固体酸化物型燃料電池システム
【課題】低コストで、セル積層方向における温度差による劣化を含むスタックの高温劣化を低減することが可能な固体酸化物型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池システムは、燃料ガスを改質する改質器１と、前記改質器１から改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタック２と、前記燃料電池スタック２に前記酸化剤ガスを送り込む酸化剤ガス供給器３と、前記燃料電池スタック２に供給される前記燃料ガスの流量を調整する流量調整器４ａと、前記燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器５と、前記燃料電池スタック２の温度を前記燃料ガスの流量の調整により制御する制御部６とを備え、前記制御部６は、前記燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始温度から段階的に上昇させる。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池システムは、燃料ガスを改質する改質器１と、前記改質器１から改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタック２と、前記燃料電池スタック２に前記酸化剤ガスを送り込む酸化剤ガス供給器３と、前記燃料電池スタック２に供給される前記燃料ガスの流量を調整する流量調整器４ａと、前記燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器５と、前記燃料電池スタック２の温度を前記燃料ガスの流量の調整により制御する制御部６とを備え、前記制御部６は、前記燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始温度から段階的に上昇させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックの作動温度を制御する機能を有する固体酸化物型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と言う。）は、作動温度が高い。このため、電解質における電気抵抗および電極反応抵抗などのスタックの内部抵抗が小さくなるので、発電効率が高い長所がある。一方、高温による構成部材の変形や変質により、ＳＯＦＣの寿命が短くなるという問題がある。
【０００３】
このような熱による構成部材の変形および変質を抑制する方法が提案されている。
【０００４】
たとえば、構成部材に耐熱性を有する材料を使用すれば、構成部材の熱的劣化は軽減される。しかしながら、構成部材のコストが高くなってしまう。
【０００５】
これに対し、ＳＯＦＣの累積稼働時間が長くなるにつれて、ＳＯＦＣの制限温度を高くなるように制御する方法が提案されている。この方法では、制限温度を制御することによりＳＯＦＣの劣化の進行を防いでいるため、コストの増加が抑えられる。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１４０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記従来技術は、ＳＯＦＣのスタックの全体的な温度が高いことによる劣化を防止するだけである。しかしながら、スタックのセル積層方向における端部（以下、単に「スタックの端部」という。）はスタックのセル積層方向における中央部（以下、単に「スタックの中央部」という。）に比べて放熱しやすいこと等に起因して、その温度がスタックの中部に比べて低い。つまり、スタックの温度は、セル積層方向において異なり、このセル積層方向における温度差が大きくなるとスタックの劣化が生じやすい。このため、上記従来技術は、セル積層方向における温度差による劣化を防止することが困難であった。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、低コストで、セル積層方向における温度差による劣化を含むスタックの高温劣化を低減することが可能な固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある形態に係る、固体酸化物型燃料電池システムは、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池スタックに前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックの温度を前記原料ガス供給器による前記原料ガスの供給量および前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量を調整することにより制御するよう構成された制御部とを備える。ここで、前記制御部は、前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始から時間が経過するに連れて段階的に上昇させるよう構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上に説明した構成を有し、低コストで、セル積層方向における温度差による劣化を含むスタックの高温劣化を低減することが可能な固体酸化物型燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの要部構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示す固体酸化物型燃料電池システムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池スタックにおける温度分布を説明するための図である。
【図５】図３に示す固体酸化物型燃料電池システムにおける電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図６】電圧と作動時間との関係を示すグラフである。
【図７】作動温度と劣化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、固体酸化物型燃料電池システムの要部構成の一例を示す機能ブロック図である。
【００１５】
［構成］
固体酸化物型燃料電池システム（以下、「ＳＯＦＣシステム」と言う。）１００は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器１と、改質器１から改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器３と、燃料電池スタック２に原料ガスを供給する原料ガス供給器４と、燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器５と、燃料電池スタック２の温度を原料ガス供給器４による原料ガスの供給量および酸化剤ガス供給器３による酸化剤ガスの供給量を調整することにより制御するよう構成された制御部６とを備える。以下では、燃料電池スタック２が、セルの積層方向が鉛直方向に一致するよう設置される場合を例示する。これには合わせて、燃料電池スタック２の「一方の端部」および「他方の端部」を、それぞれ、「上端部」および「下端部」と表す。しかし、燃料電池スタック２は、セルの積層方向が任意の方向に一致するように設置されてもよい。
【００１６】
詳しく説明すると、ＳＯＦＣシステム１００は、燃料ガス供給ライン７、酸化剤ガス供給ライン８、ヒータ９およびガス排出ライン１０を備えている。
【００１７】
原料ガス供給器４は流量(flow rate)を調整しながら原料を供給する機能を有する。原料ガス供給器４は、原料ガス源が都市ガス（天然ガス）等のガスインフラストラクチャ(gas infrastructure)である場合には、たとえば、流量調整機能を有するブースタ（たとえばプランジャーポンプ）、流量調整弁、開閉弁及び流量調整器等で構成することができる。また、原料ガス源が原料ガスを貯蔵するボンベ等である場合には、流量調整機能付きのボンベ、流量調整弁等で構成することができる。原料ガスとしては、たとえば、天然ガス等の炭化水素系ガス、プロパンガス等の他の炭化水素系ガス、灯油等の常温で液体の炭化水素系燃料、メタノールなどの炭化水素以外の有機系燃料が挙げられる。原料ガス供給器４は、ここでは、開閉部（図示せず）および流量調整器４ａを有する。開閉部は、燃料ガス供給ライン７に対して原料ガス供給器４を開閉したり、遮断したりする。
