固体電解質型燃料電池
【課題】燃料枯れ等の問題を回避しながら、良好な発電効率を得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、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池(1)であって、燃料電池モジュール(2)と、燃料電池モジュールから電流を取り出すインバータ(54)と、燃料供給手段(38)と、要求電力に応じて指令電流を設定する指令電流設定手段(110a)と、指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答して実発電電流を決定し、この実発電電流を取り出すようにインバータを制御するインバータ制御手段(110b)と、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段(110c)と、この補正された指令電流に基づいて燃料供給手段を制御する燃料制御手段(110d)と、を有することを特徴としている。
【解決手段】本発明は、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池(1)であって、燃料電池モジュール(2)と、燃料電池モジュールから電流を取り出すインバータ(54)と、燃料供給手段(38)と、要求電力に応じて指令電流を設定する指令電流設定手段(110a)と、指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答して実発電電流を決定し、この実発電電流を取り出すようにインバータを制御するインバータ制御手段(110b)と、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段(110c)と、この補正された指令電流に基づいて燃料供給手段を制御する燃料制御手段(110d)と、を有す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係わり、特に、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料（水素ガス）と空気とを用いて発電して電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼働するための補機類とを備えた燃料電池装置が種々提案されている。
特開平７−３０７１６３号公報（特許文献１）には、燃料電池発電装置が記載されている。この燃料電池は、発電する電力が負荷に応じて変更されるように構成されている。
【０００３】
ここで、図１１を参照して、燃料電池を使用した電力供給システムを説明する。図１１は、燃料電池を使用して住宅に電力を供給する従来のシステムの一例を示している。このシステムにおいては、住宅２００で消費される電力は、燃料電池２０２及び系統電力２０４により賄われている。通常、住宅において消費される最大の消費電力は、燃料電池２０２で発電可能な最大定格電力よりも大きいので、燃料電池２０２を利用する住宅２００においても系統電力２０４からその不足分が補われ、住宅には燃料電池２０２及び系統電力２０４から電力が供給される。さらに、燃料電池２０２による発電電力が系統電力２０４へ逆潮流することがないよう、住宅における消費電力が燃料電池２０２の最大定格電力を下回っている場合においても、一般に、住宅２００の消費電力のうちの一部が系統電力２０４から供給されるようになっている。
【０００４】
系統電力２０４は、送電線から送られた電力の電圧をカレントトランス２０６を介して低下させて供給される。燃料電池２０２は、住宅２００が消費している電力のモニター信号をカレントトランス２０６から取得し、これに基づいて燃料電池２０２により発電する電力を変更している。即ち、燃料電池２０２は、カレントトランス２０６から取得したモニター信号に基づいて、燃料電池２０２が供給すべき電流を指示する指令電流Ｉｉを決定し、この指令電流Ｉｉを生成することができるよう、燃料供給量等が制御される。また、指令電流Ｉｉは、住宅２００の消費電力に関わらず、燃料電池２０２の最大定格電力に対応する値以下に設定される。
【０００５】
燃料電池２０２に内蔵されている燃料電池モジュール２０８は、一般に極めて応答が遅いので、住宅２００における消費電力の変化に追従して発電電力を変更することは困難である。このため、燃料電池モジュール２０８に発電量を指示する指令電流Ｉｉの信号は、消費電力の変化に比べ、極めて緩やかに変化するよう、モニター信号にフィルター２１０を掛けることにより決定される。
【０００６】
燃料電池２０２は、燃料電池モジュール２０８が指令電流Ｉｉの電流を生成できる能力を持つよう、指令電流Ｉｉに応じた量の燃料を燃料電池モジュール２０８に供給する。一方、インバータ２１２は、燃料電池モジュール２０８から直流電流Ｉｃを取り出し、これを交流に変換して住宅２００に供給する。また、インバータ２１２が燃料電池モジュール２０８から取り出す電流Ｉｃは、常に指令電流Ｉｉの値以下に設定され、燃料電池モジュール２０８の発電能力を超えないようになっている。指令電流Ｉｉに基づいて決定される燃料供給量等に対応した発電能力以上の電流を燃料電池モジュール２０８から取り出すと、燃料電池モジュール２０８内の燃料電池セルに燃料枯れが発生し、燃料電池セルの寿命を著しく短縮したり、燃料電池セルを破壊する虞がある。
【０００７】
一方、住宅２００において消費される電力は急激に変動するため、消費電力が急減すると、住宅２００の消費電力は、緩慢に変化される指令電流Ｉｉに対応した電力よりも低くなる。このような状態においては、指令電流Ｉｉに応じた燃料が供給され、燃料電池モジュール２０８が十分な電流を生成する能力を持っているにも関わらず、インバータ２１２が燃料電池モジュール２０８から取り出す電流Ｉｃは、指令電流Ｉｉよりも大幅に小さいものとなる。
【０００８】
特開平７−３０７１６３号公報記載の燃料電池発電装置においては、供給された燃料が改質器等を通って燃料電池セルに行き渡るまでの時間遅れを考慮して、遅れ設定器を設け、燃料電池モジュールから電流を取り出すタイミングを遅らせ、これにより燃料枯れを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−３０７１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特開平７−３０７１６３号公報記載の燃料電池発電装置においては、燃料枯れ等の問題を回避することができるものの、消費される電力が急激に減少された場合には、燃料電池モジュールに供給されている燃料は、取り出される電流に対して過剰なものであり、燃料電池全体の発電効率が低下するという問題がある。
【００１１】
従って、本発明は、燃料枯れ等の問題を回避しながら、良好な発電効率を得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】
【００１２】
