(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、
上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、上記未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、該未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極焼成装置と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
上記空気極焼成装置が、上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池から一定の発電出力を取り出す一定発電出力取出装置と、
上記未焼成の空気極への空気供給流量の増量制御を実行できる空気供給流量制御装置と、
上記未焼成の空気極への空気供給方向を切り替える空気供給方向切替装置と、
上記未焼成の空気極の空気出口側温度を計測する温度計測装置、上記未焼成の空気極の空気出口側における上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の電圧を計測する電圧計測装置、及び上記未焼成の空気極の空気出口側における上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の電流を計測する電流計測装置のうちの少なくとも１つと、
上記空気供給流量の増量制御による効果の有無を判断する制御効果判断装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御し、
上記制御効果判断装置が、上記空気供給流量の増量制御による効果が有ると判断したときには、上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の増量制御の後における空気供給流量をｎ回目の再設定値と規定して、ｎ回目の再設定値である空気供給流量を所定時間保持する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
上記制御効果判断装置が、上記空気供給流量の増量制御による効果の有無を上記温度計測装置により計測される空気出口温度、又は該空気出口温度の上昇幅に基づいて判断する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
上記空気供給流量の上限値は、予め設定される空気極供給空気量の最大許容値ａ、及び上記温度計測装置により計測される空気出口温度が上記金属支持型固体酸化物形燃料電池の動作上限温度以下となる空気供給流量の最大許容値ｂのうち小さい方であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御した後であって、かつ、上記空気供給方向切替装置が、上記温度計測装置により計測される空気出口温度が所定の焼成温度に到達後、所定の時間経過したと判断したときに、上記未焼成の空気極への空気供給方向を切り替える
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
上記所定の時間は、予め設定される上記未焼成の空気極の焼成温度と焼成時間との相関関係により決定されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御した後であって、かつ、上記空気供給方向切替装置が、上記電圧計測装置により計測される上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の電圧が所定の電圧又は該所定の電圧の上昇幅に到達したと判断したときに、上記未焼成の空気極への空気供給方向を切り替える
ことを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
上記所定の時間は、予め設定される電圧と焼成時間との相関関係により決定されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
上記空気供給方向切替装置が、上記未焼成の空気極への空気供給方向を複数回切り替えることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
未焼成の燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、
上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、上記未焼成の燃料極への燃料供給流量及び燃料供給方向を制御して、該未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極焼成装置と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１２】
未焼成の空気極及び燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、
上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、上記未焼成の空気極への空気供給流量及び上記未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに上記未焼成の空気極への空気供給方向と上記未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、該未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極及び燃料極の焼成装置と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
更に詳細には、本発明は、未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する燃料電池発電システムに関する。
なお、本発明の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池及び金属支持型固体酸化物形燃料電池が、複数の単セルが積層されて形成されたスタック構造を有するものなどであることが特に好ましい。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題への関心の高まりから、各種燃料電池の自動車への利用が検討されている。その中でも効率の高い固体酸化物形燃料電池の場合、水素が多く含まれるガスを燃料とし、酸素を酸化剤として、電気化学的反応で発電を行う。そして、水素が多く含まれるガスとしては、各種液体燃料を改質して得られる改質ガスを適用することが検討されている。
【０００３】
これまで、固体酸化物形燃料電池は、燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池のような支持体を含めて全てがセラミックで構成されているものが主流となっていた。そして、構成としては、支持体／燃料極／電解質／空気極となっている。
このような固体酸化物形燃料電池の一般的な製造方法としては、まず、支持体上に燃料極と電解質を積層し、次いで、共焼成することによって、ハーフセルを得る。しかる後、このハーフセル上に空気極を塗布し、次いで、ハーフセルと共に、空気雰囲気下、１０００℃近くの温度で空気極を焼成し、フルセルを得る。
このような燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池においては、支持体と燃料極の双方が、酸化ニッケル（ＮｉＯ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような酸化物からなるため、空気極を焼成する際に、支持体や燃料極と同一の空気雰囲気下で行うことができる。
