(57)【要約】【課題】  高温作動型燃料電池の熱自立運転状態を維持しつつ、出力を変動させることが可能で、低出力運転と高出力運転或いはその繰返しに対処することが出来る燃料電池システムおよび制御方法の提供。【解決手段】  高温作動型燃料電池（１）と、該燃料電池の運転状態を判定する燃料電池運転状態判定手段（２）と、当該燃料電池からの出力制御する出力制御手段（３）と、燃料供給量を制御する燃料供給量制御手段（５）と、酸化剤供給量を制御する酸化剤供給量制御手段（７）と、燃料電池制御手段（８）とを有し、燃料電池（１）の運転状態を示すパラメータ（例えば、燃料電池の温度）及び予め記憶されている特性に基づいて前記出力制御手段（３）、燃料供給量制御手段（５）、酸化剤供給量制御手段（７）の何れかを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温作動型燃料電池と、該燃料電池の運転状態を判定する燃料電池運転状態判定手段と、当該燃料電池からの出力制御する出力制御手段と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給系統に介装され燃料供給量を制御する燃料供給量制御手段と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給系統に介装され酸化剤供給量を制御する酸化剤供給量制御手段と、燃料電池制御手段とを有し、該燃料電池制御手段は、燃料電池の出力と燃料供給量と酸化剤供給量と燃料電池の運転状態を示すパラメータとの特性が記憶されており、燃料電池の運転状態を示すパラメータ及び記憶されている前記特性に基づいて前記出力制御手段、燃料供給量制御手段、酸化剤供給量制御手段の何れかを制御する様に構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池の出力側に蓄電装置が接続されている請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を減少させる際に、燃料電池から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、そして、燃料電池の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる制御を行う様に構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を減少させる際に、燃料電池から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した数値まで減少させ、燃料電池の熱自立運転限界に対応する数値まで燃料供給量を減少させ、更に、減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応した量まで酸化剤供給量を減少するように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を減少させる際に、燃料電池の電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、そして、燃料電池の熱自立運転限界に相当する量まで燃料供給量及び酸化剤供給量を減少させる制御を行うように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を減少させる際に、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性に従って減少せしめる制御を行うように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を増大させる際に、目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量し、そして、目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率とせしめる制御を行うように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を増大させる際に、目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量し、増量された燃料供給量における熱自立運転に対応した量の酸化剤を供給し、そして、目標出力に応じた数値の電流密度及び／又は燃料利用率に調整する制御を行うように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を増大させる際に、目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料及び酸化剤を増量し、そして、電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に応じた数値に調整する制御を行うように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の出力を増加させる際に、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性に従って増加せしめる制御を行うように構成されている請求項１、２の何れかの燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池制御手段は、需要が燃料電池の熱自立限界における最低出力以上の場合には負荷追従運転を行い、需要が燃料電池の熱自立限界における最低出力を下回った場合には最低出力運転を行い、需要に対する余剰分の出力電力を蓄電装置で蓄電する制御を行う様に構成されている請求項１〜１０の何れか１項の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池制御手段（８）は、需要が燃料電池の定格出力以下の場合は負荷追従運転を行い、需要が燃料電池の定格出力を超えた場合には、燃料電池が定格出力で運転されると共に、蓄電装置から電力供給が行われる様に構成されている請求項１〜１１の何れか１項の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池制御手段は、燃料電池の作動温度を４００℃〜１２００℃の範囲とする制御を行うように構成されている請求項１〜１２の何れか１項の燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項３の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を減少させるに際して、先ず、燃料電池から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させる工程と、燃料電池の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる工程とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
請求項４の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を減少させるに際して、最初に燃料電池から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した数値まで減少させる工程と、次に燃料電池の熱自立運転限界に対応する数値まで燃料供給量を減少させる工程と、続いて減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応した量まで酸化剤供給量を減少する工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
請求項５の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を減少させるに際して、最初に燃料電池の電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させる工程と、続いて燃料電池の熱自立運転限界に相当する量まで燃料供給量及び酸化剤供給量を減少させる工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
請求項６の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を減少させるに際して、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性に従って減少せしめる工程を有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
請求項７の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を増大させるに際して、先ず目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量する工程と、続いて目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率とせしめる工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
請求項８の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を増大させるに際して、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量する工程と、次に増量された燃料供給量における熱自立運転に対応した量の酸化剤を供給する工程と、続いて目標出力に応じた数値の電流密度及び／又は燃料利用率に調整する工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
