JP2010257960A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】ランニングコストの増大を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、固体電解質型燃料電池（１）であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュール（２）と、燃料供給装置（３８）と、酸化剤ガス供給装置（４５）と、燃料供給量を制御するコントローラ（１１０）と、を有し、コントローラは、劣化を判定する劣化判定回路（１１０ａ）、及び、劣化判定に基づいて燃料供給量を補正する燃料補正回路（１１０ｂ）を備え、燃料補正回路は、燃料電池モジュールが劣化したことが判定されたときは、定格出力電力が維持されるように補正を実行し、所定の補正切替条件が満たされると、燃料補正回路は、燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させる補正を実行することを特徴としている。
【選択図】図１３

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関する。
固体電解質型燃料電池（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。
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。
また、燃料電池セルは、長期間に亘る使用により劣化していくことが知られている。特開２００７−８７７５６号公報（特許文献１）には、固体酸化物型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、燃料の流量を調整することにより、燃料電池セルの劣化を減少させることが記載されている。
さらに、特開２００３−２１７６２７号公報（特許文献２）には、燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法および電力供給システムが記載されている。この燃料供給量制御装置は、燃料電池セルが劣化することにより所定の燃料供給量に対して取り出すことができる電力が低下した場合には、燃料供給量を補償するように構成されている。
一般に、劣化した燃料電池セルは、一定の燃料供給量に対し、取り出すことができる電力が低下している。従って、取り出すことができる電力が低下した場合には、燃料供給量が増加することによって燃料電池セルの温度を更に高めるように燃料供給量を補償することにより、燃料電池から初期の定格出力電力を取り出すことができる期間を延長することができる。
特開２００７−８７７５６号公報 特開２００３−２１７６２７号公報
しかしながら、劣化した燃料電池セルは劣化によって高温の状態になることに加えて、更に燃料供給量を増加補償して初期の定格出力電力を取り出すように構成されているため、燃料の増加が燃料電池セルを一層高温の状態とするため劣化が促進され、これによって、定格出力電力を取り出すことができる期間を延長することができる反面で、劣化に伴って燃料電池セルを含む燃料電池モジュールの使用可能期間を却って短縮させてしまうという問題があった。
また、劣化が進行した燃料電池セルは燃料の電力への変換効率が低下しているので、劣化が進行した燃料電池セルに対して多量の燃料を供給して定格出力電力を維持すると、燃料電池のランニングコストが高くなるという問題がある。
従って、本発明は、燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールの使用可能期間の短縮を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
また、本発明は、ランニングコストの増大を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
上述した課題を解決するために、本発明は、固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備え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装置と、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料供給装置から供給する燃料供給量を制御するコントローラと、を有し、コントローラは、燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定回路、及び、この劣化判定回路による劣化判定に基づいて燃料供給量を補正する燃料補正回路を備え、燃料電池モジュールの初期運転開始後、所定の補正切替条件が満たされる前に、劣化判定回路によって燃料電池モジュールが劣化したことが判定された場合には、燃料電池モジュールから出力される最大の電力である定格出力電力が維持されるように、燃料補正回路は、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる補正を実行する一方で、燃料電池モジュールの劣化が進行し、所定の補正切替条件が満たされた後は、燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させるように、燃料補正回路は、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、コントローラは、燃料供給装置、及び酸化剤ガス供給装置を制御して、燃料電池モジュールに燃料、及び酸化剤ガスを供給する。また、コントローラに備えられた劣化判定回路は、燃料電池モジュールの劣化を判定し、燃料補正回路は、所定の補正切替条件が満たされる前に、燃料電池モジュールが劣化したことが判定されたときは、定格出力電力が維持されるように、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる補正を実行する。また、燃料電池モジュールの劣化が進行し、所定の補正切替条件が満たされた後は、燃料補正回路は、燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させる補正を実行する。
このように構成された本発明によれば、所定の補正切替条件が満たされる前において、劣化が判定されると定格出力電力が維持されるように燃料供給量を補正する。さらに所定の補正切替条件が満たされる程度まで劣化が進行すると、燃料電池モジュールの定格出力電力の維持を断念して定格出力電力低下させ、燃料電池モジュールの寿命の延長に重きをおいた運転をする。これにより、燃料電池セルが過剰に高温の状態となってしまうということが抑制され燃料電池モジュールの使用可能期間の短縮を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる。また、劣化が進行し、発電効率が低下した後は定格出力電力を低下させるので、ランニングコストの増大を抑制しながら、実用に耐えられる範囲での電力の供給を維持することが可能となり燃料電池モジュールを長期間に渡って使用し続けることが可能となる。
本発明において、好ましくは、燃料補正回路は、所定の補正切替条件が満たされた後において、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を減少させる補正を実行すると共に、この補正における燃料供給量の減少幅は、後に実行される補正の方が、前に実行される補正よりも小さくされる。
