JP5517106B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、特に、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させ、要求電力に応じた量の電力を発電する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、改質器、水及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
特開２００７−１０３１９４号公報（特許文献１）には、固体酸化物形燃料電池を備えた電源が記載されている。ここに記載されている燃料電池においては、発電に寄与した後の燃料及び空気が、燃焼室で燃焼され、その燃焼熱がセルスタックの加熱に利用されている。
また、特開２００９−３２５５５号公報（特許文献２）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置では、起動処理工程において、燃料ガスを供給するための改質器、及び燃料電池セルが所定の温度まで昇温される。また、起動処理工程において、改質器内では、部分酸化改質法（ＰＯＸ）、オートサーマル法（ＡＴＲ）、水蒸気改質法（ＳＲ）が温度の上昇と共に切り替えて実行され、燃料の改質が行われる。
さらに、特開２００９−３２５５５号公報に記載されている燃料電池装置では、セルスタックの温度が発電開始可能な温度に達するとセルスタックによる発電が開始されると共に、発電開始可能な温度を超えてから所定時間が経過するまでの間は、改質器に供給される燃料ガス及びセルスタックに供給される酸素含有ガスの所定流量を継続して供給しながら発電する制御が行われる。これにより、所定流量の継続した供給が終了した後、それに続く負荷追従運転を開始する際に十分な発電量を得ている。
特開２００７−１０３１９４号公報 特開２００９−３２５５５号公報
しかしながら、特開２００９−３２５５５号公報に記載されているように起動を行う固体電解質型燃料電池においても、所定流量の燃料及び酸化剤ガスを継続して供給しながら発電した後、負荷追従運転を開始した際、固体電解質型燃料電池の運転が不安定になるという問題がある。例えば、負荷追従運転開始時の要求電力が小さい場合には、供給する燃料の量が負荷追従運転の開始と共に急激に減少する。このため、改質器を加熱するために燃焼される燃料の量が減少するのに加えて、改質器内で発生している水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器及びセルスタックの温度が急低下し、正常な発電ができなくなる場合がある。特に、発電開始時にセルスタックの温度が低下してしまうと、これを発電可能な温度まで回復させるには長い時間を要するので、長時間に亘って正常な発電ができなくなるという問題がある。
従って、本発明は、起動状態から発電状態に円滑に移行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、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させ、要求電力に応じた量の電力を発電する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、固体電解質型燃料電池セルに改質された燃料を供給する改質器と、この改質器に改質すべき燃料を供給する燃料供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給装置と、燃料電池モジュールの固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度まで上昇させる起動時において、燃料供給装置、及び水供給装置を制御して、改質器内で、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲを発生させ、発電を開始させるコントローラと、コントローラは、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量を、燃料電池モジュールの使用条件に応じて決定された、ＳＲ開始時における燃料供給量よりも少ない発電待機燃料供給量に維持するように燃料供給装置を制御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、コントローラは、燃料供給装置、水供給装置及び発電用酸化剤ガス供給装置を制御して、改質器に燃料、及び水を供給し、固体電解質型燃料電池セルに発電用酸化剤ガスを供給する。また、コントローラは、固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度に上昇させる起動時において、改質器内で水蒸気改質反応のみが発生するＳＲを発生させる。ここで、コントローラは、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量を、燃料電池モジュールの使用条件に応じて決定された、ＳＲ開始時における燃料供給量よりも少ない発電待機燃料供給量に維持するように燃料供給装置を制御する。
このように構成された本発明によれば、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量が発電待機燃料供給量に維持されるので、発電開始時に燃料の燃焼が安定するとともに、改質器の熱バランスを安定させることができる。これにより、起動状態から発電状態に円滑に移行することができる。また、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量がＳＲ開始時における燃料供給量よりも減少された状態のＳＲを備えているので、発電開始時において燃料供給量が減少された場合においても、固体電解質型燃料電池セルの温度が急激に低下するのを防止することができる。さらに、発電開始直前の燃料供給量が、燃料電池モジュールの使用条件に応じて決定されるので、発電開始時に燃料供給量を変化させる必要がないか、或いは、燃料供給量を大きく変化させることなく発電を開始させることができ、より円滑に発電状態に移行できると共に、発電開始時の燃料供給量の変化に伴って生じる燃料電池モジュール内の気流の乱れ等の不具合を抑制することができる。
本発明において、好ましくは、さらに、燃料電池モジュールの発電開始時における要求電力を推定する要求電力推定回路を有し、コントローラは、発電待機燃料供給量を、要求電力推定回路により推定された要求電力に基づいて設定する。
