JP2013161533A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転開始時に、燃料電池の十分な昇温速度と改質器における信頼性の高い改質反応とを両立し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、改質器と、燃料電池の余剰の燃料ガスの燃焼により改質器を加熱する加熱手段と、改質器に原燃料を送り出す燃料ポンプと、原燃料流量を制御する制御手段とを備えている。制御手段は、前記燃料電池の運転開始の際、改質器温度を上昇させるべき第１の時間帯において原燃料流量を所定の流量値より増加させ、第１の時間帯とは異なる第２の時間帯において原燃料流量を所定の流量値より減少させ、第１及び第２の時間帯を交互に繰り返すように制御する。これにより、改質器温度は上限温度Ｔｍａｘを超えることがなく、かつ、スタック温度の昇温度速度を維持しつつ、改質器において信頼性の高い改質反応を行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気により改質して燃料ガスを生成する改質器を具備する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

一般に、燃料電池システムにおいては、改質器により原燃料を水蒸気により改質し、改質された燃料ガスを燃料電池に供給することにより発電が行われるので、改質器により安定な改質反応を行うことが重要である。改質器による改質反応は吸熱反応であるため、改質器を十分に加熱する加熱手段を設ける必要がある。例えば、燃料ガスを燃料電池の燃料極に供給したときの残ガスを空気とともに燃焼させ、その燃焼熱を利用して改質器を加熱する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、燃料電池システムの断熱容器内に燃料電池、改質器、加熱手段を一体的に収容するのが通常の構成であるため、燃料電池システムの起動時には、加熱手段の燃焼熱によって燃料電池を発電可能な温度まで昇温させることが可能となる。

特開２００４−１７９１４９号公報

上記従来の燃料電池システムにおいては、上述したように改質器の改質反応が吸熱反応であることから、定常運転時に加熱手段に送られる少量の残ガスを用いて改質器に十分な燃焼熱を供給する構造にする必要がある。しかし、燃料電池の運転開始時には、改質器で改質された燃料ガスが燃料電池に過剰に送られるため、発電に寄与しない残ガスが増加し、加熱手段によって改質器に対し必要以上の熱量が付与される恐れがある。この場合、改質器に送られる原燃料を減らせば加熱手段の熱量は低減するが、燃料電池の昇温時間が長くなるという問題がある。一方、改質器には許容上限温度があり、過剰な燃焼熱が供給される場合、熱劣化を生じて改質反応に悪影響を与えることや、改質器の破損を招くことなどの懸念がある。また、改質器に用いられるステンレスや改質触媒の担持体に用いられるセラミックは一般に熱伝導性が悪いため、改質器の表面近傍から中心近傍まで燃焼熱が伝わりにくく、温度分布を有する傾向がある。そのため、改質器の表面近傍が加熱されたとしても、中心近傍が十分に加熱されていない場合、改質反応が不十分となる恐れがあり、燃料電池の昇温時間の増加や電極材の劣化などの要因となる。以上のように、上記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の運転を開始する際、その昇温速度を十分に高く維持しつつ、改質器が許容上限温度を超えない範囲で確実かつ信頼性の高い改質反応を行うことは容易でなかった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の運転開始時に、燃料電池の十分な昇温速度を維持しつつ、改質器が許容上限温度を超えない範囲内で信頼性の高い改質反応を行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池の電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスの燃焼により前記改質器を加熱する加熱手段と、前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプにおける前記原燃料の流量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の運転開始の際、前記改質器の温度を上昇させるべき第１の時間帯において前記原燃料の流量を所定の流量値より増加させ、前記第１の時間帯とは異なる第２の時間帯において前記原燃料の流量を前記所定の流量値より減少させ、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返すことを特徴としている。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池と改質器を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転を開始した際、燃料ポンプから改質器に送られる原燃料の流量を一定値に制御するのではなく、所定の流量値を基準に増減制御するように間欠的な制御が行われる。すなわち、第１の時間帯には原燃料の流量を増加方向に制御して改質器の温度を上昇させ、第２の時間帯には原燃料の流量を減少方向に制御して改質器の温度を低下させ、両方の時間帯を交互に繰り返すように制御するものである。これにより、加熱手段に送られる余剰の燃焼ガスの量を適切に制御し、改質器の温度分布を緩和しつつ、上限温度を超えない範囲内で改質器を適切に加熱して良好な改質反応を維持することができる。

