JP6382623B2 - 燃料電池システム、燃料電池システムの制御装置、及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池セルが複数組み合わされた燃料電池スタックなどを備えた燃料電池システム、該燃料電池システムの制御装置、及び該燃料電池システムの制御方法に関する。

従来より、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：以下単に燃料電池と記す）としては、固体電解質である固体酸化物層の両面に電極を配した燃料電池セルに対して、酸化剤ガス（通常空気）と燃料ガス（都市ガス等）を供給して発電を行うものが知られている。

また、このような燃料電池では、一個の燃料電池セルで得られる電力量は小さいので、燃料電池セルを複数個使用して燃料電池スタックを構成して大きな電力を得るように設計されている。

ところで、この種の燃料電池においては、発電を好適に行うために、発電部である燃料電池スタックを、例えば７００〜７５０℃といった発電に適した温度範囲に維持する必要がある。

特に、定常運転時の要求負荷変動に伴う発電条件変動の際に、上述した温度範囲の上限を上回った場合には、燃料電池スタックおよび周辺部材の耐久性能が低下するという問題が発生するので、この温度範囲の上限を上限温度とし、発電時には、この上限温度よりも低い温度を発電目標温度（目標温度）として制御することが望ましい。

このような制御の方法として、例えば、下記特許文献１、２の技術が開示されている。これらの従来技術は、いずれも、目標温度に対して燃料電池スタックの温度（スタック温度）が高い場合に空気投入量を増量し、その一部を冷却用空気として燃料電池スタックの温度上昇を抑制するものであり、その制御は、目標温度を外れた際に空気投入量を調整するフィードバック制御である。

特開２０１０−１２３３７４号公報 特開２０１０−０９２８３６号公報

上述したフィードバック制御は、燃料電池スタックを安定な状態を保つためには有効な制御であるが、安定な状態を保つためには、制御対象の状態を正しく監視する必要があるため、下記のような問題が生ずることがあった。

具体的には、燃料電池の発電中には、燃料電池スタック内部（発電部）の温度を測定することが難しいため、燃料電池スタックを支えているフレームなどの周囲の温度からスタック内部（発電部）の温度を推測する方法がとられるが、この場合には、測温部位が燃料電池スタックから離れているため、燃料電池スタックの温度変化に対し測温部位の温度変化に遅れが発生するという問題がある。

例えば、燃料電池スタックから取り出す電流が急激に増加し、燃料電池スタック内部（発電部）の温度が大きく上昇する際には、測温部位までの伝熱に遅延が生じると、燃料電池スタック内部（発電部）の温度が許容温度（上限温度）を上回ってしまう可能性がある。

また、フィードバック制御での空気投入増量によるスタック温度の低下という状態において、測温部位までの伝熱遅延によって測温部位の測定温度が上昇を続けると、過剰に空気投入増量を続けることとなり、燃料電池スタック内部（発電部）の温度が低下し過ぎる可能性がある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、燃料電池に対して適切なタイミング、適切な比率で酸化剤ガスを供給することにより、好適な温度にて発電を行うことができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御装置、及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

（１）本発明（燃料電池の制御装置）は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受け、該燃料ガスと該酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電池の発電の際に、該燃料電池の温度が所定以上に上昇することを抑制するために、該燃料電池に供給する前記酸化剤ガス（Ａ）の前記燃料ガス（Ｈ）に対する比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行う構成を備えており、前記燃料電池の温度が所定の閾温度以上となった場合に、前記増加制御を開始するとともに、該増加制御における前記燃料電池の目標温度と前記燃料電池の温度が安定した安定温度との温度差を求め、前記安定温度が前記目標温度より高い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定し、前記安定温度が前記目標温度より低い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を増加させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定することを特徴とする。

本第１態様では、基本的な動作として、燃料電池スタック等の燃料電池の運転時（発電時）に、燃料電池の温度が過度に上昇することを抑制するために、燃料電池に供給する酸化剤ガス（Ａ）の燃料ガス（Ｈ）に対する比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行う。

そして、この増加制御の際の燃料電池の目標温度と燃料電池の温度が安定した安定温度との温度差を求め、安定温度が目標温度より高い場合には、温度差の分だけ前記所定の閾温度を減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定し、安定温度が目標温度より低い場合には、温度差の分だけ前記所定の閾温度を増加させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定する。

つまり、増加制御の際の供給ガスの比率（Ａ／Ｈ）によって、燃料電池の安定温度と目標温度との温度差が変化すると考えられるので、本発明では、次回の増加制御の際に目標温度に容易に到達できるように、安定温度が目標温度より高い場合には、温度差の分だけ前記所定の閾温度を減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定し、安定温度が目標温度より低い場合には、温度差の分だけ前記所定の閾温度を増加させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定する。

具体的には、例えば後述する図２及び図３に示すように、次回の増加制御を開始する閾温度を変化させることにより、燃料電池の温度を速やかに目標温度域で安定化させることができる。

このように、本発明では、燃料電池の目標温度と燃料電池の安定温度との温度差の分だけ閾温度を増加又は減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定するという簡易な手法で、増加制御の増加開始タイミングを設定できる。

