CN109196698B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供燃料电池系统。在燃料电池系统(1)中，来自原燃料供给部的原燃料的初始供给量为与辅机驱动功率对应的原燃料供给量亦即第一供给量以上，所以来自多个燃料电池(23)的输出能够在短时间内达到辅机驱动功率以上的输出。因此，在燃料电池系统(1)的启动运转时电力系统(91)发生停电的情况下，即便该停电时的原燃料供给量为初始供给量，也能够利用启动控制部(8)进行的控制，从多个燃料电池(23)向辅机组(11)供电，能够继续驱动辅机组(11)。如此，在燃料电池系统(1)中，在启动运转时停电之际，能够快速地切换到自主运转，因此能够抑制启动运转中的燃料电池系统(1)停止。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
以往提出了利用燃料电池进行发电的各种燃料电池系统(例如日本专利公开公报特开2014-182884号(文献1)和日本专利公开公报特开2015-186408号(文献2))。在使用固体氧化物型燃料电池的燃料电池系统中，在启动运转时需要将燃料电池升温到约600℃～1000℃的高温。在该燃料电池系统尤其是业务用或产业用的燃料电池系统中，利用气体燃烧器等经历比较长的时间(例如8～15小时)来进行燃料电池的升温。当燃料电池的升温结束时，在继续利用气体燃烧器等加热燃料电池的状态下，开始对燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体，并开始从燃料电池取出电流(即取负载(負荷取り))。
通常，由于固体氧化物型燃料电池对于急剧的状态变化的耐久性不太高，因此并不优选在取负载开始时将大量的燃料气体和氧化剂气体供给至燃料电池。此外，假设在取负载开始时将与额定输出对应的量的燃料气体和氧化剂气体供给至燃料电池，则用于燃料电池发电的燃料气体少，所以使经过了燃料电池的未利用的燃料气体燃烧的燃烧部的温度有可能变得过高。因此，在燃料电池系统的取负载中，例如将较少量的燃料气体和氧化剂气体供给到燃料电池并待机至来自燃料电池的输出稳定，然后反复地使燃料气体和氧化剂气体的供给量阶段性地增加。由此，来自燃料电池的输出也阶段性地增加，花费比较长的时间(例如约1小时)达到额定输出。
另外，在上述燃料电池系统的取负载中，如果设置有燃料电池系统的设施的电力系统发生停电，则向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体的机构以及加热燃料电池的气体燃烧器等停止，且燃料电池系统停止。其结果，需要重新进行耗时长的燃料电池系统的启动运转(即燃料电池的升温和取负载)。在文献1和文献2中，提出了设施的电力系统在燃料电池系统的正常运转中发生停电的情况下的燃料电池系统的控制方法，但是并未考虑到燃料电池系统启动运转时的停电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即便设施的电力系统在燃料电池系统的启动运转时发生停电的情况下，也能够抑制燃料电池系统停止的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统包括：改性器，对原燃料进行改性而生成燃料气体；固体氧化物型的燃料电池，使用所述燃料气体和氧化剂气体进行发电；壳体，在内部空间收容所述改性器和所述燃料电池；原燃料供给部，向所述改性器供给所述原燃料；氧化剂气体供给部，向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；废气燃烧部，使从所述燃料电池以未利用的状态排出的未利用燃料气体燃烧；启动控制部，控制所述原燃料供给部，并在所述燃料电池的输出达到正常运转输出为止的启动运转时，使来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量阶段性地增大；以及加热部，在所述启动运转时对所述壳体的内部进行加热。对于所述启动运转时来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量，在与所述正常运转输出对应的正常供给量以下的范围内，预先阶段性地设定为多个设定供给量。所述多个设定供给量中的最小的设定供给量为初始供给量，所述初始供给量在第一供给量以上，所述第一供给量为与驱动辅机组所需的辅机驱动功率对应的所述原燃料的供给量，所述辅机组包含所述原燃料供给部、所述氧化剂气体供给部和所述加热部，所述启动控制部通过控制所述原燃料供给部，从而将来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量维持在所述初始供给量，并在来自所述燃料电池的输出达到与所述初始供给量对应的设定输出之后，将来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量增大到大于所述初始供给量的一个设定供给量，并在来自所述燃料电池的输出达到与所述一个设定供给量对应的设定输出之后，将来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量增大到大于所述一个设定供给量的下一设定供给量，如此依次增大所述设定供给量，直至使来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量达到所述正常供给量。在所述启动运转时，从设置有所述燃料电池系统的设施的电力系统向所述辅机组供电。在所述启动运转时所述电力系统发生停电的情况下，利用所述启动控制部进行的控制，从所述燃料电池向所述辅机组供电。由此，即便在燃料电池系统的启动运转时设施的电力系统发生停电的情况下，也能够抑制燃料电池系统停止。
