JP7068052B2 - 燃料電池システム、起動制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システム、起動制御プログラムに関する。

燃料電池システム、例えば、固体酸化物型燃料電池システム（ＳＯＦＣ）では、原料ガスと水とが改質器へ供給されることで水蒸気改質されて水素ガスを含む改質ガスが生成される。改質ガスがセルスタックのアノードへ供給され、酸化剤ガス（空気）が燃料電池スタックのカソードへ供給されることで、セルスタックが発電する。

ところで、ＳＯＦＣを含め、燃料電池システムでは、発電（通常動作）する準備段階として、起動動作が必要となる。起動動作では、セルスタックの内部温度Ｔｓが所定温度Ｔｃｓに達するまで加熱する制御が実行される。

このため、起動動作では、改質器に原料ガスのみを供給し（水を供給しない）、非反応で通過した原料ガスと、酸化剤ガスとを、加熱手段により燃焼する。加熱手段としては、燃料電池システムの一部を構成する燃焼器（発電後に発生するカソードガスを燃焼し排ガスとして排出する機能）を用いてもよいし、外部に設置してもよい。

ここで、従来の起動動作では、改質器において、炭素析出が発生する臨界の温度Ｔｒｅｆ１を考慮し、原料ガスの流量を調整して改質器の内部温度Ｔｋの上昇勾配を制御している。この改質器の内部温度を上昇勾配の制御により、改質器の内部温度Ｔｋが温度Ｔｒｅｆ１に達する前に、セルスタックの内部温度Ｔｓを所定温度Ｔｃｓに到達させることができる。

なお、特許文献１には、燃料電池システムの起動動作において、燃焼器の温度に基づいて原料ガスを燃焼器に間欠的に供給し、燃焼器の局所的な過昇温を防止することが記載されている。

特開２０１６－２０７３０８号公報

しかしながら、起動動作において、原料ガスの流量を調整して改質器の内部温度の上昇勾配を制御している。この改質器の内部温度を上昇勾配の制御により、改質器の内部温度Ｔｋが温度Ｔｒｅｆ１に達する前に、セルスタックの内部温度Ｔｓを所定温度Ｔｃｓに到達させる制御は、原料ガスの流量調整が煩雑であり、また、原料ガスを所謂絞っている分、セルスタックの内部温度Ｔｓの上昇勾配も小さくなり、原料ガスを最大流量で加熱手段を加熱するよりも、作動温度に達するまでに時間を要する。

すなわち、原料ガスの流量制御は、流量を増やせば改質器の内部温度Ｔｋが過度となり、流量を減らせばセルスタックの内部温度Ｔｓの作動温度までの立ち上がりを遅らせるという、二律背反の関係がある。

なお、特許文献１に記載された先行技術では、構造体の熱的負担を低減するという利点はあるが、燃焼器の熱的負担を考慮するのみであり、改質器において、炭素析出が発生する臨界の温度Ｔｒｅｆ１に関しては考慮されていない。

本発明は上記事実を考慮し、起動動作の加熱により、改質器の内部温度が所定の臨界を超えることなく、迅速に燃料セルスタックの内部温度を発電可能な作動温度に制御することができる燃料電池システム、起動制御プログラムを得ることが目的である。

本発明は、原料ガスと水とが供給されることで改質ガスを生成する改質器と、燃料極に前記改質ガスが供給され、空気極に酸化剤ガスが供給されることで、前記燃料極と前記空気極との間で発電するセルスタックと、を備えた燃料電池システムであって、前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記セルスタックの内部温度を検出するセルスタック温度検出手段と、原料ガスと酸化剤ガスとを用いた燃焼による発熱で、前記改質器及び前記セルスタックを収容する筐体内部全体を加熱する加熱手段と、前記セルスタックの内部温度を発電可能温度に昇温する起動動作としての前記加熱手段による加熱処理において、前記原料ガス供給手段で供給する原料ガスの流量を、予め定めた二値の流量の何れかに切り替える制御手段と、前記改質器の内部温度を検出する改質器温度検出手段と、前記セルスタック温度検出手段で検出したセルスタックの内部温度の起動開始からの変化率を計算する計算手段と、を有し、前記制御手段が、前記改質器温度検出手段で検出した温度が、前記改質器で炭素析出が発生する臨界の温度よりも低いしきい値を超えた時点で、前記原料ガスの流量が相対的に少ない流量に切り替え、前記計算手段で今回計算した変化率が前回計算した変化率を下回った時点で、前記原料ガスの流量が相対的に多い流量に切り替える、ことを特徴としている。