しかも、このように安定温度と目標温度との温度差に基づいて設定した閾温度を用いて増加制御を行うことにより、燃料電池が温度上昇する途中から冷却工程を開始するとともに温度上昇に合わせた冷却量とするため、燃料電池とその温度を測定する測定部位との間で伝熱遅延があっても、過度の温度上昇を抑えられるとともに、過冷却による温度低下を抑制することができるという顕著な効果を奏する。

また、酸化剤ガスを増量し一部を冷却用とすることは、システムの駆動電力の増加につながり発電効率低下につながるため、冷却用の酸化剤ガスの増量はできるだけ少ないほうが望ましいが、本発明は、上述した制御によって、適量の酸化剤ガスを供給できるので、発電効率が高いという利点もある。

なお、ここで、燃料電池とは、燃料電池セルや燃料電池スタック等のように、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行うものであり、燃料電池システムとは、燃料電池を備えるとともに、その燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電させるための構成を備えるものである。

（２）本発明は、第２態様として、前記増加制御を開始した後、前記燃料電池の温度が上昇している場合と下降している場合とで、前記比率（Ａ／Ｈ）の変化量（Ａ／Ｈ変化量）を変更することを特徴とする。

本第２態様では、増加制御を開始した後、即ち増加制御実行中において、燃料電池の温度が上昇している場合と下降している場合とで、供給ガスの比率（Ａ／Ｈ）の変化量（即ち比率（Ａ／Ｈ）を変化させる量であるＡ／Ｈ変化量）を変更するので、例えばＡ／Ｈ変化量の正負やその絶対値を変更するので、燃料電池の温度を好適に目標温度に近づけることができる。

具体的には、増加制御を行った結果、燃料電池の温度が下降に転じた場合には、比率（Ａ／Ｈ）が過大（即ち酸化剤ガスが過剰）であることが考えられる。従って、その様な場合には、比率（Ａ／Ｈ）を減少させることにより燃料電池の温度の過度な下降を抑制するが、Ａ／Ｈ変化量（減少幅）を温度上昇時のＡ／Ｈ変化量（増加幅）よりも小さくすることにより、燃料電池の温度の過度の下降を抑制するとともに、燃料電池の温度が安定する比率（Ａ／Ｈ）を容易に得ることが可能となる。

（３）本発明は、第３態様として、前記燃料電池の温度が目標温度に到達する前と後とで、前記比率（Ａ／Ｈ）の変化量（Ａ／Ｈ変化量）を変更することを特徴とする。
本第４態様では、燃料電池の温度が目標温度に到達する前と後とで、Ａ／Ｈ変化量を変更するので、燃料電池の温度の過度の上昇を抑制することができる。

具体的には、燃料電池の温度が目標温度に到達した後も、同じ比率（Ａ／Ｈ）で酸化剤ガス等を供給すると、燃料電池の温度が過度に上昇する恐れがあるが、目標温度に到達後に、Ａ／Ｈ変化量を大きくする（即ち絶対値を大きくする）ことによって（空気の割合がより大きく増えるので）、燃料電池の温度の過度の上昇を抑制することができる。

（４）本発明は、第４態様として、前記燃料電池から排出される未燃ガスを燃焼部（残ガス燃焼器）にて燃焼させて処理する構成を備えるとともに、前記増加制御にて設定される前記比率（Ａ／Ｈ）が、前記燃焼部における燃焼の失火が発生する直前の限界比率に達した場合には、前記失火が発生しないように、該燃料電池の出力を規定する運転モードを変更することを特徴とする。

本第４態様では、供給ガスの比率（Ａ／Ｈ）で失火が発生する直前の限界比率に達した場合には、酸化剤ガスを増量する制御を行うことが適切でない（このまま増量制御を続けると失火が発生する）と判断して、失火が発生しないように、運転モードを変更して、燃料電池の出力を変更する（例えば最大出力を低減する）。

これによって、増加制御を行う際の失火を防止することができる。なお、最大出力を低減すると、燃料電池の発熱量が減少し、温度調整に必要な空気量を減らすことができるため、失火を防止することができる。

（５）本発明（燃料電池システム）は、第５態様として、前記第１〜第４態様のいずれかに記載の燃料電池システムの制御装置を備えたことを特徴とする。
本第５態様は、燃料電池システムの制御装置を備えた燃料電池システムを例示したものである。

（６）本発明（燃料電池システムの制御方法）は、第６態様として、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて該燃料ガスと該酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池の発電の際に、該燃料電池の温度が所定以上に上昇することを抑制するために、該燃料電池に供給する前記酸化剤ガス（Ａ）の前記燃料ガス（Ｈ）に対する比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行う制御方法であって、前記燃料電池の温度が所定の閾温度以上となった場合に、前記増加制御を開始するとともに、該増加制御における前記燃料電池の目標温度と前記燃料電池の温度が安定した安定温度との温度差を求め、前記安定温度が前記目標温度より高い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定し、前記安定温度が前記目標温度より低い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を増加させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定することを特徴とする。

本第６態様の燃料電池システムの制御方法は、前記第１態様の燃料電池システムの制御装置と同様な作用効果を奏する。
なお、以下では、燃料電池の構成や燃料電池に使用されるガスについて説明する。

・燃料ガスは、酸化剤ガスと反応させて発電を行うためのガスであり、この燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。これらの燃料ガスは１種類のみを用いても良いし、２種以上を併用してもよい。また５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有してもよい。

