JP2007265854A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器の燃焼温度を所定の温度に保つとともに、燃料電池の出力を安定して得ることのできる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池の出力と、燃料電池に供給される改質ガス中の水素量に対する燃料電池で消費された水素量の比である補正後水素利用率Ｒｈとから燃料電池用燃料量Ｆｃを計算する第１燃料量計算手段１５と、バーナの燃焼温度Ｔｂと目標温度とから燃焼用燃料補正量Ｆｂを計算する第２燃料量計算手段１６とを備える。燃料電池用燃料量Ｆｃと燃焼用燃料補正量Ｆｂとに基づいて改質器に供給する改質用燃料量を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼器によって燃焼させることにより改質器を加熱する燃料電池システム及びその制御方法に関する。

従来、特許文献１、２に記載された燃料電池システム及びその制御方法が知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムは、図８に示すように、改質用燃料及び改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質器９１と、改質ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池９３と、燃料電池９３から排出されるオフガスのみが燃焼エアによって燃焼されることにより改質器９１を加熱するバーナ９２とを備えている。改質器９１に供給される改質用燃料は、流量調整弁９５により流量が調整される。また、改質器９１には、バーナ９２の燃焼温度を測定する温度センサ９１ａが設けられている。さらに、燃料電池９３からの直流出力は、インバータ９４により交流出力に変換されるようになっている。また、図９に示すように、改質用燃料の供給量は交流出力設定値により決定されるようになっている。

この燃料電池システムの制御方法では、電力使用状況などに応じて予めわかっている交流出力設定値に対して、図９のグラフに従って、フィードフォワード制御方式によって改質用燃料の供給量を求める。その後、温度センサ９１ａの測定値に基づいて、燃料電池９３の直流出力を調整することによりバーナ９２の燃焼温度を制御している。この燃料電池システム及びその制御方法によれば、温度センサ９１ａの出力値に基づいて燃料電池９３の直流出力を調整するだけでバーナ９２の燃焼温度を制御することができるため、簡単かつ安価にバーナ９２の燃焼温度を制御することができると考えられる。

また、特許文献２に記載された燃料電池システムは、特許文献１に記載された燃料電池システムと同様、改質器、燃料電池及びバーナを備え、バーナの燃焼温度によるフィードバック制御に基づいて改質用燃料を改質器に供給する一方、燃料電池の出力電流から燃料電池オフガス中の残存水素量を推定して、改質器に供給する改質用燃料の量を補正している。

この燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流が急激に変動しても、改質器に供給する改質用燃料の量をいち早く補正して追従することができるため、バーナの燃焼温度を制御することができると考えられる。
特開２００２−２８９２２６号公報 特開２００３−９２１２３号公報

しかし、上記特許文献１記載の燃料電池システム及びその制御方法では、改質用燃料の供給量を交流出力設定値により一義的に決めていること、及び燃料電池９３の直流出力によりバーナ９２の燃焼温度を制御していることから、機器やセンサ等のばらつき、外気温の変化及び経年変化等により、バーナ９２の燃焼温度制御性と燃料電池９３の出力の安定性とを同時に図ることができない。例えば、経年変化によりバーナ９２が劣化した場合、バーナ９２の燃焼温度が下がるため、燃料電池９３の直流出力を下げて燃料電池９３から排出されるオフガスを増加させる。そのため、交流出力が下がってしまい、予定の交流出力が得られなくなってしまう。

また、上記特許文献２記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流により改質器に供給する改質用燃料の量が頻繁に変動するため、この改質用燃料の量に基づいて求められるＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量も頻繁に変動してしまう。そのため、この燃料電池システムでは、燃料電池システムの制御が不安定になるおそれがあり、結果として燃焼器の燃焼温度を所定の温度に保つことができず、燃料電池の出力を安定して得ることができなくなるおそれがある。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼器の燃焼温度を所定の温度に保つとともに、燃料電池の出力を安定して得ることのできる燃料電池システム及びその制御方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る燃料電池システムの特徴は、改質用燃料及び改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、該燃料電池から排出されるオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力と水素利用率とから燃料電池用燃料量を計算する第１燃料量計算手段と、前記燃焼器の燃焼温度と目標温度とから燃焼用燃料補正量を計算する第２燃料量計算手段と、を備え、前記燃料電池用燃料量と前記燃焼用燃料補正量とに基づいて前記改質器に供給する改質用燃料量を制御することである。

