JP2014154424A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時におけるスタックへのエネルギー供給量を低減させることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】スタック１１による発電開始前に、起動用燃焼器２１を起動させてスタック１１に燃焼ガスを供給し、スタック１１の温度を上昇させる。また、スタック１１の発電可能温度Ｔｓよりも高く、且つ、スタック１１の運転上限温度Ｔｕ未満の温度を第２設定温度Ｔ２として設定する。そして、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２に達した場合に、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を低減させる。その結果、スタック１１全体を確実に発電可能温度Ｔｓに到達させると共に、発電開始前における起動用燃焼器２１での燃料の消費量を削減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、起動時にスタックに供給するエネルギーを低減する技術に関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、高温で発電を行うため、起動時にはスタック（燃料電池）を所定の温度まで加熱する必要がある。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、スタックの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、昨今においては消費エネルギーを削減したいという要望から、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、起動に要する時間の短縮化と、加熱に使用するエネルギー低減を両立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、起動用燃焼ガス温度を単調に増加させており、スタックの入口（カソードの入口）から出口（カソードの出口）までの温度分布を考慮していないので、スタック出口側が発電可能な温度に達するまで加熱することとなる。この場合には、スタック入口側の温度が発電可能な温度を大幅に超えてしまい、全体としてスタックへのエネルギー供給が過大になる可能性があった。

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、起動時におけるスタックへのエネルギー供給量を低減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、本願発明は、スタックによる発電開始前に、起動用燃焼器からスタックに供給した全エネルギーが該スタック全体を発電可能温度とするために必要なエネルギーを上回った場合に、スタックに供給するエネルギー量を維持、或いは低下させる。

本発明に係る燃料電池システムでは、スタックによる発電を開始する前に、起動用燃焼器を用いてスタック温度を上昇させる場合、起動用燃焼器より出力されるエネルギーがスタック全体の温度を発電可能とするためのエネルギーを上回った際に、起動用燃焼器に供給する燃料量、及び空気量を低減するので、起動用燃焼器にて消費する燃料量を削減することができ、省エネルギー化を図ることが可能となる。

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、起動時のスタック温度の変化を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、起動時のスタック温度の変化を示すタイムチャートである。 本発明の比較例に係る燃料電池システムの、起動時のスタック温度の変化を示すタイムチャートである。 本発明の実施例および比較例による、供給エネルギーおよび起動時間の比較表である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の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図示省略の蒸発器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。

スタック１１のカソード１１ａには、該カソード１１ａの入口温度を測定する入口温度センサ４１ａ（入口温度測定手段）と、出口温度を測定する出口温度センサ４１ｂ（出口温度測定手段）が設けられている。なお、以下では、入口温度センサ４１ａで測定された温度をＴ４１ａとし、出口温度センサ４１ｂで測定された温度をＴ４１ｂとする。

空気ブロワ１２、バルブ２２、燃料ポンプ２３、入口温度センサ４１ａ、出口温度センサ４１ｂ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、スタック１１による発電開始前に、起動用燃焼器２１からスタック１１に供給した全エネルギーが該スタック１１全体を発電可能温度とするために必要なエネルギーを上回る状態となった際に、スタック１１に供給するエネルギー量を維持、或いは低下させるように、起動用燃焼器２１を制御する燃焼器制御手段としての機能を備える。

更に、制御部３１は、スタック１１にエネルギーを供給することにより、スタック１１の出口温度が発電可能温度を上回った際に、スタック１１による発電を開始するように該スタック１１を制御するスタック制御手段としての機能を備える。

ここで、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。

次に、第１実施形態に係る燃料電池システムの、起動時（発電開始前）における処理手順を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。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を昇温する。この際、図１に示すバルブ２２は、空気ブロワ１２より供給される空気が起動用燃焼器２１側に出力されるように設定される。

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該起動用燃焼器２１を点火し、燃焼を開始する。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に供給されるので、該燃焼ガスの熱によりスタック１１が昇温される。なお、初期的に供給する燃料量をＦ１（第１の燃料量）、空気量をＡ１（第１の空気量）とする。

