JP2009110666A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的に、燃料電池スタックを構成する各燃料電池毎の燃料利用率を確実に検出することができ、燃料枯れによる局所的な燃料電池の劣化を抑制し、信頼性及び耐久性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】制御方法は、燃料電池３２の電流を測定する第１の工程と、前記各燃料電池３２毎の電圧を測定する第２の工程と、前記燃料電池３２の温度を測定する第３の工程と、前記燃料電池３２の電流を変化させる第４の工程と、前記第４の工程により発生する前記各燃料電池３２毎の電圧変化を測定する第５の工程と、前記各燃料電池３２毎のオーム損を含む第１の損失を演算する第６の工程と、前記各燃料電池３２毎の前記オーム損を除く第２の損失を演算する第７の工程と、予め設定された燃料利用率データから、前記電流、前記温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池３２毎の燃料利用率を演算する第８の工程とを有している。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガス、ＣＯ、メタンが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガスが生成されている。

この種の燃料電池では、安定した発電を継続して行うために、燃料利用率を一定の範囲内に維持する必要がある。例えば、燃料利用率が高すぎると、燃料枯れ（燃料枯渇）が惹起されるからである。

そこで、特許文献１に開示された燃料電池発電装置及び運転制御方法が知られている。この特許文献１では、熱自立運転を可能とする出力電流対燃料利用率データを有し、当該出力電流対燃料利用率データに基づいて燃料ガス供給量を制御することにより、出力電力を制御している。

また、特許文献２に開示された固体酸化物形燃料電池の運転制御及びシステムが知られている。この特許文献２では、スタックの内の少なくとも１つのセルについて、アノードへの燃料供給部とアノードの燃料出口部に酸素センサを配置して酸素分圧を測定するとともに、当該セルの発電電流量及び改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、当該セルの燃料利用率を推定し、当該セルで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池スタック全体への燃料供給量を制御している。

特開２００６−５９５５０号公報 特開２００６−２４４８８２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタック全体の燃料利用率を得るものであり、前記燃料電池スタックを構成する各燃料電池毎の燃料利用率を検出することができない。このため、例えば、各燃料電池の燃料流量にばらつきがある際、最も燃料流量の少ない燃料電池の燃料利用率が、推定される燃料利用率以上に高くなってしまう。これにより、燃料利用率が上昇した燃料電池では、燃料枯れが惹起して劣化するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、複数のスタックの内の少なくとも１つのセル、具体的には、スタック内で最も燃料枯れが起こりそうなセルに酸素センサを配置して、このセルの燃料利用率を推定している。

しかしながら、スタック内の他のセルの燃料利用率が高くなった場合に対応することができず、燃料枯れを確実に阻止することが困難である。その際、全てのセルに酸素センサを設けることが考えられるが、システムが複雑になるとともに、コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、燃料電池スタックを構成する各燃料電池毎の燃料利用率を確実に検出することができ、燃料枯れによる局所的な燃料電池の劣化を抑制し、信頼性及び耐久性の向上を図ることが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。

この制御方法は、燃料電池の電流を測定する第１の工程と、前記各燃料電池毎の電圧を測定する第２の工程と、前記燃料電池の温度を測定する第３の工程と、前記燃料電池の電流を変化させる第４の工程と、前記第４の工程により発生する前記各燃料電池毎の電圧変化を測定する第５の工程と、前記電流、前記電圧及び前記電圧変化に基づいて、前記各燃料電池毎のオーム損を含む第１の損失を演算する第６の工程と、前記電圧、前記第１の損失及び前記燃料電池の理論起電力に基づいて、前記各燃料電池毎の前記オーム損を除く第２の損失を演算する第７の工程と、予め設定された燃料利用率データから、前記電流、前記温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池毎の燃料利用率を演算する第８の工程とを有している。そして、燃料利用率に基づいて、少なくとも燃料電池モジュールに供給する燃料ガスの流量、酸化剤ガスの流量又は前記燃料電池モジュールの発電量を制御している。

ここで、燃料ガスとは、改質器により改質された改質ガスの他、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料も含む燃料となるガスの総称である。

