固体酸化物型燃料電池
【課題】燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止できる燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池であって、所定の電力降下反転温度以下の温度では、温度上昇と共に出力可能な電力が増加し、電力降下反転温度を超えると温度上昇と共に出力可能な電力が低下する特性を備えた燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールと、燃料供給手段と、発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料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、燃料電池セルスタックの温度が電力降下反転温度以上であり、又は、燃料電池セルスタックの温度上昇と共に燃料電池セルスタックの出力電圧が低下する状態においては、燃料電池モジュールからの出力電流を所定の温度低下電流に固定する温度域出力制限手段を備えている。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池であって、所定の電力降下反転温度以下の温度では、温度上昇と共に出力可能な電力が増加し、電力降下反転温度を超えると温度上昇と共に出力可能な電力が低下する特性を備えた燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールと、燃料供給手段と、発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料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、燃料電池セルスタックの温度が電力降下反転温度以上であり、又は、燃料電池セルスタックの温度上昇と共に燃料電池セルスタックの出力電圧が低下する状態においては、燃料電池モジュールからの出力電流を所定の温度低下電流に固定する温度域出力制限手段を備えている。
【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に係わり、特に、需要電力に応じて可変の発電電力をインバータへ出力する固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
特開２００４−２６５６７１号公報（特許文献１）には、燃料電池の運転制御方法および装置が記載されている。この燃料電池においては、電池電圧を検出し、この電池電圧が低下した時、燃料電池に対する電力指令値を電流に換算した電流指令値を低下させている。電流制限器は、電池電圧が低下した時の電流指令値を制限値とし、この制限値を電池電圧の低下に応じて低下させる。具体的には、電池電圧が第１の閾値である電圧低下警報レベルに達したとき電池電流が低下し始め、電池電圧が第２の閾値である電圧低下保護レベルに達したとき電池電流が零となるように、電流指令値が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６５６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２００４−２６５６７１号公報記載の燃料電池においては、単に、燃料電池の電圧降下を検出して電流値に制限を加えているので、燃料電池セルを、劣化及び損傷から十分に保護することができないという問題がある。本件発明者は、燃料電池セルスタックから取り出すことのできる電力は、燃料電池セルスタックの温度（燃料電池モジュール内の温度）と深い関係があり、燃料電池セルスタックの温度が、所定の電力降下反転温度Ｔｃを超えると、燃料電池セルスタックから十分な電力が取り出せなくなるばかりでなく、その状態で燃料電池を運転すると、燃料電池セルスタックの損傷に繋がる場合があるという知見を得た。
【０００６】
一般に、可変の電力を出力可能な燃料電池においては、出力電力が少ない状態では燃料電池モジュール内の温度は低く、出力電力の増加と共に燃料電池モジュール内の温度が上昇することが知られている。さらに、燃料電池セルスタックの使用可能な温度帯域で電力を取り出す限りにおいては、温度が上昇するほど多くの電力を取り出すことが可能であると考えられていた。図１０は、本件発明者が見出した燃料電池モジュール内の温度と、出力可能な発電電力との関係を模式的に示すグラフである。図１０に示すように、出力電流を一定にしている状態でも出力電力はこの図のように変化する。具体的には、燃料電池モジュールが電力降下反転温度Ｔｃに到達するまでは、従来から考えられていたように、燃料電池モジュールから出力可能な発電電力は、温度の上昇と共に増加する。
【０００７】
しかしながら、燃料電池モジュール内の温度が所定の電力降下反転温度Ｔｃに到達すると、燃料電池モジュールから出力可能な発電電力は、温度の上昇と共に逆に低下し始めるのである。これは、燃料電池モジュールを構成する燃料電池セルが単純なセラミック材料からなるものではなく、各種の金属材料を含有するため、温度の上昇に伴ってセラミックは抵抗が低下するが、金属は反対に抵抗値が増大しこの総和が燃料電池のセルの改良を加えていく中で、取り出せる電力の低下を招く程度に留まらず、反転するような状況にまで至っていると考えられる。従って、近年の高性能な燃料電池セルからなる燃料電池モジュールがこのようなＴｃを超えるような温度帯域にある場合において、取り出す電力を増加させると、目標とする電力を取り出そうとして燃料電池モジュールから引き出される電流が増加し、これにより燃料電池モジュール内の温度が更に上昇する。燃料電池モジュール内の温度が更に上昇すると、取り出すことができる電力が抵抗値の増大に伴って更に低下するという負のスパイラルのような状況に陥る。よって、発電能力の低下や過昇温が発生した燃料電池モジュールから更に電力を取り出そうとすると、出力電流が増大し、燃料電池モジュール内の温度が益々上昇する。燃料電池モジュールの制御が、一旦、このようなスパイラル状態に陥ると、急速な電流増加と温度上昇が発生し、短時間で燃料電池セルスタックが損傷されてしまうという固体酸化物型燃料電池において特有の課題を招くものである。
【０００８】
従って、燃料電池モジュールを電力降下反転温度Ｔｃを超える温度帯域で運転することは絶対に回避する必要がある。しかしながら、燃料電池セルスタック及びこれを内蔵する燃料電池モジュールは極めて熱容量が大きく、温度変化が緩慢である。このため、燃料電池モジュール内の温度が、一旦上昇傾向に入ると、電力降下反転温度Ｔｃに接近していたとしても、温度上昇をくい止めることは容易ではない。また、熱容量の大きな各種材料にて構成された燃料電池モジュールでは温度変化が極めて緩慢であるため、この緩慢な温度変化環境に適合させるためにも温度検出センサの検出時定数を大きくして緩慢にしなければならない。よって、燃料電池モジュール内の温度の上昇傾向、下降傾向を迅速に把握することが困難となる。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止す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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、需要電力に応じて可変の発電電力をインバータへ出力する固体酸化物型燃料電池であって、所定の電力降下反転温度以下の温度では、温度上昇と共に出力可能な電力が増加し、電力降下反転温度を超えると温度上昇と共に出力可能な電力が低下する特性を備えた燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールと、燃料電池セルスタックに燃料を供給する燃料供給手段と、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できるように、燃料供給手段、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、燃料電池セルスタックの温度が電力降下反転温度より低い温度帯域で通常の出力電力制御を行う一方で、上記電力降下反転温度以上の温度帯域にあると推定される場合では、燃料電池モジュールからの出力電流を制限し、所定の出力電流に固定する温度域出力制限手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
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、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、電力降下反転温度より低い温度帯域では需要電力に応じた出力電力を生成させる。一方で万が一にも一時的な過昇温が発生して電力降下反転温度を超えるような状況になっても、制御手段に備えられた温度域出力制限手段が、燃料電池モジュールからの出力電流を制限し所定の出力電流に固定する。
【００１２】
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止することができる。即ち、燃料電池セルスタックの温度が電力降下反転温度以上であると推定される場合、燃料電池モジュールからの出力電流を増加させようとすると、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥ってしまう。しかし本件発明にあっては、このような場合には、出力電流を少量の出力電流に固定することにより、出力電流の増加が規制されるだけでなく、出力電流をゼロにせず少量でも発電を継続させることによって、発電を禁止したことによって生じる残余燃料の増加を防止して残余燃料の増加に伴う、燃料電池モジュール内の更なる温度上昇を抑制して速やかに温度を低下させ電力降下反転温度以下まで低下させることができる。また、出力電流を一定の電流に固定することにより、出力電流の増加、減少を防止できるため、燃料電池セルの保護のために設けられる出力電流より先行して燃料を供給する余剰燃料も減少でき、この点からも速やかに燃料電池モジュール内の電力降下反転温度以下まで低下させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、温度域出力制限手段は、燃料電池セルスタックの温度が、電力降下反転温度よりも低く設定された所定の出力抑制温度に到達すると、インバータへ出力する電力を抑制する。
【００１４】
このように構成された本発明によれば、電力降下反転温度よりも低く設定された出力抑制温度に到達すると、出力される電力が抑制されるので、燃料電池モジュール内の温度変化が捉えにくく、温度上昇の検知が遅れた場合でも、温度検出遅れに対する安全マージンを備えている状況とできるため確実に電力降下反転温度を超えるのを防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池セルスタックの温度が、電力降下反転温度よりも低く設定された所定の強制冷却温度以上に上昇すると、発電用の酸化剤ガスの供給量を増加させ、燃料電池セルスタックを冷却する。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、出力の制限と共に、発電用の酸化剤ガスによる冷却を併用するので、効果的に燃料電池モジュール内の温度を低下させることができ、より確実に電力降下反転温度を超えるのを防止することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、さらに、所定の電力をインバータに出力するために必要な出力電流が、電力に応じて定められた所定の電流以上になると、インバータへ出力する電力を抑制する電流域出力制限手段を有する。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、温度域出力制限手段の他に、電流域出力制限手段による電力の抑制を加えることによって、より確実に燃料電池セルスタックに与える負担を軽減することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、温度域出力制限手段は、燃料電池モジュールからインバータに出力される電流の変化に対する燃料電池モジュールの出力電圧の変化に基づいて、インバータに出力する電力を制限する。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、出力される電流の変化に対する出力電圧の変化に基づいて電力が制限されるので、燃料電池セルスタックの温度に基づいて、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知するよりも、よりスパイラル状態に陥るのを確実に防止することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、温度域出力制限手段は、燃料電池モジュールからインバータに出力される電流がほぼ一定の状態において、燃料電池モジュールの出力電圧が所定の電力降下反転温度判断電圧以上低下した場合に、インバータに出力する電力を制限する。
【００２２】
このように構成された本発明によれば、出力電流がほぼ一定の状態における出力電圧の低下に基づいて、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知するので、より正確にスパイラル状態を判断することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に入るのを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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。
【図２】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３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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１０】燃料電池モジュール内の温度と発電電力の関係を示すグラフである。
【図１１】制御部に内蔵された温度域出力制限手段による制御のフローチャートである。
【図１２】制御部に内蔵された電流域出力制限手段による制限を示すグラフである。
【図１３】検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。
【図１４】発電電流に対する適正な燃料電池セルスタックの温度を示すグラフである。
【図１５】積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。
【図１６】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１７】積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。
【図１８】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。
【図１９】決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
次に、図９乃至図１２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１０は、燃料電池モジュール内の温度と発電電力の関係を示すグラフである。図１１は、制御部に内蔵された温度域出力制限手段による制御のフローチャートである。図１２は、制御部に内蔵された電流域出力制限手段による制限を示すグラフである。
【００６６】
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最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは最大定格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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
図１０は、本発明の実施形態における燃料電池セルスタック１４の温度と、インバータ５４へ出力可能な電力との関係を模式的に示すグラフである。図１０に示すように、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃである７５０℃に到達するまでは、燃料電池モジュール２から出力可能な電力は、温度の上昇と共に増加する。本実施形態における燃料電池モジュール２は、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の電力降下反転温度Ｔｃに到達すると、燃料電池モジュール２から出力可能な電力は、温度の上昇と共に逆に低下し始めるという特性を有する。なお、図１０に示す特性は、燃料電池モジュール２から出力される電流を一定とした状態における出力電力として測定されている。また、本明細書において、燃料電池セルスタック１４の温度とは、燃料電池セルスタック１４の温度が反映される任意の温度を意味しており、燃料電池モジュール２内に配置された任意の温度検出手段による検出温度を、燃料電池セルスタック１４の温度として使用することができる。
【００７０】
燃料電池モジュール２は図１０のような特性を有するため、燃料電池セルスタック１４が電力降下反転温度Ｔｃ以上の温度帯域にある場合において、インバータ５４へ取り出す電力を増加させると、燃料電池モジュール２から引き出される電流が増加し、これにより燃料電池セルスタック１４の温度は上昇する。燃料電池セルスタック１４の温度が上昇すると、出力可能な電力が更に低下する。発電能力の低下した燃料電池モジュール２から更に電力を取り出そうとすると、出力電流が増大し、燃料電池セルスタック１４の温度が益々上昇する。燃料電池モジュール２の制御が、一旦、このようなスパイラル状態に陥ると、急速な電流増加と温度上昇が発生し、短時間で燃料電池セルスタック１４が損傷されてしまう虞がある。
【００７１】
制御部１１０に内蔵されている温度域出力制限手段１１０ａ（図６）は、燃料電池モジュール２の制御が上記のようなスパイラル状態に陥るのを防止するために、燃料電池モジュール２内を図１０に斜線で示す使用帯域温度である５５０〜６５０℃に維持するように作用する。具体的には、温度域出力制限手段１１０ａは図１１に示す制御フローを実行する。なお、図１１に示す制御フローは、固体酸化物型燃料電池１の運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００７２】
まず、図１１のステップＳ１において、温度域出力制限手段１１０ａは、温度域出力予備制限フラグＦ２の値を判断する。温度域出力予備制限フラグＦ２は、温度域出力制限手段１１０ａによる出力電力の予備的な制限が行われているか否かを表すフラグであり、出力電力の予備的な制限が行われている場合にはＦ２＝１、行われていない場合にはＦ２＝０にされる。ステップＳ１において、温度域出力予備制限フラグＦ２＝１である場合にはステップＳ８に進み、Ｆ２＝０である場合にはステップＳ２に進む。
【００７３】
次に、ステップＳ２において、温度域出力制限手段１１０ａは、温度域出力制限フラグＦ１の値を判断する。温度域出力制限フラグＦ１は、温度域出力制限手段１１０ａによる出力電力の制限が行われているか否かを表すフラグであり、出力電力の制限が行われている場合にはＦ１＝１、行われていない場合にはＦ１＝０にされる。ステップＳ２において、温度域出力制限フラグＦ１＝１である場合にはステップＳ１３に進み、Ｆ１＝０である場合にはステップＳ３に進む。
