(57)【要約】【課題】系統に電力供給せずに自立起動することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池装置（２）は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電するＳＯＦＣ（１０）と、系統電源（３）に接続され、ＳＯＦＣが発電した直流電流を交流電流に変換するインバータ（２０）と、所定の電力供給によって作動する補機類（３０）と、インバータに対する補機類の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第１切換部（４０）と備えている。燃料電池システム（１）は、燃料電池装置と、燃料電池装置と系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第２切換部（４）と、第１切換部、第２切換部、補機類の作動を制御する制御部（７０）とを備えている。【選択図】図１
2019149346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、
系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、
所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、
前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第１切換部と、を含む燃料電池装置と、
前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第２切換部と、
前記第１切換部、前記第２切換部、前記発電装置内負荷の作動を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池と、
前記アノードガス供給路と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記アノードガス供給路に再循環させる再循環路とを更に備えてい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】
前記発電装置内負荷は送出手段及び加熱手段の少なくとも一方を含み、
前記制御部は、前記燃料電池システムの各構成要素を制御し、
前記送出手段は、前記酸化剤ガス及び前記排出ガスのうち少なくとも一つを送出し、
前記加熱手段は、前記酸化剤ガス、前記燃料ガス、前記燃料ガスを生成するための改質水、前記固体酸化物形燃料電池の排熱回収用温水、前記固体酸化物形燃料電池及び大気のうち少なくとも一つを加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記発電装置内負荷で消費する電力を徐々に上昇するよう制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記発電装置内負荷の作動を制御することで前記固体酸化物形燃料電池を加熱し、前記再循環路を流れる排出ガス中の水蒸気で前記燃料ガスの生成に必要な水蒸気の全量を確保することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記インバータは、電流制御又は電力制御と、電圧制御とを切り替える手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記アノードガス供給路に再循環させる再循環路と、
系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、
所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、
前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第１切換部と、を含む燃料電池装置と、
前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第２切換部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記第１切換部で前記非接続状態としつつ前記第２切換部で前記連系状態として前記系統電源から前記発電装置内負荷に電力供給し、前記固体酸化物形燃料電池を加熱するステップと、
前記固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温した後、第２切換部で前記解列状態としつつ前記第１切換部で前記接続状態とし、前記固体酸化物形燃料電池で発生した電力を前記インバータを経て前記発電装置内負荷で消費するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば６００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
