JP2013229155A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の浪費を抑制しながら、安定に燃料電池モジュール内の温度を制御することができる固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、固体酸化物型燃料電池(1)であって、燃料電池モジュール(2)と、燃料供給手段(38)と、温度検出手段(142)と、検出温度に基づいて、燃料電池モジュール内の温度を制御する制御手段(110)と、を有し、制御手段は、検出温度が第１の温度帯域から外れると、第１の温度帯域の内側の第２の温度帯域内に検出温度が入るように制御する第１温度制御手段(110a)と、一旦第２の温度帯域内に入ると、その温度を維持すべく制御する第２温度制御手段(110b)と、を有し、第１温度制御手段による制御は、検出温度が第２の温度帯域内に入ると、第２温度制御手段による制御に切り換えられ、第１の温度帯域から外れると第１温度制御手段による制御に切り換えられることを特徴としている。
【選択図】図１２

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。

固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

特許第４４７４６８８号公報（特許文献１）には、固体電解質型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、燃料電池モジュールが適正に発電することができる上限の温度と下限の温度の間を温度監視帯域として設定し、燃料電池モジュール内の温度が、この帯域内に入るように制御を行っている。具体的には、この燃料電池においては、燃料電池モジュール内の温度が上限温度よりも高くなった場合には、発電量に応じて予め設定されている燃料供給量を所定量減少させ、下限温度よりも低くなった場合には、燃料供給量を所定量増加させることにより、燃料電池モジュール内の温度を適正範囲に維持している。

一般に、燃料電池モジュールは極めて熱容量が大きいため、内部の温度変化は極めて緩慢であり、温度制御を行った結果が実際に温度変化として検出されるまでに、数十分乃至数時間のタイムラグがある。例えば、燃料電池モジュール内の温度を上昇させるべく、燃料供給量を増量する補正を行った場合、その結果として燃料電池モジュール内の温度が実際に上昇し始めるのは、増量補正から数十分乃至数時間後になる。このため、燃料電池モジュール内の温度に対して、最適な一点の温度を目標としてフィードバック制御を行うと、目標の温度に対してオーバーシュートと、アンダーシュートが繰り返されることとなり、燃料電池モジュール内の温度は不安定に乱高下する結果となる。

特許第４４７４６８８号公報記載の燃料電池においては、このような燃料電池モジュールの特性を考慮して、燃料電池モジュール内の温度が、ある程度の幅をもった温度帯域内に入るように制御を行っている。このような温度制御を行うことにより、極めて熱容量が大きくフィードバック制御が困難な、固体電解質型燃料電池の温度制御における特有の課題を解決している。

特許第４４７４６８８号公報

しかしながら、特許第４４７４６８８号公報記載の燃料電池のように、燃料電池モジュール内の温度を、最適な一点の目標温度に収束させるのではなく、ある程度の幅を持った温度帯域に入るように制御を行うと、必要以上に燃料が消費され、発電効率が低下するという問題がある。即ち、この燃料電池において、燃料電池モジュール内の温度が、何らかの原因で、設定された温度帯域の上限温度よりも高くなると、温度制御により燃料供給量が変更され、燃料電池モジュール内の温度が所定の温度帯域まで戻される。このように、所定の温度帯域まで低下された後、燃料電池モジュール内の温度は、多くの場合、温度帯域の上限温度付近で長時間推移することとなる。所定の温度帯域は、燃料電池モジュールの運転に最適な温度の上下に、許容できる温度のマージンを設けることにより設定されている。従って、燃料電池モジュール内の温度が、所定の温度帯域の上限温度付近で作動されると、最適な温度よりも高い温度で運転が行われることとなり、この高い温度を維持するために不要な燃料が浪費される結果となる。

また、特許第４４７４６８８号公報記載の燃料電池において、燃料電池モジュール内の温度を収束させる温度帯域を狭く設定した場合には、温度制御のオーバーシュート又はアンダーシュートにより、設定された温度帯域を通り抜けてしまい、制御が不安定となる。即ち、設定された温度帯域よりも高くなった温度を低下させるべく温度制御を行った場合、燃料電池モジュール内の温度は、制御のアンダーシュートにより、上限温度及び下限温度を通り越して、下限温度よりも低い温度まで低下してしまう。即ち、温度帯域が狭い場合には、一点の目標温度を目標としてフィードバック制御が行われた場合と同様に、温度が不安定となる。このように、設定された温度帯域が広い場合には、不要な燃料が消費され、設定された温度帯域が狭い場合には、温度制御が不安定となる。本発明は、このような問題を解決するためになされたものである。

