固体電解質型燃料電池
【課題】劣化が進行した燃料電池セルに対し、劣化の進行を抑制することができる固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、要求発電量に応じて発電電力を可変する固体電解質型燃料電池（１）であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュール（２）と、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段（３８）と、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（４５）と、要求発電量に対応して、燃料供給手段から供給する燃料供給量を変化させる制御手段（１１０）と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させることを特徴としている。
【解決手段】本発明は、要求発電量に応じて発電電力を可変する固体電解質型燃料電池（１）であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュール（２）と、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段（３８）と、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（４５）と、要求発電量に対応して、燃料供給手段から供給する燃料供給量を変化させる制御手段（１１０）と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させることを特徴としている。
【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関し、特に、要求発電量に応じて出力電力を可変す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、比較的高温で動作する燃料電池である。
【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及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
【０００４】
また、燃料電池セルは、長期間に亘る使用により劣化していくことが知られている。特開２００７−８７７５６号公報（特許文献１）には、固体酸化物型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、燃料の流量を調整することにより、燃料電池セルの劣化を減少させることが記載されている。
【０００５】
さらに、特開２００３−２１７６２７号公報（特許文献２）には、燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法および電力供給システムが記載されている。この燃料供給量制御装置は、燃料電池セルが劣化することにより所定の燃料供給量に対して取り出すことができる電力が低下した場合には、燃料供給量を補償するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−８７７５６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、特開２００３−２１７６２７号公報（特許文献２）記載の燃料供給量制御装置では、一定の燃料供給量に対する出力電力に基づいて燃料供給量を補償している。しかしながら、劣化することにより、燃料供給量に対する出力電力が低下した燃料電池の燃料供給量を増量補償して、出力電力を劣化前のレベルに維持する制御を行うと、この制御が却って燃料電池の劣化を促進してしまうという問題がある。補償により劣化が促進された燃料電池に対し、更なる補償を実施すれば、更に劣化が促進されるという悪循環に陥り、場合によっては燃料電池の寿命を大幅に縮めてしまうことになる。
【０００８】
従って、本発明は、劣化が進行した燃料電池セルに対し、劣化の進行を抑制することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、要求発電量に応じて発電電力を可変する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、要求発電量に対応して、燃料供給手段から供給する燃料供給量を変化させる制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させることを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、制御手段は、燃料供給手段、及び酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料電池モジュールに燃料、及び酸化剤ガスを供給する。また、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させる。
【００１１】
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、燃料供給量の時間当たりの変化率が低下されるので、燃料電池モジュールの温度変化が緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化判定手段を有し、この劣化判定手段は燃料電池モジュールの運転状態に基づいて燃料電池モジュールの劣化を判定し、燃料電池モジュールが劣化したと判定されると、以後、制御手段は、劣化モード運転を実行すると共に、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させる。
【００１３】
このように構成された本発明によれば、劣化判定手段が燃料電池モジュールの劣化を判定するので、より正確に燃料電池モジュールの劣化を把握することができ、制御手段は、劣化の進行を抑制するように適切な制御を行うことができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの運転時間に基づいて、燃料電池モジュールの劣化を推定する。
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの劣化が運転時間に基づいて推定されるので、簡便に劣化の進行を抑制する制御を行うことができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化判定手段が、燃料電池モジュールの劣化を判定した後、固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲が、所定の範囲内に制限されるように、燃料供給手段から供給する燃料の量を変化させる。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲が、所定の範囲内に制限されるので、燃料電池モジュールの温度変化がさらに緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を効果的に抑制することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化判定手段により判定される劣化が進行しているほど、又は、燃料電池モジュールが長期間運転されているほど、要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を大きく低下させる。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの劣化の進行程度に合わせて、燃料供給量の変化率を変更するので、要求発電量に対する出力電力の追従性を確保しながら、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化が所定の状態まで進行したと推定又は判定すると、以後、要求発電量に対応した制御を中止し、所定の電力が出力されるよう燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、劣化が所定の状態まで進行した後は、一定の電力が出力されるので、燃料電池モジュールの温度変化をより少なくすることができ、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、劣化が進行した燃料電池セルに対し、劣化の進行を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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）の燃料電池セル単体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における劣化判定を説明するタイムチャートである。
【図１０】制御部に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。
【図１１】要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。
【図１２】固体電解質型燃料電池の温度帯域規制制御の一例を示すタイムチャートである。
【図１３】劣化判定手段による劣化判定の手順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】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に、図９乃至１２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の作用を説明する。
