JP2012134031A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各ＳＯＦＣモジュールの劣化の度合いの均一化を実現できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。
【解決手段】出力が低下したＳＯＦＣユニット１ｂは、その出力が低下した要因に合わせて運転が制御される。これにより、そのＳＯＦＣユニット１ｂの劣化の進行を防ぐことが可能となるので、結果として、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの劣化の度合いの均一化を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells）を備えた燃料電池システムに関するものである。

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、電解質を空気極と呼ばれる陽極と燃料極と呼ばれる陰極とで挟んだ単セルを用いて酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池である。

このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子型や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形などがある。このうち、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であるが、発電効率が４５％以上と高効率である。このため、固体酸化物形燃料電池は、オフィスビルや発電所への用途などに期待されている。そこで、実用的な出力を得るために、複数の単セルを設けた構造（以下、「ＳＯＦＣモジュール」と言う。）を複数設けたエネルギーシステムが提案されている。

このエネルギーシステムは、ＳＯＦＣモジュールと、このＳＯＦＣモジュールに供給する燃料を改質する改質器と、ＳＯＦＣモジュールから出力される直流電流を用いて直流電流または交流電流を供給する給電器と、ＳＯＦＣモジュールに供給する燃料や空気の流量を制御するユニット制御装置とから構成されるＳＯＦＣユニットを複数設け、これらのＳＯＦＣユニットの運転を運転制御装置によって制御するものである。このように、ＳＯＦＣユニットを複数設けて、負荷に応じて各ＳＯＦＣユニットの運転を制御することにより、所望する出力の供給を実現している。

上述したようなエネルギーシステムでは、経年変化などによってＳＯＦＣモジュールが劣化して出力が低下するので、実用的な出力を維持するためには、出力が低下したＳＯＦＣモジュールの交換が不可欠である。このとき、各ＳＯＦＣモジュールの運転時間に差があると、ＳＯＦＣモジュールの劣化状態にも差が出てくる。すると、出力が所定の基準を下回ったＳＯＦＣモジュールが発生する度にこのＳＯＦＣモジュールの交換を行わなければならないので、この交換の効率が悪く、高コストとなっていた。もし、各ＳＯＦＣモジュールの劣化の度合いが均一化できるのであれば、交換を同時に行えるので、低コスト化を実現することができる。そこで、各ＳＯＦＣモジュールの運転時間の平準化を図ることにより、各ＳＯＦＣモジュールの劣化の度合いを均一にするエネルギーシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１７８８７７号公報

しかしながら、ＳＯＦＣモジュールの劣化は、単純な経年変化によって生じるものではなく、例えば、出力変動などによる温度変化で発生する応力によってＳＯＦＣモジュールの構成材料が変形したり、高出力での長時間運転などによってＳＯＦＣモジュールの構成材料間で元素の拡散や化学反応が発生してＳＯＦＣモジュールの構成材料の性質が変化したりすることによって生じるものである。このため、特許文献１のように運転時間を平準化しただけでは、各ＳＯＦＣモジュールの劣化の度合いを均一化できるとは限らない。

そこで、本願発明は、各ＳＯＦＣモジュールの劣化の度合いの均一化を実現できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池と、各固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態を検出する検出部と、この検出部により検出された固体酸化物形燃料電池の出力を比較する比較部と、この比較部により、１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、当該１の固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態に基づいて当該１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因を推定する推定部と、この推定部により推定された劣化要因に基づいて、１の固体酸化物形燃料電池の運転状態の制御モードを設定する設定部と、制御モードに基づいて、各固体酸化物形燃料電池の運転を制御する運転制御部とを備えることを特徴とするものである。ここで、出力とは、燃料電池の出力電力、出力電圧、出力電流等を意味する。また、発電状態とは、例えば燃料電池の各単セル出力のばらつきや局所的な電気抵抗といった空間的な分布を持った電気的特性、電池温度、および、上述した記出力などを意味する。

