JP6149355B2 - 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、運転開始時に燃料電池及び改質器を所望する温度まで昇温させる技術に関する。

一般に、固体酸化物型燃料電池（SOFC, Solid Oxide Fuel Cell）を備える燃料電池システムでは、燃料を改質して得られる改質ガスを燃料電池に供給するために、改質器が設けられており、該改質器では改質反応に水（水蒸気）が必要となる。通常運転時には、燃料電池のアノードオフガスを改質器に再循環することによって、改質反応に必要な水蒸気を獲得することができ、水タンクを設けることなくシステムを構築することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１９８９１５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された燃料電池システムでは、システムの起動時に改質器に水蒸気を供給することについては言及されていない。システムの起動時には、改質器にアノードオフガスが供給されず、ひいては改質器に水蒸気が供給されないので、改質反応に必要な水蒸気を確保し、改質器でのカーボン析出を防止することが必要となる。

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、システムの運転開始時に改質反応に必要とされる水蒸気を改質器に供給し、安定的にシステムを起動させることが可能な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、本願発明は、改質ガスを生成する改質器と、改質ガス及び酸化剤が供給されて発電する固体酸化物型燃料電池と、燃料電池のアノードより排出されるアノードオフガスの一部を改質器の入口に供給する循環ポンプと、を備える。燃料電池の発電が開始された後に、循環ポンプを作動させてアノードオフガスの改質器への循環を開始する。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池加熱手段により燃料電池を加熱して発電可能な温度に昇温し、且つ、改質器加熱手段により改質器を加熱して改質可能な所定温度に昇温する。その後、循環ポンプを作動させてアノードオフガスの改質器への循環を開始し、且つ、燃料電池の発電電力に応じて、アノードオフガスの循環量を制御する。従って、発電開始初期において、改質器に供給するアノードオフガス量を安定的に制御することができ、炭素析出等の問題の発生を回避することができる。

本発明の一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。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、駆動開始時における処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、燃料電池昇温制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、改質器昇温制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、原料供給量制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、循環ポンプ制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、再加熱判断処理の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、再加熱制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、改質器供給空気量制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、燃料電池供給空気量制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、昇温時における改質器の温度変化、及び燃料電池の温度変化を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、原料供給開始後における改質器の温度変化、及び燃料電池の温度変化を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、燃料電池昇温制御時における目標温度と測定温度の変化を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムで用いられる、空気過剰率λの変化を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの、改質器昇温制御時における目標温度と測定温度の変化を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムで用いられる、発電電流とアノードオフガスの循環率との関係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、本発明の一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、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、アノード１１ａ、及びカソード１１ｂを備える固体酸化物型燃料電池１１（以下、「燃料電池１１」と略す；図中に「ＳＯＦＣ」と表記する場合がある）と、改質器１２ａ及び燃焼器１２ｂを含み、炭化水素原料を改質した改質ガスをアノード１１ａに供給する熱交換型改質装置１２と、アノード１１ａより排出されるアノードオフガスを循環させる循環ポンプ１３と、循環ポンプ１３より送出されるアノードオフガスを所望の比率で分流させ、一方の系統を改質器１２ａに供給し、他方の系統を燃焼器１２ｂに供給する分流弁１４と、を備えている。分流弁１４は、分流率を適宜変更することにより、アノードオフガスを改質器１２ａに循環させる際の循環率を変更することが可能とされている。

また、改質器１２ａに炭化水素原料を送出する第１燃料ポンプ１５と、燃焼器１２ｂに燃焼用の燃料を供給する第２燃料ポンプ１６と、燃焼器１２ｂに空気を供給する第２空気ブロワ１７と、アノード１１ａに空気（酸化剤）を供給する第１空気ブロワ２１と、燃焼器１２ｂの排気ガスの熱で第１空気ブロワ２１より送出される空気を加熱する熱交換器２０と、を備えている。熱交換型改質装置１２は、改質器１２ａと燃焼器１２ｂの流体の入口が反対方向となっている。即ち、改質器１２ａの入口と燃焼器１２ｂの出口が近接し、改質器１２ａの出口と燃焼器１２ｂの入口が近接している。

更に、熱交換器２０にて加熱された空気を更に加熱する加熱バーナ１８と、該加熱バーナ１８に燃焼用の燃料を供給する第３燃料ポンプ１９と、を備えている。

また、燃料電池１１の入口には第１温度計Ｔ１が設けられ、出口には第２温度計Ｔ２が設けられ、改質器１２ａの入口には第３温度計Ｔ３が設けられ、出口には第４温度計Ｔ４が設けられている。更に、燃料電池１１には、該燃料電池１１より出力される出力電流を検出する電流計Ｉ１が設けられている。

また、循環ポンプ１３の出力、分流弁１４の分流比率、第１〜第３燃料ポンプ１５，１６，１９の出力、第１，第２空気ブロワ２１，１７の出力を制御する制御部３１を備えており、該制御部３１は、各温度計Ｔ１〜Ｔ４の検出信号、及び電流計Ｉ１の検出信号に基づいて、各ポンプ、ブロワを制御する。

