(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池の起動時にセルを作動温度まで昇温する際に、セルに発生する熱応力を抑制しつつ、急速起動を可能とする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池セルの集合体である燃料電池と、燃料電池を作動温度まで昇温する際にアノード及びカソードに供給する加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置及びカソード加熱用ガス発生装置と、両装置の運転状態を制御する制御装置を備え、制御装置にセルの平均温度推定手段と、アノード及びカソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、両表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備える。【選択図】図１
2008010258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置に、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測手段と、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測手段と、前記アノード温度計測手段と前記カソード温度計測手段でそれぞれ計測されたアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段で推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システム。
【請求項２】
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置で、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測ステップと、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測ステップと、前記アノード温度計測ステップと前記カソード温度計測ステップでそれぞれ計測したアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動方法。
【請求項３】
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置に、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測手段と、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測手段と、前記アノードガス温度計測手段と前記カソードガス温度計測手段でそれぞれ計測されたアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段によって推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システム。
【請求項４】
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置で、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測ステップと、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測ステップと、前記アノードガス温度計測ステップと前記カソードガス温度計測ステップでそれぞれ計測したアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を有する発電システムの運転時に、燃料電池を作動温度まで昇温するための起動システムと起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンで高効率な分散電源の一つとして燃料電池発電システムが注目されている。なかでも、高温で動作可能な固体酸化物形燃料電池発電システムは業務用から産業用まで適用範囲が広く、将来の電源、或いは電熱併給システムとして多分野で期待されている。しかしながら、この発電システムの中核をなす固体酸化物形燃料電池は６００℃〜１０００℃の高温で作動するため、起動時には予熱手段により室温から発電可能な６００℃程度の温度にまで、安全かつ速やかに昇温する必要がある。また、頻繁な起動停止を繰返した場合でも、高い耐久性を兼ね備えることが望まれる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料電池のセルにおけるカソード側に供給された空気中の酸素がイオン化され、電解質を透過してアノードに達し、アノード側に供給された水素と反応することで起電力を発生する仕組みを利用したものである。この場合、アノードに直接、水素を供給しても良いが、都市ガスや灯油に蒸気を混合した原料を予め改質器に通すことで水素リッチな改質ガスに転換し、これを燃料として使用する方法が一般的である。
【０００４】
