固体酸化物形燃料電池の運転方法
【課題】固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時において、発電セルの温度追従を自動で行い、発電セルの劣化および発電性能の低下を防ぐ固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】予め固体酸化物形燃料電池５の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値ごとに、燃料利用率および発電セル１６の最低温度のしきい値を設定し、上記負荷上昇における各々の上記電流値に到達した際に、発電セル１６の温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより発電セル１６の温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開し、上記しきい値に到達していない場合に、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより発電セル１６の温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開する。
【解決手段】予め固体酸化物形燃料電池５の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値ごとに、燃料利用率および発電セル１６の最低温度のしきい値を設定し、上記負荷上昇における各々の上記電流値に到達した際に、発電セル１６の温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより発電セル１６の温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開し、上記しきい値に到達していない場合に、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより発電セル１６の温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極層に燃料ガスを、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体酸化物形燃料電池として、缶体内部に固体酸化物形燃料電池および改質器を設け、この改質器に水蒸気発生器において生成した水蒸気および炭化水素ガスを供給して、当該改質器内において水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料ガス供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、空気ブロアから供給された空気を空気供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するものが知られている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルを有し、この発電セルの外側の燃料極層側に燃料極集電体および空気極層側に空気極集電体を配置して、これら集電体の外側にセパレータを配置することにより単セルをなし、この単セルを複数積層することにより構成されている。そして、上記燃料ガス供給ラインからの燃料ガスを、上記セパレータを介して上記燃料極層に供給し、上記空気供給ラインからの空気を、上記セパレータを介して上記空気極層に供給することにより発電反応を生じさせるものである。
【０００４】
ここで、固体電解質層は、ランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）等によって構成されている。また、燃料極層は、Ｎｉのサーメットで構成されている。そして、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）によって構成されている。また、燃料極集電体は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。そして、空気極集電体は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【０００５】
一方、水蒸気発生器は、水供給手段から導入された水を、内部に充填された熱伝導性の良好なビーズによって効率的に気化して、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。
【０００６】
他方、改質器は、導入された炭化水素ガスおよび水蒸気を、内部に充填された炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒によって、改質して燃料ガスを生成するものである。
【０００７】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池は、定格電流値において、発電セル自身の発熱反応により熱自立した状態で運転されるが、停止状態から定格電流到達するまでは、電流値に対する燃料利用率を設定して、負荷上昇を行う。この燃料利用率とは、発電セルに供給される燃料ガス量に対する発電反応に浪費される燃料ガス量の割合である。また、発電セルの温度は、負荷上昇前は、５５０〜６００℃程度であるのに対して、定格電流値到達後は、７２０〜７８０℃程度の温度域になる。
【０００８】
このように、電流値に対する燃料利用率を設定し、負荷上昇を行った場合、電流上昇時の上昇レートは、事前に設定されていることから、時間が経過すれば固体酸化物形燃料電池内の温度追従の有無に関わらず、設定負荷に到達してしまう。このため、未だ低温状態にある発電セルに過度の負荷が加わって、発電セルの劣化や性能低下を生じる可能性が高いという問題がある。
【０００９】
そこで、上記固体酸化物形燃料電池を起動させる際には、定格電流に到達して熱自立するまでの間に、上記固体酸化物形燃料電池の状態により、発電セルの温度上昇を早めるため、電流上昇中に燃料利用率を低下させたり、また、一定の電流値に到達したときに、負荷上昇を停止して一定時間保持し、発電セルの温度上昇行う必要があった。
【００１０】
しかしながら、上記従来の電流上昇中に燃料利用率を低下させる方法や、一定の電流値に到達したときに負荷上昇を停止する方法では、作業者が常時上記固体酸化物形燃料電池の状態を確認しながら、上記固体酸化物形燃料電池の状態に応じて、燃料利用率を低下させる操作や負荷上昇を停止する操作を手動により行う必要があるため、手間が掛かるとともに、作業コストが嵩むという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時において、発電セルの温度追従を自動で行い、発電セルの劣化および発電性能の低下を防ぐ固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発電セルの一方の面に形成された燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、発電セルの他方の面に形成された空気極層に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、予め上記固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値ごとに、燃料利用率および上記発電セルの最低温度のしきい値を設定し、上記負荷上昇における各々の上記電流値に到達した際に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開し、上記しきい値に到達していない場合に、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開することを特徴とするものである。
