固体電解質型燃料電池
【課題】燃料枯れ等の不具合を確実に回避して、発電効率を高め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、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、燃料供給手段(38)と、需要電力検出手段(110a)と、燃料供給量を制御すると共に、燃料電池モジュールから取出し可能な取出可能電流値を設定するコントローラ(110)と、取出可能電流値を越えない範囲で電流を取り出すインバータ(54)と、実際に取り出される実取出電流を検出する取出電流検出手段(126)と、を有し、コントローラは、実取出電流が低下した場合において、取出可能電流値を急激に低下させると共に、遅れて燃料供給量を低下させ、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、大きな電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させることを特徴としている。
【解決手段】本発明は、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、燃料供給手段(38)と、需要電力検出手段(110a)と、燃料供給量を制御すると共に、燃料電池モジュールから取出し可能な取出可能電流値を設定するコントローラ(110)と、取出可能電流値を越えない範囲で電流を取り出すインバータ(54)と、実際に取り出される実取出電流を検出する取出電流検出手段(126)と、を有し、コントローラは、実取出電流が低下した場合において、取出可能電流値を急激に低下させると共に、遅れて燃料供給量を低下させ、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、大きな電流上昇変化率で取出可能電流値を増加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係わり、特に、需要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１５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１５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、送電線から住宅内の分電盤へ送られた電力であり購入電力である。つまり、燃料電池２０２による発電電力と系統電力２０４の総計が、住宅２００における消費電力にあたる。燃料電池２０２は、住宅２００が購入している電力のモニター信号を需要電力検出器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、需要電力検出器２０６から取得したモニター信号に基づいて、燃料電池２０２が生成すべき電流を表すベース電流Ｉｉを決定し、このベース電流Ｉｉを生成することができるよう、燃料電池モジュール２０８に供給する燃料供給量等が制御される。また、ベース電流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ベース電流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、モニター信号に積分処理等を行うフィルター２１０を掛けることによって緩やかに変化するように決定される。
【０００６】
燃料電池２０２は、燃料電池モジュール２０８がベース電流Ｉｉの電流を生成できる能力を持つよう、ベース電流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から直流の実取出電流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から取り出す実取出電流Ｉｃは、常にベース電流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。ベース電流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、緩慢に変化されるベース電流Ｉｉに対応した電力よりも低くなる。
【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、このような燃料電池モジュール２０８の遅れに対応するために、電流値を増加させる場合には、遅れ設定器を介して設定電流値を更新し、設定電流値の増加を遅らせて燃料枯れ等の不具合を防止している。また、この燃料電池発電装置においては、設定電流値を更新する際には、常に所定の減算電流値又は加算電流値ずつ変更されるので、設定電流値を変化させる変化率は、常に一定の変化率になる。
【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、燃料ガスを増加させた後、一定時間遅れて燃料電池から取り出す電流を増加させているので、燃料枯れ等の不具合を防止することができるものの、供給した燃料が無駄になるという問題がある。即ち、応答が極めて緩慢な燃料電池モジュールに対して、需要電力は急激な増減を繰り返すので、常に一定時間の遅れを持たせる制御では、発電効率を十分に高めることは困難である。
【００１１】
従って、本発明は、燃料枯れ等の不具合を確実に回避して、燃料電池モジュールの安定した運転を可能にしながら、発電効率を高め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、需要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に燃料を供給する燃料供給手段と、需要電力を検出する需要電力検出手段と、この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段による燃料供給量を制御すると共に、燃料電池モジュールの状態に応じて燃料電池モジュールから取り出し可能な最大の電流値である取出可能電流値を設定するコントローラと、需要電力に応じて、燃料電池モジュールから、取出可能電流値を越えない範囲で電流を取り出し、交流に変換するインバータと、燃料電池モジュールからインバータに実際に取り出される実取出電流を検出する取出電流検出手段と、を有し、コントローラは、取出可能電流値を上昇させる場合には、所定の第１電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる一方、取出電流検出手段によって検出された実取出電流が低下した場合において、取出可能電流値を急激に低下させると共に、この取出可能電流値の低下に追従するように取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、燃料供給手段を制御し、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させ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、コントローラは、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段による燃料供給量を制御し、燃料電池モジュールに燃料を供給する。さらに、コントローラは、燃料電池モジュールの状態に応じて燃料電池モジュールから取り出し可能な最大の電流値である取出可能電流値を設定する。インバータは、需要電力に応じた電流が、取出可能電流値を越えない範囲において燃料電池モジュールから取り出す。コントローラは、取出可能電流値を上昇させる場合には、所定の第１電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる一方、取出電流検出手段によって検出された実取出電流が低下した場合において、取出可能電流値を急激に低下させる。さらに、コントローラは、取出可能電流値の低下に追従するように取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、燃料供給手段を制御する。また、コントローラは、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる。
【００１４】
一般に、インバータは、急激に変化する需要電力に応じて必要な電流を燃料電池モジュールから取り出すことができるように、高い応答性で制御される。一方、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量は、急激に変化させると、燃料電池モジュールによる発電が不安定になることがあるので、応答性の高い制御を行うことができない。さらに、需要電力が急激に低下した場合には、これに応答して取出可能電流値及び燃料供給量を急激に低下させても燃料枯れを起こすことはないが、燃料電池モジュールが急激な温度低下を起こして、温度が回復するまで十分な発電が行えなくなる。本発明によれば、コントローラは、取出可能電流値を急激に低下させた場合でも、取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、燃料供給手段を制御するので、燃料電池モジュールの急激な温度低下等を回避することができる。また、取出可能電流値が急激に低下された後、燃料供給量が遅れて低下されるので、取出可能電流値に対して燃料供給量に余裕がある状態が発生する。このような場合には、コントローラは、通常の電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させるので、燃料の無駄を抑制しつつ需要電力の回復に対する追従性を高めることができ、商用電力に頼る頻度の低下が図れ省エネとすることができる。また、燃料の余裕がある状態を作り出してその範囲でインバータの電力取出を早めるようにするに際して、取出可能電流値と実取出電流値との間に大きな偏差がある状態では、需要が急激に回復した場合インバータがそれに追従して急激に電流を取り出そうとするが、それを許してしまうと制御オーバーシュート等によって取出可能電流値を超えるような電流取出が発生してセルにダメージを与えると言う新たな課題が発生するが、本発明にあっては、インバータの電流取出を需要電力に対する追従性とセルへの負担を高いレベルで両立できるように、取出可能電流値を一旦低下させた後に、管理された量で取出可能電流値を速く上昇させるように構成しているため、新たな課題も確実に解決できたものである。
【００１５】
本発明において、好ましくは、コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値との間に、所定の燃料低下待機期間中に所定量以上の差が存在した場合、又は、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値の差が拡大した場合に、燃料供給量を低下させるように燃料供給手段を制御する。
【００１６】
取出可能電流値が低下された後、燃料供給量を遅れて低下させることにより、需要電力の回復に伴う上昇時の追従性を高めることができるが、取出可能電流値の低下の後、あまりにも大きな偏差が燃料供給量と取出可能電流値との間にある場合、もしくは燃料供給量を低下させない状態が長くなると、やはり燃料の無駄と言える。上記のように構成された本発明によれば、取出可能電流値低下後、燃料低下を抑制する待機期間中に燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値との間に所定量以上の偏差が存在する場合、もしくは偏差が拡大した場合に、燃料供給量を低下させるので、需要電力の回復に備える目的に対してあまりにも余剰な燃料となる状態、もしくは需要電力の回復可能性が低いと判断されるような状況では速やかに燃料の供給を余剰とする状態を回避させるので、無駄な燃料消費を回避して省エネが図れ、一方で需要の回復時は速やかに負荷への追従を行うことができるため商用電力に頼る頻度を低下させることができ、やはり省エネ性能を向上することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、コントローラは、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量を超えた場合には、取出可能電流値を低下させ、その後遅れて燃料供給量を低下させるように燃料供給手段を制御する一方、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量以下の場合には、取出可能電流値を低下させない。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量以下の場合には、取出可能電流値が低下されない。これは、実取出電流値と取出可能電流値の差が小さいような状況であれば取出可能電流値を低下させるまでもなく需要電力の回復に対してインバータが追従しても偏差が小さいため制御オーバーシュート等の問題はなくセルへの影響を回避できるため需要電力に対する追従性を一層速めることができるという実用上優れた効果を奏するものである。
【００１９】
本発明において、好ましくは、コントローラは、取出可能電流値を低下させる場合において、取出可能電流値を実取出電流まで低下させる。
このように構成された本発明によれば、燃料供給量の低下を遅らせた上で、取出可能電流値を必要最小限の実取出電流値まで低下させるので、需要電力の回復に対する追従性を完全に取出可能電流値の制御によってコントロールできるためインバータは取出電流の単位時間当たりの量を自由に行うことができない状態を作り出せるため、偏差が大きい状態では発生しやすい制御オーバーシュートによるセルへのダメージを完全に回避させることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている間に需要電力が上昇し始めた場合には、第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる。
【００２１】
このように構成された本発明によれば、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている場合において、需要電力が上昇し始めたタイミングを持ってすぐに、大きな電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させるので、燃料供給量に確実に余裕のある状態で、急速に取出可能電流値を増加させることができ、燃料電池モジュールの安定した運転を確実にしながら、需要電力の変化に対する追従性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、省エネ性能と需要電力に対する負荷追従性の向上を燃料電池モジュールへの負担を軽減しつつ高いレベルで両立させることができる実用性の高い固体酸化物型燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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制御テーブルである。
【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】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１２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用を示すタイムチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用を示すタイムチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用を示すタイムチャートである。
【図１５】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】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、図６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の制御を説明する。
まず、図６に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、燃料電池コントローラである制御部１１０と、インバータコントローラであるインバータ制御部１１１と、を備えている。
【００６５】
