JP5910127B2 - Fuel cell system - Google Patents

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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。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technique for starting a stack (fuel cell) immediately to reach a target output required for the system.

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）。   In a fuel cell system such as a solid oxide fuel cell system, when starting a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “stack”), it is necessary to raise the temperature of the stack to a power generation start temperature. Thus, a combustion burner is installed on the upstream side of the cathode of the stack, the combustion burner is combusted when the stack is activated, and the generated combustion gas is supplied to the cathode to raise the temperature of the stack. Then, after the stack reaches the power generation possible temperature, power generation by the stack is started, and when the stack temperature reaches a predetermined value and the generated current or generated power reaches the predetermined value, the combustion burner is stopped and rated operation is performed. State (see, for example, Patent Document 1).

特開２００９−１４６６４７号公報JP 2009-146647 A

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。   However, the conventional example disclosed in Patent Document 1 described above is intended to control the timing at which the combustion burner is stopped, and before the stack reaches the rated operation state (a state where a constant output can be obtained). Since the heating by the combustion burner is stopped and then gradually shifted to the rated operation, stopping the combustion burner may delay the rate of temperature rise of the stack, so that the target output can be reached quickly. There was a problem that it was difficult to apply to the required on-vehicle fuel cell.

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。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can immediately reach a target output when the fuel cell is started. There is.

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、酸化剤供給手段とカソードとの間に設けられ、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、燃料電池が発電可能温度に到達した後には、燃料電池の目標出力が予め設定した所定値Ｘ１以下の場合には、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）の双方を実施し、目標出力が所定値Ｘ１を上回る場合には、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（ｂ）と、（ａ）及び（ｃ）の少なくとも一方と、を実施する。
（ａ）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
（ｂ）燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御
（ｃ）酸化剤加熱手段による加熱制御 To achieve the above object, the present invention is provided with a fuel cell, an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell, and an oxidant supply means and a cathode. And an oxidant heating means for heating the outputted oxidant. Further, when the fuel cell is started, the temperature of the fuel cell is controlled by supplying the oxidant heated by the oxidant heating means to the cathode, and after the fuel cell reaches the power generation possible temperature, the target of the fuel cell is controlled. When the output is less than or equal to a preset predetermined value X1, both of the following (a) and (b) are performed until the fuel cell reaches a predetermined target output or target temperature, and the target output is a predetermined value. When exceeding X1, the following (b) and at least one of (a) and (c) are performed until the fuel cell reaches a predetermined target output or target temperature .
(A) Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell (b) The output per unit area of the fuel cell peak (C) Heating control by oxidant heating means is set so that the cell voltage is set near the cell voltage.

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、昇温制御を実施する。この際、燃料電池の目標出力が予め設定した所定値Ｘ１以下の場合には、（ａ）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（ｂ）燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御、の双方を実施する。目標出力が所定値Ｘ１を上回る場合には、（ｂ）燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御と、（ａ）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（ｃ）酸化剤加熱手段による加熱制御の少なくとも一方と、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。 In the fuel cell system according to the present invention, after the temperature of the fuel cell reaches the power generation possible temperature, the temperature rise control is performed until the target output during normal operation or the target temperature is reached . At this time, when the target output of the fuel cell is equal to or less than a predetermined value X1, the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means is set to the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell. And (b) control for setting the cell voltage when the output per unit area of the fuel cell reaches a peak and setting the cell voltage to be close to the cell voltage. To implement. When the target output exceeds the predetermined value X1, (b) the cell voltage when the output per unit area of the fuel cell reaches a peak is set, and the cell voltage is set to be close to this cell voltage. Control, (a) control for setting the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell, and (c) heating control by the oxidant heating means. Since at least one of the controls is performed, the output of the fuel cell can quickly reach the target output.

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。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence at the time of stack | startup of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of stack heating control of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of stack temperature rising control of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of a burner and oxygen excess rate control [1] of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of a burner and oxygen excess rate control [2] of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of oxygen excess rate control [1] of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of oxygen excess rate control [2] of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence at the time of stack | stuck starting of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of 2nd stack | stuck temperature rising control [1] of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of a burner and oxygen excess rate control [3] of the fuel cell system concerning 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of 2nd stack | stuck temperature rising control [2] of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the process sequence of oxygen excess rate control [3] of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a characteristic view which shows the relationship between the target output of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention, and the energy input at the time of starting. 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。It is a characteristic view which shows the relationship between the current density, cell voltage, and output density of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a characteristic view which shows the relationship between the difference of the target output and the present output, and the output temperature of a combustion burner of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structure which connected the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment of this invention to the external load. 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。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structure which connected the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention to the external load. 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。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention. 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。It is a map which shows the relationship between SOC used by the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention, and the request | requirement output of an external load. 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。It is a block diagram which shows the structure which connected the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment of this invention to the external load. 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。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment of this invention. 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。It is a characteristic view which shows the time series data of the target temperature and target output which are used with the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment of this invention. 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。It is a map which shows the relationship between SOC used by the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment of this invention, and an output.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

［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。 [Description of First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 supplies a fuel cell stack 11 (hereinafter abbreviated as “stack 11”) having a cathode 11a and an anode 11b, and supplies air (oxidant) to the cathode 11a. An air blower (oxidant supply means) 12, a heat exchanger 13 for heating air sent from the air blower 12, and a first fuel pump 14 for supplying fuel such as hydrocarbon fuel to the anode 11 b of the stack 11; An evaporator 25 that vaporizes the fuel delivered from the first fuel pump 14, and a heat exchange type pre-reformer 15 that reforms the fuel vaporized by the evaporator 25 and supplies the reformed fuel to the anode 11b. ing.

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。   The heat exchange type pre-reformer 15 includes a pre-reformer 16 and a combustor 17 that heats the pre-reformer 16, and the combustor 17 includes one of the air sent from the air blower 12. And the anode off-gas (gas discharged from the anode 11b) is supplied and combusted to heat the pre-reformer 16. The output side of the combustor 17 is connected to the high temperature side of the heat exchanger 13, and the exhaust gas output from the combustor 17 is used as a heating gas for the heat exchanger 13.

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。   The pre-reformer 16 is supplied with a part of the air sent from the air blower 12, the fuel sent from the first fuel pump 14 and vaporized by the evaporator 25, and a part of the anode off-gas. The fuel is reformed by the heat generated in the combustor 17, and the reformed fuel is supplied to the anode 11 b of the stack 11.

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。   The output side of the air blower 12 is connected to the low temperature side of the heat exchanger 13, and the outlet thereof is connected to a combustion burner (oxidant heating means) 21 for heating the cathode 11a when the stack 11 is started. Yes. The combustion burner 21 is connected to the second fuel pump 22, and fuel is supplied from the second fuel pump 22. Therefore, the combustion burner 21 is supplied with the air heated by the heat exchanger 13 and the fuel delivered from the second fuel pump 22 and burns. Then, this combustion gas is supplied to the cathode 11 a of the stack 11.

