固体電解質型燃料電池
【課題】発電出力を変更して負荷追従するとき、燃料電池セルの固体差や外気環境の変化等があっても、燃料電池セルを好ましい状態に適応させることができる固体電解質型燃料電池(ＳＯＦＣ)を提供する
【解決手段】本発明のＳＯＦＣは、発電室(10)内に配置された燃料電池セル84と、燃料電池セルに燃料を供給する燃料流量供給ユニット38と、発電室温度(T1)を測定する発電室温度センサ142と、要求発電量に対応して燃料供給量を燃料供給制御特性に基づいて変更する制御部110と、を有し、制御部は、下限温度値(Ta)と上限温度値(Tb)の間に温度監視帯域を備え、制御部は更に、発電室温度が、温度監視帯域外となった場合に、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度センサからの信号に基づいて燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、適応制御手段は、温度監視帯域を、予め決定された条件下で、温度監視帯域を変更する温度監視帯域変更手段を有する。
【解決手段】本発明のＳＯＦＣは、発電室(10)内に配置された燃料電池セル84と、燃料電池セルに燃料を供給する燃料流量供給ユニット38と、発電室温度(T1)を測定する発電室温度センサ142と、要求発電量に対応して燃料供給量を燃料供給制御特性に基づいて変更する制御部110と、を有し、制御部は、下限温度値(Ta)と上限温度値(Tb)の間に温度監視帯域を備え、制御部は更に、発電室温度が、温度監視帯域外となった場合に、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度センサからの信号に基づいて燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、適応制御手段は、温度監視帯域を、予め決定された条件下で、温度監視帯域を変更する温度監視帯域変更手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（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、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
【０００４】
従来のＳＯＦＣは発電出力が一定に保たれた状態で運転されるのが一般的であったが、夜間に電気需要が殆どない施設や昼夜の電気需要が大きく変化する施設などへ、ＳＯＦＣを設置する場合には、要求発電量に応じて、発電出力値を変化させる必要がある。
この要求発電量に応じて発電出力値を変化させる際に、ＳＯＦＣの反応温度が急激に変化することを防止するようにＳＯＦＣを制御することにより、ＳＯＦＣの作動状況を短期間で安定化するようにしたＳＯＦＣが、特許文献１に提案されている。
【０００５】
即ち、この特許文献１のＳＯＦＣにおいては、ＳＯＦＣの反応温度Ｔを発電出力変更前のＳＯＦＣの反応温度Ｔ0 が、「Ｔ0−１０≦Ｔ≦Ｔ0＋１０」を満足するように、酸化剤供給量及び酸化剤温度の一方又は双方を制御することにより、ＳＯＦＣの反応温度が急激に変化することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１５３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１のように、ＳＯＦＣの反応温度Ｔを発電出力変更前の反応温度Ｔ0を中心とした所定範囲（±１０℃）に保持することは、単にＳＯＦＣの各種の運転パラメータを適宜制御してＳＯＦＣ運転条件を最適化する場合に比べて、ＳＯＦＣを短時間で安定化させることができるので、それ自体は有用な技術である。
【０００８】
ところで、ＳＯＦＣを製品化する場合、ＳＯＦＣの燃料電池セルが異なる材料の複数層を備えたセラミック品であり、そのため、ＳＯＦＣ１台に数十個、数百個と設けられる燃料電池セルの１本づつを安定的に作ることは成型や焼成の面で極めて難しい。さらに、各燃料電池セルに、材料の組成ばらつきや形状にわずかなソリが発生する。この結果、燃料電池セルに固体差が生じ、これにより、このような多数の燃料電池セルを備えたＳＯＦＣという装置（システム）間においても大きな固体差が生じるという問題がある。しかしながら、このような不確定な固体差を考慮して、燃料電池セルに大きなダメージを与えないように、ＳＯＦＣを運転制御することは極めて困難なものであった。
【０００９】
具体的には、要求発電量に応じて発電出力値を変化させて負荷追従する場合、例えば、要求発電量が低下したときは、燃料の供給量を低下させて無駄なエネルギーの消費を抑える必要があるが、その際、開発段階で得た実験値から予め作成した燃料供給制御特性に基いて燃料の供給量を的確に低下制御させる必要がある。しかしながら、負荷追従する場合、上述した燃料電池セル自体が持つ不確定な固体差により、発電反応が狙ったようには行われず、燃料電池セルの温度が制御上狙っている発電反応に好適な温度帯域から外れてしまう場合がある。このような理想的ではない状態下（好適な温度帯域外）で、発電反応を行うと、燃料電池セルに大きな負担がかかり、燃料電池セルの耐久性が低下するという問題がある。製品化するためには、このようなＳＯＦＣ特有の問題を解決しなければならない。
【００１０】
さらに、ＳＯＦＣが発電反応に最適な温度帯域から外れる要因として、外気が異常な低温や高温になった場合や、異常な高湿度や乾燥状態になった場合も、燃料の燃焼状態や改質状態が狙った安定状態からずれ、それにより、燃料電池セルの温度が好適な温度帯域から外れてしまい、燃料電池セルの耐久性が低下するという問題もある。
【００１１】
特許文献１のＳＯＦＣでは、発電出力の変化前と変化後で燃料電池セルの温度の急変動を抑えることはできるが、上述した、新たな課題を全て完全に解決できるものではない。具体的には、特許文献１のＳＯＦＣは、あくまでも発電出力変更前の反応温度Ｔ0から反応変化後の温度Ｔが±１０度以上は変化しないようにすることにより、反応温度の急変化を防止したものである。そのため、現在の反応温度Ｔが発電出力変更後にＴ0に変更されるため、燃料電池セルの温度帯域は、徐々にずれていく。このように、特許文献１のＳＯＦＣは、瞬間的な温度変化を防止することにより、温度の急変に伴う燃料電池セルへのダメージは防止できても、発電反応に最適な温度帯域を維持できるものではない。その結果、特許文献１のものでは、燃料供給制御特性に基づき的確に制御しようとしても、燃料電池セルの個体差に起因して、反応温度が発電反応に最適な温度帯域から除々にずれていき、ついには、燃料電池セルの耐久性を低下させることになるので、上述した問題を解決することはできない。即ち、特許文献１のＳＯＦＣは、本発明者らが見出した、上述した燃料電池セルの個体差により、燃料電池セルの温度が理想の温度帯域からずれてしまうという問題を解決することはできないものである。
【００１２】
本発明は、上述した新たな課題を解決するためになされたものであり、要求発電量に応じて発電出力を変更して負荷追従するとき、燃料電池セルの固体差や大きな外気環境の変化等があっても、適応制御を行うことにより、燃料電池セルの個体差や外気環境の変化を吸収して、反応温度を発電反応に最適な温度帯域を維持して期待通りの性能を発揮させることができ、さらに、燃料電池セルの耐久性が低下することを防止した固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明は、要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、発電室温度（Ｔ１）を測定する発電室温度測定手段と、要求発電量に対応して少なくとも燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、制御手段は、下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）を持つ温度監視帯域を備え、制御手段は、発電室温度が、下限温度値（Ｔａ）又は上限温度値（Ｔｂ）を超えて温度監視帯域外となった場合に、発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、適応制御手段は、温度監視帯域を、予め決定された条件下で、下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更して温度監視帯域を変更する温度監視帯域変更手段を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、制御手段が、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、さらに、燃料供給制御特性に基づいて燃料を供給した場合であっても、燃料電池セルの固体差により、発電室温度が上限温度値又は下限温度値を超えて温度監視帯域外となる場合、即ち、燃料電池セルの発電反応に適した温度範囲（理想的な発電室の温度範囲）から外れる場合があるが、この場合には、適応制御手段が、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて燃料供給量を補正するようにしている。その結果、本発明によれば、燃料電池セルの固体差があって発電室温度が変化しても、発電室温度が常に温度監視帯域内に保持されるので、効果的に発電反応を行なうことができる。
さらに、本発明においては、外気温度や湿度が大きく変化することにより、燃焼状態や改質状態が変化して発電室温度が温度監視帯域外となることがあるが、燃料電池セルの個体差を吸収するために実行される適応制御により、このような外気環境の大きな変化も吸収して、理想的な発電室の温度範囲を維持することが可能となる。
また、本発明による適応制御は、発電室温度が下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域内に保持されるように燃料供給量が補正するという簡易な制御であるため、煩雑な制御を行うことなく、簡易に且つ極めて効果的に発電反応を行うことが可能となる。
さらに、本発明においては、温度監視帯域変更手段により、温度監視帯域を、予め決定された条件下で、下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更するので、燃料電池セルの劣化、外気の温度、要求発電量（負荷）等の様々な状態に対して、より一層正確に適応制御することが可能となる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、外気の温度に対応して下限温度値及び下限温度値の両方又は何れか一方を変更する。
このように構成された本発明においては、外気の温度に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、最適な適応制御が可能となる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、要求発電量の変動量に対応して下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更する。
このように構成された本発明においては、要求発電量（負荷）の変動量に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、要求発電量が急変した場合であっても、燃料供給量の誤補正や、補正遅れ等を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、要求発電量が低い低負荷時では、温度監視帯域を低温側へ変更する。
このように構成された本発明においては、要求発電量が低い低負荷時では、燃料電池セルの温度上昇を早期に低減することができ、セルへのダメージを確実に防止することができる。
【００１７】
本発明は、好ましくは、更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、適応制御手段は、燃料供給量の補正量を増加又は減少させ、さらに、温度監視帯域変更手段は、温度監視帯域を変更する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルが劣化したときでも、劣化に伴う燃料供給量の誤補正を確実に防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度である基準温度を中心として温度監視帯域の下限温度値及び上限温度値を設定する。
このように構成された本発明においては、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度を中心として温度開始帯域の下限温度値及び上限温度値を設定したので、劣化した燃料電池セルの固体差を考慮した適応制御が可能となり、燃料電池セルへのダメージを確実に抑制することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域の幅が小さくなるように変更する。
このように構成された本発明においては、劣化した燃料電池セルの温度変化を一層抑制することが出来るので、温度変化に伴う燃料電池セルへのダメージを軽減し、燃料電池セルの耐久性を維持することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、適応制御手段は、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止し、この所定期間経過後に、変更された温度監視端域で適応制御を実行する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止したので、燃料供給量の補正量を増加又は減少させることによる補正量の変動分による誤判定を防止することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、適応制御手段は、発電室温度が上限温度値を超えた場合に発電室温度が減少するように燃料供給量を減少させる方向の減量補正の回数と、発電室温度が下限温度値を超えた場合に発電室温度が上昇するように燃料供給量を増加させる方向の増量補正の回数とが、それぞれ、これらの減量補正の回数と増量補正の回数を互いの相殺した後に所定の回数となったときには、それ以降は同じ方向の燃料供給量の補正を規制し、適用制御手段は、さらに、燃料電池セルが劣化して、温度監視帯域が変更されてとき、減量補正の回数と増量補正の回数をリセットする。
このように構成された本発明においては、温度監視帯域を基準温度を中心として再設定し、且つ、減量補正の回数と増量補正の回数をリセットしたので、燃料電池セルが劣化した後も、燃料供給量の補正量が適切なものとなり、最適な適応制御することが可能となる。
【００２２】
本発明は、要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、発電室温度を測定する発電室温度測定手段と、要求発電量に対応して少なくとも燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、制御手段は、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、制御手段は、発電室温度が、下限温度値又は上限温度値を超えて温度監視帯域外となった場合に、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて上記燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、適応制御手段は、燃料供給量の補正量を、予め決定された条件下で、変更する補正量変更手段を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、制御手段が、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、さらに、燃料供給制御特性に基づいて燃料を供給した場合であっても、燃料電池セルの固体差により、発電室温度が上限温度値又は下限温度値を超えて温度監視帯域外となる場合、即ち、燃料電池セルの発電反応に適した温度範囲（理想的な発電室の温度範囲）から外れる場合があるが、この場合には、適応制御手段が、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて燃料供給量を補正するようにしている。その結果、本発明によれば、燃料電池セルの固体差があって発電室温度が変化しても、発電室温度が常に温度監視帯域内に保持されるので、効果的に発電反応を行なうことができる。
さらに、本発明においては、外気温度や湿度が大きく変化することにより、燃焼状態や改質状態が変化して発電室温度が温度監視帯域外となることがあるが、燃料電池セルの個体差を吸収するために実行される適応制御により、このような外気環境の大きな変化も吸収して、理想的な発電室の温度範囲を維持することが可能となる。
また、本発明による適応制御は、発電室温度が下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域内に保持されるように燃料供給量が補正するという簡易な制御であるため、煩雑な制御を行うことなく、簡易に且つ極めて効果的に発電反応を行うことが可能となる。
