(57)【要約】【課題】  温度センサを用いることなく燃料電池の温度を制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池（６０）と、燃料電池の電圧および電流に応じて燃料電池の電気抵抗を推定する推定手段（１０）と、推定手段によって推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を上回る場合に燃料電池の温度を上昇させる制御を行い、推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を下回る場合に燃料電池の温度を低下させる制御を行う、温度制御手段（１０）と、を備える。【選択図】        図１
2011044290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の電圧および電流に応じて前記燃料電池の電気抵抗を推定する推定手段と、
前記推定手段によって推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を上回る場合に前記燃料電池の温度を上昇させる制御を行い、前記推定された電気抵抗が前記目標電気抵抗範囲を下回る場合に前記燃料電池の温度を低下させる制御を行う、温度制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度制御手段は、前記推定された電気抵抗と前記目標電気抵抗範囲の上限との差分が大きいほど前記燃料電池の温度を大きく上昇させる制御を行い、前記推定された電気抵抗と前記目標電気抵抗範囲の下限との差分が大きいほど前記燃料電池の温度が大きく低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記燃料電池の電流が大きいほど、前記燃料電池の温度を大きく上昇または低下させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記推定手段は、前記燃料電池の電流−電圧特性の傾きに応じて前記電気抵抗を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記推定手段は、前記燃料電池の電流に対する電圧値、または、前記燃料電池の電圧値に対する電流値、を前記電気抵抗として代用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記推定手段は、前記燃料電池の開回路電圧値、または、前記開回路電圧を用いて求めた値、を前記電気抵抗として代用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温度制御手段は、前記燃料電池の発電量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記温度制御手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
炭化水素系燃料から水素を含む燃料ガスを生成して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する改質器を備え、
前記温度制御手段は、前記改質器に供給される炭化水素系燃料の供給量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記目標電気抵抗範囲を設定する設定手段をさらに備え、
前記設定手段は、前記燃料電池の電流が小さいほど前記目標電気抵抗範囲を高い値に設定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池の電圧および電流に応じて前記燃料電池の電気抵抗を推定する推定ステップと、
前記推定ステップにおいて推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を上回る場合に前記燃料電池の温度を上昇させる制御を行い、前記推定された電気抵抗が前記目標電気抵抗範囲を下回る場合に前記燃料電池の温度を低下させる制御を行う、温度制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記温度制御ステップにおいて、前記推定された電気抵抗と前記目標電気抵抗範囲の上限との差分が大きいほど前記燃料電池の温度を大きく上昇させる制御を行い、前記推定された電気抵抗と前記目標電気抵抗範囲の下限との差分が大きいほど前記燃料電池の温度を大きく低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記温度制御ステップにおいて、前記燃料電池の電流が大きいほど、前記燃料電池の温度を大きく上昇または低下させることを特徴とする請求項１３または１４記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
前記推定ステップにおいて、前記燃料電池の電流−電圧特性の傾きに応じて前記電気抵抗を推定することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１７】
前記推定ステップにおいて、前記燃料電池の電流に対する電圧値、または、前記燃料電池の電圧値に対する電流値、を前記電気抵抗として代用することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１８】
前記推定ステップにおいて、前記燃料電池の開回路電圧値、または、前記開回路電圧を用いて求めた値、を前記電気抵抗として代用することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１９】
前記温度制御ステップにおいて、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２０】
前記温度制御ステップにおいて、前記燃料電池の発電量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２１】
前記温度制御ステップにおいて、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２２】
