JP5069489B2

JP5069489B2 - 固体酸化物型燃料電池システム

Info

Publication number: JP5069489B2
Application number: JP2007090381A
Authority: JP
Inventors: 忠幸曽木; 稔鈴木; 高志重久; 種男樋口
Original assignee: Kyocera Corp; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Kyocera Corp; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2007294443A

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池からの発電電力を、商用電源からの交流電力と系統連系して電力負荷へ供給する固体酸化物型燃料電池システムに関する。

酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池が知られている。このような固体酸化物型燃料電池では、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の片側には燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、またその他側には空気中の酸素を還元するための空気極が設けられている。この固体酸化物型燃料電池では、作動温度が約７００〜１０００℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことにより発電が行われる。

近年、このような固体酸化物型燃料電池を用いた固体酸化物型燃料電池システムが注目されている。この固体酸化物型燃料電池システムは、例えば、数十ｋＷ〜ＭＷ程度の出力電力を発生するビルや工場用の分散電源やコージェネレーションシステム、１０ＭＷ〜数百ＭＷ程度の出力電力を発生する大型発電プラント、あるいは１ｋＷ〜１０ｋＷ程度の小型のコージェネレーションシステムなどに利用されている。

この固体酸化物型燃料電池システムは、種々のタイプのものが提案されており、例えば次のようなタイプのものがある。第１のタイプの固体酸化物型燃料電池システムは、固体酸化物型燃料電池と、固体酸化物型燃料電池からの発電電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、固体酸化物型燃料電池を制御するための制御手段と、を備えており、インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、インバータ及び商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される。制御手段は、固体酸化物型燃料電池の発電電力が電力負荷の負荷電力よりも所定値（例えば、数十Ｗ程度）低くなるように、固体酸化物型燃料電池の発電電力を電力負荷の負荷電力に追従させて制御している。すなわち、制御手段は、電力負荷の負荷電力が低下するときには、負荷電力の低下電力割合よりも大きい電力割合で固体酸化物型燃料電池の発電電力を低下させ、また電力負荷の負荷電力が上昇するときには、例えば数十Ｗ／分〜数百Ｗ／分の上昇電力割合で固体酸化物型燃料電池の発電電力を上昇させる。

図１５は第２のタイプの固体酸化物型燃料電池システムであり、図示の固体酸化物型燃料電池システム１００は、上述した固体酸化物型燃料電池１０２、インバータ１０４及び制御手段１０６に加え、インバータ１０４からの交流電力を所定の直流電力に変換するための双方向インバータ１０８と、双方向インバータ１０８からの直流電力を蓄電するための蓄電池１１０と、蓄電池１１０の充電電圧を検出するための充電電圧検出手段１１２と、蓄電池１１０の充電及び放電を制御するための充放電制御手段１１４と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。インバータ１０４からの交流電力は商用電源１１６と系統連系され、インバータ１０４及び商用電源１１６からの交流電力が電力負荷１１８に供給される。

制御手段１０６は、上述した第１のタイプの固体酸化物型燃料電池システムと同様に、固体酸化物型燃料電池１０２の発電電力が電力負荷１１８の負荷電力よりも所定値低くなるように、固体酸化物型燃料電池１０２の発電電力を電力負荷１１８の負荷電力に追従させて制御している。また、固体酸化物型燃料電池１０２の発電電力には下限設定値が設定されており、発電電力がこの下限設定値よりも低下しないように構成されている。この固体酸化物型燃料電池システムにおいて、電力負荷１１８の負荷電力が固体酸化物型燃料電池１０２の発電電力の下限設定値よりも低下すると、固体酸化物型燃料電池１０２において余剰電力が発生するようになり、このように余剰電力が発生すると、充放電制御手段１１４は充電電圧検出手段１１２の検出電圧に基づき双方向インバータ１０８を制御し、これにより固体酸化物型燃料電池１０２の余剰電力がインバータ１０４及び双方向インバータ１０８を介して蓄電池１１０に充電され、このように余剰電力を蓄電することによって、余剰電力が商用電源１１６に逆潮流するのが防止される。

特開２００５−１３０５７２号公報

しかしながら、上述のような従来の固体酸化物型燃料電池システムでは、次のような問題がある。第１のタイプの固体酸化物型燃料電池システムでは、固体酸化物型燃料電池の発電電力の上昇速度は例えば数十Ｗ／分〜数百Ｗ／分と比較的低いため、電力負荷の負荷電力が急激に低下した後にすぐに上昇するような場合には、固体酸化物型燃料電池の発電電力に制御遅れが生じる（すなわち、発電電力が負荷電力に再び追従するまでに比較的長時間を要する）。このため、負荷電力に対する固体酸化物型燃料電池の発電電力の不足分が増大し、この発電電力の不足分を賄うために、商用電源からの購入電力が増大してしまうという問題がある。また、電力負荷の負荷電力の低下に追従して発電電力が低下すると、それに伴って固体酸化物型燃料電池の発熱量が低下し、固体酸化物型燃料電池の温度が低下する。固体酸化物型燃料電池の温度が所定温度よりも低下した状態においては、負荷電力が上昇して発電電力が負荷電力に再び追従する際における発電電力の上昇速度が低下してしまい、それ故に、発電電力の制御遅れが大きくなるという問題が生じる。

