(57)【要約】【課題】セル温度の安定化によりシステムの耐久性と発電性能の維持を可能とすることで、システムの固定費と運用費を大幅に低減できる固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転制御方法を提供する。【解決手段】自身の排ガスを利用して予め改質器６で改質された燃料８を受けて発電するセル１０若しくはセル集合体である燃料電池９と、燃料電池入口空気に投入する冷却用空気Ａと改質器入口排ガスに投入する冷却用空気Ｂの流量を操作量とする制御装置３００とを有し、この制御装置は、セル温度Ｔｃに応じて冷却用空気Ａの流量を調整し、改質器出口燃料温度ＴＦに応じて冷却用空気Ｂの流量を調整するとともに、セル温度の変動量に応じて改質器出口燃料温度を補正する。【選択図】図１
2009238623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用した改質器と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用して前記燃料電池へ供給する主空気を予熱する空気予熱器を備えた固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池のセルの温度またはその変動の計測，推定または予測に基づいて前記主空気の供給温度を調整するセル温度制御手段と、前記改質器の温度またはその変動の計測，推定または予測に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御手段と、前記セル温度制御手段における制御量に関連して前記改質温度制御手段に作用する改質温度補正手段とを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項２】
セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用した改質器と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用して前記燃料電池へ供給する主空気を予熱する空気予熱器と、前記改質器に供給する燃料の流量および前記空気予熱器に供給する主空気の流量を調整する制御装置とを有する燃料電池発電システムであって、前記制御装置は、目標出力指令値を発生する目標出力設定手段と、前記目標出力指令値に基づいて前記改質器に供給する燃料流量を決定する燃料流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて前記空気予熱器に供給する主空気流量を決定する空気流量指令手段を有する固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池のセルの温度またはその変動の計測，推定または予測に基づいて前記空気予熱器の出口空気（主空気）に添加する冷却用空気の流量を調整するセル温度制御手段と、前記改質器の温度またはその変動の計測，推定または予測に基づいて前記改質器の入口排ガスに添加する冷却用空気の流量を調整する改質温度制御手段と、前記セル温度制御手段における調整量に関連して前記改質温度制御手段に作用する改質温度補正手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記燃料電池からの排ガスは、前記空気予熱器を通った後で前記改質器を通るように構成されたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記主空気の供給温度を調整する空気温度調整手段として、前記空気予熱器の出口空気（主空気）に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整手段と、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する空気流量制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記改質温度補正手段は、前記セルの温度またはその変動の計測，推定または予測温度が高いときは前記改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セルの温度またはその変動の計測，推定または予測温度が低いときは改質温度目標を上げることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記セル温度制御手段および／または前記改質温度制御手段は、目標値と帰還値の偏差を入力する比例積分微分演算手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記セル温度制御手段および／または前記改質温度制御手段は、目標値と帰還値の偏差を入力する比例演算手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項８】
セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用して前記燃料電池へ供給する主空気を予熱する空気予熱器と、前記燃料電池から前記空気予熱器を通った後の排ガスの熱エネルギーを利用した改質器を備えた固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池のセルの温度またはその変動の計測，推定または予測するセル温度判定手段と、前記セル温度の判定に基づいて前記空気予熱器の出口空気（主空気）に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整手段と、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する空気流量を制御する主空気流量制御手段と、前記改質器の出口燃料温度を測定する燃料温度測定手段と、前記燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御手段と、前記セル温度判定手段での判定に基づいて、セル温度が高いときは前記改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セル温度が低いときは改質温度目標を上げるように補正する改質温度補正手段とを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項９】
セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用した改質器と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用して前記燃料電池へ供給する主空気を予熱する空気予熱器を備えた固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法において、
前記燃料電池のセルの温度またはその変動を計測，推定または予測するセル温度判定ステップと、前記セル温度の判定に基づいて前記主空気の供給温度を調整するセル温度制御ステップと、前記改質器の出口燃料温度を測定する燃料温度測定ステップと、前記改質器出口燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御ステップと、前記セル温度制御ステップにおける制御量に関連して前記改質温度制御ステップによる制御量を補正する改質温度補正ステップとを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法。
【請求項１０】
セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用して前記燃料電池へ供給する主空気を予熱する空気予熱器と、前記燃料電池から前記空気予熱器を通った後の排ガスの熱エネルギーを利用した改質器を備えた固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法において、
前記燃料電池のセルの温度またはその変動を計測，推定または予測するセル温度判定ステップと、前記セル温度の判定に基づいて前記空気予熱器の出口空気（主空気）に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整ステップと、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する主空気流量制御ステップと、前記改質器の出口燃料温度を測定する燃料温度測定ステップと、前記燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御ステップと、前記セル温度判定ステップでの判定に基づいて、セル温度が高いときは前記改質温度制御ステップにおける改質温度目標を下げ、セル温度が低いときは改質温度目標を上げるように補正する改質温度補正ステップとを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法。
