JP2010257648A - 燃料電池モジュールの制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化されたアノード電極を迅速に還元させることができ、ＭＥＡの劣化を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】制御プログラムは、制御装置に、燃料電池スタックの目標出力値Ｗｔ＋１を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタックの現在出力値Ｗｔを検出する第２のステップと、前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔとを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタックに前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記燃料電池スタックの抵抗変化又は電圧変化のいずれかを検出する第５のステップと、少なくとも前記抵抗変化と予め設定された前記抵抗変化の設定値、又は前記電圧変化と予め設定された前記電圧変化の設定値とのいずれかを比較する第６のステップと、前記燃料電池スタックの前記現在出力値Ｗｔを前記目標出力値Ｗｔ＋１にする第７のステップとを実行させるためのプログラムである。
【選択図】図６

Description

本発明は、コンピュータによって、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を制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムに関する。

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。

この種の燃料電池スタックでは、運転中に出力が変動される場合があり、この変動が繰り返されることによって、ＭＥＡが劣化し、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムの運転方法が知られている。この特許文献１は、反応ガスの酸化・還元反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池で発電された電気エネルギにより作動される電力負荷とを用意するステップと、前記燃料電池で発電された電気エネルギにより前記電力負荷を作動させる作動ステップとを実施する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池の発電量を増加方向及び減少方向に変化させるとき、反応ガスの利用率を発電量変化前の利用率よりも減少させる利用率減少操作を実行することを特徴としている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムが知られている。この特許文献２では、高温作動型燃料電池と、該燃料電池の運転状態を判定する燃料電池運転状態判定手段と、当該燃料電池からの出力を制御する出力制御手段と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給系統に介装され、燃料供給量を制御する燃料供給量制御手段と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給系統に介装され、酸化剤供給量を制御する酸化剤供給量制御手段と、燃料電池制御手段とを有し、該燃料電池制御手段は、燃料電池の出力と燃料供給量と酸化剤供給量と燃料電池の運転状態を示すパラメータとの特性が記憶されており、燃料電池の運転状態を示すパラメータ及び記憶されている前記特性に基づいて、前記出力制御手段、燃料供給量制御手段、酸化剤供給量制御手段の何れかを制御するように構成されていることを特徴としている。

特開２００６−２５３０３４号公報 特開２００６−０３２２６２号公報

燃料電池では、特に出力を下げた際に、酸化剤ガスや排ガスがＭＥＡを回り込んで、アノード電極に接触し、このアノード電極を酸化させるおそれがある。このため、この状態で、出力を上げると、酸化によりＭＥＡの発電面積が縮小されているため、前記ＭＥＡへの負荷が増大して該ＭＥＡが劣化してしまう。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、上記の酸化剤ガスの回り込みにより酸化されたアノード電極を迅速に還元させることができず、ＭＥＡの劣化を抑制することが困難にな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、酸化されたアノード電極を迅速に還元させることができ、ＭＥＡの劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池モジュールの制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、コンピュータによって、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を制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムに関するものである。

この制御プログラムは、燃料電池スタックの目標出力値を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタックの現在出力値を検出する第２のステップと、前記目標出力値と前記現在出力値とを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタックに前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記燃料電池スタックの抵抗変化又は電圧変化のいずれかを検出する第５のステップと、少なくとも前記抵抗変化と予め設定された前記抵抗変化の設定値、又は前記電圧変化と予め設定された前記電圧変化の設定値とのいずれかを比較する第６のステップと、前記燃料電池スタックの前記現在出力値を前記目標出力値にする第７のステップとを実行させている。

そして、この制御プログラムは、第３のステップの比較結果に基づいて、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させるとともに、前記第６のステップの比較結果に基づいて、第７のステップを実行させている。

また、この制御プログラムは、第３のステップで、目標出力値が現在出力値を超過していると判断された際、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させることが好ましい。すなわち、燃料電池スタックの目標出力値が、現在出力値を超過した際、前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行った後、少なくとも抵抗変化と予め設定された抵抗変化の設定値又は電圧変化と予め設定された電圧変化の設定値とのいずれかが比較されている。

