(57)【要約】【課題】起動動作終了直後のセルスタックの内部温度の熱応力に起因するセルスタック内でのクラック発生を防止する。【解決手段】セルスタック１６の温度が一定以上（しきい値Ｔｃｓ）になっても、直ぐに、予め定めた流量で改質水を供給せず、予め定めた時間をかけて、徐々に増量しながら供給するようにした（傾きθ）。このため、改質水を一気に予め定めた量を供給する場合の変化率に比べて、変化率を小さくすることができ、セルスタック１６における燃焼で、急激な温度情報変化率（勾配）となり、熱応力起因のクラックが発生することを防止することができる。【選択図】図３
2020053365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記改質器へ改質用の水を供給する改質水供給手段と、
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、
前記原料ガスと前記酸化剤ガスとを用いた加熱手段の燃焼を制御することによって、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して、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制御手段と、
前記起動動作制御手段による起動動作の進捗状況に基づいて、前記改質水供給手段を制御して、改質用の水の流量を制御する改質水流量制御手段と、
を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質水流量制御手段が、
前記セルスタックの内部温度が発電可能温度に達した時点から予め定めた時間後までの間に、改質用の水の流量を徐々に増加させて、通常動作時の流量とする、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
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第１計算手段と、をさらに有し、
前記起動動作制御手段が、
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を相対的に少ない流量に切り替え、前記第１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を相対的に多い流量に切り替える、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質水流量制御手段が、
前記セルスタックの内部温度が発電可能温度に達する前から、改質用の水の供給を開始する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
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、
前記セルスタックの内部温度、前記原料ガスの流量、及び前記改質器の内部温度に基づいて、前記セルスタックに供給される前記改質ガスの相対湿度を、一定時間毎に計算する第２計算手段と、をさらに有し、
前記改質水流量制御手段が、前記第２計算手段の計算結果に基づいて、改質用の水の流量を調整する、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
コンピュータを、
請求項１〜請求項５の何れか１項記載の改質水流量制御手段として動作させる、
改質水流量制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム、改質水流量制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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が所定温度に達した時点で、通常運転として設定された流量の原料ガスと改質水とにより改質器で改質ガスが生成され、セルスタックのアノードで供給される。
【０００４】
すなわち、セルスタックのアノードへ供給される改質ガスは、原料ガス及び改質水の量に依存する。特に、起動動作では供給していない改質水を、セルスタックの内部温度が所定温度に達した時点で、一気に通常運転時の流量を供給すると、セルスタックにおいて、燃焼による熱応力起因のクラックが発生する場合がある。
【０００５】
なお、参考として、特許文献１には、セルスタックで発電に使用されなかった燃料オフガスを燃焼させて未使用燃料を処理する際、急激に大量の燃料オフガスを燃焼させると、熱衝撃及び局所的な熱応力により、クラックが発生することを課題として、物理的にセルスタックを構成する絶縁基体の一部に強化層を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−７６８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、物理的な強度の向上には限界があり、特に、起動動作の終了後に、一気に供給される改質ガスに起因した熱応力の対策は実施されていない。
【０００８】
本発明は上記事実を考慮し、起動動作終了直後のセルスタックの内部温度の熱応力に起因するセルスタック内でのクラック発生を防止することができる燃料電池システム、改質水量制御プログラムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、前記改質器へ改質用の水を供給する改質水供給手段と、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、前記原料ガスと前記酸化剤ガスとを用いた加熱手段の燃焼を制御することによって、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して、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制御手段と、前記起動動作制御手段による起動動作の進捗状況に基づいて、前記改質水供給手段を制御して、改質用の水の流量を制御する改質水流量制御手段と、を有している。
【００１０】
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。
【００１１】
起動動作制御手段では、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して、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。
【００１２】
ここで、セルスタックの内部温度が発電可能温度に達すると、改質器へ改質水を供給し、セルスタックへ改質ガスを送出するが、本発明の改質水流量制御手段では、起動動作から通常動作へ一気に転換せず、起動動作制御手段による起動動作の進捗状況に基づいて、改質水供給手段を制御して、改質用の水の流量を制御する。この改質水の流量制御により、セルスタックの内部温度の急激な変化によるクラック発生等を抑制することができる。
【００１３】