【０００３】
特許文献１には、固体酸化物形の燃料電池がモータ等の外部負荷に接続される燃料電池システムが開示されている。かかる燃料電池システムでは、起動時において、燃料電池の発電電力を外部負荷に通電する前に、改質器やブロワに電力を送給してエネルギーの利用を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８２８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムは、系統電力に接続されるものでなく、よって、系統電力に給電せずに起動する技術に関する開示がない。燃料電池システムにあっては、設置後の準備段階やメンテナンス時等において、系統に電力供給せずに自立起動を可能とすることが望まれていた。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、系統に電力供給せずに自立起動することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第１切換部と、を含む燃料電池装置と、前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第２切換部と、前記第１切換部、前記第２切換部、前記発電装置内負荷の作動を制御する制御部と、を備えていることを特徴としている。
【０００８】
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記アノードガス供給路に再循環させる再循環路と、系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第１切換部と、を含む燃料電池装置と、前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第２切換部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記第１切換部で前記非接続状態としつつ前記第２切換部で前記連系状態として前記系統電源から前記発電装置内負荷に電力供給し、前記固体酸化物形燃料電池を加熱するステップと、前記固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温した後、第２切換部で前記解列状態としつつ前記第１切換部で前記接続状態とし、前記固体酸化物形燃料電池で発生した電力を前記インバータを経て前記発電装置内負荷で消費するステップと、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、起動時にて、固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温するまでは、第２切換部によって連系状態として系統電源から発電装置内負荷に給電し、系統電源の電力によって固体酸化物形燃料電池を加熱することができる。このとき、第１切換部によって、インバータと発電装置内負荷とを非接続状態にすることができる。一方、固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温した後は、第２切換部によって解列状態として系統電源からの給電を停止し、第１切換部によって、インバータと発電装置内負荷とを接続状態にすることができる。このとき、固体酸化物形燃料電池で発生した電力を、インバータを経て発電装置内負荷で消費でき、且つ、系統に電力供給せずに自立起動した状態にすることができる。これにより、固体酸化物形燃料電池で発電しつつ解列状態を維持することができ、かかる状態を条件とする各種作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態による燃料電池システムの制御系統を示す機能ブロック図である。
【図４】第１の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図７】第２の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１を参照して、第１の実施の形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池装置２と、系統電源３とを備えている。系統電源３は商用電力とする他、二次電池やエンジン等を有する簡易な発電装置を含んだバックアップ電源としてもよい。燃料電池装置２は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）１０と、インバータ２０と、補機類３０と、第１切換部４０と、第２切換部４を有している。