【００１８】
流量調整器４ａは、原料ガス供給器４に含まれる。燃料調整器４ａは、制御部６からの信号に応じて原料ガス供給器４から供給される原料ガスの流量を調整する。この流量が調整されることにより、スタック２に供給される単位時間当たりの原料ガスの体積または重量などの量が定められる。
【００１９】
燃料ガス供給ライン７は、原料ガス供給器４とスタック２とを接続し、原料ガス供給器４からスタック２に原料ガスを導く。
【００２０】
改質器１は、燃料ガス供給ライン７に設けられる。改質器１には、燃料ガス供給ライン７を通して原料ガスが供給されると共に、必要に応じて空気などの酸素含有ガスや水蒸気も供給される。また、改質器１は、スタック２およびヒータ９の近傍に配置され、スタック２およびヒータ９の熱により加熱される。加熱により高温になった改質器１は、原料ガスを改質して、水素や一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。改質器１で改質された燃料ガスは燃料ガス供給ライン７を通りスタック２に供給される。
【００２１】
酸化剤ガス供給器３には、たとえば、空気などの酸化剤ガスを送風するファンやブロアなどの送風機、酸素ボンベなどが用いられる。酸化剤ガス供給器３は、制御部６からの信号に応じて送風量（酸化剤ガスの流量）を調整しながら、酸化剤ガスを送り出す。酸化剤ガス供給器３から送られる酸化剤ガスは酸化剤ガス供給ライン８を通りスタック２に供給される。
【００２２】
スタック２は、複数のセル（図示せず）がセルの厚み方向に積層されて構成されている。セルは、電解質（図示せず）と、電解質を挟むアノード極（図示せず）およびカソード極（図示せず）とを有する。電解質には、酸化ジルコニウムなどの固体酸化物が用いられる。アノード極に改質器１からの燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガス供給器３からの酸化剤ガスが供される。この燃料ガスおよび酸化剤ガスが７００〜１０００（℃）の高温下において酸化還元反応することにより、スタック２は発電する。
【００２３】
温度検出器５には、熱電対、抵抗体などの温度検出素子などが用いられる。温度検出器５は、複数、たとえば、３つの測定部を有する。３つの測定部は、スタック２の上端部、中央部および下端部にそれぞれ装着され、各装着位置の温度を測定する。このスタック２の上端部の温度Ｔｕ、中央部の温度Ｔｃおよび下端部の温度Ｔｂは制御部６へ出力される。
【００２４】
ヒータ９は、スタック２および改質器１の近傍に配置され、ガス排出ライン１０によりスタック２に接続される。ヒータ９には、たとえば、スタック２において酸化還元反応に用いられなかった燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給される。ヒータ９は、この燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼することにより、スタック２および改質器１を加熱する。
【００２５】
制御部６は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどから構成される。制御部６は、温度検出器５からのスタック２の上端部の温度Ｔｕ、中央部の温度Ｔｃおよび下端部の温度Ｔｂに基づいてスタック２での燃料利用率および酸化剤利用率を定め、流量調整器４ａおよび酸化剤ガス供給器３を制御し、スタック２の温度を調整する。
【００２６】
なお、上記のとおり、スタック２に供給された燃料ガスは、酸化還元反応に利用される。残った燃料ガスは、ヒータ９で燃焼されて、スタック２や改質器１の加熱に利用される。このスタック２に供給される量に対する、酸化還元反応に利用される燃料ガスの割合が、燃料利用率である。
【００２７】
また、スタック２に供給された酸化剤ガスは、酸化還元反応に利用される。残った酸化剤ガスは、ヒータ９で燃焼されて、スタック２や改質器１の加熱に利用される。このスタック２に供給される量に対する、酸化還元反応に利用される酸化剤ガスの割合が、酸化剤利用率である。
【００２８】
［制御］
図２は、ＳＯＦＣシステム１００における制御部６によるスタック２の温度制御の一例を示すフローチャートである。
【００２９】
制御部６は、燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始から時間が経過するに連れて段階的に上昇させるよう構成されている。
【００３０】
具体的には、ＳＯＦＣシステム１００が起動されると、原料ガス供給器４からの原料ガスおよび酸化剤ガス供給器３からの酸化剤ガスがヒータ９で燃焼される。ヒータ９は、燃焼による熱をスタック２および改質器１に供給し、これらを加熱する。加熱された改質器１で燃料ガスが改質されて、改質された燃料ガスがスタック２に供給される。そして、スタック２の温度が発電開始温度：たとえば７００（℃）に達すると、発電が開始される。なお、改質器１が燃料ガスを生成するようになった後は、ヒータ９は燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃焼する。
【００３１】
制御部６は、電力効率を定格電力効率より低く設定する。たとえば、定格電力効率：５５（％）から１０〜１５（％）、この実施形態では、１５（％）を引いた値：４０（％）が電力効率として設定される（Ｓ１００）。この差し引く値が大きいと、スタック２の発電初期の電圧が低くなりすぎてしまう。一方、差し引き値が小さいと、スタック２の発電初期の温度が高くなる。このスタック２の劣化は発電初期に大きいため、スタック２の初期温度が高いと、スタック２は著しく劣化してしまう。
【００３２】
制御部６は、設定された電力効率に基づいて、燃料ガスの流量および空気の送風量を定める（Ｓ１０１）。たとえば、発電効率：４０（％）、スタック２の発電開始温度：７００（℃）の場合、燃料利用率は９０（％）に、空気利用率は６０（％）に定められる。このため、制御部６は、流量調整器４ａへ制御信号を出力し、スタック２に供給される燃料ガスの流量を調整し、燃料利用率を制御する。また、制御部６は、酸化剤ガス供給器３へ制御信号を出力し、スタック２に供給される酸化剤ガスの送風量を調整し、空気利用率を制御する。
【００３３】
制御部６は、ｋ＝Ｕｆｔ×｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に従い、スタック２の温度を時間が経過するに連れて上昇する（Ｓ１０２）。ここで、ｋは定数であり、ｔは発電開始からの作動時間であり、Ｕｆｔは作動時間：ｔにおける燃料利用率である。｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝は昇温率を表す。つまり、上記式により、発電開始時から９００００時間後にスタック２の温度が発電開始温度から１２０（℃）上昇するように、燃料利用率が低下させられる。燃料利用率が低下すると、スタック２において発電に消費される燃料ガスの割合が減少するため、ヒータ９に供給される燃料ガスの量が増大する。これにより、ヒータ９の燃焼によりスタック２に与えられる熱量が増え、スタック２の温度が上昇する。
【００３４】
制御部６は、温度検出器５によりスタック２の上端部の温度Ｔｕ、中央部の温度Ｔｃ、下端部の温度Ｔｂを測定する（Ｓ１０３）。
【００３５】
制御部６は、測定された温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂに基づき、各部分における発電開始温度：７００（℃）からの上昇温度ΔＴｕ＝Ｔｕ−７００（℃）、ΔＴｃ＝Ｔｃ−７００（℃）、ΔＴｂ＝Ｔｂ−７００（℃）を求める。そして、各部分の上昇温度の平均値：（ΔＴｕ＋ΔＴｃ＋ΔＴｂ）／３を求める。この平均値が、作動時間ｔにおける上昇温度：｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に達したか否かが判定される（Ｓ１０４）。
【００３６】
ここで、燃料利用率が下げられ、ヒータ９で燃焼される燃料ガスの量が増え、加熱強度が強められても、すぐにスタック２の温度が作動時間ｔにおける上昇温度にならない（Ｓ１０４：ＮＯ）。このため、各部分の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度になるまで、スタック２の各部分の温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂが測定される（Ｓ１０３）。
