０８≦Ｘ２／Ｘ１≦０．３３の範囲に設定することで、実質的に第１の燃料電池スタック１１の発熱量（及び吸熱量）に着目して空気の流量を調整すればよいので、実質的に第１実施形態と同様の制御フロー（図２）により空気の流量を調整可能となる。
【0104】
［第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度分布］
図１０は、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度分布であって第２の燃料電池スタック１２に供給する空気の温度を変化させた場合と当該空気の流量を変化させた場合を示す。
図１０は、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度分布であって第２の燃料電池スタック１２に供給する空気の温度を変化させた場合と当該空気の流量を変化させた場合を示す。
【0105】
第１実施形態と同様に、第１の燃料電池スタック１１と第２の燃料電池スタック１２の温度分布は、熱交換器３３から供給される空気の温度分布と同様となる。
【0106】
第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度は熱交換器３３で加熱された空気の温度に略一致する。
【0107】
第２の燃料電池スタック１２の温度分布はカソード入口からカソード出口に向けて単調に増加する。
【0108】
第１の燃料電池スタック１１のカソード出口の温度は第２の燃料電池スタック１２のカソード出口の温度に略一致する。
【0109】
第１の燃料電池スタック１１の温度分布はカソード入口からカソード出口に向けて単調に増加する。
【0110】
第２の燃料電池スタック１２では第１の燃料電池スタック１１で行われる改質反応（吸熱反応）は発生しない。よって、第１の燃料電池スタック１１のカソードの流路長と第２の燃料電池スタック１２のカソードの流路長が同じ場合、第２の燃料電池スタック１２のカソード入口からカソード出口に向かう方向の温度勾配は、第１の燃料電池スタック１１のカソード入口からカソード出口に向かう方向の温度勾配よりも急となる。
【0111】
ここで、第２の燃料電池スタック１２に供給する前の空気の温度（熱交換器３３のに供給する燃焼ガスの流量）を上昇させると第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度が全体的に高温側に平行移動し、逆に空気の温度を低下させると第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度が全体的に低温側に平行移動する。
【0112】
一方、空気の流量（ブロワ３２の出力）を減少させると、空気の顕熱が減少するので熱交換器３３から排出される空気の温度が上昇することで第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度が上昇する。さらに、前記のように空気の顕熱が減少するので、第２の燃料電池スタック１２の空気の流通方向における空気の温度勾配が急になり第２の燃料電池スタック１２のカソード出口の温度、すなわち第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が上昇する。さらに、第１の燃料電池スタック１１の空気の流通方向における第１の燃料電池スタック１１の温度勾配も急になり、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口の温度が上昇する。
【0113】
逆に空気の流量（ブロワ３２の出力）を増加させると、空気の顕熱が増加するので熱交換器３３から排出される空気の温度が低下することで第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度が低下する。さらに、前記のように空気の顕熱が増加するので、第２の燃料電池スタック１２の空気の流通方向における空気の温度勾配が緩やかになり第２の燃料電池スタック１２のカソード出口の温度、すなわち第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が低下する。さらに、第１の燃料電池スタック１１の空気の流通方向における第１の燃料電池スタック１１の温度勾配も緩やかになり、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口の温度が低下する。
【0114】
第２実施形態では、図１０の中段及び下段に示された温度分布をマップとして取得する。
【0115】
第２実施形態も、ブロワ３２の出力（消費電力）を低減することを目的としているが、第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度（Ｔ２ｉｎ）（温度センサ５１が検知する温度）が下限温度（Ｔｍｉｎ）よりも低くならず、且つ第１の燃料電池スタック１１のカソード出口の温度（Ｔ１ｏｕｔ）が上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないように、ブロワ３２の出力、燃焼器４における燃料の燃焼量（第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の発電量）を前記のマップに基づいて制御することができる。
【0116】
［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態の燃料電池システムのブロック図である。第３実施形態の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、第１の燃料電池スタック１１のアノード出口と第２の燃料電池スタック１２のアノード入口の間に水蒸気又は二酸化炭素を除去する除去手段（分離膜、凝縮器）を配置したものである。
図１１は、第３実施形態の燃料電池システムのブロック図である。第３実施形態の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、第１の燃料電池スタック１１のアノード出口と第２の燃料電池スタック１２のアノード入口の間に水蒸気又は二酸化炭素を除去する除去手段（分離膜、凝縮器）を配置したものである。
【0117】
分離膜は、水蒸気を分離する分離膜と二酸化炭素を分離する分離膜があるが、例えば第１の燃料電池スタック１１のアノード出口から排出された燃料をまず水蒸気を分離する分離膜に供給して水蒸気を分離し、水蒸気が分離された燃料を二酸化炭素を分離する分離膜に供給して二酸化炭素を分離し、二酸化炭素を分離した燃料を第２の燃料電池スタック１２のアノード入口に供給する。