また、第２のタイプの固体酸化物型燃料電池システム１００では、固体酸化物型燃料電池１０２の余剰電力を消費させるための蓄電池１１０等を別途設置する必要があるため、固体酸化物型燃料電池システム１００の設備コストが増大してしまうという問題がある。

本発明の第１の目的は、商用電源からの購入電力の増大を抑制して、省エネルギー化を実現することができる固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。
また、本発明の第２の目的は、設備コストを低減することができる固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池からの発電電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、を備え、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記電力負荷の負荷電力を検出するための負荷電力検知手段と、前記固体酸化物型燃料電池から前記電力負荷に供給される電力の一部を消費するための電力消費手段と、前記電力消費手段を導通制御するためのスイッチング手段と、前記固体酸化物型燃料電池及び前記スイッチング手段をそれぞれ制御するための制御手段と、が設けられており、前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の発電電力が前記電力負荷の負荷電力に追従するように前記固体酸化物型燃料電池を制御し、
前記負荷電力検知手段の検知負荷電力が１００Ｗ／分以上の割合で低下すると、この検知負荷電力が低下してから設定時間の間、前記制御手段は、発電電力が一定に保持されるように前記固体酸化物型燃料電池を制御するとともに、前記スイッチング手段を導通状態に保持し、前記固体酸化物型燃料電池から前記電力負荷に供給される電力の一部が前記電力消費手段により消費されることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記電力消費手段は、起動時に温度を上昇させるために前記固体酸化物型燃料電池に供給される燃料ガスを点火させるための点火用ヒータから構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記電力消費手段は、前記インバータに設けられた電力消費抵抗から構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、負荷電力検知手段の検知負荷電力が１００Ｗ／分以上の電力割合で低下した場合に、この低下したときから設定時間の間、制御手段は、発電電力が一定に保持されるように固体酸化物型燃料電池を制御するので、検知負荷電力がこの割合以上で急激に低下した後にすぐに上昇したときにおいては、固体酸化物型燃料電池は負荷電力の変動に追従せず、これによって、固体酸化物型燃料電池の発電電力の制御遅れを小さくすることができる。したがって、負荷電力に対する発電電力の不足分を低減することができ、商用電源からの購入電力量を少なく抑えて省エネルギー化を実現することが可能となる。また、負荷電力検知手段の検知負荷電力が１００Ｗ／分以上の電力割合で低下してから設定時間の間、制御手段はスイッチング手段を導通状態に保持するので、固体酸化物型燃料電池にて発生する余剰電力が電力消費手段により消費され、これによりこの余剰電力が商用電源に逆潮流するのを防止することが可能となる。例えば、電気機器として使用電力が一時的に大きく低下する状態が繰り返して生じるものがあり、このような電気機器を使用した場合には、検知負荷電力が急激に低下した後にすぐに上昇する状態が繰り返し生じ、このような場合に、商用電源からの購入電力量を少なく抑えることができるとともに、固体酸化物型燃料電池の余剰電力が商用電源に逆潮流するのを防止することができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、電力消費手段は、固体酸化物型燃料電池に供給される燃料ガスを点火させるための点火用ヒータから構成されているので、固体酸化物型燃料電池にて発生する余剰電力を専用の電力消費手段を設けることなく消費させることができ、固体酸化物型燃料電池システムの設備コストを低減することができる。

さらに、本発明の請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、電力消費手段は、インバータに設けられた電力消費抵抗から構成されているので、固体酸化物型燃料電池にて発生する余剰電力を電力消費抵抗を設けるという簡単な構成でもって消費させることができ、固体酸化物型燃料電池システムの設備コストを低減することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの各種実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムについて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示すブロック図であり、図２は、図１の固体酸化物型燃料電池を簡略的に示すブロック図であり、図３は、図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図であり、図４は、図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。

図１〜図３を参照して、図示の固体酸化物型燃料電池システム２は、固体酸化物型燃料電池４と、固体酸化物型燃料電池４からの発電電力を所定の交流電力に変換するためのインバータ６と、を備えており、インバータ６の交流側には電力負荷８が接続され、インバータ６からの交流電力は商用電源１０と系統連系され、商用電源１０及び固体酸化物型燃料電池４からの電力が電力負荷８に供給される。

固体酸化物型燃料電池４は、固体電解質１２と、固体電解質１２の片側に設けられた燃料極１４と、固体電解質１２の他側に設けられた空気極１６と、を備えており、固体電解質１２として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。燃料極１４は改質された燃料ガスを酸化し、また空気極１６は空気中の酸素を還元し、燃料極１４側の酸化及び空気極１６側の還元による燃料電池発電反応により発電が行われ、これにより固体酸化物型燃料電池４の出力部（図示せず）より所定の直流電力（すなわち、発電電力）が出力される。