【００３７】
ヒータ９からの熱量が増えてから時間が経つにつれて、スタック２の温度が上がり、各部分の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に至る（Ｓ１０４：ＹＥＳ）。そこで、さらに、ｋ＝Ｕｆｔ×｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に従い、スタック２が昇温される（Ｓ１０２）。
【００３８】
このように、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理が繰り返されることにより、スタック２の平均温度が発電開始温度から段階的に上昇する。そして、スタック２の温度が高くなるため、スタック２における内部抵抗が低下し、発電効率が上昇する。この発電効率の上昇が、熱的劣化によりスタック２の発電効率が下がる分を補う。よって、スタック２における発電効率は低下が抑えられる。
【００３９】
なお、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理において、燃料利用率を下げることによりスタック２を昇温している間にも、スタック２の劣化による発熱が増大し、スタック２の温度が上がる。ただし、Ｓ１０２の処理において、燃料利用率の低下に伴い酸化剤利用率も低下し、スタック２の冷却に利用される酸化剤ガスの量が増えている。よって、劣化によるスタック２の温度上昇は小さいため、送風量が増えた酸化剤ガスにより劣化によるスタック２の発熱は打ち消される。しかし、このように酸化剤ガスの送風量が増えても、劣化によるスタック２の発熱が冷却されない場合、制御部６は酸化剤ガスの送風量を増やしてもよい。
【００４０】
以上の構成によれば、初期の発電効率を下げることにより、発電開始温度が低くなるため、初期の著しいスタック２の劣化を抑えられる。よって、ＳＯＦＣシステム１００の長寿命化が図られる。
【００４１】
また、初期の発電効率は定格発電効率に比べて低いが、時間の経過に伴うスタック２の劣化が低減され、発電効率の低下も抑えられる。よって、ＳＯＦＣシステム１００の発電期間全体を通して、発電効率が平均化され、安定した発電効率が得られる。
【００４２】
さらに、燃料利用率を低下することにより、ヒータ９に供給される燃料ガスが増え、ヒータ９からスタック２に与えられる熱量が増加し、スタック２の温度が上昇する。この上昇温度は燃料利用率によりほぼ決まる。このため、ＳＯＦＣの劣化による発電電圧の低下を補うことができるだけの、温度上昇による発電電圧の増加を確実に行うことができる。安定した発電効率を維持することができる。
【００４３】
また、スタック２の上端部、中央部、下端部のそれぞれの温度の平均温度に基づいてスタック２の温度が制御されているため、スタック２の一箇所の温度に基づいた温度制御に比べて、スタック２の温度分布が考慮されている。よって、温度分布の拡大によりスタック２が破損する割合が低減され、ＳＯＦＣの信頼性の向上が図られる。
【００４４】
また、スタック２の劣化の抑制は制御により行われているため、構成部材の耐熱性向上による場合に比べて製品コストの上昇は抑えられている。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態では、スタック２の温度制御にスタック２の温度分布がさらに考慮される。
【００４６】
制御部６は、スタック２の一方端部と中央部との温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、およびスタック２の他方の端部Ｔｂと中央部との温度差：Ｔｃ−Ｔｂの少なくともいずれか一方が、平均温度の発電開始温度からの上昇温度に応じた制限温度に達すると、平均温度の上昇を停止させる。
【００４７】
たとえば、制限温度は、発電開始からの上昇温度の半分である。
【００４８】
（制御）
図３は、ＳＯＦＣシステム１００における制御部６によるスタック２の温度制御の一例を示すフローチャートである。
【００４９】
なお、図３のＳ２００〜Ｓ２０３の処理は、図２のＳ１００〜Ｓ１０３の処理と同様であるため、説明は省略される。
【００５０】
制御部６は、スタック２の上昇温度の平均値：（ΔＴｕ＋ΔＴｃ＋ΔＴｂ）／３が、作動時間ｔにおける上昇温度：｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に達したか否かが判定される（Ｓ２０４）。
【００５１】
スタック２の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に至るまでの間（Ｓ２０４：ＮＯ）、温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂが測定され（Ｓ２０３）、スタック２の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に達するか否かが判断される（Ｓ２０４）。
【００５２】
スタック２の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に等しくなると（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、制御部６はスタック２の温度分布を判断する。つまり、スタック２の中央部と上端部との温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、およびスタック２の中央部と下端部との温度差：Ｔｃ−Ｔｂが求められる。これらの温度差の両方またはいずれか一方が作動時間ｔにおける上昇温度に応じた制限温度、たとえば、［｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）］／２に等しくなるか否かが判断される（Ｓ２０５）。
【００５３】
このとき、たとえば、図４に示すように、矢印Ａの方向からスタック２に酸化剤ガスが供給され、両端部に向けて分流させる（矢印Ｂ、Ｃで示す）の構成のものがある。このような構成では、スタック２の上端部および下端部は放熱され易く、この温度ＴｕおよびＴｂは低くなる。一方、スタック２の中央部は放熱しにくいので、この温度ＴｃはＴｕおよびＴｂに比べて高くなる。このため、スタック２の中央部が両端部に比べて相対的に多く劣化し、中央部の抵抗が両端部に比べて相対的に多く増加し、発熱量も増え、中央部の温度がさらに上昇し、両端部に比べて相対的に多く劣化が進行する。
【００５４】
このようにして、発電開始からの作動時間ｔが長くなるほど、スタック２の中央部と上端部、下端部との温度差が拡大していき、温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、Ｔｃ−Ｔｂが制限温度に達する。この場合、制御部６は、流量調整器４ａにより原料ガスの流量を調整し、燃料利用率を一定にする。また、必要に応じて、制御部６は、酸化剤ガス供給器３による酸化剤ガスの送風量を増やし、スタック２を冷却する。こうして、スタック２の温度上昇が停止される（Ｓ２０６）。これにより、スタック２の温度分布が拡大することが防がれ、スタック２の部位間の温度差による劣化（極端な場合には破損）が防止される。
【００５５】
ただし、燃料利用率の低下は止められるが、燃料ガスおよび酸化剤ガスのスタック２への供給は継続され、スタック２は発電を続ける。
【００５６】
一方、Ｔｃ−Ｔｕ、Ｔｃ−Ｔｂが制限温度に達するまでは（Ｓ２０５：ＮＯ）、Ｓ２０２〜Ｓ２０４の処理が繰り返される。これにより、スタック２が昇温される。
【００５７】
以上の構成によれば、スタック２の温度差が制限温度を超えると、スタック２の昇温が停止され、温度差の拡大が防止される。このため、スタック２の温度差による劣化が防がれ、ＳＯＦＣの耐久性が向上する。
【００５８】
（実施例）
図６は、ＳＯＦＣシステムの電圧と作動時間との関係を示すグラフである。横軸は作動時間を示し、縦軸は電圧を示す。実線は実施例の電圧−作動時間の特性を表し、破線は比較例の電圧−作動時間の特性を表す。
【００５９】
実施例では、１０セルのＳＯＦＣシステム１００が用いられた。定格発電効率：５５（％）から１５（％）引いた４０（％）に発電効率が設定される。これにより、発電開始温度を７００（℃）とし、電流密度を０．５（Ａ/ｃｍ２）とした場合、定格電力では電圧値が０．７（Ｖ）に設定される。また、燃料利用率が９０（％）に、空気利用率が６０（％）に設定される。これに基づいた燃料ガスの流量および空気の送風量でスタック２に燃料ガスおよび空気が供給され、発電が開始される。このときの電圧と電流密度との関係は、図５（ａ）に示される。
