特許 6390253 燃料電池発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6390253

(24)【登録日】2018年8月31日

(45)【発行日】2018年9月19日

(54)【発明の名称】燃料電池発電システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20180910BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20180910BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20180910BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/04858

   !H01M8/12

【請求項の数】8

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-160518(P2014-160518)

(22)【出願日】2014年8月6日

(65)【公開番号】特開2016-38990(P2016-38990A)

(43)【公開日】2016年3月22日

【審査請求日】2017年3月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】岩切 保憲

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１０４８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１０２２５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−０３２２６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カソード極に酸化剤ガスが供給され、アノード極に改質燃料が供給されて発電する燃料電池と、
前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池を、第１運転モード、及び該第１運転モードよりも高出力且つ高温度で運転する第２運転モード、を含む複数の運転モードのうちのいずれかに切り替えるように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
運転モードの切替期間での前記カソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量と、前記第１運転モードでの前記カソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量との差分である放熱量差分値、及び、前記第１運転モードでの発電量に基づいて、所定流量を設定し、
前記第２運転モードから前記第１運転モードへの運転切替時に、前記カソード極に供給する酸化剤ガス量を、前記第２運転モードでの定格流量である第２酸化剤ガス供給量以下で、且つ、前記第１運転モードでの定格流量である第１酸化剤ガス供給量よりも前記所定流量だけ増量した流量とする時間帯を設けること
を特徴とする燃料電池発電システム。

【請求項2】

前記所定流量は、前記放熱量差分値が小さいほど少なくすること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記放熱量差分値が予め設定した放熱量閾値以下になった場合に、前記第１酸化剤ガス供給量に対する酸化剤ガスの増量を停止すること
を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。

【請求項4】

前記制御部は、運転モード切替後で、前記第２酸化剤ガス供給量に対して酸化剤ガスを減量している際に、システムの運転状態を示す数値が所定範囲を逸脱する場合には、酸化剤ガスの減量を停止すること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

【請求項5】

カソード極に酸化剤ガスが供給され、アノード極に改質燃料が供給されて発電する燃料電池と、
前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池のセル温度を取得するセル温度取得部と、
前記燃料電池を、第１運転モード、及び該第１運転モードよりも高出力且つ高温度で運転する第２運転モード、を含む複数の運転モードのうちのいずれかに切り替えるように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記セル温度取得部で取得されるセル温度と、前記第１運転モードでのセル温度との差分である温度差分値に基づいて、所定流量を設定し、且つ、温度差分値が小さいほど前記所定流量を少なくし、
前記第２運転モードから前記第１運転モードへの運転切替時に、前記カソード極に供給する酸化剤ガス量を、前記第２運転モードでの定格流量である第２酸化剤ガス供給量以下で、且つ、前記第１運転モードでの定格流量である第１酸化剤ガス供給量よりも前記所定流量だけ増量した流量とする時間帯を設けること
を特徴とする燃料電池発電システム。

【請求項6】

前記制御部は、前記セル温度が発電を実行可能な温度を下回らないように前記所定流量を設定すること
を特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システム。

【請求項7】

前記制御部は、前記温度差分値が予め設定した温度閾値以下になった場合に、前記第１酸化剤ガス供給量に対する前記酸化剤ガスの増量を停止すること
を特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池発電システム。

【請求項8】

前記セル温度取得部は、前記燃料電池により発電される電流と電圧との関係からセル温度を取得すること
を特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に、燃料電池の出力変更要求に対して迅速に対応する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を自動車に適用する場合には定置用と異なり、起動、停止や、運転条件の変更、即ち出力の変更が頻繁に行われる。特許文献１には、ＳＯＦＣの運転状態の切り替え時に、定格出力又は負荷電流に応じた発電に必要な燃料ガスや水蒸気、空気の流量を供給するシステムについて開示されている。

【0003】

しかし、燃料電池の運転状態によってセルの発熱状態が異なるため、定格運転状態に応じた燃料や空気の供給を行なうと、運転状態の切り替え時には、セルの温度が目標とする温度に収束するまでに長時間を要するという問題が生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３−１４１３１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したように、従来における燃料電池発電システムでは、燃料電池の運転条件の変更に伴って出力が変更される場合には、所望の出力に達するまでに長時間を要するという問題があった。

【0006】

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の出力を即時に所望する出力に変更することが可能な燃料電池発電システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本願発明は、燃料電池を、第１運転モード及び該第１運転モードよりも高出力且つ高温度で運転する第２運転モード、を含む複数の運転モードのうちのいずれかに切り替えるように、酸化剤ガスの供給量を制御する制御部を有する。制御部は、運転モードの切替期間でのカソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量と、第１運転モードでのカソード極に供給される酸化剤ガスによる放熱量との差分である放熱量差分値、及び、前記第１運転モードでの発電量に基づいて、所定流量を設定する。第２運転モードから第１運転モードへの運転切替時に、カソード極に供給する酸化剤ガス量を、第２運転モードでの定格流量である第２酸化剤ガス供給量以下で、且つ、第１運転モードでの定格流量である第１酸化剤ガス供給量よりも所定流量だけ増量した流量とする時間帯を設ける。

【発明の効果】

【0008】

本願発明に係る燃料電池発電システムでは、第２運転モードから第１運転モードへの切替時に、カソード極に供給する酸化剤ガス量を、第１酸化剤ガス供給量よりも所定流量だけ増量した流量とする時間帯を設けるので、酸化剤ガスによる放熱が促進され、燃料電池の出力を即時に所望する出力に変更することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１，第２実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