固体酸化物型燃料電池４に関連して、燃料供給バルブ１８、脱硫器２０、改質器２２及び燃焼部２４が設けられている。燃料供給バルブ１８は、原燃料ガス供給源（図示せず）から脱硫器２０を通して改質器２２に送給される原燃料ガス（例えば、天然ガス）の送給量を制御するためのものであり、燃料供給バルブ１８の開度が出力上昇方向（開く方向）に調節されると固体酸化物型燃料電池４の発電電力が上昇し、また燃料供給バルブ１８の開度が出力低下方向（閉じる方向）に調節されると固体酸化物型燃料電池４の発電電力が低下する。脱硫器２０は、硫黄成分を除去するためのものであり、原燃料ガス供給源からの原燃料ガスは脱硫器２０に送給され、原燃料ガスに含まれる硫黄成分がこの脱硫器２０において除去される。

改質器２２は、脱硫処理された燃料ガスを改質反応して水素及び一酸化炭素を含むガスに改質するためのものであり、改質触媒（図示せず）下において燃料ガスの改質が行われる。この改質器２２には、脱硫器２０において脱硫処理された燃料ガスが燃料送給流路２６、燃料供給バルブ１８及び燃料送給流路２８を通して送給されるとともに、水蒸気が水蒸気送給流路３０を通して燃料送給流路２８に送給される。これにより、改質器２２においては、燃料ガスの一部と水蒸気とが改質反応して改質され、かく改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路３２を通して固体酸化物型燃料電池４の燃料極１４側に送給される。

燃焼部２４は、固体酸化物型燃料電池４の下流側に配設され、点火用ヒータ３４（電力消費手段としても機能する）を備えている。この点火用ヒータ３４は、例えばセラミックヒータなどの抵抗加熱ヒータから構成され、この点火用ヒータ３４に電力が供給されると点火用ヒータ３４が発熱して電力が消費される。この燃焼部２４には、固体酸化物型燃料電池４の燃料極１４側から排出される反応燃料ガスとその空気極１６側から排出された空気とが送給され、反応燃料ガス中に残留する水素ガスが、点火用ヒータ３４からの熱により点火されて空気中の酸素により燃焼され、燃焼排ガスが排気流路３６を通して外部に排出される。

排気流路３６には、再生器３８が配設されている。再生器３８は、固体酸化物型燃料電池４の空気極１６側に供給される空気を加温する。すなわち、ブロア４４からの空気は空気供給流路４６を通して再生器３８に送給され、この再生器３８において、ブロア４４からの空気と排気流路３６を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された空気が空気送給流路４８を通して固体酸化物型燃料電池４の空気極１６側に送給される。なお、燃焼排ガスの熱を温水として貯湯するように構成することもできる。

インバータ６の直流側には固体酸化物型燃料電池４の出力部が接続され、またその交流側には電力負荷８が接続されている。このインバータ６は、固体酸化物型燃料電池４からの発電電力（直流電力）を所定の交流電力（商用電源１０からの交流電力と同様の交流電力であって、例えば１００Ｖ，６０Ｈｚの単相交流電力）に変換する。また、インバータ６からの交流電力は商用電源１０と系統連系されており、これにより商用電源１０及びインバータ６からの交流電力は電力負荷８に送給され、これら交流電力が電力負荷８において消費される。電力負荷８は、例えば一般家庭や工場などに設置された空調装置、各種機械装置又は照明装置などから構成される。なお、図１においては、電力負荷８は１つのみ図示してあるが、複数の電力負荷をインバータ６の交流側に接続するようにしてもよい。

この固体酸化物型燃料電池システム２は更に、固体酸化物型燃料電池４の発電電力を検知するための発電電力検知手段５６と、電力負荷８の負荷電力を検知するための負荷電力検知手段５８と、点火用ヒータ３４を導通制御するためのスイッチング手段６０と、固体酸化物型燃料電池４及びスイッチング手段６０をそれぞれ制御するための制御手段６２と、を備えている。

発電電力検知手段５６及び負荷電力検知手段５８は例えば電力計などから構成される。発電電力検知手段５６は、例えば固体酸化物型燃料電池システム２が稼働している間に渡って発電電力の検知を行い、また負荷電力検知手段５８は、例えば一日２４時間の常時に渡って負荷電力の検知を行う。

スイッチング手段６０は、固体酸化物型燃料電池４の点火用ヒータ３４とインバータ６の交流側との間に配設されており、点火用ヒータ３４とインバータ６の交流側とが導通される導通状態と、点火用ヒータ３４とインバータ６の交流側との導通が遮断される遮断状態とに選択的に保持される。スイッチング手段６０が導通状態に保持されると、インバータ６から電力負荷８に供給される交流電力の一部がスイッチング手段６０を介して点火用ヒータ３４に供給され、この点火用ヒータ３４にて消費される。

制御手段６２は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、制御信号生成手段６４、記憶手段６６、電力割合演算手段６８、スイッチング作動信号生成手段７０及びスイッチング遮断信号生成手段７１を含んでいる。制御信号生成手段６４は、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が低下すると電力低下信号を生成し、また負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が上昇すると電力上昇信号を生成する。制御手段６２は、電力低下信号が生成されると、燃料供給バルブ１８の開度を出力低下方向に調節して固体酸化物型燃料電池４の発電電力を低下させ、また電力上昇信号が生成されると、燃料供給バルブ１８の開度を出力上昇方向に調節して固体酸化物型燃料電池４の発電電力を上昇させる。これにより、固体酸化物型燃料電池４の発電電力を電力負荷８の負荷電力に追従させて変動させ、固体酸化物型燃料電池４の発電電力が電力負荷８の負荷電力よりも所定値（例えば、約３０Ｗ程度）低くなるように保持させることができる。

