燃料電池装置
【課題】燃料電池セルスタックの劣化前後にかかわらず、適切にスタック温度の制御を実行することができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池セルスタック１４と、燃料流量調整ユニット３８と、発電用空気流量調整ユニット４５と、スタック温度Ｔｓを検出する発電室温度センサ１４２と、発電用空気供給量ＡＦを制御する制御部１１０を備え、制御部１１０が、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内となるように供給量ＡＦを制御する燃料電池装置１であって、制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の劣化を判定するものであり、燃料電池セルスタック１４が劣化していない状態においては、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａに戻すように供給量ＡＦを増加させ、劣化が進行した状態においては、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａに戻すために必要な供給量まで供給量ＡＦを増加させないように供給量ＡＦを制御する。
【解決手段】燃料電池セルスタック１４と、燃料流量調整ユニット３８と、発電用空気流量調整ユニット４５と、スタック温度Ｔｓを検出する発電室温度センサ１４２と、発電用空気供給量ＡＦを制御する制御部１１０を備え、制御部１１０が、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内となるように供給量ＡＦを制御する燃料電池装置１であって、制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の劣化を判定するものであり、燃料電池セルスタック１４が劣化していない状態においては、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａに戻すように供給量ＡＦを増加させ、劣化が進行した状態においては、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａに戻すために必要な供給量まで供給量ＡＦを増加させないように供給量ＡＦを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、燃料電池セルスタックの温度を発電用空気で調整可能な燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池装置では、変動する電力負荷への負荷追従運転によって燃料電池セルスタックのスタック温度が一時的に上昇した場合、スタック温度を適正温度範囲に維持するため、酸素含有ガスである発電用空気の供給量を増大させる制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１の装置では、発電用空気の供給量増大にもかかわらず、上昇したスタック温度が適正温度範囲に戻らなかった場合は、装置の運転が停止されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８７６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スタック温度は、上述のように電力負荷増によって一時的に上昇するが、燃料電池セルの劣化によっても上昇する。例えば、例えば電極層の剥がれ等の燃料電池ユニットの劣化により、発電反応を実施可能な有効な電極面積が減少すると、本来は発電に供されるべき燃料ガスの一部が、発電に供されないまま排気ガスとして燃焼され、燃焼による発熱量が増加してしまう。これにより、スタック温度が上昇する。そして、この劣化による温度上昇は、一時的なものではなく、恒久的なものである。
【０００５】
したがって、従来は、電力負荷追従による一時的なスタック温度の上昇と、劣化に起因するスタック温度の上昇とを区別することなく、単に、スタック温度を適正温度範囲に維持するように発電用空気の供給量を増大させる制御が行われていた。すなわち、電力負荷が大きくない場合には、スタック温度の上昇分は主に劣化に起因したものとなるが、従来では、この劣化に起因した上昇分によって適正温度範囲を超えた場合にも、発電用空気の供給量増大によって適正温度範囲が維持されていた。
【０００６】
しかしながら、劣化によって上昇したスタック温度を適正温度範囲に戻すには、常時、発電用空気の供給量を増大させておく必要があるという問題があった。また、燃料電池スタックが劣化した場合、温度を高めに維持する方が電力出力性能を維持する点では有利であるが、発電用空気の供給量増大によりスタック温度を適正温度範囲に強制的に戻すと、劣化した電力出力性能しか発揮できなくなるし、その状態で無理に電力出力を通常通り行おうとすると、残りの有効部に発電負荷が余分にかかり、劣化をさらに促進してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルスタックの劣化前後にかかわらず、適切にスタック温度の制御を実行することができる燃料電池装置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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、燃料電池セルスタックのスタック温度を検出する温度検出手段と、酸素含有ガス供給量を制御する制御装置と、を備え、制御装置が、スタック温度が適正温度範囲内となるように酸素含有ガス供給量を制御する燃料電池装置であって、制御装置は、燃料電池セルスタックの劣化を判定し、燃料電池セルスタックが劣化していない状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すように酸素含有ガス供給量を増加させる制御を実行し、燃料電池セルスタックの劣化が進行した状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すために必要な供給量まで酸素含有ガス供給量を増加させないように、酸素含有ガス供給量の制御を実行するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
スタック温度の上昇が、電力負荷追従等による一時的なものである場合は、酸素含有ガスの供給量を増やすことによって、スタック温度を迅速に適正温度範囲に戻すことが望ましい。一方、スタック温度の上昇が、劣化によるものである場合は、スタック温度を適正温度範囲まで戻さずに、スタック温度をある程度高温に維持した方が、燃料電池の電力出力性能を維持することができるので望ましい。すなわち、スタック温度をある程度高温に維持することが、電力出力性能に対する劣化補正となる。
【００１０】
本発明によれば、劣化していない状態における一時的な温度上昇によりスタック温度が適正温度範囲を外れた場合は、酸素含有ガスの供給量を増加させて、速やかに適正温度範囲に戻す。しかしながら、本発明では、劣化による恒久的な温度上昇によりスタック温度が適正温度範囲を外れた場合は、スタック温度を適正温度範囲に無理には戻そうとせず、スタック温度を適正温度範囲に戻すために必要な供給量まで酸素含有ガス供給量を増加させないことにより、適正温度範囲よりもある程度高い、熱的にバランスした温度に落ち着かせることができる。これにより、本発明では、スタック温度の一時的な上昇に対しては迅速に適正温度範囲に戻す一方で、劣化による恒久的な温度上昇に対しては、適正温度範囲よりも高い温度に保持することにより、劣化したセルスタックの電力出力性能を補償し、定格出力性能を確保することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、制御装置は、スタック温度が適正温度範囲から外れた状態が所定期間継続した場合に、燃料電池が劣化したと判定し、燃料電池の劣化を判定したとき、酸素含有ガス供給量の増加を抑制する。
