JP5659975B2

JP5659975B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

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Publication number: JP5659975B2
Application number: JP2011155137A
Authority: JP
Inventors: 孝年増井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JP2013020892A

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池セルは、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を用いて電気エネルギを得る装置である。この燃料電池セルは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池システムを安定した状態で運転するためには、流体の流量などを計測しながらフィードバック制御することが好ましい。しかしながら、専用の流量計を設けると、コストがかかる。そこで、特許文献１では、流路内を通過する流体に所定の圧力損失を生じさせる圧損要素部よりも上流側の圧力を測定し、圧損要素部における流体の流量と圧力損失との相関関係を予め把握し、測定圧力と前記相関関係とに基づいて圧力損失を計算により求めている。または、圧損要路部下流側の圧力を測定し、この圧力と上流側測定圧力とから圧損要素部で生じる圧力損失を求め、求めた圧力損失と前記相関関係とに基づいて、流体の流量を測定する手段が設けられている。

特開２０１０−２０５５５１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、圧力計測に伴う圧損相当分の原料供給アクチュエータ駆動動力が増え、熱効率が低下する。また、特許文献１の技術では、圧力計測が必要となるため、圧力検出器の初期バラツキ、経時変化、ＡＤ変換の誤差、電圧／物理値演算の誤差などの影響を受けるおそれがある。したがって、補償制御が必要となる。その結果、コストを効果的に低下させることができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部と、を含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正する制御部と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することができる。

前記制御部は、前記燃料電池が発電していることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度範囲内にあることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧がしきい値を超えていることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。

本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部とを含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、を含む燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することができる。

本発明によれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池スタック装置の燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。燃料電池スタック装置が備える燃料電池スタックを説明するための斜視図である。燃料電池スタック装置の全体構成を示す図である。燃料電池スタック装置の発電電力一定の条件の下での各パラメータの測定値を示す実験結果である。原燃料流量指令値と発電電圧との関係を示す図である。原燃料流量指令値と、発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値との関係を示す図である。図５の実験結果に指標値Ｕｆ＿ｎを重ねた図である。指標値Ｕｆ＿ｎを用いて原燃料流量指令値を補正制御する場合のフローチャートの一例である。上限抵抗と原燃料流量指令値との関係を示す図である。原燃料流量指令値と基準値との関係を示す図である。原燃料流量補正値を算出する際に用いるマップである。図９のフローチャートに従った結果として得られた原燃料流量補正値を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池スタック装置７０、および熱交換器９０を備える。また、燃料電池システム１００は、センサ部として、電圧センサ８１、電流センサ８２、および温度センサ８３を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、インタフェース等から構成され、入出力ポート１１、ＣＰＵ１２、記憶部１３等を含む。入出力ポート１１は、制御部１０と各機器とのインタフェースである。記憶部１３は、ＣＰＵ１２が実行するためのプログラムを記憶するＲＯＭ、演算に用いる変数等を記憶するＲＡＭ等を含むメモリである。

原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための原燃料ポンプ２０ａ、原燃料中の硫黄成分を除去するための脱硫器２０ｂ等を含む。原燃料として、都市ガスなどを用いることができる。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２、改質器５０に供給される改質水の供給量を調整するための調量弁３３等を含む。酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池スタック装置７０のカソード７１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池スタック装置７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。

図２は、燃料電池スタック装置７０の燃料電池スタックを構成する燃料電池セル７４の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル７４は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体２１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路２２が形成されている。導電性支持体２１の外周面における一方の平面上に、燃料極２３、固体電解質２４、および酸素極２５がこの順に積層されている。酸素極２５に対向する他方の平面上には、接合層２６を介してインターコネクタ２７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層２８が設けられている。燃料極２３が図１のアノード７２として機能し、酸素極２５が図１のカソード７１として機能し、固体電解質２４が図１の電解質７３として機能する。

燃料ガス通路２２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極２３に水素が供給される。一方、燃料電池セル７４の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極２５に酸素が供給される。それにより、酸素極２５及び燃料極２３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。以下、燃料ガスおよび酸化剤ガスを総称して、反応ガスとも称する。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

酸素極２５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質２４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質２４は、酸素極２５から燃料極２３へ酸素イオンＯ^２−を移動させる機能を有する。固体電解質２４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質２４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極２３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ２７は、燃料電池セル７４同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。

例えば、酸素極２５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質２４は、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極２３は、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ２７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。