上述した課題を解決するために、本発明は、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池であって、供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールから電流を取り出し、交流に変換するインバータと、燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、要求電力の変化に応答して指令電流を設定する指令電流設定手段と、要求電力の変化に対して指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答し、且つ指令電流以下の値になるように実発電電流を決定し、この実発電電流が燃料電池モジュールから取り出されるようにインバータを制御するインバータ制御手段と、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段と、この補正された指令電流を発生可能な燃料が燃料電池モジュールに供給されるように、燃料供給手段を制御する燃料制御手段と、を有することを特徴としている。
【００１３】
このように構成された本発明においては、指令電流設定手段が、要求電力の変化に応答して指令電流を設定する。インバータ制御手段は、要求電力の変化に対して指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答し、且つ指令電流以下の値になるように実発電電流を決定すると共に、この実発電電流が燃料電池モジュールから取り出されるようにインバータを制御する。さらに、指令電流補正手段は、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する。燃料制御手段は、補正された指令電流を発生可能な燃料が燃料電池モジュールに供給されるように、燃料供給手段を制御する。燃料電池モジュールは供給された燃料により発電し、インバータは燃料電池モジュールから電流を取り出して交流に変換する。
【００１４】
このように構成された本発明によれば、指令電流設定手段は、要求電力の変化に応答して指令電流を設定するが、その応答性は、インバータ制御手段により設定される実発電電流の応答性よりも低くされている。この結果、要求電力の変化に応じて燃料電池モジュールへの燃料供給量が過敏に変化されることがないので、燃料電池モジュールの無用な温度降下を招いたり、出力を増加させたいときに燃料電池モジュールの温度上昇が遅れ、十分な電力を供給することができないという問題や、燃料電池モジュールが燃料枯れを起こすという問題を回避することができる。また、同時に、指令電流補正手段が、指令電流よりも応答性が高い実発電電流に基づいて指令電流を減少方向に補正する。このため、常に指令電流以下の値に設定される実発電電流の、指令電流との差が減少され、不要な燃料消費を抑制し、省エネルギーを実現することができると共に、固体電解質型燃料電池の総合効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、指令電流と実発電電流の差が所定の偏差電流以上残存するように、指令電流を補正する。
このように構成された本発明によれば、指令電流補正手段は、指令電流と実発電電流の間に所定の偏差電流が残存するように、指令電流と実発電電流の差を減少させるので、再度出力電力を上昇させる際に燃料電池モジュールの温度上昇が遅れ、要求電力の上昇に対する応答が大幅に遅れるのを防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、燃料電池モジュールの運転状態に応じて、所定の偏差電流を変更する。
このように構成された本発明によれば、偏差電流の値が燃料電池モジュールの運転状態に応じて変更されるので、運転の様々な局面において適切な偏差電流を設定することができる。この結果、偏差電流を減少させることにより不要な燃料消費を減少させる省エネ効果と、要求電力が上昇した際に、燃料電池モジュールが比較的迅速に要求電力に追従して、系統電力の消費を抑制する省エネ効果を両立することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、指令電流が小さいほど、所定の偏差電流を減少させる。
このように構成された本発明によれば、指令電流が小さいほど偏差電流が減少されるので、燃料電池モジュールの温度が低く、温度を維持するために燃料が必要になる燃料利用率の低い運転状態における運転効率のより一層の低下を防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、要求電力の変化が急激なほど、所定の偏差電流を増大させる。
このように構成された本発明によれば、要求電力の変化が急激な場合には偏差電流が大きくなるので、要求電力の増加局面において、燃料電池モジュールの温度上昇を促進することができ、燃料電池モジュールが比較的迅速に要求電力に追従して、系統電力の消費を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料枯れ等の問題を回避しながら、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】制御部により実行される制御のフローチャートである。
【図１１】燃料電池を使用して住宅に電力を供給する従来のシステムの一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５５】
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。
【００５６】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６０】
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。
【００６１】
次に、図９及び図１０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１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１の作用の一例を示すタイムチャートである。また、図１０は、制御部１１０により実行される制御のフローチャートである。図１０のフローチャートに示す処理は、主に、制御部１１０に内蔵された指令電流設定手段１１０ａ、インバータ制御手段１１０ｂ、指令電流補正手段１１０ｃ、及び燃料制御手段１１０ｄにより実行されるものである。具体的には、これら指令電流設定手段１１０ａ、インバータ制御手段１１０ｂ、指令電流補正手段１１０ｃ、及び燃料制御手段１１０ｄは、制御部１１０に内蔵された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等により構成される。
【００６２】
まず、図９に示すタイムチャートは、住宅等の施設が消費している総需要電力（要求電力）を１段目に表し、総需要電力のうち固体電解質型燃料電池１によって供給される電力、即ち、インバータ５４から出力されるインバータ出力電力を２段目に表し、指令電流Ｉｉを３段目に表し、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出される電流である実発電電流Ｉｃを４段目に表している。
【００６３】
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、総需要電力は、細かな変動を含みながらも概ね増加傾向にあり、これに伴ってインバータ出力電力も緩やかに増加している。各時刻における総需要電力とインバータ出力電力の差に相当する電力は、系統電力から供給されている。なお、施設が消費する総需要電力は、総需要電力モニター信号Ｍｓ（図６）として制御部１１０に入力される。また、時刻ｔ０〜ｔ１においては、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力の増加傾向に緩やかに追従するように、指令電流Ｉｉを上昇させ、インバータ制御手段１１０ｂは、指令電流Ｉｉを越えない範囲で実発電電流Ｉｃを緩やかに上昇させている。
