JP5888245B2 - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、出力要求に応じて燃料電池の温度を調節して発電する燃料電池発電システム及びその制御方法に関する。

特開２００３−１１５３１５号公報（特許文献１）、及び特開２００４−３４９２１４号公報（特許文献２）は、発電出力を増加させるときに、燃料電池のカソードに供給する酸素ガスの温度を低下させて、燃料電池の温度をほぼ一定に（例えば±１０℃）保持する燃料電池発電システムを開示している。

特許文献１では、反応温度が±１０℃に制限されているため、燃料電池の出力が制限され、制御可能な発電出力レンジを広くすることができない。例えば、燃料電池発電システムを車両に搭載して、車両の走行エネルギーを賄うことを考える。この場合において、市中走行やＪＣ０８モードを含む通常運転時では数ＫＷの電力が要求され、１００Ｋｍ／ｈ以上の高速運転時では、数十ＫＷ以上の電力が必要になる。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された技術では、このような広い発電出力レンジの要求に対応することができない。

特開２００３−１１５３１５号公報 特開２００４−３４９２１４号公報

上述したように、特許文献１，２に開示された関連技術では、発電量の変化に対応することが難しい。このため、発電量の変化に柔軟に対応できる燃料電池発電システムの開発が望まれていると発明者は認識している。

本発明は、このような技術的な課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力の出力要求に応じて燃料電池の運転温度を変更することが可能な燃料電池発電システム及びその制御方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の実施形態に係わる燃料電池発電システムは、酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節部と、燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給部と、燃料電池の排気ガスの熱を用いて、酸化ガス供給部より送出される酸化ガスを加熱する熱交換部と、を備え、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、前記出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節部を制御することにより、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、前記出力要求が低い場合に比べて、前記燃料電池の運転温度を高くする。
１つの実施形態に係わる前記温度調節部は、前記酸化ガス供給部とは別系統に設けられて、酸化ガスを前記酸化ガス供給口に送出するブロワを有する。前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記ブロワにより送出する酸化ガスの流量を低減させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くすることができる。
他の実施形態に係わる前記温度調節部は、前記熱交換部に供給する前記排気ガスの一部を分岐して、該排気ガスの前記熱交換部への供給量を調整可能な流量調整弁を有する。前記制御部は、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記流量調整弁にて前記熱交換部に供給する排気ガス量を増大させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くすることができる。

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の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの電力の出力比とバーナ燃料発熱量比との関係を示す特性図である。 図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの電力の出力比とシステム効率との関係を示す特性図である。 図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの電力の出力比と酸化ガス過剰率比との関係を示す特性図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの、出力制御処理の手順を示すフローチャートである。 図６は、本発明の第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７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システムの、出力制御処理の手順を示すフローチャートである。 図８は、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は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電システムの、出力制御処理の手順を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。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に酸化ガスの一例としての空気を供給する第１空気ブロワ１２（酸化ガス供給部）と、該第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（熱交換部）と、燃料電池１１のアノード極１１ｂに炭化水素燃料等の燃料を供給する第１燃料ポンプ１４と、該第１燃料ポンプ１４より燃料ガス流路Ｌ１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。

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、導入された排気ガスにより燃料改質器１５を加熱する改質器加熱熱交換器１６（改質器加熱部）と、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（第２圧力調整弁）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、該排気ガス流路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（第１圧力調整弁）とを備えている。

また、第２空気ブロワ２１より供給される空気と第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の酸化ガス供給口に導入する燃焼バーナ２３（温度調節部、温度調節手段）を備えている。

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、モータ等の電力需要設備に供給する。

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、すなわち水素ガスを含む改質ガスを燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する。

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、及び燃料流路圧力調整弁１８は、それぞれ制御部３１（制御手段）に接続されている。該制御部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、後述するように、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。

次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の作用について説明する。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を駆動して燃料電池１１に加熱した空気を供給することにより、燃料電池１１の運転温度を変化させて、出力電力の変化に対応させる。この際、通常時の運転温度に対して±５０℃の範囲で温度を変化させるのが好ましい。本実施形態では、一例として、通常時の燃料電池１１の運転温度を７００℃とし、この温度に対して±５０℃、即ち、６５０℃〜７５０℃の範囲で運転温度を変化させる場合を例に挙げて説明する。また、燃料改質器１５は、約７００℃の温度で運転する。

