特許 7409971 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-25

(45)【発行日】2024-01-09

(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 8/0612 20160101AFI20231226BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20231226BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20231226BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231226BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20231226BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231226BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0612

H01M8/12 101

H01M8/04 J

H01M8/0432

H01M8/0438

H01M8/04537

H01M8/04746

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020098165

(22)【出願日】2020-06-05

(65)【公開番号】P2021190408

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2022-12-23

(73)【特許権者】

【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】100092727

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 忠昭

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 稔

【審査官】笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０４７４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２０７７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１８７１１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０６１２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０４３２

Ｈ０１Ｍ ８／０４３８

Ｈ０１Ｍ ８／０４５３７

Ｈ０１Ｍ ８／０４７４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行うセルスタックと、前記酸化剤ガスを前記セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを前記改質器に供給するための燃料ガス供給手段と、水蒸気改質に用いる改質用水を供給するための水供給手段と、前記改質器に関連して設けられた燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる水蒸気凝縮部と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に戻すためのリサイクル流路と、前記燃料ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段及び前記水供給手段を作動制御するためのコントローラとを備え、前記改質器からの前記改質燃料ガスが前記セルスタックの燃料極側に送給され、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスが前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの前記燃料極側からの前記燃料オフガスに含まれる水蒸気が前記水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮除去され、前記水蒸気が除去された前記燃料オフガスの一部が前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に戻され、その残部が前記燃焼器に送給され、前記セルスタックの前記酸素極側からの酸化剤オフガスにより燃焼される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、前記リサイクル流路での炭素析出を防止するためのＳ／Ｃ条件である第１目標Ｓ／Ｃを演算する第１目標Ｓ／Ｃ演算手段と、システムの稼働Ｓ／Ｃを設定する稼働Ｓ／Ｃ設定手段と、前記水供給手段を作動制御するための制御手段とを含み、前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段は、前記リサイクル流路を通して戻される前記燃料オフガスの割合であるリサイクル率を用いて前記第１目標Ｓ／Ｃを演算し、前記稼働Ｓ／Ｃ設定手段は、前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段により演算された前記第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように前記稼働Ｓ／Ｃを設定し、前記制御手段は、前記稼働Ｓ／Ｃとなるように前記水供給手段を作動制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項2】

前記セルスタックの燃料極出口温度を検知するための第１温度検知手段を更に備え、前記コントローラの前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段は、前記リサイクル率、前記燃料ガスの供給流量と前記セルスタックの発電電流又は発電出力とによって決定される燃料利用率及び前記セルスタックの前記燃料極出口温度に基づいて前記第１目標Ｓ／Ｃを演算することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項3】

前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段により演算される前記第１目標Ｓ／Ｃは、ブドワール反応を利用した炭素析出実験による炭素析出値Ｋ、
Ｋ＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２（分圧：ＭＰａ）
を算出し、前記炭素析出値Ｋに安全率をのせた安全炭素析出値Ｋ’を算出し、更に前記燃料利用率、前記リサイクル率及び前記セルスタックの前記燃料極出口温度を変数としてガス組成を平衡計算し、平衡計算したガス組成における前記安全炭素析出値Ｋ’について、
Ｋ’＝ＰＣＯ _２ ／（ＰＣＯ） ^２ （分圧：ＭＰａ）
となるためのＳ／Ｃを算出し、前記安全炭素析出値Ｋ’を用いて前記燃料利用率、前記リサイクル率及び前記セルスタックの前記燃料極出口温度に基づいて算出されたＳ／Ｃ値であることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項4】

前記コントローラは、前記改質器での炭素析出を防止するためのＳ／Ｃ条件である第２目標Ｓ／Ｃを演算する第２目標Ｓ／Ｃ演算手段と、システムの目標Ｓ／Ｃを判定選択する目標Ｓ／Ｃ判定選択手段とを更に含み、前記目標Ｓ／Ｃ判定選択手段は、前記第１目標Ｓ／Ｃ及び前記第２目標Ｓ／Ｃのうち大きい方を判定選択し、前記稼働Ｓ／Ｃ設定手段は、前記第１目標Ｓ／Ｃが選択されたときに前記第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように前記稼働Ｓ／Ｃを設定し、また前記第２目標Ｓ／Ｃが選択されたときに前記第２目標Ｓ／Ｃ以上となるように前記稼働Ｓ／Ｃを設定し、前記制御手段は、前記稼働Ｓ／Ｃとなるように前記水供給手段を作動制御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。

【請求項5】

前記改質器の改質器入口温度を検知するための第２温度検知手段を更に備え、前記第２目標Ｓ／Ｃ演算手段は、前記改質器入口温度に基づいて前記第２目標Ｓ／Ｃを演算することを特徴とする請求項４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、燃料ガスを改質した改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを収納容器内に収納した固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気（酸化剤ガス）中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルの作動温度は約７００～９００℃と高く、このような高温下において、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。

【0003】

このような固体酸化物形燃料電池システムとして、燃料ガス（原燃料ガス）を水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極（空気極）側に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、改質器に燃料ガス（原燃料ガス）を供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温空間に収容されているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側に燃焼域（燃焼空間）が設けられ、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。そして、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの空気極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応により発電が行われる。セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）及び空気極側からの空気オフガス（即ち、カソードオフガス）は燃焼域に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。

【0005】

固体酸化物形燃料電池システムとして、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、専用の燃焼器を備えたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（アノードオフガス）が燃料オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの空気極側からの空気オフガス（カソードオフガス）が空気オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器において燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。

【0006】

近年、このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、発電効率を高めるようにしたものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックからの燃料オフガス（アノードオフガス）が高温空間から導出されて排熱回収用熱交換器に送給され、この排熱回収用熱交換器にて貯湯装置からの水との熱交換により冷却され、この冷却により燃料オフガスに含まれている水分が凝縮され、凝縮水は気液分離器で分離される。そして、水分が除去された燃料オフガス（アノードオフガス）の一部（10～40％程度）が燃料ガス供給ポンプの上流側の減圧領域（燃料ガス供給系）に戻され、この戻された燃料オフガスが燃料ガス供給源からの燃料ガス（例えば、都市ガス）に混合されて改質器に供給される。一方、残りの燃料オフガス（燃料ガス供給系に戻されないもの）は、高温空間内の燃焼器に送給され、この燃焼器にて空気オフガス（カソードオフガス）により燃焼される。

【0007】

このように燃料オフガスの一部を燃料ガス供給系に戻すことにより、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。一般的にセルスタックの燃料利用率が通常８２～８３％程度であるのが、燃料オフガスを戻すことにより、この燃料利用率を８７～９０％程度まで高めることができ、５～７ポイント程度の改善をすることが可能になり、これにより、発電効率の嵩上げをすることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００５－２８５３４０号公報

