JP5112642B2

JP5112642B2 - 固体酸化物型燃料電池システム

Info

Publication number: JP5112642B2
Application number: JP2006097433A
Authority: JP
Inventors: 稔鈴木; 忠幸曽木; 明夫近沢; 勝己檜垣; 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: 2006-03-31
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273252A

Description

本発明は、原燃料ガスを改質した改質ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池として固体酸化物型燃料電池が知られている。この固体酸化物型燃料電池は、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比して、発電の効率が高く、有望な発電技術として注目されている。

固体酸化物型燃料電池は、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解質の片側に燃料ガスを酸化する機能を有する燃料電極が設けられ、その他側に酸化材を還元する機能を有する酸素電極が設けられている（例えば、特許文献１参照）。固体電解質としては、一般的に、イットリアをドープしたジルコニアが用いられる。この固体酸化物型燃料電池では、燃料電極側に燃料ガス、例えば水素、一酸化炭素及び炭化水素を含むガスが供給され、酸素電極側に酸化材、例えば空気が供給され、かかる燃料ガスと酸化材との電気化学反応によって発電が行われる。

固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムでは、原燃料ガスとして例えば炭化水素（例えば、天然ガス）が用いられ、炭化水素を用いた場合に、原燃料を改質する改質器が設置される。炭化水素ガス（例えば、天然ガス）は、この改質器で水素、一酸化炭素を含むガスに改質され、改質燃料ガスが固体酸化物型燃料電池の燃料電極側に供給される。

定格発電出力が１ｋＷ級程度の家庭用又は小型のコージェネレーションシステムでは、接続する電力負荷が時間とともに大きく変動するという使用上の特徴がある。また、需要としての熱需要は、風呂等への給湯が代表するように、短時間で出力することが求められる。このようなことから、固体酸化物型燃料電池システムにて発電するとともに、この発電により発生する熱は、蓄熱手段としての例えば貯湯タンクに温水として蓄熱され、蓄熱手段に蓄熱された温水が、必要に応じて消費される。この種のコージェネレーションシステムでは、個別の設置先の熱需要及び電力需要に対してシステムの運用の最適化を図るために、熱需要及び電力需要の実績に基づいて運転当日の最適運転パターンを予測し、この予測運転パターンに基づいて燃料電池を運転制御する制御方式、所謂学習制御方式が一般的に用いられている（例えば、特許文献２参照）。

この家庭用コージェネレーションシステムとしては、ガスエンジンタイプ、固体高分子形燃料電池タイプ、固体酸化物型燃料電池タイプが実用化を目指して開発されている。これらのタイプの特性は、表１に示す通りである。

表１に示されるように、固体酸化物型燃料電池タイプは発電効率が高く、熱電比が０．６６程度しかなく、発電出力に比して熱の発生が少ないという特徴を有している。このような特徴を有する固体酸化物型燃料電池システムでは、接続する電力消費機器の電力需要に追従して発電し、この発電により発生した熱で熱需要の一部をまかなうようにすることによって効率のよい運転を行うことができ、熱需要にあわせるために、燃料電池の発電出力を抑制したり、起動時間を設定したりするような学習制御の必要性が少ない。

特開２００２−２８９２４４号公報特開２００５−９８６７９号公報

このようなことから、固体酸化物型燃料電池システムでは、ほぼ連続して稼働運転されるようになるために、燃料電池スタックの発電性能が劣化したときにも、発電性能の発揮と劣化防止の観点で望ましい作動状態に自律的に移行するようにすることが使用上望ましい。一般的に、固体酸化物型燃料電池は作動温度が高いと発電性能は向上するが、この作動温度が高くなるにともなって劣化速度も増大する傾向にあり、それ故に、燃料電池スタックの上限温度を設定し、その設定温度を超えたときには、固体酸化物型燃料電池の空気電極側に送給される空気量を多くして冷却を行い、このように制御して上記設定温度を超えないように運転が行われる。

しかしながら、このような運転方法では、固体酸化物型燃料電池の劣化時に、この上限温度付近での作動時間が長くなるために、燃料電池スタックの劣化がより進行しやすいという問題がある。

