JP6901231B2 - 燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池などの燃料電池を制御する燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法に関するものである。

従来より、例えば燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池として、例えば固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。
この燃料電池としては、例えば固体電解質層の両側に燃料極と空気極とを備えた単セルを有する板状の燃料電池セルを、複数個積層した燃料電池スタックが使用されている。

また、燃料電池では、燃料電池スタック以外に、都市ガスや灯油等の原燃料を燃料ガスに改質する改質器や、発電に使用されなかった残余の燃料ガスと空気とを燃焼させる燃焼器などが使用されている。

この種の燃料電池を作動させるための１つの重要な制御方法としては、温度調整による方法が知られている（特許文献１参照）。
具体的には、燃料電池自身の（ジュール熱による）発熱が少ない低負荷の領域では、燃料利用率を低く設定して（即ち、燃料供給量を増やし、発電に必要な燃料供給量の割合を低下させて、燃焼器における燃焼量を増加させ）、一方、燃料電池自身の発熱が大きい高負荷の領域では、燃料利用率を高く設定する（即ち、燃料供給量を減らし、発電に必要な燃料供給量の割合を増加させて、燃焼器における燃焼量を低下させる）ことや、空気流量の増減を、その都度実施することで、熱自立を図っている。

つまり、上述した従来技術では、例えば、燃料供給量を増加させることによる加熱効果と、発電用の空気供給量を増加させることによる冷却効果を併用して、燃料電池内の温度を所定の適正温度範囲に収束させ、なおかつ燃料電池内の温度が適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、燃料供給量及び空気供給量を補正している。

特開２０１３−１６３５６号公報

しかしながら、前記従来技術では、上述したような制御を行う際の変動パラメータが非常に多いため、制御が複雑化し、いわゆる制御ハンチング（例えば燃料供給量や空気供給量等の制御パラメータが波打つため、制御パラメータを頻繁に調節しなければならない状態）を引き起こす恐れがあった。

この制御ハンチングが発生すると、例えば燃料供給量を減少させるようにした場合に、燃料電池セル内で局所的に燃料が枯渇する場所が発生する可能性があり、そのような状態で長期間燃料電池を作動させると、燃料電池セル、ひいては燃料電池の劣化率が大きくなるという問題があった。

また、発電電流の大きな燃料電池に、このような複雑な制御を行う場合に、温度調整のために空気を増量すると、燃料電池に空気を送る空気ポンプの消費電力が増える結果、かえって燃料電池で発生させる電力量（燃料電池から引き出される電流量）が増加し、燃料電池の劣化を促進させる恐れがある。

更に、燃料電池が平板型の燃料電池スタックの場合には、例えば燃料電池スタックの温度を下げる際に、空気の増量制御と燃料の減量制御とを同時に行うと、燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大し、セル割れ等の偶発的故障を引き起こす恐れがある。

つまり、従来の複雑な制御を行う場合には、燃料電池の耐久性が低下することがあり、その結果、発電効率も低下するという問題が生じることがある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、好適な制御を行うことによって制御ハンチングを抑制して燃料電池の耐久性を高めることができる燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を提供することにある。

（１）本発明は、第１態様（燃料電池の制御装置）として、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御装置において、前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された１０種以下の複数の劣化ステージを記憶している記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定する判定手段と、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定する決定手段と、前記決定手段によって決定した前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は該燃料ガスの原燃料を前記燃料電池に供給するように制御する燃料供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本第１態様では、記憶手段に、燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された１０種以下の複数の劣化ステージを記憶しており、判定手段では、この複数の劣化ステージに基づいて、検出された燃料電池の電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、決定手段によって、その劣化ステージに対応した燃料電池の燃料利用率を決定し、燃料供給制御手段では、その燃料利用率に基づいて、燃料ガスの流量を算出し、その算出した値に基づいて、所定量の燃料ガス又は原燃料を燃料電池に供給するように制御する。