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には、補正切替条件が満たされるまでは、定格出力電力を維持するために負担がかけられていたが、補正切替条件が満たされた後は大きく燃料供給量が減じられて燃料電池モジュールの負担が軽減される。その一方、燃料電池モジュールの負担が軽減された後は、燃料供給量が大幅に減じられることはなく、出力電力の大幅な低下が防止される。これにより、燃料電池モジュールの耐用年数の延長と、出力電力維持を両立することができる。
本発明において、好ましくは、燃料補正回路は、所定の補正切替条件が満たされた後においては、固体電解質型燃料電池セルの温度が上昇しないように、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正する。
このように構成された本発明によれば、所定の補正切替条件が満たされた後は、固体電解質型燃料電池セルの温度が上昇しないように運転される。固体電解質型燃料電池セルの温度は劣化の進行と共に上昇する傾向があり、過剰な温度上昇により固体電解質型燃料電池セルの破壊が引き起こされる場合がある。本発明によれば、過剰な温度上昇が防止され、劣化の進行した固体電解質型燃料電池セルの負担の増加を回避することができる。これにより、燃料電池モジュールの耐用年数を延長することができる。
本発明において、好ましくは、燃料補正回路は、所定の補正切替条件が満たされた後においては、固体電解質型燃料電池セルの温度が低下するように、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正する。
このように構成された本発明によれば、所定の補正切替条件が満たされた後は、固体電解質型燃料電池セルの温度が低下されるように運転されるので、固体電解質型燃料電池セルの負担が積極的に軽減され、燃料電池モジュールの耐用年数をより一層延長することができる。
本発明において、好ましくは、所定の補正切替条件は、固体電解質型燃料電池セルの温度の所定の補正切替温度以上への上昇、燃料供給量の所定の補正切替燃料供給量以上への増加、燃料電池モジュールの出力電力の所定の補正切替電力以下への低下、又は燃料電池モジュールの出力電圧の所定の補正切替電圧以下への低下である。
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の劣化が直接的に反映される固体電解質型燃料電池セルの温度、容易に検出することができる燃料供給量、燃料電池の性能の低下が直接的に反映される出力電力、又は出力電圧に基づいて燃料電池モジュールの劣化を判定することができる。
本発明において、好ましくは、燃料補正回路は、上記所定の補正切替条件が満たされた後において、燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させる補正を実行する一方で、定格出力電力が所定の下限電力まで低下されると、以後、定格出力電力を維持するように補正を実行する。
このように構成された本発明によれば、劣化の進行と共に定格出力電力を低下させ燃料電池モジュールの負担を軽減して耐用年数を延長すると共に、定格出力を下限電力以上に維持することにより、燃料電池としての実用性が失われるのを防止することができる。
本発明において、好ましくは、さらに、報知装置を備え、この報知装置は、燃料補正回路が補正を実行しても所定の下限電力を維持できなくなると、燃料電池モジュールが下限電力を発生できなくなったことを報知する。
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下限電力を発生できなくなったことが報知されるので、燃料電池モジュールのメンテナンスや交換を促すことができる。
また、本発明は、固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備え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酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定手段、及び、この劣化判定手段による劣化判定に基づいて燃料供給量を補正する燃料補正手段を備え、燃料電池モジュールの初期運転開始後、所定の補正切替条件が満たされる前に、劣化判定手段によって燃料電池モジュールが劣化したことが判定された場合には、燃料電池モジュールから出力される最大の電力である定格出力電力が維持されるように、燃料補正手段は、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる補正を実行する一方で、燃料電池モジュールの劣化が進行し、所定の補正切替条件が満たされた後は、燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させるように、燃料補正手段は、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正することを特徴としている。
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池モジュールの使用可能期間の短縮を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる。
また、本発明の固体電解質型燃料電池によれば、ランニングコストの増大を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる。
本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図２のIII-III線に沿って断面図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セル単体を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。 制御部に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。 要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。 劣化判定の手順を示すフローチャートである。 燃料補正回路による燃料供給量の一例を示すタイムチャートである。 燃料補正回路による処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の変形例による燃料電池セルユニットの作用の一例を示すタイムチャートである。
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
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（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。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。
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、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
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。
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。
