JP5524507B2

JP5524507B2 - Fuel cell module control program

Info

Publication number: JP5524507B2
Application number: JP2009104172A
Authority: JP
Inventors: 淳之石岡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: JP2010257648A

Description

本発明は、コンピュータによって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールを制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムに関する。 The present invention relates to a control program for a fuel cell module for controlling a fuel cell module having a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked by a computer.

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. A joined body (hereinafter also referred to as MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.

この種の燃料電池スタックでは、運転中に出力が変動される場合があり、この変動が繰り返されることによって、ＭＥＡが劣化し、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。 In this type of fuel cell stack, the output may fluctuate during operation, and the repetition of this fluctuation may deteriorate the MEA and reduce the durability of the fuel cell.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムの運転方法が知られている。この特許文献１は、反応ガスの酸化・還元反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池で発電された電気エネルギにより作動される電力負荷とを用意するステップと、前記燃料電池で発電された電気エネルギにより前記電力負荷を作動させる作動ステップとを実施する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池の発電量を増加方向及び減少方向に変化させるとき、反応ガスの利用率を発電量変化前の利用率よりも減少させる利用率減少操作を実行することを特徴としている。 Therefore, for example, a method of operating a fuel cell power generation system disclosed in Patent Document 1 is known. This Patent Document 1 discloses a fuel cell that generates electric power by an oxidation / reduction reaction of a reactive gas, a reactive gas supply system that supplies the reactive gas to the fuel cell, and a power load that is operated by electrical energy generated by the fuel cell. And an operation step of operating the electric power load by the electric energy generated by the fuel cell, wherein the power generation amount of the fuel cell is increased and decreased. When changing to, the utilization rate reduction operation is performed to reduce the utilization rate of the reaction gas from the utilization rate before the power generation amount change.

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムが知られている。この特許文献２では、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を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ように構成されていることを特徴としている。 A fuel cell system disclosed in Patent Document 2 is known. In this Patent Document 2, a high temperature operation type fuel cell, a fuel cell operating state determining unit for determining an operating state of the fuel cell, an output control unit for controlling output from the fuel cell, and supplying fuel to the fuel cell A fuel supply amount control means for controlling the fuel supply amount, and an oxidant supply amount for controlling the oxidant supply amount, which is interposed in an oxidant supply system for supplying an oxidant to the fuel cell. The fuel cell control means stores the characteristics of the output of the fuel cell, the fuel supply amount, the oxidant supply amount, and the parameter indicating the operating state of the fuel cell. The control unit is configured to control any one of the output control unit, the fuel supply amount control unit, and the oxidant supply amount control unit based on the parameter indicating the operation state of the fuel cell and the stored characteristic. With features To have.

特開２００６−２５３０３４号公報JP 2006-253034 A 特開２００６−０３２２６２号公報JP 2006-032262 A

燃料電池では、特に出力を下げた際に、酸化剤ガスや排ガスがＭＥＡを回り込んで、アノード電極に接触し、このアノード電極を酸化させるおそれがある。このため、この状態で、出力を上げると、酸化によりＭＥＡの発電面積が縮小されているため、前記ＭＥＡへの負荷が増大して該ＭＥＡが劣化してしまう。 In the fuel cell, particularly when the output is lowered, there is a possibility that the oxidant gas or the exhaust gas may enter the MEA and come into contact with the anode electrode to oxidize the anode electrode. For this reason, when the output is increased in this state, the power generation area of the MEA is reduced due to oxidation, so that the load on the MEA increases and the MEA deteriorates.

しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、上記の酸化剤ガスの回り込みにより酸化されたアノード電極を迅速に還元させることができず、ＭＥＡの劣化を抑制することが困難になるという問題がある。 However, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 have a problem that the anode electrode oxidized by the oxidant gas wrap-around cannot be rapidly reduced, and it becomes difficult to suppress the deterioration of MEA.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、酸化されたアノード電極を迅速に還元させることができ、ＭＥＡの劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池モジュールの制御プログラムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and provides a control program for a fuel cell module that can quickly reduce an oxidized anode electrode and suppress degradation of MEA as much as possible. The purpose is to do.

本発明は、コンピュータによって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールを制御するための燃料電池モジュールの制御プログラムに関するものである。 The present invention relates to a control program for a fuel cell module for controlling a fuel cell module having a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked by a computer. .

この制御プログラムは、燃料電池スタックの目標出力値を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタックの現在出力値を検出する第２のステップと、前記目標出力値と前記現在出力値とを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタックの出力を一定に保ったまま、前記燃料電池スタックに前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行い、アノード電極の還元を行う第４のステップと、少なくとも前記燃料電池スタックの抵抗の時間変化又は電圧の時間変化のいずれかを検出する第５のステップと、少なくとも前記抵抗の時間変化と予め設定された前記抵抗の時間変化の設定値、又は、前記電圧の時間変化と予め設定された前記電圧の時間変化の設定値とのいずれかを比較する第６のステップと、前記燃料電池スタックの前記現在出力値を前記目標出力値にする第７のステップと、を含み、前記第４のステップが実行される前は、燃料利用率を一定に維持し、前記燃料電池スタックに供給される燃料の供給量を減少させることによって、定格未満運転が行われている。
The control program compares a first step for setting a target output value of the fuel cell stack, a second step for detecting a current output value of the fuel cell stack, and the target output value and the current output value. third steps, while maintaining constant the output of the fuel cell stack, have a row supply of fuel gas in accordance with the target output value to the fuel cell stack, a fourth step of reduction of the anode electrode to be When at least a fifth step of detecting one of the time change or voltage resistance of time change the fuel cell stack, at least the time variation with a preset set value of the time change in the resistance of the resistor, or a sixth step of comparing one of the set value of the time variation of the time change preset the voltage of the voltage, the current output of the fuel cell stack The anda seventh step of the target output value, before said fourth step is executed, and maintain the fuel utilization rate constant, the supply amount of the fuel supplied to the fuel cell stack By reducing, operation below the rating is performed.

そして、この制御プログラムは、第３のステップで、目標出力値が現在出力値を超過していると判断された際に、第４のステップを実行させ、前記第４のステップの後に第５のステップ及び第６のステップを実行させ、前記第６のステップで、抵抗の時間変化が予め設定された抵抗の時間変化の設定値超過、又は、電圧の時間変化が予め設定された電圧の時間変化の設定値超過のいずれかであると判断された際、前記第５のステップに戻り、前記第６のステップで、前記抵抗の時間変化が予め設定された前記抵抗の時間変化の設定値以下、又は、前記電圧の時間変化が予め設定された前記電圧の時間変化の設定値以下のいずれかであると判断された際、第７のステップを実行させている。
Then, when it is determined in the third step that the target output value exceeds the current output value , the control program causes the fourth step to be executed, and the fifth step is executed after the fourth step. Step 6 and Step 6 are executed. In the sixth step, the time change of the resistance exceeds the preset value of the time change of the resistance, or the time change of the voltage is the time change of the preset voltage. When it is determined that any of the set values is exceeded, the process returns to the fifth step, and in the sixth step, the time change of the resistance is less than or equal to a preset value of the time change of the resistor, Alternatively, when it is determined that the time change of the voltage is not more than a preset value of the time change of the voltage, the seventh step is executed.

