特開 2025-37433 固体酸化物形燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025037433

(43)【公開日】2025-03-18

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04828 20160101AFI20250311BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/04955 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20250311BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20250311BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04828

H01M8/04313

H01M8/04955

H01M8/04858

H01M8/04228

H01M8/04303

H01M8/04746

H01M8/0432

H01M8/00 Z

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023144365

(22)【出願日】2023-09-06

(71)【出願人】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】上野山 覚

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB08

5H127AB23

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA18

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB19

5H127BB37

5H127DA11

5H127DB87

5H127DB92

5H127DB93

5H127DC46

5H127DC68

5H127DC87

5H127DC93

5H127EE02

5H127EE03

5H127GG04

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】水蒸気改質に用いる水を十分に確保しつつ、電力需要の高まる時間帯に大きな電力を出力できる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セル８から排出されるオフガスを燃焼する燃焼部１１と、燃焼部１１から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置Ｈと、熱回収装置Ｈで燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンク１９とを備え、水タンク１９に貯えられている水が改質部６での原燃料の水蒸気改質に用いられる固体酸化物形燃料電池システムＳであって、運転制御部２６は、電力系統での電力需要が高まることが予測されるという高需要条件、及び、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯に温度が高まることが予測されるという高温条件のうち、少なくとも高需要条件が満たされる場合、高需要時間帯よりも前の所定の事前時間帯の間、セルスタック９を水量増加モードで運転させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池セルが複数積層されたセルスタックと、複数の前記燃料電池セルから排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置と、前記熱回収装置で前記燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンクと、運転を制御する運転制御部とを備え、前記水タンクに貯えられている水が、前記改質部での前記原燃料の水蒸気改質に用いられ、前記運転制御部は、前記水タンクに貯えられている水の量が所定の下限水量未満になった場合、前記セルスタックの発電運転を停止させる又は発電出力を抑制するように構成されている固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、電力系統での電力需要が高まることが予測されるという高需要条件、及び、前記電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯に前記セルスタックが設置されている地域の温度が高まることが予測されるという高温条件のうち、少なくとも前記高需要条件が満たされる場合、前記高需要時間帯よりも前の所定の事前時間帯の間、前記セルスタックを、前記水タンクでの水量を増加させるための水量増加モードで運転させる固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項2】

前記運転制御部は、前記水量増加モードにおいて、前記セルスタックの出力電力を定格電力未満の所定電力にさせる請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項3】

前記所定電力は、前記セルスタックが出力できる最低出力電力である請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項4】

前記運転制御部は、
前記高需要条件及び前記高温条件が満たされる場合、前記事前時間帯の間、前記セルスタックを前記水量増加モードで運転させるように構成され、
前記高需要時間帯での予想最高気温が所定温度以上の場合に前記高温条件が満たされると判定する請求項１～３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項5】

前記運転制御部は、
前記高需要条件及び前記高温条件が満たされる場合、前記事前時間帯の間、前記セルスタックを前記水量増加モードで運転させるように構成され、
前記高需要時間帯を含む日が、気温が高くなると予め定められた日に該当する場合に前記高温条件が満たされると判定する請求項１～３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項6】

前記熱回収装置は、前記燃焼部から排出される前記燃焼排ガスが供給される熱交換部、及び、湯水を貯える貯湯タンクを有し、前記貯湯タンクの下部から取り出した湯水を前記熱交換部に供給し、前記熱交換部を流れた湯水を前記貯湯タンクの上部に戻す構成で湯水を循環させることで、前記熱交換部で回収した前記燃焼排ガスの熱を前記貯湯タンクで蓄えるように構成され、
前記貯湯タンクの上部には、前記貯湯タンクで貯えている湯水を外部に排出するための出湯路が接続され、前記貯湯タンクの下部には、前記貯湯タンクに水を供給するための給水路が接続され、前記給水路により前記貯湯タンクの内部の湯水に対して所定の給水圧が加わることで、前記出湯路へ前記貯湯タンクから湯水が排出されるのに対応して前記給水路から水が貯湯タンク内に供給されるように構成される請求項１～３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項7】