【００６４】
次いで、時刻ｔ１においては、総需要電力が短期間急激に減少している。これに伴いインバータ制御手段１１０ｂは、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出す実発電電流Ｉｃを急激に減少させている。なお、インバータ５４に取り出される実発電電流Ｉｃは、実発電電流モニター信号Ｍｉｃ（図６）として制御部１１０に入力される。また、インバータ５４から出力されるインバータ出力電力も実発電電流Ｉｃとほぼ同様に変化されるが、インバータ５４に内蔵されたキャパシタ等の作用により、実発電電流Ｉｃよりも若干変動が緩やかになっている。その後、インバータ制御手段１１０ｂは、総需要電力の増加に追従して、実発電電流Ｉｃを緩やかに上昇させている（時刻ｔ１〜ｔ４）。なお、総需要電力に対する実発電電流Ｉｃの追従性は、総需要電力に対する指令電流Ｉｉの追従性よりも高く設定されている。
【００６５】
一方、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力に基づいて指令電流Ｉｉを決定している。しかしながら、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力の変化を大幅に平滑化して指令電流Ｉｉを決定しているため、時刻ｔ１における総需要電力の短期間の減少は指令電流Ｉｉの設定には殆ど影響を与えることがない。このため、指令電流Ｉｉは単調に増加するように設定される（図９における想像線）。従来の燃料電池においては、このようにして決定された指令電流Ｉｉの値がそのまま使用され、これに基づいて燃料電池モジュール２への燃料供給量が決定されていた。
【００６６】
これに対して、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、上記のようにして決定された指令電流Ｉｉの値が、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差が減少されるように、指令電流補正手段１１０ｃによって減少方向に補正される（図９における破線）。燃料制御手段１１０ｄは、このように補正された指令電流Ｉｉに基づいて燃料供給量を決定し、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御する。
【００６７】
次に、図１０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１の作用を説明する。
まず、ステップＳ１においては、指令電流設定手段１１０ａに、総需要電力が総需要電力モニター信号Ｍｓとして入力される。次に、ステップＳ２においては、指令電流設定手段１１０ａは、入力された総需要電力に基づいて指令電流Ｉｉを決定する。指令電流設定手段１１０ａは、過去に入力された総需要電力の積分計算等により、極めて緩やかに変化するように指令電流Ｉｉを決定する。また、指令電流Ｉｉは、燃料電池モジュール２の最大定格電流以下の値に決定される。
【００６８】
次に、ステップＳ３においては、総需要電力のうち、系統電力から供給されている電力が所定値以上か否かが判断される。即ち、インバータ５４から出力される電力は系統電力への逆潮流を防止するため、総需要電力よりも所定の電力だけ小さい値になるように設定されている。ステップＳ３においては、この総需要電力に対するマージンが十分に確保されているか否かが判断される。マージンが十分でない場合には、ステップＳ４に進む。
【００６９】
ステップＳ４においては、インバータ出力電力が、総需要電力の急激な落ち込み等により総需要電力を超えていないかが判断される。インバータ出力電力が総需要電力を超えている場合にはステップＳ５に進む。ステップＳ５において、インバータ制御手段１１０ｂは、逆潮流を回避すべく実発電電流Ｉｃを低下させる。さらに、この場合には、燃料電池モジュール２が発電している電力が総需要電力に対して大きすぎる状態であるため、指令電流Ｉｉを実発電電流Ｉｃまで低下させる。また、インバータ出力電力が総需要電力を超えていない場合にはステップＳ６に進み、ステップＳ６では、指令電流Ｉｉの値が従前の値に維持される。
【００７０】
一方、ステップＳ３において、マージンが十分に確保されていると判断された場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、実発電電流Ｉｃが指令電流Ｉｉ以上であるか否か判断される。実発電電流Ｉｃが指令電流Ｉｉ以上である場合には、燃料電池モジュール２の発電能力以上にインバータ５４が電流を取り出している状態であるため、ステップＳ１３に進み、指令電流Ｉｉを増加させる。
【００７１】
また、ステップＳ７において、実発電電流Ｉｃが指令電流Ｉｉ以上でないと判断された場合には、ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差である偏差電流ΔＹ（＝Ｉｉ−Ｉｃ）が計算される。なお、実発電電流Ｉｃは、実発電電流モニター信号Ｍｉｃとして指令電流補正手段１１０ｃに入力される。
【００７２】
次に、ステップＳ９において、偏差電流ΔＹの値が、所定の偏差電流上限値Ｙ１以上であるか否かが判断される。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１以上である場合には、ステップＳ１０に進む。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１以上の場合（図９における時刻ｔ１）は、燃料電池モジュール２の発電能力が実際に燃料電池モジュール２から取り出されている実発電電流Ｉｃに比べ大きすぎる状態であるため、ステップＳ１０において、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉを所定の電流量Δａだけ減少させる。この電流量Δａは、指令電流Ｉｉの減少による燃料電池モジュール２の急激な温度低下が発生しない値に設定されている。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１以上になっている間は、図１０に示すフローチャートが実行される毎にステップＳ１０の処理が行われ、指令電流Ｉｉの減少状態が継続する（図９における時刻ｔ１〜ｔ２）。
【００７３】
次に、指令電流Ｉｉの減少、及び／又は実発電電流Ｉｃの増大により、偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１よりも小さくなると、ステップＳ９からステップＳ１１に処理が移行するようになる。ステップＳ１１において、偏差電流ΔＹの値が、所定の偏差電流下限値Ｙ２以上であるか否かが判断される。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１よりも小さく、偏差電流下限値Ｙ２以上である場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２においては、指令電流Ｉｉの値は従前の値に維持される。このように、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差が減少されるように作用すると共に、この差が０になるまで減少することなく、所定の偏差電流（偏差電流下限値Ｙ２）以上残存するように作用する。偏差電流ΔＹが偏差電流下限値Ｙ２以上、偏差電流上限値Ｙ１未満になっている間は、図１０に示すフローチャートが実行される毎にステップＳ１２の処理が行われ、指令電流Ｉｉの値が一定に維持される（図９における時刻ｔ２〜ｔ３）。
