(57)【要約】【課題】需要電力の急激な変動の繰り返しによる燃料電池モジュールの過昇温を防止することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供する。【解決手段】需要電力の一部又は全部を供給するように燃料電池モジュールによる発電を制御する制御手段を備えた固体酸化物型燃料電池装置において、需要電力に基づいて発電量を決定する発電量決定手段１１０ａと、発電量に応じた燃料供給量を決定する燃料供給量決定手段１１０ｂと、遅延制御を実行することにより、出力電力を需要電力の変化に追従させる負荷追従制御実行手段１１０ｃとを備え、需要電力の時間変化を記憶する需要電力履歴記憶手段１１０ｄと、需要電力の時間変化に基づいて、発電量の上限値を設定する上限値設定手段１１０ｅと、上限値に応じた燃料供給量を超える燃料供給及び出力電力の取り出しを制限する負荷追従制限手段１１０ｆを備えた。【選択図】図１０
2015191706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、需要電力の一部又は全部を供給するように前記燃料電池モジュールによる発電を制御する制御手段とを備えた固体酸化物型燃料電池装置において、
前記制御手段は、
需要電力に基づいて発電量を決定する発電量決定手段と、
前記決定された発電量に応じた燃料供給量を決定する燃料供給量決定手段と、
前記決定された燃料供給量の燃料供給開始から所定時間遅れて前記燃料電池モジュールから、前記燃料供給量に応じた出力電力を取り出す遅延制御を実行することにより、出力電力を需要電力の変化に追従させる負荷追従制御実行手段と、を備え、
前記制御手段は、更に、
需要電力の時間変化を記憶する需要電力履歴記憶手段と、
前記需要電力履歴記憶手段により記憶された前記需要電力の時間変化に基づいて、発電量の上限値を設定する上限値設定手段と、
前記上限値設定手段により設定された上限値に応じた燃料供給量を超える燃料供給及び出力電力の取り出しを制限する負荷追従制限手段と、を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項２】
前記負荷追従制限手段は、前記記憶された需要電力の時間変化に基づいて、少なくとも需要電力の時間変化が大きい時間帯において前記上限値を設定し、前記上限値を超える出力電力の取り出しを制限することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項３】
前記負荷追従制限手段は、前記記憶された需要電力の時間変化に基づいて、前記時間帯における需要電力の最低値を、この時間帯における前記上限値に設定することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項４】
前記負荷追従制限手段は、前記時間帯において、需要電力が前記上限値を所定期間超える場合には、前記上限値の設定を禁止又は前記上限値をより高い値に再設定することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、需要電力に応じて発電出力電力を変化させる固体酸化物型燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池装置において、需要電力の変化に発電量を追従させるように動作するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、需要電力が増加した場合、目標発電量に応じて酸化剤ガス（空気）供給量，水供給量及び燃料供給量を順次に増加させることにより、燃料電池セルユニットを劣化させることなく、所定時間の遅れをもって目標発電量まで発電量を増加させることができる。
【０００４】
即ち、目標発電量に応じて燃料等の供給量を増量しても、例えば燃料は改質器等を含む燃料供給路を通過して燃料電池セルユニットに到達するまでに時間遅れがあるため、燃料電池装置からの電力取り出しを需要電力の増加に時間遅れなく追従させると、過剰な電力取り出しが行われることになり、燃料電池セルユニットを劣化又は損傷させてしまう。
【０００５】
したがって、特許文献１に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、取り出し電力に見合った燃料が燃料電池セルユニットに到達するまでの時間遅れや、燃料到達後に実際に発電反応が可能になるまでの時間遅れに対応して、取り出し電力の増加タイミングを遅延させる遅延制御が実行される。このように、固体酸化物型燃料電池装置は、需要電力の変化に対して所定時間遅れて出力電力を追従させることができる。したがって、需要電力の時間変動が上述の遅れ時間に対して小さい場合は、需要電力の変化に出力電力を比較的良好に追従させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−６９４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、需要電力の時間変動が遅れ時間に比べて大きく、急激な変化を伴うものである場合、固体酸化物型燃料電池装置は、この急激な需要電力の変化に追従することができない。また、需要電力が短時間で頻繁に上下変動する場合、需要電力の増加に応じて燃料供給量が増大されても、上述の遅れ時間の経過前に需要電力が減少してしまうと、増大された燃料は発電反応に用いることができなくなる。このため、発電反応に用いられない分は、余剰燃料となり、単に燃料電池モジュール内での燃焼に用いられることになる。
【０００８】
したがって、このような遅れ時間に比べて短い周期で需要電力の時間変動が繰り返されると、無駄な余剰燃料が増加すると共に、その燃焼熱により燃料電池モジュール内の温度が上がり過ぎる過昇温という問題があった。特に、燃料電池モジュールは内部を高温に保持するために断熱性が良好であるため、余剰燃料による燃焼が過多であると、内部温度が上がり過ぎてしまう。
【０００９】
具体的な例を以下に説明する。家庭内において、需要電力は一日の中で変化する。例えば、朝食時間帯や夕食時間帯は需要電力が大きい高負荷期間であり、深夜から早朝の時間帯や昼間の特定の時間帯は需要電力が小さい低負荷期間である。高負荷期間には、固体酸化物型燃料電池装置の定格電力（例えば、７００Ｗ）を超えた需要電力の期間が継続するため、不足電力分は系統電力によって補われる。したがって、このような高負荷期間に急激な需要電力の変動があったとしても、燃料電池装置からの出力電力を一定としたまま、系統電力により需要電力の変動に対応することができる。
【００１０】
一方、低負荷期間には、固体酸化物型燃料電池装置は、例えば、定格電力以下の１アンペア程度（数百ワット程度）の低出力運転を実行しており、この出力電力によって家庭内の需要電力を賄っている。このような低負荷期間において、急激で短周期の需要電力の変動が繰り返されると、上述のように固体酸化物型燃料電池装置は、無駄な燃料の発生や過昇温の問題を生じる。
【００１１】
例えば、家庭用電気製品が、低負荷期間である早朝時間帯にタイマー機能を利用して作動すると、需要電力が急増し、瞬時に千ワットを超える。さらに、家庭用電気製品には単純な電力オンオフ制御を繰り返すものが多く、例えば炊飯器は炊飯時において１分程度の間隔で電力のオンオフが繰り返される。このように、低負荷期間において、急激な電力オンオフ制御が繰り返し行われると、この急激な需要電力変動に遅れ時間をもって燃料電池装置が追従しようとするため、無駄な燃料や燃料電池モジュールの過昇温が発生してしまう。