【００７４】
ステップＳ３においては、温度検出手段である発電室温度センサ１４２（図６）によって検出された燃料電池セルスタック１４の温度が、第２出力抑制温度である６５０℃以上であるか否かが判断される。第２出力抑制温度以上である場合にはステップＳ１１に進み、第２出力抑制温度以上でない場合には、ステップＳ４に進む。
【００７５】
ステップＳ４においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出されている電流がほぼ一定であるか否かが判断される。本実施形態においては、温度域出力制限手段１１０ａは、直近の過去３分間においてインバータ５４へ取り出されている電流の変動が±１００ｍＡ以下である場合には、電流がほぼ一定であると判断する。このように、インバータ５４へ取り出される電流がほぼ一定となる状態は、例えば、需要電力が固体酸化物型燃料電池１の定格電力よりも大きい値で変動する状態が継続し、燃料電池モジュール２が定格電力を出力するように運転されている場合や、需要電力が一定の状態が所定時間以上連続し、その電力を出力するように燃料電池モジュール２が運転されている場合に発生する。電流がほぼ一定であると判断された場合にはステップＳ５に進み、一定でない場合には図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００７６】
次に、ステップＳ５においては、ステップＳ４において判断された出力電流が一定である期間において、所定の電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生したか否かが判断される。本実施形態においては、温度域出力制限手段１１０ａは、電流がほぼ一定であった３分間で、３Ｖ以上電圧が低下した場合、電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生したと判断する。電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生したと判断された場合にはステップＳ６に進み、電圧降下が発生していない場合には図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が、第２出力抑制温度未満であり、電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生していない状況では、燃料電池セルスタック１４が電力降下反転温度に達していることは考えられないため、電力の制限を行うことなく、図１１のフローチャートの処理を終了する。
【００７７】
一方、ステップＳ６においては、電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生していたため、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出し可能な電流として、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが５０％減少される。即ち、図９により説明したように、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、燃料電池モジュール２に供給されている燃料の量に対応して、インバータ５４が取り出すことができる電流値として、インバータ５４に指示されている電流値である。温度域出力制限手段１１０ａは、この取出可能電流値Ｉｉｎｖを５０％減少させ、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出される電流を低下させる。
【００７８】
なお、５０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。燃料電池モジュール２から取り出される電流が１Ａ以下に低下すると、発電に使用されずに残り、燃焼室１８において燃焼される燃料が増加し、却って燃料電池セルスタック１４の温度を上昇させてしまう場合がある。このため、１Ａ程度の電流出力を継続する方が、燃料電池セルスタック１４の温度を低下させるために有利である。
【００７９】
このように、出力電流がほぼ一定であるにも関わらず電圧降下が発生している場合（ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ６の経路）には、燃料電池セルスタック１４の一部が電力降下反転温度Ｔｃに達している可能性がある。従って、この場合には、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出す電流を大幅に低下させて、燃料電池モジュール２が電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥るのを確実に防止する。
【００８０】
次いで、ステップＳ７においては、温度域出力予備制限フラグＦ２の値が１に変更されると共に、出力予備制限タイマーの積算が開始され、図１１のフローチャートの処理を終了する。
【００８１】
温度域出力予備制限フラグＦ２の値が１に変更された後、図１１のフローチャートが実行されると、ステップＳ１→Ｓ８に処理が進む。ステップＳ８においては、ステップＳ７における出力予備制限タイマーの積算開始後１５分経過したか否かが判断される。１５分経過している場合にはステップＳ９に進み、経過していない場合には、そのまま図１１のフローチャートの処理を終了する。即ち、出力予備制限タイマーの積算開始後１５分間は、ステップＳ６において設定された取出可能電流値Ｉｉｎｖを５０％減少させた状態が継続される。
【００８２】
なお、本実施形態においては、出力予備制限タイマーの積算開始後１５分間は、燃料電池セルスタック１４温度の判断を行わず、取出可能電流値Ｉｉｎｖ５０％減の状態を維持しているが、変形例として、出力予備制限タイマーの積算中（ステップＳ８の後）、図１１のステップＳ１３乃至Ｓ１８の処理が行われるように、本発明を構成することもできる。
【００８３】
出力予備制限タイマーの積算開始後１５分経過すると、ステップＳ９が実行される。ステップＳ９においては、ステップＳ６において設定された取出可能電流値Ｉｉｎｖの制限が解除される。次いで、ステップＳ１０においては、温度域出力予備制限フラグＦ２の値が０に戻される。これらの温度域出力予備制限フラグＦ２を使用した一連の処理は、検出されている燃料電池セルスタック１４の温度は第２出力抑制温度である６５０℃に到達していない（ステップＳ３）が、出力電流がほぼ一定の状態で出力電圧が降下している状態（ステップＳ４、Ｓ５）であるため、予備的に出力制限を実行（ステップＳ６）し、１５分間その状態を維持する（ステップＳ８）ものである。即ち、発電室温度センサ１４２によって検出される燃料電池セルスタック１４の温度は、燃料電池セルスタック１４の温度を直接測定したものではなく、また、実際の燃料電池セルスタック１４の温度変化に対して遅れて値が変化する。このため、燃料電池セルスタック１４の温度（発電室温度センサ１４２によって検出された温度）が第２出力抑制温度に到達していない状態であっても、出力電圧の降下が発生している場合には、燃料電池セルスタック１４の一部が電力降下反転温度Ｔｃに到達していることが疑われるため、予備的な出力制限が行なわれる。予備的な出力制限が所定時間実行された後は、一旦出力制限が解除され、出力制限が必要な状態であるか否か、ステップＳ３以下において改めて判断される。
【００８４】
一方、ステップＳ３において、燃料電池セルスタック１４の温度が第２出力抑制温度以上であると判断された場合にはステップＳ１１に進み、ステップＳ１１においては発電電力の制限が行われる。ステップＳ１１においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出し可能な電流として、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが３０％減少される。このように、発電室温度センサ１４２によって検出された代表的な温度が、第２出力抑制温度以上である場合には、燃料電池セルスタック１４の一部が電力降下反転温度Ｔｃに達している可能性があるため、発電電力の制限を行うことにより、燃料電池セルスタック１４の温度のこれ以上の上昇を抑制する。なお、３０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。
【００８５】
さらに、ステップＳ１２において温度域出力制限フラグＦ１の値が１に変更され、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、温度域出力制限手段１１０ａは、燃料電池モジュール２が電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥る危険性が高くなったと判断し、温度域出力制限フラグＦ１を１にする。これにより、以後、図１１のフローチャートが実行された場合には、燃料電池セルスタック１４の温度が十分低下するまで、ステップＳ１３以下の温度域出力制限制御が実行される。温度域出力制限フラグＦ１は、温度域出力制限中であることを示すフラグである。
【００８６】
一方、温度域出力制限フラグＦ１が１に変更されると、ステップＳ１、Ｓ２に続いて、ステップＳ１３以下が実行される。
ステップＳ１３においては、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃである７５０℃以上であるか否かが判断される。燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃ以上である場合にはステップＳ１４に進み、電力降下反転温度Ｔｃ以上でない場合にはステップＳ１５に進む。
【００８７】
ステップＳ１４においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖが所定の温度低下電流である１Ａに固定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。さらに、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によって燃料電池モジュール２内に供給される発電用の空気が４０％増量される。これにより、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４を、発電用の空気の流れによって冷却し、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃ以上である場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖが燃料電池セルスタック１４の温度を最も効率的に低下させることができる低い電流値に固定され、燃料電池モジュール２が電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥るのを防止する。
【００８８】
後述するように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、燃料電池モジュール２内の温度が高く、断熱材７等に多量の熱量が蓄積されている場合には、制御部１１０は燃料利用率を高めた（燃料供給量を少なくした）運転を実行する。燃料利用率を高めた運転が行われると、断熱材７等に蓄積された熱が、燃料電池モジュール２を熱自立させるために消費されるので、燃料電池モジュール２内の温度は低下する。また、燃料電池モジュール２内の温度は、燃料電池セルスタック１４から電流が全く取り出されていない状態よりも、１Ａ程度の少量の電流が取り出されている状態の方が、低下されやすい。これは、電流が全く取り出されていない状態では、供給された燃料が全て燃焼室１８内で燃焼され、加熱に利用されるのに対して、燃料供給量の少ない状態で少量の電流を取り出した方が、燃焼室１８内で燃焼される燃料が減少し、温度が低下されやすい。このため、本実施形態においては、温度低下電流として、１Ａ一定の電流を取り出して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させている。
【００８９】
さらに、燃料電池モジュール２から取り出される電流を一定とすることにより、燃料電池モジュール２内の温度を効果的に低下させることができる。これは、図９により説明したように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる場合には、前もって燃料供給量を増加させておき、所定時間遅れて取出可能電流値Ｉｉｎｖが増加される。このため、燃料供給量を増加させた後、実際に電流が取り出されるまでの間に供給された燃料は、余剰燃料となり、燃焼室１８内において燃焼され、燃料電池モジュール２内の温度が上昇される。従って、取り出される電流を一定とすることにより、余剰燃料が減少し、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向にすることができる。なお、需要電力が著しく減少した場合、燃料電池モジュール２から取り出す必要のある電流は、１Ａ未満になる場合がある。このような場合には、補機ユニット４等を作動させるための電力として、固体酸化物型燃料電池１の内部で電力を消費するように、固体酸化物型燃料電池１を構成することもできる。これにより、燃料電池モジュール２から取り出される電流を、温度低下電流に完全に固定することができる。
【００９０】
一方、ステップＳ１５においては、燃料電池セルスタック１４の温度が強制冷却温度である７４０℃以上であるか否かが判断される。燃料電池セルスタック１４の温度が強制冷却温度以上、電力降下反転温度Ｔｃ未満である場合にはステップＳ１６に進み、強制冷却温度以上でない場合にはステップＳ１７に進む。
【００９１】
ステップＳ１６においては、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが７０％減少される。なお、７０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。さらに、ステップＳ１６においては、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によって燃料電池モジュール２内に供給される発電用の空気が３０％増量される。これにより、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４を、発電用の空気の流れによって冷却し、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００９２】
一方、ステップＳ１７においては、燃料電池セルスタック１４の温度が、出力抑制温度である７２０℃以上であるか否かが判断される。出力抑制温度以上である場合にはステップＳ１８に進み、出力抑制温度以上でない場合にはステップＳ１９に進む。なお、本実施形態においては、出力抑制温度は、電力降下反転温度Ｔｃよりも３０℃低く設定されている。
【００９３】
ステップＳ１８においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出し可能な電流として、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが５０％減少され、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。なお、５０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。
【００９４】
一方、ステップＳ１９においては、燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度である６４０℃以下であるか否かが判断される。燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度以下である場合にはステップＳ２０に進み、通常使用温度を超えている場合は、従前の取出可能電流値Ｉｉｎｖを維持したまま図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００９５】
ステップＳ２０では、取出可能電流値Ｉｉｎｖの制限を解除すると共に、温度域出力制限フラグＦ１を０にし、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度以下まで低下している場合は、電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥る危険性はないと判断され、温度域出力制限フラグＦ１が０に戻され、温度域出力制限制御を終了する。なお、温度域出力制限フラグＦ１を１に変更し、温度域出力制限制御を開始させる第２出力抑制温度が６５０℃に設定され（ステップＳ３）、温度域出力制限制御を終了させる通常使用温度が６４０℃に設定されているのは、温度域出力制限制御の開始と解除が繰り返されるハンチング現象を防止するためである。一方、燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度を超えている場合は、温度域出力制限フラグＦ１は１のまま維持され、温度域出力制限制御が継続される。
【００９６】
次に、図１２を参照して、制御部１１０に内蔵された電流域出力制限手段１１０ｂ（図６）による電力出力の制限を説明する。この電流域出力制限手段１１０ｂによる出力の制限は、所定の電力を出力するために必要な電流が所定の電流を超えた場合に、それ以上電流を増加させることなく、出力を制限するというものであり、このような出力制限機能は、従来の固体酸化物型燃料電池にも備えられていたものである。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、上述した温度域出力制限手段１１０ａによる出力制限機能と、この電流域出力制限手段１１０ｂによる出力制限機能の両方を備えており、これらが必要に応じて出力に制限を加えている。
【００９７】
図１２における曲線Ｐ１、Ｐ２は、燃料電池モジュール２の出力電圧と出力電流の関係を表している。また、曲線Ｑ１、Ｑ２は、燃料電池モジュール２から所定の電力を出力するために必要な電圧と電流の関係を示す曲線である。曲線Ｑ１は、固体酸化物型燃料電池１の定格電力である７００Ｗを出力するために必要な電圧と電流の関係を示し、曲線Ｑ２は、５９０Ｗを出力するために必要な電圧と電流の関係を示している。
【００９８】
固体酸化物型燃料電池１の初期使用時等には、燃料電池モジュール２の出力電圧と出力電流は、ほぼ曲線Ｐ１の曲線に従う。従って、５９０Ｗを出力する際には、曲線Ｐ１と曲線Ｑ２の交点Ｒ２の電圧値、電流値となる。ここで、出力電力を７００Ｗに増加させると、出力電流が増加すると共に、出力電圧が低下する。これにより、曲線Ｐ１と曲線Ｑ１の交点Ｒ１の電圧値、電流値により、７００Ｗの電力が出力される。
【００９９】
ここで、燃料電池セルスタック１４が劣化した場合等、何らかの原因で燃料電池モジュール２の発電能力が低下すると、燃料電池モジュール２の出力電圧と出力電流は、例えば、曲線Ｐ２の曲線に従うようになる。このように、燃料電池モジュール２の発電能力が低下した場合、５９０Ｗを出力する際の電圧値、電流値は、曲線Ｐ２と曲線Ｑ２の交点Ｒ４になる。このように、燃料電池モジュール２の発電能力が低下すると、同一の電力を出力するために必要な電流が増加すると共に、その際の電圧が低下する。この状態においては、燃料電池モジュール２から７００Ｗの電力を得るためには、曲線Ｐ２と曲線Ｑ１が交わる交点Ｒ３における電流が必要となる。
【０１００】
