(57)【要約】【課題】燃料電池システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本開示の燃料電池システムは、燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された燃料電池スタックと、燃料電池スタックを格納する筐体と、燃料電池スタック、または筐体内の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、制御器は、温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、所定時間の間、温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように制御する、燃料電池システムであって、第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、第１所定温度は、第２所定温度よりも低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを格納する筐体と、
前記燃料電池スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、
制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、
第１所定温度で作動するように制御するとともに、
所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように、制御する、燃料電池システムであって、
前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、
前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記空気極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度が、前記第２所定温度以上となるように、前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量もしくは前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタック、前記燃料電池スタックを収容する筐体、および前記筐体内に前記燃料電池スタックとともに配置されている部材のうちの少なくとも１つは、ステンレス製の部材である、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セルの前記燃料極から排出されたアノードオフガスと前記空気極から排出されたカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器および燃焼機能を有する燃焼空間の少なくとも一方を備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度が前記所定時間の間、前記第２所定温度以上となるように前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量を制御する、
請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度が前記所定時間の間、前記第２所定温度以上となるように前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量を制御する、
請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２所定温度は、５９０℃以上である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記所定時間は、１分から６０分の間の時間である、
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記発電時において、一定の間隔で周期的に前記燃料電池スタックの温度が前記所定時間の間、前記第２所定温度以上となるように、前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量および前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御する、
請求項２から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックを構成する前記セルの前記電解質は、プロトン伝導体である、
請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電解質は、ＢａｘＺｒｙＭｚＯ３−σ（Ｍ＝Ｓｃ，Ｉｎ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｙ，Ｈｏ，ＤｙおよびＧｄからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、０．９≦ｘ≦１．０、０．６≦ｙ≦０．９０、０．１≦ｚ≦０．４、２．７０≦３−σ≦２．９５）から構成される、
請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックは、金属支持体を用いたセルから構成される、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを格納する筐体と、
前記燃料電池スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、
所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように制御しており、
前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、
前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された電気化学スタックと、
前記電気化学スタックを格納する筐体と、
前記電気化学スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、  制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、
第１所定温度で作動するように制御するとともに、
所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように制御する、電気化学システムであって、
前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、
前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い、
電気化学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムおよびその運転方法、電気化学システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の作動温度、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の作動温度は、約６００℃以上と高温となる。このため、作動温度が６００℃以上となる燃料電池では、コストおよび耐久性の観点から、燃料電池スタック、改質器、および熱交換器、ならびにこれらの部材を内部に配置する筐体（以下、ホットボックス（ＨＢ）と称する）等の構成材料としてステンレス鋼が用いられている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１では、水蒸気雰囲気におけるセパレータ（導電部）の酸化を防ぐために、以下の構成を有する固体酸化物形燃料電池セパレータ用フェライト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１では、Ｃ：０．０３質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｓ：０．０１質量％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｃｒ：１１．０〜２０．０質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｃａ：０．００１〜０．０１質量％を含み、残部が実質的にＦｅからなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼が提案されている。このフェライト系ステンレス鋼は、表面に機械研磨を施して、ＪＩＳ  Ｂ０６０１で規定される表面粗さＲａで０．０５〜５０μｍの機械研磨仕上面を得る。
【０００５】
また、特許文献１に係る固体酸化物形燃料電池セパレータ用フェライト系ステンレス鋼は、さらにＣｕ：１．５質量％以下、Ｎｂ：０．０５〜０．８０質量％、Ｔｉ：０．０３〜０．５０質量％、Ｙ：０．００１〜０．１質量％，希土類元素：０．００１〜０．１質量％の１種または２種以上を含んでもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１８５３８7号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来の構成では、４７５℃脆化感受性を高めるためフェライト系ステンレス鋼においてＣｒ含有量を２０質量％以下としている。具体的には、従来の構成では、ステンレス鋼におけるＣｒ含有量を、１１質量％以上、２０質量％以下としている。しかしながら、一般的にはＣｒ含有量が１０．５質量％を超えると４７５℃脆化が生じることが知られている。このため、従来の構成のようにＣｒ含有量を１１質量％以上としても４７５℃脆化を十分に抑制することはできない。
【０００８】
また、従来の構成では、高温雰囲気における水蒸気酸化による損傷を抑制するために、ステンレス鋼表面に生成するＣｒ系酸化物を主体とする酸化被膜を生成し、この酸化被膜を安定化させることを提案している。そして、この酸化被膜を安定化させることを目的に、ステンレス鋼に他の含有成分を加えたり、さらには表面研磨などの加工を施したりしている。このようにステンレス鋼に他の含有成分を加えたり、表面研磨を施したりする場合、高コスト化する。特に、表面研磨を施す場合、長時間の燃料電池の運転により表面が変化してしまい、脆化耐性が保持できなくなるという課題を有している。
【０００９】
本開示は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムまたは電気化学システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができる燃料電池システムおよびその運転方法、ならびに電気化学システムおよびその運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示に係る燃料電池システムの一態様は、燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを格納する筐体と、前記燃料電池スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように制御する、燃料電池システムであって、前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い。
【００１１】
本開示に係る電気化学システムの一態様は、燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された電気化学スタックと、前記燃料電池スタックを格納する筐体と、前記電気化学スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように、制御する、電気化学システムであって、前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い。
【００１２】
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、コンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの非一時的な記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の一態様によれば、燃料電池システムまたは電気化学システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図２】本開示の比較例に係る燃料電池システムの運転制御に伴う燃料電池スタックの温度変化の一例を示す図である。