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極に回り込んで、前記アノード電極が酸化したときには、出力を増加させる前に、目標出力値に応じて供給された燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極を還元させることができる。

このように、燃料電池スタックの出力を増加させる前に、予め出力増加分の燃料ガスを供給することにより、アノード電極を還元させて前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。

さらに、この制御プログラムは、第３のステップで、目標出力値が現在出力値以下であると判断された際、第１のステップに戻ることが好ましい。これにより、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極を還元して前記アノード電極の発電面積を拡大させるために燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。

さらにまた、この制御プログラムは、第６のステップで、少なくとも抵抗変化が、予め設定された抵抗変化の設定値以下、又は電圧変化が、予め設定された電圧変化の設定値以下のいずれかであると判断された際、第７のステップを実行させることが好ましい。このため、アノード電極を還元させて前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させており、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。

また、この制御プログラムは、第６のステップで、少なくとも抵抗変化が、予め設定された抵抗変化の設定値超過、又は電圧変化が、予め設定された電圧変化の設定値超過のいずれかであると判断された際、第５のステップに戻ることが好ましい。従って、アノード電極が十分に還元されずに、前記アノード電極の発電面積が縮小された状態で、出力が増加されることがなく、ＭＥＡに負荷（高電流密度）がかかることを抑制することができる。

さらに、この制御プログラムは、第７のステップは、現在出力値から目標出力値に段階的又は連続的に変化させることが好ましい。これにより、燃料電池スタックの出力増加が容易且つ効率的に遂行される。

また、この制御プログラムは、第６のステップから第７のステップに移行する際に、前記第６のステップの比較結果に基づいて、現在出力値から目標出力値への変化時間を決定することが好ましい。このため、アノード電極の酸化状態に適した還元処理を行うことが可能になる。

さらにまた、本発明に係る制御プログラムは、燃料電池スタックの目標出力値を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタックの現在出力値を検出する第２のステップと、前記目標出力値と前記現在出力値とを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタックに前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記目標出力値と前記現在出力値の差、前記燃料電池スタックの温度、又は前記燃料電池スタックの定格未満の運転時間のいずれかを検出する第５のステップと、前記燃料電池スタックの前記現在出力値を前記目標出力値にする第６のステップとを実行させている。

そして、第３のステップの比較結果に基づいて、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させるとともに、前記第５のステップの検出結果に基づいて、前記第６のステップにおける現在出力値から目標出力値への変化時間を決定し、前記現在出力値から前記目標出力値に前記変化時間に沿って段階的又は連続的に変化させている。

また、この制御プログラムは、第３のステップで、目標出力値が現在出力値を超過していると判断された際、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させることが好ましい。

すなわち、燃料電池スタックの目標出力値が、現在出力値を超過した際、前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行った後、少なくとも前記目標出力値と前記現在出力値の差、前記燃料電池スタックの温度又は前記燃料電池スタックの定格未満の運転時間のいずれかが検出されている。次いで、これらの検出結果に基づいて、出力の増加にかかる時間が決定され、燃料電池スタックの現在出力値が、目標出力値まで増加されている。

従って、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極に回り込んで、前記アノード電極が酸化したときには、出力を増加させる前に、目標出力値に応じて供給された燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極を還元させることができる。

このように、燃料電池スタックの出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極を還元させて前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。これにより、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。

さらに、この制御プログラムは、第３のステップで、目標出力値が現在出力値以下であると判断された際、第１のステップに戻ることが好ましい。このため、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極を還元して前記アノード電極の発電面積を拡大させるために、燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。

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。従って、燃料電池は、発生する熱量の多い高温型燃料電池であり、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。

また、固体酸化物形燃料電池は、電解質・電極接合体をセパレータで挟持する平板型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。これにより、特にシールレスタイプの燃料電池に良好に適用されるとともに、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの目標出力値と現在出力値との比較結果に基づいて、前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも抵抗変化と予め設定された抵抗変化の設定値、又は電圧変化と予め設定された電圧変化の設定値とのいずれかが比較され、その比較結果に基づいて、現在出力値を目標出力値まで増加させている。

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極に回り込んで、前記アノード電極が酸化したときには、現在出力値を目標出力値に増加させる前に、前記目標出力値に応じて供給された燃料ガスの中、出力（電流）として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極を還元させることができる。

