(57)【要約】【課題】燃料電池発電モジュールの運転中に短時間でシミュレーションを行うことで、燃料電池発電モジュールを内部の状況を把握し、そのシミュレーション結果を利用して燃料電池発電モジュールの運転中に燃料電池発電モジュールの制御を可能とする。【解決手段】燃料極及び空気極に各々燃料及び空気を供給し、電解質における発電反応で起電力を得る燃料電池発電モジュールにおいて、前記燃料電池セルを燃料極と空気極と電解質といった構成単位を基準にしてシミュレーションに使用する要素に分割し、その要素の相互関係から導出された方程式に基づいて実施されたシミュレーション実施手段と、そのシミュレーションから得られた結果に基づいて燃料電池発電モジュールの制御を行う制御手段を有し、燃料電池発電モジュール内には燃料電池セル温度の検出手段を有さないことを特徴とする。【選択図】　図１
2004006087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の、少なくとも燃料極と空気極と電解質から構成された燃料電池セルがセル接続部材で電気的に接続され、前記燃料極及び空気極に各々燃料及び酸化剤を供給し、電解質における発電反応で起電力を得る燃料電池発電装置において、前記燃料電池セルを燃料極と空気極と電解質といった構成単位毎であって、前記セル接続部材との接触、非接触といった接触状況毎にシミュレーションに使用する要素に分割し、その要素の相互関係から導出された方程式に基づいて実施されるシミュレーション実施手段と、そのシミュレーションから得られた結果に基づいて燃料電池発電装置の制御を行う制御手段を有したことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルを流動する燃料及び酸化剤の流れ方向にも任意数に要素分割し、前記シミュレーション実施手段はその要素の相互関係から導出された方程式に基づいてシミュレーションを実施することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記シミュレーション実施手段は、燃料電池セルを流動する燃料及び酸化剤の流動方程式を一次元の式で近似してシミュレーションを実施することを特徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記シミュレーション実施手段は、透過・流動・拡散・反応・電気回路に対する方程式の計算を収束させてから、温度方程式の計算に移るようにプログラムフローが構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電装置に関し、さらに詳細には燃料電池発電装置の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一つの種類として固体酸化物形燃料電池がある。固体酸化物形燃料電池はさらに円筒型、平板型等に分類されるが、ここでは円筒型固体酸化物形燃料電池を例示して説明する。筒状固体酸化物形燃料電池は、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状セルである。なお、空気極が多孔質支持管を兼用する場合もある。
【０００３】
筒状固体酸化物形燃料電池セル（以下燃料電池セルともいう）から構成される燃料電池発電システムの一般的な構成図を図１０に示す。
燃料電池セル２１は、有底筒状のセラミックチューブである。燃料電池セル２１の断面は多層円筒状をしており、空気極、固体酸化物、燃料極等の各層が積層されている。燃料電池セル２１の各層の肉厚は数μｍ〜２．５ｍｍであり、それぞれ必要な機能（導電性、通気性、固体酸化物、電気化学触媒性等）を有する酸化物を主成分とするセラミックス材で形成されている。この燃料電池セル２１の内側に酸化剤ガス（空気や酸素リッチガス等、以下空気という）を流し、外側にＨ２、ＣＯ、ＣＨ４などの燃料ガスを流すと、この燃料電池セル２１内でＯ２−イオンが移動して電気化学的発電反応（以下発電反応という）が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じて発電が行われる。１本の燃料電池セルの出力は限られているため、実際の燃料電池発電システムでは、燃料電池セル２１を複数本集合させたセル集合体（以下バンドルという）を構成して使用する。