上記固体酸化物形燃料電池において、推定部は、比較部により、１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、１の固体酸化物形燃料電池の運転状態を所定の運転状態で所定時間維持し、所定の運転状態を維持する間から維持した後における１の固体酸化物形燃料電池および他の固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態に基づいて、１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因を推定するようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池の運転状態は、少なくとも、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量が第１の値である高出力運転、または、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量が第１の値よりも少ない第２の値である低出力運転が行われ、維持部は、１の固体酸化物形燃料電池を高出力運転させるようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、設定部は、比較部により１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出された第２の時刻における他の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_a ²、第２の時刻における１の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_b ²、第２の時刻から所定時間経過した第３の時刻における他の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_a ³、第３の時刻における１の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_b ³、第２の時刻から所定時間遡った第１の時刻における他の固体酸化物形燃料の出力をＶ_a ¹、第１の時刻における１の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_b ¹とし、Δ¹＝Ｖ_a ¹−Ｖ_b ¹、Δ²＝Ｖ_a ²−Ｖ_b ²、Δ³＝Ｖ_a ³−Ｖ_b ³としたときに、Δ²−Δ¹＞Δ³−Δ²を満たす場合、１の固体酸化物形燃料電池の制御モードを常に高出力運転を行う高出力モードに設定し、Δ²−Δ¹≦Δ³−Δ²を満たす場合、１の固体酸化物形燃料電池の制御モードを高出力運転が行われる時間が低出力運転が行われる時間よりも少ない高出力抑制モードに設定するようにしてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池と、各固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態を検出する検出ステップと、この検出ステップにより検出された固体酸化物形燃料電池の出力を比較する比較ステップと、この比較ステップにより、１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、当該１の固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態に基づいて当該１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因を推定する推定ステップと、この推定ステップにより推定された劣化要因に基づいて、１の固体酸化物形燃料電池の運転状態の制御モードを設定する設定ステップと、制御モードに基づいて、各固体酸化物形燃料電池の運転を制御する運転制御ステップとを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、１の固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態に基づいてこの１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因が推定され、この推定された劣化要因に基づいて１の固体酸化物形燃料電池の制御モードが設定され、この制御モードに基づいて各固体酸化物形燃料電池の運転状態が制御されるので、１の固体酸化物形燃料電池の劣化の進行を妨げることが可能となるので、結果として、各固体酸化物形燃料電池の劣化の度合いの均一化を図ることができる。

図１は、本発明に係るエネルギーシステムの構成を模式的に示す図である。 図２は、ＳＯＦＣユニットの構成を示すブロック図である。 図３は、運転制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明に係るエネルギーシステムの動作を説明するフローチャートである。 図５は、ＳＯＦＣユニットの出力低下を推定する際のＳＯＦＣユニットの運転モードの推移を説明するための図である。 図６は、ＳＯＦＣユニットの出力低下が機械的要因のときのＳＯＦＣユニットの運転モードの推移を説明するための図である。 図７は、ＳＯＦＣユニットの出力低下が化学的要因のときのＳＯＦＣユニットの運転モードの推移を説明するための図である。 図８は、ＳＯＦＣユニットを運転モードに応じてグループ化した状態を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜エネルギーシステムの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係るエネルギーシステムは、それぞれ同一の構成を有する複数のＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎと、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎそれぞれの運転を制御する運転制御装置２と、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎから出力される電力を消費する電力負荷３とから構成される。ここで、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎと運転制御装置２とは、公知の通信回線４を介して互いに接続されている。

≪ＳＯＦＣユニットの構成≫
図２に示すように、ＳＯＦＣユニット１ａは、外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を制御する制御弁１１と、この制御弁１１を介して供給される燃料ガスを改質する改質器１２と、制御弁１１を介して供給される酸化剤ガスと改質器１２により改質された燃料ガスとを用いて発電するＳＯＦＣモジュール１３と、このＳＯＦＣモジュールにより発電された電力を変換する電力変換器１４と、ＳＯＦＣユニット１ａの動作を制御するユニット制御装置１５とから構成される。なお、ＳＯＦＣユニット１ｂ〜１ｎについては、ＳＯＦＣユニット１ａと同一の構成を有するので、説明を省略する。