前記貯湯タンクの下部から取り出して前記熱交換部に供給する湯水から熱を放出させる放熱運転を行うことができる放熱部を備え、
前記運転制御部は、前記水量増加モードにおいて、前記放熱部を前記放熱運転させる請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項8】

前記運転制御部は、前記水量増加モードにおいて、前記貯湯タンクから前記出湯路を介して設定量以上の湯水を排出させる請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【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に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１（特許第５４３８４２０号公報）には、供給される原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、改質部で生成された燃料ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池セルが複数積層されたセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池システムが記載されている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼させ、その燃焼排ガスを冷却することで水を凝縮させ、その凝縮水をタンクに回収している。そして、タンクに回収した水を、原燃料を水蒸気改質するために用いている。

【0003】

そのため、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、タンクの水位が高水位よりも低い水位であることが水位センサにより検知されるとき、電力負荷の大きさに拘わらず、セルスタックの出力を低い値に制限することを行っている。そして、セルスタックの出力が低くなると、例えば、水蒸気改質に要する単位時間当たりの改質用水の量が少なくなることで、タンクの水位が再び高水位以上に戻ることが期待される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５４３８４２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

固体酸化物形燃料電池システムでは、外気温が高いほど燃焼排ガスを冷却する能力が低下するため、外気温が高い時間帯でタンクの水位が低下する可能性が高くなる。そのため、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、例えば夏季の昼間の時間帯などでタンクの水位が低下して、燃料電池の出力が抑制又は停止される可能性が高くなる。

【0006】

尚、電力の使用率は夏季の昼間の時間帯などで高くなるため、電力価値はその時間帯で高くなると言える。そのため、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、電力価値が高くなる時間帯で出力が抑制又は停止される可能性が高くなるため、固体酸化物形燃料電池システムを設置したことによる経済的メリットを十分に享受できない可能性が高くなる。

【0007】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸気改質に用いる水を十分に確保しつつ、電力需要の高まる時間帯に大きな電力を出力できる固体酸化物形燃料電池システムを提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの特徴構成は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池セルが複数積層されたセルスタックと、複数の前記燃料電池セルから排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置と、前記熱回収装置で前記燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンクと、運転を制御する運転制御部とを備え、前記水タンクに貯えられている水が、前記改質部での前記原燃料の水蒸気改質に用いられ、前記運転制御部は、前記水タンクに貯えられている水の量が所定の下限水量未満になった場合、前記セルスタックの発電運転を停止させる又は発電出力を抑制するように構成されている固体酸化物形燃料電池であって、
前記運転制御部は、電力系統での電力需要が高まることが予測されるという高需要条件、及び、前記電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯に前記セルスタックが設置されている地域の温度が高まることが予測されるという高温条件のうち、少なくとも前記高需要条件が満たされる場合、前記高需要時間帯よりも前の所定の事前時間帯の間、前記セルスタックを、前記水タンクでの水量を増加させるための水量増加モードで運転させる点にある。

【0009】

上記特徴構成によれば、運転制御部は、少なくとも高需要条件が満たされる場合、高需要時間帯よりも前の所定の事前時間帯の間、セルスタックを、水タンクでの水量を増加させるための水量増加モードで運転させる。つまり、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯よりも前に、水タンクでの水量が増加させられる。その結果、高需要時間帯の間に水タンクに貯えられている水の量が所定の下限水量未満になることを避けることができ、高需要時間帯にセルスタックの発電運転が継続されることが期待される。
従って、水蒸気改質に用いる水を十分に確保しつつ、電力需要の高まる時間帯に大きな電力を出力できる固体酸化物形燃料電池システムを提供できる。

【0010】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記水量増加モードにおいて、前記セルスタックの出力電力を定格電力未満の所定電力にさせる点にある。
ここで、前記所定電力は、前記セルスタックが出力できる最低出力電力であってもよい。

