JP6303282B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に、燃料電池の運転温度を上昇させる際に生じるセル温度のオーバーシュートを防止する技術に関する。

近年、地球環境問題への関心の高まりから、燃料電池発電システムの開発が進められている。このような燃料電池発電システムの従来例として、例えば、特開２００７−３１１２８９号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。該特許文献１には、燃料電池発電装置の出力を変更する際に、この出力変更に応じて酸化剤ガスの供給量、及び燃料ガスの供給量を変更するように制御することが開示されている。

ここで、特許文献１に開示されているように、一般家庭等に設置する定置型の燃料電池発電システムでは、出力変更に即応性が要求されないので、出力変更に長時間を要しても大きな問題とはならない。しかし、車両に搭載する燃料電池発電システムの場合には、例えば、市街地走行から高速道路走行に切り替える場合等において、出力変更に即応性が要求される。例えば、市街地を走行している場合には低出力で運転（発電量を低減）し、高速道路を走行する場合には高出力で運転（発電量を増大）するので、市街地走行から高速道路走行に切り替わる場合には、燃料電池の出力変更が円滑、且つ迅速に行われる必要がある。

ここで、車両搭載型の燃料電池発電システムの場合には、出力としての発電量を上昇する場合に、燃料電池を電気ヒータ等を用いて加熱して運転温度を上昇させる操作が行われる。例えば、電気ヒータを用いてセル温度を６５０℃から７５０℃に上昇させることにより、発電量を上昇させる。この際、発電量の上昇に伴って、セルの発熱量が低下することになる。この発熱量は、出力の切り替えに伴って、瞬時に所定の発熱量（７５０℃で安定したときの発熱量）まで低下するのではなく、徐々に低下して所定の発熱量に到達することとなる。従って、出力の切り替え期間中でのセルの発熱量が過多となってしまい、この発熱によりセル温度が７５０℃を大きく上回る、所謂オーバーシュートが発生する。このため、セル温度が７５０℃に安定するまでに長時間を要してしまうという問題が発生する。

特開２００７−３１１２８９号公報

上述したように、従来における燃料電池発電システムでは、燃料電池の出力を上昇させる際に、セル温度にオーバーシュートが発生してしまい、セル温度が安定するまでに長時間を要してしまい、安定な電力出力ができなくなるという問題があった。

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、運転温度を変更する際に、セル温度がオーバーシュートすることを防止することが可能な燃料電池発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池を備え、該燃料電池は、第１運転モードと、第１運転モードよりも燃料電池のセル温度が高い第２運転モードを含む、セル温度が異なる複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードで運転可能である。そして、制御手段は、運転モードを第１運転モードから第２運転モードに切り替えるための切り替え期間を設定し、切り替え期間中の酸化剤ガスの流量が、第２運転モードの酸化剤ガスの流量よりも継続して高くなるように、酸化剤ガスの供給量を制御する。

本発明に係る燃料電池発電システムでは、第１運転モードから第２運転モードに切り替える切り替え期間には、第２運転モードでの運転時に供給する酸化剤ガスの既定流量に対して所定流量だけ増加した量の酸化剤ガスを供給するように制御する。このため、増加した酸化剤ガスによりセルの放熱量が増加するので、セル温度のオーバーシュートを防止することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの、発熱量と発電量との関係を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの、運転モード切り替え時におけるセル温度、及びセル発熱量の変化を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの、運転モード切り替え時におけるセル温度、セル放熱量、セル発熱量、及び燃料電池に供給する空気量の変化を示す特性図である。 本発明の比較例に係る燃料電池発電システムの、運転モード切り替え時におけるセル温度、セル放熱量、セル発熱量、及び燃料電池に供給する空気量の変化を示す特性図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システムの処理動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［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発電システム１００の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池発電システム１００は、カソード極１１ａ、及びアノード極１１ｂを備えた燃料電池１１と、カソード極１１ａに空気（酸化剤ガス）を供給する第１空気ブロワ１２（供給手段）と、第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、燃料電池１１のアノード極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（供給手段）と、第１燃料ポンプ１４より燃料ガス流路Ｌｌを経由して送出される燃料を改質してアノード極１１ｂに供給する燃料改質器１５と、を備えている。なお、本実施形態では、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外のものを用いることができる。

