JP4711157B1 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料供給量の目標に対する追従性を高くしながら、過剰供給を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。
【解決手段】本発明は、要求に応じた電力を発電する固体電解質型燃料電池(1)であって、燃料を改質する改質器(20)と、燃料供給手段(38)と、改質用空気供給手段(45)と、改質器に間欠的に水を供給する水供給手段(28)と、実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサ(132)と、燃料により発電する燃料電池モジュール(2)と、目標量の燃料が改質器に送られるように制御する制御手段(110)と、を有し、制御手段は、実際の燃料供給量を、目標と一致させるべく制御すると共に、目標燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が高く、実際の燃料供給量の変化により、差が生じた場合には追従性が低くなるように燃料供給手段を制御することを特徴としている。
【選択図】図１２

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、改質器により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料（水素ガス）と空気とを用いて発電して電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼働するための補機類とを備えた燃料電池装置が種々提案されている。

燃料電池の発電に必要な燃料（水素ガス）の生成方法の一つとして水蒸気改質法が知られており、例えば、特開２００８−５３２０９号公報（特許文献１）には、水蒸気改質を行うために、改質器に水（純水）を供給するための水供給手段として、貯水タンクに貯留された水を水供給管を介して水ポンプにより改質器へ供給するようにしたものが提案されている。

特開２００８−５３２０９号公報

ここで、詳細は後述するが、燃料電池装置の起動時には、先ず、改質器内に燃料と改質用空気が供給され、着火により、燃料が改質用空気により燃焼する部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が行われ、次に、改質器内に、燃料、改質用空気、及び、水（純水）が供給され、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）が進行し、その後、改質器内に燃料ガスと水（純水）が供給され、水蒸気改質反応（ＳＲ）が行われる。

燃料電池装置においては、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）及び水蒸気改質反応（ＳＲ）を行う際、改質器に水（純水）を供給する必要があるが、特に、水の供給量が非常に少ないＡＴＲの領域においては、毎分数ミリリットルという非常に微量な水を連続的に供給する必要がある。このような極微量な水を正確に安定的に供給するためには特殊なポンプを使用しなければならない。
しかしながら、このような極微量な水を連続的に供給することができる特殊なポンプは、燃料電池装置のような比較的高温の環境下では使用が難しく、さらに、構造が複雑で値段も高価であることから、実際上の適用は困難な状況となっている。

そこで、本発明者らは、鋭意研究を行うことにより、この極少量の水を供給するために、パルスポンプを用いて、パルス制御により間欠的に水を噴射して供給することを見出した。この方法によって、水の供給を間欠的にしたため、高温環境下でも使用でき、また構造が簡単で安価なポンプの使用が可能となり、更に、制御も簡易なパルス制御が可能となったものである。

ところが、水蒸気改質を行う場合には、供給された水が改質器内で蒸発されるが、この水が気化する際に急激に体積が増大するので、改質器内に圧力変動が生じてしまう。
さらに、改質器内の圧力は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行うために、改質器内に改質用空気を導入することによっても変動する。

このような改質器内の圧力変動は、改質器の容積を大きくすることによって緩和することが可能であるが、改質器が大型になると、これを均一に加熱することが困難になり、改質器に温度ムラが発生しやすいという問題がある。また、改質器を大型化すると、燃料電池の装置全体が大型化するという問題がある。

一方、改質器内の圧力が変動すると、改質器に燃料を供給する燃料供給装置を一定に制御していても、実際に改質器内に導入される燃料供給量は変動してしまう。このため、改質器内で適正な改質が行われるように設定された、目標とする燃料供給量と、実際に供給される燃料供給量がずれてしまうという問題がある。実際に供給される燃料供給量が目標値からずれ、改質用空気と燃料のバランスが崩れると、改質器内で炭素析出が発生し、これが改質器の触媒の劣化を著しく早めてしまうという問題が発生する。

また、燃料供給装置は、一般に、実際の燃料供給量を測定し、これをフィードバックして燃料供給量が目標とする燃料供給量と一致するように制御される。ここで、目標燃料供給量に対する追従性を高めるためには、燃料供給装置を制御するフィードバックゲインを大きく設定する必要がある。その一方、燃料供給量の目標燃料供給量に対する追従性を高くすると、改質器内への間欠的な水の供給等による急激な圧力変化に対応して燃料供給量が不安定に増減されてしまうという問題が起こる。

即ち、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、上述した不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまうという問題が発生する。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料供給量の目標燃料供給量に対する追従性を高くしながら、燃料の過剰供給を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。