前記温度制御ステップにおいて、炭化水素系燃料から水素を含む燃料ガスを生成して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する改質器に供給される炭化水素系燃料の供給量を増減させることによって、前記燃料電池の温度を上昇または低下させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２３】
前記目標電気抵抗範囲を設定する設定ステップをさらに含み、
前記設定ステップにおいて、前記燃料電池の電流が小さいほど前記目標電気抵抗範囲を高い値に設定することを特徴とする請求項１３〜２２のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２４】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１３〜２３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える燃料電池システムは、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得るシステムである。この燃料電池システムは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
例えば、固体酸化物形燃料電池(ＳＯＦＣ)等の高温作動型燃料電池は、炭化水素系燃料を改質して得られた水素を含有する燃料ガスを利用して発電している。固体酸化物形燃料電池の作動温度は、例えば、６００℃〜１０００℃程度である。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池のように高温で動作する燃料電池の熱効率、耐久寿命等を考慮すると、燃料電池の温度を目標温度範囲内に精度よく制御することが好ましい。燃料電池の温度を制御するためには、燃料電池の温度を検出する必要がある。そこで、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量と燃料電池の出力電力とに応じて、燃料電池の温度を推定する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３３２６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量計が高価であることから、燃料電池システムのコストがかかってしまう。そこで、燃料電池の温度を温度センサを用いて検出する方法が考えられる。しかしながら、温度センサとしてサーミスタを用いた場合には、高い応答性が得られない。温度センサとして熱電対を用いることも考えられが、熱電対は耐久性が低いうえに、アンプ等の機器を必要とする。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、温度センサを用いることなく燃料電池の温度を制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転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】
本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池と、燃料電池の電圧および電流に応じて燃料電池の電気抵抗を推定する推定手段と、推定手段によって推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を上回る場合に燃料電池の温度を上昇させる制御を行い、推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を下回る場合に燃料電池の温度を低下させる制御を行う、温度制御手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池の電圧と電流とに基づいて、燃料電池の温度と相関関係を有する電気抵抗を推定することができる。それにより、温度センサを用いることなく簡易に燃料電池の温度を制御することができる。
【０００９】
温度制御手段は、推定された電気抵抗と目標電気抵抗範囲の上限との差分が大きいほど燃料電池の温度を大きく上昇させる制御を行い、推定された電気抵抗と目標電気抵抗範囲の下限との差分が大きいほど燃料電池の温度が大きく低下させる制御を行ってもよい。
【００１０】
温度制御手段は、燃料電池の電流が大きいほど、燃料電池の温度を大きく上昇または低下させてもよい。推定手段は、燃料電池の電流−電圧特性の傾きに応じて電気抵抗を推定してもよい。推定手段は、燃料電池の電流に対する電圧値、または、燃料電池の電圧値に対する電流値、を電気抵抗として代用してもよい。推定手段は、燃料電池の開回路電圧値、または、開回路電圧を用いて求めた値、を電気抵抗として代用してもよい。
【００１１】
温度制御手段は、燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。温度制御手段は、燃料電池の発電量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。温度制御手段は、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。
【００１２】
炭化水素系燃料から水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池に燃料ガスを供給する改質器を備え、温度制御手段は、改質器に供給される炭化水素系燃料の供給量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。
【００１３】
目標電気抵抗範囲を設定する設定手段をさらに備え、設定手段は、燃料電池の電流が小さいほど目標電気抵抗範囲を高い値に設定してもよい。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池の電圧および電流に応じて燃料電池の電気抵抗を推定する推定ステップと、推定ステップにおいて推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を上回る場合に燃料電池の温度を上昇させる制御を行い、推定された電気抵抗が目標電気抵抗範囲を下回る場合に燃料電池の温度を低下させる制御を行う、温度制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池の電圧と電流とに基づいて、燃料電池の温度と相関関係を有する電気抵抗を推定することができる。それにより、温度センサを用いることなく簡易に燃料電池の温度を制御することができる。
