JP5391976B2

JP5391976B2 - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP5391976B2
Application number: JP2009228733A
Authority: JP
Inventors: 俊治大塚; 勝久土屋; 司重住; 俊春大江; 清隆中野
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: EP2306573A1; EP2306573B1; CN102035005A; CN102035005B; US20140234736A1; US20110076577A1; JP2011076943A

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、要求電力の負荷量に応じて燃料供給量を変更する負荷追従機能を備えた固体電解質型燃料電池に関する。

燃料電池を実用化するために、燃料電池セルの破損防止と省エネ（商用電源から得る系統電力を少なくし、燃料電池から得る発電電力を多くすること）を両立させることは最重要な課題である。

現在、燃料電池の一種である、固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）の実用化に向けた開発研究が行われている。このＳＯＦＣ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、他方の側に空気（酸化剤）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。

このＳＯＦＣにおいては、燃料電池セルに供給する水素（燃料）及び空気が燃料電池セル全部（例えば直列に接続された１６０本の燃料電池セル）に安定して供給された状態にいたる前は、水素や空気の量が非常に微量であるため、時間的なバラツキが多く、また、全ての燃料電池セルが目標の発電反応を安定して行える状態にいたるまでに、燃料電池セルの個体差や温度差などの要因で、時間的なバラツキが大きく生じてしまうという問題があった。また、改質器の水素改質遅れや水素改質量のバラツキなども加わるため、ＳＯＦＣでは、このような種々の管理しづらい不確定要素に基づいて、理想状態に到達するまでの過程で、時間的なバラツキが多く存在するという問題があった。

一方、ＳＯＦＣでは、電力会社への売電ができないという理由から、時間帯などに応じて大きく変化する使用者（一般家庭等）の需要電力に追従させて燃料の供給量を変化させる負荷追従制御を行うことが省エネの観点から必要となる。しかしながら、この負荷追従制御を行うと、燃料、空気、水の量などが変化し、燃料電池セルへ供給される燃料流量や空気量のバラツキ、改質器へ供給される水流量のバラツキ等が大きくなり、さらに、燃料電池セルの温度変化も生じるため、発電量のバラツキも大きくなり、このバラツキに伴う不安定な状態が多く、また蓄積されると燃料電池セルが破損するという重要な事態に至ることがある。

このような課題を解決するために、特許文献１には、負荷の変化量から決定されるガス増減量の指示後に遅れ時間を持って燃料電池に指令電流値を指示して電力を出力するようにした燃料電池（りん酸型燃料電池）が開示されており、この特許文献１の方法によれば、負荷追従時に理想的な燃料量になるのを待ってから電力を取り出すため燃料枯れに伴う燃料電池セルの破損を抑制することができる。しかし、電力を取り出すときにこのような時間遅れが生じているため、負荷の追従性は低下するので、省エネ性能という観点からは、これだけの対応では不十分である。このように、特許文献１の燃料電池は、省エネ性能の向上と燃料電池セルの破損抑制の両立という課題を解決することができないものである。

特開平７−３０７１６３号公報

上述した通り、本来的には、省エネ性能を高めるためには、負荷に迅速に追従するように、燃料電池から電力を取り出し指示する指令電流値（指令電力値）を、負荷量に迅速に対応させて、増加速度及び減少速度を適正な値に変更すること望ましい。しかしながら、燃料電池においては、改質器への燃料と水の供給遅れ、改質反応の遅れ、さらに、上述したように、燃料電池セルも、種々な状態で不確定な時間的なバラツキが生じるため、指令電流値の増加速度及び減少速度を設計上の理想的な適正な値に変更したとしても、ＳＯＦＣのさまざまな時間的なバラツキによって理想的な状態になっていないことがあるので、燃料電池セルを破損させてしまうという課題（問題）を生じていた。換言すれば、このような燃料電池の特性上、フィードバック制御は困難であり、フィードフォアード制御を行わざる得ない状況である。そのため、従来から、負荷追従を迅速にさせることは技術的に困難であると考えられていた。

さらに、ＳＯＦＣには、重要な固有の問題がある。即ち、一般的な蓄電池においては、取り出し可能な電力量よりも大きな電力量を取り出そうとしても、蓄電池からはその限界値を超えた量は取り出すことが物理的にできず、また破損もしないので何等問題がなく制御も簡単に行うことができる。しかし、ＳＯＦＣにおいては、限界値を超えた電力の取り出し指示を行っても燃料電池セルからはそのような電力が取り出せてしまい、この過剰な電力の取り出しが燃料電池セルを破損に導くという問題がある。このような固有の課題が存在するため、ＳＯＦＣにおいては、不確定な要素がある中で負荷追従性能を向上させるために、非常に精度の高い制御を強いられることになるため、ＳＯＦＣでの省エネ性能の向上は非常に難しいという認識がなされていた。