図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図１０は、制御部１１０に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図１１は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図１２は、劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。
【００６４】
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように負荷追従運転を行っている。即ち、図６に示すように、制御手段である制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、図９に示すように、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化する。ここで、燃料供給量等に対する出力電力の応答には遅れをもたせており、燃料供給量等の変化に対して出力電力は遅れて変化し、要求発電量の急激な変化に対しては、出力電力は殆ど変化しない。
【００６５】
制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、図１０に一例を示すグラフによって燃料供給量を決定し、決定した流量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１０の曲線Ｆ０に従って、要求発電量に対する燃料供給量を決定する。図１０に示すように、燃料供給量は、要求発電量の増大に伴って単調に増加するように決定されるが、要求発電量約２００Ｗ未満では燃料供給量はほぼ一定値にされる。
【００６６】
また、要求発電量が変更された場合に、燃料供給量を急激に変化させると燃料電池モジュール２の劣化を早めることがあるので、図１１に示すように、燃料供給量は漸増又は漸減される。図１１は、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗにステップ状に変化された場合における、燃料供給量の時間に対する変化の一例を示すグラフである。図１１に示すように、時刻ｔ１０において、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗに変更されると、必要な燃料供給量は、５００Ｗの電力出力に対応する供給量から７００Ｗに対応する供給量に急激に変化される。これに対して、制御部１１０は、燃料供給量が急激に増加することがないよう、図１１に想像線で示すように、燃料供給量が緩やかに増加されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。なお、固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１１の線Ｆ１０に従って燃料供給量を増加させる。
【００６７】
同様に、時刻ｔ１１において、要求発電量が７００Ｗから５００Ｗに変更された場合にも、制御部１１０は燃料供給量が急激に減少することがないよう、図１１の線Ｆ１０に従って緩やかに燃料供給量を減少させる。なお、燃料供給量の変化率は、供給量を増加させる場合の方が、供給量を減少させる場合よりも緩やかに設定されている。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
【００６８】
次に、図９乃至１３を参照して、固体電解質型燃料電池１の制御を説明する。図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図１０は、制御部１１０に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図１１は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図１３は、劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。
【００６９】
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように負荷追従運転を行っている。即ち、図６に示すように、制御手段である制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、図９に示すように、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化する。ここで、燃料供給量等に対する出力電力の応答には遅れをもたせており、燃料供給量等の変化に対して出力電力は遅れて変化し、要求発電量の急激な変化に対しては、出力電力は殆ど変化しない。
【００７０】
制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、図１０に一例を示すグラフによって燃料供給量を決定し、決定した流量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１０の曲線Ｆ０に従って、要求発電量に対する燃料供給量を決定する。図１０に示すように、燃料供給量は、要求発電量の増大に伴って単調に増加するように決定されるが、要求発電量約２００Ｗ未満では燃料供給量はほぼ一定値にされる。
【００７１】
また、要求発電量が変更された場合に、燃料供給量を急激に変化させると燃料電池モジュール２の劣化を早めることがあるので、図１１に示すように、燃料供給量は漸増又は漸減される。図１１は、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗにステップ状に変化された場合における、燃料供給量の時間に対する変化の一例を示すグラフである。図１１に示すように、時刻ｔ１０において、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗに変更されると、必要な燃料供給量は、５００Ｗの電力出力に対応する供給量から７００Ｗに対応する供給量に急激に変化される。これに対して、制御部１１０は、燃料供給量が急激に増加することがないよう、図１１に想像線で示すように、燃料供給量が緩やかに増加されるように、即ち、燃料供給量の時間当たりの変化率が所定の値になるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。なお、固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１１の線Ｆ１０に従って燃料供給量を増加させる。
【００７２】
同様に、時刻ｔ１１において、要求発電量が７００Ｗから５００Ｗに変更された場合にも、制御部１１０は燃料供給量が急激に減少することがないよう、図１１の線Ｆ１０に従って緩やかに燃料供給量を減少させる。なお、燃料供給量の時間当たりの変化率は、供給量を増加させる場合の方が、供給量を減少させる場合よりも緩やかに設定されている。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
【００７３】
次に、図１２を参照して、制御部１１０による燃料電池セルユニット１６の温度帯域規制制御を説明する。図１２は、本実施形態による固体電解質型燃料電池の温度帯域規制制御の一例を示すタイムチャートである。
制御部１１０には、固体電解質型燃料電池１の定格出力である７００Ｗに対応する燃料電池モジュール２の上限温度Ｔｂ、及び固体電解質型燃料電池１を適正に運転するための下限温度Ｔａが記憶されている。制御部１１０は、これらの上限温度Ｔｂと下限温度Ｔａの間の温度帯域を温度監視帯域Ｗとして固体電解質型燃料電池１を温度帯域規制制御している。即ち、制御部１１０は、燃料電池モジュール２の温度が温度監視帯域Ｗ内から外れると、燃料供給量及び空気供給量を適応補正し、燃料電池モジュール２の温度が温度監視帯域Ｗ内に早期に復帰するように制御する。
【００７４】
図１２の時刻ｔ２０〜ｔ２１においては、固体電解質型燃料電池１に対する要求電力の増大に追従して燃料供給量、空気供給量が増加され、これに伴い燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する。時刻ｔ２１において、燃料電池セルユニット１６の温度が上限温度Ｔｂを超えると、制御部１１０は適応補正を実行し、燃料供給量、空気供給量を所定量低下させる。即ち、適応補正により、図１０に示す曲線Ｆ０が所定量下方にシフトされる。これにより、燃料電池セルユニット１６の温度が低下される。適応補正後の燃料供給量、空気供給量は、その後の燃料電池セルユニット１６の温度推移に関わらず、所定時間保持される。本実施形態においては、適応補正後の燃料供給量、空気供給量は５時間保持される。次いで、時刻ｔ２２において、燃料電池セルユニット１６の温度が再び上限温度Ｔｂを超えると、制御部１１０は適応補正を実行し、燃料供給量、空気供給量を所定量低下させる。
【００７５】
時刻ｔ２２から所定時間経過後の時刻ｔ２３において、再び負荷追従制御が再開される。負荷追従制御により、時刻ｔ２４において、燃料電池セルユニット１６の温度が下限温度Ｔａよりも低くなると、制御部１１０は適応補正を実行し、燃料供給量、空気供給量を所定量上昇させる。即ち、適応補正により、時刻ｔ２２における適応補正後の曲線Ｆ０が所定量上方にシフトされる。これにより、燃料電池セルユニット１６の温度が上昇される。
【００７６】
このような適応補正を繰り返すことにより、燃料電池セルユニット１６が温度監視帯域Ｗ内で運転されるよう、曲線Ｆ０が適正な位置にシフトされる。これにより、燃料電池セルユニット１６の個体差等を吸収し、適正な燃料供給量、空気供給量で固体電解質型燃料電池１を運転することができる。なお、本実施形態においては、曲線Ｆ０の合計のシフト回数が所定の回数を超えないように規制されている。即ち、曲線Ｆ０を上昇させるシフトだけが過剰に繰り返されることにより燃料供給量が増大しすぎたり、曲線Ｆ０を低下させるシフトだけが過剰に繰り返されることにより燃料供給量が減少しすぎたりするのを防止している。