燃料電池のオーム損とは、ＩＲ損ともいい、電気的な抵抗、燃料電池の内部抵抗及び接触抵抗を含み、前記燃料電池の電圧を低下させる（抵抗過電圧）。ここで、燃料電池の過電圧は、抵抗過電圧の他、活性化過電圧及び濃度過電圧を有する。第２の損失は、実質的に、上記の抵抗過電圧を除く、活性化過電圧及び濃度過電圧を含み、燃料電池の電圧を低下させる。すなわち、燃料電池の理論起電力は、実際に検出される電圧と、過電圧である第１の損失（電圧）及び第２の損失（電圧）との和である。

また、少なくとも１つ以上の燃料利用率が、予め設定された閾値以上であるか否かを検出する第９の工程と、前記第９の工程で、前記燃料利用率が前記閾値以上であると判断された際、前記燃料利用率を減少させた後、第１の工程に戻す第１０の工程とを有することが好ましい。このため、局所的な燃料電池の燃料枯れを良好に回避することができ、局所的な前記燃料電池の劣化を抑制するとともに、燃料電池システムの信頼性及び耐久性が向上する。

さらに、燃料電池モジュールは、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする燃料ガスである原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料電池を生成する蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを有し、第１０の工程は、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させる原燃料増加工程又は前記燃料電池モジュールの発電量を減少させる発電量減少工程のいずれかを有することが好ましい。

従って、原燃料増加工程により燃料利用率を減少させることができるとともに、発電量減少工程により前記燃料利用率を減少させることが可能になり、局所的な燃料電池の燃料枯れが良好に回避される。

さらにまた、第１０の工程は、原燃料増加工程よりも前に、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを増加させる酸化剤ガス増加工程と、前記燃料電池モジュールに供給する水を増加させる水増加工程とを有することが好ましい。

このため、酸化剤ガス増加工程により、予め燃料電池スタックの過昇温によるセパレータの酸化や空気枯渇によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、燃料電池モジュールに供給する原燃料を増加させることができる。一方、水増加工程により、予め炭素析出によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、燃料電池モジュールに供給する原燃料を増加させることが可能になる。

また、第１０の工程は、発電量減少工程よりも前に、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを増加させる酸化剤ガス増加工程を有することが好ましい。これにより、予め燃料電池スタックの過昇温によるセパレータの酸化を抑制しながら、燃料電池モジュールの発電量を減少させることができる。

さらに、酸化剤ガス増加工程は、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを連続的又は断続的に増加させることが好ましい。従って、酸化剤ガスの増加が容易且つ効率的に遂行可能になる。

さらにまた、水増加工程は、燃料電池モジュールに供給する水を連続的又は断続的に増加させることが好ましい。このため、水の増加が容易且つ効率的に遂行される。

また、原燃料増加工程は、燃料電池スタックの温度が設定温度内であると判断された際、燃料電池モジュールに供給する原燃料を増加させることが好ましい。これにより、燃料電池スタックの過昇温によるセパレータの酸化を抑制しながら、原燃料を増加させることができ、燃料利用率の減少時の前記原燃料の増加における信頼性及び耐久性の向上が図られる。

さらに、原燃料増加工程は、少なくとも燃料電池モジュールに供給される酸化剤ガスの流量、原燃料の流量又は燃料電池モジュールの電流に基づいて燃料電池が空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させることが好ましい。従って、空気枯渇によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、原燃料を増加させることが可能になり、燃料利用率の減少時の前記原燃料の増加における信頼性及び耐久性が向上する。

さらにまた、原燃料増加工程は、少なくとも燃料電池モジュールに供給される原燃料の流量、水の流量、蒸発器の温度又は改質器の温度に基づいて燃料電池が炭素析出にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させることが好ましい。このため、炭素析出によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、原燃料を増加させることができ、燃料利用率の減少時の前記原燃料の増加における信頼性及び耐久性が一層向上する。

また、原燃料増加工程は、燃料電池モジュールに供給する原燃料を連続的又は断続的に増加させることが好ましい。これにより、原燃料の増加が容易且つ効率的に遂行される。

さらに、発電量減少工程は、燃料電池スタックの温度が設定温度内であると判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を減少させることが好ましい。従って、燃料電池スタックの過昇温によるセパレータの酸化を抑制しながら、発電量を減少させることが可能になり、燃料利用率の減少時の発電量の減少における信頼性及び耐久性の向上が図られる。