本発明の目的は、固体酸化物型燃料電池の経時的な劣化の進行を抑え、効率的な運転を長期にわたって行うことができる固体酸化物型燃料電池を提供することである。
本発明の他の目的は、固体酸化物型燃料電池の経時的な特性変化に対して、固体酸化物型燃料電池システムの発電出力と発生する熱とを合わせた運用効率性能を効果的に取り出せ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は、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、酸化材を前記固体酸化物型燃料電池に送給するための送風装置と、前記固体酸化物型燃料電池及び前記送風装置を作動制御するための制御手段と、を具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記固体酸化物型燃料電池の設定上限温度より低い第１温度が設定されるとともに、前記固体酸化物型燃料電池の定格発電出力よりも小さい第１発電出力が設定されており、
前記固定酸化物型燃料電池の作動温度が前記第１温度以上になると、前記制御手段は上限発電出力として前記第１発電出力を設定して前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を抑え、
また、前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が前記設定上限温度に達すると、前記制御手段は前記送風装置による送給量を多くして前記固体酸化物型燃料電池を冷却す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、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池の稼動に伴い発生する熱を蓄えるための蓄熱手段と、前記固体酸化物型燃料電池を作動制御するための制御手段と、を具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記固体酸化物型燃料電池の設定上限温度より低い第１温度が設定されるとともに、前記固体酸化物型燃料電池の定格発電出力よりも小さい第１発電出力が設定されており、
前記蓄熱手段の蓄熱量が所定熱量以上で、且つ前記固定酸化物型燃料電池の作動温度が前記第１温度以上になると、前記制御手段は上限発電出力として前記第１発電出力を設定して前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を抑えることを特徴とする。

更に、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、前記制御手段は、前記上限発電出力として前記第１発電出力を設定すると所定時間継続して前記第１発電出力を維持す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、固体酸化物型燃料電池の作動温度が第１温度以上になると、上限発電出力として第１発電出力が設定され、固体酸化物型燃料電池の発電出力が小さくなる。一般的に、固体酸化物型燃料電池の劣化が進行すると、熱電比が大きくなって発電にともなう熱の発生量が多くなるが、このように固体酸化物型燃料電池の発電出力を抑えることによって、第１温度を超える運転が抑えられ、これによって、固体酸化物型燃料電池の劣化を抑制することができるとともに、その劣化にともなう熱出力の増大を効果的に抑えることができる。また、固体酸化物型燃料電池の作動温度が第１温度を超えて設定上限温度になると、送風装置による酸化材の送給量が増大して固体酸化物型燃料電池が冷却され、これによって、設定上限温度を超える温度上昇を抑えることができる。尚、第１温度とは、固体酸化物型燃料電池の上限温度（例えば、８００℃程度）よりも３０〜６０℃程度低い温度（例えば、７５０℃程度）に設定され、また第１発電出力とは、固体酸化物型燃料電池の上限発電出力、換言すると定格発電出力（例えば、１ｋＷ）よりも１０〜１５％低い発電出力（例えば、９００Ｗ）に設定される。

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、固体酸化物型燃料電池の稼動にともない発生する熱を蓄熱するための蓄熱手段が設けられ、蓄熱余裕があるときには、発生した熱が蓄熱手段に蓄熱される。この燃料電池システムでは、蓄熱手段の蓄熱量が所定熱量以上で、且つ固体酸化物型燃料電池の作動温度が第１温度以上になると、上限発電出力として第１発電出力が設定され、固体酸化物型燃料電池の発電出力が小さくなる。蓄熱手段の蓄熱量が所定熱量以上になると、蓄熱手段への蓄熱余裕が少なくなり、発電にともない多くの熱が発生すると有効に蓄熱して利用することができなくなる。このようなことから、蓄熱手段の蓄熱量が所定蓄熱量に達した時に、固体酸化物型燃料電池の出力を第１発電出力を超えないように抑えることによって、第１温度を超える運転が抑えられ、これによって、固体酸化物型燃料電池の劣化を抑制することができるとともに、その劣化にともなう熱出力の増大を効果的に抑えることができる。固体酸化物型燃料電池では、燃料電池スタックの劣化が進行すると、劣化による発熱も増大し、作動温度が第１温度に達する頻度も多くなるので、定格発電出力よりも小さい第１発電出力を上限発電出力として設定することにより、発電出力の抑制が自律的に劣化前よりも早く効くことになり、それ故に、劣化したときにおいても、発生熱量を有効に利用できる範囲を保ちつつ、固体酸化物型燃料電池の作動温度の抑制を図ることができる。尚、蓄熱手段における所定蓄熱量とは、その最大蓄熱量の３０〜５０％、例えば４０％程度に設定される。