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極に回り込んで、前記アノード電極が酸化したときには、出力を増加させる前に、目標出力値に応じて供給された燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極を還元させることができる。 For this reason, especially when oxidant gas or exhaust gas circulates to the anode electrode and the anode electrode is oxidized, the fuel gas supplied according to the target output value is not used as an output before increasing the output. The anode electrode can be reduced by the fuel gas.

このように、燃料電池スタックの出力を増加させる前に、予め出力増加分の燃料ガスを供給することにより、アノード電極を還元させて前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。 In this way, before increasing the output of the fuel cell stack, by supplying the fuel gas corresponding to the increased output in advance, the anode electrode is reduced and the power generation area of the anode electrode is expanded, and then the output is increased. ing. Therefore, the load (high current density) on the MEA is reduced, and the deterioration of the MEA is satisfactorily suppressed.

また、この制御プログラムは、第３のステップで、目標出力値が現在出力値以下であると判断された際、第１のステップに戻ることが好ましい。これにより、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極を還元して前記アノード電極の発電面積を拡大させるために燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。
The control program, in a third step, when the target output value is determined to be less than or equal to the current output value, it is preferable to return to the first step. As a result, when it is not necessary to increase the output, the fuel electrode is not supplied excessively to reduce the anode electrode and expand the power generation area of the anode electrode, and the waste of the fuel gas is effective. Reduced to

さらに、この制御プログラムは、第７のステップは、現在出力値から目標出力値に段階的又は連続的に変化させることが好ましい。これにより、燃料電池スタックの出力増加が容易且つ効率的に遂行される。 Further, in this control program, it is preferable that the seventh step changes the current output value to the target output value stepwise or continuously. As a result, the output of the fuel cell stack can be increased easily and efficiently.

また、この制御プログラムは、第６のステップから第７のステップに移行する際に、前記第６のステップの比較結果に基づいて、現在出力値から目標出力値への変化時間を決定することが好ましい。このため、アノード電極の酸化状態に適した還元処理を行うことが可能になる。 In addition, when the control program shifts from the sixth step to the seventh step, the change time from the current output value to the target output value can be determined based on the comparison result of the sixth step. preferable. For this reason, it becomes possible to perform the reduction process suitable for the oxidation state of the anode electrode.

さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。従って、燃料電池は、発生する熱量の多い高温型燃料電池であり、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。 Furthermore, the fuel cell is preferably a solid oxide fuel cell. Therefore, the fuel cell is a high-temperature fuel cell that generates a large amount of heat, and the durability and life of the fuel cell system can be further improved.

また、固体酸化物形燃料電池は、電解質・電極接合体をセパレータで挟持する平板型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。これにより、特にシールレスタイプの燃料電池に良好に適用されるとともに、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。 The solid oxide fuel cell is preferably a flat plate solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly is sandwiched between separators. Thereby, it can be applied particularly well to a sealless type fuel cell, and the durability and life of the fuel cell system can be further improved.

本発明によれば、燃料電池スタックの目標出力値と現在出力値との比較結果に基づいて、前記目標出力値に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも抵抗変化と予め設定された抵抗変化の設定値、又は電圧変化と予め設定された電圧変化の設定値とのいずれかが比較され、その比較結果に基づいて、現在出力値を目標出力値まで増加させている。 According to the present invention, the fuel gas is supplied according to the target output value based on the comparison result between the target output value of the fuel cell stack and the current output value. Next, at least one of the resistance change and the preset value of the resistance change, or the voltage change and the preset value of the voltage change is compared, and the current output value is output based on the comparison result. Increasing to the value.

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極に回り込んで、前記アノード電極が酸化したときには、現在出力値を目標出力値に増加させる前に、前記目標出力値に応じて供給された燃料ガスの中、出力（電流）として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極を還元させることができる。 For this reason, particularly when the oxidant gas or the exhaust gas circulates to the anode electrode and the anode electrode is oxidized, the fuel gas supplied according to the target output value before increasing the current output value to the target output value. The anode electrode can be reduced by a fuel gas that is not used as an output (current).

このように、燃料電池スタックの出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極を還元させて前記アノード電極の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、ＭＥＡへの負荷（高電流密度）が軽減され、前記ＭＥＡの劣化が良好に抑制される。 Thus, before increasing the output of the fuel cell stack, by supplying fuel gas in advance, the anode electrode is reduced to increase the power generation area of the anode electrode, and then the output is increased. Therefore, the load (high current density) on the MEA is reduced, and the deterioration of the MEA is satisfactorily suppressed.

本発明の第１の実施形態に係る制御プログラムが適用される燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。1 is a schematic configuration explanatory diagram showing a mechanical circuit of a fuel cell system to which a control program according to a first embodiment of the present invention is applied. 前記燃料電池システムの回路図である。It is a circuit diagram of the fuel cell system. 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。It is a partially exploded perspective view showing the gas flow state of the fuel cell. 前記燃料電池の断面説明図である。2 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell. FIG. 前記制御プログラムを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said control program. 前記制御プログラムにおける制御パターンの説明図である。It is explanatory drawing of the control pattern in the said control program. 前記制御プログラムにおける抵抗変化の説明図である。It is explanatory drawing of the resistance change in the said control program. 前記制御プログラムにおける別の制御パターンの説明図である。It is explanatory drawing of another control pattern in the said control program. 前記制御プログラムにおけるさらに別の制御パターンの説明図である。It is explanatory drawing of another control pattern in the said control program. 前記抵抗変化及び電圧変化と還元時間との関係説明図である。It is a relation explanatory view of the resistance change, voltage change, and reduction time. 前記制御プログラムにおける別のフローチャートである。It is another flowchart in the said control program. 本発明の第２の実施形態に係る制御プログラムを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control program which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 出力変更幅、スタック温度部分負荷運転時間と還元時間との関係説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between output change width, stack temperature partial load operation time, and reduction time.

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る制御プログラムが適用される燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell system 10 to which the control program according to the first embodiment of the present invention is applied is used for various uses such as in-vehicle use as well as stationary use.

燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２を制御する制御プログラムが記録された制御装置（コンピュータ）２４とを備える。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell module (SOFC module) 12 that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas (hydrogen gas) and an oxidant gas (air), and a raw fuel (for example, city gas) in the fuel cell module 12. ) 16, an oxidant gas supply device (including an air pump) 18 for supplying the oxidant gas to the fuel cell module 12, and the fuel cell module 12. A water supply device (including a water pump) 20 that supplies water, a power conversion device 22 that converts DC power generated in the fuel cell module 12 into required specification power, and a control program that controls the fuel cell module 12 And a recorded control device (computer) 24.

燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２６が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２８を備える。図３及び図４に示すように、燃料電池２６は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３６を備える。電解質・電極接合体３６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。燃料電池２６は、シールレスタイプの燃料電池を構成する。 The fuel cell module 12 includes a solid oxide fuel cell stack 28 in which a plurality of solid oxide fuel cells 26 are stacked in the vertical direction. As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell 26 is provided with a cathode electrode 32 and an anode electrode 34 on both surfaces of an electrolyte (electrolyte plate) 30 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia, for example. The electrolyte-electrode assembly (MEA) 36 is provided. The electrolyte / electrode assembly 36 is formed in a disc shape, and a barrier layer (not shown) is provided at least on the outer peripheral end surface portion to prevent the oxidant gas and fuel gas from entering and discharging. Yes. The fuel cell 26 constitutes a sealless type fuel cell.

燃料電池２６は、各セパレータ３８間に４個の電解質・電極接合体３６が、このセパレータ３８の中心部である燃料ガス供給連通孔４０を中心に同心円上に配列される。セパレータ３８は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。 In the fuel cell 26, four electrolyte / electrode assemblies 36 are arranged concentrically between the separators 38 around the fuel gas supply communication hole 40 that is the center of the separator 38. For example, the separator 38 is composed of a single metal plate, a carbon plate, or the like that is composed of a sheet metal such as a stainless alloy.

セパレータ３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部４２を有する。この燃料ガス供給部４２から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部４４を介して比較的大径な挟持部４６が一体的に設けられる。 The separator 38 has a fuel gas supply part 42 that forms a fuel gas supply communication hole 40 in the center. A relatively large-diameter clamping portion 46 is integrally formed through four first bridge portions 44 that are radially spaced apart from the fuel gas supply portion 42 by equal angular intervals (90 ° intervals). Provided.

各挟持部４６は、電解質・電極接合体３６と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。挟持部４６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４８が、例えば、前記挟持部４６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。 Each clamping part 46 is set to a disk shape having substantially the same dimensions as the electrolyte / electrode assembly 36 and is configured to be separated from each other. A fuel gas supply hole 48 for supplying fuel gas is set in the sandwiching portion 46, for example, at a position eccentric to the upstream of the oxidant gas flow direction with respect to the center of the sandwiching portion 46 or the center.

各挟持部４６のアノード電極３４に接触する面４５ａには、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路５０が形成される。面４５ａには、燃料ガス通路５０を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路５２と、アノード電極３４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔４８から前記燃料ガス排出通路５２に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部５４とが設けられる。 A fuel gas passage 50 for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode 34 is formed in the surface 45a of each clamping portion 46 that contacts the anode electrode 34. In the surface 45a, the fuel gas discharge passage 52 for discharging the fuel gas used through the fuel gas passage 50 and the anode electrode 34 are contacted, and the fuel gas is supplied from the fuel gas supply hole 48 to the fuel gas discharge passage 48. An arcuate wall portion 54 for forming a bypass is provided at 52 to prevent the flow from flowing in a straight line.

面４５ａには、燃料ガス通路５０側に突出してアノード電極３４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部５６と、前記アノード電極３４に接触する複数の突起部５８とが設けられる。 The surface 45 a is provided with an outer peripheral circumferential protrusion 56 that protrudes toward the fuel gas passage 50 and contacts the outer peripheral edge of the anode electrode 34, and a plurality of protrusions 58 that contact the anode electrode 34.

各挟持部４６のカソード電極３２に接触する面４５ｂは、略平坦面に形成されており、この面４５ｂには、円板状のプレート６０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。このプレート６０には、エッチング又は、プレス等により複数の突起部６２が設けられる。挟持部４６の面４５ｂ側には、突起部６２によりカソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路６４が形成されるとともに、前記突起部６２は、集電部を構成する。 The surface 45b that contacts the cathode electrode 32 of each clamping part 46 is formed in a substantially flat surface, and a disk-shaped plate 60 is formed on the surface 45b by, for example, brazing, diffusion bonding, laser welding, or the like. It is fixed. The plate 60 is provided with a plurality of protrusions 62 by etching or pressing. An oxidant gas passage 64 for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode 32 is formed by the protrusion 62 on the surface 45b side of the sandwiching part 46, and the protrusion 62 has a current collector. Parts.

セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路部材７０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。通路部材７０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部７２を備える。 A passage member 70 is fixed to the surface of the separator 38 facing the cathode electrode 32 by, for example, brazing, diffusion bonding, laser welding, or the like. The passage member 70 is configured in a flat plate shape, and includes a fuel gas supply portion 72 that forms the fuel gas supply communication hole 40 in the center portion.

燃料ガス供給部７２から放射状に４本の第２橋架部７４が延在するとともに、各第２橋架部７４は、セパレータ３８の第１橋架部４４から挟持部４６の面４５ｂに燃料ガス供給孔４８を覆って固着される。 Four second bridge portions 74 extend radially from the fuel gas supply portion 72, and each second bridge portion 74 extends from the first bridge portion 44 of the separator 38 to the surface 45 b of the sandwiching portion 46. 48 is fixed over.

燃料ガス供給部７２から第２橋架部７４には、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス供給孔４８に連通する燃料ガス供給通路７６が形成される。燃料ガス供給通路７６は、例えば、エッチング又は、プレスにより形成される。 A fuel gas supply passage 76 that communicates from the fuel gas supply communication hole 40 to the fuel gas supply hole 48 is formed in the second bridge portion 74 from the fuel gas supply portion 72. The fuel gas supply passage 76 is formed by etching or pressing, for example.

酸化剤ガス通路６４は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部４６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔７８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔７８は、各挟持部４６の内方と第１橋架部４４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。 The oxidant gas passage 64 communicates with an oxidant gas supply communication hole 78 that supplies oxidant gas in the direction of arrow B from between the inner peripheral end of the electrolyte / electrode assembly 36 and the inner peripheral end of the sandwiching portion 46. To do. The oxidant gas supply communication hole 78 is located between the inner side of each clamping part 46 and the first bridge part 44 and extends in the stacking direction (arrow A direction).

図５に示すように、各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４０をシールするための絶縁シール８０が設けられる。この絶縁シール８０は、燃料ガス供給連通孔４０を電解質・電極接合体３６に対してシールする機能を有する。燃料電池２６には、挟持部４６の外方に位置して排ガス通路８２が形成される。 As shown in FIG. 5, an insulating seal 80 for sealing the fuel gas supply communication hole 40 is provided between the separators 38. The insulating seal 80 has a function of sealing the fuel gas supply communication hole 40 against the electrolyte / electrode assembly 36. In the fuel cell 26, an exhaust gas passage 82 is formed outside the clamping portion 46.

図１に示すように、燃料電池スタック２８の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック２８に供給する前に加熱する熱交換器８６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器８８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器９０とが配設される。 As shown in FIG. 1, on the upper end side (or lower end side in the stacking direction) of the fuel cell stack 28, a heat exchanger 86 that heats the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack 28, and the raw fuel In order to generate a mixed fuel of water and water vapor, an evaporator 88 that evaporates water and a reformer 90 that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas are disposed.