本発明によれば、燃料電池システムを通常動作、すなわち発電動作させるために、セルスタックの内部温度を発電可能温度に昇温する起動動作が必要となる。

制御手段では、セルスタックの内部温度を発電可能温度に昇温する起動動作としての前記加熱手段による加熱処理において、前記原料ガス供給する原料ガスの流量を、予め定めた二値の流量の何れかに切り替える。この流量の異なる二値に切り替えながら原料ガスを加熱手段に供給することで、改質器で炭素析出が発生する臨界の温度に到達しないようにセルスタックの内部温度を発電可能温度に昇温させることができる。

この場合、改質器の内部温度の上昇勾配を維持しながら、原料ガスの流量を特定の範囲内で自由に微調整して、セルスタックの内部温度を発電可能温度に昇温するよりも、制御負担が軽減される。また、例えば、二値の流量の内の一方が、原料ガス供給手段で供給できる最大流量であれば、迅速にセルスタックの内部温度を発電可能温度に到達させることができる。

制御手段による原料ガスの切り替え制御において、改質器温度検出手段で検出した温度が、改質器で炭素析出が発生する臨界の温度よりも低い予め定めたしきい値を超えた時点で、原料ガスの流量を相対的に少ない値に切り替える。

一方、計算手段で今回計算した変化率が、前回計算した変化率を下回った時点で、原料ガスの流量を相対的に多い値に切り替える。

これにより、セルスタックの内部温度を上昇勾配のまま加熱手段による加熱を継続することができる。

本発明において、前記制御手段が、予め設定された運転パターンで前記原料ガスの流量を切り替えることを特徴としている。

例えば、燃料電池システムの特性、すなわち、酸化剤ガスの流量、原料ガスの流量による改質器の内部温度やセルスタックの内部温度の上昇勾配の傾向が評価試験等によって既に把握できている場合は、シーケンスプログラムにより、適正な温度上昇の傾向を維持可能な原料ガスの流量の切替タイミング（運転パターン）を設定することができる。

本発明において、前記原料ガスの二値の流量が、前記改質器の内部温度を上昇させる第１流量、及び、前記改質器の内部温度を下降させる第２流量であることを特徴としている。

二値の流量の選択の条件として、第１流量として改質器の内部温度を上昇させる流量を選択し、第２流量として改質器の内部温度を下降させる流量を選択する。これにより、改質器の内部温度の増減が可能となる。

本発明において、前記第１流量が、燃焼時の火炎が失火せず、かつ燃焼を維持できる最小流量以上であり、前記第２流量が、非燃焼状態となる流量０であることを特徴としている。

例えば、第１流量として、加熱手段による燃焼時の火炎が失火せず、燃焼を維持できる最小流量以上とする。これは、最大流量を含む。また、第２流量として、非燃焼状態となる流量０とする。例えば、最大流量を設定すれば、セルスタックの内部温度の情報を早めることができ、流量０とすれば、改質器の内部温度の低下を早めることができる。

本発明は、コンピュータを、前記制御手段として動作させる、起動制御プログラムである。

以上説明した如く本発明では、起動動作の加熱により、改質器の内部温度が所定の臨界を超えることなく、迅速に燃料セルスタックの内部温度を発電可能な作動温度に制御することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 （Ａ）は本実施の形態に係る燃料電池システムを起動後、一定時間毎に実行されるセルスタックの温度勾配を演算するための割込ルーチンを示すフローチャート、（Ｂ）は、本実施の形態に係る燃料電池システムを起動するときに実行される起動動作時制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係る燃料電池システムを起動するときに実行される起動動作時制御のタイミングチャートである。 本実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０の概略が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、制御装置２６を備えている。制御装置２６は、ＣＰＵ２７Ａ、ＲＡＭ２７Ｂ、及びＲＯＭ２７Ｃを備えたマイクロコンピュータ２７を主体とし、制御対象の各部から情報を得ると共に各部の動作を制御する。また、制御装置２６は、しきい値記憶部２６Ｍを備えている。

