JP5800281B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、需要電力に応じて発電電力を変化させる固体酸化物型燃料電池に関する。

固体酸化物型燃料電池（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。

特開２００９−１０４８８６号公報（特許文献１）には、燃料電池システムの負荷増加時の運転方法が記載されている。この燃料電池システムの運転方法においては、負荷増加時に、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを増加させる工程と、燃料電池モジュールに供給する水を増加させる工程と、燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを増加させる工程と、燃料電池モジュールの発電量を増加させる工程と、を順に実行することにより、燃料電池システムの発電量を増加させている。

特開２００９−１０４８８６号公報記載の運転方法においては、上記のような順序で酸化剤ガス、水、燃料ガス、及び発電量を増加させることにより、燃料電池モジュール内の空気枯渇、炭素析出等の不具合を防止しながら発電量を増加させている。

特開２００９−１０４８８６号公報

しかしながら、需要電力が増加した後、酸化剤ガス、水、及び燃料ガスの供給量を増加させ、その後、発電量を増加させると、需要電力の増加に対する追従が遅れるという問題がある。即ち、需要電力の増加に対し、燃料電池から供給される電力の増加が遅れると、不足した電力は系統電力から供給されることになるため、系統電力の購入量が増え、燃料電池を使用しているメリットが損なわれてしまう。また、需要電力の増加に急速に追従して発電量を増加させると、燃料電池セルスタックの劣化が速くなり、著しい場合には燃料電池セルスタックを損傷してしまうという問題がある。

さらに、供給する燃料を増加させた後、所定時間遅れて、燃料電池モジュールから取り出す電力を増加させることは、燃料電池セルスタックを損傷することなく発電量を増加させるために必須であるが、燃料供給量が増加された後、実際に発電量を増加させるまでの間に供給された燃料は、発電に使用されずに残る残余燃料となる。この残余燃料は、燃料電池モジュール内で燃焼され、燃料電池モジュール内の加熱に使用されるが、需要電力の増減が多く、発電電力の増減が多い場合には、残余燃料多くなりすぎ、燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇するという問題がある。

従って、本発明は、燃料電池セルスタックの劣化を抑制しながら、需要電力に対する発電電力の追従性を向上させることができる固体酸化物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、需要電力に応じて発電電力を変化させる固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、燃料電池セルスタックに供給する燃料を改質する改質器と、この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、燃料電池セルスタック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、需要電力に応じた電力を生成するように、燃料供給手段、水供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、発電電力を需要電力に追従させるべく、発電電力を増加させる場合において、水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで発電電力を増加させ、この制御を繰り返すことにより発電電力を需要電力に近づける第１遅延制御を実行する第１遅延制御手段と、第１遅延制御よりも多く水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで発電電力を増加させると共に、この際の発電電力の増加は、増加された燃料供給量に対応する電力の増加に対して抑制されるように制限され緩やかに行われる第２遅延制御を実行する第２遅延制御手段と、を備え、これらの第１遅延制御手段及び第２遅延制御手段を切り換えて実行することを特徴としている。

このように構成された本発明においては、制御手段が、燃料供給手段、水供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料及び発電用酸化剤ガスを、燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セルスタックに供給し、需要電力に応じた電力を生成させる。制御手段に備えられた第１遅延制御手段は、発電電力を需要電力に追従させるべく、発電電力を増加させる場合において、水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで発電電力を増加させ、この制御を繰り返すことにより発電電力を需要電力に近づける第１遅延制御を実行する。また、制御手段に備えられた第２遅延制御手段は、第１遅延制御よりも多く水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで発電電力を増加させると共に、この際の発電電力の増加は、増加された燃料供給量に対応する電力の増加に対して抑制されるように制限され緩やかに行われる第２遅延制御を実行する。制御手段は、これらの第１遅延制御手段及び第２遅延制御手段を切り換えて実行する。

このように構成された本発明によれば、水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を多く、急激に増加させる第２遅延制御手段を備えているので、需要電力の増加に発電電力を急速に追従させることができる。また、燃料供給量を急激に増加させることにより、発電電力を需要電力の増加に追従させる際に生じる余剰燃料を減少させることができるので、燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇を抑制することができる。また、燃料供給量等を急激に増加させる一方、発電電力の増加は緩やかに行われるので、急速に電流を取り出すことによる燃料電池セルスタックの劣化を抑制すると共に、燃料電池モジュールからの出力電圧の急激な降下を抑制することができる。これにより、燃料電池セルスタックの劣化を抑制しながら、需要電力に対する発電電力の追従性を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、第２遅延制御手段は、燃料供給量を段階的に増加させるように構成され、第２遅延制御における１回の増加量は、需要電力と発電電力の差が大きい場合には、差が小さい場合よりも多くされる一方、１回の増加量は、所定の増加量以下に制限されている。

