JP5801039B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システム内には、ガスポンプ、エアポンプ、水ポンプなどのように、発電に必要な複数種類の補機が組み込まれている。それらの補機は、燃料電池システムの起動時は系統電源や蓄電池等から電力を得て駆動し、燃料電池システムにおいて発電が開始されてからは燃料電池システム自体の発電電力によって駆動する。従来の燃料電池システムとして、燃料電池で発生した電力を用いて補機の駆動を行い、補機と燃料電池との間にＤＣ／ＤＣコンバータを配置するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムでは、燃料電池で発生した電力の燃料電池電圧をＤＣ／ＤＣコンバータを用いて補機の動作電圧にまで降圧し、当該降圧させた状態で補機の駆動を行う。

特開平１１−１７６４５４号公報

ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる場合、一般的にスイッチング素子を利用することで、例えば２４Ｖ、１２Ｖ、５Ｖなどのように代表的な電圧に整流する方法が主に用いられる。しかしながら、このような方法を用いた場合、スイッチング素子で降圧、整流させたときにロスが生じ、効率が悪化するという問題が生じる。更に、上述のような回路が燃料電池システム内に必要となるため、燃料電池システムの大型化及び高コスト化という問題が生じる。

そこで、本発明は、燃料電池システム全体としての小型化を図ることができると共に、補機を駆動させる際のロスを低減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する。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池による発生電力によって駆動する補機と、補機に対して、補機出力を変化させるための制御指令値を付与するシステム制御部と、所定の燃料電池電圧に対して予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、を備え、システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧および補機の目標出力を取得し、補機の目標出力を、マップ記憶部に記憶されたマップと照会することにより、補機に付与する制御指令値を定めることを特徴とする。

従来の燃料電池システムでは、燃料電池による発生電力によってポンプなどの補機を駆動させる場合、図５（ａ）に示すように補機と燃料電池との間にＤＣ／ＤＣコンバータを配置して電圧を整流する。このような方法を用いた場合、電圧を降圧、整流させたときにロスが生じ、効率が悪化するという問題がある。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータを配置しない場合、燃料電池による燃料電池電圧が変動することによって、補機に対して要求される目標出力を安定して得られないという問題がある。しかしながら、本発明に係る燃料電池システムでは、マップ記憶部が、所定の燃料電池電圧に対して予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示すマップを記憶しており、システム制御部は、当該マップに基づいて、補機に付与する制御指令値を定めることができる。すなわち、燃料電池電圧は変動することによって様々な値となり得るが、想定される燃料電池電圧の各値に対して、制御指令値と補機出力との関係をそれぞれ予め設定しておき、マップとして記憶しておくことが可能となる。このようなマップを予め記憶しておけば、補機の運転時における燃料電池電圧について、マップ内に既に設定されている制御指令値と補機出力との関係を参照することができる。更に、燃料電池電圧に対する制御指令値と補機出力の関係を参照できることによって、システム制御部は、目標出力を得るために補機に付与すべき制御指令値を容易に定めることができる。これによって、燃料電池電圧の変動に関わらず、安定した補機出力を容易に得ることができる。燃料電池電圧の変動への対応が可能になることによって、燃料電池と補機との間に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータを不要とすることが可能となり、ロスを低減して補機効率を向上させることができる。あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータを完全に削除しないとしても、当該コンバータでのロスを低減することができる。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータを不要とし、あるいは小型化が可能となることによって、燃料電池システムの小型化を図ることができる。以上によって、本発明によれば、燃料電池システム全体としての小型化を図ることができると共に、補機を駆動させる際のロスを低減することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、マップ記憶部は、所定の燃料電池電圧毎に予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示す複数のマップを記憶しており、システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧および補機の目標出力を取得し、複数のマップから、取得した燃料電池電圧に対応する１つのマップを選択し、補機の目標出力を、選択された１つのマップと照会することにより、補機に付与する制御指令値を定めることが好ましい。このように、燃料電池電圧毎に予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示すマップを複数記憶しておくことによって、補機の運転時に制御指令値を定める際、取得した燃料電池電圧及び目標出力を各マップと照らし合わせることで容易に制御指令値を定めることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、補機の運転時間を記憶する運転時間記憶部を更に備え、マップ記憶部は、燃料電池電圧および補機の運転時間に対して予め設定された、制御指令値と補機出力との関係を示す複数のマップを更に記憶しており、システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧、補機の運転時間および目標出力を取得し、複数のマップから、取得した燃料電池電圧および補機の運転時間に対応する１つのマップを選択し、補機の目標出力を、選択された１つのマップと照会することにより、補機に付与する制御指令値を定めることが好ましい。補機は運転時間が長くなるにつれて劣化し、出力が低下する傾向にある。従って、補機の運転時間に対して予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示す複数のマップを設定しておくことによって、運転時間が長くなっても精度のよい制御を行うことができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、補機の運転時間を記憶する運転時間記憶部を更に備え、補機の運転時間が所定の時間に達したときに、システム制御部は、マップに基づき、補機の劣化による出力低下を補正する演算を行い、マップを補正演算結果によって上書きしてもよい。あるいは、本発明に係る燃料電池システムのメンテナンス時において、マップを手動により上書きしてもよい。補機の運転時間に対応したマップを別途設けずに補機の出力低下を補正した制御指令値を定めることができるため、予めマップ記憶部に記憶しておくべきマップ数を減らすことができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、マップ記憶部に燃料電池システムの運転情報と一致するマップが備えられていない場合、システム制御部は、任意の１つまたは２つのマップに基づいて演算を行うことにより、補機に付与する制御指令値を定めることが好ましい。このように、燃料電池システムの運転条件に対応するマップがマップ記憶部に記憶されていなかったとしても、マップ記憶部に記憶された既存のマップに基づいて、制御指令値を演算することが可能である。これによって、予めマップ記憶部に記憶しておくべきマップ数を減らすことができる。