上述のような製造方法で、フルセルを得てからスタッキングをし、更にシステムへ組み込むことが一般的である。この際、空気極を含め、各層を焼成してあるため、発電当初から性能をフルに発揮することができる。
【０００４】
一方、上述の燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池以外に、支持体が金属である金属支持型固体酸化物形燃料電池のような新型の燃料電池も開発されつつある。
金属支持型の固体酸化物形燃料電池のメリットとしては、支持体が金属であるため、燃料電池単セルの薄型化が容易になり、それに伴いシステムの小型化が実現できることを挙げることができる。
【０００５】
しかしながら、支持体が金属に置き換わると、今まで開発されてきた燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池の製造方法と異なり、金属支持体（基板）／燃料極の製造工程を酸素を含まない水素雰囲気下又は真空雰囲気下で行う必要がある。これは、酸素が混入すると、金属支持体（基板）が酸化され、電気伝導性を失うためである。
そのため、酸素の存在が必要となる空気極の焼成は、金属支持体（基板）／燃料極とは異なった、隔離した空気雰囲気下で行わなければならない。なお、空気極の焼成に際して、酸素がないと空気極材料中の酸素が抜けやすく、性能が低下する。
【０００６】
金属支持型固体酸化物形燃料電池の製造方法としては、ガスシールを用い、空気極側の空気が金属支持体（基板）／燃料極側に混入しないようにガスシールを設置してから、空気極の焼成を行うことが知られている（非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ジャーナル・オブ・パワー・ソース（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ），２０１１年，第１９６巻，第１７号，ｐ．７１１７−７１２５
【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、非特許文献１に記載のように単セルから焼成する方法では、スタックとなると、数十枚以上の単セルを焼成する必要があるため、設備上、工数上、非常に対応が困難となり、製造コストが大幅に上がってしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の空気極などを焼成し得る燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、未焼成の空気極などを焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極などへの空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極焼成装置と、を具備した構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、空気極焼成装置とを具備したものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
【００１２】
また、本発明の他の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、空気極焼成装置とを具備したものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の燃料極への燃料供給流量及び燃料供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
【００１３】
更に、本発明の更に他の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、空気極及び燃料極の焼成装置とを具備したものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の空気極及び燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極及び燃料極の焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに未焼成の空気極への空気供給方向と未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、未焼成の空気極などを焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極などへの空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極焼成装置と、を具備した構成とした。
そのため、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の空気極などを焼成し得る燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略を示す構成図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量の増量制御によるセル温度の分布状態の変化を示すグラフである。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流であるときの空気供給流量の増量制御によるセル温度の分布状態の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）の焼成温度と焼成時間との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
【図７】図７は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の他の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略を示す構成図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の一例を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１７】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池発電システム１の概略を示す構成図である。
図１に示すように、燃料電池発電システム１は、空気極１１Ａ及び燃料極１１Ｂを備えた燃料電池１１と、燃料電池１１の空気極１１Ａに空気（酸化剤ガス）を供給する第１空気ブロワ１２と、第１空気ブロワ１２より供給される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、空気加熱熱交換器１３より供給される空気の供給方向を切り替える切替弁１４と、供給される燃料を改質して燃料電池１１の燃料極１１Ｂに改質燃料を供給する燃料改質器１５と、燃料改質器１５に炭化水素燃料等の燃料を供給する第１燃料ポンプ１６と、を備えている。
【００１８】
また、燃料電池発電システム１は、空気極１１Ａより排出される排気ガスが有する熱により燃料改質器１５を加熱する改質器加熱熱交換器１７と、燃料極１１Ｂより排出される燃料ガスを燃料改質器１５に循環させる燃料循環ブロア１８と、燃料極１１Ｂより排出される燃料ガスの一部を改質器加熱熱交換器１７側に導入する燃料流路圧力調整弁１９と、改質器加熱熱交換器１７に導入される排気ガスの一部を外部へ排出する排気流路圧力調整弁２０と、を備えている。
【００１９】
更に、燃料電池発電システム１は、供給される空気（酸化剤ガス）と燃料とを燃焼して燃料電池１１の空気極の１１Ａに加熱された空気などの燃焼ガスを供給する燃焼バーナ２１と、燃焼バーナ２１に空気（酸化剤ガス）を供給する第２空気ブロワ２２と、燃焼バーナ２１に燃料を供給する第２燃料ポンプ２３と、を備えている。