このように構成された本発明によれば、需要電力と発電電力の差が大きい場合には、１回に多くの燃料が増加されるので、より急速に発電電力を需要電力に近づけることができると共に、１回の増加量が所定の増加量以下に制限されているため、燃料の急激な増加による燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇や、熱的な不安定化を防止することができる。

本発明において、好ましくは、第１遅延制御手段及び第２遅延制御手段は、発電電力を段階的に増加させるように構成され、発電電力の１段階の増加量は、第１遅延制御及び第２遅延制御において同一であり、第２遅延制御における燃料供給量は、発電電力の複数段階分の増加量に対応する量を１回で増加されると共に、発電電力は１段階ずつ増加される。

このように構成された本発明によれば、第２遅延制御においては、第１遅延制御よりも急激に燃料供給量を増加させる一方、発電電力の１段階の増加量は、第１遅延制御及び第２遅延制御において同一にすることにより、第２遅延制御における追従性を向上させながら、燃料電池セルスタックを劣化及び損傷から保護することができる。

本発明において、好ましくは、第２遅延制御手段は、燃料供給量の１回の増加量が予め複数種類設定されており、燃料供給量の１回の増加量は、複数種類設定された増加量の中から、需要電力と発電電力の差に応じて選択される。

このように構成された本発明によれば、燃料供給量の１回の増加量が複数種類設定された増加量の中から選択されるので、過剰な量の燃料を供給することによる過昇温を防止しながら、発電電力の追従性を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの出力電圧が所定の第２遅延制御禁止電圧以下に低下した場合には、第２遅延制御手段の実行を禁止する。
このように構成された本発明によれば、出力電圧が第２遅延制御禁止電圧以下に低下した状態では第２遅延制御が禁止されるので、出力電圧が低下している状態において発電電力を急速に需要電力に追従させることによる急激な電圧降下や、それに伴う燃料電池セルスタックの損傷を防止することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、需要電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合には、第２遅延制御手段の実行を禁止し、第１遅延制御手段を実行することにより発電電力を需要電力に近づける。

このように構成された本発明によれば、需要電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合に第２遅延制御が禁止されるので、過剰な燃料供給に伴う過昇温を防止することができる。需要電力と発電電力の差が少ない状態では、需要電力の急減により、逆潮流が発生した場合には発電電力も急減し、燃料供給量が発電電力に対して過剰な状態が発生しやすい。このような状態において、第２遅延制御により燃料供給量を急増させると、過剰な燃料供給による過昇温を発生させるリスクが高くなる。本発明によれば、このようなリスクを軽減することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、定格発電電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合には、第２遅延制御手段の実行を禁止し、第１遅延制御手段を実行することにより発電電力を需要電力に近づける。

このように構成された本発明によれば、定格発電電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合に第２遅延制御が禁止されるので、過剰な燃料供給に伴う過昇温を防止することができる。定格発電電力と発電電力の差が少ない状態では、需要電力が増加しても、要求される発電電力の増加余地が少ない。このような状態において、第２遅延制御により燃料供給量を急増させると、燃料供給量が過剰になる可能性が高く、過昇温を発生させるリスクが高くなる。本発明によれば、このようなリスクを軽減することができる。

本発明において、好ましくは、第２遅延制御手段は、発電電力に応じて予め設定されている燃料利用率の所定の許容範囲を超えない範囲で燃料供給量を増加させる。
このように構成された本発明によれば、予め設定されている燃料利用率の許容範囲で燃料供給量が増加されるので、発電電力の増加に先行して大幅に燃料供給量を増加させる第２遅延制御においても、燃料電池モジュール内の熱的なバランスが崩れたり、燃料電池モジュールからのＣＯ増加など排気性能が悪化す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、第２遅延制御手段は、水供給量と燃料供給量の比が、予め設定されている所定の許容範囲を超えないように水供給量を修正する。
このように構成された本発明によれば、水供給量と燃料供給量の比が、予め設定されている許容範囲内にあるように水供給量が修正されるので、燃料供給量の増加に伴う改質器内のＳ／Ｃ低下による炭素析出等の不具合を確実に防止することができる。