このように構成された本発明によれば、スタック温度の上昇が一時的なものか恒久的なものかを判断するための煩雑な判断処理工程を設けることなく、スタック温度が適正温度範囲から外れた継続期間の長さを計測することにより、簡単な制御により判断することができ、一時的及び恒久的な温度上昇のいずれの場合においても、それぞれに適切なスタック温度に維持することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、酸素含有ガス供給量には上限値が設定されており、制御装置は、酸素含有ガス供給量が上限値に到達した以降は増加させない。
このように構成された本発明によれば、酸素含有ガス供給量が上限値に達したら、それ以後は一定の供給量となるので、劣化時においてスタック温度を安定的に適正温度に維持することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、スタック温度の適正温度範囲からの偏差の大きさによらず、酸素含有ガス供給量の上限値は一定である。
このように構成された本発明によれば、セルスタックの劣化の程度が大きいほど、スタック温度は高い温度に落ち着くことになるため、スタック温度の高さが電力出力性能を維持するために有利に働く。したがって、劣化時の程度に応じて、電力出力性能を維持のための適切なスタック温度とすることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、スタック温度の適正温度範囲からの偏差が大きいほど、酸素含有ガス供給量の増加速度が大きく設定される。
このように構成された本発明によれば、スタック温度の一時的な温度上昇に対しては迅速に適正温度範囲に戻すことができ、一方、劣化による温度上昇に対しては、偏差が大きくて酸素含有ガス供給量の増加速度が大きく設定されても、酸素含有ガス供給量が上限値で制限されるため、酸素含有ガス供給量が過大となることを抑制することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、スタック温度が所定温度以上であり且つ適正温度範囲内である場合は、酸素含有ガス供給量を変化させない。
このように構成された本発明によれば、スタック温度が所定温度以上であり且つ適正温度範囲内である温度域が、酸素含有ガス供給量を変動させない不感帯領域となる。このように不感帯領域を設けることで、スタック温度の追従遅れを待つこととなるため、スタック温度が特定の値に落ち着かず変動し続けることが防止される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システム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システム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線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池システム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システム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システム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システムの運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池システムのスタック温度と発電用空気供給量の時間変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池システムのスタック温度と発電用空気供給量の時間変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの発電用空気供給量の変更処理制御フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、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。
【００５７】
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。
【００５８】
次に、図９乃至図１１を参照して、本実施形態による燃料電池装置１の二次空気（発電用空気）の制御を説明する。
本実施形態では、温度検出手段である発電室温度センサ１４２が、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の近傍の温度であるスタック温度Ｔｓをにより測定する。制御部１１０が、測定されたスタック温度Ｔｓを取得し、基本処理制御として、このスタック温度Ｔｓを、運転時の適正温度範囲Ａ（温度Ｔ1〜Ｔ2）に維持するように、酸素含有ガスとしての空気を供給する酸素含有ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５の制御を行う。
燃料電池セルスタック１４は、発電のための改質後の燃料ガス（本例では水素ガス）と発電用の酸素含有ガス（本例では空気）中の酸素との発電反応により電力を発生する。
【００５９】
制御部１１０は、起動動作終了後の運転時において、常時は、燃料電池セルスタック１４へ供給する発電用空気の供給量ＡＦを規定の供給量ＡＦ0に設定し、供給量ＡＦ0で発電用空気を供給するように発電用空気流量調整ユニット４５を制御している（図９参照）。これにより、高負荷の電力供給要求へ追従する状態ではなく、また、燃料電池セルスタック１４が劣化した状態でない場合は、測定したスタック温度Ｔｓは適正温度範囲Ａ内に維持される。
【００６０】
ところが、上述のように電力負荷追従運転や燃料電池セルスタック１４の劣化等によって、測定したスタック温度Ｔｓが上昇して適正温度範囲Ａを超えると、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すように発電用空気の供給量ＡＦを調整する。
【００６１】
図９は、電力負荷追従運転により、一時的にスタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａを超えて上昇した場合のスタック温度Ｔｓ及び発電用空気供給量ＡＦの時間変化の例を示している。
図９では、時間ｔ0までは供給量ＡＦは所定の供給量ＡＦ0に保持されているが、時間ｔ0にスタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2を超えると、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、供給量ＡＦを増加させるように供給量ＡＦを調整する。
【００６２】
このとき、制御部１１０は、所定の増加速度又は増量速度で供給量ＡＦを時間的に徐々に増加させていく。供給量ＡＦが増量されていくと、燃料電池スタック１４に対する冷却能力が増大され、スタック温度Ｔｓは、電力負荷追従による温度上昇と冷却能力とが熱的にバランスのとれた時点以降に下がり始める。なお、増加速度又は増量速度は、単位時間当たりの供給量の増加割合を意味する。
【００６３】
図９では、供給量ＡＦの増量が継続され、時間ｔ1に供給量ＡＦが供給量ＡＦ1に達したときに、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2まで低下している。スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2まで低下すると、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量を停止し、その時点における供給量であるＡＦ1を維持する。即ち、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔ2を下回った時点ですぐに供給量ＡＦを下げるのではなく、上限温度Ｔ2から所定温度（低減開始温度）Ｔ3の温度域は供給量ＡＦを変動させない不感帯領域Ｂとしている。このように不感帯領域Ｂを設けることで、スタック温度Ｔｓの追従遅れを待つこととなるため、スタック温度Ｔｓが特定の値に落ち着かず変動し続けることが防止される。その後、更にスタック温度Ｔｓが低下し、下限温度Ｔ1と上限温度Ｔ2との間に設定された温度である低減開始温度Ｔ3を下回ると、制御部１１０は、供給量ＡＦ0に向けて供給量ＡＦを所定の減少速度又は減量速度で減少させていく。これにより、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓの減少速度を低下させて、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に収束させる。なお、減少速度又は減量速度は、単位時間当たりの供給量の減少割合を意味する。