さらにまた、発電量減少工程は、燃料電池モジュールの発電量を連続的又は段階的に減少させることが好ましい。このため、発電量の減少は、容易且つ効率的に遂行される。

また、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。すなわち、運転温度が高く、負荷変動時の温度変化が比較的広範囲である高温型燃料電池に最適である。

さらに、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

制御装置は、燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記各燃料電池毎の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、前記燃料電池の電流を変化させる電流変化部と、前記燃料電池の電流を変化させることにより発生する前記各燃料電池毎の電圧変化を測定する電圧変化測定部と、前記電流、前記電圧及び前記電圧変化に基づいて、前記燃料電池のオーム損を含む第１の損失を演算する第１の演算部と、前記電圧、前記第１の損失及び前記燃料電池の理論起電力に基づいて、前記各燃料電池毎の前記オーム損を除く第２の損失を演算する第２の演算部と、予め設定された燃料利用率データから、前記電流、前記温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池毎の燃料利用率を演算する燃料利用率演算部とを備えている。

さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。すなわち、運転温度が高く、負荷変動時の温度変化が比較的広範囲である高温型燃料電池に最適である。

本発明によれば、燃料電池の電流、前記各燃料電池毎の電圧、前記燃料電池の温度及び前記各燃料電池毎の電圧変化を測定することにより、前記各燃料電池毎のオーム損を含む第１の損失及び前記オーム損を除く第２の損失を演算し、燃料利用率を求めることができる。

従って、各燃料電池毎の燃料利用率が、簡単且つ経済的に得ることが可能になり、局所的な燃料電池の燃料枯れの可能性を確実に検出することができる。これにより、燃料枯れの可能性がある燃料電池に対応して燃料電池システムを制御することができるため、局所的な前記燃料電池の劣化を抑制しながら、前記燃料電池システムの信頼性及び耐久性の向上が図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システム１０の機械系回路を示す概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の回路図である。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備える。

図２に示すように、燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える。

燃料電池スタック３４の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器４０とが配設される（図１参照）。

燃料電池スタック３４の積層方向下端側（又は積層方向上端側）には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図２参照）。

改質器４０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₆）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８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がアノード電極に供給される。

熱交換器３６は、図１に示すように、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガスともいう）を流すための排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。空気通路４６の上流側は、空気供給管４８を介して酸化剤ガス供給装置１８に連通する。

蒸発器３８は、原燃料通路５０を介して原燃料供給装置１６に接続されるとともに、水通路５２を介して水供給装置２０に接続される。原燃料通路５０及び水通路５２は、二重管を構成する。

蒸発器３８の出口部と改質器４０の入口部とには、混合燃料供給管５４が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路５６の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路５６の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。

図２に示すように、原燃料供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、電力変換装置２２には、例えば、商用電源６０（又は２次電池等）及び負荷６２が接続される。

図１及び図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２の温度を検出する第１温度センサ６４ａ、改質器４０の温度を検出する第２温度センサ６４ｂ、蒸発器３８の温度を検出する第３温度センサ６４ｃ、原燃料供給装置１６から蒸発器３８に供給される原燃料の流量を検出する第１流量センサ６５ａ、水供給装置２０から前記蒸発器３８に供給される水の流量を検出する第２流量センサ６５ｂ、及び酸化剤ガス供給装置１８から熱交換器３６に供給される空気（酸化剤ガス）の流量を検出する第３流量センサ６５ｃを備える。第１温度センサ６４ａは、積層されている燃料電池３２に対応して複数、例えば、積層方向中央側及び両端側に配置される。なお、第１温度センサ６４ａは、各燃料電池３２の温度を検出できるようにしてもよい。各燃料電池３２の燃料利用率をより正確に求めることができるからである。

燃料電池スタック３４では、各燃料電池３２毎の電圧を検出するための端子６６が前記燃料電池３２に設けられる。第１温度センサ６４ａ〜第３温度センサ６４ｃ、第１流量センサ６５ａ〜第３流量センサ６５ｃ及び各端子６６は、制御装置２４に接続される。