まず、第１空気ブロワ１２を駆動させることにより、第１空気ブロワ１２より空気を送出する。第１空気ブロワ１２より送出された空気は、空気加熱熱交換器１３の低温側、すなわち熱を吸収する側を通過し、その後、カソード極１１ａの酸化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、すなわち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排気ガスが導入される。このため、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、排気ガスの熱により燃料電池１１の温度より２００℃〜３００℃低い温度まで加熱されて、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入される。なお、酸化ガスは空気に限定されるものではなく、酸素を含む気体を用いることができる。

また、第２空気ブロワ２１、及び第２燃料ポンプ２２を駆動させ、且つ燃焼バーナ２３にて燃料を燃焼させることにより、加熱された空気が燃焼バーナ２３から送出される。この加熱された空気は、第１空気ブロワ１２より送出された空気と混合してカソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入される。この際、第２空気ブロワ２１による空気の供給量、及び第２燃料ポンプ２２による燃料の供給量を適宜調節することにより、所望の温度で、且つ所望する量の空気をカソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入することができる。

従って、制御部３１の制御下で燃焼バーナ２３が送出する空気量、及び空気温度を制御することにより、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に供給する空気量、及び空気温度を調節することができる。

次に、燃料電池１１の運転温度と、発電出力との関係について説明する。まず、燃焼バーナ２３を駆動しない場合について説明する。

カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入される空気の温度は、通常の燃料電池１１の運転温度（６５０℃〜７５０℃）よりも、例えば、２００℃〜３００℃低い温度とされている。このため、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、燃料電池１１の運転温度と導入空気の温度との差分が大きいほど、燃料電池１１から空気へ移動する熱量が大きくなる。

また、燃料電池１１の電力出力が増大すると、該燃料電池１１での放熱量が増大する。そして、燃料電池１１内において、空気へ伝達可能な熱量以上に放熱量が増大すると、燃料電池１１の運転温度が上昇して通常の温度を超えてしまう。このため、第１空気ブロワ１２の回転数を制御して、酸化ガス供給口に導入する空気量を増大させることが必要となる。即ち、空気量を増加することにより、燃料電池１１から空気へ伝達可能な熱量を増大させ、ひいては、燃料電池１１の運転温度を通常の温度まで低下させることができる。

次に、燃焼バーナ２３を駆動させて、第１空気ブロワ１２より送出される空気に対して、燃焼バーナ２３より送出される加熱空気を混合して、酸化ガスの供給口に導入する場合で、且つ、燃焼バーナ２３の温度、流量を適宜調節して、燃料電池１１の運転温度を変更した場合について説明する。

図２は、燃料電池１１の出力電力と、燃焼バーナ２３の燃料発熱量との関係を示す特性図である。図２の中の曲線Ｐ１は、燃料電池１１の運転温度が６５０℃の場合を示し、曲線Ｐ２は、燃料電池１１の運転温度が７５０℃の場合を示している。そして、燃料電池１１の運転温度が７５０℃であって最高出力で運転している時の出力電力を「５」に設定し、その時のバーナ燃料発熱量を「１」に設定した場合の、電力の出力比とバーナ燃料発熱量比との関係を示している。

図２の曲線Ｐ１に示すように、燃料電池１１の動作温度が６５０℃では、電力の出力比が「１」から増加するに連れて、バーナ燃料発熱量比が急激に増大し、電力の出力比が「２．４」のときに、バーナ燃料発熱量比は「１．４」に達している。これに対して、曲線Ｐ２に示すように、燃料電池１１の動作温度が７５０℃では、電力の出力比が「２．４」のときにバーナ燃料発熱比は「０．２」程度であり、その後、出力比の増加に伴ってバーナ燃料発熱量比が直線的に増加している。

ここで、図２に示すの曲線Ｐ１と曲線Ｐ２を対比すると、一例として電力の出力比が「２．４」の条件において、燃料電池の運転温度が低い方が、燃焼バーナ２３の発熱量が多くなり、従って、燃焼バーナ２３に供給する燃料の量が多くなる。なぜなら、燃料電池１１の運転温度がより低い条件の方が発電効率が低く、従って放熱量が増えるため、空気をより多く導入する必要が生じ、この空気を加熱するために必要な燃料量が増えるからである。

