JP6468910B2

JP6468910B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6468910B2
Application number: JP2015067044A
Authority: JP
Inventors: 真吾渡邉; 田中　雅士; 雅士田中; 義彦小山
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: JP2016186908A

Description

本発明は、炭化水素を含む原燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と運転中に改質部を加熱するための改質用加熱部とを有する燃料改質装置、及び、燃料改質装置から供給される改質ガスを燃料として用いて発電する燃料電池発電装置、及び、燃料改質装置及び燃料電池発電装置の運転を制御する運転制御装置を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを発電運転させるためには、燃料電池発電装置の燃料となる改質ガスが、燃料改質装置で適切なガス組成で生成されている必要がある。特に、炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、少なくとも改質部は、改質反応が行われるのに適した温度にまで昇温されていなければ、適切なガス組成の改質ガスを生成することはできない。

特許文献１には、改質器を改質反応を行える温度に急速に上昇させるとともに、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器から成るＣＯ低減手段を加熱して温度を急速に上昇させて、発電までの起動時間を短縮することを目的とした燃料電池システムが記載されている。発電までの起動時間を短縮できると、改質器を加熱するための改質用加熱部を運転させるための燃料の消費を少なくできるという点も記載されている。

特開２００８−０１０３６９号公報

燃料改質装置の改質部が設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に短くさせる高速起動モードを実施すれば、上述したように、燃料電池システムでの発電運転を開始するまでに要する時間を短縮できると共に、改質器を加熱するための改質用加熱部を運転させるのに要する燃料の消費を少なくできるという利点がある。
しかし、このような高速起動モードを実施すると、改質触媒を収容している改質部の構造体に急激な温度変化を与えることになり、加えて、燃料改質装置の内部での温度のばらつきが大きくなる可能性がある。そのため、燃料改質装置内の触媒の劣化や構造体の劣化が促進されることになり、その耐久性が低くなる可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速起動モードを実施しながら装置の急激な劣化も抑制できる燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、炭化水素を含む原燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と運転中に前記改質部を加熱するための改質用加熱部とを有する燃料改質装置、前記燃料改質装置から供給される改質ガスを燃料として用いて発電する燃料電池発電装置、並びに前記燃料改質装置及び前記燃料電池発電装置の運転を制御する運転制御装置を備える燃料電池システムであって、
前記運転制御装置は、
前記燃料改質装置の起動工程を開始してから前記改質部が設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に短くさせる高速起動モード、又は、前記起動工程を開始してから前記改質部が前記設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に長くさせる低速起動モードで当該起動工程を実施することができ、
過去に実施した前記起動工程の実施回数に対応する実施回数指標値を記憶すると共に、前記高速起動モードで前記起動工程を行ったときは当該起動工程の実施に対応する第１実施回数値を現状の前記実施回数指標値に加算して新たな前記実施回数指標値を導出し、前記低速起動モードで前記起動工程を行ったときは当該起動工程の実施に対応する、前記第１実施回数値よりも小さい第２実施回数値を現状の前記実施回数指標値に加算して新たな前記実施回数指標値を導出し、
新たに前記起動工程を実施するのに先立って、前記高速起動モード及び前記低速起動モードの何れで当該起動工程を実施するかを決定する起動モード決定処理を実施し、
前記起動モード決定処理において、現状の前記実施回数指標値に前記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下のとき前記高速起動モードで前記起動工程を実施すると決定し、前記仮の実施回数指標値が前記基準指標値より大きいとき前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する点にある。

上記特徴構成によれば、運転制御装置は、新たに起動工程を実施するのに先立って、現状の実施回数指標値に上記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下のとき高速起動モードで起動工程を実施すると決定し、仮の実施回数指標値が基準指標値より大きいとき低速起動モードで起動工程を実施すると決定する起動モード決定処理を実施する。つまり、高速起動モードでの起動工程は、無制限に実施されるのではなく、現状の実施回数指標値に上記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下という一定の制限下で実施されることが確保される。その結果、高速起動モードでの起動工程が実施された場合に起こり得る各触媒の劣化や、構造体に加わる熱応力の不均衡などによる構造体の劣化などの進行も制限されて、燃料電池システムの長寿命化が達成される。
また、運転制御装置は、現状の実施回数指標値に上記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下であれば高速起動モードでの起動工程を実施するので、燃料電池システムでの発電運転を開始するまでに要する時間を短縮できると共に、改質器を加熱するための改質用加熱部を運転させるのに要する燃料の消費を少なくできる。
従って、高速起動モードを実施しながら装置の急激な劣化も抑制できる燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記基準指標値が、前記燃料改質装置又は前記燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が長くなるにつれて大きな値に設定される点にある。