本发明的一个优选实施方式中，所述燃料电池系统还包括：储气瓶，贮存所述氧化剂气体；以及无停电电源装置。在所述启动运转时发生停电之际，在向所述辅机组供电的供给源从所述电力系统向所述燃料电池切换的期间，停止所述氧化剂气体供给部，从所述储气瓶向所述燃料电池供给所述氧化剂气体，并从所述无停电电源装置向所述氧化剂气体供给部以外的所述辅机组供电。
本发明的又一个优选实施方式中，预先获取设置有所述燃料电池系统的所述设施的重要设备的驱动所需的重要设备驱动功率，在所述启动运转时所述电力系统发生停电之际，在来自所述燃料电池的输出为所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和以上的情况下，利用所述启动控制部进行的控制，从所述燃料电池向所述辅机组和所述重要设备供电。
本发明的又一个优选实施方式中，预先获取设置有所述燃料电池系统的所述设施的重要设备的驱动所需的重要设备驱动功率，与所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和对应的所述原燃料的供给量为第二供给量，在所述第二供给量为能够在所述废气燃烧部中燃烧的所述未利用燃料气体的上限量所对应的供给量以下的情况下，所述初始供给量设为所述第二供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下，在所述第二供给量大于所述上限量所对应的供给量的情况下，所述初始供给量设为所述第一供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下。
本发明的又一个优选实施方式中，所述燃料电池系统还包括：温度测定部，测定所述废气燃烧部的温度；以及冷却部，对所述废气燃烧部进行冷却。在所述启动运转中以所述初始供给量供给所述原燃料的期间，所述启动控制部通过根据来自所述温度测定部的输出来控制所述冷却部，从而将所述废气燃烧部的温度维持在预定的上限温度以下。
更优选的是，所述冷却部包括：冷却用配管，将从所述氧化剂气体供给部送出的所述氧化剂气体导向所述废气燃烧部；以及流量调节部，设置在所述冷却用配管上，用于调节所述氧化剂气体的流量。
参照附图并根据以下的本发明的详细说明，可以更清楚地了解上述目的和其他目的、特征、方式及优点。
附图说明
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的图。
图2是示意性表示燃料电池系统与电力系统的连接状态的图。
图3是表示燃料电池系统的启动运转的流程的图。
图4是表示燃料电池系统的启动运转中的原燃料的供给量变化和来自燃料电池的输出变化的图。
图5是表示比较例的燃料电池系统的启动运转中的原燃料的供给量变化和来自燃料电池的输出变化的图。
图6是示意性表示第二实施方式的燃料电池系统与电力系统的连接状态的图。
附图标记说明
1、1a 燃料电池系统
4 原燃料供给部
8 启动控制部
11 辅机组
21 壳体
22 改性器
23 燃料电池
51 鼓风机
52 储气瓶
53 无停电电源装置
61 加热部
73 废气燃烧部
74 温度测定部
75 冷却部
91 电力系统
92 重要设备
751 冷却用配管
752 流量调节部
S11、S12 步骤
具体实施方式
图1是表示本发明第一实施方式的燃料电池系统1的结构的图。燃料电池系统1是使用燃料电池进行发电的发电系统。燃料电池系统1包括：热模块2、原燃料供给部4、鼓风机51、加热部61、第一热交换器71、第二热交换器72、废气燃烧部73、温度测定部74和冷却部75。
热模块2包括壳体21、改性器22、多个燃料电池23和热供给部24。壳体21例如为大致长方体状的框体。图1中，用剖面表示了燃料电池系统1的一部分的结构(例如壳体21)。壳体21的内表面由隔热性较高的隔热材料(例如石棉)形成。壳体21例如使用如下的壳体：由隔热材料覆盖金属制容器的内表面整体。
壳体21的内部空间210收容有改性器22、多个燃料电池23和热供给部24。热供给部24主要在后述的燃料电池系统1的启动运转时使用。图1所示的例子中，在壳体21的内部空间210收容有12个燃料电池23。多个燃料电池23分别为固体氧化物型燃料电池(SOFC：SolidOxide Fuel Cell)。各燃料电池23例如为省略图示的多个电池单元(单电池)沿着上下方向层叠而成的电池堆。燃料电池23的外形例如为大致长方体状。收容在壳体21内的多个燃料电池23的数量可以进行各种变更。
向各燃料电池23的负极(阳极)供给燃料气体，向正极(阴极)供给氧化剂气体。由此，在各燃料电池23中发生电化学反应而进行发电。换言之，各燃料电池23使用燃料气体和氧化剂气体进行发电。燃料电池23中的电化学反应为发热反应，产生的热量例如用于改性器22的加热等，所述改性器22进行作为吸热反应的改性。燃料电池23例如在600℃～1000℃的高温下进行发电。燃料气体例如为氢气。氧化剂气体例如为氧气。燃料气体也可以是氢气以外的各种气体，氧化剂气体也可以是氧气以外的各种气体。
各燃料电池23的负极借助在壳体21内分路的燃料气体供给管251连接于改性器22。改性器22借助原燃料供给管261连接于配置在壳体21外部的原燃料供给部4。原燃料供给部4向改性器22供给原燃料和水蒸气。原燃料供给部4包括原燃料供给源41、杂质去除部42和水蒸气供给部3。杂质去除部42配置在原燃料供给管261上，从由原燃料供给源41向改性器22供给的原燃料去除杂质(例如硫磺类杂质和氮类杂质)。