【００１２】
従って、本発明は、遅れ時間をもって需要電力の変動に追従する固体酸化物型燃料電池装置において、需要電力の急激な変動の繰り返しによる燃料電池モジュールの過昇温を防止することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、需要電力の一部又は全部を供給するように燃料電池モジュールによる発電を制御する制御手段とを備えた固体酸化物型燃料電池装置において、制御手段は、需要電力に基づいて発電量を決定する発電量決定手段と、決定された発電量に応じた燃料供給量を決定する燃料供給量決定手段と、決定された燃料供給量の燃料供給開始から所定時間遅れて前記燃料電池モジュールから、燃料供給量に応じた出力電力を取り出す遅延制御を実行することにより、出力電力を需要電力の変化に追従させる負荷追従制御実行手段と、を備え、制御手段は、更に、需要電力の時間変化を記憶する需要電力履歴記憶手段と、需要電力履歴記憶手段により記憶された需要電力の時間変化に基づいて、発電量の上限値を設定する上限値設定手段と、上限値設定手段により設定された上限値に応じた燃料供給量を超える燃料供給及び出力電力の取り出しを制限する負荷追従制限手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１４】
固体酸化物型燃料電池装置では、需要電力の変動に対して負荷追従を行うことにより、必要なときに必要な分の燃料を投入して、効率のよい発電運転が可能となる。しかしながら、固体酸化物型燃料電池は燃料投入から電力取出しまでの間に遅れ時間があるので、需要電力が短周期で急激に変動するような場合には、負荷追従運転によって出力電力を需要電力に忠実に追従させようとすればする程、上述のように無駄な余剰燃料が増え、その燃焼熱量の増加により燃料電池モジュールの過昇温が発生するおそれがある。このような過昇温を抑制するためには、負荷追従を緩慢に行えばよいが、単に緩慢にするだけでは発電運転の効率が低下してしまう。
【００１５】
そこで、本発明では、一般家庭等の生活パターンには規則性があることに着目している。例えば、毎日、特定の時刻（早朝、夕方等）にある家電製品（炊飯器等）がタイマー起動して短周期の大きな負荷変動が繰り返される場合がある。このような場合に、遅れ時間を伴う負荷追従制御が厳密に行われると、上述のように燃料電池セルモジュール内で余剰燃料の燃焼に起因する過昇温が発生するおそれが高い。固体酸化物型燃料電池装置は、電力のオンオフ制御を数分以下の短周期で繰り返す電化製品（特に、炊飯器等の加熱機器）への負荷追従には向いていない発電方式を採用しており、むしろこのような負荷追従運転は無駄な燃料の発生による発電運転の効率低下の面で使用者のメリットにならず、燃料電池セルモジュール自体の耐久性を低下させるものでもある。このため、本発明では、上述のような特定の時間帯においては、需要電力の時間変化の傾向に基づいて、余剰燃料の発生を抑制するように発電量の上限値を設定して上限値を超えるような負荷追従制御を制限することにより、過昇温を抑制すると共に効率的な発電運転を可能としている。
【００１６】
本発明において、好ましくは、負荷追従制限手段は、記憶された需要電力の時間変化に基づいて、少なくとも需要電力の時間変化が大きい時間帯において上限値を設定し、上限値を超える出力電力の取り出しを制限する。
このように構成された本発明によれば、炊飯器等の使用時間帯のように、負荷追従制御の遅れ時間と比べて同じかそれよりも短時間周期の高頻度な電力オンオフが繰り返される時間帯において、需要電力の上限が設定されるため、燃料電池セル自体の温度変化、遅れ時間に伴い生じる余剰燃料の発生、及びその燃焼に起因した過昇温が抑制される。これにより、燃料電池セルの耐久性を確保できると共に、無駄な燃料の発生を抑制して燃費の向上といった使用者メリットも得ることができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、負荷追従制限手段は、記憶された需要電力の時間変化に基づいて、前記時間帯における需要電力の最低値を、この時間帯における上限値に設定する。
このように構成された本発明によれば、需要電力の時間変化が大きい時間帯において、その時間帯の需要電力の最低値を上限値に設定するので、出力電力を一定にすることができ、このため、燃料電池装置の発電運転を安定化させて、燃料電池モジュールの耐久性を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、負荷追従制限手段は、前記時間帯において、需要電力が上限値を所定期間超える場合には、上限値の設定を禁止又は上限値をより高い値に再設定する。
このように構成された本発明によれば、需要電力の時間変化が傾向とは異なった場合には、実際の電力需要に追従させた方が良い場合がある。即ち、上限値を固定化してしまうと、使用者が通常とは異なる電力使用をした場合（通常は小さな電力しか使用しない時間帯に大きな電力使用をする場合）に、燃料電池装置から電力が供給されずに、系統電力から電力が供給されることになる場合がある。そうすると燃料電池装置を用いるメリットが低減してしまう。したがって、本発明では、需要電力が上限値を所定期間超えるような場合には、上限値の設定を禁止又はより高い値に再設定することにより、より多くの出力電力を供給することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、需要電力の急激な変動の繰り返しによる燃料電池モジュールの過昇温を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。
【図８】家庭内における需要電力及び燃料電池装置の出力電力の日変化を示すグラフである。
【図９】需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池装置の出力電力の上限値の時間変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池装置の出力電力の上限値を設定する工程のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２２】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のケース８が内蔵されている。この密閉空間であるケース８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤ガス（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。
【００２３】
燃料電池モジュール２のケース８の上述した発電室１０の上方には、燃焼部である燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。さらに、ケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料を改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２４】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９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ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２５】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２６】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内のケース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。
