JP6827363B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスを改質し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形燃料電池システムに関する。

従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルを積層したセルスタックを収納容器内に収納してなる固体酸化物形燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。この固体酸化物形の燃料電池セルでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の一方側には燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他方側には空気（酸化材）中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。

燃料ガスは例えば水蒸気改質され、改質された燃料ガス（「改質燃料ガス」とも称する）がセルスタックの燃料極側に送給され、酸化材としての空気がセルスタックの酸素極側に送給される。固体酸化物形のセルスタックの作動温度は約７００〜１０００℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。このセルスタックの流出側には燃焼域が設けられ、セルスタックの燃料極側から流出した改質燃料ガスがその空気極側から流出した空気（酸素）により燃料され、かかる燃焼ガスの熱によりセルスタック及び改質器が高温状態に維持される。

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、電力負荷に追従してセルスタックの発電出力が変動するように制御され、このようにセルスタックの発電出力を制御することにより、セルスタックからの発電電力でもって電力負荷にて必要とされる電力をまかなっている。

特開２０１４−１９７４８５号公報

ところが、このように電力負荷に追従するように制御する場合、電力負荷が大きくなるとこれに対応してセルスタックの発電出力も大きくなり、例えば電力負荷が急激に増大するとこれに伴いセルスタックの発電出力も急激に増大する。このようにしてセルスタックの発電出力が急激に増大すると、燃料ガスの一時的な供給不足、改質水の一時的な気化不良などが発生し易く、このようなことが原因となって過渡的挙動が不安定となって燃焼域での燃焼状態が失火し易く、この失火が発生すると、セルスタックの温度が下がって発電出力が低下する、改質器などの温度が下がって改質水の気化不良、燃料ガスの改質不良などが生じる。

本発明の目的は、セルスタックの発電出力上昇時における燃焼域での失火の発生を抑えることができる固体酸化物形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形燃料電池システムは、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、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形のセルスタックと、酸化材を前記セルスタックに送給するための酸化材供給手段と、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化材供給手段を作動制御するための制御手段と、を備え、前記セルスタックの流出側の燃焼域にて、前記セルスタックの燃料極側から流出される改質燃料ガスが前記セルスタックの酸素極側から流出される酸化材により燃焼される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記セルスタックの発電出力が電力負荷に追従して変動するように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化材供給手段を制御するように構成され、更に、前記燃焼域における燃焼の失火を検知するための失火検知手段が設けられており、
前記セルスタックの発電出力上昇時に前記失火検知手段が前記燃焼域での失火を検知すると、前記制御手段は、前記セルスタックの発電出力の速度上限値を低下させるように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化材供給手段を制御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形燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記セルスタックの発電出力の速度上限値を切り替える出力上昇速度切替手段を含み、前記出力上昇速度切替手段は、通常運転時には前記セルスタックの発電出力の上昇を第１速度上限値に設定し、前記セルスタックの発電出力上昇時に前記失火検知手段が前記燃焼域の失火を検知すると前記セルスタックの上昇を前記第１速度上限値よりも小さい第２速度上限値に設定することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記失火検知手段が前記燃焼域の失火を検知した回数をカウントするカウンタ手段を含み、前記出力上昇速度切替手段は、所定設定時間内に前記カウンタ手段のカウント値が第１設定回数以上になると前記第１速度上限値から前記第２速度上限値に切り替えることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記出力上昇速度切替手段は、前記所定設定時間経過時における前記カウンタ手段のカウント値が前記第１設定回数よりも少ない第２設定回数以下になると前記第２速度上限値から前記第１速度上限値に切り替えることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記失火検知手段が前記燃焼域の失火を検知した回数をカウントするカウンタ手段と、所定設定時間を計時するタイマ手段とを含み、前記出力上昇速度切替手段は、前記タイマ手段が前記所定設定時間を計時したときの前記カウンタ手段のカウント値が第１設定回数以上であると前記第１速度上限値から前記第２速度上限値に切り替えることを特徴とする。