更に、アノード極１１ｂより排出される燃料ガスを、燃料改質器１５に循環させる燃料循環ブロワ１７と、カソード極１１ａより排出される排気ガスが排気ガス流路Ｌ２を経由して導入され、この排気ガスが有する熱により、燃料改質器１５を加熱する改質器加熱熱交換器１６と、燃料循環ブロワ１７の出力口と排気ガス流路Ｌ２との間に設けられ、アノード極１１ｂより排出される燃料ガスの一部を排気ガス流路Ｌ２に導入する燃料流路圧力調整弁１８と、改質器加熱熱交換器１６の入口近傍の排気ガス流路Ｌ２に設けられ、排気ガス流路Ｌ２を経由して改質器加熱熱交換器１６に導入される排気ガスの一部を外部へ排出する排気流路圧力調整弁１９と、を備えている。

また、第２空気ブロワ２１より供給される空気（酸化剤ガス）と第２燃料ポンプ２２より供給される燃料により燃焼して、加熱した空気をカソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入する燃焼バーナ２３を備えている。

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物燃料電池（SOFC;Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード極１１ｂに供給される改質された燃料と、カソード極１１ａに供給される空気により電力を発生させて、この電力をモータ等の電力需要設備に供給する。

燃料改質器１５は、改質器加熱熱交換器１６より供給される熱により加熱され、第１燃料ポンプ１４より供給される燃料を触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する。

また、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１４、第２空気ブロワ２１、第２燃料ポンプ２２、排気流路圧力調整弁１９、燃料流路圧力調整弁１８、及び燃料循環ブロワ１７は、それぞれ制御部３１（制御手段）に接続されている。制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなる装置であり、電力の出力要求に応じて各機器に制御信号を送信して各機器を制御する。特に、制御部３１は、第１空気ブロワ１２より出力する空気量（酸化剤ガス量）、及び第１燃料ポンプ１４より出力する燃料量を制御する。

次に、燃料電池発電システム１００の、運転開始時における動作について説明する。本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、燃焼バーナ２３を駆動してシステムの起動を行う。また、電気ヒータ（図示省略）等により燃料電池１１を加熱することにより、該燃料電池１１の運転温度を変化させ、且つ、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気量、及びアノード極１１ｂに供給する燃料量を変化させて、出力電力の変化に対応させる。

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

その後、燃料電池１１の温度が、定格温度（例えば、６５０℃）に達した場合には、燃焼バーナ２３を停止し、第１空気ブロワ１２の出力に切り替える。この処理では、第１空気ブロワ１２を起動することにより、該第１空気ブロワ１２より空気（酸化剤ガス）が出力され、この空気は、空気加熱熱交換器１３の低温側（熱を吸収する側）を通過し、その後、カソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入される。この際、空気加熱熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）には、改質器加熱熱交換器１６より排出される高温のガスが導入される。このため、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、高温ガスとの間の熱交換により加熱されて、カソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入される。

この際、空気加熱熱交換器１３で加熱される空気は、通常、燃料電池１１の定格温度（例えば、６５０℃）よりも２００〜３００℃程度低い温度であるから、燃焼バーナ２３から第１空気ブロワ１２への切り替え直後には、カソード極１１ａの温度が低下する。しかし、発電を開始することに起因する発熱により、カソード極１１ａの温度が上昇して定格温度に達する。このため、負荷に電力を供給することが可能となる。即ち、燃料電池１１は、車両のモータに電力を供給して該モータを駆動させ、車両を走行させることが可能な状態となる。その後、発電が開始されると、例えば燃料電池１１のセル温度が６５０℃での運転（後述する第１運転モードでの運転）が行われる。

次に、燃料電池発電システム１００が稼働状態であるときの、燃料電池１１の運転温度と、発電量との関係について説明する。以下では、一例として、燃料電池１１の起動開始時、及び通常運転時に設定される第１運転モード（例えば、セル温度が６５０℃）と、高出力時（例えば、車両が高速道路を走行する場合）に設定される第２運転モード（例えば、セル温度が７５０℃）の場合の関係について説明する。なお、燃料電池１１は、第１運転モード、及び第２運転モードを含む複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードでの運転が可能である。

