JP2011076941A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールに供給する発電用空気の最適化を図ることにより、空気枯れによるセルの劣化を確実に防止すると共に、ＣＯ濃度が高まることを確実に防止する。
【解決手段】需要電力Ｐに基づいて指令電流設定部111で設定された指令電流Ｉ_sを生成できるように燃料流量調整ユニット38を制御し、生成された電力をインバータ54へ出力させる制御部110を有し、この制御部は、各時刻において燃料電池モジュール2に供給される発電用空気供給量Ａが、常に、燃料電池モジュール2からインバータ54へ出力される実発電電力Ｐ_rに対応した基準発電用空気供給量Ａ₀以上になり、且つ発電用空気供給量と基準発電用空気供給量の差である発電用空気オフセットβが指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では発電用空気余裕量が多くなるように制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料と発電用空気を反応させることにより、需要電力に基づいて可変の電力を発生する固体電解質型燃料電池に関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。

この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又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ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、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。

従来のＳＯＦＣは発電電力が一定に保たれた状態で運転されるのが一般的であったが、夜間に電気需要が殆どない施設や昼夜の電気需要が大きく変化する施設などへＳＯＦＣを設置する場合には、需要電力に応じて発電電力を変化させて負荷追従を行う必要がある。具体的には、ＳＯＦＣにおいて需要電力に応じて発電電力を変化させて負荷追従を行うには、互いが直列に接続された百数十本の複数の固定電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールの改質器に燃料、水、改質用空気を供給し、改質器で行われる水蒸気改質の量を変化させる。そして、この水蒸気改質によって発生した水素を百数十本の複数のセルに均等に供給し、発電用空気と共に発電反応を生じさせる。この際、燃料の増量や発電反応によって電気出力に見合ったセルの温度に高める必要もある。

しかしながら、従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池モジュールの改質器への燃料や水の供給遅れ、改質反応の遅れや不安定性、百数十本の複数のセル全体への燃料の供給遅れや供給斑、発電用空気が百数十本の複数のセル全体に行き渡るまでの遅れや時間斑、改質後の燃料の状態、個々のセルの特性差に起因した発電反応の遅れやセル間での発電反応の斑、セルの温度上昇の斑等、負荷追従を不安定にさせる多くの要因があり、需要電力に応じて負荷追従を迅速且つ安定に行うことが非常に難しいという問題がある。

また、従来のＳＯＦＣにおいては、上述したような負荷追従を不安定にさせる多くの要因を抱えているため、セルで実際に発電されている発電量（実発電電力）が、需要電力の負荷によってインバータで要求される電力（指令電力）に追従できず、セルの実発電電力が指令電力を下回って不足した状態となっているにもかかわらず、インバータに要求された通りの指令電力がセルから引き出されてしまうため、セルに多大なダメージを与えてしまうという問題がある。

さらに、従来のＳＯＦＣにおいては、特に、需要電力の変化が大きく不安定な状態においては、需要電力の負荷の追従性が低下し、燃料電池モジュール内の空気枯れや高濃度のＣＯが発生しやすくなるが、このような燃料電池モジュール内の空気枯れや高濃度ＣＯの発生を確実に防止するために、需要電力の負荷に対して安全性を過剰に見込んで追従を行った場合には、返ってＳＯＦＣの省エネ性能を低下させてしまうという問題もある。

一方、例えば、特許文献１には、需要電力に応じて発電電力を変化させるＳＯＦＣ等の燃料電池として、需要電力の負荷量から増減量が決定された燃料が燃料電池に供給される前に、発電用空気を先に供給することにより、燃料電池の不完全燃焼によるＣＯ排出量を低減させるものが記載されている。

特開２００８−２１０６２９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された燃料電池においては、燃料電池に供給される燃料と発電用空気との関係において、単に両者が燃料電池に供給されるタイミングのみを制御しているに過ぎず、発電用空気の供給量について燃料の増減量に対応させて最適に補正を行うものではない。
また、上述した従来の燃料電池においては、需要電力の負荷に追従させるために燃料電池モジュールに供給される燃料の供給量を変化させても、それに対応した発電用空気の供給、改質、燃焼、発電が複数の固体電解質型燃料電池セル全体で理想通りに行われているか否かは不透明である。特に、燃料電池に供給される発電用空気供給量が、燃料電池モジュールからインバータへ出力される実発電電力に対応した基準発電用空気供給量よりも少ない場合には、確実に空気枯れによって燃料電池セルの劣化が生じたり、ＣＯ濃度が高まってしまうという問題がある。さらに、燃料電池に供給される発電用空気供給量が、過剰すぎる場合には、セルを過剰に冷却してしまったり、燃料電池モジュール内の圧力の変動を生じさせてしまうという問題もある。