更に、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、上限発電出力として第１発電出力が設定されると、所定時間（例えば、０．５〜３時間程度）継続してこの状態が維持されるので、発電にともなう熱の発生を抑制えることができる。

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最良の実施形態を説明する。
第１の実施形態
まず、図１及び図２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第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図であり、図２は、図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御系を示すフローチャートである。

図１において、図示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２、原燃料を改質するための改質器４、及び酸化材としての空気を予熱するための空気予熱器６を備えている。固体酸化物型燃料電池２は、略直方体状の燃料電池本体１０と、電気化学反応によって発電を行うための燃料電池スタック１２とから構成されている。燃料電池本体１０は遮熱壁１４によって形成され、この遮熱壁１４によって高温空間８が規定され、この高温空間８内に燃料電池スタック１２が配設されている。

燃料電池スタック１２は、酸素イオンを伝導する固体電解質１６を備え、この固体電解質１６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。燃料電池スタック１２の固体電解質１６の片側（図１において右側）に燃料電極（図示せず）が設けられ、この燃料電極側１５において酸化作用が行われ、またその他側（図１において左側）に酸素電極（図示せず）が設けられ、酸素電極側１７において還元作用が行われる。

燃料電池スタック１２の燃料電極側１５には、原燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス）を改質した改質燃料ガスが供給される。この実施形態では、燃料電池スタック１２の燃料電極側１５の導入側が改質燃料ガス送給ライン１８を介して改質器４に接続され、この改質器４が原燃料ガス供給ライン２０を介して原燃料ガス供給源２２（例えば、埋設管、貯蔵タンク）に接続されている。原燃料供給ライン２０には水蒸気供給ライン２４が接続され、この水蒸気供給ライン２４が水蒸気を供給する水蒸気供給源２６に接続されている。原燃料供給ライン２０には、原燃料ガスの供給量を制御するための第１流量制御弁２５が配設され、また水蒸気供給ライン２４には、水蒸気の供給量を制御するための第２流量制御弁２７が配設されている。

また、燃料電池スタック１２の酸素電極側１７の導入側は空気送給ライン２８を介して空気予熱器６に接続され、この空気予熱器６が空気供給ライン３０を介して外気を供給する送風装置３２に接続されている。

更に、燃料電池スタック１２の燃料電極側１５及び酸素電極側１７の排出側には燃焼室３４が設けられ、燃料電池スタック１２の燃料電極側１５から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含んでいる）とその酸素電極側１７から排出された空気（酸素を含んでいる）がこの燃焼室３４に送給されて燃焼される。この燃焼室３４は燃焼排ガス送給ライン３６を介して空気予熱器６に接続され、この空気予熱器６は燃焼排ガス排出ライン３８に接続されている。燃焼排ガス排出ライン３８には熱交換器４０が配設され、この熱交換器４０を通して大気に開放されている。

また、熱交換器４０には温水を貯湯する貯湯タンク４８からの循環ライン４１が接続され、この循環ライン４１に、循環ポンプ４５が配設されている。また、この貯湯タンク４８には水供給ライン４２が接続され、この水供給ライン４２に水の供給を制御するための開閉弁４４が配設されている。貯湯タンク４８は、固体酸化物型燃料電池２の稼動により発生する熱を蓄熱する蓄熱手段を構成し、後述するように、発生した熱が温水として蓄熱される。尚、貯湯タンク４８に貯湯された温水は、温水給湯ライン５０を通して出湯される。

この固体酸化物型燃料電池システムにおける稼働運転の概要は、次の通りである。原燃料ガス供給原２２からの原燃料ガスは、原燃料ガス供給ライン２０を通して供給され、水蒸気供給源２６から水蒸気供給ライン２４を通して供給される水蒸気とともに改質器４に送給される。改質器４においては、改質反応によって原燃料ガスの改質が行われ、改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン１８を通して燃料電池スタック１２の燃料電極側１５に送給される。

また、送風装置３２からの空気は、空気供給ライン３０を通して空気予熱器６に供給され、この空気予熱器６において燃焼排ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン２８を通して燃料電池スタック１２の酸素電極側１７に送給される。