燃料電池発電システム１００の運転モードに応じて燃料電池１１のセル温度が異なるので、燃料電池１１の放熱量も変化する。図２は、燃料電池１１のセル発熱量と発電量の関係を示す説明図であり、（ａ）はセル温度が６５０℃の場合（第１運転モード）を示し、（ｂ）はセル温度が７５０℃の場合（第２運転モード）を示している。

図２に示すように、第１運転モード（セル温度が低い場合）では、第２運転モード（セル温度が高い場合）と対比して、発電量が低くなり、これに伴い燃料電池１１のセル発熱量が大きくなる。このように、燃料電池１１のセル温度に対応した発電により発生する熱量と、空気への伝達熱量がバランスすることとなる。つまり、図２に示すように、発電量（発電により生じるエネルギー）と、セル発熱量（発熱のエネルギー）との加算結果は、外部から供給される燃料量が一定であれば、第１運転モードと第２運転モードでほぼ一定値となる。

次に、燃料電池１１の運転条件を、第１運転モードから第２運転モードに切り替える場合の、燃料電池１１のセル温度とセル発熱量の変化について、図３を参照して説明する。図３は第１運転モード、第２運転モード、及びこれらの運転切り替え時でのセル温度（図３（ａ）参照）、及びセル発熱量（図３（ｂ）参照）の変化を示す特性図である。

上述したように、燃料電池１１の起動時において、燃焼バーナ２３を駆動して燃料電池１１のセル温度が第１運転モードでの運転温度（６５０℃）に到達すると、燃焼バーナ２３が停止されて、第２空気ブロワ２１の代わりに第１空気ブロワ１２からカソード極１１ａに空気が供給される。この際、セル温度は若干低下する。

その後、燃料電池１１のアノード極１１ｂに燃料ガスが供給されると、燃料電池１１による発電が開始され、発電による発熱により、燃料電池１１のセル温度が上昇して運転温度６５０℃に維持される。そして、モータ等の電気負荷が接続されて該電気負荷に電力を供給することが可能となる。即ち、燃料電池１１は、第１運転モードでの運転が行われる。このとき、図３の「第１運転モード」の期間に示すように、（ａ）に示すセル温度Ｔ１は相対的に低い温度（第２運転モードよりも低い温度）とされ、（ｂ）に示すセル発熱量Ｘ１は相対的に高い発熱量（第２運転モードよりも高い発熱量）とされている。

ここで、燃料電池１１の運転モードを第１運転モードから第２運転モードに切り替える場合を考える。上述したように、第１運転モードはセル温度が６５０℃であり、第２運転モードはセル温度が７５０℃であるから、運転モードを切り替えるために、セル温度を１００℃だけ上昇させる必要がある。通常、温度上昇させるために電熱ヒータ（図示省略）等が用いられる。即ち、燃料電池１１の周囲に電熱ヒータを設置し、この電熱ヒータに電力を供給して発熱させ、この熱を燃料電池１１に伝達させることにより、該燃料電池１１の温度を上昇させる。

更に、運転モードを第１運転モードから第２運転モードに切り替えるために、カソード極１１ａに供給する空気量を、第２運転モードに対応する流量に設定する。具体的には、図１に示した第１空気ブロワ１２の出力を変更することにより、空気量、及び燃料量を第２運転モードに対応する流量に変更する。

そして、図３に示す運転切り替え期間（ｔ０〜ｔ１の期間）では、燃料電池１１に電熱ヒータによる熱が加えられることにより、図３（ａ）に示すように、セル温度がＴ１（例えば、６５０℃；時刻ｔ０）から徐々に上昇し、Ｔ２（例えば、７５０℃；時刻ｔ１）に達する。つまり、第２運転モードでのセル温度に達する。従って、燃料電池１１の発電量は上昇する。なお、図３（ａ）では、セル温度の理想的な変化特性を示しており、実際には、後述の図５（ａ）に示すように、セル温度はＴ２超えてオーバーシュートする。

