(57)【要約】【課題】システムに悪影響を与えることなく、負荷変動に対する追従性を良好にする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、改質部と、蒸発部と、原料ガス供給装置と、改質水供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃焼部と、要求出力に基づいて目標出力を設定し、燃料電池の出力が目標出力に近づくように原料ガス供給装置と改質水供給装置と酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、を備える。制御装置は、要求出力が上昇した場合、燃料電池の現在の出力が小さいときには大きいときに比して目標出力の上昇速度を大きくする。【選択図】図４
2020027687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記改質部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記改質部と前記蒸発部とを加熱する燃焼部と、
要求出力に基づいて目標出力を設定し、前記燃料電池の出力が前記目標出力に近づくように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記要求出力が上昇した場合、前記燃料電池の現在の出力が小さいときには大きいときに比して前記目標出力の上昇速度を大きくする、
燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記改質部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記改質部と前記蒸発部とを加熱する燃焼部と、
要求出力に基づいて目標出力を設定し、前記燃料電池の出力が前記目標出力に近づくように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記要求出力が上昇した場合、前記燃料電池の現在の単位期間当たりの出力上昇量が小さいときには大きいときに比して前記目標出力の上昇速度を大きくする、
燃料電池システム。
【請求項３】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記改質部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記改質部と前記蒸発部とを加熱する燃焼部と、
要求出力に基づいて目標出力を設定し、前記燃料電池の出力が前記目標出力に近づくように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
前記燃料電池と前記改質部と前記蒸発部とを含む燃料電池モジュール内に設けられた温度センサと、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記要求出力が上昇した場合、前記温度センサにより検出される温度が高いときには低いときに比して前記目標出力の上昇速度を大きくする、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムとしては、改質器と、燃料電池と、燃料と給水と空気の流量を調整する制御装置とを備える固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の目標出力指令値に基づいて燃料流量，給水流量および空気流量をそれぞれ決定し、目標出力指令値の出力変化率に基づいて燃料流量，給水流量および空気流量をそれぞれ補正する。燃料流量の補正は、目標出力指令値の出力変化率に負の値の比例ゲインを掛けた値に２次遅れ特性を与えることによって燃料補正値を求め、得られた燃料補正値を目標出力指令値に基づく基準燃料流量指令値に加算することにより行なわれる。給水流量の補正は、目標出力指令値の出力変化率に負の値の比例ゲインを掛けた値に２次遅れ特性を与えることによって給水補正値を求め、得られた給水補正値を目標出力指令値に基づく基準給水流量指令値に加算することにより行なわれる。比例ゲインは負の値であるから、目標出力指令値の出力変化率が負になる出力降下時には、燃料流量や給水流量が増強され、正になる出力上昇時には燃料流量や給水流量が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５９５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した燃料電池システムでは、目標出力指令値が急上昇した場合、燃料流量や給水流量が常に大きく抑制されるため、負荷変動に対する追従性が悪化する結果、負荷に対するカバー率を大きく低下させてしまう。
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、システムに悪影響を与えることなく、負荷変動に対する追従性を良好にすることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池システムは、
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記改質部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記改質部と前記蒸発部とを加熱する燃焼部と、
要求出力に基づいて目標出力を設定し、前記燃料電池の出力が前記目標出力に近づくように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記要求出力が上昇した場合、前記燃料電池の現在の出力が小さいときには大きいときに比して前記目標出力の上昇速度を大きくする、