本発明者らは、このような状況下で、ＳＯＦＣ固有の問題を解決するために、鋭意研究を行い、一定の条件のもとでは、指令電力値（又は指令電流値）の増加速度及び減少速度（単位時間当たりの変化量）を変更しても、燃料電池セルの破損を防止することができると共に、省エネ性能も確保することができることを見い出した。

さらに、本発明者らは、個体酸化物型燃料電池においては、改質器の温度状態、燃料電池セルスタックの温度状態、外気温、燃料電池セルの異常（劣化）状態等のパラメータの状態が変化した場合にも、同様に、不確定なバラツキが発生し不安定な状態になるので、この問題点も同時に解決し、さらに信頼性を向上させる必要があることを見いだした。

そこで、本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルの破損防止と負荷追従性能の向上に伴う省エネを両立させ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。

上記の目的を達成するために、本発明は、需要電力から決定される要求電力である負荷に応じて燃料供給量を変更する負荷追従機能を備えた固体電解質型燃料電池において、複数の固体電解質型燃料電池セルからなる燃料電池セルスタック及び燃料を改質して燃料電池セルへ供給する改質器を有する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールによって発電された電力を受け入れ、交流に変換するインバータ手段と、負荷の量に基づいて、燃料電池モジュールが発電すべき指令電力値を設定する指令電力値設定手段と、指令電力値を生成できるように燃料電池セルに供給する燃料流量を決定して供給する燃料制御手段と、燃料制御手段により燃料電池セルに燃料流量を供給した後に、燃料電池モジュールからの電力の引き出し許可量となる上記指令電力値に対応したインバータ許可電力値をインバータ手段に指示するインバータ許可電力値指示手段と、燃料電池モジュール内の温度に基づいて、次のインバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を変更してインバータ許可電力値指示手段に出力するインバータ許可電力値変更手段と、を有し、インバータ許可電力値変更手段は、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を、第１の所定温度以下の温度領域では温度が高いほど大きくなるように変更し、第１の所定温度よりも高温である第２の所定温度以上の温度領域では温度が高いほど小さくなるように変更す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、負荷の量に基づいて、燃料供給量及び燃料電池モジュールが発電すべき電力電流値を設定し、次に、燃料電池モジュールからの電力の引き出し許可量となる指令電力値に対応したインバータ許可電力値をインバータ手段に指示し、このとき、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の改質反応の状態、空気や燃料がセル全体に行き渡る状況の変化等を加味して、このインバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を燃料電池モジュール内の温度に基づいて変更するようにしたので、燃料枯れや空気枯れに伴う燃料電池セルの破損を防止しつつ、負荷の追従性を高めることができ、燃料電池から得る発電電力を多くして商用電源から得る系統電力を少なくすることにより省エネを図ることができる。また、インバータ許可電力値変更手段が、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を、第１の所定温度以下の温度領域では温度が高いほど大きくなるように変更することにより負荷追従性を高めることができる。さらに、インバータ許可電力値変更手段が、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を、第１の所定温度よりも高温である第２の所定温度以上の温度領域では温度が高いほど小さくなるように変更することにより、燃料電池セルの信頼性を確保すると共に省エネ性能を向上することができる。

本発明において、好ましくは、燃料電池モジュール内の温度は、改質器の温度であり、更に、改質器の温度を検出する改質器温度検出手段を備えている。
このように構成された本発明においては、改質反応の変化を示す改質器の温度状態に基づいて、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を変更するようにしているので、改質器の改質反応の変化を吸収することにより、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量（変化率）を最適化することができ、それにより、燃料電池セルの信頼性と省エネ性能を高めることができる。

本発明において、好ましくは、燃料電池モジュール内の温度は、燃料電池セルスタックの温度であり、更に、燃料電池セルスタックの温度を検出するスタック温度検出手段を備えている。
このように構成された本発明においては、発電反応の変化を示す燃料電池セルスタックの温度状態に基づいて、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を変更するようにしているので、燃料電池セルスタックの発電反応の温度状態により、インバータ許可電力値を最適化することができ、それにより、燃料電池セルの信頼性と省エネ性能を高めることができる。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池セルの破損防止と負荷追従性能の向上に伴う省エネを両立させることができる。

本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池を示す全体構成図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池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固体電解質型燃料電池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固体電解質型燃料電池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固体電解質型燃料電池を示すブロック図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池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固体電解質型燃料電池の運転停止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固体電解質型燃料電池の要求電力の負荷量に応じて燃料供給量を変更して負荷追従するときの運転状態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固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第１例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第２例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第３例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第３例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第４例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第５例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第６例を示す線図である。本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第８例を示す線図である。本発明の第２実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の変化を示す線図である。本発明の第２実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第１例を示す線図である。本発明の第２実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第２例を示す線図である。本発明の第２実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第３例を示す線図である。本発明の第２実施形態による固体電解質型燃料電池のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の制御内容の第４例を示す線図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池を説明する。
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、本発明の第１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。

