WO2010058704A1 - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

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temperature
fuel
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宮▲崎▼富夫
石岡淳之
武藤剛
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell stack, and the fuel cell stack
  • An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the oxidant gas, a control device for controlling a supply amount of the fuel gas from the fuel gas supply device and a supply amount of the oxidant gas from the oxidant gas supply device; It is related with the operating method of a fuel cell system provided with.
  • a solid oxide fuel cell uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte.
  • the joined body (MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates).
  • This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
  • a fuel cell system disclosed in JP-A-2005-071913 is known.
  • this fuel cell system measures the temperature difference between air and fuel at the inlet of the fuel cell stack and performs feedback control so that the temperature difference becomes small. Yes.
  • a solid oxide fuel cell system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-159362 includes an air content delivery / supply means for distributing and supplying air flowing toward the air electrode,
  • the air distribution delivery means has a central supply flow path section and an end supply flow path section, and when the flow rate of air flowing through the air flow path increases, the air content distribution supply means flows through the air flow path. The air is distributed and supplied so that the distribution ratio of the distributed air flow rate distributed to the end feed flow path portion with respect to the total air flow rate becomes small.
  • the oxidant gas is supplied to the cathode electrode under the action of the air pump.
  • the supply amount of the oxidant gas rapidly decreases due to the stop of the air pump or the like, the exhaust gas containing the fuel gas from the anode electrode side may flow backward toward the cathode electrode side.
  • the cathode electrode is exposed to a rapid reducing atmosphere, and the constituent material of the cathode electrode is deteriorated or damaged.
  • JP-A-2005-071913, JP-A-2008-159362, and JP-A-2004-349214 it is favorable for deterioration of the cathode electrode due to the oxidant gas supply amount being reduced below a specified amount. Can not cope with.
  • the present invention solves this type of problem, and can easily cope with fluctuations in the oxidant gas flow rate with simple control, and can prevent deterioration of the cathode electrode as much as possible. It aims at providing the operating method of a battery system.
  • the present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell stack, and the fuel cell stack
  • An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the oxidant gas, a control device for controlling a supply amount of the fuel gas from the fuel gas supply device and a supply amount of the oxidant gas from the oxidant gas supply device; It is related with the operating method of a fuel cell system provided with.
  • the operation method includes a step of setting a target operating temperature for maintaining a constant power generation efficiency during power generation of the fuel cell stack, a step of setting a target fuel utilization rate of the fuel cell stack, and the fuel cell stack.
  • the step of calculating an A / F value obtained by dividing the supply amount of the oxidant gas to the supply amount of fuel gas, the step of measuring the power generation temperature of the fuel cell stack, and the A / F value are preset.
  • a desired power generation temperature and fuel utilization rate can be maintained during the power generation operation of the fuel cell stack, and highly efficient power generation is reliably performed.
  • the power generation temperature of the fuel cell stack is optimized by simple control such as increasing / decreasing the supply amount of oxidant gas and adjusting the operating temperature and fuel utilization rate. It is possible to maintain the target operation temperature at a high level, and to perform efficient operation.
  • FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram showing a mechanical circuit of a fuel cell system to which an operation method according to an embodiment of the present invention is applied. It is a circuit diagram of the fuel cell system. It is a flowchart explaining the said driving
  • the fuel cell system 10 to which the operation method according to the embodiment of the present invention is applied is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel cell module (SOFC module) 12 that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (a gas in which methane and carbon monoxide are mixed in hydrogen gas) and an oxidant gas (air), and the fuel cell.
  • SOFC module fuel cell module
  • a raw fuel supply device (including a fuel gas pump) 16 for supplying raw fuel (for example, city gas) to the module 12 and an oxidant gas supply device (including an air pump) for supplying the oxidant gas to the fuel cell module 12 ) 18, a water supply device (including a water pump) 20 for supplying water to the fuel cell module 12, a power conversion device 22 for converting DC power generated in the fuel cell module 12 into required specification power, And a control device 24 for controlling the power generation amount of the fuel cell module 12.
