CN101901925B - 固体电解质型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体电解质型燃料电池，能够从起动状态顺利地转入发电状态。具体为，本发明提供一种发出响应于要求电力的量的电力的固体电解质型燃料电池(1)，其特征在于，具有：燃料电池模块(2)；重整器(20)；燃料供给装置(38)；供水装置(28)；发电用氧化剂气体供给装置(45)；及控制器(110)，在使燃料电池模块的固体电解质型燃料电池单电池上升至可发电温度的起动时，控制燃料供给装置及供水装置，在重整器内发生只发生水蒸气重整反应的SR，开始发电，控制器将即将开始发电之前的SR中的燃料供给量保持于根据燃料电池模块的使用条件所确定的比SR开始时的燃料供给量少的发电待机燃料供给量。

Description

固体电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及一种固体电解质型燃料电池，尤其涉及一种使燃料和发电用氧化剂气体进行反应来发出响应于要求电力的量的电力的固体电解质型燃料电池。
背景技术
固体电解质型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：以下也称为“SOFC”)是将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂(空气、氧等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。
在该SOFC中，利用经过氧化物离子导电性固体电解质的氧离子和燃料的反应生成水蒸气或二氧化碳，产生电能及热能。向SOFC外部取出电能，使用于各种电气用途。另一方面，热能使用于使燃料、重整器、水及氧化剂等的温度上升。
在日本国特开2007-103194号公报(专利文献1)中记载有具备固体氧化物型燃料电池的电源。在上述所记载的燃料电池中，利用于发电之后的燃料及空气在燃烧室内燃烧，其燃烧热量利用于加热电堆。
而且，在日本国特开2009-32555号公报(专利文献2)中记载有燃料电池装置。在该燃料电池装置中，在起动处理工序中，用于供给燃料气体的重整器及燃料电池单电池升温至规定的温度。而且，在起动处理工序中，在重整器内随着温度的上升而切换执行部分氧化重整法(POX)、自热法(ATR)、水蒸气重整法(SR)，进行燃料的重整。
而且，在日本国特开2009-32555号公报所记载的燃料电池装置中，当电堆的温度达到可开始发电的温度后开始基于电堆的发电，同时在超过可开始发电的温度后经过规定时间为止的期间，持续供给向重整器供给的燃料气体及向电堆供给的含氧气体的规定流量并进行发电的控制。由此，规定流量的持续供给结束后，在开始其后的负荷跟踪运行时得到了充分的发电量。
专利文献1：日本国特开2007-103194号公报
专利文献2：日本国特开2009-32555号公报
但是，即使在如日本国特开2009-32555号公报所记载的进行起动的固体电解质型燃料电池中也存在以下问题：在持续供给规定流量的燃料及氧化剂气体并发电后，在开始负荷跟踪运行时，固体电解质型燃料电池的运行变得不稳定。例如，在负荷跟踪运行开始时的要求电力小时，所供给的燃料量随着负荷跟踪运行的开始而急剧减少。因此，由于用于加热重整器而燃烧的燃料量减少，且在重整器内发生的水蒸气重整反应为吸热反应，所以重整器及电堆的温度急剧下降，从而存在变得无法进行正常发电的情况。尤其是存在如下问题，如果在发电开始时电堆的温度下降，则使其恢复至可发电的温度需要较长的时间，因此，变得在长时间内无法进行正常的发电。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种固体电解质型燃料电池，能够从起动状态顺利地转入发电状态。
为了解决上述课题，本发明提供一种固体电解质型燃料电池，是使燃料和发电用氧化剂气体进行反应来发出响应于要求电力的量的电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有：燃料电池模块，具备多个固体电解质型燃料电池单电池；重整器，向固体电解质型燃料电池单电池供给重整后的燃料；燃料供给装置，向该重整器供给应重整的燃料；供水装置，向重整器供水；发电用氧化剂气体供给装置，向固体电解质型燃料电池单电池供给发电用氧化剂气体；及控制器，在使燃料电池模块的固体电解质型燃料电池单电池上升至可发电温度的起动时，控制燃料供给装置及供水装置，在重整器内发生只发生水蒸气重整反应的SR，开始发电，控制器控制燃料供给装置，以便将即将开始发电之前的SR中的燃料供给量保持于根据燃料电池模块的使用条件所确定的比SR开始时的燃料供给量少的发电待机燃料供给量。
在如此构成的本发明中，控制器控制燃料供给装置、供水装置及发电用氧化剂气体供给装置，向重整器供给燃料及水，向固体电解质型燃料电池单电池供给发电用氧化剂气体。而且，控制器在使固体电解质型燃料电池单电池上升至可发电温度的起动时，在重整器内发生只发生水蒸气重整反应的SR。在此，控制器控制燃料供给装置，以便将即将开始发电之前的SR中的燃料供给量保持于根据燃料电池模块的使用条件所确定的比SR开始时的燃料供给量少的发电待机燃料供给量。
根据如此构成的本发明，由于即将开始发电之前的SR中的燃料供给量保持于发电待机燃料供给量，所以能够在发电开始时使燃料的燃烧稳定，并使重整器的热平衡稳定。由此，能够从起动状态顺利地转入发电状态。而且，由于具备即将开始发电之前的SR中的燃料供给量与SR开始时的燃料供给量相比有所减少的状态的SR，所以即使在发电开始时燃料供给量有所减少时，也能够防止固体电解质型燃料电池单电池的温度急剧下降。而且，由于根据燃料电池模块的使用条件来确定即将开始发电之前的燃料供给量，所以不需要在发电开始时使燃料供给量变化，或者，能够不使燃料供给量较大变化地开始发电，能够更顺利地转入发电状态，同时能够抑制随着发电开始时的燃料供给量的变化而产生的燃料电池模块内的气流紊乱等不良现象。
在本发明中，优选还具有估计燃料电池模块开始发电时的要求电力的要求电力估计电路，控制器根据由要求电力估计电路所估计的要求电力来设定发电待机燃料供给量。
根据如此构成的本发明，由于要求电力估计电路估计发电开始时的要求电力，并供给根据所估计的要求电力而确定的量的燃料，所以通过将发电待机燃料供给量设定为对应于所估计的要求电力的燃料供给量，在准确地估计出发电开始时的要求电力时，不需要在发电开始时变更燃料供给量。而且，在所估计的要求电力不准确时，或将发电待机燃料供给量设定为与对应于所估计的要求电力的燃料供给量不同的量时，也不需要在发电开始时较大地变更燃料供给量，能够顺利地转入发电状态。
在本发明中，优选燃料电池模块构成为输出规定的输出电力范围的电力，控制器将比对应于输出电力范围的最低输出电力的燃料供给量多的规定的下限燃料供给量作为发电待机燃料供给量来保持。
根据如此构成的本发明，由于发电待机燃料供给量为比对应于输出电力范围的最低输出电力的燃料供给量多的值，所以能够防止固体电解质型燃料电池单电池的温度过度下降，同时即使在保持发电待机燃料供给量的期间增大要求电力时，也能够防止因燃料不足而导致得不到足够的输出电力。
在本发明中，优选要求电力估计电路根据通过控制器开始基于发电待机燃料供给量的燃料供给之前的要求电力来估计发电开始时的要求电力。
根据如此构成的本发明，由于发电待机燃料供给量是根据其供给即将开始之前的要求电力而确定的，所以能够准确地估计要求电力，能够更顺利地转入发电状态。
