(57)【要約】【課題】性能を向上することができる固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】発電時に高温セルにガスを供給する高温セパレータのガス流路に追加ガスを供給するための追加ガス供給ユニットと、追加ガス供給ユニットに供給される追加ガスの供給量を調節するための追加ガス供給量調節ユニットと、少なくとも高温セル温度測定ユニットで測定された高温セルの温度に基づいて追加ガス供給量調節ユニットを制御するための制御ユニットとを備えた固体酸化物形燃料電池システムと固体酸化物形燃料電池システムの運転方法である。【選択図】図１
2012212586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池スタックを備え、
前記固体酸化物形燃料電池スタックは、交互に積層された、固体酸化物形燃料電池セルと、セパレータとを有し、
前記固体酸化物形燃料電池スタックの発電時に高温となる位置に配置された前記固体酸化物形燃料電池セルである高温セルの温度を測定するための高温セル温度測定ユニットと、
前記高温セル以外の前記固体酸化物形燃料電池セルである通常セルの温度を測定するための通常セル温度測定ユニットと、
前記固体酸化物形燃料電池スタックの発電時に前記高温セルにガスを供給するための前記セパレータである高温セパレータのガス流路に追加ガスを供給するための追加ガス供給ユニットと、
前記追加ガス供給ユニットに供給される前記追加ガスの供給量を調節するための追加ガス供給量調節ユニットと、
少なくとも前記高温セル温度測定ユニットで測定された前記高温セルの温度に基づいて前記追加ガス供給量調節ユニットを制御するための制御ユニットと、をさらに備えた、固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御ユニットは、前記固体酸化物形燃料電池スタックの発電時において、前記高温セル温度測定ユニットで測定された前記高温セルの温度と前記通常セル温度測定ユニットで測定された前記通常セルの温度とから前記固体酸化物形燃料電池スタックに含まれる前記固体酸化物形燃料電池セルの平均温度を算出し、
前記高温セルの前記温度が前記平均温度よりも高い場合には前記ガスの供給量を増加させ、前記高温セルの前記温度が前記平均温度よりも低い場合には前記ガスの供給量を減少させるように前記追加ガス供給量調節ユニットを制御するユニットである、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記固体酸化物形燃料電池スタックの発電時に前記高温セルに燃料ガスを供給するための前記セパレータである第２の高温セパレータの前記燃料ガスのガス流路に追加燃料ガスを供給するための追加燃料ガス供給ユニットと、
前記追加燃料ガス供給ユニットに供給される前記追加燃料ガスの供給量を調節するための追加燃料ガス供給量調節ユニットと、をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記高温セルの温度が前記平均温度よりも高い場合には前記追加燃料ガスの供給量を減少させ、前記高温セルの温度が前記平均温度よりも低い場合には前記追加燃料ガスの供給量が増加するように前記追加燃料ガス供給量調節ユニットを制御するユニットである、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガスおよび前記追加ガスは、それぞれ、空気である、請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システムを運転する方法であって、
前記高温セル温度測定ユニットによって前記高温セルの温度を測定する工程と、
前記通常セル温度測定ユニットによって前記通常セルの温度を測定する工程と、
前記制御ユニットによって前記高温セルの前記温度と前記通常セルの前記温度とから前記固体酸化物形燃料電池スタックに含まれる前記固体酸化物形燃料電池セルの平均温度を算出する工程と、
前記制御ユニットによって前記高温セルの前記温度が前記平均温度よりも高い場合には前記ガスの供給量を増加させ、前記高温セルの前記温度が前記平均温度よりも低い場合には前記ガスの供給量を減少させるように前記追加ガス供給量調節ユニットを制御する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムを運転する方法であって、
前記高温セル温度測定ユニットによって前記高温セルの温度を測定する工程と、
前記通常セル温度測定ユニットによって前記通常セルの温度を測定する工程と、
前記制御ユニットによって前記高温セルの前記温度と前記通常セルの前記温度とから前記固体酸化物形燃料電池スタックに含まれる前記固体酸化物形燃料電池セルの平均温度を算出する工程と、
前記制御ユニットによって前記高温セルの前記温度が前記平均温度よりも高い場合には前記ガスの供給量を増加させ、前記高温セルの前記温度が前記平均温度よりも低い場合には前記ガスの供給量を減少させるように前記追加ガス供給量調節ユニットを制御する工程と、
前記制御ユニットによって前記高温セルの温度が前記平均温度よりも高い場合には前記追加燃料ガスの供給量を減少させ、前記高温セルの温度が前記平均温度よりも低い場合には前記追加燃料ガスの供給量が増加するように前記追加燃料ガス供給量調節ユニットを制御する、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記ガスおよび前記追加ガスは、それぞれ、空気である、請求項５または６に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および固体酸化物形燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料が有する化学エネルギを電気エネルギに変換する固体酸化物形燃料電池スタックは、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。
【０００３】