請求項９の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を増大させるに際して、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料及び酸化剤を増量する工程と、次に電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に応じた数値に調整する工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２１】
請求項１０の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の出力を増加させるに際して、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性に従って増加せしめる工程を有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２２】
請求項１１の燃料電池システムを制御する制御方法において、需要が燃料電池の熱自立限界における最低出力以上の場合には負荷追従運転を行い、需要が燃料電池の熱自立限界における最低出力を下回った場合には最低出力運転を行い、需要に対する余剰分の出力電力を蓄電装置で蓄電している請求項１４〜請求項２１の何れか１項の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２３】
請求項１２の燃料電池システムを制御する制御方法において、需要が燃料電池の定格出力以下の場合は負荷追従運転を行い、需要が燃料電池の定格出力を超えた場合には、燃料電池が定格出力で運転されると共に、蓄電装置から電力供給が行われる請求項１４〜請求項２２の何れか１項の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２４】
請求項１３の燃料電池システムを制御する制御方法において、燃料電池の作動温度を計測する工程と、計測された燃料電池の作動温度を４００℃〜１２００℃の範囲とする制御を行う工程、とを有している請求項１４〜請求項２３の何れか１項の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)や溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)の様な高温作動型燃料電池を備えたシステムに関する。より詳細には、本発明は、係る高温作動型燃料電池システムにおける出力制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)や溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)の様な高温作動型燃料電池では、メタン（ＣＨ４）の様な炭化水素系燃料を改質して燃料ガス（水素ガス）を生成して利用している。そして、ＳＯＦＣでは６００〜１０００℃以上、ＭＣＦＣでは約５００℃〜９００℃以上の高温で作動させる。
【０００３】
そのような高温作動型燃料電池では、供給された燃料の全てが電池内での発電に利用されることはなく、定格運転時でも６０〜８０％程度の燃料が発電に用いられ、残りの２０〜４０％程度は未反応燃料として燃料電池外に排出される。未反応燃料はオフガス燃焼室等で燃焼し、その発生熱の一部は燃料電池システムの高温維持に利用される。また、燃料電池内においても、発電時に内部発熱が生じ、その熱によっても燃料電池システムは高温維持される。
ここで、供給燃料の発熱量に対する、燃料電池の発電反応に相当する熱量（燃料電池の発電電力に相当する熱量と、燃料電池における発熱に相当する熱量の和）の比は、一般に燃料利用率と呼ばれる。
【０００４】
燃料供給量が同じ場合でも、燃料利用率が異なると電池における発熱とオフガス燃焼による発熱のバランスが大きく変化する。例えば燃料供給量を定格運転時と同じままで燃料利用率を下げることで、燃料電池の出力を低下させることは可能であるが、その場合には電池内での内部発熱が減少し、電池温度が低下する。その一方で、オフガス燃焼する燃料量が増加するため、オフガス部の温度は高温化する。
しかし、オフガス燃焼部の熱が、必ずしも電池部分に効率よく伝わるとは限らず、その場合には電池温度が低下し、結果的に熱自立運転が困難となってしまう場合もある。
【０００５】
また燃料同様、燃料電池に供給する酸化剤中の酸素（ＭＣＦＣの場合は二酸化炭素も含む）も、その全てが発電に利用されるわけではなく、一般に２０〜４０％程度が利用される。ここで、この様な酸化剤を利用する割合は、酸化剤利用率と呼ばれる。
【０００６】
燃料電池の構成材料が、急激な温度変化や、常温と電池作動温度間の頻繁な熱サイクルによる耐久性を持たないこと、更に高温の作動温度まで燃料電池システムを昇温させるために費やすエネルギが大きく、作動温度に達するまでに長時間を要することから、これらの高温作動方燃料電池は、発電出力を一定に保ち、且つ電池内部の熱バランスを保つことで、燃料電池システムの温度を一定に維持しながら運転する（熱自立運転）のが一般的である。
【０００７】
高温作動型燃料電池では、発電出力を変化させることによって電池内部の熱バランスが崩れ、電池システムの温度が変化して電池が破損するため、熱自立の制御をすることなく、発電出力を変化させることは好ましくない。
仮に燃料電池の熱サイクル耐久性が向上したとしても、停止している高温作動型燃料電池を作動させるまでには長時間を要し、大量のエネルギを消費することには変わりがないため、夜間などの負荷が低い時に燃料電池を停止させ、負荷が増加する前（例えば朝）に燃料電池を起動しても、全負荷運転に至るまでに長時間を要してしまうので、その様な場合においては、高温作動型燃料電池により電力需要等に応えることが出来ない。
【０００８】
需要の低い時間帯も含めて常時全負荷運転をすることが、燃料電池の性能や耐久性維持上は最も好ましいが、その場合には需要の低い時間帯での余剰発電出力は全て無駄となってしまう。以上のことから、従来の高温作動型燃料電池は、家庭や事務所等の様に、昼間と夜間の負荷変動が大きな施設における需要に適用させることが困難である。
【０００９】
これに対して、高温作動型燃料電池の出力制御方法として、燃料供給量を変化させて発電出力を変更させる際に、電池の反応温度Ｔが９００〜１０５０℃の範囲において、Ｔ０−１０≦Ｔ≦Ｔ０＋１０（Ｔ０は発電出力変更前の電池反応温度［℃］）を満たすように、酸化剤供給量及び供給酸化剤の温度の一方又は双方を制御する運転方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【００１０】
また、ＳＯＦＣに代表される高温作動型燃料電池に、レドックスフロー電池などの蓄電システムを直流接続しておき、両者を最適運転する最適化運転システムの指令に応じて、需要の低い時間帯での余剰発電出力を蓄電し、昼間などの負荷の高い時間帯に放電して利用することで、燃料電池を常に定格レベルで運転したままで負荷変動に対応可能とする方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【００１１】
上述した「酸化剤供給量及び供給酸化剤の温度の一方を制御する運転方法」（特許文献１）では、熱自立を維持した出力制御は可能と考えられるが、一定制御させる電池の反応温度が８９０℃〜１０６０℃という高温である上に、制御可能な温度幅が狭い。従って、発電出力は制御できても、電池の反応温度範囲を維持するのに多量のエネルギを要し、省エネルギ性が低下してしまう、という問題を有している。
【００１２】
例えば、ＳＯＦＣ発電システムでは、電池材料や製造技術等の発展に伴い、反応温度が６００〜８００℃程度でも高効率で熱自立運転が可能な燃料電池システムが開発されつつある。これらの電池システムは当然７００〜１１００℃程度の高温でも作動可能であるが、６００〜８００℃程度の温度域で熱自立運転させた方が、７００〜１１００℃程度の高温域で運転させるよりも、電池システムの温度維持に要するエネルギ量を大幅に低減できるために高効率であるばかりでなく、金属材料等の安価な材料を利用できるという利点がある。そして、本来、低い温度で燃料電池を制御したほうが省エネルギとなる。
しかし、上述した従来技術（例えば、特許文献１）での制御範囲（８９０℃〜１０６０℃）では、上記のような６００〜８００℃程度の温度域で熱自立運転可能な電池システムには対応することができない。
【００１３】
ＳＯＦＣやＭＣＦＣなどの高温作動型燃料電池の電池構成材料は、電池反応温度の変化幅（熱サイクル幅）が狭いほど、また変化サイクルの回数（熱サイクル頻度）が低いほど、熱サイクルに対する耐久性が高い。
また同じ熱サイクル幅であっても、電池の完全停止と定格運転を繰り返す際に想定される２０℃（常温）〜６００℃間以上の温度範囲での常温・高温熱サイクルと、熱自立限界までの低出力運転と定格運転を繰り返す際に想定される５００℃〜１０００℃程度の高温域のサイクルとを比較すると、後者の方（５００℃〜１０００℃程度）が熱サイクルに対する耐久性が高い。従って、熱自立限界の低出力運転の温度レベルを５００℃〜７００℃とすることで、熱サイクル耐久性を確保した広範囲な出力制御が可能となる。
【００１４】
しかし、制御する温度範囲が狭い上述の従来技術（例えば特許文献１）では、このような広範囲（５００℃〜７００℃）の温度域に対応する出力制御を行うことが出来ない。このため、上述の従来技術（例えば特許文献１）では、一般的な職場や事務所等（休日や夜間に殆ど電力需要が無い施設）の様に、広範囲な負荷変動（需要変動）を生じる施設に対して、好適な出力制御運転を実現することが出来ない。
【００１５】
さらに、燃料供給手段により燃料供給量を発電に応じて調整し、続いて電池の反応温度が一定となるように酸化剤供給量及び／又は酸化剤温度の一方又は双方を制御するという従来技術（例えば、特許文献１）では、酸化剤供給量の変化や酸化剤温度変化の応答性が遅いため、燃料供給量の増減時に電池での燃料と酸化剤の濃度バランスが容易に崩れてしまう。