【００１３】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率を段階的に低下させ、上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した段階において、上記負荷上昇を再開することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１〜２に記載の発明によれば、固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの各々の電流値に到達した際に、発電セルの温度が各々の上記電流値に対応したしきい値に到達していない場合には、負荷上昇を停止して一定時間保持し、さらに、上記負荷上昇を停止して一定時間保持しても、上記発電セルの温度が当該しきい値に到達していない場合には、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持することにより、負荷上昇時における電流値ごとに設定された上記発電セルの最低温度に到達させることができる。これにより、劣化や発電性能の低下を防ぐことができるとともに、作業者が常時上記固体酸化物形燃料電池の状態を監視して、上記負荷上昇の停止および上記燃料利用率を低下させる操作を手動で行う手間を省くことができる。
【００１５】
また、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持しても、上記発電セルの温度が上記しきい値に到達していない場合には、上記発電セルの温度が上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率を段階的に低下させることにより、負荷上昇時における各電流値ごとに設定された発電セルの最低温度に到達させることができる。この結果、各々の上記電流値に対応した上記発電セルの最低温度に、確実に到達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法に用いられる固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。
【図３】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例の燃料利用率（Ｕｆ）と電流値との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例の電流値ごとの燃料利用率（Ｕｆ）とセル制定温度の設定値を示す表である。
【図５】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が１４Ａ到達した時点におけるフローチャートである。
【図６】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が２０Ａ到達した時点のすフローチャートである。
【図７】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が２５Ａ到達した時点におけるフローチャートである。
【図８】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が３０Ａ到達した時点におけるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法に用いられる一実施形態の固体酸化物形燃料電池は、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２により覆う外缶体３とからなる缶体４を有し、この缶体４の内部に、固体酸化物形燃料電池５と改質器６とが収納され、当該缶体４の下部に固体酸化物形燃料電池５から排出された排ガスを、缶体４の外部に排出する排出口７が形成されているとともに、この排出口７に水蒸気を供給する水蒸気発生器８が配設され、かつ缶体４の外部に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１、制御装置２８およびコンバータ１２とが配設されて概略構成されている。
【００１８】
ここで、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、固体電解質層１３の一方の面に燃料極層１４が配置されているとともに、他方の面に空気極層１５が配置されて発電セル１６が構成されている。この発電セル１６は、燃料極層１４の外側に、燃料極集電体１７が配置されているとともに、空気極層１５の外側に空気極集電体１８が配置されている。さらに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８の外側には、セパレータ１９が配置されて、単セル２０が構成されている。この単セル２０は、図１に示すように、複数積層され、積層方向の一端側と他端側とがフランジ２１により挟み込まれている。
【００１９】
また、固体電解質層１３は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）によって構成されている。
【００２０】
そして、燃料極層１４は、Ｎｉのサーメットで構成されている。また、空気極層１５は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）により構成されている。
【００２１】
さらに、燃料極集電体１７は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体１８は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【００２２】
また、セパレータ１９は、ステンレス板によって構成されているとともに、燃料極層１４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路２２、および空気極層１５に空気を供給する空気通路２３が穿設されている。
【００２３】
そして、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９同士の間は、Ｎｉの多孔質焼結板からなる燃料極集電体１７、およびＡｇの多孔質焼結板からなる空気極集電体１８から排出される高温の残余の排ガスを缶体４内に排出可能なシールレス構造になっている。また、発電セル１６には、発電セル１６の温度を測定する温度計３０が設けられている。
【００２４】
さらに、複数積層した単セル２０を挟持しているフランジ２１には、燃料ガスを導入する燃料ガス供給ライン２４ａ、および空気を導入する空気供給ライン２７が各々接続されている。
【００２５】
また、缶体４の外部に配置されたコンバータ１２は、入力側が電力供給ライン２９の一端側に配線されているとともに、出力側がインバータ２５に配線されている。また、電力供給ライン２９の他端側が、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９に配線されている。
【００２６】
そして、缶体４の外部に配置された炭化水素ガスブロア９は、その吐出側に炭化水素ガス供給ライン２４が接続せれているとともに、この炭化水素ガス供給ライン２４の他方側が、缶体４内部に収納された改質器６の導入側に接続されている。
【００２７】
