JP2003115315A - 固体電解質型燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＳＯＦＣの出力を変化させた場合であって
も、ＳＯＦＣの発電反応を短時間で安定化させることが
可能な、ＳＯＦＣの運転方法を提供する。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池の反応温度Ｔが、
下記式（１）： 【数１】 （式中、Ｔ₀は発電出力変更前の前記固体電解質型燃料
電池の反応温度（℃）である）を満たすように固体電解
質型燃料電池の発電出力を変更することによって、上記
課題の解決が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池の運転方法に関し、より詳しくは、固体電解質型燃
料電池の発電出力を変化させた場合であっても固体電解
質型燃料電池を安定して運転する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏ
ｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも
記載）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアな
どの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に
多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃
料ガス、他方の側にＳＯＦＣ用酸化剤（空気、酸素等）
を供給し、約１０００℃で動作する燃料電池である。

【０００３】ＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性
固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によっ
て水蒸気または二酸化炭素が生成し、電気エネルギーお
よび熱エネルギーが発生する。電気エネルギーはＳＯＦ
Ｃ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。
一方、熱エネルギーは、熱伝達、対流伝熱、輻射伝熱に
よって燃料、ＳＯＦＣおよびＳＯＦＣ用酸化剤に伝達さ
れる。従来のＳＯＦＣは発電出力が一定に保たれた状態
で運転されるのが一般的であり、このような状態下にお
いてはＳＯＦＣ内部の熱的バランスは保たれ、ＳＯＦＣ
の反応温度も一定温度に維持されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＳＯＦＣは、上述のよ
うに発電出力が一定に保たれた状態下で運転されるのが
一般的であった。しかし、夜間に電気需要が殆どない施
設や昼夜の電気需要量が大きく異なる施設などへＳＯＦ
Ｃを適用する場合には、電気需要量の変化に応じてＳＯ
ＦＣの発電出力を変化させる必要がある。ところが、燃
料温度、ＳＯＦＣ用酸化剤温度、ＳＯＦＣの反応温度と
いったＳＯＦＣの運転に関与するパラメータを制御せず
にＳＯＦＣの発電出力を変化させると、電気エネルギー
と熱エネルギーとの比率や生じる熱エネルギーの絶対量
が変化し、ＳＯＦＣの発電能力が低下してしまう。従っ
て、ＳＯＦＣの発電出力を変化させる場合には、発電出
力変化後のＳＯＦＣの発電能力が最適なものとなるよう
に、ＳＯＦＣの発電出力変化に応じた運転制御を行う必
要がある。

【０００５】しかしながら、発明者らがＳＯＦＣの発電
出力を変化させて、ＳＯＦＣの発電出力変化に応じた運
転制御を試みたところ、ＳＯＦＣの発電出力変化に対応
した運転制御は容易でないことが明らかとなった。すな
わち、ＳＯＦＣの運転に関するパラメータ（燃料温度、
ＳＯＦＣ用燃料供給量、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量、ＳＯ
ＦＣ用酸化剤温度、ＳＯＦＣの反応温度など）を適宜制
御してＳＯＦＣ運転条件の最適化を試みた場合、ＳＯＦ
Ｃの作動状況が安定化するまでに長時間を要することが
明らかとなった。これでは、ＳＯＦＣを用いた発電を行
える時間が実質的に短くなってしまい、電気需要が変化
する施設へＳＯＦＣを適用する意義が薄れてしまう。

【０００６】上述事項に鑑みて本発明は完成されたもの
であり、ＳＯＦＣの発電出力を変化させた場合であって
も、ＳＯＦＣの作動状況を短時間で安定化させ得るＳＯ
ＦＣの運転方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＳＯＦＣ
の発電出力を変更する際に、ＳＯＦＣの反応温度が一定
に保たれるようにＳＯＦＣを制御することが、ＳＯＦＣ
の作動状況を短期間で安定化するために有効であること
を見出し、本発明を完成させた。本発明の具体的構成
は、以下のとおりである。

【０００８】本発明は、固体電解質型燃料電池用燃料供
給量を変化させることによって固体電解質型燃料電池の
発電出力を変更する場合に、固体電解質型燃料電池の反
応温度Ｔが、下記式（１）：

【０００９】

【数２】

【００１０】（式中、Ｔ₀は発電出力変更前の前記固体
電解質型燃料電池の反応温度（℃）である）を満足する
ように固体電解質型燃料電池用酸化剤供給量および固体
電解質型燃料電池用酸化剤温度の一方または双方を制御
することを特徴とする固体電解質型燃料電池の運転方法
である。

【００１１】また、前記固体電解質型燃料電池の反応温
度Ｔは、９００〜１０５０℃の範囲であることが好まし
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、ＳＯＦＣの反応温度がＳＯ
ＦＣの安定運転に及ぼす影響について説明する。

