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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022131744
(43)【公開日】2022-09-07
(54)【発明の名称】燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0432 20160101AFI20220831BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20220831BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20220831BHJP
H01M 8/04694 20160101ALI20220831BHJP
H01M 8/04701 20160101ALI20220831BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20220831BHJP
H01M 8/243 20160101ALN20220831BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0432
H01M8/0438
H01M8/04537
H01M8/04694
H01M8/04701
H01M8/12 101
H01M8/12 102B
H01M8/243
H01M8/12 102C
H01M8/12 102A
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021030851
(22)【出願日】2021-02-26
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】眞竹 徳久
(72)【発明者】
【氏名】森 龍太郎
(72)【発明者】
【氏名】小林 大悟
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H126CC02
5H126CC05
5H127AA07
5H127BA04
5H127BA05
5H127BB02
5H127DB02
5H127DB06
5H127DB16
5H127DB22
5H127DB26
5H127DB36
5H127DB47
5H127DB66
5H127DC42
(57)【要約】
【課題】メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価する。
【解決手段】燃料電池の温度評価装置は、内部発熱量の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分、及び、燃料電池の発電室温度の相関を示す特性マップを記憶部に記憶する。そして、記憶部に記憶された特性マップに基づいて、燃料電池の内部発熱量の差分の算出結果に対応する発電室温度を算出することにより評価する。
【選択図】図５
【解決手段】燃料電池の温度評価装置は、内部発熱量の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分、及び、燃料電池の発電室温度の相関を示す特性マップを記憶部に記憶する。そして、記憶部に記憶された特性マップに基づいて、燃料電池の内部発熱量の差分の算出結果に対応する発電室温度を算出することにより評価する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
【請求項2】
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量の差分を算出する、請求項１に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項3】
前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性の入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される、請求項２に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項4】
燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度を検出するための温度検出部と、
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
【請求項5】
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項6】
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項7】
請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
【請求項8】
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する、請求項７に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項9】
前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する、請求項８に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項10】
前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される、請求項８又は９に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項11】
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ高温雰囲気で反応させて発電を行っている。
【0003】
燃料電池は、例えば、複数の燃料電池セルを含む発電室を有する燃料電池カートリッジを備えてなる。発電室の温度は、上述の固体酸化物形燃料電池では、７００℃～１０００℃が適正温度とされており、燃料電池の運転時に適切に監視する必要がある。例えば特許文献１では、温度センサである熱電対を、発電室内部における燃料電池セルの温度測定部位に設置し、その検出値を取得することにより発電室の温度監視を行っている。また特許文献２では燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度及び流量、並びに燃料電池スタックから取り出す電流の電流値からそれぞれの燃料電池セルの最高温度を算出するセル状態算出部を有する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１９－１８５８５３公報