具体的には、制御部３１は、加熱バーナ１８（燃料電池加熱手段）により燃料電池１１が加熱されて発電可能な温度に昇温され、且つ、燃焼器１２ｂ（改質器加熱手段）により改質器１２ａが加熱されて改質可能な所定温度に昇温された際に、循環ポンプ１３を作動させてアノードオフガスの改質器１２ａへの循環を開始し、且つ、燃料電池１１の発電電力に応じてアノードオフガスの循環量を制御する。即ち、制御部３１は、循環制御手段としての機能を備える。

また、制御部３１は、改質器１２ａが改質可能な所定温度に到達するまでに要する時間と、燃料電池１１が発電可能な温度に到達するまでに要する時間が略同一となるように、加熱バーナ１８（燃料電池加熱手段）、及び燃焼器１２ｂ（改質器加熱手段）による加熱を制御する。即ち、制御部３１は、加熱制御手段としての機能を備える。

更に、制御部３１は、燃料電池１１の発電電流の変化量に応じて、第１燃料ポンプ１５から改質器１２ａに供給する燃料量、及び循環ポンプ１３より送出されるアノードオフガス量を制御する。即ち、制御部３１は、原料供給制御手段としての機能を備えている。

なお、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。また、本実施形態では、ガソリンや炭化水素ガス等の炭化水素燃料を「燃料」と称し、燃料及び水等の改質反応に必要な成分を含む概念を「原料」と称することにする。

そして、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃焼器１２ｂにて燃料を燃焼させることにより改質器１２ａに供給される原料を加熱し、改質器１２ａより出力される改質ガス温度が予め設定した所定温度に達するように制御する。これと同時に、加熱バーナ１８にて燃料を燃焼させることにより、燃料電池１１のカソード１１ｂに供給される空気（酸化剤）を加熱し、燃料電池１１の温度が所定温度に達するように制御する。この際、改質ガス温度、及び、燃料電池温度がそれぞれの所定温度に達する時刻がほぼ一致するように制御する。そして、この時刻に達した際に、アノードオフガスの循環を開始して、発電制御を行う。

以下、改質器１２ａの昇温開始時における温度変化、及び燃料電池１１の昇温開始時における温度変化を、図１１に示す特性図を参照して説明する。

図１１（ａ）は、熱交換型改質装置１２の説明図であり、改質器１２ａには改質原料が供給され、燃焼器１２ｂには燃料、及び空気が供給される。上述したように、改質器１２ａの入口と燃焼器１２ｂの入口は、反対の位置とされている。燃焼器１２ｂに燃料、及び空気が供給されて燃焼が開始されると、燃焼器１２ｂの入口における燃焼ガス温度は、図１１（ｂ）の曲線Ｓ１１に示すように徐々に温度が上昇し、一定の時間が経過した後に略一定の温度となるように燃焼器１２ｂに供給される燃料流量と空気流量が制御される。これに伴って、改質器１２ａの出口温度（第４温度計Ｔ４で検出される温度）は、曲線Ｓ１２に示すように、燃焼器１２ｂの入口における燃焼ガス温度Ｓ１１よりも若干低い温度で徐々に上昇する。

また、燃焼器１２ｂの出口における燃焼ガス温度は、曲線Ｓ１３に示すように入口の燃焼ガス温度Ｓ１１よりも低い温度で徐々に上昇し、改質器１２ａの入口温度（第３温度計Ｔ３で検出される温度）は、曲線Ｓ１４に示すように、燃焼器１２ｂの出口における燃焼ガス温度Ｓ１３よりも若干低い温度で徐々に上昇する。そして、改質器１２ａの入口温度が、改質触媒のライトオフ温度（触媒が作用する温度；例えば、３００℃）に達した時点で、改質器１２ａによる燃料改質が可能となるので、燃焼器１２ｂへの燃料の供給を停止し、且つ、循環ポンプ１３を作動させて燃焼器１２ｂへのアノードオフガスの供給を開始する。更に、改質器１２ａへの改質原料（燃料及びアノードオフガス）の供給を開始する。

これにより、改質器１２ａにて改質ガスが生成され、この改質ガスが燃料電池１１のアノード１１ａに供給されることになる。

一方、燃料電池１１の昇温開始時には、第３燃料ポンプ１９より加熱バーナ１８に燃料が供給され、且つ第１空気ブロワ２１より送出される空気（酸化剤）が供給されて燃焼することにより、燃焼ガスが生成され燃料電池１１のカソード１１ｂに供給される。燃料電池１１の入口における燃焼ガス温度は、図１１（ｃ）の曲線Ｓ２１に示すように、徐々に上昇し、所定の時間が経過すると略一定温度となるように制御される。これに伴って、燃料電池１１の入口温度（第１温度計Ｔ１で検出される温度）は、曲線Ｓ２２に示すように、燃焼ガス温度Ｓ２１よりも若干低い温度で徐々に上昇する。