燃焼が開始されると、入口温度センサ４１ａにてカソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａが測定され、出口温度センサ４１ｂにて、カソード１１ａの出口温度Ｔ４１ｂが測定される。そして、これらの測定データは制御部３１に出力される。

次いで、ステップＳ１２において、制御部３１は、入口温度Ｔ４１ａと予め設定した第１設定温度Ｔ１とを比較し、Ｔ４１ａ≧Ｔ１となったか否かを判断する。ここで、第１設定温度Ｔ１は、周囲温度をＴ０、スタック１１の許容温度差をΔＴとした場合に、これらを加算した温度に設定する。即ち、Ｔ１＝Ｔ０＋ΔＴである。また、起動用燃焼器２１に初期的に供給する燃料量Ｆ１、及び空気量Ａ１は、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａを第１設定温度Ｔ１に維持することができる量に設定されている。なお、許容温度差ΔＴは、スタック１１を構成する燃料電池セルの特性やスタック１１の構造等から定めることができる。

そして、入口温度Ｔ４１ａが温度Ｔ１未満である場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１３において、制御部３１は、燃料量Ｆ１、空気量Ａ１を維持した状態で、スタック１１の加熱を継続する。即ち、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａが、第１設定温度Ｔ１に達するまで燃料量Ｆ１、空気量Ａ１として該スタック１１を加熱する。

一方、入口温度Ｔ４１ａが第１設定温度Ｔ１に達した場合には（ステップＳ１２でＹＥＳ）、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、及び空気量を増加させる。即ち、単位時間当たりにスタック１１に供給するエネルギーを増加させる。

その後、ステップＳ１５において、制御部３１は、入口温度Ｔ４１ａが予め設定した第２設定温度Ｔ２（所定の閾値温度）に達したか否かを判断する。そして、入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２未満である場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、ステップＳ１４に処理を戻して、燃料、及び空気の増加を継続させる。ここで、第２設定温度Ｔ２は「Ｔｓ＋ΔＴ／２」（Ｔｓは発電可能温度、ΔＴはスタック１１の許容温度差）に設定されている。従って、第２設定温度Ｔ２は、発電可能温度Ｔｓよりも大きく、スタック１１の運転上限温度Ｔｕよりも小さい温度（運転上限温度未満の温度）である。

一方、入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２に達した場合には（ステップＳ１５でＹＥＳ）、ステップＳ１６において、制御部３１は、起動用燃焼器２１に供給する燃料量をＦ２（第２の燃料量）とし、空気量をＡ２（第２の空気量）とする。ここで、燃料量Ｆ２、及び空気量Ａ２は、入口温度Ｔ４１ａを発電可能温度Ｔｓに維持することができる数値に設定されている。従って、燃料量をＦ２に変更し、空気量をＡ２に変更しても、入口温度Ｔ４１ａは、発電可能温度Ｔｓを上回る温度に維持されることとなる。

その後、ステップＳ１７において、制御部３１は、カソード１１ａの出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達したか否かを判断し、達していない場合には（ステップＳ１７でＮＯ）、ステップＳ１８において、制御部３１は、起動用燃焼器２１へ供給する燃料量Ｆ２、空気量Ａ２を維持して、スタック１１の加熱を継続する。

一方、出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達した場合には（ステップＳ１７でＹＥＳ）、スタック１１全体が発電可能温度Ｔｓに達したものと判断できるので、ステップＳ１９において、制御部３１は、スタック１１による発電を開始する。これにより、燃料電池システム１００より、電力が出力されることとなる。また、発電に伴う発熱により、スタック１１の温度が上昇する。

その後、制御部３１は、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａ、及び出口温度Ｔ４１ｂを監視し、ステップＳ２０において、各温度が予め設定した下限温度Ｔｄ（詳細については後述する）に達したか否かを判断する。そして、各温度Ｔ４１ａ、Ｔ４１ｂが下限温度Ｔｄに達していない場合には（ステップＳ２０でＮＯ）、ステップＳ２１において、起動用燃焼器２１の運転を継続し、且つ発電を継続する。一方、各温度Ｔ４１ａ、Ｔ４１ｂが共に下限温度Ｔｄに達した場合には（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ２２において、制御部３１は、起動用燃焼器２１を停止させ、且つ、バルブ２２を切り替えて、空気予熱用熱交換器１３を経由した空気がスタック１１のカソード１１ａに供給されるように制御する。その後、起動モードから運転モードに切り替えて発電を継続させる。