さらに、本発明においては、補正量変更手段により、燃料供給量の補正量を、予め決定された条件下で、変更するので、燃料供給量の補正量を最適に変更することができ、それにより、外気の温度への収束性や保持性能を高めることができ、さらに、燃料電池セルの劣化抑制や発電性能の向上を図ることができる。
【００２３】
本発明は、好ましくは、更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、補正量変更手段は、燃料供給量の補正量を増加させる。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルが劣化したとき、燃料供給量の補正量を増加させたので、劣化した燃料電池セルに対して温度変化を一層抑制することができるため、温度変化に伴う燃料電池セルのダメージを軽減し、燃料電池の耐久性を維持できる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、補正量変更手段は、要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時に、発電室温度の変動量に応じて燃料供給量の補正量を変更する。
このように構成された本発明においては、負荷追従するために燃料供給量を変化させたとき燃料電池セルの固体差により温度変動量が異なるので、この固体差による温度変動量を燃料供給量の補正量を変更することにより、温度監視帯域内に発電室温度を保持し、外部環境へ早く適応させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、要求発電量に応じて発電出力を変更して負荷追従するとき、燃料電池セルの固体差や大きな外気環境の変化等があっても、適応制御を行うことにより、燃料電池セルの個体差や外気環境の変化を吸収して、反応温度を発電反応に最適な温度帯域を維持して期待通りの性能を発揮させることができ、さらに、燃料電池セルの耐久性が低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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線に沿って断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（目標発電量と燃料ガス供給量との関係）を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（目標発電量と発電用空気供給量との関係）を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の劣化判定のための運転状態を示すタイムチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時で燃料電池セルの劣化時の運転状態を示すタイムチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の適応制御基本フローを示すフローチャートである。
【図１５】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第１例を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給量の補正回数をゼロリセットするための補正回数リセットフローを示すフローチャートである。
【図１７】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第２例を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第３例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００２８】
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（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（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。
【００２９】
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ガスと残余の酸化剤（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、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、上述した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、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３０】
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ガス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（モータで駆動される「空気ブロア」等）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。
【００３１】
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。
【００３２】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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電解質型燃料電池（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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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電解質型燃料電池（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）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。
【００５１】
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、固体電解質型燃料電池（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。
【００５２】
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。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００５３】
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００６１】
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。
【００６２】
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を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００６５】
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、発電室温度が所定温度、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。
【００６６】
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。
【００６７】
次に、図９乃至図１１により、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するときの運転状態を説明する。
図９は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートであり、図１０は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（要求発電量と燃料ガス供給量との関係）を示す図であり、図１１は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（要求発電量と発電用空気供給量との関係）を示す図である。
【００６８】
先ず、図９において、縦軸は、発電室温度（Ｔ１）、燃料ガス供給量、発電用空気供給量を示し、横軸は、時間（ｔ）を示している。
本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、要求発電量が１００Ｗ〜７００Ｗの燃料電池であり、この範囲で、要求発電量に対して発電出力値を変更して負荷追従することができるようになっている。
【００６９】
次に、燃料電池セル８４は、１００Ｗ〜７００Ｗの定格発電出力値を発電するとき発電反応が良好に行えるため温度帯域に保持する必要があり、この温度帯域は、固体差の無い設計時の標準の燃料電池セルを所定の基準運転状態において動作させるという条件の下で、１００Ｗ〜７００Ｗの定格発電出力値に対応したものとなっている。
【００７０】
次に、下限定格発電量１００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度より所定温度だけ低い温度である下限温度値（Ｔａ）を６９０℃に設定し、上限定格発電量７００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度より所定温度だけ高い温度である上限温度値（Ｔｂ）を７１０℃に設定し、この下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）の温度範囲を温度監視帯域Ｗとする。なお、下限定格発電量１００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度を下限温度値とし、上限定格発電量７００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度を上限温度値とし、これらの下限温度値と上限温度値の温度範囲を温度監視帯域Ｗとしても良い。
【００７１】
このように、下限定格発電量及び上限定格発電量を考慮して下限温度値及び下限温度値を決定し、後述するように、発電室温度がこれらの下限温度値と上限温度値を持つ監視温度帯域Ｗ外となったとき燃料ガスや発電用空気の供給量を補正するようにしているので、要求発電量に対応して燃料供給量を変更して負荷追従する際、燃料供給制御特性を変更するような複雑な制御を行う必要がなく、簡易でかつ十分な制御が可能となる。
【００７２】
また、本実施形態においては、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の設置時に、定格運転を行い、このときの燃料電池セルの発電室温度を定格基準温度（Ｔ０）とし、この定格基準温度を中心にして上下方向に１０℃だけ離れた下限温度値と上限温度値を設定するようにしてもよい。これにより、燃料電池セル８４の固体差を、運転の初期段階で、吸収することができる。
【００７３】
次に、本実施形態においては、図１０に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と燃料ガス供給量の関係」が予め決定されており、また、図１１に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と発電用空気供給量との関係」が予め決定されている。
本実施形態においては、燃料電池モジュール２が定常運転に移行後、要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するとき、燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を、図１０及び図１１に示す燃料供給制御特性に基づき、増大又は減少させて、要求された負荷に追従することができるようになっている。
【００７４】
この負荷追従するとき、燃料電池モジュール２の燃料電池セル８４は、燃料電池セル８４の持つ個々の固体差、及び、燃料電池モジュール２が設置された外気環境（温度、湿度等）により、燃料電池セル８４の温度（Ｔ１）が、温度監視帯域Ｗ外となることがある。そのため、本実施形態においては、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が、下限温度値（Ｔａ）を下回った場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それぞれ所定量（燃料供給制御特性における供給量の１０％）だけ増大する増量補正をし、一方、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が、上限温度値（Ｔｂ）を超えた場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それそれ所定量（燃料供給制御特性における供給量の１０％）だけ減少させる減量補正をして、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域Ｗ内となるような適応制御（adaptive control）を実行する。
【００７５】
本実施形態においては、この適応制御により、負荷追従時に燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を増大又は減少させて補正した後は、所定の禁止期間（例えば、５時間）が経過するまで次回の補正を実行しないようにしている。これにより、燃料供給量を減量補正又は増量補正した後、燃料電池セル８４の温度が安定する程度の期間（ＳＯＦＣでは一般的に数時間を要する）まで燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正を実行しないので、過剰補正による燃料電池セル８４の悪影響を防止し、燃料電池セル８４の固体差や外気環境変化により生じる燃料供給制御特性への影響に適応させることができる。
【００７６】
本実施形態においては、この適応制御において、上述した増量補正を３回（補正回数＋３）まで実行可能とし、また、減量補正の回数を５回（補正回数−５）まで実行可能とし、それ以上の回数の補正を制限している。このとき、増量補正の後、減量補正がなされたような場合には、それぞれの補正回数が相殺されるようになっている。従って、増量補正の回数（＋側の回数）と、減量補正の回数（−側の回数）とが、それぞれ、これらの増量補正の回数と減量補正の回数を互いの相殺した後（加算した後）に所定の回数（増量補正は＋３、減量補正は−５）となったときには、それ以降は同じ方向の燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正が制限（規制）されるようになっている。
【００７７】
ここで、燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正による燃料電池セルの発電室温度（Ｔ１）の変化は、数時間後（例えば５時間）となるが、本実施形態による適応制御においては、増量補正の回数と減量補正の回数が互いに相殺した後に所定回数（増量補正は３回、減量補正は５回）となったとき、それ以降は同じ方向の補正を制限（規制）するので、適用制御により過大な燃料の補正が行われることを防止でき、例えば異常時等に燃料供給量が補正され過ぎて燃料電池セル８４に過度の負担を与えてしまうようなことを防止することができる。
【００７８】
また、本実施形態の適応制御においては、減量補正の回数（５回）を増量補正の回数（３回）より多くしているので、燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正による増加量の上限を低く抑えることができ、外気環境の変化や一時的な不安定な制御状態等が生じても、燃料ガスと発電用空気の供給量が過大となって燃料電池セルが異常高温となることを確実に防止することができる。さらに、減量補正の回数が多いので、燃料電池セルの固体差によって少ない燃料供給量であっても発電室温度が温度監視帯域無いに保持されるような場合には、燃料の供給量が多く減量されるので、燃料電池セルの性能を維持した状態で無駄な燃料ガスの消費を確実に抑えることができる。
【００７９】
次に、図９に示すように、本実施形態においては、温度監視帯域Ｗの上限温度値（Ｔｂ）よりも高い温度である７２０℃を冷却温度（Ｔｃ）とし、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）がこの冷却温度（Ｔｃ）を超えた場合には、空気流量調整ユニット４４により、燃料電池モジュール２の発電室１０に多量の発電用空気を導入し、この空気により、燃料電池セル集合体１２を強制的に冷却するようにしている。これにより、本実施形態によれば、後述する燃料供給量の補正が禁止された期間（適応制御禁止期間）であっても、燃料電池セルが異常高温となるのを確実に防止し、さらに、運転停止しなくても良くなるので、運転停止による損失も確実に低減することができる。
