(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器と、この改質器からの改質燃料と空気との電気化学反応により発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の改質燃料を燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、目標発電電力に基づいて前記改質器への燃料供給量及び前記燃料電池スタックへの空気供給量を制御する制御装置と、を備える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、
前記目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定し、前記目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、前記目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定する利用率基本設定部と、
前記燃料電池スタックのセル温度を検出する温度検出部と、
前記セル温度が第１の所定温度を超えた時に、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくする利用率補正部と、
前記目標発電電力と前記燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、前記改質器への燃料供給量及び前記燃料電池スタックへの空気供給量を算出する供給量算出部と、を含んで構成される
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２】
目標発電電力は、需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定されることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記利用率補正部は、燃料利用率及び空気利用率の補正後に、前記セル温度が第２の所定温度より低下したときは、燃料利用率及び空気利用率の補正を終了して、通常時の制御に戻すことを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器と、この改質器からの改質燃料と空気との電気化学反応により発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の改質燃料を燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、を備える固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定し、前記目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、前記目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定する一方、
前記燃料電池スタックのセル温度を検出し、これが第１の所定温度を超えた時は、劣化抑制のため、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくするように補正し、
前記目標発電電力と前記燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、前記改質器への燃料供給量及び前記燃料電池スタックへの空気供給量を算出・制御することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
燃料利用率及び空気利用率の補正後に、前記セル温度が第２の所定温度より低下したときは、燃料利用率及び空気利用率の補正を終了して、通常時の制御に戻すことを特徴とする、請求項４記載の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し、特に燃料電池スタック（燃料電池セルの組立体）の劣化時に劣化抑制制御を行い得るようにしたシステム、及び、劣化時の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池システム（以下「ＳＯＦＣシステム」という）は、一般に、炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器と、この改質器からの改質燃料と空気との電気化学反応により発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、これら改質器及び燃料電池スタックを取り囲み、その内部で燃料電池スタックでの余剰の改質燃料を燃焼させて改質器及び燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、を含んで構成される。これらがシステムの主要部であり、これらをまとめてホットモジュールと呼んでいる。
【０００３】
ＳＯＦＣシステムは、高温での連続運転を基本とするが、長期の使用により燃料電池スタック（燃料電池セルの組立体）が劣化すると、発電能力が低下するばかりか、内部抵抗の増大により、ジュール熱が増大する結果、燃料電池スタックが過度に温度上昇する。そして、過度の温度上昇は燃料電池スタックの劣化を加速する。従って、燃料電池スタックの劣化を抑制することが求められている。