請求項２に係る燃料電池システムの特徴は、請求項１において、前記第１燃料量計算手段は、前記燃焼用燃料補正量に基づいて前記水素利用率を補正する水素利用率補正手段を有することである。

請求項３に係る燃料電池システムの特徴は、請求項２において、前記水素利用率補正手段は、前記燃焼用燃料補正量を小さくするように前記水素利用率を補正することである。

請求項４に係る燃料電池システムの特徴は、前記燃焼用燃料補正量は、改質器に供給される水蒸気と改質用燃料中の炭素とのモル比であるＳ／Ｃが第１限界値以上、及び燃料電池に供給される改質ガス中の水素量に対する燃料電池で消費された水素量の比である水素利用率が第２限界値以下となる供給量であることである。

請求項５に係る燃料電池システムの制御方法の特徴は、改質用燃料及び改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、該燃料電池から排出されるオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼器と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池の出力と水素利用率とから燃料電池用燃料量を計算する第１燃料量計算ルーチンと、前記燃焼器の燃焼温度と目標温度とから燃焼用燃料補正量を計算する第２燃料量計算ルーチンと、を備え、前記燃料電池用燃料量と前記燃焼用燃料補正量とに基づいて前記改質器に供給する改質用燃料量を制御することである。

請求項１に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池用燃料量と燃焼用燃料補正量とに基づいて改質器に供給する改質用燃料量を制御するため、燃料電池の直流出力を調整する必要がない。また、燃料電池用燃料量に基づいてＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量を制御すれば、安定して燃料電池システムを制御することができるとともに、燃焼用燃料補正量の増減によりＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量に影響を与えることなく、燃焼器の燃焼温度を微調整可能である。したがって、この燃料電池システムによれば、燃焼器の燃焼温度を所定の温度に保つとともに、燃料電池の出力を安定して得ることができる。

請求項２に係る燃料電池システムにおいては、燃焼用燃料補正量に基づいて水素利用率を補正して燃料電池用燃料量を計算するため、燃料電池システムの状況に応じてＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量を制御することができる。

請求項３に係る燃料電池システムにおいては、燃焼用燃料補正量を小さくするように水素利用率を補正するため、最適な状態で燃料電池システムを運転することができ、ロバスト性も高くなる。

請求項４に係る燃料電池システムにおいては、Ｓ／Ｃが第１限界値以上、水素利用率が第２限界値以下となるように燃焼用燃料補正量を供給しているため、コーキングや燃料電池スタックにおける部分的な水素不足を防止して、機器の破損を防止することができる。

請求項５に係る燃料電池システムの制御方法においては、燃料電池用燃料量と燃焼用燃料補正量とに基づいて改質器に供給する改質用燃料量を制御するため、燃料電池の直流出力を調整する必要がない。また、燃料電池用燃料量に基づいてＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量を制御すれば、安定して燃料電池システムを制御することができるとともに、燃焼用燃料補正量の増減によりＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量に影響を与えることなく、燃焼器の燃焼温度を微調整可能である。したがって、この燃料電池システムの制御方法によれば、燃焼器の燃焼温度を所定の温度に保つとともに、燃料電池の出力を安定して得ることができる。

本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法を具体化した実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１に示すように、本実施形態に用いられる燃料電池システムは、改質用燃料及び改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質器１と、改質ガスと酸化剤ガスであるカソード用空気とによって発電する燃料電池３と、燃料電池３から排出されるアノードオフガス（オフガス）が燃焼エアによって燃焼されることにより改質器１を加熱する燃焼器としてのバーナ２とを備えている。

