JP2023096302A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧に基づく燃料電池の変形を抑制すると共に、燃料電池の運転状態を良好にする。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、改質部と、原燃料ガス供給部と、カソードガス供給部と、温度検出部と、制御部と、を備える。温度検出部は、燃料電池の温度に相関する電池相関温度を検出する。制御部は、温度検出部により検出される電池相関温度が低いときには高いときに比して大きくなるようにアノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧の許容される上限値である差圧上限値を設定し、差圧上限値の範囲内で燃料電池が運転されるように原燃料ガス供給部とカソードガス供給部とを制御する。
【選択図】図１

Description

本明細書は、燃料電池システムについて開示する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに水素ガスを供給する水素ガス供給配管と、水素ガス供給配管に設けられた水素ガス圧調整弁と、水素ガス供給配管におけるアノード入口側に設けられたアノード圧力計と、コンプレッサにより燃料電池スタックのカソードに空気ガスを供給する空気供給配管と、空気供給配管に設けられた空気ガス圧力調整弁と、空気供給配管におけるカソード入口側に設けられたカソード圧力計と、要求出力に応じて水素ガス圧力と空気ガス圧力との圧力差が所定の圧力差範囲内に保たれるように水素ガス圧力調整弁および空気ガス圧力調整弁とを制御する制御装置と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、アノード圧力計で測定されたアノード圧力により水素ガス圧調整弁の開度を制御することで、水素ガス供給配管を介して供給される水素ガスを、燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して燃料電池スタックのアノードへ供給する。また、カソード圧力計で測定されたカソード圧力により空気ガス圧力調整弁の開度、コンプレッサの回転数を制御することで、空気供給配管を介して供給される空気を、燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調整して燃料電池スタックのカソードへ供給する。

特開２００６－２７８０４６号公報

しかしながら、所定の圧力差範囲が一律に定められると、場合によっては、燃料電池の運転に対する制約が大きくなり過ぎ、燃料電池を適切に運転することができなくなってしまう。

本開示の燃料電池システムは、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧に基づく燃料電池の変形を抑制すると共に、燃料電池の運転状態を良好にすることを主目的とする。

本開示の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の燃料電池システムは、
アノード側に供給されるアノードガスとカソード側に供給されるカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と、
原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、
前記原燃料ガスを前記改質部へ供給する原燃料ガス供給部と、
前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、
前記燃料電池の温度に相関する電池相関温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出される電池相関温度が低いときには高いときに比して大きくなるように前記アノード側の圧力と前記カソード側の圧力との差圧の許容される上限値である差圧上限値を設定し、前記差圧上限値の範囲内で前記燃料電池が運転されるように前記原燃料ガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。

燃料電池の構成部材としてのセパレータは、隣接するセル間のカソードガスとアノードガスとを遮断するものであり、その材質にもよるが温度によって剛性が変化する温度依存性を有する。このため、差圧上限値を超えない範囲内で燃料電池システムを運転することで、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧によって生じるセパレータの変形を抑制することができる。また、電池相関温度に基づいて差圧上限値を設定することで、差圧に基づく運転状態の過剰な制限を抑制して、燃料電池システムの運転状態を良好なものとすることができる。

こうした本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、発電時には、システムに要求される要求出力に基づいて原燃料ガスの目標流量を設定すると共に前記差圧上限値を超えない範囲内で原燃料ガスの目標流量に基づいてカソードガスの目標流量を設定して前記原燃料ガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御してもよい。こうすれば、セパレータの変形を抑制しつつ、良好な状態で燃料電池を発電させることができる。

また、本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、システム停止時には、前記差圧上限値を超えない範囲で前記燃料電池を冷却するためのカソードガスの目標流量を設定して前記カソードガス供給部を制御してもよい。こうすれば、セパレータの変形を抑制しつつ、システム停止時に燃料電池を素早く冷却して停止に要する時間を短縮することができる。