【０００４】
特許文献１に記載の技術は、燃料電池スタックが劣化したことが判定されたとき（第１劣化判定時）に、燃料供給量が減少されるように以後の運転における定格出力電力を低下させる補正を実行し、第１劣化判定時よりも後に燃料電池スタックが劣化したことが判定されたとき（第２劣化判定時）に、燃料供給量が更に減少されるように以後の運転における定格出力電力を、第１劣化判定時よりも大きい下げ幅で低下させる補正を実行する。
【０００５】
これによれば、第１劣化判定時の方が、第２劣化判定時よりも小さい下げ幅で定格出力電力が低下されるので、燃料電池スタックの劣化を抑制しつつ、十分な出力電力を得ることができる。すなわち、燃料電池スタックの劣化があまり進行していない初期においては十分な出力を得、劣化が進行したとき、より大きく燃料電池スタックの負担を軽減するので、燃料電池スタックの劣化を十分に抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１０３２１１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、特許文献１に記載の技術は、電池劣化時に燃料供給量が減少されるように定格出力電力を低下させることで、燃料電池スタックのセル温度を下げ、一時的には劣化を抑制することが可能となるものの、定格出力電力を下げるだけでは、冷却効果が不十分なため、劣化を十分に抑制することはできない。このため、燃料電池スタックのセル温度上昇と定格出力電力低下とを頻繁に繰り返し、定格出力電力を大きく低下させることになる恐れがある。
【０００８】
また、実用的な燃料電池システムにおいて、許容される定格出力電力の低下は１５％程度であるため、定格出力電力の低下を繰り返すのにも制限がある。
【０００９】
本発明は、このような実状に鑑み、劣化などにより燃料電池スタックのセル温度（スタック温度と同義）が過度に上昇したときに、燃料利用率及び空気利用率を的確に制御して冷却を図ることで、劣化が加速されることがないようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定し、目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定する一方、燃料電池スタックのセル温度を検出し、これが劣化判定用の第１の所定温度を超えた時は、劣化抑制のため、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくするように補正する。そして、目標発電電力と燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、改質器への燃料供給量及び燃料電池スタックへの空気供給量を算出・制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックのセル温度が劣化判定用の第１の所定温度を超えた時に、燃料利用率を上げると同時に、空気利用率を下げることにより、言い換えれば、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、全体的かつ大きな冷却効果を得て、温度上昇を抑制し、劣化のさらなる進行を抑制、すなわち劣化加速を回避することができる。
【００１２】
尚、空気利用率の低下（空気増量）のみを行う場合は、十分な冷却効果を得るために、一定程度以上の空気増量を行わなければならず、その結果、燃料電池セルにおいて、空気導入部に近い側が過度に冷却されて、セル内で偏熱を生じる。このようにセル内で偏熱すると、高温部で膨張、低温部で収縮が起こり、セルの割れにつながる可能性がある。
従って、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、セル劣化時に必要となる空気増量を小さくすることができ、これによってセルの局所的な過冷却を抑え、セル内の偏熱拡大及びその悪循環を防止することができる。
【００１３】
また、燃料利用率の上昇（燃料減量）のみを行う場合は、十分な温度低下を得るために、一定程度以上の燃料減量を行わなければならず、その結果、オフガスの空燃比がリーン化することにより、オフガス燃焼部で失火し、ホットモジュール内の熱バランスを崩す恐れがある。
従って、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、燃料減量を小さくすることができ、オフガスの失火を抑えて、熱バランス変化・改質器温度低下を防止し、またシステムの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態を示すＳＯＦＣシステムの全体構成図
【図２】同上ＳＯＦＣシステムのホットモジュール部の構成図
【図３】燃料利用率及び空気利用率の設定用マップを示す図
【図４】通常モード及び劣化抑制モードの決定ルーチンのフローチャート
【図５】通常モード及び劣化抑制モードに応じた燃料及び空気制御ルーチンのフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すＳＯＦＣシステムの全体構成図である。
ＳＯＦＣシステムは、その主要部（発電部）をなすホットモジュール１と、ホットモジュール１の発電電力を取り出すパワーコンディショナー（ＰＣＳ）１５と、ホットモジュール１の廃熱を回収して温水を得る熱交換器１８と、温水を貯留する貯湯槽１９と、これらを制御する制御装置の中核をなす制御ユニット３０と、を含んで構成される。