在本发明中，优选要求电力估计电路通过对通过控制器开始基于发电待机燃料供给量的燃料供给之前的要求电力进行平均来估计发电开始时的要求电力。
根据如此构成的本发明，由于通过对开始基于发电待机燃料供给量的燃料供给之前的要求电力进行平均来估计发电开始时的要求电力，所以在发电待机燃料供给量的供给开始之前，即使在要求电力的变化剧烈时，也能够更恰当地估计要求电力。
在本发明中，优选控制器将使对应于所估计的要求电力的燃料供给量增大了的燃料供给量作为发电待机燃料供给量来保持。
根据如此构成的本发明，由于增大对应于所估计的要求电力的燃料供给量来确定发电待机燃料供给量，所以能够防止固体电解质型燃料电池单电池的温度因使燃料供给量过度降低而过度下降，同时即使在保持发电待机燃料供给量的期间增大要求电力时，也能够防止因燃料不足而导致得不到足够的输出电力。
在本发明中，优选控制器根据使上述燃料电池模块起动的时间带属于将1天分割为多个时间带中的哪个时间带来确定发电待机燃料供给量。
根据如此构成的本发明，由于根据使燃料电池模块起动的时间带来估计要求电力，所以能够简单地估计要求电力。或者，根据该估计方法，即使在要求电力的变化剧烈，很难根据过去的要求电力准确地估计发电开始时的要求电力时，也能够将大致适当的电力估计为要求电力。
在本发明中，优选控制器控制发电用氧化剂气体供给装置，以便将保持发电待机燃料供给量的期间的发电用氧化剂气体供给量保持为用于供给发电待机燃料供给量的燃料从而进行发电所需的发电用氧化剂气体供给量。
根据如此构成的本发明，由于氧化剂气体的供给量保持为用于供给发电待机燃料供给量的燃料从而进行发电所需的发电用氧化剂气体供给量，所以通过将发电待机燃料供给量设定为对应于所估计的要求电力的燃料供给量，能够在准确地估计了发电开始时的要求电力时，不需要在发电开始时变更燃料供给量以及发电用氧化剂气体供给量，可顺利地转入发电状态。
在本发明中，优选控制器控制燃料供给装置、供水装置及发电用氧化剂气体供给装置，以便即将开始发电之前的SR中的燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的比率变为与发电时的燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的比率不同的规定的发电待机供给比率。
通常，发电时的供给量的比率设定为规定的比率。根据如此构成的本发明，由于发电待机用规定供给量的比率为与发电时的供给量比率不同的比率，所以通过将发电待机用规定供给量的比率设定于为了等待发电开始而优化的值，能够顺利地转入发电状态。具体为，通过适当地设定发电待机用规定供给量的比率，能够防止SR运行中及发电开始时的燃料电池模块的温度下降、气流紊乱、燃料燃烧的不稳定等。
在本发明中，优选发电待机供给比率设定为，发电用氧化剂气体供给量在燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的全体中所占的比率多于发电时的发电用氧化剂气体供给量在燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的全体中所占的比率。
根据如此构成的本发明，由于在SR运行中在发电开始前减少燃料供给量时，发电用氧化剂气体供给量没怎么减少，所以能够减小在燃料电池模块内流动的气体流量的变化幅度，即使在SR运行中减少燃料供给量时，也能够使气流紊乱较小，能够防止因气流紊乱所引起的固体电解质型燃料电池单电池温度的下降。
而且，本发明提供一种固体电解质型燃料电池，是使燃料和发电用氧化剂气体进行反应来发出响应于要求电力的量的电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有：燃料电池模块，具备多个固体电解质型燃料电池单电池；重整器，向固体电解质型燃料电池单电池供给重整后的燃料；燃料供给部件，向该重整器供给应重整的燃料；供水部件，向重整器供水；发电用氧化剂气体供给部件，向固体电解质型燃料电池单电池供给发电用氧化剂气体；及控制部件，在使燃料电池模块的固体电解质型燃料电池单电池上升至可发电温度的起动时，控制燃料供给部件及供水部件，在重整器内发生只发生水蒸气重整反应的SR，开始发电，控制部件控制燃料供给部件，以便将即将开始发电之前的SR中的燃料供给量保持于根据燃料电池模块的使用条件所确定的比SR开始时的燃料供给量少的发电待机燃料供给量。
根据本发明的固体电解质型燃料电池，能够从起动状态顺利地转入发电状态。
附图说明
图1是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的整体结构图。
图2是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的正面剖视图。
图3是沿图2的III-III线的剖视图。
图4是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池单电池单体的局部剖视图。
图5是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。
图6是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的框图。
图7是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作的时间图。
图8是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动作的时间图。
图9是说明本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的负荷跟踪运行的时间图。
图10是表示在本发明的一个实施方式中，输入至控制部的要求发电量和为了生成要求发电量所需的燃料供给量的关系的一个例子的曲线图。
图11是表示在本发明的一个实施方式中，与要求发电量的变更相对应的燃料供给量的时间变化的一个例子的曲线图。
图12是表示在本发明的一个实施方式中，要求发电量和为了生成要求发电量所需的燃料供给量、发电用空气供给量、供水量的关系的一个例子的数据图表。
图13是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理步骤的一个例子的动作图表。
图14是表示即将开始发电之前的基于控制部的处理的流程图。
符号说明
1-固体电解质型燃料电池；2-燃料电池模块；4-辅助设备单元；8-密封空间；10-发电室；12-燃料电池单电池集合体；14-燃料电池电堆；16-燃料电池单电池单元(固体电解质型燃料电池单电池)；18-燃烧室；20-重整器；22-空气用换热器；24-供水源；26-纯水箱；28-水流量调节单元(供水装置、供水部件)；30-燃料供给源；38-燃料流量调节单元(燃料供给装置、燃料供给部件)；40-空气供给源；44-重整用空气流量调节单元；45-发电用空气流量调节单元(氧化剂气体供给装置、氧化剂气体供给部件)；46-第1加热器；48-第2加热器；50-温水制造装置；52-控制箱；54-逆变器；83-点火装置；84-燃料电池单电池；110-控制部(控制部件、控制器)；110a-要求电力估计电路(要求电力估计部件)；112-操作装置；114-显示装置；116-警报装置；126-电力状态检测传感器；142-发电室温度传感器(温度检测部件)；150-外气温度传感器。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)。
