(57)【要約】【課題】スタック１１を起動する際に、スタック１１の温度が均一となるように加熱し、安定的に昇温することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】スタック１１を起動する起動モードの自己発熱ステップ時において、初期的な空気流量Ｆ０を設定し、スタック１１の出力電流がこの空気流量についての最大電流値となるように、出力電流Ｉを増加させる。そして、最大電流値に達した場合には、空気流量を１ステップ分（Ｆｓ）増加し、新たな空気流量に対して最大電流値が得られるようにスタック１１の出力電流を制御する。そして、これを繰り返すことにより、スタック１１の出力電流、温度、空気流量が所定の数値に達した場合に、自己発熱ステップを終了して運転モードに移行する。その結果、スタック１１内の温度ばらつきを抑制することができるので、温度のばらつきに起因するスタック１１の損傷、劣化などの問題を回避することができる。【選択図】      図１
2014022299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに改質ガスが供給され、カソードに酸化ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記カソードの上流側に設けられ、前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記カソード内の所望地点の温度を第１検出温度として検出する第１温度検出手段と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記カソードに供給する酸化ガス流量、酸化ガス温度、及び燃料電池の出力電流を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の起動時には、
加熱した酸化ガスを前記カソードに供給して前記燃料電池を昇温する加熱昇温ステップと、前記加熱昇温ステップにより酸化ガスが所定温度まで昇温された際に、加温を停止し前記燃料電池にて発電することにより、該燃料電池を昇温する自己発熱ステップと、からなる起動モードにて、前記燃料電池を運転可能温度まで昇温し、その後、燃料電池より出力される電流を負荷に供給する運転モードに切り替える制御を行い、
前記自己発熱ステップでは、前記カソードに供給する酸化ガス流量を、前記運転モードへ移行する際の酸化ガス流量よりも少ない初期酸化ガス流量に設定し、前記カソードの第１検出温度に基づいて、前記燃料電池の出力電流を調整して、燃料電池の出力電流が前記初期酸化ガス流量における最大出力電流となるように制御し、
前記出力電流が最大出力電流に達した後に、前記カソードに供給する酸化ガス流量を増加して、再度出力電流が新たな酸化ガス流量に対する最大出力電流となるように制御し、この制御を前記燃料電池の出力電流が目標電流に到達するまで繰り返し、前記目標電流に到達した際に、前記運転モードに移行すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記自己発熱ステップにて、前記制御手段は、前記燃料電池の出力電流に基づいて、前記カソードが必要とする酸化ガス流量を算出し、更に、カソードが必要とする酸化ガス量とカソードに供給される酸化ガス量に基づいて酸素利用率を求め、この酸素利用率が予め設定した利用率上限値を超えた場合に、この酸化ガス流量に対する最大出力電流に到達したものと判断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。
【請求項３】
前記自己発熱ステップにて、前記制御手段は、前記第１検出温度が予め設定した上限温度を上回る場合には、前記燃料電池の出力電流が減少するように制御することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記自己発熱ステップにて、前記制御手段は、前記第１検出温度の減少速度が予め設定した閾値よりも大きい場合には、前記燃料電池の出力電流が増加するように制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の、前記第１温度検出手段よりもカソード下流側に設けられ、この地点における燃料電池温度を第２検出温度として検出する第２温度検出手段を更に備え、
前記自己発熱ステップにて、前記制御手段は、前記燃料電池の前記第１検出温度に加えて前記第２検出温度を取得し、前記第１検出温度と第２検出温度の差分の時間変化率を算出し、この時間変化率が予め設定した閾値よりも大きい場合には、前記燃料電池の出力電流が減少するように制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記自己発熱ステップにて、前記制御手段は、前記酸化ガス流量の１ステップ分の増加量を設定し、前記酸化ガス流量を増大させる際には、前記１ステップ分の増加量ずつ増加するように制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１温度検出手段は、前記燃料電池の酸化ガス入口近傍に設けられて前記カソード入口温度を検出し、前記第２温度検出手段は、前記燃料電池の酸化ガス出口近傍に設けられて前記カソードの出口温度を検出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックの始動時においてスタック全体の温度を均一化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、運転温度が高いため起動時には燃焼バーナを用いて燃料電池スタック（以下、「スタック」と略す）を昇温する必要がある。このような昇温を行う燃料電池システムの従来例として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。該特許文献１では、スタックの起動時に燃焼バーナの燃焼ガスをスタックに供給して該スタックを昇温し、更に、スタックの適所に設置した温度センサを用いてスタック温度を測定し、スタック温度が発電可能温度に到達した後に発電を開始する。すると、スタックの自己発熱により昇温し、出力電流が所定値に達し、且つスタック温度が予め設定した閾値温度に達した際に燃焼バーナを停止して燃焼ガスの供給を停止している。
【０００３】
