(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
供給された燃料により発電する固体酸化物型燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段により供給され、発電に利用されずに残った残余燃料を燃焼させ、上記燃料電池モジュール内を加熱する燃焼部と、
上記固体酸化物型燃料電池セルを取り囲むように配置され、上記燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する断熱材と、
需要電力を検出する需要電力検出手段と、
上記燃料電池モジュールの温度を検出する温度検出手段と、
この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように上記燃料供給手段を制御すると共に、需要電力の変化に応じて燃料供給量を変化させた後、遅れて、上記燃料電池モジュールから実際に出力させる電力を変化させる制御手段と、を有し、
上記制御手段は、
上記温度検出手段により検出された検出温度に基づいて上記断熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段を備え、この蓄熱量推定手段により、上記断熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように燃料供給量を減少させることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記蓄熱量推定手段は、上記検出温度の履歴に基づいて、上記断熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記蓄熱量推定手段によって推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率を高くする請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記蓄熱量推定手段によって推定された蓄熱量、需要電力の他に、所定の条件に基づいて燃料利用率を決定する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、上記蓄熱量推定手段によって推定された推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率を変化させる請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
上記蓄熱量推定手段は、上記検出温度の履歴の他に、直近の検出温度の変化を加味して蓄熱量を推定し、上記制御手段は、直近の検出温度の変化が大きい場合には、変化が少ない場合よりも、燃料利用率を大幅に変更する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
上記制御手段は、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率を変更する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールが劣化した後は、上記燃料電池モジュールが劣化する前よりも、燃料利用率を高める変更を少なくする請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項９】
上記蓄熱量推定手段は、上記検出温度に基づいて決定された加減算値の積算値、及び新しく検出された検出温度と過去に検出された検出温度の差に基づく差分値に基づいて蓄熱量を推定する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１０】
上記蓄熱量推定手段は、上記検出温度及び他の所定の条件に基づいて決定された加減算値を積算することにより蓄熱量を推定する請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１１】
上記蓄熱量推定手段は、上記検出温度及び発電電力に基づいて、上記加減算値を正の値とし、又は上記加減算値を負の値とするように構成されている請求項１０記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１２】
上記蓄熱量推定手段は、発電電力が大きいほど蓄熱量の推定値を急激に変化させる請求項１１記載の固体酸化物型燃料電池。
【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に関し、特に、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。
【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（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】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、改質器、水及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
【０００４】
特開２０１０−９２８３６号公報（特許文献１）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置は、需要電力に応じて発電電力を変化させるタイプの固体酸化物型燃料電池であり、発電電力が少ない低負荷領域においては、発電電力の大きい高負荷領域よりも、燃料利用率を低下させた運転を行うことが開示されている。即ち特許文献１では、発電電力が少ない状態においては、供給される燃料のうちの発電に使用される割合が低下されるが、その一方で、発電に使用されずに燃料電池モジュールの加熱に使用される燃料はあまり低下させずに燃料電池モジュールの加熱に多くの割合の燃料が使用されるように構成することで、燃料電池モジュールを熱的に自立させ、発電可能な温度に維持しているものである。
【０００５】
具体的には、発電電力の少ない領域においては、発電に伴い燃料電池セルユニットに発生する発電熱が減少するので、燃料電池モジュール内の温度が低下しやすい傾向にあるため、発電電力の少ない領域においても一定の燃料利用率を維持していると燃料電池モジュール内の温度低下を引き起こし、発電可能な温度を維持することが困難になるため燃料利用率を犠牲にしてでも燃料電池モジュールの加熱用の燃料を多くして熱的自立を可能にしているものである。
【０００６】
特開２０１０−９２８３６号公報記載の燃料電池装置においては、この問題を解決するために、発電電力が少ない低負荷領域において燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュールの過剰な温度低下を防止しつつ、一定の高温状態を安定的に維持するように構成しているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−９２８３６号
【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、先に記載した通り燃料利用率を低下させることは、熱自立は図れても発電に寄与しない燃料を増加させることであるため、燃料利用率を低下させた運転を行うと、固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率の低下を招くという問題がある。このように、燃料利用率を低下させた状態の運転が長くなるほど総合的なエネルギー効率は低下するので、一般に高分子膜形の燃料電池（ＰＥＦＣ）よりもエネルギー効率が高いとされている固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の優位性が損なわれることにも繋がる。
【０００９】
特に、固体酸化物型燃料電池を家庭用に使用することを想定すると、家人が就寝中の深夜等、１日のうちの所定の時間は必ず燃料電池は発電電力が少ない状態で使用されることが必ず発生することになり、これが固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率を著しく低下させることになるため、このような発電電力の少ない状態にあっても燃料利用率の高い高効率な運転を実現できる優れた技術が固体酸化物型燃料電池においては望まれていたものである。
【００１０】
本発明は、熱的な自立を維持して安定に運転しながら、総合的なエネルギー効率を向上させることができる実用上極めて有用な固体酸化物型燃料電池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】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明は、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、供給された燃料により発電する固体酸化物型燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給され、発電に利用されずに残った残余燃料を燃焼させ、燃料電池モジュール内を加熱する燃焼部と、固体酸化物型燃料電池セルを取り囲むように配置され、燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する断熱材と、需要電力を検出する需要電力検出手段と、燃料電池モジュールの温度を検出する温度検出手段と、この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように燃料供給手段を制御すると共に、需要電力の変化に応じて燃料供給量を変化させた後、遅れて、燃料電池モジュールから実際に出力させる電力を変化させる制御手段と、を有し、制御手段は、温度検出手段により検出された検出温度に基づいて断熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段を備え、この蓄熱量推定手段により、断熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように燃料供給量を減少させることを特徴としている。