ここで、上記した「下限温度Ｔｄ」は、起動用燃焼器２１を停止することが可能な下限の温度を示しており、発電可能温度Ｔｓよりも若干高い温度に設定される。具体的には、スタックの発電性能や熱容量、熱交換器の性能等のシステム要件から定められる。即ち、スタック１１による発電を開始した後、起動用燃焼器２１を停止させてバルブ２２を切り替えると、スタック１１の温度が一時的に低下する（この低下分の温度を「下降温度」とする）。従って、発電可能温度Ｔｓに下降温度を加算した温度を下限温度Ｔｄとして設定し、スタック１１の入口温度Ｔ４１ａ、及び出口温度Ｔ４１ｂが共に下限温度Ｔｄに達した場合に、起動用燃焼器を２１を停止させる。従って、起動用燃焼器２１を停止させたことにより、スタック１１の温度が低下した場合でも、該スタック１１の温度が発電可能温度Ｔｓを下回ることがなく、発電を継続させることができる。

次に、図２に示した処理手順に沿った実際の温度、流量の変化を、図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。図３において、曲線Ｐ１１はカソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａの変化を示し、曲線Ｐ１２はカソード１１ａの出口温度Ｔ４１ｂの変化を示し、曲線Ｐ１３は起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量の変化を示している。

図３に示す時刻ｔ０は、起動用燃焼器２１の運転を開始する時刻を示している。そして、時刻ｔ０にて、燃料量をＦ１、空気量をＡ１として起動用燃焼器２１の運転を開始すると、該起動用燃焼器２１で発生した燃焼ガスがスタック１１のカソード１１ａの流路に供給され、スタック１１が加熱される。従って、曲線Ｐ１１に示す入口温度Ｔ４１ａは、時刻ｔ０から徐々に上昇を開始する。

そして、時刻ｔ１にて、入口温度Ｔ４１ａが第１設定温度Ｔ１に達すると（図２のステップＳ１２でＹＥＳ）、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量（曲線Ｐ１３）が増加されるので、入口温度Ｔ４１ａはより一層上昇する。また、曲線Ｐ１２に示すように、カソード１１ａの出口温度Ｔ４１ｂは入口温度Ｔ４１ａよりも若干遅れて徐々に上昇する。

その後、時刻ｔ２にて、曲線Ｐ１１に示す入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２に達すると（図２のステップＳ１５でＹＥＳ）、曲線Ｐ１３に示すように、燃料量がＦ２、空気量がＡ２に切り替えられるので、入口温度Ｔ４１ａは急激に温度が低下する。しかし、上述したように、起動用燃焼器２１に供給する燃料量Ｆ２、及び空気量Ａ２は、入口温度Ｔ４１ａが発電可能温度Ｔｓを下回らないように設定されているので、曲線Ｐ１１に示すように、入口温度Ｔ４１ａは発電可能温度Ｔｓの近傍で一定値となる。

一方、曲線Ｐ１２に示す出口温度Ｔ４１ｂは、カソード１１ａの上流側から流れる燃焼ガス及びスタック１１内の固体伝熱により加熱されるので、燃料量、空気量が低減したことに影響されずに、温度上昇が継続される。

そして、時刻ｔ３にて、曲線Ｐ１２に示す出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達すると（図２のステップＳ１７でＹＥＳ）、スタック１１による発電が開始される。即ち、出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達したということは、スタック１１全体が発電可能温度Ｔｓに達したものと見なすことができるので、この時点でスタック１１による発電を開始する。発電が開始されると、発電に伴う発熱により、入口温度Ｔ４１ａ、及び出口温度Ｔ４１ｂは上昇する。なお、この時点では起動用燃焼器２１の運転は継続されている。