【００７４】
さらに、実発電電流Ｉｃの増大により、偏差電流ΔＹが偏差電流下限値Ｙ２よりも小さくなると、ステップＳ１１からステップＳ１３に処理が移行するようになる。ステップＳ１３においては、偏差電流ΔＹが小さくなりすぎたため、指令電流Ｉｉを所定の電流量Δａだけ増加させる（図９における時刻ｔ３以降）。この電流量Δａは、指令電流Ｉｉの増加による燃料電池モジュール２の急激な温度上昇が発生しない値に設定されている。
【００７５】
このように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、指令電流設定手段１１０ａが総需要電力に基づいて指令電流Ｉｉを設定すると共に、指令電流補正手段１１０ｃは実発電電流Ｉｃに基づいて、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差が減少されるように指令電流Ｉｉを補正する。さらに、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差を減少させながらも、その差が偏差電流下限値Ｙ２以上残存するように指令電流Ｉｉを補正する。
【００７６】
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、図９に示すように、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力の変化に応答して指令電流Ｉｉを設定するが、その応答性は、インバータ制御手段１１０ｂにより設定される実発電電流Ｉｃの応答性よりも低くされている。この結果、総需要電力の変化に応じて燃料電池モジュール２への燃料供給量が過敏に変化されることがないので、燃料電池モジュール２の無用な温度降下を招いたり、出力を増加させたいときに燃料電池モジュール２の温度上昇が遅れ、十分な電力を供給することができないという問題や、燃料電池モジュール２が燃料枯れを起こすという問題を回避することができる。また、同時に、指令電流補正手段１１０ｃが、指令電流Ｉｉよりも応答性が高い実発電電流Ｉｃに基づいて指令電流Ｉｉを減少方向に補正する。このため、常に指令電流以下の値に設定される実発電電流Ｉｃの、指令電流Ｉｉとの差が減少され、不要な燃料消費を抑制し、省エネルギーを実現することができると共に、固体電解質型燃料電池１の総合効率を向上させることができる。
【００７７】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの間に偏差電流下限値Ｙ２以上の電流が残存する（図１０のステップＳ１１〜Ｓ１３）ように、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差を減少させる（図１０のステップＳ９、Ｓ１０）ので、再度出力電力を上昇させる際に燃料電池モジュール２の温度上昇が遅れ、総需要電力の上昇に対する応答が大幅に遅れるのを防止することができる。
【００７８】
なお、上述した本発明の実施形態においては、偏差電流下限値Ｙ２の値は一定であったが、変形例として、偏差電流下限値Ｙ２の値を、燃料電池モジュール２の運転状態に応じて変更することもできる。好ましくは、指令電流Ｉｉが小さい状態においては、偏差電流下限値Ｙ２の値を小さく設定する。また、好ましくは、総需要電力が急激に変化している状態においては、偏差電流下限値Ｙ２の値を大きく設定する。
【００７９】
このように構成された本発明の実施形態の変形例によれば、偏差電流下限値Ｙ２の値が燃料電池モジュール２の運転状態に応じて変更されるので、運転の様々な局面において指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの間に適切な偏差をもたせることができる。この結果、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの偏差を減少させることにより不要な燃料消費を減少させる省エネ効果と、総需要電力が上昇した際に、燃料電池モジュール２が比較的迅速に総需要電力に追従して、系統電力の消費を抑制する省エネ効果を両立することができる。
【００８０】
また、上述した変形例によれば、指令電流Ｉｉが小さいほど偏差電流下限値Ｙ２が減少されるので、燃料電池モジュール２の温度が低く、温度を維持するために燃料が必要になる燃料利用率の低い運転状態における運転効率のより一層の低下を防止することができる。
【００８１】
さらに、上述した変形例によれば、総需要電力の変化が急激な場合には偏差電流下限値Ｙ２が大きくなるので、総需要電力の増加局面において、燃料電池モジュール２の温度上昇を促進することができ、燃料電池モジュール２が比較的迅速に総需要電力に追従することが可能になり、系統電力の消費を抑制することができる。
【符号の説明】
【００８２】
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（改質用空気供給手段）
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 指令電流設定手段
１１０ｂ インバータ制御手段
１１０ｃ 指令電流補正手段
１１０ｄ 燃料制御手段
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
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ
２００ 住宅
２０２ 燃料電池
２０４ 系統電力
２０６ カレントトランス
２０８ 燃料電池モジュール
２１０ フィルター
２１２ インバータ
【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、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料（水素ガス）と空気とを用いて発電して電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼働するための補機類とを備えた燃料電池装置が種々提案されている。
特開平７−３０７１６３号公報（特許文献１）には、燃料電池発電装置が記載されている。この燃料電池は、発電する電力が負荷に応じて変更されるように構成されている。
【０００３】
ここで、図１１を参照して、燃料電池を使用した電力供給システムを説明する。図１１は、燃料電池を使用して住宅に電力を供給する従来のシステムの一例を示している。このシステムにおいては、住宅２００で消費される電力は、燃料電池２０２及び系統電力２０４により賄われている。通常、住宅において消費される最大の消費電力は、燃料電池２０２で発電可能な最大定格電力よりも大きいので、燃料電池２０２を利用する住宅２００においても系統電力２０４からその不足分が補われ、住宅には燃料電池２０２及び系統電力２０４から電力が供給される。さらに、燃料電池２０２による発電電力が系統電力２０４へ逆潮流することがないよう、住宅における消費電力が燃料電池２０２の最大定格電力を下回っている場合においても、一般に、住宅２００の消費電力のうちの一部が系統電力２０４から供給されるようになっている。