上述した課題を解決するために、本発明は、要求電力に応じた可変の電力を、改質器により改質した燃料と空気により発電する固体電解質型燃料電池であって、燃料を改質する改質器と、この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、改質器に間欠的に水を供給する水供給手段と、燃料供給手段により改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、改質器内で改質された燃料により発電する燃料電池モジュールと、要求電力に応じた電力を発電するために必要な、目標量の燃料、改質用空気及び水が、改質器に送り込まれるように、燃料供給手段、改質用空気供給手段及び水供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量を、目標とする燃料供給量と一致させるべく燃料供給手段を制御すると共に、目標とする燃料供給量が変化したことにより、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が高く、燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が低くなるように燃料供給手段を制御し、制御手段は、燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量を、その時点における目標燃料供給量によって除した燃料供給量比の移動平均値に現在の目標燃料供給量を乗じた値と、現在の目標燃料供給量との差として計算される値にフィードバックゲインを乗ずることにより燃料供給手段に対する操作量を決定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、制御手段が、燃料供給手段、改質用空気供給手段、及び水供給手段を制御して、改質器に燃料、改質用空気、水を供給する。水供給手段は、間欠的に水を改質器に供給する。また、燃料供給量検出センサは、改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出し、制御手段は検出された実際の燃料供給量を目標とする燃料供給量と一致させるべく燃料供給手段を制御する。この制御手段は、目標とする燃料供給量が変化したことにより、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が高く、燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が低くなるように燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、間欠的に水を供給する水供給手段を使用しているので、微少量の水を連続的に供給する特殊且つ高価なポンプを用いることなく、改質器に適正な量の水を供給することができる。また、水が間欠的に供給されることにより、水か供給された瞬間に改質器内の圧力が急激に上昇し、燃料が改質器内に導入されにくくなる。しかしながら、制御手段は、実際の燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が低くなるように燃料供給手段を制御するので、改質器内の圧力上昇によって制御のハンチング現象が発生したり、燃料が過剰供給となるのを防止することができる。その一方、制御手段は、目標とする燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が高くなるように燃料供給手段を制御するので、目標燃料供給量に速やかに追従した適量の燃料を改質器に導入することができる。これにより、改質器内の燃料と水のバランスが崩れることによる炭素析出の発生等の不具合を防止することができる。
また、このように構成された本発明によれば、移動平均値に基づいて制御を行っているため、実際の燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が低くなると共に、目標燃料供給量の変化には速やかに追従することができる。実際の燃料供給量の変化には追従性が低く、目標燃料供給量の変化には追従性が高くなる制御を実現する手法としては、例えば、実際の燃料供給量が変化した場合と、目標燃料供給量が変化した場合で場合分けを行い、夫々に異なるフィードバックゲインを乗じることが考えられる。しかしながら、このような場合分けを行う制御では、制御系が複雑になるばかりでなく、フィードバックゲインを切り換える際に制御が不安定になる虞がある。これに対し、本発明における制御によれば、場合分けやフィードバックゲインの切り換えを行うことなく追従性を変化させることができるので、簡単な演算により制御を行うことができると共に、制御系が極めて安定なものになる。

本発明において、好ましくは、さらに、改質器内の圧力を測定する改質器圧力センサを有し、制御手段は、改質器内の圧力が高いほどフィードバックゲインの値を大きくして燃料供給手段を制御することにより、目標とする燃料供給量が変化した場合の追従性と、実際の燃料供給量が変化した場合の追従性を、より大きく異ならせる。

このように構成された本発明によれば、改質器内の圧力が上昇することにより、燃料が導入されにくくなった状態においても、迅速に目標燃料供給量の変化に追従することができると共に、フィードバックゲインを大きくしたことによるハンチング現象の発生や、燃料の過剰供給を防止することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、水供給手段により改質器に供給される水供給量が多くなるほどフィードバックゲインの値を大きくして燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、水供給量が多く、改質器内の平均的な圧力が高くなっている状態においても、迅速に目標燃料供給量の変化に追従することができると共に、フィードバックゲインを大きくしたことによるハンチング現象の発生や、燃料の過剰供給を防止することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、改質用空気供給手段により改質器に供給される改質用空気供給量が多くなるほどフィードバックゲインの値を大きくして燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、改質用空気供給量が多く、改質器内の圧力が高くなっている状態においても、迅速に目標燃料供給量の変化に追従することができると共に、フィードバックゲインを大きくしたことによるハンチング現象の発生や、燃料の過剰供給を防止することができる。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料供給量の目標燃料供給量に対する追従性を高くしながら、燃料の過剰供給を防止することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置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線に沿って断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置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燃料電池装置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燃料電池装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置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燃料電池装置の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燃料電池装置の水供給装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料供給量の制御に使用される偏差の計算手順を示す図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料供給量の制御結果の一例を示すグラフである。 従来の燃料電池装置において、目標燃料供給量が図１２と同様に変化した場合の制御結果を比較例として示す図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の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、本発明の一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、前記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、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制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線に沿って断面図である。
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、これらの蒸発部２０ａと改質部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、この排気ガス室通路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、制御ユニット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。

