JP6323241B2 - 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、燃料電池の出力変更要求に対して迅速に対応する技術に関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を自動車に適用する場合には定置用と異なり、起動、停止や、運転条件の変更、即ち出力の変更が頻繁に行われる。特許文献１には、ＳＯＦＣの運転状態の切り替え時に、定格出力又は負荷電流に応じた発電に必要な燃料ガスや水蒸気、空気の流量を供給するシステムについて開示されている。

しかし、燃料電池の運転状態によってセルの発熱状態が異なるため、定格運転状態に応じた燃料や空気の供給を行なうと、運転状態の切り替え時には、セルの温度が目標とする温度に収束するまでに長時間を要するという問題が生じる。

特開２００３−１４１３１４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、燃料電池の運転条件の変更に伴って出力が変更される場合には、所望の出力に達するまでに長時間を要す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、燃料電池の出力を即時に所望する出力に変更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、燃料電池を第１運転モード、及び第１運転モードよりも高出力、且つ高温度で運転する第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に切り替えるように、酸化剤ガスの供給量を制御する制御部を備える。制御部は、第１運転モードから第２運転モードへの運転切替時に、カソード極に供給する酸化剤ガス量を、第１運転モードでの定格流量である第１酸化剤ガス供給量を超え、且つ、第２運転モードでの定格流量である第２酸化剤ガス供給量よりも所定流量だけ減量した流量とする時間帯を設ける。また、所定流量は、運転切替時にてカソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量と、第２運転モードでのカソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量との差分である放熱量差分値に基づいて設定される。

本願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運転モードへの切替時に、カソード極に供給する酸化剤ガス量を、第２酸化剤ガス供給量よりも所定流量だけ減量する流量とした時間帯を設けるので、酸化剤ガスによる放熱が抑制され、燃料電池の出力を即時に所望する出力に変更することが可能になる。

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。 比較例に係る燃料電池発電システムの、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際の、セル温度、カソード極に供給する空気量、カソード放熱量等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、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際の、セル温度、カソード極に供給する空気量、カソード放熱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、カソード空気の減少量とセル温度の関係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（酸化剤ガス供給部）を備える。更に、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、炭化水素燃料等の燃料を供給する第１燃料ポンプ１４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を備える。また、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燃料）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。

また、制御部３１は、燃料電池１１を、第１運転モード、及び該第１運転モードよりも高出力、且つ高温度で運転する第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に切り替えるように、第１空気ブロワ１２より出力する空気量（酸化剤ガスの供給量）を制御する。

更に、制御部３１は、第１運転モードから、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、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量（第１酸化剤ガス供給量）から、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）へ変更する制御を行う。また、第１空気供給量から第２空気供給量への切替時に、第１空気供給量を超え、且つ、第２空気供給量よりも所定流量だけ減量した流量とする時間帯（後述する図３のτ１）を設定する。更に、制御部３１は、メモリ（図示省略）等の記憶手段を備えており、該メモリに、第１運転モード及び第２運転モードでの単位時間当たりの放熱量を記憶している。これに加えて、カソード極１１ａに供給される空気量と、セル温度に基づく放熱量のデータを記憶している。

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、燃焼バーナ２３や電気ヒータ（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を燃焼させ、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）が送出され、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の定格温度よりも２００〜３００℃程度低い温度であるので、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の温度が一時的に低下する。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。

即ち、カソード極１１ａに導入された空気は、燃料電池１１の発電時に生じる熱エネルギーにより加熱され、燃料電池１１の温度とほぼ同一の温度となってカソード極１１ａの出口より排出される。従って、カソード極１１ａに供給される空気は、燃料電池１１のセルやスタックの冷却材として機能しており、定格運転では燃料電池１１の運転温度に対応した発電により発生する熱量と空気を含むガスへの伝達熱量がバランスするように運転条件（空気流量）が設定されている。

そして、燃料電池１１により、負荷に供給する電力が出力される。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（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の運転状態について説明する。以下では、一例として、燃料電池１１の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。

図２は、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際の、各数値の変化（本発明を採用しない比較例での変化）を示す特性図である。図２（ａ）は燃料電池１１のセル温度、（ｂ）はカソード極１１ａに供給する空気量、（ｃ）はカソード極１１ａを流れる空気への放熱量、（ｄ）はアノード極１１ｂに供給する燃料量を示している。