燃料電池スタック２８の積層方向下端側（又は積層方向上端側）には、前記燃料電池スタック２８を構成する燃料電池２６に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構９２が配設される（図２参照）。 On the lower end side (or upper end side in the stacking direction) of the fuel cell stack 28, a load is applied to apply a tightening load along the stacking direction (arrow A direction) to the fuel cells 26 constituting the fuel cell stack 28. A mechanism 92 is disposed (see FIG. 2).

改質器９０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The reformer 90 removes higher hydrocarbons (C ₂₊ ) such as ethane (C ₂ H ₆ ), propane (C ₃ H ₈ ) and butane (C ₄ H ₁₀ ) contained in city gas (raw fuel). , A pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH ₄ ), hydrogen, and CO, and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

燃料電池２６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体３６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯがアノード電極に供給される。 The operating temperature of the fuel cell 26 is as high as several hundred degrees C. In the electrolyte / electrode assembly 36, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen and CO, and this hydrogen and CO are supplied to the anode electrode. Is done.

熱交換器８６は、燃料電池スタック２８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガスともいう）を流すための排ガス通路９４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路９６とを有する。空気通路９６の上流側は、空気供給管９８に連通するとともに、前記空気通路９６の下流側は、燃料電池スタック２８の酸化剤ガス供給連通孔７８に連通する。 The heat exchanger 86 includes an exhaust gas passage 94 for flowing a used reaction gas (hereinafter also referred to as exhaust gas) discharged from the fuel cell stack 28, and an air for flowing air to be heated in a counterflow with the exhaust gas. And a passage 96. The upstream side of the air passage 96 communicates with the air supply pipe 98, and the downstream side of the air passage 96 communicates with the oxidant gas supply communication hole 78 of the fuel cell stack 28.

蒸発器８８には、原燃料通路１００と水通路１０２とが設けられる。原燃料通路１００は、原燃料供給装置１６に接続されるとともに、水通路１０２は、水供給装置２０に接続される。酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管９８に接続される。 The evaporator 88 is provided with a raw fuel passage 100 and a water passage 102. The raw fuel passage 100 is connected to the raw fuel supply device 16, and the water passage 102 is connected to the water supply device 20. The oxidant gas supply device 18 is connected to the air supply pipe 98.

原燃料供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器１０６が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源１０８（又は、負荷や２次電池等）が接続される（図２参照）。 The raw fuel supply device 16, the oxidant gas supply device 18, and the water supply device 20 are controlled by a control device 24, and a detector 106 that detects fuel gas is electrically connected to the control device 24. . For example, a commercial power source 108 (or a load, a secondary battery, or the like) is connected to the power conversion device 22 (see FIG. 2).

図１及び図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２８の温度を検出する温度センサ１１０、原燃料供給装置１６から蒸発器８８に供給される原燃料（燃料ガス）の流量を検出する第１流量センサ１１２ａ、及び酸化剤ガス供給装置１８から熱交換器８６に供給される空気（酸化剤ガス）の流量を検出する第２流量センサ１１２ｂを備える。温度センサ１１０、第１流量センサ１１２ａ及び第２流量センサ１１２ｂは、制御装置２４に接続される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell system 10 includes a temperature sensor 110 that detects the temperature of the fuel cell stack 28, and the flow rate of raw fuel (fuel gas) supplied from the raw fuel supply device 16 to the evaporator 88. And a second flow rate sensor 112b for detecting the flow rate of air (oxidant gas) supplied from the oxidant gas supply device 18 to the heat exchanger 86. The temperature sensor 110, the first flow sensor 112a, and the second flow sensor 112b are connected to the control device 24.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。 The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

図１及び図２に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路１００には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路１０２には、水が供給されるとともに、空気供給管９８には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。 As shown in FIGS. 1 and 2, under the driving action of the raw fuel supply device 16, for example, city gas (CH ₄ , C ₂ H ₆ , C ₃ H ₈ , C ₄ H ₁₀₎ is provided in the raw fuel passage 100. And other raw fuel is supplied. On the other hand, under the driving action of the water supply device 20, water is supplied to the water passage 102, and oxidant gas is supplied to the air supply pipe 98 via the oxidant gas supply device 18, for example, air Is supplied.

蒸発器８８では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器９０に供給される。混合燃料は、改質器９０内で水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック２８の燃料ガス供給連通孔４０に供給される。 In the evaporator 88, steam is mixed with the raw fuel to obtain a mixed fuel, and this mixed fuel is supplied to the reformer 90. The mixed fuel is steam reformed in the reformer 90, and C ₂₊ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a reformed gas mainly composed of methane. This reformed gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 40 of the fuel cell stack 28.

一方、空気供給管９８から熱交換器８６に供給される空気は、この熱交換器８６の空気通路９６に沿って移動する際、排ガス通路９４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器８６で加温された空気は、燃料電池スタック２８の酸化剤ガス供給連通孔７８に供給される。 On the other hand, when the air supplied from the air supply pipe 98 to the heat exchanger 86 moves along the air passage 96 of the heat exchanger 86, the air is heated between the exhaust gas that moves along the exhaust gas passage 94, which will be described later. Exchange is performed and preheated to the desired temperature. The air heated by the heat exchanger 86 is supplied to the oxidant gas supply communication hole 78 of the fuel cell stack 28.

図５に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック２８の燃料ガス供給連通孔４０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２６に設けられる燃料ガス供給通路７６に沿ってセパレータ３８の面方向に移動する。 As shown in FIG. 5, the fuel gas moves in the fuel gas supply passage 76 provided in each fuel cell 26 while moving in the stacking direction (arrow A direction) along the fuel gas supply communication hole 40 of the fuel cell stack 28. Along the surface direction of the separator 38.

燃料ガスは、燃料ガス供給通路７６から挟持部４６に形成された燃料ガス供給孔４８を通って燃料ガス通路５０に導入される。燃料ガス供給孔４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４８からアノード電極３４の略中心に供給された後、燃料ガス通路５０に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。 The fuel gas is introduced into the fuel gas passage 50 from the fuel gas supply passage 76 through the fuel gas supply hole 48 formed in the clamping portion 46. The fuel gas supply hole 48 is set at a substantially central position of the anode electrode 34 of each electrolyte / electrode assembly 36. Therefore, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply hole 48 to the approximate center of the anode electrode 34, and then moves along the fuel gas passage 50 toward the outer periphery of the anode electrode 34.

一方、酸化剤ガス供給連通孔７８に供給された空気は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部４６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路６４に送られる。酸化剤ガス通路６４では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部（セパレータ３８の中央部）側から外側周端部（セパレータ３８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。 On the other hand, the air supplied to the oxidant gas supply communication hole 78 flows in the direction of arrow B from between the inner peripheral end portion of the electrolyte / electrode assembly 36 and the inner peripheral end portion of the sandwiching portion 46, and the oxidant gas. It is sent to the passage 64. In the oxidant gas passage 64, air flows from the inner peripheral end portion (center portion of the separator 38) side of the cathode electrode 32 of the electrolyte / electrode assembly 36 toward the outer peripheral end portion (outer peripheral end portion side of the separator 38). To flow.