制御装置２４は、図３に示すように、燃料電池３２の電流を測定する電流測定部７０と、前記各燃料電池３２毎の電圧を測定する電圧測定部７２と、前記燃料電池３２の温度を測定する温度測定部７４と、前記燃料電池３２の電流を変化させる電流変化部７６と、前記燃料電池３２の電流を変化させることにより発生する前記各燃料電池３２毎の電圧変化を測定する電圧変化測定部７８と、前記電流、前記電圧及び前記電圧変化に基づいて、前記各燃料電池３２毎のオーム損を含む第１の損失を演算する第１の演算部８０と、前記電圧、前記第１の損失及び前記燃料電池３２の理論起電力に基づいて、前記各燃料電池３２毎の前記オーム損を除く第２の損失を演算する第２の演算部８２と、予め設定された燃料利用率データから前記電流、前記温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池３２毎の燃料利用率を演算する燃料利用率演算部８４としての機能を有する。

燃料電池３２のオーム損とは、ＩＲ損ともいい、電気的な抵抗、前記燃料電池３２の内部抵抗及び接触抵抗を含み、前記燃料電池３２の電圧を低下させる（抵抗過電圧）。第２の損失は、実質的に、上記の抵抗過電圧を除く、活性化過電圧及び濃度過電圧を含み、燃料電池３２の電圧を低下させる。

図４に示すように、燃料電池３２の理論起電力は、実際に検出される電圧と、過電圧である第１の損失及び第２の損失との和である。

燃料利用率データは、図５に示すように、予め設定されており、各燃料電池３２毎に燃料利用率が演算される。燃料利用率データは、燃料電池３２の電流、温度及び第２の損失によってそれぞれ設定されており、例えば、図６に示すように、燃料利用率データの補正が行われる。なお、温度に関しては、電解質・電極接合体２８の材料によって燃料利用率の高低が逆になる場合もある。

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。

図１及び図２に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５０には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５２には、水が供給されるとともに、空気供給管４８には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

蒸発器３８では、原燃料通路５０を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管５４を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路５６を通って燃料電池スタック３４に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガス、ＣＯが得られ、この水素ガス、ＣＯを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。

一方、空気供給管４８から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４に供給され、図示しないカソード電極に供給される。

従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスの一部は、蒸発器３８及び改質器４０を所望の温度に加温した後、外部に排出される。

次いで、第１の実施形態に係る制御方法について、図７及び図８に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、制御装置２４では、電流測定部７０を介して燃料電池スタック３４全体から出力される電流の測定を行う（ステップＳ１）。なお、燃料電池スタック３４が、それぞれ複数の燃料電池３２を並列する複数のスタック部を備える場合には、各スタック部毎の電流が測定される。

次に、燃料電池スタック３４を構成する各燃料電池３２毎に端子６６に接続された電圧測定部７２を介して電圧が測定される（ステップＳ２）。さらに、ステップＳ３に進んで、所定積層位置の燃料電池３２の温度が、複数の第１温度センサ６４ａを介して温度測定部７４により測定される。そして、ステップＳ４では、電流変化部７６を介して燃料電池３２の電流が変化され、これにより前記各燃料電池３２毎の電圧変化が、電圧変化測定部７８によって測定される（ステップＳ５）。

ステップＳ６では、第１の演算部８０により、電流、電圧及び電圧変化に基づいて、各燃料電池３２毎のオーム損を含む第１の損失が演算される。その際、一般的に用いられている電流遮断法又は交流インピーダンス法を用いることができる。

次に、ステップＳ７に進んで、第２の演算部８２により、電圧、第１の損失及び燃料電池３２の理論起電力に基づいて、前記各燃料電池３２毎の前記オーム損を除く第２の損失が演算される。具体的には、図４に示すように、理論起電力から各燃料電池３２毎の電圧（実際の電圧）及び第１の損失（オーム損）を除くことにより、第２の損失が演算される。

さらに、ステップＳ８では、燃料利用率演算部８４により、予め設定された燃料利用率データ（図５参照）から、電流、温度及び第２の損失に基づいて、各燃料電池３２毎の燃料利用率が演算される。ここで、燃料利用率データは、図６に示すように、第２の損失、燃料電池３２の温度及び電流によって補正される。

ステップＳ９に進んで、各燃料電池３２毎に演算された燃料利用率の内、少なくとも１つ以上が、予め設定された閾値以上であるか否かが検出される。この閾値としては、燃料電池３２が所望の発電機能を有する一方、燃料枯れが惹起されない規定値であり、例えば、９０％以下に設定される。そして、少なくとも１つ以上の燃料利用率が、閾値を越えていると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進んで、燃料利用率減少工程が行われた後、ステップＳ１に戻る。

