JP2018073614A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】第１の温度検出部（１４）は、燃料ガス流路（１２）の入口部で燃料ガスの温度（Ｔ１）を検出する。第２の温度検出部（１５）は、酸化剤ガス流路（１３）の入口部で酸化剤ガスの温度（Ｔ２）を検出する。温度制御部（９０）は、第１の温度検出部（１４）の検出温度（Ｔ１）と第２の温度検出部（１５）の検出温度（Ｔ２）の差分温度（Ｔ２−Ｔ１）に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

特許文献１には、発電ユニット（燃料電池セル）に繋がる空気導入管の内部に起動用バーナを設け、この起動用バーナにバーナ用燃料ガス導入管から燃料ガスを導入して燃焼させることによって空気導入管を通過する空気を予加熱する発電装置が開示されている。

特許文献２には、燃料電池スタックの積層方向（鉛直方向）の一端部、他端部、中央部の三箇所の温度を検出して、これら三箇所の平均温度を発電開始温度から段階的に上昇させるべく、ガス供給量を調整する固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。

特開２００５−３１７２３２号公報 特開２０１３−１１４９９６号公報

しかしながら、特許文献１は、燃料電池セルを含む発電ユニットの各構成要素を均一に昇温させることが難しいため（温度分布のムラを避けられないため）、動作安定性が阻害され、燃料電池セルが破損するおそれがある。

さらに、本発明者らの鋭意研究によると、燃料電池スタックの検出温度に基づいてガス供給量を調整する特許文献２は、燃料電池スタックの温度制御の精度が不十分となる場合がある。固体酸化物形燃料電池のように運転温度が９００〜１０００℃と高温の場合、温度を計測する熱電対の耐久性が保証されておらず、検知した後の熱の制御の応答性も悪いため、燃料電池スタックが目標温度となるよう高精度に制御することが難しいという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、固体酸化物形燃料電池の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス流路の入口部で前記燃料ガスの温度を検出する第１の温度検出部と、前記酸化剤ガス流路の入口部で前記酸化剤ガスの温度を検出する第２の温度検出部と、前記第１の温度検出部の検出温度と前記第２の温度検出部の検出温度の差分温度に基づいて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する温度制御部と、を有することを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス流路の入口部で前記燃料ガスの温度を検出する第１の温度検出ステップと、前記酸化剤ガス流路の入口部で前記酸化剤ガスの温度を検出する第２の温度検出ステップと、前記第１の温度検出ステップでの検出温度と前記第２の温度検出ステップでの検出温度の差分温度に基づいて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する温度制御ステップと、を有することを特徴としている。

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。

本実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本実施形態による燃料電池システムの制御系統を示す機能ブロック図である。 本実施形態による燃料電池システムの起動昇温時から定常運転に至るまでの動作を示すフローチャートである。

図１〜図３を参照して、本実施形態の燃料電池システム１について詳細に説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）１０を有している。ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。断熱材で覆われた缶体（図示略）にＳＯＦＣ１０を収納することによりＳＯＦＣモジュール１１が構成される。

ＳＯＦＣ１０（ＳＯＦＣモジュール１１）は、アノードガス流路（燃料ガス流路）１２と、カソードガス流路（酸化剤ガス流路）１３とを有している。

ＳＯＦＣ１０の発電時には、アノードガス流路１２に燃料ガスが供給されて当該燃料ガスがアノードガス流路１２を流れ、カソードガス流路１３に酸化剤ガスが供給されて当該酸化剤ガスがカソードガス流路１３を流れる。アノードガス流路１２に流れる燃料ガスとカソードガス流路１３に流れる酸化剤ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（ＳＯＦＣ１０が発電する）。