このように、燃料電池スタックの出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極を還元させて前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。

また、本発明によれば、燃料電池スタックの目標出力値と現在出力値との比較結果に基づいて、前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも目標出力値と現在出力値の差、燃料電池スタックの温度、又は前記燃料電池スタックの定格未満の運転時間のいずれかが検出され、これらの検出結果に基づいて、出力の増加にかかる時間が決定され、現在出力値を目標出力値まで増加させている。

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極に回り込んで、前記アノード電極が酸化したときには、現在出力値を目標出力値に増加させる前に、前記目標出力値に応じて供給された燃料ガスの中、出力（電流）として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極を還元させることができる。

このように、燃料電池スタックの出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極を還元させる時間を確保し、前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。

本発明の第１の実施形態に係る制御プログラム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燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記制御プログラムを説明するフローチャートである。 前記制御プログラムにおける制御パターンの説明図である。 前記制御プログラムにおける抵抗変化の説明図である。 前記制御プログラムにおける別の制御パターンの説明図である。 前記制御プログラムにおけるさらに別の制御パターンの説明図である。 前記抵抗変化及び電圧変化と還元時間との関係説明図である。 前記制御プログラムにおける別のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る制御プログラムを説明するフローチャートである。 出力変更幅、スタック温度部分負荷運転時間と還元時間との関係説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る制御プログラムが適用され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を制御する制御プログラムが記録された制御装置（コンピュータ）２４とを備える。

燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２６が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２８を備える。図３及び図４に示すように、燃料電池２６は、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電解質（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３６を備える。電解質・電極接合体３６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。燃料電池２６は、シールレスタイプの燃料電池を構成する。

燃料電池２６は、各セパレータ３８間に４個の電解質・電極接合体３６が、このセパレータ３８の中心部である燃料ガス供給連通孔４０を中心に同心円上に配列される。セパレータ３８は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。

セパレータ３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部４２を有する。この燃料ガス供給部４２から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部４４を介して比較的大径な挟持部４６が一体的に設けられる。

各挟持部４６は、電解質・電極接合体３６と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。挟持部４６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４８が、例えば、前記挟持部４６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。

各挟持部４６のアノード電極３４に接触する面４５ａには、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路５０が形成される。面４５ａには、燃料ガス通路５０を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路５２と、アノード電極３４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔４８から前記燃料ガス排出通路５２に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部５４とが設けられる。

面４５ａには、燃料ガス通路５０側に突出してアノード電極３４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部５６と、前記アノード電極３４に接触する複数の突起部５８とが設けられる。

各挟持部４６のカソード電極３２に接触する面４５ｂは、略平坦面に形成されており、この面４５ｂには、円板状のプレート６０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。このプレート６０には、エッチング又は、プレス等により複数の突起部６２が設けられる。挟持部４６の面４５ｂ側には、突起部６２によりカソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路６４が形成されるとともに、前記突起部６２は、集電部を構成する。

セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路部材７０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。通路部材７０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部７２を備える。

燃料ガス供給部７２から放射状に４本の第２橋架部７４が延在するとともに、各第２橋架部７４は、セパレータ３８の第１橋架部４４から挟持部４６の面４５ｂに燃料ガス供給孔４８を覆って固着される。

燃料ガス供給部７２から第２橋架部７４には、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス供給孔４８に連通する燃料ガス供給通路７６が形成される。燃料ガス供給通路７６は、例えば、エッチング又は、プレスにより形成される。

酸化剤ガス通路６４は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部４６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔７８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔７８は、各挟持部４６の内方と第１橋架部４４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。

図５に示すように、各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４０をシールするための絶縁シール８０が設けられる。この絶縁シール８０は、燃料ガス供給連通孔４０を電解質・電極接合体３６に対してシールする機能を有する。燃料電池２６には、挟持部４６の外方に位置して排ガス通路８２が形成される。

図１に示すように、燃料電池スタック２８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２８に供給する前に加熱する熱交換器８６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８８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器９０とが配設される。

燃料電池スタック２８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２８を構成する燃料電池２６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９２が配設される（図２参照）。

