固体电解质型燃料电池的制作方法
固体电解质型燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种固体电解质型燃料电池，可以切实地避免损伤燃料电池模块，并提高发电效率。本发明是一种固体电解质型燃料电池（1），其特征在于，具有：燃料电池模块（2）；燃料供给部件（38）；需求电力检测部件（110a）；控制器（110），在根据需求电力控制燃料供给量的同时，设定可导出的最大电流值即可导出电流值；逆变器（54），在不超过可导出电流值的范围内从燃料电池模块导出电流；及导出电流检测部件（126），检测出从燃料电池模块导出的实际导出电流，控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降。
【专利说明】固体电解质型燃料电池
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种固体电解质型燃料电池，尤其涉及发出与需求电力相应的可变电力的固体电解质型燃料电池。
【背景技术】
[0002]近年来，作为下一代能源，提出有各种燃料电池装置，其具备:燃料电池，能够使用燃料(氢气)和空气进行发电而得到电力；及辅助设备类，用于使该燃料电池工作。
[0003]在日本国特开平7-307163号公报(专利文献I)中记载有一种燃料电池发电装置。该燃料电池构成为根据负荷而变更所发出的电力。
[0004]在此，参照图15，说明使用了燃料电池的电力供给系统。图15示出使用燃料电池向住宅供给电力的现有系统的一个例子。在该系统中，住宅200所消耗的电力通过燃料电池202及系统电力204而得到供应。通常，由于住宅中所消耗的最大消耗电力比燃料电池202所能发出的最大额定电力大，因此在利用燃料电池202的住宅200中也从系统电力204补充其不足的部分，从燃料电池202及系统电力204向住宅供给电力。而且，为了避免燃料电池202所产生的发电电力向系统电力204发生逆潮流，即使在住宅的消耗电力低于燃料电池202的最大额定电力时，通常住宅200的消耗电力中的一部分也从系统电力204进行供给。
[0005]系统电力204是从输电线向住宅内的配电板输送的电力即购入电力。也就是说，燃料电池202的发电电力和系统电力204的总和相当于住宅200中的消耗电力。燃料电池202从需求电力检测器206取得住宅200购入的电力的监控信号，根据该监控信号来变更由燃料电池202发出的电力。即，燃料电池202根据从需求电力检测器206取得的监控信号，决定基础电流Ii，其表示燃料电池202应生成的电流，控制供给至燃料电池模块208的燃料供给量等，以能够生成该基础电流H。另外，基础电流Ii与住宅200的消耗电力无关，其被设定为与燃料电池202的最大额定电力对应的值以下。
[0006]由于内置于燃料电池202的燃料电池模块208通常响应极慢，因此很难跟踪住宅200中的消耗电力的变化来变更发电电力。因此，向燃料电池模块208指示发电量的基础电流Ii的信号如下被决定，通过对监控信号使用进行积分处理等的滤波器210而平缓地变化，以便与消耗电力的变化相比，极为平缓地发生变化。
[0007]燃料电池202向燃料电池模块208供给与基础电流Ii相应的量的燃料，使燃料电池模块208具有能够生成基础电流Ii的电流的能力。另一方面，逆变器212从燃料电池模块208导出直流的实际导出电流值Ic，将其转换为交流并供给至住宅200。而且，逆变器212从燃料电池模块208导出的实际导出电流值Ic始终被设定在基础电流Ii的值以下，以避免超过燃料电池模块208的发电能力。如果从燃料电池模块208导出与根据基础电流Ii而决定的燃料供给量等对应的发电能力以上的电流，则燃料电池模块208内的燃料电池单电池发生燃料枯竭，有可能显著缩短燃料电池单电池的寿命，或破坏燃料电池单电池。
[0008]另一方面，由于住宅200中所消耗的电力急剧地发生变动，因此当消耗电力骤减时，住宅200的消耗电力变得比与缓慢变化的基础电流Ii对应的电力低。
[0009]在日本国特开平7-307163号公报记载的燃料电池发电装置中，为了对应于这种燃料电池模块208的延迟，在使电流值增加时，介由延迟设定器来更新设定电流值，使设定电流值的增加延迟以防止燃料枯竭等的不良现象。而且，在该燃料电池发电装置中，由于更新设定电流值时，始终按规定的减法电流值或加法电流值进行变更，因此使设定电流值变化的变化率成为始终一定的变化率。
[0010]专利文献1:日本国特开平7-307163号公报
[0011]在日本国特开平7-307163号公报记载的燃料电池发电装置中，需求电力(消耗电力)增加时，与此相伴使燃料气体增加后，延迟一定时间而使从燃料电池导出的电流增加。因而，在需求电力增加时，从燃料电池导出的电流存在一定时间的延迟且必定增加。
[0012]但是，在日本国特开平7-307163号公报记载的燃料电池发电装置中，由于使从燃料电池导出的电流相对于需求电力延迟并单纯地进行跟踪，因此虽然可以防止燃料枯竭等，但是存在燃料电池模块的运行变得不稳定，或导致发电效率下降的问题。
【发明内容】
[0013]因而，本发明的目的在于提供一种固体电解质型燃料电池，可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块，并实现燃料电池模块稳定的运行，同时提高发电效率。
[0014]为了解决上述课题，本发明是一种发出与需求电力相应的可变电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有:燃料电池模块，通过所被供给的燃料进行发电；燃料供给部件，向该燃料电池模块供给燃料；需求电力检测部件，检测出需求电力；控制器，根据由该需求电力检测部件检测出的需求电力，控制燃料供给部件的燃料供给量，同时根据燃料电池模块的状态设定能够从燃料电池模块导出的最大电流值即可导出电流值；逆变器，根据需求电力，在不超过可导出电流值的范围内从燃料电池模块导出电流，并转换为交流；及导出电流检测部件，检测出从燃料电池模块向逆变器实际导出的实际导出电流，控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降。
[0015]在如此构成的本发明中，控制器根据由需求电力检测部件检测出的需求电力来控制燃料供给部件的燃料供给量，向燃料电池模块供给燃料。而且，控制器根据燃料电池模块的状态设定能够从燃料电池模块导出的最大电流值即可导出电流值。逆变器在不超过可导出电流值的范围内从燃料电池模块导出与需求电力相应的电流。控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降。
[0016]通常逆变器以高响应性被控制，以根据急剧变化的需求电力从燃料电池模块导出所需的电流。另一方面，由于供给至燃料电池模块的燃料供给量急剧变化时，燃料电池模块的发电变得不稳定，因此无法进行响应性高的控制。而且，燃料电池模块中存在温度等影响发电能力的多个因素，即便使燃料供给量增加，燃料电池模块的发电能力也未必立即上升。因而，如果无视这种燃料电池模块的状态，而单纯地使燃料供给量增加，并使导出的电流增力口，则有时会在燃料电池模块上施加过度的负担，从而导致加快燃料电池模块劣化。
[0017]根据本发明，由于控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降，因此可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块，并使燃料电池模块稳定地运行。而且，即使在需求电力上升时，也通过保持可导出电流值或使其下降，从而能够从相对于燃料电池模块的发电不适宜的状态或者效率差的状态快速地恢复，与立即使可导出电流值上升时相比，在抑制对燃料电池模块的影响的同时，反而还能够提高发电效率。
[0018]在本发明中，优选控制器构成为根据规定的参数来判断增加限制条件，即使在需求电力上升时，也在规定的参数超过规定阈值时将可导出电流值保持于一定的值，在超过规定阈值而进一步扩大时则使可导出电流值下降。
[0019]在如此构成的本发明中，增加限制条件根据规定的参数值而被判断，在该参数值是不适于使可导出电流值上升的值时，可导出电流值被保持于一定的值。在该状态下，参数值进一步恶化时，使可导出电流值下降。
[0020]根据如此构成的本发明，由于当规定的参数值是不适于使可导出电流值上升的值时，保持可导出电流值，因此不会在燃料电池模块上施加新的负担，可以看清响应慢的燃料电池模块的状态是否趋于恢复。而且，可以在燃料电池模块的状态进一步恶化时，使可导出电流值下降，从而积极地减少对燃料电池模块的负担。
[0021]在本发明中，优选增加限制条件包括将可导出电流值保持于一定值的电流保持条件以及使可导出电流值下降的电流下降条件，与电流保持条件相比，控制器优先应用电流下降条件。
[0022]根据如此构成的本发明，由于与电流保持条件相比，电流下降条件被优先应用，因此可以在施加于燃料电池模块的负担持续时则有可能导致燃料电池模块损伤的情况下，快速地减轻负担，可以切实地防止燃料电池模块损伤。
[0023]在本发明中，优选控制器分别具备多个电流保持条件以及电流下降条件，可导出电流值在不符合所有多个电流保持条件时增加，在符合多个电流下降条件中的即使I个时也下降。
[0024]根据如此构成的本发明，由于对燃料电池模块的负担大的可导出电流值的增加只有在不符合所有电流保持条件时才被执行，因此在不具备能够使可导出电流值增加的良好程度的情况下，可导出电流值被保持于一定的值。另外，在电流下降条件中符合即使I个时，可导出电流值也立即下降，可以切实地防止燃料电池模块损伤。
[0025]在本发明中，优选控制器根据多个电流下降条件中符合的电流下降条件，以使可导出电流值下降的变化率不同的方式使可导出电流值变化。
[0026]根据如此构成的本发明，对于需要急速减少燃料电池模块的负担的状态，可以使可导出电流值急速下降从而快速减少负担，同时对于不需要急速的负担减轻的状态，可以通过使可导出电流值平缓地下降，从而缩短可恢复至所需的可导出电流值为止的时间。
[0027]在本发明中，优选增加限制条件根据燃料电池模块的温度、燃料电池模块的输出电压、实际导出电流及可导出电流值中的多个参数而被判断。
[0028]根据如此构成的本发明，通过并行监控对燃料电池模块的发电能力的影响不同的多个参数，从而可以抑制燃料电池模块劣化，并使燃料电池模块的发电能力快速恢复。
[0029]在本发明中，优选燃料电池模块的温度根据下限阈值及上限阈值而被判断，燃料电池模块的温度超过下限阈值而下降时则可导出电流值被保持于一定的值，燃料电池模块的温度进一步下降时则使可导出电流值下降，燃料电池模块的温度超过上限阈值而上升时则使可导出电流值下降。
[0030]根据如此构成的本发明，对于燃料电池模块温度的下降侧，保持可导出电流值并等待温度恢复，并且在发生进一步的温度下降时使可导出电流值下降，由此可以缩短可恢复至所需的可导出电流值为止的时间。而且，对于燃料电池模块温度的上升侧，通过使可导出电流值立即下降，从而可以防止燃料电池模块损伤。
[0031]根据本发明的固体电解质型燃料电池，可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块，并实现燃料电池模块稳定的运行，同时提高发电效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的整体构成图。
[0033]图2是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的燃料电池模块的主视剖视图。
[0034]图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
[0035]图4是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
[0036]图5是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的燃料电池电堆的立体图。
[0037]图6是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的框图。
[0038]图7是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置起动时的动作的时间图。
[0039]图8是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置停止时的动作的时间图。
[0040]图9是本发明一个实施方式的燃料电池装置的控制图表。
[0041]图10是由控制部执行的控制的流程图。
[0042]图11是由控制部执行的控制的流程图。
[0043]图12是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的作用的时间图。
[0044]图13是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的作用的时间图。
[0045]图14是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的作用的时间图。
[0046]图15表示使用燃料电池向住宅供给电力的现有系统的一个例子。
[0047]符号说明
[0048]1-固体电解质型燃料电池；2_燃料电池模块；4_辅助设备单元；8_密封空间；10-发电室；12-燃料电池单电池集合体；14-燃料电池电堆；16-燃料电池单电池单元(固体电解质型燃料电池单电池)；18-燃烧室；20_重整器；22_空气用换热器；24_供水源；26-纯水箱；28_水流量调节单元(供水部件)；30-燃料供给源；38_燃料流量调节单元(燃料供给部件);40-空气供给源；44_重整用空气流量调节单元；45_发电用空气流量调节单元；46_第I加热器；48_第2加热器；50_温水制造装置；52_控制箱；54_逆变器；83_点火装置；84_燃料电池单电池；110_控制部(燃料电池控制器);110a-第I需求电力检测部件；111-逆变器控制部(逆变器控制器);11 Ia-第2需求电力检测部件；112-操作装置；114-显示装置；116_警报装置；126_电力状态检测传感器(导出电流检测部件)；132-燃料流量传感器(燃料供给量检测传感器)；138-压力传感器(重整器压力传感器)；142-发电室温度传感器(温度检测部件)；150_外气温度传感器；200_住宅；202_燃料电池；204_系统电力；206-电流互感器；208_燃料电池模块；210-滤波器；212_逆变器。【具体实施方式】