【００１５】
温度制御ステップにおいて、推定された電気抵抗と目標電気抵抗範囲の上限との差分が大きいほど燃料電池の温度を大きく上昇させる制御を行い、推定された電気抵抗と目標電気抵抗範囲の下限との差分が大きいほど燃料電池の温度を大きく低下させる制御を行ってもよい。
【００１６】
温度制御ステップにおいて、燃料電池の電流が大きいほど、燃料電池の温度を大きく上昇または低下させてもよい。推定ステップにおいて、燃料電池の電流−電圧特性の傾きに応じて電気抵抗を推定してもよい。推定ステップにおいて、燃料電池の電流に対する電圧値、または、燃料電池の電圧値に対する電流値、を電気抵抗として代用してもよい。推定ステップにおいて、燃料電池の開回路電圧値、または、開回路電圧を用いて求めた値、を電気抵抗として代用してもよい。
【００１７】
温度制御ステップにおいて、燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。温度制御ステップにおいて、燃料電池の発電量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。温度制御ステップにおいて、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。
【００１８】
温度制御ステップにおいて、炭化水素系燃料から水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池に燃料ガスを供給する改質器に供給される炭化水素系燃料の供給量を増減させることによって、燃料電池の温度を上昇または低下させてもよい。目標電気抵抗範囲を設定する設定ステップをさらに含み、設定ステップにおいて、燃料電池の電流が小さいほど目標電気抵抗範囲を高い値に設定してもよい。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、温度センサを用いることなく燃料電池の温度を制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例１に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】燃料電池の温度と電気抵抗との関係について説明するための図である。
【図３】発電中の燃料電池の温度制御の際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【図４】発電中の燃料電池の温度制御の際に実行されるフローチャートの他の例を示す図である。
【図５】発電中の燃料電池の温度制御の際に実行されるフローチャートのさらに他の例を示す図である。
【図６】燃料電池の温度と開回路電圧ＯＣＶとの関係について説明するための図である。
【図７】（ａ）は例２に係る燃料電池スタック装置と酸化剤ガス導入部材を示す斜視図であり、（ｂ）は酸化剤ガス導入部材の構成を示す斜視図である。
【図８】燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図９】燃料電池スタックにおける温度分布を説明するための図である。
【図１０】電圧計の配置について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２２】
図１は、例１に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃料電池６０、電流計７１、電圧計７２、熱交換器８０、および発電量制御装置９０を備える。
【００２３】
制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。
【００２４】
酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池６０のカソード６１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１および水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池６０は、カソード６１とアノード６２とによって電解質６３が挟持された構造を有する燃料電池である。電流計７１は、燃料電池６０の発電電流を検知するための電流計である。電圧計７２は、燃料電池６０の陰極と陽極との間の電圧を検知するための電圧計である。発電量制御装置９０は、燃料電池６０の発電量を制御可能な装置である。発電量制御装置９０は、例えば、パワーコンディショナ等である。
【００２５】
続いて、燃料電池システム１００の動作の概要を説明する。原燃料供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の燃料ガスを改質器５０に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０に供給する。改質器５０の改質部５２は、燃焼室５３で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから水素を含む燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは、燃料電池６０のアノード６２に供給される。
【００２６】
酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池６０のカソード６１に供給する。それにより、燃料電池６０において発電が行われる。カソード６１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード６２から排出された燃料オフガスは、燃焼室５３に流入する。燃焼室５３においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池６０に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室５３において燃焼させることができる。