・酸化剤ガスは、燃料ガスと反応させて発電を行うためのガスであり、酸素を含む空気等のガスであり、この酸化剤ガスとしては、酸素を含む空気等のガスなど、酸素と他の気体との混合ガス等を用いることができる。更に、この混合ガスには、８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有してもよい。これらの酸化剤ガスのうち、空気が好ましい。

・燃料電池としては、固体電解質体（固体酸化物体）に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを複数個用いた燃料電池スタックを採用できる。
この固体酸化物体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。

この固体酸化物体の材料としては、例えばジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料ではイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）を挙げることができ、一般的にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用される例が多い。セリア系材料ではいわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料ではランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物など、周知の固体酸化物が挙げられる。

実施例１の燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池システムの制御の内容（安定温度＞目標温度の場合）を示す説明図である。 実施例１の燃料電池システムの制御の内容（安定温度＜目標温度の場合）を示す説明図である。 実施例１の燃料電池システムの制御処理（１回目の処理）を示すフローチャートである。 実施例１の燃料電池システムの制御処理（２回目以降の処理）を示すフローチャートである。 実施例２の燃料電池システムの制御の内容を示す説明図である。 実施例２の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 実施例３の燃料電池システムの制御の内容を示す説明図である。 実施例３の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 実施例４の燃料電池システムの制御の内容を示す説明図である。 実施例４の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 Ａ／Ｈ変化量の変化を示すグラフである。

以下、本発明が適用された燃料電池システムとして、固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記す）を備えた燃料電池システムの実施例について、図面を用いて説明する。

ａ）まず、本実施例１の燃料電池システムの構成について、図１に基づいて説明する。
図１に模式的に示す様に、本実施例１の燃料電池システム１は、燃料電池スタック３と、改質器５と、残ガス燃焼器７と、第１ポンプ９と、第２ポンプ１１と、第３ポンプ１３と、出力変換装置１５と、制御装置１７と、スタック電流計１８と、を備えている。なお、燃料電池スタック３と、改質器５と、残ガス燃焼器７とから、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュール１９が構成されている。

以下、各構成について説明する。
前記燃料電池スタック３は、図示しないが、板状の燃料電池セルが、その板厚方向に複数積層された発電部である。なお、燃料電池セルは、周知のように、板状の固体電解質体（固体酸化物体）の各主面に燃料極と空気極とが形成されるとともに、燃料極側に燃料ガス（例えば都市ガス）が供給される燃料ガス流路と、空気極側に酸化剤ガス（例えば空気）が供給される空気流路とが設けられたものである。

この燃料電池スタック３（詳しくは各燃料電池セル）では、外部から燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応することによって、発電を行って、その電力を出力変換装置１５に供給することができる。

なお、燃料電池スタック３の外側部分（例えば燃料電池スタック３を外部から支持する図示しないフレーム）には、燃料電池スタック３の温度を検出するスタック温度計２１が取り付けられている。

前記改質器５は、改質前の燃料ガス（原燃料ガス）と水とから、水素リッチの燃料ガスに改質する装置であり、この改質器５にて改質された燃料ガスは、燃料電池スタック３の各燃料電池セルの燃料極側に供給される。

前記残ガス燃焼器７は、燃料電池スタック３から排出された残ガスである未燃ガス（残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス）を燃焼させる装置（燃焼部）であり、この残ガス燃焼器７で燃焼された排気ガスは、外部に排出される。

前記第１ポンプ９は、外部から導入される酸化剤ガスを、燃料電池スタック３の各燃料電池セルの空気極側に供給する装置である。
前記第２ポンプ１１は、外部から導入される改質水を、改質器５に供給する装置である。

前記第３ポンプ１３は、外部から導入される燃料ガス（原燃料ガス）を、改質器５に供給する装置である。
前記出力変換装置１５は、燃料電池スタック３から得られる電力を、例えば家庭用等の配線に供給できるように、その直流の出力を交流の出力に変換する装置である。

前記スタック電流計１８は、燃料電池スタック３に流れる電流（スタック電流）、従って、燃料電池スタック３から出力変換装置１５に供給される電流の値（電流値）を測定する装置である。

前記制御装置１７は、図示しないが、周知のＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。
この制御装置１７では、スタック電流計１８からのスタック電流を示す信号と、スタック温度計２１からのスタック温度（燃料電池スタック３の温度）を示す信号を入力し、燃料電池スタック３の温度や発電の状態（出力）を制御するために、第１〜第３ポンプ１１〜１５に対して、その動作を制御する信号を出力するとともに、出力変換装置１５に対して、燃料電池スタック３の目標出力を設定する。

ｂ）次に、上述した燃料電池システム１にて実施される制御の内容について、図２及び図３に基づいて説明する。
なお、図２及び図３において、上限温度（例えば７４０℃）とは、燃料電池スタック３の温度の許容範囲の最大値である。目標温度とは、燃料電池スタック３の温度を制御するための目標値である。閾温度とは、温度が上昇する場合に、その温度上昇を抑制するために比率（Ａ／Ｈ）を増加させる制御（増加制御）を開始するための判定値（判定温度）である。通常時Ａ／Ｈとは、比率（Ａ／Ｈ）を増加させる制御を行う前の通常の制御値（初期値：例えば２．９）である。