【００７７】
次に、再び図９を参照して、劣化判定モード運転を説明する。
図９の時刻ｔ１において、制御部１１０に内蔵された劣化判定手段１１０ａ（図６）は劣化判定モードの運転を開始する。なお、劣化判定手段１１０ａは、マイクロプロセッサ、メモリ及びこれらを作動させるプログラム（以上図示せず）等により構成されている。図１３は、劣化判定手段１１０ａによる処理を示すフローチャートである。
【００７８】
図１３に示すフローチャートは、劣化判定手段１１０ａにより所定時間毎に実行される。まず、ステップＳ１においては、前回の劣化判定モードの運転からの経過時間が判断される。前回の劣化判定モード運転から所定の劣化判定間隔である２週間経過していない場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。この処理により、劣化判定モード運転が不必要に頻繁に実行され、燃料等が浪費されるのを防止することができる。
【００７９】
前回の劣化判定モード運転から２週間以上経過している場合には、ステップＳ２に進み、固体電解質型燃料電池１の外部環境が、劣化判定モード運転に適する所定の劣化判定外気状態であるか否かが判断される。具体的には、外気温度センサ１５０（図６）及び外気湿度センサ（図示せず）によって検出された外気温及び外気の湿度が、所定の条件に適合しているか否かが判断される。本実施形態においては、外気温度５〜３０゜Ｃ、外気湿度３０〜７０％である場合に、外部環境が劣化判定モード運転に適する劣化判定外気状態であると判断される。外部環境が劣化判定外気状態でないと判断された場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。
【００８０】
外部環境が劣化判定モード運転に適している場合には、ステップＳ３に進み、劣化判定モードの運転が開始される。さらに、ステップＳ４においては、燃料供給量、空気供給量、水供給量が予め定められた所定の劣化判定発電量に対応する値に固定される。即ち、劣化判定モード運転において、劣化判定手段１１０ａは、制御部１１０に対する要求発電量に関わらず、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、水流量調整ユニット２８が一定の供給量を維持するように、これらの調整ユニットを制御する。本実施形態においては、図９の時刻ｔ１において、劣化判定燃料供給量３Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定酸化剤ガス供給量１００Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定水供給量８ｍＬ／ｍｉｎに固定される。
【００８１】
これらの劣化判定発電量に対応する固定値は、本実施形態による固体電解質型燃料電池１の定格発電量である７００Ｗに対応する供給量である。従って、固定値により燃料、空気、水が供給されている間は、固体電解質型燃料電池１は、７００Ｗの電力を出力する能力を有するが、要求発電量が７００Ｗに満たない場合には、余分な燃料は発電には使用されず燃焼室１８において燃焼される。
【００８２】
次に、図１３のステップＳ５においては、固定値による運転が開始された後、十分な時間が経過し、安定した運転状態になったか否かが判断される。本実施形態においては、固定値による運転が開始された後、劣化判定時間である５時間が経過したか否かにより、安定した運転状態が判断される。固定値による運転開始後５時間経過していない場合には、ステップＳ５の処理が繰り返される。これにより、ステップＳ４において開始された固定値による運転が５時間に亘って維持される（図９、時刻ｔ１〜ｔ２）。
【００８３】
固定値による運転が５時間継続された後、図９の時刻ｔ２において、ステップＳ６に進み、発電室温度センサ１４２により測定された燃料電池モジュール２の温度が所定温度以上か否かが判断される。即ち、燃料電池モジュール２を安定した運転状態で運転した運転結果である燃料電池モジュール２の温度と、所定の劣化判定基準値である基準温度を比較することにより、燃料電池モジュール２の劣化を判定する。本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、初期状態で７００Ｗの定格出力運転を行った場合の燃料電池モジュール２の基準温度Ｔ０は約７００゜Ｃであり、燃料電池モジュール２の劣化が進行すると、この温度が上昇する。これは、固体電解質型燃料電池セルである燃料電池セルユニット１６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接点部分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るジュール熱等に起因している。
【００８４】
本実施形態においては、劣化判定手段１１０ａは、発電室温度センサ１４２により測定された温度Ｔ１が、基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高い場合に、燃料電池モジュール２が劣化したと判定する。燃料電池モジュール２が劣化していない場合には、ステップＳ１０に進み、このフローチャートの一回の処理を終了し、燃料供給量等の運転条件の変更は行われない。
【００８５】
燃料電池モジュール２が劣化したと判定された場合には、ステップＳ７に進み、劣化処理が開始される。ステップＳ７においては、燃料供給補正が実行され、要求発電量に対する燃料供給量及び燃料供給量のゲインが変更される。即ち、固体電解質型燃料電池１の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定された場合には、要求発電量に対する燃料供給量は、燃料供給補正により図１０の曲線Ｆ０から曲線Ｆ１に変更され、以後、曲線Ｆ１を使用して燃料供給量が決定される。また、燃料供給量を変更する際の燃料供給量の時間当たりの変化率は、図１１の線Ｆ１０から、より変化率の低い線Ｆ１１に変更され、以後、この変化率により燃料供給量が変更される。制御部１１０は、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定された後は、運転条件を変更した劣化モード運転を実行し、変更された燃料供給量等は、燃料電池モジュール２がさらに劣化したことが判定されるまで維持される。
【００８６】
燃料電池モジュール２が劣化すると、同一燃料供給量に対して出力される電力が低下するので、燃料供給量を曲線Ｆ０に対して１０％燃料供給量が増量された曲線Ｆ１に従って決定されるようにし、出力電力の低下を補正する。また、劣化した燃料電池モジュール２の燃料供給量を急激に変化させると、劣化をさらに進行させることに繋がるため、燃料供給量の変化率は、より小さくされる。
【００８７】
なお、劣化がもう一度判定された場合には、燃料供給量は曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に、さらにもう一度判定された場合には曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に変更される。曲線Ｆ２は曲線Ｆ０に対して１８％、曲線Ｆ３は曲線Ｆ０に対して２３％燃料供給量が増量されている。このように、１回目に劣化が判定された場合には初期の燃料供給量の１０％分が増量され、２回目には更に初期の燃料供給量の８％分が増量され（合計１８％分）、３回目には更に初期の燃料供給量の５％分が増量される（合計２３％分）。このように、実行される燃料供給補正は、後に実行されるものほど燃料の増分が小さくなるように設定されている。これにより、劣化が進行している燃料電池モジュール２に過度の負担がかかるのを防止している。また、燃料供給量のゲインも、２回目に劣化が判定された場合には線Ｆ１１から線Ｆ１２に、３回目に劣化が判定された場合には線Ｆ１２から線Ｆ１３に変更される。即ち、燃料電池モジュール２の劣化が進むにつれて、燃料供給量の時間当たりの変化が緩やかにされる。
【００８８】
このように、本実施形態においては、劣化したことが判定された際の燃料供給量の増分は、予め設定された固定値とされている。このため、例えば、燃料電池モジュール２の温度上昇に基づいて燃料供給量の補正量を計算したり、出力電力の低下量に基づいて補正量を計算する場合とは異なり、大きく誤った補正がなされるのを防止することができる。即ち、燃料電池モジュール２の温度や、出力電力は、種々のファクターにより影響されて値が変化するので、何らかの要因により異常な温度や出力電力が測定された場合には、この値に基づいて補正量を計算すると、異常な補正が実行されることになる。
【００８９】
燃料供給量の補正が行われた後ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、補正後の燃料供給量で固体電解質型燃料電池１を運転したときの燃料電池モジュール２の温度Ｔ２が、発電室温度センサ１４２により測定される。測定された温度Ｔ２は、新たな基準温度Ｔ０として劣化判定手段１１０ａのメモリ（図示せず）に記憶される。この新たな基準温度Ｔ０は、次回の劣化判定の際に基準温度として使用される。好ましくは、燃料供給量の補正を実行した後、所定時間、燃料供給量を一定にして運転を行い、その後、燃料電池モジュール２の温度Ｔ２を測定する。これにより、補正による燃料供給量の変更の影響が排除された正確な温度を測定することができる。
【００９０】
以上の劣化処理が終了すると、劣化判定手段１１０ａは劣化判定モード運転を終了させ、制御部１１０は要求発電量に対応した通常の運転を再開する（図９、時刻ｔ２）。
【００９１】
さらに、固体電解質型燃料電池１の使用者が、固体電解質型燃料電池１の定格電力以上の電力を使用している場合には、インバータ５４から制御部１１０に送られる要求発電量は、固体電解質型燃料電池１の定格電力となる。このような状態が長時間に亘って継続されている場合には、結果として、燃料電池モジュール２への燃料、空気、水の供給量は、長時間に亘って定格電力に対応した一定値となる（図９、時刻ｔ３〜ｔ４）。
