JP2016062711A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池システムでは、燃料電池の温度を低下させるための燃料量を減少させると、発電出力自体が低下するという問題点があった。
【解決手段】燃料電池１１のカソード極１１ａに空気を供給する第１空気ブロア１２と、運転制御装置３１を備え、運転制御装置３１が、燃料電池１１の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、燃料電池１１の劣化を検出する電池劣化検出手段と、燃料電池１１の劣化を検出したときにカソード極１１ａに供給する空気を増量させる空気増量手段と、カソード極１１ａに供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、燃料電池１１の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有する燃料電池システム１００とし、燃料電池１１の性能低下を検出し、燃料電池１１の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池１１の温度を上限温度以下に抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力要求に応じて燃料電池の温度を低下調整する機能を備えた燃料電池システムに関するものである。

近年では、地球環境問題への関心の高まりから、燃料電池を用いた自動車の研究開発が進められている。各種燃料電池のうち、中でも効率の高い固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素の多く含まれるガスを燃料とし、酸素を酸化剤として、水素及び一酸化炭素、炭化水素との電気化学的反応で発電を行うのであるが、各種液体燃料を改質して得た改質ガスを燃料として用いるものもある。

また、固体酸化物型燃料電池は、自動車用の電源として使用する場合、定置用電池と異なって起動停止が頻繁に行なわれるので、劣化が生じ易く、発電出力の低下が車両走行性能に直接的に影響する。

固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているように、燃料電池の性能低下で生じる温度上昇を検出し、燃料量を減少させ且つ空気量を増加させることで燃料電池の温度を低下させ、過度の温度上昇を防止して性能劣化を抑制するようにしたものがあった。

特開２０１３−１６４９２８号公報

しかしながら、固体酸化物型燃料電池は、発電中において温度分布を有するので、劣化で温度上昇が生じた場合、作動上限温度に達する箇所は部分的に限られており、その温度に達した箇所を的確に測定することは構造上不可能である。仮に、多数の測定点を設けたとしても、高コストになる。また、従来の燃料電池システムのように、燃料電池の温度を低下させるための燃料量を減少させると、発電出力自体を低下させざるを得ず、車載用の場合には、意図する車両走行性能が維持できなくなるので、これらの問題点を解決することが課題となっていた。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、燃料電池の性能低下等に伴う最高温度の上昇を検出し、燃料電池の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池の温度を上限温度以下に抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明に係わる燃料電池システムは、電解質層をアノード極及びカソード極で挟んだ構造を有する燃料電池と、燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給装置と、燃料電池及び空気供給装置を制御する運転制御装置を備えている。そして、燃料電池システムは、運転制御装置が、燃料電池の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、燃料電池の劣化を検出する電池劣化検出手段と、電池劣化検出手段により燃料電池の劣化を検出したときにカソード極に供給する空気を増量させるように空気供給装置を制御する空気増量手段と、カソード極に供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、燃料電池の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有することを特徴としている。

本発明に係わる燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下等に伴う最高温度の上昇を検出し、燃料電池の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池の温度を上限温度以下に抑制することができる。これにより、燃料電池システムは、車載用に適用した場合には、燃料電池が劣化した場合でも、意図する車両走行性能を維持することが可能になる。

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。 燃料電池システムの発電性能劣化に伴う燃料電池温度の変化（ａ）及びガス温度の変化（ｂ）を示すグラフである。 燃料電池システムの発電性能の劣化度と燃料電池の最高温度と平均温度との関係を示す特性図である。 燃料電池システムの発電性能の劣化度と燃料電池の最高温度との関係を示す特性図である。 燃料電池システムの空気増量に伴う燃料電池温度の変化（ａ）及びガス温度の変化（ｂ）を示すグラフである。 燃料電池システムの発電性能の劣化度と出力電圧との関係を示す特性図である。 燃料電池システムの発電性能の劣化度と空気増量により燃料電池の最高温度を上限温度以下に設定する際の電圧降下目標値との関係を示す図である。 燃料電池システムの燃料電池の発電性能劣化に伴う燃料電池温度及び出力電流グラフである。 燃料電池システムの運転制御装置の処理工程を示すフローチャートである。 第１実施形態に対してガス流れ方向を異ならせた場合の効果を説明するグラフである。 本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すブロック図である。 本発明に係わる燃料電池システムの第３実施形態を示すブロック図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池システム１００は、電解質層（図示略）をカソード極１１ａ及びアノード極１１ｂで挟んだ構造を有する燃料電池１１と、燃料電池１１のカソード極１１ａに空気（カソードガス：酸化剤ガス）を供給する空気供給装置としての第１空気ブロワ１２と、燃料電池１１及び第１空気ブロワ（空気供給装置）１２を制御する運転制御装置３１と備えている。なお、カソードガスは、この実施形態では空気を例示しているが、これに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外でも構わない。