【００１３】
ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。
【００１４】
インバータ２０は、ＳＯＦＣ１０が発生（発電）した直流電流を交流電流に変換する。インバータ２０は、電流制御又は電力制御と、電圧制御とを切り替える手段を有する。これらの制御については後述する。
【００１５】
補機類３０は、後述する改質水を加熱する第１ヒータ（加熱手段）３１と、ＳＯＦＣ１０に供給する空気（酸化剤ガス）を加熱する第２ヒータ（加熱手段）３２及び第３ヒータ（加熱手段）３３とを備えている。また、補機類３０は、空気をＳＯＦＣ１０に供給する反応空気ブロワ（送出手段）３４、ＳＯＦＣ１０の燃料極を通って排出された排出ガスを送出する再循環ブロワ（送出手段）３５を備えている。補機類３０を構成する各機器３１〜３５は、ＳＯＦＣ１０或いは系統電源３からの電力供給によって作動するものであり、それぞれが発電装置内負荷とされる。
【００１６】
燃料電池装置２のインバータ２０は、電力伝送路Ｍ１を介して系統電源３に接続されている。電力伝送路Ｍ１には、インバータ２０側に第１切換部４０が設けられ、第１切換部４０より系統電源３側に第２切換部４が設けられている。第１切換部４０及び第２切換部４は、電磁開閉器等が用いられる。電力伝送路Ｍ１において、第１切換部４０及び第２切換部４の間からは補機用電力伝送路Ｍ２が分岐している。
【００１７】
ＳＯＦＣ１０の発電電力はインバータ２０を通り、第１切換部４０を介して、補機類３０に接続される。第１切換部４０は、インバータ２０に対する補機類３０の接続状態と非接続状態とを切り換え可能に設けられる。インバータ２０からの出力電力（ＳＯＦＣ１０の発電電力）は、第１切換部４０がオン状態のとき、補機類３０と接続状態となり、第１切換部４０がオフ状態のとき、補機類３０と非接続状態となる。
【００１８】
系統電源３の交流電力は、第２切換部４を介して燃料電池装置２に接続される。第２切換部４は、燃料電池装置２と系統電源３との連系状態と解列状態とを切り換え可能に設けられる。系統電源３は、第２切換部４がオン状態のとき、燃料電池装置２と連系状態となり、第２切換部４がオフ状態のとき、燃料電池装置２と解列状態となって燃料電池装置２は自立運転を行う。第２切換部４がオン状態（連系状態）で第１切換部４０がオフ状態のときは、系統電源３の交流電力が補機類３０に供給される。
【００１９】
第１切換部４０及び第２切換部４が両方オン状態となる連系運転時には、ＳＯＦＣ１０の発電電力が系統に給電される一方、自立運転時には、定格最大電力よりも小さい負荷で発電電力が補機類３０等によって装置内で消費される。
【００２０】
続いて、燃料電池装置２の構成について説明する。図２は、第１の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池装置２のＳＯＦＣ１０は、アノードガス流路（燃料ガス流路、還元ガス流路）１１と、カソードガス流路（酸化剤ガス流路）１２とを有している。
【００２１】
燃料電池装置２は、アノードガス流路１１の入口部に接続されるアノードガス供給路５１と、カソードガス流路１２の入口部に接続されるカソードガス供給路５２とを備えている。ＳＯＦＣ１０の発電時には、アノードガス流路１１にアノードガス供給路５１を介して燃料ガスが供給され、当該燃料ガスがアノードガス流路１１を流れる。また、カソードガス流路１２には、カソードガス供給路５２を介して酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスがカソードガス流路１２を流れる。アノードガス流路１１に供給された燃料ガス（還元ガス）と、カソードガス流路１２に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（ＳＯＦＣ１０が発電する）。ＳＯＦＣ１０が発生した直流電流は、インバータ２０によって交流電流に変換される（ＤＣ／ＡＣ変換される）。
【００２２】
燃料電池装置２は、アノードガス供給路５１に接続される改質用蒸気供給路５３を備えている。改質用蒸気供給路５３には、補機類を構成する第１ヒータ３１が設けられている。改質用蒸気供給路５３では、供給された改質水を第１ヒータ３１で加熱して改質用蒸気を生成する。そして、生成した改質用蒸気をアノードガス供給路５１に供給して燃料ガスを還元ガスに水蒸気改質する。なお、燃料ガスとしては、都市ガス（メタンガス）天然ガス、消化ガスなどのバイオガス等の炭化水素系の燃料からなる気体が利用される。
【００２３】