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。   An anode off-gas circulator 23 is provided on the output side of the anode 11b. The anode off-gas output from the anode 11b is branched into two systems, and the anode off-gas branched into one is supplied to the pre-reformer 16, The anode off gas branched to the other side is supplied to the combustor 17.

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。   Between the air blower 12 and the heat exchange type pre-reformer 15, flow control devices 19 and 20 are provided. The air flow rate supplied to the pre-reformer 16 and the air flow rate supplied to the combustor 17 are provided. Can be adjusted to a desired flow rate.

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。   The stack 11 is provided with an inlet temperature sensor 41a that measures the temperature near the inlet, an outlet temperature sensor 41b that measures the temperature near the outlet, and a current / voltage sensor 42 that detects the output current and voltage of the stack 11. Yes.

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。   In addition, the fuel cell system 100 according to the present embodiment includes a control unit (control unit) 31 that comprehensively controls the entire system. In particular, the control unit 31 measures the stack temperature (for example, the average value of the inlet temperature and the outlet temperature) measured by the inlet temperature sensor 41a and the outlet temperature sensor 41b provided in the stack 11, and the current / voltage sensor 42. Based on the calculated power generation output, the fuel supply amount by the second fuel pump 22 and the air amount by the air blower 12 are controlled. In addition, the control part 31 can be comprised as an integrated computer which consists of memory | storage means, such as central processing unit (CPU), RAM, ROM, a hard disk, for example.

［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。 [Description of Operation of First Embodiment]
Next, the processing operation at the start-up of the fuel cell system 100 according to the first embodiment will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. FIG. 2 is a flowchart showing the entire processing procedure of the stack temperature raising operation when the fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention is started.

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。   First, in step S11, the control unit 31 determines whether or not to activate the stack 11, and if so (YES in step S11), in step S12, the control unit 31 performs stacking by the combustion burner 21. It is determined whether or not the heating of No. 11 has been completed. If heating has not been completed (NO in step S12), in step S13, the control unit 31 continuously controls the heating of the stack 11 by the combustion burner 21. The details of the stack heating control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG. Thereafter, the process proceeds to step S14.

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。   In step S14, the control unit 31 determines whether or not the stack temperature increase control is finished. If the temperature increase control has not ended (NO in step S14), in step S15, the control unit 31 performs stack temperature increase control. Details of the stack temperature increase control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG. Thereafter, this process is terminated. The “stack heating control” is control for raising the temperature of the stack 11 to a power generation possible temperature, and the “stack temperature rise control” is for further power generation by further raising the temperature of the stack 11 heated to the power generation possible temperature. This is a control to raise the target temperature.

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。   Next, the processing procedure of the heating control of the stack 11 by the combustion burner 21 shown in step S13 of FIG. 2 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

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。   First, in step S <b> 21, the control unit 31 activates the air blower 12 and supplies air to the combustion burner 21.

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。   In step S <b> 22, the control unit 31 starts the combustion burner 21 and burns the combustion burner 21 with the fuel supplied from the second fuel pump 22 and the air supplied from the air blower 12. And the combustion gas produced | generated in the combustion burner 21 is supplied in the cathode 11a of the stack 11, and the cathode 11a is heated up.

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。   In step S23, the control unit 31 controls the amount of air supplied from the air blower 12 into the cathode 11a, and further controls the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 in step S24. Thus, the amount of combustion gas supplied from the combustion burner 21 to the cathode 11a and the outlet temperature of the combustion burner 21 are controlled to be in a predetermined state.

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。   In step S25, the control unit 31 detects the temperature of the stack 11 (for example, an average value of the inlet temperature and the outlet temperature) by the inlet temperature sensor 41a and the outlet temperature sensor 41b. In step S26, the temperature of the stack 11 is a predetermined value. It is determined whether or not the temperature (the temperature at which the stack 11 can generate power) has been reached. If the predetermined temperature has not been reached (NO in step S26), the process returns to step S23, and if the predetermined temperature has been reached (YES in step S26), in step S27, the control unit 31 performs heating by the combustion burner 21. finish. Then, the heating end determination flag is turned on. In this way, the stack 11 can be heated up to a power generation possible temperature.

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。   Next, detailed processing of the stack temperature raising control shown in step S15 of FIG. 2 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In step S31 shown in FIG. 4, the control unit 31 detects the temperature of the stack 11 and the output (calculated from the power and current). In step S32, the control unit 31 determines whether or not the output of the stack 11 has reached the target output.

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。   If the target output has been reached (YES in step S32), in step S35, the current value is controlled so that the power generation output of the stack 11 becomes the target output. In step S36, a flag indicating that the target output has been reached is turned on. Thereafter, the process proceeds to step S37.

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。   On the other hand, if the target output has not been reached (NO in step S32), in step S33, the control unit 31 reads a cell voltage target value stored in a memory (not shown) or the like, and further in step S34. Then, the cell voltage is controlled to be the cell voltage target value. Specifically, by controlling the cell voltage to be a predetermined value, the output of the stack 11 is controlled to become the target output as the temperature of the stack 11 rises. The stack 11 is a structure in which a plurality of cells are stacked, and the cell voltage is the output voltage of each cell. At this time, the cell voltage is desirably controlled to about 0.5V. The control of the cell voltage will be described later with reference to FIG. Thereafter, the process proceeds to step S37.

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。   In step S37, the control unit 31 determines whether or not the target output of the stack 11 is larger than a predetermined output set in advance. That is, as shown in the characteristic curve shown in FIG. 15, it is determined whether or not the target output is larger than a predetermined value X1 set in advance. Here, as shown in FIG. 15, the relationship between the target output of the stack 11 and the energy input to the stack 11 is different between when the combustion burner 21 is on and when it is off.

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。   15 shows the characteristics when the combustion burner 21 is turned on, and the curve Q2 shows the characteristics when the combustion burner 21 is turned off. When the target output exceeds X1, the curve Q1 is turned on. However, it turns out that input energy can be reduced. Therefore, in the fuel cell system according to this embodiment, when the target output exceeds X1, the stack 11 is heated to the target temperature by operating the combustion burner 21, and when the target output is below X1, The stack 11 is heated without operating the combustion burner 21. Here, the “target temperature” is a temperature when the stack 11 is in steady operation, and is a temperature higher than the power generation possible temperature.

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。   When the target output is larger than the predetermined value X1 (YES in step S37), in step S38, the control unit 31 determines whether or not the temperature of the stack 11 has reached the target temperature. If the target temperature has not been reached (NO in step S38), in step S39, the control unit 31 performs burner and oxygen excess rate control [1]. Details of this control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG. On the other hand, when the target temperature has been reached (YES in step S38), in step S40, the control unit 31 executes burner and oxygen excess rate control [2]. Details of this control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG.

