JP2010272328A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソードガスとなる外気の温度が変化したときであっても、燃料電池の発電出力を安定化させるのに有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御部１００は、カソードガスの温度が基準温度よりも上昇していること、出力相関部２００の温度が閾値温度よりも上昇していることが満足されるとき、燃料原料の流量を減少させる。制御部１００は、カソードガスの温度が基準温度よりも低下していること、出力相関部２００の温度が閾値温度よも低下していることの条件が満足されるとき、燃焼用空気の流量を減少させ、排気ガスが外部に排出させる熱量を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は固体酸化物形等の燃料電池および改質器を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、固体酸化物形の燃料電池のシステムを例にとって説明する。このシステムは、固体酸化物形の電解質膜を有する燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼用空気で燃焼させることにより改質温度領域に加熱され、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、燃料電池１および改質器を収容する筐体とを有する。このものによれば、燃料原料の性状（燃料や組成など）が異なるごとに、燃料電池の発電条件を変えるシステムが開示されている（特許文献１）。

特開２００６−４９０５６号公報

しかしながら上記したシステムといえども、カソードガスとなる外気の温度が変化したときには、燃料電池の発電出力が変動するおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、カソードガスとなる外気の温度が変化したときであっても、燃料電池の発電出力を安定化させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明者は、燃料電池のシステムについて鋭意開発を進めている。そして、燃料電池の発電出力に対して強い相関性を有する出力相関部が存在しており、外気の温度の変動があったとしても、出力相関部の温度をほぼ一定域に維持させるように燃料原料の流量または燃焼用空気の流量を調整すれば、燃料電池の発電出力を安定化させるのに有利であることを知見し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）アノードガスが供給されるアノードとカソードガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、（ｉｉ）燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼用空気で燃焼させることにより改質温度領域に加熱され、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、（ｉｉｉ）燃料電池の発電出力に対して相関性を有する出力相関部の温度を検知する第１温度センサと、（ｉｖ）燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス搬送源に吸い込まれるカソードガスの温度を検知する第２温度センサと、（ｖ）燃料電池の発電運転を制御する制御部と、（ｖｉ）燃料電池、改質器、第１温度センサおよび制御部を収容する筐体とを具備しており、
（ｖｉｉ）制御部は、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスの温度がこれの基準温度よりも上昇していることが第２温度センサで検知されること、出力相関部の温度がこれの閾値温度よりも上昇していることが第１温度センサで検知されることの条件が満足されるとき、改質器に供給する燃料原料の供給流量を減少させる燃料原料減少操作を実行することにより、出力相関部の温度の上昇を抑制する制御を実行し、
且つ、（ｖｉｉｉ）制御部は、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスの温度がこれの基準温度よりも低下していることが第２温度センサで検知されること、出力相関部の温度がこれの閾値温度よりも低下していることが第１温度センサで検知されることの条件が満足されるとき、アノードオフガスを燃焼させる燃焼用空気の供給流量を減少させる燃焼用空気減少操作を実行し、アノードオフガスおよび燃焼用空気の燃焼排気ガスが筐体の外部に排出させる熱量を抑えることにより、出力相関部の温度の低下を抑制する制御を実行する。

本発明によれば、燃料電池の作動温度が３００℃以上または４００℃以上が好ましく、燃料電池としては固体酸化物形、リン酸形、溶融炭酸塩形が挙げられる。作動温度の上限は１２００℃、１０００℃が例示される。作動温度とは、燃料電池が定格定常発電運転するときにおける電解質の温度をいう。本明細書では、特に断らない限り、流量は単位時間あたりの流量を意味し、熱量は単位時間あたりの熱量を意味する。

燃料電池システムによれば、燃料電池の発電出力に強い相関性をもつ出力相関部が存在する。出力相関部の温度は、燃料電池の発電出力に強い影響を与える。このような出力相関部としては、燃料電池の温度、燃料電池の近傍の温度が挙げられる。従って、燃料電池の発電出力を安定化させるためには、外気の温度が変化したとしても、出力相関部の温度を安定させることが好ましい。