【０００４】
系統電力２０４は、送電線から送られた電力の電圧をカレントトランス２０６を介して低下させて供給される。燃料電池２０２は、住宅２００が消費している電力のモニター信号をカレントトランス２０６から取得し、これに基づいて燃料電池２０２により発電する電力を変更している。即ち、燃料電池２０２は、カレントトランス２０６から取得したモニター信号に基づいて、燃料電池２０２が供給すべき電流を指示する指令電流Ｉｉを決定し、この指令電流Ｉｉを生成することができるよう、燃料供給量等が制御される。また、指令電流Ｉｉは、住宅２００の消費電力に関わらず、燃料電池２０２の最大定格電力に対応する値以下に設定される。
【０００５】
燃料電池２０２に内蔵されている燃料電池モジュール２０８は、一般に極めて応答が遅いので、住宅２００における消費電力の変化に追従して発電電力を変更することは困難である。このため、燃料電池モジュール２０８に発電量を指示する指令電流Ｉｉの信号は、消費電力の変化に比べ、極めて緩やかに変化するよう、モニター信号にフィルター２１０を掛けることにより決定される。
【０００６】
燃料電池２０２は、燃料電池モジュール２０８が指令電流Ｉｉの電流を生成できる能力を持つよう、指令電流Ｉｉに応じた量の燃料を燃料電池モジュール２０８に供給する。一方、インバータ２１２は、燃料電池モジュール２０８から直流電流Ｉｃを取り出し、これを交流に変換して住宅２００に供給する。また、インバータ２１２が燃料電池モジュール２０８から取り出す電流Ｉｃは、常に指令電流Ｉｉの値以下に設定され、燃料電池モジュール２０８の発電能力を超えないようになっている。指令電流Ｉｉに基づいて決定される燃料供給量等に対応した発電能力以上の電流を燃料電池モジュール２０８から取り出すと、燃料電池モジュール２０８内の燃料電池セルに燃料枯れが発生し、燃料電池セルの寿命を著しく短縮したり、燃料電池セルを破壊する虞がある。
【０００７】
一方、住宅２００において消費される電力は急激に変動するため、消費電力が急減すると、住宅２００の消費電力は、緩慢に変化される指令電流Ｉｉに対応した電力よりも低くなる。このような状態においては、指令電流Ｉｉに応じた燃料が供給され、燃料電池モジュール２０８が十分な電流を生成する能力を持っているにも関わらず、インバータ２１２が燃料電池モジュール２０８から取り出す電流Ｉｃは、指令電流Ｉｉよりも大幅に小さいものとなる。
【０００８】
特開平７−３０７１６３号公報記載の燃料電池発電装置においては、供給された燃料が改質器等を通って燃料電池セルに行き渡るまでの時間遅れを考慮して、遅れ設定器を設け、燃料電池モジュールから電流を取り出すタイミングを遅らせ、これにより燃料枯れを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−３０７１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特開平７−３０７１６３号公報記載の燃料電池発電装置においては、燃料枯れ等の問題を回避することができるものの、消費される電力が急激に減少された場合には、燃料電池モジュールに供給されている燃料は、取り出される電流に対して過剰なものであり、燃料電池全体の発電効率が低下するという問題がある。
【００１１】
従って、本発明は、燃料枯れ等の問題を回避しながら、良好な発電効率を得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】
【００１２】
上述した課題を解決するために、本発明は、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池であって、供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールから電流を取り出し、交流に変換するインバータと、燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、要求電力の変化に応答して指令電流を設定する指令電流設定手段と、要求電力の変化に対して指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答し、且つ指令電流以下の値になるように実発電電流を決定し、この実発電電流が燃料電池モジュールから取り出されるようにインバータを制御するインバータ制御手段と、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段と、この補正された指令電流を発生可能な燃料が燃料電池モジュールに供給されるように、燃料供給手段を制御する燃料制御手段と、を有することを特徴としている。
【００１３】
このように構成された本発明においては、指令電流設定手段が、要求電力の変化に応答して指令電流を設定する。インバータ制御手段は、要求電力の変化に対して指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答し、且つ指令電流以下の値になるように実発電電流を決定すると共に、この実発電電流が燃料電池モジュールから取り出されるようにインバータを制御する。さらに、指令電流補正手段は、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する。燃料制御手段は、補正された指令電流を発生可能な燃料が燃料電池モジュールに供給されるように、燃料供給手段を制御する。燃料電池モジュールは供給された燃料により発電し、インバータは燃料電池モジュールから電流を取り出して交流に変換する。
【００１４】
このように構成された本発明によれば、指令電流設定手段は、要求電力の変化に応答して指令電流を設定するが、その応答性は、インバータ制御手段により設定される実発電電流の応答性よりも低くされている。この結果、要求電力の変化に応じて燃料電池モジュールへの燃料供給量が過敏に変化されることがないので、燃料電池モジュールの無用な温度降下を招いたり、出力を増加させたいときに燃料電池モジュールの温度上昇が遅れ、十分な電力を供給することができないという問題や、燃料電池モジュールが燃料枯れを起こすという問題を回避することができる。また、同時に、指令電流補正手段が、指令電流よりも応答性が高い実発電電流に基づいて指令電流を減少方向に補正する。このため、常に指令電流以下の値に設定される実発電電流の、指令電流との差が減少され、不要な燃料消費を抑制し、省エネルギーを実現することができると共に、固体電解質型燃料電池の総合効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、指令電流と実発電電流の差が所定の偏差電流以上残存するように、指令電流を補正する。
このように構成された本発明によれば、指令電流補正手段は、指令電流と実発電電流の間に所定の偏差電流が残存するように、指令電流と実発電電流の差を減少させるので、再度出力電力を上昇させる際に燃料電池モジュールの温度上昇が遅れ、要求電力の上昇に対する応答が大幅に遅れるのを防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、燃料電池モジュールの運転状態に応じて、所定の偏差電流を変更する。