水蒸气供给部3包括供水部31、水蒸气生成部32和凝结部33。供水部31向水蒸气生成部32供水。具体来说，供水部31包括贮水部311、泵312和供水管313。贮水部311是贮存水(例如纯水)的罐体。贮水部311借助供水管313连接于水蒸气生成部32。泵312设置在供水管313上，并将贮存于贮水部311的水向水蒸气生成部32供给。
凝结部33在燃料电池系统1正常运转时使废气中的水蒸气凝结而生成水，并经由供水部31向水蒸气生成部32供给。上述正常运转是指燃料电池系统1以预定输出正常地进行发电的运转状态。该预定输出是指燃料电池系统1的额定输出、或者小于额定输出的恒定输出，下面称为“正常运转输出”。此外，启动运转是指从启动时起直至该正常运转为止(即燃料电池23的输出达到正常运转输出并稳定为止)的燃料电池系统1的运转状态。水蒸气生成部32将从供水部31供给的水加热而生成水蒸气。水蒸气生成部32借助水蒸气供给管321连接于原燃料供给管261。水蒸气供给管321在比第一热交换器71更靠上游(具体为第一热交换器71与杂质去除部42之间)连接于原燃料供给管261。来自水蒸气生成部32的水蒸气与经过了杂质去除部42之后的原燃料一同经过第一热交换器71并向改性器22供给。
改性器22将原燃料改性而生成包含燃料气体的改性气体。原燃料例如是碳化氢类燃料。原燃料也可以是碳化氢类燃料以外的各种燃料。原燃料例如使用LP气体、城市煤气、天然气、灯油、生物气体或者生物乙醇等。在改性器22中，例如通过水蒸气改性法、部分氧化改性法、自热改性法、或者这些改性法的组合等来进行原燃料的改性。在图1所示的例子中，通过改性器22并利用从水蒸气生成部32供给的水蒸气，将从原燃料供给源41供给的原燃料亦即城市煤气利用水蒸气改性法在高温下进行改性，生成包含燃料气体亦即氢气的改性气体。来自改性器22的改性气体经由燃料气体供给管251供给至多个燃料电池23各自的负极。
从多个燃料电池23各自的负极排出的气体亦即负极废气由负极废气排出管252收集，并经由负极废气排出管252排出到壳体21外部。负极废气包括在燃料电池23的发电中使用作为燃料气体的氢气而生成的水蒸气、以及在燃料电池23的发电中未被利用的未利用燃料气体等。在下面的说明中，将从燃料电池23以未利用的状态排出的燃料气体称为“未利用燃料气体”。
来自多个燃料电池23的负极废气在壳体21外部由负极废气排出管252导向第一热交换器71。第一热交换器71配置在原燃料供给管261上。在第一热交换器71中，利用流过负极废气排出管252的高温的负极废气，对从原燃料供给源41和水蒸气生成部32向改性器22供给的原燃料和水蒸气进行预加热。
另一方面，经过了第一热交换器71之后的负极废气由负极废气排出管252导向上述凝结部33。在凝结部33中，负极废气中的水蒸气凝结而生成水。在凝结部33中生成的水经由供水管331送向供水部31的贮水部311，贮水部311内的水被泵312向水蒸气生成部32供给。经过了凝结部33之后的负极废气被导向废气燃烧部73。
各燃料电池23的正极借助在壳体21内分路的氧化剂气体供给管253连接于配置在壳体21外部的鼓风机51。利用鼓风机51将包含氧化剂气体亦即氧气的空气经由氧化剂气体供给管253供给至多个燃料电池23各自的正极。也就是说，鼓风机51是向燃料电池23供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部。
从多个燃料电池23各自的正极排出的气体亦即正极废气由正极废气排出管254收集，并经由正极废气排出管254向壳体21外部排出。来自多个燃料电池23的正极废气在壳体21外部由正极废气排出管254导向第二热交换器72。在第二热交换器72中，利用流过正极废气排出管254的高温的正极废气，对向各燃料电池23供给的空气进行预加热。
经过了第二热交换器72之后的正极废气排出管254在比废气燃烧部73更靠近前(即上游侧)的汇合点731处，在壳体21外部与负极废气排出管252汇合。在汇合点731处，经过了第一热交换器71和凝结部33之后的负极废气与经过了第二热交换器72之后的正极废气汇合。在废气燃烧部73中，汇合后的负极废气和正极废气进行燃烧。由此，燃烧了负极废气所含的未利用燃料气体等。废气燃烧部73中产生的燃烧热例如也可以应用于水蒸气生成部32中的水的加热、利用涡轮机等的发电、或者改性器22的加热等。废气燃烧部73例如使用催化剂燃烧器。
在燃料电池系统1中，废气燃烧部73的温度由温度测定部74持续测定。在废气燃烧部73的温度变得过高的情况下，由冷却部75来冷却废气燃烧部73。在图1所示的例子中，冷却部75包括冷却用配管751和流量调节部752。此外，冷却部75还包括上述鼓风机51。冷却用配管751将从氧化剂气体供给部亦即鼓风机51送出的空气导向废气燃烧部73。流量调节部752设置在冷却用配管751上，对流过冷却用配管751的空气的流量进行调节。利用冷却部75将大体常温的空气供给至废气燃烧部73，由此冷却废气燃烧部73。此外，利用流量调节部752来调节向废气燃烧部73供给的空气的流量，由此控制废气燃烧部73的温度。由此，能够将废气燃烧部73的温度维持在预定的上限温度以下。废气燃烧部73的上限温度例如为约800度。
在燃料电池系统1正常运转中，如上所述，在多个燃料电池23中分别使用燃料气体和氧化剂气体进行发电。多个燃料电池23发电时产生的热量被赋予改性器22。从多个燃料电池23向改性器22赋予的热量被用于改性器22中的原燃料的水蒸气改性等。
此外，在燃料电池系统1正常运转中，如上所述，利用从多个燃料电池23排出的负极废气，在第一热交换器71中对向改性器22供给的原燃料和水蒸气进行预加热。进而，利用从多个燃料电池23排出的正极废气，在第二热交换器72中对向各燃料电池23供给的空气进行预加热。由此，在燃料电池系统1中，能够在系统内生成正常运转时系统内所需的热量并进行正常运转。在燃料电池系统1中，将负极废气所含的水蒸气用于改性器22中进行的水蒸气改性，由此能够在系统内生成正常运转时系统内所需的水蒸气并进行正常运转。换言之，在正常运转时的燃料电池系统1中，能够进行热自主运转和水自主运转。