第１及び第２の時間帯における原燃料の流量は、２つの流量値を用いて制御することができる。例えば、第１の時間帯は所定の流量値より大きい第１の流量値に設定し、第２の時間帯は所定の流量値より小さい第２の流量値に設定してもよい。この場合、第１及び第２の時間帯のそれぞれの時間間隔と、第１及び第２の流量値のそれぞれの値を適切に設定することにより、改質器の昇温速度を適切に制御することができる。なお、第１の時間帯は予め設定された第１の時間間隔とし、第２の時間帯は予め設定された第２の時間間隔としてもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、改質器の温度を検知する温度検知手段を設け、温度検知手段で検知した温度が所定温度を超えてから、第１及び第２の時間帯を交互に繰り返すようにしてもよい。この場合、制御手段は、改質器の温度が所定温度を超えたとき、原燃料の流量を前記第２の流量値より小さい第３の流量値に設定する制御や、改質器の温度が所定の下限温度に達しないとき、原燃料の流量を第１の流量値より小さく第２の流量値より大きい第４の流量値に設定する制御を行ってもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の活性状態を検知する燃料電池活性検知手段を設けてもよい。この場合、制御手段は、燃料電池活性検知手段により燃料電池の活性状態を検知したとき、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返す制御を終了して燃料電池の発電を開始することが望ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの運転方法は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池の電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスの燃焼により前記改質器を加熱する加熱手段と、前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、を備えた燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池の運転開始の際、前記改質器の温度を上昇させるべき第１の時間帯と、前記第１の時間帯とは異なる第２の時間帯とをそれぞれ判定し、前記第１の時間帯に切替時は前記原燃料の流量を所定の流量値より増加させ、前記第２の時間帯に切替時は前記原燃料の流量を前記所定の流量値より減少させ、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返した後に前記燃料電池の運転を開始することを特徴としている。

本発明の燃料電池システムの運転方法において、第１及び第２の時間帯をそれぞれ判定するデータと、第１及び第２の時間帯のそれぞれの原燃料の流量を設定するデータとを予め保持するデータテーブルを参照して制御を行ってもよい。これにより、改質器の温度を検知する温度手段を設けることなく、燃料電池の運転開始時に改質器の温度を適切に制御することができる。

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転開始時に、第１及び第２の時間帯を繰り返して原燃料の流量を増減制御するようにしたので、加熱手段に送られる余剰の燃焼ガスの量を適切に制御するとともに、改質器の温度分布を緩和することができる。これにより、燃料電池の昇温速度を低下させることなく、改質器が上限温度を超えることによる破損を防止し、信頼性の高い改質反応を保ち得る燃料電池システムを実現することができる。

本実施形態の燃料電池システムの構成例を示す図である。 本実施形態の燃料電池システムの運転開始時に実行される第１の制御フローを示す図である。 第１の制御フローを適用した場合の動作例を示す図である。 本実施形態の燃料電池システムの運転開始時に実行される第２の制御フローを示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した燃料電池システムの形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

図１は、本実施形態の燃料電池システム１の構成例を示している。図１に示すように、燃料電池システム１に設けられた断熱容器Ｃ内には、燃料電池スタック１０、改質器１１、上部燃焼層１２、下部燃焼層１３、温度センサ１４が一体的に収容されている。また、燃料電池システム１において、断熱容器Ｃの周囲には、制御部２０、水ポンプ２１、水管路２２、燃料ポンプ２３、原燃料管路２４、空気ポンプ２５、空気管路２６、パワーコントローラ２７が設けられている。なお、実際の燃料電池システム１には、他にも多くの構成要素が含まれるが、図１では省略している。