改質器１は、燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料と、改質水供給源Ｓｗから供給される改質水から改質ガスを生成して燃料電池３に導出するものである。燃料としては天然ガス、プロパンガスなどのガス燃料や灯油、ガソリン、メタノールなどの液体燃料などがあり、本実施形態においては天然ガスを用いている。改質器１に供給される改質用燃料は、制御装置１０の指令に応じて、改質用燃料ポンプ５により流量が調整される。また、改質用燃料の流量は流量計６により計測され、その計測データは制御装置１０に送られる。改質器１には、バーナ２の燃焼温度Ｔｂすなわち改質器１の内壁温度を測定する温度センサ１ａが設けられている。温度センサ１ａの測定結果は、制御装置１０に出力されるようになっている。

バーナ２は、通常運転時においては、可燃性ガスとして燃料電池３からのアノードオフガスが供給され、その可燃性ガスを空気供給源Ｓａから供給される燃焼エアにより燃焼させて改質器１を加熱するものである。バーナ２の燃焼排ガスは図示しない排気管を通って排気される。ここで、「定常運転」とは、改質器１から燃料電池３の燃料極に供給される改質ガス中の水素、及び空気供給源Ｓａから燃料電池３の酸化剤極に供給される空気を用いて燃料電池３が発電している状態にあることをいう。ただし、バーナ２に着火する起動運転時においては、バーナ２には可燃性ガスとして燃料供給源Ｓｆから燃焼用燃料を供給してもよい。また、改質ガスを安定させる暖機運転時においては、可燃性ガスとして改質器１から改質ガスを燃料電池３をバイパスして供給してもよい。ただし、本実施形態は通常運転時における燃料電池システム及びその制御方法であるため、起動運転時及び暖機運転時における燃料電池システムに係る部分は省略している。

燃料電池３は、改質器１から燃料極に供給される改質ガス中の水素、及び空気供給源Ｓａから酸化剤極に供給される酸化剤ガスであるカソード用空気を用いて発電するものであり、燃料電池３から排出されるアノードオフガスをバーナ２に供給するようになっている。さらに、燃料電池３からの直流出力は、インバータ４により交流出力に変換されるようになっている。制御装置１０には、温度センサ１ａ、改質用燃料ポンプ５、流量計６が電気的に接続されている。制御装置１０により燃料電池システムが制御される。

図２は、この燃料電池システムのブロック線図である。この燃料電池システムは、燃料電池３の出力と水素利用率（補正後水素利用率Ｒｈ）とから燃料電池用燃料量Ｆｃを計算する第１燃料量計算手段１５と、バーナ２の燃焼温度Ｔｂと目標温度とから燃焼用燃料補正量Ｆｂを計算する第２燃料量計算手段１６とを備えている。ここで、「水素利用率」とは、燃料電池３に供給される改質ガス中の水素量に対する燃料電池３で消費された水素量の比である。また、本実施形態においては、燃料供給源Ｓｆから改質器１に供給される改質用燃料を計算上、燃料電池用燃料量Ｆｃと燃焼用燃料補正量Ｆｂとに分けている。燃料電池用燃料量Ｆｃとは、改質用燃料のうち燃料電池３において主に発電に使用される改質ガスを生成するものであるとする。この改質ガスの一部はアノードオフガスとして燃料電池３からバーナ２に排出される。また、燃焼用燃料補正量Ｆｂとは、改質用燃料のうち燃料電池３において発電に使用されることのない改質ガスを生成するものとする。この改質ガスは全てアノードオフガスとして燃料電池３からバーナ２に排出される。さらに、「目標温度」は、予め設計によって決められ、改質器１の転化率に基づいて求められる。本実施形態においては、この「目標温度」を燃料電池システムの運転状態によらず一定値としているが、燃料電池３の水素利用率等を考慮したマップを作成し、燃料電池システムの運転状態によって変化させてもよい。

