JP4820580B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた固体酸化物形燃料電池システムに関する。

高発電効率での発電が可能な固体酸化物形燃料電池が注目され、その発電技術の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。この固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンを伝導するために固体電解質が用いられ、この固体電解質の両側に燃料ガスを酸化させるための燃料極と空気中の酸素を還元する空気極とが設けられている。固体電解質としては、一般的に、イットリアをドープしたジルコニアが用いられ、７００〜１０００℃の高温で、燃料ガスとしての例えば天然ガスを改質することによって生成される水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤ガス（例えば、空気）中の酸素とを電気化学反応（所謂、燃料電池反応）させて発電が行われる。このような固体酸化物形燃料電池は、適用用途として、発電出力が数十ｋＷ級である業務用、産業用のものと、発電出力が１ｋＷ級である家庭用のものとがある。

特開２００４−２４７２４７号公報

この種の燃料電池では、一般的に、発電時間の経過とともに発電特性が低下（劣化）し、燃料電池性能が低下した場合（即ち、同一電流条件において、燃料電池の発電電圧が低下した場合）、発電電力（発電電流と発電電圧との積）を維持するために、発電電流が増大させるように制御するようになる。燃料電池のこのような出力制御は、燃料電池スタックでの発熱を増大させることになるために、燃料電池スタックに対する冷却を強める必要がある。

リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の場合、冷却媒体として水を用いているために、冷却能力を増やすためには冷却水の流量を増加させればよく、それに伴う動力増加は僅かである。これに対して、固体酸化物形燃料電池の場合、冷却媒体として空気（主として、燃料電池反応に利用する反応空気）を用いているために、冷却能力を増やすためには反応空気を供給するための空気ブロアからの送風量を増加させなければならず、それに伴う空気ブロアの消費電力損失増加が大きくなり、燃料電池システム全体としての発電効率が低下する。

また、この発熱の増大は燃料電池スタックの温度を高めることになるが、空気ブロアからの反応空気の増大による冷却では、燃料電池スタックを所望の通りに冷却することが難しく、燃料電池スタックが部分的に高温になることがある。このように部分的にも燃料スタックの温度が上昇すると、燃料電池に用いられている金属材料の酸化や、電極微細構造の変化による劣化の速度を速めることになる。特に、固体酸化物形燃料電池では、劣化に伴う発電性能の低下時に部分的な温度上昇が起こりやすく、このような部分的な温度上昇が発生すると、劣化が促進されることになる。