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。   If it is determined in step S37 that the target output is less than or equal to the predetermined value X1 (NO in step S37), in step S41, the control unit 31 has reached the target temperature of the stack 11. Determine whether or not. If the target temperature has not been reached (NO in step S41), in step S42, the control unit 31 performs oxygen excess rate control [1]. Details of this control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG. On the other hand, when the target temperature has been reached (YES in step S41), in step S43, the control unit 31 performs oxygen excess rate control [2]. Details of this control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG.

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。   When any one of the burner and oxygen excess rate control [1], [2] and the oxygen excess rate control [1], [2] is executed, in step S44, the control unit 31 stacks. It is determined whether the temperature of 11 has reached the target temperature. If the target temperature has been reached (YES in step S44), in step S45, the control unit 31 determines that the target temperature has been reached, and turns on the target temperature arrival determination flag.

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。   In step S46, the control unit 31 determines whether the temperature of the stack 11 and the output have reached the target temperature and the target output. If the target temperature and the target output have not been reached, the process ends. On the other hand, if the target temperature and the target output have been reached, in step S47, the control unit 31 ends the stack temperature increase control and turns on the stack temperature increase control end determination flag. When the target temperature arrival flag is turned on in the process of step S45 and the stack temperature increase control end flag is turned on in the process of step S47, the stack temperature increase control shown in step S15 of FIG. finish.

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。   Next, the control of the cell voltage to about 0.5 V in the process of step S34 will be described with reference to the characteristic diagram shown in FIG. FIG. 16 shows the relationship between the current density (A / cm 2), the cell voltage (V), and the output density (W / cm 2). The reference symbol V1 indicates the output voltage at the temperature T1, and the reference symbol V2 indicates The output voltage at the temperature T2 (> T1) is shown, and the symbol V3 shows the output voltage at the temperature T3 (> T2). Reference sign W1 indicates the output density (W / cm 2) at the temperature T1, reference sign W2 indicates the output density at the temperature T2, and reference sign W3 indicates the output density at the temperature T3.

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。   As can be understood from the characteristic diagram of FIG. 16, at each temperature T1, T2, T3, when the cell voltage is around 0.5 (V), the output power per unit area, that is, the output density is a peak value. It has become. Therefore, in the process shown in step S34 of FIG. 4, by controlling the cell voltage to about 0.5 (V), the output power can be increased and thus a large amount of heat can be obtained. That is, the temperature rise effect of the stack 11 can be improved by controlling the cell voltage to about 0.5 (V).

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。   Next, the detailed processing procedure of the burner and oxygen excess rate control [1] shown in step S39 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S51, the control unit 31 reads the target oxygen excess rate. In this process, the target oxygen excess rate (for example, 1.3) stored in advance in a memory (not shown) or the like is read and acquired. Here, the target oxygen excess rate stored in the memory or the like is set to a numerical value lower than the target oxygen excess rate during normal operation. Therefore, if the amount of oxygen supplied to the cathode 11a is controlled using this target oxygen excess rate, less oxygen (air) is supplied than during normal operation, so the temperature of the stack 11 rises. .

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。   In step S52, the control unit 31 reads the target outlet temperature of the combustion burner 21. In this process, the target outlet temperature of the combustion burner 21 stored in advance in a memory (not shown) or the like is read and acquired.

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。   In step S <b> 53, the control unit 31 detects the output current of the stack 11 by the current / voltage sensor 42 provided in the stack 11.

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。   In step S54, the control unit 31 calculates the minimum required oxygen amount according to the output current detected in the process of step S53. Specifically, a numerical value obtained by multiplying the minimum value of the oxygen amount necessary for obtaining the output current by the oxygen excess obtained in the process of step S51 is obtained as the required oxygen amount.

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。   In step S55, the control unit 31 calculates the required fuel amount of the combustion burner 21 necessary to obtain this temperature based on the target outlet temperature of the combustion burner 21 acquired in the process of step S52. That is, if the required oxygen amount of the stack 11 and the target outlet temperature of the combustion burner 21 are determined, the required fuel amount can be obtained.

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。   In step S56, the control unit 31 calculates the amount of air sent from the air blower 12 based on the required oxygen amount obtained in the process of step S54 and the required fuel amount obtained in the process of step S55 (in this case, In consideration of the amount of oxygen consumed by combustion in the combustion burner 21, the amount of air is calculated so that the oxygen excess rate at the outlet of the combustion burner 21 becomes the required oxygen amount set in the process of step S54). In other words, the air sent from the air blower 12 is supplied to the combustion burner 21, and the amount of oxygen in the gas discharged after combustion by the combustion burner 21 becomes the required amount of oxygen obtained in the process of step S54. Next, the required cathode air amount is calculated.

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。   In step S57, the control unit 31 sets the amount of air obtained in the process of step S56 as the amount of air supplied to the cathode 11a, and further sets the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 in step S58. The air blower 12 and the second fuel pump 22 are controlled so that the air amount and the fuel amount become the same.

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。   Thus, the stack 11 can be heated by controlling the amount of air supplied to the cathode 11a and the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 based on the oxygen excess rate. That is, the temperature of the stack 11 can be rapidly raised by supplying the combustion gas of the combustion burner 21 and setting the oxygen excess rate lower than that during normal operation.

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。   Next, the detailed procedure of the burner and oxygen excess rate control [2] shown in step S40 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In this process, unlike the burner and oxygen excess rate control [1] described above, the stack 11 has reached the target temperature, so the temperature difference ΔT (outlet temperature-inlet temperature) between the outlet and the inlet of the stack 11 or the stack. The combustion burner 21 and the oxygen excess rate are controlled based on the outlet temperature of 11 so that the temperature of the stack 11 maintains the target temperature.

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。   First, in step S61, the control unit 31 detects a temperature difference ΔT between the outlet temperature of the stack 11 and the inlet temperature. Alternatively, the outlet temperature of the cathode 11a is detected.

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。   In step S <b> 62, the control unit 31 reads the target outlet temperature of the combustion burner 21. In this process, the target outlet temperature stored in the memory or the like is read and acquired as in the process of step S52 of FIG.

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。   In step S63, the control unit 31 calculates the amount of excess oxygen combustion gas supplied to the cathode 11a, that is, the flow rate of excess oxygen gas discharged after combustion in the combustion burner 21 (hereinafter referred to as “supply gas amount”). . And it controls so that it may become this supply gas amount.

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。   Specifically, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S61, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT <0. By decreasing, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. If the outlet temperature is detected in step S61, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when (exit temperature)> (target temperature), and the supply gas when (exit temperature) <(target temperature). By reducing the amount by a predetermined amount, control is performed so that the temperature of the stack 11 becomes the target temperature.

