JP7422007B2 - 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剤ガスの電気化学反応（発電反応）によって発電を行うセルスタックを備えた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固体酸化物形のセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気（酸化剤ガス）中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルの作動温度は約７００～９００℃と高く、このような高温下において、燃料ガス（改質燃料ガス）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。

このような固体酸化物形燃料電池システムとして、燃料ガス（原燃料ガス）を水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極（空気極）側に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段（酸化剤ガス供給手段）と、改質器に燃料ガス（原燃料ガス）を供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温ハウジング（高温空間）に収容されているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側に燃焼域が設けられ、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。そして、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの酸素極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応（発電反応）により発電が行われる。セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）及び酸素極側からの空気オフガス（即ち、カソードオフガス）は燃焼域に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器などが加熱されるとともに、高温空間が高温状態に保たれる。

固体酸化物形燃料電池システムとして、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、専用の燃焼器を備えたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（アノードオフガス）が燃料オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの酸素極側からの空気オフガス（カソードオフガス）が空気オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器において燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器などが加熱されるとともに、高温空間が高温状態に保たれる。

近年、このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、発電効率を高めるようにしたものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックからの燃料オフガス（アノードオフガス）が高温空間から導出されて水蒸気凝縮部に送給され、この水蒸気凝縮部にて燃料オフガスに含まれた水蒸気が凝縮される。水蒸気凝縮部は、例えば、排熱を回収するための排熱回収用熱交換器及び凝縮された水を分離する気液分離器を備え、この排熱回収用熱交換器にて例えば貯湯装置からの水との熱交換により冷却され、この冷却により燃料オフガスに含まれている水分が凝縮される。そして、水分が除去された燃料オフガス（アノードオフガス）の一部（１０～４０％程度）が燃料ガス供給手段（燃料ガス供給ポンプ）の上流側の減圧領域（燃料ガス供給系）に戻され、この戻された燃料オフガスが燃料ガス供給源からの燃料ガスに混合されて改質器に供給される。一方、残りの燃料オフガス（燃料ガス供給系に戻されないもの）は、高温空間内の燃焼器に送給され、この燃焼器にて空気オフガス（カソードオフガス）により燃焼される。

一般的にセルスタックの燃料利用率が通常８２～８３％程度であるのが、燃料オフガスを燃料ガス供給系に戻すことにより、この燃料利用率を８７～９０％程度まで高めることができ、約５～７ポイント程度の改善を図ることが可能になり、これにより、発電効率の嵩上げをすることが可能となる。

特開２００５－２８５３４０号公報 特開２００８－２１５９６号公報 特開２０１８－１９８１１６号公報

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、水蒸気凝縮部にて凝縮された凝縮水を改質用水として利用することも提案されている。この場合、水蒸気凝縮部の気液分離器にて分離された凝縮水は、イオン交換樹脂を用いて微量の不純物が除去された後に（又は直接的に）水回収容器に溜められ、この水回収容器から水供給流路を通して改質器に供給される。水蒸気凝縮部で回収される凝縮水の量は、セルスタックの燃料極側に送給される燃料ガス（都市ガスなどの原燃料ガス）の水蒸気改質に必要な水供給量よりも多くなり、回収した凝縮水で改質用水をまかなうことができる状態、所謂水自立状態となり、外部から改質用水を供給しなくても燃料電池システムの継続的運転が可能となる。

家庭用コージェネレーション用といった発電出力が数百Ｗ程度と小さい固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックを格納する高温ハウジングからの放熱損失があり、この放熱損失は、発電出力（発電電流）が定格出力よりも小さい発電状態（即ち、部分負荷発電状態）では発電出力に対する割合が大きくなり、固体酸化物形燃料電池システムを高発電効率で作動させることが難しくなる。この場合、セルスタックの動作条件としては燃料利用率を下げることが行われ、これにより、発電反応に直接使われる燃料ガスの比率が低下する一方、燃料ガスの燃焼に用いられる比率が高まり、燃料オフガス（アノードオフガス）に含まれる水蒸気分圧が低下する。これは、セルスタックでの発電反応により燃料極（アノード）側で生成される水が減るためであり、このように生成される水が少なくなると、水自立の発電運転が困難になる。

本発明の目的は、電力負荷に追従してセルスタックの発電出力（発電電流）が変動する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃料オフガスを冷却することにより得られる凝縮水の不足をなくして水自立運転を行う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剤ガスの発電反応によって発電を行うセルスタックと、前記酸化剤ガスを前記セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを前記改質器に供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器に関連して設けられた燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる水蒸気凝縮部と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に戻すためのリサイクル流路と、電力負荷に追従して前記燃料ガス供給手段を制御するための制御手段と、を備え、前記改質器からの前記改質燃料ガスが前記セルスタックの燃料極側に送給され、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスが前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの前記燃料極側からの前記燃料オフガスに含まれる水蒸気が前記水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮水として回収され、前記水蒸気凝縮部にて回収された凝縮水が改質用水として前記改質器に送給され、前記水蒸気凝縮部にて水蒸気が除去された前記燃料オフガスの一部が前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に戻されるとともに、その残部が前記燃焼器に送給されて前記セルスタックの前記酸素極側からの酸化剤オフガス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、
前記セルスタックの発電電力を消費するための電力消費用ヒータが設けられ、更に前記セルスタック又はその周囲の温度を検知するための温度検知手段が設けられており、
また、前記水蒸気凝縮部は、回収された凝縮水を溜めるための水回収容器を備えており、
前記水回収容器内の水の水位レベルが下水位以下で且つ前記セルスタックの発電出力が設定出力以下に又は前記セルスタックの発電反応における燃料利用率が設定利用率以下になると、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段を制御して前記燃料ガスの供給流量を増やして前記セルスタックの発電出力を上昇させるとともに、前記電力消費用ヒータを作動させて前記セルスタックの発電上昇による余剰発電電力を前記電力消費用ヒータで消費させ、そして、前記電力消費用ヒータが作動状態で且つ前記温度検知手段の検知温度が設定高温度以上になると、前記制御手段は、前記セルスタックの発電反応における前記燃料利用率をアップ補正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、改質用水を気化させるための気化器を更に備え、前記気化器、前記改質器、前記セルスタック及び前記燃焼器が高温空間を規定するための高温ハウジング内に収容されており、前記電力消費用ヒータは、前記高温ハウジング内の前記気化器、前記改質器又は前記燃焼器に関連して設けられてい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、前記水回収容器に関連して、前記水位レベルの前記下水位を検知するための下水位検知手段が設けられ、前記制御手段は、前記水位レベルの前記下水位を判定するための水位判定手段を含んでおり、前記下水位検知手段が前記水位レベルの前記下水位を検知すると、前記水位判定手段は水不足と判定し、水不足状態において前記セルスタックの発電出力が前記設定出力以下に又は前記セルスタックの発電反応における燃料利用率が前記設定利用率以下になると、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段を制御して燃料ガスの供給流量を増やすとともに、前記電力消費用ヒータを作動させることを特徴とする。

