JP2023105671A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】始動時の適正な作動を確保しつつ運転効率の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、燃料供給部１７と、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３と、第１温度センサ２７ａ、第２温度センサ２７ｂ及び第３温度センサ２７ｃと、制御装置３１とを備える。燃料供給部１７は原燃料を部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３に供給する。部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３は、原燃料の少なくとも一部を改質することによって燃料電池スタック１１に燃料を供給する。制御装置３１は、始動時の複数の運転工程に対応する各デバイスの動作モードでの目標温度と、各温度センサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃによって取得される温度との差異に応じて各デバイスでの燃料の流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

従来、燃料を改質する改質器と、燃料及び空気により発電する燃料電池と、燃料電池のオフガスを燃焼させて燃焼ガスを排出する燃焼器とを備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃焼ガスによって改質器を加熱するとともに、燃焼ガスとの熱交換で加熱される空気及び燃料によって間接的に燃料電池を加熱する暖機運転時に、改質器及び燃料電池の各温度に基づいて燃焼器を制御する。
また、従来、燃料及び空気により発電する燃料電池と、燃料電池の温度を検出する複数の温度センサとを備え、複数の温度センサから得られる燃料電池の温度に基づいて、起動時に空気に添加する触媒燃焼用の燃料の流量を制御する発電システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２０１９／０３５１６７号 特開２０１８－６００３号公報

ところで、上記した燃料電池システム及び発電システムのように、起動時に燃料電池に供給される燃料及び空気によって直接的又は間接的にシステムの複数のデバイスを昇温させる場合、燃料供給の開始から発電状態に至るまでの期間で複数の所定工程を順次に実行する必要が生じる。各工程で複数のデバイスの各々に所望の動作を実行させる場合、例えば外乱又は劣化等に起因して必要な燃料が変動することによって、燃料電池の早期劣化等の不具合が生じるおそれがある。このような問題に対して、例えば予め推定される変動に応じた余剰の燃料を供給する場合、運転効率を向上させることが困難になるとう問題が生じる。

本発明は、始動時の適正な作動を確保しつつ運転効率の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システム（例えば、実施形態での燃料電池システム１０）は、アノードに供給される燃料及びカソードに供給される酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、原燃料の少なくとも一部を改質することによって前記燃料電池に前記燃料を供給する改質器（例えば、実施形態での部分酸化器２１、水蒸気改質器２３）と、前記原燃料を前記改質器に供給する燃料供給部（例えば、実施形態での燃料供給部１７）と、少なくとも前記燃料電池及び前記改質器を含む複数のデバイスの各々の温度を取得する複数の温度取得部（例えば、実施形態での第１温度センサ２７ａ、第２温度センサ２７ｂ及び第３温度センサ２７ｃ）と、始動時の複数の運転工程に対応する各前記複数のデバイスの動作モードでの目標温度と前記温度取得部によって取得される前記温度との差異に応じて各前記複数のデバイスでの前記燃料の流量を制御する制御装置（例えば、実施形態での制御装置３１）と、を備える。

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記差異に応じて前記燃料の流量の増減を切り替える、又は、前記燃料の流量を前記温度取得部によって取得される前記温度に対応付けられる目標流量に一致させるように制御してもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記複数のデバイスでの前記燃料の目標流量の積算を総目標流量としてもよい。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池システムでは、前記制御装置は、始動時での前記燃料の目標流量を前記差異に応じて設定し、発電時での前記燃料の目標流量を前記差異及び発電量に応じて設定してもよい。

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池システムでは、前記改質器は、部分酸化反応を生じさせる部分酸化器（例えば、実施形態での部分酸化器２１）と、水蒸気改質反応を生じさせる水蒸気改質器（例えば、実施形態での水蒸気改質器２３）と、を備えてもよい。

（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の燃料電池システムは、前記アノード及び前記カソードから排出される排出流体を燃焼させることによって燃焼排ガスを発生させる燃焼器（例えば、実施形態での燃焼器１３）を備え、前記燃料電池及び前記改質器の各々は前記燃焼器から排出される前記燃焼排ガスによって加熱されてもよい。

（７）本発明の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は、アノードに供給される燃料及びカソードに供給される酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、原燃料の少なくとも一部を改質することによって前記燃料電池に前記燃料を供給する改質器（例えば、実施形態での部分酸化器２１、水蒸気改質器２３）と、前記原燃料を前記改質器に供給する燃料供給部（例えば、実施形態での燃料供給部１７）と、少なくとも前記燃料電池及び前記改質器を含む複数のデバイスの各々の温度を取得する複数の温度取得部（例えば、実施形態での第１温度センサ２７ａ、第２温度センサ２７ｂ及び第３温度センサ２７ｃ）と、各前記複数のデバイスでの前記燃料の流量を制御する制御装置（例えば、実施形態での制御装置３１）と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御装置が、複数の運転工程に対応する各前記複数のデバイスの動作モードでの目標温度と前記温度取得部によって取得される前記温度との差異に応じて各前記複数のデバイスでの前記燃料の流量を制御するステップを含む。