このような固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、特に問題となるのが起動時のセル昇温に伴い、セルに発生する熱応力である。熱応力が大きいと、セルの割れにつながる。
【０００５】
固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法に係る従来技術としては、セル間にバーナを配置し、起動時に、このバーナを使用してセル昇温速度を速めることによって起動時間の短縮を図るものがある(例えば、特許文献１参照)。しかしながら、この燃料電池は、セル間に起動用バーナを配置するため、セル間距離が大きくならざるを得ない。その結果、セル収容室が大型化し、その分、熱容量が大きくなるため、起動時間短縮の効果は小さい。
【０００６】
また、燃料電池スタックの下部にガスバーナを設け、この燃焼ガスをカソードに導いてセルを予熱するものがある(例えば、特許文献２参照)。
【０００７】
さらに、アノードガス流量とカソードガス流量を調整することで、燃料電池の運転温度が予め設定された温度変化レートとなるようにするものがある(例えば、特許文献３参照)。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２８２１２９号公報
【特許文献２】特開２００４−３３５１６３号公報
【特許文献３】特開２００３−２２３９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池の起動時に、アノード側とカソード側の一方若しくは両方に加熱用のガスを投入することでセルを昇温できる。しかしながら、このときに投入するガスの温度が高過ぎる、或いは温度上昇が速過ぎると、セル表面の温度とセル内部の温度差が大きくなり、これに対応してセル表面に過大な熱応力が発生する恐れがある。そのため、起動時にはセル表面に発生する熱応力を許容値以下に抑えるための昇温方法が要求される。
【００１０】
しかしながら、前述の従来技術は、燃料電池の起動にあたって昇温する際に、セルに発生する熱応力を如何に許容値以下に抑え、且つ急速起動を実現するかという課題の解決に至っていない。
【００１１】
本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池発電システムの運転時に燃料電池を作動温度まで昇温する際に、セルに発生する熱応力を抑制しつつ、急速起動を可能とする起動システムと起動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を作動温度まで昇温するにあたって前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、前記制御装置に、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測手段と、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測手段と、前記アノード温度計測手段と前記カソード温度計測手段でそれぞれ計測されたアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段で推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システムにある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムの起動時に燃料電池を作動温度まで昇温するにあたって、セルに発生する熱応力を許容値以下に抑えた急速起動が可能となる。セルの熱応力発生を抑制できることから、セルの耐久性も向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
また、本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池における前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、前記制御装置で、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測ステップと、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測ステップと、前記アノード温度計測ステップと前記カソード温度計測ステップでそれぞれ計測したアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法にある。
【００１５】
また、本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、前記制御装置に、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測手段と、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測手段と、前記アノードガス温度計測手段と前記カソードガス温度計測手段でそれぞれ計測されたアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段によって推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システムにある。