制御部１１０は、第１需要電力検出手段１１０ａを備えており、需要電力検出器２０６（図１５）から入力される需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて需要電力を検出している。住宅２００（図１５）等の施設で消費されている総需要電力は、商用電源から供給される系統電力及び固体電解質型燃料電池１から供給される電力によって賄われている。需要電力検出器２０６としてカレントトランスを用いる場合は、需要電力モニター信号Ｍｓとしては系統電流（購入電流）がモニタ信号として得られるので、インバータ５４から得られる出力端の交流電圧および発電連系出力電力より、系統電力・発電連系電力とあわせて需用電力が得られる。また、それらの情報をインバータ５４から間接的に得ることで第１需要電力検出手段１１０ａとすることも出来る。本実施形態においては、制御部１１０には、総需要電力のうちの系統電力が需要電力モニター信号Ｍｓとして入力されているが、制御部により、総需要電力を需要電力モニター信号として使用することもできる。
【００６６】
また、制御部１１０は、需要電力モニター信号Ｍｓ等に基づいて、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等を制御するように構成されている。また、制御部１１０は、各種センサからの入力信号、及び需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定し、この値をインバータ制御部１１１に出力するように構成されている。具体的には、制御部１１０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等により構成される。
【００６７】
インバータ制御部１１１は、第２需要電力検出手段１１１ａを備えており、需要電力検出器２０６（図１５）から入力される需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて需要電力を検出している。需要電力検出器２０６としてカレントトランスを用いる場合は、需要電力モニター信号Ｍｓとしては系統電流（購入電流）がモニタ信号として得られるので、インバータ５４で得られる出力端に備えられた電圧検知手段による出力端の交流電圧および出力部での出力電力検知手段による発電連系出力電力より、系統電力・発電連系電力とあわせて需用電力が得られる。また、それらの情報を制御部１１０へ伝えることも出来る。インバータ制御部１１１は、需要電力モニター信号Ｍｓ、及び制御部１１０から入力された取出可能電流値Ｉｉｎｖに基づいて、インバータ５４を制御し、取出可能電流値Ｉｉｎｖを超えない範囲で燃料電池モジュール２から実取出電流Ｉｃを取り出すように構成されている。具体的には、インバータ制御部１１１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等により構成される。
【００６８】
制御部１１０は、燃料電池モジュール２の状態に応じて、そのとき燃料電池モジュール２から取り出すことのできる最大の電流である取出可能電流値Ｉｉｎｖを逐次設定する取出可能電流値設定手段を備えている。インバータ制御部１１１は、制御部１１０とは独立してインバータ５４を制御し、制御部１１０から入力された取出可能電流値Ｉｉｎｖを超えない範囲で燃料電池モジュール２から実取出電流Ｉｃを取り出し、住宅２００（図１５）等の施設に供給する。なお、本実施形態においては、制御部１１０の制御周期は５００［ｍｓｅｃ］であり、インバータ制御部１１１の制御周期は１［ｍｓｅｃ］以下である。このように、制御部１１０は応答の遅い燃料電池モジュール２を制御するために必要にして十分な制御周期で作動され、インバータ制御部１１１は急速に変動する需要電力に対応して、インバータ５４から電力を取り出すことができるように、短い制御周期で作動される。また、制御部１１０及びインバータ制御部１１１の制御は同期されておらず、インバータ制御部１１１は、制御部１１０から入力された取出可能電流値Ｉｉｎｖ、及び需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて、制御部１１０とは独立してインバータ５４を制御している。
【００６９】
次に、図９乃至１４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、制御部１１０により取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定するための制御テーブルである。図１０及び図１１は、図９に示す制御テーブルを適用して取出可能電流値Ｉｉｎｖを決定するフローチャートである。
【００７０】
図９に示すように、制御部１１０は、発電室温度Ｔｆｃ、燃料電池モジュール２から出力される発電電圧Ｖｄｃ、商用電源から住宅等の施設へ供給されている電力である系統電力Ｗｌ、インバータ５４から出力される電力である連系電力Ｗｉｎｖ、取出可能電流値Ｉｉｎｖの現在値、及び燃料供給電流値Ｉｆに基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖの増加、低下、又は維持を決定する。
発電室温度Ｔｆｃは、燃料電池セルユニット１６を収容した発電室１０内の温度であり、温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって検出され、制御部１１０に入力される。なお、本明細書においては、発電室温度Ｔｆｃ等、燃料電池モジュール２の発電能力の指標となる温度を「燃料電池モジュールの温度」ということにする。
【００７１】
発電電圧Ｖｄｃは、燃料電池モジュール２から出力される出力電圧である。
系統電力Ｗｌは、住宅等の施設に対して商用電源から供給されている電力であり、施設の総需要電力から燃料電池によって供給されている電力を差し引いた電力がこれに相当し、需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて検出される。
連系電力Ｗｉｎｖは、インバータ５４から出力される電力である。燃料電池モジュール２からインバータ５４に実際に取り出される電力は電力状態検出センサ１２６によって検出され、この電力から変換された電力がインバータ５４から出力される。燃料電池モジュール２から実際に出力される実取出電流Ｉｃ［Ａ］は電力状態検出センサ１２６によって検出された電力に基づいて求められる。従って、電力状態検出センサ１２６は、取出電流検出手段として機能する。
【００７２】
燃料供給電流値Ｉｆは、燃料供給量を求めるための基にする電流値であって、燃料電池モジュール２に供給されている燃料供給量（Ｌ／ｍｉｎ）によって発電することが可能な電流値に相当する。そのため、燃料供給電流値Ｉｆは、常に必ず取出可能電流値Ｉｉｎｖを下回ることのない様に設定する。
制御部１１０は、燃料電池モジュール２の現在の状態が、図９の番号１〜９の何れに該当するかを判定し、図９の右端欄に示されている取出可能電流値Ｉｉｎｖの変更又は維持を実行する。
【００７３】
例えば、図９の番号１欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号１欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを５［ｍＡ］低下させるように変更する。上記のように、本実施形態においては、制御部１１０の制御周期は５００［ｍｓｅｃ］であるので、番号１欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは５００［ｍｓｅｃ］毎に５［ｍＡ］ずつ低下する。この場合、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００７４】
同様に、図９の番号８欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号８欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを１０［ｍＡ］増加させるように変更する。従って、番号８欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【００７５】
また、図９の番号１〜８欄に記載されている条件が何れも満足されない場合には、番号９欄の条件に該当し、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに維持される。
【００７６】
次に、図１０及び図１１を参照して、図９の制御テーブルの条件の判断手順を説明する。なお、図１０及び図１１における符号Ａ〜Ｄは、処理の移行先を示している。例えば、フローの処理は、図１０の符号「Ｃ」から図１１の符号「Ｃ」へ移行する。
【００７７】
また、以下に説明するように、制御部１１０は、需要電力が上昇している場合等、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるべき状況にあっても、所定の複数の増加規制条件に該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるように構成されている。さらに、増加規制条件は、複数の電流低下条件及び電流維持条件を含んでおり、これらの条件に該当すると、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、低下され、又は維持される。また、複数の電流低下条件（図１０のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）は、複数の電流維持条件（図１１のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）よりも先に、優先的に適用される。
【００７８】
まず、図１０のステップＳ１は、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの間で非常に大きな偏差が生まれたかどうかを判断するステップであって、両者の間に１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が生まれたか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの差が短い制御周期の中で１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が初めて生まれるような場合というのは、インバータ５４が、総需要電力の急激な低下、もしくは何らかの理由によって実取出電力Ｉｃを急激に低下させたことによって偏差が生じた状況であるとしてステップＳ２に進む。
【００７９】
ステップＳ２においては、系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ないか否かが判断される。系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ない場合というのは、系統電力Ｗｌがこれ以上減少すると、インバータ５４からの出力電力が、商用電源に流れ込む「逆潮流（系統電力Ｗ１がマイナスになる状態）」が発生する可能性が高くなる状態である。よってＳ２の判定とＳ１の判定によって総重要電力のとても大きな落ち込みによって逆潮流が生じることを防止するために、インバータ５４が実取出電流値Ｉｃを急激に下げた状態であると判断できる。なお、Ｓ２で系統電力Ｗ１の値を５０Ｗに設定しているのは逆潮流が万が一にも発生することがないように５０Ｗ分のマージンを設けているものである。
【００８０】
次にＳ１、Ｓ２の双方でＹＥＳと判断された場合、即ち、とても大きな総重要電力の落ち込みに伴うインバータ５４による逆潮流防止制御が行われた場合は、ステップＳ３において、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を実取出電流Ｉｃの値まで急激に低下させる（図９の番号６に対応）。ステップＳ３の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。インバータ５４は取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を超えない範囲で実取出電流値Ｉｃを取り出すので、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させて取出可能電流値ｌｉｎｖ＝実取出電流値Ｉｃとすることにより、インバータ５４は現在の実取出電流値Ｉｃより取出電流を勝手に増やすような対応が規制される。これは、総需要電力の急激な低下があったような場合は、その後すぐに総需要電力が急激に回復する（増える）ような状況が起こる可能性が高いが、１０００［ｍＡ］を超えるような大きな偏差量がある中で、インバータ５４が回復した総需要電力に応えるべく電力取出を急激に行なってしまうと、制御オーバーシュート等によって需要電力や取出可能電流値ｌｉｎｖを誤って超えるような電力取出をインバータ５４が行ってしまうことを未然に防止できるようにした工夫である。言い換えると１０００［ｍＡ］以下のような小さな偏差では取出可能電流値ｌｉｎｖを実取出電流値Ｉｃにするような制御を行っていないため、インバータ５４は実取出電流値Ｉｃより高い所にある取出可能電流値ｌｉｎｖまでの間で自由に電力取出を迅速に行えるように許容したものである。これはこのような小さな偏差であればオーバーシュートによる過剰な電力取出等の問題を生じないため、総重要電力の回復に速やかに追従できるように配慮した更なる工夫である。
【００８１】
一方、ステップＳ１とＳ２の判定でとても大きな総重要電力低下に伴う逆潮流が起こるような状況ではないと判断された場合には、ステップＳ４に進む。ステップＳ４においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きいか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きい場合には、ステップＳ５に進み、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低いか否かが判断される。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、ステップＳ６に進む。
【００８２】
ステップＳ６においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］低下させる（図９の番号４に対応）。ステップＳ６の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ６の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される際に燃料電池モジュールの劣化等により、電圧降下が生じていると考えられるため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させることにより、インバータ５４に取り出される電流を抑制して、燃料電池モジュール２にかかる負担を軽減する。
【００８３】
一方、ステップＳ５において、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］以上の場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合にはステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号５に対応）。即ち、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合には、燃料電池モジュール２からの出力電力が定格電力を超えているので、燃料電池モジュール２から取り出す電流を低下させて定格電力を超えないようにする。ステップＳ８の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ８の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件のうち該当した電流低下条件により、取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる変化率が異なるように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを変化させる。
【００８４】