【００２０】
また、燃料電池発電システム１は、空気排出時の排気ガスの逆流を防止する空気排出逆流防止弁２４Ａ，２４Ｂを備えている。
【００２１】
更に、燃料電池発電システム１は、燃料電池１１の空気極１１Ａの空気出口側セパレータの温度を計測する温度計測装置２５Ａ，２５Ｂを備えている。なお、空気流れ方向と燃料流れ方向とが並流である場合、空気出口側セパレータの温度を計測する温度計測装置は２５Ｂで示す方のことであり、空気流れ方向と燃料流れ方向とが対向流である場合、空気出口側セパレータの温度を計測する温度計測装置は２５Ａで示す方のことである。
【００２２】
そして、第１空気ブロワ１２は、空気流路Ｌ１の上流端又は上流側に配設されており、空気流路Ｌ１の第１空気ブロワ１２の下流側に空気加熱熱交換器１３が配設されており、空気流路Ｌ１の下流端に切替弁１４が配設されており、切替弁１４により分岐された空気流路（Ｌ２，Ｌ３）の下流端に空気極１１Ａが配設されている。
【００２３】
また、第１燃料ポンプ１６は、燃料流路Ｌ４の上流端又は上流側に配設されており、燃料流路Ｌ４の第１燃料ポンプ１６の下流側に燃料改質器１５が配設されており、燃料流路Ｌ４の下流端に燃料極１１Ｂが配設されている。
【００２４】
更に、空気極１１Ａは、空気流路Ｌ５の上流端に配設されており、空気流路Ｌ５の空気極１１Ａより下流側に改質器加熱熱交換器１７が配設されており、空気流路Ｌ５の改質器加熱熱交換器１７の下流側に空気加熱熱交換器１３が配設されており、空気流路Ｌ５の空気極１１Ａより下流側、かつ、改質器加熱熱交換器１７より上流側で接続された分岐流路Ｌ５’に排気流路圧力調整弁２０が配設されている。
【００２５】
また、燃料極１１Ｂは、燃料流路Ｌ６の上流端に配設されており、燃料流路Ｌ６の燃料極１１Ｂより下流側に燃料循環ブロア１８が配設されており、燃料流路Ｌ６の下流端が、第１燃料ポンプ１６の下流側、かつ、燃料改質器１５の上流側の燃料流路Ｌ４に設けられた合流部Ｃ１で接続されており、燃料流路Ｌ６の燃料循環ブロア１８より下流側、かつ、燃料流路Ｌ６の下流端（合流部Ｃ１）より上流側で接続された分岐流路Ｌ６’に燃料流路圧力調整弁１９が配設されており、分岐流路Ｌ６’の下流端が、空気流路Ｌ５の空気極１１Ａより下流側、かつ、空気流路Ｌ５の分岐流路Ｌ５’の接続位置より上流側に設けられた合流部Ｃ２で接続されている。
【００２６】
更に、第２空気ブロワ２２は、空気流路Ｌ７の上流端又は上流側に配設されており、第２燃料ポンプ２３は、燃料流路Ｌ８の上流端又は上流側に配設されており、空気流路Ｌ７及び燃料流路Ｌ８の下流端に燃焼バーナ２１が配設されている。
【００２７】
また、燃焼バーナ２１は、空気流路Ｌ９の上流端に配設されており、空気流路Ｌ９の下流端が、切替弁１４の下流側、かつ、空気極１１Ａの上流側の空気流路Ｌ３に設けられた合流部Ｃ３で接続されている。
【００２８】
更に、空気排出逆流防止弁２４Ａは、空気流路Ｌ３の合流部Ｃ３と空気極１１Ａとの間に設けられ、空気排出逆流防止弁２４Ｂは、空気流路Ｌ５の空気極１１Ａと合流部Ｃ２との間に設けられ、空気排出逆流防止弁２４Ａと空気排出逆流防止弁２４Ｂとは空気流路Ｌ１０で接続されている。
【００２９】
なお、本実施形態では、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外のものを用いることができる。
【００３０】
そして、燃料電池１１は、例えば、未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池であり、空気極の焼成後においては、燃料極１１Ｂに供給される改質された燃料と、空気極１１Ａに供給される空気とにより電力を発生させて、この電力をモータ等の電力需要機器に供給する。
【００３１】
また、燃料改質器１５は、改質器加熱熱交換器１７より供給される熱により加熱され、第１燃料ポンプ１６より供給される燃料を触媒反応により改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１の燃料極１１Ｂに供給する。
【００３２】
更に、第１空気ブロワ１２、切替弁１４、第１燃料ポンプ１６、燃料循環ブロワ１８、燃料流路圧力調整弁１９、排気流路圧力調整弁２０、第２空気ブロワ２２、第２燃料ポンプ２３、空気排出逆流防止弁２４Ａ，２４Ｂ、温度計測装置２５Ａ，２５Ｂは、それぞれ制御装置２８に接続されている。
【００３３】
制御装置２８は、例えば、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭその他の各種の操作子を有する装置であり、電力の出力要求に応じて各機器に制御信号を送信して各機器を制御するものである。
【００３４】
そして、制御装置２８は、燃料電池１１と接続され、燃料電池１１から一定の発電出力を取り出す一定発電出力取出装置として機能することができる。
また、制御装置２８は、例えば、第１空気ブロワ１２と協働して、空気供給流量制御装置として機能することができる。
更に、制御装置２８は、例えば、切替弁１４と協働して、更には温度計測装置２５Ａ，２５Ｂと協働して、空気供給方向切替装置として機能することができる。
また、制御装置２８は、例えば、制御効果判断装置として機能することもでき、例えば、温度計測装置２５Ａ，２５Ｂと協働して、温度計測装置２５Ａ，２５Ｂにより計測される空気出口温度や空気出口温度の上昇幅に基づいて、空気供給流量の増量制御による効果の有無を判断することができる。
そして、これら一定発電出力取出装置、空気供給流量制御装置、空気供給方向切替装置、制御効果判断装置などは協働して、空気極焼成装置Ｂとして機能することができる。
【００３５】
次に、燃料電池発電システム１の焼成運転における処理動作について一形態を挙げて説明する。
まず、燃料電池発電システム１は、燃焼バーナ２１を駆動して燃料電池発電システム１の起動を行う。具体的には、図示しない電気ヒータ等により燃料電池１１を加熱することにより、燃料電池１１の運転温度を変化させ、かつ、燃料電池１１の空気極１１Ａに供給する空気量、及び燃料極１１Ｂに供給する燃料量を変化させて、出力電力の変化に対応させる。特に、焼成運転を開始する際には、初期的な処理動作として、第２空気ブロワ２２を作動させ、かつ、第２燃料ポンプ２３を作動させることにより、燃焼バーナ２１に空気及び燃料を供給する。
そして、燃焼バーナ２１にて空気と燃料とを燃焼させ、加熱された空気などの燃焼ガスを燃料電池１１の空気極１１Ａに供給する。従って、燃料電池１１は、燃焼バーナ２１より供給される燃焼ガスにより昇温される。
【００３６】
その後、燃料電池１１の温度が、定格温度（例えば、７００℃である。）に達した場合には、燃焼バーナ２１を停止し、第１空気ブロワ１２及び第１燃料ポンプ１６の作動に切り替える。
【００３７】
第１空気ブロワ１２を起動することにより、第１空気ブロワ１２より空気極１１Ａに空気（酸化剤ガス）が供給される。この空気は、空気加熱熱交換器１３の低温側（熱を吸収する側）を通過し、その後、切替弁１４を経由して空気極１１Ａに導入される。この際、空気加熱熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）には、改質器加熱熱交換器１７より排出される高温の排気ガスが導入される。このため、第１空気ブロワ１２より空気極１１Ａに供給される空気は、高温ガスとの間の熱交換により加熱されて、空気極１１Ａに導入される。
【００３８】
また、第１燃料ポンプ１６を起動することにより、第１燃料ポンプ１６より燃料改質器１５に燃料が供給される。この燃料は、改質器加熱熱交換器１７より供給される熱と燃料改質器１５の触媒とを利用した触媒反応により改質され、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）が、燃料極１１Ｂに導入される。