制御装置２６の制御対象の主要な構成としては、気化器１２、改質器１４、セルスタック１６、空気予熱器３０、及び燃焼器４０を備えている。また、燃焼器４０、セルスタック１６、及び改質器１４を内部に収容する高温部１８を備えている。なお、高温部１８は、ホットボックス１８という場合がある。気化器１２、空気予熱器３０、及び高温部１８は、筐体１１内に収容されている。

筐体１１は、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材で形成されており、例えば断熱材で形成されている。

高温部１８は、筐体１１内に設けられ、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材、例えば金属で形成されている。燃料電池システム１０が運転中は、高温部１８内は、筐体１１内で高温部１８外よりも高温とされている。

気化器１２には、二重管２０が接続されている。二重管２０には、内側流路２２と、外側流路２４とが形成されている。

外側流路２４には、図示しないガス源が接続されており、ブロワＢ１により原料ガスとしてのメタンが流入される。内側流路２２には、図示しない水源が接続されており、ポンプＰにより水（液相）が流入される。二重管２０へは、メタンと水が並行（同方向）に流れるように流入される。二重管２０は、気化器１２と接続されている。メタンと水は、気化器１２へ供給される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１の熱が用いられる。

なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管７０を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ２を生成する。改質器１４には、燃料ガス管７２の一端が接続されている。燃料ガス管７２の他端は、セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ２は、燃料ガス管７２を介してアノード１６Ａに供給される。

セルスタック１６は、固体酸化物形のセルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。

セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管７４の一端が接続され、空気管７４の他端には、ブロワＢ２が接続されている。ブロワＢ２から送出された空気（酸化剤ガス）Ｇ３は、空気管７４によって、空気予熱器３０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。

カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通ってセルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）

１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ …（１）

カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ５が排出される。

一方、セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各セルスタックにおいて発電される。また、各セルスタックは、発電時に発熱する。

（燃料極反応）

Ｈ_２ ＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ …(２)

ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－ …(３)

アノード１６Ａには、アノードオフガス管７６の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管７６へ、アノードオフガスＧ４が排出される。アノードオフガスＧ４には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

アノードオフガス管７６の他端は、燃焼器４０と接続されており、アノードオフガスＧ４は燃焼器４０へ送出される。

カソード１６Ｂには、カソードオフガス管７８の一端が接続されている。カソードオフガス管７８の他端は、燃焼器４０と接続されており、カソードオフガスＧ５は燃焼器４０へ送出される。

燃焼器４０では、セルスタック１６のアノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ４が燃焼される。燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管８０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１は、空気予熱器３０を経由して熱交換部としても機能する気化器１２に導入され、熱交換後に外部に排出されている。

燃焼排ガスＧ１は、空気予熱器３０において、常温の空気Ｇ３と熱交換が行われる。その後、気化器１２へ送出され、気化器１２において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１は、気化器１２において熱交換が行われた後、外部に排出される。

（起動動作）

ここで、燃料電池システム１０を起動させる場合、原料ガスと酸化剤ガスの燃焼により高温部１８を加熱し、セルスタック１６を加熱する。セルスタック１６の温度が一定以上（しきい値Ｔｃｓ）になった状態で、改質用の水を改質器１４へ供給するようにしている。

（通常動作）

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の通常動作について説明する。

ブロワＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ３は、空気予熱器３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管７８を経て燃焼器４０へ送出される。一方、ブロワＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンは、二重管２０の外側流路２４を経て気化器１２へ供給される。また、ポンプＰにより所定の吐出量で送出された水（液相）は、二重管２０の内側流路２２を経て気化器１２へ供給される。気化器１２へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ２へ改質され、アノード１６Ａへ供給されて、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ４が排出され、アノードオフガス管７６を経て燃焼器４０へ送出される。また、カソードオフガスＧ５がカソードオフガス管７８を経て燃焼器４０へ送出される。

燃焼器４０では、アノードオフガスＧ４が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ１が燃焼排ガス管８０へ送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ３との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１は、さらに、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われ、冷却された後、外部へ排出される。気化器１２は、燃焼排ガスＧ１が燃料電池システム１０の系外へ排出される直前の熱交換部である。すなわち、気化器１２が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１は、気化器１２よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０の系外へ排出される。

