JP4664581B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の温度を制御する技術に関する。

燃料電池は、燃料中の水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を取り出す装置である。燃料電池が安定的な運転条件の下で運転されるために、温度制御技術が開発されている。

溶融炭酸塩型燃料電池において、カソードガス入口とカソードガス出口との温度差に基づいて制御を行う昇温制御方法が知られている（特許文献１参照）。

溶融炭酸塩型燃料電池において、燃料電池の劣化により内部発熱量が増加した際に、圧縮空気の供給量を増加することなしに、カソード極入口温度と、カソード極入口と出口の温度差を制御できるようにした溶融炭酸塩型燃料電池発電設備が知られている（特許文献２参照）。

特開平０７−２４５１１７号公報 特許第３０８９７８４号公報

本発明の目的は、燃料電池に供給される燃料と空気の温度差を低く抑える燃料電池システムを提供することである。
本発明の他の目的は、燃料電池に供給される燃料と空気の温度差に短時間で応答して燃料温度と空気温度の調節が行われる燃料電池システムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、燃料と空気の温度差を低く抑えながらより短い時間で起動する燃料電池システムを提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による燃料電池システムは、燃料電池スタック（Ｓ）に燃料を供給する燃料供給系（Ｓｆ）と、燃料電池スタック（Ｓ）に空気を供給する空気供給系（Ｓａ）と、燃料の燃料温度（Ｙｆ）の測定値と空気の空気温度（Ｙａ）の測定値の差である極間温度差を計測する減算器と、当該燃料電池システムの起動時に、燃料温度が空気温度よりも高く、極間温度差が所定の値よりも大きいとき、入力した目標温度よりも単位時間当りの変化率が小さくなるように燃料の変化率制限目標温度を計算する燃料温度設定値変化率制限部と、当該燃料電池システムの起動時に、空気温度が燃料温度よりも高く、極間温度差が所定の値よりも大きいとき、入力した目標温度よりも単位時間当りの変化率が小さくなるように空気の変化率制限目標温度を計算する空気温度設定値変化率制限部と、燃料温度が燃料の変化率制限目標温度に近づくように燃料供給系を制御する燃料温度フィードバック制御部と、空気温度が空気の変化率制限目標温度に近づくように空気供給系を制御する空気温度フィードバック制御部とを具備している。

こうした燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに発生する温度差が抑制される。燃料電池スタックとしては、りん酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池が例示される。本発明による燃料電池システムは、溶融炭酸塩型燃料電池あるいは固体酸化物型燃料電池に例示される、動作温度が高温となる燃料電池に特に好適に用いられる。

本発明による燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック（Ｓ）は、固体酸化物型の燃料電池スタック（Ｓ）である。

本発明による燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック（Ｓ）は、平板型の発電セルを積層した構造を含む。特に平板型の発電セルを有する固体酸化物型の燃料電池においては、燃料電池スタックにおける温度差が小さくなるように制御されることが望まれている。そのため本発明による燃料電池システムが好適に用いられる。

本発明の参考の形態による燃料電池システムは、更に、温度差（ｄＴａ、ｄＴｆ）が小さくなるように、燃料供給系（Ｓｆ）が燃料温度（Ｙｆ）を調節するために用いる燃料目標値と空気供給系（Ｓａ）が空気温度（Ｙａ）を調節するために用いる空気目標値とのうちの少なくとも一方を制御するフィードバック制御部（５、１５、２４、３４、４６、６６、８４、９４、１０４、１１４）を具備している。

熱容量が大きい燃料電池システムにおいては、計測された空気温度により空気供給系を、計測された燃料温度により燃料供給系を制御することにより空気と燃料との極間温度差を小さく維持することは困難な場合がある。本発明の参考の形態に係る燃料電池システムによれば、極間温度差をより小さく維持する制御が可能になる。

本発明の参考の形態による燃料電池システムにおいて、燃料目標値は、燃料温度（Ｙｆ）が変化する速度を示している。空気目標値は、空気温度（Ｙａ）が変化する速度を示している。

本発明の参考の形態による燃料電池システムにおいて、燃料目標値は、燃料の到達温度を示している。空気目標値は、空気の到達温度を示している。

本発明の参考の形態による燃料電池システムはさらに、燃料目標値と空気目標値とのうちの少なくとも一方を用いて燃料供給系（Ｓｆ）をフィードフォワード制御する燃料フィードフォワード制御部（３６、７０、１０６）を具備している。

本発明の参考の形態による燃料電池システムはさらに、燃料目標値と空気目標値とのうちの少なくとも一方を用いて空気供給系（Ｓａ）をフィードフォワード制御する空気フィードフォワード制御部（２６、５０、８６）を具備している。

フィードフォワード制御を行うことにより、設定温度の変化に迅速に応答する制御が可能になる。こうした制御が行われることにより、特に固体酸化物型燃料電池のように高温で運転される燃料電池の場合に、極間温度差を小さく保ちながら、起動が短時間で行なわれる。