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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電解質型燃料電池（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。
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。
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。
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。
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。
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電解質型燃料電池（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。
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。
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。
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池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。
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。
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。
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）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。
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、固体電解質型燃料電池（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。
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。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
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。
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。
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。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
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。
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。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
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。
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。
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。
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（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。
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、発電室温度が所定温度、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。
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。
次に、図９乃至１４を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の作用を説明する。
まず、図９乃至１２を参照して、固体電解質型燃料電池１の負荷追従運転及び燃料電池モジュール２の劣化判定を説明する。
図９は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図１０は、制御部１１０に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図１１は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図１２は、劣化判定の手順を示すフローチャートである。
図９の時刻ｔ０〜ｔ１においては、固体電解質型燃料電池１は、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように負荷追従運転を行っている。即ち、図６に示すように、コントローラである制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給装置である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、図９に示すように、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化する。ここで、要求発電量に対する出力電力の応答には遅れがあり、これは燃料供給量等の変化を緩慢にしているため出力電力が遅れて変化しているものであり、また、要求発電量の急激な変化に対しても、燃料供給量の変化を大きく抑えているため出力電力の追従が遅れているものである。なお、制御部１１０、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、及び水流量調整ユニット２８は、夫々、制御手段、燃料供給手段、酸化剤ガス供給手段、及び水供給手段として機能する。
制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、図１０に一例を示すグラフによって燃料供給量を決定し、決定した流量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、制御部１１０は、図１０の曲線Ｆ０に従って、要求発電量に対する燃料供給量を決定する。図１０に示すように、燃料供給量は、要求発電量の増大に伴って単調に増加するように決定されるが、要求発電量約２００Ｗ未満では燃料供給量はほぼ一定値にされる。