本発明によれば、燃料電池システム全体としての小型化を図ることができると共に、補機を駆動させる際のロスを低減することができる。

本発明の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。 システム制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の補機として機能する原料供給装置に対して設定されたマップの一例を示している。 本発明の変形例に係る燃料電池システムにおけるマップの例である。 従来の燃料電池システムと本発明の実施形態に係る燃料電池システムの比較を行うための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の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、燃料電池システム１は、原料供給装置１１、改質用水供給装置１２、酸素含有ガス供給装置１３、Fuel Processor System（ＦＰＳ）２０、冷却材供給装置３０、選択酸化用酸素含有ガス供給装置４０、燃料電池５０、システム制御部６０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）７０、カソードガス供給装置８０、及び熱交換機構９０を備えている。

原料供給装置１１は、ＦＰＳ２０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素および水素を含んでなる化合物（例えば、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類など）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油はより好ましい。改質用水供給装置１２は、ＦＰＳ２０における改質に用いる改質用水を供給するためのものである。また、酸素含有ガス供給装置１３は、ＦＰＳ２０で用いられるバーナなどの熱供給装置に対して酸素含有ガスを供給するためのものである。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。

ＦＰＳ２０は、原料供給装置１１から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものであり、本実施形態においては改質部２１、シフト部２２、および選択酸化部２３を含んで構成されている。

改質部２１は、改質触媒を用いて原料供給装置１１から供給される原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、およびコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質および自己熱交換改質などが挙げられる。

改質部２１は、熱供給装置２１ａを有している。熱供給装置２１ａは、改質部２１における改質反応に要する熱を供給するためのものである。熱供給装置２１ａとしては、例えばバーナおよびヒータが挙げられるが、燃料電池５０から排出される水素含有ガス（いわゆるオフガス）を有効利用する観点からバーナが好ましい。なお、熱供給装置２１ａとしてバーナを採用する場合は、燃料電池システム１の起動時などに、バーナに燃料を供給するための燃料供給装置Ｆを備えるのが好ましい。

シフト部２２は、シフト触媒を用いて改質部２１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下である。

選択酸化部２３は、選択酸化触媒を用いてシフト部２２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金およびルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部２３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。

冷却材供給装置３０は、シフト部２２および選択酸化部２３を冷却するために、シフト部２２および選択酸化部２３に対して冷却材を供給するためのものである。冷却材としては、例えば空気および水が挙げられるが、中でも温水供給として効率的に利用可能な観点から水が好ましい。