【図３】本開示の実施の形態１に係る起動時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタックの温度変化と、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。
【図４】本開示の実施の形態１に係る起動時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】本開示の実施の形態１に係る発電時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタックの温度変化と、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。
【図６】本開示の実施の形態１に係る発電時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。
【図７】本開示の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図８】本開示の実施の形態２に係る起動時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタックの温度変化と、改質用水、原料ガス、および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。
【図９】本開示の実施の形態２に係る起動時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本開示の実施の形態２に係る発電時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタックの温度変化と、改質用水、原料ガス、および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。
【図１１】本開示の実施の形態２に係る発電時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本開示の一形態を得るに至った経緯）
近年、５００℃前後の温度帯域で作動する燃料電池が提案されている。このような燃料電池としては、例えば、低温動作型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。また、このような５００℃前後の温度帯域で作動する燃料電池の構成部材は、通常、低コストで、高い耐食性、耐熱性、および加工性を有したフェライト系ステンレス鋼により構成される。
【００１６】
ここで、５００℃程度の温度域で作動する燃料電池システムの構成部材を一般的な燃料電池システムで用いられているフェライト系ステンレス鋼によって構成した場合、構成部材は燃料電池システムの発電において５００℃前後の温度に長時間さらされるため、４７５℃脆化が生じる。このように、４７５℃脆化が生じると構成部材は、外部からの振動により破損する場合がある。
【００１７】
そこで、特許文献１に開示された固体酸化物形燃料電池セパレータ用フェライト系ステンレス鋼では、フェライト系ステンレス鋼の組成を規定し、ステンレス鋼表面に機械研磨を施して、ＪＩＳＢ０６０１で規定される表面粗さＲａで０．０５〜５０μｍの機械研磨仕上面を得ることが提案されている。
【００１８】
しかしながら、本発明者らは、特許文献１に開示されたフェライト系ステンレス鋼について鋭意検討したところ、耐食性および耐酸化性を付与するために他の含有成分を加えたり、さらには表面研磨などの加工を施したりする必要があるため高コスト化するという問題点があることを見出した。
【００１９】
また、表面研磨を施す場合、燃料電池システムの長時間の運転で表面が変化してしまい、脆化耐性が保持できなくなるという問題もあることに気が付いた。
【００２０】
そこで、本発明者らは、特許文献１に開示されたフェライト系ステンレス鋼のように、耐食性および耐酸化性を付与するために他の含有成分を加えたり、表面研磨などの加工を施したりするのではなく、燃料電池システムの運転制御を工夫することで４７５℃脆化を解消できることを見出した。
【００２１】
上記した本発明者等の知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。そこで、本開示では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００２２】
本開示の第１の態様に係る燃料電池システムは、燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを格納する筐体と、前記燃料電池スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように、制御する、燃料電池システムであって、前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い。
【００２３】
ここで、燃料ガス供給器が燃料ガスとして水素を供給する場合、燃料ガスをそのまま燃料極に供給し、燃料ガスとして例えば、炭化水素燃料等の原料ガスを供給する場合、燃料ガスを改質した状態で燃料極に供給する。
【００２４】
上記構成によると、制御器は、燃料電池スタックの温度が所定時間の間、第２所定温度以上となるように昇温させた状態を保持することができる。
【００２５】
このため、燃料電池スタックの発電時における第１所定温度がステンレスの４７５℃脆化が生じる温度（例えば、５００℃前後）であって、スピノーダル分解によりフェライト相においてFeリッチなFe-Cr相とCrリッチなFe-Cr相とが生じ、後者のCrリッチなFe-Cr相が固く脆くなる温度となり、燃料電池システムを構成するステンレス製の部材において、このCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、CrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００２６】
したがって、本開示の第１の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができるという効果を奏する。
【００２７】
本開示の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度が、前記第２所定温度以上となるように、前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量もしくは前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御するように構成してもよい。
【００２８】
上記構成によると、記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度が、前記第２所定温度以上となるように、前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量もしくは前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御することにより、燃料電池システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができるという効果を奏する。
【００２９】
本開示の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様または第２の態様において、前記燃料電池スタック、前記燃料電池スタックを収容する筐体、および前記筐体内に前記燃料電池スタックとともに配置されている部材のうちの少なくとも１つは、ステンレス製の部材であってもよい。
【００３０】
上記構成によると燃料電池システムの構成部材の一部をステンレス製の部材により形成しているため、耐食性、耐熱性、加工性の向上にともない、耐久性、信頼性を向上させることができる。
【００３１】
本開示の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様または第３の態様において、前記セルの前記燃料極から排出されたアノードオフガスと前記空気極から排出されたカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器および燃焼機能を有する燃焼空間の少なくとも一方を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度が前記所定時間の間、前記第２所定温度以上となるように前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量を制御する構成であってもよい。
【００３２】
上記構成によると、制御器は燃料ガスの供給量を増量させるように制御することで燃焼器または燃焼空間における燃焼量を大きくして、燃料電池スタックの温度を昇温させることができる。
【００３３】
このため、第４の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの温度が所定時間の間、第２所定温度以上となるように適切に制御することができる。
【００３４】
本開示の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様または第３の態様において、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度が前記所定時間の間、前記第２所定温度以上となるように前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量を制御する構成であってもよい。
【００３５】
上記構成によると、制御器は、酸化剤ガスの供給量を減量させるように制御することで酸化剤ガスによる冷却量を低減させて、燃料電池スタックの温度を昇温させることができる。
【００３６】
このため、第５の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの温度が所定時間の間、第２所定温度以上となるように適切に制御することができる。
【００３７】
本開示の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第５の態様のいずれか１つの態様において、前記第２所定温度は、５９０℃以上であってもよい。
【００３８】
本開示の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第６の態様のいずれか１つの態様において、前記所定時間は、１分から６０分の間の時間であってもよい。
【００３９】
上記構成によると所定時間を１分から６０分の間の時間とするため、ステンレス製の材において、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消させることができる。
【００４０】
本開示の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様から第５の態様のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記発電時において、一定の間隔で周期的に前記燃料電池スタックの温度が前記所定時間の間、前記第２所定温度以上となるように、前記燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量および前記酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御する構成であってもよい。
【００４１】
上記構成によると、制御器は、発電時において、一定の間隔で周期的に燃料電池スタックの温度が所定時間の間、第２所定温度以上となるように制御することができるため、発電時の作動時間が長時間となり、ステンレス製の部材において、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeとCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消させることができる。
【００４２】