燃料利用率減少工程は、図８に示すように、先ず、最も高い燃料利用率を閾値未満に減少させるために必要な原燃料、水、空気及び発電量の変化目標値が算出される（ステップＳ１０）。

燃料電池３２の燃料利用率を減少させるためには、少なくとも原燃料を増加させる制御又は発電量を減少させる制御が行われる。その際、スタック温度の過昇温、空気枯渇の可能性又は炭素析出の可能性等が発生し易い。

具体的には、図９に示すように、原燃料を増加させると、燃料利用率が低下する一方、スタック温度、空気枯渇の可能性及び炭素析出の可能性が上昇し易い。また、発電量を減少させると、燃料利用率及び空気枯渇の可能性が低下する一方、スタック温度が上昇し易い。

ここで、スタック温度の過昇温によってセパレータ３０が酸化するおそれがあり、空気枯渇によってカソード電極が還元され、電解質・電極接合体２８が劣化するおそれがある。さらに、炭素析出によって、電解質・電極接合体２８が劣化するおそれがある。

これに対して、燃料電池モジュール１２に供給される空気を増加させると、図９に示すように、燃料利用率及び炭素析出の可能性は変化することがなく、スタック温度及び空気枯渇の可能性が低下し易い。さらに、蒸発器３８に供給される水の流量を増加させると、燃料利用率、スタック温度及び空気枯渇の危険度は変化することがなく、炭素析出の可能性が低下し易い。すなわち、空気の増加及び水の増加により、原燃料の増加及び発電量の減少に伴う信頼性及び耐久性を損なうことがない。

そこで、燃料利用率の減少工程では、先ず、酸化剤ガス供給装置１８が駆動制御され、熱交換器３６に供給される空気の流量が増加される（ステップＳ１２）。次に、水供給装置２０が駆動制御されることにより、蒸発器３８に供給される水の流量が増加される（ステップＳ１３）。

続いて、ステップＳ１４に進み、原燃料供給装置１６が駆動制御されて、蒸発器３８に供給される原燃料の流量が増加された後、燃料電池モジュール１２の発電量が増加される（ステップＳ１５）。その際、図１０に示すように、空気、水及び原燃料は、連続的に増加されるとともに、発電量は、連続的に減少される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池３２の電流、前記各燃料電池３２毎の電圧及び前記各燃料電池３２毎の電圧変化に基づいて、前記各燃料電池３２毎のオーム損を含む第１の損失が演算された後、前記電流、前記燃料電池３２の温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池３２毎の燃料利用率が演算されている。従って、各燃料電池３２毎の燃料利用率は、簡単且つ経済的に得ることができ、局所的な前記燃料電池３２の燃料枯れの可能性を確実に検出することができる。

これにより、燃料枯れの可能性がある燃料電池３２に対応して燃料電池システム１０を制御することができ、局所的な前記燃料電池３２の劣化を抑制しながら、前記燃料電池システム１０の信頼性及び耐久性の向上が図られるという効果がある。

また、各燃料電池３２毎に検出された燃料利用率の少なくとも１つ以上が、予め設定された閾値以上であると判断された際、前記燃料利用率を減少させる工程が行われた後、ステップＳ１に戻されている。このため、局所的な燃料電池３２の燃料枯れを良好に回避することができ、局所的な前記燃料電池３２の劣化を抑制するとともに、燃料電池システム１０の信頼性及び耐久性が向上する。

さらに、燃料利用率を減少させる工程では、燃料電池モジュール１２に供給する原燃料を増加させる原燃料増加工程及び（又は）燃料電池モジュール１２の発電量を減少させる発電量減少工程が行われている。従って、原燃料増加工程及び発電量減少工程は、共に燃料利用率を有効に減少させることができ、局所的な燃料電池３２の燃料枯れが良好に回避される。

さらにまた、原燃料増加工程よりも前に、燃料電池モジュール１２に供給する空気を増加させる酸化剤ガス増加工程と、前記燃料電池モジュール１２に供給する水を増加させる水増加工程とが行われている。このため、酸化剤ガス増加工程により、予め燃料電池スタック３４の過昇温によるセパレータ３０の酸化や空気枯渇による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、燃料電池モジュール１２に供給する原燃料を増加させることができる。