本発明による燃料電池システムはさらに、当該燃料電池システムの状態を示す計測値を計測する計測部（７、１７、１１０）と、燃料電池システムの状態をソフトウェア上でシミュレートするモデルを格納するモデル格納部（１６０）と、モデルと計測値とを用いて、燃料供給系（Ｓｆ）と空気供給系（Ｓａ）とのうちの少なくとも一方を制御する最適制御部（１６４）とを具備している。

本発明による燃料電池システムにおいて、モデル格納部（１６０）は複数のモデルを格納している。本発明による燃料電池システムはさらに、計測値を用いて複数のモデルのなかから最適制御部（１６４）に用いられるモデル（Ｍ）を決めるモデル同定部（１５２）を具備している。

本発明による燃料電池システムはさらに、燃料温度（Ｙｆ）を用いて燃料供給系（Ｓｆ）を制御する燃料フィードバック制御部（５、１５、２４、３４、４６、６６、８４、９４、１０４、１１４）と、空気温度（Ｙａ）を用いて空気供給系（Ｓａ）を制御する空気フィードバック制御部（５、１５、２４、３４、４６、６６、８４、９４、１０４、１１４）とを具備している。

本発明による燃料電池の運転方法は、燃料電池（Ｓ）に供給する燃料を加熱する燃料加熱ステップと、加熱された燃料の燃料温度（Ｙｆ）を測定するステップと、燃料電池（Ｓ）に供給する空気を加熱する空気加熱ステップと、加熱された空気の空気温度（Ｙａ）を測定するステップと、燃料温度（Ｙｆ）と空気温度（Ｙａ）との温度差（ｄＴａ、ｄＴｆ）を算出するステップと、温度差（ｄＴａ、ｄＴｆ）を用いて、燃料加熱ステップにおける燃料の加熱量と空気加熱ステップにおける空気の加熱量とのうちの少なくとも一方を制御するステップとを具備している。

本発明による反応制御システムは、第１流体と第２流体との反応が行われる反応ユニット（Ｓ）に第１流体を供給する第１供給系（Ｓａ）と、反応ユニットに第２流体を供給する第２供給系（Ｓｆ）と、第１流体の温度と第２流体の温度との温度差（ｄＴａ、ｄＴｆ）を測定し、温度差（ｄＴａ、ｄＴｆ）が小さくなるように第１供給系（Ｓａ）と第２供給系（Ｓｆ）とのうちの少なくとも一方を制御するフィードバック制御部（５、１５、２４、３４、４６、６６、８４、９４、１０４、１１４）とを具備している。
こうした反応制御システムは、複数種類の流体が導入される反応ユニットにおいて、それら複数種類の流体の温度差を制御することが望まれる場合に、好適に用いられる。

本発明によれば、燃料電池に供給される燃料と空気の温度差を低く抑える燃料電池システムが提供される。
更に本発明によれば、燃料電池に供給される燃料と空気の温度差に短時間で応答して燃料温度と空気温度の調節が行われる燃料電池システムが提供される。
更に本発明によれば、燃料と空気の温度差を低く抑えながらより短い時間で起動する燃料電池システムが提供される。

以下、図面を参照しながら、本発明による燃料電池システムを実施するための最良の形態、及び参考の形態について詳細に説明する。以下に示される実施の形態においては、固体酸化物型燃料電池の制御が例示されているが、説明中のＳＯＦＣ発電システムを、溶融炭酸塩型に例示される他の種類の燃料電池スタックを備えた燃料電池発電システムと読み替えることにより、他の種類の燃料電池の制御に適用することが可能である。

（第１の参考の形態）
図１を参照すると、燃料電池制御システム２０１の構成が示されている。燃料電池制御システム２０１は、第１減算器２０２と、第１フィードバック制御部２０４と、第２減算器２１２と、第２フィードバック制御部２１４とを備えている。燃料電池制御システム２０１は、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）発電システム２０６を制御するために用いられる。

ＳＯＦＣ発電システム２０６は、燃料電池スタックＳ´と、燃料電池スタックＳ´に空気を供給する空気供給系Ｓａ´と、燃料電池スタックＳ´に燃料を供給する燃料供給系Ｓｆ´とを備えている。空気供給系Ｓａ´に接続されている燃料電池スタックＳ´の入口には、空気の温度を計測する第１温度計２０７が設けられている。燃料供給系Ｓｆ´に接続されている燃料電池スタックＳ´の入口には、燃料の温度を計測する第２温度計２１７が設けられている。

第１減算器２０２は、図示しない入力装置から目標温度Ｒ´を入力し、第１温度計２０７からスタック入口空気側温度Ｙａ´を入力する。第１減算器２０２は、空気側温度偏差Ｅａ´＝Ｒ´−Ｙａ´を計算して第１フィードバック制御部２０４に出力する。第１フィードバック制御部２０４は、入力した空気側温度偏差Ｅａ´を用いて空気側操作量Ｕａ´を算出する。第１フィードバック制御部２０４は、空気側操作量Ｕａ´を用いて、スタック入口空気側温度Ｙａ´が目標温度Ｒ´に近づくように空気供給系Ｓａ´の制御を行う。

