JP2013161602A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時に即時に目標出力に到達させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】スタック１１と、該スタック１１のカソード１１ａの上流側に設けられ、該カソード１１ａに空気を供給する空気ブロワ１２と、空気ブロワ１２とカソード１１ａの間に設けられ、空気ブロワ１２より出力される空気を加熱する燃焼バーナ２１と、スタック１１の起動時に、燃焼バーナ２１で加熱された空気をカソード１１ａに供給してスタック１１を昇温する制御を行い、更に、スタック１１が発電可能温度に到達した後に、該スタック１１が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、燃焼バーナ２１より出力される空気の酸素過剰率を、スタックの目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、スタック１１の出力電圧を所定の範囲内とする制御、及び燃焼バーナ２１による加熱制御のうちの少なくとも一つの制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特にスタック（燃料電池）を即時に起動してシステムに要求される目標出力に到達させる技術に関する。

固体酸化物型燃料電池システム等の燃料電池システムでは、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」と略す）を起動させる際に、該スタックの温度を発電開始温度まで昇温させる必要があり、従来より、スタックのカソード上流側に燃焼バーナを設置し、スタック起動時に燃焼バーナを燃焼させ、発生する燃焼ガスをカソードに供給してスタックを昇温している。そして、スタックが発電可能温度に達した後にスタックによる発電を開始し、スタック温度が所定値に達し、且つ、発電電流または発電電力が所定値に達した場合に、燃焼バーナを停止させて定格運転状態とする（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４６６４７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、燃焼バーナを停止させるタイミングを制御することを目的としており、スタックが定格運転状態(一定の出力を得ることができる状態)に至る以前に、燃焼バーナによる加熱を停止し、その後、徐々に定格運転に移行させるので、燃焼バーナを停止することによってスタックの昇温速度を遅延させてしまう場合があり、急速に目標出力へ到達させることが要求される車載用燃料電池への適用は難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の起動時に即時に目標出力に到達させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池と、該燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、酸化剤供給手段と前記カソードとの間に設けられ、前記酸化剤供給手段より出力される酸化剤を加熱する酸化剤加熱手段とを備える。また、燃料電池の起動時に、酸化剤加熱手段で加熱された酸化剤をカソードに供給して燃料電池を昇温する制御を行い、更に、前記燃料電池が発電可能温度に到達した後に、該燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、前記酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、前記燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、前記燃料電池の出力電圧を所定の範囲内とする制御、及び酸化剤加熱手段による加熱制御、のうちの少なくとも一つの制御を行う。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の温度が発電可能温度に到達した後、通常運転時の目標出力、または目標温度となるまで、酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、及び、燃料電池の出力電圧を所定の範囲内とする制御、及び、酸化剤加熱手段による加熱制御のうちの少なくとも一つの制御を行うので、燃料電池の出力を迅速に目標出力に到達させることができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、スタック起動時における処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、スタック加熱制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、スタック昇温制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、バーナ及び酸素過剰率制御［１］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、バーナ及び酸素過剰率制御［２］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、酸素過剰率制御［１］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、酸素過剰率制御［２］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、スタック起動時における処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、２段目スタック昇温制御［１］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、バーナ及び酸素過剰率制御［３］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、２段目スタック昇温制御［２］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、酸素過剰率制御［３］の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、目標出力と起動時に投入するエネルギーとの関係を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、電流密度とセル電圧、及び出力密度との関係を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、目標出力と現状出力との差分と、燃焼バーナの出力温度との関係を示す特性図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを、外部負荷に接続した構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを、外部負荷に接続した構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムで用いるＳＯＣと外部負荷の要求出力との関係を示すマップである。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムを、外部負荷に接続した構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムで用いる目標温度及び目標出力の時系列的なデータを示す特性図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムで用いるＳＯＣと出力との関係を示すマップである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ、及びアノード１１ｂを備えた燃料電池スタック１１（以下、「スタック１１」と略す）と、カソード１１ａに空気（酸化剤）を供給する空気ブロワ（酸化剤供給手段）１２と、該空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する熱交換器１３と、スタック１１のアノード１１ｂに炭化水素燃料等の燃料を供給する第１燃料ポンプ１４と、該第１燃料ポンプ１４より送出される燃料を気化させる蒸発器２５と、該蒸発器２５で気化した燃料を改質してアノード１１ｂに供給する熱交換型プレ改質装置１５と、を備えている。

熱交換型プレ改質装置１５は、プレ改質器１６、及び該プレ改質器１６を加熱する燃焼器１７を備えており、燃焼器１７には、空気ブロワ１２より送出される空気の一部、及びアノードオフガス（アノード１１ｂより排出されるガス）が供給されて燃焼し、プレ改質器１６を加熱する。また、燃焼器１７の出力側は熱交換器１３の高温側に接続されており、該燃焼器１７より出力される排ガスは熱交換器１３の加熱用ガスとして用いられる。

また、プレ改質器１６には、空気ブロワ１２より送出される空気の一部、及び第１燃料ポンプ１４より送出され蒸発器２５で気化された燃料、及びアノードオフガスの一部が供給され、燃焼器１７で発生する熱により燃料を改質し、改質した燃料をスタック１１のアノード１１ｂに供給する。

また、空気ブロワ１２の出力側は、熱交換器１３の低温側に接続され、更にその出口はスタック１１の起動時にカソード１１ａを加熱するための燃焼バーナ（酸化剤加熱手段）２１に接続されている。燃焼バーナ２１は、第２燃料ポンプ２２に接続され、該第２燃料ポンプ２２より燃料が供給される。従って、燃焼バーナ２１には、熱交換器１３で加熱された空気、及び第２燃料ポンプ２２より送出される燃料が供給されて燃焼する。そして、この燃焼ガスがスタック１１のカソード１１ａに供給される。

アノード１１ｂの出力側には、アノードオフガス循環器２３が設けられており、アノード１１ｂより出力されるアノードオフガスを２系統に分岐させ、一方に分岐したアノードオフガスをプレ改質器１６に供給し、他方に分岐したアノードオフガスを燃焼器１７に供給する。

空気ブロワ１２と熱交換型プレ改質装置１５との間には、流量制御装置１９，２０が設けられており、プレ改質器１６に供給する空気流量、及び燃焼器１７に供給する空気流量が所望の流量となるように調整することができる。

スタック１１には、入口付近の温度を測定する入口温度センサ４１ａ、及び出口付近の温度を測定する出口温度センサ４１ｂと、スタック１１の出力電流及び電圧を検出する電流・電圧センサ４２が設けられている。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、システム全体を総括的に制御する制御部（制御手段）３１を備えている。特に、制御部３１は、スタック１１に設けられる入口温度センサ４１ａ、及び出口温度センサ４１ｂで測定されるスタック温度（例えば、入口温度と出口温度の平均値）、及び電流・電圧センサ４２で測定され、演算される発電出力に基づいて、第２燃料ポンプ２２による燃料の供給量、及び空気ブロワ１２による空気量を制御する処理を行う。なお、制御部３１は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