そこで、本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池モジュールに供給する発電用空気の最適化を図ることにより、空気枯れによるセルの劣化を確実に防止することができると共に、ＣＯ濃度が高まることを確実に防止することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料と発電用空気を反応させることにより、需要電力に基づいて可変の電力を発生する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、上記燃料電池モジュールに発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、上記燃料電池モジュールに水を供給する水供給手段と、上記燃料電池モジュールによって発電された電力を受け入れ、交流に変換するインバータと、需要電力に基づいて、上記燃料電池モジュールが発電すべき指令電力を設定する指令電力設定部と、この指令電力設定部により設定された指令電力を生成できるように上記燃料供給手段、上記発電用空気供給手段、及び、上記水供給手段を制御し、上記燃料電池モジュールにおいて生成された電力を上記インバータへ出力させる制御部と、を有し、上記制御部は、上記インバータに指令を与えて上記燃料電池モジュールから実発電電力を取り出すと共に、各時刻において上記燃料電池モジュールに供給される発電用空気供給量が、常に、その時刻における上記燃料電池モジュールから上記インバータへ出力される実発電電力に対応した基準発電用空気供給量以上になり、且つ上記発電用空気供給量と上記基準発電用空気供給量の差である発電用空気余裕量が、上記指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では上記発電用空気余裕量が多くなるように上記発電用空気供給手段を制御することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、従来の固体電解質型燃料電池では需要電力の負荷に追従させるために燃料供給手段を制御し、燃料電池モジュールに供給される燃料の供給量を変化させても、それに対応した改質用空気及び発電用空気の供給、改質、燃焼、発電が複数の固体電解質型燃料電池セル全体で理想通りに行われているか否かは不透明であるが、本発明の固体電解質型燃料電池は、各時刻において燃料電池モジュールに供給される発電用空気供給量が、常に、その時刻において燃料電池モジュールからインバータへ出力される実発電電力に対応した基準発電用空気供給量以上になるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、複数の固体電解質型燃料電池セルの各々において、空気枯れによるセルの劣化を確実に防止することができると共に、ＣＯ濃度が高まることを確実に防止することができる。また、本発明においては、発電用空気供給量と基準発電用空気供給量の差である発電用空気余裕量が、指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では発電用空気余裕量が多くなるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、例えば、指令電力の変化率が比較的小さい状態において発電用空気を燃料電池モジュールに供給する場合には、固体電解質型燃料電池セルの各々に発電用空気を過剰に供給することによるセルの過剰冷却を抑制すると共に、圧力変動の緩和を図ることができるため、セルの耐久性の低下を防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、各時刻において上記燃料電池モジュールに供給される燃料供給量が、常に、その時刻において上記燃料電池モジュールから上記インバータへ出力される実発電電力に対応した基準燃料供給量以上になり、且つ上記燃料供給量と上記基準燃料供給量の差である燃料余裕量が、上記指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では上記燃料余裕量が多くなるように上記燃料供給手段を制御すると共に、上記発電用空気余裕量が上記燃料供給量に対応させて補正されるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、各時刻において燃料電池モジュールに供給される発電用空気余裕量が、燃料供給手段から燃料電池モジュールに供給される燃料供給量に対応させて補正されるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、需要電力の負荷に追従させるために、燃料供給量と発電用空気供給量を増加補正する際にも、負荷に対して補正した実際の燃料供給量に対応させて発電用空気余裕量を補正することにより、発電反応に用いられる燃料量と発電用空気量のバランスを最適に保つことができ、空気枯れによるセルの劣化を確実に防止することができると共に、ＣＯ濃度の抑制を図ることができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記指令電力の変化率の絶対値が所定のしきい値未満となる場合には、上記発電用空気余裕量を増加させる補正を禁止し、上記指令電力の変化率の絶対値が所定のしきい値以上となる場合には、上記発電用空気余裕量を増加させる補正を行うように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力の変化率の絶対値が所定のしきい値未満となる場合には、制御部が発電用空気余裕量を増加させる補正を禁止し、指令電力の変化率の絶対値が所定のしきい値以上となる場合には、制御部が発電用空気余裕量を増加させる補正を行うように発電用空気供給手段を制御するため、需要電力の負荷変化が少なく熱自立が可能な状況では、発電用空気によるセルの冷却を抑制することにより、省エネを図ることができる。また、燃料電池モジュールに供給する発電用空気を需要電力の微小な負荷変化に追従させないことにより、燃料電池モジュールに供給する発電用空気の気流を安定させて、少ない空気でも確実にセルに供給し、空気枯れを確実に防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記所定のしきい値は、上記指令電力の変化率が正となる領域よりも負となる領域の方が小さくなるように設定されている。
このように構成された本発明においては、指令電力の変化率が負となる領域では、指令電力の変化率が正となる領域よりも、発電用空気余裕量を増加させる補正を行いやすくさせることにより、需要電力の低下により負荷の追従性が悪い燃料が発電に使われずに過剰に燃焼側に供給されてＣＯ濃度が高まるのを発電用空気で燃焼させることによって防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、各時刻において上記燃料電池モジュールに供給される水供給量が、常に、その時刻において上記燃料電池モジュールから上記インバータへ出力される実発電電力に対応した基準水供給量以上になり、且つ上記水供給量と上記基準水供給量の差である水余裕量が、上記指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では上記水余裕量が多くなるように上記水供給手段を制御し、上記基準発電用空気供給量に対する上記発電用空気余裕量の割合が、上記基準水供給量に対する上記水余裕量の割合よりも大きくなるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では水余裕量が多くなるように制御部が水供給手段を制御するため、燃料電池モジュールに供給される発電用空気を増加させることによって、モジュールの内圧が上昇すると共にモジュール内において空気の斑が生じ、モジュールに燃料を供給しにくい状況となっても、燃料を増加させると共に水の供給量を高めることにより、モジュール内における炭素析出を抑制することができる。また、基準発電用空気供給量に対する発電用空気余裕量の割合が、基準水供給量に対する水余裕量の割合よりも大きくなるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、増加させた燃料が複数のセルのうちの特定のセルのみに過剰に供給されることによるセル全体の空気枯れを確実に防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記指令電力が減少する場合の上記発電用空気余裕量の方が上記指令電力が増加する場合の上記発電用空気余裕量よりも多くなるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力が減少する場合の発電用空気余裕量の方が指令電力が増加する場合の発電用空気余裕量よりも多くなるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、需要電力の低下により負荷の追従性が悪い燃料が発電に使われずに過剰に燃焼側に供給されてＣＯ濃度が高まるのを発電用空気で燃焼させることによって防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記指令電力が増加する場合には上記発電用空気余裕量を減少させて上記指令電力の変化を抑制し、上記指令電力が減少する場合には上記発電用空気余裕量を増大させて上記指令電力の変化に対する負荷追従性を高めるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力が増加する場合には発電用空気余裕量を減少させて指令電力の変化を抑制するように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、指令電力の変化に対する負荷追従性を抑制して発電用空気の供給の安定化を図ると共に、発電用空気によってセルが過剰に冷却されるのを抑制することができ、発電効率を高めることができる。一方、指令電力が減少する場合には発電用空気余裕量を増大させて指令電力の変化に対する負荷追従性を高めるように発電用空気供給手段を制御するため、省エネを図ることができ、セルの空気枯れを確実に防止することができる。

本発明において、好ましくは、更に、上記燃料供給手段から上記燃料電池モジュールに供給される燃料量を検出する燃料検出手段を有し、上記制御部は、上記指令電力を増加させる時には上記発電用空気供給量が上記燃料供給量よりも所定時間早く増大され、上記指令電力が減少している場合には上記発電用空気供給量が上記燃料供給量よりも所定時間遅れて減少されるように上記燃料供給手段及び上記発電用空気供給手段を制御し、上記発電用空気余裕量は、上記燃料検出手段が検出した燃料量の検出値に基づいて決定される。
このように構成された本発明においては、指令電力を増加させる時には発電用空気供給量が燃料供給量よりも所定時間早く増大されるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、燃料の増量供給を行う前に、燃料電池モジュールに供給する発電用空気の気流を予め安定させて、モジュール内の圧力斑を抑制することによって燃料枯れになることを防止することができる。これらを配慮した上で、発電用空気余裕量についても燃料検出手段が検出した燃料量の検出値に基づいて決定されるため、モジュール内の空気枯れと圧力斑を確実に抑制することができる。一方、指令電力が減少させる時には発電用空気供給量が燃料供給量よりも所定時間遅れて減少されるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、燃料の減量供給の制御が開始してからセル全体にその制御結果が反映されるまでに燃料供給の遅れが生じたり、発電反応のばらつきが生じたりしても、空気枯れやＣＯ濃度の高まりを確実に防ぐことができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記指令電力の変化率の絶対値が大きい程上記発電用空気余裕量が多くなるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力の変化率の絶対値が大きい程発電用空気余裕量が多くなるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、燃料供給量を司る指令電力の変化率に対応させて発電用空気余裕量を変化させることができ、空気枯れやＣＯの発生を確実に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記指令電力を少なくとも減少させる場合には上記指令電力が減少される所定期間前に上記発電用空気余裕量を増加させるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力を少なくとも減少させる場合には指令電力が減少される所定期間前に発電用空気余裕量を増加させるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、指令電力を減少させて発電量を減少させた際に、例えば、改質状態や燃料の供給遅れ等の燃料電池の様々な状態変化に応じて最適な燃料の供給が行われず、過剰な燃料量の燃焼に伴って空燃比が燃料リッチになったり、ＣＯ濃度が高まることを抑制することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記指令電力を減少させる変化率が大きい程上記発電用空気余裕量が多くなるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、指令電力を減少させる変化率が大きい程発電用空気余裕量が多くなるように制御部が発電用空気供給手段を制御するため、指令電力の減少量に応じて発電用空気余裕量を最適にすることができ、セルの全体に発電用空気を過剰に供給することによるセルへの冷却の影響を抑制すると共に、ＣＯ濃度が異常に高まることも防止することができる。