【0011】

上記特徴構成によれば、セルスタックの出力電力を定格電力未満の所定電力にさせることで、セルスタックの出力電力を定格電力にする場合と比べて、水蒸気改質に要する単位時間当たりの改質用水の量が少なくなる。その結果、単位時間当たりに燃焼排ガス中から回収する回収水の量の方が、水蒸気改質で用いられる単位時間当たりの改質用水の量よりも多くなることが期待され、水タンクに貯えられている水量が増加することが期待される。

【0012】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記高需要条件及び前記高温条件が満たされる場合、前記事前時間帯の間、前記セルスタックを前記水量増加モードで運転させるように構成され、前記高需要時間帯での予想最高気温が所定温度以上の場合に前記高温条件が満たされると判定する点にある。

【0013】

固体酸化物形燃料電池システムでは、気温が高いほど燃焼排ガスを冷却する能力が低下するため、気温が高い時間帯で水タンクの水位が低下する可能性が高くなる。
そこで本特徴構成では、運転制御部は、高需要時間帯での予想最高気温が所定温度以上の場合に高温条件が満たされると判定し、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯よりも前に、セルスタックを水量増加モードで運転させる。その結果、高需要時間帯の間に水タンクに貯えられている水の量が所定の下限水量未満になることを避けて、高需要時間帯にセルスタックの発電運転が継続されることが期待される。

【0014】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記高需要条件及び前記高温条件が満たされる場合、前記事前時間帯の間、前記セルスタックを前記水量増加モードで運転させるように構成され、前記高需要時間帯を含む日が、気温が高くなると予め定められた日に該当する場合に前記高温条件が満たされると判定する点にある。

【0015】

例えば夏期などでは、冬期、春期及び秋期などと比べて当然に気温が高くなる可能性が高いため、固体酸化物形燃料電池システムでは、燃焼排ガスを冷却する能力が低下する可能性が高くなる。つまり、夏期などを、気温が高くなる日であるとして予め定めことができ、その日を、水タンクの水位が低下する可能性が高くなる日として予め定めることができる。
そこで本特徴構成では、運転制御部は、高需要時間帯を含む日が、気温が高くなると予め定められた日に該当する場合に高温条件が満たされると判定し、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯よりも前に、セルスタックを水量増加モードで運転させる。その結果、高需要時間帯の間に水タンクに貯えられている水の量が所定の下限水量未満になることを避けて、高需要時間帯にセルスタックの発電運転が継続されることが期待される。

【0016】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記熱回収装置は、前記燃焼部から排出される前記燃焼排ガスが供給される熱交換部、及び、湯水を貯える貯湯タンクを有し、前記貯湯タンクの下部から取り出した湯水を前記熱交換部に供給し、前記熱交換部を流れた湯水を前記貯湯タンクの上部に戻す構成で湯水を循環させることで、前記熱交換部で回収した前記燃焼排ガスの熱を前記貯湯タンクで蓄えるように構成され、
前記貯湯タンクの上部には、前記貯湯タンクで貯えている湯水を外部に排出するための出湯路が接続され、前記貯湯タンクの下部には、前記貯湯タンクに水を供給するための給水路が接続され、前記給水路により前記貯湯タンクの内部の湯水に対して所定の給水圧が加わることで、前記出湯路へ前記貯湯タンクから湯水が排出されるのに対応して前記給水路から水が貯湯タンク内に供給されるように構成される点にある。

【0017】

上記特徴構成によれば、熱回収装置を用いて回収した熱を貯湯タンクで蓄え、その熱を出湯路から供給することができる。

【0018】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記貯湯タンクの下部から取り出して前記熱交換部に供給する湯水から熱を放出させる放熱運転を行うことができる放熱部を備え、
前記運転制御部は、前記水量増加モードにおいて、前記放熱部を前記放熱運転させる点にある。

【0019】

上記特徴構成によれば、放熱部を放熱運転させることで、熱交換部での燃焼排ガスからの放熱を促進することができる。その結果、熱交換部において燃焼排ガスの冷却を促進して、その燃焼排ガス中からの水の凝縮を促進できる。

【0020】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記水量増加モードにおいて、前記貯湯タンクから前記出湯路を介して設定量以上の湯水を排出させる点にある。