【図2】比較例に係る燃料電池発電システムの、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の、各数値の変化を示す特性図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の、各数値の変化を示す特性図である。

【図4】本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの、セル温度の変化を示す特性図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システムの、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の、各数値の変化を示す特性図である。

【図6】本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの処理動作を示すフローチャートである。

【図7】セル目標温度差とカソード極に供給される空気量との関係を示す特性図である。

【図8】本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電システムの処理動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池発電システム１００は、カソード極１１ａ、及びアノード極１１ｂを備えた燃料電池１１と、カソード極１１ａに空気（酸化剤ガス）を供給する第１空気ブロワ１２（酸化剤ガス供給部）を備える。更に、第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、燃料電池１１のアノード極１１ｂに燃料を供給する第１燃料ポンプ１４と、第１燃料ポンプ１４より燃料ガス流路Ｌｌを経由して送出される燃料を改質してアノード極１１ｂに供給する燃料改質器１５と、を備えている。なお、本実施形態では、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外のものを用いることができる。

【0011】

更に、アノード極１１ｂより排出される燃料ガスを、燃料改質器１５に循環させる燃料循環ブロワ１７と、カソード極１１ａより排出される排気ガスが排気ガス流路Ｌ２を経由して導入され、この排気ガスが有する熱により、燃料改質器１５を加熱する改質器加熱熱交換器１６を備える。また、燃料循環ブロワ１７の出力口と排気ガス流路Ｌ２との間に設けられ、アノード極１１ｂより排出される燃料ガスの一部を排気ガス流路Ｌ２に導入する燃料流路圧力調整弁１８と、改質器加熱熱交換器１６の入口近傍の排気ガス流路Ｌ２に設けられ、排気ガス流路Ｌ２を経由して改質器加熱熱交換器１６に導入される排気ガスの一部を外部へ排出する排気流路圧力調整弁１９と、を備えている。

【0012】

また、第２空気ブロワ２１より供給される空気（酸化剤ガス）と第２燃料ポンプ２２より供給される燃料により燃焼して、加熱した空気をカソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入する燃焼バーナ２３を備えている。

【0013】

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物燃料電池（SOFC; Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード極１１ｂに供給される改質された燃料と、カソード極１１ａに供給される空気により電力を発生させて、この電力をモータ等の電力需要設備に供給する。

【0014】

燃料改質器１５は、改質器加熱熱交換器１６より供給される熱により加熱され、第１燃料ポンプ１４より供給される燃料を触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質燃料）を燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する。

【0015】

また、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１４、第２空気ブロワ２１、第２燃料ポンプ２２、排気流路圧力調整弁１９、燃料流路圧力調整弁１８、及び燃料循環ブロワ１７は、それぞれ制御部３１に接続されている。制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなる装置であり、電力の出力要求に応じて各機器に制御信号を送信して各機器を制御する。特に、制御部３１は、第１空気ブロワ１２より出力する空気量（酸化剤ガス量）、及び第１燃料ポンプ１４より出力する燃料量を制御する。

【0016】

また、制御部３１は、燃料電池１１を、第１運転モード、及び該第１運転モードよりも高出力、且つ高温度で運転する第２運転モード、を含む複数の運転モードのうちのいずれかに切り替えるように、第１空気ブロワより出力する空気量（酸化剤ガスの供給量）を制御する。

【0017】

更に、制御部３１は、第２運転モードから、第１運転モードに切り替える際に、カソード極１１ａに供給する空気量を、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）から、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量（第１酸化剤ガス供給量）へ変更する制御を行う。また、第２空気供給量から第１空気供給量への切替時に、第２空気供給量以下で、且つ、第１空気供給量よりも所定流量だけ増量した流量とする時間帯（後述する図３のτ１，τ２参照）を設定する。更に、制御部３１は、メモリ（図示省略）等の記憶部を備えており、該メモリに、第１運転モード及び第２運転モードでの単位時間当たりの放熱量を記憶している。これに加えて、カソード極１１ａに供給される空気量と、セル温度に基づく放熱量のデータを記憶している。

【0018】

次に、燃料電池発電システム１００の、運転開始時における動作について説明する。本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、燃焼バーナ２３を駆動してシステムの起動を行う。また、電気ヒータ（図示省略）等により燃料電池１１の加熱を制御することにより、該燃料電池１１の運転温度を変化させ、且つ、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気量、及びアノード極１１ｂに供給する燃料量を変化させて、出力電力の変化に対応させる。

【0019】

運転開始時には、初期的な動作として、第２燃料ポンプ２２を作動させ、且つ第２空気ブロワ２１を起動させることにより、燃焼バーナ２３に燃料及び空気を供給する。そして、該燃焼バーナ２３を燃焼させ、この燃焼ガスを燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する。従って、燃料電池１１は、燃焼バーナ２３より供給される燃焼ガスにより昇温される。

【0020】

その後、燃料電池１１の温度が、定格温度（例えば、６５０℃）に達した場合には、燃焼バーナ２３を停止し、第１空気ブロワ１２の出力に切り替える。この処理では、第１空気ブロワ１２を起動することにより、該第１空気ブロワ１２より空気（酸化剤ガス）が送出され、この空気は、空気加熱熱交換器１３の低温側（熱を吸収する側）を通過し、その後、カソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入される。この際、空気加熱熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）には、改質器加熱熱交換器１６より排出される高温のガスが導入される。このため、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、高温ガスとの間の熱交換により加熱されて、カソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入される。