[0049]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)。
[0050]图1是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的整体构成图。如该图1所示，本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC) I具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
[0051]燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6内部隔着绝热材料(未图示，但是绝热材料不是必需的构成，也可以没有绝热材料)形成有密封空间8。另外，也可以不设置绝热材料。在该密封空间8的下方部分即发电室10配置有利用燃料气体和氧化剂(空气)进行发电反应的燃料电池单电池集合体12。该燃料电池单电池集合体12具备10个燃料电池电堆14(参照图5)，该燃料电池电堆14由16根燃料电池单电池单元16 (参照图4)构成。如此，燃料电池单电池集合体12具有160根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0052]在燃料电池模块2的密封空间8的上述发电室10的上方形成有燃烧室18，发电反应中未使用的残余的燃料气体和残余的氧化剂(空气)在该燃烧室18内燃烧，生成排放气体。
[0053]而且，在该燃烧室18的上方配置有对燃料气体进行重整的重整器20，利用前述残余气体的燃烧热量将重整器20加热为可进行重整反应的温度。而且，在该重整器20的上方配置有空气用换热器22，用于接收重整器20的热量以加热空气，抑制重整器20的温度下降。
[0054]接下来，辅助设备单元4具备:纯水箱26，贮存来自水管等供水源24的水并通过过滤器使其成为纯水；及水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该贮水箱供给的水的流量。而且，辅助设备单元4具备:气体截止阀32，截断从城市煤气等的燃料供给源30供给的燃料气体；脱硫器36，用于从燃料气体除去硫；及燃料流量调节单元38 (由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节燃料气体的流量。辅助设备单元4还具备:电磁阀42，截断从空气供给源40供给的氧化剂即空气；重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)，调节空气的流量；第I加热器46，加热向重整器20供给的重整用空气；及第2加热器48，加热向发电室供给的发电用空气。上述第I加热器46和第2加热器48是为了高效地进行起动时的升温而设置的，但是也可以省略。
[0055]接下来，在燃料电池模块2上连接有温水制造装置50，其被供给排放气体。该温水制造装置50被供给来自供水源24的自来水，该自来水由于排放气体的热量而成为温水，并被供给至未图示的外部供热水器的贮热水箱。
[0056]而且，在燃料电池模块2上安装有控制箱52，其用于控制燃料气体的供给量等。
[0057]而且，在燃料电池模块2上连接有电力导出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块发出的电力。
[0058]接下来，根据图2及图3，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的内部结构。图2是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的侧视剖视图，图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
[0059]如图2及图3所示，在燃料电池模块2的壳体6内的密封空间8内，如上所述，从下方依次配置有燃料电池单电池集合体12、重整器20、空气用换热器22。
[0060]重整器20安装有用于向其上游端侧导入纯水的纯水导入管60和用于导入将要重整的燃料气体和重整用空气的被重整气体导入管62，而且，在重整器20的内部从上游侧依次形成有蒸发部20a和重整部20b，在上述蒸发部20a和重整部20b填充有重整催化剂。导入该重整器20的混合有水蒸气(纯水)的燃料气体及空气通过填充在重整器20内的重整催化剂而被重整。作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予钌的物质。
[0061]在该重整器20的下游端侧连接有燃料气体供给管64，该燃料气体供给管64向下方延伸，进而在形成于燃料电池单电池集合体12下方的分流器66内水平延伸。在燃料气体供给管64的水平部64a的下面上形成有多个燃料供给孔64b，从该燃料供给孔64b向分流器66内供给重整后的燃料气体。
[0062]在该分流器66的上方安装有用于支撑上述燃料电池电堆14的具备贯穿孔的下支撑板68，分流器66内的燃料气体被供给至燃料电池单电池单元16内。
[0063]接下来，在重整器20的上方设置有空气用换热器22。该空气用换热器22在上游侧具备空气汇集室70，在下游侧具备2个空气分配室72，上述空气汇集室70和空气分配室72通过6个空气流路管74而连接。在此，如图3所示，3个空气流路管74成为一组(74a、74b、74c、74d、74e、74f )，空气汇集室70内的空气从各组空气流路管74流入各自的空气分配室72。
[0064]在空气用换热器22的6个空气流路管74内流动的空气利用在燃烧室18燃烧而上升的排放气体进行预热。
[0065]在各个空气分配室72上连接有空气导入管76，该空气导入管76向下方延伸，其下端侧与发电室10的下方空间连通，向发电室10导入预热后的空气。
[0066]接下来，在分流器66的下方形成有排放气体室78。而且，如图3所示，在沿壳体6长度方向的面即前面6a和后面6b的内侧，形成有在上下方向上延伸的排放气体通路80，该排放气体通路80的上端侧与配置有空气用换热器22的空间连通，下端侧与排放气体室78连通。而且，在排放气体室78的下面大致中央连接有排放气体排出管82，该排放气体排出管82的下游端连接于图1所示的上述温水制造装置50。
[0067]如图2所示，用于使燃料气体和空气开始燃烧的点火装置83设置于燃烧室18。
[0068]下面，根据图4对燃料电池单电池单元16进行说明。图4是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
[0069]如图4所示，燃料电池单电池单元16具备燃料电池单电池84和分别连接于该燃料电池单电池84的上下方向端部的内侧电极端子86。
[0070]燃料电池单电池84是在上下方向上延伸的管状结构体，具备在内部形成燃料气体流路88的圆筒形内侧电极层90、圆筒形外侧电极层92、位于内侧电极层90和外侧电极层92之间的电解质层94。该内侧电极层90是燃料气体经过的燃料极，为(_)极，另一方面，外侧电极层92是与空气接触的空气极，为(+ )极。
[0071]由于安装在燃料电池单电池84的上端侧和下端侧的内侧电极端子86为相同结构，所以在此对安装于上端侧的内侧电极端子86具体地进行说明。内侧电极层90的上部90a具备相对于电解质层94和外侧电极层92露出的外周面90b和上端面90c。内侧电极端子86隔着导电性密封材料96与内侧电极层90的外周面90b连接，而且，通过与内侧电极层90的上端面90c直接接触而与内侧电极层90电连接。在内侧电极端子86的中心部形成有与内侧电极层90的燃料气体流路88连通的燃料气体流路98。
[0072]内侧电极层90例如由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。
[0073]电解质层94例如由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化错、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铺、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
[0074]外侧电极层92例如由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr,Co,Ni,Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、N1、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
[0075]下面，根据图5对燃料电池电堆14进行说明。图5是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。
[0076]如图5所示，燃料电池电堆14具备16根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16的下端侧及上端侧分别被陶瓷制下支撑板68及上支撑板100支撑。在这些下支撑板68及上支撑板100上分别形成有内侧电极端子86可贯穿的贯穿孔68a及100a。
[0077]而且，在燃料电池单电池单元16上安装有集电体102及外部端子104。该集电体102由与安装于燃料极即内侧电极层90的内侧电极端子86电连接的燃料极用连接部102a和与空气极即外侧电极层92的外周面整体电连接的空气极用连接部102b —体地形成。空气极用连接部102b由在外侧电极层92的表面沿上下方向延伸的铅垂部102c和从该铅垂部102c沿外侧电极层92的表面在水平方向上延伸的很多水平部102d形成。而且，燃料极用连接部102a从空气极用连接部102b的铅垂部102c朝向燃料电池单电池单元16的位于上下方向的内侧电极端子86，向斜上方或斜下方直线延伸。
[0078]而且，在位于燃料电池电堆14 一端(图5中左端的里侧及跟前侧)的2个燃料电池单电池单元16的上侧端及下侧端的内侧电极端子86上分别连接有外部端子104。这些外部端子104与位于邻接的燃料电池电堆14 一端的燃料电池单电池单元16的外部端子104(未图示)连接，如上所述，160根燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0079]下面，根据图6对安装于本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的传感器类等进行说明。图6是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的框图。
[0080]如图6所示，固体电解质型燃料电池I具备控制部110，该控制部110连接有:操作装置112，具备用于使用者操作的“开”、“关”等操作按钮；显示装置114，用于显示发电输出值(瓦特数)等的各种数据；及警报装置116，在异常状态时等发出警报(warning)。另外，该警报装置116也可以是与位于远距离地点的管理中心连接，向该管理中心通知异常状态的形式。
[0081]接下来，向控制部110输入来自以下说明的各种传感器的信号。
[0082]首先，可燃气体检测传感器120是用于检测气体泄漏的元件，安装于燃料电池模块2及辅助设备单元4。[0083]CO检测传感器122是用于检测原本经过排放气体通路80等向外部排出的排放气体中的CO是否泄漏在覆盖燃料电池模块2及辅助设备单元4的外部壳体(未图示)中的元件。
[0084]热水贮存状态检测传感器124是用于检测未图示的供热水器的热水温度、水量等的元件。
[0085]电力状态检测传感器126是用于检测逆变器54及配电板(未图示)的电流及电压等的兀件。
[0086]发电用空气流量检测传感器128是用于检测向发电室10供给的发电用空气的流量的元件。
[0087]重整用空气流量传感器130是用于检测向重整器20供给的重整用空气的流量的元件。
[0088]燃料流量传感器132是用于检测向重整器20供给的燃料气体的流量的元件。
[0089]水流量传感器134是用于检测向重整器20供给的纯水(水蒸气)的流量的元件。
[0090]水位传感器136是用于检测纯水箱26的水位的元件。
[0091]压力传感器138是用于检测重整器20的外部上游侧的压力的元件。
[0092]排气温度传感器140是用于检测流入温水制造装置50的排放气体的温度的元件。
[0093]如图3所示，发电室温度传感器142设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面侧和背面侧，是用于检测燃料电池电堆14附近的温度，从而估计燃料电池电堆14 (即燃料电池单电池84自身)的温度的元件。
[0094]燃烧室温度传感器144是用于检测燃烧室18的温度的元件。
[0095]排放气体室温度传感器146是用于检测排放气体室78的排放气体的温度的元件。
[0096]重整器温度传感器148是用于检测重整器20的温度的元件，根据重整器20的入口温度和出口温度计算出重整器20的温度。
[0097]外气温度传感器150是当固体电解质型燃料电池(SOFC)配置在室外时用于检测外气温度的元件。而且，也可以设置测定外气湿度等的传感器。
[0098]来自这些传感器类的信号发送至控制部110，控制部110根据这些信号的数据，向水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44、发电用空气流量调节单元45发送控制信号，以控制这些单元的各流量。
[0099]下面，根据图7说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作。图7是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作的时间图。