【００３９】
定格温度（例えば、７００℃である。）付近に達すると、空気極１１Ａが未焼成の状態である未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池１１であっても、発電量がある程度得られる（例えば、焼成を完了した空気極を適用した場合の約６０〜７０％程度の発電量である。）。焼成が完了した金属支持型固体酸化物形燃料電池を当初から搭載した燃料電池発電システムより発電量は低いが、未焼成の空気極１１Ａを有する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池１１は、負荷に電力を供給することが可能となる。すなわち、燃料電池１１は、図示しない車両のモータなどに電力を供給してモータを駆動させ、例えば、車両を試走行させることなどが可能な状態となる。その後、発電が開始されると、例えば、燃料電池１１のセル温度が７００℃での運転が行われる。
【００４０】
この際、まず、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流になるように、切替弁１４が調整されている場合について説明する。つまり、第１空気ブロワ１２から供給される空気は、切替弁１４を経由し、更に空気流路Ｌ３を経由して空気極１１Ａに導入され、空気極１１Ａより排出される排気ガスは、空気流路Ｌ５を経由して合流部Ｃ２に向う。
【００４１】
図２は、本実施形態の燃料電池発電システムの空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量変化によるセル温度の分布状態の変化を示すグラフである。
図２に示すように、発電が開始されると、破線で示すように、セル内位置が空気入口から空気出口へ移行するにしたがって、セル温度が高めになるような分布をしている。
この理由としては、空気入口より暖まった空気が供給され、発電が開始され、発電と共に熱が発生すると、発熱した熱の全てが排気ガスに吸収されることはなく、セル自体の温度が上昇するためと考えられる。
燃料電池は、一定の発電出力が取り出されるように制御されているため、空気入口側の温度を低下させると、空気入口側における発電量も低下する。その代わり、空気出口側における発電量が増加し、全体の出力バランスを維持しようとする。なお、例えば、空気供給流量を増加させることにより、空気入口側の温度を低下させることができる。
その結果、図２において、実線で示すように、下流側で発電量が増加した分、空気出口側におけるセル温度が上昇する。セル温度が上昇すると、空気極の焼成温度（１０００℃）付近まで温度を高めることができる。
【００４２】
但し、空気供給流量の上限値は、予備実験などにより予め設定された空気極供給空気量の最大許容値ａ、及び温度計測装置により計測される空気出口温度が金属支持型固体酸化物形燃料電池の動作上限温度以下となる空気供給流量の最大許容値ｂのうち小さい方であることが好ましい。空気供給流量の上限値を超えて空気供給流量を増量させると、セルの性能低下や、セパレータの破損などが生じることがある。また、空気供給流量は、第１空気ブロワの能力によっても上限が設けられることがある。
【００４３】
次に、空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流になるように、切替弁１４が調整されている場合について説明する。つまり、第１空気ブロワ１２から供給される空気は、切替弁１４を経由し、更に空気流路Ｌ２を経由して空気極１１Ａに導入され、空気極１１Ａより排出される排気ガスは、空気流路Ｌ３と空気逆流防止弁２４Ａと空気流路Ｌ１０と空気逆流防止弁２４Ｂと空気流路Ｌ５を経由して合流部Ｃ２に向う。
【００４４】
図３は、本実施形態の燃料電池発電システムの空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流であるときの空気供給流量変化によるセル温度の分布状態の変化を示すグラフである。
図３に示すように、発電が開始されると、破線で示すように、セル内位置が空気入口から空気出口へ移行するにしたがって、セル温度が高めになるような分布をしている。
また、燃料電池は、一定の発電出力が取り出されるように制御されているため、空気入口側の温度を低下させると、空気入口側における発電量も低下する。その代わり、空気出口側における発電量が増加し、全体の出力バランスを維持しようとする。上述したように、例えば、空気供給流量を増加させることにより、空気入口側の温度を低下させることができる。
その結果、図３において、実線で示すように、下流側で発電量が増加した分、空気出口側におけるセル温度が上昇する。セル温度が上昇すると、空気極の焼成温度（１０００℃）付近まで温度を高めることができる。
【００４５】
このように、燃料電池発電システムは、未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整することにより、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の空気極を焼成することができる。
【００４６】
次に、燃料電池発電システム１の焼成運転における処理動作について一例を挙げて説明する。
図４は、本実施形態の燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の一例を示すフローチャートである。
図４に示すように、焼成運転を開始するに当たり、工程１（図中においてはＳ１と記載する。以下同様。）においては、空気及び燃料を供給し、定格運転を開始して、工程２に進む。
また、工程２においては、空気供給流量を増加させ、発電量を高めるセル内位置を調整して、工程３に進む。
更に、工程３においては、空気出口温度が、所定の焼成温度に到達したか否かを判断する。所定の焼成温度に到達した場合には、工程４に進む。一方、所定の焼成温度に到達しない場合には、工程２に戻る。
また、工程４においては、発電を継続して、工程５に進む。
更に、工程５においては、所定の時間経過したか否かを判断する。所定の時間経過した場合には、工程６に進む。一方、所定の時間経過しない場合には、工程４に戻る。
また、工程６においては、空気供給方向の切替が必要か否かを判断する。本例の場合には、空気供給方向の切替を１回以上行う必要があるため、具体的には、空気供給方向の切替を１回行ったか否かを判断する。空気供給方向の切替が必要である場合には、工程７に進む。一方、空気供給方向の切替が必要でない場合には、焼成運転を終了する。
そして、工程７においては、空気供給方向を切り替えて、Ｓ１に戻る。
【００４７】
また、例えば、図示しないが、所定の焼成温度に到達しない場合に工程３から工程２に戻るに際して、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御し、制御効果判断装置が、空気供給流量の増量制御による効果が有ると判断したときには、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の増量制御の後における空気供給流量をｎ回目の再設定値と規定して、ｎ回目の再設定値である空気供給流量を所定時間保持するようにすることが好ましい。このように増量制御による効果があると判断できる場合には、所定の焼成温度に到達しないまでも、セル温度が上昇するため、所定時間保持することにより、急激な温度変化を防ぐと共に、所望の焼成温度に調整し易いという利点がある。
【００４８】
更に、例えば、制御効果判断装置が、空気供給流量の増量制御による効果の有無を温度計測装置により計測される空気出口温度又はその上昇幅に基づいて判断することが好ましい。これにより、急激な温度変化を防ぐと共に、所望の焼成温度により調整し易いという利点がある。