それぞれの燃料電池セル２１の内側には、空気を供給するための細長い空気導入管２７が内挿されており、その下端は燃料電池セル２１の底近くにまで達している。この空気導入管２７の下端から、空気が燃料電池セル２１の底に供給される。燃料電池セル２１の底に供給された空気は、上述の発電反応に寄与しつつ燃料電池セル２１の内側を上方に向かい排出される（排出ラインは図示しない）。燃料電池セル２１の外側には、下方から燃料ガス（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４等）が供給される。燃料ガスは、上述の発電反応に寄与しつつ燃料電池セル２１の外側を上方に向かい、未反応の燃料ガスと、燃料電池セル２１での発電反応生成物ガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等）は、排燃料ガスとして排出される（排出ラインは図示しない）。固体酸化物形燃料電池の発電反応部の温度は、約８００〜１０００℃であるため、排空気や排燃料ガスの保有する顕熱を熱交換器によって回収し、空気や燃料ガスの予熱に用いることもある。また、排空気と排燃料ガスを混合燃焼させ、その燃焼熱を熱交換器により回収して予熱を行うこともある。
【０００４】
次に、筒状固体酸化物型燃料電池における燃料電池セル２１の接続構造について説明する。図１１は、筒状固体酸化物型燃料電池の断面構造例を模式的に示す図である。図１１の筒状固体酸化物型燃料電池は、４本（２本×２本）の燃料電池セル２１とセル接続部材２６とバンドル集電部材３０からなるバンドル５０と、バンドル５０同士を接続するバンドル接続部材５１とモジュール集電部材５２から構成されている。モジュール集電部材５２は電気的に最両端に位置しており、１対のモジュール集電部材５２を介して発電出力を取り出す。
燃料電池発電モジュールでは、燃料電池セルの寸法（半径、長さ等）や燃料電池セルの配列本数、燃料電池セルの配列間隔、容器寸法等は設計・製造段階であらかじめ決定されており、燃料ガスの流入条件（温度、流量、成分分率）、空気の流入条件（温度、流量）、電流といった制御パラメータの最適な組み合わせにより運転される。燃料電池発電モジュールの発電性能は、内部の温度分布や燃料ガス成分の分布等に大きく依存するために、運転中にこれらの温度分布やガス成分分布等の燃料電池発電モジュールの内部状況を把握する必要がある。
【０００５】
例えば、特開平７−２４９４２３号公報では、燃料電池内に温度検出手段を複数個配設し、検出した温度により制御する燃料電池発電装置が記載されている。しかし、温度検出手段を複数個まばらに配設するのでは、燃料電池内部の温度分布を詳細に把握できないし、温度検出手段を多数配置するとすれば、温度分布は把握できてもコストアップになる。
特開２０００−９０９５０号公報では、伝熱解析プログラムにより燃料電池内部での温度分布を正しく予測する冷却性能予測装置及びその方法が記載されている。しかし、温度分布を予測するだけでは燃料電池の発電性能を正しく把握することが出来ない。
さらに、これまで燃料電池発電モジュールの運転中にシミュレーションを用いて制御を行った事例はない。燃料電池発電モジュールのシミュレーションでは、燃料ガスや空気の流れを取り扱うために数値流体解析が適用される。この数値流体解析の分野では、有限差分法や有限体積法を用いて解析を行うことが多い。即ち、解析空間に格子を張り、この格子に関して流れを支配する基礎方程式を離散化して解析を行う（参考文献：流体力学の数値計算法、藤井孝蔵著、東京大学出版会）。この方法で燃料電池のシミュレーションを実施すると、３ｋＷ級モジュールのシミュレーションで、格子数は流体部で約４０万となり、計算時間は４日〜１０日を必要とする（参考文献：円筒状固体電解質型燃料電池のための流体シミュレーション、池端昭夫、黒石正宏、日本機械学会第７回動力・エネルギー技術シンポジウム２０００講演論文集）。このためにシミュレーションに時間がかかり、燃料電池発電モジュールの制御にシミュレーションを使用することはできなかった。図１２は有限体積法により燃料電池バンドル性能をシミュレーションした際に使用された計算格子分割図である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電モジュールの最適制御を行うには、セル温度分布や発電出力分布、電流分布等の内部の状況を逐次把握しなければならない。