【特許文献2】特開２０１５－１０３４４２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献１では、温度センサである熱電対を発電室内部に位置する温度測定部位に設置することで、発電室温度の監視を行っている。このような熱電対は、一般的に耐久性が数年程度であり、１０年程度の耐久性を目標として開発が進められている燃料電池に比べて短い。特に、熱電対が配置される発電室は高温であり、熱電対にとって苛酷な環境である。そのため、燃料電池の発電室温度の監視を継続的に行うためには、熱電対を交換するための工事等が必要となり、燃料電池のメンテナンスコストが増大してしまうことが考えられる。
【0006】
また上記特許文献２では供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度、流量とスタックから取り出す電流値から燃料電池セルの最高温度を求めるため、スタックの性能変化に伴う発熱量の増加の影響は考慮されない。
【0007】
本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価可能な燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価装置は、上記課題を解決するために、
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える。
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える。
【0009】
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の制御装置は、上記課題を解決するために、
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える。
【0010】
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価方法は、上記課題を解決するために、
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える。
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える。
【発明の効果】
【0011】
本開示の少なくとも一実施形態によれば、メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価可能な燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】一実施形態に係る燃料電池が備えるセルスタックを示す図である。
【図2】一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す図である。
【図3】一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。
【図5】一実施形態に係る燃料電池の制御装置のブロック構成図である。
【図6】一実施形態に係る温度評価方法を示すフローチャートである。
【図8】記憶部に記憶された特性マップの一例である。
【図9A】他の実施形態に係る燃料電池の制御装置のブロック構成図である。
【図9B】記憶部に記憶された特性マップの他の例である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に、本発明に係る燃料電池の制御装置及び制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0014】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
【0015】
まず温度評価装置の評価対象である燃料電池の構成について説明する。以下の説明では、燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について述べる。また固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタック１０１として円筒形（筒状）を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでもよい。
【0016】
図１は一実施形態に係る燃料電池が備えるセルスタック１０１を示す図である。図１では、セルスタック１０１の一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックが示されている。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。
【0017】
セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
【0018】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【0019】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
【0020】
燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭等の炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
【0021】
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
【0022】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷又はディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２－）を生成するものである。
【0023】
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
【0024】
酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガス であり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
【0025】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
【0026】
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【0027】
次に、図２及び図３を参照して一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール２０１（燃料電池モジュール）及びＳＯＦＣカートリッジ２０３（燃料電池カートリッジ）について説明する。ここで、図２は一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール２０１を示す図であり、図３は一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３を示す断面図である。
【0028】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。尚、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と複数の酸化性ガス供給枝管（図７を参照）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（図７を参照）とを備える。
