(57)【要約】【課題】高い発電効率を維持しつつ、簡単な構成かつ低コストで開回路電圧を抑制して安定的な運転を実現することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】演算部（７０）は、固体酸化物形燃料電池（１０）の目標開回路電圧を演算する。取得部（８０）は、固体酸化物形燃料電池（１０）の実測開回路電圧を取得する。ガス流量制御部（１６Ｃ、１８Ｃ）は、固体酸化物形燃料電池（１０）の目標開回路電圧と実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、燃料ガス流路（１３）における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路（１５）におけるリサイクルガスの流量を制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、
前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算部と、
前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得部と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス流量制御部は、前記固体酸化物形燃料電池の起動時の実測開回路電圧が所定の閾値電圧に到達したときに、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量の制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス流量制御部は、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量の一方を増加させるとともに他方を減少させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記固体酸化物形燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をさらに有し、
前記ガス流量制御部は、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度に基づいて、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記演算部は、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度と水素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧を演算することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算ステップと、
前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得ステップと、
前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御ステップと、
を有することを特徴とする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、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
【０００３】
一般的に、燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換して系統電力網との連系運転を行う場合、直流部を高電圧低電流にすることで、変換効率が上昇する。これは、燃料電池のセルスタックの積層数を増やして各セルを直列に接続することで実現される。直流部を高電圧低電流にできることがＳＯＦＣの発電効率が高い理由である。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池を速やかに暖機することを目的とした燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス供給手段と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤オフガス排出流路と、希釈器と、分岐ガス流路と、圧力調整手段と、ＯＣＶ判定手段と、ＩＶ特性低下手段とを有する。
【０００５】
燃料電池は、燃料ガスが供給される燃料ガス流路と、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス流路とを有する。燃料ガス供給手段は、燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する。酸化剤オフガス排出流路は、酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する。
【０００６】
希釈器は、酸化剤オフガス排出流路に設けられると共に、燃料ガス流路から排出された燃料オフガスを、酸化剤オフガスで希釈する。分岐ガス流路は、酸化剤ガス供給流路又は希釈器よりも上流の酸化剤オフガス排出流路と、希釈器とを接続すると共に、希釈器に向かう分岐ガスが通流する。圧力調整手段は、分岐ガスの圧力を調整する。ＯＣＶ判定手段は、システム起動時に燃料電池のＯＣＶが所定ＯＣＶ以上であるか否かを判定する。ＩＶ特性低下手段は、ＯＣＶ判定手段が燃料電池のＯＣＶが所定ＯＣＶ以上であると判定した後、燃料電池の発電を開始すると共に、酸化剤ガスのストイキ比を低下させることで燃料電池のＩＶ特性を低下させる。圧力調整手段は、ＩＶ特性低下手段による燃料電池のＩＶ特性の低下時、希釈器に導入される分岐ガスの圧力を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１０９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１を含む従来の燃料電池システムは、燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ：Open  Circuit  Voltage）が高くなりすぎて、燃料電池のセルスタックひいては補機の劣化及び損傷を誘発する結果、燃料電池システムの安定的な運転が困難になるという問題がある。また、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池を暖機するための構成要素が大掛かりで複雑であるため高コスト化を招いてしまう。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い発電効率を維持しつつ、簡単な構成かつ低コストで開回路電圧を抑制して安定的な運転を実現することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算部と、前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得部と、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御部と、を有することを特徴としている。
【００１１】