また、図２及び図３（及び下記図６、図８）において、太線が温度を示し、細線が制御Ａ／Ｈ（即ち比率（Ａ／Ｈ））を示している。
まず、図２の上図に示すように、燃料電池スタック３に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うと、その発電に伴って徐々に温度が上昇する。

そこで、燃料電池スタック３の温度が（許容範囲を超えて）過度に上昇しないように、その温度上昇を抑制する制御を行う。詳しくは、燃料電池スタック３の温度が許容範囲の上限を超えないように（実際には、許容範囲内の目標温度に達するように）、酸化剤ガスの供給量（Ａ）と燃料ガスの供給量（Ｈ）との比率（Ａ／Ｈ）を、例えば一定量ずつ徐々に増加させる。即ち、所定時間毎に判定して、一度にＡ／Ｈ変化量ずつ変化させる。なお、この比率（Ａ／Ｈ）は（同温同圧における）体積比である。

この供給ガスの比率（Ａ／Ｈ）が増加すると、発電に使用されない酸化剤ガスの量（空気量）が増えるため、燃料電池スタック３からの熱の持ち出しが増え、燃料電池スタック３の温度が低下する。

そして、定格出力（最大出力：例えば７００Ｗ）の状態で温度上昇がなくなったときの安定した温度を安定温度とする。
また、安定温度（例えば７３０℃）と目標温度（例えば７２０℃）との差（ΔＴ：例えば１０℃）から、次回の温度上昇時（負荷変動時で次回の要求電力が定格となるような場合）に行われる（温度上昇を抑制するための）比率（Ａ／Ｈ）を徐々に増加させる増加制御を開始する時期を決定する。即ち、増加制御を開始する際の増加開始タイミングを決める閾温度（例えば７００℃）を決定する。

具体的には、図２の場合は、図２の上図に示すように、安定温度が目標温度より高くなったので、図２の下図に示すように、次回の増加開始タイミングを早くする。詳しくは、安定温度が目標温度よりΔＴ高い場合には、閾温度をΔＴ（例えば１０℃）だけ下げることによって（即ち閾温度を例えば６９０℃に下げることによって）、次回の増加開始タイミングを早くする。

これによって、次回の増加制御の際には、温度のオーバーシュートを抑制して、今回よりも速やかに目標温度に到達する。
逆に、図３の上図に示すように、安定温度が目標温度より（例えば５℃）低い場合には、図３の下図に示すように、次回の増加開始タイミングを遅くする。詳しくは、安定温度が目標温度よりΔＴ（例えば５℃）だけ低い場合には、閾温度をΔＴ（例えば５℃）だけ上げることによって（即ち閾温度を例えば７０５℃に上げることによって）、次回の増加開始タイミングを遅くする。

これによって、次回の増加制御の際には、今回より速やかに目標温度域で安定する。
ｃ）次に、前記制御装置１７にて行われる制御処理について、図４（１回目の処理）及び図５（２回目以降の処理）に基づいて説明する。

＜１回目の処理＞
本処理は、比率（Ａ／Ｈ）を徐々に増加させ、燃料電池スタック３の温度が安定した場合に、次回の閾温度（従って次回の増加開始タイミング）を設定するための処理である。

図４に示すように、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、スタック温度計２１からの信号に基づいて、現在の燃料電池スタック３の温度（スタック温度）を取得する。
続くステップ１１０では、現在のスタック温度が閾温度以上か否かを判定する。ここで閾温度以上であると判断されるとステップ１２０に進み、一方閾温度未満であると判断されると前記ステップ１００に戻る。なお、ここでの閾温度は、初期値（初回の値である標準閾温度）である。

ステップ１２０では、補正後の制御比率（Ａ／Ｈ）を算出するために必要な補正Ａ／Ｈを算出する。この補正Ａ／Ｈとは、図３の上図に示すように、初期値である通常時Ａ／Ｈに対して、経過時間に対応して徐々に（所定時間毎に所定分、即ちＡ／Ｈ変化量ずつ）比率（Ａ／Ｈ）を増加させたものである。

つまり、所定時間前（前回の補正Ａ／Ｈの演算時）の比率（Ａ／Ｈ）に対して、所定時間毎に、所定の増量分（Ａ／Ｈ変化量：ΔＡ／Ｈ）だけ加算する処理を行って順次補正Ａ／Ｈを算出するものである。

続くステップ１３０では、実際に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給する補正後の制御比率（補正後の制御比率＝通常時Ａ／Ｈ＋補正Ａ／Ｈ）の算出を行う。
続くステップ１４０では、制御Ａ／Ｈに基づいて、酸化剤ガスの割合（従って酸化剤ガスの流量）を増加させる増加制御を行う。

続くステップ１５０では、温度が安定したか否かの判定を行う。ここで肯定判断された場合には、ステップ１６０に進み、一方否定判断されるとステップ１２０に戻る。
ステップ１６０では、前記図２及び図３に示すように、現在の閾温度に、安定温度と目標温度との差（ΔＴ）を加算（又は減算）した値を、次回の閾温度として設定し、一旦本処理を終了する。