[0100]最初，为了加热燃料电池模块2，在无负荷状态，即，使包括燃料电池模块2的电路在开路状态下开始运行。此时，由于电路中未流动电流，所以燃料电池模块2不进行发电。
[0101]首先，从重整用空气流量调节单元44经由第I加热器46向燃料电池模块2的重整器20供给重整用空气。而且，与此同时从发电用空气流量调节单元45经由第2加热器48向燃料电池模块2的空气用换热器22供给发电用空气，该发电用空气到达发电室10及燃烧室18。
[0102]随后，还从燃料流量调节单元38供给燃料气体，混合有重整用空气的燃料气体经过重整器20及燃料电池电堆14、燃料电池单电池单元16，到达燃烧室18。
[0103]之后，通过点火装置83进行点燃，使燃烧室18内的燃料气体和空气(重整用空气及发电用空气)燃烧。通过该燃料气体和空气的燃烧生成排放气体，利用该排放气体加热发电室10，而且，排放气体在燃料电池模块2的密封空间8内上升时，在加热重整器20内的包含重整用空气的燃料气体的同时，还加热空气用换热器22内的发电用空气。
[0104]此时，由于通过燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44向重整器20供给混合有重整用空气的燃料气体，因此在重整器20中，进行式(I)所示的部分氧化重整反应Ρ0Χ。由于该部分氧化重整反应POX是发热反应，因此起动性良好。而且，通过燃料气体供给管64向燃料电池电堆14的下方供给该升温后的燃料气体，由此，燃料电池电堆14从下方被加热，而且，由于燃烧室18也通过燃料气体和空气的燃烧而升温，因此燃料电池电堆14还从上方被加热，结果燃料电池电堆14可以大致均等地在上下方向上升温。即使进行该部分氧化重整反应Ρ0Χ，在燃烧室18中也仍然持续保持燃料气体和空气的燃烧反应。
[0105]CmHn+x02 — aC02+bC0+cH2 (I)
[0106]部分氧化重整反应POX开始后，当通过重整器温度传感器148检测到重整器20变为规定温度(例如600°C)时，通过水流量调节单元28、燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44向重整器20供给预先混合有燃料气体、重整用空气及水蒸气的气体。此时,在重整器20中，进行并用有上述的部分氧化重整反应POX和后述的水蒸气重整反应SR的自热重整反应ATR。由于该自热重整反应ATR可取得热量内部平衡，因此在重整器20内以热量自足的状态进行反应。即，当氧(空气)较多时基于部分氧化重整反应POX的发热占支配地位，当水蒸气较多时基于水蒸气重整反应SR的吸热反应占支配地位。由于在该阶段中，已经过起动的初期阶段，发电室10内升温至一定程度的温度，因此即使吸热反应占支配地位也不会引起大幅度的温度下降。而且，在自热重整反应ATR进行中，在燃烧室18中也持续进行燃烧反应。
[0107]式(2)所示的自热重整反应ATR开始后，当通过重整器温度传感器146检测到重整器20变为规定温度(例如，700°C)时，在停止重整用空气流量调节单元44的重整用空气供给的同时，增加水流量调节单元28的水蒸`气供给。由此，向重整器20供给不含空气而仅包含燃料气体和水蒸气的气体，在重整器20中，进行式(3)的水蒸气重整反应SR。
[0108]CmHn+x02+yH20 ^ aC02+bC0+cH2 (2)
[0109]CmHn+xH20 ^ aC02+bC0+cH2 (3)
[0110]由于该水蒸气重整反应SR是吸热反应，因此与来自燃烧室18的燃烧热量取得热平衡并进行反应。由于该阶段是燃料电池模块2起动的最终阶段，因此发电室10内升温至足够高的温度，因而，即使进行吸热反应，也不会导致发电室10大幅度的温度下降。而且，即使进行水蒸气重整反应SR，在燃烧室18中也持续进行燃烧反应。
[0111]如此，燃料电池模块2利用点火装置83点火后，通过依次进行部分氧化重整反应Ρ0Χ、自热重整反应ATR、水蒸气重整反应SR，使发电室10内的温度逐渐上升。之后，当发电室10内及燃料电池单电池84的温度达到比使燃料电池模块2稳定工作的额定温度低的规定发电温度后，使包括燃料电池模块2的电路闭合，开始燃料电池模块2的发电，由此，电流流过电路。通过燃料电池模块2的发电，燃料电池单电池84自身也发热，燃料电池单电池84的温度也上升。其结果，达到使燃料电池模块2工作的额定温度例如600°C至800°C。
[0112]此后，为了保持额定温度，供给比燃料电池单电池84中消耗的燃料气体及空气的量多的燃料气体及空气，使燃烧室18中的燃烧持续。另外，在发电中以重整效率高的水蒸气重整反应SR进行发电。
[0113]下面，根据图8说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的运行停止时的动作。图8是表示本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动作的时间图。
[0114]如图8所示，进行燃料电池模块2的运行停止时，首先，操作燃料流量调节单元38及水流量调节单元28，使燃料气体及水蒸气流向重整器20的供给量减少。
[0115]而且，进行燃料电池模块2的运行停止时，在使燃料气体及水蒸气流向重整器20的供给量减少的同时，使发电用空气流量调节单元45向燃料电池模块2内供给发电用空气的供给量增大，利用空气冷却燃料电池单电池集合体12及重整器20，使它们的温度下降。其后，当重整器20的温度下降至规定温度例如400°C时，停止向重整器20供给燃料气体及水蒸气，结束重整器20的水蒸气重整反应SR。该发电用空气的供给持续至重整器20的温度下降至规定温度例如200°C，在变为该规定温度时，停止从发电用空气流量调节单元45供给发电用空气。
[0116]如此，在本实施方式中，由于进行燃料电池模块2的运行停止时，并用重整器20所进行的水蒸气重整反应SR和基于发电用空气的冷却，因此能够在较短的时间内使燃料电池模块的运行停止。
[0117]下面，参照图6，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池I的控制。
[0118]首先，如图6所示，本实施方式的固体电解质型燃料电池I具备燃料电池控制器即控制部110和逆变器控制器即逆变器控制部111。
[0119]控制部110具`备第I需求电力检测部件110a，根据从需求电力检测器206(图15)输入的需求电力监控信号Ms检测出需求电力。住宅200 (图15)等设施所消耗的总需求电力通过从商用电源供给的系统电力以及从固体电解质型燃料电池I供给的电力而得到供应。作为需求电力检测器206使用电流互感器时，作为需求电力监控信号Ms可得到系统电流(购入电流)作为监控信号，因此，通过从逆变器54得到的输出端的交流电压及发电互联输出电力，使系统电力?发电互联电力合在一起而得到需求电力。而且，也可以通过从逆变器54间接得到上述信息而成为第I需求电力检测部件110a。在本实施方式中，虽然在控制部110中输入有总需求电力中的系统电力而作为需求电力监控信号Ms，但是也可以根据控制部，使用总需求电力作为需求电力监控信号。
[0120]另外，控制部110构成为根据需求电力监控信号Ms等来控制水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44等。而且，控制部110构成为根据来自各种传感器的输入信号以及需求电力监控信号Ms来设定可导出电流值Iinv，向逆变器控制部111输出该值。具体而言，控制部110由微处理器、存储器及使它们工作的程序等构成。
[0121]逆变器控制部111具备第2需求电力检测部件111a，根据从需求电力检测器206(图15)输入的需求电力监控信号Ms检测出需求电力。作为需求电力检测器206使用电流互感器时，作为需求电力监控信号Ms可得到系统电流(购入电流)作为监控信号，因此，通过由逆变器54得到的在输出端所具备的电压检测部件所检测的输出端的交流电压以及输出部中的输出电力检测部件所检测的发电互联输出电力，使系统电力.发电互联电力合在一起而得到需求电力。另外，也可以将上述信息发送给控制部110。逆变器控制部111构成为根据需求电力监控信号Ms以及从控制部110输入的可导出电流值Iinv来控制逆变器54，在不超过可导出电流值Iinv的范围内从燃料电池模块2导出实际导出电流值Ic。具体而言，逆变器控制部111由微处理器、存储器及使它们工作的程序等构成。
[0122]控制部110具备可导出电流值设定部件，其根据燃料电池模块2的状态，依次设定当时可从燃料电池模块2导出的最大电流即可导出电流值Iinv。逆变器控制部111独立于控制部110而控制逆变器54，在不超过从控制部110输入的可导出电流值Iinv的范围内从燃料电池模块2导出实际导出电流值Ic，供给至住宅200 (图15)等的设施。另外，在本实施方式中，控制部110的控制周期为500 [msec]，逆变器控制部111的控制周期为I [msec]以下。如此，控制部110为了控制响应慢的燃料电池模块2而在所必需且充分的控制周期内进行动作，逆变器控制部111在较短的控制周期内进行动作，以对应于急速变动的需求电力而从逆变器54导出电力。另外，控制部110及逆变器控制部111的控制并未同步，逆变器控制部111根据从控制部110输入的可导出电流值Iinv以及需求电力监控信号Ms，独立于控制部110而控制逆变器54。
[0123]下面，参照图9至图14，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池I的作用。图9是用于通过控制部110设定可导出电流值Iinv的控制图表。图10及图11是应用图9所示的控制图表从而决定可导出电流值Iinv的流程图。
[0124]如图9所示，控制部110根据发电室温度Tfc、从燃料电池模块2输出的发电电压Vdc、从商用电源向住宅等设施供给的电力即系统电力W1、从逆变器54输出的电力即互联电力Winv、可导出电流值Iinv的当前值、及燃料供给电流值If，决定可导出电流值Iinv的增加、下降或保持。
[0125]发电室温度Tfc是收容有燃料电池单电池单元16的发电室10内的温度，其通过温度检测部件即发电室温度传感器142而被检测，被输入至控制部110。另外，在本说明书中，将发电室温度Tfc等成为燃料电池模块2的发电能力指标的温度称为“燃料电池模块的
温度”。
[0126]发电电压Vdc是从燃料电池模块2输出的输出电压。
[0127]系统电力Wl是从商用电源对住宅等设施供给的电力，从设施的总需求电力减去由燃料电池供给的电力后的电力相当于该系统电力W1，根据需求电力监控信号Ms而进行检测。
[0128]互联电力Winv是从逆变器54输出的电力。通过电力状态检测传感器126检测出从燃料电池模块2实际导出至逆变器54的电力，从逆变器54输出由该电力变换的电力。从燃料电池模块2实际输出的实际导出电流值Ic [A]根据由电力状态检测传感器126检测出的电力而求出。因而，电力状态检测传感器126作为导出电流检测部件而发挥作用。
[0129]燃料供给电流值If是作为用于求出燃料供给量的基础的电流值，相当于可由供给至燃料电池模块2的燃料供给量(L/min)进行发电的电流值。因此，燃料供给电流值If始终设定为一定不会低于可导出电流值Iinv。
[0130]控制部110判定燃料电池模块2当前的状态符合图9的编号I?9的哪一个，执行图9的右端栏所示的可导出电流值Iinv的变更或保持。
[0131]例如，图9的编号I栏所记载的所有条件同时被满足时，如编号I栏的右端所示，控制部110将可导出电流值Iinv变更为下降5[mA]。如上所述，在本实施方式中，由于控制部110的控制周期为500[msec]，因此当编号I栏的条件被满足的状态连续时，可导出电流值Iinv每500 [msec]各下降5[mA]。此时,可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0132]同样，图9的编号8栏所记载的所有条件同时被满足时，如编号8栏的右端所示，控制部110将可导出电流值Iinv变更为增加10 [mA]。因而，当编号8栏的条件被满足的状态连续时，可导出电流值Iinv以第I电流上升变化率即20[mA/sec]的变化率上升。
[0133]另外，在图9的编号I?8栏所记载的条件都未被满足时，则符合编号9栏的条件，可导出电流值Iinv的值未被变更而得以保持。
[0134]下面，参照图10及图11，说明图9的控制图表的条件的判断顺序。另外，图10及图11中的符号A?D示出处理的转移目标。例如，流程的处理从图10的符号“C”转至图11的符号“C”。
[0135]另外，如以下说明的那样，控制部110构成为，即使在需求电力上升时等而应使可导出电流值Iinv增加的状况下，也仅在未与规定的多个增加限制条件相符合时，使可导出电流值Iinv增加。另外，增加限制条件包括多个电流下降条件及电流保持条件，当符合这些条件时，使可导出电流值Iinv下降或进行保持。而且，多个电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、S11、S13)与多个电流保持条件(图11的S15、S16、S17、S18、S19)相比首先被优先应用。
[0136]首先，图10的步骤SI是判断在可导出电流值Iinv和实际导出电流值Ic之间是否产生了非常大的偏差的步骤，判断在两者之间是否产生了大于1000[mA]的偏差。可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差在短控制周期中初次产生大于1000 [mA]的偏差的情况是指，作为逆变器54因为总需求电力急剧下降或者某种理由而使实际导出电流值Ic急剧下降，由此产生了偏差的状况而进入步骤S2。
[0137]在步骤S2中，判断系统电力Wl是否少于50[W]。系统电力Wl少于50[W]的情况是指，当系统电力Wl进一步减少时，则处于如下状态，即来自逆变器54的输出电力流入商用电源的“逆潮流(系统电力Wl变为负值的状态)”发生的可能性变高。因而，通过S2的判定和SI的判定可以判断为，为了防止因为总需求电力非常大的下落而产生逆潮流，逆变器54处于使实际导出电流值Ic急剧下降的状态。另外，在S2中将系统电力Wl的值设定为50W是指，设置50W程度的安全系数，以避免万一发生逆潮流。