このような従来の燃料電池システムでは、起動時間を短くするために燃焼ガス流量、及び発電出力を大きくすると、スタック内の温度のばらつきが大きくなる。特に、車載用燃料電池のように、スタックの熱容量が小さいタイプのものにおいては、燃料電池内に供給される酸化ガス温度の温度分布が、上流から下流に向けて大きくなりやすいので、酸化ガスの流量変化によってセル温度分布が変動し易くなる。このため、燃料電池内での温度のばらつきがより一層大きくなり、このばらつきによりスタックが損傷するという問題が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４６６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、特許文献１に開示された従来例では、予め設定したシーケンスによりスタックを所定温度まで昇温し、その後スタックの自己発熱により昇温する際に、スタック温度とスタックの出力電流がある閾値を超えたことを検知して起動用の燃焼バーナを停止させるので、熱容量が小さく、高出力密度のスタックの場合は、スタック内温度のばらつきが生じ易く、不安定になり易い。このため、スタック内温度のばらつきが増大した場合には、スタックに大きな熱ストレスが加わり、劣化や損傷につながるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低熱容量、高出力密度のスタックを急速に起動する場合においても、スタック内温度が均一となるように加熱し、安定的に昇温することのできる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池の起動モード中の自己発熱ステップにおいて、カソードに供給する酸化ガス流量を、運転モード時における流量よりも少ない初期酸化ガス流量に設定し、カソードの第１検出温度に基づいて、燃料電池の出力電流を調整して、燃料電池の出力電流が初期酸化ガス流量における最大出力電流となるように制御する。そして、出力電流が最大出力電流に達した後に、カソードに供給する酸化ガス流量を増加して、再度出力電流が新たな酸化ガス流量に対する最大出力電流となるように制御し、この制御を前記燃料電池の出力が目標出力に到達するまで繰り返す。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の起動モード中の自己発熱ステップにおいて、カソードに供給する酸化ガスの流量を、運転モード開始を判断する際の酸化ガス流量よりも少ない流量に設定し、酸化ガス流量を徐々に上昇させながら出力電流値をそのときの酸化ガス流量に応じた値となるように制御するので、酸化ガスによるセルの加熱冷却性能と、発電に伴うセル発熱のバランスを安定させ易く、燃料電池全体の温度ばらつきを抑制することができ、燃料電池温度の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１，第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、起動モード時における空気流量、電流、各温度の変化を示す特性図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、自己発熱ステップにおける空気流量、電流、各温度の変化を示す特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、自己発熱ステップにおける空気流量、電流、各温度の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ、及びアノード１１ｂを備えた燃料電池スタック１１（以下、「スタック１１」と略す）と、カソード１１ａに空気（酸化ガス）を供給する空気ブロワ（ブロワ）１２と、該空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する熱交換器１３と、スタック１１のアノード１１ｂに炭化水素燃料等の燃料（改質ガス）を供給する第１燃料ポンプ１４と、を備えている。なお、アノード１１ｂの入口側には、蒸発器や燃料改質器が搭載されるが、図１では記載を省略している。また、本実施形態では酸化ガスとして空気を用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含むガスを用いることができる。
【００１２】
カソード１１ａの上流側には、スタック１１の起動時にカソード１１ａを昇温するための燃焼ガスを生成する起動用燃焼器（燃焼器）２１が設けられており、該起動用燃焼器２１には、空気ブロワ１２より送出される空気の一部がバルブ２２で分岐されて供給され、更に、第２燃料ポンプ２３より燃料が供給される。そして、起動用燃焼器２１では燃料と空気により燃焼が行われ、燃焼ガスをカソード１１ａに供給して、スタック１１の起動時にカソード１１ａを加熱する。
【００１３】
ここで、起動用燃焼器２１、空気ブロワ１２、バルブ２２、及び第２燃料ポンプ２３により、酸化剤供給手段が構成される。即ち、酸化剤供給手段は、カソード１１ａの上流側に設けられ、空気（酸化ガス）を出力する空気ブロワ１２、及びスタック１１の起動時には空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する起動用燃焼器２１を含み、カソード１１ａに空気を供給する機能を有している。
【００１４】
スタック１１のカソード１１ａ入口側（空気が導入される側）には、入口温度センサ（第１温度検出手段）４１ａが設けられ、出口側（空気を排出する側）には、出口温度センサ（第２温度検出手段）４１ｂが設けられている。更に、スタック１１には、出力電流Ｉ、及び出力電圧Ｖを検出するための電流・電圧センサ（電流検出手段）４２が設けられている。なお、本実施形態では、第１温度検出手段として入口温度センサ４１ａを用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、スタック１１内の最も熱容量の小さい部分に温度センサを設け、これを第１温度検出手段とすることも可能である。
【００１５】
更に、空気ブロワ１２、第２燃料ポンプ２３、バルブ２２、入口温度センサ４１ａ、出口温度センサ４１ｂ、及び電流・電圧センサ４２は、それぞれ制御部（制御手段）３１に接続されている。そして、該制御部３１は、入口温度センサ４１ａで検出される入口温度Ｔｉ（第１検出温度）と、出口温度センサ４１ｂで検出される出口温度Ｔｏ（第２検出温度）、及び電流・電圧センサ４２で検出される出力電流Ｉ、出力電圧Ｖに基づいて、空気ブロワ１２より送出する空気流量、第２燃料ポンプ２３より出力する燃料量、及びバルブ２２の開度を制御し、スタック１１を起動する際の、自己発熱ステップにおいて、該スタック１１全体の温度が均一となるように制御する。なお、制御部３１は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。
【００１６】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の、スタック１１による発電開始時における処理動作を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、スタック１１を起動させる際に、スタック１１の温度を、後述する運転モード開始判断温度Ｔｄまで昇温させるための起動モードを実行し、スタック１１の温度がこの温度Ｔｄに到達した後に、負荷に電力を供給するためのモードである運転モードに切り替える。また、起動モードは、起動用燃焼器２１によりスタック１１を昇温する加熱昇温ステップと、スタック１１にて発電することにより該スタック１１を昇温する自己発熱ステップに区分している。そして、図２に示すフローチャートは、起動モード時において、加熱昇温ステップから自己発熱ステップに移行し、その後、運転モードへ達するまでの処理について示している。
【００１７】