なお、上述したように、目標温度＜安定温度の場合（図２参照）には、閾温度からΔＴが減算されて閾温度が下がり、逆に、目標温度＞安定温度の場合（図３参照）には、閾温度にΔＴが加算されて閾温度が上がる。

＜２回目以降の処理＞
本処理は、前記第１回目の処理の後に、再度比率（Ａ／Ｈ）を徐々に増加させ、燃料電池スタック３の温度が安定した場合に、次回の閾温度（従って次回の増加開始タイミング）を設定するための処理である。

図５に示すように、まず、ステップ２００にて、スタック温度計２１からの信号に基づいて、現在のスタック温度を取得する。
続くステップ２１０では、現在のスタック温度が閾温度以上か否かを判定する。ここで閾温度以上であると判断されるとステップ２２０に進み、一方閾温度未満であると判断されると前記ステップ２００に戻る。なお、ここでの閾温度は、前回の＜１回目の処理＞のステップ１６０にて設定された閾温度である。

ステップ２２０では、補正Ａ／Ｈを算出する。
続くステップ２３０では、実際に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給する補正後の制御比率（補正後の制御比率＝通常時Ａ／Ｈ＋補正Ａ／Ｈ）の算出を行う。

続くステップ２４０では、制御Ａ／Ｈに基づいて、酸化剤ガスの割合（従って酸化剤ガスの流量）を増加させる増加制御を行う。
続くステップ２５０では、定格出力の状態で、温度が安定か否かの判定を行う。ここで肯定判断された場合には、ステップ２６０に進み、一方否定判断されるとステップ２２０に戻る。

ステップ２６０では、現在の閾温度に、安定温度と目標温度との差（ΔＴ）を加算（又は減算）した値を、次回の閾温度として設定し、一旦本処理を終了する。
その後は、本処理を繰り返して温度制御を行う。

このときも、現在の閾温度に、安定温度と目標温度との差（ΔＴ）を加算（又は減算）した値を、次回の閾温度として設定する。
ｄ）次に、本実施例１の効果を説明する。

本実施例１では、基本的な動作として、燃料電池システム１を作動させて発電を行う場合に、燃料電池スタック３の温度が過度に上昇することを抑制するために、燃料電池スタック３に供給する酸化剤ガスと燃料ガスとの比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行う。

そして、この増加制御の際に、燃料電池スタック３の温度が所定の時間の間、一定であった場合には、この温度を安定温度と判定し、この安定温度と（増加制御における）燃料電池スタック３の目標温度との差（温度差）を求め、この温度差に基づいて、次回の増加制御の際に上述した供給ガスの比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加開始タイミングを調節する。なお、ここでは、温度が所定の（一定とみなせる）温度幅の範囲内である場合に、一定であると判断している。

詳しくは、安定温度と目標温度との差に基づいて、閾温度を変更し、これによって、増加開始タイミングを調節している。具体的には、前記図２及び図３に示すように、次回の増加開始タイミングを早めたり遅くすることにより、燃料電池スタック３の温度が目標温度をオーバーシュートしたり目標温度に達しない事態を回避することができ、速やかに目標温度に到達することができる。

このように、本実施例１によれば、従来よりも簡易な手法で増加開始タイミングを設定できる。
しかも、安定温度と目標温度との差に基づいて設定した増加開始タイミングにて増加制御を行うことにより、燃料電池が温度上昇する途中から冷却工程を開始するとともに温度上昇に合わせた冷却量とするため、燃料電池スタック３とその温度を測定する測定部位との間で伝熱遅延があっても、過度の温度上昇を抑えられるとともに、過冷却による温度低下を抑制することができるという顕著な効果を奏する。

また、酸化剤ガスを増量し一部を冷却用とすることは、燃料電池システム１の駆動電力の増加につながり発電効率低下につながるため、冷却用の酸化剤ガスの増量はできるだけ少ないほうが望ましいが、本実施例１では、上述した制御によって、適量の酸化剤ガスを供給できるので、発電効率が高いという利点もある。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容については、その説明は省略する。
なお、実施例２と実施例１とはハード構成は同じであるので、ハード構成の各部材の番号は、実施例１と同じものを使用する。

図６に示すように、本実施例２では、燃料電池スタック３の温度が目標温度に達していない場合に、温度が低下に転じた場合の制御について説明する。
増加制御は、上述したように、燃料電池スタック３の温度上昇時において、正のＡ／Ｈ変化量（以下第１Ａ／Ｈ変化量と呼ぶ）を所定時間毎に補正し、即ち比率Ａ／Ｈを増加させる制御であるが、増加制御実行中においてスタック温度が低下に転じた場合には、現在の比率Ａ／Ｈが過大（酸化剤ガスの過剰）であると判断し、負のＡ／Ｈ変化量（以下、第２Ａ／Ｈ変化量と呼ぶ）を補正することにより、制御比率（Ａ／Ｈ）を徐々に低下させる増加制御（補正Ａ／Ｈは小さくなるが、制御Ａ／Ｈは、通常Ａ／Ｈ＋補正Ａ／Ｈなので、実際に制御する比率Ａ／Ｈは通常Ａ／Ｈより大きい）を行う。

