(57)【要約】【課題】温度センサーを用いずに、個々の発電セルの最高温度を推測できる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】制御装置１０３は、入力部１０４ａで設定された、燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、並びに燃料電池スタック１０１から取り出す電流の電流値からそれぞれの燃料電池セル１１０の最高温度を算出するセル状態算出部１０８を有する。制御装置１０３は、すべての燃料電池セル１１０の最高温度が所定の閾値以下の場合、入力部１０４ａで設定された温度と流量の燃料ガスを燃料ガス供給装置１０７に供給させ、入力部１０４ａで設定された温度と流量の酸化剤ガスを酸化剤ガス供給装置１０６に供給させ、入力部１０４ａで設定された電流値の電流を電力供給装置１０２に供給させる。【選択図】図１
2015103442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池セルを電気的に複数接続して構成した燃料電池スタックと、
燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、並びに前記燃料電池スタックから取り出す電流の電流値を設定する入力部と、
燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給する燃料ガス供給装置と、
酸化剤ガスを前記燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガス供給装置と、
電流を前記燃料電池スタックから取り出し、電力を供給する電力供給装置と、
前記入力部で設定された、燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、並びに電流値からそれぞれの前記燃料電池セルの最高温度を算出するセル状態算出部を有し、すべての前記燃料電池セルの最高温度が所定の閾値以下の場合、前記入力部で設定された温度と流量の燃料ガスを前記燃料ガス供給装置に供給させ、前記入力部で設定された温度と流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給装置に供給させ、前記入力部で設定された電流値の電流を前記電力供給装置に供給させる制御装置と、
を備えることを特徴とした固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
少なくとも１つの、前記セル状態算出部によって算出された前記燃料電池セルの最高温度が前記閾値を超える場合、前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置、及び前記電力供給装置にそれぞれの運転状態を維持させる
ことを特徴とした固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
表示部をさらに備え、
前記制御装置は、
少なくとも１つの、前記セル状態算出部によって算出された前記燃料電池セルの最高温度が前記閾値を超える場合、警告を前記表示部に表示させる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記セル状態算出部は、
燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、並びに前記燃料電池スタックから取り出す電流の電流値から前記燃料電池セルの最高温度を算出する第１の一次近似式を用いて、前記燃料電池セルの最高温度を算出する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、前記燃料電池スタックから取り出す電流の電流値、並びに数値シミュレーションにより得られた前記燃料電池セルの最高温度からなる複数の組合せを回帰分析することにより、前記第１の一次近似式を得る
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定装置をさらに備え、
前記セル状態算出部は、
前記入力部で設定された、燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、電流値、並びに前記電圧測定装置で測定された前記燃料電池セルの電圧からそれぞれの前記燃料電池セルの最高温度を算出する
ことを特徴とした固体酸化物形燃料電池システム
【請求項７】
請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記セル状態算出部は、
燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、前記燃料電池スタックから取り出す電流の電流値、並びに前記燃料電池セルの電圧から前記燃料電池セルの最高温度を算出する第２の一次近似式を用いて、前記燃料電池セルの最高温度を算出する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、前記燃料電池スタックから取り出す電流の電流値、並びに数値シミュレーションにより得られた前記燃料電池セルの最高温度からなる複数の組合せを回帰分析することにより、前記第２の一次近似式を得る
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【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】