ことを要旨とする。
【０００８】
燃料電池システムにおいては、一般に、要求出力の急上昇に伴い蒸発部に供給する原料ガスの流量と改質水の流量とを急増させると、水蒸気の生成に遅れが生じるため、スチームカーボン比（以下、Ｓ／Ｃという）が急減し、改質部におけるコーキングの発生や発電効率の低下を招く。ここで、燃料電池の現在の出力が小さいときには大きいときに比して燃料利用率（アノードに供給される燃料ガスの量に対して発電に利用される燃料ガスの量の割合）が低下し、オフガスの量が増加するから、当該オフガスの燃焼により蒸発部の温度が上昇しやすく、水蒸気の生成が促進されやすい。そこで、本発明の第１の燃料電池システムでは、燃料電池の現在の出力が小さいときには出力の上昇速度を大きくすることで、燃料電池の出力を要求出力の上昇に良好に追従させることができる。一方、燃料電池の現在の出力が大きいときには出力の上昇速度を小さくすることで、水蒸気の生成の遅れを抑制し、Ｓ／Ｃの急減を抑制することができる。この結果、システムに悪影響を与えることなく、負荷変動に対する追従性を良好にすることができる。
【０００９】
本発明の第２の燃料電池システムは、
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記改質部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記改質部と前記蒸発部とを加熱する燃焼部と、
要求出力に基づいて目標出力を設定し、前記燃料電池の出力が前記目標出力に近づくように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記要求出力が上昇した場合、前記燃料電池の現在の単位期間当たりの出力上昇量が小さいときには大きいときに比して前記目標出力の上昇速度を大きくする、
ことを要旨とする。
【００１０】
この本発明の第２の燃料電池システムでは、要求出力が上昇した場合、燃料電池の現在の単位期間当たりの出力上昇量が小さいときには大きいときに比して目標出力の上昇速度を大きくする。これにより、要求出力が大きく上昇した場合に、最初は、目標出力の上昇速度を大きくし、その後、目標出力の上昇速度を小さくすることができる。すなわち、目標出力の上昇速度を大きい状態から小さい状態へと段階的に変化させることで、要求出力が大きく上昇した場合でも、システムに悪影響を与えることなく、燃料電池の出力を要求出力の上昇に良好に追従させることができる。
【００１１】
本発明の第３の燃料電池システムは、
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記改質部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記改質部と前記蒸発部とを加熱する燃焼部と、
要求出力に基づいて目標出力を設定し、前記燃料電池の出力が前記目標出力に近づくように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
前記燃料電池と前記改質部と前記蒸発部とを含む燃料電池モジュール内に設けられた温度センサと、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記要求出力が上昇した場合、前記温度センサにより検出される温度が高いときには低いときに比して前記目標出力の上昇速度を大きくする、
ことを要旨とする。
【００１２】
燃料電池モジュール内の温度が高いときには低いときに比して、蒸発部での水蒸気の生成が促進されやすい。したがって、本発明の第３の燃料電池システムでは、燃料電池モジュール内の温度が高いときには目標出力の上昇速度を大きくすることで、燃料電池の出力を要求出力の上昇に良好に追従させることができる。一方、燃料電池モジュール内の温度が低いときには目標出力の上昇速度を小さくすることで、水蒸気の生成の遅れを抑制し、Ｓ／Ｃの急減を抑制することができる。この結果、本発明の第３の燃料電池システムにおいても、システムに悪影響を与えることなく、負荷変動に対する追従性を良好にすることができる。ここで、「温度センサ」には、燃料電池セルの近傍に設けられた温度センサや、燃焼部に設けられた温度センサ、改質部や蒸発部に設けられた温度センサが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】パワーコンディショナ７０を含む電気系の構成の概略を示す構成図である。
【図３】制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される発電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】目標電流上げ速度設定用マップの一例を示す説明図である。
【図５】出力変化に対するスチームカーボン比Ｓ／Ｃの変化の様子を示す説明図である。
【図６】第２実施形態の発電制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】スタック電流上昇量算出処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態の目標電流上げ速度設定用マップを示す説明図である。
【図９】第３実施形態の発電制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】第３実施形態の目標電流上げ速度設定用マップを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を実施するための形態について説明する。
