(57)【要約】      （修正有）【課題】制御を単純化することが可能な固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタック１０を備え、アノードへ供給される燃料ガス２４とカソードへ供給される空気２０とを用いて発電する固体酸化物形燃料電池１２と、セルスタックの温度を調整する温度調整機構１４と、予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が一定となるように、温度調整機構を用いてセルスタックの温度を調整する制御器１８とを備え、セルスタックの温度が、固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される、固体酸化物形燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタックを備え、前記アノードへ供給される燃料ガスと前記カソードへ供給される空気とを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記セルスタックの温度を調整する温度調整機構と、
予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が一定となるように、前記温度調整機構を用いて前記セルスタックの温度を調整する制御器とを備え、
前記セルスタックの温度が、前記固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される、
固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度調整機構は、前記カソードに空気を供給する空気供給器を備え、
前記温度調整機構は、前記カソードへの空気の供給量に基づいて前記セルスタックの温度を調整するように構成されている、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度調整機構は、
前記カソードに供給される空気と前記カソードから排出されるカソードオフガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、
前記カソードガス熱交換器をバイパスして空気をカソードへと供給するカソードガス熱交換器バイパス流路と、
前記カソードに供給される空気のうちの前記カソードガス熱交換器を通じて前記カソードに供給される空気の割合と前記カソードガス熱交換器バイパス流路を通じて前記カソードに供給される空気の割合とを調整するカソード空気調整機構と、
を備え、
前記温度調整機構は、前記カソード空気調整機構により前記カソードに供給される空気のうちの前記カソードガス熱交換器を通じて前記カソードに供給される空気の割合と前記カソードガス熱交換器バイパス流路を通じて前記カソードに供給される空気の割合とを調整することで前記セルスタックの温度を調整するように構成されている、
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度調整機構は、
前記カソードに供給される空気と前記カソードから排出されるカソードオフガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、
前記カソードから排出された後、かつ、前記カソードガス熱交換器へと供給される前のカソードオフガスに対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第１外部空気供給器と、
を備え、
前記温度調整機構は、前記カソードから排出された後、かつ、前記カソードガス熱交換器へと供給される前のカソードオフガスに対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、前記セルスタックの温度を調整するように構成されている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度調整機構は、
前記カソードから排出されるカソードオフガスと、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気とを熱交換させる第１外部空気熱交換器と、
前記カソードに供給される空気と前記第１外部空気熱交換器から排出されるカソードオフガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、
前記第１外部空気熱交換器に対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第２外部空気供給器と、
を備え、
前記温度調整機構は、前記第１外部空気熱交換器に対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、前記セルスタックの温度を調整するように構成されている、
請求項１ないし４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度調整機構は、
前記カソードから排出されるカソードオフガスと前記アノードから排出されるアノードオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、
前記アノードに供給される燃料と前記燃焼器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるアノードガス熱交換器と、
前記カソードに供給される空気と前記アノードガス熱交換器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、
前記燃焼器から排出された後、かつ、前記アノードガス熱交換器へと供給される前の燃焼排ガスに対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第３外部空気供給器と、
を備え、
前記温度調整機構は、前記燃料器から排出された後、かつ、前記アノードガス熱交換器へと供給される前の燃焼排ガスに対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、前記セルスタックの温度を調整するように構成されている、
請求項１ないし５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度調整機構は、
前記カソードから排出されるカソードオフガスと前記アノードから排出されるアノードオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気とを熱交換させる第２外部空気熱交換器と、
前記アノードに供給される燃料と前記第２外部空気熱交換器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるアノードガス熱交換器と、
前記カソードに供給される空気と前記アノードガス熱交換器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、
前記第２外部空気熱交換器に対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第４外部空気供給器と、
を備え、
前記温度調整機構は、前記第２外部空気熱交換器に対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、前記セルスタックの温度を調整するように構成されている、
請求項１ないし６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が第１の値の９５％以上１０５％以下となるように、前記セルスタックの温度を調整する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御器は、前記予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が第１の値の９７．５％以上１０２．５％以下となるように、前記セルスタックの温度を調整する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１０】
それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池を有する固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
前記アノードへ燃料ガスを供給し、前記カソードへ空気を供給することで発電するステップと、
予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が一定となるように、前記セルスタックの温度を調整するステップとを備え、
前記セルスタックの温度が、前記固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される、
固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、積算稼働時間が長くなるにつれて制限温度が高くなるように設定し、固体酸化物形燃料電池の作動温度が該制限温度を超えないように送風手段及び／又は燃料供給弁を制御する、固体酸化物形燃料電池システムを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１４０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、作動温度、空気供給量、燃料供給量といった多数のパラメータを制御対象とすることから、制御が複雑化するという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に対応するもので、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、制御を単純化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタックを備え、前記アノードへ供給される燃料ガスと前記カソードへ供給される空気とを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記セルスタックの温度を調整する温度調整機構と、予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が一定となるように、前記温度調整機構を用いて前記セルスタックの温度を調整する制御器とを備え、前記セルスタックの温度が、前記固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される。