ここで、起動動作において、改質器１４の内部温度は、炭素析出温度未満（しきい値Ｔｒｅｆ１）に維持する必要がある。

炭素析出温度未満（しきい値Ｔｒｅｆ１）に維持する手段の比較例として、原料ガスの流量を調整して（絞って）、改質器１４の内部温度の上昇勾配を抑制することがなされている。この場合、原料ガスの流量を絞らない場合に比べて、燃焼によるセルスタック１６の加熱効率が低下することになる。

そこで、本実施の形態では、原料ガスを最大流量で供給することで、セルスタック１６の加熱効率を向上しつつ、炭素析出温度未満（しきい値Ｔｒｅｆ１）に維持する制御形態を確立した。

図１では、燃料電池システム１０全体の動作を制御する信号線を矢印Ｓで総合的に表現し、本実施の形態の起動動作に用いる制御デバイス（詳細後述）に特化して、制御信号線を個別に矢印を付与した。すなわち、個別の矢印は、矢印Ｓで示す信号線の一部である。

図１に示される如く、改質器１４には、改質器１４の内部の温度を検出する改質器温度センサ５０が取り付けられている。この改質器温度センサ５０で検出した温度情報は、信号線５２を介して制御装置２６へ送られる。

セルスタック１６には、セルスタック１６の内部の温度を検出するセルスタック温度センサ５４が取り付けられている。このセルスタック温度センサ５４で検出した温度情報は、信号線５６を介して制御装置２６へ送られる。

制御装置２６では、原料ガスを気化器１２へ供給するブロワＢ１の駆動を信号線５８で制御し、酸化剤ガスを気化器１２へ供給するブロワＢ２の駆動を信号線６０で制御し、及び、水を気化器へ供給するポンプＰの駆動を信号線６２で制御して、それぞれの流量を制御する。

また、制御装置２６には、しきい値記憶部２６Ｍが設けられている。しきい値記憶部２６Ｍには、少なくとも、改質器１４の内部で炭素析出が発生する臨界の内部温度のしきい値Ｔｒｅｆ１と、セルスタック１６の内部で水蒸気の凝縮が発生する臨界の内部温度のしきい値Ｔｃｓとが記憶されている。

この改質器温度センサ５０、セルスタック温度センサ５４、ブロワＢ１、ブロワＢ２、及びポンプＰが、前述した起動動作に用いる制御デバイスに相当する。

本実施の形態における燃料電池システム１０での起動動作では、前述した比較例のように原料ガスの流量を絞ることなく、燃焼器４０での燃焼の際に、火炎が完全に失火せず、かつ燃焼を維持可能な最小流量以上の流量（例えば、ブロワＢ１最大出力）で供給し、セルスタック１６の温度を水蒸気の凝縮が発生する温度Ｔｃｓに上昇させることが特徴である。

このとき、原料ガスの流量に依存して、改質器１４の内部温度の上昇勾配が変化することに着目し、改質器１４の炭素析出が発生する温度Ｔｒｅｆ１よりも若干低い温度Ｔｒｅｆ２（例えば、Ｔｒｅｆ２＝Ｔｒｅｆ１－３０℃前後）に到達した時点で、原料ガスの供給を停止させ（例えば、ブロワＢ１停止）、セルスタック１６の温度上昇変化率（勾配）を監視しながら、原料ガスの供給を再開する時期を判断するようにした（原料ガスの供給をオン・オフ制御（間欠制御））。

以下に、本実施の形態の作用を、図２のフローチャート及び図３のタイミングチャートに従い説明する。

図２（Ａ）は、本実施の形態に係る燃料電池システムを起動後、一定時間毎（１分～５分毎）に実行されるセルスタック１６の温度勾配を演算するための割込ルーチンを示すフローチャートである。