图1是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的整体结构图。如该图1所示，本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)1具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6的内部隔着绝热材料(未图示，但是绝热材料不是必需的结构，没有也是可以的)形成有密封空间8。另外，也可以不设置绝热材料。在该密封空间8的下方部分即发电室10配置有利用燃料气体和氧化剂(空气)进行发电反应的燃料电池单电池集合体12。该燃料电池单电池集合体12具备10个燃料电池电堆14(参照图5)，该燃料电池电堆14由16根燃料电池单电池单元16(参照图4)构成。如此，燃料电池单电池集合体12具有160根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16全部串联连接。
在燃料电池模块2的密封空间8的上述发电室10的上方形成有燃烧室18，发电反应中未使用的剩余的燃料气体和剩余的氧化剂(空气)在该燃烧室18内燃烧，生成排放气体。
而且，在该燃烧室18的上方配置有对燃料气体进行重整的重整器20，利用前述剩余气体的燃烧热量将重整器20加热至可进行重整反应的温度。而且，在该重整器20的上方配置有用于接收燃烧热量以加热空气的空气用换热器22。
接下来，辅助设备4具备：纯水箱26，贮存来自水管等供水源24的水并通过过滤器使其成为纯水；及水流量调节单元28(由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该贮水箱供给的水的流量。而且，辅助设备4具备：气体截止阀32，截断从城市煤气等的燃料供给源30供给的燃料气体；脱硫器36，用于从燃料气体除去硫磺；及燃料流量调节单元38(由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节燃料气体的流量。辅助设备4还具备截断从空气供给源40供给的氧化剂即空气的电磁阀42、调节空气流量的重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45(由电动机驱动的“空气鼓风机”等)、加热向重整器20供给的重整用空气的第1加热器46、及加热向发电室供给的发电用空气的第2加热器48。上述第1加热器46和第2加热器48是为了有效地进行起动时的升温而设置的，但是也可以省略。
接下来，在燃料电池模块2上连接有温水制造装置50，向其供给排放气体。向该温水制造装置50供给来自供水源24的自来水，该自来水利用排放气体的热量成为温水，以供给未图示的外部供热水器的贮热水箱。
而且，在燃料电池模块2上安装有控制箱52，其用于控制燃料气体的供给量等。
而且，在燃料电池模块2上连接有电力取出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块发出的电力。
接下来，根据图2及图3，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的内部结构。图2是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的正面剖视图，图3是沿图2的III-III线的剖视图。
如图2及图3所示，在燃料电池模块2的壳体6的密封空间8内，如上所述，从下方依次配置有燃料电池单电池集合体12、重整器20、空气用换热器22。
重整器20安装有用于向其上游端侧导入纯水的纯水导入管60和用于导入将要重整的燃料气体和重整用空气的被重整气体导入管62，而且，在重整器20的内部从上游侧依次形成有蒸发部20a和重整部20b，在重整部20b填充有重整催化剂。导入该重整器20的混合有水蒸气(纯水)的燃料气体及空气通过填充在重整器20内的重整催化剂而被重整。作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予钌的物质。
在该重整器20的下游端侧连接有燃料气体供给管64，该燃料气体供给管64向下方延伸，进而在形成于燃料电池单电池集合体12下方的分流器66内水平延伸。在燃料气体供给管64的水平部64a的下方面形成有多个燃料供给孔64b，从该燃料供给孔64b向分流器66内供给重整后的燃料气体。
在该分流器66的上方安装有用于支撑上述燃料电池电堆14的具备贯穿孔的下支撑板68，分流器66内的燃料气体被供给到燃料电池单电池单元16内。
接下来，在重整器20的上方设置有空气用换热器22。该空气用换热器22在上游侧具备空气汇集室70，在下游侧具备2个空气分配室72，这些空气汇集室70和空气分配室72通过6个空气流路管74连接。在此，如图3所示，3个空气流路管74成为一组(74a、74b、74c、74d、74e、74f)，空气汇集室70内的空气从各组空气流路管74流入各自的空气分配室72。
在空气用换热器22的6个空气流路管74内流动的空气利用在燃烧室18燃烧而上升的排放气体进行预热。
在各个空气分配室72上连接有空气导入管76，该空气导入管76向下方延伸，其下端侧与发电室10的下方空间连通，向发电室10导入预热后的空气。
接下来，在分流器66的下方形成有排放气体室78。而且，如图3所示，在沿壳体6长度方向的面即前面6a和后面6b的内侧，形成有在上下方向上延伸的排放气体通路80，该排放气体通路80的上端侧与配置有空气用换热器22的空间连通，下端侧与排放气体室78连通。而且，在排放气体室78的下面大致中央连接有排放气体排出管82，该排放气体排出管82的下游端连接于图1所示的上述温水制造装置50。
如图2所示，用于使燃料气体和空气开始燃烧的点火装置83设置于燃烧室18。
下面，根据图4对燃料电池单电池单元16进行说明。图4是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
如图4所示，燃料电池单电池单元16具备燃料电池单电池84和分别连接于该燃料电池单电池84的上下方向端部的内侧电极端子86。
燃料电池单电池84是在上下方向上延伸的管状结构体，具备在内部形成燃料气体流路88的圆筒形内侧电极层90、圆筒形外侧电极层92、位于内侧电极层90和外侧电极层92之间的电解质层94。该内侧电极层90是燃料气体经过的燃料极，为(-)极，另一方面，外侧电极层92是与空气接触的空气极，为(+)极。
由于安装在燃料电池单电池单元16的上端侧和下端侧的内侧电极端子86为相同结构，所以在此具体地说明安装于上端侧的内侧电极端子86。内侧电极层90的上部90a具备相对于电解质层94和外侧电极层92露出的外周面90b和上端面90c。内侧电极端子86隔着导电性密封材料96与内侧电极层90的外周面90b连接，而且，通过与内侧电极层90的上端面90c直接接触而与内侧电极层90电连接。在内侧电极端子86的中心部形成有与内侧电极层90的燃料气体流路88连通的燃料气体流路98。
内侧电极层90例如由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。
电解质层94例如由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
