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特開2024-154770固体酸化物形燃料電池システムの制御方法及び固体酸化物形燃料電池システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024154770
(43)【公開日】2024-10-31
(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池システムの制御方法及び固体酸化物形燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04746 20160101AFI20241024BHJP
H01M 8/04225 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/04313 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20241024BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04746
H01M8/04225
H01M8/04302
H01M8/0432
H01M8/249
H01M8/04 J
H01M8/04 Z
H01M8/04313
H01M8/0438
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023068817
(22)【出願日】2023-04-19
(71)【出願人】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002468
【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】福島 瑛介
(72)【発明者】
【氏名】武田 大
(72)【発明者】
【氏名】野田 哲史
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB04
5H127AB16
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA34
5H127BA58
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB19
5H127BB23
5H127BB37
5H127DA02
5H127DB12
5H127DB16
5H127DB22
5H127DB26
5H127DB32
5H127DB36
5H127DB42
5H127DB47
5H127DC02
5H127DC22
5H127DC74
5H127EE01
(57)【要約】
【課題】暖機時間を短縮可能な固体酸化物形燃料電池システムの制御方法及び固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃焼器２と、内部改質機能を有するとともに、燃焼器２に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池スタックである第１スタック１ａとを備える固体酸化物形燃料電池システム１００の制御方法が提供される。この固体酸化物形燃料電池システムの制御方法は、固体酸化物形燃料電池システム１００起動時の暖機中において、燃焼器２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、第１スタック１ａのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する。
【選択図】図６
【解決手段】燃焼器２と、内部改質機能を有するとともに、燃焼器２に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池スタックである第１スタック１ａとを備える固体酸化物形燃料電池システム１００の制御方法が提供される。この固体酸化物形燃料電池システムの制御方法は、固体酸化物形燃料電池システム１００起動時の暖機中において、燃焼器２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、第１スタック１ａのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼器と、内部改質機能を有するとともに、前記燃焼器に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池スタックである第１スタックとを備える固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池システム起動時の暖機中において、前記燃焼器近傍における前記第１スタックの最高温度が、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、前記第１スタックのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記固体酸化物形燃料電池システム起動時の暖機中において、前記燃焼器近傍における前記第１スタックの最高温度が、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、前記第１スタックのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項2】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記燃焼器に熱的に接触する、前記第１スタックよりも熱容量が小さい固体酸化物形燃料電池スタックである第２スタックをさらに備え、
空気は、前記第２スタックのカソード流路、前記第１スタックのカソード流路、前記燃焼器の順に通過するように供給され、
燃料は、前記第１スタックのアノード流路、前記第２スタックのアノード流路、前記燃焼器の順に通過するように供給され、
前記部分酸化反応は、前記第１スタックのアノード流路を流れる燃料に空気を供給することで実行される、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記燃焼器に熱的に接触する、前記第１スタックよりも熱容量が小さい固体酸化物形燃料電池スタックである第２スタックをさらに備え、
空気は、前記第２スタックのカソード流路、前記第１スタックのカソード流路、前記燃焼器の順に通過するように供給され、
燃料は、前記第１スタックのアノード流路、前記第２スタックのアノード流路、前記燃焼器の順に通過するように供給され、
前記部分酸化反応は、前記第１スタックのアノード流路を流れる燃料に空気を供給することで実行される、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項3】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記第１スタックの最高温度は、前記固体酸化物形燃料電池システムの起動時における前記第１スタックのスタック温度と、前記燃焼器から前記第１スタックへの熱伝導量と、前記第１スタックに供給される空気から前記第１スタックへの熱伝達量と、前記第１スタック全体の熱容量と、前記第１スタックの底面部の熱容量とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記第１スタックの最高温度は、前記固体酸化物形燃料電池システムの起動時における前記第１スタックのスタック温度と、前記燃焼器から前記第１スタックへの熱伝導量と、前記第１スタックに供給される空気から前記第１スタックへの熱伝達量と、前記第１スタック全体の熱容量と、前記第１スタックの底面部の熱容量とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項4】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記燃焼器と前記第１スタックとの間に熱流束センサを備え、
前記燃焼器から前記第１スタックへの熱伝導量を、前記熱流束センサにより取得する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記燃焼器と前記第１スタックとの間に熱流束センサを備え、