上記特徴構成によれば、燃料改質装置又は燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が短いときは基準指標値も相対的に小さい値に設定され、燃料改質装置又は燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が長くなると基準指標値も相対的に大きい値に設定される。ここで、基準指標値が大きければ、その分だけ高速起動モードでの起動工程の実施が許容される回数も多くなる。つまり、本特徴構成では、高速起動モードでの起動工程の実施が、燃料改質装置又は燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が短い間に集中して行われるのではなく、燃料改質装置又は燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が増大するにつれてその実施回数を増加させながら行われるようになる。従って、高速起動モードでの起動工程が実施された場合に起こり得る各触媒の劣化や、構造体に加わる熱応力の不均衡などによる構造体の劣化などが、燃料改質装置又は燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が短い間に大きく進行することを制限できる。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記運転制御装置は、前記起動モード決定処理において、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下であるという停止期間条件が満たされるとき、前記仮の実施回数指標値に関わらず、前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する点にある。

改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下という短い期間であれば、未だ改質部の温度が相対的に高い可能性が高い。
そこで本特徴構成では、運転制御装置は、上記停止期間条件が満たされるとき、上述した仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。その結果、高速起動モードで実施するような急激な加熱を行わなくても、改質部の温度が設定温度に到達するまでに要する期間が短くなることを期待できる。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記運転制御装置は、前記起動モード決定処理において、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するときの前記改質部の温度又は前記改質用加熱部の温度が基準温度以上であるという温度条件が満たされるとき、前記仮の実施回数指標値に関わらず、前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する点にある。

上記特徴構成によれば、運転制御装置は、改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するときの改質部の温度又は改質用加熱部の温度が基準温度以上であれば、上述した仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。その結果、高速起動モードで実施するような急激な加熱を行わなくても、改質部の温度が設定温度に到達するまでに要する期間が短くなることを期待できる。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記運転制御装置は、前記起動モード決定処理において、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下であるという停止期間条件、及び、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するときの前記改質部の温度又は前記改質用加熱部の温度が基準温度以上であるという温度条件の少なくとも何れか一方が満たされるとき、前記仮の実施回数指標値に関わらず、前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する点にある。

改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下という短い期間であれば、未だ改質部の温度が相対的に高い可能性が高い。また、改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するときの改質部の温度又は改質用加熱部の温度が基準温度以上であるか否かを直接検出してもよい。
そして本特徴構成では、運転制御装置は、上記停止期間条件及び上記温度条件の少なくとも何れか一方が満たされるとき、上述した仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。その結果、高速起動モードで実施するような急激な加熱を行わなくても、改質部の温度が設定温度に到達するまでに要する期間が短くなることを期待できる。

燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。基準指標値の例を示す図である。別の基準指標値の例を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、炭化水素を含む原燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部１２と運転中に改質部１２を加熱するための改質用加熱部としての燃焼部１３とを有する燃料改質装置１０、及び、燃料改質装置１０から供給される改質ガスを燃料として用いて発電する燃料電池発電装置２０、及び、燃料改質装置１０及び燃料電池発電装置２０の運転を制御する運転制御装置１を備える。本実施形態では、燃料改質装置１０が、脱硫部１１と、改質部１２と、燃焼部（改質用加熱部）１３と、変成部１４と、除去部１５と、水蒸気生成部１６と、熱交換部１７とを有する例を説明する。