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記出力上昇速度切替手段は、前記タイマ手段が前記所定設定時間を計時したときの前記カウンタ手段のカウント値が前記第１設定回数よりも少ない第２設定回数以下であると前記第２速度上限値から前記第１速度上限値に切り替え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形燃料電池システムによれば、セルスタックの燃料極側から燃焼域に流出される改質燃料ガスがその酸化極側から流出される酸化材により燃焼され、この燃焼域における燃焼の失火を検知するための失火検知手段が設けられ、セルスタックの発電出力上昇時に失火検知手段がこの燃焼域の失火を検知すると、制御手段は、セルスタックの発電出力の速度上限値を低下させるように燃料ガス供給手段及び酸化材供給手段を制御するので、セルスタックの発電出力の急激な上昇が抑えられ、それにより、燃焼域での燃焼の失火が少なくなって発電出力上昇時の過渡的挙動が不安定になるのが抑えられ、セルスタックを電力負荷の負荷変動に追従して安定的に稼働運転することができる。尚、この燃焼域における燃焼の失火は、例えば、燃焼域の燃焼温度の低下、燃焼排気ガスを燃焼させるための燃焼触媒における燃焼温度の上昇、セルスタックを収容する高温空間の温度低下などにより検知することができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、出力上昇速度切替手段は、通常運転時にはセルスタックの発電出力の上昇を第１速度上限値に設定し、失火検知手段が燃焼域での失火を検知するとこの第１速度上限値よりも小さい第２速度上限値に設定するので、燃焼域での失火が発生するとセルスタックの発電出力の急激な上昇が抑えられ、これにより、燃焼域の燃焼の失火が少なくなって発電出力上昇時の過渡的挙動が不安定になるのを抑えることができる。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、カウンタ手段は、失火検知手段が燃焼域の失火を検知した回数をカウントし、出力上昇速度切替手段は、所定設定時間内にカウンタ手段のカウント値が第１設定回数以上になると第１速度上限値から第２速度上限値に切り替えるので、セルスタックの発電出力の急激な上昇が抑えられて燃焼域での失火が少なくなり、これにより、発電出力上昇時の過渡的挙動が不安定になるのを抑えることができる。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、所定設定時間経過時におけるカウンタ手段のカウント値が第１設定回数よりも少ない第２設定回数以下になると、出力上昇速度切替手段は第２速度上限値から第１速度上限値に切り替えるので、燃焼域での燃焼の失火が少なくなる（例えば、ほとんどなくなる）とセルスタックの発電出力の上昇速度が元の状態に戻り、このように戻すことにより、その発電出力が電力負荷の負荷変動により追従するように制御され、電力負荷で消費されるセルスタックの発電出力をより多くすることができる。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、カウンタ手段は、失火検知手段が燃焼域の失火を検知した回数をカウントし、出力上昇速度切替手段は、所定設定時間経過時のカウンタ手段のカウント値が第１設定回数以上であると第１速度上限値から第２速度上限値に切り替えるので、セルスタックの発電出力の急激な上昇が抑えられて燃焼域での失火が少なくなり、これにより、発電出力上昇時の過渡的挙動が不安定になるのを抑えることができる。

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、所定設定時間経過時のカウンタ手段のカウント値が第１設定回数よりも少ない第２設定回数以下になると、出力上昇速度切替手段は、セルスタックの発電出力の上昇速度を第２速度上限値から第１速度上限値に切り替えるので、燃焼域での燃焼の失火が少なくなる（例えば、ほとんどなくなる）とセルスタックの発電出力の上昇速度が元の状態に戻り、このように戻すことにより、その発電出力が電力負荷の負荷変動により追従するように制御され、電力負荷で消費されるセルスタックの発電出力をより多くすることができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を示す簡略図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。 図２の固体酸化物形燃料電池システムの制御系による制御の流れを示すフローチャート。 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態の制御系を示すブロック図。 セルスタックの発電出力の上昇速度の速度上限値の切替えの一例を説明するための図。 図４に示す固体酸化物形燃料電池システムの制御系による制御の流れを示すフローチャート。 セルスタックの発電出力の上昇速度の速度上限値の切替えの他の例を説明するための図。 固体酸化物形燃料電池システムの他の制御系による制御の流れを示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。

図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料ガス（例えば、天然ガス、都市ガスなど）を改質するための改質器４と、改質器４にて水蒸気改質された燃料ガス（「改質燃料ガス」とも称する）及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行うセルスタック６とを備えている。

セルスタック６は、複数の燃料電池セル（図示せず）を積層して構成され、各燃料電池セルは酸素イオンを伝導する固体電解質と、固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備えており、固体電解質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。

セルスタック６の燃料極側８の導入側は、改質燃料ガス送給ライン１０を介して改質器４に接続され、この改質器４は、燃料ガス供給ライン１２を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１４（例えば、埋設管や燃料ガスタンクなど）に接続されている。燃料ガス供給ライン１２には、燃料ガスを供給するための燃料ガスブロア１６が配設され、この燃料ガスブロア１６の回転数が増大（又は減少）すると、燃料ガス供給ライン１２を通して供給される燃料ガスの供給流量が増大（又は減少）する。燃料ガス供給源１４、燃料ガス供給ライン１２及び燃料ガスブロア１６は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段を構成する。