【０００７】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池を有する固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、前記アノードへ燃料ガスを供給し、前記カソードへ空気を供給することで発電するステップと、予め設定した電流密度において、前記セルスタックの出力する電圧が一定となるように、前記セルスタックの温度を調整するステップとを備え、前記セルスタックの温度が、前記固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、制御を単純化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、固体酸化物形燃料電池システムにおける累積運転時間と電流電圧曲線との関係を示す図である。
【図４】図４は、固体酸化物形燃料電池システムにおけるセルスタックの温度と電圧電流曲線との関係を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムにおける累積運転時間に応じたセルスタックの温度制御の具体例を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図７】図７は、第３実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図８】図８は、第４実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図９】図９は、第５実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、第６実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明者らは、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、制御を単純化すべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【００１１】
よって、累積運転時間が増加するのに伴って生じる電圧の低下を、セルスタックの温度の上昇による電圧の上昇によって補償することで、同じ電流密度においてセルスタックから取り出される電圧を一定に保つことができる。これにより、セルスタックが劣化した場合においても、同じ発電出力を得るために必要な燃料流量が一定となり、アノードに供給される燃料の制御を単純化することができる。
【００１２】
セルスタックの温度を調整するためには、例えば、カソードに供給される空気の温度や流量を変化させたり、アノードに供給される燃料の温度を変化させたり、これらを適宜に組合せることが考えられる。
【００１３】
（第１実施形態）
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタックを備え、アノードへ供給される燃料ガスとカソードへ供給される空気とを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、セルスタックの温度を調整する温度調整機構と、予め設定した電流密度において、セルスタックの出力する電圧が一定となるように、温度調整機構を用いてセルスタックの温度を調整する制御器とを備え、セルスタックの温度が、固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される。
【００１４】
かかる構成では、セルスタックの出力する電圧および電流が一定となるため、セルスタックに供給する燃料の流量等を一定にすることができる。よって、制御を簡潔化することができる。
【００１５】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、温度調整機構は、カソードに空気を供給する空気供給器を備え、温度調整機構は、カソードへの空気の供給量に基づいてセルスタックの温度を調整するように構成されていてもよい。
【００１６】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、制御器は、予め設定した電流密度において、セルスタックの出力する電圧が第１の値の９５％以上１０５％以下となるように、セルスタックの温度を調整してもよい。
【００１７】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、制御器は、予め設定した電流密度において、セルスタックの出力する電圧が第１の値の９７．５％以上１０２．５％以下となるように、セルスタックの温度を調整してもよい。
【００１８】
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池を有する固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、アノードへ燃料ガスを供給し、カソードへ空気を供給することで発電するステップと、予め設定した電流密度において、セルスタックの出力する電圧が一定となるように、セルスタックの温度を調整するステップとを備え、セルスタックの温度が、固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される。
【００１９】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１を参照しつつ、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００について説明する。
【００２０】
図１に示す例において、固体酸化物形燃料電池システム１００は、固体酸化物形燃料電池１２と、温度調整機構１４と、制御器１８とを備えている。
【００２１】
固体酸化物形燃料電池１２は、それぞれアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを備える複数のセル（図示せず）を直列に接続したセルスタック１０を備え、アノードへ供給される燃料とカソードへ供給される空気とを用いて発電する。
【００２２】
セルには、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を電解質等に用いた公知の構成を採用しうる。セルの材料としては、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質を用いることもできる。イットリア安定化ジルコニアを用いたセルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、摂氏６００度から摂氏１０００度程度の温度範囲で発電反応が行われる。
【００２３】
セルスタック１０としては、例えば、平板型セルおよびインターコネクタ等の部材を積層した平板型スタックを用いてもよいし、円筒型セルおよびインターコネクタ等の部材をバンドル（束にして固定）した円筒型スタックであってもよい。
【００２４】
固体酸化物形燃料電池１２の発電により得られた電力は、セルスタック１０に設けられた図示されない２つの端子を介して外部負荷へと供給される。該端子と外部負荷との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータが設けられてもよい。
【００２５】
電流密度は、セルを流れる電流値をセルの反応面積で割った値である。ある実施例において、セルスタックに含まれる全セルが同じ反応面積を持ち、それらのセルを電気的に直列接続している場合、セルスタックを流れる電流値を各セルの反応面積で割った値が電流密度となる。該実施例においては、各セルの反応面積を１００ｃｍ２とし、電流密度が０．２０A／ｃｍ２の時、スタックを流れる電流値は２０Aである。なお、同じセルスタック形状であれば、電流密度が一定ならばスタックを流れる電流値も一定となる。
【００２６】
セルスタックの出力する電流および電圧は、該２つの端子の間の電流および電圧とすることができる。なお、固体酸化物形燃料電池１２から取り出される電力は、固体酸化物形燃料電池１２から取り出される電流と、固体酸化物形燃料電池１２から取り出される電圧との積である。
【００２７】
空気は、カソード空気供給流路２０を介して、カソードへと供給される。燃料は、燃料供給流路２４を介して、アノードへと供給される。
【００２８】
燃料は、例えば、ＬＰＧガス、プロパンガス、ブタンガス、メタンを主成分とする都市ガス等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガス、灯油、アルコール、あるいはこれらを原料として改質反応により生成される水素含有ガス等とすることができる。すなわち、燃料は燃料供給流路２４上に設けられた改質器（図示せず）において改質されて水素含有ガス等として固体酸化物形燃料電池１２に供給されてもよい。灯油、アルコール等の液体燃料を用いる場合には、改質器に供給される前に、加熱されて気化されてもよい。
【００２９】
アノードに供給される前の燃料を所定温度（例えば摂氏７００度）に加熱するための燃料予熱器（図示せず）が燃料供給流路２４に設けられてもよい。アノードに供給される燃料の温度を予め高くしておくことで、例えば、スタック内の温度勾配が小さくなり、熱応力により生じるクラッキング等の問題が低減される。燃料予熱器としては、プレート積層熱交換器やマイクロチューブ熱交換器を用いて、カソードオフガス等で加熱する構成としてもよい。または、電気ヒータで加熱する構成としてもよい。
【００３０】