改質器９０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）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２６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体３６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８６は、燃料電池スタック２８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９４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９６とを有する。空気通路９６の上流側は、空気供給管９８に連通するとともに、前記空気通路９６の下流側は、燃料電池スタック２８の酸化剤ガス供給連通孔７８に連通する。

蒸発器８８には、原燃料通路１００と水通路１０２とが設けられる。原燃料通路１００は、原燃料供給装置１６に接続されるとともに、水通路１０２は、水供給装置２０に接続される。酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管９８に接続される。

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、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器１０６が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源１０８（又は、負荷や２次電池等）が接続される（図２参照）。

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２８の温度を検出する温度センサ１１０、原燃料供給装置１６から蒸発器８８に供給される原燃料（燃料ガス）の流量を検出する第１流量センサ１１２ａ、及び酸化剤ガス供給装置１８から熱交換器８６に供給される空気（酸化剤ガス）の流量を検出する第２流量センサ１１２ｂを備える。温度センサ１１０、第１流量センサ１１２ａ及び第２流量センサ１１２ｂは、制御装置２４に接続される。

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１００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１０２には、水が供給されるとともに、空気供給管９８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８８では、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、改質器９０に供給される。混合燃料は、改質器９０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、燃料電池スタック２８の燃料ガス供給連通孔４０に供給される。

一方、空気供給管９８から熱交換器８６に供給される空気は、この熱交換器８６の空気通路９６に沿って移動する際、排ガス通路９４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８６で加温された空気は、燃料電池スタック２８の酸化剤ガス供給連通孔７８に供給される。

図５に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック２８の燃料ガス供給連通孔４０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２６に設けられる燃料ガス供給通路７６に沿ってセパレータ３８の面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路７６から挟持部４６に形成された燃料ガス供給孔４８を通って燃料ガス通路５０に導入される。燃料ガス供給孔４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４８からアノード電極３４の略中心に供給された後、燃料ガス通路５０に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔７８に供給された空気は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部４６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路６４に送られる。酸化剤ガス通路６４では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部（セパレータ３８の中央部）側から外側周端部（セパレータ３８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路９４を介して燃料電池スタック２８から排出される。

次いで、制御装置２４によって、燃料電池モジュール１２を制御するための第１の実施形態に係る制御プログラムについて、以下に説明する。

この制御プログラムは、制御装置２４に、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔを検出する第２のステップと、前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔとを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタック２８に前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記燃料電池スタック２８の抵抗変化又は電圧変化のいずれかを検出する第５のステップと、少なくとも前記抵抗変化と予め設定された前記抵抗変化の設定値、又は前記電圧変化と予め設定された前記電圧変化の設定値とのいずれかを比較する第６のステップと、前記燃料電池スタック２８の前記現在出力値Ｗｔを前記目標出力値Ｗｔ＋１にする第７のステップとを実行させるためのプログラムである。

そして、第３のステップの比較結果に基づいて、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させるとともに、前記第６のステップの比較結果に基づいて、第７のステップを実行させている。なお、第１のステップと第２のステップとは、順序を逆に行ってもよい。

具体的に、図６に示すフローチャートに沿って、説明する。

燃料電池システム１０では、制御装置２４により燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１（電圧×電流）が設定される（ステップＳ１）。

次に、制御装置２４は、燃料電池スタック２８が実際に出力する電圧及び電流から現在出力値Ｗｔを検出する（ステップＳ２）。その際、図７に示すように、燃料電池スタック２８が定格運転（出力１００％）から定格未満（部分負荷）運転に移行すると、原燃料供給装置１６から燃料電池スタック２８に供給される燃料の供給量が減少されるとともに、燃料利用率Ｕｆは、一定に維持されている。

さらに、ステップＳ３に進んで、目標出力値Ｗｔ＋１と、現在出力値Ｗｔとが比較される。目標出力値Ｗｔ＋１が、現在出力値Ｗｔ以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻される一方、前記目標出力値Ｗｔ＋１が、前記現在出力値Ｗｔを超過していると判断された際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。