【文献】特開２００８－２１５９６号公報

【文献】特開２０１８－１９８１１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

家庭用コージェネレーション用といった発電出力（発電電力）が数百W程度と小さい固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックを格納する高温ハウジングからの放熱損失がある。セルスタックの発電出力が定格よりも小さい発電状態（即ち、部分負荷の発電状態）では、発電出力に対する放熱損失の割合が増加し、この燃料電池システムを高発電効率条件で作動させるのが難しくなる。このような場合、燃料電池システムの動作条件としては燃料利用率を下げることが行われる。

【0010】

高発電効率を狙う上述した固体酸化物形燃料電池システムでは、部分負荷の発電状態で燃料利用率が低くなったときに、セルスタックからの燃料オフガス（アノードオフガス）を燃焼器に送給する燃料オフガス送給流路、またこの燃料オフガス送給流路から分岐するリサイクル流路に炭素が析出することがあり、この炭素析出が発生すると、燃料オフガス送給流路及び／又はリサイクル流路の閉塞といったトラブルにつながる。特に、リサイクル流路に炭素析出が発生すると、リサイクル流路の流路抵抗が大きくなり、燃料オフガスのリサイクル流路を通しての燃料ガス供給系へのリサイクル流量が少なくなり、燃料電池システムを高発電効率で運転することが難しくなる。

【0011】

本発明の目的は、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガスの一部を燃料ガス供給系に戻すリサイクル流路での炭素析出を抑え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。

【課題を解決するための手段】

【0012】

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、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行うセルスタックと、前記酸化剤ガスを前記セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを前記改質器に供給するための燃料ガス供給手段と、水蒸気改質に用いる改質用水を供給するための水供給手段と、前記改質器に関連して設けられた燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる水蒸気凝縮部と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に戻すためのリサイクル流路と、前記燃料ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段及び前記水供給手段を作動制御するためのコントローラとを備え、前記改質器からの前記改質燃料ガスが前記セルスタックの燃料極側に送給され、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスが前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの前記燃料極側からの前記燃料オフガスに含まれる水蒸気が前記水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮除去され、前記水蒸気が除去された前記燃料オフガスの一部が前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に戻され、その残部が前記燃焼器に送給され、前記セルスタックの前記酸素極側からの酸化剤オフガスにより燃焼される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、前記リサイクル流路での炭素析出を防止するためのＳ／Ｃ条件である第１目標Ｓ／Ｃを演算する第１目標Ｓ／Ｃ演算手段と、システムの稼働Ｓ／Ｃを設定する稼働Ｓ／Ｃ設定手段と、前記水供給手段を作動制御するための制御手段とを含み、前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段は、前記リサイクル流路を通して戻される前記燃料オフガスの割合であるリサイクル率を用いて前記第１目標Ｓ／Ｃを演算し、前記稼働Ｓ／Ｃ設定手段は、前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段により演算された前記第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように前記稼働Ｓ／Ｃを設定し、前記制御手段は、前記稼働Ｓ／Ｃとなるように前記水供給手段を作動制御することを特徴とする。

【0013】

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では、前記セルスタックの燃料極出口温度を検知するための第１温度検知手段を更に備え、前記コントローラの前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段は、前記リサイクル率、前記燃料ガスの供給流量と前記セルスタックの発電電流又は発電出力とによって決定される燃料利用率及び前記セルスタックの前記燃料極出口温度に基づいて前記第１目標Ｓ／Ｃを演算することを特徴とする。

【0014】

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、前記第１目標Ｓ／Ｃ演算手段により演算される前記第１目標Ｓ／Ｃは、ブドワール反応を利用した炭素析出試験による炭素析出値Ｋ、
Ｋ＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２（分圧：ＭＰａ）
を算出し、前記炭素析出値Ｋに安全率をのせた安全炭素析出値Ｋｓを算出し、更に前記燃料利用率、前記リサイクル率及び前記セルスタックの前記燃料極出口温度を変数としてガス組成を平衡計算し、平衡計算したガス組成における前記安全炭素析出値Ｋｓについて、
Ｋｓ＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２（分圧：ＭＰａ）
となるためのＳ／Ｃを算出し、前記安全炭素析出値Ｋｓを用いて前記燃料利用率、前記リサイクル率及び前記セルスタックの前記燃料極出口温度に基づいて算出されたＳ／Ｃ値であることを特徴とする。

【0015】

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、前記コントローラは、前記改質器での炭素析出を防止するためのＳ／Ｃ条件である第２目標Ｓ／Ｃを演算する第２目標Ｓ／Ｃ演算手段と、システムの目標Ｓ／Ｃを判定選択する目標Ｓ／Ｃ判定選択手段とを更に含み、前記目標Ｓ／Ｃ判定選択手段は、前記第１目標Ｓ／Ｃ及び前記第２目標Ｓ／Ｃのうち大きい方を判定選択し、前記稼働Ｓ／Ｃ設定手段は、前記第１目標Ｓ／Ｃが選択されたときに前記第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように前記稼働Ｓ／Ｃを設定し、また前記第２目標Ｓ／Ｃが選択されたときに前記第２目標Ｓ／Ｃ以上となるように前記稼働Ｓ／Ｃを設定し、前記制御手段は、前記稼働Ｓ／Ｃとなるように前記水供給手段を作動制御することを特徴とする。

【0016】

更に、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記改質器の改質器入口温度を検知するための第２温度検知手段を更に備え、前記第２目標Ｓ／Ｃ演算手段は、前記改質器入口温度に基づいて前記第２目標Ｓ／Ｃを演算することを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

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、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行うセルスタックと、酸化剤ガスをセルスタックに供給するための酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを改質器に供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、セルスタックからの燃料オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる水蒸気凝縮部と、燃料オフガスの一部を燃料ガス供給手段の上流側に戻すためのリサイクル流路と、燃料ガス供給手段、酸化剤ガス供給手段及び水供給手段を作動制御するためのコントローラとを備えている。そして、コントローラは、リサイクル流路での炭素析出を防止するためのＳ／Ｃ条件である第１目標Ｓ／Ｃを演算する第１目標Ｓ／Ｃ演算手段と、システムの稼働Ｓ／Ｃを設定する稼働Ｓ／Ｃ設定手段とを含み、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段は、リサイクル流路を通して戻される燃料オフガスの割合であるリサイクル率を用いて第１目標Ｓ／Ｃを演算し、稼働Ｓ／Ｃ設定手段は、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段により演算された第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように稼働Ｓ／Ｃを設定するので、水供給手段はこの第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように改質用水を供給し、これによって、燃料オフガスを燃料ガス供給系に戻すリサイクル流路での炭素析出が抑えられ、析出炭素によりリサイクル流路が閉塞されるのを防ぐことできる。従って、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（アノードオフガス）の一部がリサイクル流路を通して燃料ガス供給系に安定して流れ、高発電効率の運転を長期にわたって行うことができるとともに、炭素析出によるシステムの信頼性低下を避けることができる。