図３は、燃料電池スタック装置７０が備える燃料電池スタック７５を説明するための斜視図である。燃料電池スタック７５においては、複数の燃料電池セル７４が互いに集電部材を介して積層されている。各燃料電池セル７４は、燃料極２３と酸素極２５とが対向するように積層されている。なお、図３において、細線矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。

図４（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図４（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池スタック装置７０の酸化剤ガス導入部材７６を抜粋して示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置７０においては、マニホールド７７の上に、２組の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ（燃料電池セル７４）が、互いの積層方向が略平行になるように並列配置されている。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂは、固体酸化物形の燃料電池セル７４が複数枚積層された構造を有する。

図４（ａ）のマニホールド７７には、各燃料電池セル７４の燃料ガス通路２２に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド７７を流動する燃料ガスが燃料ガス通路２２に流入する。改質器５０は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂのマニホールド７７と反対側に配置されている。例えば、改質器５０は、一方の燃料電池スタックの積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタックの積層方向に延びる構造を有する。本実施形態においては、改質器５０における改質水入口側に燃料電池スタック７５ａが配置され、燃料ガス出口側に燃料電池スタック７５ｂが配置されている。

また、図４（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間には、酸化剤ガス導入部材７６が配置されている。酸化剤ガス導入部材７６には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材７６のマニホールド７７側端部には、孔７８が形成されている。それにより、各燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル７４の燃料ガス通路２２を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル７４において発電が行われる。

燃料電池セル７４において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル７４のマニホールド７７と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃成分が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室６０は、燃料電池セル７４（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）の上端と改質器５０との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。温度センサ８３は、この燃焼室６０のいずれかの箇所に配置されている。燃焼室６０における燃料オフガスの燃焼によって生じる熱は、改質器５０と燃料電池スタック７５ａ，７５ｂに与えられる。

改質器５０の上流側は気化部５１として機能し、改質器５０の下流側は改質部５２として機能する。図４（ｃ）に示すように、改質器５０に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部５１においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部５２においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。

続いて、図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の起動時の動作の概要について説明する。まず、原燃料ポンプ２０ａは、制御部１０から与えられる制御指令値（原燃料流量指令値）に従って、原燃料を脱硫器２０ｂ経由で改質器５０に供給する。本実施例において、制御指令値とは、各機器が実現するべき目標供給量のことである。なお、原燃料ポンプ２０ａに与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。改質水ポンプ３２は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、改質水を調量弁３３に供給する。なお、改質水ポンプ３２に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。調量弁３３は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、改質水を改質器５０に供給する。なお、調量弁３３に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。改質水は、燃焼室６０における燃焼熱を利用して、気化部５１において気化して水蒸気となる。改質部５２においては、燃焼室６０の燃焼熱を利用した水蒸気改質反応が生じる。それにより、改質部５２において、水素を含む燃料ガスが生成される。改質部５２において生成された燃料ガスは、アノード７２に供給される。以上のことから、燃料電池システム１００においては、原燃料供給部２０および改質部５０が、燃料ガス供給部として機能している。

酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、酸化剤ガスをカソード７１に供給する。酸化剤ガス供給部４０に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。なお、起動時においては発電回路が遮断（開回路）されているため、燃料電池スタック装置７０による発電は行われない。カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素を利用して燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池スタック７５ａ，７５ｂに与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。燃焼室６０から燃料電池スタック７５ａ，７５ｂに熱が与えられることによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が発電に適した範囲内に調整される。

熱交換器９０は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器９０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。温度センサ８３は、燃焼室６０内の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、図４で説明したように、燃焼室６０は燃料電池スタック７５ａ，７５ｂと改質器５０との間の空間である。したがって、燃焼室６０の内の温度を検出することによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度を間接的に検出することができる。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が所定値まで上昇すると、燃料電池スタック装置７０の起動が完了する。

燃料電池スタック装置７０の起動完了後、発電回路（閉回路）が構成されると、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける発電が開始される。制御部１０は、要求発電負荷に応じて、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける発電量を調整する。具体的には、制御部１０は、原燃料ポンプ２０ａに対する制御指令値、調量弁３３に対する制御指令値、および酸化剤ガス供給部４０に対する制御指令値を制御することによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける発電量を調整する。これらの制御指令値は、記憶部１３に記憶される。

電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０に含まれる１枚以上の燃料電池セル７４の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、複数枚の燃料電池セル７４の発電電圧を検出する場合、該複数枚の燃料電池セル７４は、連続していてもよく連続していなくてもよい。また、電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０に含まれる全ての燃料電池セル７４の発電電圧を検出してもよい。電圧センサ８１の検出結果は、記憶部１３に記憶される。電流センサ８２は、燃料電池スタック装置７０の発電電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電流センサ８２の検出結果は、記憶部１３に記憶される。