また、要求発電量が変更された場合に、燃料供給量を急激に変化させると燃料電池セルの温度変化が急激に変化されるため燃料電池モジュール２の劣化を早めることがあるので、図１１に示すように、燃料供給量の変化を緩慢とするために漸増又は漸減される。但し、図に示すとおり、燃料の増加は大きく緩慢にしている一方で燃料の減少に対しては、遅れが大きいと無用な燃料を消費させることになるので緩慢にさせる割合を小さくしている。図１１は、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗにステップ状に変化された場合における、燃料供給量の時間に対する変化の一例を示すグラフである。図１１に示すように、時刻ｔ１０において、要求発電量が５００Ｗから７００Ｗに急激に変更されたとすると、必要な燃料供給量は、５００Ｗの電力出力に対応する供給量から７００Ｗに対応する供給量に急激に変化されることが理想ではある。しかしながら、制御部１１０は、燃料供給量が急激に増加することがないよう、図１１に想像線で示すように、燃料供給量が緩やかに増加されるように燃料流量調整ユニット３８を制御する。なお、固体電解質型燃料電池１の初期の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが判定されるまでの間は、要求電力の変化に早く追従できるように追従感度を比較的高くした特性で制御部１１０は制御を行い、図１１の線Ｆ１０に従って燃料供給量を増加させる。
同様に、時刻ｔ１１において、要求発電量が７００Ｗから５００Ｗに変更された場合にも、制御部１１０は燃料供給量が急激に減少することがないよう、図１１の線Ｆ１０に従って緩やかに燃料供給量を減少させる。なお、燃料供給量の変化率は、供給量を増加させる場合の方が、供給量を減少させる場合よりも緩やかに設定されている。これは先に説明した通り、燃料の減少側はセルの温度を高める方向に作用するものではないためセル劣化の感度が低いことに着目して、無駄な燃料の消費を抑えつつ、燃料の減少が過剰な温度低下につながることがないように配慮して最適化したものである。
なお、図１０及び１１は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
次に、図９の時刻ｔ１において、制御部１１０に内蔵された劣化判定手段である劣化判定回路１１０ａ（図６）は劣化判定モードの運転を開始する。なお、劣化判定回路１１０ａは、マイクロプロセッサ、メモリ及びこれらを作動させるプログラム（以上図示せず）等により構成されている。図１２は、劣化判定回路１１０ａによる処理を示すフローチャートである。
図１２に示すフローチャートは、劣化判定回路１１０ａにより所定時間毎に実行される。まず、ステップＳ１においては、前回の劣化判定モードの運転からの経過時間が判断される。前回の劣化判定モード運転から所定の劣化判定間隔である２週間経過していない場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。この処理により、劣化判定モード運転が不必要に頻繁に実行され、電力供給が停止されることや燃料等が無用に浪費されるのを防止するためである。なお、本実施例では、２週間毎に行うことにしているが、セルの劣化の状況に応じて最適化することが望ましく、セルの劣化が数ヶ月単位の経過でおこるようであれば数ヶ月の単位で行うことが望ましく、また、燃料電池の使用期間が短い場合であれば劣化は殆ど起こらないため、使用期間の増加とともに劣化判定を初期は長く、その後は短くするなどの考え方が一層望ましいと言える。
前回の劣化判定モード運転から２週間以上経過している場合には、ステップＳ２に進み、劣化判定の誤差を小さくするためにセル温度変化に影響を与える固体電解質型燃料電池１の外部環境が、劣化判定モード運転に適する所定の劣化判定外気状態であるか否かが判断される。具体的には、外気温度センサ１５０（図６）及び外気湿度センサ（図示せず）によって検出された外気温及び外気の湿度が、所定の条件に適合しているか否かが判断される。本実施形態においては、外気温度５〜３０゜Ｃ、外気湿度３０〜７０％である場合に、外部環境が劣化判定モード運転に適する劣化判定外気状態であると判断される。外部環境が劣化判定外気状態でないと判断された場合には、ステップＳ９に進み、このフローチャートの一回の処理を終了する。
外部環境が劣化判定モード運転に適している場合には、ステップＳ３に進み、劣化判定モードの運転が開始される。さらに、ステップＳ４においては、燃料供給量、空気供給量、水供給量が予め定められた所定の劣化判定発電量に対応する値に固定される。即ち、劣化判定モード運転において、劣化判定回路１１０ａは、制御部１１０に対する要求発電量に関わらず、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、水流量調整ユニット２８が一定の供給量を維持するように、これらの調整ユニットを制御する。本実施形態においては、図９の時刻ｔ１において、劣化判定燃料供給量３Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定酸化剤ガス供給量１００Ｌ／ｍｉｎ、劣化判定水供給量８ｍＬ／ｍｉｎに固定される。
これらの劣化判定発電量に対応する固定値は、本実施形態による固体電解質型燃料電池１の定格発電量である最大量の７００Ｗに対応する供給量である。従って、固定値により燃料、空気、水が供給されている間は、固体電解質型燃料電池１は、７００Ｗの電力を出力する能力を有するが、この判定期間では電力を出力すると発電反応が変化しセルの温度が安定せず正確な劣化判定ができないので電力の出力は中止され、発電反応に使用されないことから、燃料は発電には使用されず燃焼室１８において全て燃焼される。なお、本実施例では電力の出力を禁止したが、７００Ｗを固定して出力し、給電に必要のない余った電力は電力会社に売電したり、補器などで消費させるようにして電力を一定の状態で安定させるものであれば変更が可能である。要は要求電力に追従させる負荷追従を行う状態では発電反応が変化するためセル温度が大きく変化するため劣化判定においては好ましい状態ではない。
次に、図１２のステップＳ５においては、固定値による運転が開始された後、十分な時間が経過し、安定した運転状態になったか否かが判断される。本実施形態においては、固定値による運転が開始された後、劣化判定時間である５時間が経過すると運転状態（セルの温度が安定）が安定し、所定の劣化判定運転条件が満足されたと判断される。固定値による運転開始後５時間経過していない場合には、ステップＳ５の処理が繰り返される。これにより、ステップＳ４において開始された固定値による運転が５時間に亘って維持される（図９、時刻ｔ１〜ｔ２）。
固定値による運転が５時間継続された後、図９の時刻ｔ２において、ステップＳ６に進み、温度検出手段である発電室温度センサ１４２により測定された燃料電池モジュール２の温度が所定温度以上か否かが判断される。即ち、燃料電池モジュール２を安定した運転状態で運転した運転結果である燃料電池モジュール２の温度と、所定の劣化判定基準値である基準温度を比較することにより、燃料電池モジュール２の劣化を判定する。本実施形態の固体電解質型燃料電池１は、初期状態で７００Ｗの定格出力運転を行った場合の燃料電池モジュール２の基準温度Ｔ０は約７００゜Ｃであり、燃料電池モジュール２の劣化が進行すると、この温度が上昇する。これは、固体電解質型燃料電池セルである燃料電池セルユニット１６自体の劣化、及び各燃料電池セルユニット１６を電気的に接続する接点部分の劣化により燃料電池セルスタック１４の内部抵抗が増大することによるジュール熱等に起因している。
本実施形態においては、劣化判定回路１１０ａは、発電室温度センサ１４２により測定された温度Ｔ１が、基準温度Ｔ０よりも３０゜Ｃ以上高い場合に、燃料電池モジュール２が劣化したと判定する。燃料電池モジュール２が劣化していない場合には、ステップＳ１０に進み、このフローチャートの一回の処理を終了し、燃料供給量等の運転条件の変更は行われない。