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℃の高出力運転であるから、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、燃料ガスの温度やカソード空気の温度を上昇させる方法を併用することにより、セル温度を上昇させる。

また、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際には、カソード極１１ａに供給する空気量を、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量（第１酸化剤ガス供給量）から第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）に変更する。同様に、アノード極１１ｂに供給する燃料量を、第１運転モードでの流量から第２運転モードに対応する流量に変更する。

具体的には、図２に示す時刻ｔ０にて第１空気ブロワ１２の出力、及び第１燃料ポンプ１４の出力を切り替えることにより、図２（ｂ），（ｄ）に示すように、空気量、及び燃料量を第２運転モードでの定格流量に変更する。この操作により、図２（ａ）に示すように、燃料電池１１のセル温度が徐々に上昇する。また、図２（ｃ）に示すように、カソード極１１ａを流れる空気により放出される熱量（放熱量）が上昇する。

そして、図２に示す運転モードの切り替え期間（ｔ０〜ｔ１の期間）では、燃料電池１１に電熱ヒータ等による熱が加えられることにより、図２（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運転モードでの発電に伴う発熱量と空気により放出される熱量とがバランスした状態となると、燃料電池１１のセル温度が第２運転モードでの定格温度に達し、この運転温度で安定する。

このように、運転モードの切り替えは、空気及び燃料ガスと、セルとの熱伝達により徐々にセルの温度を上昇させることにより行われる。従って、運転モードの切り替えを開始してから、実際に運転モードが第１運転モードから第２運転モードに切り替わるまでに長時間（図２に示すｔ０〜ｔ１間）を要することになり、運転モードの切り替えを迅速に行うことが望まれる。

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、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第２運転モードの定格運転時の供給量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）よりも所定流量だけ減量する量とした期間を設けることにより、モード切り替え時におけるセル温度の上昇を促進する。

図３は、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の、運転モード切り替え時における各数値の変化を示す特性図であり、図３（ａ）は燃料電池１１のセル温度、（ｂ）はカソード極１１ａに供給される空気量、（ｃ）はカソード極１１ａに供給される空気への放熱量の変化を示している。

図３（ｂ）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の増加を抑制する。即ち、図２（ｂ）に示したように、即時に第２運転モードの定格流量である第２空気供給量ａ２まで上昇させるのではなく、この第２空気供給量ａ２よりも、所定流量ａ１だけ少ない流量に設定する。そして、時間τ１の経過後、空気量を徐々に上昇させて、第２空気供給量ａ２に達するように制御する。即ち、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量から第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量への変更時に、第１空気供給量を超え、且つ、第２空気供給量ａ２よりも所定流量だけ減量した流量とする時間帯τ１を設けている。

そして、これに伴って、図３（ｃ）に示すように、セルの発電量が増加しているにも関わらずセルから空気へ本来放熱されるべき熱量（放熱量）が一時的に放出されないため、図３（ａ）に示すように、セルからの放熱量が減少する。その分だけ、セル温度の上昇を促進することができる。従って、図３（ａ）に示すように、第１運転モードのセル温度Ｔ１から第２運転モードのセル温度Ｔ２に、短時間で切り替えることができる。即ち、図２に示した時間ｔ０〜ｔ１よりも短い時間である、図３に示す時間ｔ０〜ｔ２で、セル温度をＴ１（６５０℃）から、Ｔ２（７５０℃）に切り替えることができる。

図４は、カソード極１１ａに供給する空気量を減少する割合と、燃料電池１１のセルの温度との関係を示す特性図である。図４において、通常のカソード流量を０％とした場合、−３０％は３０％の減少を示している。そして、図４から理解されるように、カソード極１１ａに供給する空気量の減少量が大きいほど、セル温度は上昇する。例えば、カソード極１１ａに供給する空気量を３０％減少させることにより、セル温度を約５０℃上昇させることができる。従って、第１運転モードと第２運転モードのセルの温度差が仮に５０℃であれば、運転状態切り替え時にカソード空気量を３０％減少させることにより、セル温度を所望の温度まで上昇させることができる。なお、カソード極１１ａに供給する空気には、発電に必要な酸素をセルに供給する重要な役割があるので、空気量を低減する際の最大の低減量は、セルの発電に見合って供給されるアノード極の燃料量に応じた量以上の酸素量を含んでいることを条件として決定される。