さらに、本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記差圧上限値に基づいて前記カソード側の許容される圧力の上限値または下限値を設定し、前記上限値を上回らない範囲内または前記下限値を下回らない範囲内でカソードガスが供給されるよう前記カソードガス供給部を制御してもよい。

本実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 発電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 エア流量上下限値設定処理の一例を示すフローチャートである。 差圧上限値設定用マップの一例を示す説明図である。 停止制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 システム停止時におけるセパレータ推定温度と差圧上限値の時間変化の様子を示す説明図である。 システム停止時における目標ガス流量と目標エア流量の時間変化の様子を示す説明図である。

本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システム１０の概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図示するように、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、原燃料ガス供給管３１を介して発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、燃料電池スタック２１において電気化学反応（発電）に使用されなかった未使用燃料の一部を原燃料ガス供給管３１に還流させる還流装置８０と、システム全体をコントロールする制御装置１００と、を備える。

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３、燃焼器２４、２つの熱交換器２６，２７を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。

燃料電池スタック２１は、平板状の単セルとセパレータとが板厚方向に交互に積層されてなる平板型の固体酸化物形燃料電池スタックとして構成される。単セルは、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有する。各単セルのアノード電極には、アノードガスが流れるアノードガス通路が形成されている。また、各単セルのカソード電極には、カソードガスが流れるカソードガス通路が形成されている。セパレータは、例えばステンレス鋼板がプレス成形されたものであり、板厚方向に隣接する単セルを仕切ると共に、隣接する単セル間で一方の単セルのアノード電極側を流れるアノードガスと他方の単セルのカソード電極側を流れるカソードガスとを遮断する。更に、燃料電池スタック２１の近傍には、温度センサ１１２が設置されている。温度センサ１１２は、燃料電池スタック２１の温度に相関する温度（スタック相関温度Ｔｓｔ）を検出する。

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の燃料電池スタック２１の上方に間隔をおいて配設される。また、燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼器２４が配設される。燃焼器２４には、着火装置２５が設置されている。

気化器２２は、燃焼器２４からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３の入口付近には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度（気化器温度）を検出する温度センサ１１１が設置されている。

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼器２４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、アノードガス配管７１を通って各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

また、カソードガスとしてのエアは、カソードガス配管７２を介して各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソード電極に供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。

各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管７３を通って凝縮器６２に供給され、凝縮器６２により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水蒸気が除去された後、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。アノードオフガス配管７３，７４には熱交換器２６が設置され、アノードオフガス配管７４を流れるアノードオフガス（凝縮器６２を通過した後のアノードオフガス）は、熱交換器２６において燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れる高温のアノードオフガス（凝縮器６２を通過する前のアノードオフガス）との熱交換により昇温させられる。また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管７５を通って燃焼器２４に供給される。

燃焼器２４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼器２４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、着火装置２５により点火させられて燃焼器２４で混合ガスが着火すると、当該混合ガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼器２４では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管７６を通り、熱交換器２７および燃焼触媒２８を経て外気へ排出される。燃焼触媒２８は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁（２連弁）３２，３３、オリフィス３４、ゼロガバナ（均圧弁）３５、ガスポンプ３６および脱硫器３８とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３６を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３８を介して気化器２２へと圧送（供給）される。また、原燃料ガス供給管３１のオリフィス３４とゼロガバナ３５との間には、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｑｇ）を検出する流量センサ３９が設置されている。

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３と、を有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に設置されたカソードガス配管７２に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３と、を有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、カソードガス配管７２を通って燃料電池スタック２１（カソード電極）へと圧送（供給）される。カソードガス配管７２を流れるエアは、熱交換器２７において燃焼排ガス配管７６を流れる高温の燃焼排ガスと熱交換されて昇温させられる。