次に図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、改質器２０の温度が所定温度、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。

次に、図７を再び参照して、上述した燃焼運転、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）の各領域における、燃料ガス、改質用空気、水の供給について、詳細に説明する。
図７の時刻ｔ０において、固体電解質型燃料電池１を起動すると、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５により、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ０において供給が開始される改質用空気の供給量は１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎである。

次に、時刻ｔ１において、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８により、改質器２０への燃料ガスの供給を開始する。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から夫々流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている。

さらに、時刻ｔ２において、点火装置８３により、燃料電池セルユニット１６から流出した燃料が着火される。これにより、燃焼室１８内で燃料が燃焼され、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３）。改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ３）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（ＰＯＸ１領域）。

さらに温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ４）。これにより、燃料供給量は５Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適正な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料を多くすることにより、燃料に確実に着火される状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（ＰＯＸ１領域）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（ＰＯＸ２領域）。

次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、改質用空気供給量を減少させると共に、水供給手段である水流量調整ユニット２８により、水の供給を開始させる。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（ＡＴＲ１領域）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ちＡＴＲ１領域態においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。

さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、燃料供給量を減少させる。また、改質用空気供給量を減少させると共に、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（ＡＴＲ２領域）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。

次に、図７の時刻ｔ７において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、改質用空気の供給を停止する。また、燃料供給量を減少させると共に、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（ＳＲ１領域）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみとなる。

さらに、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になると、燃料供給量を減少させると共に、水の供給量も減少させる。また、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料供給量は発電待機燃料供給量である２．３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は６．３ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（ＳＲ２領域）。

この後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電を開始する（図７の時刻ｔ９）。発電開始後の燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量は、要求電力に応じて決定され、供給される。

次に、図９により、本実施形態による水供給装置（水流量調整ユニット２８）について詳細に説明する。図９は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの水供給装置を示す概略図である。
図９に示すように、水供給装置（水流量調整ユニット２８）は、水道水を一時的に貯蔵する水タンク１５２と、水を供給するポンプ１５４と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのＲＯ膜（逆浸透膜）１５６と、生成された純水を一時的に貯蔵する純水タンク２６と、この純水を燃料電池モジュール２の改質器２０にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ１６０とを備えている。また、水及び純水が凍結するのを防止するための、熱交換器１６２やヒーター１６４も備えている。

次に、図１０により、本実施形態による、ＰＯＸ（ＰＯＸ１、ＰＯＸ２）領域、ＡＴＲ（ＡＴＲ１，ＡＴＲ２）領域、ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２）領域、及び、発電領域における、燃料、水、及び改質用空気の供給量の制御内容を説明する。図１０は、本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。図１０において、Ｓは各ステップを示している。

先ず、燃料電池装置の起動時に、Ｓ１において、ＰＯＸ領域か否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が３００℃以上であれば、ＰＯＸ領域であると判定する。ＰＯＸ領域であればＳ２に進み、Ｓ２において、改質器２０の温度が３５０℃以下であれば、ＰＯＸ１領域であるので、Ｓ３に進む。Ｓ３において、ＰＯＸ１領域におけるゲイン補正係数を設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８のゲイン補正係数τａを基準のゲイン係数τａ１と同じ値に設定する（τａ＝τａ１）。改質用空気ついては、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４のゲイン補正係数τｂを基準のゲイン係数τｂ１と同じ値に設定する（τｂ＝τｂ１）。なお、ＰＯＸ領域では改質器２０に水は供給されない。また、燃料供給量、改質用空気供給量を目標値にそれぞれ追従させるためのゲイン補正係数は、これを増加させると、目標値の変化に対する追従が速くなると共に、目標値からずれた際に目標値に復帰させる速度が速くなる。また、ゲイン補正係数を減少させると、目標値の変化に対する追従は遅くなるが、燃料供給量、改質用空気供給量の変化が緩やかになる。

