(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を形成し、電力を発生する複数のセルと、
前記セルそれぞれに対応し、前記セルの温度を測定するセル温度測定部と、
前記セルそれぞれに対応し、熱移送モード及び熱発電モードを有する熱電変換部と、
複数の前記セルを加熱する加熱部と、
前記加熱部を制御する第１制御部と、
前記熱電変換部それぞれに対応し、前記熱電変換部を制御する第２制御部と、
を備える発電システムの制御方法であって、
前記第１制御部は、前記加熱部の温度が所定の制御温度範囲内に入るように、前記加熱部を制御し、
前記第２制御部は、前記セルの温度が所定の動作温度範囲外であれば、前記熱電変換部を熱移送モードにして、前記セルの温度を所定の動作温度範囲内に入るように制御し、前記セルの温度が所定の動作温度範囲内であれば、前記熱電変換部を前記発電モードにし、
更に、
前記第２制御部は、前記熱移送モードでは、前記セルの加熱又は冷却と、前記熱電変換部による発電とを、前記熱電変換部に交互に行わせ、
前記第１制御部は、前記熱電変換部の発電した電圧値を用いて、前記加熱部の温度を求める発電システムの制御方法。
【請求項２】
前記熱電変換部は、対応する前記セルに対向するセル側と、前記セル側とは反対側の前記加熱部を向いた加熱部側とを有しており、
前記第１制御部は、前記セルの温度と前記熱電変換部の発電した電圧値と前記熱電変換部の前記加熱部側の温度との関係を表すテーブルと、前記セル温度測定部が測定した前記セルの温度と、前記熱電変換部の発電した電圧値とを用いて、前記加熱部の温度を求める請求項１に記載の発電システムの制御方法。
【請求項３】
前記加熱部の温度と前記加熱部の所定の制御温度範囲との関係、及び前記セル温度測定部が測定した前記セルの温度と前記セルの所定の動作温度範囲との関係、に基づいて、
前記第１制御部が前記加熱部を制御すると共に、前記第２制御部が前記熱電変換部を制御する請求項１又は２に記載の発電システムの制御方法。
【請求項４】
燃料電池を形成し、電力を発生する複数のセルと、
前記セルそれぞれに対応し、前記セルの温度を測定するセル温度測定部と、
前記セルそれぞれに対応し、熱移送モード及び熱発電モードを有する熱電変換部と、
複数の前記セルを加熱する加熱部と、
前記加熱部を制御する第１制御部と、
前記熱電変換部それぞれに対応し、前記熱電変換部を制御する第２制御部と、
を備え、
前記第１制御部は、前記加熱部の温度が所定の制御温度範囲内に入るように、前記加熱部を制御し、
前記第２制御部は、前記セルの温度が所定の動作温度範囲外であれば、前記熱電変換部を熱移送モードにして、前記セルの温度を所定の動作温度範囲内に入るように制御し、前記セルの温度が所定の動作温度範囲内であれば、前記熱電変換部を前記発電モードにし、
更に、
前記第２制御部は、前記熱移送モードでは、前記セルの加熱又は冷却と、前記熱電変換部による発電とを、前記熱電変換部に交互に行わせ、
前記第１制御部は、前記熱電変換部の発電した電圧値を用いて、前記加熱部の温度を求める発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を用いた発電システムが検討されている。燃料電池の動作温度は、主に、電解質層がイオンを透過する温度によって決定される。電解質の中でも、固体酸化物を用いる燃料電池は、高い動作温度を有しており、高い発電効率が期待されている。
【０００３】
また、燃料電池では、多数の発電セルが直列又は並列接続して用いられる。各発電セルの発電特性にはばらつきがあるので、多数の発電セルが集合した状態で発電する場合には、各発電セルを最適の発電出力で安定して動作させるために、発電セルごとに発電動作温度が設定される。従って、燃料電池では、発電セルごとに、温度が制御されることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２８５２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２００７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、固体酸化物を用いる燃料電池の動作温度は、例えば、５００℃〜１０００℃という高温である。停止している燃料電池を発電させる場合には、燃料電池を起動させてから上述した動作温度に達するまでに要する時間を短くすることが望まれる。
【０００６】
従って、燃料電池を形成する各発電セルの温度を短い時間で上昇させること、又は各発電セルの温度を個別に制御することが求められている。
【０００７】
また、発熱反応を利用する燃料電池の発電では、発電の際に生じる熱エネルギーが有効に利用されることが望ましい。
【０００８】
大規模な燃料電池システムでは、発電の際に生じる熱エネルギーを有効に利用するために、水を加熱しお湯として利用する方法や、さらに電気エネルギーに変換する手段としてタービン等の機械的な熱機関を用いて発電機を動かすことが考えられる。しかし、このような機械的な手段は、多くの機械的な可動部を有するので、構造が複雑となり、また、保守が容易ではない。また、小規模な燃料電池システムでは、タービン等の機械的な手段を用いることは適当ではない場合がある。
【０００９】
本明細書では、発電システム及びその制御方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書に開示する発電システムの制御方法の一形態によれば、燃料電池を形成し、電力を発生する複数のセルと、上記セルそれぞれに対応し、上記セルの温度を測定するセル温度測定部と、上記セルそれぞれに対応し、熱移送モード及び熱発電モードを有する熱電変換部と、複数の上記セルを加熱する加熱部と、上記加熱部を制御する第１制御部と、上記熱電変換部それぞれに対応し、上記熱電変換部を制御する第２制御部と、を備える発電システムの制御方法であって、上記第１制御部は、上記加熱部の温度が所定の制御温度範囲内に入るように、上記加熱部を制御し、上記第２制御部は、上記セルの温度が所定の動作温度範囲外であれば、上記熱電変換部を熱移送モードにして、上記セルの温度を所定の動作温度範囲内に入るように制御し、上記セルの温度が所定の動作温度範囲内であれば、上記熱電変換部を上記発電モードにする。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本明細書に開示する発電システムの制御方法の一形態によれば、燃料電池を形成する各セルの温度を個別に制御することができる。
【００１２】
また、本明細書に開示する発電システムの制御方法の一形態によれば、燃料電池を形成する各セルの温度を短い時間で所要の動作温度範囲内に安定させることができる。
【００１３】
更に、本明細書に開示する発電システムの制御方法の一形態によれば、燃料電池の発電の際に生じる熱エネルギーを、機械的な可動部を用いずに電気エネルギーに変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本明細書に開示する発電システムの第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の発電システムの要部を示す図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面図である。
【図４Ａ】図１の第２制御部を説明する図である。
【図４Ｂ】図１の第１制御部が有するテーブルを説明する図である。
【図５】図３の発電セルの変形例を示す図である。
【図６】図３の熱電変換部を形成する熱電変換素子の電気接続構造を示す斜視図である。湾曲部を分かりやすくするため、平らに展開し表現している。