燃料電池システムは複数の発電セルを電気的に接続し構成され、燃料と酸化剤から電気化学反応により直接的に電気エネルギーを取り出す発電装置であり、高い発電効率が期待できる。発電セルは、電解質を挟むようにアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を備える。
【０００３】
アノード側には燃料を、カソード側には酸化剤を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより電気エネルギーを取り出す。燃料にはメタンや水素などの燃料ガスを、酸化剤には空気を用いる。起電力が１V程度と小さいので、産業用発電システムに用いるためには、複数の発電セルを電気的に接続したスタック構造で使用するのが一般的である。
【０００４】
ところで、発電セルは、燃料ガスと空気中の酸素から電気化学反応により電気エネルギーを取り出す際、下記反応式（１）で表される発熱反応により、発電セル部分では発熱に伴い温度が上昇する。
【０００５】
Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  ＋２４２ｋＪ／ｍｏｌ    （１）
【０００６】
燃料電池の発電性能は温度に強い影響を受けるため、高い発電効率を実現するためには、発電セルの温度を適正範囲に制御する必要がある。発電セルの耐久寿命を考慮すると、運転の上限温度を定め、発熱による温度上昇が発電セルの上限温度を超えないように温度制御しなければならない。
【０００７】
燃料電池システムは複数の発電セルで構成されるので、個々の発電セルの温度を知るためには、例えば、それぞれの発電セルに温度センサーを設置し観測する必要がある。ところが、発電セルの内部では、燃料ガスの濃い所では強く発電し、薄い所は相対的に弱い発電となるため、発電セル内部で発熱量の相違により温度分布が存在する。
【０００８】
この発電セル内部の温度分布は、燃料ガスや空気の流量、投入温度、出力電力量など、運転条件により異なる。したがって、発電セルの最高温度を知るためには、一つの発電セルについても複数の場所で温度を計測する必要があり、この結果、燃料電池システム全体に設置する温度センサーの数は膨大になる。
【０００９】
この問題を解決するために、複数の発電セルをグループ化したセル群の流入冷媒温度と電圧を計測し、セル群温度を推定し、温度センサーを設置することなしに各セル群の発熱状況を検知する技術が公開されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、発電セルの電圧および電流に応じて電気抵抗を取得することによって、発電セルの温度を推定し、温度センサーを設置することなしに温度を制御する技術が公開されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１８８６６７号公報
【特許文献２】特開２０１１−４４２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１のようにグループ化した発電セル群の流入冷媒温度と電圧を計測し、セル群温度を推定する手法では、セルの平均温度しか推定できず、最高温度は分からない。一方、特許文献２のように発電セルの電気抵抗を取得することによって、セル温度を推定する手法でも、推定できるのは発電セルの平均温度のみであり、最高温度は推定できない。
【００１３】
本発明の目的は、温度センサーを用いずに、個々の発電セルの最高温度を推測できる固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池セルを電気的に複数接続して構成した燃料電池スタックと、燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、並びに前記燃料電池スタックから取り出す電流の電流値を設定する入力部と、燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガス供給装置と、電流を前記燃料電池スタックから取り出し、電力を供給する電力供給装置と、前記入力部で設定された、燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度および流量、並びに電流値からそれぞれの前記燃料電池セルの最高温度を算出するセル状態算出部を有し、すべての前記燃料電池セルの最高温度が所定の閾値以下の場合、前記入力部で設定された温度と流量の燃料ガスを前記燃料ガス供給装置に供給させ、前記入力部で設定された温度と流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給装置に供給させ、前記入力部で設定された電流値の電流を前記電力供給装置に供給させる制御装置と、を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、温度センサーを用いずに、個々の発電セルの最高温度を推測できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いる制御装置で処理されるデータの流れを説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いる制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いるデータテーブルの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いる制御装置の判定動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いる制御装置の補正動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いる発電セル性能特性データベースの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いるセル最高温度の一次近似を説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いるセル最高温度の他の一次近似を説明するための図である。