［第１実施形態の動作説明］
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の、起動時における処理動作を、図２〜図８に示すフローチャートを参照して説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の起動時におけるスタックの昇温操作の全体の処理手順を示すフローチャートである。

初めに、ステップＳ１１において、制御部３１は、スタック１１を起動するか否かを判断し、起動する場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ステップＳ１２において、制御部３１は、燃焼バーナ２１によるスタック１１の加熱が終了したか否かを判断する。そして、加熱が終了していなければ（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１３において、制御部３１は、継続して燃焼バーナ２１によるスタック１１の加熱制御を行う。スタック加熱制御の詳細については、図３に示すフローチャートを参照して後述する。その後、ステップＳ１４に処理を進める。

ステップＳ１４において、制御部３１は、スタック昇温制御が終了しているか否かを判断する。そして、昇温制御が終了していなければ（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１５において、制御部３１は、スタック昇温制御を行う。スタック昇温制御の詳細については、図４に示すフローチャートを参照して後述する。その後、本処理を終了する。なお、「スタック加熱制御」とはスタック１１を発電可能温度まで昇温させる制御であり、「スタック昇温制御」とは発電可能温度まで昇温されたスタック１１の温度を更に昇温して発電目標温度まで上昇させる制御である。

次に、図２のステップＳ１３に示した燃焼バーナ２１によるスタック１１の加熱制御の処理手順を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ２１において、制御部３１は、空気ブロワ１２を起動して、燃焼バーナ２１に空気を供給する。

ステップＳ２２において、制御部３１は、燃焼バーナ２１を起動させて、第２燃料ポンプ２２より供給される燃料及び空気ブロワ１２より供給される空気により該燃焼バーナ２１を燃焼させる。そして、燃焼バーナ２１にて生成される燃焼ガスをスタック１１のカソード１１ａ内に供給し、カソード１１ａを昇温する。

ステップＳ２３において、制御部３１は、空気ブロワ１２からカソード１１ａ内に供給される空気量を制御し、更に、ステップＳ２４において、燃焼バーナ２１に供給する燃料量を制御する。これにより、燃焼バーナ２１からカソード１１ａに供給される燃焼ガス量、及び燃焼バーナ２１の出口温度が所定の状態になるように制御する。

ステップＳ２５において、制御部３１は、入口温度センサ４１ａ、出口温度センサ４１ｂによりスタック１１の温度（例えば、入口温度と出口温度の平均値）を検出し、ステップＳ２６において、スタック１１の温度が所定の温度（スタック１１の発電可能温度）に達したか否かを判断する。所定温度に達していなければ（ステップＳ２６でＮＯ）、ステップＳ２３に処理を戻し、所定温度に達していれば（ステップＳ２６でＹＥＳ）、ステップＳ２７において、制御部３１は、燃焼バーナ２１による加熱を終了する。そして、加熱終了判定のフラグをオンとする。こうして、スタック１１を発電可能温度まで昇温させることができる。

次に、図２のステップＳ１５に示したスタック昇温制御の詳細な処理を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。図４に示すステップＳ３１において、制御部３１は、スタック１１の温度、及び出力（電力、及び電流より演算される）を検出する。ステップＳ３２において、制御部３１は、スタック１１の出力が目標出力に到達しているか否かを判断する。

そして、目標出力に到達している場合には（ステップＳ３２でＹＥＳ）、ステップＳ３５において、スタック１１の発電出力が目標出力になるように電流値を制御する。更に、ステップＳ３６において、目標出力に到達したことを示すフラグをオンとする。その後、ステップＳ３７に処理を進める。

一方、目標出力に達していない場合には（ステップＳ３２でＮＯ）、ステップＳ３３において、制御部３１は、メモリ（図示省略）等に記憶されているセル電圧目標値を読み込み、更に、ステップＳ３４において、このセル電圧目標値となるようにセル電圧を制御する。具体的には、セル電圧が所定値となるように制御することによって、スタック１１の温度の上昇に伴い、スタック１１の出力が目標出力となるように制御する。なお、スタック１１は、複数のセルが積層された構造体であり、セル電圧とは各セルの出力電圧のことである。この際、セル電圧は、０．５Ｖ程度に制御することが望ましい。セル電圧の制御については、図１６を参照して後述する。その後、ステップＳ３７に処理を進める。

ステップＳ３７において、制御部３１は、スタック１１の目標出力が、予め設定した所定出力よりも大きいか否かを判断する。即ち、図１５に示す特性曲線に示しているように、目標出力が予め設定した所定値Ｘ１よりも大きいか否かを判断する。ここで、図１５に示すように、スタック１１の目標出力とスタック１１に投入するエネルギーとの関係は、燃焼バーナ２１のオン時とオフ時で相違する。

そして、図１５の曲線Ｑ１は燃焼バーナ２１のオン時の特性を示し、曲線Ｑ２は燃焼バーナ２１のオフ時の特性を示しており、目標出力がＸ１を超えると燃焼バーナ２１をオンとした方が、投入エネルギーを低減できることが判る。従って、本実施形態に係る燃料電池システムでは、目標出力がＸ１を上回る場合には、燃焼バーナ２１を作動させることによりスタック１１を目標温度まで昇温させ、目標出力がＸ１を下回る場合には、燃焼バーナ２１を作動させずにスタック１１を昇温させる。ここで、「目標温度」とは、スタック１１が定常運転されているときの温度であり、発電可能温度よりも高い温度である。

目標出力が所定値Ｘ１よりも大きい場合には（ステップＳ３７でＹＥＳ）、ステップＳ３８において、制御部３１は、スタック１１の温度が目標温度に到達したか否かを判断する。そして、目標温度に到達していない場合には（ステップＳ３８でＮＯ）、ステップＳ３９において、制御部３１は、バーナ及び酸素過剰率制御［１］を実行する。この制御の詳細については、図５に示すフローチャートを参照して後述する。一方、目標温度に到達している場合には（ステップＳ３８でＹＥＳ）、ステップＳ４０において、制御部３１は、バーナ及び酸素過剰率制御［２］を実行する。この制御の詳細については、図６に示すフローチャートを参照して後述する。

また、ステップＳ３７の処理で、目標出力が所定値Ｘ１以下であると判断された場合には（ステップＳ３７でＮＯ）、ステップＳ４１において、制御部３１は、スタック１１の温度が目標温度に到達したか否かを判断する。そして、目標温度に到達していない場合には（ステップＳ４１でＮＯ）、ステップＳ４２において、制御部３１は、酸素過剰率制御［１］を実行する。この制御の詳細については、図７に示すフローチャートを参照して後述する。一方、目標温度に到達している場合には（ステップＳ４１でＹＥＳ）、ステップＳ４３において、制御部３１は、酸素過剰率制御［２］を実行する。この制御の詳細については、図８に示すフローチャートを参照して後述する。

