(57)【要約】【課題】燃料電池セルスタックの単セル電圧が低下した場合でも、燃焼ガスの温度を一定に維持しながら高効率で発電を行う燃料電池システム、そのシステムに関する制御法、その制御法を実現するプログラム、及びそのプログラムを記録した記録媒体を提供すること。【解決手段】従来の燃料電池システムの構成に加えて、燃焼ガスの温度を測定する温度計９と、コンプレッサ１１の前段に配置され空気の流量を調整する空気流量調整手段１０と、コンプレッサ１１から流出する空気の圧力を測定する圧力計２０と、発電機１３のロータにつながった軸のギヤのタービン１２の軸のギヤに対するギヤ比を制御するギヤ比制御装置２２を有する燃料電池システムを構成する。【選択図】　　図１
2004127736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を一酸化炭素及び水素に改質する改質器と、前記一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を電池反応とする燃料電池セルスタックと、回転することにより空気を加圧し前記燃料電池セルスタックに供給するコンプレッサと、前記燃料電池セルスタックで未反応の水素及び一酸化炭素を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、第１のギヤが付いた軸とつながったロータが回転して発電を行う発電機と、前記第１のギヤとかみ合う第２のギヤを有し且つ前記コンプレッサとつながる軸を備え前記燃焼ガスが膨張するエネルギーで回転するタービンを有する燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガスの温度を測定する温度計と、前記コンプレッサから排出される空気の圧力を測定する圧力計と、前記コンプレッサの前段に配置され前記空気の流量を調整する空気流量調整手段と、前記コンプレッサから流出する空気の圧力を調整するコンプレッサ圧力比調整手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサ圧力比調整手段として、前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を制御するギヤ比制御装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサ圧力比調整手段として、前記コンプレッサの静翼及び動翼の一方または両方の角度を制御する翼角度制御装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池システムに関する制御法において、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には前記空気流量調整手段により前記空気の流量を増加させ、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には前記空気流量調整手段により前記空気の流量を減少させることにより燃焼ガスの温度を一定に維持するステップと、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記ギヤ比を下げることによって、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力を一定に維持するステップを有することを特徴とする燃料電池システムに関する制御法。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムであって、コンピュータに、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には前記空気流量調整手段に向けて前記空気の流量を増加させる命令を出力する演算手順を実行させ、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には前記空気流量調整手段に向けて前記空気の流量を減少させる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げさせる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記ギヤ比を下げさせる命令を出力する演算手順を実行させるためのプログラムである燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項７】
請求項２記載の燃料電池システムに関する制御法において、前記空気流量調整手段で前記空気の流量を一定に保つステップと、前記温度計で測定した燃焼ガスの温度Ｔｉｎと、予め設定した前記タービンの出口温度Ｔｏｕｔと、予め設定した前記燃焼ガスの定圧比熱を予め設定した前記燃焼ガスの定容比熱で割った値κとから式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
により算出したｒを用いて、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より低くなった場合には前記発電機の前記ギヤ比制御装置を用いて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記ギヤ比を下げることによって、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力を大気圧のｒ倍とすることを特徴とする燃料電池システムに関する制御法。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムであって、コンピュータに、前記空気の流量を一定に保たせる命令を必要に応じて前記空気流量調整手段に向けて出力する演算手順を実行させ、前記Ｔｉｎと、前記Ｔｏｕｔと、前記κとから式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