【0021】

この際、空気加熱熱交換器１３で加熱される空気は、通常、燃料電池１１の定格温度よりも２００〜３００℃程度低い温度であるので、燃焼バーナ２３から第１空気ブロワ１２への切り替え直後には、カソード極１１ａの温度が一時的に低下する。しかし、発電を開始することに起因する発熱により、カソード極１１ａの温度が上昇して定格温度に達する。

【0022】

即ち、カソード極１１ａに導入された空気は、燃料電池１１の発電時に生じる熱エネルギーにより加熱され、燃料電池１１の温度とほぼ同一の温度となってカソード極１１ａの出口より排出される。従って、カソード極１１ａに供給される空気は、燃料電池１１のセルやスタックの冷却媒体として機能しており、定格運転では燃料電池１１の運転温度に対応した発電により発生する熱量と空気を含むガスへの伝達熱量がバランスするように運転条件（空気流量）が設定されている。

【0023】

そして、燃料電池１１により、負荷に供給する電力が出力される。即ち、燃料電池１１は、車両のモータに電力を供給して該モータを駆動させ、車両を走行させることが可能な状態となる。その後、発電が開始されると、例えば、燃料電池１１のセル温度が６５０℃での運転（第１運転モードでの運転）、或いは、燃料電池１１のセル温度が７５０℃での運転（第２運転モードでの運転）が行われる。

【0024】

次に、燃料電池発電システム１００が稼働状態であるときの、燃料電池１１の運転モードの切り替えについて説明する。以下では、一例として、燃料電池１１が高出力時（例えば、車両が高速道路を走行する場合）に設定される第２運転モード（例えば、セル温度が７５０℃）から、燃料電池１１の出力が相対的に低い第１運転モード（例えば、セル温度が６５０℃）に切り替える場合について説明する。なお、燃料電池１１は、第１運転モード、及び第２運転モードを含む複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードでの運転が可能である。

【0025】

図２は、燃料電池１１の運転モードを、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の、各数値の変化（本発明を採用しない比較例での変化）を示す特性図である。図２（ａ）はカソード極１１ａに供給される空気量、（ｂ）はアノード極１１ｂに供給される燃料量、（ｃ）はセル出力、（ｄ）はセル温度を示している。運転モードを第２運転モードから第１運転モードに切り替えるためには、セル温度を１００℃だけ下降させる必要がある。

【0026】

図２に示す時刻ｔ０にて、運転モードを第２運転モードから第１運転モードに切り替えるために、図２（ａ），（ｂ）に示すように、カソード極１１ａに供給する空気量、及びアノード極１１ｂに供給する燃料量を、第１運転モードに対応する流量に設定する。具体的には、図１に示した第１空気ブロワ１２の出力、及び第１燃料ポンプ１４の出力を変更することにより、空気量、及び燃料量を第１運転モードに対応する流量に変更する。これに伴って、図２（ｃ）に示すようにセル出力（セルによる発電量）は、第２運転モードの出力から第１運転モードの出力に切り替わる。

【0027】

そして、図２に示す運転切り替え期間（ｔ０〜ｔ１の期間）では、図２（ｄ）に示すように、セル温度がＴ２（例えば、７５０℃；時刻ｔ０）から徐々に低下し、Ｔ１（例えば、６５０℃；時刻ｔ１）に達する。つまり、第１運転モードでの発電に伴う発熱量と、カソード極１１ａに供給される空気による持ち去り熱量とがバランスした状態となると、セル温度が第１運転モードの目標温度Ｔ１に達して安定する。

【0028】

このように、運転モードの切り替えは、カソード極１１ａに供給される空気により徐々にセルの温度を低下させることにより行われ、数分単位の比較的長い時間を要して行われる。このため、より迅速に運転モードを変更することが望まれる。

【0029】

また、運転モードの移行を速めるためのセル温度の下降方法として、アノード極１１ｂに供給する燃料ガスの温度、或いはカソード極１１ａに供給する空気の温度を低下させる方法が知られている。しかし、この方法を採用する場合には、燃料ガスや空気の温度を低下させるために熱交換器や、冷却用の流体を供給するための経路、切り替え装置等の、追加の補機を設置する必要が生じる。よって、システムの複雑化やコストアップを伴うため、簡素なセル温度の低下方法が望まれる。本実施形態では、運転モードの切り替え期間において、カソード極１１ａに供給する空気量を、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量よりも所定流量だけ増量させることにより、セル温度の低下を促進させる。以下、図３を参照して詳細に説明する。

【0030】

図３は本実施形態の運転モード切替時における各数値の変化を示す特性図であり、（ａ）はカソード極１１ａに供給する空気量、（ｂ）はアノード極１１ｂに供給する燃料量、（ｃ）はセル出力、（ｄ）はセル温度を示している。また、（ｅ）は変形例に係るカソード極１１ａに供給する空気量を示している。

【0031】

本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、時刻ｔ０にて運転モードを第２運転モードから第１運転モードに切り替える場合、図３（ｂ）に示すように、この時刻ｔ０にてアノード極１１ｂに供給する燃料量を、第２運転モードでの燃料量から第１運転モードでの燃料量に切り替える。これに伴い、図３（ｃ）に示すように、セル出力（セルによる発電量）は時刻ｔ０にて低減する。