  • a fuel gas pump for supplying raw fuel (for example, city gas) to the module 12 and an oxidant gas supply device (including an air pump) for supplying the oxidant gas to the fuel cell module 12 ) 18, a water supply device (including a water pump) 20 for supplying water to the fuel cell module 12, a power conversion device 22 for converting DC power generated in the fuel cell module 12 into required specification power, And a control device 24 for controlling the power generation amount of the fuel cell module 12.
  • the fuel cell module 12 includes a solid oxide fuel cell stack 28 in which a plurality of solid oxide fuel cells 26 are stacked in the vertical direction.
  • the fuel cell 26 includes, for example, a plate-like electrolyte / electrode assembly (MEA) in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both surfaces of an electrolyte made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia.
  • MEA plate-like electrolyte / electrode assembly
  • a fuel gas supply communication hole 30 is provided at the center of the fuel cell stack 28 so as to extend in the stacking direction (the direction of arrow A), and each fuel cell is extended from the fuel gas supply communication hole 30. Fuel gas is supplied to the 26 anode electrodes.
  • a plurality of oxidant gas supply communication holes 32 are provided concentrically around the fuel gas supply communication hole 30 at the center edge of the fuel cell stack 28, and each fuel cell 26 is connected through the oxidant gas supply communication hole 32. Air is supplied to the cathode electrode.
  • the oxidant gas supply communication hole 32 also serves as the exhaust gas communication hole 34 for discharging the fuel gas used in the anode electrode and the air used in the cathode electrode.
  • a heat exchanger 36 for heating before supplying the oxidant gas to the fuel cell stack 28, and the raw fuel
  • an evaporator 38 for evaporating water and a reformer 40 for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas are provided.
  • a load is applied to apply a tightening load along the stacking direction (arrow A direction) to the fuel cells 26 constituting the fuel cell stack 28.
  • a mechanism 42 is disposed (see FIG. 2).
  • the reformer 40 removes higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) contained in city gas (raw fuel).
  • C 2+ hydrocarbons
  • ethane C 2 H 6
  • propane C 3 H 8
  • butane C 4 H 10
  • the operating temperature of the fuel cell 26 is as high as several hundred degrees Celsius.
  • methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen and CO, and this hydrogen and CO are supplied to the anode electrode.
  • the heat exchanger 36 includes an exhaust gas passage 44 for flowing a used reaction gas (hereinafter also referred to as exhaust gas) discharged from the fuel cell stack 28, and an air for flowing air that is a fluid to be heated in a counterflow with the exhaust gas. And a passage 46.
  • the upstream side of the air passage 46 communicates with the air supply pipe 48, and the downstream side of the air passage 46 communicates with the oxidant gas supply communication hole 32 of the fuel cell stack 28.
  • the evaporator 38 is provided with a raw fuel passage 50 and a water passage 52.
  • the raw fuel passage 50 is connected to the raw fuel supply device 16, and the reformer 40 communicates with the fuel gas supply communication hole 30.
  • the water passage 52 is connected to the water supply device 20, while the oxidant gas supply device 18 is connected to the air supply pipe 48.
  • the raw fuel supply device 16, the oxidant gas supply device 18, and the water supply device 20 are controlled by a control device 24, and a detector 56 that detects fuel gas is electrically connected to the control device 24.
  • a commercial power source 58 or a load, a secondary battery, or the like is connected to the power conversion device 22 (see FIG. 2).
  • the fuel cell system 10 includes a temperature sensor 60 that detects the temperature of the fuel cell stack 28, and the flow rate of raw fuel (fuel gas) supplied from the raw fuel supply device 16 to the evaporator 38. And a second flow rate sensor 62b for detecting the flow rate of air (oxidant gas) supplied from the oxidant gas supply device 18 to the heat exchanger 36.
  • the temperature sensor 60, the first flow sensor 62a, and the second flow sensor 62b are connected to the control device 24.
  • the control device 24 also has a function of controlling the amount of fuel gas supplied from the raw fuel supply device 16 and the amount of air supplied from the oxidant gas supply device 18.
  • the evaporator 38 steam is mixed with the raw fuel to obtain a mixed fuel, and this mixed fuel is supplied to the reformer 40.