【００１２】
このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池モジュールに燃料及び発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料及び発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、発生した熱は断熱材に蓄積される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように燃料供給手段を制御する。また、制御手段は、需要電力の変化に応じて燃料供給量を変化させた後、遅れて、燃料電池モジュールから実際に出力させる電力を変化させる。蓄熱量推定手段は温度検出手段により検出された温度に基づいて、断熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する。制御手段は、蓄熱量推定手段により断熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように燃料供給量を減少させる。
【００１３】
一般に、固体酸化物型燃料電池においては、発電電力が小さい場合には、発電熱が低下するため、燃料電池モジュールが温度低下を起こしやすい。このため、小発電電力時には燃料利用率を下げ、発電に使用されなかった燃料を燃焼させて燃料電池モジュールを加熱して過度の温度低下を防止している。特に、燃料電池モジュール内に改質器が配置されているタイプの固体酸化物型燃料電池においては、改質器内で吸熱反応が発生するので、温度低下が更に起こりやすい。上記のように構成された本発明によれば、蓄熱量推定手段により断熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると、燃料利用率が高くなるように燃料供給量を減少させる。これにより、固体酸化物型燃料電池の熱的な自立を維持し、過度の温度低下を回避しながら、固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【００１４】
また、上記のように構成された本発明によれば、温度検出手段により検出された検出温度に基づいて蓄熱量を推定しているので、制御手段が、燃料供給量を変化させた後、遅れて出力電力を変化させていても、蓄積された熱量を正確に推定することができる。このため、燃料電池モジュールの急激な温度低下のリスクを確実に回避しながら、断熱材に蓄積された熱量を十分に活用することができる。さらに、燃料供給量を変化させた後、遅れて出力電力を変化させるタイプの燃料電池においては、出力電力の頻繁な増減が多くの余剰燃料を発生させ、燃料電池モジュール内の温度を過剰に上昇させるリスクがあるが、上記のように構成された本発明によれば、このようにして発生した余剰燃料による蓄熱を正確に把握することができる。一般に、余剰燃料による過剰な温度上昇に対しては、燃料電池モジュール内に冷却媒体を投入してこれを抑制しているが、本発明によれば、余剰燃料による熱量を正確に把握できるので、これを有効に活用して温度の過剰な上昇を抑制することができる。これにより、温度を低下させるために投入される冷却媒体を少なくすることができ、固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、蓄熱量推定手段は、検出温度の履歴に基づいて、断熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量推定手段が、検出温度の履歴に基づいて蓄熱量を推定するので、直近の検出温度のみによる蓄熱量の推定よりも、正確に蓄熱量を推定することができる。これにより、断熱材に蓄積されている熱量を十分に活用することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、蓄熱量推定手段によって推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率を高くする。
このように構成された本発明によれば、推定された蓄熱量が大きい場合には大量に蓄熱を活用し、蓄熱量が少ない場合にはあまり蓄熱を活用しないので、より有効に蓄熱を活用することができると共に、温度低下のリスクを確実に回避することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、蓄熱量推定手段によって推定された蓄熱量、需要電力の他に、所定の条件に基づいて燃料利用率を決定する。
このように構成された本発明によれば、燃料利用率の決定に、蓄熱量、及び需要電力以外の条件も加味されるので、燃料電池モジュールの状態に応じて、適切に蓄熱を利用することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、制御手段は、蓄熱量推定手段によって推定された推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率を変化させる。
このように構成された本発明によれば、推定蓄熱量が大きい場合においては、大量の蓄熱を利用して、過剰な温度上昇を回避すると共に、推定蓄熱量が小さい場合においては、少しずつ蓄熱を利用して、過剰冷却を防止することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、蓄熱量推定手段は、検出温度の履歴の他に、直近の検出温度の変化を加味して蓄熱量を推定し、制御手段は、直近の検出温度の変化が大きい場合には、変化が少ない場合よりも、燃料利用率を大幅に変更する。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量が、検出温度の履歴の他に、直近の検出温度の変化を加味して推定されるので、履歴に基づいて蓄熱量を正確に推定することができると共に、熱容量が大きく、変化が起こり始めると容易にその傾向を変えることができない燃料電池モジュールの温度変化に対して機敏に対処して、過剰な温度上昇、温度低下を防止することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、制御手段は、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率を変更する。
このように構成された本発明によれば、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。このため、急激な温度低下のリスクが少なく、燃料利用率を改善する余地が大きい小発電電力領域で大幅に蓄熱を利用することにより、エネルギー効率を効果的に高めることができる。また、通常の制御においても燃料利用率が高く、燃料利用率を改善する余地が少ない大発電電力領域では、あまり蓄熱を利用しないことにより、この間に蓄積した熱量を使用して、小発電電力領域におけるエネルギー効率を改善することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールが劣化した後は、燃料電池モジュールが劣化する前よりも、燃料利用率を高める変更を少なくする。
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールが劣化した後は、燃料利用率を高める変更を少なくするので、劣化することにより発電時の温度が上昇した燃料電池モジュールを冷却傾向にすることにより、劣化が促進されるのを防止することができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、蓄熱量推定手段は、検出温度に基づいて決定された加減算値の積算値、及び新しく検出された検出温度と過去に検出された検出温度の差に基づく差分値に基づいて蓄熱量を推定する。
このように構成された本発明によれば、加減算値の積算値及び差分値に基づいて蓄熱量を推定するので、簡単な計算により的確に蓄熱量を推定することができると共に、これに基づいて、適切に燃料利用率を設定することができる。
【００２３】
本発明において、好ましくは、蓄熱量推定手段は、検出温度及び他の所定の条件に基づいて決定された加減算値を積算することにより蓄熱量を推定する。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量を推定するために積算される加減算値が、検出温度の他、所定の条件に基づいて決定されるので、蓄熱量に影響を与える温度以外のファクターを、推定値に的確に反映させることができる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、蓄熱量推定手段は、検出温度及び発電電力に基づいて、加減算値を正の値とし、又は加減算値を負の値とするように構成されている。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量推定値の増加又は減少を、検出温度だけではなく、発電電力を加味して推定するので、より正確に蓄熱量を推定することができる。
