知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-26
(45)【発行日】2025-01-10
(54)【発明の名称】固体酸化物形セルシステム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/00 20160101AFI20241227BHJP
H01M 8/04701 20160101ALI20241227BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20241227BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20241227BHJP
H01M 8/04955 20160101ALI20241227BHJP
H01M 8/0656 20160101ALI20241227BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20241227BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20241227BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20241227BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241227BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20241227BHJP
C25B 15/021 20210101ALI20241227BHJP
【ＦＩ】
H01M8/00 Z
H01M8/04701
H01M8/04746
H01M8/04858
H01M8/04955
H01M8/0656
H01M8/12 101
C25B1/042
C25B1/23
C25B9/00 A
C25B9/00 Z
C25B15/00 303
C25B15/021
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2024518416
(86)(22)【出願日】2023-07-27
(86)【国際出願番号】 JP2023027581
【審査請求日】2024-10-28
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002941
【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】下笠 諒平
【審査官】山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２６３６８１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２１－１５８０７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５１３９１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０４１２０２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５
Ｃ２５Ｂ １／００－ ９／７７
Ｃ２５Ｂ １３／００－１５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のガスを用いて発電し電力を出力するＳＯＦＣモードと電力が入力され第２のガスを電気分解するＳＯＥＣモードとを切り替え可能な少なくとも１つの固体酸化物形セルスタックを有する固体酸化物形セルモジュールと、前記固体酸化物形セルスタックの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記ＳＯＥＣモード及び前記ＳＯＦＣモードのうちの一方のモードから他方のモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、継続して前記一方のモードで動作させ、前記一方のモードの動作による前記固体酸化物形セルスタックの熱反応により前記固体酸化物形セルスタックの温度を予め設定された前記他方のモードの動作温度に達するように制御した後、前記固体酸化物形セルスタックを前記一方のモードから前記他方のモードに切り替える、固体酸化物形セルシステム。
【請求項2】
前記制御装置は、前記一方のモードとしての前記ＳＯＥＣモードから前記他方のモードとしての前記ＳＯＦＣモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、継続して前記ＳＯＥＣモードで動作させるとともに、前記固体酸化物形セルスタックの電圧を、電気分解による吸熱量と前記固体酸化物形セルスタックからの発熱量とがバランスする熱中立時の電圧より小さく設定して前記固体酸化物形セルスタックの温度を前記ＳＯＦＣモードでの動作温度に達するように制御した後、前記ＳＯＥＣモードから前記ＳＯＦＣモードに切り替える、請求項１に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項3】
前記制御装置は、前記固体酸化物形セルスタックの温度が前記ＳＯＦＣモードでの動作温度に達した時、前記固体酸化物形セルスタックへの電力の入力を停止するとともに、前記第２のガスの供給を停止して、前記ＳＯＦＣモードに切り替える、請求項２に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項4】
前記制御装置は、前記一方のモードとしてのＳＯＦＣモードから前記他方のモードとしての前記ＳＯＥＣモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、継続して前記ＳＯＦＣモードで動作させるとともに、前記ＳＯＦＣモードの動作により予め設定された前記ＳＯＥＣモードでの動作温度に達するか判定し、予め設定された前記ＳＯＥＣモードでの動作温度に達しない場合は、前記固体酸化物形セルスタックを加熱して前記固体酸化物形セルスタックの温度を昇温させるように制御する、請求項１に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項5】
前記制御装置は、前記固体酸化物形セルスタックの温度が予め設定された前記ＳＯＥＣモードでの動作温度に達した時、前記固体酸化物形セルスタックからの電力の出力を停止するとともに前記第１のガスの供給を停止して、前記ＳＯＥＣモードに切り替える、請求項４に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項6】
前記固体酸化物形セルスタックの温度を調整する温度調整器及び前記第１のガス及び前記第２のガスの温度を調整する温度調整装置を備え、前記制御装置は、
前記ＳＯＥＣモードから前記ＳＯＦＣモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、前記温度調整器による熱供給を停止し、継続して前記ＳＯＥＣモードで動作させるとともに、予め設定された時間内に予め設定された前記ＳＯＦＣモードでの動作温度に達するように、前記第２のガスの流量を増加させる、前記温度調整装置により前記第２のガスの温度を低下させる、の少なくとも１つの方法により、前記固体酸化物形セルスタックの温度を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項7】
前記固体酸化物形セルスタックの温度を調整する温度調整器及び前記第１のガス及び前記第２のガスの温度を調整する温度調整装置を備え、前記制御装置は、
前記ＳＯＦＣモードから前記ＳＯＥＣモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、継続して前記ＳＯＦＣモードで動作させるとともに、予め設定された時間内に予め設定された前記ＳＯＦＣモードでの動作温度に達するように、前記ＳＯＦＣモードでの出力電力を制御する、前記温度調整器により前記固体酸化物形セルスタックに熱供給する、の少なくとも１つの方法により、前記固体酸化物形セルスタックの温度を制御する、請求項１、４及び５のいずれか１項に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項8】
前記制御装置は、前記ＳＯＥＣモードから前記ＳＯＦＣモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、予め設定された前記ＳＯＦＣモードでの動作温度に達した時、前記固体酸化物形セルスタックへの電力の入力を停止するとともに前記第２のガスの供給を停止して予め設定された温度静定時間経過したのち、前記ＳＯＦＣモードに切り替える、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項9】