ＳＯＦＣ１０の起動昇温時には、アノードガス流路１２に水素ガスと窒素ガスと水蒸気の少なくとも１つを構成要素として含むパージガスが供給され、当該パージガスがアノードガス流路１２を流れる。また、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時には、カソードガス流路１３に燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼反応させた燃焼排ガスが供給され、当該燃焼排ガスがカソードガス流路１３を流れる。尚、起動昇温時には、パージガスを加熱流体ガスと言う場合もある。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０（ＳＯＦＣモジュール１１）又はその近傍に、アノードガス流路１２の入口部で燃料ガス（又はパージガス）の温度Ｔ１を検出する第１の温度検出部１４と、カソードガス流路１３の入口部で酸化剤ガス（又は燃焼排ガス）の温度Ｔ２を検出する第２の温度検出部１５とを有している。燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０（ＳＯＦＣモジュール１１）の内部温度Ｔ３を検出する第３の温度検出部１６を有している。燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０（ＳＯＦＣモジュール１１）又はその近傍に、アノードガス流路１２の出口部で燃料ガス（又はパージガス）の温度Ｔ４を検出する第４の温度検出部１７と、カソードガス流路１３の出口部で酸化剤ガス（又は燃焼排ガス）の温度Ｔ５を検出する第５の温度検出部１８とを有している。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に、アノードガス流路１２にパージガスを供給するためのパージガス供給路２０を有している。パージガス供給路２０には、当該パージガス供給路２０を介したパージガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁２１が設けられている。この遮断弁２１は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に開状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に閉状態となる。パージガス供給路２０には、遮断弁２１の開状態（ＳＯＦＣ１０の起動昇温時）において、当該パージガス供給路２０を流れるパージガスを加熱することにより、当該パージガスの温度を調整するヒータ２２が設けられている。なお、図示は省略しているが、パージガス供給路２０には、パージガスの流量を計測する流量計、及び／又は、パージガス中の水分を蒸発させる蒸発器等を設けることも可能である。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の発電時に、アノードガス流路１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路３０を有している。燃料ガス供給路３０は、パージガス供給路２０と合流して一体となった後にアノードガス流路１２に導かれる（合流後にはパージガス供給路２０と燃料ガス供給路３０が１本のガス供給路を形成する）。ヒータ２２は、燃料ガス供給路３０と合流して一体となった後のパージガス供給路２０に設けられている。パージガス供給路２０と合流して一体となる前の燃料ガス供給路３０には、当該燃料ガス供給路３０を介した燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁３１が設けられている。この遮断弁３１は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に閉状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に開状態となる。なお、図示は省略しているが、パージガス供給路２０と合流して一体となる前の燃料ガス供給路３０には、燃料ガスの流量を計測する流量計、及び／又は、燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器等を設けることも可能である。

燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給路４０を有している。この酸化剤ガス供給路４０は、ＳＯＦＣ１０の発電時にはカソードガス流路１３に酸化剤ガスを供給し、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時にはカソードガス流路１３に燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼反応させた燃焼排ガスを供給する。酸化剤ガス供給路４０には、空気ブロア４１によって大気中の空気が取り込まれる。

燃料電池システム１は、燃料ガス供給路３０と酸化剤ガス供給路４０を繋ぐ接続路５０を有している。この接続路５０には、当該接続路５０を介した燃料ガス供給路３０から酸化剤ガス供給路４０への燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁５１が設けられている。この遮断弁５１は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に開状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に閉状態となる。なお、図示は省略しているが、接続路５０には、燃料ガスの流量を計測する流量計等を設けることも可能である。

酸化剤ガス供給路４０の接続路５０との合流点の近傍（図１では当該合流点よりも下流に描いている）には、起動バーナ４２が設けられている。この起動バーナ４２は、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時にオン状態（着火状態）となり、空気ブロア４１により酸化剤ガス供給路４０に取り込まれた酸化剤ガスと接続路５０（燃料ガス供給路３０）から供給された燃料ガスを燃焼反応させて燃焼排ガスを生成する。一方、起動バーナ４２は、ＳＯＦＣ１０の発電時にオフ状態（非着火状態）となり、空気ブロア４１により酸化剤ガス供給路４０に取り込まれた酸化剤ガスを燃焼反応させることなく通過させる。

酸化剤ガス供給路４０は、カソードガス流路１３に直接的に流入する直接流入路４３と、この直接流入路４３と分岐して迂回した後に直接流入路４３に合流する迂回流入路４４とを有している。迂回流入路４４には、空気ブロア４１により取り込まれた酸化剤ガスまたは起動バーナ４２による燃焼排ガスを加熱するヒータ４５が設けられている。

直接流入路４３には遮断弁４６が設けられており、迂回流入路４４には遮断弁４７が設けられている。遮断弁４６と遮断弁４７は、一方が開状態のときに他方が閉状態になるように制御される。すなわち、遮断弁４６が開状態で遮断弁４７が閉状態のときは、酸化剤ガスまたは燃焼排ガスがヒータ４５を通過することなく直接的にカソードガス流路１３に導かれる。逆に、遮断弁４６が閉状態で遮断弁４７が開状態のときは、酸化剤ガスまたは燃焼排ガスがヒータ４５を通過して加熱されてからカソードガス流路１３に導かれる。遮断弁４６と遮断弁４７は、これら２つのガス経路を切り換える機能を持つ。