【0021】

上記特徴構成によれば、貯湯タンクから出湯路を介して設定量以上の湯水を排出させることで、貯湯タンクの下部には給水路から水が供給され、その水が熱交換部に供給される。つまり、貯湯タンクに元から貯えられている比較的高温の湯水が熱交換部に供給されるのではなく、給水路から供給された比較的低温の水が熱交換部に供給されて、燃焼排ガスの冷却に利用される。その結果、熱交換部において燃焼排ガスの冷却を促進して、その燃焼排ガス中からの水の凝縮を促進できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】固体酸化物形燃料電池システムが設けられている施設を含むシステムの構成を示す図である。

【図2】固体酸化物形燃料電池システムの構成を示す図である。

【図3】固体酸化物形燃料電池システムの運転モード決定処理を説明するフローチャートである。

【図4】高需要時間帯及び事前時間帯を模式的に描いた図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に、図面を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムＳについて説明する。図１は、固体酸化物形燃料電池システムＳが設けられている施設Ｆを含むシステムの構成を示す図である。図２は、固体酸化物形燃料電池システムＳの構成を示す図である。

【0024】

図１に示すように、住戸及び事業所などの施設Ｆに固体酸化物形燃料電池システムＳが設けられている。施設Ｆには、電力系統に接続される電力線３２が設けられる。電力線３２には、電力消費装置Ｌ及び固体酸化物形燃料電池システムＳが接続される。電力消費装置Ｌ及び固体酸化物形燃料電池システムＳは、電力系統に連系される電力線３２に接続されて、電力系統からの電力供給を受けることができる。また、固体酸化物形燃料電池システムＳの発電電力を、電力線３２を介して電力系統に供給することもできる。施設Ｆに設けられる固体酸化物形燃料電池システムＳ及びガス消費機器Ｇにはガス管３３から例えば都市ガスなどの炭化水素を含むガスが供給される。ガス管３３から供給される例えば都市ガスなどのガスは本発明の「原燃料」に相当し、以下の説明でも原燃料と記載することがある。

【0025】

固体酸化物形燃料電池システムＳの通信部２８は情報通信ネットワークＮに接続されて、施設Ｆの外部の装置との間で情報通信を行うことができる。固体酸化物形燃料電池システムＳは、例えば、気象に関する情報や電力系統における電力の需給状況に関する情報などを提供する情報提供サーバＰとの間で情報通信を行うことができる。

【0026】

図２に示すように、固体酸化物形燃料電池システムＳは、外側容器１の内部に各種部品を備えている。外側容器１の内部には、ホットモジュール３１が設けられている。ホットモジュール３１には、高温環境下で動作するセルスタック９等などの機器を収容する内側容器２が設けられる。具体的には、内側容器２の内部には、気化部５、改質部６、マニホールド７、セルスタック９などが設けられる。気化部５は、水タンク１９から改質用水供給路Ｌ６を介して供給される改質用水を気化させて水蒸気を生成し、その水蒸気を改質部６に供給する。改質部６は、原燃料供給路Ｌ１を介して供給される炭化水素を含む原燃料（例えば都市ガスなど）を、気化部５で生成した水蒸気を用いて水蒸気改質して燃料ガスを生成する。つまり、水タンク１９に貯えられている水が、改質部６での原燃料の水蒸気改質に用いられる。

【0027】

セルスタック９は、改質部６で生成された燃料ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池セル８が複数積層された構成になっている。例えば、改質部６で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路Ｌ３を通ってマニホールド７に至り、燃料ガスはマニホールド７で各燃料電池セル８に分配される。セルスタック９は、電力変換部１８を介して電力線３２に接続される。

【0028】

セルスタック９の上方の空間は、複数の燃料電池セル８から排出されるオフガスを燃焼する燃焼部１１となる。この燃焼熱は、その上方の気化部５及び改質部６に伝達される。点火部１０は、オフガスに点火させる。

【0029】

内側容器２の給気口１２には空気供給路Ｌ２が接続され、内側容器２の内部に空気（酸素）が供給される。内側容器２の排気口１３から、内側容器２の内部に存在するガスが内側容器２の外部に排出される。内側容器２の内部から排出される排ガスには、燃焼部１１から排出される燃焼排ガスが含まれる。排気口１３には、排ガスに含まれる水素、一酸化炭素などを、酸素を用いて触媒燃焼させる燃焼触媒部１４が設けられている。