  • the mixed fuel is steam reformed in the reformer 40, and C 2+ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a reformed gas mainly composed of methane.
  • the reformed gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 30 of the fuel cell stack 28.
  • fuel gas is supplied to the anode electrode of each fuel cell 26 and air is supplied to the cathode electrode, and power generation is performed by a chemical reaction.
  • the exhaust gas containing the fuel gas and air used for the reaction is discharged from the fuel cell stack 28 through the exhaust gas passage 44 as an off gas.
  • the control device 24 sets a target operating temperature T1 ° C. for the fuel cell system 10 (step S1).
  • the temperature of the fuel cell stack 28 and the power generation efficiency have the relationship shown in FIG. 4, and a desired power generation efficiency can be obtained at the stack temperature T1 ° C., while the decrease in efficiency is relatively low until the stack temperature T2 ° C. If the stack temperature is less than T2 ° C., the efficiency is significantly reduced.
  • the stack temperature T1 ° C. is, for example, 750 ° C. to 800 ° C.
  • the stack temperature T2 ° C. is, for example, 700 ° C.
  • the target fuel utilization rate Uf1 is set.
  • the fuel utilization rate Uf is calculated from the output current / theoretical current of the supplied fuel, and the fuel utilization rate Uf and the power generation efficiency have the relationship shown in FIG.
  • the target fuel utilization rate Uf1 is set to a value that can maintain high efficiency under the condition that no redox reaction occurs in the anode electrode.
  • raw fuel is supplied from the raw fuel supply device 16 and air is supplied from the oxidant gas supply device 18.
  • the supply amount of raw fuel supplied to the fuel cell module 12 is detected via the first flow rate sensor 62a (step S3), and the supply amount of air supplied to the fuel cell module 12 is the second flow rate. It is detected via the sensor 62b (step S4).
  • the control device 24 calculates A / F (air supply amount / raw fuel supply amount) using the detected raw fuel supply amount and air supply amount (step S5), and the power generation temperature of the fuel cell stack 28 is calculated. It is detected via the temperature sensor 60 (step S6).
  • Detected A / F is compared with a specified value (step S7).
  • the specified value of A / F is set to a value that does not deteriorate due to exposure of the cathode electrode to a reducing atmosphere due to a decrease in the air supply amount.
  • the process proceeds to step S8.
  • step S8 the detected power generation temperature is compared with the target operating temperature T1 ° C. If it is determined that the detected power generation temperature is higher than the target operating temperature T1 ° C. (YES in step S8), the process proceeds to step S9, and the supply amount of air is increased. For this reason, the fuel cell stack 28 is cooled by the increase in the air flow rate, and the power generation temperature is lowered. And it progresses to step S10 and said process is performed until a driving
  • step S8 If it is determined in step S8 that the power generation temperature is lower than the target operating temperature T1 ° C. (NO in step S8), the process proceeds to step S11, and the air supply amount is decreased. For this reason, in the fuel cell stack 28, the power generation temperature rises due to a decrease in the air supply amount having a cooling function, and this power generation temperature is maintained at the target operating temperature T1 ° C. or higher.
  • step S7 determines whether the calculated A / F is less than the specified value (NO in step S7). If it is determined in step S7 that the calculated A / F is less than the specified value (NO in step S7), the process proceeds to step S12, where the power generation temperature is compared with the stack temperature T2 ° C. As shown in FIG. 4, the stack temperature T2 ° C. is set to a temperature at which the decrease in efficiency is relatively small.
  • step S12 when it is determined that the power generation temperature is equal to or higher than the stack temperature T2 ° C. (YES in step S12), the process proceeds to step S13, and the power generation temperature higher than the stack temperature T2 ° C. (T2 ° C. ⁇ power generation temperature ⁇ T1 ° C.). ) Is set to the corrected target operating temperature. At that time, the target fuel utilization rate Uf1 is maintained. The fuel cell stack 28 is operated based on the corrected target operation temperature.
  • step S12 If it is determined in step S12 that the power generation temperature is lower than the stack temperature T2 ° C. (NO in step S12), the process proceeds to step S14.
  • step S14 a low target fuel utilization rate Uf2 (see FIG. 5) is set.