図１１に、特許文献１等に開示されている従来の固体酸化物形燃料電池スタックの一例の模式的な断面図を示す。図１１に示す従来の固体酸化物形燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池セル積層体１００と、固体酸化物形燃料電池セル積層体２００とが放熱体３００を介して接続された構成を有している。そして、固体酸化物形燃料電池セル積層体２００と、放熱体３００と、固体酸化物形燃料電池セル積層体１００との積層体は、枠体４００に収容されている。
【０００４】
ここで、固体酸化物形燃料電池セル積層体１００，２００は、それぞれ、固体酸化物形燃料電池セル１０１とセパレータ１０２とが交互に積層された構成を有している。また、放熱体３００は、平板状の上側導電性部材３００ａと、平板状の下側導電性部材３００ｂと、これらの間に設置されて、これらの部材を機械的かつ電気的に接続する柱状導電性部材３００ｃとから構成されている。
【０００５】
固体酸化物形燃料電池セル１０１は、それぞれ、酸化物イオン導電体である固体酸化物電解質層と、固体酸化物電解質層の両側にそれぞれ設けられた空気極（カソード）と燃料極（アノード）とを有している。そして、固体酸化物形燃料電池セル１０１のそれぞれの空気極に酸素ガスが供給され、燃料極に水素ガスが供給されることによって、以下に示す反応式（ｉ）および（ｉｉ）に従った化学反応により発電が行なわれる。
空気極：１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（ｉ）
燃料極：Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（ｉｉ）
そして、上記の発電により発生した電子は、放熱体３００を介して固体酸化物形燃料電池セル積層体１００と固体酸化物形燃料電池セル積層体２００との間に流れ、固体酸化物形燃料電池スタックの外部に電気エネルギとして取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１８６５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気エネルギを効率的に取り出すためには、固体酸化物形燃料電池スタックは、所定の温度範囲で運転されることが好ましいが、固体酸化物形燃料電池スタックの運転時においては、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の中央部の温度が端部の温度よりも高くなって上記の所定の温度範囲を超えてしまうことがある。
【０００８】
そのため、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の中央部に放熱体３００を設置することによって、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の中央部の温度を低下させている。
【０００９】
しかしながら、従来の固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、図１２に示す温度差△Ｔ０が５０℃〜１００℃と大きくなる。
【００１０】
なお、図１２の縦軸は、従来の固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における位置を示しており、図１２の縦軸の上方向に進行するにつれて従来の固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における位置が高くなることを示している。また、図１２の横軸は、運転時における従来の固体酸化物形燃料電池スタックの温度（℃）を示しており、図１２の横軸の右方向に進行するにつれて従来の固体酸化物形燃料電池スタックの温度が高くなることを示している。
【００１１】
また、放熱体３００と固体酸化物形燃料電池セル１０１とは熱膨張係数が異なっているとともに、放熱体３００とセパレータ１０２とは形状の相違に起因して剛性が異なっている。
【００１２】
したがって、従来の固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、その運転時に、上記の温度差△Ｔ０と、放熱体３００とそれを挟むセパレータ１０２との剛性の相違とに起因して、放熱体３００に接して配置されたセパレータ１０２に反りが生じ、固体酸化物形燃料電池セル１０１に割れが生じることがあった。その結果、固体酸化物形燃料電池スタックの性能が低下することがあった。
【００１３】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、性能を向上することができる固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタックを備え、固体酸化物形燃料電池スタックは、交互に積層された、固体酸化物形燃料電池セルと、セパレータとを有し、固体酸化物形燃料電池スタックの発電時に高温となる位置に配置された固体酸化物形燃料電池セルである高温セルの温度を測定するための高温セル温度測定ユニットと、高温セル以外の固体酸化物形燃料電池セルである通常セルの温度を測定するための通常セル温度測定ユニットと、固体酸化物形燃料電池スタックの発電時に高温セルにガスを供給するためのセパレータである高温セパレータのガス流路に追加ガスを供給するための追加ガス供給ユニットと、追加ガス供給ユニットに供給される追加ガスの供給量を調節するための追加ガス供給量調節ユニットと、少なくとも高温セル温度測定ユニットで測定された高温セルの温度に基づいて追加ガス供給量調節ユニットを制御するための制御ユニットと、をさらに備えた、固体酸化物形燃料電池システムである。
【００１５】