によりｒを算出する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げさせる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記ギヤ比を下げさせる命令を出力する演算手順を実行させるためのプログラムである燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、そのシステムに関する制御法、その制御法を実現するプログラム、及びそのプログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】「論文“Ｔｕｂｕｌａｒ　Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ／Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｃｙｃｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ−Ｓｔａｔｕｓ，”Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　＆　Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　＆　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，　２０００−ＧＴ−５５０，　１−５，　Ｓｔｅｅｐｅｎ　Ｅ．　Ｖｅｙｏ，　Ｌａｒｒｙ　Ａ．　Ｓｈｏｃｋｌｉｎｇ，　Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ｔ．　Ｄｅｄｅｒｅｒ，　Ｊａｍｅｓ　Ｅ．　Ｇｉｌｌｅｔｔ，　ａｎｄ　Ｗａｙｎｅ　Ｌ．　Ｌｕｎｄｂｅｒｇ」
図５は、従来の燃料電池システムを示す図である。燃料電池は固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記す）でも溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）でも良いが、ここでは、前記非特許文献１に例示されているような、ガスタービンと組み合わせたリサイクル型ＳＯＦＣを想定して説明する。
【０００３】
図５において、４は炭化水素１４を一酸化炭素及び水素に改質する改質器であり、３は前記一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を電池反応とする燃料電池セルスタックであり、１１は回転することにより空気１５を加圧し燃料電池セルスタック３に供給するコンプレッサであり、２は燃料電池セルスタック３で未反応の水素及び一酸化炭素を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器であり、１３は第１のギヤが付いた軸とつながったロータが回転して発電を行う発電機であり、１２は前記第１のギヤとかみ合う第２のギヤを有し且つコンプレッサ１１とつながる軸を備え前記燃焼ガスが膨張するエネルギーで回転するタービンであり、５及び６は熱交換器であり、７はアノードリサイクリングガスであり、８はＤＣ／ＡＣインバータであり、燃焼器２、燃料電池セルスタック３及び改質器４はモジュール１を構成している。
【０００４】
燃料電池システムに供給される炭化水素１４は天然ガスでも、プロパンでも、純メタンでも構わないが、ここでは、純メタンとして説明を行う。
【０００５】
この場合はメタンである炭化水素１４は、タービンの排ガスと燃料の熱交換を行う熱交換器５で昇温された後に改質器４に供給される。
【０００６】
改質器４では、（１）式に示す改質反応及び（２）式に示す水性シフト反応、
ＣＨ４　＋　Ｈ２Ｏ　→　３Ｈ２　＋　ＣＯ　　　　　　　　　　　　　（１）
ＣＯ　＋　Ｈ２Ｏ　→　Ｈ２　＋　ＣＯ２　　　　　　　　　　　　　　（２）
によって、水素と一酸化炭素及び二酸化炭素とが生成する。改質反応及び水性シフト反応に必要な水蒸気は、燃料電池セルスタック３の排燃料の一部を、アノードリサイクリングガス７として、改質器４にリサイクルさせることによって供給し、外部から新たに水蒸気を供給する必要はない。
【０００７】
燃料電池セルスタック３では、電池反応として（３）式及び（４）式に示す水素の電気化学的酸化反応及び一酸化炭素の電気化学的酸化反応、
Ｈ２　＋　０．５Ｏ２　→　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
ＣＯ　＋　０．５Ｏ２　→　ＣＯ２　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
が起こる。
【０００８】
燃料電池セルスタック３で未反応の水素及び一酸化炭素は、燃焼器２で燃焼させる。コンプレッサ１１で加圧された後に、タービンの排ガスと空気の熱交換を行う熱交換器６で昇温された空気は、燃料電池セルスタック３に供給され電池反応に利用される。燃料電池セルスクック３の排空気は、燃焼器２で排燃料とともに燃焼される。
【０００９】
