JP6477892B2 - 燃料電池システム及び燃料電池制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池制御方法に関する。
一般的な固体電解質型燃料電池は、冷機時始動には昇温時間が必要となり、従来の燃料電池システムは主として冷機時始動頻度が少ない定置型に用いられてきた。しかし、燃料電池システムを車両などの移動体に適用したいという要望は多く、特許文献１は移動体に求められる急速起動性と大出力を両立するため小型燃料電池スタックと大型燃料電池スタックを備えた多段式燃料電池スタックを提案している。
欧州特許ＥＰ１５０７３０２号公報
ところで、特許文献１では、小型燃料電池スタックと大型燃料電池スタックの燃料配管が直列に接続されている。このため前段の小型燃料電池スタックには、燃料電池システム全体で使用する改質ガスとがまとめて供給される。この結果、小型燃料電池スタックの発電時に改質ガス中に含まれる多量のメタンが大きな吸熱反応を起こし、小型燃料電池スタックの温度維持が困難となる。このため、発電用空気を小型燃料電池スタック動作温度以上に加熱する必要があり、燃料電池システム全体の発電効率が低下するという問題が発生する。
本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、発電用空気を加熱するための燃料導入を低減し、発電効率を高めることができる燃料電池システム及び燃料電池制御方法を提供することである。
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料を改質し、改質ガスを前段燃料電池に供給し、前段燃料電池の発熱量及び吸熱量を取得し、取得した発熱量より吸熱量が大きい場合、前段燃料電池の電流量、改質器へ供給する空気流量、または前段燃料電池の温度のうち少なくとも１つを制御する。
本発明によれば、発電用空気を加熱するための燃料導入を低減し、発電効率を高めることができる。
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図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、改質効率ηｒｅｆとＯ２／Ｃとの関係を示すマップ図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、吸熱量ＱＤＲと（Ｏ２＋Ｉ１Ｎ１／４Ｆ）／Ｃとの関係を示すマップ図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、発電効率ηＦＣとＩ１Ｎ１／（Ｉ１Ｎ１＋Ｉ２Ｎ２）との関係を示すマップ図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、発熱量Ｑ１とＩ１Ｎ１／（Ｉ１Ｎ１＋Ｉ２Ｎ２）との関係を示すマップ図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作例を説明するフローチャートである。 図７は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作例を説明するフローチャートである。 図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムで参照する、発電効率ηＦＣとＩ１Ｎ１／（Ｉ１Ｎ１＋Ｉ２Ｎ２）との関係を示すマップ図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係る吸熱量ＱＤＲと（Ｏ２＋Ｉ１Ｎ１／４Ｆ）／Ｃとの関係を示すマップ図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る発電効率ηＦＣとＩ１Ｎ１／（Ｉ１Ｎ１＋Ｉ２Ｎ２）との関係を示すマップ図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る発熱量Ｑ１とＩ１Ｎ１／（Ｉ１Ｎ１＋Ｉ２Ｎ２）との関係を示すマップ図である。 図１２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１の動作例を説明するフローチャートである。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１の動作例を説明するフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
［第１実施形態］
図１を参照して第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成を説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、アノード１０ａ及びカソード１０ｂを備えた前段燃料電池１０と、アノード１１ａ及びカソード１１ｂを備えた後段燃料電池１１と、改質器１２を備える。改質器１２から送出される改質ガスは、アノード１０ａに供給され、さらに燃料流路１６を介してアノード１１ａにも供給される。