【００１５】
図１は第１実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図であり、図２はパワーコンディショナ７０を含む電気系の構成の概略を示す構成図である。第１実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタック３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。
【００１６】
発電ユニット２０は、気化器（蒸発部）３２，改質器３３および燃料電池スタック３６を含む燃料電池モジュール３０と、気化器３２に原料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原料ガス供給装置４０と、燃料電池スタック３６にエアを供給するエア供給装置５０と、改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、燃料電池モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。これらは、筐体２２に収容されている。なお、筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられ、吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられている。
【００１７】
気化器３２は、改質供給装置５５からの改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原料ガス供給装置４０からの原料ガスを予熱する。改質器３３は、セラミックなどの担体に改質触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が担持されて構成され、気化器３２から供給された原料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガス（改質ガス）に改質する。なお、改質器３３の入口付近には、気化器３２の温度（蒸発部温度Ｔ１）を検出するための温度センサ９１が設けられている。
【００１８】
気化器３２、改質器３３および燃料電池スタック３６は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３６の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３４が設けられている。燃焼部３４には燃料電池スタック３６を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３５により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。燃焼部３４には、当該燃焼部３４の温度（燃焼部温度Ｔ２）を検出するための温度センサ９２が設けられている。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３４で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。
【００１９】
排熱回収装置６０は、燃料電池モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２における貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。
【００２０】
原料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原料ガス供給管４１を有する。原料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、オリフィス４４、原料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。脱硫器４６は、原料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式などを採用することができる。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の方式を採用し得る。また、原料ガス供給管４１の原料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原料ガスの単位時間当たりの流量（ガス流量Ｆｇ）を検出する流量センサ４８が設けられている。
【００２１】
エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタック３６とを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタック３６へ供給する。また、エア供給管５１には、エアブロワ５３の下流側に、エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。
【００２２】
改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。また、改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製するための図示しない水精製器が設けられている。
【００２３】