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、上記したように、電解質層、カソード極１１ａ及びアノード極１１ｂを有している。一例として、電解質層は、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、カソード極１１ａは、ランタンストロンチュウムマンガナイトであり、アノード極１１ｂは、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットである。

この燃料電池１１は、カソード極１１ａに空気を供給すると共に、アノード極１１ｂに改質した燃料を供給することにより、電気化学反応により電気エネルギを発生し、その電力をモータ等の電力需要設備に供給する。また、燃料電池１１は、より具体的には、カソード極１１ａとの間に空気流路を形成するセパレータ、及びアノード極１１ｂとの間に燃料流路を形成するセパレータなどを含み、これを積層して燃料電池スタックを形成する。

なお、図１には、反応用ガスの流通系を説明する都合上、燃料電池１１としてカソード極１１ａ及びアノード極１１ｂのみを示したが、燃料電池１１を燃料電池スタックに置き換えることもできる。つまり、燃料電池スタックの場合には、内部構成として、個々の燃料電池１１に空気及び燃料を流通させる流路を備えているので、外部構成としては、基本的に図１と同様の流通系が用いられる。

また、燃料電池システム１００は、空気加熱用熱交換器１３と、第１燃料ポンプ１４と、燃料改質器１５とを備えている。空気加熱用熱交換器１３は、第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱するものである。第１燃料ポンプ１４は、燃料電池１１のアノード極１１ｂに炭化水素燃料等の燃料（アノードガス：燃料ガス）を供給するものである。

燃料改質器１５は、第１燃料ポンプ１４により燃料ガス流路Ｌｌを通して燃料が供給されると共に、改質器加熱用熱交換器１６により加熱され、その熱を利用して燃料を触媒反応により改質する。改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）は、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給される。

さらに、燃料電池システム１００は、燃料循環ブロワ１７と、改質器加熱用熱交換器１６と、燃料流路圧力調整弁１８と、排気流路圧力調整弁１９と、燃焼バーナ２３とを備えている。

燃料循環ブロワ１７は、アノード極１１ｂより排出された燃料排ガスを燃料改質器１５に循環させるものである。改質器加熱用熱交換器１６は、カソード極１１ａより排出された排気ガスを排気ガス流路Ｌ２に通して導入し、同排気ガスの熱により燃料改質器１５を加熱するものである。

燃料流路圧力調整弁１８は、燃料循環ブロワ１７の出力口と排気ガス流路Ｌ２との間に設けられ、開放により、アノード極１１ｂより排出された燃料排ガスの一部を排気ガス流路Ｌ２に導入する。排気流路圧力調整弁１９は、改質器加熱用熱交換器１６の入口近傍の排気ガス流路Ｌ２に設けられ、排気ガス流路Ｌ２を経由して改質器加熱用熱交換器１６に導入した排気ガスの一部を外部へ排出するものである。

燃焼バーナ２３は、第２空気ブロワ２１より供給される空気と、第２燃料ポンプ２２より供給される燃料とを混合燃焼させるものであり、その熱により、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気を加熱する。

さらに、燃料電池システム１００では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１４、第２空気ブロワ２１、第２燃料ポンプ２２、排気流路圧力調整弁１９、燃料流路圧力調整弁１８、及び燃料循環ブロワ１７が、運転制御装置３１に夫々接続されている。

運転制御装置３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び各種の操作子等からなるコンピュータ装置であり、燃料電池１１の出力要求に応じて、各機器に制御信号を送信して各機器を制御する機能を有している。この運転制御装置は、主な機能としては、燃料電池１１の要求出力に応じた空気量や燃料量となるように、第１空気ブロワ１２及び第１燃料ポンプ１４の動作を制御する。