このように構成された本発明によれば、要求電力推定回路が発電開始時における要求電力を推定し、推定された要求電力に基づいて決定した量の燃料が供給されるので、推定された要求電力に対応した燃料供給量に発電待機燃料供給量を設定することにより、発電開始時の要求電力が正確に推定された場合には発電開始時に燃料供給量を変更する必要がない。また、推定された要求電力が正確でない場合や、推定された要求電力に対応した燃料供給量とは異なる量に発電待機燃料供給量を設定した場合にも、発電開始時に燃料供給量を大きく変更する必要がなく、円滑に発電状態に移行することができる。
本発明において、好ましくは、燃料電池モジュールは、所定の出力電力範囲の電力を出力するように構成されており、コントローラは、出力電力範囲の最低の出力電力に対応する燃料供給量よりも多い所定の下限燃料供給量を発電待機燃料供給量として維持する。
このように構成された本発明によれば、発電待機燃料供給量は、出力電力範囲の最低の出力電力に対応する燃料供給量よりも多い値にされるので、固体電解質型燃料電池セルの温度が過度に低下するのを防止することができると共に、発電待機燃料供給量が維持されている間に要求電力が増大した場合にも、燃料不足により十分な出力電力が得られなくなるのを防止することができる。
本発明において、好ましくは、要求電力推定回路は、コントローラにより発電待機燃料供給量による燃料供給が開始される前までの要求電力に基づいて、発電開始時における要求電力を推定する。
このように構成された本発明によれば、発電待機燃料供給量が、その供給が開始される直前までの要求電力に応じて決定されるので、要求電力を正確に推定することができ、より円滑に発電状態に移行することができる。
本発明において、好ましくは、要求電力推定回路は、コントローラにより発電待機燃料供給量による燃料供給が開始される前までの要求電力を平均することにより発電開始時における要求電力を推定する。
このように構成された本発明によれば、発電開始時における要求電力を、発電待機燃料供給量による燃料供給が開始される前までの要求電力を平均することにより推定するので、発電待機燃料供給量の供給開始前に、要求電力の変動が激しい場合にも、より適切に要求電力を推定することができる。
本発明において、好ましくは、コントローラは、推定された要求電力に対応する燃料供給量を割り増しした燃料供給量を発電待機燃料供給量として維持する。
このように構成された本発明によれば、発電待機燃料供給量は、推定された要求電力に対応する燃料供給量を割り増しして決定されるので、燃料供給量を低下させすぎることにより、固体電解質型燃料電池セルの温度が過度に低下するのを防止することができると共に、発電待機燃料供給量が維持されている間に要求電力が増大した場合にも、燃料不足により十分な出力電力が得られなくなるのを防止することができる。
本発明において、好ましくは、コントローラは、上記燃料電池モジュールを起動させている時間帯が、１日を複数の時間帯に分割したうちの何れの時間帯に属するかに基づいて、発電待機燃料供給量を決定する。
このように構成された本発明によれば、要求電力が燃料電池モジュールを起動させている時間帯に基づいて推定されるので、要求電力を簡単に推定することができる。或いは、この推定方法によれば、要求電力の変動が激しく、過去の要求電力から発電開始時の要求電力を正確に推定することが難しい場合においても、概ね妥当な電力を要求電力として推定することができる。
本発明において、好ましくは、コントローラは、発電待機燃料供給量を維持している間の発電用の酸化剤ガスの供給量を、発電待機燃料供給量の燃料を供給して発電を行うために必要な発電用酸化剤ガス供給量に維持するように、発電用酸化剤ガス供給装置を制御する。
このように構成された本発明によれば、酸化剤ガスの供給量が発電待機燃料供給量の燃料を供給して発電を行うために必要な発電用酸化剤ガス供給量に維持されるので、推定された要求電力に対応した燃料供給量に発電待機燃料供給量を設定することにより、発電開始時の要求電力が正確に推定された場合には発電開始時に、燃料供給量に加え、発電用酸化剤ガス供給量も変更する必要がなく、円滑に発電状態に移行することができる。
本発明において、好ましくは、コントローラは、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の割合が、発電時における燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の割合とは異なる所定の発電待機供給割合になるように、燃料供給装置、水供給装置、及び発電用酸化剤ガス供給装置を制御する。
一般に、発電時における供給量の割合は、所定の割合に設定される。このように構成された本発明によれば、発電待機用の所定の供給量の割合が発電時における供給量の割合とは異なる割合にされているので、発電待機用の所定の供給量の割合を発電開始を待機するために最適化された値に設定することにより、円滑に発電状態に移行することができる。具体的には、発電待機用の所定の供給量の割合を適切に設定することにより、ＳＲ運転中及び発電開始時における燃料電池モジュールの温度低下や、気流の乱れ、燃料の燃焼の不安定を防止することができる。
本発明において、好ましくは、発電待機供給割合は、燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の全体に占める発電用酸化剤ガス供給量の割合が、発電時における燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の全体に占める発電用酸化剤ガス供給量の割合よりも多くなるように設定されている。
このように構成された本発明によれば、ＳＲ運転において発電開始前に燃料供給量が減少される際、発電用酸化剤ガス供給量はあまり減少されないため、燃料電池モジュール内を流れる気体の流量の変化幅を小さくすることができ、ＳＲ運転中に燃料供給量が減少した場合であっても、気流の乱れを比較的小さくすることができ、気流の乱れによる固体電解質型燃料電池セル温度の低下を防止することができる。