前記燃焼器から前記第１スタックへの熱伝導量を、前記熱流束センサにより取得する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項5】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃焼器から前記第１スタックへの熱伝導量を、前記燃焼器に供給する燃焼ガスの流量と、前記燃焼器の上流及び下流の温度から求められる前記燃焼器の入口と出口のエンタルピー差と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機開始からの時間とに基づき演算する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記燃焼器から前記第１スタックへの熱伝導量を、前記燃焼器に供給する燃焼ガスの流量と、前記燃焼器の上流及び下流の温度から求められる前記燃焼器の入口と出口のエンタルピー差と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機開始からの時間とに基づき演算する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項6】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記第１スタックに供給される空気から前記第１スタックへの熱伝達量は、空気と前記第１スタックとの間の熱伝達率と、前記第１スタックのカソード流路の表面積と、前記第１スタックに供給される空気の温度と、前記第１スタックのスタック出口温度と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機開始からの時間とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記第１スタックに供給される空気から前記第１スタックへの熱伝達量は、空気と前記第１スタックとの間の熱伝達率と、前記第１スタックのカソード流路の表面積と、前記第１スタックに供給される空気の温度と、前記第１スタックのスタック出口温度と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機開始からの時間とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項7】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記第１スタックに供給される空気から前記第１スタックへの熱伝達量は、前記第１スタックに供給される空気の流量と、前記第１スタックのカソード流路の上流及び下流の温度から求められる前記第１スタックの入口と出口のエンタルピー差と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機開始からの時間とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記第１スタックに供給される空気から前記第１スタックへの熱伝達量は、前記第１スタックに供給される空気の流量と、前記第１スタックのカソード流路の上流及び下流の温度から求められる前記第１スタックの入口と出口のエンタルピー差と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機開始からの時間とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項8】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記第１スタックの底面部の熱容量は、前記第１スタックのエンドプレートの熱容量を含む、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記第１スタックの底面部の熱容量は、前記第１スタックのエンドプレートの熱容量を含む、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項9】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池システムは前記燃焼器近傍の前記第１スタック内に温度センサを備え、
前記第１スタックの最高温度を前記温度センサにより取得する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記固体酸化物形燃料電池システムは前記燃焼器近傍の前記第１スタック内に温度センサを備え、
前記第１スタックの最高温度を前記温度センサにより取得する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項10】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法であって、
前記第１スタックの最高温度を、前記固体酸化物形燃料電池システムの起動時における前記第１スタックのスタック温度と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機時間とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
前記第１スタックの最高温度を、前記固体酸化物形燃料電池システムの起動時における前記第１スタックのスタック温度と、前記固体酸化物形燃料電池システムの暖機時間とに基づき推定する、
固体酸化物形燃料電池システムの制御方法。
【請求項11】
燃焼器と、
内部改質機能を有するとともに、前記燃焼器に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池スタックである第１スタックと、
前記第１スタックに供給する燃料及び空気の量を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記固体酸化物形燃料電池システム起動時の暖機中において、前記燃焼器近傍における前記第１スタックの最高温度が、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、前記第１スタックのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する、
固体酸化物形燃料電池システム。
内部改質機能を有するとともに、前記燃焼器に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池スタックである第１スタックと、
前記第１スタックに供給する燃料及び空気の量を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記固体酸化物形燃料電池システム起動時の暖機中において、前記燃焼器近傍における前記第１スタックの最高温度が、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、前記第１スタックのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する、
固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項12】
請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃焼器に熱的に接触する、前記第１スタックよりも熱容量が小さい固体酸化物形燃料電池スタックである第２スタックと、
上流側から前記第２スタック、前記第１スタック、前記燃焼器の順に空気が通過するように構成されたガス流路と、
上流側から前記第１スタック、前記第２スタック、前記燃焼器の順に燃料が通過するように構成されたガス流路と、
前記第１スタックのアノード流路に接続し、前記第１スタックのアノード流路に空気を供給可能なＰＯｘ流路と、をさらに備える、
固体酸化物形燃料電池システム。
前記燃焼器に熱的に接触する、前記第１スタックよりも熱容量が小さい固体酸化物形燃料電池スタックである第２スタックと、
上流側から前記第２スタック、前記第１スタック、前記燃焼器の順に空気が通過するように構成されたガス流路と、
上流側から前記第１スタック、前記第２スタック、前記燃焼器の順に燃料が通過するように構成されたガス流路と、
前記第１スタックのアノード流路に接続し、前記第１スタックのアノード流路に空気を供給可能なＰＯｘ流路と、をさらに備える、
固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項13】