また、運転制御装置３１は、燃料電池１１の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、燃料電池１１の劣化を検出する電池劣化検出手段と、電池劣化検出手段により燃料電池１１の劣化を検出したときにカソード極１１ａに供給する空気を増量させるように空気供給装置（第１空気ブロワ１２）を制御する空気増量手段とを有している。

さらに、運転制御装置３１は、カソード極１１ａに供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、燃料電池１１の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有している。ここで、空気供給装置（第１空気ブロワ１２）及び運転制御装置３１による空気の増量は、予め定めた空気量の最大許容量以下、若しくは燃料電池作動上限温度以下で行われるものとしている。

なお、上記した発電出力維持手段、電池劣化検出手段、空気増量手段、空気増量効果確認手段、及び運転条件設定手段は、コンピュータのソフトウエアとして、運転制御装置３１における発電出力維持機能、電池劣化検出機能、空気増量機能、空気増量効果確認機能、及び運転条件設定機能と表現することができる。

さらに、運転制御装置３１は、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、警告を出す機能と、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、燃料電池の発電量を低下させる運転モードに移行させる機能とを有している。

また、運転制御装置３１は、より好ましい実施形態として、電池劣化検出手段が、予め定めた同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて燃料電池１１の劣化を予測検出する手段であるものとしている。この電池劣化検出手段は、燃料電池１１のアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａの少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいて燃料電池１１の劣化を予測検出する手段とすることもできる。

さらに、運転制御装置３１は、より好ましい実施形態として、空気増量効果確認手段が、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する手段であり、運転条件設定手段が、空気増量値を運転条件として再設定する手段であるものとしている。

空気増量効果確認手段は、燃料電池１１の温度低下を発電電圧の低下量で判断することにより、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する手段とすることもできる。

また、空気増量効果確認手段は、燃料電池１１の温度低下を発電電圧の低下量で判断するのに加えて、燃料電池１１のアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａの少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいてカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する手段とすることもできる。

さらに、燃料電池システム１００は、カソード極１１ａに導入される空気の温度を測定する入口温度センサＴｃｉｎと、カソード極１１ａから排出された排気ガスの温度を測定する出口温度センサＴｃｏｕｔと、燃料電池１１のセパレータ温度を測定するセパレータ温度センサＴｓと、アノード極１１ｂから排出された燃料排ガスの温度を測定する出口温度センサＴａｏｕｔなどを備えている。これらの温度センサＴｃｉｎ，Ｔｃｏｕｔ，Ｔｓ，Ｔａｏｕｔによる測定値は、運転制御装置３１に入力される。

次に、燃料電池システム１００の運転開始時における動作について説明する。
すなわち、燃料電池システム１００は、燃焼バーナ２３を駆動してシステムの起動を行う。発電運転中の燃料電池システム１００では、電気ヒータ（図示省略）等で燃料電池１１を加熱することによって運転温度を変化させ、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気量、及びアノード極１１ｂに供給する燃料量を変化させて、出力電力の変化に対応させる。

運転開始時には、初期的な動作として、第２燃料ポンプ２２を作動させ、且つ第２空気ブロワ２１を起動させることにより、燃焼バーナ２３に燃料及び空気を供給する。そして、燃焼バーナ２３にて燃料及び空気を混合燃焼させ、その燃焼ガスを燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する。これにより、燃料電池１１は、燃焼バーナ２３から供給される燃焼ガスの熱により昇温される。

その後、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の温度が定格温度（例えば６５０℃）に達した場合に、燃焼バーナ２３を停止し、空気供給装置としての第１空気ブロワ１２の出力に切り替える。第１空気ブロワ１２により送出された空気は、空気加熱用熱交換器１３の低温側（熱を吸収する側）を通過し、その後、カソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入される。この際、空気加熱用熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）には、改質器加熱用熱交換器１６から排出された高温のガスが導入される。このため、第１空気ブロワ１２より送出された空気は、高温ガスとの間の熱交換により加熱されて、カソード極１１ａに導入される。