なお、本実施形態では、供給量ＡＦには、設定最大値である最大供給量ＡＦmaxが設定されており、供給量ＡＦは、最大供給量ＡＦmaxを超えて増量されないように構成されている。本実施形態では、最大供給量ＡＦmaxは、供給量ＡＦ0を１０％増量した大きさに設定されている。
【００６４】
時間ｔ3に供給量ＡＦが供給量ＡＦ0に戻ると、その後は、供給量ＡＦは供給量ＡＦ0に維持される。すなわち、図９では、スタック温度Ｔｓの上昇が電力負荷追従による一時的なものであるので、供給量ＡＦが供給量ＡＦ0に戻された後は、スタック温度Ｔｓは適正温度範囲Ａ内に維持される。
なお、本実施形態では、供給量ＡＦを経過時間に対して線形的に変化させているが、これに限らず、所定温度ステップで段階的に変化させるように構成してもよい。
【００６５】
次に、図１０は、燃料電池スタック１４の劣化により、恒久的にスタック温度Ｔｓが上昇した場合のスタック温度Ｔｓ及び発電用空気供給量ＡＦの時間変化の例を示している。
図１０では、時間ｔ10までは供給量ＡＦは所定の供給量ＡＦ0に保持されているが、時間ｔ10にスタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2を超えると、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、供給量ＡＦを増加させるように供給量ＡＦを調整する。
【００６６】
このとき、制御部１１０は、図９と同様に、所定の増量速度で供給量ＡＦを時間的に徐々に増加させていく。供給量ＡＦが増量されていくと、燃料電池スタック１４に対する冷却能力が増大されるので、スタック温度Ｔｓの増加速度が減少していく。
【００６７】
また、制御部１１０は、供給量ＡＦの増加を開始した時間ｔ10からタイマーを作動させる。図１０では、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ることなくタイマーの経過時間が劣化判定時間Ｃに達すると（時間ｔ11）、制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４が劣化したものと判定する。この判定に基づき、制御部１１０は、供給量ＡＦを時間ｔ11における供給量ＡＦ2に固定する（実線）。
【００６８】
このとき、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2から更に増量していけばスタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すことができるが、本実施形態では、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａを超えた温度（すなわち、供給量ＡＦ2による冷却能力によって、劣化による温度上昇が熱的にバランスする温度）に保持するように制御を行う。
【００６９】
劣化判定後に、供給量ＡＦが供給量ＡＦ2に固定されると、それ以後は、供給量ＡＦ2が規定の又は通常の供給量（すなわち、劣化前の供給量ＡＦ0に相当）に置き換えられる。
なお、燃料電池セルスタック１４に劣化が生じた後、新たな規定の供給量ＡＦ2で発電用空気が供給されるようになった場合であっても、電力負荷が小さい場合には、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ることがある。
【００７０】
このように、本実施形態では、所定の劣化判定時間Ｃの間、供給量ＡＦを増量させ続けても、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ってこない場合は、スタック温度Ｔｓの上昇が一時的なものではなく、燃料電池セルスタック１４の劣化による恒久的なものと判定する。スタック温度Ｔｓが劣化している場合は、スタック温度Ｔｓを高めに維持することが、燃料電池としての電力出力性能を維持するための劣化補正となる。
【００７１】
したがって、劣化と判断した場合、制御部１１０は、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2から更に増加させて強制的にスタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すのではなく、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すのに必要な量まで供給量ＡＦを増加することを禁止して、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2に固定する。これにより、燃料電池セルスタック１４の耐用限界温度以下の範囲で、スタック温度Ｔｓを劣化と供給量ＡＦ2の関係に応じた温度に保持し、スタック温度Ｔｓを高めに維持して電力出力性能を確保することができる。
【００７２】
なお、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2に保持した場合に、スタック温度Ｔｓが耐用限界温度に達するようであれば、制御部１１０が、供給量ＡＦを最大供給量ＡＦmax以下の範囲で更に増量するように構成してもよい。
また、本実施形態では、劣化判定時間Ｃによって劣化を判定していたが、これに限らず、所定増量速度で供給量ＡＦを増量していき、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ることなく、供給量ＡＦがある供給量（例えば、供給量ＡＦ2）に達した場合に、劣化と判定してもよい。したがって、所定時間の間及び／又は所定流量まで供給量を増加しても、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ってこない場合に劣化と判定できる。
【００７３】
また、上記実施形態では、劣化と判断した場合に供給量ＡＦを供給量ＡＦ2に固定していたが、これに限らず、劣化と判断した時点（ｔ11）以降の供給量ＡＦの増量速度を小さく抑制してもよい（図１０の一点鎖線参照）。
この場合、供給量ＡＦは、ある供給量（例えば、最大供給量ＡＦmax）に達した時点（時間ｔ12）で増加が停止し、その供給量（最大供給量ＡＦmax）に供給量ＡＦが維持される。
また、上記実施形態では、劣化の判断をスタック温度にて行っていたが、劣化の判断方法はこれに限らない。例えば、発電電流値が特定の値となった時点における発電効率が、所定値以下に下がったか否かにより劣化を判断してもよい。
【００７４】
次に、図１１を参照して、スタック温度Ｔｓに応じて、供給量ＡＦの増量速度を変更する処理フローを説明する。
制御部１１０は、図１１の処理フローを所定時間毎に繰り返し実行する。
まず、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが６７０℃（適正温度範囲Ａ内の低減開始温度Ｔ3）より高いか否かを判定する（ステップＳ１）。
【００７５】
スタック温度Ｔｓが６７０℃以下の場合（ステップＳ１；Ｎｏ）、制御部１１０は、供給量ＡＦを通常の供給量ＡＦ0に戻す処理に移行し（ステップＳ９）、処理を終了する。したがって、スタック温度Ｔｓが６７０℃以下であれば、供給量ＡＦは供給量ＡＦ0に維持される。なお、ステップＳ９の処理は、図９に示すように、供給量ＡＦを所定の減量速度で徐々に戻すものであるが、これに限らず、段階的に又は瞬時に（ステップＳ９の処理に移行した瞬間に）戻すように構成してもよい。
【００７６】