制御弁１１は、ユニット制御装置１５の指示に基づいて、外部から供給される水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスをＳＯＦＣユニット１ａ内部に送出する流量を制御する。

改質器１２は、制御弁１１を介して外部から供給される燃料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する。この改質された燃料ガスは、ＳＯＦＣモジュール１３に送出される。

ＳＯＦＣモジュール１３は、複数の単セルを備えた公知の固体酸化物形燃料電池から構成される。具体的には、電解質を空気極と呼ばれる陽極および燃料極と呼ばれる陰極で挟んだ複数の単セル、この複数の単セルを収容するとともに制御弁１１から供給される酸化剤ガスを空気極に、改質器１２から供給される燃料ガスを燃料極に選択的に供給し、かつ、隣り合う単セルを電気的に接続するインターコネクタ、各単セルで生成された電力を取り出して電力変換器１４に送出する集電部などから構成される。

このようなＳＯＦＣモジュール１３は、各単セルを収容し、所定の温度下において空気極に酸化剤ガス、燃料極に燃料ガスを供給すると、空気極および燃料極と電解質との界面で電気化学反応が発生する。このような状態で、空気極と燃料極とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。

変換器１４は、ＳＯＦＣモジュール１３から出力される直流電流を用いて、ＳＯＦＣモジュール１３から出力される直流電流を、直流電流または交流電流に変換する。この変換された電流は、電力負荷３に供給される。

ユニット制御装置１５は、運転制御装置２からの制御信号に基づいて、制御弁１１の開度を制御することにより、ＳＯＦＣユニット１ａから出力される電力を制御する。また、ユニット制御装置１５は、ＳＯＦＣモジュール１３から変換器１４に入力される電力値を検出し、この電力値を運転制御装置２に送出する。

このような構成を有するＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎは、「高出力運転」および「低出力運転」という２つの運転状態で運転される。ここで、「高出力運転」とは、出力電力の値が低出力運転よりも高い運転状態のことを意味しており、ＳＯＦＣモジュール１３に低出力運転の場合よりも多くの燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることによって実現される。「低出力運転」とは、出力電力の値が高出力運転よりも低い運転状態のことを意味しており、ＳＯＦＣモジュール１３に高出力運転の場合よりも少ない燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることによって実現される。

≪運転制御装置の構成≫
図３に示すように、運転制御装置２は、Ｉ／Ｆ部２１と、計時部２２と、主制御部２３と、記憶部２４とから構成される。

Ｉ／Ｆ部２１は、通信回線４に接続されており、主制御部２３の指示に基づいて、通信回線４を介してＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎと各種信号のやりとりを行う機能部である。

計時部２２は、主制御部２３の指示に基づいて時間の経過を計時する機能部である。

主制御部２３は、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転を制御する運転部２３ａと、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの出力を含む発電状態を検出する検出部２３ｂと、この検出部２３ｂによる検出結果を比較する比較部２３ｃと、この比較部２３ｃによる比較結果に基づいて出力が低下したＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの後述する運転モードを所定の運転モードで所定時間維持させる維持部２３ｄと、この維持部２３ｂにより運転モードが所定の運転モードとされたＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの出力が低下した要因を推定する推定部２３ｅと、この推定部２３ｅの推定結果に基づいてＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モードを設定する設定部２３ｆとを備えた機能部である。

ここで、運転部２３ａは、Ｉ／Ｆ部２１を介してＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎに対して制御信号を送出して、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転状態を制御することにより、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎにより電力負荷３が必要とする電力量を発電させる。このとき、運転部２３ａは、記憶部２４に記憶された各ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モード（制御モード）に従って、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転状態を制御する。ここで、運転モードとは、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転状態である「高出力運転」および「低出力運転」の使い分けを示すものであり、本実施の形態では、「高出力モード」、「高出力抑制モード」および「通常モード」という３つの運転モードが設定されている。このうち、「高出力モード」では、常に高出力運転が行われる。また、「高出力抑制モード」では、主に低出力運転が行われ、高出力運転を行う時間が低出力運転を行う時間よりも少なくされる。さらに、「通常モード」では、高出力運転と低出力運転とが適宜自由に変更される。