【図７】図３の熱電変換部の基本構造を説明する斜視図である。湾曲部を分かりやすくするため、平らに展開し表現している。
【図８】図３の熱電変換部と発電セルの変形例を示す図である。
【図９】図１の発電システムの起動時の温度制御を説明するフローチャートである。
【図１０】熱移送モードにおける熱電変換部の動作を説明する図である。
【図１１】図１の発電システムの起動後の温度制御を説明するフローチャートである。
【図１２】本明細書に開示する発電システムの第２実施形態を示すブロック図である。
【図１３Ａ】図１２の発電システムの温度制御を説明するフローチャート（その１）である。
【図１３Ｂ】図１２の発電システムの温度制御を説明するフローチャート（その２）である。
【図１４】本明細書に開示する発電システムの第３実施形態を示すブロック図である。
【図１５】図１４の発電システムの要部を示す図である。
【図１６】図１４の発電システムの起動時の温度制御を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本明細書で開示する発電システムの好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１６】
図１は、本明細書に開示する発電システムの第１実施形態を示すブロック図である。図２は、図１の発電システムの要部を示す図である。図３は、図２のＸ−Ｘ線断面図である。図４Ａは、図１の第２制御部を説明する図である。図４Ｂは、図１の第１制御部が有するテーブルを説明する図である。
【００１７】
本実施形態の発電システム１０は、燃料電池を形成する２つの発電セル１１ａ、１１ｂと、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれに対応し、対応する発電セル１１ａ、１１ｂの温度を測定するセル温度測定部１２ａ、１２ｂと、を備え得る。セル温度測定部１２ａ、１２ｂとしては、例えば、熱電対を用いることができる。
【００１８】
また、発電システム１０は、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれに対応した熱電変換部１３ａ、１３ｂを備え得る。熱電変換部１３ａ、１３ｂは、対応する発電セル１１ａ、１１ｂを加熱又は冷却する熱移送モード、及び対応する発電セル１１ａ、１１ｂから熱エネルギーを受け取って発電する熱発電モードを有する。
【００１９】
熱移送モードでは、熱電変換部１３ａ、１３ｂがペルチエ素子として機能し、熱の移送を行う。熱電変換部１３ａ、１３ｂは、対応する発電セルに対向するセル側と、セル側とは反対側の加熱部１４に向いた加熱部側とを有している。熱移送モードでは、熱電変換部は、電力が供給されて、セル側と加熱部側との間で熱の移送を行う。
【００２０】
一方、熱発電モードでは、熱電変換部１３ａ、１３ｂが、ゼーベック素子として機能して、発電セルによって加熱されたセル側と、このセル側よりも温度が低い加熱部側との温度差によって、熱発電を行う。
【００２１】
また、発電システム１０は、２つの発電セル１１ａ、１１ｂを加熱する加熱部１４と、加熱部１４の温度に基づいて、加熱部１４を制御する第１制御部１５とを備え得る。
【００２２】
また、発電システム１０は、熱電変換部１３ａ、１３ｂそれぞれに対応し、対応する熱電変換部１３ａ、１３ｂを制御する第２制御部１６ａ、１６ｂを備え得る。第２制御部１６ａは、セル温度測定部１２ａが測定した発電セル１１ａの温度に基づいて、熱電変換部１３ａを、熱移送モード又は熱発電モードに切り替える。同様に、第２制御部１６ｂは、セル温度測定部１２ｂが測定した発電セル１１ｂの温度に基づいて、熱電変換部１３ｂを、熱移送モード又は熱発電モードに切り替える。
【００２３】
発電システム１０では、第１制御部１５が加熱部１４を制御するのと共に、第２制御部１６ａ、１６ｂそれぞれが対応する各熱電変換部１３ａ、１３ｂを制御して、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれの温度が制御される。
【００２４】
更に、発電システム１０は、熱電変換部１３ａが発電した電力を取り出す電力端子１９ａと、熱電変換部１３ｂが発電した電力を取り出す電力端子１９ｂと、２つの発電セル１１ａ、１１ｂが発電した電力を取り出す電力端子１９ｃと、を備え得る。
【００２５】
このように、発電システム１０は、上述した発電セル１１ａとセル温度測定部１２ａと熱電変換部１３ａとを有する第１セル集合体Ｃａと、発電セル１１ｂとセル温度測定部１２ｂと熱電変換部１３ｂとを有する第２セル集合体Ｃｂと、を備え得る。
【００２６】
発電システム１０では、発電セル１１ａと発電セル１１ｂとは、発電特性に個体差があるので、２つの発電セルを用いて同時に発電する場合には、各発電セルを最適の発電出力で安定して動作させるために、発電セルごとに独自の発電動作温度が設定されて制御されることが好ましい。なお、この発電動作温度には、後述するように所定の範囲があっても良い。
【００２７】
具体的には、発電システム１０では、第１制御部１５及び加熱部１４を用いて、２つの発電セル１１ａ、１１ｂの全体が加熱される。更に、発電システム１０では、第２制御部１６ａ、１６ｂを用いて、２つの発電セル１１ａ、１１ｂの温度が、個別に制御される。
【００２８】
第１セル集合体Ｃａでは、第２制御部１６ａが、セル温度測定部１２ａ及び熱電変換部１３ａを用いて、発電セル１１ａの温度を制御する。同様に、第２セル集合体Ｃｂでは、第２制御部１６ｂが、セル温度測定部１２ｂ及び熱電変換部１３ｂを用いて、発電セル１１ｂの温度を制御する。
【００２９】
次に、第１セル集合体Ｃａを制御する第２制御部１６ａについて、図４Ａを参照して、以下に説明する。
【００３０】
第２制御部１６ａは、熱移送モードにおいて熱電変換部１３ａに電力を供給するための２つの駆動増幅器４１ａ、４１ｂと、熱発電モードにおいて熱電変換部１３ａが発電した電力を取り出す電力端子１９ａと、を有し得る。また、第２制御部１６ａは、２回路２接点を有するスイッチ４２ａ、４２ｂと、別の２回路２接点を有するスイッチ４３ａ、４３ｂと、を有し得る。更に、第２制御部１６ａは、セル温度測定部１２ａから発電セル１１ａの温度を入力し、２つの駆動増幅器４１ａ、４１ｂと、スイッチ４２ａ、４２ｂと、スイッチ４３ａ、４３ｂと、を制御する演算部４０を有し得る。
【００３１】
演算部４０からの信号を入力したスイッチ４２ａ、４２ｂは、連動して開閉動作を行う。同様に、演算部４０から信号を入力したスイッチ４３ａ、４３ｂは、連動して開閉動作を行う。スイッチ４２ａ、４２ｂ又はスイッチ４３ａ、４３ｂとしては、トランジスタ等のスイッチング素子又は継電器等を用いることができる。
【００３２】
スイッチ４２ａの一方の端子とスイッチ４３ａの一方の端子とは電気的に接続しており、これらの端子は熱電変換部１３ａのＮ側の電極とも接続している。また、スイッチ４２ｂの一方の端子とスイッチ４３ｂの一方の端子とは電気的に接続しており、これらの端子は熱電変換部１３ａのＰ側の電極とも接続している。
【００３３】
スイッチ４２ａの他方の端子は、駆動増幅器４１ａの出力端子と接続している。スイッチ４２ｂの他方の端子は、駆動増幅器４１ｂの出力端子と接続している。スイッチ４３ａの他方の端子は、電力端子１９ａと接続している。スイッチ４３ｂの他方の端子は、電力端子１９ａと接続している。
【００３４】
また、第１セル集合体Ｃａを制御する第２制御部１６ａでは、スイッチ４３ａの他方の端子が、演算部４０に接続している。スイッチ４３ｂの他方の端子も、演算部４０に接続している。熱発電をしている熱電変換部１３ａからの電力が、スイッチ４３ａ、４３ｂを介して、演算部４０に入力され、演算部４０は熱電変換部１３ａの熱発電による電圧値及び電流値を測定する。演算部４０は、測定した電圧値及び電流値を第１制御部４０に出力する。