更に、燃料電池１１の出口における燃焼ガス温度は、曲線Ｓ２３に示すように、入口での燃焼ガス温度Ｓ２１よりも低い温度で徐々に上昇し、これに伴って、燃料電池１１の出口温度（第２温度計Ｔ２で検出される温度）は、曲線Ｓ２４に示すように、出口での燃焼ガス温度Ｓ２３よりも若干低い温度で徐々に上昇する。また、燃料電池１１の入口温度と出口温度の平均温度は、曲線Ｓ２５に示すように入口温度と出口温度の中間付近で変化する。

そして、燃料電池１１の平均温度Ｓ２５が発電可能温度に達すると、加熱バーナ１８による燃焼を停止して発電を開始する。発電が開始されると、発電時に生じる発熱により、燃料電池１１の温度は高温に維持されることになる。

本実施形態では、図１１（ｂ）に示した改質器１２ａの入口温度Ｓ１４がライトオフ温度に達する時刻と、図１１（ｃ）に示した燃料電池１１の平均温度Ｓ２５が所定温度に達する時刻と、の双方が一致するように、燃焼器１２ｂに供給する燃料及び空気を制御し、且つ、加熱バーナ１８に供給する燃料を制御する。これにより、炭素析出等の問題が発生することなく安定的に燃料電池システム１００を起動させる。

次に、改質器１２ａの入口温度がライトオフ温度に到達し、該改質器１２ａに原料の供給が開始された後の改質器１２ａの温度変化、及び改質器１２ａのＳ／Ｃ（スチーム、カーボン比）、Ｏ2／Ｃの（酸素、カーボン比）変化を、図１２に示す特性図を参照して説明する。

図１２（ａ）は、熱交換型改質装置１２の改質器１２ａ、燃焼器１２ｂを示す図である。そして、改質器１２ａによる改質が開始されているので、燃焼器１２ｂにはアノード１１ａより排出されるアノードオフガスの一部（改質器１２ａに循環されないアノードオフガス）、及び第２空気ブロワ１７より送出される空気が供給されて燃焼する。その結果、改質器１２ａに供給される改質原料が改質されて改質ガスが生成される。

図１２（ｂ）に示すように、燃焼器１２ｂの入口ガス温度は、曲線Ｓ３１に示すように、ほぼ一定値とされ、改質器１２ａの出口温度は曲線Ｓ３２に示すように、燃焼器１２ｂの入口ガス温度Ｓ３１よりも若干低い温度でほぼ一定値となるように変化する。更に、燃焼器１２ｂの出口温度は、曲線Ｓ３３に示すようにほぼ一定値で変化する。また、改質器１２ａの入口温度は、曲線Ｓ３４に示すように徐々に上昇し、ほぼ一定値となるように変化する。

このとき、図１２（ｃ）に示すように、改質器１２ａの入口におけるＳ／Ｃは、原料の供給を開始した後、ゼロから急激に上昇し、ほぼ２〜３秒程度の短時間で一定値に到達する。また、Ｏ2／Ｃは、原料の供給を開始した後変化し、ほぼ２〜３秒程度の短時間で一定値に安定する。この結果から、燃料電池１１内で水蒸気が不足する時間は極めて短く、炭素析出の影響を抑制することができることが理解される。

そして、本実施形態では、以下に示す処理手順により、改質器１２ａの入口温度がライトオフ温度に到達する時刻と、燃料電池１１の平均温度が発電可能温度に到達する時刻が一致するように制御ことにより、炭素析出がなく、且つ、水分が結露することなく燃料電池１１を運転させる。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る燃料電池システム１００の作用を、図２〜図１０に示すフローチャートを参照して説明する。図２は、本実施形態の基本的な処理手順を示すフローチャートである。この処理は、図１に示した制御部３１により、予め設定した所定の演算周期で実行される。

初めに、ステップＳ１１において、制御部３１は、燃料電池１１の温度が予め設定した第１所定温度以上であるか否かを判断する。具体的には、燃料電池１１の入口側に設置した第１温度計Ｔ１による測定温度と、出口側に設置した第２温度計Ｔ２による測定温度の平均値を算出し（図１１（ｃ）のＳ２５参照）、この平均値が発電可能温度として設定した第１所定温度に達したか否かを判断する。そして、第１所定温度未満である場合には、ステップＳ１２に処理を進め、第１所定温度以上である場合には、ステップＳ１３に処理を進める。

ステップＳ１２では、燃料電池１１の昇温制御を実行する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、燃料電池１１の昇温制御の処理手順を詳細に説明する。図２に示すステップＳ３１において、制御部３１は、燃料電池１１の入口温度の検知値「Ｔmps_i」を読み込む。次いで、ステップＳ３２において、制御部３１は、燃料電池１１の出口温度の検知値「Ｔmps_O」を読み込む。

ステップＳ３３において、制御部３１は、上記の各検知値「Ｔmps_i」、「Ｔmps_O」に基づき、これらの平均値を算出して平均温度「Ｔmps_av」とする。ステップＳ３４において、制御部３１は、平均温度「Ｔmps_av」に基づいて、燃料電池１１が発電可能な温度（第１所定温度）に到達するまでに要する時間である発電可能到達時間「Time_g」を推定する。更に、制御部３１は、発電可能到達時間「Time_g」と予め設定されている目標到達時間「Tg_Time_g」との差分値「（Tg_Time_g）−（Time_g）」を演算し、この差分値に応じて第１空気ブロワ２１より送出する空気量、及び第３燃料ポンプ１９より供給する燃料量を設定する。