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。

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、上述した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。

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（モータで駆動される「空気ブロア」等）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（直流出力）を交流電力に変換して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線に沿った断面図である。
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、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。

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。

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。

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（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。

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。

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、制御部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。

つぎに、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。

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。

また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。

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１及び図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、家庭や店舗等の施設５６に配置され、インバータ５４から発電電力が施設５６に供給されるようになっている。また、この施設５６には、商用電源５８も接続されており、この商用電源５８から系統電力が供給されるようになっている。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池１では、施設５６が必要とする需要電力量の全部又は一部の電力量が、固体電解質型燃料電池１の要求電力Ｐとして設定され、この要求電力Ｐに対応して発電出力値を変更する負荷追従による運転が行われるようになっている。

また、図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、施設５６が必要とする需要電力から決定された固体電解質型燃料電池１の要求電力Ｐに基づいて、固体電解質型燃料電池１が発電すべき電力の電流量である指令電流値Ｉ_Sを設定する指令電流値設定部１１１を備えている。

次に、図９により、本実施形態による固体電解質型燃料電池における負荷追従時の運転状態を説明する。
ここで、本実施形態による固体電解質型燃料電池１が発生する電力（実発電電力）は、住宅等の施設５６が必要とする需要電力（総需要電力）に基づいて制御されるが、需要電力が固体電解質型燃料電池１により発生させることができる最大定格電力を超えている場合には、不足分は系統電力から供給される（ここで、需要電力のうち固体電解質型燃料電池１に求められる分担量を要求電力（負荷量）Ｐと言う）。また、要求電力は時間的な変動が激しいため、固体電解質型燃料電池１が発生する電力がこれに完全に追従することは困難である。このため、固体電解質型燃料電池１（燃料電池モジュール２）が生成する電力は、要求電力Ｐの変動を追従可能な程度に抑制した指令電力を目標値として制御される。さらに、燃料供給量等を指令電力に基づいて制御した場合においても、燃料電池モジュール２内で実際に電力を生成するには時間を要するので、燃料電池モジュール２から実際に取り出される実発電電力は、燃料供給から時間遅れがあるのでインバータに出力して実際に電力を取り出すための許容値となる許可信号であるインター許可電力は燃料供給から時間遅れを見越して出力される。
なお、本実施形態においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４の出力電圧が１００Ｖ一定になるように作動するので、上述した要求電力、最大定格電力、インバータ許可電力、実発電電力は、夫々、要求電流、最大定格電流、インバータ許可電流、実発電電流に比例する。また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、これらの電流値に基づいて制御が行われているが、固体電解質型燃料電池１は、これらの「電流」を「電力」と置き換えても同様の制御を実施することができる。なお、本発明の特許請求の範囲では、電流の制御を含む記載として広義の電力（指令電力、インバータ許可電力など）を用いており、電流に限定解釈される記載ではない。

つぎに、図９は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池の需要電力に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートである。ここで、図９の横軸は時間を示し、指令電流値Ｉ_sが変化する代表的な時刻をｔ１〜ｔ５で示している。一方、図９の縦軸は要求電力Ｐが設定されてからインバータ５４において実発電電力Ｐ_rの取り出しを許可するインバータ許可電流Ｉ_sinvが出力されるまでの工程（i）〜（iv）を上方から下方に向かって時系列順に示している。

まず、図９に示すように、固体電解質型燃料電池１は、施設５６が必要とする需要電力から固体電解質型燃料電池１の要求電力Ｐ（負荷量）が決定されると（図９の「（i）要求電力Ｐ」参照）、この要求電力Ｐに基づいて、固体電解質型燃料電池１が発電すべき電流量である指令電流Ｉ_sが指令電流設定部１１１によって設定される（図９の「（ii）指令電流Ｉ_s」参照）。
ここで、本実施形態にいては、指令電流Ｉ_sは、要求電力Ｐである負荷の量に基づいて、単位時間当たりの変化量が変化するように設定される。なお、従来の固体電解質型燃料電池においては、指令電流の単位時間当たりの変化量は、セルの破損を防止するため、例えば、０．５Ａ／ｍｉｎに設定され、相当遅い速度で増大するようになっていた。