選択酸化用酸素含有ガス供給装置４０は、選択酸化部２３における一酸化炭素除去処理を行うために、選択酸化部２３に対して酸素を供給するためのものである。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。

燃料電池５０は、アノード５１およびカソード５２を有しており、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素とを用いて電力を発生させるものである。水素含有ガスとしては、上述の改質ガスなどが挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。アノード５１は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極であり、本実施形態ではＦＰＳ２０から改質ガスが供給されるように構成されている。カソード５２は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極であり、本実施形態ではカソードガス供給装置８０を介して空気が供給されるように構成されている。なお、燃料電池５０としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられる。また、カソードガス供給装置８０は、燃料電池５０のカソード５２にカソードガスを供給するためのものである。熱交換機構９０は、燃料電池５０と熱交換する機能を有しており、熱交換用媒体を燃料電池５０との間で循環させる機能を有している。

システム制御部６０は、燃料電池システム１全体の動作を制御する機能を有するものである。システム制御部６０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。システム制御部６０は、燃料電池システム１内に設けられた補機や各種センサに電気的に接続されており、各種センサからの検出値を取得すると共に、各補機の目標出力を決定すると共に、目標出力が得られるように各補機に対して制御指令値を付与する機能を有している。ここで、本発明における「補機」とは、燃料電池システム１内に設けられている電子機器であって、燃料電池５０による発生電力によって駆動することが可能であり、システム制御部６０から付与される制御指令値に応じて出力が変化するものである。図１においては、原料供給装置１１、改質用水供給装置１２、酸素含有ガス供給装置１３、燃料供給装置Ｆ、冷却材供給装置３０、選択酸化用酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、及び熱交換機構９０が本発明における補機として機能する。また、図示されない、エアポンプや水ポンプや電磁弁なども本発明における補機として機能する。各補機には、ＤＣ／ＤＣコンバータで変圧されることなく、燃料電池５０からの発生電力がそのまま供給される。すなわち、各補機にかかる電圧は、燃料電池５０の発生電力における燃料電池電圧と等しくなる。

また、システム制御部６０は、所定の燃料電池電圧に対して予め設定された制御指令値と補機の出力との関係を示すマップを記憶しているマップ記憶部６１及び運転時間記憶部６２とを内蔵している。システム制御部６０は、補機の運転時における燃料電池５０の燃料電池電圧、及びそのときの補機の目標出力、並びに、補機の運転時間に基づいて、補機に対する制御指令値を定める機能を有している。

原料供給装置１１、改質用水供給装置１２、酸素含有ガス供給装置１３、燃料供給装置Ｆ、冷却材供給装置３０、選択酸化用酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、及び熱交換機構９０などの流体を供給する機能を有する補機は、流体の流量や圧力を「出力」としている。すなわち、システム制御部６０は、各補機の目標流量や目標圧力を演算し、当該目標流量や目標圧力に応じた制御指令値を送信する。当該制御指令値を付与された各補機は、目標流量や目標圧力を満たすような出力が得られるように駆動する。これらの補機は、流体を圧送するポンプと、システム制御部６０から付与された制御指令値に基づいてポンプに対して制御信号を送信するモータドライバを少なくとも備えている。モータドライバが生成する制御信号としては、例えば、一パルスあたりの電圧値、及びパルスの周波数によって定められるパルス信号を用いることができる。補機としての出力を上げる場合、モータドライバは、制御信号の電圧値を増加させ、または周波数を増加させ、あるいは電圧値と周波数の両方を増加させる。また、補機としての出力を下げる場合、モータドライバは、制御信号の電圧値を減少させ、または周波数を減少させ、あるいは電圧値と周波数の両方を減少させる。なお、電磁弁などの補機は、弁の開閉度（弁の位置）を「出力」としている。

ＰＣＳ７０は、コンバータ７１、インバータ７２、および制御部７３を有している。コンバータ７１は、燃料電池５０から出力された直流電力の電圧を変換するものである。インバータ７２は、コンバータ７１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものである。制御部７３としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。燃料電池５０による発生電力のうち、ＰＣＳ７０のインバータ７２で交流に変換された電力が、外部電力負荷ＥＩへ供給される。一方、燃料電池５０による発生電力のうち、ＰＣＳ７０へ入力される前の電力が、燃料電池システム１内の各補機へ供給される。各補機へ供給される電力の大きさは、当該補機が消費する電力、すなわち当該補機へ付与される制御指令値によって変動する。