本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池モジュールに供給する発電用空気の最適化を図ることにより、空気枯れによるセルの劣化を確実に防止することができると共に、ＣＯ濃度が高まることを確実に防止することができる。

本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の需要電力に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流に対する燃料供給量、発電用空気供給量、水供給量の推移の例を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の特性を示す図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の特性を示す図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の増加補正割合と水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の増加補正割合を比較した図である。 本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の特性を示す図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の第１実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。

改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。

このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。

次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。

空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。
また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。
なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。

これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御部１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。

つぎに、図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。

先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。

次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。

このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。

式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。

このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。

次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。

また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。

このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。

再び、図１及び図６に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、この固体電解質型燃料電池１が設置される家庭等の施設５６にインバータ５４が接続されている。この施設５６には、固体電解質型燃料電池１とは別に、家庭用電源等の商用電源５８も接続されており、商用電源５８からも施設５６に電力が供給されるようになっている。

また、図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、施設５６が必要とする需要電力Ｐ（負荷）から決定された固体電解質型燃料電池１の要求電力に基づいて、固体電解質型燃料電池１が発電すべき電流量である指令電流Ｉ_sを設定する指令電流設定部１１１を備えている。

ここで、本実施形態による固体電解質型燃料電池１が発生する電力は、住宅等の施設５６が必要とする需要電力Ｐに基づいて制御されるが、需要電力Ｐが固体電解質型燃料電池１により発生させることができる最大定格電力を超えている場合には、不足分は系統電力から供給される。したがって、需要電力Ｐから最大定格電力を超える部分を除いた電力が、固体電解質型燃料電池１に対する要求電力となる。
また、要求電力は時間的な変動が激しいため、固体電解質型燃料電池１が発生する電力がこれに完全に追従することは困難である。このため、固体電解質型燃料電池１（燃料電池モジュール２）が生成する電力は、需要電力Ｐの変動を追従可能な程度に抑制した指令電力を目標値として制御される。
さらに、燃料供給量等を指令電力に基づいて制御した場合においても、燃料電池モジュール２内で実際に電力を生成するには時間を要するので、制御部１１０がインバータ５４に指令を出すことにより燃料電池モジュール２からインバータ５４に実際に取り出される実発電電力は、指令電力に対して時間遅れがある。
なお、本実施形態においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４の出力電圧が１００Ｖ一定になるように作動するので、上述した需要電力、最大定格電力、指令電力、実発電電力は、夫々、需要電流、最大定格電流、指令電流、実発電電流に比例する。また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、形式的にこれらの電流値に基づいて制御が行われているが、固体電解質型燃料電池１は、これらの「電流」を「電力」と置き換えても同様の制御を実施することができる。

つぎに、図９は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の需要電力に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートである。ここで、図９の横軸は時間を示し、指令電流値Ｉ_sが変化する代表的な時刻をｔ１〜ｔ５で示している。一方、図９の縦軸は需要電力Ｐが設定されてからインバータ５４において実発電電力Ｐ_rの取り出しを許可するインバータ許可電流Ｉ_sinvが出力されるまでの工程（i）〜（iv）を上方から下方に向かって時系列順に示している。

まず、図９に示すように、固体電解質型燃料電池１は、施設５６が必要とする需要電力Ｐ（負荷量）が決定されると（図９の「（i）需要電力Ｐ」参照）、この需要電力Ｐに基づいて、固体電解質型燃料電池１が発電すべき電流量である指令電流Ｉ_sが指令電流設定部１１１によって設定される（図９の「（ii）指令電流Ｉ_s」参照）。

つぎに、制御部１１０は、指令電流設定部１１１で設定した指令電流Ｉ_sに基づいて、燃料流量調整ユニット３８から燃料電池モジュール２内の改質器２０に供給する燃料供給量Ｆについて、詳細は後述する所定の制御によって設定する。そして、この燃料供給量Ｆを指令電流Ｉ_sの変化に応じて増大又は減少させて、少なくとも指令電流Ｉ_sを出力できるように燃料流量調整ユニット３８を制御し、要求された負荷に追従させた燃料の供給を行う。
同時に、燃料流量センサ１３２によって燃料流量調整ユニット３８から改質器２０に実際に供給される燃料供給量の実測値である実燃料供給量Ｆ_rが検出される（図９の「（iii）実燃料供給量Ｆ_r」参照）。

つぎに、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５から燃料電池モジュール２内の燃料電池セル集合体１２に供給する発電用空気供給量Ａについて、指令電流設定部１１１で設定した指令電流Ｉ_s及び先に検出された実燃料供給量Ｆ_rに基づいて、詳細は後述する所定の制御によって設定する。
同様に、制御部１１０は、水流量調整ユニット２８から燃料電池モジュール２内の改質器２０に供給する水供給量Ｗについても、指令電流設定部１１１で設定した指令電流Ｉ_s及び先に検出された実燃料供給量Ｆ_rに基づいて、詳細は後述する所定の制御によって設定する。

つぎに、制御部１１０は、インバータ５４に実発電電力Ｐ_rの取り出しを許可するインバータ許可電流Ｉ_sinvの制御信号を送り、施設５６に供給する電力供給量を制御する。ここで、本実施形態による固体電解質型燃料電池１では、インバータ許可電流Ｉ_sinvは、通常、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ実際に出力される電流（実発電電流Ｉ_r）に相当する値となる（図９の「（iv）インバータ許可電流Ｉ_sinv」参照）。

つぎに、図１０を参照し、上述した燃料供給量Ｆの制御について詳細に説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流に対する燃料供給量、発電用空気供給量、水供給量の推移の例を示すタイムチャートである。ここで、図１０の横軸は時間を示し、縦軸は指令電流Ｉ_s、及び、電流値に換算した燃料供給量Ｆ、発電用空気供給量Ａ、及び、水供給量Ｗをそれぞれ示す。

図１０に示すように、燃料供給量Ｆは、インバータ５４へ出力される実発電電流Ｉ_rに対応した基準燃料供給量Ｆ₀に余剰の燃料供給量（以下「燃料余裕量」と呼ぶ）を燃料オフセットαとして加算して設定されるようになっている（式（４）参照）。