【００２５】
本発明において、好ましくは、蓄熱量推定手段は、発電電力が大きいほど蓄熱量の推定値を急激に変化させる。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量の推定値が、発電電力が大きいほど急激に変化されるので、より実態に適合した蓄熱量を推定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、熱的な自立を維持して安定に運転しながら、総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における燃料供給量の制御フローチャートである。
【図１２】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池において断熱材に蓄積された熱量を推定するために使用される蓄熱量推定テーブルである。
【図１３】図１２の蓄熱量推定テーブルをグラフ化したものである。
【図１４】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流に対する第１修正係数の値を示すグラフである。
【図１５】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流に対する第２修正係数の値を示すグラフである。
【図１６】燃料電池モジュールが劣化した場合における補正量の変更を行うためのフローチャートである。
【図１７】一般的な住宅における一日の需要電力の推移と、断熱材に蓄積される熱量の推移を模式的に示す図である。
【図１８】本発明の第１実施形態の変形例における電流補正係数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（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。
【００３０】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、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ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器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、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３１】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの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ガス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）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。
【００３２】
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。
【００３３】
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内の密閉空間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。
【００３４】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂ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及び空気は、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、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。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３８】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３９】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
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。
【００４０】
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の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子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。
【００４１】
燃料電池セル１６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９８が形成されている。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板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６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４６】
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の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４７】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。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の外部端子１０４（図示せず）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。
【００４８】
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。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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５５】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５６】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５７】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００５８】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５９】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００６０】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００６１】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００６２】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００６３】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６４】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
【００６５】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００６６】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６７】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６８】
次に、図９乃至図１７を参照して、本発明の第１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、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。図１０は、固体酸化物型燃料電池１における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
【００６９】
まず、図９の実線に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１は、需要電力に応じて、出力を定格出力電力である７００Ｗ（出力電流７Ａ）以下で可変できるように構成されている。所要の電力を出力するために必要とされる燃料供給量（Ｌ／ｍｉｎ）は、図９に実線で示す基本燃料供給テーブルとして設定されている。制御手段である制御部１１０は、需要電力検出手段である電力状態検出センサ１２６によって検出された需要電力に応じて、基本燃料供給テーブルに基づいて燃料供給量を決定し、これに基づいて燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御するように構成されている。
【００７０】