記憶手段６６は例えばメモリなどから構成され、設定時間データ及び設定電力割合データがそれぞれ記憶されている。電力割合演算手段６８は、負荷電力検知手段５８からの検知負荷電力に基づき、電力負荷８の負荷電力の低下電力割合を演算する。制御信号生成手段６４は、電力割合演算手段６８による演算結果に基づき、負荷電力の低下電力割合が記憶手段６６に記憶された設定電力割合（例えば、１００Ｗ／分）以上であるとき（すなわち、負荷電力が急激に低下したとき）には電力保持信号を生成する。電力保持信号が生成されると、制御手段６２は、固体酸化物型燃料電池４の発電電力を電力負荷状態に応じて変動させることなく、そのときの発電電力でもって記憶手段６６に記憶された設定時間（例えば、１秒程度）の間保持させる。

スイッチング作動信号生成手段７０は、電力割合演算手段６８による演算結果に基づき、負荷電力の低下電力割合が設定電力割合以上であるときにはスイッチング作動信号を生成し、このようにスイッチング作動信号が生成されると、スイッチング手段６０は遮断状態から導通状態に保持される。スイッチング遮断信号生成手段７１は、スイッチング手段６０が導通状態に保持されてから上記設定時間が経過するとスイッチング遮断信号を生成し、このようにスイッチング遮断信号が生成されると、スイッチング手段６０は導通状態から遮断状態に保持される。

次に、図４をも参照して、この固体酸化物型燃料電池システム２の制御の流れを説明すると次の通りである。固体酸化物型燃料電池４の運転が開始されると（ステップＳ１）、固体酸化物型燃料電池４の出力部より発電電力が出力される（ステップＳ２）。この発電電力はインバータ６に送給され、このようにインバータ６に送給された発電電力は、例えば単相交流の１００Ｖ，６０Ｈｚの交流電力に変換された後に電力負荷８に送給され、この電力負荷８にて消費される。また、商用電源１０からも同様に、例えば単相交流の１００Ｖ，６０Ｈｚの交流電力が電力負荷８に供給される。このような運転状態においては、発電電力検知手段５６は固体酸化物型燃料電池４の発電電力を検知し、また負荷電力検知手段５８は電力負荷８の負荷電力を検知し（ステップＳ３）、これら検知信号がそれぞれ制御手段６２に送給される（ステップＳ４）。また、スイッチング手段６０は遮断状態に保持されている。

負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が上昇すると、ステップＳ５からステップＳ６に進んで、制御信号生成手段６４は電力上昇信号を生成し、制御手段６２はこの電力上昇信号に基づき燃料供給バルブ１８の開度を出力上昇方向に調節し（ステップＳ７）、これにより固体酸化物型燃料電池４の発電電力が電力負荷８の負荷電力よりも所定値（例えば、約３０Ｗ程度）低くなるように上昇され（ステップＳ８）、その後に再びステップＳ５に戻る。

また、電力負荷８の負荷電力が低下した場合において、負荷電力の低下電力割合が設定電力割合より小さいときには、ステップＳ９からステップＳ１０を経てステップＳ１１に進み、制御信号生成手段６４は電力低下信号を生成し、制御手段６２はこの電力低下信号に基づき燃料供給バルブ１８の開度を出力低下方向に調節し（ステップＳ１２）、これにより固体酸化物型燃料電池４の発電電力が電力負荷８の負荷電力よりも上記所定値低くなるように低下され（ステップＳ１３）、その後に再びステップＳ５に戻る。

以上のようにして、固体酸化物型燃料電池４の発電電力は電力負荷８の負荷電力に追従して変動され、固体酸化物型燃料電池４の発電電力が電力負荷８の負荷電力よりも上記所定値低くなるように保持される。

また、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が低下した場合において、負荷電力の低下電力割合が設定電力割合以上であるときには、ステップＳ９からステップＳ１０を経てステップＳ１４に進み、制御信号生成手段６４は電力保持信号を生成する。かくすると、検知負荷電力が低下してから設定時間の間、制御手段６２は、この電力保持信号に基づき燃料供給バルブ１８の開度を低下する前の状態に保持し（ステップＳ１５）、これにより固体酸化物型燃料電池４の発電電力が低下する前の一定電力状態に保持される（ステップＳ１６）。また、スイッチング作動信号生成手段７０はスイッチング作動信号を生成し（ステップＳ１７）、スイッチング手段６０はこのスイッチング作動信号に基づき遮断状態から導通状態に保持される（ステップＳ１８）。このとき、固体酸化物型燃料電池４の発電電力が負荷電力を超えるようになるが、スイッチング手段６０が導通状態に保持されるので、インバータ６から電力負荷８に供給される交流電力の一部（すなわち、固体酸化物型燃料電池４の余剰電力）がスイッチング手段６０を介して点火用ヒータ３４に供給され、この余剰電力は点火用ヒータ３４により消費され、これによって、この余剰電力が商用電源１０に逆潮流するのが防止される。