前記制御装置は、前記ＳＯＦＣモードから前記ＳＯＥＣモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、予め設定された前記ＳＯＥＣモードでの動作温度に達した時、前記固体酸化物形セルスタックへの電力の出力を停止するとともに前記第１のガスの供給を停止して予め設定された温度静定時間経過したのち、前記ＳＯＥＣモードに切り替える、請求項１、４及び５のいずれか１項に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項10】
前記制御装置は、前記固体酸化物形セルモジュールは複数の前記固体酸化物形セルスタックを備え、前記固体酸化物形セルスタック毎に、入出力される電力及び温度を制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の固体酸化物形セルシステム。
【請求項11】
前記制御装置は、前記固体酸化物形セルモジュールは複数の前記固体酸化物形セルスタックを備え、前記固体酸化物形セルモジュールの具備する複数の前記固体酸化物形セルスタックに入出力される電力及び温度を一律に制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の固体酸化物形セルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、固体酸化物形セルシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＳＯＦＣと称する）は、水素又は炭化水素あるいは一酸化炭素を原料に電力及び熱を出力することができる。またその逆反応である、水蒸気又は二酸化炭素を水素又は一酸化炭素あるいは酸素に電気分解する固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：以下、ＳＯＥＣと称する）としても動作できる。このような発電及び電解の機能を有するリバーシブルＳＯＣ（固体酸化物形セル：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｃｅｌｌ）を用いた電力貯蔵・供給システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第６８８１００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
通常、電力貯蔵・供給システムにおいては、ＳＯＣが複数積層されてなるスタック構造を備えている。従来のリバーシブルＳＯＣを用いたシステムにおいては、それぞれの運転モードで動作温度が異なるため、運転モードを切り替える時には温度変化が伴う。しかし、ＳＯＣは温度が急変すると、ＳＯＣに熱に起因する物理的ダメージが与えられ、耐久性を低下させるおそれがあった。
【0005】
本開示は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、運転モード切り替え時にＳＯＣスタックの温度変化が急変しないように制御することで、ＳＯＣの耐久性低下を抑制可能な固体酸化物形セルシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の固体酸化物形セルシステムは、
第１のガスを用いて発電し電力を出力するＳＯＦＣモードと電力が入力され第２のガスを電気分解するＳＯＥＣモードとを切り替え可能な少なくとも１つの固体酸化物形セルスタックを有する固体酸化物形セルモジュールと、
前記固体酸化物形セルスタックの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記ＳＯＥＣモード及び前記ＳＯＦＣモードのうちの一方のモードから他方のモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、継続して前記一方のモードで動作させ、前記一方のモードの動作による前記固体酸化物形セルスタックの熱反応により前記固体酸化物形セルスタックの温度を予め設定された前記他方のモードの動作温度に達するように制御した後、前記固体酸化物形セルスタックを前記一方のモードから前記他方のモードに切り替える、
ように構成されたものである。
第１のガスを用いて発電し電力を出力するＳＯＦＣモードと電力が入力され第２のガスを電気分解するＳＯＥＣモードとを切り替え可能な少なくとも１つの固体酸化物形セルスタックを有する固体酸化物形セルモジュールと、
前記固体酸化物形セルスタックの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記ＳＯＥＣモード及び前記ＳＯＦＣモードのうちの一方のモードから他方のモードに切り替える前記固体酸化物形セルスタックに対し、継続して前記一方のモードで動作させ、前記一方のモードの動作による前記固体酸化物形セルスタックの熱反応により前記固体酸化物形セルスタックの温度を予め設定された前記他方のモードの動作温度に達するように制御した後、前記固体酸化物形セルスタックを前記一方のモードから前記他方のモードに切り替える、
ように構成されたものである。
【発明の効果】
【0007】
本開示の固体酸化物形セルシステムによれば、運転モード切り替え時のＳＯＣスタックの温度変化を急変させず緩やかにするとともに、ＳＯＣスタックの耐久性低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの構成を示す図である。
【図2】実施の形態１に係るＳＯＣスタックの構成を示す図である。
【図3】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムにおいてＳＯＦＣモードでの動作を説明するための図である。
【図4】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムにおいてＳＯＥＣモードでの動作を説明するための図である。
【図5】運転モードに対応したＳＯＣスタックの発熱量と吸熱量との差及び印加される電圧との関係を示す図である。
【図6】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備するＳＯＣスタックの入出力制御及び温度制御のパターンを示す図である。
【図7A】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備するＳＯＣスタックの運転モード切り替え時の制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図7B】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備するＳＯＣスタックの運転モード切り替え時の制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図8】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備するＳＯＣスタックの入出力制御及び温度制御のパターンを示す図である。
【図9A】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備するＳＯＣスタックの運転モード切り替え時の制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図9B】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備するＳＯＣスタックの運転モード切り替え時の制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図10】実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの制御装置のハードウエア構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本開示による固体酸化物形セルシステムの実施の形態について図を参照して説明する。本開示では、ＳＯＦＣとＳＯＥＣの両機能を有するリバーシブルＳＯＣを用いた固体酸化物形セルシステムを対象とする。なお、各図中、同一符号は、同一または相当する部分を示すものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。
また、以下において固体酸化物形セルをＳＯＣ、固体酸化物形セルスタックをＳＯＣスタック、固体酸化物形セルモジュールをＳＯＣモジュールと称し、ＳＯＣスタックがＳＯＦＣとして動作する運転モードをＳＯＦＣモード、ＳＯＥＣとして動作する運転モードをＳＯＥＣモードと称する。
また、以下において固体酸化物形セルをＳＯＣ、固体酸化物形セルスタックをＳＯＣスタック、固体酸化物形セルモジュールをＳＯＣモジュールと称し、ＳＯＣスタックがＳＯＦＣとして動作する運転モードをＳＯＦＣモード、ＳＯＥＣとして動作する運転モードをＳＯＥＣモードと称する。
【0010】
実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムについて図を用いて説明する。
＜固体酸化物形セルシステムの構成＞