【００２７】
熱交換器８０は、燃焼室５３から排出された排気ガスと熱交換器８０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。電流計７１は、燃料電池６０の発電電流を検知し、その結果を制御部１０に与える。電圧計７２は、燃料電池６０の電圧を検知し、その結果を制御部１０に与える。発電量制御装置９０は、制御部１０の指示に従って、燃料電池６０の発電量を増減させる。制御部１０は、電流計７１および電圧計７２の結果に応じて、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、および発電量制御装置９０の少なくともいずれか１つを制御する。
【００２８】
本例においては、温度センサを用いずに、燃料電池６０の温度制御を行う。ここで、燃料電池６０の温度を決定する主因子について説明する。燃料電池６０の温度を決定する主因子として、（１）燃料電池６０の電気抵抗損失に起因する発熱、（２）燃料電池６０における内部改質に起因する吸熱、（３）燃焼室５３等の周辺機器との輻射を媒介とする熱授受、等があげられる。なお、内部改質とは、改質部５２における改質反応に用いられなかった炭化水素等がアノード６２の触媒を介して起こす改質反応のことである。
【００２９】
（１）の因子は、燃料電池６０の電流の二乗に比例するため、他の因子に比較して燃料電池６０の温度に大きく影響する。したがって、燃料電池６０の電気抵抗を取得することによって、燃料電池６０の温度を推定することができる。
【００３０】
図２は、燃料電池６０の温度と電気抵抗率との関係について説明するための図である。図２において、横軸は燃料電池６０の温度を示し、縦軸は電気抵抗率を示す。また、燃料電池６０の電解質として、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を用いた。
【００３１】
図２に示すように、燃料電池６０の温度上昇に伴って、電気抵抗率は低下する。これは、温度上昇に伴って電解質の抵抗が低下するからである。このように、電気抵抗率を取得することによって、燃料電池６０の温度を推定することができる。そこで、本例においては、図２の関係に基づいて、燃料電池６０の温度を制御する。
【００３２】
例えば、燃料電池６０の電気抵抗が目標電気抵抗範囲を上回る場合に燃料電池６０の温度上昇制御を行い、電気抵抗が目標電気抵抗範囲を下回る場合に燃料電池６０の温度低下制御を行うことによって、燃料電池６０の温度を所定範囲に制御することができる。燃料電池６０の温度変化に応じて電気抵抗は大きく変化することから、電気抵抗を取得することによって燃料電池６０の温度変化を精度よく推定することができる。なお、目標電気抵抗範囲は、所定の幅を有していることが好ましい。なお、目標電気抵抗を単一の値とすることもできる。
【００３３】
具体的には、燃料電池６０の開回路電圧をＯＣＶ（Ｖ）とし、燃料電池６０の発電中の任意時刻における瞬時電圧をＶ＿ｔとし、燃料電池６０の発電中のＶ＿ｔ検出時刻と同等とみなす時刻における瞬時電流をＩ＿ｔとした場合に、燃料電池６０の推定電気抵抗Ｒ（Ω）は、下記式（１）のように表すことができる。
Ｒ＝（ＯＣＶ−Ｖ＿ｔ）／Ｉ＿ｔ  （１）
【００３４】
なお、開回路電圧ＯＣＶは、燃料電池６０の発電電流がゼロである場合に電圧計７２によって検出される電圧である。瞬時電圧Ｖ＿ｔは、燃料電池６０が発電を行っている場合に電圧計７２によって検出される電圧である。瞬時電流Ｉ＿ｔは、燃料電池６０が発電を行っている場合に電流計７１によって検出される電流である。
【００３５】
図３は、発電中の燃料電池６０の温度制御の際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。なお、図３のフローチャートは、周期的に実行される。また、図３のフローチャートにおいて、目標電気抵抗範囲は所定の幅を有している場合を示している。図３に示すように、制御部１０は、電流計７１から瞬時電流Ｉ＿ｔを取得するとともに、電圧計７２から瞬時電圧Ｖ＿ｔを取得する（ステップＳ１）。次に、制御部１０は、上記式（１）に基づいて推定電気抵抗Ｒを算出する（ステップＳ２）。
【００３６】
次に、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回るか否かを判定する（ステップＳ３）。第１しきい値Ｘは、例えば、目標電気抵抗範囲の上限値である。ステップＳ３において推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回ると判定された場合、制御部１０は、カソード６１への酸化剤ガス供給量が減少するように、酸化剤ガス供給部４０を制御する（ステップＳ４）。この場合、酸化剤ガスによる燃料電池６０の冷却が抑制されるため、燃料電池６０の温度を上昇させることができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００３７】
ステップＳ３において推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回ると判定されなかった場合、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒが第２しきい値Ｙ（＜第１しきい値Ｘ）未満であるか否かを判定する（ステップＳ５）。第２しきい値Ｙは、例えば、目標電気抵抗範囲の下限値である。ステップＳ５において推定電気抵抗Ｒが第２しきい値Ｙ未満であると判定された場合、制御部１０は、カソード６１への酸化剤ガス供給量が増加するように、酸化剤ガス供給部４０を制御する（ステップＳ６）。この場合、燃料電池６０の冷却が促進されることから、燃料電池６０の温度を低下させることができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００３８】