【００４９】
また、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御した後であって、かつ、空気供給方向切替装置が、温度計測装置により計測される空気出口温度が所定の焼成温度に到達後、所定の時間経過したと判断したときに、未焼成の空気極への空気供給方向を切り替えることが好ましい。これにより、適切に焼成された空気極となる。
【００５０】
更に、焼成温度よって、適切な焼成時間が決まるため、未焼成の空気極の焼成温度に応じた適切な焼成時間を予備実験などにより求め、予め設定される未焼成空気極の焼成温度と焼成時間との相関関係に関するデータを制御装置に格納して、この相関関係に関するデータより所定の時間を決定することが好ましい。焼成温度に応じた適切な焼成時間としない場合には、過度の焼成による空気極やセルの性能低下や、空気極やセルの破損が生じるおそれがある。
【００５１】
未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の一例を挙げて焼成温度と焼成時間との関係、更にはセル内位置とセル温度との関係を説明する。
未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池として、金属基板を使用し、金属基板／燃料極／電解質からなるハーフセル上に、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を主体とするペーストをスクリーン印刷し、更に、９０℃で乾燥して、未焼成の空気極を形成し、スタックに組み込んだものを用いた。
【００５２】
図５は、ＬＳＣＦの焼成温度と適切な焼成時間との関係を示すグラフである。
図５に示すように、焼成温度によって、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）の適切な焼成時間は異なる。具体的には、焼成温度が８５０℃の場合には、５時間の焼成時間、焼成温度が９００℃の場合には、３時間の焼成時間、焼成温度が９５０℃の場合には、２時間の焼成時間、焼成温度が１０００℃の場合には、１時間の焼成時間、焼成温度が１１００℃の場合には、３０分間の焼成時間となる。なお、金属基板を使用する場合、焼成温度の上限は１０００℃とすることが好ましい。
【００５３】
例えば、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるとき、空気出口温度が９５０℃となるように、空気供給流量を増量制御する。このとき、セル温度は、図６に示すような分布になる。
なお、図６は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
【００５４】
次いで、例えば、空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流であるとき、空気出口温度が９５０℃となるように、空気供給流量を増量制御する。このとき、セル温度は、図７に示すような分布になる。
なお、図７は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
【００５５】
つまり、焼成運転を開始するに当たり、空気及び燃料を供給して、定格運転を開始する。そして、定格運転が開始されたら、例えば、温度計測装置２５Ｂにより空気出口温度を計測する（このとき、空気の供給方向と燃料の供給方向とは並流である。）。更に、空気出口温度が所定の焼成温度（例えば、９５０℃である。）になるよう、第１空気ブロワ１２より供給される空気供給流量を増量制御し、空気入口側のセル温度を低下させ、発電を空気出口側で集中的に行うようにさせる。このようにすることにより、空気出口側における発電によって、セル温度が上昇し、所望の焼成温度まで上昇させることができる。所定の焼成温度に到達した後は、所定の時間経過するまで発電、すなわち、焼成を継続する。焼成時間と焼成温度の相関関係は予め取得してあるため、焼成温度に応じた焼成時間を制御装置により適宜設定する。所定の時間経過した後、切替弁１４を作動させ、空気の供給方向を反対に切り替える（このとき、空気の供給方向と燃料の供給方向とは対向流である。）。このときも、温度計測装置２５Ａにより空気出口温度を計測し、空気入口温度が所定の焼成温度（例えば、９５０℃である。）になるよう、第１空気ブロワ１２より供給される空気供給流量を増量制御し、空気入口側のセル温度を低下させ、発電を空気出口側で集中的に行うようにさせる。このようにすることにより、空気出口側における発電によって、セル温度が上昇し、所望の焼成温度まで上昇させることができる。所定の焼成温度に到達した後は、所定の時間経過するまで発電、すなわち、焼成を継続する。焼成時間と焼成温度の相関関係は予め取得してあるため、焼成温度に応じた焼成時間を制御装置により適宜設定する。所定の時間経過した後、焼成運転を終了する。
【００５６】
このように、セルの両側から焼成温度に到達させると、セルの片側からのみ焼成温度に到達させる場合より、より短い時間でセルの焼成を全領域において行うことができる。また、セルの両側から焼成温度に到達させる方が、セル内位置におけるセル温度の分布を平準化することができる利点もある。
【００５７】
図８は、本実施形態の燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の他の一例を示すフローチャートである。
図８に示すように、焼成運転を開始するに当たり、工程１においては、空気及び燃料を供給し、定格運転を開始して、工程１２に進む。
また、工程１２においては、空気供給流量を増加させ、発電量を高めるセル内位置を調整して、工程１３に進む。
更に、工程１３においては、空気出口温度が、所定の焼成温度に到達したか否かを判断する。所定の焼成温度に到達した場合には、工程１４に進む。一方、所定の焼成温度に到達しない場合には、工程１２に戻る。
また、工程１４においては、発電を継続して、工程１５に進む。
更に、工程１５においては、所定の時間経過したか否かを判断する。所定の時間経過した場合には、工程１６に進む。一方、所定の時間経過しない場合には、工程１４に戻る。
また、工程１６においては、空気供給方向の切替が必要か否かを判断する。本例の場合には、空気供給方向の切替を５回以上行う必要があるため、具体的には、空気供給方向の切替を５回行ったか否かを判断する。空気供給方向の切替が必要である場合には、工程１７に進む。一方、空気供給方向の切替が必要でない場合には、焼成運転を終了する。
そして、工程１７においては、空気供給方向を切り替えて、Ｓ１１に戻る。
【００５８】
上記のような処理動作を行うと、セル温度は、図９に示すような分布となる。
なお、図９は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。また、図９には、図６で示したＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を比較のために併せて示す。
【００５９】
図９に示すように、空気の供給方向と燃料の供給方向とを並流で１回焼成した場合に比較して、未焼成の空気極への空気供給方向を複数回切り替えることにより、空気の供給方向と燃料の供給方向とを並流で３回焼成した場合は、セル中央部の発電性能が向上し、セル中央部のセル温度が高くなる。これにより、セルの空気出口側となる両側だけでなく、セル中央部についても十分に焼成することができる。
【００６０】