【0029】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【0030】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【0031】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ～約３ＭＰａ、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【0032】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される。図４は図２の圧力容器２０５内における複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の配置例を示す模式図である。圧力容器２０５内における複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の配置レイアウトや数は任意でもよいが、本実施形態では、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が互いに隣接するように配列されている。
【0033】
図４では、圧力容器２０５内における一つのレイアウト例として、４つのＳＯＦＣカートリッジ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄが一方向に沿って順に配列された場合が示されている。最も左側に配置されたＳＯＦＣカートリッジ２０３Ａは、一方側が外部（圧力容器２０５内の雰囲気又は圧力容器２０５の内壁面）に露出しており、他方側に隣接するＳＯＦＣカートリッジ２０３Ｂが配置されている。ＳＯＦＣカートリッジ２０３Ｂは、その両側にＳＯＦＣカートリッジ２０３Ａ及び２０３Ｃがそれぞれ隣接して配置されている。ＳＯＦＣカートリッジ２０３Ｃは、その両側にＳＯＦＣカートリッジ２０３Ｂ及び２０３Ｄがそれぞれ隣接して配置されている。ＳＯＦＣカートリッジ２０３Ｄは、一方側にＳＯＦＣカートリッジ２０３Ｃが隣接して配置され、他方側は外部（圧力容器２０５内の雰囲気又は圧力容器２０５の内壁面）に露出している。
【0034】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【0035】
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、後述する温度評価装置によって評価されることによって監視され、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。
【0036】
燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
【0037】
燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
【0038】
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを図示しない酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
【0039】
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【0040】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
【0041】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
【0042】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はニッケル基合金などの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
【0043】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
【0044】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
【0045】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
【0046】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はニッケル基合金などの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
【0047】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【0048】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電部材（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電部材によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
【0049】
上記構成を有する燃料電池モジュール２０１は、制御ユニットとして制御装置３００を備える。制御装置３００は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【0050】
図５は一実施形態に係る燃料電池（燃料電池モジュール２０１）の制御装置３００のブロック構成図である。制御装置３００は、温度評価装置３０２と、制御部３０４とを備える。温度評価装置３０２は、燃料電池モジュール２０１が備える燃料電池カートリッジ２０３における発電室２１５の温度（以下、適宜「発電室温度Ｔ」と称する）を評価するための構成であり、内部発熱量差分算出部３０６と、記憶部３０８と、発電室温度算出部３１０とを備える。制御部３０４は、温度評価装置３０２で評価された発電室温度Ｔに基づいて、燃料電池モジュール２０１を制御するための構成である。
【0051】
温度評価装置３０２は、燃料電池モジュール２０１が備える複数の燃料電池カートリッジ２０３のうち少なくとも１つにおける発電室温度Ｔを評価する。つまり、温度評価装置３０２は、複数の複数の燃料電池カートリッジ２０３から選択された一部について発電室温度Ｔを評価してもよいし、複数の複数の燃料電池カートリッジ２０３の各々について発電室温度Ｔを評価してもよい。
【0052】
本実施形態では、温度評価装置３０２の機能をわかりやすく説明するために、複数の燃料電池カートリッジ２０３から選択された１つの燃料電池カートリッジ２０３について発電室温度Ｔを評価する場合について説明する。この場合、評価対象となる燃料電池カートリッジ２０３は、後述するように、複数の燃料電池カートリッジ２０３の配置レイアウトに基づいて選択されてもよい。
【0053】