脱硫部１１は、炭化水素を含む原燃料ガスを改質部１２に供給する原燃料ガス流路Ｌ１の途中に設けられ、供給される原燃料（例えば都市ガス）などに付臭剤として含まれる硫黄化合物を脱硫処理する。脱硫部１１への原燃料ガスの供給量、即ち、改質部１２への原燃料の供給量は、運転制御装置１が、脱硫部１１よりも上流側の原燃料ガス流路Ｌ１に設けられる弁Ｖ１を用いて調節する。また、脱硫部１１は、収容している脱硫触媒の温度を調節する温度調節手段１１ａを備える。この温度調節手段１１ａは、例えば電気ヒーターである。そして、運転制御装置１は、脱硫部１１（脱硫触媒）の温度が目標温度になるように温度調節手段１１ａの動作を制御する。

水蒸気生成部１６は、水供給路Ｌ１０から供給される水を、燃焼部１３から排出される熱を用いて蒸発させて、改質部１２に水蒸気を供給する。具体的には、水蒸気生成部１６に隣接して設けられる熱交換部１７には、燃焼部１３から排出された燃焼排ガスが改質部１２への熱供給を行った後で燃焼排ガス流路Ｌ４を介して供給される。そして、その燃焼排ガスが有する熱が水蒸気生成部１６に伝達されて水の蒸発に利用される。水蒸気生成部１６で生成された水蒸気は、水蒸気流路Ｌ１１を通って、脱硫部１１よりも下流側の原燃料ガス流路Ｌ１に合流する。その結果、改質部１２には、水蒸気と脱硫処理後の原燃料ガスとが混合して供給されることになる。水蒸気生成部１６への水の供給量、即ち、改質部１２への水蒸気の供給量は、運転制御装置１が調節する。

燃焼部１３は、可燃性ガスを燃焼して燃焼熱を発生させる。可燃性ガスとしては、後述するように、燃料電池発電装置２０の燃料極（図示せず）から排出されたアノード排ガス（発電反応で消費されなかった水素を含むガス）、又は、都市ガスなどの燃焼用燃料ガス、或いは、それら両方を混合して用いることができる。また、燃焼部１３には可燃性ガスの燃焼用の空気（酸素）も燃焼用空気流路Ｌ９を介して供給されている。

改質部１２は、原燃料ガスを水蒸気の存在下で改質処理して、水素を主成分とする改質ガスを生成する。具体的には、改質部１２には、水蒸気と脱硫処理後の原燃料とが混合された状態で供給される。そして、改質部１２は、隣接して設けられる燃焼部１３で発生された燃焼熱を利用して原燃料を水蒸気改質して、水素を主成分とし、副生成物としての一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスを生成する。改質部１２での改質処理によって生成された改質ガスは、改質部１２よりも下流側の改質ガス流路Ｌ２へと送り出される。

変成部１４は、改質ガス流路Ｌ２の途中に設けられ、改質部１２にて生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、変成部１４において、改質部１２で生成された改質ガス中に含まれている一酸化炭素と水蒸気とが反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。また、変成部１４は、収容している一酸化炭素変成触媒の温度を調節する温度調節手段１４ａを備える。この温度調節手段１４ａは、例えば電気ヒーターである。そして、運転制御装置１は、変成部１４（一酸化炭素変成触媒）の温度が目標温度になるように温度調節手段１４ａの動作を制御する。

除去部１５は、改質ガス流路Ｌ２の途中に設けられ、変成部１４から排出される変成処理後の改質ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。例えば、除去部１５において、変成処理後の改質ガス中に残っている一酸化炭素が、新たに添加された空気中の酸素によって酸化除去される。その結果、一酸化炭素濃度の非常に低い、水素リッチな改質ガスが生成される。また、除去部１５は、収容している一酸化炭素除去触媒の温度を調節する温度調節手段１５ａを備える。そして、運転制御装置１は、除去部（一酸化炭素除去触媒）１５の温度が目標温度になるように温度調節手段１５ａの動作を制御する。