【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およびその運転制御方法に係り、特に排ガスエネルギーを利用した改質器を有するシステムの高効率発電特性の維持を可能にする固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンで高効率な分散電源の一つとして燃料電池発電システムが注目されている。なかでも、高温作動可能な固体酸化物形燃料電池発電システムは業務用から産業用など適用範囲が広く、将来の電源、あるいは電熱併給システムとして多分野で期待されている。しかしながら、このような適用分野においては一般に出力変動が激しく、システムに対して高頻度（数１０回〜数１００回／月）、且つ大幅な出力変更（定格出力の２０〜５０％幅）が要求される。このような固体酸化物形燃料電池発電システムは通常、９００℃前後の高温で作動する多数のセルが集合体（モジュール）として使用される。そのため、上記のように出力変更される場合においても、システムの耐久性を維持する上でセル温度を安定に保つことは極めて重要な課題となっている。また、これはセル性能を高く維持するためにも重要である。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料電池のセルにおけるカソード側に供給された空気中の酸素がイオン化され電解質を透過してアノードに達し、アノード側に供給された水素と反応することで起電力を発生する仕組みを利用したものである。この場合、アノードに直接水素を供給しても良いが、通常、都市ガス、ＬＮＧ、灯油など炭化水素系燃料に蒸気を混合した原料を予め改質器に通すことで水素リッチな改質ガスに転換し、これを燃料として使用する方法が一般的である。出力変動時はセル自身の発熱量が変動するのみでなく、アノードから排出される未反応燃料ガスの燃焼エネルギーも変動する。通常、上記改質器はこの熱エネルギーを使用するため、システム全体としては複雑な温度変動を呈する。
【０００４】
また、カソード側に供給する空気も空気予熱器により上記燃焼エネルギーの一部を利用して予熱されるため、出力変動は空気温度にも影響する。
【０００５】
また、固体酸化物形燃料電池においては、セル内部での改質能力も有するが、改質反応は吸熱を伴うため、セル温度をある程度高く保つために、予め前記の改質器により改質を進めておく方法が一般的に採用されている。通常、改質器での改質率は５０％前後で運転される。しかしながら、システムの温度変動により改質器温度が変動すると、この改質率も変動し、セル温度も変動させるという現象が発生する。例えば、改質率が上昇すると、セルに供給された燃料の改質による吸熱量が減るため、セル温度が上昇する。この逆もあり得る。したがって、過度の改質率変動はセルの過熱や温度低下により耐久性や発電性能が低下するという問題を引き起す。
【０００６】
以上、述べたように、システムの温度変動は出力変動時に起き易く、種々の問題を引き起す要因となるため、温度安定化は運転制御上、最も重要な課題のひとつとされている。
【０００７】
固体酸化物形燃料電池発電システムの制御方法に係わる、第１の従来例として、特許文献１に記載された方法がある。本方法は、セル温度の安定化を目的として、計測した電流値に基づいてカソードに供給する空気の温度を調整することで間接的にセル温度を制御する方法が採られている。
【０００８】
また、第２の従来例として、特許文献２に記載された方法がある。本方法は、セル温度の安定化を目的として、計測したセル温度に基づいてカソードに供給する空気流量若しくは空気温度を調整する方法が採られている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３４９２１４号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の方法では、電流値、空気温度からセル温度を望ましい値に維持できるとしているが、セルとこれを支持する構造材は大きな熱容量をもつため必ずしもセル温度を安定に制御できるとは限らない。
【００１１】
また、特許文献２の方法では、排ガスによる空気予熱器の上流に位置する空気加熱による空気温度調整若しくは空気供給装置による空気流量調整によりセル温度を望ましい値に維持できるとしている。しかし、排ガスエネルギーを利用した改質器を有するシステムに適用した場合のセル温度安定化を保証することはできない。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、排ガスエネルギーを利用した改質器を有するシステムにおけるセル温度の安定化を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明はその一面において、燃料電池のセル温度またはその変動の計測，推定または予測に基づいて主空気の供給温度を調整するセル温度制御と、改質温度またはその変動の計測，推定または予測に基づいて改質器の作動温度を制御する改質温度制御を行い、前記セル温度制御における制御量に関連して前記改質温度制御に作用する改質温度の補正を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明の望ましい実施態様においては、燃料電池からの排ガスは、空気予熱器を通った後で改質器を通るように構成され、空気予熱器の出口空気（主空気）に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整手段と、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて空気予熱器に供給する主空気流量制御手段を備えている。
