JP6089421B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、起動時にスタック内の温度分布を均一化する技術に関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は高温で発電を行うため、起動時はスタック（燃料電池）を所定の温度まで加熱した後に発電を行う。スタックの加熱方法としては、起動用燃焼器により燃焼ガスを発生し、発生した燃焼ガスをスタック内のカソード流路へ導入する方法が一般的に採用されている。

また、他の方法として、燃焼ガスを熱交換した高温空気をカソード流路に導入して加熱する方法や、カソード流路への高温空気の導入に加えて、部分酸化反応等で生成したガスをスタックのアノード側に導入する方法、燃焼型や電気式の面ヒータでスタックを加熱する方法等を用いる場合もある。

また、昨今においては、スタックを冷温状態から起動して発電を行い、スタックを停止するまでの総合効率を向上させることが求められており、このためには起動時にスタックを加熱するために使用するエネルギーを極力小さくすることが必要となる。

そこで従来より、スタック温度、及び発電電流値が閾値を超えた際に、起動用燃焼器を停止することにより、起動時におけるエネルギー消費を低減することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４６６４７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来例では、スタック内部の温度分布のばらつきを考慮しておらず、熱容量の低いスタックを使用する場合には、スタック入口からスタック出口までの温度分布の変化により、スタックが劣化、破損する等の問題が発生する可能性があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、起動時における耐久性を向上させることのできる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、起動時に燃料電池を所定の温度まで昇温する起動モード時に、燃料電池に燃焼ガスを供給すると共に、燃料電池の温度が設定温度に達した際に、燃料電池に供給する燃焼ガスの流量を減少させる。これにより、発電モードが開始される前にスタック温度を均温化する。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池に燃焼ガスを供給して該燃料電池を昇温し、更に、燃料電池の温度が設定温度に達した場合には、燃焼ガス流量を低減することにより、燃料電池温度を均一化する。従って、燃料電池内の温度分布が大きく変化することを防止でき、燃料電池の劣化、損傷を防止することができる。

本発明の第１〜第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 スタック温度の変化を示す特性図であり、（ａ）は本発明を適用した場合、（ｂ）は本発明を適用しない場合の特性を示す。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの、起動時の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの、スタック温度の変化を示す特性図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１〜第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ、及びアノード１１ｂを備えた燃料電池スタック１１（以下、「スタック１１」と略す）と、カソード１１ａに空気（酸化ガス）を供給する空気ブロワ１２と、該空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気予熱用熱交換器１３と、スタック１１のアノード１１ｂに炭化水素燃料等の燃料を供給する燃料ポンプ１４と、該燃料ポンプ１４より送出される燃料を気化させる蒸発器２５と、蒸発器２５で気化した燃料を改質してアノード１１ｂに供給する燃料改質器１５と、を備えている。

更に、アノード１１ｂより排出される燃料ガスを、燃料改質器１５に循環させる昇圧ポンプ１７と、カソード１１ａより排出される排気ガスを導入し、燃料改質器１５を加熱する改質器加熱用バーナ１６と、昇圧ポンプ１７の出力側に設けられ、アノード１１ｂより排出される燃料ガスの一部を改質器加熱用バーナ１６に導入する分岐バルブ１８と、燃料改質器１５及び改質器加熱用バーナ１６に空気を供給する空気ブロワ２６，２７と、を備えている。

また、スタック１１の起動時に、カソード１１ａを昇温するための燃焼ガスを生成する起動用燃焼器２１を備えており、該起動用燃焼器２１には、空気ブロワ１２より送出される空気の一部がバルブ２２で分岐されて供給され、更に、燃料ポンプ２３より送出される燃料が蒸発器２４で気化された後に供給される。そして、燃料と空気により燃焼が行われ、燃焼ガスをカソード１１ａに供給して、スタック１１の起動時にカソード１１ａを昇温する。

また、空気ブロワ１２、バルブ２２、燃料ポンプ２３、及びカソード１１ａ（温度センサ等）は、それぞれ制御部３１に接続されている。該制御部３１は、後述するように、起動時において、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を調整することにより、起動用燃焼器２１から出力される燃焼ガスの流量、及び燃焼ガスの温度を適宜制御して、起動時におけるカソード１１ａ内の温度を均一にする制御を行う。また、制御部３１は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

［第１実施形態の動作説明］
次に、図２に示すフローチャートを参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作について説明する。システムの運転を開始する際には、初めに起動モードによりスタック１１を昇温し、その後発電モードに移行して発電を行う。

起動モードが開始されると、ステップＳ１１において、制御部３１は、起動用燃焼器２１に燃料、及び空気を供給した状態で点火し、燃焼させる。そして、燃焼により発生する燃焼ガスはスタック１１のカソード１１ａに供給され、スタック１１が昇温される。

ステップＳ１２において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓを測定し、更に、スタック温度Ｔｓの変化率「ｄＴｓ／ｄｔ」を算出する。スタック温度の測定箇所は、発電開始時や燃焼ガスから空気への切り替え時に温度変動が生じやすいスタック１１の上流部に設定することが望ましい。従って、本実施形態では、スタック１１の上流部に備えた温度センサ（図示省略）により、スタック温度Ｔｓを測定する。