一方、スタック温度Ｔｓが６７０℃より高い場合（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、現在の供給量ＡＦが、最大供給量ＡＦmax未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
現在の供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmaxである場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、供給量ＡＦをこれ以上増量することができないので、制御部１１０は処理を終了する。したがって、供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmaxになると、スタック温度Ｔｓが６７０℃以下にならない限り、供給量ＡＦは最大供給量ＡＦmaxに維持される。
一方、現在の供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmax未満である場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、供給量ＡＦを増量する余地があるので、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが６８０℃（適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2）より高いか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００７７】
スタック温度Ｔｓが６８０℃より高くない場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、制御部１１０は供給量ＡＦの値をこの時点では未だ変更しない。即ち、制御部１１０が処理を終了することにより、現状の供給量が維持される。
一方、スタック温度Ｔｓが６８０℃より高い場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが７００℃より高いか否かを判定する（ステップＳ４）。
スタック温度Ｔｓが７００℃より高くない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓは、６８０℃より高いが７００℃以下であり、適正温度範囲Ａからの偏差（適正温度範囲Ａからの温度の隔たり、この場合、上限温度Ｔ2との温度差）が小さいので、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量速度を最小値ΔＡＦminに設定し（ステップＳ８）、処理を終了する。これにより、供給量ＡＦは、単位時間当たりの増加速度が最小値ΔＡＦminで増加され、燃料電池セルスタック１４に対する冷却性能が増大されていく。
【００７８】
しかしながら、この場合、温度偏差が小さいので、供給量ＡＦの増加速度を大きくし過ぎると、スタック温度Ｔｓの上昇速度に比べて改質用空気供給量が過大になって、スタック温度Ｔｓが低くなり過ぎたり、スタック温度Ｔｓの変動が不安定になったりする等のおそれがある。よって、本実施形態では、温度偏差が小さい場合は、供給量ＡＦの増加速度を小さく抑え、上記の問題が生じないようにしている。
【００７９】
一方、スタック温度Ｔｓが７００℃より高い場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが７１０℃より高いか否かを判定する（ステップＳ５）。
スタック温度Ｔｓが７１０℃より高くない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓは、７００℃より高いが７１０℃以下であり、適正温度範囲Ａからの偏差が中程度であるので、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量速度を最小値ΔＡＦminよりも大きい中間値ΔＡＦmidに設定し（ステップＳ７）、処理を終了する。
【００８０】
この場合、スタック温度Ｔｓが７００℃を超えると、温度偏差が中程度になるので、制御部１１０は、より供給量ＡＦの増加速度を大きくすることにより、冷却性能の増大速度を増して、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に素早く収束させるように構成されている。
【００８１】
一方、スタック温度Ｔｓが７１０℃より高い場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、適正温度範囲Ａからの偏差が大きいので、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量速度を中間値ΔＡＦmidよりも大きい最大値ΔＡＦmaxに設定し（ステップＳ６）、処理を終了する。
【００８２】
この場合、スタック温度Ｔｓが７１０℃を超えると、温度偏差が大きくなるので、制御部１１０は、更に供給量ＡＦの増加速度を大きくすることにより、冷却性能の増大速度を迅速に増して、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に素早く収束させるように構成されている。
【００８３】
このように、本実施形態では、適正温度範囲Ａに対するスタック温度Ｔｓの温度偏差が大きいほど、供給量ＡＦの増量速度を大きく設定することにより、スタック温度Ｔｓの一時的な温度上昇に対しては迅速に適正温度範囲Ａ内に戻すことができる。
ただし、温度偏差が大きくても、供給量ＡＦは最大供給量ＡＦmaxに制限されるので（ステップＳ２参照）、発電用空気供給量が過大になることを防止することができる。また、温度偏差が大きくても、供給量ＡＦは最大供給量ＡＦmaxに制限されるので、温度偏差が大きいほどスタック温度Ｔｓは高い温度に保持されることになり、電力出力性能を維持するための劣化補正量を大きくすることができる。
尚、本実施例においては、供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmaxに到達した状態で更に劣化が進行し、スタック温度Ｔｓが上昇しすぎてしまうことも考えられる。しかし、スタック温度が８２０℃を超えると安全のためにシステムを停止させるため、供給量ＡＦが最大供給量を超えて供給されないことによる安全上の問題は生じない。
【符号の説明】
【００８４】
１ 固体電解質形燃料電池（燃料電池装置）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２８ 水流量調整ユニット
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料ガス供給手段）
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット（酸素含有ガス供給手段）
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御装置）
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、燃料電池セルスタックの温度を発電用空気で調整可能な燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池装置では、変動する電力負荷への負荷追従運転によって燃料電池セルスタックのスタック温度が一時的に上昇した場合、スタック温度を適正温度範囲に維持するため、酸素含有ガスである発電用空気の供給量を増大させる制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１の装置では、発電用空気の供給量増大にもかかわらず、上昇したスタック温度が適正温度範囲に戻らなかった場合は、装置の運転が停止されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８７６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スタック温度は、上述のように電力負荷増によって一時的に上昇するが、燃料電池セルの劣化によっても上昇する。例えば、例えば電極層の剥がれ等の燃料電池ユニットの劣化により、発電反応を実施可能な有効な電極面積が減少すると、本来は発電に供されるべき燃料ガスの一部が、発電に供されないまま排気ガスとして燃焼され、燃焼による発熱量が増加してしまう。これにより、スタック温度が上昇する。そして、この劣化による温度上昇は、一時的なものではなく、恒久的なものである。