検出部２３ｂは、Ｉ／Ｆ部２１を介してＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの出力を含む発電状態を検出する。このＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの出力を含む発電状態の検出は、計時部２２により計時される時間に基づいて、所定時間間隔で行われる。この検出した出力を含む発電状態は、検出した時刻とともに記憶部２４に記憶される。ここで、「出力」とは、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎに含まれるＳＯＦＣモジュール１３による出力電力、出力電圧、出力電流等を意味する。また、「発電状態」とは、例えば各単セル出力のばらつきや局所的な電気抵抗といった空間的な分布を持った電気的特性、電池温度、および、上記出力などを意味する。

比較部２３ｃは、検出部２３ｂにより検出されたＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの出力と、他のＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの出力とを比較する。

維持部２３ｄは、比較部２３ｃによる比較結果により、他のＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎよりも出力が低下したＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎが検出されると、このＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モードを高出力モードで所定時間維持させる。なお、他のＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎよりも出力が低下していないＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎについては、維持部２３ｄは、運転モードを通常モードに設定する。このように維持部２３ｄによって設定された運転モードは、記憶部２４に記憶される。

推定部２３ｅは、設定部２３ｆとともに設定部として機能し、維持部２３ｄによって運転モードが高出力モードで所定時間維持されたＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎについて、その高出力モードに変更された前後の出力を含む発電状態に基づいて出力が低下した要因を推定する。本実施の形態では、その要因が機械的要因と化学的要因の何れであるかを推定する。ここで、機械的要因とは、出力低下が、出力変動などによる温度変化で発生する応力によってＳＯＦＣモジュールの構成材料が変形することに起因するとしたものである。また、化学的要因とは、出力低下が、高出力での長時間運転などによってＳＯＦＣモジュールの構成材料間で元素の拡散や化学反応が発生してＳＯＦＣモジュールの構成材料の性質が変化することに起因するとしたものである。このような推定部２３ｅによる推定結果は、設定部２３ｆに送出される。

設定部２３ｆは、維持部２３ｄによって運転モードが高出力モードに変更されたＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モードを再設定する。具体的には、推定結果が機械的要因の場合、設定部２３ｆは、そのＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モードを高出力モードに設定する。一方、推定結果が化学的要因の場合、設定部２３ｆは、そのＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モードを高出力抑制モードに設定する。

記憶部２４は、運転制御装置２による動作に必要な各種情報を記憶する機能部である。例えば、各ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの運転モード、主制御部２３の検出部２３ｂによる検出結果、維持部２３ｄにおいて他のＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎよりも出力が低下したＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎを検出する際の閾値などが記憶される。

このような運転制御装置２は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ／Ｆ装置と、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）またはＦＥＤ（Field Emission Display）等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述したＩ／Ｆ部２１、計時部２２、主制御部２３および記憶部２４が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。

＜エネルギーシステムの動作＞
次に、図４を参照して、本実施の形態に係るエネルギーシステムの動作について説明する。便宜上、以下においては、エネルギーシステムが２台のＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂを有する場合を例に説明する。なお、本発明は、２台より多くのＳＯＦＣユニットを有する場合にも適用できることは言うまでもない。

まず、駆動制御装置２は、主制御部２３の運転部２３ａにより、記憶部２４に記憶されている運転モードに従ってＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの運転を制御しているものとする。このような状態において、主制御部２３の検出部２３ｂは、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力を含む発電状態を検出する（ステップＳ１）。この出力を含む発電状態の検出は、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂのユニット制御装置１５からＳＯＦＣモジュール１３の出力を含む発電状態の値を受信することにより実現される。また、このような出力を含む発電状態の検出は、所定時間間隔で行われる。さらに、検出部２３ｂによる検出結果は、記憶部２４に記憶される。

ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力が検出されると、主制御部２３の比較部２３ｃは、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力を比較する（ステップＳ２）。具体的には、比較部２３ｃは、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力差を検出する。なお、ＳＯＦＣユニットが３つ以上の場合には、例えば、全てのＳＯＦＣユニットの出力の平均値と、各ＳＯＦＣユニットの出力との出力差を検出するようにすればよい。