更に、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、前記電力消費用ヒータは、前記燃焼器において前記燃料オフガスを点火燃焼させるための点火手段として機能することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガス（例えば、都市ガス）は改質器に送給されて水蒸気改質され、この改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガス（例えば、空気）がセルスタックの酸素極側に送給され、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガスに含まれる水蒸気が水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮水として回収され、水蒸気凝縮部にて回収された凝縮水が改質用水として改質器に送給される。また、水蒸気凝縮部にて水蒸気が除去された燃料オフガスの一部がリサイクル流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に戻されるとともに、その残部が燃焼器に送給されてセルスタックの酸素極側からの酸化剤オフガス（例えば、空気オフガス）により燃焼される。

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックからの燃料オフガス（アノードオフガス）には酸化剤ガス（空気）が含まれていないので、燃料オフガス中の水蒸気分圧が高く、６０℃程度まで冷やすことにより充分な凝縮水を得ることができる。一方、電力負荷に追従してセルスタックの発電出力（発電電流）が変動する固体酸化物形燃料電池システムでは、発電出力（発電電流）が小さい（又は燃料利用率が低い）と、セルスタックの燃料極（アノード）側での発電反応により発生する水蒸気が少なくなり、水蒸気凝縮部で充分な凝縮水を得ることが困難となる。

このようなことから、水蒸気凝縮部に水回収容器を設け、この水回収容器内の水の水位レベルが下水位以下で且つセルスタックの発電電流が設定電流以下に（又はセルスタックの発電反応における燃料利用率が設定利用率以下に）なると、制御手段は、燃料ガスの供給流量が増大するように燃料ガス供給手段を制御し、このように制御することより、前記セルスタックの発電出力（発電電流）が上昇してセルスタックの発電反応により発生する水が多くなり、その結果、回収される凝縮水が増えて改質用水の不足が解消される。このとき、電力消費用ヒータが作動されるので、セルスタックの発電上昇により増えた余剰発電電力がこの電力消費用ヒータに流れて消費される。
また、セルスタック又はその周囲の温度を検知するための温度検知手段を設け、電力消費用ヒータが作動状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定高温度（例えば、約７３０℃）以上になると、制御手段はセルスタックの燃料利用率をアップ補正するので、セルスタックでの発電反応で消費される燃料ガスの量が多くなる一方、燃焼器での燃料オフガスの燃焼による燃焼熱が少なくなり、これによって、セルスタックの発電効率を高めながら過剰な温度上昇を抑えることができる。

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、気化器、改質器、セルスタック及び燃焼器が高温ハウジング内に収容され、電力消費用ヒータはこの高温ハウジング内の気化器（又は改質器、燃焼器）に関連して設けられているので、この電力消費用ヒータの熱を利用して気化器（又は改質器、燃焼器）を加熱することができるとともに、高温ハウジング内を高温状態に保つことができ、電力消費用ヒータの熱を有効利用することができる。

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、下水位検知手段が水回収容器内に回収された水の水位レベルの下水位を検知すると、水位判定手段は水不足と判定する。そして、この水不足状態においてセルスタックの発電電流が設定電流以下に（又はセルスタックの発電反応における燃料利用率が設定利用率以下に）なると、制御手段は、燃料ガス供給手段を制御して燃料ガスの供給流量を増やすとともに電力消費用ヒータを作動させるので、凝縮水の発生を増やして凝縮水不足を解消することができ、このときのセルスタックでの余剰発電出力は電力消費用ヒータで消費される。

更に、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、電力消費用ヒータを点火手段としても機能させるので、専用の点火手段を省略することができ、システムの簡略化を図ることができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。 セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係を示す図。 セルスタックの発電電流と水回収の割合との関係を示す図。 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４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簡略的に示すブロック図。 図６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の各種実施形態について説明する。まず、図１～図５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の第１の実施形態について説明する。

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、原燃料ガスとして都市ガス、ＬＰガスなどの燃料ガスを用いて発電を行うものであり、燃料ガス（原燃料ガス）を改質するための改質器４と、この改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気の電気化学反応によって発電（所謂、発電反応）を行う固体酸化物形のセルスタック６と、を備えている。

セルスタック６は、発電反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の片側に設けられた燃料極と、固体電解質の他側に設けられた酸素極（空気極）とを備え、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。

このセルスタック６の燃料極側８は、改質燃料ガス送給流路１０介して改質器４に接続され、この形態では、改質器４は、改質用水を気化するための気化器１２と一体的に改質ユニットとして構成されている。尚、気化器１２は、改質器４と別体に構成し、気化器１２にて気化された水蒸気を水蒸気送給流路（図示せず）を介して改質器４に送給するようにしてもよい。