また、燃料電池システム１は、改質器１２に新規原燃料を供給する燃料ポンプ１３と、改質器１２、カソード１０ｂ、及びカソード１１ｂに空気を供給する空気ブロワ１４と、前段燃料電池１０と後段燃料電池１１とに接続する負荷１５と、制御部２０を備える。さらに、燃料電池システム１は、改質器１２の温度Ｔｒｅｆを検出する温度センサＳ１と、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を検出するセンサＳ２（取得手段）と、後段燃料電池１１の温度Ｔ２を検出する温度センサＳ３を備える。
前段燃料電池１０及び後段燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。前段燃料電池１０及び後段燃料電池１１は、アノード１０ａ及びアノード１１ａに供給される改質ガスと、カソード１０ｂ及びカソード１１ｂに供給される空気を反応させて電力を発生させ、この電力を負荷１５に供給する。
改質器１２は、蒸発器（図示せず）から供給される水蒸気と、燃料ポンプ１３より供給される新規原燃料と、空気ブロワ１４から供給される空気と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）をアノード１０ａに供給する。このとき改質器１２は、後段燃料電池１１のアノード１１ａで用いる改質ガスも同時にアノード１０ａに供給する。
制御部２０（制御手段）は、燃料電池システム１を総括的に制御する装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびそれらを接続するデータバスと入出力インターフェースから構成されるコンピュータである。制御部２０は、燃料ポンプ１３、空気ブロワ１４、負荷１５、及び各温度センサＳ１〜Ｓ３に接続される。制御部２０は、負荷１５の出力要求を取得すると、各温度センサＳ１〜Ｓ３の検出信号を取得する。制御部２０は、取得した検出信号を用いて燃料ポンプ１３、空気ブロワ１４に制御信号を出力し、燃料ポンプ１３から送出する燃料及び空気ブロワ１４から送出する空気量を制御する。そして、制御部２０は、負荷１５の出力要求を満たす電力を前段燃料電池１０と後段燃料電池１１から供給する。
また、制御部２０は、燃料電池システム１の制御に用いるマップを記憶している。具体的には、制御部２０は、図２〜５に示すマップを記憶している。図２〜５に示すマップについては、後述する図７のフローチャートと合わせて説明する。
次に、上述のように構成された本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の作用を、図６及び図７に示すフローチャートを参照して説明する。まず、図６を参照して燃料電池システム１の概略的な動作を説明する。
ステップＳ１０１において、制御部２０は、負荷１５の要求出力を取得する。
ステップＳ１０２において、制御部２０は、負荷１５の要求出力を満たすための運転目標を設定する。
ステップＳ１０３において、制御部２０は、ステップＳ１０２で設定した運転目標に基づいて前段燃料電池１０及び後段燃料電池１１の運転を実行する。
次に、図７を参照して、図６に示すステップＳ１０２の詳細な動作について説明する。
ステップＳ１１において、制御部２０は、改質器１２の温度Ｔｒｅｆ、前段燃料電池１０の温度Ｔ１、後段燃料電池１１の温度Ｔ２を検出する。
ステップＳ１２において、制御部２０は、Ｏ２／Ｃを設定する。Ｏ２／Ｃは、改質器１２に投入される空気と新規原燃料の酸素モル流量と炭素原子モル流量比である。
ステップＳ１３において、制御部２０は、図２に示すマップを参照して、ステップＳ１２で設定したＯ２／Ｃを改質器１２に投入した場合の改質器１２の改質効率ηｒｅｆと温度Ｔｒｅｆを予測する。図２に示すように、Ｏ２／Ｃが増えると改質効率ηｒｅｆが低下する。改質効率ηｒｅｆは、（１）式で表される。
［数１］
ηｒｅｆ＝ΔＨｒｅｆ／ΔＨ・・・（１）
ここで、ΔＨｒｅｆは改質後エンタルピー変化量であり、ΔＨは投入エンタルピー変化量である。共に、エンタルピー変化の基準としては、ここでは低位発熱量の定義を採用する。本案件は、この定義に限定されるものではない。
ステップＳ１４において、制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を設定する。
ステップＳ１５において、制御部２０は、前段燃料電池１０の電流Ｉ１を設定する。
ステップＳ１６において、制御部２０は、ステップＳ１４及びステップＳ１５で設定した温度Ｔ１と電流Ｉ１とを用いて、前段燃料電池１０の発電量Ｐ１と発熱量Ｑ１を予測する。
ここで、発熱量Ｑ１について説明する。
第１実施形態において、前段燃料電池１０及び後段燃料電池１１で使用する改質ガスがアノード１０ａに供給される。すなわち、２つの燃料電池の発電に必要な改質ガスがアノード１０ａに供給される。改質ガスにはメタンが含まれているため、アノード１０ａには多量のメタンが供給されることになる。