次に、Ｓ２において、ＰＯＸ１領域でないと判定されたときは、Ｓ４に進み、Ｓ４において、ＰＯＸ２領域におけるゲイン補正係数を設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８のゲイン補正係数τａを基準のゲイン係数τａ１よりも上昇させた値に設定する（τａ＝τａ１×１．５）。改質用空気ついては、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４のゲイン補正係数τｂを基準のゲイン係数τｂ１よりも上昇させた値に設定する（τｂ＝τｂ１×１．５）。

次に、Ｓ１において、ＰＯＸ領域でないと判定されたときは、Ｓ５に進み、ＡＴＲ領域か否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が６００℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が２５０℃以上であれば、ＡＴＲ領域であると判定し、Ｓ６に進む。Ｓ６において、改質器２０の温度が６００℃以上で、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が２５０℃以上４００℃以下であれば、ＡＴＲ１領域であるので、Ｓ７に進む。

Ｓ７において、ＡＴＲ１領域におけるゲイン補正係数を設定する。即ち、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８のゲイン補正係数τａを基準のゲイン係数τａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．６）。改質用空気ついても、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４のゲイン補正係数τｂを基準のゲイン係数τｂ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｂ＝τｂ１×０．９）。さらに、水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８のゲイン補正係数τｃを基準のゲイン係数τｃ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｃ＝τｃ１×０．８）。このように、ＡＴＲ１領域では、水供給に伴う圧力変動の要因に基づく過剰燃料の供給等の影響を抑えるように燃料のゲイン補正係数が低下され、それと対応できるように燃料のゲイン補正係数以外の補正係数も低下されており、最も影響の大きい燃料のゲイン補正係数τａの低下量が改質空気及び水のゲイン補正係数の低下量よりも大きくなるように設定されている。

一方、Ｓ６において、ＡＴＲ１領域でないと判定された場合には、Ｓ８に進む。即ち、改質器２０の温度が６００℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が４００℃以上であれば、ＡＴＲ１領域ではなくＡＴＲ２領域であるので、Ｓ８に進む。

Ｓ８において、ＡＴＲ２領域におけるゲイン補正係数を設定する。即ち、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８のゲイン補正係数τａを基準のゲイン係数τａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．７）。改質用空気ついても、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４のゲイン補正係数τｂを基準のゲイン係数τｂ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｂ＝τｂ１×０．９）。さらに、水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８のゲイン補正係数τｃを基準のゲイン係数τｃ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｃ＝τｃ１×０．９）。このように、ＡＴＲ２領域では、燃料のゲイン補正係数の低下量が改質空気及び水のゲイン補正係数の低下量よりも大きく設定されている。また、ＡＴＲ２領域の燃料のゲイン補正係数及び水のゲイン補正係数の低下量をＡＴＲ１領域の燃料のゲイン補正係数の低下量よりも緩和するように小さくしている。これは水の供給量の増加とともに圧力変動の要因が緩和されることに対応させたものである。

次に、Ｓ５において、ＡＴＲ領域ではないと判定されたときには、Ｓ９に進み、ＳＲ領域であるか否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が６５０℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が６００℃以上の場合には、ＳＲ領域であるので、Ｓ１０に進み、ＳＲ１とＳＲ２の領域のゲイン補正係数を設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８のゲイン補正係数τａを基準のゲイン係数τａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．９）。水については、水供給手段である水流量調整ユニット２８のゲイン補正係数τｃを基準のゲイン係数τｃ１と同じ値に設定する（τｃ＝τｃ１）。なお、ＳＲ１及びＳＲ２の領域においては、改質用空気は供給しない。

次に、Ｓ９において、ＳＲ領域ではないと判定された場合には、発電運転領域であるので、Ｓ１１に進む。Ｓ１１においては、発電室１０及び改質器２０の温度が発電可能な温度に達しているか否かを判定する。発電可能な温度に達している場合には、Ｓ１２に進み、Ｓ１２においては、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８のゲイン補正係数τａを基準のゲイン係数τａ１と同じ値に設定する（τａ＝τａ１）。水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８のゲイン補正係数τｃを基準のゲイン係数τｃ１と同じ値に設定する（τｃ＝τｃ１）。

次に、Ｓ１３に進み、Ｓ１３においては、上記Ｓ１、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１０、又はＳ１２において設定された燃料に対するゲイン補正係数τａを補正係数Ｃａによって補正する（τａ＝τａ×Ｃａ）。補正係数Ｃａは、改質器圧力センサである圧力センサ１３８によって検出された改質器２０内の平均圧力に基づいて決定される係数であり、本実施形態においては、改質器２０内の圧力５ｋＰａにおいて１であり、圧力上昇に比例して増加し、圧力２０ｋＰａにおいて２となるように設定されている。