そして、図３は、出力電力の変化に対応して空気の導入量、燃焼バーナ２３の燃料量を変化させた場合のシステム効率と出力電力との関係を示す。図３において、曲線Ｐ３は燃料電池１１の運転温度が６５０℃の場合を示し、曲線Ｐ４は燃料電池１１の運転温度が７５０℃の場合を示している。この際、システム効率は下記の（１）式により算出している。

システム効率［％］＝（発電電力［ＫＷ］／（改質燃料発熱量流量［ＫＪ／sec］）
＋バーナー燃料発熱量流量［ＫＪ／sec］）×１００ …（１）
そして、燃料電池１１を低い温度、例えば、６５０℃で運転して、数ＫＷ〜数十ＫＷの発電レンジをカバーしようとすると、最高出力に対応できるように、予め大きな燃料電池１１を設置する必要がある。例えば、図３に示す性能を有する燃料電池１１は、出力比が約「２．５」でピーク出力となり、これ以上出力を大きくすることはできない。従って、例えば、出力比「５」を実現するためには、燃料電池１１の規模を約２倍にする必要がある。しかし、この場合には、燃料電池１１のコストが約２倍になり、且つ発電効率が低くなるという問題が生じる。

また、燃料電池１１を高い温度、例えば、７５０℃で運転する場合には、燃料電池１１の効率が高いので、相対的に低い温度、例えば、６５０℃で運転する場合よりも広い発電レンジをカバーすることができる。しかし、その反面、燃料電池１１を高温に保持する必要があるので、耐久性を保つために多くの材料を使用したり、高価な材料を使用する必要があり、燃料電池１１の大型化や高コスト化の問題に繋がる。

そこで、本実施形態では、燃焼バーナ２３により加熱した空気をカソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入することにより、燃料電池１１の運転温度を変化させて、上記の問題を解決する。

ＳＯＦＣ発電システムを車両駆動用の電源として用いる場合に、街中走行やＪＣ０８モード等の通常運転時に必要とする電力として、比較的低出力（数ＫＷ）の電力を想定している。一方、８０Ｋｍ／ｈ以上の速度で数時間運転する場合には、比較的高出力（数十ＫＷ）の電力が必要になる。運転温度を積極的に変化させることが可能な燃料電池１１は、このような使用条件において効果を発揮する。つまり、運転期間の大部分を占める比較的低出力電力を発電する際には、燃料電池１１の運転温度を低く、例えば、６５０℃に設定し、この運転温度における高効率の最適点で燃料電池１１を運転する。また、高出力電力を発電する際には、燃料電池１１の運転温度を例えば、７５０℃まで上昇させる。

以上により、コンパクトな形状で、出力電力のレンジを広げ、且つ耐久性能劣化を加速する高温運転の期間を最小限に留めることが可能な燃料電池１１を提供することが可能となる。

更に、本実施形態では、システムの効率を向上させるために、燃料電池１１の運転温度を６５０℃〜７５０℃の範囲で変化させるので、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気の流量が変動する。図４は、電力の出力比に応じた酸化ガス（本実施形態では空気）、及び酸化ガス過剰率の変化を示す特性図である。ここで、酸化ガス過剰率は、次の（２）式で求められる。

（酸化ガス過剰率）＝（燃料電池に供給した酸化ガス流量）
／（燃料電池反応に必要な酸化ガス流量） …（２）
酸化ガス過剰率比は、電力の出力比が「１」、燃料電池１１の運転温度が６５０℃のときの酸化ガス過剰率を「１」とした場合の、各条件における酸化ガス過剰率の比である。空気は、燃料電池の温度調節を行う冷媒の役目も担っている。従って、燃料電池の運転状態の変化に伴い、必要な酸化ガス量（空気量）に対する実際の供給量は大きく変化する。

一方、空気が通る流路（カソード極１１ａの入口側の流路）、排気ガス流路Ｌ２、及び燃料ガス流路Ｌ１は、サイズが固定されているので、ガス流量が増加した場合にはガス流路の圧力が上昇する。本実施形態では、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９の開度を調節することにより、各流路の圧力の増大を防止する。更に、燃料電池１１のカソード極１１ａとアノード極１１ｂの間の圧力差を低減し、燃料改質器１５に供給する燃料ガスの圧力を所望の圧力とすることができる。

以下、制御部３１による具体的な処理手順について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ１１において、制御部３１は、上位システムより発電出力指令が出力された場合に、この発電出力指令を受信する。