そして、バーナ及び酸素過剰率制御［１］、［２］及び酸素過剰率制御［１］、［２］のうちのいずれかの処理が実行されると、ステップＳ４４において、制御部３１は、スタック１１の温度が目標温度に到達したか否かを判断する。目標温度に到達した場合には（ステップＳ４４でＹＥＳ）、ステップＳ４５において、制御部３１は、目標温度に到達したものと判定し、目標温度到達判定フラグをオンとする。

ステップＳ４６において、制御部３１は、スタック１１の温度、及び出力が目標温度及び目標出力に到達したか否かを判断し、目標温度及び目標出力に到達していなければ、本処理を終了する。一方、目標温度及び目標出力に到達していれば、ステップＳ４７において、制御部３１は、スタック昇温制御を終了し、スタック昇温制御終了判定フラグをオンとする。そして、ステップＳ４５の処理で目標温度到達フラグがオンとなり、且つ、ステップＳ４７の処理でスタック昇温制御終了フラグがオンとされた場合には、図２のステップＳ１５に示したスタック昇温制御が終了する。

次に、ステップＳ３４の処理でセル電圧を０．５Ｖ前後に制御することについて、図１６に示す特性図を参照して説明する。図１６は、電流密度（Ａ／ｃｍ2）とセル電圧（Ｖ）、及び出力密度（Ｗ／ｃｍ2）との関係を示しており、符号Ｖ１は温度Ｔ１のときの出力電圧を示し、符号Ｖ２は温度Ｔ２（＞Ｔ１）のときの出力電圧を示し、符号Ｖ３は温度Ｔ３（＞Ｔ２）のときの出力電圧を示している。また、符号Ｗ１は温度Ｔ１のときの出力密度（Ｗ／ｃｍ2）を示し、符号Ｗ２は温度Ｔ２のときの出力密度を示し、符号Ｗ３は温度Ｔ３のときの出力密度を示している。

そして、図１６の特性図から理解されるように、各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３において、セル電圧が０．５（Ｖ）付近のときに、単位面積当たりの出力電力、即ち出力密度がピーク値となっている。従って、図４のステップＳ３４に示す処理では、セル電圧を０．５（Ｖ）程度に制御することにより、出力電力を高め、ひいては多くの発熱量を得ることができる。即ち、セル電圧を０．５（Ｖ）程度に制御することにより、スタック１１の昇温効果を向上させることができる。

次に、図４のステップＳ３９に示したバーナ及び酸素過剰率制御［１］の詳細な処理手順を、図５に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ５１において、制御部３１は、目標酸素過剰率を読み込む。この処理では、予めメモリ（図示省略）等に記憶されている目標酸素過剰率（例えば、１．３等）を読み込んで取得する。ここで、メモリ等に記憶されている目標酸素過剰率は、通常運転時における目標酸素過剰率よりも低い数値に設定されている。従って、この目標酸素過剰率を用いてカソード１１ａに供給する酸素量を制御すると、通常運転時よりも少ない酸素（空気）が供給されることになるので、スタック１１の温度は上昇することになる。

ステップＳ５２において、制御部３１は、燃焼バーナ２１の目標出口温度を読み込む。この処理では、予めメモリ（図示省略）等に記憶されている燃焼バーナ２１の目標出口温度を読み込んで取得する。

ステップＳ５３において、制御部３１は、スタック１１に設けられる電流・電圧センサ４２により、スタック１１の出力電流を検出する。

ステップＳ５４において、制御部３１は、ステップＳ５３の処理で検出した出力電流に応じた最低の要求酸素量を演算する。具体的には、出力電流が得られるために必要となる酸素量の最低値に、ステップＳ５１の処理で取得した酸素過剰率を乗じた数値を要求酸素量として求める。

ステップＳ５５において、制御部３１は、ステップＳ５２の処理で取得した燃焼バーナ２１の目標出口温度に基づき、この温度とするために必要とする燃焼バーナ２１の要求燃料量を演算する。即ち、スタック１１の要求酸素量、及び燃焼バーナ２１の目標出口温度が決まれば、要求燃料量を求めることができる。

ステップＳ５６において、制御部３１は、ステップＳ５４の処理で求めた要求酸素量と、ステップＳ５５の処理で求めた要求燃料量とに基づき、空気ブロワ１２より送出する空気量を演算する（この際、燃焼バーナ２１での燃焼によって消費される酸素量を勘案し、燃焼バーナ２１出口の酸素過剰率が、ステップＳ５４の処理で設定された要求酸素量となるように空気量が演算される）。即ち、空気ブロワ１２より送出する空気が燃焼バーナ２１に供給され、且つ、該燃焼バーナ２１で燃焼した後に排出されるガス中の酸素量が、ステップＳ５４の処理で求めた要求酸素量となるように、要求カソード空気量を演算する。

ステップＳ５７において、制御部３１は、ステップＳ５６の処理で求められた空気量をカソード１１ａに供給する空気量として設定し、更に、ステップＳ５８において、燃焼バーナ２１に供給する燃料量を設定し、これらの空気量、及び燃料量となるように、空気ブロワ１２、及び第２燃料ポンプ２２を制御する。

こうして、カソード１１ａに供給する空気量、及び燃焼バーナ２１に供給する燃料量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック１１を昇温させることができる。つまり、燃焼バーナ２１の燃焼ガスを供給し、且つ通常運転時よりも低い酸素過剰率とすることにより、スタック１１の温度を急速に昇温することができる。

次に、図４のステップＳ４０に示したバーナ及び酸素過剰率制御［２］の詳細な処理手順を、図６に示すフローチャートを参照して説明する。この処理では、前述したバーナ及び酸素過剰率制御［１］と異なり、スタック１１が目標温度に到達しているので、スタック１１の出口と入口の温度差ΔＴ（出口温度−入口温度）、或いはスタック１１の出口温度に基づいて、スタック１１の温度が目標温度を維持するように、燃焼バーナ２１及び酸素過剰率を制御する。

初めに、ステップＳ６１において、制御部３１は、スタック１１の出口温度と入口温度との温度差ΔＴを検出する。或いは、カソード１１ａの出口温度を検出する。

ステップＳ６２において、制御部３１は、燃焼バーナ２１の目標出口温度を読み込む。この処理では、図５のステップＳ５２の処理と同様に、メモリ等に記憶されている目標出口温度を読み込んで取得する。

ステップＳ６３において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する酸素過剰燃焼ガス量、即ち、燃焼バーナ２１で燃焼した後に排出される酸素過剰ガスの流量（以下、「供給ガス量」という）を演算する。そして、この供給ガス量となるように制御する。

具体的には、ステップＳ６１の処理で温度差ΔＴを検出した場合には、ΔＴ＞０の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、ΔＴ＜０の場合には供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔＴがゼロに近づくように制御する。また、ステップＳ６１で出口温度を検出した場合には、（出口温度）＞（目標温度）の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、（出口温度）＜（目標温度）の場合に供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、スタック１１の温度が目標温度になるように制御する。