一方、ステップＳ７において、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］以下の場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９においては、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えているか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合にはステップＳ１０に進み、ステップＳ１０においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号２に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合には、燃料電池モジュール２の適正な作動温度を超えているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて、温度の低下を待つ。ステップＳ１０の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１０の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００８５】
一方、ステップＳ９において、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］以下の場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１においては、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低いか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合にはステップＳ１２に進み、ステップＳ１２においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号３に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２が適正な発電を行うことができる温度を下回っているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させる。これにより、発電に消費される燃料を減少させ、燃料を燃料電池セルユニット１６の加熱に振り向け、温度を上昇させる。ステップＳ１２の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００８６】
一方、ステップＳ１１において、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］以上の場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えているか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えている場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１４においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号１に対応）。即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超えている場合には、取り出し可能な電流である取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して、燃料電池モジュール２から実際に取り出されている実取出電流Ｉｃが少なすぎ、燃料が無駄に供給されるので、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて燃料の浪費を抑制する。ステップＳ１４の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１４の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００８７】
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件（図１０のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）のうち１つでも該当した場合においては、需要電力が上昇している状況においても取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる（ステップＳ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４）。
【００８８】
一方、ステップＳ４において、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］以下の場合、及びステップＳ１３において、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］以下の場合には、図１１のステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１６においては、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１７においては、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１８においては、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１９においては、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。これらの条件が全て満足された場合にはステップＳ２０に進み、これらのうちの１つでも満足されない条件がある場合（図９の番号９に対応）には、ステップＳ２１進む。ステップＳ２１においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに従前の値に維持され、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。
【００８９】
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、需要電力が上昇している状況においても、所定の条件が満たされない場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖが一定に維持される（図１１のステップＳ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃに着目すると、発電室温度Ｔｆｃが上限の閾値である８５０［℃］を超えている場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下され（図１０のステップＳ９、Ｓ１０）、発電室温度Ｔｆｃが下限の閾値である６００［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは維持される（図１１のステップＳ１８、Ｓ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃが更に低く、５５０［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下される（図１０のステップＳ１１、Ｓ１２）。
【００９０】
一方、ステップＳ２０以下の処理では、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は上昇される。制御部１１０は、複数の電流維持条件（図１１のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）の何れにも該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１１のステップＳ２２、Ｓ２３）。
【００９１】
即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］を超えている場合（ステップＳ１５）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が比較的大きいため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させるべきではない。また、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］よりも低い場合（ステップＳ１６）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させて、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。さらに、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］を超えている場合（ステップＳ１７）には、燃料電池モジュール２からの出力電力は既にほぼ定格出力電力に到達しているため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【００９２】
さらに、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］よりも低い場合（ステップＳ１８）には、燃料電池モジュール２が十分に発電を行うことができる温度に達していないため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を上昇させ、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させて、燃料電池セルユニット１６に負担をかけるべきではない。また、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］以下の場合（ステップＳ１９）には、「逆潮流」が発生しやすい状況にあるため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【００９３】
ステップＳ１５乃至ステップＳ１９の条件が全て満足された場合には、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０においては、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上か否かが判断される。燃料供給電流値Ｉｆに対応した燃料供給量を求めて、燃料電池モジュール２に供給して発電運転している。そのため、換言すれば、その燃料により燃料電池モジュール２が発電可能な電流値を換算した値である。例えば、燃料供給電流値Ｉｆ＝５［Ａ］に相当する燃料供給量［Ｌ／ｍｉｎ］が供給されている場合には、燃料電池モジュール２は、潜在的に５［Ａ］の電流を安全に安定して出力する能力がある。従って、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］である場合には、実際に発電している実取出電流Ｉｃよりも１［Ａ］分多い電流を出力することができる分量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されていることになる。
【００９４】
ステップＳ２０において、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上である場合にはステップＳ２２進み、１０００［ｍＡ］よりも少ない場合にはステップＳ２３進む。ステップＳ２２においては、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態であるため、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１００［ｍＡ］増加させ（図９の番号７に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを急速に上昇させる。ステップＳ２２の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１１のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第２電流上昇変化率である２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【００９５】
一方、ステップＳ２３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させる状況にあるが、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態ではないので、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］増加させ（図９の番号８に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを緩やかに上昇させる。ステップＳ２３の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１１のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２３の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【００９６】
次に、図１２乃至図１４を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の作用の一例を説明する。
図１２は、上段に電力のグラフを示し、下段に電流のグラフを示している。
【００９７】
まず、図１２上段に細い実線で示すように、住宅２００等の施設の総需要電力が細かく変動しながら緩やかに増加している場合には、これに対応して、取出可能電流値Ｉｉｎｖも緩やかに上昇される（図１２の時刻ｔ０〜ｔ１）。この間には、図１１のフローチャートのステップＳ２３が繰り返し実行され、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の第１電流上昇変化率で上昇される。インバータ制御部１１１は、制御部１１０から取出可能電流値Ｉｉｎｖが入力されると、制御部１１０の制御とは独立してインバータ５４を制御し、取出可能電流値Ｉｉｎｖを超えない範囲の実取出電流Ｉｃを燃料電池モジュール２から取り出す。また、図１２の時刻ｔ０〜ｔ１においては、総需要電力は、常に取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した電力を上回っているため、実取出電流Ｉｃは取り出すことができる上限値である取出可能電流値Ｉｉｎｖに一致し、連系電力Ｗｉｎｖも実取出電流Ｉｃと共に上昇している。このような状態においては、インバータ制御部１１１は、制御部１１０から独立してインバータ５４を制御しているにも関わらず、実取出電流Ｉｃは、実質的に制御部１１０の支配下におかれる。なお、燃料供給電流値Ｉｆは、取出可能電流値Ｉｉｎｖよりも若干先行して上昇される。また、総需要電力と連系電力Ｗｉｎｖの差の不足分の電力は、系統電力Ｗｌによって賄われる。
【００９８】
次に、図１２の時刻ｔ１において、総需要電力が急激に減少すると、インバータ制御部１１１は、この減少に応答してインバータ５４を制御し、燃料電池モジュール２から取り出す実取出電流Ｉｃ（連系電力Ｗｉｎｖ）を減少させる。制御部１１０は、前記したオーバーシュートによる過剰な電力取出が行われないように取出可能電流値Ｉｉｎｖを、実取出電流値Ｉｃと同じ値まで減少させる（図１０のステップＳ３）。一方、制御部１１０は、時刻ｔ１において、燃料供給電流値Ｉｆの値は低下させずに従前の値に維持する。これは、燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）を取出可能電流値Ｉｉｎｖと共に急激に減少させてしまうと、燃料電池モジュール２の急激な温度低下を招き、燃料電池モジュール２の動作が不安定になるだけでなく、急激に需要電力が低下した場合はすぐに需要が増える可能性が高いため、これへの追従を早くしたいが燃料電池モジュール２の温度を低下させた場合は回復させるのに長時間を要してしまうため、これへの追従性を高めるために燃料供給電流値Ｉｆは低下させていない。このため、取出可能電流値Ｉｉｎｖが急激に減少された場合には、燃料供給電流値Ｉｆは、それよりも遅れて減少される。取出可能電流値Ｉｉｎｖが減少された直後における、燃料供給電流値Ｉｆが維持されている状態においては、燃料電池モジュール２は、取り出され得る取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して、燃料供給量に余裕のある状態となる。