ここで、本発明の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、制御ユニットは、固体酸化物形燃料電池スタックの発電時において、高温セル温度測定ユニットで測定された高温セルの温度と通常セル温度測定ユニットで測定された通常セルの温度とから固体酸化物形燃料電池スタックに含まれる固体酸化物形燃料電池セルの平均温度を算出し、高温セルの温度が平均温度よりも高い場合にはガスの供給量を増加させ、高温セルの温度が平均温度よりも低い場合にはガスの供給量を減少させるように追加ガス供給量調節ユニットを制御するユニットであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタックの発電時に高温セルに燃料ガスを供給するためのセパレータである第２の高温セパレータの燃料ガスのガス流路に追加燃料ガスを供給するための追加燃料ガス供給ユニットと、追加燃料ガス供給ユニットに供給される追加燃料ガスの供給量を調節するための追加燃料ガス供給量調節ユニットと、をさらに備え、制御ユニットは、高温セルの温度が平均温度よりも高い場合には追加燃料ガスの供給量を減少させ、高温セルの温度が平均温度よりも低い場合には追加燃料ガスの供給量が増加するように追加燃料ガス供給量調節ユニットを制御するユニットであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、ガスおよび追加ガスは、それぞれ、空気であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明は、上記のいずれかの固体酸化物形燃料電池システムを運転する方法であって、高温セル温度測定ユニットによって高温セルの温度を測定する工程と、通常セル温度測定ユニットによって通常セルの温度を測定する工程と、制御ユニットによって高温セルの温度と通常セルの温度とから固体酸化物形燃料電池スタックに含まれる固体酸化物形燃料電池セルの平均温度を算出する工程と、制御ユニットによって高温セルの温度が平均温度よりも高い場合にはガスの供給量を増加させ、高温セルの温度が平均温度よりも低い場合にはガスの供給量を減少させるように追加ガス供給量調節ユニットを制御する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法である。
【００１９】
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、上記の固体酸化物形燃料電池システムを運転する方法であって、高温セル温度測定ユニットによって高温セルの温度を測定する工程と、通常セル温度測定ユニットによって通常セルの温度を測定する工程と、制御ユニットによって高温セルの温度と通常セルの温度とから固体酸化物形燃料電池スタックに含まれる固体酸化物形燃料電池セルの平均温度を算出する工程と、制御ユニットによって高温セルの温度が平均温度よりも高い場合にはガスの供給量を増加させ、高温セルの温度が平均温度よりも低い場合にはガスの供給量を減少させるように追加ガス供給量調節ユニットを制御する工程と、制御ユニットによって高温セルの温度が平均温度よりも高い場合には追加燃料ガスの供給量を減少させ、高温セルの温度が平均温度よりも低い場合には追加燃料ガスの供給量が増加するように追加燃料ガス供給量調節ユニットを制御することが好ましい。
【００２０】
ここで、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、ガスおよび追加ガスは、それぞれ、空気であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、性能を向上することができる固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムの模式的な構成図である。
【図２】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる固体酸化物形燃料電池スタックの模式的な断面図である。
【図３】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる固体酸化物形燃料電池スタックの模式的な断面図である。
【図４】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられるセパレータの模式的な断面図である。
【図５】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる追加ガス供給ユニットの固体酸化物形燃料電池スタックへの取り付けの一例を概念的に図示する構成図である。
【図６】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例のフローチャートである。
【図７】実施の形態１の固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における位置と、運転時における実施の形態１の固体酸化物形燃料電池スタックの温度（℃）との関係を示す図である。
【図８】実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムの模式的な構成図である。
【図９】実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる追加燃料ガス供給ユニットの固体酸化物形燃料電池スタックへの取り付けの一例を概念的に図示する構成図である。
【図１０】実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例のフローチャートである。
【図１１】従来の固体酸化物形燃料電池スタックの一例の模式的な断面図である。
【図１２】従来の固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における位置と、運転時における従来の固体酸化物形燃料電池スタックの温度（℃）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２４】
＜実施の形態１＞
（固体酸化物形燃料電池システム）