ＳＯＦＣユニット１ａとＳＯＦＣユニット１ｂとの出力差が検出されると、運転制御装置２の維持部２４ｄは、その出力差が記憶部２４に記憶された所定の範囲内にあるか否かを確認する（ステップＳ３）。

出力差が所定の範囲内である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、維持部２４ｄは、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの運転モードを通常モードに設定し（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。これにより、直前まで高出力モードまたは高出力抑制モードに設定されていたＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂは、それらの運転モードが設定されることにより他のＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂと劣化の度合いが平準化され、出力差が所定の範囲内になると、運転モードが通常モードに変更されることとなる。また、通常モードに設定されていたＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂについては、通常モードが維持される。このように通常モードに設定されたＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂは、運転部２３ａにより、ステップＳ１の処理が行われるまで通常モードに従って運転状態が制御される。

一方、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力差が所定の範囲内ではない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、維持部２３ｄは、出力が低い方のＳＯＦＣユニットの運転モードを高出力モードとし、この運転モードを所定時間維持させる（ステップＳ４）。以下においては、ＳＯＦＣユニット１ｂの出力が低下した場合を例に説明する。

すなわち、図５に示すように、時刻ｔ₂においてＳＯＦＣユニット１ｂの出力の低下が検出されると、維持部２３ｄは、時刻ｔ₂から所定時間経過した時刻ｔ₃までＳＯＦＣユニット１ｂの運転モードを高出力モードに変更し、このＳＯＦＣユニット１ｂを高出力運転させる。このとき、出力の低下が検出されていないＳＯＦＣユニット１ａについては、通常モードで運転される。なお、図５および後述する図６，図７において、上段は出力の低下が生じていないＳＯＦＣユニット１ａの運転状態の遷移、下段は出力の低下が生じたＳＯＦＣユニット１ｂの運転状態の遷移を示している。また、図５〜図７における「高」という文字は高出力運転、「低」という文字は低出力運転を示している。

ＳＯＦＣユニット１ｂを高出力モードで所定時間運転させると、検出部２３ｂは、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力を含む発電状態を検出する（ステップＳ５）。

ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力を含む発電状態が検出されると、推定部２３ｅは、ＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの出力を含む発電状態を比較することにより、ＳＯＦＣユニット１ｂの出力が低下した要因が機械的要因および化学的要因の何れであるかを推定する（ステップＳ６）。この推定方法について、以下に説明する。

まず、図５に示すように、ＳＯＦＣユニット１ｂの出力の検出した時刻を時刻ｔ₂、ＳＯＦＣユニット１ｂを高出力モードでの所定時間の運転が終了した時刻を時刻ｔ₃、時刻ｔ₂からその所定時間だけ遡った時刻を時刻ｔ₁とする。このような場合において、ＳＯＦＣユニット１ａにおける、時刻ｔ₁のときの出力をＶ_a ¹，時刻ｔ₂のときの出力をＶ_a ²，時刻ｔ₃のときの出力をＶ_a ³とする。また、ＳＯＦＣユニット１ｂにおける、時刻ｔ₁のときの出力をＶ_b ¹，時刻ｔ₂のときの出力をＶ_b ²，時刻ｔ₃のときの出力をＶ_b ³とする。そして、Δ¹＝Ｖ_a ¹−Ｖ_b ¹、Δ²＝Ｖ_a ²−Ｖ_b ²、Δ³＝Ｖ_a ³−Ｖ_b ³としたとき、下式（１）を満たす場合には機械的要因、下式（２）を満たす場合には化学的要因により、ＳＯＦＣユニット１ｂの出力が低下したと推定する。なお、上述したＳＯＦＣユニット１ａ，１ｂの各時刻における出力の値のうち過去の値については、記憶部２４から取得することができる。