このとき、上昇時の第１Ａ／Ｈ変化量（例えば０．００５／℃）の絶対値は、温度低下時における第２Ａ／Ｈ変化量（例えば０．００２５／℃）の絶対値より大きく設定している。図６において、温度上昇時の制御Ａ／Ｈの傾きと、下降時の傾きを比較したときに、後者の方が勾配が緩くなるように設定している（図１２参照）。

具体的には、温度上昇時には、制御Ａ／Ｈが増加するように制御するが、温度下降時には、制御Ａ／Ｈが徐々に低下するように制御する。
つまり、燃料電池スタック３の温度が目標温度に達しない前に低下するのは、比率（Ａ／Ｈ）が過大に設定された可能性があるので、燃料電池スタック３の温度が急速に低下することを防いで、上述したように、低下前より制御Ａ／Ｈを小さくするように制御するが、Ａ／Ｈ変化量（第２Ａ／Ｈ変化量）の絶対値が大き過ぎると、今度は再び温度が上昇する可能性があるため、速やかに安定温度に到達させるために、第２Ａ／Ｈ変化量の絶対値を小さく設定している。
次に、本実施例２における制御処理を説明する。
図７に示すように、ステップ３００にて、スタック温度計２１からの信号に基づいて、現在のスタック温度を取得する。

続くステップ３１０では、現在のスタック温度が閾温度以上か否かを判定する。ここで閾温度以上であると判断されるとステップ３２０に進み、一方閾温度未満であると判断されると前記ステップ３００に戻る。なお、ここでの閾温度は、前回の処理にて設定された閾温度である。

ステップ３２０では、スタック温度が上昇中か下降中かの判定を行う。ここで、上昇中であると判定されるとステップ３４０に進み、一方、下降中であると判定されるとステップ３３０に進む。

ステップ３３０では、温度が下降中であるので、温度下降時の変化分（減量分）として第２Ａ／Ｈ変化量を設定し、ステップ３５０に進む。なお、前述のように、Ａ／Ｈ変化量の絶対値は、温度上昇時の第１Ａ／Ｈ変化量＞温度下降時の第２Ａ／Ｈ変化量である。

一方、ステップ３４０では、温度が上昇中であるので、温度上昇時の変化分（増量分）として第１Ａ／Ｈ変化量を設定し、ステップ３５０に進む。
ステップ３５０では、各Ａ／Ｈ変化量を用いて補正Ａ／Ｈを算出する。

具体的には、温度上昇時には、所定期間毎に設定する増量分として（ステップ３４０で設定された）温度上昇時の第１Ａ／Ｈ変化量（例えば０．００５／℃）を用い、そのＡ／Ｈ変化量を前回（即ち所定期間前）の補正Ａ／Ｈに加算して、今回の補正Ａ／Ｈを算出する。

一方、温度下降時には、所定期間毎に設定する減量分として（ステップ３３０で設定された）温度下降時の第２Ａ／Ｈ変化量（例えば０．００２５／℃）を用い、今回の補正Ａ／Ｈを算出する。

続くステップ３６０では、前記ステップ３５０にて設定した補正Ａ／Ｈを用いて、酸化剤ガス及び燃料ガスを供給する制御Ａ／Ｈを算出する。なお、この場合も、制御Ａ／Ｈは通常時Ａ／Ｈより大きいので増量制御となる。

続くステップ３７０では、制御Ａ／Ｈに基づき、供給ガス量を制御する。
続くステップ３８０では、定格出力の状態で、温度が安定したか否かの判定を行う。ここで肯定判断された場合には、ステップ３９０に進み、一方否定判断されるとステップ３２０に戻る。

ステップ３９０では、現在の閾温度に、安定温度と目標温度との差（ΔＴ）を加算（又は減算）した値を、次回の閾温度として設定し、一旦本処理を終了する。
従って、本実施例２では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料電池スタック３の温度が目標温度に到達する前にスタック温度が上昇から低下に変化した場合には、供給ガスの比率（Ａ／Ｈ）を、温度上昇時と同様の変化量で変化させるのではなく、（温度上昇時よりは）小さく変化させるように制御している。

これによって、燃料電池スタック３の温度が急速に低下することを防止するとともに、速やかに安定温度に到達させることができるという利点がある。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容については、その説明は省略する。
なお、実施例３と実施例１とはハード構成は同じであるので、ハード構成の各部材の番号は、実施例１と同じものを使用する。

図８に示すように、本実施例３では、目標温度を超えた場合の制御について説明する。
燃料電池スタック３の温度が目標温度に到達する前のＡ／Ｈ変化量（第１Ａ／Ｈ変化量：例えば０．００５／℃）と、到達後のＡ／Ｈ変化量（第３Ａ／Ｈ変化量：例えば０．０１／℃）との絶対値（大きさ）が異なるように設定している。具体的には、到達前の第１Ａ／Ｈ変化量よりも、到達後の第３Ａ／Ｈ変化量を大きくする。

つまり、燃料電池スタック３の温度が目標温度に達した後は、速やかに温度を低下させる必要があるので、上述したように、目標温度に到達する前よりＡ／Ｈ変化量を大きくするように設定している。
次に、本実施例３における制御処理を説明する。