一方、水増加工程により、予め炭素析出による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、燃料電池モジュール１２に供給する原燃料を増加させることが可能になる。

また、発電量減少工程よりも前に、酸化剤ガス増加工程が行われているため、燃料電池スタック３４の過昇温によるセパレータ３０の酸化を抑制しながら、前記燃料電池モジュール１２の発電量を減少させることができる。

さらに、酸化剤ガス増加工程では、燃料電池モジュール１２に供給する空気を連続的に増加させるように制御している（図１０参照）。従って、空気の増加が容易且つ効率的に遂行可能になる。

さらにまた、水増加工程では、燃料電池モジュール１２に供給する水を連続的に増加させる制御が行われている。このため、水の増加が容易且つ効率的に遂行される。

また、原燃料増加工程では、燃料電池スタック３４の温度が設定温度内であると判断された際、燃料電池モジュール１２に供給する原燃料を増加させている。これにより、燃料電池スタック３４の過昇温によるセパレータ３０の酸化を抑制しながら、原燃料を増加させることができ、燃料利用率の減少時の前記原燃料の増加における信頼性及び耐久性の向上が図られる。

さらに、原燃料の増加工程は、少なくとも燃料電池モジュール１２に供給される空気の流量（第３流量センサ６５ｃによる検出流量）、原燃料の流量（第１流量センサ６５ａによる検出流量）又は前記燃料電池モジュール１２の電流に基づいて、前記燃料電池モジュール１２が空気枯渇にならないと判断された際に行われている。従って、空気枯渇による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、燃料ガスを増加させることが可能になり、燃料利用率の減少時の前記原燃料の増加における信頼性及び耐久性が向上する。

さらにまた、原燃料増加工程には、少なくとも燃料電池モジュール１２に供給される原燃料の流量（第１流量センサ６５ａによる検出流量）、水の流量（第２流量センサ６５ｂによる検出流量）、蒸発器３８の温度（第３温度センサ６４ｃによる検出温度）又は改質器４０の温度（第２温度センサ６４ｂによる検出温度）に基づいて、前記燃料電池モジュール１２が炭素析出にならないと判断された際に行われている。これにより、炭素析出による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、原燃料を増加させることができ、燃料利用率の減少時の前記原燃料の増加における信頼性及び耐久性が一層向上する。

また、原燃料増加工程は、燃料電池モジュール１２に供給する原燃料を連続的に増加させている。これにより、原燃料の増加が容易且つ効率的に遂行される。

さらに、発電量減少工程は、燃料電池スタック３４の温度（第１温度センサ６４ａによる検出温度）が設定温度内であると判断された際、前記燃料電池モジュール１２の発電量を減少させている。従って、燃料電池スタック３４の過昇温によるセパレータ３０の酸化を抑制しながら、発電量を減少させることが可能になり、燃料利用率の減少時の発電量の減少における信頼性及び耐久性の向上が図られる。

さらにまた、発電量減少工程は、燃料電池モジュール１２の発電量を連続的に減少させている。このため、発電量の減少は、容易且つ効率的に遂行される。

また、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形の燃料電池３２を用いている。このため、運転温度が高く、負荷変動時の温度変化が比較的広範囲である燃料電池３２に最適であるという利点がある。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法の説明図である。

この第２の実施形態では、空気、水及び原燃料は、段階的に増加するとともに、発電量は、段階的に減少している。従って、空気、水及び原燃料の増加と発電量の減少とは、容易且つ効率的に遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る制御方法の説明図である。

この第３の実施形態では、空気、水及び原燃料は、ステップ変化により増加するとともに、発電量は、ステップ変化により減少している。これにより、空気、水及び原燃料の増加と発電量の減少とは、容易且つ効率的に遂行される等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記燃料電池システムを構成する制御装置の機能説明図である。 第１及び第２の損失の説明図である。 燃料利用率データの説明図である。 各パラメータと燃料利用率との関係説明図である。 第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。 燃料利用率減少工程を説明するフローチャートである。 各種増加工程に伴う現象の説明図である。 第１の実施形態に係る制御方法の説明図である。 第２の実施形態に係る制御方法の説明図である。 第３の実施形態に係る制御方法の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置 ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器 ４０…改質器
４８…空気供給管 ５０…原燃料通路
５２…水通路 ６４ａ〜６４ｃ…温度センサ
６５ａ〜６５ｃ…流量センサ