外侧电极层92例如由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr、Co、Ni、Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、Ni、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
下面，根据图5对燃料电池电堆14进行说明。图5是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。
如图5所示，燃料电池电堆14具备16根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16的下端侧及上端侧分别被陶瓷制下支撑板68及上支撑板100支撑。在这些下支撑板68及上支撑板100上分别形成有内侧电极端子86可贯穿的贯穿孔68a及100a。
而且，在燃料电池单电池单元16上安装有集电体102及外部端子104。该集电体102由与安装于燃料极即内侧电极层90的内侧电极端子86电连接的燃料极用连接部102a和与空气极即外侧电极层92的外周面整体电连接的空气极用连接部102b一体地形成。空气极用连接部102b由在外侧电极层92的表面沿上下方向延伸的铅垂部102c和从该铅垂部102c沿外侧电极层92的表面在水平方向上延伸的很多水平部102d形成。而且，燃料极用连接部102a从空气极用连接部102b的铅垂部102c朝向燃料电池单电池单元16的位于上下方向的内侧电极端子86，向斜上方或斜下方直线延伸。
而且，在位于燃料电池电堆14一端(图5中左端的里侧及跟前侧)的2个燃料电池单电池单元16的上侧端及下侧端的内侧电极端子86上分别连接有外部端子104。这些外部端子104与位于邻接的燃料电池电堆14一端的燃料电池单电池单元16的外部端子104(未图示)连接，如上所述，160根燃料电池单电池单元16全部串联连接。
下面，根据图6对安装于本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的传感器类等进行说明。图6是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的框图。
如图6所示，固体电解质型燃料电池1具备控制部110，该控制部110连接有：操作装置112，具备用于使用者操作的“开”、“关”等操作按钮；显示装置114，用于显示发电输出值(瓦特数)等的各种数据；及警报装置116，在异常状态时等发出警报(warning)。另外，该警报装置116也可以是与位于远距离地点的管理中心连接，向该管理中心通知异常状态的形式。
接下来，向控制部110输入来自以下说明的各种传感器的信号。
首先，可燃气体检测传感器120是用于检测气体泄漏的元件，安装于燃料电池模块2及辅助设备单元4。
CO检测传感器122是用于检测原本经过排放气体通路80等向外部排出的排放气体中的CO是否泄漏在覆盖燃料电池模块2及辅助设备单元4的外部壳体(未图示)中的元件。
热水贮存状态检测传感器124是用于检测未图示的供热水器的热水温度、水量等的元件。
电力状态检测传感器126是用于检测逆变器54及配电板(未图示)的电流及电压等的元件。
发电用空气流量检测传感器128是用于检测向发电室10供给的发电用空气的流量的元件。
重整用空气流量传感器130是用于检测向重整器20供给的重整用空气的流量的元件。
燃料流量传感器132是用于检测向重整器20供给的燃料气体的流量的元件。
水流量传感器134是用于检测向重整器20供给的纯水(水蒸气)的流量的元件。
水位传感器136是用于检测纯水箱26的水位的元件。
压力传感器138是用于检测重整器20的外部上游侧的压力的元件。
排气温度传感器140是用于检测流入温水制造装置50的排放气体的温度的元件。
如图3所示，发电室温度传感器142设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面侧和背面侧，是用于检测燃料电池电堆14附近的温度，从而推断燃料电池电堆14(即燃料电池单电池84自身)的温度的元件。
燃烧室温度传感器144是用于检测燃烧室18的温度的元件。
排放气体室温度传感器146是用于检测排放气体室78的排放气体的温度的元件。
重整器温度传感器148是用于检测重整器20的温度的元件，根据重整器20的入口温度和出口温度计算出重整器20的温度。
外气温度传感器150是当固体电解质型燃料电池(SOFC)配置在室外时用于检测外气温度的元件。而且，也可以设置测定外气湿度等的传感器。
来自这些传感器类的信号发送至控制部110，控制部110根据基于这些信号的数据，向水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44、发电用空气流量调节单元45发送控制信号，以控制这些单元的各流量。
而且，控制单元部110向逆变器54发送控制信号，以控制电力供给量。
下面，根据图7说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作。图7是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作的时间图。
最初，为了加热燃料电池模块2，在无负荷状态，即，使包括燃料电池模块2的电路在开路状态下开始运行。此时，由于电路中未流动电流，所以燃料电池模块2不进行发电。
首先，从重整用空气流量调节单元44经由第1加热器46向燃料电池模块2的重整器20供给重整用空气。而且，与此同时从发电用空气流量调节单元45经由第2加热器48向燃料电池模块2的空气用换热器22供给发电用空气，该发电用空气到达发电室10及燃烧室18。
随后，还从燃料流量调节单元38供给燃料气体，混合有重整用空气的燃料气体经过重整器20及燃料电池电堆14、燃料电池单电池单元16，到达燃烧室18。
之后，通过点火装置83点火，使燃烧室18内的燃料气体和空气(重整用空气及发电用空气)燃烧。通过该燃料气体和空气的燃烧生成排放气体，利用该排放气体加热发电室10，而且，排放气体在燃料电池模块2的密封空间8内上升时，在加热重整器20内的包含重整用空气的燃料气体的同时，还加热空气换热器22内的发电用空气。
此时，由于通过燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44向重整器20供给混合有重整用空气的燃料气体，所以在重整器20中，进行式(1)所示的部分氧化重整反应POX。由于该部分氧化重整反应POX是发热反应，所以起动性良好。而且，该升温后的燃料气体通过燃料气体供给管64向燃料电池电堆14的下方供给，由此，燃料电池电堆14从下方被加热，而且，由于燃烧室18也通过燃料气体和空气的燃烧而升温，所以燃料电池电堆14还从上方被加热，结果燃料电池电堆14可以大致均等地在上下方向上升温。即使进行该部分氧化重整反应POX，在燃烧室18中也仍然持续保持燃料气体和空气的燃烧反应。
CmHn+xO2→aCO2+bCO+cH2    (1)