また、本発明は、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させ、要求電力に応じた量の電力を発電する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、固体電解質型燃料電池セルに改質された燃料を供給する改質器と、この改質器に改質すべき燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に水を供給する水供給手段と、固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュールの固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度まで上昇させる起動時において、燃料供給手段、及び水供給手段を制御して、改質器内で、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲを発生させ、発電を開始させる制御手段と、を有し、制御手段は、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量を、燃料電池モジュールの使用条件に応じて決定された、ＳＲ開始時における燃料供給量よりも少ない発電待機燃料供給量に維持す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。
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、起動状態から発電状態に円滑に移行することができる。
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（ＳＯＦＣ）の負荷追従運転を説明するタイムチャートである。 本発明の一実施形態において、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。 本発明の一実施形態において、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。 本発明の一実施形態において、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、発電用空気供給量、水供給量の関係の一例を示すデータテーブルである。 本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理手順の一例を示す動作テーブルである。 発電開始直前における制御部による処理を示すフローチャートである。
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、燃焼熱を受けて空気を加熱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、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。
ＣmＨn＋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により検出された改質器２０の温度に基づいて、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の改質器２０への供給が開始される。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。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により検出された改質器２０の温度に基づいて、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が停止されると共に、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。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋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。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。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される。即ち、発電が開始される。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。
発電開始後においても、改質器２０の温度を維持するために、燃料電池セル８４で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、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、発電室温度が所定温度、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１２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の発電時における負荷追従運転作用を説明する。
図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池の負荷追従運転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、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、発電用空気供給量、水供給量等の関係の一例を示すデータテーブルである。
固体電解質型燃料電池１は、図７により説明した起動処理の後、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、図９に示す負荷追従運転を実行する。即ち、図６に示すように、コントローラである制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給装置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、要求発電量に対する出力電力の応答には遅れがあり、これは燃料供給量等の変化を緩慢にしているため出力電力が遅れて変化しているものであり、また、要求発電量の急激な変化に対しても、燃料供給量の変化を大きく抑えているため出力電力の追従が遅れているものである。なお、制御部１１０、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、及び水流量調整ユニット２８は、夫々、制御手段、燃料供給手段、酸化剤ガス供給手段、及び水供給手段として機能する。