さらに、改質器６は、その内部に炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。さらに、改質器６の出口側には、燃料ガス供給ライン２４ａが接続されているとともに、この燃料ガス供給ライン２４ａの他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９に接続されている。
【００２８】
また、缶体４の外部に配置された水ポンプ１０は、その吐出側に水供給ライン２６が接続されているとともに、この水供給ライン２６の他方側が水蒸気発生器８の導入側に接続されている。また、水蒸気発生器８の出口側に、水蒸気供給ライン２６ａの一方側が接続されてているとともに、他方側が燃料ガス供給ライン２４ａに接続されている。
【００２９】
そして、水蒸気発生器８は、缶体４の排出口７を横断して介装されているとともに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８から排出される上記排ガスの熱により、水を効率良く気化させるために、熱伝導性の良好なビーズが充填されている。
【００３０】
さらに、缶体４の外部に配設された空気ブロア１１は、その吐出側に空気供給ライン２７が接続されているとともに、この空気供給ライン２７の他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９に接続されている。
【００３１】
また、缶体４の外部に配置された制御装置２８は、改質器６に炭化水素ガスを供給する炭化水素ガスブロア９を制御するとともに、固体酸化物形燃料電池５の起動から発電セル１６の温度を検出する温度計３０からの信号、および固体酸化物形燃料電池５の起動から定格電流値到達までの電流値を検出するコンバータ１２内に設けられた電流計からの信号を受信している。
【００３２】
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池を用いた運転方法について説明する。
まず、図１に示すように、空気ブロア１１、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０を作動させるとともに、外部熱源（図示せず）を利用して、固体酸化物形燃料電池５を昇温させる。これにより、水ポンプからの水が水蒸気発生器８に供給され、水蒸気が生成される。
【００３３】
そして、水蒸気発生器８において生成した水蒸気と、炭化水素ガスブロア９から供給された炭化水素ガスとが改質器６に導入され、この改質器６内において水素リッチな燃料ガスに改質される。そして、改質された燃料ガスが燃料ガス供給ライン２４ａを介して、固体酸化物形燃料電池５に導入されるとともに、空気ブロア１１から供給された空気が空気供給ライン２７を介して、固体酸化物形燃料電池５に導入される。
【００３４】
これにより、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、燃料ガス供給ライン２４ａからの燃料ガスが、セパレータ１９の燃料ガス通路２２を介して燃料極層１４に導入されるとともに、空気供給ライン２７からの空気が、セパレータ１９の空気通路２３を介して空気極層１５に導入されることにより発電反応が生じる。
【００３５】
この発電反応により、図３に示すように、グラフ内のＵｆ−基準値のように、各電流値において設定された燃料利用率（Ｕｆ）にしたがって、負荷上昇が開始されるとともに、発電セル１６の温度が上昇し、電流が定格電流値に到達すると固体酸化物形燃料電池５は、熱自立した状態になり、固体酸化物形燃料電池５の運転が開始される。なお、上記負荷上昇が開始される際に、発電セル１６の温度は、上記外部熱源により５５０〜６００℃まで昇温されている。
【００３６】
次いで、図３のグラフ内に示すＵｆ−基準値に沿って負荷上昇する際に、各電流値ごとに設定された発電セル１６の最低温度のしきい値に、発電セル１６の温度が到達していない場合の運転方法について説明する。なお、本実施形態において挙げた数値は、あくまでも一例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００３７】
まず、図４に示すように、負荷上昇する際の電流値ごとに、燃料利用率（Ｕｆ）と発電セル１６の最低温度のしきい値を、制御装置２８のプログラムに設定する。なお、この図４において、０Ａ〜７Ａまでの間の電池値における発電セル１６の最低温度のしきい値は、既に発電セル１６が、上記外部熱源により昇温されているため設定されない。
【００３８】
そして、図３に示すように、固体酸化物形燃料電池５において、負荷上昇が開始されると、各電流値の燃料利用率（Ｕｆ）に従って、時間とともに電流値が上昇する。そして、図５に示すように、電流値が１４Ａに到達すると、コンバータ１２内に設けられた電流計から検出信号が制御装置２８に送信される。
【００３９】
そして、制御装置２８は、この検出信号を受信するとともに、固体酸化物形燃料電池５の発電セル１６に設けた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、１４Ａの電流値に対応した発電セル１６の最低温度のしきい値である６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、負荷上昇が開始される。
【００４０】
また、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が停止されて、電流値１４Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４１】
そして、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、電流湯１４Ａに対応する燃料利用率（Ｕｆ）５５．０％が１割低下され、４９．５％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値１４Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
なお、図３中のＵｆ−変更値（１）および（２）に示すように、燃料利用率（Ｕｆ）を低下させた後に、負荷上昇を再開始する場合、負荷上昇を再開始する時点の燃料利用率（Ｕｆ）は、変更した燃料利用率（Ｕｆ）が適用される。
【００４２】
また、上記燃料利用率（Ｕｆ）を４９．５％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していない場合には、さらに制御装置２８の制御信号により、変更した上記燃料利用率（Ｕｆ）４９．５％が１割低下され、４４．５５％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値１４Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の最低温度が６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４３】
さらに、上記燃料利用率（Ｕｆ）を４４．５５％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６５０℃に到達されていない場合には、制御装置２８が発電セル１６などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【００４４】
そして、電流値１４Ａにおいて、発電セル１６の最低温度のしきい値に到達し、負荷上昇が再開され、図６に示すように、電流値が２０Ａに到達した時点において、電流値１４Ａに到達した時と同様に、コンバータ１２の内部に設けられた電流計から検出信号が、制御装置２８に送信される。
【００４５】