Ｆ＝Ｆ₀＋α （４）

ここで、基準燃料供給量Ｆ₀は、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために固体電解質型燃料電池セル８４において消費される必要燃料量と、改質器２０を改質反応が可能な温度に維持する燃焼熱を得るために燃焼室１８において燃焼される燃料量との合計燃料量であり、すなわち、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために必要な固体電解質燃料電池１のシステム全体における燃料量である。
なお、基準燃料供給量Ｆ₀については、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために固体電解質燃料電池セル８４において過不足なく消費される必要燃料量であって、燃料のすべてが余らずに発電に使用されたときに得られる電流がインバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rとなる場合の燃料量として設定されてもよい。
また、本実施形態においては、基準燃料供給量Ｆ₀に相当する電流値は、指令電流Ｉ_sから予め決定されるものであり、基準燃料供給量Ｆ₀の推移は指令電流Ｉ_sの推移に相似して変化するようになっている。
ちなみに、図１０の実線は、指令電流Ｉ_s並びに基準燃料供給量Ｆ₀（並びに詳細は後述する基準発電用空気供給量Ａ₀及び基準水供給量Ｗ₀）の推移を示し、点線は、基準燃料供給量Ｆ₀に固定オフセット部分α₁を加算した燃料量の推移を示し、一点鎖線は、基準燃料供給量Ｆ₀に燃料オフセットαを加算した全体の燃料供給量Ｆの推移を示している。ここで、図１０に一点鎖線で示す全体の燃料供給量Ｆの推移は、実燃料供給量Ｆ_rの推移とみなすこともできる。

また、例えば、需要電力Ｐが増大することによって指令電流Ｉ_sが増大し、より多くの燃料が必要となった場合に、増量された燃料が改質器２０で改質されて燃料電池モジュール２に到達するには、ある程度の時間が必要となる。そして、十分な量の燃料が供給されないうちに、インバータ５４によって、増量した燃料に対応した実発電電流Ｉ_rの取り出しを行うと、燃料電池セル８４において燃料が足りなくなる「燃料枯れ」が発生する可能性がある。そこで、本実施形態では、基準燃料供給量Ｆ₀に対して燃料オフセットαを加算することにより、燃料余裕量（燃料オフセットα）を設けて、燃料枯れを防止している。

さらに、燃料オフセットαは、常に一定の固定量である固定オフセット部分α₁と可変量の可変オフセット部分α₂を備えている。
固定オフセット部分α₁は、固体電解質型燃料電池１の燃料電池セル８４の発電効率等の個体差や指令電流Ｉ_sの増減速度等を考慮して、指令電流Ｉ_sの値や変化率にかかわらず、常に予め決定された一定量に設定されている。

一方、可変オフセット部分α₂は、固体電解質型燃料電池１の運転状態に応じて変化するように設定されており、本実施形態では、指令電流Ｉ_sの変化率ｋに応じて変化するように設定されている。
ここで、指令電流の変化率ｋとは、第１の電流である、その時刻における指令電流と、第２の電流である、過去に設定された指令電流との時間当たりの電流の変化である。本実施形態では、指令電流Ｉ_sの変化率ｋは、現在の指令電流とＩ_s、前回の指令電流Ｉ_s-1との時間当たりの変化であり、Ａ／ｓｅｃの単位で表される。
より具体的には、現在の指令電流Ｉ_sと前回の指令電流Ｉ_s-1との間の指令電流Ｉ_sの変化率ｋが正（ｋ＞０）である場合（図１０の領域Ａ、領域Ｃ、領域Ｄ参照）、可変オフセット部分α₂は、一定の所定量Ｆ₁に設定され、燃料オフセットαは、式（５）のようになる。

α＝α₁＋α₂＝α₁＋Ｆ₁ （５）

また、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが０（ｋ＝０）である場合（図１０の領域Ｂ参照）には、可変オフセット部分α₂は０に設定され、燃料オフセットαは、式（６）のようになる。

α＝α₁＋α₂＝α₁ （６）

さらに、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが負である場合、可変オフセット部分α₂は、燃料供給量Ｆが一定の減少率で減少する電流に対応する減少率で減少するように設定されている。

また、本実施形態では、指令電流Ｉ_sの変化率ｋに変化が生じた場合、例えば、指令電流Ｉ_sが一定の増加率で増加している状態（変化率ｋが正の状態）から指令電流Ｉ_sが一定となった状態（変化率ｋが０の状態）へ移行した場合には、固体電解質型燃料電池１の運転状態が過渡期であると判断して、可変オフセット部分α₂の補正（過渡補正）を行うようになっている。

さらに、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが０の状態となる場合、すなわち、指令電流Ｉ_sが前回の指令電流Ｉ_s-1と同じ値に設定される場合において、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが０となった時刻（図１０の時刻ｔ_n参照）から所定時間経過した時刻（図１０の時刻ｔ_n+1参照）までの期間については、可変オフセット部分α₂が０ではなく、所定の固定量Ｆ₁に設定され、固体電解質型燃料電池１の運転状態が過渡期にあるときの燃料枯れを防止することができるようになっている。

また、指令電流Ｉ_sが所定値以上減少した場合には、前回の燃料供給量Ｆを所定時間（図１０の時刻ｔ_n+s〜ｔ_n+3及び時刻ｔ_n+5〜ｔ_n+6参照）維持する補正を行うように設定されている。このように指令電流Ｉ_sが比較的急激に減少する場合には、次の指令電流Ｉ_s+1が急激に上昇する場合がある。そこで、このように前回の燃料供給量Ｆを所定時間維持するように設定することにより、次回の指令電流Ｉ_s+1が急激に上昇（回復）してより多くの燃料を必要とする場合でも、燃料電池セル８４において燃料枯れになるのを防止することができるようになっている。

さらに、時刻ｔ_n+2及びｔ_n+5のそれぞれにおいて指令電流Ｉ_sが減少した後、再び一定の増加率で増加しており（図１０の領域Ｃ及び領域Ｄ参照）、燃料供給量Ｆが、時刻ｔ_n+4及びｔ_n+7でそれぞれの指令電流Ｉ_sに対応する基準燃料供給量Ｆ₀に一定の固定オフセット部分α₁と一定の可変オフセット部分α₂とを加算した量に達するまで、一定の減少率で減少する（図１０の時刻ｔ_n+3〜ｔ_n+4及び時刻ｔ_n+6〜ｔ_n+7参照）。

つぎに、図１０を参照し、発電用空気供給量Ａの制御について詳細に説明する。
図１０に示すように、発電用空気供給量Ａは、インバータ５４へ出力される実発電電流Ｉ_rに対応した基準発電用空気供給量Ａ₀に余剰の発電用空気供給量（以下「発電用空気余裕量」と呼ぶ）を発電用空気オフセットβとして加算して設定されるようになっている（式（７）参照）。

Ａ＝Ａ₀＋β （７）

ここで、基準発電用空気供給量Ａ₀は、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために固体電解質型燃料電池セル８４において消費される必要発電用空気量と、改質器２０を改質反応が可能な温度に維持する燃焼熱を得るために燃焼室１８において燃焼される発電用空気量との合計発電用空気量であり、すなわち、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために必要な固体電解質燃料電池１のシステム全体における発電用空気量である。
なお、基準発電用空気供給量Ａ₀については、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために固体電解質燃料電池セル８４において過不足なく消費される必要発電用空気量であって、発電用空気のすべてが余らずに発電に使用されたときに得られる電流がインバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rとなる場合の発電用空気量として設定されてもよい。
また、本実施形態においては、基準発電用空気供給量Ａ₀に相当する電流値は、指令電流Ｉ_sから予め決定されるものであり、基準発電用空気供給量Ａ₀の推移は指令電流Ｉ_sの推移に相似して変化するようになっている。