前段燃料電池１０が発電する際には、発生する電流量によって前段燃料電池１０内部の電解質を通じて酸化物イオンが移動する。そして、改質ガスと酸化物イオンと電子とが反応することで、化学反応による生成熱から電力を引いた差に相当する発熱量Ｑ１が発生する。発熱量Ｑ１は、（２）式で表される。
［数２］
Ｑ１＝ΔＨ１−Ｐ１・・・（２）
ここで、ΔＨ１は前段燃料電池１０の発電利用燃料エンタルピー変化量である。
一方、改質器１２の動作温度と供給される新規原燃料との条件で決まる改質ガスは、前段燃料電池１０の動作温度と酸化物イオンの移動に伴い、前段燃料電池１０内で内部改質する。より詳しくは、前段燃料電池１０に導入された多量のメタンと水によって水素とＣＯが生成する水蒸気改質反応が発生する。この反応は吸熱反応であり、吸熱量ＱＤＲが発生する。この吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を上回ると前段燃料電池１０の運転点がずれてしまい、燃料電池システム１全体の効率が低下する。吸熱量ＱＤＲは、（３）式で表される。
［数３］
ＱＤＲ＝ΔＨｏｕｔ１＋ΔＨ１−ΔＨｒｅｆ・・・（３）
ここで、ΔＨｏｕｔ１は、前段燃料電池１０出口の未利用燃料エンタルピー変化量である。
図３に示すように、吸熱量ＱＤＲと、改質器１２に投入される空気と新規原燃料の酸素モル流量と炭素原子モル流量比及び、前段燃料電池１０の発電時に発生する電流Ｉ1に伴って移動する酸化物イオンの酸素量Ｉ１／４Ｆ（Ｆ：ファラデー定数）との間には相関関係がある。すなわち、改質器１２に投入される空気量Ｏ２または前段燃料電池１０の電流量Ｉ１Ｎ１が増えると吸熱量ＱＤＲが低下する。このため、制御部２０は、図３に示すマップを参照して、空気量Ｏ２または前段燃料電池１０の電流量Ｉ１Ｎ１を制御することで、吸熱量ＱＤＲを低下させることができる。なお、Ｎ１は、前段燃料電池１０のスタック積層段数である。
ステップＳ１７において、制御部２０は、後段燃料電池１１の発電量Ｐ２と電流Ｉ２を予測する。具体的には、制御部２０は、燃料電池システム１全体の発電量Ｐから前段燃料電池１０の発電量Ｐ１を減算し発電量Ｐ２を予測する。また、制御部２０は、予測した発電量Ｐ２を用いて後段燃料電池１１の電流Ｉ２を予測する。
ステップＳ１８において、制御部２０は、電流Ｉ１、電流Ｉ２、及び燃料利用率ηＦＵを用いて、改質器１２に供給する新規原燃料の流量を決定する。燃料利用率ηＦＵとは、燃料電池システム１に投入される新規原燃料に対して発電に利用された燃料の割合である。燃料利用率ηＦＵは、（４）式で表される。
［数４］
ηＦＵ＝ΔＨｉｎ／ΔＨｒｅｆ・・・（４）
ここで、ΔＨｉｎは発電利用燃料の総エンタルピー変化量である。前段燃料電池１０の発電利用燃料エンタルピー変化量をΔＨ１とし、後段燃料電池１１の発電利用燃料エンタルピー変化量をΔＨ２とした場合、ΔＨｉｎは、（５）式で表される。
［数５］
ΔＨｉｎ＝ΔＨ１＋ΔＨ２・・・（５）
ステップＳ１９において、制御部２０は、前段燃料電池１０の吸熱量ＱＤＲを予測する。
ステップＳ２０において、制御部２０は、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲより大きいか否かを判断する。発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲより大きい場合（ステップＳ２０でＹｅｓ）、処理がステップＳ２１に進む。一方、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲ以下の場合（ステップＳ２０でＮｏ）、処理がステップＳ２４に進む。
ステップＳ２１において、制御部２０は、システム効率ηＳを予測する。システム効率ηＳとは、燃料電池システム１全体の効率を示す指標であり、値が大きいほど効率がよいことを示す。システム効率ηＳは、（６）式で表される。
［数６］
ηＳ＝Ｐ／ΔＨ＝ηｒｅｆ×ηＦＣ×ηＦＵ・・・（６）
ここで、ηＦＣは、前段燃料電池１０及び後段燃料電池１１の発電効率である。この発電効率ηＦＣについては後述する。上記（６）式に示すようにシステム効率ηＳは、改質効率ηｒｅｆと発電効率ηＦＣと燃料利用率ηＦＵとの積で表される。
ステップＳ２２において、制御部２０は、試行範囲内でシステム効率ηＳが最大か否かを判断する。システム効率ηＳが最大の場合（ステップＳ２２でＹｅｓ）、処理がステップＳ２３に進む。一方、システム効率ηＳが最大ではない場合（ステップＳ２２でＮｏ）、処理がステップＳ２４に進む。
ステップＳ２３において、制御部２０は、試行結果を記憶する。具体的には、制御部２０は、設定したＯ２／Ｃ、電流Ｉ１、温度Ｔ１を記録する。
ステップＳ２４において、制御部２０は、電流Ｉ１を所定範囲内で全て検討したか否かを判断する。電流Ｉ１を所定範囲内で全て検討した場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、処理がステップＳ２５に進む。一方、電流Ｉ１を所定範囲内で全ては検討していない場合（ステップＳ２４でＮｏ）、処理がステップＳ１５に戻る。