本発明によれば、次の（ａ）および（ｂ）の双方の条件が満足されるとき、制御部は、燃料原料の供給流量を減少させる燃料原料減少操作を実行することにより、出力相関部の温度Ｔ１の上昇を抑制する制御を実行し、出力相関部の温度Ｔ１の安定化を図る。上記したように燃料原料の供給流量を減少させれば、システムにおける燃料原料の消費量が減少され、発電出力が維持されつつ、燃料コストが低減される。ここで、出力相関部の温度Ｔ１が安定化されているため、燃料電池の発電出力（発電電圧）が安定的に維持される。

（ａ）燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスの温度がこれの基準温度よりも上昇していることが第２温度センサで検知されること。（ｂ）出力相関部の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも上昇していることが第１温度センサで検知されること。

ここで、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスの温度の基準温度は、ピンポイント的な温度でも良く、温度幅を有する温度領域でも良い。カソードガスの基準温度の温度幅としては、システムに応じて適宜選択され、１〜５０℃の範囲内、２〜４０℃の範囲内、または５〜３０℃の範囲内が例示される。

出力相関部の温度Ｔ１の閾値温度は、ピンポイント的な温度でも良く、温度幅を有する温度領域でも良い。温度Ｔ１の閾値温度の温度幅としては、システムに応じて適宜選択され、１０〜１００℃の範囲内、１５〜７０℃の範囲内、または２０〜６０℃の範囲内が例示される。

本発明によれば、仮に、外気の温度の変動により、出力相関部の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも上昇したとしても、出力相関部の温度Ｔ１は所定の設定温度付近に安定的に維持されるため、燃料電池の発電出力の大きな変動は抑えられ、燃料電池の発電出力（発電電圧）は安定する。

また、次の（ｃ）および（ｄ）の双方の条件が満足されるとき、制御部は、アノードオフガスを燃焼させる燃焼用空気の供給流量を減少させる燃焼用空気減少操作を実行する。これにより、アノードオフガスおよび燃焼用空気の燃焼排気ガスが筐体の外部に排出させる熱量を抑える。この結果、出力相関部の温度の低下を抑制する制御を実行する。

（ｃ）燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスの温度がこれの基準温度よりも低下していることが第２温度センサで検知されること。（ｄ）出力相関部の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも低下していることが第１温度センサで検知されること。

これにより外気の温度の変動により、出力相関部の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも低下したとしても、燃焼用空気の排気ガスが外部に排出させる熱量が抑えられる。このため、燃料電池の温度の低下が抑えられ、出力相関部の温度Ｔ１の低下が抑制される。ひいては、出力相関部の温度Ｔ１は所定の設定温度付近に維持され、燃料電池の発電出力の大きな変動は抑制され、燃料電池の発電出力は安定する。

本発明によれば、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスとなる外気の温度が変化したときであっても、固体酸化物形等の中温作動型または高温作動型の燃料電池の発電出力を安定化させるのに有利な燃料電池システムを提供できる。

実施形態１に係り、燃料電池システムの全体を模式的に示す図である。 実施形態１に係り、燃料電池装置の概念を示す図である。 実施形態１に係り、燃料電池装置の断面図である。 実施形態２に係り、制御部が実行するフローチャートである。

本発明によれば、第２温度センサは、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス搬送源に吸い込まれるカソードガスの温度を検知する。この場合、第２温度センサは、筐体内のカソードガス（空気）の温度を検知することが好ましい。

本発明によれば、改質部に供給される燃料原料の流量としては、燃料電池のアノードにおける発電反応で使用されるアノードガスの流量と、燃焼用空間においてアノードオフガスが燃焼火炎を形成する流量とを含む流量が設定されていることが好ましい。同様に、アノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させる燃焼用空気としては、燃焼用空間における燃焼の空燃比よりも酸素を過剰に送るように燃焼用空間に供給される。また、カソードオフガスが燃焼用空気となる場合には、燃料電池に供給されるカソードガスの流量としては、燃料電池のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されていることが好ましい。

好ましくは、燃焼用空気は、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスである。カソードオフガスは、カソードガスが燃料電池で発電反応した後のガスである。従って、カソードオフガスは残留酸素を含む。アノードオフガスは、アノードガスが燃料電池で発電反応した後のガスである。従って、アノードオフガスは可燃成分を含む。