燃料電池モジュール２が劣化したと判定された場合には、ステップＳ７に進み、劣化処理が開始される。ステップＳ７においては、制御部１１０に内蔵された燃料補正手段である燃料補正回路１１０ｂ（図６）による燃料供給補正が実行され、要求発電量に対する燃料供給量及び燃料供給量のゲインが変更される。即ち、燃料補正回路１１０ｂは、固体電解質型燃料電池１の使用開始後、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定された場合に、要求発電量に対する燃料供給量を、燃料供給補正により図１０の曲線Ｆ０から曲線Ｆ１に変更し、以後、曲線Ｆ１を使用して燃料供給量を決定する。また、燃料供給量を変更する際の変化率は、図１１の線Ｆ１０から、より緩やかな線Ｆ１１に変更され、以後、この変化率により燃料供給量が変更される。燃料供給補正により変更された燃料供給量は、燃料電池モジュール２がさらに劣化したことが判定されるまで維持される。なお、燃料補正回路１１０ｂは、マイクロプロセッサ、メモリ及びこれらを作動させるプログラム（以上図示せず）等により構成されている。
燃料電池モジュール２が劣化すると、同一燃料供給量に対して出力される電力が低下するので、燃料供給量を曲線Ｆ０に対して１０％燃料供給量が増量された曲線Ｆ１に従って決定されるようにし、出力電力の低下を補正する。また、劣化した燃料電池モジュール２の燃料供給量を急激に変化させると、劣化をさらに進行させることに繋がるため、燃料供給量の変化率は、より小さくされる。
本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、燃料電池モジュール２が劣化したことが初めて判定されたときは、上記のように、定格出力電力が維持されるように、燃料供給量を増加させる補正が実行される。また、燃料電池モジュール２の劣化が進行し、燃料電池モジュール２が更に劣化したことが判定された場合には、燃料補正回路１１０ｂにより、後述する条件に従って補正が実行される。
なお、燃料補正回路１１０ｂが燃料供給量をもう一度増量補正する場合には、燃料供給量は曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に、さらにもう一度増量補正する場合には曲線Ｆ２から曲線Ｆ３に変更される。曲線Ｆ２は曲線Ｆ０に対して１８％、曲線Ｆ３は曲線Ｆ０に対して２３％燃料供給量が増量されている。このように、１回目に劣化が判定された場合には初期の燃料供給量の１０％分が増量され、２回目には更に初期の燃料供給量の８％分が増量され（合計１８％分）、３回目には更に初期の燃料供給量の５％分が増量される（合計２３％分）。このように、一回の補正による燃料供給量の増分は所定の上限値以下に規制され、また、実行される燃料供給補正は、後に実行されるものほど燃料の増分が小さくなるように設定されている。これにより、劣化が進行している燃料電池モジュール２に過度の負担がかかるのを防止している。また、燃料供給量のゲインも、２回目に増量補正が実行される場合には線Ｆ１１から線Ｆ１２に、３回目に増量補正が実行される場合には線Ｆ１２から線Ｆ１３に変更される。
このように、本実施形態においては、増量補正を実行する際の燃料供給量の増分は、予め設定された固定値とされている。このため、例えば、燃料電池モジュール２の温度上昇に基づいて燃料供給量の補正量を計算したり、出力電力の低下量に基づいて補正量を計算する場合とは異なり、大きく誤った補正がなされるのを防止することができる。即ち、燃料電池モジュール２の温度や、出力電力は、種々のファクターにより影響されて値が変化するので、何らかの要因により異常な温度や出力電力が測定された場合には、この値に基づいて補正量を計算すると、異常な補正が実行されることになる。
燃料供給量の補正が行われた後ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、補正後の燃料供給量で固体電解質型燃料電池１を運転したときの燃料電池モジュール２の温度Ｔ２が、発電室温度センサ１４２により測定される。測定された温度Ｔ２は、新たな基準温度Ｔ０として劣化判定回路１１０ａのメモリ（図示せず）に記憶される。この新たな基準温度Ｔ０は、次回の劣化判定の際に基準温度として使用される。好ましくは、燃料供給量の補正を実行した後、所定時間、燃料供給量を一定にして運転を行い、その後、燃料電池モジュール２の温度Ｔ２を測定する。これにより、補正による燃料供給量の変更の影響が排除された正確な温度を測定することができる。
以上の劣化処理が終了すると、劣化判定回路１１０ａは劣化判定モード運転を終了させ、制御部１１０は要求発電量に対応した通常の運転を再開する（図９、時刻ｔ２）。
次に、図１３及び１４を参照して、燃料補正回路１１０ｂによる燃料補正の詳細を説明する。図１３は、燃料補正回路１１０ｂによる燃料供給量の一例を示すタイムチャートである。図１４は、燃料補正回路１１０ｂによる処理を示すフローチャートである。なお、図１３は、横軸に時間、縦軸に出力電力、燃料供給量、及び燃料電池セルユニットの温度を示すタイムチャートであるが、図９に示したタイムチャートよりも非常に長い期間の燃料電池の運転状態を模式的に示すものである。また、タイムチャートを簡略化するために、固体電解質型燃料電池１が常に定格出力電力で運転されているものとして描かれている。また、図１４に示すフローチャートは、図１２に示したフローチャートのステップＳ７からサブルーチンとして呼び出されるものである。
まず、図１３の時刻ｔ１００において、固体電解質型燃料電池１の初期使用が開始される。この初期運転時においては、規定の燃料供給量で固体電解質型燃料電池１を運転することにより、固体電解質型燃料電池の最大出力電力である定格出力電力が得られ、このときの温度が燃料電池セルユニット１６の初期の基準温度Ｔ０として、劣化判定回路１１０ａに記憶される。
固体電解質型燃料電池１の使用期間が長くなると、燃料電池モジュール２の劣化が始まり、同一の燃料供給量に対する出力電圧が低下する。燃料電池モジュール２の出力電圧が低下すると、定格出力電力を得るためには、燃料電池モジュール２から取り出す出力電流を増大させる必要がある。この出力電流の増大に伴い、燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する（図１３の時刻ｔ１０１〜ｔ１０２）。
次に、時刻ｔ１０３において、劣化判定が行われ、図１２に示したフローチャートが実行される。時刻ｔ１０３においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、基準温度Ｔ０（時刻ｔ１００における温度）よりも３０゜Ｃ以上上昇しているので、図１２のステップＳ６からステップＳ７に処理が移行し、図１４に示すサブルーチンが呼び出される。
図１４のステップＳ１０１においては、切替フラグＦＬ１の値が判定される。固体電解質型燃料電池１の初期状態においては、切替フラグＦＬ１＝０に設定されているので、処理はステップＳ１０２に移行する。ステップＳ１０２おいては、時刻ｔ１０３における燃料電池セルユニット１６の温度Ｔ１が判定される。温度Ｔ１が、所定の補正切替条件である補正切替温度Ｔｍａｘよりも低い場合にはステップＳ１０３に進み、補正切替温度Ｔｍａｘ以上の場合にはステップＳ１０６に進む。なお、本実施形態においては、補正切替温度Ｔｍａｘ＝９００゜Ｃに設定されている。
ステップＳ１０３においては、増量補正回数カウンタの値が判定される。増量補正回数カウンタは、初期使用開始後、燃料供給量の増量補正を実行した回数を計数するカウンタである。増量補正の回数が３未満である場合にはステップＳ１０４に進み、３以上である場合にはステップＳ１０６に進む。