つぎに、制御部１１０は、指令電流設定部１１１で設定した指令電流Ｉ_sに基づいて、燃料流量調整ユニット３８から燃料電池モジュール２内の改質器２０に供給する燃料供給量Ｆを設定する。そして、この燃料供給量Ｆを指令電流Ｉ_sの変化に応じて増大又は減少させて、少なくとも指令電流Ｉ_sを出力できるように燃料流量調整ユニット３８を制御し、要求された負荷に追従させた燃料の供給を行う。
同時に、燃料流量センサ１３２によって燃料流量調整ユニット３８から改質器２０に実際に供給される燃料供給量の実測値である実燃料供給量Ｆ_rが検出される（図９の「（iii）実燃料供給量Ｆ_r」参照）。

つぎに、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５から燃料電池モジュール２内の燃料電池セル集合体１２に供給する発電用空気供給量Ａを、指令電流設定部１１１で設定した指令電流Ｉ_s及び先に検出された実燃料供給量Ｆ_rに基づいて設定する。
同様に、制御部１１０は、水流量調整ユニット２８から燃料電池モジュール２内の改質器２０に供給する水供給量Ｗも、指令電流設定部１１１で設定した指令電流Ｉ_s及び先に検出された実燃料供給量Ｆ_rに基づいて設定する。

つぎに、制御部１１０は、実発電電力Ｐ_rの取り出しを許可し上記指令電流Ｉ_sに対応したインバータ許可電流Ｉ_sinvの制御信号を、インバータ５４に送り、施設５６に供給する電力供給量を制御する。ここで、本実施形態による固体電解質型燃料電池１では、インバータ許可電流Ｉ_sinvは、通常、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ実際に出力される電流（実発電電流Ｉ_r）に相当する値となる（図９の「（iv）インバータ許可電流Ｉ_sinv」参照）。

図９に示すように、本実施形態による固体電解質型燃料電池１においては、詳細は後述する負荷の状態に基づいて、インバータ５４に指示されるインバータ許可電流値Ｉ_sinvの単位時間当たりの変化量を変更する、即ち、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が異なる複数の値を取り得るような特性を有するようにしたので、燃料枯れや空気枯れに伴う燃料電池セルの破損を防止しつつ、負荷の追従性を高めることによって、燃料電池から得る発電電力を多くして商用電源から得る系統電力を少なくすることにより省エネを図ることができる。制御部１１０は、このようにしてインバータ許可電流値Ｉ_sinvの単位時間当たりの変化量を変更し、この変更されたインバータ許可電流値Ｉ_sinvの単位時間当たりの変化量をインバータ５４に出力するようになっている。

次に、図１０乃至図１７により、制御部１１０で実行される、本実施形態の固体電解質型燃料電池による負荷追従のための負荷量に対するインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変化させる制御内容を説明する。以下、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を、種々の負荷の状態で変更して、負荷追従性を高め、それにより、省エネ性能を向上させた例を説明するが、これらの例は、必要に応じて、任意に組み合わせて実施される。

先ず、図１０により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第１例を説明する。
図１０に示すように、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量（インバータ許可電流値変化量）は、負荷の変化量（負荷変化量）及び負荷変化量の正と負により決定されるようになっている。

先ず、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量（指令電流値変化量）は、負荷の変化量が小の場合に大の場合よりも小さく設定されている。具体的には、負荷変化量が小さい場合には、例えば、１Ａ／ｍｉｎ（負荷変化量が正）、１Ａ／ｍｉｎ及び１Ａ／ｍｉｎ（負荷変化量が負）と設定され、負荷変化量が大きい場合には、２Ａ／ｍｉｎ（負荷変化量が正）、５Ａ／ｍｉｎ（負荷変化量が負）と設定されている。

ここで、負荷変化量が小さいときは燃料及び空気の変化量も小さいため燃料電池セル全体に対する燃料の回りや安定性が悪いので、燃料電池による発電電力量を大きくすると燃料電池セルに影響を与えるが、本実施形態の第１例による固体電解質型燃料電池によれば、このような場合に、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を小さくしたので、これを確実に防止できる。

次に、図１０に示すように、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量（インバータ許可電流値変化量）を、負荷変化量が正の場合（負荷量が増大しているとき）及び負の場合（負荷量が減少しているとき）の両方において、変更するようにしているが、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量（インバータ許可電流値変化量）を負荷変化量が負の場合に正の場合よりも大きな値に変更するようにしている。
このように、本実施形態の第１例においては、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量（インバータ許可電流値変化量）を負荷変化量が負の場合に正の場合よりも大きな値に変更するので、負方向への負荷量の変化に対する燃料電池の追従性を高めることにより無駄な燃料消費を抑えることができると共に、負荷量が急増した場合にはインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を小さくしているので、インバータ許可電流値の追従遅れが発生し、これにより、インバータによる過剰電力供給が行われることを確実に防止することができる。