本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池の発電性能低下を抑制するとともに、システム全体としての運用の経済性、省エネルギーを維持することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料電池反応により電力を発生する固体酸化物形燃料電池と、電力を貯える蓄電池と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記蓄電池の作動を制御するための制御手段と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記固体酸化物形燃料電池の作動温度が設定温度以上になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するとともに、前記蓄電池からの放電を行い、
また、前記固体酸化物形燃料電池の作動温度が前記設定温度以上になる稼働回数が所定回数以上になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の最大発電出力を下方修正することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料電池反応により電力を発生する固体酸化物形燃料電池と、電力を貯える蓄電池と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記蓄電池の作動を制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記固体酸化物形燃料電池の発電電流に対する発電電圧が設定電圧以下になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するとともに、前記蓄電池からの放電を行い、
また、前記固体酸化物形燃料電池の発電電流に対する発電電圧が前記設定電圧以下になる稼働回数が所定回数以上になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の最大発電電力を下方修正することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限する際に、前記蓄電池の充電深度が設定充電深度以上であるときには前記蓄電池からの放電を行い、前記蓄電池の充電深度が前記設定充電深度より小さいときには前記蓄電池からの放電を停止することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記固体酸化物形燃料電池は、最大発電出力と最小発電出力との出力比が２．０以上であることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池の作動温度が設定温度以上に上昇すると、制御手段は固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するので、その後はこの制限された発電出力の範囲内で固体酸化物形燃料電池が稼働される。従って、固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックの温度上昇が抑えられ、温度上昇に伴う燃料電池スタックの劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池の寿命を延ばすことができる。また、このように固体酸化物形燃料電池の発電出力が制限されると、蓄電池が放電を行って蓄電池からの電力が供給される。従って、燃料電池システム全体としての供給電力（固体酸化物形燃料電池からの発電電力と蓄電池からの放電電力との和）は所望電力に保つことができ、燃料電池システム全体としての運用の経済性、省エネルギー性を維持することができる。このような制御は、家庭用などの電力負荷が大きく変動する用途に適用した場合に、特にその効果が大きくなる。尚、固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するとは、その発電出力を維持して制限する場合とその発電出力を減少させて制限する場合の双方を含む。また、蓄電池への充電は、商用電力を利用して充電するようにしてもよいが、固体酸化物形燃料電池の稼働を高めるために、この固体酸化物形燃料電池の発電電力を利用して充電するのが望ましい。
また、この固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池の作動温度が設定温度以上になる稼働回数が所定回数以上になると、制御手段はその最大発電出力を下方修正するので、固体酸化物形燃料電池は中間発電出力で稼働されるようになり、これにより、燃料電池システムからの供給電力を所望電力に維持しながら固体酸化物形燃料電池の寿命を延ばすことができる。所定回数とは１回又は２回以上の適宜の回数であり、所定回数が例えば１回の場合、固体酸化物形燃料電池の作動温度が所定温度以上になる毎にその最大発電出力が下方修正される。尚、固体酸化物形燃料電池の最大発電出力を下方修正すると同時に、その最小発電出力を上方修正するのが望ましく、このように最小発電出力側も修正することによって、固体酸化物形燃料電池は最小発電出力側においても中間発電出力で稼働されるようになる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固定酸化物形固体酸化物形燃料電池の発電電流に対する発電電圧が設定電圧以下に下がると、制御手段は固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するので、その後はこの制限された発電出力の範囲内で固体酸化物形燃料電池が稼働される。従って、固体酸化物形燃料電池の発電出力の出力電流が抑えられ、発電効率の低下した状態での稼働を抑制しながら固体酸化物形燃料電池の寿命を延ばすことができる。また、このように固体酸化物形燃料電池の発電出力が制限されると、蓄電池が放電を行って蓄電池からの電力が供給され、燃料電池システム全体としての供給電力を所望電力に保つことができ、燃料電池システム全体としての運用の経済性、省エネルギー性を維持することができる。蓄電池への充電は、上述したと同様に、商用電力を利用して充電するようにしてもよいが、固体酸化物形燃料電池の稼働を高めるために、この固体酸化物形燃料電池の発電電力を利用して充電するのが望ましい。
また、この固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池の発電電流に対する発電電圧が設定電圧以下になる稼働回数が所定回数以上になると、制御手段はその最大発電出力を下方修正する、換言すると最大発電出力における発電電流を下方修正するので、固体酸化物形燃料電池は中間発電出力で稼働されるようになり、発電効率の低下を抑えながら固体酸化物形燃料電池の寿命を延ばすことができる。尚、このような制御においても、固体酸化物形燃料電池の最大発電出力を下方修正する（換言すると、最大発電出力における発電電流を下方修正する）と同時に、その最小発電出力を上方修正する（換言すると、最小発電出力における発電電流を上方修正する）のが望ましく、このように最小発電出力側も修正することによって、固体酸化物形燃料電池は最小発電出力側においても中間発電出力で稼働されるようになる。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限する際に、蓄電池の充電深度が設定充電深度以上のときには蓄電池に蓄電されているとして放電が行われ、その充電深度が設定充電深度より小さいときには蓄電池に蓄電されていないとして放電が停止される。蓄電池の充電深度とは最大充電量に対する充電量（充電深度＝充電量／最大充電量）である。

更に、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、最大発電出力と最小発電出力との出力比が２．０以上であるので、電力負荷の変動が大きいところに設置したときに固体酸化物形燃料電池システムの運用効率を長期的に維持することができ、家庭用燃料電池システムとして好都合に適用することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。まず、図１〜図５を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１は、一実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを簡略的に示すブロック図であり、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図であり、図３は、固体酸化物形燃料電池における劣化前後の発電電力と作動温度との関係を示す図であり、図４は、図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける出力修正データを示す図であり、図５は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの作動の流れを示すフローチャートである。

図１において、図示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２及び蓄電池４を備えている。固体酸化物形燃料電池２の燃料極側には燃料供給流路６を通して燃料ガスとしての例えば天然ガスが供給され、燃料供給流路６に配設された流量コントローラ８（例えば、流量制御弁）によって、固体酸化物形燃料電池２に供給される燃料ガスの供給量が制御される。尚、固体酸化物形燃料電池２の空気極側には、図示していないが、送風ファンによって空気が供給される。固体酸化物形燃料電池２は燃料電池スタック（図示せず）を内蔵し、この燃料電池スタックにて燃料ガス（水素、一酸化炭素及び炭化水素に改質される）と空気中の酸素によって燃料電池反応が行われて発電される。