【００３５】
本実施形態の発電システム１０では、第２セル集合体Ｃｂを制御する第２制御部１６ｂは、熱電変換部１３ｂが発電した電圧値及び電流値を測定する機能は有していない。その他の第２制御部１６ｂの機能及び構造は、第２制御部１６ａと同じなので、第２制御部１６ａに関する上述した説明は、第２制御部１６ｂに対しても適宜適用される。なお、第２セル集合体Ｃｂを制御する第２制御部１６ｂに、第１セル集合体Ｃａを制御する第２制御部１６ａと同様に、熱電変換部１３ｂが発電した電圧値及び電流値を測定する機能を設けても良い。
【００３６】
演算部４０からの駆動増幅器４１ａへの出力信号は、非反転入力端子に入力される。駆動増幅器４１ａの反転入力端子はグラウンドに接続される。また、演算部４０からの駆動増幅器４１ｂへの出力信号は、反転入力端子に入力される。駆動増幅器４１ｂの非反転入力端子はグラウンドに接続される。
【００３７】
演算部４０からの出力信号を入力した２つの駆動増幅器４１ａ、４１ｂは、スイッチ４２ａ、４２ｂを介して、熱電変換部１３ａへ電力を供給する。演算部４０は、２つの駆動増幅器４１ａ、４１ｂへの出力信号を制御することによって、熱電変換部１３ａに供給される電流の向きを反転できる。熱電変換部１３ａは、供給される電流の向きによって、発電セル１１ａを加熱又は冷却する。
【００３８】
演算部４０は、セル温度測定部１２ａから発電セル１１ａの温度を入力し、入力した発電セル１１ａの温度に基づいて、熱電変換部１３ａを、熱移送モード又は熱発電モードに切り替える。本実施形態では、セル温度測定部１２ａは、２線式の温度センサであり、２本の検出線が演算部４０に接続される。
【００３９】
熱移送モードでは、演算部４０が、スイッチ４３ａ、４３ｂを開くと共にスイッチ４２ａ、４２ｂを閉じて、２つの駆動増幅器４１ａ、４１ｂから、熱電変換部１３ａに電力を供給する。
【００４０】
発電セル１１ａは発電動作温度Ｔｏｐａを有しており、熱移送モードでは、第２制御部１６ａの演算部４０は、制御される発電セル１１ａの温度が発電動作温度Ｔｏｐａになるように、対応する熱電変換部１３ａを制御する。なお、発電セル１１ｂも、発電動作温度Ｔｏｐｂを有しており、熱移送モードでは、第２制御部１６ｂは、制御される発電セル１１ｂの温度が発電動作温度Ｔｏｐｂになるように、対応する熱電変換部１３ｂを制御する。
【００４１】
演算部４０による熱電変換部１３ａの温度制御の方法としては、例えば、ＰＩＤ制御を用いることができる。
【００４２】
一方、熱発電モードでは、演算部４０は、スイッチ４２ａ、４２ｂを開くと共にスイッチ４３ａ、４３ｂを閉じて、熱電変換部１３ａが発電した電力を電力端子１９ａへ出力させる。
【００４３】
演算部４０は、ＣＰＵと、記憶部と、入出力部、Ａ／Ｄ変換器等を用いて形成することができる。具体的には、演算部４０は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、又はプログラマブルコントローラ等を用いて形成することができる。
【００４４】
次に、加熱部２８について、図２及び図３を参照して、以下に説明する。
【００４５】
加熱部２８は、断熱性を有し且つ密閉された反応容器２８の内側に配置されて、第１セル集合体Ｃａ及び第２セル集合体Ｃｂを取り囲んでいる。加熱部１４は、内部に配置された発電セル１１ａ及び発電セル１１ｂを加熱する。
【００４６】
加熱部２８は、発電セル１１ａ、１１ｂを形成する電解質がイオン導電性を良好に示す温度まで、発電セル１１ａ、１１ｂを加熱する能力を有し得る。
【００４７】
次に、第１制御部１５について、以下に説明する。
【００４８】
第１制御部１５は、加熱部１４の制御温度範囲Ｔｃｏｎを有しており、制御温度範囲Ｔｃｏｎよりも低い温度にある加熱部１４を、制御温度範囲Ｔｃｏｎに向けて制御して加熱し得る。
【００４９】
そして、発電システム１０では、第１制御部１５が加熱部１４を制御するのと共に、第２制御部１６ａ、１６ｂが、対応する熱電変換部１３ａ、１３ｂを制御して、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれの温度が制御され得る。
【００５０】
第１制御部１５による加熱部１４の温度制御の方法としては、例えば、ＰＩＤ制御を用いることができる。
【００５１】
第１制御部１５は、ＣＰＵと、記憶部と、入出力部と、Ａ／Ｄ変換器等を用いて形成することができる。具体的には、第１制御部１５は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、又はプログラマブルコントローラ等を用いて形成することができる。
【００５２】
発電システム１０では、第１制御部１５は、以下のようにして、加熱部１４の温度を求め得る。
【００５３】
図４Ｂに示すように、第１制御部１５は、第１セル集合体Ｃａの発電セル１１ａの温度と、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値と、熱電変換部１３ａの加熱部側の温度との関係を表すテーブルＴを有している。第１制御部１５は、テーブルＴと、セル温度測定部１２ａが測定した発電セル１１ａの温度と、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値とを用いて、加熱部１４の温度を求める。
【００５４】
テーブルＴは、例えば、以下に説明するようにして得られる。
【００５５】
まず、熱電変換部１３ａの加熱部側に温度センサを取り付ける。この温度センサは、熱電変換部１３ａの加熱部側の温度を測定する。次に、発電セル１１ａの内部に、例えば後述する燃料導入管２５ａの内部に、棒状ヒータを挿入する。
【００５６】
次に、棒状ヒータで発電セル１１ａを内部から加熱し、所定の温度範囲内で、セル温度測定部１２ａを用いて発電セル１１ａの温度を測定して、少なくとも３水準の第１温度水準を設定する。このようにして、セル温度測定部１２ａを用いて測定される発電セル１１ａの温度を、第１温度水準と呼ぶ。第１温度水準の温度範囲は、発電システム１０の動作時に、発電セル１１ａが取り得る温度範囲とすることが好ましい。第１温度水準は、例えば、２０℃〜７００℃の間で、１０℃間隔で設定される。
【００５７】
次に、各第１温度水準において、加熱部１４で発電セル１１ａを加熱して、熱電変換部１３ａの加熱部側の温度を、上記温度センサを用いて測定する。このようにして、上記温度センサを用いて測定される熱電変換部１３ａの加熱部側の温度を、第２温度水準と呼ぶ。第２温度水準の温度範囲は、発電システム１０の動作時に加熱部１４が取り得る温度範囲とすることが好ましい。第２温度水準は、例えば、加熱部１４が取り得る温度範囲として、第１温度水準よりも０℃〜３００℃だけ小さい温度範囲とすることができる。この温度範囲は、発電セル１１ａの発電動作温度と発電セル１１ｂの発電動作温度との差よりも大きくすることが好ましい。そして、各第２温度水準は、例えば、１０℃間隔で設定され得る。
【００５８】
次に、各第１温度水準における第２温度水準それぞれにおいて、熱電変換部１３ａに負荷抵抗を接続して、熱電変換部１３ａで熱発電をさせて、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値を測定する。
【００５９】
このようにして、第１セル集合体Ｃａの発電セル１１ａの温度と、熱電変換部１３ａの加熱部側の温度と、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値との関係を表すテーブルＴが得られる。このテーブルＴは、第１制御部１５に記憶される。そして、熱電変換部１３ａの加熱部側の温度が、加熱部１４の温度を示していると考える。