【0018】

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、コントローラの第１目標Ｓ／Ｃ演算手段は、燃料利用率、リサイクル率及びセルスタックの燃料極出口温度に基づいて第１目標Ｓ／Ｃを演算するので、リサイクル流路で炭素析出が発生しない第１目標Ｓ／Ｃを算出することができる。

【0019】

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、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段により演算される第１目標Ｓ／Ｃは、ブドワール反応を利用した炭素析出試験による炭素析出値Ｋ、
Ｋ＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２（分圧：ＭＰａ）
を算出し、これに安全率をのせた安全炭素析出値Ｋｓを算出し、更に燃料利用率、リサイクル率及びセルスタックの燃料極出口温度を変数としてガス組成を平衡計算し、平衡計算したガス組成における安全炭素析出値Ｋｓについて、
Ｋｓ＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２（分圧：ＭＰａ）
となるためのＳ／Ｃを算出したＳ／Ｃ値であるので、リサイクル流路で炭素析出が発生しない第１目標Ｓ／Ｃを所要の通りに算出することができる。

【0020】

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によれば、コントローラは、改質器での炭素析出を防止するためのＳ／Ｃ条件である第２目標Ｓ／Ｃを演算する第２目標Ｓ／Ｃ演算手段と、システムの目標Ｓ／Ｃを判定選択する目標Ｓ／Ｃ判定選択手段とを更に含み、目標Ｓ／Ｃ判定選択手段は、第１目標Ｓ／Ｃ及び第２目標Ｓ／Ｃのうち大きい方を判定選択し、稼働Ｓ／Ｃ設定手段は、第１目標Ｓ／Ｃが選択されたときに第１目標Ｓ／Ｃ以上となるように稼働Ｓ／Ｃを設定し、また第２目標Ｓ／Ｃが選択されたときに第２目標Ｓ／Ｃ以上となるように稼働Ｓ／Ｃを設定するので、改質器及びリサイクル流路での炭素析出を抑えることができる。

【0021】

更に、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段は、改質器入口温度に基づいて第２目標Ｓ／Ｃを演算するので、改質器にて炭素析出が発生しない第２目標Ｓ／Ｃを演算することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。

【図2】セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係を示す図。

【図3】セルスタックの発電電流とリサイクル率との関係を示す図。

【図4】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。

【図5】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態を簡略的に示す全体図。

【図6】改質器の入口温度とＳ／Ｃとの関係を示す図。

【図7】図５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。

【図8】図７の制御系による稼働Ｓ／Ｃの設定の流れを示すフローチャート。

【図9】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第３の実施形態の制御系を簡略的に示すブロック図。

【図10】図９の制御系による稼働Ｓ／Ｃの設定の流れを示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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各種実施形態について説明する。まず、図１～図４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第１の実施形態について説明する。

【0024】

図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、原燃料ガスとして都市ガス、ＬＰガスなどの燃料ガスを用いて発電を行うものであり、燃料ガス（原燃料ガス）を改質するための改質器４と、この改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気の電気化学反応によって発電（所謂、発電反応）を行う固体酸化物形のセルスタック６と、を備えている。

【0025】

セルスタック６は、発電反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の片側に設けられた燃料極と、固体電解質の他側に設けられた酸素極（空気極）とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

【0026】

このセルスタック６の燃料極側８は、改質燃料ガス送給流路１０介して改質器４に接続され、この形態では、改質器４は、改質用水を気化するための気化器１２と一体的に改質ユニットとして構成されている。尚、気化器１２は、改質器４と別体に構成し、気化器１２にて気化された水蒸気を水蒸気送給流路（図示せず）を介して改質器４に送給するようにしてもよい。

【0027】

気化器１２は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源（図示せず）（例えば、埋設管や貯蔵タンクなどから構成される）に接続され、燃料ガス供給源からの燃料ガス（原燃料ガス）が燃料ガス供給流路１４を通して気化器１２に供給される。尚、この燃料ガス供給流路１４を改質器４に接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを改質器４に直接的に供給するようにしてもよい。

【0028】

また、この気化器１２は水供給流路１８を通して改質用水が供給される。改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスが気化器１２にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。

【0029】

この燃料ガス供給流路１４には、気化器１２から上流側に向けて順に脱硫器２０、第１絞り部材２２、燃料ガス供給ポンプ２４（燃料ガス供給手段を構成する）、第２絞り部材２６、圧力調整部材としてのゼロガバナ２８、燃料流量センサ３０及び遮断弁３２が配設されている。脱硫器２０は、燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去し、燃料ガス供給ポンプ２４は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスを昇圧して気化器１２に供給し、この燃料ガス供給ポンプ２４の回転数を制御することによって燃料ガスの供給流量が調整され、燃料ガス供給ポンプ２４の回転数を大きくする（又は小さくする）と、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が多くなる（又は少なくなる）。

【0030】

また、ゼロガバナ２８は、燃料ガス供給源（図示せず）から燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスを所定圧力（即ち、大気圧）に調整し、燃料ガス流量センサ３０は、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの流量を測定し、遮断弁３２は、閉状態になると燃料ガス供給流路１４を遮断して燃料ガスの供給を停止する。また、燃料ガスポンプ２４の両側（即ち、下流側及び上流側）に位置する第１及び第２絞り部材２２，２６は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの流量を安定させるために設けられ、第１絞り部材２２は例えばキャピラリー管から構成され、第２絞り部材２６は、例えば小さいオリフィスを有する絞り部材から構成される。また、燃料ガス流量センサ３０は、例えば熱式流量センサから構成することができる。尚、燃料ガスを安定的して供給することができるときには、第１絞り部材２２を省略するようにしてもよく、また第２絞り部材２６に代えて例えばバッファ－タンクを用いるようにしてもよい。

【0031】

水供給流路１８には水供給ポンプ３４（水供給手段を構成する）が配設され、この水供給ポンプ３４によって、改質用水が後述するように水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。この水供給ポンプ３４の回転数を制御することによって改質用水の供給流量が調整され、水供給ポンプ３４の回転数を大きくする（又は小さくする）と、水供給流路１８を通して供給される改質用水の供給流量が多くなり（又は少なくなり）、この水供給ポンプ３４を作動制御することによって、スチームカーボン比（「Ｓ／Ｃ」とも称する）が後述する如く調整される。