【００９９】
図１２の時刻ｔ１〜ｔ２においては、総需要電力は低下したままであるので、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を一定に維持し（図１１のステップＳ２１）、また、燃料供給電流値Ｉｆの値も燃料が余剰な状態で一定に維持される。
次いで、時刻ｔ２において、総需要電力が再び上昇すると、制御部１１０は、燃料供給電流値Ｉｆが一定に維持されており、燃料電池モジュール２への燃料供給量に余裕のある状態であるため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を、通常の変化率（第１電流上昇変化率）よりも大きい２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の第２電流上昇変化率で急速に上昇させる（図１１のステップＳ２２）。これによって、総需要に対する負荷追従性を高めている。すなわち、制御部１１０から出力される取出可能電流値Ｉｉｎｖの値が上昇されると、インバータ制御部１１１は、この上昇されている取出可能電流値Ｉｉｎｖの範囲内で、燃料電池モジュール２から実取出電流Ｉｃを取り出す。取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を急速に上昇させることにより、燃料供給電流値Ｉｆに見合った多くの電力を燃料電池モジュール２から取り出すことができ、系統電力Ｗｌの使用量を抑制することができる。
【０１００】
なお、本実施形態においては、第２電流上昇変化率である２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の大きな電流上昇変化率、及び第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の通常の電流上昇変化率により取出可能電流値Ｉｉｎｖが上昇される。ここで、電流上昇変化率が通常の第１電流上昇変化率のみである場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、図１２に二点鎖線で示すように、時刻ｔ２から緩やかに上昇する。このため、電流上昇変化率が急速に上昇されない場合には、燃料供給量が同じであるにも関わらず、図１２に斜線を施した領域分だけ実取出電流Ｉｃが減少し、燃料が無駄に消費されることになる。反対に言えば、本技術における需要予測制御の採用によって固体酸化物型燃料電池の大きな課題である温度変化が遅いという問題を解決して速やかに負荷への追従性を高めることができる。
なお、本実施例では燃料供給電流値Ｉｆをそのままの状態で維持しているが、燃料供給電流値Ｉｆと取出可能電流値Ｉｉｎｖがあまりにも大きな偏差になっている場合は、総需要電力の再復帰を考慮しても余剰燃料となる量が多くなり過ぎるのはやはり無駄であるため、あまり大きな偏差量にならない程度で留めた上で燃料供給電流値Ｉｆを維持することは更に望ましい対応であると言える。
【０１０１】
図１２の時刻ｔ３において、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が小さくなると、制御部１１０は、電流上昇変化率を第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］に変更し、取出可能電流値Ｉｉｎｖの上昇を緩やかにする（図１１のステップＳ２３）。これは、燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）の余裕が少ない状態で取出可能電流値Ｉｉｎｖを急激に上昇させると、制御部１１０とは独立してインバータ５４を制御するインバータ制御部１１１との動作のずれにより、燃料枯れが発生するのを防止するためである。
【０１０２】
次いで、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値が上昇し、図１２の時刻ｔ４において、燃料供給電流値Ｉｆに近づくと、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して所定の余裕量が確保されるように、燃料供給電流値Ｉｆの値も取出可能電流値Ｉｉｎｖと共に上昇される。
【０１０３】
次に、図１３を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の他の作用例を説明する。
図１２に示した作用例では、時刻ｔ１において総需要電力が低下した後、燃料供給電流値Ｉｆの値が維持されている間に総需要電力が上昇に転じている。これに対し、図１３に示す例では、総需要電力が低下した後、これが上昇に転じるまでの時間が長くなっている。燃料供給電流値Ｉｆを大きな値に維持する時間が長くなると供給した燃料が無駄になるので、燃料供給電流値Ｉｆは所定の燃料低下待機期間ｔｗが経過すると減少される。
【０１０４】
図１３の時刻ｔ１１において、総需要電力が急激に低下した後、時刻ｔ１３まで総需要電力は低下したままである。本実施形態においては、制御部１１０は、総需要電力が急激に低下し、取出可能電流値Ｉｉｎｖを実取出電流Ｉｃまで低下させた場合には、その後、燃料低下待機期間ｔｗである１５［ｓｅｃ］間、燃料供給電流値Ｉｆを一定に維持するように構成されている。
【０１０５】
図１３に示す例では、時刻ｔ１１において総需要電力が急激に低下した後、燃料低下待機期間ｔｗが経過した時刻ｔ１２においても、総需要電力は低下したままであるので、制御部１１０は、時刻ｔ１２から燃料供給電流値Ｉｆ（燃料供給量）を所定の減少変化率で低下させる。この減少変化率は、燃料電池モジュール２が適正な作動を維持できる値に選択されている。なお、図１３に示す例では、燃料低下待機期間ｔｗが経過後、燃料供給電流値Ｉｆを低下させているが、取出可能電流値Ｉｉｎｖと燃料供給電流値Ｉｆの差が所定量未満である場合には、燃料低下待機期間ｔｗが経過しても燃料供給電流値Ｉｆは低下されずに維持される。これにより、燃料供給電流値Ｉｆの微少変動が、燃料電池モジュール２の運転に悪影響を及ぼすのを防止することができる。
【０１０６】
次いで、図１３の時刻ｔ１３において総需要電力が上昇すると、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖ及び燃料供給電流値Ｉｆを上昇させる。ただし、この際の取出可能電流値Ｉｉｎｖの上昇は、取出可能電流値Ｉｉｎｖが急激に減少された直後ではなく、燃料供給電流値Ｉｆの値も減少されているので、取出可能電流値Ｉｉｎｖの電流上昇変化率は、通常の値である第１電流上昇変化率の２０［ｍＡ／ｓｅｃ］に設定される。即ち、図１３の時刻ｔ１３においては、図１１のステップＳ２０の条件が満足されず、ステップＳ２３が実行される。
なお、本実施形態では燃料供給電流値Ｉｆを１５秒後に低下させて余剰な燃料の維持を中止するように構成しているが、総重要電力が更に低下していくような場合は総重要電力が回復して上昇してくる可能性が低いため燃料供給電流値Ｉｆを維持させる時間の１５秒を待たずに燃料供給電流値Ｉｆを速やかに低下させるようにすることは更に望ましい対応と言える。
【０１０７】
次に、図１４を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の他の作用例を説明する。
図１４に示す作用例では、総需要電力が急激に低下した後、上昇することなく再び総需要電力が急激に低下している。このような場合においては、最初の急激な低下から燃料低下待機期間ｔｗが経過していなくても、すぐに総需要電力が上昇に転じる確率が低いと考えられるため、制御部１１０は、燃料供給電流値Ｉｆを低下させる。
【０１０８】
図１４に示す例では、時刻ｔ２１において総需要電力が急激に低下した後、燃料低下待機期間ｔｗである１５［ｓｅｃ］が経過する前の時刻ｔ２２において、総需要電力は再び急激に低下している。このように燃料供給電流値Ｉｆと取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が拡大した場合には、制御部１１０は、総需要電力の最初の急激な低下から燃料低下待機期間ｔｗが経過する前であっても、時刻ｔ２２から燃料供給電流値Ｉｆ（燃料供給量）を所定の減少変化率で低下させる。次いで、図１４の時刻ｔ２３において総需要電力が上昇すると、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖ及び燃料供給電流値Ｉｆを上昇させる。
【０１０９】
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを急激に低下させた場合でも、取出可能電流値Ｉｉｎｖの低下よりも遅れて燃料供給電流値Ｉｆ（燃料供給量）が低下されるように、燃料流量調整ユニット３８を制御する（図１２〜図１４）ので、燃料電池モジュール２の急激な温度低下等を回避することができる。また、取出可能電流値Ｉｉｎｖが急激に低下された後、燃料供給量が遅れて低下されるので、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して燃料供給量に余裕がある状態が発生する（図１２の時刻ｔ１〜ｔ２）。このような場合には、コントローラは、通常の電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１２の時刻ｔ２〜ｔ３）ので、燃料の無駄を抑制し、発電効率を上昇させることができる。
【０１１０】
これにより、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料枯れ等の不具合を確実に回避して、燃料電池モジュール２の安定した運転を可能にしながら、発電効率を高めることができる。
【０１１１】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、取出可能電流値低下（図１３の時刻ｔ１１）後、燃料低下待機期間（１５［ｓｅｃ］）に亘って所定量以上の差が存在した場合（図１３の時刻ｔ１２）、又は、燃料供給量に対応する電流（燃料供給電流値Ｉｆ）と取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が拡大した場合（図１４の時刻ｔ２２）に、燃料供給量を低下させるので、燃料電池モジュール２の安定した運転と、発電効率向上を両立することができる。即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖが低下された後、燃料供給量を遅れて低下させることにより、燃料電池モジュール２の急激な温度低下等を回避することができるが、取出可能電流値Ｉｉｎｖの低下の後、燃料供給量を低下させない時間が長くなると、燃料の無駄が発生しやすくなるので、燃料低下待機期間経過後等に燃料供給量を低下させる。
【０１１２】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、実取出電流値Ｉｃと取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が所定量以下の場合（図１０のステップＳ１）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを実取出電流値Ｉｃまで低下させないので、総需要電力が落ち込んだ後にすぐに回復するような場合、取出可能電流値Ｉｉｎｖは実取出電流値Ｉｃよりも高いレベルで維持されているのでインバータ５４はその範囲で自由に総重要電力の回復に追従でき、オーバーシュート等の懸念を心配することなく負荷への追従性を高めることができる。さらに、実取出電流値Ｉｃと取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が所定量である１０００［ｍＡ］を超えた場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを実取出電流Ｉｃまで低下させ（図１０のステップＳ３）、その後遅れて燃料供給量を低下させるので、燃料電池モジュール２を安定して運転しながら、燃料の無駄を抑制することができる。
【０１１３】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料供給量の低下を遅らせた上で、取出可能電流値Ｉｉｎｖを必要最小限の実取出電流Ｉｃまで低下させる（図１０のステップＳ３、図１２の時刻ｔ１、図１３の時刻ｔ１１，図１４の時刻ｔ２１）ので、燃料電池モジュール２の運転の安定を確保しながら、燃料の無駄を十分に抑制することができる。
【０１１４】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、実取出電流Ｉｃの低下に追従するように取出可能電流値Ｉｉｎｖを急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている場合（図１２の時刻ｔ１〜ｔ２）において、需要電力が上昇し始める（図１２の時刻ｔ２）と、大きな電流上昇変化率で取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１２の時刻ｔ２〜ｔ３）ので、燃料供給量に確実に余裕のある状態で、急速に取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させることができ、燃料電池モジュール２の安定した運転を確実にしながら、需要電力の変化に対する追従性を高めることができる。
【符号の説明】
【０１１５】
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
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（燃料電池コントローラ）
１１０ａ 第１需要電力検出手段
１１１ インバータ制御部（インバータコントローラ）
１１１ａ 第２需要電力検出手段
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（取出電流検出手段）
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
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、需要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１５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１５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、送電線から住宅内の分電盤へ送られた電力であり購入電力である。つまり、燃料電池２０２による発電電力と系統電力２０４の総計が、住宅２００における消費電力にあたる。燃料電池２０２は、住宅２００が購入している電力のモニター信号を需要電力検出器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、需要電力検出器２０６から取得したモニター信号に基づいて、燃料電池２０２が生成すべき電流を表すベース電流Ｉｉを決定し、このベース電流Ｉｉを生成することができるよう、燃料電池モジュール２０８に供給する燃料供給量等が制御される。また、ベース電流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ベース電流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、モニター信号に積分処理等を行うフィルター２１０を掛けることによって緩やかに変化するように決定される。
【０００６】
燃料電池２０２は、燃料電池モジュール２０８がベース電流Ｉｉの電流を生成できる能力を持つよう、ベース電流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から直流の実取出電流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から取り出す実取出電流Ｉｃは、常にベース電流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。ベース電流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、緩慢に変化されるベース電流Ｉｉに対応した電力よりも低くなる。