【００２７】
改質器２０は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が取り付けられている。
改質器導入管６２は、改質器２０の一端の側壁面から延びる円管であり、９０゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース８の上端面を貫通している。なお、改質器導入管６２は、改質器２０に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管６２の上端には、Ｔ字管６２ａが接続されており、このＴ字管６２ａの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管６３ａはＴ字管６２ａの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管６３ｂはＴ字管６２ａの他方の側端から水平方向に延びた後、Ｕ字型に屈曲され、水供給用配管６３ａと同様の方向に、概ね水平に延びている。
【００２８】
一方、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ、改質部２０ｃが形成され、この改質部２０ｃ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。
【００２９】
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。また、燃料ガス供給管６４の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部６４ｃが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。
【００３０】
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。
【００３１】
一方、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。
また、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。
【００３２】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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。
【００３３】
燃料電池セル８４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細管９８が形成されている。
【００３４】
この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図２）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図２）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板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がそれぞれ形成されている。
【００３９】
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の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。
【００４０】
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）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。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の内側電極端子８６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。
【００４１】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。
また、制御部１１０には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット４、インバータ５４等が制御される。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００４５】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、図２及び図３を参照して、固体酸化物型燃料電池１の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管６３ｂ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入されると共に、純水は、水供給用配管６３ａ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して蒸発部２０ａに導入される。従って、供給された燃料及び水はＴ字管６２ａにおいて合流され、改質器導入管６２を通って蒸発部２０ａに導入される。発電運転中においては、蒸発部２０ａは高温に加熱されているため、蒸発部２０ａに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部２０ｂ内で混合され、改質器２０の改質部２０ｃに流入する。水蒸気と共に改質部２０ｃに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部２０ｃにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管６４を通って下方に下り、分散室であるマニホールド６６に流入する。
【００４８】
マニホールド６６は、燃料電池セルスタック１４の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側に連通している。マニホールド６６に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット１６の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット１６の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット１６の内部を通過する際、空気極（酸化剤ガス極）である燃料電池セルユニット１６の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼室１８内で燃焼される。
【００４９】