ステップＳ１３において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓの時間に対する変化率「ｄＴｓ／ｄｔ」が下限閾値Ａminと上限閾値Ａmaxとの間に入っているか否かを判断し、更に、スタック温度Ｔｓが均温化処理を開始するための温度として予め設定した温度Ｔ１（設定温度；以下、「均温化開始温度Ｔ１」という）に達したか否かを判断する。そして、「Ａmin≦ｄＴｓ／ｄｔ≦Ａmax」、及び「Ｔｓ≧Ｔ１」の少なくとも一方が否定の場合には（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ１４に処理を進める。

ステップＳ１４において、制御部３１は、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を調整し、ステップＳ１３の条件を満たすように制御する。

一方、「Ａmin≦ｄＴｓ／ｄｔ≦Ａmax」であり、且つ「Ｔｓ≧Ｔ１」である場合には（ステップＳ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１５において、制御部３１は、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの流量Ｆｂを徐々に低下させる。この処理により、カソード１１ａ内の温度が均一となるように調整される。具体的には、燃焼ガスの導入時においてカソード１１ａは、燃焼ガスが導入される上流側の方が、下流側よりも相対的に温度が高くなるので、燃焼ガスの流量Ｆｂを徐々に低下させることにより、カソード１１ａの上流から下流全体の温度分布が均一化される。

ステップＳ１６において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓが、均温化処理中のスタック温度の下限値Ｔ２minから上限値Ｔ２maxの範囲に入っているか否かを判断し、更に、燃焼ガス流量Ｆｂが、予め設定した設定流量Ｆｂ３まで低下したか否かを判断する。即ち、「Ｔ２min≦Ｔｓ≦Ｔ２max」であるか否かを判断し、且つ、「Ｆｂ＝Ｆｂ３」であるか否かを判断する。そして、これらの判断が共に否定である場合には（ステップＳ１６でＮＯ）、ステップＳ１７において、制御部３１は、起動用燃焼器２１より出力する燃焼ガスの流量Ｆｂを調整して、ステップＳ１６の条件を満たすようにする。

一方、「Ｔ２min≦Ｔｓ≦Ｔ２max」であり、且つ、「Ｆｂ＝Ｆｂ３」である場合には（ステップＳ１６でＹＥＳ）、ステップＳ１８において、制御部３１は、起動用燃焼器２１より出力する燃焼ガスを停止し、更に、スタック１１のカソード１１ａに空気ブロワ１２からの空気を導入して、スタック１１による発電を開始する。このときの発電電圧Ｖｓを目標電圧Ｖ２とする。目標電圧Ｖ２は、所定のプログラムに従い、徐々に電圧を低下させて発電電流量を増加させることができる。また、改質器１５からアノード１１ｂへの改質オフガスの導入は、スタック温度Ｔｓが均温化開始温度Ｔ１に達するまでの加熱昇温ステップの途中（後述の図３に示す時刻ｔ０〜ｔ１間）、或いは、燃焼ガス流量を減少させる均温化ステップの途中（図３に示す時刻ｔ１〜ｔ２間）から行うことができる。

ステップＳ１９において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓが、発電モード時におけるスタック１１の目標温度の下限値Ｔ３minから上限値Ｔ３maxまでの間に入っているか否かを判断する。そして、「Ｔ３min≦Ｔｓ≦Ｔ３max」でなければ（ステップＳ１９でＮＯ）、ステップＳ２０において、カソード１１ａに供給する空気流量を調整する。例えば、スタック温度ＴｓがＴ３minより低い場合には、スタック１１の温度が低下し過ぎていると判断して、カソード１１ａの空気流量を減少させる。

一方、「Ｔ３min≦Ｔｓ≦Ｔ３max」であれば（ステップＳ１９でＹＥＳ）、ステップＳ２１において、制御部３１は、発電電流Ｉｓが発電モード開始可能を判断する目標電流値Ｉ１に達したか否かを判断する。即ち、「Ｉｓ＝Ｉ１」であるか否かを判断する。「Ｉｓ＝Ｉ１」でなければ（ステップＳ２１でＮＯ）、ステップＳ２２において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する空気流量を増加し、且つ、カソード空気流量から算出される許容電流値限界までに収まるように、電圧を少し下げることで発電電流Ｉｓを増加させる。この場合の１ステップ当たりの空気流量増加量と電圧の低下量は予め設定することができる。目標電流値Ｉ１は、発電モード開始可能を判断する発電電流値である。その後、ステップＳ１９に処理を戻す。

また、発電電流Ｉｓが目標電流値Ｉ１に達した場合には（ステップＳ２１でＹＥＳ）、ステップＳ２３において、制御部３１は、処理を起動モードから発電モードに移行する。即ち、発電モード開始となり、燃料電池システムから発電出力を取り出し可能となる。

次に、上述の処理手順による各部の温度変化、流量変化を、図３に示す特性図を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態では、起動用燃焼器２１（図１参照）を作動させて、スタック１１による発電が開始されるまでの間の起動モードを、スタック１１を含むシステム全体を昇温する加熱昇温ステップ、及び、昇温した後にスタック１１全体の温度を均温化する均温化ステップの２つのステップに区別して制御している。そして、均温化ステップの終了後に発電モードへ移行するので、スタック１１の上流部から下流部に沿っての温度分布を均温化し、スタック１１の急激な熱変動を防止する。