【図１０】数値シミュレーションで得られたセル最高温度と一次近似で得られたセル最高温度の差異を説明するための図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いる発電セルの正面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示す切断線Ａ−Ａによる断面図である
【図１２Ａ】本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムに用いるメッシュデータの斜視図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示すメッシュデータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００の構成及び動作を説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。
【００１８】
最初に、図１を用いて、固体酸化物形燃料電池システム１００の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００の構成図である。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０１、電力供給装置１０２、制御装置１０３、入出力装置１０４、電圧測定装置１０５、空気供給装置１０６（酸化剤ガス供給装置）、燃料ガス供給装置１０７などから構成されている。
【００２０】
固体酸化物形燃料電池システム１００は、入出力装置１０４で設定された運転条件に基づいて、燃料電池スタック１０１で発電を行い、電力供給装置１０２により電力供給端子１４３から電力を供給するものである。
【００２１】
燃料電池スタック１０１は、1から10の番号の付いた10個の発電セル１１０を持つ。燃料電池スタック１０１中の個々の発電セル１１０はインターコネクタにより電気的に接続されている。なお、本実施形態では、一例として、発電セル１１０は１０個であるが、その個数は任意である。
【００２２】
入出力装置１０４は、燃料電池スタック１０１の運転条件を設定（入力）するための装置であり、燃料電池スタック１０１に送る空気の温度、流量および燃料の温度、流量、さらに燃料電池スタック１０１から取り出す電流を設定する入力部１０４ａを持つ。これらの設定値は運転条件として、接続線１３２を介して制御装置１０３に送られる。また入出力装置１０４は、制御装置１０３から接続線１３２を介して燃料電池スタック１０１中の発電セル１１０の電圧値、および計算により推測した最高温度などを受け取り、燃料電池スタック１０１の運転状況を表示する表示部１０４ｂ（出力部）を持つ。
【００２３】
制御装置１０３は、セル状態算出部１０８を持つ。制御装置１０３は、インターフェースを表す接続線１３１、１３２、１３４により、それぞれ電力供給装置１０２、入出力装置１０４、電圧測定装置１０５と接続している。また、制御装置１０３は、インターフェースを表す接続線１３３により、空気供給装置１０６及び燃料ガス供給装置１０７と接続している。
【００２４】
本実施形態では、制御装置１０３は、セル状態算出部１０８を持ち、入出力装置１０４で設定された運転条件から、発電セル１１０の最高温度を算出し、上限温度と比較し、設定された運転条件が適切であるかを判別することを特徴としている。その仕組みの詳細は後で説明する。
【００２５】
燃料電池スタック１０１は、空気供給装置１０６および燃料ガス供給装置１０７と、接続管１２１および１２２により接続し、空気排出口１４１および燃料排出口１４２と接続管１２３および１２４により接続し、電力供給装置１０２と接続線１２５により接続している。
【００２６】
燃料電池スタック１０１は、空気供給装置１０６から空気を、燃料ガス供給装置１０７から燃料を受け取り、発電セル１１０に送ることで、発電セル１１０に電気化学反応を起こさせる。燃料電池スタック１０１は、電気化学反応により発電セル１１０で発生した電力を、電力供給装置１０２に送り、発電セル１１０で使用した空気および燃料を空気排出口１４１および燃料排出口１４２から排出する。
【００２７】
空気供給装置１０６は、空気供給源１４４から接続管１２７を経て空気（酸化剤としての酸素を含む）を吸入し、制御装置１０３から接続線１３３により指定された温度と流量の空気を、接続管１２１を介して燃料電池スタック１０１に供給する。
【００２８】
燃料ガス供給装置１０７は、燃料供給源１４５から接続管１２８を経て燃料を吸入し、制御装置１０３から接続線１３３により指定された温度と流量の燃料を、接続管１２２を通して燃料電池スタック１０１に供給する。
【００２９】
電力供給装置１０２は制御装置１０３から接続線１３１により指定された容量の電流を、接続線１２５を介して燃料電池スタック１０１から取り出し、接続線１２６により電力供給端子１４３に送電（電力供給）する。
【００３０】
電圧測定装置１０５は燃料電池スタック１０１の発電セル１１０に接続し、番号1から10の発電セルの個々の電圧を計測し、インターフェースを表す線１３４を通じて制御装置１０３に送信する。
【００３１】
本実施形態は、後述するように、入出力装置１０４で設定された運転条件から発電セル１１０の最高温度を算出し、最高温度が上限値（所定値）を超える場合、設定された運転条件が不適切である事を入出力装置１０４に知らせる制御装置１０３および、最高温度を算出するセル状態算出部１０８を設けた事を特徴としている。