【００１５】
また、本発明の望ましい実施態様においては、セルの温度またはその変動の計測，推定または予測温度が高いときは改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セルの温度またはその変動の計測，推定または予測温度が低いときは改質温度目標を上げるように構成される。
【００１６】
本発明の具体的な実施形態においては、燃料電池のセルの温度またはその変動を計測，推定または予測し、前記セル温度の判定に基づいて空気予熱器の出口空気（主空気）に添加する冷却用空気の流量を調整し、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する空気流量を制御し、記改質器の出口燃料温度を測定し、前記燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御し、前記セル温度の判定に基づいて、セル温度が高いときは前記改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セル温度が低いときは改質温度目標を上げるように改質温度を補正する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の望ましい実施態様によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムのセル温度を安定化できるためシステムの耐久性を向上させ、発電性能を長期間維持することが可能となる。そのため、システムの固定費と運用費を大幅に低減することができる。
【００１８】
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
最初に、図１を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムの構成について説明する。なお、燃料電池のセル構造としては、主として円筒型と平板型が提案されているが、両者とも基本的な動作原理は同じであり、以下の実施形態では、円筒型を例にして説明する。また、以下では簡単のため固体酸化物形燃料電池発電システムを単に燃料電池発電システムと呼ぶ。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池発電システムの機能を説明する全体構成図である。最初に、本実施形態の燃料電池発電システムのうち、制御装置２００を除く破線で示す燃料電池機器本体１００の働きについて説明する。
【００２１】
まず、燃料１である都市ガス若しくは灯油（以下、単に燃料と呼ぶ）は燃料流量調整弁１６により改質器６に送られるが、改質器６に投入される前に蒸発器４で発生した蒸気と合流する。この蒸気は給水ポンプ１７により給水３が蒸発器４に送られて蒸発したものである。この燃料と蒸気は改質器６にて水素リッチで高温の改質ガス８に転換され燃料電池９のアノード側に送入される。一方、空気ブロア１８により大気から取り込まれた空気２は空気予熱器７にて予熱される。予熱された空気は後述の冷却用空気Ａが添加されたのち燃料電池９の空気ヘッダ１２に供給される。
【００２２】
本実施例の燃料電池９は、複数の円筒型セル１０で構成され、セルの外側がアノード、内側がカソードになっている。改質ガス８は燃料電池９の下方から送入されアノードに沿って上昇し、上部の燃焼室１１に排出される。また、空気ヘッダ１２に送入された空気は複数に分流し、各セルの内部に配置された円筒状の空気導入管１３の内部で予熱されながら下降し、下端部を出たのちセル内側のカソードに沿って上昇し、上記燃焼室１１に抜ける。燃焼室１１に抜けた空気は、ここでアノードを通過した残存燃料ガスの燃焼に寄与する。
【００２３】
上記アノードとカソードの間には解質膜があり、カソード側を通過する空気中の酸素は解質膜の働きでイオン化され電解質を透過してアノードに達し、アノードに供給される改質ガス８に含まれる水素または一酸化炭素と反応することで起電力を発生する。発生した直流電力ＬＣは電力変換器１４により交流電力ＬＡに変換され、負荷１５に供給される。尚、本図では明示していないが、通常、複数のセルは並列接続と直列接続の組合せで必要な電圧と電流を得ることができるように構成されている。したがって、端子電圧は直列接続セル数に依存し、端子電流は並列接続セル数に依存する。
【００２４】
負荷１５が直流電力を要求するものであれば、電力変換器１４としては直流から交流への変換機能は不要であるが、端子電圧ＶＣは出力により変化するため、電圧変換機能が必要となる。また、負荷に供給する出力電力ＬＡは電力変換器１４における変換損失だけ端子電力ＬＣよりも小さくなる。
【００２５】
燃料１、給水３及び空気２の各流量は、それぞれ燃料流量調整弁１６の開度、給水ポンプ１７及び空気ブロア１８の速度により調整される。改質ガス８はセル間を通過しながら発電に寄与することで燃料濃度が低下するが、ある程度の燃料は残存する。
