JP5483253B2

JP5483253B2 - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP5483253B2
Application number: JP2009257378A
Authority: JP
Inventors: 司重住; 俊治大塚; 勝久土屋; 清隆中野; 俊春大江
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP2011103210A

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。

また、燃料電池セルは、長期間に亘る使用により劣化していくことが知られている。特開２００７−８７７５６号公報（特許文献１）には、固体酸化物型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、燃料の流量を調整することにより、燃料電池セルの劣化を減少させることが記載されている。

さらに、特開２００３−２１７６２７号公報（特許文献２）には、燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法および電力供給システムが記載されている。この燃料供給量制御装置は、燃料電池セルが劣化することにより所定の燃料供給量に対して取り出すことができる電力が低下した場合には、燃料供給量を補償するように構成されている。

また、特開２００７−２７３２５２号公報（特許文献３）には、固体酸化物型燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムは、定格発電出力を超えない範囲で、発電出力が電力負荷に追従して変化するように運転される。また、運転中に、固体酸化物型燃料電池の作動温度が所定の第１温度以上になったときは、上限発電出力が、定格発電出力から定格発電出力よりも低い第１発電出力に変更され、作動温度を低下させている。

また、特開２００７−２７３２５２号公報には、上記の第１温度よりも低い第２温度、第２温度よりも低い第３温度．．．を設定すると共に、上記の第１発電出力よりも低い第２発電出力、第２発電出力よりも低い第３発電出力．．．を設定しておき、これらの温度及び発電出力を劣化の進行により順に下げることが記載されている。

特開２００７−８７７５６号公報特開２００３−２１７６２７号公報特開２００７−２７３２５２号公報

しかしながら、特開２００７−２７３２５２号公報記載の固体酸化物型燃料電池システムは、単に、燃料電池の作動温度が所定の設定温度を超えたとき、上限の出力電力を所定の値に低下させるものであるため、作動温度が一旦低下すれば、上限の出力電力は再びもとの定格電力（定格発電出力）に復帰される。このため、需要電力（電力負荷）が再び上昇すれば、燃料電池の作動温度は再び所定の設定温度を超えることになる。このように、特開２００７−２７３２５２号公報記載の燃料電池システムでは、設定された上限の温度（第１温度、第２温度．．．等）を超える作動温度の上昇が度々繰り返されるため、燃料電池スタックの劣化を十分に抑制することができないという問題がある。

従って、本発明は、燃料電池モジュールの劣化を十分に抑制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、固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定手段、及び、この劣化判定手段による劣化判定に基づいて複数回運転条件を補正する燃料補正手段を備え、燃料補正手段は、燃料電池モジュールが劣化したことが判定された第１劣化判定時において、燃料供給量が減少されるように以後の運転における定格出力電力を低下させる補正を実行し、第１劣化判定時よりも後に燃料電池モジュールが更に劣化したことが判定された第２劣化判定時において、燃料供給量が更に減少されるように以後の運転における定格出力電力を更に低下させる補正を実行し、第１劣化判定時においては定格出力電力が所定幅低下され、第２劣化判定時においては、低下された定格出力電力から更に所定幅定格出力電力が低下され、第２劣化判定時における定格出力電力の下げ幅は、第１劣化判定時における下げ幅よりも小さい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、制御手段は、燃料供給手段、及び酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料電池モジュールに燃料、及び酸化剤ガスを供給する。また、制御手段に備えられた劣化判定手段は、燃料電池モジュールの劣化を判定する。燃料補正手段は、燃料電池モジュールが劣化したことが判定された第１劣化判定時において、燃料供給量が減少されるように以後の運転における定格出力電力を低下させる補正を実行する。また、燃料補正手段は、第１劣化判定時よりも後に燃料電池モジュールが劣化したことが判定された第２劣化判定時において、燃料供給量が更に減少されるように以後の運転における定格出力電力を、第１劣化判定時よりも小さい下げ幅で低下させる。

このように構成された本発明によれば、第１劣化判定時の方が、第２劣化判定時よりも大きい下げ幅で定格出力電力が低下されるので、燃料電池モジュールの劣化を十分に抑制することができる。即ち、燃料電池モジュールの劣化があまり進行していない初期において、より大きく燃料電池モジュールの負担を軽減するので、燃料電池モジュールに十分な発電能力がある状態で負荷が軽くなり、燃料電池モジュールの劣化を十分に抑制することができる。これにより、固体電解質型燃料電池セルの耐用年数を延長することができる。

本発明において、好ましくは、燃料補正手段は、初期使用開始から１回目、２回目又は３回目に燃料電池モジュールが劣化したことが判定されたときを第１劣化判定時として、定格出力電力を低下させる補正を実行する。
このように構成された本発明によれば、使用開始初期の、燃料電池モジュールに十分な発電能力がある状態で負荷が軽くなるので、劣化が十分に抑制され、固体電解質型燃料電池セルの耐用年数を延長することができる。

