JP3979057B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池本体から排出される排ガスを燃焼する燃焼器の温度に基づいて、燃料電池本体の出力を制御することができる燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池の電解質として固体高分子膜を使用することにより、動作温度を低下させるとともに、小型軽量化した固体高分子膜燃料電池が家庭用の電源や電気自動車の電源として注目されている。
【０００３】
燃料電池本体は、燃料ガスが供給される燃料極と、空気が供給される空気極とを備え、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電するものである。燃料電池本体で発電に使用されずに未利用となった排燃料ガス及び排空気は、燃焼器に導かれて燃焼し、反応生成物である水蒸気と不活性の窒素が無害の排気として排出される。
【０００４】
燃料電池本体の発電能力は、燃料極に供給される水素の分圧、及びこれに応じて空気極に供給される空気中の酸素の分圧に関連している。この発電能力以上の出力を取り出してしまうと、発電性能が低下するのみでなく、燃料極および、空気極上の触媒が高温になり破壊されてしまう、あるいは電解質膜（プロトン透過膜）を破壊してしまうといった恐れがある。
【０００５】
このため、燃料電池本体から出力を取り出す時、燃料電池本体の燃料極に燃料ガスが充分に来ているかどうかを確認して、燃料電池本体から取り出す出力が発電能力に対して過負荷とならないように制御する必要がある。
【０００６】
このような燃料電池システムの制御例として、特開２０００−３１５５１６号公報記載の従来技術がある。この従来技術によれば、改質器で原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する場合に、改質器に供給した原料流量と改質器温度から水素発生量を推定して、この推定値に基づいて燃料電池本体から出力を取り出すようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、要求出力の増加により蒸発器に投入する原料流量を増加して、これを改質器で改質して水素が生成され、燃料電池本体の燃料極に到達する水素量が増加するまでに時間遅れが生じる。
【０００８】
即ち、蒸発器の容量、蒸発時間、改質器の容量、改質反応時間、改質器から燃料電池本体の燃料極までの系のガス圧力、ガス流量によって水素がスタック水素極に到達する時間遅れが変化する。この遅れはシステムの状態、運転条件に依存して変化するので正確な推定は困難であり、従って水素ガスの燃料極における圧力及び流量の推定も困難である。
【０００９】
水素量の推定値がずれた場合、このずれを検出する方法がなく、ずれた水素量推定値に基づいて燃料電池本体から出力を取り出してしまうことになる。特に過渡状態では、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス流量変化は、燃料極経路の圧力変化も影響を及ぼし推定値と実際値はかなりのずれを生じる。
【００１０】
更に、推定値が実際値よりも大きくなるような場合には、燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことになり、燃料電池が劣化する可能性が残るという問題点がある。
【００１１】
また、上記従来技術では、燃料電池本体の電圧が低下したことを検知することにより燃料電池本体の燃料極に改質ガスが充分でなく不足状態であることを判断する考え方が開示されているが、これを用いたとしても燃料電池本体の電圧が低下するまえに、燃料電池本体の燃料極経路に十分燃料ガスが存在するかどうかを判断することができない。このため一時的には燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことで劣化する可能性が残り、問題点は解決されない。
【００１２】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池本体で発電可能な発電量を超えて燃料電池本体から出力を取り出さないようにして、燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、燃料極および空気極により発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、前記要求出力に応じて空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、前記燃料電池本体で発電に利用されずに排出される未利用排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記要求出力の増加があった場合に、前記温度検出手段が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段と、該燃焼器温度変化検出手段が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに前記燃料電池本体から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。
【００１４】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムの制御装置において、前記出力増加許可手段が出力の増加を許可した場合に、前記燃焼器の温度が所定の温度を維持するように前記燃料電池本体の出力目標値を算出する出力目標値算出手段を備えたことを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの制御装置において、前記要求出力の増加があった場合に、その増加量が大きい程、前記燃焼器温度変化検出手段が検出に使用する前記閾値を大きい値とすることを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料極および空気極により発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、前記要求出力に応じて空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、前記燃料電池本体で発電に利用されずに排出される未利用排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記要求出力の増加があった場合に、前記温度検出手段が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段と、該燃焼器温度変化検出手段が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに前記燃料電池本体から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段と、を備えたことにより、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量が増加したことを燃焼器の温度上昇に基づいて確認した後に、燃料電池本体から取り出す出力増加を許可するので、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量が増加し始める前に燃料電池本体から取り出す出力を増加させることを防止することができ、燃料電池の過負荷による劣化を防止できるという効果がある。