以下、詳細に説明する。初めに、図２のステップＳ１１において、制御部３１は、起動モードから運転モードへ移行する際の条件となる運転モード開始判断温度Ｔｄと、このときのスタック１１の出力電流、即ち運転モード開始判断電流Ｉｄ（目標電流）と、このときの空気流量、即ち運転モード開始判断流量Ｆｄ、及び酸素利用率の上限値ηcuを設定する。なお、空気流量Ｆｄは、電流Ｉｄと酸素利用率の上限値ηcuから求めることができる。この処理は、上位システムからの出力要求に基づいて取得されるか、或いは操作入力により設定される。ここで、酸素利用率とは、カソードに供給される空気中に含まれる酸素のうち、発電に用いられる酸素量の割合である。
【００１８】
次いで、ステップＳ１２において、制御部３１は、スタック１１の上限温度Ｔｕと、自己発熱ステップの開始温度Ｔｈと、スタック１１の入口温度変化率の上限値−Ｚ（負の値）を設定する。これらの各数値は、操作者による設定入力、或いは上位システムより取得することができる。なお、本実施形態ではスタック１１の上限温度Ｔｕを一定値としているが、空気流量Ｆや空気流量増加量Ｆｓ、空気流量ステップの最大出力電流値、或いは起動用燃焼器２１の運転状態等に連動させて上限温度Ｔｕを変化させるように構成することも可能である。
【００１９】
ステップＳ１３において、制御部３１は、自己発熱ステップの初期空気流量Ｆ０（初期酸化ガス流量）と、このときの電流Ｉ０（但し、Ｉ０＜Ｉｄ）、１ステップの空気流量増加量Ｆｓ、１ステップの電流変化量Ｉｓ、電流の増減を判断する時間間隔ｔｉを設定する。これらの各数値は、操作者による設定入力、或いは上位システムより取得することができる。なお、本実施形態では空気流量増加量Ｆｓを一定値とする例について説明するが、この空気流量増加量Ｆｓを空気流量Ｆや、最大出力電流等に連動して変化させることも可能である。例えば、前回のステップの流量における最大出力電流に比例して、今回のステップの空気流量増加量Ｆｓが小さくなるように設定することも可能である。
【００２０】
ステップＳ１４において、制御部３１は、スタック１１の入口温度Ｔｉ（第１検出温度）と、ステップＳ１２の処理で設定した自己発熱ステップ開始温度Ｔｈを比較する。即ち「Ｔｉ＞Ｔｈ」であるか否かを判断する。そして、「Ｔｉ＞Ｔｈ」でないと判断された場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ２５において、加熱昇温ステップを継続する。即ち、入口温度Ｔｉが自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達していない場合には、自己発熱ステップに移行させることができないので、加熱昇温モードを継続させてスタック１１を加熱する処理を継続する。
【００２１】
一方、「Ｔｉ＞Ｔｈ」であると判断された場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、ステップＳ１５において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する燃焼ガスを空気に切り替えて、空気流量Ｆが上述の初期空気流量Ｆ０となるように制御し、且つ、スタック１１の出力電流をＩ０に設定する。この処理は、図１に示すバルブ２２の開度を調整することにより行うことができる。即ち、スタック１１の入口温度Ｔｉが、ステップＳ１２の処理で設定した自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達した場合には、スタック１１は発電可能な温度に達しているので、空気ブロワ１２より送出され熱交換器１３で加熱された空気をカソード１１ａに導入して発電を開始する。なお、この発電は、発熱によりスタック１１を昇温するために行うものであり、外部負荷に電力を供給しない。
【００２２】
ステップＳ１６において、制御部３１は、スタック１１の入口温度ＴｉとステップＳ１２の処理で設定した上限温度Ｔｕとを対比し、「Ｔｉ＜Ｔｕ」であるか否かを判断する。そして、「Ｔｉ＜Ｔｕ」でないと判断された場合には（ステップＳ１６でＮＯ）、ステップＳ１７において、制御部３１は、スタック１１の出力電流Ｉを減少させる。この処理では、スタック１１の入口温度Ｔｉが上限温度Ｔｕを上回る場合には、入口温度Ｔｉを上限温度Ｔｕよりも低くする必要があるので、出力電流Ｉを減少させることにより、入口温度Ｔｉの温度上昇を抑制する。なお、実際の処理では、スタック１１の出力電流Ｉを前述した１ステップ毎の変化量であるＩｓずつ減少させることにより、出力電流Ｉが減少するように制御する。ステップＳ１７の処理が終了すると、ステップＳ２２に処理を進める。
【００２３】
一方、「Ｔｉ＜Ｔｕ」であると判断された場合には（ステップＳ１６でＹＥＳ）、ステップＳ１８において、制御部３１は、入口温度Ｔｉの変化率（時間微分値）「ｄＴｉ／ｄｔ」を算出し、この変化率「ｄＴｉ／ｄｔ」が、ステップＳ１２の処理で設定した変化率の上限値「−Ｚ」（負の値）よりも大きいか否かを判断する。そして、小さいと判断された場合には（ステップＳ１８でＮＯ）、ステップＳ１９に処理を進め、大きいと判断された場合には（ステップＳ１８でＹＥＳ）、ステップＳ２０に処理を進める。即ち、時間経過に伴って入口温度Ｔｉが増加傾向、或いは緩やかな減少傾向である場合には、ステップＳ１８の処理でＹＥＳ判定となってステップＳ２０に進み、急激な減少傾向である場合（入口温度の減少速度が大きい場合）には、ＮＯ判定となってステップＳ１９に進む。
【００２４】
例えば、カソード１１ａに導入する流体を、燃焼ガスから空気に切り替えた直後は、入口温度Ｔｉは急激に低下するので（入口温度Ｔｉの減少速度が大きくなるので）、ステップＳ１８でＮＯ判定となり、ステップＳ１９の処理で出力電流Ｉを増加させることによりスタック１１の発熱量を増大させ、入口温度Ｔｉの急激な低下を防止する。その後、ステップＳ２２に処理を進める。
【００２５】
ステップＳ２０において、制御部３１は、空気流量ＦがステップＳ１１の処理で設定した運転モード開始判断流量Ｆｄに達しているか否かを判断し、且つ、電流ＩがステップＳ１１の処理で設定した運転モード開始判断電流Ｉｄに達しているか否かを判断し、更に、入口温度ＴｉがステップＳ１１の処理で設定した運転モード開始判断温度Ｔｄに達しているか否かを判断する。そして、これらの判断結果のうちの少なくとも一つが成立しない場合には（ステップＳ２０でＮＯ）、ステップＳ２１において、制御部３１は、出力電流Ｉを増加させる。その後、ステップＳ２２に処理を進める。
【００２６】
一方、ステップＳ２０に示した条件が全て成立した場合、即ち、Ｆ≧Ｆｄ、Ｉ≧Ｉｄ、Ｔｉ≧Ｔｄが成立した場合には（ステップＳ２０でＹＥＳ）、本処理を終了して運転モードへ移行する。
【００２７】
ステップＳ２２において、制御部３１は、スタック１１の出力電流Ｉを検出し、酸素利用率ηｃを求める。ここで、酸素利用率ηｃとは、カソードに供給される空気中に含まれる酸素のうち、発電に用いられる酸素量の割合であり、全体の酸素量は、空気ブロワ１２より送出される空気流量から求めることができ、発電に用いられる酸素量は出力電流Ｉから求めることができるので、これらに基づいて酸素利用率ηｃを算出できる。また、カソード１１ａに供給される流体が空気或いは空気と燃焼ガスの混合ガスの場合には、起動用燃焼器２１の燃焼状態や流量に基づいて、ガス中の酸素分圧を推算し、これに基づいて空気流量Ｆを補正することができる。また、利用率上限値ηcuをカソード１１ａに供給される空気流量に連動して設定することも可能である。