固体酸化物形燃料電池２の出力側はインバータ１０を介して商用電源１２からの電力供給ライン１４に系統連系される。固体酸化物形燃料電池２からの発電電力は、インバータ１０によって所定周波数の交流電力に変換され、かく変換された発電電力が電力供給ライン１４を通して電力負荷１６に供給される。

また、蓄電池４は、双方向インバータ１８を介して電力供給ライン１４に電気的に接続される。双方向インバータ１８は、蓄電池４に蓄えられた電力を電力供給ライン１４に供給するときには蓄電池４からの直流電力を所定周波数の交流電力に変換し、かく変換された電力が電力供給ライン１４を介して電力負荷１６に供給され、また電力供給ライン１４からの電力を蓄電池４に蓄えるときには、交流電力を直流電力に変換し、かく変換された直流電力が蓄電池４に蓄電される。また、蓄電池４には蓄電池４の蓄電電圧を監視するための電圧監視回路２０が設けられ、この電圧監視回路２０による検知電圧に基づいて蓄電池４の蓄電量（充電量）が演算される。

この固体酸化物形燃料電池システムは、例えばコントローラから構成される制御手段２２によって作動制御される。固体酸化物形燃料電池２の燃料電池スタック（図示せず）には温度を検知するための熱電対２４が設けられ、この熱電対２４からの検知信号及び電圧監視回路２０からの検知信号が制御手段２２に送給される。

制御手段２２は例えばマイクロプロセッサから構成され、作動制御手段２６、温度上昇判定手段２８、出力制限信号生成手段３０及び最大出力修正手段３２を備えている。作動制御手段２６は、燃料電池２、流量コントローラ８、インバータ１０及び双方向インバータ１８を後述する如く作動制御する。また、温度上昇判定手段２８は熱電対２４からの検知信号に基づいて燃料電池スタック（図示せず）の作動温度が設定温度以上であるかを判定し、出力制限信号生成手段３０は温度上昇判定手段２８の判定結果に基づいて出力制限信号を生成し、最大出力修正手段３２は上記出力制限信号に基づいて固体酸化物形燃料電池２の最大出力を後述する如く下方修正する。

この制御手段２２は、更に、放電信号生成手段３４、充電信号生成手段３６、充電深度演算手段３８及びメモリ手段４０を含んでいる。充電深度演算手段３８は電圧監視回路２０からの検知信号に基づいて充電深度を演算する。充電深度とは蓄電池４の最大充電量に対する充電量（充電深度＝充電量／最大充電量）であり、蓄電池４の蓄電電圧に基づいて充電深度を演算する。また、放電信号生成手段３４は、出力制限信号生成手段３０が出力制限信号を生成し、且つ充電深度が第１設定充電深度（例えば、０．１）以上であるときに放電信号を生成し、充電信号生成手段３６は、出力制限信号生成手段３０が出力制限信号を生成せず、且つ充電深度が第２設定充電深度（例えば、０．９）以下であるときに充電信号を生成する。第１設定充電深度は蓄電池４に電力が蓄電されて放電が可能である値の最小値であり、第２設定充電深度は蓄電池４の電力が消費されて充電が可能である値の最大値である。第１設定充電深度は第２設定充電深度よりも小さく、第１及び第２設定充電深度については蓄電池４の特性などを考慮して適宜の値を設定することができる。

更に、メモリ手段４０には各種データ、例えば温度上昇の判定の基準となる設定温度、最大出力修正手段３２の修正基準となる設定回数、最大出力修正手段３２により修正される出力修正データなどが登録されている。この実施形態では、後に説明するように、設定回数が１回に設定され、出力制限信号生成手段３０が出力制限信号を生成する毎に最大出力修正手段３２が固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力を下方修正するように構成されているが、これに限定されず、出力制限信号が例えば３回などの適宜の回数生成される毎に最大発電出力を下方修正するように構成してもよい。

