JP6762251B2 - 発電装置、燃料電池の制御装置、および燃料電池の制御プログラム - Google Patents

Description

本開示は、発電装置、燃料電池の制御装置、および燃料電池の制御プログラムに関する。より詳細には、本開示は、燃料電池を備える発電装置、燃料電池の制御装置、および、このような装置に実行させる燃料電池の制御プログラムに関する。

例えば固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell（以下、ＳＯＦＣと記す））のような燃料電池を備える発電システムでは、一般的に、燃料電池モジュールのセルスタックが発電する際の温度を制御する。例えば、燃料電池モジュールのセルスタックが発電する際の温度が一定に保たれるように、例えばセルスタック近傍などの温度を制御することがある。また、例えば特許文献１は、燃料電池の累積稼働時間が長くなるにつれて、燃料電池の作動の制限温度が高くなるように設定し、この制限温度を超えないように温度制御することを提案している。

特開２０１０−１１４０００号公報

例えばＳＯＦＣのような燃料電池においては、発電する際の作動温度は、発電効率に影響する。このため、燃料電池を備える発電システムにおいては、作動温度を適切に制御して、発電効率を高くすることが望ましい。

本開示の目的は、発電効率を高める発電装置、燃料電池の制御装置、および燃料電池の制御プログラムを提供することにある。

本開示の第１の観点に係る発電装置は、燃料電池と、前記燃料電池近傍の温度を制御する制御部と、を備える。
前記制御部は、前記燃料電池の稼働時間に応じて当該燃料電池近傍の温度を制御する。また、前記制御部は、前記燃料電池の稼働初期の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する。また、前記制御部は、前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する。

本開示の第２の観点に係る燃料電池の制御装置は、燃料電池の稼働時間に応じて当該燃料電池近傍の温度を制御する。
前記制御装置は、前記燃料電池の稼働初期の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する。
また、前記制御装置は、前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する。

本開示の第３の観点に係る燃料電池の制御プログラムは、燃料電池を制御する制御装置に、燃料電池の稼働時間に応じて当該燃料電池近傍の温度を制御するステップを実行させる。
また、前記制御プログラムは、前記制御装置に、前記燃料電池の稼働初期の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御するステップを実行させる。
また、前記制御プログラムは、前記制御装置に、前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御するステップを実行させる。

本開示によれば、発電効率を高める発電装置、燃料電池の制御装置、および燃料電池の制御プログラムを提供することができる。

本開示の実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。 本開示の実施形態に係る発電装置の動作を示すフローチャートである。 本開示の実施形態に係る目標温度の例を説明する図である。 本開示の実施形態に係る発電装置の他の動作を示すフローチャートである。 本開示の実施形態に係る目標温度の他の例を説明する図である。 本開示の実施形態に係る発電装置の構成の変形例を概略的に示す機能ブロック図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、本開示の実施形態に係る発電装置の構成を説明する。

図１は、本開示の実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。

図１に示すように、本開示の実施形態に係る発電装置１は、貯湯タンク６０と、負荷１００と、商用電源（grid）２００に接続される。また、図１に示すように、発電装置１は、外部からガスおよび空気が供給されることにより発電し、発電した電力を負荷１００等に供給する。

図１に示すように、発電装置１は、制御部１０と、記憶部１２と、燃料電池モジュール２０と、供給部３０と、インバータ４０と、排熱回収処理部５０と、循環水処理部５２と、を備える。

発電装置１は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、制御部１０として少なくとも１つのプロセッサを含む。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路（ＩＣ）として、または複数の通信可能に接続された集積回路ＩＣおよび／またはディスクリート回路（discrete circuits）として実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実行されることが可能である。

ある実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続または処理を実行するために構成された、１以上の回路またはユニットを含む。例えば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはこれらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または他の既知のデバイスもしくは構成の組み合わせを含むことにより、以下に説明する機能を実行してもよい。

制御部１０は、記憶部１２と、燃料電池モジュール２０と、供給部３０とに接続され、これらの各機能部をはじめとして発電装置１の全体を制御および管理する。制御部１０は、記憶部１２に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、発電装置１の各部に係る種々の機能を実現する。制御部１０から他の機能部に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御部と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御部１０が行う本実施形態に特徴的な制御については、さらに後述する。また、本実施形態において、制御部１０は、セルスタック２４の稼働時間（例えば発電時間）を計測するなど、所定の時間を計測することができるものとする。

記憶部１２は、制御部１０から取得した情報を記憶する。また記憶部１２は、制御部１０によって実行されるプログラム等を記憶する。その他、記憶部１２は、例えば制御部１０による演算結果などの各種データも記憶する。さらに、記憶部１２は、制御部１０が動作する際のワークメモリ等も含むことができるものとして、以下説明する。記憶部１２は、例えば半導体メモリまたは磁気ディスク等により構成することができるが、これらに限定されず、任意の記憶装置とすることができる。例えば、記憶部１２は、光ディスクのような光学記憶装置としてもよいし、光磁気ディスクなどとしてもよい。