【0030】

固体酸化物形燃料電池システムＳは、燃焼部１１から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置Ｈを備える。具体的には、熱回収装置Ｈは、燃焼部１１から排出される燃焼排ガスを含む、内側容器２から排出される排ガスが供給される熱交換部１６、湯水を貯える貯湯タンク２３、及び、熱交換部１６と貯湯タンク２３との間で湯水を循環させる湯水循環路Ｌ９を有し、貯湯タンク２３の下部から取り出した湯水を熱交換部１６に供給し、熱交換部１６を流れた湯水を貯湯タンク２３の上部に戻す構成で湯水を循環させることで、熱交換部１６で回収した燃焼排ガスの熱を貯湯タンク２３で蓄えるように構成される。

【0031】

燃焼触媒部１４を通過した排ガスは、内側容器２の外部に排出されて排ガス流路Ｌ４を流れ、熱交換部１６に供給される。熱交換部１６では、排ガスと、湯水循環路Ｌ９を流れる排熱回収用熱媒としての湯水との熱交換、即ち、排ガスの冷却が行われ、排ガスに含まれていた水分が凝縮する。

【0032】

熱交換部１６の下流側の排ガス流路Ｌ４には分岐部１７が設けられて、排ガス流路Ｌ４から水回収路Ｌ５が分岐する。そして、排ガス中の気相成分は排ガス流路Ｌ４を通って外側容器１の外部に排出され、排ガス中の液相成分（凝縮水）は水回収路Ｌ５を通って水タンク１９に至り、水タンク１９で貯留される。つまり、水タンク１９は、熱回収装置Ｈで燃焼排ガスを冷却することで燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える。

【0033】

気化部５への原燃料の供給は原燃料供給路Ｌ１を介して行われる。図２に示す例では、原燃料供給路Ｌ１の途中には、原燃料供給部３及び脱硫部４が設けられる。原燃料供給部３は、原燃料供給路Ｌ１に所定の目標原燃料量の原燃料を流す。例えば、原燃料供給部３は、原燃料供給路Ｌ１を流れる原燃料の単位時間当たりの流量を測定する原燃料流量計３ａと、原燃料流量計３ａで測定される原燃料の単位時間当たりの流量が目標原燃料量になるように原燃料供給路Ｌ１に原燃料を流す原燃料ポンプ３ｂとを備える。そして、固体酸化物形燃料電池システムＳの運転を制御する運転制御部２６は、原燃料流量計３ａで測定される原燃料の単位時間当たりの流量が目標原燃料量になるように原燃料ポンプ３ｂを動作させる。脱硫部４は、原燃料に含まれる硫黄化合物などを除去する。

【0034】

内側容器２の内部への空気の供給は、空気供給路Ｌ２を介して行われる。空気供給路Ｌ２の途中には空気供給部としての空気ポンプ２２が設けられる。例えば、運転制御部２６は、空気の単位時間当たりの流量が目標流量になるように空気ポンプ２２を動作させる。

【0035】

水回収路Ｌ５を用いて回収した凝縮水は水タンク１９に供給される。水タンク１９には、水タンク１９での貯留水の量を測定する水量測定部２０が設けられる。水タンク１９に貯えられている貯留水は改質用水供給路Ｌ６を介して気化部５に供給される。改質用水供給路Ｌ６の途中には改質用水供給部としての改質用水ポンプ２１と、水検知センサ１５とが設けられる。運転制御部２６は、気化部５に供給される単位時間当たりの水量が目標流量になるように改質用水ポンプ２１を動作させる。例えば、改質用水ポンプ２１は、目標水量に応じて定まる目標出力で動作して改質用水供給路Ｌ６に所定の目標水量の改質用水を流す。