加熱昇温ステップでは、時刻ｔ０にて起動用燃焼器２１が起動して燃焼ガスが出力され、該燃焼ガスがスタック１１に供給されて該スタック１１が昇温される。この際、時刻ｔ０〜ｔ１の間では、燃焼ガス温度Ｔｂは徐々に上昇する。これに伴って、スタック温度Ｔｓ（本実施形態では、スタック１１の上流部温度としている）は、時刻ｔ０〜ｔ１の間で徐々に上昇する。更に、スタック１１の下流部温度ｑ１は、スタック温度Ｔｓよりも若干低い温度で徐々に上昇する。この際、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの流量Ｆｂは、ほぼ一定の流量となるように制御されている。この制御は、制御部３１による燃料ポンプ２３の燃料送出量、及び空気ブロワ１２を調整することにより行うことができる。

そして、制御部３１は、時刻ｔ１にてスタック温度Ｔｓが予め設定した均温化開始温度Ｔ１に達したことを検出し、燃焼ガスの流量Ｆｂが徐々に減少するように制御する（図３のｔ１〜ｔ３間参照、図２のステップＳ１５参照）。そして、燃焼ガスの流量Ｆｂが時刻ｔ２にて予め設定した設定流量Ｆｂ３まで低下すると、起動用燃焼器２１よりの燃焼ガスの供給が停止されるので（図２のステップＳ１８参照）、時刻ｔ２から燃焼ガス温度Ｔｂが低下する。

また、時刻ｔ２にてバルブ２２を切り替えて空気ブロワ１２より送出される発電用の空気が熱交換器１３で予熱された後カソード１１ａ内に導入されるので、カソード空気流量ｑ３が増加し、且つ、カソード空気温度ｑ２が上昇する。更に、時刻ｔ２にて発電が開始され、発電電流Ｉｓが徐々に上昇する。

その後、発電モードへ移行可能と判断できるスタック温度Ｔｓで発電電流値Ｉｓ＝Ｉ１に到達した時刻ｔ３にて均温化ステップが終了し、スタック１１による発電モードに移行する。

こうして、起動用燃焼器２１を起動させてスタック１１を昇温させる際に、均温化ステップによる処理を実行することにより、カソード１１ａの上流から下流に至るまでの温度が均温化するように温度を調整し、その後発電モードに移行させることできるのである。

図４は、カソード１１ａの上流側から下流側の温度分布を示す特性図であり、図４（ａ）は、本実施形態に係る均温化ステップを採用した場合の特性を示しており、曲線ｎ１は、加温昇温ステップ終了時におけるスタック１１の温度分布を示し、曲線ｎ２は、均温化ステップ終了時におけるスタック１１の温度分布を示し、曲線ｎ３は、スタック１１による発電が行われているときの該スタック１１の温度分布を示している。即ち、加温昇温ステップが行われている時には、スタック１１に燃焼ガスが供給されるので下流側に対して上流側が高い温度となり、均温化ステップが行われている時には、スタック１１の上流側から下流側に沿ってほぼ均一な温度となる。また、発電モード時には、スタック１１に空気が供給されるので、上流側に対して下流側が高い温度となる。

一方、図４（ｂ）は、本実施形態に係る均温化ステップを採用しない場合の特性を示しており、曲線ｎ１１〜ｎ１４は、起動モードから発電モードに推移するときの、スタック１１内の温度分布を示している。

発電電流とこれに比例する発熱量は温度に比例するため、温度分布ｎ１１の状態から、カソード空気に切り替えて発電を開始した場合、温度が高い最上流部で最も発熱量が大きくなる。一方、スタック温度より低温のカソード用空気により最上流部が最も冷却されるため、少し時間が経つと、最上流部より少し下流部で温度が最も高くなるｎ１２の温度分布になる。この状態で発電を継続すると、時間経過に伴って最高温度を示す位置が下流へずれていき、発電モード時の温度分布ｎ１４に移行してゆく。特に起動のための昇温エネルギーを小さくするために熱容量を小さくしたスタックにおいては、セパレータやセルの固体部の伝熱で面内温度分布を減少させる効果が小さいため、局所的な発熱による局所的な温度変動が顕著に現れる。そのため起動エネルギーが小さく、起動時間が速い低熱容量スタックにおいては、局所的な温度変動を抑制することは極めて重要な課題である。

従って、スタック１１に局所的な温度変動が加えられることとなり、スタック１１内の温度の偏りや時間的な変動に起因する応力によって、スタック１１の劣化や損傷が発生する可能性がある。

これに対し、図４（ａ）に示す各温度分布の曲線ｎ１〜ｎ３から理解されるように、加温昇温ステップが終了した時点では、カソード１１ａの入口側の温度が高く、出口側の温度が低い状態となっており、均温化ステップを実行することによりカソード１１ａ全体の温度が均一化され、その後、発電を開始することにより、カソード１１ａの入口側の温度が高く、出口側の温度が低くなるように変化する。

この場合、スタック１１の温度変化は全体的に直線的な変化であり、スタック１１に局所的な温度変動が加えられることがないので、スタック１１内の温度の偏りに起因するスタック１１の劣化や損傷を防止できることとなる。

このようにして、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムでは、起動用燃焼器２１を用いてスタック１１を昇温する際に、加熱昇温モードの終了時に、均温化ステップにより燃焼ガスの流量を徐々に低下させているので（即ち、図３のｔ１〜ｔ２の間で燃焼ガス流量Ｆｂを徐々に低下させているので）、スタック１１による発電が開始される前の時点でスタック１１の上流側から下流側にかけての全体の温度を均温化することができる。