  • step S14 a corrected target operating temperature T2 ° C. is set. This is to maintain the minimum efficiency reduction. Then, the fuel cell stack 28 is operated based on the target fuel utilization rate Uf2 and the corrected target operation temperature T2 ° C.
  • a step (step S1) of setting a target operating temperature T1 ° C. for maintaining a constant power generation efficiency, and the target fuel utilization of the fuel cell stack 28 A step of setting the rate Uf1 (step S2) and an A / F (air supply amount / fuel gas supply amount) value obtained by dividing the supply amount of oxidant gas to the fuel cell stack 28 by the supply amount of fuel gas is calculated.
  • step S5 A step (step S5) of measuring, a step of measuring the power generation temperature of the fuel cell stack 28 (step S6), a step of comparing the A / F value with a preset specified value (step S7), When it is determined that the A / F value is greater than or equal to the specified value (YES in step S7), the supply amount of the oxidant gas is increased or decreased (steps S9 and S11), and the fuel cell stack 28 The serial power generation temperature and a step of maintaining said target operating temperature T1 ° C..
  • the desired power generation temperature (T1 ° C.), fuel utilization rate (Uf1), and A / F value can be maintained, and highly efficient power generation is reliably performed.
  • the power generation temperature of the fuel cell stack 28 can be controlled by simple control such as increasing or decreasing the supply amount of the oxidant gas or adjusting the operating temperature or the fuel utilization rate.
  • the optimum target operating temperature (T1 ° C.) can be maintained, and efficient operation can be performed (see the first region in FIG. 6).
  • this operation method includes a step (step S8) of comparing the power generation temperature of the fuel cell stack 28 with the target operation temperature (T1 ° C), and when the power generation temperature is higher than the target operation temperature (T1 ° C).
  • step S8 the determination is made (YES in step S8), the supply amount of the oxidant gas is increased (step S9), while when the power generation temperature is determined to be lower than the target operating temperature (T1 ° C.), the oxidant The gas supply amount is decreased (step S11).
  • the power generation temperature of the fuel cell stack 28 can be maintained at the optimum target operating temperature (T1 ° C.) by simple control of increasing / decreasing the supply amount of the oxidant gas, and efficient operation can be performed. Become.
  • the power generation temperature is set to a corrected target operation temperature (T2 ° C.) lower than the target operation temperature. It has the process of comparing (step S12). For this reason, it is possible to confirm the decrease in the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 28 and to lower the operating temperature of the fuel cell stack 28. As a result, it is possible to prevent the cathode electrode from deteriorating and to suppress the minimum efficiency reduction, and to continue the operation of the fuel cell stack 28.
  • the target operation temperature is maintained while maintaining the target fuel utilization rate (Uf1). Is set to a temperature equal to or higher than the corrected target operating temperature (T2 ° C.) and lower than the target operating temperature (T1 ° C.) (step S13).
  • the vehicle can be operated (see the second region in FIG. 6).
  • step S12 when it is determined that the power generation temperature is lower than the corrected target operation temperature (T2 ° C.) (NO in step S12), the target fuel utilization rate (Uf2) is set low and the target operation temperature is set to be lower. And a step of setting the corrected target operating temperature (step S14).
  • the exhaust gas temperature is raised by the low target fuel utilization rate (Uf2) to raise the temperature of the fuel cell stack 28, and the power generation temperature of the fuel cell stack 28 can be maintained at the corrected target operating temperature (T2 ° C.). . Accordingly, the deterioration of the cathode electrode can be suppressed by keeping A / F constant, and the decrease in the efficiency of the fuel cell stack 28 can be suppressed to the minimum, and the fuel cell stack 28 can be continuously operated. This becomes possible (see the third region in FIG. 6).