【0032】

スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）とは、改質器４に供給される燃料ガス（原燃料ガス）中の炭素のモル数に対する改質器４に供給される改質用水のモル数の比率であり、このＳ／Ｃ、原燃料ガスの供給流量及び改質用水の供給流量とは、
Ｓ／Ｃ＝（２２．４Ｘ（改質用水の供給流量）／１８）／（１．２Ｘ（燃料ガスの供給流量）） ・・・（１）
の関係があり、この（１）式において、「２２．４」は、標準状態における気体の体積であり、「１８」は、水の分子量であり、「１．２」は、燃料ガスの供給流量（単位時間当たりの流量）からカーボンのモル数を算出するための係数であり、燃料ガスが天然ガスベースのものである場合の代表値であり、燃料ガス（原燃料ガス）の組成に依存する。

【0033】

このセルスタック６の酸素極（空気極）側３６は、空気供給流路３８を介して空気供給手段としての空気ブロア４０に接続されている。空気ブロア４０は、空気（酸化剤ガス）を空気供給流路３８を通してセルスタック６の酸素極側３６（空気極側）に供給する。この空気ブロア４０の回転数を制御することによって空気の供給流量が調整され、空気ブロア４０の回転数を大きくする（又は小さくする）と、空気供給流路３８を通して供給される空気（酸化剤ガス）の供給流量が多くなる（又は少なくなる）。

【0034】

セルスタック６の燃料極側８から排出される燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）は、燃料オフガス導出流路４４を通して水蒸気凝縮部４６に送給され、この水蒸気凝縮部４６にて燃料オフガスに含まれている水蒸気が凝縮されて除去され、水蒸気が除去された燃料オフガスは、燃料オフガス送給流路４８を通して燃焼器５０に送給される。また、セルスタック６の酸素極側３６から排出される空気オフガス（酸化剤オフガス）（即ち、カソードオフガス）は、空気オフガス送給流路５２（酸化剤オフガス送給流路）を通して燃焼器５０に送給され、この燃焼器５０において、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（燃料ガスを含んでいる）と酸素極側３６（空気極側）からの空気オフガス（酸素を含んでいる）とが燃焼される。

【0035】

気化器１２及び改質器４は、この燃焼器５０に接触乃至近接して配置されており、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して気化器１２及び改質器４などが加熱されるとともに、後述する高温空間６４が高温状態に保たれる。燃焼器５０からの燃焼排気ガスは排気ガス排出流路５４を通して大気に排出される。

【0036】

更に、燃料オフガス送給流路４８から分岐してリサイクル流路５６が設けられ、このリサイクル流路５６の下流側は、燃料ガス供給流路１４、具体的には燃料ガス供給ポンプ２４の配設部位と第２絞り部材２６の配設部位との間の部位に接続されている。このようにリサイクル流路５６が設けられているので、燃料オフガス送給流路４８を流れる燃料オフガス（アノードオフガス）の一部はリサイクル流路５６を通して燃料ガス供給系に、具体的には燃料ガス供給流路１４における燃料ガス供給ポンプ２４の配設部位の上流側に戻され、その残部は、燃料オフガス送給流路４８を通して燃焼器５０に送給される。

【0037】

この実施形態では、改質ユニット（改質器４及び気化器１２）、セルスタック６及び燃焼器５０が高温ハウジング６２に収容されている。高温ハウジング６２は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）であり、その内面は断熱部材（図示せず）で覆われており、その内側に高温空間６４を規定し、改質ユニット（改質器４及び気化器１２）、セルスタック６及び燃焼器５０がこの高温空間６４内で高温状態に保たれる。

【0038】

この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃料オフガス導出流路４４の一部が高温ハウジング６２（高温空間６４）外に導出されて水蒸気凝縮部４６に接続され、この水蒸気凝縮部４６からの燃料オフガス送給流路４８の一部が高温ハウジング６２（高温空間６４）外からその内側に導入されて燃焼器５０に接続されている。この実施形態では、水蒸気凝縮部４６は、排熱回収用の第１熱交換器６６と、燃料オフガスから凝縮水を分離するための気液分離器６８と、凝縮水に含まれる不純物を除去するためのイオン交換器７０と、凝縮水を溜めるための水回収容器７２とを含んでいる。気液分離器６８は例えばドレンセパレータから構成され、第１熱交換器６６は、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ－ジェネレーションシステム用の貯湯装置７４と組み合わせて用いられている。

【0039】

この貯湯装置７４は、温水として貯湯するための貯湯タンク７６と、第１熱交換器６６を通して循環する循環流路７８と、循環流路７８に配設された循環ポンプ８０とを備えている。この貯湯装置７４と組み合わせて用いると、循環ポンプ８０によって貯湯タンク７６内の水が循環流路６６を通して循環され、この第１熱交換器６６にて循環流路７８を流れる水と燃料オフガス導出流路４４を流れる燃料オフガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された温水が貯湯タンク７６に貯えられる。また、この熱交換により燃料オフガスが冷却されてそれに含まれた水蒸気が凝縮され、燃料オフガス及び凝縮された水（凝縮水）が下流側の気液分離器６８に流れる。

【0040】

気液分離器６８は、凝縮水と燃料オフガスとを分離し、分離された凝縮水は、下側のイオン交換器７０に流れ、これに内蔵されたイオン交換樹脂によってイオン成分などの不純物が除去された後に水回収タンク７２に蓄えられる。この水回収タンク７２に回収された水（凝縮水）は改質用水として用いられ、水供給ポンプ３４の作用によって水供給流路１８を通して気化器１２に送給される。

【0041】

また、空気供給流路３８（酸化剤ガス供給流路）に関連して、空気予熱用の第２熱交換器８２が配設され、この第２熱交換器８２は、空気供給流路３８を流れる空気（酸化剤ガス）と排気ガス排出流路５４を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加温された空気（酸化剤ガス）がセルスタック６の酸素極側３６に送給される。

【0042】

更に、燃料オフガス送給流路４８に関連して、燃料オフガス余熱用の第３熱交換器８４が配設され、この第３熱交換器８４は、燃料オフガス送給流路４８を流れる燃料オフガスと燃料オフガス導出流路４４を流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加温された燃料オフガスが燃焼器５０に送給される。尚、第２及び第３熱交換器８２．８４は、高温ハウジング６２（高温空間６４）内に収容されて高温状態に保たれる。