つまり、燃料電池の電力値及び電流値は、燃料電池の劣化の程度に対応しているので、予め電力値及び電流値に対応した劣化ステージを求めておけば、検出された電力値及び電流値から劣化の程度（即ち劣化ステージ）が分かる。更に、例えば発電初期のような劣化の少ない状態では電流増加によるジュール熱の発生量が少ない等のように、劣化ステージによって、燃料電池の発電状態や発熱状態が異なるので、劣化ステージに応じて、燃料利用率を設定し、その燃料利用率に応じて燃料ガス又は原燃料の供給量を調節することによって、燃料電池の発電状態や発熱状態を適正に制御することができる。

特に、本第１態様では、燃料利用率を決定する際に、検出された電力値及び電流値に対応して、１０種以下の複数の劣化ステージから特定の劣化ステージを選択するので、従来のような複雑な制御手段が不要であり、よって、制御ハンチングを抑制できる。

その結果、燃料電池内で局所的に燃料が枯渇する可能性が低くなり、燃料電池の耐久性を大きく向上できるという顕著な効果を奏する。
また、本第１態様では、従来のような複雑な制御が不要であるので、空気ポンプの消費電力が増えにくい。よって、燃料電池から引き出される電流量が増加しにくいので、この点からも、燃料電池の耐久性が向上するという効果がある。

更に、例えば燃料電池が平板型の燃料電池スタックの場合でも、上述した温度を低下させる際の燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大しにくく、よって、セル割れ等の故障が生じにくいという利点がある。

つまり、本第１態様では、従来の複雑な制御を行う必要がないので、即ち制御ハンチングを抑制できるので、燃料電池の耐久性が向上し、その結果、発電効率も向上するという効果がある。

なお、ここで燃料利用率とは、燃料電池にて発電に使用される燃料量（Ａ）を、燃料電池に供給される燃料量（Ｂ）で除した値（即ちＢに対するＡの割合）である。
（２）本発明は、第２態様として、前記記憶手段は、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶し、前記決定手段は、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする。

本第２態様では、記憶手段には、（各劣化ステージに対応して）燃料電池の電流値（燃料電池に流れる電流の値）から燃料利用率を求める制御マップが記憶されているので、決定手段では、その制御マップに基づいて燃料電池の電流値から燃料利用率を決定することができる。

（３）本発明は、第３態様として、前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されていることを特徴とする。

本第３態様では、例えば発電初期のような劣化の少ない状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に低い制御マップが用意され、逆に、例えば長期間の発電後のような劣化の大きい状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に高い制御マップが用意される。

つまり、燃料電池が劣化している場合には、劣化に起因したジュール熱による大きな発熱を熱維持に利用できるので、前記劣化に対応した制御マップを用いることによって、燃料利用率を高くすることができる。これによって、一部の箇所で劣化が始まった後でも高い発電効率を維持することができる。

（４）本発明は、第４態様として、前記燃料電池は、少なくとも前記燃料ガスについて、並直列構造を備えていることを特徴とする。
本第４態様は、燃料電池におけるガス流路の構造を例示している。

燃料ガスの並直列構造を備えている燃料電池としては、発電単位である燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックが挙げられる。
並直列構造を備えた燃料電池スタックにおいては、燃料電池スタックを構成する発電単位（燃料電池セル）が電気的には直列接続されている。燃料電池スタックに供給する燃料ガスの経路を、例えば上流部と下流部のように２つに並列に分けることで、発電単位への燃料供給量は多くしつつ、発電単位を積層した燃料電池スタックへの燃料供給量は少なくできることが特徴であるので、各燃料電池セルの燃料利用率を低くすることができる。

その結果、耐久劣化後（長期間使用されて劣化した後）においても、燃料電池スタックに供給する燃料供給量が少なくて済むので、燃料電池スタックの総合燃料利用率を上げることができ、最終的には、発電効率を高く維持することができる。