そして、燃料電池での燃料と酸化剤の濃度バランスが崩れてしまうと、燃料枯れ（供給酸素に比べ供給燃料量が少なくなると、余剰の酸素が燃料極内に入り込み、酸素と燃料極が反応して燃料極に損傷を与えてしまう現象）や酸素枯れ（供給燃料量に比べ供給酸素が少なくなると、余剰の燃料が酸化剤極内に入り込み、燃料と酸化剤極が反応して、酸化剤極に損傷を与えてしまう現象）を誘発しやすく、これらの現象によって電池が破損してしまう。
【００１６】
燃料電池単体と蓄電システムを直流接続した従来のシステム（例えば、特許文献２）では、制御方法に関して具体的な開示が為されていない。
また、燃料電池は、出力が低下しても効率は向上するため、余剰電力が発生する場合には、出力を熱自立限界まで低下させ、その上で余剰電力が生じる場合には蓄電システムに蓄電した方が効率は良いが、こうした電池の出力と蓄電の双方に対する制御に関しては、従来技術（特許文献２）では提案されていない。
【００１７】
また、前記ハイブリッドシステム（例えば、特許文献２）では、ハイブリッド電源を定格レベルに保って運転するため、需要が低い時間帯には余剰電力が多量に発生する。しかし、係る余剰電量を蓄電するだけの（対応しうる）容量の蓄電システムは、設備が大型化してしまうという問題を抱えている。
【特許文献１】特開２００３−１１５３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１２３７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、高温作動型燃料電池の熱自立運転状態を維持しつつ、出力を変動することが可能であり、低出力運転と高出力運転或いはその繰返しに対処することが出来る燃料電池システムおよび制御方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、高温作動型燃料電池（１）と、該燃料電池（１）の運転状態（例えば燃料電池１の温度）を判定する燃料電池運転状態判定手段（電池監視装置２）と、当該燃料電池からの出力制御する出力制御手段（例えば、電流密度制御手段或いはパワーコンディショナー３）と、燃料電池（１）に燃料を供給する燃料供給系統（４）に介装され燃料供給量を制御する燃料供給量制御手段（燃料調整バルブ５）と、燃料電池（１）に酸化剤を供給する酸化剤供給系統（６）に介装され酸化剤供給量を制御する酸化剤供給量制御手段（酸化剤調整バルブ７）と、燃料電池制御手段（８）とを有し、該燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力と燃料供給量と酸化剤供給量と燃料電池（１）の運転状態を示すパラメータ（例えば、燃料電池１の温度）との特性（例えば、マップ、特性曲線など）が記憶されており、燃料電池（１）の運転状態を示すパラメータ（例えば、燃料電池１の温度）及び記憶されている前記特性（例えば、マップ、特性曲線など）に基づいて前記出力制御手段（例えば、電流密度制御手段或いはパワーコンディショナー３）、燃料供給量制御手段（燃料調整バルブ５）、酸化剤供給量制御手段（酸化剤調整バルブ７）の何れかを制御する様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。
【００２０】
ここで、前記燃料電池運転状態判定手段（電池監視装置２）は、燃料電池（１）の反応温度等を計測して、熱自立運転状態を判定する様に構成されているのが好ましい。
そして、燃料電池（１）の熱自立運転状態を示すパラメータを計測する手段として、例えば、燃料電池（１）の反応温度を計測する温度計測手段を設けているのが好ましい。
【００２１】
本発明において、燃料電池（１）の出力側に蓄電装置（例えば、２次電池又はキャパシタ１０）が接続されている（請求項２）。
ここで、蓄電装置（例えば、２次電池又はキャパシタ１０）は、例えば、前記電流密度制御手段（パワーコンディショナー３）における燃料電池（１）の直流出力部（３ｏ）に接続されているのが好ましい。
【００２２】
そして、前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を減少させる際に、燃料電池（１）から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、そして、燃料電池（１）の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる制御を行う様に構成されている（請求項３：図３参照）。
また、（請求項３の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を減少させるに際して、先ず、燃料電池（１）から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させる工程と、燃料電池（１）の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる工程とを有している（請求項１４：図３参照）。
【００２３】
或いは、前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を減少させる際に、燃料電池（１）から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した数値まで減少させ、燃料電池（１）の熱自立運転限界に対応する数値まで燃料供給量を減少させ、更に、減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応した量まで酸化剤供給量を減少するように構成されている（請求項４：図４参照）。
そして、（請求項４の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を減少させるに際して、最初に燃料電池（１）から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した数値まで減少させる工程と、次に燃料電池（１）の熱自立運転限界に対応する数値まで燃料供給量を減少させる工程と、続いて減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応した量まで酸化剤供給量を減少する工程、とを有している（請求項１５：図４参照）。
【００２４】
前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を減少させる際に、燃料電池（１）の電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、そして、燃料電池（１）の熱自立運転限界に相当する量まで燃料供給量及び酸化剤供給量を減少させる制御を行うように構成されている（請求項５：図５）。
そして、（請求項５の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を減少させるに際して、最初に燃料電池（１）の電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させる工程と、続いて燃料電池（１）の熱自立運転限界に相当する量まで燃料供給量及び酸化剤供給量を減少させる工程とを有している（請求項１６：図５）。
【００２５】
前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を減少させる際に、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性（例えば、マップ、特性曲線など）に従って（例えば同時に）減少せしめる制御を行うように構成されている（請求項６：図６）。
そして、（請求項６の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を減少させるに際して、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性（例えば、マップ、特性曲線など）に従って（例えば同時に）減少せしめる工程を有している（請求項１７：図６）。
【００２６】
また、前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を増大させる際に、目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量し、そして、目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率とせしめる制御を行うように構成されている（請求項７：図７参照）。
（請求項７の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を増大させるに際して、先ず目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量する工程と、続いて目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率とせしめる工程、とを有している（請求項１８：図７参照）。
【００２７】
或いは、前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を増大させる際に、目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量し、増量された燃料供給量における熱自立運転に対応した量の酸化剤を供給し、そして、目標出力に応じた数値の電流密度及び／又は燃料利用率に調整する制御を行うように構成されている（請求項８：図８参照）。