なお、上記の「起動動作の進捗状況に基づく」とは、改質水の流量制御を、起動動作開始から終了までの期間の何れの時期から開始してもよいことを示す。例えば、起動動作終了後から徐々に改質水の流量を制御してもよいし、起動動作開始直後から徐々に改質水の流量を制御してもよい。
【００１４】
本発明において、前記改質水流量制御手段が、前記セルスタックの内部温度が発電可能温度に達した時点から予め定めた時間後までの間に、改質用の水の流量を徐々に増加させて、通常動作時の流量とすることを特徴としている。
【００１５】
改質水流量の制御の実施形態として、セルスタックの内部温度が発電可能温度に達した時点から予め定め時間後までの間に、改質用の水の流量を、例えば、一定の傾きで徐々に、或いは段階的に徐々に増加させて、通常動作時の流量とする。これにより、セルスタックの内部温度の急激温度上昇を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、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第１計算手段と、をさらに有し、前記起動動作制御手段が、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を相対的に少ない流量に切り替え、前記第１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を相対的に多い流量に切り替えることを特徴としている。
【００１７】
起動動作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。
【００１８】
一方、第１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。
【００１９】
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を継続することができる。
【００２０】
本発明において、前記改質水流量制御手段が、前記セルスタックの内部温度が発電可能温度に達する前から、改質用の水の供給を開始することを特徴としている。
【００２１】
セルスタックの内部温度が発電可能温度に達する前から改質用の水の供給を開始することで、例えば、改質器の内部温度を上昇を軽減でき、当該改質器での炭素析出を防止することができる。
【００２２】
本発明において、前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、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、前記セルスタックの内部温度、前記原料ガスの流量、及び前記改質器の内部温度に基づいて、前記セルスタックに供給される前記改質ガスの相対湿度を、一定時間毎に計算する第２計算手段と、をさらに有し、前記改質水流量制御手段が、前記第２計算手段の計算結果に基づいて、改質用の水の流量を調整することを特徴としている。
【００２３】
セルスタックの内部温度が発電可能温度に達する前から改質用の水の供給を開始する場合、改質ガスの湿度を考慮する必要がある。
【００２４】
そこで、第２の計算手段により、セルスタックの内部温度、原料ガスの流量、及び改質器の内部温度に基づいて、セルスタックに供給される前記改質ガスの相対湿度を、一定時間毎に計算する。改質水流量制御手段では、第２の計算手段の計算結果に基づいて、改質用の水の流量を調整する。これにより、改質ガスの湿度管理ができる。
【００２５】
本発明は、コンピュータを、前記改質水流量制御手段として動作させる、改質水流量制御プログラムである。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明した如く本発明では、起動動作終了直後のセルスタックの内部温度の熱応力に起因するセルスタック内でのクラック発生を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】（Ａ）は第１の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、第１の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。
【図３】第１の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。
【図４】第１の実施の形態の変形例１に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】図２のステップ１２２により指示を受けた場合に起動する、改質水流量制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第２の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。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１の実施の形態）
【００２９】
図１には、第１の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。第１の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。
【００３０】
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である。
【００３１】
燃料電池システム１０は、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
なお、第１の実施形態では、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、第１の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。
【００３７】
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。
【００３８】
セルスタック１６は、固体酸化物型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。
【００３９】
セルスタック１６の個々の燃料電池セル（図示省略）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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（空気極反応）
【００４３】
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００４４】
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。
【００４５】
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。
【００４６】
（燃料極反応）
【００４７】
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
【００４８】
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（起動動作）