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。   In step S64, the control unit 31 calculates the required cathode air amount sent from the air blower 12 based on the supply gas amount obtained in the process of step S63. That is, the air sent from the air blower 12 is supplied to the combustion burner 21, and the amount of gas discharged after combustion by the combustion burner 21 becomes the supply gas amount obtained in the process of step S63. The amount of air sent out by the blower 12 is calculated.

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。   In step S65, based on the target outlet temperature of the combustion burner 21 acquired in the process of step S62, the control unit 31 calculates the required fuel amount of the combustion burner 21 required to reach this temperature.

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。   In step S66, the control unit 31 sets the amount of air obtained in the process of step S64 as the amount of air supplied to the cathode 11a, and further sets the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 in step S67. The air blower 12 and the second fuel pump 22 are controlled so that the air amount and the fuel amount become the same.

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。   Thus, by controlling the amount of air supplied to the cathode 11a and the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 based on the oxygen excess rate, the temperature of the stack 11 can be maintained at the target temperature.

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。   Next, the detailed processing procedure of oxygen excess rate control [1] shown in step S42 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S71, the control unit 31 reads the target oxygen excess rate. In this process, the target oxygen excess rate stored in advance in a memory (not shown) or the like is read and acquired. This oxygen excess rate is set to a value lower than the oxygen excess rate during normal operation of the stack 11.

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。   In step S <b> 72, the control unit 31 detects the output current of the stack 11 by the current / voltage sensor 42 provided in the stack 11.

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。   In step S73, the control unit 31 calculates the minimum required oxygen amount corresponding to the output current detected in the process of step S72. Specifically, a numerical value obtained by multiplying the minimum value of the oxygen amount necessary for obtaining the output current by the oxygen excess rate obtained in the process of step S71 is obtained as the required oxygen amount.

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。   In step S74, the control unit 31 calculates the amount of air sent from the air blower 12 based on the required oxygen amount obtained in the process of step S73. That is, the amount of air necessary to supply the required oxygen amount to the cathode 11a is calculated.

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。   In step S75, the control unit 31 sets the amount of air obtained in the process of step S74 as the amount of air supplied to the cathode 11a, and controls the air blower 12 so as to be this air.

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。   Thus, the stack 11 can be heated by controlling the amount of air supplied to the cathode 11a based on the oxygen excess rate. That is, as described above, since the target oxygen excess rate is set lower than the oxygen excess rate during normal operation, the amount of oxygen (air amount) supplied to the cathode 11a is smaller than during normal operation, and cooling is performed. The effect is reduced, and as a result, the temperature of the stack 11 can be raised.

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。   Next, the detailed processing procedure of oxygen excess rate control [2] shown in step S43 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In this process, unlike the oxygen excess rate control [1] described above, since the stack 11 has reached the target temperature, the temperature difference ΔT (outlet temperature−inlet temperature) between the outlet and the inlet of the stack 11 or the stack 11 Based on the outlet temperature, the oxygen excess rate is controlled so that the temperature of the stack 11 maintains the target temperature.

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。   First, in step S81, the control unit 31 detects a temperature difference ΔT between the outlet temperature of the stack 11 and the inlet temperature. Alternatively, the outlet temperature of the cathode 11a is detected.

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。   In step S <b> 82, the control unit 31 calculates the required cathode air amount sent from the air blower 12. And it controls so that it may become this air quantity. Specifically, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S81, the supply air amount is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply air amount is increased by a predetermined amount when ΔT <0. By decreasing, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. When the outlet temperature is detected in step S81, the supply air amount is increased by a predetermined amount when (exit temperature)> (target temperature), and the supply air when (exit temperature) <(target temperature). By reducing the amount by a predetermined amount, the temperature of the stack 11 is controlled so as to approach the target temperature.

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。   In step S83, the control unit 31 sets the amount of air obtained in the process of step S82 as the amount of air supplied to the cathode 11a, and controls the air blower 12 so as to be this air.

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。   Thus, the stack 11 can be maintained at the target temperature by controlling the amount of air supplied to the cathode 11a based on the oxygen excess rate.

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。   Thus, in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, the cell voltage of the stack 11, the oxygen excess ratio of the gas supplied to the cathode 11a, and the combustion gas output from the combustion burner 21 By controlling at least one, the temperature of the stack 11 that has been raised to the power generation possible temperature is raised to the target temperature required for operation at the target output, so that the temperature rise of the stack 11 is promoted and the target temperature or The target output can be reached. Therefore, it is extremely useful in the case of a stack that requires quick response, for example, when mounted on a vehicle. In addition, the amount of energy required for temperature rise can be reduced.

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。   When the target output required for the fuel cell system 100 is less than X1 shown in FIG. 16, the temperature of the stack 11 is raised without operating the combustion burner 21. That is, at least one of oxygen excess rate control of the gas supplied to the cathode 11a and cell voltage control of the stack 11 is controlled, and the temperature of the fuel cell is raised to the target temperature with the combustion burner 21 stopped. . Therefore, the amount of energy consumed can be reduced.

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。   Furthermore, when controlling the cell voltage, the voltage value at a certain ratio to the voltage value at which the fuel cell output reaches a peak, for example, the cell voltage is controlled to be around 0.5 (V). The stack 11 can be efficiently heated to the target temperature.

［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。 [Description of Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 100a according to the second embodiment of the present invention. In contrast to the configuration of the first embodiment described above, the fuel cell system 100a according to the second embodiment includes a second-stage stack 32 having a cathode 32a and an anode 32b at the rear stage of the stack 11 (first-stage stack). The flow path connecting the provided point and the cathode 11a outlet of the first stage stack (first fuel cell) 11 and the cathode 32a inlet of the second stage stack (second fuel cell) 32 is cooling air introduction. It is connected to a passage (bypass passage) 33 and is different in that a part of the air sent from the air blower 12 through the cooling air introduction passage 33 is introduced to the cathode 32a. The cooling air introduction passage 33 is provided with a cooling air flow rate control device 34 for adjusting the amount of air introduced into the cathode 32a.

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。   The second stack 32 is provided with an inlet temperature sensor 51a for measuring the temperature on the inlet side, an outlet temperature sensor 51b for measuring the temperature on the outlet side, and a current / voltage sensor 52 for measuring the output current and voltage. It has been. Since the other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 1, the same reference numerals are given and description of the configuration is omitted.

［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。 [Description of Operation of Second Embodiment]
Next, the operation of the fuel cell system 100a according to the second embodiment will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. FIG. 10 is a flowchart showing the entire processing procedure of the stack temperature raising operation when the fuel cell system 100a according to the second embodiment of the present invention is started.

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。   First, in step S101, the control unit 31 determines whether or not the first-stage stack 11 is to be activated. If activated (YES in step S101), in step S102, the control unit 31 is the combustion burner. It is determined whether or not the heating of the first stage stack 11 by 21 has been completed. If the heating has not been completed (NO in step S102), in step S103, the control unit 31 continuously controls the heating of the first stack 11 by the combustion burner 21. Details of the stack heating control are the same as those in the flowchart shown in FIG. Thereafter, the process proceeds to step S104.