ここで、電流Ｉ１の所定範囲について説明する。
図４に示すように、発電効率ηＦＣを縦軸にとり、前段燃料電池１０と後段燃料電池１１の総電流量（Ｉ１Ｎ１＋Ｉ２Ｎ２）に対する前段燃料電池１０の電流量Ｉ１Ｎ１の割合を横軸にとると、縦軸と横軸の関係は所定のピークをもつ放物線になる。なお、Ｎ２は、後段燃料電池１１のスタック積層段数である。発電効率ηＦＣは、（７）式で表される。
［数７］
ηＦＵ＝Ｐ１＋Ｐ２／ΔＨｉｎ・・・（７）
図４に示すピークまでは電流Ｉ１を増加させるほど、発電効率ηＦＣは上昇する。また、ピーク手前に発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る点が存在する。より詳しくは、図５に示すように、電流量Ｉ１Ｎ１が増加するほど発熱量Ｑ１は上昇する関係があり、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る点が存在する。そこで、制御部２０は、図４及び図５に示すマップを参照して、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回り、かつ発電効率ηＦＣが高くなる範囲内で電流Ｉ１を探索する。
なお、図３に示すマップで説明したように、電流量Ｉ１Ｎ１が増加するほど吸熱量ＱＤＲが低下するのは、図５のマップに示すように電流量Ｉ１Ｎ１が増加するほど発熱量Ｑ１が上昇するためである。
ステップＳ２５において、制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を所定範囲内で全て検討したか否かを判断する。温度Ｔ１を所定範囲内で全て検討した場合（ステップＳ２５でＹｅｓ）、処理がステップＳ２６に進む。一方、温度Ｔ１を所定範囲内で全ては検討していない場合（ステップＳ２５でＮｏ）、処理がステップＳ１４に戻る。
図４のマップでは、ピーク手前に発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る点が存在すると説明した。このことは、換言すれば、電流量Ｉ１Ｎ１が小さな領域では発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを下回ることを意味する。また、電流量Ｉ１Ｎ１が小さく、かつ改質器１２の出口温度が前段燃料電池１０の温度Ｔ１より低い場合に発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを下回る。そこで、制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１が改質器１２の出口温度より小さくなるように所定範囲内で設定し、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る温度Ｔ１を探索する。
ステップＳ２６において、制御部２０は、Ｏ２／Ｃを所定範囲内で全て検討したか否かを判断する。Ｏ２／Ｃを所定範囲内で全て検討した場合（ステップＳ２６でＹｅｓ）、処理がステップＳ２７に進む。一方、Ｏ２／Ｃを所定範囲内で全ては検討していない場合（ステップＳ２６でＮｏ）、処理がステップＳ１２に戻る。図２に示すように、Ｏ２／Ｃが増加するほど、改質効率ηｒｅｆは減少する。一方、図３に示すようにＯ２／Ｃが増加するほど、吸熱量ＱＤＲは減少する。したがって制御部２０は、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回り、かつ効率が高くなるＯ２／Ｃを探索する。
ステップＳ２７において、制御部２０は、ステップＳ２３で記憶したＯ２／Ｃ、電流Ｉ１、温度Ｔ１を運転条件として設定する。
以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、以下の作用効果が得られる。
燃料電池システム１は、前段燃料電池１０の電流量Ｉ１Ｎ１、改質器１２へ供給する空気流量、または前段燃料電池１０の温度Ｔ１のうち少なくとも１つを制御することによって、前段燃料電池１０の発熱量Ｑ１と吸熱量ＱＤＲを予測し、吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回る運転点を探索する。これにより、吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回るように発電用空気を加熱することが不要となり、燃料電池システム１は高い効率で運転することが可能になる。
また、燃料電池システム１は、システム効率ηＳに基づいて、前段燃料電池１０の温度Ｔ１、前段燃料電池１０の電流量Ｉ１Ｎ１、改質器１２へ供給する空気流量を設定する。これにより、燃料電池システム１は、高い効率の運転点を設定することができ、高い効率で運転することが可能になる。