ここで、前述した図２に示したように、燃料電池１１の発電量とセル発熱量のエネルギー換算の合計はほぼ一定であるので、セル温度が上昇することに伴って、燃料電池１１のセル発熱量が低下することとなる。即ち、図３（ａ）に示したように、運転切り替え期間においてセル温度がＴ１からＴ２に上昇している際に、これに伴って図３（ｂ）に示すように、セル発熱量が低下することとなる。

また、燃料電池１１のセル発熱量は、運転切り替えと共に即時に（即ち、時刻ｔ０に）第１運転モードでの発熱量Ｘ１から第２運転モードの発熱量Ｘ２に低下するのではなく、図３（ｂ）の直線Ｐ１に示すように、徐々に低下して時刻ｔ１にて第２運転モードの発熱量Ｘ２に達することとなる。つまり、燃料電池１１では、この運転切り替え期間（ｔ０〜ｔ１）での発熱量、即ち、図３（ｂ）に示す三角形の領域Ｒ１の面積分の熱量についての放熱が追いつかなくなり、この熱量によりセル温度がＴ２（７５０℃）を超えて上昇してしまう。

即ち、後述する図５（ａ）に示すように、時刻ｔ０で運転モードを切り替えると、セル温度はＴ１（６５０℃）から上昇を開始し、第２運転モードでのセル温度Ｔ２（７５０℃）を大きく上回る、所謂、オーバーシュートが発生することとなる。

その後、セル温度が上昇することに起因してセル発熱量が減少し、また、燃料電池１１の温度上昇により外部への放熱量が増加するなどして徐々にセル温度は低下し、第２運転モードでのセル温度Ｔ２（７５０℃）に近づき、最終的にはセル発熱量とカソード極１１ａに供給される空気への放熱がバランスして、セル温度Ｔ２（７５０℃）に落ち着く。しかし、セル温度Ｔ２が安定するまでには、長時間（後述の、図５（ａ）に示すｔ０〜ｔ２間）を要することとなり、何とかしてこのオーバーシュートを抑制することが望まれる。

本実施形態では、運転モードを第１運転モードから、セル温度が相対的に高い第２運転モードに切り替える際に、カソード極１１ａに供給する空気量を増加することにより、モード切り替え時におけるセル温度のオーバーシュートを抑制する。図４は、本発明を適用した場合（本実施形態）のモード変更時における各数値の変化を示す特性図であり、図５は、本発明を適用しない場合（比較例）のモード変更時における各数値の変化を示す特性図である。図４、図５において、（ａ）はセル温度、（ｂ）はセル放熱量、（ｃ）はセル発熱量、（ｄ）はカソード極１１ａに供給する空気量の変化を示している。

図４（ｄ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、運転モードを第１運転モードから第２運転モードに切り替える際の時刻ｔ０にて、第１空気ブロワ１２（図１参照）より供給する空気量を一旦大きく上昇させ（第２運転モードでの空気の既定流量に対して上昇させ）、その後、徐々に低下させて第２運転モードでの空気量となるように調整する。

これに伴って、図４（ｂ）に示すようにセルから空気へ放熱される熱量（セル放熱量）が一時的に上昇するので、図４（ｃ）に示すようにセル発熱量が徐々に低下する場合でも（時刻ｔ０で即時に低下しない場合でも）、この熱を放熱することができる。従って、図４（ａ）に示すようにセル温度は運転切り替え時に大きくオーバーシュートすることなく、第２運転モードに切り替えることが可能となる。即ち、セル温度を安定的にＴ１（６５０℃）から、Ｔ２（７５０℃）に切り替えることができる。また、運転切り替えに要する時間は、時刻ｔ０〜ｔ３に示す時間となる。

これに対して、比較例として示す図５では、図５（ｄ）に示すように運転切り替え時には空気量を一時的に増大させること無く、即時に第２運転モードでの空気量に切り替えるので、図５（ｂ）に示すように空気への放熱量はほぼ変化しない。従って、図５（ｃ）に示すセルの発熱を安定的に放熱することができない。よって、図５（ａ）に示すように、時刻ｔ０において、セル温度が大きくオーバーシュートするという不具合が生じる。このため、運転切り替えに要する時間が、ｔ０〜ｔ２の示す時間となり、図４に示したｔ０〜ｔ３間よりも長くなってしまう。