【００６０】
従って、第１制御部１５は、テーブルＴと、セル温度測定部１２ａが測定した発電セル１１ａの温度と、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値とを用いて、加熱部１４の温度を求めることができる。
【００６１】
次に、第１セル集合体Ｃａの発電セル１１ａについて、図２及び図３を参照して、以下に説明する。第２セル集合体Ｃｂの発電セル１１ｂの構造は、発電セル１１ａと同じなので、発電セル１１ａに関する以下の説明は、発電セル１１ｂに対しても適宜適用される。
【００６２】
発電セル１１ａは、円筒形のカソード電極層２１ａと、カソード電極層２１ａの内側に配置された円筒形の電解質層２２ａと、電解質層２２ａの内側に配置された円筒形のアノード電極層２３ａとを有している。カソード電極層２１ａ、及び電解質層２２ａ、及びアノード電極層２３ａは、上下が開放された円筒形である。アノード電極層２３ａの内径は、発電出力、用途に応じ０．１ｍｍ〜１０ｃｍの範囲にすることができる。
【００６３】
また、発電セル１１ａは、カソード電極層２１ａの外側に間隔をあけて配置された円筒形の空気排出管２７ａを有している。空気排出管２７ａの外面には、円筒形の熱電変換部１３ａが配置される。空気排出管２７ａは、上下が開放された円筒形である。
【００６４】
電解質層２２ａは、円筒形の排気管２６ａの下側の一部を形成する。排気管２６ａは、上側が開放されており、下側は閉じた円筒形である。排気管２６ａの内側には、間隔をあけて配置された燃料導入管２５ａが配置される。燃料導入管２５ａは、上下が開放された円筒形である。
【００６５】
セル温度測定部１２ａは、カソード電極層２１ａの外面に配置される。
【００６６】
また、カソード電極層２１ａには、発電した電力を取り出すためのリード線２９ａが、カソード電極端子Ｋｅを介して接続される。また、発電セル１１ｂのアノード電極層２３ｂには、発電した電力を取り出すためのリード線２９ｃが、アノード電極端子Ａｅを介して接続される。また、発電セル１１ａのアノード電極層２３ａと、発電セル１１ｂのカソード電極層２１ｂとは、アノード電極端子Ａｅ及びリード線２９ｂ及びカソード電極端子Ｋｅを介して、接続される。
【００６７】
発電セル１１ａを発電させる際には、空気が、反応容器２８の外部から空気導入管２４を通して、反応容器２８の内部に導入される。空気の代わりに、酸素を用いても良い。
【００６８】
反応容器２８の内部に導入された空気は、空気排出管２７ａの下側から、空気排出管２７ａの内部に導入され、空気排出管２７ａの内面とカソード電極層２１ａの外面との間を通った後、反応容器２８の外へ排出される。
【００６９】
また、燃料ガスが、反応容器２８の外部から燃料導入管２５ａを通して、発電セル１１ａの内部に導入される。発電セル１１ａの内部に導入された燃料ガスは、燃料導入管２５ａとアノード電極層２３ａの内側との間を通った後、排気管２６ａを通って排気ガスとして反応容器２８の外へ排出される。燃料ガスとしては、Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4又はＣ及びＨを含む化合物を用いることができる。
【００７０】
燃料導入管２６ａ、又は排気管２６ａ、又は空気排出管２７ａの形成材料としては、例えば、セラミックス、金属、又はガラス等を用いることができる。具体的には、窒化アルミニウム焼結材、アルミナ焼結材、またＳｉＣ焼結材、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、Ｎｉ、石英ガラス等が挙げられる。
【００７１】
発電セル１１ａの電解質層２２ａの形成材料としては、例えば、固体電解質、特に固体酸化物電解質を用いることが、発電効率の観点から好ましい。具体的には、電解質層２２ａの形成材料として、部分安定化ジルコニア（ＹＳＺなど），安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），ＬａＧａＯ3等が挙げられる。
【００７２】
アノード電極層２３ａの形成材料としては、例えば、ＮｉＯ−ＣｅＯ2系、ＮｉＯ−ＹＳＺ系、ＮｉＯ−ＳｃＺ系等を用いることができる。また、カソード電極層２１ａの形成材料としては、Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ系、Ｌａ−Ｃｏ−ＣｅＯ2系、Ｓｍ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｏ系、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｏ系等を用いることができる。
【００７３】
図５に、発電セル１１ａの変形例を示す。図３に示す発電セル１１ａは、断面が円筒形であったが、図５に示すように、発電セル１１ａの断面は、四角形であっても良い。発電セル１１ａが、このような形状を有すると、空気排出管２７ａも四角形にできるので、平らな熱電変換部１３ａを空気排出管２７ａの外面に容易に配置できる。
【００７４】
次に、第１セル集合体Ｃａの熱電変換部１３ａについて、図６及び図７を参照して、以下に説明する。第２セル集合体Ｃｂの熱電変換部１３ｂの構造は、熱電変換部１３ａと同じなので、熱電変換部１３ａに関する以下の説明は、熱電変換部１３ｂに対しても適宜適用される。
【００７５】
図６は、図３の熱電変換部１３ａを形成する熱電変換素子３０を示す斜視図である。図７は、図３の熱電変換部１３ａを説明する斜視図である。
【００７６】
熱電変換部１３ａは、複数の熱電変換素子３０が接続されて形成される。熱電変換素子３０は、ｐ型半導体素子３１と、ｎ型半導体素子３２と、ｐ型半導体素子３１とｎ型半導体素子３２とを直列に接続する電極３３とを有する。
【００７７】
ｐ型半導体素子又はｎ型半導体素子の形成材料としては、例えばペロブスカイト構造を有する酸化物を用いることが、５００〜８００℃程度の高温において動作が可能な観点から好ましい。ペロブスカイト構造を有する酸化物としては、具体的にはＲ−Ｃｏ−Ｏ、Ｒ−Ｍｎ−Ｏ系、Ｒ−Ｔｉ−Ｏ系（Ｒ：アルカリ土類、アルカリ金属）が挙げられる。Ｒ−Ｃｏ−Ｏ系としては、例えばＣａ3Ｃｏ4Ｏ9がある。Ｒ−Ｍｎ−Ｏとしては、例えばＣａ−Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系（Ｃａ1-XＬａXＭｎＯ3、Ｘ＝０．１等）、Ｓｒ-Ｌａ-Ｍｎ−Ｏ系がある。Ｒ−Ｔｉ−Ｏとしては、例えば、Ｌａ0.1Ｎｂ0.1Ｓｒ0.8ＴｉＯ3がある。
【００７８】
電極３３の形成材料としては、例えば、Ａｇ又はＮｉ等のシートを用いることができる。電極３３は、Ａｇペースト又はＡｇにＰｄが１０質量％添加されたペースト等を塗布及び焼付けて半導体素子に接合される。
【００７９】
熱電変換部１３ａを形成する熱電変換素子３０の数は、求められる設計（動作温度、熱電変換部１３ａの温度差、半導体素子の形成材料、寸法、作製プロセス等）に基づいて決定され得る。例えば、熱電変換素子３０の数として１００〜１０００個とすることができる。
【００８０】
図７は、８個の熱電変換素子３０を直列に接続して形成された熱電変換部の一例を示す。８個の熱電変換素子３０は、電気絶縁性の基板３４ｂ上に配置される。基板３４ｂ上に配置される電極は、例えば、Ａｇペースト又はＡｇにＰｄが１０質量％添加されたペースト等が、基板３４ｂ上に塗布及び焼付けて形成される。
【００８１】