【００１３】図１には、ＳＯＦＣの発電出力を変化させ
る際の、ＳＯＦＣの反応温度とＳＯＦＣの作動状況（電
流、電圧、発電出力）との関係を示す。図１において、
「Ｉ−Ｗ ９５０℃」は９５０℃における電流−発電出
力曲線を示し、「Ｉ−Ｗ ９００℃」は９００℃におけ
る電流−発電出力曲線を示す。また、「Ｉ−Ｖ ９５０
℃」は９５０℃における電流−電圧曲線を示し、「Ｉ−
Ｖ ９００℃」は９００℃における電流−電圧曲線を示
す。このように、ＳＯＦＣの作動状況は反応温度によっ
て特性が異なる。

【００１４】ここで、状態Ａ（ＳＯＦＣの反応温度９５
０℃、電流密度ａ₀（Ａ／ｃｍ²）、電圧ｖ₀（Ｖ）、発
電出力（発電密度）ｗ₀（Ｗ／ｃｍ²））で作動している
ＳＯＦＣの発電出力を、ｗ₁（Ｗ／ｃｍ²）に変更する場
合を想定してみる。なお、図１においては、Ｉ−Ｗ曲線
上における状態をＡ、ＢおよびＣとして示し、Ｉ−Ｖ曲
線状における状態をＡ’、Ｂ’およびＣ’として示して
ある。

【００１５】ＳＯＦＣの反応温度が９００℃に変化する
場合、ＳＯＦＣの作動状況は状態Ａから状態Ｃ（電流密
度ａ₁（Ａ／ｃｍ²）、電圧ｖ₁（Ｖ）、発電出力ｗ₁（Ｗ
／ｃｍ²））に変化することになる。ＳＯＦＣの作動状
況の変化に際しては、燃料温度、ＳＯＦＣ用燃料供給
量、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量、ＳＯＦＣ用酸化剤温度な
どの調整によって、ＳＯＦＣを制御する。

【００１６】しかしながら、ＳＯＦＣの出力変化に伴い
ＳＯＦＣの反応温度が変化する場合には、ＳＯＦＣの電
流密度、電圧および発電出力の変化についてある程度の
予測しかできないため、複雑な制御が要求される。ま
た、ＳＯＦＣは一旦温度を変化させてしまうと温度制御
が容易でないため、一定温度における一定出力を確保
（ＳＯＦＣの作動状況の安定化）するまでに長時間を要
する。その結果、ＳＯＦＣの発電時間が短縮され、ＳＯ
ＦＣの発電効率の低下を招く。また、ＳＯＦＣの反応温
度が変化し、ＳＯＦＣの発電に伴い熱サイクルが形成さ
れると、ＳＯＦＣセルが短寿命化する恐れがある。

【００１７】一方、ＳＯＦＣの反応温度を９５０℃に保
ったままで、ＳＯＦＣの発電出力をｗ₁（Ｗ／ｃｍ²）に
変更する場合を想定してみる。この場合、ＳＯＦＣの作
動状況は、図１の「Ｉ−Ｗ ９５０℃」ラインに沿っ
て、状態Ａから状態Ｂ（電流密度ａ₂（Ａ／ｃｍ²）、電
圧ｖ₂（Ｖ）、発電出力ｗ₁（Ｗ／ｃｍ²））に変化する
ことになる。このように、ＳＯＦＣの反応温度が変化し
ない場合には、ＳＯＦＣの電流密度、電圧および発電出
力の変化について容易に予測を立てることができる。従
って、これらの相互関係を予め把握し、そのデータに基
づいて変動させることによって、ＳＯＦＣを容易かつ確
実に制御することができる。また、ＳＯＦＣの反応温度
が一定であるため、ＳＯＦＣの出力を変更した後も、Ｓ
ＯＦＣの作動状況を短時間で安定化させることができ
る。具体的には、ＳＯＦＣの最大出力を１００％とした
時に、３０〜１００％程度もの広範囲の出力制御が可能
である。その上、実質的に熱サイクルが形成されないた
め、ＳＯＦＣの寿命を永くすることができる。

【００１８】ＳＯＦＣの出力変化に伴いＳＯＦＣの反応
温度が低下する場合（状態Ａ→状態Ｃ）には、一般的に
電流密度の変化量（ａ₀→ａ₁）および電圧の変化量（ｖ
₀→ｖ₁）は大きくなる。これに対し、ＳＯＦＣの反応温
度が一定である場合（状態Ａ→状態Ｂ）には、電流密度
の変化量（ａ₀→ａ₂）および電圧の変化量（ｖ₀→ｖ₂）
は小さくなる。このようにＳＯＦＣの反応温度が変化す
る場合に比べてＳＯＦＣの反応温度が一定である方が電
流・電圧の変化量が少ない場合には、ＳＯＦＣの作動状
況の制御がさらに容易なものとなる。

【００１９】上述のように、ＳＯＦＣの反応温度が一定
に保たれるようにＳＯＦＣを制御することによって、本
願の課題であるＳＯＦＣの出力を変化させた場合におけ
る迅速なＳＯＦＣ安定化を実現できる。このため、ＳＯ
ＦＣの出力が安定化するまでのロスタイムを少なくで
き、出力の頻繁な変更を必要とする施設へＳＯＦＣを適
用した場合であってもＳＯＦＣから十分な電力を取り出
すことが可能になる。