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムの制御装置において、前記出力増加許可手段が出力の増加を許可した場合に、前記燃焼器の温度が所定の温度を維持するように前記燃料電池本体の出力目標値を算出する出力目標値算出手段を備えたことにより、請求項１記載の発明の効果に加えて、燃焼器の廃熱を利用する蒸発器等に影響を及ぼすことなく、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量増加変化に一致して、燃料電池本体の出力を増加することができ、過渡状態であっても燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことを防止しつつ、可能な範囲で最大限の出力を取り出すことができるという効果がある。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの制御装置において、前記要求出力の増加があった場合に、その増加量が大きい程、前記燃焼器温度変化検出手段が検出に使用する前記閾値を大きい値とするようにしたので、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、ノイズなどの影響で燃焼器温度上昇変化が十分であるあると誤判定して燃料電池本体から発電能力を超える出力を取り出すことを防止できるという効果がある。
【００２１】
特に燃料電池本体から取り出す要求出力増加変化分が大きいほど、誤って燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまった場合に燃料電池の性能低下を招く可能性が高いが、このような不具合の発生を防止できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態を説明するブロック図である。同図において、燃料電池システムは、燃料極および空気極により発電する燃料電池本体１と、燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを燃料極に供給する燃料ガス供給手段２と、前記要求出力に応じて空気を空気極に供給する空気供給手段３と、燃料電池本体１で発電に利用されずに排出される排燃料ガス及び排空気（以下、併せて未利用排ガス）を燃焼する燃焼器４と、燃焼器４の温度を検出する温度検出手段５と、この燃料電池システムを制御する制御装置６と、燃料電池本体１の発電出力が供給される負荷１０とを備えている。
【００２５】
制御装置６は、要求出力の増加があった場合に、温度検出手段５が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段７と、燃焼器温度変化検出手段７が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに燃料電池本体１から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段９と、出力増加許可手段９が出力の増加を許可した場合に、燃焼器４の温度が所定の温度を維持するように燃料電池本体１の出力目標値を算出する出力目標値算出手段８と、を備えている。
【００２６】
次に制御装置６の動作を説明する。まず図示しない要求出力指示装置（例えば燃料電池自動車であれば、アクセルペダルの踏込量と車速とに基づいて要求出力を算出する装置）から燃料電池の出力に対する要求である要求出力が制御装置６に伝えられる。制御装置６は、この要求出力と、温度検出手段５が検出する燃焼器温度とを一定時間の制御サイクル毎にモニタしている。そして、要求出力が増加した場合、増加した要求出力に応じて、燃料ガス及び空気がそれぞれ燃料電池本体１の燃料極及び空気極に供給されるように、燃料ガス供給手段２及び空気供給手段３を制御する。
【００２７】
しかし、燃料ガス供給手段２及び空気供給手段３に対して、燃料ガス量及び空気量の増加を指示しても、これらの容量、反応時間、ガス経路の容量により、これらのガス流量が増加するまで時間遅れがある。この時間遅れが経過してから、燃料極の燃料ガス流量、空気極の空気流量が増加し、燃料電池本体１から取り出し可能な出力が増加する。このとき、制御装置６は、未だ出力増加許可をしていないので、燃料電池本体１から取り出される出力は増加せず、燃料電池本体１で発電に使用されなかった燃料ガス量及び空気量が増加し、燃焼器４にて燃焼される燃料ガス量及び空気量が増加する。この結果、燃焼器４の温度が上昇し、この温度上昇が温度検出手段５により検出されて、制御装置６へ伝えられる。
【００２８】
制御装置６の燃焼器温度変化検出手段７は、温度検出手段５が検出した燃焼器４の温度に基づいて燃焼器４の温度上昇が所定の閾値以上となったことを検出したことを出力増加許可手段９に伝える。これが伝えられると出力増加許可手段９は、燃料電池本体１から取り出す出力の増加を許可する。出力増加許可手段９が出力の増加を許可した場合に、出力目標値算出手段８は、燃焼器４の温度が所定の温度を維持するように燃料電池本体１の出力目標値を算出して、負荷１０に対して出力目標値を指示する。
【００２９】
こうして、本発明によれば、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量が増加し始める前に燃料電池本体から取り出す出力を増加させることを防止することができ、燃料電池の過負荷による劣化を防止できる。
【００３０】
次に、燃料電池システムの詳細な構成を示す図２を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態においては、特に限定されないが、原料として水とメタノール、燃焼器４の燃料として燃料電池本体１からの未利用排ガス（排水素と排空気）を使い、燃焼器４で生じた熱で蒸発器１５を加熱して原料を蒸発させ、この原料蒸気と空気中の酸素とを改質器１７で反応させて、水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガス及び空気をそれぞれ燃料極、空気極に供給し、改質ガス中の水素と空気中の酸素とを燃料電池本体１で電気化学反応させて発電する構成について説明する。尚、図１の構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付与する。