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、燃料電池セルスタックの劣化を抑制しながら、需要電力に対する発電電力の追従性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。 需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。 制御部による燃料、発電用空気、及び水供給量制御のフローチャートである。 第１遅延制御における燃料、発電用空気、及び水供給量と、発電量の関係を詳細に示したタイムチャートである。 第２遅延制御における燃料、発電用空気、及び水供給量と、発電量の関係を詳細に示したタイムチャートである。 各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。 各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤（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酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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、固体酸化物型燃料電池（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。

次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。

先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。

次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。

このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。

式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。

このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。

次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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乃至図１４を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図９は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。

図９に示すように、燃料電池モジュール２は、図９の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御手段である制御部１１０は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図９の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の定格発電電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは定格発電電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。

制御部１１０は、図９の３段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御して、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図９のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、実際には、燃料利用率は運転状態に応じて変更される。

さらに、図９の最下段のグラフに示すように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給され、これが買電力となる。ここで、図９に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図９の時刻ｔ１０においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ１２においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。このように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせることにより、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０等を通って燃料電池セルスタック１４に到達するまでの時間遅れや、燃料が電池セルスタック１４に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。なお、図９は、燃料供給量Ｆｒの増加と、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加のタイミングをマクロ的、概略的に示したものであり、詳細については後述する。

次に図１０乃至図１４を参照して、制御部による燃料、発電用空気、水供給量、及び取出可能電流の制御の詳細を説明する。
図１０は、制御部による燃料、発電用空気、及び水供給量制御のフローチャートである。図１１は制御部による第１遅延制御の一例を示すタイムチャートであり、図１２は制御部による第２遅延制御の一例を示すタイムチャートである。図１３は、各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。図１４は、各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。

本実施形態において、制御部１１０は、第１遅延制御を実行する第１遅延制御手段１１０ａと、第２遅延制御を実行する第２遅延制御手段１１０ｂと、を備えている（図６）。第１遅延制御は、図１０に示すフローチャートのステップＳ２２において実行される制御である。また、第２遅延制御は、図１０に示すフローチャートのステップＳ６以下、又はステップＳ１４以下で実行される制御であって、第１遅延制御よりも需要電力に対する追従性を高めた制御モードである。

まず、図１１を参照して、第１遅延制御手段１１０ａにより実行される第１遅延制御を説明する。図１１に示すタイムチャートは、その上段に需要電力、中段に買電力、下段に燃料、発電用空気、水供給量、及び取出可能電流Ｉｉｎｖを示している。

まず、図１１の時刻ｔ２１において需要電力が増加し始めるが、取出可能電流Ｉｉｎｖは、この増加に直ちに追従することはないため、燃料電池モジュール２から取り出される電力に変化はなく、需要電力の増加分は全て系統電力により賄われるため、需要電力と共に買電力も増加する。次いで、時刻ｔ２２において、燃料電池モジュール２による発電電力を増加させるべく、制御部１１０に内蔵されている第１遅延制御手段１１０ａは、水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、水供給量を増加させる。この時点においても、取出可能電流Ｉｉｎｖは増加されていないため、需要電力と共に買電力が増加する。

次に、時刻ｔ２２から５秒後の時刻ｔ２３において、第１遅延制御手段１１０ａは、発電用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に信号を送り、空気供給量を増加させる。この時点においても、取出可能電流Ｉｉｎｖは増加されていないため、需要電力の増加分は全て買電力により賄われている。さらに、時刻ｔ２３から５秒後の時刻ｔ２４において、第１遅延制御手段１１０ａは、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を増加させる。この時点においても、取出可能電流Ｉｉｎｖは増加されていないため、需要電力の増加分は全て買電力により賄われている。

次いで、時刻ｔ２４から１０秒後の時刻ｔ２５において、第１遅延制御手段１１０ａは、インバータ５４に信号を送り、取出可能電流Ｉｉｎｖを２０ｍＡ増加させる。取出可能電流Ｉｉｎｖの増加と共に、燃料電池モジュール２から実際に取り出される電流も増加するため、需要電力の増加分の一部が固体酸化物型燃料電池１により賄われ、買電力が減少する。このように、時刻ｔ２５において取出可能電流Ｉｉｎｖを増加させるために、前もって、水、発電用空気、燃料の各供給量を増加させ、その後所定時間遅延して取出可能電流Ｉｉｎｖを増加させている。これにより、増加された燃料が改質器２内で改質され、燃料電池セルスタック１４に行き渡った後に、取出可能電流Ｉｉｎｖが増加され、燃料電池モジュール２から実際に取り出される電流も増加される。なお、時刻ｔ２２、ｔ２３、ｔ２４における水、発電用空気、燃料の各増加量は、発電電流２０ｍＡの増加に対応した量に設定されている。