改質器では、例えば、原料に含まれる炭化水素と、加湿された空気に含まれる水と酸素とを用いて、酸化的水蒸気改質反応（Ｏｘｉｄａｔｉｖｅ  Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）が行われてもよい。酸化的水蒸気改質反応を利用した場合、熱収支の点で改質反応が進行しやすくなり、水蒸気改質を利用する場合よりも改質器を小型化できる。また、原料中に硫黄化合物が含まれていても、ＳＯ２に変換されやすくなり、スタック内の触媒が被毒されにくくなる。なお、改質方式としては、部分酸化改質であってもよいし、水蒸気改質であってもよいし、酸化的水蒸気改質であってもよい。水素含有ガスを生成できれば、いかなる改質方式であってもよい。
【００３１】
セルスタック１０のカソードガス流路の出口には、カソードオフガス排出流路２２が接続されており、カソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出流路２２を介して固体酸化物形燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００３２】
セルスタック１０のアノードガス流路の出口には、アノードオフガス排出流路２６が接続されており、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出流路２６を介して固体酸化物形燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００３３】
また、アノードオフガスをカソードオフガスと混合して燃焼させる、アフターバーナを設置してもよい。
【００３４】
また、カソードオフガスではなく空気（例えば燃料電池システム外部から取り込んだ空気をブロワで供給する）と、アノードオフガスを混合して燃焼させる、アフターバーナを設置してもよい。
【００３５】
本実施形態において、温度調整機構１４は、図１に例示するように、カソードに空気を供給する空気供給器１６としうる。空気供給器１６は、カソード空気供給流路２０に設けられ、カソード空気供給流路２０を通じてカソードへと空気を供給する。空気供給器１６としては、例えばブロワおよびポンプ等を用いることができる。空気供給器１６は、例えば、固体酸化物形燃料電池システム１００の外部から取り込んだ空気を供給する構成としうる。空気供給器１６の出口は、カソード空気供給流路２０を介して、セルスタック１０のカソードガス流路の入口と接続されている。
【００３６】
制御器１８は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、温度調整機構１４を用いてセルスタック１０の温度を調整する。かかる制御により、セルスタック１０の温度は、固体酸化物形燃料電池１２の累積運転時間が長くなるにつれて上昇する。
【００３７】
具体的には、制御器１８は、例えば、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、空気供給器１６を制御する。セルスタック１０の出力する電流と電圧とが基準値よりも小さい場合には、空気供給器１６からの空気供給量を減少させることで、セルスタック１０の冷却量を減少させ、セルスタック１０の温度を上昇させることができる。セルスタック１０の出力する電流と電圧とが基準値よりも大きい場合には、空気供給器１６からの空気供給量を増加させることで、セルスタック１０の冷却量を増加させ、セルスタック１０の温度を減少させることができる。
【００３８】
「予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定」とは、アノードへ供給する燃料流量の制御を効果的に単純化できる程度に、電圧が一定の範囲に収まることを言う。
【００３９】
具体的には例えば、制御器１８は、セルスタック１０の出力する電圧が第１の値の９５％以上１０５％以下となるように、セルスタック１０の温度を調整してもよい。
【００４０】
制御器１８は、セルスタック１０の出力する電圧が第１の値の９７．５％以上１０２．５％以下となるように、セルスタック１０の温度を調整してもよい。
【００４１】
「セルスタック１０の温度」とは、具体的には例えば、セルスタック１０の内部において最も温度が高い部位の温度とすることができる。より具体的には例えば、セルスタック１０において、中央よりもやや下流側、すなわちセルスタック１０の入口からセルスタック１０の全長の３／４ないし４／５の距離の位置にあるセルの中心部の温度とすることができる。
【００４２】
制御器１８は、空気供給器１６と通信可能に接続されていてもよい。制御器１８は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えている。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００４３】
セルスタック１０に温度検出器（図示せず）が設けられてもよい。制御器１８は、該温度検出器からセルスタック１０の検出温度を受け取り、該検出温度が所定の上限以下となるように監視してもよい。該検出温度が所定の上限に達した場合には、固体酸化物形燃料電池システム１００の運転が停止されてもよい。セルスタック１０の出力電圧が予め設定した値よりも小さくなることを許容して、固体酸化物形燃料電池システム１００の運転が継続されてもよい。
【００４４】
セルスタック１０内では、電気化学発電反応（Ｈ２＋０．５Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−＋Ｑ）に伴って、熱が発生する。発生する熱を、カソードを通流する空気によって除去することにより、セルスタック１０の温度を調整する。
【００４５】
空気供給器１６は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が低い場合には、空気供給量を減らす。これにより、固体酸化物形燃料電池システム１００の外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度、以下同様）によるセルスタック１０の冷却効果が小さくなり、セルスタック１０の温度が上昇し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も上昇する。
【００４６】
空気供給器１６は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が高い場合には、空気供給量を増やす。これにより、固体酸化物形燃料電池システム１００の外部から取り込んだ空気によるセルスタック１０の冷却効果が大きくなり、セルスタック１０の温度が低下し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も低下する。
【００４７】
具体的には、例えば、運転の初期において、カソードへの空気供給量を１００ＳＬＭとし、セルスタック１０の出力する電圧が３４．５Ｖに低下したことを検知した際に、カソードへの空気供給量を９５ＳＬＭに低下させ、カソードを通流する空気によるセルスタック１０の冷却量を低減させる。その結果、セルスタック１０の温度が、例えば摂氏８１０度から摂氏８１５度に上昇し、セルスタック１０の出力する電圧が３５Ｖに回復する。なお、上記の制御は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が所定量（例えば、電圧０．５Ｖ）だけ低くなった場合に、空気供給量を所定量（例えば、５ＳＬＭ）だけ減らすというように一方向的に行われてもよい。上記の制御は、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を用いて行われてもよい。
【００４８】
かかる構成により、温度調整機構１４は、カソードへの空気の供給量に基づいてセルスタック１０の温度を調整する。
【００４９】
本実施形態では、燃料電池システムの外部から空気を取り込むと共に、空気供給器から供給される該空気の流量を制御することで、該空気によるセルスタックの冷却量を制御し、セルスタックの温度を制御することができる。
【００５０】
セルスタックの温度は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように制御されるから、セルスタックが劣化した場合でも、アノードに供給される燃料の流量等を一定にすることができ、制御を単純化することができる。
【００５１】
［運転方法］
図２は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【００５２】
図２に例示するように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、それぞれアノードとカソードとを備える複数のセルを直列に接続したセルスタック１０を備える固体酸化物形燃料電池１２を有する固体酸化物形燃料電池システム１００の運転方法であって、アノードへ燃料ガスを供給し、カソードへ空気を供給することで発電するステップ（Ｓ１０１）と、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、セルスタック１０の温度を調整するステップ（Ｓ１０２）とを備え、セルスタック１０の温度が、固体酸化物形燃料電池１２の累積運転時間が長くなるにつれて上昇するように制御される。
【００５３】
図３は、固体酸化物形燃料電池システムにおける累積運転時間と電流電圧曲線との関係を示す図である。電流電圧曲線とは、個々のセルの電圧と、個々のセルにおける電流密度との関係を示す曲線としうる（以下同様）。
【００５４】
使用開始後初期の固体酸化物形燃料電池システム（Ａ）と、累積運転時間が１００００時間となった状態の固体酸化物形燃料電池システム（Ｂ）と、累積運転時間が３００００時間となった状態の固体酸化物形燃料電池システム（Ｃ）とを比較すると、使用開始後初期における同じ電流密度における電圧は相対的に大きく、累積運転時間が長くなるにしたがって電圧は減少していく。
【００５５】
すなわち、同一の電流密度では、使用開始後初期の電圧が最も高く、累積運転時間が長くなるにしたがって電圧は減少していく。かかる現象は、劣化を伴う固体酸化物形燃料電池システムにおける一般的な特徴である。
【００５６】
かかる現象が生じる理由としては、例えば、高温酸化により、インターコネクタ表面に酸化膜が形成され、該酸化膜によってセルスタックの内部抵抗が増大することが考えられる。
【００５７】
図４は、固体酸化物形燃料電池システムにおけるセルスタックの温度と電圧電流曲線との関係を示す図である。