図９に示すように、ステップ４００にて、スタック温度計２１からの信号に基づいて、現在のスタック温度を取得する。
続くステップ４１０では、現在のスタック温度が閾温度以上か否かを判定する。ここで閾温度以上であると判断されるとステップ４２０に進み、一方閾温度未満であると判断されると前記ステップ４００に戻る。なお、ここでの閾温度は、前回の処理にて設定された閾温度である。

ステップ４２０では、スタック温度が上昇中か下降中かの判定を行う。ここで、下降中であると判定されるとステップ４３０に進み、一方、上昇中であると判定されるとステップ４４０に進む。

ステップ４３０では、温度が下降中であるので、温度下降時の変化分（減量分）として第２Ａ／Ｈ変化量を設定し、ステップ４７０に進む。
一方、ステップ４４０では、温度が上昇中であるので、現在のスタック温度が目標温度未満か以上かの判定を行う。ここで、目標温度未満であると判定されるとステップ４５０に進み、一方、目標温度以上であると判定されるとステップ４６０に進む。

ステップ４５０では、現在のスタック温度が目標温度未満であるので、温度の（目標温度未満における）上昇時の増量分として第１Ａ／Ｈ変化量を設定し、ステップ４７０に進む。

一方、ステップ４６０では、現在のスタック温度が目標温度以上であるので、温度の（目標温度以上における）上昇時の増量分として第３Ａ／Ｈ変化量を設定し、ステップ４７０に進む。

なお、Ａ／Ｈ変化量の大きさ（絶対値）は、第２Ａ／Ｈ変化量（温度下降時）＜第１Ａ／Ｈ変化量（目標温度域以下での温度上昇時）＜第３Ａ／Ｈ変化量（目標温度超時の温度上昇時）である。

ステップ４７０では、前記第１〜第３Ａ／Ｈ変化量（ΔＡ／Ｈ）のいずれかを用いて補正Ａ／Ｈを算出する。
具体的には、スタック温度が上昇から下降に転じた場合には、所定期間毎に第２Ａ／Ｈ変化量を用い、今回の補正Ａ／Ｈを算出する。

また、スタック温度の上昇中で目標温度到達前の場合は、所定期間毎に設定する増量分として、第１Ａ／Ｈ変化量を用い、そのＡ／Ｈ変化量を前回（即ち所定期間前）の補正Ａ／Ｈに加算して、今回の補正Ａ／Ｈを算出する。

更に、スタック温度の上昇中で目標温度到達後は、所定期間毎に設定する増量分として、第３Ａ／Ｈ変化量を用い、そのＡ／Ｈ変化量を前回（即ち所定期間前）の補正Ａ／Ｈに加算して、今回の補正Ａ／Ｈを算出する。

続くステップ４８０では、制御Ａ／Ｈを算出する。
続くステップ４９０では、制御Ａ／Ｈに基づいて、酸化剤ガス及び燃料ガスを供給する制御（即ち、酸化剤ガスの割合を増加させる増加制御）を行う。

続くステップ５００では、定格出力の状態で、温度が安定したか否かの判定を行う。ここで肯定判断された場合には、ステップ５１０に進み、一方否定判断されるとステップ４２０に戻る。

ステップ５１０では、現在の閾温度に、安定温度と目標温度との差（ΔＴ）を加算（又は減算）した値を、次回の閾温度として設定し、一旦本処理を終了する。
従って、本実施例３では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料電池スタック３の温度が目標温度に到達した後のＡ／Ｈ変化量を、到達前のＡ／Ｈ変化量よりも大きく設定している。

これによって、燃料電池スタック３の温度が目標温度より過度に上昇することを防止して、速やかに目標温度に近づけることができる。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容については、その説明は省略する。
なお、実施例４と実施例１とはハード構成は同じであるので、ハード構成の各部材の番号は、実施例１と同じものを使用する。

図１０に示すように、本実施例４では、増加制御にて設定される比率（Ａ／Ｈ）が、残ガス燃焼器７における燃焼の失火が懸念される限界比率に達した場合には、燃料電池スタック３における出力を抑制するように、燃料電池スタック３の出力（定格出力）を規定する運転モードを変更する。

つまり、燃料電池スタック３から排出される未燃ガスを残ガス燃焼器７で燃焼させる構成の場合には、比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行うと、残ガス燃焼器７での失火が懸念される。そこで、本実施例４では、失火が懸念される比率（Ａ／Ｈ）を限界Ａ／Ｈ（例えば３．３）として設定し、ガス供給を制御するＡ／Ｈが限界Ａ／Ｈに達した場合には、増加制御による温度調節ができないと判断して、最大出力を抑えるように（ΔＷ（例えば７０Ｗ）低下させるように）運転モードを切り替える。

これによって、燃料電池スタック３の温度が過度に上昇しないように（又は低下させるように）している。
なお、限界Ａ／Ｈは、失火が発生するＡ／Ｈではなく、失火が発生する直前の比率Ａ／Ｈであり、（失火Ａ／Ｈ−余裕度λ）のようにして設定することができる。ここで、余裕度λ（例えば０．２）とは、残ガス燃焼を失火させないための制御量のマージンのことである。
次に、本実施例４における制御処理を説明する。
図１１に示すように、ステップ６００にて、スタック温度計２１からの信号に基づいて、現在のスタック温度を取得する。