しかし、燃料電池発電モジュールの内部状況把握のために、多数の検出手段を燃料電池モジュール内部に配設した場合には、部品コストや製作コストが膨大になるという問題点を有していた。
また、燃料電池発電モジュールの内部状況把握のために、有限体積法や有限要素法によるシミュレーションを用いる場合には、時間がかかるため燃料電池発電モジュールの制御に使用できないという問題点を有していた。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、燃料電池発電モジュールの運転中に短時間でシミュレーションを行うことで、燃料電池発電モジュール内部に燃料電池セル温度の検出手段を配設することなく、燃料電池発電モジュールを内部の状況を把握し、そのシミュレーション結果を利用して燃料電池発電モジュールの最適制御を行うことができる燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記目的を達成するために請求項１では、複数の、少なくとも燃料極と空気極と電解質から構成された燃料電池セルがセル接続部材で電気的に接続され、前記燃料極及び空気極に各々燃料及び酸化剤を供給し、電解質における発電反応で起電力を得る燃料電池発電装置において、前記燃料電池セルを燃料極と空気極と電解質といった構成単位毎であって、前記セル接続部材との接触、非接触といった接触状況毎にシミュレーションに使用する要素に分割し、その要素の相互関係から導出された方程式に基づいて実施されるシミュレーション実施手段と、そのシミュレーションから得られた結果に基づいて燃料電池発電装置の制御を行う制御手段を有したことを特徴とする燃料電池発電装置を提供する。
【０００９】
上記した燃料極と空気極と電解質といった構成単位を基準にして分割するとは、従来の数値流体解析においては分割される要素を細かくすることより燃料極と空気極と電解質といった材料物性が異なる各構成単位に跨る要素が発生することによる燃料電池セル厚み方向の温度分布が計算できないという影響を抑えることに対して、本発明ではそれぞれの構成単位毎において異なった要素を採用するということである。また、セル接続部材との接触、非接触といった接続状況を基準にして分割するとは、セル接続部材との非接触部は発電反応に使用するガス成分を燃料ガスから直接受け取ることができるため電解質における起電力は相対的に高くなるが、セル接続部材との接触部は発電反応に使用するガス成分を燃料ガスから直接受け取ることができないため電解質における起電力は相対的に低くなる、このような起電力の違いにより両者にまたがるシミュレーション用の要素は採用できないため、セル接続部材との接触部と非接触部で異なった要素を採用するということである。
【００１０】
これにより、シミュレーションに使用する要素数を減らし、計算に必要となるデータ容量を減らすことができ、さらには計算時間を短縮することができるため、燃料電池発電モジュールの運転中にシミュレーション結果から燃料電池発電モジュール内部での温度分布や燃料成分の分布を知ることが出来るために、燃料電池モジュール内部に燃料電池セル温度の検出手段を多数配設する必要がなく、延いては温度検出手段を必要とせず、シミュレーション結果に基づいて燃料電池発電モジュールの制御をすることが可能となる。
【００１１】
請求項２では、前記燃料電池セルを流動する燃料及び酸化剤の流れ方向にも任意数に要素分割し、前記シミュレーション実施手段はその要素の相互関係から導出された方程式に基づいてシミュレーションを実施することを特徴とする燃料電池発電装置を提供する。
これにより、シミュレーションに使用する要素数を減らし、計算に必要となるデータ容量を減らすことができ、さらには計算時間を短縮することができるため、燃料電池発電モジュールの運転中にシミュレーション結果から燃料電池発電モジュール内部での温度分布や燃料成分の分布を知ることが出来るために、燃料電池モジュール内部に燃料電池セル温度の検出手段を多数配設する必要がなく、延いては温度検出手段を必要とせず、シミュレーション結果に基づいて燃料電池発電モジュールの制御をすることが可能となる。
【００１２】
請求項３では、前記シミュレーション実施手段は、燃料電池セルを流動する燃料及び酸化剤の流動方程式を一次元の式で近似してシミュレーションを実施することを特徴とする燃料電池発電装置を提供する。