ここで、図３及び図４を参照して、固体酸化物形燃料電池２の劣化による特性変化について説明する。固体酸化物形燃料電池２においては、一般に、稼働時間が長くなるにつれて燃料電池スタックが劣化し、燃料電池性能が低下するようになり、同一電力条件において発電電圧が低下すると、所定発電出力（発電電力＝発電電圧×発電電流）を維持するために、発電電流が増大するようになる。図３において、実線Ｐ０は劣化前の発電電力−作動温度の特性曲線であり、破線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ（ｍ）は劣化後の発電電力−作動温度の特性曲線であり、劣化が進行するに伴って燃料電池スタックでの発熱が増大して発電電力ー作動温度の特性曲線は上方に移動する傾向、即ち作動温度が上昇する傾向にある。このようなことから、劣化の進行に伴って固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力が下方修正されるように、その最大発電出力に関する出力修正データが図４に示すように表形式でメモリ手段４０に記憶され、Ｐ（０）＞Ｐ（１）＞Ｐ（２）・・・と設定され、このように設定することによって、固体酸化物形燃料電池２の作動温度が設定温度以上になる毎に、その最大発電出力が低下するようになる。尚、固体酸化物形燃料電池２の発電出力制限は、上述したように発電出力を低下するようにしてもよく、或いは発電出力がその出力に維持されるようにしてもよい。

次に、図１及び図２とともに図５を参照して、上述した固体酸化物形燃料電池システムの作動の流れについて説明する。固体酸化物形燃料電池システムが稼働する（ステップＳ１）と、固体酸化物形燃料電池２（具体的には、燃料電池スタック）の作動温度の測定が行われる（ステップＳ２）。この作動温度の測定は熱電対２４によって行われ、熱電対２４からの検知信号が制御手段２２に送られる。

このように作動温度の検知が行われると、温度上昇判定手段２８は熱電対２４による検知温度（即ち、固体酸化物形燃料電池２の作動温度）が設定温度（例えば、８００℃程度に設定される）以上であるか判断される（ステップＳ３）。固体酸化物形燃料電池２の燃料電池スタックの劣化が発生せず、その作動温度が所定温度状態に保たれているときには、ステップＳ３からステップＳ４に進み、蓄電池４の充電深度が第２設定充電深度（例えば、０．９）以上であるか判断される。この充電深度の演算は電圧監視回路２０からの検知信号に基づいて行われ、充電深度演算手段３８はこの検知信号に基づいて充電深度を演算する。この充電深度が第２設定充電深度以上であるときには、蓄電池４は充分に充電されているとして蓄電池４の充電禁止処理が行われ（ステップＳ５）、蓄電池４は固体酸化物形燃料電池２から電力供給ライン１４を通して供給される発電電力によって充電されることはない（このとき、双方向インバータ１８が作用されることはない）。

また、充電深度が第２設定充電深度（例えば、０．９）より小さいときには、充電信号生成手段３６は充電信号を生成し、蓄電池４の蓄電力の一部又は全部が消費されて充電可能であるとして蓄電池４の充電許可処理が行われる（ステップＳ６）。この充電許可処理においては、双方向インバータ１８が作動され、固体酸化物形燃料電池２から電力供給ライン１４を通して供給される発電電力の一部が双方向インバータ１８により直流電力に変換されて蓄電池４に蓄電され、充電深度が第２設定充電深度に達するまで蓄電される。

一方、固体酸化物形燃料電池２の稼働により燃料電池スタックが劣化してその作動温度が設定温度以上に上昇すると、ステップＳ３からステップＳ７に進み、固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力の制限が行われる。即ち、出力制限信号生成手段３０は出力制限信号を生成し、この出力制限信号に基づいて最大出力修正手段３２は、メモリ手段４０に登録された出力修正データから次の最大発電出力値Ｐ（１）を読み出し、読み出した最大発電出力値Ｐ（１）を最大発電出力として下方修正し、下方修正された最大発電出力値Ｐ（１）の範囲内で稼働され、このように最大発電出力を下方修正することによって、固体酸化物形燃料電池２の作動温度の上昇を抑えることができる。尚、固体酸化物形燃料電池２の発電出力の制限は、インバータ１０の負荷側出力を制限するとともに、流量コントローラ８を制御して固体酸化物形燃料電池２に供給される燃料ガスの供給量を制御することによって行われる。

このようにして固体酸化物形燃料電池２の出力制限が行われると、ステップＳ８に移り、蓄電池４の充電深度が第１設定充電深度（例えば、０．１）以上であるか判断される。この充電深度が第１設定充電深度以上であるときには、蓄電池４に電力が蓄えられていて放電が可能として放電信号生成手段３４が放電信号を生成し、蓄電池４の放電許可処理が行われる（ステップＳ９）。この放電許可処理においては、双方向インバータ１８が作動され、蓄電池４に蓄えられた電力が双方向インバータ１８にて交流電力に変換され、固体酸化物形燃料電池２からの発電電力とともに電力供給ライン１４を通して電力負荷１６に供給され、この電力負荷１６にて消費される。このように蓄電池４に蓄電された電力が消費されるので、固体酸化物形燃料電池２の出力制限による発電電力の低下を蓄電池４からの電力によって補うことができ、燃料電池システム全体として電力負荷１６に対して所望の電力を供給することができる。