また、例えば、図示しないが、所定の焼成温度に到達しない場合に工程１３から工程１２に戻るに際して、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御し、制御効果判断装置が、空気供給流量の増量制御による効果が有ると判断したときには、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の増量制御の後における空気供給流量をｎ回目の再設定値と規定して、ｎ回目の再設定値である空気供給流量を所定時間保持するようにすることが好ましい。このように増量制御による効果があると判断できる場合には、所定の焼成温度に到達しないまでも、セル温度が上昇するため、所定時間保持することにより、急激な温度変化を防ぐと共に、所望の焼成温度に調整し易いという利点がある。
【００６１】
更に、例えば、制御効果判断装置が、空気供給流量の増量制御による効果の有無を温度計測装置により計測される空気出口温度又はその上昇幅に基づいて判断することが好ましい。これにより、急激な温度変化を防ぐと共に、所望の焼成温度により調整し易いという利点がある。
【００６２】
また、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御した後であって、かつ、空気供給方向切替装置が、温度計測装置により計測される空気出口温度が所定の焼成温度に到達後、所定の時間経過したと判断したときに、未焼成の空気極への空気供給方向を切り替えることが好ましい。これにより、適切に焼成された空気極となる。
【００６３】
更に、焼成温度よって、適切な焼成時間が決まるため、未焼成の空気極の焼成温度に応じた適切な焼成時間を予備実験などにより求め、予め設定される未焼成の空気極の焼成温度と焼成時間との相関関係に関するデータを制御装置に格納して、この相関関係に関するデータより所定の時間を決定することが好ましい。焼成温度に応じた適切な焼成時間としない場合には、過度の焼成による空気極やセルの性能低下や、空気極やセルの破損が生じるおそれがある。
【００６４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。図１０は、本実施形態の燃料電池発電システム１Ａの概略を示す構成図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図１０に示すように、燃料電池発電システム１Ａは、燃料電池１１の空気極１１Ａの空気出口側における燃料電池１１の電圧を計測する電圧計測装置２６Ａ，２６Ｂを更に備え、電圧計測装置２６Ａ，２６Ｂがそれぞれ制御装置２８に接続されている構成が、上述した実施形態（燃料電池発電システム１）と相違する。
【００６５】
なお、空気流れ方向と燃料流れ方向とが並流である場合、空気出口側における燃料電池の電圧を計測する電圧計測装置は２６Ｂで示す方のことであり、空気流れ方向と燃料流れ方向とが対向流である場合、空気出口側の燃料電池の電圧を計測する電圧計測装置は２６Ａで示す方のことである。
【００６６】
そして、制御装置２８は、燃料電池１１と接続され、燃料電池１１から一定の発電出力を取り出す一定発電出力取出装置として機能することができる。
また、制御装置２８は、例えば、第１空気ブロワ１２と協働して、空気供給流量制御装置として機能することができる。
更に、制御装置２８は、例えば、切替弁１４と協働して、更には電圧計測装置２６Ａ，２６Ｂと協働して、空気供給方向切替装置として機能することができる。
また、制御装置２８は、例えば、制御効果判断装置として機能することもでき、例えば、温度計測装置２５Ａ，２５Ｂと協働して、温度計測装置２５Ａ，２５Ｂにより計測される空気出口温度や空気出口温度の上昇幅に基づいて、空気供給流量の増量制御による効果の有無を判断することができる。
そして、これら一定発電出力取出装置、空気供給流量制御装置、空気供給方向切替装置、制御効果判断装置などは協働して、空気極焼成装置Ｂ１として機能することができる。
【００６７】
なお、本実施形態でも、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外のものを用いることができる。
【００６８】
このように、燃料電池発電システムは、未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整することにより、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の空気極を焼成することができる。
【００６９】
次に、燃料電池発電システム１Ａの焼成運転における処理動作について一例を挙げて説明する。
図１１は、本実施形態の燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の一例を示すフローチャートである。
図１１に示すように、焼成運転を開始するに当たり、工程２１においては、空気及び燃料を供給し、定格運転を開始して、工程２２に進む。
また、工程２２においては、空気供給流量を増加させ、発電量を高めるセル内位置を調整して、工程２３に進む。
更に、工程２３においては、空気出口温度が、所定の焼成温度に到達したか否かを判断する。所定の焼成温度に到達した場合には、工程２４に進む。一方、所定の焼成温度に到達しない場合には、工程２２に戻る。
また、工程２４においては、発電を継続して、工程２５に進む。
更に、工程２５においては、所定の電圧に到達したか否かを判断する。所定の電圧に到達した場合には、工程２６に進む。一方、所定の電圧に到達しない場合には、工程２４に戻る。
また、工程２６においては、空気供給方向の切替が必要か否かを判断する。本例の場合には、空気供給方向の切替を１回以上行う必要があるため、具体的には、空気供給方向の切替を１回行ったか否かを判断する。空気供給方向の切替が必要である場合には、工程２７に進む。一方、空気供給方向の切替が必要でない場合には、焼成運転を終了する。
そして、工程２７においては、空気供給方向を切り替えて、Ｓ２１に戻る。
【００７０】
また、例えば、図示しないが、所定の焼成温度に到達しない場合に工程２３から工程２２に戻るに際して、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御し、制御効果判断装置が、空気供給流量の増量制御による効果が有ると判断したときには、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の増量制御の後における空気供給流量をｎ回目の再設定値と規定して、ｎ回目の再設定値である空気供給流量を所定時間保持するようにすることが好ましい。このように増量制御による効果があると判断できる場合には、所定の焼成温度に到達しないまでも、セル温度が上昇するため、所定時間保持することにより、急激な温度変化を防ぐと共に、所望の焼成温度に調整し易いという利点がある。
【００７１】
更に、例えば、制御効果判断装置が、空気供給流量の増量制御による効果の有無を温度計測装置により計測される空気出口温度又はその上昇幅に基づいて判断することが好ましい。これにより、急激な温度変化を防ぐと共に、所望の焼成温度により調整し易いという利点がある。
【００７２】
また、空気供給流量制御装置が、空気供給流量の（ｎ−１）回目の再設定値（ｎは正の整数であり、ｎ＝１の場合である０回目の再設定値は初期値を意味する。）から増量制御した後であって、かつ、空気供給方向切替装置が、電圧計測装置により計測される予備金属支持型固体酸化物形燃料電池の電圧が所定の電圧又は所定の電圧の上昇幅に到達したと判断したときに、未焼成の空気極への空気供給方向を切り替えることが好ましい。これにより、適切に焼成された空気極となる。
【００７３】
更に、電圧よって、適切な焼成時間が決まるため、未焼成の空気極の電圧に応じた適切な焼成時間を予備実験などにより求め、予め設定される未焼成の空気極の電圧と焼成時間との相関関係に関するデータを制御装置に格納して、この相関関係に関するデータより所定の時間を決定することが好ましい。電圧に応じた適切な焼成時間としない場合には、過度の焼成による空気極やセルの性能低下や、空気極やセルの破損が生じるおそれがある。
【００７４】