このステップＳ４では、目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスが、燃料電池スタック２８に供給される。このため、図７に示すように、燃料電池スタック２８は、例えば、５０％の部分負荷運転を行っている状態で、燃料ガス量は、目標出力値である定格運転（出力１００％）に必要な量に増加されるため、燃料利用率Ｕｆが低下する。従って、各電解質・電極接合体３６には、アノード電極３４に対して現在出力値Ｗｔに必要な燃料ガス量以上の燃料ガス量が供給され、出力として使用されない燃料ガスは、アノード電極３４を還元するために使用される。

制御装置２４では、燃料電池スタック２８の抵抗変化（Δ抵抗）又は電圧変化（Δ電圧）が検出される（ステップＳ５）。アノード電極３４の還元中における抵抗変化は、図８に示される。すなわち、初期の抵抗変化に対して、還元時間が３分経過した際に、抵抗変化が略２０％にまで減少し、さらに還元時間が３０分経過した際には、抵抗変化が０となり、還元が終了している。

これにより、追従性を重視する際には、抵抗変化の設定値が、初期の抵抗変化の２０％に設定される一方、耐久性を重視する際には、抵抗変化の設定値が０に設定される。なお、この間の任意の値を抵抗変化の設定値に設定することができる。

そこで、ステップＳ６において、実際に検出された抵抗変化と抵抗変化の設定値、又は実際に検出された電圧変化と電圧変化の設定値とが比較される。検出された抵抗変化が、抵抗変化の設定値を超過する、又は、検出された電圧変化が、電圧変化の設定値を超過すると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ５に戻る。

一方、検出された抵抗変化が、抵抗変化の設定値以下である、又は、検出された電圧変化が、電圧変化の設定値以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。このステップＳ７では、燃料電池スタック２８の出力を目標出力値Ｗｔ＋１に増加させる処理が実行される（図７中、プレ還元運転参照）。

ここで、燃料電池スタック２８の出力を上げるパターンとしては、図７に示すように、ステップ状に、すなわち、段階的に変化させるパターンの他、図９に示すように、連続的（傾斜的）に出力を上げるパターン、又は、図１０に示すように、一旦急激に出力を上げた後、徐々に目標出力値に連続的に上げていくパターンが採用される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔとの比較結果に基づいて、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも抵抗変化と予め設定された抵抗変化の設定値、又は電圧変化と予め設定された電圧変化の設定値とのいずれかが比較され、その比較結果に基づいて、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１まで増加させている。

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで、前記アノード電極３４が酸化したときには、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１に増加させる前に、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給された燃料ガスの中、出力（電流）として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極３４を還元させることができる。

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制されるという効果が得られる。

また、第１の実施形態では、第３のステップ（ステップＳ３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔを超過していると判断された際、第４のステップ（ステップＳ４）、第５のステップ（ステップＳ５）及び第６のステップ（ステップＳ６）のステップを実行させている。すなわち、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔを超過した際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行った後、検出された抵抗変化と抵抗変化の設定値、又は検出された電圧変化と電圧変化の設定値とが比較されている。

これにより、特に、酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで前記アノード電極３４が酸化したときには、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給される燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより、前記アノード電極３４を還元させることが可能になる。

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め、出力増加分の燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。このため、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制される。

さらに、第３のステップ（ステップＳ３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔ以下であると判断された際（ステップＳ３中、ＮＯ）、第１のステップに戻る。従って、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極３４を還元して前記アノード電極３４の発電面積を拡大させるために、燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。

さらにまた、第６のステップ（ステップＳ６）で、抵抗変化が抵抗変化の設定値以下、又は電圧変化が電圧変化の設定値以下であると判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、第７のステップ（ステップＳ７）が実行される。これにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させており、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制される。

また、第６のステップ（ステップＳ６）で、抵抗変化が抵抗変化の設定値超過、又は電圧変化が電圧変化の設定値超過であると判断された際（ステップＳ６）、第５のステップ（ステップＳ５）に戻る。このため、アノード電極３４が十分に還元されずに、前記アノード電極３４の発電面積が縮小された状態で、燃料電池スタック２８の出力が増加されることがなく、電解質・電極接合体３６に負荷（高電流密度）がかかることを抑制することができる。