次いで、制御装置２８が、この検出信号を受信するとともに、固体酸化物形燃料電池５の発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度が検出され、この検出信号により、２０Ａの電流値に対応した発電セル１６の最低温度である６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４６】
また、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が停止されて、電流値２０Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４７】
そして、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、電流湯１４Ａに対応する燃料利用率（Ｕｆ）６６．０％が１割低下され、５９．４％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値２０Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４８】
また、上記燃料利用率（Ｕｆ）を５９．４％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していない場合には、さらに制御装置２８の制御信号により、変更した上記燃料利用率（Ｕｆ）５９．４％が１割低下され、５３．４６％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値２０Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の最低温度が６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４９】
さらに、上記燃料利用率（Ｕｆ）を５３．４６％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６６０℃に到達されていない場合には、制御装置２８が発電セル１６などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【００５０】
そして、電流値２０Ａにおいて、発電セル１６の最低温度のしきい値に到達し、負荷上昇が再開され、図７に示すように、電流値が２５Ａに到達した時点において、電流値１４Ａおよび電流値２０Ａに到達した時と同様に、コンバータ１２の内部に設けられた電流計から検出信号が、制御装置２８に送信される。
【００５１】
この電流値２５Ａに到達した時点においても、電流値１４Ａおよび電流値２０Ａに到達したときと同様に、電流値２５Ａに対応した発電セル１６の最低温度のしきい値である６７０℃に到達するまで、負荷上昇の停止と３時間の保持が行われ、その時点において発電セル１６の温度が６７０℃に到達されていない場合には、燃料利用率（Ｕｆ）７１．０％の１割低下と３時間の保持が行われ、発電セル１６の温度が６７０℃に到達するまで、燃料利用率（Ｕｆ）の低下が２段階行われる。そして、この燃料利用率（Ｕｆ）の低下が２段階行われても、発電セルの温度が６７０℃に到達されていない場合には、制御装置２８が発電セル１６などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【００５２】
また、図８に示すように、電流値が３０Ａに到達した時点においても、電流値１４Ａ、電流値２０Ａおよび電流値２５Ａに到達したときと同様に作用され、電流値３０Ａに対応した発電セルの最低温度のしきい値である６８０℃に到達した場合に、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始され、定格電流値まで負荷上昇される。
【００５３】
そして、電流値が定格電流値まで到達すると、熱自立により固体酸化物形燃料電池５が運転され、固体酸化物形燃料電池５によって得られた電力が、セパレータ１９に配線された電力供給ライン２９を介して、コンバータ１２に供給される。このコンバータ１２に供給された電力は、入力電圧を希望値の出力電圧に変換され、さらにコンバータ１２の出力側に配線されたインバータ２５を介して、外部に出力される。
【００５４】
上述の実施の形態による固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、固体酸化物形燃料電池５の起動における定格電流値到達までの各々の電流値に到達した際に、発電セル１６の温度が各々の上記電流値に対応したしきい値に到達していない場合には、負荷上昇を停止して一定時間保持し、さらに、上記負荷上昇を停止して一定時間保持しても、発電セル１６の温度が当該しきい値に到達していない場合には、燃料利用率（Ｕｆ）を低下させて一定時間保持することにより、負荷上昇時における電流値ごとに設定された発電セル１６の最低温度に到達させることができる。これにより、発電セル１６の劣化や発電性能の低下を防ぐことができるとともに、作業者が常時固体酸化物形燃料電池５の状態を監視して、上記負荷上昇の停止および上記燃料利用率（Ｕｆ）を低下させる操作を手動で行う手間を省くことができる。
【００５５】
また、上記燃料利用率（Ｕｆ）を低下させて一定時間保持しても、発電セル１６の温度が上記しきい値に到達していない場合には、発電セル１６の温度が上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率（Ｕｆ）を段階的に低下させることにより、負荷上昇時における各電流値ごとに設定された発電セルの最低温度に到達させることができる。この結果、各々の上記電流値に対応した上記発電セルの最低温度に、確実に到達させることができる。
【００５６】
なお、上記実施の形態において、空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気を空気極層１５に供給する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、空気ブロア１１と空気を空気極層１５との間に、空気ブロア１１から空気極層１５に供給される空気の圧力を安定させる空気バッファタンクを介装しても対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
固体酸化物形燃料電池に利用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 内缶体
２ 断熱材
３ 外缶体
４ 缶体
５ 固体酸化物形燃料電池
６ 改質器
７ 排出口
８ 水蒸気発生器
９ 炭化水素ガスブロア
１０ 水ポンプ
１１ 空気ブロア
１２ コンバータ
１３ 固体電解質層
１４ 燃料極層
１５ 空気極層
１６ 発電セル
１７ 燃料極集電体
１８ 空気極集電体
１９ セパレータ
２０ 単セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極層に燃料ガスを、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体酸化物形燃料電池として、缶体内部に固体酸化物形燃料電池および改質器を設け、この改質器に水蒸気発生器において生成した水蒸気および炭化水素ガスを供給して、当該改質器内において水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料ガス供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、空気ブロアから供給された空気を空気供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するものが知られている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルを有し、この発電セルの外側の燃料極層側に燃料極集電体および空気極層側に空気極集電体を配置して、これら集電体の外側にセパレータを配置することにより単セルをなし、この単セルを複数積層することにより構成されている。そして、上記燃料ガス供給ラインからの燃料ガスを、上記セパレータを介して上記燃料極層に供給し、上記空気供給ラインからの空気を、上記セパレータを介して上記空気極層に供給することにより発電反応を生じさせるものである。