図１に、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの一例である実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムの模式的な構成図を示す。実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタック１１と、温度測定ユニット１２と、制御ユニット１３と、追加ガス供給量調節ユニット１４と、空気供給ユニット１５と、追加ガス供給ユニット１６とを備えている。
【００２５】
（固体酸化物形燃料電池スタック）
図２に、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる固体酸化物形燃料電池スタック１１の模式的な断面図を示す。固体酸化物形燃料電池スタック１１は、交互に積層された、固体酸化物形燃料電池セル２１と、セパレータ２２とを有しており、固体酸化物形燃料電池セル２１とセパレータ２２との交互積層体が枠体２３の内部に設置されている。なお、固体酸化物形燃料電池スタック１１は、放熱体を備えていない。
【００２６】
図３に、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる固体酸化物形燃料電池スタック１１の模式的な断面図を示す。固体酸化物形燃料電池スタック１１は、固体酸化物形燃料電池セル２１と、セパレータ２２とが交互に積層された構造を有しており、固体酸化物形燃料電池セル２１は、固体酸化物からなる電解質２１ａと、電解質２１ａの上面に設けられた燃料極２１ｂと、電解質２１ａの下面に設けられた空気極２１ｃとを備えている。
【００２７】
ここで、固体酸化物形燃料電池セル２１の間に位置するセパレータ２２は、それぞれ、セパレータ２２の直下に位置する固体酸化物形燃料電池セル２１の燃料極２１ｂと、セパレータ２２の直上に位置する固体酸化物形燃料電池セル２１の空気極２１ｃとを電気的に接続している。
【００２８】
固体酸化物からなる電解質２１ａとしては、空気極２１ｃにおける電極反応によって生成した酸化物イオンなどのイオンを伝導できる固体酸化物であれば特に限定されず、たとえば、ジルコニア系酸化物、セリア系酸化物、ランタンガレート系酸化物、バリウムセレート系酸化物、バリウムジルコネート系酸化物、ストロンチウムセレート系酸化物、ストロンチウムジルコネート系酸化物、ランタンシリケート系酸化物などの電解質を特に限定なく用いることができる。なかでも、固体酸化物からなる電解質２１ａとしては、下記の組成式（Ｉ）で表わされるランタンガレート系酸化物を用いることが好ましい。
【００２９】
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-(u+v)ＣｏuＭｇvＯw  …（Ｉ）
上記の組成式（Ｉ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは０≦ｕ≦０．１を満たす実数を示し、ｖは０．０５≦ｖ≦０．２５を満たす実数を示し、ｗは２．７≦ｗ≦３．０２５を満たす実数を示すことが好ましい。
【００３０】
固体酸化物からなる電解質２１ａの厚さは、たとえば、１８０μｍ以上２２０μｍ以下とすることができる。
【００３１】
燃料極２１ｂとしては、燃料極として機能するものであれば特に限定されないが、たとえば、厚さ３０μｍ以上５０μｍ以下のニッケルセリア系の燃料極などを用いることができる。
【００３２】
空気極２１ｃとしては、空気極として機能するものであれば特に限定されないが、たとえば、厚さ３０μｍ以上５０μｍ以下の空気極などを用いることができる。
【００３３】
図４に、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられるセパレータ２２の模式的な断面図を示す。セパレータ２２は、空気または燃料ガスの流路となるガス流路２２ａを本体部２２ｂの内部に備えている。
【００３４】
ここで、セパレータ２２のガス流路２２ａとしては、空気用のガス流路２２ａと、燃料ガス用のガス流路２２ａとが存在している。セパレータ２２の空気用のガス流路２２ａは固体酸化物形燃料電池セル２１の空気極２１ｃに空気を供給するように形成されており、セパレータ２２の燃料ガス用のガス流路２２ａは固体酸化物形燃料電池セル２１の燃料極２１ｂに燃料ガスを供給するように形成されている。
【００３５】
１枚のセパレータ２２の内部において、空気用のガス流路２２ａと燃料ガス用のガス流路２２ａとは互いに流路が連結されていないため、空気用のガス流路２２ａを流れる空気と、燃料ガス用のガス流路２２ａを流れる燃料ガスとは、それぞれ混合することなく、固体酸化物形燃料電池セル２１の空気極２１ｃと燃料極２１ｂとにそれぞれ供給されることになる。
【００３６】
セパレータ２２の本体部２２ｂとしては、導電性材料からなるものを特に限定なく用いることができ、たとえば、ステンレスなどを用いることができる。また、セパレータ２２のガス流路２２ａは、たとえば、空洞などにより形成することができる。
【００３７】
なお、固体酸化物形燃料電池セル２１およびセパレータ２２は、それぞれ、たとえば、多角形の表面を有する板状、または円板状などにすることができる。
【００３８】
（温度測定ユニット）
図１に示すように、温度測定ユニット１２は、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成するそれぞれの固体酸化物形燃料電池セル２１の温度を測定するためのセル測定ユニットと、当該温度測定器で測定された温度の情報を制御ユニット１３に送信するための温度情報送信ユニットとを有している。
【００３９】
ここで、セル測定ユニットは、固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時に高温となる位置に配置された固体酸化物形燃料電池セル２１（高温セル）の温度を測定するための高温セル温度測定ユニットと、高温セル以外の固体酸化物形燃料電池セル２１（通常セル）の温度を測定するための通常セル温度測定ユニットとを有している。
【００４０】