本開示の第９の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第８の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池スタックを構成する前記セルの前記電解質は、プロトン伝導体であってもよい。
【００４３】
上記構成によると、燃料電池スタックは、プロトン伝導体の電解質を備えたセルから構成されるため、発電時おける作動温度は５００℃前後の温度域となる。このため、４７５℃脆化の影響を受けるステンレス製の部材が存在しうる。
【００４４】
しかしながら、制御器は、所定時間の間、燃料電池スタックの温度が第２所定温度以上となるように燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量および酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御することができるため、ステンレス製の部材においてCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００４５】
本開示の第１０の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第９の態様のいずれか１つの態様において、前記電解質は、ＢａｘＺｒｙＭｚＯ３−σ（Ｍ＝Ｓｃ，Ｉｎ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｙ，Ｈｏ，ＤｙおよびＧｄからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、０．９≦ｘ≦１．０、０．６≦ｙ≦０．９０、０．１≦ｚ≦０．４、２．７０≦３−σ≦２．９５）から構成されていてもよい。
【００４６】
上記構成によると、燃料電池スタックは、電解質は、ＢａｘＺｒｙＭｚＯ３−σ（Ｍ＝Ｓｃ，Ｉｎ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｙ，Ｈｏ，ＤｙおよびＧｄからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、０．９≦ｘ≦１．０、０．６≦ｙ≦０．９０、０．１≦ｚ≦０．４、２．７０≦３−σ≦２．９５）から構成されるため、発電時おける作動温度は５００℃前後の温度域となる。このため、４７５℃脆化の影響を受けるステンレス製の部材が存在しうる。
【００４７】
しかしながら、制御器は、所定時間の間、燃料電池スタックの温度が第２所定温度以上となるように燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量および酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御することができるため、ステンレス製の部材においてCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００４８】
本開示の第１１の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第９の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池スタックは、金属支持体を用いたセルから構成されてもよい。
【００４９】
上記構成によると、燃料電池スタックは、金属支持体を用いたセルから構成されるため、発電時おける作動温度は５００℃前後の温度域となる。このため、４７５℃脆化の影響を受けるステンレス製の部材が存在しうる。
【００５０】
しかしながら、制御器は、所定時間の間、燃料電池スタックの温度が第２所定温度以上となるように燃料ガス供給器により供給される燃料ガスの供給量および酸化剤ガス供給器により供給される酸化剤ガスの供給量のうちの少なくとも一つを制御することができるため、ステンレス製の部材においてCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００５１】
本開示の第１２の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを格納する筐体と、前記燃料電池スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように、制御しており、前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い。
【００５２】
上記方法によると、燃料電池スタックの温度が所定時間の間、第２所定温度以上となるように昇温させた状態を保持することができる。
【００５３】
このため、燃料電池スタックの発電時における第１所定温度がステンレスの４７５℃脆化が生じる温度（例えば、５００℃前後）であって、スピノーダル分解によりフェライト相においてFeリッチなFe-Cr相とCrリッチなFe-Cr相とが生じ、後者のCrリッチなFe-Cr相が固く脆くなる温度となり、燃料電池システムを構成するステンレス製の部材において、このCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、CrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００５４】
したがって、本開示の第１２の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができるという効果を奏する。
【００５５】
本開示の第１３の態様に係る電気化学システムは、燃料極、空気極、および電解質を有するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する複数のセルから構成された電気化学スタックと、前記電気化学スタックを格納する筐体と、前記電気化学スタック、または前記筐体内の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された温度に基づき、第１所定温度で作動するように制御するとともに、所定時間の間、前記温度検知器によって検知された温度が、第２所定温度以上となるように、制御する、電気化学システムであって、前記第２所定温度は、ステンレスにおいて生じる４７５℃脆化の解消可能な温度であり、前記第１所定温度は、前記第２所定温度よりも低い。
【００５６】
上記方法によると、電気化学スタックの温度が所定時間の間、第２所定温度以上となるように昇温させた状態を保持することができる。
【００５７】
このため、電気化学スタックの動作時における第１所定温度がステンレスの４７５℃脆化が生じる温度（例えば、５００℃前後）であって、スピノーダル分解によりフェライト相においてFeリッチなFe-Cr相とCrリッチなFe-Cr相とが生じ、後者のCrリッチなFe-Cr相が固く脆くなる温度となり、電気化学システムを構成するステンレス製の部材において、このCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、CrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００５８】
したがって、本開示の第１３の態様に係る電気化学システムは、電気化学システムを構成するステンレス製の部材が、４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができるという効果を奏する。
【００５９】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００６０】
［実施の形態１］
（燃料電池システムの構成）
本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成を、図１を参照して説明する。図１は、本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成の一例を模式的に示すブロック図である。なお、燃料電池システム１００として、５００℃前後の温度域で作動し発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明するが、５００℃前後の温度域で作動し発電を行う燃料電池であればＳＯＦＣに限定されるものではない。
【００６１】
図１に示すように、本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料極１５、空気極１４、および電解質１３を有し、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素や空気）とを反応させて発電するセル１２と、複数のセル１２から構成された燃料電池スタック１０と、燃料極１５に燃料ガスを供給する燃料供給器（燃料ガス供給器）２２と、空気極１４に酸化剤ガスを供給する空気供給器（酸化剤ガス供給器）２１と、燃料電池スタック１０の温度を検知する温度検知器２と、制御器３と、を備えてなる構成である。
【００６２】
図１に示すように、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０、第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、燃焼器３５、および温度検知器２等の構成部材が筐体（ホットボックス３０）内に収容され、所定の位置に配置されている。なお、燃焼器３５の代わりに燃焼機能を有する燃焼空間を備える構成であってもよいし、燃焼器３５および燃焼空間をともに備える構成であってもよい。
【００６３】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０、第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、および燃焼器３５等の構成部材、ならびにホットボックス３０のうちの少なくとも１つはステンレスにより形成されている。ここで用いられるステンレスとしては、燃料電池システムにおいて一般的に用いられているフェライト系ステンレスとすることができる。
【００６４】
なお、燃料電池スタック１０、第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、および燃焼器３５等のホットボックス３０内に収容される各構成部材の温度は、燃料電池スタック１０の温度とほぼ同一温度の部分が生じるとみなすことができる。
【００６５】
燃料供給器２２は、燃料ガスとして例えば、水素を、燃料ガス供給経路４１を通じて、セル１２の燃料極１５に供給し、空気供給器２１は、酸化剤ガスとして例えば空気を、酸化剤ガス供給経路４２を通じて、セル１２の空気極１４に供給する。そして、セル１２では、燃料極１５に供給された燃料ガスと空気極１４に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。
【００６６】
さらに、燃料電池システム１００では、セル１２の燃料極１５から排出されたアノードオフガスと空気極１４から排出されたカソードオフガスとを燃焼器３５において燃焼する。そして、燃焼器３５における燃焼により生じた燃焼排ガスの保有する熱により、第１熱交換器３３がセル１２に供給される酸化剤ガスを予熱するとともに、第２熱交換器３４がセル１２に供給される燃料ガス（水素）を予熱する。
【００６７】
また、本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料極１５に供給する燃料ガス（水素）を加湿する加湿水を供給する水供給器（不図示）と、燃料電池スタック１０または燃料電池システム１００の電圧と電流とから発電出力（以下、単に出力と称する）を検知する発電出力検知器（不図示）とをさらに備えてもよい。
【００６８】
なお、燃料電池スタック１０は、５００℃前後の温度域で発電する、プロトン伝導体の電解質１３を備えたセル１２から構成されてもよい。あるいは、燃料電池スタック１０は、燃料極１５の下方（電解質１３と接する側とは反対側）に、例えばポーラス金属および燃料通気孔をもつ層からなる金属支持体を用いたセル１２から構成されていてもよい。
【００６９】
制御器３は、燃料電池システム１００が備える各部の各種制御を行うものであり、ＣＰＵ等の演算部（不図示）、およびＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部（不図示）を備えている。記憶部には、例えば、燃料電池システム１００の基本プログラムおよび各種固定データ等の情報が記憶されており、演算部はこの基本プログラム等を読み出して実行することにより、制御器３は各部の動作を制御する。なお、制御器３は、集中制御する単独の制御器によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御器によって構成されていてもよい。