ステップＳ１２において、制御部３１は、発電出力指令に基づき、この発電出力指令に応じた電力を出力する場合に好適な、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１４、第２空気ブロワ２１、及び第２燃料ポンプ２２の流量を決定する。このとき制御部３１は、例えば、発電出力に応じて予め設定しておいた燃料電池１１の目標温度データマップ（図示省略）を参照する。前述したように、出力する電力が小さいときは低い温度（例えば、６５０℃）とし、出力する電力が大きいときには、相対的に高い温度（例えば、７５０℃）に設定することにより、コンパクトな燃料電池１１で、出力電力のレンジを広げ、且つ耐久性能劣化を加速する高温運転の期間を最小限に留めることが可能となる。また、各空気ブロワ１２，２１、及び各燃料ポンプ１４，２２の流量は、予め実施したシステム実験データに基づいて設定することができる。

ステップＳ１３において、制御部３１は、ステップＳ１２の処理で設定した各空気ブロワ１２，２１の流量、及び各燃料ポンプ１４，２２の流量に応じて、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９の開度を決定する。

ステップＳ１４において、制御部３１は、ステップＳ１３の処理で決定した開度となるように、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９に開度調節信号を送信する。その結果、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９は、決定した開度となるように調節される。

ステップＳ１５において、制御部３１は、ステップＳ１２の処理で決定した流量となるように、第２空気ブロワ２１及び第２燃料ポンプ２２に回転数調節信号を送信する。その結果、第２空気ブロワ２１及び第２燃料ポンプ２２は、決定した流量の空気及び燃料を供給するように調節される。具体的には、高い出力電力が必要な場合には、出力電力が低い場合に比べて、第２空気ブロア２１、及び第２燃料ポンプ２２の流量を増やして燃焼バーナ２３の発熱量を増大させる。

そして、上記のステップＳ１１〜Ｓ１５の処理を実行することにより、下記のステップＳ１６，Ｓ１７で実施する出力電力の変更に備えることができる。即ち、燃料電池１１の過昇温や、異常な圧力上昇を抑えることが可能になる。

その後、ステップＳ１６において、制御部３１は、外部負荷の消費電力を調整することにより、燃料電池１１の出力電力を調整する。

ステップＳ１７において、制御部３１は、ステップＳ１２の処理で決定した流量となるように、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４に回転数調節信号を送信する。その結果、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４は、決定した流量となるように調節される。こうして、燃料電池１１の温度を、外部負荷の消費電力に好適な温度とし、且つ、排気ガスの圧力を好適な圧力に制御することができるのである。

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、燃料電池１１のカソード極１１ａの酸化ガス供給口に、第１空気ブロワ１２より送出される空気を供給すると共に、該酸化ガス供給口に燃焼バーナ２３より送出される加熱した空気を導入している。従って、高い出力電力が必要な場合には、燃焼バーナ２３の発熱量を増大させてカソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を上昇させることにより、燃料電池１１の運転温度を上昇させ、運転可能出力を大幅の向上させることが可能となる。例えば、図３の特性図に示したように、燃料電池１１の運転温度が６５０℃のみの場合には、電力の出力比は１〜２．４の範囲となるが、運転温度を６５０℃〜７５０℃の範囲で変化させることにより、電力の出力比を１〜５の範囲に広げることが可能となる。つまり、運転可能出力を大幅に向上させることが可能になる。また、低い出力電力で運転する場合には、燃焼バーナ２３の発熱量を低減させ、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を低下させることにより、燃料電池１１の運転温度を下降させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料電池１１の出力電力を上昇させる際の加熱エネルギーとして、燃焼バーナ２３による燃焼エネルギーを利用することができるので、例えば、電気ヒータ等を用いて空気を加熱する場合と比較して、エネルギー損失を低減することができ、システム効率が向上させることができる。また、燃焼バーナ２３を用いることにより、電気ヒータ等を用いる場合と比較して、温度制御レスポンスを向上させることができる。

更に、燃焼バーナ２３を用いて、燃料電池１１の運転温度を調節するので、第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱するための空気加熱熱交換器１３での上昇温度を高くする必要が無い。従って、空気加熱熱交換器１３を小型化することができ、システム全体の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、燃料ガス流路Ｌ１に燃料流路圧力調整弁１８を設け、且つ排気ガス流路Ｌ２に排気流路圧力調整弁１９を設けている。高出力運転とする際に燃料電池１１の運転温度を上昇させ、その結果として空気流量（酸化ガス流量）が増大した場合には、各圧力調整弁１８，１９の開度を調節することにより、燃料ガス流路Ｌ１、及び、排気ガス流路Ｌ２の圧力が増大することを防止できる。従って、排気ガス流路Ｌ２の圧力が増大し、排気ガス流路Ｌ２から燃料ガス流路Ｌ１、或いは外部へのガス漏れや、圧力差により燃料電池セルが破損するトラブルの発生を回避することができる。