（請求項８の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を増大させるに際して、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料を増量する工程と、次に増量された燃料供給量における熱自立運転に対応した量の酸化剤を供給する工程と、続いて目標出力に応じた数値の電流密度及び／又は燃料利用率に調整する工程、とを有している（請求項１９：図８参照）。
【００２８】
前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を増大させる際に、目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料及び酸化剤を増量し、そして、電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に応じた数値に調整する制御を行うように構成されている（請求項９：図９）。
（請求項９の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を増大させるに際して、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ燃料及び酸化剤を増量する工程と、次に電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に応じた数値に調整する工程、とを有している（請求項２０：図９）。
【００２９】
前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の出力を増加させる際に、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性（例えば、マップ、特性曲線など）に従って（例えば同時に）増加せしめる制御を行うように構成されている（請求項１０：図１０）。
（請求項１０の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の出力を増加させるに際して、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量と、酸化剤供給量とを、記憶された特性（例えば、マップ、特性曲線など）に従って（例えば同時に）増加せしめる工程を有している（請求項２１：図１０）。
【００３０】
前記燃料電池制御手段（８）は、需要（電力需要）が燃料電池（１）の熱自立限界における最低出力以上の場合には負荷追従運転（例えば、請求項３〜請求項１０の制御）を行い、需要（電力需要）が燃料電池（１）の熱自立限界における最低出力を下回った場合には最低出力運転を行い、需要に対する余剰分の出力電力を蓄電装置（１０）で蓄電する制御を行う様に構成されている（請求項１１：図１１参照）。
（請求項１１の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、需要（電力需要）が燃料電池（１）の熱自立限界における最低出力以上の場合には負荷追従運転（例えば、請求項３〜請求項１０、請求項１４〜請求項２１の制御）を行い、需要（電力需要）が燃料電池（１）の熱自立限界における最低出力を下回った場合には最低出力運転を行い、需要に対する余剰分の出力電力を蓄電装置（１０）で蓄電している（請求項２２：図１１参照）。
【００３１】
前記燃料電池制御手段（８）は、需要（電力需要）が燃料電池（１）の定格出力以下の場合は負荷追従運転（例えば、請求項３〜請求項１０の制御）を行い、需要（電力需要）が燃料電池（１）の定格出力を超えた場合には、燃料電池が定格出力で運転されると共に、蓄電装置（１０）から電力供給が行われる様に構成されている（請求項１２：図１２）。
（請求項１２の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、需要（電力需要）が燃料電池（１）の定格出力以下の場合は負荷追従運転（例えば、請求項３〜請求項１０、請求項１４〜請求項２１の制御）を行い、需要（電力需要）が燃料電池（１）の定格出力を超えた場合には、燃料電池が定格出力で運転されると共に、蓄電装置（１０）から電力供給が行われる（請求項２３：図１２）。
【００３２】
前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の作動温度を４００℃〜１２００℃（より好ましくは５５０℃〜７５０℃）の範囲とする制御を行うように構成されている（請求項１３：図１３）。
（請求項１３の燃料電池システムを制御する）本発明の制御方法によれば、燃料電池（１）の作動温度を計測する工程と、計測された燃料電池（１）の作動温度を４００℃〜１２００℃（より好ましくは５５０℃〜７５０℃）の範囲とする制御を行う工程、とを有している（請求項２４：図１３）。
ここで、計測された燃料電池（１）の作動温度を４００℃〜１２００℃（より好ましくは５５０℃〜７５０℃）の範囲とする制御は、上述した本発明（請求項３〜請求項１０、請求項１４〜請求項２１）による出力減少或いは出力上昇であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
上述したような構成を具備する本発明（請求項１）の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、燃料電池（１）の熱自立運転状態を示すパラメータ（例えば、燃料電池１の温度）と燃料電池（１）の出力と燃料供給量と酸化剤供給量と燃料電池（１）の熱自立運転状態を示すパラメータ（例えば、燃料電池１の温度）との特性（例えば、マップ、特性曲線など）及び記憶されている前記特性（例えば、マップ、特性曲線など）に基づいて、燃料電池出力、燃料供給量、酸化剤供給量を制御する様に構成されているので、燃料及び／又は酸化剤の供給量を常に適正量に保ち、燃料電池（１）の熱自立運転状態を維持することが出来る。
【００３４】
ここで、電流密度及び／又は燃料利用率を一定のまま、燃料供給量を減少させると、いわゆる燃料枯れ（酸化剤の供給量に対する燃料量が不足する現象）によって燃料電池が損傷を受けてしまう。
これに対して、（請求項３、請求項１４に係る）本発明によれば、燃料電池（１）の出力を減少させる際に、最初に当該燃料電池（１）から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、その後に燃料電池（１）の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる様に制御しているため、いわゆる「燃料枯れ」によって燃料電池が損傷を受けてしまう事態を回避することが出来る。
【００３５】
燃料電池（１）の出力を減少させる際に、最初に酸化剤供給量を減少させないと、いわゆる「燃料枯れ（酸化剤供給量に対する燃料供給量が不足する現象）」によって燃料電池が損傷を受けてしまう。
これに対して（請求項４、請求項１５に係る）本発明によれば、燃料電池（１）の出力を減少させる際に、最初に当該燃料電池（１）から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、その後に燃料電池（１）の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させ、更にその後に減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応した酸化剤の供給量に酸化剤供給量を制御しているため、いわゆる「燃料枯れ」によって燃料電池が損傷を受けてしまう」ような事態を回避することが出来る。
【００３６】
また、燃料電池（１）の運転制御において、燃料供給量を一定にしたまま電流密度を増大し、或いは燃料利用率を増加させると、いわゆる燃料枯れ（燃料量に対する酸化剤の供給量が不足する現象）によって燃料電池が損傷を受けてしまう。
これに対して、（請求項７、請求項１８の）本発明によれば、燃料電池（１）の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料を供給し、その後に目標出力に応じた電流密度とし、及び／又は、目標出力に応じた燃料利用率に調整する様に制御しているため、いわゆる「燃料枯れ」によって燃料電池が損傷を受けてしまうような事態を回避することが出来る。
【００３７】
ここで、燃料電池（１）の出力を増加する際に最初に酸化剤供給量を増加させると、いわゆる燃料枯れ（酸化剤の供給量に対して燃料供給量が不足する現象）によって燃料電池が損傷を受けてしまう。
（請求項８、請求項１９に係る）本発明によれば、燃料電池（１）の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料を供給し、その後にその燃料供給量における熱自立運転に対応した酸化剤を供給し、その後に目標出力に応じた電流密度とせしめ、及び／又は、目標出力に応じた燃料利用率に調整する様に制御しているため、いわゆる「燃料枯れ」によって燃料電池が損傷を受けてしまう事態を回避することが出来る。
【００３８】
本発明（請求項１１、請求項２２）によれば、電力需要が少なくて、燃料電池（１）の熱自立限界における最低出力を下回ってしまった場合には、燃料電池（１）を熱自立限界における最低出力で運転し、需要に対して余剰の電力を当該蓄電装置（２次電池又はキャパシタ１０）で蓄電することが可能である。
従って、電力需要が減少しても、燃料電池の熱自立運転状態を維持しつつ、需要に対して余剰分の出力電力を浪費することを防止できる。
【００３９】
そして、本発明（請求項１２、請求項２３）によれば、蓄電装置（２次電池又はキャパシタ１０）で蓄電された電力は、電力需要が燃料電池（１）の定格出力を超えている場合に、電力需要に対して燃料電池出力が不足している分を補填するのに使用される。
そのため、電力需要が過大となった場合にも対処することが出来る。
【００４０】