従って、カソード上流側のセル温度の急激な温度低下を起こさず、カソード下流側のセル温度を上昇させることにより、カソード流れ方向の温度分布を小さくした後に、発電を開始できるので、セル全体で均質に発電を開始することができるため、局所的な温度変化を抑制することができる。その結果、スタック１１の劣化、損傷を防止することが可能となる。

また、燃焼ガス流量Ｆｂが設定流量Ｆｂ３を下回った場合に、発電を開始するので、スタック１１内セルの発電に伴う発熱と燃焼ガスによるセルの冷却或いは加熱の熱量バランスがとり易く、熱容量が小さいスタックにおいても、スタック１１内の上流側から下流側への局所的な温度分布の変化を抑制することができる。

なお、第１実施形態では、燃焼ガス流量Ｆｂを所定のプログラムにより徐々に減少させて流量Ｆｂ３となるように制御したが、このほかに、カソード流路上流部と、カソード流路下流部に相当する場所や、熱容量が大きいガスマニホルド部近傍にも温度センサを設定し、上流部の温度情報とともに２点の温度差情報に基づいて、燃焼ガス流量Ｆｂを減少させるよう制御し、Ｆｂ３まで下げることもできる。

燃焼ガス流量Ｆｂの最適な減少のさせ方は、セルの形状や、セルとセルを支える金属支持部やガスマニホルド部との熱容量比、カソードガス流れ構造にも依存し、徐々に減少させることもできるし、段階的に少し減少させて保持し、また減少させるを複数回繰り返すこともできる。

また、燃焼ガス流量Ｆｂは、予め設計或いは測定されているセル各点の加熱昇温マップに基づいて、上流から下流にかけての温度の変動が許容範囲に入るよう設定したプログラムに基づいて減少させることができる。更に、燃焼ガスの停止タイミングは、スタック温度や発電電流値の他、空気予熱用熱交換器１３の温度信号に基づいて決定することもできる。

［第２実施形態の動作説明］
次に、図５に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作について説明する。前述した第１実施形態と同様に、システムの運転を開始する際には、初めに起動モードによりスタック１１を昇温し、その後発電モードに移行して発電を行う。

起動モードが開始されると、ステップＳ３１において、制御部３１は、起動用燃焼器２１に燃料、及び空気を供給した状態で点火し、燃焼させる。そして、燃焼により発生する燃焼ガスはスタック１１のカソード１１ａに供給され、スタック１１が昇温される。

ステップＳ３２において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓを測定し、更に、スタック温度Ｔｓの変化率「ｄＴｓ／ｄｔ」を算出する。ここでは第１実施形態と同様に、スタック１１の上流部に設置した温度センサ（図示省略）により、スタック温度Ｔｓを測定している。

ステップＳ３３において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓの変化率「ｄＴｓ／ｄｔ」が下限閾値Ａminと上限閾値Ａmaxとの間に入っているか否かを判断し、更に、スタック温度Ｔｓが均温化処理を開始するための温度として予め設定した均温化開始温度Ｔ１に達したか否かを判断する。そして、「Ａmin≦ｄＴｓ／ｄｔ≦Ａmax」、及び「Ｔｓ≦Ｔ１」の少なくとも一方が否定の場合には（ステップＳ３３でＮＯ）、ステップＳ３４に処理を進める。

ステップＳ３４において、制御部３１は、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を調整し、ステップＳ３３の条件を満たすように制御する。

一方、「Ａmin≦ｄＴｓ／ｄｔ≦Ａmax」であり、且つ「Ｔｓ≦Ｔ１」である場合には（ステップＳ３３でＹＥＳ）、ステップＳ３５において、制御部３１は、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの温度Ｔｂを低下させ、且つ燃焼ガスの流量Ｆｂを低下させる処理を行う。具体的には、スタック温度Ｔｓが均温化開始温度Ｔ１に達したときの燃焼ガスの温度をＴｂ１とし、燃焼ガスの流量をＦｂ１とした場合に、燃焼ガスの温度をＴｂ１よりも低いＴｂ２に設定し、燃焼ガスの流量をＦｂ１よりも少ないＦｂ２に設定する。即ち、「Ｔｂ＝Ｔｂ２≦Ｔｂ１」、及び「Ｆｂ＝Ｆｂ２≦Ｆｂ１」とする。なお、流量Ｆｂ２は、発電モード時にカソード１１ａに供給する空気流量Ｆｃよりも大きく、温度Ｔｂ２は、発電モード時にカソード１１ａに供給する空気温度Ｔｃよりも大きく設定される（後述する図６参照）。

ステップＳ３６において、制御部３１は、所定時間の経過を待つ（後述する図６の時刻ｔ１〜ｔ２間）。

ステップＳ３８において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓが、均温化処理中のスタック温度の下限値Ｔ２min、及び上限値Ｔ２maxの範囲に入っているか否かを判断する。そして、この範囲に入っていない場合には（ステップＳ３８でＮＯ）、ステップＳ３９において、制御部３１は、ステップＳ３６の処理で用いた所定時間を延長する。

一方、スタック温度Ｔｓが、均温化処理中のスタック温度の下限値Ｔ２min、及び上限値Ｔ２maxの範囲に入っていると判断された場合には（ステップＳ３８でＹＥＳ）、ステップＳ４０において、制御部３１は、起動用燃焼器２１より出力する燃焼ガスを停止し（図６の時刻ｔ２）、更に、スタック１１のカソード１１ａに空気を供給する。更に、スタック１１による発電電圧Ｖｓを、目標電圧Ｖ２に設定する。なお、Ｖ２≦Ｖ１とすることが望ましい。