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６１と、燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと湯水とを熱交換してアノードオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器６２と、貯湯タンク６１と凝縮器６２とに接続された循環配管６３と、循環配管６３に組み込まれた循環ポンプ６４と、を有する。貯湯タンク６１内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、凝縮器６２へと導入され、凝縮器６２でアノードオフガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６１へと返送される。

また、凝縮器６２におけるアノードオフガス側の通路出口には、凝縮水配管４４とアノードオフガス配管７４とが接続されており、アノードオフガス中の水蒸気が貯湯タンク６１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、凝縮水配管４４を通って改質水タンク４２内に導入される。なお、改質水タンク４２には、凝縮水配管４４を通過した凝縮水を精製する図示しない水精製器が設置されている。また、上述したように、凝縮器６２において水蒸気が除去されたアノードオフガスは、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。

更に、排熱回収装置６０は、循環配管６３に組み込まれたラジエータ６５と、ラジエータ６５にエアを送るラジエータファン（電動ファン）６６と、発電モジュール２０で発電した電力を消費して循環配管６３内の湯水を加熱する電気ヒータ６７と、を有する。ラジエータ６５は、循環配管６３の循環ポンプ６４と凝縮器６２との間に位置するように設置されている。電気ヒータ６７は、循環配管６３のラジエータ６５と循環ポンプ６４との間に位置するように設置されている。

還流装置８０は、アノードオフガス配管７４から分岐すると共に原燃料ガス供給管３１におけるゼロガバナ３５とガスポンプ３６との間に接続される還流配管８１と、還流配管８１に設置される電磁弁８２と、還流配管８１に形成されるオリフィス８３と、を有する。電磁弁８２は、常閉式の開閉弁であり、アノードオフガス配管７４から原燃料ガス供給管３１へのアノードオフガスの還流ラインは、電磁弁８２が閉弁された状態において遮断され、電磁弁８２を開弁することにより開放される。

燃料電池スタック２１の出力端子には、パワーコンディショナ９０の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ９０の出力端子は、リレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されている。パワーコンディショナ９０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電力を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電力を電力系統と連系可能な電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の交流電力に変換するインバータを有する。これにより、燃料電池スタック２１からの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。パワーコンディショナ９０には電源基板９１が接続されている。電源基板９１は、燃料電池スタック２１からの直流電力や電力系統２からの交流電源を低圧の直流電力に変換して、ガスポンプ３６や改質水ポンプ４３、エアポンプ５３、循環ポンプ６４等の補機類、流量センサ３９や温度センサ１１１，１１２、電流センサ１１３、電圧センサ１１４等のセンサ類、制御装置１００へ供給する。また、パワーコンディショナ９０や電源基板９１等が配置される補機室には、当該パワーコンディショナ９０や電源基板９１を冷却するための図示しない冷却ファンと換気ファンとが配置されている。冷却ファンは、パワーコンディショナ９０や電源基板９１の発熱部に空気を送り込む。発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファンにより大気中に排出される。

制御装置１００は、ＣＰＵ１０１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ１０１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ１０２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ１０３と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置１００には、燃料電池スタック２１から出力される電流（出力電流Ｉ）を検出する電流センサ１１３や、燃料電池スタック２１から出力される電圧（出力電圧Ｖ）を検出する電圧センサ１１４、流量センサ３９、温度センサ１１１，１１２等からの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置１００からは、開閉弁３２，３３のソレノイドや、ガスポンプ３６のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、着火装置２５、電磁弁８２のソレノイド等への各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。また、制御装置１００には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置１００は、燃料電池システム１０のユーザにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック２１は平板型の単セルが積層されたものであり、円筒型のセルに比して、単位面積あたりの出力密度が高くなるメリットを有する。一方で、平板型のセルは、円筒型のセルに比して、機械的な強度の面で不利となりやすく、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧（極間差圧）が大きくなり過ぎると、セル（電解質）を破損させてしまうおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、極間差圧が許容範囲を超えないようにシステムを運転制御することにより、セルの破損を防止するものとした。以下、燃料電池システム１０の動作について説明する。