燃焼器２で得られた燃焼ガスは、タービン１２に供給され、タービン１２において膨張する。燃焼ガスが膨張することによって得られるエネルギーは、タービン１２の回転に利用される。タービン１２の軸はコンプレッサ１１につながっており、燃焼ガスの膨張するエネルギーはコンプレッサ１１における空気の加圧に利用される。また、タービン１２の軸のギヤ（前記第２のギヤ）は、発電機１３のロータにつながった軸のギヤ（前記第１のギヤ）とかみあっており、燃焼ガスの膨張するエネルギーは発電にも利用される。従来の燃料電池システムでは、前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比は一定に制御されていた。
【００１０】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池セルスタック３の出力密度を０．１９×１０６Ｗ／ｍ３、改質器４の出力密度を０．２２×１０６Ｗ／ｍ３、燃焼器２の燃焼密度を０．５１×１０６Ｗ／ｍ３、熱交換器５及び６の熱通過率を７０Ｗ／ｍ２／Ｋ、熱交換器５及び６の断熱材（セラミックファイバ、厚さ０．２ｍ）の熱伝導率を０．１５Ｗ／ｍ／Ｋ、モジュール１の断熱材（セラミックファイバ、厚さ０．２ｍ）の熱伝導率を０．３０Ｗ／ｍ／Ｋ、コンプレッサ１１及びタービン１２の断熱効率をそれぞれ７３％及び８０％とする。また、燃料電池システムの送電端交流出力を２００ｋＷ、燃料電池セルスタック３の燃料利用率を０．８、燃料電池セルスタック３の酸素利用率を０．２、燃料電池セルスタック３の単セル電圧を０．６５Ｖ、燃料と空気の熱交換器５の出口温度を８７３Ｋ、燃料電池セルスタック３の発電温度が１２７３Ｋとする。ここで、燃料電池セルスタック３の燃料利用率は、改質器４で毎秒発生する水素と一酸化炭素のモル数の和に対する、燃料電池セルスタック３において（３）式及び（４）式に示した電池反応で毎秒反応する水素と一酸化炭素のモル数の和の割合を表す。
【００１１】
この場合、燃料電池システムに供給する燃料であり、この場合はメタンである炭化水素１４及び空気１５の流量はそれぞれ０．４６モル／ｓ及び１８．４モル／ｓ、燃焼器２で得られる燃焼ガスの温度は１１４５Ｋ、コンプレッサ１１から流出する空気の圧力は０．２５８ＭＰａ（２．５５気圧、以下、０．１０１ＭＰａを１気圧あるいは大気圧とする）、送電端効率は５８％となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システムにおいて、例えば、燃料電池セルスタック３が劣化し、その単セル電圧が０．６０Ｖまで下がったとする。従来の燃料電池システムでは、劣化にともなって空気流量やコンプレッサ１１から流出する空気の圧力の制御を行っておらず、燃焼ガスの温度は劣化前と比べて２５Ｋ上昇し１１７０Ｋとなり、燃料電池システムの送電端効率は単セル性能劣化前と比べて３％低下し５５％となる。
【００１３】
このように、従来の燃料電池システムでは、燃料電池セルスタック３の単セル電圧が低下すると、送電端効率が低下するという問題があった。
【００１４】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池セルスタックの単セル電圧が低下した場合でも、燃焼ガスの温度を一定に維持しながら高効率で発電を行う燃料電池システム、そのシステムに関する制御法、その制御法を実現するプログラム、及びそのプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
炭化水素を一酸化炭素及び水素に改質する改質器と、前記一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を電池反応とする燃料電池セルスタックと、回転することにより空気を加圧し前記燃料電池セルスタックに供給するコンプレッサと、前記燃料電池セルスタックで未反応の水素及び一酸化炭素を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、第１のギヤが付いた軸とつながったロータが回転して発電を行う発電機と、前記第１のギヤとかみ合う第２のギヤを有し且つ前記コンプレッサとつながる軸を備え前記燃焼ガスが膨張するエネルギーで回転するタービンを有する燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガスの温度を測定する温度計と、前記コンプレッサから排出される空気の圧力を測定する圧力計と、前記コンプレッサの前段に配置され前記空気の流量を調整する空気流量調整手段と、前記コンプレッサから流出する空気の圧力を調整するコンプレッサ圧力比調整手段を有することを特徴とする燃料電池システムを構成する。
【００１６】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサ圧力比調整手段として、前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を制御するギヤ比制御装置を有することを特徴とする燃料電池システムを構成する。
【００１７】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサ圧力比調整手段として、前記コンプレッサの静翼及び動翼の一方または両方の角度を制御する翼角度制御装置を有することを特徴とする燃料電池システムを構成する。