【００２８】
ステップＳ２３において、制御部３１は、ステップＳ２２の処理で求めた酸素利用率ηｃが、ステップＳ１１の処理で設定した利用率上限値ηcuよりも大きいか否かを判断し、「ηｃ＞ηcu」でなければ（ステップＳ２３でＮＯ）、ステップＳ１６に処理を戻し、「ηｃ＞ηcu」であれば（ステップＳ２３でＹＥＳ）、ステップＳ２４に処理を進める。
【００２９】
即ち、酸素利用率ηｃが利用率上限値ηcuに達していないということは（ステップＳ２３でＮＯと判断される場合）、この時点での空気流量Ｆ（初期的にはＦ０）でより大きな出力電流Ｉを得ることができる（最大出力電流に達していない）ということであるので、ステップＳ１６に処理を戻す。
【００３０】
一方、酸素利用率ηｃが利用率上限値ηcuに達しているということは（ステップＳ２３でＹＥＳと判断される場合）、この時点での空気流量Ｆで得られる出力電流Ｉが最大出力電流に達しているということであり、これ以上出力電流Ｉを増加させることができないので、ステップＳ２４において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆを、ステップＳ１３の処理で設定した１ステップ分の空気流量増加量Ｆｓだけ増加させ、ステップＳ１６に処理を戻す。その結果、カソード１１ａに供給される空気流量Ｆは「Ｆ＋Ｆｓ」となって、再度ステップＳ１６からの処理が繰り返される。
【００３１】
つまり、空気流量Ｆを設定し、上記のステップＳ１６〜Ｓ２１の処理を繰り返すことにより、スタック１１の出力電流Ｉがこの空気流量Ｆにおける最大出力電流となるように制御し、出力電流Ｉが最大出力電流に達した場合には、空気流量ＦをＦｓだけ増加させる。即ち、Ｆ＝Ｆ＋Ｆｓとする。そして、新たな空気流量Ｆに対して、上記と同様の処理を実行することにより、出力電流Ｉが新たな空気流量Ｆについての最大出力電流となるように制御される。
【００３２】
そして、この制御を繰り返すことにより、やがてはスタック１１の出力電流Ｉが運転モード開始判断電流Ｉｄに到達し、空気流量ＦがＦｄに到達し、温度ＴｉがＴｄに到達するので、運転モード開始条件を満たすことができる。即ち、ステップＳ２０でＹＥＳと判定される。その後、本処理を終了し運転モードへと移行する。
【００３３】
図２に示した処理をまとめると、起動モードが開始され、最初に実行される加熱昇温ステップにより、入口温度Ｔｉが自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達した際に、起動用燃焼器２１を停止させて自己発熱ステップによる昇温に移行する。この際、スタック１１に供給する空気流量Ｆを、運転モード開始時における流量よりも低いＦ０に設定して発電を開始し、この空気流量Ｆ０についての最大電流が得られるように、スタック１１の出力電流Ｉを制御する。
【００３４】
具体的には、ステップＳ１６の処理では、入口温度Ｔｉが上限温度Ｔｕを上回る場合には電流Ｉを減少させるように制御し、ステップＳ１８の処理では、入口温度Ｔｉが急激に低下した場合には電流Ｉを増加するように制御し、更に、ステップＳ２０の処理では、空気流量Ｆ、出力電流Ｉ、及び入口温度Ｔｉが、運転モード移行時の空気流量Ｆｄ、出力電流Ｉｄ、及び入口温度Ｔｄに達するように、出力電流Ｉを制御する。そして、これらの条件が満たされた場合には、運転モードへの移行条件が満足するので、自己発熱ステップを終了し、起動モードから運転モードに切り替える。
【００３５】
このような処理を実行することにより、スタック１１の入口温度Ｔｉを安定させた状態で、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆ、及びスタック１１の出力電流Ｉを安定的に上昇させることができ、空気流量Ｆ、入口温度Ｔｉ、及び出力電流ＩがそれぞれＦｄ、Ｔｄ、Ｉｄに到達した時点で、本実施形態の処理を終了して、運転モードに移行させることができる。従って、スタック１１の起動時において、スタック１１内の温度のばらつきを抑制でき、更に、短時間で所望の出力を得ることができることとなる。
【００３６】
次に、図３に示すタイミングチャートを参照して、図２のフローチャートに示した処理を実行することによる、空気流量、出力電流、及び各温度の変化について説明する。図３は、スタック１１を起動させた後に行われる起動モード時における空気流量、出力電流、及び各温度の変化を示す特性図であり、カソード１１ａに供給される空気流量Ｆ（燃焼ガス及び熱交換器１３で加熱された空気）、カソード１１ａに供給される空気温度Ｔｇ、スタック１１の入口温度Ｔｉ、スタック１１の出口温度Ｔｏの変化を示している。
【００３７】
図３に示す時刻ｔ０においてスタック１１が起動されると、初めに加熱昇温ステップが開始されてスタック１１を加熱する。具体的には、図１に示す空気ブロワ１２より起動用燃焼器２１に空気を供給し、第２燃料ポンプ２３より起動用燃焼器２１に燃料を供給し、且つバルブ２２を制御することにより、起動用燃焼器２１を燃焼させ、該起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスをスタック１１のカソード１１ａに供給する。
【００３８】
すると、空気温度Ｔｇ、入口温度Ｔｉ、及び出口温度Ｔｏが徐々に上昇する。この際、空気温度Ｔｇが最も高く、次いで、入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏの順に低くなる。そして、時刻ｔｈ０にて入口温度Ｔｉが、自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達すると、加熱昇温ステップから自己発熱ステップに切り替えられる。
【００３９】
そして、自己発熱ステップが開始されると、起動用燃焼器２１による燃焼ガスの供給が停止する。なお、第１実施形態では起動用燃焼器２１を停止させる例について示すが、起動用燃焼器２１を完全に停止させず、燃焼ガスの供給量を低減するようにしても良い。従って、図３に示すように、スタック１１に供給される空気流量Ｆは、時刻ｔｈ０にて急激に低下する。このときの空気流量Ｆは、運転モード開始時における流量Ｆｄよりも小さい流量となるように設定される。具体的には、上述した自己発熱ステップの初期空気流量Ｆ０（Ｆ０＜Ｆｄ）に設定される。
【００４０】
また、燃焼ガスの供給停止に伴って、スタック１１に供給される空気温度Ｔｇは、急激に低下し、且つ、スタック１１の入口温度Ｔｉは若干低下する。そして、上述した図２の処理を行うことにより、入口温度Ｔｉがほぼ一定の温度を維持するように、空気流量Ｆを徐々に増加させ、該空気流量Ｆが運転モード開始判断流量Ｆｄに達し、且つ、出力電流Ｉが運転モード開始判断電流Ｉｄに達した時刻ｔｄにて、自己発熱ステップを終了し、運転モードに移行する。
【００４１】
図４は、自己発熱ステップにおける入口温度Ｔｉ、空気温度Ｔｇ、空気流量Ｆ、及び出力電流Ｉの変化を詳細に示す特性図である。図４に示す時刻ｔｈ０、及びｔｄが、それぞれ図３に示した時刻ｔｈ０、及びｔｄに対応している。
【００４２】