燃料電池スタック３６は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものとして構成されている。燃料電池スタック３６は、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック３６の近傍には、当該燃料電池スタック３６の温度（スタック温度Ｔｓ）を検出する温度センサ９３が設けられている。燃料電池スタック３６の出力端子にはパワーコンディショナ７０を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されている。
【００２４】
パワーコンディショナ７０は、図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ７１とインバータ７２とを備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ７１は、燃料電池スタック３６から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ〜３００Ｖ）まで昇圧する昇圧コンバータである。インバータ７２は、その出力端子が商用電力系統２と負荷４とを接続する電力ライン３に図示しないリレーを介して接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ７１により昇圧された直流電圧を商用電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するものである。燃料電池スタック３６の出力端子に接続された電力ラインには、燃料電池スタック３６から出力されるスタック電流Ｉｓを検出するための電流センサ７３が設けられ、燃料電池スタック３６の出力端子間には、燃料電池スタック３６のスタック電圧Ｖｓを検出するための電圧センサ７４が設けられている。インバータ７２は、電流センサ７３により検出されるスタック電流Ｉｓに基づいて当該インバータ７２が備える図示しないスイッチング素子をスイッチングすることで、燃料電池スタック３６のスタック電流を制御して、発電出力（発電電力）を制御する。
【００２５】
パワーコンディショナ７０から分岐した電力ラインには電源基板７８が接続されている。電源基板７８は、燃料電池スタック３６から出力された直流電圧や商用電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して当該補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、原料ガス供給弁４２，４３や原料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３などがある。
【００２６】
制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、計時を行なうタイマ８４と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、電流センサ７３、電圧センサ７４、温度センサ９１〜９３などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７０のＤＣ／ＤＣコンバータ７１やインバータ７２への制御信号、電源基板７８への制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２７】
こうして構成された燃料電池システム１０では、負荷４が要求するシステム要求出力（要求スタック電流Ｉｒｅｑ）を入力し、入力したシステム要求出力に基づいて燃料電池スタック３６の目標出力（目標スタック電流Ｉｓ＊）を設定し、設定した目標出力に応じて原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とエア供給装置５０とを制御すると共にパワーコンディショナ７０を制御する。具体的には、原料ガス供給装置４０の制御は、目標スタック電流Ｉｓ＊に基づいて原料ガス供給装置４０が供給すべき目標ガス流量Ｆｇ＊を設定し、目標ガス流量Ｆｇ＊と流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとの偏差に基づくフィードバック制御によりデューティＤｇを設定し、設定したデューティＤｇに基づいて原料ガスポンプ４５のポンプモータを制御することにより行なわれる。改質水供給装置５５の制御は、改質器３３に供給される原料ガスの単位時間当たりの流量に対する水蒸気の単位時間当たりの流量の比率であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が原料ガスの種類に応じて予め定められた所定の比率となるように目標改質水流量Ｆｗ＊を設定し、設定した目標改質水流量Ｆｗ＊に基づいてデューティＤｗを設定し、設定したデューティＤｗに基づいて改質水ポンプ５８のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給装置５０の制御は、原料ガスの目標ガス流量Ｆｇ＊に対して所定の比率（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標エア流量Ｆａ＊を設定し、設定した目標エア流量Ｆａ＊と流量センサ５４により検出されるエアの流量Ｆａとの偏差に基づくフィードバック制御によりデューティＤａを設定し、設定したデューティＤａに基づいてエアブロワ５３のブロワモータを制御することにより行なわれる。パワーコンディショナ７０の制御は、目標スタック電流Ｉｓ＊と電流センサ７３により検出されるスタック電流Ｉｓとの偏差に基づくフィードバック制御によりインバータ７２のＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号によりインバータ７２の図示しないスイッチング素子をスイッチングすることにより行なわれる。