【００７０】
ところで、一般的な燃料電池システムでは、制御器３からの制御指示の下、起動から発電をへて、停止に至る運転制御が実施される。この運転制御に伴って、燃料電池スタックの温度は図２に示すように変化する。図２は、本開示の比較例に係る燃料電池システムの運転制御に伴う燃料電池スタックの温度変化の一例を示す図である。
【００７１】
本開示の実施形態１に係る燃料電池システム１００においても、後述する４７５℃脆化解消制御を実施しない場合は、制御器３からの制御指示の下、起動から発電をへて、停止に至る運転制御が実施され、図２に示すように燃料電池スタック１０の温度は変化する。
【００７２】
すなわち、図２に示すように、燃料電池システム１００において目標とする発電負荷に応じた発電を行う場合、常温（２０℃程度）から安定的に発電することができる温度（安定発電温度Ｔ１（第１所定温度）；４００℃〜５７５℃、好ましくは５００℃）まで起動制御および起動発電制御を実行しながら燃料電池スタック１０を昇温させる。なお、図２では、説明の便宜上、燃料電池システム１００が定格負荷で発電する場合について例示しているが、目標とする発電量に応じて発電負荷は変動する。
【００７３】
燃料電池システム１００では、起動制御時には、制御器３が、燃料供給器２２を制御してセル１２の燃料極１５に燃料ガス（水素）を導入する。また、制御器３は、空気供給器２１を制御して、セル１２の空気極１４に酸化剤ガスを導入する。
【００７４】
そして、燃料電池システム１００では、制御器３が燃焼器３５を制御して、セル１２の燃料極１５から排出されたアノードオフガスを、セル１２の空気極１４から排出されたカソードオフガスとともに燃焼させる。この燃焼熱および燃焼排ガスの有する熱により、燃料電池スタック１０の温度を常温から上昇させる。以上のようにして燃料電池システム１００では起動制御を行う。
【００７５】
温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１よりも低い所定温度Ｔ０（Ｔ０＝例えば、４５０℃）に達しと判定した場合、制御器３は、不図示の開閉器などを制御して燃料電池スタック１０を含む発電回路を閉じる。これにより、燃料電池スタック１０は発電を開始し、発電回路に電流が流れる。また、発電に伴って、燃料電池スタック１０自体が発熱するため、燃料電池スタック１０の温度は速やかに昇温する（起動発電制御）。
【００７６】
つまり、図２に示すように、起動制御後、燃料電池スタック１０の温度が、目標とする発電負荷に対して安定的に電力を供給するように発電を行うことができる安定発電温度Ｔ１に達する前までの期間では起動発電制御が行われる。そして、燃料電池システム１００において、制御器３が温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１（約５００℃）に達したと判定すると、発電制御（負荷追従運転）に切り換える。
【００７７】
その後、発電制御の停止が指示された場合、燃料電池システム１００の停止制御（発電制御を停止する制御）に移行する。具体的には、制御器３は、不図示の開閉器を制御して発電回路を開いて燃料電池スタック１０における発電制御を停止させる。そして、制御器３は、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの各供給流量を発電停止用の流量値に変更するように燃料供給器２２および空気供給器２１をそれぞれ制御する。
【００７８】
なお、発電制御の停止後も燃料ガス（水素）および酸化剤ガスがセル１２に継続して供給されている。このため燃焼器３５においてアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼は継続されるが、供給される酸化剤ガスの流量が十分に大きいため、燃料電池スタック１０から熱が放出され、燃料電池スタック１０は徐々に温度低下していく。そして、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度まで低下したと判定すると、制御器３は、燃料供給器２２を制御して燃料極１５への燃料ガス（水素）の供給を停止させるとともに、空気供給器２１を制御して空気極１４への酸化剤ガスの供給を停止させる。そして、自然放熱により燃料電池スタック１０の温度を低下させる。
【００７９】
ところで、燃料電池システム１００では、図２に示すように、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１近傍となる温度域（例えば、４００℃から５５０℃の温度域）で長時間運転が実行される。このように安定発電温度Ｔ１近傍となる温度域での運転時間が長時間になると、燃料電池スタック１０などの構成部材、ならびにこれらの構成部材を収容するホットボックス３０等を形成するフェライト系ステンレスが硬化し、４７５℃脆化が進行する。
【００８０】
そして、４７５℃脆化が進行すると、フェライト系ステンレスによって形成された部材は脆くなり、車などに搭載する可搬システムとして燃料電池システムを採用した場合、移動時の振動などにより破損が生じる可能性がある。あるいは定置システムとして燃料電池システムを採用した場合、地震、台風等の振動などにより破損が生じる可能性がある。そこで、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の温度を安定発電温度Ｔ１から所定温度Ｔ２（第２所定温度）（Ｔ２＝５９０℃以上、好ましくは、６００℃）以上の温度となるまで一旦、上昇させ、その状態を所定時間time１（time１=１分〜６０分、好ましくは３０分〜６０分の間の時間）保持した後、再度、安定発電温度Ｔ１まで降温させるように制御する（４７５℃脆化解消制御）。
【００８１】
なお、所定時間time１は、フェライト系ステンレスの４７５℃脆化を解消可能とする時間として１分以上、より好ましくは３０分以上とする。また、燃料ガスの供給量をあげて燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２となる状態を維持する場合、この状態を維持する時間が長くなればなるほど燃料ガス（水素）のロスが大きくなる。そこで、燃料ガス（水素）のロスを抑制させる観点から所定時間time１は、６０分以下とすることが好適である。
【００８２】
このように燃料電池システム１００において４７５℃脆化解消制御を実施することで、フェライト系ステンレスにおいてCrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。
【００８３】
以下、燃料電池システム１００で実施する４７５℃脆化解消制御について図３〜図６を参照して説明する。
【００８４】
図３は、本開示の実施の形態１に係る起動時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタック１０の温度変化と、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。図４は、本開示の実施の形態１に係る起動時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。図５は、本開示の実施の形態１に係る発電時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタック１０の温度変化と、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。図６は、本開示の実施の形態１に係る発電時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。
【００８５】
なお、図３、図５では、４７５℃脆化解消制御を実施する燃料電池システム１００における酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）それぞれの供給流量の時系列変化を実線で示している。また、破線によって４７５℃脆化解消制御を実施しない通常の発電時における酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）それぞれの供給流量の時系列変化を示している。
【００８６】
（起動時４７５℃脆化解消制御）
以下、図３および図４を参照して、本開示の実施の形態１に係る起動時４７５℃脆化解消制御について説明する。
【００８７】
燃料電池システム１００では、制御器３が起動指示を受け付けると、空気供給器２１を制御して酸化剤ガスを供給するとともに、燃料供給器２２を制御して燃料ガス（水素）の供給を開始する。なお、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給経路４２でパージを行うために起動指示を受け付ける前から燃料電池システム１００に供給されていてもよい。そして、燃料電池システム１００では、燃焼器３５においてカソードオフガスとアノードオフガスとを燃焼させることで、燃料電池スタック１０の温度を上昇させ、起動制御を実施する。
【００８８】
起動制御中において、制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０（Ｔ０＝例えば４５０℃）以上となったか否か判定する（ステップＳ１０）。制御器３が燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０未満であると判定している間（ステップＳ１０において「ＮＯ」と判定している間）は、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０以上となったか否かについての判定を繰り返す。
【００８９】
一方、制御器３が、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０以上となったと判定した場合、起動発電制御の開始を指示する（ステップＳ１１）。具体的には、制御器３は、不図示の開閉器などを制御して発電回路を閉じて、起動発電制御を開始する。
【００９０】
また、起動発電制御の開始を指示すると、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御し、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）の供給流量を起動発電用の供給量となるように増量する（ステップＳ１２）。制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が目標とする発電負荷に応じた電力（出力）（例えば、定格の７００Ｗ）を供給できる安定発電温度Ｔ１に達したか否か判定する（ステップＳ１３）。
【００９１】
ステップＳ１３において、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達していないと判定している間は（ステップＳ１３において「ＮＯ」）、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御して、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスそれぞれの供給流量を継続して増量させる。
【００９２】
一方、ステップＳ１３において、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達していると判定した場合（ステップＳ１３において「ＹＥＳ」）、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御して、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２（Ｔ２＝５９０℃以上、より好ましくは６００℃）以上の温度となるまで上昇するように、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）の供給流量を調節する（ステップＳ１４）。例えば、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）の供給流量をさらに増量させることで、セル１２から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させる燃焼器３５の燃焼量を大きくして燃料電池スタック１０の温度を上昇させる。つまり、燃料ガス（水素）の供給流量を増加させるとともに、燃料電池スタック１０の下流に配置された燃焼器３５での空燃比を維持するため、酸化剤ガスの供給流量も増量させる。