【００５８】
使用開始後初期の固体酸化物形燃料電池システムについて、セルスタックの温度が摂氏８５０度となるように運転した場合（Ｘ）と、セルスタックの温度が摂氏８３０度となるように運転した場合（Ｙ）と、セルスタックの温度が摂氏８１０度となるように運転した場合（Ｚ）とを比較すると、電流密度が同じであれば、セルスタックの温度が摂氏８５０度の場合における電圧は相対的に大きく、セルスタックの温度が低下するにしたがって電圧は減少していく。
【００５９】
すなわち、同一の電流密度では、セルスタックの温度が高い程、電圧も高く、セルスタックの温度が低くなるにしたがって電圧は減少していく。かかる現象は、劣化を伴う固体酸化物形燃料電池システムにおける一般的な特徴である。
【００６０】
累積運転時間の増加と共に電圧が低下する具体的なメカニズムとして考えられるものは、例えば、以下ものが挙げられる。金属製インターコネクタの表面に酸化膜が形成され、酸化膜により電気抵抗が増大して、電圧が低下（劣化）する。アノードに含有しているＮｉ粒子がシンタリングによって凝集（粒子径が増大）し、Ｎｉ粒子の表面積が減少し、反応抵抗が増大して、電圧が低下（劣化）する。以上の点は、例えばＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，３５（１）２０７−２１６（２０１１）に記載されている。
【００６１】
温度上昇によりイオン伝導抵抗が低下することを具体的に示す文献として、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．１７４，ｉｓｓｕｅｓ１−４，ｐ．１３５−１４９（２９  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００４）が挙げられる。同文献には、各種電解質について、温度とイオン電導率の関係が記載されており、いずれの材料についても、温度上昇と共に、イオン伝導抵抗が低下している。
【００６２】
かかる現象が生じる理由としては、例えば、セルスタックの温度が低くなるとセルが備える電解質、すなわち固体酸化物、のイオン伝導抵抗が大きくなり、セルスタックの温度が高くなると該電解質のイオン伝導抵抗が小さくなることが考えられる。
【００６３】
図３および図４から明らかなように、累積運転時間の増大による電圧の低下の態様と、セルスタックの温度の低下による電圧の減少の態様とは類似する。よって、累積運転時間の増大による電圧の低下をセルスタックの温度の上昇によって補償することができる。すなわち、累積運転時間の増大によって電圧が低下した分だけ、セルスタックの温度を上昇させることで、電圧を一定に保つことができる。
【００６４】
図５は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムにおける累積運転時間に応じたセルスタックの温度制御の具体例を示す図である。
【００６５】
本実施形態では、燃料電池システムの稼働に際して、予めスタックの運転電圧を設定する。稼働初期のスタック温度は摂氏８１０度に設定する。例えば、５０個のセルを直列接続したスタックを用いる場合に、１セル当り平均０．７０Ｖの電圧で運転すると設定する。この場合、設定スタック電圧は３５Ｖ［ＤＣ］（＝５０セル×０．７０Ｖ）となる。
【００６６】
図５に例示するように、使用開始後初期（使用開始直後）においては、セルスタックの温度を低く（摂氏８１０度）して運転し、固体酸化物形燃料電池の累積運転時間が長くなる（１００００時間後）と、セルスタックの温度を高く（摂氏８３０度）して運転し、固体酸化物形燃料電池の累積運転時間がさらに長くなる（３００００時間後）と、セルスタックの温度をさらに高く（摂氏８５０度）して運転する。
【００６７】
具体的には例えば、予め設定したスタック電圧３５Ｖからのスタック電圧の低下を、電圧測定器（図示せず）が検知する。例えば、スタック電圧が３４．５Ｖ（１セル当り平均０．６９Ｖ）と検知された場合、スタック電圧が３５Ｖとなるように、カソードへの空気供給量を、空気供給器１６を用いて、調整する。
【００６８】
かかる制御を行うことで、予め設定した電流密度においてセルスタックが出力する電圧をほぼ一定に保つことができる。
【００６９】
セルスタックの出力する電圧が一定であると、セルスタックに供給される燃料の流量も一定となることから、制御が単純化される。これにより、具体的には例えば、燃料供給器の構成を単純化することができる。
【００７０】
また、使用開始後初期の段階では、セルスタックの温度が低く維持される。セルスタックの温度が低いと、インターコネクタ金属材料等の酸化が抑制されることから、セルスタックの劣化速度が小さくなる。よって、セルスタックの寿命を長くすることができる。
【００７１】
（第２実施形態）
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態およびその変形例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システムであって、温度調整機構は、カソードに供給される空気とカソードから排出されるカソードオフガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、カソードガス熱交換器をバイパスして空気をカソードへと供給するカソードガス熱交換器バイパス流路と、カソードに供給される空気のうちのカソードガス熱交換器を通じてカソードに供給される空気の割合とカソードガス熱交換器バイパス流路を通じてカソードに供給される空気の割合とを調整するカソード空気調整機構と、を備え、温度調整機構は、カソード空気調整機構によりカソードに供給される空気のうちのカソードガス熱交換器を通じてカソードに供給される空気の割合とカソードガス熱交換器バイパス流路を通じてカソードに供給される空気の割合とを調整することでセルスタックの温度を調整するように構成されている。
【００７２】
［装置構成］
図６は、第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図６を参照しつつ、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２００について説明する。
【００７３】
図６に示す例において、固体酸化物形燃料電池システム２００は、温度調整機構１４として、カソードガス熱交換器２８と、カソードガス熱交換器バイパス流路３０と、カソード空気調整機構３２とを備えている。
【００７４】
カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気（例えば摂氏６５０度）とカソードから排出されるカソードオフガス（例えば摂氏８００度）とを熱交換させる。カソードガス熱交換器２８としては、例えば、積層プレート式熱交換器を用いることができる。
【００７５】
カソードガス熱交換器２８のカソードオフガス流路の入口は、カソードオフガス排出流路を介して、セルスタック１０のカソードガス流路の出口に接続されている。カソードガス熱交換器２８の空気流路の出口は、カソード空気供給流路を介して、セルスタック１０のカソードガス流路の入口に接続されている。
【００７６】
該空気が固体酸化物形燃料電池システム２００の外部から取り込まれる場合等において、カソードオフガスは、カソードに供給される空気に比べて温度が高いため、カソードガス熱交換器２８において、カソードオフガスは空気により冷却される。
【００７７】
カソードガス熱交換器バイパス流路３０は、カソードガス熱交換器２８をバイパスして空気をカソードへと供給するための流路である。カソードガス熱交換器バイパス流路３０は、例えば、カソードガス熱交換器２８の上流側のカソード空気供給流路２０から分岐し、カソードガス熱交換器２８の下流側のカソード空気供給流路２０へと合流する。
【００７８】
カソード空気調整機構３２は、カソードに供給される空気のうちのカソードガス熱交換器を通じてカソードに供給される空気の割合とカソードガス熱交換器バイパス流路を通じてカソードに供給される空気の割合とを調整する。図６に示す例では、カソード空気調整機構３２は、第１弁３４と、第２弁３６とを備えている。
【００７９】
「カソードに供給される空気のうちのカソードガス熱交換器を通じてカソードに供給される空気の割合とカソードガス熱交換器バイパス流路を通じてカソードに供給される空気の割合とを調整する」とは、カソードガス熱交換器を通じてカソードに供給される空気の流量とカソードガス熱交換器バイパス流路を通じてカソードに供給される空気の流量との両者をいずれもゼロとせずに両者の比を変化させる場合のみならず、完全にいずれか一方のみに切り替える場合を含んでもよい。
【００８０】
カソードガス熱交換器バイパス流路３０は、カソードガス熱交換器２８の上流側のカソード空気供給流路２０に設けられた分岐部から分岐する。第１弁３４は、該分岐部からカソードガス熱交換器２８に至る流路に設けられている。第２弁３６は、カソードガス熱交換器バイパス流路３０に設けられている。第１弁３４および第２弁３６は、ニードル弁および電磁弁等により構成されうる。
【００８１】
カソード空気調整機構３２は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が低い場合には、第１弁３４の開度を増加させ、第２弁３６の開度を減少させることで、カソードガス熱交換器バイパス流路３０を経由してカソードへと供給される空気の量を減らし、カソードガス熱交換器２８を経由してカソードへと供給される空気の量を増やす。これにより、カソードガス熱交換器２８においてカソードオフガスにより加熱される空気の割合が増加し、従前よりも高温の空気（例えば、摂氏７００度）がカソードへと供給される。よって、セルスタック１０の温度が上昇し、セルスタック１０の出力する電圧も上昇する。
【００８２】
カソード空気調整機構３２は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が高い場合には、第１弁３４の開度を減少させ、第２弁３６の開度を増加させることで、カソードガス熱交換器２８を経由してカソードへと供給される空気の量を減らし、カソードガス熱交換器バイパス流路３０を経由してカソードへと供給される空気の量を増やす。これにより、空気はカソードガス熱交換器２８においてカソードオフガスにより加熱される空気の割合が減少し、従前よりも低温の空気（例えば、摂氏６００度）がカソードへと供給される。よって、セルスタック１０の温度が低下し、セルスタック１０の出力する電圧も低下する。