【００２０】本発明の効果を得るためには、発電出力を
変更する際にＳＯＦＣの反応温度が一定温度に保たれる
ことが必要であるが、具体的には、ＳＯＦＣの発電出力
を変更する際に、ＳＯＦＣの反応温度Ｔが、下記式
（１）：

【００２１】

【数３】

【００２２】（式中、Ｔ₀は発電出力変更前のＳＯＦＣ
の反応温度（℃）である）を満たすようにＳＯＦＣを制
御することが必要であり、下記式（２）：

【００２３】

【数４】

【００２４】（式中、Ｔ₀は発電出力変更前のＳＯＦＣ
の反応温度（℃）である）を満たすようにＳＯＦＣを制
御することが好ましい。即ち、発電出力変更中のＳＯＦ
Ｃの反応温度が、ＳＯＦＣの発電出力変更を開始する直
前の温度Ｔ₀から１０℃以上変動しないようにＳＯＦＣ
を制御することが必要であり、５℃以上変動しないよう
に制御することが好ましい。

【００２５】上記式（１）および（２）におけるＳＯＦ
Ｃの反応温度Ｔは、低すぎるとＳＯＦＣの発電反応が効
率よく進行しなくなる恐れがある。このため、ＳＯＦＣ
の反応温度Ｔは、９００℃以上であることが好ましく、
９５０℃以上であることがより好ましい。一方、高すぎ
るとＳＯＦＣセルの燃料極や固体電解質に致命的な損傷
が生じ、発電不能となる恐れがある。このため、１０５
０℃以下であることが好ましく、１０００℃以下である
ことがより好ましい。

【００２６】なお、ＳＯＦＣの反応温度とは、酸化物イ
オン導電性固体電解質を通過した酸素イオンが、水素ま
たは一酸化炭素と反応する温度をいい、ＳＯＦＣ用セル
の表面の極近傍を熱電対によって測定した値として求め
られる。

【００２７】ＳＯＦＣの制御は、ＳＯＦＣの運転に関す
るパラメータ（具体的には、燃料温度、ＳＯＦＣ用燃料
供給量、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量、ＳＯＦＣ用酸化剤温
度など）を制御することによって行うことができるが、
発電出力はＳＯＦＣ用燃料供給量を変化させることによ
って制御され、ＳＯＦＣの反応温度はＳＯＦＣ用酸化剤
供給量およびＳＯＦＣ用酸化剤温度の一方または双方を
変化させることによって制御されることが好ましい。よ
り具体的には、燃料供給手段による燃料供給量を発電出
力に応じて調整し、ＳＯＦＣの反応温度が一定温度に保
たれるようにＳＯＦＣ用酸化剤供給量および／またはＳ
ＯＦＣ用酸化剤温度の一方または双方を制御することに
よって、ＳＯＦＣの反応温度を制御することが好まし
い。ＳＯＦＣ用燃料供給量のみによってＳＯＦＣの発電
出力を制御し、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量および／または
ＳＯＦＣ用酸化剤温度のみを制御してＳＯＦＣの反応温
度を制御する場合には、ＳＯＦＣの運転に関するパラメ
ータを数多く制御する場合と比較して、ＳＯＦＣの制御
システムを簡略化することができる。このため、ＳＯＦ
Ｃ装置の小型化、低廉化を図ることができる。

【００２８】以下、ＳＯＦＣ用燃料供給量、ＳＯＦＣ用
酸化剤供給量、および、ＳＯＦＣ用酸化剤温度のみを変
化させることによってＳＯＦＣの反応温度を制御する、
ＳＯＦＣの運転方法について、図面を参照しながら説明
する。

【００２９】図２は、本発明の運転方法が用いられるＳ
ＯＦＣシステムの一実施形態の概略図である。図中、１
はＳＯＦＣであり、２は燃料室であり、３は反応室であ
り、４は空気室であり、５は燃焼室であり、６は多孔質
状フェルトであり、７はＳＯＦＣセルであり、８は導入
管であり、９はハウジングケースであり、１０はレキュ
ペレータであり、１１はＳＯＦＣ用酸化剤加熱器であ
り、１２はＳＯＦＣ用酸化剤供給装置であり、１３は燃
料供給装置であり、１４はＳＯＦＣセル表面温度（反応
温度）監視用センサーであり、１５は空気室内のＳＯＦ
Ｃ用酸化剤温度監視用センサーであり、１６は制御装置
である。当該構成を有するＳＯＦＣ（１）には、燃料供
給装置（１３）によってＳＯＦＣ用燃料が供給される。
一方、ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）によってＳＯ
ＦＣ用酸化剤が供給される。供給された燃料およびＳＯ
ＦＣ用酸化剤を用いて、ＳＯＦＣ（１）において発電が
行われ、高温のＳＯＦＣ排ガスがＳＯＦＣ（１）の外部
に排出される。ＳＯＦＣ（１）に備え付けられたＳＯＦ
Ｃセル（７）の反応温度および空気室温度は、ＳＯＦＣ
セル表面温度監視用センサー（１４）およびＳＯＦＣ用
酸化剤温度監視用センサー（１５）を用いて測定され、
その測定結果に基づいてＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１
１）およびＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）が制御装
置（１６）によって制御される。