また、燃料電池システム１は、電流量Ｉ１Ｎ１を増加させ発熱量Ｑ１を増加させて、吸熱量ＱＤＲを低下させる。すなわち、燃料電池システム１は、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回るような電流Ｉ１を探索し設定する。これにより、吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回るように発電用空気を加熱することが不要となり、燃料電池システム１は高い効率で運転することが可能になる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム１は、前述した第１実施形態と構成は同一であり、運転条件を算出する手法が相違する。即ち、第１実施形態では図３〜図６に示した各マップを参照して運転条件を設定したが、第２実施形態では、以下に示すように、図３〜図６に加え、図８〜図１１のマップを参照して運転条件を設定する。以下、図１２、図１３に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る燃料電池システムの作用について詳細に説明する。
ステップＳ５１において、制御部２０は、改質器１２の温度Ｔｒｅｆ、前段燃料電池１０の温度Ｔ１、後段燃料電池１１の温度Ｔ２を検出する。
ステップＳ５２において、制御部２０は、Ｏ２／Ｃを０に設定する。
ステップＳ５３において、制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を取りうる最大値に設定する。
ステップＳ５４において、制御部２０は、図２に示すマップを参照して、ステップＳ１２で設定したＯ２／Ｃを改質器１２に投入した場合の改質器１２の改質効率ηｒｅｆと温度Ｔｒｅｆを予測する。
ステップＳ５５において、制御部２０は、前段燃料電池１０の電流Ｉ１を０に設定する。
ステップＳ５６において、制御部２０は、前段燃料電池１０の発電量Ｐ１と発熱量Ｑ１を予測する。
ステップＳ５７において、制御部２０は、後段燃料電池１１の発電量Ｐ２と電流Ｉ２を予測する。具体的には、制御部２０は、燃料電池システム１全体の発電量Ｐから前段燃料電池１０の発電量Ｐ１を減算し発電量Ｐ２を予測する。また、制御部２０は、予測した発電量Ｐ２を用いて後段燃料電池１１の電流Ｉ２を予測する。
ステップＳ５８において、制御部２０は、電流Ｉ１、電流Ｉ２、及び燃料利用率ηＦＵを用いて、改質器１２に供給する新規原燃料の流量を決定する。
ステップＳ５９において、制御部２０は、前段燃料電池１０の吸熱量ＱＤＲを予測する。
ステップＳ６０において、制御部２０は、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲより大きいか否かを判断する。発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲより大きい場合（ステップＳ６０でＹｅｓ）、処理がステップＳ６１に進む。一方、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲ以下の場合（ステップＳ６０でＮｏ）、処理がステップＳ６３に進む。
ステップＳ６１において、制御部２０は、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０か否かを判断する。傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０の場合（ステップＳ６１でＹｅｓ）、処理がステップＳ６７に進む。一方、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０ではない場合（ステップＳ６１でＮｏ）、処理がステップＳ６２に進む。傾きｄηＦＣ／ｄＩ１は、図８に示すように、前段燃料電池１０の電流Ｉ１に対する発電効率ηＦＣの傾きである。
ステップＳ６２において、制御部２０は、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０より大きいか否かを判断する。傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０より大きい場合（ステップＳ６２でＹｅｓ）、処理がステップＳ６３に進む。一方、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０以下の場合（ステップＳ６２でＮｏ）、処理がステップＳ６７に進む。
ステップＳ６３において、制御部２０は、電流Ｉ１を所定範囲内で全て検討したか否かを判断する。電流Ｉ１を所定範囲内で全て検討した場合（ステップＳ６３でＹｅｓ）、処理がステップＳ６５に進む。一方、電流Ｉ１を所定範囲内で全ては検討していない場合（ステップＳ６３でＮｏ）、処理がステップＳ６４に進む。