また、空気加熱用熱交換器１３で加熱された空気は、通常、燃料電池１１の定格温度よりも２００〜３００℃程度低い温度であるから、燃焼バーナ２３から第１空気ブロワ１２への切り替え直後には、カソード極１１ａの温度が一時的に低下する。しかし、発電開始による電池自体の発熱により、カソード極１１ａの温度が上昇して定格温度に達する。このため、電力需要設備に電力を供給することが可能となる。すなわち燃料電池システム１００は、車載用である場合には、電力需要設備であるモータに電力を供給し、車両を走行させることが可能な状態となる。

次に、燃料電池システム１００が稼働状態であるときの、燃料電池１１の運転状態について説明する。すなわち、燃料電池システム１００において、カソ−ド極１１ａに導入される空気の温度は、通常の燃料電池１１の運転温度（６５０℃〜７５０℃）よりも、例えば２００℃〜３００℃低い温度とされている。このため、カソード極１１ａに導入した空気は、燃料電池１１の発電に伴って生じる熱エネルギにより加熱されてカソード極１１ａから排出される。この際、空気は、燃料電池１１や燃料電池スタックの冷却用流体としても機能している。定格運転では、燃料電池１１の運転温度に対応した発電に伴って生じる熱量と、空気を含むガスへの伝達熱量とがバランスしているので、燃料電池１１の温度は、材料の熱特性の制約により上限温度以下になるように運転条件（ガス流量）が設定されている。

ここで、図２は、燃料電池システム１００の発電性能劣化に伴う燃料電池温度の変化（ａ）及びガス温度（カソード極のガス温度）の変化（ｂ）を示すグラフである。この図２は、横軸が燃料電池（図では「セル」と記載している）１１の位置を示している。この燃料電池は、一方側に燃料の導入部と空気の排出部を配置すると共に、他方側に燃料の排出部と空気の導入部を配置した構成である。これにより、燃料電池は、図中に矢印で示すように、燃料（アノードガス）の流れ方向と空気（カソードガス）の流れ方向とが対向する状態（互いに逆向きの状態）になっている。

燃料電池１１の劣化が無い状態では、図２（ａ）及び（ｂ）中に『ＢＡＳＥ』として示すように、燃料電池１１の発電量を確保し、且つ全面で上限温度以下となるように燃料電池１１の運転条件が設定されている。これを行うのが、運転制御装置３１において、燃料電池１１の発電出力一定に維持する発電出力維持手段である。

これに対して、燃料電池１１が劣化して発電性能が低下すると、発電エネルギの一部が発熱に変わることから、増加した熱が主にカソード極の空気に伝達されるものの、発熱分すべてが空気に吸収されることはできないため、燃料電池１１自体の温度が上昇するその際、燃料電池１１では、発電性能が劣化していない状態に対して内部での温度差が顕著になる。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）中に『劣化』として示すように、図２（ａ）中で左側である燃料の導入側（空気の排出側）では温度変化が小さく、他方、図２（ａ）中で右側である燃料の排出側（空気の導入側）では、もともと高かった温度がさらに上昇して、上限温度を越える部分が現れる。

これは、燃料電池１１の発電性能が劣化しているために、温度変化の小さい燃料の導入側（空気極ガスの出口側）では、発電量が劣化前とあまり変わらないものの小さくなる。このため、発電量を一定に保つために、燃料の排出側（空気の導入側）では、発電量が増えて温度が部分的に高くなる。このようにして、燃料の排出側（空気の導入側）で燃料電池１１の温度が上昇するという現象が起こる。

図３には、燃料電池システムの発電性能の劣化度と燃料電池１１の最高温度（Ｔｍａｘ）と平均温度（Ｔａｖｅ）との関係を示す。ここで、劣化度は、燃料電池１１が劣化しておらず、一定出力を発電している状態での初期の発電電圧と、発電性能の劣化が進行して発電電圧が低下した際の発電電圧との比である。

図３から明らかなように、燃料電池１１の劣化度が大きくなると、一定出力を発電するために平均温度（Ｔａｖｅ）は上昇するが、それ以上に最高温度（Ｔｍａｘ）が上昇する。この関係に基づいて、一定量の発電をしている際の燃料電池１１の発電電圧を劣化がない場合の発電電圧と比較することにより、燃料電池１１の劣化度が予測でき、且つ、図４に示すように燃料電池の最高温度を予測することができる。これを行うのが、運転制御装置３１において、燃料電池１１の劣化を検出する劣化検出手段である。