図５は、燃料電池スタック装置７０の発電電力一定の条件の下での各パラメータの測定値を示す実験結果である。図５において、横軸は経過時間を示す。図５の（１）〜（３）は、原燃料利用効率Ｕｆを一定に制御した期間である。（１）〜（３）の期間においても、原燃料流量指令値は（４）〜（６）のように、緩慢に変化する。この結果、発電効率も（７）〜（９）のように変化する。これは、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度変化に伴って、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの抵抗値が変化し、燃料電池スタック装置７０の発電電流が変化するからである。したがって、燃料電池スタック装置７０の発電電圧は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度とおおむね同期した推移を辿る。

なお、原燃料利用効率Ｕｆは、発電当量原料流量／供給原料流量と定義することができる。発電当量原料流量は、ファラディ定数と、原料性状に基づいて決定される値と、所望発電電流とから得ることができる。原燃料を供給する手段としてＣＮＧ（圧縮天然ガス）ボンベを用いる場合、ボンベの性状およびスタック構成などに応じて、一例として、発電当量原料流量は、発電当量原料流量＝０．０００１６２×所望発電電流（ｍｏｌ／ｓ）のように表すことができる。また、発電効率は、発電電力／供給原料発熱量と定義することができる。

以上のことから、燃料電池スタック装置７０の発電電圧に基づいて原燃料流量指令値を制御することが可能のように思われる。すなわち、発電負荷に応じた制御目標となる発電電圧を基準値として設定し、この基準値に基づいて原燃料流量指令値を負帰還制御することが可能のように思われる。しかしながら、図６に示すように、原燃料流量指令値と発電電圧との間には、一様な関係（１対１の関係）が得られない。したがって、発電電圧を制御指標とする負帰還制御は困難である。これは、燃料電池スタック装置７０の発電電圧に、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度、即ち、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの電気抵抗値の影響が交絡しているからである。したがって、燃料電池スタック装置７０の発電電圧から燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響を切り離すことができれば、流量計などを用いなくても、原燃料流量指令値を高い精度で補正することができる。

ここで、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度は、発電の際に、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの電気抵抗が介在する発熱量（以下、発電発熱量）と、発電に寄与しなかった燃料ガスが燃焼部６０で燃焼する際の燃焼熱量とに応じて変化する。したがって、発電発熱量および燃焼熱量のいずれも、原燃料流量指令値の関数となる。以上のことから、燃料電池スタック装置７０の発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響を切り離すことができる。すなわち、原燃料流量指令値と燃料電池スタック装置７０の発電電圧との間に、一様な関係（１対１の関係）を得ることができる。

図７は、原燃料流量指令値と、発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値（指標値Ｕｆ＿ｎ）との関係を示す図である。データ群αは、図５の原燃料利用効率Ｕｆをパラメータとした実験結果を示す。データ群αは、図５において、黒丸でプロットされている。データ群βは、別途行った広範囲の発電負荷を対象とした実験結果を示す。データ群βは、図５において太実線で表されている。データ群α，βのいずれも、原燃料流量指令値と、上記指標値Ｕｆ＿ｎとの間に、一様な関係が得られる。

以上のことから、指標値Ｕｆ＿ｎを用いて、原燃料流量指令値を高い精度で補正することができる。それにより、燃料電池スタック装置７０の発電効率と耐久性能とを両立することができる。また、流量計などを用いる必要がないため、コストを抑制することができる。また、特許文献１の技術のような圧力計測などが必要ないため、圧損相当分の原料供給アクチュエータ駆動動力が不要となり、熱効率低下が抑制される。また、特許文献１のような圧力計測などが必要ないため、圧力検出器の初期バラツキ、経時変化、ＡＤ変換の誤差、電圧／物理値演算の誤差などの影響を回避することができる。したがって、補償制御などを回避することができ、コストを抑制することができる。また、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響を抑制できるため、燃料電池スタック装置７０の放熱熱量補償などを回避することができ、コストを抑制することができる。

図８は、図５の実験結果に、上記指標値Ｕｆ＿ｎを重ねた図である。図８に示すように、原燃料流量指令値と指標値Ｕｆ＿ｎとの間に、相関関係が得られている。この指標値Ｕｆ＿ｎの基準値を予め取得しておくことによって、原燃料流量指令値を適切に制御することができる。指標値Ｕｆ＿ｎの基準値は、正常状態の燃料電池スタック装置７０（例えば、未使用の燃料電池スタック装置、発電累積時間が短い燃料電池スタック装置など）を用いて予め取得しておくことができる。