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内の改質器２０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。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セルの温度が急激に変化されるため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、燃料供給量の変化を緩慢にするために漸増又は漸減される。なお、図１１に示すように、燃料を増加させる際の燃料供給量の変化率は、燃料を減少させる際の燃料供給量の変化率よりも小さく設定されている。即ち、燃料供給量の減少に対しては、変化を緩慢にして遅れを大きくすると無用な燃料を消費させることになるため、減少に関しては増加させる場合よりも変化率が大きく設定されている。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に急激に変更されたとすると、必要な燃料供給量も、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する。しかしながら、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Ｆ１０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。
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の想像線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。これは先に説明した通り、燃料の減少側はセルの温度を高める方向に作用するものではないためセル劣化の感度が低いことに着目して、無駄な燃料の消費を抑えつつ、燃料の減少が過剰な温度低下につながることがないように配慮して最適化したものである。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、発電用空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。また、図１２に一例を示すように、各要求発電量に対する燃料、発電用空気、水の供給量の割合は適切な運転状態が得られるように最適化されており、要求発電量に応じて異なっている。本実施形態の固体電解質型燃料電池１は２００Ｗ〜７００Ｗの出力電力範囲の電力を出力するように構成されている。さらに、図１２には、供給された燃料のうちの発電に利用される燃料の割合である燃料利用率、及び供給された発電用空気のうちの発電に利用される発電用空気の割合である空気利用率も示されている。図１２に示すように、燃料利用率、空気利用率とも要求発電量が高くなると概ね増大する傾向にある。また、発電に利用されなかった燃料は、ほぼ全量が燃焼室１８内で燃焼され、改質器２０の加熱に利用される。
次に、図１３及び図１４と共に図７を再び参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の起動処理を詳細に説明する。
図１３は固体電解質型燃料電池１の起動処理手順を示す動作テーブルである。図１４はＳＲ開始から発電開始までの制御部１１０による処理を示すフローチャートである。
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、制御部１１０は、改質用酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送ってこれらを起動させ、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に設定されている。
次いで、時刻ｔ１において、制御部１１０は、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料供給を開始する。これにより、改質器２０へ送り込まれた燃料及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。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の燃料ガス流路９８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の供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている（図１３の「燃焼運転」状態）。
さらに、時刻ｔ２において、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６から流出した燃料に点火する。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。
さらに温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、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（図１３の「ＰＯＸ１」状態）。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、供給する燃料の割合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（図１３の「ＰＯＸ１」状態）。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（図１３の「ＰＯＸ２」状態）。
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、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水供給装置である水流量調整ユニット２８に信号を送り、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（図１３の「ＡＴＲ１」状態）。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、図１３の「ＡＴＲ１」状態においては、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。