図１３は、加熱バーナ１８を起動した後の経過時間と燃料電池１１の温度との関係を示す特性図であり、曲線Ｐ１１は、時間経過に対する燃料電池１１の目標温度を示し、曲線Ｐ１２は、実測される平均温度の変化を示している。燃料電池１１の目標温度Ｐ１１のデータは図示省略のメモリ等に記憶されている。更に、該メモリには、上記の差分値（Tg_Time_g）−（Time_g）と、増量あるいは減量する空気量との関係が記憶されており、この関係に基づいて、第１空気ブロワ２１での増量する空気量、或いは減量する空気量を設定する。

そして、ステップＳ３５において、制御部３１は、設定された空気量となるように、加熱バーナ１８に供給する空気量、即ち、第１空気ブロワ２１より送出する空気量を制御する。

更に、ステップＳ３６において、制御部３１は、第３燃料ポンプ１９より加熱バーナ１８に供給する燃料量が所定量になるように制御する。具体的には、図示省略のメモリ等に図１４に示す如くの、加熱バーナ１８を起動した後の時間経過と空気過剰率λ（λ＝空気量／燃料量；質量比）との関係を示す特性データが記憶されており、この特性データに基づいて空気過剰率λを求める。更に、空気過剰率λ、及び上記の処理で設定した空気量に基づいて、燃料量を求め、この燃料量が供給されるように第３燃料ポンプ１９の出力を制御する。

そして、上記のステップＳ３１〜Ｓ３６の処理を所定の演算周期で繰り返して実行することにより、図１３に示す目標到達時間「Tg_Time_g」の経過後に、燃料電池１１の温度が発電可能温度（第１所定温度）に到達するように制御することができる。

次に、図２のステップＳ１３以降の制御について説明する。ステップＳ１３において、制御部３１は、改質器１２ａの温度が予め設定した第２所定温度以上であるか否かを判断する。具体的には、改質器１２ａの入口側に設置した第３温度計Ｔ３による測定温度がライトオフ温度として設定した第２所定温度（例えば、３００℃）に達したか否かを判断する。そして、第２所定温度未満である場合には、ステップＳ１４に処理を進め、第２所定温度以上である場合には、ステップＳ１５に処理を進める。

ステップＳ１４では、改質器１２ａの昇温制御を実行する。以下、図４に示すフローチャートを参照して、改質器１２ａの昇温制御の処理手順を詳細に説明する。ステップＳ５１において、制御部３１は、改質器１２ａの入口に設けられた第３温度計Ｔ３により、改質器１２ａの入口温度「Tr_i」を読み取る。次いで、ステップＳ５２において、制御部３１は、改質器１２ａの出口に設けられた第４温度計Ｔ４により、改質器１２ａの出口温度「Tr_O」を読み取る。

ステップＳ５３において、制御部３１は、読み取った入口温度「Tr_i」に基づいて、この入口温度が原料（炭化水素系燃料、アノードオフガス）の投入を開始することが可能な温度（第２所定温度）に達するまでの時間（原料投入可能時間）「Time_r」を推定する。この際、原料投入が可能な温度は、改質器１２ａの入口温度が、該改質器１２ａにおける触媒反応が可能となる温度（例えば、３００℃）に設定される。図１５は、加熱バーナ１８を起動した後の経過時間と、改質器１２ａの入口温度との関係を示す特性図であり、曲線Ｐ１３は、経過時間に対する改質器１２ａの目標温度を示し、曲線Ｐ１４は、第３温度計Ｔ３により測定される改質器１２ａの入口温度変化を示している。改質器１２ａの目標温度Ｐ１３のデータは図示省略のメモリ等に記憶されている。そして、検出した入口温度「Tr_i」と目標温度の曲線Ｐ１３に基づいて、原料投入可能時間「Time_r」を推定する。

ステップＳ５４において、制御部３１は、原料投入可能時間「Time_r」での、改質器１２ａの出口側温度「Es_tr_O」を推定する。この処理では、時間経過に伴う出口側温度の特性曲線（図示省略）を用いることにより、ステップＳ５２の処理で読み取った出口側温度「Tr_o」に基づいて、出口側温度「Es_tr_O」を推定することができる。

ステップＳ５５において、制御部３１は、図示省略のメモリ等に記憶されている改質器１２ａの目標出口温度「Tg_tr_o」を読み取る。この目標出口温度は、例えば、改質器１２ａ出口でカーボンが析出しない温度である７００℃に設定される。

ステップＳ５６において、制御部３１は、図１５に示す曲線Ｐ１３のデータに基づいて、改質器１２ａの入口温度が改質可能温度に到達するまでの目標到達時間「Tg_time_r」を取得し、更に、ステップＳ５３の処理で推定した原料投入可能時間「Time_r」との関係に基づいて、「Tg_time_r」と「Time_r」が一致するように、燃焼器１２ｂに供給する空気量、及び燃料量を制御する。詳細には、両者の差分値「（Tg_time_r）−（Time_r）」と増加或いは減少する空気量との関係を示す関数をメモリ（図示省略）等に記憶しておき、更に、基本空気量を記憶しておき、上記の差分値が求められた際に、これに対応する空気の増加量、減少量に基づいて供給する空気量を算出し、この空気量となるように図１に示す第２空気ブロワ１７を制御する。