なお、並直列構造とは、例えば燃料ガスを、初めに、ある発電単位（燃料電池セル）に導入して発電した後に、その排出ガスを他の発電単位に導入して発電する構造である。
また、総合燃料利用率とは、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セル毎の燃料利用率ではなく、燃料電池スタック全体としての総合的な燃料利用率である。

（５）本発明は、第５態様として、前記燃料電池は、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器及び前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器のうち、少なくとも一方を備えたことを特徴とする。

本第５態様は、改質器や燃焼器のような補助器を用いた燃料電池を例示している。
なお、改質器とは、燃料電池に燃料ガスを供給する場合に、原燃料ガス等の原燃料を、より発電に好適な組成に改質（例えば都市ガス等をより水素ガス成分の多い組成のガスに改質）する装置のことである。

（６）本発明は、第６態様（燃料電池の制御方法）として、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御方法において、前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された１０種以下の複数の劣化ステージを記憶しておき、前記記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定し、前記判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定することを特徴とする。

本第６態様は、前記第１態様と同様な作用効果を奏する。
（７）本発明は、第７態様として、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶しておき、前記判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする。

本第７態様は、第２態様と同様な作用効果を奏する。
以下、本発明の各構成について説明する。
前記燃料ガスは、燃料電池の発電に用いられる燃料となる還元剤（例えば水素）を含むガスであり、原燃料ガス等の原燃料を改質した改質ガスが挙げられる。なお、原燃料としては、改質によって水素を生成できる各種の原燃料、例えば天然ガス（例えばＬＮＧ）、都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、バイオメタノールなどを採用できる。

前記酸化剤ガスは、燃料電池の発電に用いられる酸化剤（例えば酸素）を含むガスであり、例えば空気が挙げられる。
前記燃料電池としては、例えば、ＺｒＯ₂系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池が挙げられる。

また、燃料電池としては、発電単位である燃料電池セルやその燃料電池セルを複数備えた（例えば燃料電池セルを積層した）燃料電池スタックが挙げられる。なお、燃料電池セルとしては、例えば燃料極層と固体電解質層と空気極層とを一体に積層した単セルを備えた構成を採用できる。

実施例の燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 （ａ）は燃料電池スタックを示す平面図、（ｂ）は燃料電池スタックのガス流路を燃料ガスと酸化剤ガスに分けて側面から模式的に示す説明図である。 燃料電池スタックの電力値と電流値とから劣化ステージを求めるためのマップを示す説明図である。 燃料電池スタックの運転の初期、中期、後期において、それぞれ燃料電池スタックの電流値から燃料利用率を求めるためのマップを示す説明図である。 コントローラで実施される制御処理を示すフローチャートである。

次に、本発明の燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を実施するための形態として、固体酸化物形燃料電池の制御装置及び固体酸化物形燃料電池の制御方法を例にあげて説明する。

ａ）まず、固体酸化物形燃料電池の全体のシステム構成について説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する。
図１に示すように、本実施例における燃料電池システム１は、燃料ガス（例えば都市ガス等の原燃料ガスが改質された改質ガス：詳しくはその中の水素）と酸化剤ガス（例えば空気：詳しくはその中の酸素）との供給を受けて発電を行う発電ユニットである。

この燃料電池システム１では、原燃料ガス（従って改質後では燃料ガス）の供給流路３に沿って、上流側より、燃料ポンプ５、流量センサ７、発電モジュール１５が配置されており、空気の供給流路１１には、空気ポンプ１３が配置されており、改質水の供給流路４１には、改質水ポンプ４３が配置されている。

前記発電モジュール１５は、断熱容器１７内に配置されており、断熱容器１７内には、燃料ガスの供給流路３の上流側より、気化器１９、改質器２１、燃料電池スタック（発電スタック）２３、燃焼器２５が配置されている。また、燃料電池スタック２３には温度センサ２７が配置されている。

なお、本実施例では、原燃料ガス（従って燃料ガス）もしくは空気が、各ポンプ５、１３から燃料電池スタック２３に流れる方向に基づいて、上流側及び下流側を規定するので、ポンプ５、１３側が上流側で、燃料電池スタック２３側が下流側となる。