従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。 Therefore, in the electrolyte / electrode assembly 36, the fuel gas is supplied from the center side of the electrode surface of the anode electrode 34 toward the peripheral end side, and in one direction (arrow B direction) of the electrode surface of the cathode electrode 32. Air is supplied in the direction. At that time, oxide ions move through the electrolyte 30 to the anode electrode 34, and power is generated by a chemical reaction.

なお、各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路９４を介して燃料電池スタック２８から排出される。 The exhaust gas mainly containing air after the power generation reaction discharged to the outer peripheral portion of each electrolyte / electrode assembly 36 is discharged from the fuel cell stack 28 through the exhaust gas passage 94 as an off gas.

次いで、制御装置２４によって、燃料電池モジュール１２を制御するための第１の実施形態に係る制御プログラムについて、以下に説明する。 Next, a control program according to the first embodiment for controlling the fuel cell module 12 by the control device 24 will be described below.

この制御プログラムは、制御装置２４に、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔを検出する第２のステップと、前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔとを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタック２８に前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記燃料電池スタック２８の抵抗変化又は電圧変化のいずれかを検出する第５のステップと、少なくとも前記抵抗変化と予め設定された前記抵抗変化の設定値、又は前記電圧変化と予め設定された前記電圧変化の設定値とのいずれかを比較する第６のステップと、前記燃料電池スタック２８の前記現在出力値Ｗｔを前記目標出力値Ｗｔ＋１にする第７のステップとを実行させるためのプログラムである。 The control program includes a first step of setting a target output value Wt + 1 of the fuel cell stack 28 in the control device 24, a second step of detecting a current output value Wt of the fuel cell stack 28, and the target output. A third step of comparing the value Wt + 1 with the current output value Wt, a fourth step of supplying fuel gas to the fuel cell stack 28 according to the target output value Wt + 1, and at least the fuel cell stack 28 A fifth step of detecting either a resistance change or a voltage change, and at least the resistance change and a preset value of the resistance change, or a preset value of the voltage change and the preset voltage change; A sixth step of comparing any of the above, a seventh step of setting the current output value Wt of the fuel cell stack 28 to the target output value Wt + 1 Is a program for executing the step.

そして、第３のステップの比較結果に基づいて、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させるとともに、前記第６のステップの比較結果に基づいて、第７のステップを実行させている。なお、第１のステップと第２のステップとは、順序を逆に行ってもよい。 Then, the fourth step, the fifth step and the sixth step are executed based on the comparison result of the third step, and the seventh step is executed based on the comparison result of the sixth step. I am letting. Note that the order of the first step and the second step may be reversed.

具体的に、図６に示すフローチャートに沿って、説明する。 Specifically, it will be described along the flowchart shown in FIG.

燃料電池システム１０では、制御装置２４により燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１（電圧×電流）が設定される（ステップＳ１）。 In the fuel cell system 10, the target output value Wt + 1 (voltage × current) of the fuel cell stack 28 is set by the control device 24 (step S1).

次に、制御装置２４は、燃料電池スタック２８が実際に出力する電圧及び電流から現在出力値Ｗｔを検出する（ステップＳ２）。その際、図７に示すように、燃料電池スタック２８が定格運転（出力１００％）から定格未満（部分負荷）運転に移行すると、原燃料供給装置１６から燃料電池スタック２８に供給される燃料の供給量が減少されるとともに、燃料利用率Ｕｆは、一定に維持されている。 Next, the control device 24 detects the current output value Wt from the voltage and current actually output by the fuel cell stack 28 (step S2). At this time, as shown in FIG. 7, when the fuel cell stack 28 shifts from the rated operation (output 100%) to the less rated (partial load) operation, the fuel supplied from the raw fuel supply device 16 to the fuel cell stack 28 is changed. As the supply amount is reduced, the fuel utilization rate Uf is kept constant.

さらに、ステップＳ３に進んで、目標出力値Ｗｔ＋１と、現在出力値Ｗｔとが比較される。目標出力値Ｗｔ＋１が、現在出力値Ｗｔ以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻される一方、前記目標出力値Ｗｔ＋１が、前記現在出力値Ｗｔを超過していると判断された際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。 In step S3, the target output value Wt + 1 is compared with the current output value Wt. If it is determined that the target output value Wt + 1 is equal to or less than the current output value Wt (NO in step S3), the process returns to step S1, while the target output value Wt + 1 exceeds the current output value Wt. Is determined (YES in step S3), the process proceeds to step S4.

このステップＳ４では、目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスが、燃料電池スタック２８に供給される。このため、図７に示すように、燃料電池スタック２８は、例えば、５０％の部分負荷運転を行っている状態で、燃料ガス量は、目標出力値である定格運転（出力１００％）に必要な量に増加されるため、燃料利用率Ｕｆが低下する。従って、各電解質・電極接合体３６には、アノード電極３４に対して現在出力値Ｗｔに必要な燃料ガス量以上の燃料ガス量が供給され、出力として使用されない燃料ガスは、アノード電極３４を還元するために使用される。 In step S <b> 4, fuel gas corresponding to the target output value Wt + 1 is supplied to the fuel cell stack 28. For this reason, as shown in FIG. 7, the fuel cell stack 28 is required for the rated operation (output 100%), which is the target output value, in the state where, for example, 50% partial load operation is performed. Therefore, the fuel utilization rate Uf decreases. Accordingly, each of the electrolyte / electrode assemblies 36 is supplied with a fuel gas amount equal to or greater than the fuel gas amount required for the current output value Wt to the anode electrode 34, and the fuel gas that is not used as an output reduces the anode electrode 34. Used to do.

制御装置２４では、燃料電池スタック２８の抵抗変化（Δ抵抗）又は電圧変化（Δ電圧）が検出される（ステップＳ５）。アノード電極３４の還元中における抵抗変化は、図８に示される。すなわち、初期の抵抗変化に対して、還元時間が３分経過した際に、抵抗変化が略２０％にまで減少し、さらに還元時間が３０分経過した際には、抵抗変化が０となり、還元が終了している。 In the control device 24, a resistance change (Δ resistance) or a voltage change (Δ voltage) of the fuel cell stack 28 is detected (step S5). The change in resistance during the reduction of the anode electrode 34 is shown in FIG. That is, with respect to the initial resistance change, the resistance change decreases to approximately 20% when the reduction time elapses for 3 minutes, and further, the resistance change becomes 0 when the reduction time elapses for 30 minutes. Has ended.

これにより、追従性を重視する際には、抵抗変化の設定値が、初期の抵抗変化の２０％に設定される一方、耐久性を重視する際には、抵抗変化の設定値が０に設定される。なお、この間の任意の値を抵抗変化の設定値に設定することができる。 As a result, the resistance change set value is set to 20% of the initial resistance change when the followability is emphasized, while the resistance change set value is set to 0 when the durability is emphasized. Is done. An arbitrary value during this period can be set as the resistance change set value.