一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５によって、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に送り込まれる。燃料電池モジュール２内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管７４を介して空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート７６ａ（図３）を介して各連絡流路７６に流出する。各連絡流路７６に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７を通って下方に流れ、多数の吹出口７７ａから、燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される。
【００５０】
発電室１０内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の空気極側（酸化剤ガス極側）である各燃料電池セルユニット１６の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口７７ａを介して発電室１０の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室１０内を上昇する。発電室１０内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０の蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ及び改質部２０ｃを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入する。整流板２１の上側に流入した燃焼ガスは、整流板２１によって構成された排気通路２１ｂを通って空気用熱交換器２２の入り口である連通開口８ａに導かれる。連通開口８ａから空気用熱交換器２２に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管７０の端部に流入し、各燃焼ガス配管７０外側の発電用空気流路７２を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室７８に集約される。排気ガス集約室７８に集約された排気ガスは、排気ガス排出管８２を介して燃料電池モジュール２の外部に排出される。これにより、蒸発部２０ａにおける水の蒸発、及び改質部２０ｃにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器２２内の発電用空気が予熱される。
【００５１】
次に、図７を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の起動工程における制御を説明する。
図７は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図７の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
【００５２】
図７に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック１４の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図７の時刻ｔ０において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部１１０が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に導入され、空気用熱交換器２２、発電用空気供給路７７を経て発電室１０内に流入する。また、制御部１１０は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された改質用空気は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ０においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器２０内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図７の時刻ｔ０において開始される発電用空気の供給量は約１００L/minであり、改質用空気の供給量は約１０．０L/minである。
【００５３】
次いで、図７の時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ１において開始される燃料の供給量は約５．０L/minである。燃料電池モジュール２内に導入された燃料は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ１においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器２０内において改質反応は発生しない。
【００５４】
次に、図７の時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部１１０が、点火手段である点火装置８３（図２）に信号を送り、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。点火装置８３は、燃料電池セルスタック１４の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。
【００５５】
図７の時刻ｔ３において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、水供給装置である水流量調整ユニット２８（図６）に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ３に開始される水の供給量は、２．０cc/minである。時刻ｔ３においては、燃料供給量は、従前の約５．０L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。なお、この時刻ｔ３において、改質用空気中の酸素Ｏ2と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ2／Ｃは約０．３２になる。
【００５６】
図７の時刻ｔ３において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱する。ここで、改質器２０の上方（ケース８の上）には、蒸発室用断熱材２３が配置されており、これにより、燃料の燃焼開始直後において、改質器２０の温度は常温から急激に上昇する。蒸発室用断熱材２３の上に配置されている空気用熱交換器２２には外気が導入されているため、空気用熱交換器２２は、特に燃焼開始直後においては温度が低く、冷却源となりやすい。本実施形態においては、ケース８の上面と空気用熱交換器２２の底面の間に蒸発室用断熱材２３が配置されていることにより、ケース８内の上部に配置された改質器２０から空気用熱交換器２２への熱の移動が抑制され、ケース８内の改質器２０付近には熱が籠もりやすくなる。加えて、蒸発部２０ａの上方の、整流板２１の上側の空間は、燃焼ガスの流れが遅くなる気体滞留空間２１ｃ（図２）として構成されているため、蒸発部２０ａ付近は二重に断熱され、より急速に温度が上昇する。
【００５７】