本発明の好ましい形態によれば、制御部は、燃料原料の供給流量を減少させる燃料原料減少操作を実行するとき、改質部に供給する水蒸気および／または改質水の流量を、燃料原料減少操作の実行前よりも低減させる。改質水の気化熱は大きく、改質部の温度に影響を与える。改質水の流量が低減されるので、燃料電池が過剰に冷却されることが抑えられる。ひいては、出力相関部の温度Ｔ１が過剰に低下することが抑えられる。更に、燃料原料の供給流量の減少に伴い、改質部に供給する水蒸気および／または改質水の流量も併せて低減されるため、Ｓ／Ｃの値（ｓｔｅａｍ／ｃａｒｂｏｎ）がほぼ一定域に維持される。故に、改質部におけるコーキングおよび過剰冷却等が抑制される。

本発明の好ましい形態によれば、制御部は、燃焼用空気の供給流量を減少させる燃焼用空気減少操作を実行するとき、燃焼用空気減少操作の前における燃料原料の流量を維持させる。このように燃料原料の流量が維持されるため、燃料電池に供給されるアノードガスの流量が良好に維持され、燃料電池の発電出力が良好に維持される。更にアノードオフガスの流量が維持されるため、改質器を加熱させる燃焼炎の熱量も良好に維持され、改質器における改質反応が良好に維持される。

（実施形態１）
本実施形態は、固体酸化物形の燃料電池システムに適用している。図１は固体酸化物形の燃料電池システムの概念を示す。燃料電池システムは、図１に示すように、基本的には、固体酸化物形の燃料電池１と、改質器２と、第１温度センサ１０１と、第２温度センサ１０２と、制御部１００と、筐体９とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体９の内部において、改質水系４と、燃料原料供給系５、カソードガス供給糸６、貯湯系７とを有する。なお図１および図２では、燃料電池１は模式化されて図示されている。

図２に示すように、複数の燃料電池１は、カソードガスが供給される発電室３２の通路３２ｒを介して並設されてスタックを形成している。燃料電池同士は図略の集電体により電気的に接続されている。燃料電池１は、アノードガスが流れる通路１１ｒをもつ多孔質導電部１１ｗと、燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される通路３２ｒに対面する酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５と、緻密質のコネクタ１０ｘとを有する。固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質性をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード１１は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、燃料電池１の下部には、アノードガスを燃料電池１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。

図１に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。筐体９は、筐体９の収容室９１と外気とを連通させる外気取込口９２をもつ
ホットモジュール３（発電モジュール）は筐体９の内部に収容されており、発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱部３０を有しており、断熱部３０の内部に燃料電池１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容して形成されている。ホットモジュール３では、燃料電池１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。ホットモジュール３では、燃料電池１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、燃料電池１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。燃料電池１のアノード１１から吐出されたアノードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。アノードオフガスは、燃料電池１から排出されるガスを意味し、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。カソードオフガスは未反応の酸素を含有している。

燃焼用空間２３に排出されたアノードオフガスは、カソードガスまたはカソードオフガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼用空間２３において燃焼炎２４を形成したガスは、燃焼排気ガスとなる。燃焼用空間２３における燃焼炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させる。

図１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。改質水通路４１には、貯水タンク４４、改質水ポンプ４２、給水バルブ４３が設けられている。

図１に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系等の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。燃料原料供給通路５１には、入口バルブ５２、流量計５３、脱硫器５４および燃料原料ポンプ５５が設けられている。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスを燃料電池１のカソード１２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。カソードガス供給通路６０には、除塵フィルタ６１、カソードガスポンプ６２および流量計６３が配置されている。除塵フィルタ６１は、筐体９の収容室９１に配置されている。

カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして燃料電池１の入口からカソード１２に供給される。外気取込口９２から取り込まれる外気（カソードガス）の温度を検知する第２温度センサ１０２が、筐体９の外気取込口９２付近において設けられている。第２温度センサ１０２は、燃料電池１のカソード１２に供給される前のカソードガスの温度を検知する。つまり、第２温度センサ１０２は、燃料電池１のカソード１２に供給するカソードガスポンプ６２に吸い込まれる前のカソードガス、具体的には、筐体９内のカソードガスである空気の温度、殊に、筐体９の内部のうち外気取込口９２付近のカソードガス（空気）の温度を検知するものである。外気取込口９２付近の温度は外気の温度にほぼ相応するため、実質的には、筐体９の外部の外気温度を検知する。第２温度センサ１０２が検知した信号は、制御部１００に入力される。制御部１００は、入力処理回路と、出力処理回路と、ＣＰＵと、メモリとを有する。