これにより、計算時間を短縮することができるため、燃料電池発電モジュールの運転中にシミュレーション結果から燃料電池発電モジュール内部での温度分布や燃料成分の分布を知ることが出来るために、燃料電池モジュール内部に燃料電池セル温度の検出手段を多数配設する必要がなく、延いては温度検出手段を必要とせず、シミュレーション結果に基づいて燃料電池発電モジュールの制御をすることが可能となる。
【００１３】
請求項４では、前記シミュレーション実施手段は、透過・流動・拡散・反応・電気回路に対する方程式の計算を収束させてから、温度方程式の計算に移るようにプログラムフローが構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置を提供する。
これにより、シミュレーションを収束させるためのループの回数を減らすことができるので、計算時間を短縮することができるため、燃料電池発電モジュールの運転中にシミュレーション結果から燃料電池発電モジュール内部での温度分布や燃料成分の分布を知ることが出来るために、燃料電池モジュール内部に燃料電池セル温度の検出手段を多数配設する必要がなく、延いては温度検出手段を必要とせず、、シミュレーション結果に基づいて燃料電池発電モジュールの制御をすることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように燃料電池発電モジュール１には空気供給路７から空気が、燃料供給路８から燃料ガスが供給され、発電反応後に空気排出路９と燃料排出路１０からそれぞれ排出される。制御部２には制御プログラム３とシミュレーションプログラム４が組み込まれており、お互いにデータを交換する。空気供給路７、燃料供給路８、空気排出路９、燃料排出路１０には温度・流量検出手段１１が配設されており、制御プログラム３に検出されたデータを入力する。空気供給路７と燃料供給路８には流量調整弁１２が設置されており、制御プログラム３からの制御信号により開度の調整がされる。燃料電池発電モジュール１とパワーコンディショナー５は電力線１３で接続されており、パワーコンディショナー５は外部負荷６と電力線１３で接続されている。パワーコンディショナー５には電流・電圧検出手段１４が配設され、制御プログラム３に検出されたデータを入力する。
【００１５】
図２は本発明に係るバンドル横断面の要素分割図である。
図２に示すように固体部を燃料電池セル２１、空気導入管２７、セル接続部材２６、バンドル集電部材３０、炉壁３１に分割し、流体部を空気導入管２７内側の空気流路２９、空気導入管２７と燃料電池セル２１の間の空気流路２９、燃料電池セル外側の燃料ガス流路２８に要素分割されている。燃料電池セル２１の要素分割の詳細は図３で説明する。
【００１６】
図３は本発明に係るセル横断面の要素分割図である。
図３に示すように燃料電池セル２１を電解質２２、空気極２３、燃料極２４、インターコネクタ２５といったセルの構成単位とセル接続部材２６との接触、非接触といった接触状況から要素分割する。電解質２２を電解質用計算要素２２ａから２２ｇに要素分割し、空気極２３を空気極用計算要素２３ａから２３ｈに要素分割し、燃料極２４を燃料極用計算要素２４ａから２４ｇに要素分割し、インターコネクタ２５をインターコネクタ用計算要素２５ａとする。
【００１７】
図４は本発明に係るバンドル縦断面の要素分割図である。
図４に示すように、燃料電池セル２１、セル接続部材２６、空気導入管２７、空気流路２９、バンドル集電部材３０、炉壁３１を縦方向に１０分割している。これらの要素相互の依存関係から透過・流動・拡散・反応・電気回路・温度に対する関係式を導出し、シミュレーションを実施する。
【００１８】
図５は本発明に係るシミュレーションプログラムのフローチャート図である。図５に示すように、すべての方程式を順番に解いてサイクルを回していくのではなく、透過・流動・拡散・反応・電気回路に対する方程式を収束させてから温度方程式の計算に移る方法をとる。まず、外部から計算条件を読み込み（ステップＳ５１）、初期化処理を実施する（ステップＳ５２）。次に、電極透過計算（ステップＳ５３）で透過方程式の計算、電流電圧計算（ステップＳ５４）で電気回路方程式の計算、化学反応計算（ステップＳ５５）で反応方程式の計算、流れ／拡散計算（ステップＳ５６）で流動方程式及び拡散方程式の計算を行い、収束判定する（ステップＳ５７）。