図２は、制御装置１００のＣＰＵ１０１により実行される発電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システムが起動されたときに所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎や数十ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

発電制御ルーチンが実行されると、制御装置１００のＣＰＵ１０１は、まず、負荷４が要求する要求出力（要求電力）Ｐｒｅｑや電圧センサ１１４からの出力電圧Ｖ、温度センサ１１２からのスタック相関温度Ｔｓｔ、流量センサ３９からのガス流量Ｑｇ等を入力する（ステップＳ１００）。続いて、ＣＰＵ１０１は、入力した要求出力Ｐｒｅｑと出力電圧Ｖとに基づいて燃料電池スタック２１から出力する電流の目標値である目標電流Ｉｔａｇを設定する（ステップＳ１１０）。なお、目標電流Ｉｔａｇは、要求出力Ｐｒｅｑの急増に対して出力電圧Ｖの低下が許容範囲内に収まるように設定される。

ＣＰＵ１０１は、要求電流Ｉｒｅｑを設定すると、燃料利用率Ｕｆ（アノードに供給した燃料ガスの量に対する発電に利用された燃料ガスの量の割合）が目標利用率Ｕｆｔａｇとなるように、目標電流Ｉｔａｇに基づいて原燃料ガス供給装置３０から供給する原燃料ガスの目標流量である目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定する（ステップＳ１２０）。

続いて、ＣＰＵ１０１は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が目標比ＳＣｔａｇとなるように、目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて改質水供給装置４０から供給する改質水の目標流量である目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定する（ステップＳ１３０）。

次に、ＣＰＵ１０１は、エア供給装置５０が供給すべきエアの流量の仮の値である仮エア流量Ｑａｔｍｐを設定する（ステップＳ１５０）。仮エア流量Ｑａｔｍｐの設定は、燃料電池スタック２１の温度が目標温度となるようにスタック相関温度Ｔｓｔに基づいてエア利用率Ｕａを設定し、設定したエア利用率Ｕａとなるように目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて仮エア流量Ｑａｔｍｐを設定することにより行なわれる。続いて、ＣＰＵ１０１は、エア供給装置５０が供給できるエアの流量の上下限値であるエア流量上下限値Ｑａｍａｘ，Ｑａｍｉｎを取得する（ステップＳ１４０）。そして、ＣＰＵ１０１は、仮エア流量Ｑａｔｍｐとエア流量上限値Ｑａｍａｘとのうち小さい方の値と、エア流量下限値Ｑａｍｉｎとのうち大きい方を、エア供給装置５０が供給するエアの目標流量である目標エア流量Ｑａｔａｇに設定する（ステップＳ１５０）。すなわち、エア流量上限値Ｑａｍａｘを上回らず且つエア流量下限値Ｑａｍｉｎを下回らない範囲で目標エア流量Ｑａｔａｇを設定する。ここで、エア流量上下限値Ｑａｍａｘ，Ｑａｍｉｎは、図３に例示するエア流量上下限値設定処理を実行することにより設定される。以下、発電制御ルーチンの説明を中断し、エア流量上下限値設定処理の詳細について説明する。

