JP2005050739A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス又はアノードオフガスの燃焼時に、燃焼器の上限温度を超えないように速やかに燃焼させる。
【解決手段】 コントローラ３１は、燃焼器１５へ水素ガスまたはアノードオフガスの供給を開始したときに、燃焼温度検出手段３０の検出値に基づいて燃焼温度の経過時間に対する変化率を算出し、変化率が大きいほど燃焼器１５へ供給する空気またはカソードオフガスの供給流量を増加させるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料ガスまたはアノードオフガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

通常、地上で使用される固体高分子型燃料電池は、酸化剤極に空気を供給している。この空気中の窒素の一部は、高分子電解質膜をリークして、酸化剤極から燃料極に至り、燃料ガス循環経路内に蓄積する。また、燃料ガスとして化学工業の副生水素ガスを用いる場合には、水素ガス中の不純物が燃料ガス循環経路に蓄積する。このような窒素等の不純物が燃料ガス循環路に蓄積すると、燃料極に供給される燃料ガス分圧が下がるので発電効率が低下する。

このため、一定時間毎、或いは、一定電力量を発電した後には、燃料ガス循環路内の不純物濃度が高まった燃料ガスを循環路外へ放出するパージ動作を行っている。但し、水素を含むパージガスをそのまま大気中に放出するのは好ましくないので、燃焼触媒を備えた燃焼器で燃焼させてから系外へ放出している。

また、この燃焼器は、燃料ガスを燃焼させて燃料電池システム起動時の熱源となり、凍結した純水の解凍等に利用されることもある。

このような触媒を用いた燃焼器は、触媒の耐熱温度を超えると、触媒活性が失われてしまい、温度を下げても復活しない場合が多い。従って、耐熱温度を超えないように燃焼器の温度制御を行う必要がある。

燃焼器の温度制御の従来技術としては、例えば、特許文献１記載の触媒燃焼器が知られている。この触媒燃焼器は、触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、その検出信号を入力とする制御装置とを設けてあり、制御装置を触媒温度の時間変化率を演算して時間変化率が予め設定した上限値を超えると、触媒で異常発生と判定するように設定して触媒状態判定手段となすとともに、異常発生と判定されると燃料を供給する燃料供給手段を制御して異常燃焼の初期段階で燃料の供給を停止する、または燃料の供給量を異常発生前の燃料供給量より少量とし且つ空気の供給量を異常発生前よりも少量とする構成となっている。
特開平９−１５２１０４号公報（第４ページ、図２）

しかしながら上記従来の触媒燃焼器にあっては、触媒温度の時間変化率で異常発生の判定を行い、異常発生と判定された場合に、燃料の供給を停止する、または異常発生前よりも燃料および空気の供給量を低減する構成になっていたため、これを燃料電池システムのアノードオフガス処理用に適用しようとすると、運転中において、アノードおよびアノードオフガス循環装置内に蓄積する水素以外のガスや水を除去して発電効率の回復を短時間で行う必要がある場合は、アノードオフガス排出量を低減することは難しく、現実的でない。

またシステム起動直後などのシステム全体の温度が比較的低い場合では、温度の時間変化率が上限値を超えていても燃焼温度は燃焼器の構成品やシステムの耐熱温度までは上昇しない可能性もあり、その際に燃料や空気を変化させればシステム性能が低下する可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するため、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガス供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させると共に外部からの指令により一時的に前記アノードオフガスを排出するアノードオフガス循環装置と、燃料ガスまたはアノードオフガスと酸化剤ガスまたは燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼温度を検出する燃焼温度検出手段と、前記燃焼器に燃料ガスまたはアノードオフガスの供給を開始した際に、前記燃焼温度検出手段が検出した燃焼温度の経過時間に対する変化率が大きいほど前記燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加するように前記酸化剤ガス供給装置を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、燃焼器に燃料ガスまたはアノードオフガスの供給を開始した際に、燃焼温度が所定の上限燃焼温度に到達する以前に経過時間に対する燃焼温度変化率が大きいほど燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加することにより、燃焼温度が所定の上限温度を超えないように燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加するよう制御することができ、過度な熱負荷が生じる可能性がある場合でも燃焼温度がシステム部品の耐熱温度を超える以前に対応して燃焼器の性能低下を防止し、十分にアノードオフガスを燃焼させることができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の各実施例では、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用いる例を説明する。