また、図２（Ｂ）は、本実施の形態に係る燃料電池システムを起動するときに実行される起動動作時制御ルーチンを示すフローチャートである。

本実施の形態では、図２（Ａ）の割込ルーチンが割り込む時間（インターバル）を１分に設定している。このインターバルの設定は、起動時動作の燃焼形態に依存する。例えば、本実施の形態では、セルスタック１６の燃焼器４０を適用しており、燃焼の有無による温度変化が、外部加熱器６４（（変形例１として後述する、図４参照）よりも敏感であるため、インターバルを短く設定する。一方、セルスタック１６を加熱する燃焼器４０とは別に、起動動作に用いる外部加熱器６４（外部燃焼器）が設けられている場合（図４に示す変形例１の構成の場合）は、加熱（燃焼）の有無による温度変化が、燃焼器４０を適用するよりも鈍感であるため、インターバルを長く設定する（例えば、５分）。なお、燃焼器４０又は外部加熱器６４の仕様によって、１分～５分の間で設定を補正してもよい。

まず、図２（Ａ）のフローチャートに従い、セルスタック１６の温度勾配演算割込ルーチンの流れを説明する。

ステップ１００では、セルスタック温度センサ５４により、セルスタック１６の内部温度Ｔｓを検出する。検出したセルスタック１６の内部温度Ｔｓは、逐次記憶する。

次のステップ１０２では、セルスタック１６の内部温度Ｔｓの履歴を読み出し、次いで、ステップ１０４へ移行して、起動開始からのセルスタック１６の内部温度Ｔｓの変化率（正常であれば、上昇勾配）の平均値を計算し、ステップ１０６へ移行する。

ステップ１０６では、前回（１つ前）の計算値（平均値）との比較結果、すなわち、前回よりも今回の方が上回ったか、下回ったかの判定を、更新記憶して、このルーチンは終了する。すなわち、更新記憶される判定は、当該セルスタック温度勾配演算割込ルーチンが実行される毎（本実施の形態では、１分毎）に最新情報となる。

次に、図２（Ｂ）のフローチャートに従い、燃料電池システム１０の起動動作時制御ルーチンの流れを説明する。

ステップ１１０では、予め設定されている改質器１４の内部温度Ｔｋのしきい値Ｔｒｅｆ１から一定値Ａを減算した制御温度Ｔｒｅｆ２を設定する。しきい値Ｔｒｅｆ１は、改質器１４の内部に、炭素析出が発生する温度の臨界であり、起動動作中に、このしきい値Ｔｒｅｆ１以上とならないように制御することが重要である。このため、このしきい値Ｔｒｅｆ１から一定値Ａを減算した制御温度Ｔｒｅｆ２を設定し、この制御温度Ｔｒｅｆ２を上限として、改質器１４の内部温度Ｔｋを監視する。

次のステップ１１２では、酸化剤ガス（空気）を一定流量で供給開始し（図３の矢印ａ参照）、次いで、ステップ１１４では、原料ガスを一定流量で供給開始する（図３の矢印ｂ参照）。

酸化剤ガスの一定流量は、燃焼器４０で燃焼する際に、火炎が完全に失火せず、かつ燃焼を維持可能な最大流量以下とする。

また、原料ガスの一定流量は、燃焼器４０で燃焼する際に、火炎が完全に失火せず、かつ燃焼を維持可能な最小流量以上とする。

次のステップ１１６では、燃焼器４０での燃焼制御を開始する。燃焼器４０では、供給される一定料の酸化剤ガスと一定料の原料ガスによって、一定の燃焼状態で燃焼が実行されると共に、後述する原料ガス供給停止中は、燃焼が休止される。

次のステップ１１８では、セルスタック１６の内部温度Ｔｓをセルスタック温度センサ５４によって検出し、ステップ１２０へ移行する。

ステップ１２０では、検出したセルスタック１６の内部温度Ｔｓと、通常動作移行が可能な温度のしきい値Ｔｃｓとを比較する。

ステップ１２０において、セルスタック１６の内部温度Ｔｓがしきい値Ｔｃｓに到達（Ｔｓ≧Ｔｃｓ）したと判定（肯定判定）された場合（図３の矢印ｃ参照）は、起動動作が終了したと判断し、ステップ１２２へ移行して、ポンプＰの駆動を制御し、改質水を一定流量で供給開始し（図３の矢印ｄ参照）、ステップ１２４へ移行する。

ステップ１２４では、通常動作へ移行を指示する。これにより、改質器１４で改質が実行され、セルスタック１６で発電が開始される。このとき、改質器１４の内部温度Ｔｋが一定となるように、原料ガスの供給流量が制御される（図３の矢印ｅ参照）。