【００１８】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項２記載の燃料電池システムに関する制御法において、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には前記空気流量調整手段により前記空気の流量を増加させ、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には前記空気流量調整手段により前記空気の流量を減少させることにより燃焼ガスの温度を一定に維持するステップと、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記ギヤ比を下げることによって、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力を一定に維持するステップを有することを特徴とする燃料電池システムに関する制御法を構成する。
【００１９】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項４記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムであって、コンピュータに、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には前記空気流量調整手段に向けて前記空気の流量を増加させる命令を出力する演算手順を実行させ、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には前記空気流量調整手段に向けて前記空気の流量を減少させる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げさせる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記ギヤ比を下げさせる命令を出力する演算手順を実行させるためのプログラムである燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムを構成する。
【００２０】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項５記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を構成する。
【００２１】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項２記載の燃料電池システムに関する制御法において、前記空気流量調整手段で前記空気の流量を一定に保つステップと、前記温度計で測定した燃焼ガスの温度Ｔｉｎと、予め設定した前記タービンの出口温度Ｔｏｕｔと、予め設定した前記燃焼ガスの定圧比熱を予め設定した前記燃焼ガスの定容比熱で割った値κとから式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
により算出したｒを用いて、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より低くなった場合には前記発電機の前記ギヤ比制御装置を用いて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記ギヤ比を下げることによって、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力を大気圧のｒ倍とすることを特徴とする燃料電池システムに関する制御法を構成する。
【００２２】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項７記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムであって、コンピュータに、前記空気の流量を一定に保たせる命令を必要に応じて前記空気流量調整手段に向けて出力する演算手順を実行させ、前記Ｔｉｎと、前記Ｔｏｕｔと、前記κとから式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
によりｒを算出する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げさせる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記ギヤ比を下げさせる命令を出力する演算手順を実行させるためのプログラムである燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムを構成する。
【００２３】
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
請求項８記載の燃料電池システムに関する制御法を実現するプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を構成する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
燃料電池セルスタックが劣化しても燃焼ガスの温度及びコンプレッサから流出する空気の圧力を一定に保つことによって、またはコンプレッサから流出する空気の圧力を最適に制御することによってシステム送電端効率を高く維持できるシステムを構築するために、本発明者らは、新たな燃料電池システム、そのシステムに関する制御法、その制御法を実現するプログラム、及びそのプログラムを記録した記録媒体を提案する。
【００２５】
（システム１）