第２減算器２１２は、図示しない入力装置から目標温度Ｒ´を入力し、第２温度計２１７からスタック入口燃料側温度Ｙｆ´を入力する。第２減算器２１２は、燃料側温度偏差Ｅｆ´＝Ｒ´−Ｙｆ´を計算して第２フィードバック制御部２１４に出力する。第２フィードバック制御部２１４は、入力した燃料側温度偏差Ｅｆ´を用いて燃料側操作量Ｕｆ´を算出する。第２フィードバック制御部２１４は、、燃料側操作量Ｕｆ´を用いて、スタック入口燃料側温度Ｙｆ´が目標温度Ｒに近づくように燃料供給系Ｓｆ´の制御を行う。

こうした燃料電池制御システム２０１により、ＳＯＦＣ発電システム２０６の燃料電池スタック入口における空気温度と燃料温度とが同じ目標温度Ｒに近づくように制御される。

（実施の第１形態）
図２を参照すると、本発明の実施の第１形態による燃料電池制御システム１の構成が示されている。燃料電池制御システム１は、ＳＯＦＣ発電システム６を制御するために用いられる。

燃料電池制御システム１は、目標温度変化率設定部２を備えている。目標温度変化率設定部２は、図示しない入力装置に接続されている。目標温度変化率設定部２は、ＳＶ変化率制限回路３とＳＶ変化率制限回路１３とに接続されている。

ＳＶ変化率制限回路３は減算器４と第１温度計７とに接続されている。減算器４は、フィードバック制御部５に接続されている。フィードバック制御部５は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。ＳＶ変化率制限回路１３は減算器１４と第２温度計１７とに接続されている。減算器１４は、フィードバック制御部１５に接続されている。フィードバック制御部１５は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。

ＳＯＦＣ発電システム６は、燃料電池スタックＳと、燃料電池スタックＳに空気を供給する空気供給系Ｓａと、燃料電池スタックＳに燃料を供給する燃料供給系Ｓｂと、燃料電池スタックＳの空気供給系Ｓａに接続された入口に設けられた第１温度計７と、燃料電池スタックＳの燃料供給系Ｓｆに接続された入口に設けられた第２温度計１７とを備えている。第１温度計７は、減算器４と、減算器８と、減算器１８とに接続されている。第２温度計１７は、減算器１４と、減算器８と、減算器１８とに接続されている。減算器８は、ＳＶ変化率制限回路３に接続されている。減算器１８は、ＳＶ変化率制限回路１３に接続されている。

以上の構成を備えた燃料電池制御システム１は、次のように動作する。

ＳＯＦＣ発電システム６が起動されるとき、図示しない入力装置から燃料電池スタックの入口における空気と燃料との温度変化率ＲＣの設定値が入力される。温度変化率ＲＣは例えば、１時間に１００℃上昇するように設定される。目標温度変化率設定部２は温度変化率ＲＣを入力し、その温度変化率ＲＣを用いて目標温度Ｒを算出して出力する。

第１温度計７は、スタック入口空気側温度Ｙａを計測して出力する。第２温度計１７は、スタック入口燃料側温度Ｙｆを計測して出力する。減算器８は、入力したスタック入口空気側温度Ｙａとスタック入口燃料側温度Ｙｆとの差を計算して極間温度差ｄＴａ＝Ｙａ−Ｙｆとして出力する。減算器１８は、入力したスタック入口燃料側温度Ｙｆとスタック入口空気側温度Ｙａとの差を計算して極間温度差ｄＴｆ＝Ｙｆ−Ｙａとして出力する。

目標温度Ｒを入力したＳＶ変化率制限回路３は、極間温度差ｄＴａ＝Ｙａ−Ｙｆが所定の値よりも小さいときには、目標温度Ｒを変化率制限目標温度Ｒａとして出力する。ＳＶ変化率制限回路３は、極間温度差ｄＴａが所定の値よりも大きいとき、目標温度Ｒを用いて変化率制限目標温度Ｒａを計算し出力する。変化率制限目標温度Ｒａは、単位時間当りの変化率が目標温度Ｒの単位時間当りの変化率よりも小さくなるように計算される。

減算器４は、入力した変化率制限目標温度Ｒａとスタック入口空気側温度Ｙａとの差である空気側温度偏差Ｅａ＝Ｒａ−Ｙａを算出し出力する。フィードバック制御部５は、入力した空気側温度偏差Ｅａを用いて空気側操作量Ｕａを算出し出力する。

目標温度Ｒを入力したＳＶ変化率制限回路１３は、極間温度差ｄＴｆ＝Ｙｆ−Ｙａが所定の値よりも小さいときには、目標温度Ｒを変化率制限目標温度Ｒｆとして出力する。ＳＶ変化率制限回路１３は、極間温度差ｄＴｆが所定の値よりも大きいとき、目標温度Ｒを用いて変化率制限目標温度Ｒｆを計算し出力する。変化率制限目標温度Ｒｆは、単位時間当りの変化率が目標温度Ｒの単位時間当りの変化率よりも小さくなるように計算される。

減算器１４は、入力した変化率制限目標温度Ｒｆとスタック入口空気側温度Ｙｆとの差である燃料側温度偏差Ｅｆ＝Ｒｆ−Ｙｆを算出し出力する。フィードバック制御部１５は、入力した燃料側温度偏差Ｅｆを用いて燃料側操作量Ｕｆを算出し出力する。