このように、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。また、蒸発部２０ａには、改質用の水が少量ずつ供給されているため、多量の水が蒸発部２０ａに貯留されている場合に比べ、わずかな熱で水を沸点まで加熱することができ、早急に水蒸気の供給を開始することができる。さらに、水流量調整ユニット２８の作動開始直後から水が流入するため、水の供給遅れによる、蒸発部２０ａの過剰な温度上昇、及び水蒸気の供給遅れを回避することができる。
【００５８】
なお、オフガスの燃焼開始後、或る程度の時間が経過すると、燃焼室１８から空気用熱交換器２２に流入する排気ガスにより、空気用熱交換器２２の温度も上昇する。改質器２０と空気用熱交換器２２の間を断熱する蒸発室用断熱材２３は、断熱材７の内側に設けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材２３は、燃料電池モジュール２からの熱の散逸を抑制するものではなく、オフガスの燃焼開始直後において、改質器２０、特に、その蒸発部２０ａの温度を急速に上昇させる。
【００５９】
このようにして、改質器２０の温度が上昇した時刻ｔ４において、蒸発部２０ａを経て改質部２０ｂに流入した燃料と改質用空気が、式（１）に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部２０ｂ内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。
【００６０】
一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻ｔ３から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻ｔ４においては、既に蒸発部２０ａ内で水蒸気が生成され、改質部２０ｂに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部２０ｂの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部２０ａに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部２０ｂに供給されている改質用の水蒸気と燃料が反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式（２）に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （２）
【００６１】
このように、図７の時刻ｔ４に到達すると、改質部２０ｂ内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻ｔ４以降に改質部２０ｂ内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式（３）に示すオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）となる。即ち、時刻ｔ４においてＡＴＲ１工程が開始される。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （３）
【００６２】
このように、本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１では、起動工程の全期間において水が供給されており、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が単独で発生することはない。なお、図１２に示すタイムチャートでは、時刻ｔ４における改質器温度は約２００℃である。この改質器温度は部分酸化改質反応が発生する温度よりも低いが、改質器温度センサ１４８（図６）により検出されている温度は改質部２０ｂの平均的な温度である。
実際には、時刻ｔ４においても、改質部２０ｂは部分的には部分酸化改質反応が発生する温度に到達しており、発生した部分酸化改質反応の反応熱により、水蒸気改質反応をも誘発される。このように、本実施形態においては、着火された後、改質部２０ｂが部分酸化改質が発生する温度に到達する前から、水の供給が開始されており、部分酸化改質反応が単独で発生することがない。
【００６３】
次に、改質器温度センサ１４８による検出温度が約５００℃以上に到達すると、図７の時刻ｔ５において、ＡＴＲ１工程からＡＴＲ２工程に移行される。時刻ｔ５において、水供給量が２．０cc/minから３．０cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ２工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．６４に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ2／Ｃは０．３２に維持される。このように、改質用空気と炭素の比Ｏ2／Ｃを一定に維持しながら、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃを増加させることにより、部分酸化改質可能な炭素の量を低下させずに、水蒸気改質可能な炭素の量が増加される。これにより、改質部２０ｂにおける炭素析出のリスクを確実に回避しながら、改質部２０ｂの温度上昇と共に、水蒸気改質される炭素の量を増加させることができる。
【００６４】
さらに、図７の時刻ｔ６において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約４００℃以上に到達すると、ＡＴＲ２工程からＡＴＲ３工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が５．０L/minから４．０L/minに変更され、改質用空気供給量が９．０L/minから６．５L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ３工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．８０に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ2／Ｃは０．２９に減少される。
【００６５】
さらに、図７の時刻ｔ７において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約５５０℃以上に到達すると、ＳＲ１工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が４．０L/minから３．０L/minに変更され、水供給量が３．０cc/minから７．０cc/minに変更される。
また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ１工程では、改質部２０ｂ内で専ら水蒸気改質が発生するようになり、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、供給された燃料の全量を水蒸気改質するために適切な２．４９に設定される。図１２の時刻ｔ７においては、改質器２０、燃料電池セルスタック１４とも、十分に温度が上昇しているので、改質部２０ｂにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。
【００６６】