[0138]接下来，在S1、S2双方被判断为“是”的情况下，S卩，在伴随着非常大的总需求电力下落的逆变器54进行逆潮流防止控制的情况下，在步骤S3中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值急剧下降至实际导出电流值Ic的值(对应于图9的编号6)。通过步骤S3的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。由于逆变器54在不超过可导出电流值Iinv的值的范围内导出实际导出电流值Ic，因此通过使可导出电流值Iinv下降而使可导出电流值Iinv=实际导出电流值Ic，从而限制逆变器54擅自使导出电流比当前的导出电流值Ic增加这样的对应。这是为了将如下情况防患于未然而进行的措施，即在总需求电力发生急剧下降的情况下，随后立即发生总需求电力急剧恢复(增力口)的状况的可能性较高，但是在超过1000 [mA]这样的存在较大偏差量的情况下，逆变器54为了响应恢复的总需求电力而急剧地进行电力导出时，会因为控制超调等而导致逆变器54进行误超过需求电力、可导出电流值Iinv的电力导出。换言之，由于在1000 [mA]以下的较小的偏差中，未进行使可导出电流值Iinv变为实际导出电流值Ic的控制，因此容许逆变器54在直至比实际导出电流值Ic高的可导出电流值Iinv的区间内自由迅速地进行电力导出。这是为了如下情况而考虑的进一步的措施，即如果是上述较小的偏差，则不会产生超调所引起的过量的电力导出等的问题，因此，可以快速地跟踪总需求电力的恢复。
[0139]另一方面，在通过步骤SI和S2的判定而判断为并未处于伴随着非常大的总需求电力下降的发生逆潮流的状况时，则进入步骤S4。在步骤S4中，判断可导出电流值Iinv是否大于1[A]。当可导出电流值Iinv大于I [A]时，则进入步骤S5，判断发电电压Vdc是否低于95 [V]。当发电电压Vdc低于95 [V]时，则进入步骤S6。
[0140]在步骤S6中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降10[mA](对应于图9的编号4)。通过步骤S6的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S6的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以20[mA/sec]的电流减少变化率减少。由于可以认为发电电压Vdc低于95[V]时，在从燃料电池模块2向逆变器54导出电力时因燃料电池模块的劣化等而导致产生电压降，因此通过使可导出电流值Iinv下降，从而抑制被逆变器54导出的电流，以减轻施加在燃料电池模块2上的负担。
[0141]另一方面，在步骤S5中，当发电电压Vdc为95[V]以上时，则进入步骤S7。在步骤S7中，判断互联电力Winv是否超过710 [W]。当互联电力Winv超过710 [W]时则进入步骤S8，在步骤S8中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号5)。S卩，当互联电力Winv超过710[W]时，来自燃料电池模块2的输出电力超过额定电力，因此，使从燃料电池模块2导出的电流下降以免超过额定电力。通过步骤S8的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S8的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0142]如此，控制部110通过多个电流下降条件中相符合的电流下降条件，以使可导出电流值Iinv减少的变化率不同的方式，使可导出电流值Iinv变化。
[0143]另一方面，在步骤S7中，当互联电力Winv为710[W]以下时，则进入步骤S9。在步骤S9中，判断发电室温度Tfc是否超过850 [°C ]。当发电室温度Tfc超过850 [°C ]时则进入步骤S10，在步骤SlO中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号2)。即，当发电室温度Tfc超过850[°C ]时，则超过了燃料电池模块2适当的工作温度，因此，使可导出电流值Iinv的值下降，从而等待温度下降。通过步骤SlO的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤SlO的处理连续被执行时,可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0144]另一方面，在步骤S9中，当发电室温度Tfc为850[°C ]以下时，则进入步骤S11。在步骤Sll中，判断发电室温度Tfc是否低于550[°C ]。当发电室温度Tfc低于550[°C ]时则进入步骤S12，在步骤S12中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号3)。即，当发电室温度Tfc低于550[°C ]时，则低于燃料电池模块2可进行适当发电的温度，因此，使可导出电流值Iinv下降。由此，使发电所消耗的燃料减少，将燃料转用于燃料电池单电池单元16的加热，使温度上升。通过步骤S12的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S12的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0145]另一方面，在步骤Sll中，当发电室温度Tfc为550[°C ]以上时，则进入步骤S13。在步骤S13中，判断可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差是否超过400[mA]，且可导出电流值Iinv是否超过I [A]。当可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差超过400 [mA]，且可导出电流值Iinv超过1[A]时，则进入步骤S14，在步骤S14中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号I)。即，当可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差超过400[mA]时,相对于可导出的电流即可导出电流值Iirw，从燃料电池模块2实际导出的实际导出电流值Ic过少，燃料被白白供给，因此，使可导出电流值Iinv的值下降从而抑制燃料浪费。通过步骤S14的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S14的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0146]如此，控制部110在符合多个电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、S11、S13)中的即便一个的情况下，则即使在需求电力上升的状况下，也使可导出电流值Iinv减少(步^6、S8、S10、S12、S14)。
[0147]另一方面，在步骤S4中，可导出电流值Iinv为I [A]以下时，以及在步骤S13中，可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差为400[mA]以下时，则进入图11的步骤S15。
[0148]在步骤S15中，判断可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差是否为300 [mA]以下，在步骤S16中，判断发电电压Vdc是否为100[V]以上，在步骤S17中，判断互联电力Winv是否为690 [W]以下，在步骤S18中，判断发电室温度Tfc是否为600 [°C ]以上，在步骤S19中，判断系统电力W l是否超过40 [W]。当上述条件全部被满足时则进入步骤S20，当上述条件中的即便一个未被满足的条件存在时(对应于图9的编号9)，则进入步骤S21。在步骤S21中，可导出电流值Iinv的值未被变更而保持以前的值，图10及图11的流程图的I次处理结束。
[0149]如此，在本实施方式的固体电解质型燃料电池I中，即使在需求电力上升的状况下，也在规定条件未被满足时，将可导出电流值Iinv保持为一定(图11的步骤S21)。而且，着眼于发电室温度Tfc时，当发电室温度Tfc超过上限阈值即850[°C ]时，则使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S9、S10)，当发电室温度Tfc低于下限阈值即600[°C ]时，则保持可导出电流值Iinv (图11的步骤S18、S21)。而且，当发电室温度Tfc更低而低于550[°C ]时，则使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S11、S12)。
[0150]另一方面，在步骤S20以下的处理中，使可导出电流值Iinv的值上升。控制部110仅在多个电流保持条件(图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)的任意一个都不相符合时，使可导出电流值Iinv增加(图11的步骤S22、S23)。
[0151]即，当可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差超过300 [mA]时(步骤S15)，由于可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差比较大，因此不应使可导出电流值Iirw上升。而且，当发电电压Vdc低于100[V]时(步骤S16)，则不应使可导出电流值Iinv上升以避免使能从燃料电池模块2导出的电流增加。另外，当互联电力Winv超过690 [W]时(步骤S17)，来自燃料电池模块2的输出电力已经达到大致额定输出电力，因此,不应使能从燃料电池模块2导出的电流增加。[0152]另外，当发电室温度Tfc低于600 [°C ]时(步骤S18)，则未达到燃料电池模块2可以充分进行发电的温度，因此，不应使可导出电流值Iinv的值上升，避免使能从燃料电池模块2导出的电流增加而在燃料电池单电池单元16上施加负担。而且，当系统电力Wl为40 [W]以下时(步骤S19)，则处于“逆潮流”容易发生的状况，因此，不应使能从燃料电池模块2导出的电流增加。
[0153]当步骤S15至步骤S19的条件全部被满足时，则进入步骤S20。在步骤S20中，判断燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差是否为1000 [mA]以上。求出对应于燃料供给电流值If的燃料供给量，从而向燃料电池模块2进行供给并进行发电运行。因此，换言之，是根据该燃料对燃料电池模块2可发出的电流值进行换算的值。例如，当供给相当于燃料供给电流值If=5[A]的燃料供给量[L/min]时，燃料电池模块2潜在具有安全稳定地输出5[A]的电流的能力。因而，当燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差为1000[mA]时，则变为向燃料电池模块2供给如下分量的燃料，可输出比实际发出的实际导出电流值Ic多1[A]程度的电流。
[0154]在步骤S20中，在燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差为1000 [mA]以上时则进入步骤S22，在少于1000 [mA]时则进入步骤S23。在步骤S22中，处于大量多余的燃料被供给至燃料电池模块2的状态，因此，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值增加100 [mA](对应于图9的编号7)，使可导出电流值Iinv急速上升。通过步骤S22的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图11的流程图而步骤S22的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以第2电流上升变化率即200[mA/sec]的变化率上升。
[0155]另一方面，在步骤S23中，虽然处于使可导出电流值Iinv上升的状况，但是未处于大量多余的燃料被供给至燃料电池模块2的状态，因此，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值增加10 [mA](对应于图9的编号8)，使可导出电流值Iinv平缓上升。通过步骤S23的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图11的流程图而步骤S23的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以第I电流上升变化率即20[mA/sec]的变化率上升。
[0156]下面，参照图12至图14，说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的作用的一个例子。
[0157]图12的上段中示出电力曲线，下段中示出电流曲线。
[0158]首先，如图12上段中细实线所示，在住宅200等设施的总需求电力细小变动并平缓增加时，与其对应，可导出电流值Iinv也平缓上升(图12的时刻t0?tl)。在此期间，图11的流程图的步骤S23反复被执行，可导出电流值Iinv以20[mA/sec]的第I电流上升变化率上升。逆变器控制部111从控制部110输入可导出电流值Iinv后，独立于控制部110的控制而控制逆变器54，从燃料电池模块2导出不超过可导出电流值Iinv的范围的实际导出电流值Ic。而且，在图12的时刻t0?tl，由于总需求电力始终超过对应于可导出电流值Iirw的电力，因此实际导出电流值Ic与能够导出的上限值即可导出电流值Iirw —致，互联电力Winv也与实际导出电流值Ic 一起上升。在上述状态下，尽管逆变器控制部111独立于控制部110而控制逆变器54，实际导出电流值Ic实质上还是处于控制部110的支配下。另外，燃料供给电流值If稍稍先于可导出电流值Iinv而上升。另外，总需求电力与互联电力Winv的差的不足部分的电力通过系统电力Wl而得到供应。