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Abstract

　燃料電池システム（１０）の運転方法は、燃料電池スタック（２８）の発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度Ｔ１℃を設定する工程と、前記燃料電池スタック（２８）の目標燃料利用率Ｕｆ１を設定する工程と、前記燃料電池スタック（２８）への酸化剤ガスの供給量を燃料ガスの供給量で除したＡ／Ｆ値を算出する工程と、前記燃料電池スタック（２８）の発電温度を測定する工程と、前記Ａ／Ｆ値を、予め設定された規定値と比較する工程と、前記Ａ／Ｆ値が前記規定値以上であると判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増減させて前記燃料電池スタック（２８）の前記発電温度を前記目標運転温度Ｔ１℃に維持する工程とを有している。

Description

燃料電池システムの運転方法
　本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置からの前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法に関する。
　通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
　燃料電池スタックの運転を制御するために、例えば、特開２００５－０７１９１３号公報に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックに発生する温度差を抑制するために、前記燃料電池スタックの入口において空気と燃料の温度差を測定し、その温度差が小さくなるようにフィードバック制御を行っている。
　また、特開２００８－１５９３６２号公報に開示されている固体酸化物形燃料電池システムは、空気極に向けて流れる空気を分配して送給するための空気分配送給手段を備えており、前記空気分配送給手段は、中央送給流路部及び端送給流路部を有し、空気流路を流れる空気の流量が多くなると、前記空気分配送給手段は、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が小さくなるように空気を分配送給している。
　さらにまた、特開２００４－３４９２１４号公報に開示されている固体酸化物形燃料電池の運転方法では、運転中に負荷変動させる場合でも、ハンチングの発生を防止し、スタック内部の温度を発電反応に適した一定の温度に維持するため、発電反応に伴って発電セルに流れる電流量を検出するとともに、この電流量の検出値に応じて酸化剤ガスの供給温度を制御している。
　ところで、ＳＯＦＣの運転中には、カソード電極に対してエアポンプの駆動作用下に酸化剤ガスが供給されている。その際、エアポンプの停止等によって酸化剤ガスの供給量が急激に低下すると、アノード電極側からの燃料ガスを含む排ガスが、カソード電極側に向かって逆流するおそれがある。このため、カソード電極は、急激な還元雰囲気下に曝されてしまい、前記カソード電極の構成材料が劣化あるいは損傷する。
　しかしながら、上記の特開２００５－０７１９１３号公報、特開２００８－１５９３６２号公報及び特開２００４－３４９２１４号公報では、酸化剤ガス供給量が規定量以下に低下することによるカソード電極の劣化に、良好に対応することができない。
　本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、酸化剤ガス流量の変動に良好に対応することができ、カソード電極の劣化を可及的に阻止することが可能な燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
　本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置からの前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法に関するものである。
　この運転方法は、燃料電池スタックの発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度を設定する工程と、前記燃料電池スタックの目標燃料利用率を設定する工程と、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を燃料ガスの供給量で除したＡ／Ｆ値を算出する工程と、前記燃料電池スタックの発電温度を測定する工程と、前記Ａ／Ｆ値を、予め設定された規定値と比較する工程と、前記Ａ／Ｆ値が前記規定値以上であると判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増減させて前記燃料電池スタックの前記発電温度を前記目標運転温度に維持する工程とを有している。
　本発明によれば、燃料電池スタックの発電運転中に、所望の発電温度及び燃料利用率を維持することができ、高効率な発電が確実に遂行される。しかも、カソード電極に劣化が生じない条件の下、酸化剤ガスの供給量を増減させたり、作動温度や燃料利用率を調整したりするという簡単な制御で、燃料電池スタックの発電温度を、最適な目標運転温度に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になる。
本発明の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記運転方法を説明するフローチャートである。 スタック温度と発電効率との関係説明図である。 燃料利用率と発電効率との関係説明図である。 出力とＡ／Ｆ値との関係説明図である。
　図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備える。
　燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２６が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２８を備える。燃料電池２６は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた平板状の電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。
　図２に示すように、燃料電池スタック２８の中心部には、燃料ガス供給連通孔３０が積層方向（矢印Ａ方向）に延在して設けられ、前記燃料ガス供給連通孔３０から各燃料電池２６のアノード電極に燃料ガスが供給される。
　燃料電池スタック２８の中央縁部には、燃料ガス供給連通孔３０を中心に同心円上に複数の酸化剤ガス供給連通孔３２が設けられ、この酸化剤ガス供給連通孔３２から各燃料電池２６のカソード電極に空気が供給される。酸化剤ガス供給連通孔３２は、アノード電極で使用された燃料ガス及びカソード電極で使用された空気を排出する排ガス連通孔３４を兼用する。
　図１に示すように、燃料電池スタック２８の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック２８に供給する前に加熱する熱交換器３６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される。
　燃料電池スタック２８の積層方向下端側（又は積層方向上端側）には、前記燃料電池スタック２８を構成する燃料電池２６に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図２参照）。
　改質器４０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
　燃料電池２６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯがアノード電極に供給される。
　熱交換器３６は、燃料電池スタック２８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガスともいう）を流すための排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。空気通路４６の上流側は、空気供給管４８に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック２８の酸化剤ガス供給連通孔３２に連通する。
　蒸発器３８には、原燃料通路５０と水通路５２とが設けられる。原燃料通路５０は、原燃料供給装置１６に接続されるとともに、改質器４０は、燃料ガス供給連通孔３０に連通する。水通路５２は、水供給装置２０に接続される一方、酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管４８に接続される。
　原燃料供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器５６が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源５８（又は、負荷や２次電池等）が接続される（図２参照）。
　図１及び図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２８の温度を検出する温度センサ６０、原燃料供給装置１６から蒸発器３８に供給される原燃料（燃料ガス）の流量を検出する第１流量センサ６２ａ、及び酸化剤ガス供給装置１８から熱交換器３６に供給される空気（酸化剤ガス）の流量を検出する第２流量センサ６２ｂを備える。
　温度センサ６０、第１流量センサ６２ａ及び第２流量センサ６２ｂは、制御装置２４に接続される。制御装置２４は、原燃料供給装置１６からの燃料ガスの供給量及び酸化剤ガス供給装置１８からの空気の供給量を制御する機能も有する。
　この燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
　図１及び図２に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５０には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５２には、水が供給されるとともに、空気供給管４８には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
　蒸発器３８では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器４０に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック２８の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。
　一方、空気供給管４８から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック２８の酸化剤ガス供給連通孔３２に供給される。
　従って、各燃料電池２６のアノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に空気が供給され、化学反応により発電が行われる。反応に使用された燃料ガス及び空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路４４を介して燃料電池スタック２８から排出される。
　次いで、本実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
　先ず、制御装置２４では、燃料電池システム１０による目標運転温度Ｔ１℃が設定される（ステップＳ１）。燃料電池スタック２８の温度と発電効率とは、図４に示す関係を有しており、スタック温度Ｔ１℃で所望の発電効率が得られる一方、スタック温度Ｔ２℃までは効率の低下分が比較的少なく、このスタック温度Ｔ２℃未満では、効率低下が著しくなる。ここで、スタック温度Ｔ１℃は、例えば、７５０℃～８００℃であり、スタック温度Ｔ２℃は、例えば、７００℃である。