上記（１）によれば、複数のデバイスの各々の動作モードでの目標温度と温度取得部によって取得される温度との差異に応じて各デバイスでの燃料の流量を制御する制御装置を備えることによって、始動時の適正な作動を確保しつつ運転効率の低下を抑制することができる。例えば、外乱又は劣化等に起因して各デバイスの動作に必要な燃料が変動する場合であっても、燃料の流量を適正に制御することができ、燃料電池の早期劣化及び運転効率の低下等の不具合が生じることを抑制することができる。

上記（２）の場合、温度の差異に応じて燃料の増減を切り替えることによって、温度取得部によって取得される温度を目標温度に一致させることができる。また、温度の差異に対応付けられる目標流量により燃料の流量を制御することによって、温度取得部により取得される温度を、より迅速に精度良く目標温度に一致させることができる。

上記（３）の場合、燃料供給部からの燃料供給に対して、複数のデバイスの各々で温度状態に対応した燃料の流量制御が必要になる場合であっても、複数のデバイスの全体にて適正な燃料の流量を確保することができる。

上記（４）の場合、例えば、発電開始前の各デバイスの昇温時及び発電開始後の各デバイスの温度保持状態の各々にて、燃料の流量を適正に制御することができる。

上記（５）の場合、始動時に水蒸気改質器の昇温を促す部分酸化器を備えることによって、システムを迅速に始動させることができる。

上記（６）の場合、例えば始動用バーナー又はヒーター等の追加的な機器を備える必要無しに、燃料電池及び改質器を適正に昇温させることができる。

上記（７）によれば、複数のデバイスの各々の動作モードでの目標温度と温度取得部によって取得される温度との差異に応じて各デバイスでの燃料の流量を制御する制御装置によって、始動時の適正な作動を確保しつつ運転効率の低下を抑制することができる。例えば、外乱又は劣化等に起因して各デバイスの動作に必要な燃料が変動する場合であっても、燃料の流量を適正に制御することができ、燃料電池の早期劣化及び運転効率の低下等の不具合が生じることを抑制することができる。

本発明の実施形態での燃料電池システムの構成図。 本発明の実施形態での燃料電池システムの始動時の動作の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態の燃料電池システムでの各デバイスの燃料流量を制御する処理を示すフローチャート。 本発明の実施形態の燃料電池システムでの各デバイスの燃料流量の目標値を設定する処理を示すフローチャート。 本発明の実施形態の燃料電池システムでの各デバイスの温度の目標値と検出値との変化の一例を示すグラフ図。 本発明の実施形態の燃料電池システムでの各デバイスの燃料流量の目標値（燃料目標値）の変化の例を示すグラフ図。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態での燃料電池システム１０の構成図である。
図１に示すように、実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、燃焼器１３と、熱交換器１５と、燃料供給部１７と、蒸発器１９と、部分酸化器２１と、水蒸気改質器２３と、排出処理部２５と、第１温度センサ２７ａ、第２温度センサ２７ｂ及び第３温度センサ２７ｃと、制御装置３１とを備える。

燃料電池スタック１１は、例えば、固体酸化物形燃料電池である。固体酸化物形燃料電池は、複数の燃料電池セルの集合体を備える。例えば平板型の固体酸化物形燃料電池では、各燃料電池セルは、電解質電極構造体と、電解質電極構造体を挟み込む一対のセパレータとを備える。電解質電極構造体は、例えば安定化ジルコニア等のイオン導電性の固体酸化物によるセラミックスの電解質と、電解質を挟み込む燃料極（アノード）及び酸素極（カソード）とを備える。アノード側のセパレータにはアノードに供給される燃料が流通する燃料流路が形成されている。カソード側のセパレータにはカソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路が形成されている。各燃料電池セルは、アノードに供給される燃料と、カソードに供給される酸素を含む空気等の酸化剤との触媒反応によって発電する。