[0159]之后，在图12的时刻tl，当总需求电力急剧减少时，逆变器控制部111响应于该减少而控制逆变器54，使从燃料电池模块2导出的实际导出电流值Ic (互联电力Winv)减少。控制部110使可导出电流值Iinv减少至与导出电流值Ic相同的值，避免因前述超调而导致进行过量的电力导出(图10的步骤S3)。另一方面，控制部110在时刻tl，未使燃料供给电流值If的值下降而保持于以前的值。这是因为如果使燃料供给量(燃料供给电流值If)与可导出电流值Iinv —起急剧减少，则不仅会导致燃料电池模块2的急剧的温度下降，燃料电池模块2的动作变得不稳定，还由于需求电力急剧下降时需求立即增加的可能性较高，因此虽然想要尽快跟踪该需求，但是在使燃料电池模块2的温度下降后的情况下使其恢复则需要较长时间，因此，为了提高针对该需求的跟踪性而未使燃料供给电流值If下降。因此，在可导出电流值Iirw急剧减少时，燃料供给电流值If与其相比延后减少。在可导出电流值Iinv刚刚减少之后的燃料供给电流值If被保持的状态下，燃料电池模块2相对于能导出的可导出电流值I inv，处于燃料供给量充裕的状态。
[0160]在图12的时刻11?t2，由于总需求电力维持下降的状态，因此控制部110将可导出电流值Iinv的值保持于一定(图11的步骤S21)，而且，燃料供给电流值If的值也以燃料剩余的状态而被保持于一定。
[0161]之后，在时刻t2，总需求电力再次上升时，控制部110将燃料供给电流值If保持于一定，处于流向燃料电池模块2的燃料供给量充裕的状态，因此，使可导出电流值Iinv的值以比通常的变化率(第I电流上升变化率)大的200[mA/sec]的第2电流上升变化率急速上升(图11的步骤S22)。由此，提高相对于总需求的负荷跟踪性。即，使从控制部110输出的可导出电流值Iinv的值上升时，逆变器控制部111在该上升的可导出电流值Iinv的范围内，从燃料电池模块2导出实际导出电流值Ic。通过使可导出电流值Iinv的值急速上升，从而能够从燃料电池模块2导出与燃料供给电流值If相称的较多的电力，可以抑制系统电力Wl的使用量。
[0162]另外，在本实施方式中，通过第2电流上升变化率即200[mA/sec]的较大的电流上升变化率以及第I电流上升变化率即20[mA/sec]的通常的电流上升变化率使可导出电流值Iinv上升。在此，电流上升变化率仅为通常的第I电流上升变化率时，如图12中双点划线所示，可导出电流值Iinv从时刻t2开始平缓地上升。因此，在未使电流上升变化率急速上升时，尽管燃料供给量相同，实际导出电流值Ic还是减少图12中施以斜线的区域部分，燃料被白白消耗。反而言之，通过采用本技术中的需求预测控制，可以解决固体电解质型燃料电池的较大课题即温度变化慢的问题，从而提高针对负荷的快速跟踪性。
[0163]另外，虽然在本实施例中将燃料供给电流值If保持于其原本的状态，但是在燃料供给电流值If与可导出电流值Iinv呈现过大的偏差时，即使考虑到总需求电力的再次恢复，成为剩余燃料的量变得过多也还是会浪费，因此，可以说以停留在不会变成过大的偏差量的程度上来保持燃料供给电流值If是更好的对应。
[0164]在图12的时刻t3，当燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差变小时，控制部Iio将电流上升变化率变更为第I电流上升变化率即20[mA/sec]，使可导出电流值Iinv的上升变得平缓(图11的步骤S23)。这是为了防止在燃料供给量(燃料供给电流值If)不很充裕的状态下使可导出电流值Iinv急剧上升时，因与独立于控制部110而控制逆变器54的逆变器控制部111的动作的偏差而发生燃料枯竭。
[0165]之后，可导出电流值Iinv的值上升，在图12的时刻t4，当接近于燃料供给电流值If时，使燃料供给电流值If的值也与可导出电流值Iinv—起上升，以相对于可导出电流值Iinv确保规定的余量。
[0166]下面，参照图13，说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的其它作用例。
[0167]在图12所示的作用例中，在时刻tl总需求电力下降后，在燃料供给电流值If的值被保持的期间总需求电力转为上升。与此相对，在图13所示的例子中，总需求电力下降后，其转为上升之前的时间变长。由于将燃料供给电流值If保持于较大值的时间变长时所供给的燃料变得浪费，因此燃料供给电流值If在经过规定的燃料下降等待时间tw后减少。
[0168]在图13的时刻111，总需求电力急剧下降后，在时刻113之前总需求电力维持下降的状态。在本实施方式中，控制部Iio构成为在总需求电力急剧下降，使可导出电流值Iinv下降至实际导出电流值Ic时，其后在燃料下降等待时间tw即15[sec]的期间，将燃料供给电流值If保持于一定。
[0169]在图13所示的例子中，在时刻til总需求电力急剧下降后，即使在经过燃料下降等待时间tw后的时刻tl2，总需求电力还维持下降的状态，因此，控制部110从时刻tl2使燃料供给电流值If (燃料供给量)以规定的减少变化率下降。该减少变化率被选择为燃料电池模块2可保持恰当动作的值。另外，在图13所示的例子中，虽然在经过燃料下降等待时间tw后,使燃料供给电流值If下降,但是在可导出电流值Iinv与燃料供给电流值If的差小于规定量时，即使经过燃料下降等待时间tw，燃料供给电流值If也不下降而被保持。由此，可以防止燃料供给电流值If的微少变动对燃料电池模块2的运行产生不良影响。
[0170]之后，在图13的时刻tl3总需求电力上升时，控制部110使可导出电流值Iinv及燃料供给电流值If上升。但是，由于此时的可导出电流值Iirw的上升并不是在可导出电流值Iinv刚刚急剧减少之后，燃料供给电流值If的值也已减少，因此可导出电流值Iinv的电流上升变化率被设定为通常的值即第I电流上升变化率的20[mA/sec]。即，在图13的时刻tl3，图11的步骤S20的条件未被满足，执行步骤S23。
[0171]另外，虽然在本实施方式中构成为使燃料供给电流值If在15秒钟后下降并中止剩余燃料的保持，但是在总需求电力进一步下降的情况下，由于总需求电力恢复并上升的可能性较低，因此可以说不等待保持燃料供给电流值If的15秒的时间而使燃料供给电流值If快速下降是更好的对策。
[0172]下面，参照图14，说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的其它作用例。
[0173]在图14所示的作用例中，在总需求电力急剧下降后，并未上升而总需求电力再次急剧下降。在上述情况下，即使从最初的急剧下降未经过燃料下降等待时间tw，也认为总需求电力立即转为上升的概率较低，因此，控制部110使燃料供给电流值If下降。
[0174]在图14所示的例子中，在时刻t21总需求电力急剧下降后，在经过燃料下降等待时间tw即15 [sec]之前的时刻t22，总需求电力再次急剧下降。如此，在燃料供给电流值If与可导出电流值Iinv的差扩大的情况下，控制部110即使是在从总需求电力最初急剧下降经过燃料下降等待时间tw之前，也从时刻t22使燃料供给电流值If (燃料供给量)以规定的减少变化率下降。之后，在图14的时刻t23总需求电力上升时，控制部110使可导出电流值Iinv及燃料供给电流值If上升。[0175]根据本发明实施方式的固体电解质型燃料电池1，控制部110即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件(图10的步骤S5、S7、S9、S11、S13，图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)时，不使可导出电流值Iinv增加，将可导出电流值Iinv保持于一定的值(图11的步骤S21)，或者使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S6、S8、S10、S12、S14)，因此，可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块2，并使燃料电池模块2稳定地运行。另外，即使在需求电力上升时，也通过保持可导出电流值Iirw或使其下降，从而可以使燃料电池模块2的状态快速地恢复，与立即使可导出电流值Iinv上升时相比，反而还能够提高发电效率。
[0176]通常逆变器54以高响应性被控制，以根据急剧变化的需求电力从燃料电池模块2导出所需的电流。另一方面，由于供给至燃料电池模块2的燃料供给量急剧变化时，燃料电池模块2的发电变得不稳定，因此无法进行响应性高的控制。而且，燃料电池模块2中存在温度等影响发电能力的多个因素，即便使燃料供给量增加，燃料电池模块2的发电能力也未必立即上升。因而，如果像以往的燃料电池那样，无视燃料电池模块的状态，而单纯地使燃料供给量增加，并使导出的电流增加，则有时会在燃料电池模块上施加过度的负担，从而导致加快燃料电池模块劣化。
[0177]另外，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于当发电室温度Tfc等的参数值是不适于使可导出电流值Iinv上升的值时，则保持可导出电流值Iinv (图11的步骤S18、S21)，因此不会在燃料电池模块2上施加新的负担，可以看清是否响应慢的燃料电池模块2的温度上升而状态趋于恢复。另外，当燃料电池模块2的温度进一步下降，而状态进一步恶化时，则使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S11、S12)，从而可以积极地减少对燃料电池模块2的负担。
[0178]而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于与电流保持条件(图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)相比，电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、S1US13)首先被优先应用，因此可以在施加于燃料电池模块2的负担持续时则有可能导致燃料电池模块2损伤的情况下，快速地减轻负担，可以切实地防止燃料电池模块2损伤。
[0179]另外，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于对燃料电池模块2的负担大的可导出电流值的增加(图11的步骤S22、S23)只有在不符合所有电流保持条件(图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)时才被执行，因此在不具备能够使可导出电流值增加的良好程度的情况下，可导出电流值Iinv被保持于一定的值。另外，在电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、SlU S13)中符合即使I个时，可导出电流值Iinv也立即下降(图10的步骤S6、S8、S10、S12、S14)，可以切实地防止燃料电池模块2损伤。
[0180]而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池I，对于需要急速减少燃料电池模块2的负担的状态，可以使可导出电流值Iinv急速下降(图10的步骤S6)从而快速减少负担，同时对于不需要急速的负担减轻的状态，可以通过使可导出电流值平缓地下降(图10的步骤S8、S10、S12、S14)，从而在燃料电池模块2的状态改善时使可导出电流值Iinv上升，缩短恢复至所需值为止的时间。
[0181]另外，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于根据燃料电池模块2的温度、燃料电池模块的输出电压Vdc、实际导出电流值Ic及可导出电流值Iinv来判断增加限制条件，因此通过并行监控对燃料电池模块2的发电能力的影响不同的多个参数，从而可以抑制燃料电池模块2劣化，并使燃料电池模块2的发电能力快速恢复。
[0182]而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池I，对于燃料电池模块2的温度下降至比下限阈值低的情况(图11的步骤S18)，则保持可导出电流值Iinv (图11的步骤S21)并等待温度恢复，并且在发生进一步的温度下降时(图10的步骤S11)，使可导出电流值Iinv下降，由此可以缩短可恢复至所需的可导出电流值Iinv为止的时间。另外，对于燃料电池模块2的温度上升侧，通过使可导出电流值立即下降(图10的步骤S9、S10)，从而可以防止燃料电池模块2损伤。
【权利要求】
1.一种固体电解质型燃料电池，是发出与需求电力相应的可变电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有: 燃料电池模块，通过所被供给的燃料进行发电； 燃料供给部件，向该燃料电池模块供给燃料； 需求电力检测部件，检测出需求电力； 控制器，根据由该需求电力检测部件检测出的需求电力，控制上述燃料供给部件的燃料供给量，同时根据上述燃料电池模块的状态设定能够从上述燃料电池模块导出的最大电流值即可导出电流值； 逆变器，根据需求电力，在不超过上述可导出电流值的范围内从上述燃料电池模块导出电流，并转换为交流； 及导出电流检测部件，检测出从上述燃料电池模块向上述逆变器实际导出的实际导出电流， 上述控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使上述可导出电流值增加，将上述可导出电流值保持于一定的值，或者使上述可导出电流值下降。
2.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述控制器构成为根据规定的参数来判断上述增加限制条件，即使在需求电力上升时，也在上述规定的参数超过规定阈值时将上述可导出电流值保持于一定的值，在超过上述规定阈值而进一步扩大时则使上述可导出电流值下降。
3.根据权利要求2所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述增加限制条件包括将上述可导出电流值保持于一定值的电流保持条件以及使上述可导出电流值下降的电流下降条件，与上述电流保持条件相比，上述控制器优先应用上述电流下降条件。