第１燃料量計算手段１５は、水素利用率補正手段としての水素利用率補正処理部２０と設計燃焼量計算部３１と燃料電池用燃料量計算部３２とを有している。水素利用率補正処理部２０は、燃焼用燃料補正量Ｆｂに基づいて設定水素利用率を補正して補正後水素利用率Ｒｈを求めるものであり、詳細は後述する。設計燃焼量計算部３１では、設定発電量すなわち設定出力電流から設計燃料量を求める。ここで、設計燃料量とは、設計段階の水素利用率（例えば８０％）の場合に必要とされる改質用燃料量である。具体的には、発電量（出力電流）に対する設計燃料量のマップから設計燃料量を求める。燃料電池用燃料量計算部３２では、設計燃料量を補正後水素利用率Ｒｈで除算して、燃料電池用燃料量Ｆｃを求める。

水素利用率補正処理部２０は、図３に示すように、ローパスフィルタ部２１、偏差計算部２２、補正対象判断部２、積算部２４、及び水素利用率計算部２５を有している。ローパスフィルタ部２１では、後述する燃焼用燃料補正量計算部３７で計算される燃焼用燃料補正量Ｆｂから高周波成分を取り除いて、ノイズが除去される。なお、カットオフ周波数を５．３×１０^−４Ｈｚとしている。偏差計算部２２では、燃焼用燃料補正量目標値（０）とローパスフィルタ部２１でノイズを除去した燃焼用燃料補正量Ｆｂとの偏差を求める。補正対象判断部２３では、この偏差が所定のデッドバンド内にあるか否かが判断される。このデッドバンドの幅は水素利用率が±２％に相当する燃焼用燃料補正量Ｆｂの幅である。このように、デッドバンドを設けることにより、頻繁に改質用燃料量を変化させるのを防止して、燃料電池システムの安定性、ロバスト性を高めている。積算部２４では、デッドバンド外にある偏差の積算量を求める。この積算量は、ＰＩＤ制御により求めてもよく、マップ制御により求めてもよい。水素利用率計算部２５では、設定水素利用率に偏差の積算量を加算して補正後水素利用率Ｒｈを求める。

図２に示すように、第２燃料量計算手段１６は、温度センサ１ａと偏差計算部３６と燃焼用燃料補正量計算部３７とを有している。温度センサ１ａは、前述したように、バーナ２の燃焼温度Ｔｂすなわち改質器１の内壁温度を測定するものである。温度センサ１ａにより燃焼温度Ｔｂが得られる。偏差計算部３６では、燃焼温度Ｔｂと燃焼温度目標値との偏差を求める。燃焼用燃料補正量計算部３７では、この偏差と設定発電量とから、ＰＩＤ計算により燃焼用燃料補正量Ｆｂを求める。

この燃料電池システムでは、第１燃料量計算手段１５及び第２燃料量計算手段１６の他に、加算部３８、偏差計算部３９、改質用燃料ポンプ５、及び流量計６を有している。加算部３８では、第１燃料量計算手段１５により求められた燃料電池用燃料量Ｆｃと、第２燃料量計算手段１６により求められた燃焼用燃料補正量Ｆｂとが加算され、改質用燃料量目標値が計算される。偏差計算部３９では、流量計６で計測された改質用燃料の流量と、加算部３８で求めた改質用燃料量目標値との偏差を求める。改質用燃料ポンプ５は、この偏差を考慮して、改質用燃料の流量（改質用燃料量）が改質用燃料量目標値となるようにＰＩＤ制御により演算された値の改質用燃料を燃料供給源Ｓｆから改質器１に送り出す。改質用燃料の流量は流量計６により計測される。