次に、図７の時刻ｔ８において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約６００℃以上に到達すると、ＳＲ２工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が３．０L/minから２．５L/minに変更され、水供給量が７．０cc/minから６．０cc/minに変更される。
また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ２工程では、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、２．５６に設定される。
【００６７】
さらに、ＳＲ２工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック１４からインバータ５４（図６）に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部２０ｂにおいて、専ら水蒸気改質により燃料が改質される。また、発電運転中においては、燃料電池モジュール２に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。さらに、発電運転中においては、制御部１１０は、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量を、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の発電温度範囲である適正温度域内になるように制御している。
【００６８】
次に、図８を参照して、需要電力と出力電力の時間変動について説明する。図８（Ａ）はある日の家庭内における需要電力及び燃料電池装置による出力電力の日変化を示すグラフであり、図８（Ｂ）は別の日における需要電力及び出力電力の日変化を示すグラフである。
家庭における需要電力は、季節の違いや、平日又は週末のような違いによって相違がある。しかしながら、各家庭のライフサイクルは、家族構成によっても異なるが、ある程度パターンがあるため、需要電力にもある程度のパターンがある。例えば、就寝時間帯は、ほとんど需要電力が無い場合が多く、朝夕の食事時間帯前後及び夕食後就寝までの時間帯は、大きな需要電力が存在する場合が多い。
【００６９】
図８（Ａ）の例では、家庭内の需要電力は、６時半から９時半の間、１４時半から１９時半の間、２０時半から２１時半の間、及び、２２時から２４時半の間が高負荷期間であり、その他の時間帯が低負荷期間となっている。一方、図８（Ｂ）の例では、同じ家庭内需要電力であるが異なる曜日であるため、６時半から９時半の間、及び、２０時半から２４時までの間が高負荷期間であり、その他の時間帯が低負荷期間となっている。このように、同一の家庭においても、異なる日には、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のように相違があるものの、例えば、朝食時間帯や就寝時間前における高い需要電力や、就寝時間帯における低い需要電力という点では共通するパターンが存在することが分かる。
【００７０】
高負荷期間（例えば、図８（Ａ）の６時半から９時半の間）において、燃料電池装置１は、最大出力（定格出力約７００Ｗ）で作動しており、需要電力が定格出力を上回るため、不足電力は系統電力により補われている。したがって、高負荷期間に定格電力を超えた範囲で需要電力の変化がある場合は、その変化分は系統電力によって賄われる。
【００７１】
一方、低負荷期間（例えば、図８（Ａ）の０時半から６時半の間）において、需要電力は定格電力以下であるため、原則的にはすべての需要電力を燃料電池装置１から供給することが可能である。このような低負荷期間において、需要電力が増加すると、燃料電池装置１は、その増加に追従して出力電力を増大させようとする。しかしながら、後述するように需要電力の増加に対する燃料電池装置１の応答には遅れ時間が存在するため、即座には需要電力の増加分を供給することができず、遅れ時間の間の需要電力の増加分は系統電力によって賄われる。さらに、低負荷期間において、需要電力が短期的に急増すると、燃料電池装置１は急増分に即座には追従できない。例えば、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）では、朝６時頃に需要電力が急増し、１０００ワットを超えている。これは特定の電気製品がタイマーによって作動したためである。
【００７２】
また、低負荷期間において、電気製品が短時間周期で電力オンオフ制御されると、需要電力が短時間周期で急増及び急減を繰り返す。燃料電池装置１は、このような短時間周期の需要電力の急増及び急減にも追従しようとする。しかしながら、需要電力の急増に対応するために燃料供給量が増加されても、遅延制御により出力電力が増大するのは、所定の遅れ時間後であるから、遅れ時間が経過した時点では既に需要電力が急減していると、増大された燃料供給量に応じた発電反応及び電力取出しを行うことができず、増大燃料分を発電反応により消費させることができない。このため、消費できない燃料が余剰燃料となって無駄になると共に、この余剰燃料は燃焼によって消費される。そして、このような需要電力の短時間周期の増減に伴う余剰燃料の燃焼が繰り返されると、燃料電池モジュール２の内部温度が上昇し過ぎてしまう。
【００７３】
このように、低負荷期間において、需要電力が短時間間隔で増減を繰り返した場合に、単に遅れ時間をもって負荷追従する制御では、燃料の無駄と燃料電池モジュール２の内部で過昇温が生じるおそれがある。このような過昇温を抑制するためだけであれば、遅延制御の応答速度をさらに緩慢にすればよいが、応答速度の低下は発電運転効率を犠牲にしてしまう。そこで、本実施形態では、このような不都合が生じないように、需要電力の時間変化のパターンを学習し、この学習したパターンに基づいて負荷追従する際の目標発電量（目標出力電力）を現在の需要電力以下の電力に制限するように構成されている。これにより、低負荷期間において、需要電力の短時間間隔の変動があった場合に、燃料電池装置１が負荷（需要電力）に対して追従する程度を制限することができるので、発電運転効率を犠牲にすることなく、無駄な燃料や過昇温といった問題の発生を抑制することができる。
【００７４】
次に、図９乃至図１１を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図９は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。図１０は、出力電力の上限値の時間変化を示すグラフである。図１１は、出力電力の上限値を設定する工程のフローチャートである。
【００７５】
先ず、図９により、本実施形態における遅れ時間制御を伴う負荷追従制御について説明する。
図９に示すように、燃料電池モジュール２は、図９の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御手段である制御部１１０の発電量決定手段１１０ａは、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図９の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定される。即ち、燃料供給電流値Ｉｆを出力することにより、概ね需要電力を供給することが可能になる。
【００７６】