ちなみに、基準発電用空気供給量Ａ₀に相当する電流値の推移は、図１０に実線で示す指令電流Ｉ_s並びに基準燃料供給量Ｆ₀（並びに詳細は後述する基準水供給量Ｗ₀）の推移と等しくなっている。
また、図１０に示す点線は、基準発電用空気供給量Ａ₀に発電用空気オフセットβを加算した、全体の発電用空気供給量Ａの推移を示している。

また、例えば、需要電力Ｐが増大することによって指令電流Ｉ_sが増大し、より多くの発電用空気が必要となった場合に、増量された発電用空気が燃料電池モジュール２内の１６０本の燃料電池セル８４の各々に均一に供給されるまでには、ある程度の時間が必要となる。そして、十分な量の発電用空気が供給されないうちに、インバータ５４によって、増量した発電用空気に対応した実発電電流Ｉ_rの取り出しを行うと、燃料電池セル８４において発電用空気が足りなくなる、いわゆる「空気枯れ」が発生し、セルの劣化やＣＯ濃度の上昇につながる可能性がある。そこで、本実施形態では、各時刻における全体の発電用空気供給量Ａに相当する電流値が少なくとも実燃料供給量Ｆ_rの電流値以上となるように、基準発電用空気供給量Ａ₀に対して発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）を加算することにより、空気枯れを防止している。

さらに、発電用空気オフセットβは、実燃料供給量Ｆ_rと基準燃料供給量Ｆ₀との差である燃料オフセットαに対応した可変オフセット部分β₁、及び、実燃料供給量Ｆ_rに応じて変化させる可変オフセット部分β₂を備えている。
すなわち、可変オフセット部分β₁は、電流値に換算した量においては、燃料オフセットαと等しくなり、燃料オフセットαの可変オフセット部分α₂が指令電流Ｉ_sの変化率ｋに応じて変化する分だけ可変となる。

一方、可変オフセット部分β₂は、各時刻における全体の発電用空気供給量Ａに相当する電流値が少なくとも実燃料供給量Ｆ_rの電流値以上となるように、実燃料供給量Ｆ_rの電流値に加算するものであり、指令電流Ｉ_sの変化率ｋに応じて変化するように設定されている。

図１１は、本実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の特性を示す図である。
ここで、図１１の横軸は指令電流Ｉ_sの変化率ｋを示し、縦軸は発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂を示している。

図１１に示すように、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが正となる領域において発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が変化するときの指令電流の変化率ｋの所定のしきい値をｋ１とし、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが負となる領域において発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が変化するときの指令電流の変化率ｋの所定のしきい値の大きさをｋ２（ｋ２＜ｋ１）とすると、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ２よりも大きく、ｋ１未満となる領域では、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が零となる。
すなわち、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ２よりも大きく、ｋ１未満となる領域ではβ₂を零にすることにより、発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂を増加させる補正を禁止するように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御している。

一方、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂は、指令電流Ｉ_sの変化率ｋがｋ１以上となる領域ではｂ１（ｂ１＞０）となり、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ２以下となる領域ではｂ２（ｂ２＞ｂ１）となるように設定されている。
すなわち、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ２以下となる負の領域においては、指令電流Ｉ_sの変化率ｋがｋ１以上となる正の領域に比べて発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂をより多く増加させる補正を行うように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御している。
さらに、負の領域の指令電流Ｉ_sの変化率ｋのしきい値の大きさｋ２を正の領域指令電流Ｉ_sの変化率ｋのしきい値の大きさｋ１よりも小さく設定することにより、指令電流Ｉ_sが減少傾向にある場合には、指令電流Ｉ_sが増加傾向にある場合に比べて発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂を増加させる補正を行いやすくさせるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御している。

つぎに、図１０を参照し、水供給量Ｗの制御について詳細に説明する。
図１０に示すように、水供給量Ｗは、インバータ５４へ出力される実発電電流Ｉ_rに対応した基準水供給量Ｗ₀に余剰の水供給量（以下「水余裕量」と呼ぶ）を水オフセットγとして加算して設定されるようになっている（式（８）参照）。

Ｗ＝Ｗ₀＋γ （８）

ここで、基準水供給量Ｗ₀は、インバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rを得るために改質器２０で行われる水蒸気改質において過不足なく消費される必要水量であり、水の全てが余らずに発電に使用されたときに得られる電流がインバータ許可電流Ｉ_sinvまたは実発電電流Ｉ_rとなる場合の水量である。また、基準水供給量Ｗ₀に相当する電流値は、指令電流Ｉ_sから予め決定されるものであり、基準水供給量Ｗ₀の推移は指令電流Ｉ_sの推移に相似して変化するようになっている。

ちなみに、基準水供給量Ｗ₀に相当する電流値の推移は、図１０に実線で示す指令電流Ｉ_s、基準燃料供給量Ｆ₀並びに基準発電用空気供給量Ａ₀の推移と等しくなっている。
また、図１０に示す二点鎖線は、基準水供給量Ｗ₀に水オフセットγを加算した、全体の水供給量Ｗの推移を示している。

また、例えば、需要電力Ｐが増大することによって指令電流Ｉ_sが増大し、改質器２０に供給すべきより多くの水が必要となった場合に、需要電力Ｐの負荷に追従させる際に、改質器２０内において燃料及び水蒸気の斑や圧力変化が発電量を大きく変化させてしまい、改質器２０内の特定箇所で炭素が析出してしまうため、安定的な発電を長期的に亘って行うことができなくなる可能性がある。そこで、本実施形態では、各時刻における全体の水供給量Ｗに相当する電流値が少なくとも実燃料供給量Ｆ_rの電流値以上となるように、基準水供給量Ｗ₀に対して水オフセットγ（水余裕量）を加算することにより、改質器２０内で発生する炭素析出を防止している。

さらに、水オフセットγは、実燃料供給量Ｆ_rと基準燃料供給量Ｆ₀との差である燃料オフセットαに対応した可変オフセット部分γ₁、及び、実燃料供給量Ｆ_rに応じて変化させる可変オフセット部分γ₂を備えている。
すなわち、可変オフセット部分γ₁は、電流値に換算した量においては、燃料オフセットαと等しくなり、燃料オフセットαの可変オフセット部分α₂が指令電流Ｉ_sの変化率ｋに応じて変化する分だけ可変となる。

一方、可変オフセット部分γ₂は、各時刻における全体の水供給量Ｗに相当する電流値が少なくとも実燃料供給量Ｆ_rの電流値以上となるように、実燃料供給量Ｆ_rの電流値に加算するものであり、指令電流Ｉ_sの変化率ｋに応じて変化するように設定されている。

図１２は、本実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の特性を示す図である。
ここで、図１１の横軸は指令電流Ｉ_sの変化率ｋを示し、縦軸は水オフセットγの可変オフセット部分γ₂を示している。

図１２に示すように、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが正となる領域において水オフセットγの可変オフセット部分γ₂が変化するときの指令電流の変化率ｋの所定のしきい値をｋ３とし、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが負となる領域において水オフセットγの可変オフセット部分γ₂が変化するときの指令電流Ｉ_sの変化率ｋの所定のしきい値の大きさをｋ４（ｋ４＞ｋ３）とすると、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ４よりも大きく、ｋ３未満となる領域（−ｋ４＜ｋ＜ｋ３）では、水オフセットγの可変オフセット部分γ₂が零となる。
すなわち、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ４よりも大きく、ｋ３未満となる領域ではγ₂を零にすることにより、水オフセットγ（水余裕量）の可変オフセット部分γ₂を増加させる補正を禁止するように制御部１１０が水流量調整ユニット２８を制御している。