本発明に係る第一の燃料電池システム（以下、システム１と記す）は、炭化水素を一酸化炭素及び水素に改質する改質器と、前記一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を電池反応とする燃料電池セルスタックと、回転することにより空気を加圧し燃料電池セルスタックに供給するコンプレッサと、前記燃料電池セルスタックで未反応の水素及び一酸化炭素を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、第１のギヤが付いた軸とつながったロータが回転して発電を行う発電機と、前記第１のギヤとかみ合う第２のギヤを有し且つ前記コンプレッサとつながる軸を備え前記燃焼ガスが膨張するエネルギーで回転するタービンを有する燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガスの温度を測度する温度計と、前記コンプレッサから排出される空気の圧力を測定する圧力計と、前記コンプレッサの前段に配置された前記空気の流量を調整する空気流量調整手段と、前記コンプレッサから流出する空気の圧力を調整するコンプレッサ圧力比調整手段を有することを特徴とする。
【００２６】
（システム２）
本発明に係る第二の燃料電池システム（以下、システム２と記す）は、前記システム１において、前記コンプレッサ圧力比調整手段として前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を制御するギヤ比制御装置を有することを特徴とする。
【００２７】
（システム３）
本発明に係る第三の燃料電池システム（以下、システム３と記す）は、前記システム１において、前記コンプレッサ圧力比調整手段として前記コンプレッサの静翼及び動翼の一方または両方の角度を制御する翼角度制御装置を有することを特徴とする。
【００２８】
（制御法１）
本発明に係る第一の燃料電池システムに関する制御法（以下、制御法１と記す）は、前記システム２に関する制御法において、前記温度計で測定した燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には前記空気流量調整手段により前記空気の流量を増加させ、前記温度計で測定した燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には前記空気流量調整手段により前記空気の流量を減少させることにより前記燃焼ガスの温度を一定に維持するステップと、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置を用いて前記ギヤ比を下げることによって、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する空気の圧力を一定に維持するステップを有することを特徴とする。
【００２９】
前記制御法１を実現するプログラムは、コンピュータに、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には前記空気流量調整手段に向けて前記空気の流量を増加させる命令を出力する演算手順を実行させ、前記温度計で測定した前記燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には前記空気流量調整手段に向けて前記空気の流量を減少させる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げさせる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記ギヤ比を下げさせる命令を出力する演算手順を実行させるためのプログラムであることを特徴とする。
【００３０】
前記制御法１を実現するプログラムを記録した記録媒体は、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であることを特徴とする。
【００３１】
（制御法２）
本発明に係る第二の燃料電池システムに関する制御法（以下、制御法２と記す）は、前記システム２に関する制御法において、前記空気流量制御装置で空気の流量を一定に保つステップと、前記温度計で測定した燃焼ガスの温度Ｔｉｎと、予め設定したタービンの出口温度Ｔｏｕｔと、予め設定した前記燃焼ガスの定圧比熱を予め設定した前記燃焼ガスの定容比熱で割った値κから式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
により算出したｒを用いて、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より低くなった場合は、前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より高くなった場合は、前記ギヤ比を下げることによって、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力を大気圧のｒ倍とするステップを有することを特徴とする。
【００３２】
前記制御法２を実現するプログラムは、コンピュータに、前記空気の流量を一定に保つ命令を必要に応じて前記空気流量調整手段に向けて出力する演算手順を実行させ、前記Ｔｉｎと、前記Ｔｏｕｔと、前記κとから式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