【００１６】
先ずホットモジュール１について説明する。
ホットモジュール１は、モジュールケース２内に、改質器３と、燃料電池スタック４（複数の燃料電池セル５の組立体）と、オフガス燃焼部６とを配置して構成される。
【００１７】
モジュールケース２は、耐熱性金属により形成された箱状の外枠体の内面に断熱材を内張して構成されている。また、外部からケース内へ、原燃料（炭化水素燃料など）の供給通路７と、水蒸気改質用の水（改質水）の供給通路８と、カソード用空気の供給通路９とが設けられている。
尚、必要により、原燃料の供給通路７には原燃料中の硫黄化合物を除去する脱硫器１０が設けられ、また原燃料の供給通路７の脱硫器１０下流側に改質用空気の供給通路１１が接続される。そして、各供給通路７、８、９、１１には適宜の供給量制御デバイス（ポンプ及び／又は流量制御弁）７ｐ、８ｐ、９ｐ、１１ｐが設けられる。
【００１８】
改質器３は、耐熱性金属により形成されたケース内の室に改質触媒を充填して構成されており、外部からの原燃料及び改質水の供給通路７、８が接続されている。従って、改質器３は、水を気化させて得た水蒸気の存在下で、原燃料を水蒸気改質反応により改質し、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する。尚、水蒸気改質反応に替えて、部分酸化反応又は自己熱改質反応など、更にはこれらの改質反応の組み合わせなど、水素発生手法として公知な手法によって改質ガスを生成してもよい。
【００１９】
燃料電池スタック４は、複数の固体酸化物形燃料電池セル５を直列接続してなる組立体であり、各セル５は固体酸化物電解質の両面に燃料極（アノード）及び空気極（カソード）を積層してなり、燃料極には改質器３出口からの改質ガスの供給通路１２により改質ガスが供給され、空気極には外部からのカソード用空気の供給通路９により空気が供給される。
【００２０】
従って、燃料電池セル５の各々において、空気極にて、下記（１）式の電極反応が生起され、燃料極にて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
空気極：  １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）  ・・・（１）
燃料極：  Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   ・・・（２）
【００２１】
オフガス燃焼部６は、モジュールケース２内に設けられ、燃料電池スタック４での余剰の改質ガスを余剰の空気の存在下で燃焼させ、その燃焼熱により改質器３及び燃料電池スタック４を高温状態に維持する。従って、モジュールケース２内は、燃料電池スタック４での発電及び余剰改質ガスの燃焼に起因して、例えば６００〜１０００℃程度の高温になる。モジュールケース２内での燃焼によって生成された高温の排気ガスはモジュールケース２外に排出されるが、その廃熱は後述するように熱利用される。
【００２２】
図２はホットモジュール１のより実際的な例を示す構成図である。この例では、モジュールケース２内の上部に改質器３を配置し、下部に後述のマニホールド１３を配置し、これらの間に燃料電池スタック４（燃料電池セルの組立体）を配置してある。
【００２３】
マニホールド１３は、燃料電池スタック４の支持体を兼ねると共に、改質器３からの改質ガスの供給通路１２により供給される改質ガスを燃料電池スタック４の各燃料電池セルに分配する。
【００２４】
燃料電池スタック４の各燃料電池セルは、例えば、燃料極支持型の燃料電池セルであり、上下方向に延びる多孔質のセル支持体５ｓの外表面に燃料極層、固体電解質層、空気極層（図示せず）をこれらの順で積層してなる。
【００２５】
セル支持体５ｓはその内部に延在方向に沿ってガス流路（図示せず）を備え、その下端部はマニホールド１３に接続されている。そして、ガス流路の上端部は改質器３のケース壁に向かって開口し、オフガス燃焼部６を構成している。
【００２６】
従って、マニホールド１３に供給された改質ガスは、燃料電池スタック４を構成する燃料電池セルに分配され、各セル支持体５ｓの内部に形成されているガス流路を流通（上昇）する。この過程で、改質ガス中の水素がセル支持体５ｓの多孔質層を透過して燃料極層に達する。一方、カソード用空気の供給通路９からモジュールケース２内に空気（酸素含有ガス）が導入され、燃料電池スタック４を構成する燃料電池セルの外側に供給される結果、空気中の酸素が空気極層に達する。これにより、燃料電池セルの各々において、改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電がなされる。
【００２７】
セル支持体５ｓのガス流路を流通する改質ガスのうち、電極反応に使用されなかった改質ガスは、セル支持体５ｓの上端からモジュールケース２内に流出せしめられ、流出と同時に燃焼せしめられる。尚、モジュールケース２内（オフガス燃焼部６）には適宜の着火デバイス（図示せず）が配設されている。また、モジュールケース２内に導入された空気のうち、電極反応に使用されなかったものは、燃焼に利用される。モジュールケース２内での燃焼によって生成された排気ガスは、排気通路１４から、モジュールケース２外に排出される。
【００２８】