【０００４】
ここで、固体電解質層は、ランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）等によって構成されている。また、燃料極層は、Ｎｉのサーメットで構成されている。そして、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）によって構成されている。また、燃料極集電体は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。そして、空気極集電体は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【０００５】
一方、水蒸気発生器は、水供給手段から導入された水を、内部に充填された熱伝導性の良好なビーズによって効率的に気化して、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。
【０００６】
他方、改質器は、導入された炭化水素ガスおよび水蒸気を、内部に充填された炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒によって、改質して燃料ガスを生成するものである。
【０００７】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池は、定格電流値において、発電セル自身の発熱反応により熱自立した状態で運転されるが、停止状態から定格電流到達するまでは、電流値に対する燃料利用率を設定して、負荷上昇を行う。この燃料利用率とは、発電セルに供給される燃料ガス量に対する発電反応に浪費される燃料ガス量の割合である。また、発電セルの温度は、負荷上昇前は、５５０〜６００℃程度であるのに対して、定格電流値到達後は、７２０〜７８０℃程度の温度域になる。
【０００８】
このように、電流値に対する燃料利用率を設定し、負荷上昇を行った場合、電流上昇時の上昇レートは、事前に設定されていることから、時間が経過すれば固体酸化物形燃料電池内の温度追従の有無に関わらず、設定負荷に到達してしまう。このため、未だ低温状態にある発電セルに過度の負荷が加わって、発電セルの劣化や性能低下を生じる可能性が高いという問題がある。
【０００９】
そこで、上記固体酸化物形燃料電池を起動させる際には、定格電流に到達して熱自立するまでの間に、上記固体酸化物形燃料電池の状態により、発電セルの温度上昇を早めるため、電流上昇中に燃料利用率を低下させたり、また、一定の電流値に到達したときに、負荷上昇を停止して一定時間保持し、発電セルの温度上昇行う必要があった。
【００１０】
しかしながら、上記従来の電流上昇中に燃料利用率を低下させる方法や、一定の電流値に到達したときに負荷上昇を停止する方法では、作業者が常時上記固体酸化物形燃料電池の状態を確認しながら、上記固体酸化物形燃料電池の状態に応じて、燃料利用率を低下させる操作や負荷上昇を停止する操作を手動により行う必要があるため、手間が掛かるとともに、作業コストが嵩むという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時において、発電セルの温度追従を自動で行い、発電セルの劣化および発電性能の低下を防ぐ固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発電セルの一方の面に形成された燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、発電セルの他方の面に形成された空気極層に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、予め上記固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値ごとに、燃料利用率および上記発電セルの最低温度のしきい値を設定し、上記負荷上昇における各々の上記電流値に到達した際に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開し、上記しきい値に到達していない場合に、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開することを特徴とするものである。
【００１３】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率を段階的に低下させ、上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した段階において、上記負荷上昇を再開することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１〜２に記載の発明によれば、固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの各々の電流値に到達した際に、発電セルの温度が各々の上記電流値に対応したしきい値に到達していない場合には、負荷上昇を停止して一定時間保持し、さらに、上記負荷上昇を停止して一定時間保持しても、上記発電セルの温度が当該しきい値に到達していない場合には、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持することにより、負荷上昇時における電流値ごとに設定された上記発電セルの最低温度に到達させることができる。これにより、劣化や発電性能の低下を防ぐことができるとともに、作業者が常時上記固体酸化物形燃料電池の状態を監視して、上記負荷上昇の停止および上記燃料利用率を低下させる操作を手動で行う手間を省くことができる。
【００１５】
また、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持しても、上記発電セルの温度が上記しきい値に到達していない場合には、上記発電セルの温度が上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率を段階的に低下させることにより、負荷上昇時における各電流値ごとに設定された発電セルの最低温度に到達させることができる。この結果、各々の上記電流値に対応した上記発電セルの最低温度に、確実に到達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法に用いられる固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。
【図３】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例の燃料利用率（Ｕｆ）と電流値との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例の電流値ごとの燃料利用率（Ｕｆ）とセル制定温度の設定値を示す表である。
【図５】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が１４Ａ到達した時点におけるフローチャートである。