【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、このような燃料電池モジュール２０８の遅れに対応するために、電流値を増加させる場合には、遅れ設定器を介して設定電流値を更新し、設定電流値の増加を遅らせて燃料枯れ等の不具合を防止している。また、この燃料電池発電装置においては、設定電流値を更新する際には、常に所定の減算電流値又は加算電流値ずつ変更されるので、設定電流値を変化させる変化率は、常に一定の変化率になる。
【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、燃料ガスを増加させた後、一定時間遅れて燃料電池から取り出す電流を増加させているので、燃料枯れ等の不具合を防止することができるものの、供給した燃料が無駄になるという問題がある。即ち、応答が極めて緩慢な燃料電池モジュールに対して、需要電力は急激な増減を繰り返すので、常に一定時間の遅れを持たせる制御では、発電効率を十分に高めることは困難である。
【００１１】
従って、本発明は、燃料枯れ等の不具合を確実に回避して、燃料電池モジュールの安定した運転を可能にしながら、発電効率を高め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、需要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に燃料を供給する燃料供給手段と、需要電力を検出する需要電力検出手段と、この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段による燃料供給量を制御すると共に、燃料電池モジュールの状態に応じて燃料電池モジュールから取り出し可能な最大の電流値である取出可能電流値を設定するコントローラと、需要電力に応じて、燃料電池モジュールから、取出可能電流値を越えない範囲で電流を取り出し、交流に変換するインバータと、燃料電池モジュールからインバータに実際に取り出される実取出電流を検出する取出電流検出手段と、を有し、コントローラは、取出可能電流値を上昇させる場合には、所定の第１電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる一方、取出電流検出手段によって検出された実取出電流が低下した場合において、取出可能電流値を急激に低下させると共に、この取出可能電流値の低下に追従するように取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、燃料供給手段を制御し、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させ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、コントローラは、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段による燃料供給量を制御し、燃料電池モジュールに燃料を供給する。さらに、コントローラは、燃料電池モジュールの状態に応じて燃料電池モジュールから取り出し可能な最大の電流値である取出可能電流値を設定する。インバータは、需要電力に応じた電流が、取出可能電流値を越えない範囲において燃料電池モジュールから取り出す。コントローラは、取出可能電流値を上昇させる場合には、所定の第１電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる一方、取出電流検出手段によって検出された実取出電流が低下した場合において、取出可能電流値を急激に低下させる。さらに、コントローラは、取出可能電流値の低下に追従するように取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、燃料供給手段を制御する。また、コントローラは、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる。
【００１４】
一般に、インバータは、急激に変化する需要電力に応じて必要な電流を燃料電池モジュールから取り出すことができるように、高い応答性で制御される。一方、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量は、急激に変化させると、燃料電池モジュールによる発電が不安定になることがあるので、応答性の高い制御を行うことができない。さらに、需要電力が急激に低下した場合には、これに応答して取出可能電流値及び燃料供給量を急激に低下させても燃料枯れを起こすことはないが、燃料電池モジュールが急激な温度低下を起こして、温度が回復するまで十分な発電が行えなくなる。本発明によれば、コントローラは、取出可能電流値を急激に低下させた場合でも、取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、燃料供給手段を制御するので、燃料電池モジュールの急激な温度低下等を回避することができる。また、取出可能電流値が急激に低下された後、燃料供給量が遅れて低下されるので、取出可能電流値に対して燃料供給量に余裕がある状態が発生する。このような場合には、コントローラは、通常の電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させるので、燃料の無駄を抑制しつつ需要電力の回復に対する追従性を高めることができ、商用電力に頼る頻度の低下が図れ省エネとすることができる。また、燃料の余裕がある状態を作り出してその範囲でインバータの電力取出を早めるようにするに際して、取出可能電流値と実取出電流値との間に大きな偏差がある状態では、需要が急激に回復した場合インバータがそれに追従して急激に電流を取り出そうとするが、それを許してしまうと制御オーバーシュート等によって取出可能電流値を超えるような電流取出が発生してセルにダメージを与えると言う新たな課題が発生するが、本発明にあっては、インバータの電流取出を需要電力に対する追従性とセルへの負担を高いレベルで両立できるように、取出可能電流値を一旦低下させた後に、管理された量で取出可能電流値を速く上昇させるように構成しているため、新たな課題も確実に解決できたものである。
【００１５】
本発明において、好ましくは、コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値との間に、所定の燃料低下待機期間中に所定量以上の差が存在した場合、又は、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値の差が拡大した場合に、燃料供給量を低下させるように燃料供給手段を制御する。
【００１６】
取出可能電流値が低下された後、燃料供給量を遅れて低下させることにより、需要電力の回復に伴う上昇時の追従性を高めることができるが、取出可能電流値の低下の後、あまりにも大きな偏差が燃料供給量と取出可能電流値との間にある場合、もしくは燃料供給量を低下させない状態が長くなると、やはり燃料の無駄と言える。上記のように構成された本発明によれば、取出可能電流値低下後、燃料低下を抑制する待機期間中に燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値との間に所定量以上の偏差が存在する場合、もしくは偏差が拡大した場合に、燃料供給量を低下させるので、需要電力の回復に備える目的に対してあまりにも余剰な燃料となる状態、もしくは需要電力の回復可能性が低いと判断されるような状況では速やかに燃料の供給を余剰とする状態を回避させるので、無駄な燃料消費を回避して省エネが図れ、一方で需要の回復時は速やかに負荷への追従を行うことができるため商用電力に頼る頻度を低下させることができ、やはり省エネ性能を向上することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、コントローラは、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量を超えた場合には、取出可能電流値を低下させ、その後遅れて燃料供給量を低下させるように燃料供給手段を制御する一方、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量以下の場合には、取出可能電流値を低下させない。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量以下の場合には、取出可能電流値が低下されない。これは、実取出電流値と取出可能電流値の差が小さいような状況であれば取出可能電流値を低下させるまでもなく需要電力の回復に対してインバータが追従しても偏差が小さいため制御オーバーシュート等の問題はなくセルへの影響を回避できるため需要電力に対する追従性を一層速めることができるという実用上優れた効果を奏するものである。
【００１９】
本発明において、好ましくは、コントローラは、取出可能電流値を低下させる場合において、取出可能電流値を実取出電流まで低下させる。
このように構成された本発明によれば、燃料供給量の低下を遅らせた上で、取出可能電流値を必要最小限の実取出電流値まで低下させるので、需要電力の回復に対する追従性を完全に取出可能電流値の制御によってコントロールできるためインバータは取出電流の単位時間当たりの量を自由に行うことができない状態を作り出せるため、偏差が大きい状態では発生しやすい制御オーバーシュートによるセルへのダメージを完全に回避させることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている間に需要電力が上昇し始めた場合には、第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる。
【００２１】
このように構成された本発明によれば、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている場合において、需要電力が上昇し始めたタイミングを持ってすぐに、大きな電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させるので、燃料供給量に確実に余裕のある状態で、急速に取出可能電流値を増加させることができ、燃料電池モジュールの安定した運転を確実にしながら、需要電力の変化に対する追従性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、省エネ性能と需要電力に対する負荷追従性の向上を燃料電池モジュールへの負担を軽減しつつ高いレベルで両立させることができる実用性の高い固体酸化物型燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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制御テーブルである。
【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】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１２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用を示すタイムチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用を示すタイムチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の作用を示すタイムチャートである。
【図１５】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】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、図６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の制御を説明する。
まず、図６に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、燃料電池コントローラである制御部１１０と、インバータコントローラであるインバータ制御部１１１と、を備えている。
【００６５】
制御部１１０は、第１需要電力検出手段１１０ａを備えており、需要電力検出器２０６（図１５）から入力される需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて需要電力を検出している。住宅２００（図１５）等の施設で消費されている総需要電力は、商用電源から供給される系統電力及び固体電解質型燃料電池１から供給される電力によって賄われている。需要電力検出器２０６としてカレントトランスを用いる場合は、需要電力モニター信号Ｍｓとしては系統電流（購入電流）がモニタ信号として得られるので、インバータ５４から得られる出力端の交流電圧および発電連系出力電力より、系統電力・発電連系電力とあわせて需用電力が得られる。また、それらの情報をインバータ５４から間接的に得ることで第１需要電力検出手段１１０ａとすることも出来る。本実施形態においては、制御部１１０には、総需要電力のうちの系統電力が需要電力モニター信号Ｍｓとして入力されているが、制御部により、総需要電力を需要電力モニター信号として使用することもできる。
【００６６】
また、制御部１１０は、需要電力モニター信号Ｍｓ等に基づいて、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等を制御するように構成されている。また、制御部１１０は、各種センサからの入力信号、及び需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定し、この値をインバータ制御部１１１に出力するように構成されている。具体的には、制御部１１０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等により構成される。
【００６７】
インバータ制御部１１１は、第２需要電力検出手段１１１ａを備えており、需要電力検出器２０６（図１５）から入力される需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて需要電力を検出している。需要電力検出器２０６としてカレントトランスを用いる場合は、需要電力モニター信号Ｍｓとしては系統電流（購入電流）がモニタ信号として得られるので、インバータ５４で得られる出力端に備えられた電圧検知手段による出力端の交流電圧および出力部での出力電力検知手段による発電連系出力電力より、系統電力・発電連系電力とあわせて需用電力が得られる。また、それらの情報を制御部１１０へ伝えることも出来る。インバータ制御部１１１は、需要電力モニター信号Ｍｓ、及び制御部１１０から入力された取出可能電流値Ｉｉｎｖに基づいて、インバータ５４を制御し、取出可能電流値Ｉｉｎｖを超えない範囲で燃料電池モジュール２から実取出電流Ｉｃを取り出すように構成されている。具体的には、インバータ制御部１１１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等により構成される。
【００６８】
制御部１１０は、燃料電池モジュール２の状態に応じて、そのとき燃料電池モジュール２から取り出すことのできる最大の電流である取出可能電流値Ｉｉｎｖを逐次設定する取出可能電流値設定手段を備えている。インバータ制御部１１１は、制御部１１０とは独立してインバータ５４を制御し、制御部１１０から入力された取出可能電流値Ｉｉｎｖを超えない範囲で燃料電池モジュール２から実取出電流Ｉｃを取り出し、住宅２００（図１５）等の施設に供給する。なお、本実施形態においては、制御部１１０の制御周期は５００［ｍｓｅｃ］であり、インバータ制御部１１１の制御周期は１［ｍｓｅｃ］以下である。このように、制御部１１０は応答の遅い燃料電池モジュール２を制御するために必要にして十分な制御周期で作動され、インバータ制御部１１１は急速に変動する需要電力に対応して、インバータ５４から電力を取り出すことができるように、短い制御周期で作動される。また、制御部１１０及びインバータ制御部１１１の制御は同期されておらず、インバータ制御部１１１は、制御部１１０から入力された取出可能電流値Ｉｉｎｖ、及び需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて、制御部１１０とは独立してインバータ５４を制御している。
【００６９】
次に、図９乃至１４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、制御部１１０により取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定するための制御テーブルである。図１０及び図１１は、図９に示す制御テーブルを適用して取出可能電流値Ｉｉｎｖを決定するフローチャートである。