気化器１２は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源（図示せず）（例えば、埋設管や貯蔵タンクなどから構成される）に接続され、燃料ガス供給源からの燃料ガス（原燃料ガス）が燃料ガス供給流路１４を通して気化器１２に供給される。尚、この燃料ガス供給流路１４を改質器４に接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを改質器４に直接的に供給するようにしてもよい。

また、この気化器１２には、水供給流路１８を通して改質用水が供給される。改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスが気化器１２にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。

この燃料ガス供給流路１４には、気化器１２から上流側に向けて順に脱硫器２０、第１絞り部材２２、燃料ガス供給ポンプ２４（燃料ガス供給手段を構成する）、第２絞り部材２６、圧力調整部材としてのゼロガバナ２８、燃料流量センサ３０及び遮断弁３２が配設されている。脱硫器２０は、燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去し、燃料ガス供給ポンプ２４は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスを昇圧して気化器１２に供給し、この燃料ガス供給ポンプ２４の回転数を制御することによって燃料ガスの供給流量が調整され、燃料ガス供給ポンプ２４の回転数を大きくする（又は小さくする）と、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が多くなる（又は少なくなる）。

また、ゼロガバナ２８は、燃料ガス供給源（図示せず）から燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスを所定圧力（即ち、大気圧）に調整し、燃料ガス流量センサ３０は、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの流量を測定し、遮断弁３２は、閉状態になると燃料ガス供給流路１４を遮断して燃料ガスの供給を停止する。また、燃料ガス供給ポンプ２４の両側（即ち、下流側及び上流側）に位置する第１及び第２絞り部材２２，２６は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの流量を安定させるために設けられ、第１絞り部材２２は例えばキャピラリー管から構成され、第２絞り部材２６は、例えば小さいオリフィスを有する絞り部材から構成される。また、燃料ガス流量センサ３０は、例えば熱式流量センサから構成することができる。尚、燃料ガスを安定的して供給することができるときには、第１絞り部材２２を省略するようにしてもよく、また第２絞り部材２６に代えて例えばバッファ－タンクを用いるようにしてもよい。

水供給流路１８には水供給ポンプ３４（水供給手段を構成する）が配設され、この水供給ポンプ３４によって、改質用水が後述するように水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。この水供給ポンプ３４の回転数を制御することによって改質用水の供給流量が調整され、水供給ポンプ３４の回転数を大きくする（又は小さくする）と、水供給流路１８を通して供給される改質用水の供給流量が多くなる（又は少なくなる）。

このセルスタック６の酸素極（空気極）側３６は、空気供給流路３８を介して空気供給手段としての空気ブロア４０に接続されている。空気ブロア４０は、空気（酸化剤ガス）を空気供給流路３８を通してセルスタック６の酸素極側３６（空気極側）に供給する。この空気ブロア４０の回転数を制御することによって空気の供給流量が調整され、空気ブロア４０の回転数を大きくする（又は小さくする）と、空気供給流路３８を通して供給される空気（酸化剤ガス）の供給流量が多くなる（又は少なくなる）。

セルスタック６の燃料極側８から排出される燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）は、燃料オフガス導出流路４４を通して水蒸気凝縮部４６に送給され、この水蒸気凝縮部４６にて燃料オフガスに含まれている水蒸気が凝縮されて除去され、水蒸気が除去された燃料オフガスは、燃料オフガス送給流路４８を通して燃焼器５０に送給される。また、セルスタック６の酸素極側３６から排出される空気オフガス（酸化剤オフガス）（即ち、カソードオフガス）は、空気オフガス送給流路５２を通して燃焼器５０に送給され、この燃焼器５０において、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（燃料ガスを含んでいる）と酸素極側３６（空気極側）からの空気オフガス（酸素を含んでいる）とが燃焼される。

気化器１２及び改質器４は、この燃焼器５０に接触乃至近接して配置されており、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して気化器１２及び改質器４が加熱されるとともに、後述する高温空間６４が高温状態に保たれる。燃焼器５０からの燃焼排気ガスは排気ガス排出流路５４を通して大気に排出される。

更に、燃料オフガス送給路４８から分岐してリサイクル流路５６が設けられ、このリサイクル流路５６の下流側は、燃料ガス供給流路１４、具体的には燃料ガス供給ポンプ２４の配設部位と第２絞り部材２６の配設部位との間の部位に接続されている。このようにリサイクル流路５６が設けられているので、燃料オフガス送給流路４８を流れる燃料オフガス（アノードオフガス）の一部はリサイクル流路５６を通して燃料ガス供給流路１４における燃料ガス供給ポンプ２４の配設部位の上流側に戻され、その残部は、燃料オフガス送給流路４８を通して燃焼器５０に送給される。

この実施形態では、改質ユニット（改質器４及び気化器１２）、セルスタック６及び燃焼器５０が高温ハウジング６２に収容されている。高温ハウジング６２は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）であり、その内面は断熱部材（図示せず）で覆われており、その内側に高温空間６４を規定し、改質ユニット（改質器４及び気化器１２）、セルスタック６及び燃焼器５０がこの高温空間６４内で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、燃料オフガス導出流路４４の一部が高温ハウジング６２（高温空間６４）外に導出されて水蒸気凝縮部４６に接続され、この水蒸気凝縮部４６からの燃料オフガス送給流路４８の一部が高温ハウジング６２（高温空間６４）外からその内側に導入されて燃焼器５０に接続されている。水蒸気凝縮部４６は、排熱回収用の第１熱交換器６６と、燃料オフガスから凝縮水を分離するための気液分離器６８と、凝縮水に含まれる不純物を除去するためのイオン交換器７０と、凝縮水を溜めるための水回収容器７２とを含んでいる。気液分離器６８は例えばドレンセパレータから構成され、第１熱交換器６６は、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ－ジェネレーションシステム用の貯湯装置７４と組み合わせて用いられる。