図１から図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する図である。図１は、実施例１の燃料電池システムの概略構成図、図２（ａ）は、実施例１における燃焼器温度の時間変化を示すタイムチャート、図２（ｂ）は、実施例１における空気流量制御を説明するタイムチャート、図３は、実施例１の制御内容を説明するフローチャート、図４は、実施例１で用いる水素排出流量マップの例、図５は、実施例１で用いる空気過剰率λマップの例である。

図１において、燃料電池システムは、水素供給装置１と、水素供給装置１から供給する水素ガスの圧力を調整する水素圧力調整弁２と、水素供給配管３と、アノード５およびカソード６を有する燃料電池スタック４と、アノード５から排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させるアノードオフガス循環装置７と、アノードオフガス循環配管８と、空気を供給する空気供給装置９と、カソード出口のカソードオフガス流量を制御することによりカソード圧力を調整する空気圧調整弁１１と、アノードオフガス循環装置７からアノードオフガスを燃焼器１５へ排出させるパージ弁１２と、カソードオフガスから水を分離するセパレータ１３と、セパレータ１３から供給される水を用いて燃料電池スタック４に供給する水素および空気を加湿する加湿器１４と、水素またはアノードオフガスを燃焼させる燃焼器１５と、燃焼器１５の排ガスと冷却水とを熱交換する冷媒用熱交換器１８を備えている。

また、燃料電池システムは、燃料電池スタック４を冷却するための冷媒用ポンプ２０と、冷媒の熱を外部へ放出するラジエター２２と、冷媒通路を冷媒用熱交換器１８またはラジエター２２に切り替える三方弁２１とを備えている。

さらに燃料電池システムは、空気供給装置９から燃焼器１５へ空気を供給する開閉弁２３と、水素圧力調整弁２で圧力調整された水素ガスを燃焼器１５へ供給する開閉弁２４とを備えている。そして、燃料電池起動時に冷媒を加熱する必要があるとき、開閉弁２３，２４を介して空気および水素を燃焼器１５へ供給し、燃焼器１５から高温の燃焼ガスを冷媒用熱交換器１８に供給して、冷媒を加熱するようになっている。

燃料電池システム全体を制御するコントローラ３１には、入力装置として、燃料電池スタック４の出力電圧を検出する電圧検出手段２５，アノードオフガスの温度を検出する温度検出手段２６，同圧力を検出する圧力検出手段２７，カソードオフガスの温度を検出する温度検出手段２８，同圧力を検出する圧力検出手段２９、燃焼器１５の燃焼室１７の燃焼温度を検出する燃焼温度検出手段３０が接続されている。

またコントローラ３１には、出力装置として、水素圧力調整弁２，空気供給装置９，空気圧力調整弁１１，パージ弁１２，開閉弁２３，２４，三方弁２１が接続されている。

そして、コントローラ３１は、上記各入力装置の検出値に基づいて上記各出力装置に指令を発して、燃料電池システムの運転を制御する。

燃料電池システムの通常運転時には、水素供給装置１から水素をアノード５に、また空気供給装置９により空気をカソード６にそれぞれ供給し、燃料電池スタック４内で反応させて発電する。その際アノード５からは消費されずに残ったアノードオフガスが、またカソード６からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。

通常作動時では、アノードオフガスは、アノードオフガス循環装置７により水素供給配管３に全量循環されて再度アノード５へと供給される。カソードオフガスは、空気圧調整弁１１からセパレータ１３を経由して燃焼器１５へ供給された後に、外部に排気される。セパレータ１３は、カソードオフガスから水を凝縮させて気液分離し、液体として回収した水を加湿器１４へ供給する。加湿器１４は、燃料電池スタック４に供給される水素および空気を加湿する。