また、充電深度が第１設定充電深度（例えば、０．１）より小さいときには、ステップＳ８からステップＳ１０に進み、蓄電池４の蓄電力がほぼ消費されたとして蓄電池４の放電禁止処理が行われ（ステップＳ１０）、蓄電池４から電力供給ライン１４に電力が供給されることはない（このとき、双方向インバータ１８が作用されることはない）。

固体酸化物形燃料電池２の燃料電池スタックの劣化が進行すると、その作動温度が上昇するが、このように固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力を制限することによって、その作動温度の上昇が抑えられ、これによって、固体酸化物形燃料電池２の劣化の促進を抑えることができ、その寿命を長くすることができる。また、固体酸化物形燃料電池２の作動温度が設定温度を上昇する毎にその発電出力が制限されるので、作動温度が設定温度を超える頻度が多くなると、この固体酸化物形燃料電池２は最大発電出力側において中間出力で稼働されるようになり、これによって、固体酸化物形燃料電池２の寿命を長くすることができる。

次に、図６〜図１０を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの他の実施形態について説明する。図６は、他の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図であり、図７は、固体酸化物形燃料電池における劣化前後の発電電流と発電電圧との関係を示す図であり、図８は、最大発電電力に関する出力修正データを示す図であり、図９は、最小発電電力に関する出力修正データを示す図であり、図１０は、図６の固体酸化物形燃料電池システムの作動の流れを示すフローチャートである。尚、他の実施形態において、図１〜図５に示す実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図６において、この他の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおける制御手段２２Ａは、温度上昇判定手段２８に加えて電圧低下判定手段５２を備えており、固体酸化物形燃料電池２の燃料電池スタックの劣化に伴う作動温度の上昇と出力電圧の低下に基づいて固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するように構成されている。即ち、固体酸化物形燃料電池２の燃料電池スタック（図示せず）の作動温度を検知するために熱電対２４が設けられているとともに、固体酸化物形燃料電池２の出力側に電圧測定回路５４が設けられ、この電圧測定回路５４は固体酸化物形燃料電池２の出力電圧を検知し、熱電対２４及び電圧測定回路５４からの検知信号が制御手段２２Ａに送給される。

電圧低下判定手段５２は、電圧測定回路５４の検知信号に基づいて固体酸化物形燃料電池２の出力電圧が設定電圧（例えば、出力１ｋＷ時で１４０Ｖ）以下であるかを判定し、この出力電圧が設定電圧以下であると、固体酸化物形燃料電池の出力電圧を制限するように構成されている。この他の実施形態では、出力制限信号生成手段３０Ａは温度上昇判定手段２８の判定結果に基づいて出力制限信号を生成するとともに、電圧低下判定手段５２の判定結果に基づいて出力制限信号を生成し、出力修正手段３２Ａは上記出力制限信号に基づいて固体酸化物形燃料電池２の発電出力を後述する如く修正する。

ここで、図７〜図９を参照して、固体酸化物形燃料電池２の劣化による出力電流と出力電圧の特性変化について説明する。固体酸化物形燃料電池２においては、燃料電池スタックが劣化すると、その出力電圧が低下し、その発電出力が大きいほど電圧低下率も大きくなる。この発電電圧の低下は、主として電極性能の低下、接触抵抗の増大といった内部抵抗の増大であり、簡略化すると、次式で示すことができる。

発電電圧（Ｖ）＝電流０Ａ時の電圧（Ｖ）−
〔内部抵抗（Ωｃｍ^２）×電流（Ａ／ｃｍ^２）〕 ・・・（１）
例えば、一定の発電電流（例えば、０．５Ａ／ｃｍ^２とする）での発電電圧が低下したときの発電電流と発電電圧との関係は、例えば図７に示すように変化する。図７において、実線Ｖ０は劣化前の発電電流−発電電圧の特性曲線であり、破線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ（ｎ）は劣化後の発電電流−発電電圧の特性曲線であり、劣化が進行するに伴って燃料電池スタックでの電圧低下が増大して発電電流ー発電電流の特性曲線は下方に移動する傾向、即ち発電電圧が低下する傾向にある。このようなことから、劣化の進行に伴って固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力が下方修正される（このことは、発電電流に置き換えると、発電電流に対する発電電圧が下方修正される）ようにその最大発電出力に関する出力修正データが図８に示すように表形式でメモリ手段４０Ａに登録されている。