燃料電池スタック１０は、燃料電池の構成単位である燃料電池セルを複数個積層して形成される。燃料電池セルは、燃料ガス中の水素と空気中の酸化剤ガス（酸素）の電気化学反応を利用して、燃料極であるアノードと空気極であるカソードとの間に電力を発生する。燃料電池スタック１０としては、コジェネレーションシステムに導入可能な多様な方式を採用可能であるが、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いることができる。なお、図１において、燃料電池スタック１０に代え、単位の燃料電池セルのみを設ける場合であっても本発明の適用が可能である。

改質器１１は、炭化水素を含む原燃料を水蒸気により改質し、改質後の燃料ガスを燃料電池スタック１０に送り出す。図１には示されないが、改質器１１には、燃料ポンプ２３から原燃料管路２４を介して供給される原燃料を脱硫する脱硫器と、水ポンプ２１から水管路２２を経由して供給される水を気化して改質に用いる水蒸気を生成する気化器が付随している。燃料電池スタック１０では、改質器１１から送られる改質後の燃料ガスが各燃料極に導入されるとともに、空気ポンプ２５及び空気管路２６から送られる空気（酸化剤ガス）が各空気極に導入される。そして、燃料電池スタック１０の各単位セルにおける燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づく発電出力は、パワーコントローラ２７に送られる。また、燃料電池スタック１０に送られた改質後の燃料ガスのうち、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガス（残ガス）が流路Ｐ１を経由して上部燃焼層１２に送られる。一方、燃料電池スタック１０に供給された空気の一部は流路Ｐ２を経由して上部燃焼層１２に送られる。

ここで、改質器１１による水蒸気改質は吸熱反応であって十分に加熱する必要があるため、そのための加熱手段として上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３を設けたものである。よって、改質触媒が充填された改質器１１（改質層）を燃焼触媒が充填された上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３により上下から挟んだ３層構造とすることで、改質器１１を十分に加熱することができる。上部燃焼層１２において上記残ガスが空気とともに燃焼することにより燃焼熱が発生し、さらに下部燃焼層１３において同様の燃焼による燃焼熱が発生する。これにより、上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３により燃焼熱が上下から改質器１１に伝達され、その温度が次第に上昇する。燃料電池スタック１０から上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３を経由して外部に排出される排気ガスは、熱交換器（不図示）に送られて湯水との間で熱交換が行われる。なお、上部燃焼層１２の燃焼熱により、その近傍に位置する燃料電池スタック１０を加熱可能な構造になっている。

なお、図１の構成例では、改質器１１の上下に加熱手段としての上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３を配置する構造を示したが、この構造には限られず、改質器１１の上側又は下側に加熱手段としての１層の燃焼層を配置してもよい。

温度センサ１４は、燃料電池スタック１０の温度と改質器１１の温度をそれぞれ計測し、それぞれの計測値を制御部２０に送出する。なお、図１では簡略化のため、１つの温度センサ１４を示しているが、実際には燃料電池スタック１０と改質器１１のそれぞれの近傍に温度センサが設けられる。本実施形態では、温度センサ１４の計測値を用いて、燃料電池スタック１０の運転開始時に改質器１１の温度上昇を制御する処理を特徴としているが、その詳細は後述する。なお、かかる処理において、温度センサ１４の計測値に代えて、燃料電池スタック１０の内部抵抗の計測値を用いて同様の制御を行う場合は、温度センサ１４を設けなくてもよい。