従って、本発明は、燃料の浪費を抑制しながら、安定に燃料電池モジュール内の温度を制御することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。

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発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュール内の温度を検出する温度検出手段と、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、需要電力に応じた電力を生成すると共に、温度検出手段によって検出された検出温度に基づいて、燃料電池モジュール内の温度を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、検出温度が予め設定された第１の温度帯域から外れると、第１の温度帯域の内側に予め設定された第２の温度帯域内に検出温度が入るように、燃料電池モジュール内の温度を制御する第１温度制御手段と、検出温度が一旦第２の温度帯域内に入ると、その検出温度を維持すべく、燃料電池モジュール内の温度を制御する第２温度制御手段と、を有し、第１温度制御手段による制御は、検出温度が第２の温度帯域内に入ると、第２温度制御手段による制御に切り換えられ、第２温度制御手段による制御は、検出温度が第１の温度帯域から外れると、第１温度制御手段による制御に切り換えられることを特徴としている。

このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段から、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールに、燃料及び発電用酸化剤ガスが供給される。制御手段は、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、需要電力に応じた電力を生成し、また、温度検出手段によって検出された検出温度に基づいて、燃料電池モジュール内の温度を制御する。制御手段は、第１温度制御手段及び第２温度制御手段を有する。第１温度制御手段は、検出温度が第１の温度帯域から外れると、第１の温度帯域の内側に設定された第２の温度帯域内に検出温度が入るように、燃料電池モジュール内の温度を制御する。第２温度制御手段は、検出温度が一旦第２の温度帯域内に入ると、その検出温度を維持すべく、燃料電池モジュール内の温度を制御する。また、第１温度制御手段による制御は、検出温度が第２の温度帯域内に入ると、第２温度制御手段による制御に切り換えられ、第２温度制御手段による制御は、検出温度が第１の温度帯域から外れると、第１温度制御手段による制御に切り換えられる。

一般に、固体酸化物型燃料電池の燃料電池モジュールは、熱容量が大きく、温度変化が極めて緩慢であるため、或る温度に収束させるべく温度制御を行うと、オーバーシュート、アンダーシュートを繰り返し、燃料電池モジュール内の温度が不安定になりやすい。この問題を解決するために、燃料電池モジュール内の温度を或る一点の温度に収束させるのではなく、温度が所定の幅をもった温度帯域内に入るように制御を行うことが知られている。しかしながら、このように、燃料電池モジュール内の温度が所定の温度帯域内に入るように制御を行うと、温度は、温度帯域内の上限値付近で推移する時間が長くなり、これにより、燃料が浪費されるという問題を、本件発明者は見い出した。即ち、燃料電池モジュール内の最適な温度よりも高く設定された温度帯域の上限値付近に温度が維持されると、必要以上に高い温度に維持するための燃料が浪費されることとなる。

上記のように構成された本発明によれば、第１温度制御手段は、検出温度が第１の温度帯域から外れると、第１の温度帯域の内側に設定された第２の温度帯域内に検出温度が入るように制御する。この結果、燃料電池モジュール内の温度は、第１の温度帯域よりも狭い第２の温度帯域内まで一旦引き戻されるので、燃料電池モジュール内の温度が第１の温度帯域の上限値付近で長時間推移することが少なくなり、燃料の浪費を抑制することができる。また、第２温度制御手段は、検出温度が一旦第２の温度帯域内に入ると、その検出温度を維持すべく制御を行う。このため、温度の第２の温度帯域内への収束を目標とする制御による過剰なオーバーシュート、アンダーシュートを回避することができ、温度を安定化させることができる。また、第２温度制御手段による制御にも関わらず、燃料電池モジュール内の温度が第１の温度帯域から外れた場合には、第１温度制御手段による制御に切り換えられるので、温度を確実に第２の温度帯域内へ復帰させることができる。

本発明において、好ましくは、第２の温度帯域は、実質的に幅をもたない所定の目標温度として設定されており、第１温度制御手段は、検出温度が予め設定された第１の温度帯域から外れると、検出温度が目標温度に到達するまで燃料電池モジュール内の温度を制御する。

このように構成された本発明によれば、検出温度が第１の温度帯域から外れた場合、第１温度制御手段は、検出温度が目標温度に到達するまで制御するので、より適切な温度から第２温度制御手段による制御を開始することができる。