なお、ステップＳ５３からステップＳ５６の計算は、従来の有限体積法と同じくステップ毎にすべての計算要素を一度に処理する。収束するまで、ステップＳ５３からステップＳ５６を繰り返す。収束すれば温度計算（ステップＳ５８）で温度方程式の計算を行い、収束判定する（ステップＳ５９）。なお、ステップＳ５８の計算においても、従来の有限体積法と同じくステップ毎にすべての計算要素を一度に処理する。収束するまで、ステップＳ５３からステップＳ５８を繰り返す。収束すれば計算を終了する。このプログラムフローにより計算サイクル数を大きく低減できる。また、各方程式を解くために、陽解法と比較してプログラムは複雑化するものの収束が早い陰解法を用いることで、さらに計算時間を短縮できる。
【００１９】
さらに詳しくステップＳ５６の流れ／拡散計算について説明する。
ここで行われる流れ計算は、燃料電池セルやバンドルの構造が鉛直方向にほぼ一様であり、流れが一方向であることに着目し、従来の複雑で計算負荷の大きい反応流体を扱えるようにしたナビエ・ストークス方程式に基づいた有限体積法によるシミュレーションプログラムではなく、流路ごとに一次元の質量保存則とエネルギー保存則を解く。また、この流れ計算は、ガス流れが鉛直方向下部から上部への一方向性流れであることに着目し、下層から順に各層で計算を収束させてから上層に移る手法を用いる。図５を用いて説明すると、まず最下層においてステップＳ５３からステップＳ５９の計算を行い、収束すれば次の層に移る。この手順を最上層に到達するまで繰り返すことで、全層のガス流れ計算が完了する。各燃料ガス流路のガス分配に関しては、各流路の鉛直方向圧力損失が一定となるよう各流路の流速分布を計算することにより求める。
ここで行われる拡散計算では、ガスの成分毎の拡散計算を実施する。
【００２０】
さらに詳しくステップＳ５３の電極透過計算について説明する。
燃料電池セルは、燃料ガスや空気が電解質界面に到達して起電力を発生するが、燃料極や空気極の表面から電解質界面までは燃料極や空気極を構成する多孔体の中を移動するため、多孔体での透過により圧力や成分分率が変化し、実際の起電力は理想値よりも低下する。この低下分を拡散過電圧と呼ぶ。
ここで行われる電極透過計算では、多孔体内のガス分布を計算し、界面での燃料ガスや空気の分圧、成分分布を求めることで、拡散過電圧を計算する。
【００２１】
さらに詳しくステップＳ５４の電流電圧計算について説明する。
ここで行われる電流電圧計算では、回路における片側の端子を０Ｖとし、電流密度を指定することで反対側の端子の電圧値を計算から求める。電解質における起電力は以下の（１）のネルンストの式で求める。
【００２２】
【数１】
2004006087.tif 000003
ここで、ΔＧは標準ギブスエネルギー、Ｒはガス定数、Ｆはファラデー定数、Ｔは温度、Ｐはそれぞれのガスの分圧である。水素、酸素、水蒸気の界面における分圧は燃料極、空気極の多孔体内透過計算から求めた電解質界面での値を用いる。
電解質の温度や電流密度により起電力値は変わるので、繰り返し計算により収束させる。
【００２３】
さらに詳しくステップＳ５８の温度計算について説明する。
ここで行われる温度計算では、固体間の熱伝導および流れるガスと固体間の熱伝達を考慮する。ガスと固体間は強制対流熱伝達の式によりヌッセルト数を計算する。
Ｎｕ＝０．６６４・Ｒｅ１／２・Ｐｒ１／３
ここで、Ｒｅはレイノズル数、Ｐｒはプラントル数である。
なお、上記の強制対流熱伝達の式ではなく、実験から求めた熱伝達係数を入れてもよい。
発熱項としては、電解質における発電反応による発熱、電流が流れることによるジュール熱、活性化過電圧による発熱、改質・シフト反応による反応熱を考慮する。
さらに詳しくステップＳ５５の化学反応計算について説明する。
メタン系燃料がニッケル等の触媒により、水と反応して水素などを生じる反応を改質反応とよぶ。メタンの改質反応式は下式で表される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２
さらに生じた一酸化炭素は、やはりニッケル等を触媒としたシフト反応により、一部二酸化炭素に転化する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋Ｈ２
これらの反応により発生した水素は、燃料電池の電極反応に寄与する。