燃料電池モジュール２０は、改質器２２と、セルスタック２４とを備えている。燃料電池モジュール２０のセルスタック２４は、供給部３０から供給されるガス（燃料ガス）などを用いて発電し、発電した直流電力をインバータ４０に出力する。燃料電池モジュール２０は、ホットモジュールとも呼ばれる。燃料電池モジュール２０において、セルスタック２４は、発電に伴い発熱する。本開示において、実際に発電を行うセルスタック２４を、適宜、「燃料電池」と記す。また、本開示において、セルスタック２４を含めた任意の機能部も、適宜、「燃料電池」と総称することがある。例えば、「燃料電池」としては、他に、単体のセル、または燃料電池モジュールなどが挙げられる。

改質器２２は、供給部３０から供給されるガスおよび改質水を用いて、水素および／または一酸化炭素を生成する。セルスタック２４は、改質器２２で生成された水素および／または一酸化炭素と、空気中の酸素とを反応させることにより、発電する。すなわち、本実施形態において、燃料電池のセルスタック２４は、電気化学反応により発電する。なお、改質器としては、前述の水蒸気改質を行う改質器を例示しているが、他の改質器として、酸素を含む空気等を用いて水素を生成する部分酸化改質（Partial Oxidation（ＰＯＸ））を行う改質器等であってもよい。

以下、セルスタック２４は、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）であるとして説明する。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４はＳＯＦＣに限定されない。本実施形態に係るセルスタック２４は、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））、りん酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））、および溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））などのような燃料電池で構成してもよい。また、本実施形態において、セルスタック２４は、例えば単体で７００Ｗ程度の発電ができるものを４つ備えてもよい。この場合、燃料電池モジュール２０は、全体として３ｋＷ程度の電力を出力することができる。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４および燃料電池モジュール２０は、このような構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。例えば、本実施形態に係る燃料電池モジュール２０は、セルスタック２４を１つのみ備えるようにしてもよい。本実施形態において、発電装置１は、ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えていればよい。したがって、例えば、発電装置１は、燃料電池として、セルスタック２４ではなく、単に燃料電池セル１つのみを備えるものも想定できる。また、本実施形態に係る燃料電池は、例えばＰＥＦＣのように、モジュールのない燃料電池としてもよい。

供給部３０は、ガス供給部３２と、空気供給部３４と、改質水供給部３６とを備える。すなわち、供給部３０は、セルスタック２４にガス、空気、および改質水を供給する。

ガス供給部３２は、セルスタック２４にガスを供給する。このとき、ガス供給部３２は、制御部１０からの制御信号に基づいて、セルスタック２４に供給するガスの量を制御する。本実施形態において、ガス供給部３２は、例えばガスラインによって構成することができる。またガス供給部３２は、ガスの脱硫処理を行ってもよいし、ガスを予備的に加熱してもよい。ガスを加熱する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。ガスは、例えば、都市ガス、またはＬＰＧ等であるが、これらに限定されない。例えば、ガスは、燃料電池に応じて、天然ガスまたは石炭ガスなどとしてもよい。本実施形態において、ガス供給部３２は、セルスタック２４が発電する際の電気化学反応に用いられる燃料ガスを供給する。

空気供給部３４は、セルスタック２４に空気を供給する。このとき、空気供給部３４は、制御部１０からの制御信号に基づいて、セルスタック２４に供給する空気の量を制御する。本実施形態において、空気供給部３４は、例えば空気ラインによって構成することができる。また空気供給部３４は、外部から取り込んだ空気を予備的に加熱して、セルスタック２４に供給してもよい。空気を加熱する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。本実施形態において、空気供給部３４は、セルスタック２４が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する。

改質水供給部３６は、水蒸気を生成してセルスタック２４に供給する。このとき、改質水供給部３６は、制御部１０からの制御信号に基づいて、セルスタック２４に供給する水蒸気の量を制御する。本実施形態において、改質水供給部３６は、例えば改質水ラインによって構成することができる。改質水供給部３６は、セルスタック２４の排気から回収された水を原料として水蒸気を生成してもよい。水蒸気を生成する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。

インバータ４０は、燃料電池モジュール２０に接続される。インバータ４０は、セルスタック２４が発電した直流電力を、交流電力に変換する。インバータ４０から出力される直流電力は、分電盤などを介して、負荷１００に供給される。負荷１００は、分電盤などを介して、インバータ４０から出力された電力を受電する。図１において、負荷１００は、１つのみの部材として図示してあるが、負荷を構成する任意の個数の各種電気機器とすることができる。また、負荷１００は、分電盤などを介して、商用電源２００から受電することもできる。図１において、インバータ４０と制御部１０との接続は図示していないが、インバータ４０と制御部１０とを接続してもよい。この接続により、制御部１０は、インバータ４０による交流電力の出力を制御することができる。

排熱回収処理部５０は、セルスタック２４の発電により生じる排気から、排熱を回収する。排熱回収処理部５０は、例えば熱交換器等で構成することができる。排熱回収処理部５０は、循環水処理部５２および貯湯タンク６０に接続される。

循環水処理部５２は、貯湯タンク６０から排熱回収処理部５０へ水を循環させる。排熱回収処理部５０に供給された水は、排熱回収処理部５０で回収された熱によって加熱され、貯湯タンク６０に戻る。排熱回収処理部５０は、排熱を回収した排気を外部に排出する。また、上述のように、排熱回収処理部５０で回収された熱は、ガス、空気、または改質水の加熱などに用いることができる。

貯湯タンク６０は、排熱回収処理部５０および循環水処理部５２に接続される。貯湯タンク６０は、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４などから回収された排熱を利用して生成された湯を、貯えることができる。