燃焼器１３は、燃料電池スタック１１のアノードから排出されるアノードオフガス及びカソードから排出されるカソードオフガスを、自己着火又は着火器による着火によって燃焼させる。燃焼器１３は、アノードオフガス及びカソードオフガスの燃焼によって発生する高温の燃焼ガスの排気（燃焼排ガス）を、水蒸気改質器２３、部分酸化器２１、蒸発器１９、熱交換器１５及び排出処理部２５に供給する。
熱交換器１５は、例えば、ポンプ等によって外部から供給される空気と、燃焼器１３から水蒸気改質器２３、部分酸化器２１及び蒸発器１９を介して供給される燃焼排ガスとの熱交換によって、空気を加熱する。熱交換器１５は、燃焼排ガスによる加熱で昇温させられた空気を燃料電池スタック１１のカソードに供給する。

燃料供給部１７は、原燃料を蒸発器１９に供給する。原燃料は、例えば都市ガス又は液化石油ガス等のように、メタン、プロパン及びブタン等の炭化水素を含むガスである。燃料供給部１７は、例えば、流量制御のためのポンプ、流量センサ、圧力センサ及びバルブ等を備える。
蒸発器１９は、ポンプ等によって外部から供給される水を、燃焼器１３から水蒸気改質器２３及び部分酸化器２１を介して供給される燃焼排ガスによる加熱で水蒸気に気化させる。蒸発器１９は、水蒸気と燃料供給部１７から供給される原燃料とを混合して部分酸化器２１に供給する。

部分酸化器２１は、部分酸化触媒及び着火器等を備える。部分酸化器２１は、蒸発器１９から供給される原燃料及び外部から供給される酸素を含む空気等の酸化剤による部分酸化反応によって、原燃料の少なくとも一部を改質する。部分酸化器２１は、所定の高温状態で誘起される部分酸化反応によって原燃料から水素及び一酸化炭素等を生成する。
部分酸化器２１は、着火器により部分酸化触媒を加熱することによって部分酸化反応の誘起を促す。部分酸化器２１は、発熱反応である部分酸化反応の誘起によって高温状態に昇温させられた原燃料及び水素等を水蒸気改質器２３に供給する。

水蒸気改質器２３は、水蒸気改質触媒等を備える。水蒸気改質器２３は、部分酸化器２１から供給される原燃料及び水蒸気による水蒸気改質反応によって、原燃料の少なくとも一部を改質する。水蒸気改質器２３は、原燃料改質用の水蒸気が存在する所定の高温状態で誘起される水蒸気改質反応によって原燃料から水素を生成する。
水蒸気改質器２３は、燃焼器１３から供給される燃焼排ガス並びに部分酸化器２１から供給される高温状態の原燃料及び水素等により水蒸気改質触媒を加熱することによって水蒸気改質反応の誘起を促す。水蒸気改質器２３は、燃焼排ガスによる加熱で昇温させられた原燃料及び水蒸気改質反応によって生成された水素等を燃料として燃料電池スタック１１のアノードに供給する。水蒸気改質器２３は、吸熱反応である水蒸気改質反応が誘起される状態であっても、少なくとも燃焼器１３から供給される燃焼排ガスによる加熱によって温度状態を維持する。

排出処理部２５は、排気触媒及び加熱器等を備える。排出処理部２５は、熱交換器１５から排出されて水蒸気改質器２３、部分酸化器２１、蒸発器１９及び熱交換器１５を介して供給される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素等を除去する。排出処理部２５は、浄化後の燃焼排ガスを外部に排出する。加熱器は、例えばヒーター等であって、必要に応じて排気触媒を加熱することによって、排気触媒を活性温度まで昇温させる。

第１温度センサ２７ａは、部分酸化器２１に設けられている。第１温度センサ２７ａは、部分酸化器２１の温度を検出し、温度の検出値（部分酸化器温度Ｔｐ）の信号を出力する。
第２温度センサ２７ｂは、水蒸気改質器２３に設けられている。第２温度センサ２７ｂは、水蒸気改質器２３の温度を検出し、温度の検出値（改質器温度Ｔｒ）の信号を出力する。
第３温度センサ２７ｃは、燃料電池スタック１１に設けられている。第３温度センサ２７ｃは、燃料電池スタック１１の温度を検出し、温度の検出値（スタック温度Ｔｓ）の信号を出力する。

制御装置３１は、例えば燃料電池システム１０の動作を統合的に制御する。
制御装置３１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置３１の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。

制御装置３１は、例えば、燃料電池システム１０の運転工程に対応する各種の動作モードに応じて、複数のデバイスの各々での燃料の流量を制御する。複数のデバイスは、例えば、部分酸化器２１、水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１である。各デバイスを流れる燃料は、燃料供給部１７から供給される原燃料及び原燃料の改質によって得られる水素等である。
制御装置３１は、例えば、始動時の複数の工程に対応する各複数のデバイスの動作モードでの目標温度と、各温度センサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃによって検出される温度との差異に応じて、各複数のデバイスでの燃料の目標流量を制御する。
制御装置３１は、例えば、始動後の発電時には、各複数のデバイスの目標温度と温度の検出値との差異及び発電量に応じて、各複数のデバイスでの燃料の目標流量を制御する。