Claims (16)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の電流を測定する第１の工程と、
   前記各燃料電池毎の電圧を測定する第２の工程と、
   前記燃料電池の温度を測定する第３の工程と、
   前記燃料電池の電流を変化させる第４の工程と、
   前記第４の工程により発生する前記各燃料電池毎の電圧変化を測定する第５の工程と、
   前記電流、前記電圧及び前記電圧変化に基づいて、前記各燃料電池毎のオーム損を含む第１の損失を演算する第６の工程と、
   前記電圧、前記第１の損失及び前記燃料電池の理論起電力に基づいて、前記各燃料電池毎の前記オーム損を除く第２の損失を演算する第７の工程と、
   予め設定された燃料利用率データから、前記電流、前記温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池毎の燃料利用率を演算する第８の工程と、
   を有し、
   前記燃料利用率に基づいて、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスの流量、前記酸化剤ガスの流量又は前記燃料電池モジュールの発電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。
2. 請求項１記載の制御方法において、少なくとも１つ以上の前記燃料利用率が、予め設定された閾値以上であるか否かを検出する第９の工程と、
   前記第９の工程で、前記燃料利用率が前記閾値以上であると判断された際、前記燃料利用率を減少させた後、前記第１の工程に戻す第１０の工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項２記載の制御方法において、前記燃料電池モジュールは、前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
   炭化水素を主体とする前記燃料ガスである原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料電池を生成する蒸発器と、
   前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   を有し、
   前記第１０の工程は、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させる原燃料増加工程又は前記燃料電池モジュールの発電量を減少させる発電量減少工程のいずれかを有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項３記載の制御方法において、前記第１０の工程は、前記原燃料増加工程よりも前に、前記燃料電池モジュールに供給する前記酸化剤ガスを増加させる酸化剤ガス増加工程と、
   前記燃料電池モジュールに供給する前記水を増加させる水増加工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項３記載の制御方法において、前記第１０の工程は、前記発電量減少工程よりも前に、前記燃料電池モジュールに供給する前記酸化剤ガスを増加させる酸化剤ガス増加工程を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項４又は５記載の制御方法において、前記酸化剤ガス増加工程は、前記燃料電池モジュールに供給する前記酸化剤ガスを連続的又は断続的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項４記載の制御方法において、前記水増加工程は、前記燃料電池モジュールに供給する前記水を連続的又は断続的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項４又は５記載の制御方法において、前記原燃料増加工程は、前記燃料電池スタックの温度が設定温度内であると判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項３、４又は８のいずれか１項に記載の制御方法において、前記原燃料増加工程は、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記酸化剤ガスの流量、前記原燃料の流量又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池が空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項３、４、８又は９のいずれか１項に記載の制御方法において、前記原燃料増加工程は、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記原燃料の流量、前記水の流量、前記蒸発器の温度又は前記改質器の温度に基づいて前記燃料電池が炭素析出にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
11. 請求項３、４、８〜１０のいずれか１項に記載の制御方法において、前記原燃料増加工程は、前記燃料電池モジュールに供給する前記原燃料を連続的又は断続的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
12. 請求項３又は５記載の制御方法において、前記発電量減少工程は、前記燃料電池スタックの温度が設定温度内であると判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
13. 請求項３、５又は１２のいずれか１項に記載の制御方法において、前記発電量減少工程は、前記燃料電池モジュールの発電量を連続的又は段階的に減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
15. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、
    前記各燃料電池毎の電圧を測定する電圧測定部と、
    前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、
    前記燃料電池の電流を変化させる電流変化部と、
    前記燃料電池の電流を変化させることにより発生する前記各燃料電池毎の電圧変化を測定する電圧変化測定部と、
    前記電流、前記電圧及び前記電圧変化に基づいて、前記各燃料電池毎のオーム損を含む第１の損失を演算する第１の演算部と、
    前記電圧、前記第１の損失及び前記燃料電池の理論起電力に基づいて、前記各燃料電池毎の前記オーム損を除く第２の損失を演算する第２の演算部と、
    予め設定された燃料利用率データから、前記電流、前記温度及び前記第２の損失に基づいて、前記各燃料電池毎の燃料利用率を演算する燃料利用率演算部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
16. 請求項１５記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池システム。

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