（請求項１３、請求項２４の）本発明によれば、前記燃料電池制御手段（８）は、燃料電池（１）の作動温度を４００℃〜１２００℃（より好ましくは５５０℃〜７５０℃）の範囲とする制御を行うように構成されているので（請求項１１）、電池システムの温度維持に要するエネルギ量を大幅に低減できるために高効率であるばかりでなく、金属材料など安価な材料を利用できるという利点がある。そして、低い温度で燃料電池を制御することが可能となるので、省エネルギの要請にも合致する。
燃料電池の作動温度の温度範囲（熱サイクル幅）が狭くなるため、熱サイクルに対する耐久性が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００４２】
先ず、図１を参照して本発明の燃料電池システムの実施形態の構成について、説明する。
図1において、燃料電池システムＡは、燃料電池１と、該燃料電池１の反応温度等を計測し、当該燃料電池の熱自立状態を判定する燃料電池監視装置２（燃料電池運転状態判定手段）とを有している。
ここで燃料電池１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や、溶融炭酸塩方燃料電池（ＭＣＦＣ）の様な、高温作動型燃料電池で構成されている。
【００４３】
燃料電池システムＡは、燃料電池１に燃料を供給する燃料供給系統４と、燃料電池１に酸化剤を供給する酸化剤供給系統６とを有している。
燃料供給系統４には、燃料供給量制御手段である燃料調整バルブ５が介装されており、酸化剤供給系統６には、酸化剤供給量制御手段である酸化剤調整バルブ７が介装されている。
【００４４】
また燃料電池システムＡは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、二次電池或いはキャパシタ１０（蓄電装置）、双方向インバータ１１を有している。
【００４５】
前記燃料電池１は、電力ラインＬｅ１によって、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第１の端子９１に接続されている。そして、電力ラインＬｅ１には、燃料電池１の出力である電流密度を制御する手段であるパワーコンディショナー３が介装されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第２の端子９２は、電力ラインＬｅ２によって、キャパシタ１０の第１の端子１０１と接続されている。またキャパシタ１０の第２の端子１０２は、電力ラインＬｅ３によって、双方向インバータ１１の第１の端子１１１と接続されている。
【００４６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第３の端子９３は、電力ラインＬｅ４によって、前記キャパシタ１０を迂回する様な態様で、双方向インバータ１１の第３の端子１１３と接続されている。そして、双方向インバータ１１の第２の端子（出力端子）１１２は、電力ラインＬｅ５によって、電力需要１２と接続されている。
【００４７】
燃料電池システムＡは、燃料電池制御手段であるコントロールユニット８を有しており、コントロールユニット８はデータベース１３を付帯している。このデータベース１３には、燃料電池出力と、燃料と酸化剤の供給流量と、燃料電池１の自立運転限界温度との関係が、予めマップ化（図２で後述）されたデータが記憶されている。
【００４８】
コントロールユニット８は、入力信号ラインＬｉ１により燃料電池監視装置２と（情報的に）接続されており、入力信号ラインＬｉ２によって電力需要１２と接続されている。そしてコントロールユニット８は、制御信号ラインＬｏ１によって燃料調整バルブ５と接続され、制御信号ラインＬｏ２によって酸化剤調整バルブ７と接続され、制御信号ラインＬｏ３によってパワーコンディショナー３と接続されている。
さらにコントロールユニット８は制御信号ラインＬｏ４によりＤＣ／ＤＣコンバータ９と接続され、制御信号ラインＬｏ５によってキャパシタ１０と接続されている。
図１において、符号３ｏはパワーコンディショナー３における燃料電池の直流出力部を示している。
【００４９】
図２は、燃料電池１における電流密度と、電圧、及び発電密度の関係を示した特性図である。
横軸に電流密度［Ａ／ｃｍ２］をとり、左端縦軸に電圧［Ｖ］を、右端縦軸に発電密度［Ｗ／ｃｍ２］をとっている。
図２において、符号Ｐｗ１で示すのは燃料電池出力が高い状態（出力１００％：電池温度７００℃〜８００℃）の電流密度（横軸）及び発電密度（右端縦軸）を示すプロットであり、符号Ｐｖ１は燃料電池出力が高い状態の電流密度及び電圧（左端縦軸）を示すプロットである。そして、符号Ｐｗ２で示すのは燃料電池出力が低い状態（出力５０％：電池温度６００℃〜７００℃）の電流密度（横軸）及び発電密度（右端縦軸）を示すプロットであり、符号Ｐｖ２は燃料電池出力が低い状態の電流密度及び電圧（左端縦軸）を示すプロットである。
【００５０】
図１で示す実施形態において、燃料電池出力（電流密度）、燃料供給量、酸化剤供給量と熱自立運転時の温度が、予めマップや特性曲線が記憶されたコントローラ８により、制御される。
なお、制御の詳細については、図３〜図１３を参照して、後述する。
【００５１】
以下、図３〜図１３を参照して、図１で示す実施形態における各種の制御について説明する。
【００５２】
先ず、出力を減少させる場合の制御（第１の制御方法）を、主として図３を参照して説明する。
係る制御を行う場合には、コントロールユニット８（図１）は、燃料電池１の出力を減少させる際に、最初に当該燃料電池１から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、その後に燃料電池１の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる制御を行うように構成されている。
【００５３】
図３のステップＳ１において、コントロールユニット８は、出力を減少するのか否かを判断し、減少させないのであれば（ステップＳ１がＮＯ）、ステップＳ１における「ＮＯ」のループを繰り返し、出力を減少させるのであれば（ステップＳ１がＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
【００５４】
ステップＳ２では、電流密度を減少させて、ステップＳ３に進む。
この場合、電流密度を減少させることに代えて、燃料利用率を減少しても良い。或いは、電気密度及び燃料利用率を、共に減少する様にしても良い。
【００５５】
ステップＳ３では、コントロールユニット８は、目標出力に対応する出力値まで減少したか否かを判断し、目標出力に対応する出力値まで減少した場合は（ステップＳ３のＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。一方、目標出力に対応する出力値まで減少していなければ（ステップＳ３のＮＯ）、ステップＳ２に戻り、ステップＳ２以降を繰り返す。
【００５６】
ステップＳ４では燃料調整バルブ５（図１参照）を絞り、燃料供給量を減少させて、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、燃料電池１の稼動状態（発電状態）が熱自立限界まで下がったか否かを判断し、熱自立限界まで下がっていれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、制御は元のステップＳ１に戻りステップＳ１以降を繰り返す。一方、燃料電池１の稼動状態が熱自立限界まで下がっていなければ（ステップＳ５のＮＯ）、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４以降を繰り返す。
【００５７】
ここで、図３を参照して説明した制御（出力を減少する場合における制御）について、図２のマップを参照して述べると、次の様になる。
（１）  高温高出力（電池温度７００〜８００℃）で熱自立運転を行っている状態（発電密度は点Ｐｗ１、電圧は点Ｐｖ１：図３のステップＳ１がＮｏのループ）において、
（２）  燃料及び酸化剤一定で電流密度減少制御（線Ｌｗ上の点Ｐｗ１から点Ｐｗ２への変遷、及び線Ｌｖ上の点Ｐｖ１からＰｖ２への変遷）を行えば（図３のステップＳ１がＹｅｓからステップＳ３がＹｅｓ）、
（３）  燃料電池の発熱量が減少しオフガス燃焼が増加し（以って、燃料利用率も低下し）、
（４）  燃料電池の温度が低下し（電池温度６００〜７００℃）、オフガス余剰熱が発生する。
（５）  そして、燃料供給量を減少し（図３のステップＳ４、Ｓ５）、
（６）  その後、低温低出力の熱自立運転を継続する（図３のステップＳ５がＹＥＳ）。
【００５８】
主として図３を参照して説明した制御によれば、高温作動型燃料電池１の出力を減少させる際に、最初に当該燃料電池１から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、その後に燃料電池１の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させる様に制御しているため、当初から燃料供給量を減少させた場合の様にいわゆる「燃料枯れ（酸化剤の供給量に対する燃料量が不足する現象）」によって燃料電池が損傷を受けてしまう事態を、回避することが出来る。
【００５９】
次に、図４を参照して、出力を減少させる場合における（図３とは）別の制御（第２の制御方法）について説明する。
ここで、図４の制御を行う場合には、コントロールユニット８（図１）は、燃料電池１の出力を減少させる際に、最初に当該燃料電池１から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、その後に燃料電池１の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させ、更にその後に減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応した酸化剤の供給量に酸化剤供給量を制御するように構成されている。
【００６０】