この発電電力の保持は設定時間（例えば、１秒程度）行われ、この設定時間が経過すると、ステップＳ１８からステップＳ１９を経てステップＳ２０に進み、スイッチング遮断信号生成手段７１はスイッチング遮断信号を生成し、スイッチング手段６０は、このスイッチング遮断信号に基づき導通状態から遮断状態に保持される（ステップＳ２１）。そして、ステップＳ２１からステップＳ５に戻り、検知負荷電力が低下してから設定時間の経過前に復帰したとき（例えば、低下する直前の検知負荷電力付近まで上昇したとき）には、設定時間の経過後に固体酸化物型燃料電池４の発電電力を上昇又は低下させることにより発電電力を負荷電力に再び追従させ、また検知負荷電力が低下してから設定時間の経過前に負荷電力が復帰していないときには、設定時間の経過後に固体酸化物型燃料電池４の発電電力を電力負荷８の負荷電力よりも上記所定値低い値まで低下させることにより発電電力を負荷電力に再び追従させる。

［第２の実施形態］
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムについて説明する。図５は、本発明の第２の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図であり、図６は、図５の固体酸化物型燃料電池システムの制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。なお、以下の各実施形態において、上記第１の実施形態と実質上同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

この第２の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム２Ａでは、固体酸化物型燃料電池（図示せず）の発電電力には下限設定値（例えば、１００Ｗ）が設定されており、発電電力がこの下限設定値よりも低下しないように構成されている。また、固体酸化物型燃料電池に送給される改質燃料ガスには下限設定ガス量が設定されており、固体酸化物型燃料電池に送給される改質燃料ガス量がこの下限設定ガス量よりも低下しないように構成されている。制御手段６２Ａは、上述した制御信号生成手段６４Ａ、記憶手段６６Ａ、スイッチング作動信号生成手段７０Ａ及びスイッチング遮断信号生成手段７１Ａに加えて、タイマ７４を含んでいる。タイマ７４は、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が所定値、即ち、第１設定負荷電力（例えば、１００Ｗ）よりも低下した後において、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が上昇して第２設定負荷電力（例えば、１８０Ｗ）を超えると計時を開始する。

スイッチング作動信号生成手段７０Ａは、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が第１設定負荷電力よりも低下すると、スイッチング作動信号を生成する。スイッチング遮断信号生成手段７１Ａは、タイマ７４により計時された時間が設定時間（例えば、３０秒）を超えると、スイッチング遮断信号を生成する。記憶手段６６Ａには、上述した設定時間データ、下限設定値データ、第１設定負荷電力データ及び第２設定負荷電力データがそれぞれ記憶されている。なお、この固体酸化物型燃料電池システム２Ａの他の構成は、上記第１の実施形態とほぼ同様である。

次に、図６をも参照して、この固体酸化物型燃料電池システム２Ａの制御の流れを説明すると、次の通りである。上述した第１の実施形態と同様に、ステップＳ３１〜ステップＳ３９が行われ、ステップＳ４０において、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が第１設定負荷電力より低下しないときには、ステップＳ４０からステップＳ４１に進み、制御信号生成手段６４Ａは電力低下信号を生成し、制御手段６２はこの電力低下信号に基づき燃料供給バルブ１８の開度を出力低下方向に調節し（ステップＳ４２）、これにより固体酸化物型燃料電池の発電電力が電力負荷（図示せず）の負荷電力よりも上記所定値（例えば、約３０Ｗ程度）低くなるように低下され（ステップＳ４３）、その後に再びステップＳ３５に戻る。

ステップＳ４０において、負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が第１設定負荷電力よりも低下したときには、ステップＳ４０からステップＳ４４に進み、上述したのと同様にステップＳ４４〜ステップＳ４６が行われ、固体酸化物型燃料電池の発電電力は下限設定値まで低下され、固体酸化物型燃料電池は最小出力状態に保持される。スイッチング作動信号生成手段７０Ａはスイッチング作動信号を生成し（ステップＳ４７）、スイッチング手段６０はこのスイッチング作動信号に基づき遮断状態から導通状態に保持される（ステップＳ４８）。このとき、固体酸化物型燃料電池の発電電力が負荷電力を超えるようになるが、スイッチング手段６０が導通状態に保持されるので、インバータ（図示せず）から電力負荷に供給される交流電力の一部（即ち、固体酸化物型燃料電池の最小出力状態における余剰電力）がスイッチング手段６０を介して点火用ヒータ（図示せず）に供給され、この点火用ヒータにおいて消費される。これによって、点火用ヒータからの熱によって固体酸化物型燃料電池の温度低下を抑制することができ、また、この余剰電力が商用電源（図示せず）に逆潮流するのが防止される。

負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が上昇すると、ステップＳ４９からステップＳ５０に進み、制御信号生成手段６４Ａは電力上昇信号を生成し、制御手段６２Ａはこの電力上昇信号に基づき燃料供給バルブ１８の開度を出力上昇方向に調節し（ステップＳ５１）、これにより固体酸化物型燃料電池の発電電力が上昇される（ステップＳ５２）。上述したように固体酸化物型燃料電池の温度低下が抑制されるので、発電電力の上昇速度の低下を抑制することができ、それ故に、発電電力の制御遅れを小さくすることができる。