により上記ｒを算出する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より低くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記第１のギヤの前記第２のギヤに対するギヤ比を上げさせる命令を出力する演算手順を実行させ、前記圧力計で測定した前記コンプレッサから流出する前記空気の圧力が大気圧のｒ倍より高くなった場合には前記ギヤ比制御装置に向けて前記ギヤ比を下げさせる命令を出力する演算手順を実行させるためのプログラムであることを特徴とする。
【００３３】
前記制御法２を実現するプログラムを記録した記憶媒体は、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であることを特徴とする。
【００３４】
（実施の形態例）
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態例を示す図である。図１に示した本発明に係る燃料電池システムが図５に示した従来の燃料電池システムと異なる点は、図５に示した従来の燃料電池システムの構成に加えて、燃焼ガスの温度を測定する温度計９と、コンプレッサ１１の前段に配置され空気の流量を調整する空気流量調整手段１０と、コンプレッサ１１から流出する空気の圧力を測定する圧力計２０と、発電機１３のロータにつながった軸のギヤ（前記第１のギヤ）のタービン１２の軸のギヤ（前記第２のギヤ）に対するギヤ比を制御するギヤ比制御装置２２を有する点にある。ここで、ギヤ比制御装置２２は、コンプレッサ圧力比調整手段であり、コンプレッサ１１から流出する空気の圧力を調整するために配置されている。コンプレッサ１１から流出する空気の圧力を調整するためのコンプレッサ圧力比調整手段としては、ギヤ比制御装置２２に代えて、コンプレッサ１１の静翼及び動翼の一方または両方の角度を制御する翼角度制御装置を配置しても構わない。また、空気流量調整手段１０は、空気流量調整弁、ブロワーなどである。
【００３５】
なお、図１において、図５に示した従来の燃料電池システムと共通する部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３６】
図２は、前記制御法１を流れ図で表したものである。図に示したように、ステップ　Ｓ１　で燃焼器２から流出する燃焼ガスの温度（Ｔｃ）を温度計９で計測する。ステップ　Ｓ２　でＴｃと設定温度とを比較し、Ｔｃ＞設定温度ならばステップ　Ｓ３　で空気流量調整手段１０により空気流量を増加させてステップ　Ｓ１　に戻り、Ｔｃ＜設定温度ならばステップ　Ｓ５　で空気流量調整手段１０により空気流量を減少させてステップ　Ｓ１　に戻り、Ｔｃ＝設定温度ならばステップ　Ｓ４　で空気流量調整手段１０により空気流量を維持しステップ　Ｓ６　に進む。ステップ　Ｓ６　でコンプレッサ１１から流出する空気の圧力（Ｐｃ）を圧力計２０で計測する。ステップ　Ｓ７　でＰｃと設定圧力とを比較し、Ｐｃ＞設定圧力ならばステップ　Ｓ８　で発電機１３のロータにつながった軸のギヤ（前記第１のギヤ）のタービン１２の軸のギヤ（前記第２のギヤ）に対するギヤ比をギヤ比制御装置２２により下げてステップＳ６　に戻り、Ｐｃ＜設定圧力ならばステップ　Ｓ１０　で前記ギヤ比をギヤ比制御装置２２により上げてステップ　Ｓ６　に戻り、Ｐｃ＝設定圧力ならばステップ　Ｓ９　で前記ギヤ比を維持し、次回の制御を行う時点でステップ　Ｓ１　に戻り、上記の制御を繰り返す。
【００３７】
上記の、温度に関する比較、空気流量の調整、圧力に関する比較、ギヤ比の制御等はすべてコンピュータが実行する演算、あるいはその演算結果に基づいてコンピュータが出力する命令に基づいて行われ、前記演算はコンピュータに演算手順を実行させるためのプログラムに従って行われ、そのプログラムはコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録される。
【００３８】
図１に示した本発明に係る燃料電池システムにおいて、従来の燃料電池システムと同様に、例えば、燃料電池セルスタック３の単セル性能が劣化してその電圧が０．６０Ｖまで下がったとする。
【００３９】
前記制御法１では、空気流量は、図２に示すように、温度計９で測定された燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも高くなった場合には空気流量調整手段１０により空気１５の流量を増加させ、燃焼ガスの温度が予め設定された温度よりも低くなった場合には空気流量調整手段１０により空気１５の流量を減少させるように制御される。これにより空気流量は２０モル／ｓまで増加し、燃料電池スタック３の酸素利用率は０．１８まで低下する。
【００４０】
図３はこの場合のコンプレッサ１１の流量−圧縮比特性を示している。図の縦軸はコンプレッサ１１から流出する空気の圧力（Ｐｃ）を大気圧（０．１０１ＭＰａ）で割った圧縮比であり、横軸は空気流量である。また、図中、「１」で示した点は設定点であり、「２」で示した点は燃焼器２の燃焼ガス温度が一定となるように空気流量を制御した場合の点を示し、「３」で示した点は「２」の点からさらに、前記ギヤ比を圧縮比が設定点と同じになるように制御した場合の点である。ここに、ギヤ比は発電機１３のロータにつながった軸のギヤ（前記第１のギヤ）のタービン１２の軸のギヤ（前記第２のギヤ）に対するギヤ比であり、回転数はコンプレッサ１１及びタービン１２の回転数である。
【００４１】