図３に示した第１実施形態に対して、図２に示した比較例の場合には、第１運転モードから第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、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量から、即時に第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量に変更している。従って、図２（ｃ）に示すように、カソード極１１ａに供給される空気による放熱量は、即時に第２運転モードでの放熱量に切り替わる。

このため、図２（ａ）に示すように、セル温度は、外部からの熱の供給、即ち外部の加熱装置や、温度上昇された供給ガスからのセルへの伝熱による温度上昇でしか、温度上昇することができない。よって、図２に示すように、第１運転モードから第２運転モードへの切り替えに要する時間が、ｔ０〜ｔ１の時間となり、図３に示したｔ０〜ｔ２の時間よりも長くなってしまう。

即ち、本実施形態では、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に、図３（ｂ）に示すようにカソード極１１ａに供給する空気量の増加を一時的に抑制することにより、セル発熱量の増加分の空気による冷却を低減させることができ、セル温度の上昇を促進させることができる。その結果、運転モードの切り替えに要する時間を短縮することができることとなる。

次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００が第１運転モードで稼働運転している場合、運転モードを第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５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、例えば、１００［ｍsec］のサンプリング周期で実行される。

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（例えば、車速が５０Ｋｍ／ｈ から８０Ｋｍ／ｈ に切り替わった場合）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放熱量（これを、Ｑ２とする）を取得する。この放熱量は、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放熱量を記憶することにより、取得することができる。なお、放熱量とは、カソード極１１ａを供給される空気がセルから持ち去る熱量のことである。

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放熱量（これを、Ｑ１とする）を取得する。この放熱量は、現在のセルの発電量とカソード空気流量、及びセル温度等に基づいて求めることができる。初期的には、第１運転モードとされているので、第１運転モードにおけるセルの放熱量を用いることができる。ここで、放熱量はＱ１＜Ｑ２となる。また、放熱量Ｑ１は、セル温度が上昇することに伴って増加する。

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放熱量Ｑ１，Ｑ２に基づき、これらの差分である放熱量差分値ΔＱ（＝Ｑ２−Ｑ１）を算出する。

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放熱量差分値ΔＱと、予め設定した放熱量閾値Ｑthを比較し、放熱量差分値ΔＱが放熱量閾値Ｑth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に供給する空気の減少量、即ち、第２空気供給量に対して減少させる空気量（所定流量）を計算する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、第２空気供給量ａ２に対して減少させる所定流量ａ１を演算する。この演算では、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う。モデルはカソード極１１ａへの空気の供給にセルの冷却に係わる応答性を補償するものを用いる。また、運転モード切替時における放熱量差分値ΔＱ、即ち、第１空気供給量での放熱量Ｑ１と第２空気供給量での放熱量Ｑ２との差分が小さいほど、所定流量ａ１を小さく設定する。こうすることにより、より早くセル温度を第２運転モードの温度に到達させることができる。

更に、カソード極１１ａに供給する空気量の下限値が、アノード極１１ｂに供給する燃料量に応じて設定される最小供給量以上となるように、所定流量ａ１を設定する。即ち、カソード極１１ａに供給する空気（酸化剤ガス）は、発電に必要とされる酸素を最低限供給する必要があるので、最小供給量を下回ることを防止する。

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減少量だけカソード極１１ａに供給する空気量を抑制するように、第１空気ブロワ１２（図１参照）を制御する。つまり、図３（ｂ）の時刻ｔ０において、カソード空気量を即時に第２空気供給量ａ２にするのではなく、該第２空気供給量ａ２よりも所定流量ａ１だけ少ない空気量に設定する。その後、ステップＳ１０３に処理を戻す。次回のステップＳ１０３では、カソード極１１ａに供給する空気量を低減した運転条件でのセルの放熱量を求め、これを新たな放熱量Ｑ１とする。この際、図３（ａ）に示すように、セル温度は徐々に上昇するので、前回演算時の放熱量よりも、今回演算時の放熱量の方が大きくなる。従って、時間経過に伴い、ステップＳ１０４で求められる放熱量差分値ΔＱは小さい数値になる。即ち、Ｑ２が一定でＱ１が増加するので、放熱量差分値ΔＱは小さくなる。