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算ステップと、前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得ステップと、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御ステップと、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い発電効率を維持しつつ、簡単な構成かつ低コストで開回路電圧を抑制して安定的な運転を実現することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】燃料ガス流路における燃料ガスの流量、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流量、及び、リサイクルガス流路におけるリサイクルガスの流量を制御するための燃料電池システムの制御系統を示すブロック図である。
【図３】本実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までのＳＯＦＣに掛かる電圧を示すタイミングチャートである。
【図４】本実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図４を参照して、本実施形態の燃料電池システム１について詳細に説明する。図１中において、実線（ＳＯＦＣ１０の外部）と破線（ＳＯＦＣ１０の内部）は、例えばガスや水等の流体の流れを示しており、一点鎖線は電気（電流、電力）の流れを示している。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）１０と、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と、系統電力網３０と、燃焼器４０と、排熱回収循環系５０とを有している。
【００１６】
ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。
【００１７】
ＳＯＦＣ１０は、アノードガス流路１１と、カソードガス流路１２とを有している。アノードガス流路１１には燃料ガス流路１３が接続（連通）しており、カソードガス流路１２には酸化剤ガス流路１４が接続（連通）している。燃料ガス流路１３は、燃料ガス供給器（図示略）から供給された燃料ガスをアノードガス流路１１に供給する。酸化剤ガス流路１４は、酸化剤ガス供給器（図示略）から供給された酸化剤ガスをカソードガス流路１２に供給する。アノードガス流路１１に供給された燃料ガスとカソードガス流路１２に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する。電気化学反応を起こさなかった燃料ガスと酸化剤ガスは、排出ガスとして、ＳＯＦＣ１０から排出される。ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１から排出された燃料ガスの一部は、リサイクルガスとして、リサイクルガス流路１５を介して、燃料ガス流路１３に還流される。
【００１８】
燃料ガス流路１３には、当該燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量を増減させる燃料ガス流量調整弁（ガス流量調整弁）１６が設けられている。酸化剤ガス流路１４には、当該酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を増減させる酸化剤ガス流量調整弁（ガス流量調整弁）１７が設けられている。リサイクルガス流路１５には、当該リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を増減させるリサイクルガス流量調整弁（ガス流量調整弁）１８が設けられている。燃料ガス流量調整弁１６は、燃料ガス流路１３のうちリサイクルガス流路１５との合流点よりも上流側に設けられている。なお、ガス流量調整弁１６、１７、１８に代えて、ガス流路１３、１４、１５におけるガスの流量を増減させるためのガス流量調整用のブロアやコンプレッサを設けることも可能である。
【００１９】
燃料ガス流量調整弁１６には、当該燃料ガス流量調整弁１６の開閉度合いを制御することで燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御部（ガス流量制御部）１６Ｃが接続されている。酸化剤ガス流量調整弁１７には、当該酸化剤ガス流量調整弁１７の開閉度合いを制御することで酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部（ガス流量制御部）１７Ｃが接続されている。リサイクルガス流量調整弁１８には、当該リサイクルガス流量調整弁１８の開閉度合いを制御することでリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御するリサイクルガス流量制御部（ガス流量制御部）１８Ｃが接続されている。
【００２０】
本明細書で「燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量」とは、燃料ガス流路１３のうち、リサイクルガス流路１５との合流点よりも上流側における燃料ガスの流量を意味している。すなわち、「燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量」と「リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量」の総和が、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に供給される燃料ガスの流量となる。
【００２１】
ＤＣ／ＡＣ変換部２０は、ＳＯＦＣ１０が発生（発電）した直流電流を交流電流に変換する。
【００２２】
ＳＯＦＣ１０の発電電力はＤＣ/ＡＣ変換部２０を通り、系統連系リレー２５を介して、系統電力網３０に接続されている。ＳＯＦＣ１０の発電電力は、系統連系リレー２５がオン状態のとき、系統電力網３０と連系状態となり、系統連系リレー２５がオフ状態のとき、解列状態となり、ＳＯＦＣ１０は自立運転を行う。
【００２３】
連系運転時には、ＳＯＦＣ１０の発電電力が系統に給電され、自立運転時には、定格最大電力よりも小さい負荷で発電電力が装置内で消費される。
【００２４】
また、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と系統連系リレー２５の間の電力伝送路からは、別の電力伝送路を分岐してもよい（図示略）。この分岐した電力伝送路は、ＤＣ／ＡＣ変換部２０や、図示していないポンプ、ブロワ、排熱回収循環系に設けられたラジエータ（図示略）などの燃料電池システム１に搭載された機器に接続してもよい。これらの機器は、分岐した電力伝送路を介して、ＳＯＦＣ１０または系統電力網３０のいずれかから電力を供給されて駆動する。
【００２５】
燃焼器４０は、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを燃焼させることで、当該排出ガス中に残留している燃料成分を除去する。
【００２６】
排熱回収循環系５０は、燃焼器４０からの燃焼ガス（排出ガス）の熱を回収する排熱回収循環ライン（図示略）を有している。この排熱回収循環ラインには、排熱回収のための熱媒体としての水（温水）が循環される。排熱回収循環系５０（排熱回収循環ライン）による排熱回収後のガスは、燃料電池システム１の外部に排気される。なお、排熱回収循環ラインには、排熱回収熱交換器、温水熱交換器、ヒータ、ラジエータ、ポンプ等の各種の反応器（いずれも図示略）が設けられていてもよい。
【００２７】
図２は、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量、及び、リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御するための燃料電池システム１の制御系統を示すブロック図である。