図１に示すように、発電装置１は、セルスタック２４が発電する電流を検出する電流センサ７０を備えている。電流センサ７０は、図１に示すように、燃料電池モジュール２０からインバータ４０に向けて出力される直流の電流を検出する位置に設置することができる。しかしながら、電流センサ７０は、セルスタック２４が発電する電流を検出可能な位置であれば、他の位置に設置してもよい。電流センサ７０は、例えばＣＴ（Current Transformer）などにより構成することができる。しかしながら、電流センサ７０は、ＣＴに限定されず、電流を測定できる部材であれば、任意のものを採用することができる。例えば、電流センサ７０は、ホール素子方式、ロゴスキー方式、またはゼロフラックス方式など原理に基づくものとしてもよい。電流センサ７０は、制御部１０に接続される。電流センサ７０は、検出した電流に基づく信号を制御部１０に送信する。この信号を受信することで、制御部１０は、セルスタック２４が発電する電流を把握することができる。

本実施形態において、制御部１０は、セルスタック２４の温度を制御する。また、本実施形態において、制御部１０は、改質器２２およびセルスタック２４を含めた燃料電池モジュール２０の系全体などの温度を制御してもよい。このような、セルスタック２４の温度制御によって、セルスタック２４の発電効率は変化し得る。制御部１０によるセルスタック２４の温度制御については、さらに後述する。

また、図１に示すように、発電装置１は、セルスタック２４近傍の温度を検出する温度センサ８０を備えている。温度センサ８０は、図１に示すように、セルスタック２４近傍の温度を検出する位置に設置することができる。ここで、温度センサ８０が温度を検出するセルスタック２４近傍とは、発電装置１においてセルスタック２４の温度制御を行うための基準となる温度の測定に好適な位置、例えばセルスタック２４が発生する熱が適度に伝導する位置とすることができる。また、本実施形態において、温度センサ８０が温度を検出するセルスタック２４近傍とは、セルスタック２４そのものが存在する位置であってもよい。また、温度センサ８０が温度を検出するセルスタック２４近傍とは、例えばセルスタック２４の全体、またはセルスタック２４内部の一部（例えばセル）などであってもよい。

温度センサ８０は、例えば熱電対などにより構成することができる。この場合、例えば、セルスタック２４に空気を導入する導入板の中に、熱電対が挿入されるようにしてもよい。一方、温度センサ８０は、当該温度センサ８０を構成する素材によっては、過度の高熱を計測できない場合も想定される。このような場合、温度センサ８０は、例えばセルスタック２４から離れているが、セルスタック２４が発生する熱が伝導する位置における温度を検出してもよい。温度センサ８０がセルスタック２４から離れている場合、温度センサ８０が温度を検出するセルスタック２４近傍とは、例えばセルスタック２４上方の燃焼部に位置してもよい。また、温度センサ８０がセルスタック２４から離れている場合、温度センサ８０が温度を検出するセルスタック２４近傍とは、前記燃焼部上方から少し離れていても、セルスタック２４付近の温度を十分に測定できる位置であればよい。

温度センサ８０は、熱電対に限定されず、温度を測定できる部材であれば、任意のものを採用することができる。例えば、温度センサ８０は、サーミスタまたは白金測温抵抗体としてもよい。温度センサ８０は、制御部１０に接続される。温度センサ８０は、検出した温度に基づく信号を制御部１０に送信する。この信号を受信することで、制御部１０は、セルスタック２４近傍の温度を把握することができる。

温度センサ８０は、図１に示すように１つのみ設置する構成に限定されない。例えば、燃料電池モジュール２０がセルスタック２４を４つ備える場合、それぞれのセルスタック２４に温度センサ８０を設置してもよい。この場合、制御部１０は、それぞれのセルスタック２４の温度を個別に把握してもよいし、４つのセルスタック２４の温度の平均を把握してもよい。

次に、本開示の実施形態に係る発電装置１の動作を説明する。

本実施形態において、発電装置１は、セルスタック２４の積算発電時間に応じて、セルスタック２４近傍の温度を制御する。ここで、発電装置１が温度を制御するセルスタック２４近傍とは、発電装置１においてセルスタック２４の温度制御を行うのに好適な位置、例えば上述した温度センサ８０が温度を検出する位置とすることができる。また、燃料電池としての一例が単体セルの場合、発電装置１が温度を制御する単体セル近傍は、単体セルが発生する熱が適度に伝導する位置とすることができる。例えば、単体セルそのものが存在する位置であってもよいし、単体セルの全体、または単体セル内部の一部などであってもよい。また、単体セルが過度の高熱になるため温度を計測できない場合、発電装置１が温度を制御する単体セル近傍とは、例えば単体セルから離れているが、単体セルが発生する熱が伝導する位置であってもよい。燃料電池としての一例がセルスタック２４の場合、発電装置１が温度を制御するセルスタック２４近傍は、セルスタック２４が発生する熱が適度に伝導する位置とすることができる。例えば、セルスタック２４そのものが存在する位置であってもよいし、セルスタック２４の内部全体、またはセルスタック２４のうちいずれかのセルが存在する付近の位置であってもよい。