本発明において、好ましくは、燃料補正手段は、定格出力電力を低下させる補正を最初に実行する際の定格出力電力の下げ幅が最大となるように補正を実行する。
このように構成された本発明によれば、最も劣化が進行していない最初の補正において、最大の下げ幅で定格出力電力を低下させるので、最大の劣化抑制効果を得ることができる。

本発明において、好ましくは、燃料補正手段は、定格出力電力を低下させる補正を、補正実行時の定格出力電力の半分以下の下げ幅で実行する。
このように構成された本発明によれば、使用開始初期において燃料電池モジュールの負荷を大きく軽減する一方、定格出力電力の下げ幅を定格出力電力の半分以下としているので、劣化を抑制しながら十分な出力電力を確保することができ、耐用年数と出力性能のバランスを取ることができる。

本発明において、好ましくは、燃料補正手段は、定格出力電力を低下させる補正の下げ幅が、後で実行される補正ほど小さくなるように補正を実行する。
このように構成された本発明によれば、初期において、定格出力電力を大きく低下させることにより十分に劣化を抑制すると共に、ある程度劣化が進行した状態では、定格出力電力をあまり大きく低下させずに、燃料電池モジュールから電力を取り出して必要な出力電力を確保することができる。これにより、耐用年数と出力性能のバランスを取ることができる。

本発明において、好ましくは、劣化判定手段による劣化判定の判定基準は、初期の劣化判定時よりも、劣化が進行した後の劣化判定時の方が劣化が判定されやすく設定され、又は、劣化判定手段による劣化判定は、初期よりも劣化が進行した後の方が高頻度で実行される。

このように構成された本発明によれば、第１劣化判定時よりも後の第２劣化判定時の方が定格出力電力の下げ幅が小さくされる一方、劣化が進行した後の方が劣化が判定されやすく、高頻度で劣化判定が実行されるので、定格出力電力の下げ幅が小さくなった状態では、より敏感に劣化に反応して補正を実行することができる。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池モジュールの劣化を十分に抑制することができる。

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。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固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セル単体を示す部分断面図である。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。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。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。本発明の一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示すタイムチャートである。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。制御部に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。燃料補正手段による燃料供給量の一例を示すタイムチャートである。定格出力電力の低下を説明するための概念図である。

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９乃至１４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の作用を説明する。
まず、図９乃至１２を参照して、固体電解質型燃料電池１の負荷追従運転及び燃料電池モジュール２の劣化判定を説明する。
図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図１０は、制御部１１０に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図１１は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図１２は、劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。

図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように負荷追従運転を行っている。即ち、図６に示すように、制御手段である制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、図９に示すように、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化する。ここで、燃料供給量等に対する出力電力の応答には遅れをもたせており、燃料供給量等の変化に対して出力電力は遅れて変化し、要求発電量の急激な変化に対しては、出力電力は殆ど変化しない。

制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、図１０に一例を示すグラフによって燃料供給量を決定し、決定した流量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１０の曲線Ｆ０に従って、要求発電量に対する燃料供給量を決定する。図１０に示すように、燃料供給量は、要求発電量の増大に伴って単調に増加するように決定されるが、要求発電量約２００Ｗ未満では燃料供給量はほぼ一定値にされる。

また、要求発電量が変更された場合に、燃料供給量を急激に変化させると燃料電池モジュール２の劣化を早めることがあるので、図１１に示すように、燃料供給量は漸増又は漸減される。図１１は、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗにステップ状に変化された場合における、燃料供給量の時間に対する変化の一例を示すグラフである。図１１に示すように、時刻ｔ１０において、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗに変更されると、必要な燃料供給量は、５００Ｗの電力出力に対応する供給量から７００Ｗに対応する供給量に急激に変化される。これに対して、制御部１１０は、燃料供給量が急激に増加することがないよう、図１１に想像線で示すように、燃料供給量が緩やかに増加されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。なお、固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１１の線Ｆ１０に従って燃料供給量を増加させる。

同様に、時刻ｔ１１において、要求発電量が７００Ｗから５００Ｗに変更された場合にも、制御部１１０は燃料供給量が急激に減少することがないよう、図１１の線Ｆ１０に従って緩やかに燃料供給量を減少させる。なお、燃料供給量の変化率は、供給量を増加させる場合の方が、供給量を減少させる場合よりも緩やかに設定されている。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。

次に、図９の時刻ｔ１において、制御部１１０に内蔵された劣化判定手段１１０ａ（図６）は劣化判定モードの運転を開始する。なお、劣化判定手段１１０ａは、マイクロプロセッサ、メモリ及びこれらを作動させるプログラム（以上図示せず）等により構成されている。図１２は、劣化判定手段１１０ａによる処理を示すフローチャートである。