エア流量上下限値設定処理では、ＣＰＵ１０１は、まず、スタック相関温度Ｔｓｔに基づいて燃料電池スタック２１のセパレータの温度（セパレータ温度Ｔｓｐ）を推定する（ステップＳ２００）。セパレータ温度Ｔｓｐは、スタック相関温度Ｔｓｔと、セパレータを含む燃料電池スタック２１の熱伝導率等に基づいて推定することができる。続いて、ＣＰＵ１０１は、セパレータ温度Ｔｓｐに基づいて、セパレータを隔ててアノード電極側を流れるアノードガスの圧力とカソード電極側を流れるカソードガスの圧力との差圧（極間差圧）の上限値である差圧上限値ΔＰｍａｘを設定する（ステップＳ２１０）。差圧上限値ΔＰｍａｘは、セパレータがクリープ変形しない範囲内で許容される極間差圧の上限値である。差圧上限値ΔＰｍａｘの設定は、本実施形態では、セパレータ温度Ｔｓｐと差圧上限値ΔＰｍａｘとの関係を予め求めて差圧上限値設定用マップとして記憶しておき、スタック相関温度Ｔｓｔが与えられるとマップから対応する差圧上限値ΔＰｍａｘを導出することにより行なわれる。差圧上限値設定用マップの一例を図４に示す。セパレータ、特に金属製のセパレータは、高温時には剛性が低下する温度依存性を有するため、セパレータ温度Ｔｓｐが高いほど極間差圧により作用する荷重によってクリープ変形が生じ易くなる。一方、セパレータ温度Ｔｓｐが低いときには、セパレータに十分な剛性があるため、セパレータはクリープ変形し難い。このことを考慮し、差圧上限値ΔＰｍａｘは、セパレータ温度Ｔｓｐが高い場合には比較的小さな値が設定される一方、セパレータ温度Ｔｓｐが低い場合には比較的大きな差圧が許容されるように比較的大きな値が設定される。本実施形態では、差圧上限値ΔＰｍａｘは、セパレータ温度Ｔｓｐが低いほど大きくなるように設定される。

次に、ＣＰＵ１０１は、燃料電池スタック２１のアノード電極側の圧力であるアノード圧力Ｐａを推定する（ステップＳ２２０）。アノード圧力Ｐａは、例えば、流量センサ３９により検出されるガス流量Ｑｇとスタック相関温度Ｔｓｔとに基づいて推定したり、ガスポンプ３６のデューティまたは回転数とスタック相関温度Ｔｓｔとに基づいて推定したりすることができる。続いて、ＣＰＵ１０１は、燃料電池スタック２１のカソード電極側の圧力上限値であるカソード圧力上限値Ｐｃｍａｘと圧力下限値であるカソード圧力下限値Ｐｃｍｉｎとを設定する（ステップＳ２３０）。カソード圧力上限値Ｐｃｍａｘは、アノード圧力Ｐａに差圧上限値ΔＰｍａｘを加えることにより計算することができ、カソード圧力下限値Ｐｃｍｉｎは、アノード圧力Ｐａから差圧上限値ΔＰｍａｘを減じることにより計算することができる。そして、ＣＰＵ１０１は、カソード圧力がカソード圧力上限値Ｐｃｍａｘを上回らないようにエア供給装置５０から供給するエアの上限流量であるエア流量上限値Ｑａｍａｘを設定すると共に、カソード圧力がカソード圧力下限値Ｐｃｍｉｎを下回らないようにエア供給装置５０から供給するエアの下限流量であるエア流量下限値Ｑａｍｉｎを設定して（ステップＳ２４０）、エア流量上下限値設定処理を終了する。

発電制御ルーチンに戻って、ＣＰＵ１０１は、目標ガス流量Ｑｇｔａｇと目標改質水流量Ｑｗｔａｇとを設定すると共にエア流量上下限値Ｑａｍａｘ，Ｑａｍｉｎの範囲内で目標エア流量Ｑａｔａｇを設定すると、目標ガス流量Ｑｇｔａｇで原燃料ガスが供給されるようにガスポンプ３６を制御すると共に（ステップＳ１６０）、目標改質水流量Ｑｗｔａｇで改質水が供給されるように改質水ポンプ４３を制御し（ステップＳ１７０）、目標エア流量Ｑａｔａｇでエアが供給されるようにエアポンプ５３を制御して（ステップＳ１８０）、発電制御ルーチンを終了する。ガスポンプ３６の制御は、目標ガス流量Ｑｇｔａｇと流量センサ３９からのガス流量Ｑｇとの偏差に基づいてフィードバック演算（例えば比例積分制御）によりデューティを設定し、設定したデューティでガスポンプ３６のポンプモータを制御することにより行なわれる。また、改質水ポンプ４３の制御は、目標改質水流量Ｑｗｔａｇに基づいてデューティを設定し、設定したデューティで改質水ポンプ４３のポンプモータを制御することにより行なわれる。さらに、エアポンプ５３の制御は、目標エア流量Ｑａｔａｇに基づいてデューティを設定し、設定したデューティでエアポンプ５３のポンプモータを制御することにより行なわれる。