【００３１】
図２において、本発明に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムは、原料としての水を貯蔵する水タンク１１と、原料としてのメタノールを貯蔵するメタノールタンク１２と、水タンク１１の水を蒸発器１５へ供給する水供給装置１３と、メタノールタンク１２からメタノールを蒸発器１５へ供給するメタノール供給装置１４と、燃焼器４からの廃熱を利用して水及びメタノールを蒸発させる蒸発器１５と、蒸発器１５で生成された水蒸気及びメタノール蒸気と空気を利用して改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器１７と、外気を取り込んで圧縮し燃料電池システムの各部へ供給する空気供給装置としてのコンプレッサ１６と、コンプレッサ１６の空気流量を検出する流量センサ２３と、コンプレッサ１６の流量を制御する流量制御器２２と、改質器１７の温度を検出する温度センサ１８と、改質器１７へ供給する空気量を制御する空気流量制御弁２０と、改質器１７の温度を制御する温度制御器１９と、燃料電池本体１の空気極へ供給する空気量を制御する空気流量制御弁２１と、空気流量制御弁２１から空気極へ空気が供給され、改質器１７から燃料極へ改質ガスが供給される燃料電池本体１と、燃料電池本体１から排出される排空気及び排水素を燃焼する燃焼器４と、燃焼器４の温度を検出する温度センサ５と、燃料電池本体１から負荷電流が供給される負荷１０と、負荷電流を検出する電流センサ２４と、燃料電池本体１の出力電圧を検出する電圧センサ２５と、燃料電池システムを制御する制御装置６とを備えている。
【００３２】
改質器１７は、コンプレッサ１６から供給される空気中の酸素と、蒸発器１５によって改質原料の水とメタノールを蒸発した蒸気による改質反応で水素リッチな改質ガスを生成する。
【００３３】
改質器１７へ空気を供給する配管の途中には、空気流量制御弁２０が取り付けられており、改質器１７の温度センサ１８が目標温度になるように、温度制御器１９によって空気流量制御弁２０の開度を調節する。温度制御器１９の働きによって改質器１７へ供給される空気流量が変わる。
【００３４】
本実施形態の改質器１７は、水蒸気、メタノール蒸気及び空気を用いて改質反応と部分酸化反応を行うと共に、これらの反応で生じた一酸化炭素を除去するシフト反応一体型である。改質器１７で生成された水素リッチな改質ガスは、燃料電池本体１の燃料極へ供給される。図１の燃料ガス供給手段２に対応する図２の構成要素は、水タンク１１，メタノールタンク１２，水供給装置１３，メタノール供給装置１４，蒸発器１５，改質器１７空気流量制御弁２０，温度制御器１９、及び温度センサ１８である。図１の空気供給手段３に対応する図２の構成要素は、コンプレッサ１６，流量制御器２２，流量センサ２３及び空気流量制御弁２１である。
【００３５】
燃料電池本体１では、コンプレッサ１６から供給される空気中の酸素と水素リッチな改質ガスを電気化学的に反応させて発電する。
【００３６】
本実施形態では、コンプレッサ１６の吐出流量を測定する流量センサ２３を設けている。燃料電池システム全体で必要とする空気を１つのコンプレッサ１６から供給する構成となっているので、改質器１７及び燃料電池本体１で必要とする空気流量の総和と、流量センサ２３が検出するコンプレッサ１６の吐出流量とが等しくなるように、流量制御器２２でコンプレッサ１６の回転数を制御する。
【００３７】
燃料電池本体１で発電に利用されなかった未利用排ガスは、空気極から排出される排空気と、燃料極から排出される排水素であり、これらは燃焼器４に導いて燃焼して排気する。燃焼器４には、その温度を検出する温度センサ５が取り付けられている。燃焼器４で発生した燃焼熱は、蒸発器１５へ供給して原料の蒸発に必要な熱量をまかなう。
【００３８】
蒸発器１５への改質原料は、水供給装置１３と、メタノール供給装置１４で供給される。水は水タンク１１、メタノールはメタノールタンク１２から供給する。
【００３９】
水流量とメタノール流量の目標値は、燃料電池本体１に対する要求出力に基づいて算出され、それぞれの流量が目標値になるように、それぞれの供給装置１３，１４内の流量制御装置が制御する。燃料電池システムを車両に適用した場合には、要求出力はドライバのアクセル踏み込み量に基づいて算出する。
【００４０】
本実施形態では、水供給装置１３、メタノール供給装置１４は共に蒸発器１５の内部に向かってそれぞれ原料を噴射するインジェクタである。
【００４１】
負荷１０は、燃料電池本体１に接続され、燃料電池本体１の発電電流が供給される負荷である。本実施形態では負荷として、バッテリ及びインバータが接続されているが図示していない。
【００４２】
本実施形態では、負荷１０に出力目標値を設定して燃料電池本体１から出力を取り出すようにしている。出力は負荷電流として取り出される。インバータはモータに接続して、車両走行の動力として使う。
【００４３】
電圧センサ２５は、燃料電池本体１の電圧を測定するセンサである。本実施形態ではセル電圧平均値を測定する。電流センサ２４は、燃料電池本体１から負荷１０に向かって流れる負荷電流を測定する電流センサである。燃料電池本体１の実際の出力値は、電圧センサ２５の検出した電圧値と、電流センサ２４の検出した負荷電流値との積となる。
【００４４】
本実施形態の全ての制御手段である流量制御器２２，温度制御器１９，制御装置６は、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータ及びそのソフトウェアで実現されている。
【００４５】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態の制御装置６の動作を説明する。まずＳ１０では、燃料電池本体に対する要求出力の増加があるかどうかを判定する。燃料電池本体に対する要求出力値は、例えば、図示しないアクセルペダル及びその踏み込み量センサを設け、これにより検出したドライバのアクセル踏み込み量と車速とに関連つけた関数を参照することにより算出する。
【００４６】
要求出力の増加がある場合には、次のＳ２０へ進み、要求出力増加がない場合にはＳ１５０に分岐する。本実施形態では、一旦要求出力の増加があった後、要求出力と実際に燃料電池から取り出す出力が一致するまで要求出力増加は解消されないようにしている。
【００４７】
尚、本実施形態において、要求出力継続は、一旦新規に要求出力増加があったあと、その要求出力値に実際の出力値が到達するまで、要求出力値を継続して発行している状態である。
【００４８】
Ｓ２０では、燃料電池本体の要求出力に増加があった場合なので、その増加に応じて原料流量目標値を増加させて発行する。本実施形態では、蒸発器１５で原料を蒸発させて原料蒸気を改質器で改質反応させるように構成したので、原料流量目標値を、蒸発器１５に原料を供給している水供給装置１３、メタノール供給装置１４に送り、蒸発器１５への供給量が目標値になるように、これら供給装置１３，１４が備えるインジェクタ制御部内で流量制御を行う。