【0118】
凝縮器は、例えば水蒸気を含む燃料が流通する伝熱管と当該伝熱管を空冷するファンにより構成されている。そして、第１の燃料電池スタック１１のアノード出口から排出された燃料（水蒸気を含む）を伝熱管に供給し、伝熱管において燃料中の水蒸気成分を凝縮させて水蒸気（水）を燃料から分離し、水蒸気が分離した燃料を第２の燃料電池スタック１２のアノード入口に供給する。
【0119】
上記のように、第１の燃料電池スタック１１から排出された燃料から水蒸気、二酸化炭素を分離することで、燃料の熱容量（比熱）が小さくなり温度追従性が高くなる。よって、第２の燃料電池スタック１２においてアノードとカソードの温度差が低減され、熱応力が低下することで第２の燃料電池スタック１２の破損を防止できる。また、前記のように第２の燃料電池スタック１２の温度追従性が高くなるので第２の燃料電池スタック１２のＩＶ特性が改善される。
【0120】
［本実施形態の効果］
本実施形態の燃料電池の制御方法によれば、炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）のアノードに炭化水素を含む燃料を供給し、第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）のカソードに酸化剤ガス（空気）を供給して発電する燃料電池の制御方法であって、第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の発電量及び発電効率に基づいて第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の発熱量を算出し、燃料の流量と第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の燃料利用率に基づいて炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、
発熱量と吸熱量との和が０よりも大きくなるように燃料の流量を制御し、制御後の燃料の流量に基づいて酸化剤ガス（空気）の流量を制御する。
本実施形態の燃料電池の制御方法によれば、炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）のアノードに炭化水素を含む燃料を供給し、第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）のカソードに酸化剤ガス（空気）を供給して発電する燃料電池の制御方法であって、第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の発電量及び発電効率に基づいて第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の発熱量を算出し、燃料の流量と第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の燃料利用率に基づいて炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、
発熱量と吸熱量との和が０よりも大きくなるように燃料の流量を制御し、制御後の燃料の流量に基づいて酸化剤ガス（空気）の流量を制御する。
【0121】
上記方法により、第１の燃料電池スタック１１において吸熱反応で吸熱する熱量が発電を伴う発熱反応により発熱する熱量を超えない程度の流量の燃料を第１の燃料電池スタック１１に供給するので、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止しより安定的な発電となることで電流を安定的に取り出して第１の燃料電池スタック１１の劣化を防止できる。また、酸化剤ガス（空気）の流量を改質後の燃料の発電反応に必要な酸素を供給可能となる最小の流量に低減でき、酸化剤ガス（空気）を供給する手段（ブロワ３２）の消費電力を低減できる。
【0122】
本実施形態において、第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）に接続された負荷（ＤＣ／ＤＣコンバータ６１）を制御して第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の出力電圧（取り出し電圧）又は出力電流（取り出し電流）を制御することで発電量を制御する。
【0123】
上記方法により、第１の燃料電池スタック１１の発電量を容易に増加できるので第１の燃料電池スタック１１の温度を容易に上昇できるので、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止し、より安定的な発電を行うことができる。
【0124】
本実施形態において、酸化剤ガス（空気）の流量を制御して第１の燃料電池（第１の燃料電池スタック１１）の温度を調整することで発電効率を制御する。
【0125】
上記方法により、酸化剤ガス（空気）の流量を増加させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が増加するので第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が緩やかになり、酸化剤ガス（空気）の流量を減少させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が減少するので第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が急になる。また、発電効率は第１の燃料電池スタック１１の温度を高くすると高くなる。従って、酸化剤ガス（空気）の流量を制御することで第１の燃料電池スタック１１の温度及び発電効率を制御可能となり、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止し、より安定的な発電を行うことができる。
【0126】
本実施形態の燃料電池システムは、炭化水素を改質して水素を生成する改質触媒を有する第１の燃料電池スタック１１と、第１の燃料電池スタック１１のアノードに炭化水素を含む燃料を供給する燃料供給部（インジェクタ２３）と、第１の燃料電池スタック１１のカソードに酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）と、燃料供給部（インジェクタ２３）及び酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）を制御する制御部７と、を含む燃料電池システムであって、制御部７は、第１の燃料電池スタック１１の発電量及び発電効率に基づいて第１の燃料電池スタック１１の発熱量を算出し、燃料の流量に基づいて炭化水素を改質する際の吸熱量を算出し、発熱量と吸熱量との和が０よりも大きくなるように燃料供給部（インジェクタ２３）の燃料の流量を制御し、制御後の燃料の流量に基づいて酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）の酸化剤ガスの流量を制御する。