そこで、燃料電池１１の劣化が起こった場合、電池内部では部分的な温度上昇が起こっているだけであるので、一定出力を保ちながら、上限温度を越えた部分の温度を抑制する。そのためには、燃料量は変化させずに、燃料の排出側（空気極ガスの導入側）から供給する空気を増量させる。これを行うのが、運転制御装置３１において、電池劣化検出手段により燃料電池１１の劣化を検出したときにカソード極１１ａに供給する空気を増量させるように空気供給装置（第１空気ブロワ１２）を制御する空気増量手段である。

図５（ａ）及び（ｂ）には、空気を増量した場合の燃料電池１１の状態を示す。燃料（アノードガス）及び空気（カソードガス）の流れの方向は図２と同じである。

図５（ａ）に示すように、空気の増量により燃料電池１１の熱は増加前に比べて空気に多く移動する。空気は、受け取った熱量を燃料の導入側（空気の排出側）に運び、図５中で左側である燃料の導入側の温度を上昇させる。このため、燃料電池１１では、燃料の導入側で発電量が増加し、燃料電池全体の発電収支として、燃料の排出側の発電量が減るため、燃料の排出側の温度が低下する。燃料電池１１の全体としては、空気を増量することで、電池内部の温度幅を小さくする。つまり、発電量の差を小さくすることができ、これにより、一定の出力を維持しつつ、燃料電池１１の最高温度を引き下げて、上限温度以下にすることが可能となる。

一方、空気を増量して一定の出力を維持しつつ、最高温度を引き下げて上限温度以下にした際、燃料電池１１の発電電圧は、図６に示すように、空気を増量する前よりも低下した状態で発電を行う。これは、空気を増量する前の燃料電池１１の高温状態による高い電圧での発電が緩和されることによるものである。よって、空気を増量させた際、燃料電池１１の温度が上限温度以下になったことを検出するのに、出力電圧の低下量を指標として用いることができる。

図７には、空気を増量して燃料電池１１の最高温度を低下させる際の目標とする電圧降下量の例を示す。電池内に最高温度部分を持つ温度分布は、燃料及び空気の入口出口温度などでは検出できないため、電圧の降下量が指標として有効に用いられる。

以上のことから、図８に示すように、発電状態において部位によって発電量が異なるために生じる燃料電池１１の温度のバラツキは、初期設定の運転状態では最高温度が使用最高温度を越えないように設定してある。

燃料電池１１は、発電を続けるに従って徐々に発電性能の劣化を起こすと、発電に伴う発熱量が増加し、同じ発電量を維持できていても温度が部分的に上昇し、その温度を越えると材料や構造に影響を与え、セルの発電性能の低下を促進させる温度となり、使用上限温度に近いか又はこれを越える状態（図８のＴ１の状態）になる。

このとき、燃料電池１１は、劣化に伴って発電電圧が低下しているため、この電圧低下を検出して劣化を予測検出し、空気のみを増量させる。燃料電池１１は、空気を増量させると温度状態が変化し、図２〜図８に基づいて説明してきたように、最高温度が低下し、温度の低い部分は温度上昇を起こして、劣化前と同じ出力を発電しながらも最高温度を低下できる状態（図８のＴ２の状態）を実現する。これにより、燃料電池１１は、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持した運転を継続することができる。

図９は、運転制御装置３１の処理工程を示すフローチャートである。
運転制御装置３１は、発電出力維持手段の機能により、燃料電池１１の発電出力が一定に維持される空気量及び燃料量となるように、第１空気ブロワ１２（空気供給装置）及び第１燃料ポンプ１４の動作を制御している。

そして、燃料電池１１に供給する制御を開始（Ｓｔａｒｔ）すると、ステップＳ１０１において、電池劣化検出手段により、発電出力維持手段の機能で同一出力を発電している際の発電電圧に基づいて燃料電池１１の劣化を検出する。具体的には、出力電圧の低下から燃料電池１１の性能の劣化を予測検出する。

次に、運転制御装置３１は、燃料電池１１の性能の劣化を予測検出した後、ステップＳ１０２において、空気増量手段により第１空気ブロア１２を制御して、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気を増量させる。この際、第２空気ブロア２１を制御して、燃料電池１１に供給する空気を増量させることもできる。したがって、空気増量手段に第２空気ブロア２１を用いることができる。