内部発熱量差分算出部３０６は、評価対象となる燃料電池カートリッジ２０３における内部発熱量の初期状態と温度推定時の発熱量の差分ΔＱ（以下、適宜、「内部発熱量差分ΔＱ」と称する）を算出するための構成である。 内部発熱量差分ΔＱの算出は、例えば、燃料電池カートリッジ２０３における熱収支（ヒートバランス）を求めることにより行われる。熱収支は、燃料電池カートリッジ２０３に対する既知であるカートリッジの初期状態の発電に伴う発熱量を含んだ入熱量と排熱量との収支に基づいて求められ、計測されない入熱量と排熱量との差分は燃料電池からの外部放熱損出Ｑｌｏｓｓとなる。
【0054】
記憶部３０８は、初期状態の内部発熱量Ｑ０と温度推定時の内部発熱量Ｑとの差分ΔＱと発電室温度Ｔとの相関を示す特性マップＭを記憶するための構成である。内部発熱量差分ΔＱと発電室温度Ｔとの間には相関があり、予め実験的、試験的又はシミュレーション的手法により特性マップＭが規定される。特性マップＭの傾向として、内部発熱量差分ΔＱが大きいほど燃料電池カートリッジ２０３から排出される熱量は増加（温度上昇）し、発電室温度は上昇する。燃料電池カートリッジ２０３の発電特性や燃料電池カートリッジ２０３の運転条件を模擬した３次元温度シミュレーションを行うことでより詳細な発電室２１５内の温度分布を予測でき最高温度や最低温度が生じる位置を把握することが可能となる。このような特性マップＭを各条件に応じて、予め記憶部３０８に記憶されて用意されることで、適宜読み出し可能である。
【0055】
発電室温度算出部３１０は、特性マップＭに基づいて内部発熱量差分ΔＱに対応する発電室温度Ｔを算出するための構成である。特性マップＭは、上述したように内部発熱量差分ΔＱと発電室温度Ｔとの相関を示すため、発電室温度算出部３１０は記憶部３０８にアクセスして取得した特性マップＭに基づいて、内部発熱量差分算出部３０６で算出された内部発熱量の差分ΔＱに対応する発電室温度Ｔを算出する。尚、内部発熱量差分ΔＱに替えて初期に設定した内部発熱量Ｑ０に内部発熱量差分ΔＱを加えた内部発熱量Ｑから発電室温度Ｔを算出する特性マップを用いてもよい。
【0056】
制御部３０４は、このように温度評価装置３０２で評価された発電室温度Ｔを取得することにより、発電室温度Ｔに基づいて燃料電池モジュール２０１の制御を行う。尚、温度評価装置３０２で評価された発電室温度Ｔは、制御部３０４で燃料電池モジュール２０１の制御に用いることに加えて、又は、代えて、例えばディスプレイのような表示部に表示することで人間が把握することで、燃料電池モジュール２０１の各種オペレーションに利用してもよい。
【0057】
続いて上記構成を有する温度評価装置３０２によって実施される温度評価方法について、より具体的に説明する。図６は一実施形態に係る温度評価方法を示すフローチャートである。
【0058】
まず温度評価装置３０２は、燃料電池モジュール２０１が備える複数の燃料電池カートリッジ２０３から、発電室温度Ｔの評価対象となる少なくとも１つの燃料電池カートリッジ２０３を選択する（ステップＳ１０）。ここでは、温度評価装置３０２の機能をわかりやすく説明するために、複数の燃料電池カートリッジ２０３から選択された１つの燃料電池カートリッジ２０３について発電室温度Ｔを評価する場合について説明する。この場合、評価対象となる燃料電池カートリッジ２０３は、後述するように、複数の燃料電池カートリッジ２０３の配置レイアウトに基づいて選択されてもよい。
【0059】
例えば図４を参照して前述したように、一方向に沿って複数の燃料電池カートリッジ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄが互いに隣接する配置レイアウトの場合、内側に配置された燃料電池カートリッジ２０３Ｂ、２０３Ｃは、外側に配置された燃料電池カートリッジ２０３Ａ、２０３Ｄに比べて放熱が不利であるため高温になりやすいため、これらの燃料電池カートリッジ２０３Ｂ、２０３Ｃのいずれかを選択することで、発電室温度Ｔが許容範囲の上限値を超えることを監視する際に有用である。一方で、外側に配置された燃料電池カートリッジ２０３Ａ、２０３Ｄは、内側に配置された燃料電池カートリッジ２０３Ｂ、２０３Ｃに比べて放熱が有利であるため低温になりやすいため、これらの燃料電池カートリッジ２０３Ａ、２０３Ｄのいずれかを選択することで、発電室温度Ｔが許容範囲の下限値を下回ることを監視する際に有用である。
【0060】
ここで図７は図６のステップＳ１０で選択された燃料電池カートリッジ２０３を周辺構成とともに簡略的に示す構成図である。図７では、評価対象となる燃料電池カートリッジ２０３に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給枝管２０７ａと、燃料電池カートリッジ２０３から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出枝管２０９ａと、燃料電池カートリッジ２０３に対して酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給枝管２０７ｂと、燃料電池カートリッジ２０３から酸化性ガスを排出するための酸化性ガス排出枝管２０９ｂとが示されている。
【0061】
燃料電池カートリッジ２０３には、燃料ガス供給枝管２０７ａを介して温度ＴＦ１、流量ＦＦの燃料ガスが供給されるとともに、酸化性ガス供給枝管２０７ｂを介して温度ＴＡ１、流量ＡＦの酸化性ガスが供給される。また燃料電池カートリッジ２０３からは、燃料ガス排出枝管２０９ａを介して温度ＴＦ２の燃料ガスが排出されるとともに、酸化性ガス排出枝管２０９ｂを介して温度ＴＡ２の酸化性ガスが排出される。
【0062】
また燃料電池カートリッジ２０３は、前記集電部材によって外部に直流電力を導出するための出力回路３２０を有する。当該出力回路３２０から導出される直流電力は、出力電流Ａ及び出力電圧Ｖを有する。
【0063】
尚、これらの温度ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＡ１、ＴＡ２、流量ＦＦ、ＡＦ、出力電流Ａ及び出力電圧Ｖは、それぞれ対応するセンサによって検出可能であり、温度評価装置３０２は、これらのセンサの検出値を取得可能に構成される。
【0064】
続いて温度評価装置３０２は、燃料電池モジュール２０１に対する出力指令を取得し（ステップＳ１１）、当該出力指令に基づいてステップＳ１０で選択された燃料電池カートリッジ２０３における出力電流Ａの目標値（出力電流目標値）を設定する（ステップＳ１２）。燃料電池カートリッジ２０３では、初期値又は計画値として出力電流Ａ及び出力電圧Ｖに関する特性（いわゆるＩ－Ｖ特性）が規定されており、ステップＳ１２では、当該特性に基づいて、ステップＳ１１で取得された出力指令に対応する出力電流目標値が設定される。
【0065】
続いて温度評価装置３０２は、ステップＳ１２で設定された出力電流目標値に基づいて、燃料電池カートリッジ２０３に供給される燃料ガスの流量ＦＦ、及び、酸化性ガスの流量ＡＦの目標値を設定する（ステップＳ１３）。つまり、ステップＳ１３では、燃料電池カートリッジ２０３の出力電流ＡをステップＳ１２で設定された出力電流目標値にするために、燃料電池カートリッジ２０３に供給されるべき燃料ガスの流量ＦＦ及び酸化性ガスの流量ＡＦの目標値がそれぞれ求められる。このような燃料ガスの流量ＦＦ及び酸化性ガスの流量ＡＦに関する目標値の算出は、燃料電池カートリッジ２０３について予め規定された燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａを用いて行われる。