【００３０】燃料供給装置（１３）によってＳＯＦＣ
（１）に供給される燃料は、メタン、エタン、プロパン
など各種の炭化水素系燃料を用いることができるが、特
にこれらに限定されるものではない。燃料の供給は、燃
料供給装置（１３）に設けられた弁などを用いて制御す
ることができ、ＳＯＦＣ（１）の規模およびＳＯＦＣの
発電出力に応じて決定すればよい。つまり、ＳＯＦＣの
発電出力を低下させる場合にはＳＯＦＣ用燃料供給量を
減少させればよく、ＳＯＦＣの発電出力を向上させる場
合にはＳＯＦＣ用燃料供給量を増加させればよい。燃料
供給装置（１３）には各種改良を加えても良く、例えば
脱硫器や加湿器を設けることができる。脱硫器を設けた
場合、ＳＯＦＣセルや改質器に設置された触媒が、燃料
中に含まれる硫黄によって被毒することを抑制できる。
また、加湿器を設けた場合、燃料の改質に十分な量の水
蒸気を含ませることができる。

【００３１】燃料供給装置（１３）によって供給された
燃料は、改質器を用いて水素および一酸化炭素を主成分
として含むＳＯＦＣ用燃料に改質される。改質は、改質
触媒を用いて水蒸気改質するのが一般的である。改質に
用いられる水蒸気は、未反応燃料のリサイクルによって
供給できる他、前述の加湿器によって供給できる。改質
反応を十分に進行させるには、Ｓ／Ｃ（水蒸気モル数／
炭化水素炭素モル数）が２．５以上となるように水蒸気
を供給するとよい。

【００３２】改質器は、燃料通過経路に改質触媒を充填
した内部改質器を用いることができる。ＳＯＦＣ（１）
外部に外部改質器を設けてもよい。改質用触媒も通常使
用される改質触媒を用いることができ、Ｎｉ系触媒、Ｐ
ｔ−Ｎｉ系触媒、Ｐｄ−Ｚｎ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒
などが挙げられる。内部改質器での水蒸気改質に必要と
なる熱量は、ＳＯＦＣ（１）の発電時に生じる熱エネル
ギーで賄うことができ、主に、輻射伝熱および対流伝熱
によって供給される。改質器をＳＯＦＣ（１）内部に備
えた実施形態においては、内部改質器で吸熱が生じるた
め、熱バランスが安定しづらいといわれているが、改質
器に要する熱エネルギーを考慮してＳＯＦＣ用酸化剤供
給量およびＳＯＦＣ用酸化剤温度を調整することによっ
て、燃料電池の反応温度を一定に保った状態で容易に出
力制御に対応できる。

【００３３】一方、ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）
からＳＯＦＣ用酸化剤が供給される。ＳＯＦＣ用酸化剤
供給装置（１２）は、ブロワ等の公知手段を用いればよ
い。ＳＯＦＣ用酸化剤は、酸素を含んでいれば特に制限
はなく、空気、酸素ガス、酸素ガスの混入により酸素濃
度を調整した高酸素ガスなどを用いることができる。Ｓ
ＯＦＣ用酸化剤そのもののコストを考慮すると空気が好
ましい。ＳＯＦＣ用酸化剤の温度は、特に限定されるも
のではないが、設備コストを考慮すると室温が好まし
い。ＳＯＦＣ用酸化剤供給量は、制御装置（１６）から
の指示に基づき、ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）に
よって調節される。

【００３４】ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）から供
給されるＳＯＦＣ用酸化剤は、ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器
（１１）に送られる。ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）
は、バーナー、電気ヒーターなどを用いることができ
る。ＳＯＦＣ用酸化剤温度は、制御装置（１６）からの
指示に基づき、ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）によっ
て調節される。

【００３５】ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）を通過し
たＳＯＦＣ用酸化剤は、レキュペレータ（１０）に送ら
れる。レキュペレータ（１０）において、ＳＯＦＣ用酸
化剤と高温のＳＯＦＣの排ガスとの熱交換によって、Ｓ
ＯＦＣ用酸化剤が加熱される。レキュペレータ（１０）
は、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知の熱交
換器を用いることができ、特に限定されるものではな
い。レキュペレータ（１０）は、所望する熱交換能力に
応じて種類・規模等を決定すればよく、レキュペレータ
（１０）を通過した後のＳＯＦＣ用酸化剤の温度を、Ｓ
ＯＦＣ（１）に供給される酸化剤として好ましい温度で
ある５００〜７００℃程度とすることが好ましい。レキ
ュペレータ（１０）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤はＳ
ＯＦＣ（１）に供給される。なお、必要ない場合にはレ
キュペレータ（１０）は設けなくともよい。