ステップＳ５７において、制御部３１は、ステップＳ５６の処理で設定した空気量と、メモリ（図示省略）等に記憶されている空気過剰率λ（λ＝空気量／燃料量；質量比）との関係に基づいて、燃焼器１２ｂに供給する燃料量を求める。更に、制御部３１は、出口温度「Es_tr_o」と目標出口温度「Tg_tr_o」との差分値「（Tg_tr_o）−（Es_tr_o）」を演算し、この差分値に応じて空気過剰率λを変更する。上記の差分値が正の値である場合、即ち（Tg_tr_o）＞（Es_tr_o）の場合には、空気過剰率λが小さくなるように補正する。一方、差分値が負の値である場合、即ち（Tg_tr_o）＜（Es_tr_o）の場合には、空気過剰率λが大きくなるように補正する。

つまり、上記の差分値が正の値であるということは、改質器１２ａ出口の推定温度が目標温度よりも低いので、空気過剰率λが小さくなるように補正して改質器１２ａの出口温度と入口温度の差が大きくなるように制御することによって、出口温度が高くなるように制御し、これとは反対に、負の値であるということは、改質器１２ａ出口の推定温度が目標温度よりも高いので、空気過剰率λが大きくなるように補正して、改質器１２ａの出口温度が低くなるように制御する。

そして、上記のステップＳ５１〜Ｓ５７の処理を所定の演算周期で繰り返して実行することにより、目標到達時間「Tg_time_r」にて改質器１２ａの入口温度が改質触媒のライトオフ温度（第２所定温度）に到達し、且つ、改質器１２ａの出口温度がカーボンが析出しない温度に到達するように制御することができる。また、急激な温度変動を抑制されるので、改質器１２ａに生じる熱衝撃を緩和することができる。

次に、図２のステップＳ１５以降の制御について説明する。ステップＳ１５において、制御部３１は、改質器１２ａへの原料供給量制御を実施する。以下、原料供給量制御の詳細な処理手順を、図５に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ７１において、制御部３１は、燃料電池１１に設置した電流計Ｉ１にて検出される電流値を読み取る。ステップＳ７２において、制御部３１は、燃料電池１１による発電が開始されているか否かを判断する。そして、発電が開始されている場合には、ステップＳ７３に処理を進め、開始されていない場合には、ステップＳ７７に処理を進める。

ステップＳ７７において、制御部３１は、初期供給原料量を読み込む。この処理では、メモリ（図示省略）等に初期的に設定されている原料の供給量「Ｑ_int」を読み込む。そして、ステップＳ７８において、改質器１２ａに供給する原料量Ｑを初期的な原料量「Ｑ_int」に設定する。その後、ステップＳ７６に処理を進める。

一方、発電が開始されている場合にはステップＳ７３において、制御部３１は、電流計Ｉ１にて検出される電流値に基づき、所定時間間隔での出力電流の変化量ΔＡを演算する。

ステップＳ７４において、制御部３１は、電流変化量ΔＡに基づいて、改質器１２ａに供給する原料の変化量ΔＱを演算する。原料の変化量ΔＱは出力電流の変化量ΔＡに比例するので、ΔＱ＝Ｋ＊ΔＡの演算で求めることができる。なお、Ｋは係数であり、既知の数値である。

ステップＳ７５において、制御部３１は、供給原料量Ｑを演算する。具体的には、前回演算時の供給原料量に、変化量ΔＱを加算して今回の供給原料量とする。即ち、前回の供給原料量に対して、変化量ΔＱを加算して今回の供給原料量を求める。

ステップＳ７６において、制御部３１は、燃料供給装置の駆動量を設定する。この処理では、第１燃料ポンプ１５から改質器１２ａに供給する燃料量、及び循環ポンプ１３，分流弁１４によるアノードオフガスの供給量を設定する。そして、設定された燃料、アノードオフガスを改質器１２ａに供給する。

こうして、原料供給量制御を実行することにより、燃料電池１１の発電電流に応じた原料供給量が設定され、改質器１２ａに原料が供給されることとなる。

次に、図２のステップＳ１６以降の処理について説明する。ステップＳ１６において、制御部３１は、燃料電池１１により発電された電力を取り出す処理を行う。即ち、燃料電池１１より出力される電力を負荷に供給する処理を行う。更に、燃料電池１１を構成する各セルのセル電圧が目標となるセル電圧となるように制御する。

ステップＳ１７において、制御部３１は、循環ポンプ１３の制御を行う。以下、循環ポンプ制御の詳細な処理手順を、図６に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ９１において、制御部３１は、電流計Ｉ１により燃料電池１１の発電電流を検出する。