発電に必要な燃料の量は出力電力（出力電流）に比例するが、図９に実線で示すように、基本燃料供給テーブルに設定された燃料供給量は、出力電流に比例していない。これは、出力電力に比例して燃料供給量を低下させてしまうと、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルユニット１６を発電可能な温度に維持することができなくなるためである。このため、本実施形態においては、基本燃料供給テーブルは、出力電流７Ａ付近の大発電電力時には燃料利用率約７０％に設定され、出力電流２Ａ程度の小発電電力時には燃料利用率約５０％に設定されている。このように、小発電電力領域における燃料利用率を低下させ、発電に使用されなかった燃料を燃焼させて改質器２０等の加熱に使用することにより、燃料電池セルユニット１６の温度低下を抑制し、燃料電池モジュール２内を発電可能な温度に維持している。
【００７１】
しかしながら、燃料利用率を低下させることにより、発電に寄与しない燃料を増加させることになるので、小発電電力領域における固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率が低下する。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、制御部１１０に内蔵された燃料テーブル変更手段１１０ａ（図６）が、所定の条件に応じて基本燃料供給テーブルに設定された燃料供給量を変更・補正して、燃料供給量を図９破線に一例を示すように減少させ、小発電電力領域における燃料利用率が上昇される。これにより、固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率が向上される。
【００７２】
図１０は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１において、基本燃料供給テーブルに基づいて燃料を供給した場合における出力電流と、供給された燃料の熱量との関係を模式的に示すグラフである。図１０に一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール２を熱的に自立させ、安定に運転するために必要な熱量は、出力電流の増加と共に単調に増加する。図１０に実線で示すグラフは、基本燃料供給テーブルに従って燃料が供給された場合における熱量を示している。本実施形態では、中発電電力に相当する出力電流５Ａよりも低い領域では、一点鎖線で示す必要な熱量と、実線で示す基本燃料供給テーブルに基づいて供給される熱量がほぼ一致している。
【００７３】
さらに、出力電流５Ａよりも高い領域では、基本燃料供給テーブルに従って供給される実線で示す熱量は、熱自立するために最低限必要な一点鎖線で示す熱量を上回っている。この実線と破線の間の余剰熱量は、燃料電池モジュール２に設けられた蓄熱材である断熱材７に蓄積される。また、固体酸化物型燃料電池１からの出力電流と、この電流を定常的に出力している場合における燃料電池モジュール２内の燃料電池セルユニット１６の温度とは相関があり、出力電流を大きくするためには燃料電池セルユニット１６の温度を高くする必要があることから、出力電流が大きい状態では燃料電池セルユニット１６の温度は高い状態にある。本実施形態においては、出力電流５Ａは、蓄熱温度Ｔｈである約６３３℃に対応している。従って、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１では、出力電流５Ａ、蓄熱温度Ｔｈ＝約６３３℃以上の場合において、より多くの熱量が断熱材７に蓄積される。
【００７４】
この蓄熱温度Ｔｈは、発電電力範囲である０Ｗ〜７００Ｗの中央値である３５０Ｗよりも大きい５００Ｗ（出力電流５Ａ）に対応する温度に設定されている。また、出力電流５Ａ以下の領域においては、基本燃料供給テーブルに基づいて供給される熱量は、熱自立するために最低限必要な熱量とほぼ同一（僅かに基本燃料供給テーブルの熱量が大きい）に設定されている。このため、図１０の破線に一例を示すように、基本燃料供給テーブルによる燃料供給量が補正され、燃料供給量が減少されると、熱的に自立するために必要な熱量が不足する。
【００７５】
本実施形態においては、後述するように、発電電力が小さい領域において、基本燃料供給テーブルで設定された燃料供給量を一時的に減少させるように補正して、燃料利用率を向上させる。一方、基本燃料供給テーブルの燃料供給量を減少させたことにより不足する熱量は、燃料電池モジュール２が蓄熱温度Ｔｈよりも高い領域で運転されている間に断熱材７に蓄積された熱量を利用して補充している。なお、本実施形態においては、断熱材７の熱容量が非常に大きいため、燃料電池モジュール２が大発電電力で所定時間運転された後、発電電力が小さい領域で運転される場合には、断熱材７に蓄積された熱量を２時間以上に亘って利用することができ、この間の燃料供給量を減じる補正を行うことにより燃料利用率が向上される。
【００７６】
また、本実施形態においては、出力電流５Ａ、蓄熱温度Ｔｈ＝約６３３℃以上の場合において、より多くの熱量が断熱材７に蓄積されるように基本燃料供給テーブルが設定されているが、出力電流５Ａ以上の領域においても熱自立するために最低限必要な熱量とほぼ同一（僅かに基本燃料供給テーブルの熱量が大きい）に基本燃料供給テーブルを設定することもできる。即ち、発電電力が大きい領域においては、燃料電池モジュール２の作動温度は、発電電力が小さい場合よりも高いので、燃料供給量が熱自立のための必要最低限の熱量に設定されていても、小発電電力時に利用可能な熱量を断熱材７に蓄積することができる。本実施形態のように、大発電電力時に積極的に燃料供給量を多く設定しておくことにより、電力需要がピークとなる夜間帯の短時間で断熱材７に必要な熱量を確実に蓄積させることができる。
【００７７】
次に、図１１乃至図１７を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池１の具体的な制御を説明する。
図１１は、本実施形態における燃料供給量の制御フローチャートである。図１２は、断熱材７に蓄積された熱量を推定するために使用される蓄熱量推定テーブルである。図１３は、蓄熱量推定テーブルをグラフ化したものである。図１４は、出力電流に対する第１修正係数の値を示すグラフである。図１５は、出力電流に対する第２修正係数の値を示すグラフである。
【００７８】
図１１に示すフローチャートは、固体酸化物型燃料電池１の発電運転中において、制御部１１０において所定の時間間隔で実行される。まず、図１１のステップＳ１においては、図１２に示す蓄熱量推定テーブルに基づいて積算処理が実行される。ステップＳ１において計算される積算値Ｎｉは、後述するように、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量の指標となる値であり、０〜１の間の値をとる。
【００７９】
次に、ステップＳ２においては、ステップＳ１で計算された積算値Ｎｉが０であるか否かが判断される。積算値Ｎｉが０である場合にはステップＳ３に進み、０以外である場合にはステップＳ４に進む。
【００８０】
積算値Ｎｉが０である場合には、断熱材７等には利用可能な程度に熱量が蓄積されていないと推定されるため、ステップＳ３においては、制御部１１０により、燃料供給量が基本燃料供給テーブルに基づいて決定される。制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、決定された燃料供給量を燃料電池モジュール２に供給する。従って、この場合には、発電電力が少ないとしても燃料利用率を高くする補正は実行されない。ステップＳ３の後、図１１に示すフローチャートの１回の処理を終了する。
【００８１】
一方、ステップＳ４においては、基本燃料供給テーブルによって決定された燃料供給量に対する利用率変更量が、積算値Ｎｉに基づいて決定される。即ち、積算値Ｎｉが１である場合には、最も大幅に燃料供給量が減少されて、燃料利用率が向上され、積算値Ｎｉが小さいほど燃料供給量の減少幅が小さくされる。
【００８２】
次に、ステップＳ５においては、図１４に示すグラフに基づいて、第１修正係数が決定される。図１４に示すように、第１修正係数は、出力電流が少ない領域においては１であり、出力電流が４．５Ａを超えると０になる。即ち、発電電力が小さい領域においては、断熱材７に蓄積された熱量を利用して燃料供給量を減少させる補正が行なわれ、燃料利用率が向上される一方、発電電力が大きい領域では補正は実行されない。これは、発電電力が大きい領域においては、基本燃料供給テーブルによっても十分に燃料利用率の高い運転が可能であると共に、大発電電力時には、燃料電池モジュール２内の温度が高いため断熱材７の蓄熱を利用しにくいためである。
【００８３】
次いで、ステップＳ６においては、図１５に示すグラフに基づいて、第２修正係数が決定される。図１５に示すように、第２修正係数は、出力電流が１Ａ以下の領域においては０．５であり、出力電流が１〜１．５Ａの領域で直線的に増加し、出力電流が１．５Ａ以上の領域では１になる。即ち、発電電力が１５０Ｗ以下の領域においては、基本燃料供給テーブルによる燃料供給量の絶対値が小さいため、これに大幅な補正を加えて燃料供給量を減少させると燃料電池セルユニット１６を損傷する虞があるためである。また、基本燃料供給テーブルの補正量を少なく抑えておくことにより、断熱材７に蓄積された熱量を少しずつ利用することができ、長時間に亘って蓄熱を利用することが可能になる。従って、第２修正係数は、発電電力が小さいほど基本燃料供給テーブルの補正量を減少させ、基本燃料供給テーブルの変更、補正をする期間を延長する変更期間延長手段として機能する。この変更期間延長手段は、基本燃料供給テーブルの補正が開始された後、断熱材７に蓄積された熱量が使用されるため、補正を実行している期間が長くなるにつれて次第に蓄熱量が減少し、蓄熱量が減少すると燃料利用率の補正量が減少するので、更に蓄熱を利用することができる期間を延長するように作用する。