【００６０】
スタック２の昇温率が｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝に設定されると、ｋ＝Ｕｆｔ（％）×｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔで燃料利用率が減少される。
【００６１】
発電開始から５００時間後の燃料利用率Ｕｆｔは８９．４（％）に、空気利用率は６０（％）に、電圧は７（Ｖ）に、発電効率は４０（％）になった。次に、２０００時間後の電圧も、ほぼ７（Ｖ）であり、劣化はほとんどみられなかった。1万時間後の電圧は、６．９（Ｖ）となり、劣化率は０．１４（％）／１０００（ｈ）であった。
【００６２】
６万時間後の電圧は６．５５（Ｖ）で、劣化率は０．１３（％）/１０００（ｈ）となった。このとき、温度検出器５の平均温度は７６７（℃）で、初期作動温度から６７（℃）上昇した。スタック２の各温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂは、７５８（℃）、７８８（℃）、７５４（℃）となった。スタック２の温度差Ｔｃ−Ｔｂが昇温温度の半分：３３．５（℃）以上の３４（℃）になったので、燃料利用率が一定にされ、スタック２の昇温が停止された。
【００６３】
この実際に測定した劣化率を元に、９万時間後をシミュレーションした。この結果、９万時間後に作動温度が８２０（℃）となる。定格運転では、図５（ｂ）に示すように、電流密度が０．５（Ａ/ｃｍ２）で、電圧が０．７（Ｖ）になり、発電効率は４０（％）となった。この劣化率は、０．１５（％）／１０００（ｈ）である。
【００６４】
なお、作動時間：９万時間の劣化率は、実施系１の６万時間までの劣化率と、図７に示す劣化率となどに基づいて求められる。図７には、作動温度：８５０（℃）の劣化率が□で、８００（℃）の劣化率が△で、７５０（℃）の劣化率が×で、７００（℃）の劣化率が○で表される。いずれの作動温度の劣化率についても、劣化率は初期に大きく低下する。そして、時間の経過とともに、劣化率の低下は、小さくなり、直線状になる。また、作動温度が上がるにつれて、劣化率が増えている。また、各作動時間において、温度上昇と共に劣化率が上昇している。このような関係を利用して、９万時間の劣化率が得られた。
【００６５】
（比較例）
比較例では、１０セルのＳＯＦＣシステム１００が用いられた。初期作動温度が８００（℃）に、電流密度が０．４（Ａ/ｃｍ２）に設定されると、電圧が８．７（Ｖ）になった。燃料利用率が９２（％）に、空気利用率が６０（％）に設定されると、発電効率が４０（％）であった。この条件の下、負荷電流が一定で、作動温度が一定の状態で発電が行われた。
【００６６】
発電開始から５００時間後の燃料利用率Ｕｆｔは８９．４（％）で、空気利用率は６０（％）で、電圧は８．６（Ｖ）で、発電効率は４０（％）となった。この劣化率は２．２（％）/１０００（ｈ）であった。次に、２０００時間後の電圧は、８．５（Ｖ）であり、劣化率は１．１（％）／１０００（ｈ）であった。1万時間後の電圧は、８．３（Ｖ）であり、劣化率は０．４６（％）／１０００（ｈ）となった。５万時間後の電圧は、７．８（Ｖ）であり、劣化率は０．２（％）／１０００（ｈ）となった。
【００６７】
６万時間後のスタック２平均温度は、７８０（℃）、スタック２の下端部と中央部との温度差は４５（℃）以上であった。このときの電圧は６．３（Ｖ）であり、劣化率は０．１７（％）／１０００（ｈ）となった。
【００６８】
図６に示すように、比較例では、発電開始時の電圧が大きいが、初期の間に電圧は急激に低下する。そして、作動時間が長くなるにつれて、電圧が下がり続けた。これに対し、実施例では、初期の電圧は比較例より低いが、作動時間が長くなっても、電圧の減少は非常に小さい。このように、劣化による電圧の低下がスタック２の昇温により補われるため、実施例は安定した電圧を得ることができる。
【００６９】
また、発電開始から６万時間後では、比較例の劣化率は０．１７（％）／１０００（ｈ）であるのに対し、実施例の劣化率が０．１３（％）/１０００（ｈ）であった。このように、初期温度を下げることにより初期の急激な劣化が防止されるため、長期間の発電後も実施例の劣化は比較例に比べて抑えられる。
【００７０】
この時の比較例の温度差は４５（℃）であるのに対し、実施例の温度差は３４（℃）である。このように、実施例の温度差が小さいことにより、温度差によるスタック２の劣化（極端な場合には破損）が防止され、ＳＯＦＣシステム１００の耐久性が向上される。
【００７１】
さらに、このような制御方法により、コストを上げることなく、耐久性の向上が図られる。
【００７２】
なお、上記全ての実施形態では、初期作動温度が７００（℃）に、電流密度が０．５（Ａ／ｃｍ２）に設定されたが、これらの値に限定されない。
【００７３】
また、上記全ての実施形態では、発電開始時の燃料利用率が９０（％）に、空気利用率が６０（％）に、昇温率が１２０（℃）／９００００（ｈ）に設定されたが、これらの値に限定されない。燃料利用率、空気利用率および昇温率は、定格条件に合わせて決めることができる。
【００７４】
さらに、上記全ての実施形態では、スタック２の上端部、中央部、下端部の各温度が検出された。ただし、温度の検出位置は、スタック２の同一平面上であれば、これらに限らない。
【００７５】
また、上記実施形態では、流量調整器４ａが原料ガス供給器４に含まれた。これに対し、流量調整器４ａが原料ガス供給器４と別に設けられてもよい。
【００７６】
さらに、上記第２実施形態では、温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、Ｔｃ−Ｔｂが上昇温度の半分：［｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）］／２に等しくなると、作動温度の昇温が停止された。ただし、昇温の停止時はこれに限らない。たとえば、スタック２の構成材料の熱による体積変化に基づいて、温度差の判断基準が決められてもよい。この場合、構成材料の熱膨張率差は、アノード（Ｎｉ）が１２００（Ｋ：絶対温度）で１８．３×１０−６（Ｋ−１）で、カソード（ＬａＳｒＭｎＯ３）が９６０（Ｋ）で１１．１×１０−６（Ｋ−１）で、電解質（８ｍｏｌ％ＹＳＺ）が１０．５×１０−６（Ｋ−１）で、インターコネクター（ＬａＳｒＣｒＯ３）が空気中で１０．１×１０−６（Ｋ−１）、水素中で１６．９×１０−６（Ｋ−１）である。熱膨張率差が最も大きいのは、アノードである。このアノードの体積変化は、たとえば、７５０（℃）から８００（℃）への温度上昇において、（１８．３×８００×１０−６−１８．３×７５０×１０−６）／１８．３×７５０×１０−６＝６．６７ｘ１０−２＝６．６７％である。このように、体積が約７％変化すると、スタック２の破損の可能性が大きくなる。すなわち、７５０（℃）から作業温度が昇温された場合、スタック２の温度差が、スタック２の破損の可能性が高まる上昇温度：５０（℃）に達すると、昇温が停止される。
【００７７】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の固体酸化物型燃料電池システムは、安定した発電効率が得られ、かつ信頼性が高く、低コストの固体酸化物型燃料電池システム等として有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 改質器
２ 燃料電池スタック
３ 酸化剤ガス供給器
４ 原料ガス供給器
５ 温度検出器
６ 制御部
１００ 固体酸化物型燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックの作動温度を制御する機能を有する固体酸化物型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と言う。）は、作動温度が高い。このため、電解質における電気抵抗および電極反応抵抗などのスタックの内部抵抗が小さくなるので、発電効率が高い長所がある。一方、高温による構成部材の変形や変質により、ＳＯＦＣの寿命が短くなるという問題がある。
【０００３】
このような熱による構成部材の変形および変質を抑制する方法が提案されている。
【０００４】
たとえば、構成部材に耐熱性を有する材料を使用すれば、構成部材の熱的劣化は軽減される。しかしながら、構成部材のコストが高くなってしまう。