燃料電池発電装置２０は、除去部１５によって一酸化炭素濃度が低減された後の改質ガスの供給を改質ガス流路Ｌ２を介して受ける。具体的には、燃料電池発電装置２０のセルスタック２１が有する燃料極（図示せず）には改質ガス流路Ｌ２を介して上記改質ガスが供給され、セルスタック２１が有する酸素極（図示せず）には酸化剤ガス流路Ｌ５を介して酸素（空気）が供給されて、発電反応が行われる。セルスタック２１の出力電力（即ち、発電反応の量）は、運転制御装置１が、セルスタック２１にとっての電力負荷となるパワーコンディショナ（図示せず）を用いて調節し、その電力が電力消費装置（図示せず）に供給される。尚、セルスタック２１に供給される水素の量が、セルスタック２１の出力電力を発生させるための発電反応に要する水素の量よりも多ければ、その過剰の水素は、セルスタック２１での発電反応で消費されることなくセルスタック２１の燃料極から排出される。そして、セルスタック２１の燃料極から排出されたアノード排ガス（発電反応で消費されなかった水素を含むガス）は、アノード排ガス流路Ｌ３を通って燃焼部１３に供給され、可燃性ガスとして燃焼される。また、アノード排ガス流路Ｌ３の途中には、都市ガスなどの燃焼用燃料ガスを供給するための燃焼用ガス流路Ｌ７が接続されている。アノード排ガス流路Ｌ３への燃焼用燃料ガスの供給量は、運転制御装置１が、燃焼用ガス流路Ｌ７の途中に設けられる弁Ｖ５を用いて調節する。セルスタック２１の酸素極から排出されたカソード排ガスはカソード排ガス流路Ｌ６を介して排気される。

本実施形態では、除去部１５と燃料電池発電装置２０との間の改質ガス流路Ｌ２の途中にその流路を開閉可能な弁Ｖ２が設けられている。また、除去部１５とその弁Ｖ２との間の改質ガス流路Ｌ２の途中の分岐部２２と、アノード排ガス流路Ｌ３の途中の合流部２３とはバイパス流路Ｌ８で接続される。バイパス流路Ｌ８の途中には、その流路を開閉可能な弁Ｖ３が設けられている。

燃料電池システムの運転を停止しているとき、例えば、弁Ｖ１、弁Ｖ２、弁Ｖ３、弁Ｖ４、弁Ｖ５が何れも閉止されている。そして、弁Ｖ１、弁Ｖ２、弁Ｖ３、弁Ｖ５で囲まれる燃料改質装置１０の内部の領域は、例えば原燃料ガスが充填された状態で保管される。弁Ｖ２及び弁Ｖ４で囲まれるセルスタック２１の内部の領域は、例えば改質ガスが充填された状態で保管される。

〔起動工程〕
燃料電池システムの運転を開始するとき、運転制御装置１は、燃料改質装置１０の起動工程を実施する。運転制御装置１は、この起動工程を開始するとき、弁Ｖ１を開放して原燃料ガスを脱硫部１１に供給し、水を水蒸気生成部１６に供給し、弁Ｖ５を開放して燃焼用燃料ガスを燃焼用ガス流路Ｌ７及びアノード排ガス流路Ｌ３を介して燃焼部１３に供給して燃焼部１３を燃焼作動させる。また、運転制御装置１は、脱硫部１１の温度調節手段１１ａ、変成部１４の温度調節手段１４ａ、除去部１５の温度調節手段１５ａを加熱作動させて、脱硫部１１及び変成部１４及び除去部１５の昇温を行う。運転制御装置１は、起動工程を開始した時点では、弁Ｖ２を閉止し、且つ、弁Ｖ３を開放している。その結果、改質部１２で生成された改質ガスは、燃料電池発電装置２０へ供給されず、全量がバイパス流路Ｌ８及びアノード排ガス流路Ｌ３を通って燃焼部１３で燃焼される。運転制御装置１は、この状態で運転を継続し、例えば改質部１２に設けられている温度センサＴ１で改質触媒の温度が設定温度に達すると、燃料改質装置１０の起動工程が完了したと判定する。そして、運転制御装置１は、弁Ｖ２を開放し、弁Ｖ３を閉止して、改質部１２で生成された改質ガスの全量が燃料電池発電装置２０に供給されるようにする。また、運転制御装置１は、燃焼用ガス流路Ｌ７を介して供給する燃焼用燃料ガスの量を、例えば、燃焼部１３に設けた温度センサＴ２の検出温度が所定の温度になるように適宜調節する。