【００８３】
第１弁３４および第２弁３６は、例えば開度を連続的に調整できる流量調整弁により構成されうる。
【００８４】
なお、上記の制御は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が所定量（例えば、電圧０．５Ｖ）だけ低くなった場合に、カソードガス熱交換器バイパス流路３０を経由してカソードへ供給される空気に対するカソードガス熱交換器２８を経由してカソードへ供給される空気の比率を所定量（例えば、５％）だけ増やすというように一方向的に行われてもよい。上記の制御は、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を用いて行われてもよい。
【００８５】
カソード空気調整機構３２は、必ずしも第１弁３４と第２弁３６とを備えている必要はなく、例えば三方弁で構成されていてもよい。
【００８６】
カソード空気調整機構３２は、例えば、制御器１８により制御されうる。この場合、制御器１８は、例えば、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、カソード空気調整機構３２を制御してもよい。
【００８７】
かかる構成により、温度調整機構１４は、カソードに供給される空気がカソードガス熱交換器２８を通じてカソードに供給されるかカソードガス熱交換器バイパス流路３０を通じてカソードに供給されるかを切り替えることでセルスタック１０の温度を調整する。
【００８８】
以上の点を除けば、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２００の装置構成および動作は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図６とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００８９】
本実施形態では、カソードガス熱交換器においてカソードオフガスで空気を加熱すると共に、カソードガス熱交換器バイパス流路を設けることで、空気がカソードガス熱交換器を経由してカソードに供給されるか否かを切り替えることができる。かかる構成では、空気の供給流路を切り替えることで、セルスタックに供給される空気の温度を制御し、セルスタックの温度を制御することができる。
【００９０】
セルスタックの温度は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように制御されるから、電流および電流密度が一定である限りアノードに供給される燃料の流量等を一定にすることができ、制御を単純化することができる。また、使用開始後初期の段階では、セルスタックの温度が低く維持されるから、セルスタックの寿命を長くすることができる。
【００９１】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００９２】
（第３実施形態）
第３実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態および第２実施形態およびそれらの変形例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システムであって、温度調整機構は、カソードに供給される空気とカソードから排出されるカソードオフガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、カソードから排出された後、かつ、カソードガス熱交換器へと供給される前のカソードオフガスに対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第１外部空気供給器と、を備え、温度調整機構は、カソードから排出された後、かつ、カソードガス熱交換器へと供給される前のカソードオフガスに対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタックの温度を調整するように構成されている。
【００９３】
［装置構成］
図７は、第３実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図７を参照しつつ、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池システム３００について説明する。
【００９４】
図７に示す例において、固体酸化物形燃料電池システム３００は、温度調整機構１４として、カソードガス熱交換器２８と、第１外部空気供給器３８とを備えている。
【００９５】
カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気とカソードから排出されるカソードオフガスとを熱交換させる。カソードガス熱交換器２８は第２実施形態と同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。
【００９６】
第１外部空気供給器３８は、カソードから排出された後、かつ、カソードガス熱交換器２８へと供給される前のカソードオフガスに対し、固体酸化物形燃料電池システム３００の外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度）を供給する。第１外部空気供給器３８としては、例えば、ブロワおよびファン等を利用することができる。第１外部空気供給器３８の出口は、第１外部空気流路４０を介して、セルスタック１０からカソードガス熱交換器２８に至るカソードオフガス排出流路２２に接続されている。
【００９７】
第１外部空気供給器３８は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が低い場合には、第１外部空気供給器３８の空気供給量を減少させる。これにより、カソードガス熱交換器２８に供給されるカソードオフガスの温度が、例えば摂氏８００度へと、上昇する。空気はカソードガス熱交換器２８において、カソードオフガスにより従前よりも加熱されるようになり、従前よりも高温の空気（例えば、摂氏６５０度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が上昇し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も上昇する。
【００９８】
第１外部空気供給器３８は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が高い場合には、第１外部空気供給器３８の空気供給量を増加させる。これにより、カソードガス熱交換器２８に供給されるカソードオフガスの温度が、例えば摂氏７５０度へと、低下する。空気はカソードガス熱交換器２８において、カソードオフガスにより従前よりも加熱されにくくなり、従前よりも低温の空気（例えば、摂氏６００度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が低下し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も低下する。
【００９９】
なお、上記の制御は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が所定量（例えば、電圧０．５Ｖ）だけ低くなった場合に、第１外部空気供給器３８の空気供給量を所定量（例えば、５ＳＬＭ）だけ減少させるというように一方向的に行われてもよい。上記の制御は、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を用いて行われてもよい。
【０１００】
第１外部空気供給器３８は、例えば、制御器１８により制御されうる。この場合、制御器１８は、例えば、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、第１外部空気供給器３８を制御してもよい。
【０１０１】
かかる構成により、温度調整機構１４は、カソードから排出された後、かつ、カソードガス熱交換器２８へと供給される前のカソードオフガスに対する、固体酸化物形燃料電池システム３００の外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタック１０の温度を調整する。
【０１０２】
以上の点を除けば、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池システム３００の装置構成および動作は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図７とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０３】
本実施形態では、カソードガス熱交換器においてカソードオフガスで空気を加熱すると共に、該カソードオフガスにシステム外部から取り込んだ空気を混入させることで、該カソードオフガスの温度を調整する。かかる構成では、カソードオフガスへの空気混入量を制御することで、セルスタックに供給される空気の温度を制御し、セルスタックの温度を制御することができる。
【０１０４】
セルスタックの温度は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように制御されるから、アノードに供給される燃料の流量等を一定にすることができ、制御を単純化することができる。また、使用開始後初期の段階では、セルスタックの温度が低く維持されるから、セルスタックの寿命を長くすることができる。
【０１０５】
第３実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態と同様の変形が可能である。
【０１０６】
（第４実施形態）