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。   In step S104, the control unit 31 determines whether or not the temperature increase control of the first stage stack 11 has been completed. If the temperature increase control has not ended (NO in step S104), the control unit 31 performs temperature increase control of the first stack 11 in step S105. The temperature increase control of the first stage stack 11 is the same process as the flowchart shown in FIG. Thereafter, the process proceeds to step S106.

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。   In step S <b> 106, the control unit 31 determines whether or not the first temperature increase control of the second-stage stack 32 is necessary. The first temperature rise control is control for raising the temperature until the second-stage stack 32 reaches the power generation possible temperature. If the second-stage stack 32 has not reached the power generation possible temperature and the first temperature increase control is necessary (YES in step S106), in step S107, the control unit 31 determines that the second-stage stack 32 32 1st temperature increase control is performed. Details of the first temperature rise control will be described later with reference to FIG.

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。   On the other hand, when the first temperature increase control is not necessary (NO in step S106), or when the first temperature increase control is completed, in step S108, the control unit 31 performs the second temperature increase control of the second stack. It is determined whether or not is necessary. Here, the second temperature raising control is a control for raising the temperature to the temperature during normal operation after the second-stage stack 32 reaches the power generation possible temperature. If the second-stage stack 32 has not reached the temperature during normal operation and the second temperature increase control is necessary, the control unit 31 determines that the second-stage stack 32 has a second temperature control in step S109. Execute temperature rise control. Details of the second temperature rise control will be described later with reference to FIG.

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。   If the second temperature increase control is not necessary (NO in step S108), or if the second temperature increase control is completed, this process is terminated.

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。   Next, the processing procedure of the first temperature rise control for the second stack 32 shown in step S107 of FIG. 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S111, the control unit 31 reads a target output (total target output of the first stage stack 11 and the second stage stack 32) stored in a memory (not shown) or the like.

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。   In step S112, the control unit 31 determines whether or not the target output can be obtained by the operation of only the first stage stack 11. If possible (YES in step S112), in step S116, the control unit 31 turns on the first temperature increase control unnecessary determination flag of the second-stage stack 32.

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。   On the other hand, if not possible (NO in step S112), in step S113, the control unit 31 uses the inlet temperature sensor 51a and the outlet temperature sensor 51b provided in the second stage stack 32 to control the temperature of the second stage stack 32. (For example, an average value of the inlet temperature and the outlet temperature) is detected.

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。   In step S114, the control unit 31 determines whether or not the second stage stack 32 needs to be heated. That is, when the temperature of the second stack 32 has reached the power generation possible temperature in the process of step S113, the first temperature increase control is not necessary, and the process proceeds to step S116. On the other hand, if the power generation possible temperature has not been reached, the first temperature rise control is necessary, so the process proceeds to step S115.

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。   In step S115, the control unit 31 performs burner and oxygen excess rate control [3]. Details of this control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG.

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。   Next, a detailed processing procedure of the burner and oxygen excess rate control [3] shown in step S115 of FIG. 11 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

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。   First, in step S121, the control unit 31 detects a temperature difference ΔT (outlet temperature) between the inlet temperature measured by the inlet temperature sensor 41a provided in the first stack 11 and the outlet temperature measured by the outlet temperature sensor 41b. -Inlet temperature) is detected. Alternatively, the outlet temperature of the cathode 11a is detected.

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。   In step S122, the control unit 31 calculates these differences from the relationship between the target output and the current output of the first-stage stack 11.

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。   In step S123, the control unit 31 determines whether it is necessary to start the combustion burner 21 based on the difference value obtained in the process of step S122. That is, when the difference value is larger than a certain value, it is determined that the combustion burner 21 needs to be started. If it is determined that it is necessary to start the combustion burner 21 (YES in step S123), the process proceeds to step S124. If it is determined that it is not necessary (NO in step S123), the process proceeds to step S124. The process proceeds to S130.

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。   In step S124, the control unit 31 reads the target outlet temperature of the combustion burner 21. In this process, the target outlet temperature stored in the memory or the like is read and acquired. Specifically, as shown in FIG. 17, a characteristic curve indicating the relationship between the difference value (difference between the target output and the current output) and the outlet temperature of the combustion burner 21 is stored, and is obtained by the process of step S122. By applying the difference value to the characteristic curve of FIG. 17, the outlet temperature of the combustion burner 21 is acquired.

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。   In step S125, the controller 31 supplies the excess oxygen combustion gas amount supplied to the cathode 11a of the first stack 11, that is, the flow rate of excess oxygen gas discharged after combustion in the combustion burner 21 (hereinafter referred to as “supply gas amount”). "). And it controls so that it may become this supply gas amount.

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。   Specifically, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S121, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT <0. By decreasing, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. When the outlet temperature is detected in step S121, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when (exit temperature)> (target temperature), and the supply gas when (exit temperature) <(target temperature). By reducing the amount by a predetermined amount, control is performed so that the temperature of the first stage stack 11 becomes the target temperature.

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。   In step S126, the control unit 31 calculates the required cathode air amount to be sent from the air blower 12 based on the supply gas amount obtained in the process of step S125. That is, the amount of gas supplied from the air blower 12 to the second-stage stack 11 via the combustion burner 21 and the first-stage stack 11 becomes the supply gas quantity obtained in the process of step S125. Then, the amount of air sent out by the air blower 12 is calculated.

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。   In step S127, the control unit 31 calculates the required fuel amount of the combustion burner 21 required to obtain this temperature based on the target outlet temperature of the combustion burner 21 acquired in the process of step S124. That is, when the temperature of the second-stage stack 32 has not reached the power generation possible temperature, the higher the target output required for the system, the higher the combustion gas temperature output from the combustion burner 21 is controlled.

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。   In step S128, the control unit 31 sets the amount of air obtained in the process of step S126 as the amount of air supplied to the cathode 11a, and further sets the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 in step S129. The air blower 12 and the second fuel pump 22 are controlled so that the air amount and the fuel amount become the same.

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。   On the other hand, when it is not necessary to start the combustion burner 21 (NO in step S123), in step S130, the control unit 31 calculates the required cathode air amount sent from the air blower 12 based on the target output. In this process, the process similar to the process shown in step S125 is performed with the combustion burner 21 stopped.

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。   That is, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S121, the supply gas amount (corresponding to the oxygen amount) is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply gas amount is increased when ΔT <0. By reducing the temperature by a predetermined amount, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. If the outlet temperature is detected in step S121, the amount of supplied gas (corresponding to the amount of oxygen) is increased by a predetermined amount when (outlet temperature)> (target temperature), and (outlet temperature) <(target temperature). ), The temperature of the first-stage stack 11 is controlled to be the target temperature by reducing the supply gas amount by a predetermined amount.