【００８０】
更に、図９に示すように、本実施形態においては、温度監視帯域Ｗの上限温度値（Ｔｂ）及び冷却温度（Ｔｃ）よりも高い温度（８００℃以上）の帯域、及び、温度監視帯域Ｗの下限温度値（Ｔａ）よりも低い温度（５００℃以下）の帯域を異常温度帯域として設定し、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）がこの異常温度帯域になったとき、燃料電池の運転を規制するようにしている。具体的には、燃料電池の運転自体を停止する、燃料電池の発電運転を停止する、燃料ガスの供給量を低減させる、警報（ワーニング）を発する等である。これにより、本実施形態によれば、燃料供給制御特性が外気環境（温度、湿度等）の変化や燃料電池セル８４の固体差に適応させることができない異状な状態の時であっても、燃料電池セル８４が異常状態となることを確実に防止することができる。
【００８１】
次に、図１２により、本実施形態による、燃料電池セルの劣化判定を説明する。図１２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の劣化判定のための運転状態を示すタイムチャートである。縦軸は、要求発電量、出力電力量、発電室温度（Ｔ１）、燃料ガス供給量、発電用空気供給量、水供給量を示し、横軸は時間を示している。
燃料電池セル８４は、長時間に亘る使用により、劣化していくことが知られている。燃料電池セル８４が劣化した場合には、燃料電池セル８４の特性が変化するので、種々の対策が必要となる。そのため、本実施形態においては、図１２に示す、劣化判定モードにより、燃料電池セルにおける劣化を判定するようにしている。
【００８２】
本実施形態においては、劣化判定は、ＳＯＦＣが運転を開始したときｔ０から、所定期間（例えば、２週間）毎に、実行される。また、劣化判定を行うときには、外気温度及び外気湿度が所定の範囲（例えば、外気温度：５〜３０℃，外気湿度：３０〜７０％）にあることが必要である。
【００８３】
具体的には、図１２に示す、時刻ｔ１〜ｔ２の時間（例えば５時間）に劣化判定モード運転が実行され、劣化判定が実施されるようになっている。この劣化判定モードにおいては、燃料ガス供給量、発電用空気供給量、水供給量は、それぞれ、上限定格発電出力である７００ワット（＝劣化判定用出力電力量）に対応する供給量（一定の固定値）に維持される。このような固定値による発電運転が所定時間（５時間）実行される。この所定時間が経過することにより、燃料電池セルの運転状態が安定する（即ち、発電室温度が安定する）。なお、この劣化判定モード運転中は、出力電力量をゼロにしている。
【００８４】
次に、発電運転が所定時間経過後（時刻ｔ２）に、発電室温度（Ｔ１）が、上述した基準温度Ｔ０より所定温度（例えば３０℃）以上高いか否かを判定し、高い場合には、燃料電池セルが劣化していると判定する。この所定温度は、上述した温度監視帯域の上限温度値（Ｔｂ）より高い温度である。劣化時に温度が上昇するのは、燃料電池セル自体の劣化、及び、各燃料電池セルユニット１６を電気的に接続する集電体１０２の劣化により、燃料電池セルスタック１４の内部抵抗が増大することによりジュール熱等が発生するからである。このようにして、燃料電池セルが劣化していると判定された場合には、以下説明するように、ＳＯＦＣの運転状態を変更する必要がある。
【００８５】
次に、図１３により、本実施形態による負荷追従時の燃料電池セルの劣化時の運転状態を説明する。図１３は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時で燃料電池セルの劣化時の運転状態を示すタイムチャートである。
図１３に示すように、燃料電池セル８４が劣化していると判定された場合には、出力が安定した状態のとき測定された劣化した燃料電池セル８４の温度を定格基準温度（Ｔ０＝７３０℃）とし、この定格基準温度（Ｔ０）に対して、７℃だけ低い温度を下限温度値（Ｔａ＝７２３℃）とし、７℃だけ高い温度を上限温度値（Ｔｂ＝７３７℃）とした新たな温度監視帯域Ｗを設定する。このように、本実施形態においては、燃料電池セル８４が劣化した場合には、温度監視帯域Ｗをより高温側の帯域に変更すると共に温度監視帯域Ｗの幅を狭くしている。
【００８６】
さらに、本実施形態においては、燃料電池セル８４が劣化していると判定されたときには、温度監視帯域Ｗを変更すると共に、燃料電池セル集合体１２を強制的に冷却する基準となる冷却温度（Ｔｃ）の温度も高温側の７４０℃へ変更している。これにより、燃料電池セル８４が劣化した場合も、後述する燃料供給量の補正が禁止された期間（適応制御禁止期間）であっても、燃料電池セルが異常高温となるのを確実に防止し、さらに、運転停止しなくても良くなるので、運転停止による損失も確実に低減することができる。
【００８７】
次に、図１４により、本実施形態による適応制御基本フローを具体的に説明する。図１４は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の適応制御基本フローを示すフローチャートである。図１４において、Ｓは各ステップを示している。
先ず、Ｓ１において、燃料電池モジュール２が発電運転中、即ち、起動時や停止時を除く安定して発電可能な運転状態か否かを判定する。
このＳ１において、発電運転中であれば、Ｓ２に進み、補正回数規定内で補正可能か否かを判定する。具体的には、上述したように、増量補正が３回まで、また、減量補正の回数が５回まで実行されているか否かを判定する。
【００８８】
増量補正又は減量補正が可能であれば、Ｓ３に進み、適応制御禁止中か否かを判定する。適応制御は、以下の場合に禁止される。第１に、前回の補正から５時間以内の場合には、燃料電池セルが安定しないので、適応補正は禁止される。補正を禁止することにより、過剰補正による燃料電池セルの悪影響を防止し、外気環境変化や固体差による燃料供給制御特性への影響に適応させることができる。第２に、上述した燃料電池セルの劣化判定運転中は、適応補正は禁止される。第３に、劣化補正から５時間以内の場合には、燃料電池セルが安定しないので、適応制御は禁止される。
【００８９】
Ｓ３において、適応制御禁止中でないと判定された場合には、Ｓ４に進み、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）を測定する。具体的には、燃料電池セル集合体１２の近傍の温度が発電室温度センサ１４２により測定され、その温度が燃料電池セル８４の発電室温度として使用される。
次に、Ｓ５に進み、発電室温度（Ｔ１）が、上述した温度監視帯域Ｗ内であるか否か、即ち、「下限温度値（Ｔａ）≦発電室温度（Ｔ１）≦上限温度値（Ｔｂ）」であるか否かを判定する。
【００９０】
Ｓ５において、発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域Ｗ内でなければ、Ｓ６に進み、発電室温度（Ｔ１）が下限温度値（Ｔａ）よりも低いか否か、即ち、「下限温度値（Ｔａ）＞発電室温度（Ｔ１）」であるか否かを判定する。発電室温度（Ｔ１）が下限温度値（Ｔａ）よりも低い場合には、Ｓ７に進み、燃料ガス及び発電用空気の増量補正の補正量を求めるために必要な加算補正投入量α及びβを演算する。ここで、αは燃料ガス供給量の加算補正投入量であり、βは発電用空気供給量の加算補正量であり、これらのα及びβは、燃料ガス投入後の発電室温度の変化量が基準値よりも大きいほど大きな値となり、また、燃料電池セル８４の劣化の回数が増えるほど大きな値となる。
【００９１】
次に、Ｓ８に進み、適応制御により燃料ガス及び発電用空気の供給量を増量補正して、発電室温度を上昇させる必要があるので、この適応制御における増量補正の補正量を演算する。燃料ガスは、固定値である１０％にＳ７で求めたαを加えた量（１０％＋α）が増量する補正量となり、発電用空気は、固定値である１０％にＳ７で求めたβを加えた量（１０％＋β）が増量する補正量となる。
【００９２】
次に、Ｓ９に進み、補正投入ゲインを演算する。増量補正における燃料ガス及び発電用空気の補正量の投入は、後述する減量補正の補正量の投入よりも、ゆっくりと投入する。即ち、増量補正の時定数をＢ、減量補正の時定数をＡとした場合には、Ｂ＝３×Ａとなる。また、燃料電池セル８４の劣化回数が多いほど時定数Ａ及びＢの値を大きくして、燃料ガス及び発電用空気をゆっくりと投入する。また、このとき、電流値を上げる速度は０．５Ａ／分とする。
【００９３】
次に、Ｓ１０に進み、適応制御を実行する。具体的には、燃料ガスを（１０％＋α）量だけ増量してゆっくりと投入し、また、発電用空気を（１０％＋β）量だけ増量してゆっくりと投入し、発電室温度を昇温させて温度監視帯域Ｗ内とする（図９参照）。
次に、Ｓ１１に進み、増量補正の回数を「＋１」として記憶する。
次に、Ｓ１２に進み、この増量補正の補正量を記憶する。これにより、次に発電室温度Ｔ１が下限温度値（Ｔａ）より低下するまで、燃料ガスと発電用空気の供給量としてこの補正量だけ増量した値が使用される。
【００９４】
次に、Ｓ６において、発電室温度（Ｔ１）が下限温度値（Ｔａ）より低くないと判定された場合には、「発電室温度（Ｔ１）＞上限温度値（Ｔｂ）」であるので、Ｓ１３に進む。
Ｓ１３では、燃料ガス及び発電用空気の減量補正の補正量を求めるために必要な加算補正投入量α及びβを演算する。ここで、αは燃料ガス供給量の加算補正投入量であり、βは発電用空気供給量の加算補正量であり、これらのα及びβは、燃料ガス投入後の発電室温度の変化量が基準値よりも大きいほど大きな値となり、また、燃料電池セル８４の劣化の回数が増えるほど大きな値となる。
【００９５】
次に、Ｓ１４に進み、適応制御により燃料ガス及び発電用空気の供給量を減量補正して、発電室温度を低下させる必要があるので、この適応制御における減量補正の補正量を演算する。燃料ガスは、固定値である１０％にＳ１３で求めたαを加えた量（１０％＋α）が減少する補正量となり、発電用空気は、固定値である１０％にＳ１３で求めたβを加えた量（１０％＋β）が減量する補正量となる。
【００９６】
次に、Ｓ１５に進み、補正投入ゲインを演算する。減量補正における燃料ガス及び発電用空気の補正量の投入は、増量補正の補正量の投入よりも、上述したように、はやく投入する。即ち、温度上昇補正の時定数をＢ、減量補正の時定数をＡとした場合には、Ｂ＝３×Ａとなる。また、燃料電池セル８４の劣化回数が多いほど時定数Ａ及びＢの値を大きくして、燃料ガス及び発電用空気をゆっくりと投入する。また、このとき、電流値を上げる速度は０．５Ａ／分とする。
【００９７】
次に、Ｓ１６に進み、適応制御を実行する。具体的には、燃料ガスを（１０％＋α）量だけ減量してはやく投入し、また、発電用空気を（１０％＋β）量だけ減量してはやく投入し、発電室温度を低下させて温度監視帯域Ｗ内とする（図９参照）。
次に、Ｓ１７に進み、減量補正の回数を「−１」として記憶する。
次に、Ｓ１８に進み、この減量補正の補正量を記憶する。これにより、次に発電室温度Ｔ１が上限温度値（Ｔｂ）を越えるまで、燃料ガスと発電用空気の供給量としてこの補正量だけ減量した値が使用される。
【００９８】
以上説明した本実施形態による適応制御によれば、先ず、燃料電池セル８４が発電可能な状態となるまで、即ち、燃料電池セル８４や改質器２０等が不安定な状態である起動中等において、燃料ガスや発電用空気の供給量の補正は行わないようにしたので、燃料電池セルが発電可能な状態となったとき、不安定な状態でなされた燃料ガスや発電用空気の供給量の補正による悪影響を確実に防止することができる。
【００９９】
次に、本実施形態による適応制御によれば、発電室温度が下限温度値又は上限温度値を超えて温度監視帯域Ｗ外となったとき、燃料供給制御特性から得られた燃料供給量に予め決定された固定量である補正量（１０％）を加算又は減算して燃料供給量を補正するようにしたので、即ち、フィードバック制御ではなく、オープン制御により、燃料供給量を固定量（１０％）により補正するようにしたので、発電室温度が温度監視帯域Ｗ外となったとき、発電室温度のずれを瞬時に且つ確実に抑え、燃料電池セル８４を安定状態とすることができる。
【０１００】
また、このときの、増量補正の補正量（固定量）と減量補正の補正量（固定量）は、同量（ともに１０％）であるので、適応制御を一層簡素化できる。さらに、外気環境の変化等で発電室温度が温度監視帯域Ｗ外に変動した場合でも、その都度、燃料ガスや発電用空気の供給量が同じ量だけ補正されるので、発電室温度が確実に温度監視帯域Ｗ内に収束でき、安定した制御を行うことができる。
【０１０１】
また、本実施形態による適応制御によれば、補正された燃料ガスと発電用空気の供給量を記憶して保持し、発電室温度が次ぎに下限温度値又は上限温度値を超えるまで、この記憶保持された燃料供給量に基づいて要求発電量に対応して燃料供給量が変更されるので、燃料電池セルの固体差を考慮した状態で燃料供給制御特性に基づいた燃料供給量の制御を確実に実行することができる。
【０１０２】
また、本実施形態による適応制御によれば、燃料ガスと発電用空気の供給量の増量補正と減量補正の補正量を、発電室温度の変化量や燃料電池セルの劣化回数等により、変更するので、燃料供給量の補正量を最適に変更することができ、それにより、外気の温度への収束性や保持性能を高めることができ、さらに、燃料電池セルの劣化抑制や発電性能の向上を図ることができる。
【０１０３】
次に、図１５により、本実施形態における温度監視帯域の変更フローの第１例を説明する。図１５は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第１例を示すフローチャートである。図１５において、Ｓは各ステップを示している。
この温度監視体域の変更の第１例は、燃料電池セルが劣化した場合に温度監視帯域を変更すると共に温度監視体域の幅を狭くする例である。
先ず、Ｓ２１において、定格基準温度（Ｔ０）を読み込む。この定格基準温度は、燃料電池設置時、又は、上述した燃料電池セルの劣化を判定した後に、安定した運転状態で、発電室温度センサ１４２により検出された発電室温度である。
【０１０４】
次に、Ｓ２２に進み、上述した劣化補正有りか否かを判定する。劣化補正していない場合には、燃料電池セル８４は未だ劣化していない状態であるので、Ｓ２３に進み、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を以下のように設定する。この場合、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅は２０℃である。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔ０−１０℃
Ｔｂ＝Ｔ０＋１０℃
【０１０５】
補正劣化有りの場合には、燃料電池セル８４が何回か劣化と判断された場合であるので、Ｓ２４に進み、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を以下のように設定する。この場合、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅は、１回目の劣化判定の場合には１４℃であり、２回目の劣化判定の場合には１２℃であり、３回目の劣化判定の場合には１０℃であり、劣化と判定された回数が増えるほど、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅は狭くなっている。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔ０−（１回目７℃／２回目６℃／３回目５℃）
Ｔｂ＝Ｔ０＋（１回目７℃／２回目６℃／３回目５℃）
【０１０６】
次に、Ｓ２５に進み、Ｓ２３及びＳ２４においてそれぞれ設定された値を、以下に示す監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の基準値（Ｔ０,Ｔａ０及びＴｂ０）として更新して温度監視帯域を変更する（図１３参照）。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ０
Ｔｂ＝Ｔｂ０
【０１０７】
次に、図１６により、本実施形態による燃料供給量の補正回数のリセットするための補正回数リセットフローを説明する。図１６は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給量の補正回数をゼロリセットするための補正回数リセットフローを示すフローチャートである。図１６において、Ｓは各ステップを説明する。
この補正回数リセットフローでは、上述した適応制御において、発電室温度が温度監視体域外となった場合に燃料ガス及び発電用空気の供給量を増量又は減少させる補正をおこないその補正回数を記憶しているが（図１４のＳ１１及びＳ１７参照）、燃料電池セル８４が劣化と判定された場合には、この記憶した補正回数をリセットするようにしたものである。これにより、燃料電池セルが劣化した後も、燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正量が適切なものとなり、最適な適応制御することが可能となる。
【０１０８】