【0032】

一方、図３（ａ）に示すように、カソード極１１ａに供給する空気量は、時刻ｔ０にて、燃料量が減量された後も、第２運転モードでの空気量（第２空気供給量）を維持する。その後、時刻ｔ２にて空気量を減少させて第１運転モードでの空気量（第１空気供給量）となるように切り替える。即ち、制御部３１は、第２運転モードから第１運転モードへの運転切替時に、カソード極１１ａに供給する空気量（酸化剤ガス量）を、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）以下で、且つ、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量（第１酸化剤ガス供給量）よりも所定流量だけ増量した流量とする時間帯を設けている。例えば、図３（ａ）に示す空気量は、τ１の時間帯で第１空気供給量よりも増量した流量とされている。

【0033】

従って、運転モードの切り替え期間では、セル出力（セルによる発電量）が減少しているにも関わらず、第２運転モードでの放熱量が継続されるので、相対的に放熱量が過多となる。従って、図３（ｄ）に示すように、放熱量が過多となったことにより、セル温度の低下が促進し、セル温度を早期に下降させることができる。その結果、セル温度を迅速にＴ２（例えば、７５０℃）から、Ｔ１（例えば、６５０℃）に切り替えることができる。運転モードの切り替えに要する時間は、ｔ０〜ｔ２に示す時間となり、図２に示したｔ０〜ｔ１の時間よりも短くなっている。

【0034】

また、図３（ａ）に示した例は、切替期間中（ｔ０〜ｔ２の期間）にカソード極１１ａに供給する空気量を第２の運転モードでの定格流量となるようにして、セル温度の低下を促進する例について説明した。本実施形態では、第１運転モードでの空気の定格流量よりも多い流量とすれば、同様の効果を達成できる。例えば、図３（ｅ）に示す変形例のように、時刻ｔ０にて、カソード極１１ａに供給する空気量を、第１空気供給量ａ２よりも所定流量ａ１だけ多い空気量まで低減し、この状態を時間τ２だけ継続し、その後、第１空気供給量ａ２まで低減させるようにしてもよい。即ち、図３（ｅ）に示す例では、時間τ２が、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量以下で、且つ、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量よりも所定流量だけ増量した流量とする時間帯である。

【0035】

図４は、燃料電池１１内のセル流路の位置と、セルの温度変化を示す特性図である。図４の横軸の左端はセルの燃料入り口（カソード空気出口）を示し、右端はセルの燃料出口（カソード空気入口）を示している。また、セルは第１運転モードで発電しているものとしている。図４に示す曲線ｓ１は、第２運転モードでの空気流量としたときのセル温度のセル流路内での温度変化を示し、曲線ｓ３は、第１運転モードでの空気流量としたときのセル温度のセル流路内での温度変化を示し、曲線ｓ２は、第２運転モードの空気流量の半分としたときのセル温度のセル流路内での温度変化を示している。

【0036】

図４に示す曲線ｓ１と曲線ｓ３を比較して理解されるように、第１運転モードでの空気量としたときと、第２運転モードでの空気量としたときで、セル温度に１６０℃程度の相違がある。従って、カソード極１１ａに供給する空気量を、運転モードの切り替え後においても第２運転モードでの空気量に保持することにより、セル温度を約１６０℃だけ低下させることができる。従って、第２運転モードと第１運転モードのセル温度の差が仮に１００℃であれば、運転状態切り替え時にカソード極１１ａに供給する空気量を第２運転モードでの供給量に保持することだけで、セル温度の低下を行うことができる。

【0037】

但し、発電に伴う放熱を冷却する目的のカソード極１１ａに供給する空気量を増量すれば、セル温度を自由に低下させることは理論上可能であるが、実際にはセル温度が低下し過ぎるとセルは発電し難くなる。即ち、カソード極１１ａに供給する空気量が過剰になるとセル温度が部分的に低下し、セル内部で発電を行えない部分が多くなる。その結果、発電量の要求値を満たすため発電可能な部分での発電量を増加する必要が生じ、却って発電可能な部分のセル温度が上昇し、熱強度的に許容されるセルの上限温度を超える場合も発生する。従って、カソード極１１ａに供給する空気の増量は、セルの温度や発電効率等の制限を考慮して決定する必要がある。

【0038】

次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の稼働運転時に、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の、具体的な処理手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、図１に示した制御部３１により、例えば、１００ｍｓのサンプリング時間で周期的に実行される。

【0039】

初めに、ステップＳ１０１において、制御部３１は、モード切り替え指示が入力されているか否かを判断する。この処理では、例えば、現在の運転モードが第２運転モード（セル温度７５０℃で運転するモード）である場合に、第１運転モード（セル温度６５０℃で運転するモード）に切り替えるための切り替え信号が入力されているか否かを判断する。

【0040】

この切り替え信号は、例えば、車両が高速道路から一般道路へ進入して運転速度が低下した場合（例えば、車速が８０Ｋｍ／ｈ から５０Ｋｍ／ｈ に切り替わった場合）や、アクセル開度の変化が発生した場合に、車両のＥＣＵ等の判断にて出力される。或いは、操作スイッチ（図示省略）を車両の運転者が手動操作することにより与えられる。そして、切り替え信号が入力されている場合には（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、ステップＳ１０２に処理を進める。また、切り替え信号が入力されていない場合には（ステップＳ１０１でＮＯ）、ステップＳ１０１に処理を戻す。

