JP2010257752A - 燃料電池モジュールの制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧低下が惹起された際にも、簡単な制御で、目標出力を維持することを可能にする。
【解決手段】制御プログラムは、制御装置に、燃料電池モジュールの目標出力値を設定する第１のステップと、燃料ガスデータに応じた燃料ガスを供給する第２のステップと、電流データに応じた電流を得る第３のステップと、前記燃料電池モジュールの現在出力値を検出する第４のステップと、前記目標出力値と前記現在出力値とを比較する第５のステップと、前記燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量を調整する第６のステップと、前記燃料電池モジュールから得る電流を調整する第７のステップと、前記目標出力値に対応する前記燃料ガスデータを更新する第８のステップと、前記目標出力値に対応する前記電流データを更新する第９のステップとを実行させ、前記第５のステップの比較結果に基づいて、少なくとも前記第６のステップ、前記第７のステップ、前記第８のステップ又は前記第９のステップのいずれかを実行させるためのプログラムである。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンピュータによって、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を有する燃料電池モジュールを制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムに関する。

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（以下、ＭＥＡともいう）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。

この種の燃料電池スタックでは、発電性能の劣化により出力が低下する場合がある。そこで、電池の特性劣化を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電装置が知られている。

この燃料電池発電装置は、燃料電池の負荷電流及び電圧を測定し、この測定された負荷電流及び電圧を運転時間に対応させて経時変化として記録し、この経時変化と燃料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して燃料電池の状態を評価し、この評価結果に応じて燃料又は酸化剤のうち少なくとも一方の流量を制御している。すなわち、燃料電池の負荷電流及び電圧の測定により、燃料電池の劣化状態、運転状態を検知し、燃料電池に供給する燃料又は酸化剤の反応ガス量を燃料電池の状況に適した量に調整することによって、燃料電池の特性の安定化を図る、としている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池と、燃料供給手段と、酸化剤供給手段と、固体高分子形燃料電池と燃料供給手段と酸化剤供給手段とを制御する制御手段と、を備えている。

この燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池の開回路電圧を測定する開回路電圧測定手段を備え、制御手段は、開回路電圧に応じて、燃料供給手段又は酸化剤供給手段の少なくとも一方を制御している。具体的には、予め設定された第１の供給量の燃料及び酸化剤が固体高分子形燃料電池へ供給される第１の運転モードと、燃料又は酸化剤の少なくとも一方の供給量を減少させた第２の供給量の燃料及び酸化剤が固体高分子形燃料電池へ供給される第２の運転モードと、を有している。

特開平８−９６８２５号公報 特開２００７−２３４３４７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池の負荷電流及び電圧を経時変化として計測するため、時間計測が必要となっている。しかも、電圧の測定によって燃料電池の劣化状態を検知するため、燃料利用率が大きく変化してしまう場合がある。

さらに、燃料電池の停止前と再起動後とにおける経時変化を記録するため、起動停止時にのみ燃料電池の劣化を判断することができる。従って、起動停止が少ない燃料電池の場合は、劣化を判断する回数が減少して適切な時期に劣化を判断することができないという問題がある。その上、特許文献１は、最適な反応ガス利用率で運転することを目的としており、使用者が所望する出力の提供や高効率での運転の提供を図ることができない。

また、上記の特許文献２では、開回路電圧に応じて燃料供給手段又は酸化剤供給手段の少なくとも一方を制御しており、無負荷状態（開回路状態）になければ、劣化を検知することができないという問題がある。

しかも、開回路電圧に応じて燃料供給手段又は酸化剤供給手段の少なくとも一方を制御するため、実際に使用される閉回路状態での最適な燃料供給手段又は酸化剤供給手段を制御することができないという問題がある。

その上、劣化を検知する状態である開回路状態と、劣化に合わせて実運転する状態である閉回路状態とは、状態に差が生じてしまい、正確に劣化に合わせた実運転が遂行されないおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電圧低下が惹起された際にも、簡単な制御で、目標出力を維持することが可能な燃料電池モジュールの制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、コンピュータによって、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を有する燃料電池モジュールを制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムに関するものである。

この制御プログラムは、燃料電池モジュールの目標出力値に対応する燃料ガスデータ及び電流データが予め設定されており、前記燃料電池モジュールの前記目標出力値を設定する第１のステップと、前記第１のステップの設定結果に基づき、前記燃料ガスデータに応じた燃料ガスを供給する第２のステップと、前記第１のステップの設定結果に基づき、前記電流データに応じた電流を得る第３のステップと、前記燃料電池モジュールの現在出力値を検出する第４のステップと、前記目標出力値又は前記目標出力値の規定範囲と前記現在出力値とを比較する第５のステップと、前記燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量を調整する第６のステップと、前記燃料電池モジュールから得る電流を調整する第７のステップと、前記目標出力値に対応する前記燃料ガスデータを更新する第８のステップと、前記目標出力値に対応する前記電流データを更新する第９のステップとを実行させている。そして、第５のステップの比較結果に基づいて、少なくとも第６のステップ、第７のステップ、第８のステップ又は第９のステップのいずれかを実行させている。