本発明において、好ましくは、第１温度制御手段は、少なくとも、検出温度と目標温度との偏差に基づいて、燃料電池モジュール内の温度を制御し、第２温度制御手段は、実質的に、検出温度の時間当たりの変化率のみに基づいて、燃料電池モジュール内の温度を制御する。

このように構成された本発明によれば、第１温度制御手段は目標温度との偏差に基づいて温度制御を行うので、温度が目標温度から離れるほど操作量を大きくすることができ、温度を確実に目標温度に到達させることができる。また、第２温度制御手段は、実質的に、検出温度の時間当たりの変化率のみに基づいて温度制御を行うので、操作量が過大になり、制御が不安定になるのを防止することができる。

本発明において、好ましくは、目標温度は、第１の温度帯域の中間値よりも低い温度に設定されている。
このように構成された本発明によれば、目標温度が第１の温度帯域の中間値よりも低い温度に設定されているので、燃料電池モジュールの経年変化等により、燃料電池モジュールの作動温度が上昇した場合でも、燃料電池モジュール内の温度が第１の温度帯域から外れにくく、長期的に安定した温度制御を行うことができる。

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、燃料の浪費を抑制しながら、安定に燃料電池モジュール内の温度を制御することができる。

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。 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２のIII-III線に沿った断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。 燃料供給電流値に対する燃料供給量を示す図である。 燃料供給電流値に対する発電用空気供給量を示す図である。 本発明の一実施形態における温度制御のフローチャートである。 本発明の一実施形態における温度制御の一例を示すタイムチャートである。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

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７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤（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。

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。

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。

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。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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酸化物型燃料電池（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。

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。

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。

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。

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。

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酸化物型燃料電池（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。

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。

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。

次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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。

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。

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。

水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水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。

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、固体酸化物型燃料電池（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。

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。

次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

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。

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。

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。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

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。

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。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

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。

このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。

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。

次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

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。

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。

次に、図９乃至図１３を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図９は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。

図９に示すように、燃料電池モジュール２は、図９の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御手段である制御部１１０は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図９の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の定格発電電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは定格発電電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。

制御部１１０は、図９の３段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御して、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図９のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、実際には、燃料利用率は運転状態に応じて変更される。

さらに、図９の最下段のグラフに示すように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給され、これが買電力となる。ここで、図９に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図９の時刻ｔ１０においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ１２においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。このように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせている。

これにより、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０において改質され、その後、改質された燃料が分散室であるマニホールド６６に流入し、燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６に分配されるまでの時間遅れに対処している。また、燃料が各燃料電池セルユニット１６に分配された後、実際の発電反応が可能になるまでにも時間を要し、電力を増加させるタイミングは、この時間も考慮して設定されている。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。なお、図９は、燃料供給量Ｆｒの増加と、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加のタイミングをマクロ的、概略的に示したものである。

また、上述したように、各燃料電池セルユニット１６に供給され、発電に利用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、そこで発電用の空気によって燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱すると共に、燃料電池モジュール２の内部を加熱する。また、燃料電池モジュール２の内部には、蓄熱材である断熱材７が配置されており、燃料電池モジュール２内の熱の外気への消散を抑制している。断熱材７は、非常に大きな熱容量を有しているため、燃料電池モジュール２の運転中に内部で発生した多量の熱が断熱材７に蓄積される。

このため、図９に基づいて説明したように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、所定時間遅れて取出可能電流Ｉｉｎｖを増加させた場合、この間に供給された燃料は発電に利用されることなく各燃料電池セルユニット１６の上端で燃焼され、燃料電池モジュール２内の加熱に利用される。また、このようにして発生した燃焼熱は、燃料電池モジュール２内の断熱材７に蓄積される。このように、発電電力が頻繁に変更され、燃料供給量の増減が繰り返されると、発電に利用されずに残る残余燃料が増加し、これが燃料電池モジュール２内を加熱するので、燃料電池モジュール２内の温度は上昇傾向となる。

次に、図１０乃至図１３を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の温度制御を説明する。
図１０は燃料供給電流値に対する燃料供給量を示す図であり、図１１は燃料供給電流値に対する発電用空気供給量を示す図である。

上述したように、制御部１１０（図６）は、需要電力Ｐに基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを設定する。図１０は、このように設定された燃料供給電流値Ｉｆに対して予め設定されている燃料供給量を示すグラフである。このように、燃料電池モジュール２に供給される燃料の量は、燃料電池モジュール２が生成すべき電力に応じて予め設定されている。なお、電力（電流）を生成するために消費される燃料の量は、電力の増加に比例して増加する。一方、燃料電池モジュール２によって電力を生成するためには、燃料電池モジュール２内を適正温度に維持する必要があり、この温度維持のためにも燃料が消費される。即ち、各燃料電池セルユニット１６において発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、そこで燃焼されて、燃料電池モジュール２内の加熱に利用される。