なお、高温セルは、固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時に固体酸化物形燃料電池スタック１１の温度分布を制御しない場合に、他の固体酸化物形燃料電池セル２１よりも高温となる位置に配置された固体酸化物形燃料電池セル２１であればよく、通常セルは固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時に高温セルよりも低い温度となる位置に配置された固体酸化物形燃料電池セル２１であればよい。高温セルの数および通常セルの数は特に限定されず、それぞれ、単数であってもよく、複数であってもよい。また、たとえば、固体酸化物形燃料電池スタック１１に含まれる固体酸化物形燃料電池セル２１のうち、高温セル以外の固体酸化物形燃料電池セル２１のすべてを通常セルとすることができる。
【００４１】
（制御ユニット）
制御ユニット１３は、温度測定ユニット１２から送信されてきた温度情報を受信するための温度情報受信ユニットと、温度情報受信ユニットで受信した高温セルの温度と通常セルの温度とに基づいて固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度を算出して高温セルの温度と平均温度との差を計算するための計算ユニットと、計算ユニットによる計算に基づいて高温セルの温度と平均温度との差が０であるか否か、０でない場合には０未満であるか否かを判断する判断ユニットと、判断ユニットによる判断に基づいて追加ガス供給量調節ユニット１４を調節するための調節ユニットとを有している。
【００４２】
（追加ガス供給量調節ユニット）
追加ガス供給量調節ユニット１４は、空気供給ユニット１５と追加ガス供給ユニット１６との間に接続されており、制御ユニット１３の調節ユニットによって、空気供給ユニット１５から追加ガス供給量調節ユニット１４を通して追加ガス供給ユニット１６に供給される空気の量を調節することができる。
【００４３】
このような追加ガス供給量調節ユニット１４としては、たとえばマスフローコントローラなどを用いることができる。
【００４４】
（追加ガス供給ユニット）
追加ガス供給ユニット１６は、追加ガス供給量調節ユニット１４に接続されているとともに、固体酸化物形燃料電池スタック１１にも取り付けられている。
【００４５】
図５に、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる追加ガス供給ユニット１６の固体酸化物形燃料電池スタック１１への取り付けの一例を概念的に図示する構成図を示す。
【００４６】
ここで、追加ガス供給ユニット１６は、固体酸化物形燃料電池スタック１１の外部から高温セル２１ｄに空気を供給する高温セパレータ２２ｃの空気用のガス流路２２ａに空気を供給できるように高温セパレータ２２ｃに取り付けられている。これにより、高温セル２１ｄの空気極２１ｃには、高温セパレータ２２ｃの空気用のガス流路２２ａから通常の発電用の空気が供給されるととともに、追加ガス供給ユニット１６から追加された空気が供給されることになる。
【００４７】
なお、追加ガス供給ユニット１６としては、たとえば従来から公知の配管などを用いることができる。また、高温セパレータ２２ｃは、セパレータ２２のうち、高温セルの空気極２１ｃに空気を供給するためのガス流路２２ａを備えたセパレータである。
【００４８】
（運転方法）
以下、図６のフローチャートを参照して、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例について説明する。まず、ステップＳ１に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１１に通常の発電用のガス（空気、燃料ガス）を供給する。ここで、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成するそれぞれの固体酸化物形燃料電池セル２１の燃料極２１ｂには燃料ガスが供給され、空気極２１ｃには空気が供給されることになる。これにより、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する個々の固体酸化物形燃料電池セル２１で発電が行なわれ、固体酸化物形燃料電池スタック１１全体の発電が行なわれることになる。なお、本明細書において、燃料ガスとしては、たとえば、燃料電池の技術分野において従来から用いられている燃料ガス（たとえば、改質によって水素ガスを生成することが可能な炭化水素系ガス、または水素ガスを含むガスなど）を用いることができる。
【００４９】
次に、ステップＳ２に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度を算出する。ここで、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度は、たとえば以下のようにして算出することができる。
【００５０】
まず、温度測定ユニット１２の高温セル温度測定ユニットによって高温セルの温度を測定するとともに、温度測定ユニット１２の通常セル温度測定ユニットによって通常セルの温度を測定する。
【００５１】
次に、温度測定ユニット１２の温度情報送信ユニットから制御ユニット１３の温度情報受信ユニットに高温セルおよび通常セルの温度情報がそれぞれ送信される。
【００５２】
次に、制御ユニット１３の温度情報受信ユニットで受信された温度情報に基づいて、制御ユニット１３の計算ユニットが、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度を算出する。平均温度は、たとえば、以下の式（１）によって算出することができる。
（固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度）＝｛（高温セルの枚数）×（高温セルの温度）＋（通常セルの枚数）×（通常セルの温度）｝／｛（高温セルの枚数）＋（通常セルの枚数）｝  …（１）
次に、ステップＳ３に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の高温セルの温度を温度測定ユニット１２によって測定する。ここで、温度測定ユニット１２によって測定された高温セルの温度情報もまた、温度測定ユニット１２の温度情報送信ユニットから制御ユニット１３の温度情報受信ユニットに送信される。