ステップＳ６４において、制御部２０は、所定範囲内で電流Ｉ１を増加させ、処理をステップＳ５６に戻す。ステップＳ６２において傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０ではなく、かつ０より大きいということは、図８に示すように電流量Ｉ１Ｎ１を増加させるほど、発電効率ηＦＣがピークに近づくことを意味する。そこで制御部２０は、電流Ｉ１を所定範囲内で検討していない場合は図８に示すピークとなる電流Ｉ１を探索する。なお、図８に示す（１）より右側の領域は発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る領域を示す。
ステップＳ６５において、制御部２０は、Ｏ２／Ｃを所定範囲内で全て検討したか否かを判断する。Ｏ２／Ｃを所定範囲内で全て検討した場合（ステップＳ６５でＹｅｓ）、処理がステップＳ６６に進む。一方、Ｏ２／Ｃを所定範囲内で全ては検討していない場合（ステップＳ６５でＮｏ）、処理がステップＳ７３に進む。
ステップＳ６６において、制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を所定範囲内で全て検討したか否かを判断する。温度Ｔ１を所定範囲内で全て検討した場合（ステップＳ６６でＹｅｓ）、処理がステップＳ７６に進む。一方、温度Ｔ１を所定範囲内で全ては検討していない場合（ステップＳ６６でＮｏ）、処理がステップＳ７５に進む。
ステップＳ６７において、制御部２０は、システム効率ηＳを予測する。ステップＳ６１において傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０であるということは、図８に示すように、発電効率ηＦＣが最も高いことを意味する。したがって、システム効率ηＳが高くなるため、制御部２０はシステム効率ηＳを予測する。また、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０以下ということは、図８に示すように、ピークより右側であることを意味する。この場合、電流量Ｉ１Ｎ１が大きいほどシステム効率ηＳが低下するが、電流量Ｉ１Ｎ１によってはシステム効率ηＳが高い領域も存在する。そこで制御部２０はシステム効率ηＳを予測する。
ステップＳ６８において、制御部２０は、試行範囲内でシステム効率ηＳが最大か否かを判断する。システム効率ηＳが最大の場合（ステップＳ６８でＹｅｓ）、処理がステップＳ６９に進む。一方、システム効率ηＳが最大ではない場合（ステップＳ６８でＮｏ）、処理がステップＳ７０に進む。
ステップＳ６９において、制御部２０は、運転条件及びシステム効率ηＳの結果を記憶する。
ステップＳ７０において、制御部２０は、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０か否かを判断する。傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０の場合（ステップＳ７０でＹｅｓ）、処理がステップＳ７６に進む。一方、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０ではない場合（ステップＳ７０でＮｏ）、処理がステップＳ７１に進む。
ステップＳ７１において、制御部２０は、発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より大きいか否かを判断する。発電効率ηＦＣ２（第２発電効率）とは、検出した温度Ｔ２において、負荷１５の要求出力を後段燃料電池１１のみで発電した場合の発電効率である。発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より大きい場合（ステップＳ７１でＹｅｓ）、処理がステップＳ７２に進む。一方、発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２以下の場合（ステップＳ７１でＮｏ）、処理がステップＳ７４に進む。
ステップＳ７１において、発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より大きいか否かを判断するのは、運転条件が図８に示す（２）の領域か（３）の領域かを判断するためである。図８に示す（２）の領域とは、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０より小さく、かつ発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より大きい領域である。一方、図８に示す（３）の領域とは、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が０より小さく、かつ発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より小さい領域である。
運転条件が図８に示す（２）の領域の場合、制御部２０は、後述するように改質器１２に供給する空気流量を増加させる。図９に示すように改質器１２に供給する空気流量を増加させることにより吸熱量ＱＤＲが低下するからである。