部分氧化重整反应POX开始后，根据通过重整器温度传感器148检测出的重整器20的温度，通过水流量调节单元28、燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44开始向重整器20供给预先混合有燃料气体、重整用空气及水蒸气的气体。此时，在重整器20中，进行并用有上述的部分氧化重整反应POX和后述的水蒸气重整反应SR的自热重整反应ATR。由于该自热重整反应ATR可取得热量内部平衡，所以在重整器20内以热量自足的状态进行反应。即，当氧(空气)较多时，基于部分氧化重整反应POX的发热占支配地位，当水蒸气较多时，基于水蒸气重整反应SR的吸热反应占支配地位。而且，在自热重整反应ATR进行中，在燃烧室18中也仍然持续进行燃烧反应。
式(2)所示的自热重整反应ATR开始后，根据由重整器温度传感器146检测出的重整器20的温度，停止基于重整用空气流量调节单元44的重整用空气的供给，同时增加基于水流量调节单元28的水蒸气的供给。由此，向重整器20供给不含空气而仅包含燃料气体和水蒸气的气体，在重整器20中，进行式(3)的水蒸气重整反应SR。
CmHn+xO2+yH2O→aCO2+bCO+cH2    (2)
CmHn+xH2O→aCO2+bCO+cH2    (3)
由于该水蒸气重整反应SR是吸热反应，所以与来自燃烧室18的燃烧热量取得热平衡并进行反应。而且，即使进行水蒸气重整反应SR，在燃烧室18中也仍然持续进行燃烧反应。
如此，燃料电池模块2通过点火装置83点火后，通过依次进行部分氧化重整反应POX、自热重整反应ATR、水蒸气重整反应SR，使发电室10内的温度逐渐上升。以上的起动处理结束后，从燃料电池模块2向逆变器54取出电力。即，开始发电。通过燃料电池模块2的发电，燃料电池单电池84自身也发热，燃料电池单电池84的温度也上升。
即使在发电开始后，也为了保持重整器20的温度，供给比燃料电池单电池84中发电所消耗的燃料气体及发电用空气的量多的燃料气体及发电用空气，使燃烧室18中的燃烧持续。另外，在发电中以重整效率高的水蒸气重整反应SR进行发电。
下面，根据图8说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动作。图8是通过本实施方式表示固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动作的时间图。
如图8所示，进行燃料电池模块2的运行停止时，首先，操作燃料流量调节单元38及水流量调节单元28，减少燃料气体及水蒸气对重整器20的供给量。
而且，进行燃料电池模块2的运行停止时，在减少燃料气体及水蒸气对重整器20的供给量的同时，增大基于发电用空气流量调节单元45的发电用空气对燃料电池模块2内的供给量，利用空气冷却燃料电池单电池集合体12及重整器20，使它们的温度降低。其后，当发电室的温度降低至规定温度例如400℃时，停止向重整器20供给燃料气体及水蒸气，结束重整器20的水蒸气重整反应SR。该发电用空气的供给持续至重整器20的温度降低至规定温度例如200℃，在变为该规定温度时，停止从发电用空气流量调节单元45供给发电用空气。
如此，在本实施方式中，由于进行燃料电池模块2的运行停止时，并用基于重整器20的水蒸气重整反应SR和基于发电用空气的冷却，所以能够在较短的时间内使燃料电池模块的运行停止。
下面，参照图9至图12，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池1发电时的负荷跟踪运行作用。
图9是说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的负荷跟踪运行的时间图。图10是表示输入至控制部110的要求发电量和为了生成要求发电量所需的燃料供给量的关系的一个例子的曲线图。图11是表示与要求发电量的变更相对应的燃料供给量的时间变化的一个例子的曲线图。图12是表示要求发电量和为了生成要求发电量所需的燃料供给量、发电用空气供给量、供水量的关系的一个例子的数据图表。
在参照图7说明的起动处理之后，固体电解质型燃料电池1执行图9所示的负荷跟踪运行，以便得到响应于来自逆变器54(图6)的要求发电量的输出电力。即，如图6所示，控制器即控制部110根据来自逆变器54的要求发电量，向燃料供给装置即燃料流量调节单元38、氧化剂气体供给装置即发电用空气流量调节单元45及供水装置即水流量调节单元28发送信号，向燃料电池模块2供给所需流量的燃料、空气、水。由此，如图9所示，固体电解质型燃料电池1的输出电力发生变化，以便跟踪来自逆变器54的要求发电量。在此，与要求发电量相对应的输出电力的响应存在延迟，这是因为燃料供给量等缓慢变化而使输出电力发生延迟变化，而且，由于即使对于要求发电量的急剧变化，也较大地抑制燃料供给量的变化，所以输出电力的跟踪有所延迟。
控制部110根据来自逆变器54的要求发电量，利用在图10中表示一个例子的曲线来确定燃料供给量，并控制燃料流量调节单元38，以便向燃料电池模块2内的重整器20供给已确定流量的燃料。控制部110按照图10的曲线F0来确定相对于要求发电量的燃料供给量。如图10所示，虽然燃料供给量确定为随着要求发电量的增大而单调增加，但是在要求发电量小于约200W时燃料供给量为大致一定值。
而且，由于要求发电量被变更时，如果使燃料供给量急剧地变化，则燃料电池单电池的温度急剧地发生变化，所以会加快燃料电池模块2的劣化，因此如图11所示，为了使燃料供给量缓慢地变化而进行渐增或渐减。另外，如图11所示，设定为使燃料增加时的燃料供给量的变化率小于使燃料减少时的燃料供给量的变化率。即，对于燃料供给量的减少，如果使变化缓慢而使延迟较大，则会消耗没必要的燃料，因此，关于减少的设定与增加时相比变化率大。图11是表示要求发电量以阶梯状从500W变化至700W时的燃料供给量相对于时间的变化的一个例子的曲线图。如图11所示，在时刻t10，如果要求发电量从500W急剧地变更至700W，则所需的燃料供给量也从对应于500W输出电力的供给量急剧地变化至对应于700W的供给量。但是，控制部110控制燃料流量调节单元38，以便燃料供给量不会急剧地增加，如图11中由假想线F10所示，燃料供给量平缓地增加。
同样，在时刻t11，要求发电量从700W变更至500W时，控制部110也按照图11的假想线F10平缓地使燃料供给量减少，以便燃料供给量不会急剧地减少。另外，燃料供给量的变化率设定为，与使供给量减少时相比使供给量增加时较为平缓。这是如之前所说明的那样，着眼于因为燃料的减少侧并不作用于使单电池的温度升高的方向，因而单电池劣化的感度较低，考虑到抑制无用的燃料消耗，且燃料的减少不会导致过度的温度下降而优化的结果。
另外，虽然图10及图11是关于燃料供给量的图，但是发电用空气供给量、供水量也可根据要求发电量同样地进行变更。而且，如图12中所示的一个例子，相对于各要求发电量的燃料、发电用空气、水的供给量的比率优化为可得到恰当的运行状态，且根据要求发电量而不同。本实施方式的固体电解质型燃料电池1构成为输出200W～700W的输出电力范围的电力。而且，图12中还示出了所供给的燃料中的利用于发电的燃料的比率即燃料利用率，以及所供给的发电用空气中的利用于发电的发电用空气的比率即空气利用率。如图12所示，燃料利用率、空气利用率都存在要求发电量变高则大致增大的倾向。而且，未利用于发电的燃料大致全部在燃烧室18内燃烧，利用于加热重整器20。
下面，与图13及图14一起再次参照图7，详细地说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池1的起动处理。
图13是表示固体电解质型燃料电池1的起动处理步骤的动作图表。图14是表示从SR开始到发电开始之前的基于控制部110的处理的流程图。