しかしながら、交点Ｒ３のように出力電流が増加してしまうと、燃料電池セルスタック１４の劣化が急激に進行し、或いは、燃料電池セルスタック１４が損傷されてしまう場合がある。そこで、電流域出力制限手段１１０ｂは、電流制限ラインＬ１により出力電流を制限し、電流制限ラインＬ１よりも右側の電流値、電圧値による電力出力を制限している。なお、燃料電池セルスタック１４の劣化の進行度合いにより、電流制限ラインを図１２において左側にシフトさせることもできる。
【０１０１】
次に、図１３乃至１９を参照して、要求される発電量及び発電室温度センサ１４２による検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
図１３は、検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図１４は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック１４の温度を示すグラフである。図１５は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図１６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１７は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図１８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。図１９は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。
【０１０２】
図１４に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２によって生成すべき電流（図９における燃料供給電流値Ｉｆ）に対して、適正な燃料電池セルスタック１４の温度Ｔｓ（Ｉ）が規定されている。制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の温度が、適正な温度Ｔｓ（Ｉ）に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部１１０は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が高い場合（燃料電池セルスタック１４の温度が図１４の一点鎖線よりも上にある場合）には、燃料利用率を高め、断熱材７等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Ｔｄのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Ｔｄ等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ｃ（図６）により計算される。
【０１０３】
図１３に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって検出された検出温度Ｔｄ等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。
【０１０４】
まず、図１３のステップＳ３１においては、検出温度Ｔｄ及び図１４に基づいて、第１加減算値Ｍ１が計算される。まず、検出温度Ｔｄが、燃料電池セルスタック１４の適正温度Ｔｓ（Ｉ）に対して、所定の温度範囲内（図１４の２本の実線の間）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は０にされる。
即ち、検出温度Ｔｄが、
Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ≦Ｔｄ≦Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ
の範囲内にある場合には、第１加減算値Ｍ１＝０にされる。ここで、Ｔｅは第１加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第１加減算値閾値温度Ｔｅは３℃である。
【０１０５】
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、
Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ （４）
の範囲内（図１４における下側の実線よりも下）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）） （５）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、負の値（減算値）となる。なお、Ｋｉは、所定の比例定数である。
【０１０６】
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、
Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ （６）
の範囲内（図１４における上側の実線よりも上）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）） （７）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、正の値（加算値）となる。このように、第１加減算値Ｍ１は、検出温度Ｔｄの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ｔｓ（Ｉ）は、発電電流（電力）に応じて異なるように設定され、この適正温度Ｔｓ（Ｉ）に基づいて決定される（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）の値、及び（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）の値に基づいて、第１加減算値Ｍ１が正又は負の値に決定される。
【０１０７】
なお、検出温度Ｔｄが（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えると、第１加減算値Ｍ１は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第１加減算値Ｍ１等の積算値Ｎ１ｉｄが０まで低下した時点となる。このため、検出温度Ｔｄが燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）よりも低下した後も、暫時、積算値Ｎ１ｉｄは０よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。従って、高効率制御から目標温度域制御に復帰する目標温度域制御復帰温度は、燃料利用率変更温度よりも低い温度になる。
【０１０８】
次に、図１３のステップＳ３２においては、最新の検出温度Ｔｄ、及び１分前に検出された検出温度Ｔｄｂに基づいて、第２加減算値Ｍ２が計算される。まず、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は０にされる。なお、本実施形態においては、第２加減算値閾値温度は１℃である。
【０１０９】
また、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差である変化温度差が所定の第２加減算値閾値温度以上の場合には、第２加減算値Ｍ２は、
Ｍ２＝Ｋｄ×（Ｔｄ−Ｔｄｂ） （８）
によって計算される。この第２加減算値Ｍ２は、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合には正の値（加算値）となり、検出温度Ｔｄが低下傾向にある場合には負の値（減算値）となる。なお、Ｋｄは、所定の比例定数である。従って、検出温度Ｔｄが上昇している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第２加減算値Ｍ２が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第２加減算値Ｍ２は大きく減少される。
【０１１０】
なお、本実施形態においては、比例定数Ｋｄは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Ｋｄを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Ｋｄの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Ｋｄの変更を組み合わせることもできる。
【０１１１】
次いで、図１３のステップＳ３３においては、ステップＳ３１で計算された第１加減算値Ｍ１、及びステップＳ３２で計算された第２加減算値Ｍ２を、第１積算値Ｎ１ｉｄに積算する。第１積算値Ｎ１ｉｄには、第１加減算値Ｍ１により、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第２加減算値Ｍ２により、直近の検出温度Ｔｄの変化が反映される。即ち、第１積算値Ｎ１ｉｄは、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図１３のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに、第１加減算値Ｍ１及び第２加減算値Ｍ２が加算又は減算され、新たな第１積算値Ｎ１ｉｄに更新される。第１積算値Ｎ１ｉｄは、０〜４の間の値をとるように制限されており、第１積算値Ｎ１ｉｄが４に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで４に保持され、第１積算値Ｎ１ｉｄが０まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで０に保持される。
【０１１２】
なお、ステップＳ３３においては、第１積算値Ｎ１ｉｄに加え、第２積算値Ｎ２ｉｄの値も計算する。第２積算値Ｎ２ｉｄは、後述するように、燃料電池モジュール２に劣化が発生するまでは、第１積算値Ｎ１ｉｄと全く同様に計算され、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値を取る。
【０１１３】
なお、上記のように、本実施形態においては、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の和を第１積算値Ｎ１ｉｄに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｍ１＋Ｍ２ （９）
により、第１積算値Ｎ１ｉｄを計算している。ここで、変形例として、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第１積算値Ｎ１ｉｄは、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｋｍ×Ｍ１×Ｍ２ （１０）
により計算される。ここで、Ｋｍは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は１にされる。
【０１１４】
さらに、図１３のステップＳ３４においては、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、図１５及び図１６のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図１５は、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに対する燃料利用率Ｕｆの設定値を示すグラフである。図１５に示すように、第１積算値Ｎ１ｉｄが０である場合には、燃料利用率Ｕｆは最小値である最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎに設定される。また、第１積算値Ｎ１ｉｄの増加と共に燃料利用率Ｕｆも増加し、第１積算値Ｎ１ｉｄ＝１において最大値である最大燃料利用率Ｕｆｍａｘとなる。この間、燃料利用率Ｕｆは、第１積算値Ｎ１ｉｄが小さい領域では傾きが小さく、第１積算値Ｎ１ｉｄが１に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ｕｆが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ｕｆを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第１積算値Ｎ１ｉｄが１よりも大きい場合には、燃料利用率Ｕｆは最大燃料利用率Ｕｆｍａｘに固定される。これらの最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体的な値は、発電電流（図９における燃料供給電流値Ｉｆ）に基づいて、図１６に示すグラフにより決定される。このように、断熱材７等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。
【０１１５】
図１６は、各発電電流に対し、燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕｆの最大値及び最小値が示されている。図１６に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの直線上の燃料利用率が設定された場合には、断熱材７等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール２は熱的に自立することができる。
【０１１６】
一方、最大燃料利用率Ｕｆｍａｘは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲（最大燃料利用率Ｕｆｍａｘと最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの差）は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ｕｆを高める（燃料供給量を減じる）余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ｕｆを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。
【０１１７】
また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール２内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ｕｆを改善し、断熱材７等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール２内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール２の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。
【０１１８】
図１３のステップＳ３４においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体値を、図１６のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘを図１５のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、燃料利用率Ｕｆを決定する。
【０１１９】
次に、図１３のステップＳ３５においては、第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、図１７及び図１８のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図１７は、計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに対する空気利用率Ｕａの設定値を示すグラフである。図１７に示すように、第２積算値Ｎ２ｉｄが０乃至１である場合には、空気利用率Ｕａは最大値である最大空気利用率Ｕａｍａｘに設定される。さらに、第２積算値Ｎ２ｉｄが１を超えて増加すると共に空気利用率Ｕａは低下し、第２積算値Ｎ２ｉｄ＝４において最小値である最小空気利用率Ｕａｍｉｎとなる。このように、空気利用率Ｕａを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図１７に示す空気利用率Ｕａの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体的な値は、発電電流に基づいて、図１８に示すグラフにより決定される。
【０１２０】
図１８は、各発電電流に対し、空気利用率Ｕａがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕａの最大値及び最小値が示されている。図１８に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Ｕａｍａｘは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Ｕａｍｉｎは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Ｕａを、最大空気利用率Ｕａｍａｘよりも低下させる（空気供給量を増大させる）ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール２内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール２内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Ｕａを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Ｕａｍｉｎを低下（空気供給量を増加）させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Ｕａｍｉｎに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Ｕａｍｉｎが図１８において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図１７のグラフによって設定された空気利用率Ｕａを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Ｕａに関わらず、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Ｕａは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図１８に破線で示された部分の最小空気利用率Ｕａｍｉｎを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Ｕａを、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎと記載する。
【０１２１】
図１３のステップＳ３５においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体値を、図１８のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘを図１７のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、空気利用率Ｕａを決定する。
【０１２２】
次に、図１３のステップＳ３６においては、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａに基づき、図１９を使用して水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃを決定する。
