特許 6041091 固体酸化物型燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6041091

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】固体酸化物型燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20161128BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20161128BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/12

   H01M8/04 J

   H01M8/04 T

【請求項の数】5

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2012-107299(P2012-107299)

(22)【出願日】2012年5月9日

(65)【公開番号】特開2013-235711(P2013-235711A)

(43)【公開日】2013年11月21日

【審査請求日】2015年4月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000010087

【氏名又は名称】ＴＯＴＯ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103609

【弁理士】

【氏名又は名称】井野 砂里

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123630

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】松尾 卓哉

(72)【発明者】

【氏名】大塚 俊治

(72)【発明者】

【氏名】土屋 勝久

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０７６９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８７７５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタック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、
上記燃料電池セルスタックの空気極側に、外気から取り込んだ空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記燃料電池モジュール内の熱を蓄積する蓄熱材と、
外気の温度を検出する外気温度センサと、
上記燃料供給手段、及び上記発電用空気供給手段を制御して、上記燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に維持しながら、上記燃料電池モジュールに電力を生成させる制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、上記燃料電池モジュール内を所定の温度範囲に維持すべく、上記燃料供給手段による燃料供給量を増量補正する外気温補正手段と、所定の条件に基づいて、上記外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限する補正制限手段と、を有し、
上記補正制限手段は、上記燃料電池モジュールの出力電圧の降下が、所定の電圧降下量以下である場合に、上記外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。

【請求項2】

水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタック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、
上記燃料電池セルスタックの空気極側に、外気から取り込んだ空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記燃料電池モジュール内の熱を蓄積する蓄熱材と、
外気の温度を検出する外気温度センサと、
上記燃料供給手段、及び上記発電用空気供給手段を制御して、上記燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に維持しながら、上記燃料電池モジュールに電力を生成させる制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、上記燃料電池モジュール内を所定の温度範囲に維持すべく、上記燃料供給手段による燃料供給量を増量補正する外気温補正手段と、所定の条件に基づいて、上記外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限する補正制限手段と、
上記燃料電池モジュール内に蓄積されている熱量を推定する蓄熱量推定手段と、を有し、
上記補正制限手段は、上記蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量が所定熱量以上である場合に、上記外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。

【請求項3】

上記補正制限手段は、上記燃料電池モジュールによる発電電力が大きい場合における燃料供給量の増量補正の量を、発電電力が小さい場合における燃料供給量の増量補正の量よりも少なくする請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項4】

上記補正制限手段は、上記燃料電池モジュールによる発電電力が所定の補正実行電力以下の場合には、上記外気温補正手段による燃料供給量の増量補正の制限を行わない請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項5】

上記外気温補正手段は、上記外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、上記発電用空気供給手段による空気供給量の減量補正を実行し、上記補正制限手段は、空気供給量の減量補正に対しては制限を行わない請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物型燃料電池（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。

【0003】

特開２０１０−８０２５８号公報（特許文献１）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置においては、モジュール収納室の空気を、補機収納室の底面を構成する底板の外側に流すための排気流路、及び、補機収納室の外面に、外気温を測定するための外気温センサが備えられている。制御装置は、外気温センサの測定する温度に基づいて、排気流路の空気流入口を開閉するための開閉手段を制御する。これにより、外気温が低い場合において、水供給装置の凍結を防止している。

【0004】

また、燃料電池装置は、外気から燃料電池モジュール内に取り込まれた発電用の空気と、燃料電池モジュールに供給された燃料ガスを反応させることにより電力を生成する装置であるため、外気温が低い場合には、燃料電池モジュール内の温度は低下傾向となる。一方、固体酸化物型燃料電池では、発電を行うためには燃料電池セルを所定の温度以上に維持しておく必要があるが、この維持される温度が必要以上に高い場合には、燃料電池モジュール内の温度維持のために不要な燃料が消費され、発電効率が低下してしまう。このため、燃料電池モジュール内の温度は、必要最低限の狭い温度帯域内に維持されることが望ましい。