【００９３】
そして、制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となったか否か判定する（ステップＳ１５）。制御器３が燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２未満であると判定している間（ステップＳ１５において「ＮＯ」と判定している間）は、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御して、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）それぞれの供給流量を継続して増量させる。
【００９４】
一方、制御器３が、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となったと判定した場合（ステップＳ１５において「ＹＥＳ」）、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御して、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）それぞれの供給流量をそのまま維持する。このように供給流量を維持することで燃料電池スタック１０の温度を所定温度Ｔ２に維持する。
【００９５】
ただし、燃料電池スタック１０の熱容量により、温度上昇の応答が遅れる場合がある。このため、所定温度Ｔ２以上となったときの供給流量を維持すると、温度が上がりすぎることが多い。そこで、所定温度Ｔ２以上となった後の制御は、供給流量の微量な変更により、所定温度Ｔ２を維持し、温度上昇しすぎないようにしてもよい。
【００９６】
また、燃料電池スタック１０では、運転時に温度分布が発生する。温度検知器２の温度は燃料電池スタック１０の代表温度を示すため、予め取得したデータから、燃料電池スタック１０の最も温度が低い箇所においても、４７５度脆化解消制御が有効に働くよう、所定温度Ｔ２を設定してもよい。
【００９７】
例えば、燃料電池スタック１０の最低温度（燃料電池スタック１０の最も温度が低い箇所の温度）が６００℃となる時に温度検知器２により検知される温度のデータを予め取得しておく。そして、この予め取得したデータにおいて、例えば、燃料電池スタック１０の最低温度が６００℃となる時の温度検知器２により検知される温度が６５０℃となる場合、所定温度Ｔ２＝６５０℃と設定してもよい。
【００９８】
さらに制御器３は、不図示のタイマを稼働させて、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となったと判定した時点からの経過時間を計測させる。そして、制御器３は、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２の状態で、所定時間time１、経過したか否か判定する（ステップＳ１６）。なお、所定時間time１は、例えば、１分〜６０分、より好ましくは３０分〜６０分の間の時間とすることができる。
【００９９】
このように、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の温度が５００℃程度の安定発電温度Ｔ１になった後、さらに温度を所定温度Ｔ２まで上昇させることができる。このため、フェライト系ステンレスにより形成された部材において、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消させることができる。
【０１００】
ここで、制御器３が、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２の状態で、所定時間time１、経過していないと判定している間（ステップＳ１６において「ＮＯ」）、タイマの計測結果に基づき、所定時間time１の経過の判定を継続する。一方、制御器３が、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２の状態で、所定時間time１、経過したと判定した場合（ステップＳ１６において「ＹＥＳ」）、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御し、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）の供給流量を調節する（ステップＳ１７）。
【０１０１】
そして、制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったか否か判定する（ステップＳ１８）。ここで制御器３が燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になっていないと判定している間（ステップＳ１８において「ＮＯ」と判定している間）は、例えば、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給流量を減量させながら、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったか否かについての判定を繰り返す。
【０１０２】
一方、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったと判定した場合（ステップＳ１８「ＹＥＳ」）、制御器３は、例えば、図２に示すような、通常の発電制御を実行する。
【０１０３】
なお、燃料電池スタック１０の温度と燃料電池スタック１０の出力との対応関係を示す情報について予め記憶部に保持している場合、ステップＳ１３、Ｓ１８では、燃料電池スタック１０の出力の値（不図示の発電出力検知器の検知結果）に基づき燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達しているか否か判定する構成としてもよい。
【０１０４】
また、ステップＳ１３において、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達していると判定した場合、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となるように、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの供給流量を増量させる構成であったが、この構成に限定されるものではない。
【０１０５】
制御器３は、燃料ガス（水素）の供給流量だけを増量させるように燃料供給器２２を制御する構成としてもよい。この場合、燃料ガス（水素）の供給流量をさらに増量させることで、セル１２から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させる燃焼器３５の燃焼量を大きくして燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。あるいは、制御器３は酸化剤ガスの供給流量を減量させるように空気供給器２１を制御する構成としてもよい。この場合は、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスを減量させることで酸化剤ガスによって奪われる燃料電池スタック１０の温度を抑制させて、燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。
【０１０６】
制御器３が燃料ガス（水素）の供給流量だけを増量させるように燃料供給器２２を制御する構成の場合、ステップＳ１７では、制御器３は燃料ガス（水素）の供給流量だけ減量するように制御する。また、制御器３が酸化剤ガスの供給流量だけを減量させるように空気供給器２１を制御する構成の場合、ステップＳ１７では、制御器３は酸化剤ガス（空気）の供給量だけを増量させるように制御する。
【０１０７】
以上のように、本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、起動発電後であって、目標とする発電負荷に応じた出力を供給するように発電を行う前に、起動時４７５℃脆化解消制御を実施する構成であった。このため、燃料電池システム１００において制御器３が起動指示を受け付けてから発電制御を実施するまでの間に、燃料電池システム１００の、フェライト系ステンレスによって形成された部材が４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができる。
【０１０８】
ところで、燃料電池システム１００では、上記したように起動時だけではなく発電制御中においても、フェライト系ステンレスにより形成された部材は４７５℃脆化の影響を受ける。換言すると、燃料電池システム１００において５００℃前後の温度域で発電制御を継続して実施しているとフェライト系ステンレスによって形成されている部材は４７５℃脆化の影響を受け、脆くなる可能性がある。このため、４７５℃脆化解消制御を、燃料電池システム１００の発電制御中において一定の間隔で周期的に実施する構成としてもよい。
【０１０９】
（発電時４７５℃脆化解消制御）
以下、発電制御中において一定間隔で周期的に実施する発電時４７５℃脆化解消制御について、図５、図６を参照して説明する。
【０１１０】
燃料電池システム１００における発電制御中において、制御器３は、不図示のタイマを稼働させて、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１となった直近のタイミングからの経過時間を計測するように制御する。そして、タイマの計測結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になってからの経過時間が、所定時間time２になったか否か判定する（ステップＳ３０）。なお、所定時間time２は、例えば、２４時間以上、１万時間以下の範囲、好ましくは、１００時間以上５０００時間以下の範囲、より好ましくは週に１回程度４７５℃脆化解消制御を実施できるように１６８時間程度としてもよい。所定時間time２は、ステンレス製の部材において４７５℃脆化が生じうる発電制御の実施時間範囲から適宜、決定される。
【０１１１】
燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１となってからの経過時間が所定時間time２になっていないと判定している間（ステップＳ３０において「ＮＯ」）、制御器３はステップＳ３０の判定処理を繰り返す。一方、制御器３が、タイマの計測結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１となってからの経過時間が、所定時間time２となったと判定した場合（ステップＳ３０において「ＹＥＳ」）、燃料電池システム１００の昇温開始を指示する（ステップＳ３１）。そして、制御器３は、空気供給器２１および燃料供給器２２をそれぞれ制御し、酸化剤ガスおよび燃料ガス（水素）の供給流量を調節する（ステップＳ３２）。なお、これ以降の処理（ステップＳ３３からステップＳ３６までの処理）は、図４に示す起動時４７５℃脆化解消制御のステップＳ１５からステップＳ１８までと同様であるため、説明は省略する。
【０１１２】
また、ステップＳ３６において燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったと判定し、通常の発電制御を実行する際、制御器３は、所定時間time２の経過を判定するためタイマのカウンタをゼロに戻す。そして、再度、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったときからの経過時間を計測する。そして、発電時４７５℃脆化解消制御の実施した後、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったときから所定時間time２経過すると、再度、上記した発電時４７５℃脆化解消制御を実施する。
【０１１３】
なお、燃料電池スタック１０の温度と燃料電池スタック１０の出力との対応関係を示す情報について予め記憶部に保持している場合、ステップＳ３６では、燃料電池スタック１０の出力の値（不図示の発電出力検知器の検知結果）に基づき燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達しているか否か判定する構成としてもよい。