制御部２０は、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御手段として機能し、例えば、本実施形態の処理を実現するプログラムを実行可能なマイクロプロセッサや処理に必要なデータを記憶するメモリ等により構成される。制御部２０は、燃料電池スタック１０の動作状態に応じて、水ポンプ２１、燃料ポンプ２３、空気ポンプ２５に対し、それぞれの流量を制御する制御信号を送出する。水ポンプ２１は、水タンク（不図示）に蓄えられている水を水管路２２に送り出す。燃料ポンプ２３は、外部から取り込まれた原燃料を原燃料管路２４に送り出す。空気ポンプ２５は、外部から取り込まれた空気を空気管路２６に送り出す。なお、水管路２２及び原燃料管路２４は改質器１１に接続され、空気管路２６は燃料電池スタック１０に接続されている点は上述した通りである。本実施形態では、上述したように、改質器１１の温度上昇を制御する処理に際し、燃料ポンプ２３の原燃料流量を間欠制御する点に特徴があるが、詳しくは後述する。さらに、制御部２０は、パワーコントローラ２７による外部の負荷への電力供給量を制御する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１における制御手法の具体例に関し、代表的な２つの制御フローについて図２〜図４を参照して説明する。図２は、本実施形態の燃料電池システム１の運転開始時に実行される第１の制御フローを示すとともに、図３は、第１の制御フローを適用した場合の動作例を示している。第１の制御フローが開始されると、制御部２０の制御により、燃料電池システム１が起動した際に燃料電池スタック１０の発電に先立って、燃料ポンプ２３、水ポンプ２１、空気ポンプ２５のそれぞれの制御が開始されるとともに、燃料電池スタック１０及び改質器１１の昇温が開始される（ステップＳ１０）。このとき、制御部２０のタイマー機能に基づいて更新される経過時間のカウントを開始する（ステップＳ１１）。これ以降、改質器１１により改質された燃料ガスが燃料電池スタック１０に供給され、図１の流路Ｐ１に沿って残ガスが上部燃焼層１２に流れることにより加熱が進んでいく。ステップＳ１０は、図３におけるタイミングｔ０に対応する。このとき、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量は、初期時点の流量値Ｆ０に設定されるものとする。

次いで、温度センサ１４の計測値を取得し、改質器１１における改質器温度を更新する（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１２で更新された改質器温度と改質器１１の上限温度Ｔｍａｘとの大小関係を判定する（ステップＳ１３）。この上限温度Ｔｍａｘは、改質器１１の加熱による破損を確実に防止し得る温度に設定する必要がある。例えば、Ｔｍａｘ＝１０００℃に設定される。ステップＳ１３の判定の結果、改質器温度が上限温度Ｔｍａｘを超えているときは、上述の経過時間をリセットする（ステップＳ１４）。続いて、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量を流量値Ｆ１に設定する（ステップＳ１５）。この流量値Ｆ１は、改質器１１の温度を下げて保護するために、上述の初期時点の流量値Ｆ０より十分に低い値に設定する必要がある。例えば、Ｆ１＝０．８Ｌ／ｍｉｎに設定される。

一方、ステップＳ１３の判定の結果、改質器温度が上限温度Ｔｍａｘ以下であるときは、続いて、改質器温度と、原燃料流量の後述の間欠制御を開始すべき下限温度Ｔｍｉｎとの大小関係を判定する（ステップＳ１６）。この下限温度Ｔｍｉｎは、上述の上限温度Ｔｍａｘより低い温度であり、例えば、Ｔｍｉｎ＝７００℃に設定される。ステップＳ１６の判定の結果、改質器温度が下限温度Ｔｍｉｎを超えているときは、改質器温度の上昇を緩やかにするために原燃料流量の間欠制御（ステップＳ１７〜Ｓ２１）が開始される。まず、ステップＳ１１でカウントが開始された経過時間と、予め設定された期間Ｐａ（図３）との大小関係を判定する（ステップＳ１７）。その結果、経過時間が期間Ｐａに満たないときは、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量を流量値Ｆａに設定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８では、改質器１１表面の熱を内部に伝導させるべき第２の時間帯に移行し、原燃料流量を初期時点の流量値Ｆ０よりも小さい流量値Ｆａに減少させるものである。例えば、Ｆａ＝１Ｌ／ｍｉｎに設定される。例えば、図３においては、タイミングｔ１において原燃料流量が流量値Ｆ０から流量値Ｆａに減少していることがわかる。