図４において、ステップＳ１１〜ステップＳ１４は、図３のステップＳ１〜ステップＳ４と同様である。
【００６１】
ステップＳ１５において、コントロールユニット８は燃料電池１の稼動状態が熱自立限界まで下がったか否かを判断しており、燃料電池１の稼動状態が熱自立限界まで下がっていれば（ステップＳ１５のＹＥＳ）、制御は次のステップＳ１６に進む。一方、燃料電池１の稼動状態が熱自立限界まで下がっていなければ（ステップＳ１５のＮＯ）、ステップＳ１４に戻り、ステップＳ１４以降を繰り返す。
【００６２】
ステップＳ１６では、コントロールユニット８は熱自立運転限界に対応した酸化剤供給量となっているかを判断しており、熱自立運転限界に対応した酸化剤供給量となっていなければ（ステップＳ１６の「不適」）、ステップＳ１７で酸化剤調整バルブ７（図１参照）を絞り、酸化剤供給量を更に減少させる。一方、熱自立運転限界に対応した酸化剤供給量となっていれば（ステップＳ１６の「適正」）、ステップＳ１８に進む。
【００６３】
ステップＳ１８では、目標出力及び燃料供給量、酸化剤供給量が適正か否かを判断して、適正であれば（ステップＳ１８のＹＥＳ）、ステップＳ１１まで戻り（リターン）、再びステップＳ１１以降を繰り返す。一方、適正でなければ（ステップＳ１８のＮＯ）、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２以降を繰り返す。
なお、このステップＳ１８を省略することも可能である。その場合、ステップＳ１６で「適正」と判断されれば、そのままステップＳ１１に戻り、制御を続行する。
【００６４】
図４で説明した出力を減少する場合の制御について、図２のマップをも参照して説明すると、以下の様になる。
（１）  高温高出力（電池温度７００〜８００℃）で熱自立運転を行っている状態（発電密度は点Ｐｗ１、電圧は点Ｐｖ１：発電密度は点Ｐｗ１、電圧は点Ｐｖ１：図４のステップＳ１１がＮｏのループ）において、
（２）  燃料及び酸化剤一定で電流密度を減少する制御を行えば（線Ｌｗ上の点Ｐｗ１から点Ｐｗ２への変遷、及び線Ｌｖ上の点Ｐｖ１からＰｖ２への変遷）（図４のステップＳ１１がＹｅｓからステップＳ１３がＹｅｓ）、
（３）  燃料電池の発熱量が減少しオフガス燃焼が増加し（燃料利用率も低下）、
（４）  燃料電池の温度が低下（電池温度６００〜７００℃）し、オフガス余剰熱が発生する。
（５）  ここで、燃料供給量を減少させると（図４のステップＳ１４、Ｓ１５）、余剰熱が削減するので、燃料枯れ発生の懸念が生じる（図４のステップＳ１６が「不適」）。
（６）  そのため、燃料供給量を減少した場合には、酸化剤供給量を減少させ（図４のステップＳ１７）、燃料枯れの懸念を払拭し燃料枯れを回避する（図４のステップＳ１６が「適正」）。
（７）  その後、低温低出力の熱自立運転を継続する。
【００６５】
主として図４を参照して説明した制御によれば、燃料電池１の出力を減少させる際に、最初に当該燃料電池１から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させ、その後に燃料電池１の熱自立運転限界まで燃料供給量を減少させ、更に、減少させた燃料供給量における熱自立運転に対応して酸化剤の供給量を制御しているため、電流密度と燃料供給量を減少させずに酸化剤供給量を減少させてしまうことにより、いわゆる「酸化剤枯れ（燃料供給量に対して酸化剤供給量が不足する現象）」が生じて、燃料電池が損傷を受けてしまう、という事態を回避することが出来る。
【００６６】
図５で示す制御は、主として図４で説明した制御の変形にかかるものである。
図５で示す制御では、コントロールユニット８（図１）は、燃料電池１の出力を減少させる際に、当該燃料電池１から得る電流密度及び／又は燃料利用率を目標出力に対応した量まで減少させた後に、燃料電池１の熱自立運転限界まで燃料供給量及び酸化剤供給量を同時に減少させる制御を行う様に構成されている。
【００６７】
図５におけるステップＳ１１〜ステップＳ１３は、図４と同一である。
図５におけるステップＳ１４Ａは図４のステップＳ１４とステップＳ１７とを同時に行うものであり、図５におけるステップＳ１５Ａは図４のステップＳ１５における判断とステップＳ１６における判断とを同時に行うものである。
すなわち、図５におけるステップＳ１４Ａでは、燃料供給量と酸化剤供給量を共に減少する。そして、ステップＳ１５Ａにおいて、熱自立運転限界まで燃料供給量が減少し、且つ、熱自立運転限界に対応するまで酸化剤供給量が減少しているか否かを判断する。
【００６８】
熱自立運転限界まで燃料供給量が減少し、且つ、熱自立運転限界に対応するまで酸化剤供給量が減少していれば（ステップＳ１５ＡがＹＥＳ）、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８に進んだ後については、図４の制御と同じである。
一方、熱自立運転限界まで燃料供給量が減少しておらず、及び／又は、熱自立運転限界に対応するまで酸化剤供給量が減少していなければ（ステップＳ１５ＡがＮＯ）、ステップＳ１４Ａに戻る。ここで、ステップＳ１４Ａでは、燃料と酸化剤の熱自立運転限界に対応した量まで減少していない方のみを減少すれば良い場合も存在する。その様な場合の存在を考慮して、図５のステップＳ１４Ａでは、「及び／又は」と表記されている。
【００６９】
その他については、図５の制御は図４の制御と同様である。
【００７０】
図５の制御では燃料と酸化剤とを同時に減少したが、図６で示す制御では、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量及び酸化剤供給量の３つのパラメータを同時減少させている。
ここで、図６の制御も図４の制御の変形にかかるものである。
【００７１】
図６の制御を行うに際しては、コントロールユニット８（図１）は、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量及び酸化剤供給量の３つのパラメータを、予めマップに記憶された目標出力における熱自立運転限界に対応した値を参照し、その設定値に向けて同時に減少させる制御を行うように構成されている。
【００７２】
図６において、ステップＳ１１は図４と同様である。
図６のステップＳ１２Ａは、図４における電流密度及び／又は燃料利用率を減少する工程（ステップＳ１２）と、燃料供給量を減少する工程（ステップＳ１４）と、酸化剤供給量を減少する工程（ステップＳ１７）とを同時に行うものである。
ここで、図６のステップＳ１２Ａにおいて「及び」と言う表記ではなく、「及び／又は」と表記されているのは、後述するステップＳ１３Ａで「ＮＯ」と判定された場合には、ステップＳ１３Ａで目標値まで減少していないと判断されたパラメータのみを減少すれば良い場合が存在するので、その様な場合を考慮する趣旨である（ステップＳ１２Ａの「及び／又は」の「又は」に該当）。
【００７３】
このステップＳ１２Ａにおいて、上述した３つのパラメータ（電流密度及び／又は燃料利用率、燃料供給量、酸化剤供給量）を１つずつ調節しても、適正な値にならないことが予想されるので、例えば、コントロールユニット８で記憶されたマップの目標出力における熱自立運転限界に対応した値を制御目標として、３つのパラメータ全てを同時に制御しても良い（ステップＳ１２Ａの「及び／又は」の「及び」に該当）。
【００７４】
図６のステップＳ１３Ａは、図４における電流密度及び／又は燃料利用率の減少に関する判断工程（ステップＳ１３）と、燃料供給量の減少に関する判断工程（ステップＳ１５）と、酸化剤供給量の減少に関する判断工程（ステップＳ１６）とを同時に行うものである。
すなわち、図６のステップＳ１３Ａでは、電流密度（及び／又は燃料利用率）が目標出力に対応する値まで減少しており、且つ、燃料供給量が熱自立運転限界まで減少しており、且つ、酸化剤供給量が熱自立運転限界に対応する量まで減少した状態であるか否かが判定され、上述した３つのパラメータの全てが所定のレベルまで減少していれば（ステップＳ１３ＡがＹＥＳ）、ステップＳ１８に進み、図４で説明した制御と同様な処理が為される。
一方、上述した３つのパラメータの何れかが所定のレベルまで減少していなければ（ステップＳ１３ＡがＮＯ）、ステップＳ１２Ａに戻る。
【００７５】
その他については、図６の制御は図４の制御と同様である。
【００７６】
次に、図７を参照して、出力を増加させる場合の制御（第３の制御方法）を説明する。
その様な制御を行う場合には、コントロールユニット８（図１）は、燃料電池１の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料を供給し、その後に目標出力に応じた電流密度を得る、又は燃料利用率を調整する制御を行うように構成されている。
【００７７】
図７のステップＳ２１において、コントロールユニット８は、出力を増加するか否かを判断し、増加させないのであれば（ステップＳ２１がＮＯ）、ステップＳ２１における「ＮＯ」のループを繰り返す。一方、出力を減少させるのであれば（ステップＳ１がＹＥＳ）、ステップＳ２２に進む。
【００７８】
ステップＳ２２では、燃料の供給量を増量する。そしてステップＳ２３に進む。ステップＳ２３において、コントロールユニット８は、目標出力における熱自立に必要な分の燃料が燃料電池１へ供給されたか否かを判断する。
【００７９】
燃料電池１が目標出力において熱自立するのに必要な燃料を供給したならば（ステップＳ２３のＹＥＳ）、ステップＳ２４に進む。そしてステップＳ２４では、電流密度が目標出力となるように制御して、ステップＳ２１まで戻り（リターン）、再びステップＳ２１以降を繰り返す。
ステップＳ２３において、燃料電池が目標出力において熱自立するのに必要な量の燃料が供給されていなければ（ステップＳ２３がＮＯ）、ステップＳ２２に戻り、再びステップＳ２２以降を繰り返す。
【００８０】
図７を参照して説明された出力増加の場合の制御について、図２を参照して説明すると、以下の通りとなる。