ステップＳ６４において、制御部３１は、ステップＳ６３の処理で求めた供給ガス量に基づいて、空気ブロワ１２より送出する要求カソード空気量を演算する。即ち、空気ブロワ１２より送出する空気が燃焼バーナ２１に供給され、且つ、該燃焼バーナ２１で燃焼した後に排出されるガス量が、ステップＳ６３の処理で求めた供給ガス量となるように、空気ブロワ１２が送出する空気量を演算する。

ステップＳ６５において、制御部３１は、ステップＳ６２の処理で取得した燃焼バーナ２１の目標出口温度に基づき、この温度とするために必要とする燃焼バーナ２１の要求燃料量を演算する。

ステップＳ６６において、制御部３１は、ステップＳ６４の処理で求められた空気量をカソード１１ａに供給する空気量として設定し、更に、ステップＳ６７において、燃焼バーナ２１に供給する燃料量を設定し、これらの空気量、及び燃料量となるように、空気ブロワ１２、及び第２燃料ポンプ２２を制御する。

こうして、カソード１１ａに供給する空気量、及び燃焼バーナ２１に供給する燃料量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック１１の温度を目標温度に保持することができる。

次に、図４のステップＳ４２に示した酸素過剰率制御［１］の詳細な処理手順を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ７１において、制御部３１は、目標酸素過剰率を読み込む。この処理では、予めメモリ（図示省略）等に記憶されている目標酸素過剰率を読み込んで取得する。この酸素過剰率は、スタック１１の通常運転時の酸素過剰率よりも低い数値に設定されている。

ステップＳ７２において、制御部３１は、スタック１１に設けられる電流・電圧センサ４２により、スタック１１の出力電流を検出する。

ステップＳ７３において、制御部３１は、ステップＳ７２の処理で検出した出力電流に応じた最低の要求酸素量を演算する。具体的には、出力電流が得られるために必要となる酸素量の最低値に、ステップＳ７１の処理で取得した酸素過剰率を乗じた数値を要求酸素量として求める。

ステップＳ７４において、制御部３１は、ステップＳ７３の処理で求めた要求酸素量に基づいて、空気ブロワ１２より送出する空気量を演算する。即ち、要求酸素量をカソード１１ａに供給するために必要な空気量を演算する。

ステップＳ７５において、制御部３１は、ステップＳ７４の処理で求められた空気量をカソード１１ａに供給する空気量として設定し、この空気となるように、空気ブロワ１２を制御する。

こうして、カソード１１ａに供給する空気量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック１１を昇温させることができる。つまり、上述したように、目標酸素過剰率は通常運転時の酸素過剰率よりも低く設定されているので、カソード１１ａに供給される酸素量（空気量）は通常運転時よりも少なくなり、冷却効果が低減し、ひいてはスタック１１を昇温することができる。

次に、図４のステップＳ４３に示した酸素過剰率制御［２］の詳細な処理手順を、図８に示すフローチャートを参照して説明する。この処理では、前述した酸素過剰率制御［１］と異なり、スタック１１が目標温度に到達しているので、スタック１１の出口と入口の温度差ΔＴ（出口温度−入口温度）、或いはスタック１１の出口温度に基づいて、スタック１１の温度が目標温度を維持するように、酸素過剰率を制御する。

初めに、ステップＳ８１において、制御部３１は、スタック１１の出口温度と入口温度との温度差ΔＴを検出する。或いは、カソード１１ａの出口温度を検出する。

ステップＳ８２において、制御部３１は、空気ブロワ１２より送出する要求カソード空気量を演算する。そして、この空気量となるように制御する。具体的には、ステップＳ８１の処理で温度差ΔＴを検出した場合には、ΔＴ＞０の場合に供給空気量を所定量だけ増加させ、ΔＴ＜０の場合には供給空気量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔＴがゼロに近づくように制御する。また、ステップＳ８１で出口温度を検出した場合には、（出口温度）＞（目標温度）の場合に供給空気量を所定量だけ増加させ、（出口温度）＜（目標温度）の場合に供給空気量を所定量だけ減少させることにより、スタック１１の温度が目標温度に近づくように制御する。

ステップＳ８３において、制御部３１は、ステップＳ８２の処理で求められた空気量をカソード１１ａに供給する空気量として設定し、この空気となるように、空気ブロワ１２を制御する。

こうして、カソード１１ａに供給する空気量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック１１を目標温度に維持することができる。

このようにして、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムでは、スタック１１のセル電圧、及びカソード１１ａに供給するガスの酸素過剰率、及び燃焼バーナ２１より出力される燃焼ガスのうちの少なくとも一つを制御することにより、発電可能温度まで昇温されたスタック１１を目標出力での運転に必要な目標温度まで昇温させるので、スタック１１の昇温が促進され、迅速に目標温度または目標出力に到達させることができる。従って、例えば車両に搭載する場合のように、即応性が要求されるスタックの場合に極めて有用である。また、昇温に要するエネルギー量を低減することができる。

また、燃料電池システム１００に要求される目標出力が図１６に示したＸ１を下回る場合には、燃焼バーナ２１を作動させずにスタック１１を昇温する。即ち、カソード１１ａに供給するガスの酸素過剰率制御、及びスタック１１のセル電圧制御のうちの少なくとも一つを制御し、燃焼バーナ２１を停止させた状態で、燃料電池を目標温度まで昇温する。従って、消費するエネルギー量を低減することができる。

更に、セル電圧を制御する際に、燃料電池出力がピークとなる電圧値に対して、一定の割合となる電圧値、例えば、セル電圧を０．５（Ｖ）付近とするように制御するので、効率良くスタック１１を目標温度まで昇温させることができる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る燃料電池システム１００ａは、前述した第１実施形態の構成と対比して、スタック１１（１段目スタック）の後段にカソード３２ａ、及びアノード３２ｂを有する２段目スタック３２が設けられている点、及び、１段目スタック（第１燃料電池）１１のカソード１１ａ出口と、２段目スタック（第２燃料電池）３２のカソード３２ａ入口を接続する流路が、冷却空気導入通路（バイパス流路）３３に接続されており、該冷却空気導入通路３３を経由して空気ブロワ１２より送出される空気の一部がカソード３２ａに導入される点で相違している。また、冷却空気導入通路３３には、カソード３２ａに導入する空気量を調整するための冷却空気流量制御装置３４が設けられている。

また、２段目スタック３２には、入口側の温度を測定する入口温度センサ５１ａ、及び出口側の温度を測定する出口温度センサ５１ｂと、出力電流及び電圧を測定する電流・電圧センサ５２が設けられている。それ以外の構成は、図１に示した構成と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

［第２実施形態の動作説明］
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１００ａの作用を、図１０〜図１４に示すフローチャートを参照して説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１００ａの起動時におけるスタックの昇温操作の全体の処理手順を示すフローチャートである。

初めに、ステップＳ１０１において、制御部３１は、１段目スタック１１を起動するか否かを判断し、起動する場合には（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、ステップＳ１０２において、制御部３１は、燃焼バーナ２１による１段目スタック１１の加熱が終了したか否かを判断する。そして、加熱が終了していなければ（ステップＳ１０２でＮＯ）、ステップＳ１０３において、制御部３１は、継続して燃焼バーナ２１による１段目スタック１１の加熱制御を行う。スタック加熱制御の詳細は、前述した図３に示したフローチャートと同様の処理であるので説明を省略する。その後、ステップＳ１０４に処理を進める。