図１２に示すフローチャートは、劣化判定手段１１０ａにより所定時間毎に実行される。まず、ステップＳ１においては、前回の劣化判定モードの運転からの経過時間が判断される。前回の劣化判定モード運転から所定の劣化判定間隔である２週間経過していない場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。この処理により、劣化判定モード運転が不必要に頻繁に実行され、燃料等が浪費されるのを防止することができる。

前回の劣化判定モード運転から２週間以上経過している場合には、ステップＳ２に進み、固体電解質型燃料電池１の外部環境が、劣化判定モード運転に適する所定の劣化判定外気状態であるか否かが判断される。具体的には、外気温度センサ１５０（図６）及び外気湿度センサ（図示せず）によって検出された外気温及び外気の湿度が、所定の条件に適合しているか否かが判断される。本実施形態においては、外気温度５〜３０゜Ｃ、外気湿度３０〜７０％である場合に、外部環境が劣化判定モード運転に適する劣化判定外気状態であると判断される。外部環境が劣化判定外気状態でないと判断された場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。

外部環境が劣化判定モード運転に適している場合には、ステップＳ３に進み、劣化判定モードの運転が開始される。さらに、ステップＳ４においては、燃料供給量、空気供給量、水供給量が予め定められた所定の供給量に固定される。即ち、劣化判定モード運転において、劣化判定手段１１０ａは、制御部１１０に対する要求発電量に関わらず、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、水流量調整ユニット２８が一定の供給量を維持するように、これらの調整ユニットを制御する。本実施形態においては、図９の時刻ｔ１において、劣化判定燃料供給量３Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定酸化剤ガス供給量１００Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定水供給量８ｍＬ／ｍｉｎに固定される。

これら燃料供給量、空気供給量、水供給量の固定値は、本実施形態による固体電解質型燃料電池１の定格発電量である７００Ｗを発電可能な量として予め実験によって求めた供給量である。従って、固定値により燃料、空気、水が供給されている間は、燃料電池セルの個体差もあるが固体電解質型燃料電池１は、７００Ｗの電力を出力する能力を有しているものである。しかしながら、燃料供給量等が固定されていても、燃料電池モジュール２から取り出される電力が要求発電量に応じて変化すると、燃料電池モジュール２の運転状態は十分に安定しない。このため、本実施形態においては、劣化判定モード運転中は要求発電量に関わらず一定の電力を燃料電池モジュール２から取り出している。また、要求発電量に関わらず一定の電力を取り出すことにより、余剰電力が発生した場合には、この電力は補機ユニット４を作動させるために使用される。或いは、固体電解質型燃料電池１により発電した電力を売電可能な環境においては、取り出した電力を売電しても良い。また、劣化判定モード運転中に生成された電力を消費するためのヒーター等のダミー負荷（図示せず）を固体電解質型燃料電池１に備えておき、生成された電力をこれに消費させても良い。

なお、本実施形態においては、燃料供給量等の固定値は定格発電量に対応する値に設定されているが、これらの固定値は任意に設定することができる。好ましくは、燃料電池モジュール２が熱的に自律することができ、且つ燃料電池モジュール２の劣化の度合いにより温度が十分に大きく変化する、定格発電量に近い電力を発生可能な値に設定する。また、劣化判定モード運転中に燃料電池モジュール２から取り出す電力も、定格発電量に近い値にするのが良い。

次に、図１２のステップＳ５においては、固定値による運転が開始された後、十分な時間が経過し、安定した運転状態になったか否かが判断される。本実施形態においては、固定値による運転が開始された後、劣化判定時間である５時間が経過すると運転状態が安定し、所定の劣化判定運転条件が満足されたと判断される。固定値による運転開始後５時間経過していない場合には、ステップＳ５の処理が繰り返される。これにより、ステップＳ４において開始された固定値による運転が５時間に亘って維持される（図９、時刻ｔ１〜ｔ２）。

固定値による運転が５時間継続された後、図９の時刻ｔ２において、ステップＳ６に進み、温度検出手段である発電室温度センサ１４２により測定された燃料電池セルユニット１６の温度が所定温度以上か否かが判断される。即ち、燃料電池モジュール２を安定した運転状態で運転した運転結果である燃料電池セルユニット１６の温度と、基準温度を比較することにより、燃料電池モジュール２の劣化を判定する。本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、初期状態で７００Ｗの定格出力運転を行った場合の燃料電池モジュール２の基準温度Ｔ０は約７００゜Ｃであり、燃料電池モジュール２の劣化が進行すると、この温度が上昇する。これは、固体電解質型燃料電池セルである燃料電池セルユニット１６自体の劣化、及び各燃料電池セルユニット１６を電気的に接続する接点部分の劣化により燃料電池セルスタック１４の内部抵抗が増大することによるジュール熱等に起因している。