この貯湯装置７４は、温水として貯湯するための貯湯タンク７６と、貯湯タンク７６内の水を第１熱交換器６６を通して循環する循環流路７８と、循環流路７８に配設された循環ポンプ８０とを備えている。このように構成されているので、循環ポンプ８０が作動すると、貯湯タンク７６内の水が循環流路６６を通して循環され、この第１熱交換器６６にて循環流路７８を流れる水と燃料オフガス導出流路４４を流れる燃料オフガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された温水が貯湯タンク７６に貯えられる。また、この熱交換により燃料オフガスが冷却され、この燃料オフガスに含まれた水蒸気が凝縮され、燃料オフガス及び凝縮された水（凝縮水）が下流側の気液分離器６８に流れる。

気液分離器６８は、凝縮水と燃料オフガスとを分離し、分離された凝縮水は、下側のイオン交換器７０に流れてイオン交換樹脂によってイオン成分などの不純物が除去された後に水回収タンク７２に蓄えられる。この水回収タンク７２に回収された水（凝縮水）は改質用水として用いられ、水供給ポンプ３４の作用によって水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。

また、空気供給流路３８（酸化剤ガス供給流路）に関連して、空気予熱用の第２熱交換器８２が配設され、この第２熱交換器８２は、空気供給流路３８を流れる空気（酸化剤ガス）と排気ガス排出流路５４を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加温された空気（酸化剤ガス）がセルスタック６の酸素極側３６に送給される。

更に、燃料オフガス送給流路４８に関連して、燃料オフガス余熱用の第３熱交換器８４が配設され、この第３熱交換器８４は、燃料オフガス送給流路４８を流れる燃料オフガスと燃料オフガス導出流路４４を流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加温された燃料オフガスが燃焼器５０に送給される。尚、第２及び第３熱交換器８２，８４は、高温ハウジング６２（高温空間６４）内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、電力負荷の変動に追従してセルスタック６の発電出力（発電電流）が変動するように構成され、例えば電力負荷が大きくなる（又は小さくなる）と、それに追従してセルスタック６の発電出力（発電電流）も大きくなる（又は小さくなる）ように構成されている。固体酸化物形燃料電池システム２をこのように発電運転する場合、セルスタック６の発電電流とセルスタック６の発電反応における燃料利用率とは、例えば、図２に示すような関係となるように設定され、またこのときのセルスタック６の発電電流と水回収の割合は、例えば、図３に示すような関係となる。

一般的に、高い燃料利用率で発電する方が高発電効率になり望ましいが、部分負荷出力時は高温ハウジング６２からの放熱量に対してセルスタック６の周囲の熱が不足する傾向にあり、セルスタック６の温度が本来の動作温度（例えば、約７００℃前後）より低下してしまうおそれがある。そのために、このような部分負荷出力時にはセルスタック６での燃料ガスの燃料利用率を下げて、高温ハウジング６２内で燃焼に供される燃料ガス量の比率を増やして高温状態を維持している。

図２では、例えば定格発電時の出力電流が３０Ａである固体酸化物形のセルスタック６を用いた場合を示しており、出力電流が３０Ａである定格出力では、燃料利用率が約８２～８３％程度と８０％を超える利用率値に設定されるが、例えば、出力電流が８～９Ａ程度である部分負荷出力では、燃料利用率が５０％を下回るようになる。このように燃料利用率が５０％を下回るようになると、セルスタック６での発電反応により消費される燃料ガスの量が少なくなり、これに伴い、水蒸気凝縮部４６で燃料オフガスを冷却して得られる凝縮水の量も少なくなる。

図２を参照して、セルスタック６の発電電流と燃料利用率との関係を説明したが、セルスタック６の発電電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）との積が発電電力（Ｗ＝Ｉ×Ｖ）（即ち、発電出力）となるために、セルスタック６の発電出力と燃料利用率との関係も図２に示す通りの関係となる。それ故に、図２及び図３を参照した「セルスタック６の発電電流」の表現は「セルスタック６の発電出力」と置き換えることができ、従って、この明細書における「セルスタック６の発電電流」の語句は、「セルスタック６の発電出力」を含む概念で用いるものである。

図３では、例えば定格発電時のセルスタック６の発電電流が３０Ａであるセルスタック６を用いた場合のセルスタック６の発電電流（発電出力）と水回収の割合との関係を示しており、水回収の割合が１００％とは、燃料オフガスを冷却して得られる凝縮水でもってセルスタック６での発電反応で必要とされる改質用水の量を丁度まかなうことができることを示し、この水回収の割合が１００％を超えると、水蒸気凝縮部４６で得られる凝縮水がセルスタック６での発電反応に必要とする改質用水の量よりも多くなり、改質用水が過剰に得られることを示しており、一方、この水回収の割合が１００％よりも小さくなると、水蒸気凝縮部４６で得られる凝縮水がセルスタック６での発電反応に必要とする改質用水の量よりも少なくなり、改質用水が不足することを示している。そして、このような改質用水不足の発電状態が長時間にわたって行われると、水回収タンク７２内に溜められた水（改質用水）がなくなり、システムを継続して発電運転できなくなる。

このようなことから、この固体酸化物形燃料電池システム２では、水蒸気凝縮部４６の水回収タンク７２に回収された水（凝縮水）の量が少ない状態においてセルスタック６の発電電流が設定電流以下になると改質用水不足が発生するおそれがあり、このような改質用水不足がないように、次のように構成されている。図１とともに図４を参照して、この実施形態では、水回収容器７２内に回収された水の水位レベルの下水位を検知するための下水位センサ８２（下水位検知手段を構成する）が設けられている。下水位センサ８２は、水回収容器７２内の水位レベルが下水位以下、この実施形態では水回収容器７２の容量の例えば２５～５０％程度以下（例えば、３０％以下）の水面レベルを検知して下水位信号を生成する。