このように、極間差圧の差圧上限値ΔＰｍａｘを超えないようにエア流量上下限値Ｑａｍａｘ，Ｑａｍｉｎの範囲内で燃料電池スタック２１のカソードにエアを供給することで、極間差圧によるセパレータのクリープ変形を防止しつつ、エアの供給により燃料電池スタック２１を冷却することが可能となる。この結果、燃料電池スタック２１の温度を適正温度にして、発電効率を向上させることができる。差圧上限値ΔＰｍａｘはセパレータ温度Ｔｓｐが高い場合には比較的小さな値が設定され、セパレータ温度Ｔｓｐが低い場合には比較的大きな値が設定されるため、温度依存性を有するセパレータにおいて、セパレータをクリープ変形させない範囲でエアの供給を最適化することができる。これにより、例えば燃料電池スタック２１が劣化した際に、昇温した燃料電池スタック２１を効率よく冷却することができる。

次に、燃料電池システム１０を停止する際の動作について説明する。図５は、制御装置１００のＣＰＵ１０１により実行される停止制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システムの停止が要求されたときに実行される。

停止制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ１０１は、まず、温度センサ１１２からスタック相関温度Ｔｓｔを入力し（ステップＳ３００）、スタック相関温度Ｔｓｔが第１閾値Ｔ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３１０）。第１閾値Ｔ１は、燃料電池スタック２１のアノードが酸素雰囲気において酸化劣化しない程度の温度状態にあるか否かを判定するための閾値である。ＣＰＵ１０１は、スタック相関温度Ｔｓｔが第１閾値Ｔ１よりも大きいと判定すると、目標ガス流量Ｑｇｔａｇに予め定められた流量Ｑｇｓｅｔを設定すると共に（ステップＳ３２０）、目標改質水流量Ｑｗｔａｇに予め定められた流量Ｑｗｓｅｔを設定する（ステップＳ３３０）。続いて、ＣＰＵ１０１は、上述したエア流量上下限値設定処理により設定されるエア流量上限値Ｑａｍａｘを取得し（ステップＳ３４０）、エア流量上限値Ｑａｍａｘと予め定められた流量Ｑａｓｅｔとのうち小さい方を目標エア流量Ｑａｔａｇに設定する（ステップＳ３５０）。そして、ＣＰＵ１０１は、目標ガス流量Ｑｇｔａｇ，目標改質水流量Ｑｗｔａｇ，目標エア流量Ｑａｔａｇでガスポンプ３６，改質水ポンプ４３，エアポンプ５３をそれぞれ制御して（ステップＳ３６０～Ｓ３８０）、ステップＳ３００に戻る。

燃料電池スタック２１は、高温下においてアノードが酸素雰囲気に曝されると、アノードが酸化して発電性能の低下を招く。このため、システム停止する際には、燃料電池スタック２１が十分に冷却されるまで、アノードへの燃料ガスの供給が継続されるように、原燃料ガス供給装置３０と改質水供給装置４０とからそれぞれ原燃料ガスと改質水とを供給する。ここで、目標ガス流量Ｑｇｔａｇおよび目標改質水流量Ｑｗｔａｇは、アノードが酸素雰囲気に曝されない程度の比較的少ない流量Ｑｇｓｅｔ，Ｑｗｓｅｔに設定される。一方、目標エア流量Ｑａｔａｇは、燃料電池スタック２１を素早く冷却するために比較的多い流量Ｑａｓｅｔに設定される。但し、目標エア流量Ｑａｔａｇは、セパレータのクリープ変形を防止するため、差圧上限値ΔＰｍａｘを超えないようにエア流量上限値Ｑａｍａｘを上限として設定される。