【０００５】
これに対し、ＳＯＦＣの累積稼働時間が長くなるにつれて、ＳＯＦＣの制限温度を高くなるように制御する方法が提案されている。この方法では、制限温度を制御することによりＳＯＦＣの劣化の進行を防いでいるため、コストの増加が抑えられる。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１４０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記従来技術は、ＳＯＦＣのスタックの全体的な温度が高いことによる劣化を防止するだけである。しかしながら、スタックのセル積層方向における端部（以下、単に「スタックの端部」という。）はスタックのセル積層方向における中央部（以下、単に「スタックの中央部」という。）に比べて放熱しやすいこと等に起因して、その温度がスタックの中部に比べて低い。つまり、スタックの温度は、セル積層方向において異なり、このセル積層方向における温度差が大きくなるとスタックの劣化が生じやすい。このため、上記従来技術は、セル積層方向における温度差による劣化を防止することが困難であった。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、低コストで、セル積層方向における温度差による劣化を含むスタックの高温劣化を低減することが可能な固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある形態に係る、固体酸化物型燃料電池システムは、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池スタックに前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックの温度を前記原料ガス供給器による前記原料ガスの供給量および前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量を調整することにより制御するよう構成された制御部とを備える。ここで、前記制御部は、前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始から時間が経過するに連れて段階的に上昇させるよう構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上に説明した構成を有し、低コストで、セル積層方向における温度差による劣化を含むスタックの高温劣化を低減することが可能な固体酸化物型燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの要部構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示す固体酸化物型燃料電池システムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池スタックにおける温度分布を説明するための図である。
【図５】図３に示す固体酸化物型燃料電池システムにおける電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図６】電圧と作動時間との関係を示すグラフである。
【図７】作動温度と劣化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、固体酸化物型燃料電池システムの要部構成の一例を示す機能ブロック図である。
【００１５】
［構成］
固体酸化物型燃料電池システム（以下、「ＳＯＦＣシステム」と言う。）１００は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器１と、改質器１から改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器３と、燃料電池スタック２に原料ガスを供給する原料ガス供給器４と、燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器５と、燃料電池スタック２の温度を原料ガス供給器４による原料ガスの供給量および酸化剤ガス供給器３による酸化剤ガスの供給量を調整することにより制御するよう構成された制御部６とを備える。以下では、燃料電池スタック２が、セルの積層方向が鉛直方向に一致するよう設置される場合を例示する。これには合わせて、燃料電池スタック２の「一方の端部」および「他方の端部」を、それぞれ、「上端部」および「下端部」と表す。しかし、燃料電池スタック２は、セルの積層方向が任意の方向に一致するように設置されてもよい。
【００１６】
詳しく説明すると、ＳＯＦＣシステム１００は、燃料ガス供給ライン７、酸化剤ガス供給ライン８、ヒータ９およびガス排出ライン１０を備えている。
【００１７】
原料ガス供給器４は流量(flow rate)を調整しながら原料を供給する機能を有する。原料ガス供給器４は、原料ガス源が都市ガス（天然ガス）等のガスインフラストラクチャ(gas infrastructure)である場合には、たとえば、流量調整機能を有するブースタ（たとえばプランジャーポンプ）、流量調整弁、開閉弁及び流量調整器等で構成することができる。また、原料ガス源が原料ガスを貯蔵するボンベ等である場合には、流量調整機能付きのボンベ、流量調整弁等で構成することができる。原料ガスとしては、たとえば、天然ガス等の炭化水素系ガス、プロパンガス等の他の炭化水素系ガス、灯油等の常温で液体の炭化水素系燃料、メタノールなどの炭化水素以外の有機系燃料が挙げられる。原料ガス供給器４は、ここでは、開閉部（図示せず）および流量調整器４ａを有する。開閉部は、燃料ガス供給ライン７に対して原料ガス供給器４を開閉したり、遮断したりする。
【００１８】
流量調整器４ａは、原料ガス供給器４に含まれる。燃料調整器４ａは、制御部６からの信号に応じて原料ガス供給器４から供給される原料ガスの流量を調整する。この流量が調整されることにより、スタック２に供給される単位時間当たりの原料ガスの体積または重量などの量が定められる。
【００１９】
燃料ガス供給ライン７は、原料ガス供給器４とスタック２とを接続し、原料ガス供給器４からスタック２に原料ガスを導く。
【００２０】
改質器１は、燃料ガス供給ライン７に設けられる。改質器１には、燃料ガス供給ライン７を通して原料ガスが供給されると共に、必要に応じて空気などの酸素含有ガスや水蒸気も供給される。また、改質器１は、スタック２およびヒータ９の近傍に配置され、スタック２およびヒータ９の熱により加熱される。加熱により高温になった改質器１は、原料ガスを改質して、水素や一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。改質器１で改質された燃料ガスは燃料ガス供給ライン７を通りスタック２に供給される。
【００２１】
酸化剤ガス供給器３には、たとえば、空気などの酸化剤ガスを送風するファンやブロアなどの送風機、酸素ボンベなどが用いられる。酸化剤ガス供給器３は、制御部６からの信号に応じて送風量（酸化剤ガスの流量）を調整しながら、酸化剤ガスを送り出す。酸化剤ガス供給器３から送られる酸化剤ガスは酸化剤ガス供給ライン８を通りスタック２に供給される。
【００２２】
スタック２は、複数のセル（図示せず）がセルの厚み方向に積層されて構成されている。セルは、電解質（図示せず）と、電解質を挟むアノード極（図示せず）およびカソード極（図示せず）とを有する。電解質には、酸化ジルコニウムなどの固体酸化物が用いられる。アノード極に改質器１からの燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガス供給器３からの酸化剤ガスが供される。この燃料ガスおよび酸化剤ガスが７００〜１０００（℃）の高温下において酸化還元反応することにより、スタック２は発電する。
【００２３】
温度検出器５には、熱電対、抵抗体などの温度検出素子などが用いられる。温度検出器５は、複数、たとえば、３つの測定部を有する。３つの測定部は、スタック２の上端部、中央部および下端部にそれぞれ装着され、各装着位置の温度を測定する。このスタック２の上端部の温度Ｔｕ、中央部の温度Ｔｃおよび下端部の温度Ｔｂは制御部６へ出力される。
【００２４】