また、この制御プログラムは、第５のステップで、現在出力値が、目標出力値未満又は前記目標出力値の規定範囲未満であると判断された際、第６のステップにおける燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量の増加を実行させ、次いで、第７のステップにおける前記燃料電池モジュールから得る電流の増加を実行させた後、第４のステップに戻ることが好ましい。

このため、燃料電池が所望の目標出力値を得ることができない場合に、この燃料電池に供給される燃料ガスを増加させた後、前記燃料電池から取り出される電流を増加させることにより、急激な燃料利用率の変化、特に、燃料利用率の過上昇による燃料枯れが抑制される。従って、燃料電池、具体的には、電解質・電極接合体の劣化が抑制され、燃料電池モジュールの信頼性及び耐久性の向上が図られる。

さらに、この制御プログラムは、第５のステップで、現在出力値が、目標出力値超過又は前記目標出力値の規定範囲超過であると判断された際、第７のステップにおける燃料電池モジュールから得る電流の減少を実行させ、次いで、第６のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量の減少を実行させた後、第４のステップに戻ることが好ましい。

これにより、燃料電池の現在出力値が目標出力値を超過している場合には、先ず、燃料電池から取り出される電流を減少させた後、前記燃料電池に供給される燃料ガス流量を減少させるため、急激な燃料利用率の変化、特に、燃料利用率の過上昇による燃料枯れが抑制される。このため、電解質・電極接合体の劣化が抑制され、燃料電池モジュールの信頼性及び耐久性の向上が図られる。

さらにまた、この制御プログラムは、第６のステップ及び第７のステップは、燃料利用率が予め設定された規定範囲内にあることを維持された状態で実行させることが好ましい。従って、燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量を調整する第６のステップ及び前記燃料電池モジュールから得る電流を調整する第７のステップは、燃料利用率が予め設定された規定範囲内にあることを維持された状態で実行されるため、急激な燃料利用率の変化、特に燃料利用率の過上昇による燃料枯れが抑制される。これにより、電解質・電極接合体の劣化が抑制され、燃料電池モジュールの信頼性及び耐久性の向上が図られる。

また、この制御プログラムは、第５のステップで、現在出力値が、目標出力値と等しい又は前記目標出力値の規定範囲内であると判断された際、少なくとも第６のステップ又は第７のステップのいずれかで調整が行われた否かを判断することが好ましい。燃料ガス流量の調整及び電流値の調整がなされていない場合には、目標出力値に対応する燃料ガスデータ及び前記目標出力値に対応する電流データを更新する必要がない。このため、燃料電池モジュールに出力低下が惹起しておらず、前記燃料電池モジュールを効率的に発電させることができる。

さらに、少なくとも第６のステップ又は第７のステップのいずれかで調整が実行されたと判断された際、少なくとも第８のステップ又は第９のステップのいずれかを実行させることが好ましい。目標出力値が得られた後、前記目標出力値に対応する燃料ガスデータ及び電流データが更新されるため、次回以降、同一の目標出力値を得たい場合には、迅速且つ確実に前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給及び電流の取り出しを行うことが可能になる。

さらにまた、この制御プログラムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、燃料電池は、発生する熱量の多い高温型燃料電池であり、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。しかも、固体酸化物形燃料電池モジュールに適用することにより、出力変更時の温度低下を抑制することが可能になり、高温な稼動を維持することができる。

本発明によれば、目標出力値と現在出力値との比較結果に基づいて、少なくとも燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量を調整するステップ、前記燃料電池モジュールから得る電流を調整するステップ、前記目標出力値に対応する燃料ガスデータを更新するステップ又は前記目標出力値に対応する電流データを更新するステップのいずれかを実行させている。

このため、燃料電池が電圧低下により所望の目標出力値が得られない場合にも、燃料ガス流量を調整したり、電流を調整したりすることで、目標出力値を確実に得ることができる。