次に、Ｓ１４に進み、Ｓ１４においては、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、及び、水流量調整ユニット２８を、それぞれ、設定したゲイン補正係数を使用してフィードバックゲインを補正し、燃料、改質用空気、及び、水の供給量を制御して、改質器２０に供給する。

次に、図１１乃至図１３を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１における燃料供給量の制御を説明する。図１１は、本実施形態の固体電解質型燃料電池１における燃料供給量の制御に使用される偏差Ｓｉの計算手順を示す図である。また、図１２は、固体電解質型燃料電池１による燃料供給量の制御結果の一例を示すグラフである。また、図１３は、従来の固体電解質型燃料電池において、目標燃料供給量が図１２と同様に変化した場合の制御結果を比較例として示す図である。

まず、図１１のＳ１０１において、目標燃料供給量Ｔｉ、及び実際の燃料供給量Ｇｉが、制御手段である制御部１１０に入力される。本実施形態においては、目標燃料供給量Ｔｉ及び実際の燃料供給量Ｇｉのサンプリングは、０．１ｓｅｃ毎に実行される。目標燃料供給量Ｔｉは、燃料電池モジュール２による発電時においては、要求電力に応じて時々刻々決定されるものである。ここで、要求電力は、固体電解質型燃料電池１を設置した住宅等の電力需要に対応して急激に変化するものである。一方、燃料電池モジュール２は、要求電力の変化に比べ極めて応答が遅いものであるため、要求電力の変化に合わせて燃料供給量を急激に変化させると適正な運転を行うことができない。このため、目標燃料供給量Ｔｉは、概ね要求電力に追従するように決定されるものの、要求電力の変化に比べ極めて緩やかに変化するように設定される。また、実際の燃料供給量Ｇｉは、燃料供給量検出センサである燃料流量センサ１３２によって検出された改質器２０に供給される燃料ガスの流量である。

次に、Ｓ１０２において、サンプリングされた実際の燃料供給量Ｇｉを目標燃料供給量Ｔｉで除した値である燃料供給量比Ｒｉ（＝Ｇｉ／Ｔｉ）が計算される。この燃料供給量比Ｒｉの計算も０．１ｓｅｃ毎に実行される。
さらに、Ｓ１０３においては、Ｓ１０２において計算された燃料供給量比Ｒｉの直近の１００個のデータの移動平均値Ａｉが計算される。即ち、

により移動平均値Ａｉが計算される。なお、移動平均値Ａｉの計算は、０．５ｓｅｃ毎に実行される。即ち、０．１ｓｅｃ毎にサンプリングされた直近の１００個のデータの移動平均値が、０．５ｓｅｃ毎に計算される。

次に、Ｓ１０４においては、Ｓ１０３において計算された移動平均値Ａｉを１から減じることにより、偏差の割合Ｄｉ（＝１−Ａｉ）が計算される。この偏差の割合Ｄｉの計算は、移動平均値Ａｉが計算される毎に、即ち、０．５ｓｅｃ毎に実行される。
さらに、Ｓ１０５においては、Ｓ１０４において計算された偏差の割合Ｄｉに、最新の目標燃料供給量Ｔｉを乗じることによって偏差Ｓｉ（＝Ｄｉ×Ｔｉ）が計算される。この偏差Ｓｉの計算は、偏差の割合Ｄｉが計算される毎に、即ち、０．５ｓｅｃ毎に実行される。

次に、Ｓ１０６においては、Ｓ１０５において計算された偏差Ｓｉに基づいて、燃料流量調整ユニット３８に対する操作量であるフィードバック値Ｆｉが計算され、計算されたフィードバック値Ｆｉが燃料流量調整ユニット３８に送られ、燃料流量調整ユニット３８が制御される。以上の手順を時々刻々繰り返すことにより、実際の燃料供給量が目標燃料供給量に追従するように制御される。また、フィードバック値Ｆｉは、具体的には、偏差Ｓｉ及び偏差Ｓｉに関する値（偏差の時間微分値等）各々に所定のフィードバックゲインを乗じ、それらの値の和として計算される（この値を偏差Ｓｉの関数としてＦｂ（Ｓｉ）と記述する）。得られたフィードバック値Ｆｉは、燃料流量調整ユニット３８に対する制御の操作量として、燃料流量調整ユニット３８に送られる。なお、フィードバック値Ｆｉの計算に使用される各フィードバックゲインには、図１０において計算されたゲイン補正係数τａを乗じることによって補正された値が使用される。従って、フィードバックゲインの値は、ゲイン補正係数τａの値が大きいほど、大きくされる。