【0041】

ステップＳ１０２において、制御部３１は、切替後の運転モードである第１運転モードでの単位時間当たりの放熱量（これを、Ｑ１とする）を取得する。この放熱量は、第１運転モードでの運転温度Ｔ１（例えば、６５０℃）に基づいて決定することができる。例えば、制御部３１が有するメモリ（図示省略）に、各運転温度に対する単位時間当たりの放熱量を記憶することにより、取得することができる。

【0042】

ステップＳ１０３において、制御部３１は、現在における、単位時間当たりのセル放熱量（これを、Ｑ２とする）を取得する。この放熱量は、現在のセルの発電量とカソード空気流量及び温度に基づいて求めることができる。なお、第１運転モードの方が第２運転モードよりも発電量が小さいので、セル放熱量は、Ｑ１＜Ｑ２となる。

【0043】

ステップＳ１０４において、制御部３１は、上述のステップＳ１０２、及びステップＳ１０３の処理で取得した単位時間当たりの放熱量Ｑ２，Ｑ１に基づき、これらの差分である放熱量差分値ΔＱ（＝Ｑ２−Ｑ１）を算出する。

【0044】

ステップＳ１０５において、制御部３１は、上記の処理で求められた放熱量差分値ΔＱと、予め設定した放熱量閾値Ｑthを比較し、放熱量差分値ΔＱが放熱量閾値Ｑth以下であるか否かを判断する。

【0045】

ステップＳ１０５において、ΔＱ≦Ｑthでないと判断された場合には（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０６において、制御部３１は、放熱量差分値ΔＱに基づいて、カソード極１１ａに供給する空気の増量値（第１空気供給量に対する増量値）を計算する。また、第１運転モードでの発電量を用いて所定流量を設定する。運転切り替え中の空気量の制御は、セル温度に基づき、第１運転モードでの運転時の学習値等と制御系内におけるモデルを用いて行い、モデルはカソード極１１ａへの空気の供給にセルの冷却に係わる応答性を補償するものを用いる。また、運転モード切替時における放熱量差分値ΔＱ、即ち、第１空気供給量での放熱量Ｑ１と第２空気供給量での放熱量Ｑ２との差分が小さいほど、所定流量ａ１を小さく設定する。つまり、図７に示すように、セルの目標温度差とカソード極１１ａに供給する空気量の関係は、一次関数的に対応するので、この関係に当てはめることにより、より早くセル温度を第２運転モードの温度に到達させることができる。

【0046】

その後、ステップＳ１０７において、制御部３１は、ステップＳ１０５の処理で求められた増量値だけ、カソード極１１ａに供給する空気量を増加するように、第１空気ブロワ１２（図１参照）を制御する。即ち、第２運転モードから第１運転モードへ切り替える際には、切替直後に第１運転モードでの空気供給量に上記の増量値に相当する空気量を増加した空気量となるように制御する。図３に示す例では、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ０の後においても、カソード極１１ａに供給する空気量は、第１運転モードでの空気供給量よりも増量されている。その後、ステップＳ１０１に処理を戻す。

【0047】

一方、ΔＱ≦Ｑthであると判断された場合には（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０８において、カソード極１１ａへ供給する空気量の増量を停止する。即ち、ΔＱ≦Ｑthであるということは、カソード極１１ａに供給する空気量を、第１運転モード時における空気量である第１空気供給量としても問題は無いものと推定されるので、空気量の増量を停止する。即ち、第１空気供給量となるように、第１空気ブロワ１２を制御する（図３（ａ）の時刻ｔ２参照）。その後、ステップＳ１０９において、第１運転モードへの切り替えが終了する。こうして、セルの運転モードを第２運転モードから第１運転モードに切り替える際に、セル温度の低下が促進されるので、短時間で第１運転モードに切り替えることができるのである。

【0048】

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の切り替え期間において、カソード極１１ａに供給する空気量（酸化剤ガス量）を、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）以下で、且つ、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量ａ２（第１酸化剤ガス供給量）よりも所定流量ａ１だけ増量した流量とする時間τ１（図３（ａ）参照）を設けている。従って、カソード極１１ａに供給される空気に放出される熱量を増加させることができ、セル温度の低下を促進することができる。その結果、第２運転モードから第１運転モードへ切り替える際に、セル温度が速やかに下降し、早期に第１運転モードへ移行させることができる。

【0049】

また、運転切替時におけるカソード極１１ａに供給される空気による放熱量と、第２運転モードでのカソード極１１ａに供給される空気による放熱量との放熱量差分値ΔＱに基づいて、所定流量ａ１（図３（ｅ）参照）が決定される。更に、第１運転モードでの発電量に基づいて、所定流量ａ１が決定される。従って、放熱量差分値ΔＱの大きさに応じた好適な所定流量ａ１を設定することができ、迅速に第１運転モードから第２運転モードに切り替えることができる。

【0050】

更に、放熱量差分値ΔＱが小さいほど、所定流量ａ１が小さくなるように設定するので、第２運転モードでの放熱量と第１運転モードでの放熱量の差分が小さい場合には、所定流量ａ１を小さくすることにより、第１空気供給量に達するまでの時間を短縮化でき、迅速に第１運転モードから第２運転モードに切り替えることができる。