ステップＳ４１において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓが、発電モード時におけるスタック１１の目標温度の下限値Ｔ３minから上限値Ｔ３maxまでの間に入っているか否かを判断する。そして、「Ｔ３min≦Ｔｓ≦Ｔ３max」でなければ（ステップＳ４１でＮＯ）、ステップＳ４２において、カソード１１ａに供給する空気流量を調整する。例えば、スタック温度ＴｓがＴ３minより低下する場合には、スタック１１の温度が低下し過ぎていると判断して、カソード１１ａの空気流量を減少させる。

一方、「Ｔ３min≦Ｔｓ≦Ｔ３max」であれば（ステップＳ４１でＹＥＳ）、ステップＳ４３において、制御部３１は、発電電流Ｉｓが発電モードでの目標電流値Ｉ１に達したか否かを判断する。即ち、「Ｉｓ＝Ｉ１」であるか否かを判断する。「Ｉｓ＝Ｉ１」でなければ（ステップＳ４３でＮＯ）、ステップＳ４４において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する空気流量を増加し、且つ、カソード空気流量から算出される許容電流値限界までに収まるように、電圧を少し下げることで発電電流Ｉｓを増加させる。この場合の１ステップ当たりの空気流量増加量と電圧の低下量は予め設定することができる。目標電流値Ｉ１は、システム要求出力から算出される発電電流である。その後、ステップＳ４１に処理を戻す。

また、発電電流Ｉｓが目標電流値Ｉ１に達した場合には（ステップＳ４３でＹＥＳ）、ステップＳ４５において、制御部３１は、処理を起動モードから発電モードに移行する。即ち、発電モード開始となり、燃料電池システムから発電出力を取り出し可能となる。

次に、上述の処理手順による各部の温度変化、流量変化を、図６に示す特性図を参照して説明する。第２実施形態では、前述した第１実施形態と同様に、起動用燃焼器２１を作動させて発電モードに至るまでの起動モードが、スタック１１を含むシステム全体を昇温する加熱昇温ステップと、昇温した後にスタック１１全体の温度を均温化する均温化ステップの２つのステップに区別して制御している。

加熱昇温ステップでは、時刻ｔ０にて起動用燃焼器２１が起動して燃焼ガスが出力され、該燃焼ガスがスタック１１に供給されてスタック１１が加温される。この際、時刻ｔ０〜ｔ１の間では、燃焼ガス温度Ｔｂは徐々に上昇する。これに伴って、スタック温度（スタックの上流部温度）Ｔｓは時刻ｔ０〜ｔ１の間で徐々に上昇する。更に、スタック１１の下流部温度ｑ１は、スタック温度Ｔｓよりも若干低い温度で徐々に上昇する。この際、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの流量Ｆｂは、ほぼ一定の流量Ｆｂ１となるように制御されている。

そして、制御部３１は、時刻ｔ１にてスタック温度Ｔｓが予め設定した均温化開始温度Ｔ１に達したことを検出すると、燃焼ガス温度Ｔｂを予め設定した温度Ｔｂ２（時刻ｔ１での燃焼ガス温度Ｔｂ１よりも低い温度）に減少するように調整し、その後、この温度Ｔｂ２を維持する。同様に、燃焼ガスの流量Ｆｂが予め設定したＦｂ２（時刻ｔ１での燃焼ガス流量Ｆｂ１よりも少ない流量）まで減少するように調整し、その後、この流量Ｆｂ２を維持する。具体的には、図３の時刻ｔ１〜ｔ２間に示すように、燃焼ガス温度Ｔｂ、及び燃焼ガス流量Ｆｂを若干減少させ、その後、一定値に維持する制御を行う。この間にスタック１１の上流側から下流側全体の温度が均温化されることになる。

そして、時刻ｔ１から所定時間が経過した時刻ｔ２において、起動用燃焼器２１よりの燃焼ガスを停止させ、且つ、カソード１１ａに空気を導入してスタック１１による発電を開始する。その後、時刻ｔ３において、発電電流Ｉｓが目標電流値Ｉ１に達すると、発電モードへと移行する。

ここで、均温化ステップにおいて、燃焼ガス温度Ｔｂ、及び燃焼ガス流量Ｆｂを保持する時間（ｔ１〜ｔ２間）は、予め規定した時間とすることもできるし、スタック１１内の２点の温度差情報ΔＴｓに基づき、ΔＴｓ＜Ｃ（但し、Ｃは定数）となるまでとして決定することもできる。そして、一定時間保持した後の時刻ｔ２にて、スタック１１による発電を開始する。即ち、スタック１１のカソード１１ａに空気を導入して発電を開始する。

こうして、起動用燃焼器２１を起動させてスタック１１を昇温させる際に、均温化ステップによる処理を行うことにより、スタック１１の上流から下流に至るまでの温度が均温化するように温度調整し、その後発電モードに移行させることできることとなる。

このようにして、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムでは、上述した第１実施形態と同様に、スタック１１を昇温して設定温度Ｔ１に達した後に、均温化ステップによる処理を実行することにより、スタック１１全体の温度を均温化することができるので、スタック１１に生じる温度差を低減でき、局所的な温度変動に起因するスタック１１の劣化、損傷を防止することが可能となる。

また、燃焼ガス温度Ｔｂ、及び燃焼ガス流量Ｆｂの双方を低下させて、スタック温度を均温化することにより、スタック１１の昇温が終了してから発電を開始するまでに所要する均温化ステップの時間を短縮化することができる。