【図６】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が２０Ａ到達した時点のすフローチャートである。
【図７】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が２５Ａ到達した時点におけるフローチャートである。
【図８】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示し、電流値が３０Ａ到達した時点におけるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法に用いられる一実施形態の固体酸化物形燃料電池は、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２により覆う外缶体３とからなる缶体４を有し、この缶体４の内部に、固体酸化物形燃料電池５と改質器６とが収納され、当該缶体４の下部に固体酸化物形燃料電池５から排出された排ガスを、缶体４の外部に排出する排出口７が形成されているとともに、この排出口７に水蒸気を供給する水蒸気発生器８が配設され、かつ缶体４の外部に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１、制御装置２８およびコンバータ１２とが配設されて概略構成されている。
【００１８】
ここで、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、固体電解質層１３の一方の面に燃料極層１４が配置されているとともに、他方の面に空気極層１５が配置されて発電セル１６が構成されている。この発電セル１６は、燃料極層１４の外側に、燃料極集電体１７が配置されているとともに、空気極層１５の外側に空気極集電体１８が配置されている。さらに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８の外側には、セパレータ１９が配置されて、単セル２０が構成されている。この単セル２０は、図１に示すように、複数積層され、積層方向の一端側と他端側とがフランジ２１により挟み込まれている。
【００１９】
また、固体電解質層１３は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）によって構成されている。
【００２０】
そして、燃料極層１４は、Ｎｉのサーメットで構成されている。また、空気極層１５は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）により構成されている。
【００２１】
さらに、燃料極集電体１７は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体１８は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【００２２】
また、セパレータ１９は、ステンレス板によって構成されているとともに、燃料極層１４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路２２、および空気極層１５に空気を供給する空気通路２３が穿設されている。
【００２３】
そして、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９同士の間は、Ｎｉの多孔質焼結板からなる燃料極集電体１７、およびＡｇの多孔質焼結板からなる空気極集電体１８から排出される高温の残余の排ガスを缶体４内に排出可能なシールレス構造になっている。また、発電セル１６には、発電セル１６の温度を測定する温度計３０が設けられている。
【００２４】
さらに、複数積層した単セル２０を挟持しているフランジ２１には、燃料ガスを導入する燃料ガス供給ライン２４ａ、および空気を導入する空気供給ライン２７が各々接続されている。
【００２５】
また、缶体４の外部に配置されたコンバータ１２は、入力側が電力供給ライン２９の一端側に配線されているとともに、出力側がインバータ２５に配線されている。また、電力供給ライン２９の他端側が、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９に配線されている。
【００２６】
そして、缶体４の外部に配置された炭化水素ガスブロア９は、その吐出側に炭化水素ガス供給ライン２４が接続せれているとともに、この炭化水素ガス供給ライン２４の他方側が、缶体４内部に収納された改質器６の導入側に接続されている。
【００２７】
さらに、改質器６は、その内部に炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。さらに、改質器６の出口側には、燃料ガス供給ライン２４ａが接続されているとともに、この燃料ガス供給ライン２４ａの他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９に接続されている。
【００２８】
また、缶体４の外部に配置された水ポンプ１０は、その吐出側に水供給ライン２６が接続されているとともに、この水供給ライン２６の他方側が水蒸気発生器８の導入側に接続されている。また、水蒸気発生器８の出口側に、水蒸気供給ライン２６ａの一方側が接続されてているとともに、他方側が燃料ガス供給ライン２４ａに接続されている。
【００２９】
そして、水蒸気発生器８は、缶体４の排出口７を横断して介装されているとともに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８から排出される上記排ガスの熱により、水を効率良く気化させるために、熱伝導性の良好なビーズが充填されている。
【００３０】
さらに、缶体４の外部に配設された空気ブロア１１は、その吐出側に空気供給ライン２７が接続されているとともに、この空気供給ライン２７の他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９に接続されている。
【００３１】
また、缶体４の外部に配置された制御装置２８は、改質器６に炭化水素ガスを供給する炭化水素ガスブロア９を制御するとともに、固体酸化物形燃料電池５の起動から発電セル１６の温度を検出する温度計３０からの信号、および固体酸化物形燃料電池５の起動から定格電流値到達までの電流値を検出するコンバータ１２内に設けられた電流計からの信号を受信している。
【００３２】
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池を用いた運転方法について説明する。
まず、図１に示すように、空気ブロア１１、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０を作動させるとともに、外部熱源（図示せず）を利用して、固体酸化物形燃料電池５を昇温させる。これにより、水ポンプからの水が水蒸気発生器８に供給され、水蒸気が生成される。
【００３３】
そして、水蒸気発生器８において生成した水蒸気と、炭化水素ガスブロア９から供給された炭化水素ガスとが改質器６に導入され、この改質器６内において水素リッチな燃料ガスに改質される。そして、改質された燃料ガスが燃料ガス供給ライン２４ａを介して、固体酸化物形燃料電池５に導入されるとともに、空気ブロア１１から供給された空気が空気供給ライン２７を介して、固体酸化物形燃料電池５に導入される。
【００３４】