また、セルスタック６の酸素極側１８の導入側は、空気送給ライン２０を介して空気を予熱するための空気予熱器２２に接続され、この空気予熱器２２は、空気供給ライン２４を介して空気ブロア２６に接続されている。この空気ブロア２６の回転数が上がる（又は下がる）と、空気供給ライン２４を通して供給される空気の供給量が増大（又は減少）する。空気供給ライン２４及び空気ブロア２６は、酸化材としての空気を供給するための酸化材供給手段を構成する。

セルスタック６の燃料極側８及び酸素極側１８の流出側には燃焼域２８が設けられ、燃料極側８から流出された改質燃料ガス（「反応燃料ガス」とも称する）と酸素極側１８から流出された空気とがそれぞれこの燃焼域２８に送給されて燃焼される。この燃焼域２８は燃焼排気ガスライン３０を介して空気予熱器２２に接続され、この空気予熱器２２には燃焼排気ガス流出ライン３２が接続されている。この燃焼域２８には、セルスタック６を起動するための点火ヒータ手段３４が設けられ、起動時この点火ヒータ手段３４によって改質燃料ガスの点火燃焼が行われる。

この実施形態では、セルスタック６、改質器４及び空気余熱器２２が電池ハウジング２５内に収容されている。電池ハウジング２５の内面には断熱材（図示せず）が配設され、この電池ハウジング２５が高温状態に保たれる高温空間２７を規定し、セルスタック６、改質器４及び空気余熱器２２は、この高温空間２７に収容されて高温状態に保たれる。

この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃焼域２８からの燃焼排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段３６と、この燃焼排気ガスの熱を温水として貯湯するための貯湯装置３８とを備えている。図示の凝縮回収手段３６は、燃焼排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器４０と、凝縮された水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段４２と、不純物が除去された凝縮水を貯める水回収タンク４４とを備えている。熱交換器４０は燃焼排気ガス流出ライン３２に配設され、この熱交換器４０には、凝縮水回収ライン４８を介して不純物除去手段４２及び水回収タンク４４が接続されているとともに、燃焼排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出ライン４６が接続されている。

この水回収タンク４４に関連して水送給手段５０が設けられている。水送給手段５０は、水回収タンク４４に回収した凝縮水を改質器４に送給するための水供給ライン５２を備え、この水供給ライン５２に水ポンプ５４が配設され、水ポンプ５４は、水回収タンク４４内の凝縮水を改質用の水として水供給ライン５２を通して改質器４に送給する。

また、図示の貯湯装置３８は、貯湯するための貯湯タンク５６を備え、この貯湯タンク５６は循環流路５８を介して熱交換器４０に接続されている。循環流路５８には循環ポンプ６０が設けられ、この循環ポンプ６０は貯湯タンク５６の底部の水を循環流路５８を通してその上端部に循環させる。また、貯湯タンク５６の底部には水供給流路６２が接続され、この水供給流路６２を通して水（例えば、水道水）が補給される。更に、貯湯タンク５６の上端部には出湯ライン６４が接続され、貯湯タンク５６内に貯められた温水は、この出湯ライン６４を通して出湯される。

この固体酸化物形燃料電池システム２では、更に、燃焼排気ガス流出ライン３２を通して流れる燃焼排気ガスに含まれる未燃焼ガスを燃焼させるために、熱交換器４０よりも上流側に燃焼触媒部位６６が設けられ、かかる燃焼触媒部位６６の内面（即ち、燃焼排気ガス流出ライン３２を規定する内面に燃焼触媒（図示せず）が設けられ、かかる燃焼触媒の触媒作用により未燃焼ガスが燃焼される。

この固体酸化物形燃料電池システム２の稼動運転は、次のようにして行われる。燃料ガス供給源１４からの燃料ガスが燃料ガス供給ライン１２を通して改質器４に供給されると共に、水回収タンク４４に回収された水（凝縮水）が水供給ライン５２を通して改質器４に供給される。改質器４においては、燃料ガスが水（水蒸気）により水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン１０を通してセルスタック６の燃料極側８に送給される。また、空気ブロア２６からの空気は、空気供給ライン２４を通して空気予熱器２２に供給され、この空気予熱器２２において燃焼排気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２０を通してセルスタック６の酸素極側１８に送給される。

セルスタック６の燃料極側８は改質燃料ガスを酸化し、またその酸素極側１８は空気中の酸素を還元し、燃料極側８の酸化及び酸素極側１８の還元による電気化学反応により発電が行われる。燃料極側８からの反応燃料ガス及び酸素極側１８からの空気は燃焼域２８に流れ、空気中の酸素を利用して反応燃料ガス（余剰燃料ガスを含んでいる）が燃焼され、この燃焼熱によりセルスタック６、改質器４及び空気予熱器２２が加熱される。