その後、時刻ｔ４にて、曲線Ｐ１２に示す出口温度Ｔ４１ｂが下限温度Ｔｄに達すると、燃料電池システム１００を運転モードに切り替え、更に、起動用燃焼器２１を停止させる（図２のステップＳ２２）。従って、曲線Ｐ１３に示す燃料量、及び空気量はゼロとなる。この際、上述したように、曲線Ｐ１１に示す入口温度Ｔ４１ａは、図１に示すバルブ２２が切り替えられて空気予熱用熱交換器１３側のガスに変更されることにより、若干低下することになる。しかし、この温度低下により、入口温度Ｔ４１ａが発電可能温度Ｔｓを下回ることはないので、発電を継続させることができる。

このように、本実施形態では、入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２（スタック１１の運転上限温度Ｔｕ未満の温度）に達した場合に、燃料量、及び空気量を低減させている。即ち、燃料量をＦ１からＦ２に低減し、空気量をＡ１からＡ２に低減している。従って、単位時間当たりにスタック１１に供給するエネルギー量を低減でき、省エネルギー化を図ることが可能となる。以下、図５に示す比較例と対比して説明する。図５は、燃料量、空気量を従来の方式で変化させた場合の、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａの変化（曲線Ｐ２１）、出口温度Ｔ４１ｂの変化（曲線Ｐ２２）、及び、燃料量、空気量の変化（曲線Ｐ２３）を示している。

図５に示すように、この比較例では、時刻ｔ１０にてスタック１１の昇温を開始し、時刻ｔ１１にて、入口温度Ｔ４１ａ（曲線Ｐ２１）が第１設定温度Ｔ１に達すると、この時刻ｔ１１から燃料量、及び空気量を徐々に増加する（曲線Ｐ２３参照）。そして、時刻ｔ１２にて、入口温度Ｔ４１ａ（曲線Ｐ２１）がスタック１１にて規定されている運転上限温度Ｔｕに達し、且つ、出口温度Ｔ４１ｂ（曲線Ｐ２２）が発電可能温度Ｔｓを超えると、発電を開始する。

更に、時刻ｔ１２から燃料量、及び空気量を徐々に低減させ、時刻ｔ１３にて出口温度Ｔ４１ｂ（曲線Ｐ２２）が運転上限温度Ｔｕに達すると、起動用燃焼器２１を停止する。

そして、図３に示す特性図と図５に示す特性図を対比して理解されるように、図５では、燃料量、及び空気量を時刻ｔ１１から徐々に増加させ、入口温度Ｔ４１ａが運転上限温度Ｔｕに達した時点（時刻ｔ１２）で増加を停止し、その後、徐々に低下させている。また、この時刻ｔ１２にて出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達しているので、発電を開始している。

これに対して、図３に示す本実施形態では、燃料量、及び空気量を時刻ｔ１から徐々に増加させ、入口温度Ｔ４１ａが、運転上限温度Ｔｕよりも低く設定した第２設定温度Ｔ２（＝Ｔｓ＋ΔＴ／２）に達した時点（時刻ｔ２）にて燃料量をＦ２、空気量をＡ２に低下させている。そして、出口温度Ｔ４１ｂは、燃料量、及び空気量を低下させた後においても、上流側から供給される燃焼ガスの熱により昇温され、時刻ｔ３にて発電可能温度Ｔｓに達するので、発電を開始できる。

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、入口温度Ｔ４１ａが運転上限温度Ｔｕ未満として設定した第２設定温度Ｔ２に達した時点で、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を減少させている。この時点で、スタック１１に供給されるエネルギーは、スタック１１全体を発電可能温度とするために必要なエネルギーを上回る状態となっているので、出口温度Ｔ４１ｂは、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を減少させた場合でも、時間の経過と共に、発電可能温度Ｔｓに達することになる。従って、スタック１１による発電を開始することができることとなる。従って、従来と比較してスタック１１全体を発電可能温度Ｔｓまで昇温するために要する燃料の消費量を削減することができ、省エネルギー化を図ることができる。