【０１１４】
また、ステップＳ３１において、制御器３が昇温開始を指示した後、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となるように、燃料ガス（水素）および酸化剤ガスの供給流量を増量させる構成であったが、この構成に限定されるものではない。
【０１１５】
制御器３は、燃料ガス（水素）の供給流量だけを増量させるように燃料供給器２２を制御する構成としてもよい。この場合、燃料ガス（水素）の供給流量をさらに増量させることで、セル１２から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させる燃焼器３５の燃焼量を大きくして燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。あるいは、制御器３は酸化剤ガスの供給流量を減量させるように空気供給器２１を制御する構成としてもよい。この場合は、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスを減量させることで酸化剤ガスによって奪われる燃料電池スタック１０の温度を抑制させて、燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。
【０１１６】
制御器３が燃料ガス（水素）の供給流量だけを増量させるように燃料供給器２２を制御する構成の場合、ステップＳ３５では、制御器３は燃料ガス（水素）の供給流量だけ減量するように制御する。また、制御器３が酸化剤ガスの供給流量だけを減量させるように空気供給器２１を制御する構成の場合、ステップＳ３５では、制御器３は酸化剤ガス（空気）の供給量だけを増量させるように制御する。
【０１１７】
以上のように、本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、発電制御中に、燃料電池システム１００において目標とする発電負荷に応じた発電量を発電することができる状態に達したタイミング（例えば、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達したタイミング）を起点として、一定の間隔（所定時間time２）で４７５℃脆化解消制御を周期的に実施することができる。このため、燃料電池システム１００において発電制御を実施している間に、フェライト系ステンレス製の部材において、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeおよびCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。このため、燃料電池システム１００において備えられているステンレス製の部材が４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができる。
【０１１８】
［実施の形態２］
次に、本開示の実施の形態２に係る燃料電池システム１０１の構成について、図７を参照して説明する。図７は、本開示の実施の形態２に係る燃料電池システム１０１の構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【０１１９】
上記した本開示の実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料供給器２２によって燃料ガスとして、水素が燃料極１５に供給される構成であった。これに対して本開示の実施の形態２に係る燃料電池システム１０１では、燃料供給器２２によって燃料ガスとして、例えば都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素燃料などの原料ガスが改質器３２に供給され、改質器３２で原料ガスを改質して得た改質ガスを燃料極１５に供給する構成となっている。
【０１２０】
具体的には、燃料電池システム１０１は、図７に示すように、燃料電池システム１００の構成において、水供給器２３、蒸発器３１、および改質器３２をさらに備えた構成となっている。そして、蒸発器３１および改質器３２は、ホットボックス３０内に配置されている。ただし、燃料電池システム１０１では、改質器３２においてセル１２に供給される改質ガスを予熱することができるため、燃料電池システム１００が備えている第２熱交換器３４を備える必要はない。なお、燃料電池システム１０１は、これ以外の構成は燃料電池システム１００と同様であるため、同様な部材には同様の符号を付し、その説明は省略する。
【０１２１】
燃料電池システム１０１では、燃料供給器２２によって原料ガスを、原料ガス供給経路４５を通じて改質器３２に供給する。さらに水供給器２３によって改質用水を、水供給経路４３を通じて改質器３２に供給する。水供給経路４３中には蒸発器３１が設けられており、水供給器２３から供給された改質用水を気化させて改質器３２に供給するように構成されている。
【０１２２】
また、改質器３２で改質反応を実施するために必要な熱源および蒸発器３１で改質用水を気化させるために必要な熱源は、燃焼器３５で生成された燃焼排ガスの有する熱を利用するように構成されている。すなわち、燃焼器３５で生じた燃焼排ガスは、第１熱交換器３３、改質器３２、および蒸発器３１をそれぞれ流通してホットボックス３０外に排出されるように構成されている。
【０１２３】
そして、燃焼排ガスは、第１熱交換器３３を流通する際に、保有する熱の一部が利用されて酸化剤ガスを予熱し、改質器３２に供給される。改質器３２では、改質反応（水蒸気改質反応）を進めるために、燃焼排ガスの保有する熱の一部が利用される。その後、燃焼排ガスは蒸発器３１に供給され、改質用水を気化させるために、保有する熱の一部が利用される。このように、燃焼排ガスは、第１熱交換器３３、改質器３２、および蒸発器３１それぞれで、保有する熱が利用され、十分に温度が低下された状態でホットボックス３０外へと排気される。
【０１２４】
上記した構成を有する燃料電池システム１０１では、後述する４７５℃脆化解消制御を実施しない場合は、制御器３からの制御指示の下、燃料電池システム１００と同様に、図２に示すように起動から発電を経て、停止に至る運転制御が実施される。
【０１２５】
すなわち、燃料電池システム１０１では、起動制御運転時には、制御器３が、燃料供給器２２を制御して原料ガスを改質器３２に供給する。改質器３２に供給された原料ガスはセル１２の燃料極１５に供給される。また、制御器３は、空気供給器２１を制御して、燃料電池スタック１０のセル１２の空気極１４に酸化剤ガスを供給する。
【０１２６】
そして、燃料電池システム１０１では、制御器３は、燃焼器３５を制御して、セル１２の燃料極１５から排出されたアノードオフガスを、セル１２の空気極１４から排出されたカソードオフガスとともに燃焼させる。そして、燃焼器３５における燃焼熱および燃焼排ガスの有する熱により、燃料電池スタック１０の温度を上昇させる。また、燃焼排ガスの有する熱により、第１熱交換器３３で酸化剤ガスを加熱するとともに、改質器３２および蒸発器３１を所定温度となるように加熱する。そして、改質器３２および蒸発器３１が所定温度まで加熱された後、制御器３は、水供給器２３を制御して、改質用水を蒸発器３１に導き、蒸発器３１で気化させる。そして、原料ガスと蒸発器３１で気化させた水蒸気とを混合させた混合ガスを改質器３２に供給する。
【０１２７】
このように、所定温度まで改質器３２を加熱した後、原料ガスと水蒸気との混合ガスが改質器３２に供給され、改質器３２において水蒸気改質反応（ＳＲ）により原料ガスを改質する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるが、この時点では既に改質器３２の周囲は十分高温になっているため、燃料電池スタック１０を安定的に温度上昇させることができる。以上のようにして燃料電池システム１０１では起動制御を行う。
【０１２８】
そして、制御器３が温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定的に発電動作させる際の温度よりも低い所定温度Ｔ０（例えば、４５０℃）に達したと判定した場合、制御器３は不図示の開閉器などを制御して燃料電池スタック１０を含む発電回路を閉じる。これにより、燃料電池スタック１０は発電を開始し、発電回路に電流が流れる。発電に伴って、発熱反応の発生により、燃料電池スタック１０自体が発熱するため、燃料電池スタック１０の温度は速やかに昇温する（起動発電制御）。
【０１２９】
つまり、図２に示すように、起動制御後、燃料電池スタック１０の温度が、安定発電温度Ｔ１（例えば、５００℃）に達する前までの期間では起動発電制御が行われる。そして、燃料電池システム１０１において、制御器３が温度検知器２の検知結果に基づき安定発電温度Ｔ１（約５００℃）に達したと判定すると、発電制御（負荷追従運転）を開始する。
【０１３０】
その後、発電制御の停止が指示された場合、燃料電池システム１０１の停止制御に移行する。具体的には、制御器３は、不図示の開閉器を制御して発電回路を開いて燃料電池スタック１０における発電を停止させる。そして、制御器３は、改質器３２に供給する原料ガスおよび改質用水、ならびに燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスの各供給流量を発電停止用の流量値に変更するように燃料供給器２２、水供給器２３、および空気供給器２１をそれぞれ制御する。
【０１３１】
なお、原料ガスおよび改質用水が継続して供給されるため燃焼器３５では燃焼が継続されるが、供給される酸化剤ガスの流量が十分に大きいため熱が放出され、燃料電池スタック１０は徐々に温度低下していく。そして、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度まで低下したと判定すると、制御器３は、燃料供給器２２および水供給器２３を制御して改質器３２に供給する原料ガスおよび改質用水の供給を停止させるとともに、空気供給器２１を制御して空気極１４への酸化剤ガスの供給を停止させる。そして、自然放熱により燃料電池スタック１０の温度を低下させる。
【０１３２】
ところで、燃料電池システム１０１では、上記した燃料電池システム１００と同様に、燃料電池スタック１０の温度を安定発電温度Ｔ１（例えば、５００℃）から所定温度Ｔ２（例えば、６００℃）まで一旦、上昇させ、その状態を所定時間（time１=１分〜６０分、より好ましくは３０分〜６０分の間の時間）保持した後、再度、安定発電温度Ｔ１まで降温させるように制御する（４７５℃脆化解消制御）。このように燃料電池システム１０１において４７５℃脆化解消制御を実施することで、フェライト系ステンレスにおいて、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeとCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消させることができる。
【０１３３】
以下、燃料電池システム１０１で実施する４７５℃脆化解消制御について図８〜図１１を参照して説明する。
【０１３４】
図８は、本開示の実施の形態２に係る起動時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタック１０の温度変化と、改質用水、原料ガス、および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。図９は、本開示の実施の形態２に係る起動時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。図１０は、本開示の実施の形態２に係る発電時４７５℃脆化解消制御における、燃料電池スタック１０の温度変化と、改質用水、原料ガス、および酸化剤ガスの供給流量変化と、発電による出力の変化との対応関係を示す図である。図１１は、本開示の実施の形態２に係る発電時４７５℃脆化解消制御の一例を示すフローチャートである。
【０１３５】
なお、図８、図１０では、４７５℃脆化解消制御を実施する燃料電池システム１０１における酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水それぞれの供給量変化を実線で示している。また、破線によって４７５℃脆化解消制御を実施しない通常動作時における酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水それぞれの供給量変化を示している。