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。   Further, in step S131, the control unit 31 sets the amount of air sent from the air blower 12 so as to be the amount of air obtained in the process of step S130.

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。   Thus, by controlling the amount of gas supplied to the cathode 11a of the first stage stack 11 and the amount of fuel supplied to the combustion burner 21 based on the oxygen excess rate, the second stage stack from the cathode 11a of the first stage stack 11 is controlled. Since the gas flow rate at substantially the same temperature as the first-stage stack operating temperature flowing into the 32 cathodes 32a increases, the temperature can be quickly raised to the target temperature (power generation possible temperature).

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。   Next, a detailed processing procedure of the second temperature rise control of the second stack 32 shown in step S109 of FIG. 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S141 in FIG. 13, the control unit 31 calculates a target output required for the system from, for example, an accelerator operation amount in a vehicle-mounted system, and reads the result as a target output. .

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。   In step S142, the control unit 31 detects the current output of the fuel cell system 100a. The current output can be obtained based on the output current and voltage detected by the current / voltage sensor 42 provided in the first-stage stack 11 and the current / voltage sensor 52 provided in the second-stage stack 32. Further, a difference between the target output and the current output is obtained, and this is set as a difference value A. Thereafter, in step S143, the control unit 31 detects the temperature of the second stack 32. In this process, the stack temperature is detected as an average value, for example, by the inlet temperature sensor 51a and the outlet temperature sensor 51b provided in the second stage stack 32.

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。   In step S144, the control unit 31 determines whether or not the temperature of the second stack 32 needs to be increased. For example, if the temperature of the second stack 32 is equal to or higher than a predetermined value, the target output can be generated even if the difference value A is equal to or higher than the predetermined value. It is determined that there is no need to raise the temperature of the stage stack 32. If it is determined that it is necessary (“required” in step S144), the process proceeds to step S145. If it is determined that it is not necessary (“unnecessary” in step S144), the process proceeds to step S155. Proceed.

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。   In step S145, the control unit 31 determines whether or not the output of the second stack 32 has reached the target output. If the target output has been reached (YES in step S145), the process proceeds to step S149. If not reached (NO in step S145), the process proceeds to step S147.

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。   In steps S147 and S148, the control unit 31 reads the target cell voltage of the second-stage stack 32 from a memory or the like, controls the cell voltage to a predetermined value, and increases as the operating temperature of the second-stage stack 32 increases. The power generation output to be controlled is controlled to reach the target output. This processing is performed in the same manner as steps S33 and S34 in FIG. If this process ends, the process proceeds to step S151.

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。   On the other hand, when the output of the second-stage stack 32 reaches the target output (YES in step S145), in step S149, the control unit 31 outputs so that the output of the second-stage stack 32 maintains the target output. The current is controlled, and the target output determination flag is turned on in step S150.

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。   That is, in the processing of steps S145 to S150, if the output of the second stage stack 32 has not reached the target output, the second stage stack 32 can be raised in temperature by performing cell voltage control, and the target output is obtained. If it has reached, there is no need to increase the output any more, so the flag indicating that the target output has been reached is turned on without performing the cell voltage control.

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。   In step S151, the control unit 31 determines whether or not the temperature of the second stage stack 32 has reached the target temperature (the temperature during normal operation of the second stage stack 32). (NO in step S151), the process proceeds to step S152. If the target temperature has been reached (YES in step S151), the process proceeds to step S153.

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。   In step S152, the control unit 31 performs oxygen excess rate control [3]. Details of this control will be described later with reference to the flowchart shown in FIG.

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。   In step S153, the control unit 31 turns on a target temperature arrival determination flag indicating that the temperature of the second-stage stack 32 has reached the target temperature. Thereafter, the process proceeds to step S154.

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。   In step S154, the control unit 31 determines whether or not the second-stage stack 32 has reached the target temperature and the target output, and if so (YES in step S154), proceeds to step S155, and then This process is terminated. If not reached (NO in step S154), the process is terminated.

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。   Next, a detailed processing procedure of the excess oxygen ratio control [3] shown in step S152 of FIG. 13 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S161 in FIG. 14, the control unit 31 calculates the amount of oxygen in the gas output from the first stack 11. This calculation can be obtained from the relationship between the amount of oxygen supplied to the first stage stack 11 and the amount of oxygen used for power generation.

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。   In step S <b> 162, the control unit 31 reads the target minimum oxygen excess rate of the second-stage stack 32. This process is acquired by reading a numerical value stored in a memory (not shown), for example.

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。   In step S <b> 163, the control unit 31 detects the output current of the second stack 32 by the current / voltage sensor 52.

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。   In step S164, the control unit 31 calculates the required minimum oxygen amount of the second stack 32. In this process, based on the output current detected in the process of step S163, the amount of oxygen necessary to generate this current (minimum required oxygen amount) is obtained, and this oxygen amount is obtained in the process of step S162. The minimum oxygen amount is obtained by multiplying the target minimum oxygen excess rate. At this time, since the oxygen excess rate read in the process of step S161 is set to a value lower than the oxygen excess rate during normal operation, the minimum oxygen amount is lower than the minimum oxygen amount during normal operation. .

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。   In step S165, the control unit 31 determines the minimum oxygen amount obtained in the process in step S164 and the oxygen amount in the gas output from the first-stage stack 11 obtained in the process in step S161 (second-stage supply oxygen amount). And compare. When the second-stage supply oxygen amount is larger than the minimum oxygen amount (YES in step S165), the process proceeds to step S166, and the second-stage supply oxygen amount is smaller than the minimum oxygen amount. (NO in step S165), the process proceeds to step S167.

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。   In step S166, the control unit 31 sets the cooling air flow rate supplied to the second stack 32 from the cooling air flow rate control device 34 shown in FIG. 9 to zero. That is, when the minimum oxygen amount required by the second stage stack 32 is smaller than the oxygen amount contained in the gas delivered from the first stage stack 11, the oxygen required for power generation by the second stage stack 32 is less. Therefore, the cooling air from the air blower 12 is not supplied.

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。   In step S 167, the control unit 31 calculates the cooling air flow rate supplied to the second-stage stack 32 from the cooling air flow rate control device 34. That is, when the minimum oxygen amount required by the second stage stack 32 is larger than the oxygen amount (second stage supply oxygen amount) contained in the gas delivered from the first stage stack 11, the second stage Since the oxygen required for power generation of the stack 32 is insufficient, the amount of cooling air to be supplied from the cooling air flow rate control device 34 is obtained.