つまり、焼成運転を開始するに当たり、空気及び燃料を供給して、定格運転を開始する。そして、定格運転が開始されたら、例えば、温度計測装置２５Ｂにより空気出口温度を計測する（このとき、空気の供給方向と燃料の供給方向とは並流である。）。更に、空気出口温度が所定の焼成温度（例えば、９５０℃である。）になるよう、第１空気ブロワ１２より供給される空気供給流量を増量制御し、空気入口側のセル温度を低下させ、発電を空気出口側で集中的に行うようにさせる。このようにすることにより、空気出口側における発電によって、セル温度が上昇し、所望の焼成温度まで上昇させることができる。所定の焼成温度に到達した後は、所定の電圧に到達するまで発電、すなわち、焼成を継続する。ある温度における焼成温度とセル電圧との相関関係は予め取得してあるため、焼成温度に応じたセル電圧を制御装置により適宜設定する。これにより、焼成に伴って空気極の性能が徐々に向上し、セル電圧が上昇する。セル電圧が所定の電圧に到達した後、切替弁１４を作動させ、空気の供給方向を反対に切り替える（このとき、空気の供給方向と燃料の供給方向とは対向流である。）。このときも、温度計測装置２５Ａにより空気出口温度を計測し、空気入口温度が所定の焼成温度（例えば、９５０℃である。）になるよう、第１空気ブロワ１２より供給される空気供給流量を増量制御し、空気入口側のセル温度を低下させ、発電を空気出口側で集中的に行うようにさせる。このようにすることにより、空気出口側における発電によって、セル温度が上昇し、所望の焼成温度まで上昇させることができる。所定の焼成温度に到達した後は、所定の電圧に到達するまで発電、すなわち、焼成を継続する。ある温度における焼成温度とセル電圧との相関関係は予め取得してあるため、焼成温度に応じたセル電圧を制御装置により適宜設定する。所定の電圧に到達した後、焼成運転を終了する。
【００７５】
なお、図示しないが、燃料電池の空気極の空気出口側における燃料電池の電圧を計測する電圧計測装置に加えて又は代えて、燃料電池の空気極の空気出口側における燃料電池の電流を計測する電流計測装置を備えた構成とし、これに基づいて同様の処理動作をするようにしてもよい。
【００７６】
また、空気の供給方向の切替の判断を行う際に、電圧や電圧の上昇幅を判断基準とする以外に、電圧の変化がある所定値以下になった場合を判断基準としてもよい。特に、焼成運転終了の判断基準として電圧の変化がある所定値以下になった場合を適用することは好ましい。焼成に伴って空気極の性能が徐々に向上し、セル電圧が徐々に増加する。しかしながら、焼成が十分に行われた場合は、電圧の増加が緩やかになり、最終的に±数ｍＶまで落ち着いてくる。そこで、この電圧の変化幅を計測して、焼成運転終了の判断基準としても良い。
【００７７】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。図１２は、本実施形態の燃料電池発電システム１Ｂの概略を示す構成図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図１２に示すように、燃料電池発電システム１Ｂは、空気極１１Ａ及び燃料極１１Ｂを備えた燃料電池１１と、燃料電池１１の空気極１１Ａに空気（酸化剤ガス）を供給する第１空気ブロワ１２と、第１空気ブロワ１２より供給される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、供給される改質燃料の供給方向を切り替える切替弁１４と、供給される燃料を改質して燃料電池１１の燃料極１１Ｂに改質燃料を供給する燃料改質器１５と、燃料改質器１５に炭化水素燃料等の燃料を供給する第１燃料ポンプ１６と、を備えている。
【００７８】
また、燃料電池発電システム１Ｂは、空気極１１Ａより排出される排気ガスが有する熱により燃料改質器１５を加熱する改質器加熱熱交換器１７と、燃料極１１Ｂより排出される燃料ガスを燃料改質器１５に循環させる燃料循環ブロア１８と、燃料極１１Ｂより排出される燃料ガスの一部を改質器加熱熱交換器１７側に導入する燃料流路圧力調整弁１９と、改質器加熱熱交換器１７に導入される排気ガスの一部を外部へ排出する排気流路圧力調整弁２０と、を備えている。
【００７９】
更に、燃料電池発電システム１Ｂは、供給される空気（酸化剤ガス）と燃料とを燃焼して燃料電池１１の空気極の１１Ａに加熱された空気などの燃焼ガスを供給する燃焼バーナ２１と、燃焼バーナ２１に空気（酸化剤ガス）を供給する第２空気ブロワ２２と、燃焼バーナ２１に燃料を供給する第２燃料ポンプ２３と、を備えている。
【００８０】
また、燃料電池発電システム１Ｂは、燃料排出時の燃料ガスの逆流を防止する燃料排出逆流防止弁２４Ｃ，２４Ｄを備えている。
【００８１】
更に、燃料電池発電システム１Ｂは、燃料電池１１の燃料極１１Ｂの燃料入口側セパレータの温度を計測する温度計測装置２５Ｃ，２５Ｄを備えている。なお、空気流れ方向と燃料流れ方向とが並流である場合、燃料入口側セパレータの温度を計測する温度計測装置は２５Ｃで示す方のことであり、空気流れ方向と燃料流れ方向とが対向流である場合、燃料入口側セパレータの温度を計測する温度計測装置は２５Ｄで示す方のことである。
【００８２】
そして、第１空気ブロワ１２は、空気流路Ｌ１１の上流端又は上流側に配設されており、空気流路Ｌ１１の第１空気ブロワ１２の下流側に空気加熱熱交換器１３が配設されており、空気流路Ｌ１１の下流端に空気極１１Ａが配設されている。
【００８３】
また、第１燃料ポンプ１６は、燃料流路Ｌ１２の上流端又は上流側に配設されており、燃料流路Ｌ１２の第１燃料ポンプ１６の下流側に燃料改質器１５が配設されており、燃料流路Ｌ１２の下流端に下流端に切替弁１４が配設されており、切替弁１４により分岐された燃料流路（Ｌ１３，Ｌ１４）の下流端に燃料極１１Ｂが配設されている。
【００８４】
更に、空気極１１Ａは、空気流路Ｌ１５の上流端に配設されており、空気流路Ｌ１５の空気極１１Ａより下流側に改質器加熱熱交換器１７が配設されており、空気流路Ｌ１５の改質器加熱熱交換器１７の下流側に空気加熱熱交換器１３が配設されており、空気流路Ｌ１５の空気極１１Ａより下流側、かつ、改質器加熱熱交換器１７より上流側で接続された分岐流路Ｌ１５’に排気流路圧力調整弁２０が配設されている。
【００８５】
また、燃料極１１Ｂは、燃料流路Ｌ１６の上流端に配設されており、燃料流路Ｌ１６の燃料極１１Ｂより下流側に燃料循環ブロア１８が配設されており、燃料流路Ｌ１６の下流端が、第１燃料ポンプ１６の下流側、かつ、燃料改質器１５の上流側の燃料流路Ｌ１２に設けられた合流部Ｃ１１で接続されており、燃料流路Ｌ１６の燃料循環ブロア１８より下流側、かつ、燃料流路Ｌ１６の下流端（合流部Ｃ１１）より上流側で接続された分岐流路Ｌ１６’に燃料流路圧力調整弁１９が配設されており、分岐流路Ｌ１６’の下流端が、空気流路Ｌ１５の空気極１１Ａより下流側、かつ、空気流路Ｌ１５の分岐流路Ｌ１５’の接続位置より上流側に設けられた合流部Ｃ１２で接続されている。
【００８６】
更に、第２空気ブロワ２２は、空気流路Ｌ１７の上流端又は上流側に配設されており、第２燃料ポンプ２３は、燃料流路Ｌ１８の上流端又は上流側に配設されており、空気流路Ｌ１７及び燃料流路Ｌ１８の下流端に燃焼バーナ２１が配設されている。
【００８７】
また、燃焼バーナ２１は、空気流路Ｌ１９の上流端に配設されており、空気流路Ｌ１９の下流端が、空気加熱熱交換器１３の下流側、かつ、空気極１１Ａの上流側の空気流路Ｌ１１に設けられた合流部Ｃ１３で接続されている。
【００８８】
更に、燃料排出逆流防止弁２４Ｃは、空気流路Ｌ１４の切替弁１４と燃料極１１Ｂとの間に設けられ、燃料排出逆流防止弁２４Ｄは、空気流路Ｌ１５の燃料極１１Ｂと燃料循環ブロア１８との間に設けられ、燃料排出逆流防止弁２４Ｃと燃料排出逆流防止弁２４Ｄとは燃料流路Ｌ２０で接続されている。
【００８９】