また、燃料電池システム１は、燃料電池システム１の動作を制御するコントローラ３１を備えており、コントローラ３１は、出力変換装置であるパワーコンディショナー３３に接続されている。

ここでは、燃料電池スタック２３にて発生した電力は、パワーコンディショナー３３に供給されるように構成されており、燃料電池スタック２３からパワーコンディショナー３３に到る（電力を供給する）電気回路３５には、電気回路３５に流れる電流（直流電流）を測定する電流センサ３７が配置されている。

以下、各構成について詳細に説明する。
燃料ポンプ５は、都市ガス等の原燃料ガスを発電モジュール１５側に供給するポンプである。

流量センサ７は、燃料ポンプ５によって発電モジュール９側に供給される原燃料ガスの流量を測定する流量計である。なお、発電に必要な燃料ガスの流量がコントローラ３１で算出され、その算出結果に基づいて所定の原燃料ガスの流量を決定する。

空気ポンプ１３は、酸化剤ガスである空気を発電モジュール１５側に供給するポンプである。
気化器１９にて、改質水ポンプ４３から供給される改質水は加熱されて気化されて水蒸気となり、その水蒸気が改質器２１に供給される。なお、気化器１９は、周知の混合器を兼ねる装置として使用することができ、気化器１９にて原燃料ガスと水蒸気との混合を行う。

改質器２１は、内部に改質用の触媒（例えばルテニウム又はニッケル）を備えた装置であり、この改質器２１内に導入された原燃料ガスが、気化器１９で発生した水蒸気によって水蒸気改質されることにより、原燃料ガスより水素ガスの割合が多い（水素リッチの）燃料ガスが生成される。

燃料電池スタック２３は、後述するように、発電単位である板状の燃料電池セル２４（図２（ｂ）参照）が複数個積層された略直方体状の装置である。
燃焼器２５は、燃料電池スタック２３から排出された燃料ガス中の主に水素（未反応の燃料ガス）と空気中の酸素とを燃焼させる装置であり、この燃焼によって、燃料電池スタック２３を加熱することができる。

温度センサ２７は、燃料電池スタック２３の表面（例えば側面）に配置され、その表面の温度を検出するセンサである。
パワーコンディショナー３３は、燃料電池スタック２３によって発電された直流の電力を交流の電力に変換して負荷３９に供給する出力変換装置である。このパワーコンディショナー３３では、交流電力値を計測するために、交流電流値と交流電圧値を計測できる。

なお、出力変換装置は、燃料電池スタック２３が発電で発生する直流出力を交流出力に変換して出力するパワーコンディショナー３３に限らず、燃料電池スタック２３からの直流出力を異なる電圧の直流出力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

電流センサ３７は、燃料電池スタック２３から供給される電流（直流の電流値）を測定する電流計である。
コントローラ３１は、周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。このコントローラ３１には、流量センサ７から燃料ガスの流量を示す信号が入力し、温度センサ２７から燃料電池スタック２３の温度を示す信号が入力し、電流センサ３７から燃料電池スタック２３の供給電流の電流値を示す信号が入力する。

更に、後述するように、コントローラ３１には、パワーコンディショナー３３から、交流電力に変換された後の負荷３９に供給される電力の電流値（交流電流値）と電圧値（交流電圧値）を示す信号が入力される。

一方、コントローラ３１からは、燃料ポンプ５、空気ポンプ１３、パワーコンディショナー３３の動作を制御する制御信号が出力される。
更に、コントローラ３１には、燃料電池スタック２３に燃料ガスを供給する燃料ポンプ５、空気を供給する空気ポンプ１３、起動バーナーに燃料混合気を供給する混合気ポンプ（図示せず）が接続されており、コントローラ３１からの制御信号によって、それらの動作が制御されるように構成されている。