一方、水オフセットγの可変オフセット部分γ₂は、指令電流Ｉ_sの変化率ｋがｋ３以上となる領域ではｃ１（ｃ１＞０）となり、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ４以下となる領域ではｃ２（０＜ｃ２＜ｃ１）となるように設定されている。
すなわち、指令電流Ｉ_sの変化率ｋがｋ３以上となる正の領域においては、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ４以下となる負の領域に比べて水オフセットγ（水余裕量）の可変オフセット部分γ₂をより多く増加させる補正を行うように制御部１１０が水流量調整ユニット２８を制御している。
さらに、正の領域の指令電流Ｉ_sの変化率ｋのしきい値ｋ３を負の領域指令電流Ｉ_sの変化率ｋのしきい値の大きさｋ４よりも小さく設定することにより、指令電流Ｉ_sが増加傾向にある場合には、指令電流Ｉ_sが減少傾向にある場合に比べて水オフセットγ（水余裕量）の可変オフセット部分γ₂を増加させる補正を行いやすくさせるように制御部１１０が水流量調整ユニット２８を制御している。

つぎに、図１３は、本実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の増加補正割合と水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の増加補正割合とを比較した図である。
ここで、図１３の横軸は指令電流Ｉ_sの変化率ｋを示し、縦軸は発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の増加補正割合（β₂／Ａ₀）及び水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の増加補正割合（γ₂／Ｗ₀）をそれぞれ示している。
なお、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の増加補正割合（β₂／Ａ₀）は、基準発電用空気供給量Ａ₀に対する発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂の割合を意味しており、水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の増加補正割合（γ₂／Ｗ₀）は、基準水供給量Ｗ₀に対する水オフセットγ（水余裕量）の可変オフセット部分γ₂の割合を意味している。

図１３に示すように、指令電流Ｉ_sの変化率ｋがｋ１以上となる正の領域、及び、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ２以下となる負の領域においては、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の増加補正割合（β₂／Ａ₀）が水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の増加補正割合（γ₂／Ｗ₀）よりも大きくなるように設定されている。

再び、図１０の点Ｐ１〜点Ｐ３に示すように、需要電力Ｐ（負荷量）の増加に伴って指令電流Ｉ_sが増加した際、水、発電用空気、及び、燃料について増量供給を開始する点をそれぞれ点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３とすると、まず、点Ｐ１において制御部１１０が水流量調整ユニット２８を制御し、水の増量供給が開始された後、所定時間経過した点Ｐ２において制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御し、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂による発電用空気の増量供給が開始される。
つぎに、点Ｐ２から所定時間経過した点Ｐ３において制御部１１０が燃料流量調整ユニット３８を制御し、燃料の増量供給が開始される。
すなわち、需要電力Ｐ（負荷量）の増加に伴って指令電流Ｉ_sが増加した際には、水、発電用空気、燃料が順次所定の時間遅れで増量供給される。

また、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが０となった時刻（図１０の時刻ｔ_n参照）から所定時間経過した時刻（図１０の時刻ｔ_n+1参照）までの期間においては、燃料オフセットαの可変オフセット部分α₂、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂、及び、水オフセットγの可変オフセット部分γ₂がいずれも０ではなく、それぞれの可変オフセット部分α₂、β₂、γ₂が所定の固定量Ｆ１、Ａ１、Ｗ１に設定され、固体電解質型燃料電池１の運転状態が過渡期にあるときの、燃料枯れ、空気枯れ、及び、改質器２０内における炭素析出の発生を防止することができるようになっている。
そして、図１０の点Ｐ４〜点Ｐ６に示すように、時刻ｔ_n+1で燃料オフセットαの可変オフセット部分α₂、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂、及び、水オフセットγの可変オフセット部分γ₂が共に減量され、その後、それぞれが０に達した時点をそれぞれ点Ｐ４、点Ｐ５、点Ｐ６とすると、まず、点Ｐ４において制御部１１０が燃料流量調整ユニット３８を制御し、燃料オフセットαの可変オフセット部分α₂の減量供給を停止する。
その後、点Ｐ４から所定時間経過した点Ｐ５において制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御し、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の減量供給を停止する。
つぎに、点Ｐ５から所定時間経過した点Ｐ６において制御部１１０が水流量調整ユニット２８を制御し、水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の減量供給を停止する。
すなわち、需要電力Ｐ（負荷量）の減少に伴って指令電流Ｉ_sが減少した際には、燃料、発電用空気、水が順次所定の時間遅れで減量供給される。

また、点Ｐ１１〜点Ｐ１３についても、点Ｐ４〜点Ｐ６と同様に、時刻ｔ_n+6〜ｔ_n+7にかけて燃料の減量供給、発電用空気の減量供給、水の減量供給が順次所定の時間遅れで一定の減少率で行われた後、点Ｐ１１で燃料の減量停止、点Ｐ１２で発電用空気の減量停止、点Ｐ１３で水の減量停止が順次所定の時間遅れで行われる。

つぎに、図１０に示すように、指令電流Ｉ_sが減少する時刻ｔ_n+2における発電用空気供給量Ａを示す点をＰ８とし、この点Ｐ８から所定時間前に発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂を０から増量させるときの発電用空気供給量Ａを示す点をＰ７とすると、制御部１１０は、時刻ｔ_n+2で減少した指令電流Ｉ_sが出力される所定時間前の点Ｐ７において、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂を０から所定値（β₂＝ｂ３）まで増量させた後、時刻ｔ_n+3まで発電用空気供給量Ａを一定量に維持するように発電用空気流量調整ユニット４５を制御した後、燃料電池モジュール２において生成された実発電電力Ｐ_rの取り出しを許可するインバータ許可電流Ｉ_sinvをインバータ５４へ出力させるようになっている。

同様に、指令電流Ｉ_sが減少する時刻ｔ_n+5における発電用空気供給量Ａを示す点をＰ１０とし、この点Ｐ１０から所定時間前に発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂を所定値（β₂＝ｂ４）から増量させるときの発電用空気供給量Ａを示す点をＰ９とすると、制御部１１０は、時刻ｔ_n+5で減少した指令電流Ｉ_sが出力される所定時間前の点Ｐ９において、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂を第１の所定値（β₂＝ｂ４）から第２の所定値（β₂＝ｂ５（＞ｂ４））まで増量させた後、時刻ｔ_n+6まで発電用空気供給量Ａを一定量に維持するように発電用空気流量調整ユニット４５を制御するようになっている。

つぎに、図１０に示すように、時刻ｔ_n+5における指令電流Ｉ_sの減少量ΔＩ_s２は、時刻ｔ_n+2における指令電流Ｉ_sの減少量ΔＩ_s１よりも大きくなっている。
また、点Ｐ９〜点Ｐ１０において増量される発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂は、点Ｐ７〜点Ｐ８において増量される発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂（β₂＝ｂ３）よりも大きくなっている。
すなわち、制御部１１０は、指令電流Ｉ_sの減少量ΔＩ_sが大きい程、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が多くなるように発電用空気流量調整ユニット４５を制御するようになっている。