上述したように、セルスタック２４が発電する際の作動温度は、セルスタック２４の発電効率に影響する。特に、セルスタック２４が発電を開始した初期においては、セルスタック２４の初期劣化が発生する。したがって、セルスタック２４が発電する際の作動温度を適切に制御しないと、発電効率が充分高くならない。このため、本実施形態においては、セルスタック２４の発電効率を高めるために、セルスタック２４が発電する際の作動温度を制御する。以下、発電装置１の動作をより詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係る発電装置１の動作を示すフローチャートである。

まず、本実施形態における目標温度の算出処理について説明する。本実施形態において、発電装置１の制御部１０は、セルスタック２４が発電する電流と、セルスタック２４の発で時間とに応じて、セルスタック２４の温度制御を行うための目標温度を算出する。

図２に示す動作が開始するのは、発電装置１が発電を開始する時点、すなわちセルスタック２４が発電を開始する時点とすることができる。図２に示す動作が開始すると、制御部１０は、セルスタック２４が発電を開始するように制御する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１においては、制御部１０は、セルスタック２４が発電を開始するように、改質器２２および供給部３０などを制御する。このように、セルスタック２４が発電を開始する動作は、一般的な燃料電池の制御と同様に行うことができるため、より詳細な説明は省略する。

ステップＳ１１においてセルスタック２４が発電を開始したら、制御部１０は、電流センサ７０が検出した直流電流の電流値を取得する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において電流値を取得したら、制御部１０は、セルスタック２４の積算発電時間を取得する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３においてセルスタック２４の積算発電時間を取得するために、制御部１０は、セルスタック２４が発電を開始してからの発電時間を、所定のタイミングで検出する。本実施形態において、セルスタック２４の発電時間とは、厳密にセルスタック２４が発電を行っている時間に限定されるものではない。例えば、セルスタック２４が発電している時間の代わりに、燃料電池モジュール２０が作動している時間、または燃料電池セルが発電している時間などとしてもよい。本開示において、ステップＳ１３で取得するのは、「燃料電池の積算稼働時間」のように総称することができる。具体的には、本実施形態において、燃料電池の稼働時間とは、セルスタック２４が発電している発電時間とすることができる。この発電時間は、セルスタック２４などの温度が所定以上となった際にカウントされる時間とすることができる。また、この発電時間は、例えばセルスタック２４が発電する電流（または電力）が所定以上となった際にカウントされる時間とすることができる。

また、本実施形態において、セルスタック２４の積算発電時間とは、セルスタック２４から電力が出力されている時間のみを積算したものに限定されない。例えば、燃料電池は、所定期間連続で運転を継続した場合、安全機能を正常に作動させる等の目的で、発電を停止することがある。したがって、本実施形態において、積算発電時間とは、例えば、このような発電が停止している時間を含めたものとしてもよいし、このような発電が停止している時間を除いたものとしてもよい。

制御部１０は、このようにして検出したセルスタック２４の発電時間を、記憶部１２に記憶しておくことができる。この場合、制御部１０は、記憶部１２から、セルスタック２４の積算発電時間を取得することができる。また、例えば、セルスタック２４において、発電時間を積算して記録する機構を備えるようにしてもよい。この場合、制御部１０は、セルスタック２４から、積算発電時間を直接取得することができる。

ステップＳ１３において積算発電時間を取得したら、制御部１０は、ステップＳ１２で取得した電流値、およびステップＳ１３で取得した積算発電時間に基づいて、これらに対応する目標温度を算出する（ステップＳ１４）。ここで、目標温度とは、セルスタック２４の温度制御を行う際に到達を目指す温度である。目標温度に向けて行うセルスタック２４の温度制御の具体例については、後述する。

ステップＳ１４において目標温度を算出するために、発電装置１は、セルスタック２４が発電している電流値と、セルスタック２４の積算発電時間と、に対応する目標温度を設定し、記憶部１２に記憶しておく。ここで、発電装置１は、セルスタック２４が発電している電流の電流値と、セルスタック２４の積算発電時間とに応じた目標温度を、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）のような対応表として、記憶部１２に記憶することができる。また、発電装置１は、セルスタック２４が発電している電流の電流値に応じて、目標温度の計算式を、セルスタック２４の積算発電時間の関数として、記憶部１２に記憶してもよい。さらに、発電装置１は、セルスタック２４が発電している電流の電流値に応じて、代表的ないくつかの積算発電時間についての目標温度を記憶部１２に記憶してもよい。この場合、制御部１０は、現在のセルスタック２４の積算発電時間に最も近い代表的な積算発電時間の目標温度を読み出し、実際の積算発電時間を考慮して、読み出した目標温度を補正してもよい。

図３は、ステップＳ１４において算出する目標温度の具体例を説明する図である。以下、本実施形態における目標温度について、さらに説明する。

図３は、セルスタック２４が発電している電流の代表的ないくつかの電流値について、セルスタック２４の積算発電時間に対応する目標温度の例を、グラフで示している。図３に示すグラフの横軸は、セルスタック２４の積算発電時間を示している。また、図３に示すグラフの縦軸は、セルスタック２４の目標温度を示している。

図３においては、セルスタック２４が発電する電流の代表的ないくつかの電流値として、０［Ａ］の場合、５［Ａ］の場合、そして定格出力の場合（約１１［Ａ］）について、積算発電時間に応じた目標温度を示してある。図３において、電流値が０［Ａ］の場合の目標温度のグラフは、細かい破線で示してある。また、電流値が５［Ａ］の場合の目標温度のグラフは、粗い破線で示してある。また、電流値が定格（約１１［Ａ］）の場合の目標温度のグラフは、実線で示してある。