図３のフローチャートによれば、推定電気抵抗Ｒに応じて燃料電池６０の温度を推定することができる。また、推定電気抵抗Ｒが所定範囲内に入るように酸化剤ガスの供給量を増減させることによって、燃料電池６０の温度を所定範囲に制御することができる。なお、ステップＳ４において、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒと第１しきい値Ｘとの差分が大きいほど酸化剤ガス供給量がより少なくなるように、酸化剤ガス供給部４０を制御してもよい。また、ステップＳ６において、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒと第２しきい値Ｙとの差分が大きいほど酸化剤ガス供給量がより多くなるように、酸化剤ガス供給部４０を制御してもよい。この場合、燃料電池６０の温度制御に要する時間を短縮化することができる。
【００３９】
図４は、発電中の燃料電池６０の温度制御の際に実行されるフローチャートの他の例を示す図である。なお、図４のフローチャートは、周期的に実行される。また、図４のフローチャートにおいて、目標電気抵抗範囲は所定の幅を有している場合を示している。図４に示すように、制御部１０は、電流計７１から瞬時電流Ｉ＿ｔを取得するとともに、電圧計７２から瞬時電圧Ｖ＿ｔを取得する（ステップＳ１１）。次に、制御部１０は、上記式（１）に基づいて推定電気抵抗Ｒを算出する（ステップＳ１２）。
【００４０】
次に、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回るか否かを判定する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回ると判定された場合、制御部１０は、改質器５０への原燃料供給量が増加するように、原燃料供給部２０を制御する（ステップＳ１４）。この場合、燃料オフガス中の水素量が増加するため、燃焼室５３における燃焼熱量が増加する。それにより、燃料電池６０の温度を上昇させることができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４１】
ステップＳ１３において推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回ると判定されなかった場合、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒが第２しきい値Ｙ（＜第１しきい値Ｘ）未満であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において推定電気抵抗Ｒが第２しきい値Ｙ未満であると判定された場合、制御部１０は、改質器５０への原燃料供給量が減少するように、原燃料供給部２０を制御する（ステップＳ１６）。この場合、燃料オフガス中の水素量が減少するため、燃焼室５３における燃焼熱量が減少する。それにより、燃料電池６０の温度を低下させることができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４２】
図４のフローチャートによれば、推定電気抵抗Ｒに応じて燃料電池６０の温度を推定することができる。また、推定電気抵抗Ｒが所定範囲内に入るように燃料ガス供給量を増減させることによって、燃料電池６０の温度を所定範囲に制御することができる。なお、ステップＳ１４において、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒと第１しきい値Ｘとの差分が大きいほど燃料ガス供給量がより多くなるように、原燃料供給部２０を制御してもよい。また、ステップＳ１６において、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒと第２しきい値Ｙとの差分が大きいほど燃料ガス供給量がより少なくなるように、原燃料供給部２０を制御してもよい。この場合、燃料電池６０の温度制御に要する時間を短縮化することができる。
【００４３】
図５は、発電中の燃料電池６０の温度制御の際に実行されるフローチャートの他の例を示す図である。なお、図５のフローチャートは、周期的に実行される。また、図５のフローチャートにおいて、目標電気抵抗範囲は所定の幅を有している場合を示している。図５に示すように、制御部１０は、電流計７１から瞬時電流Ｉ＿ｔを取得するとともに、電圧計７２から瞬時電圧Ｖ＿ｔを取得する（ステップＳ２１）。次に、制御部１０は、上記式（１）に基づいて推定電気抵抗Ｒを算出する（ステップＳ２２）。
【００４４】
次に、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回るか否かを判定する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３において推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回ると判定された場合、制御部１０は、燃料電池６０の発電量が増加するように発電量制御装置９０を制御する（ステップＳ２４）。この場合、燃料電池６０の発電電流が増加するため、燃料電池６０の温度を上昇させることができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
ステップＳ２３において推定電気抵抗Ｒが第１しきい値Ｘを上回ると判定されなかった場合、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒが第２しきい値Ｙ（＜第１しきい値Ｘ）未満であるか否かを判定する（ステップＳ２５）。ステップＳ２５において推定電気抵抗Ｒが第２しきい値Ｙ未満であると判定された場合、制御部１０は、燃料電池６０の発電量が減少するように、発電量制御装置９０を制御する（ステップＳ２６）。この場合、燃料電池６０の発電電流が減少することから、燃料電池６０の温度を低下させることができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４６】