更に、燃焼ガス温度Ｔｂ、及び燃焼ガス流量Ｆｂを低下させた後、この温度、及び流量を一定時間保持するので、下流側の温度上昇を促進することができ、より安定的にスタック温度を均温化することができる。

また、燃焼ガス温度と流量が減少した時刻ｔ２〜空気を導入する時刻ｔ３の間の所定時間経過後に発電を開始するので、上流部の温度を昇温させ過ぎたりせずに、下流部の温度上昇を促進するので、スタック温度が均温化された状態で即時に燃料電池の出力電流を所望する出力電流に到達させることができ、起動までに要する時間を短縮化することができる。

更に、燃焼ガスの供給が停止した後に、カソード１１ａに発電用の空気を供給するので、燃焼ガス、及び発電用空気の双方を同時に制御を行う必要が無く、制御負荷を軽減することができる。

［第３実施形態の動作説明］
次に、図７に示すフローチャートを参照して、第３実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作について説明する。なお、図７において、ステップＳ３１〜Ｓ３５までの処理は、図５に示したステップＳ３１〜Ｓ３５の処理と同一であるので、同一のステップ番号を付して、説明を省略する。ステップＳ３５の処理が終了すると、ステップＳ５１の処理が行われる。

ステップＳ５１において、制御部３１は、スタック１１による発電を開始する。このときの発電電圧Ｖｓを電圧Ｖ１に設定する。そして、この電圧Ｖ１を徐々に低下させる。

ステップＳ５２において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓが、均温化処理中のスタック温度の下限値Ｔ２min、及び上限値Ｔ２maxの範囲に入っているか否かを判断する。更に、発電を開始してからの経過時間が予め設定した時間Ｐ１に達したか否かを判断する。そして、ステップＳ５２の判断がＮＯの場合には、ステップＳ５３において、制御部３１は、スタック１１の発電電圧を調整し、ステップＳ５２の条件を満たすようにする。

一方、ステップＳ５２の判断がＹＥＳの場合には、ステップＳ５４において、制御部３１は、起動用燃焼器２１より出力する燃焼ガスを停止し、更に、スタック１１のカソード１１ａに空気を導入して、スタック１１による発電電圧Ｖｓを目標電圧Ｖ２に設定する。なお、Ｖ２≦Ｖ１が望ましい。

ステップＳ５５において、制御部３１は、スタック温度Ｔｓが、発電モード時におけるスタック１１の目標温度の下限値Ｔ３minから上限値Ｔ３maxまでの間に入っているか否かを判断する。そして、「Ｔ３min≦Ｔｓ≦Ｔ３max」でなければ（ステップＳ５５でＮＯ）、ステップＳ５６において、カソード１１ａに供給する空気流量を調整する。例えば、スタック温度ＴｓがＴ３minより低い場合には、スタック１１の温度が低下し過ぎていると判断して、カソード１１ａの空気流量を減少させる。

一方、「Ｔ３min≦Ｔｓ≦Ｔ３max」であれば（ステップＳ５５でＹＥＳ）、ステップＳ５７において、制御部３１は、発電電流Ｉｓが発電モードでの目標電流値Ｉ１に達したか否かを判断する。即ち、「Ｉｓ＝Ｉ１」であるか否かを判断する。「Ｉｓ＝Ｉ１」でなければ（ステップＳ５７でＮＯ）、ステップＳ５８において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する空気流量を増加し、且つ、カソード空気流量から算出される許容電流値限界までに収まるように、電圧を少し下げることで発電電流Ｉｓを増加させる。この場合の１ステップ当たりの空気流量増加量と電圧の低下量は予め設定することができる。目標電流値Ｉ１は、発電モード開始可能を判断する発電電流である。その後、ステップＳ５５に処理を戻す。

また、発電電流Ｉｓが目標電流値Ｉ１に達した場合には（ステップＳ５７でＹＥＳ）、ステップＳ５９において、制御部３１は、処理を起動モードから発電モードに移行する。即ち、発電モード開始となり、燃料電池システムから発電出力を取り出し可能となる。

次に、上述の処理手順による各部の温度変化、流量変化を、図８に示す特性図を参照して説明する。第３実施形態では、前述した第１，第２実施形態と同様に、起動用燃焼器２１を作動させて発電モードに至るまでの起動モードを、スタック１１を含むシステム全体を昇温する加熱昇温ステップと、昇温した後にスタック１１全体の温度を均温化する均温化ステップの２つのステップに区別している。

加熱昇温ステップでは、時刻ｔ０にて起動用燃焼器２１が起動して燃焼ガスが出力され、該燃焼ガスがスタック１１に供給されてスタック１１が加熱される。この際、時刻ｔ０〜ｔ１の間では、燃焼ガス温度Ｔｂは徐々に上昇する。これに伴って、スタック温度（スタックの上流部温度）Ｔｓは時刻ｔ０〜ｔ１の間で徐々に上昇する。更に、スタック１１の下流部温度ｑ１は、スタック温度Ｔｓよりも若干低い温度で徐々に上昇する。この際、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの流量Ｆｂは、ほぼ一定の流量Ｆｂ１となるように制御されている。