【０１３６】
（起動時４７５℃脆化解消制御）
以下、図８および図９を参照して、本開示の実施の形態２に係る起動時４７５℃脆化解消制御について説明する。
【０１３７】
燃料電池システム１０１では、制御器３が起動指示を受け付けると、空気供給器２１を制御して酸化剤ガスをセル１２に供給するとともに、燃料供給器２２を制御して原料ガスの改質器３２への供給を開始する。改質器３２に供給された原料ガスは、改質器３２を通過してセル１２に供給される。そして、セル１２から排出されたカソードオフガスとアノードオフガスとを燃焼器３５において燃焼させることで、燃料電池スタック１０の温度を上昇させる。
【０１３８】
その後、燃料電池スタック１０とともに、改質器３２および蒸発器３１が所定温度まで上昇すると、制御器３は、水供給器２３を制御して改質用水の供給を開始する。改質用水は蒸発器３１で気化され原料ガスとともに改質器３２に供給される。このように、気化された改質用水が改質器３２に供給されると、改質器３２において水蒸気改質反応により改質ガスが生成され、この生成された改質ガスがセル１２に供給される。そして、燃料電池システム１０１では、燃焼器３５によってカソードオフガスとアノードオフガスとを燃焼させることで、燃料電池スタック１０の温度を上昇させ、起動制御を実施する。
【０１３９】
起動制御実施中において、制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０（Ｔ０＝例えば４５０℃）以上となったか否か判定する（ステップＳ１１０）。制御器３が燃料電池スタック１０の温度がＴ０以上となっていないと判定している間（ステップＳ１１０において「ＮＯ」と判定している間）は、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０以上となったか否かについての判定を繰り返す。
【０１４０】
一方、制御器３が、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ０以上となったと判定した場合、起動発電制御の開始を指示する（ステップＳ１１１）。
【０１４１】
また、起動発電制御の開始を指示すると、制御器３は、空気供給器２１、燃料供給器２２、および水供給器２３をそれぞれ制御し、酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水の供給流量を増量する（ステップＳ１１２）。制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１（Ｔ１＝例えば、５００℃）に達したか否か判定する（ステップＳ１１３）。
【０１４２】
ステップＳ１１３において、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達していないと判定している間は（ステップＳ１１３において「ＮＯ」）、制御器３は、原料ガス、改質用水、および酸化剤ガスそれぞれの供給流量を継続して増量させるように制御する。
【０１４３】
一方、ステップＳ１１３において、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達していると判定した場合（ステップＳ１１３において「ＹＥＳ」）、制御器３は、空気供給器２１、燃料供給器２２、および水供給器２３をそれぞれ制御し、酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水の供給流量を調節する（ステップＳ１１４）。例えば、燃料ガス（原料ガス）の供給流量を増加させ、燃料電池スタック１０の温度上昇をはかるとき、Ｓ/Ｃ＝２．５程度を維持するように、燃料ガス（原料ガス）の流量にあわせて、改質用水を増量する。同時に燃料電池スタック１０の下流に配置された燃焼器３５での空燃比を維持するため、酸化剤ガスの供給流量を増量させる。なお、ここでＳ/Ｃとは、スチーム／カーボンのことであり、水蒸気のモル量と原料ガス中の都市ガスやＬＰＧ(エルピーガス)などの炭化水素成分中の炭素とのモル量との比を意味する。
【０１４４】
そして、制御器３は、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となったか否か判定する（ステップＳ１１５）。制御器３が燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２未満であると判定している間（ステップＳ１１５において「ＮＯ」と判定している間）は、制御器３は、空気供給器２１、燃料供給器２２、および水供給器２３それぞれを制御して酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水それぞれの供給流量を継続して増量させる。
【０１４５】
一方、制御器３が、温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となったと判定した場合（ステップＳ１１５において「ＹＥＳ」）、制御器３は、空気供給器２１、燃料供給器２２、および水供給器２３をそれぞれ制御して、酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水それぞれの供給流量をそのまま維持する。このように供給流量を維持することで燃料電池スタック１０の温度を所定温度Ｔ２に維持する。
【０１４６】
ただし、燃料電池スタック１０の熱容量により、温度上昇の応答が遅れる場合がある。このため、所定温度Ｔ２以上となったときの供給流量を維持すると、温度が上がりすぎることが多い。そこで、所定温度Ｔ２以上となった後の制御は、供給流量の微量な変更により、所定温度Ｔ２を維持し、温度上昇しすぎないようにしてもよい。
【０１４７】
また、燃料電池スタック１０では、運転時に温度分布が発生する。温度検知器２の温度は燃料電池スタック１０の代表温度を示すため、予め取得したデータから、燃料電池スタック１０の最も温度が低い箇所においても、４７５度脆化解消制御が有効に働くよう、所定温度Ｔ２を設定してもよい。
【０１４８】
例えば、燃料電池スタック１０の最低温度（燃料電池スタック１０の最も温度が低い箇所の温度）が６００℃となる時に温度検知器２により検知される温度のデータを予め取得しておく。そして、予め取得したデータにおいて、例えば、燃料電池スタック１０の最低温度が６００℃となる時の温度検知器２により検知される温度が６５０℃となる場合、所定温度Ｔ２＝６５０℃と設定してもよい。
【０１４９】
さらに制御器３は、不図示のタイマを稼働させて、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となったと判定した時点からの経過時間を計測させる。そして、制御器３は、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２の状態で、所定時間time１、経過したか否か判定する（ステップＳ１１６）。
【０１５０】
このように、燃料電池システム１０１では、燃料電池スタック１０の温度が５００℃程度の安定発電温度Ｔ１になった後、さらに温度を所定温度Ｔ２まで上昇させることができる。このため、フェライト系ステンレスにより形成された部材において、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeとCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消させることができる。
【０１５１】
ここで、制御器３が、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２の状態で、所定時間time１、経過していないと判定している間（ステップＳ１１６において「ＮＯ」）、タイマの計測結果に基づき、所定時間time１の経過の判定を継続する。一方、制御器３が、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２の状態で、所定時間time１、経過したと判定した場合（ステップＳ１１６において「ＹＥＳ」）、制御器３は、空気供給器２１、燃料供給器２２、および水供給器２３をそれぞれ制御し、酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水の供給流量を調節する（ステップＳ１１７）。
【０１５２】
そして、制御器３は温度検知器２の検知結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったか否か判定する（ステップＳ１１８）。制御器３が燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になっていないと判定している間（ステップＳ１１８において「ＮＯ」と判定している間）は、例えば、酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水の供給流量を減量させながら、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったか否かについての判定を繰り返す。
【０１５３】
一方、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったと判定した場合（ステップＳ１１８「ＹＥＳ」）、制御器３は、例えば、図２に示すような、通常の発電制御を実行する。
【０１５４】
なお、燃料電池スタック１０の温度と燃料電池スタック１０の出力との対応関係を示す情報について予め記憶部に保持している場合、ステップＳ１１３、Ｓ１１８では、燃料電池スタック１０の出力の値（不図示の発電出力検知器の検知結果）に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達しているか否か判定する構成としてもよい。
【０１５５】
また、ステップＳ１１３において、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達していると判定した場合、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となるように、原料ガス、改質用水、および酸化剤ガスの供給流量をそれぞれ増量させる構成であったが、この構成に限定されるものではない。
【０１５６】
制御器３は、燃料ガス（原料ガス）および改質用水の供給流量を増量させるように燃料供給器２２および水供給器２３を制御する構成としてもよい。この場合、燃料ガス（原料ガス）および改質用水の供給流量をさらに増量させることで、改質器３２で生成される改質ガスの流量を増量させることができる。このようにセル１２に供給される改質ガスの流量を増量させることで、セル１２から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させる燃焼器３５の燃焼量を大きくして燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。あるいは、制御器３は酸化剤ガスの供給流量を減量させるように空気供給器２１を制御する構成としてもよい。この場合は、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスを減量させることで酸化剤ガスによって奪われる燃料電池スタック１０の温度を抑制させて、燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。
【０１５７】
制御器３が燃料ガス（原料ガス）および改質用水の供給流量を増量させるように燃料供給器２２および水供給器２３を制御する構成の場合、ステップＳ１１７では、制御器３は燃料ガス（原料ガス）の供給流量および改質用水の供給流量を減量するように制御する。また、制御器３が酸化剤ガスの供給流量だけを減量させるように空気供給器２１を制御する構成の場合、ステップＳ１１７では、制御器３は酸化剤ガス（空気）の供給量だけを増量させるように制御する。
【０１５８】
（発電時４７５℃脆化解消制御）
次に、燃料電池システム１０１における、発電制御中において一定間隔で周期的に実施する発電時４７５℃脆化解消制御について、図１０、図１１を参照して説明する。
【０１５９】
燃料電池システム１０１における発電制御中において、制御器３は、不図示のタイマを稼働させて、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１となった直近のタイミングからの経過時間を計測するように制御する。そして、タイマの計測結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になってからの経過時間が、所定時間time２になったか否か判定する（ステップＳ１３０）。