次に、図１１により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第２例を説明する。
図１１に示すように、時刻ｔ６〜ｔ７の間は、目標となるインバータ許可電流値に対する現在のインバータ許可電流値の偏差（＝目標となるインバータ許可電流値−現在のインバータ許可電流値）が正（目標となるインバータ許可電流値＞現在のインバータ許可電流値）で且つ負荷量が減少している状態である。本実施形態の第２例においては、このような状態のときは、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の減少を抑制するようにしている。具体的には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を破線Ａから実線Ｂに変更している。

この本実施形態の第２例によれば、目標となるインバータ許可電流値に対する現在のインバータ許可電流値の偏差が正で且つ負荷量が減少している状態では、インバータ許可電流値の変化量の減少を抑制するようにインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更するようにしているので、燃料電池から得る発電電力量を多くして商用電源から得る系統電力を少なくすることにより省エネを図ることができる。また、インバータ許可電流値の偏差の量に応じて負荷量が減少しているときのインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を減少を抑制するように変更しているので、追従性も高めることができる。

次に、図１２及び図１３により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第３例を説明する。
この第３例においては、次のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を、現在のインバータ許可電流値が大きい場合は小さい場合より大きな値に変更（補正）するようにしている。具体的には、図１２に示すように、現在のインバータ許可電流値が０Ａ〜３Ａの間の領域では、インバータ許可電流値の値が大きいほど、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の補正量は大きな値となっており、現在のインバータ許可電流値が３Ａ以上の領域では、補正量は一定値となっている。また、現在のインバータ許可電流値が２Ａのとき、補正量は「１」となっている。

図１３には、このように現在のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更して算出された次のインバータ許可電流値を示している。図１３には、現在のインバータ許可電流値により変更された次のインバータ許可電流値の単位当たりの変化量が２Ａ／ｍｉｎの例を示しており、この変化量を破線Ａで示し、実際は、実線Ｂで示すような応答となる。

この本実施形態の第３例によれば、インバータ許可電流値が大きな値のとき、即ち、発電電力量が高い状態では、発電反応が生じており燃料電池セルも高温で安定しているので、次のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を、現在のインバータ許可電流値が大きい場合には小さい場合より大きな値に変更して追従感度を高めても、燃料電池セルに悪影響を与えることを抑制できる。

次に、図１４により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第４例を説明する。
この第４例においては、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を過去のインバータ許可電流値の状態に応じて変更している。即ち、過去のインバータ許可電流値の変化率が大きいほどインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が大きくなるように次にインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更している。
過去のインバータ許可電流値の状態として、例えば、過去５回分のインバータ許可電流値の差分の平均値を用いるのが好ましい。また、過去５回分のインバータ許可電流値自体の平均値を用いるようにしても良い。

この本実施形態の第４例によれば、指令電流値の変化率が小さい発電初期は、改質遅れ、燃料や空気の分散性が低く安定もしていないので、指令電流値の単位時間当たりの変化量を小さくして抑えることにより、燃料枯れを確実に防止でき、一方、指令電流値の変化率が大きな発電への移行過程では、空気の分散性や改質の安定性も図れるため、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を大きくすることで追従性が上がり省エネ性能の向上が図れる。

次に、図１５により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第５例を説明する。
この第５例においては、現在のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を、目標となるインバータ許可電流値に対する偏差が小さくなるほど小さくなるように変更（補正）している。具体的には、図１５に示すように、インバータ許可電流値の偏差が０Ａ〜２Ａの間の領域では、インバータ許可電流値の偏差が大きいほど、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の補正量は大きな値となっており、インバータ許可電流値の偏差２Ａ以上の領域では、補正量は一定値となっている。また、インバータ許可電流値の偏差が１．５Ａのとき、補正量は「１」となっている。

この本実施形態の第５例によれば、現在のインバータ許可電流値の目標となるインバータ許可電流値に対する偏差が小さくなるほど現在のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を小さくなるように変更（補正）したので、追従性を高めることができる。さらに、偏差が小さくなる収束過程では、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量も低下してインバータ許可電流値がゆっくりと目標となるインバータ許可電流値に到達するため、燃料枯れを確実に防止できる。

次に、図１６により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第６例を説明する。
この第６例においては、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量について予め異なる３個の比例特性を準備しておき、負荷の変化量（負荷変化量）に応じて、これらの比例特性の１つを選択し、この選択された比例特性により、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更するようにしている。

具体的には、図１６に示すように、負荷変化量が大の場合に選択するインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が３Ａ／ｍｉｎの比例特性Ｂ１、負荷変化量が中の場合に選択するインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が２Ａ／ｍｉｎの比例特性Ｂ２、負荷変化量が小の場合に選択するインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が１Ａ／ｍｉｎの比例特性Ｂ３を準備し、負荷変化量の大きさに応じて、これらの比例特性のうちの一つが選択されるようになっている。