即ち、本実施形態のように、運転モードの切り替え時（時刻ｔ０）にカソード極１１ａに供給する空気量を一時的に増加させることにより、セル温度の変化に伴うセル発熱量増加分を空気によって冷却を促進させる。従って、セル温度のオーバーシュートを回避できる。また、運転モードの切り替え時間が図５に示す比較例では、ｔ０〜ｔ２であるのに対して、図４に示す本実施形態ではｔ０〜ｔ３となり、切り替え時間を短縮化できる。

次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の稼働運転時に、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際の、具体的な処理手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、図１に示した制御部３１により実行される。

初めに、ステップＳ１０１において、制御部３１は、モード切り替え指示が入力されているか否かを判断する。この処理では、例えば、現在の運転モードが第１運転モード（セル温度６５０℃で運転するモード）である場合に、第２運転モード（セル温度７５０℃で運転するモード）に切り替えるための切り替え信号が入力されているか否かを判断する。

この切り替え信号は、例えば、車両が一般道路から高速道路へ進入して運転速度が上昇した場合（車速が５０Ｋｍ／ｈから８０Ｋｍ／ｈに切り替わった場合等）や、アクセル開度の変化が発生した場合に、車両のＥＣＵ等の判断にて出力される。或いは、操作スイッチ（図示省略）を車両の運転者が手動操作することにより与えられる。そして、切り替え信号が入力されている場合には（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、ステップＳ１０２に処理を進める。また、切り替え信号が入力されていない場合には（ステップＳ１０１でＮＯ）、ステップＳ１０１に処理を戻す。

ステップＳ１０２において、制御部３１は、第２運転モードでの単位時間当たりの発熱量（これを、Ｑ２とする）を取得する。この発熱量は、第２運転モードでの運転温度Ｔ２（例えば、７５０℃）に基づいて決定することができる。例えば、制御部３１が有するメモリ（図示省略）に、各運転温度に対する単位時間当たりの発熱量を記憶することにより、取得することができる。また、この処理は、例えば１００ｍｓのサンプリング時間で周期的に取得する。

ステップＳ１０３において、制御部３１は、現在における、単位時間当たりのセル発熱量（これを、Ｑ１とする）を取得する。この発熱量は、現在のセルの発電量に基づいて求めることができる。この処理は、例えば１００ｍｓのサンプリング時間で行われる。なお、第２運転モードの方が第１運転モードよりも発電量が大きいので、セル発熱量は、Ｑ１＞Ｑ２となる（図２参照）。

ステップＳ１０４において、制御部３１は、上述のステップＳ１０２、及びステップＳ１０３の処理で取得した単位時間当たりの発熱量Ｑ１、Ｑ２に基づき、これらの差分ΔＱ（＝Ｑ１−Ｑ２）を算出する。ここで、差分ΔＱは、運転切り替え時におけるセル発熱量の差分であるから、図３に示す直線Ｐ１の高さに対応する量となる。

ステップＳ１０５において、制御部３１は、上記の処理で求められた差分ΔＱと、予め設定した閾値Ｑth（所定差分値）を比較し、ΔＱがＱth以下（所定差分値以下）であるか否かを判断する。

ステップＳ１０５において、ΔＱ≦Ｑthでないと判断された場合には（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０６において、制御部３１は、カソード極１１ａに供給する空気の増加量（第２運転モードでの通常運転時の空気の供給量に対する増加量）を計算する。運転切り替え中の空気量の制御は、セル温度に基づき、第２運転モードでの運転時の学習値等と制御系内におけるモデルを用いて行い、モデルはカソード極１１ａへの空気の供給系にセルの冷却に係わる応答性を補償するものを用いる。

その後、ステップＳ１０７において、制御部３１は、ステップＳ１０５の処理で求められた増加量だけカソード極１１ａに供給する空気量が増加するように、第１空気ブロワ１２（図１参照）を制御する。つまり、差分ΔＱが閾値Ｑthよりも大きいということは、この差分ΔＱの熱量が、第２運転モードに切り替えられた際にセル温度がオーバーシュートする原因となるので、これを抑えるために、カソード極１１ａに供給する空気量を増加させ、この差分ΔＱの熱量を放熱させる。その後、ステップＳ１０３に処理を戻す。