本実施形態においては、劣化判定の判定基準として、基準温度Ｔ０からの温度上昇分に閾値を設け、温度上昇が閾値を超えている場合に燃料電池モジュール２が劣化したと判定する。具体的には、劣化判定手段１１０ａは、発電室温度センサ１４２により測定された温度Ｔ１が、基準温度Ｔ０よりも、閾値である３０゜Ｃ以上高い場合に、燃料電池モジュール２が劣化したと判定する。燃料電池モジュール２が劣化していない場合には、ステップＳ１０に進み、このフローチャートの一回の処理を終了し、燃料供給量等の運転条件の変更は行われない。

燃料電池モジュール２が劣化したと判定された場合には、ステップＳ７に進み、劣化処理が開始される。ステップＳ７においては、制御部１１０に内蔵された燃料補正手段１１０ｂ（図６）による燃料供給補正が実行され、要求発電量に対する燃料供給量及び燃料供給量のゲインが変更される。即ち、燃料補正手段１１０ｂは、固体電解質型燃料電池１の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定された場合に、要求発電量に対する燃料供給量を、燃料供給補正により図１０の曲線Ｆ０から曲線Ｆ１に変更し、以後、曲線Ｆ１を使用して燃料供給量を決定する。また、燃料供給量を変更する際の変化率は、図１１の線Ｆ１０から、より緩やかな線Ｆ１１に変更され、以後、この変化率により燃料供給量が変更される。燃料供給補正により変更された燃料供給量は、燃料電池モジュール２がさらに劣化したことが判定されるまで維持される。なお、燃料補正手段１１０ｂは、マイクロプロセッサ、メモリ及びこれらを作動させるプログラム（以上図示せず）等により構成されている。

燃料電池モジュール２が劣化すると、同一の電力を出力している時の燃料電池セルユニット１６の温度が高くなるので、固体電解質型燃料電池１の初期使用時と同じ定格電力を得ようとすると燃料電池セルユニット１６の温度が上昇し、劣化をさらに進行させることになる。そこで、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されると、燃料供給補正により燃料供給量を決定する曲線が、図１０の曲線Ｆ０から、曲線Ｆ０に対して１０％燃料供給量が減少された曲線Ｆ１に変更される。この燃料供給補正以後は、同一の要求発電量に対する燃料供給量が減少され、要求発電量に対して実際に出力される電力が低下する。燃料供給補正後は、初期の定格出力電力である７００Ｗの要求電力に対する燃料電池モジュール２の実際の出力電力が、低下された新たな定格出力電力とされる。燃料供給量を減少させることにより、燃料電池モジュール２の過度の温度上昇が防止される。また、劣化した燃料電池モジュール２の燃料供給量を急激に変化させると、劣化をさらに進行させることに繋がるため、燃料供給量の変化率は、より小さくされる。

本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定されたときは、上記のように、燃料供給量が減少されるように、定格出力電力を低下させる補正が実行される。また、燃料電池モジュール２の劣化が進行し、燃料電池モジュール２が更に劣化したことが判定された場合には、燃料補正手段１１０ｂにより、後述する条件に従って補正が実行される。

なお、燃料補正手段１１０ｂが燃料供給量をもう一度減量補正する場合には、燃料供給量は曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に、さらに減量補正する場合には曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に、さらに減量補正する場合には曲線Ｆ３から曲線Ｆ４に、順次変更される。本実施形態においては、曲線Ｆ２は曲線Ｆ０に対して１８％、曲線Ｆ３は曲線Ｆ０に対して２３％、曲線Ｆ４は曲線Ｆ０に対して２６％燃料供給量が減量されている。従って、各減量補正時の下げ幅は、曲線Ｆ０から曲線Ｆ１の１回目の減量補正が曲線Ｆ０の１０％分、曲線Ｆ１から曲線Ｆ２の２回目の減量補正が曲線Ｆ０の８％分、曲線Ｆ２から曲線Ｆ３の３回目の減量補正が曲線Ｆ０の５％分、曲線Ｆ３から曲線Ｆ４の４回目の減量補正が曲線Ｆ０の３％分になっている。この燃料供給量の減量に伴い、実際に燃料電池モジュール２から出力される最大の電力である定格出力電力も低下される。

また、一回の補正による燃料供給量の下げ幅、及びそれに伴って低下する定格出力電力の下げ幅は、後で実行される補正ほど小さくなるようになっている。換言すれば、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定された第１劣化判定時における燃料供給量及び定格出力電力の下げ幅は、第１劣化判定時よりも後に劣化したことが判定された第２劣化判定時における下げ幅よりも大きくなるように、燃料供給量が補正される。これにより、劣化が進行している燃料電池セルユニット１６の温度が上昇して過度の負担がかかるのを防止している。また、燃料供給量のゲインも、２回目に減量補正が実行される場合には線Ｆ１１から線Ｆ１２に、３回目に減量補正が実行される場合には線Ｆ１２から線Ｆ１３に、４回目に減量補正が実行される場合には線Ｆ１３から線Ｆ１４に変更される。