【００５３】
次に、ステップＳ４に示すように、制御ユニット１３の計算ユニットが、上記の高温セルの温度と、上記の平均温度との差を算出する。ここで、高温セルの温度と平均温度との差は、たとえば、高温セルの温度から平均温度を差し引くことによって算出することができる。
【００５４】
次に、ステップＳ５に示すように、計算ユニットによって計算された高温セルの温度と平均温度との差が０であると制御ユニット１３の判断ユニットが判断した場合には、ステップＳ２に戻って計算ユニットが平均温度の算出を再度行なう。
【００５５】
一方、ステップＳ５において、高温セルの温度と平均温度との差が０でないと制御ユニット１３の判断ユニットが判断した場合には、ステップＳ６に示すように、制御ユニット１３の判断ユニットは、高温セルの温度と平均温度との差が０未満であるかどうかを判断する。
【００５６】
ここで、ステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０未満であると判断した場合には、ステップＳ７に示すように、判断ユニットは調節ユニットを駆動して追加ガス供給量調節ユニット１４を調節することによって、空気供給ユニット１５から追加ガス供給ユニット１６に供給される空気の供給量を減少させる。
【００５７】
一方、ステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０未満であると判断しなかった場合には、ステップＳ８に示すように、判断ユニットは調節ユニットを駆動して追加ガス供給量調節ユニット１４を調節することによって、空気供給ユニット１５から追加ガス供給ユニット１６に供給される空気の供給量を増加させる。
【００５８】
上記の空気の供給量の調節後には、ステップＳ２に戻って、制御ユニット１３の計算ユニットが平均温度の算出を行なう。
【００５９】
このように、本実施の形態においては、高温セルの温度が固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度よりも高い場合には、追加ガス供給ユニット１６に供給される空気量を増加させる。これにより、固体酸化物形燃料電池スタック１１の高温セルに空気を供給する高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量が増加するため、高温セルの温度が低下する。
【００６０】
すなわち、固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時における固体酸化物形燃料電池セル２１の温度はたとえば７００℃〜８００℃程度であり、空気の温度はたとえば２５℃程度であることから、高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量が増加することによって、高温セパレータ２２ｃに接触する高温セルの温度が低下する。
【００６１】
一方、高温セルの温度が固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度よりも低い場合には、追加ガス供給ユニット１６に供給される空気量を減少させる。これにより、固体酸化物形燃料電池スタック１１の高温セルに空気を供給する高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量が減少するため、高温セルの温度が上昇する。
【００６２】
すなわち、固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時における固体酸化物形燃料電池セル２１の温度はたとえば７００℃〜８００℃程度であり、空気の温度はたとえば２５℃程度であることから、高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量が減少することによって、高温セパレータ２２ｃに接触する高温セルの温度が上昇する。
【００６３】
以上のように、高温セルに接触する高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量を調節することによって、たとえば図７に示す温度差△Ｔ１のように、従来の図１２に示す温度差△Ｔ０（５０℃〜１００℃）よりも高温セルと通常セルとの間の温度差を小さく維持することができる。
【００６４】
これにより、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの運転方法によれば、固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時における固体酸化物形燃料電池セル２１間の温度差を低減することができるとともに、従来とは異なって放熱体を用いていないことから、セパレータ２２の反りに起因する固体酸化物形太陽電池セル２１の割れの発生を抑制することができるため、固体酸化物形燃料電池スタック１１の性能を向上することができる。
【００６５】
なお、図７の縦軸は、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における位置を示しており、図７の縦軸の上方向に進行するにつれて実施の形態１の固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における位置が高くなることを示している。また、図７の横軸は、運転時における実施の形態１の固体酸化物形燃料電池スタックの温度（℃）を示しており、図７の横軸の右方向に進行するにつれて実施の形態１の固体酸化物形燃料電池スタックの温度が高くなることを示している。
【００６６】