【００２８】
図２の燃料電池システム１の制御系統は、上述した燃料ガス流量制御部１６Ｃと、酸化剤ガス流量制御部１７Ｃと、リサイクルガス流量制御部１８Ｃとを有している。加えて、図２の燃料電池システム１の制御系統は、温度検出部６０と、目標ＯＣＶ演算部（演算部）７０と、実測ＯＣＶ取得部（取得部）８０とを有している。
【００２９】
温度検出部６０は、ＳＯＦＣ１０の内部の温度（セルスタックの内部温度）を検出してこれを酸化剤ガス流量制御部１７Ｃに出力する。酸化剤ガス流量制御部１７Ｃは、温度検出部６０から入力したＳＯＦＣ１０の内部の温度に基づいて、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を制御する。例えば、酸化剤ガス流量制御部１７Ｃは、ＳＯＦＣ１０の内部の温度が定格運転に適した温度範囲（例えば９００℃±５０℃）を上回っているときに、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を増やすことで、ＳＯＦＣ１０の内部の温度を下げる。逆に、酸化剤ガス流量制御部１７Ｃは、ＳＯＦＣ１０の内部の温度が定格運転に適した温度範囲を下回っているときに、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を減らすことで、ＳＯＦＣ１０の内部の温度を上げる。このように、温度検出部６０と酸化剤ガス流量制御部１７Ｃが協働して、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を制御することで、ＳＯＦＣ１０の内部の温度が定格運転に適した温度範囲に維持される。
【００３０】
目標ＯＣＶ演算部７０は、ＳＯＦＣ１０の開回路電圧（ＯＣＶ：Open  Circuit  Voltage）の目標値である目標ＯＣＶを演算する。ＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶは、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動時（無負荷時）のＩＶ特性より算出される高電圧（例えば直流で７５０Ｖ〜９５０Ｖ程度）となることを回避して、セルスタックひいては補機の劣化及び損傷を防止できるような値に設定される。
【００３１】
目標ＯＣＶ演算部７０は、ＳＯＦＣ１０の内部の温度と水素濃度に基づく微分演算により、ＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶを演算する。上述したように、ＳＯＦＣ１０の内部の温度は、温度検出部６０により検出される。
【００３２】
ＳＯＦＣ１０の内部の水素濃度は、次のようにして求められる。ＳＯＦＣ１０の内部の温度と、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とに基づく微分演算を行うことで、「微分演算値１」を得る。ＳＯＦＣ１０の内部の温度と、リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量とに基づく微分演算を行うことで、「微分演算値２」を得る。この「微分演算値２」は、リサイクルガス中の水素の量を示す「循環水素量」である。「微分演算値１」と「微分演算値２（循環水素量）」を加算演算することで、「加算演算値１」を得る。「加算演算値１」と、リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量とに基づく微分演算を行うことで、「微分演算値３」を得る。この「微分演算値３」が、ＳＯＦＣ１０の内部の水素濃度に相当する。
【００３３】
実測ＯＣＶ取得部８０は、ＳＯＦＣ１０の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の実測値である実測ＯＣＶを取得する。
【００３４】
目標ＯＣＶ演算部７０が演算したＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶと、実測ＯＣＶ取得部８０が取得したＳＯＦＣ１０の実測ＯＣＶとのオフセット量（差分電圧）は、燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃにそれぞれ出力される。
【００３５】
燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃは、ＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶと実測ＯＣＶのオフセット量（差分電圧）に基づいて、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御する。すなわち、燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃは、ＳＯＦＣ１０の実測ＯＣＶが目標ＯＣＶに追従するように（目標ＯＣＶと実測ＯＣＶのオフセット量を打ち消すように）、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御する。
【００３６】
燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃは、ＳＯＦＣ１０の起動時の実測ＯＣＶが所定の閾値電圧（例えば６００Ｖ）に到達したときに、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量の制御を開始する。
【００３７】
ガス流量制御開始後のある制御期間において、燃料ガス流量制御部１６Ｃが、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量を増加させる場合、リサイクルガス流量制御部１８Ｃが、リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を減少させる。逆に、ガス流量制御開始後のある制御期間において、燃料ガス流量制御部１６Ｃが、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量を減少させる場合、リサイクルガス流量制御部１８Ｃが、リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を増加させる。
【００３８】
例えば、ＳＯＦＣ１０の起動時には、リサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量が増加する傾向となるので、これに合わせて、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量を減少させる。これにより、ＳＯＦＣ１０の内部における水素分圧が調整されて当該水素分圧が高くなりすぎるのが防止され、ＳＯＦＣ１０の実測ＯＣＶが目標ＯＣＶに高精度に追従する結果、燃料電池システム１の安定的な運転が実現可能となる。
【００３９】
ここで、ＳＯＦＣ１０の内部における水素分圧は、厳密には、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量に加えて、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量、さらにはボイラ（図示略）などから供給される水蒸気の量などの影響を受ける。しかし、本実施形態のように、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を適切に制御すれば、上記外乱要因は無視できる程度であり、ＳＯＦＣ１０の内部における水素分圧を適切に調整することができる。あるいは、上記外乱要因を考慮に入れた上で、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御すれば、ＳＯＦＣ１０の内部における水素分圧をさらに高精度に調整することができる。