4.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述控制器分别具备多个上述电流保持条件以及上述电流下降条件，上述可导出电流值在不符合所有上述多个电流保持条件时增加，在符合上述多个电流下降条件中的即使I个时也下降。
5.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述控制器根据上述多个电流下降条件中符合的电流下降条件，以使可导出电流值下降的变化率不同的方式使上述可导出电流值变化。
6.根据权利要求5所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述增加限制条件根据上述燃料电池模块的温度、上述燃料电池模块的输出电压、实际导出电流及可导出电流值中的多个参数而被判断。
7.根据权利要求6所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述燃料电池模块的温度根据下限阈值及上限阈值而被判断，上述燃料电池模块的温度超过上述下限阈值而下降时则上述可导出电流值被保持于一定的值，上述燃料电池模块的温度进一步下降时则使上述可导出电流值下降，上述燃料电池模块的温度超过上述上限阈值而上升时则使上述可导出电流值下降。
【文档编号】H01M8/12GK103828108SQ201180073651
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年9月29日 优先权日:2011年9月29日
【发明者】大塚俊治, 土屋胜久, 重住司, 大江俊春, 中野清隆, 松尾卓哉 申请人:Toto株式会社
【专利摘要】本发明提供一种固体电解质型燃料电池，可以切实地避免损伤燃料电池模块，并提高发电效率。本发明是一种固体电解质型燃料电池（1），其特征在于，具有：燃料电池模块（2）；燃料供给部件（38）；需求电力检测部件（110a）；控制器（110），在根据需求电力控制燃料供给量的同时，设定可导出的最大电流值即可导出电流值；逆变器（54），在不超过可导出电流值的范围内从燃料电池模块导出电流；及导出电流检测部件（126），检测出从燃料电池模块导出的实际导出电流，控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降。
【专利说明】固体电解质型燃料电池
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种固体电解质型燃料电池，尤其涉及发出与需求电力相应的可变电力的固体电解质型燃料电池。
【背景技术】
[0002]近年来，作为下一代能源，提出有各种燃料电池装置，其具备:燃料电池，能够使用燃料(氢气)和空气进行发电而得到电力；及辅助设备类，用于使该燃料电池工作。
[0003]在日本国特开平7-307163号公报(专利文献I)中记载有一种燃料电池发电装置。该燃料电池构成为根据负荷而变更所发出的电力。
[0004]在此，参照图15，说明使用了燃料电池的电力供给系统。图15示出使用燃料电池向住宅供给电力的现有系统的一个例子。在该系统中，住宅200所消耗的电力通过燃料电池202及系统电力204而得到供应。通常，由于住宅中所消耗的最大消耗电力比燃料电池202所能发出的最大额定电力大，因此在利用燃料电池202的住宅200中也从系统电力204补充其不足的部分，从燃料电池202及系统电力204向住宅供给电力。而且，为了避免燃料电池202所产生的发电电力向系统电力204发生逆潮流，即使在住宅的消耗电力低于燃料电池202的最大额定电力时，通常住宅200的消耗电力中的一部分也从系统电力204进行供给。
[0005]系统电力204是从输电线向住宅内的配电板输送的电力即购入电力。也就是说，燃料电池202的发电电力和系统电力204的总和相当于住宅200中的消耗电力。燃料电池202从需求电力检测器206取得住宅200购入的电力的监控信号，根据该监控信号来变更由燃料电池202发出的电力。即，燃料电池202根据从需求电力检测器206取得的监控信号，决定基础电流Ii，其表示燃料电池202应生成的电流，控制供给至燃料电池模块208的燃料供给量等，以能够生成该基础电流H。另外，基础电流Ii与住宅200的消耗电力无关，其被设定为与燃料电池202的最大额定电力对应的值以下。
[0006]由于内置于燃料电池202的燃料电池模块208通常响应极慢，因此很难跟踪住宅200中的消耗电力的变化来变更发电电力。因此，向燃料电池模块208指示发电量的基础电流Ii的信号如下被决定，通过对监控信号使用进行积分处理等的滤波器210而平缓地变化，以便与消耗电力的变化相比，极为平缓地发生变化。
[0007]燃料电池202向燃料电池模块208供给与基础电流Ii相应的量的燃料，使燃料电池模块208具有能够生成基础电流Ii的电流的能力。另一方面，逆变器212从燃料电池模块208导出直流的实际导出电流值Ic，将其转换为交流并供给至住宅200。而且，逆变器212从燃料电池模块208导出的实际导出电流值Ic始终被设定在基础电流Ii的值以下，以避免超过燃料电池模块208的发电能力。如果从燃料电池模块208导出与根据基础电流Ii而决定的燃料供给量等对应的发电能力以上的电流，则燃料电池模块208内的燃料电池单电池发生燃料枯竭，有可能显著缩短燃料电池单电池的寿命，或破坏燃料电池单电池。
[0008]另一方面，由于住宅200中所消耗的电力急剧地发生变动，因此当消耗电力骤减时，住宅200的消耗电力变得比与缓慢变化的基础电流Ii对应的电力低。
[0009]在日本国特开平7-307163号公报记载的燃料电池发电装置中，为了对应于这种燃料电池模块208的延迟，在使电流值增加时，介由延迟设定器来更新设定电流值，使设定电流值的增加延迟以防止燃料枯竭等的不良现象。而且，在该燃料电池发电装置中，由于更新设定电流值时，始终按规定的减法电流值或加法电流值进行变更，因此使设定电流值变化的变化率成为始终一定的变化率。
[0010]专利文献1:日本国特开平7-307163号公报
[0011]在日本国特开平7-307163号公报记载的燃料电池发电装置中，需求电力(消耗电力)增加时，与此相伴使燃料气体增加后，延迟一定时间而使从燃料电池导出的电流增加。因而，在需求电力增加时，从燃料电池导出的电流存在一定时间的延迟且必定增加。
[0012]但是，在日本国特开平7-307163号公报记载的燃料电池发电装置中，由于使从燃料电池导出的电流相对于需求电力延迟并单纯地进行跟踪，因此虽然可以防止燃料枯竭等，但是存在燃料电池模块的运行变得不稳定，或导致发电效率下降的问题。
【发明内容】
[0013]因而，本发明的目的在于提供一种固体电解质型燃料电池，可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块，并实现燃料电池模块稳定的运行，同时提高发电效率。
[0014]为了解决上述课题，本发明是一种发出与需求电力相应的可变电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有:燃料电池模块，通过所被供给的燃料进行发电；燃料供给部件，向该燃料电池模块供给燃料；需求电力检测部件，检测出需求电力；控制器，根据由该需求电力检测部件检测出的需求电力，控制燃料供给部件的燃料供给量，同时根据燃料电池模块的状态设定能够从燃料电池模块导出的最大电流值即可导出电流值；逆变器，根据需求电力，在不超过可导出电流值的范围内从燃料电池模块导出电流，并转换为交流；及导出电流检测部件，检测出从燃料电池模块向逆变器实际导出的实际导出电流，控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降。
[0015]在如此构成的本发明中，控制器根据由需求电力检测部件检测出的需求电力来控制燃料供给部件的燃料供给量，向燃料电池模块供给燃料。而且，控制器根据燃料电池模块的状态设定能够从燃料电池模块导出的最大电流值即可导出电流值。逆变器在不超过可导出电流值的范围内从燃料电池模块导出与需求电力相应的电流。控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降。
[0016]通常逆变器以高响应性被控制，以根据急剧变化的需求电力从燃料电池模块导出所需的电流。另一方面，由于供给至燃料电池模块的燃料供给量急剧变化时，燃料电池模块的发电变得不稳定，因此无法进行响应性高的控制。而且，燃料电池模块中存在温度等影响发电能力的多个因素，即便使燃料供给量增加，燃料电池模块的发电能力也未必立即上升。因而，如果无视这种燃料电池模块的状态，而单纯地使燃料供给量增加，并使导出的电流增力口，则有时会在燃料电池模块上施加过度的负担，从而导致加快燃料电池模块劣化。
[0017]根据本发明，由于控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使可导出电流值增加，将可导出电流值保持于一定的值，或者使可导出电流值下降，因此可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块，并使燃料电池模块稳定地运行。而且，即使在需求电力上升时，也通过保持可导出电流值或使其下降，从而能够从相对于燃料电池模块的发电不适宜的状态或者效率差的状态快速地恢复，与立即使可导出电流值上升时相比，在抑制对燃料电池模块的影响的同时，反而还能够提高发电效率。
[0018]在本发明中，优选控制器构成为根据规定的参数来判断增加限制条件，即使在需求电力上升时，也在规定的参数超过规定阈值时将可导出电流值保持于一定的值，在超过规定阈值而进一步扩大时则使可导出电流值下降。
[0019]在如此构成的本发明中，增加限制条件根据规定的参数值而被判断，在该参数值是不适于使可导出电流值上升的值时，可导出电流值被保持于一定的值。在该状态下，参数值进一步恶化时，使可导出电流值下降。
[0020]根据如此构成的本发明，由于当规定的参数值是不适于使可导出电流值上升的值时，保持可导出电流值，因此不会在燃料电池模块上施加新的负担，可以看清响应慢的燃料电池模块的状态是否趋于恢复。而且，可以在燃料电池模块的状态进一步恶化时，使可导出电流值下降，从而积极地减少对燃料电池模块的负担。
[0021]在本发明中，优选增加限制条件包括将可导出电流值保持于一定值的电流保持条件以及使可导出电流值下降的电流下降条件，与电流保持条件相比，控制器优先应用电流下降条件。
[0022]根据如此构成的本发明，由于与电流保持条件相比，电流下降条件被优先应用，因此可以在施加于燃料电池模块的负担持续时则有可能导致燃料电池模块损伤的情况下，快速地减轻负担，可以切实地防止燃料电池模块损伤。
[0023]在本发明中，优选控制器分别具备多个电流保持条件以及电流下降条件，可导出电流值在不符合所有多个电流保持条件时增加，在符合多个电流下降条件中的即使I个时也下降。
[0024]根据如此构成的本发明，由于对燃料电池模块的负担大的可导出电流值的增加只有在不符合所有电流保持条件时才被执行，因此在不具备能够使可导出电流值增加的良好程度的情况下，可导出电流值被保持于一定的值。另外，在电流下降条件中符合即使I个时，可导出电流值也立即下降，可以切实地防止燃料电池模块损伤。
[0025]在本发明中，优选控制器根据多个电流下降条件中符合的电流下降条件，以使可导出电流值下降的变化率不同的方式使可导出电流值变化。
[0026]根据如此构成的本发明，对于需要急速减少燃料电池模块的负担的状态，可以使可导出电流值急速下降从而快速减少负担，同时对于不需要急速的负担减轻的状态，可以通过使可导出电流值平缓地下降，从而缩短可恢复至所需的可导出电流值为止的时间。
[0027]在本发明中，优选增加限制条件根据燃料电池模块的温度、燃料电池模块的输出电压、实际导出电流及可导出电流值中的多个参数而被判断。
[0028]根据如此构成的本发明，通过并行监控对燃料电池模块的发电能力的影响不同的多个参数，从而可以抑制燃料电池模块劣化，并使燃料电池模块的发电能力快速恢复。
[0029]在本发明中，优选燃料电池模块的温度根据下限阈值及上限阈值而被判断，燃料电池模块的温度超过下限阈值而下降时则可导出电流值被保持于一定的值，燃料电池模块的温度进一步下降时则使可导出电流值下降，燃料电池模块的温度超过上限阈值而上升时则使可导出电流值下降。
[0030]根据如此构成的本发明，对于燃料电池模块温度的下降侧，保持可导出电流值并等待温度恢复，并且在发生进一步的温度下降时使可导出电流值下降，由此可以缩短可恢复至所需的可导出电流值为止的时间。而且，对于燃料电池模块温度的上升侧，通过使可导出电流值立即下降，从而可以防止燃料电池模块损伤。
[0031]根据本发明的固体电解质型燃料电池，可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块，并实现燃料电池模块稳定的运行，同时提高发电效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的整体构成图。
[0033]图2是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的燃料电池模块的主视剖视图。
[0034]图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
[0035]图4是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
[0036]图5是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的燃料电池电堆的立体图。
[0037]图6是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的框图。
[0038]图7是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置起动时的动作的时间图。
[0039]图8是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置停止时的动作的时间图。