そして、ステップＳ１０３において、空気増量効果確認手段により、カソード極１１ａに供給した空気の増量による効果を確認する。具体的には、空気増量による最高温度の降下に伴うセル発電電圧の低下を検出し、劣化度に応じた目標電圧降下を確認する。この目標電圧降下を確認すると、ステップＳ１０４において、その時の第１空気ブロア１２の吐出量及び吐出量に相当する制御量が予め許容したブロアの作動範囲内であることを確認する。

このステップＳ１０４において、第１空気ブロア１２の吐出量及び吐出量に相当する制
御量が予め許容したブロアの作動範囲内である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１０５に移行して、運転条件設定手段により燃料電池１１の運転条件を再設定し、制御開始（Ｓｔａｒｔ）に戻る。

また、ステップＳ１０４において、第１空気ブロア１２の吐出量及び吐出量に相当する制御量が予め許容したブロアの作動範囲内ではない場合（ＮＯ）、すなわち、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時には、ステップＳ１０６に移行して、劣化を示す警告を出力したり、燃料電池の発電量を低下させる出力低下モードに移行させたりして、制御を終了（Ｅｎｄ）する。

このようにして、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の性能低下等に伴う最高温度の上昇を検出し、燃料電池１１の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池１１の温度を上限温度以下に抑制することができる。これにより、燃料電池システム１００は、車載用に適用した場合には、燃料電池１１が劣化した場合でも、意図する車両走行性能を維持することが可能になる。

また、燃料電池システム１００は、予め定めた同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて燃料電池の劣化を予測検出する電池劣化検出手段を採用したことで、燃料電池１１の劣化を簡単な構成で検出することができ、低コスト化や運転制御の高精度化に貢献することができる。

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池１１のアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａの少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいて燃料電池１１の劣化を予測検出する電池劣化検出手段を採用したことにより、最小限数の温度センサを用いた簡単な構成で燃料電池１１の劣化を検出することができる。

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、空気増量値を運転条件として再設定する運転条件設定手段とを採用したことにより、燃料電池１１が劣化した際に、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持した運転を継続することができる。

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の温度低下を発電電圧の低下量で判断することにより、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段を採用したことにより、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持する制御を確実に行うことができる。

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断するのに加えて、燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいてカソード極に供給する空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段を採用したことにより、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持する制御をより一層確実に行うことができる。

さらに、燃料電池システム１００は、空気供給装置（第１空気ブロア１２）及び運転制御装置３１による空気の増量を、予め定めた空気量の最大許容量以下、若しくは燃料電池作動上限温度以下で行うようにしたので、燃料電池１１が性能劣化した場合に、燃料電池１１の過度の温度上昇を抑制しつつ発電量を維持することができる。

さらに、燃料電池システム１００は、運転制御装置３１において、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、警告を出す機能及び燃料電池１１の発電量を低下させる出力低下モードに移行させる機能を持たせたことにより、燃料電池１１に破損が生じる虞を事前に把握したり未然に阻止したりことが可能になる。

上記の実施形態では、図２及び図５に示すように、燃料電池１１における燃料の流れ方向と空気の流れ方向とを対向させた場合を説明した。この場合には、空気の増量のみによる最高温度の降下と発電出力の維持とを顕著に行うことができる。ただし、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料及び空気の流れ方向が限定されるものではない。

図１０に示すように、燃料の流れ方向と空気の流れ方向とは並行である場合には、増量した空気によって燃料電池１１から持ち去られる熱量が増加する。これにより、燃料電池１１の温度は、ガス排出部以外では低下傾向を示し、ガス導入側の発電量が増加せずに発電量を一定に保つため、アノード極１１ｂの排出側の発電量が増加し、ガス排出部で温度が急激に上昇する傾向を示す。このため、燃料電池１１の最高温度は、空気の増量前に比べて低下する傾向にあるが、燃料と空気とを対向させて流す場合に比べて、空気の増量のみでのセル最高温度を抑制することが難しくなる。