【００４９】
Ｓ３０では、現時点の燃焼器温度を保存する。Ｓ４０では、現時点の燃料電池本体から取り出している出力値を保存する。これは要求出力増加が新規にあった場合にのみ行う。要求出力増加継続時には実行しない。
【００５０】
次にＳ５０では、現時点で燃料電池本体から取り出している出力からの増加変化分が所定の閾値Ｌ１より大きいかどうかを判断する。出力増加変化分は現在の燃料電池本体から取り出している出力と要求出力増加値の差である。
【００５１】
出力増加変化分が所定の上限閾値Ｌ１より大きいと判断された場合には、Ｓ６０に進み、燃焼器温度上昇変化検出のために使う閾値ＴＨを所定の幅Δ１だけ増加する。これは要求出力増加が新規にあった場合にのみ行う。要求出力増加継続時には実行せずＳ８０に分岐する。Ｓ７０，Ｓ７２，Ｓ７４も同様に実行する。
【００５２】
出力増加変化分が所定の上限閾値Ｌ１より小さいと判断された場合には、Ｓ７０に進み、出力が所定の上限閾値Ｌ１と下限閾値Ｌ２の間であるかどうかを判断する。上限閾値Ｌ１と下限閾値Ｌ２の間である場合には、Ｓ７２で燃焼器温度変化検出のために使う温度変化閾値ＴＨを所定の閾値ＴＨ＿ＩＮＩＴにする。所定の閾値ＴＨ＿ＩＮＩＴはあらかじめ実験等から求めておいた値である。上限閾値Ｌ１と下限閾値Ｌ２の間にない場合には、Ｓ７４に進み、燃焼器温度変化検出のために使う温度変化閾値ＴＨを所定の幅Δ１だけ減少する。
【００５３】
燃焼器４の温度変化検出のために使う温度変化閾値を出力増加変化が大きい程、高めに設定することで、燃焼器温度が確実に変化したことを検出するようにして、万が一ノイズなどの影響で燃焼器温度変化検出を誤認識することがないようにして、燃料電池本体の燃料極経路に燃料ガスが十分あることを確実に確認するようにして、燃料電池の破壊を確実に防止するようにする。
【００５４】
温度変化検出のための閾値を低い値にしておいて、万が一ノイズなどの影響で燃焼器温度変化が十分でない場合に十分な温度変化があると誤認識して、燃料電池本体から出力を取り出してしまうと、燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことになり、燃料電池本体が劣化する。
【００５５】
要求出力変化分が大きいほど、すなわち、燃料電池本体から取り出す出力増加変化分が大きいほど、一気に大きな出力を取り出そうとするのでこの影響は大きく、燃料電池本体の劣化の程度が大きくなる可能性がある。このステップで出力増加変化分が所定値より大きい場合に、燃焼器温度上昇変化検出のために使う閾値を高めに設定する理由は、ノイズなどの影響による誤認識によって、燃料電池本体が劣化することを防止するためである。
【００５６】
次にＳ８０では、Ｓ３０で保存している現時点の燃焼器温度から、Ｓ６０，Ｓ７２，Ｓ７４で決めた温度上昇変化検出のための閾値，ＴＨ，以上の温度変化が燃焼器で起きたかどうかを判断する。
【００５７】
燃焼器温度が閾値ＴＨ以上変化した場合には、次のＳ９０に進み、閾値ＴＨ以上の変化が無かった場合には、Ｓ１００に分岐する。Ｓ９０では、燃料電池本体から取り出す出力増加を許可し、Ｓ１２０へ進む。Ｓ１００では、燃料電池本体から取り出す出力増加を不許可にし、Ｓ１３０へ進む。
【００５８】
Ｓ１２０では、燃焼器温度が所定の目標値となるように、燃料電池から取り出す目標出力量を算出する。これは例えばＰＩ制御演算を利用することにより、乗算演算子「＊」を使用して、次の式（１）により算出できる。
【００５９】
【数１】
ここで、Ｐは目標出力量、ｔは時間を表すとし、ΔP(t)=P(t)-P(t-1)である。
【００６０】
e(t)＝偏差＝｛（燃焼器目標温度(t)）−（燃焼器温度センサの値(t)）｝である。
【００６１】
Ｋ、Ｔｉは制御ゲインであり調整パラメータである。Ｔは制御周期である。
【００６２】
なお、燃焼器温度の所定の目標値は出力増加前の燃焼器温度としても良いし、出力増加変化の大きさに応じて変更しても良い。
【００６３】
Ｓ１３０では、燃料電池本体から取り出す出力量増加許可がない場合なので、燃料電池から取り出す目標出力量は、前回の値を維持するようにする。次いでＳ１４０で、燃料電池から取り出す目標出力量を出力取り出し装置に出力する。
【００６４】
図４に本発明の第１の実施形態の効果の例を示す。図４（ａ）は、燃料電池本体（スタック）出力の時間変化、（ｂ）は、スタック入口の水素流量の時間変化、（ｃ）は、セル電圧の時間変化、（ｄ）は、燃焼器４の温度の時間変化をそれぞれ示す。
【００６５】
時刻ｔ０で要求出力が増加した場合に、実線で示す本発明の場合と、従来技術（特開２０００−３１５５１６号）の方法で水素流量の推定値（破線で示す）と実流量がずれていた場合とを比較する。
【００６６】
項目としては、取り出す出力、燃料電池のセル電圧、燃焼器温度を示している。
【００６７】
従来技術で推定値に基づいて出力を取り出した場合、スタックの能力を超える出力を取り出そうとするので、すぐにセル電圧が急低下し、時刻ｔ１まで推定値と実流量がズレているのでｔ１までは出力を取り出せない。本発明では水素の実流量の増加に伴い、図４（ｄ）に示すように燃焼器温度がＴＨ増加した後に取り出す出力を増加させ、しかも、燃焼器温度が、所定の温度（要求出力増加前の温度）以下にならないように取り出す出力を増加させることで、セル電圧を維持し燃料電池の劣化を防止し可能な限りの出力を取り出すことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの詳細な構成を説明するブロック図である。
【図３】第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図４】第１実施形態の作用効果を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池本体
２…燃料ガス供給手段
３…空気供給手段
４…燃焼器
５…温度検出手段
６…制御装置
７…燃焼器温度変化検出手段
８…出力目標値算出手段
９…出力増加許可手段
１０…負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池本体から排出される排ガスを燃焼する燃焼器の温度に基づいて、燃料電池本体の出力を制御することができる燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池の電解質として固体高分子膜を使用することにより、動作温度を低下させるとともに、小型軽量化した固体高分子膜燃料電池が家庭用の電源や電気自動車の電源として注目されている。
【０００３】