【００４０】
燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御（増減）させることは、ＳＯＦＣ１０の内部の反応器を駆動させて熱が籠ることを助長する。しかし、温度検出部６０がＳＯＦＣ１０の内部の温度をモニタリングして、これに応じて、酸化剤ガス流量制御部１７Ｃが酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を制御するので、ＳＯＦＣ１０の内部の温度が高くなりすぎることがない。この点でも、燃料電池システム１の安定的な運転が実現可能となる。
【００４１】
図３のタイミングチャート及び図４のフローチャートを参照して、燃料電池システム１の起動時から定格運転開始までの動作について説明する。図３のタイミングチャートにおいて、実線は本実施形態によるガス流量制御を行った場合にＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示し、破線は本実施形態によるガス流量制御を行わなかった場合にＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示している。
【００４２】
ステップＳＴ１では、燃料ガスと酸化剤ガスをＳＯＦＣ１０に送り込むための空気ブロア（図示略）がオンされる。ステップＳＴ２では、燃料ガスと酸化剤ガスを加熱するための空気加熱機構（図示略）がオンされる。ステップＳＴ３では、ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上であれば（ステップＳＴ３：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ４に進む。ＳＯＦＣ１０の温度が所定値未満であれば（ステップＳＴ３：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上になるのを待つ。
【００４３】
ステップＳＴ４では、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給が開始され、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが立ち上がり始める（図３参照）。この段階では、本実施形態によるガス流量制御を行っていない（図３の実線と破線を参照）。
【００４４】
ステップＳＴ５では、ＳＯＦＣ１０の起動時の実測ＯＣＶが所定の閾値電圧（例えば６００Ｖ）以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０の起動時の実測ＯＣＶが所定の閾値電圧以上であれば（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ６に進む。ＳＯＦＣ１０の起動時の実測ＯＣＶが所定の閾値未満であれば（ステップＳＴ５：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０の起動時の実測ＯＣＶが所定の閾値電圧以上になるのを待つ。
【００４５】
ステップＳＴ６では、目標ＯＣＶ演算部７０が、ＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶの演算を開始する。ステップＳＴ７では、実測ＯＣＶ取得部８０が、ＳＯＦＣ１０の実測ＯＣＶの取得を開始する。ステップＳＴ８では、燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃが、ＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶと実測ＯＣＶのオフセット量（差分電圧）に基づいて、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量の制御を開始する。このガス流量制御により、ＳＯＦＣ１０の起動時（無負荷時）のＯＣＶが、本実施形態によるガス流量制御を行わなかった場合のＯＣＶよりも低く維持されるように制御される（図３の実線と破線を参照）。またステップＳＴ８では、酸化剤ガス流量制御部１７Ｃが、温度検出部６０から入力したＳＯＦＣ１０の内部の温度に基づいて、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量の制御を開始する。ステップＳＴ６〜ステップＳＴ８の処理は、略同時に実行してもよいし、時間的にずらして実行してもよい。
【００４６】
ステップＳＴ９では、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値以上であれば（ステップＳＴ９：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０に進む。ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値未満であれば（ステップＳＴ９：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値以上となるのを待つ。
【００４７】
ステップＳＴ１０では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が発電負荷（例えば各種の補機）に投入開始される。これにより、発電負荷に流れる電流が上昇を開始する。
【００４８】
ステップＳＴ１１では、ＳＯＦＣ１０が定格運転に近いか否か（ＳＯＦＣ１０の実測ＯＣＶが定格運転電力に近いか否か）が判定される。ＳＯＦＣ１０が定格運転に近いと判定されれば（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１２に進む。ＳＯＦＣ１０が定格運転に近くないと判定されれば（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が定格運転に近くなるのを待つ。
【００４９】
ステップＳＴ１２では、目標ＯＣＶ演算部７０が、ＳＯＦＣ１０の目標ＯＣＶの演算を終了する。ステップＳＴ１３では、実測ＯＣＶ取得部８０が、ＳＯＦＣ１０の実測ＯＣＶの取得を終了する。ステップＳＴ１４では、燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃが、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量の制御を終了する。燃料ガスとリサイクルガスの流量制御を終了することにより、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが、本実施形態によるガス流量制御を行わなかった場合のＯＣＶと一致するように収束していく（図３の実線と破線を参照）。またステップＳＴ１４では、酸化剤ガス流量制御部１７Ｃが、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量の制御を終了する。ステップＳＴ１２〜ステップＳＴ１４の処理は、略同時に実行してもよいし、時間的にずらして実行してもよい。
【００５０】
ステップＳＴ１５では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が定格最大電力に収束した定格運転が実行される。
【００５１】