さらに、ステップＳ１７の判定の結果、経過時間が期間Ｐａに達したときは、続いて、ステップＳ１１でカウントが開始された経過時間と、予め設定された期間Ｐａｂとの大小関係を判定する（ステップＳ１９）。その結果、経過時間が期間Ｐａｂに満たないときは、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量を流量値Ｆｂに設定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０では、改質器１１の温度を上昇させるべき第１の時間帯に移行し、原燃料流量を初期時点の流量値Ｆ０よりも大きい流量値Ｆｂに増加させるものである。例えば、Ｆｂ＝２Ｌ／ｍｉｎに設定される。

ここで、期間Ｐａｂは、本実施形態の原燃料流量の間欠制御における１周期であり、図３に示す１周期内の原燃料流量の大小に対応する各期間Ｐａ、Ｐｂの和（Ｐａｂ＝Ｐａ＋Ｐｂ）に相当する。例えば、Ｐａ＝２秒、Ｐａｂ＝１２秒（Ｐｂ＝Ｐａｂ−Ｐａ＝１０秒）に設定される。よって、ステップＳ１９の判定の結果、経過時間が期間Ｐａｂに達したときは、間欠制御の１周期が完了するので、経過時間をリセットする（ステップＳ２１）。つまり、ステップＳ１１でカウントが開始された経過時間は、間欠制御の１周期を規定するために用いられる。

一方、ステップＳ１６の判定の結果、改質器温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下であるときは、ステップＳ２１と同様、経過時間をリセットする（ステップＳ２２）。すなわち、改質器１１はまだ温度が十分に低い状態にあるため、原燃料流量の間欠制御を行わないものである。続いて、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量を流量値Ｆ０に設定する（ステップＳ２３）。この流量値Ｆ０は、上述したように初期時点における流量値であり、例えば、Ｆ０＝１．８Ｌ／ｍｉｎに設定される。

次に、ステップＳ１５、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２３のいずれかに続いて、温度センサ１４の計測値を取得し、燃料電池スタック１０におけるスタック温度を更新する（ステップＳ２４）。そして、ステップＳ２４で更新されたスタック温度と、予め設定された発電開始温度Ｔｅとの大小関係を判定する（ステップＳ２５）。この発電開始温度Ｔｅは、加熱により燃料電池スタック１０の安定的な発電動作が可能となる温度に設定する必要がある。例えば、Ｔｅ＝６５０℃に設定される。ステップＳ２５の判定の結果、スタック温度が発電開始温度Ｔｅ以下のときは、ステップＳ１１に戻って再び図２の処理を繰り返す。一方。ステップＳ２５の判定の結果、スタック温度が発電開始温度Ｔｅを超えたときは、図２の処理を完了して、燃料電池スタック１０の発電動作を開始する（ステップＳ２６）。ステップＳ２６は、図３におけるタイミングｔ２に対応する。

なお、図２の制御フローには示されないが、水ポンプ２１に対する水流量に関しても、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量の変化に追随させて制御することが望ましい。これは、改質器１１の改質反応に用いる原燃料と水蒸気の比率が変動し、Ｓ／Ｃ（スチームカーボン比）が適正な範囲内に保てなくなることを防止するためである。よって、制御部２０では、原燃料流量を増加させるときは水流量も増加させ、原燃料流量を減少させるときは水流量も増加させるような制御を行うことが前提である。