また、上記のステップＳ６においては、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０未満であるか否かを判断したが、高温セルの温度と平均温度との差が０よりも大きいか否かを判断してもよい。この場合に、上記のステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０よりも大きいと判断した場合には、上記のステップＳ７において、高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量を増加させることによって高温セルの温度を低下させる。また、上記のステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０よりも大きいと判断しなかった場合には、上記のステップＳ７において、高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量を減少させることによって高温セルの温度を上昇させる。
【００６７】
＜実施の形態２＞
（固体酸化物形燃料電池システム）
図８に、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの他の一例である実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムの模式的な構成図を示す。実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムは、追加燃料ガス供給量調節ユニット４４と、燃料ガス供給ユニット４５と、追加燃料ガス供給ユニット５３とを備えている点に特徴がある。また、固体酸化物形燃料電池スタック１１がシールレススタック構造を有している点にも特徴がある。
【００６８】
（追加燃料ガス供給量調節ユニット）
追加燃料ガス供給量調節ユニット４４は、燃料ガス供給ユニット４５と追加燃料ガス供給ユニット５３との間に接続されており、制御ユニット１３の調節ユニットによって燃料ガス供給ユニット４５から追加燃料ガス供給量調節ユニット４４を通して追加燃料ガス供給ユニット５３に供給される燃料ガスの量を調節することができる。
【００６９】
このような追加燃料ガス供給量調節ユニット４４としては、たとえばマスフローコントローラなどを用いることができる。
【００７０】
（追加燃料ガス供給ユニット）
追加燃料ガス供給ユニット５３は、追加燃料ガス供給量調節ユニット４４に接続されているとともに、固体酸化物形燃料電池スタック１１にも取り付けられている。
【００７１】
図９に、実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる追加燃料ガス供給ユニット５３の固体酸化物形燃料電池スタック１１への取り付けの一例を概念的に図示する構成図を示す。
【００７２】
ここで、追加燃料ガス供給ユニット５３は、固体酸化物形燃料電池スタック１１の外部から高温セル２１ｄに燃料ガスを供給する第２の高温セパレータ２２ｄの燃料ガス用のガス流路２２ａに燃料ガスを供給できるように高温セパレータ２２ｄに取り付けられている。これにより、高温セル２１ｄの燃料極２１ｂには、第２の高温セパレータ２２ｄの燃料ガス用のガス流路２２ａから通常の発電用の燃料ガスが供給されるととともに、追加燃料ガス供給ユニット５３から追加された燃料ガスが供給されることになる。
【００７３】
なお、追加燃料ガス供給ユニット５３としては、たとえば従来から公知の配管などを用いることができる。また、第２の高温セパレータ２２ｄは、セパレータ２２のうち、高温セルの燃料極２１ｂに燃料ガスを供給するためのガス流路２２ａを備えたセパレータである。
【００７４】
（運転方法）
以下、図１０のフローチャートを参照して、実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例について説明する。まず、ステップＳ１に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１１に通常の発電用のガス（空気、燃料ガス）を供給する。
【００７５】
次に、ステップＳ２に示すように、制御ユニット１３の計算ユニットが、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度を算出する。
【００７６】
次に、ステップＳ３に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の高温セルの温度を温度測定ユニット１２によって測定する。
【００７７】
次に、ステップＳ４に示すように、制御ユニット１３の計算ユニットが、上記の高温セルの温度と、上記の平均温度との差を算出する。ここで、高温セルの温度と平均温度との差は、たとえば、高温セルの温度から平均温度を差し引くことによって算出することができる。
【００７８】
次に、ステップＳ５に示すように、計算ユニットによって計算された高温セルの温度と平均温度との差が０であると制御ユニット１３の判断ユニットが判断した場合には、ステップＳ２に戻って計算ユニットが平均温度の算出を再度行なう。
【００７９】
一方、ステップＳ５において、高温セルの温度と平均温度との差が０でないと制御ユニット１３の判断ユニットが判断した場合には、ステップＳ６に示すように、制御ユニット１３の判断ユニットは、高温セルの温度と平均温度との差が０未満であるかどうかを判断する。ここまでのステップは実施の形態１と同様である。
【００８０】
そして、ステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０未満であると判断した場合には、ステップＳ７ａに示すように、判断ユニットは、調節ユニットを駆動して追加ガス供給量調節ユニット１４を調節することによって、空気供給ユニット１５から追加ガス供給ユニット１６に供給される空気の供給量を減少させるとともに、追加燃料ガス供給量調節ユニット４４を調節することによって、燃料ガス供給ユニット４５から追加燃料ガス供給ユニット５３に供給される燃料ガスの供給量を増加させる。
【００８１】
一方、ステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０未満であると判断しなかった場合には、ステップＳ８ａに示すように、判断ユニットは、調節ユニットを駆動して追加ガス供給量調節ユニット１４を調節することによって、空気供給ユニット１５から追加ガス供給ユニット１６に供給される空気の供給量を増加させるとともに、追加燃料ガス供給量調節ユニット４４を調節することによって、燃料ガス供給ユニット４５から追加燃料ガス供給ユニット５３に供給される燃料ガスの供給量を減少させる。