これにより、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、燃料ガス供給ライン２４ａからの燃料ガスが、セパレータ１９の燃料ガス通路２２を介して燃料極層１４に導入されるとともに、空気供給ライン２７からの空気が、セパレータ１９の空気通路２３を介して空気極層１５に導入されることにより発電反応が生じる。
【００３５】
この発電反応により、図３に示すように、グラフ内のＵｆ−基準値のように、各電流値において設定された燃料利用率（Ｕｆ）にしたがって、負荷上昇が開始されるとともに、発電セル１６の温度が上昇し、電流が定格電流値に到達すると固体酸化物形燃料電池５は、熱自立した状態になり、固体酸化物形燃料電池５の運転が開始される。なお、上記負荷上昇が開始される際に、発電セル１６の温度は、上記外部熱源により５５０〜６００℃まで昇温されている。
【００３６】
次いで、図３のグラフ内に示すＵｆ−基準値に沿って負荷上昇する際に、各電流値ごとに設定された発電セル１６の最低温度のしきい値に、発電セル１６の温度が到達していない場合の運転方法について説明する。なお、本実施形態において挙げた数値は、あくまでも一例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００３７】
まず、図４に示すように、負荷上昇する際の電流値ごとに、燃料利用率（Ｕｆ）と発電セル１６の最低温度のしきい値を、制御装置２８のプログラムに設定する。なお、この図４において、０Ａ〜７Ａまでの間の電池値における発電セル１６の最低温度のしきい値は、既に発電セル１６が、上記外部熱源により昇温されているため設定されない。
【００３８】
そして、図３に示すように、固体酸化物形燃料電池５において、負荷上昇が開始されると、各電流値の燃料利用率（Ｕｆ）に従って、時間とともに電流値が上昇する。そして、図５に示すように、電流値が１４Ａに到達すると、コンバータ１２内に設けられた電流計から検出信号が制御装置２８に送信される。
【００３９】
そして、制御装置２８は、この検出信号を受信するとともに、固体酸化物形燃料電池５の発電セル１６に設けた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、１４Ａの電流値に対応した発電セル１６の最低温度のしきい値である６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、負荷上昇が開始される。
【００４０】
また、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が停止されて、電流値１４Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４１】
そして、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、電流湯１４Ａに対応する燃料利用率（Ｕｆ）５５．０％が１割低下され、４９．５％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値１４Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
なお、図３中のＵｆ−変更値（１）および（２）に示すように、燃料利用率（Ｕｆ）を低下させた後に、負荷上昇を再開始する場合、負荷上昇を再開始する時点の燃料利用率（Ｕｆ）は、変更した燃料利用率（Ｕｆ）が適用される。
【００４２】
また、上記燃料利用率（Ｕｆ）を４９．５％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していない場合には、さらに制御装置２８の制御信号により、変更した上記燃料利用率（Ｕｆ）４９．５％が１割低下され、４４．５５％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値１４Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の最低温度が６５０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６５０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４３】
さらに、上記燃料利用率（Ｕｆ）を４４．５５％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６５０℃に到達されていない場合には、制御装置２８が発電セル１６などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【００４４】
そして、電流値１４Ａにおいて、発電セル１６の最低温度のしきい値に到達し、負荷上昇が再開され、図６に示すように、電流値が２０Ａに到達した時点において、電流値１４Ａに到達した時と同様に、コンバータ１２の内部に設けられた電流計から検出信号が、制御装置２８に送信される。
【００４５】
次いで、制御装置２８が、この検出信号を受信するとともに、固体酸化物形燃料電池５の発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度が検出され、この検出信号により、２０Ａの電流値に対応した発電セル１６の最低温度である６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４６】
また、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が停止されて、電流値２０Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４７】
そして、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していない場合には、制御装置２８の制御信号により、電流湯１４Ａに対応する燃料利用率（Ｕｆ）６６．０％が１割低下され、５９．４％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値２０Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４８】
また、上記燃料利用率（Ｕｆ）を５９．４％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していない場合には、さらに制御装置２８の制御信号により、変更した上記燃料利用率（Ｕｆ）５９．４％が１割低下され、５３．４６％の燃料利用率（Ｕｆ）により、電流値２０Ａのまま３時間保持される。そして、３時間経過した時点において、再び制御装置２８が発電セル１６に設けられた温度計３０からの温度を検出し、この検出信号により、発電セル１６の最低温度が６６０℃に到達しているかが判断される。この判断により、発電セル１６の温度が６６０℃に到達していた場合には、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始される。
【００４９】
さらに、上記燃料利用率（Ｕｆ）を５３．４６％に低下させて、３時間保持しても、発電セル１６の温度が６６０℃に到達されていない場合には、制御装置２８が発電セル１６などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【００５０】
そして、電流値２０Ａにおいて、発電セル１６の最低温度のしきい値に到達し、負荷上昇が再開され、図７に示すように、電流値が２５Ａに到達した時点において、電流値１４Ａおよび電流値２０Ａに到達した時と同様に、コンバータ１２の内部に設けられた電流計から検出信号が、制御装置２８に送信される。
【００５１】