燃料電池本体は、燃料ガスが供給される燃料極と、空気が供給される空気極とを備え、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電するものである。燃料電池本体で発電に使用されずに未利用となった排燃料ガス及び排空気は、燃焼器に導かれて燃焼し、反応生成物である水蒸気と不活性の窒素が無害の排気として排出される。
【０００４】
燃料電池本体の発電能力は、燃料極に供給される水素の分圧、及びこれに応じて空気極に供給される空気中の酸素の分圧に関連している。この発電能力以上の出力を取り出してしまうと、発電性能が低下するのみでなく、燃料極および、空気極上の触媒が高温になり破壊されてしまう、あるいは電解質膜（プロトン透過膜）を破壊してしまうといった恐れがある。
【０００５】
このため、燃料電池本体から出力を取り出す時、燃料電池本体の燃料極に燃料ガスが充分に来ているかどうかを確認して、燃料電池本体から取り出す出力が発電能力に対して過負荷とならないように制御する必要がある。
【０００６】
このような燃料電池システムの制御例として、特開２０００−３１５５１６号公報記載の従来技術がある。この従来技術によれば、改質器で原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する場合に、改質器に供給した原料流量と改質器温度から水素発生量を推定して、この推定値に基づいて燃料電池本体から出力を取り出すようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、要求出力の増加により蒸発器に投入する原料流量を増加して、これを改質器で改質して水素が生成され、燃料電池本体の燃料極に到達する水素量が増加するまでに時間遅れが生じる。
【０００８】
即ち、蒸発器の容量、蒸発時間、改質器の容量、改質反応時間、改質器から燃料電池本体の燃料極までの系のガス圧力、ガス流量によって水素がスタック水素極に到達する時間遅れが変化する。この遅れはシステムの状態、運転条件に依存して変化するので正確な推定は困難であり、従って水素ガスの燃料極における圧力及び流量の推定も困難である。
【０００９】
水素量の推定値がずれた場合、このずれを検出する方法がなく、ずれた水素量推定値に基づいて燃料電池本体から出力を取り出してしまうことになる。特に過渡状態では、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス流量変化は、燃料極経路の圧力変化も影響を及ぼし推定値と実際値はかなりのずれを生じる。
【００１０】
更に、推定値が実際値よりも大きくなるような場合には、燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことになり、燃料電池が劣化する可能性が残るという問題点がある。
【００１１】
また、上記従来技術では、燃料電池本体の電圧が低下したことを検知することにより燃料電池本体の燃料極に改質ガスが充分でなく不足状態であることを判断する考え方が開示されているが、これを用いたとしても燃料電池本体の電圧が低下するまえに、燃料電池本体の燃料極経路に十分燃料ガスが存在するかどうかを判断することができない。このため一時的には燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことで劣化する可能性が残り、問題点は解決されない。
【００１２】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池本体で発電可能な発電量を超えて燃料電池本体から出力を取り出さないようにして、燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、燃料極および空気極により発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、前記要求出力に応じて空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、前記燃料電池本体で発電に利用されずに排出される未利用排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記要求出力の増加があった場合に、前記温度検出手段が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段と、該燃焼器温度変化検出手段が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに前記燃料電池本体から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。
【００１４】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムの制御装置において、前記出力増加許可手段が出力の増加を許可した場合に、前記燃焼器の温度が所定の温度を維持するように前記燃料電池本体の出力目標値を算出する出力目標値算出手段を備えたことを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの制御装置において、前記要求出力の増加があった場合に、その増加量が大きい程、前記燃焼器温度変化検出手段が検出に使用する前記閾値を大きい値とすることを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料極および空気極により発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、前記要求出力に応じて空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、前記燃料電池本体で発電に利用されずに排出される未利用排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記要求出力の増加があった場合に、前記温度検出手段が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段と、該燃焼器温度変化検出手段が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに前記燃料電池本体から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段と、を備えたことにより、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量が増加したことを燃焼器の温度上昇に基づいて確認した後に、燃料電池本体から取り出す出力増加を許可するので、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量が増加し始める前に燃料電池本体から取り出す出力を増加させることを防止することができ、燃料電池の過負荷による劣化を防止できるという効果がある。