一方、ステップ１２０において、セルスタック１６の内部温度Ｔｓがしきい値Ｔｃｓ未満（Ｔｓ＜Ｔｃｓ）と判定（否定判定）された場合は、起動動作を継続する必要があり、かつ起動動作終了時期を監視するため、ステップ１２６へ移行して、改質器１４の内部温度Ｔｋを検出し、ステップ１２８へ移行する。

ステップ１２８では、検出した改質器１４の内部温度Ｔｋと、制御温度Ｔｒｅｆ２とを比較する。

ステップ１２８において、改質器１４の内部温度Ｔｋが、制御温度Ｔｒｅｆ２未満（Ｔｋ＜Ｔｒｅｆ２）と判定（否定判定）された場合は、ステップ１３０へ移行して、原料ガス供給停止中か否かを判断する。

ステップ１３０で否定判定された場合は、燃焼器４０が燃焼中、かつ改質器１４の内部温度Ｔｋが制御温度未満であり、燃焼を継続可能と判断し、ステップ１１８へ移行して、上記工程を繰り返す。

また、ステップ１３０で肯定判定された場合は、現在、燃焼器４０での燃焼が休止中であると判断し、ステップ１３４へ移行する。

一方、ステップ１２８において、改質器１４の内部温度Ｔｋが、制御温度Ｔｒｅｆ２に到達（Ｔｋ≧Ｔｒｅｆ２）したと判定（肯定判定）された場合（図３の矢印ｆ参照）は、これ以上、燃焼器４０での燃焼を継続すると、改質器１４の内部温度が、しきい値Ｔｒｅｆ１以上になる可能性があると判断し、ステップ１３２へ移行して、ブロワＢ１の駆動を制御して原料ガスの供給を停止し（図３の矢印ｇ参照）、ステップ１３４へ移行する。なお、既に、原料ガスの供給が停止中の場合は、停止状態を維持する。

ステップ１３４の処理は、必ず、原料ガスの供給が停止している状態であり、この原料ガス供給停止状態から、図２（Ａ）の割込ルーチンのステップ１０６において更新記憶されている最新の平均値比較結果を読み出し、次いでステップ１３６へ移行する。

ステップ１３６では、ステップ１３４で読み出した最新の平均値比較結果が、「前回の計算値を下回った」という結果であるか否かを判断する。

ステップ１３６で否定判定された場合は、前回の計算値を下回っていないと判断し、ステップ１１８へ戻り、上記工程を繰り返す。

また、ステップ１３６で肯定判定された場合は、前回の計算値を下回ったと判断し、ステップ１３８へ移行して、ブロワＢ１の駆動を制御して、原料ガスを一定流量で供給することを再開し（図３の矢印ｈ参照）、ステップ１１８へ戻り、上記工程を繰り返す。

以上説明した如く本実施の形態では、起動動作中、原料ガスを、改質器１４の炭素析出を気にせず、燃焼器４０で燃焼する際に、火炎が完全に失火せず、かつ燃焼を維持可能な最小流量以上の一定流量を供給できるため、セルスタック１６の内部温度Ｔｓを、比較例（原料ガスを改質器１４の炭素析出を考慮した流量制御）に比べて迅速に、通常動作可能な温度に上昇させることができる。

また、改質器１４の内部温度Ｔｋにおいて、改質器１４の炭素析出が発生するしきい値Ｔｒｅｆ１よりも、所定温度低い制御温度Ｔｒｅｆ２を設定し、当該制御温度Ｔｒｅｆ２に到達した時点で、原料ガスの供給を停止して、改質器１４の内部温度Ｔｋのしきい値Ｔｒｅｆ１への到達を回避するようにした。すなわち、原料ガスの供給制御が、オン（ブロワＢ１最大出力）／オフ（ブロワＢ１停止）制御でよいため、制御が容易となる。

（変形例１）

なお、本実施の形態の起動動作時制御は、燃料電池システム１０の筐体１１の内部に位置する燃焼器４０の燃焼によって、起動動作を行ったが、図４に示される如く、外部加熱器６４（外部燃焼器６４）を持つ燃料電池システム１０Ａにも適用可能である。