ヒータ９は、スタック２および改質器１の近傍に配置され、ガス排出ライン１０によりスタック２に接続される。ヒータ９には、たとえば、スタック２において酸化還元反応に用いられなかった燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給される。ヒータ９は、この燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼することにより、スタック２および改質器１を加熱する。
【００２５】
制御部６は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどから構成される。制御部６は、温度検出器５からのスタック２の上端部の温度Ｔｕ、中央部の温度Ｔｃおよび下端部の温度Ｔｂに基づいてスタック２での燃料利用率および酸化剤利用率を定め、流量調整器４ａおよび酸化剤ガス供給器３を制御し、スタック２の温度を調整する。
【００２６】
なお、上記のとおり、スタック２に供給された燃料ガスは、酸化還元反応に利用される。残った燃料ガスは、ヒータ９で燃焼されて、スタック２や改質器１の加熱に利用される。このスタック２に供給される量に対する、酸化還元反応に利用される燃料ガスの割合が、燃料利用率である。
【００２７】
また、スタック２に供給された酸化剤ガスは、酸化還元反応に利用される。残った酸化剤ガスは、ヒータ９で燃焼されて、スタック２や改質器１の加熱に利用される。このスタック２に供給される量に対する、酸化還元反応に利用される酸化剤ガスの割合が、酸化剤利用率である。
【００２８】
［制御］
図２は、ＳＯＦＣシステム１００における制御部６によるスタック２の温度制御の一例を示すフローチャートである。
【００２９】
制御部６は、燃料電池スタック２の一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始から時間が経過するに連れて段階的に上昇させるよう構成されている。
【００３０】
具体的には、ＳＯＦＣシステム１００が起動されると、原料ガス供給器４からの原料ガスおよび酸化剤ガス供給器３からの酸化剤ガスがヒータ９で燃焼される。ヒータ９は、燃焼による熱をスタック２および改質器１に供給し、これらを加熱する。加熱された改質器１で燃料ガスが改質されて、改質された燃料ガスがスタック２に供給される。そして、スタック２の温度が発電開始温度：たとえば７００（℃）に達すると、発電が開始される。なお、改質器１が燃料ガスを生成するようになった後は、ヒータ９は燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃焼する。
【００３１】
制御部６は、電力効率を定格電力効率より低く設定する。たとえば、定格電力効率：５５（％）から１０〜１５（％）、この実施形態では、１５（％）を引いた値：４０（％）が電力効率として設定される（Ｓ１００）。この差し引く値が大きいと、スタック２の発電初期の電圧が低くなりすぎてしまう。一方、差し引き値が小さいと、スタック２の発電初期の温度が高くなる。このスタック２の劣化は発電初期に大きいため、スタック２の初期温度が高いと、スタック２は著しく劣化してしまう。
【００３２】
制御部６は、設定された電力効率に基づいて、燃料ガスの流量および空気の送風量を定める（Ｓ１０１）。たとえば、発電効率：４０（％）、スタック２の発電開始温度：７００（℃）の場合、燃料利用率は９０（％）に、空気利用率は６０（％）に定められる。このため、制御部６は、流量調整器４ａへ制御信号を出力し、スタック２に供給される燃料ガスの流量を調整し、燃料利用率を制御する。また、制御部６は、酸化剤ガス供給器３へ制御信号を出力し、スタック２に供給される酸化剤ガスの送風量を調整し、空気利用率を制御する。
【００３３】
制御部６は、ｋ＝Ｕｆｔ×｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に従い、スタック２の温度を時間が経過するに連れて上昇する（Ｓ１０２）。ここで、ｋは定数であり、ｔは発電開始からの作動時間であり、Ｕｆｔは作動時間：ｔにおける燃料利用率である。｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝は昇温率を表す。つまり、上記式により、発電開始時から９００００時間後にスタック２の温度が発電開始温度から１２０（℃）上昇するように、燃料利用率が低下させられる。燃料利用率が低下すると、スタック２において発電に消費される燃料ガスの割合が減少するため、ヒータ９に供給される燃料ガスの量が増大する。これにより、ヒータ９の燃焼によりスタック２に与えられる熱量が増え、スタック２の温度が上昇する。
【００３４】
制御部６は、温度検出器５によりスタック２の上端部の温度Ｔｕ、中央部の温度Ｔｃ、下端部の温度Ｔｂを測定する（Ｓ１０３）。
【００３５】
制御部６は、測定された温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂに基づき、各部分における発電開始温度：７００（℃）からの上昇温度ΔＴｕ＝Ｔｕ−７００（℃）、ΔＴｃ＝Ｔｃ−７００（℃）、ΔＴｂ＝Ｔｂ−７００（℃）を求める。そして、各部分の上昇温度の平均値：（ΔＴｕ＋ΔＴｃ＋ΔＴｂ）／３を求める。この平均値が、作動時間ｔにおける上昇温度：｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に達したか否かが判定される（Ｓ１０４）。
【００３６】
ここで、燃料利用率が下げられ、ヒータ９で燃焼される燃料ガスの量が増え、加熱強度が強められても、すぐにスタック２の温度が作動時間ｔにおける上昇温度にならない（Ｓ１０４：ＮＯ）。このため、各部分の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度になるまで、スタック２の各部分の温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂが測定される（Ｓ１０３）。
【００３７】
ヒータ９からの熱量が増えてから時間が経つにつれて、スタック２の温度が上がり、各部分の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に至る（Ｓ１０４：ＹＥＳ）。そこで、さらに、ｋ＝Ｕｆｔ×｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に従い、スタック２が昇温される（Ｓ１０２）。
【００３８】
このように、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理が繰り返されることにより、スタック２の平均温度が発電開始温度から段階的に上昇する。そして、スタック２の温度が高くなるため、スタック２における内部抵抗が低下し、発電効率が上昇する。この発電効率の上昇が、熱的劣化によりスタック２の発電効率が下がる分を補う。よって、スタック２における発電効率は低下が抑えられる。
【００３９】
なお、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理において、燃料利用率を下げることによりスタック２を昇温している間にも、スタック２の劣化による発熱が増大し、スタック２の温度が上がる。ただし、Ｓ１０２の処理において、燃料利用率の低下に伴い酸化剤利用率も低下し、スタック２の冷却に利用される酸化剤ガスの量が増えている。よって、劣化によるスタック２の温度上昇は小さいため、送風量が増えた酸化剤ガスにより劣化によるスタック２の発熱は打ち消される。しかし、このように酸化剤ガスの送風量が増えても、劣化によるスタック２の発熱が冷却されない場合、制御部６は酸化剤ガスの送風量を増やしてもよい。
【００４０】
以上の構成によれば、初期の発電効率を下げることにより、発電開始温度が低くなるため、初期の著しいスタック２の劣化を抑えられる。よって、ＳＯＦＣシステム１００の長寿命化が図られる。
【００４１】
また、初期の発電効率は定格発電効率に比べて低いが、時間の経過に伴うスタック２の劣化が低減され、発電効率の低下も抑えられる。よって、ＳＯＦＣシステム１００の発電期間全体を通して、発電効率が平均化され、安定した発電効率が得られる。
【００４２】
さらに、燃料利用率を低下することにより、ヒータ９に供給される燃料ガスが増え、ヒータ９からスタック２に与えられる熱量が増加し、スタック２の温度が上昇する。この上昇温度は燃料利用率によりほぼ決まる。このため、ＳＯＦＣの劣化による発電電圧の低下を補うことができるだけの、温度上昇による発電電圧の増加を確実に行うことができる。安定した発電効率を維持することができる。
【００４３】