【0066】
続いて内部発熱量差分算出部３０６は、燃料電池カートリッジ２０３における熱収支（ヒートバランス）に基づいて、内部発熱量差分ΔＱを算出する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４における内部発熱量差分ΔＱの算出は、燃料電池カートリッジ２０３における熱収支に基づいて行われる。熱収支は、燃料電池カートリッジ２０３に対する入熱量と排熱量との収支に基づいて求められ、初期の内部発熱量Ｑ０と温度推定時の内部発熱量Ｑとの差分として、内部発熱量の差分ΔＱが算出される。
【0067】
ステップＳ１４における初期の内部発熱量との差分ΔＱの算出は、燃料電池カートリッジ２０３における初期の内部発熱量Ｑ０と、温度推定時の燃料電池カートリッジ２０３におけるヒートマスバランスから求められる内部発熱量Ｑとを用いて、次式により行われる。
ΔＱ＝Ｑ－Ｑ０ （１）
ΔＱ＝Ｑ－Ｑ０ （１）
【0068】
内部発熱量Ｑは、ステップＳ１３で設定された燃料ガスの流量ＦＦ及び酸化性ガスの流量ＡＦに関する目標値、並びに、燃料電池カートリッジ２０３に設けられた各種センサによって検出された燃料ガスの入口側温度ＴＦ１（供給温度）及び出口側温度ＴＦ２（排出温度）、燃料電池カートリッジ２０３から排出される酸化性ガスの入口側温度ＴＡ１（供給温度）及び出口側温度ＴＡ２（排出温度）に基づいて熱収支を評価することにより算出される。また発電室温度推定の基準となる初期の内部発熱量Ｑ０は、燃料電池カートリッジ２０３における発電に伴う発熱量として初期のカートリッジのＩ－Ｖ特性を基づいて算出される。
【0069】
尚、本実施形態の発熱量Ｑを算出するための熱収支の算出では、燃料電池カートリッジ２０３における燃料ガス及び酸化性ガスの排出流量は電流と設定された燃料利用率Ｕｆおよび空気利用率Ｕａから計算で得られる流量を用いてもよい。
【0070】
続いて発電室温度算出部３１０は、ステップＳ１４で算出された内部発熱量差分ΔＱに基づいて発電室温度Ｔを算出する（ステップＳ１５）。内部発熱量差分ΔＱと発電室温度Ｔとの相関は、上述のように記憶部３０８に記憶された特性マップＭとして予め記憶されており、発電室温度算出部３１０は特性マップＭに基づいて、ステップＳ１４で算出された内部発熱量差分ΔＱに対応する発電室温度Ｔを求める。
【0071】
図８は記憶部３０８に記憶された特性マップＭの一例である。特性マップＭは、前述のように内部発熱量差分ΔＱと発電室温度Ｔとの相関を規定し、内部発熱量差分ΔＱが増加するにしたがって発電室温度Ｔが増加する傾向を有する。図８では、内部発熱量差分ΔＱと発電室温度Ｔとが比例関係にある場合が一例として示されている。
【0072】
このような特性マップＭは、燃料電池カートリッジ２０３に供給される燃料ガスの種類ごとに用意されてもよい。一般的に燃料ガスの種類によって内部発熱量Ｑが変化するためである。例えば、燃料ガスとして都市ガスを使用した場合、発電反応で吸熱が生じるが、燃料ガスとして水素ガスを使用した場合、発電反応において吸熱が生じないため、燃料ガスの種類によって発電室温度Ｔが影響を受ける。
【0073】
このように温度評価装置３０２では、発電室２１５に熱電対のような温度センサを配置することなく、発電室温度Ｔを好適に評価することができる。そのため、温度センサの交換工事のようなメンテナンスが不要であり、長期にわたって発電室温度Ｔの監視が可能である。
【0074】
ここで図９Ａは他の実施形態に係る燃料電池（燃料電池モジュール２０１）の制御装置３００´のブロック構成図である。制御装置３００´は前述の制御装置３００（図５を参照）と比較して、温度評価装置３０２が内部発熱量差分算出部３０６に代えて温度検出部３０７を備える点で異なっている。
【0075】
ここで発電室温度をより簡易的に推定する実施例について説明する。
温度検出部３０７は、燃料電池カートリッジ２０３の排燃料ガスの温度ＴＦ２、及び、排酸化性ガスの温度ＴＡ２を検出するための構成である。制御装置３００´では、排燃料ガスの温度ＴＦ２及び排酸化性ガスの温度ＴＡ２と、発電室温度Ｔとの相関が特性マップＭとして記憶部３０８に記憶されている。そして、発電室温度算出部３１０は、燃料電池モジュール２０１が略一定な運転状態にある場合に、記憶部３０８に記憶された特性マップＭに基づいて、温度検出部３０７の検出結果に対応する発電室温度Ｔを算出する。
温度検出部３０７は、燃料電池カートリッジ２０３の排燃料ガスの温度ＴＦ２、及び、排酸化性ガスの温度ＴＡ２を検出するための構成である。制御装置３００´では、排燃料ガスの温度ＴＦ２及び排酸化性ガスの温度ＴＡ２と、発電室温度Ｔとの相関が特性マップＭとして記憶部３０８に記憶されている。そして、発電室温度算出部３１０は、燃料電池モジュール２０１が略一定な運転状態にある場合に、記憶部３０８に記憶された特性マップＭに基づいて、温度検出部３０７の検出結果に対応する発電室温度Ｔを算出する。
【0076】
図９Ｂは記憶部３０８に記憶された特性マップＭの他の例である。特性マップＭは、前述のように排燃料ガスの温度ＴＦ２及び排酸化性ガスの温度ＴＡ２と、発電室温度Ｔとの相関を規定したものである。発電出力や供給空気流量など発電室温度への影響が大きい条件毎に特性マップを複数枚設定・記憶し、運転条件に近い特性マップを適宜選択できるようにしておくことで簡易的により精度の高い発電室温度の推定が可能となる。
【0077】
このように制御装置３００´では、燃料電池モジュール２０１が略一定な運転状態にある場合、燃料電池カートリッジ２０３の極端な状態変化（例えばカートリッジ内部での燃料リークの大量発生など）がなければ熱収支は安定しているため、発電室温度との相関が大きい燃料電池カートリッジ２０３からの排出される燃料ガスの温度ＴＦ２、及び、酸化性ガスの温度ＴＡ２に基づいて、簡易的に発電室温度Ｔを評価することができる。
【0078】
制御部３０４は、上述のように評価された発電室温度Ｔに基づいて燃料電池モジュール２０１を制御するための構成である。具体的には、制御部３０４は、温度評価装置３０２から取得した発電室温度Ｔが、予め設定された許容範囲になるように、燃料電池モジュール２０１の制御パラメータの少なくとも１つを調整する。
【0079】
【0080】
まず制御部３０４は、温度評価装置３０２から評価結果である発電室温度Ｔを取得する（ステップＳ２０）。続いて制御部３０４は、発電室温度Ｔの許容範囲ＴＲを取得する（ステップＳ２１）。発電室温度Ｔの許容範囲ＴＲは、図８に示すように、燃料電池カートリッジ２０３にとって適正な上限温度ＴＨ及び下限温度ＴＬによって特定される温度範囲として予め設定される。
【0081】
尚、発電室温度Ｔの許容範囲ＴＲには、所定の誤差に対応するマージンが含まれていてもよい。例えば、燃料電池モジュール２０１を構成する複数の燃料電池カートリッジ２０３には少なからず個体差が存在するため、当該個体差を考慮して許容範囲ＴＲを設定してもよい。
【0082】