【0051】

また、放熱量差分値ΔＱが放熱量閾値Ｑth以下となった場合には、空気量の増量を停止するので、即時に第２運転モードへ切り替えることができる。

【0052】

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。システムの構成は、図１と同一である。以下、第２実施形態において、燃料電池１１の運転モードを第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の制御を、図５に示す特性図を参照して説明する。図５は第２実施形態の運転モード切替時における各数値の変化を示す特性図であり、（ａ）はカソード極１１ａに供給する空気量、（ｂ）はアノード極１１ｂに供給する燃料量、（ｃ）はセル出力、（ｄ）はセル温度を示している。

【0053】

第２実施形態では、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ０で第２運転モードから第１運転モードに切り替える際に、発電量の急激な変化を抑制するために、アノード極１１ｂに供給する燃料量を、段階的に減少させて第２運転モードで必要とする燃料量から第１運転モードで必要とする燃料量に切り替える。この際、通常の制御では（第２実施形態を採用しない従来の制御では）、アノード極１１ｂに供給する燃料量を段階的に低減することに伴って、カソード極１１ａに供給する空気量を低減するので、図５（ａ）の曲線ｓ１４のように、カソード極１１ａに供給される空気量は段階的に低減される。

【0054】

これに対して、第２実施形態に係る制御では、図５（ａ）の曲線ｓ１３に示すように、曲線ｓ１４よりも１段階分だけ増量した空気量としている。即ち、燃料量に対して本来必要とされる空気量よりも、若干多い空気量となるように、カソード極１１ａに供給する空気量が制御される。その結果、図５（ｄ）に示すように、セル温度の低下が早まることになる。具体的には、空気量を図５（ａ）の曲線ｓ１４のように低減させた場合（従来の場合）には、セル温度は、図５（ｄ）の曲線ｓ１２のように低下して、第２運転モードでのセル温度Ｔ２から第１運転モードでのセル温度Ｔ１まで変化する。一方、空気量を図５（ａ）の曲線ｓ１３のように低減させた場合には、セル温度は、図５（ｄ）の曲線ｓ１１のように低下し、時刻ｔ３にて第１運転モードでのセル温度Ｔ１まで低下することになる。

【0055】

即ち、制御部３１は、第２運転モードから第１運転モードへの運転切替時に、カソード極１１ａに供給する空気量（酸化剤ガス量）を、第２運転モードでの定格流量である第２空気供給量（第２酸化剤ガス供給量）以下で、且つ、第１運転モードでの定格流量である第１空気供給量（第１酸化剤ガス供給量）よりも所定流量だけ増量した流量とする時間帯を設けている。

【0056】

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池発電システムでは、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際に、アノード極１１ｂに供給する燃料量を段階的に減少させる。この際、カソード極１１ａに供給する空気量は、燃料量に対応する空気量よりも増量した空気量とされる。従って、前述した第１実施形態と同様に、第２運転モードから第１運転モードへ切り替える際に、セル温度が速やかに下降し、早期に第１運転モードへ移行させることができる。

【0057】

［第３実施形態の説明］
次に、本発明に係る燃料電池発電システムの第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａの構成を示すブロック図である。図８に示す燃料電池発電システム１００ａは、前述の図１に示した燃料電池発電システム１００に計器類を追加した構成である。以下、相違点についてのみ説明する。

【0058】

図８に示す燃料電池発電システム１００ａは、燃料電池１１のカソード極１１ａの入口に設けられ、該カソード極１１ａに導入される空気の温度を測定する入口温度センサＴｃinと、カソード極１１ａの出口に設けられ、該カソード極１１ａから排出される空気の温度を測定する出口温度センサＴｃoutを備える。更に、燃料電池１１のセパレータ温度を測定するセパレータ温度センサＴｓと、燃料電池１１のアノード極１１ｂの出口に設けられ、該アノード極１１ｂから排出されるガスの温度を測定する出口温度センサＴａoutと、を備えている。それ以外の構成は、図１と同様であるので、同一符号を付して、構成説明を省略する。

【0059】

そして、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａでは、第２運転モードから第１運転モードへ切り替える際に、セル温度に基づいて、カソード極１１ａに供給する空気量を設定することにより、セル温度の低下を直接的に制御する。即ち、前述した第１実施形態では、セルの放熱量に基づいて空気量を演算したが、第３実施形態では、セル温度に基づいて、カソード極１１ａに供給する空気量を演算する。なお、以下では、センサを示す符号と、該センサより出力される温度を同一の符号で示すことにする。例えば、入口温度センサＴｃinで測定される温度を、同一の符号Ｔｃinで示す。

【0060】

また、本実施形態の燃料電池発電システム１００ａでは、各センサＴｃin、Ｔｃout、Ｔｓ、Ｔａoutで検出される温度に基づき、燃料電池１１のセル温度を算出する。即ち、図８に示す４個のセンサＴｃin、Ｔｃout、Ｔｓ、Ｔａoutは、燃料電池１１のセル温度を取得するセル温度取得部としての機能を備えている。

【0061】

次に、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａの稼働運転時に、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際の、具体的な処理手順について、図９に示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、図８に示した制御部３１により実行される。また、この処理は例えば、１００ｍｓのサンプリング時間で行われる。

【0062】

初めに、ステップＳ３０１において、制御部３１は、モード切り替え指示が入力されているか否かを判断する。この処理では、例えば、現在の運転モードが第２運転モードである場合に、第２運転モードよりもセル温度が相対的に低い第１運転モードに切り替えるための切り替え信号が入力されているか否かを判断する。