ステップＳ１０４において、制御部３１は、１段目スタック１１の昇温制御が終了しているか否かを判断する。そして、昇温制御が終了していなければ（ステップＳ１０４でＮＯ）、ステップＳ１０５において、制御部３１は、１段目スタック１１の昇温制御を行う。１段目スタック１１の昇温制御は、図４に示したフローチャートと同様の処理であるので説明を省略する。その後、ステップＳ１０６に処理を進める。

ステップＳ１０６において、制御部３１は、２段目スタック３２の第１昇温制御が必要であるか否かを判断する。なお、第１昇温制御とは、２段目スタック３２が発電可能温度に到達するまで昇温する制御のことである。そして、２段目スタック３２が発電可能温度に到達しておらず、第１昇温制御が必要である場合には（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、ステップＳ１０７において、制御部３１は、２段目スタック３２の第１昇温制御を実行する。第１昇温制御の詳細については、図１１を参照して後述する。

一方、第１昇温制御が必要でない場合（ステップＳ１０６でＮＯ）、或いは第１昇温制御が終了した場合には、ステップＳ１０８において、制御部３１は、２段目スタックの第２昇温制御が必要であるか否かを判断する。ここで、第２昇温制御とは、２段目スタック３２が発電可能温度に到達した後、更に通常運転時の温度まで昇温させる制御のことである。そして、２段目スタック３２が通常運転時の温度に到達しておらず、第２昇温制御が必要である場合には、ステップＳ１０９において、制御部３１は、２段目スタック３２の第２昇温制御を実行する。第２昇温制御の詳細については、図１３を参照して後述する。

第２昇温制御が必要でない場合（ステップＳ１０８でＮＯ）、或いは第２昇温制御が終了した場合には、本処理を終了する。

次に、図１０のステップＳ１０７に示した２段目スタック３２の第１昇温制御の処理手順について、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ１１１において、制御部３１は、メモリ（図示省略）等に記憶されている目標出力（１段目スタック１１と２段目スタック３２の合計の目標出力）を読み込む。

ステップＳ１１２において、制御部３１は、１段目スタック１１のみの運転で目標出力を得ることが可能であるか否かを判断する。そして、可能であれば（ステップＳ１１２でＹＥＳ）、ステップＳ１１６において、制御部３１は、２段目スタック３２の第１昇温制御不必要判定フラグをオンとする。

一方、可能でなければ（ステップＳ１１２でＮＯ）、ステップＳ１１３において、制御部３１は、２段目スタック３２に設けられた入口温度センサ５１ａと出口温度センサ５１ｂにより、該２段目スタック３２の温度（例えば、入口温度と出口温度の平均値）を検出する。

ステップＳ１１４において、制御部３１は、２段目スタック３２の昇温が必要であるか否かを判断する。つまり、ステップＳ１１３の処理にて２段目スタック３２の温度が発電可能温度に達している場合には、第１昇温制御は不要となりステップＳ１１６に処理を進める。一方、発電可能温度に達していない場合には、第１昇温制御は必要であるので、ステップＳ１１５に処理を進める。

ステップＳ１１５において、制御部３１は、バーナ及び酸素過剰率制御［３］を実行する。この制御の詳細については図１２に示すフローチャートを参照して後述する。

次に、図１１のステップＳ１１５に示したバーナ及び酸素過剰率制御［３］の詳細な処理手順について、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ１２１において、制御部３１は、１段目スタック１１に設けられる入口温度センサ４１ａで測定される入口温度と、出口温度センサ４１ｂで測定される出口温度との温度差ΔＴ（出口温度−入口温度）を検出する。或いは、カソード１１ａの出口温度を検出する。

ステップＳ１２２において、制御部３１は、目標出力と１段目スタック１１の現在の出力との関係から、これらの差分を演算する。

ステップＳ１２３において、制御部３１は、ステップＳ１２２の処理で求めた差分値に基づき、燃焼バーナ２１を起動する必要が有るか否かを判断する。即ち、差分値が一定値よりも大きい場合には、燃焼バーナ２１を起動させる必要があると判断する。そして、燃焼バーナ２１を起動させる必要があると判断された場合には（ステップＳ１２３でＹＥＳ）、ステップＳ１２４に処理を進め、必要がないと判断された場合には（ステップＳ１２３でＮＯ）、ステップＳ１３０に処理を進める。

ステップＳ１２４において、制御部３１は、燃焼バーナ２１の目標出口温度を読み込む。この処理では、メモリ等に記憶されている目標出口温度を読み込んで取得する。具体的には、図１７に示す如くの、差分値（目標出力と現状出力の差分）と燃焼バーナ２１の出口温度との関係を示す特性曲線が記憶されており、ステップＳ１２２の処理で求められる差分値を図１７の特性曲線に当てはめることにより、燃焼バーナ２１の出口温度を取得する。

ステップＳ１２５において、制御部３１は、１段目スタック１１のカソード１１ａに供給する酸素過剰燃焼ガス量、即ち、燃焼バーナ２１で燃焼した後に排出される酸素過剰ガスの流量（以下、「供給ガス量」という）を演算する。そして、この供給ガス量となるように制御する。

具体的には、ステップＳ１２１の処理で温度差ΔＴを検出した場合には、ΔＴ＞０の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、ΔＴ＜０の場合には供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔＴがゼロに近づくように制御する。また、ステップＳ１２１で出口温度を検出した場合には、（出口温度）＞（目標温度）の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、（出口温度）＜（目標温度）の場合に供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、１段目スタック１１の温度が目標温度になるように制御する。

ステップＳ１２６において、制御部３１は、ステップＳ１２５の処理で求めた供給ガス量に基づいて、空気ブロワ１２より送出する要求カソード空気量を演算する。即ち、空気ブロワ１２より送出する空気が燃焼バーナ２１、及び１段目スタック１１を経由して２段目スタック１１に供給されるガス量が、ステップＳ１２５の処理で求めた供給ガス量となるように、空気ブロワ１２が送出する空気量を演算する。

ステップＳ１２７において、制御部３１は、ステップＳ１２４の処理で取得した燃焼バーナ２１の目標出口温度に基づき、この温度とするために必要とする燃焼バーナ２１の要求燃料量を演算する。即ち、２段目スタック３２の温度が発電可能温度に到達していない場合には、システムに要求される目標出力が高いほど、燃焼バーナ２１より出力する燃焼ガス温度を高くするように制御する。

ステップＳ１２８において、制御部３１は、ステップＳ１２６の処理で求められた空気量をカソード１１ａに供給する空気量として設定し、更に、ステップＳ１２９において、燃焼バーナ２１に供給する燃料量を設定し、これらの空気量、及び燃料量となるように、空気ブロワ１２、及び第２燃料ポンプ２２を制御する。