第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態および第２実施形態および第３実施形態およびそれらの変形例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システムであって、温度調整機構は、カソードから排出されるカソードオフガスと、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気とを熱交換させる第１外部空気熱交換器と、カソードに供給される空気と第１外部空気熱交換器から排出されるカソードオフガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、第１外部空気熱交換器に対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第２外部空気供給器と、を備え、温度調整機構は、第１外部空気熱交換器に対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタックの温度を調整するように構成されている。
【０１０７】
［装置構成］
図８は、第４実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図８を参照しつつ、第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システム４００について説明する。
【０１０８】
図８に示す例において、固体酸化物形燃料電池システム４００は、温度調整機構１４として、カソードガス熱交換器２８と、第２外部空気供給器４４と、第１外部空気熱交換器４２とを備えている。
【０１０９】
第１外部空気熱交換器４２は、カソードから排出されるカソードオフガス（例えば、摂氏８００度）と、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度）とを熱交換させる。第１外部空気熱交換器４２としては、例えば、積層プレート式熱交換器やフィンアンドチューブ熱交換器を用いることができる。カソードから排出されるカソードオフガスは固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気よりも温度が高いため、第１外部空気熱交換器４２において、カソードオフガスは空気により冷却される。
【０１１０】
第１外部空気熱交換器４２は、セルスタック１０からカソードガス熱交換器２８に至るカソードオフガス排出流路２２に設けられる。すなわち、第１外部空気熱交換器４２のカソードオフガス流路の入口は、カソードオフガス排出流路２２を介して、セルスタック１０のカソードガス流路の出口と接続されている。第１外部空気熱交換器４２のカソードオフガス流路の出口は、カソードオフガス排出流路２２を介して、カソードガス熱交換器２８のカソードオフガス流路の入口と接続されている。第１外部空気熱交換器４２の空気流路の入口は、第２外部空気流路４６を介して、第２外部空気供給器４４の出口に接続されている。第１外部空気熱交換器４２の空気流路の出口は、第１空気排出流路４８に接続されている。第１空気排出流路４８は、第１外部空気熱交換器４２から排出された空気を、固体酸化物形燃料電池システム４００の外部へと排出する。
【０１１１】
カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気と第１外部空気熱交換器４２から排出されるカソードオフガスとを熱交換させる。カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気と熱交換する対象が、第１外部空気熱交換器４２から排出されたカソードオフガスである点を除き、第２実施形態と同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。
【０１１２】
第２外部空気供給器４４は、第１外部空気熱交換器４２に対し、固体酸化物形燃料電池システム４００の外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度）を供給する。第２外部空気供給器４４としては、例えば、ブロワおよびファン等を利用することができる。第２外部空気供給器４４の出口は、第２外部空気流路４６を介して、第１外部空気熱交換器４２の空気流路の入口に接続されている。
【０１１３】
第２外部空気供給器４４は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が低い場合には、第２外部空気供給器４４の空気供給量を減少させる。これにより、第１外部空気熱交換器４２でのカソードオフガスの冷却量が低下し、カソードガス熱交換器２８に供給されるカソードオフガスの温度が、例えば摂氏８００度へと、上昇する。空気はカソードガス熱交換器２８において、カソードオフガスにより従前よりも加熱されるようになり、従前よりも高温の空気（例えば、摂氏６５０度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が上昇し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も上昇する。
【０１１４】
第２外部空気供給器４４は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が高い場合には、第２外部空気供給器４４の空気供給量を増加させる。これにより、第１外部空気熱交換器４２でのカソードオフガスの冷却量が増加し、カソードガス熱交換器２８に供給されるカソードオフガスの温度が、例えば摂氏７５０度へと、低下する。空気はカソードガス熱交換器２８において、カソードオフガスにより従前よりも加熱されにくくなり、従前よりも低温の空気（例えば、摂氏６００度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が低下し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も低下する。
【０１１５】
なお、上記の制御は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が所定量（例えば、電圧０．５Ｖ）だけ低くなった場合に、第２外部空気供給器４４の空気供給量を所定量（例えば、５ＳＬＭ）だけ減少させるというように一方向的に行われてもよい。上記の制御は、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を用いて行われてもよい。
【０１１６】
第２外部空気供給器４４は、例えば、制御器１８により制御されうる。この場合、制御器１８は、例えば、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、第２外部空気供給器４４を制御してもよい。
【０１１７】
かかる構成により、温度調整機構１４は、第１外部空気熱交換器４２に対する、固体酸化物形燃料電池システム４００の外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタック１０の温度を調整する。
【０１１８】
以上の点を除けば、第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システム４００の装置構成および動作は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図８とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１９】
本実施形態では、カソードガス熱交換器においてカソードオフガスで空気を加熱すると共に、第１外部空気熱交換器において、システム外部から取り込んだ空気により該カソードオフガスを冷却することで、該カソードオフガスの温度を調整する。かかる構成では、カソードオフガスの冷却量を制御することで、セルスタックに供給される空気の温度を制御し、セルスタックの温度を制御することができる。
【０１２０】
セルスタックの温度は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧がいずれも一定となるように制御されるから、アノードに供給される燃料の流量等を一定にすることができ、制御を単純化することができる。また、使用開始後初期の段階では、セルスタックの温度が低く維持されるから、セルスタックの寿命を長くすることができる。
【０１２１】
第４実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態および第３実施形態と同様の変形が可能である。
【０１２２】
（第５実施形態）
第５実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態および第２実施形態および第３実施形態および第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システムであって、温度調整機構は、カソードから排出されるカソードオフガスとアノードから排出されるアノードオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、アノードに供給される燃料と燃焼器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるアノードガス熱交換器と、カソードに供給される空気とアノードガス熱交換器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、燃焼器から排出された後、かつ、アノードガス熱交換器へと供給される前の燃焼排ガスに対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第３外部空気供給器と、を備え、温度調整機構は、燃料器から排出された後、かつ、アノードガス熱交換器へと供給される前の燃焼排ガスに対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタックの温度を調整するように構成されている。
【０１２３】
［装置構成］
図９は、第５実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図９を参照しつつ、第５実施形態の固体酸化物形燃料電池システム５００について説明する。
【０１２４】
図９に示す例において、固体酸化物形燃料電池システム５００は、燃焼器５０を備え、さらに、温度調整機構１４として、カソードガス熱交換器２８と、アノードガス熱交換器５２と、第３外部空気供給器５４とを備えている。