この他の形態では、更に、固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力が下方修正されると同時に、その最小発電出力が上方修正されるように構成されており、このことに関連して、その最小発電出力に関する出力修正データが図９に示すように表形式でメモリ４０Ａに登録されている。

メモリ手段４０Ａに登録されている最大発電電力についての出力修正データは、例えば、図８に示す通りであり、温度上昇判定手段２８の判定結果に基づいて最大発電電力が下方修正される場合、図８のｍ欄に沿って順に下方修正され、例えば、Ｐｍａｘ（０，０）からＰｍａｘ（１，０）、Ｐｍａｘ（２，０）・・・と下方修正され、また電圧低下判定手段５２の判定結果に基づいて最大発電電力が下方修正される場合、図８のｎ欄に沿って順に下方修正され、例えば、Ｐｍａｘ（０，０）からＰｍａｘ（０，１）、Ｐｍａｘ（０，２）・・・と下方修正される。そして、最大発電出力が例えばＰｍａｘ（１，１）であるときに固体酸化物形燃料電池２の作動温度が設定温度以上に上昇すると、出力修正手段３２Ａは最大発電出力としてＰｍａｘ（２，１）と下方修正し、また、最大発電出力が例えばＰｍａｘ（１，１）であるときに固体酸化物形燃料電池２の発電電圧が設定電圧以下に低下すると、出力修正手段３２Ａは最大発電出力としてＰｍａｘ（１，２）と下方修正する。

また、メモリ手段４０Ａに登録されている最小発電電力についての出力修正データは、例えば、図９に示す通りであり、温度上昇判定手段２８の判定結果に基づいて最小発電出力が上方修正される場合、図９のｍ欄に沿って順に上方修正され、例えば、Ｐｍｉｎ（０，０）からＰｍｉｎ（１，０）、Ｐｍｉｎ（２，０）・・・と上方修正され、また電圧低下判定手段５２の判定結果に基づいて最小発電電力が上方修正される場合、図９のｎ欄に沿って順に上方修正され、例えば、Ｐｍｉｎ（０，０）からＰｍｉｎ（０，１）、Ｐｍｉｎ（０，２）・・・と上方修正される。そして、最小発電出力が例えばＰｍｉｎ（１，１）であるときに固体酸化物形燃料電池２の作動温度が設定温度以上に上昇すると、出力修正手段３２Ａは最小発電出力としてＰｍｉｎ（２，１）と上方修正し、また、最小発電出力が例えばＰｍａｘ（１，１）であるときに固体酸化物形燃料電池２の発電電圧が設定電圧以下に低下すると、出力修正手段３２Ａは最小発電出力としてＰｍｉｎ（１，２）と上方修正する。

このように固体酸化物形燃料電池２の発電出力に関し、最大発電出力と最小発電出力が設定され、その発電出力が最大発電出力と最小発電出力との間の範囲となるように稼働されるものにおいては、この最大発電出力（例えば、１ｋＷに設定される）と最小発電出力（例えば、３００Ｗに設定される）との比が２．０以上であるように設定され、このような固体酸化物形燃料電池２においては、発電出力が大きく変動する分野、例えば家庭用の分野に好都合に適用することができ、上述した制御を行うことによって固体酸化物形燃料電池の劣化を抑えることができる。尚、この他の実施形態におけるその他の構成は、図１〜図５に示す実施形態と実質上同一である。

次に、主として図６及び図１０を参照して、この固体酸化物形燃料電池システムの作動の流れについて説明する。固体酸化物形燃料電池システムが稼働する（ステップＳ１１）と、固体酸化物形燃料電池２（具体的には、燃料電池スタック）の作動温度の測定が行われ（ステップＳ１２）、温度上昇判定手段２８は熱電対２４による検知温度（即ち、固体酸化物形燃料電池２の作動温度）が設定温度（例えば、８００℃）以上であるか判断される（ステップＳ１３）。