換言すれば、本実施形態では、起動用燃焼器２１からスタック１１に供給する全エネルギーが、スタック１１全体を発電可能温度Ｔｓとするために要するエネルギーに達した際に、起動用燃焼器２１の燃料供給を低減させる。そして、スタック１１全体の温度が均一化され、出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達した時点で発電を開始している。このため、スタック１１全体の温度を確実に発電可能温度Ｔｓまで昇温させることができると共に、昇温に要するエネルギーを大幅に削減することが可能となる。

なお、上記では、入口温度Ｔ４１ａが発電可能温度Ｔｓに達した際に、燃料量、及び空気量を低減するようにしたが、燃料量、空気量を現状維持としても良い。この場合においても、従来と比較して消費する燃料量を削減できるという効果を達成できる。

また、本実施形態では、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａと出口温度Ｔ４１ｂの温度差を低く抑えることができるので、スタック１１に大きな温度差が発生することを防止でき、スタック１１の劣化を防止できる。

更に、出口温度センサ４１ｂにより、カソード１１ａの出口温度（スタック出口温度）が発電可能温度Ｔｓを上回ったことが検出された際にスタック１１による発電を開始するので、スタック１１により発電を開始するタイミングを好適に設定することができる。

また、スタック１１による発電を開始した後に、起動用燃焼器２１を停止することによりスタック１１の温度が下降する温度である下降温度を予め認識しており、スタック１１による発電を開始した後、出口温度Ｔ４１ｂが、発電可能温度Ｔｓに前記下降温度を加算した温度である下限温度Ｔｄを上回った場合に、起動用燃焼器２１を停止させる。従って、起動用燃焼器２１を停止させたことに伴う温度低下により、スタック１１の温度が発電可能温度Ｔｓを下回ることがなく、安定的にスタック１１による発電を継続させることができる。

更に、入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２に達した後は、燃料量をＦ２とし、空気量をＡ２としており、これらの燃料量Ｆ２、空気量Ａ２は、カソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａを発電可能温度Ｔｓに維持できるように設定されているので、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を低減させた場合でも、入口温度Ｔ４１ａが発電可能温度Ｔｓを下回ることを防止でき、確実にスタック１１の発電を開始することができる。

また、本実施形態では、第２設定温度Ｔ２を「Ｔｓ＋ΔＴ／２」としている。ここで、ΔＴは、スタック１１の許容最大温度差であるから、入口温度Ｔ４１ａが「Ｔｓ＋ΔＴ／２」に達しているということは、出口温度Ｔ４１ｂは「Ｔｓ−ΔＴ／２」を上回っているものと推測できる。従って、時間が経過してスタック１１の温度が均一化した場合には、スタック１１全体の温度は、発電可能温度Ｔｓを上回るものと考えられる。本実施形態では、入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２（＝Ｔｓ＋ΔＴ／２）に達した後に、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量をそれぞれＦ２、Ａ２として燃焼ガスをスタック１１に供給しているので、スタック１１全体の温度を確実に発電可能温度Ｔｓよりも高くすることが可能となり、確実にスタック１１の発電を開始することが可能となる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。装置構成は、第１実施形態で示した図１と同一であり、処理手順は図２に示したフローチャートと同様である。第２実施形態では、第２設定温度Ｔ２を、Ｔ２＝（Ｔｓ＋ΔＴ／２＋Ｔｕ）／２としている点で相違している。ここで、「Ｔｕ」は、スタック１１の運転上限温度であり、第２設定温度Ｔ２は、運転上限温度Ｔｕ未満の温度である。

次に、図４に示すタイム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。図４において、曲線Ｐ３１はカソード１１ａの入口温度Ｔ４１ａの変化を示し、曲線Ｐ３２はカソード１１ａの出口温度Ｔ４１ｂの変化を示し、曲線Ｐ３３は起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量の変化を示している。

図３に示す時刻ｔ２０は、起動用燃焼器２１の運転を開始する時刻を示している。そして、時刻ｔ２０にて、燃料量をＦ１、空気量をＡ１として起動用燃焼器２１の運転を開始すると、該起動用燃焼器２１で発生した燃焼ガスがスタック１１のカソード１１ａの流路に供給され、スタック１１が加熱される。従って、曲線Ｐ３１に示す入口温度Ｔ４１ａは、時刻ｔ２０から徐々に上昇を開始する。