【0005】

このように、燃料電池モジュール内の温度が必要最低限の狭い温度帯域内に維持されるように制御されている状態では、燃料電池モジュール内に取り込まれる発電用空気の温度低下により、燃料電池モジュール内の温度が、発電に要する温度未満に陥る危険性が高くなる。このような燃料電池モジュール内の温度低下のリスクを回避するため、外気温が低い場合には、燃料ガスの供給量を増量補正することが行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−８０２５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、本件発明者は、外気温が低い場合であっても、必ずしも燃料を増量補正する必要はなく、外気温によって一律に燃料を増量補正すると、発電効率が低下するばかりでなく、場合によっては燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇するという新たな技術課題を見出した。本発明は、この問題を解決するためになされたものである。

【0008】

従って、本発明は、外気温が低い場合における燃料電池モジュール内の温度低下のリスクを回避しながら、発電効率の低下、又は過剰な温度上昇の発生を抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決するために、本発明は、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタック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、燃料電池セルスタックの空気極側に、外気から取り込んだ空気を供給する発電用空気供給手段と、燃料電池モジュール内の熱を蓄積する蓄熱材と、外気の温度を検出する外気温度センサと、燃料供給手段、及び発電用空気供給手段を制御して、燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料電池モジュールに電力を生成させる制御手段と、を有し、制御手段は、外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、燃料電池モジュール内を所定の温度範囲に維持すべく、燃料供給手段による燃料供給量を増量補正する外気温補正手段と、所定の条件に基づいて、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限する補正制限手段と、を有し、補正制限手段は、燃料電池モジュールの出力電圧の降下が、所定の電圧降下量以下である場合に、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限することを特徴としている。

【0010】

このように構成された本発明においては、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールに、燃料供給手段により燃料が供給されると共に、発電用空気供給手段により外気から取り込んだ空気が供給される。制御手段は、燃料供給手段、及び発電用空気供給手段を制御して、燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料電池モジュールに電力を生成させる。制御手段に備えられた外気温補正手段は、外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、燃料電池モジュール内を所定の温度範囲に維持すべく、燃料供給手段による燃料供給量を増量補正する。また、制御手段に備えられた補正制限手段は、所定の条件に基づいて、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限する。

【0011】

一般に、燃料電池モジュールは非常に大きな熱容量を有しており、その内部の温度は極めて緩慢に変化する。このため、外気温の低下により燃料電池モジュール内の温度が低下し始めた後に、温度を所定範囲に維持する制御を開始しても、燃料電池モジュールの過剰な温度低下を阻止できない場合がある。このため、外気温が低下した場合には、燃料電池モジュール内の温度が低下し始めていない状態であっても、予防的に燃料供給量を増量補正することが行われている。しかしながら、燃料電池モジュールの状態には様々なものがあり、外気温に基づいて一律に燃料供給量を増量補正したのでは、却って燃料電池モジュールの運転に悪影響を与える場合があることを、本件発明者は見出した。即ち、燃料電池モジュールの運転状態等によっては、外気温が低い場合においても燃料電池モジュール内の温度は上昇傾向に向かう。このような状態において、外気温に基づいて一律に燃料供給量が増量補正されると、無駄な燃料が消費されるばかりでなく、燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇し、燃料電池セルスタックに悪影響を与える場合がある。上記のように構成された本発明によれば、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正が所定の条件に基づいて制限されるので、外気温が低い場合における燃料電池モジュール内の温度低下のリスクを回避しながら、発電効率の低下、又は過剰な温度上昇の発生を抑制することができる。
また、燃料電池モジュールの出力電圧が大きく降下していない状態では、燃料電池セルスタックには十分な燃料及び発電用の空気が供給されており、燃料電池セルスタックは十分な発電能力を備えた状態にある。上記のように構成された本発明によれば、燃料電池セルスタックに十分な発電能力があり、温度低下のリスクが少ない状態において、燃料供給量の増量補正が制限されるので、燃料の浪費が回避されると共に、過剰な燃料を供給することによる過剰な温度上昇を抑制することができる。