固体酸化物形燃料電池２の稼働により燃料電池スタックが劣化してその作動温度が設定温度以上に上昇すると、ステップＳ１３からステップＳ１４に進み、固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力の制限が行われる。即ち、出力制限信号生成手段３０Ａは出力制限信号を生成し、この出力制限信号に基づいて出力修正手段３２Ａは、メモリ手段４０Ａに登録された最大発電出力に関する出力修正データ（図８参照）から次の最大発電出力値Ｐｍａｘ（１，０）を読み出し、読み出した最大発電出力値Ｐｍａｘ（１，０）を最大発電出力として下方修正するとともに、メモリ手段４０Ａに登録された最小発電出力に関する出力修正データ（図９参照）から次の最小発電出力値Ｐｍｉｎ（１，０）を読み出し、読み出した最小発電出力値Ｐｍｉｎ（１，０）を最小発電出力として上方修正する。このように発電出力を制限すると、最大発電出力側及び最小発電出力側の双方が中間出力側に修正され、これによって、固定酸化物形燃料電池２の寿命を伸ばすことができる。

このように固体酸化物形燃料電池２の発電出力が制限されると、次にステップＳ１５に進み、蓄電池４の充電深度が第１設定充電深度（例えば、０．１）以上であるか判断される。この充電深度が第１設定充電深度以上であるときには、放電信号生成手段３４が放電信号を生成し、蓄電池４の放電許可処理が行われ（ステップＳ１６）、蓄電池４に蓄えられた電力が上述したと同様にして双方向インバータ１８にて交流電力に変換された後に電力負荷１６に供給される。

また、充電深度が第１設定充電深度（例えば、０．１）より小さいときには、ステップＳ１５からステップＳ１７に進み、蓄電池４の放電禁止処理が行われ、蓄電池４から電力供給ライン１４に電力が供給されることはない。

一方、固体酸化物形燃料電池２の作動温度が所定温度状態に保たれているときには、ステップＳ１３からステップＳ１８に進み、固体酸化物形燃料電池２の発電電圧（出力電圧）の測定が行われる。この発電電圧の測定は、電圧測定回路５４により行われ、電圧測定回路５４からの検知信号が制御手段２２Ａに送給される。そして、固体酸化物形燃料電池２の発電電圧（出力電圧）が設定電圧以下であるか判断される（ステップＳ１９）。固体酸化物形燃料電池２の発電電圧（出力電圧）が設定電圧以下であると、ステップＳ２０に進み、固体酸化物形燃料電池２の出力制限が行われる。即ち、出力制限信号生成手段３０Ａは出力制限信号を生成し、この出力制限信号に基づいて出力修正手段３２Ａは、メモリ手段４０Ａに登録された最大発電出力に関する出力修正データ（図８参照）から次の最大発電出力値Ｐｍａｘ（０，１）を読み出し、読み出した最大発電出力値Ｐｍａｘ（０，１）を最大発電出力として下方修正するとともに、メモリ手段４０Ａに登録された最小発電出力に関する出力修正データ（図９参照）から次の最小発電出力値Ｐｍｉｎ（０，１）を読み出し、読み出した最小発電出力値Ｐｍｉｎ（０，１）を最小発電出力として上方修正する。このように発電出力を制限すると、固体酸化物形燃料電池２の発電電流に対する発電電圧が下方修正されるようになり、この下方修正された発電電圧が設定電圧として修正登録され、次はこの修正設定電圧を用いてステップＳ１９での判断が行われる。このときにおいても最大発電出力側及び最小発電出力側の双方が中間出力側に修正され、これによって、固定酸化物形燃料電池２の寿命を伸ばすことができる。

このように固体酸化物形燃料電池２の発電出力が制限されると、次にステップＳ１５に進み、上述したと同様に、蓄電池４の充電深度が第１設定充電深度以上であるときにはステップＳ１５からステップＳ１６に進み、蓄電池４の放電許可処理が行われ、また、蓄電池４の充電深度が第１設定充電深度より小さいときにはステップＳ１５からステップＳ１７に進み、蓄電池４の放電禁止処理が行われる。

また、固体酸化物形燃料電池２の発電電圧（出力電圧）が設定電圧より大きいと、ステップＳ１９からステップＳ２１に進み、蓄電池４の充電深度が第２設定充電深度（例えば、０．９）以上であるか判断される。上述したと同様に、この充電深度が第２設定充電深度以上であるときには、ステップＳ２１からステップＳ２２に進み、蓄電池４の充電禁止処理が行われ、また充電深度が第２設定充電深度（例えば、０．９）より小さいときには、ステップＳ２１からステップＳ２３に進み、蓄電池４の充電許可処理が行われる。