ただし、燃料と空気とを並行に流す場合は、燃料電池１１の最高温度が燃料の排出部にあることから、燃料電池１１の劣化に伴う温度の過昇温状態や、空気の増量による燃料電池１１の温度低下効果を検出する際、アノード極１１ｂ及びカソード極１１ａ入口出口温度、若しくは燃料電池１１の最高温度を示すアノード極出口部のセパレータ温度を直接検出することで燃料電池１１の温度に近い温度検出を行い、これを指標として使用できるというメリットがある。

図１１及び図１２は、本発明に係わる燃料電池システムの第２及び第３の実施形態を説明するブロック図である。なお、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図１１に示す燃料電池システム１００は、第１実施形態（図１参照）と同様の基本構成を備えると共に、カソード極１１ａに供給する空気をシステム内の第１及び第２の空気ブロア１２，２１の負荷を変えずに増量させるため、第１空気ブロア１２とカソード極１１ａとの間にエジェクタ４１を設置している。

この燃料電池システム１００では、空気加熱用熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）を通過して排出される排気の一部を、流路分岐部４３及び還流通路４２を通してエジェクタ４１に供給し、エジェクタ効果により第１空気ブロア１２により送出される空気の流れを促進させて、その空気をカソード極１１ａに供給する。これにより、空気を増量させる際に、第１空気ブロア１２や第２空気ブロア２１の負荷を変えることなく、燃料電池１１に供給する空気量を増加させることができる。

〈第３実施形態〉
図１２に示す燃料電池システム１００は、第１実施形態（図１参照）と同様の基本構成を備えると共に、発電を行う燃料電池１１（又は燃料電池スタック）を複数個設置した構成である。この場合、前段の燃料電池１０を通過したガスを導入する後段の燃料電池１１は、前段の燃料電池１０に比してアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａ共にガス組成及びガス温度の条件によって、燃料電池温度が高くなる特性を持つため、劣化によるセル温度の影響が後段スタック１１で顕著に起りやすい。

そのため、燃料電池システム１００では、燃料電池１０，１１の劣化を検出した際に、後段の燃料電池１１のカソード極１１ａのみに空気を増加させるように、空気バイパス通路４４を設置した構造を有する。このように、空気の増量が必要な燃料電池１１のカソード極１１ａにのみ空気の増量を行うことにより、効果的に燃料電池１０の最高温度を低下させることができる。

本発明に係わる燃料電池システムは、その構成が、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１１ 燃料電池
１１ａ カソード極
１１ｂ アノード極
１２ 第１空気ブロワ（空気供給装置）
１３ 空気加熱用熱交換器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 燃料改質器
１６ 改質器加熱用熱交換器
１７ 燃料循環ブロワ
１８ 燃料流路圧力調整弁
１９ 排気流路圧力調整弁
２１ 第２空気ブロワ
２２ 第２燃料ポンプ
２３ 燃焼バーナ
３１ 運転制御装置
４２ 還流通路
４４ 空気バイパス通路
１００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 電解質層をアノード極及びカソード極で挟んだ構造を有する燃料電池と、燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給装置と、燃料電池及び空気供給装置を制御する運転制御装置を備え、
   運転制御装置が、
   燃料電池の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、
   燃料電池の劣化を検出する電池劣化検出手段と、
   電池劣化検出手段により燃料電池の劣化を検出したときにカソード極に供給する空気を増量させるように空気供給装置を制御する空気増量手段と、
   カソード極に供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、
   燃料電池の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有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。
2. 電池劣化検出手段が、予め定めた同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて燃料電池の劣化を予測検出する手段であ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. 電池劣化検出手段が、燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいて燃料電池の劣化を予測検出する手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 空気増量効果確認手段が、燃料電池の温度低下によりカソード極に供給する空気の増量による効果を確認する手段であって、
   運転条件設定手段が、空気増量値を運転条件として再設定する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 空気増量効果確認手段が、燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断することにより、燃料電池の温度低下によりカソード極に供給する空気の増量による効果を確認する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 空気増量効果確認手段が、燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断するのに加えて、燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいてカソード極に供給する空気の増量による効果を確認する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 空気供給装置及び運転制御装置による空気の増量は、予め定めた空気量の最大許容量以下、若しくは燃料電池作動上限温度以下で行われ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。
8. 運転制御装置は、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、警告を出す機能を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 運転制御装置が、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、燃料電池の発電量を低下させる出力低下モードに移行させる機能を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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