通常運転中に、燃料電池スタック４の電解質膜をカソード６からアノード５へリークした窒素ガスは、アノード５とアノードオフガス循環装置７およびアノードオフガス循環配管８からなる循環経路内に蓄積する。このためアノード５の水素ガス分圧が低下し発電効率が下がるので、ある程度窒素が蓄積すると、アノードオフガスを循環経路から外部へ放出する必要がある。このためアノードオフガス循環装置７からアノードオフガスを燃焼器１５へ排出するためのパージ弁１２が設けられている。パージ弁１２を開いてアノードオフガスを排出する動作は、パージと呼ばれている。

また、化学工業の副生ガスとして得られる水素ガス等を燃料ガスとして用いる場合、水素ガスに不純物が混入している場合がある。これらの不純物は、燃料電池スタックを構成する材料や電極触媒に影響しない不純物であっても、上記の窒素ガスと同様に水素循環路に蓄積して、水素分圧を低下させることがある。このような場合にもパージが必要となる。さらに、燃料電池スタック４の内部で水詰まりを生じた場合にもパージが必要となる。

燃焼器１５は、供給される水素あるいはアノードオフガスと、空気あるいはカソードオフガスとを混合して均一な混合ガスを形成するミキサ１６と、燃焼触媒を担持して混合ガスを燃焼させる燃焼室１７と、燃焼室１７の温度を検出する燃焼温度検出手段３０で構成され、燃焼ガスは冷媒用熱交換器１８と排気管１９を経由してシステム外へ排気される。

コントローラ３１は、燃焼温度検出手段３０が検出した燃焼室１７の温度に基づいて、アノードオフガス供給開始時からの経過時間に対する燃焼温度変化率を算出し、この燃焼温度変化率が大きいほど、燃焼器１５へのアノードオフガス供給流量を増加させるように制御する制御手段である。

次に、図３のフローチャートを参照して、コントローラ３１による制御動作を説明する。
まず、Ｓ１０でコントローラ３１は、燃料電池スタック４の出力電圧を検出する電圧検出手段２５の検出値を読み込み、検出値が所定の電圧値よりも低下しているか否かを判定する。所定電圧以上であれば、パージの必要がないので、Ｓ１０による出力電圧の検出および判定を繰り返す。所定の電圧値より低下していれば、パージが必要なので、Ｓ２０へ進み、コントローラ３１がパージ弁１２を開かせるためにパージ信号を発信する。これによりパージ弁１２が開いて、アノードオフガス循環装置７からアノードオフガスが燃焼器１５に排出される。

その際、アノードオフガス排出に先立って、Ｓ３０で、温度検出手段２６により検出されるアノードオフガス温度と、圧力検出手段２７により検出されるアノードオフガス圧力とから、予め設定される温度、圧力に対応した水素排出流量マップ（図４）を元にアノードオフガス循環装置７から排出されるアノードオフガス中に含まれる水素排出流量Ｑh2を求める。

次いで、Ｓ４０で排出水素を燃焼させる際に燃焼温度を上限燃焼温度とするために必要なカソードオフガス流量に対応する燃料電池スタックへの供給空気流量Ｑ1 を求めるため、温度検出手段２８により検出するカソードオフガスの温度と、圧力検出手段２９により検出するカソードオフガスの圧力から、予め設定される空気過剰率λマップ（図５）をもとに空気過剰率λを求める。

ここで空気過剰率λマップにおいて空気過剰率λは、カソードオフガスの温度、圧力に対してカソードオフガスが内包する水蒸気量を勘案して設定されており、求められた水素排出流量Ｑh2に乗ずることにより、必要な目標空気流量Ｑ1 を次の式（１）により演算する。