【０１２５】
燃焼器５０は、カソードから排出されるカソードオフガスとアノードから排出されるアノードオフガスとを燃焼させて燃焼排ガス（例えば、摂氏９００度）を排出する。燃焼器５０としては、例えば、バーナを利用できる。
【０１２６】
燃焼器５０のカソードオフガス入口は、カソードオフガス排出流路２２に接続され、カソードオフガス排出流路２２を介してセルスタック１０からカソードオフガスを受け取る。燃焼器５０のアノードオフガス入口は、アノードオフガス排出流路２６に接続され、アノードオフガス排出流路２６を介してセルスタック１０からアノードオフガスを受け取る。燃焼器５０の燃料排ガス出口は、燃焼排ガス排出流路５６と接続されている。
【０１２７】
燃焼器５０は、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合して燃焼させることで生じる燃焼排ガスを、燃焼排ガス排出流路５６を介してアノードガス熱交換器５２へと供給する。
【０１２８】
アノードガス熱交換器５２は、アノードに供給される燃料（例えば、摂氏７００度）と燃焼器５０から排出される燃焼排ガスとを熱交換させる。アノードガス熱交換器５２としては、例えば、積層プレート式熱交換器を用いることができる。
【０１２９】
アノードガス熱交換器５２の燃焼排ガス流路の入口は、燃焼排ガス排出流路５６を介して燃焼器５０に接続されている。アノードガス熱交換器５２の燃焼排ガス流路の出口は、燃焼排ガス排出流路５６を介してカソードガス熱交換器２８に接続されている。アノードガス熱交換器５２の燃料流路の出口は、燃料供給流路２４を介してセルスタック１０のアノード流路の入口に接続されている。燃焼器５０から排出される燃焼排ガスは、アノードに供給される燃料よりも温度が高いため、アノードガス熱交換器５２において、燃焼排ガスは燃料により冷却される。
【０１３０】
カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気とアノードガス熱交換器５２から排出される燃焼排ガスとを熱交換させる。カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気と熱交換する対象が、カソードオフガスではなく、アノードガス熱交換器５２から排出される燃焼排ガスである点を除き、第２実施形態と同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。
【０１３１】
第３外部空気供給器５４は、燃焼器５０から排出された後、かつ、アノードガス熱交換器５２へと供給される前の燃焼排ガスに対し、固体酸化物形燃料電池システム５００の外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度）を供給する。第３外部空気供給器５４としては、例えば、ブロワおよびファン等を利用することができる。第３外部空気供給器５４の出口は、第３外部空気流路６０を介して、燃焼器５０からアノードガス熱交換器５２に至る燃焼排ガス排出流路５６に接続されている。
【０１３２】
第３外部空気供給器５４は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が低い場合には、第３外部空気供給器５４の空気供給量を減少させる。これにより、アノードガス熱交換器５２に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏９００度へと、上昇し、かつ、カソードガス熱交換器２８に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏８５０へと、上昇する。燃料はアノードガス熱交換器５２において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されるようになり、従前よりも高温の燃料（例えば、摂氏７５０）がアノードへと供給されることになる。空気はカソードガス熱交換器２８において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されるようになり、従前よりも高温の空気（例えば、摂氏７００度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が上昇し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も上昇する。
【０１３３】
第３外部空気供給器５４は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が高い場合には、第３外部空気供給器５４の空気供給量を増加させる。これにより、アノードガス熱交換器５２に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏８５０度へと、低下し、かつ、カソードガス熱交換器２８に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏７５０度へと、低下する。燃料はアノードガス熱交換器５２において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されにくくなり、従前よりも低温の燃料（例えば、摂氏７００度）がアノードへと供給されることになる。空気はカソードガス熱交換器２８において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されにくくなり、従前よりも低温の空気（例えば、摂氏６００度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が低下し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も低下する。
【０１３４】
なお、上記の制御は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が所定量（例えば、電圧０．５Ｖ）だけ低下した場合に、第３外部空気供給器５４の空気供給量を所定量（例えば、５ＳＬＭ）だけ減少させるというように一方向的に行われてもよい。上記の制御は、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を用いて行われてもよい。
【０１３５】
第３外部空気供給器５４は、例えば、制御器１８により制御されうる。この場合、制御器１８は、例えば、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、第３外部空気供給器５４を制御してもよい。
【０１３６】
かかる構成により、温度調整機構１４は、燃料器から排出された後、かつ、アノードガス熱交換器５２へと供給される前の燃焼排ガスに対する、固体酸化物形燃料電池システム５００の外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタック１０の温度を調整する。
【０１３７】
以上の点を除けば、第５実施形態の固体酸化物形燃料電池システム５００の装置構成および動作は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図９とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１３８】
本実施形態では、アノードガス熱交換器において燃焼排ガスで燃料を加熱し、カソードガス熱交換器において燃焼排ガスで空気を加熱すると共に、該燃焼排ガスにシステム外部から取り込んだ空気を混入させることで、該燃焼排ガスの温度を制御する。かかる構成では、燃焼排ガスへの空気混入量を制御することで、セルスタックに供給される燃料および空気の温度を制御し、セルスタックの温度を制御することができる。
【０１３９】
セルスタックの温度は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧がいずれも一定となるように制御されるから、アノードに供給される燃料の流量等を一定にすることができ、制御を単純化することができる。また、使用開始後初期の段階では、セルスタックの温度が低く維持されるから、セルスタックの寿命を長くすることができる。
【０１４０】
第５実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態および第３実施形態および第４実施形態と同様の変形が可能である。
【０１４１】
（第６実施形態）
第６実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態および第２実施形態および第３実施形態および第４実施形態および第５実施形態およびそれらの変形例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システムであって、温度調整機構は、カソードから排出されるカソードオフガスとアノードから排出されるアノードオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、燃焼器から排出される燃焼排ガスと、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気とを熱交換させる第２外部空気熱交換器と、アノードに供給される燃料と第２外部空気熱交換器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるアノードガス熱交換器と、カソードに供給される空気とアノードガス熱交換器から排出される燃焼排ガスとを熱交換させるカソードガス熱交換器と、第２外部空気熱交換器に対し、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気を供給する第４外部空気供給器と、を備え、温度調整機構は、第２外部空気熱交換器に対する、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタックの温度を調整するように構成されている。
【０１４２】
［装置構成］
図１０は、第６実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１０を参照しつつ、第６実施形態の固体酸化物形燃料電池システム６００について説明する。