【００３２】
次に、図２を用いて、制御装置１０３で処理されるデータの流れを説明する。図２は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いる制御装置１０３で処理されるデータの流れを説明するための図である。
【００３３】
図２において、制御装置１０３には、入出力装置１０４で設定された、空気の温度を示す温度データ２０１、空気の流量を示す流量データ２０２、燃料の温度を示す温度データ２０３、燃料の流量を示す流量データ２０４、および運転電流データ２０５が、運転条件として送られる。ここで、運転電流データ２０５は、電力供給装置１０２が燃料電池スタック１０１から取り出す電流の値を示すデータである。電流供給装置１０２は、制御装置１０３から供給される運転電流データ２０５に応じて、運転電流データ２０５に応じた電流を燃料電池スタック１０１から取り出し、接続線１２６を介して、電力供給端子１４３に出力する。
【００３４】
制御装置１０３は、運転条件をセル状態算出部１０８に送り、運転条件から発電セル１１０の最高温度を示す最高温度データ２０７を算出させる。
【００３５】
制御装置１０３は、セル状態算出部１０８によって算出された最高温度データ２０７が既定の上限温度を超えていなければ、最高温度データ２０７を入出力装置１０４に返すと共に、空気の温度データ２０１、流量データ２０２を空気供給装置１０６に、燃料の温度データ２０３、流量データ２０４を燃料ガス供給装置１０７に、運転電流データ２０５を電力供給装置１０２に送る。
【００３６】
燃料電池スタック１０１は入出力装置１０４で設定された運転条件で発電を行う。発電時の各発電セル１１０の電圧は電圧測定装置１０５で計測され、電圧値を示す電圧データ２０６として制御装置１０３に送られる。制御装置１０３は、電圧データ２０６を入出力装置１０４に送る。入出力装置１０４は電圧データ２０６と運転電流データ２０５から発電中の出力を表示部１０４ｂに表示する。
【００３７】
一方、セル状態算出部１０８において算出した最高温度データ２０７が上限温度を超えていれば、制御装置１０３は、適切な運転条件ではないことを示すメッセージ２０８を入出力装置１０４に送る。これにより、例えば、「最高温度が規定値を超えています。運転条件を調整してください。」などの文字列からなるメッセージ２０８（警告）を入出力装置１０４の表示部１０４ｂに表示させる。あるいは運転条件を調整するプログラムを入出力装置１０４に持たせ、このプログラムを起動させ、運転条件の最適化を行ってもよい。
【００３８】
この時、制御装置１０３は、空気の温度データ２０１、流量データ２０２、燃料の温度データ２０３、流量データ２０４、および運転電流データ２０５を、空気供給装置１０６、燃料ガス供給装置１０７、および電力供給装置１０２には送らない。これにより運転条件は更新されないので最高温度が上限値を超える危険性を未然に防止できる。
【００３９】
次に、図３〜図４を用いて、制御装置１０３の構成を説明する。図３は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いる制御装置１０３の構成を示すブロック図である。図４は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いるデータテーブル３０５の構成を示す図である。
【００４０】
制御装置１０３は、演算処理装置３００、データポート３０２、レジスタ３０３、データテーブル３０５、セル状態算出部１０８を備える。レジスタ３０３は、発電セル１１０の上限温度を記憶する。データテーブル３０５は、発電セル１１０の運転条件および運転状態に関するデータを記憶する。セル状態算出部１０８は、運転条件からセル温度を算出する。各部分（各ブロック）はインターフェースを表す線３０６で接続されている。
【００４１】
図３に示すように、演算処理装置３００は、内部に記憶部３０１を持ち、記憶部３０１に記憶されている処理手順（プログラム）に従いデータ処理を行う。データポート３０２は、図２で説明した入出力装置１０４、空気供給装置１０６、燃料ガス供給装置１０７、および電力供給装置１０２との間でデータを受送信するための部分である。
【００４２】
データテーブル３０５は、例えば図４に示すようなデータ形式を持つ。データテーブル３０５には、図１で説明した燃料電池スタック１０１の番号1から10の発電セル１１０に関する運転条件４０１と、図１で説明した電圧測定装置１０５により計測されたセル電圧計測値４０２と、セル状態算出部１０８で算出されるセル電圧計算値４０３および最高温度計算値４０４が発電セル１１０の番号毎に記憶されている。詳細には、運転条件４０１は、燃料ガスの流入温度、流量、空気の流入温度、流量、および運転電流（運転電流データ２０５）を含む。
【００４３】
図４の例では、運転条件４０１は、燃料電池スタック１０１の発電セル１１０に、均等に燃料ガスおよび空気が供給されている事を想定して同じ値が設定されている。しかし、均等ではなく、流配が存在する場合は、発電セル１１０毎に流量計を設置して正確な流量を求めてもよい。また、数値シミュレーションによる流れ解析により発電セル１１０毎の流量係数を求め、この係数を運転条件４０１の流量に乗じる事で補正を実施してもよい。
【００４４】
図３に示すレジスタ３０３には、発電セル１１０の品質を保つための上限温度が記憶される。例えば、発電セル１１０に金属材料を用いた場合、上限値として考えられる１０００℃がレジスタ３０３に記憶される。なお、レジスタ３０３に、発電セル１１０ごとに異なる上限値を記憶してもよい。
【００４５】