さらに、時刻ｔ２５においては、取出可能電流Ｉｉｎｖを更に増加させるべく、水供給量が、もう１段階増加される。同様に、時刻ｔ２６、ｔ２７において、発電用空気、燃料の供給量が夫々増加され、時刻ｔ２８において、取出可能電流Ｉｉｎｖが更に２０ｍＡ増加される。これにより買電力が減少する。このように、取出可能電流Ｉｉｎｖは、２０秒間に１回、２０ｍＡずつ５段階増加されることにより、時刻ｔ２９において、取出可能電流Ｉｉｎｖが需要電力の増加分に追いつき、買電力は、時刻ｔ２１におけるレベルまで低下する。このように、第１遅延制御においては、水供給量、発電用空気供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで取出可能電流Ｉｉｎｖ（発電電力）を増加させ、この制御を繰り返すことにより取出可能電流Ｉｉｎｖを需要電力に対応する電流に近づける。なお、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、系統電力への逆潮流等を防止するため、燃料電池モジュール２による発電電力は、需要電力が少ない場合でも常に需要電力よりも１００Ｗ少なく設定されるので、買電力が０になることはない。

次に、図１０乃至図１４を参照して、第１遅延制御と第２遅延制御の切り換えについて説明する。
まず、図１０のステップＳ１においては、制御部１１０は、買電力検出手段である電力状態検出センサ１２６より買電力量ＱＷを読み込む。次に、ステップＳ２においては、燃料電池モジュール２の現在の発電電力が、定格発電電力よりも何Ｗ少ないかが判断される。この差が２００Ｗよりも少ない場合にはステップＳ２２に進み、２００Ｗ以上の場合にはステップＳ３に進む。本実施形態においては、定格発電電力＝７００Ｗであるため、燃料電池モジュール２発電電力が５００Ｗ以上である場合にはステップＳ２２に進む。ステップＳ２２においては、図１１により説明した第１遅延制御が実行され、図１０のフローの１回の処理を終了する。これは、燃料電池モジュール２による現在の発電電力が定格発電電力に近い状態においては、発電電力増加の余地が少なく、第２遅延制御により追従性を高める必要性が少ないためである。

次に、ステップＳ３においては、制御部１１０により、燃料電池モジュール２の出力電圧が第２遅延制御禁止電圧である１００Ｖ以下であるか否かが判断される。１００Ｖ以下である場合にはステップＳ２２に進み、１００Ｖよりも高い場合にはステップＳ４に進む。即ち、燃料電池モジュール２の出力電圧が１００Ｖ以下に電圧降下している状態において、第２遅延制御により追従性を高めると、燃料電池セルスタック１４の劣化を進行させてしまう虞があるため、そのような場合には燃料電池セルスタック１４に負担をかけにくい第１遅延制御が選択される。

さらに、ステップＳ４においては、制御部１１０により、買電力量ＱＷが２００Ｗ以下であるか否かが判断される。２００Ｗ以下である場合にはステップＳ２２に進み、２００Ｗよりも多い場合にはステップＳ５に進む。ステップＳ２２においては第１遅延制御が実行され、図１０のフローの１回の処理を終了する。これは、買電力量ＱＷが２００Ｗ以下である状態においては、発電電力増加の余地が少なく、第２遅延制御により追従性を高める必要性が少ないためである。

次いで、ステップＳ５においては、制御部１１０により、買電力量ＱＷが４００Ｗ以上であるか否かが判断される。４００Ｗ以上である場合にはステップＳ１４に進み、４００Ｗよりも少ない場合（２００〜４００Ｗの場合）にはステップＳ６に進む。ステップＳ６以下においては２倍速第２遅延制御が実行され、ステップＳ１４以下においては３倍速第２遅延制御が実行される。ここで、２倍速第２遅延制御においては、第１遅延制御における２段階分の燃料供給量等の増加量が１段階で増加され、３倍速第２遅延制御においては、第１遅延制御における３段階分の燃料供給量等の増加量が１段階で増加される。このように、第２遅延制御では、燃料電池モジュール２による現在の発電電力と需要電力の差である買電力量が多い場合には、少ない場合よりも１段階の増加量が多くされ、追従性の高い制御が選択される。ただし、第２遅延制御手段１１０ｂが実行する第２遅延制御は、２倍速第２遅延制御及び３倍速第２遅延制御の２種類が予め設定されており、これらの何れかが選択される。従って、第２遅延制御においても、１段階での増加量は、第１遅延制御における３段階分の増加量以下に制限されている。