そして、ΔＱ≦Ｑthであると判断された場合、即ち、放熱量差分値ΔＱが放熱量閾値Ｑth以下になった場合には（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減量を停止する。即ち、「ΔＱ≦Ｑth」であるということは、カソード極１１ａに供給する空気量を、第２運転モードにおける空気供給量である第２空気供給量としても問題は無いものと推定されるので、空気量の減量を停止する。そして、カソード極１１ａに供給する空気量が第２空気供給量ａ２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。

これを、図３（ｂ）の特性図を参照して説明すると、運転モードを切り替えた直後の時刻ｔ０では、第２空気供給量ａ２よりも所定流量ａ１だけ少なくなるように、カソード極１１ａに供給する空気流量が制御される。そして、時間τ１が経過して放熱量差分値ΔＱが閾値Ｑth以下となった場合には、空気量を第２空気供給量ａ２に上昇させる。こうすることにより、時刻ｔ２において、運転モードが第２運転モードに切り替わることになる。

そして、このような制御を行うことにより、カソード極１１ａに供給する空気による放熱量が低減するように制御されるので、第１運転モードのセル温度から第２運転モードのセル温度へ迅速に切り替えることができることとなる。

このようにして、第１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、カソード極１１ａに供給する空気量（酸化剤ガス量）を、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量（第１酸化剤ガス供給量）を超え、且つ、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量ａ２（第２酸化剤ガス供給量）よりも所定流量ａ１だけ減量した流量とする時間帯τ１を設けている。従って、カソード極１１ａに供給される空気に放出される熱量を抑制でき、セル温度の上昇を促進することができる。その結果、第１運転モードから第２運転モードへ切り替える際に、セル温度が速やかに上昇し、早期に第２運転モードへ移行させることができる。

また、運転切替時におけるカソード極１１ａに供給される空気による放熱量と、第２運転モードでのカソード極１１ａに供給される空気による放熱量との放熱量差分値ΔＱに基づいて、所定流量ａ１が決定される。従って、放熱量差分値ΔＱの大きさに応じた好適な所定流量ａ１を設定することができ、迅速に第１運転モードから第２運転モードに切り替えることができる。

更に、放熱量差分値ΔＱが小さいほど、所定流量ａ１が小さくなるように設定するので、第１運転モードでの放熱量と第２運転モードでの放熱量の差分が小さい場合には、所定流量ａ１を小さくすることにより、第２空気供給量に達するまでの時間を短縮化でき、迅速に第１運転モードから第２運転モードに切り替えることができる。

また、放熱量差分値ΔＱが放熱量閾値Ｑth以下となった場合には、空気量の減量を停止するので、即時に第２運転モードへ切り替えることができる。

更に、カソード極１１ａに供給する空気の下限値が、アノード極１１ｂに供給する燃料量に応じて設定される最小供給量以上となるように調整されるので、燃料電池１１にて酸素不足が生じることなく、発電を円滑に実行することが可能となる。

［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６は、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａの構成を示すブロック図である。図６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に計器類を追加した構成である。以下、相違点についてのみ説明する。

図６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を備える。更に、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と、燃料電池１１のアノード極１１ｂの出口に設けられ、該アノード極１１ｂから排出されるガスの温度を測定する出口温度センサＴａoutと、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実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａ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、セル温度の上昇を直接的に制御する。即ち、前述した第１実施形態では、セルの放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、カソード極１１ａに供給する空気量を演算する。なお、以下では、センサを示す符号と、該センサより出力される温度を同一の符号で示すことにする。例えば、入口温度センサＴｃinで測定される温度を、同一の符号Ｔｃinで示す。

また、本実施形態の燃料電池発電システム１００ａでは、各センサＴｃin、Ｔｃout、Ｔｓ、Ｔａoutで検出される温度に基づき、燃料電池１１のセル温度を算出する。即ち、図７に示す４個のセンサＴｃin、Ｔｃout、Ｔｓ、Ｔａoutは、燃料電池１１のセル温度を取得するセル温度取得部としての機能を備えている。

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７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６に示した制御部３１により実行される。この処理は、例えば、１００ｍｓのサンプリング時間で行われる。

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運転モードである場合に、第１運転モードよりもセル温度が相対的に高い第２運転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（例えば、車速が５０Ｋｍ／ｈから８０Ｋｍ／ｈに切り替わった場合）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℃であり、メモリ（図示省略）に予め記憶されている。