一方、各燃料電池セルユニット１６は、電力（電流）を生成する際に発電熱を発生する。このため、燃料電池セルスタック１４による発電電力が大きい場合には、燃料電池モジュール２の内部は発電熱によっても強く加熱され、発電電力が小さい場合には発電熱による加熱も少なくなる。この発電熱の減少を補うために、本実施形態においては、図１０に示すように燃料供給量が設定されている。即ち、燃料供給電流値Ｉｆが大きい領域では燃料供給量が多く、燃料供給電流値Ｉｆが低下すると共に燃料供給量も減少されているが、燃料供給電流値Ｉｆが少なくなるに従って、燃料供給量の減少幅は少なくなっている。このため、発電電力が小さい場合には、供給された燃料のうちの発電に利用される燃料の割合である燃料利用率が低くなる。燃料利用率を低く設定することにより、発電に利用されずに残る残余燃料が増加し、この残余燃料が燃焼されることにより燃料電池モジュール２内が加熱され、発電熱の減少が補償される。

また、図１１は、燃料供給電流値Ｉｆに応じて予め設定されている発電用空気供給量を示すグラフである。図１１に示すように、発電用空気供給量も、燃料供給量と同様に、燃料供給電流値Ｉｆが大きい領域では発電用空気供給量が多く、燃料供給電流値Ｉｆが低下すると共に発電用空気供給量も減少されているが、燃料供給電流値Ｉｆが少なくなるに従って、発電用空気供給量の減少幅が少なくなるように設定されている。制御部１１０は、発電用酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５を制御して、図１１に基づいて決定された量の発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。

次に、図１２及び図１３を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の温度制御を具体的に説明する。
図１２は、本実施形態における温度制御のフローチャートである。図１３は、本実施形態における温度制御の一例を示すタイムチャートであり、時間に対する燃料電池モジュール２内の温度変化を示している。

上述したように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１において、制御部１１０は、燃料供給電流値Ｉｆに基づいて、図１０を使用して燃料供給量を決定している。制御部１１０に内蔵された第１温度制御手段１１０ａ及び第２温度制御手段１１０ｂ（図６）は、図１０により決定された燃料供給量に補正を加えることにより燃料供給量を増減し、燃料電池モジュール２内の温度を所定の温度帯域に維持するように制御している。

図１２は、第１温度制御手段１１０ａ及び第２温度制御手段１１０ｂにより実行される温度制御のフローチャートであり、固体酸化物型燃料電池１の発電運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。本実施形態においては、燃料電池モジュール２内の温度を維持すべき第１の温度帯域Ｗとして、下限温度Ｔａ＝７２３℃、上限温度Ｔｂ＝７３７℃が設定され、この第１の温度帯域Ｗ内の目標温度として、Ｔ０＝７２８℃が設定されている。好ましくは、燃料電池モジュール２が最適な作動をする目標温度Ｔ０が第１の温度帯域Ｗの中間値よりも低い温度になるように、第１の温度帯域Ｗを設定する。一般に、燃料電池モジュール２の作動温度は、経年変化、燃料電池セルスタック１４の劣化等により上昇する傾向がある。目標温度Ｔ０が、第１の温度帯域Ｗの中間値よりも低い温度になるように第１の温度帯域Ｗを設定しておくことにより、燃料電池モジュール２の作動温度が上昇した場合でも、燃料電池モジュール２の温度が第１の温度帯域Ｗから外れにくくなり、温度制御を安定させることができる。

第１温度制御手段１１０ａは、燃料電池モジュール２内の温度が第１の温度帯域Ｗから外れると、第１の温度帯域Ｗの内側に設定された目標温度Ｔ０に到達するように、燃料供給量を補正して、第１温度制御を実行する。第２温度制御手段１１０ｂは、燃料電池モジュール２内の温度が目標温度Ｔ０に到達した後、燃料電池モジュール２内の温度が維持されるように、燃料供給量を補正して、第２温度制御を実行する。