先ず、Ｓ３１において、劣化判定時期か否かを判定する。劣化判定時期であれば、Ｓ３２に進み、上述した適応制御における燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正量をゼロにリセットする。具体的には、図１０及び図１１に示す基本となる燃料供給制御特性に戻す。次に、Ｓ３３に進み、燃料電池セルが劣化したか否かを判定する。
【０１０９】
Ｓ３３において、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、Ｓ３４に進み、適応制御における燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正回数をゼロにリセットする。一方、Ｓ３３において、燃料電池セルが劣化したと判定さない場合には、Ｓ３５に進み、適応制御における燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正量をＳ３２においてゼロリセットした以前に復帰させる（戻す）。
【０１１０】
次に、図１７により、本実施形態における温度監視帯域の変更フローの第２例を説明する。図１７は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第２例を示すフローチャートである。図１７において、Ｓは各ステップを示している。
この温度監視体域の変更の第２例は、負荷追従の際の発電量が大きく変化した場合に一時的に温度監視体域の幅を狭くする例である。
【０１１１】
先ず、Ｓ４１において、負荷追従時の発電量の変更量（増大する場合と減少する場合の両者を含む）が１５０Ｗ以上であるかを判定し、１５０Ｗ以上の場合には、Ｓ４２に進む。Ｓ３２においては、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を以下のように設定する。この第２例においては、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅を一時的に（後述する２時間だけ）４℃だけ狭くしている。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ＋２℃
Ｔｂ＝Ｔｂ−２℃
【０１１２】
次に、Ｓ４３に進み、２時間を経過したか否かを判定し、２時間経過していれば、Ｓ４４に進み、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を、以下のように、Ｓ４２で温度監視体域を狭めたときより以前の値に戻す。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ０
Ｔｂ＝Ｔｂ０
【０１１３】
次に、図１８により、本実施形態における温度監視帯域の変更フローの第３例を説明する。図１８は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第３例を示すフローチャートである。図１８において、Ｓは各ステップを示している。
この温度監視体域の変更の第３例は、目標発電出力（目標発電量）の大きさ（大、中、小）により、温度監視帯域を変更すると共に温度監視帯域の幅を変更する例である。
先ず、Ｓ５１において、定格基準温度（Ｔ０）を読み込む。この定格基準温度は、燃料電池設置時、又は、上述した燃料電池セルの劣化を判定した後に、安定した運転状態で、発電室温度センサ１４２により検出された発電室温度である。
【０１１４】
次に、Ｓ５２に進み、目標発電出力（目標発電量）Ｗ１を読み込む。次に、Ｓ５３に進み、目標発電出力Ｗ１が６５０Ｗより大きいか否かを判定し、大きい場合には、Ｓ５４に進む。Ｓ５４では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ａ（Ａ＝＋５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｃ（Ｃ＝Ｔｂを＋２℃）を決定する。第３例では、目標発電出力Ｗ１が比較的大きな場合には、温度監視帯帯域を高温側に変更すると共に上限温度値（Ｔｂ）の値を高くして温度監視帯域の幅を高温側に広げている。
【０１１５】
次に、Ｓ５３において、目標発電出力Ｗ１が６５０Ｗより大きくないと判定された場合には、Ｓ５５に進み、目標発電出力Ｗ１が５５０Ｗより小さいか否かを判定する。ここで、目標発電出力Ｗ１が、５５０Ｗ≦Ｗ１≦６５０Ｗのときには、Ｓ５６に進む。Ｓ５６では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ａ（Ａ＝０℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｃ（Ｃ＝０℃）を決定する。即ち、第３例では、目標発電出力Ｗ１が普通の大きさの場合には、温度監視帯帯域を変更せず、また、その幅も変更しない。
【０１１６】
次に、５５において、目標発電出力Ｗ１が５５０Ｗより小さいと判定された場合には、Ｓ５７に進む。Ｓ５７では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ａ（Ａ＝−５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｃ（Ｃ＝Ｔａを−２℃）を決定する。第３例では、目標発電出力Ｗ１が比較的小さな場合には、温度監視帯帯域を低温側に変更すると共に下限温度値（Ｔａ）の値を低くして温度監視帯域の幅を低温側に広げている。
【０１１７】
次に、Ｓ５８に進み、外気温度センサ１５０により検出された外気温度ｔ１を読み込む。次に、Ｓ５９に進み、外気温度ｔ１が３０℃より高いか否かを判定し、高い場合には、Ｓ６０に進む。Ｓ６０では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ｂ（Ｂ＝＋５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｄ（Ｄ＝Ｔｂを＋２℃）を決定する。第３例では、外気温度ｔ１が比較的高い場合には、温度監視帯帯域を高温側に変更すると共に上限温度値（Ｔｂ）の値を高くして温度監視帯域の幅を高温側に広げている。
【０１１８】
次に、Ｓ５９において、外気温度ｔ１が３０℃より高くないと判定された場合には、Ｓ６１に進み、外気温度ｔ１が−２０℃より低いか否かを判定する。ここで、外気温度ｔ１が、−２０℃≦ｔ１≦３０℃のときには、Ｓ６２に進む。Ｓ６２では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ｂ（Ｂ＝０℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｄ（Ｄ＝０℃）を決定する。即ち、第３例では、外気温度ｔ１が普通の温度の場合には、温度監視帯帯域を変更せず、また、その幅も変更しない。
【０１１９】
次に、Ｓ６１において、外気温度ｔ１が−２０℃より低いと判定された場合には、Ｓ６３に進む。Ｓ６３では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ｂ（Ｂ＝−５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｄ（Ｄ＝Ｔａを−２℃）を決定する。第３例では、外気温度ｔ１が比較的低温の場合には、温度監視帯帯域を低温側に変更すると共に下限温度値（Ｔａ）の値を低くして温度監視帯域の幅を低温側に広げている。
【０１２０】
次に、Ｓ６４に進み、上述したＳ５４、Ｓ５６、Ｓ５７、Ｓ６０、Ｓ６２及びＳ６３において決定した監視基準温度の補正量Ａ及びＢ、並びに、温度監視帯域の補正量Ｃ及びＤを用いて、監視基準温度（Ｔｚ）と温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）を以下のように演算して算出する。
Ｔｚ＝Ｔ０＋Ａ＋Ｂ
Ｔａ＝Ｔｚ＋Ｃ＋Ｄ
Ｔｂ＝Ｔｚ＋Ｃ＋Ｄ
【０１２１】
次に、Ｓ６６に進み、Ｓ６４において算出された値を、以下に示す監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の基準値（Ｔ０,Ｔａ０及びＴｂ０）として更新して温度監視帯域を変更する。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ０
Ｔｂ＝Ｔｂ０
【０１２２】
以上説明したように、本実施形態においては、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域を、上限温度値及び下限温度値の両方又は何れか一方を変更するので、燃料電池セルの劣化、外気の温度、要求発電量（負荷）等の様々な状態に対して、より一層正確に適応制御することが可能となる。
また、外気の温度に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、最適な適応制御が可能となる。
【０１２３】
また、要求発電量（負荷）の変動量に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、要求発電量が急変した場合であっても、燃料供給量の誤補正や、補正遅れ等を抑制することができる。
また、要求発電量が低い低負荷時では、監視温度帯域を低温側へ変更しているので、燃料電池セルの温度上昇を早期に低減することができ、セルへのダメージを確実に防止することができる。
【０１２４】
また、燃料電池セルが劣化したと判定したとき、燃料ガスと発電用空気の供給量の補正量を増加又は減少させ、さらに、温度監視帯域を変更するので、燃料電池セルが劣化したときでも、劣化に伴う燃料ガスと発電用空気の供給量の誤補正を確実に防止することができる。
また、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度である基準温度を中心として温度監視帯域の上限温度値及び下限温度値を設定するので、劣化した燃料電池セルの固体差を考慮して適応制御が可能となり、燃料電池セルへのダメージを確実に抑制することができる。
【０１２５】
また、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域の幅が小さくなるように変更するので、劣化した燃料電池セルに対して燃料電池セルの温度変化を一層抑制することが出来るので、燃料電池セルの温度変化に伴う燃料電池セルへのダメージを軽減し、燃料電池セルの耐久性を維持することができる。
また、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止し、この所定期間経過後に、変更された温度監視帯域で適応制御を実行するようにしているので、燃料ガスと発電用空気の供給量の補正量を増加又は減少させることによる補正量の変動分による誤判定を防止することができる。
【０１２６】
また、燃料電池セルが劣化して、温度監視帯域が変更されたとき、減量補正の回数と増量補正の回数をリセットするようにしたので、燃料電池セルが劣化した後も、燃料ガスと発電用空気の供給量の補正量が適切なものとなり、最適な適応制御することが可能となる。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
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
１８ 燃焼室
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
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット
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
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
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 報知装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ
１５０ 外気温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（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、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
【０００４】
従来のＳＯＦＣは発電出力が一定に保たれた状態で運転されるのが一般的であったが、夜間に電気需要が殆どない施設や昼夜の電気需要が大きく変化する施設などへ、ＳＯＦＣを設置する場合には、要求発電量に応じて、発電出力値を変化させる必要がある。
この要求発電量に応じて発電出力値を変化させる際に、ＳＯＦＣの反応温度が急激に変化することを防止するようにＳＯＦＣを制御することにより、ＳＯＦＣの作動状況を短期間で安定化するようにしたＳＯＦＣが、特許文献１に提案されている。
【０００５】
即ち、この特許文献１のＳＯＦＣにおいては、ＳＯＦＣの反応温度Ｔを発電出力変更前のＳＯＦＣの反応温度Ｔ0 が、「Ｔ0−１０≦Ｔ≦Ｔ0＋１０」を満足するように、酸化剤供給量及び酸化剤温度の一方又は双方を制御することにより、ＳＯＦＣの反応温度が急激に変化することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１５３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１のように、ＳＯＦＣの反応温度Ｔを発電出力変更前の反応温度Ｔ0を中心とした所定範囲（±１０℃）に保持することは、単にＳＯＦＣの各種の運転パラメータを適宜制御してＳＯＦＣ運転条件を最適化する場合に比べて、ＳＯＦＣを短時間で安定化させることができるので、それ自体は有用な技術である。
【０００８】
ところで、ＳＯＦＣを製品化する場合、ＳＯＦＣの燃料電池セルが異なる材料の複数層を備えたセラミック品であり、そのため、ＳＯＦＣ１台に数十個、数百個と設けられる燃料電池セルの１本づつを安定的に作ることは成型や焼成の面で極めて難しい。さらに、各燃料電池セルに、材料の組成ばらつきや形状にわずかなソリが発生する。この結果、燃料電池セルに固体差が生じ、これにより、このような多数の燃料電池セルを備えたＳＯＦＣという装置（システム）間においても大きな固体差が生じるという問題がある。しかしながら、このような不確定な固体差を考慮して、燃料電池セルに大きなダメージを与えないように、ＳＯＦＣを運転制御することは極めて困難なものであった。
【０００９】
具体的には、要求発電量に応じて発電出力値を変化させて負荷追従する場合、例えば、要求発電量が低下したときは、燃料の供給量を低下させて無駄なエネルギーの消費を抑える必要があるが、その際、開発段階で得た実験値から予め作成した燃料供給制御特性に基いて燃料の供給量を的確に低下制御させる必要がある。しかしながら、負荷追従する場合、上述した燃料電池セル自体が持つ不確定な固体差により、発電反応が狙ったようには行われず、燃料電池セルの温度が制御上狙っている発電反応に好適な温度帯域から外れてしまう場合がある。このような理想的ではない状態下（好適な温度帯域外）で、発電反応を行うと、燃料電池セルに大きな負担がかかり、燃料電池セルの耐久性が低下するという問題がある。製品化するためには、このようなＳＯＦＣ特有の問題を解決しなければならない。
【００１０】
さらに、ＳＯＦＣが発電反応に最適な温度帯域から外れる要因として、外気が異常な低温や高温になった場合や、異常な高湿度や乾燥状態になった場合も、燃料の燃焼状態や改質状態が狙った安定状態からずれ、それにより、燃料電池セルの温度が好適な温度帯域から外れてしまい、燃料電池セルの耐久性が低下するという問題もある。
【００１１】
特許文献１のＳＯＦＣでは、発電出力の変化前と変化後で燃料電池セルの温度の急変動を抑えることはできるが、上述した、新たな課題を全て完全に解決できるものではない。具体的には、特許文献１のＳＯＦＣは、あくまでも発電出力変更前の反応温度Ｔ0から反応変化後の温度Ｔが±１０度以上は変化しないようにすることにより、反応温度の急変化を防止したものである。そのため、現在の反応温度Ｔが発電出力変更後にＴ0に変更されるため、燃料電池セルの温度帯域は、徐々にずれていく。このように、特許文献１のＳＯＦＣは、瞬間的な温度変化を防止することにより、温度の急変に伴う燃料電池セルへのダメージは防止できても、発電反応に最適な温度帯域を維持できるものではない。その結果、特許文献１のものでは、燃料供給制御特性に基づき的確に制御しようとしても、燃料電池セルの個体差に起因して、反応温度が発電反応に最適な温度帯域から除々にずれていき、ついには、燃料電池セルの耐久性を低下させることになるので、上述した問題を解決することはできない。即ち、特許文献１のＳＯＦＣは、本発明者らが見出した、上述した燃料電池セルの個体差により、燃料電池セルの温度が理想の温度帯域からずれてしまうという問題を解決することはできないものである。
【００１２】