図２はシステム制御部６０の動作を示すフローチャートである。図２に示す処理は、燃料電池システム１の駆動時において、所定のタイミングで繰り返し実行される。

以下に、燃料電池システム１における補機の一例として、原料供給装置１１の制御処理について、図２を参照して説明する。

＜ステップＳ１０＞
システム制御部６０は、燃料電池システム１の運転情報として燃料電池５０の燃料電池電圧や、補機の運転時間等を取得する。具体的には、システム制御部６０は、燃料電池５０と外部電力負荷ＥＩとの間に設けられたセンサからの検出結果、あるいはＰＣＳ７０の制御部７３からの検出結果に基づいて、燃料電池電圧を取得する。補機の運転時間は、運転時間記憶部６２から取得する。

＜ステップＳ２０＞
システム制御部６０は、燃料電池システム１の運転情報として原料供給装置１１の目標出力を決定する。具体的には、システム制御部６０は、外部電力負荷ＥＩからの需要電力や発生電力スケジュールによる必要電力に基づいて目標電力を設定し、当該目標電力に見合うように原料供給装置１１の目標出力を決定する。

＜ステップＳ３０＞
システム制御部６０は、原料供給装置１１について予め保持されているマップを、燃料電池システムの運転情報に基づいてマップ記憶部６１から読み出す。

＜ステップＳ４０＞
システム制御部６０は、ステップＳ１０で取得した燃料電池電圧、及びステップＳ２０で演算した目標出力を、ステップＳ３０で読み出したマップと照会することによって、制御指令値を定める。マップ中において、ステップＳ１０で取得した燃料電池電圧に対してマップが予め設定されているとき、システム制御部６０は、当該マップを用いて制御指令値を直接求める。マップ中において、ステップＳ１０で取得した燃料電池電圧に対してマップが予め設定されていないとき、システム制御部６０は、マップが設定されている燃料電池電圧におけるデータを用いて演算することによって、制御指令値を求める。

＜ステップＳ５０＞
システム制御部６０は、ステップＳ４０で決定した制御指令値を原料供給装置１１へ付与する。ステップＳ５０の処理が終了すると、図２に示す一連の処理が終了し、所定のタイミングで再びＳ１０から処理が開始される。なお、原料供給装置１１に要求される目標出力に変動がないとしても、燃料電池５０の燃料電池電圧が変動する場合は、その変動に合わせて新たな制御指令値が設定される。図２では原料供給装置１１のみについての制御処理の内容が説明されたが、改質用水供給装置１２、酸素含有ガス供給装置１３、燃料供給装置Ｆ、冷却材供給装置３０、選択酸化用酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、熱交換機構９０、及び図示されないその他の補機についても、図３と同様な制御処理がなされる。

ここで、燃料電池システム１における補機の一例として、原料供給装置１１の制御処理について説明する。例えば、マップ記憶部６１が図３に示すマップＭ１〜Ｍ３を記憶しているとする。システム制御部６０は、原料供給装置１１について予め保持されているマップを、所定のタイミングでマップ記憶部６１から読み出す。このマップのデータは、例えば、原料供給装置１１に係る電圧を４０Ｖ（あるいは３０Ｖや２４Ｖ）で固定した状態で制御指令値を変化させ、各制御指令値における流量をプロットした実験データに基づいて、予め設定することができる。

システム制御部６０は、原料供給装置１１に制御指令値を付与するとき、現在時刻における燃料電池電圧を取得すると共に、現在時刻において必要な目標流量を決定し、取得した燃料電池電圧及び目標流量を図３の複数のマップの各と照会することによって、制御指令値を定める。具体的には、現在時刻における燃料電池電圧が４０Ｖで目標流量がＦ１である場合、図中のマップＭ１を選択し、Ｐ１を制御指令値として定める。また、現在時刻における燃料電池電圧が３０Ｖで目標流量がＦ１である場合、図中のマップＭ２を選択し、Ｐ２を制御指令値として定める。また、現在時刻における燃料電池電圧が２４Ｖで目標流量がＦ１である場合、図中のマップＭ３を選択し、Ｐ３を制御指令値として定める。なお、マップ記憶部６１は、４０Ｖ、３０Ｖ、２４Ｖの３つのマップを記憶しているものとしたが、少なくとも１のマップを記憶していればよく、また、更に多くの燃料電池電圧に対応するマップを記憶してもよい。