一方、燃焼バーナ２１の起動が必要でない場合には（ステップＳ１２３でＮＯ）、ステップＳ１３０において、制御部３１は、目標出力に基づいて、空気ブロワ１２より送出する要求カソード空気量を演算する。この処理では、燃焼バーナ２１を停止させた状態で、ステップＳ１２５に示した処理と同様の処理を実施する。

即ち、ステップＳ１２１の処理で温度差ΔＴを検出した場合には、ΔＴ＞０の場合に供給ガス量（酸素量に対応）を所定量だけ増加させ、ΔＴ＜０の場合には供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔＴがゼロに近づくように制御する。また、ステップＳ１２１で出口温度を検出した場合には、（出口温度）＞（目標温度）の場合に供給ガス量（酸素量に対応）を所定量だけ増加させ、（出口温度）＜（目標温度）の場合に供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、１段目スタック１１の温度が目標温度になるように制御する。

更に、ステップＳ１３１において、制御部３１は、ステップＳ１３０の処理で求めた空気量となるように、空気ブロワ１２より送出する空気量を設定する。

こうして、１段目スタック１１のカソード１１ａに供給するガス量、及び燃焼バーナ２１に供給する燃料量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、１段目スタック１１のカソード１１ａから２段目スタック３２のカソード３２ａに流入する１段目スタック作動温度とほぼ同一温度のガス流量が増加するため、目標温度（発電可能温度）まで迅速に昇温させることができることとなる。

次に、図１０のステップＳ１０９に示した２段目スタック３２の第２昇温制御の詳細な処理手順について、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、図１３のステップＳ１４１において、制御部３１は、システムに要求される目標出力を、例えば、車載用のシステムであれば、アクセルの操作量等から演算し、その結果を目標出力として読み込む。

ステップＳ１４２において、制御部３１は、燃料電池システム１００ａの現状出力を検出する。現状出力は、１段目スタック１１に設けられた電流・電圧センサ４２と、２段目スタック３２に設けられた電流・電圧センサ５２で検出される出力電流と電圧に基づいて求めることができる。更に、目標出力と現状出力の差分を求め、これを差分値Ａとする。その後、ステップＳ１４３において、制御部３１は、２段目スタック３２の温度を検出する。この処理では、２段目スタック３２に設けられる入口温度センサ５１ａと出口温度センサ５１ｂにより、例えば平均値としてスタック温度を検出する。

ステップＳ１４４において、制御部３１は、２段目スタック３２を昇温する必要があるか否かを判断する。例えば、２段目スタック３２の温度が所定値以上であれば、上記の差分値Ａが所定値以上であっても目標出力となる電力を発電することができるので、このような場合には２段目スタック３２を昇温する必要は無いと判断する。そして、必要有りと判断された場合には（ステップＳ１４４で「必要」）、ステップＳ１４５に処理を進め、必要無しと判断された場合には（ステップＳ１４４で「不要」）、ステップＳ１５５に処理を進める。

ステップＳ１４５において、制御部３１は、２段目スタック３２の出力が目標出力に到達したか否かを判断する。そして、目標出力に到達した場合には（ステップＳ１４５でＹＥＳ）、ステップＳ１４９に処理を進め、到達しない場合には（ステップＳ１４５でＮＯ）、ステップＳ１４７に処理を進める。

ステップＳ１４７，Ｓ１４８において、制御部３１は、２段目スタック３２の目標セル電圧をメモリ等から読み込み、セル電圧を所定値に制御して、２段目スタック３２の作動温度の上昇に伴って増大する発電出力が目標出力に到達するように制御する。この処理は、前述した図４のステップＳ３３，Ｓ３４と同様の処理を実施する。この処理が終了した場合には、ステップＳ１５１に処理を進める。

一方、２段目スタック３２の出力が目標出力に到達した場合には（ステップＳ１４５でＹＥＳ）、ステップＳ１４９において、制御部３１は、２段目スタック３２の出力が目標出力を維持するように出力電流を制御し、ステップＳ１５０において、目標出力判定フラグをオンとする。

つまり、ステップＳ１４５〜Ｓ１５０の処理では、２段目スタック３２の出力が目標出力に到達していなければ、セル電圧制御を行うことにより２段目スタック３２を昇温させることができ、目標出力に到達している場合には、これ以上出力を上昇させる必要が無いため、セル電圧制御を行わずに目標出力に到達したことを示すフラグをオンとしている。

ステップＳ１５１において、制御部３１は、２段目スタック３２の温度が目標温度（２段目スタック３２の通常運転時の温度）に到達したか否かを判断し、目標温度に到達していない場合には（ステップＳ１５１でＮＯ）、ステップＳ１５２に処理を進め、目標温度に到達している場合には（ステップＳ１５１でＹＥＳ）、ステップＳ１５３に処理を進める。

ステップＳ１５２において、制御部３１は、酸素過剰率制御［３］を実行する。この制御の詳細については、図１４に示すフローチャートを参照して後述する。

ステップＳ１５３において、制御部３１は、２段目スタック３２の温度が目標温度に到達したことを示す目標温度到達判定フラグをオンとする。その後、ステップＳ１５４に処理を進める。

ステップＳ１５４において、制御部３１は、２段目スタック３２が目標温度、及び目標出力に到達したか否かを判断し、到達した場合には（ステップＳ１５４でＹＥＳ）ステップＳ１５５に処理を進め、その後、本処理を終了する。到達していない場合には（ステップＳ１５４でＮＯ）、本処理を終了する。

次に、図１３のステップＳ１５２に示した酸素過剰率制御［３］の詳細な処理手順について、図１４に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、図１４のステップＳ１６１において、制御部３１は、１段目スタック１１より出力されるガス中の酸素量を演算する。この演算は、１段目スタック１１に供給される酸素量と、発電に用いられる酸素量との関係から求めることができる。

ステップＳ１６２において、制御部３１は、２段目スタック３２の目標最小酸素過剰率を読み込む。この処理は、例えば、メモリ（図示省略）に記憶されている数値を読み込むことにより取得する。

ステップＳ１６３において、制御部３１は、電流・電圧センサ５２により２段目スタック３２の出力電流を検出する。

ステップＳ１６４において、制御部３１は、２段目スタック３２の要求最小酸素量を演算する。この処理では、ステップＳ１６３の処理で検出した出力電流に基づき、この電流を発生させるために必要な酸素量（最低限必要な酸素量）を求め、更に、この酸素量にステップＳ１６２の処理で取得した目標最小酸素過剰率を乗じることにより、最小酸素量を求める。この際、ステップＳ１６１の処理で読み込む酸素過剰率は、通常運転時の酸素過剰率よりも低い数値に設定されているので、最小酸素量は、通常運転時における最小酸素量よりも低い数値となる。