燃焼域２８からの燃焼排気ガスは燃焼排気ガスライン３０を通して空気予熱器２２に送給され、この空気予熱器２２において空気ブロア２６からの空気との熱交換に利用されて燃焼排気ガス流出ライン３２を通して熱交換器４０に送給され、その燃焼触媒部位６６を流れる際に燃焼触媒（図示せず）により燃焼排気ガス中の未燃焼ガスが燃焼された後に熱交換器４０に流れる。

熱交換器４０においては、貯湯タンク５６から循環ライン５８を通して流れる水と燃焼排気ガス流出ライン３２を流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された水（温水）は、循環ライン５８を通して貯湯タンク５６の上部に貯められる。また、この熱交換により燃焼排気ガスの温度が露点まで低下されることによって、燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮され、凝縮された水は、凝縮水回収ライン４８を通して不純物除去手段４２へ送られ、不純物除去手段４２によって不純物が除去された後に水回収タンク４４に貯められる。一方、凝縮回収後の燃焼排気ガスは、排気ガス排出ライン４６を通して外部に排出される。

この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃焼域２８での燃焼の失火を抑えるために、次のように構成されている。図１とともに図２を参照して、この実施形態では、燃焼域２８の燃焼の失火を検知するための失火検知手段が設けられ、この失火検知手段が温度検知手段７２から構成され、かかる温度検知手段７２が燃焼触媒部位６６に配設される。燃焼域２８での燃焼状態が正常であると、燃焼排気ガス中に未燃焼ガスがほとんど含まれておらず、従って、燃焼触媒部位６６において未燃焼ガスが燃焼することがほとんどなく、温度検知手段７２の検知温度は低くなる。これに対して、燃焼域２８での燃焼の失火が生じると、燃焼排気ガス中に未燃焼ガスが含まれ、従って、燃焼排気ガス中の未燃焼ガスが燃焼触媒部位６６における燃焼触媒により燃焼され、温度検知手段７２の検知温度は高くなり、このように温度検知手段７２の検知温度に基づいて燃焼域２８での失火の発生を検知することができる。

この固体酸化物形燃料電池システム２は、更に、システムを制御するためのコントローラ７４を備え、温度検知手段７２からの検知信号は、このコントローラ７４に送給される。コントローラ７４は、例えば、マイクロプロセッサなどから構成され、制御手段７６、失火判定手段７８、失火回復運転切換手段８０、出力上昇速度切替手段８２、タイマ手段８４及びメモリ手段８６を含んでいる。制御手段７６は、燃料ガスブロア１６、空気ブロア２６及び水ポンプ５４を作動制御し、失火判定手段７８は、温度検知手段７２（失火検知手段）の検知信号に基づいて燃焼域２８にて燃焼の失火が生じていないかを判定し、失火回復運転切換手段８０は、失火判定手段７６が失火発生と判定したときにこの失火状態から燃焼状態（失火のない状態）に回復するように運転を切り替える。この運転の切替えにおいては、例えば、制御手段７６は燃料ガスブロア１４の回転数が一時的に上昇するように制御し、このように制御することにより、燃料ガスの供給量が一時的に増大してセルスタック６の燃料極側８から燃焼域２８に流出する改質燃料ガス（未反応の燃料ガス）が増え、この燃焼域２８での失火状態が解消される。

尚、このように燃料ガスの供給量を一時的に増大することに代えて、セルスタック６の発電出力を一時的に低下させ、セルスタック６における燃料ガスの発電での消費量を一時的に少なくして失火状態を解消するようにしてもよく、或いは点火ヒータ３４を一時的に作動させて失火状態を解消するようにしてもよい。

また、出力上昇速度切替手段８２は、セルスタック６の発電出力の出力上昇速度の速度上限値を後述する如く切り替える。この燃料電池システム２の稼働運転では、制御手段７６は、電力負荷（図示せず）の変動に追従してセルスタック６の発電出力が変動するように燃料ガスブロア１６、空気ブロア２６及び水ポンプ５４を制御し、電力負荷が急激に上昇してもセルスタック６の発電出力の上昇速度が所定速度上限値を超えないように設定されている。

この実施形態では、セルスタック６の発電出力上昇時における上昇速度の速度上限値が第１速度上限値、例えば２００Ｗ／分程度に設定され、また燃焼域２８にて燃焼の失火が発生したときにはこの上昇速度が遅くなるように、上昇速度の上限値が第２速度上限値、例えば１００Ｗ／分程度となるように設定されている。