本発明は、上述した新たな課題を解決するためになされたものであり、要求発電量に応じて発電出力を変更して負荷追従するとき、燃料電池セルの固体差や大きな外気環境の変化等があっても、適応制御を行うことにより、燃料電池セルの個体差や外気環境の変化を吸収して、反応温度を発電反応に最適な温度帯域を維持して期待通りの性能を発揮させることができ、さらに、燃料電池セルの耐久性が低下することを防止した固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明は、要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、発電室温度（Ｔ１）を測定する発電室温度測定手段と、要求発電量に対応して少なくとも燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、制御手段は、下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）を持つ温度監視帯域を備え、制御手段は、発電室温度が、下限温度値（Ｔａ）又は上限温度値（Ｔｂ）を超えて温度監視帯域外となった場合に、発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、適応制御手段は、温度監視帯域を、予め決定された条件下で、下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更して温度監視帯域を変更する温度監視帯域変更手段を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、制御手段が、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、さらに、燃料供給制御特性に基づいて燃料を供給した場合であっても、燃料電池セルの固体差により、発電室温度が上限温度値又は下限温度値を超えて温度監視帯域外となる場合、即ち、燃料電池セルの発電反応に適した温度範囲（理想的な発電室の温度範囲）から外れる場合があるが、この場合には、適応制御手段が、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて燃料供給量を補正するようにしている。その結果、本発明によれば、燃料電池セルの固体差があって発電室温度が変化しても、発電室温度が常に温度監視帯域内に保持されるので、効果的に発電反応を行なうことができる。
さらに、本発明においては、外気温度や湿度が大きく変化することにより、燃焼状態や改質状態が変化して発電室温度が温度監視帯域外となることがあるが、燃料電池セルの個体差を吸収するために実行される適応制御により、このような外気環境の大きな変化も吸収して、理想的な発電室の温度範囲を維持することが可能となる。
また、本発明による適応制御は、発電室温度が下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域内に保持されるように燃料供給量が補正するという簡易な制御であるため、煩雑な制御を行うことなく、簡易に且つ極めて効果的に発電反応を行うことが可能となる。
さらに、本発明においては、温度監視帯域変更手段により、温度監視帯域を、予め決定された条件下で、下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更するので、燃料電池セルの劣化、外気の温度、要求発電量（負荷）等の様々な状態に対して、より一層正確に適応制御することが可能となる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、外気の温度に対応して下限温度値及び下限温度値の両方又は何れか一方を変更する。
このように構成された本発明においては、外気の温度に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、最適な適応制御が可能となる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、要求発電量の変動量に対応して下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更する。
このように構成された本発明においては、要求発電量（負荷）の変動量に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、要求発電量が急変した場合であっても、燃料供給量の誤補正や、補正遅れ等を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、要求発電量が低い低負荷時では、温度監視帯域を低温側へ変更する。
このように構成された本発明においては、要求発電量が低い低負荷時では、燃料電池セルの温度上昇を早期に低減することができ、セルへのダメージを確実に防止することができる。
【００１７】
本発明は、好ましくは、更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、適応制御手段は、燃料供給量の補正量を増加又は減少させ、さらに、温度監視帯域変更手段は、温度監視帯域を変更する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルが劣化したときでも、劣化に伴う燃料供給量の誤補正を確実に防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度である基準温度を中心として温度監視帯域の下限温度値及び上限温度値を設定する。
このように構成された本発明においては、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度を中心として温度開始帯域の下限温度値及び上限温度値を設定したので、劣化した燃料電池セルの固体差を考慮した適応制御が可能となり、燃料電池セルへのダメージを確実に抑制することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、温度監視帯域変更手段は、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域の幅が小さくなるように変更する。
このように構成された本発明においては、劣化した燃料電池セルの温度変化を一層抑制することが出来るので、温度変化に伴う燃料電池セルへのダメージを軽減し、燃料電池セルの耐久性を維持することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、適応制御手段は、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止し、この所定期間経過後に、変更された温度監視端域で適応制御を実行する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止したので、燃料供給量の補正量を増加又は減少させることによる補正量の変動分による誤判定を防止することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、適応制御手段は、発電室温度が上限温度値を超えた場合に発電室温度が減少するように燃料供給量を減少させる方向の減量補正の回数と、発電室温度が下限温度値を超えた場合に発電室温度が上昇するように燃料供給量を増加させる方向の増量補正の回数とが、それぞれ、これらの減量補正の回数と増量補正の回数を互いの相殺した後に所定の回数となったときには、それ以降は同じ方向の燃料供給量の補正を規制し、適用制御手段は、さらに、燃料電池セルが劣化して、温度監視帯域が変更されてとき、減量補正の回数と増量補正の回数をリセットする。
このように構成された本発明においては、温度監視帯域を基準温度を中心として再設定し、且つ、減量補正の回数と増量補正の回数をリセットしたので、燃料電池セルが劣化した後も、燃料供給量の補正量が適切なものとなり、最適な適応制御することが可能となる。
【００２２】
本発明は、要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、発電室温度を測定する発電室温度測定手段と、要求発電量に対応して少なくとも燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、制御手段は、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、制御手段は、発電室温度が、下限温度値又は上限温度値を超えて温度監視帯域外となった場合に、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて上記燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、適応制御手段は、燃料供給量の補正量を、予め決定された条件下で、変更する補正量変更手段を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、制御手段が、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、さらに、燃料供給制御特性に基づいて燃料を供給した場合であっても、燃料電池セルの固体差により、発電室温度が上限温度値又は下限温度値を超えて温度監視帯域外となる場合、即ち、燃料電池セルの発電反応に適した温度範囲（理想的な発電室の温度範囲）から外れる場合があるが、この場合には、適応制御手段が、発電室温度が温度監視帯域内に保持されるように、発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて燃料供給量を補正するようにしている。その結果、本発明によれば、燃料電池セルの固体差があって発電室温度が変化しても、発電室温度が常に温度監視帯域内に保持されるので、効果的に発電反応を行なうことができる。
さらに、本発明においては、外気温度や湿度が大きく変化することにより、燃焼状態や改質状態が変化して発電室温度が温度監視帯域外となることがあるが、燃料電池セルの個体差を吸収するために実行される適応制御により、このような外気環境の大きな変化も吸収して、理想的な発電室の温度範囲を維持することが可能となる。
また、本発明による適応制御は、発電室温度が下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域内に保持されるように燃料供給量が補正するという簡易な制御であるため、煩雑な制御を行うことなく、簡易に且つ極めて効果的に発電反応を行うことが可能となる。
さらに、本発明においては、補正量変更手段により、燃料供給量の補正量を、予め決定された条件下で、変更するので、燃料供給量の補正量を最適に変更することができ、それにより、外気の温度への収束性や保持性能を高めることができ、さらに、燃料電池セルの劣化抑制や発電性能の向上を図ることができる。
【００２３】
本発明は、好ましくは、更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、補正量変更手段は、燃料供給量の補正量を増加させる。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルが劣化したとき、燃料供給量の補正量を増加させたので、劣化した燃料電池セルに対して温度変化を一層抑制することができるため、温度変化に伴う燃料電池セルのダメージを軽減し、燃料電池の耐久性を維持できる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、補正量変更手段は、要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時に、発電室温度の変動量に応じて燃料供給量の補正量を変更する。
このように構成された本発明においては、負荷追従するために燃料供給量を変化させたとき燃料電池セルの固体差により温度変動量が異なるので、この固体差による温度変動量を燃料供給量の補正量を変更することにより、温度監視帯域内に発電室温度を保持し、外部環境へ早く適応させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、要求発電量に応じて発電出力を変更して負荷追従するとき、燃料電池セルの固体差や大きな外気環境の変化等があっても、適応制御を行うことにより、燃料電池セルの個体差や外気環境の変化を吸収して、反応温度を発電反応に最適な温度帯域を維持して期待通りの性能を発揮させることができ、さらに、燃料電池セルの耐久性が低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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線に沿って断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（目標発電量と燃料ガス供給量との関係）を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（目標発電量と発電用空気供給量との関係）を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の劣化判定のための運転状態を示すタイムチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時で燃料電池セルの劣化時の運転状態を示すタイムチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の適応制御基本フローを示すフローチャートである。
【図１５】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第１例を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給量の補正回数をゼロリセットするための補正回数リセットフローを示すフローチャートである。
【図１７】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第２例を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第３例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００２８】
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（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（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。
【００２９】
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ガスと残余の酸化剤（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、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、上述した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、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３０】
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ガス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（モータで駆動される「空気ブロア」等）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。
【００３１】
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。
【００３２】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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電解質型燃料電池（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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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電解質型燃料電池（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）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。
【００５１】
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、固体電解質型燃料電池（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。
【００５２】
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。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００５３】
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００６１】
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。