続いて制御部３０４は、燃料電池モジュール２０１に対する出力指令に基づいて制御パラメータの目標値を算出し（ステップＳ２２）、ステップＳ２０で取得した発電室温度Ｔと、ステップＳ２１で取得した許容範囲ＴＲとを比較することにより、発電室温度Ｔが許容範囲ＴＲ内であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。その結果、発電室温度Ｔが許容範囲ＴＲ内である場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、ステップＳ２２で算出された目標値になるように制御パラメータを調整することにより、燃料電池モジュール２０１の制御を実施する（ステップＳ２４）。
【0083】
一方、発電室温度Ｔが許容範囲ＴＲ内でない場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、制御部３０４は、ステップＳ２２で算出された燃料電池モジュール２０１に対する出力指令に基づく制御パラメータの目標値を修正し（ステップＳ２５）、修正後の目標値になるように制御パラメータを調整することにより、燃料電池モジュール２０１の制御を実施する（ステップＳ２４）。その結果、燃料電池モジュール２０１は、発電室温度Ｔが許容範囲ＴＲ内になるように制御される。
【0084】
例えば、図１１でケース１として示されるように、温度評価装置３０２によって評価された発電室温度Ｔ１（内部発熱量差分ΔＱ１に対応）が許容範囲ＴＲの上限温度ＴＨを超えている場合、制御部３０４は、特性マップＭに基づいて、発電室温度Ｔが上限温度ＴＨ以下になる内部発熱量差分ΔＱ２を特定し、当該内部発熱量の差分ΔＱ２が実現されるように制御パラメータの目標値を修正する。これにより、ケース２で示されるように、発電室温度Ｔが許容範囲ＴＲ内になるように、燃料電池モジュール２０１の制御が行われる。
【0085】
また例えば、図１２でケース３として示されるように、温度評価装置３０２によって評価された発電室温度Ｔ３（内部発熱量差分ΔＱ３に対応）が許容範囲ＴＲの上限温度ＴＨを下回っている場合、制御部３０４は、特性マップＭに基づいて、発電室温度Ｔが下限温度ＴＬ以上になる内部発熱量差分ΔＱ４を特定し、当該内部発熱量差分ΔＱ４が実現されるように制御パラメータの目標値を修正する。これにより、ケース４で示されるように、発電室温度Ｔが許容範囲ＴＲ内になるように、燃料電池モジュール２０１の制御が行われる。
【0086】
以上説明したように、上記実施形態によれば、メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価な燃料電池の温度評価装置及び温度評価方法を提供できる。また、このように評価された発電室温度を用いて、燃料電池を好適に制御可能である。
【0087】
その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【0088】
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
【0089】
（１）一態様に係る燃料電池の温度評価装置は、
燃料電池（例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ２０３）の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分（例えば上記実施形態の内部発熱量差分ΔＱ）を算出するための内部発熱量差分算出部（例えば上記実施形態の内部発熱量差分算出部３０６）と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度（例えば上記実施形態の発電室温度Ｔ）との相関を示す特性マップ（例えば上記実施形態の特性マップＭ）を記憶するための記憶部（例えば上記実施形態の記憶部３０８）と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部（例えば上記実施形態の発電室温度算出部３１０）と、
を備える。
燃料電池（例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ２０３）の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分（例えば上記実施形態の内部発熱量差分ΔＱ）を算出するための内部発熱量差分算出部（例えば上記実施形態の内部発熱量差分算出部３０６）と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度（例えば上記実施形態の発電室温度Ｔ）との相関を示す特性マップ（例えば上記実施形態の特性マップＭ）を記憶するための記憶部（例えば上記実施形態の記憶部３０８）と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部（例えば上記実施形態の発電室温度算出部３１０）と、
を備える。
【0090】
上記（１）の態様によれば、発電室に熱電対のような温度センサを配置することなく、発電室温度を好適に評価することができる。そのため、温度センサの交換工事のようなメンテナンスが不要であり、長期にわたって発電室温度の監視が可能である。
【0091】
（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量差分を算出する。
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量差分を算出する。
【0092】
上記（２）の態様によれば、燃料電池における熱収支に基づいて内部発熱量の差分を好適に算出できる。
【0093】
（３）他の態様では、上記（２）の態様において、
前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性の入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される。
前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性の入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される。
【0094】
上記（３）の態様によれば、これらの要素を考慮することで、燃料電池における熱収支を好適に求めることができる。
【0095】
（４）他の態様に係る燃料電池の温度評価装置は、
燃料電池（例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ２０３）からの排燃料ガスの温度（例えば上記実施形態の温度ＴＦ２）、及び、排酸化性ガスの温度（例えば上記実施形態の温度ＴＡ２）を検出するための温度検出部（例えば上記実施形態の温度検出部３０７）と、
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度（例えば上記実施形態の発電室温度Ｔ）との相関を示す特性マップ（例えば上記実施形態の特性マップＭ）を記憶するための記憶部（例えば上記実施形態の記憶部３０８）と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部（例えば上記実施形態の発電室温度算出部３１０）と、