すなわち、
（１）  低温低出力（５００℃〜６００℃：出力５０％）で熱自立運転を行っている状態で（図２において、左方のプロット：発電密度は点Ｐｗ２、電圧は点Ｐｖ２）、
（２）  燃料供給量を増加する（図７のステップＳ２２）。
（３）  その結果、電池温度は上昇する。
（４）  そして、燃料供給量を一定にして、電流密度を増加する制御を行う。すなわち、図２における特性曲線Ｌｗ上の点Ｐｗ２から点Ｐｗ１へ変遷し、或いは、特性曲線Ｌｖ上の点Ｐｖ２からＰｖ１へ変遷する。（図７のステップＳ２４）。
【００８１】
主として図７を参照して説明した制御によれば、燃料電池１の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料を供給し、その後に目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率に調整する様に制御しているため、燃料供給量を一定にした状態で電流密度及び／又は燃料利用率を増加させてしまった場合の様に、いわゆる「燃料枯れ（酸化剤供給量に対して燃料の供給量が不足する現象）」を生じてしまうことが防止され、「燃料枯れ」によって燃料電池が損傷を受けてしまう事態が回避出来る。
【００８２】
次に、図８を参照して、出力を増加させる制御であって、図７の制御とは異なる制御（第４の制御方法）について説明する。
ここで、図８で示す制御を行う場合には、コントロールユニット８は、燃料電池１の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料を供給し、その後にその燃料供給量における熱自立運転に対応した酸化剤を供給し、そして、目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率に調整する制御を行うように構成されている。
【００８３】
図８におけるステップＳ３１〜ステップＳ３３は、図７のステップＳ２１〜ステップＳ２３と同様である。
【００８４】
図８のステップＳ３３において、コントロールユニット８は、目標出力において燃料電池１が熱自立するのに必要な燃料が供給されているか否かを判断している。目標出力において燃料電池が熱自立するのに必要な燃料が供給されていれば（ステップＳ３３のＹＥＳ）、ステップＳ３４に進む。一方、目標出力において燃料電池が熱自立するのに必要な燃料が供給されていなければ（ステップＳ３３のＮＯ）、ステップＳ３２に戻り、再びステップＳ３２以降を繰り返す。
【００８５】
ステップＳ３４では、燃料電池１の熱自立運転限界に対応した酸化剤供給量となっているかを判断している。熱自立運転限界に対応した酸化剤供給量となっていなければ（ステップＳ１６の「不適」）、ステップＳ３６で酸化剤調整バルブ７（図１参照）を開き、酸化剤供給量を増加させる。一方、燃料電池１の熱自立運転限界に対応した酸化剤供給量となっていれば（ステップＳ３４の「適正」）、ステップＳ３５に進む。
【００８６】
ステップＳ３５では、コントロールユニット８は、燃料電池１からの電流密度が目標出力となるように制御して、電流密度が目標出力となった後に、ステップＳ３１まで戻り（「リターン」）、再びステップＳ３１以降を繰り返す。
ここで、ステップＳ３５においては、電流密度というパラメータに代えて、燃料利用率を調節しても良い。
【００８７】
図８を参照して説明した出力増加の際における制御について、図２を参照して説明すれば、以下の通りである。
（１）  低温低出力（５００℃〜６００℃：出力５０％）で熱自立運転を行っている状態（図２において、左方のプロット：発電密度はＰｗ２、電圧はＰｖ２）から、
（２）  燃料供給量を増加する（図８のステップＳ３２）。燃料供給量を増加すると、酸素枯れの懸念が生じるので、
（３）  酸化剤の供給量を増加させる（図８のステップＳ３６）。
（４）  酸化剤の供給量が増加することによりオフガス燃焼も増加し、余剰熱が増加して、電池温度は上昇する。
（５）  係る状態で、燃料供給量及び酸化剤供給量を一定に保持した状態で、電流密度増加の制御を行う。すなわち、図２で示す特性曲線Ｌｗ上の点Ｐｗ２から点Ｐｗ１への変遷し、特性曲線Ｌｖ上の点Ｐｖ２からＰｖ１への変遷を行う（図８のステップＳ３５）。
（６）  係る制御（図８のステップＳ３５）を行えば、電池発熱が増加し、オフガス燃焼は減少して、燃料利用率は増加する。
（７）  その後、高温高出力（６００〜８００℃：出力１００％）の熱自立運転を継続する。
【００８８】
主として図８で説明した制御によれば、燃料電池１の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料を供給し、その後にその燃料供給量における熱自立運転に対応した酸化剤を供給し、そして、目標出力に応じた電流密度及び／又は燃料利用率に調整する制御を行っているため、電流密度（又は燃料利用率）と燃料供給量を増大させずに酸化剤供給量のみを増加させてしまい、いわゆる「酸化剤枯れ（燃料の供給量に対する酸化剤供給量が不足する現象）」が生じ、「酸化剤枯れ」によって燃料電池が損傷を受けてしまう、という事態が回避される。
【００８９】
図９は、図８の制御の変形例である。
図９の制御を行うに際して、コントロールユニット８（図１）は、燃料電池１の出力を増大させる際に、最初に目標出力における熱自立運転に必要な分だけ増量した燃料と酸化剤を同時に供給し、その後に目標出力に応じた電流密度を得る、又は燃料利用率を調整する制御を行うように構成されている。
【００９０】
図９におけるステップＳ３１は、図８と同一である。
図９におけるステップＳ３２Ａは図８のステップＳ３２とステップＳ３６とを同時に行うものであり、図９におけるステップＳ３３Ａは図８のステップＳ３３における判断とステップＳ３４における判断とを同時に行うものである。
すなわち、図９におけるステップＳ３２Ａでは、燃料供給量と酸化剤供給量を共に増加する。そして、ステップＳ３３Ａにおいて、目標出力における熱自立運転に必要な量まで燃料供給量が増加し、且つ、熱自立運転限界に対応するまで酸化剤供給量が増加している状態であるか否かを判断する。
【００９１】
目標出力における熱自立運転に必要な量まで燃料供給量が増加し、且つ、熱自立運転限界に対応するまで酸化剤供給量が増加していれば（ステップＳ３３ＡがＹＥＳ）、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５に進んだ後については、図８の制御と同じである。
一方、目標出力における熱自立運転に必要な量まで燃料供給量が増加しておらず、及び／又は、熱自立運転限界に対応するまで酸化剤供給量が増加していなければ（ステップＳ３３ＡがＮＯ）、ステップＳ３２Ａに戻る。
ステップＳ３２Ａでは、燃料と酸化剤の何れか一方のみを増加すれば良い場合も存在する。その様な場合の存在を考慮して、図９のステップＳ３２Ａでは、「及び／又は」と表記されている。
【００９２】
その他については、図９の制御は図８の制御と同様である。
【００９３】
図９の制御では燃料と酸化剤とを同時に増加したが、図１０で示す制御では、電流密度（及び／又は燃料利用率）と、燃料供給量及び酸化剤供給量の３つのパラメータを同時に増加させている。
ここで、図１０の制御も図８の制御の変形にかかるものである。
【００９４】
図１０の制御を行うに際しては、コントロールユニット８（図１）を、電流密度及び／又は燃料利用率と、燃料供給量及び酸化剤供給量の３要素を、予めマップに記憶された目標出力における熱自立運転限界に対応した値を参照し、その設定値に向けて同時に増量させる制御を行うように構成する。
【００９５】
図１０において、ステップＳ３１は図８と同様である。
図１０のステップＳ３２Ｂは、図８における燃料供給量を増加する工程（ステップＳ３２）と、酸化剤供給量を増加する工程（ステップＳ３６）と、電流密度及び／又は燃料利用率を増加する工程（ステップＳ３５）とを同時に行うものである。
ここで、図１０のステップＳ３２Ｂにおいて「及び」と言う表記ではなく、「及び／又は」と表記されているのは、後述するステップＳ３３Ｂで「ＮＯ」と判定された場合には、上述した３つのパラメータの何れかを増加するだけで良い場合が存在するので、その様な場合を考慮する趣旨である（ステップＳ３２Ｂの「及び／又は」の「又は」に該当）。
【００９６】
このステップＳ３２Ｂにおいて、上述した３つのパラメータ（電流密度及び／又は燃料利用率、燃料供給量、酸化剤供給量）を１つずつ調節しても、適正な値にならないことが予想されるので、例えば、コントロールユニット８で記憶されたマップの目標出力における熱自立運転限界に対応した値を制御目標として、３つのパラメータ全てを同時に制御することが出来る（ステップＳ３２Ｂの「及び／又は」の「及び」に該当）。
【００９７】
図１０のステップＳ３３Ｂは、図８における燃料供給量の増加に関する判断工程（ステップＳ３３）と、酸化剤供給量の増加に関する判断工程（ステップＳ３４）と、電流密度及び／又は燃料利用率の増加に関する工程（ステップＳ３５）とを同時に行うものである。
すなわち、図１０のステップＳ３３Ｂでは、燃料供給量が熱自立運転に必要な量まで増加しており、且つ、酸化剤供給量が熱自立運転限界に対応する量まで増加しており、且つ、電流密度（及び／又は燃料利用率）が目標出力に対応する値まで増加した状態であるか否かが判定され、上述した３つのパラメータの全てが所定のレベルまで増加していれば（ステップＳ３３ＢがＹＥＳ）、リターンする。
一方、上述した３つのパラメータの何れかが所定のレベルまで増加していなければ（ステップＳ３３ＢがＮＯ）、ステップＳ３２Ｂに戻る。
【００９８】
その他については、図１０の制御は図８の制御と同様である。
【００９９】
次に、図１１を参照して、電力需要が比較的少ない場合の制御（第５の制御方法）について説明する。