【００７０】
図９に示すように、制御部１１０は、発電室温度Ｔｆｃ、燃料電池モジュール２から出力される発電電圧Ｖｄｃ、商用電源から住宅等の施設へ供給されている電力である系統電力Ｗｌ、インバータ５４から出力される電力である連系電力Ｗｉｎｖ、取出可能電流値Ｉｉｎｖの現在値、及び燃料供給電流値Ｉｆに基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖの増加、低下、又は維持を決定する。
発電室温度Ｔｆｃは、燃料電池セルユニット１６を収容した発電室１０内の温度であり、温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって検出され、制御部１１０に入力される。なお、本明細書においては、発電室温度Ｔｆｃ等、燃料電池モジュール２の発電能力の指標となる温度を「燃料電池モジュールの温度」ということにする。
【００７１】
発電電圧Ｖｄｃは、燃料電池モジュール２から出力される出力電圧である。
系統電力Ｗｌは、住宅等の施設に対して商用電源から供給されている電力であり、施設の総需要電力から燃料電池によって供給されている電力を差し引いた電力がこれに相当し、需要電力モニター信号Ｍｓに基づいて検出される。
連系電力Ｗｉｎｖは、インバータ５４から出力される電力である。燃料電池モジュール２からインバータ５４に実際に取り出される電力は電力状態検出センサ１２６によって検出され、この電力から変換された電力がインバータ５４から出力される。燃料電池モジュール２から実際に出力される実取出電流Ｉｃ［Ａ］は電力状態検出センサ１２６によって検出された電力に基づいて求められる。従って、電力状態検出センサ１２６は、取出電流検出手段として機能する。
【００７２】
燃料供給電流値Ｉｆは、燃料供給量を求めるための基にする電流値であって、燃料電池モジュール２に供給されている燃料供給量（Ｌ／ｍｉｎ）によって発電することが可能な電流値に相当する。そのため、燃料供給電流値Ｉｆは、常に必ず取出可能電流値Ｉｉｎｖを下回ることのない様に設定する。
制御部１１０は、燃料電池モジュール２の現在の状態が、図９の番号１〜９の何れに該当するかを判定し、図９の右端欄に示されている取出可能電流値Ｉｉｎｖの変更又は維持を実行する。
【００７３】
例えば、図９の番号１欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号１欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを５［ｍＡ］低下させるように変更する。上記のように、本実施形態においては、制御部１１０の制御周期は５００［ｍｓｅｃ］であるので、番号１欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは５００［ｍｓｅｃ］毎に５［ｍＡ］ずつ低下する。この場合、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００７４】
同様に、図９の番号８欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号８欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを１０［ｍＡ］増加させるように変更する。従って、番号８欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【００７５】
また、図９の番号１〜８欄に記載されている条件が何れも満足されない場合には、番号９欄の条件に該当し、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに維持される。
【００７６】
次に、図１０及び図１１を参照して、図９の制御テーブルの条件の判断手順を説明する。なお、図１０及び図１１における符号Ａ〜Ｄは、処理の移行先を示している。例えば、フローの処理は、図１０の符号「Ｃ」から図１１の符号「Ｃ」へ移行する。
【００７７】
また、以下に説明するように、制御部１１０は、需要電力が上昇している場合等、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるべき状況にあっても、所定の複数の増加規制条件に該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるように構成されている。さらに、増加規制条件は、複数の電流低下条件及び電流維持条件を含んでおり、これらの条件に該当すると、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、低下され、又は維持される。また、複数の電流低下条件（図１０のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）は、複数の電流維持条件（図１１のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）よりも先に、優先的に適用される。
【００７８】
まず、図１０のステップＳ１は、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの間で非常に大きな偏差が生まれたかどうかを判断するステップであって、両者の間に１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が生まれたか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの差が短い制御周期の中で１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が初めて生まれるような場合というのは、インバータ５４が、総需要電力の急激な低下、もしくは何らかの理由によって実取出電力Ｉｃを急激に低下させたことによって偏差が生じた状況であるとしてステップＳ２に進む。
【００７９】
ステップＳ２においては、系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ないか否かが判断される。系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ない場合というのは、系統電力Ｗｌがこれ以上減少すると、インバータ５４からの出力電力が、商用電源に流れ込む「逆潮流（系統電力Ｗ１がマイナスになる状態）」が発生する可能性が高くなる状態である。よってＳ２の判定とＳ１の判定によって総重要電力のとても大きな落ち込みによって逆潮流が生じることを防止するために、インバータ５４が実取出電流値Ｉｃを急激に下げた状態であると判断できる。なお、Ｓ２で系統電力Ｗ１の値を５０Ｗに設定しているのは逆潮流が万が一にも発生することがないように５０Ｗ分のマージンを設けているものである。
【００８０】
次にＳ１、Ｓ２の双方でＹＥＳと判断された場合、即ち、とても大きな総重要電力の落ち込みに伴うインバータ５４による逆潮流防止制御が行われた場合は、ステップＳ３において、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を実取出電流Ｉｃの値まで急激に低下させる（図９の番号６に対応）。ステップＳ３の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。インバータ５４は取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を超えない範囲で実取出電流値Ｉｃを取り出すので、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させて取出可能電流値ｌｉｎｖ＝実取出電流値Ｉｃとすることにより、インバータ５４は現在の実取出電流値Ｉｃより取出電流を勝手に増やすような対応が規制される。これは、総需要電力の急激な低下があったような場合は、その後すぐに総需要電力が急激に回復する（増える）ような状況が起こる可能性が高いが、１０００［ｍＡ］を超えるような大きな偏差量がある中で、インバータ５４が回復した総需要電力に応えるべく電力取出を急激に行なってしまうと、制御オーバーシュート等によって需要電力や取出可能電流値ｌｉｎｖを誤って超えるような電力取出をインバータ５４が行ってしまうことを未然に防止できるようにした工夫である。言い換えると１０００［ｍＡ］以下のような小さな偏差では取出可能電流値ｌｉｎｖを実取出電流値Ｉｃにするような制御を行っていないため、インバータ５４は実取出電流値Ｉｃより高い所にある取出可能電流値ｌｉｎｖまでの間で自由に電力取出を迅速に行えるように許容したものである。これはこのような小さな偏差であればオーバーシュートによる過剰な電力取出等の問題を生じないため、総重要電力の回復に速やかに追従できるように配慮した更なる工夫である。
【００８１】
一方、ステップＳ１とＳ２の判定でとても大きな総重要電力低下に伴う逆潮流が起こるような状況ではないと判断された場合には、ステップＳ４に進む。ステップＳ４においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きいか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きい場合には、ステップＳ５に進み、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低いか否かが判断される。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、ステップＳ６に進む。
【００８２】
ステップＳ６においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］低下させる（図９の番号４に対応）。ステップＳ６の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ６の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される際に燃料電池モジュールの劣化等により、電圧降下が生じていると考えられるため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させることにより、インバータ５４に取り出される電流を抑制して、燃料電池モジュール２にかかる負担を軽減する。
【００８３】
一方、ステップＳ５において、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］以上の場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合にはステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号５に対応）。即ち、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合には、燃料電池モジュール２からの出力電力が定格電力を超えているので、燃料電池モジュール２から取り出す電流を低下させて定格電力を超えないようにする。ステップＳ８の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ８の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件のうち該当した電流低下条件により、取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる変化率が異なるように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを変化させる。
【００８４】
一方、ステップＳ７において、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］以下の場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９においては、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えているか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合にはステップＳ１０に進み、ステップＳ１０においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号２に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合には、燃料電池モジュール２の適正な作動温度を超えているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて、温度の低下を待つ。ステップＳ１０の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１０の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００８５】
一方、ステップＳ９において、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］以下の場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１においては、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低いか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合にはステップＳ１２に進み、ステップＳ１２においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号３に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２が適正な発電を行うことができる温度を下回っているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させる。これにより、発電に消費される燃料を減少させ、燃料を燃料電池セルユニット１６の加熱に振り向け、温度を上昇させる。ステップＳ１２の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００８６】
一方、ステップＳ１１において、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］以上の場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えているか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えている場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１４においては、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図９の番号１に対応）。即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超えている場合には、取り出し可能な電流である取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して、燃料電池モジュール２から実際に取り出されている実取出電流Ｉｃが少なすぎ、燃料が無駄に供給されるので、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて燃料の浪費を抑制する。ステップＳ１４の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１０のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１４の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【００８７】
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件（図１０のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）のうち１つでも該当した場合においては、需要電力が上昇している状況においても取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる（ステップＳ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４）。