図１９は、横軸を空気利用率Ｕａ、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比Ｓ／Ｃとしたグラフである。
【０１２３】
まず、ステップＳ３５において設定された空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域（図１９におけるＵａｍａｘ〜ＵＬａｍｉｎ間）では、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃの値は、２．５に固定される。なお、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。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。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。
【０１２４】
次に、ステップＳ３５において設定される空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図１９のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃが決定される。図１９において、横軸は空気利用率Ｕａであり、空気利用率Ｕａが大きく、最大空気利用率Ｕａｍａｘに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Ｕａを低下させ、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ（図１８における破線）に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Ｕａは限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎになる。図１９に示すように、空気利用率Ｕａが限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも大きい（空気供給量が少ない）場合には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５に設定される。さらに、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも小さい（空気供給量が多い）場合（図１９におけるＵａｍｉｎ〜ＵＬａｍｉｎ間）には、空気利用率Ｕａの減少と共に水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃは増大され、最小空気利用率Ｕａｍｉｎにおいて、Ｓ／Ｃ＝３．５に設定される。即ち、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎにより実現できない場合（空気利用率Ｕａが図１８の斜線の範囲内に決定された場合）には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器２０から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Ｕａを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水（水蒸気）は、冷却用の流体として作用するので、図１９に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。
【０１２５】
ステップＳ３７においては、ステップＳ３４、Ｓ３５、及びＳ３６において決定された燃料利用率Ｕｆ、空気利用率Ｕａ、及び水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ｕｆで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Ｕａで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップＳ３６において決定された水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃに基づいて、水供給量を計算する。
【０１２６】
次いで、ステップＳ３８において、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、ステップＳ３７において計算された量の燃料、空気、及び水を供給し、図１３のフローチャートの１回の処理を終了する。
【０１２７】
次に、図１３のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図１３のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、０．５秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その２倍の１秒、４倍の２秒、８倍の４秒毎に実行される。これにより、第１及び第２加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第１又は第２積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段１１０ｃは、出力電流（発電電力）が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。
【０１２８】
次に、図１３のフローチャートによって実現される固体酸化物型燃料電池の作用を説明する。
まず、ステップＳ３３において計算される第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０である場合には、ステップＳ３４において決定される燃料利用率Ｕｆが、その発電電流における最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ（燃料供給量最大）に設定される。これにより、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０であり、断熱材７等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール２が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップＳ３３において計算される第２積算値Ｎ２ｉｄの値が、第１積算値Ｎ１ｉｄと同様に０である場合には、ステップＳ３５において決定される空気利用率Ｕａが、その発電電流における最大空気利用率Ｕａｆｍａｘ（空気供給量最小）に設定される。このため、燃料電池モジュール２に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック１４が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック１４の温度を上昇傾向にすることができる。
【０１２９】
次に、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は正値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０よりも大きくなる。これにより、図１５において、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎよりも高い燃料利用率Ｕｆが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ｕｆは、推定蓄熱量に対応した第１積算値Ｎ１ｉｄの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ｕｆが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材７等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材７等に蓄積された熱量が利用されるので、発電を継続しながら燃料電池モジュール２内の温度上昇が抑制される。Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で運転が継続されると、正値の第１加減算値Ｍ１の積算が繰り返され、第１積算値Ｎ１ｉｄの値も増大する。第１積算値Ｎ１ｉｄが１に達すると、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に設定される。このように、燃料電池モジュール２に供給される燃料は、断熱材７等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Ｔｄの過去の履歴に基づいて決定される。
【０１３０】
第１積算値Ｎ１ｉｄが更に増大し、１を超えた場合においても、図１５に示すように、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に維持される。一方、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値をとる第２積算値Ｎ２ｉｄの値（燃料電池モジュール２が劣化していない場合）も１を超えるので、図１７に基づいて、空気利用率Ｕａが低下（空気供給量増加）される。これにより、燃料電池モジュール２内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。
【０１３１】
これに対して、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は負値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値は減少される。これにより、燃料利用率Ｕｆは、維持（第１積算値Ｎ１ｉｄ＞１）又は低下（第１積算値Ｎ１ｉｄ≦１）される。また、空気利用率Ｕａは、増大（第２積算値Ｎ２ｉｄ＞１）又は維持（第２積算値Ｎ２ｉｄ≦１）される。これにより、燃料電池モジュール２内の温度を上昇傾向にすることができる。
【０１３２】
以上は、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される第１加減算値Ｍ１のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第１積算値Ｎ１ｉｄ及び第２積算値Ｎ２ｉｄは、第２加減算値Ｍ２によっても影響を受ける。燃料電池モジュール２、特に、燃料電池セルスタック１４は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Ｔｄの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Ｔｄが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Ｔｄが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Ｔｄに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第１、第２積算値を修正する必要がある。
【０１３３】
即ち、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上高い場合には、第２加減算値Ｍ２が正の値となり、第１、第２積算値が増大される。これにより、検出温度Ｔｄが上昇傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上低い場合には、第２加減算値Ｍ２が負の値となり、第１、第２積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ１４２により検出された最新の検出温度Ｔｄと、過去の検出温度Ｔｄｂとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第２加減算値Ｍ２が計算される。従って、検出温度Ｔｄが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域では最大燃料利用率Ｕｆｍａｘも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Ｔｄが低下傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Ｔｄに基づいて決定された第１加減算値Ｍ１の積算値、及び新しく検出された検出温度Ｔｄと過去に検出された検出温度Ｔｄｂの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される基本推定値である第１加減算値Ｍ１の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Ｔｄの変化率に基づいて計算される速応推定値である第２加減算値Ｍ２に基づいて、蓄熱量推定手段１１０ｃにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。
【０１３４】
なお、燃料電池モジュール２の温度変化は、検出温度ＴｄとＴｄｂを検出する間隔である１分に比して極めて緩慢であるため、第２加減算値Ｍ２は０である場合が多い。このため、第１、第２積算値は、主に第１加減算値Ｍ１によって支配され、検出温度Ｔｄの上昇又は低下傾向が現れたとき、第２加減算値Ｍ２が、第１、第２積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第２加減算値Ｍ２によって直近の検出温度Ｔｄの変化が加味される。このため、直近の検出温度Ｔｄの変化が大きい（第２加減算値閾値温度以上の変化）場合には、第２加減算値Ｍ２が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ｕｆが大幅に変更される。
【０１３５】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池モジュール２が温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止することができる。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度以上である場合や、燃料電池セルスタック１４の温度上昇と共に燃料電池セルスタック１４の出力電圧が低下する状態では、燃料電池モジュール２からの出力電流を増加させようとすると、燃料電池モジュール２が温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥ってしまう（図１０）。従って、このような場合には、出力電流を少量の温度低下電流に固定することにより、発電に使用されずに残る残余燃料を減少させながら、燃料電池モジュール２内に蓄積された熱を消費することができ、効果的に温度を低下させることができる。また、出力電流を一定の温度低下電流に固定することにより、出力電流の増加、減少に伴って発生する余剰燃料を減少させることができ（図９）、確実に燃料電池モジュール２内の温度を低下させることができる。
【０１３６】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、電力降下反転温度Ｔｃよりも低く設定された出力抑制温度、第２出力抑制温度に到達すると、出力される電力が抑制される（図１１、ステップＳ３→Ｓ１１、ステップＳ１７→Ｓ１８）ので、燃料電池セルスタック１４の温度変化が捉えにくく、温度上昇の検知が困難であるとしても、確実に電力降下反転温度Ｔｃを超えるのを防止することができる。
【０１３７】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の強制冷却温度以上に上昇すると、発電用空気流量調整ユニット４５により供給される発電用空気の供給量が増加される（図１１、ステップＳ１５→Ｓ１６）。このように、本実施形態においては、出力の制限と共に、発電用の空気による冷却を併用するので、効果的に燃料電池セルスタック１４の温度を低下させることができ、より確実に電力降下反転温度Ｔｃを超えるのを防止することができる。
【０１３８】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、温度域出力制限手段１１０ａの他に、電流域出力制限手段１１０ｂにより電力を抑制している（図１２）ので、より確実に燃料電池セルスタック１４に与える負担を軽減することができる。
【０１３９】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、出力電流がほぼ一定の状態における出力電圧の低下に基づいて（図１１、ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ６）、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知するので、より正確にスパイラル状態を判断することができる。
【０１４０】
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、出力電流がほぼ一定の状態における出力電圧の低下に基づいて、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知していたが、燃料電池モジュールからインバータに出力される電流の変化に対する燃料電池モジュールの出力電圧の変化に基づいて、インバータに出力する電力を制限することもできる。
【符号の説明】
【０１４１】
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 温度域出力制限手段
１１０ｂ 電流域出力制限手段
１１０ｃ 蓄熱量推定手段
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、需要電力に応じて可変の発電電力をインバータへ出力する固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
特開２００４−２６５６７１号公報（特許文献１）には、燃料電池の運転制御方法および装置が記載されている。この燃料電池においては、電池電圧を検出し、この電池電圧が低下した時、燃料電池に対する電力指令値を電流に換算した電流指令値を低下させている。電流制限器は、電池電圧が低下した時の電流指令値を制限値とし、この制限値を電池電圧の低下に応じて低下させる。具体的には、電池電圧が第１の閾値である電圧低下警報レベルに達したとき電池電流が低下し始め、電池電圧が第２の閾値である電圧低下保護レベルに達したとき電池電流が零となるように、電流指令値が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６５６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２００４−２６５６７１号公報記載の燃料電池においては、単に、燃料電池の電圧降下を検出して電流値に制限を加えているので、燃料電池セルを、劣化及び損傷から十分に保護することができないという問題がある。本件発明者は、燃料電池セルスタックから取り出すことのできる電力は、燃料電池セルスタックの温度（燃料電池モジュール内の温度）と深い関係があり、燃料電池セルスタックの温度が、所定の電力降下反転温度Ｔｃを超えると、燃料電池セルスタックから十分な電力が取り出せなくなるばかりでなく、その状態で燃料電池を運転すると、燃料電池セルスタックの損傷に繋がる場合があるという知見を得た。
【０００６】