尚、燃料電池スタック４の燃料電池セルは、燃料極支持型の燃料電池セルとして説明したが、空気極支持型の燃料電池セル（多孔質のセル支持体５ｓの外表面に空気極層、固体電解質層、燃料極層をこれらの順で積層したもの）であってもよい。この場合は、改質器３からの改質ガスをモジュールケース２内に充満させ、空気をマニホールド１３を介してセル支持体５ｓのガス流路に供給する構造になる。
【００２９】
図１に戻って、説明を続ける。
パワーコンディショナー（ＰＣＳ）１５は、ホットモジュール１の燃料電池スタック４で発生した直流電力を取り出すものであり、また、インバータを備え、直流電力を交流電力に変換して、家庭内負荷（電気機器）１６に供給する。尚、燃料電池スタック４の発電電力が家庭内負荷１６の需要電力に満たない場合は、不足分として、系統電源１７からの系統電力が家庭内負荷１６に供給される。
【００３０】
熱交換器１８は、ホットモジュール１の廃熱（燃料電池スタック４で発生する熱を含む排気ガスの熱）を回収して温水を得る。貯湯槽１９は、熱交換器１８により得た温水を貯留すると共に、この温水を給湯負荷に対して供給可能に構成されている。
【００３１】
詳しくは、熱交換器１８は発電ユニット側に配置され、給湯ユニット側の貯湯槽１９と循環通路２０ａ、２０ｂにより接続されている。循環通路２０ａは、貯湯槽１９の底部から引き出されて、熱交換器１８の入口側に接続されており、途中に循環用のポンプ２１が介装されている。循環通路２０ｂは、熱交換器１８の出口側から貯湯槽１９の上部へ戻るように配管されている。
【００３２】
従って、循環用のポンプ２１を駆動すると、貯湯槽１９の底部付近に存在する比較的低温の水が循環通路２０ａにより熱交換器１８に供給され、熱交換器１８にてホットモジュール１の廃熱（排気ガスの熱）との間で熱交換がなされる。これにより、排気ガスが冷却されると共に、水が加熱されて温水が得られる。熱交換器１８にて得た温水は、循環通路２０ｂにより貯湯槽１９の上部へ戻される。このような循環が繰り返されて、貯湯槽１９に温水が貯留される。
尚、貯湯槽１９には、その上部から温水を取り出す給湯通路２２が設けられると共に、その底部へ水道水を補給する給水通路２３が設けられる。
【００３３】
制御ユニット３０は、燃料電池スタック４の発電電力や循環用のポンプ２１の運転などを制御するもので、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを備えている。尚、制御ユニット３０とその入力側及び出力側に接続される各種センサ及び制御デバイスとを含んで制御装置が構成される。
【００３４】
燃料電池スタック４の発電電力の制御に際し、制御ユニット３０は、家庭内負荷１６の需要電力に応じて、定格出力電力（最大発電電力）の範囲内で、燃料電池スタック４の目標発電電力を設定する。言い換えれば、目標発電電力は、需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定される。
【００３５】
制御ユニット３０は、設定された目標発電電力に基づいて、パワーコンディショナー１５を制御する。具体的には、燃料電池スタック４の目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック４から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池スタック４の目標発電電力を燃料電池スタック４の出力電圧（瞬時値）で除算して、目標電流を設定し、この目標電流に従って、燃料電池スタック４から取り出す電流を制御する。
【００３６】
制御ユニット３０は、また、設定された目標発電電力に基づいて（目標発電電力を得るように）、供給量制御デバイス７ｐ、８ｐ、１１ｐを介して改質器７への原燃料、改質水、改質用空気の供給量を制御して、燃料電池スタック４への改質ガス（アノードガス）の供給量を制御し、また、供給量制御デバイス９ｐを介して燃料電池スタック４への空気（カソードガス）の供給量を制御する。すなわち、主には、改質器７への燃料供給量と燃料電池スタック４への空気供給量とを制御することで、燃料電池スタック４の発電電力を制御する。
【００３７】
また、燃料電池スタック４の目標発電電力に応じて燃料及び空気の供給量を制御する際は、燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａを所望の値に制御する。
燃料利用率Ｕｆとは、改質器３へ供給された燃料のうち、発電に利用される燃料の割合（％）をいう。よって、目標発電電力を得るのに必要な燃料量をＧｆとすると、改質器３への燃料供給量はＧｆ×１００／Ｕｆとなる。従って、燃料利用率Ｕｆの増大は燃料減量を意味し、燃料利用率Ｕｆの減少は燃料増量を意味する。
また、空気利用率Ｕａとは、燃料電池スタック４に供給された空気のうち、発電に利用される空気の割合（％）をいう。よって、目標発電電力を得るのに必要な空気量をＧａとすると、燃料電池スタック４への空気供給量はＧａ×１００／Ｕａとなる。従って、空気利用率Ｕａの増大は空気減量を意味し、空気利用率Ｕａの減少は空気増量を意味する。
【００３８】
図３は燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａの特性図（設定用マップ）であり、目標発電電力の変化に対する燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａの変化を示すと共に、燃料利用率Ｕｆと空気利用率Ｕａとの関係を示している。
燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａは、規定のプロフィル（図３）に従って協調制御する。
【００３９】
図３中の△は通常時（通常モード）の特性であり、目標発電電力が低いときには、燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａを小さく設定し、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａを大きく設定する。
例えば、通常モードの燃料利用率Ｕｆは、目標発電電力に応じ、目標発電電力が大きくなるほど大きく設定する。
【００４０】
通常モードの空気利用率Ｕａは、燃料利用率Ｕｆが所定値（例えば５０％）以下と、所定値以上とで次のように設定方法を異ならせる。
（１）Ｕｆ≦所定値のとき
Ｕａ＝Ａ１×Ｕｆ
但し、Ａ１は所定の係数（例えば０．５〜１．０）。
（２）Ｕｆ＞所定値のとき
Ｕｆにかかわらず、Ｕａは上限にて一定。
【００４１】
これに対し、図３中の□は劣化時（劣化抑制モード）の特性であり、同一の目標発電電力にて、制御点を斜め右下へ移動させて、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくする。
例えば、劣化抑制モードの燃料利用率Ｕｆは、通常モードに対し、各出力で１〜８ポイント増大させる。但し、Ｕｆが低い領域（出力が小さい領域）では、増大分を少なくするように調整する。
【００４２】
劣化抑制モードの空気利用率Ｕａは、通常モードに対し、各出力で１〜１０ポイント減少させる。但し、Ｕａが低い領域では、Ｕａがマイナス値とならないように調整する。
【００４３】
燃料電池スタック４（燃料電池セルの組立体）の劣化の検出には、燃料電池スタック４のセル温度を検出する温度検出部として、セル温度センサ３１（図２参照）を用い、セル温度が劣化判定用の第１の所定温度Ｔ１を超えた時に劣化抑制モードへ移行する。
尚、セル温度センサ３１は、セル支持体５ｓに取付けて、代表点の温度（最高温度部又は平均的温度部の温度など）を検出するようにすればよい。また、複数設けて、平均値を算出するようにしてもよい。複数設ける場合は、異なるセル支持体５ｓに取付ければよいが、セル支持体５ｓの延在方向の異なる位置に配設してもよい。
【００４４】
図４は制御ユニット３０にて実行される通常モード及び劣化抑制モードの決定ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１では、初期設定として、通常モードに設定する。
通常モード設定中は、Ｓ２にて、セル温度センサ３１により検出されるセル温度を読込み、セル温度を劣化判定用の第１の所定温度Ｔ１（例えば７５０℃）と比較する。
比較の結果、セル温度≦Ｔ１の場合は、Ｓ１の通常モードを続行する。
【００４５】
これに対し、セル温度＞Ｔ１となった場合は、燃料電池セルの劣化とみなし、Ｓ３へ進んで、劣化抑制モードへ移行する。
劣化抑制モードへ移行した場合は、Ｓ４にて、移行から所定時間（例えば３０分）経過したか否かを判定し、少なくとも所定時間経過するまでは、Ｓ３の劣化抑制モードを続行する。
【００４６】
劣化抑制モードへの移行後、所定時間経過した場合は、Ｓ５へ進んで、セル温度センサ３１により検出されるセル温度を読込み、セル温度を第２の所定温度Ｔ２と比較する。第２の所定温度Ｔ２は、過度の温度上昇状態から脱したか否かを判定するためのしきい値で、Ｔ２＜Ｔ１、又はＴ２≦Ｔ１、望ましくはＴ１より１０℃程度低い値に設定される。
比較の結果、セル温度≧Ｔ２の場合は、Ｓ３の劣化抑制モードを続行する。
これに対し、セル温度＜Ｔ２となった場合は、冷却されたものとみなし、Ｓ１へ戻って、通常モードへ復帰させる。
【００４７】
図５は通常モード及び劣化抑制モードに応じた燃料及び空気制御ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１１では、目標発電電力Ｗｇを算出する。具体的には、目標発電電力Ｗｇを、家庭内負荷１６の需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定する。すなわち、需要電力＜定格出力電力であれば、目標発電電力Ｗｇ＝需要電力に設定され、需要電力＞定格出力電力であれば、目標発電電力Ｗｇ＝定格出力電力に設定される。
Ｓ１２では、図４のフローの結果として、通常モードであるか、劣化抑制モードであるかを判定する。
【００４８】
通常モードの場合は、Ｓ１３へ進み、通常モードのマップ、すなわち図３の通常時の特性（△の特性）に従って、目標発電電力Ｗｇから燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａを設定する。この場合、目標発電電力が低いときには、燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａは小さく設定され、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａは大きく設定される。尚、Ｓ１３のステップが利用率基本設定部として機能する。
【００４９】
劣化抑制モードの場合は、Ｓ１４へ進み、劣化抑制モードのマップ、すなわち図３の劣化時の特性（□の特性）に従って、目標発電電力Ｗｇから燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕｆを設定する。この場合、通常時との比較で、燃料利用率Ｕｆは大きく設定され、同時に、空気利用率Ｕａは小さく設定される。尚、Ｓ１４のステップが利用率基本設定部及び劣化時の利用率補正部として機能する。