また、コントローラ３１には、上述したように、電流センサ３７から（燃料電池スタック２３の出力における直流の）電流値（Ａ１）が入力され、パワーコンディショナー３３からは、交流の電流値（Ａ２）と交流の電圧値（Ｖ２）とが入力される。

なお、このコントローラ３１が、本発明の燃料電池システムの制御装置であり、本発明の記憶手段、判定手段、決定手段、燃料供給制御手段として機能する。
ｂ）次に、燃料電池スタック２３の構成について、簡単に説明する。

図２（ａ）に示すように、燃料電池スタック２３は、板状の燃料電池セル２４が（図２（ｂ）の上下方向に例えば９段）積層された直方体形状の装置であり、燃料電池スタック２３を積層方向に貫く１０本の第１〜第１０ボルト４１ａ〜４１ｊ（及び各ナット４３）によって一体に固定されている。

また、燃料電池セル２４は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セル２４であり、図示しないが、周知の（燃料流路に接する様に配置された）燃料極と、（例えばジルコニアからなる）固体電解質体と、（空気流路に接する様に配置された）空気極とを備えている。

また、図２（ｂ）に示すように、この燃料電池スタック２３は、燃料ガスの流路において並直列構造を有している。
具体的には、スタック外から第８ボルト４１ｈの貫通孔４５ｈに導入された燃料ガスは、第５〜第９燃料電池セル２４ｅ〜２４ｉの燃料流路に導入され、第３ボルト４１ｃの貫通孔４５ｃを介して、第１〜４燃料電池セル２４ａ〜２４ｄの燃料流路に導入され、第２ボルト４１ｂの貫通孔４５ｂを介して、スタック外に排出されるように構成されている。

一方、スタック外から第１０ボルト４１ｊの貫通孔４５ｊに導入された空気は、各燃料電池セル２４ａ〜２４ｉの空気流路に導入され、第５ボルト４１ｅの貫通孔４５ｅを介してスタック外に排出されるように構成されている。

ｃ）次に、燃料電池システム１を制御する原理について説明する。
・本発明者等の研究によれば、燃料電池スタック２３の劣化の程度と燃料電池スタック２３の出力（即ち電力値及び電流値）との間には相関関係があることが分かっている。具体的には、劣化の程度と電力値及び電流値との間には、図３に示すような関係があることが分かっている。なお、図３に示すマップは、コントローラ３１のメモリに記憶されている。

また、劣化の程度は、通常は、燃料電池スタック２３の運転時間と相関関係があり、運転時間が長くなると劣化が進むことが知られているので、表１には標準的な時間が記載してある。但し、劣化は運転時間が長くなると大きくなる傾向があるものの、運転状況によって変動するので、運転時間よりは電力値及び電流値に基づいて劣化の程度を判断することが望ましいと考えられる。

詳しくは、運転条件が一定の場合には、図３に示すように、運転の初期には、発電可能な電力値が大きいが電流値が小さいという特徴があり、運転の中期では、初期に比べて発電可能な電力値と電流値とはほぼ中程度という特徴があり、運転の後期では、中期に比べて発電可能な電力値が小さいが電流値が大きいという特徴がある。

例えば下記表１に、劣化の程度の対応した発電電力（電力値）と電流値との関係を示すように、電流値は、同じ発電電力であっても、初期（発電開始から５０００時間以下）と中期（発電開始から５０００時間を上回り４００００時間以下）と後期（発電開始から４００００時間を上回り９００００時間以下）とでは異なり、初期から中期、後期となるほど大きくなる傾向がある。

従って、このような特徴から、電力値と電流値とに基づいて、現在、燃料電池スタック２３がどの程度劣化しているかを判断することができる。

なお、本実施例では、劣化の程度示す劣化ステージとして、劣化の程度の大小に応じて、初期、中期、後期の（順次劣化の程度が大きい）３種の劣化ステージを設定しているが、２種又は４種以上の劣化ステージを設定してもよい。但し、あまり多くの劣化ステージを設定すると制御が複雑になるので、例えば１０種以下が好ましい。