一般に、可変の電力を出力可能な燃料電池においては、出力電力が少ない状態では燃料電池モジュール内の温度は低く、出力電力の増加と共に燃料電池モジュール内の温度が上昇することが知られている。さらに、燃料電池セルスタックの使用可能な温度帯域で電力を取り出す限りにおいては、温度が上昇するほど多くの電力を取り出すことが可能であると考えられていた。図１０は、本件発明者が見出した燃料電池モジュール内の温度と、出力可能な発電電力との関係を模式的に示すグラフである。図１０に示すように、出力電流を一定にしている状態でも出力電力はこの図のように変化する。具体的には、燃料電池モジュールが電力降下反転温度Ｔｃに到達するまでは、従来から考えられていたように、燃料電池モジュールから出力可能な発電電力は、温度の上昇と共に増加する。
【０００７】
しかしながら、燃料電池モジュール内の温度が所定の電力降下反転温度Ｔｃに到達すると、燃料電池モジュールから出力可能な発電電力は、温度の上昇と共に逆に低下し始めるのである。これは、燃料電池モジュールを構成する燃料電池セルが単純なセラミック材料からなるものではなく、各種の金属材料を含有するため、温度の上昇に伴ってセラミックは抵抗が低下するが、金属は反対に抵抗値が増大しこの総和が燃料電池のセルの改良を加えていく中で、取り出せる電力の低下を招く程度に留まらず、反転するような状況にまで至っていると考えられる。従って、近年の高性能な燃料電池セルからなる燃料電池モジュールがこのようなＴｃを超えるような温度帯域にある場合において、取り出す電力を増加させると、目標とする電力を取り出そうとして燃料電池モジュールから引き出される電流が増加し、これにより燃料電池モジュール内の温度が更に上昇する。燃料電池モジュール内の温度が更に上昇すると、取り出すことができる電力が抵抗値の増大に伴って更に低下するという負のスパイラルのような状況に陥る。よって、発電能力の低下や過昇温が発生した燃料電池モジュールから更に電力を取り出そうとすると、出力電流が増大し、燃料電池モジュール内の温度が益々上昇する。燃料電池モジュールの制御が、一旦、このようなスパイラル状態に陥ると、急速な電流増加と温度上昇が発生し、短時間で燃料電池セルスタックが損傷されてしまうという固体酸化物型燃料電池において特有の課題を招くものである。
【０００８】
従って、燃料電池モジュールを電力降下反転温度Ｔｃを超える温度帯域で運転することは絶対に回避する必要がある。しかしながら、燃料電池セルスタック及びこれを内蔵する燃料電池モジュールは極めて熱容量が大きく、温度変化が緩慢である。このため、燃料電池モジュール内の温度が、一旦上昇傾向に入ると、電力降下反転温度Ｔｃに接近していたとしても、温度上昇をくい止めることは容易ではない。また、熱容量の大きな各種材料にて構成された燃料電池モジュールでは温度変化が極めて緩慢であるため、この緩慢な温度変化環境に適合させるためにも温度検出センサの検出時定数を大きくして緩慢にしなければならない。よって、燃料電池モジュール内の温度の上昇傾向、下降傾向を迅速に把握することが困難となる。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止す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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、需要電力に応じて可変の発電電力をインバータへ出力する固体酸化物型燃料電池であって、所定の電力降下反転温度以下の温度では、温度上昇と共に出力可能な電力が増加し、電力降下反転温度を超えると温度上昇と共に出力可能な電力が低下する特性を備えた燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールと、燃料電池セルスタックに燃料を供給する燃料供給手段と、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できるように、燃料供給手段、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、燃料電池セルスタックの温度が電力降下反転温度より低い温度帯域で通常の出力電力制御を行う一方で、上記電力降下反転温度以上の温度帯域にあると推定される場合では、燃料電池モジュールからの出力電流を制限し、所定の出力電流に固定する温度域出力制限手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
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、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、電力降下反転温度より低い温度帯域では需要電力に応じた出力電力を生成させる。一方で万が一にも一時的な過昇温が発生して電力降下反転温度を超えるような状況になっても、制御手段に備えられた温度域出力制限手段が、燃料電池モジュールからの出力電流を制限し所定の出力電流に固定する。
【００１２】
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止することができる。即ち、燃料電池セルスタックの温度が電力降下反転温度以上であると推定される場合、燃料電池モジュールからの出力電流を増加させようとすると、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥ってしまう。しかし本件発明にあっては、このような場合には、出力電流を少量の出力電流に固定することにより、出力電流の増加が規制されるだけでなく、出力電流をゼロにせず少量でも発電を継続させることによって、発電を禁止したことによって生じる残余燃料の増加を防止して残余燃料の増加に伴う、燃料電池モジュール内の更なる温度上昇を抑制して速やかに温度を低下させ電力降下反転温度以下まで低下させることができる。また、出力電流を一定の電流に固定することにより、出力電流の増加、減少を防止できるため、燃料電池セルの保護のために設けられる出力電流より先行して燃料を供給する余剰燃料も減少でき、この点からも速やかに燃料電池モジュール内の電力降下反転温度以下まで低下させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、温度域出力制限手段は、燃料電池セルスタックの温度が、電力降下反転温度よりも低く設定された所定の出力抑制温度に到達すると、インバータへ出力する電力を抑制する。
【００１４】
このように構成された本発明によれば、電力降下反転温度よりも低く設定された出力抑制温度に到達すると、出力される電力が抑制されるので、燃料電池モジュール内の温度変化が捉えにくく、温度上昇の検知が遅れた場合でも、温度検出遅れに対する安全マージンを備えている状況とできるため確実に電力降下反転温度を超えるのを防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池セルスタックの温度が、電力降下反転温度よりも低く設定された所定の強制冷却温度以上に上昇すると、発電用の酸化剤ガスの供給量を増加させ、燃料電池セルスタックを冷却する。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、出力の制限と共に、発電用の酸化剤ガスによる冷却を併用するので、効果的に燃料電池モジュール内の温度を低下させることができ、より確実に電力降下反転温度を超えるのを防止することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、さらに、所定の電力をインバータに出力するために必要な出力電流が、電力に応じて定められた所定の電流以上になると、インバータへ出力する電力を抑制する電流域出力制限手段を有する。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、温度域出力制限手段の他に、電流域出力制限手段による電力の抑制を加えることによって、より確実に燃料電池セルスタックに与える負担を軽減することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、温度域出力制限手段は、燃料電池モジュールからインバータに出力される電流の変化に対する燃料電池モジュールの出力電圧の変化に基づいて、インバータに出力する電力を制限する。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、出力される電流の変化に対する出力電圧の変化に基づいて電力が制限されるので、燃料電池セルスタックの温度に基づいて、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知するよりも、よりスパイラル状態に陥るのを確実に防止することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、温度域出力制限手段は、燃料電池モジュールからインバータに出力される電流がほぼ一定の状態において、燃料電池モジュールの出力電圧が所定の電力降下反転温度判断電圧以上低下した場合に、インバータに出力する電力を制限する。
【００２２】
このように構成された本発明によれば、出力電流がほぼ一定の状態における出力電圧の低下に基づいて、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知するので、より正確にスパイラル状態を判断することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池モジュールが温度上昇と電流増加のスパイラル状態に入るのを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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。
【図２】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３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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１０】燃料電池モジュール内の温度と発電電力の関係を示すグラフである。
【図１１】制御部に内蔵された温度域出力制限手段による制御のフローチャートである。
【図１２】制御部に内蔵された電流域出力制限手段による制限を示すグラフである。
【図１３】検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。
【図１４】発電電流に対する適正な燃料電池セルスタックの温度を示すグラフである。
【図１５】積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。
【図１６】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１７】積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。
【図１８】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。
【図１９】決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
次に、図９乃至図１２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１０は、燃料電池モジュール内の温度と発電電力の関係を示すグラフである。図１１は、制御部に内蔵された温度域出力制限手段による制御のフローチャートである。図１２は、制御部に内蔵された電流域出力制限手段による制限を示すグラフである。
【００６６】
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最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは最大定格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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
図１０は、本発明の実施形態における燃料電池セルスタック１４の温度と、インバータ５４へ出力可能な電力との関係を模式的に示すグラフである。図１０に示すように、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃである７５０℃に到達するまでは、燃料電池モジュール２から出力可能な電力は、温度の上昇と共に増加する。本実施形態における燃料電池モジュール２は、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の電力降下反転温度Ｔｃに到達すると、燃料電池モジュール２から出力可能な電力は、温度の上昇と共に逆に低下し始めるという特性を有する。なお、図１０に示す特性は、燃料電池モジュール２から出力される電流を一定とした状態における出力電力として測定されている。また、本明細書において、燃料電池セルスタック１４の温度とは、燃料電池セルスタック１４の温度が反映される任意の温度を意味しており、燃料電池モジュール２内に配置された任意の温度検出手段による検出温度を、燃料電池セルスタック１４の温度として使用することができる。
【００７０】
燃料電池モジュール２は図１０のような特性を有するため、燃料電池セルスタック１４が電力降下反転温度Ｔｃ以上の温度帯域にある場合において、インバータ５４へ取り出す電力を増加させると、燃料電池モジュール２から引き出される電流が増加し、これにより燃料電池セルスタック１４の温度は上昇する。燃料電池セルスタック１４の温度が上昇すると、出力可能な電力が更に低下する。発電能力の低下した燃料電池モジュール２から更に電力を取り出そうとすると、出力電流が増大し、燃料電池セルスタック１４の温度が益々上昇する。燃料電池モジュール２の制御が、一旦、このようなスパイラル状態に陥ると、急速な電流増加と温度上昇が発生し、短時間で燃料電池セルスタック１４が損傷されてしまう虞がある。
【００７１】
制御部１１０に内蔵されている温度域出力制限手段１１０ａ（図６）は、燃料電池モジュール２の制御が上記のようなスパイラル状態に陥るのを防止するために、燃料電池モジュール２内を図１０に斜線で示す使用帯域温度である５５０〜６５０℃に維持するように作用する。具体的には、温度域出力制限手段１１０ａは図１１に示す制御フローを実行する。なお、図１１に示す制御フローは、固体酸化物型燃料電池１の運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００７２】
まず、図１１のステップＳ１において、温度域出力制限手段１１０ａは、温度域出力予備制限フラグＦ２の値を判断する。温度域出力予備制限フラグＦ２は、温度域出力制限手段１１０ａによる出力電力の予備的な制限が行われているか否かを表すフラグであり、出力電力の予備的な制限が行われている場合にはＦ２＝１、行われていない場合にはＦ２＝０にされる。ステップＳ１において、温度域出力予備制限フラグＦ２＝１である場合にはステップＳ８に進み、Ｆ２＝０である場合にはステップＳ２に進む。
【００７３】
次に、ステップＳ２において、温度域出力制限手段１１０ａは、温度域出力制限フラグＦ１の値を判断する。温度域出力制限フラグＦ１は、温度域出力制限手段１１０ａによる出力電力の制限が行われているか否かを表すフラグであり、出力電力の制限が行われている場合にはＦ１＝１、行われていない場合にはＦ１＝０にされる。ステップＳ２において、温度域出力制限フラグＦ１＝１である場合にはステップＳ１３に進み、Ｆ１＝０である場合にはステップＳ３に進む。
【００７４】
ステップＳ３においては、温度検出手段である発電室温度センサ１４２（図６）によって検出された燃料電池セルスタック１４の温度が、第２出力抑制温度である６５０℃以上であるか否かが判断される。第２出力抑制温度以上である場合にはステップＳ１１に進み、第２出力抑制温度以上でない場合には、ステップＳ４に進む。
【００７５】
ステップＳ４においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出されている電流がほぼ一定であるか否かが判断される。本実施形態においては、温度域出力制限手段１１０ａは、直近の過去３分間においてインバータ５４へ取り出されている電流の変動が±１００ｍＡ以下である場合には、電流がほぼ一定であると判断する。このように、インバータ５４へ取り出される電流がほぼ一定となる状態は、例えば、需要電力が固体酸化物型燃料電池１の定格電力よりも大きい値で変動する状態が継続し、燃料電池モジュール２が定格電力を出力するように運転されている場合や、需要電力が一定の状態が所定時間以上連続し、その電力を出力するように燃料電池モジュール２が運転されている場合に発生する。電流がほぼ一定であると判断された場合にはステップＳ５に進み、一定でない場合には図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００７６】
次に、ステップＳ５においては、ステップＳ４において判断された出力電流が一定である期間において、所定の電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生したか否かが判断される。本実施形態においては、温度域出力制限手段１１０ａは、電流がほぼ一定であった３分間で、３Ｖ以上電圧が低下した場合、電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生したと判断する。電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生したと判断された場合にはステップＳ６に進み、電圧降下が発生していない場合には図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が、第２出力抑制温度未満であり、電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生していない状況では、燃料電池セルスタック１４が電力降下反転温度に達していることは考えられないため、電力の制限を行うことなく、図１１のフローチャートの処理を終了する。
【００７７】
一方、ステップＳ６においては、電力降下反転温度判断電圧以上の電圧降下が発生していたため、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出し可能な電流として、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが５０％減少される。即ち、図９により説明したように、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、燃料電池モジュール２に供給されている燃料の量に対応して、インバータ５４が取り出すことができる電流値として、インバータ５４に指示されている電流値である。温度域出力制限手段１１０ａは、この取出可能電流値Ｉｉｎｖを５０％減少させ、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出される電流を低下させる。
【００７８】
なお、５０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。燃料電池モジュール２から取り出される電流が１Ａ以下に低下すると、発電に使用されずに残り、燃焼室１８において燃焼される燃料が増加し、却って燃料電池セルスタック１４の温度を上昇させてしまう場合がある。このため、１Ａ程度の電流出力を継続する方が、燃料電池セルスタック１４の温度を低下させるために有利である。