この場合、前述したように、燃焼の有無による温度変化の敏感さが異なるため、燃焼状態に併せて、図２（Ａ）の割込ルーチンを実行するインターバル（１分～５分）を設定すればよい。参考として、燃焼器４０を用いた場合のインターバルは１分が好ましく、外部加熱器６４を用いた場合のインターバルは５分が好ましい。外部加熱器６４は、外部燃焼器６４に限定されず、電熱等、燃焼以外の加熱資源を用いた構成であってもよい。

なお、本実施の形態（図４の変形例１を含む）では、一定時間（１分～５分）毎に、セルスタック１６の内部温度Ｔｓを検出し、起動時からの変化率の平均値の状態（前回よりも上回った又は下回った）によって、原料ガスのオン（ブロワＢ１最大出力）又はオフ（ブロワＢ１停止）に制御するようにしたが、燃料電池システム１０の特性により、セルスタック１６の内部温度の変化率（温度上昇勾配）が評価試験等によって既に把握できている場合は、予め、原料ガスのオン・オフ制御の時期をシーケンスプログラムにより設定するようにしてもよい。

１０ 燃料電池システム
１２ 気化器
１４ 改質器
１６ セルスタック
１６Ａ アノード（燃料極）
１６Ｂ カソード（空気極）
１８ 高温部（ホットボックス）
２０ 二重管
２２ 内側流路
２４ 外側流路
２６ 制御装置（制御手段）
２６Ｍ しきい値記憶部
２７ マイクロコンピュータ
２７Ａ ＣＰＵ（計算手段）
２７Ｂ ＲＡＭ
２７Ｃ ＲＯＭ
３０ 空気予熱器
４０ 燃焼器
５０ 改質器温度センサ（改質器温度検出手段）
５２ 信号線
５４ セルスタック温度センサ（セルスタック温度検出手段）
５６ 信号線
５８ 信号線
６０ 信号線
６２ 信号線
７０ 配管
７２ 燃料ガス管
７４ 空気管
７６ アノードオフガス管
７８ カソードオフガス管
８０ 燃焼排ガス管
Ｓ 信号線
Ｂ１ ブロワ（原料ガス供給手段）
Ｂ２ ブロワ
Ｐ ポンプ
Ｇ１ 燃焼排ガス
Ｇ２ 燃料ガス
Ｇ３ 空気
Ｇ４ アノードオフガス
Ｇ５ カソードオフガス

Claims (5)

1. 原料ガスと水とが供給されることで改質ガスを生成する改質器と、燃料極に前記改質ガスが供給され、空気極に酸化剤ガスが供給されることで、前記燃料極と前記空気極との間で発電するセルスタックと、を備えた燃料電池システムであって、
   前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
   前記セルスタックの内部温度を検出するセルスタック温度検出手段と、
   原料ガスと酸化剤ガスとを用いた燃焼による発熱で、前記改質器及び前記セルスタックを収容する筐体内部全体を加熱する加熱手段と、
   前記セルスタックの内部温度を発電可能温度に昇温する起動動作としての前記加熱手段による加熱処理において、前記原料ガス供給手段で供給する原料ガスの流量を、予め定めた二値の流量の何れかに切り替える制御手段と、
   前記改質器の内部温度を検出する改質器温度検出手段と、
   前記セルスタック温度検出手段で検出したセルスタックの内部温度の起動開始からの変化率を計算する計算手段と、を有し、
   前記制御手段が、
   前記改質器温度検出手段で検出した温度が、前記改質器で炭素析出が発生する臨界の温度よりも低いしきい値を超えた時点で、前記原料ガスの流量が相対的に少ない流量に切り替え、前記計算手段で今回計算した変化率が前回計算した変化率を下回った時点で、前記原料ガスの流量が相対的に多い流量に切り替える、燃料電池システム。
2. 前記制御手段が、
   予め設定された運転パターンで前記原料ガスの流量を切り替える請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記原料ガスの二値の流量が、
   前記改質器の内部温度を上昇させる第１流量、及び、前記改質器の内部温度を下降させる第２流量である請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記第１流量が、燃焼時の火炎が失火せず、かつ燃焼を維持できる最小流量以上であり、前記第２流量が、非燃焼状態となる流量０である請求項３記載の燃料電池システム。
5. コンピュータを、
   請求項１～請求項４の何れか１項記載の制御手段として動作させる、
   起動制御プログラム。

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