この第６例においては、燃料電池の制御の簡便性を図ることができると共に、変化する負荷量に対してインバータ許可電流値の変化を安定させることができ、その結果、燃料、空気、改質反応を安定化させることができる。

次に、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第７例を説明する。
この第７例においては、図１６に示す、複数の比例特性に対応する負荷量の変化量（大、中、小）を、負荷量に応じて決定される指令電流値の上下範囲内となるように設定し、さらに、負荷の変化量が比例特性Ｂ１で定めた最大負荷変化量（負荷変化量大）を越える場合であっても、最大の負荷量の変化量を定めた比例特性Ｂ１を選択するように規制している。

この第７例によれば、負荷量が大きく変化しても、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を抑えるようにしたので、燃料、空気、改質反応の安定化が図れる。

次に、図１７により、本実施形態による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する制御内容の第８例を説明する。
この第８例においては、現在のインバータ許可電流値の目標となるインバータ許可電流値に対する偏差について予め異なる３個の比例特性を準備しておき、偏差の大きさに応じて、これらの比例特性の１つを選択し、この選択された比例特性により、現在のインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更するようにしている。

具体的には、図１７に示すように、現在のインバータ許可電流値の目標となるインバータ許可電流値に対する偏差が３Ａ以上の比例特性Ｃ１、偏差が１Ａ〜３Ａの比例特性Ｃ２、偏差が１Ａ未満の比例特性Ｃ３を準備し、偏差の大きさに応じて、これらの比例特性のうちの一つが選択されるようになっている。

この第８例によれば、現在のインバータ許可電流値の目標となるインバータ許可電流値に対する偏差に対応させて複数の比例特性を準備しているので、制御の簡素化を図り、偏差に対する最適な特性とすることにより安定性と安定化が図れ、省エネ性能と燃料枯れを両立させることができる。

さらに、本実施形態においては、上述した第１例から第８例と同時に、以下の制御を実行してもよい。即ち、現在のインバータ許可電流値の目標となるインバータ許可電流値に対する偏差の単位時間当たりの変化量を変更すると同時に、この現在のインバータ許可電流値の目標となるインバータ許可電流値に対する偏差の単位時間当たりの変化量に対応させて燃料供給量を変化させるようにしても良い。

これにより、本実施形態によれば、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更すると同時に、このインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量に対応させて燃料供給量を合せて変化させるので、燃料電池セルに対する信頼性を一層高めた状態で負荷追従性を高めることが可能となる。

次に、図１８乃至図２２により、本発明の第２実施形態の固体電解質型燃料電池による負荷追従のための所定のパラメータによりインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変化させる制御内容（即ち、第２インバータ許可電流値変更手段による制御内容）を説明する。以下、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を、改質器の温度、燃料電池セルスタックの温度、外気温度等のパラメータにより、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更して、燃料電池セルの信頼性を向上させ、省エネ性能を高めた例を説明するが、これらの例は、必要に応じて、任意に組み合わせて実施される。

先ず、図１８により、第２実施形態の第２インバータ許可電流値変更手段による、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更する前提となるインバータ許可電流値の変化を説明する。
図１８に示すように、インバータ許可電流値が目標となるインバータ許可電流値に到達するために、インバータ許可電流値は、例えば、単位時間当たりの変化量２Ａ／ｍｉｎで変化する。

次に、図１９により、第２実施形態による第２指令電流値変更手段により、所定のパラメータである「改質器温度」によるインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変化させる制御内容（第１例）を説明する。
図９に示すように、改質器温度は、改質反応が開始された低温領域から、改質反応が安定して行われる安定高温領域に移行する。さらに、改質器が異常状態となったり、燃料電池セルが劣化したような場合には、改質器温度は、安定高温領域よりさらに高温である異常高温領域となる。

本実施形態においては、先ず、このような改質器温度の状態に基づいて、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更（補正）している。
この本発明の第２実施形態の第１例によれば、改質反応の変化を示す改質器の温度状態に基づいて、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更（補正）するようにしているので、改質器の改質反応の変化を吸収することにより、インバータ許可電流値の単位当たりの変化量（変化率）を最適化することができ、それにより、燃料電池セルの信頼性と省エネ性能を高めることができる。