図４に示す時刻ｔｈ０において、入口温度Ｔｉが自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達すると、空気流量ＦをＦ０とし、出力電流ＩがＩ０となるように設定する。この際、スタック１１に供給される空気（酸化ガス）は、起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスから、熱交換器１３で加熱された空気に切り替えられる。
【００４３】
また、図４に示す時刻ｔｈ０の後において、入口温度Ｔｉの減少速度「−ｄＴｉ／ｄｔ」が、入口温度変化率上限値（−Ｚ）よりも大きくなるので（図２のステップＳ１８参照）、時刻ｔｈ１において、電流Ｉを１ステップ分の変化量Ｉｓだけ増加させる。
【００４４】
時刻ｔｈ２において、電流Ｉが流量Ｆ０にて決定される最大電流値Ｉmax（Ｆ０）に達したので、空気流量Ｆを１ステップ分の増加量Ｆｓだけ増加させる（図２のステップＳ２１参照）。
【００４５】
時刻ｔｈ３において、入口温度Ｔｉが予め設定した上限温度Ｔｕを上回ったので、電流Ｉを１ステップ分の変化量Ｉｓだけ減少させる（図２のステップＳ１７参照）。
【００４６】
時刻ｔｈ４において、入口温度Ｔｉが上限温度Ｔｕを下回り、且つ電流ＩがＩｄに達していないので、電流Ｉを１ステップ分の変化量Ｉｓだけ増加させる。
【００４７】
そして、時刻ｔｄにおいて、空気流量Ｆが運転モード開始判断流量Ｆｄに達し、電流Ｉが運転モード開始判断電流Ｉｄに達し、且つ、入口温度Ｔｉが運転モード開始判断温度Ｔｄに達したので、起動モードを終了し、運転モードへ移行する（図２のステップＳ２０参照）。
【００４８】
そして、図４に示す入口温度Ｔｉ、空気流量Ｆ、及び出力電流Ｉの特性曲線から理解されるように、自己発熱ステップが実行されている際には、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆが段階的（増加量Ｆｓずつ）に上昇し、これに伴って出力電流Ｉが上下に変動しながら全体的には段階的にＩｓずつ上昇している（一時的には下降する場合もある）。また、入口温度Ｔｉは大きく変動することがなく、ほぼ一定値を維持している。また、図３のｔｈ０〜ｔｄ間に示すように、出口温度Ｔｏは大きな変動を伴うこと無く、徐々に上昇している。従って、自己発熱ステップが実行されてから運転モードに達するまでの間において、スタック１１全体の温度に大きなばらつきが生じることがなく、ほぼ均一な温度となっていることが判る。つまり、スタック１１の起動時において、スタック１１内の温度のばらつきが抑制されながら、運転モードに達するように制御されている。
【００４９】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、スタック１１を起動する起動モードにおいて、加熱昇温ステップが終了した際には、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆを初期空気流量Ｆ０に設定し、スタック１１の温度に基づいて、この初期空気流量Ｆ０についての最大電流値が出力されるように制御し、最大電流値が得られた場合には、空気流量Ｆを増加させ、再度出力電流を増加させて最大電流値が出力されるように制御する。従って、スタック１１内の温度ばらつきを抑制して安定的にスタック温度を上昇させながら、目標出力（運転モード開始判断電流Ｉｄ）に到達させて運転モードへ移行させることができる。
【００５０】
特に、急速起動を行うために、スタック加熱用の燃焼ガス流量が運転モード開始判断時の空気流量に対して大きい場合には、カソード１１ａ内に供給される燃焼ガスの上流から下流への温度ばらつきを抑制しながら、素早く出力電流を増加させて起動モードへと移行させることができる。
【００５１】
また、平板型セルを積層するタイプのスタック構成では、スタックの体積当たりのセル集積密度を高くすることができるという利点がある一方で、積層する１枚のセル内の発電電圧を一定として運転する場合は、空気の流れに依存するセル面内の温度ばらつきに依存して発電電流密度のばらつきが発生し、この電流密度のばらつきが更にセル面内の温度ばらつきを大きくしやすいという欠点がある。本実施形態では、高出力密度の平板積層型スタックにおいても、セル内の温度ばらつきを抑制しながら、起動させることができる。
【００５２】
更に、燃料電池を車載する場合等、スタック１１の起動・停止を頻繁に行う場合には、前回の停止時からの経過時間により、セル内の温度分布が一定ではない場合（大きなばらつきを有する場合）があるが、本発明によれば、セル内温度のばらつきを拡大させたり、不安定にさせることはなく、スタック１１を迅速に運転モードへ移行させることができる。
【００５３】
その結果、スタック１１に生じる温度のばらつきによりスタック１１が損傷、劣化するという問題を回避でき、且つ、短時間で目標出力に到達させることができる。
【００５４】
また、図２のステップＳ２３の処理では、スタック１１の出力電流Ｉ、及びカソード１１ａに供給される空気流量Ｆに基づいて酸素利用率ηｃを算出し、この酸素利用率ηｃが予め設定した利用率上限値ηcuを上回った場合に、スタック１１の出力電流Ｉが最大出力電流に到達したと判断するので、最大出力電流に到達したことを高精度に検出することができ、カソード１１ａに供給する空気流量を増加するタイミングを正確に設定することができる。また、カソード１１ａ内の空気流下流側での酸素分圧不足に伴うカソード極材質の変質や性能劣化や剥離を抑制しながら、急速な起動を行うことが可能となる。
【００５５】
更に、図２のステップＳ１６の処理では、カソード１１ａの入口温度Ｔｉが上限温度Ｔｕを上回った場合に、出力電流Ｉを減少させるので、入口温度Ｔｉの異常な上昇を抑制することができ、ひいてはスタック１１全体の温度ばらつきを低減することができる。更に、高出力密度が期待できる平板積層型のスタック構成においても、セル温度分布を安定化させることができる。
【００５６】
また、図２のステップＳ１８の処理では、カソード１１ａの入口温度Ｔｉの減少速度が入口温度変化率上限値（−Ｚ）よりも大きい場合に、スタック１１の出力電流Ｉを増加させるので、例えば、カソード１１ａ内に供給する空気を起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスから、ブロワより出力される空気に切り替えるシステム構成とした場合の切り替え直後のように、入口温度Ｔｉが急激に低下する場合には、この温度低下を抑制することができ、ひいてはスタック１１全体の温度ばらつきを低減することができる。これにより、燃焼ガスと空気を混合してカソード１１ａへ導入する制御を行わないシーケンスを構築することができるため、スタック１１における空気の流路構造を小型化でき、且つ、空気流量の制御を簡素化することができる。
【００５７】
また、カソード１１ａに供給する空気流量を１ステップ毎に増加量（Ｆｓ）ずつ増加させながら電流を制御するので、発電中に空気流量Ｆが大きく変化することを抑制でき、安定的にカソード１１ａに供給する空気流量Ｆを増大させ、且つ、出力電流Ｉを運転モード開始判断電流Ｉｄまで増加させることができる。このため、空気流によるセルの加熱冷却性能とセルの発熱バランスで決まるセル温度分布の安定化を図ることができる。