[0040]图9是本发明一个实施方式的燃料电池装置的控制图表。
[0041]图10是由控制部执行的控制的流程图。
[0042]图11是由控制部执行的控制的流程图。
[0043]图12是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的作用的时间图。
[0044]图13是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的作用的时间图。
[0045]图14是表示本发明一个实施方式的燃料电池装置的作用的时间图。
[0046]图15表示使用燃料电池向住宅供给电力的现有系统的一个例子。
[0047]符号说明
[0048]1-固体电解质型燃料电池；2_燃料电池模块；4_辅助设备单元；8_密封空间；10-发电室；12-燃料电池单电池集合体；14-燃料电池电堆；16-燃料电池单电池单元(固体电解质型燃料电池单电池)；18-燃烧室；20_重整器；22_空气用换热器；24_供水源；26-纯水箱；28_水流量调节单元(供水部件)；30-燃料供给源；38_燃料流量调节单元(燃料供给部件);40-空气供给源；44_重整用空气流量调节单元；45_发电用空气流量调节单元；46_第I加热器；48_第2加热器；50_温水制造装置；52_控制箱；54_逆变器；83_点火装置；84_燃料电池单电池；110_控制部(燃料电池控制器);110a-第I需求电力检测部件；111-逆变器控制部(逆变器控制器);11 Ia-第2需求电力检测部件；112-操作装置；114-显示装置；116_警报装置；126_电力状态检测传感器(导出电流检测部件)；132-燃料流量传感器(燃料供给量检测传感器)；138-压力传感器(重整器压力传感器)；142-发电室温度传感器(温度检测部件)；150_外气温度传感器；200_住宅；202_燃料电池；204_系统电力；206-电流互感器；208_燃料电池模块；210-滤波器；212_逆变器。【具体实施方式】
[0049]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)。
[0050]图1是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的整体构成图。如该图1所示，本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC) I具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
[0051]燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6内部隔着绝热材料(未图示，但是绝热材料不是必需的构成，也可以没有绝热材料)形成有密封空间8。另外，也可以不设置绝热材料。在该密封空间8的下方部分即发电室10配置有利用燃料气体和氧化剂(空气)进行发电反应的燃料电池单电池集合体12。该燃料电池单电池集合体12具备10个燃料电池电堆14(参照图5)，该燃料电池电堆14由16根燃料电池单电池单元16 (参照图4)构成。如此，燃料电池单电池集合体12具有160根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0052]在燃料电池模块2的密封空间8的上述发电室10的上方形成有燃烧室18，发电反应中未使用的残余的燃料气体和残余的氧化剂(空气)在该燃烧室18内燃烧，生成排放气体。
[0053]而且，在该燃烧室18的上方配置有对燃料气体进行重整的重整器20，利用前述残余气体的燃烧热量将重整器20加热为可进行重整反应的温度。而且，在该重整器20的上方配置有空气用换热器22，用于接收重整器20的热量以加热空气，抑制重整器20的温度下降。
[0054]接下来，辅助设备单元4具备:纯水箱26，贮存来自水管等供水源24的水并通过过滤器使其成为纯水；及水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该贮水箱供给的水的流量。而且，辅助设备单元4具备:气体截止阀32，截断从城市煤气等的燃料供给源30供给的燃料气体；脱硫器36，用于从燃料气体除去硫；及燃料流量调节单元38 (由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节燃料气体的流量。辅助设备单元4还具备:电磁阀42，截断从空气供给源40供给的氧化剂即空气；重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)，调节空气的流量；第I加热器46，加热向重整器20供给的重整用空气；及第2加热器48，加热向发电室供给的发电用空气。上述第I加热器46和第2加热器48是为了高效地进行起动时的升温而设置的，但是也可以省略。
[0055]接下来，在燃料电池模块2上连接有温水制造装置50，其被供给排放气体。该温水制造装置50被供给来自供水源24的自来水，该自来水由于排放气体的热量而成为温水，并被供给至未图示的外部供热水器的贮热水箱。
[0056]而且，在燃料电池模块2上安装有控制箱52，其用于控制燃料气体的供给量等。
[0057]而且，在燃料电池模块2上连接有电力导出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块发出的电力。
[0058]接下来，根据图2及图3，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的内部结构。图2是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模块的侧视剖视图，图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
[0059]如图2及图3所示，在燃料电池模块2的壳体6内的密封空间8内，如上所述，从下方依次配置有燃料电池单电池集合体12、重整器20、空气用换热器22。
[0060]重整器20安装有用于向其上游端侧导入纯水的纯水导入管60和用于导入将要重整的燃料气体和重整用空气的被重整气体导入管62，而且，在重整器20的内部从上游侧依次形成有蒸发部20a和重整部20b，在上述蒸发部20a和重整部20b填充有重整催化剂。导入该重整器20的混合有水蒸气(纯水)的燃料气体及空气通过填充在重整器20内的重整催化剂而被重整。作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予钌的物质。
[0061]在该重整器20的下游端侧连接有燃料气体供给管64，该燃料气体供给管64向下方延伸，进而在形成于燃料电池单电池集合体12下方的分流器66内水平延伸。在燃料气体供给管64的水平部64a的下面上形成有多个燃料供给孔64b，从该燃料供给孔64b向分流器66内供给重整后的燃料气体。
[0062]在该分流器66的上方安装有用于支撑上述燃料电池电堆14的具备贯穿孔的下支撑板68，分流器66内的燃料气体被供给至燃料电池单电池单元16内。
[0063]接下来，在重整器20的上方设置有空气用换热器22。该空气用换热器22在上游侧具备空气汇集室70，在下游侧具备2个空气分配室72，上述空气汇集室70和空气分配室72通过6个空气流路管74而连接。在此，如图3所示，3个空气流路管74成为一组(74a、74b、74c、74d、74e、74f )，空气汇集室70内的空气从各组空气流路管74流入各自的空气分配室72。
[0064]在空气用换热器22的6个空气流路管74内流动的空气利用在燃烧室18燃烧而上升的排放气体进行预热。
[0065]在各个空气分配室72上连接有空气导入管76，该空气导入管76向下方延伸，其下端侧与发电室10的下方空间连通，向发电室10导入预热后的空气。
[0066]接下来，在分流器66的下方形成有排放气体室78。而且，如图3所示，在沿壳体6长度方向的面即前面6a和后面6b的内侧，形成有在上下方向上延伸的排放气体通路80，该排放气体通路80的上端侧与配置有空气用换热器22的空间连通，下端侧与排放气体室78连通。而且，在排放气体室78的下面大致中央连接有排放气体排出管82，该排放气体排出管82的下游端连接于图1所示的上述温水制造装置50。
[0067]如图2所示，用于使燃料气体和空气开始燃烧的点火装置83设置于燃烧室18。
[0068]下面，根据图4对燃料电池单电池单元16进行说明。图4是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
[0069]如图4所示，燃料电池单电池单元16具备燃料电池单电池84和分别连接于该燃料电池单电池84的上下方向端部的内侧电极端子86。
[0070]燃料电池单电池84是在上下方向上延伸的管状结构体，具备在内部形成燃料气体流路88的圆筒形内侧电极层90、圆筒形外侧电极层92、位于内侧电极层90和外侧电极层92之间的电解质层94。该内侧电极层90是燃料气体经过的燃料极，为(_)极，另一方面，外侧电极层92是与空气接触的空气极，为(+ )极。
[0071]由于安装在燃料电池单电池84的上端侧和下端侧的内侧电极端子86为相同结构，所以在此对安装于上端侧的内侧电极端子86具体地进行说明。内侧电极层90的上部90a具备相对于电解质层94和外侧电极层92露出的外周面90b和上端面90c。内侧电极端子86隔着导电性密封材料96与内侧电极层90的外周面90b连接，而且，通过与内侧电极层90的上端面90c直接接触而与内侧电极层90电连接。在内侧电极端子86的中心部形成有与内侧电极层90的燃料气体流路88连通的燃料气体流路98。
[0072]内侧电极层90例如由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。
[0073]电解质层94例如由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化错、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铺、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
[0074]外侧电极层92例如由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr,Co,Ni,Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、N1、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
[0075]下面，根据图5对燃料电池电堆14进行说明。图5是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。
[0076]如图5所示，燃料电池电堆14具备16根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16的下端侧及上端侧分别被陶瓷制下支撑板68及上支撑板100支撑。在这些下支撑板68及上支撑板100上分别形成有内侧电极端子86可贯穿的贯穿孔68a及100a。
[0077]而且，在燃料电池单电池单元16上安装有集电体102及外部端子104。该集电体102由与安装于燃料极即内侧电极层90的内侧电极端子86电连接的燃料极用连接部102a和与空气极即外侧电极层92的外周面整体电连接的空气极用连接部102b —体地形成。空气极用连接部102b由在外侧电极层92的表面沿上下方向延伸的铅垂部102c和从该铅垂部102c沿外侧电极层92的表面在水平方向上延伸的很多水平部102d形成。而且，燃料极用连接部102a从空气极用连接部102b的铅垂部102c朝向燃料电池单电池单元16的位于上下方向的内侧电极端子86，向斜上方或斜下方直线延伸。
[0078]而且，在位于燃料电池电堆14 一端(图5中左端的里侧及跟前侧)的2个燃料电池单电池单元16的上侧端及下侧端的内侧电极端子86上分别连接有外部端子104。这些外部端子104与位于邻接的燃料电池电堆14 一端的燃料电池单电池单元16的外部端子104(未图示)连接，如上所述，160根燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0079]下面，根据图6对安装于本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的传感器类等进行说明。图6是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的框图。
[0080]如图6所示，固体电解质型燃料电池I具备控制部110，该控制部110连接有:操作装置112，具备用于使用者操作的“开”、“关”等操作按钮；显示装置114，用于显示发电输出值(瓦特数)等的各种数据；及警报装置116，在异常状态时等发出警报(warning)。另外，该警报装置116也可以是与位于远距离地点的管理中心连接，向该管理中心通知异常状态的形式。
[0081]接下来，向控制部110输入来自以下说明的各种传感器的信号。
[0082]首先，可燃气体检测传感器120是用于检测气体泄漏的元件，安装于燃料电池模块2及辅助设备单元4。[0083]CO检测传感器122是用于检测原本经过排放气体通路80等向外部排出的排放气体中的CO是否泄漏在覆盖燃料电池模块2及辅助设备单元4的外部壳体(未图示)中的元件。
[0084]热水贮存状态检测传感器124是用于检测未图示的供热水器的热水温度、水量等的元件。
[0085]电力状态检测传感器126是用于检测逆变器54及配电板(未图示)的电流及电压等的兀件。
[0086]发电用空气流量检测传感器128是用于检测向发电室10供给的发电用空气的流量的元件。
[0087]重整用空气流量传感器130是用于检测向重整器20供给的重整用空气的流量的元件。
[0088]燃料流量传感器132是用于检测向重整器20供给的燃料气体的流量的元件。
[0089]水流量传感器134是用于检测向重整器20供给的纯水(水蒸气)的流量的元件。
[0090]水位传感器136是用于检测纯水箱26的水位的元件。