空気供給系Ｓａは、入力した空気側操作量Ｕａに基づいて制御される。制御は、空気側温度偏差Ｅａが大きいほど、スタック入口空気側温度Ｙａの上昇する速度が速くなるように行われる。燃料供給系Ｓｆは、入力した燃料側操作量Ｕｆに基づいて制御される。制御は、燃料側温度偏差Ｅｆが大きいほど、スタック入口燃料側温度Ｙｆの上昇する速度が速くなるように行われる。

あるいは、空気側操作量Ｕａが燃料供給系Ｓｆに入力されることにより、空気側温度偏差Ｅａが大きいほどスタック入口燃料側温度Ｙｆの上昇する速度が遅くなるように行われるように制御される。あるいは、燃料側操作量Ｕｆが空気供給系Ｓａに入力されることにより、燃料側温度偏差Ｅｆが大きいほどスタック入口空気側温度Ｙａの上昇する速度が遅くなるように行われるように制御される。

こうした燃料電池制御システム１によれば、燃料電池スタックの入口における空気と燃料との温度差が、その温度差の計測値に基づいて効果的に抑制される。

（第２の参考の形態）
図３を参照すると、第２の参考の形態における燃料電池制御システム２１の構成が示されている。燃料電池制御システム２１は、ＳＯＦＣ発電システム６を制御するために用いられる。

燃料電池制御システム２１は、目標温度変化率設定部２を備えている。目標温度変化率設定部２は、図示しない入力装置に接続されている。目標温度変化率設定部２は、減算器２２と、フィードフォワード制御部２６と、減算器３２と、フィードフォワード制御部３６とに接続されている。

減算器２２は、フィードバック制御部２４に接続されている。フィードバック制御部２４とフィードフォワード制御部２６とは、加算器２８に接続されている。加算器２８は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。
減算器３２は、フィードバック制御部３４に接続されている。フィードバック制御部３４とフィードフォワード制御部３６とは、加算器３８に接続されている。加算器３８は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。

ＳＯＦＣ発電システム６は、燃料電池スタックＳと、燃料電池スタックＳに空気を供給する空気供給系Ｓａと、燃料電池スタックＳに燃料を供給する燃料供給系Ｓｂとを備えている。ＳＯＦＣ発電システムは更に、燃料電池スタックＳの空気供給系Ｓａに接続された入口におけるスタック入口空気側温度Ｙａを計測する第１温度計７と、燃料電池スタックＳの燃料供給系Ｓｆに接続された入口におけるスタック入口燃料側温度Ｙｆを計測する第２温度計１７とを備えている。第１温度計７は減算器２２に接続されている。第２温度計１７は減算器３２に接続されている。

以上の構成を備えた燃料電池制御システム２１は、次のように動作する。

ＳＯＦＣ発電システム６が起動されるとき、図示しない入力装置から燃料電池スタックの入口における空気と燃料との温度変化率ＲＣの設定値が入力される。目標温度変化率設定部２は温度変化率ＲＣを入力し、その温度変化率ＲＣを用いて目標温度Ｒを算出して出力する。

第１温度計７は、スタック入口空気側温度Ｙａを計測して出力する。第２温度計１７は、スタック入口燃料側温度Ｙｆを計測して出力する。

減算器２２は、目標温度Ｒとスタック入口空気側温度Ｙａとを入力して空気側温度偏差Ｅａ＝Ｒ−Ｙａを算出し出力する。フィードバック制御部２４は空気側温度偏差Ｅａを入力し、入力された空気側温度偏差Ｅａを用いて空気側フィードバック操作量ＦＢａを算出して出力する。

フィードフォワード制御部２６は、目標温度Ｒを入力し、所定の関数を用いて目標温度Ｒから空気側フィードフォワード制御量ＦＦａを算出して出力する。

加算器２８は、空気側フィードバック操作量ＦＢａと空気側フィードフォワード制御量ＦＦａとを加算し、空気側操作量Ｕａとして出力する。

減算器３２は、目標温度Ｒとスタック入口燃料側温度Ｙｆとを入力して燃料側温度偏差Ｅｆ＝Ｒ−Ｙｆを算出し出力する。フィードバック制御部３４は燃料側温度偏差Ｅｆを入力し、入力された燃料側温度偏差Ｅｆを用いて燃料側フィードバック操作量ＦＢｆを算出して出力する。

フィードフォワード制御部３６は、目標温度Ｒを入力し、所定の関数を用いて目標温度Ｒから燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆを算出して出力する。加算器３８は、燃料側フィードバック操作量ＦＢｆと燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆとを加算し、燃料側操作量Ｕｆとして出力する。