【００２８】
次に、システム要求出力（要求スタック電流Ｉｒｅｑ）が急上昇した場合の動作について説明する。図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される発電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２９】
発電制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、要求スタック電流Ｉｒｅｑと電流センサ７３からのスタック電流Ｉｓとを入力する（ステップＳ１００）。続いて、入力したスタック電流Ｉｓに基づいて目標電流上げ速度ΔＩ＊を設定する（ステップＳ１１０）。ここで、目標電流上げ速度ΔＩ＊は、要求スタック電流Ｉｒｅｑに向かって上昇させてもよい目標スタック電流Ｉｓ＊の単位時間（本ルーチンの実行時間間隔）当たりの許容変化量を示すものである。目標電流上げ速度ΔＩ＊を設定すると、前回このルーチンで設定した目標スタック電流（前回Ｉｓ＊）に目標電流上げ速度ΔＩ＊を加えたものを目標電流上限値Ｉｍａｘに設定し（ステップＳ１２０）、要求スタック電流Ｉｒｅｑと目標電流上限値Ｉｍａｘとのうち小さい方を目標スタック電流Ｉｓ＊に設定する（ステップＳ１３０）。こうして目標スタック電流Ｉｓ＊を設定すると、目標スタック電流Ｉｓ＊で燃料電池スタック３６が発電されるように原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とエア供給装置５０とを制御すると共にパワーコンディショナ７０を制御して（ステップＳ１４０）、発電制御ルーチンを終了する。なお、原料ガス供給装置４０，改質水供給装置５５，エア供給装置５０およびパワーコンディショナ７０の制御については前述した。
【００３０】
ここで、目標電流上げ速度ΔＩ＊の設定は、本実施形態では、スタック電流Ｉｓと目標電流上げ速度ΔＩ＊との関係を予め求めて目標電流上げ速度設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、スタック電流Ｉｓが与えられると、マップから対応する目標電流上げ速度ΔＩ＊を導出することにより行なうものとした。目標電流上げ速度設定用マップの一例を図４に示す。図示するように、目標電流上げ速度ΔＩ＊は、スタック電流Ｉｓが小さいときには大きいときに比して、大きく（速く）なるように設定される。燃料電池システム１０においては、一般に、システム要求出力（要求スタック電流Ｉｒｅｑ）の急上昇に伴い気化器３２に供給する原料ガスの流量と改質水の流量とを急増させると、水蒸気の生成に遅れが生じるため、図５に示すように、Ｓ／Ｃが急減し、改質器３３におけるコーキングの発生や発電効率の低下を招く。ここで、燃料電池スタック３６の現在のスタック電流Ｉｓが小さいときには大きいときに比して燃料利用率が低下し、オフガスの量が増加するから、当該オフガスの燃焼により蒸発部３４の温度が上昇しやすく、水蒸気の生成が促進されやすい。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック３６の現在のスタック電流Ｉｓが小さいときには目標スタック電流Ｉｓ＊の上昇速度を大きくすることで、スタック電流Ｉｓを要求スタック電流Ｉｒｅｑの上昇に良好に追従させることができる。一方、燃料電池スタック３６の現在のスタック電流Ｉｓが大きいときには目標スタック電流Ｉｓ＊の上昇速度を小さくすることで、水蒸気の生成の遅れを抑制し、Ｓ／Ｃの急減を抑制することができる。
【００３１】
以上説明した第１実施形態の燃料電池システム１０では、負荷４が要求するシステム要求出力（要求スタック電流Ｉｒｅｑ）が上昇した場合、燃料電池スタック３６の現在の出力（スタック電流Ｉｓ）が小さいときには大きいときに比して目標出力（目標スタック電流Ｉｓ＊）の上昇速度を大きくする。これにより、燃料電池スタック３６の現在の出力が小さいときには、目標出力の上昇速度を大きくすることで、燃料電池スタック３６の出力をシステム要求出力の上昇に良好に追従させることができる。一方、現在の出力が大きいときには、目標出力の上昇速度を小さくすることで、水蒸気の生成の遅れを抑制し、Ｓ／Ｃの急減を抑制することができる。この結果、システムに悪影響を与えることなく、負荷変動に対する追従性を良好にすることができる。
【００３２】
次に、第２実施形態の燃料電池システム１０について説明する。第２実施形態の燃料電池システム１０では、図３の発電制御ルーチンに代えて図６の発電制御ルーチンが実行される点が第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。
【００３３】
図６の発電制御ルーチンでは、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、要求スタック電流Ｉｒｅｑを入力する（ステップＳ２００）。続いて、単位期間（例えば３０秒）当たりのスタック電流上昇量ΔＩｓを算出する（ステップＳ２１０）。この処理は、図７に示すスタック電流上昇量算出処理を実行することにより行なわれる。ここで、図６の発電制御ルーチンの説明を一旦中断し、図７のスタック電流上昇量算出処理について説明する。
【００３４】