そこで、ステップＳ６において、実際に検出された抵抗変化と抵抗変化の設定値、又は実際に検出された電圧変化と電圧変化の設定値とが比較される。検出された抵抗変化が、抵抗変化の設定値を超過する、又は、検出された電圧変化が、電圧変化の設定値を超過すると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ５に戻る。 Therefore, in step S6, the actually detected resistance change and the set value of the resistance change, or the actually detected voltage change and the set value of the voltage change are compared. If it is determined that the detected resistance change exceeds the resistance change set value, or the detected voltage change exceeds the voltage change set value (NO in step S6), the process returns to step S5.

一方、検出された抵抗変化が、抵抗変化の設定値以下である、又は、検出された電圧変化が、電圧変化の設定値以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。このステップＳ７では、燃料電池スタック２８の出力を目標出力値Ｗｔ＋１に増加させる処理が実行される（図７中、プレ還元運転参照）。 On the other hand, when it is determined that the detected resistance change is equal to or less than the set value of the resistance change, or the detected voltage change is equal to or less than the set value of the voltage change (YES in step S6), step S7 is performed. Proceed to In step S7, a process of increasing the output of the fuel cell stack 28 to the target output value Wt + 1 is executed (see pre-reduction operation in FIG. 7).

ここで、燃料電池スタック２８の出力を上げるパターンとしては、図７に示すように、ステップ状に、すなわち、段階的に変化させるパターンの他、図９に示すように、連続的（傾斜的）に出力を上げるパターン、又は、図１０に示すように、一旦急激に出力を上げた後、徐々に目標出力値に連続的に上げていくパターンが採用される。 Here, as a pattern for increasing the output of the fuel cell stack 28, as shown in FIG. 7, in addition to a pattern that changes stepwise, that is, in a stepwise manner, as shown in FIG. 9, continuous (gradient) As shown in FIG. 10, a pattern in which the output is once suddenly increased and then gradually increased to the target output value is adopted.

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔとの比較結果に基づいて、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも抵抗変化と予め設定された抵抗変化の設定値、又は電圧変化と予め設定された電圧変化の設定値とのいずれかが比較され、その比較結果に基づいて、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１まで増加させている。 In this case, in the first embodiment, the fuel gas is supplied according to the target output value Wt + 1 based on the comparison result between the target output value Wt + 1 of the fuel cell stack 28 and the current output value Wt. Next, at least one of the resistance change and the preset value of the resistance change, or the voltage change and the preset value of the voltage change is compared, and the current output value Wt is set as a target based on the comparison result. The output value is increased to Wt + 1.

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで、前記アノード電極３４が酸化したときには、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１に増加させる前に、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給された燃料ガスの中、出力（電流）として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極３４を還元させることができる。 Therefore, particularly when an oxidant gas or exhaust gas circulates to the anode electrode 34 and the anode electrode 34 is oxidized, the current output value Wt is increased according to the target output value Wt + 1 before the current output value Wt is increased to the target output value Wt + 1. Of the supplied fuel gas, the anode electrode 34 can be reduced by a fuel gas that is not used as an output (current).

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制されるという効果が得られる。 Thus, before increasing the output of the fuel cell stack 28, the fuel gas is supplied in advance to reduce the anode electrode 34 and expand the power generation area of the anode electrode 34, and then increase the output. Yes. Therefore, the load (high current density) on the electrolyte / electrode assembly 36 is reduced, and the effect that the deterioration of the electrolyte / electrode assembly 36 is satisfactorily suppressed can be obtained.

また、第１の実施形態では、第３のステップ（ステップＳ３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔを超過していると判断された際、第４のステップ（ステップＳ４）、第５のステップ（ステップＳ５）及び第６のステップ（ステップＳ６）のステップを実行させている。すなわち、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔを超過した際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行った後、検出された抵抗変化と抵抗変化の設定値、又は検出された電圧変化と電圧変化の設定値とが比較されている。 In the first embodiment, when it is determined in the third step (step S3) that the target output value Wt + 1 exceeds the current output value Wt, the fourth step (step S4), the fifth step The step (step S5) and the sixth step (step S6) are executed. That is, when the target output value Wt + 1 of the fuel cell stack 28 exceeds the current output value Wt (YES in step S3), after the fuel gas is supplied according to the target output value Wt + 1, the detected resistance change And the set value of resistance change, or the detected voltage change and the set value of voltage change are compared.

これにより、特に、酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで前記アノード電極３４が酸化したときには、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給される燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより、前記アノード電極３４を還元させることが可能になる。 Thereby, in particular, when an oxidant gas or exhaust gas flows into the anode electrode 34 and the anode electrode 34 is oxidized, the fuel supplied in accordance with the target output value Wt + 1 before increasing the output of the fuel cell stack 28. The anode electrode 34 can be reduced by the fuel gas that is not used as an output in the gas.

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め、出力増加分の燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。このため、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制される。 As described above, before increasing the output of the fuel cell stack 28, by supplying the fuel gas corresponding to the increased output in advance, the anode electrode 34 is reduced and the power generation area of the anode electrode 34 is expanded. The output is increased. For this reason, a load (high current density) on the electrolyte / electrode assembly 36 is reduced, and deterioration of the electrolyte / electrode assembly 36 is favorably suppressed.

さらに、第３のステップ（ステップＳ３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔ以下であると判断された際（ステップＳ３中、ＮＯ）、第１のステップに戻る。従って、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極３４を還元して前記アノード電極３４の発電面積を拡大させるために、燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。 Furthermore, when it is determined in the third step (step S3) that the target output value Wt + 1 is equal to or less than the current output value Wt (NO in step S3), the process returns to the first step. Therefore, when it is not necessary to increase the output, the anode electrode 34 is reduced and the power generation area of the anode electrode 34 is expanded, so that no extra fuel gas is supplied and the fuel gas is wasted. Is effectively reduced.

さらにまた、第６のステップ（ステップＳ６）で、抵抗変化が抵抗変化の設定値以下、又は電圧変化が電圧変化の設定値以下であると判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、第７のステップ（ステップＳ７）が実行される。これにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させており、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制される。 Furthermore, when it is determined in the sixth step (step S6) that the resistance change is equal to or less than the resistance change set value or the voltage change is equal to or less than the voltage change set value (YES in step S6), These steps (step S7) are executed. As a result, the anode electrode 34 is reduced and the power generation area of the anode electrode 34 is expanded, and then the output is increased. The load (high current density) on the electrolyte / electrode assembly 36 is reduced, and the electrolyte is reduced. -Deterioration of the electrode assembly 36 is satisfactorily suppressed.

また、第６のステップ（ステップＳ６）で、抵抗変化が抵抗変化の設定値超過、又は電圧変化が電圧変化の設定値超過であると判断された際（ステップＳ６）、第５のステップ（ステップＳ５）に戻る。このため、アノード電極３４が十分に還元されずに、前記アノード電極３４の発電面積が縮小された状態で、燃料電池スタック２８の出力が増加されることがなく、電解質・電極接合体３６に負荷（高電流密度）がかかることを抑制することができる。 When it is determined in the sixth step (step S6) that the resistance change exceeds the set value of the resistance change, or the voltage change exceeds the set value of the voltage change (step S6), the fifth step (step Return to S5). Therefore, the anode electrode 34 is not sufficiently reduced, and the power generation area of the anode electrode 34 is reduced, so that the output of the fuel cell stack 28 is not increased and the electrolyte / electrode assembly 36 is loaded. (High current density) can be suppressed.