【００９２】
劣化判定手段１１０ａは、このような安定した運転状態が劣化判定時間である５時間以上継続した場合にも、劣化の判定を実行する。即ち、劣化判定手段１１０ａは、図９の時刻ｔ４において、発電室温度センサ１４２により測定された温度Ｔ１と、基準温度Ｔ０を比較し、温度Ｔ１が基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高いか否かを判定する。温度Ｔ１が基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高い場合には、劣化判定手段１１０ａは、燃料電池モジュール２の劣化がさらに進行したと判定し、この劣化を補正するように、運転条件を変更する。この劣化の判定が２回目である場合には、燃料供給量は曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に変更され、燃料供給量の時間当たりの変化率は線Ｆ１１から、より低下された線Ｆ１２に夫々変更される。
【００９３】
ただし、劣化したことが判定された場合であっても、前回の燃料供給補正から所定の補正最小間隔である０．５年が経過していない場合には、燃料供給量の補正は実行されない。これにより、短期間に過度の燃料供給補正が実行され、燃料電池モジュール２の劣化が想定以上に速く進行するのを防止している。
【００９４】
さらに、図９の時刻ｔ５において、劣化判定手段１１０ａは、劣化判定モード運転を開始する。この劣化判定モード運転において、燃料、空気、水の各供給量は、劣化判定により補正された供給量に固定される。即ち、過去２回、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されている場合には、図１０の曲線Ｆ２に基づいて決定された、定格出力に対応する燃料供給量に固定される。
【００９５】
劣化判定手段１１０ａは、劣化判定モード運転開始から５時間経過後の時刻ｔ６において、燃料電池モジュール２の温度Ｔ１を測定し、劣化判定を実行する。ここで、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定され、この劣化の判定が３回目である場合には、燃料供給量は曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に、燃料供給量の変化率は線Ｆ１２から線Ｆ１３に夫々変更される。なお、劣化判定手段１１０ａは、測定された燃料電池モジュール２の温度Ｔ１が、所定の補正禁止温度である９００゜Ｃを超えている場合には、燃料電池モジュール２の劣化が判定されていても、燃料供給量の補正を実行しない。
【００９６】
なお、さらに劣化が進行し、４回目の劣化が判定された場合には、劣化判定手段１１０ａは、更なる燃料供給量等の補正は実行しない。以後、制御部１１０は、要求発電量に応じて出力電力を変更する制御を行わず、常に所定の電力を出力するように制御を行う。
【００９７】
また、劣化判定手段１１０ａは、予め設定された所定の燃料供給量に対する出力電力が所定の電力以下になった場合には、固体電解質型燃料電池１の運転を停止させる。さらに、劣化判定手段１１０ａは報知装置１１６に信号を送り、固体電解質型燃料電池１の製品寿命が到来したことを使用者に報知する。これにより、劣化が進行し発電効率が低下した固体電解質型燃料電池１を使用することによる燃料の浪費を防止する。
【００９８】
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池モジュールが劣化したことが判定されると、燃料供給量の時間当たりの変化率が低下されるので、燃料電池モジュールの温度変化が緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【００９９】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、劣化判定手段が、安定した運転状態において燃料電池モジュールの劣化を判定するので、より正確に燃料電池モジュールの劣化を把握することができ、制御手段は、劣化の進行を抑制するように適切な制御を行うことができる。
【０１００】
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、制御部が、固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲を所定の範囲内に制限するように制御するので、燃料電池モジュールの温度変化がさらに緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を効果的に抑制することができる。
【０１０１】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池モジュールの劣化の進行程度に合わせて、燃料供給量の変化率を変更している。このため、劣化が進行していない状態では、比較的速く燃料供給量を変化させることにより要求発電量に迅速に追従し、劣化が進行した状態では、燃料供給量の変化率を低くすることにより燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。これにより、要求発電量に対する出力電力の追従性を確保しながら、燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、制御部は、劣化が所定の状態まで進行した後は、一定の電力が出力されるように制御を行うので、燃料電池モジュールの温度変化をより少なくすることができ、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【０１０３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、固体電解質型燃料電池の制御部は劣化判断手段を備え、この劣化判断手段が燃料電池モジュールが劣化したことを判定すると、以後要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率が低下されていたが、劣化の判定に代えて、制御部が劣化を推定するように本発明を構成することもできる。例えば、固体電解質型燃料電池の初期使用開始から所定期間が経過すると、制御部は燃料電池モジュールが劣化したと推定し、以後要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させるように本発明を構成することもできる。これにより、特別な劣化判断手段を備えることなく、簡便に本発明を構成することができる。
【０１０４】
また、劣化の推定を複数回行うように本発明を構成することもできる。即ち、初期使用開始から所定期間の経過により１回目の劣化を推定し、更に所定期間経過したときに２回目以降の劣化を推定するように本発明を構成することもできる。この場合には、初期使用開始からの期間が長くなるほど要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率を大きく低下させるように本発明を構成することもできる。
【０１０５】
さらに、上述した実施形態においては、劣化の判定を複数回行っていたが、劣化の判定が１回のみ行われるように本発明を構成することもできる。
【符号の説明】
【０１０６】
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（固体電解質型燃料電池セル）
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（水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給手段）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１１０ａ 劣化判定手段
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、特に、要求発電量に応じて出力電力を可変す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、比較的高温で動作する燃料電池である。
【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及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
【０００４】
また、燃料電池セルは、長期間に亘る使用により劣化していくことが知られている。特開２００７−８７７５６号公報（特許文献１）には、固体酸化物型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、燃料の流量を調整することにより、燃料電池セルの劣化を減少させることが記載されている。
【０００５】
さらに、特開２００３−２１７６２７号公報（特許文献２）には、燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法および電力供給システムが記載されている。この燃料供給量制御装置は、燃料電池セルが劣化することにより所定の燃料供給量に対して取り出すことができる電力が低下した場合には、燃料供給量を補償するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−８７７５６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、特開２００３−２１７６２７号公報（特許文献２）記載の燃料供給量制御装置では、一定の燃料供給量に対する出力電力に基づいて燃料供給量を補償している。しかしながら、劣化することにより、燃料供給量に対する出力電力が低下した燃料電池の燃料供給量を増量補償して、出力電力を劣化前のレベルに維持する制御を行うと、この制御が却って燃料電池の劣化を促進してしまうという問題がある。補償により劣化が促進された燃料電池に対し、更なる補償を実施すれば、更に劣化が促進されるという悪循環に陥り、場合によっては燃料電池の寿命を大幅に縮めてしまうことになる。