【００８８】
一方、ステップＳ４において、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］以下の場合、及びステップＳ１３において、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］以下の場合には、図１１のステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１６においては、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１７においては、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１８においては、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１９においては、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。これらの条件が全て満足された場合にはステップＳ２０に進み、これらのうちの１つでも満足されない条件がある場合（図９の番号９に対応）には、ステップＳ２１進む。ステップＳ２１においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに従前の値に維持され、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。
【００８９】
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、需要電力が上昇している状況においても、所定の条件が満たされない場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖが一定に維持される（図１１のステップＳ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃに着目すると、発電室温度Ｔｆｃが上限の閾値である８５０［℃］を超えている場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下され（図１０のステップＳ９、Ｓ１０）、発電室温度Ｔｆｃが下限の閾値である６００［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは維持される（図１１のステップＳ１８、Ｓ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃが更に低く、５５０［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下される（図１０のステップＳ１１、Ｓ１２）。
【００９０】
一方、ステップＳ２０以下の処理では、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は上昇される。制御部１１０は、複数の電流維持条件（図１１のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）の何れにも該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１１のステップＳ２２、Ｓ２３）。
【００９１】
即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］を超えている場合（ステップＳ１５）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が比較的大きいため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させるべきではない。また、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］よりも低い場合（ステップＳ１６）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させて、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。さらに、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］を超えている場合（ステップＳ１７）には、燃料電池モジュール２からの出力電力は既にほぼ定格出力電力に到達しているため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【００９２】
さらに、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］よりも低い場合（ステップＳ１８）には、燃料電池モジュール２が十分に発電を行うことができる温度に達していないため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を上昇させ、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させて、燃料電池セルユニット１６に負担をかけるべきではない。また、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］以下の場合（ステップＳ１９）には、「逆潮流」が発生しやすい状況にあるため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【００９３】
ステップＳ１５乃至ステップＳ１９の条件が全て満足された場合には、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０においては、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上か否かが判断される。燃料供給電流値Ｉｆに対応した燃料供給量を求めて、燃料電池モジュール２に供給して発電運転している。そのため、換言すれば、その燃料により燃料電池モジュール２が発電可能な電流値を換算した値である。例えば、燃料供給電流値Ｉｆ＝５［Ａ］に相当する燃料供給量［Ｌ／ｍｉｎ］が供給されている場合には、燃料電池モジュール２は、潜在的に５［Ａ］の電流を安全に安定して出力する能力がある。従って、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］である場合には、実際に発電している実取出電流Ｉｃよりも１［Ａ］分多い電流を出力することができる分量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されていることになる。
【００９４】
ステップＳ２０において、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上である場合にはステップＳ２２進み、１０００［ｍＡ］よりも少ない場合にはステップＳ２３進む。ステップＳ２２においては、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態であるため、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１００［ｍＡ］増加させ（図９の番号７に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを急速に上昇させる。ステップＳ２２の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１１のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第２電流上昇変化率である２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【００９５】
一方、ステップＳ２３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させる状況にあるが、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態ではないので、制御部１１０は、インバータ制御部１１１に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］増加させ（図９の番号８に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを緩やかに上昇させる。ステップＳ２３の処理の終了により、図１０及び図１１のフローチャートの１回の処理が終了する。図１１のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２３の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【００９６】
次に、図１２乃至図１４を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の作用の一例を説明する。
図１２は、上段に電力のグラフを示し、下段に電流のグラフを示している。
【００９７】
まず、図１２上段に細い実線で示すように、住宅２００等の施設の総需要電力が細かく変動しながら緩やかに増加している場合には、これに対応して、取出可能電流値Ｉｉｎｖも緩やかに上昇される（図１２の時刻ｔ０〜ｔ１）。この間には、図１１のフローチャートのステップＳ２３が繰り返し実行され、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の第１電流上昇変化率で上昇される。インバータ制御部１１１は、制御部１１０から取出可能電流値Ｉｉｎｖが入力されると、制御部１１０の制御とは独立してインバータ５４を制御し、取出可能電流値Ｉｉｎｖを超えない範囲の実取出電流Ｉｃを燃料電池モジュール２から取り出す。また、図１２の時刻ｔ０〜ｔ１においては、総需要電力は、常に取出可能電流値Ｉｉｎｖに対応した電力を上回っているため、実取出電流Ｉｃは取り出すことができる上限値である取出可能電流値Ｉｉｎｖに一致し、連系電力Ｗｉｎｖも実取出電流Ｉｃと共に上昇している。このような状態においては、インバータ制御部１１１は、制御部１１０から独立してインバータ５４を制御しているにも関わらず、実取出電流Ｉｃは、実質的に制御部１１０の支配下におかれる。なお、燃料供給電流値Ｉｆは、取出可能電流値Ｉｉｎｖよりも若干先行して上昇される。また、総需要電力と連系電力Ｗｉｎｖの差の不足分の電力は、系統電力Ｗｌによって賄われる。
【００９８】
次に、図１２の時刻ｔ１において、総需要電力が急激に減少すると、インバータ制御部１１１は、この減少に応答してインバータ５４を制御し、燃料電池モジュール２から取り出す実取出電流Ｉｃ（連系電力Ｗｉｎｖ）を減少させる。制御部１１０は、前記したオーバーシュートによる過剰な電力取出が行われないように取出可能電流値Ｉｉｎｖを、実取出電流値Ｉｃと同じ値まで減少させる（図１０のステップＳ３）。一方、制御部１１０は、時刻ｔ１において、燃料供給電流値Ｉｆの値は低下させずに従前の値に維持する。これは、燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）を取出可能電流値Ｉｉｎｖと共に急激に減少させてしまうと、燃料電池モジュール２の急激な温度低下を招き、燃料電池モジュール２の動作が不安定になるだけでなく、急激に需要電力が低下した場合はすぐに需要が増える可能性が高いため、これへの追従を早くしたいが燃料電池モジュール２の温度を低下させた場合は回復させるのに長時間を要してしまうため、これへの追従性を高めるために燃料供給電流値Ｉｆは低下させていない。このため、取出可能電流値Ｉｉｎｖが急激に減少された場合には、燃料供給電流値Ｉｆは、それよりも遅れて減少される。取出可能電流値Ｉｉｎｖが減少された直後における、燃料供給電流値Ｉｆが維持されている状態においては、燃料電池モジュール２は、取り出され得る取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して、燃料供給量に余裕のある状態となる。
【００９９】
図１２の時刻ｔ１〜ｔ２においては、総需要電力は低下したままであるので、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を一定に維持し（図１１のステップＳ２１）、また、燃料供給電流値Ｉｆの値も燃料が余剰な状態で一定に維持される。
次いで、時刻ｔ２において、総需要電力が再び上昇すると、制御部１１０は、燃料供給電流値Ｉｆが一定に維持されており、燃料電池モジュール２への燃料供給量に余裕のある状態であるため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を、通常の変化率（第１電流上昇変化率）よりも大きい２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の第２電流上昇変化率で急速に上昇させる（図１１のステップＳ２２）。これによって、総需要に対する負荷追従性を高めている。すなわち、制御部１１０から出力される取出可能電流値Ｉｉｎｖの値が上昇されると、インバータ制御部１１１は、この上昇されている取出可能電流値Ｉｉｎｖの範囲内で、燃料電池モジュール２から実取出電流Ｉｃを取り出す。取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を急速に上昇させることにより、燃料供給電流値Ｉｆに見合った多くの電力を燃料電池モジュール２から取り出すことができ、系統電力Ｗｌの使用量を抑制することができる。
【０１００】
なお、本実施形態においては、第２電流上昇変化率である２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の大きな電流上昇変化率、及び第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の通常の電流上昇変化率により取出可能電流値Ｉｉｎｖが上昇される。ここで、電流上昇変化率が通常の第１電流上昇変化率のみである場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、図１２に二点鎖線で示すように、時刻ｔ２から緩やかに上昇する。このため、電流上昇変化率が急速に上昇されない場合には、燃料供給量が同じであるにも関わらず、図１２に斜線を施した領域分だけ実取出電流Ｉｃが減少し、燃料が無駄に消費されることになる。反対に言えば、本技術における需要予測制御の採用によって固体酸化物型燃料電池の大きな課題である温度変化が遅いという問題を解決して速やかに負荷への追従性を高めることができる。
なお、本実施例では燃料供給電流値Ｉｆをそのままの状態で維持しているが、燃料供給電流値Ｉｆと取出可能電流値Ｉｉｎｖがあまりにも大きな偏差になっている場合は、総需要電力の再復帰を考慮しても余剰燃料となる量が多くなり過ぎるのはやはり無駄であるため、あまり大きな偏差量にならない程度で留めた上で燃料供給電流値Ｉｆを維持することは更に望ましい対応であると言える。
【０１０１】
図１２の時刻ｔ３において、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が小さくなると、制御部１１０は、電流上昇変化率を第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］に変更し、取出可能電流値Ｉｉｎｖの上昇を緩やかにする（図１１のステップＳ２３）。これは、燃料供給量（燃料供給電流値Ｉｆ）の余裕が少ない状態で取出可能電流値Ｉｉｎｖを急激に上昇させると、制御部１１０とは独立してインバータ５４を制御するインバータ制御部１１１との動作のずれにより、燃料枯れが発生するのを防止するためである。
【０１０２】
次いで、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値が上昇し、図１２の時刻ｔ４において、燃料供給電流値Ｉｆに近づくと、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して所定の余裕量が確保されるように、燃料供給電流値Ｉｆの値も取出可能電流値Ｉｉｎｖと共に上昇される。
【０１０３】
次に、図１３を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の他の作用例を説明する。