一方、運転条件が図８に示す（３）の領域の場合、発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より小さいため、後段燃料電池１１のみで運転したほうが燃料電池システム１全体の効率がよくなる。そこで制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を下げて、前段燃料電池１０の発電量Ｐ１及び吸熱量ＱＤＲを低下させる。
ステップＳ７２において、制御部２０は、吸熱量ＱＤＲが０より大きいか否かを判断する。吸熱量ＱＤＲが０より大きい場合（ステップＳ７２でＹｅｓ）、処理がステップＳ７３に進む。一方、吸熱量ＱＤＲが０以下の場合（ステップＳ７２でＮｏ）、処理がステップＳ７６に進む。
ステップＳ７３において、制御部２０は、所定範囲内でＯ２／Ｃを増加させ、処理をステップＳ５４に戻す。より詳しくは、ステップＳ７３において、運転条件が図８に示す（２）の領域であるため、制御部２０はＯ２／Ｃを増加させて吸熱量ＱＤＲを低下させ、より効率のよい運転条件を探索する。
ステップＳ７４において、制御部２０は、前段燃料電池１０の温度Ｔ１が改質器１２の温度Ｔｒｅｆより大きいか否かを判断する。温度Ｔ１が温度Ｔｒｅｆより大きい場合（ステップＳ７４でＹｅｓ）、処理がステップＳ７５に進む。一方、温度Ｔ１が温度Ｔｒｅｆ以下の場合（ステップＳ７４でＮｏ）、処理がステップＳ７６に進む。
ステップＳ７５において、制御部２０は、所定範囲内で温度Ｔ１を下げて、処理をステップＳ５４に戻す。図９に示すように、温度Ｔ１が低くなるにしたがい、吸熱量ＱＤＲは低下する。より詳しくは、温度Ｔ１が温度Ｔｒｅｆより低くなるにしたがい、吸熱量ＱＤＲは低下する。なお、図９において温度Ｔ１は温度Ｔ２と同じときが最も温度が高く、図９に示すマップの下に行くほど温度Ｔ１が低くなる。
また、図１０に示すように、温度Ｔ１が温度Ｔｒｅｆより低くなるにしたがい、小さな電流量Ｉ１Ｎ１でピークをもつように発電効率ηＦＣのピークが移動する。また、図１０に示すように、発電効率ηＦＣのピークは発電効率ηＦＣ２より大きく、矢印より右側が発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る領域である。すなわち、制御部２０は図１０に示すように温度Ｔ１を下げることにより、小さな電流量Ｉ１Ｎ１で発電効率ηＦＣが高くなり発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る運転条件を探索することができる。
また、図１１に示すように、温度Ｔ１が低くなるにしたがい発熱量Ｑ１は低下し、矢印より右側が発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る領域である。すなわち、図１１に示すように温度Ｔ１が低くなるにしたがい発熱量Ｑ１は低下するが、発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る領域が小さな電流量Ｉ１Ｎ１で達成できるため、制御部２０は温度Ｔ１を下げることにより、小さな電流量Ｉ１Ｎ１で発熱量Ｑ１が吸熱量ＱＤＲを上回る運転条件を探索することができる。
ステップＳ７６において、制御部２０は、ステップＳ６９で記憶したＯ２／Ｃ、電流Ｉ１、温度Ｔ１を運転条件として設定する。
以上説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システム１によれば、以下の作用効果が得られる。
燃料電池システム１は、前段燃料電池１０の電流Ｉ１に対する発電効率ηＦＣの傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が正の場合、さらに前段燃料電池１０の電流Ｉ１を大きくすることによって、発電効率ηＦＣの高い運転点を探索する。これにより、燃料電池システム１は、高い効率の運転点を設定することができ、高い効率で運転することが可能になる。
また、燃料電池システム１は、運転条件を検討する際に、改質器１２に供給する空気流量をゼロとし前段燃料電池１０の運転上取りうる動作温度を最大温度から検討しているため、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１がゼロとなった点が発電効率ηＦＣの最も高い点と判断し、運転条件を設定する。これにより、燃料電池システム１は、高い効率の運転点を設定することができ、高い効率で運転することが可能になる。
また、燃料電池システム１は、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が負の場合、これ以上電流Ｉ１を増やしてもシステム効率ηＳが下がるため、その時点の運転条件におけるシステム効率ηＳを予測する。予測したシステム効率ηＳが試行範囲内で最大の場合、燃料電池システム１はこの運転条件を設定する。これにより、燃料電池システム１は、高い効率の運転点を設定することができ、高い効率で運転することが可能になる。