請求項１１または１２に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃焼器は、燃料と燃料を燃焼するための空気が供給される加熱層と、前記加熱層と対向するとともに、空気が供給される被加熱層とが交互に積層して構成される熱交換器一体型燃焼器であり、
前記被加熱層は、前記加熱層における燃焼による熱により加熱される、
固体酸化物形燃料電池システム。
前記燃焼器は、燃料と燃料を燃焼するための空気が供給される加熱層と、前記加熱層と対向するとともに、空気が供給される被加熱層とが交互に積層して構成される熱交換器一体型燃焼器であり、
前記被加熱層は、前記加熱層における燃焼による熱により加熱される、
固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムの制御方法及び固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、熱交換器アセンブリの上下に、当該熱交換器アセンブリに熱的に接触する燃料電池スタックを配置した燃料電池システムを開示している。この燃料電池システムでは、燃料電池から出ていく空気や燃料の熱エネルギー、及び熱源を用いて熱交換器アセンブリに入ってくる空気を加熱している。
【0003】
ところで、燃料電池システムの中には、システム起動時に、燃料電池スタックの暖機を促進するために、部分酸化反応（ＰＯｘ：Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を行うものがある。ＰＯｘは、燃料電池スタックがＰＯｘ可能な温度に達してから、スタックのアノード流路に、燃料と空気とを供給することで実行される。そして、通常、ＰＯｘ可能か否かは、スタックから排出されるカソードガスのカソード流路出口における温度（スタック出口温度）がＰＯｘ可能な温度に達したか否かにより判断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１８－４１７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載の燃料電池システムのように、燃料電池スタックが熱交換器や燃焼器等のアセンブリに熱的に接触する場合、燃料電池スタック内の熱交換器や燃焼器等アセンブリ近傍の温度がスタック出口温度よりも高くなる場合がある。このため、スタック出口温度が、ＰＯｘ可能な温度に達していなくても、スタック内部では局所的にＰＯｘ開始可能な温度になっている場合がある。従って、スタック出口温度に基づきＰＯｘ可能か否かを判断すると、ＰＯｘの開始が遅れ、暖機に時間がかかってしまう虞がある。
【0006】
本発明は上記課題に鑑みたものであり、暖機時間を短縮可能な固体酸化物形燃料電池システムの制御方法及び固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様によれば、燃焼器と、内部改質機能を有するとともに、燃焼器に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池スタックである第１スタックとを備える固体酸化物形燃料電池システムの制御方法が提供される。この制御方法は、固体酸化物形燃料電池システム起動時の暖機中において、燃焼器近傍における第１スタックの最高温度が、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、第１スタックのアノード流路に燃料及び空気を供給し、部分酸化反応を開始する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池システム起動時の暖機中において、燃焼器近傍における第１スタックの最高温度が、部分酸化反応開始可能な温度を超えた場合に、部分酸化反応を開始する。このように、第１スタックの内部（燃焼器近傍）の最高温度に基づきＰＯｘを開始するため、第１スタックのスタック出口温度に基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、固体酸化物形燃料電池システムの暖機時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【0011】
（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による制御方法が用いられる固体酸化物形燃料電池システム（以下、単に、燃料電池システムとも言う）１００を示す概略構成図である。燃料電池システム１００は、車両等に搭載され、固体酸化物形燃料電池スタック（以下、ＳＯＦＣスタックともいう）１に対して発電に必要となる燃料（アノードガス）及び空気（カソードガス）を供給し、ＳＯＦＣスタック１を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。
図１は、本発明の一実施形態による制御方法が用いられる固体酸化物形燃料電池システム（以下、単に、燃料電池システムとも言う）１００を示す概略構成図である。燃料電池システム１００は、車両等に搭載され、固体酸化物形燃料電池スタック（以下、ＳＯＦＣスタックともいう）１に対して発電に必要となる燃料（アノードガス）及び空気（カソードガス）を供給し、ＳＯＦＣスタック１を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。
【0012】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣスタック１（第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂ）、燃焼器と熱交換器を一体化したＧＰＵ（Ｇａｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２、及び各種のガス流路等から構成される。ガス流路は、燃料供給路３１、空気供給路３４及び燃焼ガス供給路３８と、ガス通路３２，３５，３６、オフガス通路３３，３７及び排気通路３９と、ＰＯｘ流路４０とを含む（図３を参照）。また、燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣスタック１及びＧＰＵ２に供給する燃料及び空気の量を制御するコントローラ１０を備える（図３を参照）。
【0013】
第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂは、それぞれ複数の燃料電池または燃料電池単位セル（以下、燃料電池と言う）を積層して構成される。第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂは、内部にアノードガスが流れるアノード流路と、カソードガスが流れるカソード流路とを有し、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１ａ，１ｂの発電源である個々の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、高温で稼働する。
【0014】
第１スタック１ａと第２スタック１ｂとは、ＧＰＵ２を介して積層されている。即ち、燃料電池システム１００は、２段に積層されたＳＯＦＣスタック１（１ａ，１ｂ）を含み、積層された第１スタック１ａと第２スタック１ｂとの間には、ＧＰＵ２が介在している。
【0015】
また、第１スタック１ａは、上端及び下端にそれぞれエンドプレート１１ａ，１２ａを有し、第２スタック１ｂは、上端及び下端にそれぞれエンドプレート１１ｂ，１２ｂを有している。第１スタック１ａの下端の１２ａ及び第２スタック１ｂの上端のエンドプレート１１ｂは、それぞれＧＰＵ２に接触している。
【0016】
第１スタック１ａを構成する燃料電池は、内部に改質触媒を備える。即ち、第１スタック１ａは、内部改質機能を有している。燃料電池システム１００の運転時に、外部の燃料タンク（不図示）に接続された燃料供給路３１から第１スタック１ａのアノード流路に燃料が供給される。また、第２スタック１ｂのカソード流路と第１スタック１ａのカソード流路とを接続するガス通路３６から第１スタック１ａのカソード流路に空気（カソードガス）が供給される（図３を参照）。第１スタック１ａに供給された燃料は、第１スタック１ａの内部で改質され、発電に必要なアノードガスが生成される。これにより、第１スタック１ａは発電する。
【0017】