図１に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の搬送源）とを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、循環通路７１から熱交換器７４に供給され、熱交換器７４における燃焼排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は貯湯タンク７０に戻る。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。ホットモジュール３の近傍には熱交換器７４が設けられている。熱交換器７４は、ホットモジュール３から排出される燃焼排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。そして、熱交換器７４を流れる燃焼排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されており、燃焼排気ガスは排気通路７５を介して排気口７６から排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って燃焼排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給される。

さて、燃料電池１の発電運転の開始前には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が脱硫器５４、燃料原料供給通路５１、蒸発部２０および改質部２２を経て燃料電池１に供給され、燃料電池１を介して燃焼用空間２３に供給される。またカソードガスポンプ６２が駆動するため、カソードガス（空気）が燃料電池１のカソード１２を介して燃焼用空間２３に供給される。これにより可燃性の燃料原料が燃焼用空間２３においてカソードガス（空気）により燃焼され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼炎２４は改質部２２および蒸発部２０を高温に加熱させ、改質反応可能とさせる。

次に、燃料電池１の発電運転時には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、貯水タンク４４の改質水が改質水通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池１では、Ｈ_２他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、燃料電池１のアノード１１の入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して燃料電池１のカソード１２の入口に供給される。これにより燃料電池１は発電する。

発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃料電池１の上方の燃焼用空間２３に排出され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなり、熱交換器７４および逃がし弁７８を経て排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、貯水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。

図３はホットモジュール３内に配置されている燃料電池装置付近を示す。燃料電池装置は、燃料電池１と、燃料電池１の上側の改質器２とを有する。図２に示すように、燃料電池装置は、配置室８１をもつ基体８０と、基体８０の配置室８１に収容された燃料電池１と、燃料電池１の下部に配置されたアノードガスマニホルド１３と、基体８０の配置室８１において燃料電池１の上側に配置された改質器２と、燃料電池１の上端と改質器２の下端との間に形成された燃焼用空間２３と、燃料電池１の外側に配置された断熱材料で形成された断熱層８２と、断熱層８２の外側に配置された燃焼排気ガス通路８３と、燃焼排気ガス通路８３の外側に配置されたカソードガス通路８４とを有する。

図３に示すように、燃焼排気ガス通路８３は、改質器２および燃焼用空間２３側の入口８３ｉと、下端側に形成された出口８３ｐとをもつ。カソードガス通路８４は、縦方向に延びる第１通路８４１と、第１通路８４１の上端から横方向にのびる第２通路８４２と、第２通路８４２の先端から下方向に延びる第３通路８４３と、第３通路８４３の下端側に形成された出口８４５とをもつ。燃料電池１をこれの厚み方向に並設して形成したセル並設群１Ｗは、第３通路８４３を挟むように２組設けられている。

図３において、カソードガス（空気）は、矢印Ｃ１方向，矢印Ｃ２方向，矢印Ｃ３方向，矢印Ｃ４方向，矢印Ｃ５方向に沿って第１通路８４１、第２通路８４２および第３通路８４３を流れ、カソードガス通路８４の先端の出口８４５から燃料電池１のカソード１２の下部の入口に供給され、さらに、燃料電池１のカソード１２を上向きに通過しつつカソード１２の発電反応に使用される。発電反応後のカソードガスは、燃料電池１の上部からカソードオフガスとして燃焼用空間２３に吐出される。これに対して、アノードガスは、アノードガスマニホルド１３から燃料電池１のアノード１１を上向きに通過しつつアノード１１の発電反応に使用され、発電反応後にアノードオフガスとして燃料電池１の上部から燃焼用空間２３に吐出される。

図２は燃料電池１および改質器２付近の概念図を示す。上記したように燃料電池１のアノード１１の上部からアノードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、カソード１２から吐出されたカソードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、アノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼されて燃焼炎２４を形成し、改質部２２および蒸発部２０を加熱させる。

従って、アノードガス（燃料原料）の流量としては、燃料電池１のアノード１１における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、燃料電池１のカソード１２における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。