セル状態算出部１０８は、温度センサーを用いず、運転条件４０１から発電セル１１０の最高温度を算出するものであり、本発明の実施形態の核心部に相当する。その算出方法は後で説明する。
【００４６】
制御装置１０３は２種類の動作を行う。一つは、設定される運転条件４０１から、事前に発電セル１１０の最高温度を算出し、最高温度が上限値を超える運転条件４０１であるかを判別する判定動作である。
【００４７】
もう一つは、運転中に電圧測定装置１０５から送られてきたセル電圧計測値４０２と、運転条件４０１から最高温度を算出し、上限値を超えているかどうか確認すると共に、セル電圧計測値４０２および最高温度をデータポート３０２から、入出力装置１０４に知らせ、値を更新させる補正動作である。
【００４８】
制御装置１０３は入出力装置１０４から運転条件４０１を受け取った場合は判定動作を行い、電圧測定装置１０５からセル電圧計測値４０２を受け取った場合は補正動作を行う。
【００４９】
（判定動作）
次に、図５を用いて、制御装置１０３の判定動作を説明する。図５は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いる制御装置１０３の判定動作を示すフローチャートである。以下では、図２〜図４を参照しつつ、図５のフローチャートに従い、制御装置１０３の動作を説明する。
【００５０】
制御装置１０３は、図２で説明したように、入出力装置１０４から、運転条件として、空気の温度データ２０１、流量データ２０２、燃料の温度データ２０３、流量データ２０４、および運転電流データ２０５を、データポート３０２で受け取る。これをトリガーして、演算処理装置３００は、記憶部３０１に記録された処理手順に従って、図５に示す動作を始める。
【００５１】
図５において、最初のステップ５０１で、演算処理装置３００は、運転条件として送られてきた、空気の温度データ２０１、流量データ２０２、燃料の温度データ２０３、流量データ２０４、および運転電流データ２０５をデータポート３０２から読み出し、図４で説明したような格納様式で、データテーブル３０５に記録する。
【００５２】
次のステップ５０２で、演算処理装置３００は、データテーブル３０５から空気の温度データ２０１、流量データ２０２、燃料の温度データ２０３、流量データ２０４、および運転電流データ２０５をセル状態算出部１０８に渡す。セル状態算出部１０８は、演算処理装置３００から渡されたデータに基づいてセル毎の最高温度を算出し、算出値を演算処理装置３００に渡す。演算処理装置３００は、セル状態算出部１０８から渡された、セル毎に算出された最高温度を、データテーブル３０５に最高温度計算値４０４として記録する。なお、セル毎の最高温度を算出する方法については、図７〜図１２を用いて後述する。
【００５３】
ステップ５０３において、演算処理装置３００は、セル状態算出部１０８から受け取った各セルの最高温度とレジスタ３０３に記録されている上限値を比べ、最高温度が上限値を超える発電セル１１０の有無を調べる。
【００５４】
ここで、演算処理装置３００は、最高温度が上限値を超えた発電セル１１０が一つでもあれば、ステップ５０４で、運転条件が不適切である旨の指示を、データポート３０２を通して入出力装置１０４に通知する。入出力装置１０４は、この指示に応答して、例えば、「最高温度が規定値を超えています。運転条件を調整してください。」などの文字列（警告）を表示部１０４ｂに表示する。
【００５５】
このようにして、制御装置１０３は、少なくとも１つの、セル状態算出部１０８によって算出された前記燃料電池セルの最高温度が所定の閾値を超える場合、警告を表示部１０４ｂに表示させる。このとき、制御装置１０３は、燃料ガス供給装置１０７、空気供給装置１０６（酸化剤ガス供給装置）、及び電力供給装置１０２にそれぞれの運転状態を維持させる。
【００５６】
一方、すべての発電セル１１０の最高温度が上限値を超えていなければ、演算処理装置３００は、ステップ５０５で、算出した発電セル１１０の最高温度を、データポート３０２から入出力装置１０４に通知すると共に、空気の温度データ２０１、流量データ２０２、燃料の温度データ２０３、流量データ２０４、および運転電流データ２０５を、それぞれ空気供給装置１０６、燃料ガス供給装置１０７および電力供給装置１０２に送信する。
【００５７】
空気供給装置１０６、燃料ガス供給装置１０７および電力供給装置１０２は、演算処理装置３００から送信されたデータに基づいてそれぞれの供給量を調節する。このようにして、制御装置１０３は、すべての燃料電池セル１１０の最高温度が所定の閾値以下の場合、入力部１０４ａで設定された温度と流量の燃料ガスを燃料ガス供給装置１０７に供給させ、入力部１０４ａで設定された温度と流量の酸化剤ガスを空気供給装置１０６（酸化剤ガス供給装置）に供給させ、入力部１０４ａで設定された電流値の電流を電力供給装置１０２に供給させる。
【００５８】
（補正動作）
次に、図６を用いて、制御装置１０３の補正動作を説明する。図６は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いる制御装置１０３の補正動作を示すフローチャートである。
【００５９】
制御装置１０３は、電圧測定装置１０５から、発電セル１１０の電圧値を受け取る。これをトリガーとして、演算処理装置３００は、記憶部３０１に記録された処理手順に従って、図６に示す動作を始める。
【００６０】
図６において、最初のステップ６０１で、演算処理装置３００は、発電セル１１０の電圧値をデータポート３０２から読み出し、データテーブル３０５にセル電圧計測値４０２として記録する。
【００６１】