燃料電池装置２は、カソードガス供給路５２に設けられてそれぞれ補機類を構成する第２ヒータ３２、第３ヒータ３３及び反応空気ブロワ３４を備えている。カソードガス供給路５２には、反応空気ブロワ３４によって大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれる。カソードガス供給路５２では、取り込んだ酸化剤ガス（空気）を第２ヒータ３２、第３ヒータ３３で加熱してカソードガス流路１２に供給する。
【００２４】
なお、カソードガス供給路５２には、２台のヒータとして第２ヒータ３２、第３ヒータ３３を設けたが、いずれか一方を省略して単一のヒータを設ける構成としたり、３台以上のヒータを設けたりしてもよい。ヒータを２台以上とすることで、各ヒータのオンオフ制御の切換で作動するヒータや台数を変更して加熱量、消費電力を調整でき、ヒータを単一とした場合には構成の簡略化を図ることができる。
【００２５】
燃料電池装置２は、アノードガス流路１１の出口部に接続されるアノードガス排出路５５と、カソードガス流路１２の出口部に接続されるカソードガス排出路５６とを備えている。また、燃料電池装置２は、アノードガス排出路５５及びカソードガス排出路５６に接続される燃焼器５７を備えている。アノードガス排出路５５は、アノードガス流路１１の出口部からの排出ガスを燃焼器５７に排出し、カソードガス排出路５６は、カソードガス流路１２の出口部からの排出ガスを燃焼器５７に排出する。
【００２６】
燃焼器５７は、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを燃焼することにより当該排出ガス中の不純物を除去した上で排気する。燃焼器５７が排出ガスを燃焼することで発生した熱は、温水熱交換器５８で熱利用されて、外部タンク（図示略）等から循環する低温水を高温水に加熱する。
【００２７】
燃料電池装置２は、アノードガス排出路５５から分岐する再循環路６０を備えている。再循環路６０は、アノードガス流路１１の出口部からの排出ガスをアノードガス排出路５５からアノードガス供給路５１に再循環させる。再循環路６０には、再循環路６０内に排出ガスを送出する補機類を構成する再循環ブロワ３５が設けられている。
【００２８】
アノードガス排出路５５における再循環路６０の分岐点の下流側には、調節弁６１が設けられている。調節弁６１は、自身の開閉状態を切り換えることにより、アノードガス排出路５５の圧力を調整する。また、調節弁６１は、自身の開閉度合いによって、アノードガス排出路５５から燃焼器５７に流れる排出ガスの流量と、再循環路６０に流れる排出ガスの流量とを調整する。
【００２９】
図３は、第１の実施の形態による燃料電池システムの制御系統を示す機能ブロック図である。図３に示すように、燃料電池システム１は、当該燃料電池システム１の各構成要素を統括的に駆動制御する制御部７０を有している。より具体的に、制御部７０は、第１切換部４０、第２切換部４、第１ヒータ３１、第２ヒータ３２、第３ヒータ３３、反応空気ブロワ３４、再循環ブロワ３５、調節弁６１に接続されており、ＳＯＦＣ１０の起動時にこれらの各構成要素の駆動制御、オンオフ制御または開閉制御を実行する。
【００３０】
また、制御部７０は、インバータ２０の制御方法（電流制御、電力制御、電圧制御）を切り換える制御を実行する。インバータ２０において、電圧制御（電圧一定制御：ＡＶＲ運転）では、補機類３０に電力供給時、補機類３０での負荷が変化するときに電圧を一定にして補機類３０に流れる電流を変化させる。また、電力制御では、系統電源３に電力供給時、出力する有効電力及び必要に応じて無効電力の制御を制御する。
【００３１】
図４及び図５は、第１の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートであり、図６は、第１の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を説明するためのタイムチャートである。以下、図４ないし図６を参照して、燃料電池システム１の起動時の動作（制御部７０による制御内容）について詳細に説明する。
【００３２】
図４のフローチャートにおいて、ステップＳＴ１では、制御部７０が第１切換部４０をオフ状態にする。ステップＳＴ２では、制御部７０が第２切換部４をオン状態にする。ステップＳＴ１、ステップＳＴ２の処理を実行することで、系統電源３と燃料電池装置２とが連系状態となり、系統電源３の交流電力が補機類３０に供給可能な状態となる。
【００３３】
ステップＳＴ３では、制御部７０が、反応空気ブロワ３４をオン状態にする。ステップＳＴ４では、制御部７０が、第２ヒータ３２及び第３ヒータ３３の何れか一方をオン状態にする。ステップＳＴ５では、制御部７０が、再循環ブロワ３５をオン状態にする。ステップＳＴ３、ステップＳＴ４、ステップＳＴ５の処理を実行することで、反応空気ブロワ３４から取り込まれた酸化剤ガス（空気）が第２ヒータ３２或いは第３ヒータ３３により加熱されながらカソードガス供給路５２に供給される。そして、加熱された酸化剤ガスがカソードガス流路１２を流れることで、ＳＯＦＣ１０が昇温していく（図６参照）。