【0014】

また、本発明は、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタック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、燃料電池セルスタックの空気極側に、外気から取り込んだ空気を供給する発電用空気供給手段と、燃料電池モジュール内の熱を蓄積する蓄熱材と、外気の温度を検出する外気温度センサと、燃料供給手段、及び発電用空気供給手段を制御して、燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料電池モジュールに電力を生成させる制御手段と、を有し、制御手段は、外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、燃料電池モジュール内を所定の温度範囲に維持すべく、燃料供給手段による燃料供給量を増量補正する外気温補正手段と、所定の条件に基づいて、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限する補正制限手段と、燃料電池モジュール内に蓄積されている熱量を推定する蓄熱量推定手段と、を有し、補正制限手段は、蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量が所定熱量以上である場合に、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正を制限することを特徴としている。

【0015】

このように構成された本発明によれば、蓄熱量が所定熱量以上である場合に燃料供給量の増量補正が制限されるので、容易に温度が低下しない状態において、燃料が増加されることによる燃料の浪費を回避すると共に、燃料電池モジュールの過剰な温度上昇を防止することができる。

【0016】

本発明において、好ましくは、補正制限手段は、燃料電池モジュールによる発電電力が大きい場合には、発電電力が小さい場合よりも大幅に、燃料供給量の増量補正を制限する。

【0017】

一般に、燃料電池モジュール内の温度は、発電電力が大きい場合には発電熱の発生により高くなり、小さい場合には発電熱が少ないため低くなる。従って、発電電力が大きい場合には燃料電池モジュールの温度が過剰に低下する可能性は低い。上記のように構成された本発明によれば、過剰な温度低下に陥る可能性が低いほど大幅に燃料供給量の増量補正が制限されるので、温度低下のリスクを回避しながら燃料消費を抑制することができる。また、燃料電池セルスタックのうちの一部のセルで極度に温度が低下すると、このセルに発電負荷を与えることにより、そのセルが損傷される虞がある。過剰な温度低下を防止することにより、このような損傷のリスクを回避することができる。

【0018】

本発明において、好ましくは、補正制限手段は、燃料電池モジュールによる発電電力が所定の補正実行電力以下の場合には、外気温補正手段による燃料供給量の増量補正の制限を行わない。

【0019】

このように構成された本発明によれば、発電電力が補正実行電力以下であり、燃料電池モジュール内の温度が比較的低い場合には、燃料供給量の増量補正が必ず実行されるので、過剰な温度上昇のリスクを回避しながら、過剰な温度低下を確実に防止することができる。

【0020】

本発明において、好ましくは、外気温補正手段は、外気温度センサによって検出された外気温が低い場合には、発電用空気供給手段による空気供給量の減量補正を実行し、補正制限手段は、空気供給量の減量補正に対しては制限を行わない。

【0021】

このように構成された本発明によれば、外気温が低い場合には常に空気供給量の減量補正が行われるので、燃料を浪費することなく、外気温低下の影響を確実に軽減することができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、外気温が低い場合における燃料電池モジュール内の温度低下のリスクを回避しながら、発電効率の低下、又は過剰な温度上昇の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。

【図2】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。

【図3】図２のIII-III線に沿った断面図である。

【図4】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。

【図5】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。

【図6】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。

【図7】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。

【図8】本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。

【図9】需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。

【図10】本発明の実施形態における外気温補正制御のフローチャートである。

【図11】外気温度に対する燃料供給量の補正係数を示す図である。

【図12】外気温度に対する発電用空気供給量の補正係数を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

【0025】

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７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤（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。

【0026】

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、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

【0030】

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、これらの蒸発部２０ａと改質部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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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酸化物型燃料電池（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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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酸化物型燃料電池（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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水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。

【0048】

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、固体酸化物型燃料電池（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。

【0049】

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。

【0050】

次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。

【0062】

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、改質器２０の温度が所定温度、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。

【0063】

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。

【0064】

次に、図９乃至図１２を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図９は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。