を備える。
燃料電池（例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ２０３）からの排燃料ガスの温度（例えば上記実施形態の温度ＴＦ２）、及び、排酸化性ガスの温度（例えば上記実施形態の温度ＴＡ２）を検出するための温度検出部（例えば上記実施形態の温度検出部３０７）と、
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度（例えば上記実施形態の発電室温度Ｔ）との相関を示す特性マップ（例えば上記実施形態の特性マップＭ）を記憶するための記憶部（例えば上記実施形態の記憶部３０８）と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部（例えば上記実施形態の発電室温度算出部３１０）と、
を備える。
【0096】
上記（４）の態様によれば、燃料電池の運転状態が略一定な場合には、燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化性ガスの温度に基づいて、簡易的に発電室温度を算出することができる。
【0097】
（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する。
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する。
【0098】
上記（５）の態様によれば、燃料電池が、複数の燃料電池カートリッジが一方向に沿って互いに隣接するように配列されて構成される場合、端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて発電室温度が算出される。これにより、放熱がされにくく最も温度上昇が懸念される燃料電池カートリッジについて発電室温度を求めることで、燃料電池の温度が上限温度を超えることを好適に監視できる。
【0099】
（６）他の態様では、上記（１）から（５）のいずれか一態様において、
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される。
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される。
【0100】
上記（６）の態様によれば、燃料ガスの種類によって内部発熱量が変化することに応じて、燃料ガスの種類ごとに特性マップが用意される。
【0101】
（７）一態様に係る燃料電池の制御装置（例えば上記実施形態の制御装置３００、３００´）は、
上記（１）から（６）のいずれか一態様の燃料電池の温度評価装置（例えば上記実施形態の温度評価装置３０２）と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部（例えば上記実施形態の制御部３０４）と、
を備える。
上記（１）から（６）のいずれか一態様の燃料電池の温度評価装置（例えば上記実施形態の温度評価装置３０２）と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部（例えば上記実施形態の制御部３０４）と、
を備える。
【0102】
上記（７）の態様によれば、上述の温度評価装置で評価された発電室温度に基づいて、燃料電池を好適に制御できる。
【0103】
（８）他の態様では、上記（７）の態様において、
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲（例えば上記実施形態の許容範囲ＴＲ）になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する。
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲（例えば上記実施形態の許容範囲ＴＲ）になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する。
【0104】
上記（８）の態様によれば、上述の温度評価装置で評価された発電室温度を用いて、当該発電室温度が許容範囲になるように燃料電池を好適に制御できる。
【0105】
（９）他の態様では、上記（８）の態様において、
前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する。
前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する。
【0106】
上記（９）の態様によれば、評価結果である発電室温度が許容範囲の上限温度より高い場合には、発電室温度が許容範囲内になるように、燃料電池モジュールの制御が行われる。
【0107】
（１０）他の態様では、上記（８）又は（９）の態様において、
前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される。
前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される。
【0108】
上記（１０）の態様によれば、燃料電池を構成する複数の燃料電池カートリッジ間に個体差がある場合においても、当該個体差による誤差を考慮して許容範囲を規定することで、各燃料電池カートリッジの発電室温度が許容範囲に収まるように燃料電池の制御が可能となる。
【0109】
（１１）一態様に係る燃料電池の温度評価方法は、
燃料電池（例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ２０３）の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分（例えば上記実施形態の内部発熱量差分ΔＱ）を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度（例えば上記実施形態の発電室温度Ｔ）との相関を示す特性マップ（例えば上記実施形態の特性マップＭ）に基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える。
燃料電池（例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ２０３）の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分（例えば上記実施形態の内部発熱量差分ΔＱ）を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度（例えば上記実施形態の発電室温度Ｔ）との相関を示す特性マップ（例えば上記実施形態の特性マップＭ）に基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える。
【0110】
上記（１１）の態様によれば、発電室に熱電対のような温度センサを配置することなく、発電室温度を好適に評価することができる。そのため、温度センサの交換工事のようなメンテナンスが不要であり、長期にわたって発電室温度の監視が可能である。
【符号の説明】
【0111】