上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、各時刻において燃料電池モジュール２に供給される発電用空気供給量Ａが、常に、その時刻において燃料電池モジュール２からインバータ５４へ出力される実発電電流Ｉ_rに対応した基準発電用空気供給量Ａ₀以上になるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、複数の固体電解質型燃料電池セル８４の各々において、空気枯れによるセルの劣化を確実に防止することができると共に、ＣＯ濃度が高まることを確実に防止することができる。また、発電用空気供給量Ａと基準発電用空気供給量Ａ₀の差である発電用空気余裕量（発電用空気オフセットβ）が、指令電流設定部１１１により設定された指令電流Ｉ_sの変化に応じて変化し、この指令電流Ｉ_sの変化率ｋの大きさが小さい状態に比べて大きい状態では発電用空気余裕量（発電用空気オフセットβ）が多くなるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、例えば、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが比較的小さい状態において発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する場合には、複数の固体電解質型燃料電池セル８４の各々に発電用空気を過剰に供給することによるセルの過剰冷却を抑制すると共に、圧力変動の緩和を図ることができ、セルの耐久性の低下を防止することができる。

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、各時刻において燃料電池モジュール２に供給される発電用空気余裕量（発電用空気オフセットβ）が、燃料流量調整ユニット３８から燃料電池モジュール２に実際に供給される実燃料供給量Ｆ_rに対応させて補正されるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、需要電力Ｐの負荷に追従させるために、燃料供給量Ａと発電用空気供給量Ａを増加補正する際にも、発電反応に用いられる燃料量と発電用空気量のバランスを最適に保つことができ、空気枯れによる固体電解質型燃料電池セル８４の劣化を確実に防止することができると共に、ＣＯ濃度の抑制を図ることができる。

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、指令電流Ｉ_sの変化率ｋの大きさが所定のしきい値未満となる場合には、制御部１１０が発電用空気余裕量（発電用空気オフセットβ）を増加させる補正を禁止し、指令電流Ｉ_sの変化率ｋの大きさが所定のしきい値以上となる場合には、制御部１１０が発電用空気余裕量（発電用空気オフセットβ）を増加させる補正を行うように発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、需要電力Ｐの負荷変化が少なく熱自立が可能な状況では、発電用空気による固体電解質型燃料電池セル８４の冷却を抑制することにより、省エネを図ることができる。また、燃料電池モジュール２に供給する発電用空気を需要電力Ｐの微小な負荷変化に追従させないことにより、燃料電池モジュール２に供給する発電用空気の気流を安定させて、少ない空気でも確実にセルに供給し、空気枯れを確実に防止することができる。

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、負の領域の指令電流Ｉ_sの変化率ｋのしきい値の大きさｋ２を正の領域の指令電流Ｉ_sの変化率ｋのしきい値の大きさｋ１よりも小さく設定することにより、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが負となる領域では、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが正となる領域よりも、発電用空気余裕量（発電用空気オフセットβ）を増加させる補正を行いやすくさせるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、需要電力Ｐの低下により負荷の追従性が悪い燃料が発電に使われずに過剰に燃焼側に供給されてＣＯ濃度が高まるのを発電用空気で燃焼させることによって防止することができる。

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、指令電流Ｉ_sの変化率ｋの大きさが小さい状態に比べて大きい状態では水余裕量（水オフセットγ）が多くなるように制御部１１０が水流量調整ユニット２８を制御するため、燃料電池モジュール２に供給される発電用空気を増加させることによって、燃料電池モジュール２内の圧力が上昇すると共に燃料電池モジュール２内において発電用空気の斑が生じ、燃料電池モジュール２に燃料を供給しにくい状況となっても、燃料を増加させると共に水供給量Ｗを高めることにより、改質器２０内における炭素析出を抑制することができる。また、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の増加補正割合（β₂／Ａ₀）が水オフセットγの可変オフセット部分γ₂の増加補正割合（γ₂／Ｗ₀）よりも大きくなるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５及び水流量調整ユニット２８を制御するため、増加させた燃料が複数の固体電解質型燃料電池セル８４のうちの特定のセルのみに過剰に供給されることによるセル全体の空気枯れを確実に防止することができる。

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが−ｋ２以下となる負の領域においては、指令電流Ｉ_sの変化率ｋがｋ１以上となる正の領域に比べて発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂をより多く増加させる補正を行うように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御しているため、需要電力Ｐの低下により負荷の追従性が悪い燃料が発電に使われずに過剰に燃焼側に供給されてＣＯ濃度が高まるのを発電用空気で燃焼させることによって防止することができる。

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、指令電流Ｉ_sが増加する場合には発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の増加補正を抑制して指令電流Ｉ_sの変化を抑制するように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御しているため、指令電流Ｉ_sの変化に対する負荷追従性を抑制して発電用空気の供給の安定化を図ると共に、発電用空気によって固体電解質型燃料電池セル８４が過剰に冷却されるのを抑制することができ、発電効率を高めることができる。一方、指令電流Ｉ_sが減少する場合には発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の増加補正を増大させて指令電流Ｉ_sの変化に対する負荷追従性を高めるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、省エネを図ることができ、固体電解質型燃料電池セル８４の空気枯れを確実に防止することができる。

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、指令電流Ｉ_sが増加している場合には発電用空気の増量供給が燃料の増量供給よりも所定時間早めて行われるように制御部１１０が燃料流量調整ユニット３８及び発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、燃料の増量供給を行う前に、燃料電池モジュール２に供給する発電用空気の気流を予め安定させて、燃料電池モジュール２内の圧力斑を抑制することによって燃料枯れになることを防止することができる。さらに、これらを配慮した上で、発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）についても燃料電池モジュール２に実際に供給される実燃料供給量Ｆ_rに対応させて決定されるため、燃料電池モジュール２内の空気枯れと圧力斑を確実に抑制することができる。一方、指令電流Ｉ_sが減少している場合には発電用空気の減量供給が燃料の減量供給よりも所定時間遅れて行われるように、制御部１１０が燃料流量調整ユニット３８及び発電用空気流量調整ユニット４５を制御するため、燃料の減量供給の制御が開始してから複数の固体電解質型燃料電池セル８４全体にその制御結果が反映されるまでに燃料供給の遅れが生じたり、発電反応のばらつきが生じたりしても、空気枯れやＣＯ濃度の高まりを確実に防ぐことができる。

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、図１０の点Ｐ７〜点Ｐ１０に示すように、指令電流Ｉ_sが減少する場合には指令電流Ｉ_sが出力される所定期間前（図１０の点Ｐ７及び点Ｐ９参照）に発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）を増加させるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御した後、燃料電池モジュール２において生成された実発電電力Ｐ_rの取り出しを許可するインバータ許可電流Ｉ_sinvをインバータ５４へ出力させる。したがって、指令電流Ｉ_sを減少させて発電量を減少させた際に、例えば、改質状態や燃料の供給遅れ等の燃料電池の様々な状態変化に応じて最適な燃料の供給が行われず、過剰な燃料量の燃焼に伴って空燃比が燃料リッチになったり、ＣＯ濃度が高まることを抑制することができる。