まず、図１２のステップＳ１においては、燃料電池モジュール２内の温度が、温度検出手段である発電室温度センサ１４２により検出される。次に、ステップＳ２においては、発電室温度センサ１４２によって検出された検出温度Ｔが、下限温度Ｔａ以上、上限温度Ｔｂ以下の第１の温度帯域Ｗ内であるか否かが判断される。検出温度Ｔが第１の温度帯域Ｗ内である場合にはステップＳ３に進み、検出温度Ｔが第１の温度帯域Ｗ外である場合にはステップＳ５に進む。図１３に示す例では、時刻ｔ０において、検出温度Ｔは第１の温度帯域Ｗ内であるため、ステップＳ３に進む。

次に、ステップＳ３においては、第１温度制御フラグＦが１であるか否かが判断される。第１温度制御フラグＦは、第１温度制御の実行中であるか否かを示すフラグであり、第１温度制御の実行中はＦ＝１に設定され、第２温度制御の実行中はＦ＝０に設定される。第１温度制御の詳細については後述する。第１温度制御フラグＦが１である場合にはステップＳ６に進み、第１温度制御フラグＦが０である場合にはステップＳ４に進む。図１３に示す例では、時刻ｔ０において、第１温度制御フラグＦ＝０であるため、ステップＳ４に進む。

次に、ステップＳ４においては、第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御が実行される。第２温度制御では、燃料電池モジュール２内の温度が維持されるように、燃料供給量が補正される。具体的には、時刻ｔ０の所定時間前の燃料電池モジュール２内の温度ＴＰから、時刻ｔ０における燃料電池モジュール２内の温度Ｔが減じられ、その値に微分制御用のフィードバックゲインＫ１を乗じることにより、燃料補正量Ｑ１が計算される。この燃料補正量Ｑ１によって補正された燃料供給量により、燃料電池モジュール２の制御が行われ、図１２のフローチャートの１回の処理が終了する。

例えば、時刻ｔ０における温度が、所定時間前の温度よりも上昇している場合には、値（ＴＰ−Ｔ）は負の値となり、この値にゲインＫ１を乗じることにより、燃料補正量Ｑ１が負の値として計算される。このように、本実施形態においては、第２温度制御手段１１０ｂは、検出温度Ｔの時間当たりの変化率のみに基づいて、第２温度制御を実行する。第２温度制御手段１１０ｂは、燃料供給電流値Ｉｆに基づいて、図１０を使用して決定された燃料供給量を、燃料補正量Ｑ１だけ減量補正する。これにより、図１０により予め設定されている燃料供給量が燃料補正量Ｑ１だけ減じられるので、発電に利用されずに残る残余燃料が減少し、残余燃料の燃焼熱が減少することにより、燃料電池モジュール２内の温度が低下傾向となる。逆に、時刻ｔ０における温度が所定時間前の温度よりも低下している場合には、燃料補正量Ｑ１が正の値として計算され、図１０を使用して決定された燃料供給量が増量補正される。これにより、残余燃料が増加して、燃料電池モジュール２内の温度が上昇傾向となる。

このように、第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御は、燃料電池モジュール２内の温度を従前の温度に維持すべく作用する。なお、本実施形態においては、所定時間前の温度ＴＰとして、１分前の温度が使用されている。また、本実施形態においては、図１０を使用して決定された燃料供給量が減量補正された場合においても、発電に利用される燃料が不足することのないように、即ち、燃料利用率が１を超えることがないよう、燃料利用率が適正な値の範囲内となるように、補正量が制限されている。

図１３に例示するタイムチャートにおいては、時刻ｔ０の後、燃料電池モジュール２内の温度が上昇し、時刻ｔ１において、上限温度Ｔｂを超えている。このような温度上昇は、例えば、需要電力が頻繁に変動することにより、発電電力の増加前に先行して燃料供給量を増加させることによる余剰燃料の増加が原因となって発生する。上記のように、時刻ｔ０〜ｔ１の間においても、温度を従前の温度に維持すべく第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御が実行されているが、燃料電池モジュール２の運転条件等によっては、第２温度制御開始時の温度から大きくずれる場合がある。このような場合においても、第２温度制御では、第２温度制御開始時の温度からのずれの大きさに従って燃料補正量Ｑ１が増大することはないので、制御によるオーバーシュート、アンダーシュートが発生しにくい。さらに、本実施形態においては、微分制御用のフィードバックゲインＫ１が比較的小さな値に設定されているため、過補償による温度の不安定な変動を回避している。