さらに、第７のステップ（ステップＳ７）は、現在出力値Ｗｔから目標出力値Ｗｔ＋１に段階的又は連続的に変化させている（図７、図９及び図１０参照）。従って、燃料電池スタック２８の出力増加が容易且つ効率的に遂行される。 Further, in the seventh step (step S7), the current output value Wt is changed stepwise or continuously to the target output value Wt + 1 (see FIGS. 7, 9, and 10). Therefore, the output of the fuel cell stack 28 can be increased easily and efficiently.

ところで、抵抗変化に代えて、電圧変化を採用する際にも、同様の電圧変化の設定値が予め設定される。その際、抵抗変化の大小及び電圧変化の大小による還元時間の関係は、図１１に示されている。これにより、図１２に示すように、ステップＳ５のステップが行われた後、抵抗変化の大小（又は電圧変化の大小）に基づいて、現在出力値Ｗｔから目標出力値Ｗｔ＋１への変化時間を決定するステップ（ステップＳ６ａ）を有することが可能である。その際、図７、図９及び図１０に示す出力の増大方法の決定も行うことができる。このため、特にアノード電極３４の酸化状態に応じて、良好且つ効率的な還元処理が遂行される。 By the way, when the voltage change is adopted instead of the resistance change, a similar set value of the voltage change is set in advance. At this time, the relationship between the reduction time depending on the magnitude of the resistance change and the magnitude of the voltage change is shown in FIG. Thus, as shown in FIG. 12, after the step S5 is performed, the change time from the current output value Wt to the target output value Wt + 1 is determined based on the magnitude of the resistance change (or the magnitude of the voltage change). Step (step S6a). At that time, it is also possible to determine the output increasing method shown in FIGS. Therefore, a good and efficient reduction process is performed according to the oxidation state of the anode electrode 34 in particular.

次に、第２の実施形態に係る制御プログラムについて以下に説明する。 Next, a control program according to the second embodiment will be described below.

この制御プログラムは、制御装置２４に、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１を設定する第１のステップと、前記燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔを検出する第２のステップと、前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔとを比較する第３のステップと、前記燃料電池スタック２８に前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行う第４のステップと、少なくとも前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔの差、前記燃料電池スタック２８の温度、又は前記燃料電池スタック２８の定格未満の運転時間のいずれかを検出する第５のステップと、前記燃料電池スタック２８の前記現在出力値Ｗｔを前記目標出力値Ｗｔ＋１にする第６のステップとを実行させるためのプログラムである。 The control program includes a first step of setting a target output value Wt + 1 of the fuel cell stack 28 in the control device 24, a second step of detecting a current output value Wt of the fuel cell stack 28, and the target output. A third step of comparing the value Wt + 1 with the current output value Wt, a fourth step of supplying fuel gas to the fuel cell stack 28 according to the target output value Wt + 1, and at least the target output value Wt + 1. And the current output value Wt, the temperature of the fuel cell stack 28, or the operation time less than the rated value of the fuel cell stack 28, and the current output of the fuel cell stack 28. And a sixth step for setting the value Wt to the target output value Wt + 1.

そして、第３のステップの比較結果に基づいて、第４のステップ、第５のステップ及び第６のステップを実行させるとともに、前記第５のステップの検出結果に基づいて、前記第６のステップにおける現在出力値Ｗｔから目標出力値Ｗｔ＋１への変化時間を決定し、前記現在出力値Ｗｔから前記目標出力値Ｗｔ＋１に前記変化時間に沿って段階的又は連続的に変化させている。 Then, the fourth step, the fifth step, and the sixth step are executed based on the comparison result of the third step, and the sixth step is performed based on the detection result of the fifth step. A change time from the current output value Wt to the target output value Wt + 1 is determined, and the current output value Wt is changed stepwise or continuously along the change time from the current output value Wt to the target output value Wt + 1.

具体的に、図１３に示すフローチャートに沿って、説明する。 Specifically, it will be described along the flowchart shown in FIG.

燃料電池システム１０では、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ４と同様に、ステップＳ１１〜ステップＳ１４が行われる。 In the fuel cell system 10, Steps S11 to S14 are performed in the same manner as Steps S1 to S4 of the first embodiment.

さらに、燃料電池スタック２８に目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料が供給された後（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に進む。このステップＳ１５では、目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔの差（変更幅）、燃料電池スタック２８の温度又は前記燃料電池スタック２８の定格未満（部分負荷状態）の運転時間の少なくとも１つ以上が検出される。 Further, after fuel corresponding to the target output value Wt + 1 is supplied to the fuel cell stack 28 (step S14), the process proceeds to step S15. In this step S15, at least one or more of the difference (change width) between the target output value Wt + 1 and the current output value Wt, the temperature of the fuel cell stack 28, or the operation time less than the rating of the fuel cell stack 28 (partial load state). Detected.

次いで、ステップＳ１６では、出力変更幅、スタック温度又は部分負荷運転時間の少なくともいずれかに応じて、還元時間及び出力の増大パターン（図７、図９及び図１０参照）が決定される。還元時間は、図１４に示すように、出力変更幅の大小、スタック温度の高低及び部分負荷運転時間の長短によって、予め、設定されている。 Next, in step S16, a reduction time and an increase pattern of output (see FIGS. 7, 9, and 10) are determined according to at least one of the output change width, the stack temperature, and the partial load operation time. As shown in FIG. 14, the reduction time is set in advance according to the output change width, the stack temperature level, and the partial load operation time.

そして、ステップＳ１６において決定された還元時間及び出力の増大パターンに基づいて、燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１になるまで増加させる（ステップＳ１７）。 Then, based on the reduction time determined in step S16 and the output increase pattern, the current output value Wt of the fuel cell stack 28 is increased until it reaches the target output value Wt + 1 (step S17).

この場合、第２の実施形態では、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔとの比較結果に基づいて、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行っている。次いで、少なくとも目標出力値Ｗｔ＋１と現在出力値Ｗｔの差、燃料電池スタック２８の温度、又は前記燃料電池スタック２８の定格未満の運転時間のいずれかが検出され、これらの検出結果に基づいて、出力の増加にかかる時間が決定され、現在出力値Ｗｔを目標出力値Ｗｔ＋１まで増加させている。 In this case, in the second embodiment, the fuel gas is supplied according to the target output value Wt + 1 based on the comparison result between the target output value Wt + 1 of the fuel cell stack 28 and the current output value Wt. Next, at least one of the difference between the target output value Wt + 1 and the current output value Wt, the temperature of the fuel cell stack 28, or the operation time less than the rated value of the fuel cell stack 28 is detected, and the output is based on these detection results. Is determined, and the current output value Wt is increased to the target output value Wt + 1.