したがって、ここで行われる化学反応計算では、メタン系燃料のシミュレーションにおいて、改質・シフト反応の反応速度を与える。
改質・シフト反応速度を求めるために以下の（２），（３）のＧｒｏｖｅｒの式を用いる。
【００２４】
【数２】
2004006087.tif 000004
【数３】
2004006087.tif 000005
ここで、ｒは反応速度、ｋは反応速度定数、Ｐはそれぞれのガスの分圧、Ｋは反応の平衡定数である。添字１，２はそれぞれ改質反応、シフト反応に対応する。反応速度定数ｋは触媒に依存する定数である。反応速度定数は実験等により求める。
なお、改質・シフト反応速度には一般的な反応速度式を用いてもよい。
【００２５】
【実施例】
上記した本発明の実施の形態について更に詳細に説明すべく、本発明の実施例について添付図に基づいて以下に説明する。
まず、シミュレーションにより、どのような結果が得られるかを説明する。
【００２６】
図６は本発明の実施例を説明するための図であり、シミュレーションの対象としたモジュール構造を示す図である。
図６に示すように、燃料電池セル１５本（３本×５本）をバンドルとし、そのバンドル４つをバンドル接続部材５１で接続し、モジュール集電部材５２を最両端に接続し、燃料電池発電モジュールとしている。
セル寸法は、セル長を５００ｍｍ、セル直径を１６ｍｍとする。燃料電池セルの配列間隔は１９ｍｍ、容器寸法は２６０ｍｍ×１９５ｍｍとする。
燃料ガスは水素、水蒸気、メタン、一酸化炭素、及び二酸化炭素をそれぞれ０．４２３０：０．２２０３：０．００５８：０．１８９６：０．１６１３のモル分率で含み、流入量を０．０３０７ｍｏｌ／ｓとし、流入温度を８００℃とする。
空気は酸素、及び窒素をそれぞれ０．２０７２１：０．７９２７９のモル分率で含み、流入量を０．２０９５０ｍｏｌ／ｓとし、流入温度を８００℃とする。
【００２７】
電流密度を０．０５Ａ／ｃｍ２から０．３Ａ／ｃｍ２まで変化させ、燃料電池発電モジュールの性能をシミュレーションした結果を図７、図８に図示する。
図７は本発明の実施例を説明するための図であり、発電出力を示す図である。図８は本発明の実施例を説明するための図であり、セル温度分布を示す図である。
このように燃料電池発電モジュールの運転条件を指定することで、シミュレーションにより発電出力や温度分布が把握できる。
【００２８】
次に、図１と図９により、燃料電池発電装置の制御について説明する。
燃料電池発電モジュール１は外部負荷６に必要とされる電力を発電運転により供給している。燃料ガスや空気の温度と流量は温度・流量検出手段１１により検出され制御プログラム３に入力されている。電流と電圧は電流・電圧検出手段１４により検出され制御プログラム３に入力されている。制御プログラム３からのデータによりシミュレーションプログラム４はシミュレーションを実施し、燃料電池発電モジュール１内の温度分布やガス成分分布のシミュレーション結果を制御プログラム３に受け渡す。
例えば、外部負荷６が増加すると、パワーコンディショナー５に配設された電流・電圧検出手段１４により検出されたデータが制御プログラム３に入力され、シミュレーションプログラム４に受け渡される。
【００２９】
制御プログラム３からのデータにより負荷が増加したと判断する（ステップＳ９１）。負荷が増加したため、シミュレーションに入力する電流値を変更する（ステップＳ９２）。その条件でシミュレーションを実施する（ステップＳ９３）。シミュレーション結果から燃料が不足していないか判断する（ステップＳ９４）。燃料が不足している場合は燃料を増加させ再度シミュレーションを実施する。燃料が十分な場合はセル温度を調査する。
【００３０】
固体酸化物形燃料電池セルは９００℃から１０００℃で安定に作動し、それより温度が上がると、セルの材料劣化が進み、温度が低いと発電電圧が低下する。セル温度が上記の安定作動範囲にあれば、バルブを調整（ステップＳ９６）し、制御を終了する。セル温度が高い場合は空気を増加させ、セル温度が低い場合は空気を減少させて、再度、シミュレーションを実施する。セル温度条件が満足されるまでシミュレーションを繰り返し行い、セル温度分布が上記範囲内に入った時点でバルブを調整（ステップＳ９６）し、制御を終了する。