また、セルスタック６の出力部に発電電流センサ８６（発電電流検知手段を構成する）が設けられ、この発電電流センサ８６は、セルスタック６での発電反応により出力される発電電流を検知する。更に、改質ユニット（この形態では、気化器１２）に関連して、電力消費用ヒータ８８が設けられ、この電力消費用ヒータ８８は、後述するように余剰発電電力を消費する。尚、セルスタック６の発電出力に基づき制御するときには、発電電流センサ８６に代えて、発電電力を検知する発電電力センサ（発電電力検知手段を構成する）が用いられる。

この固体酸化物形燃料電池システム２は、図４に示す制御系により制御され、下水位センサ８２及び発電電流センサ８６からの信号はコントローラ９０に送給され、このコントローラ９０は燃料ガス供給ポンプ２４、空気ブロア４０、水供給ポンプ３４及び電力消費用ヒータ８８を後述するように制御する。

図示のコントローラ９０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９２、水位判定手段９４、発電電流判定手段９６、発電電流アップ手段９８、ヒータ作動信号生成手段１００、電流アップ解除手段１０２及びヒータ停止信号生成手段１０４を含んでいる。

制御手段９２は、燃料ガス供給ポンプ２４、電力消費用ヒータ８８などを後述する如く制御する。水位判定手段９４は、下水位センサ８２からの下水位信号に基づいて水回収容器７２内の水が不足しているとする「水不足」判定を行い、発電電流判定手段９６は、発電電流センサ８６からの検知信号に基づいてセルスタック６の発電出力が設定電流（この実施形態では、例えば８Ａ）以下になると「水回収不足」の判定を行う。

また、発電電流アップ手段９８は、セルスタック６の発電電流を所定アップ値（この実施形態では、例えば５Ａ）上昇させる電流アップ信号を生成し、この電流アップ信号は、水位判定手段９４が「水不足」の判定を行い且つ発電電流判定手段９６が「水回収不足」の判定を行ったときに生成される。ヒータ作動信号生成手段１００は、電流アップ信号に基づいてヒータ作動信号を生成し、このヒータ作動信号に基づいて電力消費用ヒータ８８が作動される。

更に、電流アップ解除手段１０２は、この電流アップを後述するように解除するアップ解除信号を生成し、ヒータ停止信号生成手段１０４は、このアップ解除信号に基づいてヒータ停止信号を生成し、このヒータ停止信号に基づいて電力消費用ヒータ８８の作動が停止される。

コントローラ９０は、更に、メモリ手段１０６を含み、このメモリ手段１０６には、発電電流－燃料利用率マップ（例えば、図２に示すようなマップ）、設定電流値（例えば、８Ａ）及び所定アップ値（例えば、５Ａ）が登録されており、発電電流－燃料利用率マップは、セルスタック６の発電電流に対応する燃料利用率を設定するときにこの発電電流－燃料利用率マップを利用して設定される。

尚、セルスタック６の発電電流を検知することに代えてセルスタック６の発電出力を検知する場合、発電電流判定手段９６、発電電流アップ手段９８及び電流アップ解除手段１０２に代えて発電電力判定手段、発電電力アップ手段及び電力アップ解除手段が用いられ、この場合、発電電力アップ手段の電力アップ信号に基づいてセルスタック６の発電出力が所定アップ値上昇される。

次に、図１及び図４とともに図５を参照して、上述した固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転について説明する。この発電運転においては、燃料ガス（原燃料ガス）が燃料ガス供給ポンプ２４の作用によって気化器１２に供給され、また改質用水（凝縮水）が水供給ポンプ３４の作用によって気化器１２に供給され、気化器１２にて改質用水が気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気に燃料ガスが混合されて改質器４に送給される。改質器４では燃料ガスが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セルスタック６の燃料極側８に送給される。また、空気（酸化剤ガス）が空気ブロア４０の作用によってセルスタック６の酸素極側８に送給される。

セルスタック６では、改質燃料ガス及び空気（酸化剤ガス）の電気化学反応（発電反応）により発電が行われ、発生した発電電力は電力負荷（図示せず）に送給されて消費される。セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（アノードオフガス）は、水蒸気凝縮部４６に送給され、第１熱交換器６６における熱交換により冷却されて燃料オフガス中の水蒸気が凝縮され、凝縮された凝縮水は水回収容器７２に回収される。このとき、第１熱交換器６６における熱交換により加温された温水は、貯湯装置７４の貯湯タンク７６に貯えられる。

水蒸気が除去された燃料オフガスは燃焼器５０に送給され、またセルスタック６の酸素極側３６からの空気オフガス（カソードオフガス）も燃焼器５０に送給され、この燃焼器５０において、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガスと酸素極側３６からの空気オフガスとが燃焼される。この燃料オフガスの一部はリサイクル流路５６を通して燃料ガス供給流路１４（燃料ガス供給ポンプ２４の配設部位の上流側）に戻され、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスに混合される。

このような発電運転においては、凝縮水を改質用水として用いる水自立運転が行われ、この水自立運転において水回収容器７２に回収された水（凝縮水）の水位レベルが下水位以下になると、ステップＳ１からステップＳ２に進む。下水位センサ８２が水回収容器７２内の水の下水位以下を検知すると、この下水位センサ８２にて生成された下水位信号がコントローラ９０に送給され、水位判定手段９４は「水不足」の判定を行う。

そして、このような水回収容器７２の水不足状態においてセルスタック６の発電電流が設定電流（例えば、８Ａ）以下になると、ステップＳ３からステップＳ４に進み、発電電流センサ８６からの検知信号に基づいて発電電流判定手段９６が「水回収不足」の判定を行う。