また、タイマ手段８４は計時を行い、この実施形態においては、失火状態が発生してセルスタック６の発電出力の上昇速度が第２速度上限値に切り替えられた後に第１速度上限値に復帰させる際の所定設定時間（例えば、２４時間程度に設定される）を計時する。更に、メモリ手段８６には、この所定設定時間及び発電出力の上昇速度の上限値（第１速度上限値及び第２速度上限値）が登録されている。

この固体酸化物形燃料電池システム２の制御系による制御は、例えば、図３に示すフローチャートの流れに従って行われる。主として図２及び図３を参照して、この固体酸化物形燃料電池システム２の稼働運転中は、燃料ガスブロア１６、空気ブロア２６及び水ポンプ５４が所要の通りに制御されて上述した発電運転が行われ、この発電運転中にセルスタック６の発電出力が上昇すると、ステップＳ１からステップＳ２に進み、燃焼域２８での燃焼の失火の検知が行われる。即ち、温度検知手段７２（温度センサ）は、燃焼排気ガス流出ライン３２の燃焼触媒部位６６の温度を検知し、失火判定手段７８は、この温度検知手段７２からの検知温度に基づき、この検知温度が上昇したときに失火が生じたと判定する。

燃焼域２８での燃焼が失火状態となると、ステップＳ２からステップＳ３に進み、失火回復運転切替手段８０は通常運転から失火回復運転に切り替え、上述した失火回復運転が一時的に行われる。更に、セルスタック６の発電出力の上昇速度の切替えが行われる（ステップＳ４）。失火判定手段７８の失火判定に基づき出力上昇速度切替手段８２は上昇速度を第１速度上限値（例えば、２００Ｗ／分）から第２速度上限値（例えば、１００Ｗ／分）に切り替え、これにより、電力負荷の負荷変動に対応してセルスタック６の発電出力が急激に上昇する際における発電電力の上昇速度が緩やかになる。その結果、燃料ガスの一時的な供給不良などがほとんどなくなり、これにより、燃焼域２８での燃焼の失火の発生が抑えられ、セルスタック６及び改質器４を所望の高温状態に維持することができる。

このように発電出力の上昇速度の切替えが行われると、タイマ手段８４が作動して計時を開始し（ステップＳ５）、このタイマ手段８４の作動中に燃焼域２８での燃焼に失火が生じると、ステップＳ６からステップＳ７に進み、この失火状態を解消するために失火回復運転が一時的に行われ、タイマ手段８４がリセットされた（ステップＳ８）後にステップＳ５に戻る。

この発電出力の上昇速度の切替えの後に、所定設定時間（例えば、２４時間）継続して失火状態の発生がないと、ステップＳ６からステップＳ９を経てステップＳ１０に移り、燃焼域２８での燃焼状態が安定していて失火が発生していないとして、セルスタック６の発電出力の上昇速度が元の通常状態に切り替えられる。即ち、タイマ手段８４が所定設定時間を計時すると、このタイマ手段８４からの信号に基づいて出力上昇速度切替手段８２は上昇速度を第２速度上限値から第１速度上限値に切り替え、これにより、セルスタック６の発電出力の上昇速度の上昇上限値が大きくなり、その上昇速度が急になるように設定される。その結果、セルスタック６の発電出力は、電力負荷の負荷変動により追従して上昇し、セルスタック６の発電電力を電力負荷でより多く消費されるようになる。尚、このように上昇速度の上限値を切り替えた後に、ステップＳ１１に進み、タイマ手段８４がリセットされた後にステップＳ１に戻る。

次いで、図４〜図６を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、セルスタックの発電出力の上昇速度の速度上限値が３段階に切替え可能に構成されている。尚、この上昇速度の速度上限値を４段階以上に切替え可能に構成することもできる。

図４において、この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、失火検知手段としての温度検知手段７２Ａは、セルスタック６の流出側の燃焼域２８（図１参照）に配設される。燃焼域２８の燃焼状態が正常であると、この燃焼域２８は高い温度状態に保たれるが、この燃焼状態の一部が失火すると、燃焼域８の温度状態が下がるようになり、このような温度状態の変化を温度検知手段７２Ａで検知することにより、燃焼域２８での失火を検知することができる。