本実施形態においては、燃料電池セルユニット１６の温度は、発電室１０内に配置された温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室温内の温度と燃料電池セルユニットの温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサによって検出される温度は燃料電池セルユニットの温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサにより燃料電池セルユニットの温度を把握することができる。なお、本明細書において、燃料電池セルユニットの温度とは、燃料電池セルユニットの温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。
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、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させる。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、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（図１３の「ＡＴＲ２」状態）。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、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、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（図１３の「ＳＲ１」状態）。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、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。
さらに、図１３の「ＳＲ１」状態に移行すると、制御部１１０は、所定時間毎に図１４に示すフローチャートを実行する。
まず、図１４のステップＳ１においては、フラグＦの値が判断される。フラグＦは、固体電解質型燃料電池１の起動処理が「ＳＲ２」状態（図１３）に移行しているか否かを示すフラグであり、起動時においてはフラグＦ＝０に設定されている。また、後述するように、起動処理が「ＳＲ２」状態に移行するとフラグＦの値は１に変更される。図７の時刻ｔ７においては、まだ「ＳＲ２」状態に移行されていないので、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２においては、「ＳＲ１」状態へ移行後、初期ＳＲ継続時間ｔｓｒ１である２５分が経過したか否か、即ち、図７の時刻ｔ７から２５分経過したか否かが判断される。２５分経過している場合にはステップＳ４に進み、経過していない場合にはステップＳ３に進む。ステップＳ３においては、燃料電池セルユニット１６の温度が発電可能な温度である７００゜Ｃ以上になっているか否かが判断される。燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になっている場合にはステップＳ４に進み、７００゜Ｃ以上になっていない場合には、図１４に示すフローチャートの１回の処理が終了する。これにより、「ＳＲ１」状態が継続される。
さらに、「ＳＲ１」状態へ移行後２５分経過するか、又は燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になった後、図１４のフローチャートが実行されると、処理はステップＳ２又はＳ３からステップＳ４に移行し、「ＳＲ２」が開始される。図７のタイムチャートに示す例では、時刻ｔ８において燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃに到達することにより、ステップＳ３からステップＳ４に処理が移行している。
ステップＳ４においては、制御部１１０に内蔵された要求電力推定回路１１０ａにより、固体電解質型燃料電池１の起動開始から「ＳＲ２」が開始されるまでの間（図７の時刻ｔ０〜ｔ８の間）の要求電力の平均値が計算される。次に、ステップＳ５においては、ステップＳ４で計算された要求電力の平均値を繰り上げて、繰り上げられた電力に対応する燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が決定される。例えば、ステップＳ４において計算された要求電力の平均値が５２０Ｗ（１００Ｖ、５．２Ａ）であった場合、「ＳＲ２」における各供給量は、これを繰り上げた６００Ｗ（１００Ｖ、６．０Ａ）の電力に対応した燃料供給量２．６Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気供給量５０Ｌ／ｍｉｎ、及び水供給量５．８ｃｃ／ｍｉｎに設定される（図１２）。なお、要求電力推定回路は、要求電力推定手段として機能する。
「ＳＲ２」における各供給量をこのように設定することにより、「ＳＲ２」状態から円滑に発電状態に移行することができる。即ち、推定した要求電力で発電が開始された場合、要求電力を出力するために必要な燃料供給量よりも少し多い燃料が「ＳＲ２」において供給されているため、「ＳＲ２」から発電に移行する際に燃料供給量の大幅な低下が起こるのを防止することができる。さらに、推定した要求電力に対応する燃料供給量よりも少し多い燃料が供給されているため、「ＳＲ２」の実行中に要求電力が増大した場合にも、大幅な燃料不足に陥るのを防止することができる。
次いで、図１４のステップＳ６において、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４４、及び水流量調整ユニット２８に信号を送り、ステップＳ５において決定された量の燃料、発電用空気、及び水の供給を開始する。さらに、ステップＳ７において、フラグＦの値は、起動処理が「ＳＲ２」状態に移行したことを示す１に変更され、図１４に示すフローチャートの１回の処理が終了する。
さらに、「ＳＲ２」状態に移行した後、図１４に示すフローチャートが実行されると、フラグＦの値が１に変更されているので、処理はステップＳ１からステップＳ８に移行する。ステップＳ８において、制御部１１０は、外気温度センサ１５０によって検出された温度が０゜Ｃ以下であるか否かを判断する。０゜Ｃ以下でない場合にはステップＳ９に進み、０゜Ｃ以下である場合にはステップＳ１０に進む。ステップＳ９においては「ＳＲ２」状態を維持する時間である発電移行時間ｔｓｒ２が４分に設定される。また、外気温が０゜Ｃ以下である場合には、ステップＳ１０において、発電移行時間ｔｓｒ２が５分に設定される。