【００３６】燃料供給装置（１３）から供給された燃料
と、ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）から供給された
ＳＯＦＣ用酸化剤とを用いて、ＳＯＦＣ（１）において
発電が行われる。本発明に使用されるＳＯＦＣのタイプ
は特に限定されるものでなく、円筒型ＳＯＦＣ、平面型
ＳＯＦＣなど各種ＳＯＦＣを使用することができ、使用
用途や、設置環境に応じて適宜選択できる。以下、便宜
上、円筒型ＳＯＦＣについて説明する。

【００３７】燃料供給装置（１３）から供給された燃料
は、燃料室（２）に供給され、燃料室（２）で均等分配
された燃料が円筒型ＳＯＦＣセル（７）の外側（燃料極
側）に供給される。ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）お
よび必要に応じてレキュペレータ（１０）を経由してＳ
ＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）から供給されたＳＯＦ
Ｃ用酸化剤は、空気室（４）に供給される。そして、空
気室（４）のＳＯＦＣ用酸化剤は、導入管（８）を介し
て更に加温され、円筒型ＳＯＦＣセル（７）の内側（空
気極側）に供給される。ＳＯＦＣ（１）に供給されるＳ
ＯＦＣ用酸化剤は、発電反応に必要な酸素を供給すると
同時に、円筒型燃料電池セル（７）の軸方向の温度差を
抑制し、反応室（３）内の余剰熱量を吸熱する役割を担
っている。

【００３８】円筒型ＳＯＦＣセル（７）の内側に供給さ
れた酸化剤中の酸素の一部が、酸素イオンの状態で円筒
型ＳＯＦＣセル（７）の電解質膜を通過し、円筒型ＳＯ
ＦＣセル（７）の外側の水素または一酸化炭素と化学反
応し、水蒸気または二酸化炭素を生成する。この際に、
化学エネルギーが電気エネルギーに変換され、起電力が
生じる。また、電気エネルギーに変換されなかった残り
のエネルギーは熱エネルギーとなる。

【００３９】発電に使用されなかった余剰燃料は、多孔
質状フェルト（６）を介して燃焼室（５）へ送られる。
また、余剰ＳＯＦＣ用酸化剤が燃焼室（５）へ送られ
る。余剰燃料と余剰ＳＯＦＣ用酸化剤とは燃焼室（５）
で燃焼し、高温のＳＯＦＣの排ガスが発生し、ＳＯＦＣ
（１）外部へと排出される。また、燃焼により生じた高
温のガスの熱伝達・対流伝熱・輻射伝熱等によって、燃
焼室（５）に隣接する空気室（４）内部に供給されたＳ
ＯＦＣ用酸化剤および導入管（８）を通過するＳＯＦＣ
用酸化剤が加熱される。ＳＯＦＣ（１）の定常運転が行
われている間は、ＳＯＦＣ（１）内部で発生する熱量
と、外部に放出される熱量とのバランスが保たれてお
り、ＳＯＦＣ（１）の反応温度も一定温度に維持されて
いる。

【００４０】ＳＯＦＣ（１）には、円筒型ＳＯＦＣセル
の表面温度（反応温度）を測定するＳＯＦＣセル表面温
度監視用センサー（１４）、および、空気室のＳＯＦＣ
用酸化剤温度監視用センサー（１５）が設けられてい
る。また、それらの計測信号に基づいて演算を行い、Ｓ
ＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）およびＳＯＦＣ用酸化剤
供給装置（１２）に制御指令を下す制御装置（１６）が
設けられてなる。ＳＯＦＣセル表面温度監視用センサー
（１４）、および、ＳＯＦＣ用酸化剤温度監視用センサ
ー（１５）は、従来公知のセンサーを用いることがで
き、例えば、熱電対などを用いることができる。制御装
置（１６）には、ＳＯＦＣの反応温度が一定に保たれる
ようにＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）およびＳＯＦＣ
用酸化剤供給装置（１２）を自動制御するプログラムを
組み込むことができる。

【００４１】ＳＯＦＣの発電出力が一定である状態か
ら、例えば発電出力を低下させる場合には、所望する発
電出力に応じて燃料供給装置（１３）から供給する燃料
を削減する。ＳＯＦＣ用燃料供給量を削減せずに発電出
力を低下させた場合には、燃料利用率（供給した燃料の
持つエネルギーに対して、電気エネルギーとして利用さ
れるパーセンテージ）の低下が不可避であるが、このよ
うに、発電出力に応じてＳＯＦＣ用燃料供給量を減らす
ことによって、燃料利用率の低下を防ぐことができる。
ＳＯＦＣ（１）に供給される燃料量が減少するため、電
池内部に供給される絶対エネルギー量が減少し、ＳＯＦ
Ｃ内部で発生する熱エネルギー量も減少する。