【0065】

図９に示すように、燃料電池モジュール２は、図９の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御手段である制御部１１０は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図９の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の定格発電電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは定格発電電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。

【0066】

制御部１１０は、図９の３段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御して、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図９のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、実際には、燃料利用率は運転状態に応じて変更される。

【0067】

さらに、図９の最下段のグラフに示すように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給され、これが買電力となる。ここで、図９に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図９の時刻ｔ１０においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ１２においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。このように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせている。

【0068】

これにより、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０において改質され、その後、改質された燃料が分散室であるマニホールド６６に流入し、燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６に分配されるまでの時間遅れに対処している。また、燃料が各燃料電池セルユニット１６に分配された後、実際の発電反応が可能になるまでにも時間を要し、電力を増加させるタイミングは、この時間も考慮して設定されている。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。なお、図９は、燃料供給量Ｆｒの増加と、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加のタイミングをマクロ的、概略的に示したものである。

【0069】

また、上述したように、各燃料電池セルユニット１６に供給され、発電に利用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、そこで発電用の空気によって燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱すると共に、燃料電池モジュール２の内部を加熱する。また、燃料電池モジュール２の内部には、蓄熱材である断熱材７が配置されており、燃料電池モジュール２内の熱の外気への消散を抑制している。断熱材７は、非常に大きな熱容量を有しているため、燃料電池モジュール２の運転中に内部で発生した多量の熱が断熱材７に蓄積される。

【0070】

このため、図９に基づいて説明したように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、所定時間遅れて取出可能電流Ｉｉｎｖを増加させた場合、この間に供給された燃料は発電に利用されることなく各燃料電池セルユニット１６の上端で燃焼され、燃料電池モジュール２内の加熱に利用される。また、このようにして発生した燃焼熱は、燃料電池モジュール２内の断熱材７に蓄積される。このように、発電電力が頻繁に変更され、燃料供給量の増減が繰り返されると、発電に利用されずに残る残余燃料が増加し、これが燃料電池モジュール２内を加熱するので、燃料電池モジュール２内の温度は上昇傾向となる。

【0071】

一方、各燃料電池セルユニット１６は、電力（電流）を生成する際に発電熱を発生する。このため、燃料電池セルスタック１４による発電電力が大きい場合には、燃料電池モジュール２の内部は発電熱によっても加熱され、発電電力が小さい場合には発電熱による加熱も少なくなる。この発電熱の減少を補うために、本実施形態においては、発電電力が小さい場合には、供給された燃料のうちの発電に利用される燃料の割合である燃料利用率が低くなるように、燃料供給量が設定されている。即ち、燃料利用率を低く設定することにより、発電に利用されずに残る残余燃料が増加し、この残余燃料が燃焼されることにより燃料電池モジュール２内が加熱され、発電熱の減少が補償される。

【0072】

また、一般に、燃料電池セルスタック１４の発電能力は、所定の温度範囲においては、温度上昇と共に高くなる傾向がある。このため、本実施形態においては、最大定格電力である７００Ｗの電力を生成する場合には、小電力である２００Ｗ程度の電力を生成する場合よりも、燃料電池セルスタック１４の温度が高くなるように、燃料供給量が制御される。従って、発電電力が少ない状態では、燃料電池セルスタック１４の温度は、発電が可能な最低限の温度付近に維持され、発電電力が大きい状態では最低限の温度よりも高い温度になるように、燃料供給量が制御される。

【0073】

さらに、燃料電池モジュール２は、大きな電力をインバータ５４に取り出すべく、出力電流を増加させると、一般に、出力電圧は低下する傾向となる。このため、燃料電池モジュール２による発電電力が大きくなると、燃料電池モジュール２の出力電圧は低下する傾向になる。また、燃料電池セルスタック１４の温度が発電電力に見合う温度よりも低い場合、発電電力に対し十分な燃料が各燃料電池セルユニット１６に供給されていない場合、各燃料電池セルユニット１６が経年変化等により劣化した場合等には、出力電流の増加に対する出力電圧の低下割合が大きくなる傾向がある。即ち、燃料電池セルスタック１４の発電能力が十分でない状態で電力が取り出されると、出力電流の増加に対し、出力電圧が大幅に低下する。