【００２６】
燃焼室１１に排出された空気もある程度の酸素が残存するので、残存燃料と空気は燃焼により再び高温ガスとなり、この高温ガスは空気ヘッダ１２に供給された空気を加熱する。燃焼室１１から排出された高温排ガスは、前述の空気予熱器７に送られる。この空気予熱器７において、高温排ガスのエネルギーにより前記空気が予熱され、空気ヘッダ１２に送入される。さらに、空気予熱器７からの排出ガスも後述の冷却用空気Ｂが添加されたのち前述の改質器６に導かれて燃料の改質と、前述の蒸発器での給水蒸発に利用されたのち、排ガスブロア２０によりシステム外に排出される。
【００２７】
上記の冷却用空気Ａは空気ブロア２２により主空気に添加され、冷却用空気Ｂは空気ブロア２４により空気予熱器出口すなわち改質器６の入口で排ガスに添加される。
【００２８】
次に、本発明の実施形態における制御装置２００の働きについて説明する。図１の二点鎖線で囲んだ制御装置２００において、太線で示す制御要素が本発明の実施形態に係るもので、細線で示す制御要素は従来システムと共通するものである。但し、ここでは制御装置の働きを理解し易くするために制御構成部１００と２００をブロックで分割して示したが、実際には、燃料電池機器本体１００と同一パッケージ内、若しくはその傍等に配置されたコントローラで実現されている。
【００２９】
まず、従来要素の働きについて説明する。制御装置２００において目標出力設定手段２６から目標出力指令値ＬＲ０が発せられると、この目標出力指令値ＬＲ０に対応して空気流量指令手段２９では空気流量指令値ＦＡＲ０、燃料流量指令手段２８では燃料流量指令値ＦＦＲ、給水流量指令手段３０では給水流量指令値ＦＷＲが出力される。これら３つの指令値ＦＡＲ０、ＦＦＲ、ＦＷＲは、静特性的に設計条件に合致するバランス条件であり、定常運転時に出力ＬＲ０を得るのに必要な値である。尚、空気流量指令値ＦＡＲ０については冷却用空気Ａが添加されても総合空気流量に影響しないよう、前記冷却用空気Ａ流量指令値ＦＣＡＲだけ差引かれて実際の主空気流量指令値ＦＡＲとする。これらの指令値ＦＡＲ、ＦＦＲ、ＦＷＲは、それぞれ、空気ブロア１８、燃料流量調整弁１６、及び給水ポンプ１７の各流量制御装置（図示しない）に渡され、指令値を満足するよう制御される。
【００３０】
本発明の一実施形態によるセル温度安定化制御手段３００では、セル温度検出器２５にて計測されたセル温度ＴＣと、温度計２３にて検出された改質器出口燃料温度ＴＦを取り込む。そして、このセル温度ＴＣと改質器出口燃料温度ＴＦに応じて、冷却用空気Ａ流量指令値ＦＣＡＲと、冷却用空気Ｂ流量指令値ＦＣＢＲが出力される。ここで、温度計２５の設置は、セルの軸方向で最も温度が高くなる位置に設置するのが望ましく、この正確な設置はシステムの設計条件により適宜決定すればよい。本実施例では、最も温度が高なりやすい中部に設置した。また、温度計２３の設置は、できるだけ改質ガス温度に近い温度を計測できる位置に設置するのが望ましく、この場合の設置位置もシステムの設計条件により適宜決定すればよい。本実施例では、改質器出口部に設置した。
【００３１】
図２は、本発明の一実施形態によるセル温度安定化制御手段３００を具体的に示すものである。本セル温度安定化制御手段３００は、さらにセル温度制御手段３２０、改質温度制御手段３４０及び改質温度補正手段３６０の３つの制御手段で構成されている。以下、これらの働きについて順を追って説明する。
【００３２】
セル温度制御手段３２０においては、まず、予め設定された基準セル温度ＴＣＲに対して、減算手段３２ａでは前述の温度計２５で検出されたセル温度ＴＣとの偏差ΔＴＣを求める。次に、比例積分微分演算手段３３ａにより、前記偏差ΔＴＣを比例積分微分演算（ＰＩＤ演算）し、その演算結果として前記の冷却用空気Ａ流量指令値ＦＣＡＲを得る。このようにして、セル温度ＴＣは、設定値である基準セル温度ＴＣＲに一致するよう制御される。
【００３３】
改質温度制御手段３４０においては、まず、予め設定された基準改質器出口燃料温度ＴＦＲに対して、加算手段３２ｃでは後述する改質温度補正手段３６０から算出される改質温度補正値ΔＴＦＭを加算して補正後改質器出口燃料温度設定値ＴＦＭを求める。この補正後改質器出口燃料温度設定値ＴＦＭに対して、減算手段３２ｂでは、前述の温度計２３で検出された改質器出口燃料温度ＴＦとの偏差ΔＴＦを求める。次に、比例積分微分演算手段３３ｂにより前記偏差ΔＴＦを比例積分微分演算（ＰＩＤ演算）し、その演算結果として前記の冷却用空気Ｂ流量指令値ＦＣＢＲを得る。このようにして、改質器出口燃料温度ＴＦは設定値である基準改質器出口燃料温度ＴＦＲに、改質温度補正値ΔＴＦＭを加算した温度ＴＦＭ（＝ＴＦＲ＋ΔＴＦＭ）に一致するよう制御される。
【００３４】