この電流値２５Ａに到達した時点においても、電流値１４Ａおよび電流値２０Ａに到達したときと同様に、電流値２５Ａに対応した発電セル１６の最低温度のしきい値である６７０℃に到達するまで、負荷上昇の停止と３時間の保持が行われ、その時点において発電セル１６の温度が６７０℃に到達されていない場合には、燃料利用率（Ｕｆ）７１．０％の１割低下と３時間の保持が行われ、発電セル１６の温度が６７０℃に到達するまで、燃料利用率（Ｕｆ）の低下が２段階行われる。そして、この燃料利用率（Ｕｆ）の低下が２段階行われても、発電セルの温度が６７０℃に到達されていない場合には、制御装置２８が発電セル１６などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【００５２】
また、図８に示すように、電流値が３０Ａに到達した時点においても、電流値１４Ａ、電流値２０Ａおよび電流値２５Ａに到達したときと同様に作用され、電流値３０Ａに対応した発電セルの最低温度のしきい値である６８０℃に到達した場合に、制御装置２８の制御信号により、負荷上昇が開始され、定格電流値まで負荷上昇される。
【００５３】
そして、電流値が定格電流値まで到達すると、熱自立により固体酸化物形燃料電池５が運転され、固体酸化物形燃料電池５によって得られた電力が、セパレータ１９に配線された電力供給ライン２９を介して、コンバータ１２に供給される。このコンバータ１２に供給された電力は、入力電圧を希望値の出力電圧に変換され、さらにコンバータ１２の出力側に配線されたインバータ２５を介して、外部に出力される。
【００５４】
上述の実施の形態による固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、固体酸化物形燃料電池５の起動における定格電流値到達までの各々の電流値に到達した際に、発電セル１６の温度が各々の上記電流値に対応したしきい値に到達していない場合には、負荷上昇を停止して一定時間保持し、さらに、上記負荷上昇を停止して一定時間保持しても、発電セル１６の温度が当該しきい値に到達していない場合には、燃料利用率（Ｕｆ）を低下させて一定時間保持することにより、負荷上昇時における電流値ごとに設定された発電セル１６の最低温度に到達させることができる。これにより、発電セル１６の劣化や発電性能の低下を防ぐことができるとともに、作業者が常時固体酸化物形燃料電池５の状態を監視して、上記負荷上昇の停止および上記燃料利用率（Ｕｆ）を低下させる操作を手動で行う手間を省くことができる。
【００５５】
また、上記燃料利用率（Ｕｆ）を低下させて一定時間保持しても、発電セル１６の温度が上記しきい値に到達していない場合には、発電セル１６の温度が上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率（Ｕｆ）を段階的に低下させることにより、負荷上昇時における各電流値ごとに設定された発電セルの最低温度に到達させることができる。この結果、各々の上記電流値に対応した上記発電セルの最低温度に、確実に到達させることができる。
【００５６】
なお、上記実施の形態において、空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気を空気極層１５に供給する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、空気ブロア１１と空気を空気極層１５との間に、空気ブロア１１から空気極層１５に供給される空気の圧力を安定させる空気バッファタンクを介装しても対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
固体酸化物形燃料電池に利用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 内缶体
２ 断熱材
３ 外缶体
４ 缶体
５ 固体酸化物形燃料電池
６ 改質器
７ 排出口
８ 水蒸気発生器
９ 炭化水素ガスブロア
１０ 水ポンプ
１１ 空気ブロア
１２ コンバータ
１３ 固体電解質層
１４ 燃料極層
１５ 空気極層
１６ 発電セル
１７ 燃料極集電体
１８ 空気極集電体
１９ セパレータ
２０ 単セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルの一方の面に形成された燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、発電セルの他方の面に形成された空気極層に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
予め上記固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値ごとに、燃料利用率および上記発電セルの最低温度のしきい値を設定し、
上記負荷上昇における各々の上記電流値に到達した際に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開し、
上記しきい値に到達していない場合に、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項２】
上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率を段階的に低下させ、上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した段階において、上記負荷上昇を再開することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項１】
発電セルの一方の面に形成された燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、発電セルの他方の面に形成された空気極層に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
予め上記固体酸化物形燃料電池の起動における定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値ごとに、燃料利用率および上記発電セルの最低温度のしきい値を設定し、
上記負荷上昇における各々の上記電流値に到達した際に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開し、
上記しきい値に到達していない場合に、上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した場合に、上記負荷上昇を再開することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項２】
上記燃料利用率を低下させて一定時間保持し、これにより上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達していない場合に、上記発電セルの温度が各々の上記電流値に対応する上記しきい値に到達するまで、上記燃料利用率を段階的に低下させ、上記発電セルの温度が当該しきい値に到達した段階において、上記負荷上昇を再開することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２１６３６９（Ｐ２０１２−２１６３６９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８００１０（Ｐ２０１１−８００１０）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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