ＣＰＵ１０１は、ステップＳ３１０において、スタック相関温度Ｔｓｔが第１閾値Ｔ１以下であると判定すると、原燃料ガスおよび改質水の供給を停止する（ステップＳ３９０）。次に、ＣＰＵ１０１は、温度センサ１１２からスタック相関温度Ｔｓｔを入力し（ステップＳ４００）、スタック相関温度Ｔｓｔが第２閾値Ｔ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３１０）。第２閾値Ｔ２は、燃料電池システム１０を完全に停止可能であるか否かを判定するための閾値であり、第１閾値Ｔ１よりも低い温度に定められる。ＣＰＵ１０１は、スタック相関温度Ｔｓｔが第２閾値Ｔ２よりも大きいと判定すると、上述したエア流量上下限値設定処理により設定されるエア流量上限値Ｑａｍａｘを取得し（ステップＳ４２０）、エア流量上限値Ｑａｍａｘと予め定められた流量Ｑａｓｅｔとのうち小さい方を目標エア流量Ｑａｔａｇに設定する（ステップＳ４３０）。そして、ＣＰＵ１０１は、目標エア流量Ｑａｔａｇでエアポンプ５３を制御して（ステップＳ４４０）、ステップＳ４００に戻る。

ＣＰＵ１０１は、ステップＳ４１０において、スタック相関温度Ｔｓｔが第２閾値Ｔ２以下であると判定すると、エアの供給を停止して（ステップＳ４５０）、停止制御ルーチンを終了する。

停止制御ルーチンにおいて、目標エア流量Ｑａｔａｇは、差圧上限値ΔＰｍａｘに基づくエア流量上限値Ｑａｍａｘと、燃料電池スタック２１を素早く冷却するための流量Ｑａｓｅｔとのうち小さい方が設定される。燃料電池スタック２１に冷却用のエアが供給されると、セパレータ温度Ｔｓｐが低下し、差圧上限値ΔＰｍａｘは、図６に示すように、セパレータ温度Ｔｓｐが低下するにつれて徐々に大きくなっていく。エア流量上限値Ｑａｍａｘは、差圧上限値ΔＰｍａｘが大きくなるにつれて大きくなるため、目標エア流量Ｑａｔａｇは、図７に示すように、セパレータ温度Ｔｓｐが低下するにつれて徐々に大きくなる。これにより、差圧上限値ΔＰｍａｘを超えない範囲内で目標エア流量Ｑａｔａｇを設定してエアの供給を制御することで、セパレータのクリープ変形を防止しつつ、燃料電池スタック２１がある程度冷却された停止制御の後半においては、エアの供給量を増量して燃料電池スタック２１の冷却をさらに促進することができる。この結果、システムの停止に要する時間を短縮することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、差圧上限値ΔＰｍａｘを超えない範囲内で燃料電池システム１０を運転するため、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧を良好に制御してセパレータのクリープ変形を防止することができる。また、スタック相関温度Ｔｓｔに基づいて差圧上限値ΔＰｍａｘを設定するから、差圧上限値ΔＰｍａｘに基づくカソードガスの供給の過剰な制限を抑制して燃料電池システム１０の状態（温度状態）を良好なものとすることができる。

また、発電時には、システムに要求される要求出力Ｐｒｅｑに基づいて目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定すると共に差圧上限値ΔＰｍａｘを超えない範囲内で目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて目標エア流量Ｑａｔａｇを設定して原燃料ガス供給装置３０とエア供給装置５０とを制御する。これにより、セパレータのクリープ変形を防止しつつ、燃料電池スタック２１を効率よく発電させることができる。