【0036】

水検知センサ１５は、改質用水ポンプ２１と気化部５との間の改質用水供給路Ｌ６に設けられ、気化部５に供給される改質用水の有無を測定する。

【0037】

上述したように、熱交換部１６では、排ガスと、湯水循環路Ｌ９を流れる排熱回収用熱媒としての湯水との熱交換が行われる。湯水は、貯湯タンク２３に貯えられており、湯水循環路Ｌ９を介して貯湯タンク２３と熱交換部１６との間を循環する。貯湯タンク２３から熱交換部１６へ至る間の湯水循環路Ｌ９の途中には、湯水ポンプ２４と放熱部２５と温度センサＴ２とが設けられている。放熱部２５は、貯湯タンク２３の下部から取り出して熱交換部１６に供給する湯水から熱を放出させる放熱運転を行うことができる。例えば、放熱部２５は、ファンなどを用いて実現できる。熱交換部１６から貯湯タンク２３へ至る間の湯水循環路Ｌ９の途中には、温度センサＴ１が設けられている。

【0038】

例えば、運転制御部２６は、温度センサＴ２で測定される湯水の温度が所定の上限湯水温度未満になるように放熱部２５の動作を制御する。また、運転制御部２６は、温度センサＴ１で測定される湯水の温度が目標貯湯温度になるように湯水ポンプ２４の動作を制御する。

【0039】

このような構成により、貯湯タンク２３の下部から湯水循環路Ｌ９を介して熱交換部１６に供給される湯水はその熱交換部１６で加熱され、加熱後の湯水は湯水循環路Ｌ９を介して貯湯タンク２３の上部に供給される。このようにして、貯湯タンク２３の上部には相対的に高温の湯水が存在し、貯湯タンク２３の下部には相対的に低温の湯水が存在するというように、貯湯タンク２３に温度成層を形成する状態で湯水が貯湯、即ち、蓄熱される。

【0040】

貯湯タンク２３の下部には、貯湯タンク２３に水（上水）を供給するための給水路Ｌ７が接続され、貯湯タンク２３の上部には、貯湯タンク２３で貯えている湯水を外部に排出するための出湯路Ｌ８が接続される。給水圧が加わっている給水路Ｌ７により、貯湯タンク２３の内部の湯水にも所定の給水圧が加わっている。このような構成により、貯湯タンク２３では、例えば出湯路Ｌ８に接続される水栓（図示せず）が開かれることで出湯路Ｌ８へ貯湯タンク２３から湯水が排出されるのに対応して、給水路Ｌ７から水が貯湯タンク２３内に供給される。

【0041】

他にも、固体酸化物形燃料電池システムＳは、運転制御部２６と、固体酸化物形燃料電池システムＳで取り扱われる情報を記憶する記憶部２７と、通信部２８とを備える。運転制御部２６は、上述した点火部１０、原燃料ポンプ３ｂ、改質用水ポンプ２１、空気ポンプ２２、湯水ポンプ２４、放熱部２５、通信部２８などの各種機器の動作を制御する。

【0042】

次に、水タンク１９での水量を増加させるための水量増加モードについて説明する。

【0043】

固体酸化物形燃料電池システムＳにおいて、運転制御部２６は、水タンク１９に貯えられている水の量が所定の下限水量未満になった場合、セルスタック９の発電運転を停止させる又は発電出力を所定の出力（例えばセルスタック９が出力できる最低出力電力など）に抑制する。そのため、固体酸化物形燃料電池システムＳにおいて、水タンク１９に貯えられている水の量が下限水量以上を維持するような運転が行われることが好ましい。特に、水蒸気改質に用いる水を十分に確保しつつ、電力系統で電力需要の高まる時間帯に大きな電力を出力できることが好ましい。

【0044】

そのため、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムＳでは、運転制御部２６は、電力系統での電力需要が高まることが予測されるという高需要条件、及び、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯にセルスタック９が設置されている地域の温度が高まることが予測されるという高温条件のうち、少なくとも高需要条件が満たされる場合、高需要時間帯よりも前の所定の事前時間帯の間、セルスタック９を、水タンク１９での水量を増加させるための水量増加モードで運転させる。つまり、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯よりも前に、水タンク１９での水量が増加させられる。その結果、高需要時間帯の間に水タンク１９に貯えられている水の量が所定の下限水量未満になることを避けることができ、高需要時間帯にセルスタック９の発電運転が継続されることが期待される。