また、セルスタック６（図１参照）の発電出力の上昇速度の速度上限値が３段階に切替え可能に構成されていることに関連して、コントローラ７４Ａは、次のように構成されている。この形態では、コントローラ７４Ａは、制御手段７６、失火判定手段７８Ａ、失火回復運転切替手段８０、出力上昇速度切替手段８２、タイマ手段８４及びメモリ手段８６Ａに加えて、出力上昇判定手段８８及びカウンタ手段９０を含んでいる。即ち、出力上昇判定手段８８は、セルスタックの発電出力が上昇状態であるかを判定し、この発電電力が上昇状態のときに燃料域で失火が発生したかが検知される。また、カウンタ手段９０は、温度検知手段７２Ａの検知温度に基づいて失火判定手段７８Ａが失火判定をした回数をカウントする。

タイマ手段８４は、失火発生の回数をカウントする所定設定時間（例えば、２４時間程度に設定される）を計時し、またメモリ手段８６Ａには、この所定設定時間が登録されるとともに、発電出力の上昇速度の３段階の速度上限値（図５参照）、即ち第１速度上限値（例えば、２００Ｗ／分）、第２速度上限値（例えば、１００Ｗ／分）及び第３速度上限値（例えば５０Ｗ／分）と、発電出力の上昇速度を切り替える２つの設定回数値、即ち発電速度上限値を１段階下げる際の基準となる第１設定回数値（例えば、３〜５回程度に設定される）及び発電速度上限値を１段階上げる際の基準となる第２設定回数値（例えば、０〜１回程度に設定される）とが登録される。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。

ここで、セルスタックの発電出力と速度上昇値との関係を示すと、例えば、この上昇速度が第１速度上限値（例えば、２００Ｗ／分）のときには、セルスタックの発電出力の上昇は、図５に実線Ａ示すようになり、その発電出力は急激に上昇するようになる。また、この上昇速度が第２速度上限値（例えば、１００Ｗ／分）のときには、セルスタックの発電出力の上昇は、図５に破線Ｂで示すようになり、その発電出力は、第１速度上限値のときよりも緩やかに上昇するようになる。更に、この上昇速度が第３速度上限値（例えば、５０Ｗ／分）のときには、セルスタックの発電出力の上昇は、図５に一点鎖線Ｃで示すようになり、その発電出力は、第２速度上限値のときよりも更に緩やかに上昇するようになり、このように発電出力上昇の速度上限値を後述する如く切り替えることによって、燃焼域における燃焼の失火を抑えることができる。

この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御系による制御は、例えば、図６に示すフローチャートの流れに従って行われる。主として図４及び図６を参照して、この固体酸化物形燃料電池システムの稼働運転中は、燃料ガスブロア１６、空気ブロア２６及び水ポンプ５４が所要の通りに制御されて発電運転が行われ、この発電運転中に燃焼域の失火発生状況を検知するためにタイマ手段８４が作動される（ステップＳ２１）。そして、このタイマ手段８４の作動中にセルスタックの発電出力が上昇すると、出力上昇判定手段８８がセルスタックの出力上昇の判定を行い（ステップＳ２２）、この出力上昇の判定によりステップＳ２３に進み、セルスタックの流出側の燃焼域における失火の検知が行われる。即ち、温度検知手段７２Ａ（温度センサ）は、セルスタックの流出側の燃焼域の温度を検知し、失火判定手段７８Ａは、この温度検知手段７２Ａからの検知温度に基づき、この検知温度が低下したときに失火が生じたと判定する。

この燃焼域での燃焼が失火状態となると、ステップＳ２３からステップＳ２４に進み、失火回復運転切替手段８０は通常運転から失火回復運転に切り替え、上述した失火回復運転が一時的に行われる。更に、カウンタ手段９０は、失火状態が発生したとしてカウント値を１つ加算する（ステップＳ２５）。このような失火状態の検知及び失火回数のカウントは、所定設定時間（例えば、２４時間）にわって行われる。

タイマ手段８４が所定設定時間を計時すると、ステップＳ２６からステップＳ２７に進み、タイマ手段８４がリセットされる。そして、カウンタ手段９０のカウント値が第１設定回数（例えば、３回）以上である場合、ステップＳ２８からステップＳ２９に進み、速度上限値が最も緩やかな最低状態でないときには、出力上昇速度切替手段８２は上昇速度の上限値を１段階下げる（ステップＳ３０）。即ち、この出力上昇速度切替手段８２は、第１速度上限値（又は第２速度上限値）が設定されているときには第２速度上限値（又は第３速度上限値）に切り替え、このように切り替えることにより、セルスタックの発電出力の上昇が緩やかになり、燃焼域での燃焼の失火を抑えることができる。尚、このように上昇速度の上限値を１段階下げた後、また上昇速度の上限値が最低状態である（更に下げることができないために）ときにはステップＳ２１に戻り、上述した失火状態の検知が繰り返し遂行される。