【0063】

この切り替え信号は、前述した第１実施形態と同様に、例えば車両が高速道路から一般道路へ進入して運転速度が低下した場合（例えば、車速が８０Ｋｍ／ｈから５０Ｋｍ／ｈに切り替わった場合）や、アクセル開度の変化が発生した場合に、車両のＥＣＵ等の判断にて出力される。或いは、操作スイッチ（図示省略）を車両の運転者が手動操作することにより与えられる。そして、切り替え信号が入力されている場合には（ステップＳ３０１でＹＥＳ）、ステップＳ３０２に処理を進める。また、切り替え信号が入力されていない場合には（ステップＳ３０１でＮＯ）、ステップＳ３０１に処理を戻す。

【0064】

ステップＳ３０２において、制御部３１は、第１運転モードでのセル温度（これを、ｑ１とする）を取得する。このセル温度は、例えば、６５０℃であり、メモリ（図示省略）に予め記憶されている。

【0065】

ステップＳ３０３において、制御部３１は、現在におけるセル温度（これを、ｑ２とする）を取得する。現在のセル温度は、図８に示したセパレータ温度センサＴｓで検出されるセパレータ温度Ｔｓに基づき、各温度センサＴｃin、Ｔｃout、Ｔａoutで検出される各温度を考慮して、総合的に決定することができる。なお、第１運転モードの方が第２運転モードよりもセル温度が低いので、セル温度は、ｑ１＜ｑ２である。

【0066】

ステップＳ３０４において、制御部３１は、ステップＳ３０２、及びステップＳ３０３の処理で取得したセル温度ｑ２，ｑ１に基づき、これらの差分である温度差分値Δｑ（＝ｑ２−ｑ１）を算出する。

【0067】

ステップＳ３０５において、制御部３１は、ステップＳ３０３の処理で取得した運転状態値（例えば、カソード極１１ａの出入口の温度、アノード極１１ｂの出入口の温度）に基づき、セルの状態が許容される範囲にあるかを判断する。具体的には、燃料電池１１のセパレータ温度Ｔｓが許容温度以下であることや、アノード出口温度Ｔａoutが予め与えられた温度範囲に収まっていることを確認する。

【0068】

セルの運転状態値が許容される範囲内である場合には（ステップＳ３０５でＹＥＳ）、ステップＳ３０６に処理を進める。また、セルの運転状態値が許容される範囲内でない場合には（ステップＳ３０５でＮＯ）、ステップＳ３１０に進める。つまり、カソード極１１ａに供給する空気は、発電に必要とされる酸素を供給することを目的としている。従って、セル温度の低下を促進することを目的として空気量を調整することにより、セルの温度が低下しすぎる場合、即ち、運転モード切替後で、セルの運転状態値が許容される範囲から逸脱する場合には、発電に必要とするセル温度を維持することが優先されるので、ステップＳ３１０以降の処理で、供給する空気量の増量を停止する。

【0069】

ステップＳ３０６において、制御部３１は、ステップＳ３０４の処理で求められた温度差分値Δｑと、予め設定した温度閾値ｑthを比較し、温度差分値Δｑが温度閾値ｑth以下であるか否かを判断する。そして、Δｑ≦ｑthでないと判断された場合には（ステップＳ３０６でＮＯ）、ステップＳ３０７において、制御部３１は、カソード極１１ａに供給する空気の増加量、即ち、第１空気供給量に対して増加させる空気量（所定流量）を計算する。具体的には、図３（ｅ）に示した例で説明すると、第１空気供給量ａ２に対して増加させる所定流量ａ１を演算する。この演算では、セル温度に基づき、第１運転モードでの運転時の学習値等と制御系内におけるモデルを用いて行う。モデルはカソード極１１ａへの空気の供給にセルの冷却に係わる応答性を補償するものを用いる。

【0070】

この際、セル温度が発電を実行可能な温度を下回らないように、所定流量を設定する。即ち、空気量を増量させてセル温度の低下を促進する場合、セル温度が発電を実行できない程度に低下する恐れがあるので、これを防止するために発電を実行可能な温度を設定し、これを下回らないようにする。また、運転モード切替時における温度差分値Δｑ、即ち、第２運転モードでのセル温度ｑ２と第１運転モードでのセル温度ｑ１との差分が小さいほど、所定流量ａ１を小さく設定する。こうすることにより、より早くセル温度を第１運転モードの温度に到達させることができる。

【0071】

ステップＳ３０８において、制御部３１は、増加させた空気量が、搭載している空気ブロワが供給可能な空気量（規程流量）以下であるか否かを判断する。そして、規程流量以下である場合には（ステップＳ３０８でＹＥＳ）、ステップＳ３０９に処理を進める。また、規程流量を超えた場合には（ステップＳ３０８でＮＯ）、ステップＳ３１０に処理を進める。

【0072】

ステップＳ３０９において、制御部３１は、ステップＳ３０８の処理で求められた増量分だけカソード極１１ａに供給する空気量が増加するように、第１空気ブロワ１２（図８参照）を制御する。その後、ステップＳ３０３に処理を戻す。