【００３４】
ステップＳＴ６では、制御部７０が、ＳＯＦＣ１０が所定の第１温度閾値Ｔ１（所定温度、図６参照）に到達したか否かを判定する。ＳＯＦＣ１０が第１温度閾値Ｔ１に到達しているときは（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ７に進む。ＳＯＦＣ１０が第１温度閾値Ｔ１に到達していないときは（ステップＳＴ６：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が第１温度閾値Ｔ１に到達するのを待つ。第１温度閾値Ｔ１は、例えば、３００℃〜６００℃の範囲内で設定することができる。
【００３５】
ステップＳＴ７では、ＳＯＦＣ１０が第１温度閾値Ｔ１に到達していることとなり、制御部７０が、第１ヒータ３１をオン状態にする。ステップＳＴ８では、改質水供給器（図示略）から改質水の供給を開始し（図６参照）、ステップＳＴ９では、燃料ガス供給器（図示略）からアノードガス供給路５１へ燃料ガスの供給を開始する。ステップＳＴ６〜ステップＳＴ８の処理を実行することで、第１ヒータ３１で改質水を加熱して改質用蒸気が生成される。この改質用蒸気で水蒸気改質された燃料ガスがアノードガス供給路５１を通じてＳＯＦＣ１０に供給される。その結果、ＳＯＦＣ１０の内部で、カソードガス流路１２に供給された酸化剤ガスとアノードガス流路１１に供給された燃料ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（発電する）。
【００３６】
図５に示すように、ステップＳＴ１０では、制御部７０が、調節弁６１を介してアノードガス排出路５５のＳＯＦＣ１０側の背圧調整を行う。ステップＳＴ１０の処理を実行することで、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１を経てアノードガス排出路５５から排出された排出ガスが再循環路６０に流れ込む。そして、再循環路６０からアノードガス供給路５１に排出ガスが流れ込み燃料ガスとして再循環する。再循環された排出ガスはＳＯＦＣ１０を通過することで加熱されているので、アノードガス供給路５１に流れ込んだときに、燃料ガス供給器（図示略）から供給される燃料ガスの改質に寄与することとなる。ステップＳＴ６〜ステップＳＴ１０の処理は、略同時に実行してもよい。
【００３７】
ステップＳＴ１１では、制御部７０が、ＳＯＦＣ１０が所定の第２温度閾値Ｔ２（所定温度、図６参照）に到達したか否かを判定する。ＳＯＦＣ１０が第２温度閾値Ｔ２に到達しているときは（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１２に進む。ＳＯＦＣ１０が第２温度閾値Ｔ２に到達していないときは（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が第２温度閾値Ｔ２に到達するのを待つ。第２温度閾値Ｔ２は、例えば、６００℃〜９００℃の範囲内で設定することができる。
【００３８】
ステップＳＴ１２では、制御部７０が、インバータ２０を起動し、ＳＯＦＣ１０で発生した直流電流を交流電流に変換する。ステップＳＴ１３では、制御部７０が第２切換部４をオフ状態にする。ステップＳＴ１４では、制御部７０が第１切換部４０をオン状態にする。ステップＳＴ１２〜ステップＳＴ１４の処理を実行することで、系統電源３と燃料電池装置２とが解列状態となり、インバータ２０の交流電力が補機類３０に供給可能な状態となる。言い換えると、燃料電池装置２が外部からの電力供給を受けずにＳＯＦＣ１０の発電によって自立運転した状態となる。
【００３９】
ステップＳＴ１５では、制御部７０が、ステップＳＴ４でオン状態としなかった第２ヒータ３２及び第３ヒータ３３の何れか他方をオン状態、つまり、第２ヒータ３２及び第３ヒータ３３を両方オン状態とする。これにより、カソードガス流路１２を介してＳＯＦＣ１０が第２温度閾値Ｔ２からさらに昇温していく。
【００４０】
上述のステップＳＴ４の処理後、ステップＳＴ１５の処理を実行するにあたり、第２ヒータ３２及び第３ヒータ３３を所定のタイムラグを設けて順に作動することができる。これにより、制御部７０が、ＳＯＦＣ１０の出力電力を徐々に上昇し（図６参照）、補機類３０として消費する電力を徐々に上昇するよう制御することができる。従って、低温状態から急激な温度上昇を抑制し、ＳＯＦＣ１０のセルスタックひいては補機類３０の劣化及び損傷を防止でき、システムの安定的な運転を実現することができる。
【００４１】