続くステップ６１０では、現在のスタック温度が閾温度以上か否かを判定する。ここで閾温度以上であると判断されるとステップ６２０に進み、一方閾温度未満であると判断されると前記ステップ６００に戻る。なお、ここでの閾温度は、前回の処理にて設定された閾温度である。

ステップ６２０では、前記実施例１と同様にして補正Ａ／Ｈを算出する。つまり、所定期間毎に設定する増量分として、Ａ／Ｈ変化量を用い、そのＡ／Ｈ変化量を前回（即ち所定期間前）の補正Ａ／Ｈに加算して、今回の補正Ａ／Ｈを算出する。

続くステップ６３０では、制御Ａ／Ｈ（＝通常時Ａ／Ｈ＋補正Ａ／Ｈ）を算出する。
続くステップ６４０では、制御Ａ／Ｈが限界Ａ／Ｈ未満か限界Ａ／Ｈ以上かを判定する。ここで限界Ａ／Ｈ以上であると判断されるとステップ６５０に進み、一方限界Ａ／Ｈ未満であると判断されるとステップ６６０に進む。なお、ここでの閾温度は、前回の処理にて設定された閾温度である。

ステップ６５０では、制御Ａ／Ｈが限界Ａ／Ｈ以上であるので、定格出力を低減するように、運転モードを切り替える。例えば、酸化剤ガスと燃料ガスの全流量を低減するように運転モードを切り替える。

一方、ステップ６６０では、制御Ａ／Ｈに基づいて、酸化剤ガス及び燃料ガスを供給する制御（即ち、酸化剤ガスの割合を増加させる増加制御）を行う。
続くステップ６７０では、定格出力の状態で、温度が安定したか否かの判定を行う。ここで肯定判断された場合には、ステップ６８０に進み、一方否定判断されるとステップ６２０に戻る。

ステップ６８０では、現在の閾温度に、安定温度と目標温度との差（ΔＴ）を加算（又は減算）した値を、次回の閾温度として設定し、一旦本処理を終了する。
従って、本実施例４では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、設定する比率（Ａ／Ｈ）である制御Ａ／Ｈが限界Ａ／Ｈに達した場合には、定格出力を低下させるように運転モードを切り替えるので、酸化剤ガスの過剰による失火を防止することができる。

なお、定格出力を低下させると、燃料電池の発熱量が減少し、温度調整に必要な空気量を減らすことができるため、失火を防止することができる。
［特許請求の範囲と実施例との関係］
特許請求の範囲の燃料電池は実施例の燃料電池スタックに、燃焼部は残ガス燃焼器に該当する。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるもので
はなく、種々の態様を採ることができる。
（１）燃料電池スタックとしては、平板状の燃料電池セルが積層された平板状（又はブロック）のものや、円筒形状の燃料電池セルが集積されたもの、扁平形状の燃料電池セルが集積されたものなど、各種の形状のものが挙げられる。

（２）また、本発明は、固体酸化物形燃料電池に限らず、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形等にも適用することができる。

１…燃料電池システム
３…燃料電池スタック
５…改質器
７…残ガス燃焼器
９、１１、１３…ポンプ
１５…出力変換装置
１７…制御装置
１９…ＳＯＦＣモジュール

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受け、該燃料ガスと該酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御装置において、
   前記燃料電池の発電の際に、該燃料電池の温度が所定以上に上昇することを抑制するために、該燃料電池に供給する前記酸化剤ガス（Ａ）の前記燃料ガス（Ｈ）に対する比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行う構成を備えており、
   前記燃料電池の温度が所定の閾温度以上となった場合に、前記増加制御を開始するとともに、該増加制御における前記燃料電池の目標温度と前記燃料電池の温度が安定した安定温度との温度差を求め、
   前記安定温度が前記目標温度より高い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定し、
   前記安定温度が前記目標温度より低い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を増加させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 前記増加制御を開始した後、前記燃料電池の温度が上昇している場合と下降している場合とで、前記比率（Ａ／Ｈ）の変化量（Ａ／Ｈ変化量）を変更す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の制御装置。
3. 前記燃料電池の温度が目標温度に到達する前と後とで、前記比率（Ａ／Ｈ）の変化量（Ａ／Ｈ変化量）を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記燃料電池から排出される未燃ガスを燃焼部にて燃焼させて処理する構成を備えるとともに、
   前記増加制御にて設定される前記比率（Ａ／Ｈ）が、前記燃焼部における燃焼の失火が発生する直前の限界比率に達した場合には、前記失火が発生しない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システムの制御装置。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて該燃料ガスと該酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の発電の際に、該燃料電池の温度が所定以上に上昇することを抑制するために、該燃料電池に供給する前記酸化剤ガス（Ａ）の前記燃料ガス（Ｈ）に対する比率（Ａ／Ｈ）を増加させる増加制御を行う制御方法であって、
   前記燃料電池の温度が所定の閾温度以上となった場合に、前記増加制御を開始するとともに、該増加制御における前記燃料電池の目標温度と前記燃料電池の温度が安定した安定温度との温度差を求め、
   前記安定温度が前記目標温度より高い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を減少させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定し、
   前記安定温度が前記目標温度より低い場合には、前記温度差の分だけ前記所定の閾温度を増加させた値を、次回の増加制御の開始の判定に用いる閾温度として設定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。