在图7的时刻t0，使固体电解质型燃料电池1起动时，控制部110向重整用氧化剂气体供给装置即重整用空气流量调节单元44及发电用氧化剂气体供给装置即发电用空气流量调节单元45发送信号使它们起动，向燃料电池模块2供给重整用空气及发电用空气。另外，在本实施方式中，在时刻t0开始供给的重整用空气的供给量设定为10L/min，发电用空气的供给量设定为100L/min。
之后，在时刻t1，控制部110向燃料供给装置即燃料流量调节单元38发送信号，开始向重整器20供给燃料。由此，送入重整器20的燃料及重整用空气经由重整器20、燃料气体供给管64、分流器66被送入各燃料电池单电池单元16内。送入各燃料电池单电池单元16内的燃料及重整用空气分别从各燃料电池单电池单元16的燃料气体流路98上端流出。另外，在本实施方式中，在时刻t1开始供给的燃料的供给量设定为6L/min(图13的“燃烧运行”状态)。
而且，在时刻t2，控制部110向点火装置83发送信号，对从燃料电池单电池单元16流出的燃料点火。由此，在燃烧室18内使燃料燃烧，在加热配置在其上方的重整器20的同时，燃烧室18、发电室10及配置在其中的燃料电池电堆14的温度也上升(图7的时刻t2～t3)。通过加热重整器20，当重整器20的温度上升至300℃左右时，在重整器20内发生部分氧化重整反应(POX)(图7的时刻t3)。由于部分氧化重整反应是发热反应，所以重整器20由于部分氧化重整反应的发生还被该反应热量加热。
温度进一步上升，当重整器20的温度达到350℃时，控制部110向燃料流量调节单元38发送信号，使燃料供给量减少，同时向重整用空气流量调节单元44发送信号，使重整用空气供给量增加(图7的时刻t4)。由此，燃料供给量变更为5L/min，重整用空气供给量变更为18L/min(图13的“POX1”状态)。这些供给量是用于发生部分氧化重整反应的适当的供给量。即，通过在开始发生部分氧化重整反应的初期的温度区域内使所供给的燃料的比率较多，从而形成燃料切实地点火的状态，同时保持其供给量从而使点火稳定(图13的“POX1”状态)。而且，在稳定地点火且温度上升后，作为用于生成部分氧化重整反应所需的充分的燃料供给量抑制了燃料的浪费(图13的“POX2”状态)。
之后，在图7的时刻t5，当重整器20的温度达到600℃以上，且燃料电池单电池单元16的温度达到250℃以上时，控制部110向重整用空气流量调节单元44发送信号，减少重整用空气供给量，同时向供水装置即水流量调节单元28发送信号，开始供水。由此，重整用空气供给量变更为8L/min，供水量变为2cc/min(图13的“ATR1”状态)。通过向重整器20内导入水(水蒸气)，还在重整器20内发生水蒸气重整反应。即，在图13的“ATR1”状态下，发生混合有部分氧化重整反应和水蒸气重整反应的自热重整(ATR)。
在本实施方式中，燃料电池单电池单元16的温度通过配置在发电室10内的温度检测部件即发电室温度传感器142来测定。虽然发电室内的温度和燃料电池单电池单元的温度严格来说并不相同，但是由发电室温度传感器检测出的温度反映了燃料电池单电池单元的温度，能够通过配置在发电室内的发电室温度传感器掌握燃料电池单电池单元的温度。另外，在本说明书中，所谓的燃料电池单电池单元的温度意味着通过所指示的任意传感器而测定的反映了燃料电池单电池单元温度的值的温度。
而且，在图7的时刻t6，当重整器20的温度达到600℃以上，且燃料电池单电池单元16的温度达到400℃以上时，控制部110向燃料流量调节单元38发送信号，减少燃料供给量。而且，控制部110向重整用空气流量调节单元44发送信号，减少重整用空气供给量，同时向水流量调节单元28发送信号，增加供水量。由此，燃料供给量变更为4L/min，重整用空气供给量变更为4L/min，供水量变为3cc/min(图13的“ATR2”状态)。通过减少重整用空气供给量并增加供水量，在重整器20内，部分氧化重整反应的比率减少，水蒸气重整反应的比率增加。
之后，在图7的时刻t7，当重整器20的温度达到650℃以上，且燃料电池单电池单元16的温度达到600℃以上时，控制部110向重整用空气流量调节单元44发送信号，停止供给重整用空气。而且，控制部110向燃料流量调节单元38发送信号，减少燃料供给量，同时向水流量调节单元28发送信号，增加供水量。由此，燃料供给量变更为3L/min，供水量变更为8cc/min(图13的“SR1”状态)。通过停止供给重整用空气，在重整器20内，不再发生部分氧化重整反应，开始仅发生水蒸气重整反应的SR。
而且，转入图13的“SR1”状态时，控制部110每隔规定时间便执行图14所示的流程图。
首先，在图14的步骤S1中，判断标志F的值。标志F是表示固体电解质型燃料电池1的起动处理是否已转入“SR2”状态(图13)的标志，在起动时设定为标志F＝0。而且，如后所述，在起动处理转入“SR2”状态时，标志F的值变更为1。在图7的时刻t7，由于还未转入“SR2”状态，所以进入步骤S2。
在步骤S2中，判断在转入“SR1”状态后，是否已经过初期SR持续时间tsr1的25分钟，即是否已从图7的时刻t7经过了25分钟。已经过25分钟时进入步骤S4，未经过时进入步骤S3。在步骤S3中，判断燃料电池单电池单元16的温度是否变为可发电温度即700℃以上。燃料电池单电池单元16的温度变为700℃以上时进入步骤S4，未达到700℃以上时，结束图14所示的流程图的1次处理。由此，持续“SR1”状态。
而且，在转入“SR1”状态后经过25分钟，或燃料电池单电池单元16的温度变为700℃以上后，执行图14的流程图时，处理从步骤S2或S3转入步骤S4，开始“SR2”。在图7的时间图所示的例子中，由于在时刻t8燃料电池单电池单元16的温度达到700℃，处理从步骤S3转入步骤S4。
在步骤S4中，通过内置于控制部110的要求电力估计电路110a，计算从固体电解质型燃料电池1的起动开始到开始“SR2”之前的期间(图7的时刻t0～t8的期间)的要求电力的平均值。之后，在步骤S5中，提高在步骤S4中计算的要求电力的平均值，并确定与提高后的电力相对应的燃料供给量、发电用空气供给量及供水量。例如，在步骤S4中计算的要求电力的平均值为520W(100V，5.2A)时，“SR2”中的各供给量设定为与使其提高后的600W(100V，6.0A)的电力相对应的燃料供给量2.6L/min、发电用空气供给量50L/min及供水量5.8cc/min(图12)。另外，要求电力估计电路作为要求电力估计部件发挥作用。
通过如此设定“SR2”中的各供给量，能够从“SR2”状态顺利地转入发电状态。即，以估计的要求电力开始发电时，在“SR2”中供给比用于输出要求电力所需的燃料供给量稍多的燃料，因此，能够防止从“SR2”转入发电时引起燃料供给量的大幅度降低。而且，由于供给比对应于所估计的要求电力的燃料供给量稍多的燃料，所以即使在“SR2”的执行中增大要求电力时，也能够防止陷入大幅度的燃料不足。
之后，在图14的步骤S6中，控制部110向燃料流量调节单元38、发电用空气流量调节单元44及水流量调节单元28发送信号，开始供给在步骤S5中确定的量的燃料、发电用空气及水。而且，在步骤S7中，标志F的值变更为表示起动处理已转入“SR2”状态的1，结束图14所示的流程图的1次处理。
而且，由于在转入“SR2”状态后，执行图14所示的流程图时，标志F的值变更为1，所以处理从步骤S1转入步骤S8。在步骤S8中，控制部110判断由外气温度传感器150检测出的温度是否在0℃以下。不在0℃以下时进入步骤S9，在0℃以下时进入步骤S10。在步骤S9中，保持“SR2”状态的时间即发电转入时间tsr2设定为4分钟。而且，外气温度在0℃以下时，在步骤S 10中，发电转入时间tsr2设定为5分钟。