【０１６０】
燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１となってからの経過時間が所定時間time２になっていないと判定している間（ステップＳ１３０において「ＮＯ」）、制御器３はステップＳ１３０の判定処理を繰り返す。一方、制御器３が、タイマの計測結果に基づき、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１となってからの経過時間が、所定時間time２となったと判定した場合（ステップＳ１３０において「ＹＥＳ」）、燃料電池システム１０１の昇温開始を指示する（ステップＳ１３１）。そして、制御器３は、空気供給器２１、燃料供給器２２、および水供給器２３をそれぞれ制御し、酸化剤ガス、原料ガス、および改質用水の供給流量を調節する（ステップＳ１３２）。なお、これ以降の処理（ステップＳ１３３からステップＳ１３６までの処理）は、図９に示す起動時４７５℃脆化解消制御のステップＳ１１５からステップＳ１１８までと同様であるため、説明は省略する。
【０１６１】
また、ステップＳ１３６において燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったと判定し、通常の発電制御を実行する際、制御器３は、所定時間time２の経過を判定するためタイマのカウンタをゼロに戻す。そして、再度、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったときからの経過時間を計測する。そして、発電時４７５℃脆化解消制御の実施した後、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１になったときから所定時間time２経過すると、再度、上記した発電時４７５℃脆化解消制御を実施する。
【０１６２】
なお、燃料電池スタック１０の温度と燃料電池スタック１０の出力との対応関係を示す情報について予め記憶部に保持している場合、ステップＳ１３６では、燃料電池スタック１０の出力の値（不図示の発電出力検知器の検知結果）に基づき燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達しているか否か判定する構成としてもよい。
【０１６３】
また、ステップＳ１３１において、制御器３が昇温開始を指示した後、燃料電池スタック１０の温度が所定温度Ｔ２以上となるように、燃料ガス（原料ガス）、改質用水、および酸化剤ガスの供給流量をそれぞれ増量させる構成であったが、この構成に限定されるものではない。
【０１６４】
制御器３は、燃料ガス（原料ガス）および改質用水の供給流量を増量させるように燃料供給器２２および水供給器２３を制御する構成としてもよい。この場合、燃料ガス（原料ガス）および改質用水の供給流量をさらに増量させることで、改質器３２で生成される改質ガスの流量を増量させることができる。このように改質ガスの供給流量を増量させることで、セル１２から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させる燃焼器３５の燃焼量を大きくして燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。あるいは、制御器３は酸化剤ガスの供給流量を減量させるように空気供給器２１を制御する構成としてもよい。この場合は、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスを減量させることで酸化剤ガスによって奪われる燃料電池スタック１０の温度を抑制させて、燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。
【０１６５】
制御器３が燃料ガス（原料ガス）および改質用水の供給流量を増量させるように燃料供給器２２および水供給器２３を制御する構成の場合、ステップＳ１３５では、制御器３は燃料ガス（原料ガス）の供給流量および改質用水の供給流量を減量するように制御する。また、ステップＳ１３２において制御器３が酸化剤ガスの供給流量だけを減量させるように空気供給器２１を制御する構成の場合、ステップＳ１３５では、制御器３は酸化剤ガス（空気）の供給量を増量させるように制御する。
【０１６６】
以上のように、本開示の実施の形態２に係る燃料電池システム１０１は、発電制御を実行中に、燃料電池システム１０１において目標とする発電負荷に応じた発電量を発電することができる状態に達したタイミング（例えば、燃料電池スタック１０の温度が安定発電温度Ｔ１に達したタイミング）を起点として、一定の間隔（所定時間time２）で４７５℃脆化解消制御を周期的に実施することができる。このため、燃料電池システム１０１において発電制御を実施している間に、フェライト系ステンレス製の部材において、CrリッチなFe-Cr相が生成されることにより４７５℃脆化したとしても、このCrリッチなFe-Cr相を、FeとCr各々の偏在を抑制した４７５℃脆化以前の相へと遷移させて解消することができる。このため、燃料電池システム１０１において備えられているステンレス製の部材が４７５℃脆化の影響により破損することを防ぐことができる。
【０１６７】
（ステンレス製の部材）
ところで、燃料電池システム１００、１０１においてステンレス製の部材とすることができる構成部材としては、図１、図７における燃料電池スタック１０、燃焼器３５、第１熱交換器３３、図１における第２熱交換器３４、図７における改質器３２および蒸発器３１が挙げられる。さらには、これら各部材を収容する筐体であるホットボックス３０も例示できる。
【０１６８】
燃料電池スタック１０が平板形である場合、燃料電池スタック１０の中でも、特に、フェライト系ステンレスによって形成される構成部材としては、セパレータ、インターコネクタ、空気極集電体、燃料極集電体、バスバー、端部プレート、および燃料極フレームが挙げられる。
【０１６９】
セパレータは、燃料電池スタック１０における空気流路と燃料流路とを分ける部材である。インターコネクタは、異なるセル１２同士を電気的に接続し、かつ燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）とを分離する部材である。インターコネクタは、例えば、(Mn, Co)3O4のスピネル系酸化物等を表面にコートして使用することができる。
【０１７０】
空気極集電体および燃料極集電体は、空気極および燃料極それぞれと、電子通路との電気接続を行う部材であり、(Mn, Co)3O4のスピネル系酸化物等を表面にコートして使用することができる。バスバーは、燃料電池スタック１０から電力を取り出すプラス側およびマイナス側それぞれの端子部材である。
【０１７１】
端部プレートは、燃料電池スタック１０の両端を機械的に保持する部材である。
【０１７２】
また、セル１２は、金属支持体によってセル１２を機械的に支持する構成としてもよい。セル１２が金属支持体により支持される構成の場合、この金属支持体をフェライト系ステンレスにより形成してもよい。
【０１７３】
なお、上記したステンレス製の部材におけるCr含有率は、１０．５質量％以上であってもよい。好ましくは、Cr含有率は、１０．５質量％以上、５０質量％以下の範囲の値であり、製造コストの観点からより好ましくは、１０．５質量％以上、３２質量％以下の範囲の値としてもよい。また、フェライト系ステンレスは、耐食性向上のため、Crの含有量が３２質量％より多いFe-Cr合金でも代替することができる。
【０１７４】
例えば、セパレータ、端部プレート、改質器３２、ホットボックス３０等を形成するフェライト系ステンレスとしては、「ＮＣＡ−１」（日鉄ステンレス、代表組成：18Cr-3Al-Ti-Mn-Ni-Si）が例示できる。また、燃料極集電体、空気極集電体、インターコネクタ、金属支持体等を形成するフェライト系ステンレスとしては、「ＺＭＧ２３２Ｇ１０」（日立金属、代表組成：24Cr-Mn-Zr-W-Cu）、または「Ｃｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ」（ティッセンクルップ、代表組成：22Cr-Mn-N）、または「ＮＳＳＣ−２２０ＥＣＯ」（日鉄ステンレス、代表組成：24Cr-Mn-Mo-W-Mo-N）に(Mn, Co)3O4のスピネル系酸化物等を表面にコートしたものが例示できる。
【０１７５】
なお、実施の形態１に係る燃料電池システム１００および実施の形態２に係る燃料電池システム１０１それぞれにおいて、起動時４７５℃脆化解消制御および発電時４７５℃脆化解消制御の少なくとも一方を実行する構成であってもよい。より顕著に４７５℃脆化解消を行うことができる点で、起動時４７５℃脆化解消制御および発電時４７５℃脆化解消制御の両方を併用して実施することが特に好適である。
【０１７６】
なお、これら実施の形態１に係る燃料電池システム１００および実施の形態２に係る燃料電池システム１０１において、起動時４７５℃脆化解消制御および発電時４７５℃脆化解消制御の少なくとも一方を実行する際、ホットボックス３０内からの放熱量が燃料電池スタック１０の温度上昇に伴って増える。このため、燃料電池システムパッケージ内の温度が上昇する。そこで、起動時４７５℃脆化解消制御および発電時４７５℃脆化解消制御の少なくとも一方を実行する場合、燃料電池システムパッケージ内の温度を調整するために設けられている不図示の換気ファンによる換気量を大きくするように構成してもよい。
【０１７７】
また、起動時４７５℃脆化解消制御および発電時４７５℃脆化解消制御の少なくとも一方を実行する場合、ホットボックス３０内から排気される燃焼排ガスの温度も上昇する。このため、燃焼排ガスが有する熱を貯湯水等によって回収するように構成されている場合、この貯湯水の循環量を増量するように構成してもよい。
【０１７８】
また、燃料電池スタック１０を安定発電温度Ｔ１（第１所定温度）から所定温度Ｔ２（第２所定温度）へ昇温する際、ならびに所定温度Ｔ２に維持する際、燃料電池システム１０１のパッケージ内の温度を、安定発電温度Ｔ１と同程度の温度に維持するため、システムパッケージ内の図示しない換気ファンの出力をあげて、熱交換量を増やすように構成してもよい。ここで、燃料電池システム１０１のパッケージとは、空気供給器２１、燃料供給器２２、水供給器２３、制御器３などの補機、およびホットボックス３０を含む図示しないエネファームなどの燃料電池システム１０１のアッセンブリ全体を意味する。前記補機の耐熱性の保護、および動作保証の観点から燃料電池システム１０１のパッケージ内温度は４０℃台前半以下となるように制御することが好ましい。そのため、燃料電池システム１０１に搭載する図示しない換気ファンを動作させることで、燃料電池システム１０１のパッケージ内に外気を取り込み、パッケージ内の空気と置換することで、燃料電池システム１０１のパッケージ内温度を制御する。
【０１７９】
本開示は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。
【０１８０】
本開示にかかる燃料電池システムは、４００℃〜５５０℃の温度域で定常的に稼働し、４７５℃脆化による影響を受ける部材を備えた燃料電池システム全般に適用できる。さらに本開示は、燃料電池システム以外に、プロトン伝導体を用いる、水蒸気電解、電気化学式水素ポンプ（昇圧・蓄圧器）、電気化学水素純化器、水素センサ等のような電気化学システム一般にも適応できる。
【符号の説明】
【０１８１】
２    温度検知器
３    制御器
１０    燃料電池スタック
１２    セル
１３    電解質
１４    空気極
１５    燃料極
２１    空気供給器（酸化剤ガス供給器）
２２    燃料供給器（燃料ガス供給器）
２３    水供給器
３０    ホットボックス
３１    蒸発器
３２    改質器
３３    第１熱交換器
３４    第２熱交換器
３５    燃焼器
１００    燃料電池システム
１０１    燃料電池システム
Ｔ０    所定温度
Ｔ１    安定発電温度
Ｔ２    所定温度
time１    所定時間
time２    所定時間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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