図１２に示した作用例では、時刻ｔ１において総需要電力が低下した後、燃料供給電流値Ｉｆの値が維持されている間に総需要電力が上昇に転じている。これに対し、図１３に示す例では、総需要電力が低下した後、これが上昇に転じるまでの時間が長くなっている。燃料供給電流値Ｉｆを大きな値に維持する時間が長くなると供給した燃料が無駄になるので、燃料供給電流値Ｉｆは所定の燃料低下待機期間ｔｗが経過すると減少される。
【０１０４】
図１３の時刻ｔ１１において、総需要電力が急激に低下した後、時刻ｔ１３まで総需要電力は低下したままである。本実施形態においては、制御部１１０は、総需要電力が急激に低下し、取出可能電流値Ｉｉｎｖを実取出電流Ｉｃまで低下させた場合には、その後、燃料低下待機期間ｔｗである１５［ｓｅｃ］間、燃料供給電流値Ｉｆを一定に維持するように構成されている。
【０１０５】
図１３に示す例では、時刻ｔ１１において総需要電力が急激に低下した後、燃料低下待機期間ｔｗが経過した時刻ｔ１２においても、総需要電力は低下したままであるので、制御部１１０は、時刻ｔ１２から燃料供給電流値Ｉｆ（燃料供給量）を所定の減少変化率で低下させる。この減少変化率は、燃料電池モジュール２が適正な作動を維持できる値に選択されている。なお、図１３に示す例では、燃料低下待機期間ｔｗが経過後、燃料供給電流値Ｉｆを低下させているが、取出可能電流値Ｉｉｎｖと燃料供給電流値Ｉｆの差が所定量未満である場合には、燃料低下待機期間ｔｗが経過しても燃料供給電流値Ｉｆは低下されずに維持される。これにより、燃料供給電流値Ｉｆの微少変動が、燃料電池モジュール２の運転に悪影響を及ぼすのを防止することができる。
【０１０６】
次いで、図１３の時刻ｔ１３において総需要電力が上昇すると、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖ及び燃料供給電流値Ｉｆを上昇させる。ただし、この際の取出可能電流値Ｉｉｎｖの上昇は、取出可能電流値Ｉｉｎｖが急激に減少された直後ではなく、燃料供給電流値Ｉｆの値も減少されているので、取出可能電流値Ｉｉｎｖの電流上昇変化率は、通常の値である第１電流上昇変化率の２０［ｍＡ／ｓｅｃ］に設定される。即ち、図１３の時刻ｔ１３においては、図１１のステップＳ２０の条件が満足されず、ステップＳ２３が実行される。
なお、本実施形態では燃料供給電流値Ｉｆを１５秒後に低下させて余剰な燃料の維持を中止するように構成しているが、総重要電力が更に低下していくような場合は総重要電力が回復して上昇してくる可能性が低いため燃料供給電流値Ｉｆを維持させる時間の１５秒を待たずに燃料供給電流値Ｉｆを速やかに低下させるようにすることは更に望ましい対応と言える。
【０１０７】
次に、図１４を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池の他の作用例を説明する。
図１４に示す作用例では、総需要電力が急激に低下した後、上昇することなく再び総需要電力が急激に低下している。このような場合においては、最初の急激な低下から燃料低下待機期間ｔｗが経過していなくても、すぐに総需要電力が上昇に転じる確率が低いと考えられるため、制御部１１０は、燃料供給電流値Ｉｆを低下させる。
【０１０８】
図１４に示す例では、時刻ｔ２１において総需要電力が急激に低下した後、燃料低下待機期間ｔｗである１５［ｓｅｃ］が経過する前の時刻ｔ２２において、総需要電力は再び急激に低下している。このように燃料供給電流値Ｉｆと取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が拡大した場合には、制御部１１０は、総需要電力の最初の急激な低下から燃料低下待機期間ｔｗが経過する前であっても、時刻ｔ２２から燃料供給電流値Ｉｆ（燃料供給量）を所定の減少変化率で低下させる。次いで、図１４の時刻ｔ２３において総需要電力が上昇すると、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖ及び燃料供給電流値Ｉｆを上昇させる。
【０１０９】
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを急激に低下させた場合でも、取出可能電流値Ｉｉｎｖの低下よりも遅れて燃料供給電流値Ｉｆ（燃料供給量）が低下されるように、燃料流量調整ユニット３８を制御する（図１２〜図１４）ので、燃料電池モジュール２の急激な温度低下等を回避することができる。また、取出可能電流値Ｉｉｎｖが急激に低下された後、燃料供給量が遅れて低下されるので、取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して燃料供給量に余裕がある状態が発生する（図１２の時刻ｔ１〜ｔ２）。このような場合には、コントローラは、通常の電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１２の時刻ｔ２〜ｔ３）ので、燃料の無駄を抑制し、発電効率を上昇させることができる。
【０１１０】
これにより、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料枯れ等の不具合を確実に回避して、燃料電池モジュール２の安定した運転を可能にしながら、発電効率を高めることができる。
【０１１１】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、取出可能電流値低下（図１３の時刻ｔ１１）後、燃料低下待機期間（１５［ｓｅｃ］）に亘って所定量以上の差が存在した場合（図１３の時刻ｔ１２）、又は、燃料供給量に対応する電流（燃料供給電流値Ｉｆ）と取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が拡大した場合（図１４の時刻ｔ２２）に、燃料供給量を低下させるので、燃料電池モジュール２の安定した運転と、発電効率向上を両立することができる。即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖが低下された後、燃料供給量を遅れて低下させることにより、燃料電池モジュール２の急激な温度低下等を回避することができるが、取出可能電流値Ｉｉｎｖの低下の後、燃料供給量を低下させない時間が長くなると、燃料の無駄が発生しやすくなるので、燃料低下待機期間経過後等に燃料供給量を低下させる。
【０１１２】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、実取出電流値Ｉｃと取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が所定量以下の場合（図１０のステップＳ１）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを実取出電流値Ｉｃまで低下させないので、総需要電力が落ち込んだ後にすぐに回復するような場合、取出可能電流値Ｉｉｎｖは実取出電流値Ｉｃよりも高いレベルで維持されているのでインバータ５４はその範囲で自由に総重要電力の回復に追従でき、オーバーシュート等の懸念を心配することなく負荷への追従性を高めることができる。さらに、実取出電流値Ｉｃと取出可能電流値Ｉｉｎｖの差が所定量である１０００［ｍＡ］を超えた場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを実取出電流Ｉｃまで低下させ（図１０のステップＳ３）、その後遅れて燃料供給量を低下させるので、燃料電池モジュール２を安定して運転しながら、燃料の無駄を抑制することができる。
【０１１３】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料供給量の低下を遅らせた上で、取出可能電流値Ｉｉｎｖを必要最小限の実取出電流Ｉｃまで低下させる（図１０のステップＳ３、図１２の時刻ｔ１、図１３の時刻ｔ１１，図１４の時刻ｔ２１）ので、燃料電池モジュール２の運転の安定を確保しながら、燃料の無駄を十分に抑制することができる。
【０１１４】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、実取出電流Ｉｃの低下に追従するように取出可能電流値Ｉｉｎｖを急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている場合（図１２の時刻ｔ１〜ｔ２）において、需要電力が上昇し始める（図１２の時刻ｔ２）と、大きな電流上昇変化率で取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１２の時刻ｔ２〜ｔ３）ので、燃料供給量に確実に余裕のある状態で、急速に取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させることができ、燃料電池モジュール２の安定した運転を確実にしながら、需要電力の変化に対する追従性を高めることができる。
【符号の説明】
【０１１５】
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
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（燃料電池コントローラ）
１１０ａ 第１需要電力検出手段
１１１ インバータ制御部（インバータコントローラ）
１１１ａ 第２需要電力検出手段
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（取出電流検出手段）
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
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】
需要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に燃料を供給する燃料供給手段と、
需要電力を検出する需要電力検出手段と、
この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて上記燃料供給手段による燃料供給量を制御すると共に、上記燃料電池モジュールの状態に応じて上記燃料電池モジュールから取り出し可能な最大の電流値である取出可能電流値を設定するコントローラと、
需要電力に応じて、上記燃料電池モジュールから、上記取出可能電流値を越えない範囲で電流を取り出し、交流に変換するインバータと、
上記燃料電池モジュールから上記インバータに実際に取り出される実取出電流を検出する取出電流検出手段と、を有し、
上記コントローラは、上記取出可能電流値を上昇させる場合には、所定の第１電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる一方、上記取出電流検出手段によって検出された実取出電流が低下した場合において、上記取出可能電流値を急激に低下させると共に、この取出可能電流値の低下に追従するように取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、上記燃料供給手段を制御し、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、上記第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加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】
上記コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値との間に、所定の燃料低下待機期間中に所定量以上の差が存在した場合、又は、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値の差が拡大した場合に、燃料供給量を低下させるように上記燃料供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記コントローラは、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量を超えた場合には、取出可能電流値を低下させ、その後遅れて燃料供給量を低下させるように上記燃料供給手段を制御する一方、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量以下の場合には、取出可能電流値を低下させない請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記コントローラは、取出可能電流値を低下させる場合において、取出可能電流値を実取出電流まで低下させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている間に需要電力が上昇し始めた場合には、上記第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
需要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に燃料を供給する燃料供給手段と、
需要電力を検出する需要電力検出手段と、
この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて上記燃料供給手段による燃料供給量を制御すると共に、上記燃料電池モジュールの状態に応じて上記燃料電池モジュールから取り出し可能な最大の電流値である取出可能電流値を設定するコントローラと、
需要電力に応じて、上記燃料電池モジュールから、上記取出可能電流値を越えない範囲で電流を取り出し、交流に変換するインバータと、
上記燃料電池モジュールから上記インバータに実際に取り出される実取出電流を検出する取出電流検出手段と、を有し、
上記コントローラは、上記取出可能電流値を上昇させる場合には、所定の第１電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる一方、上記取出電流検出手段によって検出された実取出電流が低下した場合において、上記取出可能電流値を急激に低下させると共に、この取出可能電流値の低下に追従するように取出可能電流値の低下よりも遅れて燃料供給量が低下されるように、上記燃料供給手段を制御し、取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に余裕がある状態で需要電力が上昇し始めた場合には、上記第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加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】
上記コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値との間に、所定の燃料低下待機期間中に所定量以上の差が存在した場合、又は、燃料供給量に対応する電流と取出可能電流値の差が拡大した場合に、燃料供給量を低下させるように上記燃料供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記コントローラは、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量を超えた場合には、取出可能電流値を低下させ、その後遅れて燃料供給量を低下させるように上記燃料供給手段を制御する一方、実取出電流と取出可能電流値の差が所定量以下の場合には、取出可能電流値を低下させない請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記コントローラは、取出可能電流値を低下させる場合において、取出可能電流値を実取出電流まで低下させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記コントローラは、実取出電流が低下した場合において、実取出電流の低下に追従するように取出可能電流値を急激に低下させた後、燃料供給量が一定に維持されている間に需要電力が上昇し始めた場合には、上記第１電流上昇変化率よりも大きな第２電流上昇変化率で取出可能電流値を増加させる請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−５９４４３（Ｐ２０１２−５９４４３Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９９８６５（Ｐ２０１０−１９９８６５）
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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