なお、変形例として、第２修正係数を使用した補正量の修正は行わなくても良い。
【００８４】
次に、ステップＳ７においては、ステップＳ４において決定された利用率変更量に、ステップＳ５において決定された第１修正係数、ステップＳ６において決定された第２修正係数を乗じて、最終的な利用率変更量を決定する。さらに、水供給量の補正量を、決定された燃料供給量に対応して決定すると共に、発電用空気供給量を、通常の空気供給量に対して１０％低下させる。また、燃料供給量の制御ゲインを通常運転時の制御ゲインに対して１０％増大させ、燃料供給量を変化させる際の追従性を向上させる。
【００８５】
このように、基本燃料供給テーブルの補正を実行する際の燃料供給量の制御ゲインを増大させ、燃料供給量の追従性を高く設定しておくことにより、推定される蓄熱量の減少に伴って補正後の燃料利用率が低下されていく（燃料供給量が増加される）際、速やかに燃料供給量を増加させることができる。これにより、燃料供給量を増加させる応答の遅れによる燃料電池モジュール２の過剰冷却が防止される。従って、ステップＳ７における、制御ゲインを増大させる制御は、過剰冷却防止手段として作用する。また、発電用の２次空気量を１０％低下させることで、セルや改質器など燃料電池モジュール２内への冷却を抑制できるため蓄熱量の減少を抑え蓄熱を有効に利用させることが可能となる。よって、次空気量を１０％低下させる制御も、過剰冷却防止手段として作用する。
【００８６】
ステップＳ８においては、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８、水流量調整ユニット２８、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、ステップＳ７において決定された量の燃料、水、発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。ステップＳ８の後、図１１に示すフローチャートの１回の処理を終了する。また、基本燃料供給テーブルの補正が実行されることにより、積算値Ｎｉが０まで低下すると、処理は、再びステップＳ２からステップＳ３に移行するようになる。これにより、基本燃料供給テーブルの補正が終了し、再び基本燃料供給テーブルに基づく燃料供給量の制御が実行されるようになる。
【００８７】
次に、図１２及び図１３を参照して、断熱材７等に蓄積されている蓄熱量の推定を説明する。
蓄熱量の推定は、制御部１１０に内蔵されている蓄熱量推定手段１１０ｂ（図６）により実行される。図１１に示すフローチャートのステップＳ１が実行されると、蓄熱量推定手段１１０ｂは、温度検出手段である発電室温度センサ１４２から発電室の温度を読み込む。次に、蓄熱量推定手段１１０ｂは、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄに基づいて、図１２に示す蓄熱量推定テーブルを参照し、加減算値を決定する。例えば、検出温度Ｔｄが６４５℃である場合には、加算値は１／５００００に決定され、この値が積算値Ｎｉに加算される。このような積算は、固体酸化物型燃料電池１の始動後、所定の時間間隔で実行される。本実施形態においては、図１１に示すフローチャートは、０．５ｓｅｃ毎に実行されるので、０．５ｓｅｃに１回ずつ積算が実行される。このため、例えば、検出温度Ｔｄが６４５℃で一定の場合には、０．５ｓｅｃに１回ずつ１／５００００の値が積算され、積算値Ｎｉが増加する。
【００８８】
このような積算値Ｎｉは、燃料電池モジュール２や発電室１０内の温度の履歴を反映するものであり、断熱材７等に蓄積されている蓄熱量の程度を示す指標となる値である。この積算値Ｎｉは、０〜１の範囲に制限されており、積算値Ｎｉが１に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで１に保持され、積算値Ｎｉが０まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで０に保持される。本明細書においては、本実施形態における積算値Ｎｉのように、蓄熱量の程度を示す指標となる値が蓄熱量の推定値であるとする。従って、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の温度に基づいて蓄熱量が推定される。
【００８９】
図１１に示すフローチャートのステップＳ４において計算される、基本燃料供給テーブルに対する利用率変更量は、この積算値Ｎｉに所定の補正量を乗じることによって決定される。従って、蓄熱量の推定値である積算値Ｎｉが大きいほど補正量は増加し、積算値Ｎｉが１のとき利用率変更量は最大となり、積算値Ｎｉが０のときには補正は実行されない（利用率変更量＝０）。即ち、積算値Ｎｉが０の場合には、蓄熱量の推定値が、基本燃料供給テーブルの補正を実行する変更実行蓄熱量未満であると判断して、燃料利用率の補正は実行されない。
【００９０】
図１２及び図１３に示すように、本実施形態においては、積算は、検出温度Ｔｄが変更基準温度Ｔｃｒである６３５℃よりも高い場合には加算が行われ、低い場合には減算が行われる。即ち、検出温度Ｔｄが変更基準温度Ｔｃｒよりも高い場合には、断熱材７等に燃料利用率の向上に利用可能な熱量が蓄積され、変更基準温度Ｔｃｒよりも低い場合には、断熱材７等に蓄積されている熱が奪われると仮定して、積算値Ｎｉが計算される。換言すれば、積算値Ｎｉは、検出温度Ｔｄの変更基準温度Ｔｃｒに対する温度偏差の時間積分に対応し、この積算値Ｎｉに基づいて蓄熱量が推定される。
【００９１】
なお、本実施形態においては、蓄熱量推定の基準となる変更基準温度Ｔｃｒは、熱の蓄積が多くなる蓄熱温度Ｔｈよりも僅かに高く設定されている（図１０）。このため蓄熱量の推定値は実際よりも少なく推定される。これにより、実際よりも大きく推定された蓄熱量に基づいて、燃料利用率を高める補正を過度に実施し、燃料電池モジュール２の過剰な温度低下を引き起こすのを回避している。
【００９２】
従って、検出温度Ｔｄが変更基準温度Ｔｃｒよりも高い状態で、発電電力が小さくなった場合には、基本燃料供給テーブルに対する補正が実行される。一方、検出温度Ｔｄが変更基準温度Ｔｃｒよりも低い状態で、発電電力が小さくなった場合には、基本燃料供給テーブルに対する補正量が減少され（積算値Ｎｉが減少することによる）、或いは、補正が実行されない（積算値Ｎｉが０である場合）。
【００９３】
具体的には、図１２及び図１３に示すように、検出温度Ｔｄが５８０℃よりも低い場合には、積算値Ｎｉから２０／５００００が減算される。また、検出温度Ｔｄが５８０℃以上、６２０℃未満の場合には積算値Ｎｉから１０／５００００×（６２０−Ｔｄ）／（６２０−５８０）が減算される。検出温度Ｔｄが６２０℃以上、６３０℃未満の場合には積算値Ｎｉから１／５００００が減算される。このように、検出温度Ｔｄが検出温度Ｔｄよりも低いほど積算値Ｎｉは急激に減少され、これに伴い燃料利用率の補正量も急激に減少される。
【００９４】
一方、検出温度Ｔｄが６５０℃以上の場合には、積算値Ｎｉに１／５００００×（Ｔｄ−６５０）が加算される。また、検出温度Ｔｄが６４０℃以上、６５０℃未満の場合には積算値Ｎｉに１／５００００が加算される。このように、検出温度Ｔｄが検出温度Ｔｄよりも高いほど積算値Ｎｉは急激に増加され、これに伴い燃料利用率の補正量も急激に増大される。
【００９５】
さらに、検出温度Ｔｄが６３０〜６４０℃の間では、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合と、低下傾向にある場合で処理が異なる。
即ち、検出温度Ｔｄが６３０℃以上、６３２℃未満の場合、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合には加算値は０（加減算を行わない）にされ、低下傾向にある場合には１／５００００が減算される。このように、検出温度Ｔｄが変更基準温度Ｔｃｒよりも低く、それらの差が微少偏差温度である５℃以下である場合においては、検出温度Ｔｄが低下傾向にあるときは、上昇傾向にあるときよりも急激に積算値Ｎｉを減少させる。ここで、断熱材７等は熱容量が非常に大きく、検出温度Ｔｄが一旦低下傾向に入ると、しばらくの間温度が低下し続けることが予想される。従って、このような状況においては、速やかに積算値Ｎｉを減少させて、燃料利用率を高める（燃料供給量を減少させる）補正を抑制することにより、燃料電池モジュール２に著しい温度低下が発生するリスクを回避する必要がある。
【００９６】
一方、検出温度Ｔｄが６３８℃以上、６４０℃未満の場合、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合には１／５００００が加算され、低下傾向にある場合には加算値は０（加減算を行わない）にされる。上記のように、断熱材７等は熱容量が非常に大きく、検出温度Ｔｄが一旦上昇傾向に入るとしばらくの間温度が上昇し続けることが予想される。従って、このような状況においては、速やかに積算値Ｎｉを増加させることにより燃料利用率を高める（燃料供給量を減少させる）補正を促進し、蓄熱を積極的に利用して燃料利用率を向上させる。
【００９７】