また、燃焼用燃料補正量計算部３７で計算される燃焼用燃料補正量Ｆｂは、図４に示す燃焼用燃料補正量上限値と燃焼用燃料補正量下限値との範囲内に入るようにされる。燃焼用燃料補正量上限値は、Ｓ／Ｃ下限設定値と設定発電量とから上限値計算部４１により計算される。また、燃焼用燃料補正量下限値は、水素利用率上限設定値と設定発電量とから下限値計算部４２により計算される。ここで、本実施形態においては、Ｓ／Ｃ下限設定値としての第１限界値を３．０とし、水素利用率上限設定値としての第２限界値を８５％としている。これらの値は設計により変更する。Ｓ／Ｃが第１限界値より小さいと、改質器１に供給される水蒸気に対して改質用燃料中の炭素が多すぎるため、コーキングを起こし、改質触媒を劣化させるおそれがあるからである。また、水素利用率が第２限界値より大きいと、燃料電池３において部分的に水素不足が起こるおそれがあり、燃料電池３が劣化するおそれがあるためである。

次に、この燃料電池システムの制御方法について、図５に示す制御プログラムのフローチャートを用いて説明する。この制御プログラムは所定時間ごとに実行される。制御プログラムに起動がかかると、まずステップＳ１において、燃料電池３が定常運転中であるか否かを調べる。燃料電池３が定常運転中である場合（ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。また、燃料電池３が定常運転中でない場合（ＮＯ）、制御プログラムの実行を終了する。

ステップＳ２においては、温度センサ１ａからバーナ９２の燃焼温度Ｔｂを入力する。ステップＳ３においては、燃焼用燃料補正量Ｆｂを計算する。すなわち、燃焼用燃料補正量Ｆｂは、温度センサ１ａから入力した燃焼温度Ｔｂと燃焼温度目標値との偏差を０にする値として求めることができる。この燃焼用燃料補正量Ｆｂは、所定の燃焼用燃料補正量上限値と燃焼用燃料補正量下限値との範囲内に限定される。燃焼用燃料補正量上限値は、Ｓ／Ｃ下限設定値から計算される。また、燃焼用燃料補正量下限値は、水素利用率上限設定値から計算される。ここで、ステップＳ２、Ｓ３が第２燃料量計算ルーチンである。

ステップＳ４においては、ステップＳ３で求めた燃焼用燃料補正量Ｆｂにローパスフィルタ処理を行う。具体的には、カットオフ周波数を５．３×１０^−４Ｈｚとし、燃焼用燃料補正量Ｆｂから高周波成分を取り除いて、ノイズ成分を除去する。ステップＳ５においては、ローパスフィルタ処理をした燃焼用燃料補正量Ｆｂが所定の範囲を超えるか否かを調べる。この所定の範囲とは水素利用率が±２％に相当する燃焼用燃料補正量Ｆｂの範囲である。ローパスフィルタ処理をした燃焼用燃料補正量Ｆｂが所定の範囲を超える場合（ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。また、ローパスフィルタ処理をした燃焼用燃料補正量Ｆｂが所定の範囲を超えない場合（ＮＯ）、ステップＳ７に進む。なお、ローパスフィルタ処理をした燃焼用燃料補正量Ｆｂの代わりに、燃焼用燃料補正量目標値を定めて、この燃焼用燃料補正量目標値とローパスフィルタ処理をした燃焼用燃料補正量Ｆｂとの偏差を用いてもよい。

ステップＳ６においては、水素利用率の補正を行う。すなわち、記憶されている補正用水素利用率に２％加算又は減算して新たな補正用水素利用率とし、新たな補正用水素利用率と設定水素利用率とを加算して補正後水素利用率Ｒｈとする。なお、新たな補正用水素利用率を補正用水素利用率にオーバーライトしておく。これにより、補正用水素利用率は積算された補正分の水素利用率を表すことになる。

ステップＳ７においては、燃料電池用燃料量Ｆｃを求める。まず、設定発電量すなわち設定出力電流から、燃料電池３に供給される改質ガス中の水素が１００％発電に使用されると仮定した場合の改質用燃料量である設計燃料量をマップから求める。そして、この設計燃料量を補正後水素利用率Ｒｈで除算して、燃料電池用燃料量Ｆｃとする。ここで、ステップＳ４〜Ｓ７が第１燃料量計算ルーチンである。