この他の実施形態においては、固体酸化物形燃料電池２の燃料電池スタックの劣化が進行してその作動温度が上昇する、又はその発電電圧が低下すると、固体酸化物形燃料電池２の最大発電出力が制限されるので、固体酸化物形燃料電池２は中間出力状態で稼働されるようになり、これによって、燃料電池スタックの劣化の促進を抑え、その寿命を長くすることができる。

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

本発明の効果を確認するために、次の通りの実験を行った。実施例として、１ｋＷ級の固体酸化物形燃料電池と蓄電池とを組み合わせた固体酸化物形燃料電池システムを用い、図６〜図１０に示す実施形態と同様の制御しながら蓄電池による充電、放電を行いながら固体酸化物形燃料電池の劣化を抑えながら１年間運転した後の発電効率を調べた。蓄電池の容量は０．５ｋＷｈ（最大充放電能力０．２ｋＷ）であった。また、１年間を通して運転した負荷条件は、平均的な戸建て一般家庭（年間電力需要量６１００ｋＷｈ）の季節毎の１日の電力使用量データを模擬したものであった。

この実施例の結果は、図１１に破線Ｂで示す通りであり、一年間運転した後の平均発電効率は３７．７％−ＬＨＶであった。尚、実線Ａはこの固体酸化物形燃料電池の運転初期の発電効率であった。

比較例として、実施例と同じ型の１ｋＷ級の固体酸化物形燃料電池を蓄電池と組み合わせることなく用いた固体酸化物形燃料電池システムを使用し、実施例と同じ運転条件で１年間運転した後の発電効率を調べた。この比較例の結果は、図１１の一点鎖線Ｃで示す通りであり、その平均発電効率は３５．５％−ＬＨＶであった。

この実験結果から、季節毎の１日の負荷パターンを考慮しながら一年間運転したときの固体酸化物形燃料電池の平均発電効率は、蓄電池を使用しなかった場合は３５．５％−ＬＨＶ（運転初期の平均発電効率：４２．２％−ＬＨＶ）まで低下したが、蓄電池を使用した場合は３７．７％−ＬＨＶであり、蓄電池を使用しなかった場合に比して２．２ポイント低下が少なく、これによって、蓄電池を使用することによって固体酸化物形燃料電池の劣化を抑えられることが確認できた。

一実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを簡略的に示すブロック図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。 固体酸化物形燃料電池における劣化前後の発電電力と作動温度との関係を示す図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける出力修正データを示す図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの作動の流れを示すフローチャート。 他の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。 固体酸化物形燃料電池における劣化前後の発電電流−発電電圧の特性曲線を示す図。 最大発電電力に関する出力修正データを示す図。 最小発電電力に関する出力修正データを示す図。 図６の固体酸化物形燃料電池システムの作動の流れを示すフローチャート。 実施例及び比較例におけるシステム交流出力−発電効率の特性を示す図。

符号の説明

２ 固体酸化物形燃料電池
４ 蓄電池
８ 流量コントローラ
１０ インバータ
１６ 電力負荷
１８ 双方向インバータ
２０ 電圧監視回路
２２，２２Ａ 制御手段
２４ 熱電対
２８ 温度上昇判定手段
３０，３０Ａ 出力制限信号生成手段
３２，３２Ａ 出力修正手段
３４ 放電信号生成手段
３６ 充電信号生成手段
３８ 充電震度演算手段
５２ 電圧低下判定手段

Claims (4)

1. 燃料電池反応により電力を発生する固体酸化物形燃料電池と、電力を貯える蓄電池と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記蓄電池の作動を制御するための制御手段と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記固体酸化物形燃料電池の作動温度が設定温度以上になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するとともに、前記蓄電池からの放電を行い、
   また、前記固体酸化物形燃料電池の作動温度が前記設定温度以上になる稼働回数が所定回数以上になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の最大発電出力を下方修正することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 燃料電池反応により電力を発生する固体酸化物形燃料電池と、電力を貯える蓄電池と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記蓄電池の作動を制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記固体酸化物形燃料電池の発電電流に対する発電電圧が設定電圧以下になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限するとともに、前記蓄電池からの放電を行い、
   また、前記固体酸化物形燃料電池の発電電流に対する発電電圧が前記設定電圧以下になる稼働回数が所定回数以上になると、前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の最大発電電力を下方修正することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池の発電出力を制限する際に、前記蓄電池の充電深度が設定充電深度以上であるときには前記蓄電池からの放電を行い、前記蓄電池の充電深度が前記設定充電深度より小さいときには前記蓄電池からの放電を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記固体酸化物形燃料電池は、最大発電出力と最小発電出力との出力比が２．０以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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