燃料電池スタック１２においては、改質燃料ガスと空気中の酸素によって電気化学反応が行われ、この電気化学反応により発電が行われる。固体酸化物型燃料電池２における電気化学反応は、７００〜１０００℃の高温状態で行われ、燃料電池スタック１２の発電効率、その寿命などを考慮して作動温度の上限、即ち設定上限温度が例えば８００℃程度に設定される。

燃料電池スタック１２の燃料電極側１５からの反応燃料ガス及びその酸素電極側１７からの空気は燃焼室３４に送給され、空気中の酸素を利用して反応燃焼ガスが燃焼される。燃焼室３４からの燃焼排ガスは排ガス送給ライン３６を通して空気予熱器６に送給され、この空気予熱器６において空気との熱交換に利用されて燃焼排ガス排出ライン３８を通して熱交換器４０に送給される。熱交換器４０においては、貯湯タンク４８から循環ライン４１を通して送給される水と燃焼排ガス排出ライン３８を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換後の燃焼排ガスは燃焼排ガス排出ライン３８を通して大気に排出される一方、熱交換により加温された水（温水）は循環ライン４１を通して貯湯タンク４８に貯湯される。

この固体酸化物型燃料電池システムは、図２に示す制御系によって制御される。この燃料電池システムは、システム全体を制御するための制御手段５２を備え、この制御手段５２は例えばコントローラなどから構成される。制御手段５２は、送風装置３２などを作動制御するための作動制御手段５４、出力変更信号生成手段５６及びメモリ手段５８を含んでいる。出力変更信号生成手段５６は、後述するようにして出力変更信号を生成する。また、メモリ手段５８には、固体酸化物型燃料電池２の作動温度の上限温度、即ち設定上限温度に関する上限温度データ６０と、この設定上限温度よりも低い第１温度に関する第１温度データ６２とが記憶されている。設定上限温度は、例えば８００℃程度に設定され、また第１温度としては、上記設定上限温度よりも３０〜６０℃程度低い温度、例えば７５０℃程度に設定される。このメモリ手段５８には、更に、固体酸化物型燃料電池２の上限発電出力、即ち定格発電出力に関する発電出力データと、この定格発電出力よりも低い第１発電出力に関する発電出力データとが記憶されている。定格発電出力は、例えば１ｋＷに設定され、第１発電出力としては、この定格発電出力よりも１０〜１５％程度低い発電出力、例えば９００Ｗ程度に設定される。

この燃料電池システムでは、更に、固体酸化物型燃料電池２の作動温度を検知するための温度検知手段６８が設けられ、この温度検知手段６８が燃料電池スタック１２の表面に近接して配設される。また、固体酸化物型燃料電池２の発電出力を計測するための電力計測手段７０が設けられる。温度検知手段６８及び電力計測手段７０からの検知信号は制御手段５２に送給され、制御手段はこれら検知信号に基づいて固体酸化物型燃料電池システムを次のように作動制御する。

上述した固体酸化物型燃料電池システムにおいては、固体酸化物型燃料電池２の作動温度が第１温度まで上昇しないときには、固体酸化物型燃料電池２の発電出力が電力負荷（図示せず）に追従して変化し、この電力負荷の負荷電力よりも例えば３０〜５０Ｗ程度低くなるように作動制御され、この作動制御は、第１流量制御弁２５の開度を調整して改質器４に送給される原燃料ガスの供給量を制御するようにして行われる（第１流量制御弁２５を開度を調整したときには、これに伴って第２流量制御弁２７の開度も調整される）。この稼動中においては、固体酸化物型燃料電池２の上限発電出力は定格発電出力、例えば１ｋＷに設定され、１ｋＷを超える発電出力での発電は禁止される。

この固体酸化物型燃料電池システムの稼動中において温度検知手段６８の検知温度が上昇して第１温度以上になると、出力変更信号生成手段５６は温度検知手段６８からの検知信号に基づいて出力変更信号を生成する。かくすると、この出力変更信号に基づいて上限発電出力として第１発電出力が設定され、この第１発電出力（例えば、９００Ｗ）以上の発電出力での稼動が抑えられ、このように発電出力を抑えることによって、その作動温度も下がり、第１温度を超える運転が抑えられる。このように作動温度が下がることによって、燃料電池スタック１２の劣化が抑えられ、固体酸化物型燃料電池の寿命を大きく延ばすことが可能となる。