図３に示すように、本実施形態においては、セルスタック２４の積算発電時間に応じて、目標温度が上昇する大きさが異なるように設定する。図３に示す例では、セルスタック２４の積算発電時間を３つの時間区分に分割して、それぞれの時間区分で目標温度が上昇する大きさが異なるようにしている。以下の説明において、セルスタック２４の積算発電時間が０〜５０００時間の時間区分を、「第１区分」と記す。また、セルスタック２４の積算発電時間が５０００〜３００００時間の時間区分を、「第２区分」と記す。また、セルスタック２４の積算発電時間が３００００時間以降の時間区分を、「第３区分」と記す。

図３に示す例では、セルスタック２４が発電する電流が０［Ａ］の場合、各時間区分において、目標温度を以下のように設定している。
第１区分：６４０℃から６４５℃まで上昇
第２区分：６４５℃から６５０℃まで上昇
第３区分：６５０℃に保つ

同様に、図３に示す例では、セルスタック２４が発電する電流が５［Ａ］の場合、各時間区分において、目標温度を以下のように設定している。
第１区分：６５５℃から６６５℃まで上昇
第２区分：６６５℃から６７５℃まで上昇
第３区分：６７５℃に保つ

同様に、図３に示す例では、セルスタック２４が発電する電流が定格（約１１［Ａ］）の場合、各時間区分において、目標温度を以下のように設定している。
第１区分：６７０℃から６８５℃まで上昇
第２区分：６８５℃から７００℃まで上昇
第３区分：７００℃に保つ

図３に示す例においては、いずれの電流値の場合も、例えば所定時間におけるセルスタック２４の目標温度の上昇（例えば、温度上昇率）は、第１区分の方が、第２区分よりも大きくなっている。上述したように、セルスタック２４が発電を開始した初期においては、セルスタック２４の初期劣化が発生する。このため、セルスタック２４が発電を開始した初期（稼働初期）の時間区分（第１区分）においては、その次の時間区分（第２区分）よりも、セルスタック２４の目標温度の上昇が大きくなるように設定する。このような設定に従ってセルスタック２４近傍の温度を制御することで、セルスタック２４の発電効率を高めることができる。したがって、セルスタック２４が発電を開始した初期の時間区分（第１区分）は、セルスタック２４の初期劣化が発生し易い発電を開始した初期の時間区分（例えば積算発電時間０〜５０００時間）とするのが好適である。また、セルスタック２４の目標温度が上昇する大きさは、セルスタック２４の特性など各種要因を考慮して、発電効率が高くなるように適宜設定するのが望ましい。例えば、セルスタック２４と同種のセルスタックを稼働（発電）させる試験の結果に基づいて、目標温度が上昇する大きさを適切に設定することができる。

図３においては、セルスタック２４が発電する電流の電流値として、０［Ａ］の場合、５［Ａ］の場合、そして定格出力の場合の例を示してある。上記以外の電流値についても、発電装置１において、図３に示す例と同様に、各時間区分における目標温度を設定して、記憶部１２に記憶してもよい。この場合、各電流値について、それぞれの目標温度の値を記憶部１２に記憶してもよい。また、それぞれの区分における目標温度の計算式を、各電流値についての関数として記憶してもよい。また、図３に示す例のようないくつかの電流値についての目標温度の値を、各電流値について補正して用いてもよい。また、図３に示されていない電流値または積算発電時間についての目標温度は、例えば線形に内挿する処理などにより算出してもよい。

ステップＳ１４において算出する目標温度は、燃料電池モジュール２０が複数のセルスタック２４を備える場合、それぞれのセルスタックに応じて異ならせてもよいし、全てのセルスタックにおいて同じにしてもよい。また、燃料電池モジュール２０がセルスタック２４を例えば４つなど複数備える場合、制御部１０は、複数のセルスタック２４のうち、最も温度が高いと測定されたものの目標温度を算出してもよい。この場合、セルスタック２４内の温度むらを考慮して、負荷が小さい時はセルスタック２４内（例えばセルスタック２４の中心）の目標温度を下げてもよい。

ステップＳ１４において目標温度を算出したら、制御部１０は、セルスタック２４の発電を終了する指示がされたか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において発電終了の指示がされている場合、制御部Ｓ１５は、セルスタック２４の発電を終了し、図２に示す動作を終了する。一方、ステップＳ１５において発電終了の指示がされていない場合、制御部Ｓ１５は、ステップＳ１１に戻って処理を続行する。

このように、本実施形態において、制御部１０は、セルスタック２４の発電時間およびセルスタック２４が発電する電流に基づいて、目標温度を設定する。ここで、制御部１０は、電流センサ７０が検出したセルスタック２４が発電する電流に基づいて、目標温度を設定することができる。このような目標温度を参照することにより、制御部１０は、セルスタック２４近傍の温度を制御する。また、制御部１０は、セルスタック２４が発電する電流が一定である場合に、セルスタック２４が発電を開始した初期の時間区分（第１区分）において、その次の時間区分（第２区分）よりも、目標温度の上昇が大きくなるように設定するのが好適である。

発電装置１が例えば負荷１００の消費電力に追従して発電している場合などは、セルスタック２４が発電する電力は頻繁に変化し得る。このような場合、目標温度も頻繁に変化し得る。このため、制御部１０は、図２に示す目標温度の算出動作を、例えば数ミリ秒ごと等の比較的高頻度のサイクルで行ってもよい。