例えば、発電出力１５００Ｗ（図７のＡ点）で燃料電池発電装置が運転されており、外部負荷が１９００Ｗ（図７のＢ点）になった場合（ステップＳ９１）は、電流を０．２５Ａ／ｃｍ２に変更（ステップＳ９２）し、シミュレーションを実行（ステップＳ９３）する。燃料は不足しておらず（ステップＳ９４）、温度分布は図８のＢの分布となり、セル温度は安定作動範囲に入っている（ステップＳ９５）ので、このまま運転を継続しても良いと判断される。
【００３１】
しかし、発電出力が２１００Ｗ（図７のＣ点）になった場合（ステップＳ９１）は、電流を０．３０Ａ／ｃｍ２に変更（ステップＳ９２）し、シミュレーションを実行（ステップＳ９３）する。燃料は不足していないが（ステップＳ９４）、このままの運転条件ではセル温度分布は図８のＣの分布となるために、セル温度が１０００℃を越える範囲がでてくる（ステップＳ９５）。そこで、空気を増加させ、再度シミュレーションを実行（ステップＳ９３）する。セル温度がすべて９００℃から１０００℃になるまでステップＳ９３からステップＳ９５を繰り返し行い、セル温度が上記条件を満足する空気流量がみつかると、シミュレーションを停止し、バルブ調整を実施（ステップＳ９６）する。
【００３２】
このようにシミュレーションプログラム４のシミュレーション結果を受け、制御プログラム３は燃料電池発電モジュール１の内部状況を考慮した制御を行うことができる。
外部負荷６が減少する場合も同様の手順で制御を行う。
【００３３】
上述の実施の形態はいずれも本発明の一実施例を示すものであって、筒状固体酸化物燃料電池の発電モジュールのみではなく、平板状固体酸化物燃料電池の発電モジュールにおいてもこの制御方法により制御することが可能である。さらには円筒状や平板状の固体高分子型燃料電池等の他の種類の燃料電池にも適用可能である。
また、上述の実施例においては、シミュレーション結果に基づいて、燃料ガスや空気の流量のみを制御したが、制御パラメータとして、燃料ガスや空気の温度、さらには燃料ガスの成分分率を追加し、制御変数を増やすことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るバンドル横断面の要素分割図である。
【図３】本発明に係るセル横断面の要素分割図である。
【図４】本発明に係るバンドル縦断面の要素分割図である。
【図５】本発明に係るシミュレーションプログラムのフローチャート図である。
【図６】本発明の実施例を説明するための図であり、シミュレーションの対象としたモジュール構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例を説明するための図であり、発電出力を示す図である。
【図８】本発明の実施例を説明するための図であり、セル温度分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例を説明するための図であり、燃料電池発電モジュールの制御フロー図である。
【図１０】筒状固体酸化物形燃料電池の一般的な構成図である。
【図１１】筒状固体酸化物形燃料電池の断面構造例を様式的に示す図である。
【図１２】従来のバンドル横断面の計算格子分割図である。
【符号の説明】
１　燃料電池発電モジュール
２　制御部
３　制御プログラム
４　シミュレーションプログラム
５　パワーコンディショナー
６　外部負荷
７　空気供給路
８　燃料供給路
９　空気排出路
１０　燃料排出路
１１　温度・流量検出手段
１２　流量調整弁
１３　電力線
１４　電流・電圧検出手段
２１　燃料電池セル
２２　電解質
２２ａ〜２２ｇ　電解質用計算要素
２３　空気極
２３ａ〜２３ｈ　空気極用計算要素
２４　燃料極
２４ａ〜２４ｇ　燃料極用計算要素
２５　インターコネクタ
２５ａ　インターコネクタ用計算要素
２６　セル接続部材
２７　空気導入管
２８　燃料ガス流路
２９　空気流路
３０　バンドル集電部材
３１　炉壁
４０　燃料ガス供給口
４１　燃料ガス室
４２　発電反応室
４３　排空気室
４４　隔壁
４５　モジュール容器
４６　断熱材
５０　バンドル
５１　バンドル接続部材
５２　モジュール集電部材
【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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【図１２】
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