空気供給系Ｓａは、入力した空気側操作量Ｕａに基づいて制御される。燃料供給系Ｓｆは、入力した燃料側操作量Ｕｆに基づいて制御される。

こうした燃料電池制御システム２１によれば、燃料電池スタックの入口における空気と燃料との温度差が、その温度差の計測値に基づいて効果的に抑制される。

さらに、こうした燃料電池制御システム２１は、フィードフォワード制御が行われていることにより、目標温度Ｒの変化に対して迅速に応答した制御が行われる。こうした制御は、特にＳＯＦＣ発電システムのように熱容量が大きく、設定値の変化に応答してスタック入口の燃料と空気の温度が変化するのに時間がかかるシステムに対して好適に用いられる。

（実施の第２形態）
図４を参照すると、本発明の実施の第２形態による燃料電池制御システム４１の構成が示されている。燃料電池制御システム１は、ＳＯＦＣ発電システム６を制御するために用いられる。

燃料電池制御システム４１は、目標温度変化率設定部２を備えている。目標温度変化率設定部２の入力側は、図示しない入力装置に接続されている。目標温度変化率設定部２の出力側は、ＳＶ変化率制限回路４２と、フィードフォワード制御部５０と、ＳＶ変化率制限回路６２と、フィードフォワード制御部７０とに接続されている。

ＳＶ変化率制限回路４２の入力側は、目標温度変化率設定部２と減算器８とに接続されている。ＳＶ変化率制限回路４２の出力側は、減算器４４とフィードフォワード修正部４８とに接続されている。減算器４４の出力側は、フィードバック制御部４６に接続されている。フィードバック制御部４６の出力側は、加算器５２に接続されている。

フィードフォワード修正部４８の出力側は、フィードフォワード制御部５０に接続されている。フィードフォワード制御部５０の出力側は、加算器５２に接続されている。加算器５２の出力側は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。

ＳＶ変化率制限回路６２の入力側は、目標温度変化率設定部２と減算器１８とに接続されている。ＳＶ変化率制限回路６２の出力側は、減算器６４とフィードフォワード修正部６８とに接続されている。減算器６４の出力側は、フィードバック制御部６６に接続されている。フィードバック制御部６６の出力側は、加算器７２に接続されている。

フィードフォワード修正部６８の出力側は、フィードフォワード制御部７０に接続されている。フィードフォワード制御部７０の出力側は、加算器７２に接続されている。加算器７２の出力側は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。

ＳＯＦＣ発電システム６は、燃料電池スタックＳと、燃料電池スタックＳに空気を供給する空気供給系Ｓａと、燃料電池スタックＳに燃料を供給する燃料供給系Ｓｆと、燃料電池スタックＳの空気供給系Ｓａに接続された入口に設けられた第１温度計７と、燃料電池スタックＳの燃料供給系Ｓｆに接続された入口に設けられた第２温度計１７とを備えている。第１温度計７は、減算器８と、減算器１８と、減算器４４とに接続されている。第２温度計１７は、減算器８と、減算器１８と、減算器６４とに接続されている。減算器８は、ＳＶ変化率制限回路４２に接続されている。減算器１８は、ＳＶ変化率制限回路６２に接続されている。

以上の構成を備えた燃料電池制御システム４１は、次のように動作する。

ＳＯＦＣ発電システム６が起動されるとき、図示しない入力装置から燃料電池スタックの入口における空気と燃料との温度変化率ＲＣの設定値が入力される。目標温度変化率設定部２は温度変化率ＲＣを入力し、その温度変化率ＲＣを用いて目標温度Ｒを算出して出力する。

第１温度計７は、スタック入口空気側温度Ｙａを計測して出力する。第２温度計１７は、スタック入口燃料側温度Ｙｆを計測して出力する。減算器８は、入力したスタック入口空気側温度Ｙａとスタック入口燃料側温度Ｙｆとの差を計算して極間温度差ｄＴａ＝Ｙａ−Ｙｆとして出力する。減算器１８は、入力したスタック入口燃料側温度Ｙｆとスタック入口空気側温度Ｙａとの差を計算して極間温度差ｄＴｆ＝Ｙｆ−Ｙａとして出力する。

目標温度Ｒを入力したＳＶ変化率制限回路４２は、極間温度差ｄＴｆ＝Ｙｆ−Ｙａが所定の値よりも小さいときには、目標温度Ｒを変化率制限目標温度Ｒａとして出力する。ＳＶ変化率制限回路４２は、極間温度差ｄＴｆが所定の値よりも大きいとき、目標温度Ｒを用いて変化率制限目標温度Ｒａを計算し出力する。変化率制限目標温度Ｒａは、単位時間当りの変化率が目標温度Ｒの単位時間当りの変化率よりも小さくなるように計算される。

減算器４４は、入力した変化率制限目標温度Ｒａとスタック入口空気側温度Ｙａとの差である空気側温度偏差Ｅａ＝Ｒａ−Ｙａを算出し出力する。フィードバック制御部４６は、入力した空気側温度偏差Ｅａを用いて空気側フィードバック操作量ＦＢａを算出し出力する。

フィードフォワード修正部４８は、目標温度Ｒが変化率制限目標温度Ｒａに変更されたことを示す信号をフィードフォワード制御部５０に出力する。フィードフォワード制御部５０は、目標温度Ｒと、フィードフォワード修正部４８から入力した信号とから、所定の関数を用いて空気側フィードフォワード制御量ＦＦａを算出して出力する。