之后，在步骤S11中，在转入“SR2”状态后，判断是否已经过发电转入时间tsr2。已经过发电转入时间tsr2时进入步骤S12，未经过时重复步骤S11的处理，保持“SR2”状态直至经过发电转入时间tsr2。而且，在步骤S12中，判断燃料电池单电池单元16的温度是否达到了与所估计的要求电力相对应的可发电温度。当燃料电池单电池单元16的温度达到可发电温度以上时进入步骤S13，未达到可发电温度时重复步骤S12的处理，保持“SR2”状态直至燃料电池单电池单元16的温度变为可发电温度以上。
而且，在步骤S13中标志F的值恢复为0，在步骤S14中，控制部110开始响应于要求电力的发电(图7的t9)。按照要求电力并根据图10及图11来确定并供给发电开始后的燃料供给量、发电用空气供给量及供水量，执行负荷跟踪运行。
根据本发明实施方式的固体电解质型燃料电池，由于即将开始发电之前的“SR2”中的燃料供给量保持于发电待机燃料供给量，所以能够在发电开始时使燃料的燃烧稳定，并使重整器的热平衡稳定。由此，能够从起动状态顺利地转入发电状态。而且，由于即将开始发电之前的“SR2”中的燃料供给量与“SR1”中的燃料供给量相比有所减少，所以在即将开始发电之前，在重整器内引起吸热反应的燃料的量减少。而且，由于根据由要求电力估计电路估计的要求电力来确定即将开始发电之前的燃料供给量，所以能够在发电开始时防止燃料供给量较大地变化，能够更顺利地转入发电状态，同时能够抑制燃料浪费。
根据本实施方式的固体电解质型燃料电池，由于根据即将开始其供给之前的要求电力来确定发电待机燃料供给量，所以能够准确地估计要求电力，能够更顺利地从“SR2”状态转入发电状态。
根据本实施方式的固体电解质型燃料电池，由于增大对应于所估计的要求电力的燃料供给量来确定发电待机燃料供给量，所以在“SR2”状态中，即使在保持发电待机燃料供给量的期间增大要求电力时，也能够防止因燃料不足而导致得不到足够的输出电力。
根据本实施方式的固体电解质型燃料电池，由于在经过发电转入时间且燃料电池单电池单元的温度上升至可发电温度时开始发电，所以能够防止在燃料电池单电池单元的温度未充分上升的状态下开始发电，同时由于在温度充分上升后，也保持一定的燃料供给量直至经过发电转入时间，所以能够使燃烧室内的燃料的燃烧稳定。
根据本实施方式的固体电解质型燃料电池，SR开始后，当固体电解质型燃料电池单电池的温度上升至可发电的温度时，减少燃料供给量，但是在经过规定的初期SR持续时间时，即使未达到可发电温度，也转入“SR2”状态。此时，至少保持已减少的燃料供给量直至燃料电池单电池单元的温度上升至可发电的温度。由此，在未达到可发电的温度时如果已经过初期SR持续时间，则也开始使燃料供给量减少的“SR2”，同时在“SR2”状态下等待经过发电转入时间并且上升至可发电的温度，因此，能够缩短起动后至开始发电的时间。
而且，根据本发明实施方式的固体电解质型燃料电池，由于在重整器内以POX、ATR、SR的顺序发生重整反应，所以在起动时，能够防止燃料电池模块的运行变得不稳定，能够更顺利地进行起动。
在本实施方式的固体电解质型燃料电池中，通过根据规定的环境因素变更发电转入时间，即使设置有燃料电池的环境发生变化，也能够使发电开始时的运行状态充分稳定。尤其是通过在外气温度较低时延长发电转入时间，即使在外气温度低而固体电解质型燃料电池单电池的温度较难上升时，也能够使“SR2”状态中的燃烧室内的燃料的燃烧充分稳定。
另外，在上述实施方式中，虽然发电转入时间tsr2根据外气温度来设定，但是发电转入时间tsr2也可以根据外气温度、水温、时间带等环境因素来变更。而且，在图7所示的例子中，在转入“SR1”状态后燃料电池单电池单元16的温度快速地上升至可发电的温度。但是，如上所述，在转入“SR1”状态后已经过规定的初期SR持续时间tsr1时，即使未达到可发电的温度，控制部110也使运行转入“SR2”状态。即，控制部110保持“SR1”状态的燃料供给量，直至燃料电池单电池单元16上升至可发电的温度为止，或经过初期SR持续时间tsr1为止。而且，如上所述，控制部110在转入“SR2”状态后，经过规定的发电转入时间tsr2，且燃料电池单电池单元16的温度上升至可发电的温度以上时，使发电开始。因此，“SR2”状态总是持续发电转入时间tsr2以上。
而且，在上述实施方式中，虽然在“SR2”中供给与使由要求电力估计电路估计的要求电力提高后的电力相对应的燃料、发电用空气及水，但是在所估计的要求电力极小时，控制部供给比与可由燃料电池模块输出的最低电力相对应的供给量多的燃料、发电用空气、水。即，在本实施方式中，在所估计的要求电力小于200W时，作为发电待机燃料供给量供给比700W至200W的输出电力范围的最低输出电力即200W多的对应于300W的下限燃料供给量。
由此，由于发电待机燃料供给量为比对应于输出电力范围的最低输出电力的燃料供给量多的下限燃料供给量，所以即使在保持发电待机燃料供给量的期间增大要求电力时，也能够防止因燃料不足而导致得不到足够的输出电力。
而且，在上述实施方式中，虽然要求电力估计电路根据从起动到开始“SR2”之前的期间的平均要求电力来估计发电开始时的要求电力，但是作为变形例，也可以如下构成要求电力估计电路，根据进行固体电解质型燃料电池起动的时间带来估计要求电力。例如，也可以如下构成要求电力估计电路，将1天的时间带分为白天(6点～16点)、晚上(16点～24点)、深夜(0点～6点)3个时间带，如果在白天开始“SR2”时，则使估计要求电力为400W，如果在晚上则为700W，如果在深夜则为200W。根据该变形例，即使在要求电力的变化剧烈，很难根据过去的要求电力估计发电开始时的要求电力时，也能够将大致适当的电力估计为要求电力。
而且，在上述实施方式中，例如，使估计要求电力提高后的电力为400W时，在“SR2”状态中供给的燃料、发电用空气、水设定为与400W的发电相对应的供给量，但是作为变形例，也可以使“SR2”状态中的燃料供给量、发电用空气供给量及供水量为优化为“SR2”用的发电待机供给比率。例如，可以确定“SR2”状态中的各供给量，以便在“SR2”状态中，在燃烧室内燃烧的燃料和发电用空气的比率与发电开始时在燃烧室内燃烧的燃料和发电用空气的比率相等。或者，也可以设定发电待机供给比率，以便使发电用氧化剂气体供给量在燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的全体中所占的比率多于发电时的发电用氧化剂气体供给量的比率。
例如，如图12所示，在输出电力700W中，以2.8L/min供给燃料，此时用于发电的燃料利用率为68％，因此在2.8L/min的燃料中，约1.9L/min的燃料使用于发电，而其剩余的约0.90L/min的燃料使用于燃烧。而且，在输出电力700W中，供给60L/min的发电用空气，空气利用率为35％，因此约21L/min的发电用空气使用于发电，而约39L/min的发电用空气使用于燃烧。因此，输出电力700W中的使用于燃烧的发电用空气和燃料之比即空燃比为39/0.90＝约43.5倍。在此，由于在“SR2”状态中所供给的燃料全部使用于燃烧，所以相等地设定发电开始时的燃料供给量与“SR2”状态中的燃料供给量，为使“SR2”状态中的空燃比与发电开始时相等而所需的发电用空气供给量为燃料供给量2.8L/min乘以空燃比43.5的约122L/min。