【００７９】
このように、出力電流がほぼ一定であるにも関わらず電圧降下が発生している場合（ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ６の経路）には、燃料電池セルスタック１４の一部が電力降下反転温度Ｔｃに達している可能性がある。従って、この場合には、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出す電流を大幅に低下させて、燃料電池モジュール２が電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥るのを確実に防止する。
【００８０】
次いで、ステップＳ７においては、温度域出力予備制限フラグＦ２の値が１に変更されると共に、出力予備制限タイマーの積算が開始され、図１１のフローチャートの処理を終了する。
【００８１】
温度域出力予備制限フラグＦ２の値が１に変更された後、図１１のフローチャートが実行されると、ステップＳ１→Ｓ８に処理が進む。ステップＳ８においては、ステップＳ７における出力予備制限タイマーの積算開始後１５分経過したか否かが判断される。１５分経過している場合にはステップＳ９に進み、経過していない場合には、そのまま図１１のフローチャートの処理を終了する。即ち、出力予備制限タイマーの積算開始後１５分間は、ステップＳ６において設定された取出可能電流値Ｉｉｎｖを５０％減少させた状態が継続される。
【００８２】
なお、本実施形態においては、出力予備制限タイマーの積算開始後１５分間は、燃料電池セルスタック１４温度の判断を行わず、取出可能電流値Ｉｉｎｖ５０％減の状態を維持しているが、変形例として、出力予備制限タイマーの積算中（ステップＳ８の後）、図１１のステップＳ１３乃至Ｓ１８の処理が行われるように、本発明を構成することもできる。
【００８３】
出力予備制限タイマーの積算開始後１５分経過すると、ステップＳ９が実行される。ステップＳ９においては、ステップＳ６において設定された取出可能電流値Ｉｉｎｖの制限が解除される。次いで、ステップＳ１０においては、温度域出力予備制限フラグＦ２の値が０に戻される。これらの温度域出力予備制限フラグＦ２を使用した一連の処理は、検出されている燃料電池セルスタック１４の温度は第２出力抑制温度である６５０℃に到達していない（ステップＳ３）が、出力電流がほぼ一定の状態で出力電圧が降下している状態（ステップＳ４、Ｓ５）であるため、予備的に出力制限を実行（ステップＳ６）し、１５分間その状態を維持する（ステップＳ８）ものである。即ち、発電室温度センサ１４２によって検出される燃料電池セルスタック１４の温度は、燃料電池セルスタック１４の温度を直接測定したものではなく、また、実際の燃料電池セルスタック１４の温度変化に対して遅れて値が変化する。このため、燃料電池セルスタック１４の温度（発電室温度センサ１４２によって検出された温度）が第２出力抑制温度に到達していない状態であっても、出力電圧の降下が発生している場合には、燃料電池セルスタック１４の一部が電力降下反転温度Ｔｃに到達していることが疑われるため、予備的な出力制限が行なわれる。予備的な出力制限が所定時間実行された後は、一旦出力制限が解除され、出力制限が必要な状態であるか否か、ステップＳ３以下において改めて判断される。
【００８４】
一方、ステップＳ３において、燃料電池セルスタック１４の温度が第２出力抑制温度以上であると判断された場合にはステップＳ１１に進み、ステップＳ１１においては発電電力の制限が行われる。ステップＳ１１においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出し可能な電流として、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが３０％減少される。このように、発電室温度センサ１４２によって検出された代表的な温度が、第２出力抑制温度以上である場合には、燃料電池セルスタック１４の一部が電力降下反転温度Ｔｃに達している可能性があるため、発電電力の制限を行うことにより、燃料電池セルスタック１４の温度のこれ以上の上昇を抑制する。なお、３０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。
【００８５】
さらに、ステップＳ１２において温度域出力制限フラグＦ１の値が１に変更され、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、温度域出力制限手段１１０ａは、燃料電池モジュール２が電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥る危険性が高くなったと判断し、温度域出力制限フラグＦ１を１にする。これにより、以後、図１１のフローチャートが実行された場合には、燃料電池セルスタック１４の温度が十分低下するまで、ステップＳ１３以下の温度域出力制限制御が実行される。温度域出力制限フラグＦ１は、温度域出力制限中であることを示すフラグである。
【００８６】
一方、温度域出力制限フラグＦ１が１に変更されると、ステップＳ１、Ｓ２に続いて、ステップＳ１３以下が実行される。
ステップＳ１３においては、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃである７５０℃以上であるか否かが判断される。燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃ以上である場合にはステップＳ１４に進み、電力降下反転温度Ｔｃ以上でない場合にはステップＳ１５に進む。
【００８７】
ステップＳ１４においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖが所定の温度低下電流である１Ａに固定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。さらに、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によって燃料電池モジュール２内に供給される発電用の空気が４０％増量される。これにより、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４を、発電用の空気の流れによって冷却し、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度Ｔｃ以上である場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖが燃料電池セルスタック１４の温度を最も効率的に低下させることができる低い電流値に固定され、燃料電池モジュール２が電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥るのを防止する。
【００８８】
後述するように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、燃料電池モジュール２内の温度が高く、断熱材７等に多量の熱量が蓄積されている場合には、制御部１１０は燃料利用率を高めた（燃料供給量を少なくした）運転を実行する。燃料利用率を高めた運転が行われると、断熱材７等に蓄積された熱が、燃料電池モジュール２を熱自立させるために消費されるので、燃料電池モジュール２内の温度は低下する。また、燃料電池モジュール２内の温度は、燃料電池セルスタック１４から電流が全く取り出されていない状態よりも、１Ａ程度の少量の電流が取り出されている状態の方が、低下されやすい。これは、電流が全く取り出されていない状態では、供給された燃料が全て燃焼室１８内で燃焼され、加熱に利用されるのに対して、燃料供給量の少ない状態で少量の電流を取り出した方が、燃焼室１８内で燃焼される燃料が減少し、温度が低下されやすい。このため、本実施形態においては、温度低下電流として、１Ａ一定の電流を取り出して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させている。
【００８９】
さらに、燃料電池モジュール２から取り出される電流を一定とすることにより、燃料電池モジュール２内の温度を効果的に低下させることができる。これは、図９により説明したように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる場合には、前もって燃料供給量を増加させておき、所定時間遅れて取出可能電流値Ｉｉｎｖが増加される。このため、燃料供給量を増加させた後、実際に電流が取り出されるまでの間に供給された燃料は、余剰燃料となり、燃焼室１８内において燃焼され、燃料電池モジュール２内の温度が上昇される。従って、取り出される電流を一定とすることにより、余剰燃料が減少し、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向にすることができる。なお、需要電力が著しく減少した場合、燃料電池モジュール２から取り出す必要のある電流は、１Ａ未満になる場合がある。このような場合には、補機ユニット４等を作動させるための電力として、固体酸化物型燃料電池１の内部で電力を消費するように、固体酸化物型燃料電池１を構成することもできる。これにより、燃料電池モジュール２から取り出される電流を、温度低下電流に完全に固定することができる。
【００９０】
一方、ステップＳ１５においては、燃料電池セルスタック１４の温度が強制冷却温度である７４０℃以上であるか否かが判断される。燃料電池セルスタック１４の温度が強制冷却温度以上、電力降下反転温度Ｔｃ未満である場合にはステップＳ１６に進み、強制冷却温度以上でない場合にはステップＳ１７に進む。
【００９１】
ステップＳ１６においては、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが７０％減少される。なお、７０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。さらに、ステップＳ１６においては、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によって燃料電池モジュール２内に供給される発電用の空気が３０％増量される。これにより、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４を、発電用の空気の流れによって冷却し、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００９２】
一方、ステップＳ１７においては、燃料電池セルスタック１４の温度が、出力抑制温度である７２０℃以上であるか否かが判断される。出力抑制温度以上である場合にはステップＳ１８に進み、出力抑制温度以上でない場合にはステップＳ１９に進む。なお、本実施形態においては、出力抑制温度は、電力降下反転温度Ｔｃよりも３０℃低く設定されている。
【００９３】
ステップＳ１８においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ取り出し可能な電流として、インバータ５４へ指示される取出可能電流値Ｉｉｎｖが５０％減少され、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。なお、５０％減少された取出可能電流値Ｉｉｎｖが１Ａを下回る場合は、取出可能電流値Ｉｉｎｖは１Ａに設定される。また、燃料電池モジュール２に供給される燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）も、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した値に減少される。
【００９４】
一方、ステップＳ１９においては、燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度である６４０℃以下であるか否かが判断される。燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度以下である場合にはステップＳ２０に進み、通常使用温度を超えている場合は、従前の取出可能電流値Ｉｉｎｖを維持したまま図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００９５】
ステップＳ２０では、取出可能電流値Ｉｉｎｖの制限を解除すると共に、温度域出力制限フラグＦ１を０にし、図１１のフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度以下まで低下している場合は、電流増加と温度上昇のスパイラル状態に陥る危険性はないと判断され、温度域出力制限フラグＦ１が０に戻され、温度域出力制限制御を終了する。なお、温度域出力制限フラグＦ１を１に変更し、温度域出力制限制御を開始させる第２出力抑制温度が６５０℃に設定され（ステップＳ３）、温度域出力制限制御を終了させる通常使用温度が６４０℃に設定されているのは、温度域出力制限制御の開始と解除が繰り返されるハンチング現象を防止するためである。一方、燃料電池セルスタック１４の温度が通常使用温度を超えている場合は、温度域出力制限フラグＦ１は１のまま維持され、温度域出力制限制御が継続される。
【００９６】
次に、図１２を参照して、制御部１１０に内蔵された電流域出力制限手段１１０ｂ（図６）による電力出力の制限を説明する。この電流域出力制限手段１１０ｂによる出力の制限は、所定の電力を出力するために必要な電流が所定の電流を超えた場合に、それ以上電流を増加させることなく、出力を制限するというものであり、このような出力制限機能は、従来の固体酸化物型燃料電池にも備えられていたものである。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、上述した温度域出力制限手段１１０ａによる出力制限機能と、この電流域出力制限手段１１０ｂによる出力制限機能の両方を備えており、これらが必要に応じて出力に制限を加えている。
【００９７】
図１２における曲線Ｐ１、Ｐ２は、燃料電池モジュール２の出力電圧と出力電流の関係を表している。また、曲線Ｑ１、Ｑ２は、燃料電池モジュール２から所定の電力を出力するために必要な電圧と電流の関係を示す曲線である。曲線Ｑ１は、固体酸化物型燃料電池１の定格電力である７００Ｗを出力するために必要な電圧と電流の関係を示し、曲線Ｑ２は、５９０Ｗを出力するために必要な電圧と電流の関係を示している。
【００９８】
固体酸化物型燃料電池１の初期使用時等には、燃料電池モジュール２の出力電圧と出力電流は、ほぼ曲線Ｐ１の曲線に従う。従って、５９０Ｗを出力する際には、曲線Ｐ１と曲線Ｑ２の交点Ｒ２の電圧値、電流値となる。ここで、出力電力を７００Ｗに増加させると、出力電流が増加すると共に、出力電圧が低下する。これにより、曲線Ｐ１と曲線Ｑ１の交点Ｒ１の電圧値、電流値により、７００Ｗの電力が出力される。
【００９９】
ここで、燃料電池セルスタック１４が劣化した場合等、何らかの原因で燃料電池モジュール２の発電能力が低下すると、燃料電池モジュール２の出力電圧と出力電流は、例えば、曲線Ｐ２の曲線に従うようになる。このように、燃料電池モジュール２の発電能力が低下した場合、５９０Ｗを出力する際の電圧値、電流値は、曲線Ｐ２と曲線Ｑ２の交点Ｒ４になる。このように、燃料電池モジュール２の発電能力が低下すると、同一の電力を出力するために必要な電流が増加すると共に、その際の電圧が低下する。この状態においては、燃料電池モジュール２から７００Ｗの電力を得るためには、曲線Ｐ２と曲線Ｑ１が交わる交点Ｒ３における電流が必要となる。
【０１００】
しかしながら、交点Ｒ３のように出力電流が増加してしまうと、燃料電池セルスタック１４の劣化が急激に進行し、或いは、燃料電池セルスタック１４が損傷されてしまう場合がある。そこで、電流域出力制限手段１１０ｂは、電流制限ラインＬ１により出力電流を制限し、電流制限ラインＬ１よりも右側の電流値、電圧値による電力出力を制限している。なお、燃料電池セルスタック１４の劣化の進行度合いにより、電流制限ラインを図１２において左側にシフトさせることもできる。
【０１０１】
次に、図１３乃至１９を参照して、要求される発電量及び発電室温度センサ１４２による検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
図１３は、検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図１４は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック１４の温度を示すグラフである。図１５は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図１６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１７は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図１８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。図１９は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。
【０１０２】
図１４に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２によって生成すべき電流（図９における燃料供給電流値Ｉｆ）に対して、適正な燃料電池セルスタック１４の温度Ｔｓ（Ｉ）が規定されている。制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の温度が、適正な温度Ｔｓ（Ｉ）に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部１１０は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が高い場合（燃料電池セルスタック１４の温度が図１４の一点鎖線よりも上にある場合）には、燃料利用率を高め、断熱材７等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Ｔｄのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Ｔｄ等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ｃ（図６）により計算される。
【０１０３】
図１３に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって検出された検出温度Ｔｄ等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。
【０１０４】
まず、図１３のステップＳ３１においては、検出温度Ｔｄ及び図１４に基づいて、第１加減算値Ｍ１が計算される。まず、検出温度Ｔｄが、燃料電池セルスタック１４の適正温度Ｔｓ（Ｉ）に対して、所定の温度範囲内（図１４の２本の実線の間）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は０にされる。
即ち、検出温度Ｔｄが、
Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ≦Ｔｄ≦Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ
の範囲内にある場合には、第１加減算値Ｍ１＝０にされる。ここで、Ｔｅは第１加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第１加減算値閾値温度Ｔｅは３℃である。
【０１０５】