【0074】

次に、図１０乃至図１２を参照して、本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１における外気温に基づく補正制御を具体的に説明する。
図１０は、本実施形態における外気温補正制御のフローチャートである。図１１は、外気温度に対する燃料供給量の補正係数を示す図である。図１２は、外気温度に対する発電用空気供給量の補正係数を示す図である。

【0075】

図１０に示すフローチャートは、外気温度に応じて燃料供給量及び発電用空気供給量を補正する外気温補正制御用のサブルーチンであり、固体酸化物型燃料電池１の運転中において、制御手段である制御部１１０により所定の時間間隔で実行される。なお、図１０による外気温補正制御は、外気温が低下した場合に、燃料電池モジュール２が過剰な温度低下に陥るのを予防的に防止することを目的としたものである。即ち、燃料電池モジュール２は、熱容量が極めて大きく、温度変化が非常に緩慢であり、外気温の低下により燃料電池モジュール２の温度低下が検出された後に温度制御を開始しても、過剰な温度低下が阻止できない場合がある。このため、外気温が所定の温度以下に低下した場合には、燃料電池モジュール２内の温度が実際に低下していない状態であっても外気温補正制御が実行される。なお、燃料電池モジュール２内の温度が実際に低下し始めた場合には、外気温補正制御とは別に温度制御が行われる。

【0076】

まず、図１０のステップＳ１においては、外気温度センサ１５０により検出された外気の温度が−５℃以下であるか否かが判断される。外気の温度が−５℃以下である場合には、ステップＳ２に進み、外気の温度が−５℃よりも高い場合には、図１０のフローチャートの一回の処理を終了する。即ち、外気の温度が−５℃よりも高い場合には、外気から発電用の空気が燃料電池モジュール２内に取り込まれた場合でも、燃料電池モジュール２内部の温度に与える影響は比較的小さいため、ステップＳ２以下の外気温補正制御は実行されない。

【0077】

次に、ステップＳ２においては、燃料電池モジュール２による発電電力が３００Ｗ以下であるか否かが判断される。発電電力が補正実行電力である３００Ｗ以下である場合には、ステップＳ３に進み、発電電力が補正実行電力よりも大きい場合には、ステップＳ４に進む。

【0078】

ステップＳ３においては、制御部１１０に内蔵された外気温補正手段１１０ａ（図６）による燃料供給量及び発電用空気供給量の補正が実行される。上述したように、燃料電池セルスタック１４の温度は、発電電力が大きい場合には比較的高温になるように制御されている一方、発電電力が小さい場合には、燃料電池セルスタック１４の温度が低い状態でも発電が可能であるため、比較的低温になるように制御されている。即ち、発電電力が補正実行電力以下である場合には、燃料電池セルスタック１４の温度が低く維持された状態であるため、外気温の低下により燃料電池モジュール２内の温度が低下すると、燃料電池セルスタック１４が発電可能な温度未満に低下する可能性がある。このため、発電電力が補正実行電力以下である場合には、外気温補正手段１１０ａによる補正がそのまま実行され、制御部１１０に内蔵された補正制限手段１１０ｂ（図６）による補正の制限は実行されない。

【0079】

具体的には、外気温補正手段１１０ａによる補正は、図１１及び図１２に示す補正係数により行われる。
図１１に示すように、本実施形態においては、燃料供給量補正係数は、外気温度が−１５℃よりも高く−５℃以下の場合には１．２、−２５℃よりも高く−１５℃以下の場合には１．４、−２５℃以下の場合には１．６に設定されている。燃料電池モジュール２には、発電電力に応じて設定されている燃料供給量（図９）に、燃料供給量補正係数を乗じた量の燃料が供給される。このように、外気温度が低下するほど燃料供給量が大幅に増加されることにより、発電に使用されずに残る残余燃料が増加し、この残余燃料の燃焼熱により燃料電池モジュール２内が加熱されるので、外気温の低下による燃料電池モジュール２内温度の低下が補償される。