次いで、ステップＳ１１においては、「ＳＲ２」状態への移行後、発電移行時間ｔｓｒ２が経過したか否かが判断される。発電移行時間ｔｓｒ２が経過している場合にはステップＳ１２に進み、経過していない場合にはステップＳ１１における処理が繰り返され、発電移行時間ｔｓｒ２が経過するまで「ＳＲ２」状態が維持される。さらに、ステップＳ１２においては、燃料電池セルユニット１６の温度が、推定された要求電力に応じた発電可能温度に達しているか否かが判断される。燃料電池セルユニット１６の温度が発電可能温度以上である場合には、ステップＳ１３に進み、発電可能温度に達していない場合にはステップＳ１２の処理が繰り返され、燃料電池セルユニット１６の温度が発電可能温度以上になるまで、「ＳＲ２」状態が維持される。
さらに、ステップＳ１３においてはフラグＦの値が０に復帰され、ステップＳ１４においては、制御部１１０は要求電力に応じた発電を開始する（図７の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、要求電力に応じて図１０及び図１１に基づいて決定され、供給され、負荷追従運転が実行される。
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、発電開始直前の「ＳＲ２」における燃料供給量が発電待機燃料供給量に維持されるので、発電開始時に燃料の燃焼が安定するとともに、改質器の熱バランスを安定させることができる。これにより、起動状態から発電状態に円滑に移行することができる。また、発電開始直前の「ＳＲ２」における燃料供給量が「ＳＲ１」における燃料供給量よりも減少されているので、発電開始直前において改質器内で吸熱反応を起こす燃料の量が減少する。さらに、発電開始直前の燃料供給量が要求電力推定回路により推定された要求電力に応じて決定されるので、発電開始時に燃料供給量が大きく変化するのを防止することができ、より円滑に発電状態に移行できると共に燃料の浪費を抑制することができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、発電待機燃料供給量が、その供給が開始される直前までの要求電力に応じて決定されるので、要求電力を正確に推定することができ、「ＳＲ２」状態から、より円滑に発電状態に移行することができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、発電待機燃料供給量は、推定された要求電力に対応する燃料供給量を割り増しして決定されるので、「ＳＲ２」状態において発電待機燃料供給量が維持されている間に要求電力が増大した場合にも、燃料不足により十分な出力電力が得られなくなるのを防止することができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、発電移行時間が経過し、且つ燃料電池セルユニットの温度が発電可能な温度まで上昇された場合に発電を開始するので、燃料電池セルユニットの温度が十分に上昇していない状態で発電が開始されるのを防止することができると共に、温度が十分に上昇した後も、発電移行時間経過までは一定の燃料供給量が維持されるので、燃焼室内における燃料の燃焼を安定させることができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、ＳＲ開始後、固体電解質型燃料電池セルの温度が発電可能な温度まで上昇すると、燃料供給量が減少されるが、所定の初期ＳＲ継続時間が経過した場合には、発電可能な温度に達していなくても「ＳＲ２」状態に移行される。この場合には、少なくとも燃料電池セルユニットの温度が発電可能な温度に上昇するまで、減少された燃料供給量が維持される。これにより、発電可能な温度に達していない場合にも初期ＳＲ継続時間が経過すれば、燃料供給量を減少させた「ＳＲ２」が開始されると共に、「ＳＲ２」状態で発電移行時間が経過し、且つ発電可能な温度に上昇するのを待つので、起動後、発電が開始されるまでの時間を短縮することができる。
また、本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、改質器内においてＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲの順に改質反応が発生されるので、起動時に、燃料電池モジュールの運転が不安定になるのを防止することができ、より円滑に起動することができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池において、所定の環境因子に応じて発電移行時間を変更することにより、燃料電池が設置されている環境が変化しても、発電開始時の運転状態を十分に安定させることができる。特に、外気温が低い場合に発電移行時間を延長することにより、外気温が低く固体電解質型燃料電池セルの温度が上昇しにくい場合にも、「ＳＲ２」状態における燃焼室内の燃料の燃焼を十分に安定させることができる。
なお、上述した実施形態においては、発電移行時間ｔｓｒ２は外気温に基づいて設定されているが、発電移行時間ｔｓｒ２が、外気温、水温、時間帯等の環境因子に応じて変更されるようにしても良い。また、図７に示す例では、「ＳＲ１」状態に移行した後速やかに燃料電池セルユニット１６の温度は発電可能な温度まで上昇している。しかしながら、上述したように、「ＳＲ１」状態に移行後所定の初期ＳＲ継続時間ｔｓｒ１が経過した場合には、制御部１１０は、発電可能な温度に達していなくても運転を「ＳＲ２」状態に移行させる。即ち、制御部１１０は、燃料電池セルユニット１６が発電可能な温度に上昇するまで、又は、初期ＳＲ継続時間ｔｓｒ１が経過するまで、「ＳＲ１」状態の燃料供給量を維持する。さらに、上述したように、制御部１１０は、「ＳＲ２」状態に移行した後、所定の発電移行時間ｔｓｒ２が経過し、且つ燃料電池セルユニット１６の温度が発電可能な温度以上に上昇した場合に発電を開始する。従って、「ＳＲ２」状態は、常に発電移行時間ｔｓｒ２以上継続される。
また、上述した実施形態では、要求電力推定回路によって推定された要求電力を繰り上げた電力に対応した燃料、発電用空気、及び水を「ＳＲ２」において供給しているが、推定された要求電力が極めて小さい場合には、制御部は、燃料電池モジュールによって出力可能な最低の電力に対応した供給量よりも多い燃料、発電用空気、水を供給する。即ち、本実施形態においては、推定された要求電力が２００Ｗ未満である場合には、７００Ｗから２００Ｗの出力電力範囲の最低の出力電力である２００Ｗよりも多い、３００Ｗに対応した下限燃料供給量が発電待機燃料供給量として供給される。