【0127】
上記構成により、第１の燃料電池スタック１１において吸熱反応で吸熱する熱量が発電を伴う発熱反応により発熱する熱量を超えない程度の流量の燃料を第１の燃料電池スタック１１に供給するので、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止しより安定的な発電となることで電流を安定的に取り出して第１の燃料電池スタック１１の劣化を防止できる。また、酸化剤ガス（空気）の流量を改質後の燃料の発電反応に必要な酸素を供給可能となる最小の流量に低減でき、酸化剤ガス（空気）を供給する手段（ブロワ３２）の消費電力を低減できる。
【0128】
本実施形態において、制御部７は、第１の燃料電池スタック１１に接続された負荷（ＤＣ／ＤＣコンバータ６１）を制御して第１の燃料電池スタック１１の出力電圧（取り出し電圧）又は出力電流（取り出し電流）を制御することで発電量を制御する。
【0129】
上記構成により、第１の燃料電池スタック１１の発電量を容易に増加できるので第１の燃料電池スタック１１の温度を容易に上昇できるので、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止し、より安定的な発電を行うことができる。
【0130】
本実施形態において、制御部７は、酸化剤ガス（空気）の流量を制御して第１の燃料電池スタック１１の温度を調整することで発電効率を制御する。
【0131】
上記構成により、酸化剤ガス（空気）の流量を増加させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が増加するので第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が緩やかになり、酸化剤ガス（空気）の流量を減少させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が減少するので第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が急になる。また、発電効率は第１の燃料電池スタック１１の温度を高くすると高くなる。従って、酸化剤ガス（空気）の流量を制御することで第１の燃料電池スタック１１の温度及び発電効率を制御可能となり、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止し、より安定的な発電を行うことができる。
【0132】
本実施形態において、酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）と第１の燃料電池スタック１１との間には酸化剤ガス（空気）を加熱する熱交換器３３が配置され、制御部７は、酸化剤ガス（空気）の流量を制御して第１の燃料電池スタック１１の温度を調整することで発電効率を制御する。
【0133】
上記構成により、酸化剤ガス（空気）の流量を増加させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が増加するので熱交換器３３から排出される酸化剤ガス（空気）の温度すなわち第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が低下し且つ第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が緩やかになる。逆に、酸化剤ガス（空気）の流量を減少させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が減少するので熱交換器３３から排出される酸化剤ガス（空気）の温度すなわち第１の燃料電池スタック１１のカソード入口の温度が上昇し且つ第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が急になる。また、発電効率は第１の燃料電池スタック１１の温度を高くすると高くなる。従って、酸化剤ガス（空気）の流量を制御することで第１の燃料電池スタック１１の温度及び発電効率を制御可能となり、第１の燃料電池スタック１１の失活を防止し、より安定的な発電を行うことができる。
【0134】
本実施形態において、改質触媒を含まない第２の燃料電池スタック１２を含み、燃料供給部（インジェクタ２３）は、第１の燃料電池スタック１１のアノード入口に向けて燃料を供給し、第１の燃料電池スタック１１のアノード出口は第２の燃料電池スタック１２のアノード入口に接続され、酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）は、第２の燃料電池スタック１２のカソード入口に向けて、酸化剤ガス（空気）を供給し、第２の燃料電池スタック１２のカソード出口は、第１の燃料電池スタック１１のカソード入口に接続され、第１の燃料電池スタック１１の電池セル枚数（Ｘ１）に対する第２の燃料電池スタック１２の電池セル枚数（Ｘ２）の比率、又は第１の燃料電池スタック１１の発電反応が行われる領域の面積（Ｘ１）（有効面積）に対する第２の燃料電池スタック１２の発電反応が行われる領域の面積（Ｘ２）（有効面積）の比率をｘ（＝Ｘ２／Ｘ１）としたとき、０．０８≦ｘ≦０．３３の関係を満たす。
【0135】
上記構成により、酸化剤ガス（空気）の流量、すなわち酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）の出力を最小値（極小値）にすることができるので、システムの効率（発電電力／消費電力）を高めることができる。また第２の燃料電池スタック１２が追加されているが、実質的に第１の燃料電池スタック１１の発電状態を制御するのみでシステム全体を制御できるので、制御を容易に行うことができる。
【0136】
本実施形態において、第１の燃料電池スタック１１のアノード出口と第２の燃料電池スタック１２のアノード入口との間には、水蒸気又は二酸化炭素を除去する除去手段（分離膜、凝縮器）が配置されている。
【0137】