图2是示意性表示设置有燃料电池系统1的设施的电力系统91与燃料电池系统1的连接状态的图。图中的燃料电池系统1的辅机组11是指燃料电池系统1的运转所需的多个驱动部的总称。辅机组11包括图1所示的原燃料供给部4、作为氧化剂气体供给部的鼓风机51、以及加热部61。辅机组11也可以包括原燃料供给部4、鼓风机51和加热部61以外的结构。
图2中，将收容多个燃料电池23的壳体21用虚线表示，并且将燃料电池系统1的结构用虚线包围。燃料电池系统1包括控制辅机组11等的启动控制部8。图2中，省略了燃料电池系统1的结构中的除了壳体21、燃料电池23、辅机组11和启动控制部8等以外的结构的图示。此外，图2中，描绘了辅机组11连接于一个燃料电池23，但实际上辅机组11连接于多个燃料电池23。后述的图6中也同样如此。
图中的重要设备92和一般设备93是设置有燃料电池系统1的上述设施的设备。重要设备92是该设施中重要度较高的设备组。一般设备93是该设施中的不包含于重要设备92的设备组，与重要设备92相比重要度较低。重要设备92根据设置有燃料电池系统1的设施而不同。例如，在超市或便利店中，重要设备92包括冷冻设备等。此外，在机器等的制造工厂中，重要设备92包括生产线相关的设备。制造工厂的重要设备92有时也包括空调设备。在医院等中，重要设备92包括照明设备和空调设备。此外，各种设施的重要设备92包括电话等通信设备。
辅机组11、重要设备92和一般设备93与燃料电池系统1的多个燃料电池23和设施的电力系统91连接。在燃料电池系统1正常运转时，从多个燃料电池23输出的功率例如优先供给至辅机组11和重要设备92。从多个燃料电池23输出的功率大于驱动辅机组11所需的辅机驱动功率和驱动重要设备92所需的重要设备驱动功率的总和。此外，从来自多个燃料电池23的功率扣除辅机驱动功率和重要设备驱动功率之后的剩余功率供给至一般设备93。另外，可以将来自设施的电力系统91的功率也向一般设备93供给。
如此，在该设施中，驱动辅机组11所需的辅机驱动功率由燃料电池系统1提供，因此即便在设施的电力系统91发生停电的情况下，也能够防止或抑制燃料电池系统1停止运转。此外，由于驱动重要设备92所需的重要设备驱动功率也由燃料电池系统1提供，所以即便在电力系统91发生停电的情况下，也能够防止或抑制设施的重要设备92停止。
接下来，参照图3，对图1所示的燃料电池系统1的启动运转(所谓的冷启动)进行说明。如上所述，燃料电池系统1的启动运转是指将燃料电池系统1的状态从停止状态改变为以正常运转输出正常地进行发电的正常运转状态。在燃料电池系统1的启动运转中，使用加热部61、和水蒸气供给部3的供水部31。在启动运转时，从设置有燃料电池系统1的设施的电力系统91向燃料电池系统1的辅机组11(参照图2)供电。此外，从电力系统91也向该设施的重要设备92和一般设备93供电。
加热部61在启动运转时对壳体21的内部进行加热。具体来说，加热部61利用启动用原燃料供给管262并借助杂质去除部42连接于原燃料供给源41。此外，加热部61借助启动用气体供给管263连接于鼓风机51。在加热部61中，利用来自原燃料供给源41的原燃料(例如LP气体、城市煤气、天然气、灯油、生物气体或生物乙醇)和来自鼓风机51的包含氧化剂气体的气体(例如空气)，生成作为高温气体的升温气体。例如加热部61使用气体燃烧器，通过使原燃料在加热部61中燃烧而生成升温气体。
由加热部61生成的高温的升温气体经由升温气体供给管264向壳体21内的热供给部24供给，并从热供给部24向壳体21的内部空间210供给。在燃料电池系统1中，通过从热供给部24向内部空间210持续地供给升温气体，从而将壳体21内部的改性器22和多个燃料电池23加热而使其升温(步骤S11)。当燃料电池23升温至预定温度(例如约600℃～1000℃)时，结束步骤S11的升温工序。该升温工序例如需要约8～15小时。在燃料电池系统1的启动运转中，为了在升温工序结束后也维持壳体21内的温度，持续地向壳体21内供给来自加热部61的升温气体。
接着，在水蒸气供给部3中，如上所述，贮水部311的水利用泵312向水蒸气生成部32供给。在水蒸气生成部32中，对从供水部31供给的水进行加热而生成水蒸气。此外，开始从原燃料供给源41供给原燃料。来自原燃料供给源41的原燃料和来自水蒸气生成部32的水蒸气经过第一热交换器71供给至改性器22。而且，通过由改性器22对原燃料进行水蒸气改性，由此生成包含燃料气体的改性气体，并供给至多个燃料电池23的负极。另一方面，从鼓风机51向多个燃料电池23的正极供给包含氧化剂气体的空气。由此，开始多个燃料电池23的发电。
而且，从开始供给原燃料起经过预定时间之后，开始从多个燃料电池23取出电流(即取负载)(步骤S12)。此外，利用发电时从多个燃料电池23产生的热量来进一步加热改性器22。如上所述，来自多个燃料电池23的负极废气被导向凝结部33。在凝结部33中从负极废气生成的水经由供水部31供给至水蒸气生成部32。经过了凝结部33之后的负极废气与正极废气一同被导向废气燃烧部73，负极废气所含的未利用燃料气体在废气燃烧部73中燃烧。
在燃料电池系统1的启动运转中，利用启动控制部8(参照图2)的控制，阶段性地增大每单位时间从原燃料供给部4向改性器22供给的原燃料的量，并阶段性增大每单位时间向多个燃料电池23供给的燃料气体的量。此外，来自燃料电池23的输出(即在取负载中从燃料电池23取出的电流)也阶段性地增大。由此，能够防止燃料电池23的状态急剧变化。此外，也能够防止大量的未利用燃料气体在废气燃烧部73中燃烧而导致废气燃烧部73的温度过度升高。