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。   In step S168, the control unit 31 requests the added value of the air supplied to the first stage stack 11 and the air sent from the cooling air flow rate control device 34 to the first stage stack 11 and the second stage stack 32. Calculated as the sum of the air volume

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。   In step S169, the control unit 31 sets the amount of air supplied to the cathode 32a of the second-stage stack 32. Thereafter, in step S170, the opening degree of the cooling air flow rate control device 34 is adjusted to control the amount of cooling air supplied to the cathode 32a to a desired numerical value. In this way, the amount of oxygen supplied to the cathode 32a of the second-stage stack 32 is controlled so as not to be less than or equal to the minimum amount of oxygen multiplied by the oxygen excess rate, and the amount of oxygen necessary for power generation is reduced. By reducing the cooling effect of the second stage stack 32, the temperature of the second stage stack 32 can be increased immediately.

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。   Thus, in the fuel cell system according to the second embodiment, when the first-stage stack 11 and the second-stage stack 32 are connected in series with each other, the combustion is performed when the second-stage stack 32 is started. Since at least one of control of the amount of combustion gas delivered from the burner 21, control of the oxygen excess rate, and control of the cell voltage within a predetermined range is performed, the target output of the second stage stack 32 can be quickly achieved. The power generation by the second stack 32 can be started quickly.

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。   When the temperature of the second stack 32 has not reached the power generation possible temperature, the higher the target output required for the system, the higher the temperature of the combustion gas output from the combustion burner 21 (oxidant heating means). Since control is performed so as to increase, the combustion gas output from the combustion burner 21 flows into the cathode 32a of the second-stage stack 32 via the first-stage stack 11, so that the second-stage stack 32 is quickly heated. This can further reduce the time required to reach the target temperature.

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。   Further, when the temperature of the second stage stack 32 has reached the power generation possible temperature, the heating by the combustion burner 21 is stopped, and the oxygen excess rate supplied to the second stage stack 32 is set low, or Since at least one of the controls for setting the cell voltage of the second-stage stack 32 within a predetermined range is performed, the amount of fuel required to burn the combustion burner 21 can be reduced, and energy consumption can be reduced. .

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。   Further, a cooling air introduction passage 33 is connected to a flow path connecting the cathode 11a outlet of the first-stage stack 11 and the cathode 32a inlet of the second-stage stack 32, and the air is passed through the cooling air introduction passage 33. Since a part of the air sent from the blower 12 is introduced into the cathode 32a, the minimum oxygen amount required at the cathode 32a of the second-stage stack 32 can be ensured reliably.

［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。 [Description of Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 18 is an explanatory diagram showing a state in which the fuel cell system 100 according to the third embodiment is connected to the external load 61, and the fuel cell system 100 and the external power source 62 pass through the relay device 63. The power is supplied to the external load 61. Then, the fuel cell system 100 sets a target output and a target temperature according to the required power of the external load 61. The fuel cell system 100 has the configuration shown in FIG.

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。   The operation of the fuel cell system according to the third embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S201, the control unit 31 (see FIG. 1) of the fuel cell system 100 detects the required power of the external load 61.

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。   In step S <b> 202, the control unit 31 obtains the generated power of the stack 11. Next, in step S203, a difference value between the external load required power and the generated power of the stack 11 is calculated.

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。   In step S204, the control part 31 sets a target output and target temperature based on the difference value calculated | required by the process of step S203.

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。   That is, the difference value between the external load required power and the generated power of the stack 11 is supplied from the external power source 62. Therefore, in order to supplement the power supplied by the external power source 62, the difference value is set according to the difference value. Set the target output and target temperature.

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。   Thus, in the fuel cell system according to the third embodiment, the shortage of the power supplied by the external power source 62 is calculated as a difference value, and the target output of the stack 11 is controlled to vary according to this difference value. According to the power required by the external load 61, the power generation amount can be changed immediately and supplied to the external load 61. Therefore, the temperature increase rate of the stack 11 is controlled as necessary, and the amount of energy required for the temperature increase control can be reduced.

［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。 [Description of Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 20 is an explanatory diagram showing a state in which the fuel cell system 100 according to the fourth embodiment is connected to the external load 61, and power is supplied to the external load 61 by the fuel cell system 100 and the power storage device 64. It is supposed to be configured. Then, the fuel cell system 100 sets a target output and a target temperature according to the required power of the external load 61 and the amount of power stored in the power storage device 64. The fuel cell system 100 has the configuration shown in FIG.

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。   The operation of the fuel cell system according to the fourth embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S211, the control unit 31 (see FIG. 1) of the fuel cell system 100 detects the required power of the external load 61.

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。   In step S <b> 212, the control unit 31 detects a stored amount ratio (SOC; State Of Charge) of the power storage device 64. Furthermore, in step S213, the control unit 31 sets the target output and target temperature of the fuel cell system 100. This process can be set using the map shown in FIG. That is, FIG. 22 is a map showing the relationship between the SOC and the required external load power, and the target output and target temperature of the stack 11 are set based on this map.

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。   Thus, in the fuel cell system according to the fourth embodiment, the target output of the stack 11 is controlled so as to vary according to the stored amount ratio (SOC) of the power storage device 64, so that the power required by the external load 61 is reduced. Accordingly, the power generation amount can be immediately changed and supplied to the external load 61. Therefore, the temperature increase rate of the stack 11 is controlled in accordance with the charged amount ratio of the power storage device 64, and the amount of energy required for the temperature increase control can be reduced.

［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。 [Description of Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 23 is an explanatory diagram showing a state in which the fuel cell system 100 according to the fifth embodiment is connected to, for example, an external load 61 (in this embodiment, a vehicle motor). The power is supplied to the external load 61 by the power storage device 64.

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。   The fuel cell system 100 is configured to be able to acquire data on the moving speed and moving direction of a vehicle from a control device mounted on the vehicle. Then, the fuel cell system 100 estimates a required output after a predetermined time based on the moving direction and moving speed of the vehicle, and based on the estimated required output and the charged amount ratio (SOC) of the power storage device 64, the fuel cell system. A target output or target temperature of 100 is set.

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。   The operation of the fuel cell system according to the fifth embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S231, the control unit 31 (see FIG. 1) of the fuel cell system 100 acquires position information (including altitude information) of the vehicle on which the fuel cell system 100 is mounted. This position information can be acquired from GPS information of a navigation system mounted on the vehicle, for example.

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。   In step S232, the control unit 31 calculates the moving direction of the vehicle. Further, in step S233, the moving speed of the vehicle is detected.

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。   In step S234, the control unit 31 estimates a required output after a predetermined time based on the moving speed and moving direction of the vehicle.

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。   In step S235, control unit 31 detects the power storage ratio (SOC) of power storage device 64.

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。   In step S236, the control unit 31 sets a target output or a target temperature based on the SOC value. At this time, the target output or target temperature is set as time-series data as shown in FIG. This process can be set using the map shown in FIG. 26 is a map showing the relationship between the SOC and the estimated output, and the target output and target temperature of the stack 11 are set based on this map.

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。   By doing so, the target temperature and target output of the fuel cell system 100 when the vehicle is traveling can be acquired as time-series data corresponding to the traveling state of the vehicle, and the flexibility according to the traveling state is high. Electric power can be supplied.