一方、ΔＱ≦Ｑthであると判断された場合には（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０８において、カソード極１１ａへ供給する空気量の増加を停止する。即ち、「ΔＱ≦Ｑth」であるということは、図３に示す直線Ｐ１の数値がほぼ下限値に達している（セル発熱量が図３（ｂ）に示したＸ２に達している）ということであり、カソード極１１ａに供給する空気量を、第２運転モード時における空気量としても問題は無いものと推定されるので、空気量の増加を停止する。即ち、第２運転モード時での空気量（図３（ｂ）に示すＸ２）となるように、第１空気ブロワ１２を制御する。その後、ステップＳ１０９において、第２運転モードへの切り替えが終了する。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際の切り替え期間において、第２運転モードでの運転時に供給する空気の規定流量に対して所定流量だけ増加した流量の空気を供給するように制御するので、第２運転モードへの運転切り替え時において、セル温度がオーバーシュートすることを防止できる。このため、早期に第２運転モードへ移行させることができる。更に、燃料電池１１の温度が第２運転モード時のセル温度７５０℃を大きく上回ることを防止できるので、燃料電池１１が熱ストレスを受けることを回避でき、装置の損傷を防止し長寿命化を図ることができる。

また、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、運転モードを第１運転モードから第２運転モードへ切り替える際には、第２運転モードでのセル発熱量Ｑ２（第２運転モードでの単位時間当たりの発熱量）を取得し、更に、現在のセル発熱量Ｑ１（運転モード切り替え時におけるセルの単位時間当たりの発熱量）を取得し、これらの差分ΔＱに基づいて、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気の増加量を設定する。この処理は、図３（ｂ）の運転切り替え期間に示す直線Ｐ１によるセル発熱量を相殺するように、カソード極１１ａに供給する空気量を設定することを示している。

つまり、上記した図６に示した処理を実行することにより、図３（ｂ）の直線Ｐ１に囲まれる三角形の領域Ｒ１での発熱量に対応する熱を放熱するように、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される空気量が調整されるので（図４（ｄ）参照）、運転切り替え時において、図５（ａ）に示すようなセル温度のオーバーシュートが発生することを防止することができる。

このため、図４（ａ）と図５（ａ）を対比して理解されるように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、セル温度のオーバーシュートが抑えられることにより、第２運転モードにおけるセル温度Ｔ２（例えば、７５０℃）に達するまでの所要時間を短くすることができ、運転切り替え時間を短縮化できる。その結果、早期に第２運転モードへ移行させて、高出力運転を安定的に行うことが可能となる。

また、第２運転モードでのセル発熱量Ｑ２と現在のセル発熱量Ｑ１との差分が小さいほど、増加する空気流量（所定流量）を少なくするので、オーバーシュートの発生をより確実に抑制することが可能となる。

更に、Ｑ２とＱ１の差分が所定差分値（閾値Ｑth）以下の場合には、空気（酸化剤ガス）の増加を停止するので、不要な空気の供給を防止でき、オーバーシュートの発生をより効果的に防止することができる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図７に示す燃料電池発電システム１００ａは、前述の図１に示した燃料電池発電システム１００とほぼ同一構成であるので、相違点のみを説明する。

図７に示す燃料電池発電システム１００ａは、燃料電池１１のカソード極１１ａの入口に設けられ、該カソード極１１ａに導入される空気の温度を測定する入口温度センサＴｃinと、カソード極１１ａの出口に設けられ、該カソード極１１ａから排出される空気の温度を測定する出口温度センサＴｃout、及び燃料電池１１のセパレータ温度を測定するセパレータ温度センサＴｓを備えている。それ以外の構成は、図１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。

そして、第２実施形態では、第１運転モードから第２運転モードへ切り替える際に、セル温度に基づいて、カソード極１１ａに供給する空気量を設定することにより、セル温度のオーバーシュートの発生を防止する。即ち、前述した第１実施形態では、「セル発熱量」に基づいて空気量を演算したが、第２実施形態では、「セル温度」に基づいて、空気量を演算する。