ステップＳ９２において、制御部３１は、アノード１１ａより排出されるアノードオフガス量を演算する。アノードオフガス量は、燃料電池１１の発電電流、改質器１２ａへの原料の供給量、及び循環ポンプ１３による循環量、分流弁１４による循環率に基づいて、演算により求めることができる。

ステップＳ９３において、制御部３１は、メモリ等に予め記憶されている発電電流と循環率との関係を示すデータ（例えば、図１６に示す特性曲線）と、燃料電池１１の発電電流とに基づいて、分流弁１４における目標循環率を求める。

ステップＳ９４において、制御部３１は、目標負荷に応じて循環ポンプ１３の回転数を設定し、且つ、ステップＳ９５において、分流弁１４の分流比を、上記のステップＳ９３の処理で設定された目標循環率に設定する。こうすることにより、改質器１２ａにて必要とされるアノードオフガスを確実に該改質器１２ａに供給することが可能となる。

次に、図２のステップＳ１８では、再加熱判断処理を実行する。以下、再加熱判断処理を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。この処理では、燃焼器１２ｂにより改質器１２ａを加熱し、且つ、加熱バーナ１８にて燃料電池１１のカソード１１ｂに供給する空気を加熱したにも拘わらず、燃料電池１１にて所望の発電電流が得られない場合に、改質器１２ａ、及び燃料電池１１を再度加熱することにより、所望の発電電流が得られるように制御する。以下、詳細に説明する。

初めに、図７のステップＳ１０１において、制御部３１は、電流計Ｉ１により、燃料電池１１の発電電流を検出する。

ステップＳ１０２において、制御部３１は、発電が開始されているか否かを判断する。そして、発電が開始されていない場合には（ステップＳ１０２でＮＯ）、ステップＳ１０８において、制御部３１は、カウンタＡをインクリメントし、ステップＳ１０９において、カウンタＢをクリアする。

その後、ステップＳ１１０において、制御部３１は、カウンタＡのカウント値が予め設定した閾値Ａmaxを上回ったか否かを判断し、上回った場合には（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、ステップＳ１１１において、再加熱処理を実行する。再加熱処理の詳細については、後述する図８にて詳細に説明する。一方、カウント値が閾値Ａmaxを上回らない場合には（ステップＳ１１０でＮＯ）、本処理を終了する。

即ち、ここでの処理では、加熱バーナ１８によるカソード１１ｂの加熱を行い、且つ燃焼器１２ｂによる改質器１２ａの加熱を行ってシステムを起動しているにも拘わらず、発電が開始されない時間が所定時間（閾値Ａｍａｘで規定される時間）に達している場合には、何らかの原因で燃料電池１１の一部の温度が発電を妨げる温度状態になっているものと考えられるので、ステップＳ１１１において、再加熱処理を実行する。

一方、ステップＳ１０２の処理において、発電が開始されたと判断された場合には、ステップＳ１０３において、制御部３１は、電流計Ｉ１にて検出される電流値に基づいて、電流の変化量を計算する。具体的には、所定時間間隔での電流増加量ΔＩを求める。

ステップＳ１０４において、制御部３１は、カウンタＡをクリアする。ステップＳ１０５において、制御部３１は、電流増加量ΔＩが予め設定した所定値Ｄ（Ｄは、負の値または０）を下回っているか否かを判断する。そして、下回っていない場合（ΔＩ＞Ｄの場合）には、正常に発電が行われていると判断して、本処理を終了する。

一方、下回っている場合（ΔＩ≦Ｄ）には、ステップＳ１０６において、制御部３１は、カウンタＢをインクリメントする。次いで、ステップＳ１０７において、カウンタＢのカウント値が予め設定した閾値Ｂmaxを上回ったか否かを判断し、上回った場合にはステップＳ１１１において、再加熱処理を実行する。また、上回らない場合には本処理を終了する。

即ち、ここでの処理では、燃料電池１１による発電が開始されているにも拘わらず、発電電流が上昇せず、且つ上昇しない時間が所定時間（閾値Ｂmaxで規定される時間）に達している場合には、何らかの原因で燃料電池１１の一部の温度が発電を妨げる温度状態になっているものと考えられるので、ステップＳ１１１において、再加熱処理を実行する。なお、カウンタＡ、カウンタＢは、制御部３１の起動時の初期化において、０に設定されている。

次に、図７のステップＳ１１１に示した再加熱制御の詳細な処理手順を、図８に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ１３１において、制御部３１は、メモリ等（図示省略）に予め記憶されている、燃料電池１１を加熱するための加熱バーナ１８の再加熱時の燃料供給量を読み込む。

ステップＳ１３２において、制御部３１は、メモリ等（図示省略）に予め記憶されている、改質器１２ａを加熱するための燃焼器１２ｂの、再加熱時の燃料供給量を読み込む。

ステップＳ１３３において、制御部３１は、カウンタＣのカウント値が予め設定した閾値Ｃmaxを上回ったか否かを判断する。そして、上回らない場合には、ステップＳ１３４において、制御部３１は、カウンタＣをインクリメントする。その後、ステップＳ１３５において、加熱バーナ１８に燃料を供給して該加熱バーナ１８を燃焼させ、燃料電池１１を加熱する。また、ステップＳ１３６において、燃焼器１２ｂに燃料を供給して燃焼量を増大させ、改質器１２ａを加熱する。これにより、燃料電池１１、及び改質器１２ａを昇温させることができ、ひいては燃料電池１１の出力電流を増大させることができる。