図５のフローチャートによれば、推定電気抵抗Ｒに応じて燃料電池６０の温度を推定することができる。また、推定電気抵抗Ｒが所定範囲内に入るように発電量制御装置９０の要求負荷を増減させることによって、燃料電池６０の温度を所定範囲に制御することができる。なお、ステップＳ２４において、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒと第１しきい値Ｘとの差分が大きいほど要求負荷がより増加するように、発電量制御装置９０を制御してもよい。また、ステップＳ２６において、制御部１０は、推定電気抵抗Ｒと第２しきい値Ｙとの差分が大きいほど要求負荷がより減少するように、発電量制御装置９０を制御してもよい。この場合、燃料電池６０の温度制御に要する時間を短縮化することができる。
【００４７】
なお、図３〜図５のフローチャートにおいて、燃料電池６０の瞬時電流Ｉ＿ｔが大きいほど、各制御パラメータ（酸化剤ガス供給量、燃料ガス供給量、および発電量）の変動幅を大きくしてもよい。瞬時電流Ｉ＿ｔが大きいほど推定電気抵抗Ｒが小さいため、わずかな電気抵抗変化が生じた場合に燃料電池６０の温度変化が大きくなるためである。
【００４８】
また、上記式（１）以外の方法で燃料電池６０の電気抵抗を推定してもよい。例えば、燃料電池６０の発電電流に対する電圧値、または、燃料電池６０の発電電圧値に対する電流値、を推定電気抵抗Ｒとして代用してもよい。また、燃料電池６０の電流−電圧特性の傾きに基づいて推定電気抵抗Ｒを算出してもよい。例えば、電流または電圧を意図的に変化させる、または負荷変動前後での変化量ΔＶ／ΔＩの絶対値を推定電気抵抗Ｒとする。
【００４９】
また、燃料電池６０の発電電流がゼロである場合の電圧（開回路電圧ＯＣＶ）から電気抵抗を推定してもよい。図６は、燃料電池６０の温度と開回路電圧ＯＣＶとの関係について説明するための図である。図６においては、右側の縦軸が開回路電圧を示す。
【００５０】
図６の実線に示すように、燃料電池６０の温度上昇に伴って、開回路電圧ＯＣＶも、破線に示す燃料電池の電気抵抗率と同様に低下する。したがって、開回路電圧ＯＣＶを検出することによって、燃料電池６０の温度を推定することができる。
【００５１】
なお、燃料電池６０は、１個の燃料電池セルから構成される単位セルであってもよく、複数個の燃料電池セルが集電部材を介して積層されてなる燃料電池スタックであってもよい。燃料電池スタックの場合、燃料電池６０の電圧は、いずれか１個の燃料電池セルの電圧を検出してもよく、複数個の燃料電池セルそれぞれの電圧を検出してもよく、複数個の燃料電池セルからなる積層体の電圧を検出してもよく、燃料電池スタック全体の電圧を検出してもよい。さらに、本例においては電気量として発電電流を採用しているが、発電電圧または発電電力を採用してもよい。
【００５２】
また、制御部１０は、電流計７１によって検出された電流が小さいほど、目標電気抵抗範囲を高い電気抵抗範囲（低い温度範囲）に設定してもよい。この場合、低負荷での運転が長時間継続される場合に、燃料電池６０の耐久性が向上するからである。
【００５３】
本例によれば、温度センサを用いなくても、電流計および電圧計のような簡易な機器を用いて電気抵抗を推定することによって、燃料電池６０の温度を制御することができる。それにより、コストの低下を図ることができる。また、温度センサのように狭い領域の温度を検出するのではなく、燃料電池６０全体（燃料電池６０が複数個の燃料電池セルの積層体からなる燃料電池スタックの場合には、燃料電池スタックの一部の積層体全体、または燃料電池スタック全体）の温度を推定可能であることから、局所的な温度変化の影響を回避することができる。
【００５４】
なお、本例においては、制御部１０が推定手段および設定手段として機能する。また、制御部１０および原燃料供給部２０、制御部１０および酸化剤ガス供給部４０、または、制御部１０および発電量制御装置９０が、温度制御手段として機能する。
【００５５】
例２においては、複数個の燃料電池セルが集電部材を介して積層されてなる燃料電池スタック（燃料電池）を備える燃料電池スタック装置における温度制御について説明する。以下、図７〜図１０を参照して、例２に係る燃料電池スタック装置２００について説明する。図７（ａ）は、例２に係る燃料電池スタック装置２００と、燃料電池スタック装置２００に酸化剤ガスを導入するための酸化剤ガス導入部材１４０を示す斜視図であり、図７（ｂ）は酸化剤ガス導入部材１４０を抜粋して示す斜視図である。図７（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置２００においては、マニホールド１１０の上に、２組の燃料電池スタック１２０（燃料電池６０）が、互いの積層方向が略並行になるように並列配置されている。燃料電池スタック１２０は、固体酸化物形の燃料電池セル６０ａが複数枚積層された構造を有する。
【００５６】
図８は、燃料電池セル６０ａの断面を含む部分斜視図である。図８に示すように、燃料電池セル６０ａは、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５が順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。
【００５７】
燃料ガス通路１２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル６０ａの周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００５８】
酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気相酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔性を有している。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密性を有する。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル６０ａ同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密性を有する。
【００５９】
例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、それぞれの熱膨張率が近いものが好適である。
【００６０】