尚、燃料電池システムの稼動中に第１温度を超え設定上限温度（例えば、８００℃）以上になると、作動制御手段５４は送風装置３２の回転数を上昇させ、空気供給ライン２８を通して燃料電池スタック１２に送給される空気量が増大される。かくすると、送給される空気の量が多くなって燃料電池スタック１２の冷却効果が高められ、燃料電池スタック１２の設定上限温度を超える温度上昇が抑えられ、設定上限温度を超える状態での稼動が抑えられ、これによって、燃料電池スタック１２の劣化の促進を防止することができる。

第２の実施形態
次に、図３〜図５を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図であり、図４は、図３に示す固体酸化物型燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図５は、図４に示す制御系による制御の流れを示すフローチャートである。尚、この第２の実施形態において、図１及び図２の第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図３及び図４において、第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムでは、蓄熱手段を構成する貯湯タンク４８に、貯湯された温水の貯湯量を検知するための貯湯量検知手段７２と、貯湯された温水の温度を検知するための水温検知手段７４とが設けられている。貯湯タンク４８内には、上下方向に間隔をおいて複数個（図示の例では、６個）の温度センサ７６が配設され、後述するように、これらの温度センサ７６が貯湯量検知手段７２を構成し、また最上位の温度センサ７６が水温検知手段７４として機能する。

この貯湯タンク４８には、熱交換器４０を通して循環ライン７８が設けられ、この循環ライン７８の一端側が貯湯タンク４８の底部に接続され、その他端側が貯湯タンク４８の頂部に設けられている。循環ライン７８には、第１開閉弁８０及び循環ポンプ８２が配設されている。第１開閉弁８０が開状態において循環ポンプ８２が作動されると、貯湯タンク４８の底部からの水が循環ライン７８を通して流れ、熱交換器４０にて燃焼排ガスライン３８を流れる燃焼排ガスと循環ライン７６を流れる水との間で熱交換が行われ、熱交換により加温された温水が循環ワイン７６を通して貯湯タンク４８の頂部に流入し、このようにして固体酸化物型燃料電池２の稼働時に生じる熱が温水として貯湯タンク４８に貯湯される。

貯湯タンク４８には上述したように温水が流入するので、流入した温水は貯湯タンク４８内の上部に層状になって貯まるようになる。従って、最上位の温度センサ７６は貯湯タンク４６に貯まった温水の温度を検知し、水温検知手段７４として機能する。また複数の温度センサ７６は貯湯タンク７６の各部位の温水（又は水）の温度を検知し、これら検知温度に基づいて層状に貯まった温水のレベル、換言すると貯湯量を検知し、貯湯量検知手段７２として機能する。

この貯湯タンク４８の底部には水供給ライン８４が接続され、この水供給ライン８４に第２開閉弁８６が配設され、この第２開閉弁８６が開状態になると、水道水の如き水が水供給ライン８４を通して貯湯タンク４８の底部に供給される。また、貯湯タンク４８の頂部には出湯ライン８８が接続され、この出湯ライン８８にカラン９０が接続され、カラン９０を開栓すると、貯湯タンク４８内の温水が出湯ライン８８を通して出湯する。

上述した構成に関連して、制御手段５２Ａは、作動制御手段５４及び出力変更信号生成手段５６に加えて、蓄熱量演算手段９２及びタイマ手段９４を含んでいる。蓄熱量演算手段９２は、貯湯量検知手段７２の検知貯湯量及び水温検知手段７４の検知水温に基づいて蓄熱量を演算する。また、タイマ手段９４は、後述するようにして出力変更が設定された後の所定時間を計時する。

また、この実施形態では、メモリ手段５８Ａには、上限温度データ６０、第１温度データ６２、定格発電出力データ６４及び第１発電出力データ６６に加えて、設定時間データ９６及び蓄熱量データ９８が記憶されている。設定時間データとしては、０．５〜３時間程度の時間、例えば１時間が設定される。また、蓄熱量データとしては、最大蓄熱量の３０〜５０％、例えば４０％の熱量に設定される。尚、この蓄熱量としては、貯湯タンク４８の蓄熱量を貯湯量及び温水の温度に基づいて演算するのに代えて、例えば貯湯タンク４８の所定部位に温水レベルセンサを設け、この温水レベルセンサが温水を検知したときに所定熱量が蓄熱されたと簡易的に検知するようにしてもよい。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