【0043】

この固体酸化物形燃料電池システム２では、電力負荷の大きさに応じてセルスタック６の発電出力（発電電流）が変動するように構成され、例えば電力負荷が大きくなる（又は小さくなる）と、それに追従してセルスタック６の発電出力（発電電流）も大きくなる（又は小さくなる）ように構成されている。固体酸化物形燃料電池システム２をこのように制御する場合、セルスタック６の発電電流とセルスタック６での燃料利用率との関係は、例えば、図２に示すような関係となり、発電電流が上昇するにつれて燃料利用率も大きくなり、例えば発電電流が１０Ａのときには燃料利用率が５５％前後であるが、発電電流が定格の３０Ａまで上昇すると、燃料利用率は８２％前後まで上昇する。尚、この燃料利用率とは、セルスタック６に供給される燃料ガスの供給量に対するセルスタック６での発電反応で消費される燃料ガスの消費量、即ち（燃料利用率＝燃料ガスの消費量／燃料ガスの供給量）の比率である。

【0044】

また、リサイクル流路５６を備えた固体酸化物形燃料電池システム２では、セルスタック６の発電電流とリサイクル率との関係は、例えば、図３に示す関係となり、発電電流が上昇するにつれてリサイクル率は小さくなり、例えば、発電電流が１０Aのときにはリサイクル率は０．３３前後であるが、発電電流が３０Aになるとリサイクル率は、０．３程度に低下する。尚、このリサイクル率とは、セルスタック６の燃料極側８から送給される燃料オフガスの送給量に対するリサイクル流路５６を通して燃料ガス供給系に戻されるリサイクル送給量、即ち（リサイクル率＝リサイクル送給量／燃料オフガスの送給量）の比率である。

【0045】

このリサイクル率の評価方法であるが、例えば、燃料ガス供給ポンプ２４の出口の燃料ガスを少量抜き出し、抜き出した燃料ガスのガス組成をガスクロマトグラフィーで求め、燃料利用率（燃料ガス流量と発電電流からわかる）を合わせて計算すると、リサイクル率を求めることができる。発電電流の条件を変えてリサイクル率をあらかじめ求めておくことにより、図３に示すデータ（即ち、セルスタック６の発電電流とリサイクル率との関係）を得ることができる。図3では発電電流が少ないところでリサイクル率が高くなっているが、これは燃料ガス供給ポンプ２４の周辺の部品構成（第２絞り部材２６等）によるものであり、この部品構成によって、発電電流の少ないときのリサイクル率も変わる。尚、この固体酸化物形燃料電池システム２でリサイクル率を常時測定することは難しいが、燃料ガス供給ポンプのデューディ比と燃料ガス流量センサ３０の検知流量を比較することによって、本来の稼働状態かどうかについては把握することは可能である。

【0046】

図２を参照して、セルスタック６の発電電流と燃料利用率との関係について説明したが、セルスタック６の発電出力と燃料利用率との関係は図２と同様になり、またセルスタック６の発電出力とリサイクル率の関係は図３と同様になる。それ故に、図２及び図３におけるセルスタック６の発電電流はセルスタック６の発電出力と置き換えることができる。

【0047】

このような固体酸化物形燃料電池システム２では、燃料利用率が低い部分負荷の発電状態においては、燃料オフガス送給流路から分岐するリサイクル流路５６で炭素析出が発生するおそれがあり、この炭素析出を抑えるために、Ｓ／Ｃを次のように設定して改質用水の供給量を制御するように構成されている。

【0048】

ここで、リサイクル流路５６で炭素析出が生じないためのＳ／Ｃの算出方法について説明する。この固体酸化物形燃料電池システム２においては、燃料オフガスのリサイクル率が高い、燃料ガスの燃料利用率が低い、またセルスタック６の燃料極出口温度が高い場合に、リサイクル経路５６を流れる燃料オフガス（水蒸気凝縮部４６を流れることによって温度が低下している）で炭素析出が起こりやすくなる。この炭素析出のメカニズムとしては、ブドワール反応（CO不均化反応）として知られている反応であり、
２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ_２ ・・・（ａ）
で表せる。この反応式（ａ）の平衡では、温度が高いとCOが高濃度で安定に存在できるが、その組成で温度が下がると、反応が右に行き、炭素が析出するようになる。

【0049】

この固体酸化物形燃料電池システム２においては、燃料オフガスはセルスタック６の燃料極出口温度（通常、例えば７００℃前後）から例えば１００℃前後まで下がるため、反応式（ａ）の平衡計算上は炭素析出となり、この固体酸化物形燃料電池システム２の構成が成立しなくなる。

【0050】

そこで、本発明者は炭素析出試験によって、燃料オフガス（アノードオフが得）の組成が５５０～６００℃を通る際の炭素析出を調べればよく、それ以下の温度（平衡上はさらに炭素析出側となる温度）については考慮する必要がないことを確認した。

【0051】

〈炭素析出試験方法〉
この炭素析出試験は、燃料オフガス（アノードオフガス）の組成で行ったものではなく、天然ガスベースの都市ガス（１３Ａ）をＳ／Ｃが１．０～２．０となるように改質し、改質器４における代表的な改質出口温度を６５０℃となるように、また改質触媒としてのアルミナやニッケル触媒の温度を５５０～６００℃の温度領域となるように設定し、このような温度状態を５時間以上保持して炭素析出を調べるという方法で試験をした。

【0052】

改質触媒の能力・ガス流速から改質器４の改質触媒出口でのガス組成は平衡組成になることから、この試験で炭素析出が認められた条件を整理した。その上で、反応式（ａ）に従って、改質器４の改質出口段階の平衡組成から、炭素が析出しだす条件の炭素析出値Ｋ、
Ｋ＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２ ・・・（２）
を求めた。この（２）式における分圧は、ＭＰａである。この炭素析出値Ｋは小さいほど炭素析出が発生し易くなる。この（２）式を用いることにより、実際に炭素析出が発生し始める炭素析出値Ｋがこの試験で求めることができる。

【0053】

〈燃料オフガス条件・システム動作条件〉
この固体酸化物形燃料電池システム２のセルスタック６の燃料オフガス（アノードオフガス）の組成を規定するものとして、Ｓ／Ｃ、燃料利用率、リサイクル率及び燃料オフガスの温度（具体的には、セルスタック６の燃料極出口温度）の4つのパラメータを抽出した。この4つのパラメータが決まれば燃料オフガスの平衡組成が決まることになる。セルスタック６の燃料極側はニッケルが多量に存在すること、温度が高いことから、その出口温度での平衡組成とすることができる（平衡組成ということは、量論、熱力学計算から平衡組成を計算することができることになる）。

【0054】

そこで、燃料利用率、リサイクル率及びセルスタック６の燃料極出口温度の3つを変数にし、燃料オフガスのガス組成を平衡計算し、上記（２）式を用いて、

Ｋ’＝ＰＣＯ_２／（ＰＣＯ）^２ ・・・（３）
を満たすＳ／Ｃを求める。このとき、値Ｋ’は、上述の炭素析出試験方法において（２）式を用いて求めた値Ｋでもよいが、安全率Ｓ（Ｓ＞1）を掛けた安全炭素析出値（Ｋｓ＝Ｓ×Ｋ）を用いるようにしてもよい。このようにしてリサイクル流路５６にて炭素析出が生じないＳ／Ｃを求めることができる。