本実施形態では、運転制御装置１は、燃料改質装置１０の起動工程を開始してから改質部１２が設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に短くさせる高速起動モード、又は、起動工程を開始してから改質部１２が設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に長くさせる低速起動モードで当該起動工程を実施することができる。

例えば、運転制御装置１は、高速起動モードで上述した起動工程を実施するとき、燃焼用ガス流路Ｌ７を介して供給する単位時間当たりの燃焼用燃料ガスの量を相対的に多くして、燃焼部１３で発生する単位時間当たりの燃焼熱量を多くする。それにより、起動工程を開始してから改質部１２が設定温度に到達するまでに要する期間が相対的に短くなる。また、運転制御装置１は、脱硫部１１の温度調節手段１１ａを構成する電気ヒーター、変成部１４の温度調節手段１４ａを構成する電気ヒーター、除去部１５の温度調節手段１５ａを構成する電気ヒーターへ流す電流量を相対的に多くする。それにより、起動工程を開始してから脱硫部１１及び変成部１４及び除去部１５がそれぞれの設定温度に到達するまでに要する期間も相対的に短くなる。その結果、燃料改質装置１０の起動工程を開始してから、適切なガス組成の改質ガスを燃料改質装置１０から燃料電池発電装置２０へと供給できるようになるまでに要する期間を短くさせることができる。

これに対して、運転制御装置１は、低速起動モードで上述した起動工程を開始するとき、上記高速起動モードと比較して、燃焼用ガス流路Ｌ７を介して供給する単位時間当たりの燃焼用燃料ガスの量を相対的に少なくして、燃焼部１３で発生する単位時間当たりの燃焼熱量を多くする。また、運転制御装置１は、脱硫部１１の温度調節手段１１ａを構成する電気ヒーター、変成部１４の温度調節手段１４ａを構成する電気ヒーター、除去部１５の温度調節手段１５ａを構成する電気ヒーターへ流す電流量を相対的に少なくする。低速起動モードでは、燃料改質装置１０の起動工程を開始してから、適切なガス組成の改質ガスを燃料改質装置１０から燃料電池発電装置２０へと供給できるようになるまでに要する期間が長くなってしまうが、改質部１２、脱硫部１１、変成部１４、除去部１５、燃焼部１３での温度上昇が緩やかであるため、それらの構造体に急激な温度変化は発生しない。これに対して、高速起動モードの場合、燃焼部１３のバーナ（図示せず）の近傍、脱硫部１１の温度調節手段１１ａを構成する電気ヒーターの近傍、変成部１４の温度調節手段１４ａを構成する電気ヒーターの近傍、除去部１５の温度調節手段１５ａを構成する電気ヒーターの近傍で特に温度が高い状態が発生するため、その内部で温度分布のばらつきが生じ易い。そのため、各触媒の劣化や、構造体に加わる熱応力の不均衡などによる構造体の劣化などが生じ易くなる。

以上のように、高速起動モードは、適切なガス組成の改質ガスを燃料改質装置１０から燃料電池発電装置２０へと供給できるようになるまでに要する期間を短くさせることができる点で利点があるが、低速起動モードと比較して、燃料改質装置１０の劣化が促進される可能性が高いという問題がある。
そこで、本実施形態では、新たに起動工程を実施するのに先立って、高速起動モード及び低速起動モードの何れで当該起動工程を実施するかを決定する起動モード決定処理を実施することとする。