【００６２】
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を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
【００６５】
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、発電室温度が所定温度、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。
【００６６】
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。
【００６７】
次に、図９乃至図１１により、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するときの運転状態を説明する。
図９は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートであり、図１０は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（要求発電量と燃料ガス供給量との関係）を示す図であり、図１１は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給制御特性（要求発電量と発電用空気供給量との関係）を示す図である。
【００６８】
先ず、図９において、縦軸は、発電室温度（Ｔ１）、燃料ガス供給量、発電用空気供給量を示し、横軸は、時間（ｔ）を示している。
本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、要求発電量が１００Ｗ〜７００Ｗの燃料電池であり、この範囲で、要求発電量に対して発電出力値を変更して負荷追従することができるようになっている。
【００６９】
次に、燃料電池セル８４は、１００Ｗ〜７００Ｗの定格発電出力値を発電するとき発電反応が良好に行えるため温度帯域に保持する必要があり、この温度帯域は、固体差の無い設計時の標準の燃料電池セルを所定の基準運転状態において動作させるという条件の下で、１００Ｗ〜７００Ｗの定格発電出力値に対応したものとなっている。
【００７０】
次に、下限定格発電量１００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度より所定温度だけ低い温度である下限温度値（Ｔａ）を６９０℃に設定し、上限定格発電量７００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度より所定温度だけ高い温度である上限温度値（Ｔｂ）を７１０℃に設定し、この下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）の温度範囲を温度監視帯域Ｗとする。なお、下限定格発電量１００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度を下限温度値とし、上限定格発電量７００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度を上限温度値とし、これらの下限温度値と上限温度値の温度範囲を温度監視帯域Ｗとしても良い。
【００７１】
このように、下限定格発電量及び上限定格発電量を考慮して下限温度値及び下限温度値を決定し、後述するように、発電室温度がこれらの下限温度値と上限温度値を持つ監視温度帯域Ｗ外となったとき燃料ガスや発電用空気の供給量を補正するようにしているので、要求発電量に対応して燃料供給量を変更して負荷追従する際、燃料供給制御特性を変更するような複雑な制御を行う必要がなく、簡易でかつ十分な制御が可能となる。
【００７２】
また、本実施形態においては、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の設置時に、定格運転を行い、このときの燃料電池セルの発電室温度を定格基準温度（Ｔ０）とし、この定格基準温度を中心にして上下方向に１０℃だけ離れた下限温度値と上限温度値を設定するようにしてもよい。これにより、燃料電池セル８４の固体差を、運転の初期段階で、吸収することができる。
【００７３】
次に、本実施形態においては、図１０に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と燃料ガス供給量の関係」が予め決定されており、また、図１１に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と発電用空気供給量との関係」が予め決定されている。
本実施形態においては、燃料電池モジュール２が定常運転に移行後、要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するとき、燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を、図１０及び図１１に示す燃料供給制御特性に基づき、増大又は減少させて、要求された負荷に追従することができるようになっている。
【００７４】
この負荷追従するとき、燃料電池モジュール２の燃料電池セル８４は、燃料電池セル８４の持つ個々の固体差、及び、燃料電池モジュール２が設置された外気環境（温度、湿度等）により、燃料電池セル８４の温度（Ｔ１）が、温度監視帯域Ｗ外となることがある。そのため、本実施形態においては、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が、下限温度値（Ｔａ）を下回った場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それぞれ所定量（燃料供給制御特性における供給量の１０％）だけ増大する増量補正をし、一方、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が、上限温度値（Ｔｂ）を超えた場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それそれ所定量（燃料供給制御特性における供給量の１０％）だけ減少させる減量補正をして、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域Ｗ内となるような適応制御（adaptive control）を実行する。
【００７５】
本実施形態においては、この適応制御により、負荷追従時に燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を増大又は減少させて補正した後は、所定の禁止期間（例えば、５時間）が経過するまで次回の補正を実行しないようにしている。これにより、燃料供給量を減量補正又は増量補正した後、燃料電池セル８４の温度が安定する程度の期間（ＳＯＦＣでは一般的に数時間を要する）まで燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正を実行しないので、過剰補正による燃料電池セル８４の悪影響を防止し、燃料電池セル８４の固体差や外気環境変化により生じる燃料供給制御特性への影響に適応させることができる。
【００７６】
本実施形態においては、この適応制御において、上述した増量補正を３回（補正回数＋３）まで実行可能とし、また、減量補正の回数を５回（補正回数−５）まで実行可能とし、それ以上の回数の補正を制限している。このとき、増量補正の後、減量補正がなされたような場合には、それぞれの補正回数が相殺されるようになっている。従って、増量補正の回数（＋側の回数）と、減量補正の回数（−側の回数）とが、それぞれ、これらの増量補正の回数と減量補正の回数を互いの相殺した後（加算した後）に所定の回数（増量補正は＋３、減量補正は−５）となったときには、それ以降は同じ方向の燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正が制限（規制）されるようになっている。
【００７７】
ここで、燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正による燃料電池セルの発電室温度（Ｔ１）の変化は、数時間後（例えば５時間）となるが、本実施形態による適応制御においては、増量補正の回数と減量補正の回数が互いに相殺した後に所定回数（増量補正は３回、減量補正は５回）となったとき、それ以降は同じ方向の補正を制限（規制）するので、適用制御により過大な燃料の補正が行われることを防止でき、例えば異常時等に燃料供給量が補正され過ぎて燃料電池セル８４に過度の負担を与えてしまうようなことを防止することができる。
【００７８】
また、本実施形態の適応制御においては、減量補正の回数（５回）を増量補正の回数（３回）より多くしているので、燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正による増加量の上限を低く抑えることができ、外気環境の変化や一時的な不安定な制御状態等が生じても、燃料ガスと発電用空気の供給量が過大となって燃料電池セルが異常高温となることを確実に防止することができる。さらに、減量補正の回数が多いので、燃料電池セルの固体差によって少ない燃料供給量であっても発電室温度が温度監視帯域無いに保持されるような場合には、燃料の供給量が多く減量されるので、燃料電池セルの性能を維持した状態で無駄な燃料ガスの消費を確実に抑えることができる。
【００７９】
次に、図９に示すように、本実施形態においては、温度監視帯域Ｗの上限温度値（Ｔｂ）よりも高い温度である７２０℃を冷却温度（Ｔｃ）とし、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）がこの冷却温度（Ｔｃ）を超えた場合には、空気流量調整ユニット４４により、燃料電池モジュール２の発電室１０に多量の発電用空気を導入し、この空気により、燃料電池セル集合体１２を強制的に冷却するようにしている。これにより、本実施形態によれば、後述する燃料供給量の補正が禁止された期間（適応制御禁止期間）であっても、燃料電池セルが異常高温となるのを確実に防止し、さらに、運転停止しなくても良くなるので、運転停止による損失も確実に低減することができる。
【００８０】
更に、図９に示すように、本実施形態においては、温度監視帯域Ｗの上限温度値（Ｔｂ）及び冷却温度（Ｔｃ）よりも高い温度（８００℃以上）の帯域、及び、温度監視帯域Ｗの下限温度値（Ｔａ）よりも低い温度（５００℃以下）の帯域を異常温度帯域として設定し、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）がこの異常温度帯域になったとき、燃料電池の運転を規制するようにしている。具体的には、燃料電池の運転自体を停止する、燃料電池の発電運転を停止する、燃料ガスの供給量を低減させる、警報（ワーニング）を発する等である。これにより、本実施形態によれば、燃料供給制御特性が外気環境（温度、湿度等）の変化や燃料電池セル８４の固体差に適応させることができない異状な状態の時であっても、燃料電池セル８４が異常状態となることを確実に防止することができる。
【００８１】
次に、図１２により、本実施形態による、燃料電池セルの劣化判定を説明する。図１２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の劣化判定のための運転状態を示すタイムチャートである。縦軸は、要求発電量、出力電力量、発電室温度（Ｔ１）、燃料ガス供給量、発電用空気供給量、水供給量を示し、横軸は時間を示している。
燃料電池セル８４は、長時間に亘る使用により、劣化していくことが知られている。燃料電池セル８４が劣化した場合には、燃料電池セル８４の特性が変化するので、種々の対策が必要となる。そのため、本実施形態においては、図１２に示す、劣化判定モードにより、燃料電池セルにおける劣化を判定するようにしている。
【００８２】
本実施形態においては、劣化判定は、ＳＯＦＣが運転を開始したときｔ０から、所定期間（例えば、２週間）毎に、実行される。また、劣化判定を行うときには、外気温度及び外気湿度が所定の範囲（例えば、外気温度：５〜３０℃，外気湿度：３０〜７０％）にあることが必要である。
【００８３】
具体的には、図１２に示す、時刻ｔ１〜ｔ２の時間（例えば５時間）に劣化判定モード運転が実行され、劣化判定が実施されるようになっている。この劣化判定モードにおいては、燃料ガス供給量、発電用空気供給量、水供給量は、それぞれ、上限定格発電出力である７００ワット（＝劣化判定用出力電力量）に対応する供給量（一定の固定値）に維持される。このような固定値による発電運転が所定時間（５時間）実行される。この所定時間が経過することにより、燃料電池セルの運転状態が安定する（即ち、発電室温度が安定する）。なお、この劣化判定モード運転中は、出力電力量をゼロにしている。
【００８４】
次に、発電運転が所定時間経過後（時刻ｔ２）に、発電室温度（Ｔ１）が、上述した基準温度Ｔ０より所定温度（例えば３０℃）以上高いか否かを判定し、高い場合には、燃料電池セルが劣化していると判定する。この所定温度は、上述した温度監視帯域の上限温度値（Ｔｂ）より高い温度である。劣化時に温度が上昇するのは、燃料電池セル自体の劣化、及び、各燃料電池セルユニット１６を電気的に接続する集電体１０２の劣化により、燃料電池セルスタック１４の内部抵抗が増大することによりジュール熱等が発生するからである。このようにして、燃料電池セルが劣化していると判定された場合には、以下説明するように、ＳＯＦＣの運転状態を変更する必要がある。
【００８５】
次に、図１３により、本実施形態による負荷追従時の燃料電池セルの劣化時の運転状態を説明する。図１３は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時で燃料電池セルの劣化時の運転状態を示すタイムチャートである。
図１３に示すように、燃料電池セル８４が劣化していると判定された場合には、出力が安定した状態のとき測定された劣化した燃料電池セル８４の温度を定格基準温度（Ｔ０＝７３０℃）とし、この定格基準温度（Ｔ０）に対して、７℃だけ低い温度を下限温度値（Ｔａ＝７２３℃）とし、７℃だけ高い温度を上限温度値（Ｔｂ＝７３７℃）とした新たな温度監視帯域Ｗを設定する。このように、本実施形態においては、燃料電池セル８４が劣化した場合には、温度監視帯域Ｗをより高温側の帯域に変更すると共に温度監視帯域Ｗの幅を狭くしている。
【００８６】
さらに、本実施形態においては、燃料電池セル８４が劣化していると判定されたときには、温度監視帯域Ｗを変更すると共に、燃料電池セル集合体１２を強制的に冷却する基準となる冷却温度（Ｔｃ）の温度も高温側の７４０℃へ変更している。これにより、燃料電池セル８４が劣化した場合も、後述する燃料供給量の補正が禁止された期間（適応制御禁止期間）であっても、燃料電池セルが異常高温となるのを確実に防止し、さらに、運転停止しなくても良くなるので、運転停止による損失も確実に低減することができる。
【００８７】
次に、図１４により、本実施形態による適応制御基本フローを具体的に説明する。図１４は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の適応制御基本フローを示すフローチャートである。図１４において、Ｓは各ステップを示している。
先ず、Ｓ１において、燃料電池モジュール２が発電運転中、即ち、起動時や停止時を除く安定して発電可能な運転状態か否かを判定する。
このＳ１において、発電運転中であれば、Ｓ２に進み、補正回数規定内で補正可能か否かを判定する。具体的には、上述したように、増量補正が３回まで、また、減量補正の回数が５回まで実行されているか否かを判定する。
【００８８】
増量補正又は減量補正が可能であれば、Ｓ３に進み、適応制御禁止中か否かを判定する。適応制御は、以下の場合に禁止される。第１に、前回の補正から５時間以内の場合には、燃料電池セルが安定しないので、適応補正は禁止される。補正を禁止することにより、過剰補正による燃料電池セルの悪影響を防止し、外気環境変化や固体差による燃料供給制御特性への影響に適応させることができる。第２に、上述した燃料電池セルの劣化判定運転中は、適応補正は禁止される。第３に、劣化補正から５時間以内の場合には、燃料電池セルが安定しないので、適応制御は禁止される。
【００８９】
Ｓ３において、適応制御禁止中でないと判定された場合には、Ｓ４に進み、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）を測定する。具体的には、燃料電池セル集合体１２の近傍の温度が発電室温度センサ１４２により測定され、その温度が燃料電池セル８４の発電室温度として使用される。
次に、Ｓ５に進み、発電室温度（Ｔ１）が、上述した温度監視帯域Ｗ内であるか否か、即ち、「下限温度値（Ｔａ）≦発電室温度（Ｔ１）≦上限温度値（Ｔｂ）」であるか否かを判定する。
【００９０】