ステップＳ１０４においては、燃料電池モジュール２から取り出す出力電流を過剰に増大させることなく、初期の定格出力電力を維持することができるように、燃料供給量が増量補正（図１３の時刻ｔ１０３）されると共に、増量補正回数カウンタが１加算される。即ち、燃料電池モジュール２が劣化すると、同一の燃料供給量に対する出力電圧が低下する。この出力電圧の低下を補うために出力電流が増大されるが、出力電流が大きくなりすぎると、燃料電池セルユニット１６への負担が大きくなり、燃料電池モジュール２の劣化を速めることになる。そこで、出力電流が予め設定された所定値以上に上昇しないよう、燃料供給量が増量補正される。ここで、増量補正が１回目である場合には、燃料供給量を決定する曲線は図１０の曲線Ｆ０から曲線Ｆ１に、増量補正回数カウンタの値は０から１に変更される。また、燃料供給量の増量補正後の温度（図１３の時刻ｔ１０４における温度）は、新たな基準温度Ｔ０として更新記憶される（図１２のステップＳ８）。この燃料供給量の増量補正により、初期の定格出力電力を得るために必要となる、燃料電池モジュール２の出力電流は、その上昇が抑制されると共に、燃料電池セルユニット１６の温度上昇も抑制される（図１３の時刻ｔ１０４〜１０５）。
固体電解質型燃料電池１の使用期間がさらに経過すると、燃料電池モジュール２の更なる劣化が進行し、燃料供給量に対する出力電圧が低下する。この出力電圧の低下を補うために燃料電池モジュール２の出力電流が上昇すると共に、燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する（図１３の時刻ｔ１０６〜ｔ１０７）。次いで、時刻ｔ１０７において、劣化判定が行われる。時刻ｔ１０７においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、基準温度Ｔ０（時刻ｔ１０４における温度）よりも３０゜Ｃ以上上昇しているので、図１２のステップＳ７から図１４に示すフローチャートが呼び出される。時刻ｔ１０７においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、補正切替温度Ｔｍａｘ＝９００゜Ｃを超えている。このため、図１４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０６が順に実行される。
ステップＳ１０６においては、切替フラグＦＬ１の値が０から１に変更される。切替フラグＦＬ１は、燃料補正回路１１０ｂが、燃料供給量を初期の定格出力電力が維持されるように補正している状態であるか否かを示すフラグである。切替フラグＦＬ１の値が０である間は定格出力電力が維持できるように燃料供給量の補正が行われ、切替フラグＦＬ１の値が１に切り替えられると、以後燃料補正回路１１０ｂは、固体電解質型燃料電池を運転する定格出力電力を低下させる補正を実行する。このように、燃料補正回路１１０ｂは、上限温度としての補正切替温度Ｔｍａｘを超えている場合には、定格出力電力が維持できるような補正は実行せず、定格出力電力を低下させる。
なお、図１３に示すタイムチャートにおいては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット１６の温度が、補正切替温度を超えることにより、切替フラグＦＬ１の値が０から１に変更されているが、燃料供給量の増量補正が過去３回行われている場合（図１４のステップＳ１０３）にも切替フラグＦＬ１の値は０から１に変更され、定格出力電力を低下させる補正が実行される。
次に、ステップＳ１０７においては、定格出力電力を低下させると共に、燃料供給量の補正が実行される。即ち、燃料補正回路１１０ｂは、燃料電池セルユニット１６の温度が過度に上昇しないよう燃料供給量を補正すると共に、燃料電池モジュール２から取り出す定格電力を低下させる。具体的には、図１３の時刻ｔ１０７において、燃料補正回路１１０ｂは、燃料供給量を僅かに増加させると共に、燃料電池モジュール２から取り出す定格電力を低下させている（図１３の時刻ｔ１０７〜ｔ１０８）。
さらに、ステップＳ１０８においては、新たに設定された定格出力電力の値が判定される。新たな定格出力電力が、所定の下限電力Ｔｍｉｎよりも大きい場合にはステップＳ１０９に進み、図１４のフローチャートの一回の処理を終了する。以後、低下された定格電力により、固体電解質型燃料電池１が運転される（図１３の時刻ｔ１０８〜ｔ１１０）。新たな定格出力電力が、所定の下限電力Ｔｍｉｎ以下である場合には、ステップＳ１１０に進む。
なお、図１３に示す例では時刻ｔ１０７において燃料電池セルユニット１６の温度が補正切替温度を超えているが、補正切替温度を超えていない場合には、図１４のステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４が順に実行される。さらに、増量補正が２回目である場合には、燃料供給量を決定する曲線は図１０の曲線Ｆ１から曲線Ｆ２に、増量補正回数カウンタの値は１から２に変更され、燃料供給量が更に増量補正される。
固体電解質型燃料電池１の使用期間がさらに経過すると、燃料電池モジュール２の更なる劣化が進行し、燃料供給量に対する出力電圧が低下すると共に、燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する（図１３の時刻ｔ１０９〜ｔ１１０）。
次いで、時刻ｔ１１０において、劣化判定が行われる。時刻ｔ１１０においては、切替フラグＦＬ１の値が１に変更されているため、図１４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１、Ｓ１０７が順に実行される。時刻ｔ１１０においては、燃料補正回路１１０ｂは、燃料供給量を低下させる補正を行うと共に、燃料電池モジュール２から取り出す定格電力を更に低下させる（図１３の時刻ｔ１１０〜ｔ１１１）。
次いで、時刻ｔ１１３において劣化判定が行われ、燃料電池モジュール２が更に劣化していると判定された場合には、図１４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１、Ｓ１０７が順に実行される。ステップＳ１０７においては、燃料補正回路１１０ｂは、燃料供給量を低下させる補正を行うと共に、燃料電池モジュール２から取り出す定格電力を更に低下させる（図１３の時刻ｔ１１３〜ｔ１１４）。時刻ｔ１１３〜ｔ１１４における燃料供給量の減少幅は、前に実行された燃料供給量の減量補正（時刻ｔ１１０〜ｔ１１１）における減少幅よりも小さくされている。また、時刻ｔ１１３〜ｔ１１４における定格電力の低下により、定格電力は予め設定されている所定の下限電力まで低下される。
次いで、時刻ｔ１１５において劣化判定が行われ、燃料電池モジュール２が更に劣化していると判定された場合には、図１４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１、Ｓ１０７が順に実行される。ステップＳ１０７においては、燃料補正回路１１０ｂは、定格電力が既に下限電力まで低下されているので、定格電力を低下させる補正は実行せず、下限電力を維持するように補正を実行する。即ち、燃料補正回路１１０ｂは、燃料電池モジュール２が劣化した状態でも下限電力が維持できるよう、燃料供給量を増加させる補正を実行する。
次いで、時刻ｔ１１６においては、燃料電池モジュール２の劣化により、出力電力が下限電力よりも低下している。このように、燃料補正回路１１０ｂが補正を実行しても下限電力を維持できなくなると、制御部１１０は、警報装置１１６に信号を送って、固体電解質型燃料電池１の製品寿命が到来したことを使用者に報知すると共に、燃料電池モジュール２の運転を停止する。