燃料電池システム１は、熱交換器６０を有している。熱交換器６０は、カソードガス流路１３の出口部からの排出ガスの一部分（大部分）をカソードガス流路１３の入口部に循環させることによりＳＯＦＣ１０を加熱し、カソードガス流路１３の出口部からの排出ガスの他部分（小部分）を排気する。熱交換器６０は、カソードガス流路１３の出口部と入口部を繋ぐ排出ガス循環ライン６１を有しており、この排出ガス循環ライン６１の一部が直接流入路４３と迂回流入路４４により構成されている（共有されている）。

アノードガス流路１２の出口部からの排出ガスは、熱交換器６０からの排出ガス（カソードガス流路１３の出口部からの排出ガス）と合流されて、排出ガス燃焼器７０に導かれる。排出ガス燃焼器７０は、排出ガスを燃焼することにより当該排出ガス中の不純物を除去した上で排気する。排出ガス燃焼器７０が排出ガスを燃焼することで発生した熱は、温水熱交換器８０で利用されて、外部タンク（図示略）等から循環する低温水を高温水に加熱する。

図２に示すように、燃料電池システム１は、当該燃料電池システム１の各構成要素を統括的に制御する制御部（温度制御部）９０を有している。より具体的に、制御部９０は、第１の温度検出部１４、第２の温度検出部１５、ヒータ２２、起動バーナ４２、ヒータ４５、遮断弁２１、３１、４６、４７、５１、熱交換器６０に接続されており、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時から定常運転に至るまでの各構成要素の制御を実行する。

制御部９０は、ＳＯＦＣ１０の発電時に、第１の温度検出部１４が検出したアノードガス流路１２の入口部における燃料ガスの温度Ｔ１と、第２の温度検出部１５が検出したカソードガス流路１３の入口部における酸化剤ガスの温度Ｔ２の差分温度（Ｔ２−Ｔ１）をモニタリングしている。制御部９０は、モニタリングした差分温度（Ｔ２−Ｔ１）に基づいて、当該差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴの範囲内に収まるように、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する。

より具体的に、制御部９０は、差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴを超えているとき、アノードガス流路１２に対する燃料ガスの供給量を増大させ、且つ／又は、カソードガス流路１３に対する酸化剤ガスの供給量を減少させる。アノードガス流路１２に対する燃料ガスの供給量を増大させると、アノードガス流路１２の入口部における燃料ガスの温度Ｔ１が上がり、カソードガス流路１３に対する酸化剤ガスの供給量を減少させると、カソードガス流路１３の入口部における酸化剤ガスの温度Ｔ２が下がる。その結果、差分温度（Ｔ２−Ｔ１）を小さくして所定の閾値温度ΔＴの範囲内に収めることが可能になる。

制御部９０は、ＳＯＦＣ１０の発電時の時間経過に応じて、所定の閾値温度ΔＴをリアルタイムに変動させることができる。より具体的に、制御部９０は、ＳＯＦＣ１０の発電開始後の初期段階では、所定の閾値温度ΔＴを１００〜１５０℃とし、ＳＯＦＣ１０の発電中期段階では、所定の閾値温度ΔＴを５０〜１００℃とし、ＳＯＦＣ１０の発電後期段階では、所定の閾値温度ΔＴを０〜５０℃とする。このように、制御部９０は、ＳＯＦＣ１０の発電時の時間経過とともに、所定の閾値温度ΔＴを段階的に低くすることができる。

従来方法（例えば特許文献２）のように、燃料電池スタック本体の温度を検知して制御する技術は、固体酸化物形燃料電池のように１０００℃近い高温で運転する燃料電池に用いることは難しい。しかし、本発明のように、高温のＳＯＦＣ（燃料電池スタック）１０の内部温度Ｔ３ではなく、内部温度Ｔ３よりも低温の当該ＳＯＦＣ（燃料電池スタック）１０に流入する燃料ガスの温度Ｔ１と酸化剤ガスの温度Ｔ２（とりわけこれらの差分温度）を制御に用いることで、問題を解決することができる。アノードガス流路１２の入口部における燃料ガスの温度Ｔ１とカソードガス流路１３の入口部における酸化剤ガスの温度Ｔ２の差分温度（Ｔ２−Ｔ１）をモニタリングして当該差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴの範囲内に収まるように温度制御を行うことで、温度制御の信頼性（精度や反応速度）を飛躍的に高めることが可能となる。