上記構成により、第１の燃料電池スタック１１から排出された燃料から水蒸気、二酸化炭素を分離することで、燃料の熱容量（比熱）が小さくなり温度追従性が高くなる。よって、第２の燃料電池スタック１２においてアノードとカソードの温度差が低減され、熱応力が低下することで第２の燃料電池スタック１２の破損を防止できる。また、前記のように第２の燃料電池スタック１２の温度追従性が高くなるので第２の燃料電池スタック１２のＩＶ特性が改善される。
【0138】
本実施形態において、除去手段は、水蒸気又は二酸化炭素を分離する分離膜である。
【0139】
上記構成により、簡易な構成で除去手段を構築できる。
【0140】
本実施形態において、除去手段は、水蒸気を凝集する凝縮器である。
【0141】
上記構成により、簡易な構成で除去手段を構築できる。
【0142】
本実施形態において、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口と第２の燃料電池スタック１２のアノード出口に接続され、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口から供給されたカソードオフガスと第２の燃料電池スタック１２のアノード出口から供給されたアノードオフガスとを混合して燃焼する燃焼器４と、酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）と第２の燃料電池スタック１２の間に配置され、燃焼器４から排出された燃焼ガスと酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）から供給された酸化剤ガス（空気）との間で熱交換を行う熱交換器３３と、を含み、熱交換器３３により加熱された酸化剤ガス（空気）が第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２を暖気する場合において、制御部７は、熱交換器３３で加熱された酸化剤ガス（空気）の温度が第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２が発電反応を実行可能な下限温度（Ｔｍｉｎ）以上となるように燃焼ガスの目標温度を設定し、燃焼ガスの温度が目標温度となるように燃料の流量及び酸化剤ガス（空気）の流量を制御する。
【0143】
上記構成により、第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２を確実に暖気し、暖気後に安定的な発電を実行できる。
【0144】
本実施形態において、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口と第２の燃料電池スタック１２のアノード出口に接続され、第１の燃料電池スタック１１のカソード出口から供給されたカソードオフガスと第２の燃料電池スタック１２のアノード出口から供給されたアノードオフガスとを混合して燃焼する燃焼器４と、酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）と第２の燃料電池スタック１２の間に配置され、燃焼器４から排出された燃焼ガスと酸化剤ガス供給部（ブロワ３２）から供給された酸化剤ガス（空気）との間で熱交換を行う熱交換器３３と、を含み、制御部７は、第２の燃料電池スタック１２の温度が第２の燃料電池スタック１２が発電反応を実行可能な下限温度（Ｔｍｉｎ）以上となるように且つ第１の燃料電池スタック１１の温度が所定の上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないように燃料の流量及び酸化剤ガスの流量を制御する。
【0145】
上記構成により、燃料の流量を増加させると燃焼ガスの流量及び温度が上昇するため、熱交換器３３から排出される酸化剤ガス（空気）の温度が上昇することで第２の燃料電池スタック１２及び第１の燃料電池スタック１１の温度が上昇し、燃料の流量を減少させると燃焼ガスの流量及び温度が低下するため、熱交換器３３から排出される酸化剤ガス（空気）の温度が低下することで第２の燃料電池スタック１２及び第１の燃料電池スタック１１の温度が低下する。
【0146】
また、酸化剤ガス（空気）の流量を増加させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が増加するので熱交換器３３から排出される酸化剤ガス（空気）の温度すなわち第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度が低下し且つ第２の燃料電池スタック１２のカソードの流通方向の温度分布が緩やかになり、第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が緩やかになる。逆に、酸化剤ガス（空気）の流量を減少させると酸化剤ガス（空気）の顕熱が減少するので熱交換器３３から排出される酸化剤ガス（空気）の温度すなわち第２の燃料電池スタック１２のカソード入口の温度が上昇し且つ第２の燃料電池スタック１２のカソードの流通方向の温度分布が急になり、第１の燃料電池スタック１１のカソードの流通方向の温度分布が急になる。
【0147】
さらに、発電効率は第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度を高くすると高くなる。従って、酸化剤ガス（空気）の流量を制御することで第１の燃料電池スタック１１及び第２の燃料電池スタック１２の温度及び発電効率を制御可能となり、第１の燃料電池スタック１１の失活及び熱的ダメージを防止し、より安定的な発電を行うことができる。
【0148】
本実施形態において、制御部７は、燃焼ガスの温度が燃焼器４の耐熱上限温度を超えないように燃料の流量及び酸化剤ガスの流量を制御する。
【0149】
上記構成により、燃焼器４が劣化しない運転が可能となり、性能を維持することができる。
【0150】
本実施形態において、制御部７は、燃焼ガスの温度が燃焼器４において窒素酸化物の生成を低減する仕様上限温度を超えないように燃料の流量及び酸化剤ガスの流量を制御する。
【0151】
上記構成により、燃焼器４における窒素酸化物の発生を抑制できる。
【0152】
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。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【0153】
１１ 第１の燃料電池スタック、１２ 第２の燃料電池スタック、２３ インジェクタ、３２ ブロワ、３３ 熱交換器、４ 燃焼器、７ 制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】