加算器５２は、空気側フィードバック操作量ＦＢａと空気側フィードフォワード制御量ＦＦａとを加算し、空気側操作量Ｕａとして出力する。

目標温度Ｒを入力したＳＶ変化率制限回路６２は、極間温度差ｄＴａ＝Ｙａ−Ｙｆが所定の値よりも小さいときには、目標温度Ｒを変化率制限目標温度Ｒｆとして出力する。ＳＶ変化率制限回路６２は、極間温度差ｄＴａが所定の値よりも大きいとき、目標温度Ｒを用いて変化率制限目標温度Ｒｆを計算し出力する。変化率制限目標温度Ｒｆは、単位時間当りの変化率が目標温度Ｒの単位時間当りの変化率よりも小さくなるように計算される。

減算器６４は、入力した変化率制限目標温度Ｒｆとスタック入口燃料側温度Ｙｆとの差である燃料側温度偏差Ｅｆ＝Ｒｆ−Ｙｆを算出し出力する。フィードバック制御部６６は、入力した燃料側温度偏差Ｅｆを用いて燃料側フィードバック操作量ＦＢｆを算出し出力する。

フィードフォワード修正部６８は、目標温度Ｒが変化率制限目標温度Ｒｆに変更されたことを示す信号をフィードフォワード制御部７０に出力する。フィードフォワード制御部７０は、目標温度Ｒと、フィードフォワード修正部６８から入力した信号とから、所定の関数を用いて燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆを算出して出力する。

加算器７２は、燃料側フィードバック操作量ＦＢｆと燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆとを加算し、燃料側操作量Ｕｆとして出力する。

空気供給系Ｓａは、入力した空気側操作量Ｕａに基づいて制御される。燃料供給系Ｓｆは、入力した燃料側操作量Ｕｆに基づいて制御される。

こうした燃料電池制御システム４１は、フィードフォワード制御が行われていることにより、目標温度Ｒの変化に対して迅速に応答した制御が行われる。フィードフォワード制御は、目標温度Ｒが変化率制限目標温度Ｒａに変更されたことに対応して適切に行われる。こうした制御は、特にＳＯＦＣ発電システムのように熱容量が大きく、設定値の変化に応答してスタック入口の燃料と空気の温度が変化するのに時間がかかるシステムに対して好適に用いられる。こうした燃料電池制御システム４１によれば、目標温度Ｒの変化に対応してフィードフォワード制御により迅速な制御が行われるとともに、フィードバック制御によりスタック入口の空気と燃料の温度差が小さく保たれる。すなわち、ＳＯＦＣ発電システムを、空気と燃料との温度差の制御により安定した状態に保ちながら、短時間で起動することが可能になる。

（第３の参考の形態）
図５を参照すると、第３の参考の形態による燃料電池制御システム８１の構成が示されている。燃料電池制御システム８１は、ＳＯＦＣ発電システム６を制御するために用いられる。

燃料電池制御システム８１は、目標温度変化率設定部２を備えている。目標温度変化率設定部２の入力側は、図示しない入力装置に接続されている。目標温度変化率設定部２の出力側は、減算器８２と、フィードフォワード制御部８６と、減算器１０２と、フィードフォワード制御部１０６とに接続されている。

減算器８２の出力側は、フィードバック制御部８４に接続されている。フィードバック制御部８４の出力側と、フィードフォワード制御部８６の出力側とは、加算器８８に接続されている。加算器８８には更に、後述するフィードバック制御部９４の出力側が接続されている。

減算器１０２の出力側は、フィードバック制御部１０４に接続されている。フィードバック制御部１０４の出力側と、フィードフォワード制御部１０６の出力側とは、加算器１０８に接続されている。加算器１０８には更に、後述するフィードバック制御部１１４の出力側が接続されている。

加算器８８と加算器１０８との出力側は、ＳＯＦＣ発電システム６に接続されている。

ＳＯＦＣ発電システム６は、燃料電池スタックＳと、燃料電池スタックＳに空気を供給する空気供給系Ｓａと、燃料電池スタックＳに燃料を供給する燃料供給系Ｓｆと、燃料電池スタックＳの空気供給系Ｓａに接続された入口に設けられた第１温度計７と、燃料電池スタックＳの燃料供給系Ｓｆに接続された入口に設けられた第２温度計１７とを備えている。第１温度計７は、減算器８と、減算器１８と、減算器８２とに接続されている。第２温度計１７は、減算器８と、減算器１８と、減算器１０２とに接続されている。減算器８の出力側は、フィードバック制御部９４に接続されている。減算器１８の出力側は、フィードバック制御部１１４に接続されている。

こうした構成を備えた燃料電池制御システム８１は、以下のように動作する。

ＳＯＦＣ発電システム６が起動されるとき、図示しない入力装置から燃料電池スタックの入口における空気と燃料との温度変化率ＲＣの設定値が入力される。目標温度変化率設定部２は温度変化率ＲＣを入力し、その温度変化率ＲＣを用いて目標温度Ｒを算出して出力する。