以下に、実施形態での燃料電池システム１０の制御方法、つまり制御装置３１が実行する制御動作について説明する。
図２は、実施形態での燃料電池システム１０の動作を示すフローチャートである。
図２に示すステップＳ０１からステップＳ０７の一連の処理は、例えば、燃料電池システム１０の始動時に実行される。
下記表１は、燃料電池システム１０の始動時の複数の工程に対応する各複数のデバイスの温度状態の一覧である。

上記表１及び図２に示すように、先ず、ステップＳ０１にて、制御装置３１は、燃料供給部１７による原燃料の供給開始に先立って、排出処理部２５の加熱器により排気触媒を加熱することによって排気触媒を所定の活性温度まで昇温させる。
次に、ステップＳ０２にて、制御装置３１は、排出処理部２５の排気触媒の活性後、燃料供給部１７による原燃料の供給を開始する。制御装置３１は、原燃料の供給開始に伴い、部分酸化器２１の部分酸化触媒を着火器により加熱するとともに、燃料電池スタック１１から燃焼器１３にオフガス（アノードオフガス及びカソードオフガス）を排出させる。制御装置３１は、部分酸化器２１での部分酸化触媒の着火による部分酸化反応の誘起及び燃焼器１３でのオフガスの燃焼開始に必要な燃料の流量を設定する。制御装置３１は、部分酸化器２１及び燃焼器１３に対応した燃料供給により、部分酸化器２１の温度を制御するとともに、燃焼器１３の温度を保持する。

次に、ステップＳ０３にて、制御装置３１は、部分酸化器２１での発熱反応である部分酸化反応によって部分酸化触媒を昇温させる。制御装置３１は、部分酸化器２１からの加熱によって水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒を水蒸気改質反応の誘起に必要な温度まで昇温させることに対応して、部分酸化器２１の自己発熱によって部分酸化触媒を昇温させる。制御装置３１は、部分酸化器２１での部分酸化反応による昇温及び燃焼器１３でのオフガスの燃焼による温度保持に必要な燃料の流量を設定する。制御装置３１は、部分酸化器２１及び燃焼器１３に対応する燃料供給により、部分酸化器２１の温度を制御するとともに、燃焼器１３の温度を保持する。

上述したステップＳ０２及びステップＳ０３にて、制御装置３１は、例えば、部分酸化器２１の温度又は部分酸化器２１及び燃焼器１３の各温度に応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して部分酸化器２１に流れる燃料及び燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御する。
例えば、制御装置３１は、燃焼器１３の温度保持に一定流量のアノードオフガスを設定する場合等にて、部分酸化器２１の温度のみに応じて燃料の流量を制御する。制御装置３１は、部分酸化器２１の所望の動作に必要な目標温度と第１温度センサ２７ａから取得する部分酸化器温度Ｔｐとの差異に基づいて、燃料の流量を制御する。制御装置３１は、例えば、目標温度と酸化器温度Ｔｐとの差異に応じて燃料の目標流量の増減を設定又は目標温度と酸化器温度Ｔｐとの差異に基づいて所定のマップデータを検索することによって燃料の目標流量を設定する。所定のマップデータは、例えば、部分酸化器２１の目標温度と酸化器温度Ｔｐとの差異と、部分酸化器２１での燃料の目標流量との所定の対応関係を示すデータである。制御装置３１は、部分酸化器２１での燃料の流量を目標流量に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。

また、制御装置３１は、部分酸化器２１及び燃焼器１３で必要とされる燃料及びアノードオフガスの目標流量の積算を総目標流量としてもよい。例えば、制御装置３１は、部分酸化器２１及び燃焼器１３の各々にて、所望の動作に必要な目標温度と温度の検出値との差異に応じて燃料（若しくはアノードオフガス）の目標流量の増減を設定又は目標温度と温度の検出値との差異に基づいて所定のマップデータを検索することによって燃料（若しくはアノードオフガス）の目標流量を設定する。所定のマップデータは、例えば、部分酸化器２１及び燃焼器１３の各々にて、目標温度と温度の検出値との差異と、燃料（又はアノードオフガス）の目標流量との所定の対応関係を示すデータである。制御装置３１は、部分酸化器２１での燃料の流量及び燃焼器１３でのアノードオフガスの流量の積算を総目標流量に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。