ステップＳ１４においては、第２遅延制御手段１１０ｂにより、３倍速第２遅延制御による、水、発電用空気、燃料の各供給量が計算される。図１１により説明した第１遅延制御においては、１段階２０ｍＡずつ取出可能電流Ｉｉｎｖが増加され、水、発電用空気、燃料の各供給量も、増加後の取出可能電流Ｉｉｎｖに対応した供給量に前もって変更されていた。一方、図１２に示すように、３倍速第２遅延制御においては、第１遅延制御における３段階分に相当する２０ｍＡの取出可能電流Ｉｉｎｖの増加に対応する水、発電用空気、燃料が１回に増量される。ステップＳ１４においては、３段階分増加された取出可能電流Ｉｉｎｖに対応した水、発電用空気、燃料の各供給量が計算される。

次に、ステップＳ１５においては、買電力量ＱＷの急減が発生しているか否かが判断される。買電力量ＱＷが急激に減少している場合にはステップＳ２２に進み、急激に減少していない場合にはステップＳ１６に進む。買電力量ＱＷは、需要電力が急激に減少することにより、これに伴って急激に減少する。従って、３倍速第２遅延制御を実際に開始する前に買電力量ＱＷが急激に低下している場合には、買電力量ＱＷが更に低下することが予想されるため、取出可能電流Ｉｉｎｖを急激に増加させるための３倍速第２遅延制御は中止され、第１遅延制御が実行される。

ステップＳ１６においては、ステップＳ１４において計算された発電用空気、燃料の各供給量が、許容される各利用率の範囲内にあるか否かが判断される。まず、燃料については、各発電電流に対して許容される燃料利用率の範囲が図１３に示すように予め設定されている。燃料利用率とは、発電電流を出力するために必要な燃料供給量を、実際に供給される燃料供給量で除した値である。この燃料利用率は高いほど高効率で発電できることになるが、高すぎる場合には燃料枯れが発生し、また、燃料電池モジュール２が熱自立できなくなり、燃料電池セルスタック１４の温度が低下する。逆に、燃料利用率が低い場合には発電効率が低下し、また、低すぎる場合には、発電に利用されずに燃焼室１８内で燃焼される燃料が増えるために、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇する。このため、燃料利用率には予め許容範囲が設定されている。

従って、ステップＳ１６においては、図１２の時刻ｔ３４における取出可能電流Ｉｉｎｖに対し、時刻ｔ３４において増加された燃料供給量が、図１３のように規定されている燃料利用率の許容範囲内にあるか否かが判断される。さらに、時刻ｔ３８における、３段階増加された後の取出可能電流Ｉｉｎｖに対し、時刻ｔ３４において増加された燃料供給量が、燃料利用率の許容範囲内にあるか否かが判断される。

同様に、発電用空気についても、各発電電流に対して許容される空気利用率の範囲が図１４に示すように予め設定されている。空気利用率とは、取出可能電流Ｉｉｎｖを出力するために必要な発電用空気供給量を、実際に供給される発電用空気供給量で除した値である。この空気利用率が高すぎる場合には空気枯れが発生し燃料電池セルスタック１４を損傷してしまうことがある。逆に、空気利用率が低い場合には、必要以上の空気が燃料電池モジュール２内を通過することになるため、空気によって燃料電池セルスタック１４の熱が奪われ、この熱を補うために燃料が消費されるので発電効率が低下する。このため、空気利用率には予め許容範囲が設定されている。

従って、ステップＳ１６においては、図１２の時刻ｔ３３における取出可能電流Ｉｉｎｖに対し、時刻ｔ３３において増加された発電用空気供給量が、図１４のように規定されている空気利用率の許容範囲内にあるか否かが判断される。さらに、時刻ｔ３８における３段階増加された後の取出可能電流Ｉｉｎｖに対し、時刻ｔ３３において増加された発電用空気給量が、空気利用率の許容範囲内にあるか否かが判断される。

燃料利用率及び空気利用率が各許容範囲内にある場合には、ステップＳ１８に進み、許容範囲内にない場合にはステップＳ１７に進む。ステップＳ１７においては、ステップＳ１４において計算された燃料供給量、発電用空気が修正される。即ち、ステップＳ１６において判断された燃料利用率が、許容されている燃料利用率よりも高くなった場合には、燃料利用率が許容範囲内に入るように、燃料が増量補正される。逆に、ステップＳ１６において判断された燃料利用率が、許容されている燃料利用率よりも低くなった場合には、燃料利用率が許容範囲内に入るように、燃料が減量補正される。同様に、ステップＳ１６において判断された各空気利用率も許容範囲内に入るように修正される。