まず、運転制御装置１は、過去に実施した起動工程の実施回数に対応する実施回数指標値を記憶装置２に記憶させている。
起動工程を高速起動モード及び低速起動モードの何れで行ったかに関わらず、起動工程を行うことで燃料改質装置１０の各部では温度変化に伴って触媒の劣化や構造体の劣化などが起こり得る。そのため、過去に実施した起動工程の実施回数は、燃料改質装置１０の劣化度合いを表しているとも言える。但し、低速起動モードで起動工程を行う場合には、一部の触媒のみが特に高温に曝されるといったこともなく、構造体に加わる熱応力の大きな不均衡なども発生しない。つまり、低速起動モードで起動工程を行った場合の燃料改質装置１０の劣化は比較的小さいと言える。これに対して、高速起動モードで起動工程を行う場合には、一部の触媒のみが特に高温に曝されるといったことがあり、構造体に加わる熱応力の大きな不均衡なども発生する。つまり、高速起動モードで起動工程を１回行った場合の燃料改質装置１０の劣化の程度は、低速起動モードで起動工程を１回行った場合の燃料改質装置１０の劣化の程度よりも大きくなると言える。

従って、本実施形態では、高速起動モードで起動工程を行ったときはその起動工程の実施回数に対して第１実施回数値（例えば「１０」等）を対応付け、低速起動モードで起動工程を行ったときはその起動工程の実施回数に対して、上記第１実施回数値よりも小さい第２実施回数値（例えば「１」等）を対応付ける。つまり、高速起動モードに対応する第１実施回数を「１０」とし、低速起動モードに対応する第２実施回数値を「１」とすることは、高速起動モードで起動工程を１回行った場合の燃料改質装置１０の劣化の程度は、低速起動モードで起動工程を１回行った場合の燃料改質装置１０の劣化の程度よりも１０倍大きくなると見なしていることを示している。

図２は、燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。
工程＃１０において運転制御装置１は、新たに起動工程を実施するのに先立って、高速起動モード及び低速起動モードの何れで当該起動工程を実施するかを決定する起動モード決定工程（起動モード決定処理）を実施する。この工程において運転制御装置１は、現状の実施回数指標値に第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下のとき高速起動モードで起動工程を実施すると決定し、仮の実施回数指標値が基準指標値より大きいとき低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。運転制御装置１は、高速起動モードでの起動工程の実施回数に制限を設けるためにこの起動モード決定工程を実施している。具体的には、上記基準指標値という上限値を設け、これまでの起動工程の実施で積算された実施回数指標値に対して第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値がその基準指標値以下のときにのみ高速起動モードでの起動工程の実施を許容する。例えば、基準指標値は、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間が長くなるにつれて大きな値に設定される。ここで説明する過去の積算運用期間は、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０を運用するときに管理されている時間指標の積算値である。例えば、燃料改質装置１０の過去の積算運転期間、燃料改質装置１０を設置して以後の過去の積算設置期間、燃料電池発電装置２０の過去の積算運転期間、燃料電池発電装置２０の過去の積算システム通電時間、燃料電池発電装置２０を設置して以後の過去の積算設置期間などの様々な値を、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間として利用できる。

図３は、基準指標値の例を示す図であり、具体的には、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間と基準指標値との関係例を示す図である。この関係例では、基準指標値：Ｙは、積算運用期間：Ｔと、適宜設定される定数ａ，ｂとを用いて、Ｙ＝ａＴ＋ｂというように、積算運用期間：Ｔの関数で表されている。具体例を挙げると、ａ＝３６５０／８７６００，ｂ＝０である。つまり、Ｙ＝（３６５０／８７６００）Ｔとなる。この場合、運転制御装置１は、過去に実施した起動工程の実施回数に対応する実施回数指標値を記憶装置２に記憶させると共に、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間も記憶装置２に記憶させている。そして、運転制御装置１は、起動モード決定工程を実施する度に、上記関係式に基づいて基準指標値を導出し、これまでの実施回数指標値に対して第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値がその基準指標値以下のときにのみ高速起動モードでの起動工程の実施を許容する。

このように、積算運用期間：Ｔが短いときは基準指標値：Ｙも相対的に小さい値に設定され、積算運用期間：Ｔが長くなると基準指標値：Ｙも相対的に大きい値に設定される。ここで、基準指標値が大きければ、その分だけ高速起動モードでの起動工程の実施が許容される回数も多くなる。つまり、本実施形態では、高速起動モードでの起動工程の実施が、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間が短い間に集中して行われるのではなく、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間が増大するにつれてその実施回数を増加させながら行われるようになる。従って、高速起動モードでの起動工程が実施された場合に起こり得る各触媒の劣化や、構造体に加わる熱応力の不均衡などによる構造体の劣化などが、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間が短い間に大きく進行することを制限できる。