【００５８】
なお、本実施形態の説明では、出口温度センサ４１ｂで検出される出口温度Ｔｏを用いたが、この値を制御に用いていないので、この測定は必須ではない。
【００５９】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。システムの構成は、図１に示したものと同様である。第２実施形態に係る燃料電池システムでは、スタック１１の入口温度Ｔｉを測定すると共に、出口温度Ｔｏを測定し、これらの温度差の時間変化率（時間微分値）を算出し、この変化率が予め設定した閾値（後述する「温度差変化率の上限値Ｙ」）よりも大きい場合には、スタック１１の出力電流Ｉを減少するように制御する。
【００６０】
また、加熱昇温ステップから自己発熱ステップに移行した際には、起動用燃焼器２１を停止させるのではなく、バルブ２２の開度を調整することにより、該起動用燃焼器２１より送出される燃焼ガスと、熱交換器１３を経由して送出される空気を混合した空気をカソード１１ａに供給し、所定時間が経過した後（後述する図６の時刻ｔｈ２）に起動用燃焼器２１を停止させる。
【００６１】
このような制御を行うことにより、スタック１１の下流側の温度が上昇していないときに、上流温度が急激に上昇して温度分布が大きく変化することや、下流側が遅れて昇温されることにより熱暴走することを防止する。
【００６２】
以下、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の、スタック１１の発電開始時における処理動作を、図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６３】
初めに、ステップＳ５１において、制御部３１は、起動モードから運転モードへ移行する際の条件となる運転モード開始判断温度Ｔｄと、このときの出力電流Ｉｄ、空気の流量Ｆｄ、及び酸素利用率の上限値ηcuを設定する。空気の流量Ｆｄは、前述した第１実施形態と同様に、電流Ｉｄと酸素利用率の上限値ηcuから求めることができる。この処理は、上位システムからの出力要求に基づいて取得されるか、或いは操作入力により設定される。
【００６４】
次いで、ステップＳ５２において、制御部３１は、スタック１１の上限温度となる第１上限温度Ｔｕ１及び第２上限温度Ｔｕ２と、自己発熱ステップ開始温度Ｔｈと、スタック１１の入口温度変化率の上限値−Ｚ（負の値）、及び、温度差変化率の上限値Ｙを設定する。温度差変化率とは、入口温度センサ４１ａで測定される入口温度Ｔｉと、出口温度センサ４１ｂで測定される出口温度Ｔｏとの差分の時間変化率である。これらの各数値は、操作者による設定入力、或いは上位システムより取得することができる。
【００６５】
ステップＳ５３において、制御部３１は、自己発熱ステップの初期空気流量Ｆ０と、このときの出力電流Ｉ０、１ステップの空気流量増加量Ｆｓ、１ステップの電流変化量Ｉｓ、電流の増減を判断する時間間隔ｔｉを設定する。これらの各数値は、操作者による設定入力、或いは上位システムより取得することができる。時間間隔ｔｉは、本フローチャートの演算周期に対応して設定される。
【００６６】
ステップＳ５４において、制御部３１は、スタック１１の入口温度Ｔｉ（第１検出温度）と出口温度Ｔｏとの平均温度Ｔavを演算し、更に、この平均温度ＴavとステップＳ５２の処理で設定した自己発熱ステップ開始温度Ｔｈとを比較する。即ち「Ｔav＞Ｔｈ」であるか否かを判断する。そして、「Ｔav＞Ｔｈ」でないと判断された場合には（ステップＳ５４でＮＯ）、ステップＳ６７において、加熱昇温モードを継続する。即ち、平均温度Ｔavが自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達していない場合には、自己発熱ステップに移行させることができないので、加熱昇温モードを継続させてスタック１１を加熱する処理を継続する。
【００６７】
一方、「Ｔav＞Ｔｈ」であると判断された場合には（ステップＳ５４でＹＥＳ）、ステップＳ５５において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する流体を、起動用燃焼器２１より送出される燃焼ガスと空気を混合したガスに切り替える。この際、燃焼ガス流量をＦ０ｂとし、空気流量をＦ０ａとする。なお、Ｆ０ａ＋Ｆ０ｂ＝Ｆ０である。更に、出力電流をＩ０に設定する。ここで、燃焼ガス流量Ｆ０ｂは、図１に示す起動用燃焼器２１より出力される燃焼ガスの流量であり、空気流量Ｆ０ａは、図１に示す熱交換器１３にて加熱された後カソード１１ａに供給される空気流量である。また、出力電流Ｉ０は、スタック１１より出力される電流である。この処理は、図１に示すバルブ２２の開度を調整することにより行うことができる。
【００６８】
即ち、スタック１１の平均温度Ｔavが、ステップＳ５２の処理で設定した自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達した場合には、スタック１１は発電可能な温度に達しているので、空気ブロワ１２より送出される空気の一部を起動用燃焼器２１で加熱し、残りを熱交換器１３にて加熱された空気としてカソード１１ａに導入し、発電を開始する。
【００６９】
ステップＳ５６において、制御部３１は、スタック１１の入口温度ＴｉとステップＳ５２の処理で設定した上限温度Ｔｕ（Ｔｕ１、Ｔｕ２のいずれかを示す）とを対比し、「Ｔｉ＜Ｔｕ」であるか否かを判断する。そして、「Ｔｉ＜Ｔｕ」でないと判断された場合には（ステップＳ５６でＮＯ）、ステップＳ５７において、制御部３１は、スタック１１の出力電流Ｉを減少させる。この処理では、スタック１１の入口温度Ｔｉが上限温度Ｔｕを上回る場合には、入口温度Ｔｉを上限温度Ｔｕよりも低くする必要があるので、出力電流Ｉを減少させることにより、入口温度Ｔｉの温度上昇を抑制する。なお、実際の処理では、スタック１１の出力電流Ｉを前述した１ステップ毎の変化量であるＩｓずつ減少させることにより、出力電流Ｉが減少するように制御する。ステップＳ５７の処理が終了すると、ステップＳ６４に処理を進める。
【００７０】
ここで、上述したように上限温度Ｔｕは、自己発熱ステップが開始された後の経過時間により変化するように設定されている。具体的には、自己発熱ステップが開始されてから所定時間τ１以内においては、上限温度Ｔｕは第１の上限温度Ｔｕ１に設定され、所定時間τ１が経過した後においては、上限温度Ｔｕは第２の上限温度Ｔｕ２（但し、Ｔｕ２＞Ｔｕ１）に設定される（図６参照）。所定時間τ１は、起動用燃焼器２１による燃焼ガスの供給を停止するまでの時間であり、操作者入力等により予め設定する。
【００７１】
一方、ステップＳ５６の処理にて「Ｔｉ＜Ｔｕ」であると判断された場合には（ステップＳ５６でＹＥＳ）、ステップＳ５８において、制御部３１は、入口温度Ｔｉの変化率（時間微分値）「ｄＴｉ／ｄｔ」を算出し、この変化率「ｄＴｉ／ｄｔ」が、ステップＳ５２の処理で設定した変化率の上限値「−Ｚ」（負の値）よりも大きいか否かを判断する。そして、小さいと判断された場合には（ステップＳ５８でＮＯ）、ステップＳ５９に処理を進め、大きいと判断された場合には（ステップＳ５８でＹＥＳ）、ステップＳ６０に処理を進める。即ち、時間経過に伴って入口温度Ｔｉが増加傾向、或いは緩やかな減少傾向である場合には、ステップＳ５８の処理でＹＥＳ判定となってステップＳ６０に進み、急激な減少傾向である場合（入口温度の減少速度が大きい場合）には、ＮＯ判定となってステップＳ５９に進む。