図１は、実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの構成を示す図、図２はＳＯＣスタックの構成を示す図である。図１において固体酸化物形セルシステム１は、ＳＯＦＣモード時に必要な原料ガスを供給するガス供給部２１と、ＳＯＥＣモード時に水蒸気（Ｈ２Ｏ）を供給する水蒸気供給部２２、供給されたガス及び水蒸気の温度を調整する温度調整装置２０と、温度調整装置２０により予め設定された温度に調整されたガスが供給されるＳＯＣモジュール１００と、温度調整装置２０、ＳＯＣモジュール１００の運転モード切り替え及びガス配管中に設けられたバルブＶ１－Ｖ６の開閉制御を行う制御装置２００と、を備え、これらは図１の点線の領域で示す固体酸化物形セルシステム１の主要構成要件１Ａである。ＳＯＣモジュール１００には、外部装置３００が接続される。外部装置３００は、ＳＯＣモジュール１００がＳＯＦＣモード時に発生させた電力が供給される負荷またはＳＯＣモジュール１００がＳＯＥＣモード時に電力を供給する電流源である。
以下に、実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムについて図を用いて説明する。
＜固体酸化物形セルシステムの構成＞
図１は、実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの構成を示す図、図２はＳＯＣスタックの構成を示す図である。図１において固体酸化物形セルシステム１は、ＳＯＦＣモード時に必要な原料ガスを供給するガス供給部２１と、ＳＯＥＣモード時に水蒸気（Ｈ２Ｏ）を供給する水蒸気供給部２２、供給されたガス及び水蒸気の温度を調整する温度調整装置２０と、温度調整装置２０により予め設定された温度に調整されたガスが供給されるＳＯＣモジュール１００と、温度調整装置２０、ＳＯＣモジュール１００の運転モード切り替え及びガス配管中に設けられたバルブＶ１－Ｖ６の開閉制御を行う制御装置２００と、を備え、これらは図１の点線の領域で示す固体酸化物形セルシステム１の主要構成要件１Ａである。ＳＯＣモジュール１００には、外部装置３００が接続される。外部装置３００は、ＳＯＣモジュール１００がＳＯＦＣモード時に発生させた電力が供給される負荷またはＳＯＣモジュール１００がＳＯＥＣモード時に電力を供給する電流源である。
【0011】
ＳＯＣモジュール１００は、複数のＳＯＣスタック１０＿１－１０＿ｎ（ｎは２以上の自然数）を接続した集合体である。各ＳＯＣスタック１０には、ＳＯＣスタック用温度調整器１８が設けられている。温度調整器１８は例えば、ヒータ等の加熱器である。なお、ＳＯＣスタックを総称する場合はＳＯＣスタック１０と称する。
【0012】
＜ＳＯＣスタックの構成＞
ここで、図２を用い、ＳＯＣモジュール１００を構成する、複数のＳＯＣスタック１０の構造について説明する。ＳＯＣモジュール１００は複数のＳＯＣスタック１０＿１－１０＿ｎ（ｎは２以上の自然数）を接続した集合体である。各ＳＯＣスタック１０は複数のＳＯＣ１１＿１－１１＿ｍ（ｍは２以上の自然数）が積層されて構成されている。
ここで、図２を用い、ＳＯＣモジュール１００を構成する、複数のＳＯＣスタック１０の構造について説明する。ＳＯＣモジュール１００は複数のＳＯＣスタック１０＿１－１０＿ｎ（ｎは２以上の自然数）を接続した集合体である。各ＳＯＣスタック１０は複数のＳＯＣ１１＿１－１１＿ｍ（ｍは２以上の自然数）が積層されて構成されている。
【0013】
ｋ番目（１＜ｋ≦ｍ；ｋは自然数）のＳＯＣ１１＿ｋを例に説明すると、ＳＯＣ１１はそれぞれ空気極１２と燃料極１４とが電解質１３を挟んだ構造を有し、インタコネクタ１５により隣接するＳＯＣ１１と接続されている。空気極１２と電解質１３との間には、材料劣化を抑制するための拡散防止層が挿入される場合もある。なお、ＳＯＣを総称する場合はＳＯＣ１１と称する。
【0014】
制御装置２００は、システム制御部２０１と、温度制御部２０２とを具備する。システム制御部２０１は、ＳＯＣモジュール１００の運転モード切り替え及びガス配管中に設けられたバルブＶ１－Ｖ６の開閉制御等を行う。温度制御部２０２は、供給されたガス及び水蒸気が予め設定された温度になるように温度調整装置２０を制御するとともに、各ＳＯＣスタック１０が予め設定された温度になるようにＳＯＣスタック用温度調整器１８を制御する。
【0015】
外部装置３００は、上述したように負荷または電流源である。ＳＯＣモジュール１００がＳＯＦＣモード時に発生させた電力が供給される負荷としては、例えば電力変換器または電力変換器を介して接続されたモータ等である。ＳＯＣモジュール１００がＳＯＥＣモード時に供給される電流源としては、電力変換器または系統などの電流源等である。制御装置２００は、外部装置３００を制御することにより、各ＳＯＣスタックの電圧を制御する。
【0016】
ガス供給部２１は、ＳＯＦＣモード時に必要な燃料極側の原料ガスとして、水素（Ｈ２）等を供給し、ＳＯＥＣモード時には水素、二酸化炭素（ＣＯ２）等を供給する。外部にそれぞれガスボンベを有し、ガス供給部２１に供給するような形態であってもよい。また、ＳＯＦＣモード時に空気極に供給されるガスは、例えば酸素（Ｏ２）、空気（Ａｉｒ）等である。これらはＳＯＥＣモード時にも用いられ、供給時（上流）と反応後（下流）とでガス種は理論的に同じであるため、ガスを循環させて用いてもよい。
【0017】
温度調整装置２０は、ＳＯＣモジュール１００に供給される（上流）ガス及び水蒸気の配管温度を調整するもので、例えば配管の周囲に設けられたヒータ、加熱器等である。また、ＳＯＣモジュール１００から生成された下流のガスを熱源として、上流のガスを加熱してもよい。
【0018】
固体酸化物形セルシステム１の任意の構成要件として、改質器３０、水蒸気発生器３１、貯水部３２、凝縮器３３、ガス貯蔵部３４、貯蔵用ガス調整部３５を具備してもよい。
改質器３０は、ＳＯＦＣモード時に、都市ガス（メタンを主成分とするガス）などを用いる場合に用いる。改質時の熱源であるバーナにＳＯＣモジュール１００から生成された下流のガスを燃料として供給してもよい。
改質器３０は、ＳＯＦＣモード時に、都市ガス（メタンを主成分とするガス）などを用いる場合に用いる。改質時の熱源であるバーナにＳＯＣモジュール１００から生成された下流のガスを燃料として供給してもよい。
【0019】
水蒸気発生器３１は、貯水部３２から供給された水を加熱して水蒸気を生成し、水蒸気供給部２２を介してＳＯＣモジュール１００に供給する。水蒸気発生器３１を用いずに、外部から直接水蒸気を供給してもよい。
【0020】
貯水部３２は、水蒸気発生器３１に供給する水を貯蔵する。ＳＯＣモジュール１００から排出された燃料極側下流ガスの水蒸気を回収し、供給ガスあるいは改質器３０の燃料として再利用してもよい。
【0021】
凝縮器３３は、ＳＯＣモジュール１００から排出された燃料極側下流ガスを脱水する。例えば、ＳＯＦＣモードにおいて、ＳＯＣモジュール１００で生成された水蒸気と未反応の水素等を脱水により分離し、ＳＯＥＣモードにおいて、ＳＯＣモジュール１００で生成された水素等と未反応の水蒸気を脱水により分離する。
【0022】
ガス貯蔵部３４は、ＳＯＥＣモードにおいてＳＯＣモジュール１００から排出された燃料極側下流ガス（水素等）を回収し、ＳＯＦＣモードに必要な燃料極側上流ガスとして、貯蔵する。ＳＯＣモジュール１００から排出されたガスは直接システム外に供給してもよい。
【0023】
貯蔵用ガス調整部３５は、ガス貯蔵部３４においてそれぞれのガスを貯蔵するためにガスに適宜処理を施し調整を行う。例えば、圧縮機によりガスを圧縮する、ＳＯＥＣモードにおいてＳＯＣモジュール１００から排出された燃料極側下流ガスである、例えば水素と一酸化炭素（ＣＯ）等の混合ガスを分離器により分離する、あるいは例えば水素と一酸化炭素（ＣＯ）とを用いメタン化反応器によりメタンを合成する等によりガスの形態を調整する。貯蔵用ガス調整部３５により調整処理されたガスは、ガス貯蔵部３４で貯蔵される。
【0024】
なお、図１及び以降の固体酸化物形セルシステムの構成を示す図において、各線は以下の内容を示すものとする。
実線：反応前ガス流路（上流）
一点鎖線：反応後ガス流路(下流)
破線：燃料電池、水蒸気電解反応以外に使用されるガスの流路
黒矢印：燃料極に供給される、あるいは燃料極から排出されるガス（水素、窒素、一酸化炭素、炭化水素、水蒸気、二酸化炭素など)
白抜き矢印：空気極に供給される、あるいは空気極から排出されるガス(酸素、空気など)
実線：反応前ガス流路（上流）
一点鎖線：反応後ガス流路(下流)
破線：燃料電池、水蒸気電解反応以外に使用されるガスの流路
黒矢印：燃料極に供給される、あるいは燃料極から排出されるガス（水素、窒素、一酸化炭素、炭化水素、水蒸気、二酸化炭素など)
白抜き矢印：空気極に供給される、あるいは空気極から排出されるガス(酸素、空気など)
【0025】
＜ＳＯＦＣモードでの動作＞
次に、ＳＯＦＣモードでの固体酸化物形セルシステム１の動作を説明する。図３は、図１においてＳＯＦＣモード時のガスの流れを太線で示したものである。ＳＯＦＣモードにおいては、燃料極１４、空気極１２それぞれに以下で説明するガスが供給され、発電した電力が出力される。
次に、ＳＯＦＣモードでの固体酸化物形セルシステム１の動作を説明する。図３は、図１においてＳＯＦＣモード時のガスの流れを太線で示したものである。ＳＯＦＣモードにおいては、燃料極１４、空気極１２それぞれに以下で説明するガスが供給され、発電した電力が出力される。