【0045】

図３は、固体酸化物形燃料電池システムＳの運転モード決定処理を説明するフローチャートである。運転制御部２６は、この運転モード決定処理を設定タイミング毎（例えば１時間毎など）に実行する。尚、図３に示すフローチャートでは、高需要条件及び高温条件の両方が満たされる場合にセルスタック９を水量増加モードで運転させる例を説明するが、高需要条件のみが満たされる場合にセルスタック９を水量増加モードで運転させてもよい。

【0046】

本実施形態では、情報提供サーバＰは、将来の電力の予測使用率（＝予測需要電力／予測供給可能電力）などの電力需要について情報を記憶しており、設定タイミングで、或いは、固体酸化物形燃料電池システムＳからの情報送信要求に応じて、その電力需要についての情報を固体酸化物形燃料電池システムＳに送信する。そして、運転制御部２６は、電力の予測使用率が設定値（例えば８５％など）以上になる場合に高需要条件が満たされると判定し、その電力の予測使用率が設定値以上になる時間帯を高需要時間帯と判定する。

【0047】

また、情報提供サーバＰは、将来の予想気温についての情報を記憶しており、設定タイミングで、或いは、固体酸化物形燃料電池システムＳからの情報送信要求に応じて、その予想気温についての情報を固体酸化物形燃料電池システムＳに送信する。そして、運転制御部２６は、高需要時間帯での予想最高気温が所定温度以上の場合に高温条件が満たされると判定する。

【0048】

ここで、固体酸化物形燃料電池システムＳでは、気温が高いほど燃焼排ガスを冷却する能力が低下するため、気温が高い時間帯で水タンク１９の水位が低下する可能性が高くなる。ところが本実施形態では、運転制御部２６は、高需要時間帯での予想最高気温が所定温度以上の場合に高温条件が満たされると判定し、電力系統での電力需要が高まる高需要時間帯よりも前に、セルスタック９を水量増加モードで運転させようとしている。その結果、高需要時間帯の間に水タンク１９に貯えられている水の量が所定の下限水量未満になることを避けて、高需要時間帯にセルスタック９の発電運転が継続されることが期待される。

【0049】

工程＃１０において運転制御部２６は、将来の所定期間内（例えば将来の５時間内など）に高需要条件が満たされるか否かを判定する。固体酸化物形燃料電池システムＳを水量増加モードで運転した場合、水タンク１９の水量が一定以上増加するにはある程度の時間が必要であるため、高需要時間帯よりも所定期間だけ前から水量増加モードで固体酸化物形燃料電池システムＳを運転することが好ましい。そのため、工程＃１０では、将来の所定期間内（例えば将来の５時間内など）に高需要条件が満たされるか否かを判定している。

【0050】

そして、運転制御部２６は、将来の所定期間内に高需要条件が満たされると判定した場合（即ち、工程＃１０において「Ｙｅｓ」の場合）には工程＃１１に移行する。それに対して、運転制御部２６は、将来の所定期間内に高需要条件が満たされないと判定した場合（即ち、工程＃１０において「Ｎｏ」の場合）には工程＃１３に移行し、固体酸化物形燃料電池システムＳを通常モードで運転させる。例えば、通常モードは、定格出力で発電運転を行う動作モードや、発電出力を電力消費装置Ｌの消費電力に追従させる負荷追従モードなどであり、その内容は適宜設定できる。

【0051】

工程＃１１において運転制御部２６は、高需要時間帯に高温条件が満たされるか否かを判定する。そして、運転制御部２６は、高需要時間帯に高温条件が満たされると判定した場合には工程＃１２に移行し、高需要時間帯に高温条件が満たされないと判定した場合には工程＃１３に移行する。