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、
Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ （４）
の範囲内（図１４における下側の実線よりも下）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）） （５）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、負の値（減算値）となる。なお、Ｋｉは、所定の比例定数である。
【０１０６】
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、
Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ （６）
の範囲内（図１４における上側の実線よりも上）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）） （７）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、正の値（加算値）となる。このように、第１加減算値Ｍ１は、検出温度Ｔｄの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ｔｓ（Ｉ）は、発電電流（電力）に応じて異なるように設定され、この適正温度Ｔｓ（Ｉ）に基づいて決定される（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）の値、及び（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）の値に基づいて、第１加減算値Ｍ１が正又は負の値に決定される。
【０１０７】
なお、検出温度Ｔｄが（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えると、第１加減算値Ｍ１は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第１加減算値Ｍ１等の積算値Ｎ１ｉｄが０まで低下した時点となる。このため、検出温度Ｔｄが燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）よりも低下した後も、暫時、積算値Ｎ１ｉｄは０よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。従って、高効率制御から目標温度域制御に復帰する目標温度域制御復帰温度は、燃料利用率変更温度よりも低い温度になる。
【０１０８】
次に、図１３のステップＳ３２においては、最新の検出温度Ｔｄ、及び１分前に検出された検出温度Ｔｄｂに基づいて、第２加減算値Ｍ２が計算される。まず、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は０にされる。なお、本実施形態においては、第２加減算値閾値温度は１℃である。
【０１０９】
また、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差である変化温度差が所定の第２加減算値閾値温度以上の場合には、第２加減算値Ｍ２は、
Ｍ２＝Ｋｄ×（Ｔｄ−Ｔｄｂ） （８）
によって計算される。この第２加減算値Ｍ２は、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合には正の値（加算値）となり、検出温度Ｔｄが低下傾向にある場合には負の値（減算値）となる。なお、Ｋｄは、所定の比例定数である。従って、検出温度Ｔｄが上昇している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第２加減算値Ｍ２が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第２加減算値Ｍ２は大きく減少される。
【０１１０】
なお、本実施形態においては、比例定数Ｋｄは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Ｋｄを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Ｋｄの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Ｋｄの変更を組み合わせることもできる。
【０１１１】
次いで、図１３のステップＳ３３においては、ステップＳ３１で計算された第１加減算値Ｍ１、及びステップＳ３２で計算された第２加減算値Ｍ２を、第１積算値Ｎ１ｉｄに積算する。第１積算値Ｎ１ｉｄには、第１加減算値Ｍ１により、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第２加減算値Ｍ２により、直近の検出温度Ｔｄの変化が反映される。即ち、第１積算値Ｎ１ｉｄは、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図１３のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに、第１加減算値Ｍ１及び第２加減算値Ｍ２が加算又は減算され、新たな第１積算値Ｎ１ｉｄに更新される。第１積算値Ｎ１ｉｄは、０〜４の間の値をとるように制限されており、第１積算値Ｎ１ｉｄが４に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで４に保持され、第１積算値Ｎ１ｉｄが０まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで０に保持される。
【０１１２】
なお、ステップＳ３３においては、第１積算値Ｎ１ｉｄに加え、第２積算値Ｎ２ｉｄの値も計算する。第２積算値Ｎ２ｉｄは、後述するように、燃料電池モジュール２に劣化が発生するまでは、第１積算値Ｎ１ｉｄと全く同様に計算され、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値を取る。
【０１１３】
なお、上記のように、本実施形態においては、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の和を第１積算値Ｎ１ｉｄに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｍ１＋Ｍ２ （９）
により、第１積算値Ｎ１ｉｄを計算している。ここで、変形例として、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第１積算値Ｎ１ｉｄは、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｋｍ×Ｍ１×Ｍ２ （１０）
により計算される。ここで、Ｋｍは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は１にされる。
【０１１４】
さらに、図１３のステップＳ３４においては、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、図１５及び図１６のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図１５は、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに対する燃料利用率Ｕｆの設定値を示すグラフである。図１５に示すように、第１積算値Ｎ１ｉｄが０である場合には、燃料利用率Ｕｆは最小値である最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎに設定される。また、第１積算値Ｎ１ｉｄの増加と共に燃料利用率Ｕｆも増加し、第１積算値Ｎ１ｉｄ＝１において最大値である最大燃料利用率Ｕｆｍａｘとなる。この間、燃料利用率Ｕｆは、第１積算値Ｎ１ｉｄが小さい領域では傾きが小さく、第１積算値Ｎ１ｉｄが１に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ｕｆが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ｕｆを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第１積算値Ｎ１ｉｄが１よりも大きい場合には、燃料利用率Ｕｆは最大燃料利用率Ｕｆｍａｘに固定される。これらの最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体的な値は、発電電流（図９における燃料供給電流値Ｉｆ）に基づいて、図１６に示すグラフにより決定される。このように、断熱材７等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。
【０１１５】
図１６は、各発電電流に対し、燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕｆの最大値及び最小値が示されている。図１６に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの直線上の燃料利用率が設定された場合には、断熱材７等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール２は熱的に自立することができる。
【０１１６】
一方、最大燃料利用率Ｕｆｍａｘは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲（最大燃料利用率Ｕｆｍａｘと最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの差）は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ｕｆを高める（燃料供給量を減じる）余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ｕｆを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。
【０１１７】
また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール２内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ｕｆを改善し、断熱材７等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール２内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール２の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。
【０１１８】
図１３のステップＳ３４においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体値を、図１６のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘを図１５のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、燃料利用率Ｕｆを決定する。
【０１１９】
次に、図１３のステップＳ３５においては、第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、図１７及び図１８のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図１７は、計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに対する空気利用率Ｕａの設定値を示すグラフである。図１７に示すように、第２積算値Ｎ２ｉｄが０乃至１である場合には、空気利用率Ｕａは最大値である最大空気利用率Ｕａｍａｘに設定される。さらに、第２積算値Ｎ２ｉｄが１を超えて増加すると共に空気利用率Ｕａは低下し、第２積算値Ｎ２ｉｄ＝４において最小値である最小空気利用率Ｕａｍｉｎとなる。このように、空気利用率Ｕａを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図１７に示す空気利用率Ｕａの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体的な値は、発電電流に基づいて、図１８に示すグラフにより決定される。
【０１２０】
図１８は、各発電電流に対し、空気利用率Ｕａがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕａの最大値及び最小値が示されている。図１８に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Ｕａｍａｘは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Ｕａｍｉｎは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Ｕａを、最大空気利用率Ｕａｍａｘよりも低下させる（空気供給量を増大させる）ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール２内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール２内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Ｕａを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Ｕａｍｉｎを低下（空気供給量を増加）させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Ｕａｍｉｎに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Ｕａｍｉｎが図１８において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図１７のグラフによって設定された空気利用率Ｕａを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Ｕａに関わらず、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Ｕａは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図１８に破線で示された部分の最小空気利用率Ｕａｍｉｎを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Ｕａを、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎと記載する。
【０１２１】
図１３のステップＳ３５においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体値を、図１８のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘを図１７のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、空気利用率Ｕａを決定する。
【０１２２】
次に、図１３のステップＳ３６においては、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａに基づき、図１９を使用して水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃを決定する。
図１９は、横軸を空気利用率Ｕａ、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比Ｓ／Ｃとしたグラフである。
【０１２３】
まず、ステップＳ３５において設定された空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域（図１９におけるＵａｍａｘ〜ＵＬａｍｉｎ間）では、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃの値は、２．５に固定される。なお、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。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。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。
【０１２４】
次に、ステップＳ３５において設定される空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図１９のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃが決定される。図１９において、横軸は空気利用率Ｕａであり、空気利用率Ｕａが大きく、最大空気利用率Ｕａｍａｘに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Ｕａを低下させ、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ（図１８における破線）に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Ｕａは限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎになる。図１９に示すように、空気利用率Ｕａが限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも大きい（空気供給量が少ない）場合には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５に設定される。さらに、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも小さい（空気供給量が多い）場合（図１９におけるＵａｍｉｎ〜ＵＬａｍｉｎ間）には、空気利用率Ｕａの減少と共に水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃは増大され、最小空気利用率Ｕａｍｉｎにおいて、Ｓ／Ｃ＝３．５に設定される。即ち、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎにより実現できない場合（空気利用率Ｕａが図１８の斜線の範囲内に決定された場合）には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器２０から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Ｕａを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水（水蒸気）は、冷却用の流体として作用するので、図１９に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。
【０１２５】
ステップＳ３７においては、ステップＳ３４、Ｓ３５、及びＳ３６において決定された燃料利用率Ｕｆ、空気利用率Ｕａ、及び水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ｕｆで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Ｕａで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップＳ３６において決定された水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃに基づいて、水供給量を計算する。