このように、積算値Ｎｉに対する加減算値は、検出温度Ｔｄの変化状態に応じて異なる値をとる。従って、検出温度Ｔｄと変更基準温度Ｔｃｒの間の温度偏差と、蓄熱量を反映している積算値Ｎｉの関係は、検出温度Ｔｄの変化状態に応じて変更される。
また、検出温度Ｔｄが６３２℃以上、６３８℃未満の場合には、検出温度Ｔｄが変更基準温度Ｔｃｒである６３５℃近傍にあり、安定しているとみなして、検出温度Ｔｄの傾向にかかわらず加算値を０（加減算を行わない）として現在の状態を維持させる。
【００９８】
次に、図１６を参照して、燃料電池モジュール２が劣化した場合における処理を説明する。図１６は、燃料電池モジュール２が劣化した場合における補正量の変更を行うためのフローチャートである。
【００９９】
燃料電池セルユニット１６は、長年使用することにより劣化が進行すると、同一の燃料供給量に対して取り出すことのできる電力が低下する。また、これに伴い、同一の電力を生成しているときの燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、所定の発電電力時の燃料電池モジュール２（燃料電池セルユニット１６）の温度に基づいて、燃料電池モジュール２の劣化を判定している。なお、燃料電池モジュールの劣化は、所定の燃料供給量に対する取り出し可能な電力、又は電圧等によって判定することもできる。
【０１００】
図１６に示すフローチャートは、制御部１１０により、所定期間毎に、例えば、数ヶ月乃至数年毎に実行される。まず、図１６のステップＳ２１において、燃料電池セルユニット１６が劣化しているか否かが判断される。燃料電池セルユニット１６が劣化していないと判定された場合には、図１６に示すフローチャートの１回の処理を終了する。燃料電池セルユニット１６が劣化したことが判定されると、ステップＳ２２に進む。
【０１０１】
ステップＳ２２においては、変更基準温度Ｔｃｒを５℃高い値に変更すると共に、第３修正係数を０．８に設定し、図１６に示すフローチャートの１回の処理を終了する。これは、燃料電池セルユニット１６が劣化すると、燃料電池モジュール２の作動温度が全体に温度の高い側にシフトするため、燃料利用率補正の基準となる温度もこれに合わせて変更するものである。また、第３修正係数は、図１１のステップＳ４において決定された利用率変更量に乗じられる係数である。第３修正係数は、燃料電池セルユニット１６が劣化する前は１に設定されており、劣化したことが判定されると０．８に変更され、利用率変更量が２０％減少される。これにより、燃料電池セルユニット１６が劣化した状態で燃料利用率を大きく補正することによる、燃料電池セルユニット１６の劣化の促進が防止される。なお、燃料電池モジュール２が劣化したことが一度判定され、その後の更なる劣化の進行を判定する場合には、劣化を判定するための温度の閾値を更新する。これにより、劣化の進行度合いを複数回に亘って判断することが可能になる。また、変更基準温度Ｔｃｒの値は、劣化したことが判断される度に変更される。
【０１０２】
次に、図１７を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池１の作用を説明する。図１７は、一般的な住宅における一日の需要電力の推移と、断熱材に蓄積される熱量の推移を模式的に示す図である。図１７において、住宅で使用される需要電力を実線で、固体酸化物型燃料電池１による発電電力を破線で、蓄熱量の指標となる積算値Ｎｉを一点鎖線で示す。
【０１０３】
まず、家人が就寝中の時刻ｔ０〜ｔ１においては、住宅で使用される需要電力は少なく、時刻ｔ１において家人が起床すると需要電力は増大する。これに伴い固体酸化物型燃料電池１の発電電力も増加し、需要電力のうち、燃料電池の定格電力を上回る電力については系統電力から供給される。また、家人が就寝中の６〜８時間程度は使用される電力が少ない状態が続いていたため、起床時ｔ１においては、蓄熱量推定手段１１０ｂにより推定された蓄熱量（積算値Ｎｉ）は０又は非常に小さな値となっている。
【０１０４】
時刻ｔ１において発電電力が増加し、燃料電池モジュール２が蓄熱温度Ｔｈよりも高い温度で運転されると、蓄熱量は次第に増加し、時刻ｔ２において、積算値最大の１程度まで増加する。その後、時刻ｔ３において家人が外出すると、需要電力は急激に減少する。このように、蓄熱量が変更実行蓄熱量以上である状態で発電電力が低下すると、燃料テーブル変更手段１１０ａによる基本燃料供給テーブルの補正が実行され、小発電電力における燃料利用率が高められる。燃料利用率を高めた運転が行われると、断熱材７に蓄積された熱量が利用されるので、積算値Ｎｉも減少する。本実施形態においては、１〜３時間程度、燃料利用率を高めた運転を実行可能である。
【０１０５】
次いで、時刻ｔ４において家人が帰宅すると、再び需要電力が増加する。積算値Ｎｉは、時刻ｔ４における需要電力の増加から遅れて増大し（時刻ｔ４〜ｔ５）、再び最大値に到達する。次いで、時刻ｔ６において家人が就寝し、需要電力が低下した後、燃料利用率を高めた運転が行われる（時刻ｔ６以降）。
住宅における需要電力がこのように推移した場合には、断熱材７に蓄積された熱量を利用した燃料利用率を高めた運転が一日に２回行われる。この燃料利用率を高めた運転期間は、発電電力が少ない期間の２０〜５０％にも及び、固体酸化物型燃料電池１の総合的なエネルギー効率を大きく向上させる。
【０１０６】
従来の固体酸化物型燃料電池においては、発電電力が小さい場合には、発電熱が低下するため、燃料電池モジュールが温度低下を起こしやすい。このため、小発電電力時には燃料利用率を下げ、発電に使用されなかった燃料により燃料電池モジュールを加熱して過度の温度低下を防止していた。特に、燃料電池モジュール内に改質器が配置されているタイプの固体酸化物型燃料電池においては、改質器内で吸熱反応が発生するので、温度低下が起こりやすい。
【０１０７】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電電力が小さい場合において、蓄熱量推定手段１１０ｂにより断熱材７に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると、一時的に燃料利用率が高くなるように基本燃料供給テーブルを補正する（図１１、ステップＳ７）。これにより、固体酸化物型燃料電池１の熱的な自立を維持し、過度の温度低下を回避しながら、固体酸化物型燃料電池１の総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【０１０８】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、所定の蓄熱温度Ｔｈよりも高い領域で、より多くの熱量が断熱材７に蓄積されるように設定されている（図１０）ので、燃料利用率を高くできる蓄熱温度Ｔｈよりも高い領域で積極的に熱を蓄積し、この熱を、燃料電池モジュール２の温度が比較的低く、蓄熱を利用しやすい小発電電力時に消費することにより、蓄熱された熱量を効果的に利用することができる。
【０１０９】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電室温度センサ１４２によって検出された検出温度Ｔｄは、概ね断熱材７に蓄積された熱量を反映しているので、検出温度Ｔｄと変更基準温度Ｔｃｒの関係のみから簡単に基本燃料供給テーブルを補正することができる。
【０１１０】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、変更基準温度Ｔｃｒは、蓄熱温度Ｔｈよりも高く設定されている（図１０）ので、断熱材７への蓄熱量が多くなる蓄熱温度Ｔｈよりも高い変更基準温度Ｔｃｒ以上で蓄熱が利用されることになり、蓄熱量が少ない状態で蓄熱が利用され、過度の温度低下を引き起こすリスクを回避することができる。
【０１１１】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、蓄熱量推定手段１１０ｂが検出温度Ｔｄの履歴に基づいて蓄熱量を推定する（図１１、ステップＳ４、図１３）ので、現在の検出温度Ｔｄのみから蓄熱量を推定する場合に比べ正確に推定することができ、蓄熱をより有効に活用することができる。
【０１１２】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、温度偏差を時間で積分することによって、断熱材７に蓄積されている蓄熱量を推定しているので（図１１、ステップＳ４、図１３）、蓄熱温度Ｔｈよりも高い温度で運転された時間が長い場合には推定される蓄熱量が大きく、短い場合には推定される蓄熱量が小さくなり、より正確に蓄熱量を推定することができる。これにより、蓄熱を利用することによる過度の温度低下等のリスクを確実に回避することができる。
【０１１３】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、蓄熱量が大きいほど燃料利用率を高くする補正量を増加させるので（図１１、ステップＳ４、図１３）、過度の温度低下等のリスクを確実に回避しながら、燃料利用率を大幅に向上させる補正を実行することができる。
【０１１４】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、検出温度Ｔｄが高いほど補正量を急激に増大させる一方、検出温度Ｔｄが低いほど補正量を急激に減少させるので（図１３）、検出温度Ｔｄが高い場合には大幅な燃料利用率の補正ができると共に、検出温度Ｔｄが低い場合には急速に補正量を減少させることができるので、過度の温度低下を確実に防止することができる。