【0052】

工程＃１２において運転制御部２６は、高需要時間帯よりも前の所定の事前時間帯の間、セルスタック９を、水タンク１９での水量を増加させるための水量増加モードで運転させる。図４は、高需要時間帯及び事前時間帯を模式的に描いた図である。この場合、運転制御部２６は、現在（時刻７時）の段階で、将来の５時間内（所定期間内の一例）に含まれる時刻１２時から時刻１６時の間に高需要条件が満たされると判定し、その高需要時間帯（時刻１２時～時刻１６時）よりも前の例えば４時間の事前時間帯（時刻８時～時刻１２時）にセルスタック９を水量増加モードで運転させる。

【0053】

具体的には、運転制御部２６は、水量増加モードにおいて、セルスタック９の出力電力を定格電力未満の所定電力にさせる。例えば、その所定電力は、セルスタック９が出力できる最低出力電力である。このように、セルスタック９の出力電力を定格電力未満の所定電力にさせることで、セルスタック９の出力電力を定格電力にする場合と比べて、水蒸気改質に要する単位時間当たりの改質用水の量が少なくなる。その結果、単位時間当たりに燃焼排ガス中から回収する回収水の量の方が、水蒸気改質で用いられる単位時間当たりの改質用水の量よりも多くなることが期待され、水タンク１９に貯えられている水量が増加することが期待される。

【0054】

＜別実施形態＞
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池システムＳの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。

【0055】

上記実施形態において、運転制御部２６は、高需要時間帯を含む日が、気温が高くなると予め定められた日に該当する場合に高温条件が満たされると判定してもよい。具体的に説明すると、夏期などでは、冬期、春期及び秋期などと比べて当然に気温が高くなる可能性が高いため、固体酸化物形燃料電池システムＳでは、燃焼排ガスを冷却する能力が低下する可能性が高くなる。つまり、夏期などを、気温が高くなる日であるとして予め定めことができ、その日を、水タンク１９の水位が低下する可能性が高くなる日として予め定めることができる。例えば、固体酸化物形燃料電池システムＳの記憶部２７には、気温が高くなると予め定められた日として、７月、８月及び９月が記憶されている。そして、運転制御部２６は、高需要時間帯を含む日が、７月、８月及び９月の何れかの日に該当する場合には高温条件が満たされると判定できる。

【0056】

上記実施形態において、運転制御部２６は、水量増加モードにおいて、放熱部２５を放熱運転させてもよい。つまり、放熱部２５を放熱運転させることで、熱交換部１６での燃焼排ガスからの放熱を促進することができる。その結果、熱交換部１６において燃焼排ガスの冷却を促進して、その燃焼排ガス中からの水の凝縮を促進できる。

【0057】

上記実施形態において、運転制御部２６は、水量増加モードにおいて、貯湯タンク２３から出湯路Ｌ８を介して設定量以上の湯水を排出させてもよい。貯湯タンク２３から出湯路Ｌ８を介して設定量以上の湯水を排出させることで、貯湯タンク２３の下部には給水路Ｌ７から水が供給され、その水が熱交換部１６に供給される。つまり、貯湯タンク２３に元から貯えられている比較的高温の湯水が熱交換部１６に供給されるのではなく、給水路Ｌ７から供給された比較的低温の水が熱交換部１６に供給されて、燃焼排ガスの冷却に利用される。その結果、熱交換部１６において燃焼排ガスの冷却を促進して、その燃焼排ガス中からの水の凝縮を促進できる。

【0058】

上記実施形態では、具体的な数値例を挙げて本発明の固体酸化物形燃料電池システムＳについて説明したが、それらの数値は例示目的で記載したものであり適宜変更可能である。

【0059】

上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明は、水蒸気改質に用いる水を十分に確保しつつ、電力需要の高まる時間帯に大きな電力を出力できる固体酸化物形燃料電池システムに利用できる。

【符号の説明】

【0061】

６ ：改質部
８ ：燃料電池セル
９ ：セルスタック
１１ ：燃焼部
１６ ：熱交換部
１９ ：水タンク
２３ ：貯湯タンク
２５ ：放熱部
２６ ：運転制御部
Ｈ ：熱回収装置
Ｌ７ ：給水路
Ｌ８ ：出湯路
Ｓ ：固体酸化物形燃料電池システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】