なお、図１１のＳ１０２乃至Ｓ１０５の計算により求められた偏差Ｓｉは、実際の燃料供給量Ｇｉを目標燃料供給量Ｔｉで除した値である燃料供給量比Ｒｉの移動平均値Ａｉに現在の目標燃料供給量Ｔｉを乗じた値（Ａｉ×Ｔｉ）と、現在の目標燃料供給量Ｔｉとの差（Ｔｉ−（Ａｉ×Ｔｉ）＝Ｔｉ×（１−Ａｉ）＝Ｄｉ×Ｔｉ＝Ｓｉ）として全く同一の計算結果を得ることができる。

次に、図１２を参照して、燃料供給量の制御結果の一例を説明する。図１２において、目標燃料供給量Ｔｉを実線で示す。また、図１２には、燃料流量センサ１３２により測定された実際の燃料供給量Ｇｉを菱形のプロット点で示し、図１１に示す手順により計算された偏差Ｓｉを三角形のプロット点で示している。
図１２に示すように、目標燃料供給量Ｔｉは、時刻ｔ１０乃至ｔ１１においては一定値であり、時刻ｔ１１乃至ｔ１２において比較的緩やかに上昇し、時刻ｔ１２乃至ｔ１３において再び一定値となるように変化されている。次いで、目標燃料供給量Ｔｉは、時刻ｔ１３において急激に減少し、その後一定値となっている。

これに対し、実際の燃料供給量Ｇｉは、時刻ｔ１０乃至ｔ１１においては、目標燃料供給量Ｔｉの周りに値がばらつきながらも、目標燃料供給量Ｔｉに追従している。この値のばらつきの原因は、主に、燃料流量センサ１３２の測定誤差であると考えられる。さらに、時刻ｔ１において目標燃料供給量Ｔｉが上昇を始めると、実際の燃料供給量Ｇｉの値は、数秒程度遅れながら目標燃料供給量Ｔｉに追従している。次いで、時刻ｔ１２において目標燃料供給量Ｔｉが一定値に落ち着いた後、実際の燃料供給量Ｇｉの値も数秒程度遅れてほぼ一定値に落ち着いている。

さらに、時刻ｔ１３において目標燃料供給量Ｔｉが急激に減少すると、実際の燃料供給量Ｇｉは、比較的大きな傾きをもって直線的に減少することにより、目標燃料供給量Ｔｉに追従している。この後、実際の燃料供給量Ｇｉは、時刻ｔ１４において、目標燃料供給量Ｔｉと同一のほぼ一定値に落ち着いている。

ここで、図１２の時刻ｔｓにおいては、目標燃料供給量Ｔｉが一定値であるにも関わらず、実際の燃料供給量Ｇｉがパルス状に大きく変動している。これは、時刻ｔｓにおいて、水流量調整ユニット２８から改質器２０内に微量の水が供給されたことを表している。上記のように、本実施形態においては、水は、水流量調整ユニット２８に備えられたパルスポンプ１６０により、微少量ずつ間欠的に改質器２０に供給される。パルスポンプ１６０により改質器２０内に導入されると、水は改質器２０内の高温により一瞬のうちに蒸発して水蒸気となり、体積が約３０００倍に膨張する。これにより改質器２０内の圧力は瞬間的に大きく上昇する。改質器２０内の圧力が上昇すると燃料が改質器２０内に導入されにくくなり、燃料流量調整ユニット３８が一定に運転されていても実際に導入される燃料供給量Ｇｉが低下する。その後、改質器２０内の燃料が燃料ガス供給管６４（図２）へ送り出されることにより、改質器２０内の圧力は元の圧力に復帰する。これに伴い、改質器２０内に導入される実際の燃料供給量Ｇｉも元の値に復帰する。

一方、図１２において三角形のプロット点で示されている偏差Ｓｉは、直近の過去１００個のサンプルデータの移動平均に基づいて計算される値であるため、時刻ｔｓにおける瞬間的な実際の燃料供給量Ｇｉの変化には殆ど影響されず、ほぼ一定値が維持されている。さらに、偏差Ｓｉがほぼ一定値であるため、これに基づいて計算されるフィードバック値Ｆｉ（＝Ｆｂ（Ｓｉ））もほぼ一定値に維持される。