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、指令電流Ｉ_sの減少量ΔＩ_sが大きい程、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が多くなるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御しているため、指令電流Ｉ_sの減少量Δに応じて発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）を最適にすることができ、複数の固体電解質型燃料電池セル８４の全体に発電用空気を過剰に供給することによる固体電解質型燃料電池セル８４への冷却の影響を抑制すると共に、ＣＯ濃度が異常に高まることも防止することができる。

なお、上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、図１１に示すような指令電流Ｉ_sの変化率ｋに対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の特性を備えた形態について説明しているが、図１１に示す特性以外のものについても適用可能である。
図１４は、本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池における指令電流の変化率に対する発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂の特性を示す図であり、図１４の横軸は指令電流Ｉ_sの変化率ｋを示し、縦軸は発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂を示している。

図１４に示すように、指令電流Ｉ_sの変化率ｋが正となる領域と負となる領域のそれぞれの領域において、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が変化するときの指令電流Ｉ_sの変化率ｋの所定のしきい値を複数設定することにより、発電用空気オフセットβの可変オフセット部分β₂が各のしきい値毎に多段階に変化するように設定し、指令電流Ｉ_sの変化率ｋの大きさが大きい程、発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂が多くなるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するようにしてもよい。
上述した本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料供給量Ｆを司る指令電流Ｉ_sの変化率ｋに対応させて発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂を変化させることができ、燃料電池モジュール２の空気枯れやＣＯの発生を確実に抑制することができる。

また、上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、需要電力Ｐの負荷に追従させる際に、基準燃料供給量Ｆ₀に余剰の燃料供給量として、燃料オフセットα（燃料余裕量）を加算し、この燃料オフセットαが固定オフセット部分α₁と可変量の可変オフセット部分α₂を備えた形態について説明したが、燃料オフセットαについては、できるだけ小さく設定できることが望ましく、燃料枯れをすることなく理想的な負荷追従を行うことができるものであれば、燃料オフセットαの固定オフセット部分α₁を０にしてもよい。

さらに、上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、図１０の点Ｐ７〜点Ｐ１０に示すように、指令電流Ｉ_sが減少する場合に指令電流Ｉ_sが出力される所定期間前（図１０の点Ｐ７及び点Ｐ９参照）に発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂を増加させるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御する形態について説明したが、このような形態に限定されず、指令電流Ｉ_sが増加する場合に指令電流Ｉ_sが出力される所定期間前についても、発電用空気オフセットβ（発電用空気余裕量）の可変オフセット部分β₂を増加させるように制御部１１０が発電用空気流量調整ユニット４５を制御するようにしてもよい。

また、上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、燃料余裕量α、発電用空気余裕量β、水余裕量γのそれぞれが指令電流のＩ_s変化率ｋに応じて変化するように設定されているが、このような形態に限定されず、指令電力の変化率に応じて変化するように設定されていてもよい。この場合には、指令電力の変化率の単位は例えばＷ／ｓｅｃで表される。

１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
５６ 施設
５８ 商用電源
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１１１ 指令電流設定部
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 報知装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ
１５０ 外気温度センサ

Claims (11)

1. 燃料と発電用空気を反応させることにより、需要電力に基づいて可変の電力を発生する固体電解質型燃料電池であって、
   複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
   上記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
   上記燃料電池モジュールに発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
   上記燃料電池モジュールに水を供給する水供給手段と、
   上記燃料電池モジュールによって発電された電力を受け入れ、交流に変換するインバータと、
   需要電力に基づいて、上記燃料電池モジュールが発電すべき指令電力を設定する指令電力設定部と、
   この指令電力設定部により設定された指令電力を生成できるように上記燃料供給手段、上記発電用空気供給手段、及び、上記水供給手段を制御し、上記燃料電池モジュールにおいて生成された電力を上記インバータへ出力させる制御部と、を有し、
   上記制御部は、上記インバータに指令を与えて上記燃料電池モジュールから実発電電力を取り出すと共に、各時刻において上記燃料電池モジュールに供給される発電用空気供給量が、常に、その時刻における上記燃料電池モジュールから上記インバータへ出力される実発電電力に対応した基準発電用空気供給量以上になり、且つ上記発電用空気供給量と上記基準発電用空気供給量の差である発電用空気余裕量が、上記指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では上記発電用空気余裕量が多くなるように上記発電用空気供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 上記制御部は、各時刻において上記燃料電池モジュールに供給される燃料供給量が、常に、その時刻において上記燃料電池モジュールから上記インバータへ出力される実発電電力に対応した基準燃料供給量以上になり、且つ上記燃料供給量と上記基準燃料供給量の差である燃料余裕量が、上記指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では上記燃料余裕量が多くなるように上記燃料供給手段を制御すると共に、上記発電用空気余裕量が上記燃料供給量に対応させて補正されるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
3. 上記制御部は、上記指令電力の変化率の絶対値が所定のしきい値未満となる場合には、上記発電用空気余裕量を増加させる補正を禁止し、上記指令電力の変化率の絶対値が所定のしきい値以上となる場合には、上記発電用空気余裕量を増加させる補正を行うように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 上記所定のしきい値は、上記指令電力の変化率が正となる領域よりも負となる領域の方が小さくなるように設定されている請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
5. 上記制御部は、各時刻において上記燃料電池モジュールに供給される水供給量が、常に、その時刻において上記燃料電池モジュールから上記インバータへ出力される実発電電力に対応した基準水供給量以上になり、且つ上記水供給量と上記基準水供給量の差である水余裕量が、上記指令電力設定部により設定された指令電力の変化に応じて変化し、この指令電力の変化率の絶対値が小さい状態に比べて大きい状態では上記水余裕量が多くなるように上記水供給手段を制御し、上記基準発電用空気供給量に対する上記発電用空気余裕量の割合が、上記基準水供給量に対する上記水余裕量の割合よりも大きくなるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
6. 上記制御部は、上記指令電力が減少する場合の上記発電用空気余裕量の方が上記指令電力が増加する場合の上記発電用空気余裕量よりも多くなるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
7. 上記制御部は、上記指令電力が増加する場合には上記発電用空気余裕量を減少させて上記指令電力の変化を抑制し、上記指令電力が減少する場合には上記発電用空気余裕量を増大させて上記指令電力の変化に対する負荷追従性を高めるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
8. 更に、上記燃料供給手段から上記燃料電池モジュールに供給される燃料量を検出する燃料検出手段を有し、上記制御部は、上記指令電力を増加させる時には上記発電用空気供給量が上記燃料供給量よりも所定時間早く増大され、上記指令電力が減少させる時には上記発電用空気供給量が上記燃料供給量よりも所定時間遅れて減少されるように上記燃料供給手段及び上記発電用空気供給手段を制御し、上記発電用空気余裕量は、上記燃料検出手段が検出した燃料量の検出値に基づいて決定される請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
9. 上記制御部は、上記指令電力の変化率の絶対値が大きい程上記発電用空気余裕量が多くなるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
10. 上記制御部は、上記指令電力を少なくとも減少させる場合には上記指令電力が減少される所定期間前に上記発電用空気余裕量を増加させるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
11. 上記制御部は、上記指令電力を減少させる変化率が大きい程上記発電用空気余裕量が多くなるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項１０記載の固体電解質型燃料電池。

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