負荷電力検知手段５８の検知負荷電力が第２設定負荷電力よりも上昇すると、ステップＳ５３からステップＳ５４に進み、タイマ７４による計時が開始される。タイマ７４により計時された時間が設定時間を超えると、ステップＳ５５からステップＳ５６に進み、スイッチング遮断信号生成手段７１Ａはスイッチング遮断信号を生成し、スイッチング手段６０は、このスイッチング遮断信号に基づき導通状態から遮断状態に保持され（ステップＳ５７）、再びステップＳ３５に戻る。

［第３の実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第３の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムについて説明する。図７は、本発明の第３の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示すブロック図である。

この第３の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム２Ｂでは、インバータ６Ｂのインバータ回路（図示せず）には、インバータ６Ｂから電力負荷８に供給される交流電力の一部を消費するための電力消費抵抗７２（電力消費手段を構成する）が設けられている。スイッチング手段６０Ｂは、インバータ６Ｂの交流側と電力消費抵抗７２との間に配設されており、スイッチング手段６０Ｂが導通状態に保持されると、インバータ６Ｂからの交流電力の一部がスイッチング手段６０Ｂを介して電力消費抵抗７２に供給され、またスイッチング手段６０Ｂが遮断状態に保持されると、インバータ６Ｂから電力消費抵抗７２への交流電力の供給が遮断される。

この他の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム２Ｂにおいても、上述した実施形態と同様に、負荷電力が急激に低下した（例えば、低下電力割合が１００Ｗ／分である）ときには、固体酸化物型燃料電池４の発電電力が設定時間（例えば、１秒程度）の間一定に保持され、また制御手段６２Ｂによりスイッチング手段６０Ｂが導通状態に保持される。これにより、固体酸化物型燃料電池４にて発生した余剰電力は、スイッチング手段６０Ｂを介して電力消費抵抗７２に供給され、この電力消費抵抗７２により消費される。したがって、インバータ６Ｂの内部に設けられた電力消費抵抗７２を用いて、固体酸化物型燃料電池４にて発生する余剰電力を消費させることができ、上述した実施形態と同様の作用効果が達成される。

以上、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

例えば、インバータ６（６Ｂ）の交流側と商用電源１０との間に、商用電源１０への逆潮流を監視するための逆潮流監視センサ（図示せず）を更に設けるようにしてもよい。この逆潮流監視センサが逆潮流を検知すると（すなわち、発電電力が負荷電力を超えると）、制御手段６２（６２Ａ）（６２Ｂ）は、固体酸化物型燃料電池４の発電電力を電力負荷８の負荷電力よりも低下させ、これにより商用電源１０への逆潮流を防止することができる。

また例えば、上記第１及び第３実施形態では、記憶手段６６（６６Ｂ）に記憶された設定時間を１秒程度に設定し、また設定電力割合を１００Ｗ／分に設定したが、これらは固体酸化物型燃料電池システム２の用途等に応じて適宜設定することができる。

また例えば、上記第２実施形態では、下限設定値及び第１設定負荷電力をともに１００Ｗに設定したが、下限設定値を第１設定負荷電力よりも大きく設定してもよい。
［実施例及び比較例］
（実施例１及び比較例１）
本発明の効果を確認するために、次の通りの実験を行った。実施例１として図１〜図４に示す固体酸化物型燃料電池システムを用い、ある１日の１５時〜１６時の１時間に渡って稼働させた。この実施例１では、設定電力割合として１００Ｗ／分を設定し、また設定時間として１秒を設定し、負荷電力が１００Ｗ／分以上の電力割合で低下したときに、１秒間の間に渡って固体酸化物型燃料電池の発電電力を維持し、余剰電力を点火用ヒータで消費するようにした。

この実施例１における固体酸化物型燃料電池システムの実験結果は、図８及び図９に示す通りであった。図８は、実施例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図であり、図９は、実施例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける商用電源からの購入電力の変化を示す図である。図８において、上側の波形Ａが電力負荷の負荷電力を示す波形であり、下側の波形Ｂが固体酸化物型燃料電池の発電電力を示す波形である。

実施例１の固体酸化物型燃料電池システムでは、図８に示されるように、負荷電力が設定電力割合（１００Ｗ／分）以上の電力割合で低下したときには、固体酸化物型燃料電池の発電電力は設定時間（１秒）の間一定に保持されるので、発電電力が負荷電力に再び追従する際の制御遅れが小さくなった。このように発電電力の制御遅れが小さいと、負荷電力に対する発電電力の不足分が低減して商用電源からの購入電力を少なく抑えることができ、図９に示されるように、電力負荷の負荷電力が急激に低下した際の商用電源からの購入電力のピークは約７０〜９０Ｗであった。

比較のために、負荷電力が急激に低下したときに、この負荷変動に応じて固体酸化物型燃料電池の発電電力を追従させた固体酸化物型燃料電池システムを用い、上記実施例１と同じ電力負荷状態でもって変動するある一日の１５時〜１６時の１時間に渡って稼働させた。