【０１２６】
次いで、ステップＳ３８において、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、ステップＳ３７において計算された量の燃料、空気、及び水を供給し、図１３のフローチャートの１回の処理を終了する。
【０１２７】
次に、図１３のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図１３のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、０．５秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その２倍の１秒、４倍の２秒、８倍の４秒毎に実行される。これにより、第１及び第２加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第１又は第２積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段１１０ｃは、出力電流（発電電力）が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。
【０１２８】
次に、図１３のフローチャートによって実現される固体酸化物型燃料電池の作用を説明する。
まず、ステップＳ３３において計算される第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０である場合には、ステップＳ３４において決定される燃料利用率Ｕｆが、その発電電流における最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ（燃料供給量最大）に設定される。これにより、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０であり、断熱材７等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール２が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップＳ３３において計算される第２積算値Ｎ２ｉｄの値が、第１積算値Ｎ１ｉｄと同様に０である場合には、ステップＳ３５において決定される空気利用率Ｕａが、その発電電流における最大空気利用率Ｕａｆｍａｘ（空気供給量最小）に設定される。このため、燃料電池モジュール２に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック１４が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック１４の温度を上昇傾向にすることができる。
【０１２９】
次に、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は正値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０よりも大きくなる。これにより、図１５において、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎよりも高い燃料利用率Ｕｆが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ｕｆは、推定蓄熱量に対応した第１積算値Ｎ１ｉｄの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ｕｆが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材７等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材７等に蓄積された熱量が利用されるので、発電を継続しながら燃料電池モジュール２内の温度上昇が抑制される。Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で運転が継続されると、正値の第１加減算値Ｍ１の積算が繰り返され、第１積算値Ｎ１ｉｄの値も増大する。第１積算値Ｎ１ｉｄが１に達すると、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に設定される。このように、燃料電池モジュール２に供給される燃料は、断熱材７等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Ｔｄの過去の履歴に基づいて決定される。
【０１３０】
第１積算値Ｎ１ｉｄが更に増大し、１を超えた場合においても、図１５に示すように、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に維持される。一方、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値をとる第２積算値Ｎ２ｉｄの値（燃料電池モジュール２が劣化していない場合）も１を超えるので、図１７に基づいて、空気利用率Ｕａが低下（空気供給量増加）される。これにより、燃料電池モジュール２内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。
【０１３１】
これに対して、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は負値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値は減少される。これにより、燃料利用率Ｕｆは、維持（第１積算値Ｎ１ｉｄ＞１）又は低下（第１積算値Ｎ１ｉｄ≦１）される。また、空気利用率Ｕａは、増大（第２積算値Ｎ２ｉｄ＞１）又は維持（第２積算値Ｎ２ｉｄ≦１）される。これにより、燃料電池モジュール２内の温度を上昇傾向にすることができる。
【０１３２】
以上は、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される第１加減算値Ｍ１のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第１積算値Ｎ１ｉｄ及び第２積算値Ｎ２ｉｄは、第２加減算値Ｍ２によっても影響を受ける。燃料電池モジュール２、特に、燃料電池セルスタック１４は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Ｔｄの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Ｔｄが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Ｔｄが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Ｔｄに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第１、第２積算値を修正する必要がある。
【０１３３】
即ち、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上高い場合には、第２加減算値Ｍ２が正の値となり、第１、第２積算値が増大される。これにより、検出温度Ｔｄが上昇傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上低い場合には、第２加減算値Ｍ２が負の値となり、第１、第２積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ１４２により検出された最新の検出温度Ｔｄと、過去の検出温度Ｔｄｂとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第２加減算値Ｍ２が計算される。従って、検出温度Ｔｄが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域では最大燃料利用率Ｕｆｍａｘも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Ｔｄが低下傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Ｔｄに基づいて決定された第１加減算値Ｍ１の積算値、及び新しく検出された検出温度Ｔｄと過去に検出された検出温度Ｔｄｂの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される基本推定値である第１加減算値Ｍ１の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Ｔｄの変化率に基づいて計算される速応推定値である第２加減算値Ｍ２に基づいて、蓄熱量推定手段１１０ｃにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。
【０１３４】
なお、燃料電池モジュール２の温度変化は、検出温度ＴｄとＴｄｂを検出する間隔である１分に比して極めて緩慢であるため、第２加減算値Ｍ２は０である場合が多い。このため、第１、第２積算値は、主に第１加減算値Ｍ１によって支配され、検出温度Ｔｄの上昇又は低下傾向が現れたとき、第２加減算値Ｍ２が、第１、第２積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第２加減算値Ｍ２によって直近の検出温度Ｔｄの変化が加味される。このため、直近の検出温度Ｔｄの変化が大きい（第２加減算値閾値温度以上の変化）場合には、第２加減算値Ｍ２が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ｕｆが大幅に変更される。
【０１３５】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池モジュール２が温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥るのを確実に防止することができる。即ち、燃料電池セルスタック１４の温度が電力降下反転温度以上である場合や、燃料電池セルスタック１４の温度上昇と共に燃料電池セルスタック１４の出力電圧が低下する状態では、燃料電池モジュール２からの出力電流を増加させようとすると、燃料電池モジュール２が温度上昇と電流増加のスパイラル状態に陥ってしまう（図１０）。従って、このような場合には、出力電流を少量の温度低下電流に固定することにより、発電に使用されずに残る残余燃料を減少させながら、燃料電池モジュール２内に蓄積された熱を消費することができ、効果的に温度を低下させることができる。また、出力電流を一定の温度低下電流に固定することにより、出力電流の増加、減少に伴って発生する余剰燃料を減少させることができ（図９）、確実に燃料電池モジュール２内の温度を低下させることができる。
【０１３６】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、電力降下反転温度Ｔｃよりも低く設定された出力抑制温度、第２出力抑制温度に到達すると、出力される電力が抑制される（図１１、ステップＳ３→Ｓ１１、ステップＳ１７→Ｓ１８）ので、燃料電池セルスタック１４の温度変化が捉えにくく、温度上昇の検知が困難であるとしても、確実に電力降下反転温度Ｔｃを超えるのを防止することができる。
【０１３７】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の強制冷却温度以上に上昇すると、発電用空気流量調整ユニット４５により供給される発電用空気の供給量が増加される（図１１、ステップＳ１５→Ｓ１６）。このように、本実施形態においては、出力の制限と共に、発電用の空気による冷却を併用するので、効果的に燃料電池セルスタック１４の温度を低下させることができ、より確実に電力降下反転温度Ｔｃを超えるのを防止することができる。
【０１３８】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、温度域出力制限手段１１０ａの他に、電流域出力制限手段１１０ｂにより電力を抑制している（図１２）ので、より確実に燃料電池セルスタック１４に与える負担を軽減することができる。
【０１３９】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、出力電流がほぼ一定の状態における出力電圧の低下に基づいて（図１１、ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ６）、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知するので、より正確にスパイラル状態を判断することができる。
【０１４０】
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、出力電流がほぼ一定の状態における出力電圧の低下に基づいて、温度上昇と電流増加のスパイラル状態を検知していたが、燃料電池モジュールからインバータに出力される電流の変化に対する燃料電池モジュールの出力電圧の変化に基づいて、インバータに出力する電力を制限することもできる。
【符号の説明】
【０１４１】
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 温度域出力制限手段
１１０ｂ 電流域出力制限手段
１１０ｃ 蓄熱量推定手段
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要電力に応じて可変の発電電力をインバータへ出力する固体酸化物型燃料電池であって、
所定の電力降下反転温度以下の温度では、温度上昇と共に出力可能な電力が増加し、上記電力降下反転温度を超えると温度上昇と共に出力可能な電力が低下する特性を備えた燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールと、
上記燃料電池セルスタックに燃料を供給する燃料供給手段と、
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できるように、上記燃料供給手段、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、上記燃料電池セルスタックの温度が上記電力降下反転温度より低い温度帯域で通常の出力電力制御を行う一方で、上記電力降下反転温度以上の温度帯域にあると推定される場合では、上記燃料電池モジュールからの出力電流を制限し、所定の出力電流に固定する温度域出力制限手段を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記温度域出力制限手段は、上記燃料電池セルスタックの温度が、上記電力降下反転温度よりも低く設定された所定の出力抑制温度に到達すると、インバータへ出力する電力を抑制する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃料電池セルスタックの温度が、上記電力降下反転温度よりも低く設定された所定の強制冷却温度以上に上昇すると、発電用の酸化剤ガスの供給量を増加させ、上記燃料電池セルスタックを冷却する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、さらに、所定の電力を上記インバータに出力するために必要な出力電流が、電力に応じて定められた所定の電流以上になると、インバータへ出力する電力を抑制する電流域出力制限手段を有する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記温度域出力制限手段は、上記燃料電池モジュールから上記インバータに出力される電流の変化に対する上記燃料電池モジュールの出力電圧の変化に基づいて、上記インバータに出力する電力を制限する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
上記温度域出力制限手段は、上記燃料電池モジュールから上記インバータに出力される電流がほぼ一定の状態において、上記燃料電池モジュールの出力電圧が所定の電力降下反転温度判断電圧以上低下した場合に、上記インバータに出力する電力を制限する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１】
需要電力に応じて可変の発電電力をインバータへ出力する固体酸化物型燃料電池であって、
所定の電力降下反転温度以下の温度では、温度上昇と共に出力可能な電力が増加し、上記電力降下反転温度を超えると温度上昇と共に出力可能な電力が低下する特性を備えた燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールと、
上記燃料電池セルスタックに燃料を供給する燃料供給手段と、
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できるように、上記燃料供給手段、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、上記燃料電池セルスタックの温度が上記電力降下反転温度より低い温度帯域で通常の出力電力制御を行う一方で、上記電力降下反転温度以上の温度帯域にあると推定される場合では、上記燃料電池モジュールからの出力電流を制限し、所定の出力電流に固定する温度域出力制限手段を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記温度域出力制限手段は、上記燃料電池セルスタックの温度が、上記電力降下反転温度よりも低く設定された所定の出力抑制温度に到達すると、インバータへ出力する電力を抑制する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃料電池セルスタックの温度が、上記電力降下反転温度よりも低く設定された所定の強制冷却温度以上に上昇すると、発電用の酸化剤ガスの供給量を増加させ、上記燃料電池セルスタックを冷却する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、さらに、所定の電力を上記インバータに出力するために必要な出力電流が、電力に応じて定められた所定の電流以上になると、インバータへ出力する電力を抑制する電流域出力制限手段を有する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記温度域出力制限手段は、上記燃料電池モジュールから上記インバータに出力される電流の変化に対する上記燃料電池モジュールの出力電圧の変化に基づいて、上記インバータに出力する電力を制限する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
上記温度域出力制限手段は、上記燃料電池モジュールから上記インバータに出力される電流がほぼ一定の状態において、上記燃料電池モジュールの出力電圧が所定の電力降下反転温度判断電圧以上低下した場合に、上記インバータに出力する電力を制限する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−７３９０１（Ｐ２０１３−７３９０１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４２８０（Ｐ２０１１−２１４２８０）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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