このように構成された本発明によれば、偏差電流の値が燃料電池モジュールの運転状態に応じて変更されるので、運転の様々な局面において適切な偏差電流を設定することができる。この結果、偏差電流を減少させることにより不要な燃料消費を減少させる省エネ効果と、要求電力が上昇した際に、燃料電池モジュールが比較的迅速に要求電力に追従して、系統電力の消費を抑制する省エネ効果を両立することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、指令電流が小さいほど、所定の偏差電流を減少させる。
このように構成された本発明によれば、指令電流が小さいほど偏差電流が減少されるので、燃料電池モジュールの温度が低く、温度を維持するために燃料が必要になる燃料利用率の低い運転状態における運転効率のより一層の低下を防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、要求電力の変化が急激なほど、所定の偏差電流を増大させる。
このように構成された本発明によれば、要求電力の変化が急激な場合には偏差電流が大きくなるので、要求電力の増加局面において、燃料電池モジュールの温度上昇を促進することができ、燃料電池モジュールが比較的迅速に要求電力に追従して、系統電力の消費を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料枯れ等の問題を回避しながら、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】制御部により実行される制御のフローチャートである。
【図１１】燃料電池を使用して住宅に電力を供給する従来のシステムの一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５５】
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。
【００５６】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６０】
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。
【００６１】
次に、図９及び図１０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１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１の作用の一例を示すタイムチャートである。また、図１０は、制御部１１０により実行される制御のフローチャートである。図１０のフローチャートに示す処理は、主に、制御部１１０に内蔵された指令電流設定手段１１０ａ、インバータ制御手段１１０ｂ、指令電流補正手段１１０ｃ、及び燃料制御手段１１０ｄにより実行されるものである。具体的には、これら指令電流設定手段１１０ａ、インバータ制御手段１１０ｂ、指令電流補正手段１１０ｃ、及び燃料制御手段１１０ｄは、制御部１１０に内蔵された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等により構成される。
【００６２】
まず、図９に示すタイムチャートは、住宅等の施設が消費している総需要電力（要求電力）を１段目に表し、総需要電力のうち固体電解質型燃料電池１によって供給される電力、即ち、インバータ５４から出力されるインバータ出力電力を２段目に表し、指令電流Ｉｉを３段目に表し、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出される電流である実発電電流Ｉｃを４段目に表している。
【００６３】
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、総需要電力は、細かな変動を含みながらも概ね増加傾向にあり、これに伴ってインバータ出力電力も緩やかに増加している。各時刻における総需要電力とインバータ出力電力の差に相当する電力は、系統電力から供給されている。なお、施設が消費する総需要電力は、総需要電力モニター信号Ｍｓ（図６）として制御部１１０に入力される。また、時刻ｔ０〜ｔ１においては、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力の増加傾向に緩やかに追従するように、指令電流Ｉｉを上昇させ、インバータ制御手段１１０ｂは、指令電流Ｉｉを越えない範囲で実発電電流Ｉｃを緩やかに上昇させている。
【００６４】
次いで、時刻ｔ１においては、総需要電力が短期間急激に減少している。これに伴いインバータ制御手段１１０ｂは、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出す実発電電流Ｉｃを急激に減少させている。なお、インバータ５４に取り出される実発電電流Ｉｃは、実発電電流モニター信号Ｍｉｃ（図６）として制御部１１０に入力される。また、インバータ５４から出力されるインバータ出力電力も実発電電流Ｉｃとほぼ同様に変化されるが、インバータ５４に内蔵されたキャパシタ等の作用により、実発電電流Ｉｃよりも若干変動が緩やかになっている。その後、インバータ制御手段１１０ｂは、総需要電力の増加に追従して、実発電電流Ｉｃを緩やかに上昇させている（時刻ｔ１〜ｔ４）。なお、総需要電力に対する実発電電流Ｉｃの追従性は、総需要電力に対する指令電流Ｉｉの追従性よりも高く設定されている。
【００６５】
一方、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力に基づいて指令電流Ｉｉを決定している。しかしながら、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力の変化を大幅に平滑化して指令電流Ｉｉを決定しているため、時刻ｔ１における総需要電力の短期間の減少は指令電流Ｉｉの設定には殆ど影響を与えることがない。このため、指令電流Ｉｉは単調に増加するように設定される（図９における想像線）。従来の燃料電池においては、このようにして決定された指令電流Ｉｉの値がそのまま使用され、これに基づいて燃料電池モジュール２への燃料供給量が決定されていた。
【００６６】
これに対して、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、上記のようにして決定された指令電流Ｉｉの値が、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差が減少されるように、指令電流補正手段１１０ｃによって減少方向に補正される（図９における破線）。燃料制御手段１１０ｄは、このように補正された指令電流Ｉｉに基づいて燃料供給量を決定し、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御する。
【００６７】
次に、図１０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１の作用を説明する。
まず、ステップＳ１においては、指令電流設定手段１１０ａに、総需要電力が総需要電力モニター信号Ｍｓとして入力される。次に、ステップＳ２においては、指令電流設定手段１１０ａは、入力された総需要電力に基づいて指令電流Ｉｉを決定する。指令電流設定手段１１０ａは、過去に入力された総需要電力の積分計算等により、極めて緩やかに変化するように指令電流Ｉｉを決定する。また、指令電流Ｉｉは、燃料電池モジュール２の最大定格電流以下の値に決定される。
【００６８】