【００１６】
また、本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、前記制御装置で、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測ステップと、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測ステップと、前記アノードガス温度計測ステップと前記カソードガス温度計測ステップでそれぞれ計測したアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法にある。
【００１７】
なお、アノード加熱用ガス発生装置及びカソード加熱用ガス発生装置には、バーナ、電気式ヒータあるいは熱交換器などを用いることが望ましい。
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態に限定されるものではない。
【実施例】
【００１９】
最初に、図１を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システムの構成について説明する。なお、固体酸化物形燃料電池のセル構造としては、主として円筒型と平板型が提案されているが、両者とも基本的な動作原理は同じであり、以下の実施形態では、円筒型を例にして説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態による燃料電池発電システムの起動方法を説明するための構成図である。最初に、燃料電池機器本体１００の働きについて説明する。
【００２１】
燃料電池の起動時には、カソードバーナ１からのカソード加熱用燃焼ガス２がカソードガスヘッダ３に送られる。カソードガスヘッダ３に送られたカソード加熱用燃焼ガスは、ガス導入管４を下降してセル内下部５まで供給され、その後、セル内を上昇しながらカソードの内側からセルを加熱する。また、燃料電池の起動時には、アノードバーナ６からのアノード加熱用燃焼ガス７がセルスタック８の下部に位置するアノードガス室９に送られる。アノードガス室９に送られたアノード加熱用燃焼ガスは、セル間を上昇しながらアノードの外側からセルを加熱する。上記２つの燃焼ガスはセルの内外面から加熱に寄与した後、セル出口で合流して排ガス１０として電池収納室１１に設けた排気口１２から排出される。
【００２２】
上記２つのバーナの燃料としてはメタンを使用することができ、共通の燃料タンク１３から供給される。また、燃焼用空気も共通のブロア１４から供給される。ここで、カソードバーナ１は空気リッチな燃焼を維持するように燃料１５及び燃焼用空気１６の流量（ＦＦＣ及びＦＡＣ）が調整される。また、アノードバーナ６は燃料リッチとなるように燃料１７及び燃焼用空気１８の流量（ＦＦＡ及びＦＡＡ）が調整される。例えば、カソードバーナ１については燃料と空気の比である燃空比０．６５、アノードバーナ６については燃空比１．１を採用する。また、カソードバーナ１にはガス温度調整用空気１９を供給し、アノードバーナ６にはガス温度調整用窒素２０を窒素タンク２１より供給する。これらの流量はＦＡ及びＦＮで示す。
【００２３】
起動時にセルの昇温状態はカソード温度計２２とアノード温度計２３により計測され、計測されたカソード温度ＴＣの計測信号２４及びアノード温度ＴＡの計測信号は、後述の制御装置２００に送られる。また、制御装置２００からの操作信号としては、流量ＦＦＣ，ＦＡＣ，ＦＡ，ＦＦＡ，ＦＡＡ，ＦＮを決めるための流量調整弁２６，２７，２８，２９，３０，３１の弁開度信号（ＡＦＣ，ＡＡＣ，ＡＡ，ＡＦＡ，ＡＡＡ，ＡＮ）が出力される。
【００２４】
尚、電池の発電運転時にはセルスタック８の端部に設置した集電極３２より電力が取り出されるが、ここでは起動方法についてのみ説明し、発電時に関する説明は省略する。
【００２５】
次に、制御装置２００の働きと動作について説明する。ここでは制御装置の働きを理解し易くするために各制御要素をブロックで示したが、実際には燃料電池機器本体１００と同一パッケージ内、若しくはその近傍等に配置されたコントローラで実現されている。
【００２６】
まず、基本的な働きについて説明する。制御装置２００において、セル平均温度推定手段２１０では、カソード温度計２２の計測信号２４であるカソード温度ＴＣ及びアノード温度計２３の計測信号２５であるアノード温度ＴＡに基づいて、セルの厚み方向内温度分布を推定する。そして、セルの厚み方向内温度分布から昇温中に時々刻々変化するセル内部体積平均温度ＴＭ（以下、単にセル平均温度と呼ぶ）を推定し、これをセル平均温度信号３３として出力する。
【００２７】
次に熱応力推定手段２２０では、セル平均温度ＴＭとカソード温度ＴＣ及びアノード温度ＴＡに基づいて、カソード表面熱応力ＳＣ（以後、単にカソード熱応力と呼ぶ）とアノード表面熱応力ＳＡ（以後、単にアノード熱応力と呼ぶ）を推定し、これらをカソード熱応力信号３４及びアノード熱応力信号３５として出力する。これら熱応力ＳＣ，ＳＡも昇温中に時々刻々変化する。