【0026】
（１）ＳＯＣモジュール１００へのガスの供給（上流）
燃料極１４側へは、水素を主成分とするガスが供給される。水素を主成分とするガスはガス供給部２１から温度調整装置２０を介してＳＯＣモジュール１００へ供給される。ガス貯蔵部３４から水素を主成分とするガスを供給してもよい。
燃料極１４側へメタンを主成分とするガスを供給してもよい。メタンを主成分とするガスはガス貯蔵部３４から温度調整装置２０を介してＳＯＣモジュール１００へ供給される。あるいは、外部から改質器３０を経由して供給されるものであってもよい。また、ガス貯蔵部３４から改質器３０を経由して供給されるものであってもよい。改質器３０では貯水部３２から供給された水蒸気を用いて以下の反応により水蒸気改質が行われ、改質されたガスが燃料極１４側へ供給される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２
なお、以下で説明するが、ＳＯＣモジュール１００のうちＳＯＦＣモードで運転せず、温度調整中あるいは休止中のＳＯＣスタック１０の燃料極１４側には、水素と窒素を主成分とするパージガスまたは還元ガスがガス供給部２１あるいはガス貯蔵部３４から供給される。
燃料極１４側へは、水素を主成分とするガスが供給される。水素を主成分とするガスはガス供給部２１から温度調整装置２０を介してＳＯＣモジュール１００へ供給される。ガス貯蔵部３４から水素を主成分とするガスを供給してもよい。
燃料極１４側へメタンを主成分とするガスを供給してもよい。メタンを主成分とするガスはガス貯蔵部３４から温度調整装置２０を介してＳＯＣモジュール１００へ供給される。あるいは、外部から改質器３０を経由して供給されるものであってもよい。また、ガス貯蔵部３４から改質器３０を経由して供給されるものであってもよい。改質器３０では貯水部３２から供給された水蒸気を用いて以下の反応により水蒸気改質が行われ、改質されたガスが燃料極１４側へ供給される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２
なお、以下で説明するが、ＳＯＣモジュール１００のうちＳＯＦＣモードで運転せず、温度調整中あるいは休止中のＳＯＣスタック１０の燃料極１４側には、水素と窒素を主成分とするパージガスまたは還元ガスがガス供給部２１あるいはガス貯蔵部３４から供給される。
【0027】
空気極１２側へは酸素または空気がガス供給部２１から供給される。ＳＯＣモジュール１００のうちＳＯＦＣモードで運転せず、温度調整中あるいは休止中のＳＯＣスタック１０の空気極１２側にも同様に酸素または空気が供給される。
ＳＯＣモジュール１００へのガス供給においては、バルブＶ１の開閉方向により燃料極１４側へのガスの供給源が決定される。燃料極１４側に供給されるガスがメタンを主成分とするガスの場合、バルブＶ２の開閉方向動作によりガス貯蔵部３４からメタンを主成分とするガスを改質器３０に供給する。バルブＶ３の開閉方向は改質器３０からガスを供給するか否かで決定する。これらバルブＶ１－Ｖ３は３方向弁であり、開閉方向の動作はシステム制御部２０１により制御される。
ＳＯＣモジュール１００へのガス供給においては、バルブＶ１の開閉方向により燃料極１４側へのガスの供給源が決定される。燃料極１４側に供給されるガスがメタンを主成分とするガスの場合、バルブＶ２の開閉方向動作によりガス貯蔵部３４からメタンを主成分とするガスを改質器３０に供給する。バルブＶ３の開閉方向は改質器３０からガスを供給するか否かで決定する。これらバルブＶ１－Ｖ３は３方向弁であり、開閉方向の動作はシステム制御部２０１により制御される。
【0028】
（２）ＳＯＣモジュール１００からのガスの排出（下流）
燃料極１４側からは、水素を主成分とするガスが供給された場合は水蒸気及び未反応の水素等が排出され、メタンを主成分とするガスが供給された場合は水蒸気及び二酸化炭素等が排出される。排出されたガスは外部へそのまま排出してもよいが、図３においては、凝縮器３３で水蒸気とその他のガスを分離し、その後貯蔵用ガス調整部３５で水素と二酸化炭素等を分離してもよい。水蒸気は貯水部３２に貯蔵してもよい。
空気極１２側からは、未反応の酸素または空気が排出される。排出されたガスはガス供給部２１に戻してシステムを循環する構成としてもよい。
燃料極１４側からは、水素を主成分とするガスが供給された場合は水蒸気及び未反応の水素等が排出され、メタンを主成分とするガスが供給された場合は水蒸気及び二酸化炭素等が排出される。排出されたガスは外部へそのまま排出してもよいが、図３においては、凝縮器３３で水蒸気とその他のガスを分離し、その後貯蔵用ガス調整部３５で水素と二酸化炭素等を分離してもよい。水蒸気は貯水部３２に貯蔵してもよい。
空気極１２側からは、未反応の酸素または空気が排出される。排出されたガスはガス供給部２１に戻してシステムを循環する構成としてもよい。
【0029】
ＳＯＣモジュール１００からのガスの排出においては、バルブＶ５の開閉により改質器３０が動作する場合に、水を貯水部３２から供給可能とする。また、バルブＶ４の開閉方向により排出ガスの一部を、改質器３０の熱供給用バーナの燃料として供給することができる。バルブＶ４は３方向弁、バルブＶ５は開閉弁であり、開閉方向、開閉の動作はシステム制御部２０１により制御される。
【0030】
なお、温度調整装置２０に熱交換機能をもたせ、排出されるガスとの熱交換により供給ガスを加熱するように構成することができる。
また、運転中の温度調整装置２０の温度、ＳＯＣスタック用温度調整器１８の温度、及び改質器３０の温度は温度制御部２０２によりそれぞれ設定された温度に制御される。
また、運転中の温度調整装置２０の温度、ＳＯＣスタック用温度調整器１８の温度、及び改質器３０の温度は温度制御部２０２によりそれぞれ設定された温度に制御される。
【0031】
＜ＳＯＥＣモードでの動作＞
次に、ＳＯＥＣモードでの固体酸化物形セルシステム１の動作を説明する。図４は、図１においてＳＯＥＣモード時のガスの流れを太線で示したものである。ＳＯＥＣモードにおいては、燃料極１４、空気極１２それぞれに以下で説明するガスが供給され、入力された電力により電気分解反応が生じる。
次に、ＳＯＥＣモードでの固体酸化物形セルシステム１の動作を説明する。図４は、図１においてＳＯＥＣモード時のガスの流れを太線で示したものである。ＳＯＥＣモードにおいては、燃料極１４、空気極１２それぞれに以下で説明するガスが供給され、入力された電力により電気分解反応が生じる。
【0032】
（１）ＳＯＣモジュール１００へのガスの供給（上流）
燃料極１４側へは、水蒸気を主成分とするガスが水蒸気供給部２２から供給される。外部から直接水蒸気を導入してもよいが、図４に示すように貯水部３２から供給された水を水蒸気発生器３１で加熱して水蒸気を発生させてもよい。また、ガス貯蔵部３４またはガス供給部２１から水素を供給し、温度調整装置２０で水蒸気と混合させて燃料極１４側へ供給してもよい。
また、燃料極１４側へガス供給部２１から二酸化炭素を主成分とするガスを供給してもよい。この時、水蒸気と二酸化炭素の混合ガスを燃料極１４側へ供給してもよい。
なお、以下で説明するが、ＳＯＣモジュール１００のうちＳＯＥＣモードで運転せず、温度調整中あるいは休止中のＳＯＣスタック１０の燃料極１４側には、水素と窒素を主成分とするパージガスまたは還元ガスがガス供給部２１あるいはガス貯蔵部３４から供給される。
燃料極１４側へは、水蒸気を主成分とするガスが水蒸気供給部２２から供給される。外部から直接水蒸気を導入してもよいが、図４に示すように貯水部３２から供給された水を水蒸気発生器３１で加熱して水蒸気を発生させてもよい。また、ガス貯蔵部３４またはガス供給部２１から水素を供給し、温度調整装置２０で水蒸気と混合させて燃料極１４側へ供給してもよい。
また、燃料極１４側へガス供給部２１から二酸化炭素を主成分とするガスを供給してもよい。この時、水蒸気と二酸化炭素の混合ガスを燃料極１４側へ供給してもよい。
なお、以下で説明するが、ＳＯＣモジュール１００のうちＳＯＥＣモードで運転せず、温度調整中あるいは休止中のＳＯＣスタック１０の燃料極１４側には、水素と窒素を主成分とするパージガスまたは還元ガスがガス供給部２１あるいはガス貯蔵部３４から供給される。
【0033】
空気極１２側へは酸素または空気がガス供給部２１から供給される。ＳＯＣモジュール１００のうちＳＯＥＣモードで運転せず、温度調整中あるいは休止中のＳＯＣスタック１０の空気極１２側にも同様に酸素または空気が供給される。
ＳＯＣモジュール１００へのガス供給においては、バルブＶ１の開閉方向及びバルブＶ６の開閉により燃料極１４側へのガスの供給源が決定される。バルブＶ１は３方向弁、バルブＶ６は開閉弁であり、開閉方向及び開閉動作はシステム制御部２０１により制御される。
ＳＯＣモジュール１００へのガス供給においては、バルブＶ１の開閉方向及びバルブＶ６の開閉により燃料極１４側へのガスの供給源が決定される。バルブＶ１は３方向弁、バルブＶ６は開閉弁であり、開閉方向及び開閉動作はシステム制御部２０１により制御される。
【0034】
（２）ＳＯＣモジュール１００からのガスの排出（下流）