また、スタック２の上端部、中央部、下端部のそれぞれの温度の平均温度に基づいてスタック２の温度が制御されているため、スタック２の一箇所の温度に基づいた温度制御に比べて、スタック２の温度分布が考慮されている。よって、温度分布の拡大によりスタック２が破損する割合が低減され、ＳＯＦＣの信頼性の向上が図られる。
【００４４】
また、スタック２の劣化の抑制は制御により行われているため、構成部材の耐熱性向上による場合に比べて製品コストの上昇は抑えられている。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態では、スタック２の温度制御にスタック２の温度分布がさらに考慮される。
【００４６】
制御部６は、スタック２の一方端部と中央部との温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、およびスタック２の他方の端部Ｔｂと中央部との温度差：Ｔｃ−Ｔｂの少なくともいずれか一方が、平均温度の発電開始温度からの上昇温度に応じた制限温度に達すると、平均温度の上昇を停止させる。
【００４７】
たとえば、制限温度は、発電開始からの上昇温度の半分である。
【００４８】
（制御）
図３は、ＳＯＦＣシステム１００における制御部６によるスタック２の温度制御の一例を示すフローチャートである。
【００４９】
なお、図３のＳ２００〜Ｓ２０３の処理は、図２のＳ１００〜Ｓ１０３の処理と同様であるため、説明は省略される。
【００５０】
制御部６は、スタック２の上昇温度の平均値：（ΔＴｕ＋ΔＴｃ＋ΔＴｂ）／３が、作動時間ｔにおける上昇温度：｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）に達したか否かが判定される（Ｓ２０４）。
【００５１】
スタック２の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に至るまでの間（Ｓ２０４：ＮＯ）、温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂが測定され（Ｓ２０３）、スタック２の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に達するか否かが判断される（Ｓ２０４）。
【００５２】
スタック２の上昇温度の平均値が作動時間ｔにおける上昇温度に等しくなると（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、制御部６はスタック２の温度分布を判断する。つまり、スタック２の中央部と上端部との温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、およびスタック２の中央部と下端部との温度差：Ｔｃ−Ｔｂが求められる。これらの温度差の両方またはいずれか一方が作動時間ｔにおける上昇温度に応じた制限温度、たとえば、［｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）］／２に等しくなるか否かが判断される（Ｓ２０５）。
【００５３】
このとき、たとえば、図４に示すように、矢印Ａの方向からスタック２に酸化剤ガスが供給され、両端部に向けて分流させる（矢印Ｂ、Ｃで示す）の構成のものがある。このような構成では、スタック２の上端部および下端部は放熱され易く、この温度ＴｕおよびＴｂは低くなる。一方、スタック２の中央部は放熱しにくいので、この温度ＴｃはＴｕおよびＴｂに比べて高くなる。このため、スタック２の中央部が両端部に比べて相対的に多く劣化し、中央部の抵抗が両端部に比べて相対的に多く増加し、発熱量も増え、中央部の温度がさらに上昇し、両端部に比べて相対的に多く劣化が進行する。
【００５４】
このようにして、発電開始からの作動時間ｔが長くなるほど、スタック２の中央部と上端部、下端部との温度差が拡大していき、温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、Ｔｃ−Ｔｂが制限温度に達する。この場合、制御部６は、流量調整器４ａにより原料ガスの流量を調整し、燃料利用率を一定にする。また、必要に応じて、制御部６は、酸化剤ガス供給器３による酸化剤ガスの送風量を増やし、スタック２を冷却する。こうして、スタック２の温度上昇が停止される（Ｓ２０６）。これにより、スタック２の温度分布が拡大することが防がれ、スタック２の部位間の温度差による劣化（極端な場合には破損）が防止される。
【００５５】
ただし、燃料利用率の低下は止められるが、燃料ガスおよび酸化剤ガスのスタック２への供給は継続され、スタック２は発電を続ける。
【００５６】
一方、Ｔｃ−Ｔｕ、Ｔｃ−Ｔｂが制限温度に達するまでは（Ｓ２０５：ＮＯ）、Ｓ２０２〜Ｓ２０４の処理が繰り返される。これにより、スタック２が昇温される。
【００５７】
以上の構成によれば、スタック２の温度差が制限温度を超えると、スタック２の昇温が停止され、温度差の拡大が防止される。このため、スタック２の温度差による劣化が防がれ、ＳＯＦＣの耐久性が向上する。
【００５８】
（実施例）
図６は、ＳＯＦＣシステムの電圧と作動時間との関係を示すグラフである。横軸は作動時間を示し、縦軸は電圧を示す。実線は実施例の電圧−作動時間の特性を表し、破線は比較例の電圧−作動時間の特性を表す。
【００５９】
実施例では、１０セルのＳＯＦＣシステム１００が用いられた。定格発電効率：５５（％）から１５（％）引いた４０（％）に発電効率が設定される。これにより、発電開始温度を７００（℃）とし、電流密度を０．５（Ａ/ｃｍ２）とした場合、定格電力では電圧値が０．７（Ｖ）に設定される。また、燃料利用率が９０（％）に、空気利用率が６０（％）に設定される。これに基づいた燃料ガスの流量および空気の送風量でスタック２に燃料ガスおよび空気が供給され、発電が開始される。このときの電圧と電流密度との関係は、図５（ａ）に示される。
【００６０】
スタック２の昇温率が｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝に設定されると、ｋ＝Ｕｆｔ（％）×｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔで燃料利用率が減少される。
【００６１】
発電開始から５００時間後の燃料利用率Ｕｆｔは８９．４（％）に、空気利用率は６０（％）に、電圧は７（Ｖ）に、発電効率は４０（％）になった。次に、２０００時間後の電圧も、ほぼ７（Ｖ）であり、劣化はほとんどみられなかった。1万時間後の電圧は、６．９（Ｖ）となり、劣化率は０．１４（％）／１０００（ｈ）であった。
【００６２】
６万時間後の電圧は６．５５（Ｖ）で、劣化率は０．１３（％）/１０００（ｈ）となった。このとき、温度検出器５の平均温度は７６７（℃）で、初期作動温度から６７（℃）上昇した。スタック２の各温度Ｔｕ、Ｔｃ、Ｔｂは、７５８（℃）、７８８（℃）、７５４（℃）となった。スタック２の温度差Ｔｃ−Ｔｂが昇温温度の半分：３３．５（℃）以上の３４（℃）になったので、燃料利用率が一定にされ、スタック２の昇温が停止された。
【００６３】
この実際に測定した劣化率を元に、９万時間後をシミュレーションした。この結果、９万時間後に作動温度が８２０（℃）となる。定格運転では、図５（ｂ）に示すように、電流密度が０．５（Ａ/ｃｍ２）で、電圧が０．７（Ｖ）になり、発電効率は４０（％）となった。この劣化率は、０．１５（％）／１０００（ｈ）である。
【００６４】
なお、作動時間：９万時間の劣化率は、実施系１の６万時間までの劣化率と、図７に示す劣化率となどに基づいて求められる。図７には、作動温度：８５０（℃）の劣化率が□で、８００（℃）の劣化率が△で、７５０（℃）の劣化率が×で、７００（℃）の劣化率が○で表される。いずれの作動温度の劣化率についても、劣化率は初期に大きく低下する。そして、時間の経過とともに、劣化率の低下は、小さくなり、直線状になる。また、作動温度が上がるにつれて、劣化率が増えている。また、各作動時間において、温度上昇と共に劣化率が上昇している。このような関係を利用して、９万時間の劣化率が得られた。
【００６５】
（比較例）
比較例では、１０セルのＳＯＦＣシステム１００が用いられた。初期作動温度が８００（℃）に、電流密度が０．４（Ａ/ｃｍ２）に設定されると、電圧が８．７（Ｖ）になった。燃料利用率が９２（％）に、空気利用率が６０（％）に設定されると、発電効率が４０（％）であった。この条件の下、負荷電流が一定で、作動温度が一定の状態で発電が行われた。
【００６６】