図７のスタック電流上昇量算出処理では、電流センサ７３からのスタック電流Ｉｓを入力し（ステップＳ３００）、今回入力したスタック電流Ｉｓが前回入力したスタック電流（前回Ｉｓ）よりも小さいか否か、すなわちスタック電流Ｉｓが減少したか否かを判定する（ステップＳ３１０）。今回入力したスタック電流Ｉｓが前回入力したスタック電流（前回Ｉｓ）よりも小さくないと判定すると、ステップＳ３５０に進む。一方、今回入力したスタック電流Ｉｓが前回入力したスタック電流（前回Ｉｓ）よりも小さいと判定すると、スタック電流Ｉｓは減少しているから、スタック電流上昇量ΔＩｓに値０を設定し（ステップＳ３２０）、今回入力したスタック電流Ｉｓを基準電流Ｉｓ０に設定すると共に（ステップＳ３３０）、タイマｔをリセットしてから計測開始する（ステップＳ３４０）。次に、タイマｔの計測値が閾値（例えば３０秒）ｔｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３５０）。タイマｔの計測値が閾値ｔｒｅｆ以上でないと判定すると、スタック電流上昇量ΔＩｓを更新することなく、スタック電流上昇量算出処理を終了する。一方、タイマｔの計測値が閾値ｔｒｅｆ以上であると判定すると、ステップＳ１００で入力したスタック電流Ｉｓから基準電流Ｉｓ０を減じた値（Ｉｓ−Ｉｓ０）をスタック電流上昇量ΔＩｓに設定することにより当該スタック電流上昇量ΔＩｓを更新し（ステップＳ３６０）、入力したスタック電流Ｉｓを基準電流Ｉｓ０に設定すると共に（ステップＳ３７０）、タイマｔをリセットしてから計測開始して（ステップＳ３８０）、スタック電流上昇量算出処理を終了する。
【００３５】
図６の発電制御ルーチンに戻って、こうしてスタック電流上昇量ΔＩｓを算出すると、次に、算出したスタック電流上昇量ΔＩｓに基づいて目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を設定する（ステップＳ２２０）。目標電流上げ速度ΔＩ＊の設定は、第２実施形態では、スタック電流上昇量ΔＩｓと目標電流上げ速度ΔＩ＊との関係を予め求めて目標電流上げ速度設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、スタック電流上昇量ΔＩｓが与えられると、マップから対応する目標電流上げ速度ΔＩ＊を導出することにより行なうものとした。目標電流上げ速度設定用マップの一例を図８に示す。図示するように、目標電流上げ速度ΔＩ＊は、スタック電流上昇量ΔＩｓが小さいときには大きいときに比して、大きく（速く）なるように設定される。目標電流上げ速度ΔＩ＊を設定すると、前回このルーチンで設定した目標スタック電流（前回Ｉｓ＊）に目標電流上げ速度ΔＩ＊を加えたものを目標電流上限値Ｉｍａｘに設定し（ステップＳ２３０）、要求スタック電流Ｉｒｅｑと目標電流上限値Ｉｍａｘとのうち小さい方を目標スタック電流Ｉｓ＊に設定する（ステップＳ２４０）。そして、目標スタック電流Ｉｓ＊で燃料電池スタック３６が発電されるように原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とエア供給装置５０とを制御すると共にパワーコンディショナ７０を制御して（ステップＳ２５０）、発電制御ルーチンを終了する。
【００３６】
これにより、第２実施形態の燃料電池システム１０においては、要求スタック電流Ｉｒｅｑの上昇幅が比較的大きい場合には、最初はスタック電流上昇量ΔＩｓが小さいため、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊が大きくとることができる。そして、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊で燃料電池スタック３６の出力が制御されると、次第にスタック電流Ｉｓが立ち上がり、スタック電流上昇量ΔＩｓが大きくなるため、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊が小さくなっていく。このように、第２実施形態の燃料電池システム１０では、出力の上昇速度を大きい状態から小さい状態へと段階的に変化させることで、要求出力が大きく上昇した場合でも、システムに悪影響を与えることなく、燃料電池スタック３６の出力を要求出力の上昇に良好に追従させることができる。また、要求スタック電流Ｉｒｅｑの上昇幅が比較的小さい場合には、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を終始大きくとることができ、燃料電池スタック３６の出力を要求出力に向けて素早く上昇させることができる。
【００３７】
次に、第３実施形態の燃料電池システム１０について説明する。第３実施形態の燃料電池システム１０では、図３の発電制御ルーチンに代えて図９の発電制御ルーチンが実行される点が第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。
【００３８】
図９の発電制御ルーチンでは、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、要求スタック電流Ｉｒｅｑと温度センサ９１からの蒸発部温度Ｔ１とを入力する（ステップＳ４００）。続いて、入力した蒸発部温度Ｔ１に基づいて目標電流上げ速度ΔＩ＊を設定する（ステップＳ４１０）。ここで、目標電流上げ速度ΔＩ＊の設定は、第３実施形態では、蒸発部温度Ｔ１と目標電流上げ速度ΔＩ＊との関係を予め求めて目標電流上げ速度設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、蒸発部温度Ｔ１が与えられると、マップから対応する目標電流上げ速度ΔＩ＊を導出することにより行なうものとした。目標電流上げ速度設定用マップの一例を図１０に示す。図示するように、目標電流上げ速度ΔＩ＊は、蒸発部温度Ｔ１が高いときには低いときに比して、大きく（速く）なるように設定される。目標電流上げ速度ΔＩ＊を設定すると、前回このルーチンで設定した目標スタック電流（前回Ｉｓ＊）に目標電流上げ速度ΔＩ＊を加えたものを目標電流上限値Ｉｍａｘに設定し（ステップＳ４２０）、要求スタック電流Ｉｒｅｑと目標電流上限値Ｉｍａｘとのうち小さい方を目標スタック電流Ｉｓ＊に設定する（ステップＳ４３０）。そして、目標スタック電流Ｉｓ＊で燃料電池スタック３６が発電されるように原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とエア供給装置５０とを制御すると共にパワーコンディショナ７０を制御して（ステップＳ４４０）、発電制御ルーチンを終了する。