【０１１５】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、検出温度Ｔｄ又は発電電力の状態に応じて、蓄熱量の推定値と、補正量の関係が変更されるので（図１３、６３０〜６４０℃、図１４、図１５、図１８）、過度の温度低下の防止と、蓄熱の効果的な活用を両立することができる。
【０１１６】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料テーブル変更手段１１０ａは、発電電力が少ない場合には補正量を小さくするので（図１５）、蓄熱の利用量が減少し、蓄熱を利用することができる期間を延長することができる。
【０１１７】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、検出温度Ｔｄと変更基準温度Ｔｃｒの差が所定の微少偏差温度以下で、検出温度Ｔｄが低下傾向にある場合には蓄熱量の推定値が急激に減少されるので（図１３、６３０〜６３２℃）、検出温度Ｔｄが低下傾向にある局面で蓄熱量の推定値が早急に減少され、過度の温度低下を確実に防止することができる。
【０１１８】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池モジュール２の状態に応じて燃料利用率を高くする補正量を変更するので（図１４、図１５、図１６）、燃料電池モジュール２の状態に適合しない燃料利用率の補正を防止することができる。
【０１１９】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池モジュール２が劣化した場合に変更基準温度Ｔｃｒが高い値に変更されるので（図１６）、劣化して作動温度が上昇した燃料電池モジュール２に過度の負担をかけることなく、燃料利用率の補正を実行することができる。
【０１２０】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池モジュール２が劣化した場合には補正量が減少されるので（図１６、ステップＳ２２）、燃料利用率を補正することによる劣化の促進を抑制することができる。
【０１２１】
また、上述した本発明の第１実施形態においては、積算値Ｎｉに加算、減算される加減算値は、図１２に示した蓄熱量推定テーブルのように、検出温度Ｔｄのみに基づいて計算されていたが、変形例として、出力電流を加味して加減算値を決定することもできる。例えば、図１２の蓄熱量推定テーブルに基づいて決定された加減算値に、図１８に示す電流補正係数を乗じた値を積算することにより積算値Ｎｉを計算することができる。図１８に示すように、電流補正係数は、出力電流３Ａ以下では１／７に設定され、４Ａ以上では１／１２に設定され、３〜４Ａの間は、１／７から１／１２に直線的に低下している。
【０１２２】
このように設定された電流補正係数を乗じることにより、発電電力の小さい領域では、積算値Ｎｉは急速に増減し、中発電電力以上の領域では、積算値Ｎｉの増減が緩やかになる。このため、基本燃料供給テーブルの補正により、断熱材７に蓄積された熱量を大きく消費する小発電電力時には、積算値Ｎｉが速やかに減少される。これにより、蓄熱量を過大に推定することにより著しい温度低下を招くリスクを、より確実に防止することができる。
【０１２３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、断熱材（蓄熱材）の熱容量は一定であったが、変形例として、熱容量を変更できるように燃料電池モジュールを構成することができる。この場合には、大きな熱容量をもつ追加熱容量部材を、燃料電池モジュールと熱的に連結及び切り離しできるように配置しておく。熱容量を大きくすべき状態においては追加熱容量部材を燃料電池モジュールと熱的に連結し、熱容量を大きくすべき状態においては追加熱容量部材を熱的に切り離す。例えば、固体酸化物型燃料電池の起動時においては、追加熱容量部材を切り離しておくことにより熱容量を小さくし、燃料電池モジュールの昇温を速くする。一方、固体酸化物型燃料電池が、大発電電力で長時間運転されことが予想される場合には、燃料電池モジュールが、より多くの余剰熱量を蓄積できるように、追加熱容量部材を連結する。
【０１２４】
また、上述した実施形態においては、積算値Ｎｉに加算又は減算する加減算値は、図１３に示すように検出温度Ｔｄのみによって決定されていたが、加減算値が出力電流にも依存するように本発明を構成することもできる。例えば、出力電流が３Ａ（出力電力３００Ｗ）以下の場合において、変更基準温度Ｔｃｒを２℃程度高く変更し、図１３のグラフ全体を２℃程度左にシフトしても良い。このように構成することにより、発電電力が小さい場合には、変更基準温度Ｔｃｒが高い値に変更され、蓄熱量の推定値が小さな値に算出される。これにより、燃料利用率を高くする補正量が減少されるので、発電電力が小さく燃料供給量の絶対量が少ない領域において大幅に燃料利用率を向上させ、燃料供給量が過度に低下するのを抑制することができる。
【０１２５】
また、好ましい実施態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１．  需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、需要電力を検出する需要電力検出手段と、この需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定された基本燃料供給テーブルを参照して燃料供給量を決定し、決定された燃料供給量が供給されるように燃料供給手段を制御する制御手段と、燃料電池モジュールの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出された温度に基づいて、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段と、発電電力が小さい場合において、蓄熱量推定手段により蓄熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると、一時的に燃料利用率が高くなるように基本燃料供給テーブルを変更して、燃料供給量を減少させる燃料テーブル変更手段と、を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【０１２６】
このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池モジュールに燃料及び発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料及び発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、燃料電池モジュールで発生した熱は蓄熱材で蓄積される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定された基本燃料供給テーブルを参照して燃料供給量を決定し、燃料供給手段を制御する。蓄熱量推定手段は温度検出手段により検出された温度に基づいて、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する。燃料テーブル変更手段は、発電電力が小さい場合において、蓄熱量推定手段により蓄熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると、一時的に燃料利用率が高くなるように基本燃料供給テーブルを変更して、燃料供給量を減少させる。
【０１２７】
一般に、固体酸化物型燃料電池においては、発電電力が小さい場合には、発電熱が低下するため、燃料電池モジュールが温度低下を起こしやすい。このため、小発電電力時には燃料利用率を下げ、発電に使用されなかった燃料を燃焼させて燃料電池モジュールを加熱して過度の温度低下を防止している。特に、燃料電池モジュール内に改質器が配置されているタイプの固体酸化物型燃料電池においては、改質器内で吸熱反応が発生するので、温度低下が更に起こりやすい。上記のように構成された本発明によれば、発電電力が小さい場合において、蓄熱量推定手段により蓄熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると、一時的に燃料利用率が高くなるように基本燃料供給テーブルを変更する。これにより、固体酸化物型燃料電池の熱的な自立を維持し、過度の温度低下を回避しながら、固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【０１２８】
２．  基本燃料供給テーブルは、大発電電力時に蓄積された熱量を、小発電電力時に利用できるように、所定の中発電電力に対応した所定の蓄熱温度よりも高い領域で、より多くの熱量が蓄熱材に蓄積されるように設定されている上記１記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１２９】
このように構成された本発明によれば、所定の蓄熱温度よりも高い領域で、より多くの熱量が蓄熱材に蓄積されるように設定されているので、燃料利用率を高くできる蓄熱温度よりも高い領域で積極的に熱を蓄積し、この熱を、燃料電池モジュールの温度が比較的低く、蓄熱を利用しやすい小発電電力時に消費することにより、蓄熱された熱量を効果的に利用することができる。
【０１３０】
３．  燃料テーブル変更手段は、温度検出手段によって検出された検出温度が所定の変更基準温度以上の場合には、燃料利用率が高くなるように基本燃料供給テーブルを変更する一方、検出温度が変更基準温度よりも低い場合には、燃料利用率を高くする変更量を減少させ、又は、基本燃料供給テーブルの変更を実行しない上記２記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１３１】