次に、ステップＳ３においては、総需要電力のうち、系統電力から供給されている電力が所定値以上か否かが判断される。即ち、インバータ５４から出力される電力は系統電力への逆潮流を防止するため、総需要電力よりも所定の電力だけ小さい値になるように設定されている。ステップＳ３においては、この総需要電力に対するマージンが十分に確保されているか否かが判断される。マージンが十分でない場合には、ステップＳ４に進む。
【００６９】
ステップＳ４においては、インバータ出力電力が、総需要電力の急激な落ち込み等により総需要電力を超えていないかが判断される。インバータ出力電力が総需要電力を超えている場合にはステップＳ５に進む。ステップＳ５において、インバータ制御手段１１０ｂは、逆潮流を回避すべく実発電電流Ｉｃを低下させる。さらに、この場合には、燃料電池モジュール２が発電している電力が総需要電力に対して大きすぎる状態であるため、指令電流Ｉｉを実発電電流Ｉｃまで低下させる。また、インバータ出力電力が総需要電力を超えていない場合にはステップＳ６に進み、ステップＳ６では、指令電流Ｉｉの値が従前の値に維持される。
【００７０】
一方、ステップＳ３において、マージンが十分に確保されていると判断された場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、実発電電流Ｉｃが指令電流Ｉｉ以上であるか否か判断される。実発電電流Ｉｃが指令電流Ｉｉ以上である場合には、燃料電池モジュール２の発電能力以上にインバータ５４が電流を取り出している状態であるため、ステップＳ１３に進み、指令電流Ｉｉを増加させる。
【００７１】
また、ステップＳ７において、実発電電流Ｉｃが指令電流Ｉｉ以上でないと判断された場合には、ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差である偏差電流ΔＹ（＝Ｉｉ−Ｉｃ）が計算される。なお、実発電電流Ｉｃは、実発電電流モニター信号Ｍｉｃとして指令電流補正手段１１０ｃに入力される。
【００７２】
次に、ステップＳ９において、偏差電流ΔＹの値が、所定の偏差電流上限値Ｙ１以上であるか否かが判断される。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１以上である場合には、ステップＳ１０に進む。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１以上の場合（図９における時刻ｔ１）は、燃料電池モジュール２の発電能力が実際に燃料電池モジュール２から取り出されている実発電電流Ｉｃに比べ大きすぎる状態であるため、ステップＳ１０において、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉを所定の電流量Δａだけ減少させる。この電流量Δａは、指令電流Ｉｉの減少による燃料電池モジュール２の急激な温度低下が発生しない値に設定されている。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１以上になっている間は、図１０に示すフローチャートが実行される毎にステップＳ１０の処理が行われ、指令電流Ｉｉの減少状態が継続する（図９における時刻ｔ１〜ｔ２）。
【００７３】
次に、指令電流Ｉｉの減少、及び／又は実発電電流Ｉｃの増大により、偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１よりも小さくなると、ステップＳ９からステップＳ１１に処理が移行するようになる。ステップＳ１１において、偏差電流ΔＹの値が、所定の偏差電流下限値Ｙ２以上であるか否かが判断される。偏差電流ΔＹが偏差電流上限値Ｙ１よりも小さく、偏差電流下限値Ｙ２以上である場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２においては、指令電流Ｉｉの値は従前の値に維持される。このように、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差が減少されるように作用すると共に、この差が０になるまで減少することなく、所定の偏差電流（偏差電流下限値Ｙ２）以上残存するように作用する。偏差電流ΔＹが偏差電流下限値Ｙ２以上、偏差電流上限値Ｙ１未満になっている間は、図１０に示すフローチャートが実行される毎にステップＳ１２の処理が行われ、指令電流Ｉｉの値が一定に維持される（図９における時刻ｔ２〜ｔ３）。
【００７４】
さらに、実発電電流Ｉｃの増大により、偏差電流ΔＹが偏差電流下限値Ｙ２よりも小さくなると、ステップＳ１１からステップＳ１３に処理が移行するようになる。ステップＳ１３においては、偏差電流ΔＹが小さくなりすぎたため、指令電流Ｉｉを所定の電流量Δａだけ増加させる（図９における時刻ｔ３以降）。この電流量Δａは、指令電流Ｉｉの増加による燃料電池モジュール２の急激な温度上昇が発生しない値に設定されている。
【００７５】
このように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、指令電流設定手段１１０ａが総需要電力に基づいて指令電流Ｉｉを設定すると共に、指令電流補正手段１１０ｃは実発電電流Ｉｃに基づいて、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差が減少されるように指令電流Ｉｉを補正する。さらに、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差を減少させながらも、その差が偏差電流下限値Ｙ２以上残存するように指令電流Ｉｉを補正する。
【００７６】
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、図９に示すように、指令電流設定手段１１０ａは、総需要電力の変化に応答して指令電流Ｉｉを設定するが、その応答性は、インバータ制御手段１１０ｂにより設定される実発電電流Ｉｃの応答性よりも低くされている。この結果、総需要電力の変化に応じて燃料電池モジュール２への燃料供給量が過敏に変化されることがないので、燃料電池モジュール２の無用な温度降下を招いたり、出力を増加させたいときに燃料電池モジュール２の温度上昇が遅れ、十分な電力を供給することができないという問題や、燃料電池モジュール２が燃料枯れを起こすという問題を回避することができる。また、同時に、指令電流補正手段１１０ｃが、指令電流Ｉｉよりも応答性が高い実発電電流Ｉｃに基づいて指令電流Ｉｉを減少方向に補正する。このため、常に指令電流以下の値に設定される実発電電流Ｉｃの、指令電流Ｉｉとの差が減少され、不要な燃料消費を抑制し、省エネルギーを実現することができると共に、固体電解質型燃料電池１の総合効率を向上させることができる。
【００７７】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、指令電流補正手段１１０ｃは、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの間に偏差電流下限値Ｙ２以上の電流が残存する（図１０のステップＳ１１〜Ｓ１３）ように、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの差を減少させる（図１０のステップＳ９、Ｓ１０）ので、再度出力電力を上昇させる際に燃料電池モジュール２の温度上昇が遅れ、総需要電力の上昇に対する応答が大幅に遅れるのを防止することができる。