次にステップ６０２で、演算処理装置３００は、データテーブル３０５から空気の温度データ２０１（空気の流入温度）、流量データ２０２（空気の流量）、燃料の温度データ２０３（燃料ガスの流入温度）、流量データ２０４（燃料ガスの流量）、運転電流データ（運転電流）および電圧値（セル電圧計測値）を読み出してセル状態算出部１０８に渡す。セル状態算出部１０８は、演算処理装置３００から渡されたデータに基づいてセル毎の最高温度を算出し、算出値を演算処理装置３００に渡す。なお、セル毎の最高温度を算出する方法については、図７〜図１２を用いて後述する。
【００６２】
演算処理装置３００は、セル状態算出部１０８で算出した運転時のセル最高温度を受け取り、データテーブル３０５に最高温度計算値４０４として記録する。ステップ６０３において、演算処理装置３００は、受け取った各セルの最高温度とレジスタ３０３に記録されている上限値を比べ、最高温度が上限値を超える発電セル１１０の有無を調べる。
【００６３】
ここで、演算処理装置３００は、最高温度が上限値を超えた発電セル１１０が一つでもあれば、ステップ６０４で、運転条件が不適切である旨の指示を、データポート３０２を通して入出力装置１０４に通知する。
【００６４】
一方、すべての発電セルの最高温度が上限値を超えていなければ、ステップ６０５で、運転中のセル電圧、最高温度をデータポート３０２を通して入出力装置１０４に通知し、値の更新を指示する。
【００６５】
これら一連のプログラム化された処理内容は、マイクロコントローラを搭載した市販の制御装置に容易に実装可能である。
【００６６】
次に、図７〜図１２を用いて、制御装置１０３におけるセル状態算出部１０８の機能について説明する。
【００６７】
セル状態算出部１０８は、温度センサーを用いずに発電セル１１０の最高温度を予測する本発明の実施形態の核心的部分である。最高温度の予測は、以下で説明するように、単位セルに関する発電セル性能特性データベース７００と回帰分析法による一次近似式の手法を用いて行われる。
【００６８】
（発電セル性能特性データベースの作成）
図７、図１１、図１２を用いて、発電セル１１０の最高温度を予測に用いる発電セル性能特性データベース７００について説明する。図７は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いる発電セル性能特性データベース７００の構成を示す図である。図１１は、燃料電池スタック１０１に用いた発電セル１１０の模式図である。図１２は、数値シミュレーションで用いるメッシュデータを説明するための図である。
【００６９】
まず、図７を用いて、発電セル性能特性データベース７００について説明する。発電セル性能特性データベース７００は、固体酸化物形燃料電池システム１００中の燃料電池スタック１０１で用いる発電セル１１０についての性能特性を記録する。なお、発電セル性能特性データベース７００は、例えば、演算処理装置３００の記憶部３０１に格納されるが、別の記憶部に格納してもよい。
【００７０】
本実施形態では、発電セル性能特性データベース７００は、代表する一つの発電セル１１０について、さまざまな運転条件における性能特性値を記憶するようになっている。本実施形態では、運転条件を与えた時に得られる性能特性値として、セル最高温度とセル電圧を採用している。ここでは、数値シミュレーションにより求めた発電セル１１０の性能特性解析（解析結果）に基づいて作成したものを説明するが、実験により計測して求めてもよい。なお、発電セル性能特性データベース７００の詳細は、後述する。
【００７１】
数値シミュレーションは、一つの発電セル１１０について、様々な運転条件のもとで、電気化学反応による発電作用を模擬する。これにより、発電セル１１０の性能を示す発電時のセル電圧と、劣化や熱応力による破損など信頼性の指標となるセルの最高温度を算出することができる。
【００７２】
本実施形態では、制御装置１０３は、図１１（１１Ａ、１１Ｂ）に示す発電セル１１０について、数値シミュレーションを実施し性能特性データを求める。そこで、図１１（１１Ａ、１１Ｂ）を用いて、発電セル１１０の構成を説明する。図１１Ａは、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いる発電セル１１０の正面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示す切断線Ａ−Ａによる断面図である。
【００７３】
発電セル１１０のセル形状は、平板形状、円筒形状、扁平円筒形状、楕円形状、直方体形状あるいは立方体形状等のようないずれの形状セルであってもよい。また、筒状形状においては、固体電解質の筒の内側と外側に電極が形成された構造のセルを対象とする。アノード用の電極及びカソード用の電極（以下、アノード、カソードと呼ぶ）は、固体電解質によって形成された閉空間の内部或いは外部のどちらに設けても良い。
【００７４】
後述するように、本実施形態の発電セル１１０（固体酸化物型燃料電池セル）では、内部にアノードを、外部にカソードを設けている。固体酸化物型燃料電池セル１１０は、扁平円筒状の固体電解質で構成され、発電部１１０１と支持部１１０２、支持部１１０３とを備える。発電部１１０１の長さは250ｍｍ、支持部１１０２、１１０３の長さはそれぞれ25ｍｍである。発電部１１０１と支持部１１０２、支持部１１０３は扁平円筒状の流路を共有している。
【００７５】
次に、図１１Ｂを用いて、固体酸化物型燃料電池セル１１０の発電部１１０１の構造を詳細に説明する。図１１Ｂは、図１１ＡのＡ-Ａを結ぶ切断線１１１９（点線）における固体酸化物型燃料電池セル１１０の断面図１１１２である。
【００７６】
断面図１１１２において、発電部１１０１は、扁平円筒状の固体電解質１１０５を、内側からアノード１１０６で、外側からカソード１１０４で挟むように構成される。固体電解質１１０５およびカソード１１０４には、窓１１１３（凹部）が設けられ、インターコネクタ１１１０が設置されている。