水位判定手段９４が「水不足」の判定を行うということは、水回収容器７２内の水の量が少ないということであり、また発電電流判定手段９６が「水回収不足」の判定を行うということは、セルスタック６の発電電流から判断してセルスタック６の発電反応に必要な改質用水を凝縮水でまかなうことができないということであり、このような運転状態が継続すると水回収容器７２の水がなくなって発電運転ができなくなるとしてステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、発電電流アップ手段９８は、水位判定手段９４による「水不足」の判定及び発電電流判定手段９６による「水回収不足」の判定に基づき電流アップ信号を生成し、この電流アップ信号に基づきセルスタック６の発電電流のアップ制御が行われる。即ち、制御手段９２は燃料ガス供給ポンプ２４の回転数を増大して燃料ガスの供給流量を増やし（この燃料ガスの供給流量の増加に対応して、空気流量及び改質用水の供給流量も増加される）、これによって、セルスタック６の発電電流が所定アップ値（例えば、５Ａ）上昇される。

このように発電電流が上昇するとセルスタック６の発電出力（発電電力）も上昇し、図３におけるセルスタック６の発電電流と水回収の割合との関係から理解されるように、水回収の割合が例えば約１２０％に上昇し、これにより、セルスタック６の発電反応により充分な水の回収が可能となり、水回収容器７２の水不足が回避でき、水自立運転を継続することが可能となる。

また、この電流アップ信号が生成されると、この電流アップ信号に基づいてヒータ作動信号生成手段１００はヒータ作動信号を生成し（ステップＳ６）、このヒータ作動信号に基づいて電力消費用ヒータ８８が作動される（ステップＳ７）。セルスタック６の発電電流が上昇すると、その発電出力も上昇して電力負荷に対して過剰となるが、この過剰発電電力が電力消費用ヒータ８８に送給され、この電力消費用ヒータ８８で消費される。

この実施形態では、電力消費用ヒータ８８が気化器１２に関連して接触乃至近接して又はその内部に設けられるので、電力消費用ヒータ８８から発生した熱を気化器１２での改質用水の気化に有効利用することができる。

セルスタック６の発電電流を上昇させた発電状態において、例えば、電力負荷に対応する発電電流（換言すると、電力負荷に追従して設定される発電電流）が設定電流（例えば、８Ａ）を超える電力負荷状態になると、セルスタック６の発電状態を元の制御に戻しても水回収の割合が１００％を超えるようになって通常の発電状態でも水自立運転が可能であるとして、ステップＳ８からステップＳ９に進む。

ステップＳ９においては、電流アップ解除手段１０２はアップ解除信号を生成し、制御手段９２は、このアップ解除信号に基づいてセルスタック６が元の発電状態となるように燃料ガス供給ポンプ２４などを制御する。また、ヒータ停止信号生成手段１０４は、アップ解除信号に基づいてヒータ停止信号を生成し、制御手段９２はこのヒータ停止信号に基づいて電力消費用ヒータ８８の作動を停止し（ステップＳ１１）、これにより、固体酸化物形燃料電池システム２は、通常の運転状態に戻り、燃料電池システム２（セルスタック６）は、電力負荷に追従して発電電流－燃料利用率マップを用いて発電運転される。

次に、図６及び図７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電流（発電電力）に代えて燃料利用率を用いて制御しているとともに、セルスタックの温度を検知して燃料利用率を変動させている。尚、この第２の実施形態において、上述の第１の実施形態と実質上同一の構成要素には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図６において、この第２の実施形態では、下水位センサ８２及び発電電流センサ８６に加えて温度センサ１１２（温度検知手段を構成する）が設けられ、この温度センサ１１２はセルスタック６の表面に接触乃至近接して配設される。また、第２の実施形態では、燃料利用率を用いて制御するために、コントローラ９０Ａには、第１の実施形態における発電電流判定手段、発電電流アップ手段及び電流アップ解除手段に代えて、燃料利用率演算手段１１４、燃料利用率判定手段１１６、燃料利用率アップ手段１１８及び利用率アップ解除手段１２０が設けられ、更にセルスタック６の温度により燃料利用率をアップ補正するために、温度判定手段１２２、利用率アップ補正手段１２４及びアップ補正解除手段１２６が設けられる。また、メモリ手段１０６Ａには、発電電流－燃料利用率マップ、設定燃料利用率値、所定アップ値、所定アップ補正値、第１設定温度値及び第２設定温度値などが登録される。

燃料利用率演算手段１１４は、メモリ手段１０６Ａに登録された発電電流－燃料利用率マップに基づき、セルスタック６の発電電流から燃料利用率を演算し、燃料利用率判定手段１１６は、燃料利用率演算手段１１４に演算された燃料利用率が設定燃料利用率（この実施形態では、例えば５０％）以下になると「水回収不足」の判定を行う。

また、燃料利用率アップ手段１１８は、セルスタック６での発電反応の燃料利用率を所定アップ値（この実施形態では、例えば１２％）上昇させる利用率アップ信号を生成し、この利用率アップ信号は、後述するように、水位判定手段９４が「水不足」の判定を行い且つ燃料利用率判定手段１１６が「水回収不足」の判定を行ったときに生成される。利用率アップ解除手段１２０は、後述するようにして利用率アップを解除するアップ解除信号を生成する。

更に、温度判定手段１２２は、温度センサ１１２からの検知信号に基づき、この検知温度が第１設定温度値（例えば、７３０℃）（「設定高温度」とも称する）以上になると「高温」と判定し、この検知温度が低下して第２設定温度値（例えば、６８０℃）以下になると「中温」と判定する。利用率アップ補正手段１２４は、セルスタック６での発電反応の燃料利用率を所定アップ補正値（この実施形態では、例えば８％）上昇補正させる利用率アップ補正信号を生成し、このアップ補正信号は、後述するように、電力消費用ヒータ８８が作動状態において温度判定手段１２２が「高温」の判定を行ったときに生成される。アップ補正解除手段１２６は、後述するように、燃料利用率をアップ補正した発電状態において温度判定手段１２２が「中温」と判定をしたときに燃料利用率のアップ補正を解除するアップ補正解除信号を生成する。この第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