【００４２】しかし、ＳＯＦＣ内部で発生する熱エネル
ギー量が減少した場合であっても、ＳＯＦＣ（１）やハ
ウジングケース（９）等の蓄熱量、ハウジングケース
（９）からの放熱量は、発電出力変更前と殆ど変わらな
い。従って、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量やＳＯＦＣ用酸化
剤温度を制御しない場合には、ＳＯＦＣの反応温度が低
下する。即ち、ＳＯＦＣ（１）の内部を流れるＳＯＦＣ
用酸化剤の吸熱量が多くなるため、円筒型ＳＯＦＣセル
（７）の反応温度が低下し、発電反応自体が減少する。
逆に、ＳＯＦＣ内部で発生する熱エネルギー量が増大し
て円筒型ＳＯＦＣセル（７）の反応温度が上昇した場合
は、環状燃料電池の燃料極、固体電解質に致命的なダメ
ージが生じて最終的に発電不能になる。

【００４３】そこで、発電出力の変化後のＳＯＦＣ内部
で発生する熱エネルギー量を考慮して、ＳＯＦＣの反応
温度が一定になるように制御する。具体的には、ＳＯＦ
Ｃ用酸化剤温度監視用センサー（１５）によって計測さ
れる測定結果に基づき、ＳＯＦＣ反応温度を一定に保つ
のに必要なＳＯＦＣ用酸化剤供給量およびＳＯＦＣ酸化
剤温度を算出し、制御装置（１６）からＳＯＦＣ用酸化
剤供給装置（１２）およびＳＯＦＣ用酸化剤加熱装置
（１１）に指示を出す。ただし、ＳＯＦＣ用酸化剤供給
量が少なくなりすぎると、円筒型ＳＯＦＣセル（７）内
部の温度差が広がり、ＳＯＦＣ（１）による発電効率の
低下が生じる。さらに、ＳＯＦＣにおける高温部と低温
部との温度差が１００℃以上になると、ＳＯＦＣセル
（７）がダメージを受けるため、ＳＯＦＣ用酸化剤供給
量を減らし過ぎないように注意する必要がある。

【００４４】以下、図３を参照しながら、本発明のＳＯ
ＦＣの運転方法について詳細に説明する。

【００４５】図３は、ＳＯＦＣ（１）の出力を変化させ
た場合の空気室（４）の温度、酸化剤供給量および酸化
剤利用率の理想的な関係を示すグラフである。図中、
「Ｕａ」とは、酸化剤利用率（ＳＯＦＣに供給された酸
化剤のうち、発電に利用された酸化剤のパーセンテー
ジ）を意味する。ＳＯＦＣ（１）の発電出力が高い場合
には、ＳＯＦＣ内部に供給されるエネルギーの絶対量が
多くなり、かつ、化学エネルギーから電気エネルギーへ
の変換効率も若干低下するため、ＳＯＦＣ（１）におけ
る熱エネルギー量が多くなる。この場合には、ＳＯＦＣ
用酸化剤供給量を増加させることによって、ＳＯＦＣ
（１）の反応温度の上昇を抑制する。また、同時にＳＯ
ＦＣ用酸化剤加熱器（１１）の出力を下げることによっ
てＳＯＦＣ用酸化剤の温度を下げ、ＳＯＦＣの反応温度
の上昇を抑制する。ＳＯＦＣ用酸化剤の温度を下げた場
合、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量の増大に伴う酸化剤利用率
の低下を抑制する効果もある。このように、ＳＯＦＣ用
酸化剤供給量とＳＯＦＣ用酸化剤温度との双方を制御す
ることによって、いずれか単体で制御する場合よりも効
率良く、短時間でＳＯＦＣの反応温度の制御ができる。
また、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量が少ない場合には、円筒
型ＳＯＦＣセル（７）に温度勾配が生じて発電効率が低
下する恐れがあるが、本願では、双方を制御するため、
十分なＳＯＦＣ用酸化剤供給量を確保できる。

【００４６】逆に、ＳＯＦＣ（１）の発電出力が低い場
合には、ＳＯＦＣ内部に供給されるエネルギーの絶対量
が少なくなり、かつ、化学エネルギーから電気エネルギ
ーへの変換効率も若干向上するため、ＳＯＦＣ（１）に
おける熱エネルギー量が少なくなる。この場合には、円
筒型ＳＯＦＣセル（７）内部に温度が広がらない範囲で
ＳＯＦＣ用酸化剤供給量を減少させることによって、Ｓ
ＯＦＣ（１）の反応温度の低下を抑制する。また、同時
に、ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）の出力を上げるこ
とによってＳＯＦＣ用酸化剤の温度を上げ、ＳＯＦＣの
反応温度の低下を抑制する。ＳＯＦＣ（１）の発電出力
が低い場合であっても、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量とＳＯ
ＦＣ用酸化剤温度との双方を制御することによって、い
ずれか単体で制御する場合よりも効率良く、ＳＯＦＣの
反応温度の制御ができる。