このように、本実施形態においては、実際の燃料供給量Ｇｉの変動により、実際の燃料供給量Ｇｉと目標燃料供給量Ｔｉの間に差が生じた場合には、燃料流量調整ユニット３８に加えられる操作量は殆ど変化されない。即ち、実際の燃料供給量Ｇｉの変動により、実際の燃料供給量Ｇｉと目標燃料供給量Ｔｉの間に差が生じた場合には、目標燃料供給量Ｔｉに対する追従性が低くなっている。これに対し、図１２の時刻ｔ１３におけるように、目標燃料供給量Ｔｉの変化により、実際の燃料供給量Ｇｉと目標燃料供給量Ｔｉの間に差が生じた場合には、偏差Ｓｉの値が大きく変動し、燃料供給量Ｇｉは目標燃料供給量Ｔｉに速やかに追従される。即ち、目標燃料供給量Ｔｉの変化により、実際の燃料供給量Ｇｉと目標燃料供給量Ｔｉの間に差が生じた場合には、目標燃料供給量Ｔｉに対する追従性が高くなっている。

次に、比較例として図１３を参照して、従来の制御手段を使用した場合の制御作用を説明する。図１３において、目標燃料供給量Ｔｉを実線で示し、燃料流量センサにより測定された実際の燃料供給量Ｇｉを菱形のプロット点で示し、目標燃料供給量Ｔｉと実際の燃料供給量Ｇｉの間の偏差を三角形のプロット点で示している。なお、図１３に示す偏差は、図１１に示す手順で計算された偏差Ｓｉではなく、目標燃料供給量Ｔｉと実際の燃料供給量Ｇｉの差として計算される単純偏差である。

図１３に示すように、この比較例においても目標燃料供給量Ｔｉは、図１２に示す例と同様に変化されている。図１３の時刻ｔ２３において目標燃料供給量Ｔｉが急激に変化された後、実際の燃料供給量Ｇｉは、時刻ｔ２４において目標燃料供給量Ｔｉと同一の値に落ち着いている。ここで、図１２における時刻ｔ１３と時刻ｔ１４の間の時間と、図１３における時刻ｔ２３と時刻ｔ２４の間の時間はほぼ同一であるから、目標燃料供給量Ｔｉの変化に対しては、本実施形態における制御の追従性と、図１３の比較例における追従性は同程度であるということができる。さらに、図１３の比較例においては、実際の燃料供給量Ｇｉが、目標燃料供給量Ｔｉの変化量を行き過ぎるオーバーシュートが発生しているため、この点においては、本実施形態における制御の方が優れているということができる。

一方、図１３の時刻ｔｓ２において、実際の燃料供給量Ｇｉの値が急激に変動されると、これに伴って目標燃料供給量Ｔｉと実際の燃料供給量Ｇｉの間の差である単純偏差も大きく変動する。従来の制御手段においては、この単純偏差がそのままフィードバックされ、燃料供給手段に対する操作量も大きく変動する。この変動が、制御のハンチング現象等の原因となり、制御系が不安定になる場合がある。

これに対して、本実施形態による制御では、目標燃料供給量Ｔｉの変化に対しては比較例の場合と同等の追従性を確保しながら、燃料供給量Ｇｉの変動に対しては制御系は殆ど反応せず、極めて安定したものになっている。

本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池においては、パルスポンプ１６０を使用して間欠的に水を供給しているので、微少量の水を連続的に供給する特殊且つ高価なポンプを用いることなく、改質器２０に適正な量の水を供給することができる。また、水が間欠的に供給されることにより、水か供給された瞬間に改質器２０内の圧力が急激に上昇し、燃料が改質器内に導入されにくくなる。しかしながら、制御部１１０は、実際の燃料供給量の変化により、目標燃料供給量Ｔｉと実際の燃料供給量Ｇｉに差が生じた場合には追従性が低くなるように燃料流量調整ユニット３８を制御するので、改質器２０内の圧力上昇によって制御のハンチング現象が発生したり、燃料が過剰供給となるのを防止することができる。その一方、制御部１１０は、目標とする燃料供給量Ｔｉの変化により、目標燃料供給量Ｔｉと実際の燃料供給量Ｇｉに差が生じた場合には追従性が高くなるように燃料流量調整ユニット３８を制御するので、目標燃料供給量Ｔｉに速やかに追従した適量の燃料を改質器２０に導入することができる。これにより、改質器２０内の燃料と水のバランスが崩れることによる炭素析出の発生等の不具合を防止することができる。