さらに、第７のステップ（ステップＳ７）は、現在出力値Ｗｔから目標出力値Ｗｔ＋１に段階的又は連続的に変化させている（図７、図９及び図１０参照）。従って、燃料電池スタック２８の出力増加が容易且つ効率的に遂行される。

ところで、抵抗変化に代えて、電圧変化を採用する際にも、同様の電圧変化の設定値が予め設定される。その際、抵抗変化の大小及び電圧変化の大小による還元時間の関係は、図１１に示されている。これにより、図１２に示すように、ステップＳ５のステップが行われた後、抵抗変化の大小（又は電圧変化の大小）に基づいて、現在出力値Ｗｔから目標出力値Ｗｔ＋１への変化時間を決定するステップ（ステップＳ６ａ）を有することが可能である。その際、図７、図９及び図１０に示す出力の増大方法の決定も行うことができる。このため、特にアノード電極３４の酸化状態に応じて、良好且つ効率的な還元処理が遂行される。

次に、第２の実施形態に係る制御プログラムについて以下に説明する。

この制御プログラムは、制御装置２４に、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔを検出する第２のステップと、前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔとを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタック２８に前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔの差、前記燃料電池スタック２８の温度、又は前記燃料電池スタック２８の定格未満の運転時間のいずれかを検出する第５のステップと、前記燃料電池スタック２８の前記現在出力値Ｗｔを前記目標出力値Ｗｔ＋１にする第６のステップとを実行させるためのプログラムである。

そして、第３のステップの比較結果に基づいて、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させるとともに、前記第５のステップの検出結果に基づいて、前記第６のステップにおける現在出力値Ｗｔから目標出力値Ｗｔ＋１への変化時間を決定し、前記現在出力値Ｗｔから前記目標出力値Ｗｔ＋１に前記変化時間に沿って段階的又は連続的に変化させている。

具体的に、図１３に示すフローチャートに沿って、説明する。

燃料電池システム１０では、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ４と同様に、ステップＳ１１〜ステップＳ１４が行われる。

さらに、燃料電池スタック２８に目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料が供給された後（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に進む。このステップＳ１５では、目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔの差（変更幅）、燃料電池スタック２８の温度又は前記燃料電池スタック２８の定格未満（部分負荷状態）の運転時間の少なくとも１つ以上が検出される。

次いで、ステップＳ１６では、出力変更幅、スタック温度又は部分負荷運転時間の少なくともいずれかに応じて、還元時間及び出力の増大パターン（図７、図９及び図１０参照）が決定される。還元時間は、図１４に示すように、出力変更幅の大小、スタック温度の高低及び部分負荷運転時間の長短によって、予め、設定されている。

そして、ステップＳ１６において決定された還元時間及び出力の増大パターンに基づいて、燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１になるまで増加させる（ステップＳ１７）。

この場合、第２の実施形態では、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔとの比較結果に基づいて、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔの差、燃料電池スタック２８の温度、又は前記燃料電池スタック２８の定格未満の運転時間のいずれかが検出され、これらの検出結果に基づいて、出力の増加にかかる時間が決定され、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１まで増加させている。

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで、前記アノード電極３４が酸化したときには、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１に増加させる前に、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給された燃料ガスの中、出力（電流）として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極３４を還元させることができる。

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させる時間を確保し、前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制されるという効果が得られる。

また、第３のステップ（ステップＳ１３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔを超過していると判断された際（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、第４のステップ（ステップＳ１４）、第５のステップ（ステップＳ１５）及び第６のステップ（ステップＳ１６）が行われる。

すなわち、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１が、現在出力値Ｗｔを超過した際、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行った後、少なくとも前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔの差、前記燃料電池スタック２８の温度、又は前記燃料電池スタック２８の定格未満の運転時間のいずれかが検出されている。次いで、これらの検出結果に基づいて、燃料電池スタック２８の出力の増加にかかる時間が決定され、燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔが、目標出力値Ｗｔ＋１まで増加されている。

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで、前記アノード電極３４が酸化したときには、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給された燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極３４を還元させることが可能になる。