在燃料电池系统1中，持续进行上述的阶段性的取负载，直至来自多个燃料电池23的输出达到上述正常运转输出并稳定，即直至燃料电池系统1成为正常运转状态。当开始燃料电池系统1的正常运转且上述热自主成立时，停止加热部61中的升温气体的生成和从热供给部24朝向内部空间210的升温气体的供给。
图4是表示燃料电池系统1的启动运转中的原燃料的供给量变化和来自多个燃料电池23的输出变化的图。图4的横轴表示从开始取负载所经过的时间。图4的纵轴表示来自原燃料供给部4的原燃料的每单位时间的供给量(下面也简称为“供给量”)和来自多个燃料电池23的合计输出。该纵轴标注的数值表示来自多个燃料电池23的合计输出(下面也简称为“输出”)。图4中的实线101和虚线102分别表示原燃料的供给量变化和来自多个燃料电池23的输出变化。
如图4所示，在燃料电池系统1的启动运转时，利用启动控制部8控制原燃料供给部4，由此阶段性地增大来自原燃料供给部4的原燃料的供给量。具体来说，关于来自原燃料供给部4的原燃料的供给量，在启动控制部8中，在与正常运转输出对应的正常供给量(即燃料电池系统1正常运转时的原燃料供给量)以下的范围内，预先阶段性地设定多个设定供给量。
通过由启动控制部8控制原燃料供给部4，从而将来自原燃料供给部4的原燃料的供给量维持为多个设定供给量中的最小的设定供给量亦即初始供给量。而且，从开始原燃料供给起经过预定时间后，开始多个燃料电池23的取负载。由此，来自多个燃料电池23的输出增大，在达到与初始供给量对应的输出之后，来自原燃料供给部4的原燃料的供给量增大到大于初始供给量的下一设定供给量。来自多个燃料电池23的输出的增大速度例如为1A(安培)/秒。此外，从来自多个燃料电池23的输出开始增大直至该输出达到与初始供给量对应的输出为止所需的时间例如在1分钟以内。
初始供给量在第一供给量以上，所述第一供给量为与上述辅机驱动功率对应的原燃料的供给量(即来自多个燃料电池23的输出与辅机驱动功率相等的情况下的原燃料的供给量)。辅机驱动功率例如为9kW。图4中，辅机驱动功率用双点划线103表示。图4所示的例子中，与初始供给量对应的来自多个燃料电池23的输出为9kW，正常运转输出为20kW。此外，与初始供给量以外的多个设定供给量对应的输出为12kW、15kW、18kW。图4所示的例子中，与初始供给量以外的多个设定供给量对应的输出设定为大致等间隔。此外，初始供给量大于上述多个设定供给量中的相邻的各两个设定供给量之差。
在燃料电池系统1中，反复进行如下动作：使来自原燃料供给部4的原燃料的供给量从多个设定供给量中的小的设定供给量起依次维持为一个设定供给量，在来自多个燃料电池23的输出达到与该一个设定供给量对应的输出(下面称为“设定输出”)之后，使来自原燃料供给部4的原燃料的供给量增大到大于该一个设定供给量的下一设定供给量。而且，通过使来自原燃料供给部4的原燃料的供给量达到正常供给量，并且使来自多个燃料电池23的输出达到正常运转输出并稳定，从而结束燃料电池系统1的启动运转。
图4所示的例子中，在来自多个燃料电池23的输出达到各设定输出之后，原燃料的供给量也以预定时间维持在该一个设定供给量。由此，多个燃料电池23的温度和来自多个燃料电池23的输出等进一步稳定为与该一个设定供给量对应的值。原燃料的供给量维持为各设定供给量的时间例如为约10分钟。
图5是表示比较例的燃料电池系统的启动运转中的原燃料的供给量变化和来自燃料电池的输出变化的图。图5的横轴和纵轴与图4的横轴和纵轴相同。图5中的实线104、虚线105和双点划线106分别表示比较例的燃料电池系统中的原燃料的供给量变化、来自多个燃料电池的输出变化和辅机驱动功率。
在比较例的燃料电池系统中，原燃料的供给量也是以依次等于多个设定供给量的方式阶段性地增大。在比较例的燃料电池系统中，与多个设定供给量对应的燃料电池的输出设定为大致等间隔。此外，正常运转输出为20kW，与多个设定供给量对应的输出为3kW、6kW、9kW、12kW、15kW、18kW。
另外，在燃料电池系统启动运转时，如果设置有燃料电池系统的设施的电力系统发生停电且辅机组停止，则如上所述，需要从燃料电池的升温开始重新进行启动运转。因此，当设施的电力系统发生停电时，考虑利用从燃料电池系统输出的功率来驱动辅机组。但是，在比较例的燃料电池系统中，与原燃料的初始供给量对应的设定输出(3kW)小于辅机驱动功率(9kW)，因此在以初始供给量供给原燃料时电力系统发生停电的情况下，不能驱动辅机组，从而不能继续启动运转。因此，需要等待设施的电力系统恢复，从燃料电池的升温开始重新进行燃料电池系统的启动运转。其结果，启动运转所需的时间增加，并且用于燃料电池升温的原燃料量也增大。
另一方面，在本实施方式的燃料电池系统1中，由于来自原燃料供给部4的原燃料的初始供给量为与辅机驱动功率对应的原燃料供给量亦即第一供给量以上，因此来自多个燃料电池23的输出能够在短时间内达到辅机驱动功率以上的输出。因此，在燃料电池系统1启动运转时电力系统91发生停电的情况下，即便该停电时的原燃料的供给量为初始供给量，也能够利用启动控制部8进行的控制，从多个燃料电池23向辅机组11供电，从而继续驱动辅机组11。具体来说，图2中的开关94、95从接通切换为切断，开关96从切断切换为接通。
如此，在燃料电池系统1中，在启动运转时发生停电之际，能够快速地切换到自主运转，因此能够抑制启动运转中的燃料电池系统1停止。其结果，能够在电力系统91恢复后，将辅机组11再次连接于电力系统91，快速地再次开始启动运转。