さて、固体酸化物形の燃料電池１を搭載するシステムによれば、定常運転における燃料電池１の作動温度は４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内である。固体酸化物形の燃料電池１の発電出力に強い相関性をもつ出力相関部２００がホットモジュール３内に存在する。このような出力相関部２００としては、燃料電池１、あるいは、燃料電池１の近傍が好ましい。具体的には、出力相関部２００は、図３において、カソードガス通路８４の第３通路８４３において出口８４５または出口８４５近傍とされていることが好ましい。出力相関部２００の温度Ｔ１は、ホットモジュール３に込み込まれた第１温度センサ１０１で検知される。第１温度センサ１０１の信号は制御部１００に入力される。

出力相関部２００の温度Ｔ１は、固体酸化物形の燃料電池１の発電出力に強い影響を与える。出力相関部２００の温度Ｔ１が＋方向にΔＴ（例えば２０℃）変動したり、−方向にΔＴ（例えば２０℃）変動したりすると、燃料電池１の発電出力は大きく変動する。従って、燃料電池１の発電出力を安定化させるためには、出力相関部２００の温度Ｔ１をできるだけ安定させることが好ましい。本実施形態は、外気の大きな温度変化があったとしても、出力相関部２００の温度Ｔ１をできるだけ安定させることにより、燃料電池１の発電出力を安定化させ、殊に発電電圧を安定化させ、燃料電池１の発電効率を高く維持することを目標とする。

本実施形態によれば、燃料電池１のカソード１２に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの基準温度Ｔsが予め設定されている。基準温度Ｔｓは、システムが設置されている環境における年間の外気の平均の温度に基づいて設定できる。

本実施形態によれば、システムの実際の運転時には、次の（ａ）および（ｂ）の双方の条件が満足されることがある。（ａ）燃料電池１のカソード１２に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃがこれの基準温度Ｔsよりも上昇していることが第２温度センサ１０２で検知されること。（ｂ）出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも上昇していることが第１温度センサ１０１で検知されることの条件が満足されること。

上記したように外気（発電反応前のカソードガスに相当する）の温度の影響を受けて、（ａ）および（ｂ）の双方の条件が満足されるときには、外気で形成されているカソードガスの温度Ｔｃの上昇が原因で、出力相関部２００の温度Ｔ１が上昇していることを意味する。この場合には、制御部１００は、出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度に維持されることを目標として、燃料原料ポンプ５５の回転数（駆動量）を低下させ、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを減少させる。これにより、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆが減少する。

従って改質部２で生成されるアノードガスの流量が低下する。ひいては燃料電池１のアノード１１から排出されて燃焼炎２４を形成するアノードオフガスの流量が減少し、燃焼炎２４の熱量が減少し、結果として、出力相関部２００の温度Ｔ１の過剰な上昇が抑制される。これにより出力相関部２００の温度Ｔ１の過剰高温化を抑え、温度Ｔ１の安定化が図られる。改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを減少させるにあたり、改質部２２に供給される水蒸気もそれに応じて減少させ、Ｓ／Ｃの値（ｓｔｅａｍ／ｃａｒｂｏｎ）をほぼ一定域に維持させることが好ましい。従って、燃料原料の供給流量Ｑｆを減少させるに伴い、改質水ポンプ４２の回転数も低下させることが好ましい。なお、本明細書においては、特に断らない限り、流量とは、単位時間あたりの流量を意味する。回転数とは単位時間あたりの回転数を意味する。

上記したように改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを減少させれば、システムにおける燃料原料の消費量が減少され、燃料コストが低減され、発電コストの低下が期待される。しかも出力相関部２００の温度Ｔ１の安定性が高いため、出力相関部２００の温度Ｔ１が大きく降下したり、大きく上昇したりすることが抑えられており、燃料電池１の発電出力（特に発電電圧）が安定的に維持される。

これにより仮に出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも上昇したとしても、出力相関部２００の温度Ｔ１は所定の設定温度付近に安定的に維持される。このため、外気温度が低下してカソードガスの温度Ｔｃが低下したとしても、燃料電池１の発電出力の大きな変動は抑えられ、燃料電池１の発電出力は安定し、発電効率が高く維持される。