【０００８】
従って、本発明は、劣化が進行した燃料電池セルに対し、劣化の進行を抑制することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、要求発電量に応じて発電電力を可変する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、要求発電量に対応して、燃料供給手段から供給する燃料供給量を変化させる制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させることを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、制御手段は、燃料供給手段、及び酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料電池モジュールに燃料、及び酸化剤ガスを供給する。また、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させる。
【００１１】
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、燃料供給量の時間当たりの変化率が低下されるので、燃料電池モジュールの温度変化が緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化判定手段を有し、この劣化判定手段は燃料電池モジュールの運転状態に基づいて燃料電池モジュールの劣化を判定し、燃料電池モジュールが劣化したと判定されると、以後、制御手段は、劣化モード運転を実行すると共に、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させる。
【００１３】
このように構成された本発明によれば、劣化判定手段が燃料電池モジュールの劣化を判定するので、より正確に燃料電池モジュールの劣化を把握することができ、制御手段は、劣化の進行を抑制するように適切な制御を行うことができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの運転時間に基づいて、燃料電池モジュールの劣化を推定する。
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの劣化が運転時間に基づいて推定されるので、簡便に劣化の進行を抑制する制御を行うことができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化判定手段が、燃料電池モジュールの劣化を判定した後、固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲が、所定の範囲内に制限されるように、燃料供給手段から供給する燃料の量を変化させる。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲が、所定の範囲内に制限されるので、燃料電池モジュールの温度変化がさらに緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を効果的に抑制することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化判定手段により判定される劣化が進行しているほど、又は、燃料電池モジュールが長期間運転されているほど、要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を大きく低下させる。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの劣化の進行程度に合わせて、燃料供給量の変化率を変更するので、要求発電量に対する出力電力の追従性を確保しながら、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、制御手段は、劣化が所定の状態まで進行したと推定又は判定すると、以後、要求発電量に対応した制御を中止し、所定の電力が出力されるよう燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、劣化が所定の状態まで進行した後は、一定の電力が出力されるので、燃料電池モジュールの温度変化をより少なくすることができ、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、劣化が進行した燃料電池セルに対し、劣化の進行を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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）の燃料電池セル単体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における劣化判定を説明するタイムチャートである。
【図１０】制御部に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。
【図１１】要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。
【図１２】固体電解質型燃料電池の温度帯域規制制御の一例を示すタイムチャートである。
【図１３】劣化判定手段による劣化判定の手順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】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に、図９乃至１２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の作用を説明する。
図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図１０は、制御部１１０に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図１１は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図１２は、劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。
【００６４】
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように負荷追従運転を行っている。即ち、図６に示すように、制御手段である制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、図９に示すように、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化する。ここで、燃料供給量等に対する出力電力の応答には遅れをもたせており、燃料供給量等の変化に対して出力電力は遅れて変化し、要求発電量の急激な変化に対しては、出力電力は殆ど変化しない。
【００６５】
制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、図１０に一例を示すグラフによって燃料供給量を決定し、決定した流量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１０の曲線Ｆ０に従って、要求発電量に対する燃料供給量を決定する。図１０に示すように、燃料供給量は、要求発電量の増大に伴って単調に増加するように決定されるが、要求発電量約２００Ｗ未満では燃料供給量はほぼ一定値にされる。
【００６６】
また、要求発電量が変更された場合に、燃料供給量を急激に変化させると燃料電池モジュール２の劣化を早めることがあるので、図１１に示すように、燃料供給量は漸増又は漸減される。図１１は、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗにステップ状に変化された場合における、燃料供給量の時間に対する変化の一例を示すグラフである。図１１に示すように、時刻ｔ１０において、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗに変更されると、必要な燃料供給量は、５００Ｗの電力出力に対応する供給量から７００Ｗに対応する供給量に急激に変化される。これに対して、制御部１１０は、燃料供給量が急激に増加することがないよう、図１１に想像線で示すように、燃料供給量が緩やかに増加されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。なお、固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１１の線Ｆ１０に従って燃料供給量を増加させる。
【００６７】
同様に、時刻ｔ１１において、要求発電量が７００Ｗから５００Ｗに変更された場合にも、制御部１１０は燃料供給量が急激に減少することがないよう、図１１の線Ｆ１０に従って緩やかに燃料供給量を減少させる。なお、燃料供給量の変化率は、供給量を増加させる場合の方が、供給量を減少させる場合よりも緩やかに設定されている。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
【００６８】