また、上述したように、劣化の程度に応じて発電可能な電力値が異なるので、劣化ステージごとにパワーコンディショナー３３の出力電力の上限値を設けて、コントローラ３１はパワーコンディショナー３３を前記上限値を超えないように制御する。

・また、本実施例では、燃料ガスの供給量を制御するために、図４に示すように、初期マップ、中期マップ、後期マップの３種類の制御マップを記憶しており、この制御マップを、前記図３に示す燃料電池（即ち燃料電池スタック２３）の劣化の程度を示す劣化ステージに応じて切り替えて使用する。なお、図４に示す制御マップは、コントローラ３１のメモリに記憶されている。

例えば下記表２に、劣化の程度に応じた電流値と燃料利用率との関係を示すように、制御マップは、同じ電流値の場合でも、初期と中期と後期で異なるように、詳しくは、初期よりも中期、後期となるほど燃料利用率が大きくなるように設定されている。

具体的には、本実施例では、図４に示すように、初期の劣化ステージにおける電流値と燃料利用率との関係を示す初期マップと、中期の劣化ステージにおける電流値と燃料利用率との関係を示す中期マップと、後期の劣化ステージにおける電流値と燃料利用率との関係を示す後期マップとの３種類の制御マップが設定されている。

従って、本実施例では、前記図３に示す関係（マップ）に基づいて、電力値と電流値から現在の劣化の程度（劣化ステージ）を判定し、その判定結果によって得られた劣化の程度に応じて図４に示す各制御マップを選択し、その各制御マップを用いて、電流値から燃料利用率を決定する。

詳しくは、初期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、他の制御マップに比べて小さく設定されている。これは、運転開始から５０００時間以下（いわゆる初期の段階）では、劣化の程度が少なく、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う（劣化等による）ジュール熱の発生量が少ないからである。

従って、この場合には、燃料利用率を小さくすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を低下させて、燃焼器２５における燃焼量を増加させる。これによって、燃料電池スタック２３の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。

また、中期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、初期マップに比べて大きく（後述する）後期マップ比べて小さく設定されている。これは、運転開始から４００００時間以下（いわゆる中期の段階）では、劣化の程度が（初期や後期に比べて）中程度であり、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う（劣化等による）ジュール熱の発生量も中程度であるからである。

従って、この場合には、燃料利用率を中程度にすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を中程度にして、燃焼器２５における燃焼量を中程度とする。これによって、燃料電池スタック２３の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。

更に、後期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、他の制御マップに比べて大きく設定されている。これは、運転開始から９００００時間以下（いわゆる後期の段階）では、劣化の程度が大きく、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う（劣化等による）ジュール熱の発生量が多いからである。

従って、この場合には、燃料利用率を大きくすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を増加させて、燃焼器２５における燃焼量を低下させる。これによって、燃料電池スタック２３の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。

なお、図３、図４のマップは、予め実験等によって求めることができるが、その設定の際に利用する電流値や電圧値（電力値）は、実際にそれらの値を測定するセンサ等の出力を用いて設定する。

つまり、例えば負荷３９に対する出力（電流値や電力値）を用いて各マップを設定した場合には、実際に、前記負荷３９に対する出力を用いて、劣化ステージの判定や燃料利用率の決定を行う。

ｄ）次に、コントローラ３１によって行われる制御処理の手順について説明する。
図５に示すように、ステップ（図５ではＳで示す）１００では、電流センサ３７からの信号に基づいて、燃料電池スタック２３の出力の電流値（直流電流）を得る。

また、パワーコンディショナー３３から、負荷３９への出力の電圧値（交流電圧）と電流値（交流電流）とを得る。
ここで、電力値は、電圧値と電流値とから算出することができる。例えば直流の電流値（Ａ１）と（交流の平均化した）電圧値（Ｖ２）とから電力値（Ｗ１）を算出することができる。或いは、（交流の平均化した）電流値（Ａ２）と（交流の平均化した）電圧値（Ｖ２）とから電力値（Ｗ２）を算出することができる。