更に、本実施形態では、燃料電池１１を高出力で運転するために運転温度を上昇させ、空気流量の増大により酸化ガス流路の圧力が増大した際に、この圧力増大に応じて燃料ガス流路Ｌ１の圧力を上昇させる。これにより、空気流路から燃料ガス流路へのガス漏れや、圧力差による燃料電池セル破損を防止することができる。燃料ガス流路Ｌ１の圧力調整は、燃料流路圧力調整弁１８の開度調節により実現が可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。図６は、第２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６に示すように、第２実施形態では、前述した第１実施形態の燃料電池発電システム１００と対比して、燃料電池１１のカソード極１１ａに接続された燃焼バーナ２３の代わりに、第３空気ブロワ３２（温度調節部、温度調節手段）を設けている点で相違している。即ち、図６に示す燃料電池発電システム１００ａでは、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に、第３空気ブロワ３２より送出される、昇温されていない空気を導入することができる。

また、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａでは、第１空気ブロワ１２の出力側に設けられる空気加熱熱交換器１３ａは、図１に示した空気加熱熱交換器１３よりも大型のものを使用している。従って、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、空気加熱熱交換器１３ａに供給される排気ガスの熱が供給されて、より高い温度に昇温されることになる。

即ち、図６に示す空気加熱熱交換器１３ａは、図４に示した特性曲線の、出力比「５」に相当する空気を、所定温度まで加熱することができる程度の伝熱面積を有している。出力比「１」に相当する少ない流量の空気を供給すると、空気加熱熱交換器１３ａの低温側の温度が高くなり、燃料電池１１の運転温度との温度差が小さくなる。このため、燃料電池１１の温度を６５０℃に維持できなくなる場合がある。そこで、第２実施形態では、出力比が小さく燃料電池１１を低温で運転する場合には、第３空気ブロワ３２より、昇温されていない空気を送出することにより、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を低下させて、燃料電池１１の運転温度を低く抑えることができる。

以下、図７に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００ａの制御部３１による処理手順について説明する。

初めに、ステップＳ３１において、制御部３１は、上位システムより発電出力指令が出力された場合に、この発電出力指令を受信する。

ステップＳ３２において、制御部３１は、発電出力指令に基づき、この発電出力指令に応じた電力を出力する場合に好適な、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１４、及び第３空気ブロワ３２の流量を決定する。このとき制御部３１は、例えば、発電出力に応じて予め設定しておいた燃料電池１１の目標温度データマップ（図示省略）を参照する。前述したように、燃料電池１１の運転温度を、出力する電力が小さいときは低い温度、例えば、６５０℃とし、出力する電力が大きいときには、相対的に高い温度、例えば、７５０℃に設定する。これにより、コンパクトな燃料電池１１で、出力電力のレンジを広げ、且つ耐久性能劣化を加速する高温運転の期間を最小限に留めることが可能となる。また、第１，第３空気ブロワ１２，３２、及び第１燃料ポンプ１４の流量は、予め実施したシステム実験データに基づいて設定することができる。

ステップＳ３３において、制御部３１は、ステップＳ３２の処理で設定した各空気ブロワ１２，３２の流量、及び第１燃料ポンプ１４の流量に応じて、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９の開度を決定する。

ステップＳ３４において、制御部３１は、ステップＳ３３の処理で決定した開度となるように、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９に開度調節信号を送信する。その結果、燃料流路圧力調整弁１８、及び排気流路圧力調整弁１９は、決定した開度となるように調節される。

ステップＳ３５において、制御部３１は、ステップＳ３２の処理で決定した流量となるように、第３空気ブロワ３２に回転数調節信号を送信する。その結果、第３空気ブロワ３２は、決定した流量となるように調節される。具体的には、高い出力電力が必要な場合には、出力電力が低い場合に比べて、第３空気ブロワ３２より送出する空気流量を低減させて、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を上昇させる。