【０００５】
したがって、従来は、電力負荷追従による一時的なスタック温度の上昇と、劣化に起因するスタック温度の上昇とを区別することなく、単に、スタック温度を適正温度範囲に維持するように発電用空気の供給量を増大させる制御が行われていた。すなわち、電力負荷が大きくない場合には、スタック温度の上昇分は主に劣化に起因したものとなるが、従来では、この劣化に起因した上昇分によって適正温度範囲を超えた場合にも、発電用空気の供給量増大によって適正温度範囲が維持されていた。
【０００６】
しかしながら、劣化によって上昇したスタック温度を適正温度範囲に戻すには、常時、発電用空気の供給量を増大させておく必要があるという問題があった。また、燃料電池スタックが劣化した場合、温度を高めに維持する方が電力出力性能を維持する点では有利であるが、発電用空気の供給量増大によりスタック温度を適正温度範囲に強制的に戻すと、劣化した電力出力性能しか発揮できなくなるし、その状態で無理に電力出力を通常通り行おうとすると、残りの有効部に発電負荷が余分にかかり、劣化をさらに促進してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルスタックの劣化前後にかかわらず、適切にスタック温度の制御を実行することができる燃料電池装置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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、燃料電池セルスタックのスタック温度を検出する温度検出手段と、酸素含有ガス供給量を制御する制御装置と、を備え、制御装置が、スタック温度が適正温度範囲内となるように酸素含有ガス供給量を制御する燃料電池装置であって、制御装置は、燃料電池セルスタックの劣化を判定し、燃料電池セルスタックが劣化していない状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すように酸素含有ガス供給量を増加させる制御を実行し、燃料電池セルスタックの劣化が進行した状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すために必要な供給量まで酸素含有ガス供給量を増加させないように、酸素含有ガス供給量の制御を実行するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
スタック温度の上昇が、電力負荷追従等による一時的なものである場合は、酸素含有ガスの供給量を増やすことによって、スタック温度を迅速に適正温度範囲に戻すことが望ましい。一方、スタック温度の上昇が、劣化によるものである場合は、スタック温度を適正温度範囲まで戻さずに、スタック温度をある程度高温に維持した方が、燃料電池の電力出力性能を維持することができるので望ましい。すなわち、スタック温度をある程度高温に維持することが、電力出力性能に対する劣化補正となる。
【００１０】
本発明によれば、劣化していない状態における一時的な温度上昇によりスタック温度が適正温度範囲を外れた場合は、酸素含有ガスの供給量を増加させて、速やかに適正温度範囲に戻す。しかしながら、本発明では、劣化による恒久的な温度上昇によりスタック温度が適正温度範囲を外れた場合は、スタック温度を適正温度範囲に無理には戻そうとせず、スタック温度を適正温度範囲に戻すために必要な供給量まで酸素含有ガス供給量を増加させないことにより、適正温度範囲よりもある程度高い、熱的にバランスした温度に落ち着かせることができる。これにより、本発明では、スタック温度の一時的な上昇に対しては迅速に適正温度範囲に戻す一方で、劣化による恒久的な温度上昇に対しては、適正温度範囲よりも高い温度に保持することにより、劣化したセルスタックの電力出力性能を補償し、定格出力性能を確保することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、制御装置は、スタック温度が適正温度範囲から外れた状態が所定期間継続した場合に、燃料電池が劣化したと判定し、燃料電池の劣化を判定したとき、酸素含有ガス供給量の増加を抑制する。
このように構成された本発明によれば、スタック温度の上昇が一時的なものか恒久的なものかを判断するための煩雑な判断処理工程を設けることなく、スタック温度が適正温度範囲から外れた継続期間の長さを計測することにより、簡単な制御により判断することができ、一時的及び恒久的な温度上昇のいずれの場合においても、それぞれに適切なスタック温度に維持することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、酸素含有ガス供給量には上限値が設定されており、制御装置は、酸素含有ガス供給量が上限値に到達した以降は増加させない。
このように構成された本発明によれば、酸素含有ガス供給量が上限値に達したら、それ以後は一定の供給量となるので、劣化時においてスタック温度を安定的に適正温度に維持することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、スタック温度の適正温度範囲からの偏差の大きさによらず、酸素含有ガス供給量の上限値は一定である。
このように構成された本発明によれば、セルスタックの劣化の程度が大きいほど、スタック温度は高い温度に落ち着くことになるため、スタック温度の高さが電力出力性能を維持するために有利に働く。したがって、劣化時の程度に応じて、電力出力性能を維持のための適切なスタック温度とすることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、スタック温度の適正温度範囲からの偏差が大きいほど、酸素含有ガス供給量の増加速度が大きく設定される。
このように構成された本発明によれば、スタック温度の一時的な温度上昇に対しては迅速に適正温度範囲に戻すことができ、一方、劣化による温度上昇に対しては、偏差が大きくて酸素含有ガス供給量の増加速度が大きく設定されても、酸素含有ガス供給量が上限値で制限されるため、酸素含有ガス供給量が過大となることを抑制することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、スタック温度が所定温度以上であり且つ適正温度範囲内である場合は、酸素含有ガス供給量を変化させない。
このように構成された本発明によれば、スタック温度が所定温度以上であり且つ適正温度範囲内である温度域が、酸素含有ガス供給量を変動させない不感帯領域となる。このように不感帯領域を設けることで、スタック温度の追従遅れを待つこととなるため、スタック温度が特定の値に落ち着かず変動し続けることが防止される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システム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システム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線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池システム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システム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システム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システムの運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池システムのスタック温度と発電用空気供給量の時間変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池システムのスタック温度と発電用空気供給量の時間変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの発電用空気供給量の変更処理制御フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、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。