【0055】

〈具体的な炭素析出試験〉
触媒反応実験装置を用いて上述の炭素析出試験方法を行ってリサイクル流路５６にて酸素析出が発生しないＳ／Ｃを求めると、次のようになった。この触媒反応実験装置による試験では、燃料オフガス（アノードオフガス）の組成で行ったものではなく、天然ガスベースの都市ガス（１３Ａ）をＳ／Ｃが１．０～２．０となるように改質し、改質触媒の出口温度を６５０℃に制御し、改質ガスを下流側に設置したα-アルミナを通しながら冷却し、５５０～６００℃の温度領域で5時間保持して炭素析出の有無を調べた。この試験では、Ｓ／Ｃが１．０、１．２、１．５及び２．０である４種類の改質ガスを用いて炭素析出試験を行った。この試験結果、Ｓ／Ｃが１．５である改質ガスでは、炭素は全く析出しなかったが、Ｓ／Ｃが１．２である改質ガスでは、炭素が微量析出した。

【0056】

この触媒反応実験装置を用いた同様の炭素析出試験を、改質触媒としてα―アルミナに代えて金属ニッケルを主成分とする多孔体で行った。上述したと同様に、Ｓ／Ｃが１．０、１．２、１．５及び２．０である４種類の改質ガスを用いて行った。この試験の結果、炭素の析出量は顕著に増えたが、Ｓ／Ｃが１．２の改質ガスでは、炭素は析出したが、Ｓ／Ｃが１．５の改質ガスでは、炭素の析出なく、炭素析出の有無については共通の結果であった。

【0057】

この試験結果から、Ｓ／Ｃが１．５で、改質出口温度が６５０℃である改質ガスの平衡組成から上記（２）式を用いて炭素析出値Ｋを算出したところ、この炭素析出値Ｋは３８（Ｋ＝３８）であった。触媒に関する文献「Catalysis Science and
Technology（Edited by John R.
Anderson and Michel Bouda,Volume 5, 1984」によると、上記（２）式の平衡定数は、６００℃で１０７であり、また５５０℃で４５０である。炭素析出値Ｋがこれらの値より低いと、平衡上は炭素析出側となる。ただし、今回の試験結果から、Ｋ＝３８に相当するガス組成であれば炭素析出が回避できることになる。

【0058】

ここで、燃料利用率、リサイクル率、セルスタック６の燃料極出口温度の3つを変数にし、ガス組成を平衡計算し、上記（２）式における炭素析出値Ｋが上記（３）式における値K'になるためのS/Cを求める。安全率Ｓを掛け、例えば安全炭素析出値Ｋｓを100とした（Ｋｓ＝１００）場合、次のようになり、この計算結果を整理すると、表１に示すようになる。

【0059】

即ち、スチームカーボン比Ｓ／Ｃを求める関数は、
Ｓ／Ｃ=ｆ(燃料利用率、リサイクル率、燃料極出口温度） ・・・（４）
となり、この（４）式を用いてＳ／Ｃを求めると、表１の結果が得られる。

【0060】

【表1】

上述したことから理解されるように、リサイクル流路５６を通してのリサイクル率、燃料ガスの燃料利用率及びセルスタック６の燃料極出口温度の３つのパラメータの値が判れば、これらの値に基づいて、リサイクル流路５６での炭素析出が生じないＳ／Ｃを求めることができる。

【0061】

この表１の結果を近似式にすることができ、この近似式では、Ｓ／Ｃは、次の数式で表すことができる。

【0062】

【数1】

【0063】

この実施形態では、炭素析出が生じないＳ／Ｃが、この近似式を用いて求めているが、この近似式ではなく、上記表１のようにしても求めることができる。

【0064】

図１及び図４を参照して、この固体酸化物形燃料電池システム２では、上述のＳ／Ｃの算出方法を実現するために、次のように構成されている。セルスタック６の燃料極出口温度を検出するために温度センサ９２（第１温度検知手段を構成する）が設けられている。この燃料極出口温度を直接測定するのが望ましいが、測定困難なときには、セルスタック６を代表する別の温度から燃料極側出口部の温度を推定してもよい。セルスタック６の別の温度及び動作条件とその燃料極出口温度との相関を予め測定しておくことにより、相応の精度でセルスタック６の燃料極出口温度を推定可能となり、このような温度を燃料極出口温度として用いるようにしてもよい。

【0065】

この固体酸化物形燃料電池システム２は、システムを制御するためのコントローラ９４を備え、温度センサ９２からの検知信号がコントローラ９４に送給される。コントローラ９４はマイクロプロセッサなどから構成され、燃料利用率演算手段９６、リサイクル率演算手段９８、目標Ｓ／Ｃ演算手段１００、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２及び制御手段１０４を備えている。

【0066】

燃料利用率演算手段９６は、後述するように燃料利用率を演算し、リサイクル率演算手段９８は、後述するようにリサイクル率を演算し、目標Ｓ／Ｃ演算手段１００（第１目標Ｓ／Ｃ演算手段として機能する）は、後述する如くして目標Ｓ／Ｃ（第１目標Ｓ／Ｃとなる）を演算し、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２は、後述する如く稼働Ｓ／Ｃを設定し、制御手段１０４は、設定稼働Ｓ／Ｃとなるように水供給ポンプ３４を作動制御する。

【0067】

このコントローラ９４は、更に、メモリ手段１０６を含んでおり、このメモリ手段１０６には、例えば図２に示すような発電電流－燃料利用率マップ、例えば図３に示すような発電電流－リサイクル率マップ及び目標Ｓ／Ｃ算出データ（即ち、上記（５）式の近似式データ）が登録されている。

【0068】

この固体酸化物燃料電池システム２では、電力負荷の変動に追従してセルスタック６の発電電流（発電出力）が変動するように構成され、例えば、図２に示すように、電力負荷の変動に追従してセルスタックの６の発電出力（発電出力）が、例えば４～３０Ａ（４００～３０００Ｗ）の範囲で変動するように構成されている。

【0069】

この固体酸化物形燃料電池システム２の制御は、例えば、次のように行われる。電力負荷に追従してセルスタック６の発電出力（発電出力）が決まると、燃料利用率演算手段９６は、メモリ手段１０６に登録された発電電流－燃料利用率マップ（例えば、図２参照）に基づいて、発電電流に対応する燃料利用率を演算し、この燃料利用率でシステムが運転される。即ち、この燃料利用率となるように、制御手段１０４は燃料ガス供給ポンプ２４、空気ブロア４０及び水供給ポンプ３４を作動制御し、セルスタック６はこの燃料利用率となるように発電運転される。