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６に示したセパレータ温度センサＴｓで検出されるセパレータ温度Ｔｓに基づき、各温度センサＴｃin、Ｔｃout、Ｔａoutで検出される各温度を考慮して、総合的に決定することができる。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である。

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、これらの差分である温度差分値Δｑ（＝ｑ２−ｑ１）を算出する。

ステップＳ３０５において、制御部３１は、ステップＳ３０３の処理で取得した運転状態値（例えば、カソード極１１ａの出入口の温度、アノード極１１ｂの出入口の温度）に基づき、セルの状態が許容される範囲にあるかを判断する。具体的には、燃料電池１１のセパレータ温度Ｔｓが許容温度以下であることや、アノード出口温度Ｔａoutが予め与えられた温度範囲に収まっていることを確認する。

セルの運転状態値が許容される範囲内である場合には（ステップＳ３０５でＹＥＳ）、ステップＳ３０６に処理を進める。また、セルの運転状態値が許容される範囲内でない場合には（ステップＳ３０５でＮＯ）、ステップＳ３１０に進める。つまり、カソード極１１ａに供給する空気は、発電に必要とされる酸素を供給することを目的としているので、昇温を促進することを目的として空気量を調整することにより、カソード極１１ａで必要とされる酸素が供給できないような状況、即ち、運転モード切替後で、セルの運転状態値が許容される範囲から逸脱する場合には、カソード極１１ａで必要とする空気の供給を優先するので、ステップＳ３１０以降の処理で、供給する空気量の減量を停止する。

ステップＳ３０６において、制御部３１は、ステップＳ３０４の処理で求められた温度差分値Δｑと、予め設定した温度閾値ｑthを比較し、温度差分値Δｑが温度閾値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Ｓ３０６でＮＯ）、ステップＳ３０７において、制御部３１は、カソード極１１ａに供給する空気の減少量、即ち、第２空気供給量に対して減少させる空気量（所定流量）を計算する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、第２空気供給量ａ２に対して減少させる所定流量ａ１を演算する。この演算では、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う。モデルはカソード極１１ａへの空気の供給にセルの冷却に係わる応答性を補償するものを用いる。また、運転モード切替時における温度差分値Δｑ、即ち、第１運転モードでのセル温度ｑ１と第２運転モードでのセル温度ｑ２との差分が小さいほど、所定流量ａ１を小さく設定する。こうすることにより、より早くセル温度を第２運転モードの温度に到達させることができる。

ステップＳ３０８において、制御部３１は、減少させたカソード空気量が、発電に必要な酸素を供給できる空気量（カソード最小流量）以上であるかを判断し、最小流量以上である場合には（ステップＳ３０８でＹＥＳ）、ステップＳ３０９に処理を進める。また、最小流量に満たない場合には（ステップＳ３０８でＮＯ）、ステップＳ３１０に処理を進める。

ステップＳ３０９において、制御部３１は、ステップＳ３０８の処理で求められた減量分だけカソード極１１ａに供給する空気量が減少するように、第１空気ブロワ１２（図６参照）を制御する。その後、ステップＳ３０３に処理を戻す。

一方、ステップＳ３０６の処理で、Δｑ≦ｑthであると判断された場合には（ステップＳ３０６でＹＥＳ）、ステップＳ３１０において、カソード極１１ａへ供給する空気の減量を停止する。即ち、「Δｑ≦ｑth」であるということは、セル温度が上昇して第２運転モードにおけるセル温度に近い温度にあ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運転モードにおける定格流量である第２空気供給量としても問題は無いものと推定されるので、空気の減量を停止する。即ち、第２空気供給量となるように、第１空気ブロワ１２を制御する。その後、ステップＳ３１１において、運転モードの切り替えが終了し、第２運転モードへ移行する。

こうして、第１運転モードから第２運転モードに切り替える際には、カソード極１１ａに供給する空気によるセル温度の低下を低減するように空気量が制御されるので、第１運転モードのセル温度から第２運転モードのセル温度へ迅速に切り替えることができることとなる。

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、これらの差分である温度差分値Δｑに基づいて、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気の減少量である所定流量ａ１を設定する。

つまり、セル温度ｑ１を、各センサで求められる温度Ｔｓ，Ｔｃin，Ｔｃout，Ｔａoutに基づいて演算し、このセル温度ｑ１と、第２運転モードでのセル温度ｑ２との温度差分値Δｑに基づいてカソード極１１ａに供給する空気量の、第２空気供給量ａ２に対する減少量である所定流量ａ１を演算する。