【００７７】
インターコネクタ１１１０は、内側のアノード１１０６と電気的に接続し、アノード１１０６の電流を取り出すための接続子である。また、インターコネクタ１１１０とカソード１１０４が電気的に接続しないように窓１１１３の隙間には絶縁材１１１１が設置されている。詳細には、インターコネクタ１１１０は、窓１１１３よりも小さいため、インターコネクタ１１１０の外壁と窓１１１３の内璧との間に隙間が形成される。この隙間に絶縁材１１１１が設置される。
【００７８】
アノード１１０６の内側にはガス流路１１０７が、カソード１１０４の外側にはガス流路１１０８が備えられている。燃料ガスはガス流路１１０７をアノード１１０６に沿って流れる。空気などの酸化剤ガスは、ガス流路１１０８をカソード１１０４に沿って流れる。
【００７９】
空気中の酸素はカソード１１０４で酸素イオンとなる。酸素イオンは固体電解質１１０５を通り抜け、アノード１１０６で燃料である水素と反応し、水と電力が生成される。アノード１１０６で生成された電力は、接続するインターコネクタ１１１０を通じて外界に流れ、仕事をする事が出来る。
【００８０】
固体電解質１１０５にはイットリア（Ｙ2Ｏ3）や酸化ネオジウム（Ｎｄ2Ｏ3）のような酸化物イオン導電性を備えた固体酸化物材料を用いる。アノード１１０６にはＬａ(Ｓｒ)ＭｎＯやＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を用いる。カソード１１０４にはＮｉと電解質材の多孔性サーメット材を用いる。
【００８１】
次に、3次元CADプログラムを用いて、図１１に示す発電セル１１０の形状モデルを作製し、図１２（１２Ａ、１２Ｂ）に示すメッシュデータを作製する。本メッシュデータに材料の物性値を与え、数値シミュレーションにより固体酸化物形燃料電池の性能特性解析を実施した。メッシュデータの作成には、市販のメッシュ作成プログラムを用い、数値シミュレーションの実施には、同じく市販のシミュレーションソフトを用いた。なお、図１２Ａは、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いるメッシュデータの斜視図であり、図１２Ｂは、図１２Ａに示すメッシュデータの断面図である。
【００８２】
図７に示す発電セル性能特性データベース７００は、数値シミュレーションの解析結果に基づいて作成される。発電セル性能特性データベース７００には、様々な運転条件７０１ごとの解析結果７０２が記録されている。ここでは運転条件とその解析結果のペアをエンティティデータと呼ぶ。
【００８３】
本データベース７００は、複数のエンティティデータのリストで構成されている。例えば、エンティティデータ７０３では、燃料ガスの流入温度600℃、流量7.1ミリグラム毎秒、空気の流入温度600℃、流量155.2ミリグラム毎秒、運転電流40Aの運転条件で発電セル１１０を運転した場合、数値シミュレーションの解析結果から、発電セルの最高温度は749.95℃、セル電圧は0.803Vであることが示されている。
【００８４】
さまざまな運転条件で、数値シミュレーションを実施し、エンティティデータ獲得することで、図７に示す発電セル性能特性データベース７００を得た。
【００８５】
（一次近似）
次に、図８〜１０を用いてセル最高温度を算出する方法を説明する。本実施形態では、以下に示すように、回帰分析により、運転条件からセルの最高温度とセル電圧を算出する一次近似式を求める。
【００８６】
図８は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いるセル最高温度の一次近似を説明するための図である。図９は、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システム１００に用いるセル最高温度の他の一次近似を説明するための図である。図１０は、数値シミュレーションで得られたセル最高温度と一次近似で得られたセル最高温度の差異を説明するための図である。
【００８７】
最初に、図８を用いて、セル最高温度の一次近似を説明する。図８において式８０１は、燃料ガスの流入温度Tf、流量Mf、空気の流入温度Ta、流量Mo、運転電流Ciを変数とし、セル最高温度Tmaxの値を求める線形一次式である。式８０１において、定数項ａは切片であり、係数ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆは、それぞれの変数、すなわち、流入温度Tf、流量Mf、空気の流入温度Ta、流量Mo、運転電流Ciに乗じられる係数である。
【００８８】
式８０１の変数、すなわち、燃料ガスの流入温度Tf、流量Mf、空気の流入温度Ta、流量Mo、運転電流Ci、セル電圧Cvと、値、セル最高温度Tmaxに、図７の発電セル性能特性データベース７００の運転条件７０１と解析結果７０２の値を当てはめ、定数項ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの連立方程式を作製し、最小二乗法により定数項ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを求めると、表８０２のようになる。この値を式８０１に代入し、セル最高温度Tmaxの値を求める一次近似式８０３が得られる。
【００８９】
セル状態算出部１０８は、一次近似式８０３を用いて、入力部１０４ａで設定された、燃料ガスの温度（Tf）および流量(Mf)、空気（酸化剤ガス）の温度（Ta）および流量（Mo）、並びに燃料電池スタック１０１から取り出す電流の電流値（Ci）からそれぞれの燃料電池セル１１０の最高温度Tmaxを算出する。これにより、それぞれの燃料電池セル１１０の最高温度Tmaxを推測することができる。