【００５７】
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。
【００５８】
次に、図９乃至図１１を参照して、本実施形態による燃料電池装置１の二次空気（発電用空気）の制御を説明する。
本実施形態では、温度検出手段である発電室温度センサ１４２が、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の近傍の温度であるスタック温度Ｔｓをにより測定する。制御部１１０が、測定されたスタック温度Ｔｓを取得し、基本処理制御として、このスタック温度Ｔｓを、運転時の適正温度範囲Ａ（温度Ｔ1〜Ｔ2）に維持するように、酸素含有ガスとしての空気を供給する酸素含有ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５の制御を行う。
燃料電池セルスタック１４は、発電のための改質後の燃料ガス（本例では水素ガス）と発電用の酸素含有ガス（本例では空気）中の酸素との発電反応により電力を発生する。
【００５９】
制御部１１０は、起動動作終了後の運転時において、常時は、燃料電池セルスタック１４へ供給する発電用空気の供給量ＡＦを規定の供給量ＡＦ0に設定し、供給量ＡＦ0で発電用空気を供給するように発電用空気流量調整ユニット４５を制御している（図９参照）。これにより、高負荷の電力供給要求へ追従する状態ではなく、また、燃料電池セルスタック１４が劣化した状態でない場合は、測定したスタック温度Ｔｓは適正温度範囲Ａ内に維持される。
【００６０】
ところが、上述のように電力負荷追従運転や燃料電池セルスタック１４の劣化等によって、測定したスタック温度Ｔｓが上昇して適正温度範囲Ａを超えると、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すように発電用空気の供給量ＡＦを調整する。
【００６１】
図９は、電力負荷追従運転により、一時的にスタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａを超えて上昇した場合のスタック温度Ｔｓ及び発電用空気供給量ＡＦの時間変化の例を示している。
図９では、時間ｔ0までは供給量ＡＦは所定の供給量ＡＦ0に保持されているが、時間ｔ0にスタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2を超えると、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、供給量ＡＦを増加させるように供給量ＡＦを調整する。
【００６２】
このとき、制御部１１０は、所定の増加速度又は増量速度で供給量ＡＦを時間的に徐々に増加させていく。供給量ＡＦが増量されていくと、燃料電池スタック１４に対する冷却能力が増大され、スタック温度Ｔｓは、電力負荷追従による温度上昇と冷却能力とが熱的にバランスのとれた時点以降に下がり始める。なお、増加速度又は増量速度は、単位時間当たりの供給量の増加割合を意味する。
【００６３】
図９では、供給量ＡＦの増量が継続され、時間ｔ1に供給量ＡＦが供給量ＡＦ1に達したときに、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2まで低下している。スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2まで低下すると、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量を停止し、その時点における供給量であるＡＦ1を維持する。即ち、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔ2を下回った時点ですぐに供給量ＡＦを下げるのではなく、上限温度Ｔ2から所定温度（低減開始温度）Ｔ3の温度域は供給量ＡＦを変動させない不感帯領域Ｂとしている。このように不感帯領域Ｂを設けることで、スタック温度Ｔｓの追従遅れを待つこととなるため、スタック温度Ｔｓが特定の値に落ち着かず変動し続けることが防止される。その後、更にスタック温度Ｔｓが低下し、下限温度Ｔ1と上限温度Ｔ2との間に設定された温度である低減開始温度Ｔ3を下回ると、制御部１１０は、供給量ＡＦ0に向けて供給量ＡＦを所定の減少速度又は減量速度で減少させていく。これにより、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓの減少速度を低下させて、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に収束させる。なお、減少速度又は減量速度は、単位時間当たりの供給量の減少割合を意味する。
なお、本実施形態では、供給量ＡＦには、設定最大値である最大供給量ＡＦmaxが設定されており、供給量ＡＦは、最大供給量ＡＦmaxを超えて増量されないように構成されている。本実施形態では、最大供給量ＡＦmaxは、供給量ＡＦ0を１０％増量した大きさに設定されている。
【００６４】
時間ｔ3に供給量ＡＦが供給量ＡＦ0に戻ると、その後は、供給量ＡＦは供給量ＡＦ0に維持される。すなわち、図９では、スタック温度Ｔｓの上昇が電力負荷追従による一時的なものであるので、供給量ＡＦが供給量ＡＦ0に戻された後は、スタック温度Ｔｓは適正温度範囲Ａ内に維持される。
なお、本実施形態では、供給量ＡＦを経過時間に対して線形的に変化させているが、これに限らず、所定温度ステップで段階的に変化させるように構成してもよい。
【００６５】
次に、図１０は、燃料電池スタック１４の劣化により、恒久的にスタック温度Ｔｓが上昇した場合のスタック温度Ｔｓ及び発電用空気供給量ＡＦの時間変化の例を示している。
図１０では、時間ｔ10までは供給量ＡＦは所定の供給量ＡＦ0に保持されているが、時間ｔ10にスタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2を超えると、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、供給量ＡＦを増加させるように供給量ＡＦを調整する。
【００６６】
このとき、制御部１１０は、図９と同様に、所定の増量速度で供給量ＡＦを時間的に徐々に増加させていく。供給量ＡＦが増量されていくと、燃料電池スタック１４に対する冷却能力が増大されるので、スタック温度Ｔｓの増加速度が減少していく。
【００６７】
また、制御部１１０は、供給量ＡＦの増加を開始した時間ｔ10からタイマーを作動させる。図１０では、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ることなくタイマーの経過時間が劣化判定時間Ｃに達すると（時間ｔ11）、制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４が劣化したものと判定する。この判定に基づき、制御部１１０は、供給量ＡＦを時間ｔ11における供給量ＡＦ2に固定する（実線）。
【００６８】
このとき、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2から更に増量していけばスタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すことができるが、本実施形態では、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａを超えた温度（すなわち、供給量ＡＦ2による冷却能力によって、劣化による温度上昇が熱的にバランスする温度）に保持するように制御を行う。
【００６９】