（数１）
Ｑ1 ＝（Ｑh2／２／０．２１）×λ …（１）
次いで、Ｓ５０で、目標空気流量Ｑ1 が運転中の空気流量初期値Ｑ0 より多いか否かを判定し、目標空気流量Ｑ1 が運転中の空気流量初期値Ｑ0 以下であれば、供給空気流量は初期値Ｑ0 のまま変化させずにＳ７０へ移る。

逆にＳ５０の判定で、目標空気流量Ｑ1 が空気流量初期値Ｑ0 より多ければ、Ｓ６０へ移り、コントローラ３１は、空気供給装置９から供給する空気流量が目標空気流量Ｑ1 となるように供給空気流量を増加させた後に、Ｓ７０でパージ弁１２を開いてアノードオフガスの排出を行うとともに、水素供給装置１から供給する水素圧力を維持しながら水素流量を増量するように水素圧力調整弁２を調整する。

また、アノードオフガスには、水素の他に水蒸気や窒素なども含まれており、燃焼温度も低減することが予想されるが、アノードオフガス流量がカソードオフガス流量に対して比較的小さいために温度制御への影響度は比較的小さく、且つ上限燃焼温度よりも温度が低くなるために上記目標空気流量Ｑ1 にて対応可能としている。

Ｓ７０で、アノードオフガスを排出する間は、水素供給装置１からの水素供給量を水素排出流量Ｑh2と略同量だけ増量し、水素の供給圧力を一定に保ちつつアノードオフガス排出を行い、燃料電池スタック４の適正運転に必要なアノードガス流量を確保する。

アノードオフガスの排出に伴い燃焼器１５では水素の燃焼が行われ、燃焼器１５の温度が上昇する。その際燃焼器１５に設置された燃焼温度検出手段３０により検出する燃焼開始以前の初期温度ＴＣＳおよび継続的に検出する燃焼温度ＴＣとを用いて、アノードオフガス排出時点からの経過時間Ｚ時点での経過時間に対する燃焼温度変化率ＲＣＴを次の式（２）により演算する（Ｓ８０）。

（数２）
ＲＣＴ ＝（ＴＣ −ＴＣＳ）／ Ｚ …（２）
一方、所定の上限燃焼温度になる際の上限温度変化率ＲＵＰを、その際の燃焼開始前の初期温度ＴＵＰＳ、上限燃焼温度をＴＵＰとして経過時間Ｚに対して予め運転条件毎に次の式（３）により演算しておく。

（数３）
ＲＵＰ ＝（ＴＵＰ − ＴＵＰＳ）／ Ｚ …（３）
上限温度変化率ＲＵＰに対する燃焼温度変化率ＲＣＴの増減割合ＲＣＨと、実際にアノードオフガスを燃焼器１５に排出する直前の初期温度ＴＣＳとから、最終到達燃焼温度ＴＣＥを次の式（４）にて継続的に演算する（Ｓ８０）。

（数４）
ＴＣＥ ＝（ＲＣＴ／ＲＵＰ）×（ＴＵＰ−ＴＵＰＳ）＋ＴＣＳ …（４）
ここで燃焼温度変化率は、燃焼器の熱容量が一定値であることによりカソードオフガスとアノードオフガスが燃焼して生成する燃焼ガスの温度、流量に依存する。

同じ燃焼温度であっても燃焼ガス流量、言い換えると燃焼ガスの発熱量の差異によって燃焼器１５自体の温度上昇に要する時間が異なるために、燃焼温度変化率も異なる値となる。そのため予め設定される上限温度変化率は、運転負荷毎に設定しておく必要がある。

逆に同じ流量であれば燃焼温度によって燃焼温度変化率も変化するが、その場合は上限燃焼温度からその際の初期温度を差し引いた基準温度差と、実際に検出される燃焼温度とその際の初期温度を差し引いた実温度差との比率の応じて燃焼温度変化率が変化する。