【0080】

また、図１２に示すように、本実施形態においては、発電用空気供給量補正係数は、外気温度が−１５℃よりも高く−５℃以下の場合には０．８、−２５℃よりも高く−１５℃以下の場合には０．６、−２５℃以下の場合には０．４に設定されている。燃料電池モジュール２には、発電電力に応じて設定されている発電用空気供給量に、発電用空気供給量補正係数を乗じた量の空気が供給される。このように、外気温度が低下するほど発電用空気供給量が大幅に減少されることにより、燃料電池モジュール２内の熱を奪う空気の流量が減少するので、外気温の低下による燃料電池モジュール２内温度の低下が抑制される。なお、発電用空気供給量補正係数を乗じる前の発電用空気供給量は、発電に使用される空気の量よりも十分に大きく設定されているので、発電用空気供給量を減少させることにより、発電に利用するための空気が不足することはない。

【0081】

このように、外気温度が低く、発電電力が小さい場合に実行されるステップＳ３における処理では、外気温補正手段１１０ａによる燃料供給量の増量補正、及び発電用空気供給量の減量補正が両方とも実行され、補正制限手段１１０ｂによる補正の制限は実行されない。

【0082】

一方、発電電力が補正実行電力よりも大きい場合には、ステップＳ４が実行される。ステップＳ４においては、燃料電池モジュール２の出力電圧の降下が所定電圧以上であるか否かが判断される。上述したように、燃料電池モジュール２の出力電圧は、出力電流の増加と共に低下する。制御部１１０には、燃料電池モジュール２が適正な状態で発電している場合における出力電流と出力電圧の関係が記憶されている。ステップＳ４においては、燃料電池モジュール２の出力電流に対し検出された出力電圧が、制御部１１０に記憶されている出力電圧よりも低下しているか否かが判断される。検出された出力電圧が、記憶されている適正な出力電圧の７０％以下の電圧に降下している場合には、ステップＳ５に進み、７０％以下に降下していない場合には、ステップＳ６に進む。

【0083】

ステップＳ６においては、図１２に示す発電用空気供給量補正係数に基づいて、発電用空気供給量の減量補正のみが外気温補正手段１１０ａにより実行され、燃料供給量の増量補正は実行されない。即ち、燃料供給量の増量補正は、燃料電池モジュール２の出力電圧の降下が、所定の電圧降下量以下である場合には、補正制限手段１１０ｂにより制限され、実行が停止される。このように、外気温が低下した状態であっても、燃料電池モジュール２の出力電圧が大幅に低下していない場合には、燃料電池セルスタック１４には十分な発電能力があると考えられるため、外気温補正手段１１０ａによる燃料供給量の増量補正が、補正制限手段１１０ｂによって制限され、燃料の消費が抑制される。

【0084】

一方、ステップＳ５においては、燃料電池モジュール２内に蓄積されていると推定される推定蓄熱量が所定熱量以上であるか否かが判断される。上述したように燃料電池モジュール２内には断熱材７等が収容されており、燃料電池モジュール２は極めて大きな熱容量を有する。従って、燃料電池モジュール２が高温の状態で長時間運転された後には、燃料電池モジュール２内に極めて大きな熱量が蓄積されており、燃料電池モジュール２は温度が低下しにくい状態にある。逆に、燃料電池モジュール２が低温の状態で長時間運転された後、温度が急激に上昇された状態では、発電室温度センサ１４２によって検出された燃料電池モジュール２内の温度が高い場合であっても、蓄積されている熱量が小さいため、比較的短時間で温度が低下する可能性がある。