そして、制御部３１は、時刻ｔ１にてスタック温度Ｔｓが予め設定した均温化開始温度Ｔ１に達したことを検出すると、燃焼ガス温度Ｔｂを予め設定した温度Ｔｂ２（＜Ｔｂ１）に減少するように調整し、更に、燃焼ガスの流量Ｆｂが予め設定したＦｂ２（＜Ｆｂ１）まで減少するように調整する。

燃焼ガス温度Ｔｂ、及び燃焼ガス流量Ｆｂが低下する時刻ｔ２において、スタック１１は発電を開始する（図７のステップＳ５１参照）。そして、スタック１１による発電電圧を所定の値で保持するか、或いは、予め設定したプログラムに従って徐々に低下させることにより、時刻ｔ３まで発電電流Ｉｓを徐々に増加させる。

また、時刻ｔ２の後は、燃焼ガス温度Ｔｂは、Ｔｂ２を維持し、燃焼ガス流量Ｆｂは、Ｆｂ２を維持する。そして、時刻ｔ２から所定時間Ｐ１が経過した時点（時刻ｔ３）で、燃焼ガスの供給が停止され（図７のステップＳ５４参照）、カソード１１ａに空気を導入し、発電電圧をＶ２に設定して発電を開始する。スタック温度ＴｓがＴ３min以上Ｔ３max以下となり、発電電流Ｉｓが目標電流Ｉ１となるよう、空気流量と発電電圧を調整し、その後、時刻ｔ４において、発電電流Ｉｓが目標電流値Ｉ１に達して、発電モードへと移行する。その結果、時刻ｔ１〜ｔ４の間に、スタック１１の上流側から下流側全体の温度が均温化されることになる。

こうして、起動用燃焼器２１を起動させてスタック１１を昇温させる際に、均温化ステップによる処理を行うことにより、スタック１１の上流から下流に至るまでの温度が均温化するように温度調整し、その後発電モードに移行させることできるのである。

このようにして、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムでは、スタック温度Ｔｓが均温化開始温度Ｔ１に達した後、燃焼ガス流量と温度を減少させて発電を開始するので、上流部の温度を昇温させ過ぎたり、低下させ過ぎたりせずに安定させながら、下流部の温度を上昇させることができるので、均温化ステップの短縮に加えて加熱昇温ステップの時間短縮をも行うことができ、起動時間を短縮することができる。

また、均温化ステップを行う際の燃焼ガス流量を低減することができ、均温化ステップの実行に要する起動バーナに投入する燃料及び空気ブロワの動力を低減できるので、起動のために消費するエネルギーを低減することが可能となる。

ここで、第３実施形態のように、加熱昇温ステップが終了した直後の時刻ｔ２にてスタック１１を昇温するための発電を開始する場合は、比較的熱容量の大きいスタックの場合に有利である。熱容量の比較的大きいスタックの場合は、昇温に必要なエネルギーが大きくなるため、起動エネルギー削減が重要課題となるが、発電開始時間が時刻ｔ２に近いほど、起動エネルギーの削減効果は大きくなる。一方、スタック内が十分均温化する前に発電を開始することとなるが、熱容量が大きいスタックでは局所的な発熱に伴う局所的な温度変動は抑制されやすいので、起動モードから発電モードに移行する際のスタック１１の温度分布を均一化することができる。

［第４実施形態の動作説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、均温化ステップ中に発電を開始し、上流部も下流部も昇温させながら、上流部と下流部の温度差を小さくする均温化ステップを行うことにより、起動エネルギーを削減して発電開始までに要する時間を短縮する。

以下、図９に示す特性図を参照して、第４実施形態に係る燃料電池システムの作用について説明する。図９に示す加熱昇温ステップでは、時刻ｔ０にて起動用燃焼器２１が起動して燃焼ガスが出力され、該燃焼ガスがスタック１１に供給されてスタック１１が加温される。この際、時刻ｔ０〜ｔ１の間では、燃焼ガス温度Ｔｂは徐々に上昇する。これに伴って、スタック温度（スタックの上流部温度）Ｔｓは時刻ｔ０〜ｔ１の間で徐々に上昇する。更に、スタック１１の下流部温度ｑ１は、スタック温度Ｔｓよりも若干低い温度で徐々に上昇する。この際、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの流量Ｆｂは、ほぼ一定の流量Ｆｂ１となるように制御されている。

そして、制御部３１は、時刻ｔ１にてスタック温度Ｔｓが予め設定した均温化開始温度Ｔ１に達したことを検出すると、燃焼ガス温度Ｔｂを予め設定した温度Ｔｂ２（＜Ｔｂ１）に減少するように調整し、更に、燃焼ガスの流量Ｆｂが予め設定したＦｂ２（＜Ｆｂ１）まで減少するように調整する。

その後、燃焼ガス温度Ｔｂ、及び燃焼ガス流量Ｆｂが減少する時刻ｔ２において、スタック１１による発電を開始する。そして、発電電圧Ｖｓを電圧Ｖ１に設定すると、まずスタック１１の上流部で発電に伴う発熱が開始され、上流部の温度は昇温速度が低下するが引き続き上昇する。発電可能領域が下流に広がるに従い、下流部も続いて昇温する。燃焼ガスの流量と温度を低下させて発電を開始するため、上流部の昇温速度を低下させ、緩やかに昇温させることができる。これにより最上流部のみが発熱急昇温して熱暴走することを防止している。下流部も昇温して発電可能温度に達すると発熱するため、下流部の昇温速度も引き続き上昇する。発電電流がＩ２に到達した後、上流部の昇温速度より、電圧Ｖｓを徐々に上昇させ、下流部の温度上昇に伴う電流値の増加速度が鈍るように制御する。発電電流がＩ２に到達する時刻ｔ３では、スタック内の大部分が発電可能温度に達して上流部の昇温速度より下流部の昇温速度が上回り始める。