また、カウンタ手段９０のカウント値が第１設定回数値（例えば、３回）より小さいときには、ステップＳ２８からステップＳ３１に移り、このカウント値が第２設定回数値（例えば、１回）以下であると、ステップＳ３１からステップＳ３２に進み、速度上限値が最も急な最高状態でないときには、出力上昇速度切替手段８２は上昇速度の上限値を１段階上げる（ステップＳ３３）。即ち、この出力上昇速度切替手段８２は、第２速度上限値（又は第３速度上限値）が設定されているときには第１速度上限値（又は第２速度上限値）に切り替え、このように切り替えることにより、セルスタックの発電出力の上昇が急になり、セルスタックの発電電力を電力負荷の負荷変動により追従させて出力させることができる。尚、このように上昇速度の上限値を１段階上げた後、また上昇速度の上限値が最高状態である（更に上げることができないために）ときにはステップＳ２１に戻り、上述した失火状態の検知が繰り返し遂行される。

次に、図７〜図８を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの制御系の変形形態について説明する。この変形形態においては、セルスタックの発電出力の上昇速度の速度上限値のパターンに修正が施されているとともに、タイマ手段が所定設定時間を計時する前の段階においても、カウンタ手段のカウント値が第１設定回数値に達すると上昇速度の速度上限値が１段階下がるように切り替えられる。

図７を参照して、セルスタックの発電出力の上昇速度の速度上限値のパターンについて説明すると、発電出力の上昇速度の最も大きい速度上限値、即ち第１速度上限値は、発電出力との関係で図７に実線Ｄで示す通りのパターンであり、セルスタックの発電出力の全範囲において一定の第１上限値（例えば、２００Ｗ／分）に設定される。また、第１速度上限値よりも緩やかな速度上限値、即ち第２速度上限値は、発電出力との関係で図７に破線で示す通りのパターンであり、最低発電出力から例えば５００Ｗの範囲においては第１上限値（例えば、２００Ｗ／分）が設定され、例えば５００Ｗから定格出力（例えば、７００Ｗ）までは第２上限値（例えば、１００Ｗ／分）が設定される。更に、第２速度上限値よりも緩やかな最も低い上限値、即ち第３速度上限値は、発電出力との関係で図７に一点鎖線Ｆで示す通りのパターンであり、セルスタックの発電出力の全範囲において一定の第３上限値（例えば、５０Ｗ／分）に設定される。

これらの３つのパターンの第１〜第３速度上限値の切替えも、上述の第２の実施形態の制御系と同様の構成の制御系により行うことができ、その制御内容が幾分相違しているのみであり、図４に示す制御系の構成を参照しながらその制御内容を説明する。主として図４及び図８を参照して、この固体酸化物形燃料電池システムの稼働運転中は、燃料ガスブロア１６、空気ブロア２６及び水ポンプ５４が所要の通りに制御されて発電運転が行われ、この発電運転中に燃焼域の失火発生状況を検知するためにタイマ手段８４が作動される（図１参照）（ステップＳ４１）。そして、このタイマ手段８４の作動中にセルスタックの発電出力が上昇すると、ステップＳ４２からステップＳ４３に進み、セルスタックの流出側の燃焼域における失火の検知が行われる。即ち、上述したと同様に、温度検知手段７２Ａ（温度センサ）は、セルスタックの流出側の燃焼域の温度を検知し、失火判定手段７８Ａは、この温度検知手段７２Ａからの検知温度に基づき、この検知温度が低下したときに失火が生じたと判定する。

この燃焼域での燃焼が失火状態となると、ステップＳ４３からステップＳ４４に進み、失火回復運転切替手段８０は通常運転から失火回復運転に切り替え、上述した失火回復運転が一時的に行われる。更に、カウンタ手段９０は、失火状態が発生したとしてカウント値を１つ加算する（ステップＳ４５）。

そして、このカウンタ手段９０のカウント値が第１設定回数値（例えば、３回）に達したかが判断され、第１設定回数値に達すると、ステップＳ４６からステップＳ４７に進み、セルスタックの発電出力の上昇速度の速度上昇値が最低上昇値、即ち第３速度上限値であるときには、この速度上昇値の切替えができないためにそのまま維持してステップＳ４８に進み、タイマ手段８４がリセットされた後にステップＳ４１戻る。また、この速度上限値が最低上昇値（第３速度上限値）でないときには、ステップＳ４７からステップＳ４９に移り、出力上昇速度切替手段８２は上昇速度の上限値を１段階下げる。即ち、この出力上昇速度切替手段８２は、第１速度上限値（又は第２速度上限値）が設定されているときには第２速度上限値（又は第３速度上限値）に切り替え、このように切り替えることにより、セルスタックの発電出力の上昇が緩やかになり、その後、ステップＳ４８に移ってタイマ手段８４がリセットされ他の値にステップＳ４１に戻る。