次に、図５をも参照して、第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムの運転制御について説明する。この燃料電池システムの稼動させると、ステップＳ１からステップＳ２に進み、温度検知手段６８により固体酸化物型燃料電池２、具体的には燃料電池スタック１２の温度が検知される。また、貯湯量検知手段７２により貯湯タンク４８に貯湯された温水の貯湯量の検知が行われ（ステップＳ３）、更に、水温検知手段７４により貯湯タンク４８内の温水の温度の検知が行われ（ステップＳ４）、制御手段５２Ａの蓄熱量演算手段９２は貯湯量検知手段７２の検知貯湯量及び水温検知手段７４の検知水温に基づいて貯湯タンク４８による蓄熱量が演算される（ステップＳ５）。

このような演算が行われると、固体酸化物型燃料電池２２の作動温度（温度検知手段６８の検知温度）が第１温度（例えば、７５０℃）以上かが判断され、この第１温度より低いとステップＳ６からステップＳ２に戻り、ステップＳ２からステップＳ６が繰り返し遂行される。

固体酸化物型燃料電池２２の作動温度が第１温度以上であると、ステップＳ６からステップＳ７に進み、貯湯タンク４８に貯湯された温水の蓄熱量が設定蓄熱量（最大蓄熱量の例えば４０％）以上かが判断され、設定蓄熱量に達していないときにはステップＳ２に戻り、ステップＳ２からステップＳ７が繰り返し遂行される。

また、この蓄熱量が設定蓄熱量以上であると、ステップＳ７からステップＳ８に進み、出力変更信号生成手段５６は出力変更信号を生成し、この出力変更信号に基づいて、上限発電出力として第１発電出力（例えば９００Ｗ）が設定される。かくすると、この第１発電出力以上の発電出力での稼動が抑えられ、このように発電出力を抑えることによって、その作動温度も下がり、第１温度を超える運転が抑えられるとともに、発電にともない発生する熱の温水としての蓄熱も抑えられ、利用可能な熱出力を抑えてシステム全体としての効率的な運転が可能となる。

このようにして燃料電池２の出力変更が行われると、タイマ手段９４が計時を開始し（ステップＳ９）、このタイマ手段９４が所定時間（例えば、１時間）計時すると、ステップＳ１０からステップＳ１１に進み、固体酸化物型燃料電池２の上限発電出力が第１発電出力から定格発電出力（例えば、１０００Ｗ）に切り替わってもとに戻り、その後ステップＳ２に戻って上述した制御が遂行される。

以上、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はこれら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更乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、設定上限温度と、この設定上限温度よりも低い第１温度を設定しているが、設定上限温度及び第１温度に加えて、この第１温度よりも低い第２温度（更には、第２温度よりも低い第３温度・・・）を設定し、固体酸化物型燃料電池２（具体的には、燃料電池スタック１２）の劣化の進行により、第１温度、第２温度（第３温度・・・）と設定上限温度を順に下げるようにすることもできる。また、固体酸化物型燃料電池の上限発電出力についても、定格発電出力と、この定格発電出力よりも小さい第１発電出力を設定しているが、定格発電出力、第１発電出力に加えて、この第１発電出力よりも小さい第２発電出力（更には、第２発電出力よりも小さい第３発電出力・・・）を設定し、固体酸化物型燃料電池２の劣化の進行により、第１発電出力、第２発電出力（第３発電出力・・・）と上限発電出力を順に下げるようにすることもできる。

実施例及び比較例
上述した発明の効果を確認するために、固体酸化物型燃料電池の劣化を加速した試験を行った。この加速試験においては、燃料利用率を低くし、通常の稼動状態よりも作動温度が１００℃程度高くなるように設定上限温度を９２０℃に設定した。

実施例１として、図１及び図２に示す形態の固体酸化物型燃料電池システムを用い、固体酸化物型燃料電池の定格発電出力が１０００Ｗで、第１発電出力として８００Ｗを設定し、また第１温度として８９０℃を設定し、固体酸化物型燃料電池の作動温度が８９０℃になると発電出力が８０％制限されるようにした。

また、実施例２として、図３〜図５に示す形態の固体酸化物型燃料電池システムを用い、固体酸化物型燃料電池の定格発電出力が１０００Ｗで、第１発電出力として８００Ｗを設定し、また第１温度として８８０℃を設定し、所定蓄熱量として貯湯タンクの最大貯湯熱量の３０％を設定し、タイマ手段が計時する設定時間として２時間を設定した。