次に、ステップＳ１８においては、ステップＳ１４において計算された水供給量と、ステップＳ１４において計算され、又はステップＳ１７において修正された燃料供給量から計算されるＳ／Ｃ（水蒸気量と炭素量の比）が許容範囲内にあるか否かが判断される。ここで、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝１とは、供給された燃料に含まれる炭素の全量が、供給された水（水蒸気）により化学的に過不足なく水蒸気改質される状態を意味する。本実施形態においては、Ｓ／Ｃの許容範囲は２．５乃至３．５に設定されている。従って、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５とは、燃料を水蒸気改質するために化学的に必要最小限の水蒸気量の２．５倍の水蒸気（水）が供給されている状態を意味する。なお、実際には、Ｓ／Ｃ＝１となる水蒸気量では改質器２０内において炭素析出が発生してしまうため、Ｓ／Ｃ＝２．５程度となる水蒸気量が燃料を水蒸気改質するための適量である。

また、ステップＳ１８においては、燃料供給量を増加させた前後におけるＳ／Ｃが許容範囲内にあるか否かが判断される。即ち、図１２の時刻ｔ３２において、水供給量が増加された後、時刻ｔ３４において燃料供給量が増加されるまでの間のＳ／Ｃ、及び、水供給量、燃料供給量とも増加された時刻ｔ３４〜ｔ３５の間のＳ／Ｃの両方について、２．５乃至３．５の範囲内にあるか否かが判断される。両方のＳ／Ｃが許容範囲内にある場合にはステップＳ２０に進み、許容範囲内にない場合にはステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９においては、各Ｓ／Ｃが許容範囲内に入るように、水供給量が修正される。即ち、Ｓ／Ｃが２．５よりも小さい場合には、水供給量が増量補正され、Ｓ／Ｃが３．５よりも大きい場合には、水供給量が減量補正される。

ステップＳ２０においては、ステップＳ１４において計算され、又は、ステップＳ１７又はＳ１９で修正された量の水、発電用空気、燃料が順次供給される。即ち、図１２の時刻ｔ３１において需要電力が増加した後、時刻ｔ３２において、水供給量が増加される。次に、時刻ｔ３２から５秒後の時刻ｔ３３において、第２遅延制御手段１１０ｂは、空気供給量を増加させる。さらに、時刻ｔ３３から５秒後の時刻ｔ３４において、第２遅延制御手段１１０ｂは、燃料供給量を増加させる。このように、３倍速第２遅延制御では、第１遅延制御における３回分程度の増加量が１回で増加されるため、第１遅延制御よりも急激に水、発電用空気、燃料の供給量が増加される。

次に、図１０のステップＳ２１においては、取出可能電流Ｉｉｎｖが１段階ずつ３回、増加される。即ち、時刻ｔ３４から１０秒後の時刻ｔ３５において、第２遅延制御手段１１０ｂは、インバータ５４に信号を送り、取出可能電流Ｉｉｎｖを２０ｍＡ増加させる。さらに、時刻ｔ３５から０．５秒後の時刻ｔ３６において、取出可能電流Ｉｉｎｖは更に２０ｍＡ増加され、その０．５秒後の時刻ｔ３７において、取出可能電流Ｉｉｎｖは更に２０ｍＡ増加される。これにより、取出可能電流Ｉｉｎｖは、時刻ｔ３２において水供給量が増加された後、２１秒で、第１遅延制御における３段階分の６０ｍＡ増加される。このように、３倍速第２遅延制御における取出可能電流Ｉｉｎｖ（発電電力）の１段階の増加量は、第１遅延制御における１段階の増加量と同じである。しかしながら、３倍速第２遅延制御においては、水、発電用空気、燃料の供給量は、取出可能電流Ｉｉｎｖの３段階分の増加量を１回で増加させている。

このように、図１０のステップＳ１４以下で実行される３倍速第２遅延制御により、約３倍の速さで、取出可能電流Ｉｉｎｖは需要電力に追従し、これにより買電力量ＱＷが減少される。また、３倍速第２遅延制御では、第１遅延制御における３回分程度の増加量が１回で増加され、第１遅延制御よりも急激に供給量が増加されるのに対して、取出可能電流Ｉｉｎｖ（発電電力）の増加は、１回で３段階分の取出可能電流Ｉｉｎｖを増加させることはなく、０．５秒ずつ間隔をあけて３回で増加される。このように、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加は、燃料供給量等の増加よりも緩やかに行われる。