次に、図１９に示すように、第２実施形態の第１例においては、図１９の補正量が「１」（改質器温度はＡ℃）より小さい場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量は小さくなるように変更（補正）され、補正量が「１」より大きな場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量は大きくなるように変更（補正）される。さらに、安定高温領域（Ｂ℃〜Ｃ℃）では、指令電流値の単位時間当たりの変化量の補正量は一定となっている。
このように、第１例では、改質器の温度が所定温度（改質器温度がＣ℃）以下の温度領域では、改質器の温度が高いほどインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が大きくなるように変更（補正）している。
この第２実施形態の第２例によれば、改質器が所定温度（改質器温度がＣ℃）以下の温度領域において、改質器温度がＡ℃〜Ｃ℃の高温状態では、改質器における改質反応が安定状態となっているためインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が大きくなるように補正して、負荷追従性を高めることができる。また、改質器温度がＡ℃以下の改質器温度が低い改質反応が十分でない低温状態では、インバータ許可電流値の単位時間単位の変化量が小さくなるように変更（補正）しているため、燃料電池セルの信頼性を確保すると共に省エネ性能を向上することができる。

さらに、図１９に示すように、第２実施形態の第１例においては、改質器温度が所定温度（改質器の温度がＣ℃）以上の異常高温領域であると判定された場合には、指令電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように補正している。
この第２実施形態の第１例によれば、改質器の温度が高温領域の場合には、改質器の異常や燃料電池セルの異常（劣化）の可能性があるため、このような場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように変更（補正）したので、省エネ性能を確保した上で燃料電池セルの更なる劣化を抑制して信頼性を高めることができる。

次に、図２０により、第２実施形態の第２指令電流値変更手段による、所定のパラメータである「燃料電池セルスタック温度」によるインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変化させる制御内容（第２例）を説明する。
図２０に示すように、燃料電池セルスタック温度は、発電反応が開始された低温領域から、発電反応が安定して行われる安定高温領域に移行する。さらに、燃料電池セルが劣化したような場合には、燃料電池セルスタック温度は、安定高温領域よりさらに高温である異常高温領域となる。

本実施形態においては、先ず、燃料電池セルスタック温度の状態に基づいて、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を補正してインバータ許可電流値を変更（補正）するようにしている。
この本発明の第２実施形態の第２例によれば、発電反応の変化を示す燃料電池セルスタックの温度状態に基づいて、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更（補正）するようにしているので、燃料電池セルスタックの発電反応の温度状態により、インバータ許可電流値を最適化することができ、それにより、燃料電池セルの信頼性と省エネ性能を高めることができる。

次に、図２０に示すように、第２実施形態の第２例においては、図２０の補正量が「１」（燃料電池セルスタック温度はＤ℃）より小さい場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量は小さくなるように変更（補正）され、補正量が「１」より大きな場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量は大きくなるように変更（補正）される。さらに、安定高温領域（Ｅ℃〜Ｆ℃）では、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量の補正量は一定となっている。
このように、第２例では、燃料電池セルスタック温度が所定温度（燃料電池セルスタック温度がＦ℃）以下の温度領域で、燃料電池セルスタック温度が高いほどインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が大きくなるように変更（補正）して、指令電流値を変更するようにしている。
この第２実施形態の第２例によれば、燃料電池セルスタックが所定温度（燃料電池セルスタック温度がＦ℃）以下の温度領域で高温状態の場合には燃料電池セルスタックにおける発電反応が安定状態となっているため、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が大きくなるように変更（補正）して、負荷追従性を高めることができ、その結果、燃料電池セルの信頼性を確保すると共に省エネ性能を向上することができる。

さらに、図２０に示すように、第２実施形態の第２例においては、燃料電池セルスタック温度が所定温度（燃料電池セルスタック温度がＦ℃）以上の異常高温領域であると判定された場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように変更（補正）している。
この第２実施形態の第２例によれば、燃料電池セルスタックの温度が異常高温領域の場合には燃料電池セルが異常（劣化）の可能性があり、また、燃料電池セルスタックへ供給される発電用空気が膨張して酸素濃度が低下して必要な酸素量が不足していると考えられるため、このような場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を小さくなるように変更（補正）したので、省エネ性能を確保した上で燃料電池セルの信頼性を高めることができる。

次に、図２１により、第２実施形態による第２指令電流値変更手段により、所定のパラメータである「外気温度」によるインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変化させる制御内容（第３例）を説明する。
図２１に示すように、第２実施形態の第３例では、外気温度が低いほど、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように変更（補正）している。
具体的には、図２１に示すように、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量は、補正量が「１」より大きい外気温度がＨ℃より高温領域では大きくなるように変更（補正）され、補正量が「１」である０℃の温度のときは補正されず、補正量が「１」より小さい外気温度がＧ℃の低温領域では小さくなるように変更（補正）される。

この第２実施形態の第３例によれば、外気温度が低い低温下では、燃料電池セルスタック周辺空間の温度変化が小さくなり、さらに、改質器における水蒸気発生の低下が考えられるため、このような状態に追従して、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように補正したので、省エネ性能を高めながら燃料電池セルの信頼性を高めることができる。