その後、発電電流Ｉｓが時刻ｔ４にて予め設定した上限電流値Ｉ３に達すると、この時刻ｔ４より発電電圧Ｖｓを上昇させて発電電流Ｉｓを徐々に低下させる。これにより、下流部の昇温速度は小さくなり、上流部と下流部の温度差が小さく安定した状態になる。なお、時刻ｔ４の時点では、スタック温度Ｔｓは、均温化ステップ開始時の温度Ｔ１よりも高い温度となっている。スタック温度ＴｓがＴ２min以上Ｔ２max以下となり、所定の時間Ｐ１が経過したら、燃焼ガスの供給を停止し、カソード１１ａに空気を供給する。スタック温度ＴｓがＴ３min以上Ｔ３max以下となり、発電電流ＩｓがＩ１となるように、空気流量と発電電圧を調整し、発電電流がＩｓ＝Ｉ１に達したら発電モードによる発電を開始する。

次に、スタック１１の温度分布の変化を図１０に示す特性図を参照して説明する。この実施形態では、加温昇温ステップにて、曲線ｎ２１に示すように、スタック１１の上流側では発電可能最低温度に達しているが、スタック１１の下流側では発電可能最低温度に達していない。そして、均温化ステップを行うことにより、下流側の温度が上昇して曲線ｎ２２に示すように、スタック１１の温度分布が均一化される。即ち、上流側の温度も上昇すると共に、スタック１１の下流側の温度が発電可能最低温度に達する。その後、発電モードに移行すると、曲線ｎ２３に示すように、スタック１１の下流側の温度が上流側の温度よりも高くなる。

こうして、均温化ステップが開始されて燃焼ガス温度Ｔｂが低下し、燃焼ガス流量Ｆｂが減少した後に、スタック１１による発電を開始し、発電電流Ｉｓを上昇させることにより、カソード１１ａの上流部、下流部の双方の温度を上昇させて、スタック１１全体が発電モード時の目標温度へ達するように昇温させることができるのである。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システムでは、燃焼ガスの流量温度を低下させた均温化ステップにおいてスタック１１による発電を行うことにより、スタック１１を昇温させるので、スタック１１の下流部の温度が発電可能温度に達していない早い段階から燃焼ガスを作るための起動バーナにかかるエネルギーを低減することができる。また、上流から下流までの平均温度を昇温させながら、均温化することができるので、起動時間を短縮化でき、且つ起動に要するエネルギーを低減することが可能となる。

以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した各実施形態では、固体酸化物型燃料電池を用いる例について説明したが、本発明は固体酸化物型燃料電池に限定されるものではなく、高温動作のプロトン伝導性電界質層を用いた燃料電池等に用いることも可能である。また、燃料電池は、平板積層スタック型以外に、チューブ型であっても良い。

本発明は、燃料電池の起動時において燃料電池を均温化することに利用することができる。

１１ スタック
１１ａ カソード
１１ｂ アノード
１２ 空気ブロワ
１３ 空気予熱用熱交換器
１４ 燃料ポンプ
１５ 燃料改質器
１６ 改質器加熱用バーナ
１７ 昇圧ポンプ
１８ 分圧バルブ
２１ 起動用燃焼器
２２ バルブ
２３ 燃料ポンプ
２４，２５ 蒸発器
２６，２７ 空気ブロワ
３１ 制御部
１００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 燃料電池と、起動時に前記燃料電池を昇温する起動用燃焼器とを少なくとも備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、起動時に該燃料電池を昇温する起動モード、及び燃料電池が昇温された後に出力要求に応じた発電を行う発電モードで運転され、
   前記起動モードにて、前記起動用燃焼器による燃焼ガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池を昇温し、その後、前記燃料電池の温度が、予め設定した設定温度に達した際に、前記燃焼ガスの流量を減少させて前記燃料電池に供給する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池が前記設定温度に達した際に、前記燃焼ガスの流量を減少させて前記燃料電池に供給することにより、前記設定温度よりも低い第二の設定温度の範囲に到達した後に、前記発電モードでの発電を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記起動モードにて、前記燃料電池の温度が前記設定温度に達した後に、前記燃焼ガスの流量を減少させることに加え、前記燃焼ガスの温度を低減させる制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃焼ガスの流量を減少させ、且つ燃焼ガス温度を低減させた後、減少後の流量を一定時間保持し、且つ、低減後の燃焼ガス温度を一定時間保持することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記燃焼ガスの流量を減少させた後燃焼ガスを停止させ、その後前記発電モードでのカソードへの空気供給を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給する燃焼ガスの流量を減少させた後、予め設定した設定流量を下回った場合に、前記発電を開始させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給する燃焼ガスの流量を減少させた後、所定時間が経過した際に、前記燃料電池による発電を開始することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給する燃焼ガスの流量を減少させた後、即時に前記燃料電池による発電を開始し、発電電流が予め設定した目標電流値に達した後に、前記発電モードに移行させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給する燃焼ガスの流量を減少させた後、即時に前記燃料電池による発電を開始し、発電電流が予め設定した上限電流値に達した後に発電電流を低下させ、前記目標電流値に達した後に、前記発電モードに移行させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。

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