次に、図６及び図７を参照して、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの発電運転について説明する。尚、固体酸化物燃料電池システムの構成及び参照番号については、図１を参照されたい。

第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの発電運転においても凝縮水を改質用水として利用する水自立運転が行われ、このような水自立運転において水回収容器７２に回収された水（凝縮水）の水位レベルが下水位以下になると、ステップＳ２１からステップＳ２２に進み、下水位センサ８２がこの状態を検知し、下水位センサ８２からの下水位信号に基づき水位判定手段９４は「水不足」の判定を行う。そして、このような水回収容器７２の水不足状態においてセルスタック６での発電反応における燃料利用率が設定燃料利用率（例えば、５０％）以下になると、ステップＳ２３からステップＳ２４に進む。

この実施形態では、発電電流センサ８６からの検知信号がコントローラ９０Ａに送給され、燃料利用率演算手段１１４は、メモリ手段１０６Ａに登録された発電電流－燃料利用率マップ（例えば、図２に示すマップ）に基づきその発電状態における燃料利用率を演算し、演算された燃料利用率が設定燃料利用率以下になると、燃料利用率判定手段６が「水回収不足」の判定を行う。

水位判定手段９４が「水不足」の判定を行うということは、水回収容器７２内の水の量が少ないということであり、また燃料利用率判定手段１１６が「水回収不足」の判定を行うということは、セルスタック６での発電反応における燃料利用率から判断してセルスタック６の発電反応に必要な改質用水を凝縮水でまかなうことができないということであり、このような運転状態が継続すると水回収容器７２の水がなくなるとしてステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５では、燃料利用率アップ手段１１８は、水位判定手段９４による「水不足」の判定及び燃料利用率判定手段１１６による「水回収不足」の判定に基づき利用率アップ信号を生成し、この利用率アップ信号に基づきセルスタック６の発電反応における燃料利用率のアップ制御が行われる。即ち、制御手段９２は燃料ガス供給ポンプ２４の回転数を増大して燃料ガスの供給流量を増やし（この燃料ガスの供給流量の増加に対応して、空気流量及び改質用水の供給流量も増加される）、これによって、セルスタック６の発電電流（発電出力）が上昇し、この発電電流の上昇により燃料利用率が例えば６２％になり、例えば１２％アップされる。

このように発電電流が上昇して燃料利用率が上がると、セルスタック６の発電出力（発電電力）も上昇し、図２におけるセルスタック６の発電電流と燃料利用率との関係及び図３におけるセルスタック６の発電電流と水回収の割合との関係から理解されるように、水回収の割合が例えば約１２０％に上昇し、これにより、セルスタック６の発電反応により充分な水の回収が可能となり、水回収容器７２の水不足が回避でき、水自立運転を継続することが可能となる。

また、この利用率アップ信号が生成されると、この利用率アップ信号に基づいてヒータ作動信号生成手段１００はヒータ作動信号を生成し（ステップＳ２６）、このヒータ作動信号に基づいて電力消費用ヒータ８８が作動され（ステップＳ２７）、セルスタック６に生じる過剰発電電力が電力消費用ヒータ８８で消費される。

第２の実施形態においても電力消費用ヒータ８８が気化器１２に関連して設けられ、電力消費用ヒータ８８から発生した熱により高温ハウジング６２内が高温状態に保たれることから、セルスタック６の検知温度に基づき燃料利用率をアップ補正するように構成されている。燃料利用率（換言すると、発電出力）をアップさせたセルスタック６の発電状態において、温度センサ８４の検知温度が第１設定温度（例えば、７３０℃）（設定高温度）以上になると、ステップＳ２８からステップＳ２９に進み、燃料利用率のアップ補正が行われていないときには燃料利用率のアップ補正が行われ（ステップＳ３０）、燃料ガスの供給流量を変えることなく燃料利用率がアップされる。

温度センサ１１２の検知温度が第１設定温度（例えば、７３０℃）以上になると、セルスタック６の温度状態が高温状態となっており、このような高温状態では燃焼器５０での燃料オフガスによる燃焼熱の発生を少なくしても高温状態を維持することができる。このようなことから、温度判定手段１２２が「高温」と判定すると、利用率アップ補正手段１１８は、燃料利用率を所定アップ補正値（例えば、８％）上昇させた高燃料利用率（例えば、７０％）で発電運転され、このように制御することにより、高温状態を維持しながらセルスタック６の発電効率を高めることができる。

また、燃料利用率をアップ補正した発電状態において温度センサ１１２の検知温度が第２設定温度（例えば、６８０℃）以下になると、セルスタック６の温度状態が中温状態となり、燃焼器５０での燃料オフガスによる燃焼熱を上げないとセルスタック６の温度が更に下がるおそれがある。このようなことから、温度センサ１１２の検知温度が第２設定温度以下になって温度判定手段１２２が「中温」と判定すると、ステップＳ２８からステップＳ３１及びステップＳ３２を経てステップＳ３３に進み、アップ補正解除手段１２６は、燃料利用率のアップ補正を解除し、セルスタック５６は、アップ補正前の発電状態の燃料利用率（例えば、６２％）で発電運転される。