次いで、図１２の時刻ｔ３７においては、買電力量ＱＷが２００Ｗを超え、４００Ｗ未満となっているため、図１０のステップＳ６以下の、２倍速第２遅延制御が実行される。ステップＳ６乃至Ｓ１３により実行される２倍速第２遅延制御は、ステップＳ６において計算される水、発電用空気、燃料の１回の増加量が、第１遅延制御における増加量の２倍にされていることを除き、上述した３倍速第２遅延制御と同様である。

即ち、ステップＳ１２においては、ステップＳ６において計算され、又は、ステップＳ８又はＳ１１で修正された量の水、発電用空気、燃料が順次供給される。即ち、図１２の時刻ｔ３７において、水供給量が増加される。次に、時刻ｔ３７から５秒後の時刻ｔ３８において、第２遅延制御手段１１０ｂは、空気供給量を増加させる。さらに、時刻ｔ３８から５秒後の時刻ｔ３９において、第２遅延制御手段１１０ｂは、燃料供給量を増加させる。

次に、ステップＳ１３においては、取出可能電流Ｉｉｎｖが１段階ずつ２回、増加される。即ち、時刻ｔ３９から１０秒後の時刻ｔ４０において、第２遅延制御手段１１０ｂは、取出可能電流Ｉｉｎｖを２０ｍＡ増加させる。さらに、時刻ｔ４０から０．５秒後の時刻ｔ４１において、取出可能電流Ｉｉｎｖは更に２０ｍＡ増加される。これにより、取出可能電流Ｉｉｎｖは、時刻ｔ３７において水供給量が増加された後、２０．５秒で、第１遅延制御における２段階分の４０ｍＡ増加される。このように、図１０のステップＳ６以下で実行される２倍速第２遅延制御により、約２倍の速さで、取出可能電流Ｉｉｎｖは需要電力に追従し、これにより買電力量ＱＷが減少される。

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、水供給量、発電用空気供給量、及び燃料供給量を急激に増加させる第２遅延制御手段１１０ｂを備えているので（図１０のステップＳ６以下、ステップＳ１４以下、及び図１２）、需要電力の増加に発電電力を急速に追従させることができる。また、燃料供給量を急激に増加させる（図１２の時刻ｔ３４、ｔ３９）ことにより、発電電力を需要電力の増加に追従させる際に生じる余剰燃料を減少させることができるので、燃料電池モジュール２内の過剰な温度上昇を抑制することができる。また、燃料供給量等を急激に増加させる一方、発電電力の増加は緩やかに行われる（図１２の時刻ｔ３６、ｔ３７、ｔ４１）ので、急速に電流を取り出すことによる燃料電池セルスタック１４の劣化を抑制すると共に、燃料電池モジュール２からの出力電圧の降下を抑制することができる。これにより、燃料電池セルスタック１４の劣化を抑制しながら、需要電力に対する発電電力の追従性を向上させることができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、需要電力と発電電力の差が大きい場合には、１回に多くの燃料が増加される（図１２の時刻ｔ３４）ので、より急速に発電電力を需要電力に近づけることができると共に、１回の増加量が所定の増加量以下に制限されているため、燃料の急激な増加による燃料電池モジュール２内の過剰な温度上昇や、熱的な不安定化を防止することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、第２遅延制御（図１０のステップＳ６以下、ステップＳ１４以下、及び図１２）においては、第１遅延制御（図１０のステップＳ２２、及び図１１）よりも急激に燃料供給量を増加させる一方、発電電力の１段階の増加量は、第１遅延制御及び第２遅延制御において同一（例えば、図１１の時刻ｔ２５と図１２の時刻ｔ３５）にすることにより、第２遅延制御における追従性を向上させながら、燃料電池セルスタック１４を劣化及び損傷から保護することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料供給量の１回の増加量が複数種類（図１０のステップＳ６以下、及びステップＳ１４以下）設定された増加量の中から選択されるので、過剰な量の燃料を供給することによる過昇温を防止しながら、発電電力の追従性を向上させることができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、出力電圧が第２遅延制御禁止電圧以下に低下した状態では第２遅延制御が禁止される（図１０のステップＳ３）ので、出力電圧が低下している状態において発電電力を急速に需要電力に追従させることによる急激な電圧降下や、それに伴う燃料電池セルスタック１４の損傷を防止することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、需要電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合に第２遅延制御が禁止される（図１０のステップＳ４）ので、過剰な燃料供給に伴う過昇温を防止することができる。需要電力と発電電力の差が少ない状態では、需要電力の急減により燃料供給量が発電電力に対して過剰な状態が発生しやすい。このような状態において、第２遅延制御により燃料供給量を急増させると、過剰な燃料供給による過昇温を発生させるリスクが高くなる。本実施形態によれば、このようなリスクを軽減することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、定格発電電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合に第２遅延制御が禁止される（図１０のステップＳ２）ので、過剰な燃料供給に伴う過昇温を防止することができる。定格発電電力と発電電力の差が少ない状態では、需要電力が増加しても、要求される発電電力の増加余地が少ない。このような状態において、第２遅延制御により燃料供給量を急増させると、燃料供給量が過剰になる可能性が高く、過昇温を発生させるリスクが高くなる。本実施形態によれば、このようなリスクを軽減することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、予め設定されている燃料利用率の許容範囲で燃料供給量が増加される（図１０のステップＳ９、Ｓ１７、及び図１３及び１４）ので、発電電力の増加に先行して大幅に燃料供給量を増加させる第２遅延制御においても、燃料電池モジュール２内の熱的なバランスが崩れたり、燃料電池モジュール２からの排気性能が悪化するのを防止することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、水供給量と燃料供給量の比が、予め設定されている許容範囲内にあるように水供給量が修正される（図１０のステップＳ１１、Ｓ１９）ので、燃料供給量の増加に伴う改質器２０内のＳ／Ｃ低下による炭素析出等の不具合を確実に防止することができる。