　次に、ステップＳ２に進んで、目標燃料利用率Ｕｆ１が設定される。燃料利用率Ｕｆは、出力電流／供給燃料が持つ理論電流から算出され、この燃料利用率Ｕｆと発電効率とは、図５に示す関係を有する。目標燃料利用率Ｕｆ１は、アノード電極にレドックス反応が発生しない条件で且つ高効率を維持し得る値に設定される。
　燃料電池モジュール１２では、原燃料供給装置１６から原燃料が供給されるとともに、酸化剤ガス供給装置１８から空気が供給されている。そして、燃料電池モジュール１２に供給される原燃料の供給量は、第１流量センサ６２ａを介して検出され（ステップＳ３）、前記燃料電池モジュール１２に供給される空気の供給量は、第２流量センサ６２ｂを介して検出される（ステップＳ４）。
　制御装置２４では、検出された原燃料供給量と空気供給量とを用いてＡ／Ｆ（空気供給量／原燃料供給量）を算出するとともに（ステップＳ５）、燃料電池スタック２８の発電温度が温度センサ６０を介して検出される（ステップＳ６）。
　検出されたＡ／Ｆは、規定値と比較される（ステップＳ７）。このＡ／Ｆの規定値は、空気供給量が減少してカソード電極が還元雰囲気に曝されて劣化することがない値に設定される。そして、検出されたＡ／Ｆが規定値以上であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。
　ステップＳ８では、検出された発電温度が、目標運転温度Ｔ１℃と比較される。検出された発電温度が、目標運転温度Ｔ１℃よりも高いと判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、空気の供給量が増加される。このため、燃料電池スタック２８では、空気流量の増加によって冷却され、発電温度が低下する。そして、ステップＳ１０に進み、運転が終了するまで上記の処理が行われる。
　ステップＳ８において、発電温度が、目標運転温度Ｔ１℃未満であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで、空気の供給量が減少される。このため、燃料電池スタック２８では、冷却機能を有する空気供給量が減少することにより、発電温度が上昇し、この発電温度は、目標運転温度Ｔ１℃以上に維持される。
　一方、ステップＳ７において、算出されたＡ／Ｆが、規定値未満であると判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進んで、発電温度がスタック温度Ｔ２℃と比較される。このスタック温度Ｔ２℃は、図４に示すように、効率の低下が比較的少ない温度に設定される。
　そこで、発電温度が、スタック温度Ｔ２℃以上であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、スタック温度Ｔ２℃よりも高い発電温度（Ｔ２℃≦発電温度＜Ｔ１℃）が、修正目標運転温度に設定される。その際、目標燃料利用率Ｕｆ１が維持される。この修正目標運転温度に基づいて、燃料電池スタック２８が運転される。
　また、ステップＳ１２において、発電温度が、スタック温度Ｔ２℃未満であると判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進む。このステップＳ１４では、低い目標燃料利用率Ｕｆ２（図５参照）に設定される。燃料利用率が低下されることにより、排ガス通路４４に排出される燃料ガス濃度が高くなり、未反応ガスが燃焼することから排ガス温度が高くなってスタック温度が上昇する。従って、燃料電池スタック２８の温度を高く維持することができる。
　さらに、ステップＳ１４では、修正目標運転温度Ｔ２℃が設定される。最低限の効率低下に維持するためである。そして、目標燃料利用率Ｕｆ２及び修正目標運転温度Ｔ２℃に基づいて、燃料電池スタック２８が運転される。
　この場合、本実施形態では、燃料電池スタック２８の発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度Ｔ１℃を設定する工程（ステップＳ１）と、前記燃料電池スタック２８の目標燃料利用率Ｕｆ１を設定する工程（ステップＳ２）と、前記燃料電池スタック２８への酸化剤ガスの供給量を燃料ガスの供給量で除したＡ／Ｆ（空気供給量／燃料ガス供給量）値を算出する工程（ステップＳ５）と、前記燃料電池スタック２８の発電温度を測定する工程（ステップＳ６）と、前記Ａ／Ｆ値を、予め設定された規定値と比較する工程（ステップＳ７）と、前記Ａ／Ｆ値が前記規定値以上であると判断された際（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、前記酸化剤ガスの供給量を増減（ステップＳ９、Ｓ１１）させて、前記燃料電池スタック２８の前記発電温度を前記目標運転温度Ｔ１℃に維持する工程とを有している。
　このため、燃料電池スタック２８の発電運転中に、所望の発電温度（Ｔ１℃）、燃料利用率（Ｕｆ１）及びＡ／Ｆ値を維持することができ、高効率な発電が確実に遂行される。しかも、カソード電極に劣化が生じない条件の下、酸化剤ガスの供給量を増減させたり、作動温度や燃料利用率を調整したりするという簡単な制御で、燃料電池スタック２８の発電温度を、最適な目標運転温度（Ｔ１℃）に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になる（図６中、第１領域参照）。
　また、この運転方法は、燃料電池スタック２８の発電温度を、目標運転温度（Ｔ１℃）と比較する工程（ステップＳ８）を有し、前記発電温度が前記目標運転温度（Ｔ１℃）より高いと判断された際（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、酸化剤ガスの供給量を増加させる一方（ステップＳ９）、前記発電温度が前記目標運転温度（Ｔ１℃）より低いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を減少させている（ステップＳ１１）。