本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、所定の補正切替条件が満たされる前において、劣化が判定されると定格出力電力が維持されるように燃料供給量を補正する（図１３の時刻ｔ１０３）。さらに所定の補正切替条件が満たされる程度まで劣化が進行すると、燃料電池モジュール２の定格出力電力の維持を断念して定格出力電力低下させ（図１３の時刻ｔ１０７〜ｔ１０８、ｔ１１０〜ｔ１１１、ｔ１１３〜ｔ１１４）、燃料電池モジュール２の寿命の延長に重きをおいた運転をする。これにより、燃料電池セル１６が過剰に高温の状態となってしまうということが抑制され燃料電池モジュール２の使用可能期間の短縮を抑制しながら、初期の定格出力電力を維持可能な期間を延長することができる。また、劣化が進行し、発電効率が低下した後は定格出力電力を低下させるので、ランニングコストの増大を抑制しながら、実用に耐えられる範囲での電力の供給を維持することが可能となり燃料電池モジュール２を長期間に渡って使用し続けることが可能となる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料電池セル１６の温度が補正切替温度以上に上昇すると（図１３の時刻ｔ１０７）、定格出力電力を低下させる補正が実行されるので、燃料電池セル１６の劣化が促進されるのを防止することができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、燃料補正回路１１０ｂは、所定の補正切替条件が満たされた後において、燃料電池モジュール２に供給する燃料供給量を減少させる補正を実行する（図１３の時刻ｔ１１０〜ｔ１１１及びｔ１１３〜ｔ１１４）と共に、この補正における燃料供給量の減少幅は、後に実行される補正（ｔ１１３〜ｔ１１４）の方が、前に実行される補正（ｔ１１０〜ｔ１１１）よりも小さくされる。燃料電池モジュール２には、補正切替条件が満たされるまでは、定格出力電力を維持するために負担がかけられていたため、補正切替条件が満たされた後は大きく燃料供給量が減じられ（ｔ１１０〜ｔ１１１）て燃料電池モジュールの負担が軽減される。その一方、燃料電池モジュールの負担が軽減された後は、燃料供給量が大幅に減じられることはなく（ｔ１１３〜ｔ１１４）、出力電力の大幅な低下が防止される。これにより、燃料電池モジュールの耐用年数の延長と、出力電力維持を両立することができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、所定の補正切替条件が満たされた後は、固体電解質型燃料電池セル１６の温度が上昇しないように運転される（図１３の時刻ｔ１１０〜ｔ１１１及びｔ１１３〜ｔ１１４）。固体電解質型燃料電池セル１６の温度は劣化の進行と共に上昇する傾向があり、過剰な温度上昇により固体電解質型燃料電池セル１６の破壊が引き起こされる場合がある。本実施形態によれば、過剰な温度上昇が防止され、劣化の進行した固体電解質型燃料電池セル１６の負担の増加を回避することができる。これにより、燃料電池モジュールの耐用年数を延長することができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料補正回路１１０ｂは、所定の補正切替条件が満たされた後においては、固体電解質型燃料電池セルの温度が低下するように、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正する（図１３の時刻ｔ１１０〜ｔ１１１及びｔ１１３〜ｔ１１４）。これにより、所定の補正切替条件が満たされた後は、固体電解質型燃料電池セル１６の温度が低下されるように運転されるので、固体電解質型燃料電池セル１６の負担が積極的に軽減され、燃料電池モジュール２の耐用年数をより一層延長することができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、燃料補正回路１１０ｂは、所定の補正切替条件が満たされた後において、燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させる補正を実行する（図１３の時刻ｔ１１０〜ｔ１１１及びｔ１１３〜ｔ１１４）一方で、定格出力電力が所定の下限電力まで低下されると、以後、定格出力電力を維持するように補正を実行する（図１３の時刻ｔ１１５）。この結果、劣化の進行と共に定格出力電力を低下させ燃料電池モジュール２の負担を軽減して耐用年数を延長すると共に、定格出力を下限電力以上に維持することにより、燃料電池としての実用性が失われるのを防止することができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、報知装置は、燃料補正回路１１０ｂが補正を実行しても所定の下限電力を維持できなくなると、燃料電池モジュールが下限電力を発生できなくなったことを報知する（図１３の時刻ｔ１１７）。これにより、燃料電池モジュール２が下限電力を発生できなくなったことが報知されるので、燃料電池モジュール２のメンテナンスや交換を促すことができる。
また、上述した実施形態においては、燃料電池セルユニットの温度が所定の補正切替温度以上に上昇した場合、又は、増量補正の回数が３回を超えた場合に、燃料供給量を増加させる補正から、定格出力電力を低下させる補正に切り替えられたが、変形例として、燃料供給量が所定の補正切替燃料供給量まで増加した場合に、定格出力電力を低下させる補正に切り替えるように、本発明を構成することもできる。
図１５は、本変形例による燃料電池セルユニットの作用の一例を示すタイムチャートである。
図１５のタイムチャートでは、時刻ｔ２０１、ｔ２０２、ｔ２０３において、燃料電池モジュールが劣化したことが判定されている。これにより、各時刻において、燃料供給量を所定量ずつ増加させる補正が行われている。時刻ｔ２０３において実行された増量補正により、燃料供給量が補正切替燃料供給量まで増加したので、次に劣化が判定された時刻ｔ２０４において、燃料補正回路は、定格出力電力を低下させる補正を実行している。
本変形例によれば、燃料供給量が補正切替燃料供給量に達すると、定格出力電力を低下させる補正が実行されるので、過剰な燃料供給による燃料の浪費を防止することができる。
さらに、上述した実施形態においては、劣化判定回路が、燃料電池セルユニットの温度により燃料電池モジュールの劣化を判定していたが、変形例として、劣化判定回路は、燃料電池モジュールが所定の劣化判定運転条件で運転されている場合における燃料電池モジュールの出力電力、又は出力電圧に基づいて、燃料電池モジュールの劣化を判定しても良い。
また、上述した実施形態においては、燃料補正回路は、燃料電池セルユニットの温度が所定の補正切替温度以上になると、定格電力を低下させるように補正を行っていたが、変形例として、燃料補正回路は、所定の劣化判定運転条件における燃料電池セルユニットの出力電力が所定の補正切替電力以下に低下したとき、又は、所定の劣化判定運転条件における燃料電池セルユニットの出力電圧が所定の補正切替電圧以下に低下したとき定格電力を低下させる補正を実行することもできる。
本変形例によれば、燃料電池モジュールの出力電力が補正切替電力以下に低下し、又は出力電圧が所定の補正切替電圧以下に低下すると、定格出力電力を低下させる補正が実行されるので、燃料電池セルの過度の温度上昇により、燃料電池セルの劣化が促進されるのを防止することができる。また、燃料電池モジュールの温度及び出力電力に基づいて補正を切り替えることにより、より正確に補正の切替時期を特定することができる。
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、固体電解質型燃料電池は、要求電力に応じて出力電力を変更するように構成されていたが、常に一定の定格出力電力を出力する固体電解質型燃料電池に本発明を適用することもできる。