【0073】

一方、ステップＳ３０６の処理で、Δｑ≦ｑthであると判断された場合には（ステップＳ３０６でＹＥＳ）、ステップＳ３１０において、カソード極１１ａへ供給する空気の増量を停止する。即ち、「Δｑ≦ｑth」であるということは、セル温度が低下して第１運転モードにおけるセル温度に近い温度にあるということであり、カソード極１１ａに供給する空気量を、第１運転モードにおける定格流量である第１空気供給量としても問題は無いものと推定されるので、空気の増量を停止する。即ち、第１空気供給量となるように、第１空気ブロワ１２を制御する。その後、ステップＳ３１１において、運転モードの切り替えが終了し、第１運転モードへ移行する。

【0074】

こうして、第２運転モードから第１運転モードに切り替える際には、カソード極１１ａに供給する空気によるセル温度の低下を促進するように空気量が制御されるので、第２運転モードのセル温度から第１運転モードのセル温度へ迅速に切り替えることができることとなる。

【0075】

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａでは、運転モードを第２運転モードから第１運転モードへ切り替える際には、第１運転モードでのセル温度ｑ１を取得し、更に、現在のセル温度ｑ２を取得し、これらの差分である温度差分値Δｑに基づいて、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気の減少量である所定流量ａ１を設定する。

【0076】

つまり、セル温度ｑ２を、各センサで求められる温度Ｔｓ，Ｔｃin，Ｔｃout，Ｔａoutに基づいて演算し、このセル温度ｑ２と、第１運転モードでのセル温度ｑ１との温度差分値Δｑに基づいてカソード極１１ａに供給する空気量の、第１空気供給量ａ２に対する減少量である所定流量ａ１を演算する。

【0077】

そして、図３（ｅ）に示した時間τ２だけカソード極１１ａに供給する空気量を第１空気供給量に対して増量させた後、第１空気供給量に切り替える。従って、前述した第１実施形態と同様に、第２運転モードから第１運転モードへ切り替える際に、セル温度を速やかに低下させて、早期に第１運転モードへ移行させることができる。

【0078】

また、前述した第１実施形態では、カソード極１１ａに供給する空気量に基づいて、燃料電池１１の放熱量Ｑ２を算出し、第１運転モードでの放熱量Ｑ１と比較することにより、カソード極１１ａに供給する空気の増加量を算出した。これに対して、第２実施形態では、燃料電池１１の周囲に設けた各温度センサで検出される温度から、燃料電池１１のセル温度ｑ２を求め、第１運転モードでのセル温度ｑ１と比較することにより、カソード極１１ａに供給する空気の減少量である所定流量ａ１を算出している。従って、前述した第１実施形態よりも、より高精度に空気の増加量である所定流量ａ１を算出でき、運転モード切替時間の短縮化を図ることができる。

【0079】

また、セル温度が発電を実行可能な温度を下回らないように、所定流量ａ１が設定されるので、カソード極１１ａに供給する空気量を増量することにより、発電効率が低下するという問題の発生を回避できる。

【0080】

更に、温度差分値Δｑが小さいほど、所定流量ａ１が小さくなるように設定するので、第２運転モードでのセル温度ｑ２と第１運転モードでのセル温度ｑ１の差分が小さい場合には、所定流量ａ１を小さくすることにより、第１運転モードのセル温度ｑ１に達するまでの時間を短縮化でき、迅速に第２運転モードから第１運転モードに切り替えることができる。

【0081】

また、温度差分値Δｑが温度閾値ｑth以下となった場合には、空気量の増量を停止するので、即時に第２運転モードへ切り替えることができる。

【0082】

更に、運転モードの切り替えを行った後、第１空気供給量に対して空気量を所定流量ａ１だけ増量している際に、システムの運転状態を示す数値が所定範囲を逸脱する場合には、空気量の増量を停止する。従って、カソード極１１ａに供給する空気量が過多となり、発電できなくなるという問題の発生を回避することができる。

【0083】

また、前述した第３実施形態では、各温度センサで検出される温度Ｔｓ，Ｔｃin，Ｔｃout，Ｔａoutを用いてセル温度を算出する例について説明したが、これらの温度Ｔｓ，Ｔｃin，Ｔｃout，Ｔａoutを直接的に測定せず、間接的に推定する方法を採用することも可能である。更に、燃料電池１１より出力される電流と電圧を測定し、測定した電流、電圧との関係からセル温度を取得することも可能である。この場合には、燃料電池１１の出力電流を測定する電流計（図示省略）、及び出力電圧を測定する電圧計（図示省略）がセル温度取得部としての機能を有する。このような構成とすれば、セル温度をより簡単な方法で取得することができ、装置構成を簡素化することができる。

【0084】

以上、本発明の燃料電池発電システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

【0085】

例えば、上記した各実施形態では、一例として６５０℃〜７５０℃の範囲で燃料電池１１の運転温度を変化させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の温度範囲においても適用することができる。設定する温度範囲は、燃料電池１１の動作環境に応じて、適宜変更が可能である。

【0086】

上記した実施形態では、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含む他のガスを用いることも可能である。

【符号の説明】

【0087】

１１ 燃料電池
１１ａ カソード極
１１ｂ アノード極
１２ 第１空気ブロワ
１３ 空気加熱熱交換器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 燃料改質器
１６ 改質器加熱熱交換器
１７ 燃料循環ブロワ
１８ 燃料流路圧力調整弁
１９ 排気流路圧力調整弁
２１ 第２空気ブロワ
２２ 第２燃料ポンプ
２３ 燃焼バーナ
３１ 制御部
１００，１００ａ 燃料電池発電システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】