本実施形態の固体電解質型燃料電池においては、図１１に示されているように、移動平均値Ａｉに基づいて制御を行っているため、実際の燃料供給量Ｇｉの変化により、目標燃料供給量Ｔｉと実際の燃料供給量Ｇｉに差が生じた場合には追従性が低くなると共に、目標燃料供給量Ｔｉの変化には速やかに追従することができる。実際の燃料供給量Ｇｉの変化には追従性が低く、目標燃料供給量Ｔｉの変化には追従性が高くなる制御を実現する手法としては、例えば、実際の燃料供給量Ｇｉが変化した場合と、目標燃料供給量Ｔｉが変化した場合で場合分けを行い、夫々に異なるフィードバックゲインを乗じることが考えられる。しかしながら、このような場合分けを行う制御では、制御系が複雑になるばかりでなく、フィードバックゲインを切り換える際に制御が不安定になる虞がある。これに対し、本実施形態における制御によれば、場合分けやフィードバックゲインの切り換えを行うことなく追従性を変化させることができるので、簡単な演算により制御を行うことができると共に、制御系が極めて安定なものになる。

本実施形態の固体電解質型燃料電池においては、図１０のＳ１３に示されているように、改質器２０内の平均圧力が高いほど補正係数Ｃａの値を増加させ、これによりフィードバックゲインが大きくなるように補正している。この結果、改質器２０内の圧力が上昇することにより、燃料が導入されにくくなった状態においても、迅速に目標燃料供給量Ｔｉの変化に追従することができると共に、フィードバックゲインを大きくしたことによるハンチング現象の発生や、燃料の過剰供給を防止することができる。

本実施形態の固体電解質型燃料電池においては、図１０のＳ７、Ｓ８、Ｓ１０等に示されているように、水供給量が多くなるほどゲイン補正係数τａが大きくされ、フィードバックゲインが大きくなるように補正している。この結果、水供給量が多く、改質器２０内の平均的な圧力が高くなっている状態においても、迅速に目標燃料供給量Ｔｉの変化に追従することができると共に、フィードバックゲインを大きくしたことによるハンチング現象の発生や、燃料の過剰供給を防止することができる。

本実施形態の固体電解質型燃料電池においては、図１０のＳ３、Ｓ４等に示されているように、改質用空気供給量が多くなるほどゲイン補正係数τａが大きくされ、フィードバックゲインが大きくなるように補正している。この結果、改質用空気供給量が多く、改質器２０内の圧力が高くなっている状態においても、迅速に目標燃料供給量Ｔｉの変化に追従することができると共に、フィードバックゲインを大きくしたことによるハンチング現象の発生や、燃料の過剰供給を防止することができる。

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（固体電解質型燃料電池セル）
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（水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
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（改質用空気供給手段）
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
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ
１６０ パルスポンプ

Claims (4)

1. 要求電力に応じた可変の電力を、改質器により改質した燃料と空気により発電する固体電解質型燃料電池であって、
   燃料を改質する改質器と、
   この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
   上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
   上記改質器に間欠的に水を供給する水供給手段と、
   上記燃料供給手段により上記改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、
   上記改質器内で改質された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
   要求電力に応じた電力を発電するために必要な、目標量の燃料、改質用空気及び水が、上記改質器に送り込まれるように、上記燃料供給手段、上記改質用空気供給手段及び上記水供給手段を制御する制御手段と、を有し、
   上記制御手段は、上記燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量を、目標とする燃料供給量と一致させるべく上記燃料供給手段を制御すると共に、目標とする燃料供給量が変化したことにより、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が高く、上記燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量の変化により、目標燃料供給量と実際の燃料供給量に差が生じた場合には追従性が低くなるように上記燃料供給手段を制御し、
   上記制御手段は、上記燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量を、その時点における目標燃料供給量によって除した燃料供給量比の移動平均値に現在の目標燃料供給量を乗じた値と、現在の目標燃料供給量との差として計算される値にフィードバックゲインを乗ずることにより上記燃料供給手段に対する操作量を決定することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. さらに、上記改質器内の圧力を測定する改質器圧力センサを有し、上記制御手段は、上記改質器内の圧力が高いほどフィードバックゲインの値を大きくして上記燃料供給手段を制御することにより、目標とする燃料供給量が変化した場合の追従性と、実際の燃料供給量が変化した場合の追従性を、より大きく異ならせる請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
3. 上記制御手段は、上記水供給手段により上記改質器に供給される水供給量が多くなるほどフィードバックゲインの値を大きくして上記燃料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。
4. 上記制御手段は、上記改質用空気供給手段により上記改質器に供給される改質用空気供給量が多くなるほどフィードバックゲインの値を大きくして上記燃料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。

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