【００４７】まとめると、ＳＯＦＣを高発電出力で運転
する場合には、ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（１２）の出
力は高く、ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器（１１）の出力は低
くして、低温のＳＯＦＣ用酸化剤を多量にＳＯＦＣ
（１）に供給する。酸化剤利用率は高くする。逆に、Ｓ
ＯＦＣを低発電出力で運転する場合には、ＳＯＦＣ用酸
化剤供給装置（１２）の出力は低く、ＳＯＦＣ用酸化剤
加熱器（１１）の出力は高くして、高温のＳＯＦＣ用酸
化剤をＳＯＦＣ（１）に少量供給する。酸化剤利用率は
低くする。

【００４８】ＳＯＦＣ（１）の発電によって、ＳＯＦＣ
（１）からは８００〜１０００℃程度の温度を有するＳ
ＯＦＣの排ガスが排出される。このＳＯＦＣの排ガス
を、レキュペレータ（１０）に送ることによって、ＳＯ
ＦＣのエネルギー効率を高めることができる。レキュペ
レータ（１０）を経た後も、ＳＯＦＣの排ガスは利用可
能な熱エネルギーを有している場合がある。この場合に
は排熱回収器（図示せず）を設けてコンバインドシステ
ムの更なるエネルギー効率向上を図ることができる。排
熱回収器の形態としては、水を昇温させる形態、ガスの
加熱に用いる形態など種々の形態を採用し得る。レキュ
ペレータ（１０）を経たＳＯＦＣの排ガスによって、Ｓ
ＯＦＣ用燃料の改質に用いられる水蒸気を供給する構成
としてもよく、このような改良形態も本願発明の技術的
範囲に含まれるものである。

【００４９】各装置はラインを用いて接続することがで
きる。ラインには、これらに限定されるものではない
が、耐火ライニングを施したステンレスなどの材料が使
用でき、各装置を繋ぐ配管にフランジによるボルト接合
や溶接接合により接続するとよい。

【００５０】また、ラインに弁を設けることによってガ
ス流量を制御できる。具体的には、ステンレス、ニッケ
ル合金、セラミック等の耐熱材料からなる開閉率制御の
可能なバタフライ弁などをライン中に設けうる。

【００５１】本発明のＳＯＦＣの運転方法は、上記実施
形態に限定されるものではなく、種々のＳＯＦＣシステ
ムに適用することができる。例えば、図４に示すＳＯＦ
Ｃシステムに適用することができる。図４は、燃料利用
率を高めるために、燃料リサイクル機構を採用したＳＯ
ＦＣシステムの一実施形態の概略図である。図４に示す
ＳＯＦＣシステムにおいては、円筒型ＳＯＦＣセル
（７）での発電に使用された余剰燃料が、多孔質状フェ
ルト（６）を介してリサイクル室（１７）に送られる。
リサイクル室（１７）に送られた余剰燃料の一部がエジ
ェクター（１８）によって吸引され、燃料として再度燃
料室（２）に供給される。ＳＯＦＣ（１）の出力変更幅
が大きく、余剰燃料のエジェクター（１８）による吸引
量が確保できない場合には、複数個のエジェクター（１
８）を設けて対応することができる。エジェクター（１
８）を組み合わせる際には、吸引性能の異なるエジェク
ターを組み合わせたり、同一の吸引性能を有するエジェ
クターを組み合わせたりでき、ＳＯＦＣ（１）に要求さ
れる発電性能や、ＳＯＦＣシステムの設置環境に応じて
選定すればよい。なお、図２と同一の参照番号で示した
部分については、上記説明と同様であるので、説明を省
略する。エジェクターの種類は、特に限定されるもので
はなく、各種公知のものを用いることができる。

【００５２】図５は、ＳＯＦＣ（１）内部にＮｉ系触媒
などを備えた高次予備改質器（１９）を組み込んだＳＯ
ＦＣシステムの一実施形態の概略図である。燃料供給装
置（１３）から供給された燃料は、エジェクター（１
８）によってリサイクル室（１７）から吸引された残存
燃料と混合され、高次予備改質器（１９）に供給され
る。高次予備改質器（１９）において炭素数２以上の炭
化水素系燃料が断熱改質され、断熱改質後の燃料がＳＯ
ＦＣ（１）の内部改質器に送られる。高次予備改質器
（１９）を用いる場合も、上述の説明同様、Ｓ／Ｃが
２．５以上となるように水蒸気を供給することが好まし
い。水蒸気は、余剰燃料に含まれる水蒸気で賄うことが
できる。

【００５３】

【実施例】続いて、上述の本発明の効果を以下の実施例
を用いて実証する。しかし、以下の実施形態に本発明が
限定されるものではないことは勿論である。

【００５４】＜実施例１＞円筒型ＳＯＦＣセルを備え
た、図２に示すＳＯＦＣシステムを用いて発電を試み
た。初期の発電出力を０．０８Ｗ／ｃｍ²とし、これを
発電出力０．１４Ｗ／ｃｍ²に変更した。このとき、Ｓ
ＯＦＣ用燃料供給量、ＳＯＦＣ用酸化剤（空気）供給
量、ＳＯＦＣ用酸化剤（空気）温度を調節することによ
って、ＳＯＦＣの反応温度を一定に保った。初期のＳＯ
ＦＣの反応温度は９８５℃であり、発電出力を変化させ
る過程において、ＳＯＦＣの反応温度は９８５±４℃の
範囲に保たれていた。ＳＯＦＣの出力変更に約０．５時
間を要し、ＳＯＦＣ作動状況の安定化には約１時間を要
した。すなわち、「ＳＯＦＣの出力変更＋ＳＯＦＣ作動
状況の安定化」に要した時間は、約１．５時間であっ
た。