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。   Thus, in the fuel cell system according to the fifth embodiment, the temperature increase rate of the stack 11 is controlled in accordance with the target output and target temperature after a predetermined time estimated by GPS information or the like. The temperature rise control can be performed at a time earlier than the time when the temperature is required, and the energy consumption required for the temperature rise control can be reduced.

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。   Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.

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。   For example, in each of the above-described embodiments, an example of a fuel cell system for in-vehicle use has been described. However, the present invention is not limited to in-vehicle use, and is used for other uses such as a fuel cell for general household use. It is also possible.

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。   The present invention can be used to quickly raise the stack temperature to the temperature at the target operation.

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 11 stacks, 1st stack (fuel cell stack)
11a cathode 11b anode 12 air blower 13 heat exchanger 14 first fuel pump 15 heat exchange type pre-reformer 16 pre-reformer 17 combustor 19, 20 flow control device 21 combustion burner 22 second fuel pump 23 anode off-gas circulation Unit 25 Evaporator 31 Control unit 32 Second stage stack 32a Cathode 32b Anode 33 Cooling air introduction passage 34 Cooling air flow rate control device 41a Inlet temperature sensor 41b Outlet temperature sensor 42 Current / voltage sensor 51a Inlet temperature sensor 51b Outlet temperature sensor 52 Current Voltage sensor 61 External load 62 External power supply 63 Relay device 64 Power storage device 100, 100a Fuel cell system

Claims (8)

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し、前記燃料電池が発電可能温度に到達した後には、前記燃料電池の目標出力が予め設定した所定値Ｘ１以下の場合には、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）の双方を実施し、目標出力が前記所定値Ｘ１を上回る場合には、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（ｂ）と、（ａ）及び（ｃ）の少なくとも一方と、を実施する制御手段と、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）前記燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御
（ｃ）前記酸化剤加熱手段による加熱制御 A fuel cell in which reformed gas is supplied to the anode and oxidant is supplied to the cathode to generate electricity;
An oxidant supply means provided upstream of the cathode and for supplying an oxidant to the cathode;
An oxidant heating means that is provided between the oxidant supply means and the cathode and heats the oxidant output from the oxidant supply means;
At the start of the fuel cell, wherein the heated oxidant with oxidant heating means is supplied to the cathode by elevating the temperature of the fuel cell, after the fuel cell has reached the power generation possible temperature of the fuel cell When the target output is less than or equal to the preset predetermined value X1, both of the following (a) and (b) are performed until the fuel cell reaches the predetermined target output or the target temperature, and the target output is Control means for implementing the following (b) and at least one of (a) and (c) until the fuel cell reaches a predetermined target output or target temperature when the predetermined value X1 is exceeded ; A fuel cell system comprising:
(A) Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell (b) per unit area of the cell of the fuel cell Control for setting a cell voltage when the output reaches a peak, and setting the cell voltage so as to be close to the cell voltage (c) Heating control by the oxidant heating means 前記所定値Ｘ１は、前記酸化剤加熱手段のオフ時の目標出力と投入エネルギーとの特性曲線が、前記酸化剤過熱手段のオン時の目標出力と投入エネルギーとの特性曲線に交差する点の目標出力であること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The predetermined value X1 is a target at the point where the characteristic curve of the target output and input energy when the oxidant heating means is off intersects the characteristic curve of the target output and input energy when the oxidant superheating means is on. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is an output . 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、A fuel cell in which reformed gas is supplied to the anode and oxidant is supplied to the cathode to generate electricity;
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、An oxidant supply means provided upstream of the cathode and for supplying an oxidant to the cathode;
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、を有し、An oxidant heating unit that is provided between the oxidant supply unit and the cathode and heats the oxidant output from the oxidant supply unit;
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、更に、前記第１燃料電池及び第２燃料電池を制御する制御手段を有し、The fuel cell includes a first fuel cell and a second fuel cell arranged in series downstream of the first fuel cell, and further includes control means for controlling the first fuel cell and the second fuel cell. And
前記制御手段は、The control means includes
前記第１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第１燃料電池を昇温する制御を行い、When starting the first fuel cell, the oxidant heated by the oxidant heating means is supplied to the cathode to control the temperature of the first fuel cell,
更に、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た後、前記第２燃料電池を起動する際に、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、Further, when the second fuel cell is started after the first fuel cell is operated under an operating condition corresponding to a target output required for the system, the second fuel cell has a predetermined target output or target Depending on the target power required for the system and the temperature of the second fuel cell until the temperature is reached,
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、Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant supplied to the cathode of the second fuel cell to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the second fuel cell;
及び、前記燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定しこのセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御、And a control for setting a cell voltage so that the output per unit area of the cell of the fuel cell reaches a peak and setting the cell voltage to be close to the cell voltage,
及び、前記酸化剤加熱手段よる加熱制御、And heating control by the oxidant heating means,
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燃料電池システム。A fuel cell system performing at least one of the controls. 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３に記載の燃料電池システム。 When the second fuel cell has not reached the power generation possible temperature, the control means increases the oxidant temperature output from the oxidant heating means as the target output required for the system increases. The fuel cell system according to claim 3 , wherein the fuel cell system is controlled. 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３に記載の燃料電池システム。 When the target output or target temperature required for the second fuel cell is higher than the current output or temperature after the second fuel cell reaches the power generation possible temperature ,
Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant supplied to the cathode of the second fuel cell to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the second fuel cell, and the output voltage of the second fuel cell in a predetermined range 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein at least one of the internal control is performed, and the heating control by the oxidant heating means is stopped . 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３〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A bypass flow path for introducing a part of the oxidant sent from the oxidant supply means is provided in a flow path between the cathode outlet of the first fuel cell and the cathode inlet of the second fuel cell; 6. The oxidant is introduced from the bypass channel to the cathode of the second fuel cell when the oxidant required by the second fuel cell is insufficient. 2. The fuel cell system according to item 1 . 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、の差分値となるように設定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The control means includes a target output or a target temperature required for the fuel cell, a required power of an external load to which the fuel cell is connected, an output power of an external power source that supplies power to the external load in a separate system, The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell system is set to have a difference value of . 蓄電量割合と推定出力が決定した際に、これに対応する目標出力または目標温度を決めるマップを予め設定し、
前記制御手段は、該燃料電池が接続される外部負荷の推定出力と、前記外部負荷に別系統で電力を供給する蓄電池の蓄電量割合を、前記マップに当てはめることにより、前記燃料電池に要求する目標出力または目標温度を設定すること
を特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

 When the storage amount ratio and the estimated output are determined, a map for determining the target output or target temperature corresponding to this is set in advance,
The control means requests the fuel cell by applying an estimated output of an external load to which the fuel cell is connected and a storage amount ratio of a storage battery that supplies power to the external load in a separate system to the map. Setting the target output or target temperature
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , wherein:

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