【００７２】
例えば、カソード１１ａに導入する空気を、燃焼ガスから、燃焼ガスと空気の混合に切り替えた直後は、入口温度Ｔｉは急激に低下するので（入口温度Ｔｉの減少速度が大きくなるので）、ステップＳ５８でＮＯ判定となり、ステップＳ５９の処理で出力電流Ｉを増加させることによりスタック１１の発熱量を増大させ、入口温度Ｔｉの急激な低下を防止する。その後、ステップＳ６４に処理を進める。
【００７３】
ステップＳ６０において、制御部３１は、入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏとの温度差ΔＴの時間変化率「ｄΔＴ／ｄｔ」を算出し、ステップＳ５２の処理で設定した温度差変化率の上限値Ｙと比較する。即ち、「ｄΔＴ／ｄｔ＜Ｙ」であるか否かを判定する。そして、「ｄΔＴ／ｄｔ＜Ｙ」でないと判定された場合には（ステップＳ６０でＮＯ）、ステップＳ６１に処理を進め、「ｄΔＴ／ｄｔ＜Ｙ」であると判定された場合には（ステップＳ６０でＹＥＳ）、ステップＳ６２に処理を進める。
【００７４】
ステップＳ６１において、制御部３１は、出力電流Ｉを減少させることによりスタック１１の発熱量を減少させ、スタック１１内の温度差を低減させる。即ち、「ｄΔＴ／ｄｔ＜Ｙ」でないということは、スタック１１の入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏの差が大きくなりつつあるということなので、スタック１１内の温度ばらつきを抑制するために、出力電流を減少させる。その後、ステップＳ６４に処理を進める。
【００７５】
ステップＳ６２において、制御部３１は、空気流量Ｆが、ステップＳ５１の処理で設定した運転モード開始判断流量Ｆｄに達しているか否かを判断し、電流Ｉが、ステップＳ５１の処理で設定した運転モード開始判断電流Ｉｄに達しているか否かを判断し、更に、入口温度Ｔｉが、ステップＳ５１の処理で設定した運転モード開始判断温度Ｔｄに達しているか否かを判断する。そして、これらの判断結果のうちの少なくとも一つが成立しない場合には（ステップＳ６２でＮＯ）、ステップＳ６３において、制御部３１は、出力電流Ｉを増加させる。その後、ステップＳ６４に処理を進める。
【００７６】
一方、ステップＳ６２に示した条件が全て成立した場合、即ち、Ｆ≧Ｆｄ、Ｉ≧Ｉｄ、Ｔav≧Ｔｄが成立した場合には（ステップＳ６２でＹＥＳ）、本処理を終了する。
【００７７】
ステップＳ６４において、制御部３１は、スタック１１の出力電流Ｉを検出し、酸素利用率ηｃを求める。ここで、酸素利用率ηｃとは、カソードに供給される空気中に含まれる酸素のうち、発電に用いられる酸素量の割合であり、全体の酸素量は、空気ブロワ１２より送出される空気流量から求めることができ、発電に用いられる酸素量は出力電流Ｉから求めることができるので、これらに基づいて酸素利用率ηｃを算出できる。
【００７８】
ステップＳ６５において、制御部３１は、ステップＳ６４の処理で求めた酸素利用率ηｃが、ステップＳ５１の処理で設定した利用率上限値ηcuよりも大きいか否かを判断し、「ηｃ＞ηcu」でなければ（ステップＳ６５でＮＯ）、ステップＳ５６に処理を戻し、「ηｃ＞ηcu」であれば（ステップＳ６５でＹＥＳ）、ステップＳ６６に処理を進める。
【００７９】
即ち、酸素利用率ηｃが利用率上限値ηcuに達していないということは（ステップＳ６５でＮＯと判断される場合）、この時点での空気流量Ｆ（初期的にはＦ０）でより多くの出力電流Ｉを得ることができる（最大出力電流に達していない）ということであるので、ステップＳ５６に処理を戻す。
【００８０】
一方、酸素利用率ηｃが利用率上限値ηcuに達しているということは（ステップＳ６５でＹＥＳと判断される場合）、この時点での空気流量Ｆで得られる出力電流Ｉが最大出力電流に達しているということであり、これ以上出力電流Ｉを増加させることができないので、ステップＳ６６において、制御部３１は、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆを、ステップＳ５３の処理で設定した１ステップ分の空気流量増加量Ｆｓだけ増加させ、ステップＳ５６に処理を戻す。その結果、カソード１１ａに供給される空気流量Ｆは「Ｆ＋Ｆｓ」となって、再度ステップＳ５６からの処理が繰り返される。
【００８１】
つまり、空気流量Ｆを設定し、上記のステップＳ５６〜Ｓ６３の処理を繰り返すことにより、スタック１１の出力電流Ｉがこの空気流量Ｆにおける最大出力電流となるように制御し、出力電流Ｉが最大出力電流に達した場合には、空気流量ＦをＦｓだけ増加させる。即ち、Ｆ＝Ｆ＋Ｆｓとする。そして、新たな空気流量Ｆに対して、上記と同様の処理を実行することにより、出力電流Ｉが新たな空気流量Ｆについての最大出力電流となるように制御される。
【００８２】
そして、この制御を繰り返すことにより、やがてはスタック１１の出力電流Ｉが運転モード開始判断電流Ｉｄに到達し、空気流量Ｆが運転モード開始判断流量Ｆｄに到達し、温度Ｔavが運転モード開始判断温度Ｔｄに到達するので、運転モード開始条件を満たすことができる。即ち、ステップＳ６２でＹＥＳと判定される。その後、本処理を終了し、運転モードへと移行する。
【００８３】
図５のフローチャートに示した処理では、起動モードが開始され、最初に実行される加熱昇温ステップにより、平均温度Ｔavが自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達した際に、自己発熱ステップによる昇温に移行する。そして、起動用燃焼器２１を停止させず、該起動用燃焼器２１より送出される燃焼ガスと空気を混合し、この混合した空気をカソード１１ａに供給する。
【００８４】
この際、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆを、運転モード開始時における流量よりも低いＦ０（＝Ｆ０ａ＋Ｆ０ｂ）に設定して発電を開始し、この空気流量Ｆ０についての最大電流が得られるように、スタック１１の出力電流Ｉを制御する。
【００８５】
具体的には、ステップＳ５６の処理では、入口温度Ｔｉが上限温度Ｔｕを上回る場合には電流Ｉを減少させるように制御し、ステップＳ５８の処理では、入口温度Ｔｉが急激に低下した場合には電流Ｉを増加するように制御し、ステップＳ６０の処理では、入口と出口の温度差の変化率が大きい場合には電流Ｉを減少するように制御し、更に、ステップＳ６２の処理では、空気流量Ｆ、出力電流Ｉ、及び平均温度Ｔavが、運転開始時の空気流量Ｆｄ、出力電流Ｉｄ、及び平均温度Ｔｄに達するように、電流Ｉを制御する。そして、これらの条件が満たされた場合には、運転モードへの開始条件が満足するので、自己発熱ステップを終了し、起動モードから運転モードに切り替える。
【００８６】