【0070】

そして、リサイクル流路５６にて炭素析出が発生しないように、次のようにして稼働Ｓ／Ｃが設定される。即ち、リサイクル率演算手段９８は、メモリ手段１０６に登録された発電電流－リサイクル率マップ（例えば、図３参照）に基づいて、発電電流に対応するリサイクル率を演算する。次に、目標Ｓ／Ｃ演算手段１００（第１目標Ｓ／Ｃ演算手段）は、メモリ手段１０６に登録された目標Ｓ／Ｃ算出データを読み出し、燃料利用率演算手段９６により演算された燃料利用率、リサイクル率演算手段９８により演算されたリサイクル率、及び温度センサ９２（第１温度検知手段）により検知されたセルスタック６の燃料極出口温度を用いて目標Ｓ／Ｃを演算する。

【0071】

このようにして目標Ｓ／Ｃが求められると、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２は、例えばこの目標Ｓ／Ｃがシステムの稼働Ｓ／Ｃとなるように設定し、制御手段１０４は、この稼働Ｓ／Ｃとなるように水供給ポンプ３４を作動制御し、これによって、リサイクル流路５６での炭素析出を抑える量の改質用水が供給され、リサイクル流路の閉塞といったトラブルの発生を防ぐことができる。

【0072】

尚、この第１の実施形態では、目標Ｓ／Ｃ演算手段１００により演算した目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃに設定しているが、この目標Ｓ／Ｃより大きい値を設定することにより、リサイクル流路５６での炭素析出を抑えることができ、稼働Ｓ／Ｃとしてこの目標Ｓ／Ｃの例えば１．１～１．３倍程度の値に設定するようにしてもよい。

【0073】

次に、図５～図８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第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、リサイクル流路での炭素析出と改質器での炭素析出とを抑えるように稼働Ｓ／Ｃが設定されるように構成されている。尚、以下の実施形態において、上述した第１の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。

【0074】

図５及び図７において、この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ａにおいては、セルスタック６の燃料極出口温度を検知する温度センサ、即ち第１温度センサ９２（第１温度検知手段を構成する）に加えて、改質器４の入口温度を検知する温度センサ、即ち第２温度センサ１０２（第２温度検知手段を構成する）が設けられ、第１及び第２温度センサ９２，１１２からの検知信号がコントローラ９４Ａに送給される。

【0075】

また、コントローラ９４Ａは、燃料利用率演算手段９６、リサイクル率演算手段９８、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段１００、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ａ及び制御手段１０４に加えて、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４及び目標Ｓ／Ｃ判定選択手段１１６を備えている。第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４は、改質器４にて炭素析出が生じないＳ／Ｃ条件である第２目標Ｓ／Ｃを後述する如くして演算し、目標Ｓ／Ｃ判定選択手段１１６は、第１目標Ｓ／Ｃと第２目標Ｓ／Ｃとの大きい方を判定して選択し、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ａは、第１目標Ｓ／Ｃが大きいときにはこの第１目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃとして設定し、第２目標Ｓ／Ｃが大きいときにはこの第２目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃとして設定する。

【0076】

更に、メモリ手段１０６Ａには、発電電流－燃料利用率マップ、発電電流－リサイクル率マップ及び第１目標Ｓ／Ｃ算出データに加えて、改質器入口温度－Ｓ／Ｃマップが登録される。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

【0077】

この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ａでは、リサイクル流路５６及び改質器４の双方にて炭素析出が発生しないように、次のようにして稼働Ｓ／Ｃが設定される。主として図７及び図８を参照して、まず、上述したと同様にして、第１目標Ｓ／Ｃの演算が行われる。即ち、燃料利用率演算手段９６は、発電電流－燃料利用率マップ（例えば図２参照）に基づいて、セルスタック６の発電電流に対応する燃料利用率を演算し（ステップＳ１）、リサイクル率演算手段９８は、メモリ手段１０６に登録された発電電流－リサイクル率マップ（例えば、図３参照）に基づいて、発電電流に対応するリサイクル率を演算する（ステップＳ２）。そして、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段１００は、メモリ手段１０６に登録された目標Ｓ／Ｃ算出データを読み出し、上記燃料利用率、上記リサイクル率及び第１温度センサ９２（第１温度検知手段）の検知温度（セルスタック６の燃料極出口温度）を用いて第１目標Ｓ／Ｃを演算する（ステップＳ３）。

【0078】

次に、第２目標Ｓ／Ｃの演算が行われる。即ち、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４は、改質器入口温度－Ｓ／Ｃマップ（例えば図６参照）に基づいて、改質器４の入口温度（即ち、第２温度センサ１１２の検知温度）に対応するＳ／Ｃを演算し（ステップＳ４）、このＳ／Ｃが第２目標Ｓ／Ｃとなる。第２目標Ｓ／Ｃとなるように改質用水の供給量を制御すると、改質器４での炭素析出が抑えられることになる。

【0079】

このようにして第１目標Ｓ／Ｃ及び第２目標Ｓ／Ｃが求められると、次に、目標Ｓ／Ｃ判定選択手段１１６は、第１目標Ｓ／Ｃと第２目標Ｓ／Ｃとを対比して大きい方を判定選択する（ステップＳ５）。そして、第２目標Ｓ／Ｃが第１目標Ｓ／Ｃ以上であるときには、ステップＳ６からステップＳ７に進み、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ａは、第２目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃとして設定し、制御手段１０４は、この稼働Ｓ／Ｃ（第２目標Ｓ／Ｃ）となるように水供給ポンプ３４を作動制御し（ステップＳ８）、これによって、改質器４での炭素析出を抑える量の改質用水が供給される。尚、このときの改質用水の供給量は、リサイクル流路５６で炭素析出が発生する量よりも多く、従ってリサイクル流路５６で炭素析出が発生することはない。

【0080】

また、第１目標Ｓ／Ｃが第２目標Ｓ／Ｃより大きいときには、ステップＳ６からステップＳ９に進み、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ａは、第１目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃとして設定し、制御手段１０４は、この稼働Ｓ／Ｃ（第１目標Ｓ／Ｃ）となるように水供給ポンプ３４を作動制御し（ステップＳ１０）、これによって、リサイクル流路５６での炭素析出を抑える量の改質用水が供給される。尚、このときの改質用水の供給量は、改質器４で炭素析出が発生する量よりも多く、従って改質器４で炭素析出が発生することはない。