このように、本実施形態においては、減量補正を実行する際の燃料供給量の減少分は予め設定された固定値とされており、減量補正が実行される回数に応じて減少分が決定される。このため、例えば、燃料電池セルユニット１６の温度上昇に基づいて燃料供給量の補正量を計算したり、出力電力の低下量に基づいて補正量を計算する場合とは異なり、大きく誤った補正がなされるのを防止することができる。即ち、燃料電池セルユニット１６の温度や、出力電力は、種々のファクターにより影響されて値が変化するので、何らかの要因により異常な温度や出力電力が測定された場合には、この値に基づいて補正量を計算すると、異常な補正が実行されることになる。

また、本実施形態においては、減量補正を行う下げ幅が、燃料電池モジュール２の劣化が進行していない初期において大きく、劣化が進行した後期においては小さくなっている。これにより、劣化があまり進行しておらず、まだ十分な発電能力がある段階で燃料電池モジュール２にかかる負担が軽減されるので、燃料電池セルユニット１６の温度上昇も少なく、大きな劣化抑制効果を得ることができる。

燃料供給量の補正が行われた後ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、補正後の燃料供給量で固体電解質型燃料電池１を運転したときの燃料電池セルユニット１６の温度Ｔ２が、発電室温度センサ１４２により測定される。測定された温度Ｔ２は、新たな基準温度Ｔ０として劣化判定手段１１０ａのメモリ（図示せず）に記憶される。この新たな基準温度Ｔ０は、次回の劣化判定の際に基準温度として使用される。好ましくは、燃料供給量の補正を実行した後、所定時間、燃料供給量を一定にして運転を行い、その後、燃料電池セルユニット１６の温度Ｔ２を測定する。これにより、補正による燃料供給量の変更の影響が排除された正確な温度を測定することができる。

以上の劣化処理が終了すると、劣化判定手段１１０ａは劣化判定モード運転を終了させ、制御部１１０は要求発電量に対応した通常の運転を再開する（図９、時刻ｔ２）。

次に、図１３及び１４を参照して、燃料補正手段１１０ｂによる燃料補正の詳細を説明する。図１３は、燃料補正手段１１０ｂによる燃料供給量の一例を示すタイムチャートである。図１４は、定格出力電力の低下を説明するための概念図である。なお、図１３は、横軸に時間、縦軸に定格出力電力、実発電電力、燃料供給量、及び燃料電池セルユニットの温度を示すタイムチャートであるが、図９に示したタイムチャートよりも非常に長い期間の燃料電池の運転状態を模式的に示すものである。また、タイムチャートを簡略化するために、固体電解質型燃料電池１が常に定格出力電力で運転されているものとして描かれている。

まず、図１３の時刻ｔ１００において、固体電解質型燃料電池１の初期使用が開始される。この初期運転時においては、規定の燃料供給量で固体電解質型燃料電池１を運転することにより、初期の定格出力電力である７００Ｗが得られ、このときの温度が燃料電池セルユニット１６の初期の基準温度Ｔ０として、劣化判定手段１１０ａに記憶される。固体電解質型燃料電池１の使用期間が長くなると、燃料電池モジュール２の劣化が始まり、同一の燃料供給量に対する実発電電力が低下すると共に、燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する（図１３の時刻ｔ１０１〜ｔ１０２）。

具体的には、燃料電池モジュール２からインバータ５４に定格出力電力を取り出すために、インバータ５４によって取り出す電流を増加させていくと、燃料電池モジュール２が劣化している場合には、燃料電池モジュール２の出力電圧が大きく低下する。このように、燃料電池モジュール２に大きな電圧降下が起きている状態でインバータ５４によって取り出す出力電流を増加させると、燃料電池セルユニット１６が損傷される虞があるので、所定値以上の電圧降下が発生した場合には、出力電流の増加を停止する。このため、燃料電池モジュール２が劣化すると、燃料電池モジュール２からインバータ５４に実際に出力される電力である実発電電力は、定格出力電力よりも小さくなる。

次に、時刻ｔ１０３において、劣化判定が行われ、図１２に示したフローチャートが実行される。時刻ｔ１０３においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、基準温度Ｔ０（時刻ｔ１００における温度）よりも３０゜Ｃ以上上昇しているので、図１２のステップＳ６からステップＳ７に処理が移行し、燃料供給量の減量補正が実行される。また、初期使用開始後、燃料供給量の減量補正が実行された回数は、燃料補正手段１１０ｂの減量補正回数カウンタ（図示せず）によりカウントされる。