さらに、システム停止時には、差圧上限値ΔＰｍａｘを超えない範囲で燃料電池スタック２１を冷却するための目標エア流量Ｑａｔａｇを設定してエア供給装置５０を制御する。これにより、セパレータのクリープ変形を防止しつつ、システム停止時に燃料電池スタック２１を素早く冷却して停止に要する時間を短縮することができる。

上述した実施形態では、ＣＰＵ１０１は、発電時において、要求出力Ｐｒｅｑに基づいて目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定すると共に、スタック相関温度Ｔｓｔに基づく差圧上限値ΔＰｍａｘを超えないように目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて目標エア流量Ｑａｔａｇを設定するものとした。しかし、目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて差圧上限値ΔＰｍａｘに依存しない目標エア流量Ｑａｔａｇを設定した後、差圧上限値ΔＰｍａｘを超えないように目標エア流量Ｑａｔａｇに基づいて目標ガス流量Ｑｇｔａｇを制限してもよい。

また、上述した実施形態では、ＣＰＵ１０１は、発電時とシステム停止時とにおいて、それぞれスタック相関温度Ｔｓｔに基づいて差圧上限値ΔＰｍａｘを設定すると共に差圧上限値ΔＰｍａｘを超えないように原燃料ガスやアノードガスの目標流量を設定して制御するものとした。しかし、システム起動時においても、同様に制御するようにしてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック２１が本開示の「燃料電池」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、原燃料ガス供給装置３０が「原燃料ガス供給部」に相当し、エア供給装置５０が「カソードガス供給部」に相当し、温度センサ１１２が「温度検出部」に相当し、制御装置１００が「制御部」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ 原燃料供給源、２ 電力系統、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ 燃焼器、２５ 着火装置、２６，２７ 熱交換器、２８ 燃焼触媒、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２，３３ 開閉弁、３４ オリフィス、３５ ゼロガバナ、３６ ガスポンプ、３８ 脱硫器、３９ 流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、４４ 凝縮水配管、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 貯湯タンク、６２ 凝縮器、６３ 循環配管、６４ 循環ポンプ、６５ ラジエータ、６７ 電気ヒータ、７１ アノードガス配管、７２ カソードガス配管、７３，７４ アノードオフガス配管、７５ カソードオフガス配管、７６ ：燃焼排ガス配管、８０ 還流装置、８１ 還流配管、８２ 電磁弁、８３ オリフィス、９０ パワーコンディショナ、９１ 電源基板、１００ 制御装置、１０１ ＣＰＵ、１０２ ＲＯＭ、１０３ ＲＡＭ、１１１，１１２ 温度センサ、１１３ 電流センサ、１１４ 電圧センサ。

Claims (4)

1. アノード側に供給されるアノードガスとカソード側に供給されるカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と、
   原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、
   前記原燃料ガスを前記改質部へ供給する原燃料ガス供給部と、
   前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、
   前記燃料電池の温度に相関する電池相関温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出される電池相関温度が低いときには高いときに比して大きくなるように前記アノード側の圧力と前記カソード側の圧力との差圧の許容される上限値である差圧上限値を設定し、前記差圧上限値の範囲内で前記燃料電池が運転されるように前記原燃料ガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、発電時には、システムに要求される要求出力に基づいて原燃料ガスの目標流量を設定すると共に前記差圧上限値を超えない範囲内で原燃料ガスの目標流量に基づいてカソードガスの目標流量を設定して前記原燃料ガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、システム停止時には、前記差圧上限値を超えない範囲で前記燃料電池を冷却するためのカソードガスの目標流量を設定して前記カソードガス供給部を制御する、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記差圧上限値に基づいて前記カソード側の許容される圧力の上限値または下限値を設定し、前記上限値を上回らない範囲内または前記下限値を下回らない範囲内でカソードガスが供給されるよう前記カソードガス供給部を制御する、
   燃料電池システム。

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