次に、図２２により、第２実施形態による第２指令電流値変更手段により、所定のパラメータである「燃料電池セルの異常状態」によるインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変化させる制御内容（第４例）を説明する。
先ず、燃料電池セルは長年の使用により劣化していくので、この燃料電池セルが劣化状態となった場合には、異常状態と判定される。例えば、燃料電池セルは、燃料ガス供給量、発電用空気供給量、水供給量を上限定格発電出力（例えば７００Ｗ）に対応する供給量に所定時間維持することにより、燃料電池セルの運転状態を安定させ、この安定後に、発電室温度が所定温度よりも高い場合には、劣化と判定される。また、フィルター詰まり等でも燃料電池セルが異常状態であると判定される。

この第２実施形態の第４例においては、燃料電池セルが異常であると判定した場合には、図２１に示すように、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように、具体的には、２Ａ／ｍｉｎを０．５Ａ／ｍｉｎに変更（補正）している。
この第２実施形態の第４例によれば、燃料電池セルの劣化やフィルター詰まりなどの燃料電池セルが異常状態と判定された場合には、インバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量が小さくなるように変更（補正）して、インバータ許可電流値を下げるようにしたので、省エネ性能を高めながら燃料電池セルの信頼性を高めることができる。

次に、本発明の第３実施形態による固体電解質型燃料電池を説明する。この第３実施形態は、上述した第１実施形態における第１インバータ許可電流値変更手段と第２実施形態における第２インバータ許可電流値変更手段を組合わせたものである。
具体的には、先ず、第１インバータ許可電流値変更手段により、負荷量によりインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更し、次に、この第１インバータ許可電流値変更手段により変更されたインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を、第２インバータ許可電流値変更手段により、所定のパラメータにより更に変更するようにしている。
この第３実施形態においても、上述した第１実施形態における第１例乃至第８例を必要に応じて適宜組合わせるようにしても良く、さらに、上述した第２実施形態における第１例乃至第４例を必要に応じて適宜組み合わせるようにしても良い。

この第３実施形態によれば、先ず、第１インバータ許可電流値変更手段により、負荷量によりインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を変更し、次に、第２インバータ許可電流値変更手段により、発電反応や改質反応の変化が生じる状況を判断してインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を更に変更するようにしているので、負荷量によりインバータ許可電流値の単位時間当たりの変化量を最適に変更する第１インバータ許可電流値変更手段を設けたことにより負荷に対する制御感度を高めることができ、さらに、負荷以外のパラメータによってもインバータ許可電流値を変更するようにしたので、燃料電池セルの信頼性を担保することが可能となって負荷追従性能を大きく且つ安全に高めることができる。

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
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
３０燃料供給源
３８燃料流量調整ユニット
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
５６施設
５８商用電源
８３点火装置
８４燃料電池セル
１１０制御部
１１１指令電流値設定部
１１２操作装置
１１４表示装置
１１６報知装置
１２６電力状態検出センサ
１４２発電室温度センサ
１５０外気温度センサ

Claims

需要電力から決定される要求電力である負荷に応じて燃料供給量を変更する負荷追従機能を備えた固体電解質型燃料電池において、
複数の固体電解質型燃料電池セルからなる燃料電池セルスタック及び燃料を改質して燃料電池セルへ供給する改質器を有する燃料電池モジュールと、
上記燃料電池モジュールによって発電された電力を受け入れ、交流に変換するインバータ手段と、
上記負荷の量に基づいて、上記燃料電池モジュールが発電すべき指令電力値を設定する指令電力値設定手段と、
上記指令電力値を生成できるように燃料電池セルに供給する燃料流量を決定して供給する燃料制御手段と、
上記燃料制御手段により燃料電池セルに燃料流量を供給した後に、上記燃料電池モジュールからの電力の引き出し許可量となる上記指令電力値に対応したインバータ許可電力値を上記インバータ手段に指示するインバータ許可電力値指示手段と、
上記燃料電池モジュール内の温度に基づいて、次のインバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を変更して上記インバータ許可電力値指示手段に出力するインバータ許可電力値変更手段と、を有し、
上記インバータ許可電力値変更手段は、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を、第１の所定温度以下の温度領域では温度が高いほど大きくなるように変更し、第１の所定温度よりも高温である第２の所定温度以上の温度領域では温度が高いほど小さくなるように変更することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
上記燃料電池モジュール内の温度は、上記改質器の温度であり、更に、上記改質器の温度を検出する改質器温度検出手段を備えている請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
上記燃料電池モジュール内の温度は、上記燃料電池セルスタックの温度であり、更に、上記燃料電池セルスタックの温度を検出するスタック温度検出手段を備えている請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
上記インバータ許可電力値変更手段は、インバータ許可電力値の単位時間当たりの変化量を、上記第１の所定温度と第２の所定温度の間の温度領域において、一定になるように制御する請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。