しかしながら、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して緩慢であるため、需要電力の短時間周期の急激な変化に対して燃料供給電流値Ｉｆを完全に追従させることはせず、需要電力に緩やかに追従させるように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の定格発電電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは定格発電電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。
なお、本実施形態では、発電量決定手段１１０ａは、目標発電量として目標出力電流を設定しているが、これに限らず、目標発電量として目標出力電力を設定してもよい。
【００７７】
制御部１１０の燃料供給量決定手段１１０ｂは、図９の３段目のグラフに示すように、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを決定し、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御して、決定した燃料供給量Ｆｒで燃料を燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図９のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、実際には、燃料利用率は運転状態に応じて変更される。
【００７８】
さらに、図９の最下段のグラフに示すように、制御部１１０の負荷追従制御実行手段１１０ｃは、燃料供給量決定手段１１０ｂにより決定された燃料供給量Ｆｒに応じて、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給され、これが買電力となる。
【００７９】
ここで、図９に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される（遅延制御）。例えば、図９の時刻ｔ１０においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ１２においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。
【００８０】
このように、制御部１１０は、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせる遅延制御を行いながら取出可能電流Ｉｉｎｖ又は取出可能電力を需要電力の変化に追従させ、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０等を通って燃料電池セルスタック１４に到達するまでの時間遅れや、燃料が燃料電池セルスタック１４に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。
なお、本実施形態では、負荷追従制御実行手段１１０ｃは、取出可能電力（そのうち、取出し時の実際の需要電力に合わせてインバータ５４から出力される電力が出力電力）に対応させて取出可能電流Ｉｉｎｖを設定しているが、これに限らず、取出可能電力自体を設定してもよい。
【００８１】
制御部１１０の需要電力履歴記憶手段１１０ｄは、図８に示した需要電力の時間変化、及び、実際にインバータ５４から負荷側へ出力された出力電力の時間変化を記憶するように構成されている。需要電力履歴記憶手段１１０ｄは、外部から受け取った需要電力の時間データ、及び電力状態検出センサ１２６から受け取った出力電力の時間データをメモリ内に記憶する。また、需要電力履歴記憶手段１１０ｄは、直近の所定期間（例えば、３日、１週間、２週間、１ヶ月、３ヶ月等）の需要電力及び出力電力の時間データに基づいて、所定周期（本実施形態では１日）の需要電力及び出力電力の平均データを算出し、更新した平均データを記憶する。なお、本実施形態では、所定周期において、所定の時間区分（本実施形態では２時間）毎に平均値を算出している。
【００８２】
制御部１１０の上限値設定手段１１０ｅは、需要電力履歴記憶手段１１０ｄによって記憶された需要電力の平均データを用いて、需要電力の上限値（上限電力）を設定及び更新する。
図１０は、設定された上限値の例である。図１０の例では、需要電力の上限値が所定の時間区分毎（図１０では２時間毎）に所定の期間を単位とする時間変化（図１０では日変化）として設定されている。ただし、これに限らず、例えば、時間区分の長さを、５分、１０分、３０分、１時間、２時間等の任意の時間長さにしてもよい。また、時間変化を、日変化ではなく、週変化、季節変化等の任意の期間の変化としてもよい。
図１０は、図８に示された電力時間変化のデータを含むデータに基づいて設定されており、一般的な家庭内での非活動時間帯（深夜から早朝等）は、出力電力の上限値が低く設定されており、一方、活動時間帯（朝食時間帯や夕方から深夜等）は、出力電力の上限値が高く設定されている。
【００８３】
制御部１１０の負荷追従制限手段１１０ｆは、上限値設定手段１１０ｅによって決定された上限値に応じて、この上限値を超えることになる燃料供給量及び取出可能電力を制限する。具体的には、需要電力に応じて発電量決定手段１１０ａにより設定された目標発電量（目標出力電流である燃料供給電流値Ｉｆに基づいて算出）が上限値を超えない場合は、負荷追従制限手段１１０ｆは、目標発電量に応じて順次、燃料供給量決定手段１１０ｂにより決定される燃料供給量Ｆｒ、及び、負荷追従制御実行手段１１０ｃにより指示される取出可能電流Ｉｉｎｖ（又は、取出可能電流Ｉｉｎｖに基づいて算出される取出可能電力）を制限しない。
【００８４】
しかしながら、需要電力が上限値を超える場合は、負荷追従制限手段１１０ｆは、需要電力に代替して上限値を発電量決定手段１１０ａへ出力することにより、需要電力ではなく、上限値に基づいて、発電量決定手段１１０ａにより目標発電量（燃料供給電流値Ｉｆ）を設定させ、その結果、燃料供給量決定手段１１０ｂにより燃料供給量Ｆｒを決定させると共に、負荷追従制御実行手段１１０ｃにより取出可能電力（取出可能電流値Ｉｉｎｖ）を指示させる。これにより、発電量決定手段１１０ａにより設定される目標発電量、燃料供給量決定手段１１０ｂにより決定される燃料供給量、及び、負荷追従制御実行手段１１０ｃにより指示される取出可能電力が制限される。
【００８５】
本実施形態では、上限値設定手段１１０ｅは、図１１のフローチャートに基づいて、図１０に示した発電量の上限値を設定及び更新する。この処理は、所定時間毎に繰り返し実行される。
この発電量の上限値設定処理において、先ず、上限値設定手段１１０ｅは、需要電力履歴記憶手段１１０ｄによって記憶された現在の需要電力値Ｔn及び出力電力値Ｕnを読み込む（ステップＳ１）。
【００８６】
次に、上限値設定手段１１０ｅは、需要電力履歴記憶手段１１０ｄによって記憶されている需要電力の平均データから、現在の時間区分における需要電力の平均値ＴＯn-1を読み込み（ステップＳ２）、読み込んだ需要電力値Ｔn及び需要電力平均値ＴＯn-1に基づいて、現在の時間区分における最新の需要電力平均値ＴＯnを算出及び更新する（ステップＳ３）。
なお、本実施形態では、１つの時間区分内で時間経過と共に複数個の需要電力値Ｔnが読み込まれ、複数回の更新が行われる。このため、各需要電力値Ｔnは、重み付けされて平均値が求められる。例えば、１つの時間区分でＮ回の需要電力値Ｔnの読み込みが行われ、Ｎ回更新が行われるとすると、１つの需要電力値Ｔnは、１／Ｎの重みで平均値算出に用いられる。