劣化判定後に、供給量ＡＦが供給量ＡＦ2に固定されると、それ以後は、供給量ＡＦ2が規定の又は通常の供給量（すなわち、劣化前の供給量ＡＦ0に相当）に置き換えられる。
なお、燃料電池セルスタック１４に劣化が生じた後、新たな規定の供給量ＡＦ2で発電用空気が供給されるようになった場合であっても、電力負荷が小さい場合には、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ることがある。
【００７０】
このように、本実施形態では、所定の劣化判定時間Ｃの間、供給量ＡＦを増量させ続けても、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ってこない場合は、スタック温度Ｔｓの上昇が一時的なものではなく、燃料電池セルスタック１４の劣化による恒久的なものと判定する。スタック温度Ｔｓが劣化している場合は、スタック温度Ｔｓを高めに維持することが、燃料電池としての電力出力性能を維持するための劣化補正となる。
【００７１】
したがって、劣化と判断した場合、制御部１１０は、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2から更に増加させて強制的にスタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すのではなく、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に戻すのに必要な量まで供給量ＡＦを増加することを禁止して、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2に固定する。これにより、燃料電池セルスタック１４の耐用限界温度以下の範囲で、スタック温度Ｔｓを劣化と供給量ＡＦ2の関係に応じた温度に保持し、スタック温度Ｔｓを高めに維持して電力出力性能を確保することができる。
【００７２】
なお、供給量ＡＦを供給量ＡＦ2に保持した場合に、スタック温度Ｔｓが耐用限界温度に達するようであれば、制御部１１０が、供給量ＡＦを最大供給量ＡＦmax以下の範囲で更に増量するように構成してもよい。
また、本実施形態では、劣化判定時間Ｃによって劣化を判定していたが、これに限らず、所定増量速度で供給量ＡＦを増量していき、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ることなく、供給量ＡＦがある供給量（例えば、供給量ＡＦ2）に達した場合に、劣化と判定してもよい。したがって、所定時間の間及び／又は所定流量まで供給量を増加しても、スタック温度Ｔｓが適正温度範囲Ａ内に戻ってこない場合に劣化と判定できる。
【００７３】
また、上記実施形態では、劣化と判断した場合に供給量ＡＦを供給量ＡＦ2に固定していたが、これに限らず、劣化と判断した時点（ｔ11）以降の供給量ＡＦの増量速度を小さく抑制してもよい（図１０の一点鎖線参照）。
この場合、供給量ＡＦは、ある供給量（例えば、最大供給量ＡＦmax）に達した時点（時間ｔ12）で増加が停止し、その供給量（最大供給量ＡＦmax）に供給量ＡＦが維持される。
また、上記実施形態では、劣化の判断をスタック温度にて行っていたが、劣化の判断方法はこれに限らない。例えば、発電電流値が特定の値となった時点における発電効率が、所定値以下に下がったか否かにより劣化を判断してもよい。
【００７４】
次に、図１１を参照して、スタック温度Ｔｓに応じて、供給量ＡＦの増量速度を変更する処理フローを説明する。
制御部１１０は、図１１の処理フローを所定時間毎に繰り返し実行する。
まず、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが６７０℃（適正温度範囲Ａ内の低減開始温度Ｔ3）より高いか否かを判定する（ステップＳ１）。
【００７５】
スタック温度Ｔｓが６７０℃以下の場合（ステップＳ１；Ｎｏ）、制御部１１０は、供給量ＡＦを通常の供給量ＡＦ0に戻す処理に移行し（ステップＳ９）、処理を終了する。したがって、スタック温度Ｔｓが６７０℃以下であれば、供給量ＡＦは供給量ＡＦ0に維持される。なお、ステップＳ９の処理は、図９に示すように、供給量ＡＦを所定の減量速度で徐々に戻すものであるが、これに限らず、段階的に又は瞬時に（ステップＳ９の処理に移行した瞬間に）戻すように構成してもよい。
【００７６】
一方、スタック温度Ｔｓが６７０℃より高い場合（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、現在の供給量ＡＦが、最大供給量ＡＦmax未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
現在の供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmaxである場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、供給量ＡＦをこれ以上増量することができないので、制御部１１０は処理を終了する。したがって、供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmaxになると、スタック温度Ｔｓが６７０℃以下にならない限り、供給量ＡＦは最大供給量ＡＦmaxに維持される。
一方、現在の供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmax未満である場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、供給量ＡＦを増量する余地があるので、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが６８０℃（適正温度範囲Ａの上限温度Ｔ2）より高いか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００７７】
スタック温度Ｔｓが６８０℃より高くない場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、制御部１１０は供給量ＡＦの値をこの時点では未だ変更しない。即ち、制御部１１０が処理を終了することにより、現状の供給量が維持される。
一方、スタック温度Ｔｓが６８０℃より高い場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが７００℃より高いか否かを判定する（ステップＳ４）。
スタック温度Ｔｓが７００℃より高くない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓは、６８０℃より高いが７００℃以下であり、適正温度範囲Ａからの偏差（適正温度範囲Ａからの温度の隔たり、この場合、上限温度Ｔ2との温度差）が小さいので、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量速度を最小値ΔＡＦminに設定し（ステップＳ８）、処理を終了する。これにより、供給量ＡＦは、単位時間当たりの増加速度が最小値ΔＡＦminで増加され、燃料電池セルスタック１４に対する冷却性能が増大されていく。
【００７８】
しかしながら、この場合、温度偏差が小さいので、供給量ＡＦの増加速度を大きくし過ぎると、スタック温度Ｔｓの上昇速度に比べて改質用空気供給量が過大になって、スタック温度Ｔｓが低くなり過ぎたり、スタック温度Ｔｓの変動が不安定になったりする等のおそれがある。よって、本実施形態では、温度偏差が小さい場合は、供給量ＡＦの増加速度を小さく抑え、上記の問題が生じないようにしている。
【００７９】
一方、スタック温度Ｔｓが７００℃より高い場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、スタック温度Ｔｓが７１０℃より高いか否かを判定する（ステップＳ５）。
スタック温度Ｔｓが７１０℃より高くない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓは、７００℃より高いが７１０℃以下であり、適正温度範囲Ａからの偏差が中程度であるので、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量速度を最小値ΔＡＦminよりも大きい中間値ΔＡＦmidに設定し（ステップＳ７）、処理を終了する。