ステップＳ１６５において、制御部３１は、ステップＳ１６４の処理で求めた最小酸素量と、ステップＳ１６１の処理で求めた１段目スタック１１より出力されるガス中の酸素量（２段目供給酸素量）とを比較する。そして、２段目供給酸素量の方が最小酸素量よりも大きい場合には（ステップＳ１６５でＹＥＳ）、ステップＳ１６６に処理を進め、２段目供給酸素量の方が最小酸素量よりも小さい場合には（ステップＳ１６５でＮＯ）、ステップＳ１６７に処理を進める。

ステップＳ１６６において、制御部３１は、図９に示した冷却空気流量制御装置３４より２段目スタック３２に供給する冷却空気流量をゼロに設定する。つまり、１段目スタック１１より送出されるガス中に含まれる酸素量よりも２段目スタック３２が要求する最小酸素量の方が小さい場合には、２段目スタック３２の発電に要する酸素が足りているので、空気ブロワ１２からの冷却空気を供給しない。

ステップＳ１６７において、制御部３１は、冷却空気流量制御装置３４より２段目スタック３２に供給する冷却空気流量を演算する。つまり、１段目スタック１１より送出されるガス中に含まれる酸素量（２段目供給酸素量）よりも２段目スタック３２が要求する最小酸素量の方が大きい場合には、２段目スタック３２の発電に要する酸素が足りないので、冷却空気流量制御装置３４より供給するべき冷却空気量を求める。

ステップＳ１６８において、制御部３１は、１段目スタック１１に供給される空気と、冷却空気流量制御装置３４より送出される空気の加算値を、１段目スタック１１と２段目スタック３２が要求する空気量の合算値として演算する。

ステップＳ１６９において、制御部３１は、２段目スタック３２のカソード３２ａに供給する空気量を設定する。その後、ステップＳ１７０において、冷却空気流量制御装置３４の開度を調整して、カソード３２ａに供給する冷却空気量が所望する数値となるように制御する。こうして、２段目スタック３２のカソード３２ａに供給される酸素量が、必要最小限の酸素量に酸素過剰率を乗じた酸素量以下にならないように制御し、且つ、発電に必要な酸素量を供給することができ、２段目スタック３２の冷却効果を低減させることにより、該２段目スタック３２の温度を即時に昇温させることができるのである。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、互いに直列接続された１段目スタック１１、及び２段目スタック３２を有する場合において、２段目スタック３２を起動する際に、燃焼バーナ２１より送出される燃焼ガス量の制御、及び酸素過剰率の制御、及びセル電圧を所定の範囲とする制御のうちの少なくとも一つの制御を行うので、２段目スタック３２を迅速に目標出力に到達させることができ、２段目スタック３２による発電をいち早く開始することができる。

また、２段目スタック３２の温度が発電可能温度に到達していない場合には、システムに要求される目標出力が高いほど、燃焼バーナ２１（酸化剤加熱手段）より出力する燃焼ガスの温度が高くなるように制御するので、燃焼バーナ２１より出力される燃焼ガスが１段目スタック１１を経由して２段目スタック３２のカソード３２ａに流入するので、２段目スタック３２を迅速に昇温でき、目標温度に到達させるまでの時間をより一層短縮することができる。

更に、２段目スタック３２の温度が発電可能温度に到達している場合には、燃焼バーナ２１による加熱を停止し、２段目スタック３２に供給する酸素過剰率を低く設定する制御、または、２段目スタック３２のセル電圧を所定の範囲内とする制御のうちの少なくとも一つを行うので、燃焼バーナ２１を燃焼させるために要する燃料量を削減でき、エネルギーの消費を低減することができる。

また、１段目スタック１１のカソード１１ａ出口と、２段目スタック３２のカソード３２ａ入口を接続する流路に、冷却空気導入通路３３を接続し、該冷却空気導入通路３３を経由して、空気ブロワ１２より送出される空気の一部がカソード３２ａに導入するので、２段目スタック３２のカソード３２ａにて必要とする最小酸素量を確実に確保することができる。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１８は、第３本実施形態に係る燃料電池システム１００が、外部負荷６１に接続される様子を示す説明図であり、燃料電池システム１００、及び外部電源６２により、中継装置６３を経由して外部負荷６１に電力が供給される構成とされている。そして、燃料電池システム１００は、外部負荷６１の要求電力に応じて、目標出力、及び目標温度を設定する。なお、燃料電池システム１００は、図１に示す構成を有している。

以下、第３実施形態に係る燃料電池システムの作用について、図１９に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ２０１において、燃料電池システム１００の制御部３１（図１参照）は、外部負荷６１の要求電力を検出する。

ステップＳ２０２において、制御部３１は、スタック１１の発電電力を求める。次いで、ステップＳ２０３において、外部負荷要求電力とスタック１１の発電電力との差分値を演算する。

ステップＳ２０４において、制御部３１は、ステップＳ２０３の処理で求められた差分値に基づいて、目標出力、及び目標温度を設定する。

即ち、外部負荷要求電力とスタック１１の発電電力との差分値は、外部電源６２より供給されていることになるので、この外部電源６２により供給される電力を補うために、差分値に応じた目標出力、及び目標温度を設定する。

こうして、第３実施形態に係る燃料電池システムでは、外部電源６２による供給電力の不足分を差分値として演算し、この差分値に応じてスタック１１の目標出力が変動するように制御されるので、外部負荷６１が必要とする電力に応じて、即時に発電量を変更して外部負荷６１に供給することができるようになる。従って、スタック１１の昇温速度が必要に応じて制御されることになり、昇温制御に要するエネルギー量を低減することができる。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図２０は、第４本実施形態に係る燃料電池システム１００が、外部負荷６１に接続される様子を示す説明図であり、燃料電池システム１００、及び蓄電装置６４により、外部負荷６１に電力が供給される構成とされている。そして、燃料電池システム１００は、外部負荷６１の要求電力、及び蓄電装置６４の蓄電量に応じて、目標出力、及び目標温度を設定する。なお、燃料電池システム１００は、図１に示す構成を有している。

以下、第４実施形態に係る燃料電池システムの作用について、図２１に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ２１１において、燃料電池システム１００の制御部３１（図１参照）は、外部負荷６１の要求電力を検出する。

ステップＳ２１２において、制御部３１は、蓄電装置６４の蓄電量割合（ＳＯＣ；State Of Charge）を検出する。更に、ステップＳ２１３において、制御部３１は、燃料電池システム１００の目標出力、及び目標温度を設定する。この処理は、図２２に示すマップを用いて設定することができる。即ち、図２２はＳＯＣと外部負荷要求電力との関係を示すマップであり、このマップに基づいてスタック１１の目標出力、及び目標温度を設定する。

こうして、第４実施形態に係る燃料電池システムでは、蓄電装置６４の蓄電量割合（ＳＯＣ）に応じてスタック１１の目標出力が変動するように制御されるので、外部負荷６１が必要とする電力に応じて、即時に発電量を変更して外部負荷６１に供給することができるようになる。従って、スタック１１の昇温速度が、蓄電装置６４の蓄電量割合に応じて制御されることになり、昇温制御に要するエネルギー量を低減することができる。