一方、カウンタＣのカウント値が閾値Ｃmaxを上回った場合には（ステップＳ１３３でＹＥＳ）、ステップＳ１３７において、再加熱判断処理（図７）で用いるカウンタＡ、カウンタＢと共に、カウンタＣをクリアし、本処理を終了する。即ち、再加熱処理では、閾値Ｃmaxで規定される時間だけ、燃料電池１１、及び改質器１２ａを加熱することにより、燃料電池１１，及び改質器１２ａを昇温させ、システムが正常に作動するように制御する。なお、カウンタＣは、制御部３１の起動時の初期化において、０に設定されている。

そして、図２のステップＳ１８に示した再加熱判断処理が終了すると、ステップＳ１９において、制御部３１は、改質器供給空気制御処理を実行し、更に、ステップＳ２０において、燃料電池供給空気量制御を行う。

以下、図９に示すフローチャートを参照して、改質器供給空気量制御の詳細な処理手順について説明する。初めに、ステップＳ１５１において、制御部３１は、改質器１２ａの出口温度の検知値を読み取る。この処理では、図１に示した第４温度計Ｔ４で検出される温度を読み取る。

次いで、ステップＳ１５２において、制御部３１は、メモリ等に記憶されている改質器１２ａの目標出口温度を読み取る。

ステップＳ１５３において、制御部３１は、メモリ等に予め記憶されている改質器１２ａの目標出口温度と、検知値との関係を示す関数に基づいて、改質器１２ａに供給する空気量を求め、この空気量となるように、図１に示す第２空気ブロワ１７を制御する。

次に、図１０に示すフローチャートを参照して、燃料電池供給空気量制御の詳細な処理手順について説明する。初めに、ステップＳ１７１において、制御部３１は、燃料電池１１の出口温度の検知値を読み取る。この処理では、図１に示した第２温度計Ｔ２で検出される温度を読み取る。

次いで、ステップＳ１７２において、制御部３１は、メモリ等に記憶されている燃料電池１１の目標出口温度を読み取る。

ステップＳ１７３において、制御部３１は、メモリ等に予め記憶されている燃料電池１１の目標出口温度と検知値との関係を示す関数に基づいて、燃料電池１１のカソード１１ｂに供給する空気量を求め、この空気量となるように、図１に示す第１空気ブロワ２１を制御する。なお、図９に示した改質器供給空気量制御、及び図１０に示した燃料電池供給空気量制御は、上述したステップＳ１８の再加熱判断処理時にも行っている。

こうして、燃料電池システム１００を安定的に起動させ、また、起動した後には改質器１２ａ及び燃料電池１１の温度を安定的に制御することができ、所望の出力電流を得ることができるのである。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、改質器１２ａを改質可能温度（第２所定温度）に昇温し、燃料電池１１を発電可能温度（第１所定温度）に昇温し、燃料電池１１より発電電流が得られた時点で、改質器１２ａへのアノードオフガスの循環を開始する。そして、発電電流が小さい場合には、分流弁１４による分流率を変更して、改質器１２ａへの循環率を増加させる。従って、改質器１２ａに供給する水蒸気量を安定的に制御することができる。このため、発電開始初期において、燃料電池１１の状態（温度の面内ばらつきなど）に起因する発電量のばらつきによる改質器１２ａへの供給水蒸気量のばらつきの影響をキャンセルでき、改質触媒へのカーボン堆積を防止することができる。

ここで、改質器１２ａへ原料を導入する直後で、アノードオフガスが改質器１２ａに到達するまでのごくわずかな期間、改質反応はＰＯｘ反応となるため、カーボン析出条件となるが、改質器１２ａ内にアノードオフガスが到達すると、該改質器１２ａに水蒸気が供給されるので、カーボン析出を防止できる。また、ＰＯｘ反応で触媒表面にカーボンの核が極微量に堆積するが、供給される水蒸気によって除去されるので問題とはならない。

また、改質器１２ａが改質可能温度（第２所定温度）に到達する時刻と、燃料電池１１が発電可能温度（第１所定温度）となる時刻がほぼ一致するように制御されるので、燃料電池１１による発電のタイミングと、改質器１２ａへの原料投入のタイミングを一致させることができ、水蒸気を含んだアノードオフガスを循環させて改質器１２ａに供給可能となるので、改質触媒へのカーボン析出をより確実に防止できる。

即ち、改質器１２ａへの原料投入可能時期(改質可能温度到達時期)が、燃料電池１１の発電開始可能時期よりも早くなると、改質触媒へのカーボン析出を抑制できないため、改質触媒の劣化が加速されるという問題があり、他方、改質器１２ａへの原料投入可能時期が、燃料電池１１の発電開始可能時期より遅くなると、燃料電池１１が所定温度に到達した後に原料を投入することによって、カーボン析出は防止できるが、システムの発電開始時期が遅れることにより、電力が供給されないという問題が生じる。しかし、本実施形態を採用することにより、これらの問題を解決することができる。