次に、本実施形態における温度制御の動作について説明する。発電装置１において、制御部１０は、上述のようにして目標温度を算出したら、算出した目標温度に、セルスタック２４近傍の温度が近くなるように制御する。

図４は、本実施形態に係る発電装置１の動作を示すフローチャートである。

図４の動作が開始する時点で、図２および図３において説明したようにして、セルスタック２４の目標温度が算出されているものとする。図４に示す動作が開始すると、まず、制御部１０は、セルスタック２４近傍の温度を取得する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１においては、制御部１０は、温度センサ８０が検出した温度を取得することができる。

ステップＳ２１においてセルスタック２４近傍の温度を取得したら、制御部１０は、ステップＳ２１で取得した温度が、図２のステップＳ１４で算出した目標温度よりも大きいか否か判定する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２において、取得した温度が目標温度よりも高いと判定された場合、制御部１０は、セルスタック２４近傍の温度を下げるのが望ましい。したがって、この場合、制御部１０は、セルスタック２４に供給される空気の空気利用率を下降させる（ステップＳ２３）。ここで、空気利用率とは、セルスタック２４に供給される空気のうち、実際に発電に利用される空気の割合である。セルスタック２４において実際に発電に利用される空気の量は、一般的には、あまり急激に変化しない。このため、セルスタック２４において空気利用率が下降するとは、セルスタック２４に供給される空気の全体量が多くなることを意味する。セルスタック２４に供給される空気の全体量が多くなると、余剰の空気が増大するため、セルスタック２４近傍の温度は下がることになる。このように、ステップＳ２３において、制御部１０は、空気供給部３４がセルスタック２４に供給する空気を調整することにより、セルスタック２４近傍の温度を制御することができる。

また、ステップＳ２２において、セルスタック２４近傍の温度を下げるために、制御部１０は、セルスタック２４に供給されるガスの流入量を減少させてもよい（ステップＳ２３）。セルスタック２４に供給されるガス（燃料ガス）の流入量が減少すると、セルスタック２４における燃焼が抑制されるため、セルスタック２４近傍の温度は下がることになる。このように、ステップＳ２３において、制御部１０は、ガス供給部３２が供給するガスを調整することにより、セルスタック２４近傍の温度を制御してもよい。この場合、セルスタック２４に供給されるガスの流入量が減少し過ぎると、失火のおそれがあることを踏まえた上で、温度制御を行うのが望ましい。

ステップＳ２３においてセルスタック２４近傍の温度を下げるための処理を行ったら、制御部１０は、ステップＳ２１に戻って動作を継続する。

一方、ステップＳ２２において、取得した温度が目標温度よりも高くないと判定された場合、制御部１０は、ステップＳ２１で取得した温度が、図２のステップＳ１４で算出した目標温度よりも小さいか否か判定する（ステップＳ２４）。

ステップＳ２４において、取得した温度が目標温度よりも小さいと判定された場合、制御部１０は、セルスタック２４近傍の温度を上げるのが望ましい。したがって、この場合、制御部１０は、ステップＳ２３とは逆に、セルスタック２４に供給される空気の空気利用率を上昇させる（ステップＳ２５）。ここで、セルスタック２４において空気利用率が上昇するとは、ステップＳ２３とは逆に、セルスタック２４に供給される空気の全体量が少なくなることを意味する。セルスタック２４に供給される空気の全体量が少なくなると、余剰の空気が減少するため、セルスタック２４近傍の温度は上がることになる。また、ステップＳ２４において、セルスタック２４近傍の温度を上げるために、制御部１０は、セルスタック２４に供給されるガスの流入量を増大させてもよい（ステップＳ２５）。

ステップＳ２５においてセルスタック２４近傍の温度を上げるための処理を行ったら、制御部１０は、ステップＳ２１に戻って動作を継続する。また、ステップＳ２４において、取得した温度が目標温度よりも小さくないと判定された場合も、制御部１０は、ステップＳ２１に戻って動作を継続する。

図２に示す目標温度の算出動作は、例えば数ミリ秒ごと等の比較的高頻度のサイクルで行ってもよいと説明した。一方、図４において説明した温度制御の動作に伴うセルスタック２４近傍の温度は、急激に変化させることは困難である。このため、制御部１０は、図４に示す説明した温度制御の動作を、例えば１分につき１℃程度のように、比較的穏やかに変化させるようにしてもよい。

また、図２において説明した目標温度の算出動作と、図４において説明した温度制御の動作とは、制御部１０において並行する処理として行うのが望ましい。しかしながら、制御部１０の性能によっては、例えば図２に示す目標温度の算出動作を高い頻度で行う中で、所定の間隔で図４において説明した温度制御の動作を割り込ませてもよい。

このように、本実施形態において、制御部１０は、図２のステップＳ１４において算出した目標温度、および図４のステップＳ２１において温度センサ８０が検出した温度に基づいて、セルスタック２４近傍の温度を制御する。すなわち、本実施形態において、制御部１０は、図２のステップＳ１４において算出した目標温度に向けて、セルスタック２４近傍の温度を制御する。したがって、制御部１０は、セルスタック２４の発電時間に応じて、セルスタック２４近傍の温度を制御する。また、制御部１０は、第１区分においては、第２区分よりも、セルスタック２４近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する。ここで、第１区分は、セルスタック２４の初期劣化の影響に基づいて設定されるのが好適である。