　従って、酸化剤ガスの供給量を増減させるという簡単な制御で、燃料電池スタック２８の発電温度を、最適な目標運転温度（Ｔ１℃）に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になる。
　さらに、この運転方法は、Ａ／Ｆ値が規定値未満であると判断された際（ステップＳ７中、ＮＯ）、発電温度を、目標運転温度よりも低温の修正目標運転温度（Ｔ２℃）と比較する工程を有している（ステップＳ１２）。このため、燃料電池スタック２８に供給される酸化剤ガス流量の減少を確認して、前記燃料電池スタック２８の運転温度を下げることができる。これにより、カソード電極の劣化を防止し且つ最小限の効率低下に抑制して、燃料電池スタック２８の運転を継続させることが可能になる。
　さらにまた、この運転方法は、発電温度が修正目標運転温度（Ｔ２℃）より高いと判断された際（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、目標燃料利用率（Ｕｆ１）を維持した状態で、目標運転温度を、前記修正目標運転温度（Ｔ２℃）以上で且つ前記目標運転温度（Ｔ１℃）未満の温度に設定する工程を有している（ステップＳ１３）。
　従って、Ａ／Ｆを一定に保つことによってカソード電極の劣化を抑制するとともに、燃料利用率を高く維持し且つ燃料電池スタック２８の効率の低下を最小限に抑制して、前記燃料電池スタック２８を運転することができる（図６中、第２領域参照）。
　また、この運転方法は、発電温度が修正目標運転温度（Ｔ２℃）より低いと判断された際（ステップＳ１２中、ＮＯ）、目標燃料利用率（Ｕｆ２）を低く設定するとともに、目標運転温度を、前記修正目標運転温度に設定する工程を有している（ステップＳ１４）。
　このため、低い目標燃料利用率（Ｕｆ２）により排ガス温度を高くして燃料電池スタック２８を昇温させ、前記燃料電池スタック２８の発電温度を修正目標運転温度（Ｔ２℃）に維持することができる。これにより、Ａ／Ｆを一定に保つことによってカソード電極の劣化を抑制するとともに、燃料電池スタック２８の効率の低下を最小限に抑制して、前記燃料電池スタック２８を継続して運転することが可能になる（図６中、第３領域参照）。

Claims (5)

  1. 　燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（２６）を複数積層した燃料電池スタック（２８）と、
    　前記燃料電池スタック（２８）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１６）と、
    　前記燃料電池スタック（２８）に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（１８）と、
    　前記燃料ガス供給装置（１６）からの前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガス供給装置（１８）からの前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御装置（２４）と、
    　を備える燃料電池システム（１０）の運転方法であって、
    　前記燃料電池スタック（２８）の発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度を設定する工程と、
    　前記燃料電池スタック（２８）の目標燃料利用率を設定する工程と、
    　前記燃料電池スタック（２８）への前記酸化剤ガスの供給量を前記燃料ガスの供給量で除したＡ／Ｆ値を算出する工程と、
    　前記燃料電池スタック（２８）の発電温度を測定する工程と、
    　前記Ａ／Ｆ値を、予め設定された規定値と比較する工程と、
    　前記Ａ／Ｆ値が前記規定値以上であると判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増減させて前記燃料電池スタック（２８）の前記発電温度を前記目標運転温度に維持する工程と、
    　を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  2. 　請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池スタック（２８）の前記発電温度を、前記目標運転温度と比較する工程を有し、
    　前記発電温度が前記目標運転温度より高いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増加させる一方、
    　前記発電温度が前記目標運転温度より低いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  3. 　請求項１又は２記載の運転方法において、前記Ａ／Ｆ値が前記規定値未満であると判断された際、前記発電温度を、前記目標運転温度よりも低温の修正目標運転温度と比較する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  4. 　請求項３記載の運転方法において、前記発電温度が前記修正目標運転温度より高いと判断された際、前記目標燃料利用率を維持した状態で、前記目標運転温度を、前記修正目標運転温度以上で且つ前記目標運転温度未満の温度に設定する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  5. 　請求項３記載の運転方法において、前記発電温度が前記修正目標運転温度より低いと判断された際、前記目標燃料利用率を低く設定するとともに、前記目標運転温度を、前記修正目標運転温度に設定する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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