また、制御に使用する２つの温度センサ（第１の温度検出部１４と第２の温度検出部１５）をアノードガス流路１２とカソードガス流路１３の入口部に設けることにより、温度センサが故障したときであっても簡単に部品交換を行うことができるという利点がある。例えば、ＳＯＦＣ１０の完成状態で、ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３を検出する温度センサ（第３の温度検出部１６）が故障した場合には、当該温度センサを部品交換するのは極めて困難である。

図３のフローチャートを参照して、燃料電池システム１の起動昇温時から定常運転に至るまでの動作（制御部９０による制御内容）について詳細に説明する。

ステップＳＴ１では、制御部９０が、遮断弁４６を閉状態にして、遮断弁４７を開状態にする。ステップＳＴ２では、空気ブロア４１から取り込まれた酸化剤ガス（空気）が、酸化剤ガス供給路４０及び迂回流入路４４並びに熱交換器６０を介して、ＳＯＦＣ１０のカソードガス流路１３に循環が開始される。ステップＳＴ３では、制御部９０が、ヒータ４５をオン状態にする。ステップＳＴ１〜ステップＳＴ３により、ヒータ４５で加熱された酸化剤ガス（空気）がカソードガス流路１３を循環することで、ＳＯＦＣ１０が昇温していく。

ステップＳＴ４では、制御部９０が、遮断弁２１を開状態にして、遮断弁３１を閉状態にする。ステップＳＴ５では、パージガス供給器（図示略）から取り込まれたパージガスが、パージガス供給路２０を介して、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１２に循環開始される。ステップＳＴ６では、制御部９０が、ヒータ２２をオン状態にする。ステップＳＴ４〜ステップＳＴ６により、ヒータ２２で加熱されたパージガスがアノードガス流路１２を循環することで、ＳＯＦＣ１０が昇温していく。

ステップＳＴ７では、制御部９０が、第３の温度検出部１６が検出したＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の予熱温度を超えているか否かを判定する。ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の予熱温度を超えているときは（ステップＳＴ７：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ８に進む。ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の予熱温度を超えていないときは（ステップＳＴ７：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の予熱温度を超えるのを待つ。

ステップＳＴ８では、制御部９０が、遮断弁５１を開状態にする。これにより、燃料ガス供給器（図示略）から取り込まれた燃料ガスが、燃料ガス供給路３０と接続路５０を介して、酸化剤ガス供給路４０の起動バーナ４２に供給される。ステップＳＴ９では、制御部９０が、起動バーナ４２をオン状態（着火状態）とする。ステップＳＴ１０では、制御部９０が、遮断弁４６を開状態にして、遮断弁４７を閉状態にする。ステップＳＴ８〜ステップＳＴ１０により、起動バーナ４２による燃焼排ガスが、酸化剤ガス供給路４０及び直接流入路４３並びに熱交換器６０を介して、ＳＯＦＣ１０のカソードガス流路１３に循環することで、ＳＯＦＣ１０が昇温していく。

ステップＳＴ１１では、制御部９０が、第３の温度検出部１６が検出したＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の発電準備温度を超えているか否かを判定する。ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の発電準備温度を超えているときは（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１２に進む。ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の発電準備温度を超えていないときは（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３が所定の発電準備温度を超えるのを待つ。

ステップＳＴ１２では、制御部９０が、遮断弁５１を閉状態にするとともに、起動バーナ４２をオフ状態（非着火状態）とする。これにより、空気ブロア４１から取り込まれた酸化剤ガス（空気）が、酸化剤ガス供給路４０及び直接流入路４３並びに熱交換器６０を介して、ＳＯＦＣ１０のカソードガス流路１３に供給される。

ステップＳＴ１３では、制御部９０が、遮断弁２１を閉状態にして、遮断弁３１を開状態にする。これにより、燃料ガス供給器（図示略）から取り込まれた燃料ガスが、燃料ガス供給路３０を介して、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１２に供給される。

ステップＳＴ１４では、ステップＳＴ１２でアノードガス流路１２に供給された燃料ガスとステップＳＴ１３でカソードガス流路１３に供給された酸化剤ガスが電気化学反応を起こすことにより、ＳＯＦＣ１０が発電（定常運転）を開始する。

ステップＳＴ１５では、制御部９０が、第１の温度検出部１４が検出したアノードガス流路１２の入口部における燃料ガスの温度Ｔ１と第２の温度検出部１５が検出したカソードガス流路１３の入口部における酸化剤ガスの温度Ｔ２の差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴを超えているか否かを判定する。差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴを超えているときは（ステップＳＴ１５：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１６に進む。差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴを超えていないときは（ステップＳＴ１５：Ｎｏ）、差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が適正状態であることを意味しているので、制御部９０は何らの制御も行わずに、差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴを超えるのを待つ。