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制される。

さらに、この制御プログラムは、第３のステップ（ステップＳ１３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔ以下であると判断された際（ステップＳ１３中、ＮＯ）、第１のステップ（ステップＳ１１）に戻る。これにより、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極３４を還元して前記アノード電極３４の発電面積を拡大させるために燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。

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 ２６…燃料電池
２８…燃料電池スタック ３０…電解質
３２…カソード電極 ３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体 ３８…セパレータ
８６…熱交換器 ８８…蒸発器
９０…改質器

Claims (12)

1. コンピュータによって、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を制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムであって、
   前記燃料電池スタックの目標出力値を設定する第１のステップと、
   前記燃料電池スタックの現在出力値を検出する第２のステップと、
   前記目標出力値と前記現在出力値とを比較する第３のステップと、
   前記燃料電池スタックに前記目標出力値に応じた前記燃料ガスの供給を行う第４のステップと、
   少なくとも前記燃料電池スタックの抵抗変化又は電圧変化のいずれかを検出する第５のステップと、
   少なくとも前記抵抗変化と予め設定された前記抵抗変化の設定値、又は前記電圧変化と予め設定された前記電圧変化の設定値とのいずれかを比較する第６のステップと、
   前記燃料電池スタックの前記現在出力値を前記目標出力値にする第７のステップと、
   を実行させ、
   前記第３のステップの比較結果に基づいて、前記第４のステップ、前記第５のステップ及び前記第６のステップを実行させるとともに、
   前記第６のステップの比較結果に基づいて、前記第７のステップを実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
2. 請求項１記載の制御プログラムにおいて、前記第３のステップで、前記目標出力値が前記現在出力値を超過していると判断された際、前記第４のステップ、前記第５のステップ及び前記第６のステップを実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
3. 請求項１又は２記載の制御プログラムにおいて、前記第３のステップで、前記目標出力値が前記現在出力値以下であると判断された際、前記第１のステップに戻ることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップで、少なくとも前記抵抗変化が、予め設定された前記抵抗変化の設定値以下、又は前記電圧変化が、予め設定された前記電圧変化の設定値以下のいずれかであると判断された際、前記第７のステップを実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップで、少なくとも前記抵抗変化が、予め設定された前記抵抗変化の設定値超過、又は前記電圧変化が、予め設定された前記電圧変化の設定値超過のいずれかであると判断された際、前記第５のステップに戻ることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第７のステップは、前記現在出力値から前記目標出力値に段階的又は連続的に変化させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップから前記第７のステップに移行する際に、前記第６のステップの比較結果に基づいて、前記現在出力値から前記目標出力値への変化時間を決定することを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
8. コンピュータによって、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を制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムであって、
   前記燃料電池スタックの目標出力値を設定する第１のステップと、
   前記燃料電池スタックの現在出力値を検出する第２のステップと、
   前記目標出力値と前記現在出力値とを比較する第３のステップと、
   前記燃料電池スタックに前記目標出力値に応じた前記燃料ガスの供給を行う第４のステップと、
   少なくとも前記目標出力値と前記現在出力値の差、前記燃料電池スタックの温度、又は前記燃料電池スタックの定格未満の運転時間のいずれかを検出する第５のステップと、
   前記燃料電池スタックの前記現在出力値を前記目標出力値にする第６のステップと、
   を実行させ、
   前記第３のステップの比較結果に基づいて、前記第４のステップ、前記第５のステップ及び前記第６のステップを実行させるとともに、
   前記第５のステップの検出結果に基づいて、前記第６のステップにおける前記現在出力値から前記目標出力値への変化時間を決定し、前記現在出力値から前記目標出力値に前記変化時間に沿って段階的又は連続的に変化させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
9. 請求項８記載の制御プログラムにおいて、前記第３のステップで、前記目標出力値が前記現在出力値を超過していると判断された際、前記第４のステップ、前記第５のステップ及び前記第６のステップを実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
10. 請求項８又は９記載の制御プログラムにおいて、前記第３のステップで、前記目標出力値が前記現在出力値以下であると判断された際、前記第１のステップに戻ることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、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モジュールの制御プログラム。
12. 請求項１１記載の制御プログラムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池は、電解質・電極接合体をセパレータで挟持する平板型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モジュールの制御プログラム。

Images