これにより、発電待機燃料供給量は、出力電力範囲の最低の出力電力に対応する燃料供給量よりも多い下限燃料供給量にされるので、発電待機燃料供給量が維持されている間に要求電力が増大した場合にも、燃料不足により十分な出力電力が得られなくなるのを防止することができる。
さらに、上述した実施形態においては、要求電力推定回路は、起動から「ＳＲ２」が開始されるまでの間の平均要求電力に基づいて発電開始時の要求電力を推定していたが、変形例として、固体電解質型燃料電池の起動が行われている時間帯に基づいて要求電力を推定するように、要求電力推定回路を構成することもできる。例えば、１日の時間帯を、昼（６時〜１６時）、夜（１６時〜２４時）、深夜（０時〜６時）の３つの時間帯に分け、「ＳＲ２」の開始時が昼であれば推定要求電力を４００Ｗ、夜であれば７００Ｗ、深夜であれば２００Ｗとするように要求電力推定回路を構成することもできる。この変形例によれば、要求電力の変動が激しく、過去の要求電力から発電開始時の要求電力を推定することが難しい場合においても、概ね妥当な電力を要求電力として推定することができる。
また、上述した実施形態では、例えば、推定要求電力を繰り上げた電力が４００Ｗである場合には、「ＳＲ２」状態において供給される燃料、発電用空気、水は４００Ｗの発電に対応する供給量に設定されていたが、変形例として、「ＳＲ２」状態における燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量を、「ＳＲ２」用に最適化された発電待機供給割合とすることもできる。例えば、「ＳＲ２」状態において燃焼室内で燃焼される燃料と発電用空気の割合が、発電開始時において燃焼室内で燃焼される燃料と発電用空気の割合と等しくなるように、「ＳＲ２」状態における各供給量を決定することができる。或いは、燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の全体に占める発電用酸化剤ガス供給量の割合を、発電時における発電用酸化剤ガス供給量の割合よりも多くなるように、発電待機供給割合を設定することもできる。
例えば、図１２に示すように、出力電力７００Ｗにおいては、２．８Ｌ／ｍｉｎで燃料が供給され、このときの発電への燃料の利用率は６８％であるから、２．８Ｌ／ｍｉｎの燃料のうち、発電には約１．９Ｌ／ｍｉｎの燃料が使用され、燃焼にはその残りの約０．９０Ｌ／ｍｉｎの燃料が使用されていることになる。また、出力電力７００Ｗにおいて、６０Ｌ／ｍｉｎの発電用空気が供給され、空気の利用率が３５％であるから、発電には約２１Ｌ／ｍｉｎ、燃焼には約３９Ｌ／ｍｉｎの発電用空気が使用されていることになる。従って、出力電力７００Ｗにおける燃焼に使用される発電用空気と燃料の比である空燃比は、３９／０．９０＝約４３．５倍となる。ここで、「ＳＲ２」状態においては供給した燃料の全量が燃焼に使用されるので、発電開始時における燃料供給量と「ＳＲ２」状態における燃料供給量を等しく設定し、「ＳＲ２」状態における空燃比を発電開始時と等しくするために必要な発電用空気の供給量は、燃料供給量２．８Ｌ／ｍｉｎに空燃比４３．５を乗じた約１２２Ｌ／ｍｉｎとなる。
一方、出力電力４００Ｗにおいては、燃料供給量１．９Ｌ／ｍｉｎ、燃料利用率５５％であるから、発電には約１．０Ｌ／ｍｉｎ、燃焼には約０．８５Ｌ／ｍｉｎの燃料が使用されている。また、出力電力４００Ｗにおいて、３５Ｌ／ｍｉｎの発電用空気が供給され、空気の利用率が３４％であるから、発電には約１２Ｌ／ｍｉｎ、燃焼には約２３Ｌ／ｍｉｎの発電用空気が使用されていることになる。従って、出力電力４００Ｗにおける空燃比は、２３／０．８５＝約２７．０倍となる。従って、「ＳＲ２」状態における空燃比を発電開始時と等しくするために必要な発電用空気の供給量は、燃料供給量１．９Ｌ／ｍｉｎに空燃比２７．０を乗じた約５１．３Ｌ／ｍｉｎとなる。
このように発電用空気供給量を設定することにより、発電待機燃料供給量を維持している間の発電用空気の供給量を、発電開始時において燃焼室内で燃焼される燃料と発電用空気の比とほぼ等しくなるように設定することができる。即ち、「ＳＲ２」状態における空燃比と発電開始時の空燃比を等しくするには、出力電力７００Ｗでは「ＳＲ２」状態における発電用空気の供給量を、発電開始時における供給量の約２倍にする必要があり、出力電力４００Ｗでは「ＳＲ２」状態における発電用空気の供給量を約１．５倍にする必要がある。このように、発電用空気を割り増しすべき割合は、出力電力毎に異なっており、この例では、出力電力が大きくなるほど割り増し量が多くなる。
この変形例によれば、燃焼室内で燃焼される燃料と発電用空気の割合が、燃料及び空気が発電に使用されない発電開始前の「ＳＲ２」状態と、燃料及び空気が発電に使用される発電開始後で同様に維持されるので、発電開始前後において燃焼される空燃比が変化せず、燃焼室内の燃焼を安定させることができる。
また、この変形例において、発電待機燃料供給量を維持する「ＳＲ２」状態における、燃料供給量と発電用の空気の比を、推定された要求電力に応じて上記のように変化させることにより、要求電力が異なる場合においても燃焼室内で燃焼される燃料と空気の割合を発電開始前後において一定に維持することができる。
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、起動時に改質器内においてＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲの順に改質反応が発生されていたが、例えば、ＡＴＲを省略することができる。本発明は、発電開始直前にＳＲを発生させる任意の起動処理を実行する固体電解質型燃料電池に適用することができる。
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（水供給装置、水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給装置、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（酸化剤ガス供給装置、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（制御手段、コントローラ）
１１０ａ 要求電力推定回路（要求電力推定手段）
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 (11)