システム制御部６０は、更に、マップのデータに基づいて演算することによって、制御指令値を定める機能も有している。例えば、マップ記憶部６１が図３に示すマップＭ２のみを記憶していた場合、現在時刻における燃料電池電圧が３０Ｖであれば、登録されているマップＭ２を直接用いることによって制御指令値を定めることができる。一方、現在時刻における燃料電池電圧がこれらの電圧以外であった場合、登録されているマップから制御指令値を直接導き出すことはできないが、これらのマップに基づいて演算によって求めることができる。例えば、燃料電池電圧が４０Ｖで目標流量がＦ１である場合、システム制御部６０は、Ｐ２を用いて演算を行う。また、例えばマップ記憶部６１がマップＭ１とマップＭ３のみを記憶しており、燃料電池電圧が３０Ｖで目標流量がＦ１である場合、より３０Ｖに近いマップＭ３を選択して、Ｐ３を用いて演算を行う。演算方法は特に限定されず、所定の係数を掛け合わせてもよく、あるいは補機の出力特性に応じた重み付けをして演算してもよい。

あるいは、マップ記憶部６１が図３に示すマップＭ１とＭ３のみを記憶していた場合、現在時刻における燃料電池電圧が４０Ｖまたは２４Ｖであれば、登録されているマップを直接用いることによって制御指令値を定めることができる。一方、現在時刻における燃料電池電圧がこれらの電圧以外であった場合、登録されているマップから制御指令値を直接導き出すことはできないが、これらのマップに基づいて演算によって求めることができる。例えば、燃料電池電圧が３０Ｖである場合、システム制御部６０はＰ１とＰ３との間のいずれかの値を制御指令値として演算によって求めることができる。演算方法は特に限定されず、単に燃料電池電圧と制御指令値との比率に基づいて演算してもよく、あるいは補機の出力特性に応じた重み付けをして演算してもよい。

マップ記憶部６１は、原料供給装置１１のみならず、改質用水供給装置１２、酸素含有ガス供給装置１３、燃料供給装置Ｆ、冷却材供給装置３０、選択酸化用酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、熱交換機構９０、及び図示されないその他の補機に対するマップも保持している。また、システム制御部６０は、各補機に対して個別に記憶されたマップを用いて、各補機に制御指令値を定めることができる。

ここで、補機は運転時間が長くなるにつれて劣化し、出力が低下する傾向にある。例えば、図４に示すように、原料供給装置１１の運転時間が使用開始から３年未満であって、燃料電池電圧が４０Ｖで目標流量がＦ４の場合は、マップＭ４を選択し、Ｐ７を制御指令値として定めることになるが、補機の運転時間が長くなるにつれて、制御指令値としてＰ７を付与しても目標流量Ｆ４を維持できず、Ｆ３、Ｆ２と減少していくことになる。

そこで、マップ記憶部６１は、補機の運転時間に対応する複数のマップを更に記憶してもよい。例えば、マップ記憶部６１が原料供給装置１１のマップとして図４に示すマップＭ４〜Ｍ９を記憶しているとする。原料供給装置１１の運転時間が使用開始から３年未満である期間は、燃料電池電圧が４０Ｖの場合はマップＭ４を選択し、燃料電池電圧が２４Ｖの場合はマップＭ７を選択する。原料供給装置１１の運転時間が３年以上８年未満である期間は、燃料電池電圧が４０Ｖの場合はマップＭ５を選択し、燃料電池電圧が２４Ｖの場合はマップＭ８を選択する。原料供給装置１１の運転時間が８年以上である場合は、燃料電池電圧が４０Ｖの場合はマップＭ６を選択し、燃料電池電圧が２４Ｖの場合はマップＭ９を選択する。これにより、例えば燃料電池電圧が２４Ｖで目標流量がＦ１である場合、原料供給装置１１の運転時間が使用開始から３年未満である期間は制御指令値としてＰ４を付与し、運転時間が３年以上８年未満である期間は制御指令値としてＰ５を付与し、運転時間が８年以上である場合は制御指令値としてＰ６を付与することにより、目標流量Ｆ１を維持することができる。