図１１で示す制御を実施する燃料電池システムＡは、需要が燃料電池１の熱自立限界における最低出力以上である範囲では負荷追従運転で対応し、需要が燃料電池１の熱自立限界における最低出力を下回った場合には、燃料電池１は当該最低出力で運転し、発生した出力（電力）のうち需要を上回った分の余剰電力は、蓄電装置１０へ充電（蓄電）されるように構成されている。すなわち、図１１の燃料電池システムＡにおいては、蓄電装置１０への充電は、主として、燃料電池１の熱自立限界の最低出力運転時に発生する余剰電力によって行われる様に構成されている。
【０１００】
図１１のステップＳ４１において、コントロールユニット８は、定格出力が需要以上か否かを判断しており、定格出力が需要以上であれば（ステップＳ４１のＹＥＳ）、次のステップＳ４２に進み、定格出力が需要未満であれば（ステップＳ４１のＮＯ）、ステップＳ４１のループを繰り返す。
【０１０１】
ステップＳ４２では、図３〜図１０を参照して上述した制御方法によって負荷追従運転を行う。そして、ステップＳ４３に進む。
【０１０２】
ステップＳ４３において、電力需要が熱自立限界の最低出力に所定値αを加えた値を下回っているか否かを判断する。
ここで、所定値α（Ｗ）を加えるのは、タイムラグによって充電のタイミングが遅れることを回避するためである。
【０１０３】
電力需要が出力が熱自立限界の最低出力に所定値αを加えた値以上であれば（ステップＳ４３のＮＯ）、ステップＳ４１まで戻り（リターン）、再びステップＳ４１以降を繰り返す。
一方、出力が熱自立限界の最低出力に所定値αを加えた値を下回っていれば（出力が熱自立限界の最低出力に所定値αを加えた値未満であれば）（ステップＳ４３のＹＥＳ）、ステップＳ４４へ進む。
ステップＳ４４では、コントロールユニット８は、燃料電池１を熱自立限界における最低出力に対応した運転を行わせる。その結果、需要を上回る電力が出力されるが、（燃料電池１の出力電力の内）需要を上回った分は余剰電力として、蓄電池（キャパシタ）１０に充電する。そして、ステップＳ４１まで戻り（リターン）、再びステップＳ４１以降を繰り返す。
【０１０４】
図１１を参照して説明した制御によれば、電力需要が燃料電池１の熱自立限界における最低出力を下回った場合に、燃料電池１を熱自立限界における最低出力に対応した運転をせしめて燃料電池１の熱自立運転状態を維持することが出来る。
それと共に、熱自立運転の出力が需要を上回った分については、余剰電力として、パワーコンディショナー３（図１）における燃料電池１の直流出力部３ｏに接続されているキャパシタ１０（蓄電装置）に蓄電しているので、燃料電池１で発生した電力を浪費してしまうことが防止できる。例えば、図１２を参照して後述するように、キャパシタ１０（蓄電装置）に蓄電されている電力は、燃料電池１の定格出力が需要電力を下回った際に利用可能である。
【０１０５】
次に、図１２を参照して、燃料電池１の定格出力を上回る程度まで需要が増加する場合の制御（第６の制御方法）について説明する。
図１２で示す制御を実行する燃料電池システムＡは、需要の負荷が増加した際には、燃料電池１の定格出力までは負荷追従運転で対応し、需要の負荷が燃料電池１の定格出力を超えた場合に前記蓄電装置１０から電力供給が行われる様に構成されている。
【０１０６】
図１２のステップＳ５１において、コントロールユニット８は、図１１の制御を行う場合に比較して、電力需要が増加しているか否かを判断している。図１１の制御の場合に比較して電力需要が増加していれば（ステップＳ５１のＹＥＳ）、次のステップＳ５２に進む。
一方、電力需要が増加しておらず、図１１で説明した制御を行う場合と同程度であれば（ステップＳ５１のＮＯ）、ステップＳ５１のループを繰り返す。その場合は、例えば、図１１の制御が実行される。
【０１０７】
ステップＳ５２では、図３〜図１０を参照して説明した制御により負荷追従運転を行う。そして、ステップＳ５３において、電力需要が定格出力を超えたか否かを判断する。
電力需要が定格出力を超えていれば（ステップＳ５３のＹＥＳ）、ステップＳ５４に進む。
一方、電力需要が定格出力を超えていなければ（ステップＳ５３のＮＯ）、負荷追従運転を行う（ステップＳ５３の「ＮＯ」のループを繰り返す）。
【０１０８】
ステップＳ５４では、燃料電池１の出力に加えて蓄電池（キャパシタ）１０で蓄電されている電力をも供給することで、電力需要に応答する。そして、ステップＳ５５に進む。
ステップＳ５５において、コントロールユニット８は燃料電池１の定格出力が需要を上回ったか否かを判断する。上回っていなければ（ステップＳ５５のＮＯ）、蓄電池（キャパシタ）１０で蓄電されている電力をも供給する状態を継続する（ステップＳ５５が「ＮＯ」のループ）。
一方、燃料電池１の定格出力が需要を上回っていれば（ステップＳ５５のＹＥＳ）、ステップＳ５１まで戻り（リターン）、再びステップＳ５１以降を繰り返す。
【０１０９】
図１２を参照して説明した制御によれば、電力需要が燃料電池１の定格出力を超えた場合にキャパシタ１０から電力供給が行われる様に制御されるので、燃料電池１を定格出力に維持した状態で、定格出力を上回る電力需要に対処することが出来る。しかも、図１１を参照して説明したように、キャパシタ１０に蓄電された電力は、電力需要が極めて低い状態で燃料電池１の熱自立運転で出力された余剰電力であるため、電力需要が極めて低い状態にある際に電力を浪費させること無く、電力需要が大きい場合に対処できるのである。
さらに、図１２で説明した制御を実行可能な燃料電池システム（図１参照）であれば、電力需要が低い場合と高い場合の双方で繰返し運用が可能となる。
【０１１０】
図３〜図１２を参照して説明した制御を実行するに際して、燃料電池１の熱自立運転温度が４００℃〜１２００℃の範囲となるべく、より好ましくは５５０℃〜７５０℃の範囲となる様に、図１で示すシステムは構成されている。
係る温度、特に５５０℃〜７５０℃の間であれば、燃料電池１の温度維持に必要なコストを低く抑えることが出来て、安価な金属材料の使用が可能となり、また、熱サイクルの耐久性も向上するからである。
換言すれば、図１で示すシステムでは、燃料電池１の熱自立運転時の特性（の１例）を示す図２において、プロットＰｖ１、Ｐｗ１の状態における燃料電池１の温度を１２００℃以下、より好ましくは７５０℃以下となっており、且つ、図２のプロットＰｖ２、Ｐｗ２の状態における燃料電池１の温度を４００℃以上、より好ましくは５５０℃以上となっている。
【０１１１】
係る温度制御（本発明の第７の制御）を、主として図１３で説明する。
図１３において、電池監視装置２により燃料電池１の作動温度を計測する（ステップＳ６１）。そして、ステップＳ６１で計測された燃料電池１の温度が、所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ６２）。
ここで、「所定範囲」については、上述した４００℃〜１２００℃、より好ましくは５５０℃〜７５０℃の上限及び下限に、±β（制御の応答性を考慮した温度幅）だけ余裕を持って設定するのが好ましい。
【０１１２】
電池監視装置２により計測された燃料電池１の作動温度が所定範囲よりも高温であれば（ステップＳ６２で「所定範囲より高温」）、図３〜図６の制御により燃料電池１の出力を低下せしめ、以って、燃料電池１の作動温度を降温させ（ステップＳ６３）、リターンする。
電池監視装置２により計測された燃料電池１の作動温度が所定範囲よりも低温であれば（ステップＳ６２で「所定範囲より低温」）、図７〜図１０の制御により燃料電池１の出力を向上せしめ、以って、燃料電池１の作動温度を昇温させる（ステップＳ６４）、リターンする。
電池監視装置２により計測された燃料電池１の作動温度が所定範囲内であれば（ステップＳ６２がＹＥＳ）、リターンする。
【０１１３】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】燃料電池の熱自立運転特性の１例を示す図。
【図３】第１の制御方法を示すフローチャート。
【図４】第２の制御方法を示すフローチャート。
【図５】第２の制御方法の変形例を示すフローチャート。
【図６】第２の制御方法の別の変形例を示すフローチャート。
【図７】第３の制御方法を示すフローチャート。
【図８】第４の制御方法を示すフローチャート。
【図９】第４の制御方法の変形例を示すフローチャート。
【図１０】第４の制御方法の別の変形例を示すフローチャート。
【図１１】第５の制御方法を示すフローチャート。
【図１２】第６の制御方法を示すフローチャート。
【図１３】第７の制御方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【０１１５】
１・・・燃料電池
２・・・燃料電池運転状況判定手段／電池監視装置
３・・・電流密度制御手段／パワーコンディショナー
４・・・燃料供給系統
５・・・燃料供給量制御手段／燃料調整バルブ
６・・・酸化剤供給系統
７・・・酸化剤供給量制御手段／酸化剤調整バルブ
８・・・燃料電池制御手段／コントロールユニット
９・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０・・・蓄電装置／キャパシタ
１１・・・双方向インバータ
１２・・・電力需要
１３・・・データベース
Ａ・・・燃料電池システム
Ｌｉ・・・入力信号ライン
Ｌｏ・・・制御信号ライン
Ｌｅ１〜Ｌｅ５・・・電力ライン
【図１】
2006032262.tif 000003
【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】
2006032262.tif 000008
【図７】
2006032262.tif 000009
【図８】
2006032262.tif 000010
【図９】
2006032262.tif 000011
【図１０】
2006032262.tif 000012
【図１１】
2006032262.tif 000013
【図１２】
2006032262.tif 000014
【図１３】
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