  1. 燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させ、要求電力に応じた量の電力を発電する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、
    上記固体電解質型燃料電池セルに改質された燃料を供給する改質器と、
    この改質器に改質すべき燃料を供給する燃料供給装置と、
    上記改質器に水を供給する水供給装置と、
    上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給装置と、
    上記燃料電池モジュールの上記固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度まで上昇させる起動時において、上記燃料供給装置、及び上記水供給装置を制御して、上記改質器内で、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲを発生させ、発電を開始させるコントローラと、を有し、
    上記コントローラは、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量を、上記燃料電池モジュールの使用条件に応じて決定された、ＳＲ開始時における燃料供給量よりも少ない発電待機燃料供給量に維持するように上記燃料供給装置を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  2. さらに、上記燃料電池モジュールの発電開始時における要求電力を推定する要求電力推定回路を有し、上記コントローラは、上記発電待機燃料供給量を、上記要求電力推定回路により推定された要求電力に基づいて設定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  3. 上記燃料電池モジュールは、所定の出力電力範囲の電力を出力するように構成されており、上記コントローラは、上記出力電力範囲の最低の出力電力に対応する燃料供給量よりも多い所定の下限燃料供給量を発電待機燃料供給量として維持する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
  4. 上記要求電力推定回路は、上記コントローラにより上記発電待機燃料供給量による燃料供給が開始される前までの要求電力に基づいて、発電開始時における要求電力を推定する請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
  5. 上記要求電力推定回路は、上記コントローラにより上記発電待機燃料供給量による燃料供給が開始される前までの要求電力を平均することにより発電開始時における要求電力を推定する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
  6. 上記コントローラは、推定された要求電力に対応する燃料供給量を割り増しした燃料供給量を発電待機燃料供給量として維持する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
  7. 上記コントローラは、上記燃料電池モジュールを起動させている時間帯が、１日を複数の時間帯に分割したうちの何れの時間帯に属するかに基づいて、上記発電待機燃料供給量を決定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  8. 上記コントローラは、上記発電待機燃料供給量を維持している間の発電用の酸化剤ガスの供給量を、上記発電待機燃料供給量の燃料を供給して発電を行うために必要な発電用酸化剤ガス供給量に維持するように、上記発電用酸化剤ガス供給装置を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  9. 上記コントローラは、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の割合が、発電時における燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の割合とは異なる所定の発電待機供給割合になるように、上記燃料供給装置、上記水供給装置、及び上記発電用酸化剤ガス供給装置を制御する請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
  10. 上記発電待機供給割合は、燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の全体に占める発電用酸化剤ガス供給量の割合が、発電時における燃料供給量、水供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量の全体に占める発電用酸化剤ガス供給量の割合よりも多くなるように設定されている請求項９記載の固体電解質型燃料電池。
  11. 燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させ、要求電力に応じた量の電力を発電する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、
    上記固体電解質型燃料電池セルに改質された燃料を供給する改質器と、
    この改質器に改質すべき燃料を供給する燃料供給手段と、
    上記改質器に水を供給する水供給手段と、
    上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
    上記燃料電池モジュールの上記固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度まで上昇させる起動時において、上記燃料供給手段、及び上記水供給手段を制御して、上記改質器内で、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲを発生させ、発電を開始させる制御手段と、を有し、
    上記制御手段は、発電開始直前のＳＲにおける燃料供給量を、上記燃料電池モジュールの使用条件に応じて決定された、ＳＲ開始時における燃料供給量よりも少ない発電待機燃料供給量に維持するように上記燃料供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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