ステップＳＴ１６では、制御部９０が、アノードガス流路１２に対する燃料ガスの供給量を増大させ、且つ／又は、カソードガス流路１３に対する酸化剤ガスの供給量を減少させることで、差分温度（Ｔ２−Ｔ１）を小さくして当該差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴの範囲内に収まるように制御する。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、制御部９０が、ＳＯＦＣ１０の発電時に、第１の温度検出部１４が検出したアノードガス流路１２の入口部における燃料ガスの温度Ｔ１と、第２の温度検出部１５が検出したカソードガス流路１３の入口部における酸化剤ガスの温度Ｔ２との差分温度（Ｔ２−Ｔ１）に基づいて、当該差分温度（Ｔ２−Ｔ１）が所定の閾値温度ΔＴの範囲内に収まるように、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する。これにより、ＳＯＦＣ１０の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、ＳＯＦＣ１０の発電時に、アノードガス流路１２の入口部における燃料ガスの温度Ｔ１とカソードガス流路１３の入口部における酸化剤ガスの温度Ｔ２の差分温度（Ｔ２−Ｔ１）に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する場合を例示して説明した。しかし、これらに代えて／加えて、ＳＯＦＣ１０の内部温度Ｔ３、アノードガス流路１２の出口部における燃料ガスの温度Ｔ４、カソードガス流路１３の出口部における酸化剤ガスの温度Ｔ５を使用して、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御することも可能である。

また、アノードガス流路１２の出口部における燃料ガスの温度Ｔ４、及び／又は、カソードガス流路１３の出口部における酸化剤ガスの温度Ｔ５をアラーム検知用としてモニタリングして、当該Ｔ４及び／又はＴ５が急上昇した場合に、ＳＯＦＣ１０の内部で燃焼が発生しているものと判定して、燃料電池システム１を異常停止させる制御を行うこともできる。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システム及びその運転方法に適用して好適である。

１ 燃料電池システム
１０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
１１ ＳＯＦＣモジュール
１２ アノードガス流路（燃料ガス流路）
１３ カソードガス流路（酸化剤ガス流路）
１４ 第１の温度検出部
１５ 第２の温度検出部
１６ 第３の温度検出部
１７ 第４の温度検出部
１８ 第５の温度検出部
２０ パージガス供給路
２１ 遮断弁
２２ ヒータ
３０ 燃料ガス供給路
３１ 遮断弁
４０ 酸化剤ガス供給路
４１ 空気ブロア
４２ 起動バーナ
４３ 直接流入路
４４ 迂回流入路
４５ ヒータ
４６ 遮断弁
４７ 遮断弁
５０ 接続路
５１ 遮断弁
６０ 熱交換器
６１ 排出ガス循環ライン
７０ 排出ガス燃焼器
８０ 温水熱交換器
９０ 制御部（温度制御部）

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
   前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、
   前記燃料ガス流路の入口部で前記燃料ガスの温度を検出する第１の温度検出部と、
   前記酸化剤ガス流路の入口部で前記酸化剤ガスの温度を検出する第２の温度検出部と、
   前記第１の温度検出部の検出温度と前記第２の温度検出部の検出温度の差分温度に基づいて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する温度制御部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記温度制御部は、前記差分温度が所定の閾値温度の範囲内に収まるように、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記温度制御部は、前記差分温度が前記所定の閾値温度を超えているとき、前記燃料ガス流路に対する前記燃料ガスの供給量を増大させ、且つ／又は、前記酸化剤ガス流路に対する前記酸化剤ガスの供給量を減少させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記温度制御部は、前記固体酸化物形燃料電池の発電時の時間経過に応じて、前記所定の閾値温度を変動させることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記温度制御部は、前記固体酸化物形燃料電池の発電時の時間経過とともに、前記所定の閾値温度を段階的に低くしていくことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
   前記固体酸化物形燃料電池に設けられ、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、
   を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料ガス流路の入口部で前記燃料ガスの温度を検出する第１の温度検出ステップと、
   前記酸化剤ガス流路の入口部で前記酸化剤ガスの温度を検出する第２の温度検出ステップと、
   前記第１の温度検出ステップでの検出温度と前記第２の温度検出ステップでの検出温度の差分温度に基づいて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を制御する温度制御ステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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