その後、工程＃２０において運転制御装置１は、起動モード決定工程で決定したモードで、上述した起動工程（起動処理）を実施する。

工程＃３０において運転制御装置１は、高速起動モードで起動工程を行ったときは当該起動工程の実施に対応する第１実施回数値を現状の実施回数指標値に加算して新たな実施回数指標値を導出し、及び、低速起動モードで起動工程を行ったときは当該起動工程の実施に対応する、第１実施回数値よりも小さい第２実施回数値を現状の実施回数指標値に加算して新たな実施回数指標値を導出して、その新たな実施回数指標値を記憶装置２に記憶させる実施回数加算工程を実施する。

以上のように、本実施形態では、高速起動モードでの起動工程は、無制限に実施されるのではなく、現状の実施回数指標値に上記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下という一定の制限下で実施されることが確保される。その結果、高速起動モードでの起動工程が実施された場合に起こり得る各触媒の劣化や、構造体に加わる熱応力の不均衡などによる構造体の劣化などの進行も制限されて、燃料電池システムの長寿命化が達成される。また、運転制御装置１は、現状の実施回数指標値に上記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下であれば高速起動モードでの起動工程を実施するので、燃料電池システムでの発電運転を開始するまでに要する時間を短縮できると共に、改質器を加熱するための改質用加熱部を運転させるのに要する燃料の消費を少なくできる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池システムは、運転制御装置１が行う起動モード決定工程の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第２実施形態の燃料電池システムにおいて、運転制御装置１は、起動モード決定処理（起動モード決定工程）において、燃料改質装置１０の停止工程の実施に伴って燃焼部１３が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するまでの間の所定の停止条件が満たされるとき、上記仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。

例えば、上記所定の停止条件としては、燃料改質装置１０の停止工程の実施に伴って改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下（例えば、１２時間以下など）であるという停止期間条件を挙げることができる。つまり、改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下という短い期間であれば、未だ改質部１２の温度が相対的に高い可能性が高い。そのため、高速起動モードで実施するような急激な加熱を行わなくても、改質部１２の温度が設定温度に到達するまでに要する期間は短くなることが期待できる。従って、運転制御装置１は、上記停止期間条件が満たされるとき、上述した仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。尚、上述した１２時間という基準停止期間は例示目的で記載した数値であり、適宜変更可能である。

或いは、上記所定の停止条件としては、燃料改質装置１０の停止工程の実施に伴って改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するときの改質部１２の温度又は改質用加熱部の温度が基準温度以上（例えば、５０℃以上など）であるという温度条件を挙げることができる。つまり、改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するときの改質部１２の温度又は改質用加熱部の温度が基準温度以上であれば、高速起動モードで実施するような急激な加熱を行わなくても、改質部１２の温度が設定温度に到達するまでに要する期間は短くなることが期待できる。従って、運転制御装置１は、上記温度条件が満たされるとき、上述した仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定する。尚、上述した５０℃という基準温度は例示目的で記載した数値であり、適宜変更可能である。

また或いは、上記所定の停止条件としては、上記停止期間条件及び上記温度条件を併用してもよい。つまり、運転制御装置１が、燃料改質装置１０の停止工程の実施に伴って改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下であるという停止期間条件、及び、燃料改質装置１０の停止工程の実施に伴って改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に起動工程を開始するときの改質部１２の温度又は改質用加熱部の温度が基準温度以上であるという温度条件の少なくとも何れか一方が満たされるとき、仮の実施回数指標値に関わらず、低速起動モードで起動工程を実施すると決定してもよい。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、燃料改質装置１０は、水蒸気生成部１６を加熱可能な電気ヒーターを追加で備えていてもよい。つまり、水蒸気生成部１６は、熱交換部１７及び電気ヒーターの少なくとも何れか一方から得られる熱を利用して、供給される水を蒸発させるように構成してもよい。