燃料極１４側からは、水蒸気を主成分とするガスが供給された場合は水素及び未反応の水蒸気等が排出され、二酸化炭素を主成分とするガスが供給された場合は一酸化炭素及び未反応の二酸化炭素等が排出される。排出されたガスはシステムの外部へそのまま排出してもよいが、図４においては、凝縮器３３で水蒸気とその他のガスを分離し、その後貯蔵用ガス調整部３５で水素と一酸化炭素を分離する、あるいはメタン化反応器に水素と一酸化炭素を含む混合ガスのまま導入し、メタンを生成してもよい。貯蔵用ガス調整部３５で処理された水素、一酸化炭素、メタン等のガスはガス貯蔵部３４で貯蔵される。未反応の水蒸気は貯水部３２に貯蔵し、再度燃料極１４へ供給してもよい。
空気極１２側からは、発生した酸素または酸素濃度が高い状態の空気が排出される。排出されたガスはガス供給部２１に戻してシステムを循環する構成としてもよい。
燃料極１４側からは、水蒸気を主成分とするガスが供給された場合は水素及び未反応の水蒸気等が排出され、二酸化炭素を主成分とするガスが供給された場合は一酸化炭素及び未反応の二酸化炭素等が排出される。排出されたガスはシステムの外部へそのまま排出してもよいが、図４においては、凝縮器３３で水蒸気とその他のガスを分離し、その後貯蔵用ガス調整部３５で水素と一酸化炭素を分離する、あるいはメタン化反応器に水素と一酸化炭素を含む混合ガスのまま導入し、メタンを生成してもよい。貯蔵用ガス調整部３５で処理された水素、一酸化炭素、メタン等のガスはガス貯蔵部３４で貯蔵される。未反応の水蒸気は貯水部３２に貯蔵し、再度燃料極１４へ供給してもよい。
空気極１２側からは、発生した酸素または酸素濃度が高い状態の空気が排出される。排出されたガスはガス供給部２１に戻してシステムを循環する構成としてもよい。
【0035】
なお、温度調整装置２０に熱交換機能をもたせ、排出されるガスとの熱交換により供給ガスを加熱するように構成することができる。また、水蒸気発生器３１に熱交換機能をもたせ、排出されるガスとの熱交換により水蒸気を発生させるようにしてもよい。
また、ＳＯＦＣモードと同様に、運転中の温度調整装置２０の温度、ＳＯＣスタック用温度調整器１８の温度は温度制御部２０２によりそれぞれ設定された温度に制御される。
また、ＳＯＦＣモードと同様に、運転中の温度調整装置２０の温度、ＳＯＣスタック用温度調整器１８の温度は温度制御部２０２によりそれぞれ設定された温度に制御される。
【0036】
＜運転モードとＳＯＣスタックの発熱量及び吸熱量との関係＞
図５は、ある温度におけるＳＯＣスタックの入出力電流密度に対する、ＳＯＣスタック電圧及びＳＯＣスタックで発生する発熱量と吸熱量との差との関係の一例を示した図である。図中実線はＳＯＣスタック電圧、一点鎖線はＳＯＣスタックで発生する発熱量と吸熱量との差を示している。なお、図中の電圧ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）は開回路電圧である。
図５は、ある温度におけるＳＯＣスタックの入出力電流密度に対する、ＳＯＣスタック電圧及びＳＯＣスタックで発生する発熱量と吸熱量との差との関係の一例を示した図である。図中実線はＳＯＣスタック電圧、一点鎖線はＳＯＣスタックで発生する発熱量と吸熱量との差を示している。なお、図中の電圧ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）は開回路電圧である。
【0037】
電流密度が正側は、ＳＯＣスタックがＳＯＦＣモードで発電する、すなわち電流の出力側である。発電時の水素の燃焼反応（酸化反応）は発熱反応であり、ＳＯＣスタックの出力電流密度が増加するほど発熱量は増加する。そのため、ＳＯＣスタックから外部への放熱がなければＳＯＣスタック温度は上昇することになる。
【0038】
電流密度が負側は、ＳＯＣスタックへ電流が入力されＳＯＥＣモードで電気分解を行う入力側である。電気分解時は吸熱反応であるが、ＳＯＣ及びインタコネクタ等のＳＯＣ周辺部材の電気抵抗等によるジュール熱（ＲＩ２）も発生する。ＳＯＣスタックへの入力電流密度が増加すると、ＳＯＣスタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈに達するまでは、吸熱量が発熱量を上回る。そのため、ＳＯＣスタック外部からの熱供給がなければ、ＳＯＣスタックの温度は低下する。
以下、ＳＯＣスタックにおける発熱反応と吸熱反応とを総称して熱反応と呼ぶ。
以下、ＳＯＣスタックにおける発熱反応と吸熱反応とを総称して熱反応と呼ぶ。
【0039】
ＳＯＣスタックへの入力電流密度がさらに増加し、ＳＯＣスタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈを超え、発熱量が吸熱量を上回り、ＳＯＣスタックから外部への放熱がなければＳＯＣスタック温度は上昇することになる。
【0040】
＜ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへの運転モード切り替え時の制御方法＞
次に、本実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステム１において、ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへの運転モード切り替え時の制御方法について図６，７Ａ，７Ｂを用いて説明する。図６は、ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへの運転モード切り替え時のＳＯＣスタック１０の入出力の大きさとＳＯＣスタック１０の動作温度の時間推移を示したものである。ＳＯＣスタック１０の入出力電流密度は、任意の単位－３から＋３で示しており、正方向は発電により外部へ出力するＳＯＦＣモードであり、負方向は外部からの入力により電気分解を行うＳＯＥＣモードである。また、一般的に、ＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣはＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣより高く設定されるので、ＳＯＣスタック１０はＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣで動作しているＳＯＥＣモードから、ＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに降温してＳＯＦＣモードで動作させることになる。
次に、本実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステム１において、ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへの運転モード切り替え時の制御方法について図６，７Ａ，７Ｂを用いて説明する。図６は、ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへの運転モード切り替え時のＳＯＣスタック１０の入出力の大きさとＳＯＣスタック１０の動作温度の時間推移を示したものである。ＳＯＣスタック１０の入出力電流密度は、任意の単位－３から＋３で示しており、正方向は発電により外部へ出力するＳＯＦＣモードであり、負方向は外部からの入力により電気分解を行うＳＯＥＣモードである。また、一般的に、ＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣはＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣより高く設定されるので、ＳＯＣスタック１０はＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣで動作しているＳＯＥＣモードから、ＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに降温してＳＯＦＣモードで動作させることになる。
【0041】
図６において、まず、ＳＯＣスタック１０は、ＳＯＥＣモードで動作し、「２以上」の入力に対応しているものとする。この時、ガスの供給は図４を用いて説明した通りである。
ＳＯＣスタック１０がＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへ運転モードを切り替える時、システム制御部２０１は、まず、ＳＯＣスタック１０の電圧が熱中立電圧Ｖｔｈ未満となるように入力を制御する。ここで、熱中立電圧Ｖｔｈに相当する入力の大きさは「２」とする。スタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈ未満となるように入力を制御すると、スタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈに到達するまでは、発熱量が吸熱量を上回っているため、ＳＯＣスタック１０の温度はＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣを維持している。スタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈ未満になると、吸熱量が発熱量を上回り、ＳＯＣスタック１０の動作温度が低下し始める。時刻ｔＳＷでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達すると、システム制御部２０１はＳＯＣスタック１０を出力制御に切り替えるとともに、ガス供給は図３を用いて説明した発電用のガス供給に切り替え、ＳＯＦＣモードで動作させる。