ここで、減量補正が１回目である場合には、燃料供給量を決定する曲線は図１０の曲線Ｆ０に対して１０％減量された曲線Ｆ１に変更され、定格出力電力は７００Ｗから６００Ｗに低下され、減量補正回数カウンタの値は０から１に変更される。なお、本実施形態においては、減量補正による燃料供給量の下げ幅は、１回目に減量補正が実行される際の下げ幅が最大である。また、燃料供給量の減量補正の後、所定時間経過したときの温度（図１３の時刻ｔ１０４〜ｔ１０５における温度）は、新たな基準温度Ｔ０として更新記憶される（図１２のステップＳ８）。この燃料供給量の減量補正及び定格出力電力の変更により、固体電解質型燃料電池１が実際に出力する実発電電力は低下され、燃料電池セルユニット１６の温度も低下する（図１３の時刻ｔ１０３〜ｔ１０５）。

固体電解質型燃料電池１の使用期間がさらに経過すると、燃料電池モジュール２の更なる劣化が進行し、変更された定格出力電力に対して実発電電力が低下すると共に、燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する（図１３の時刻ｔ１０５〜ｔ１０６）。次いで、時刻ｔ１０７において、劣化判定が行われる。時刻ｔ１０７においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、更新された基準温度Ｔ０（時刻ｔ１０４〜ｔ１０５における温度）よりも３０゜Ｃ以上上昇しているので、図１２に示すフローチャートのステップＳ６からステップＳ７に処理が移行する。ステップＳ７では、燃料供給量の減量補正が実行される。ここで、減量補正が２回目である場合には、燃料供給量を決定する曲線は図１０の曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に、減量補正回数カウンタの値は１から２に変更される（図１３の時刻ｔ１０７）。これにより、燃料供給量は曲線Ｆ０に対して１８％減量された曲線Ｆ２に減量補正され、定格出力電力は６００Ｗから５２０Ｗに低下される。この燃料供給量の減量補正により、燃料電池セルユニット１６の温度が低下する（図１３の時刻ｔ１０７〜ｔ１０８）。

更に燃料電池モジュール２の劣化が進行すると、固体電解質型燃料電池１の実発電電力は低下し、燃料電池セルユニット１６の温度は上昇する（図１３の時刻ｔ１０９〜ｔ１１０）。次いで、時刻ｔ１１１において、劣化判定が行われる。
時刻ｔ１１１においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、更新された基準温度Ｔ０（時刻ｔ１０８〜ｔ１０９における温度）よりも３０゜Ｃ以上上昇しているので、図１２に示すフローチャートのステップＳ６からステップＳ７に処理が移行する。ステップＳ７では、燃料供給量の減量補正が実行される。

ここで、減量補正が３回目である場合には、燃料供給量を決定する曲線は図１０の曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に、減量補正回数カウンタの値は２から３に変更される（図１３の時刻ｔ１１１）。これにより、燃料供給量は曲線Ｆ０に対して２３％減量された曲線Ｆ３に減量補正され、定格出力電力は５２０Ｗから４８０Ｗに低下される。この燃料供給量の減量補正により、燃料電池セルユニット１６の温度が低下する（図１３の時刻ｔ１１１〜ｔ１１２）。

更に燃料電池モジュール２の劣化が進行すると、固体電解質型燃料電池１の実発電電力は低下し、燃料電池セルユニット１６の温度は上昇する（図１３の時刻ｔ１１３〜ｔ１１４）。次いで、時刻ｔ１１５において、劣化判定が行われる。
時刻ｔ１１５においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、更新された基準温度Ｔ０（時刻ｔ１１２〜ｔ１１３における温度）よりも３０゜Ｃ以上上昇しているので、図１２に示すフローチャートのステップＳ６からステップＳ７に処理が移行する。ステップＳ７では、燃料供給量の減量補正が実行される。

ここで、減量補正が４回目である場合には、燃料供給量を決定する曲線は図１０の曲線Ｆ３から曲線Ｆ４に、減量補正回数カウンタの値は３から４に変更される（図１３の時刻ｔ１１５）。これにより、燃料供給量は曲線Ｆ０に対して２６％減量された曲線Ｆ４に減量補正され、定格出力電力は４８０Ｗから４５０Ｗに低下される。この燃料供給量の減量補正により、燃料電池セルユニット１６の温度が低下する（図１３の時刻ｔ１１５〜ｔ１１６）。

本実施形態においては、減量補正が４回実行されると、更なる劣化判定及び減量補正は実行されずに燃料供給量及び定格出力電力は下げ留められ、４回目の減量補正後の燃料供給量が維持される。さらに劣化が進行すると、固体電解質型燃料電池１の実発電電力は低下し、燃料電池セルユニット１６の温度は上昇する（図１３の時刻ｔ１１７〜ｔ１１８）。時刻ｔ１１８において、実発電電力が所定の下限電力Ｗｍｉｎ以下になると、制御部１１０は、警報装置１１６に信号を送って、固体電解質型燃料電池１の製品寿命が到来したことを使用者に報知すると共に、燃料電池モジュール２の運転を停止する。