図１３の時刻ｔ１において、燃料電池モジュール２内の温度が上限温度Ｔｂを超えると、図１２のフローチャートにおいては、ステップＳ２の後、ステップＳ５が実行される。ステップＳ５においては、第１温度制御フラグＦが１にされる。即ち、第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御が実行されている状態において、燃料電池モジュール２内の温度が第１の温度帯域Ｗから外れると、温度制御は、第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御に切り換えられる。

次いで、ステップＳ６においては、第１温度制御手段１１０ａにより、燃料補正量Ｑ１が計算される。具体的には、目標温度Ｔ０から時刻ｔ１における燃料電池モジュール２内の温度Ｔが減じられ、その値に比例制御用のフィードバックゲインＫ０を乗じることにより、燃料補正量Ｑ１が計算される。このため、温度Ｔが目標温度Ｔ０よりも高い場合には、（Ｔ０−Ｔ）は負の値となり、この値にゲインＫ０を乗じることにより、負の燃料補正量Ｑ１が計算される。これにより、図１０を使用して決定された燃料供給量が、燃料補正量Ｑ１により減量補正される。

続いて、ステップＳ７においては、燃料電池モジュール２内の温度Ｔが、目標温度Ｔ０に復帰したか否かが判断される。温度Ｔが目標温度Ｔ０に復帰した場合にはステップＳ８に進み、目標温度Ｔ０に復帰していない場合には、図１２のフローチャートの１回の処理が終了する。

図１３に示す例においては、時刻ｔ１において上限温度Ｔｂを超えた後、第１温度制御が実行されるが、その後も、時刻ｔ２まで、燃料電池モジュール２内の温度Ｔは上昇する。従って、時刻ｔ１以降、図１２に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→リターンの処理が繰り返し実行される。また、時刻ｔ１〜ｔ２間においては、燃料電池モジュール２内の温度Ｔと目標温度Ｔ０の差も増大するので、これらの差に比例して、燃料補正量Ｑ１も負の方向に増加する。即ち、時刻ｔ１〜ｔ２間においては、燃料供給量が次第に大きく減量補正されるようになる。このように、第１温度制御においては、燃料電池モジュール２内の温度Ｔが目標温度Ｔ０から大きく外れるほど大幅に燃料供給量が補正されるので、燃料電池モジュール２内の温度Ｔを確実に目標温度Ｔ０に向けて復帰させることができる。次いで、時刻ｔ２以後は、燃料電池モジュール２内の温度Ｔは低下に転じるので、燃料供給量の減量補正幅は減少される。

さらに、時刻ｔ３において、燃料電池モジュール２内の温度Ｔが第１の温度帯域Ｗ内に復帰すると、図１２に示すフローチャートにおいては、ステップＳ２に続いてステップＳ３が実行される。時刻ｔ３においては、第１温度制御フラグＦ＝１であるため、ステップＳ３の後、ステップＳ６が実行される。従って、時刻ｔ３以降は、図１２に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ６→Ｓ７→リターンの処理が繰り返し実行され、第１温度制御が継続される。このように、第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御は、燃料電池モジュール２内の温度Ｔが第１の温度帯域Ｗから外れたとき開始されるが、温度Ｔが第１の温度帯域Ｗに復帰した後も継続される。

図１３の時刻ｔ３において温度Ｔが第１の温度帯域Ｗ内に復帰した後も、温度Ｔが上限温度Ｔｂと目標温度Ｔ０の間で推移している間は、第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御が継続される。次いで、時刻ｔ４において、温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達する（Ｔ＝Ｔ０）と、図１２に示すフローチャートにおいては、ステップＳ７に続いてステップＳ８が実行される。ステップＳ８においては、第１温度制御フラグＦが０に変更される。時刻ｔ４において第１温度制御フラグＦが０に変更された後は、図１２に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→リターンの処理が繰り返し実行されるようになる。即ち、温度制御が、第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御から第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御に切り換えられる。

なお、本実施形態においては、燃料電池モジュール２内の検出温度Ｔが、その検出の分解能に対して、極めて緩やかに変化するので、温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達すると、温度Ｔ＝目標温度Ｔ０の条件が必ず満足される。一方、検出温度Ｔの分解能が非常に細かいと、温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達しても温度Ｔ＝目標温度Ｔ０の条件が満たされない場合がある。例えば、検出温度Ｔが低下傾向にある状態において、目標温度Ｔ０よりも高い温度が検出された後、次に図１２に示すフローチャートが実行された際には、目標温度Ｔ０を通り越して、目標温度Ｔ０よりも低い温度Ｔが検出される場合がある。このように、検出温度Ｔの分解能が細かく設定されている場合には、検出温度Ｔが、目標温度Ｔ０を跨いで変化した時点において、検出温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達したと判断して、温度制御を第１温度制御から第２温度制御に切り換えるように、本発明を構成することもできる。