【００５５】
まず、第１の実施形態の燃料電池システム１０の起動動作について説明する。
【００５６】
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（水蒸気）を改質器１４へ供給するようにしている。
【００５７】
（通常動作）
【００５８】
次に、第１の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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（炭素析出温度監視）
【００６２】
また、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。
【００６３】
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の温度上昇変化率（勾配）が低下することになる。
【００６４】
そこで、第１の実施の形態では、原料ガスを最大流量で供給することで、セルスタック１６の温度上昇変化率（勾配）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。
【００６５】
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、第１の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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
第１の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。
【００７２】
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））。
【００７３】
（改質水流量の制御）
【００７４】
ところで、第１の実施の形態では、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（改質水）を改質器１４へ供給することで、通常動作が実行されるが、このとき、改質水を改質器１４へ供給する量として、一気に予め定めた量を供給すると、セルスタック１６における燃焼で、急激な温度情報変化率（勾配）となり、熱応力起因のクラックが発生する可能性がある。
【００７５】
比較例として、物理的にセルスタックを構成する絶縁基体の一部に強化層を設けることがなされているが、通常動作初期に一時的に発生する変化率の大きい（例えば、傾き４５°〜６０°程度以上）温度上昇に対応していない場合がある。
【００７６】
そこで、第１の実施の形態では、セルスタック１６の温度が一定以上（しきい値Ｔｃｓ）になった後の改質水の供給を、一定時間をかけて、予め定めた量に徐々に増量していく改質水流量制御を確立した。言い換えれば、第１の実施の形態に係る改質水流量制御は、改質水を一気に予め定めた量を供給する場合の変化率に比べて、変化率を小さくする制御である。
【００７７】
この改質水流量制御は、前述の炭素析出温度監視制御において、セルスタック１６の内部温度Ｔｓが、しきい値Ｔｃｓに到達したと判定された時点（Ｔｓ≧Ｔｃｓ）で実行される。この場合、改質水は、予め定めた流量の供給ではない。この場合、改質水の供給を開始した時点から予め定めた流量となる時点までの過渡期を、起動動作とするか、通常動作とするかは、特に定める必要はないが、第１の実施の形態では、セルスタック１６の内部温度Ｔｓが、しきい値Ｔｃｓに到達したと判定され、改質水流量制御の実行が指示される（後述の図２のステップ１２２参照）までを起動動作と定義するものとする。
【００７８】
以下に、第１の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。
【００７９】
図２（Ａ）は、第１の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。
【００８０】
また、図２（Ｂ）は、第１の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。
【００８１】
第１の実施の形態では、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、第１の実施の形態では、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情報変化率（勾配）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）の有無による温度情報変化率（勾配）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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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（第１の実施の形態では、１分毎）に最新情報となる。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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）。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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、供給される一定量の酸化剤ガスと一定量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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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、改質水流量制御の実行を指示し（図３の矢印ｄ参照）、ステップ１２４へ移行する。なお、ステップ１２２での改質水流量制御の実行指示により、図５に示す改質水流量制御ルーチン（詳細後述）の動作が開始される。
【００９５】
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）。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
図５は、図２のステップ１２２により指示を受けた場合に起動する、改質水流量制御ルーチンを示すフローチャートである。この図５のルーチンは、図２の制御と並行処理される。
【０１０７】
ステップ１５０では、改質水の目標流量Ｆｒを読み出し、次いで、ステップ１５２へ移行して、目標流量Ｆｒへの到達予測時間ｔｐを設定し、ステップ１５４へ移行する。
【０１０８】
ステップ１５４では、時間ｔｐ後に目標流量Ｆｒとなるような流量の上昇勾配（傾きθ）を演算する（θ＝tan-1（Ｆｒ／ｔｐ））。
【０１０９】
次のステップ１５６では、ステップ１５４で演算した傾きθに基づき流量を制御して、改質水の供給を開始する。