ここで、図３の動作例においては、改質器温度及びスタック温度に関し、図２の処理を適用した場合の推移を実線で示すとともに、図２の処理を適用しなかった場合の推移を点線で重ねて示している。図３から明らかなように、改質器温度及びスタック温度は、タイミングｔ１を過ぎると、間欠制御の有無に応じた推移の違いが現れる。図３に示すように原燃料流量は、初期時点の流量値Ｆ０から、タイミングｔ１以降の期間Ｐａには流量値Ｆａに減少し、タイミングｔ１以降の期間Ｐｂには流量値Ｆｂに増加し、これを交互に繰り返す。このような制御は図３における実線と点線の乖離に反映され、期間Ｐａには改質器温度及びスタック温度が上昇し、期間Ｐｂには改質器温度及びスタック温度が低下する。

まず、スタック温度に着目すると、各期間Ｐａ、Ｐｂを交互に繰り返す際、間欠制御の適用の有無に応じて実線と点線が大きく乖離することはない。これは、１周期内の各期間Ｐａ、Ｐｂにおける温度上昇と温度低下が適度なバランスとなるように各パラメータ（Ｐａ、Ｐｂ、Ｆａ、Ｆｂ）が調整されているためである。これに対し、改質器温度に着目すると、各期間Ｐａ、Ｐｂが交互に繰り返す際、間欠制御を適用しない場合（点線）に比べて間欠制御を適用する場合（実線）は下方に乖離していることがわかる。これにより、間欠制御を適用しない場合には改質器温度が上限温度Ｔｍａｘを超えるのに対し、間欠制御を適用することにより改質器温度を上限温度Ｔｍａｘより低い範囲内に保つことができる。

本来、改質器１１は、上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３からの燃焼熱を受けやすい構造であるため、燃料電池スタック１０に比べても昇温速度が大きくなる。しかし、改質器１１は熱伝導率の小さい材料により形成されるため、加熱時の温度分布が不均一になる。すなわち、改質器１１のうち、上部燃焼層１２と下部燃焼層１３からの距離に応じた温度分布が生じ、中心近傍の部分に比べて表面近傍の部分が高温になっている。そして、上述の間欠制御のうち、改質器１１の温度を期間Ｐｂにて急激に上昇させつつ、改質器１１内の温度分布を期間Ｐａにて緩和させることができる。そのため、本実施形態によれば、間欠制御を適用しない場合に比べ、各期間Ｐａ、Ｐｂを交互に繰り返すことで改質器１１の温度分布が比較的小さい状態に保ち、改質器温度が上限温度Ｔｍａｘを超えないような制御が可能となる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１の運転開始時に第１の制御フローを実行することにより、燃料電池スタック１０の昇温速度を低下させることなく、改質器１１の温度が上限温度Ｔｍａｘを超えない範囲で動作させ、改質器１１の改質反応を安定化させることができる。この場合、原燃料流量は、初期時点の流量値Ｆ０（所定の流量値）を基準に、期間Ｐａ（第２の時間帯）には原燃料流量を流量値Ｆａ（第２の流量値）に減少させ、期間Ｐｂ（第１の時間帯）には原燃料流量を流量値Ｆｂ（第１の流量値）に増加させることで、期間Ｐｂには改質器１１の温度を急峻に上昇させ、期間Ｐａには改質器１１の表面の熱を内部に伝導させることで温度分布を緩和させることができる。よって、改質器１１の温度分布が大きくなって内部に燃焼熱が伝わらない場合の改質反応の信頼性の低下や燃料電池スタック１０の電極材の劣化を防止することができる。また、改質器１１の温度が上限温度Ｔｍａｘを超えたときに原燃料流量を流量値Ｆ１（第３の流量値）に設定し、改質器１１の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下であるときに原燃料流量を流量値Ｆ０（第４の流量値）に設定する制御により、改質器１１の温度の一層の安定化を図ることができる。