【００７８】
なお、上述した本発明の実施形態においては、偏差電流下限値Ｙ２の値は一定であったが、変形例として、偏差電流下限値Ｙ２の値を、燃料電池モジュール２の運転状態に応じて変更することもできる。好ましくは、指令電流Ｉｉが小さい状態においては、偏差電流下限値Ｙ２の値を小さく設定する。また、好ましくは、総需要電力が急激に変化している状態においては、偏差電流下限値Ｙ２の値を大きく設定する。
【００７９】
このように構成された本発明の実施形態の変形例によれば、偏差電流下限値Ｙ２の値が燃料電池モジュール２の運転状態に応じて変更されるので、運転の様々な局面において指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの間に適切な偏差をもたせることができる。この結果、指令電流Ｉｉと実発電電流Ｉｃの偏差を減少させることにより不要な燃料消費を減少させる省エネ効果と、総需要電力が上昇した際に、燃料電池モジュール２が比較的迅速に総需要電力に追従して、系統電力の消費を抑制する省エネ効果を両立することができる。
【００８０】
また、上述した変形例によれば、指令電流Ｉｉが小さいほど偏差電流下限値Ｙ２が減少されるので、燃料電池モジュール２の温度が低く、温度を維持するために燃料が必要になる燃料利用率の低い運転状態における運転効率のより一層の低下を防止することができる。
【００８１】
さらに、上述した変形例によれば、総需要電力の変化が急激な場合には偏差電流下限値Ｙ２が大きくなるので、総需要電力の増加局面において、燃料電池モジュール２の温度上昇を促進することができ、燃料電池モジュール２が比較的迅速に総需要電力に追従することが可能になり、系統電力の消費を抑制することができる。
【符号の説明】
【００８２】
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（改質用空気供給手段）
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 指令電流設定手段
１１０ｂ インバータ制御手段
１１０ｃ 指令電流補正手段
１１０ｄ 燃料制御手段
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
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ
２００ 住宅
２０２ 燃料電池
２０４ 系統電力
２０６ カレントトランス
２０８ 燃料電池モジュール
２１０ フィルター
２１２ インバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池であって、
供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールから電流を取り出し、交流に変換するインバータと、
上記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記要求電力の変化に応答して指令電流を設定する指令電流設定手段と、
上記要求電力の変化に対して上記指令電流よりも高い追従性で上記要求電力に応答し、且つ上記指令電流以下の値になるように実発電電流を決定し、この実発電電流が上記燃料電池モジュールから取り出されるように上記インバータを制御するインバータ制御手段と、
上記実発電電流に基づいて、上記指令電流と上記実発電電流の差が減少されるように、上記指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段と、
この補正された指令電流を発生可能な燃料が上記燃料電池モジュールに供給されるように、上記燃料供給手段を制御する燃料制御手段と、
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】
上記指令電流補正手段は、上記指令電流と上記実発電電流の差が所定の偏差電流以上残存するように、上記指令電流を補正する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記指令電流補正手段は、上記燃料電池モジュールの運転状態に応じて、上記所定の偏差電流を変更する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記指令電流補正手段は、上記指令電流が小さいほど、上記所定の偏差電流を減少させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記指令電流補正手段は、上記要求電力の変化が急激なほど、上記所定の偏差電流を増大させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池であって、
供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールから電流を取り出し、交流に変換するインバータと、
上記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記要求電力の変化に応答して指令電流を設定する指令電流設定手段と、
上記要求電力の変化に対して上記指令電流よりも高い追従性で上記要求電力に応答し、且つ上記指令電流以下の値になるように実発電電流を決定し、この実発電電流が上記燃料電池モジュールから取り出されるように上記インバータを制御するインバータ制御手段と、
上記実発電電流に基づいて、上記指令電流と上記実発電電流の差が減少されるように、上記指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段と、
この補正された指令電流を発生可能な燃料が上記燃料電池モジュールに供給されるように、上記燃料供給手段を制御する燃料制御手段と、
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】
上記指令電流補正手段は、上記指令電流と上記実発電電流の差が所定の偏差電流以上残存するように、上記指令電流を補正する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記指令電流補正手段は、上記燃料電池モジュールの運転状態に応じて、上記所定の偏差電流を変更する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記指令電流補正手段は、上記指令電流が小さいほど、上記所定の偏差電流を減少させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記指令電流補正手段は、上記要求電力の変化が急激なほど、上記所定の偏差電流を増大させる請求項３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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１９８５８９（Ｐ２０１１−１９８５８９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６３６５０（Ｐ２０１０−６３６５０）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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