次に、ステップＳ０４にて、制御装置３１は、部分酸化器２１での発熱反応である部分酸化反応を継続させつつ水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒を昇温させる。制御装置３１は、部分酸化器２１から水蒸気改質器２３に供給される原燃料及び水素等の燃料並びに燃焼器１３から水蒸気改質器２３に供給される燃焼排ガスによって水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒を加熱する。制御装置３１は、部分酸化器２１及び燃焼器１３からの加熱によって、水蒸気改質器２３での水蒸気改質反応を安定的に継続させるために必要な温度まで水蒸気改質触媒を昇温させる。制御装置３１は、部分酸化器２１での部分酸化反応による部分酸化触媒の温度保持、部分酸化器２１及び燃焼器１３からの加熱による水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒の昇温並びに燃焼器１３でのアノードオフガスの燃焼による温度保持に必要な燃料の流量を設定する。制御装置３１は、部分酸化器２１、水蒸気改質器２３及び燃焼器１３に対応する燃料供給により、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３の温度を制御するとともに、燃焼器１３の温度を保持する。

制御装置３１は、例えば、水蒸気改質器２３の温度に応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３の各々に流れる燃料の流量を制御する。制御装置３１は、水蒸気改質器２３の所望の動作に必要な目標温度と第２温度センサ２７ｂから取得する改質器温度Ｔｒとの差異に応じて、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３の各々での燃料の目標流量の増減を設定又は所定のマップデータを検索することによって部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３の各々での燃料の目標流量を設定する。所定のマップデータは、例えば、水蒸気改質器２３の目標温度と改質器温度Ｔｒとの差異と、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３の各々での燃料の目標流量との所定の対応関係を示すデータ（部分酸化器用データ及び水蒸気改質器用データ）である。例えば、水蒸気改質器２３の目標温度に向かって改質器温度Ｔｒが上昇傾向に変化する場合、部分酸化器用データによる目標流量は減少傾向に変化し、水蒸気改質器用データによる目標流量は増加傾向に変化する。制御装置３１は、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３での燃料の流量の積算を、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３での燃料の目標流量の積算（総目標流量）に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。
また、制御装置３１は、例えば、部分酸化器２１、水蒸気改質器２３及び燃焼器１３の各温度に応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３に流れる燃料の流量並びに燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御してもよい。

次に、ステップＳ０５にて、制御装置３１は、水蒸気改質器２３での吸熱反応である水蒸気改質反応を継続させつつ燃料電池スタック１１を発電開始まで昇温させる。制御装置３１は、水蒸気改質器２３から燃料電池スタック１１に供給される原燃料及び水素等の燃料によって燃料電池スタック１１を加熱する。制御装置３１は、水蒸気改質器２３からの加熱によって発電開始に必要な温度まで燃料電池スタック１１を昇温させることに対応して、燃焼器１３から水蒸気改質器２３に供給される燃焼排ガスの加熱によって水蒸気改質触媒の温度を保持する。制御装置３１は、燃焼器１３からの加熱による水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒の温度保持、水蒸気改質器２３からの加熱による燃料電池スタック１１の昇温及び燃焼器１３でのオフガスの燃焼による温度保持に必要な燃料の流量を設定する。制御装置３１は、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３に対応する燃料供給により、燃料電池スタック１１の温度を制御するとともに、水蒸気改質器２３及び燃焼器１３の温度を保持する。

制御装置３１は、例えば、燃料電池スタック１１の温度又は水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各温度に応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１に流れる燃料並びに燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御する。
例えば、制御装置３１は、水蒸気改質器２３及び燃焼器１３の温度保持に一定流量の燃料及びアノードオフガスを設定する場合等にて、燃料電池スタック１１の温度のみに応じて燃料の流量を制御する。制御装置３１は、燃料電池スタック１１の所望の動作に必要な目標温度と第３温度センサ２７ｃから取得するスタック温度Ｔｓとの差異に基づいて、燃料の流量を制御する。制御装置３１は、例えば、目標温度とスタック温度Ｔｓとの差異に応じて燃料の目標流量の増減を設定又は目標温度とスタック温度Ｔｓとの差異に基づいて所定のマップデータを検索することによって燃料の目標流量を設定する。所定のマップデータは、例えば、燃料電池スタック１１の目標温度とスタック温度Ｔｓとの差異と、燃料電池スタック１１での燃料の目標流量との所定の対応関係を示すデータである。目標流量は、燃料電池スタック１１の発電開始に必要な目標温度に対応する燃料の流量である。制御装置３１は、燃料電池スタック１１での燃料の流量を目標流量に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。