また、カウンタ手段９０のカウント値が第１設定回数値に達することなくタイマ手段８４が所定設定時間（例えば、２４時間）を計時すると、ステップＳ４６からステップＳ５０を経てステップＳ５１に移り、タイマ手段８４がりセットされる。このときには、カウンタ手段９０のカウント値が第２設定回数値（例えば、１回）以下であるか否かの判断が行われ、このカウント値が第２設定回数値を超えていると、発電出力の上層速度の速度上限値が現状のまま維持するとしてステップＳ５２からステップＳ４１に戻る。

また、カウンタ手段９０のカウント値が第２設定回数値以下であると、ステップＳ５２からステップＳ５３に進み、速度上限値が最も急な最高状態でないときには、出力上昇速度切替手段８２は上昇速度の上限値を１段階上げる（ステップＳ５４）。即ち、この出力上昇速度切替手段８２は、第２速度上限値（又は第３速度上限値）が設定されているときには第１速度上限値（又は第２速度上限値）に切り替え、このように切り替えることにより、セルスタックの発電出力の上昇が急になる。尚、このように上昇速度の上限値を１段階上げた後、また上昇速度の上限値が最高状態である（更に上げることができないために）ときにはステップＳ２１に戻り、上述した失火状態の検知が繰り返し遂行される。

例えば、この実施形態においては、第２速度上限値について発電出力の上昇速度の速度上限値のパターンを変えているが、第１及び第３速度上限値についてもこの上昇速度の速度上限パターンを変えるようにしてもよい。

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

２ 固体酸化物形燃料電池システム
４ 改質器
６ セルスタック
１６ 燃料ガスブロア
２６ 空気ブロア
７２，７２Ａ 温度検知手段（失火検知手段）
７４，７４Ａ コントローラ
７６ 制御手段
７８，７８Ａ 失火判定手段
８０ 失火回復運転切替手段
８２ 出力上昇速度切替手段
８４ タイマ手段
９０ カウンタ手段

Claims (6)

1. 燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、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形のセルスタックと、酸化材を前記セルスタックに送給するための酸化材供給手段と、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化材供給手段を作動制御するための制御手段と、を備え、前記セルスタックの流出側の燃焼域にて、前記セルスタックの燃料極側から流出される改質燃料ガスが前記セルスタックの酸素極側から流出される酸化材により燃焼される固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記セルスタックの発電出力が電力負荷に追従して変動するように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化材供給手段を制御するように構成され、更に、前記燃焼域における燃焼の失火を検知するための失火検知手段が設けられており、
   前記セルスタックの発電出力上昇時に前記失火検知手段が前記燃焼域での失火を検知すると、前記制御手段は、前記セルスタックの発電出力の速度上限値を低下させるように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化材供給手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記セルスタックの発電出力の速度上限値を切り替える出力上昇速度切替手段を含み、前記出力上昇速度切替手段は、通常運転時には前記セルスタックの発電出力の上昇を第１速度上限値に設定し、前記セルスタックの発電出力上昇時に前記失火検知手段が前記燃焼域の失火を検知すると前記セルスタックの上昇を前記第１速度上限値よりも小さい第２速度上限値に設定することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記失火検知手段が前記燃焼域の失火を検知した回数をカウントするカウンタ手段を含み、前記出力上昇速度切替手段は、所定設定時間内に前記カウンタ手段のカウント値が第１設定回数以上になると前記第１速度上限値から前記第２速度上限値に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記出力上昇速度切替手段は、前記所定設定時間経過時における前記カウンタ手段のカウント値が前記第１設定回数よりも少ない第２設定回数以下になると前記第２速度上限値から前記第１速度上限値に切り替えることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記失火検知手段が前記燃焼域の失火を検知した回数をカウントするカウンタ手段と、所定設定時間を計時するタイマ手段とを含み、前記出力上昇速度切替手段は、前記タイマ手段が前記所定設定時間を計時したときの前記カウンタ手段のカウント値が第１設定回数以上であると前記第１速度上限値から前記第２速度上限値に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
6. 前記出力上昇速度切替手段は、前記タイマ手段が前記所定設定時間を計時したときの前記カウンタ手段のカウント値が前記第１設定回数よりも少ない第２設定回数以下であると前記第２速度上限値から前記第１速度上限値に切り替えることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
   
   
   
   
   
   

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