【００８７】
次に、上限値設定手段１１０ｅは、需要電力履歴記憶手段１１０ｄによって記憶されている出力電力の平均データから、現在の時間区分における出力電力の平均値ＵＯn-1を読み込み（ステップＳ４）、読み込んだ出力電力値Ｕn及び出力電力平均値ＵＯn-1に基づいて、現在の時間区分における最新の出力電力平均値ＵＯnを算出及び更新する（ステップＳ５）。
なお、本実施形態では、１つの時間区分内で時間経過と共に複数個の出力電力値Ｕnが読み込まれ、複数回の更新が行われる。このため、各出力電力値Ｕnは、重み付けされて平均値が求められる。例えば、１つの時間区分でＮ回の出力電力値Ｕnの読み込みが行われ、Ｎ回更新が行われるとすると、１つの出力電力値Ｕnは、１／Ｎの重みで平均値算出に用いられる。
【００８８】
次に、上限値設定手段１１０ｅは、更新された最新の出力電力平均値ＵＯn及び需要電力平均値ＴＯnに基づいて、現在の時間区分における発電量の上限値を算出及び更新し（ステップＳ６）、処理を終了する。本実施形態では、上限値設定手段１１０ｅは、「上限値＝出力電力平均値ＵＯn×０．７＋需要電力平均値ＴＯn×０．３」により、上限値を算出する。これにより、現在の時間区分における実績の平均値（出力電力平均値）に、需要電力平均値が加味されて上限値が定められる。
【００８９】
したがって、低負荷時間帯において、短周期的な変動がなく需要電力が安定している場合は、需要電力平均値も日変化せず一定となり、また、出力電力も需要電力と一致した値で一定となる。したがって、このような安定状態では、上限値は、出力電力及び需要電力の平均値と一致する。
しかしながら、低負荷時間帯においても、微小ながら短周期的な需要電力の変動があるので、遅延制御による遅れ時間に起因して、需要電力の平均値の方が、出力電力の平均値よりも僅かに大きくなる。したがって、低負荷時間帯において、上限値は、出力電力の平均値よりも大きめに設定される。
【００９０】
また、季節変化やライフスタイル変化に伴って需要電力も影響を受けるので、本実施形態においては、上限値を決定する要因として、需要電力の平均値を加味することにより、このような季節やライフスタイルの変化に対応して、上限値を設定及び更新することができる。
【００９１】
次に、上限値の設定に基づく、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
上述のように、例えば図８に示すように、定刻（朝６時）にタイマーを利用して電気製品が作動し、低負荷時間帯に急激且つ短周期的な需要電力の増加及び減少の繰り返し変動が生じることがある。低負荷時間帯においても、需要電力の微小な増減はあるが、定格電力を超えるような大きな負荷変動が起こると、燃料電池装置１の発電の遅れ時間に起因して、燃料の無駄や過昇温といった問題が生じる。
【００９２】
このような大きな負荷変動が起きた場合、急増した需要電力が上限値を超えるので、制御部１１０の負荷追従制限手段１１０ｆは、上限値までの出力電力を取出し可能とするように、目標発電量（燃料供給電流値）、燃料供給量及び取出可能電力（取出可能電流値）を制限する。これにより、発電量決定手段１１０ａ、燃料供給量決定手段１１０ｂ及び負荷追従制御実行手段１１０ｃは、実際の需要電力の増加に追従しようとはせず、取出可能電力が上限値となるように低減された追従制御を行う。これにより、上述のような燃料の無駄や過昇温といった問題を抑制することができる。
【００９３】
また、タイマー利用により定刻に需要電力の大きな変動が開始される場合でも、上限値が出力電力の平均値及び需要電力の平均値に基づいて決定されるので、上限値が需要電力の大きな変動の開始の直前までの低負荷のレベルと比べて極端に大きく設定されることがない。また、需要電力の大きな変動は、電力のオンオフ制御に基づくものであるので、時間的に平均すると需要電力は大きくならない。また、需要電力の大きな変動中においても、遅延制御に起因して、仮に目標発電量が大きく設定されたとしても、出力電力は極端に大きくならない。したがって、本実施形態のように、上限値を出力電力の平均値及び需要電力の平均値に基づいて決定することにより、更には時間区分を設定することにより、需要電力の大きな変動の開始の直前までの低負荷のレベルに比べて上限値が大幅に大きく設定されることがなく、むしろ低負荷のレベルに近い値が設定される。
【００９４】
上記実施形態では、上限値が所定周期（例えば日変化）におけるすべての時間区分において設定されているが、これに限らず、特定の時間区分のみに上限値が設定されるように構成してもよい。例えば、低負荷時間帯において、所定の電力値（例えば定格出力）を超える大きな需要電力が発生した時間区分、需要電力に対して所定の割合以下でしか出力電力を提供できない時間区分等のみに上限値を設定してもよい。このように構成することにより、遅延制御に起因する燃料の無駄や過昇温を生じるおそれのある時間帯又は時間区分において、上記問題の発生を抑制することができる。
【００９５】
また、上記実施形態では、上限値が出力電力の平均値及び需要電力の平均値に基づいて決定されているが、これに限らず、各時間区分において、需要電力の最低値を上限値として設定するように構成してもよい。このように構成することにより、需要電力の変動に起因する出力電力の変動が抑制され、出力電力の安定的な供給が可能となると共に、燃料電池モジュール２の運転の効率化及び長寿命化を図ることができる。
【００９６】
また、上記実施形態では、設定された上限値を超えるような需要電力の変動があった場合に、出力電力が上限値を超えることが無いように制御が行われるが、これに限らず、所定の時間区分において、上限値を所定期間超える場合は、上限値を更に大きな値に再設定したり、上限値を一時的に設定しない状態としたりすることにより、需要電力の変動に追従する程度を高めてもよい。例えば、ある日のある時間区分において、上限値を超える期間が所定期間継続する場合には、例外的な需要電力があると判断することができる。上限値の設定は、燃料電池装置１による電力供給を低減して、買電力を増加させることになる。したがって、このように例外的な需要電力がある場合には、上限値の再設定や一時的中止により、買電力を低減して、燃料電池装置１からの電力供給量を増加させるメリットがある。
【符号の説明】
【００９７】
１    固体酸化物型燃料電池
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
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
２８    水流量調整ユニット
３８    燃料流量調整ユニット
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
５４    インバータ
１１０    制御部
１１０ａ  発電量決定手段
１１０ｂ  燃料供給量決定手段
１１０ｃ  負荷追従制御実行手段
１１０ｄ  需要電力履歴記憶手段
１１０ｅ  上限値設定手段
１１０ｆ  負荷追従制限手段
１２６    電力状態検出センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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