なお、どの電流値や電力値を用いるかは、上述したように、図３、図４の各マップを設定した際に用いた値を採用すればよい。
続くステップ１１０では、前記図３に示すマップを用いて、前記ステップ１００で得られた電力値と電流値とから、劣化の程度（劣化ステージ）を判定する。

ここで、劣化ステージが運転の初期を示す場合にはステップ１２０に進み、劣化ステージが運転の中期を示す場合にはステップ１３０に進み、劣化ステージが後期を示す場合にはステップ１４０に進む。

ステップ１２０では、運転の初期であるので、図４（ａ）の初期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
また、ステップ１３０では、運転の中期であるので、図４（ｂ）の中期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。

更に、ステップ１４０では、運転の後期であるので、図４（ｃ）の後期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
続くステップ１５０では、各ステップで求めて燃料利用率から、運転状態に応じて、燃料供給量（詳しくは、原燃料ガスの供給量である原燃料供給量）を算出する。

具体的には、例えば、燃料電池スタック２３から発生させる直流電流値Ｉａ［Ａ］と、燃料電池スタック２３に供給する燃料流量（燃料ガスの流量）Ｑａ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］との間には、一般的に次式（１）が成り立つ。

Ｉａ＝ｎＦＱａ ・・・（１）
（ｎ：反応に寄与する電子数、Ｆ：ファラデー定数［Ｃ／ｍｏｌ］）
この式（１）から、所望の電流Ｉａを発生させるために必要な燃料流量Ｑａが算出される。

そして、燃料電池スタック２３が熱自立を維持しつつ、発電するために供給する燃料供給量（燃料ガスの供給量）Ｑｂは、燃料利用率Ｕｆ［％］を用いて、下記式（２）により算出できる。

Ｑｂ＝１００×Ｑａ／Ｕｆ ・・・（２）
原燃料供給量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］は、前記Ｑｂを用いて下記式（３）により算出できる。
Ｑ＝Ｍ×Ｑｂ ・・・（３）
なお、上記式（３）のＭは、原燃料種によって決まる定数である。

つまり、前記式（１）、（２）、（３）によって、原燃料供給量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］を算出する。
続くステップ１６０では、前記ステップ１５０で算出した燃料供給量（即ち原燃料供給量Ｑ）を供給するように、燃料ポンプ５の動作を制御して、一旦本処理を終了する。

ｅ）次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、燃料電池スタック２３の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池スタック２３の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しており、この複数の劣化ステージに基づいて、（検出された）燃料電池スタック２３の電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、その劣化ステージに対応した各制御マップを用いて燃料電池スタック２３の燃料利用率を決定し、その燃料利用率に基づいて、原燃料ガスの流量を算出し、その算出した値に基づいて、所定量の原燃料ガス（従ってその原燃料ガスが改質された燃料ガス）を燃料電池スタック２３に供給する。

つまり、本実施例では、燃料利用率を設定する際に、検出された電力値及び電流値に対応して、複数の劣化ステージから特定の劣化ステージを選択し、その劣化ステージに対応した各制御マップを用いるので、従来のような複雑な制御手段が不要であり、よって、制御ハンチングを抑制できる。

その結果、燃料電池セル２４内で局所的に燃料が枯渇する可能性が低くなり、燃料電池スタック２３の耐久性を大きく向上できるという顕著な効果を奏する。
また、従来のような複雑な制御が不要であるので、空気ポンプ１３の消費電力が増えにくい。よって、燃料電池スタック２３に流れる電流量が増加しにくいので、この点からも、燃料電池スタック２３の耐久性が向上するという効果がある。

更に、燃料電池セル２４が平板型の燃料電池スタック２３の場合でも、温度を低下させる際の燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大しにくく、よって、セル割れ等の故障が生じにくいという利点がある。

つまり、本実施例では、従来の複雑な制御を行う必要がないので、即ち制御ハンチングを抑制できるので、燃料電池スタック２３の耐久性が向上し、その結果、発電効率も向上するという効果がある。