このとき、コンプレッサ１１の流量−圧縮比特性が図３に従うとすると、前記ギヤ比を制御しないと前記コンプレッサ１１の圧縮比は運転曲線に沿って、図３中「１」で示した点から「２」で示した点まで上昇し３．０となる。すなわち、コンプレッサ１１から流出する空気の圧力は０．３０３ＭＰａ（３．０気圧）となる。しかし、本発明の制御法では、図２に示すように、ギヤ比制御装置２２を用いて、圧力計２０で測定したコンプレッサ１１から流出する空気の圧力が予め設定された圧力より低くなった場合には、タービン１２の回転数が上がるように前記ギヤ比を上げ、圧力計２０で測定したコンプレッサ１１から流出する空気の圧力が予め設定された圧力より高くなった場合には、タービン１２の回転数が下がるように前記ギヤ比を下げることによってコンプレッサ１１から流出する空気の圧力を一定に維持するように制御する。従って、空気流量が２０モル／ｓと単セル性能劣化前と比べて増加しても、タービン１２の回転数が下がるように前記ギヤ比を下げることによりコンプレッサ１１から流出する空気の圧力は、図３中「３」で示した点におけるように、設定値の０．２４５ＭＰａ（２．４５気圧）に維持される。
【００４２】
このとき、燃料電池システムの送電端効率は５６％となり、従来の空気流量や前記ギヤ比の制御を行わない燃料電池システムと比べて１％効率が向上する。
【００４３】
図４は、前記制御法２を流れ図で表したものである。図に示したように、ステップ　Ｓ１　で空気流量を空気流量調整手段１０により一定に保つ。次に、ステップＳ２　で燃焼器２から流出する燃焼ガスの温度（Ｔｉｎ）を温度計９で計測する。次に、ステップ　Ｓ３　でｒを式：
ｒ＝（Ｔｉｎ／Ｔｏｕｔ）κ／（κ−１）
により計算する。ここに、Ｔｏｕｔはタービン１２出口温度の設定値であり、κは燃焼ガスの定圧比熱を定容比熱で割った値である。次に、ステップ　Ｓ４　でコンプレッサ１１から流出する空気の圧力（Ｐｃ）を圧力計２０により計測する。ステップ　Ｓ５　でＰｃとｒ×（大気圧）を比較し、Ｐｃ＞ｒ×（大気圧）ならばステップ　Ｓ６　で発電機１３のロータにつながった軸のギヤ（前記第１のギヤ）のタービン１２の軸のギヤ（前記第２のギヤ）に対するギヤ比をギヤ比制御装置２２により下げてステップ　Ｓ４　に戻り、Ｐｃ＜ｒ×（大気圧）ならばステップ　Ｓ８　で前記ギヤ比をギヤ比制御装置２２により上げてステップ　Ｓ４　に戻り、Ｐｃ＝ｒ×（大気圧）ならばステップ　Ｓ７　で前記ギヤ比を維持し、次回の制御を行う時点でステップ　Ｓ１　に戻り、上記の制御を繰り返す。
【００４４】
上記の計算、圧力に関する比較、ギヤ比の制御等はすべてコンピュータが実行する演算、あるいはその演算結果に基づいてコンピュータが出力する命令に基づいて行われ、前記演算はコンピュータに演算手順を実行させるためのプログラムに従って行われ、そのプログラムはコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録される。
【００４５】
上記と同様に、例えば、燃料電池セルスタック３の単セル性能が劣化してその電圧が０．６０Ｖまで下がったとする。
【００４６】
このとき、前記制御法２では、図４に示すように、空気流量は一定に維持される。このとき、燃焼ガス温度は１１７０Ｋとなるので、予め設定した前記タービンの出口温度Ｔｏｕｔ（＝９０３Ｋ）と、予め設定した前記燃焼ガスの定圧比熱を予め設定した前記燃焼ガスの定容比熱を割った値κ（＝１．３４）から、ｒは２．７５となる。そこで、圧力計２０で測定したコンプレッサ１１から流出する空気の圧力が大気圧の２．７５倍より低くなった場合は、前記ギヤ比を上げ、圧力計２０で測定したコンプレッサー１１から流出する空気の圧力が大気圧の２．７５倍より高くなった場合は、前記ギヤ比を下げることによって、圧力計２０で測定したコンプレッサ１１から流出する空気の圧力は大気圧の２．７５倍に制御される。
【００４７】
このような制御を行うと、システムの送電端効率は５６％となり、ギヤ比の制御を行わない従来のシステムの送電端効率５５％と比べて１％効率が向上する。
【００４８】
以上、実施の形態例によって説明したように、本発明の燃料電池システムと、そのシステムに関する制御法と、その制御法を実現するプログラムと、そのプログラムを記録した記録媒体とは、燃料電池セルスタックの単セル電圧が低下した場合でも、燃焼ガスの温度を一定に維持しながら高効率で発電を行うことを可能とする。
【発明の効果】
本発明の実施により、燃料電池セルスタックの単セル電圧が低下した場合でも、燃焼ガスの温度を一定に維持しながら高効率で発電を行う燃料電池システム、そのシステムに関する制御法、その制御法を実現するプログラム、及びそのプログラムを記録した記録媒体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態例を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムに関する制御法の一実施形態例（制御法１）を示す図である。
【図３】コンプレッサの流量−圧縮比特性の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムに関する制御法の一実施形態例（制御法２）を示す図である。
【図５】従来の燃料電池システムを示す図である。
【符号の説明】
１…モジュール、２…燃焼器、３…燃料電池セルスタック、４…改質器、５…熱交換器、６…熱交換器、７…アノードリサイクリングガス、８…ＤＣ／ＡＣインバータ、９…温度計、１０…空気流量調整手段、１１…コンプレッサ、１２…タービン、１３…発電機、１４…炭化水素、１５…空気、２０…圧力計、２２…ギヤ比制御装置。
【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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