次に、図１４を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の作用の概略を説明する。なお、上述した実施形態及び図１４において、補正による定格出力電力の下げ幅は、説明に使用する数値を簡単にするために、実際の値よりも大きくされている。
まず、固体電解質型燃料電池１の初期使用開始時においては、設計値である定格出力電力７００Ｗで燃料電池モジュール２が運転される。次いで、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定された第１劣化判定時において、燃料供給量が低下され、定格出力電力も６００Ｗに減少され、以後は、この定格出力電力の範囲内で燃料電池モジュール２が運転される。本実施形態においては、この第１劣化判定時における最初の定格出力電力の下げ幅が最も大きく、１００Ｗに設定されている。

このように、燃料電池モジュール２の劣化があまり進行していない段階で燃料電池モジュール２にかかる負担を軽減することにより大きな劣化抑制効果を得ることができるが、好ましくは、この下げ幅は、補正前の定格出力電力の半分よりも小さく設定する。即ち、補正前の定格出力電力７００Ｗに対して、定格出力電力の下げ幅を、その半分よりも大きい３５０Ｗ以上とすれば、劣化抑制効果は得られるものの、固体電解質型燃料電池１の出力の低下が著しく、固体電解質型燃料電池１の利用価値が低下してしまう。定格出力電力の下げ幅を上記のように設定することにより、劣化抑制と出力性能の維持のバランスを取ることができる。

さらに劣化が進行し、燃料電池モジュール２が劣化したことが２回目に判定された第２劣化判定時には、燃料供給量がさらに低下され、定格出力電力は５２００Ｗに減少される。以後は、この定格出力電力の範囲内で燃料電池モジュール２が運転される。このように、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定される毎に定格出力電力が減少されるが、定格出力電力の下げ幅は、順次小さくなるように設定されている。図１４においては、第２劣化判定時における下げ幅は８０Ｗであり、その後、下げ幅は４０Ｗ、３０Ｗ．．．と順次減少される。また、上述した実施形態においては、燃料供給量の減量補正は４回目で打ち切られ、以後の燃料供給量は維持されていたが、図１４に示すように、下げ幅を縮小しながら減量補正を継続しても良い。

燃料供給量の減量補正が打ち切られた後は、燃料供給量が維持され、定格出力電力も同一の値に下げ留められる。しかしながら、燃料電池モジュール２から実際に取り出される実発電電力は、燃料電池モジュール２の劣化と共に少しずつ低下する。なお、本明細書において「定格出力電力の低下」とは、燃料供給量の減量補正に伴う定格出力電力の低下を意味し、燃料供給量が維持されている場合における実発電電力の低下とは無関係である。

本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、第１劣化判定時の方が、第２劣化判定時よりも大きい下げ幅で定格出力電力が低下されるので、燃料電池モジュールの劣化を十分に抑制することができる。即ち、燃料電池モジュールの劣化があまり進行していない初期において、より大きく燃料電池モジュールの負担を軽減するので、燃料電池モジュールに十分な発電能力がある状態で負荷が軽くなり、燃料電池モジュールの劣化を十分に抑制することができる。これにより、固体電解質型燃料電池セルの耐用年数を延長することができる。

また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、最も劣化が進行していない状態である、劣化したことが最初に判定された際の補正において最大の下げ幅で定格出力電力を低下させるので、最大の劣化抑制効果を得ることができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、定格出力電力を低下させる補正の下げ幅が、後で実行される補正ほど小さくなるので、初期において、定格出力電力を大きく低下させることにより十分に劣化を抑制すると共に、ある程度劣化が進行した状態では、定格出力電力をあまり大きく低下させずに、燃料電池モジュールから電力を取り出して必要な出力電力を確保することができる。また、定格出力電力を低下させる補正の下げ幅が、補正実行時の定格出力電力の半分以下に抑えられているので、徒に定格出力電力が低下されることがなく、実用上十分な定格出力電力を長期間確保することができる。

また、上述した本発明の実施形態においては、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定される毎に燃料供給量が減量補正されていたが、変形例として、減量補正は、劣化したことが判定されたとき必ず行わなくても良い。例えば、燃料電池モジュール２が劣化したことが複数回続けて判定されたとき、減量補正を実行するように本発明を構成することもできる。好ましくは、定格出力電力を低下させる第１劣化判定時は、初期使用開始から３回目以内に劣化したことが判定されたときにする。

さらに、上述した本発明の実施形態においては、定格出力電力の下げ幅は、毎回減少されていたが、変形例として、下げ幅を段階的に減少させることもできる。表１は、本発明の変形例における定格出力電力の下げ幅を示した表である。