また、制御装置３１は、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３で必要とされる燃料及びアノードオフガスの目標流量の積算を総目標流量としてもよい。例えば、制御装置３１は、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各々にて、所望の動作に必要な目標温度と温度の検出値との差異に応じて燃料（若しくはアノードオフガス）の目標流量の増減を設定又は目標温度と温度の検出値との差異に基づいて所定のマップデータを検索することによって燃料（若しくはアノードオフガス）の目標流量を設定する。所定のマップデータは、例えば、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各々にて、目標温度と温度の検出値との差異と、燃料（又はアノードオフガス）の目標流量との所定の対応関係を示すデータである。制御装置３１は、水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１での燃料の流量並びに燃焼器１３でのアノードオフガスの流量の積算を総目標流量に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。

次に、ステップＳ０６にて、制御装置３１は、水蒸気改質器２３での吸熱反応である水蒸気改質反応を継続させつつ、燃料電池スタック１１の発電を開始させるとともに定格発電に至るまで燃料電池スタック１１を昇温させる。制御装置３１は、水蒸気改質器２３からの加熱によって定格発電の開始に必要な温度まで燃料電池スタック１１を昇温させることに対応して、燃焼器１３の燃焼排ガスの加熱によって水蒸気改質触媒の温度を保持する。制御装置３１は、燃焼器１３からの加熱による水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒の温度保持、水蒸気改質器２３からの加熱による燃料電池スタック１１の昇温、燃料電池スタック１１の発電及び燃焼器１３でのオフガスの燃焼による温度保持に必要な燃料の流量を設定する。制御装置３１は、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３に対応する燃料供給により、燃料電池スタック１１の温度を制御するとともに、水蒸気改質器２３及び燃焼器１３の温度を保持する。

制御装置３１は、例えば、燃料電池スタック１１の温度又は水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各温度と、発電量とに応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１に流れる燃料並びに燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御する。
例えば、制御装置３１は、水蒸気改質器２３及び燃焼器１３の温度保持に一定流量の燃料及びアノードオフガスを設定する場合等にて、燃料電池スタック１１の温度のみと発電量とに応じて燃料の流量を制御する。制御装置３１は、燃料電池スタック１１の温度に関しては、上述したステップＳ０５と同様にして、目標温度とスタック温度Ｔｓとの差異に応じて燃料の目標流量の増減を設定又は所定のマップデータを検索することによって燃料の目標流量を設定する。目標流量は、燃料電池スタック１１の定格発電の開始に必要な目標温度に対応する燃料の流量である。さらに、制御装置３１は、燃料電池スタック１１の発電量に関しては、例えば、始動時の発電電流、発電電圧及び燃料利用率等に基づいて、理論的に燃料の目標流量を設定する。制御装置３１は、温度に基づく目標電流と発電量に基づく目標流量との積算を総目標流量とし、燃料電池スタック１１での燃料の流量を総目標流量に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。
また、制御装置３１は、例えば、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各温度に応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１に流れる燃料の流量並びに燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御してもよい。

次に、ステップＳ０７にて、制御装置３１は、水蒸気改質器２３での吸熱反応である水蒸気改質反応を継続させつつ、燃料電池スタック１１の定格発電を開始させる。制御装置３１は、水蒸気改質器２３からの加熱及び定格発電の自己発熱によって燃料電池スタック１１の温度を保持させることに対応して、燃焼器１３の燃焼排ガスの加熱によって水蒸気改質触媒の温度を保持する。制御装置３１は、燃焼器１３からの加熱による水蒸気改質器２３の水蒸気改質触媒の温度保持、水蒸気改質器２３からの加熱及び定格発電の自己発熱による燃料電池スタック１１の温度保持、燃料電池スタック１１の定格発電並びに燃焼器１３でのオフガスの燃焼による温度保持に必要な燃料の流量を設定する。制御装置３１は、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３に対応する燃料供給により、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の温度を保持する。そして、制御装置３１は、処理をエンドに進める。

制御装置３１は、例えば、燃料電池スタック１１の発電量又は発電量と、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各温度とに応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１に流れる燃料並びに燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御する。
例えば、制御装置３１は、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の温度保持に一定流量の燃料及びアノードオフガスを設定する場合等にて、燃料電池スタック１１の発電量に応じて燃料の流量を制御する。制御装置３１は、例えば、定格発電時の発電電流、発電電圧及び燃料利用率等に基づいて、理論的に燃料の目標流量を設定する。制御装置３１は、燃料電池スタック１１での燃料の流量を目標流量に一致させるように、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を制御する。
また、制御装置３１は、例えば、水蒸気改質器２３、燃料電池スタック１１及び燃焼器１３の各温度に応じて、燃料供給部１７から供給される原燃料に起因して水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１に流れる燃料の流量並びに燃焼器１３に流れるアノードオフガスの流量を制御してもよい。