そして、時刻ｔ２１にて、入口温度Ｔ４１ａが第１設定温度Ｔ１に達すると、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量が増加されるので、入口温度Ｔ４１ａはより一層上昇する。また、曲線Ｐ３２に示すように、カソード１１ａの出口温度Ｔ４１ｂは徐々に上昇する。

その後、時刻ｔ２２にて、曲線Ｐ３１に示す入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２に達すると、曲線Ｐ３３に示すように、燃料量がＦ２、空気量がＡ２に切り替えられるので、入口温度Ｔ４１ａは急激に温度が低下する。しかし、上述したように、起動用燃焼器２１に供給する燃料量Ｆ２、及び空気量Ａ２は、入口温度Ｔ４１ａが発電可能温度Ｔｓを下回らないように設定されているので、曲線Ｐ３１に示すように、入口温度Ｔ４１ａは発電可能温度Ｔｓの近傍で一定値となる。

一方、曲線Ｐ３２に示す出口温度Ｔ４１ｂは、カソード１１ａの上流側から流れる燃焼ガスにより加熱されるので、燃料量、空気量が低減したことに影響されずに、温度上昇が継続される。

そして、時刻ｔ２３にて、曲線Ｐ３２に示す出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達すると、スタック１１による発電が開始される。即ち、出口温度Ｔ４１ｂが発電可能温度Ｔｓに達したということは、スタック１１全体が発電可能温度Ｔｓに達したものと見なすことができるので、この時点でスタック１１による発電を開始する。発電が開始されると、発電に伴う発熱により、入口温度Ｔ４１ａ、及び出口温度Ｔ４１ｂは上昇する。なお、この時点では起動用燃焼器２１の運転は継続されている。

その後、時刻ｔ２４にて、曲線Ｐ３２に示す出口温度Ｔ４１ｂが下限温度Ｔｄに達すると、燃料電池システム１００を運転モードに切り替え、更に、起動用燃焼器２１を停止させる。従って、曲線Ｐ３３に示す燃料量、及び空気量はゼロとなる。この際、上述したように、曲線Ｐ３１に示す入口温度Ｔ４１ａは、図１に示すバルブ２２が切り替えられて空気予熱用熱交換器１３側のガスに変更されることにより、若干低下することになる。しかし、この温度低下により、入口温度Ｔ４１ａが発電可能温度Ｔｓを下回ることはないので、発電を継続させることができる。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においても、前述した第１実施形態と同様に、起動モード時に起動用燃焼器２１で消費する燃料量を削減することができ、省エネルギー化を図ることが可能となる。また、第２実施形態では、第１実施形態と比較して第２設定温度を高く設定している。従って、発電開始までの所要時間を短縮化でき、その反面で、第１実施形態よりもエネルギーの消費量が多くなる。

図６は、第１実施形態、第２実施形態、及び比較例における各データの対応表を示している。

第１実施形態では、第２設定温度Ｔ２を「Ｔｓ＋ΔＴ／２」としており、第２実施形態では、第２設定温度Ｔ２を「（Ｔｓ＋ΔＴ／２＋Ｔｕ）／２」としているので、起動用燃焼器２１に供給する燃料量、及び空気量を切り替える温度は、これらの温度となる。また、比較例（従来装置を用いた場合）では、運転上限温度Ｔｕに設定されている。

そして、第１、第２実施形態では、比較例に対して発電開始までの相対時間が若干長くなっている。しかし、この時間はスタック１１の発電開始に大きな影響を与える程度の時間ではない。

これに対し、第１、第２実施形態は比較例と対比して、発電開始までに起動用燃焼器２１に供給する燃料量が１２％〜１３％程度削減されている。また、スタック１１の入口温度と出口温度の温度差は、比較例に比べて著しく小さくなっていることが理解される。