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させる時間を確保し、前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制されるという効果が得られる。 As described above, before the output of the fuel cell stack 28 is increased, the fuel gas is supplied in advance, so that the time for reducing the anode electrode 34 is secured, and the power generation area of the anode electrode 34 is increased, and then the output is increased. Is increasing. Therefore, the load (high current density) on the electrolyte / electrode assembly 36 is reduced, and the effect that the deterioration of the electrolyte / electrode assembly 36 is satisfactorily suppressed can be obtained.

また、第３のステップ（ステップＳ１３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔを超過していると判断された際（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、第４のステップ（ステップＳ１４）、第５のステップ（ステップＳ１５）及び第６のステップ（ステップＳ１６）が行われる。 When it is determined in the third step (step S13) that the target output value Wt + 1 exceeds the current output value Wt (YES in step S13), the fourth step (step S14), the fifth step The step (step S15) and the sixth step (step S16) are performed.

すなわち、燃料電池スタック２８の目標出力値Ｗｔ＋１が、現在出力値Ｗｔを超過した際、前記目標出力値Ｗｔ＋１に応じた燃料ガスの供給を行った後、少なくとも前記目標出力値Ｗｔ＋１と前記現在出力値Ｗｔの差、前記燃料電池スタック２８の温度、又は前記燃料電池スタック２８の定格未満の運転時間のいずれかが検出されている。次いで、これらの検出結果に基づいて、燃料電池スタック２８の出力の増加にかかる時間が決定され、燃料電池スタック２８の現在出力値Ｗｔが、目標出力値Ｗｔ＋１まで増加されている。 That is, when the target output value Wt + 1 of the fuel cell stack 28 exceeds the current output value Wt, after supplying fuel gas according to the target output value Wt + 1, at least the target output value Wt + 1 and the current output value Either the difference in Wt, the temperature of the fuel cell stack 28, or the operation time less than the rating of the fuel cell stack 28 is detected. Next, based on these detection results, the time taken to increase the output of the fuel cell stack 28 is determined, and the current output value Wt of the fuel cell stack 28 is increased to the target output value Wt + 1.

このため、特に酸化剤ガスや排ガスがアノード電極３４に回り込んで、前記アノード電極３４が酸化したときには、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、目標出力値Ｗｔ＋１に応じて供給された燃料ガスの中、出力として使用されない燃料ガスにより前記アノード電極３４を還元させることが可能になる。 For this reason, in particular, when the oxidant gas or the exhaust gas circulates to the anode electrode 34 and the anode electrode 34 is oxidized, the fuel supplied according to the target output value Wt + 1 before the output of the fuel cell stack 28 is increased. The anode electrode 34 can be reduced by a fuel gas that is not used as an output in the gas.

このように、燃料電池スタック２８の出力を増加させる前に、予め燃料ガスを供給することにより、アノード電極３４を還元させて前記アノード電極３４の発電面積を拡大させた後、出力を増加させている。従って、電解質・電極接合体３６への負荷（高電流密度）が軽減され、前記電解質・電極接合体３６の劣化が良好に抑制される。 Thus, before increasing the output of the fuel cell stack 28, the fuel gas is supplied in advance to reduce the anode electrode 34 and expand the power generation area of the anode electrode 34, and then increase the output. Yes. Therefore, a load (high current density) on the electrolyte / electrode assembly 36 is reduced, and deterioration of the electrolyte / electrode assembly 36 is favorably suppressed.

さらに、この制御プログラムは、第３のステップ（ステップＳ１３）で、目標出力値Ｗｔ＋１が現在出力値Ｗｔ以下であると判断された際（ステップＳ１３中、ＮＯ）、第１のステップ（ステップＳ１１）に戻る。これにより、出力を増加させる必要がない場合には、アノード電極３４を還元して前記アノード電極３４の発電面積を拡大させるために燃料ガスが余分に供給されることがなく、前記燃料ガスの無駄が有効に削減される。 Further, when it is determined in the third step (step S13) that the target output value Wt + 1 is equal to or less than the current output value Wt (NO in step S13), the control program executes the first step (step S11). Return to. As a result, when it is not necessary to increase the output, fuel gas is not supplied excessively in order to reduce the anode electrode 34 and expand the power generation area of the anode electrode 34, so that the fuel gas is wasted. Is effectively reduced.

１０…燃料電池システム１２…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置１８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置２２…電力変換装置
２４…制御装置２６…燃料電池
２８…燃料電池スタック３０…電解質
３２…カソード電極３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体３８…セパレータ
８６…熱交換器８８…蒸発器
９０…改質器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell module 16 ... Raw fuel supply device 18 ... Oxidant gas supply device 20 ... Water supply device 22 ... Power converter 24 ... Control device 26 ... Fuel cell 28 ... Fuel cell stack 30 ... Electrolyte 32 ... cathode electrode 34 ... anode electrode 36 ... electrolyte / electrode assembly 38 ... separator 86 ... heat exchanger 88 ... evaporator 90 ... reformer

Claims

A control program for a fuel cell module for controlling a fuel cell module having a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked by a computer,
A first step of setting a target output value of the fuel cell stack;
A second step of detecting a current output value of the fuel cell stack;
A third step of comparing the target output value with the current output value;
While maintaining the output of the fuel cell stack to be constant, it has row the supply of the fuel gas in accordance with the target output value to the fuel cell stack, and a fourth step of reduction of the anode electrode,
A fifth step of detecting at least one of a change in the resistance of the fuel cell stack and a change in the voltage over time ;
At least the time variation with a preset set value of said resistance time variation of the resistance, or, in the sixth to compare one of the set value of the time variation of the time change preset the voltage of the voltage Steps,
A seventh step of setting the current output value of the fuel cell stack to the target output value;
Including
Before the fourth step is performed, the fuel utilization rate is kept constant, and the supply amount of the fuel supplied to the fuel cell stack is decreased, so that the operation below the rating is performed.
In the third step, when the target output value is determined to exceed the current output value, the fourth step is executed, the fifth step of after the fourth step And the sixth step is executed ,
In the sixth step, either the time change of the resistance exceeds a preset value of the time change of the resistor, or the time change of the voltage exceeds the preset value of the time change of the voltage set in advance. When it is determined that, it returns to the fifth step,
In the sixth step, either the time change of the resistor is less than a preset value of the time change of the resistor, or the time change of the voltage is less than the preset value of the time change of the voltage. When the fuel cell module is determined to be, the seventh step is executed .

2. The control program according to claim 1 , wherein when it is determined in the third step that the target output value is equal to or less than the current output value, the control returns to the first step. 3. Control program.

3. The control program according to claim 1, wherein the seventh step changes the current output value from the current output value to the target output value stepwise or continuously. Control program.

The control program according to any one of claims 1 to 3 , wherein when the process shifts from the sixth step to the seventh step, the current output value is based on a comparison result of the sixth step. A control program for a fuel cell module, wherein a change time from a target value to a target output value is determined.

The control program according to any one of claims 1 to 4 , wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell.

6. The control program for a fuel cell module according to claim 5 , wherein the solid oxide fuel cell is a flat plate solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly is sandwiched between separators.