このように構成された本発明によれば、温度検出手段によって検出された検出温度は、概ね蓄熱材に蓄積された熱量を反映しているので、検出温度と変更基準温度の関係のみから簡単に基本燃料供給テーブルを変更することができる。
【０１３２】
４．  変更基準温度は、蓄熱温度よりも高く設定されている上記３記載の固体酸化物型燃料電池。
このように構成された本発明によれば、変更基準温度は、蓄熱温度よりも高く設定されているので、蓄熱材への蓄熱量が多くなる蓄熱温度よりも高い変更基準温度以上で蓄熱が利用されることになり、蓄熱量が少ない状態で蓄熱が利用され、過度の温度低下を引き起こすリスクを回避することができる。
【０１３３】
５．  蓄熱量推定手段は、検出温度の履歴に基づいて、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する上記３記載の固体酸化物型燃料電池。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量推定手段が検出温度の履歴に基づいて蓄熱量を推定するので、現在の検出温度のみから蓄熱量を推定する場合に比べ正確に推定することができ、蓄熱をより有効に活用することができる。
【０１３４】
６．  蓄熱量推定手段は、検出温度と変更基準温度の間の偏差である温度偏差を時間で積分することによって、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する上記５記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１３５】
このように構成された本発明によれば、温度偏差を時間で積分することによって、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定しているので、蓄熱温度よりも高い温度で運転された時間が長い場合には推定される蓄熱量が大きく、短い場合には推定される蓄熱量が小さくなり、より正確に蓄熱量を推定することができる。これにより、蓄熱を利用することによる過度の温度低下等のリスクを確実に回避することができる。
【０１３６】
７．  燃料テーブル変更手段は、蓄熱量推定手段によって推定された蓄熱量が大きいほど燃料利用率を高くする変更量を増加させる上記５記載の固体酸化物型燃料電池。
このように構成された本発明によれば、蓄熱量が大きいほど燃料利用率を高くする変更量を増加させるので、過度の温度低下等のリスクを確実に回避しながら、燃料利用率を大幅に向上させる変更を実行することができる。
【０１３７】
８．  燃料テーブル変更手段は、検出温度が変更基準温度よりも高いほど燃料利用率を高くする変更量を急激に増大させる一方、検出温度が変更基準温度よりも低いほど燃料利用率を高くする変更量を急激に減少させる上記３記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１３８】
このように構成された本発明によれば、検出温度が高いほど変更量を急激に増大させる一方、検出温度が低いほど変更量を急激に減少させるので、検出温度が高い場合には大幅な燃料利用率の変更ができると共に、検出温度が低い場合には急速に変更量を減少させることができるので、過度の温度低下を確実に防止することができる。
【０１３９】
９．  燃料テーブル変更手段は、検出温度の状態又は発電電力の状態に応じて、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量の推定値と、燃料利用率を高くする変更量の関係を変更する上記８記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１４０】
このように構成された本発明によれば、検出温度又は発電電力の状態に応じて、蓄熱量の推定値と、変更量の関係が変更されるので、過度の温度低下の防止と、蓄熱の効果的な活用を両立することができる。
【０１４１】
１０．  燃料テーブル変更手段は、同一の蓄熱量の推定値に対し、発電電力が小さい場合には、発電電力が大きい場合よりも、燃料利用率を高くする変更量を小さくする上記９記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１４２】
このように構成された本発明によれば、燃料テーブル変更手段は、発電電力が少ない場合には変更量を小さくするので、蓄熱の利用量が減少し、蓄熱を利用することができる期間を延長することができる。
【０１４３】
１１．  蓄熱量推定手段は、検出温度が変更基準温度よりも低く、それらの差が所定の微少偏差温度以下である場合において、検出温度が低下傾向にある場合には、検出温度が上昇傾向にある場合よりも蓄熱量の推定値を急激に減少させる上記９記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１４４】
このように構成された本発明によれば、検出温度と変更基準温度の差が所定の微少偏差温度以下で、検出温度が低下傾向にある場合には蓄熱量の推定値が急激に減少されるので、検出温度が低下傾向にある局面で蓄熱量の推定値が早急に減少され、過度の温度低下を確実に防止することができる。
【０１４５】
１２．  燃料テーブル変更手段は、燃料電池モジュールの状態に応じて燃料利用率を高くする変更量を変更する上記９記載の固体酸化物型燃料電池。
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールの状態に応じて燃料利用率を高くする変更量を変更するので、燃料電池モジュールの状態に適合しない燃料利用率の変更を防止することができる。
【０１４６】
１３．  燃料テーブル変更手段は、燃料電池モジュールが劣化した場合には、変更基準温度を高い値に変更する上記１２記載の固体酸化物型燃料電池。
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールが劣化した場合に変更基準温度が高い値に変更されるので、劣化して作動温度が上昇した燃料電池モジュールに過度の負担をかけることなく、燃料利用率の変更を実行することができる。
【０１４７】
１４．  燃料テーブル変更手段は、燃料電池モジュールが劣化した場合には、燃料利用率を高くする変更量を減少させる上記１３記載の固体酸化物型燃料電池。
このように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールが劣化した場合には変更量が減少されるので、燃料利用率を変更することによる劣化の促進を抑制することができる。
【０１４８】
１５．  蓄熱量推定手段は、発電電力が小さい場合には、燃料利用率を高くする変更量が小さくなるように、変更基準温度を高い値に変更する上記９記載の固体酸化物型燃料電池。
【０１４９】
このように構成された本発明によれば、発電電力が小さい場合には、変更基準温度を高い値に変更することにより、燃料利用率を高くする変更量を減少させるので、発電電力が小さく燃料供給量の絶対量が少ない領域において大幅に燃料利用率を向上させ、燃料供給量が過度に低下するのを抑制することができる。
【符号の説明】
【０１５０】
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
７    断熱材（蓄熱材）
８    密封空間
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８    燃焼室
２０    改質器
２２    空気用熱交換器
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給手段）
３０    燃料供給源
３８    燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０    空気供給源
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（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置
５２    制御ボックス
５４    インバータ
８３    点火装置
８４    燃料電池セル
１１０    制御部（制御手段）
１１０ａ  燃料テーブル変更手段
１１０ｂ  蓄熱量推定手段
１１２    操作装置
１１４    表示装置
１１６    警報装置
１２６    電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
１３２    燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８    圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２    発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０    外気温度センサ
【図１】
0005704333.tif 000002
【図２】
0005704333.tif 000003
【図３】
0005704333.tif 000004
【図４】
0005704333.tif 000005
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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