Ｓ５において、発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域Ｗ内でなければ、Ｓ６に進み、発電室温度（Ｔ１）が下限温度値（Ｔａ）よりも低いか否か、即ち、「下限温度値（Ｔａ）＞発電室温度（Ｔ１）」であるか否かを判定する。発電室温度（Ｔ１）が下限温度値（Ｔａ）よりも低い場合には、Ｓ７に進み、燃料ガス及び発電用空気の増量補正の補正量を求めるために必要な加算補正投入量α及びβを演算する。ここで、αは燃料ガス供給量の加算補正投入量であり、βは発電用空気供給量の加算補正量であり、これらのα及びβは、燃料ガス投入後の発電室温度の変化量が基準値よりも大きいほど大きな値となり、また、燃料電池セル８４の劣化の回数が増えるほど大きな値となる。
【００９１】
次に、Ｓ８に進み、適応制御により燃料ガス及び発電用空気の供給量を増量補正して、発電室温度を上昇させる必要があるので、この適応制御における増量補正の補正量を演算する。燃料ガスは、固定値である１０％にＳ７で求めたαを加えた量（１０％＋α）が増量する補正量となり、発電用空気は、固定値である１０％にＳ７で求めたβを加えた量（１０％＋β）が増量する補正量となる。
【００９２】
次に、Ｓ９に進み、補正投入ゲインを演算する。増量補正における燃料ガス及び発電用空気の補正量の投入は、後述する減量補正の補正量の投入よりも、ゆっくりと投入する。即ち、増量補正の時定数をＢ、減量補正の時定数をＡとした場合には、Ｂ＝３×Ａとなる。また、燃料電池セル８４の劣化回数が多いほど時定数Ａ及びＢの値を大きくして、燃料ガス及び発電用空気をゆっくりと投入する。また、このとき、電流値を上げる速度は０．５Ａ／分とする。
【００９３】
次に、Ｓ１０に進み、適応制御を実行する。具体的には、燃料ガスを（１０％＋α）量だけ増量してゆっくりと投入し、また、発電用空気を（１０％＋β）量だけ増量してゆっくりと投入し、発電室温度を昇温させて温度監視帯域Ｗ内とする（図９参照）。
次に、Ｓ１１に進み、増量補正の回数を「＋１」として記憶する。
次に、Ｓ１２に進み、この増量補正の補正量を記憶する。これにより、次に発電室温度Ｔ１が下限温度値（Ｔａ）より低下するまで、燃料ガスと発電用空気の供給量としてこの補正量だけ増量した値が使用される。
【００９４】
次に、Ｓ６において、発電室温度（Ｔ１）が下限温度値（Ｔａ）より低くないと判定された場合には、「発電室温度（Ｔ１）＞上限温度値（Ｔｂ）」であるので、Ｓ１３に進む。
Ｓ１３では、燃料ガス及び発電用空気の減量補正の補正量を求めるために必要な加算補正投入量α及びβを演算する。ここで、αは燃料ガス供給量の加算補正投入量であり、βは発電用空気供給量の加算補正量であり、これらのα及びβは、燃料ガス投入後の発電室温度の変化量が基準値よりも大きいほど大きな値となり、また、燃料電池セル８４の劣化の回数が増えるほど大きな値となる。
【００９５】
次に、Ｓ１４に進み、適応制御により燃料ガス及び発電用空気の供給量を減量補正して、発電室温度を低下させる必要があるので、この適応制御における減量補正の補正量を演算する。燃料ガスは、固定値である１０％にＳ１３で求めたαを加えた量（１０％＋α）が減少する補正量となり、発電用空気は、固定値である１０％にＳ１３で求めたβを加えた量（１０％＋β）が減量する補正量となる。
【００９６】
次に、Ｓ１５に進み、補正投入ゲインを演算する。減量補正における燃料ガス及び発電用空気の補正量の投入は、増量補正の補正量の投入よりも、上述したように、はやく投入する。即ち、温度上昇補正の時定数をＢ、減量補正の時定数をＡとした場合には、Ｂ＝３×Ａとなる。また、燃料電池セル８４の劣化回数が多いほど時定数Ａ及びＢの値を大きくして、燃料ガス及び発電用空気をゆっくりと投入する。また、このとき、電流値を上げる速度は０．５Ａ／分とする。
【００９７】
次に、Ｓ１６に進み、適応制御を実行する。具体的には、燃料ガスを（１０％＋α）量だけ減量してはやく投入し、また、発電用空気を（１０％＋β）量だけ減量してはやく投入し、発電室温度を低下させて温度監視帯域Ｗ内とする（図９参照）。
次に、Ｓ１７に進み、減量補正の回数を「−１」として記憶する。
次に、Ｓ１８に進み、この減量補正の補正量を記憶する。これにより、次に発電室温度Ｔ１が上限温度値（Ｔｂ）を越えるまで、燃料ガスと発電用空気の供給量としてこの補正量だけ減量した値が使用される。
【００９８】
以上説明した本実施形態による適応制御によれば、先ず、燃料電池セル８４が発電可能な状態となるまで、即ち、燃料電池セル８４や改質器２０等が不安定な状態である起動中等において、燃料ガスや発電用空気の供給量の補正は行わないようにしたので、燃料電池セルが発電可能な状態となったとき、不安定な状態でなされた燃料ガスや発電用空気の供給量の補正による悪影響を確実に防止することができる。
【００９９】
次に、本実施形態による適応制御によれば、発電室温度が下限温度値又は上限温度値を超えて温度監視帯域Ｗ外となったとき、燃料供給制御特性から得られた燃料供給量に予め決定された固定量である補正量（１０％）を加算又は減算して燃料供給量を補正するようにしたので、即ち、フィードバック制御ではなく、オープン制御により、燃料供給量を固定量（１０％）により補正するようにしたので、発電室温度が温度監視帯域Ｗ外となったとき、発電室温度のずれを瞬時に且つ確実に抑え、燃料電池セル８４を安定状態とすることができる。
【０１００】
また、このときの、増量補正の補正量（固定量）と減量補正の補正量（固定量）は、同量（ともに１０％）であるので、適応制御を一層簡素化できる。さらに、外気環境の変化等で発電室温度が温度監視帯域Ｗ外に変動した場合でも、その都度、燃料ガスや発電用空気の供給量が同じ量だけ補正されるので、発電室温度が確実に温度監視帯域Ｗ内に収束でき、安定した制御を行うことができる。
【０１０１】
また、本実施形態による適応制御によれば、補正された燃料ガスと発電用空気の供給量を記憶して保持し、発電室温度が次ぎに下限温度値又は上限温度値を超えるまで、この記憶保持された燃料供給量に基づいて要求発電量に対応して燃料供給量が変更されるので、燃料電池セルの固体差を考慮した状態で燃料供給制御特性に基づいた燃料供給量の制御を確実に実行することができる。
【０１０２】
また、本実施形態による適応制御によれば、燃料ガスと発電用空気の供給量の増量補正と減量補正の補正量を、発電室温度の変化量や燃料電池セルの劣化回数等により、変更するので、燃料供給量の補正量を最適に変更することができ、それにより、外気の温度への収束性や保持性能を高めることができ、さらに、燃料電池セルの劣化抑制や発電性能の向上を図ることができる。
【０１０３】
次に、図１５により、本実施形態における温度監視帯域の変更フローの第１例を説明する。図１５は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第１例を示すフローチャートである。図１５において、Ｓは各ステップを示している。
この温度監視体域の変更の第１例は、燃料電池セルが劣化した場合に温度監視帯域を変更すると共に温度監視体域の幅を狭くする例である。
先ず、Ｓ２１において、定格基準温度（Ｔ０）を読み込む。この定格基準温度は、燃料電池設置時、又は、上述した燃料電池セルの劣化を判定した後に、安定した運転状態で、発電室温度センサ１４２により検出された発電室温度である。
【０１０４】
次に、Ｓ２２に進み、上述した劣化補正有りか否かを判定する。劣化補正していない場合には、燃料電池セル８４は未だ劣化していない状態であるので、Ｓ２３に進み、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を以下のように設定する。この場合、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅は２０℃である。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔ０−１０℃
Ｔｂ＝Ｔ０＋１０℃
【０１０５】
補正劣化有りの場合には、燃料電池セル８４が何回か劣化と判断された場合であるので、Ｓ２４に進み、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を以下のように設定する。この場合、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅は、１回目の劣化判定の場合には１４℃であり、２回目の劣化判定の場合には１２℃であり、３回目の劣化判定の場合には１０℃であり、劣化と判定された回数が増えるほど、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅は狭くなっている。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔ０−（１回目７℃／２回目６℃／３回目５℃）
Ｔｂ＝Ｔ０＋（１回目７℃／２回目６℃／３回目５℃）
【０１０６】
次に、Ｓ２５に進み、Ｓ２３及びＳ２４においてそれぞれ設定された値を、以下に示す監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の基準値（Ｔ０,Ｔａ０及びＴｂ０）として更新して温度監視帯域を変更する（図１３参照）。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ０
Ｔｂ＝Ｔｂ０
【０１０７】
次に、図１６により、本実施形態による燃料供給量の補正回数のリセットするための補正回数リセットフローを説明する。図１６は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料供給量の補正回数をゼロリセットするための補正回数リセットフローを示すフローチャートである。図１６において、Ｓは各ステップを説明する。
この補正回数リセットフローでは、上述した適応制御において、発電室温度が温度監視体域外となった場合に燃料ガス及び発電用空気の供給量を増量又は減少させる補正をおこないその補正回数を記憶しているが（図１４のＳ１１及びＳ１７参照）、燃料電池セル８４が劣化と判定された場合には、この記憶した補正回数をリセットするようにしたものである。これにより、燃料電池セルが劣化した後も、燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正量が適切なものとなり、最適な適応制御することが可能となる。
【０１０８】
先ず、Ｓ３１において、劣化判定時期か否かを判定する。劣化判定時期であれば、Ｓ３２に進み、上述した適応制御における燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正量をゼロにリセットする。具体的には、図１０及び図１１に示す基本となる燃料供給制御特性に戻す。次に、Ｓ３３に進み、燃料電池セルが劣化したか否かを判定する。
【０１０９】
Ｓ３３において、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、Ｓ３４に進み、適応制御における燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正回数をゼロにリセットする。一方、Ｓ３３において、燃料電池セルが劣化したと判定さない場合には、Ｓ３５に進み、適応制御における燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正量をＳ３２においてゼロリセットした以前に復帰させる（戻す）。
【０１１０】
次に、図１７により、本実施形態における温度監視帯域の変更フローの第２例を説明する。図１７は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第２例を示すフローチャートである。図１７において、Ｓは各ステップを示している。
この温度監視体域の変更の第２例は、負荷追従の際の発電量が大きく変化した場合に一時的に温度監視体域の幅を狭くする例である。
【０１１１】
先ず、Ｓ４１において、負荷追従時の発電量の変更量（増大する場合と減少する場合の両者を含む）が１５０Ｗ以上であるかを判定し、１５０Ｗ以上の場合には、Ｓ４２に進む。Ｓ３２においては、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を以下のように設定する。この第２例においては、温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の幅を一時的に（後述する２時間だけ）４℃だけ狭くしている。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ＋２℃
Ｔｂ＝Ｔｂ−２℃
【０１１２】
次に、Ｓ４３に進み、２時間を経過したか否かを判定し、２時間経過していれば、Ｓ４４に進み、監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）を、以下のように、Ｓ４２で温度監視体域を狭めたときより以前の値に戻す。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ０
Ｔｂ＝Ｔｂ０
【０１１３】
次に、図１８により、本実施形態における温度監視帯域の変更フローの第３例を説明する。図１８は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）における温度監視帯域を変更するための第３例を示すフローチャートである。図１８において、Ｓは各ステップを示している。
この温度監視体域の変更の第３例は、目標発電出力（目標発電量）の大きさ（大、中、小）により、温度監視帯域を変更すると共に温度監視帯域の幅を変更する例である。
先ず、Ｓ５１において、定格基準温度（Ｔ０）を読み込む。この定格基準温度は、燃料電池設置時、又は、上述した燃料電池セルの劣化を判定した後に、安定した運転状態で、発電室温度センサ１４２により検出された発電室温度である。
【０１１４】
次に、Ｓ５２に進み、目標発電出力（目標発電量）Ｗ１を読み込む。次に、Ｓ５３に進み、目標発電出力Ｗ１が６５０Ｗより大きいか否かを判定し、大きい場合には、Ｓ５４に進む。Ｓ５４では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ａ（Ａ＝＋５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｃ（Ｃ＝Ｔｂを＋２℃）を決定する。第３例では、目標発電出力Ｗ１が比較的大きな場合には、温度監視帯帯域を高温側に変更すると共に上限温度値（Ｔｂ）の値を高くして温度監視帯域の幅を高温側に広げている。
【０１１５】
次に、Ｓ５３において、目標発電出力Ｗ１が６５０Ｗより大きくないと判定された場合には、Ｓ５５に進み、目標発電出力Ｗ１が５５０Ｗより小さいか否かを判定する。ここで、目標発電出力Ｗ１が、５５０Ｗ≦Ｗ１≦６５０Ｗのときには、Ｓ５６に進む。Ｓ５６では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ａ（Ａ＝０℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｃ（Ｃ＝０℃）を決定する。即ち、第３例では、目標発電出力Ｗ１が普通の大きさの場合には、温度監視帯帯域を変更せず、また、その幅も変更しない。
【０１１６】
次に、５５において、目標発電出力Ｗ１が５５０Ｗより小さいと判定された場合には、Ｓ５７に進む。Ｓ５７では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ａ（Ａ＝−５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｃ（Ｃ＝Ｔａを−２℃）を決定する。第３例では、目標発電出力Ｗ１が比較的小さな場合には、温度監視帯帯域を低温側に変更すると共に下限温度値（Ｔａ）の値を低くして温度監視帯域の幅を低温側に広げている。
【０１１７】
次に、Ｓ５８に進み、外気温度センサ１５０により検出された外気温度ｔ１を読み込む。次に、Ｓ５９に進み、外気温度ｔ１が３０℃より高いか否かを判定し、高い場合には、Ｓ６０に進む。Ｓ６０では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ｂ（Ｂ＝＋５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｄ（Ｄ＝Ｔｂを＋２℃）を決定する。第３例では、外気温度ｔ１が比較的高い場合には、温度監視帯帯域を高温側に変更すると共に上限温度値（Ｔｂ）の値を高くして温度監視帯域の幅を高温側に広げている。
【０１１８】
次に、Ｓ５９において、外気温度ｔ１が３０℃より高くないと判定された場合には、Ｓ６１に進み、外気温度ｔ１が−２０℃より低いか否かを判定する。ここで、外気温度ｔ１が、−２０℃≦ｔ１≦３０℃のときには、Ｓ６２に進む。Ｓ６２では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ｂ（Ｂ＝０℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｄ（Ｄ＝０℃）を決定する。即ち、第３例では、外気温度ｔ１が普通の温度の場合には、温度監視帯帯域を変更せず、また、その幅も変更しない。
【０１１９】
次に、Ｓ６１において、外気温度ｔ１が−２０℃より低いと判定された場合には、Ｓ６３に進む。Ｓ６３では、監視基準温度Ｔｚの補正量Ｂ（Ｂ＝−５℃）を決定すると共に、温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）の補正量Ｄ（Ｄ＝Ｔａを−２℃）を決定する。第３例では、外気温度ｔ１が比較的低温の場合には、温度監視帯帯域を低温側に変更すると共に下限温度値（Ｔａ）の値を低くして温度監視帯域の幅を低温側に広げている。