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムの制御装置において、前記出力増加許可手段が出力の増加を許可した場合に、前記燃焼器の温度が所定の温度を維持するように前記燃料電池本体の出力目標値を算出する出力目標値算出手段を備えたことにより、請求項１記載の発明の効果に加えて、燃焼器の廃熱を利用する蒸発器等に影響を及ぼすことなく、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量増加変化に一致して、燃料電池本体の出力を増加することができ、過渡状態であっても燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことを防止しつつ、可能な範囲で最大限の出力を取り出すことができるという効果がある。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの制御装置において、前記要求出力の増加があった場合に、その増加量が大きい程、前記燃焼器温度変化検出手段が検出に使用する前記閾値を大きい値とするようにしたので、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、ノイズなどの影響で燃焼器温度上昇変化が十分であるあると誤判定して燃料電池本体から発電能力を超える出力を取り出すことを防止できるという効果がある。
【００２１】
特に燃料電池本体から取り出す要求出力増加変化分が大きいほど、誤って燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまった場合に燃料電池の性能低下を招く可能性が高いが、このような不具合の発生を防止できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態を説明するブロック図である。同図において、燃料電池システムは、燃料極および空気極により発電する燃料電池本体１と、燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを燃料極に供給する燃料ガス供給手段２と、前記要求出力に応じて空気を空気極に供給する空気供給手段３と、燃料電池本体１で発電に利用されずに排出される排燃料ガス及び排空気（以下、併せて未利用排ガス）を燃焼する燃焼器４と、燃焼器４の温度を検出する温度検出手段５と、この燃料電池システムを制御する制御装置６と、燃料電池本体１の発電出力が供給される負荷１０とを備えている。
【００２５】
制御装置６は、要求出力の増加があった場合に、温度検出手段５が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段７と、燃焼器温度変化検出手段７が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに燃料電池本体１から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段９と、出力増加許可手段９が出力の増加を許可した場合に、燃焼器４の温度が所定の温度を維持するように燃料電池本体１の出力目標値を算出する出力目標値算出手段８と、を備えている。
【００２６】
次に制御装置６の動作を説明する。まず図示しない要求出力指示装置（例えば燃料電池自動車であれば、アクセルペダルの踏込量と車速とに基づいて要求出力を算出する装置）から燃料電池の出力に対する要求である要求出力が制御装置６に伝えられる。制御装置６は、この要求出力と、温度検出手段５が検出する燃焼器温度とを一定時間の制御サイクル毎にモニタしている。そして、要求出力が増加した場合、増加した要求出力に応じて、燃料ガス及び空気がそれぞれ燃料電池本体１の燃料極及び空気極に供給されるように、燃料ガス供給手段２及び空気供給手段３を制御する。
【００２７】
しかし、燃料ガス供給手段２及び空気供給手段３に対して、燃料ガス量及び空気量の増加を指示しても、これらの容量、反応時間、ガス経路の容量により、これらのガス流量が増加するまで時間遅れがある。この時間遅れが経過してから、燃料極の燃料ガス流量、空気極の空気流量が増加し、燃料電池本体１から取り出し可能な出力が増加する。このとき、制御装置６は、未だ出力増加許可をしていないので、燃料電池本体１から取り出される出力は増加せず、燃料電池本体１で発電に使用されなかった燃料ガス量及び空気量が増加し、燃焼器４にて燃焼される燃料ガス量及び空気量が増加する。この結果、燃焼器４の温度が上昇し、この温度上昇が温度検出手段５により検出されて、制御装置６へ伝えられる。
【００２８】
制御装置６の燃焼器温度変化検出手段７は、温度検出手段５が検出した燃焼器４の温度に基づいて燃焼器４の温度上昇が所定の閾値以上となったことを検出したことを出力増加許可手段９に伝える。これが伝えられると出力増加許可手段９は、燃料電池本体１から取り出す出力の増加を許可する。出力増加許可手段９が出力の増加を許可した場合に、出力目標値算出手段８は、燃焼器４の温度が所定の温度を維持するように燃料電池本体１の出力目標値を算出して、負荷１０に対して出力目標値を指示する。
【００２９】
こうして、本発明によれば、燃料電池本体の燃料極経路の燃料ガス量が増加し始める前に燃料電池本体から取り出す出力を増加させることを防止することができ、燃料電池の過負荷による劣化を防止できる。
【００３０】
次に、燃料電池システムの詳細な構成を示す図２を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態においては、特に限定されないが、原料として水とメタノール、燃焼器４の燃料として燃料電池本体１からの未利用排ガス（排水素と排空気）を使い、燃焼器４で生じた熱で蒸発器１５を加熱して原料を蒸発させ、この原料蒸気と空気中の酸素とを改質器１７で反応させて、水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガス及び空気をそれぞれ燃料極、空気極に供給し、改質ガス中の水素と空気中の酸素とを燃料電池本体１で電気化学反応させて発電する構成について説明する。尚、図１の構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付与する。
【００３１】