【００５０】
尚、燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａの設定（基本設定及び補正）は、マップを参照して行ってもよいし、前述の設定方法に基づく計算によって行ってもよい。
【００５１】
Ｓ１３又はＳ１４での燃料利用率Ｕｆ及び空気利用率Ｕａの設定後は、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１５では、目標発電電力Ｗｇと燃料利用率Ｕｆとから燃料供給量を算出する。すなわち、目標発電電力Ｗｇを得るのに必要な燃料量をＧｆとすると、燃料供給量＝Ｇｆ×１００／Ｕｆとなる。燃料供給量の算出後は、これに基づいて燃料供給量制御デバイス７ｐを制御する。
【００５２】
Ｓ１６では、目標発電電力Ｗｇと空気利用率Ｕａとから空気供給量を算出する。すなわち、目標発電電力Ｗｇを得るのに必要な空気量をＧａとすると、空気供給量＝Ｇａ×１００／Ｕａとなる。空気供給量の算出後は、これに基づいて空気供給量制御デバイス９ｐを制御する。尚、Ｓ１５、Ｓ１６のステップが供給量算出部として機能する。
【００５３】
本実施形態によれば、制御装置が、目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定する利用率基本設定部と、燃料電池スタック４のセル温度を検出する温度検出部と、セル温度が第１の所定温度Ｔ１を超えた時に、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくする利用率補正部と、前記目標発電電力と前記燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、改質器３への燃料供給量及び燃料電池スタック４への空気供給量を算出する供給量算出部と、を含んで構成されることにより、特に燃料電池スタック４のセル温度が劣化判定用の第１の所定温度Ｔ１を超えた時に、燃料利用率を上げると同時に、空気利用率を下げることにより、言い換えれば、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、全体的かつ大きな冷却効果を得て、温度上昇を抑制し、劣化のさらなる進行を抑制、すなわち劣化加速を回避することができる。
【００５４】
また、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、セル劣化時に必要となる空気増量を小さくすることができ、これによってセルの局所的な過冷却を抑え、セル内の偏熱による熱膨張差に起因するセル破壊などを防止することができる。
【００５５】
また、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、燃料減量についても小さくすることができ、空燃比変化を小さくして、オフガスの失火を抑えることができる。これにより、ホットモジュール１内の熱バランスの変化や、改質器３の温度低下を防止し、またシステムの信頼性を向上することができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、前記利用率基本設定部が、目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定することにより、目標発電電力との関係で、燃料利用率及び空気利用率を適切に設定することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、目標発電電力は、需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定されることにより、需要電力すなわち負荷に追従した運転が可能となる。
【００５８】
また、本実施形態によれば、前記利用率補正部は、燃料利用率及び空気利用率の補正後に、セル温度が第２の所定温度Ｔ２より低下したときは、燃料利用率及び空気利用率の補正を終了して、通常時の制御に戻すことにより、劣化加速を回避できる状況では、通常制御に戻し、規定プロフィルに従って好適に制御することができる。
【００５９】
尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６０】
１  ホットモジュール
２  モジュールケース
３  改質器
４  燃料電池スタック
５  燃料電池セル
５ｓ  セル支持体
６  オフガス燃焼部
７  原燃料の供給通路
７ｐ  供給量制御デバイス
８  改質水の供給通路
８ｐ  供給量制御デバイス
９  カソード用空気の供給通路
９ｐ  供給量制御デバイス
１０  脱硫器
１１  改質用空気の供給通路
１１ｐ  供給量制御デバイス
１２  改質ガスの供給通路
１３  マニホールド
１４  排気通路
１５  パワーコンディショナー（ＰＣＳ）
１６  負荷
１７  系統電源
１８  熱交換器
１９  貯湯槽
２０ａ、２０ｂ  循環通路
２１  循環用のポンプ
２２  給湯通路
２３  給水通路
３０  制御ユニット
３１  セル温度センサ
【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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