図１３の時刻ｔ４において温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達した後は、温度Ｔが第１の温度帯域Ｗから外れるまでは、第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御が継続される。また、検出温度Ｔが、下限温度Ｔａよりも低い温度に低下した場合には、同様に、温度制御が、第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御から第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御に切り換えられる。この場合には、比例制御用のフィードバックゲインＫ０を乗じて計算される燃料補正量Ｑ１は正の値となり、図１０を使用して決定された燃料供給量が、燃料補正量Ｑ１により増量補正される。これにより、燃料電池モジュール２内の温度Ｔは上昇傾向となり、温度Ｔは第１の温度帯域Ｗに復帰される。また、第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御は、温度Ｔが第１の温度帯域Ｗに復帰された後も継続され、温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達すると、第２温度制御手段１１０ｂによる第２温度制御に切り換えられる。

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、第１温度制御手段１１０ａは、検出温度Ｔが第１の温度帯域Ｗから外れる（図１３の時刻ｔ１）と、検出温度Ｔが第１の温度帯域Ｗの内側に設定された目標温度Ｔ０に到達するように制御する（図１２のステップＳ６、図１３の時刻ｔ１〜ｔ４）。この結果、燃料電池モジュール２内の温度は、第１の温度帯域Ｗ内の目標温度Ｔ０まで一旦到達される（図１３の時刻ｔ４）ので、燃料電池モジュール２内の温度が第１の温度帯域Ｗの上限値Ｔｂ付近で長時間推移することが少なくなり、燃料の浪費を抑制することができる。また、第２温度制御手段１１０ｂは、検出温度Ｔが一旦目標温度Ｔ０に到達すると、その検出温度Ｔを維持すべく制御を行う（図１２のステップＳ４、図１３の時刻ｔ４〜）。このため、温度の目標温度Ｔ０への収束を目標とする制御による過剰なオーバーシュート、アンダーシュートを回避することができ、温度を安定化させることができる。また、第２温度制御手段１１０ｂによる制御にも関わらず、燃料電池モジュール２内の温度が第１の温度帯域Ｗから外れた場合には、第１温度制御手段１１０ａによる制御に切り換えられる（図１２のステップＳ２→Ｓ５）ので、温度を確実に目標温度Ｔ０へ復帰させることができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、検出温度Ｔが第１の温度帯域Ｗから外れた場合、第１温度制御手段１１０ａは、検出温度Ｔが目標温度Ｔ０に到達するまで（図１３の時刻ｔ４まで）制御するので、燃料電池モジュールの最適な作動温度に設定されている目標温度Ｔ０から第２温度制御手段１１０ｂによる制御を開始することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、第１温度制御手段１１０ａは目標温度Ｔ０との偏差に基づいて温度制御を行う（図１２のステップＳ６）ので、温度Ｔが目標温度Ｔ０から離れるほど操作量である燃料補正量Ｑ１を大きくすることができ、温度Ｔを確実に目標温度Ｔ０に到達させることができる。また、第２温度制御手段１１０ｂは、検出温度の時間当たりの変化率に相当する（ＴＰ−Ｔ）のみに基づいて温度制御を行うので、操作量が過大になり、制御が不安定になるのを防止することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、目標温度Ｔ０が第１の温度帯域Ｗの中間値よりも低い温度に設定されているので、燃料電池モジュール２の経年変化等により、燃料電池モジュール２の作動温度が上昇した場合でも、燃料電池モジュール２内の温度が第１の温度帯域Ｗから外れにくく、長期的に安定した温度制御を行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、第１温度制御手段１１０ａによる第１温度制御は、実質的に幅をもたない所定の目標温度Ｔ０に到達するまで実行されていたが、変形例として、所定の温度範囲に入るまで第１温度制御が継続されるように、本発明を構成することもできる。このように構成された変形例においては、第１の温度帯域Ｗの内側に、目標温度Ｔ０を含む、より狭い第２の温度帯域Ｗ２を設定しておく。第１温度制御手段１１０ａは、検出温度Ｔが予め設定された第１の温度帯域Ｗから外れると、予め設定された第２の温度帯域Ｗ２内に検出温度Ｔが入るように、燃料電池モジュール２内の温度を制御する。この第１温度制御手段１１０ａによる制御は、検出温度Ｔが第２の温度帯域Ｗ２内に入ると、第２温度制御手段１１０ｂによる制御に切り換えられ、第２温度制御手段１１０ｂによる制御は、検出温度Ｔが第１の温度帯域Ｗ１から外れると、第１温度制御手段１１０ａによる制御に切り換えられる。このように構成された変形例によれば、第１温度制御から第２温度制御への切り換えを確実に行うことができる。