現在時刻における補機の運転時間がマップ記憶部６１に記憶されているマップが対応している運転時間以外であった場合、マップが不設定の燃料電池電圧に対応する制御指令値を求める場合の演算と同様に、１つまたは２つのマップに基づいて演算にて制御指令値を求めることができる。

また、補機の運転時間に対応するマップは上書き可能であってもよい。マップ記憶部６１が図４に示すマップＭ４〜マップＭ９を記憶していたとする。原料供給装置１１の運転時間が３年を経過した後は、マップＭ４およびマップＭ７は使用されることはなくなる。

そこで、使用開始時においては、マップ記憶部６１は図４に示すマップＭ４およびマップＭ７のみを記憶する。原料供給装置１１の運転時間が３年を経過した時点で、システム制御部６０はマップＭ４およびマップＭ７を基にそれぞれマップＭ５およびマップＭ８に相当するデータを演算によって求め、マップ記憶部６１に記憶されている燃料電池電圧４０Ｖ時のマップをマップＭ５相当のデータに上書きし、燃料電池電圧２４Ｖ時のマップをマップＭ８相当のデータに上書きする。さらに、原料供給装置１１の運転時間が８年を経過した時点で、システム制御部はマップＭ５およびマップＭ８に相当するデータを基にそれぞれマップＭ６およびマップＭ９に相当するデータを演算によって求め、マップ記憶部６１に記憶されている燃料電池電圧４０Ｖ時のマップをマップ６相当のデータで上書きし、燃料電池電圧２４Ｖ時のマップをマップＭ９相当のデータで上書きする。なお、補機の誤動作防止の観点から、システム制御部６０による上書き動作は、補機が燃料電池システム自体の発電電力で駆動していないタイミング（例えば起動工程時など）で実施すると、より好ましい。また、燃料電池システム１は定期的にメンテナンスを行うことが望ましく、その際に、メンテナンス員等により手動で補機の運転時間に応じたマップで上書きできるように、手動による上書きを可能としてもよい。これにより、マップ記憶部６１の記憶容量を軽減することができる。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の作用・効果について説明する。

図５（ａ）を参照して従来の燃料電池システムについて説明する。従来の燃料電池システムでは、燃料電池５０による発生電力によってポンプなどの補機ＳＭを駆動させる場合、補機ＳＭと燃料電池５０との間にＤＣ／ＤＣコンバータＣＢを配置して電圧を整流する必要がある。このような方法を用いた場合、電圧を降圧、整流させたときにロスが生じ、効率が悪化するという問題がある。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＢを配置しない場合、燃料電池５０による燃料電池電圧が変動することによって、補機ＳＭに対して要求される目標出力を安定して得られないという問題がある。

一方、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１では、マップ記憶部６１が、所定の燃料電池電圧に対して予め設定された制御指令値と補機の出力との関係を示すマップ（例えば図３に示すマップＭ１〜Ｍ３）を記憶しており、当該マップに基づいて、補機に付与する制御指令値を定めることができる。すなわち、燃料電池５０の燃料電池電圧は変動することによって様々な値となり得るが、燃料電池電圧に対する制御指令値と補機の出力の関係が設定されたマップを参照できることによって、システム制御部６０は、目標出力を得るために補機に付与すべき制御指令値を容易に定めることができる。

これによって、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池５０の燃料電池電圧の変動に関わらず、安定した補機の出力を容易に得ることができる。燃料電池電圧の変動への対応が可能になることによって、図５（ｂ）に示すように、燃料電池５０と補機ＳＭとの間に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータを不要とすることが可能となり、ロスを低減して補機効率を向上させることができる。あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータを完全に削除しないとしても、当該コンバータでのロスを低減することができる。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータを不要とし、あるいは小型化が可能となることによって、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。以上によって、本発明によれば、燃料電池システム１全体としての小型化を図ることができると共に、補機を駆動させる際のロスを低減することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態では、マップ記憶部６１及び運転時間記憶部６２は、システム制御部６０に内蔵されている場合について説明したが、マップ記憶部６１はＰＣＳ７０に内蔵されてもよい。また、運転時間記憶部６２はＰＣＳ７０に内蔵されてもよく、各補機に運転時間記憶部６２を備えてもよい。