即ち、本発明の実施形態を採用することにより、起動用燃焼器２１で消費する燃料量を大幅に削減でき、省エネルギー化を達成できることが判る。また、スタック１１全体の温度差を低減できるので、熱ストレスによる劣化を防止でき、スタック１１を長寿命化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、上述した第１実施形態では、第２設定温度Ｔ２をＴｓ＋ΔＴ／２とし、第２実施形態では、第２設定温度Ｔ２を（Ｔｓ＋ΔＴ／２＋Ｔｕ）／２としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発電可能温度Ｔｓよりも大きく、且つ運転上限温度Ｔｕ未満の温度であれば良く、第１，第２実施形態と同等の効果を得ることができる。

また、上述した各実施形態では、入口温度Ｔ４１ａが第２設定温度Ｔ２に達した際に、燃料量、及び空気量を低減する例について説明したが、これらを一定量に維持するようにしても良い。

更に、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、スタック１１は、平板積層型以外に、縦縞円筒型、横縞円筒型等でも良い。また、スタック１１の温度を測定する部位は、スタックの最高温度、最低温度を代表する部位であればどこでもよく、必ずしもカソード１１ａの入口、出口に限定されるものではない。

本発明は、燃料電池の起動時においてスタックに供給するエネルギーを低減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
２１ 起動用燃焼器
２２ バルブ
２３ 燃料ポンプ
３１ 制御部
４１ａ 入口温度センサ（入口温度測定手段）
４１ｂ 出口温度センサ（出口温度測定手段）
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. スタックと、起動時に前記スタックに燃焼ガスを供給して昇温する起動用燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記スタックによる発電開始前に、前記起動用燃焼器から前記スタックに供給した全エネルギーが、前記スタック全体を発電可能温度とするために必要なエネルギーを上回る状態となった際に、スタックに供給するエネルギー量を維持、或いは低下させるように、前記起動用燃焼器を制御する燃焼器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. エネルギーの供給により、前記スタックの出口温度が発電可能温度を上回った際に、前記スタックによる発電を開始するように該スタックを制御するスタック制御手段、を更に備えた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. 前記燃焼器制御手段は、
   前記スタックによる発電を開始した後に、前記起動用燃焼器を停止することによりスタック温度が下降する温度である下降温度を予め認識し、
   前記スタックによる発電を開始した後、前記出口温度が、前記発電可能温度に前記下降温度を加算した温度である下限温度を上回った場合に、前記起動用燃焼器を停止させ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。
4. スタックと、起動時に前記スタックに燃焼ガスを供給して昇温する起動用燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記スタックの入口温度を測定する入口温度測定手段と、
   前記スタックの運転上限温度未満となる所定の閾値温度を予め設定し、前記スタックによる発電開始前に、前記起動用燃焼器を起動させて燃焼ガスを前記スタックに供給し、前記入口温度が前記所定の閾値温度に達した場合に、前記起動用燃焼器に供給する燃料量及び空気量を、低減、或いは維持するように制御する燃焼器制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記スタックの出口温度を測定する出口温度測定手段と、前記燃料量及び空気量を低減、或いは維持するように制御された後に、前記出口温度が前記スタックの発電可能温度を上回った際に、前記スタックによる発電を開始するように該スタックを制御するスタック制御手段と、を更に備えた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. 前記燃焼器制御手段は、
   前記スタックによる発電を開始した後に、前記起動用燃焼器を停止することによりスタック温度が下降する温度である下降温度を予め認識し、
   前記スタックによる発電を開始した後に、前記出口温度が、前記発電可能温度に前記下降温度を加算した温度である下限温度を上回った場合に、前記起動用燃焼器を停止させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃焼器制御手段は、前記起動用燃焼器の起動開始時には、該起動用燃焼器に供給する燃料量及び空気量を、第１の燃料量及び第１の空気量として燃焼ガスを発生させ、前記入口温度が前記所定の閾値温度に達した際には、前記起動用燃焼器に供給する燃料量を第１の燃料量よりも少ない第２の燃料量に低減し、空気量を第１の空気量よりも少ない第２の空気量に低減し、
   前記第２の燃料量、及び第２の空気量は、前記入口温度を発電可能温度よりも高い温度に維持できるように設定されることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記所定の閾値温度は、前記スタックの発電可能温度をＴｓ、スタックの許容温度差をΔＴとした場合、Ｔｓ＋ΔＴ／２に設定することを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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