図９は、上記指標値Ｕｆ＿ｎを用いて原燃料流量指令値を補正制御する場合のフローチャートの一例である。図９のフローチャートは、周期的に（例えば１秒ごと）に実行される。図９に示すように、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０が発電中であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１においては、電流センサ８２の検出電流がゼロより大きければ、燃料電池スタック装置７０が発電中であると判定することができる。

ステップＳ１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が所定温度範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２）。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度は、温度センサ８３を用いて間接的に取得することができる。また、所定温度範囲は、燃料電池スタック装置７０が正常に通常発電を行っているか否かを判断できる範囲である。本実施例においては、例えば、６００℃〜８００℃程度である。なお、温度範囲に下限を設定しているのは、発電負荷が高い側から低い側へと急激に移行したしばらくの間、燃料電池スタック装置７０に対する燃料ガス不足を回避するための措置である。具体的には、軽負荷発電状態かつ軽負荷状態を継続した場合よりも燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が高い状態では、所定発電量をより少ない原燃料流量で得られることから、指標値Ｕｆ＿ｎを用いた場合に一部の燃料電池セルで燃料ガスが欠乏するまで原燃料流量が減少するおそれがあるからである。

ステップＳ２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、燃料電池スタック装置７０の発電電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｆｃ＿ｌｗｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。下限電圧Ｖｆｃ＿ｌｗｒは、燃料電池スタック装置７０が通常発電を行う際の許容下限電圧である。下限電圧Ｖｆｃ＿ｌｗｒは、例えば、各燃料電池セルの平均セル電圧に換算して０．６５Ｖとなるように設定してもよい。

ステップＳ３において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０の電気抵抗Ｒｆｃが上限抵抗Ｒｆｃ＿ｕｐｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、電気抵抗Ｒｆｃは、（ＯＣＶ−発電電圧Ｖｆｃ）／発電電流により得られる値である。「ＯＣＶ」とは、開回路電圧であり、発電回路が開の際の燃料電池スタック装置７０の電圧である。上限抵抗Ｒｆｃ＿ｕｐｒは、例えば、図１０の関係から算出することができる。ステップＳ４の実行によって、想定される範囲内で燃料電池スタック装置７０の運転が行われているか否かを判断することができる。

ステップＳ４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、指標値Ｕｆ＿ｎを算出する（ステップＳ５）。指標値Ｕｆ＿ｎは、発電電圧Ｖ＿ｆｃを原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄで除した値である。次に、制御部１０は、原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄから、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆを算出する（ステップＳ６）。基準値Ｕｆ＿ｒｅｆは、図１１から算出することができる。図１１の実線は、図７に対応している。

次に、制御部１０は、ステップＳ５で算出された指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの差の絶対値が所定値ｅｒｒを超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。所定値ｅｒｒは、不感帯を表す値である。ステップＳ７を設けることによって、原燃料流量のハンチングを抑制することができる。所定値ｅｒｒは、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆの±３％程度の値としてもよい。

ステップＳ７で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０が過渡発電状態にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。過渡発電状態とは、発電電力制御値が変更された場合に、発電電力が変化する状態である。例えば、燃料電池スタック装置７０の発電電流変化が０．２Ａ／秒を超えているような場合に、燃料電池スタック装置７０が過渡発電状態にあると判定することができる。ステップＳ７を設けることによって、原燃料流量の過剰なまたは誤った補正を回避することができる。

ステップＳ８において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１０は、原燃料流量補正値ｄＱｆを算出する（ステップＳ９）。原燃料流量補正値ｄＱｆは、例えば、図１２から算出することができる。図１２は、原燃料流量補正値ｄＱを算出する際に用いるマップである。例えば、現在の原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄを値Ａとし、現在の指標値Ｕｆ＿ｎを値Ｃとする。この場合、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆは、値Ｂであり、Ｕｆ＿ｎ−Ｕｆ＿ｒｅｆは、値Ｄのマイナス値である。したがって、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆに対して、値Ｅの原燃料流量増が必要となる。

そこで、原燃料流量補正値ｄＱｆを、値Ｅとしてもよい。ただし、ｄＱｆ＝値Ｅとすると、過補正または各種誤差因子に起因する誤補正となりかねないので、ｄＱｆを下記式（１）のように値Ｅよりも小さい値として求めてもよい。さらに、制御部１０は、下記式（２）でＩＱｆを算出し、学習値として記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１０）。この学習値を、原燃料流量補償値として用いてもよい。なお、下記式（１）および（２）の「１６」は特に限定されるものではなく、「１」よりも大きい値であればよい。
ｄＱｆ＝値Ｅ／１６（１）
ＩＱｆ＝ｄＱｆ／１６（２）