Δ²−Δ¹＞Δ³−Δ² ・・・（１）
Δ²−Δ¹≦Δ³−Δ² ・・・（２）

上述したように、ＳＯＦＣモジュールが劣化する要因には、出力変動に伴う温度変化に起因する機械的要因と、長時間の高出力運転による構成材料間での元素の拡散や化学反応に起因する化学的要因がある。そこで、本実施の形態では、出力が低下したＳＯＦＣユニット１ｂを高出力モードで所定時間運転させた後、出力が低下していない場合（上式（１））には、長時間の高出力運転が出力低下の要因ではないので、機械的要因により出力が低下したと判断する。一方、出力が低下している場合（上式（２））には、長時間の高出力運転が出力低下の要因なので、化学的要因により出力が低下したと判断する。

上述したような方法により、ＳＯＦＣユニット１ｂの出力低下の要因が機械的要因と推定された場合（ステップＳ６：機械的要因）、設定部２３ｆは、ＳＯＦＣユニット１ｂの運転モードを高出力モードに設定する（ステップＳ７）。すると、運転部２３ａは、ＳＯＦＣユニット１ｂの運転を高出力モードに従って制御するので、ＳＯＦＣユニット１ｂは高出力運転されることとなる。上述したように、機械的要因の場合は、出力変動が主な要因であるから、さらに出力変動が起こるような運転を行うと、劣化が促進してしまう。そこで、図６に示すように、時刻ｔ₃以降、ＳＯＦＣユニット１ｂは常に高出力運転が行われる。このとき、ＳＯＦＣユニット１ａについては、通常モードで運転される。これにより、ＳＯＦＣユニット１ｂにおいて、出力変動がなくなるので、劣化が促進するのを防ぐことができる。

一方、ＳＯＦＣユニット１ｂの出力低下の要因が化学的要因と推定された場合（ステップＳ６：化学的要因）、設定部２３ｆは、ＳＯＦＣユニット１ｂの運転モードを高出力抑制モードに設定する（ステップＳ８）。すると、運転部２３ａは、ＳＯＦＣユニット１ｂの運転を高出力抑制モードに従って制御するので、ＳＯＦＣユニット１ｂは、主に低出力運転が行われる。上述したように、化学的要因の場合は、構成材料間での元素の拡散や化学反応が主な要因であるから、さらに高出力モードでの運転を継続すると、劣化が促進してしまう。そこで、図７に示すように、時刻ｔ₃以降は、ＳＯＦＣユニット１ｂが高出力運転される時間が少なくなるよう、主に低出力運転が行われる。このとき、ＳＯＦＣユニット１ａについては、通常モードで運転される。これにより、ＳＯＦＣユニット１ｂにおいて、高出力モードでの運転時間が短くなり、構成材料間での元素の拡散や化学反応が妨げられるので、劣化が促進するのを防ぐことができる。

このように、本実施の形態によれば、出力が低下したＳＯＦＣユニット１ｂについて、その出力が低下した要因に合わせて運転を制御することにより、そのＳＯＦＣユニット１ｂの劣化の進行を防ぐことが可能となるので、結果として、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの劣化の度合いの均一化を図ることができる。また、これにより、メンテナンスを効率的に行うことができ、結果として、低コスト化を実現することもできる。

上述したような方法により、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎは、高出力運転と低出力運転とを適宜切り替える通常モードで運転が制御される通常モードグループと、高出力モードで運転が制御される高出力モードグループと、高出力抑制モードで運転が制御される高出力抑制グループという３つのグループの何れかに属して運転されることとなる。なお、高出力モードグループおよび高出力抑制モードグループに属するＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎのうち、さらに出力が低下したＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎについては、常に低出力運転が行われる運転モード（以下、「低出力モード」と言う。）で制御されるグループ（以下、「低出力グループ」と言う。）に属させて、他のＳＯＦＣユニットと異なる運転を行うようにしてもよい。この場合について図８を参照して以下に説明する。

図８に示すように、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎは、通常モードグループ３１、高出力モードグループ３２、高出力抑制モードグループ３３、および、低出力グループ３４の４つのグループの何れかに配属される。