以下に、制御装置３１が各デバイスでの燃料の流量を目標流量に一致させるように燃料供給部１７を制御する処理について説明する。
図３は、実施形態の燃料電池システム１０での各デバイスの燃料流量を制御する処理を示すフローチャートである。

図３に示すように、制御装置３１は、ステップＳ１１にて、後述する図４に示す一連の処理等によって設定される燃料流量の目標値（目標流量）Ｆａと、燃料供給部１７から出力される燃料流量の検出値Ｆｂと、を取得する。
次に、ステップＳ１２にて、制御装置３１は、燃料流量の目標値Ｆａが検出値Ｆｂよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」である場合、制御装置３１は処理をステップＳ１３に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」である場合、制御装置３１は処理をステップＳ１４に進める。

そして、ステップＳ１３にて、制御装置３１は、例えば燃料供給部１７のポンプの動作電圧等を増大させることによって、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を増大させる。そして、制御装置３１は、処理をエンドに進める。
また、ステップＳ１４にて、制御装置３１は、例えば燃料供給部１７のポンプの動作電圧等を低減させることによって、燃料供給部１７から供給される原燃料の流量を低減させる。そして、制御装置３１は、処理をエンドに進める。

以下に、制御装置３１が燃料電池システム１０の起動時に燃料の目標流量を設定する処理について説明する。
図４は、実施形態の燃料電池システム１０での各デバイスの燃料流量の目標値を設定する処理を示すフローチャートである。

図４に示すように、制御装置３１は、ステップＳ２１にて、デバイスの温度の目標値（目標温度）Ｔａと、各温度センサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ等からデバイスの温度の検出値Ｔｂと、を取得する。
次に、ステップＳ２２にて、制御装置３１は、温度の目標値Ｔａが検出値Ｔｂよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」である場合、制御装置３１は処理をステップＳ２３に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」である場合、制御装置３１は処理をステップＳ２４に進める。

そして、ステップＳ２３にて、制御装置３１は、デバイスでの燃料流量の目標値（目標流量）Ｆａを増大させる。そして、制御装置３１は、処理をエンドに進める。
また、ステップＳ２４にて、制御装置３１は、デバイスでの燃料流量の目標値（目標流量）Ｆａを低減させる。そして、制御装置３１は、処理をエンドに進める。
なお、制御装置３１は、燃料電池システム１０の発電時には、例えば、発電電流、発電電圧及び燃料利用率等に基づいて、理論的に燃料の目標流量を設定する。

図５は、実施形態の燃料電池システム１０での各デバイスの温度の目標値Ｔａと検出値Ｔｂとの変化の一例を示すグラフ図である。図６は、実施形態の燃料電池システム１０での各デバイスの燃料流量の目標値（燃料目標値）Ｆａの変化の例を示すグラフ図である。
図５及び図６に示すように、制御装置３１は、デバイスでの温度の目標値Ｔａと検出値Ｔｂとの差異に応じて、増減制御又はマップ制御によって燃料の目標値（燃料目標値）Ｆａを設定する。制御装置３１は、増減制御では燃料目標値Ｆａの増減のみを設定する。制御装置３１は、マップ制御では所定のマップデータを検索することによって、温度の目標値Ｔａと検出値Ｔｂとの差異に対応付けられる燃料目標値Ｆａを設定する。

例えば、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間のように、デバイスの温度の目標値Ｔａが検出値Ｔｂよりも大きい場合、増減制御では燃料目標値Ｆａの増大が指示されることによって、例えば所定の増大率等によって燃料目標値Ｆａが増大する。一方、時刻ｔ１以降の期間のように、デバイスの温度の目標値Ｔａが検出値Ｔｂよりも小さい場合、増減制御では燃料目標値Ｆａの低減が指示されることによって、例えば所定の低減率等によって燃料目標値Ｆａが低減する。
また、マップ制御では、予め設定された所定のマップデータに基づき、温度の目標値Ｔａと検出値Ｔｂとの差異に応じて燃料目標値Ｆａが変化する。なお、所定のマップデータは、温度の目標値Ｔａと検出値Ｔｂとの差異に限らず、例えば検出値Ｔｂに対応付けられる燃料目標値Ｆａのデータ等であってもよい。

上述したように、実施形態の燃料電池システム１０及び燃料電池システム１０の制御方法によれば、複数のデバイスの各々の動作モードでの目標温度と温度の検出値との差異に応じて各デバイスでの燃料の流量を制御する制御装置３１を備えることによって、始動時の適正な作動を確保しつつ運転効率の低下を抑制することができる。例えば、外乱又は劣化等に起因して各デバイスの動作に必要な燃料が変動する場合であっても、燃料の流量を適正に制御することができ、燃料電池スタック１１の早期劣化及び運転効率の低下等の不具合が生じることを抑制することができる。