熱発電モードにおける熱電変換部で発電した電力は、図７の実線の矢印に示すように、電力端子３５ａ、３５ｂから取り出される。電力端子３５ａは、ｐ型半導体素子３１に接続する。電力端子３５ｂは、ｎ型半導体素子３２に接続する。また、熱移送モードでは、図７の点線で示した向きに電流が熱電変換部に対して供給される。
【００８２】
図３に示す発電システム１０では、熱電変換部１３ａは、熱電変換素子３０の上側に別の電気絶縁性の基板３４ａが配置される。また、図３に示す熱電変換部１３ａは、全体として円筒形を有しており、上下が開放されている。図３に示す熱電変換部１３ａでは、基板３４ａ、３４ｂは、同心の円筒形状を有しており、基板３４ａと基板３４ｂとの間にｐ型半導体素子３１及びｎ型半導体素子３２が電極３３を介して挟まれている。そして、内側の基板３４ｂは、発電セル１１ａの空気排出管２７ａの外面に接合される。
【００８３】
熱移送モードにおいて発電セル１１ａを加熱する際には、熱電変換部１３ａは、加熱部側から吸熱して、吸熱した熱をセル側から発電セル１１ａに対して放熱する。また、熱移送モードにおいて、発電セル１１ａを冷却する際には、熱電変換部１３ａは、セル側から吸熱して、吸熱した熱を加熱部側から放熱する。
【００８４】
図３に示す熱電変換部１３ａについて、発電セル１１ａに対向するセル側の温度を５００℃とし、セル側とは反対側の加熱部１４を向いた加熱部側の温度を４００℃とし、直列に接続された１００個の熱電変換素子３０を用いた。また、ｐ型半導体素子の形成材料としてＣａ3Ｃｏ4Ｏ9を用い、ｎ型半導体素子の形成材料として、Ｃａ1-XＬａXＭｎＯ3（Ｘ＝０．１）を用いた。この場合、熱電変換部１３ａの発電電圧として、約２Ｖが得られる。
【００８５】
図８は、図３の熱電変換部の変形例を示す図である。この変形例では、外側の基板３４ａは、円筒形状の母線方向にスリットが設けられている。このような基板３４ａを有する熱電変換部１３ａは、熱応力を緩和させやすいので、熱疲労に対する耐久性が向上する。また、基板３４ａの形成が容易になる。
【００８６】
次に、上述した発電システム１０の動作について、図９〜図１１を参照して、以下に説明する。図９は、図１の発電システムの起動時の温度制御を説明するフローチャートである。図１０は、熱移送モードにおける熱電変換部の動作を説明する図である。図１１は、図１の発電システムの起動後の温度制御を説明するフローチャートである。
【００８７】
まず、図９及び図１０を用いて、発電システム１０の起動時における温度制御の動作を説明する。
【００８８】
まず、発電システム１０の起動時における第１制御部１５の動作を以下に説明する。
【００８９】
図９に示すように、発電システム１０が起動すると、ステップＳ１０において、第１制御部１５が動作を開始する。また、空気が空気導入管２４に導入され、燃料ガスが燃料導入管２５ａ、２５ｂに導入される。
【００９０】
次に、ステップＳ１１において、第１制御部１５は、セル温度測定部１２ａを用いて、発電セル１１ａの温度を測定する。
【００９１】
次に、ステップＳ１２において、第１制御部１５は、第２制御部１６ａを介して、熱電変換部１３ａの発電による電圧値及び電流値を測定する。後述するように、熱電変換部１３ａが熱移送モードにある時には、第１制御部１５は、熱電変換部１３ａが加熱又は冷却を行う間の発電を行っている時に電圧値及び電流値を測定する。また、熱電変換部１３ａが熱発電モードにある時には、第１制御部１５は、いつでも熱電変換部１３ａの発電による電圧値及び電流値を測定できる。
【００９２】
次に、ステップＳ１３において、第１制御部１５は、テーブルＴと、セル温度測定部１２ａが測定した発電セル１１ａの温度と、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値とを用いて、加熱部１４の温度Ｔｈを求める。本実施形態では、第１制御部１５は、加熱部１４の温度Ｔｈを求める際に、第２セル集合体Ｃｂの発電セル１１ｂの温度、及び熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値は用いない。
【００９３】
次に、ステップＳ１４において、第１制御部１５は、加熱部１４の温度が制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内かを判断する。もし、加熱部１４の温度が制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内であれば、図１１のステップＳ３０へ進む。一方、加熱部１４の温度が制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内でなければ、ステップＳ１５へ進む。
【００９４】
ステップＳ１５に進んだ場合には、第１制御部１５は、加熱部１４の温度Ｔｈが、制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内になるように加熱部１４を制御する。以下に、第１制御部１５による加熱部１４の制御方法の一例を説明する。
【００９５】
ここで、発電セル１１ａの発電動作温度Ｔｏｐａを６５０℃とし、発電セル１１ｂの発電動作温度Ｔｏｐｂを６００℃とする。最も高い発電動作温度を有する発電セルの発電動作温度は、発電セル１１ａの発電動作温度Ｔｏｐａである。また、最も低い発電動作温度を有する発電セルの発電動作温度は、発電セル１１ｂの発電動作温度Ｔｏｐｂである。最も高い発電動作温度と最も低い発電動作温度との差Ｔｄは５０℃（＝６５０℃−６００℃）である。
【００９６】
加熱部１４の制御温度範囲Ｔｃｏｎの下限値及び上限値は、以下のように決定され得る。まず、制御温度範囲Ｔｃｏｎの下限値は、最も高い発電動作温度ＴｏｐａからＴｄを引いた値とされる。具体的には、制御温度範囲Ｔｃｏｎの下限値は、Ｔｏｐａ−Ｔｄ＝６００℃（＝６５０℃−５０℃）となる。即ち、制御温度範囲Ｔｃｏｎの下限値は、最も低い発電動作温度と同じ値とされる。
【００９７】
次に、加熱部１４の制御温度範囲Ｔｃｏｎの上限値は、安全性等の観点から適宜設定され得る。例えば、加熱部１４の制御温度範囲Ｔｃｏｎの上限値は、最も高い発電動作温度を有する発電セルの発電動作温度と同じ値にすることができる。
【００９８】
発電システム１０の起動時には、第１制御部１５は、テーブルＴを用いて求められた加熱部１４の温度Ｔｈを、制御温度範囲Ｔｃｏｎの下限値、具体的にはＴｏｐａ−Ｔｄ＝６００℃以上になるように、加熱部１４を制御する。
【００９９】
そして、ステップＳ１１へ進む。
【０１００】
以上が、発電システム１０の起動時における第１制御部１５の動作の説明である。次に、発電システム１０の起動時における第２制御部１６ａの動作の説明を以下に行う。
【０１０１】
まず、ステップＳ２０において、第２制御部１６ａが動作を開始する。
【０１０２】
次に、ステップＳ２１において、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａの熱電変換部１２ａを熱移送モードにする。熱移送モードでは、第２制御部１６ａは、制御される発電セル１１ａの温度が、後述する発電動作温度範囲になるように、対応する熱電変換部１３ａを制御する。
【０１０３】
次に、ステップＳ２２において、第２制御部１６ａは、発電セル１１ａの加熱又は冷却と、熱電変換部１３ａによる発電と、移送モードにおける熱電変換部１３ａに交互に行わせる。なお、発電システム１０の起動時には、熱電変換部１３ａは、もっぱら発電セル１１ａの加熱を行うことになる。
【０１０４】