通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットは、通常モードに従って運転状態が制御される。このような通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットにおいて、この通常モードグループ３１に属する他のＳＯＦＣユニットとの出力差が所定の値（以下、「第１の値」と言う。）よりも大きくなったＳＯＦＣユニットは、図８中の矢印ａ，ｂで示すように、上述した図４に示した処理によって推定された劣化要因に応じて高出力モードグループ３２または高出力抑制モードグループ３３に配属される。

高出力モードグループ３２に属するＳＯＦＣユニットは、高出力モードに従って運転状態が制御されるので、常に高出力運転が行われることとなる。このような高出力モードグループ３２に属するＳＯＦＣユニットのうち、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第１の値内となったＳＯＦＣユニットは、図８中の矢印ｃで示すように、通常モードグループ３１に配属されることとなる。また、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第１の値より大きく、かつ、この第１の値よりも大きな第２の値内であるＳＯＦＣユニットは、高出力モードグループ３２への配属が継続される。また、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第２の値よりも大きいＳＯＦＣユニットは、図８中の符号ｄで示すように、低出力グループ３４に配属される。

高出力抑制モードグループ３３に属するＳＯＦＣユニットは、高出力抑制モードに従って運転状態が制御されるので、主に低出力運転が行われることとなる。このような高出力抑制モードグループ３３に属するＳＯＦＣユニットのうち、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第１の値内となったＳＯＦＣユニットは、図８中の符号ｅで示すように、通常モードグループ３１に配属される。また、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第１の値より大きく、第２の値内であるＳＯＦＣユニットは、高出力抑制モードグループ３３への配属が継続される。また、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第２の値よりも大きいＳＯＦＣユニットは、図８中の符号ｆで示すように、低出力グループ３４に配属される。

低出力グループ３４に属するＳＯＦＣユニットは、低出力モードに従って運転状態が制御されるので、常に低出力運転が行われることとなる。このような低出力グループ３４に配属されているＳＯＦＣユニットのうち、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第１の値内となったＳＯＦＣユニットは、図８中の符号ｇで示すように、通常モードグループ３１に配属される。一方、通常モードグループ３１に属するＳＯＦＣユニットとの出力差が第１の値より大きいＳＯＦＣユニットは、低出力グループ３４への配属が継続される。

このような構成を採ることにより、出力が低下したＳＯＦＣユニットについて、出力が低下した要因およびその度合いに応じて運転が制御されるので、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎの劣化の度合いの均一化をより精細に図ることができる。

なお、本実施の形態においては、ＳＯＦＣユニットが劣化した要因として、機械的要因および化学的要因を推定する場合に例に説明したが、劣化の要因はこれらに限定されず、ＳＯＦＣユニットの運転状態や運転モードを切り替えることによりＳＯＦＣユニットの劣化の標準化を図れる場合には、各種要因に適用できることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、ＳＯＦＣユニットの運転を高出力運転と低出力運転という２つの運転状態で制御する場合を例に説明したが、ＳＯＦＣユニットの運転状態はこの２つの限定されず、例えば、さらに多段的な運転状態を設定したり、運転停止状態を設定したりするなど、適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態では、出力が低下したＳＯＦＣユニットについて、高出力モード、高出力抑制モードまたは低出力モードで運転する場合を例に説明したが、ＳＯＦＣユニット内部の電力負荷を賄う最低限の発電を行うとともに、ＳＯＦＣモジュールの温度をある程度高い状態とするホットスタンバイという運転モードをさらに備えるようにしてもよい。このホットスタンバイは、例えば、電力負荷３が要求する電力量が小さかったりするときなどに設定することができる。

さらに、本実施の形態では、出力が低下したＳＯＦＣユニットが検出されると、このＳＯＦＣユニットの運転モードを高出力モードで所定時間維持させることにより、そのＳＯＦＣユニットの劣化要因を推定する場合を例に説明したが、劣化要因を推定する方法はこれに限定されず、出力を含む発電状態により適宜自由に設定することができる。例えば、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎにおいて、ＳＯＦＣモジュール１３の局所的な電気抵抗を測定する測定機器をさらに設け、この測定機器の測定結果により機械的要因を検出するようにしてもよい。この場合、推定部２３ｅは、その測定機器の検出結果に基づいて、ＳＯＦＣユニット１ａ〜１ｎが劣化要因が機械的要因であるか否かを推定する。これにより、維持部２３ｄを設けなくても、劣化要因の推定が可能となる。