更に、燃料電池加熱手段として加熱バーナ１８（第１燃焼器）を用い、改質器加熱手段として燃焼器１２ｂ（第２燃焼器）を用いるので、それぞれに供給する空気量、及び燃料量を調整することにより、温度制御を容易に行うことが可能となる。

また、燃料電池１１における発電電流の増加、または減少に応じて、改質器１２ａに供給する原料量を増減させるように制御するので、燃料電池１１の起動直後で、該燃料電池１１の発電状態が安定しない場合で、発電電流が減少した場合には、投入原料量を低減できるので、余分な燃料の消費が抑制でき、ひいてはシステム効率を向上することができる。他方、発電電流が増加した場合、原料投入量を増加させるので、燃料電池１１が燃料不足状態となることを防止でき、燃料電池１１が損傷する等のトラブルの発生を防止することができる。

更に、アノード１１ａより排出されるアノードオフガスのうちの非循環分（改質器１２ａに循環させない分）を燃焼器１２ｂに供給するので、アノードオフガスの持つ熱エネルギーを改質器１２ａに与えることができ、システム効率を向上させることができる。

また、改質器１２ａへの原料投入後の所定期間で発電電流が得られない、或いは、発電電流が減少した場合には、燃料電池１１の昇温不足と判断して、加熱バーナ１８を起動させることにより、燃料電池１１を加熱し、発電電流が増加できる状態に移行させる。

更に、この加熱期間において、燃料電池１１で発電される電流量が減少する場合は、燃焼器１２ｂに供給されるアノードオフガス流量が少なくなり、改質器１２ａが必要とする熱流が、燃焼器１２ｂ側から改質器１２ａ側に要求できなくなるので、燃焼器１２ｂについても燃料を供給することによって熱流を確保し、改質器１２ａでの改質反応が正常に進行するようにする。

その結果、燃料電池１１の昇温不良により、発電電流が不安定となることを回避することができる。更に、改質器１２ａにおける改質反応が正常に進行し、改質器１２ａへのカーボン堆積が防止できるばかりでなく、アノード１１ａに未改質原料が供給されることを防止でき、燃料電池１１のアノード電極へのカーボン析出を防止することができる。

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。

本発明は、燃料電池を安定的に起動させて所望の電流を得ることに利用することができる。

１１ 固体酸化物型燃料電池
１１ａ アノード
１１ｂ カソード
１２ 熱交換型改質装置
１２ａ 改質器
１２ｂ 燃焼器
１３ 循環ポンプ
１４ 分流弁
１５ 第１燃料ポンプ
１６ 第２燃料ポンプ
１７ 第２空気ブロワ
１８ 加熱バーナ
１９ 第３燃料ポンプ
２０ 熱交換器
２１ 第１空気ブロワ
３１ 制御部
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. 燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   アノード及びカソードを有し、前記アノードに前記改質ガスが供給され、前記カソードに酸化剤が供給されて電力を発生する固体酸化物型燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードより排出されるアノードオフガスの一部を、前記改質器の入口に供給する循環ポンプと、
   を備えた燃料電池システムであって、
   燃料電池の発電が開始された後に、前記循環ポンプを作動させて前記アノードオフガスの前記改質器への循環を開始することを特徴とする燃料電池システム。
   
   
2. 前記燃料電池を加熱する燃料電池加熱手段と、
   前記改質器を加熱する改質器加熱手段と、を更に有し、
   前記燃料電池加熱手段により燃料電池が加熱されて発電可能な温度に昇温され、且つ、前記改質器加熱手段により改質器が加熱されて改質可能な所定温度に昇温され、燃料電池の発電が開始された後に、前記循環ポンプを作動させて前記アノードオフガスの前記改質器への循環を開始する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. 前記燃料電池の発電電流が小さい場合は、大きい場合に比べて、前記改質器へのアノードオフガスの循環量を増加させること
   を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 改質器加熱手段による加熱を開始してから前記改質器が改質可能な所定温度に到達するまでに要する時間と、燃料電池加熱手段による加熱を開始してから前記燃料電池が発電可能な温度に到達するまでに要する時間が略同一となるように、前記燃料電池加熱手段、及び前記改質器加熱手段による加熱を制御する加熱制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池加熱手段は、空気と燃料が供給されて燃焼する第１燃焼器であり、
   前記改質器加熱手段は、空気と燃料が供給されて燃焼する第２燃焼器であり、前記加熱制御手段は、前記第１燃焼器に供給する空気と燃料、及び前記第２燃焼器に供給する空気と燃料を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の発電電流の変化量に応じて、前記改質器に供給する原料量を制御する原料供給制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記改質器への原料供給を開始した時点で、前記改質器に供給しないアノードオフガスの少なくとも一部の、前記改質器加熱手段への供給を開始することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段を更に備え、
   前記加熱制御手段は、前記燃料電池による発電が開始され、前記改質器に原料を投入した後に、前記燃料電池より所望の発電電流が得られない場合には、前記改質器加熱手段、及び前記燃料電池加熱手段による加熱を実行することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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