第１温度計７は、スタック入口空気側温度Ｙａを計測して出力する。第２温度計１７は、スタック入口燃料側温度Ｙｆを計測して出力する。減算器８は、入力したスタック入口空気側温度Ｙａとスタック入口燃料側温度Ｙｆとの差を計算して極間温度差ｄＴａ＝Ｙａ−Ｙｆとして出力する。減算器１８は、入力したスタック入口燃料側温度Ｙｆとスタック入口空気側温度Ｙａとの差を計算して極間温度差ｄＴｆ＝Ｙｆ−Ｙａとして出力する。

フィードバック制御部９４は、入力した極間温度差ｄＴａを用いて空気側フィードバック操作量ＦＢ２ａを算出し出力する。フィードバック制御部１１４は、入力した極間温度差ｄＴｆを用いて燃料側フィードバック操作量ＦＢ２ｆを算出し出力する。

減算器８２は、入力した目標温度Ｒとスタック入口空気側温度Ｙａとの差である空気側温度偏差Ｅａ＝Ｒ−Ｙａを算出し出力する。フィードバック制御部８４は、入力した空気側温度偏差Ｅａを用いて空気側フィードバック操作量ＦＢ１ａを算出し出力する。

フィードフォワード制御部８６は、所定の関数を用いて、入力した目標温度Ｒから空気側フィードフォワード制御量ＦＦａを算出して出力する。

加算器８８は、空気側フィードバック操作量ＦＢ１ａと、空気側フィードバック操作量ＦＢ２ａと、空気側フィードフォワード制御量ＦＦａとを加算し、空気側操作量Ｕａとして出力する。

減算器１０２は、入力した目標温度Ｒとスタック入口燃料側温度Ｙｆとの差である燃料側温度偏差Ｅｆ＝Ｒ−Ｙｆを算出し出力する。フィードバック制御部１０４は、入力した燃料側温度偏差Ｅｆを用いて燃料側フィードバック操作量ＦＢ１ｆを算出し出力する。

フィードフォワード制御部１０６は、所定の関数を用いて、入力した目標温度Ｒから燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆを算出して出力する。

加算器１０８は、燃料側フィードバック操作量ＦＢ１ｆと、燃料側フィードバック操作量ＦＢ２ｆと、燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆとを加算し、燃料側操作量Ｕｆとして出力する。

空気供給系Ｓａは、入力した空気側操作量Ｕａに基づいて制御される。燃料供給系Ｓｆは、入力した燃料側操作量Ｕｆに基づいて制御される。

こうした燃料電池制御システム４１は、フィードフォワード制御が行われていることにより、目標温度Ｒの変化に対して迅速に応答した制御が行われる。さらに、フィードバック制御によりスタック入口の空気と燃料の温度差が小さく保たれる。

（第４の参考の形態）
図６Ａと図６Ｂとを参照すると、第４の参考の形態における燃料電池制御システムの構成が示されている。図６Ａを参照して、第４の参考の形態における燃料電池制御システムは、第３の参考の形態における燃料電池制御システムに加えて、空気側のフィードフォワード制御部８６に空気側最適操作信号ＯＰａが入力されており、燃料側のフィードフォワード制御部１０６に燃料側最適操作信号ＯＰｆが入力されている。更に、ＳＯＦＣ発電システム６には計測装置１１０が設けられており、ＳＯＦＣ発電システムの状態を示す量を測定して現在値ＰＶとして出力している。現在値ＰＶには、ＳＯＦＣ発電システムの各部における温度、流量あるいはガスの組成が含まれる。

図６Ｂを参照して、燃料電池制御システムは、モデル同定部１５２と、最適化計算部１６４とを備えている。モデル同定部１５２には現在値ＰＶが入力されている。図６Ｃを参照して、モデル同定部１５２は演算装置１５４と記憶装置１５６とを供えている。記憶装置１５６には、モデル選択プログラム１５８と、モデルテーブル１６０が格納されている。モデルテーブル１６０には、ＳＯＦＣ発電システムの状態をシミュレートするための数値モデルが複数種類格納されている。

以上の構成を備える燃料電池制御システムは、以下のように動作する。

ＳＯＦＣ発電システム６が起動されるとき、第１温度計８はスタック入口空気側温度Ｙａを計測して出力する。第２温度計１８はスタック入口燃料側温度Ｙｆを計測して出力する。計測装置１１０は現在値ＰＶを計測して出力する。スタック入口空気側温度Ｙａ、スタック入口燃料側温度Ｙｆおよび計測値１１０は、モデル同定部１５２に入力される。演算装置１５４はモデル選択プログラム１５８に記述されたアルゴリズムに基づき、入力したスタック入口空気側温度Ｙａ、スタック入口燃料側温度Ｙｆおよび計測値１１０に対応して最適モデルＭをモデルテーブル１６０の中から選択し出力する。

最適化計算部１６４は最適モデルＭを入力し、その最適モデルＭとスタック入口空気側温度Ｙａ、スタック入口燃料側温度Ｙｆおよび計測値１１０を用いて、適切なフィードフォワード制御を決定し、空気側最適操作信号ＯＰａと燃料側最適操作信号ＯＰｆとして出力する。