また、システムの実際の運転時には、次の（ｃ）および（ｄ）の双方の条件が満足されることがある。

（ｃ）外気取込口９２から取り込まれるカソードガス（カソードガスポンプ６２および燃料電池１のカソード１２に供給される前のカソードガス）の温度がこれの基準温度Ｔsよりも低下していることが第２温度センサ１０２で検知されること。（ｄ）出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも低下していることが第１温度センサ１０１で検知されることの条件が満足されること。

このように外気（カソードガスポンプ６２に吸い込まれる前のカソードガスに相当する）の温度の影響を受けて、（ｃ）および（ｄ）の双方の条件が満足されるときには、カソードガスの温度Ｔｃの低下が原因で、出力相関部２００の温度Ｔ１が低下していることを意味する。

上記した（ｃ）および（ｄ）の双方の条件が満足されるときには、制御部１００は、燃料電池１に供給される前のカソードガス（カソードオフガスに対応し、燃焼用空気に対応する）の供給流量Ｑｃを減少させ、ひいては燃料電池１のカソード１２から吐出される発電反応後のカソードオフガスの流量を減少させる。この結果、燃焼用空間２３から排気通路７５を介して排出される燃焼排気ガス（アノードオフガスがカソードオフガスで燃焼した排ガスに相当）の流量を減少させる。

これにより燃焼排気ガスがホットモジュール３および筐体９の外部に排出させる熱量が抑えられる。この結果、燃焼排気ガスと共にシステムの外部に放出される熱量が減少し、出力相関部２００の温度Ｔ１の低下が抑制される。この場合、出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも低下しているとしても、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを増加させないことが好ましい。すなわち、制御部１００は、燃料電池１のカソード１２に供給されるカソードガス（燃焼用空気に相当）の供給流量Ｑｃを減少させて、カソード１２から吐出されるカソードオフガスつまり燃焼排気ガスが外部に排出させる熱量を抑える。これにより燃料電池１の温度の低下が抑制され、出力相関部２００の温度Ｔ１の低下が抑制される。

本実施形態によれば、上記したように出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度よりも低下したとしても、燃料電池１のカソード１２に供給されるカソードガスの流量Ｑｃが減少するため、カソードオフガスの単位時間あたり流量が減少し、ひいては燃焼排気ガスが外部に排出させる熱量が抑えられる。このため、燃料電池１の温度および出力相関部２００の温度Ｔ１の低下が抑制され、出力相関部２００の温度Ｔ１は所定の設定温度付近に維持され、燃料電池１の発電出力の大きな変動は抑制され、燃料電池１の発電出力は安定し、発電効率が高く維持される。

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。図４は制御部１００のＣＰＵが実行するフローチャートを示す。本実施形態によれば、燃料電池１のカソード１２に供給される前のカソードガスの基準温度Ｔｓとしては、システムの設置環境を考慮し、高温側の基準温度Ｔs１（例えば３５℃）と、低温側の基準温度Ｔs２（例えば２５℃）とが設定されている。第１温度センサ１０１で検知される出力相関部２００の温度Ｔ１の閾値温度Ｔｐとしては、閾値温度Ｔｐ１（例えば７００℃）と、閾値温度Ｔｐ２（例えば６５０）とが設定されている。

まず、制御部１００は、燃料電池１が定常発電運転しているか否か判定する（ステップＳ１０２）。定常発電運転であれば、第１温度センサ１０１および第２温度センサ１０２の信号を読み込む（ステップＳ１０４）。次に、制御部１００は、第１温度センサ１０１で検知したカソードガスの温度Ｔｃがこれの基準温度Ｔs１（例えば３５℃）よりも上昇しているか否か判定する。すなわち、外気で形成されるカソードガスの温度が高いか否か判定する（ステップＳ１０６）。外気であるカソードガスの温度Ｔｃがこれの基準温度Ｔs１（例えば３５℃）よりも上昇して高ければ、上記した（ａ）の条件が満足されることになり（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、第１温度センサ１０１で検知される出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度Ｔｐ１よりも上昇して高いか否か判定する（ステップＳ１０８）。出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度Ｔｐ１（例えば７００℃）よりも上昇して高ければ、上記した（ｂ）の条件が満足されることになり（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、結果として、上記した（ａ）および（ｂ）の双方の条件が満足されることになる。