＜２＞
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムの構成を説明するために具体的な数値を挙げたが、それらの数値は単に例示目的で記載したものであり、適宜変更可能である。
例えば、高速起動モードで起動工程を行ったときの第１実施回数値を「１０」とし、低速起動モードで起動工程を行ったときの第２実施回数値を「１」とする例を説明したが、例えば、第１実施回数値を「５」とし、第２実施回数値を「２」とするなどの変更を適宜行ってもよい。

＜３＞
上記実施形態では、図３に例示したように、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間Ｔと基準指標値ＹとがＹ＝ａＴ＋ｂという関係で設定される場合を例示したが、燃料改質装置１０又は燃料電池発電装置２０の過去の積算運用期間Ｔと基準指標値Ｙとが別の関係で設定されてもよい。
図４は、別の基準指標値の例を示す図である。この例では、積算運用期間Ｔが短い間は、基準指標値Ｙは一定値となるように設定され、積算運用期間Ｔが長くなるにつれて、基準指標値Ｙは連続的又は段階的に増加するように設定されている。

本発明は、高速起動モードを実施しながら装置の急激な劣化も抑制できる燃料電池システムに利用できる。

１運転制御装置
１０燃料改質装置
１２改質部
１３燃焼部（改質用加熱部）
２０燃料電池発電装置

Claims

炭化水素を含む原燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と運転中に前記改質部を加熱するための改質用加熱部とを有する燃料改質装置、前記燃料改質装置から供給される改質ガスを燃料として用いて発電する燃料電池発電装置、並びに前記燃料改質装置及び前記燃料電池発電装置の運転を制御する運転制御装置を備える燃料電池システムであって、
前記運転制御装置は、
前記燃料改質装置の起動工程を開始してから前記改質部が設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に短くさせる高速起動モード、又は、前記起動工程を開始してから前記改質部が前記設定温度に到達するまでに要する期間を相対的に長くさせる低速起動モードで当該起動工程を実施することができ、
過去に実施した前記起動工程の実施回数に対応する実施回数指標値を記憶すると共に、前記高速起動モードで前記起動工程を行ったときは当該起動工程の実施に対応する第１実施回数値を現状の前記実施回数指標値に加算して新たな前記実施回数指標値を導出し、前記低速起動モードで前記起動工程を行ったときは当該起動工程の実施に対応する、前記第１実施回数値よりも小さい第２実施回数値を現状の前記実施回数指標値に加算して新たな前記実施回数指標値を導出し、
新たに前記起動工程を実施するのに先立って、前記高速起動モード及び前記低速起動モードの何れで当該起動工程を実施するかを決定する起動モード決定処理を実施し、
前記起動モード決定処理において、現状の前記実施回数指標値に前記第１実施回数値を加算して得られる仮の実施回数指標値が基準指標値以下のとき前記高速起動モードで前記起動工程を実施すると決定し、前記仮の実施回数指標値が前記基準指標値より大きいとき前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する燃料電池システム。
前記基準指標値は、前記燃料改質装置又は前記燃料電池発電装置の過去の積算運用期間が長くなるにつれて大きな値に設定される請求項１に記載の燃料電池システム。
前記運転制御装置は、前記起動モード決定処理において、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下であるという停止期間条件が満たされるとき、前記仮の実施回数指標値に関わらず、前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記運転制御装置は、前記起動モード決定処理において、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するときの前記改質部の温度又は前記改質用加熱部の温度が基準温度以上であるという温度条件が満たされるとき、前記仮の実施回数指標値に関わらず、前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記運転制御装置は、前記起動モード決定処理において、
前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するまでの停止期間が基準停止期間以下であるという停止期間条件、及び、前記燃料改質装置の停止工程の実施に伴って前記改質用加熱部が加熱運転を停止した後、次に前記起動工程を開始するときの前記改質部の温度又は前記改質用加熱部の温度が基準温度以上であるという温度条件の少なくとも何れか一方が満たされるとき、前記仮の実施回数指標値に関わらず、前記低速起動モードで前記起動工程を実施すると決定する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。