【０１２０】
次に、Ｓ６４に進み、上述したＳ５４、Ｓ５６、Ｓ５７、Ｓ６０、Ｓ６２及びＳ６３において決定した監視基準温度の補正量Ａ及びＢ、並びに、温度監視帯域の補正量Ｃ及びＤを用いて、監視基準温度（Ｔｚ）と温度監視帯域（Ｔａ，Ｔｂ）を以下のように演算して算出する。
Ｔｚ＝Ｔ０＋Ａ＋Ｂ
Ｔａ＝Ｔｚ＋Ｃ＋Ｄ
Ｔｂ＝Ｔｚ＋Ｃ＋Ｄ
【０１２１】
次に、Ｓ６６に進み、Ｓ６４において算出された値を、以下に示す監視基準温度（Ｔｚ）及び温度監視帯域（Ｔａ,Ｔｂ）の基準値（Ｔ０,Ｔａ０及びＴｂ０）として更新して温度監視帯域を変更する。
Ｔｚ＝Ｔ０
Ｔａ＝Ｔａ０
Ｔｂ＝Ｔｂ０
【０１２２】
以上説明したように、本実施形態においては、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域を、上限温度値及び下限温度値の両方又は何れか一方を変更するので、燃料電池セルの劣化、外気の温度、要求発電量（負荷）等の様々な状態に対して、より一層正確に適応制御することが可能となる。
また、外気の温度に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、最適な適応制御が可能となる。
【０１２３】
また、要求発電量（負荷）の変動量に適応した温度監視帯域を設定することができ、それにより、要求発電量が急変した場合であっても、燃料供給量の誤補正や、補正遅れ等を抑制することができる。
また、要求発電量が低い低負荷時では、監視温度帯域を低温側へ変更しているので、燃料電池セルの温度上昇を早期に低減することができ、セルへのダメージを確実に防止することができる。
【０１２４】
また、燃料電池セルが劣化したと判定したとき、燃料ガスと発電用空気の供給量の補正量を増加又は減少させ、さらに、温度監視帯域を変更するので、燃料電池セルが劣化したときでも、劣化に伴う燃料ガスと発電用空気の供給量の誤補正を確実に防止することができる。
また、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度である基準温度を中心として温度監視帯域の上限温度値及び下限温度値を設定するので、劣化した燃料電池セルの固体差を考慮して適応制御が可能となり、燃料電池セルへのダメージを確実に抑制することができる。
【０１２５】
また、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域の幅が小さくなるように変更するので、劣化した燃料電池セルに対して燃料電池セルの温度変化を一層抑制することが出来るので、燃料電池セルの温度変化に伴う燃料電池セルへのダメージを軽減し、燃料電池セルの耐久性を維持することができる。
また、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止し、この所定期間経過後に、変更された温度監視帯域で適応制御を実行するようにしているので、燃料ガスと発電用空気の供給量の補正量を増加又は減少させることによる補正量の変動分による誤判定を防止することができる。
【０１２６】
また、燃料電池セルが劣化して、温度監視帯域が変更されたとき、減量補正の回数と増量補正の回数をリセットするようにしたので、燃料電池セルが劣化した後も、燃料ガスと発電用空気の供給量の補正量が適切なものとなり、最適な適応制御することが可能となる。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
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
１８ 燃焼室
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
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット
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
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
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 報知装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ
１５０ 外気温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、
発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、
この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記発電室の温度（Ｔ１）を測定する発電室温度測定手段と、
要求発電量に対応して少なくとも上記燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）を持つ温度監視帯域を備え、
上記制御手段は、発電室温度が、上記下限温度値（Ｔａ）又は上限温度値（Ｔｂ）を超えて上記温度監視帯域外となった場合に、発電室温度（Ｔ１）が上記温度監視帯域内に保持されるように、上記発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて上記燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、
上記適応制御手段は、上記温度監視帯域を、予め決定された条件下で、下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更して温度監視帯域を変更する温度監視帯域変更手段を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記温度監視帯域変更手段は、外気の温度に対応して下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記温度監視帯域変更手段は、要求発電量の変動量に対応して下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記温度監視帯域変更手段は、要求発電量が低い低負荷時では、温度監視帯域を低温側へ変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、
この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、上記適応制御手段は、上記燃料供給量の補正量を増加又は減少させ、さらに、上記温度監視帯域変更手段は、上記温度監視帯域を変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記温度監視帯域変更手段は、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度である基準温度を中心として温度監視帯域の下限温度値及び上限温度値を設定する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記温度監視帯域変更手段は、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域の幅が小さくなるように変更する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記適応制御手段は、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止し、この所定期間経過後に、変更された温度監視端域で適応制御を実行する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
上記適応制御手段は、発電室温度が上限温度値を超えた場合に発電室温度が減少するように燃料供給量を減少させる方向の減量補正の回数と、発電室温度が下限温度値を超えた場合に発電室温度が上昇するように燃料供給量を増加させる方向の増量補正の回数とが、それぞれ、これらの減量補正の回数と増量補正の回数を互いの相殺した後に所定の回数となったときには、それ以降は同じ方向の燃料供給量の補正を規制し、
上記適用制御手段は、さらに、燃料電池セルが劣化して、温度監視帯域が変更されてとき、上記減量補正の回数と増量補正の回数をリセットする請求項６に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、
発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、
この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記発電室の温度（Ｔ１）を測定する発電室温度測定手段と、
要求発電量に対応して少なくとも上記燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、
上記制御手段は、発電室温度が、上記下限温度値又は上記上限温度値を超えて上記温度監視帯域外となった場合に、発電室温度が上記温度監視帯域内に保持されるように、上記発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて上記燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、
上記適応制御手段は、上記燃料供給量の補正量を、予め決定された条件下で、変更する補正量変更手段を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項１１】
更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、
この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、上記補正量変更手段は、上記燃料供給量の補正量を増加させる請求項１０記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１２】
上記補正量変更手段は、要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時に、発電室温度の変動量に応じて燃料供給量の補正量を変更する請求項１０記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、
発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、
この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記発電室の温度（Ｔ１）を測定する発電室温度測定手段と、
要求発電量に対応して少なくとも上記燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）を持つ温度監視帯域を備え、
上記制御手段は、発電室温度が、上記下限温度値（Ｔａ）又は上限温度値（Ｔｂ）を超えて上記温度監視帯域外となった場合に、発電室温度（Ｔ１）が上記温度監視帯域内に保持されるように、上記発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて上記燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、
上記適応制御手段は、上記温度監視帯域を、予め決定された条件下で、下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更して温度監視帯域を変更する温度監視帯域変更手段を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記温度監視帯域変更手段は、外気の温度に対応して下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記温度監視帯域変更手段は、要求発電量の変動量に対応して下限温度値及び上限温度値の両方又は何れか一方を変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記温度監視帯域変更手段は、要求発電量が低い低負荷時では、温度監視帯域を低温側へ変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、
この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、上記適応制御手段は、上記燃料供給量の補正量を増加又は減少させ、さらに、上記温度監視帯域変更手段は、上記温度監視帯域を変更する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記温度監視帯域変更手段は、劣化した後に測定された燃料電池セルの温度である基準温度を中心として温度監視帯域の下限温度値及び上限温度値を設定する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記温度監視帯域変更手段は、燃料電池セルが劣化したと判定された場合には、温度監視帯域の幅が小さくなるように変更する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記適応制御手段は、燃料電池セルが劣化したとき、所定期間内は適応制御を中止し、この所定期間経過後に、変更された温度監視端域で適応制御を実行する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
上記適応制御手段は、発電室温度が上限温度値を超えた場合に発電室温度が減少するように燃料供給量を減少させる方向の減量補正の回数と、発電室温度が下限温度値を超えた場合に発電室温度が上昇するように燃料供給量を増加させる方向の増量補正の回数とが、それぞれ、これらの減量補正の回数と増量補正の回数を互いの相殺した後に所定の回数となったときには、それ以降は同じ方向の燃料供給量の補正を規制し、
上記適用制御手段は、さらに、燃料電池セルが劣化して、温度監視帯域が変更されてとき、上記減量補正の回数と増量補正の回数をリセットする請求項６に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
要求発電量に対応して発電出力値を変更することができる固体電解質型燃料電池であって、
発電室内に配置された固体電解質型燃料電池セルと、
この固体電解質型燃料電池セルに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記発電室の温度（Ｔ１）を測定する発電室温度測定手段と、
要求発電量に対応して少なくとも上記燃料供給手段による燃料供給量を予め決定された燃料供給制御特性に基づいて変更する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、下限温度値と上限温度値を持つ温度監視帯域を備え、
上記制御手段は、発電室温度が、上記下限温度値又は上記上限温度値を超えて上記温度監視帯域外となった場合に、発電室温度が上記温度監視帯域内に保持されるように、上記発電室温度測定手段からの発電室温度信号に基づいて上記燃料供給量を補正する適応制御手段を備え、
上記適応制御手段は、上記燃料供給量の補正量を、予め決定された条件下で、変更する補正量変更手段を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項１１】
更に、燃料電池セルの劣化判定を行う劣化判定手段と、を有し、
この劣化判定手段が燃料電池セルが劣化したと判定したとき、上記補正量変更手段は、上記燃料供給量の補正量を増加させる請求項１０記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１２】
上記補正量変更手段は、要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時に、発電室温度の変動量に応じて燃料供給量の補正量を変更する請求項１０記載の固体電解質型燃料電池。
【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】
【公開番号】特開２０１０−２３８６０１（Ｐ２０１０−２３８６０１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８６７４３（Ｐ２００９−８６７４３）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【特許番号】特許第４４７４６８８号（Ｐ４４７４６８８）
【特許公報発行日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【特許番号】特許第４４７４６８８号（Ｐ４４７４６８８）
【特許公報発行日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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