そして、上記のステップＳ３１〜Ｓ３５の処理を実行することにより、下記のステップＳ３６，Ｓ３７で実施する出力電力の変更に備えることができる。即ち、燃料電池１１の過昇温や、異常な圧力上昇を抑えることが可能になる。

その後、ステップＳ３６において、制御部３１は、外部負荷の消費電力を調整することにより、燃料電池１１の出力電力を調整する。

ステップＳ３７において、制御部３１は、ステップＳ３２の処理で決定した流量となるように、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４に回転数調節信号を送信する。その結果、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４は、決定した流量となるように調節される。こうして、燃料電池１１の温度を、外部負荷の消費電力に好適な温度とし、且つ、排気ガスの圧力を好適な圧力に制御することができるのである。

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１００ａでは、燃料電池１１のカソード極１１ａの酸化ガス供給口に、第１空気ブロワ１２より送出される空気を供給すると共に、酸化ガス供給口を第３空気ブロワ３２に接続し、第３空気ブロワ３２より送出される空気を供給している。

従って、高い出力電力が必要な場合には、第３空気ブロワ３２より送出する空気流量を低減させて、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を上昇させることにより、燃料電池１１の運転温度を上昇させ、運転可能出力を大幅の向上させることが可能となる。また、低い出力電力とする場合には、第３空気ブロワ３２より送出する空気量を増大させて、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を低下させることにより、燃料電池１１の運転温度を下降させることができる。

［第３実施形態］
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１００ｂの構成を示すブロック図である。図８に示すように、第３実施形態では、前述した第１実施形態の燃料電池発電システム１００と対比して、燃料電池１１のカソード極１１ａに接続された燃焼バーナ２３を設けない点、改質器加熱熱交換器１６の上流側に排気流路圧力調整弁１９を設けない点、及び、空気加熱熱交換器１３ｂの高温側にバイパス流量調整弁３３（温度調節部、温度調節手段）を設けた点で相違している。

また、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００ｂでは、第１空気ブロワ１２の出力側に設けられる空気加熱熱交換器１３ｂは、図１に示した空気加熱熱交換器１３よりも大型のものを使用している。従って、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、空気加熱熱交換器１３ｂに供給される排気ガスの熱が供給されて、より高い温度に昇温されることになる。

即ち、図８に示す空気加熱熱交換器１３ｂは、図４に示した特性曲線の、出力比「５」に相当する空気を、所定温度まで加熱することができる程度の伝熱面積を有している。出力比「１」に相当する少ない流量の空気を供給すると、空気加熱熱交換器１３ｂの低温側の温度が高くなり、燃料電池１１の運転温度との温度差が小さくなる。このため、燃料電池１１の温度を６５０℃に維持できなくなる場合がある。そこで、第３実施形態では、出力比が小さく燃料電池１１を低温で運転する場合には、バイパス流量調整弁３３の開度を調節して、空気加熱熱交換器１３ｂの高温側に供給する排気ガスをバイパスし、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気温度を低下させて、燃料電池１１の運転温度を調節する。

以下、図９に示すフローチャートを参照して、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００ｂの制御部３１による処理手順について説明する。

初めに、ステップＳ５１において、制御部３１は、上位システムより発電出力指令が出力された場合に、この発電出力指令を受信する。

ステップＳ５２において、制御部３１は、発電出力指令に基づき、この発電出力指令に応じた電力を出力する場合に好適な、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４の流量を決定する。このとき制御部３１は、例えば、発電出力に応じて予め設定しておいた燃料電池１１の目標温度データマップ（図示省略）を参照する。前述したように、出力する電力が小さいときは低い温度、例えば、６５０℃とし、出力する電力が大きいときには、相対的に高い温度、例えば、７５０℃に設定する。これにより、燃料電池１１を小型化し、出力電力のレンジを広げ、且つ耐久性能劣化を加速する高温運転の期間を最小限に留めることが可能となる。また、第１空気ブロワ１２及び第１燃料ポンプ１４の流量は、予め実施したシステム実験データに基づいて設定することができる。

ステップＳ５３において、制御部３１は、ステップＳ５２の処理で設定した第１空気ブロワ１２の流量、及び第１燃料ポンプ１４の流量に応じて、燃料流路圧力調整弁１８、及びバイパス流量調整弁３３の開度を決定する。