フィードフォワード制御部８６は入力した空気側最適操作信号ＯＰａを用いて、空気側フィードフォワード制御量ＦＦａを算出し出力する。フィードフォワード制御部１０６は入力した燃料側最適操作信号ＯＰｆを用いて、燃料側フィードフォワード制御量ＦＦｆを算出し出力する。それ以外の制御は、第３の参考の形態と同じである。
こうした燃料電池制御システムによれば、ＳＯＦＣ発電システム６の状態を示す複数のシミュレーションモデルに基づいてフィードフォワード制御が行われるため、ＳＯＦＣ発電システム６が取り得る様々な状態に対応して自動的に制御を行うことが可能になる。

図１は、第１の参考の形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図２は、実施の第１形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図３は、第２の参考の形態実施の第３形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図４は、実施の第２形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図５は、第３の参考の形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図６Ａは、第４の参考の形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図６Ｂは、第４の参考の形態における燃料電池制御システムの構成を示す。 図６Ｃは、モデル同定部の構成を示す。

１…燃料電池制御システム
２…目標温度変化率設定部
３…ＳＶ値変化率制限回路
４…減算器
５…フィードバック制御部
６…ＳＯＦＣ発電システム
７…第１温度計
８…減算器
１３…ＳＶ値変化率制限回路
１４…減算器
１５…フィードバック制御部
１７…第２温度計
１８…減算器
２１…燃料電池制御システム
２２…減算器
２４…フィードバック制御部
２６…フィードフォワード制御部
２８…加算器
３２…減算器
３４…フィードバック制御部
３６…フィードフォワード制御部
３８…加算器
４１…燃料電池制御システム
４２…ＳＶ値変化率制限回路
４４…減算器
４６…フィードバック制御部
４８…フィードフォワード調節部
５０…フィードフォワード制御部
５２…加算器
６２…ＳＶ値変化率制限回路
６４…減算器
６６…フィードバック制御部
６８…フィードフォワード調節部
７０…フィードフォワード制御部
７２…加算器
８１…燃料電池制御システム
８２…減算器
８４…フィードバック制御部
８６…フィードフォワード制御部
８８…加算器
９４…フィードバック制御部
１０２…減算器
１０４…フィードバック制御部
１０６…フィードフォワード制御部
１０８…加算器
１０１…燃料電池制御システム
１１４…フィードバック制御部
１２２…減算器
１２４…フィードバック制御部
１２６…フィードフォワード制御部
１２８…加算器
１３４…フィードバック制御部
１４２…減算器
１４４…フィードバック制御部
１４６…フィードフォワード制御部
１４８…加算器
１５２…モデル同定部
１５４…演算装置
１５６…記憶装置
１５８…モデル選択プログラム
１６０…モデルテーブル
１６４…最適化計算部
ｄＴａ…極間温度差
ｄＴｆ…極間温度差
Ｅａ…空気側温度偏差
Ｅｆ…燃料側温度偏差
ＦＢａ、ＦＢ１ａ、ＦＢ２ａ…空気側フィードバック操作量
ＦＢｆ、ＦＢ１ｆ、ＦＢ２ｆ…燃料側フィードバック操作量
ＦＦａ…空気側フィードフォワード操作量
ＦＦｆ…燃料側フィードフォワード操作量
Ｍ…同定モデル
ＯＰａ…空気側最適操作
ＯＰｆ…燃料側最適操作
ＰＶ…現在値
Ｒ…目標温度
Ｒａ…変化率制限目標温度
Ｒｆ…変化率制限目標温度
ＲＣ…温度変化率
Ｓ…燃料電池スタック
Ｓａ…空気供給系
Ｓｆ…燃料供給系
Ｕａ…空気側操作量
Ｕｆ…燃料側操作量
Ｙａ…スタック入口空気側温度
Ｙｆ…スタック入口燃料側温度

Claims (3)

1. 燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給系と、
   前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給系と、
   前記燃料の燃料温度の測定値と前記空気の空気温度の測定値の差である極間温度差を計算する減算器と、
   当該燃料電池システムの起動時に、前記燃料温度が前記空気温度よりも高く、前記極間温度差が所定の値よりも大きいとき、入力した目標温度よりも単位時間当りの変化率が小さくなるように前記燃料の変化率制限目標温度を計算する燃料温度設定値変化率制限部と、
   当該燃料電池システムの起動時に、前記空気温度が前記燃料温度よりも高く、前記極間温度差が所定の値よりも大きいとき、前記入力した目標温度よりも単位時間当りの変化率が小さくなるように前記空気の変化率制限目標温度を計算する空気温度設定値変化率制限部と、
   前記燃料温度が前記燃料の変化率制限目標温度に近づくように前記燃料供給系を制御する燃料温度フィードバック制御部と、
   前記空気温度が前記空気の変化率制限目標温度に近づくように前記空気供給系を制御する空気温度フィードバック制御部
   とを具備する燃料電池システム。
2. 請求項１において、
   前記燃料電池スタックは、固体酸化物型の燃料電池スタックである
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、
   前記燃料電池スタックは、平板型の発電セルを積層した構造を含む
   燃料電池システム。

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