改質温度補正手段３６０においては、前記セル温度制御手段３２０の減算手段３２ａで算出された偏差ΔＴＣに対して、乗算手段３５ｃで補正ゲインＫＣを掛けることで、上記改質温度補正値ΔＴＦＭを得る。即ち、本改質温度補正手段３６０は、セル温度制御手段３２０の制御量である前記偏差ΔＴＣのＫＣ倍に相当する改質温度補正値ΔＴＦＭをもって、改質出口燃料温度ＴＦを補正する働きをする。例えば、セル温度が上昇してその偏差ΔＴＣが２℃となった場合は、ＫＣ＝−５とすれば、改質温度補正値ＴＦＭは、−１０℃となり、改質器出口燃料温度ＴＦは基準改質器出口燃料温度ＴＦＲよりも１０℃だけ低い値に制御される。ここで、補正ゲインＫＣを負値とする理由は、セル温度が上昇した場合は改質器出口燃料温度を下げることで改質率が低下した燃料をセルに送り込み、セル内部での改質反応に伴う吸熱量を増加させて、セル温度の上昇を抑えるためである。
【００３５】
ここで、比例積分微分演算手段３３ａ及び３３ｂにおけるＫＰ１及びＫＰ２は比例ゲイン、ＫＩ１及びＫＩ２は積分ゲイン、ＫＤ１及びＫＤ２は微分ゲインを表わしている。
【００３６】
次に、図３〜９を用いて、セル温度ＴＣが前記基準セル温度ＴＣＲに対して上昇傾向を示した場合の上記セル温度安定化制御手段３００によるセル温度安定化の効果を説明する。
【００３７】
まず、図３に示す冷却用空気Ａによるセル温度制御手段３２０のみを使用した場合のプロセス動特性を図４に示す。本図４では、セルの上部、中部、下部の３点に着目した軸方向温度と改質器出口燃料温度ＴＦの時間応答を示す。本実施形態では、セル温度ＴＣとしてセル中部の温度を使用する。本図から分かるように、セル温度ＴＣが上昇傾向を示すと冷却空気Ａ流量が増加して、セル上部から冷却効果が現れ中部セル温度も一旦安定化するかに見えるが、その後、再び上昇傾向を示している。この現象は次のように説明できる。まず、セル温度ＴＣが上昇すると冷却用空気Ａ流量ＦＣＡが増加し始めるが、前述のようにこの増加分に相当する主空気流量ＦＡを削減されるため、空気予熱器７での熱吸収量が低下し、空気予熱器７の排ガス温度（改質器６の入口排ガス温度）が上昇する。その結果、改質器６による燃料ガスの改質率が上昇し、セル内部改質による吸熱量が減少してセル温度上昇を助長する。セル温度がさらに上昇すると空気ブロア２２の容量限界に達し、セル温度は更に上昇する。即ち、冷却空気Ａの増加によるセルの冷却効果よりも、改質率上昇による吸熱量低下の影響が大きいためセル温度上昇の抑制が困難となっている。しかも、軸方向温度差（中部温度−上部温度）も拡大し、セル耐久性維持の観点からも好ましい現象とはいえない。
【００３８】
図５に示す冷却用空気Ｂによる改質温度制御手段３４０のみを使用した場合のプロセス動特性を図６に示す。本図から分かるように、セル温度が上昇しても改質器出口燃料温度ＴＦはかなり遅れて上昇傾向を示すため、改質温度制御が利く前にセル温度が大幅に上昇している。やがて、改質温度制御の効果がでて改質器出口燃料温度ＴＦが基準値（設定値）に整定するが、セル温度は非制御のため必ずしも基準値（設定値）に整定するとは限らない。即ち、大きなオフセットが残る可能性がある。また、セル温度制御手段３２０が作動していないため、大きな冷却用空気Ｂ流量が必要となる。
【００３９】
図７に示す冷却用空気Ａによるセル温度制御手段３２０と、冷却用空気Ｂによる改質温度制御手段３４０の両者を使用した場合のプロセス動特性を図８に示す。この場合は、図８から分かるように、冷却用空気Ａによるセル上部の冷却と冷却用空気Ｂによるセル下部の冷却が相乗効果となり、大幅なセル温度を回避できている。しかしながら、図６の場合と同様に改質温度制御手段３４０による制御効果が現れるのが遅いため、セル下部温度の上昇幅がセル上部のそれと比較して、なお大きい。また、冷却用空気Ａ、Ｂとも大きな流量が必要となる。
【００４０】
本発明の望ましい一実施例により、図２に示したように、冷却用空気Ａによるセル温度制御手段３２０と冷却用空気Ｂによる改質温度制御手段３４０の両者を使用するとともに、改質温度補正手段３６０を動作させた場合は、図９に示すプロセス動特性となる。
【００４１】
この場合は、改質温度補正手段３６０の長所が活かされている。即ち、セル温度が上がり始めると同時に、改質温度補正が過渡的に働いて冷却用空気Ｂが速やかに投入されている。そのため、改質器の冷却効果がいち早く現れて改質器出口燃料温度ＴＦが低下し始めるため、セル下部温度の上昇を効果的に抑えている。
【００４２】
以上により、セル温度は格段に安定化し、オフセットを残すことも無く、速やかに設定値に整定している。また、セル温度が設定値に整定するにつれ、改質温度補正値ΔＴＦＭも“零”に近づくため改質器出口燃料温度ＴＦも設定値に整定している。さらに、過渡時において、多量の冷却用空気を投入することなくセル温度は安定化している。
【００４３】