図７（ａ）のマニホールド１１０には、各燃料電池セル６０ａの燃料ガス通路１２に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド１１０を流動する燃料ガスが燃料ガス通路１２に流入する。燃料電池スタック１２０のマニホールド１１０と反対側には、改質器１３０が配置されている。例えば、改質器１３０は、一方の燃料電池スタック１２０の積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタック１２０の積層方向に延びる構造を有する。
【００６１】
また、図７（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１２０同士の間には、酸化剤ガス導入部材１４０が配置されている。酸化剤ガス導入部材１４０には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材１４０のマニホールド１１０側端部には、孔が形成されている。それにより、各燃料電池セル６０ａの外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル６０ａの燃料ガス通路１２を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル６０ａの外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル６０ａにおいて発電が行われる。
【００６２】
燃料電池セル６０ａにおいて発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル６０ａのマニホールド１１０と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃料電池セル６０ａ（燃料電池スタック１２０）の上端と改質器１３０との間において燃料オフガスが燃焼する部位を燃焼部１５０と称する。燃焼部１５０の燃焼熱は、改質器１３０および燃料電池スタック１２０に供給される。
【００６３】
改質器１３０は、上流側から下流側にかけて、蒸発／混合部と改質部として機能する。図９（ａ）に示すように、改質器１３０に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、蒸発／混合部においては、改質水を蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。
【００６４】
改質水は蒸発する際に吸熱する。また、水蒸気改質反応は、吸熱反応である。したがって、改質器１３０においては温度差が大きくなりやすい。その結果、燃料電池スタック１２０においても温度差が大きくなりやすくなる。例えば、図９（ｂ）に示すように、一方の燃料電池スタック１２０と他方の燃料電池スタック１２０との間に温度差が生じるとともに、各燃料電池スタック１２０においても燃料電池セル６０ａの積層方向において温度差が大きくなる。このように、燃料電池スタック１２０と改質器１３０とが隣接する場合には、燃料電池スタック１２０に温度差が大きくなりやすい。なお、図９（ｂ）において、横軸は燃料電池スタック１２０を構成する各燃料電池セル６０ａの積層方向の位置を示し、縦軸は温度を示す。
【００６５】
本例においては、図１０に示すように、複数の電圧計７２ａ〜７２ｆを設ける。なお、図１０は、燃料電池スタック１２０を改質器１３０側からみた図である。電圧計７２ａ〜７２ｆのそれぞれは、複数個の燃料電池セル６０ａからなる積層体それぞれの電圧を検出する。また、例１で説明した電流計を用いて燃料電池スタック１２０の発電電流を検出する。この場合、積層体ごとに電気抵抗を推定することができる。それにより、積層体ごとに温度を推定することができる。
【００６６】
例えば、燃料電池スタック１２０の中央部側を構成する積層体の電圧を検出することによって、燃料電池スタック１２０の高温部の温度を推定することができる。また、燃料電池スタック１２０の端部側を構成する積層体の電圧を検出することによって、燃料電池スタック１２０の低温部の温度を推定することができる。したがって、温度制御を優先させたい箇所の推定温度に基づいて、燃料電池スタック１２０の温度を制御することができる。なお、例１で説明したように、改質器１３０への原燃料量、燃料電池スタック１２０への酸化剤ガス量、または、燃料電池スタック１２０の負荷を増減させることによって、燃料電池スタック１２０の温度を制御することができる。
【００６７】
なお、上記各例は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。ただし、固体酸化物形のような高温型においては温度検出が困難であるため、特に効果が得られる。
【符号の説明】
【００６８】
１０  制御部
２０  原燃料供給部
３０  改質水供給部
３１  改質水タンク
３２  改質水ポンプ
４０  酸化剤ガス供給部
５０  改質器
５１  気化部
５２  改質部
５３  燃焼室
６０  燃料電池
６１  カソード
６２  アノード
６３  電解質
７１  電流計
７２  電圧計
８０  熱交換器
９０  発電量制御装置
１００  燃料電池システム
【図１】
2011044290.tif 000003
【図２】
2011044290.tif 000004
【図３】
2011044290.tif 000005
【図４】
2011044290.tif 000006
【図５】
2011044290.tif 000007
【図６】
2011044290.tif 000008
【図７】
2011044290.tif 000009
【図８】
2011044290.tif 000010
【図９】
2011044290.tif 000011
【図１０】
2011044290.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月30日(2010.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図６の実線に示すように、燃料電池６０の温度上昇に伴って、開回路電圧ＯＣＶも、破線に示す燃料電池の電気抵抗率と同様に低下する。したがって、開回路電圧ＯＣＶを検出することによって、燃料電池６０の温度及び電気抵抗を推定することができる。