表１に示すように、本変形例においては、第１回から第３回の燃料の減量補正においては、定格出力電力は何れも１００Ｗ低下される。この３回の補正により、定格出力電力は初期の７００Ｗから４００Ｗまで低下される。さらに、第４回から第６回の燃料の減量補正においては、定格出力電力は何れも５０Ｗ低下される。この３回の補正により、定格出力電力は初期の４００Ｗから２５０Ｗまで低下される。次いで、第７回以降の減量補正においては、定格出力電力は２５Ｗずつ低下される。この変形例においては、第１回から第３回目に燃料電池モジュール２が劣化したことが判定された時が第１劣化判定時に該当し、これらの第１劣化判定時よりも後に燃料電池モジュール２が劣化したことが判定された第４回目以降が第２劣化判定時に該当する。このように、第２劣化判定時における定格出力電力の下げ幅は、第１劣化判定時よりも減少されている。

また、上述した実施形態においては、劣化判定の判定基準として、燃料電池モジュール２の基準温度Ｔ０からの温度上昇が３０゜Ｃ以上であるとき、燃料電池モジュール２が劣化したと判定していたが、この温度上昇の閾値を変更することできる。表１に示す変形例においては、劣化したことが３回判定されるまでは温度上昇の閾値は３０゜Ｃであり、劣化したことが６回判定されるまでは温度上昇の閾値は２５゜Ｃであり、それ以降は温度上昇の閾値は２０゜Ｃである。このように、本変形例においては、劣化判定の判定基準は、初期の劣化判定時よりも、劣化が進行した後の劣化判定時の方が劣化が判定されやすく設定されている。

また、上述した実施形態においては、一定の時間間隔で劣化判定が行われていたが、劣化判定の頻度を変更することもできる。表１に示す変形例においては、劣化したことが３回判定されるまでは劣化判定は２年毎に実行され、劣化したことが６回判定されるまでは劣化判定は１年毎に実行され、それ以降は６ヶ月毎に劣化判定が実行される。このように、本変形例においては、劣化判定は、初期よりも、劣化が進行した後の方が高頻度で実行される。

本変形例においては、劣化の初期よりも後期の方が定格出力電力の下げ幅が小さくされるので、後期における補正の方が劣化の抑制効果は減少する。しかしながら、劣化が進行した後の方が劣化を判定する温度上昇の閾値が低下し、判定されやすくなると共に、劣化が進行した後の方が頻繁に劣化判定が実行される。このため、一回の補正による抑制効果が減少した状態においても、燃料電池モジュールの状態応じて敏感に劣化に反応して補正が実行され、きめ細かく劣化を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、固体電解質型燃料電池は、要求電力に応じて出力電力を変更するように構成されていたが、常に一定の定格出力電力を出力する固体電解質型燃料電池に本発明を適用することもできる。

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（酸化剤ガス供給手段）
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
１１０ａ劣化判定手段
１１０ｂ燃料補正手段
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
１４２発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０外気温度センサ

Claims

固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定手段、及び、この劣化判定手段による劣化判定に基づいて複数回運転条件を補正する燃料補正手段を備え、
上記燃料補正手段は、上記燃料電池モジュールが劣化したことが判定された第１劣化判定時において、燃料供給量が減少されるように以後の運転における定格出力電力を低下させる補正を実行し、上記第１劣化判定時よりも後に上記燃料電池モジュールが更に劣化したことが判定された第２劣化判定時において、燃料供給量が更に減少されるように以後の運転における定格出力電力を更に低下させる補正を実行し、
上記第１劣化判定時においては定格出力電力が所定幅低下され、上記第２劣化判定時においては、低下された定格出力電力から更に所定幅定格出力電力が低下され、上記第２劣化判定時における定格出力電力の下げ幅は、上記第１劣化判定時における下げ幅よりも小さいことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
上記燃料補正手段は、初期使用開始から１回目、２回目又は３回目に上記燃料電池モジュールが劣化したことが判定されたときを上記第１劣化判定時として、定格出力電力を低下させる補正を実行する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
上記燃料補正手段は、定格出力電力を低下させる補正を最初に実行する際の定格出力電力の下げ幅が最大となるように補正を実行する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
上記燃料補正手段は、定格出力電力を低下させる補正を、補正実行時の定格出力電力の半分以下の下げ幅で実行する請求項２又は３記載の固体電解質型燃料電池。
上記燃料補正手段は、定格出力電力を低下させる補正の下げ幅が、後で実行される補正ほど小さくなるように補正を実行する請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
上記劣化判定手段による劣化判定の判定基準は、初期の劣化判定時よりも、劣化が進行した後の劣化判定時の方が劣化が判定されやすく設定され、又は、上記劣化判定手段による劣化判定は、初期よりも劣化が進行した後の方が高頻度で実行される請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。