この場合は、外気であるカソードガスの温度Ｔｃの上昇が原因で、出力相関部２００の温度Ｔ１が上昇していることを意味する。この場合には、制御部１００は、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを減少させる指令を出力する（ステップＳ１１０）。更に、温度Ｔ１が上昇していないときよりも燃料原料ポンプ５５の回転数Ｎｆ（駆動量）を減少させる指令を、制御部１００は出力する（ステップＳ１１２）。

これにより出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度Ｔｐ１（例えば７００℃）付近に維持され易くなる。すなわち、このように改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆが減少するため、燃料電池１のアノード１１から排出されて燃焼炎２４を形成するアノードオフガスの流量が減少する。ひいては、燃焼炎２４の熱量が減少し、結果として、出力相関部２００の温度Ｔ１の過剰な上昇が抑制される。これにより出力相関部２００の温度Ｔ１の過剰高温化を抑え、温度Ｔ１の安定化が図られる。

なお、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを減少させるにあたり、改質水ポンプ４２の回転数Ｎｗを減少させる（ステップＳ１１４）。これにより蒸発部２０に供給される改質水の流量が減少する。よって、改質部２２に供給される水および／または水蒸気の流量がそれに応じて減少する。よって、Ｓ／Ｃの値（ｓｔｅａｍ／ｃａｒｂｏｎ）がほぼ一定域に維持される。

上記した（ａ）および（ｂ）の双方が満足されていないときには、ステップＳ１２０に進み、筐体９の外気取込口９２から取り込まれる外気であるカソードガスの温度がこれの基準温度Ｔs２（例えば２５℃）よりも低下していることが第２温度センサ１０２で検知されるか否かについて、制御部１００は判定する（ステップＳ１２０）。すなわち、制御部１００は、外気の温度が低いか否かについて判定する（ステップＳ１２０）。ここで、カソードガスの温度がこれの基準温度Ｔs２（例えば２５℃）よりも低下しており、外気の温度が低ければ（ステップＳ１２０のＹＥＳ）、次に、出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度Ｔｐ２（例えば６５０℃）よりも低下していることが第１温度センサ１０１で検知されているか否かについて、制御部１００は判定する（ステップＳ１２２）。

ここで、出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度Ｔｐ２（例えば６５０℃）よりも低下していれば（ステップＳ１２２のＹＥＳ）、上記した（ｃ）および（ｄ）の双方の条件が満足されることになる。この場合には、制御部１００は、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを維持させる指令を出力する（ステップＳ１２４）。これにより燃料電池１に供給されるアノードガスの流量が維持される。この場合、蒸発部２０に供給される改質水の流量を維持すべく、制御部１００は、改質水ポンプ４２の回転数を維持させることが好ましい。よって、改質部２２に供給される水蒸気の流量も維持され、Ｓ／Ｃの値（ｓｔｅａｍ／ｃａｒｂｏｎ）がほぼ一定域に維持される。

次に、制御部１００は、カソードガスの供給流量Ｑｃを減少させる指令を出力し（ステップＳ１２６）、カソードガスポンプ６２の回転数Ｎｃを低下させる（ステップＳ１２８）。カソードガスは、発電反応後にカソードオフガスとなり、燃焼用空間２３においてアノードオフガスを燃焼させる燃焼用空気に相当する。なお、所定時間待機し（ステップＳ１３０）、ハンチングを抑える。

このようにカソードガスの流量Ｑｃが減少するため、発電反応後のカソードオフガスの流量が減少する。ひいては燃焼用空間２３から排出される燃焼排気ガスの流量が相対的に減少する。これにより燃焼排気ガスがホットモジュール３および筐体９の外部に排出させる熱量が抑えられ、出力相関部２００の温度Ｔ１の低下が抑制される。

この場合、出力相関部２００の温度Ｔ１がこれの閾値温度Ｔｐ２（例えば６５０℃）よりも低下しているとしても、制御部１００は、改質部２２に供給される燃料原料の供給流量Ｑｆを増加させないので、発電出力を維持させつつ燃料原料の消費量が抑制される。代わりに、燃料電池１のカソード１２に供給されるカソードガス（燃焼用空気に相当）の供給流量Ｑｃを減少させ、カソード１２から吐出されるカソードオフガス、つまり燃焼排気ガスが筐体９の外部に排出させる熱量が減少する。このようにして燃料電池１の発電出力の大きな変動は抑制され、燃料電池１の発電出力は安定し、発電効率が高く維持される。