発電開始から５００時間後の燃料利用率Ｕｆｔは８９．４（％）で、空気利用率は６０（％）で、電圧は８．６（Ｖ）で、発電効率は４０（％）となった。この劣化率は２．２（％）/１０００（ｈ）であった。次に、２０００時間後の電圧は、８．５（Ｖ）であり、劣化率は１．１（％）／１０００（ｈ）であった。1万時間後の電圧は、８．３（Ｖ）であり、劣化率は０．４６（％）／１０００（ｈ）となった。５万時間後の電圧は、７．８（Ｖ）であり、劣化率は０．２（％）／１０００（ｈ）となった。
【００６７】
６万時間後のスタック２平均温度は、７８０（℃）、スタック２の下端部と中央部との温度差は４５（℃）以上であった。このときの電圧は６．３（Ｖ）であり、劣化率は０．１７（％）／１０００（ｈ）となった。
【００６８】
図６に示すように、比較例では、発電開始時の電圧が大きいが、初期の間に電圧は急激に低下する。そして、作動時間が長くなるにつれて、電圧が下がり続けた。これに対し、実施例では、初期の電圧は比較例より低いが、作動時間が長くなっても、電圧の減少は非常に小さい。このように、劣化による電圧の低下がスタック２の昇温により補われるため、実施例は安定した電圧を得ることができる。
【００６９】
また、発電開始から６万時間後では、比較例の劣化率は０．１７（％）／１０００（ｈ）であるのに対し、実施例の劣化率が０．１３（％）/１０００（ｈ）であった。このように、初期温度を下げることにより初期の急激な劣化が防止されるため、長期間の発電後も実施例の劣化は比較例に比べて抑えられる。
【００７０】
この時の比較例の温度差は４５（℃）であるのに対し、実施例の温度差は３４（℃）である。このように、実施例の温度差が小さいことにより、温度差によるスタック２の劣化（極端な場合には破損）が防止され、ＳＯＦＣシステム１００の耐久性が向上される。
【００７１】
さらに、このような制御方法により、コストを上げることなく、耐久性の向上が図られる。
【００７２】
なお、上記全ての実施形態では、初期作動温度が７００（℃）に、電流密度が０．５（Ａ／ｃｍ２）に設定されたが、これらの値に限定されない。
【００７３】
また、上記全ての実施形態では、発電開始時の燃料利用率が９０（％）に、空気利用率が６０（％）に、昇温率が１２０（℃）／９００００（ｈ）に設定されたが、これらの値に限定されない。燃料利用率、空気利用率および昇温率は、定格条件に合わせて決めることができる。
【００７４】
さらに、上記全ての実施形態では、スタック２の上端部、中央部、下端部の各温度が検出された。ただし、温度の検出位置は、スタック２の同一平面上であれば、これらに限らない。
【００７５】
また、上記実施形態では、流量調整器４ａが原料ガス供給器４に含まれた。これに対し、流量調整器４ａが原料ガス供給器４と別に設けられてもよい。
【００７６】
さらに、上記第２実施形態では、温度差：Ｔｃ−Ｔｕ、Ｔｃ−Ｔｂが上昇温度の半分：［｛１２０（℃）／９００００（ｈ）｝×ｔ（ｈ）］／２に等しくなると、作動温度の昇温が停止された。ただし、昇温の停止時はこれに限らない。たとえば、スタック２の構成材料の熱による体積変化に基づいて、温度差の判断基準が決められてもよい。この場合、構成材料の熱膨張率差は、アノード（Ｎｉ）が１２００（Ｋ：絶対温度）で１８．３×１０−６（Ｋ−１）で、カソード（ＬａＳｒＭｎＯ３）が９６０（Ｋ）で１１．１×１０−６（Ｋ−１）で、電解質（８ｍｏｌ％ＹＳＺ）が１０．５×１０−６（Ｋ−１）で、インターコネクター（ＬａＳｒＣｒＯ３）が空気中で１０．１×１０−６（Ｋ−１）、水素中で１６．９×１０−６（Ｋ−１）である。熱膨張率差が最も大きいのは、アノードである。このアノードの体積変化は、たとえば、７５０（℃）から８００（℃）への温度上昇において、（１８．３×８００×１０−６−１８．３×７５０×１０−６）／１８．３×７５０×１０−６＝６．６７ｘ１０−２＝６．６７％である。このように、体積が約７％変化すると、スタック２の破損の可能性が大きくなる。すなわち、７５０（℃）から作業温度が昇温された場合、スタック２の温度差が、スタック２の破損の可能性が高まる上昇温度：５０（℃）に達すると、昇温が停止される。
【００７７】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の固体酸化物型燃料電池システムは、安定した発電効率が得られ、かつ信頼性が高く、低コストの固体酸化物型燃料電池システム等として有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 改質器
２ 燃料電池スタック
３ 酸化剤ガス供給器
４ 原料ガス供給器
５ 温度検出器
６ 制御部
１００ 固体酸化物型燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器から改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池スタックに前記原料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器と、
前記燃料電池スタックの温度を前記原料ガス供給器による前記燃料ガスの供給量および前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量を調整することにより制御するよう構成された制御部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始から時間が経過するに連れて段階的に上昇させるよう構成されている、固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池スタックの一方の端部と中央部との温度差、および前記燃料電池スタックの他方の端部と中央部との温度差の少なくともいずれか一方が、前記平均温度の前記発電開始からの上昇温度に応じた制限温度に達すると、前記平均温度の上昇を停止させるよう構成されている、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項３】
前記制限温度は、前記発電開始からの上昇温度の半分である、請求項２記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項１】
原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器から改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応させることにより発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池スタックに前記原料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部のそれぞれの温度を検出する温度検出器と、
前記燃料電池スタックの温度を前記原料ガス供給器による前記燃料ガスの供給量および前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量を調整することにより制御するよう構成された制御部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの一方の端部、中央部および他方の端部の平均温度を発電開始から時間が経過するに連れて段階的に上昇させるよう構成されている、固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池スタックの一方の端部と中央部との温度差、および前記燃料電池スタックの他方の端部と中央部との温度差の少なくともいずれか一方が、前記平均温度の前記発電開始からの上昇温度に応じた制限温度に達すると、前記平均温度の上昇を停止させるよう構成されている、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項３】
前記制限温度は、前記発電開始からの上昇温度の半分である、請求項２記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１１４９９６（Ｐ２０１３−１１４９９６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２２８３（Ｐ２０１１−２６２２８３）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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