次いで、目標出力値に対応する燃料ガスデータ、又は、前記目標出力値に対応する電流データの少なくともいずれかが更新されている。従って、次回以降、同一の目標出力値を得る際には、迅速且つ的確に前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給及び電流の取り出しを実行させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る制御プログラム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。 前記制御プログラムを説明するフローチャートである。 燃料電池モジュールの発電性能の説明図である。 前記燃料電池モジュールの目標出力値に対応する電流値及び燃料ガス流量の説明図である。 前記目標出力値の範囲の説明図である。 前記発電性能の低下状態から出力を増加させる際の説明図である。 前記目標出力値に対応する前記電流値及び前記燃料ガス流量の書き換えの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る制御プログラム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）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を制御する制御プログラムが記録された制御装置（コンピュータ）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電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体は、円板状に形成されるとともに、シールレスタイプの燃料電池を構成する。

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及び図２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、燃料電池スタック２８の発電時の電圧及び電流をモニタする電圧・電流モニタ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、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、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、及び水供給装置２０から前記蒸発器３８に供給される水の流量を検出する第３流量センサ６２ｃを備える。

第１〜第３流量センサ６２ａ、６２ｂ及び６２ｃ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、酸化剤ガス供給装置１８からの空気の供給量及び水供給装置２０からの水の供給量を制御する機能も有するとともに、燃料電池スタック２８の電流を調整する機能を有する。

このように構成される燃料電池システム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燃料ガス（改質ガス）が得られる。この燃料ガスは、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、制御装置２４によって、燃料電池モジュール１２を制御するための本実施形態に係る制御プログラムについて、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

先ず、燃料電池モジュール１２の発電性能（出力と発電効率との関係）は、図４に示すように、燃料ガス流量の割合によって設定されている。そして、例えば、目標出力値が設定される一方、制御装置２４には、図５に示すように、目標出力値に対する電流値及び燃料ガス流量のマップが記憶されている。

そこで、本実施形態に係る制御プログラムについて、以下に説明する。

この制御プログラムは、燃料電池モジュール１２の目標出力値に対応する燃料ガスデータ及び電流データが予め設定されており、制御装置２４に、前記燃料電池モジュール１２の前記目標出力値を設定する第１のステップと、前記第１のステップの設定結果に基づき、前記燃料ガスデータに応じた燃料ガスを供給する第２のステップと、前記第１のステップの設定結果に基づき、前記電流データに応じた電流を得る第３のステップと、前記燃料電池モジュール１２の現在出力値を検出する第４のステップと、前記目標出力値又は前記目標出力値の規定範囲と前記現在出力値とを比較する第５のステップと、前記燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス流量を調整する第６のステップと、前記燃料電池モジュール１２から得る電流を調整する第７のステップと、前記目標出力値に対応する前記燃料ガスデータを更新する第８のステップと、前記目標出力値に対応する前記電流データを更新する第９のステップとを実行させるためのプログラムである。

そして、第５のステップの比較結果に基づいて、少なくとも第６のステップ、第７のステップ、第８のステップ又は第９のステップのいずれかを実行させている。

具体的には、図３のフローチャートに示すように、燃料電池システム１０では、制御装置２４により燃料電池モジュール１２の目標出力値（電圧×電流）が設定される（ステップＳ１）。

制御装置２４は、図５に示すように、予め記憶されているマップから目標出力値（要求出力値）（Ｐｒ８）に対応する燃料ガス流量（Ｑｆ８）を設定するとともに（ステップＳ２）、前記目標出力値に対応する電流値（Ｉ８）を設定する（ステップＳ３）。従って、燃料電池モジュール１２では、ステップＳ２により設定された燃料ガス流量に調整された燃料ガスが供給されるとともに、ステップＳ３により設定された電流が取り出される。なお、ステップＳ２とステップＳ３とは、逆の順序で行ってもよい。

次に、ステップＳ４に進み、制御装置２４は、燃料電池モジュール１２の現在出力値（電圧×電流）（ＦＣ出力値）を検出する。この検出された燃料電池モジュール１２の現在出力値は、目標出力値の規定範囲（又は目標出力値）と比較される（ステップＳ５）。

その際、燃料電池モジュール１２の目標出力値が、例えば、１０００Ｗである場合、係数αは、図６に示すように設定される。ここで、α＝０．０５は、応答性を優先した場合であり、α＝０．０１は、正確性を優先した場合である。また、その他では、現在出力値の最大値（ＭＡＸ）が目標出力値に設定されている。過出力（逆潮流含む）を防止するためである。

ステップＳ５で、現在出力値が、目標出力値の規定範囲未満又は目標出力値の規定範囲超過であると判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、前記現在出力値が目標出力値未満であるか否かが判断される。

燃料電池モジュール１２の現在出力値が、目標出力値未満であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、燃料ガスの流量が増加される。さらに、燃料ガスの流量が増加された後、ステップＳ８に進んで、燃料電池モジュール１２から取り出される電流が増加される。