【００２８】
さらに熱応力制御手段２３０では、カソード熱応力ＳＣとアノード熱応力ＳＡに基づき、カソードバーナ１の燃焼状態を調整するためのカソードバーナ操作量ＫＣとアノードバーナ６の燃焼状態を調整するためのアノードバーナ操作量ＫＡを決定する。そして、それぞれカソードバーナ操作信号３６とアノードバーナ操作信号３７として出力する。即ち、昇温中にカソード熱応力ＳＣとアノード熱応力ＳＡの両者が常に許容値以下となるように、操作量ＫＣとＫＡを決定する。この操作量ＫＣとＫＡの詳しい意味は後述する。
【００２９】
カソードバーナ制御手段２４０では、カソードバーナ操作量ＫＣに基づいて、ガスヘッダ３に送るカソード加熱用燃焼ガス２の生成に必要な流量調整弁２６，２７，２８の各開度ＡＦＣ，ＡＡＣ，ＡＡを規定する開度信号４１，４２，４３を出力する。同様にして、アノードバーナ制御手段２５０では、アノードバーナ操作量ＫＡに基づいて、アノードガス室９に送るアノード加熱用燃焼ガス７の生成に必要な流量調整弁２，３０，３１の各開度ＡＦＡ，ＡＡＡ，ＡＮを規定する開度信号５１，５２，５３を出力する。
【００３０】
以上説明した制御装置２００の働きについて、図２〜５を用いて、さらに具体的に説明する。
【００３１】
まず、図２を用いて、セル平均温度推定手段２１０と熱応力推定手段２２０について説明する。図２に示すカソード内面３８とアノード外面３９はそれぞれカソード加熱用燃焼ガス２とアノード加熱用燃焼ガス７に晒され、セルは両面より加熱される。セル平均温度推定手段２１０において、計測値であるカソード温度ＴＣとアノード温度ＴＡを用いて、伝熱計算を実施することでセル厚み方向の温度分布を求める。図示するように、本実施例では同心円筒状に仮想５分割し、それぞれの円筒温度Ｔ１、Ｔ２、・・・Ｔ５を求める。ここで求めた温度分布を元に、各円筒の体積を考慮して体積平均温度を求め、これを、セル平均温度ＴＭの推定値とする。尚、上記の分割数はセル平均温度ＴＭの実用上の推定精度を考慮し、任意に選定すればよい。次に、熱応力推定手段２２０においては、セル平均温度ＴＭ、カソード温度ＴＣ及びアノード温度ＴＡを用いて、式（１）と式（２）に従ってカソード熱応力ＳＣとアノード熱応力ＳＡを推定する。
【００３２】
ＳＣ  ＝  （ＴＭ−ＴＣ）・Ａ・Ｅ／（１−ν）          …（１）
ＳＡ  ＝  （ＴＭ−ＴＡ）・Ａ・Ｅ／（１−ν）          …（２）
ここで、Ａ、Ｅ及びνはセルの材料物性値であり、それぞれ線膨張率、ヤング率及びポアソン比である。通常のセル昇温時には、セル平均温度ＴＭがカソード温度ＴＣやアノード温度ＴＡよりも遅れて上昇する。また、式（１）及び式（２）で使用しているポアソン比（ν）は１よりも小さいので、カソード熱応力ＳＣもアノード熱応力ＳＡも負の値となり、いずれも圧縮応力（図中の矢印方向の応力）が発生する。但し、カソード温度ＴＣとアノード温度ＴＡに大きな差がある場合は、必ずしもこのようにはならない。例えば、カソードガス温度ＴＧＣがアノードガス温度ＴＧＡよりも大幅に高く、カソード温度ＴＣの上昇がアノード温度ＴＡと比較して大幅に先行する場合は、セル平均温度ＴＭよりもアノード温度ＴＡが低くなることもあり、この場合はアノード熱応力ＳＡが正の値となり、引張り応力となる。
【００３３】
次に、図３と図４を用いて熱応力制御手段２３０について説明する。
【００３４】
図３は、起動時における流量ＦＦＣ，ＦＡＣ，ＦＦＡ，ＦＡＡとそれらの最小値、最大値を示す。ＦＦＣの最小値ＦＦＣｍｉｎとＦＡの最大値ＦＡｍａｘは起動開始時のカソードバーナ１の燃料流量とガス温度調整用空気流量であり、ＦＦＡの最小値ＦＦＡｍｉｎとＦＮの最大値ＦＡｍａｘは起動開始時（ｔ０）のアノードバーナ６の燃料流量とガス温度調整用窒素流量である。また、ＦＦＣの最大値ＦＦＣｍａｘとＦＡの最小値ＦＡｍｉｎは起動終了時（ｔ１）のカソードバーナ１の燃料流量とガス温度調整用空気流量であり、ＦＦＡの最大値ＦＦＡｍａｘとＦＮの最小値ＦＡｍｉｎは起動終了のアノードバーナ６の燃料流量とガス温度調整用窒素流量である。この場合、起動開始時（ｔ０）の流量は、カソードバーナ１とアノードバーナ６からの燃焼ガスによりセルが熱衝撃を受けないよう、十分低い温度となるように選定される。また、起動終了時（ｔ１）の流量は、発電運転に移行するために必要なセル温度まで加熱できるように、十分高い温度となるように選定される。尚、カソード燃焼用空気の流量ＦＡＣ及びアノード燃焼用空気の流量ＦＡＡは、前述のように、カソードバーナ１については燃空比０．６５、アノードバーナ６については燃空比１．１となるように、それぞれカソード燃料流量ＦＦＣ、アノード燃料流量ＦＦＡにリンクして決定される。
【００３５】
ここで、熱応力制御手段２３０に期待するのは、カソードバーナ操作量ＫＣとアノードバーナ操作量ＫＡの適正な値であり、起動開始時（ｔ０）から起動終了時（ｔ１）までの流量ＦＦＣ，ＦＡＣ，ＦＦＡ，ＦＡＡが決定される。図３では、等速度で燃料流量を切替えた場合（ここでは等速切替え方式と呼ぶ）を破線で示すが、この等速切替え方式はセルに発生する熱応力を考えた場合、必ずしも最適ではない。
【００３６】