【0085】

制御部１１０に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ｃ（図６）は、発電室温度センサ１４２によって検出された温度の履歴に基づいて、燃料電池モジュール２内に蓄積されている熱量を推定するように構成されている。図１０のステップＳ５において、蓄熱量推定手段１１０ｃにより推定された蓄熱量が、所定熱量以上である場合にはステップＳ６に進み、所定熱量未満である場合にはステップＳ３に進む。即ち、燃料電池モジュール２に蓄積されている熱量が大きい場合には、燃料電池モジュール２は過剰な温度低下に陥りにくい状態であるため、発電用空気供給量の減量補正のみが外気温補正手段１１０ａにより実行され、燃料供給量の増量補正は、補正制限手段１１０ｂによって制限される。一方、燃料電池モジュール２に蓄積されている熱量が小さい場合には、燃料電池モジュール２は過剰な温度低下に陥りやすい状態であるため、補正制限手段１１０ｂによる補正の制限は行われず、発電用空気供給量の減量補正、及び燃料供給量の増量補正が実行される。

【0086】

このように、図１０に示す外気温補正制御においては、外気温が低い（−５℃以下）の場合には、常に発電用空気供給量の減量補正が実行され、この発電用空気供給量の減量補正に対する制限は行われない。
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、外気温補正手段１１０ａによる燃料供給量の増量補正が、所定の条件（図１０のステップＳ２、Ｓ４及びＳ５）に基づいて補正制限手段１１０ｂにより制限されるので、外気温が低い場合における燃料電池モジュール２内の温度低下のリスクを回避しながら、発電効率の低下、又は過剰な温度上昇の発生を抑制することができる。

【0087】

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、出力電圧の降下が少なく、燃料電池セルスタック１４に十分な発電能力があり、温度低下のリスクが少ない状態において（図１０のステップＳ４→Ｓ６）、燃料供給量の増量補正が補正制限手段１１０ｂにより制限されるので、燃料の浪費が回避されると共に、過剰な燃料を供給することによる過剰な温度上昇を抑制することができる。

【0088】

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、蓄熱量推定手段１１０ｃにより推定された蓄熱量が所定熱量以上である場合（図１０のステップＳ５→Ｓ６）に燃料供給量の増量補正が補正制限手段１１０ｂにより制限されるので、容易に温度が低下しない状態において、燃料が増加されることによる燃料の浪費を回避すると共に、燃料電池モジュール２の過剰な温度上昇を防止することができる。

【0089】

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電電力が補正実行電力以下であり、燃料電池モジュール２内の温度が比較的低い場合には、外気温補正手段１１０ａによる燃料供給量の増量補正が必ず実行される（図１０のステップＳ２→Ｓ３）ので、過剰な温度上昇のリスクを回避しながら、過剰な温度低下を確実に防止することができる。

【0090】

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、外気温度センサ１５０によって検出された外気温が低い場合には常に外気温補正手段１１０ａによる空気供給量の減量補正が行われる（図１０のステップＳ３、Ｓ６）ので、燃料を浪費することなく、外気温低下の影響を確実に軽減することができる。

【0091】

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、発電電力が所定の補正実行電力以下である場合（図１０のステップＳ２→Ｓ３）には、常に補正制限手段１１０ｂによる制限が行われていないが、変形例として、発電電力の大きさに応じて補正制限の程度を変えることもできる。例えば、燃料電池モジュール２による発電電力が大きい場合には燃料の増量補正量が大きく制限されて少なくなり、発電電力が小さい場合には、あまり制限されずに増量補正量が多くなるように、補正制限手段１１０ｂを構成することもできる。即ち、発電電力が大きい場合には、発電電力が小さい場合よりも、燃料供給量の増量補正が大幅に制限されるように、本発明を構成することもできる。本変形例によれば、過剰な温度低下に陥る可能性が低い状態ほど大幅に燃料供給量の増量補正が制限されるので、温度低下のリスクを回避しながら燃料消費を抑制することができる。

【符号の説明】

【0092】

１ 固体酸化物型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材（蓄熱材）
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８ 燃焼室（燃焼部）
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（水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（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（発電用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
６６ マニホールド（分散室）
７６ 空気導入管
７６ａ 吹出口
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御手段）
１１０ａ 外気温補正手段
１１０ｂ 補正制限手段
１１０ｃ 蓄熱量推定手段
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（買電力検出手段）
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４０ 排気温度センサ
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８ 改質器温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】