具体的には、図７に示すように、初期運転ポイントＰ１では、要求出力値を満たしており、劣化等によって出力及び効率が低下して劣化運転ポイントＰ２に至る。このため、燃料利用率Ｕｆが一定に維持された状態で、燃料電池モジュール１２に供給される燃料ガス流量が増加されるとともに、前記燃料電池モジュール１２から得られる電流値が増加される。従って、劣化抑制運転ポイントＰ３に調整され、所望の要求出力値（目標出力値）が得られる。

上記のステップＳ７及びステップＳ８の調整が行われると、ステップＳ９に進む。燃料ガス流量及び電流の調整が実施されているため、調整実施フラグがオンされた後、ステップＳ４に戻される。

一方、ステップＳ６において、現在出力値が目標出力値超過であると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進んで、先ず、燃料電池モジュール１２から得られる電流が減少される。次いで、燃料電池モジュール１２に供給される燃料ガス流量が減少された後（ステップＳ１１）、ステップＳ９に進む。

また、ステップＳ５において、現在出力値が目標出力値の規定範囲内にあると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、調整実施フラグがオンであるか否かが判断される。調整実施フラグがオンであると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、すなわち、ステップＳ７及びステップＳ８の調整処理又はステップＳ１０及びステップＳ１１の調整処理がなされたと判断すると、ステップＳ１３に進んで、目標出力値に対応する燃料ガスデータが更新される。

さらに、ステップＳ１４に進み、目標出力値に対応する電流データが更新される。具体的には、図８に示すように、要求出力値Ｐｒ８に対して、燃料ガス流量がＱｆ８からＱｆ８＋Ｑｆαに書き換えられる一方、電流値がＩ８からＩ８＋Ｉαに書き換えられる。上記の書き換え処理が終了すると、ステップＳ１５に進んで、調整実施フラグがオフされる。

この場合、本実施形態では、目標出力値と現在出力値との比較結果に基づいて、少なくとも燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス流量を調整するステップ、前記燃料電池モジュール１２から得られる電流を調整するステップ、前記目標出力値に対応する燃料ガスデータを更新するステップ又は前記目標出力値に対応する電流データを更新するステップのいずれかを実行させている。

これにより、燃料電池２６が電圧低下により所望の目標出力値が得られない場合にも、燃料ガス流量を調整したり、電流を調整したりすることで、目標出力値を確実に得ることができる。

次いで、目標出力値に対応する燃料ガスデータ又は前記目標出力値に対応する電流データの少なくともいずれかが更新されている。このため、次回以降、同一の目標出力値を得る際には、迅速且つ的確に前記目標出力値に対応した燃料ガスの供給及び電流の取り出しを実行させることが可能になるという効果が得られる。

また、現在出力値が、目標出力値未満であると判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス流量の増加を実行させ（ステップＳ７）、次いで、前記燃料電池モジュール１２から得る電流の増加を実行させた後（ステップＳ８）、ステップＳ９からステップＳ４に戻されている。

従って、目標出力値に相当する燃料ガスを供給し、且つ電流を引き出しても、燃料電池２６が電圧低下により所望の出力値が得られなかった際には、先ず、供給する燃料ガス流量を増加させた後、取り出す電流を増加させている。これにより、急激な燃料利用率の変化、特に、燃料利用率の過上昇による燃料枯れが抑制され、電解質・電極接合体の劣化が抑制されるため、燃料電池モジュール１２の信頼性及び耐久性が向上するという利点がある。

さらに、現在出力値が、目標出力値超過であると判断された際（ステップＳ６中、ＮＯ）、先ず、燃料電池モジュール１２から得る電流の減少を実行させ（ステップＳ１０）、次いで、前記燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス流量の減少を実行させた後（ステップＳ１１）、ステップＳ９からステップＳ４に戻されている。

このため、目標出力値に相当する燃料ガス流量の供給及び電流値の取り出しを実行させても、燃料電池２６が現在出力値＞目標出力値となった場合には、取り出す電流を減少させてから、供給する燃料ガスを減少させている。従って、急激な燃料利用率の変化、特に、燃料利用率の過上昇による燃料枯れが抑制され、電解質・電極接合体の劣化が抑制されて、燃料電池モジュール１２の信頼性及び耐久性が向上する。

さらにまた、燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス流量を調整するステップ及び前記燃料電池モジュール１２から得る電流を調整するステップは、燃料利用率が、予め設定された規定範囲内にあることを維持された状態で実行されている。具体的には、一般的な燃料電池システム１０における燃料利用率（Ｕｆ）の範囲は、１０％〜８０％の範囲である。