なお、第１スタック１ａのカソード流路の入口には、第１スタック１ａのスタック入口温度を検出する温度センサが、第１スタック１ａのカソード流路の出口には、第１スタック１ａのスタック出口温度を検出する温度センサがそれぞれ備えられている（いずれも不図示）。当該温度センサにより検出された第１スタック１ａのスタック入口及び出口温度は、後述のコントローラ１０に送信される。
【0018】
第２スタック１ｂは、第１スタック１ａよりも熱容量が小さいＳＯＦＣスタックであり、また、第２スタック１ｂは、内部改質機能を有していない。燃料電池システム１００の運転時に、第１スタック１ａのアノード流路と第２スタック１ｂのアノード流路とを接続するガス通路３２から第２スタック１ｂのアノード流路にアノードガスが供給される。また、ＧＰＵ２の空気流路２２１（図２を参照）と第２スタック１ｂのカソード流路とを接続するガス通路３５から第２スタック１ｂのカソード流路に空気（カソードガス）が供給される（図３を参照）。これにより、第２スタック１ｂは発電する。
【0019】
ＧＰＵ２は、ＳＯＦＣスタック１からのオフガスを燃焼する燃焼器（排気燃焼器）と、燃焼されたオフガスの熱によりＳＯＦＣスタック１に供給する空気（カソードガス）を加熱する熱交換器（空気熱交換器）を一体化して構成される。ＧＰＵ２は、第１スタック１ａと第２スタック１ｂとの間に介在し、第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂのそれぞれに接触している。
【0020】
図２は、ＧＰＵ２の断面斜視図である。図２に示すように、ＧＰＵ２は、加熱層２１と、加熱層２１と対向する被加熱層２２とが交互に積層して構成される。加熱層２１は、燃焼ガスが供給される複数の燃焼ガス流路２１１を含む。また、燃焼ガス流路２１１内には、燃焼触媒（不図示）が塗布されている。被加熱層２２は、ＳＯＦＣスタック１に供給するための空気（カソードガス）が供給される複数の空気流路２２１を含む。
【0021】
燃料電池システム１００の運転時には、加熱層２１の燃焼ガス流路２１１にアノードオフガス及びカソードオフガス（燃焼ガス）が供給され、被加熱層２２の空気流路２２１に空気が供給される。燃焼ガス流路２１１にオフガスが供給されると、触媒燃焼により発熱し、燃焼ガスと、被加熱層２２の空気流路２２１を流れる空気との間で熱交換が行われる。これにより、空気流路２２１を流れる、ＳＯＦＣスタック１に供給するための空気（カソードガス）が加熱される。
【0022】
一方、燃料電池システム１００の起動時には、加熱層２１の燃焼ガス流路２１１に燃料及び燃料を燃焼するための空気（燃焼ガス）が供給され、触媒燃焼により発熱する。これにより、ＳＯＦＣスタック１が暖機される。
【0023】
このように、ＧＰＵ２は、オフガスを燃焼して無害化する燃焼器としての機能と、空気を加熱する熱交換器としての機能とを有する熱交換器一体型の燃焼器である。また、ＧＰＵ２は、燃料電池システム１００の起動時に、燃料及び空気を燃焼してＳＯＦＣスタック１を暖機する機能も有している。
【0024】
なお、ＧＰＵ２と第１スタック１ａとの間には、ＧＰＵ２から第１スタック１ａへの熱伝導量を検出する熱流束センサ（不図示）が備えられている。当該流束センサにより検出されたＧＰＵ２から第１スタック１ａへの熱伝導量は、後述のコントローラ１０に送信される。
【0025】
図３は、各種のガス流路を模式的に示した図である。図３に示すように、燃料電池システム１００のガス流路は、燃料供給路３１、アノードガス通路３２、アノードオフガス通路３３、空気供給路３４、第１カソードガス通路３５、第２カソードガス通路３６、カソードオフガス通路３７、燃焼ガス供給路３８、排気通路３９及びＰＯｘ流路４０を含む。
【0026】
燃料供給路３１は、外部の燃料タンク（不図示）と、第１スタック１ａ内のアノード流路の入口とを接続する通路であり、第１スタック１ａに燃料を供給する。燃料タンクと第１スタック１ａとの間の燃料供給路３１上には、インジェクタ（不図示）が配置されており、インジェクタの噴射量を調節することで、第１スタック１ａに供給する燃料の量を制御することができる。なお、インジェクタの噴射量は、後述のコントローラ１０により制御される。燃料供給路３１から第１スタック１ａに供給された燃料は、第１スタック１ａ内で改質され、発電に必要なアノードガスが生成される。
【0027】
アノードガス通路３２は、第１スタック１ａ内のアノード流路の出口と、第２スタック１ｂ内のアノード流路の入口とを接続する通路であり、第１スタック１ａ内で改質されたアノードガスを第２スタック１ｂに供給する。
【0028】
アノードオフガス通路３３は、第２スタック１ｂ内のアノード流路の出口と、燃焼ガス供給路３８とを接続する通路であり、第２スタック１ｂから排出されるアノードオフガスを燃焼ガス供給路３８に供給する。
【0029】
空気供給路３４は、外部の空気を取り込むコンプレッサ（不図示）と、ＧＰＵ２の空気流路２２１の入口とを接続する通路であり、ＧＰＵ２に空気を供給する。前述のとおり、ＧＰＵ２に供給された空気は、ＧＰＵ２内で燃焼ガスと熱交換され加熱される。コンプレッサとＧＰＵ２との間の空気供給路３４上には、ＧＰＵ２に供給する空気の量を調節可能なバルブ（不図示）等が配置されている。当該コンプレッサ及びバルブの動作は、後述のコントローラ１０により制御される。
【0030】
第１カソードガス通路３５は、ＧＰＵ２の空気流路２２１の出口と、第２スタック１ｂ内のカソード流路の入口とを接続する通路であり、ＧＰＵ２で加熱された空気（カソードガス）を第２スタック１ｂに供給する。即ち、第２スタック１ｂには、アノードガス通路３２からアノードガスが供給され、第１カソードガス通路３５からカソードガスが供給される。これにより、第２スタック１ｂは発電する。
【0031】
第２カソードガス通路３６は、第２スタック１ｂ内のカソード流路の出口と、第１スタック１ａ内のカソード流路の入口とを接続する通路であり、第１スタック１ａにカソードガスを供給する。即ち、第１スタック１ａには、燃料供給路３１から燃料が供給され、第１スタック１ａ内で発電可能なアノードガスに改質され、第２カソードガス通路３６からカソードガスが供給される。これにより、第１スタック１ａは発電する。
【0032】
カソードオフガス通路３７は、第１スタック１ａ内のカソード流路の出口と、燃焼ガス供給路３８とを接続する通路であり、第１スタック１ａから排出されるカソードオフガスを燃焼ガス供給路３８に供給する。
【0033】
燃焼ガス供給路３８は、アノードオフガス通路３３及びカソードオフガス通路３７と、ＧＰＵ２の燃焼ガス流路２１１の入口とを連結する通路である。燃焼ガス供給路３８内では、アノードオフガス通路３３から供給されるアノードオフガスと、カソードオフガス通路３７から供給されるカソードオフガスとが混合される。燃焼ガス供給路３８内の混合ガスは、燃焼ガスとしてＧＰＵ２の燃焼ガス流路２１１に供給される。燃焼ガス供給路３８からＧＰＵ２に供給された燃焼ガスは、ＧＰＵ２内で触媒燃焼され、無害化された排ガスとして排気通路３９を介して外部に排出される。また、触媒燃焼による燃焼ガスの熱により、ＧＰＵ２の空気流路２２１を流れる空気（カソードガス）が加熱される。
【0034】
なお、燃料電池システム１００の起動時には、ＧＰＵ２の燃焼ガス流路２１１に燃料及び燃料を燃焼するための空気を混合した燃焼ガスが供給され、触媒燃焼により燃焼ガスが発熱する。これにより、ＳＯＦＣスタック１が暖機される。燃料電池システム１００の起動時におけるＧＰＵ２への燃料及び空気の供給は、オフガス通路３３，３７を用いてもよいが、燃焼ガス供給路３８に接続するガス流路を別途設けて、当該ガス流路から燃焼ガス供給路３８を介してＧＰＵ２に供給してもよい。
【0035】
排気通路３９は、ＧＰＵ２の燃焼ガス流路２１１の出口と、燃料電池システム１００の外部とを接続する通路であり、ＧＰＵ２から排出された排ガスを外部に排出する。
【0036】
ＰＯｘ流路４０は、空気供給路３４から分岐して燃料供給路３１に連結する通路であり、燃料電池システム１００（ＳＯＦＣスタック１）の暖機時に、燃料供給路３１を介して第１スタック１ａのアノード流路に部分酸化（ＰＯｘ）反応用の空気を供給する。ＰＯｘは発熱反応であるため、ＰＯｘ流路４０から第１スタック１ａのアノード流路を流れる燃料に空気が供給され、ＰＯｘが実行されると、ＳＯＦＣスタック１の暖機が促進される。なお、空気供給路３４から分岐してＰＯｘ流路４０内に流入する空気の量は、三方弁（不図示）等により調節される。当該三方弁の動作は、後述のコントローラ１０により制御される。
【0037】