【００８０】
この場合、スタック温度Ｔｓが７００℃を超えると、温度偏差が中程度になるので、制御部１１０は、より供給量ＡＦの増加速度を大きくすることにより、冷却性能の増大速度を増して、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に素早く収束させるように構成されている。
【００８１】
一方、スタック温度Ｔｓが７１０℃より高い場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、適正温度範囲Ａからの偏差が大きいので、制御部１１０は、供給量ＡＦの増量速度を中間値ΔＡＦmidよりも大きい最大値ΔＡＦmaxに設定し（ステップＳ６）、処理を終了する。
【００８２】
この場合、スタック温度Ｔｓが７１０℃を超えると、温度偏差が大きくなるので、制御部１１０は、更に供給量ＡＦの増加速度を大きくすることにより、冷却性能の増大速度を迅速に増して、スタック温度Ｔｓを適正温度範囲Ａ内に素早く収束させるように構成されている。
【００８３】
このように、本実施形態では、適正温度範囲Ａに対するスタック温度Ｔｓの温度偏差が大きいほど、供給量ＡＦの増量速度を大きく設定することにより、スタック温度Ｔｓの一時的な温度上昇に対しては迅速に適正温度範囲Ａ内に戻すことができる。
ただし、温度偏差が大きくても、供給量ＡＦは最大供給量ＡＦmaxに制限されるので（ステップＳ２参照）、発電用空気供給量が過大になることを防止することができる。また、温度偏差が大きくても、供給量ＡＦは最大供給量ＡＦmaxに制限されるので、温度偏差が大きいほどスタック温度Ｔｓは高い温度に保持されることになり、電力出力性能を維持するための劣化補正量を大きくすることができる。
尚、本実施例においては、供給量ＡＦが最大供給量ＡＦmaxに到達した状態で更に劣化が進行し、スタック温度Ｔｓが上昇しすぎてしまうことも考えられる。しかし、スタック温度が８２０℃を超えると安全のためにシステムを停止させるため、供給量ＡＦが最大供給量を超えて供給されないことによる安全上の問題は生じない。
【符号の説明】
【００８４】
１ 固体電解質形燃料電池（燃料電池装置）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２８ 水流量調整ユニット
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料ガス供給手段）
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット（酸素含有ガス供給手段）
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御装置）
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池セルスタックのスタック温度を検出する温度検出手段と、酸素含有ガス供給量を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記スタック温度が適正温度範囲内となるように酸素含有ガス供給量を制御する燃料電池装置であって、
前記制御装置は、前記燃料電池セルスタックの劣化を判定し、前記燃料電池セルスタックが劣化していない状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すように酸素含有ガス供給量を増加させる制御を実行し、前記燃料電池セルスタックの劣化が進行した状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すために必要な供給量まで酸素含有ガス供給量を増加させないように、酸素含有ガス供給量の制御を実行するように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御装置は、スタック温度が適正温度範囲から外れた状態が所定期間継続した場合に、前記燃料電池が劣化したと判定し、前記燃料電池の劣化を判定したとき、酸素含有ガス供給量の増加を抑制することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
酸素含有ガス供給量には上限値が設定されており、前記制御装置は、酸素含有ガス供給量が前記上限値に到達した以降は増加させないことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
スタック温度の前記適正温度範囲からの偏差の大きさによらず、酸素含有ガス供給量の前記上限値は一定であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
スタック温度の前記適正温度範囲からの偏差が大きいほど、酸素含有ガス供給量の増加速度が大きく設定されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記スタック温度が所定温度以上であり且つ前記適正温度範囲内である場合は、前記酸素含有ガス供給量を変化させないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池セルスタックのスタック温度を検出する温度検出手段と、酸素含有ガス供給量を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記スタック温度が適正温度範囲内となるように酸素含有ガス供給量を制御する燃料電池装置であって、
前記制御装置は、前記燃料電池セルスタックの劣化を判定し、前記燃料電池セルスタックが劣化していない状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すように酸素含有ガス供給量を増加させる制御を実行し、前記燃料電池セルスタックの劣化が進行した状態においては、スタック温度を適正温度範囲に戻すために必要な供給量まで酸素含有ガス供給量を増加させないように、酸素含有ガス供給量の制御を実行するように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御装置は、スタック温度が適正温度範囲から外れた状態が所定期間継続した場合に、前記燃料電池が劣化したと判定し、前記燃料電池の劣化を判定したとき、酸素含有ガス供給量の増加を抑制することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
酸素含有ガス供給量には上限値が設定されており、前記制御装置は、酸素含有ガス供給量が前記上限値に到達した以降は増加させないことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
スタック温度の前記適正温度範囲からの偏差の大きさによらず、酸素含有ガス供給量の前記上限値は一定であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
スタック温度の前記適正温度範囲からの偏差が大きいほど、酸素含有ガス供給量の増加速度が大きく設定されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記スタック温度が所定温度以上であり且つ前記適正温度範囲内である場合は、前記酸素含有ガス供給量を変化させないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【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２０１２−７９４１０（Ｐ２０１２−７９４１０Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０４３３（Ｐ２０１０−２２０４３３）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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