ここで温度差が生じるということは、カソードオフガスとアノードオフガスの流量バランスが変化している可能性や水素供給装置１や空気供給装置９の制御不具合が発生している可能性が考えられ、その際にはガス流量が変化することになるが、本実施例ではアノードオフガスを排出する際に燃焼温度が上限温度を超えないように予め設定される流量以上のカソードオフガスを燃焼開始前に燃焼器１５に供給してあり、ガス流量条件の制御誤差が生じて燃焼温度が上限燃焼温度を超える場合でも、ガス流量は略同等と見なせる範囲となる。

そのため、式（３）のように基準温度差（＝ＴＵＰ−ＴＵＰＳ）に温度上昇率の増加割合を乗じ、初期温度ＴＣＳを加算することにより最終到達温度ＴＣＥが演算できる。

次に、Ｓ９０で、最終到達燃焼温度ＴＣＥが上限燃焼温度ＴＵＰを超える場合には、Ｓ１００で上限燃焼温度ＴＵＰに到達するまでの時間を算出する。ここで、経過時間Ｚに対する上限温度変化率ＲＵＰは予め求められており、燃焼温度の上限曲線Ｆtup（Ｚ）も温度変化率の増減割合に応じて変化するため、実際の温度上昇曲線Ｆtc（Ｚ）は上限温度となる際の温度上昇特性を用いて次の式（５）で表せる。

（数５）
Ｆtc（Ｚ）＝（Ｆtup（Ｚ）−ＴＵＰＳ）×ＲＴＣ＋ＴＣＳ …（５）
この時、式（５）が上限温度に等しくなる際の上限温度到達予想経過時間Ｚ’を演算し、経過時間Ｚと上限温度到達予想時間Ｚ’との差が上限燃焼温度に到達するまでの到達時間Ｚmgとなる。

（数６）
Ｚmg＝Ｚ’−Ｚ …（６）
また空気流量を増加する際の目標空気流量Ｑ2 は次式（７）にて演算する。

（数７）
Ｑ2 ＝Ｑ1 ×（ＴＣＥ−ＴＣＳ）／（ＴＵＰ−ＴＣＳ） …（７）
ただしＱ0 ＞Ｑ1 の時は、上記式（７）においてＱ1 はＱ0 に置き換えられる。
Ｓ１１０で算出した到達時間Ｚmgが、空気供給装置９での空気を増量する際の応答遅れ時間ＤＴと等しくなった時点で、Ｓ１２０でコントローラ３１は、空気供給装置９から供給する空気を増量させ目標空気流量Ｑ2 となるように制御する。

（数８）
Ｚmg ＝ ＤＴ …（８）
ここで、空気の増量を極力遅らせることにより、カソードオフガス中に含まれるミスト状の液水が温度検出手段に付着することに起因する温度検出誤差や、燃焼器１５へのアノードオフガス輸送時間に起因する温度変化率演算誤差などの影響を小さくして最終到達燃焼温度演算精度を向上することができ、また上限燃焼温度以下の範囲でできるだけ燃焼温度を高い温度に維持して水素の燃焼効率を上げることによりシステム外への未反応水素の排出を極力抑制することができる。

供給空気流量を増加した後においては、空気増加時点での燃焼温度を初期温度として再度燃焼温度上昇率を算出して同様の演算を繰り返し、最終到達燃焼温度ＴＣＥが上限燃焼温度ＴＵＰを超えると判断された場合は同様の手順で空気増加を行い、逆に最終到達燃焼温度ＴＣＥが上限燃焼温度ＴＵＰを下回ると判断された場合には、フィードバック温度制御に移行する。

次いで、Ｓ１３０でコントローラ３１は、燃料電池スタック４の出力電圧を検出する電圧検出手段２５の検出値を読み込み、検出値が所定の電圧値を超えたか否かを判定する。Ｓ１３０の判定で、検出値が所定電圧値を超えていなければ、パージを継続するために、Ｓ８０へ戻る。Ｓ１３０で検出値が所定電圧値を超えて発電電圧が回復したことが判断されれば、Ｓ１４０へ移り、コントローラ３１は、水素供給装置１から供給させる水素増量を停止させるとともに、パージ弁１２を閉じる。次いで、Ｓ１５０で空気供給装置９の空気供給量を初期値Ｑ0 に設定して、パージ動作を終了する。