次に、制御部１０は、下記式（３）にしたがって得た値を、新たな原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄに設定し、原燃料ポンプ２０ａに求めた原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄを入力する（ステップＳ１１）。その後、フローチャートの実行が終了する。
Ｑｆ＿ｃｍｄ＝Ｑｆ＿ｃｍｄ＋ｄＱｆ＋ＩＱｆ（３）

ステップＳ１またはステップＳ２において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１０は、原燃料流量補正値ｄＱｆをゼロに設定する（ステップＳ１２）。したがって、想定される範囲内で燃料電池スタック装置７０の運転が行われていない場合には、原燃料流量指令値の補正が禁止される。その後、ステップＳ１１が実行される。

ステップＳ３、ステップＳ４もしくはステップＳ７で「Ｎｏ」と判定された場合、またはステップＳ８において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、原燃料流量補正値ｄＱｆを、前回のフローチャート実行時の原燃料流量補正値ｄＱｆ[ｎ−１]に設定する（ステップＳ１３）。したがって、補正値ｄＱｆの変動が抑制される。その後、ステップＳ１１が実行される。

図９の制御によれば、指標値Ｕｆ＿ｎが基準値Ｕｆ＿ｒｅｆに近づくように補正される。それにより、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響などを回避しつつ、原燃料流量を高い精度で制御することができる。また、流量計などを用いずにすむため、コストを抑制することができる。

図１３は、図９のフローチャートに従った結果として得られた原燃料流量補正値ｄＱｆを示す図である。図１３において、横軸は経過時間である。図１３に示すように、燃料電池スタック装置７０が発電開始していない場合は、ｄＱｆ＝０に設定される。燃料電池スタック装置７０が発電を開始すると、原燃料流量指令値が補正される。燃料電池スタック装置７０の発電電圧が下限値を下回っている場合には、原燃料流量補正値ｄＱｆは、一定に制御される。燃料電池スタック装置７０の発電電圧が下限値を超えた場合においても、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの乖離が小さい場合には、原燃料流量補正値ｄＱｆは、一定に制御される。その後、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの乖離が大きくなると、原燃料流量補正値ｄＱｆは、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの乖離に従って変動する。

なお、図１３の例は、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとから算出される原燃料流量補正値ｄＱｆを表した図であり、当該原燃料流量補正値ｄＱｆを用いて原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄを負帰還制御を行った結果を表しているのではない。

（他の例）
上記実施形態においては、指標値Ｕｆ＿ｎとして、燃料電池スタック装置７０の発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値を用いているが、それに限られない。例えば、逆に、原燃料流量指令値を燃料電池スタック装置７０の発電電圧で除することによって得た値を用いてもよい。すなわち、燃料電池スタック装置７０の発電電圧と原燃料流量指令値との比を、指標値として用いてもよい。

また、上記実施形態においては、燃料ガス供給部による燃料ガス供給量の制御指標として、原燃料ポンプ２０ａに対する原燃料流量指令値を用いているが、それに限られない。例えば、燃料ガス供給部として水素ボンベなどを用いた場合において、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値を燃料ガス供給部の燃料ガス供給量の制御指標として用いてもよい。この場合、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値と燃料電池スタック装置７０の発電電圧との比を用いて、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値を補正制御することによって、上記実施形態と同様に、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれか一方を抑制しつつ高い精度で燃料ガス流量を制御することができる。

なお、上記実施形態は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池セルにも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温で作動する燃料電池セルの場合、温度変動の影響が大きくなる。したがって、上記実施形態に係る燃料電池システムおよびその制御方法は、固体酸化物形の燃料電池に対して特に有効である。

１０制御部
１１入出力ポート
１２ＣＰＵ
１３記憶部
２０原燃料供給部
２０ａ原燃料ポンプ
３０改質水供給部
３３調量弁
４０酸化剤ガス供給部
５０改質器
６０燃焼室
７０燃料電池スタック装置
７１カソード
７２アノード
７４燃料電池セル
８１電圧センサ
８２電流センサ
８３温度センサ
１００燃料電池システム

Claims

燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、
原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部と、を含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正する制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池が発電していることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度範囲内にあることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧がしきい値を超えていることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部とを含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、を含む燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。