次に、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａの稼働運転時に、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際の、具体的な処理手順について、図８に示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、図７に示した制御部３１により実行される。

初めに、ステップＳ３０１において、制御部３１は、モード切り替え指示が入力されているか否かを判断する。この処理では、例えば、現在の運転モードが第１運転モード（セル温度Ｔ１で運転するモード）である場合に、第２運転モード（セル温度Ｔ２で運転するモード）に切り替えるための切り替え信号が入力されているか否かを判断する。

この切り替え信号は、前述した第１実施形態と同様に、例えば車両が一般道路から高速道路へ進入して運転速度が上昇した場合（車速が５０Ｋｍ／ｈから８０Ｋｍ／ｈに切り替わった場合等）や、アクセル開度の変化が発生した場合に、車両のＥＣＵ等の判断にて出力される。或いは、操作スイッチ（図示省略）を車両の運転者が手動操作することにより与えられる。そして、切り替え信号が入力されている場合には（ステップＳ３０１でＹＥＳ）、ステップＳ３０２に処理を進める。また、切り替え信号が入力されていない場合には（ステップＳ３０１でＮＯ）、ステップＳ３０１に処理を戻す。

ステップＳ３０２において、制御部３１は、第２運転モードでのセル温度（これを、ｑ２とする）を取得する。このセル温度は、例えば、７５０℃である。

ステップＳ３０３において、制御部３１は、現在におけるセル温度（これを、ｑ１とする）を取得する。現在のセル温度は、図７に示したセパレータ温度センサＴｓ、入口温度センサＴｃin、及び出口温度センサＴｃoutで検出される各温度に基づいて、総合的に決定することができる。この処理は、例えば１００ｍｓのサンプリング時間で行われる。なお、第２運転モードの方が第１運転モードよりもセル温度が高いので、セル温度は、ｑ２＞ｑ１となる。

ステップＳ３０４において、制御部３１は、ステップＳ３０２、及びステップＳ３０３の処理で取得したセル温度ｑ１、ｑ２に基づき、これらの差分Δｑ（＝ｑ２−ｑ１）を算出する。ここで、差分Δｑは、運転切り替え時におけるセル温度の差分であるから、図３（ａ）に示す直線Ｐ２の高さに対応する数値となる。

ステップＳ３０５において、制御部３１は、上記の処理で求められた差分Δｑと、予め設定した閾値ｑthを比較し、Δｑがｑth以下であるか否かを判断する。そして、Δｑ≦ｑthでないと判断された場合には（ステップＳ３０５でＮＯ）、ステップＳ３０６において、制御部３１は、カソード極１１ａに供給する空気の増加量を計算する。

その後、ステップＳ３０７において、制御部３１は、ステップＳ３０６の処理で求められた増加量だけカソード極１１ａに供給する空気量が増加するように、第１空気ブロワ１２（図７参照）を制御する。つまり、差分Δｑが閾値ｑthよりも大きいということは、この温度差Δｑの熱量が、第２運転モードに切り替えられた際にセル温度がオーバーシュートする原因となるので、これを抑えるために、カソード極１１ａに供給する空気量を増加させる。その後、ステップＳ３０３に処理を戻す。

一方、Δｑ≦ｑthであると判断された場合には（ステップＳ３０５でＹＥＳ）、ステップＳ３０８において、カソード極１１ａへ供給する空気量の増加を停止する。即ち、「Δｑ≦ｑth」であるということは、図３に示す直線Ｐ２がほぼ上限値に達しているということであり、カソード極１１ａに供給する空気量を、第２運転モード時における空気量としても問題は無いものと推定されるので、空気量の増加を停止する。即ち、第２運転モード時での空気量となるように、第１空気ブロワ１２を制御する。その後、ステップＳ３０９において、第２運転モードへの切り替えが終了する。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａでは、運転モードを第１運転モードから第２運転モードへ切り替える際には、第２運転モードでのセル温度ｑ２を取得し、更に、現在のセル温度ｑ１を取得し、これらの差分Δｑに基づいて、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気の増加量を設定する。この処理は、図３（ａ）の運転切り替え期間に示す直線Ｐ２によるセル温度を相殺するように、カソード極１１ａに供給する空気量を設定することを示している。