【０１１０】
次のステップ１５８では、改質水の流量が目標流量Ｆｒに到達したか否かを判断し、否定判定された場合は、改質水流量制御を継続し、肯定判定された場合は、ステップ１６０へ移行して、改質水の供給を定量供給制御に切り替えて、このルーチンは終了する。
【０１１１】
（炭素析出温度監視による作用効果）
【０１１２】
第１の実施の形態では、起動動作中、原料ガスを、改質器１４の炭素析出を考慮することなく、燃焼器４０での燃焼時に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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
（改質水流量の制御による作用効果）
【０１１５】
第１の実施の形態では、セルスタック１６の温度が一定以上（しきい値Ｔｃｓ）になっても、直ぐに、予め定めた流量で改質水を供給せず、予め定めた時間をかけて、徐々に増量しながら供給するようにした（傾きθ、図５のステップ１５４参照）。
【０１１６】
このため、改質水を一気に予め定めた量を供給する場合の変化率に比べて、変化率を小さくすることができ、セルスタック１６における燃焼で、急激な温度情報変化率（勾配）となり、熱応力起因のクラックが発生することを防止することができる。
【０１１７】
（第２の実施の形態）
【０１１８】
以下に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成部分については、同一の符号を付して、その構成の説明を省略する。
【０１１９】
第２の実施の形態の特徴は、図６に示される如く、改質水の流量を予め定めた流量とするまでの時間ｔｐをｎ分割（ｎは正の整数）し、分割された時間毎に、流量を上げていくものである（以下、段階制御という）。
【０１２０】
第２の実施の形態に係る改質水流量の段階制御によれば、一定の勾配（傾きθ）で徐々に流量を増加していく場合のマクロ的な制御と同等であるが、ｎ段階で流量を変更する場合に、１段階で上げる流量を変更したり、一時的に流量を下げたりする制御が容易となり、現場の環境（温度及び湿度等）に応じて、制御パターンの変更が容易となる。なお、分割する時間を一定にせず、流量供給初期は定量供給時間を長くし、流量供給終期は定量供給時間を短くする等の時間変更制御を行ってもよい。
【０１２１】
なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の炭素析出温度監視制御において、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。
【０１２２】
（変形例１）
【０１２３】
なお、第１の実施の形態及び第２の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）を持つ燃料電池システム１０Ａにも適用可能である。
【０１２４】
この場合、前述したように、燃焼の有無による温度情報変化率（勾配）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と、外部加熱器６４を用いた場合のインターバルとの相関は、特に制限はなく、同じインターバルでもよいし、異なるインターバルでもよい。
【０１２５】
（変形例２）
【０１２６】
なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態（変形例１を含む）では、セルスタック１６の温度が一定以上（しきい値Ｔｃｓ）になった時点で、改質水の供給を開始する制御を実行したが、改質水を起動初期、例えば、最初に原料ガスを供給し始めた時点から徐々に供給（以下、改質水早期供給という）するようにしてもよい。
【０１２７】
これにより、炭素析出が発生するしきい値Ｔｒｅｆ１を、改質水を供給しない場合よりも高く設定できるため、原料ガスの流量の制御幅を拡大することができる。言い換えれば、変形例２では、原料ガスのオン・オフ運転供給（炭素析出温度監視制御）は必須ではない。すなわち、改質器１４の内部温度Ｔｓが、しきい値Ｔｒｅｆ１に到達しないように、原料ガスの流量を微調整しながら、セルスタック１６の内部温度Ｔｓを上昇させる従来の制御であってもよい。
【０１２８】
ところで、変形例２のように、改質水早期供給を実行する場合、改質ガス中に含まれる水分の結露によるセルスタック１６の劣化や破損が課題となる。
【０１２９】
この課題を防止するために、セルスタック１６の内部温度Ｔｓと、原料ガスの流量Ｆｇ、及び改質器１４の内部温度Ｔｋに基づいて、セルスタック１６に燃料を供給する経路、或いはセルスタック１６の内部において、改質ガスの相対湿度Ｒｋを一定時間毎（例えば、３０秒毎）に計算し、改質水流量を調整する制御が必要となる。
【０１３０】
一例として、相対湿度Ｒｋが１００％未満の７０％に達したら改質水流量を抑制する。
【０１３１】
以上のことから、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で実行した原料ガスのオン・オフ運転供給（炭素析出温度監視制御）と、傾きを持った改質水の供給（改質水流量の制御）とを組み合わせることが最適であるが、原料ガスの流量制御は従来通りとし、傾きを持った改質水の供給のみを行う構成を否定するものではない（以下の表１の「２」）。
【０１３２】
以下の表１は、起動動作時制御の、改質水の供給時期と、原料ガスの供給パターンとの組み合わせ毎のそれぞれの評価を示したものである。何れの組み合わせにおいても、本願発明の課題（セルスタック１６の熱応力の影響回避）は解決可能である。
【０１３３】
なお、表１の「１」の組み合わせが、第１の実施の形態（一定傾き増加制御）及び第２の実施の形態（段階制御）に相当する。
【０１３４】
また、表１の「２」の組み合わせは、炭素析出温度監視制御は実行せず、セルスタック１６のクラック発生防止に特化したものである。
【０１３５】
さらに、表１の「３」及び「４」の組み合わせは、変形例２に相当する。
【０１３６】
【表１】
2020053365.tif 000003
【符号の説明】
【０１３７】
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（起動動作制御手段、改質水流量制御手段）
２６Ｍ    しきい値記憶部
２７    マイクロコンピュータ
２７Ａ    ＣＰＵ
２７Ｂ    ＲＡＭ
２７Ｃ    ＲＯＭ
３０    空気予熱器
４０    燃焼器
５０    改質器温度センサ
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（改質水供給手段）
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
【図１】
2020053365.tif 000004
【図２】
2020053365.tif 000005
【図３】
2020053365.tif 000006
【図４】
2020053365.tif 000007
【図５】
2020053365.tif 000008
【図６】
2020053365.tif 000009