また、燃料電池システム１は、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が負の場合、かつ発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より大きい場合、改質器１２に供給する空気流量を増加させて吸熱量ＱＤＲを低下させる。このように吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回る運転点を探索することにより、吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回るように発電用空気を加熱することが不要となり、燃料電池システム１は高い効率で運転することが可能になる。
また、燃料電池システム１は、傾きｄηＦＣ／ｄＩ１が負の場合、かつ発電効率ηＦＣが発電効率ηＦＣ２より小さい場合、前段燃料電池１０の温度Ｔ１を下げる。これは、改質器１２へ空気を供給して吸熱量ＱＤＲを低下させ、改質効率ηｒｅｆを低下させるよりもそのまま後段燃料電池１１のみで発電した方がシステム効率ηＳが高くなるからである。燃料電池システム１は、温度Ｔ１を下げることにより吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回る運転点を探索する。このように燃料電池システム１は、温度Ｔ１を維持するためにシステム効率ηＳを低下させる運転条件は設定せず、温度Ｔ１を下げることにより吸熱量ＱＤＲが発熱量Ｑ１を下回る運転点を探索する。これにより燃料電池システム１は、発電効率ηＦＣ２より効率のよい運転点を設定することができ、高い効率で運転することが可能になる。
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
１０ 前段燃料電池
１１ 後段燃料電池
１２ 改質器
Ｓ２ センサ
２０ 制御部

Claims (6)

  1. 前段燃料電池と、前記前段燃料電池に燃料流路を介して接続される後段燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、
    燃料を改質し、改質ガスを前記前段燃料電池に供給する改質器と、
    前記前段燃料電池の電流量に基づいて前記前段燃料電池の発熱量を予測し、前記改質器に投入される燃料の流量に基づいて前記前段燃料電池の吸熱量を予測する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、予測した前記発熱量より、予測した前記吸熱量が大きい場合、前記前段燃料電池の電流量、前記改質器へ供給する空気流量、または前記前段燃料電池の温度のうち少なくとも１つを制御する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、前記改質器の改質効率と、前記前段燃料電池及び前記後段燃料電池の発電効率と、燃料電池システムに供給される前記燃料に対する発電に利用された前記燃料の割合を示す燃料利用率との積であるシステム効率に基づいて、運転条件を設定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。
  3. 前記制御手段は、前記発熱量より前記吸熱量が大きい場合、前記前段燃料電池の電流量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、前記電流量を増加させた際、前記電流量に対する前記発電効率の傾きが正の場合はさらに前記電流量を増加させ、前記傾きがゼロまたは負の場合はシステム効率を予測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。
  5. 前記制御手段は、前記発電効率が前記後段燃料電池のみで発電した際の第２発電効率より大きい場合は前記改質器に空気を供給し、前記発電効率が前記第２発電効率より小さい場合は前記前段燃料電池の温度を下げることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前段燃料電池と、前記前段燃料電池に燃料流路を介して接続される後段燃料電池を有する燃料電池制御方法において、
    燃料を改質し、改質ガスを前記前段燃料電池に供給し、
    前記前段燃料電池の電流量に基づいて前記前段燃料電池の発熱量を予測し、前記改質器に投入される燃料の流量に基づいて前記前段燃料電池の吸熱量を予測し、
    予測した前記発熱量より予測した前記吸熱量が大きい場合、前記前段燃料電池の電流量、改質器へ供給する空気流量、または前記前段燃料電池の温度のうち少なくとも１つを制御する
    ことを特徴とする燃料電池制御方法。
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