【００３９】
これにより、第３実施形態の燃料電池システム１０においては、要求出力が上昇した場合、蒸発部温度Ｔ１が高く気化器３２で水蒸気の生成が促進される状況にあるときには目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を大きくすることで、燃料電池スタック３６の出力を要求出力の上昇に良好に追従させることができる。一方、蒸発部温度Ｔ１が低く気化器３２で水蒸気の生成が促進されない状況にあるときには目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を小さくすることで、水蒸気の生成の遅れを抑制し、Ｓ／Ｃの急減を抑制することができる。この結果、第３実施形態の燃料電池システム１０においても、システムに悪影響を与えることなく、負荷変動に対する追従性を良好にすることができる。
【００４０】
第３実施形態の燃料電池システム１０では、改質器３３の入口付近に設けられた温度センサ９１からの蒸発部温度Ｔ１に基づいて目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を設定するものとしたが、燃焼部３４に設けられた温度センサ９２からの燃焼部温度Ｔ２に基づいて目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を設定するものとしてもよいし、燃料電池スタック３６の近傍に設けられた温度センサ９３からのスタック温度Ｔ３に基づいて目標スタック電流Ｉｓ＊を設定するものとしてもよい。いずれにおいても、温度センサ９２，９３により検出される温度（燃焼部温度Ｔ２，スタック温度Ｔ３）が高いときには低いときに比して目標電流上げ速度ΔＩｓ＊（目標出力の上昇速度）を大きくすればよい。
【００４１】
上述した実施形態では、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を設定し、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊の範囲内で目標スタック電流Ｉｓ＊が要求スタック電流Ｉｒｅｑに向かって上昇するように制御するものとしたが、目標電流上げ速度ΔＩｓ＊を設定するものに限られず、出力に準じたものであれば、例えば目標電力上げ速度を設定するなどとしてもよい。
【００４２】
実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック３６が「燃料電池」に相当し、改質器３３が「改質部」に相当し、気化器３２が「蒸発部」に相当し、原料ガス供給装置４０が「原料ガス供給装置」に相当し、改質水供給装置５５が「改質水供給装置」に相当し、エア供給装置５０が「酸化剤ガス供給装置」に相当し、燃焼部３４が「燃焼部」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。また、温度センサ９１〜９３が「温度センサ」に相当する。
【００４３】
なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００４４】
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  ガス供給源、２  商用電源、３  電力ライン、４  負荷、１０  燃料電池システム、２０  発電ユニット、２２  筐体、２２ａ  吸気口、２２ｂ  排気口、２４  換気ファン、３０  燃料電池モジュール、３１  モジュールケース、３２  気化器、３３  改質器、３４  燃焼部、３５  点火ヒータ、３６  燃料電池スタック、３７  燃焼触媒、４０  原料ガス供給装置、４１  原料ガス供給管、４２，４３  原料ガス供給弁、４４  オリフィス、４５  原料ガスポンプ、４６  脱硫器、４７  圧力センサ、４８  流量センサ、５０  エア供給装置、５１  エア供給管、５２  フィルタ、５３  エアブロワ、５４  流量センサ、５５  改質水供給装置、５６  改質水供給管、５７  改質水タンク、５８  改質水ポンプ、６０  排熱回収装置、６１  循環配管、６２  熱交換器、６３  循環ポンプ、６６  凝縮水供給管、６７  排気ガス排出管、７０  パワーコンディショナ、７１  ＤＣ／ＤＣコンバータ、７２  インバータ、７３  電流センサ、７４  電圧センサ、７８  電源基板、８０  制御装置、８１  ＣＰＵ、８２  ＲＯＭ、８３  ＲＡＭ、８４  タイマ、９０  表示パネル、９１〜９３  温度センサ、１００  給湯ユニット、１０１  貯湯タンク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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