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、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量は、ステップ状に上昇されていたが、これらのうちの少なくとも１つをランプ波状に上昇するように、本発明を構成することもできる。

１ 固体酸化物型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材（蓄熱材）
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８ 燃焼室（燃焼部）
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（発電用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）
１１０ａ 第１遅延制御手段
１１０ｂ 第２遅延制御手段
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（買電力検出手段）
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４０ 排気温度センサ
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８ 改質器温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ

Claims (9)

1. 需要電力に応じて発電電力を変化させる固体酸化物型燃料電池であって、
   燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
   上記燃料電池セルスタックに供給する燃料を改質する改質器と、
   この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
   上記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、
   上記燃料電池セルスタック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、
   需要電力に応じた電力を生成するように、上記燃料供給手段、上記水供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有し、
   上記制御手段は、発電電力を需要電力に追従させるべく、発電電力を増加させる場合において、水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで発電電力を増加させ、この制御を繰り返すことにより発電電力を需要電力に近づける第１遅延制御を実行する第１遅延制御手段と、上記第１遅延制御よりも多く水供給量、発電用酸化剤ガス供給量、及び燃料供給量を増加させた後、所定時間遅れて、増加された燃料供給量に対応する電力まで発電電力を増加させると共に、この際の発電電力の増加は、増加された燃料供給量に対応する電力の増加に対して抑制されるように制限され緩やかに行われる第２遅延制御を実行する第２遅延制御手段と、を備え、これらの第１遅延制御手段及び第２遅延制御手段を切り換えて実行することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 上記第２遅延制御手段は、燃料供給量を段階的に増加させるように構成され、上記第２遅延制御における１回の増加量は、需要電力と発電電力の差が大きい場合には、差が小さい場合よりも多くされる一方、１回の増加量は、所定の増加量以下に制限されている請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 上記第１遅延制御手段及び上記第２遅延制御手段は、発電電力を段階的に増加させるように構成され、発電電力の１段階の増加量は、上記第１遅延制御及び上記第２遅延制御において同一であり、上記第２遅延制御における燃料供給量は、発電電力の複数段階分の増加量に対応する量を１回で増加されると共に、発電電力は１段階ずつ増加される請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 上記第２遅延制御手段は、燃料供給量の１回の増加量が予め複数種類設定されており、燃料供給量の１回の増加量は、上記複数種類設定された増加量の中から、需要電力と発電電力の差に応じて選択される請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
5. 上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの出力電圧が所定の第２遅延制御禁止電圧以下に低下した場合には、上記第２遅延制御手段の実行を禁止する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
6. 上記制御手段は、需要電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合には、上記第２遅延制御手段の実行を禁止し、上記第１遅延制御手段を実行することにより発電電力を需要電力に近づける請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
7. 上記制御手段は、定格発電電力と発電電力の差が所定の電力以下である場合には、上記第２遅延制御手段の実行を禁止し、上記第１遅延制御手段を実行することにより発電電力を需要電力に近づける請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
8. 上記第２遅延制御手段は、発電電力に応じて予め設定されている燃料利用率の所定の許容範囲を超えない範囲で燃料供給量を増加させる請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
9. 上記第２遅延制御手段は、水供給量と燃料供給量の比が、予め設定されている所定の許容範囲を超えないように水供給量を修正する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。

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