つまり、上記した図８の処理を実行することにより、図３（ａ）の直線Ｐ２によるセル温度の上昇を相殺するように、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される空気量が調整されるので、運転切り替え時において、図５（ａ）に示したようなセル温度のオーバーシュートが発生することを防止することができる。

また、第２運転モードでのセル温度ｑ２と現在のセル温度ｑ１との差分が小さいほど、増加する空気流量（所定流量）を少なくするので、オーバーシュートの発生をより確実に抑制することが可能となる。

更に、ｑ２とｑ１の差分が所定差分値（閾値ｑth）以下の場合には、空気（酸化剤ガス）の増加を停止するので、不要な空気の供給を防止でき、オーバーシュートの発生をより効果的に防止することができる。

以上、本発明の燃料電池発電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。

例えば、上記した各実施形態では、一例として６５０℃〜７５０℃の範囲で燃料電池１１の運転温度を変化させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の温度範囲においても適用することができる。設定する温度範囲は、燃料電池１１の動作環境に応じて、適宜変更が可能である。

また、上述した各実施形態では、第１運転モードから第２運転モードへの切り替え時における空気量制御について説明したが、燃料電池１１を起動する際の暖気運転（例えば、セル温度６５０℃）の終了時から、セル温度７５０℃の第２運転モードへ切り替える際においても同様の処理により空気量を制御して、暖気運転から第２運転モードへの移行時に生じるセル温度のオーバーシュートを防止することができる。

更に、上記した実施形態では、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含む他のガスを用いることも可能である。

本発明は、燃料電池の運転温度を上昇させる際におけるセル温度に生じるオーバーシュートを防止することに利用することができる。

１１ 燃料電池
１１ａ カソード極
１１ｂ アノード極
１２ 第１空気ブロワ
１３ 空気加熱熱交換器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 燃料改質器
１６ 改質器加熱熱交換器
１７ 燃料循環ブロワ
１８ 燃料流路圧力調整弁
１９ 排気流路圧力調整弁
２１ 第２空気ブロワ
２２ 第２燃料ポンプ
２３ 燃焼バーナ
３１ 制御部
１００，１００ａ 燃料電池発電システム

Claims (8)

1. 酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガス及び燃料を供給する供給手段と、
   前記供給手段より供給する酸化剤ガス量、及び燃料量を制御する制御手段と、を備え、
   前記燃料電池は、第１運転モードと、前記第１運転モードよりも前記燃料電池のセル温度が高い第２運転モードを含む、セル温度が異なる複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードで運転可能であり、
   前記制御手段は、運転モードを前記第１運転モードから第２運転モードに切り替えるための切り替え期間を設定し、前記切り替え期間中の酸化剤ガスの流量が、第２運転モードの酸化剤ガスの流量よりも継続して高くなるように、前記酸化剤ガスの供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記制御手段は、前記切り替え期間への切り替え直後に、前記第２運転モードでの運転時に供給する酸化剤ガスの既定流量に対して所定流量だけ増加した量の酸化剤ガスを供給し、その後低下させて第２運転モードの酸化剤ガスの流量となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御手段は、前記第２運転モードへの切り替え後における前記セルの単位時間当たりの発熱量と、運転モード切り替え時における前記セルの単位時間当たりの発熱量との差分に基づいて、前記所定流量を設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記制御手段は、前記差分が小さいほど、前記所定流量を少なくすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記制御手段は、前記第２運転モードへの切り替え後における前記セルの単位時間当たりの発熱量と、運転モード切り替え時における前記セルの単位時間当たりの発熱量との差分が、所定差分値以下の場合には、前記酸化剤ガスの増加を停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記制御手段は、前記第２運転モードにおけるセル温度と、運転モード切り替え時におけるセル温度との差分に基づいて、前記所定流量を設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記制御手段は、前記差分が小さいほど、前記所定流量を少なくすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記制御手段は、前記第２運転モードへの切り替え後におけるセル温度と、運転モード切り替え時におけるセル温度との差分が、所定差分値以下の場合には、前記酸化剤ガスの増加を停止することを特徴とする請求項１，６，７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

Images