また、システム制御部６０が補機に対して制御指令値を付与すると共に、その他の制御処理を行ったが、システム制御部６０に代えてＰＣＳ７０の制御部７３が各制御処理を実行してもよい。あるいは、システム制御部６０とＰＣＳ７０の制御部７３が協働して本発明に係る各種制御処理を実行してもよい。また、上述の実施形態では、グラフ形式のマップを用いて説明したが、マトリックス形式のマップを用いてもよい。

１…燃料電池システム、１１…原料供給装置（補機）、１２…改質用水供給装置（補機）、１３…酸素含有ガス供給装置（補機）、２０…ＦＰＳ、３０…冷却材供給装置（補機）、４０…選択酸化用酸素含有ガス供給装置（補機）、５０…燃料電池、５１…アノード、５２…カソード、６０…システム制御部、６１…マップ記憶部、６２…運転時間記憶部、７０…ＰＣＳ、７３…制御部（システム制御部）、８０…カソードガス供給装置（補機）、９０…熱交換機構（補機）、Ｆ…燃料供給装置（補機）、ＥＩ…外部電力負荷。

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池による発生電力がＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく供給され、燃料電池電圧に基づいて駆動する補機と、
   前記補機に対して、補機出力を変化させるための制御指令値を付与するシステム制御部と、
   所定の燃料電池電圧に対して、実験データに基づいて、予め設定された制御指令値と補機出力との関係をプロットしたマップを記憶するマップ記憶部と、を備え、
   前記システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧および前記補機の目標出力を取得し、前記補機の目標出力を、前記マップ記憶部に記憶された前記マップと照会することにより、前記補機に付与する前記制御指令値を定めることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池による発生電力がＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく供給され、燃料電池電圧に基づいて駆動する補機と、
   前記補機に対して、補機出力を変化させるための制御指令値を付与するシステム制御部と、
   所定の燃料電池電圧に対して予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、
   前記補機の運転時間を記憶する運転時間記憶部と、を備え、
   前記マップ記憶部は、燃料電池電圧および前記補機の運転時間に対して予め設定された、制御指令値と補機出力との関係を示す複数のマップを更に記憶しており、
   前記システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧、前記補機の運転時間および目標出力を取得し、前記複数のマップから、取得した燃料電池電圧および前記補機の運転時間に対応する１つのマップを選択し、前記補機の目標出力を、選択された１つのマップと照会することにより、前記補機に付与する制御指令値を定めることを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料電池と、
   前記燃料電池による発生電力がＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく供給され、燃料電池電圧に基づいて駆動する補機と、
   前記補機に対して、補機出力を変化させるための制御指令値を付与するシステム制御部と、
   所定の燃料電池電圧に対して予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、
   前記補機の運転時間を記憶する運転時間記憶部と、を備え、
   前記システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧および前記補機の目標出力を取得し、前記補機の目標出力を、前記マップ記憶部に記憶された前記マップと照会することにより、前記補機に付与する前記制御指令値を定め、
   前記補機の運転時間が所定の時間に達したときに、前記マップに基づき、前記補機の劣化による出力低下を補正する演算を行い、前記マップを補正演算結果によって上書きすることが可能なことを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料電池システムのメンテナンス時において、前記マップは手動により上書きすることが可能なことを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記マップ記憶部に前記燃料電池システムの運転情報と一致するマップが備えられていない場合、
   前記システム制御部は、任意の１つのマップに基づいて演算を行うことにより、前記補機に付与する前記制御指令値を定めること特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記マップ記憶部に前記燃料電池システムの運転情報と一致するマップが備えられていない場合、
   前記システム制御部は、任意の２つのマップに基づいて演算を行うことにより、前記補機に付与する前記制御指令値を定めること特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記マップ記憶部は、所定の燃料電池電圧毎に予め設定された制御指令値と補機出力との関係を示す複数のマップを記憶しており、
   前記システム制御部は、燃料電池システムの運転情報として、燃料電池電圧および前記補機の目標出力を取得し、前記複数のマップから、取得した燃料電池電圧に対応する１つのマップを選択し、前記補機の目標出力を、選択された１つのマップと照会することにより、前記補機に付与する制御指令値を定めることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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