そして、図３に示した時間τ１だけカソード極１１ａに供給する空気量を減量させた後、第２運転モードでのカソード極１１ａに供給する空気量である第２空気供給量に切り替える。従って、前述した第１実施形態と同様に、第１運転モードから第２運転モードへ切り替える際に、セル温度を速やかに上昇させて、早期に第２運転モードへ移行させることができる。

また、前述した第１実施形態では、カソード極１１ａに供給する空気量に基づいて、燃料電池の放熱量Ｑ１を算出し、第２運転モードでの放熱量Ｑ２と比較することにより、カソード極１１ａに供給する空気の減少量を算出した。これに対して、第２実施形態では、燃料電池１１の周囲に設けた各温度センサで検出される温度から、燃料電池１１のセル温度ｑ１を求め、第２運転モードでのセル温度ｑ２と比較することにより、カソード極１１ａに供給する空気の減少量である所定流量ａ１を算出している。従って、前述した第１実施形態よりも、より高精度に空気の減少量である所定流量ａ１を算出でき、運転モード切替時間の短縮化を図ることができる。

更に、温度差分値Δｑが小さいほど、所定流量ａ１が小さくなるように設定するので、第１運転モードでのセル温度ｑ１と第２運転モードでのセル温度ｑ２の差分が小さい場合には、所定流量ａ１を小さくすることにより、第２運転モードのセル温度ｑ２に達するまでの時間を短縮化でき、迅速に第１運転モードから第２運転モードに切り替えることができる。

また、温度差分値Δｑが温度閾値ｑth以下となった場合には、空気量の減量を停止するので、即時に第２運転モードへ切り替えることができる。

更に、運転モードの切り替えを行った後、第２空気供給量に対して空気量を所定流量ａ１だけ減量している際に、システムの運転状態を示す数値が所定範囲を逸脱する場合には、空気量の減量を停止する。従って、カソード極１１ａで必要とされる空気量を確実に供給することが可能となる。

また、前述した第２実施形態では、各温度センサで検出される温度Ｔｓ，Ｔｃin，Ｔｃout，Ｔａoutを用いてセル温度を算出する例について説明したが、これらの温度Ｔｓ，Ｔｃin，Ｔｃout，Ｔａoutを直接的に測定せず、間接的に推定する方法を採用することも可能である。更に、燃料電池１１より出力される電流と電圧を測定し、測定した電流、電圧との関係からセル温度を取得することも可能である。この場合には、燃料電池１１の出力電流を測定する電流計（図示省略）、及び出力電圧を測定する電圧計（図示省略）がセル温度取得部としての機能を有する。このような構成とすれば、セル温度をより簡単な方法で取得することができ、装置構成を簡素化することができる。

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。

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。

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 (5)

1. カソード極に酸化剤ガスが供給され、アノード極に改質燃料が供給されて発電する燃料電池と、
   前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記燃料電池を、第１運転モード、及び該第１運転モードよりも高出力且つ高温度で運転する第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に切り替えるように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記第１運転モードから前記第２運転モードへの運転切替時に、前記カソード極に供給する酸化剤ガス量を、前記第１運転モードでの定格流量である第１酸化剤ガス供給量を超え、且つ、前記第２運転モードでの定格流量である第２酸化剤ガス供給量よりも所定流量だけ減量する流量とした時間帯を設け、
   前記所定流量は、運転切替時にて前記カソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量と、前記第２運転モードでの前記カソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量との差分である放熱量差分値に基づいて設定されること
   を特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記所定流量は、前記放熱量差分値が小さいほど少なくすること
   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. 前記制御部は、前記放熱量差分値が予め設定した放熱量閾値以下になった場合に、前記第２酸化剤ガス供給量に対する酸化剤ガスの減量を停止すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記制御部は、前記カソード極に供給する酸化剤ガスの供給量の下限値が、前記アノード極に供給する燃料量に応じて設定される最小供給量以上となるように設定すること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記制御部は、運転モード切替後で、前記第２酸化剤ガス供給量に対して酸化剤ガスを所定流量だけ減量している際に、システムの運転状態を示す数値が所定範囲を逸脱する場合には、酸化剤ガスの減量を停止すること
   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。

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