ＳＯＣスタック１０がＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへ運転モードを切り替える時、システム制御部２０１は、まず、ＳＯＣスタック１０の電圧が熱中立電圧Ｖｔｈ未満となるように入力を制御する。ここで、熱中立電圧Ｖｔｈに相当する入力の大きさは「２」とする。スタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈ未満となるように入力を制御すると、スタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈに到達するまでは、発熱量が吸熱量を上回っているため、ＳＯＣスタック１０の温度はＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣを維持している。スタック電圧が熱中立電圧Ｖｔｈ未満になると、吸熱量が発熱量を上回り、ＳＯＣスタック１０の動作温度が低下し始める。時刻ｔＳＷでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達すると、システム制御部２０１はＳＯＣスタック１０を出力制御に切り替えるとともに、ガス供給は図３を用いて説明した発電用のガス供給に切り替え、ＳＯＦＣモードで動作させる。
【0042】
ＳＯＣスタック１０の温度が低下するほど、抵抗増加により、同じ入力に対して電気抵抗などに起因する発熱量が増加する。したがってシステム制御部２０１は、温度低下に応じてスタック入力量を調整する。例えば図６に示すように、熱中立電圧Ｖｔｈになるまでは入力を徐々に、緩やかに低下させることで、発熱量の増加を抑制して発熱量と吸熱量との差が最大となるようにして、温度低下が進むように制御を行う。その後、入力を「０」とする。
【0043】
なお、破線で示すように、時刻ｔＳＷに達する前の時刻ｔｒｅｓｔにＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達するように制御し、時刻ｔｒｅｓｔと時刻ｔＳＷとの間に温度を安定させる温度静定時間を設けて、入出力を中断する入出力休止期間を設定してもよい。
【0044】
＜ＳＯＣスタックの冷却＞
次に、ＳＯＣスタック１０をＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへ運転モードを切り替える時の具体的なシステム制御及び温度制御の手順について図７Ａ，７Ｂを用いて説明する。
ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへ運転モードを切り替える時、まずＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに維持するようにＳＯＣスタック１０へ熱供給されていた場合、温度制御部２０２は熱供給を停止する。熱供給は、例えばＳＯＣスタック１０設けられた、ＳＯＣスタック用温度調整器１８の加熱器等のことであり、またそれ以外の熱供給源があれば、それらも含む（ステップＳ１０１）。
次に、ＳＯＣスタック１０をＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへ運転モードを切り替える時の具体的なシステム制御及び温度制御の手順について図７Ａ，７Ｂを用いて説明する。
ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードへ運転モードを切り替える時、まずＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに維持するようにＳＯＣスタック１０へ熱供給されていた場合、温度制御部２０２は熱供給を停止する。熱供給は、例えばＳＯＣスタック１０設けられた、ＳＯＣスタック用温度調整器１８の加熱器等のことであり、またそれ以外の熱供給源があれば、それらも含む（ステップＳ１０１）。
【0045】
次に、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達するように、システム制御部２０１はスタック電圧を熱中立電圧Ｖｔｈ未満の範囲で制御する（ステップＳ１０２）。
次に、運転モード切り替え時に温度を安定化させる温度静定時間を設けるか判定する（ステップＳ１０３）。
次に、運転モード切り替え時に温度を安定化させる温度静定時間を設けるか判定する（ステップＳ１０３）。
【0046】
温度静定時間を設定する場合（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、スタック電圧を熱中立電圧Ｖｔｈ未満の範囲で制御した時の吸熱のみでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達するか判定する（ステップＳ１０４）。これは、予め設定された運転モード切り替え時間内にＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達するかを判定するものである。
【0047】
ＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達しないと判定された場合は（ステップＳ１０４でＮｏ）、ＳＯＣスタック１０の温度を冷却する手段を追加し、温度低下と低下速度の促進を図る（ステップＳ１０５）。この状態では、ＳＯＣスタック１０へは図４を用いて説明したガスの供給が行われているので、例えば温度調整装置２０により供給するガスの温度を低下させる、あるいは供給するガスの流量を増加させ、ＳＯＣスタック１０のガス利用率を低下させて吸熱反応を促進する、またはガスの循環により降温する等の方法を用いればよい。これらの方法は単独でもよいし、組み合わせて実行してもよい。
【0048】
ＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達すると判定された場合は（ステップＳ１０４でＹｅｓ）、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達するまで、スタック電圧の制御を継続する（ステップＳ１０６）。
【0049】
ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達した場合（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、ＳＯＣスタック１０への入力を０とするとともに、ガス供給を停止し、温度静定時間とする（ステップＳ１０８）。
温度静定時間を経過し、時刻ｔＳＷに達すると、システム制御部２０１及び温度制御部２０２はＳＯＣスタック１０に対し、は出力要求に対応した出力制御、図３を用いて説明したガス供給及びＳＯＣスタック１０の温度制御等を行い、ＳＯＦＣモードで動作するように制御する（ステップＳ１０９）。
温度静定時間を経過し、時刻ｔＳＷに達すると、システム制御部２０１及び温度制御部２０２はＳＯＣスタック１０に対し、は出力要求に対応した出力制御、図３を用いて説明したガス供給及びＳＯＣスタック１０の温度制御等を行い、ＳＯＦＣモードで動作するように制御する（ステップＳ１０９）。
【0050】
温度静定時間を設定しない場合（ステップＳ１０３でＮｏ）、スタック電圧を熱中立電圧Ｖｔｈ未満の範囲で制御した時の吸熱のみでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達するか判定する（ステップＳ１１０）。
ステップＳ１１０からステップＳ１１３は上述したステップＳ１０４からステップＳ１０７と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ１１０からステップＳ１１３は上述したステップＳ１０４からステップＳ１０７と同様であるので、説明を省略する。
【0051】
ステップＳ１１３でＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣに達した場合（ステップＳ１１３でＹｅｓ）、運転モードは切り替わる。そして、システム制御部２０１及び温度制御部２０２はＳＯＣスタック１０がＳＯＦＣモードで動作するように、出力要求に対応した出力制御、図３を用いて説明したガス供給及びＳＯＣスタック１０の温度制御等を行う（ステップＳ１１４）。
【0052】
＜ＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへの運転モード切り替え時の制御方法＞