在燃料电池系统1的启动运转中开始原燃料供给时，由于燃料电池23中未进行发电，所以从燃料电池23向废气燃烧部73送出较大量的未利用燃料气体。因此，在燃料电池系统1中，在启动运转中以初始供给量供给原燃料的期间，由启动控制部8根据来自温度测定部74的输出(即废气燃烧部73的温度)控制冷却部75，根据需要冷却废气燃烧部73。由此，废气燃烧部73的温度维持在预定的上限温度以下。其结果，在燃料电池系统1的启动运转时，能够抑制废气燃烧部73过度高温而停止。
如上所述，冷却部75包括冷却用配管751和流量调节部752。冷却用配管751将从鼓风机51送出的氧化剂气体导向废气燃烧部73。流量调节部752设置在冷却用配管751上，用于调节氧化剂气体的流量。如此，在废气燃烧部73的冷却中，通过利用向燃料电池23供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部亦即鼓风机51，从而能够简化燃料电池系统1的构造。
此外，在原燃料的供给量为初始供给量的情况下，与燃料电池系统1正常运转时相比(即与原燃料的供给量为正常供给量时相比)，从鼓风机51向燃料电池23供给的氧化剂气体的流量较少。因此，能够在废气燃烧部73的冷却中使用鼓风机51，而不会增大鼓风机51的容量(即额定流量)。
图6是表示本发明第二实施方式的燃料电池系统1a的图。图6与图2同样是示意性地表示设置有燃料电池系统1a的设施的电力系统91与燃料电池系统1a的连接状态的图。在燃料电池系统1a中，除了上述燃料电池系统1的各结构以外，还包括储气瓶52和无停电电源装置53。储气瓶52贮存包含氧化剂气体亦即氧气的空气。储气瓶52中也可以仅贮存氧化剂气体。图6中，描绘了储气瓶52连接于一个燃料电池23，但实际上储气瓶52连接于多个燃料电池23。在燃料电池系统1a中，其他结构与图1所示的燃料电池系统1大体相同，在以下说明中，对于对应的结构标注相同的附图标记。此外，燃料电池系统1a与电力系统91等的连接以及图2所示的燃料电池系统1与电力系统91等的连接相同。
燃料电池系统1a的启动运转与上述燃料电池系统1的启动运转大体相同。在燃料电池系统1a的启动运转时电力系统91发生停电的情况下，与上述同样，利用启动控制部8进行的控制，从多个燃料电池23向辅机组11供电，能够继续驱动辅机组11。
燃料电池系统1a中，在启动运转时发生停电之际，在向辅机组11供电的供给源从电力系统91切换到多个燃料电池23的期间，利用启动控制部8进行的控制，使辅机组11所包含的氧化剂气体供给部亦即鼓风机51(参照图1)停止，并且从储气瓶52向多个燃料电池23供给氧化剂气体(含有氧化剂气体的空气)。此外，从无停电电源装置53向鼓风机51以外的辅机组11供电。鼓风机51以外的辅机组11是指辅机组11所包含的结构中的除了鼓风机51以外的结构，例如包含原燃料供给部4和加热部61(参照图1)。
由此，在启动运转时发生停电之际，切换向辅机组11供电的供给源需要少量时间(例如需要数秒钟)，即便在发生时滞的情况下，也能够向辅机组11稳定地供电。换言之，在启动运转时发生停电之际，能够将向辅机组11供电的供给源从电力系统91稳定地切换到多个燃料电池23。此外，通过停止辅机组11中的耗电量较大的鼓风机51并由储气瓶52来代替，从而能够减小对辅机组11暂时供电的无停电电源装置53的容量(即额定输出)。
另外，在切换向上述辅机组11供电的供给源的期间，废气燃烧部73(参照图1)的温度上升的情况下，也可以根据需要从储气瓶52经由冷却用配管751向废气燃烧部73供给大体常温的空气，由此将废气燃烧部73的温度维持在预定的上限温度以下。在该情况下，储气瓶52也包含于冷却部75。
如上所述，在燃料电池系统1、1a中，在启动运转时电力系统91发生停电之际，从多个燃料电池23向辅机组11供电，但是除了辅机组11以外，还可以从多个燃料电池23也对设施的重要设备92供电。但是，驱动重要设备92所需的重要设备驱动功率根据每个设施而不同，此外，即便是一个设施，有时根据季节、星期和时间段等而不同。因此，预先获取设置有燃料电池系统1、1a的设施的重要设备驱动功率，并存储于燃料电池系统1、1a的启动控制部8。在重要设备驱动功率根据季节、星期和时间段等而不同的设施中，取得每个季节、星期和时间段等的重要设备驱动功率，并存储于启动控制部8。或者，也可以将持续测定重要设备驱动功率的传感器等设置于设施，为了防备发生停电而预先持续取得重要设备驱动功率，并将重要设备驱动功率的测定值存储于启动控制部8。
在燃料电池系统1、1a的启动运转时电力系统91发生停电之际，将来自取负载中的燃料电池23的输出，与辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和进行比较。而且，在来自多个燃料电池23的输出为辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和以上的情况下，利用启动控制部8进行的控制，从燃料电池23向辅机组11和重要设备92供电。由此，即便在电力系统91停电时，也能够抑制启动运转中的燃料电池系统1、1a和设施的重要设备92停止。换言之，能够进行燃料电池系统1、1a和重要设备92的自主运转。
此外，在来自燃料电池23的输出大于辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和的情况下，在电力系统91停电的期间，减少来自原燃料供给部4的原燃料的供给量，直至大体等于与辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和对应的原燃料供给量。在该情况下，考虑电力系统91停电中的重要设备驱动功率的变动，来自原燃料供给部4的原燃料的供给量优选设定为与辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和对应的原燃料供给量的约105％。另外，在电力系统91停电中重要设备驱动功率大幅增大时，在维持从多个燃料电池23向辅机组11供电的状态下，停止从多个燃料电池23向重要设备92供电。