ステップＳＴ１６では、制御部７０が、改質水供給器（図示略）から改質水の供給を停止する（図６参照）。ステップＳＴ１７では、制御部７０が、第１ヒータ３１をオフ状態にする。ステップＳＴ１６、ステップＳＴ１７の処理を実行することで、改質用蒸気による改質が停止し、再循環路６０から再循環された排出ガスによって燃料ガスが改質される。言い換えると、燃料電池装置２が外部からの改質水供給を受けずに、燃料ガスを還元ガスに改質して生成するのに必要な水蒸気の全量をアノードガス流路１１に含まれる水蒸気だけで確保した水自立状態となり、自立運転の起動が完了する。かかる水自立状態は、ＳＯＦＣ１０の電気化学反応にてアノードに水（水蒸気）が発生するＳＯＦＣ１０特有の技術と言えるものである。
【００４２】
なお、ステップＳＴ１６、ステップＳＴ１７の処理を実行するタイミングは、ＳＯＦＣ１０の温度が所定の閾値に到達したり、インバータ２０からの出力電力が定格電力に対して所定割合（例えば２０〜５０％）になったりしたタイミングを例示できる。
【００４３】
以上のように、上記燃料電池システム１では、ＳＯＦＣ１０の起動時に、ＳＯＦＣ１０が第１温度閾値Ｔ１に昇温するまでは、第２切換部４によって連系状態として系統電源３から補機類３０に給電し、系統電源３からの電力によってＳＯＦＣ１０を加熱することができる。このとき、第１切換部４０によって、インバータ２０と補機類３０とは非接続状態にすることができる。一方、ＳＯＦＣ１０が第２温度閾値Ｔ２に昇温した後は、第２切換部４によって解列状態として系統電源３からの給電を停止し、第１切換部４０によって、インバータ２０と補機類３０とを接続状態にすることができる。このとき、ＳＯＦＣ１０で発生した電力を、インバータ２０を経て補機類３０で消費でき、且つ、系統電源３に電力供給せずに自立起動した状態にすることができる。これにより、ＳＯＦＣ１０で発電しつつ解列状態を容易に維持することができ、かかる状態を条件とする各種作業（インバータの動作確認、メンテナンス作業等）を行うことができる。
【００４４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用い、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。
【００４５】
図７は、第２の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。第２の実施の形態における燃料電池装置２は、第１の実施の形態に対し、第４ないし第８ヒータ（加熱手段）７４〜７８を増設した構成とされる。第４ヒータ７４は、燃料ガス供給器（図示略）からアノードガス供給路５１へ供給される燃料ガスを加熱する。第５ヒータ７５は、アノードガス供給路５１における改質用蒸気供給路５３及び再循環路６０の合流点より下流側を流れる還元ガスを加熱する。第６ヒータ７６は、ＳＯＦＣ１０のセルスタックを加熱する。第７ヒータ７７は、ＳＯＦＣ１０の排熱回収用温水として温水熱交換器５８を循環する温水を加熱する。第８ヒータ７８は、大気を加熱する。
【００４６】
第４ないし第８ヒータ７４〜７８においても、それぞれ制御部７０（図３参照）と接続され、制御部７０によって作動制御やオンオフ制御が実行される。第４ないし第８ヒータ７４〜７８は、上述の各加熱対象に対して、それぞれ単一とした場合を図示したが、複数のヒータを設置して段階的に加熱する構成としてもよい。また、図７に図示していないが、例えばカソードガス排出路５６や、再循環路６０にヒータを設置してもよい。
【００４７】
なお、燃料電池装置２において、第１ないし第８ヒータ３１〜３３、７４〜７８は、その設置を適宜省略した構成としてもよく、各ヒータ３１〜３３、７４〜７８のうちの少なくとも一つのヒータを選択して設置した構成とすることができる。例えば、第１ヒータ３１及び第８ヒータ７８を設置し、第２ないし第７ヒータ３１、３２、７４〜７７を省略した場合、燃料電池装置２の自立起動時に加熱する対象について改質水の他は、大気となる。つまり、燃料電池装置２自体の昇温速度を抑制しつつＳＯＦＣ１０で発生した電力を消費することが可能となる。このように、種々の作用、機能を実現させるため、補機類３０を構成する第１ないし第８ヒータ３１〜３３、７４〜７８のうち設置或いは運転制御するものを任意の組み合わせで選択して運転を行うことが可能となる。
【００４８】