（実施形態３）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。燃料電池１に供給される前のカソードガスの温度を検知する第２温度センサ１０２は、筐体９の収容室９１に設けられており、例えば、防塵フィルタ６１付近、水精製器４０付近、貯水タンク４４付近に設けられている。従って、第２温度センサ１０２で検知されるカソードガスの温度Ｔｃは、筐体９の収容室９１内の空気の温度に相当する。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池１は平板のアノード１１、カソード１２を組み付けて形成された平板並設構造であるが、これに限らず、アノード、電解質およびカソードを巻回したチューブ型でも良い。図３に示す燃料電池装置では、カソードガス通路８４の第３通路８４３を挟むように２組のセル並設群１Ｗが設けられているが、セル並設群１Ｗは１組でも良い。燃料電池の電解質は固体酸化物形に限定されず、リン酸形、溶融炭酸塩形でも良い。出力相関部２００としては、燃料電池装置の内部のカソードガス通路８４とされているが、これに限らず、アノードガスマニホルド１３でも良いし、アノード１１でも良いし、カソード１２でも良いし、ホットモジュール３の断熱部３０でも良く、ホットモジュール３内の部品でも良い。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の燃料電池システムに利用することができる。

１は燃料電池、１１はアノード、１２はカソード、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２３は燃焼用空間、２４は燃焼炎、３はホットモジュール、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水通路、４２は改質水ポンプ、４４は給水タンク、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路、５５は燃料原料ポンプ、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ、７は貯湯系、７０は貯湯タンク、７１は循環通路、７２は貯湯ポンプ、７４は熱交換器、７５は排気通路、７６は排気口、８０は基体、９は筐体、９１は収容室、９２は外気取込口、１００は制御部、１０１は第１温度センサ、１０２は第２温度センサ、２００は出力相関部を示す。

Claims (4)

1. アノードガスが供給されるアノードとカソードガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼用空気で燃焼させることにより改質温度領域に加熱され、燃料原料を改質させて前記アノードガスを生成させる改質器と、
   前記燃料電池の発電出力に対して相関性を有する出力相関部の温度を検知する第１温度センサと、
   前記燃料電池の前記カソードに前記カソードガスを供給するカソードガス搬送源に吸い込まれる前記カソードガスの温度を検知する第２温度センサと、
   前記燃料電池の発電運転を制御する制御部と、
   前記燃料電池、前記改質器、前記第１温度センサを収容する筐体とを具備しており、
   前記制御部は、前記燃料電池の前記カソードに供給される前の前記カソードガスの温度がこれの基準温度よりも上昇していることが前記第２温度センサで検知されること、前記出力相関部の温度がこれの閾値温度よりも上昇していることが前記第１温度センサで検知されることの条件が満足されるとき、前記改質器に供給する前記燃料原料の供給流量を減少させる燃料原料減少操作を実行することにより、前記出力相関部の温度の上昇を抑制する制御を実行し、且つ、
   前記制御部は、前記燃料電池の前記カソードに供給される前の前記カソードガスの温度がこれの基準温度よりも低下していることが前記第２温度センサで検知されること、前記出力相関部の温度がこれの閾値温度よりも低下していることが前記第１温度センサで検知されることの条件が満足されるとき、前記アノードオフガスを燃焼させる燃焼用空気の供給流量を減少させる燃焼用空気減少操作を実行し、前記アノードオフガスおよび前記燃焼用空気の燃焼排気ガスが前記筐体の外部に排出させる熱量を抑えることにより、前記出力相関部の温度の低下を抑制する制御を実行する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記燃焼用空気は、前記燃料電池の前記カソードから排出される発電反応後のカソードオフガスである燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記制御部は、前記燃料原料の供給流量を減少させる前記燃料原料減少操作を実行するとき、前記改質器に供給する水蒸気および／または改質水の流量を前記燃料原料減少操作の実行前よりも低減させる燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記制御部は、前記燃焼用空気の供給流量を減少させる前記燃焼用空気減少操作を実行するとき、前記燃焼用空気減少操作の前における前記燃料原料の流量を維持させる燃料電池システム。

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