また、本実施例では、発電初期のような劣化の少ない状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に低い制御マップが用意され、逆に、例えば長期間の発電後のような劣化の大きい状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に高い制御マップが用意される。

つまり、燃料電池スタック２３が劣化している場合には、劣化に起因したジュール熱による大きな発熱を熱維持に利用できるので、上述した劣化に対応した制御マップを用いることによって、燃料利用率を高くすることができる。これによって、一部の箇所で劣化が始まった後でも高い発電効率を維持することができる。

更に、本実施例では、燃料電池スタック２３は、燃料ガスについて、並直列構造を備えている。並直列構造では、燃料電池スタック２３に供給する燃料ガスの経路を例えば上流部と下流部の２つに並列に分けることで、各燃料電池セル２４への燃料供給量は多くしつつ、燃料電池スタック２３への燃料供給量は少なくできるので、各燃料電池セル２４の燃料利用率を低くすることができる。

その結果、耐久劣化後（長期間使用されて劣化した後）においても、燃料電池スタック２３に供給する燃料供給量が少なくて済むので、燃料電池スタック２３の総合燃料利用率を上げることができ、最終的には、発電効率を高く維持することができる。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池が挙げられる。

（２）劣化ステージの判定や燃料利用率の決定に用いる電流値や電力値（電力値の算出に用いる電圧値）としては、燃料電池スタックの出力（直流電流、直流電圧）を、パワーコンディショナーとは別に設けた電流計や電圧計を利用して求めてもよいし、パワーコンディショナーから得られる出力（交流電流、交流電圧）を用いてもよい。

（３）前記実施例では、改質器と燃焼器を用いたが、本発明は、改質器又は燃焼器の無い燃料電池システムにも適用できる。
（４）なお、本発明は、例えば気化器や改質器等を使用せずに（即ち原燃料ガスの改質を行って水素等の燃料ガスを生成するのではなく）、原燃料ガスとして水素等の燃料ガスを用い、その燃料ガスをポンプ等によって燃料電池スタックに供給する装置にて適用できる。

１…燃料電池システム
５…燃料ポンプ
１３…空気ポンプ
１７…発電モジュール
２１…改質器
２３…燃料電池スタック
２５…燃焼器
２７…温度センサ
３１…コントローラ
３３…パワーコンディショナー
３７…電流センサ

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御装置において、
   前記燃料電池は、平板型の固体酸化物形燃料電池であって、前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器を備えており、
   前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された１０種以下の複数の劣化ステージを記憶している記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の前記発電に使用される燃料量を前記燃料電池に供給される燃料量で除した値である燃料利用率を決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定した前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は該燃料ガスの原燃料を前記燃料電池に供給するように制御する燃料供給制御手段と、
   を備えた燃料電池の制御装置であって、
   前記記憶手段は、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶するように構成され、
   前記決定手段は、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定するように構成され、
   前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された前記各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されており、
   前記燃料利用率は、当該燃料利用率の増加にともない前記燃焼器における燃焼量を低下させるものである、
   ことを特徴とする燃料電池の制御装置。
2. 前記燃料電池は、少なくとも前記燃料ガスについて、並直列構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
3. 前記燃料電池は、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の制御装置。
4. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御方法において、
   前記燃料電池は、平板型の固体酸化物形燃料電池であって、前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器を備えており、
   前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された１０種以下の複数の劣化ステージを記憶しておき、
   前記記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定し、
   前記判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の前記発電に使用される燃料量を前記燃料電池に供給される燃料量で除した値である燃料利用率を決定し、
   前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は当該燃料ガスの原燃料を、前記燃料電池に供給するように制御する、
   燃料電池の制御方法であって、
   前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶しておき、
   前記判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定し、
   前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された前記各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されており、
   前記燃料利用率は、当該燃料利用率の増加にともない前記燃焼器における燃焼量を低下させるものである、
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。

Images