ここで、第１ないし第８ヒータ３１〜３３、７４〜７８等を作動した場合の機能について、以下に例示する。ＳＯＦＣ１０では、発電負荷が低く、発電による生成水が少ないと、アノードガス流路１１から排出された排出ガスを再循環しても投入する炭化水素系燃料全量を水蒸気改質できずに、電極に用いた触媒の一部がコーキングしてしまう。そこで、例えば、第１ヒータ３１で電力を消費し、改質水蒸気を発生させることにより、コーキングを防止することができる。また、第２ヒータ３２及び第３ヒータ３３で電力を消費し酸化剤ガス（空気）を加熱することにより、ＳＯＦＣ１０を昇温または高温に維持することができる。また、第４ヒータ７４で電力を消費して燃料ガスを加熱することにより、ＳＯＦＣ１０を高温に維持するができる。また、第５ヒータ７５または再循環路６０や再循環ブロワ３５の出口の配管に設置したヒータ（図示しない）で電力を消費して、再循環ガスを加熱することにより、再循環路６０における水蒸気の凝縮を防止するとともに、ＳＯＦＣ１０を高温に維持することができる。また、第６ヒータ７６で電力を消費して、ＳＯＦＣ１０を加熱してＳＯＦＣ１０を高温に維持することができる。ＳＯＦＣ１０を高温に維持することで、高い発電効率を維持することができる。また、ＳＯＦＣ１０が高出力であったり、外気温度が高い場合などで、制御目標温度を超える可能性がある場合には、ヒータ７７、７８で電力を消費して、温水や大気を加熱することにより電池の過昇温を防止する。大気を加熱する場合、暖房や乾燥の工程の熱源とすることが出来る。温水を加熱する場合、給湯や暖房、蒸気発生などの熱源とすることができる。排気を加熱するためのヒータで電力を消費することで、外気温が低い時に排気が白煙となることを防止することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００５０】
上記各実施の形態では、アノードガス供給路５１に供給した燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成したが、これに代え、ボンベ等から水素ガスを燃料ガスとしてアノードガス供給路５１に供給してもよい。この場合、改質水の供給、第１ヒータ３１及びその加熱を省略することができ、起動時の消費電力の削減、構成の簡略化を図ることができる。
【００５１】
上記各実施の形態では、反応空気ブロワ３４及び再循環ブロワ３５への電力供給を上述のようにＳＯＦＣ１０と系統電源３とで切り換えたが、それらの少なくとも一方への電力供給は切り換えずに、系統電源３から常時電力供給を実行するようにしてもよい。また、各ヒータ３１〜３３、７４〜７８においても、それらの少なくとも一つへの電力供給を切り換えずに、系統電源３から常時電力供給を実行するようにしてもよい。
【００５２】
上記各実施の形態では、改質用蒸気による改質を停止した水自立した状態として起動したが、改質用蒸気の供給量を減らし、該改質用蒸気と再循環路６０からの排出ガスに含まれる水蒸気との両方で燃料ガスの改質を行ってもよい。
【００５３】
上記各実施の形態では、再循環路６０を設けた構成としたが、再循環路６０を省略してアノードガス排出路５５の排出ガスを燃焼器５７に排出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。
【符号の説明】
【００５５】
１  燃料電池システム
２  燃料電池装置
３  系統電源
４  第２切換部
１０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
２０  インバータ
３０  補機類（発電装置内負荷）
３１  第１ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
３２  第２ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
３３  第３ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
３４  反応空気ブロワ（発電装置内負荷、送出手段）
３５  再循環ブロワ（発電装置内負荷、送出手段）
４０  第１切換部
５１  アノードガス供給路
６０  再循環路
７０  制御部
７４  第４ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
７５  第５ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
７６  第６ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
７７  第７ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
７８  第８ヒータ（発電装置内負荷、加熱手段）
【図１】
2019149346.tif 000003
【図２】
2019149346.tif 000004
【図３】
2019149346.tif 000005
【図４】
2019149346.tif 000006
【図５】
2019149346.tif 000007
【図６】
2019149346.tif 000008
【図７】
2019149346.tif 000009