図２に本施例による燃焼器温度及び空気流量の時間変化の様子を示す。
尚、本実施形態では、燃料電池の運転時にアノードオフガスを燃焼器で燃焼させる場合を説明したが、燃料電池の起動時に水素供給装置から直接開閉弁２４を介して供給する水素を燃焼させる場合の温度制御も同様に行うことができる。

以上のように本実施例によれば、燃焼器に燃料ガスまたはアノードオフガスの供給を開始した際に、燃焼温度が所定の上限燃焼温度に到達する以前に経過時間に対する燃焼温度変化率が大きいほど燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加することにより、燃焼温度が所定の上限温度を超えないように燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加するよう制御することができ、過度な熱負荷が生じる可能性がある場合でも燃焼温度がシステム部品の耐熱温度を超える以前に対応して燃焼器の性能低下を防止し、十分にアノードオフガスを燃焼させることができる。

また、最終到達燃焼温度は、燃料電池スタックの運転条件毎に予め取得する上限燃焼温度となる際の上限温度変化率に対するシステム運転中に取得する温度変化率の過剰割合と、燃焼温度検出手段により検出される燃焼を行う前の初期温度とに基づいて算出し、最終到達燃焼温度が上限燃焼温度を超える場合に、燃焼温度変化率の前記過剰割合または最終到達燃焼温度と上限燃焼温度との差に基づき、燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加することにより、低温下での起動時などにおいてもシステム温度に応じて酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量増加判断を行えるため、酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量増加を必要以上に行うことによる燃費の悪化を防止することができる。

また、演算された燃焼温度変化率に基づいて上限燃焼温度までの到達時間を演算し、前記到達時間が酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量増加の際の応答遅れ時間と等しくなる以前において、酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加することにより、燃焼温度変化率を演算する時間を極力長くして最終到達燃焼温度予測の精度を向上することができ、また比較的燃焼温度を高く維持して水素の燃焼効率を高くして未燃水素のシステム外への排出を抑制することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の構成と同様である。

本実施例においては、コントローラ３１が空気供給装置９から供給する空気流量を増加する際には、上限燃焼温度ＴＵＰよりも任意に設定されている余裕温度Ｔmgだけ低く設定される目標燃焼温度ＴＵＰ’になる目標空気流量Ｑ2 に増加する。

その際の目標空気流量Ｑ2 は例えば次式（９）にて演算する。

（数９）
Ｑ2 ＝Ｑ1 ×（ＴＣＥ−ＴＣＳ）／（ＴＵＰ−Ｔmg−ＴＣＳ） …（９）
ただしＱ0 ＞Ｑ1 の時は、上記式（９）においてＱ1 はＱ0 に置き換えられる。◎ ここでは余裕温度Ｔmgは、例えば温度検出手段の検出誤差や空気供給装置９の供給流量設定誤差などの不確定要因を基に実験的に求められた値を採用しており、これにより必要最低限の操作により短時間で燃焼温度を上限燃焼温度よりも低くすることができる。

図６に本実施例の温度、空気量の時間変化を示す。
本実施例によれば、酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給量を増加する際の目標酸化剤ガス供給量は、温度上限値よりも低い燃焼温度を実現できる流量とすることにより、上限燃焼温度を確実に下回るようにして温度制御動作を継続的に行う必要性を低減することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の構成と同様である。

実施例３では、コントローラ３１が燃焼温度変化率を演算する際に、アノードオフガスの温度、圧力および水素排出量マップから求められる水素排出流量Ｑh2からアノードオフガスに含まれる水蒸気を考慮したアノードオフガス流量を演算し、またアノードオフガス配管の内容積を基に燃焼器１５への輸送時間ＤＴh2を演算し、アノードオフガスの排出を開始した時点から輸送時間が経過した時点で燃焼温度変化率の演算を開始するものであり、燃焼温度変化率に基づいて演算される最終到達燃焼温度の演算精度を向上して、燃焼温度の制御をより正確に行うことができる。