この比較例１における固体酸化物型燃料電池システムの実験結果は、図１０及び図１１に示す通りであった。図１０は、比較例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図であり、図１１は、比較例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける商用電源からの購入電力の変化を示す図である。図１０において、上側の波形ａが電力負荷の負荷電力を示す波形であり、下側の波形ｂが固体酸化物型燃料電池システムの発電電力を示す波形である。

この比較例１の固体酸化物型燃料電池システムでは、電力負荷の負荷電力が低下すると、固体酸化物型燃料電池の発電電力は負荷電力の低下電力割合よりも大きい低下電力割合で低下し、また電力負荷の負荷電力が上昇すると、固体酸化物型燃料電池の発電電力は約５００〜７００Ｗ／分の上昇電力割合で上昇する。一般に、電力負荷の負荷電力は、使用する電気機器の特性によって、周期的に（例えば、約１〜２分毎に）約１秒間３００Ｗ程度低下することがあり、このように負荷電力が急激に低下した後にすぐに上昇する場合には、図１０に示されるように、固体酸化物型燃料電池の発電電力は急激に低下した後に、電力負荷の負荷電力の上昇電力割合よりも小さい上昇電力割合で上昇され、発電電力が負荷電力に再び追従する際の制御遅れが大きかった。このように発電電力の制御遅れが大きくなると、負荷電力に対する発電電力の不足分が増大し、この発電電力の不足分を補うべく商用電源からの購入電力量が増大する。図１１に示されるように、比較例１では、電力負荷の負荷電力が急激に低下した際の商用電源からの購入電力のピークは約４００〜５００Ｗまで上昇した。

上述した実験結果をまとめると、実施例１では、１時間における電力負荷の負荷電力量５９６．１Ｗｈのうち５６６．０Ｗｈ（負荷電力量の９５．０％に相当する）が固体酸化物型燃料電池の発電電力によって賄われたのに対し、比較例１では、１時間における電力負荷の負荷電力量５９６．１Ｗｈのうち４９９．０Ｗｈ（負荷電力量の８３．７％に相当する）が固体酸化物型燃料電池の発電電力によって賄われた。このことから、本発明の固体酸化物型燃料電池システムでは、負荷電力が短時間に一時的に急激に低下したときには、固体酸化物型燃料電池の発電電力を負荷電力に追従させることなく一定に保持させるので、固体酸化物型燃料電池の発電電力を電力負荷の負荷電力に再び追従させる際の制御遅れを小さくすることができ、これにより、商用電源からの購入電力の増大を抑制して省エネルギー化を実現することができることが確認できた。

（実施例２並びに比較例２及び３）
また、実施例２として図５及び図６に示す固体酸化物型燃料電池システムを用い、ある１日の夜間において３．５時間に渡って稼働させた。この実施例２では、下限設定値として１００Ｗを設定し、第１設定負荷電力として１００Ｗを設定し、第２設定負荷電力として１８０Ｗを設定し、また設定時間として３０秒を設定し、負荷電力が第１設定負荷電力よりも低下したときに、固体酸化物型燃料電池の発電電力を下限設定値に保持し、固体酸化物型燃料電池の最小出力状態における余剰電力を点火用ヒータで消費するようにした。また、固体酸化物型燃料電池の表面に取り付けた熱電対によって、固体酸化物型燃料電池の温度を測定した。

この実施例２における固体酸化物型燃料電池システムの実験結果は、図１２に示す通りであった。図１２は、実施例２の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。図１２において、太線で示す波形Ｃが電力負荷の負荷電力を示す波形であり、細線で示す波形Ｄが固体酸化物型燃料電池の発電電力を示す波形である。

実施例２の固体酸化物型燃料電池システムでは、図１２に示されるように、負荷電力が５００Ｗから５０Ｗまで低下した後に、５０Ｗでほぼ一定に保持された状態で約２時間が経過し、その後再び５００Ｗまで上昇する電力負荷を使用した。負荷電力が５００Ｗであるときの固体酸化物型燃料電池の温度は７２０℃であった。負荷電力が第１設定負荷電力（１００Ｗ）よりも低下すると、固体酸化物型燃料電池の発電電力は負荷電力に追従して下限設定値（１００Ｗ）まで低下され、下限設定値でほぼ一定に保持される。負荷電力が５０Ｗまで低下した際の固体酸化物型燃料電池の温度は６８０℃であり、このように固体酸化物型燃料電池の温度変化が小さいと、負荷電力が５０Ｗから５００Ｗに上昇して発電電力が負荷電力に再び追従する際における発電電力の上昇速度の低下が抑制され、発電電力の制御遅れが小さくなった。

比較例２として、負荷電力が第１設定負荷電力よりも低下したときに、固体酸化物型燃料電池の最小出力状態における余剰電力を電力消費手段により消費させないようにした固体酸化物型燃料電池システムを用い、上記実施例２と同じ電力負荷状態でもって変動するある１日の夜間において３．５時間に渡って稼働させた。

この比較例２における固体酸化物型燃料電池システムの実験結果は、図１３に示す通りであった。図１３は、比較例２の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。図１３において、太線で示す波形ｃ１が電力負荷の負荷電力を示す波形であり、細線で示す波形ｄ１が固体酸化物型燃料電池システムの発電電力を示す波形である。