【０１４３】
図１０に示す例において、固体酸化物形燃料電池システム６００は、燃焼器５０を備え、さらに、温度調整機構１４として、カソードガス熱交換器２８と、アノードガス熱交換器５２と、第２外部空気熱交換器６２と、第４外部空気供給器６４とを備えている。
【０１４４】
燃焼器５０については、燃焼排ガスを、燃焼排ガス排出流路５６を介して第２外部空気熱交換器６２へと供給する点を除けば、第５実施形態と同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。
【０１４５】
第２外部空気熱交換器６２は、燃焼器から排出される燃焼排ガス（例えば、摂氏９００度）と、固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度）とを熱交換させる。第２外部空気熱交換器６２としては、例えば、積層プレート式熱交換器やフィンアンドチューブ熱交換器を用いることができる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは固体酸化物形燃料電池システムの外部から取り込んだ空気よりも温度が高いため、第２外部空気熱交換器６２において、燃焼排ガスは空気により冷却される。
【０１４６】
第２外部空気熱交換器６２は、燃焼器５０からアノードガス熱交換器５２に至る燃焼排ガス排出流路５６に設けられる。すなわち、第２外部空気熱交換器６２の燃焼排ガス流路の入口は、燃焼排ガス排出流路５６を介して燃焼器５０に接続されている。第２外部空気熱交換器６２の燃焼排ガス流路の出口は、燃焼排ガス排出流路５６を介してアノードガス熱交換器５２に接続されている。第２外部空気熱交換器６２の空気流路の入口は、第４外部空気流路７２を介して第４外部空気供給器６４に接続されている。第２外部空気熱交換器６２の空気流路の出口は、第２空気排出流路７４に接続されている。第２空気排出流路７４は、第２外部空気熱交換器６２から排出された空気を、固体酸化物形燃料電池システム６００の外部へと排出する。
【０１４７】
アノードガス熱交換器５２は、アノードに供給される燃料（例えば、摂氏７００度）と第２外部空気熱交換器６２から排出される燃焼排ガス（例えば、摂氏９００度）とを熱交換させる。アノードガス熱交換器５２は、燃料と熱交換する対象が、第２外部空気熱交換器６２から排出された燃焼排ガスである点を除き、第５実施形態と同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。
【０１４８】
カソードガス熱交換器２８は、カソードに供給される空気（例えば、摂氏２０度）とアノードガス熱交換器５２から排出される燃焼排ガス（例えば、摂氏８００度）とを熱交換させる。カソードガス熱交換器２８は、第５実施形態と同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。
【０１４９】
第４外部空気供給器６４は、第２外部空気熱交換器６２に対し、固体酸化物形燃料電池システム６００の外部から取り込んだ空気（例えば、摂氏２０度）を供給する。第４外部空気供給器６４としては、例えば、ブロワおよびファン等を利用することができる。第４外部空気供給器６４の出口は、第４外部空気流路７２を介して、第２外部空気熱交換器６２の空気流路の入口に接続されている。
【０１５０】
第４外部空気供給器６４は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が低い場合には、第４外部空気供給器６４の空気供給量を減少させる。これにより、アノードガス熱交換器５２に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏９００度へと、上昇し、かつ、カソードガス熱交換器２８に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏８００度へと、上昇する。燃料はアノードガス熱交換器５２において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されるようになり、従前よりも高温の燃料（例えば、摂氏７５０度）がアノードへと供給されることになる。空気はカソードガス熱交換器２８において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されるようになり、従前よりも高温の空気（例えば、摂氏６５０度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が上昇し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も上昇する。
【０１５１】
第４外部空気供給器６４は、例えば予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が高い場合には、第４外部空気供給器６４の空気供給量を増加させる。これにより、アノードガス熱交換器５２に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏８５０度へと、低下し、かつ、カソードガス熱交換器２８に供給される燃焼排ガスの温度が、例えば摂氏７５０度へと、低下する。燃料はアノードガス熱交換器５２において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されにくくなり、従前よりも低温の燃料（例えば、摂氏６５０度）がアノードへと供給されることになる。空気はカソードガス熱交換器２８において、燃焼排ガスにより従前よりも加熱されにくくなり、従前よりも低温の空気（例えば、摂氏６５０度）がカソードへと供給されることになる。よって、セルスタック１０の温度が低下し、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧も低下する。
【０１５２】
なお、上記の制御は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が所定量（例えば、電圧０．５Ｖ）だけ低下した場合に、第４外部空気供給器６４の空気供給量を所定量（例えば、５ＳＬＭ）だけ減少させるというように一方向的に行われてもよい。上記の制御は、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を用いて行われてもよい。
【０１５３】
第４外部空気供給器６４は、例えば、制御器１８により制御されうる。この場合、制御器１８は、例えば、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように、第４外部空気供給器６４を制御してもよい。
【０１５４】
かかる構成により、温度調整機構１４は、第２外部空気熱交換器６２に対する、固体酸化物形燃料電池システム６００の外部から取り込んだ空気の供給量を調整することで、セルスタック１０の温度を調整する。
【０１５５】
以上の点を除けば、第６実施形態の固体酸化物形燃料電池システム６００の装置構成および動作は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図１０とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１５６】
本実施形態では、アノードガス熱交換器において燃焼排ガスで燃料を加熱し、カソードガス熱交換器において燃焼排ガスで空気を加熱すると共に、第２外部空気熱交換器において、システム外部から取り込んだ空気により該燃焼排ガスを冷却することで、該燃焼排ガスの温度を制御する。かかる構成では、燃焼排ガスの冷却量を制御することで、セルスタックに供給される燃料および空気の温度を制御し、セルスタックの温度を制御することができる。
【０１５７】
セルスタックの温度は、予め設定した電流密度において、セルスタック１０の出力する電圧が一定となるように制御されるから、アノードに供給される燃料の流量等を一定にすることができ、制御を単純化することができる。また、使用開始後初期の段階では、セルスタックの温度が低く維持されるから、セルスタックの寿命を長くすることができる。
【０１５８】
第６実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態および第３実施形態および第４実施形態および第５実施形態と同様の変形が可能である。
【０１５９】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明の一態様は、制御を単純化することが可能な固体酸化物形燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１６１】
１０  セルスタック
１２  固体酸化物形燃焼電池
１４  温度調整機構
１６  空気供給器
１８  制御器
２０  カソード空気供給流路
２２  カソードオフガス排出流路
２４  燃料供給流路
２６  アノードオフガス排出流路
２８  カソードガス熱交換器
３０  カソードガス熱交換器バイパス流路
３２  カソード空気調整機構
３４  第１弁
３６  第２弁
３８  第１外部空気供給器
４０  第１外部空気流路
４２  第１外部空気熱交換器
４４  第２外部空気供給器
４６  第２外部空気流路
４８  第１空気排出流路
５０  燃焼器
５２  アノードガス熱交換器
５４  第３外部空気供給器
５６  燃焼排ガス排出流路
６０  第３外部空気流路
６２  第２外部空気熱交換器
６４  第４外部空気供給器
７２  第４外部空気流路
７４  第２空気排出流路
１００、２００、３００、４００、５００、６００  固体酸化物形燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014089920.tif 000008
【図９】
2014089920.tif 000009
【図１０】
2014089920.tif 000010
【図３】
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【図４】
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