図４は、熱応力制御手段２３０において、カソードバーナ操作量ＫＣとアノードバーナ操作量ＫＡの決定方法を示す。図示するように、カソードバーナ操作量ＫＣは、予め設定された熱応力制限値ＳＬとカソード熱応力ＳＣを加算手段２３１にて加算することで偏差ΔＳＣを求め、これを比例積分微分演算手段（ＰＩＤ）２３２にて演算することで求める。ここで、上記偏差ΔＳＣを求めるのに加算手段２３１を用いる理由は、熱応力制限値ＳＬを正値で与えているのに対し、通常の起動ではＳＣは負値をとる場合が多いので、熱応力裕度を考えた場合は演算上、加算となることによる。操作量ＫＣの値域は０〜１とし、起動開始時（ｔ０）はＫＣ＝０とする。
【００３７】
同様にアノードバーナ操作量ＫＡも、予め設定された熱応力制限値ＳＬとアノード熱応力ＳＡを加算手段２３５にて加算することで偏差ΔＳＡを求め、これを比例積分微分演算手段（ＰＩＤ）２３６にて演算することで求める。ここでも、上記偏差ΔＳＡを求めるのに加算手段２３５を用いる理由は、カソードバーナ操作量ＫＣを求める場合と同じである。この場合も操作量ＫＡの値域は０〜１であり、起動開始時（ｔ０）はＫＡ＝０とする。
【００３８】
このようにしてカソードバーナ操作量ＫＣとアノードバーナ操作量ＫＡを決定する起動方法を用いると、全起動過程で発生するカソード熱応力ＳＣとアノード熱応力ＳＡの両者を確実に制限値以下とすることができる。さらに、熱応力制限を有効に利用できるため、速やかに起動を完了できるという効果が期待できる。
【００３９】
次に、図５を用いてカソードバーナ制御手段２４０とアノードバーナ制御手段２５０について説明する。
【００４０】
最初にカソードバーナ制御手段２４０について説明する。まず、熱応力制御手段２３０により決定されたカソードバーナ操作量ＫＣを受けて演算手段２４１，２４２，２４３により、それぞれ燃料流量ＦＦＣ，燃焼用空気流量ＦＡＣ，ガス温度調整用空気流量ＦＡを決定する。次に、これらＦＦＣ，ＦＡＣ，ＦＡを流量調整弁２６，２７，２８の弁開度ＡＦＣ，ＡＡＣ，ＡＡに変換するために、それぞれ弁特性関数２４４，２４５，２４６を用いる。アノードバーナ制御手段２５０についても同様に、まず、熱応力制御手段２３０により決定されたアノードバーナ操作量ＫＡを受けて演算手段２５１，２５２，２５３により、それぞれ燃料流量ＦＦＡ、燃焼用空気流量ＦＡＡ、ガス温度調整用空気流量ＦＮを決定する。次に、これらＦＦＡ，ＦＡＡ，ＦＮを流量調整弁２９，３０，３１の弁開度ＡＦＡ，ＡＡＡ，ＡＮに変換するために、それぞれ弁特性関数２５４，２５５，２５６を用いる。
【００４１】
前記のように、カソード燃焼用空気流ＦＡＣ及びアノード燃焼用空気流ＦＡＡは、カソードバーナ１については燃空比０．６５、アノードバーナ６については燃空比１．１となるように、それぞれカソード燃料流量ＦＦＣ、アノード燃料流量ＦＦＡにリンクして演算手段２４２と演算手段２５２により決定される。このときの比例定数がＫＢＣとＫＢＡである。
【００４２】
次に図６を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムの起動特性について説明する。
【００４３】
図中の実線は前述の本発明の起動方法によりカソードバーナ操作量ＫＣとアノードバーナ操作量ＫＡを熱応力制御により決定した場合の起動結果を示し、破線はＫＣ及びＫＡを前述のような等速切替え方式を採用したときの起動結果を示す。図６から分かるように、等速切替えした場合、起動初期の段階でカソード熱応力ＳＣが制限値ＳＬを超過するときがあり、逆にアノード熱応力ＳＡは制限値ＳＬに対して裕度が大きい。これに対して、本発明の熱応力制御による場合は、カソード熱応力ＳＣもアノード熱応力ＳＡも制限値ＳＬを超過することなく、しかも、これを有効に活用しながら時刻ｔ２で速やかに起動を終了している。その結果、等速切替え方式の場合と比較して起動時間が大幅に短縮（ｔ１−ｔ２）できている。
【００４４】
以上のように、本発明によれば、起動時の大幅昇温時にセルに発生する熱応力を許容値以下に抑えた急速起動が可能となり、固体酸化物形燃料電池発電システムにおけるセルの耐久性を向上できる。
【００４５】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる実施形態においても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。
【００４６】
まず、熱応力として着目すべきセルの位置、即ち温度計測位置であるが、基本的には起動中に発生する熱応力が最も高くなる位置、若しくは熱応力による材料強度が問題となる位置に着目するのが望ましく、本発明の実施形態に限定されない。この基本的な考え方は、セルの軸方向位置は勿論のこと、セルスタックにおけるどのセルに着目するかについても同じである。
【００４７】
また、本発明の実施形態では、熱応力として着目すべきセルの位置を１箇所としているが、起動中に複数個所の熱応力の大小関係が複雑に変動する場合などは、着目すべき位置を複数個所に設定し、熱応力裕度が最も小さな値に着目しながら起動する方法としてもよい。
【００４８】