ステップＳ８においては、改質用燃料量を計算する。まず、流量計６で計測した改質用燃料の流量を入力する。また、ステップＳ７で求めた燃料電池用燃料量Ｆｃと、ステップＳ３で求めた燃焼用燃料補正量Ｆｂとを加算して改質用燃料量目標値とする。そして、流量計６から入力した改質用燃料の流量と改質用燃料量目標値との偏差を求め、この偏差を考慮して、改質用燃料の流量（改質用燃料量）が改質用燃料量目標値となるようにＰＩＤ計算により演算改質用燃料量を求める。ステップＳ９においては、改質用燃料ポンプ５に指令を送り、ステップＳ８で求めた改質用燃料量を燃料供給源Ｓｆから改質器１に供給する。

この燃料電池システムの制御方法を模式的に図６に示す。図６において、Ｇ１は燃焼温度Ｔｂのグラフ、Ｇ２は燃焼用燃料補正量Ｆｂのグラフ、Ｇ３は補正後水素利用率Ｒｈのグラフ、Ｇ４は燃料電池用燃料量Ｆｃのグラフである。

まず、時刻Ｔ１から、ステップＳ２において、温度センサ１ａから入力したバーナ９２の燃焼温度Ｔｂが、グラフＧ１に示すように下降する。ステップＳ３では、この燃焼温度Ｔｂと燃焼温度目標値との偏差である燃焼用燃料補正量Ｆｂが求められる。この燃焼用燃料補正量ＦｂはグラフＧ２に示すように僅かずつ増加するため、ステップＳ８において求められる燃焼用燃料補正量Ｆｂと燃料電池用燃料量Ｆｃとの和である改質用燃料量も僅かずつ増加する。なお、ステップＳ７で求められる燃料電池用燃料量Ｆｃは、補正後水素利用率Ｒｈが変化しないため、増加しない。ステップＳ９において、改質用燃料量が改質器１に供給され、これにより改質器１から生成される改質ガスの量が僅かずつ増加し、燃料電池３からバーナ９２に排出されるアノードオフガスの量も僅かずつ増加する。しかし、バーナ９２の燃焼温度Ｔｂは、グラフＧ１で示すように、上昇することなく下降し続ける。

やがて、時刻Ｔ２で、ステップＳ５において、燃焼用燃料補正量Ｆｂが所定の範囲を超えると判断される。これにより、ステップＳ６において、記憶されている補正用水素利用率から２％減算して新たな補正用水素利用率とし、新たな補正用水素利用率と設定水素利用率とを加算して補正後水素利用率Ｒｈとする水素利用率の補正が行われる。この結果、グラフＧ３に示すように、補正後水素利用率Ｒｈは２％減少する。なお、新たな補正用水素利用率を補正用水素利用率として記憶しておく。ステップＳ７においては、設計燃料量を補正後水素利用率Ｒｈで除算して、燃料電池用燃料量Ｆｃを求める。補正用水素利用率は２％減少しているため、グラフＧ４で示すように、燃料電池用燃料量Ｆｃは水素利用率２％に相当する量だけ増加することになる。ステップＳ８では、燃焼用燃料補正量Ｆｂと燃料電池用燃料量Ｆｃとの和である改質用燃料量を求める。燃焼用燃料補正量Ｆｂと燃料電池用燃料量Ｆｃとの両方とも増加しているため、改質用燃料量は増加する。ステップＳ９において、改質用燃料量が改質器１に供給され、これにより改質器１から生成される改質ガスの量が増加し、燃料電池３からバーナ９２に排出されるアノードオフガスの量も増加する。これに伴い、バーナ９２の燃焼温度Ｔｂは、グラフＧ１で示すように、上昇する。また、ステップＳ３で求められる燃焼用燃料補正量Ｆｂは燃焼温度Ｔｂと燃焼温度目標値との偏差から求められるため、グラフＧ２で示すように、下降して０に近づく。