また、上述した実施形態では、第１温度制御においては、比例制御用のフィードバックゲインＫ０のみを用いた比例制御が実行され、第２温度制御においては、微分制御用のフィードバックゲインＫ１のみを用いた微分制御が実行されていたが、変形例として、各温度制御において、比例制御、微分制御、及び積分制御等の他の制御を混在させることもできる。この場合においては、第１温度制御では、第１の温度帯域Ｗ１から外れた温度を、目標温度Ｔ０に到達させ又は第２の温度帯域Ｗ２内に入るように制御する比例制御、積分制御等に基づく操作量（燃料補正量Ｑ１）が支配的になるように、各フィードバックゲインを設定する。また、第２温度制御では、目標温度Ｔ０に到達し、又は第２の温度帯域Ｗ２入った検出温度Ｔを維持するように制御する微分制御等に基づく操作量（燃料補正量Ｑ１）が支配的になるように、各フィードバックゲインを設定する。第１、第２温度制御を、本変形例のように構成することにより、第１と第２の温度制御の間を円滑に移行することができる。

さらに、上述した実施形態では、第１の温度帯域Ｗ１及び目標温度Ｔ０は、燃料電池モジュール２の発電電力に関わらず一定値に設定されていたが、変形例として、これらの値が発電電力に応じて異なるように、本発明を構成することができる。即ち、各発電電力に対して燃料電池モジュール２が作動可能な温度範囲を第１の温度帯域Ｗとして発電電力毎に設定しておくと共に、各発電電力に対して最適な燃料電池モジュール２の作動温度を目標温度Ｔ０として発電電力毎に設定しておく。さらに、第１温度制御手段１１０ａ及び第２温度制御手段１１０ｂを、発電電力に応じて変化する第１の温度帯域Ｗ及び目標温度Ｔ０に基づいて作動させる。このように構成された変形例によれば、燃料電池モジュール２を、発電電力に応じたより適切な温度範囲で作動させることができる。

１ 固体酸化物型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材（蓄熱材）
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８ 燃焼室（燃焼部）
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（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６６ マニホールド（分散室）
７６ 空気導入管
７６ａ 吹出口
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御手段）
１１０ａ 第１温度制御手段
１１０ｂ 第２温度制御手段
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ（買電力検出手段）
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）
１４０ 排気温度センサ
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８ 改質器温度センサ
１５０ 外気温度センサ

Claims (4)

1. 需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
   燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
   この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
   上記燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
   上記燃料電池モジュール内の温度を検出する温度検出手段と、
   上記燃料供給手段及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、需要電力に応じた電力を生成すると共に、上記温度検出手段によって検出された検出温度に基づいて、上記燃料電池モジュール内の温度を制御する制御手段と、を有し、
   上記制御手段は、検出温度が予め設定された第１の温度帯域から外れると、上記第１の温度帯域の内側に予め設定された第２の温度帯域内に検出温度が入るように、上記燃料電池モジュール内の温度を制御する第１温度制御手段と、検出温度が一旦上記第２の温度帯域内に入ると、その検出温度を維持すべく、上記燃料電池モジュール内の温度を制御する第２温度制御手段と、を有し、
   上記第１温度制御手段による制御は、検出温度が上記第２の温度帯域内に入ると、上記第２温度制御手段による制御に切り換えられ、上記第２温度制御手段による制御は、検出温度が上記第１の温度帯域から外れると、上記第１温度制御手段による制御に切り換えられることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 上記第２の温度帯域は、実質的に幅をもたない所定の目標温度として設定されており、上記第１温度制御手段は、検出温度が予め設定された上記第１の温度帯域から外れると、検出温度が上記目標温度に到達するまで上記燃料電池モジュール内の温度を制御する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 上記第１温度制御手段は、少なくとも、検出温度と上記目標温度との偏差に基づいて、上記燃料電池モジュール内の温度を制御し、上記第２温度制御手段は、実質的に、検出温度の時間当たりの変化率のみに基づいて、上記燃料電池モジュール内の温度を制御する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 上記目標温度は、上記第１の温度帯域の中間値よりも低い温度に設定されている請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。

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