このように、本発明の望ましい一実施形態によると、固体酸化物形燃料電池発電システムのセル温度を安定化できるため、システムの耐久性と、発電性能の維持が可能となる。また、冷却用空気も少量で済むため、空気ブロアも小型化できる。そのため、システムの固定費と運用費を大幅に低減することが可能となる。
【００４４】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる実施形態においても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。
【００４５】
まず、本発明の一実施形態では、セル温度制御に比例積分微分演算手段３３ａを用いているが、必ずしも比例積分微分演算とする必要はない。例えば、セル温度に若干のオフセットを許容する場合は、図１０に示すようにセル温度制御手段３２０における比例積分微分演算手段３３ａの代わりに、比例演算手段３５ａを用いた比例制御としてもよい。ここでは、比例演算手段３５ａとして比例ゲインＫＣＡを、セル温度偏差ΔＴＣに乗じることで冷却用空気Ａ流量指令値ＦＣＡＲを得ている。
【００４６】
この場合の制御結果は図１１に示すように、セル温度としては、積分演算による制御動作を含まないため若干のオフセットが残るが、安定に整定させることができる。また、上記セル温度のオフセット量をＫＣ倍した値が改質温度補正値ΔＴＦＭとなり、このΔＴＦＭが改質器出口燃料温度ＴＦのオフセットとして残るが、これも安定に整定している。実は、これらオフセットを許容することで、冷却用空気Ａ及びＢの流量を削減できている。
【００４７】
さらに、セル温度ＴＣのオフセット拡大を許容する場合は、図１２に示すように改質温度制御手段３４０における比例積分微分演算手段３３ｂの代わりに比例演算手段３５ｂを用いた比例制御としてもよい。ここでは、比例演算手段３５ｂとして比例ゲインＫＣＢを改質器出口燃料温度偏差ΔＴＦに乗じることで、冷却用空気Ｂ流量指令値ＦＣＢＲを得ている。
【００４８】
この場合の制御結果は図１３に示すように、積分演算による制御動作を含まないため、偏差ΔＴＦは“零”にはならないので改質器出口燃料温度ＴＦは、図１１の場合と比較して若干高くなる。その分、冷却用空気Ｂ流量は少なくて済むが、逆に、冷却用空気Ａ流量は多くなる。即ち、冷却用空気Ｂによる改質器出口燃料温度の低下幅が縮小した分、逆にセル温度のオフセットが拡大し、これを抑えるために冷却用空気Ａ流量が増加する。ここで、セル温度のオフセットが拡大すると、改質温度補正値ΔＴＦＭが拡大して改質器出口燃料温度を下げるように作用するが、比例演算手段３５ｂによるためセル温度のオフセット拡大を解消するには至らない。
【００４９】
しかしながら、図１１の場合と比較して、制御特性の差異は僅かである。
【００５０】
また、本発明の一実施形態では、セル温度安定化制御のための冷却用空気Ｂを改質器６の入口の排ガスに投入する方法としたが、必ずしもこの位置に投入する必要はない。例えば、図１４に示すように、空気予熱器７の入口に投入する方法としてもよく、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。この場合、冷却用空気Ｂにより空気予熱器７が冷やされたのち改質器６が冷やされるため、セル下部からの冷却効果は弱まるが上部からの冷却効果が増すことで、セル温度安定化を目的とする本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。
【００５１】
また、本発明の一実施形態では、セル温度安定化制御のために排ガスに冷却用空気Ｂを投入する方法とした。しかし、必ずしも空気を投入する必要は無く、水若しくは蒸気、或いは窒素など、要するに環境に無害で排ガス温度を下げる効果があるものを投入するもののほか、セル温度制御手段を持つものであれば、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。
【００５２】
また、本発明の一実施形態では、セル温度ＴＣとして、セルで最高温度となる部位での計測が望ましく、例えば最高温度になりやすい中央部での計測として述べた。しかしながら、最高温度位置は出力変化に応じて移動するため、必ずしも位置を厳密に規定する意味はなく、例えば、複数個所での計測値の最高値若しくは平均値などの代表値を使用する方式としても、本発明の本質を何ら変えるものではない。
【００５３】
また、本発明の一実施形態では、改質器出口燃料温度ＴＦとして、できるだけ改質器に近い部位での計測が望ましく、改質器の燃料排出部での計測とした。しかしながら、燃料排出部は燃料温度に分布を持ちやすいため、燃料を燃料電池に導く配管内の燃料温度を計測して使用する方式としても、本発明の本質を何ら変えるものではない。
【００５４】
また、セル温度ＴＣとして、例えば絶縁耐火物を介してセル表面に接した熱伝型温度計を使用した直接計測が望ましが、セル自体の発電性能の観点からはアノード空間燃料ガス温度やセル間電極温度など、システムの設計条件や構造上の特徴を考慮したセル近傍の温度を計測することで代用することもできる。