【0081】

尚、この第２の実施形態では、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段１００により演算した第１目標Ｓ／Ｃが選択された場合、この第１目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃに設定しているが、この第１目標Ｓ／Ｃより大きい値を設定することにより、リサイクル流路５６での炭素析出を抑えることができ、稼働Ｓ／Ｃとして第１目標Ｓ／Ｃの例えば１．１～１．３倍程度の値に設定するようにしてもよい。また、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４により演算した第２目標Ｓ／Ｃが選択された場合、この第２目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃに設定しているが、この第２目標Ｓ／Ｃより大きい値を設定することにより、改質器４での炭素析出を抑えることができ、稼働Ｓ／Ｃとして第２目標Ｓ／Ｃの例えば１．１～１．３倍程度の値に設定するようにしてもよい。

【0082】

次に、図９及び図１０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第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態では、第２目標Ｓ／Ｃは改質器入口温度及びセルスタック温度に基づき補正するように構成されている。

【0083】

この第３の実施形態では、セルスタック６の温度を検知する温度センサ、即ち第１温度センサ９２（第１温度検知手段を構成する）及び改質器４の入口温度を検知する温度センサ、即ち第２温度センサ１０２（第２温度検知手段を構成する）に加えて、セルスタック６の温度を検知する温度センサ、即ち第３温度センサ（第３温度検知手段を構成する）が設けられ、第１～第３温度センサ９２，１１２，１２２からの検知信号はコントローラ９４Ｂに送給される。

【0084】

また、コントローラ９４Ｂは、燃料利用率演算手段９６、リサイクル率演算手段９８、第１目標Ｓ／Ｃ演算手段１００、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４、目標Ｓ／Ｃ判定選択手段１１６、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ｂ及び制御手段１０４に加えて、第１補正値演算手段１２４及び第２補正値演算手段１２６を更に備えている。第１補正値演算手段１２４は、改質器４の入口温度に基づいて後述する如くして第１補正値を演算し、第２補正値演算手段は、セルスタック６の温度に基づいて後述の如くして第２補正値を演算し、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４Ｂは、基準Ｓ／Ｃデータ、第１補正値及び第２補正値に基づき第２目標Ｓ／Ｃを演算し、この実施形態では、第２目標Ｓ／Ｃは、これらの値を加算することにより求められ（第２目標Ｓ／Ｃ＝基礎Ｓ／Ｃ＋第１補正値＋第２補正値）、その具体的構成については、特開２０１３－１８７１１８号公報に開示されている構成と実質上同一であり、この公報を参照されたい。

【0085】

更に、メモリ手段１０６Ｂには、発電電流－燃料利用率マップ、発電電流－リサイクル率マップ及び第１目標Ｓ／Ｃ算出データに加えて、第２目標Ｓ／Ｃを演算するときに用いる基準Ｓ／Ｃデータ、第１補正マップ（即ち、改質器入口温度と第１補正値との関係を示すマップ）、第２補正マップ（即ち、セルスタック温度と第２補正値との関係を示すマップ）及び第２目標Ｓ／Ｃ算出データが登録されている。この第３の実施形態におけるその他の構成は、上述した第２の実施形態と実質上同一である。

【0086】

この第３の実施形態では、上述した第２の実施形態と略同様に、次のようにして稼働Ｓ／Ｃが設定される。まず、上述したと同様にして、第１目標Ｓ／Ｃの演算が行われる。即ち、ステップS２１～ステップS２３では、第２の実施形態におけるステップ１～ステップＳ３と同様に実行される。

【0087】

次に、第２目標Ｓ／Ｃの演算が行われる。この第３の実施形態においては、第１補正値演算手段１２４は、メモリ手段１０６Ｂに登録された第１補正マップ（改質器入口温度と第１補正値との関係を示すマップ）に基づき、改質器４の入口温度（即ち、第２温度センサ１１２の検知温度）に対応する第１補正値を演算する（ステップＳ２４）。また、第２補正値演算手段１２６は、メモリ手段１０６Ｂに登録された第２補正マップ（セルスタック温度と第２補正値との関係を示すマップ）に基づき、セルスタック６の温度（即ち、第３温度センサ１２２の検知温度）に対応する第２補正値を演算する（ステップＳ２５）。

【0088】

そして、第２目標Ｓ／Ｃ演算手段１１４Ｂは、第２目標Ｓ／Ｃ算出データを用い、基準Ｓ／Ｃデータ、第１補正値演算手段１２４により演算された第１補正値及び第２補正値演算手段１２６により演算された第２補正値を加算して第２目標Ｓ／Ｃを演算する（ステップＳ２６）。

【0089】

このようにして第１目標Ｓ／Ｃ及び第２目標Ｓ／Ｃが求められると、第２の実施形態と同様に、目標Ｓ／Ｃ判定選択手段１１６は、第１目標Ｓ／Ｃと第２目標Ｓ／Ｃとを対比して大きい方を判定選択する（ステップＳ２７）。第２目標Ｓ／Ｃが第１目標Ｓ／Ｃ以上であるときには、ステップＳ２８からステップＳ２９に進み、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ｂは、第２目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃとして設定し、制御手段１０４は、この稼働Ｓ／Ｃ（第２目標Ｓ／Ｃ）となるように水供給ポンプ３４を作動制御する（ステップＳ３０）。

【0090】

また、第１目標Ｓ／Ｃが第２目標Ｓ／Ｃより大きいときには、ステップＳ２８からステップＳ３１に進み、稼働Ｓ／Ｃ設定手段１０２Ａは、第１目標Ｓ／Ｃを稼働Ｓ／Ｃとして設定し、制御手段１０４は、この稼働Ｓ／Ｃ（第１目標Ｓ／Ｃ）となるように水供給ポンプ３４を作動制御する（ステップＳ３２）。

【0091】

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種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。

【符号の説明】

【0092】

２，２Ａ 固体酸化物燃料電池システム
４ 改質器
６ セルスタック
８ 燃料極側
１２ 気化器
２４ 燃料ガス供給ポンプ（燃料ガス供給手段）
３４ 水供給ポンプ（水供給手段）
３６ 空気極側（酸素極側）
４０ 空気ブロア（空気供給手段）
４６ 水蒸気凝縮部
４８ 燃料オフガス送給流路
５０ 燃焼器
５６ リサイクル流路
６２ 高温ハウジング
９２ 第１温度センサ（第１温度検知手段）
９４，９４Ａ，９４Ｂ コントローラ
９６ 燃料利用率演算手段
９８ リサイクル率演算手段
１００ 目標Ｓ／Ｃ演算手段（第１目標Ｓ／Ｃ演算手段）
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ 稼働Ｓ／Ｃ設定手段
１０４ 制御手段
１１２ 第２温度センサ（第２温度検知手段）
１１４ 第２Ｓ／Ｃ演算手段
１１６ 目標Ｓ／Ｃ判定選択手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】