さらに、本発明の実施形態では、セル温度即ちカソード表面温度とアノード表面温度を計測することで熱応力を推定しているが、それぞれの表面近傍のガス温度を計測して、これを表面温度と見做して熱応力を推定する方法としてもよい。
【００４９】
本発明の実施形態では、円筒型セルを使用したが、必ずしもこれに限定されるものでなく、平板型や円盤型など種々のセルに対しても本発明の本質を何ら変更することなく実施できる。
【００５０】
また、本発明の実施形態では、セル加熱用バーナの燃料としてメタンを使用しているが、セル材料に応じて水素、都市ガス、ＬＮＧ、灯油など様々な燃料を選択使用することも可能で、この場合でも本発明の本質を何ら変更されることなく実施できる。
【００５１】
さらに、本発明の実施形態では、カソードとアノードの両面から加熱する方法としたが、どちらか一方からのみ加熱する方法を採用する場合でも、勿論、本発明の本質を何ら変更することなく実施できる。
【００５２】
本発明の実施形態では、起動時にカソードとアノードに発生する熱応力に対して、共通の制限値ＳＬを使用したが、セルを構成する材料によってはカソードとアノードの強度が異なる場合もある。この場合でも、熱効力制御は個別に設定した制限値に対して実行すればよく、本発明の本質を何ら変更することなく実施できる。
【００５３】
また、本発明の実施形態では、カソードバーナの燃空比を０．６５、アノードバーナの燃空比を１．１としたが、セルを構成する材料によっては必ずしもこの燃空比とする必要はない。要するに、酸化雰囲気での運転が好まれるカソードにおいて燃空比は１以下、還元雰囲気での運転が好まれるアノードにおいて燃空比は１以上とする条件であれば、バーナ構造や種々の設計基準を考慮して適切な燃空比を選定することができる。
【００５４】
以上の実施形態では、カソードまたはアノードの加熱用にバーナ燃焼ガスを使用しているが、必ずしもバーナを使用する必要はなく、例えば電気式ヒータや熱交換器を使用して加熱用ガスを間接的に発生させてもよい。
【００５５】
このように、本発明によれば、起動時に室温から発電可能な６００℃程度の温度にまで安全かつ速やかに昇温することが可能となり、起動時間を大幅短縮でき、しかもセルの耐久性を向上することができる。
【００５６】
尚、セルが所定の作動温度に加熱されたならば、アノードバーナ及びカソードバーナによる燃焼を停止し、アノード及びカソードに発電用のガスすなわちアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤としての空気を供給して発電を開始する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の燃料電池発電システムにおける起動方法を説明するための図である。
【図２】起動システムの制御装置におけるセル平均温度推定手段と熱応力推定手段を説明するための図である。
【図３】次の図４と併せて制御装置における熱応力制御手段について説明するための図である。
【図４】前の図３と併せて制御装置における熱応力制御手段について説明するための図である。
【図５】制御装置におけるカソードバーナ制御手段とアノードバーナ制御手段を説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態による燃料電池発電システムの起動方法による起動特性、特に起動時間短縮効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…カソードバーナ、２…カソード加熱用燃焼ガス、３…カソードガスヘッダ、４…ガス導入管、５…セル内下部、６…アノードバーナ、７…アノード加熱用燃焼ガス、８…セルスタック、９…アノードガス室、１０…排ガス、１１…電池収納室、１２…排気口、１３…燃料タンク、１４…ブロア、１５…燃料、１６…燃焼用空気、１７…燃料、１８…燃焼用空気、１９…ガス温度調整用空気、２０…ガス温度調整用窒素、２１…窒素タンク、２２…カソード温度計、２３…アノード温度計、２４…計測信号、２５…計測信号、２６…流量調整弁、２７…流量調整弁、２８…流量調整弁、２９…流量調整弁、３０…流量調整弁、３１…流量調整弁、３２…集電極、３３…セル平均温度信号、３４…カソード熱応力信号、３５…アノード熱応力信号、３６…カソードバーナ操作信号、３７…アノードバーナ操作信号、３８…カソード内面、３９…アノード外面、４１…開度信号、４２…開度信号、４３…開度信号、５１…開度信号、５２…開度信号、５３…開度信号、１００…燃料電池機器本体、２００…制御装置、２１０…セル平均温度推定手段、２２０…熱応力推定手段、２３１…加算手段、２３２…比例積分微分演算手段（ＰＩＤ）、２３５…加算手段、２３６…比例積分微分演算手段（ＰＩＤ）、２４０…カソードバーナ制御手段、２４１…演算手段、２４２…演算手段、２４３…演算手段、２４４…弁特性関数、２４５…弁特性関数、２４６…弁特性関数、２５０…アノードバーナ制御手段、２５１…演算手段、２５２…演算手段、２５３…演算手段、２５４…弁特性関数、２５５…弁特性関数、２５６…弁特性関数。
【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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