また、所定の補正切替条件に達した後においては、劣化判定回路による劣化判定を行うことなく、燃料電池セルユニットの温度が、常に所定の上限温度を保つように燃料供給量を制御することにより、定格出力電力を低下させる補正を実行しても良い。これにより、所定の補正切替条件に達した後は、上限温度における出力電力を定格出力電力として、以後の制御を行うので、上限温度を超える運転が回避され、燃料電池セルの劣化が促進されるのを防止することができる。
１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
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（固体電解質型燃料電池セル）
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（水供給装置、水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給装置、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（酸化剤ガス供給装置、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（コントローラ、制御手段）
１１０ａ 劣化判定回路（劣化判定手段）
１１０ｂ 燃料補正回路（燃料補正手段）
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
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ

Claims (8)

  1. 固体電解質型燃料電池であって、
    複数の固体電解質型燃料電池セルを備え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装置と、
    上記燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    上記燃料供給装置から供給する燃料供給量を制御するコントローラと、を有し、
    上記コントローラは、上記燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定回路、及び、この劣化判定回路による劣化判定に基づいて燃料供給量を補正する燃料補正回路を備え、
    上記燃料電池モジュールの初期運転開始後、所定の補正切替条件が満たされる前に、上記劣化判定回路によって上記燃料電池モジュールが劣化したことが判定された場合には、上記燃料電池モジュールから出力される最大の電力である定格出力電力が維持されるように、上記燃料補正回路は、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる補正を実行する一方で、上記燃料電池モジュールの劣化が進行し、上記所定の補正切替条件が満たされた後は、上記燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させるように、上記燃料補正回路は、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  2. 上記燃料補正回路は、上記所定の補正切替条件が満たされた後において、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を減少させる補正を実行すると共に、この補正における燃料供給量の減少幅は、後に実行される補正の方が、前に実行される補正よりも小さくされる請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  3. 上記燃料補正回路は、上記所定の補正切替条件が満たされた後においては、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が上昇しないように、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  4. 上記燃料補正回路は、上記所定の補正切替条件が満たされた後においては、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が低下するように、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正する請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
  5. 上記所定の補正切替条件は、上記固体電解質型燃料電池セルの温度の所定の補正切替温度以上への上昇、燃料供給量の所定の補正切替燃料供給量以上への増加、上記燃料電池モジュールの出力電力の所定の補正切替電力以下への低下、又は上記燃料電池モジュールの出力電圧の所定の補正切替電圧以下への低下である請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  6. 上記燃料補正回路は、上記所定の補正切替条件が満たされた後において、上記燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させる補正を実行する一方で、定格出力電力が所定の下限電力まで低下されると、以後、定格出力電力を維持するように補正を実行する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
  7. さらに、報知装置を備え、この報知装置は、上記燃料補正回路が補正を実行しても上記所定の下限電力を維持できなくなると、上記燃料電池モジュールが下限電力を発生できなくなったことを報知する請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
  8. 固体電解質型燃料電池であって、
    複数の固体電解質型燃料電池セルを備え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酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、
    上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定手段、及び、この劣化判定手段による劣化判定に基づいて燃料供給量を補正する燃料補正手段を備え、
    上記燃料電池モジュールの初期運転開始後、所定の補正切替条件が満たされる前に、上記劣化判定手段によって上記燃料電池モジュールが劣化したことが判定された場合には、上記燃料電池モジュールから出力される最大の電力である定格出力電力が維持されるように、上記燃料補正手段は、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる補正を実行する一方で、上記燃料電池モジュールの劣化が進行し、上記所定の補正切替条件が満たされた後は、上記燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させるように、上記燃料補正手段は、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を補正することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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