１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ 燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０７ｂ 酸化性ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
２０９ｂ 酸化性ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ
２２１ 酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ 酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
３００ 制御装置
３０２ 温度評価装置
３０４ 制御部
３０６ 内部発熱量差分算出部
３０７ 温度検出部
３０８ 記憶部
３１０ 発電室温度算出部
３２０ 出力回路
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ 燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０７ｂ 酸化性ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
２０９ｂ 酸化性ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ
２２１ 酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ 酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
３００ 制御装置
３０２ 温度評価装置
３０４ 制御部
３０６ 内部発熱量差分算出部
３０７ 温度検出部
３０８ 記憶部
３１０ 発電室温度算出部
３２０ 出力回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【手続補正書】
【提出日】2021-12-03
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池の初期特性として規定されたＩ－Ｖ特性に基づいて算出される前記燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
【請求項2】
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量の差分を算出する、請求項１に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項3】
前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される、請求項２に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項4】
燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度を検出するための温度検出部と、
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備え、
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される、燃料電池の温度評価装置。
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備え、
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される、燃料電池の温度評価装置。
【請求項5】
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する、請求項６に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項8】
前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する、請求項７に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項9】
前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される、請求項７又は８に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項10】
燃料電池の初期特性として規定されたＩ－Ｖ特性に基づいて算出される前記燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。
【手続補正書】
【提出日】2022-06-22
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
予め設定された運転条件における燃料電池の初期の内部発熱量と、前記燃料電池の温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
前記差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
【請求項2】
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量の差分を算出する、請求項１に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項3】
前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される、請求項２に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項4】
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項5】
前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池である、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する、請求項６に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項8】
前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する、請求項７に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項9】
前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される、請求項７又は８に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項10】
予め設定された運転条件における燃料電池の初期の内部発熱量と、前記燃料電池の温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。
前記差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。