コントローラ１０は、１または複数のコンピュータを含み、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）等を備える。コントローラ１０は、各種センサによる検出値を取得する。また、コントローラ１０は、インジェクタやバルブ等の動作を制御し、これにより、ＳＯＦＣスタック１とＧＰＵ２に供給する空気及び燃料の量を制御する。また、コントローラ１０は、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１００の制御のための処理を実行する。例えばコントローラ１０は、後述するＰＯｘ開始制御を実行する。
【0038】
以上のとおり、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００は、ＧＰＵ２を介して第１スタック１ａと第２スタック１ｂとが積層され、燃料電池システム１００の運転時には、燃料が、第１スタック１ａのアノード流路、第２スタック１ｂのアノード流路、ＧＰＵ２の順に通過するように供給され、空気が、第２スタック１ｂのカソード流路、第１スタック１ａのカソード流路、ＧＰＵ２の順に通過するように供給される。また、燃料電池システム１００の起動時には、ＧＰＵ２に燃料及び燃料を燃焼するための空気を混合した燃焼ガスが供給され、燃焼ガスが燃焼されることで燃料電池システム１００（ＳＯＦＣスタック１）が暖機される。
【0039】
ところで、燃料電池システムの中には、システム起動時に、燃料電池スタックの暖機を促進するために、部分酸化反応（ＰＯｘ）を行うものがある。本実施形態においても、前述のとおり、燃料電池システム１００起動時の暖機中において、ＰＯｘ流路４０から第１スタック１ａのアノード流路を流れる燃料に空気を供給し、ＰＯｘを実行することで暖機を促進している。
【0040】
ここで、ＰＯｘは、燃料電池スタックがＰＯｘ可能な温度に達してから、燃料電池スタックのアノード流路に、燃料と空気とを供給することで実行される。そして、通常、ＰＯｘ可能か否かは、燃料電池スタックから排出されるカソードガスのカソード流路出口における温度（スタック出口温度）がＰＯｘ可能な温度に達したか否かにより判断される。
【0041】
しかしながら、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００のように、燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック１）がＧＰＵ２のような燃焼器に接触する場合、燃料電池スタック内部の燃焼器近傍の温度がスタック出口温度よりも高くなる場合がある。このため、スタック出口温度が、ＰＯｘ可能な温度に達していなくても、スタック内部では局所的にＰＯｘ開始可能な温度になっている場合がある。従って、スタック出口温度で、ＰＯｘ可能か否かを判断すると、ＰＯｘの開始が遅れ、暖機に時間がかかってしまう虞がある。
【0042】
そこで、本実施形態においては、ＧＰＵ２（燃焼器）近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ開始可能な温度を超えた場合に、ＰＯｘを開始することとした。このように、第１スタック１ａの内部（ＧＰＵ２近傍）の最高温度Ｔｍａｘに基づきＰＯｘを開始するため、第１スタック１ａのスタック出口温度に基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、固体酸化物形燃料電池システム１００（ＳＯＦＣスタック１）の暖機時間を短縮することができる。
【0043】
以下、本実施形態における固体酸化物形燃料電池システム１００の制御方法の詳細を説明する。
【0044】
図４は、燃焼器からの伝熱を示す模式図である。
【0045】
前述のとおり、燃料電池システム１００の起動時においては、第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂを含む燃料電池システム１００を暖機するために、ＧＰＵ２に燃焼ガスが供給され、触媒燃焼される。
【0046】
また、燃料電池システム１００起動時の暖機中において、第１スタック１ａがＰＯｘ可能な温度に達すると、ＰＯｘ流路４０から第１スタック１ａのアノード流路を流れる燃料に空気を供給し、ＰＯｘを行い、暖機を促進する。
【0047】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、ＧＰＵ２が第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂのそれぞれに接触している。従って、燃料電池システム１００の起動時に、ＧＰＵ２において燃焼ガスが燃焼されると、ＧＰＵ２と第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂとの直接の熱交換により、第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂが暖機される。
【0048】
このように、燃料電池システム１００では、ＧＰＵ２と第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂとの直接の熱交換により第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂが暖機されるため、暖機中において、第１スタック１ａ及び第２スタック１ｂは、ＧＰＵ２近傍における温度が最も高くなる。例えば、図４に示すように、暖機中において第１スタック１ａは、ＧＰＵ２近傍（図４のＨで示した領域）の底面側の温度が最も高くなると推定される。従って、燃料電池システム１００起動時の暖機中、第１スタック１ａは、ＧＰＵ２近傍の底面側の温度が、最も早くＰＯｘ可能な温度に達すると想定される。このため、ＰＯｘ可能か否かを、第１スタック１ａのカソード流路出口における温度がＰＯｘ可能な所定温度に達したか否かにより判断すると、スタック内部がＰＯｘ開始可能な温度であっても、ＰＯｘ可能な温度に達していないと判断される虞がある。即ち、ＰＯｘの開始が遅れ、暖機に時間がかかってしまう虞がある。従って、本実施形態の燃料電池システム１００では、ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ開始可能な温度を超えた場合に、第１スタック１ａのアノード流路に燃料及び空気を供給して、ＰＯｘを開始する。これにより、第１スタック１ａのカソード流路出口における温度に基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、燃料電池システム１００（ＳＯＦＣスタック１）の暖機時間を短縮することができる。
【0049】
ここで、第１スタック１ａ内のＧＰＵ２近傍に温度センサを設けて第１スタック１ａ内の最高温度Ｔｍａｘを取得する場合、耐熱性の高い温度センサを用いる必要があり、コストが上昇する恐れがある。従って、本実施形態では、第１スタック１ａに供給される熱量から第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定する。これにより、第１スタック１ａ内のＧＰＵ２近傍に温度センサを設けることなく、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを取得することができる。
【0050】
具体的には、以下の式（１）により燃料電池システム１００の起動時の暖機中における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定し、推定された第１スタック１ａの最高温度ＴｍａｘがＰＯｘ可能な所定温度を超えた場合にＰＯｘを開始する。なお、式（１）におけるＴｓｔ０は燃料電池システム１００の起動時（以下、単に起動時とも言う）における第１スタック１ａのスタック温度（カソード流路出口の温度）、Ｑｃａは第１スタック１ａのカソード流路に供給される空気（カソードガス）から第１スタック１ａへの熱伝達量、Ｃａｌｌは第１スタック１ａ全体の熱容量、ＱＧＰＵはＧＰＵ２から第１スタック１ａへの熱伝導量、Ｃｂｏは第１スタック１ａの底面部（ＧＰＵ２に隣接する部分）の熱容量、ｔは暖機開始時からの時間を表す。
【0051】
【数1】
【0052】
起動時における第１スタック１ａのスタック温度Ｔｓｔ０は、第１スタック１ａのカソード流路出口に設けられた温度センサにより取得することができる。また、ＧＰＵ２から第１スタック１ａへの熱伝導量ＱＧＰＵは、ＧＰＵ２と第１スタック１ａとの間に設けられた熱流束センサにより取得することができる。また、暖機開始時からの時間ｔは、コントローラ１０のタイマ機能により取得することができる。