熱電変換部１３ａは、図１０に示すように、発電セル１１ａの加熱又は冷却と、熱電変換部１３ａによる発電と、を交互に行う。ここで、発電を行う時間は、発電セル１１ａの温度に影響与えない長さにすることが好ましい。発電を行う時間は、発電セル１１ａの熱容量、熱伝導又は比熱等に基づいて決定され得る。第２制御部１６ａは、熱電変換部１３ａに発電させる場合には、演算部４０がスイッチ４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂを切り替える。そして、第１制御部１５は、上述したステップＳ１２において、熱電変換部１３ａの発電した電圧値及び電流値を用いて、加熱部１４の温度Ｔｈを求める。
【０１０５】
次に、ステップＳ２３において、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａのセル温度測定部１２ａを用いて、発電セル１１ａの温度Ｔｃａを測定する。
【０１０６】
次に、ステップＳ２４において、第２制御部１６ａは、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲以内かを判断する。ここで、発電動作温度範囲の下限値は、上述した発電セル１１ａの発電動作温度Ｔｏｐａとすることができる。また、発電動作温度範囲の上限値は、安全性等の観点から適宜設定され得る。例えば、発電動作温度範囲の上限値は、Ｔｏｐａ＋１００℃とすることができる。
【０１０７】
もし、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲以内であれば、ステップＳ２６へ進む。一方、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲以内でなければ、ステップＳ２５に進む。
【０１０８】
ステップＳ２５へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲以内になるように、熱電変換部１３ａを制御して、発電セル１１ａを加熱又は冷却する。なお、発電システム１０の起動時には、熱電変換部１３ａは、もっぱら発電セル１１ａの加熱を行うことになる。具体的には、第２制御部１６ａは、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲の下限値、具体的には温度Ｔｏｐａとなるように、熱電変換部１３ａを制御する。そして、ステップＳ２３に進む。
【０１０９】
一方、ステップＳ２６へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａの熱電変換部１３ａを熱発電モードに切り替えた後、図１１のステップＳ４０へ進む。
【０１１０】
同様に、第２セル集合体Ｃｂにおける発電セル１１ｂも、第２制御部１６ｂによって、温度が制御される。ただし、第１制御部１５は、加熱部１５の温度を求める際に、発電セル１１ｂの温度は用いないので、第２制御部１６ｂは、熱移送モードにおいては、発電セル１１ｂの加熱又は冷却のみを熱電変換部１３ｂに実行させる。その他の第２制御部１６ｂの動作は、第２制御部１６ａと同じなので、第２制御部１６ａに関する上述した説明は、第２制御部１６ｂに対しても適宜適用される。
【０１１１】
このように、発電システム１０の起動時には、第１制御部１５が、加熱部１４の温度Ｔｈに基づいて、加熱部１４を制御するのと共に、第２制御部１６ａ、１６ｂが、対応する熱電変換部１３ａ、１３ｂを制御して、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれの温度が制御される。
【０１１２】
以上の説明は、発電システムの起動時に、第１制御部１５及び第２制御部１６ａが同時に動作する場合のものである。なお、第１制御部１５の制御によって加熱部１４の温度が制御温度Ｔｃｏｎに達した後に、はじめて、第２制御部１６ａ、１６ｂは、対応する熱電変換部１３ａ、１３ｂの制御を開始して、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれの温度が制御されても良い。
【０１１３】
次に、図１１を参照して、発電システム１０の起動後における温度制御の動作を説明する。
【０１１４】
発電システム１０の起動後における第１制御部１５の動作を、図１１のステップＳ３０〜ステップＳ３３に示す。これらのステップＳ３０〜ステップＳ３３の動作は、図９におけるステップＳ１１〜ステップＳ１５の動作と同様である。
【０１１５】
次に、発電システム１０の起動後における第２制御部１６ａの動作を、以下に説明する。第２制御部１６ｂの動作は、第２制御部１６ａと同じなので、第２制御部１６ａに関する以下の説明は、第２制御部１６ｂに対しても適宜適用される。
【０１１６】
まず、ステップＳ４０において、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａのセル温度測定部１２ａを用いて、発電セル１１ａの温度を測定する。
【０１１７】
次に、ステップＳ４１において、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａの発電セル１１ａの温度Ｔｈが、発電動作温度範囲以内かを判断する。もし、発電セル１１ａの温度Ｔｈが、発電動作温度範囲以内であれば、ステップＳ４２へ進む。一方、発電セル１１ａの温度Ｔｈが、発電動作温度範囲以内でなければ、ステップＳ４３へ進む。
【０１１８】
ステップＳ４２へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａの熱電変換部１３ａを熱発電モードに切り替える。熱電変換部１３ａは、発電セル１１ａから受け取った熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電変換部１３ａがすでに熱発電モードにある場合には、モードの切り替えは行われない。そして、ステップＳ４０の前へ進む。
【０１１９】
一方、ステップＳ４３へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、第１セル集合体Ｃａの熱電変換部１３ａを熱移送モードに切り替える。熱電変換部１３ａがすでに熱移送モードにある場合には、熱電変換部１３ａのモードの切り替えは行われない。
【０１２０】
次に、ステップＳ４４において、第２制御部１６ａは、発電セル１１ａの温度Ｔｈが、発電動作温度範囲よりも低いかを判断する。もし、発電セル１１ａの温度Ｔｈが、発電動作温度範囲よりも低ければ、ステップＳ４５へ進む。一方、発電セル１１ａの温度Ｔｈが、発電動作温度範囲よりも低くなければ、発電セル１１ａの温度Ｔｈは、発電動作温度範囲よりも高いことになり、この場合にはステップＳ４６へ進む。
【０１２１】
ステップＳ４５へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、熱電変換部１３ａを制御して、発電セル１１ａを加熱する。そして、ステップＳ４０の前へ進む。
【０１２２】
一方、ステップＳ４６へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、熱電変換部１３ａを制御して、発電セル１１ａを冷却する。発電セル１１ａを冷却する場合には、第２制御部１６ａは、熱電変換部１３ａに供給する電流の向きを、加熱する場合とは反対の向きに変更する。そして、ステップＳ４０の前へ進む。
【０１２３】
このように、発電システム１０の起動後における温度制御では、第１制御部１５が、加熱部１４の温度Ｔｈに基づいて、加熱部１４を制御する。また、加熱部１４が制御されるのと共に、第２制御部１６ａ、１６ｂが、対応する熱電変換部１３ａ、１３ｂを制御して、発電セル１１ａ、１１ｂそれぞれの温度が制御される。
【０１２４】
上述した本実施形態の発電システム１０によれば、加熱部と共に、熱電変換部による個別の加熱が行われるので、燃料電池を形成する各発電セルの温度を短い時間で上昇させることができる。