次に、図９乃至１３を参照して、固体電解質型燃料電池１の制御を説明する。図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図１０は、制御部１１０に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図１１は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図１３は、劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。
【００６９】
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように負荷追従運転を行っている。即ち、図６に示すように、制御手段である制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、図９に示すように、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化する。ここで、燃料供給量等に対する出力電力の応答には遅れをもたせており、燃料供給量等の変化に対して出力電力は遅れて変化し、要求発電量の急激な変化に対しては、出力電力は殆ど変化しない。
【００７０】
制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、図１０に一例を示すグラフによって燃料供給量を決定し、決定した流量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１０の曲線Ｆ０に従って、要求発電量に対する燃料供給量を決定する。図１０に示すように、燃料供給量は、要求発電量の増大に伴って単調に増加するように決定されるが、要求発電量約２００Ｗ未満では燃料供給量はほぼ一定値にされる。
【００７１】
また、要求発電量が変更された場合に、燃料供給量を急激に変化させると燃料電池モジュール２の劣化を早めることがあるので、図１１に示すように、燃料供給量は漸増又は漸減される。図１１は、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗにステップ状に変化された場合における、燃料供給量の時間に対する変化の一例を示すグラフである。図１１に示すように、時刻ｔ１０において、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗに変更されると、必要な燃料供給量は、５００Ｗの電力出力に対応する供給量から７００Ｗに対応する供給量に急激に変化される。これに対して、制御部１１０は、燃料供給量が急激に増加することがないよう、図１１に想像線で示すように、燃料供給量が緩やかに増加されるように、即ち、燃料供給量の時間当たりの変化率が所定の値になるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。なお、固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１１の線Ｆ１０に従って燃料供給量を増加させる。
【００７２】
同様に、時刻ｔ１１において、要求発電量が７００Ｗから５００Ｗに変更された場合にも、制御部１１０は燃料供給量が急激に減少することがないよう、図１１の線Ｆ１０に従って緩やかに燃料供給量を減少させる。なお、燃料供給量の時間当たりの変化率は、供給量を増加させる場合の方が、供給量を減少させる場合よりも緩やかに設定されている。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
【００７３】
次に、図１２を参照して、制御部１１０による燃料電池セルユニット１６の温度帯域規制制御を説明する。図１２は、本実施形態による固体電解質型燃料電池の温度帯域規制制御の一例を示すタイムチャートである。
制御部１１０には、固体電解質型燃料電池１の定格出力である７００Ｗに対応する燃料電池モジュール２の上限温度Ｔｂ、及び固体電解質型燃料電池１を適正に運転するための下限温度Ｔａが記憶されている。制御部１１０は、これらの上限温度Ｔｂと下限温度Ｔａの間の温度帯域を温度監視帯域Ｗとして固体電解質型燃料電池１を温度帯域規制制御している。即ち、制御部１１０は、燃料電池モジュール２の温度が温度監視帯域Ｗ内から外れると、燃料供給量及び空気供給量を適応補正し、燃料電池モジュール２の温度が温度監視帯域Ｗ内に早期に復帰するように制御する。
【００７４】
図１２の時刻ｔ２０〜ｔ２１においては、固体電解質型燃料電池１に対する要求電力の増大に追従して燃料供給量、空気供給量が増加され、これに伴い燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する。時刻ｔ２１において、燃料電池セルユニット１６の温度が上限温度Ｔｂを超えると、制御部１１０は適応補正を実行し、燃料供給量、空気供給量を所定量低下させる。即ち、適応補正により、図１０に示す曲線Ｆ０が所定量下方にシフトされる。これにより、燃料電池セルユニット１６の温度が低下される。適応補正後の燃料供給量、空気供給量は、その後の燃料電池セルユニット１６の温度推移に関わらず、所定時間保持される。本実施形態においては、適応補正後の燃料供給量、空気供給量は５時間保持される。次いで、時刻ｔ２２において、燃料電池セルユニット１６の温度が再び上限温度Ｔｂを超えると、制御部１１０は適応補正を実行し、燃料供給量、空気供給量を所定量低下させる。
【００７５】
時刻ｔ２２から所定時間経過後の時刻ｔ２３において、再び負荷追従制御が再開される。負荷追従制御により、時刻ｔ２４において、燃料電池セルユニット１６の温度が下限温度Ｔａよりも低くなると、制御部１１０は適応補正を実行し、燃料供給量、空気供給量を所定量上昇させる。即ち、適応補正により、時刻ｔ２２における適応補正後の曲線Ｆ０が所定量上方にシフトされる。これにより、燃料電池セルユニット１６の温度が上昇される。
【００７６】
このような適応補正を繰り返すことにより、燃料電池セルユニット１６が温度監視帯域Ｗ内で運転されるよう、曲線Ｆ０が適正な位置にシフトされる。これにより、燃料電池セルユニット１６の個体差等を吸収し、適正な燃料供給量、空気供給量で固体電解質型燃料電池１を運転することができる。なお、本実施形態においては、曲線Ｆ０の合計のシフト回数が所定の回数を超えないように規制されている。即ち、曲線Ｆ０を上昇させるシフトだけが過剰に繰り返されることにより燃料供給量が増大しすぎたり、曲線Ｆ０を低下させるシフトだけが過剰に繰り返されることにより燃料供給量が減少しすぎたりするのを防止している。
【００７７】
次に、再び図９を参照して、劣化判定モード運転を説明する。
図９の時刻ｔ１において、制御部１１０に内蔵された劣化判定手段１１０ａ（図６）は劣化判定モードの運転を開始する。なお、劣化判定手段１１０ａは、マイクロプロセッサ、メモリ及びこれらを作動させるプログラム（以上図示せず）等により構成されている。図１３は、劣化判定手段１１０ａによる処理を示すフローチャートである。
【００７８】
図１３に示すフローチャートは、劣化判定手段１１０ａにより所定時間毎に実行される。まず、ステップＳ１においては、前回の劣化判定モードの運転からの経過時間が判断される。前回の劣化判定モード運転から所定の劣化判定間隔である２週間経過していない場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。この処理により、劣化判定モード運転が不必要に頻繁に実行され、燃料等が浪費されるのを防止することができる。
【００７９】
前回の劣化判定モード運転から２週間以上経過している場合には、ステップＳ２に進み、固体電解質型燃料電池１の外部環境が、劣化判定モード運転に適する所定の劣化判定外気状態であるか否かが判断される。具体的には、外気温度センサ１５０（図６）及び外気湿度センサ（図示せず）によって検出された外気温及び外気の湿度が、所定の条件に適合しているか否かが判断される。本実施形態においては、外気温度５〜３０゜Ｃ、外気湿度３０〜７０％である場合に、外部環境が劣化判定モード運転に適する劣化判定外気状態であると判断される。外部環境が劣化判定外気状態でないと判断された場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。
【００８０】
外部環境が劣化判定モード運転に適している場合には、ステップＳ３に進み、劣化判定モードの運転が開始される。さらに、ステップＳ４においては、燃料供給量、空気供給量、水供給量が予め定められた所定の劣化判定発電量に対応する値に固定される。即ち、劣化判定モード運転において、劣化判定手段１１０ａは、制御部１１０に対する要求発電量に関わらず、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、水流量調整ユニット２８が一定の供給量を維持するように、これらの調整ユニットを制御する。本実施形態においては、図９の時刻ｔ１において、劣化判定燃料供給量３Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定酸化剤ガス供給量１００Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定水供給量８ｍＬ／ｍｉｎに固定される。
【００８１】
これらの劣化判定発電量に対応する固定値は、本実施形態による固体電解質型燃料電池１の定格発電量である７００Ｗに対応する供給量である。従って、固定値により燃料、空気、水が供給されている間は、固体電解質型燃料電池１は、７００Ｗの電力を出力する能力を有するが、要求発電量が７００Ｗに満たない場合には、余分な燃料は発電には使用されず燃焼室１８において燃焼される。
【００８２】
次に、図１３のステップＳ５においては、固定値による運転が開始された後、十分な時間が経過し、安定した運転状態になったか否かが判断される。本実施形態においては、固定値による運転が開始された後、劣化判定時間である５時間が経過したか否かにより、安定した運転状態が判断される。固定値による運転開始後５時間経過していない場合には、ステップＳ５の処理が繰り返される。これにより、ステップＳ４において開始された固定値による運転が５時間に亘って維持される（図９、時刻ｔ１〜ｔ２）。