另一方面，在来自燃料电池23的输出小于辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和的情况下，利用启动控制部8进行的控制，不从多个燃料电池23向重要设备92供电，而是向辅机组11供电。由此，即便在电力系统91停电时，也能够抑制启动运转中的燃料电池系统1、1a停止。此外，在燃料电池系统1、1a中，能够自动判断电力系统91停电时的自主运转的对象是否包含设施的重要设备92。
在上述例子中，燃料电池系统1、1a的启动运转中的原燃料的初始供给量等于与辅机驱动功率对应的原燃料供给量亦即第一供给量，但初始供给量只要在第一供给量以上即可，可以进行各种变更。例如，初始供给量也可以在与辅机驱动功率和重要设备驱动功率的总和对应的原燃料供给量亦即第二供给量以上。
另一方面，在燃料电池系统1、1a的启动运转中开始原燃料的供给时，如上所述，在燃料电池23中未进行发电，因此从以初始供给量供给的原燃料生成的燃料气体的大致全部量有可能被作为未利用燃料气体而送出到废气燃烧部73。因此，为了将废气燃烧部73的温度维持在预定的上限温度以下，从原燃料供给部4供给的原燃料的初始供给量优选设为能够在废气燃烧部73中燃烧的未利用燃料气体的上限量所对应的原燃料供给量以下。换言之，从以初始供给量供给的原燃料生成的燃料气体的量优选设为能够在废气燃烧部73中燃烧的未利用燃料气体的上限量以下。
在燃料电池系统1、1a中，与上述同样，预先获取设置有燃料电池系统1、1a的设施的重要设备驱动功率，并存储于燃料电池系统1、1a的启动控制部8。而且，当上述第二供给量为能够在废气燃烧部73中燃烧的未利用燃料气体的上限量所对应的供给量以下的情况下，从原燃料供给部4供给的原燃料的初始供给量由启动控制部8确定在第二供给量以上且与该上限量对应的供给量以下的范围内。此外，在第二供给量大于该上限量所对应的供给量的情况下，由启动控制部8将初始供给量确定在第一供给量以上且该上限量所对应的供给量以下的范围内。由此，在燃料电池系统1、1a的启动运转之际，电力系统91发生停电时成为自主运转对象的结构尽可能增多，能够抑制废气燃烧部73过度高温而停止。
在上述的燃料电池系统1、1a中能够进行各种变更。
燃料电池系统1、1a并不是必须具备多个燃料电池23，壳体21内收容的燃料电池23也可以是一个。
在燃料电池系统1、1a的启动运转中，在以初始供给量以外的设定供给量供给原燃料的期间，启动控制部8也可以与上述同样，根据来自温度测定部74的输出来控制冷却部75，由此将废气燃烧部73的温度维持在预定的上限温度以下。由此，在燃料电池系统1、1a的启动运转时，能够抑制废气燃烧部73过度高温而停止。
冷却部75并不是必须利用从鼓风机51送出的空气对废气燃烧部73进行冷却。冷却部75例如也可以利用水或水蒸气来冷却废气燃烧部73。
加热部61也可以连接到与原燃料供给源41和鼓风机51不同的其他原燃料供给源和其他鼓风机。在该情况下，从其他原燃料供给源向加热部61供给的原燃料也可以是与从原燃料供给源41向改性器22供给的原燃料不同种类的原燃料。加热部61并不是必须为气体燃烧器，例如催化剂燃烧器或电加热器也可以用作加热部61。
在燃料电池系统1、1a中，负极废气所含的水蒸气在凝结部33中作为水取出后，经由供水部31供给至水蒸气生成部32，但是包含水蒸气的该负极废气的一部分也可以保持气体状地供给至改性器22。即便在该情况下，也可以实现正常运转时的水自主运转。
在燃料电池系统1、1a中，在正常运转时并不是必须进行热自主运转，也可以从加热部61向壳体21的内部空间210持续地供给升温气体。此外，在燃料电池系统1、1a中，在正常运转时并不是必须进行水自主运转，例如除了从凝结部33向贮水部311输送的水以外，从装置外部向贮水部311供给的水也可以持续地供给至水蒸气生成部32。
上述实施方式和各变形例中的结构只要不相互矛盾就可以适当地组合。
对发明进行了详细的描述和说明，但是上述的说明仅仅是例示性的说明而非限定性说明。因此，只要不脱离本发明的范围，就可以采用多种变形和多种方式。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
改性器，对原燃料进行改性而生成燃料气体；
固体氧化物型的燃料电池，使用所述燃料气体和氧化剂气体进行发电；
壳体，在内部空间收容所述改性器和所述燃料电池；
原燃料供给部，向所述改性器供给所述原燃料；
氧化剂气体供给部，向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；
废气燃烧部，使从所述燃料电池以未利用的状态排出的未利用燃料气体燃烧；
启动控制部，控制所述原燃料供给部，并在所述燃料电池的输出达到正常运转输出为止的启动运转时，使来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量阶段性地增大；以及
加热部，在所述启动运转时对所述壳体的内部进行加热，
对于所述启动运转时来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量，在与所述正常运转输出对应的正常供给量以下的范围内，预先阶段性地设定为多个设定供给量，