［第５実施形態の説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図２３は、第５本実施形態に係る燃料電池システム１００が、例えば、外部負荷６１（本実施形態では車両用モータとする）に接続される様子を示す説明図であり、燃料電池システム１００、及び蓄電装置６４により、外部負荷６１に電力が供給される構成とされている。

燃料電池システム１００は、車両に搭載される制御装置から、車両の移動速度、及び移動方向のデータを取得可能な構成とされている。そして、燃料電池システム１００は、車両の移動方向、移動速度に基づき、所定時間後の要求出力を推定し、推定した要求出力と蓄電装置６４の蓄電量割合（ＳＯＣ）に基づいて、燃料電池システム１００の目標出力または目標温度を設定する。

以下、第５実施形態に係る燃料電池システムの作用について、図２４に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ２３１において、燃料電池システム１００の制御部３１（図１参照）は、燃料電池システム１００が搭載される車両の位置情報（高度情報を含む）を取得する。この位置情報は、例えば、車両に搭載されるナビゲーションシステムのＧＰＳ情報より取得することができる。

ステップＳ２３２において、制御部３１は、車両の移動方向を演算する。更に、ステップＳ２３３において、車両の移動速度を検出する。

ステップＳ２３４において、制御部３１は、車両の移動速度、及び移動方向に基づいて、所定時間後の要求出力を推定する。

ステップＳ２３５において、制御部３１は、蓄電装置６４の蓄電割合（ＳＯＣ）を検出する。

ステップＳ２３６において、制御部３１は、ＳＯＣの値に基づいて、目標出力或いは目標温度を設定する。この際、目標出力或いは目標温度は図２５に示すように、時系列的なデータとして設定する。また、この処理は、図２６に示すマップを用いて設定することができる。即ち、図２６はＳＯＣと推定出力との関係を示すマップであり、このマップに基づいてスタック１１の目標出力、及び目標温度を設定する。

こうすることにより、車両走行時における燃料電池システム１００の目標温度、及び目標出力を、車両の走行状況に応じた時系列的なデータとして取得することができ、走行状況に応じた柔軟性の高い電力供給が可能となる。

このようにして第５実施形態に係る燃料電池システムでは、スタック１１の昇温速度が、ＧＰＳ情報等により推定される所定時間後の目標出力、目標温度に応じて制御されるため、所定の出力が要求される時刻よりも早い時点で昇温制御を行うことができ、昇温制御に要するエネルギー消費量を低減することができる。

以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した各実施形態では、車載用に燃料電池システムの例について説明したが、本発明は車載用に限定されるものではなく、一般家庭用に用いられる燃料電池等の他の用途として用いることも可能である。

本発明は、スタック温度をいち早く目標運転時の温度まで昇温することに利用することができる。

１１ スタック、１段目スタック（燃料電池スタック）
１１ａ カソード
１１ｂ アノード
１２ 空気ブロワ
１３ 熱交換器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 熱交換型プレ改質装置
１６ プレ改質器
１７ 燃焼器
１９，２０ 流量制御装置
２１ 燃焼バーナ
２２ 第２燃料ポンプ
２３ アノードオフガス循環器
２５ 蒸発器
３１ 制御部
３２ ２段目スタック
３２ａ カソード
３２ｂ アノード
３３ 冷却空気導入通路
３４ 冷却空気流量制御装置
４１ａ 入口温度センサ
４１ｂ 出口温度センサ
４２ 電流・電圧センサ
５１ａ 入口温度センサ
５１ｂ 出口温度センサ
５２ 電流・電圧センサ
６１ 外部負荷
６２ 外部電源
６３ 中継装置
６４ 蓄電装置
１００，１００ａ 燃料電池システム

Claims (11)

1. アノードに改質ガスが供給され、カソードに酸化剤が供給されて発電する燃料電池と、
   前記カソードの上流側に設けられ、該カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
   前記酸化剤供給手段と前記カソードとの間に設けられ、前記酸化剤供給手段より出力される酸化剤を加熱する酸化剤加熱手段と、
   前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤加熱手段で加熱された酸化剤を前記カソードに供給して前記燃料電池を昇温する制御を行い、更に、前記燃料電池が発電可能温度に到達した後に、該燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、下記（ａ），（ｂ），（ｃ）のうちの少なくとも一つの制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
   （ａ）前記酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、前記燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御
   （ｂ）前記燃料電池の出力電圧を所定の範囲内とする制御
   （ｃ）前記酸化剤加熱手段による加熱制御
2. 前記制御手段は、システムに要求される前記目標出力が予め設定した所定値よりも小さい場合には、前記（ｃ）の制御を行わず、前記（ａ），（ｂ）の少なくとも一つの制御により前記燃料電池を昇温することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の出力電圧を所定範囲内とする制御は、燃料電池出力がピークとなる電圧値に対して、一定の割合となる電圧値とすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池は、第１燃料電池、及び該第１燃料電池の下流側に直列配置される第２燃料電池を含み、前記制御手段は、
   前記第１燃料電池がシステムに要求される目標出力に応じた運転条件で運転されている際に、前記第２燃料電池を起動する場合に、該第２燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、システムに要求される目標出力、及び前記第２燃料電池の温度に応じて、前記第２燃料電池のカソードに供給する酸化剤の酸素過剰率を該第２燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、及び、第２燃料電池の出力電圧を所定の範囲内とする制御、及び、前記酸化剤加熱手段よる加熱制御、のうちの少なくとも一つの制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記第２燃料電池が発電可能温度に到達していない場合には、システムに要求される目標出力が高いほど、前記酸化剤加熱手段より出力する酸化剤温度を高くするように制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記第２燃料電池が発電可能温度に到達した後、該第２燃料電池に要求される目標出力または目標温度が現在の出力または温度よりも高い場合に、
   前記第２燃料電池のカソードに供給する酸化剤の酸素過剰率を該第２燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、及び、第２燃料電池の出力電圧を所定の範囲内とする制御、のうちの少なくとも一つの制御を行い、前記酸化剤加熱手段による加熱制御を停止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記第１燃料電池のカソード出口と、前記第２燃料電池のカソード入口との間の流路に、前記酸化剤供給手段より送出される酸化剤の一部を導入するバイパス流路を設け、前記第２燃料電池が必要とする酸化剤が不足する場合には、前記バイパス流路から前記第２燃料電池のカソードに酸化剤を導入することを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記第２燃料電池の出力電圧を所定範囲内とする制御は、該第２燃料電池出力がピークとなる電圧値に対して、一定の割合となる電圧値とすることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記燃料電池に要求する目標出力または目標温度を、該燃料電池が接続される外部負荷の要求電力と、該外部負荷に別系統で電力を供給する外部電源の出力電力と、の差分に応じて設定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記燃料電池に要求する目標出力または目標温度を、該燃料電池が接続される外部負荷の要求電力と、該外部負荷に別系統で電力を供給する蓄電池の残留蓄電量と、の差分に応じて設定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池は、移動体に搭載されており、前記制御手段は、該燃料電池に要求される目標出力または目標温度を、前記移動体の位置情報、及び速度情報に基づいて推定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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