以上説明したように、本実施形態にかかる発電装置１によれば、発電効率を高めることができる。

次に、図２のステップＳ１４において算出する目標温度の他の具体例について説明する。

図５は、図３と同様に、セルスタック２４が発電している電流の代表的ないくつかの電流値について、セルスタック２４の積算発電時間に対応する目標温度の例を、グラフで示している。以下、図３と同様になる説明は、適宜、簡略化または省略する。

図３において説明した例では、セルスタック２４の初期劣化を考慮して、第１区分においては、第２区分よりも、セルスタック２４の目標温度の上昇が大きくなるように設定した。一方、例えばＳＯＦＣのような燃料電池においては、積算発電時間が９００００時間程度で寿命となるものがある。そして、このような燃料電池においては、発電可能な時間の末期に近くなると、セルスタック２４の劣化の進行が速くなる傾向にある。このため、セルスタック２４が発電可能な時間の末期に近くなる時間区分においては、それまでの時間区分よりも、セルスタック２４の目標温度の上昇が大きくなるように設定するのが好適である。このような設定に従ってセルスタック２４近傍の温度を制御することで、発電可能な時間の末期が近付いたセルスタック２４の発電効率を高めることができる。

図５は、図３よりも長期の積算発電時間に対応する目標温度の例を示している。図５に示す例では、セルスタック２４の積算発電時間を４つの時間区分に分割して、それぞれの時間区分で目標温度の上昇の大きさを設定してある。図５において、セルスタック２４の積算発電時間が０〜５０００時間の時間区分を、図３と同様に「第１区分」と記す。また、図５において、セルスタック２４の積算発電時間が５０００〜３００００時間の時間区分を、図３と同様に「第２区分」と記す。

一方、図５においては、セルスタック２４の積算発電時間が３００００〜７００００時間の時間区分を、「第３区分」と記す。さらに、図５においては、図３とは異なり、セルスタック２４の積算発電時間が発電可能な時間の末期に近づく７００００時間〜９００００時間程度の時間区分を、「第４区分」と記す。

図５に示す例において、セルスタック２４が発電する電流の電流値が１１［Ａ］の場合、第１区分から第３区分までの間は、図３に示した定格出力の場合に近い目標温度を設定してある。また、図５に示す例において、セルスタック２４が発電する電流の電流値が５［Ａ］の場合、第１区分から第３区分までの間は、図３に示した５［Ａ］の場合に近い目標温度を設定してある。また、図５に示す例において、セルスタック２４が発電する電流の電流値が０［Ａ］の場合、第１区分から第４区分までの間において、同じ目標温度を設定してある。

すなわち、図５に示す例では、セルスタック２４が発電する電流が０［Ａ］の場合、各時間区分において、目標温度を以下のように設定している。
第１区分〜第４区分：６６０℃に保つ

また、図５に示す例では、セルスタック２４が発電する電流が５［Ａ］の場合、各時間区分において、目標温度を以下のように設定している。
第１区分：６６５℃から６７０℃まで上昇
第２区分：６７０℃から６７５℃まで上昇
第３区分：６７５℃に保つ
第４区分：６７５℃から６８０℃まで上昇

同様に、図５に示す例では、セルスタック２４が発電する電流が定格（約１１［Ａ］）の場合、各時間区分において、目標温度を以下のように設定している。
第１区分：６７０℃から６８０℃まで上昇
第２区分：６８０℃から６９０℃まで上昇
第３区分：６９０℃に保つ
第４区分：６９０℃から７００℃まで上昇

このように、本実施形態において、制御部１０は、第２区分よりも後の時間区分（例えば第４区分）においては、第２区分よりも、セルスタック２４の近傍の温度の上昇が大きくなるように制御してもよい。ここで、第２区分よりも後の時間区分（例えば第４区分）は、セルスタック２４の発電可能な時間に基づいて設定されてもよい。また、第４区分は、セルスタック２４の発電可能な時間の末期が近付いたことに起因する劣化が発生し易い時間区分（例えば積算発電時間７００００時間〜９００００時間程度）とするのが好適である。さらに、セルスタック２４の目標温度の上昇の大きさは、セルスタック２４の特性など各種要因を考慮して、発電効率が高くなるように適宜設定するのが望ましい。例えば、セルスタック２４と同種のセルスタックを発電可能な時間の末期まで稼働させた試験の結果に基づいて、目標温度の上昇の大きさを適切に設定することができる。

以上説明したように制御しても、本実施形態にかかる発電装置１によれば、発電効率を高めることができる。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部およびステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

例えば、図３および図５に示した目標温度は、各時間区分ごとに直線状（線型的）に変化するグラフとして示した。しかしながら、図３および図５に示した目標温度は、あくまでも例示であり、例えば、各時間区分ごとに曲線的に変化するグラフとして示すことが可能なように変化してもよい。また、図３および図５において、各電流値ごとに示した目標温度の値も、あくまでも例示である。実際にセルスタックに発電させた試験の結果などを考慮して、セルスタックが行う発電の効率が高くなるように、適宜目標温度を設定するのが好適である。