【００９０】
次に、図９を用いて、セル最高温度の他の一次近似を説明する。図９は、セル電圧Cvも変数に含めた場合のセル最高温度Tmaxの計算方法を説明するための図である。セル最高温度Tmaxを求める一次近似式９０１には、変数としてセル電圧Ｃｖが含まれている。劣化による電圧の変化がセル温度上昇分に反映されるよう考慮したものである。
【００９１】
図８の場合と同様に、発電セル性能特性データベース７００の運転条件７０１と解析結果７０２の値を当てはめ、一次近似式９０１の係数を求めると表９０２のようになる。これを式９０１に代入して、運転条件７０１と計測したセル電圧Ｃｖからセル最高温度Tmaxを求める一次近似式９０３が導出される。
【００９２】
セル状態算出部１０８は、一次近似式９０３を用いて、入力部１０４ａで設定された、燃料ガスの温度（Tf）および流量(Mf)、空気（酸化剤ガス）の温度（Ta）および流量（Mo）、燃料電池スタック１０１から取り出す電流の電流値（Ci）、並びに電圧測定装置１０５で測定された燃料電池セル１１０の電圧（Cv）からそれぞれの燃料電池セル１１０の最高温度Tmaxを算出する。これにより、それぞれの燃料電池セル１１０の最高温度Tmaxを推測することができる。
【００９３】
次に、図１０を用いて、数値シミュレーションで得られたセル最高温度と一次近似で得られたセル最高温度の差異を説明する。図１０は、図７の数値シミュレーションに基づき作成した発電セル性能特性データベース７００の解析結果７０２のセル最高温度（図１０の解析結果１００１）と、図８で説明したセル最高温度Tmaxを求める一次近似式８０３を用いて得られたセル最高温度（図１０の計算結果１００２）の値を比較し、その差異１００３をまとめたものである。図１０の差異１００３を見ると、一次近似式８０３は、＋0.5％未満の精度で、発電セル性能特性データベース７００のセル最高温度を算出している事が分かる。
【００９４】
従って、セル状態算出部１０８は、発電セル１１０の最高温度を計算する場合は、受け取った運転条件の設定値から、セル最高温度Tmaxの値を求める一次近似式８０３を用いる。一方、セル状態算出部１０８は、発電セル１０１のセル電圧を計算する場合は、受け取った運転条件の設定値から、セル電圧Ｃｖを求める一次近似式９０３を用いることで、セル最高温度およびセル電圧を算出することができる。
【００９５】
以上説明したように、本実施形態によれば、固体酸化物形燃料電池システム１００において、温度センサーを用いずに固体酸化物形燃料電池システム１００を構成する個々の発電セルの最高温度を推測し、定められた上限温度を超えないように温度制御することができる。そのため、燃料ガス供給装置１０７および空気供給装置１０６の温度と流量と運転電流に係る運転条件を調整し、発電セル１１０の温度を適正範囲に制御し、発電セル１１０の耐久寿命を考慮した運転が可能となる。
【００９６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１００…固体酸化物形燃料電池システム
１０１…燃料電池スタック
１０２…電力供給装置
１０３…制御装置
１０４…入出力装置
１０４ａ…入力部
１０４ｂ…表示部（出力部）
１０５…電圧測定装置
１０６…空気供給装置
１０７…燃料ガス供給装置
１０８…セル状態算出部
１１０…発電セル（固体酸化物型燃料電池セル）
１２１、１２２…接続管
１３１、１３２、１３３、１３４…接続線
１４１…空気排出口
１４２…燃料排出口
１４３…電力供給端子
２０１…空気の温度データ
２０２…空気の流量データ
２０３…燃料の温度データ
２０４…燃料の流量データ
２０５…運転電流データ
２０６…電圧データ
２０７…最高温度データ
２０８…メッセージ
３００…演算処理装置
３０１…記憶部
３０２…データポート
３０３…レジスタ
３０５…データテーブル
３０６…インターフェースを表す線
４０１…運転条件
４０２…セル電圧計測値
４０３…セル電圧計算値
４０４…最高温度計算値
７００…発電セル性能特性データベース
７０１…運転条件
７０２…解析結果
７０３…エンティティデータ
８０１、９０１…セル最高温度Tmaxの値を求める線形一次式である
８０２、９０２…最小二乗法により求めた線形一次式の定数項を表す表
８０３、９０３…一次近似式
１００１…セル最高温度（解析結果）
１００２…セル最高温度（計算結果）
１００３…解析によるセル最高温度と一次近似式によるセル最高温度の差異
１１０１…発電部
１１０２、１１０３…支持部
１１０４…カソード
１１０５…固体電解質
１１０６…アノード
１１０７、１１０８…ガス流路
１１１０…インターコネクタ
１１１１…絶縁材
１１１２…断面図
１１１３…窓（凹部）
１１１９…切断線
【図１】
2015103442.tif 000003
【図２】
2015103442.tif 000004
【図３】
2015103442.tif 000005
【図４】
2015103442.tif 000006
【図５】
2015103442.tif 000007
【図６】
2015103442.tif 000008
【図７】
2015103442.tif 000009
【図８】
2015103442.tif 000010
【図９】
2015103442.tif 000011
【図１０】
2015103442.tif 000012
【図１１Ａ】
2015103442.tif 000013
【図１１Ｂ】
2015103442.tif 000014
【図１２Ａ】
2015103442.tif 000015
【図１２Ｂ】
2015103442.tif 000016