本実施形態においては、燃料電池スタック１０の温度に対応して期間Ｐａ、Ｐｂを最適化させたとしても、改質器１１の温度上昇を抑制することできる。なお、第１の制御フローにおいては期間Ｐａに加えて期間Ｐａｂ（Ｐａ＋Ｐｂ）が予め設定されているが、これは期間Ｐａ、Ｐｂが予め設定されていることと等価である。この場合、期間Ｐａ、Ｐｂ（期間Ｐａ、Ｐａｂ）は制御部２０により読み出し可能なメモリ内に構成したデータテーブルに保持しておくことができる。このデータテーブルの内容は、燃料電池スタック１０及び改質器１１の動作を事前に解析しておくことで作成することができる。そして、第１の制御フローの実行時に、制御部２０がデータテーブルを適宜参照して、期間Ｐａ、Ｐｂ（期間Ｐａ、Ｐａｂ）に対応する経過時間をカウントすればよい。

次に図４は、本実施形態の燃料電池システム１の運転開始時に実行される第２の制御フローを示している。第２の制御フローが開始されると、初期時点のステップＳ３０、Ｓ３１の制御は、図２のステップＳ１０、Ｓ１２と同様である。次いで、ステップＳ３１における改質器温度の更新に続いて、温度センサ１４の計測値によりスタック温度を更新する（ステップＳ３２）。そして、ステップＳ３２で更新する直前のスタック温度を前回のスタック温度としたとき、更新後のスタック温度と前回のスタック温度に基づき、変動スタック温度を算出する（ステップＳ３３）すなわち、変動スタック温度は次式によって求めることができる。
変動スタック温度＝現在のスタック温度−前回のスタック温度

次いで、ステップＳ３１で更新された改質器温度と上述の上限温度Ｔｍａｘ（図３）との大小関係を判定する（ステップＳ３４）。その結果、改質器温度が上限温度Ｔｍａｘを超えているときは、図２のステップＳ１５と同様、原燃料流量を流量値Ｆ１に設定する（ステップＳ３５）。一方、ステップＳ３４の判定の結果、改質器温度が上限温度Ｔｍａｘ以下であるときは、続いて、改質器温度と、本実施形態の間欠制御を開始すべき下限温度Ｔｍｉｎとの大小関係を判定する（ステップＳ３６）。ステップＳ３６の判定の結果、改質器温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下であるときは、図２のステップＳ２３と同様、原燃料流量を初期時点の流量値Ｆ０に設定する（ステップＳ３７）。なお、ステップＳ３５、Ｓ３７で設定される各流量値Ｆ１、Ｆ０は、第１の制御フローと共通の値を用いてもよいが、異なる値を用いることも可能である。

一方、ステップＳ３６の判定の結果、改質器温度が下限温度Ｔｍｉｎを超えたときは、ステップＳ３３で算出した変動スタック温度が０℃より大きいか否かを判定する（ステップＳ３８）。その結果、変動スタック温度が０℃より大きいときは、図２のステップＳ２０と同様、原燃料流量を流量値Ｆｂに設定し（ステップＳ３９）、変動スタック温度が０℃以下のときは、図２のステップＳ１８と同様、原燃料流量を流量値Ｆａに設定する（ステップＳ４０）。ステップＳ３８〜Ｓ４０では、スタック温度が増加しているときは原燃料流量を大きい流量値Ｆｂに設定し、スタック温度が減少しているときは原燃料流量を小さい流量値Ｆａに設定するものである。

次いで、ステップＳ３５、Ｓ３７、Ｓ３９、Ｓ４０のいずれかに続いて、ステップＳ３２で更新されたスタック温度と、予め設定された発電開始温度Ｔｅとの大小関係を判定する（ステップＳ４１）。なお、発電開始温度Ｔｅの意味は、図２で説明した通りである。ステップＳ４１の判定の結果、スタック温度が発電開始温度Ｔｅ以下のときは、ステップＳ３１に戻って再び図４の処理を繰り返す。一方。ステップＳ４１の判定の結果、スタック温度が発電開始温度Ｔｅを超えたときは、図４の処理を完了して、燃料電池スタック１０の発電動作を開始する（ステップＳ４２）。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１の運転開始時に第２の制御フローを実行することにより、基本的には第１の制御フローと同様の効果を得ることができる。この場合、第１の制御フローの図２では期間Ｐａ、Ｐｂ（期間Ｐａ、Ｐａｂ）が予め設定された時間間隔であるのに対し、第２の制御フローでは期間Ｐａ、Ｐｂに相当する各期間が燃料電池システム１の動作状態に応じて変化する点が異なるため、第１の制御フローで説明したデータテーブルは不要である。