なお、本実施形態では、酸化剤ガスの一例として空気を用いる例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外のものを用いることができる。
【００９０】
そして、燃料電池１１は、例えば、未焼成の燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池であり、燃料極の焼成後においては、燃料極１１Ｂに供給される改質された燃料と、空気極１１Ａに供給される空気とにより電力を発生させて、この電力をモータ等の電力需要機器に供給する。
【００９１】
また、燃料改質器１５は、改質器加熱熱交換器１７より供給される熱により加熱され、第１燃料ポンプ１６より供給される燃料を触媒反応により改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１の燃料極１１Ｂに供給する。
【００９２】
更に、第１空気ブロワ１２、切替弁１４、第１燃料ポンプ１６、燃料循環ブロワ１８、燃料流路圧力調整弁１９、排気流路圧力調整弁２０、第２空気ブロワ２２、第２燃料ポンプ２３、燃料排出逆流防止弁２４Ｃ，２４Ｄ、温度計測装置２５Ｃ，２５Ｄは、それぞれ制御装置２８に接続されている。
【００９３】
制御装置２８は、例えば、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭその他の各種の操作子を有する装置であり、電力の出力要求に応じて各機器に制御信号を送信して各機器を制御するものである。
【００９４】
そして、制御装置２８は、燃料電池１１と接続され、燃料電池１１から一定の発電出力を取り出す一定発電出力取出装置として機能することができる。
また、制御装置２８は、例えば、第１燃料ポンプ１６と協働して、燃料供給流量制御装置として機能することができる。
更に、制御装置２８は、例えば、切替弁１４と協働して、更には温度計測装置２５Ｃ，２５Ｄと協働して、燃料供給方向切替装置として機能することができる。
また、制御装置２８は、例えば、制御効果判断装置として機能することもでき、例えば、温度計測装置２５Ｃ，２５Ｄと協働して、温度計測装置２５Ｃ，２５Ｄにより計測される燃料入口温度や燃料入口温度の上昇幅に基づいて、燃料供給流量の増量制御による効果の有無を判断することができる。
そして、これら一定発電出力取出装置、燃料供給流量制御装置、燃料供給方向切替装置、制御効果判断装置などは協働して、燃料極焼成装置Ｂ２として機能することができる。
【００９５】
そして、上述した第１又は第２の実施形態における未焼成の空気極に対する処理動作を未焼成の燃料極に対する処理動作に変更することにより、本実施形態の燃料電池発電システムも、未焼成の燃料極への燃料供給流量及び燃料供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整することにより、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の燃料極を焼成することができる。
【００９６】
（第４の実施形態）
次に、図示しないが、第４の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。
本実施形態の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、空気極及び燃料極の焼成装置とを具備したものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の空気極及び燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極及び燃料極の焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに未焼成の空気極への空気供給方向と未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
【００９７】
このような本実施形態の燃料電池発電システムも、未焼成の空気極への空気供給流量及び未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに未焼成の空気極への空気供給方向と未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整することにより、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の空気極及び燃料極を焼成することができる。
なお、本実施形態の燃料電池発電システムの一例としては、図１又は図１０でそれぞれ示した第１又は第２の実施形態の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池が未焼成の空気極及び燃料極を有する場合を挙げることができる。
【００９８】
以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００９９】
例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、実施形態毎に限定されるものではなく、例えば、各種装置の細部を同様の機能を有する任意の構成に変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
【０１００】
また、例えば、第１又は第２の実施形態の燃料電池発電システムは、必要により第３の実施形態において説明した各種装置を適宜配設し、制御装置と接続することなどにより、燃料電池が未焼成の空気極及び燃料極を有する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池発電システムとすることもできる。
【０１０１】
更に、例えば、第３の実施形態の燃料電池発電システムは、必要により第１又は第２の実施形態において説明した各種装置を適宜配設し、制御装置と接続することなどにより、燃料電池が未焼成の空気極及び燃料極を有する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池発電システムとすることもできる。
【符号の説明】
【０１０２】
１，１Ａ，１Ｂ  燃料電池発電システム  
１１  燃料電池
１１Ａ  空気極
１１Ｂ  燃料極
１２  第１空気ブロワ
１３  空気加熱熱交換器
１４  切替弁
１５  燃料改質器
１６  第１燃料ポンプ
１７  改質器加熱熱交換器
１８  燃料循環ブロワ
１９  燃料流路圧力調整弁
２０  排気流路圧力調整弁
２１  燃焼バーナ
２２  第２空気ブロワ
２３  第２燃料ポンプ
２４Ａ，２４Ｂ  空気排出逆流防止弁
２４Ｃ，２４Ｄ  燃料排出逆流防止弁
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ  温度計測装置
２６Ａ，２６Ｂ  電圧計測装置
２８  制御装置
Ｂ，Ｂ１  空気極焼成装置
Ｂ２  燃料極焼成装置
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３  合流部
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ９，Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１５，Ｌ１７，Ｌ１９  空気流路
Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１６，Ｌ１８，Ｌ２０  燃料流路
Ｌ５’，Ｌ６’，Ｌ１５’，Ｌ１６’  分岐流路
【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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