本実施形態では、第６のステップ及び第７のステップにおいて、応答性を重視する際には、燃料利用率の規定範囲を±５％に設定する一方、耐久性を重視する際には、燃料利用率の規定範囲を±１％に設定している。これにより、燃料ガス流量の調整ステップ及び電流の調整ステップにおいて、急激な燃料利用率の変化、特に燃料利用率の過上昇による燃料枯れが抑制される。このため、電解質・電極接合体の劣化が抑制されて、燃料電池モジュール１２の信頼性及び耐久性が向上する。

また、現在出力値が、目標出力値と等しいと判断された際（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、少なくとも第６のステップ又は第７のステップのいずれかで調整が実行されたか否かが判断される（ステップＳ１２）。すなわち、燃料ガス流量の調整及び電流の調整が実行されていない場合には、いずれの調整も不要であり、目標出力値に対応する燃料ガスデータ及び前記目標出力値に対応する電流データを更新することはない。従って、燃料電池モジュール１２に出力低下が惹起されておらず、前記燃料電池モジュール１２を効率的に発電させることができる。

さらに、少なくとも第６のステップ又は第７のステップのいずれかで調整が実行されたと判断された際には、少なくとも第８のステップ（燃料ガスデータの更新）又は第９のステップ（電流データの更新）のいずれかが実行されている。これにより、次回以降、同一の目標出力値を得たい場合に、迅速且つ的確に前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給及び電流の取り出しを実行させることが可能になる。

さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、燃料電池２６は、発生する熱量の多い高温型燃料電池であり、燃料電池システム１０の耐久性及び寿命を一層向上させることができる。しかも、固体酸化物形燃料電池モジュールに適用することにより、出力変更時の温度低下を抑制することができ、高温な稼動を維持することが可能になる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置 ２６…燃料電池
２８…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器 ４０…改質器
５６…電圧・電流モニタ ６２ａ〜６２ｃ…流量センサ

Claims (7)

1. コンピュータによって、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を有する燃料電池モジュールを制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムであって、
   前記燃料電池モジュールの目標出力値に対応する燃料ガスデータ及び電流データが予め設定されており、
   前記燃料電池モジュールの前記目標出力値を設定する第１のステップと、
   前記第１のステップの設定結果に基づき、前記燃料ガスデータに応じた燃料ガスを供給する第２のステップと、
   前記第１のステップの設定結果に基づき、前記電流データに応じた電流を得る第３のステップと、
   前記燃料電池モジュールの現在出力値を検出する第４のステップと、
   前記目標出力値又は前記目標出力値の規定範囲と前記現在出力値とを比較する第５のステップと、
   前記燃料電池モジュールに供給する燃料ガス流量を調整する第６のステップと、
   前記燃料電池モジュールから得る電流を調整する第７のステップと、
   前記目標出力値に対応する前記燃料ガスデータを更新する第８のステップと、
   前記目標出力値に対応する前記電流データを更新する第９のステップと、
   を実行させ、
   前記第５のステップの比較結果に基づいて、少なくとも前記第６のステップ、前記第７のステップ、前記第８のステップ又は前記第９のステップのいずれかを実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
2. 請求項１記載の制御プログラムにおいて、前記第５のステップで、前記現在出力値が、前記目標出力値未満又は前記目標出力値の規定範囲未満であると判断された際、
   前記第６のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガス流量の増加を実行させ、次いで、前記第７のステップにおける前記燃料電池モジュールから得る前記電流の増加を実行させた後、前記第４のステップに戻ることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
3. 請求項１又は２記載の制御プログラムにおいて、前記第５のステップで、前記現在出力値が、前記目標出力値超過又は前記目標出力値の規定範囲超過であると判断された際、
   前記第７のステップにおける前記燃料電池モジュールから得る前記電流の減少を実行させ、次いで、前記第６のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガス流量の減少を実行させた後、前記第４のステップに戻ることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップ及び前記第７のステップは、燃料利用率が予め設定された規定範囲内にあることを維持された状態で実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第５のステップで、前記現在出力値が、前記目標出力値と等しい又は前記目標出力値の規定範囲内であると判断された際、
   少なくとも前記第６のステップ又は前記第７のステップのいずれかで調整が実行された否かを判断することを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
6. 請求項５記載の制御プログラムにおいて、少なくとも前記第６のステップ又は前記第７のステップのいずれかで調整が実行されたと判断された際、
   少なくとも前記第８のステップ又は前記第９のステップのいずれかを実行させることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池モジュールの制御プログラム。

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