【０１２５】
また、発電システム１０によれば、熱電変換部を用いて、各発電セルの温度を個別に制御することができる。従って、発電セル間の反応特性のばらつきを発電セルごとに温度調整し補正できる。発電システム１０では、燃料電池の起動時に、この補正機能により、発電セル間の動作温度のばらつきが数十℃あるときでも、より早く安定動作に移行させて、且つ発電出力が極大化できるように温度調整することができる。従って、複数の発電セルが集合した状態で発電する燃料電池に対して、各発電セルを最適の発電出力で安定して動作させることができる。
【０１２６】
また、発電システム１０によれば、燃料電池の発電の際に生じる熱エネルギーを、機械的な可動部を用いずに電気エネルギーに変換することができる。従って、発電システムのエネルギー変換効率を向上させることができる。また、機械的な可動部がないので、システムの保守性又は耐久性が向上する。
【０１２７】
更に、発電システム１０によれば、加熱部の温度が、熱電変換部を用いて求められるので、加熱部の温度を測定する測定部をあらたに設ける必要がない。
【０１２８】
次に、本明細書に開示する第２及び第３実施形態の発電システムを、図面を参照しながら以下に説明する。第２及び第３実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図１２、図１４及び図１５において、図１〜図３と同じ構成要素に同じ符号を付してある。
【０１２９】
図１２は、本明細書に開示する発電システムの第２実施形態を示すブロック図である。図１３Ａは、図１２の発電システムの温度制御を説明するフローチャート（その１）である。図１３Ｂは、図１２の発電システムの温度制御を説明するフローチャート（その２）である。
【０１３０】
本実施形態の発電システム１０は、第１制御部１５及び２つの第２制御部１６ａ、１６ｂを制御する第３制御部１７を備えている。第３制御部１７は、加熱部１４の温度と発電セル１１ａの温度とに基づいて、第１制御部１５及び第２制御部１６ａ、１６ｂそれぞれを制御する。
【０１３１】
第３制御部１７は、ＣＰＵと、記憶部と、入出力部等を用いて形成することができる。具体的には、第３制御部１７は、マイクロプロッセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、又はプログラマブルコントローラ等を用いて形成することができる。
【０１３２】
本実施形態の発電システム１０の他の構造は、上述した第１実施形態と同様である。
【０１３３】
次に、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して、発電システム１０の起動後における温度制御の動作を説明する。
【０１３４】
まず、発電システム１０の起動後には、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、第３制御部１７は、加熱部１４の温度Ｔｈを第１制御部１５から入力する。
【０１３５】
次に、ステップＳ５１において、第３制御部１７は、発電セル１１ａの温度Ｔｃａを第２制御部１１ａから入力する。
【０１３６】
次に、ステップＳ５２において、第３制御部１７は、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲Ｔｏｐ以内かを判断する。発電動作温度範囲Ｔｏｐは、発電動作温度の下限値から上限値の範囲の温度を意味する。もし、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲Ｔｏｐ以内であれば、ステップＳ６３へ進む。一方、発電セル１１ａの温度Ｔｃａが、発電動作温度範囲Ｔｏｐ以内でなければ、ステップＳ５３へ進む。
【０１３７】
以下、ステップＳ５３へ進んだ場合の動作を説明する。
【０１３８】
ステップＳ５３へ進んだ場合には、第２制御部１６ａは、熱電変換部１３ａを熱移送モードに切り替える。もし、熱電変換部１３ａがすでに熱移送モードにあれば、モードの切り替えは行われない。
【０１３９】
次に、ステップＳ５４において、第３制御部１７は、加熱部１４の温度Ｔｈ＜制御温度範囲Ｔｃｏｎ且つ発電セル１１ａの温度Ｔｃａ＜発熱セル１１ａの発電動作温度範囲Ｔｏｐ、であるかを判断する。もし、この条件が満たされるならば、ステップＳ５５へ進む。一方、この条件が満たされないならば、ステップＳ５６へ進む。
【０１４０】
ステップＳ５５へ進んだ場合には、第３制御部１７は、第１制御部１５に加熱部１４を加熱させ、且つ第２制御部１６ａに熱電変換部１３ａを用いて、発電セル１１ａを加熱させる。そして、ステップＳ５０へ進む。
一方、ステップＳ５６へ進んだ場合には、第３制御部１７は、加熱部１４の温度Ｔｈ＞制御温度範囲Ｔｃｏｎ且つ発電セル１１ａの温度Ｔｃａ＞発熱セル１１ａの発電動作温度範囲Ｔｏｐ、であるかを判断する。もし、この条件が満たされるならば、ステップＳ５７へ進む。一方、この条件が満たされないならば、ステップＳ５８へ進む。
【０１４１】
ステップＳ５７へ進んだ場合には、第３制御部１７は、第１制御部１５に加熱部１４の加熱を停止させ、且つ第２制御部１６ａに熱電変換部１３ａを用いて、発電セル１１ａを冷却させる。そして、ステップＳ５０へ進む。
【０１４２】
一方、ステップＳ５８へ進んだ場合には、第３制御部１７は、加熱部１４の温度Ｔｈ＜制御温度範囲Ｔｃｏｎ且つ発電セル１１ａの温度Ｔｃａ＞発熱セル１１ａの発電動作温度範囲Ｔｏｐ、であるかを判断する。もし、この条件が満たされるならば、ステップＳ５９へ進む。一方、この条件が満たされないならば、ステップＳ６０へ進む。
【０１４３】
ステップＳ５９へ進んだ場合には、第３制御部１７は、第１制御部１５に加熱部１４を加熱させ、且つ第２制御部１６ａに熱電変換部１３ａを用いて、発電セル１１ａを冷却させる。そして、ステップＳ５０へ進む。
【０１４４】
一方、ステップＳ６０へ進んだ場合には、第３制御部１７は、加熱部１４の温度Ｔｈ＞制御温度範囲Ｔｃｏｎ且つ発電セル１１ａの温度Ｔｃａ＜発熱セル１１ａの発電動作温度範囲Ｔｏｐ、であるかを判断する。もし、この条件が満たされるならば、ステップＳ６１へ進む。一方、この条件が満たされないならば、ステップＳ６２へ進む。
【０１４５】
ステップＳ６１へ進んだ場合には、第３制御部１７は、第１制御部に加熱部１４の加熱を停止させ、且つ第２制御部１６ａに熱電変換部１３ａを用いて、発電セル１１ａを加熱させる。そして、ステップＳ５０へ進む。
【０１４６】
一方、ステップＳ６２へ進んだ場合には、加熱部の温度Ｔｈは制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内にあるので、第３制御部１７は、第１制御部１５に加熱部１４を制御させ、且つ、第２制御部１６ａに熱電変換部１３ａを制御させる。ここで、第１制御部１５及び第２制御部１６ａの動作は、図１１における動作と同様である。そして、ステップＳ５０へ進む。
【０１４７】
次に、ステップＳ５２からステップＳ６３へ進んだ場合の動作を以下に説明する。
【０１４８】
ステップＳ６３に進んだ場合には、第３制御部１７は、第２制御部１６ａに、熱電変換部１３ａを熱発電モードに切り替えさせる。熱電変換部１３ａがすでに熱発電モードにある場合には、モードの切り替えは行われない。
【０１４９】
次に、ステップＳ６４において、第３制御部１７は、第１制御部１５に加熱部１４を制御させ、且つ、第２制御部１６ａに熱電変換部１３ａを制御させる。ここで、第１制御部１５及び第２制御部１６ａの動作は、図１１における動作と同様である。そして、ステップＳ５０へ進む。
【０１５０】