ステップＳ５４において、制御部３１は、ステップＳ５３の処理で決定した開度となるように、燃料流路圧力調整弁１８、及びバイパス流量調整弁３３に開度調節信号を送信する。その結果、燃料流路圧力調整弁１８、及びバイパス流量調整弁３３は、決定した開度となるように調節される。

ステップＳ５５において、制御部３１は、所望の空気加熱量となるように、バイパス流量調整弁３３の開度調節信号を送信する。即ち、空気加熱熱交換器１３ｂの低温側で加熱される空気温度が所望の温度となるように、該空気加熱熱交換器１３ｂの高温側に供給する排ガス量を調整するための開度調節信号を送信する。その結果、バイパス流量調整弁３３は、決定された開度となるように調節される。

そして、上記のステップＳ５１〜Ｓ５５の処理を実行することにより、下記のステップＳ５６，Ｓ５７で実施する出力電力の変更に備えることができる。即ち、燃料電池１１の過昇温や、異常な圧力上昇を抑えることが可能になる。

その後、ステップＳ５６において、制御部３１は、外部負荷の消費電力を調整することにより、燃料電池１１の出力電力を調整する。

ステップＳ５７において、制御部３１は、ステップＳ５２の処理で決定した流量となるように、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４に回転数調節信号を送信する。その結果、第１空気ブロワ１２、及び第１燃料ポンプ１４は、決定した流量となるように調節される。こうして、燃料電池１１の運転温度を、外部負荷の消費電力に好適な温度とし、且つ、排気ガスの圧力を好適な圧力に制御することができるのである。

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１００ｂでは、空気加熱熱交換器１３ｂの排気ガス導入口に、バイパス流量調整弁３３を設けており、該バイパス流量調整弁３３の開度を調節することにより、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気（酸化ガス）の温度が所望の温度となるように調節している。

従って、高い出力電力が必要な場合には、バイパス流量調整弁３３の開度を低減して、空気加熱熱交換器１３ｂに供給する排気ガスの流量を増大させ、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を上昇させることにより、燃料電池１１の運転温度を上昇させ、運転可能出力を大幅の向上させることが可能となる。また、低い出力電力とする場合には、バイパス流量調整弁３３の開度を増大して、空気加熱熱交換器１３ｂに供給する排気ガスの流量を低減させ、カソード極１１ａの酸化ガス供給口に導入する空気の温度を低下させることにより、燃料電池１１の運転温度を下降させることができる。

なお、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。

以上、本発明の燃料電池発電システム及びその制御方法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。

本出願は、２０１１年１月２４日に出願された日本国特許願第２０１１−０１１７０７号に基づく優先権を主張しており、この出願の内容が参照により本発明の明細書に組み込まれる。

本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムは、負荷の電力出力要求に基づいて燃料電池１１の発電量を制御する際に、酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を制御して燃料電池１１の運転温度を制御する。具体的には、燃料電池１１に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くして燃料電池１１の運転温度を上昇させることにより、運転可能出力を大幅に向上させることが可能になる。例えば、比較的低出力の運転点である最高効率運転時の出力と、最高出力運転時の出力との出力比を広げることが可能になる。また、電力出力要求が低い場合には酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を低くして燃料電池１１の運転温度を下降させる。従って、耐久性劣化を防止することができる。本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムは、出力要求の変化に応じて適切な温度で燃料電池１１を運転する場合に極めて有用である。よって、本発明の実施形態に係わる燃料電池発電システムは、産業上利用可能である。

１１ 燃料電池
１２ 第１空気ブロワ（酸化ガス供給部）
１３，１３ａ，１３ｂ 空気加熱熱交換器（熱交換部）
１５ 燃料改質器
１６ 改質器加熱熱交換器（改質器加熱部）
１８ 燃料流路圧力調整弁（第２圧力調整弁）
１９ 排気流路圧力調整弁（第１圧力調整弁）
２３ 燃焼バーナ（温度調節部）
３１ 制御部
３２ 第３空気ブロワ（温度調節部）
３３ バイパス流量調整弁（温度調節部）
１００ 燃料電池発電システム
Ｌ１ 燃料ガス流路
Ｌ２ 排気ガス流路

Claims (8)

1. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節部と、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節部に温度制御信号を出力する制御部と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給部と、
   前記燃料電池の排気ガスの熱を用いて、前記酸化ガス供給部より送出される酸化ガスを加熱する熱交換部と、を備え、
   前記温度調節部は、前記酸化ガス供給部とは別系統に設けられて、酸化ガスを前記酸化ガス供給口に送出するブロワを含み、
   前記制御部は、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記ブロワにより送出する酸化ガスの流量を低減させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くする
   燃料電池発電システム。
2. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節部と、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節部に温度制御信号を出力する制御部と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給部と、
   前記燃料電池の排気ガスの熱を用いて、前記酸化ガス供給部より送出される酸化ガスを加熱する熱交換部と、を備え、
   前記温度調節部は、前記熱交換部に供給する前記排気ガスの一部を分岐して、該排気ガスの前記熱交換部への供給量を調整可能な流量調整弁を含み、
   前記制御部は、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記流量調整弁にて前記熱交換部に供給する排気ガス量を増大させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くする
   燃料電池発電システム。
3. 前記燃料電池に供給する燃料ガスを改質する燃料改質器と、
   前記燃料電池より排出される排気ガスを用いて前記燃料改質器を加熱する改質器加熱部と、
   前記改質器加熱部の、前記排気ガスの入口流路に設けられ、前記排気ガスの一部を排気することにより前記排気ガスの圧力を調整する第１圧力調整弁と、を更に備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の排気ガス圧力が所望の圧力となるように、前記第１圧力調整弁に圧力調節信号を出力する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記燃料電池に供給する燃料ガスを改質する燃料改質器と、
   前記燃料電池より排出される排気ガスを用いて前記燃料改質器を加熱する改質器加熱部と、
   前記燃料電池より排出される燃料ガスを前記改質器加熱部の入口に導入する流路に設けられ、前記燃料電池より排出される燃料ガスの一部を、前記改質器加熱部に導入する第２圧力調整弁と、を更に備え、
   前記制御部は、前記燃料改質器に供給する燃料ガスの圧力が所望の圧力となるように、前記第２圧力調整弁に圧力調節信号を出力する請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
5. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節手段と、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節手段に温度制御信号を出力する制御手段と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給手段と、
   前記燃料電池の排気ガスの熱を用いて、前記酸化ガス供給手段より送出される酸化ガスを加熱する熱交換手段と、を備え、
   前記温度調節手段は、前記酸化ガス供給手段とは別系統に設けられて、酸化ガスを前記酸化ガス供給口に送出するブロワを含み、
   前記制御手段は、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記ブロワにより送出する酸化ガスの流量を低減させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くする
   燃料電池発電システム。
6. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節手段と、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節手段に温度制御信号を出力する制御手段と、
   前記燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給手段と、
   前記燃料電池の排気ガスの熱を用いて、前記酸化ガス供給手段より送出される酸化ガスを加熱する熱交換手段と、を備え、
   前記温度調節手段は、前記熱交換手段に供給する前記排気ガスの一部を分岐して、該排気ガスの前記熱交換手段への供給量を調整可能な流量調整手段を含み、
   前記制御手段は、前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記流量調整手段にて前記熱交換手段に供給する排気ガス量を増大させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くする
   燃料電池発電システム。
7. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節部と、前記燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給部と、前記燃料電池の排気ガスの熱を用いて、前記酸化ガス供給部より送出される酸化ガスを加熱する熱交換部と、を備え、前記温度調節部は、前記酸化ガス供給部とは別系統に設けられて、酸化ガスを前記酸化ガス供給口に送出するブロワを含む燃料電池発電システムの制御方法であって、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節部に温度制御信号を出力し、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記ブロワにより送出する酸化ガスの流量を低減させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くする
   燃料電池発電システムの制御方法。
8. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を調節する温度調節部と、前記燃料電池の酸化ガス供給口に酸化ガスを送出する酸化ガス供給部と、前記燃料電池の排気ガスの熱を用いて、前記酸化ガス供給部より送出される酸化ガスを加熱する熱交換部と、を備え、前記温度調節部は、前記熱交換部に供給する前記排気ガスの一部を分岐して、該排気ガスの前記熱交換部への供給量を調整可能な流量調整弁を含む燃料電池発電システムの制御方法であって、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記酸化ガス供給口に供給する酸化ガスの温度を高くするよう前記温度調節部に温度制御信号を出力し、
   前記燃料電池に対する出力要求が高い場合には、出力要求が低い場合に比べて、前記流量調整弁にて前記熱交換部に供給する排気ガス量を増大させるよう前記温度制御信号を出力することにより、前記燃料電池の運転温度を高くする
   燃料電池発電システムの制御方法。

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