その際、アノードオフガス流量Ｑaoは、圧力をＰao、温度をＴao、温度Ｔaoの際の飽和水蒸気圧をＰs 、湿度検出手段で検出されるアノードオフガス相対湿度をＲaw（単位：％）とすると以下の式（１０）にて演算する。

（数１０）
Ｑao ＝Ｑh2 ×(１＋(Ｐs×Raw／１００)／(Ｐao−Ｐs×Raw／１００)) …（１０）
図７に本実施例の温度、空気流量の時間変化を示す。

本実施例によれば、燃焼温度変化率は、燃料ガスまたはアノードオフガスを燃焼器に供給開始した時点から燃焼器に到達するまでの供給遅れ時間を考慮して演算することにより、燃焼の初期段階からより正確な燃焼温度変化率を演算することができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。 （ａ）実施例１における燃焼器温度の時間変化、（ｂ）実施例１における空気流量制御をそれぞれ説明するタイムチャートである。 実施例１の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例１で用いる水素排出流量マップの例である。 実施例１で用いる空気過剰率λマップの例である。 （ａ）実施例２における燃焼器温度の時間変化、（ｂ）実施例２における空気流量制御をそれぞれ説明するタイムチャートである。 （ａ）実施例３における燃焼器温度の時間変化、（ｂ）実施例３における空気流量制御をそれぞれ説明するタイムチャートである。

符号の説明

１…水素供給装置（燃料ガス供給装置）
２…水素圧力調整弁
４…燃料電池スタック
５…アノード
６…カソード
７…アノードオフガス循環装置
９…空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）
１１…空気圧調整弁
１２…パージ弁
１３…セパレータ
１４…加湿器
１５…燃焼器
１６…ミキサ
１７…燃焼室
１８…冷媒用熱交換器
２０…冷媒用ポンプ
２１…三方弁
２２…ラジエター
３０…燃焼温度検出手段
３１…コントローラ（制御手段）

Claims (6)

1. 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   酸化剤ガス供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させると共に外部からの指令により一時的に前記アノードオフガスを排出するアノードオフガス循環装置と、
   燃料ガスまたはアノードオフガスと酸化剤ガスまたは燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器内の燃焼温度を検出する燃焼温度検出手段と、
   前記燃焼器に燃料ガスまたはアノードオフガスの供給を開始した際に、前記燃焼温度検出手段が検出した燃焼温度の経過時間に対する変化率が大きいほど前記燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加するように前記酸化剤ガス供給装置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。
2. 前記燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの増加量は、経過時間に対する燃焼温度変化率に基づいて最終到達燃焼温度を予測することにより、燃焼温度が所定の上限燃焼温度を超えないように前記燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を決定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。
3. 前記最終到達燃焼温度は、予め設定された上限燃焼温度となる際の燃焼温度変化率である上限温度変化率と、システム運転中に算出する温度変化率と、前記燃焼温度検出手段により検出される燃焼を行う前の初期温度とに基づいて算出し、
   最終到達燃焼温度が上限燃焼温度を超える場合に、上限温度変化率と燃焼温度変化率との割合または最終到達燃焼温度と上限燃焼温度との差に基づき、燃焼器への酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼温度変化率は、燃料ガスまたはアノードオフガスを燃焼器に供給開始した時点から燃焼温度検出手段による検出温度値を基に継続的に演算し、演算された燃焼温度変化率に基づいて上限燃焼温度までの到達時間を演算し、前記到達時間が酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量増加の際の応答遅れ時間と等しくなる以前に、酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給流量を増加することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 酸化剤ガスまたはカソードオフガスの供給量を増加する際の目標酸化剤ガス供給量は、所定の上限燃焼温度よりも低い燃焼温度を実現できる流量と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。
6. 前記燃焼温度変化率は、燃料ガスまたはアノードオフガスを燃焼器に供給開始した時点から燃焼器に到達するまでの供給遅れ時間を考慮して演算することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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