本発明は、複数の燃料電池を備えるエネルギーシステムに適用することができる。

１ａ〜１ｎ…ＳＯＦＣユニット、２…運転制御装置、３…電力負荷、４…通信回線、１１…制御弁、１２…改質器、１３…ＳＯＦＣモジュール、１４…電力変換器、１５…ユニット制御装置、２１…Ｉ／Ｆ部、２２…計時部、２３…主制御部、２３ａ…運転部、２３ｂ…検出部、２３ｃ…比較部、２３ｄ…維持部、２３ｅ…推定部、２３ｆ…設定部、２４…記憶部、３１…通常モードグループ、３２…高出力モードグループ、３３…高出力抑制モードグループ、３４…低出力グループ。

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池と、
   各前記固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態を検出する検出部と、
   この検出部により検出された前記固体酸化物形燃料電池の出力を比較する比較部と、
   この比較部により、１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、当該１の固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態に基づいて当該１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因を推定する推定部と、
   この推定部により推定された劣化要因に基づいて、前記１の固体酸化物形燃料電池の運転状態の制御モードを設定する設定部と、
   前記制御モードに基づいて、各前記固体酸化物形燃料電池の運転を制御する運転制御部と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記推定部は、前記比較部により、前記１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、前記１の固体酸化物形燃料電池の運転状態を所定の運転状態で所定時間維持し、前記所定の運転状態を維持する間から維持した後における前記１の固体酸化物形燃料電池および前記他の固体酸化物形燃料電池の出力に基づいて、前記１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記固体酸化物形燃料電池の運転状態は、少なくとも、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給量が第１の値である高出力運転、または、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給量が前記第１の値よりも少ない第２の値である低出力運転が行われ、
   前記維持部は、前記１の固体酸化物形燃料電池を前記高出力運転させる
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記設定部は、前記比較部により前記１の固体酸化物形燃料電池の出力が前記他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出された第２の時刻における前記他の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_a ²、前記第２の時刻における前記１の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_b ²、前記第２の時刻から所定時間経過した第３の時刻における前記他の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_a ³、前記第３の時刻における前記１の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_b ³、前記第２の時刻から前記所定時間遡った第１の時刻における前記他の固体酸化物形燃料の出力をＶ_a ¹、前記第１の時刻における前記１の固体酸化物形燃料電池の出力をＶ_b ¹とし、Δ¹＝Ｖ_a ¹−Ｖ_b ¹、Δ²＝Ｖ_a ²−Ｖ_b ²、Δ³＝Ｖ_a ³−Ｖ_b ³としたときに、Δ²−Δ¹＞Δ³−Δ²を満たす場合、前記１の固体酸化物形燃料電池の制御モードを常に前記高出力運転を行う高出力モードに設定し、Δ²−Δ¹≦Δ³−Δ²を満たす場合、前記１の固体酸化物形燃料電池の制御モードを前記高出力運転が行われる時間が前記低出力運転が行われる時間よりも少ない高出力抑制モードに設定する
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池と、
   各前記固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態を検出する検出ステップと、
   この検出ステップにより検出された前記固体酸化物形燃料電池の出力を比較する比較ステップと、
   この比較ステップにより、１の固体酸化物形燃料電池の出力が他の固体酸化物形燃料電池の出力よりも低いことが検出されると、当該１の固体酸化物形燃料電池の出力を含む発電状態に基づいて当該１の固体酸化物形燃料電池の劣化要因を推定する推定ステップと、
   この推定ステップにより推定された劣化要因に基づいて、前記１の固体酸化物形燃料電池の運転状態の制御モードを設定する設定ステップと、
   前記制御モードに基づいて、各前記固体酸化物形燃料電池の運転を制御する運転制御ステップと
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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