另一方面，在输出电力400W中，燃料供给量为1.9L/min，燃料利用率为55％，因此约1.0L/min的燃料使用于发电，约0.85L/min的燃料使用于燃烧。而且，在输出电力400W中，供给35L/min的发电用空气，空气利用率为34％，因此约12L/min的发电用空气使用于发电，而约23L/min的发电用空气使用于燃烧。因此，输出电力400W中的空燃比为23/0.85＝约27.0倍。因此，为使“SR2”状态中的空燃比与发电开始时相等而所需的发电用空气供给量为燃料供给量1.9L/min乘以空燃比27.0的约51.3L/min。
通过如此设定发电用空气供给量，可以设定为使保持发电待机燃料供给量的期间的发电用空气供给量与发电开始时在燃烧室内燃烧的燃料与发电用空气的比大致相等。即，为使“SR2”状态中的空燃比与发电开始时的空燃比相等，在输出电力700W中需要使“SR2”状态中的发电用空气供给量为发电开始时的供给量的约2倍，在输出电力400W中需要使“SR2”状态中的发电用空气供给量为约1.5倍。如此，应使发电用空气增大的比率按输出电力而不同，在该例中，输出电力越大则增大量越多。
根据该变形例，由于在燃烧室内燃烧的燃料和发电用空气的比率在燃料及空气未使用于发电的发电开始前的“SR2”状态和燃料及空气使用于发电的发电开始后保持为一样，所以在发电开始前后燃烧的空燃比不发生变化，能够使燃烧室内的燃烧稳定。
而且，在该变形例中，通过根据所估计的要求电力而使保持发电待机燃料供给量的“SR2”状态中的燃料供给量和发电用空气之比如上所述地变化，即使在要求电力不同时，也能够在发电开始前后将在燃烧室内燃烧的燃料和空气的比率保持为一定。
以上，说明了本发明的优选的实施方式，但是可以对上述的实施方式实施各种变更。尤其是在上述的实施方式中，虽然起动时在重整器内以POX、ATR、SR的顺序发生重整反应，但是例如可以省略ATR。本发明能够应用于在即将开始发电之前执行使SR发生的任意的起动处理的固体电解质型燃料电池。

Claims (11)

1.一种固体电解质型燃料电池，是使燃料和发电用氧化剂气体进行反应来发出响应于要求电力的量的电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有：
燃料电池模块，具备多个固体电解质型燃料电池单电池；
重整器，向上述固体电解质型燃料电池单电池供给重整后的燃料；
燃料供给装置，向该重整器供给应重整的燃料；
供水装置，向上述重整器供水；
发电用氧化剂气体供给装置，向上述固体电解质型燃料电池单电池供给发电用氧化剂气体；
及控制器，在使上述燃料电池模块的上述固体电解质型燃料电池单电池上升至可发电温度的起动时，控制上述燃料供给装置及上述供水装置，在上述重整器内发生只发生水蒸气重整反应的SR，开始向外部输出电力，
上述SR包括使上述燃料电池模块内的温度上升的SR1和在该SR1之后发生的SR2，
上述控制器控制上述燃料供给装置，以便将比上述SR1中的燃料供给量少的发电待机燃料供给量根据上述燃料电池模块的使用条件进行确定，在发生上述SR1后，发生使燃料供给量下降到上述发电待机燃料供给量的SR2，维持规定时间后，开始向外部输出电力。
2.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，
还具有估计上述燃料电池模块开始发电时的要求电力的要求电力估计电路，上述控制器根据由上述要求电力估计电路所估计的要求电力来设定上述发电待机燃料供给量。
3.根据权利要求2所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述燃料电池模块构成为输出规定的输出电力范围的电力，上述控制器将比对应于上述输出电力范围的最低输出电力的燃料供给量多的规定的下限燃料供给量作为发电待机燃料供给量来保持。
4.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述要求电力估计电路根据通过上述控制器开始基于上述发电待机燃料供给量的燃料供给之前的要求电力来估计发电开始时的要求电力。
5.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述要求电力估计电路通过对通过上述控制器开始基于上述发电待机燃料供给量的燃料供给之前的要求电力进行平均来估计发电开始时的要求电力。
6.根据权利要求2所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述控制器将使对应于所估计的要求电力的燃料供给量增大了的燃料供给量作为发电待机燃料供给量来保持。
7.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述控制器根据使上述燃料电池模块起动的时间带属于将1天分割为多个时间带中的哪个时间带来确定上述发电待机燃料供给量。
8.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述控制器控制上述发电用氧化剂气体供给装置，以便将保持上述发电待机燃料供给量的期间的发电用氧化剂气体供给量保持为用于供给上述发电待机燃料供给量的燃料从而进行发电所需的发电用氧化剂气体供给量。
9.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述控制器控制上述燃料供给装置、上述供水装置及上述发电用氧化剂气体供给装置，以便即将开始发电之前的SR中的燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的比率变为与发电时的燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的比率不同的规定的发电待机供给比率。
10.根据权利要求9所述的固体电解质型燃料电池，其为，
上述发电待机供给比率设定为，发电用氧化剂气体供给量在燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的全体中所占的比率多于发电时的发电用氧化剂气体供给量在燃料供给量、供水量及发电用氧化剂气体供给量的全体中所占的比率。
11.一种固体电解质型燃料电池，是使燃料和发电用氧化剂气体进行反应来发出响应于要求电力的量的电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有：
燃料电池模块，具备多个固体电解质型燃料电池单电池；
重整器，向上述固体电解质型燃料电池单电池供给重整后的燃料；
燃料供给部件，向该重整器供给应重整的燃料；
供水部件，向上述重整器供水；
发电用氧化剂气体供给部件，向上述固体电解质型燃料电池单电池供给发电用氧化剂气体；
及控制部件，在使上述燃料电池模块的上述固体电解质型燃料电池单电池上升至可发电温度的起动时，控制上述燃料供给部件及上述供水部件，在上述重整器内发生只发生水蒸气重整反应的SR，开始向外部输出电力，
上述SR包括使上述燃料电池模块内的温度上升的SR1和在该SR1之后发生的SR2，
上述控制部件控制上述燃料供给部件，以便将比上述SR1中的燃料供给量少的发电待机燃料供给量根据上述燃料电池模块的使用条件进行确定，在发生上述SR1后，发生使燃料供给量下降到上述发电待机燃料供给量的SR2，维持规定时间后，开始向外部输出电力。
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