【００８３】
固定値による運転が５時間継続された後、図９の時刻ｔ２において、ステップＳ６に進み、発電室温度センサ１４２により測定された燃料電池モジュール２の温度が所定温度以上か否かが判断される。即ち、燃料電池モジュール２を安定した運転状態で運転した運転結果である燃料電池モジュール２の温度と、所定の劣化判定基準値である基準温度を比較することにより、燃料電池モジュール２の劣化を判定する。本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、初期状態で７００Ｗの定格出力運転を行った場合の燃料電池モジュール２の基準温度Ｔ０は約７００゜Ｃであり、燃料電池モジュール２の劣化が進行すると、この温度が上昇する。これは、固体電解質型燃料電池セルである燃料電池セルユニット１６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接点部分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るジュール熱等に起因している。
【００８４】
本実施形態においては、劣化判定手段１１０ａは、発電室温度センサ１４２により測定された温度Ｔ１が、基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高い場合に、燃料電池モジュール２が劣化したと判定する。燃料電池モジュール２が劣化していない場合には、ステップＳ１０に進み、このフローチャートの一回の処理を終了し、燃料供給量等の運転条件の変更は行われない。
【００８５】
燃料電池モジュール２が劣化したと判定された場合には、ステップＳ７に進み、劣化処理が開始される。ステップＳ７においては、燃料供給補正が実行され、要求発電量に対する燃料供給量及び燃料供給量のゲインが変更される。即ち、固体電解質型燃料電池１の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定された場合には、要求発電量に対する燃料供給量は、燃料供給補正により図１０の曲線Ｆ０から曲線Ｆ１に変更され、以後、曲線Ｆ１を使用して燃料供給量が決定される。また、燃料供給量を変更する際の燃料供給量の時間当たりの変化率は、図１１の線Ｆ１０から、より変化率の低い線Ｆ１１に変更され、以後、この変化率により燃料供給量が変更される。制御部１１０は、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定された後は、運転条件を変更した劣化モード運転を実行し、変更された燃料供給量等は、燃料電池モジュール２がさらに劣化したことが判定されるまで維持される。
【００８６】
燃料電池モジュール２が劣化すると、同一燃料供給量に対して出力される電力が低下するので、燃料供給量を曲線Ｆ０に対して１０％燃料供給量が増量された曲線Ｆ１に従って決定されるようにし、出力電力の低下を補正する。また、劣化した燃料電池モジュール２の燃料供給量を急激に変化させると、劣化をさらに進行させることに繋がるため、燃料供給量の変化率は、より小さくされる。
【００８７】
なお、劣化がもう一度判定された場合には、燃料供給量は曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に、さらにもう一度判定された場合には曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に変更される。曲線Ｆ２は曲線Ｆ０に対して１８％、曲線Ｆ３は曲線Ｆ０に対して２３％燃料供給量が増量されている。このように、１回目に劣化が判定された場合には初期の燃料供給量の１０％分が増量され、２回目には更に初期の燃料供給量の８％分が増量され（合計１８％分）、３回目には更に初期の燃料供給量の５％分が増量される（合計２３％分）。このように、実行される燃料供給補正は、後に実行されるものほど燃料の増分が小さくなるように設定されている。これにより、劣化が進行している燃料電池モジュール２に過度の負担がかかるのを防止している。また、燃料供給量のゲインも、２回目に劣化が判定された場合には線Ｆ１１から線Ｆ１２に、３回目に劣化が判定された場合には線Ｆ１２から線Ｆ１３に変更される。即ち、燃料電池モジュール２の劣化が進むにつれて、燃料供給量の時間当たりの変化が緩やかにされる。
【００８８】
このように、本実施形態においては、劣化したことが判定された際の燃料供給量の増分は、予め設定された固定値とされている。このため、例えば、燃料電池モジュール２の温度上昇に基づいて燃料供給量の補正量を計算したり、出力電力の低下量に基づいて補正量を計算する場合とは異なり、大きく誤った補正がなされるのを防止することができる。即ち、燃料電池モジュール２の温度や、出力電力は、種々のファクターにより影響されて値が変化するので、何らかの要因により異常な温度や出力電力が測定された場合には、この値に基づいて補正量を計算すると、異常な補正が実行されることになる。
【００８９】
燃料供給量の補正が行われた後ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、補正後の燃料供給量で固体電解質型燃料電池１を運転したときの燃料電池モジュール２の温度Ｔ２が、発電室温度センサ１４２により測定される。測定された温度Ｔ２は、新たな基準温度Ｔ０として劣化判定手段１１０ａのメモリ（図示せず）に記憶される。この新たな基準温度Ｔ０は、次回の劣化判定の際に基準温度として使用される。好ましくは、燃料供給量の補正を実行した後、所定時間、燃料供給量を一定にして運転を行い、その後、燃料電池モジュール２の温度Ｔ２を測定する。これにより、補正による燃料供給量の変更の影響が排除された正確な温度を測定することができる。
【００９０】
以上の劣化処理が終了すると、劣化判定手段１１０ａは劣化判定モード運転を終了させ、制御部１１０は要求発電量に対応した通常の運転を再開する（図９、時刻ｔ２）。
【００９１】
さらに、固体電解質型燃料電池１の使用者が、固体電解質型燃料電池１の定格電力以上の電力を使用している場合には、インバータ５４から制御部１１０に送られる要求発電量は、固体電解質型燃料電池１の定格電力となる。このような状態が長時間に亘って継続されている場合には、結果として、燃料電池モジュール２への燃料、空気、水の供給量は、長時間に亘って定格電力に対応した一定値となる（図９、時刻ｔ３〜ｔ４）。
【００９２】
劣化判定手段１１０ａは、このような安定した運転状態が劣化判定時間である５時間以上継続した場合にも、劣化の判定を実行する。即ち、劣化判定手段１１０ａは、図９の時刻ｔ４において、発電室温度センサ１４２により測定された温度Ｔ１と、基準温度Ｔ０を比較し、温度Ｔ１が基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高いか否かを判定する。温度Ｔ１が基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高い場合には、劣化判定手段１１０ａは、燃料電池モジュール２の劣化がさらに進行したと判定し、この劣化を補正するように、運転条件を変更する。この劣化の判定が２回目である場合には、燃料供給量は曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に変更され、燃料供給量の時間当たりの変化率は線Ｆ１１から、より低下された線Ｆ１２に夫々変更される。
【００９３】
ただし、劣化したことが判定された場合であっても、前回の燃料供給補正から所定の補正最小間隔である０．５年が経過していない場合には、燃料供給量の補正は実行されない。これにより、短期間に過度の燃料供給補正が実行され、燃料電池モジュール２の劣化が想定以上に速く進行するのを防止している。
【００９４】
さらに、図９の時刻ｔ５において、劣化判定手段１１０ａは、劣化判定モード運転を開始する。この劣化判定モード運転において、燃料、空気、水の各供給量は、劣化判定により補正された供給量に固定される。即ち、過去２回、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されている場合には、図１０の曲線Ｆ２に基づいて決定された、定格出力に対応する燃料供給量に固定される。
【００９５】
劣化判定手段１１０ａは、劣化判定モード運転開始から５時間経過後の時刻ｔ６において、燃料電池モジュール２の温度Ｔ１を測定し、劣化判定を実行する。ここで、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定され、この劣化の判定が３回目である場合には、燃料供給量は曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に、燃料供給量の変化率は線Ｆ１２から線Ｆ１３に夫々変更される。なお、劣化判定手段１１０ａは、測定された燃料電池モジュール２の温度Ｔ１が、所定の補正禁止温度である９００゜Ｃを超えている場合には、燃料電池モジュール２の劣化が判定されていても、燃料供給量の補正を実行しない。
【００９６】
なお、さらに劣化が進行し、４回目の劣化が判定された場合には、劣化判定手段１１０ａは、更なる燃料供給量等の補正は実行しない。以後、制御部１１０は、要求発電量に応じて出力電力を変更する制御を行わず、常に所定の電力を出力するように制御を行う。
【００９７】
また、劣化判定手段１１０ａは、予め設定された所定の燃料供給量に対する出力電力が所定の電力以下になった場合には、固体電解質型燃料電池１の運転を停止させる。さらに、劣化判定手段１１０ａは報知装置１１６に信号を送り、固体電解質型燃料電池１の製品寿命が到来したことを使用者に報知する。これにより、劣化が進行し発電効率が低下した固体電解質型燃料電池１を使用することによる燃料の浪費を防止する。