【００５５】＜比較例１＞実施例１と同様のＳＯＦＣシ
ステムを用いて発電を試みた。初期の発電出力および出
力変更後の発電出力は、０．１４Ｗ／ｃｍ²および０．
１７Ｗ／ｃｍ²とした。このとき、ＳＯＦＣの反応温度
は約４５℃／ｈの昇温速度で１０２０℃にまで上昇し
た。ＳＯＦＣの出力変更に約１時間を要し、ＳＯＦＣ作
動状況の安定化に約４時間を要した。すなわち、「ＳＯ
ＦＣの出力変更＋ＳＯＦＣ作動状況の安定化」に要した
時間は、約５時間であった。

【００５６】

【発明の効果】上記説明した本発明の運転方法を用いる
ことによって、以下の効果が得られる。

【００５７】（１）ＳＯＦＣの反応温度を一定に保った
ままでＳＯＦＣの発電出力を変更するため、短時間でＳ
ＯＦＣの発電出力を制御できる。このため、出力制御幅
が大きい施設、夜間に発電需要が殆ど無い施設、業務用
事務所・商業施設など頻繁に出力が変更する施設へのＳ
ＯＦＣの適用促進が図れる。ＳＯＦＣをこれらの施設に
適用した場合、元来高い発電効率を有するＳＯＦＣの特
徴を利用でき、従来型の他の発電機と比較して経済的に
有利なものとなりうる。

【００５８】（２）ＳＯＦＣの反応温度を一定に保った
ままでＳＯＦＣの発電出力を変更するため、ＳＯＦＣセ
ルにおける熱サイクルを実質的に無くすことができる。
これにより、ＳＯＦＣセルの電解質膜、燃料極膜および
空気極膜に生じる損傷を抑制でき、ＳＯＦＣの長寿命化
・劣化防止を図れる。

【００５９】（３）ＳＯＦＣの発電出力を変更する際
に、ＳＯＦＣ用燃料、ＳＯＦＣ用酸化剤供給量およびＳ
ＯＦＣ用酸化剤温度のみを変化させる場合には、制御す
るパラメータが少ないためＳＯＦＣの制御が容易であ
る。また、ＳＯＦＣシステムを簡略化することができ、
設備コストを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＳＯＦＣの発電出力を変化させる際の、ＳＯ
ＦＣの反応温度とＳＯＦＣの作動状況（電流、電圧、発
電出力）との関係を示すグラフである。

【図２】 本発明の運転方法が用いられるＳＯＦＣシス
テムの一実施形態の概略図である。

【図３】 ＳＯＦＣの出力を変化させた場合の空気室の
温度、酸化剤供給量および酸化剤利用率の理想的な関係
を示すグラフである。

【図４】 燃料リサイクル機構を採用したＳＯＦＣシス
テムの一実施形態の概略図である。

【図５】 高次予備改質器を組み込んだＳＯＦＣシステ
ムの一実施形態の概略図である。

【符号の説明】

１ 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ） ２ 燃料室 ３ 反応室 ４ 空気室 ５ 燃焼室 ６ 多孔質状フェルト ７ ＳＯＦＣセル ８ 導入管 ９ ハウジングケース １０ レキュペレータ １１ ＳＯＦＣ用酸化剤加熱器 １２ ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置 １３ 燃料供給装置 １４ ＳＯＦＣセル表面温度監視用センサー １５ ＳＯＦＣ用酸化剤温度監視用センサー １６ 制御装置 １７ リサイクル室 １８ エジェクター １９ 高次予備改質器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宿利 清巳 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 篠原 善隆 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 石橋 洋一 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 黒石 正宏 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CV02 HH00 HH08 5H027 AA06 BA01 BA02 CC03 KK46

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質型燃料電池用燃料供給量を変
   化させることによって固体電解質型燃料電池の発電出力
   を変更する場合に、 固体電解質型燃料電池の反応温度Ｔが、下記式（１）： 【数１】 （式中、Ｔ₀は発電出力変更前の前記固体電解質型燃料
   電池の反応温度（℃）である）を満足するように固体電
   解質型燃料電池用酸化剤供給量および固体電解質型燃料
   電池用酸化剤温度の一方または双方を制御することを特
   徴とする固体電解質型燃料電池の運転方法。
2. 【請求項２】 前記固体電解質型燃料電池の反応温度Ｔ
   は、９００〜１０５０℃の範囲であることを特徴とする
   請求項１に記載の運転方法。