【0053】
第１スタック１ａ全体の熱容量Ｃａｌｌ及び第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏは、予め算出または実験等により取得することができる。なお、第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏは、第１スタック１ａのエンドプレート１２ａの熱容量を含むように算出される。例えば、第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏは、エンドプレート１２ａの熱容量と、第１スタック１ａ内の積層された電池セルの下から１０パーセント分の熱容量を足して算出されるが、これに限られない。このように第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏを、エンドプレート１２ａの熱容量を含むように算出することで、底面部の熱容量Ｃｂｏをより正確に取得することができる。
【0054】
第１スタック１ａのカソード流路に供給される空気（カソードガス）から第１スタック１ａへの熱伝達量Ｑｃａは、熱伝達の伝熱式である以下の式（２）から推定することができる。なお、式（２）におけるＡは第１スタック１ａのカソード流路の表面積（伝熱面積）、ｈは空気と第１スタック１ａとの間の熱伝達率、Ｔｃａは第１スタック１ａのカソード流路入口における空気（カソードガス）の温度、Ｔｓｔは第１スタック１ａのカソード流路出口における空気（カソードガス）の温度を表す。ここで、第１スタック１ａのカソード流路の表面積Ａは、予め取得することができ、空気と第１スタック１ａとの間の熱伝達率ｈは、実験等により予め取得、または流路形状とガス条件から推定することができる。また、第１スタック１ａのカソード流路入口における空気（カソードガス）の温度Ｔｃａ及びカソード流路出口における空気（カソードガス）の温度Ｔｓｔは、第１スタック１ａのカソード流路入口及び出口に設けられた温度センサにより、それぞれ取得することができる。
【0055】
【数2】
【0056】
このように、第１スタック１ａに供給される熱量から第１スタック１ａ内部の最高温度Ｔｍａｘを推定するため、第１スタック１ａ内のＧＰＵ２近傍に耐熱性の高い温度センサを設けることなく第１スタック１ａ内部の最高温度をＴｍａｘ取得することができる。従って、燃料電池システム１００を低コスト化することができる。
【0057】
図５は、本実施形態におけるＰＯｘ開始時間の制御（以下、ＰＯｘ開始制御という）を説明するタイムチャートである。
【0058】
図５に示すように、時刻ｔ０において燃料電池システム１００が起動され、暖機が開始されると、第１スタック１ａのカソード流路出口温度（スタック出口温度）Ｔｓｔが上昇していく。
【0059】
ここで、第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔに基づきＰＯｘを開始する場合、スタック出口温度がＰＯｘ可能な所定温度Ｔ２に達する時刻ｔ２において、ＰＯｘが開始され、時刻ｔ４において第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔが暖機完了温度Ｔ３に達し、暖機が完了する。
【0060】
一方、本実施形態においては、ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘに基づきＰＯｘを開始する。例えば、第１スタック１ａ内の最高温度ＴｍａｘがＰＯｘ可能な所定温度Ｔ２に達する時刻をｔ１とする。時刻ｔ１において、第１スタック１ａのスタック出口温度ＴｓｔはＴ２より低いＴ１であるが、第１スタック１ａ内の最高温度ＴｍａｘがＰＯｘ可能な所定温度Ｔ２に達しているため、時刻をｔ１において、ＰＯｘが開始される。これにより、時刻ｔ１以降、ＰＯｘにより暖機が促進され、第１スタック１ａの温度がより急速に上昇する。時刻ｔ３において第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔが暖機完了温度Ｔ３に達すると、暖機が完了する。即ち、第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔに基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、Δｔ（＝ｔ４－ｔ３）分だけ早く暖機が完了する。
【0061】
このように、本実施形態においては、ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘに基づきＰＯｘを開始するため、第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔに基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、暖機時間を短縮することができる。
【0062】
なお、本実施形態では、第１スタック１ａと、第１スタック１ａよりも熱容量が小さい第２スタック１ｂの間にＧＰＵ２が介在している。従って、ＧＰＵ２において燃焼ガスが燃焼され、暖機が開始されると、第１スタック１ａの暖機が完了するよりも前（ＰＯｘｔ中）に、第２スタック１ｂの暖機が完了する。即ち、第１スタック１ａの暖機が完了する前に、第２スタック１ｂによる発電を開始することができる。このように、第１スタック１ａよりも熱容量が小さい第２スタック１ｂを燃焼器（ＧＰＵ２）に隣接させることで、より早期に発電を開始することができる。
【0063】
図６は、ＰＯｘ開始制御を説明するフローチャートである。以下の制御は、いずれもコントローラ１０により実行される。
【0064】
燃料電池システム１００が起動されると、ステップＳ１０１において、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の起動時における第１スタック１ａのスタック温度（カソード流路出口の温度）Ｔｓｔを取得する。
【0065】
ステップＳ１０２において、コントローラ１０は、前述の式（２）を用いて、第１スタック１ａに供給される空気（カソードガス）から第１スタック１ａへの熱伝達量（以下、カソードからの熱伝達量とも言う）Ｑｃａを推定する。
【0066】
ステップＳ１０３において、コントローラ１０は、ＧＰＵ２から第１スタック１ａへの熱伝導量（以下、ＧＰＵ２からの熱伝導量とも言う）ＱＧＰＵを取得する。
【0067】
ステップＳ１０４において、コントローラ１０は、ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定する。具体的には、起動時における第１スタック１ａのスタック温度Ｔｓｔ０、カソードガスからの熱伝達量Ｑｃａ、ＧＰＵ２からの熱伝導量ＱＧＰＵ、予め取得しておいた第１スタック１ａ全体の熱容量Ｃａｌｌ及び第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏ、及び暖機開始時からの時間ｔに基づき、前述の式（１）を用いて第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定する。
【0068】
ステップＳ１０５において、コントローラ１０は、ステップＳ１０４で推定したＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ開始可能な所定温度Ｔ２よりも大きいか否かを判断する。
【0069】
ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ開始可能な所定温度Ｔ２よりも大きい場合、コントローラ１０は、ステップＳ１０６において、ＰＯｘを開始する。即ち、燃料供給路３１から第１スタック１ａのアノード流路に燃料を供給するとともに、ＰＯｘ流路４０から第１スタック１ａのアノード流路を流れる燃料に空気を供給する。なお、第１スタック１ａに供給される燃料は、例えばメタンを９０パーセント以上含む燃料ガスであるが、これに限られない。また、ＰＯｘ可能な所定温度Ｔ２は、例えば３００℃であるが、これに限られない。
【0070】