図２において、本発明に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムは、原料としての水を貯蔵する水タンク１１と、原料としてのメタノールを貯蔵するメタノールタンク１２と、水タンク１１の水を蒸発器１５へ供給する水供給装置１３と、メタノールタンク１２からメタノールを蒸発器１５へ供給するメタノール供給装置１４と、燃焼器４からの廃熱を利用して水及びメタノールを蒸発させる蒸発器１５と、蒸発器１５で生成された水蒸気及びメタノール蒸気と空気を利用して改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器１７と、外気を取り込んで圧縮し燃料電池システムの各部へ供給する空気供給装置としてのコンプレッサ１６と、コンプレッサ１６の空気流量を検出する流量センサ２３と、コンプレッサ１６の流量を制御する流量制御器２２と、改質器１７の温度を検出する温度センサ１８と、改質器１７へ供給する空気量を制御する空気流量制御弁２０と、改質器１７の温度を制御する温度制御器１９と、燃料電池本体１の空気極へ供給する空気量を制御する空気流量制御弁２１と、空気流量制御弁２１から空気極へ空気が供給され、改質器１７から燃料極へ改質ガスが供給される燃料電池本体１と、燃料電池本体１から排出される排空気及び排水素を燃焼する燃焼器４と、燃焼器４の温度を検出する温度センサ５と、燃料電池本体１から負荷電流が供給される負荷１０と、負荷電流を検出する電流センサ２４と、燃料電池本体１の出力電圧を検出する電圧センサ２５と、燃料電池システムを制御する制御装置６とを備えている。
【００３２】
改質器１７は、コンプレッサ１６から供給される空気中の酸素と、蒸発器１５によって改質原料の水とメタノールを蒸発した蒸気による改質反応で水素リッチな改質ガスを生成する。
【００３３】
改質器１７へ空気を供給する配管の途中には、空気流量制御弁２０が取り付けられており、改質器１７の温度センサ１８が目標温度になるように、温度制御器１９によって空気流量制御弁２０の開度を調節する。温度制御器１９の働きによって改質器１７へ供給される空気流量が変わる。
【００３４】
本実施形態の改質器１７は、水蒸気、メタノール蒸気及び空気を用いて改質反応と部分酸化反応を行うと共に、これらの反応で生じた一酸化炭素を除去するシフト反応一体型である。改質器１７で生成された水素リッチな改質ガスは、燃料電池本体１の燃料極へ供給される。図１の燃料ガス供給手段２に対応する図２の構成要素は、水タンク１１，メタノールタンク１２，水供給装置１３，メタノール供給装置１４，蒸発器１５，改質器１７空気流量制御弁２０，温度制御器１９、及び温度センサ１８である。図１の空気供給手段３に対応する図２の構成要素は、コンプレッサ１６，流量制御器２２，流量センサ２３及び空気流量制御弁２１である。
【００３５】
燃料電池本体１では、コンプレッサ１６から供給される空気中の酸素と水素リッチな改質ガスを電気化学的に反応させて発電する。
【００３６】
本実施形態では、コンプレッサ１６の吐出流量を測定する流量センサ２３を設けている。燃料電池システム全体で必要とする空気を１つのコンプレッサ１６から供給する構成となっているので、改質器１７及び燃料電池本体１で必要とする空気流量の総和と、流量センサ２３が検出するコンプレッサ１６の吐出流量とが等しくなるように、流量制御器２２でコンプレッサ１６の回転数を制御する。
【００３７】
燃料電池本体１で発電に利用されなかった未利用排ガスは、空気極から排出される排空気と、燃料極から排出される排水素であり、これらは燃焼器４に導いて燃焼して排気する。燃焼器４には、その温度を検出する温度センサ５が取り付けられている。燃焼器４で発生した燃焼熱は、蒸発器１５へ供給して原料の蒸発に必要な熱量をまかなう。
【００３８】
蒸発器１５への改質原料は、水供給装置１３と、メタノール供給装置１４で供給される。水は水タンク１１、メタノールはメタノールタンク１２から供給する。
【００３９】
水流量とメタノール流量の目標値は、燃料電池本体１に対する要求出力に基づいて算出され、それぞれの流量が目標値になるように、それぞれの供給装置１３，１４内の流量制御装置が制御する。燃料電池システムを車両に適用した場合には、要求出力はドライバのアクセル踏み込み量に基づいて算出する。
【００４０】
本実施形態では、水供給装置１３、メタノール供給装置１４は共に蒸発器１５の内部に向かってそれぞれ原料を噴射するインジェクタである。
【００４１】
負荷１０は、燃料電池本体１に接続され、燃料電池本体１の発電電流が供給される負荷である。本実施形態では負荷として、バッテリ及びインバータが接続されているが図示していない。
【００４２】
本実施形態では、負荷１０に出力目標値を設定して燃料電池本体１から出力を取り出すようにしている。出力は負荷電流として取り出される。インバータはモータに接続して、車両走行の動力として使う。
【００４３】
電圧センサ２５は、燃料電池本体１の電圧を測定するセンサである。本実施形態ではセル電圧平均値を測定する。電流センサ２４は、燃料電池本体１から負荷１０に向かって流れる負荷電流を測定する電流センサである。燃料電池本体１の実際の出力値は、電圧センサ２５の検出した電圧値と、電流センサ２４の検出した負荷電流値との積となる。
【００４４】
本実施形態の全ての制御手段である流量制御器２２，温度制御器１９，制御装置６は、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータ及びそのソフトウェアで実現されている。
【００４５】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態の制御装置６の動作を説明する。まずＳ１０では、燃料電池本体に対する要求出力の増加があるかどうかを判定する。燃料電池本体に対する要求出力値は、例えば、図示しないアクセルペダル及びその踏み込み量センサを設け、これにより検出したドライバのアクセル踏み込み量と車速とに関連つけた関数を参照することにより算出する。
【００４６】
要求出力の増加がある場合には、次のＳ２０へ進み、要求出力増加がない場合にはＳ１５０に分岐する。本実施形態では、一旦要求出力の増加があった後、要求出力と実際に燃料電池から取り出す出力が一致するまで要求出力増加は解消されないようにしている。
【００４７】
尚、本実施形態において、要求出力継続は、一旦新規に要求出力増加があったあと、その要求出力値に実際の出力値が到達するまで、要求出力値を継続して発行している状態である。
【００４８】
Ｓ２０では、燃料電池本体の要求出力に増加があった場合なので、その増加に応じて原料流量目標値を増加させて発行する。本実施形態では、蒸発器１５で原料を蒸発させて原料蒸気を改質器で改質反応させるように構成したので、原料流量目標値を、蒸発器１５に原料を供給している水供給装置１３、メタノール供給装置１４に送り、蒸発器１５への供給量が目標値になるように、これら供給装置１３，１４が備えるインジェクタ制御部内で流量制御を行う。
【００４９】
Ｓ３０では、現時点の燃焼器温度を保存する。Ｓ４０では、現時点の燃料電池本体から取り出している出力値を保存する。これは要求出力増加が新規にあった場合にのみ行う。要求出力増加継続時には実行しない。
【００５０】
次にＳ５０では、現時点で燃料電池本体から取り出している出力からの増加変化分が所定の閾値Ｌ１より大きいかどうかを判断する。出力増加変化分は現在の燃料電池本体から取り出している出力と要求出力増加値の差である。
【００５１】