次に、時刻Ｔ３から、ステップＳ２において、温度センサ１ａから入力したバーナ９２の燃焼温度Ｔｂが、グラフＧ１に示すように上降する。ステップＳ３では、この燃焼温度Ｔｂと燃焼温度目標値との偏差である燃焼用燃料補正量Ｆｂが求められる。この燃焼用燃料補正量ＦｂはグラフＧ２に示すように僅かずつ減少するため、ステップＳ８において求められる燃焼用燃料補正量Ｆｂと燃料電池用燃料量Ｆｃとの和である改質用燃料量も僅かずつ減少する。なお、ステップＳ７で求められる燃料電池用燃料量Ｆｃは、補正後水素利用率Ｒｈが変化しないため、増加しない。ステップＳ９において、改質用燃料量が改質器１に供給され、これにより改質器１から生成される改質ガスの量が僅かずつ減少し、燃料電池３からバーナ９２に排出されるアノードオフガスの量も僅かずつ減少する。しかし、バーナ９２の燃焼温度Ｔｂは、グラフＧ１で示すように、下降することなく上昇し続ける。

やがて、時刻Ｔ４で、ステップＳ５において、燃焼用燃料補正量Ｆｂが所定の範囲を超えると判断される。これにより、ステップＳ６において、記憶されている補正用水素利用率に２％加算して新たな補正用水素利用率とし、新たな補正用水素利用率と設定水素利用率とを加算して補正後水素利用率Ｒｈとする水素利用率の補正が行われる。この結果、グラフＧ３に示すように、補正後水素利用率Ｒｈは２％増加する。なお、新たな補正用水素利用率を補正用水素利用率として記憶しておく。ステップＳ７においては、設計燃料量を補正後水素利用率Ｒｈで除算して、燃料電池用燃料量Ｆｃを求める。補正用水素利用率は２％増加しているため、グラフＧ４で示すように、燃料電池用燃料量Ｆｃは水素利用率２％に相当する量だけ減少することになる。ステップＳ８では、燃焼用燃料補正量Ｆｂと燃料電池用燃料量Ｆｃとの和である改質用燃料量を求める。燃焼用燃料補正量Ｆｂと燃料電池用燃料量Ｆｃとの両方とも減少しているため、改質用燃料量は減少する。ステップＳ９において、改質用燃料量が改質器１に供給され、これにより改質器１から生成される改質ガスの量が減少し、燃料電池３からバーナ９２に排出されるアノードオフガスの量も減少する。これに伴い、バーナ９２の燃焼温度Ｔｂは、グラフＧ１で示すように、下降する。また、ステップＳ３で求められる燃焼用燃料補正量Ｆｂは、グラフＧ２で示すように、上昇して０に近づく。

この燃料電池システムの定常運転時における実際の制御量のグラフを図７に示す。図７において、Ｇ５は燃焼温度Ｔｂのグラフ、Ｇ６は燃焼用燃料補正量Ｆｂのグラフ、Ｇ６ａは燃焼用燃料補正量Ｆｂの上限値のグラフ、Ｇ６ｂは燃焼用燃料補正量Ｆｂの下限値のグラフ、Ｇ７は補正後水素利用率Ｒｈのグラフ、Ｇ８は燃料電池用燃料量Ｆｃのグラフである。ただし、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間において、燃料電池３の出力を１ＫＷから３００Ｗに減少させている。また、時刻Ｔ８から時刻Ｔ９の間において、燃料電池３の出力を３００Ｗから１ＫＷに増加させている。図７によれば、補正後水素利用率Ｒｈを制御することにより、燃焼温度Ｔｂ及び燃焼用燃料補正量Ｆｂが略一定に保たれていることがわかる。

本実施形態の燃料電池システム及びその制御方法においては、燃料電池用燃料量Ｆｃと燃焼用燃料補正量Ｆｂとに基づいて改質用燃料を制御するため、燃料電池３の直流出力を調整する必要がない。また、燃料電池用燃料量Ｆｃに基づいてＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量を制御しているため、安定して燃料電池システムを制御することができるとともに、燃焼用燃料補正量Ｆｂの増減によりＳ／Ｃ、燃焼エア量等の制御量に影響を与えることなく、バーナ２の燃焼温度Ｔｂを微調整可能である。したがって、この燃料電池システム及びその制御方法によれば、バーナ２の燃焼温度Ｔｂを所定の温度に保つとともに、燃料電池３の出力を安定して得ることができる。