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態では、温度センサ１４により計測した燃料電池スタック１０の温度計測値に基づいて、燃料電池スタック１０の発電動作の開始を判断する例を示しているが（ステップＳ２５、Ｓ２６、Ｓ４１、Ｓ４２）、これには限定されず、他の手段により燃料電池スタック１０の活性状態を検知したときに、発電動作を開始してもよい。例えば、燃料電池スタック１０の内部抵抗を検知し、内部抵抗が所定の抵抗値以下となったとき、活性状態であると判断することができる。本実施形態において、図１に示す燃料電池システム１の構成例や、図２及び図４に示す制御フローは、いずれも一例であるので、同様の目的を達成できる限り適宜に変更可能であることは言うまでもない。

１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…改質器
１２…上部燃焼層
１３…下部燃焼層
１４…温度センサ
２０…制御部
２１…水ポンプ
２２…水管路
２３…燃料ポンプ
２４…原燃料管路
２５…空気ポンプ
２６…空気管路
２７…パワーコントローラ
Ｃ…断熱容器

Claims (10)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
   原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池の電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスの燃焼により前記改質器を加熱する加熱手段と、
   前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、
   前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプにおける前記原燃料の流量を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の運転開始の際、前記改質器の温度を上昇させるべき第１の時間帯において前記原燃料の流量を所定の流量値より増加させ、前記第１の時間帯とは異なる第２の時間帯において前記原燃料の流量を前記所定の流量値より減少させ、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返すことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記第１の時間帯には前記原燃料の流量を前記所定の流量値より大きい第１の流量値とし、前記第２の時間帯には前記原燃料の流量を前記所定の流量値より少ない第２の流量値と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. 前記改質器の温度を検知する温度検知手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記温度検知手段で検知した温度が所定温度を超えてから、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記改質器の温度が所定の上限温度を超えたとき、前記原燃料の流量を前記第２の流量値より小さい第３の流量値に設定することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記改質器の温度が所定の下限温度に達しないとき、前記原燃料の流量を前記第１の流量値より小さく前記第２の流量値より大きい第４の流量値に設定することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の活性状態を検知する燃料電池活性検知手段を更に備えていることを特徴とする請求項３〜５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池活性検知手段により前記燃料電池の活性状態を検知したとき、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返す制御を終了して、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１の時間帯は予め設定された第１の時間間隔であり、前記第２の時間帯は予め設定された第２の時間間隔であることを特徴とする請求項１〜８に記載の燃料電池システム。
9. 酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
   原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池の電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスの燃焼により前記改質器を加熱する加熱手段と、
   前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、
   を備えた燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の運転開始の際、前記改質器の温度を上昇させるべき第１の時間帯と、前記第１の時間帯とは異なる第２の時間帯とをそれぞれ判定し、
   前記第１の時間帯に切替時は前記原燃料の流量を所定の流量値より増加させ、
   前記第２の時間帯に切替時は前記原燃料の流量を前記所定の流量値より減少させ、
   前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返した後に前記燃料電池の運転を開始することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 前記第１の時間帯及び前記第２の時間帯をそれぞれ判定するデータと、前記第１の時間帯及び前記第２の時間帯のそれぞれの前記原燃料の流量を設定するデータとを予め保持するデータテーブルを参照して制御を行うことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。