次に、ＳＯＣスタック１０をＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時の具体的なシステム制御及び温度制御の方法について図８，９Ａ，９Ｂを用いて説明する。図８は、ＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへの運転モード切り替え時のＳＯＣスタック１０の入出力の大きさとＳＯＣスタック１０の動作温度の時間推移を示したものである。ＳＯＣスタック１０の入出力電流密度は、任意の単位－３から＋３で示しており、正方向は発電により外部へ出力するＳＯＦＣモードであり、負方向は外部からの入力により電気分解を行うＳＯＥＣモードである。また、一般的に、ＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣはＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣより高く設定されるので、ＳＯＣスタック１０はＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣで動作しているＳＯＦＣモードからＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに昇温してＳＯＥＣモードで動作させることになる。
次に、ＳＯＣスタック１０をＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時の具体的なシステム制御及び温度制御の方法について図８，９Ａ，９Ｂを用いて説明する。図８は、ＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへの運転モード切り替え時のＳＯＣスタック１０の入出力の大きさとＳＯＣスタック１０の動作温度の時間推移を示したものである。ＳＯＣスタック１０の入出力電流密度は、任意の単位－３から＋３で示しており、正方向は発電により外部へ出力するＳＯＦＣモードであり、負方向は外部からの入力により電気分解を行うＳＯＥＣモードである。また、一般的に、ＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣはＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣより高く設定されるので、ＳＯＣスタック１０はＳＯＦＣ動作温度ＴＦＣで動作しているＳＯＦＣモードからＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに昇温してＳＯＥＣモードで動作させることになる。
【0053】
図８において、まず、ＳＯＣスタック１０は、ＳＯＦＣモードで動作し、「２」の出力要求に対応しているものとする。この時、ガスの供給は図３を用いて説明した通りである。
ＳＯＣスタック１０がＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時、システム制御部２０１は、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに昇温するように出力を調整する。
ＳＯＣスタック１０がＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時、システム制御部２０１は、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに昇温するように出力を調整する。
【0054】
システム制御部２０１は、温度上昇に応じてＳＯＣスタック１０の出力を調整する。具体的には出力を低下させないようにＳＯＦＣモードのまま運転するとＳＯＣスタック１０の温度は上昇する。温度上昇が足りない場合あるいは上昇速度が小さい場合は、出力を「３」に増加させ、あるいはＳＯＣスタック１０に熱供給し、ＳＯＣスタック１０を昇温する。昇温不足は、例えば、ＳＯＣスタック１０外への放熱ロスなどが原因として考えられる。
また、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣを超えることが予測される場合は出力を減少させて制御する。
また、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣを超えることが予測される場合は出力を減少させて制御する。
【0055】
予め設定された時刻ｔＳＷに達するまでに、ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するように、システム制御部２０１は出力制御を行う。
なお、図８中破線で示したように、時刻ｔＳＷに達する前の時刻ｔｒｅｓｔにＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するように制御し、時刻ｔｒｅｓｔと時刻ｔＳＷとの間に温度を安定させる温度静定時間を設けて、入出力を中断する入出力休止期間を設定してもよい。
なお、図８中破線で示したように、時刻ｔＳＷに達する前の時刻ｔｒｅｓｔにＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するように制御し、時刻ｔｒｅｓｔと時刻ｔＳＷとの間に温度を安定させる温度静定時間を設けて、入出力を中断する入出力休止期間を設定してもよい。
【0056】
＜ＳＯＣスタックの加熱＞
次に、ＳＯＣスタック１０をＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時の具体的なシステム制御及び温度制御の手順について図９Ａ，９Ｂを用いて説明する。
ＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時、まずＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するように、システム制御部２０１はＳＯＣスタック１０の出力を制御する（ステップＳ２０１）。
次に、ＳＯＣスタック１０をＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時の具体的なシステム制御及び温度制御の手順について図９Ａ，９Ｂを用いて説明する。
ＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードへ運転モードを切り替える時、まずＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するように、システム制御部２０１はＳＯＣスタック１０の出力を制御する（ステップＳ２０１）。
【0057】
次に、運転モード切り替え時に温度を安定化させる温度静定時間を設けるか決定する（ステップＳ２０２）。
温度静定時間を設定する場合（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、ＳＯＣスタック１０の出力による発熱のみでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するか判定する（ステップＳ２０３）。これは、予め設定された運転モード切り替え時刻ｔＳＷまでにＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するかを判定するものである。
温度静定時間を設定する場合（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、ＳＯＣスタック１０の出力による発熱のみでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するか判定する（ステップＳ２０３）。これは、予め設定された運転モード切り替え時刻ｔＳＷまでにＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するかを判定するものである。
【0058】
ＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達しないと判定された場合は（ステップＳ２０３でＮｏ）、ＳＯＣスタック１０に熱を供給し、温度上昇と上昇速度の促進を図る（ステップＳ２０４）。具体的には、出力を増加させ、あるいはＳＯＣスタック１０に熱供給し、ＳＯＣスタック１０を昇温する。熱供給はＳＯＣスタック用温度調整器１８による加熱等により行えばよい。出力の増加とＳＯＣスタック１０への熱供給のいずれかの方法を選択しても良いし、両方を組み合わせてもよい。
【0059】
ＳＯＣスタック１０の出力による発熱のみでＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達すると判定された場合は（ステップＳ２０３でＹｅｓ）、システム制御部２０１はＳＯＣスタック１０の出力制御を継続する（ステップＳ２０５）。
【0060】
ＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達した場合（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、出力を０にするとともに、ガス供給を停止し、温度静定時間とする（ステップＳ２０７）。