【００９８】
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池モジュールが劣化したことが判定されると、燃料供給量の時間当たりの変化率が低下されるので、燃料電池モジュールの温度変化が緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【００９９】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、劣化判定手段が、安定した運転状態において燃料電池モジュールの劣化を判定するので、より正確に燃料電池モジュールの劣化を把握することができ、制御手段は、劣化の進行を抑制するように適切な制御を行うことができる。
【０１００】
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、制御部が、固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲を所定の範囲内に制限するように制御するので、燃料電池モジュールの温度変化がさらに緩やかになり、燃料電池モジュールの劣化の進行を効果的に抑制することができる。
【０１０１】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池モジュールの劣化の進行程度に合わせて、燃料供給量の変化率を変更している。このため、劣化が進行していない状態では、比較的速く燃料供給量を変化させることにより要求発電量に迅速に追従し、劣化が進行した状態では、燃料供給量の変化率を低くすることにより燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。これにより、要求発電量に対する出力電力の追従性を確保しながら、燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、制御部は、劣化が所定の状態まで進行した後は、一定の電力が出力されるように制御を行うので、燃料電池モジュールの温度変化をより少なくすることができ、燃料電池モジュールの劣化の進行を抑制することができる。
【０１０３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、固体電解質型燃料電池の制御部は劣化判断手段を備え、この劣化判断手段が燃料電池モジュールが劣化したことを判定すると、以後要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率が低下されていたが、劣化の判定に代えて、制御部が劣化を推定するように本発明を構成することもできる。例えば、固体電解質型燃料電池の初期使用開始から所定期間が経過すると、制御部は燃料電池モジュールが劣化したと推定し、以後要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させるように本発明を構成することもできる。これにより、特別な劣化判断手段を備えることなく、簡便に本発明を構成することができる。
【０１０４】
また、劣化の推定を複数回行うように本発明を構成することもできる。即ち、初期使用開始から所定期間の経過により１回目の劣化を推定し、更に所定期間経過したときに２回目以降の劣化を推定するように本発明を構成することもできる。この場合には、初期使用開始からの期間が長くなるほど要求発電量の変化に対する燃料供給量の時間当たりの変化率を大きく低下させるように本発明を構成することもできる。
【０１０５】
さらに、上述した実施形態においては、劣化の判定を複数回行っていたが、劣化の判定が１回のみ行われるように本発明を構成することもできる。
【符号の説明】
【０１０６】
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（固体電解質型燃料電池セル）
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（水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給手段）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１１０ａ 劣化判定手段
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求発電量に応じて発電電力を可変する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
要求発電量に対応して、上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を変化させる制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記制御手段は、劣化判定手段を有し、この劣化判定手段は上記燃料電池モジュールの運転状態に基づいて上記燃料電池モジュールの劣化を判定し、上記燃料電池モジュールが劣化したと判定されると、以後、上記制御手段は、劣化モード運転を実行すると共に、要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させる請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの運転時間に基づいて、上記燃料電池モジュールの劣化を推定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記劣化判定手段が、上記燃料電池モジュールの劣化を判定した後、上記固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲が、所定の範囲内に制限されるように、上記燃料供給手段から供給する燃料の量を変化させる請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、上記劣化判定手段により判定される劣化が進行しているほど、又は、上記燃料電池モジュールが長期間運転されているほど、要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を大きく低下させる請求項２乃至４の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、劣化が所定の状態まで進行したと推定又は判定すると、以後、要求発電量に対応した制御を中止し、所定の電力が出力されるよう上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
要求発電量に応じて発電電力を可変する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
要求発電量に対応して、上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を変化させる制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの劣化が推定又は判定されると、以後要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記制御手段は、劣化判定手段を有し、この劣化判定手段は上記燃料電池モジュールの運転状態に基づいて上記燃料電池モジュールの劣化を判定し、上記燃料電池モジュールが劣化したと判定されると、以後、上記制御手段は、劣化モード運転を実行すると共に、要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を低下させる請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの運転時間に基づいて、上記燃料電池モジュールの劣化を推定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記劣化判定手段が、上記燃料電池モジュールの劣化を判定した後、上記固体電解質型燃料電池セルの温度変化範囲が、所定の範囲内に制限されるように、上記燃料供給手段から供給する燃料の量を変化させる請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、上記劣化判定手段により判定される劣化が進行しているほど、又は、上記燃料電池モジュールが長期間運転されているほど、要求発電量が変化した際の燃料供給量の時間当たりの変化率を大きく低下させる請求項２乃至４の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、劣化が所定の状態まで進行したと推定又は判定すると、以後、要求発電量に対応した制御を中止し、所定の電力が出力されるよう上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する請求項１乃至５の何れか１項に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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２３８６１９（Ｐ２０１０−２３８６１９Ａ）
【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２００９−８７３５１（Ｐ２００９−８７３５１）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【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）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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