制御装置３１は、目標温度と温度の検出値との差異に応じて燃料の増減を切り替えることによって、温度の検出値を目標温度に一致させることができる。また、制御装置３１は、目標温度と温度の検出値との差異に対応付けられる目標流量により燃料の流量を制御することによって、温度の検出値を、より迅速に精度良く目標温度に一致させることができる。

制御装置３１は、複数のデバイスの目標流量の積算を総目標流量とすることによって、燃料供給部１７からの燃料供給に対して、複数のデバイスの各々で温度状態に対応した燃料の流量制御が必要になる場合であっても、複数のデバイスの全体にて適正な燃料の流量を確保することができる。

制御装置３１は、始動時には目標温度と温度の検出値との差異に応じて目標流量を設定し、発電時には目標温度と温度の検出値との差異及び発電量に応じて目標流量を設定するので、例えば、発電開始前の各デバイスの昇温時及び発電開始後の各デバイスの温度保持状態の各々にて、燃料の流量を適正に制御することができる。

燃料電池システム１０は、始動時に水蒸気改質器２３の昇温を促す部分酸化器２１を備えることによって、システムを迅速に始動させることができる。
燃料電池システム１０は、燃焼排ガスに基づいて燃料電池スタック１１、部分酸化器２１及び水蒸気改質器２３を昇温させる燃焼器１３を備えることによって、例えば始動用バーナー又はヒーター等の追加的な機器を備える必要無しに、各デバイスを適正に昇温させることができる。

（変形例）
以下、実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。

上述した実施形態では、燃料供給部１７は、燃料の供給経路で直列的に配置される蒸発器１９、部分酸化器２１、水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１に順次に燃料を供給するとしたが、これに限定されない。
燃料供給部１７は、例えば、蒸発器１９、部分酸化器２１、水蒸気改質器２３及び燃料電池スタック１１の各々又は適宜の組み合わせに対して、並列的に独立して燃料を供給してもよい。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック（燃料電池）、１３…燃焼器、１７…燃料供給部、２１…部分酸化器（改質器）、２３…水蒸気改質器（改質器）、２７ａ…第１温度センサ（温度取得部）、２７ｂ…第２温度センサ（温度取得部）、２７ｃ…第３温度センサ（温度取得部）、３１…制御装置。

Claims (7)

1. アノードに供給される燃料及びカソードに供給される酸化剤によって発電する燃料電池と、
   原燃料の少なくとも一部を改質することによって前記燃料電池に前記燃料を供給する改質器と、
   前記原燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、
   少なくとも前記燃料電池及び前記改質器を含む複数のデバイスの各々の温度を取得する複数の温度取得部と、
   始動時の複数の運転工程に対応する各前記複数のデバイスの動作モードでの目標温度と前記温度取得部によって取得される前記温度との差異に応じて各前記複数のデバイスでの前記燃料の流量を制御する制御装置と、
   を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、
   前記差異に応じて前記燃料の流量の増減を切り替える、又は、前記燃料の流量を前記温度取得部によって取得される前記温度に対応付けられる目標流量に一致させるように制御する
   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. 前記制御装置は、
   前記複数のデバイスでの前記燃料の目標流量の積算を総目標流量とする
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、
   始動時での前記燃料の目標流量を前記差異に応じて設定し、
   発電時での前記燃料の目標流量を前記差異及び発電量に応じて設定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記改質器は、
   部分酸化反応を生じさせる部分酸化器と、
   水蒸気改質反応を生じさせる水蒸気改質器と、
   を備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記アノード及び前記カソードから排出される排出流体を燃焼させることによって燃焼排ガスを発生させる燃焼器を備え、
   前記燃料電池及び前記改質器の各々は前記燃焼器から排出される前記燃焼排ガスに基づいて加熱される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. アノードに供給される燃料及びカソードに供給される酸化剤によって発電する燃料電池と、
   原燃料の少なくとも一部を改質することによって前記燃料電池に前記燃料を供給する改質器と、
   前記原燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、
   少なくとも前記燃料電池及び前記改質器を含む複数のデバイスの各々の温度を取得する複数の温度取得部と、
   各前記複数のデバイスでの前記燃料の流量を制御する制御装置と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記制御装置が、複数の運転工程に対応する各前記複数のデバイスの動作モードでの目標温度と前記温度取得部によって取得される前記温度との差異に応じて各前記複数のデバイスでの前記燃料の流量を制御するステップを含む
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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