【００５５】
さらに、本発明の一実施形態では、排ガスが空気予熱器、改質器、蒸発器の順次に供給されるシステム構成としているが、必ずしもこの構成とする必要はなく、例えば、排ガスが改質器を通過してから空気予熱器に供給されたり、燃料予熱器を別途配置されたりしたシステム構成であっても、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムの機器本体及び制御装置の機能を説明する全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態によるセル温度安定化制御手段の機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ａによるセル温度制御手段のみを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ａによるセル温度制御手段のみを使用した場合の制御動作を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ｂによる改質温度制御手段のみを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ｂによる改質温度制御手段のみを使用した場合の制御動作を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ａによるセル温度制御手段と冷却用空Ｂによる改質温度制御手段の両者独立して設けた場合を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ａによるセル温度制御手段と冷却用空Ｂによる改質温度制御手段をそれぞれ独立して使用した場合の制御動作を説明するための図である。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池発電システムにおいて、セル温度安定化制御手段における冷却用空Ａによるセル温度制御手段と冷却用空Ｂによる改質温度制御手段を使用し、かつ改質温度補正手段を使用した場合の制御動作を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態によるセル温度安定化制御手段の変形例として、セル温度制御手段に対して比例制御を適用した場合を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施形態によるセル温度安定化制御手段の変形例として、セル温度制御手段に対して比例制御を適用した場合の制御動作を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施形態によるセル温度安定化制御手段の変形例として、セル温度制御手段と改質温度制御手段の両者に対して比例制御を適用した場合を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施形態によるセル温度安定化制御手段の変形例として、セル温度制御手段と改質温度制御手段の両者に対して比例制御を適用した場合の制御動作を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施形態によるセル温度安定化制御手段における冷却用空気の投入位置の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００…燃料電池機器本体、２００…制御装置、３００…セル温度安定化制御手段、３２０…セル温度制御手段、３４０…改質温度制御手段、３６０…改質温度補正手段、２８…燃料流量指令手段、２９…空気流量指令手段、３０…給水流量指令手段、１…燃料、２…空気、３…給水、４…蒸発器、６…改質器、７…空気予熱器、８…改質ガス、９…燃料電池、１０…セル、１１…燃焼室、１２…空気ヘッダ、１３…空気導入管、１４…電力変換器、１５…負荷、１６…燃料流量調整弁、１７…給水ポンプ、１８…空気ブロア、２０…排ガスブロア、２２…空気ブロア、２３…温度計、２４…空気ブロア、２６…目標出力設定手段、２７…電力変換器制御手段、２５…温度計、３１…減算手段、３２ａ…減算手段、３２ｂ…減算手段、３２ｃ…加算手段、３３ａ…比例積分微分演算手段、３３ｂ…比例積分微分演算手段、３５ａ…比例演算手段、３５ｂ…比例演算手段、３５ｃ…乗算手段。
【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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【図１３】
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【図１４】
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