一方、ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ開始可能な所定温度Ｔ１以下の場合、コントローラ１０は、ステップＳ１０２に戻り、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ開始可能な所定温度Ｔ１を超えるまで、ステップＳ１０２～Ｓ１０５の処理を繰り返す。
【0071】
なお、本実施形態においては、第１スタック１ａと第２スタック１ｂとが、ＧＰＵ２に接触しているものとしたが、必ずしもこれに限られず、第１スタック１ａと第２スタック１ｂは、ＧＰＵ２に物理的に接していなくても、熱的に接触していればよい。
【0072】
また、本実施形態においては、第１スタック１ａと第２スタック１ｂとが、ＧＰＵ２を介して積層されている構成としたが、必ずしもこれに限られない。即ち、第１スタック１ａと第２スタック１ｂは、ＧＰＵ２と熱的に接触していれば、どのような位置関係であってもよい。
【0073】
また、本実施形態においては、第２スタック１ｂが改質機能を有していないものとしたが必ずしもこれに限られず、第２スタック１ｂが改質機能を有していてもよい。
【0074】
また、本実施形態の図３では、第１スタック１ａ、第２スタック１ｂ及びＧＰＵ２のいずれも空気（カソードガス）と燃料（アノードガス）、または空気（カソードガス）と燃焼ガスとが反対方向に流れるカウンターフローの構成としたが、必ずしもこれに限られない。即ち、第１スタック１ａ、第２スタック１ｂ及びＧＰＵ２は、空気（カソードガス）と燃料（アノードガス）、または空気（カソードガス）と燃焼ガスとが同一方向に流れるコフローの構成を含んでいてもよい。
【0075】
上記した実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法及び固体酸化物形燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0076】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法によれば、第１スタック１ａがＧＰＵ２（燃焼器）に熱的に接触する固体酸化物形燃料電池システム１００において、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時の暖機中に、ＧＰＵ２（燃焼器）近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ（部分酸化反応）開始可能な温度を超えた場合に、ＰＯｘ（部分酸化反応）を開始する。このように、第１スタック１ａ内部（燃焼器近傍）の最高温度Ｔｍａｘに基づきＰＯｘを開始するため、第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔに基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、固体酸化物形燃料電池システム１００の暖機時間を短縮することができる。
【0077】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法によれば、固体酸化物形燃料電池システム１００は第１スタック１ａよりも熱容量が小さい第２スタック１ｂを備え、空気は、第２スタック１ｂのカソード流路、第１スタック１ａのカソード流路、ＧＰＵ２（燃焼器）の順に通過するように供給される。また、燃料は、第１スタック１ａのアノード流路、第２スタック１ｂのアノード流路、ＧＰＵ２（燃焼器）の順に通過するように供給され、ＰＯｘ（部分酸化反応）は、第１スタック１ａのアノード流路を流れる燃料に空気を供給することで実行される。このように、熱容量が小さい第２スタック１ｂを設け、熱容量の大きい第１スタック１ａにおいてＰＯｘを実行することで、熱容量が小さい第２スタック１ｂは、ＰＯｘ中に暖機が完了し、発電可能となる。これにより、より早期に発電を開始することができる。
【0078】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法によれば、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘは、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時における第１スタック１ａのスタック温度Ｔｓｔ０と、ＧＰＵ２（燃焼器）から第１スタック１ａへの熱伝導量ＱＧＰＵと、第１スタック１ａに供給される空気から第１スタック１ａへの熱伝達量Ｑｃａと、第１スタック１ａ全体の熱容量Ｃａｌｌと、第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏとに基づき推定する。これにより、第１スタック１ａ内のＧＰＵ２近傍に温度センサを設けることなく、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを取得することができる。即ち、耐熱性の高い温度センサを用いる必要が無いため、固体酸化物形燃料電池システム１００を低コスト化することができる。
【0079】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法によれば、固体酸化物形燃料電池システム１００は、ＧＰＵ２（燃焼器）と第１スタック１ａとの間に流束センサを備え、ＧＰＵ２（燃焼器）から第１スタック１ａへの熱伝導量ＱＧＰＵを当該流束センサにより取得する。これにより、第１スタック１ａの底面部に供給される熱量を高精度に取得することができる。
【0080】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法によれば、第１スタック１ａに供給される空気から第１スタック１ａへの熱伝達量Ｑｃａは、空気と第１スタック１ａとの間の熱伝達率ｈと、第１スタック１ａのカソード流路の表面積Ａと、第１スタック１ａに供給される空気の温度Ｔｃａと、第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔと、固体酸化物形燃料電池システム１００の暖機開始からの時間ｔとに基づき推定する。これにより、第１スタック１ａに供給される熱量を簡易に推定することができる。
【0081】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御方法によれば、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定する際に用いる第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂｏは、第１スタック１ａのエンドプレート１２ａの熱容量を含む。これにより、第１スタック１ａの底面部の熱容量Ｃｂをより正確に取得することができる。
【0082】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００は、ＧＰＵ２（燃焼器）に熱的に接触する第１スタック１ａと、コントローラ１０とを備える。コントローラ１０は、固体酸化物形燃料電池システム１００起動時の暖機中において、ＧＰＵ２（燃焼器）近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘが、ＰＯｘ（部分酸化反応）開始可能な温度を超えた場合に、ＰＯｘ（部分酸化反応）を開始する。これにより、第１スタック１ａのスタック出口温度Ｔｓｔに基づきＰＯｘを開始する場合に比べ、固体酸化物形燃料電池システム１００の暖機時間を短縮することができる。
【0083】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００は、ＧＰＵ２（燃焼器）に熱的に接触する、第１スタック１ａよりも熱容量が小さい第２スタック１ｂを備える。また、上流側から第２スタック１ｂ、第１スタック１ａ、ＧＰＵ２（燃焼器）の順に空気が通過するように構成されたガス流路と、上流側から第１スタック１ａ、第２スタック１ｂ、ＧＰＵ２（燃焼器）の順に燃料が通過するように構成されたガス流路と、第１スタック１ａのアノード流路に接続するＰＯｘ流路４０とを備える。このように、ＧＰＵ２（燃焼器）に熱的に接触する、熱容量が小さい第２スタック１ｂを備えるため、固体酸化物形燃料電池システム１００起動時の暖機中に、熱容量の大きい第１スタック１ａにおいてＰＯｘを実行すると、熱容量が小さい第２スタック１ｂは、ＰＯｘ中に暖機が完了し、発電可能となる。従って、第１スタック１ａの暖機完了前に、第２スタック１ｂにより、より早期に発電を開始することができる。