このような発電状態において、電力負荷に追従するセルスタック６の発電電流（換言すると、電力負荷に追従して設定される発電電流）に対応する燃料利用率が設定燃料利用率（例えば、５０％）を超える電力負荷状態になると、セルスタック６を元の通常の発電運転に戻しても水回収の割合が１００％を超えるようになって水自立運転が可能であるとして、ステップＳ３４からステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５においては、上述したと略同様に、利用率アップ解除手段１２０はアップ解除信号を生成し、制御手段９２は、このアップ解除信号に基づいてセルスタック６が元の発電状態となるように燃料ガス供給ポンプ２４などを制御する。また、ヒータ停止信号生成手段１０４は、アップ解除信号に基づいてヒータ停止信号を生成し（ステップＳ３６）、制御手段９２はこのヒータ停止信号に基づいて電力消費用ヒータ８８の作動を停止し（ステップＳ３７）、これによって、固体酸化物形燃料電池システムは、通常の運転状態に戻り、セルスタック６は、電力負荷に追従して発電電流－燃料利用率マップに従って発電運転される。

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

例えば、上述した実施形態では、電力消費用ヒータ８８が高温ハウジング６２の気化器１２に関連して配設されているが、このような構成に限定されず、改質器４又は燃焼器５０に関連して接触乃至近接して又はその内部に設けることができ、或いは高温ハウジング６２の外側であって、システムハウジング（図示せず）の排気開口の内側に配設するようにしてもよい。改質器４に関連して設けた場合、電力消費用ヒータ８８からの熱を燃料ガスの水蒸気改質反応に利用することができ、また燃焼器５０に関連して設けた場合、電力消費用ヒータ８８からの熱を気化器１２における改質用水の気化及び改質器４における燃料ガスの水蒸気改質に利用することができるが、システムハウジングの内側に配設した場合、電力消費用ヒータ８８からの熱は排気開口を通して大気中に放熱されることになる。尚、燃焼器５０に関連して設ける場合、この電力消費用ヒータ８８を燃焼器５０の点火装置として機能させることができ、この場合に専用の点火装置を省略することができる。

また、上述した実施形態では、水回収容器７２に回収された水（凝縮水）の水位を検知するために下水位センサ８２を設けているが、下水位センサ８２を設けることに代えて、水蒸気凝縮部４６での水（凝縮水）の回収量と、セルスタック６での発電反応で必要とする水（改質用水）の供給量とを演算し、凝縮水回収量及び改質用水供給量に基づいて水回収容器７２内の水（凝縮水）の水位レベルを演算により推定し、推定した水位レベルを用いて下水位を検知するようにしてもよい。

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
１２ 気化器
４６ 水蒸気凝縮部
６２ 高温ハウジング
７２ 水回収容器
８２ 下水位センサ
８６ 発電電流センサ
８８ 電力消費用ヒータ
９０，９０Ａ コントローラ
９４ 水位判定手段
９６ 発電電流判定手段
９８ 発電電流アップ手段
１００ ヒータ作動信号生成手段
１１２ 温度センサ
１１４ 燃料利用率演算手段
１１６ 燃料利用率判定手段
１１８ 燃料利用率アップ手段
１２２ 温度判定手段
１２４ 利用率アップ補正手段

Claims (4)

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剤ガスの発電反応によって発電を行うセルスタックと、前記酸化剤ガスを前記セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを前記改質器に供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器に関連して設けられた燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる水蒸気凝縮部と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に戻すためのリサイクル流路と、電力負荷に追従して前記燃料ガス供給手段を制御するための制御手段と、を備え、前記改質器からの前記改質燃料ガスが前記セルスタックの燃料極側に送給され、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスが前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの前記燃料極側からの前記燃料オフガスに含まれる水蒸気が前記水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮水として回収され、前記水蒸気凝縮部にて回収された凝縮水が改質用水として前記改質器に送給され、前記水蒸気凝縮部にて水蒸気が除去された前記燃料オフガスの一部が前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に戻されるとともに、その残部が前記燃焼器に送給されて前記セルスタックの前記酸素極側からの酸化剤オフガス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、
   前記セルスタックの発電電力を消費するための電力消費用ヒータが設けられ、更に前記セルスタック又はその周囲の温度を検知するための温度検知手段が設けられており、
   また、前記水蒸気凝縮部は、回収された凝縮水を溜めるための水回収容器を備えており、
   前記水回収容器内の水の水位レベルが下水位以下で且つ前記セルスタックの発電出力が設定出力以下に又は前記セルスタックの発電反応における燃料利用率が設定利用率以下になると、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段を制御して前記燃料ガスの供給流量を増やして前記セルスタックの発電出力を上昇させるとともに、前記電力消費用ヒータを作動させて前記セルスタックの発電上昇による余剰発電電力を前記電力消費用ヒータで消費させ、そして、前記電力消費用ヒータが作動状態で且つ前記温度検知手段の検知温度が設定高温度以上になると、前記制御手段は、前記セルスタックの発電反応における前記燃料利用率をアップ補正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. 改質用水を気化させるための気化器を更に備え、前記気化器、前記改質器、前記セルスタック及び前記燃焼器が高温空間を規定するための高温ハウジング内に収容されており、前記電力消費用ヒータは、前記高温ハウジング内の前記気化器、前記改質器又は前記燃焼器に関連して設けられてい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. 前記水回収容器に関連して、前記水位レベルの前記下水位を検知するための下水位検知手段が設けられ、前記制御手段は、前記水位レベルの前記下水位を判定するための水位判定手段を含んでおり、前記下水位検知手段が前記水位レベルの前記下水位を検知すると、前記水位判定手段は水不足と判定し、水不足状態において前記セルスタックの発電出力が前記設定出力以下に又は前記セルスタックの発電反応における燃料利用率が前記設定利用率以下になると、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段を制御して燃料ガスの供給流量を増やすとともに、前記電力消費用ヒータを作動させ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。
4. 前記電力消費用ヒータは、前記燃焼器において前記燃料オフガスを点火燃焼させるための点火手段として機能することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。

Images