また、この燃料電池システム及びその制御方法においては、燃焼用燃料補正量Ｆｂに基づいて補正後水素利用率Ｒｈを計算し、この補正後水素利用率Ｒｈを用いて燃料電池用燃料量Ｆｃを計算している。そして、燃焼用燃料補正量Ｆｂを小さくするように補正後水素利用率Ｒｈを計算するため、最適な状態で燃料電池システムを運転することができ、ロバスト性も高くなる。

さらに、この燃料電池システム及びその制御方法においては、Ｓ／Ｃが３．０以上、水素利用率が８５％以下となるように燃焼用燃料補正量Ｆｂを供給しているため、コーキングや燃料電池スタックにおける部分的な水素不足を防止して、機器の破損を防止することができる。

なお、本発明の燃料電池システム及びその制御方法を実施形態に即して説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、本発明の技術的思想に反しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

実施形態の燃料電池システム及びその制御方法に係り、燃料電池システムの概要図。 実施形態の燃料電池システムのブロック線図。 実施形態の燃料電池システムに係り、水素利用率補正処理のブロック線図。 実施形態の燃料電池システムに係り、燃焼用燃料補正量の上下限値のブロック線図。 実施形態の燃料電池システムの制御方法に係り、制御プログラムのフローチャート。 実施形態の燃料電池システムの制御方法に係り、制御量の模式的なグラフ。 実施形態の燃料電池システムの制御方法に係り、制御量の実際のグラフ。 従来の燃料電池システム及びその制御方法に係り、燃料電池システムの概要図。 従来の燃料電池システム及びその制御方法に係り、交流出力設定値と改質用燃料の関係を示すグラフ。

符号の説明

１…改質器、２…燃焼器（バーナ）、３…燃料電池、１５…第１燃料量計算手段、１６…第２燃料量計算手段、２０…水素利用率補正手段（水素利用率補正処理部）、Ｒｈ…水素利用率（補正後水素利用率）、Ｔｂ…燃焼温度、Ｆｃ…燃料電池用燃料量、Ｆｂ…燃焼用燃料補正量、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７…第１燃料量計算ルーチン、Ｓ２、Ｓ３…第２燃料量計算ルーチン。

Claims (5)

1. 改質用燃料及び改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、該燃料電池から排出されるオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の出力と、前記燃料電池に供給される前記改質ガス中の水素量に対する前記燃料電池で消費された水素量の比である水素利用率とから燃料電池用燃料量を計算する第１燃料量計算手段と、
   前記燃焼器の燃焼温度と目標温度とから燃焼用燃料補正量を計算する第２燃料量計算手段と、を備え、
   前記燃料電池用燃料量と前記燃焼用燃料補正量とに基づいて前記改質器に供給する改質用燃料量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記第１燃料量計算手段は、前記燃焼用燃料補正量に基づいて前記水素利用率を補正する水素利用率補正手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記水素利用率補正手段は、前記燃焼用燃料補正量を小さくするように前記水素利用率を補正することを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記燃焼用燃料補正量は、改質器に供給される水蒸気と改質用燃料中の炭素とのモル比であるＳ／Ｃが第１限界値以上、及び水素利用率が第２限界値以下となる供給量であることを特徴とする燃料電池システム。
5. 改質用燃料及び改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、該燃料電池から排出されるオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼器と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の出力と水素利用率とから燃料電池用燃料量を計算する第１燃料量計算ルーチンと、
   前記燃焼器の燃焼温度と目標温度とから燃焼用燃料補正量を計算する第２燃料量計算ルーチンと、を備え、
   前記燃料電池用燃料量と前記燃焼用燃料補正量とに基づいて前記改質器に供給する改質用燃料量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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