【0084】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００は、ＧＰＵ２（燃焼器）が、燃料と燃料を燃焼するための空気が供給される加熱層２１と、加熱層２１と対向するとともに、空気が供給される被加熱層２２とが交互に積層して構成される熱交換器一体型燃焼器であり、被加熱層２２が加熱層２１における燃焼による熱により加熱される。このように、熱交換器一体型燃焼器であるＧＰＵ２を用いているため、システムをコンパクト化することができる。
【0085】
なお、より早期に発電を開始できるように、本実施形態のように、燃料電池システム１００は、第１スタック１ａと、第１スタック１ａよりも熱容量が小さい第２スタック１ｂとを備えることが好ましいが、必ずしもこれに限られない。即ち、第１スタック１ａのみを備える構成であってもよい。また、逆に、ＳＯＦＣスタックを３つ以上備える構成であってもよい。
【0086】
また、本実施形態のＧＰＵ２のように、燃焼器は、熱交換器一体型燃焼器であることが好ましいが、必ずしもこれに限られず、熱交換器の機能を有していない燃焼器を用いてもよい。
【0087】
また、本実施形態においては、ＧＰＵ２（燃焼器）から第１スタック１ａへの熱伝導量ＱＧＰＵを流束センサにより取得しているが、必ずしもこれに限られない。例えば、ＧＰＵ２（燃焼器）に供給する燃焼ガスの流量とＧＰＵ２（燃焼器）の上流及び下流の温度とから求められるＧＰＵ２（燃焼器）の入口と出口のエンタルピー差と、固体酸化物形燃料電池システム１００の暖機開始からの時間とに基づき演算して取得してもよい。
【0088】
具体的には、まず、ＧＰＵ２（燃焼器）入口（上流）の温度から、エンタルピーＨ°の近似式である以下の式（３）を用いて、ＧＰＵ２（燃焼器）入口における燃焼ガス（燃料及び空気）の各ガス成分の１モル当たりのエンタルピーＨ°（Ｊ／ｍｏｌ）を算出する。このエンタルピーＨ°（Ｊ／ｍｏｌ）に、ＧＰＵ２（燃焼器）入口における各ガスの流量を掛けて、各ガスの単位時間当たりのエンタルピー量を算出する。算出された各ガスの単位時間当たりのエンタルピー量を合計し、ＧＰＵ２（燃焼器）入口における燃焼ガス（燃料及び空気）の単位時間当たりのエンタルピー量を算出する。なお、式（３）におけるＴは温度、Ｒは気体定数、ａ１～ａ７はガス固有の係数である。
【0089】
【数3】
【0090】
次に、ＧＰＵ２（燃焼器）入口の燃焼ガスが完全に燃焼したと仮定して、ＧＰＵ２（燃焼器）出口（下流）における燃焼ガスの各ガス成分の流量と温度から、式（３）を用いて、同様に、ＧＰＵ２（燃焼器）出口における単位時間当たりのエンタルピー量を算出する。
【0091】
次に、ＧＰＵ２（燃焼器）入口と出口のエンタルピー量の差が、ＧＰＵ２（燃焼器）からの放熱分であるとして、そのおよそ半分が第１スタック１ａに入熱するものと推定する。なお、燃料電池システム１００が第２スタック１ｂを備えていない場合は、ＧＰＵ２（燃焼器）からの放熱分のほぼすべてが第１スタック１ａに入熱するものと推定する。また、燃焼器がＧＰＵ２のように、熱交換器の機能も有している場合は、ＧＰＵ２（燃焼器）からの放熱分から、空気（カソードガス）と熱交換される分の放熱量を差し引いて第１スタック１ａへの入熱量を推定する。
【0092】
次に、推定された第１スタック１ａへの入熱量を時間積算することで、ＧＰＵ２（燃焼器）から第１スタック１ａに供給された熱量（熱伝導量ＱＧＰＵ）を推定し、取得する。
【0093】
このように、ＧＰＵ２（燃焼器）入口と出口のエンタルピー差を用いた演算によってもＧＰＵ２（燃焼器）から第１スタック１ａへの熱伝導量ＱＧＰＵを取得することができる。なお、この場合、ＧＰＵ２（燃焼器）入口及び出口の燃焼ガスの流量はガス流量計等により取得し、ＧＰＵ２（燃焼器）入口及び出口の温度は温度センサ等により取得することができる。
【0094】
また、本実施形態においては、第１スタック１ａに供給される空気から第１スタック１ａへの熱伝達量Ｑｃａは、熱伝達の伝熱式である式（２）を用いて推定しているが、必ずしもこれに限られない。例えば、熱伝達量Ｑｃａは、第１スタック１ａに供給される空気の流量と、第１スタック１ａのカソード流路の上流及び下流の温度とから求められる第１スタック１ａの入口と出口のエンタルピー差と、固体酸化物形燃料電池システム１００の暖機開始からの時間とに基づき推定してもよい。
【0095】
具体的には、まず、第１スタック１ａのカソード流路入口（上流）及び出口（下流）の空気（カソードガス）流量と温度から、エンタルピーＨ°の近似式である前述の式（３）を用いて、第１スタック１ａのカソード流路入口及び出口のエンタルピーを算出する。
【0096】
次に、第１スタック１ａのカソード流路入口と出口のエンタルピー差が第１スタック１ａに入熱されたとして、当該入熱量を時間積分することで、第１スタック１ａに供給される空気から第１スタック１ａへ供給された熱量（熱伝達量Ｑｃａ）を推定する。
【0097】
このように、第１スタック１ａのカソード流路入口と出口のエンタルピー差を用いた演算によっても、第１スタック１ａに供給される空気から第１スタック１ａへの熱伝達量Ｑｃａを推定することができる。なお、この場合、第１スタック１ａのカソード流路入口及び出口の空気（カソードガス）流量はガス流量計等により取得し、第１スタック１ａのカソード流路入口及び出口の温度は温度センサ等により取得することができる。
【0098】
また、本実施形態においては、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを第１スタック１ａに供給される熱量から推定しているが、必ずしもこれに限られない。例えば、燃料電池システム１００の暖機開始時における第１スタック１ａのスタック温度（カソード流路出口の温度）と、暖機時間とに基づき推定してもよい。
【0099】
具体的には、予め実験等により、図７に示すような、暖機時間と、第１スタック１ａの最高温度との関係を示す昇温プロファイルを取得し、当該昇温プロファイルを参照することで、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定する。例えば、暖機開始時における第１スタック１ａのスタック温度がＴ０であった場合、暖機開始後、時間がΔｔ１秒だけ経過すると、図７の昇温プロファイルから、第１スタック１ａの最高温度はＴ１となると推定することができる。なお、さらに時間がΔｔ２秒経過すると、第１スタック１ａの最高温度はＰＯｘ可能な所定温度Ｔ２に達する。
【0100】
このように、暖機開始時における第１スタック１ａのスタック温度と、予め取得した昇温プロファイルを用いて第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを推定することもできる。この場合も、第１スタック１ａ内のＧＰＵ２近傍に温度センサを設けることなく、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを取得することができ、固体酸化物形燃料電池システム１００を低コスト化することができる。
【0101】
また、低コスト化の観点から、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘは、本実施形態のように第１スタック１ａに供給される熱量から推定するか、暖機開始時における第１スタック１ａのスタック温度と昇温プロファイルにより推定することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。即ち、第１スタック１ａ内のＧＰＵ２近傍に温度センサを設けて、ＧＰＵ２近傍における第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを温度センサにより直接取得してもよい。これにより、第１スタック１ａの最高温度Ｔｍａｘを、より正確に取得することができる。
【0102】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0103】
上記した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0104】
１、固体酸化物形燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック），１ａ、第１スタック，１ｂ、第２スタック，２、ＧＰＵ，１０、コントローラ，１００、固体酸化物形燃料電池システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】