図３のタイミングチャート及び図４のフローチャートでは、ＳＯＦＣ１０が定格運転に近くなったタイミングで、燃料ガスとリサイクルガスと酸化剤ガスの流量制御を終了させたが、ＳＯＦＣ１０が定格運転になった後のタイミングで、燃料ガスとリサイクルガスと酸化剤ガスの流量制御を終了させてもよい。
【００５２】
以上説明した燃料電池システム１によれば、ＳＯＦＣ１０の高い発電効率を維持しつつ、燃料ガス流路１３とリサイクルガス流路１５に燃料ガス流量調整弁１６とリサイクルガス流量調整弁１８を設け、燃料ガス流量調整弁１６とリサイクルガス流量調整弁１８を燃料ガス流量制御部１６Ｃとリサイクルガス流量制御部１８Ｃにより制御するだけの簡単な構成かつ低コストで、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶ（特に起動時のＯＣＶ）を抑制して安定的な運転を実現することができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００５４】
上記実施の形態では、ＳＯＦＣ１０の内部における水素分圧を調整するために、燃料ガス流路１３における燃料ガスの流量とリサイクルガス流路１５におけるリサイクルガスの流量を制御する場合を例示して説明したが、これに加えて／代えて、酸化剤ガス流路１４における酸化剤ガスの流量を制御してもよい。さらには、ボイラ（図示略）などから供給される水蒸気の量を増減させることで、ＳＯＦＣ１０の内部における水素分圧を調整してもよい。
【００５５】
上記実施の形態では、ＳＯＦＣ１０と排熱回収循環系５０の間に燃焼器４０を設けているが、この燃焼器４０を省略して、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを直接的に排熱回収循環系５０に導いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池システム
１０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
１１  アノードガス流路
１２  カソードガス流路
１３  燃料ガス流路
１４  酸化剤ガス流路
１５  リサイクルガス流路
１６  燃料ガス流量調整弁（ガス流量調整弁）
１６Ｃ  燃料ガス流量制御部（ガス流量制御部）
１７  酸化剤ガス流量調整弁（ガス流量調整弁）
１７Ｃ  酸化剤ガス流量制御部（ガス流量制御部）
１８  リサイクルガス流量調整弁（ガス流量調整弁）
１８Ｃ  リサイクルガス流量制御部（ガス流量制御部）
２０  ＤＣ／ＡＣ変換部
２５  系統連系リレー
３０  系統電力網
４０  燃焼器
５０  排熱回収循環系
６０  温度検出部
７０  目標ＯＣＶ演算部（演算部）
８０  実測ＯＣＶ取得部（取得部）
【図１】
2018045941.tif 000003
【図２】
2018045941.tif 000004
【図３】
2018045941.tif 000005
【図４】
2018045941.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月16日(2017.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、
前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算部と、
前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得部と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御部と、
を有し、
前記演算部は、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度と水素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧を演算する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス流量制御部は、前記固体酸化物形燃料電池の起動時の実測開回路電圧が所定の閾値電圧に到達したときに、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量の制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス流量制御部は、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量の一方を増加させるとともに他方を減少させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記固体酸化物形燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をさらに有し、
前記ガス流量制御部は、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度に基づいて、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算ステップと、
前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得ステップと、
前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御ステップと、
を有し、
前記演算ステップでは、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度と水素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧を演算する、
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算部と、前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得部と、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御部と、を有し、前記演算部は、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度と水素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧を演算する、ことを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃料ガスをリサイクルガスとして前記燃料ガス流路に還流するリサイクルガス流路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池の目標開回路電圧を演算する演算ステップと、前記固体酸化物形燃料電池の実測開回路電圧を取得する取得ステップと、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧と前記実測開回路電圧の差分電圧に基づいて、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流量と前記リサイクルガス流路における前記リサイクルガスの流量を制御するガス流量制御ステップと、を有し、前記演算ステップでは、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度と水素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池の前記目標開回路電圧を演算する、ことを特徴としている。