出力増加変化分が所定の上限閾値Ｌ１より大きいと判断された場合には、Ｓ６０に進み、燃焼器温度上昇変化検出のために使う閾値ＴＨを所定の幅Δ１だけ増加する。これは要求出力増加が新規にあった場合にのみ行う。要求出力増加継続時には実行せずＳ８０に分岐する。Ｓ７０，Ｓ７２，Ｓ７４も同様に実行する。
【００５２】
出力増加変化分が所定の上限閾値Ｌ１より小さいと判断された場合には、Ｓ７０に進み、出力が所定の上限閾値Ｌ１と下限閾値Ｌ２の間であるかどうかを判断する。上限閾値Ｌ１と下限閾値Ｌ２の間である場合には、Ｓ７２で燃焼器温度変化検出のために使う温度変化閾値ＴＨを所定の閾値ＴＨ＿ＩＮＩＴにする。所定の閾値ＴＨ＿ＩＮＩＴはあらかじめ実験等から求めておいた値である。上限閾値Ｌ１と下限閾値Ｌ２の間にない場合には、Ｓ７４に進み、燃焼器温度変化検出のために使う温度変化閾値ＴＨを所定の幅Δ１だけ減少する。
【００５３】
燃焼器４の温度変化検出のために使う温度変化閾値を出力増加変化が大きい程、高めに設定することで、燃焼器温度が確実に変化したことを検出するようにして、万が一ノイズなどの影響で燃焼器温度変化検出を誤認識することがないようにして、燃料電池本体の燃料極経路に燃料ガスが十分あることを確実に確認するようにして、燃料電池の破壊を確実に防止するようにする。
【００５４】
温度変化検出のための閾値を低い値にしておいて、万が一ノイズなどの影響で燃焼器温度変化が十分でない場合に十分な温度変化があると誤認識して、燃料電池本体から出力を取り出してしまうと、燃料電池本体の発電能力以上の出力を取り出してしまうことになり、燃料電池本体が劣化する。
【００５５】
要求出力変化分が大きいほど、すなわち、燃料電池本体から取り出す出力増加変化分が大きいほど、一気に大きな出力を取り出そうとするのでこの影響は大きく、燃料電池本体の劣化の程度が大きくなる可能性がある。このステップで出力増加変化分が所定値より大きい場合に、燃焼器温度上昇変化検出のために使う閾値を高めに設定する理由は、ノイズなどの影響による誤認識によって、燃料電池本体が劣化することを防止するためである。
【００５６】
次にＳ８０では、Ｓ３０で保存している現時点の燃焼器温度から、Ｓ６０，Ｓ７２，Ｓ７４で決めた温度上昇変化検出のための閾値，ＴＨ，以上の温度変化が燃焼器で起きたかどうかを判断する。
【００５７】
燃焼器温度が閾値ＴＨ以上変化した場合には、次のＳ９０に進み、閾値ＴＨ以上の変化が無かった場合には、Ｓ１００に分岐する。Ｓ９０では、燃料電池本体から取り出す出力増加を許可し、Ｓ１２０へ進む。Ｓ１００では、燃料電池本体から取り出す出力増加を不許可にし、Ｓ１３０へ進む。
【００５８】
Ｓ１２０では、燃焼器温度が所定の目標値となるように、燃料電池から取り出す目標出力量を算出する。これは例えばＰＩ制御演算を利用することにより、乗算演算子「＊」を使用して、次の式（１）により算出できる。
【００５９】
【数１】
【００６０】
e(t)＝偏差＝｛（燃焼器目標温度(t)）−（燃焼器温度センサの値(t)）｝である。
【００６１】
Ｋ、Ｔｉは制御ゲインであり調整パラメータである。Ｔは制御周期である。
【００６２】
なお、燃焼器温度の所定の目標値は出力増加前の燃焼器温度としても良いし、出力増加変化の大きさに応じて変更しても良い。
【００６３】
Ｓ１３０では、燃料電池本体から取り出す出力量増加許可がない場合なので、燃料電池から取り出す目標出力量は、前回の値を維持するようにする。次いでＳ１４０で、燃料電池から取り出す目標出力量を出力取り出し装置に出力する。
【００６４】
図４に本発明の第１の実施形態の効果の例を示す。図４（ａ）は、燃料電池本体（スタック）出力の時間変化、（ｂ）は、スタック入口の水素流量の時間変化、（ｃ）は、セル電圧の時間変化、（ｄ）は、燃焼器４の温度の時間変化をそれぞれ示す。
【００６５】
時刻ｔ０で要求出力が増加した場合に、実線で示す本発明の場合と、従来技術（特開２０００−３１５５１６号）の方法で水素流量の推定値（破線で示す）と実流量がずれていた場合とを比較する。
【００６６】
項目としては、取り出す出力、燃料電池のセル電圧、燃焼器温度を示している。
【００６７】
従来技術で推定値に基づいて出力を取り出した場合、スタックの能力を超える出力を取り出そうとするので、すぐにセル電圧が急低下し、時刻ｔ１まで推定値と実流量がズレているのでｔ１までは出力を取り出せない。本発明では水素の実流量の増加に伴い、図４（ｄ）に示すように燃焼器温度がＴＨ増加した後に取り出す出力を増加させ、しかも、燃焼器温度が、所定の温度（要求出力増加前の温度）以下にならないように取り出す出力を増加させることで、セル電圧を維持し燃料電池の劣化を防止し可能な限りの出力を取り出すことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの詳細な構成を説明するブロック図である。
【図３】第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図４】第１実施形態の作用効果を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池本体
２…燃料ガス供給手段
３…空気供給手段
４…燃焼器
５…温度検出手段
６…制御装置
７…燃焼器温度変化検出手段
８…出力目標値算出手段
９…出力増加許可手段
１０…負荷
Claims (3)
- 燃料極および空気極により発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に対する要求出力に応じて燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、前記要求出力に応じて空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、前記燃料電池本体で発電に利用されずに排出される未利用排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記要求出力の増加があった場合に、前記温度検出手段が検出した温度の上昇分が所定の閾値以上となったかどうかを検出する燃焼器温度変化検出手段と、
該燃焼器温度変化検出手段が所定の閾値以上の温度上昇を検出したときに前記燃料電池本体から取り出す出力の増加を許可する出力増加許可手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 - 前記出力増加許可手段が出力の増加を許可した場合に、前記燃焼器の温度が所定の温度を維持するように前記燃料電池本体の出力目標値を算出する出力目標値算出手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記要求出力の増加があった場合に、その増加量が大きい程、前記燃焼器温度変化検出手段が検出に使用する前記閾値を大きい値とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
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