所述多个设定供给量中的最小的设定供给量为初始供给量，所述初始供给量在第一供给量以上，所述第一供给量为与驱动辅机组所需的辅机驱动功率对应的所述原燃料的供给量，所述辅机组包含所述原燃料供给部、所述氧化剂气体供给部和所述加热部，
所述启动控制部通过控制所述原燃料供给部，从而将来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量维持在所述初始供给量，并在来自所述燃料电池的输出达到与所述初始供给量对应的设定输出之后，将来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量增大到大于所述初始供给量的一个设定供给量，并在来自所述燃料电池的输出达到与所述一个设定供给量对应的设定输出之后，将来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量增大到大于所述一个设定供给量的下一设定供给量，如此依次增大所述设定供给量，直至使来自所述原燃料供给部的所述原燃料的供给量达到所述正常供给量，
在所述启动运转时，从设置有所述燃料电池系统的设施的电力系统向所述辅机组供电，
在所述启动运转时所述电力系统发生停电的情况下，利用所述启动控制部进行的控制，从所述燃料电池向所述辅机组供电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
储气瓶，贮存所述氧化剂气体；以及
无停电电源装置，
在所述启动运转时发生停电之际，在向所述辅机组供电的供给源从所述电力系统向所述燃料电池切换的期间，停止所述氧化剂气体供给部，从所述储气瓶向所述燃料电池供给所述氧化剂气体，并从所述无停电电源装置向所述氧化剂气体供给部以外的所述辅机组供电。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
预先获取设置有所述燃料电池系统的所述设施的重要设备的驱动所需的重要设备驱动功率，
在所述启动运转时所述电力系统发生停电之际，在来自所述燃料电池的输出为所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和以上的情况下，利用所述启动控制部进行的控制，从所述燃料电池向所述辅机组和所述重要设备供电。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
与所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和对应的所述原燃料的供给量为第二供给量，在所述第二供给量为能够在所述废气燃烧部中燃烧的所述未利用燃料气体的上限量所对应的供给量以下的情况下，所述初始供给量设为所述第二供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下，
在所述第二供给量大于所述上限量所对应的供给量的情况下，所述初始供给量设为所述第一供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
预先获取设置有所述燃料电池系统的所述设施的重要设备的驱动所需的重要设备驱动功率，
在所述启动运转时所述电力系统发生停电之际，在来自所述燃料电池的输出为所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和以上的情况下，利用所述启动控制部进行的控制，从所述燃料电池向所述辅机组和所述重要设备供电。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
与所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和对应的所述原燃料的供给量为第二供给量，在所述第二供给量为能够在所述废气燃烧部中燃烧的所述未利用燃料气体的上限量所对应的供给量以下的情况下，所述初始供给量设为所述第二供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下，
在所述第二供给量大于所述上限量所对应的供给量的情况下，所述初始供给量设为所述第一供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
预先获取设置有所述燃料电池系统的所述设施的重要设备的驱动所需的重要设备驱动功率，
与所述辅机驱动功率和所述重要设备驱动功率的总和对应的所述原燃料的供给量为第二供给量，在所述第二供给量为能够在所述废气燃烧部中燃烧的所述未利用燃料气体的上限量所对应的供给量以下的情况下，所述初始供给量设为所述第二供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下，
在所述第二供给量大于所述上限量所对应的供给量的情况下，所述初始供给量设为所述第一供给量以上且所述上限量所对应的供给量以下。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
温度测定部，测定所述废气燃烧部的温度；以及
冷却部，对所述废气燃烧部进行冷却，
在所述启动运转中以所述初始供给量供给所述原燃料的期间，所述启动控制部通过根据来自所述温度测定部的输出来控制所述冷却部，从而将所述废气燃烧部的温度维持在预定的上限温度以下。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述冷却部包括：
冷却用配管，将从所述氧化剂气体供给部送出的所述氧化剂气体导向所述废气燃烧部；以及
流量调节部，设置在所述冷却用配管上，用于调节所述氧化剂气体的流量。
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