上述した説明では、第１セル集合体Ｃａの第２制御部１６ａの動作について説明したが、この説明は、第２セル集合体Ｃｂの第２制御部１６ｂの動作についても適用される。即ち、第２セル集合体Ｃｂの発電セル１１ｂの温度は、第３制御部１７と、第２制御部１６ａとによって、同時に制御されても良い。
【０１５１】
上述した本実施形態の発電システム１０によれば、各発電セル１１ａ、１１ｂの温度が、加熱部１４及び熱電変換部１３ａ、１３ｂを用いて、より精度良く制御される。
【０１５２】
図１４は、本明細書に開示する発電システムの第３実施形態を示すブロック図である。図１５は、図１４の発電システムの要部を示す図である。図１６は、図１４の発電システムの起動時の温度制御を説明するフローチャートである。
【０１５３】
本実施形態の発電システム１０は、加熱部１４の温度を測定する加熱部温度測定部１８を備えている。第１制御部１５は、加熱部温度測定部１８を用いて、加熱部１４の温度を測定できる。
【０１５４】
加熱部温度測定部１８は、図１５に示すように、加熱部１４と第２セル集合体Ｃｂとの間に配置されている。
【０１５５】
従って本実施形態の発電システム１０では、第１制御部１５は、第１実施形態において説明したテーブルＴを用いた加熱部１４の温度の推定を行わなくても良い。
【０１５６】
本実施形態の発電システム１０の他の構造は、上述した第１実施形態と同様である。
【０１５７】
次に、図１６を参照して発電システム１０の起動時における温度制御の動作を説明する。
【０１５８】
図１６に示すように、まず発電システム１０が起動すると、ステップＳ７０において、第１制御部１５が動作を開始する。また、空気が空気導入管２４に導入され、燃料ガスが燃料導入管２５ａ、２５ｂに導入される。
【０１５９】
次にステップＳ７１において、第１制御部１５は、加熱部温度測定部１８を用いて加熱部１４の温度Ｔｈを測定する。
【０１６０】
次にステップＳ７２において、第１制御部１５は、加熱部１４の温度が制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内かを判断する。もし、加熱部１４の温度が制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内であれば、図１１のステップＳ３０へ進む。一方、加熱部１４の温度が制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内でなければ、ステップＳ７３へ進む。
【０１６１】
ステップＳ７３へ進んだ場合には、第１制御部１５は、加熱部１４の温度Ｔｈが、制御温度範囲Ｔｃｏｎ以内になるように加熱部を制御する。そして、ステップＳ７０へ進む。
【０１６２】
第２制御部１６ａ、１６ｂの動作については、上述した第１実施形態と同様である。
【０１６３】
本発明では、上述した各実施形態の発電システム及びその制御方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。例えば、発電セルを有するセル集合体の数は、３個以上であっても良い。
【０１６４】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１６５】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１６６】
（付記１）
燃料電池を形成し、電力を発生する複数のセルと、
前記セルそれぞれに対応し、前記セルの温度を測定するセル温度測定部と、
前記セルそれぞれに対応し、熱移送モード及び熱発電モードを有する熱電変換部と、
複数の前記セルを加熱する加熱部と、
前記加熱部を制御する第１制御部と、
前記熱電変換部それぞれに対応し、前記熱電変換部を制御する第２制御部と、
を備える発電システムの制御方法であって、
前記第１制御部は、前記加熱部の温度が所定の制御温度範囲内に入るように、前記加熱部を制御し、
前記第２制御部は、前記セルの温度が所定の動作温度範囲外であれば、前記熱電変換部を熱移送モードにして、前記セルの温度を所定の動作温度範囲内に入るように制御し、前記セルの温度が所定の動作温度範囲内であれば、前記熱電変換部を前記発電モードにする発電システムの制御方法。
【０１６７】
（付記２）
前記第２制御部は、前記熱移送モードでは、前記セルの加熱又は冷却と、前記熱電変換部による発電とを、前記熱電変換部に交互に行わせ、
前記第１制御部は、前記熱電変換部の発電した電圧値を用いて、前記加熱部の温度を求める付記１に記載の発電システムの制御方法。
【０１６８】
（付記３）
前記熱電変換部は、対応する前記セルに対向するセル側と、前記セル側とは反対側の前記加熱部を向いた加熱部側とを有しており、
前記第１制御部は、前記セルの温度と前記熱電変換部の発電した電圧値と前記熱電変換部の前記加熱部側の温度との関係を表すテーブルと、前記セル温度測定部が測定した前記セルの温度と、前記熱電変換部の発電した電圧値とを用いて、前記加熱部の温度を求める付記２に記載の発電システムの制御方法。
【０１６９】
（付記４）
前記加熱部の温度と前記加熱部の所定の制御温度範囲との関係、及び前記セル温度測定部が測定した前記セルの温度と前記セルの所定の動作温度範囲との関係、に基づいて、
前記第１制御部が前記加熱部を制御すると共に、前記第２制御部が前記熱電変換部を制御する付記１〜３の何れか一項に記載の発電システムの制御方法。
【０１７０】
（付記５）
燃料電池を形成し、電力を発生する複数のセルと、
前記セルそれぞれに対応し、前記セルの温度を測定するセル温度測定部と、
前記セルそれぞれに対応し、熱移送モード及び熱発電モードを有する熱電変換部と、
複数の前記セルを加熱する加熱部と、
前記加熱部を制御する第１制御部と、
前記熱電変換部それぞれに対応し、前記熱電変換部を制御する第２制御部と、
を備え、
前記第１制御部は、前記加熱部の温度が所定の制御温度範囲内に入るように、前記加熱部を制御し、
前記第２制御部は、前記セルの温度が所定の動作温度範囲外であれば、前記熱電変換部を熱移送モードにして、前記セルの温度を所定の動作温度範囲内に入るように制御し、前記セルの温度が所定の動作温度範囲内であれば、前記熱電変換部を前記発電モードにする発電システム。
【０１７１】
（付記６）
前記加熱部は、複数の前記セルを取り囲んでいる付記５に記載の発電システム。
【符号の説明】
【０１７２】
１０    発電システム
１１a、１１ｂ    発電セル
１２a、１２ｂ    セル温度測定部
１３a、１３ｂ    熱電変換部
１４    加熱部
１５    第１制御部
１６a、１６ｂ    第２制御部
１７    第３制御部
１８    加熱部温度測定部
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ    電力端子
２１ａ、２１ｂ    カソード電極層
２２ａ、２２ｂ    電解質層
２３ａ、２３ｂ    アノード電極層
２４    空気導入管
２５ａ、２５ｂ    燃料導入管
２６ａ、２６ｂ    排気管
２７ａ、２７ｂ    空気排出管
２８    反応容器
２９a、２９ｂ、２９ｃ    リード線
３０    熱電変換素子
３１    ｐ型半導体素子
３２    ｎ型半導体素子
３３    電極
３４ａ、３４ｂ    電気絶縁板
３５a、３５ｂ    電力端子
４０    演算部
４１ａ、４１ｂ    駆動増幅器
４２ａ、４２ｂ    スイッチ
４３ａ、４３ｂ    スイッチ
Ｃａ、Ｃｂ    セル集合体
Ｋｅ    カソード電極端子
Ａｅ    アノード電極端子
Ｔ    テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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