このような処理を実行することにより、スタック１１の入口温度Ｔｉをほぼ一定の温度に保持した状態で、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆ、及びスタック１１の出力電流Ｉを安定的に上昇させることができる。従って、スタック１１の起動時において、スタック１１内の温度のばらつきを抑制でき、更に、短時間で所望の出力を得ることができることとなる。
【００８７】
次に、図６を参照して、加熱昇温ステップから自己発熱ステップへ移行した後の、各温度、空気流量、及び出力電流の変化について説明する。図６は、自己発熱ステップにおけるスタック１１の入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏ、入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏの平均温度Ｔav、空気温度Ｔｇ、空気流量Ｆ（燃焼ガスを含む）、及び出力電流Ｉ、の変化を詳細に示す特性図である。図６に示す時刻ｔｈ０は、加熱昇温ステップから自己発熱ステップに移行する時刻を示し、時刻ｔｄは、起動モードから運転モードに移行する時刻を示す。即ち、前述の第１実施形態にて示した図３の時刻ｔｈ０、及びｔｄにそれぞれ対応している。
【００８８】
時刻ｔｈ０において、スタック１１内の平均温度Ｔavが自己発熱ステップ開始温度Ｔｈに達すると、加熱昇温ステップから自己発熱ステップに移行し、空気流量ＦがＦ０（＝Ｆ０ａ＋Ｆ０ｂ）となり、且つ出力電流ＩがＩ０となるように調整して発電を開始する。なお、この発電は負荷に電力を供給するものではなく、スタック１１を昇温するための発電である。
【００８９】
また、第２実施形態では、図６に示す時刻ｔｈ２にて起動用燃焼器２１を停止させ、燃焼ガスの供給を停止し、熱交換器１３で加熱された空気のみをカソード１１ａに供給する。この際、スタック１１の上限温度Ｔｕは、第１の上限温度Ｔｕ１から第２の上限温度Ｔｕ２（但し、Ｔｕ２＞Ｔｕ１）に変更する。
【００９０】
図６に示す時刻ｔｈ１において、入口温度Ｔｉが第１上限温度Ｔｕ１を上回ったので、電流Ｉを１ステップ分の変化量Ｉｓだけ減少させる。時刻ｔｈ２において、燃焼ガスの供給を停止すると共に、上限温度を第１上限温度Ｔｕ１から第２上限温度Ｔｕ２に変更する。
【００９１】
時刻ｔｈ３において、温度差の変化率「ｄΔＴ／ｄｔ」が温度差変化率の上限値Ｙを上回ったので（図５のステップＳ６０参照）、出力電流Ｉを１ステップ分の変化量Ｉｓだけ減少させる。
【００９２】
そして、時刻ｔｄにおいて、空気流量Ｆが運転モード開始判断流量Ｆｄに達し、出力電流Ｉが運転モード開始判断電流Ｉｄに達し、且つ、入口温度Ｔｉが運転モード開始判断温度Ｔｄに達したので、起動モードを終了し、運転モードへ移行する。
【００９３】
そして、図６に示す入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏ、平均温度Ｔav、空気流量Ｆ、及び電流Ｉの特性曲線から理解されるように、自己発熱ステップが実行されている際には、カソード１１ａに供給する空気流量Ｆが段階的（増加量Ｆｓずつ）に上昇し、これに伴って出力電流Ｉが上下に変動しながら全体的には段階的にＩｓずつ上昇している（一時的には下降している）。また、入口温度Ｔｉ、及び出口温度Ｔｏは大きく変化することなく、更に、これらの差分も大きくならずに推移している。従って、自己発熱ステップが実行されてから運転モードに達するまでの間において、スタック１１全体の温度に大きなばらつきが生じることがなく、ほぼ均一な温度となっていることが判る。つまり、スタック１１の起動時において、スタック１１内の温度のばらつきが抑制されながら、運転モードに達するように制御されている。
【００９４】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１００では、スタック１１の入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏを測定している。そして、これらの温度差ΔＴを求め、更に、この温度差ΔＴの変化率を求め、この変化率が大きい場合（温度差変化率の上限値Ｙを上回る場合）には、スタック１１の出力電流Ｉを減少させる。従って、スタック１１内の温度のばらつきが大きくなった場合に、これを抑制することができる。その結果、スタック１１全体の温度ばらつきを低減させることができる。また、高出力密度が期待できる平板積層型のスタック構成においても、空気流の上流から下流へのセル内部温度分布状態を把握しやすく、局所的な電流密度に伴う局所的な温度上昇を抑制しつつ、スタック１１を迅速に起動させることができる。
【００９５】
また、起動モード中の加熱昇温ステップでは、カソード１１ａの上流側から燃焼ガスが供給されるため、カソード１１ａは上流側の方が下流側よりも高い温度となる。一方、運転モードでは、カソード１１ａの上流側から温度の低い空気が供給されるため、カソード１１ａの下流側の方が上流側よりも高い温度となる。そこで、入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏの温度差ΔＴをモニタすることにより、セル内の温度分布をより正確に把握し、異常な局所発熱を抑制して、より短時間で電流を増加させることが可能となる。
【００９６】
更に、第２実施形態では、スタック１１に生じる温度差を、カソード１１ａの入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏの温度差としているので、スタック１１全体の温度ばらつきに基づいた電流制御が可能となる。
【００９７】
以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００９８】
例えば、上述した実施形態では、第１温度検出手段としてカソード１１ａの入口に設けた入口温度センサ４１ａを用い、第２温度検出手段としてカソード１１ａの出口に設けた出口温度センサ４１ｂを用いる例について説明したが、第１，第２温度検出手段の設置位置はこれに限定されず、第１温度検出手段の下流側に第２温度検出手段が設けられていればよい。
【００９９】
更に、上述した実施形態では、入口温度センサ４１ａ、及び出口温度センサ４１ｂを設ける例について説明したが、図５のステップＳ６０の処理を採用しなければ、入口温度センサ４１ａのみを設ければ良く、出口温度センサ４１ｂは不要となる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、燃料電池の起動時に温度ばらつきを抑制し、且つ短時間で起動することに利用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１１  燃料電池スタック
１１ａ  カソード
１１ｂ  アノード
１２  空気ブロワ
１３  熱交換器
１４  第１燃料ポンプ
２１  起動用燃焼器
２２  バルブ
２３  第２燃料ポンプ
３１  制御部
４１ａ  入口温度センサ（第１温度検出手段）
４１ｂ  出口温度センサ（第２温度検出手段）
４２  電流・電圧センサ（電流検出手段）
１００  燃料電池システム
【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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