また、比較例として、図１及び図２に示す固体酸化物型燃料電池システムにおいて、実施例１における発電出力の制限機能を省略したもの（第１発電出力及び第１温度を設定しないもの）を用いた。

実施例１、実施例２及び比較例の燃料電池システムにおいて、電力負荷で発生する電力として図６及び図７で示す電力負荷を付与し、これら電力負荷に追従させた運転を３日ずつ、合計１８００時間（７５日間）行った。図６は、中間期（春期、秋期）に相当する需要の代表的な例であり、図７は、夏期に相当する需要の代表的な例であり、これら中間期及び夏期の電力需要及び熱需要は、表２に示す通りである。

実施例１、実施例２及び比較例の試験運転初期では、表３に示す通りの発電結果が各運転日において得られた。尚、実施例１、実施例２及び比較例における発電効率、排熱回収効率は高位発熱量基準（ＨＨＶ）で示した。また、有効排熱回収効率については、熱回収量が給湯需要を上回る部分は使われないことから、使えない量を除いた値とした（夏期には、発電量が大きい一方、給湯需要が少なく、熱回収量が給湯需要を上回る傾向となる）。

また実施例１，実施例２及び比較例の試験運転終期、即ち運転開始から１５００〜１６００時間経過後では、表４で示す通りの発電結果が得られた。

表３と表４とを対比することによって理解される如く、１５００〜１６００時間運転した時点において、実施例１及び実施例２では発電効率の低下はほとんどなかったが、比較例では発電効率の低下が大きかった。また、比較例においては、発電に伴う消費燃料熱量が増加したことで、有効排熱回収効率は中間期では１ポイント上昇し、夏期では２ポイントの低下となっているが、実施例１及び実施例２においては、有効排熱回収効率も初期とほぼ同等レベルであった。

上述した加速試験の結果から、本発明では、固体酸化物型燃料電池（燃料電池スタック）の経時的な特性変化（劣化）に対して、固体酸化物型燃料電池システムの発電出力と熱出力を合わせた運用効率性能を効率的に取り出せること、また固体酸化物型燃料電池の劣化時にも劣化を加速させることなく作動状態を維持させることが確認できた。

第１の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図。図１に示す固体酸化物型燃料電池システムの制御系を示すブロック図。第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図。図３に示す固体酸化物型燃料電池システムの制御系を示すブロック図。図４に示す制御系による制御の流れを示すフローチャート。中間期（春期、秋期）に相当する需要の代表的な例を示す図。夏期に相当する需要の代表的な例を示す図。

符号の説明

２固体酸化物型燃料電池
４改質器
１２燃料電池スタック
３２送風装置
４８貯湯タンク
５２，５２Ａ制御手段
５６出力変更信号生成手段
５８，５８Ａメモリ手段
６８温度検知手段
７０電力計測手段
７４蓄熱量演算手段

Claims

原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、酸化材を前記固体酸化物型燃料電池に送給するための送風装置と、前記固体酸化物型燃料電池及び前記送風装置を作動制御するための制御手段と、を具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記固体酸化物型燃料電池の設定上限温度より低い第１温度が設定されるとともに、前記固体酸化物型燃料電池の定格発電出力よりも小さい第１発電出力が設定されており、
前記固定酸化物型燃料電池の作動温度が前記第１温度以上になると、前記制御手段は上限発電出力として前記第１発電出力を設定して前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を抑え、
また、前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が前記設定上限温度に達すると、前記制御手段は前記送風装置による送給量を多くして前記固体酸化物型燃料電池を冷却することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池の稼動に伴い発生する熱を蓄えるための蓄熱手段と、前記固体酸化物型燃料電池を作動制御するための制御手段と、を具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記固体酸化物型燃料電池の設定上限温度より低い第１温度が設定されるとともに、前記固体酸化物型燃料電池の定格発電出力よりも小さい第１発電出力が設定されており、
前記蓄熱手段の蓄熱量が所定熱量以上で、且つ前記固定酸化物型燃料電池の作動温度が前記第１温度以上になると、前記制御手段は上限発電出力として前記第１発電出力を設定して前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を抑えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
前記制御手段は、前記上限発電出力として前記第１発電出力を設定すると所定時間継続して前記第１発電出力を維持することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システム。