また、図１に示した発電装置１においては、電流センサ７０によって検出される、セルスタック２４が発電する「電流」に基づいて、目標温度を設定した。しかしながら、本実施形態にかかる発電装置においては、セルスタック２４が発電する「電圧」に基づいて、目標温度を設定してもよい。この場合、電流センサ７０に代えて、セルスタック２４が発電する電圧を検出可能な位置に、電圧計を設置するのが好適である。また、制御部１０は、セルスタック２４が発電する電圧が一定である場合に、第１区分において、第２区分よりも、目標温度の上昇が大きくなるように設定してもよい。

以上の開示においては、本実施形態として、ＳＯＦＣとするセルスタック２４を備える発電装置１について説明した。しかしながら、上述したように、本実施形態に係る発電装置１は、ＳＯＦＣを備えるものに限定されず、例えばモジュールのないＰＥＦＣなど、各種の燃料電池を備えるものとすることができる。本開示において「燃料電池」とは、例えば発電システム、発電ユニット、燃料電池モジュール、ホットモジュール、セルスタック、またはセルなどを意味する。したがって、本開示において、燃料電池近傍とは、例えばセルスタック２４の近傍などとすることができる。また、本開示において、燃料電池の稼働時間とは、例えばセルスタック２４または燃料電池モジュール２０の稼働時間などとすることができる。

また、以上の開示においては、本実施形態として、燃料電池を備える発電装置１について説明した。しかしながら、本開示の実施形態は、燃料電池を備える発電装置１に限定されるものではない。

例えば、本開示の実施形態は、燃料電池を備えずに、燃料電池を外部から制御する、燃料電池の制御装置として実現することもできる。このような実施形態の一例を、図６に示す。図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池の制御装置２は、例えば制御部１０と、記憶部１２とを含んで構成される。制御装置２は、外部の燃料電池１を制御する。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池の制御装置２は、燃料電池の稼働時間に応じて燃料電池近傍の温度を制御する。また、燃料電池の制御装置２は、第１区分においては、第２区分よりも、燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する。

さらに、本開示の実施形態は、例えば、上述したような燃料電池の制御装置２に実行させる制御プログラムとして実現することもできる。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池の制御プログラムは、燃料電池を制御する制御装置２に、燃料電池の稼働時間に応じて燃料電池近傍の温度を制御するステップを実行させる。また、この制御プログラムは、制御装置２に、第１区分においては、第２区分よりも、燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御するステップを実行させる。

１ 発電装置
２ 制御装置
１０ 制御部
１２ 記憶部
２０ 燃料電池モジュール
２２ 改質器
２４ セルスタック
３０ 供給部
３２ ガス供給部
３４ 空気供給部
３６ 改質水供給部
４０ インバータ
５０ 排熱回収処理部
５２ 循環水処理部
６０ 貯湯タンク
７０ 電流センサ
８０ 温度センサ
１００ 負荷
２００ 商用電源

Claims (11)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池近傍の温度を制御する制御部と、
   を備える発電装置であって、
   前記制御部は、前記燃料電池の稼働時間に応じて当該燃料電池近傍の温度を制御し、
   前記燃料電池の稼働初期の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御し、
   前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する、発電装置。
2. 前記燃料電池の稼働初期の時間区分は、当該燃料電池の初期劣化の影響に基づいて設定される、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記制御部は、前記燃料電池の稼働時間および前記燃料電池が発電する電流または電圧に基づいて設定された目標温度を参照することにより、前記燃料電池近傍の温度を制御する、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記制御部は、前記燃料電池が発電する電流または電圧が一定である場合に、前記稼働初期の時間区分において、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記目標温度の上昇が大きくなるように設定する、請求項３に記載の発電装置。
5. 前記燃料電池が発電する電流を検出する電流センサを備え、
   前記制御部は、前記電流センサが検出した前記燃料電池が発電する電流に基づいて、前記目標温度を設定する、請求項４に記載の発電装置。
6. 前記燃料電池近傍の温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記目標温度および前記温度センサが検出した温度に基づいて、前記燃料電池近傍の温度を制御する、請求項３から５のいずれかに記載の発電装置。
7. 前記燃料電池が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する空気供給部を備え、
   前記制御部は、前記空気供給部が供給する空気を調整することにより、前記燃料電池近傍の温度を制御する、請求項１から６のいずれかに記載の発電装置。
8. 前記燃料電池が発電する際の電気化学反応に用いられる原燃料ガスを供給するガス供給部を備え、
   前記制御部は、前記ガス供給部が供給するガスを調整することにより、前記燃料電池近傍の温度を制御する、請求項１から７のいずれかに記載の発電装置。
9. 前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分は、前記燃料電池が稼働可能な時間に基づいて設定される、請求項１から８のいずれかに記載の発電装置。
10. 燃料電池の稼働時間に応じて当該燃料電池近傍の温度を制御し、
    前記燃料電池の稼働初期の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御し、
    前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御する、燃料電池の制御装置。
11. 燃料電池を制御する制御装置に、
    燃料電池の稼働時間に応じて当該燃料電池近傍の温度を制御するステップと、
    前記燃料電池の稼働初期の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御するステップと、
    前記稼働初期の時間区分の次の時間区分の後の時間区分においては、当該稼働初期の時間区分の次の時間区分よりも、前記燃料電池近傍の温度の上昇が大きくなるように制御するステップと、
    を実行させる、燃料電池の制御プログラム。

Images