この比較例２の固体酸化物型燃料電池システムでは、負荷電力が５００Ｗであるときの固体酸化物型燃料電池の温度は７２０℃であり、電力負荷の負荷電力が５０Ｗまで低下した際の固体酸化物型燃料電池の温度は６１０℃であった。このように固体酸化物型燃料電池の温度変化が大きいと、負荷電力が５０Ｗから５００Ｗに上昇して発電電力が負荷電力に再び追従する際における発電電力の上昇速度が低下され、発電電力の制御遅れが大きくなった。

更に比較例３として、負荷電力が第１設定負荷電力よりも低下したときに、固体酸化物型燃料電池の最小出力状態における余剰電力を外部の抵抗素子により消費させるようにした固体酸化物型燃料電池システムを用い、上記実施例２と同じ電力負荷状態でもって変動するある１日の夜間において３．５時間に渡って稼働させた。

この比較例３における固体酸化物型燃料電池システムの実験結果は、図１４に示す通りであった。図１４は、比較例３の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。図１４において、太線で示す波形ｃ２が電力負荷の負荷電力を示す波形であり、細線で示す波形ｄ２が固体酸化物型燃料電池システムの発電電力を示す波形である。

この比較例３の固体酸化物型燃料電池システムでは、負荷電力が５００Ｗであるときの固体酸化物型燃料電池の温度は７２０℃であり、電力負荷の負荷電力が５０Ｗまで低下した際の固体酸化物型燃料電池の温度は６２０℃であった。比較例２と同様に、固体酸化物型燃料電池の温度変化が大きくなり、５０Ｗから５００Ｗに負荷電力が上昇して発電電力が負荷電力に再び追従する際における発電電力の上昇速度が低下され、発電電力の制御遅れが大きくなった。

上述した実験結果をまとめると、実施例２では、負荷電力が５００Ｗから５０Ｗに低下した際の固体酸化物型燃料電池の温度変化は４０℃であったのに対し、比較例２では、負荷電力が５００Ｗから５０Ｗに低下した際の固体酸化物型燃料電池の温度変化は１１０℃であり、また比較例３では、負荷電力が５００Ｗから５０Ｗに低下した際の固体酸化物型燃料電池の温度変化は１００℃であった。このことから、本発明の固体酸化物型燃料電池システムでは、負荷電力が第１設定負荷電力よりも低下したときには、固体酸化物型燃料電池の最小出力状態における余剰電力を点火用ヒータで消費させるので、この点火用ヒータからの熱によって固体酸化物型燃料電池の温度低下を抑制することができ、それ故に、負荷電力が上昇して発電電力が負荷電力に再び追従する際における発電電力の上昇速度の低下を抑制することができ、発電電力の制御遅れを小さくすることが確認できた。また、このように発電電力の制御遅れを小さくできることにより、固体酸化物型燃料電池に送給される改質燃料ガスの消費量に対する、発電電力によって賄われる負荷電力量の比率を高めることができ、発電効率が高められることが確認できた。

本発明の第１の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示すブロック図である。図１の固体酸化物型燃料電池を簡略的に示すブロック図である。図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図である。図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図である。図５の固体酸化物型燃料電池システムの制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。本発明の第３の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示すブロック図である。実施例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。実施例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける商用電源からの購入電力の変化を示す図である。比較例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。比較例１の固体酸化物型燃料電池システムにおける商用電源からの購入電力の変化を示す図である。実施例２の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。比較例２の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。比較例３の固体酸化物型燃料電池システムにおける電力負荷の負荷電力と固体酸化物型燃料電池の発電電力との関係を示す波形図である。従来の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示すブロック図である。

符号の説明

２，２Ａ，２Ｂ，１００固体酸化物型燃料電池システム
４，１０２固体酸化物型燃料電池
６，６Ｂ，１０４インバータ
８，１１８電力負荷
１０，１１６商用電源
３４点火用ヒータ
５８負荷電力検知手段
６０，６０Ｂスイッチング手段
６２，６２Ａ，６２Ｂ，１０６制御手段
７２電力消費抵抗

Claims

固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池からの発電電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、を備え、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記電力負荷の負荷電力を検出するための負荷電力検知手段と、前記固体酸化物型燃料電池から前記電力負荷に供給される電力の一部を消費するための電力消費手段と、前記電力消費手段を導通制御するためのスイッチング手段と、前記固体酸化物型燃料電池及び前記スイッチング手段をそれぞれ制御するための制御手段と、が設けられており、前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の発電電力が前記電力負荷の負荷電力に追従するように前記固体酸化物型燃料電池を制御し、
前記負荷電力検知手段の検知負荷電力が１００Ｗ／分以上の割合で低下すると、この検知負荷電力が低下してから設定時間の間、前記制御手段は、発電電力が一定に保持されるように前記固体酸化物型燃料電池を制御するとともに、前記スイッチング手段を導通状態に保持し、前記固体酸化物型燃料電池から前記電力負荷に供給される電力の一部が前記電力消費手段により消費されることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
前記電力消費手段は、起動時に温度を上昇させるために前記固体酸化物型燃料電池に供給される燃料ガスを点火させるための点火用ヒータから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
前記電力消費手段は、前記インバータに設けられた電力消費抵抗から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。