温度静定時間を経過し、時刻ｔＳＷに達すると、システム制御部２０１及び温度制御部２０２はＳＯＣスタック１０がＳＯＥＣモードで動作するように、入力要求に対応した入力制御、図４を用いて説明したガス供給及びＳＯＣスタック１０の温度制御等を行う（ステップＳ２０８）。
温度静定時間を経過し、時刻ｔＳＷに達すると、システム制御部２０１及び温度制御部２０２はＳＯＣスタック１０がＳＯＥＣモードで動作するように、入力要求に対応した入力制御、図４を用いて説明したガス供給及びＳＯＣスタック１０の温度制御等を行う（ステップＳ２０８）。
【0061】
温度静定時間を設定しない場合（ステップＳ２０２でＮｏ）、ＳＯＣスタック１０の出力による発熱のみでＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達するか判定する（ステップＳ２１０）。
ステップＳ２１０からステップＳ２１３は上述したステップＳ２０３からステップＳ２０６と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ２１０からステップＳ２１３は上述したステップＳ２０３からステップＳ２０６と同様であるので、説明を省略する。
【0062】
ステップＳ２１３でＳＯＣスタック１０の温度がＳＯＥＣ動作温度ＴＥＣに達した場合（ステップＳ２１３でＹｅｓ）、運転モードは切り替わる。そして、システム制御部２０１及び温度制御部２０２はＳＯＣスタック１０がＳＯＥＣモードで動作するように、出力要求に対応した入力制御、図４を用いて説明したガス供給及びＳＯＣスタック１０の温度制御等を行う（ステップＳ２１４）。
【0063】
図１０は実施の形態１に係る固体酸化物形セルシステムの具備する制御装置２００のハードウエア構成の一例を示す図である。制御装置２００は、プロセッサ１０００、記憶装置２０００を具備する。プロセッサ１０００は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などで構成される。
【0064】
記憶装置２０００の主記憶装置はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置で構成され、補助記憶装置としてフラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置またはハードディスクなどを具備する。補助記憶装置には、プロセッサ１０００により実行される所定のプログラムが記憶されており、プロセッサ１０００は、このプログラムを適宜読み出して実行し、各種演算処理を行う。この際、補助記憶装置から揮発性記憶装置に上記所定のプログラムが一時的に保存され、プロセッサ１０００は揮発性記憶装置からプログラムを読み出す。また、プロセッサ１０００は、演算結果等のデータを記憶装置２０００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
【0065】
なお、遠隔制御を可能にするため、外部と通信するための通信モジュールとして、送信装置、受信装置（いずれも図示せず）を具備してもよい。
【0066】
以上のように、本実施の形態１によれば、固体酸化物形セルシステムは、第１のガスを用いて発電し電力を出力するＳＯＦＣモードと電力が入力され第２のガスを電気分解するＳＯＥＣモードとを切り替え可能な少なくとも１つの固体酸化物形セルスタックを有する固体酸化物形セルモジュールと、固体酸化物形セルスタックの動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、ＳＯＥＣモード及びＳＯＦＣモードのうちの一方のモードから他方のモードに切り替える固体酸化物形セルスタックに対し、継続して一方のモードで動作させ、一方のモードの動作による固体酸化物形セルスタックの熱反応により固体酸化物形セルスタックの温度を予め設定された他方のモードの動作温度に近づける、ようにした。この構成により、運転モード切り替え時のＳＯＣスタックの温度変化を急変させず緩やかにすることが可能となり、ＳＯＣスタックの耐久性低下を抑制することが可能となる。
なお、第１のガスは、例えば燃料極側に供給される水素を主成分とするガスまたはメタンを主成分とするガス、空気極側に供給される酸素または空気であり、第２のガスは、例えば燃料極側に供給される水蒸気を主成分とするガスまたは二酸化炭素を主成分とするガス、空気極側に供給される酸素または空気である。
なお、第１のガスは、例えば燃料極側に供給される水素を主成分とするガスまたはメタンを主成分とするガス、空気極側に供給される酸素または空気であり、第２のガスは、例えば燃料極側に供給される水蒸気を主成分とするガスまたは二酸化炭素を主成分とするガス、空気極側に供給される酸素または空気である。
【0067】
また、制御装置は、ＳＯＥＣモードからＳＯＦＣモードに切り替えるＳＯＣスタックに対し、継続してＳＯＥＣモードで動作させるとともに、固体酸化物形セルスタックの電圧を、吸熱量と発熱量とがバランスする熱中立電圧より小さく設定してＳＯＣスタックの温度を低下させるように制御し、予め設定されたＳＯＦＣモードでの動作温度に達した時、ＳＯＣスタックへの電力の入力を停止するとともに、第２のガスの供給を停止して、ＳＯＦＣモードに切り替え、ＳＯＦＣモードからＳＯＥＣモードに切り替えるＳＯＣスタックに対し、継続してＳＯＦＣモードで動作させるとともに、ＳＯＦＣモードの動作により予め設定されたＳＯＥＣモードでの動作温度に達するか判定し、ＳＯＥＣモードでの動作温度に達しない場合は、ＳＯＣスタックを加熱してＳＯＣスタックの温度を昇温させるように制御し、予め設定されたＳＯＥＣモードでの動作温度に達した時、前記固体酸化物形セルスタックからの電力の出力を停止するとともに第１のガスの供給を停止して、ＳＯＥＣモードに切り替えるようにした。この構成により、運転モード切り替え時に細やかな温度制御が可能となる。
【0068】
すなわち、ＳＯＥＣモードの吸熱反応、ＳＯＦＣモードの発熱反応及び、ＳＯＣスタックの発熱要因に応じて、また、ＳＯＣスタックの入出力電力（電流密度）とスタック電圧との関係等を考慮し、現状の運転モード内で温度変化を制御するようにしたので、ＳＯＣスタックの温度変化を急変させず緩やかにすることが可能となる。また、温度制御のための熱媒体を流通させる構成が不要な簡素な手段でその効果が得られる。
【0069】
なお、上述したＳＯＣモジュール１００の具備する複数のＳＯＣスタック１０は、それぞれ独立にガス供給及び排出ができるように図示しない配管及びバルブが設けられており、制御装置により、それぞれ独立に各運転モードが制御できるように電力入出力が制御され、それぞれ独立に温度制御が可能であってもよい。
実施の形態１の効果に加え、運転パターンの裕度が拡大し、入出力要求への追従性の向上など、ＳＯＣモジュール１００の運転効率の向上が見込める。
実施の形態１の効果に加え、運転パターンの裕度が拡大し、入出力要求への追従性の向上など、ＳＯＣモジュール１００の運転効率の向上が見込める。
【0070】
また、上述したＳＯＣモジュール１００の具備する複数のＳＯＣスタック１０は、制御装置により、ＳＯＣモジュール１００単位で一律に運転モードを制御するように電力入出力及び温度制御を行うようにしてもよい。
実施の形態１の効果に加え、単純な運転パターンでＳＯＣモジュール１００を制御することが可能となる。
実施の形態１の効果に加え、単純な運転パターンでＳＯＣモジュール１００を制御することが可能となる。
【0071】
さらに、上述したＳＯＣモジュール１００では複数のＳＯＣスタック１０を具備する例を示したが、ＳＯＣスタック１０が１つであっても同様の効果を奏する。
【0072】
本開示には、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、この明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、この明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【0073】
１：固体酸化物形セルシステム、 １０：ＳＯＣスタック、 １１：ＳＯＣ、 １２：空気極、 １３：電解質、 １４：燃料極、 １５：インタコネクタ、 １８：ＳＯＣスタック用温度調整器、 ２０：温度調整装置、 ２１：ガス供給部、 ２２：水蒸気供給部、 ３０：改質器、 ３１：水蒸気発生器、 ３２：貯水部、 ３３：凝縮器、 ３４：ガス貯蔵部、 ３５：貯蔵用ガス調整部、 １００：ＳＯＣモジュール、 ２００：制御装置、 ２０１：システム制御部、 ２０２：温度制御部、 １０００：プロセッサ、 ２０００：記憶装置。
【要約】
少なくとも１つの固体酸化物形セルスタック（１０）を備えた固体酸化物形セルモジュール（１００）を有し、ＳＯＦＣモードとＳＯＥＣモードとを切り替え可能な固体酸化物形セルシステム（１）において、ＳＯＥＣモード及びＳＯＦＣモードのうちの一方のモードから他方のモードに切り替える固体酸化物形セルスタック（１０）に対し、継続して前記一方のモードで動作させ、一方のモードの動作による固体酸化物形セルスタック（１０）の熱反応により固体酸化物形セルスタック（１０）の温度を予め設定された他方のモードの動作温度に近づけるように制御する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】