【００８２】
上記の空気および燃料ガスの供給量の調節後には、ステップＳ２に戻って、制御ユニット１３の計算ユニットが、固体酸化物形燃料電池スタック１１を構成する固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度の算出を行なう。
【００８３】
このように、本実施の形態においては、高温セルの温度が固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度よりも高い場合には、固体酸化物形燃料電池スタック１１の高温セルに空気を供給する高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量が増加するとともに、高温セルに燃料ガスを供給する第２の高温セパレータ２２ｄのガス流路２２ａに流れる燃料ガス量が減少するため、高温セルの温度が低下する。
【００８４】
一方、高温セルの温度が固体酸化物形燃料電池セル２１の平均温度よりも低い場合には、追加ガス供給ユニット１６に供給される空気量を減少させる。これにより、固体酸化物形燃料電池スタック１１の高温セルに空気を供給する高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量が減少するため、高温セルの温度が上昇する。
【００８５】
なお、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタック１１はシールレススタック構造を有していることから、発電に寄与しない残余の燃料ガスは、高温セルの外周部において、発電に寄与しない残余の空気と混合して燃焼する。そのため、第２の高温セパレータ２２ｄのガス流路２２ａに流れる燃料ガス量を減少させることによって、高温セルの温度を低下させることができる。また、第２の高温セパレータ２２ｄのガス流路２２ａに流れる燃料ガス量を増加させることによって、高温セルの温度を上昇させることができる。
【００８６】
以上のように、実施の形態２の固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの運転方法によれば、空気の供給量の調節だけでなく、燃料ガスの供給量の調節によっても固体酸化物形燃料電池スタック１１の発電時における固体酸化物形燃料電池セル２１間の温度差を小さくしているため、実施の形態１の場合よりも効率的に固体酸化物形燃料電池スタック１１の性能を向上することができる。
【００８７】
また、本実施の形態においても、上記のステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットは高温セルの温度と平均温度との差が０未満であるか否かを判断したが、高温セルの温度と平均温度との差が０よりも大きいか否かを判断してもよい。この場合に、上記のステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０よりも大きいと判断した場合には、上記のステップＳ７において、高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量を増加させるとともに第２の高温セパレータ２２ｄのガス流路２２ａに流れる燃料ガス量を減少させることによって高温セルの温度を低下させる。また、上記のステップＳ６において、制御ユニット１３の判断ユニットが高温セルの温度と平均温度との差が０よりも大きいと判断しなかった場合には、上記のステップＳ７において、高温セパレータ２２ｃのガス流路２２ａに流れる空気量を減少させるとともに第２の高温セパレータ２２ｄのガス流路２２ａに流れる燃料ガス量を増加させることによって高温セルの温度を上昇させる。
【００８８】
なお、実施の形態２における上記以外の説明は実施の形態１と同様であるため、ここではその説明については省略する。
【００８９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタックを用いた固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの運転方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１１  固体酸化物形燃料電池スタック、１２  温度測定ユニット、１３  制御ユニット、１４  追加ガス供給量調節ユニット、１５  空気供給ユニット、１６  追加ガス供給ユニット、２１  固体酸化物形燃料電池セル、２１ａ  電解質、２１ｂ  燃料極、２１ｃ  空気極、２１ｄ  高温セル、２２  セパレータ、２２ａ  ガス流路、２２ｂ  本体部、２２ｃ  高温セパレータ、２２ｄ  第２の高温セパレータ、２３  枠体、４４  追加燃料ガス供給量調節ユニット、４５  燃料ガス供給ユニット、５３  追加燃料ガス供給ユニット、１００，２００  固体酸化物形燃料電池セル積層体、１０１  固体酸化物形燃料電池セル、１０２  セパレータ、３００  放熱体、３００ａ  上側導電性部材、３００ｂ  下側導電性部材、３００ｃ  柱状導電性部材、４００  枠体。
【図１】
2012212586.tif 000003
【図２】
2012212586.tif 000004
【図３】
2012212586.tif 000005
【図４】
2012212586.tif 000006
【図５】
2012212586.tif 000007
【図６】
2012212586.tif 000008
【図７】
2012212586.tif 000009
【図８】
2012212586.tif 000010
【図９】
2012212586.tif 000011
【図１０】
2012212586.tif 000012
【図１１】
2012212586.tif 000013
【図１２】
2012212586.tif 000014