[0091]压力传感器138是用于检测重整器20的外部上游侧的压力的元件。
[0092]排气温度传感器140是用于检测流入温水制造装置50的排放气体的温度的元件。
[0093]如图3所示，发电室温度传感器142设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面侧和背面侧，是用于检测燃料电池电堆14附近的温度，从而估计燃料电池电堆14 (即燃料电池单电池84自身)的温度的元件。
[0094]燃烧室温度传感器144是用于检测燃烧室18的温度的元件。
[0095]排放气体室温度传感器146是用于检测排放气体室78的排放气体的温度的元件。
[0096]重整器温度传感器148是用于检测重整器20的温度的元件，根据重整器20的入口温度和出口温度计算出重整器20的温度。
[0097]外气温度传感器150是当固体电解质型燃料电池(SOFC)配置在室外时用于检测外气温度的元件。而且，也可以设置测定外气湿度等的传感器。
[0098]来自这些传感器类的信号发送至控制部110，控制部110根据这些信号的数据，向水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44、发电用空气流量调节单元45发送控制信号，以控制这些单元的各流量。
[0099]下面，根据图7说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作。图7是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作的时间图。
[0100]最初，为了加热燃料电池模块2，在无负荷状态，即，使包括燃料电池模块2的电路在开路状态下开始运行。此时，由于电路中未流动电流，所以燃料电池模块2不进行发电。
[0101]首先，从重整用空气流量调节单元44经由第I加热器46向燃料电池模块2的重整器20供给重整用空气。而且，与此同时从发电用空气流量调节单元45经由第2加热器48向燃料电池模块2的空气用换热器22供给发电用空气，该发电用空气到达发电室10及燃烧室18。
[0102]随后，还从燃料流量调节单元38供给燃料气体，混合有重整用空气的燃料气体经过重整器20及燃料电池电堆14、燃料电池单电池单元16，到达燃烧室18。
[0103]之后，通过点火装置83进行点燃，使燃烧室18内的燃料气体和空气(重整用空气及发电用空气)燃烧。通过该燃料气体和空气的燃烧生成排放气体，利用该排放气体加热发电室10，而且，排放气体在燃料电池模块2的密封空间8内上升时，在加热重整器20内的包含重整用空气的燃料气体的同时，还加热空气用换热器22内的发电用空气。
[0104]此时，由于通过燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44向重整器20供给混合有重整用空气的燃料气体，因此在重整器20中，进行式(I)所示的部分氧化重整反应Ρ0Χ。由于该部分氧化重整反应POX是发热反应，因此起动性良好。而且，通过燃料气体供给管64向燃料电池电堆14的下方供给该升温后的燃料气体，由此，燃料电池电堆14从下方被加热，而且，由于燃烧室18也通过燃料气体和空气的燃烧而升温，因此燃料电池电堆14还从上方被加热，结果燃料电池电堆14可以大致均等地在上下方向上升温。即使进行该部分氧化重整反应Ρ0Χ，在燃烧室18中也仍然持续保持燃料气体和空气的燃烧反应。
[0105]CmHn+x02 — aC02+bC0+cH2 (I)
[0106]部分氧化重整反应POX开始后，当通过重整器温度传感器148检测到重整器20变为规定温度(例如600°C)时，通过水流量调节单元28、燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44向重整器20供给预先混合有燃料气体、重整用空气及水蒸气的气体。此时,在重整器20中，进行并用有上述的部分氧化重整反应POX和后述的水蒸气重整反应SR的自热重整反应ATR。由于该自热重整反应ATR可取得热量内部平衡，因此在重整器20内以热量自足的状态进行反应。即，当氧(空气)较多时基于部分氧化重整反应POX的发热占支配地位，当水蒸气较多时基于水蒸气重整反应SR的吸热反应占支配地位。由于在该阶段中，已经过起动的初期阶段，发电室10内升温至一定程度的温度，因此即使吸热反应占支配地位也不会引起大幅度的温度下降。而且，在自热重整反应ATR进行中，在燃烧室18中也持续进行燃烧反应。
[0107]式(2)所示的自热重整反应ATR开始后，当通过重整器温度传感器146检测到重整器20变为规定温度(例如，700°C)时，在停止重整用空气流量调节单元44的重整用空气供给的同时，增加水流量调节单元28的水蒸`气供给。由此，向重整器20供给不含空气而仅包含燃料气体和水蒸气的气体，在重整器20中，进行式(3)的水蒸气重整反应SR。
[0108]CmHn+x02+yH20 ^ aC02+bC0+cH2 (2)
[0109]CmHn+xH20 ^ aC02+bC0+cH2 (3)
[0110]由于该水蒸气重整反应SR是吸热反应，因此与来自燃烧室18的燃烧热量取得热平衡并进行反应。由于该阶段是燃料电池模块2起动的最终阶段，因此发电室10内升温至足够高的温度，因而，即使进行吸热反应，也不会导致发电室10大幅度的温度下降。而且，即使进行水蒸气重整反应SR，在燃烧室18中也持续进行燃烧反应。
[0111]如此，燃料电池模块2利用点火装置83点火后，通过依次进行部分氧化重整反应Ρ0Χ、自热重整反应ATR、水蒸气重整反应SR，使发电室10内的温度逐渐上升。之后，当发电室10内及燃料电池单电池84的温度达到比使燃料电池模块2稳定工作的额定温度低的规定发电温度后，使包括燃料电池模块2的电路闭合，开始燃料电池模块2的发电，由此，电流流过电路。通过燃料电池模块2的发电，燃料电池单电池84自身也发热，燃料电池单电池84的温度也上升。其结果，达到使燃料电池模块2工作的额定温度例如600°C至800°C。
[0112]此后，为了保持额定温度，供给比燃料电池单电池84中消耗的燃料气体及空气的量多的燃料气体及空气，使燃烧室18中的燃烧持续。另外，在发电中以重整效率高的水蒸气重整反应SR进行发电。
[0113]下面，根据图8说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的运行停止时的动作。图8是表示本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动作的时间图。
[0114]如图8所示，进行燃料电池模块2的运行停止时，首先，操作燃料流量调节单元38及水流量调节单元28，使燃料气体及水蒸气流向重整器20的供给量减少。
[0115]而且，进行燃料电池模块2的运行停止时，在使燃料气体及水蒸气流向重整器20的供给量减少的同时，使发电用空气流量调节单元45向燃料电池模块2内供给发电用空气的供给量增大，利用空气冷却燃料电池单电池集合体12及重整器20，使它们的温度下降。其后，当重整器20的温度下降至规定温度例如400°C时，停止向重整器20供给燃料气体及水蒸气，结束重整器20的水蒸气重整反应SR。该发电用空气的供给持续至重整器20的温度下降至规定温度例如200°C，在变为该规定温度时，停止从发电用空气流量调节单元45供给发电用空气。
[0116]如此，在本实施方式中，由于进行燃料电池模块2的运行停止时，并用重整器20所进行的水蒸气重整反应SR和基于发电用空气的冷却，因此能够在较短的时间内使燃料电池模块的运行停止。
[0117]下面，参照图6，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池I的控制。
[0118]首先，如图6所示，本实施方式的固体电解质型燃料电池I具备燃料电池控制器即控制部110和逆变器控制器即逆变器控制部111。
[0119]控制部110具`备第I需求电力检测部件110a，根据从需求电力检测器206(图15)输入的需求电力监控信号Ms检测出需求电力。住宅200 (图15)等设施所消耗的总需求电力通过从商用电源供给的系统电力以及从固体电解质型燃料电池I供给的电力而得到供应。作为需求电力检测器206使用电流互感器时，作为需求电力监控信号Ms可得到系统电流(购入电流)作为监控信号，因此，通过从逆变器54得到的输出端的交流电压及发电互联输出电力，使系统电力?发电互联电力合在一起而得到需求电力。而且，也可以通过从逆变器54间接得到上述信息而成为第I需求电力检测部件110a。在本实施方式中，虽然在控制部110中输入有总需求电力中的系统电力而作为需求电力监控信号Ms，但是也可以根据控制部，使用总需求电力作为需求电力监控信号。
[0120]另外，控制部110构成为根据需求电力监控信号Ms等来控制水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44等。而且，控制部110构成为根据来自各种传感器的输入信号以及需求电力监控信号Ms来设定可导出电流值Iinv，向逆变器控制部111输出该值。具体而言，控制部110由微处理器、存储器及使它们工作的程序等构成。
[0121]逆变器控制部111具备第2需求电力检测部件111a，根据从需求电力检测器206(图15)输入的需求电力监控信号Ms检测出需求电力。作为需求电力检测器206使用电流互感器时，作为需求电力监控信号Ms可得到系统电流(购入电流)作为监控信号，因此，通过由逆变器54得到的在输出端所具备的电压检测部件所检测的输出端的交流电压以及输出部中的输出电力检测部件所检测的发电互联输出电力，使系统电力.发电互联电力合在一起而得到需求电力。另外，也可以将上述信息发送给控制部110。逆变器控制部111构成为根据需求电力监控信号Ms以及从控制部110输入的可导出电流值Iinv来控制逆变器54，在不超过可导出电流值Iinv的范围内从燃料电池模块2导出实际导出电流值Ic。具体而言，逆变器控制部111由微处理器、存储器及使它们工作的程序等构成。
[0122]控制部110具备可导出电流值设定部件，其根据燃料电池模块2的状态，依次设定当时可从燃料电池模块2导出的最大电流即可导出电流值Iinv。逆变器控制部111独立于控制部110而控制逆变器54，在不超过从控制部110输入的可导出电流值Iinv的范围内从燃料电池模块2导出实际导出电流值Ic，供给至住宅200 (图15)等的设施。另外，在本实施方式中，控制部110的控制周期为500 [msec]，逆变器控制部111的控制周期为I [msec]以下。如此，控制部110为了控制响应慢的燃料电池模块2而在所必需且充分的控制周期内进行动作，逆变器控制部111在较短的控制周期内进行动作，以对应于急速变动的需求电力而从逆变器54导出电力。另外，控制部110及逆变器控制部111的控制并未同步，逆变器控制部111根据从控制部110输入的可导出电流值Iinv以及需求电力监控信号Ms，独立于控制部110而控制逆变器54。
[0123]下面，参照图9至图14，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池I的作用。图9是用于通过控制部110设定可导出电流值Iinv的控制图表。图10及图11是应用图9所示的控制图表从而决定可导出电流值Iinv的流程图。
[0124]如图9所示，控制部110根据发电室温度Tfc、从燃料电池模块2输出的发电电压Vdc、从商用电源向住宅等设施供给的电力即系统电力W1、从逆变器54输出的电力即互联电力Winv、可导出电流值Iinv的当前值、及燃料供给电流值If，决定可导出电流值Iinv的增加、下降或保持。
[0125]发电室温度Tfc是收容有燃料电池单电池单元16的发电室10内的温度，其通过温度检测部件即发电室温度传感器142而被检测，被输入至控制部110。另外，在本说明书中，将发电室温度Tfc等成为燃料电池模块2的发电能力指标的温度称为“燃料电池模块的
温度”。
[0126]发电电压Vdc是从燃料电池模块2输出的输出电压。
[0127]系统电力Wl是从商用电源对住宅等设施供给的电力，从设施的总需求电力减去由燃料电池供给的电力后的电力相当于该系统电力W1，根据需求电力监控信号Ms而进行检测。
[0128]互联电力Winv是从逆变器54输出的电力。通过电力状态检测传感器126检测出从燃料电池模块2实际导出至逆变器54的电力，从逆变器54输出由该电力变换的电力。从燃料电池模块2实际输出的实际导出电流值Ic [A]根据由电力状态检测传感器126检测出的电力而求出。因而，电力状态检测传感器126作为导出电流检测部件而发挥作用。
[0129]燃料供给电流值If是作为用于求出燃料供给量的基础的电流值，相当于可由供给至燃料电池模块2的燃料供给量(L/min)进行发电的电流值。因此，燃料供给电流值If始终设定为一定不会低于可导出电流值Iinv。
[0130]控制部110判定燃料电池模块2当前的状态符合图9的编号I?9的哪一个，执行图9的右端栏所示的可导出电流值Iinv的变更或保持。
[0131]例如，图9的编号I栏所记载的所有条件同时被满足时，如编号I栏的右端所示，控制部110将可导出电流值Iinv变更为下降5[mA]。如上所述，在本实施方式中，由于控制部110的控制周期为500[msec]，因此当编号I栏的条件被满足的状态连续时，可导出电流值Iinv每500 [msec]各下降5[mA]。此时,可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0132]同样，图9的编号8栏所记载的所有条件同时被满足时，如编号8栏的右端所示，控制部110将可导出电流值Iinv变更为增加10 [mA]。因而，当编号8栏的条件被满足的状态连续时，可导出电流值Iinv以第I电流上升变化率即20[mA/sec]的变化率上升。
[0133]另外，在图9的编号I?8栏所记载的条件都未被满足时，则符合编号9栏的条件，可导出电流值Iinv的值未被变更而得以保持。
[0134]下面，参照图10及图11，说明图9的控制图表的条件的判断顺序。另外，图10及图11中的符号A?D示出处理的转移目标。例如，流程的处理从图10的符号“C”转至图11的符号“C”。
[0135]另外，如以下说明的那样，控制部110构成为，即使在需求电力上升时等而应使可导出电流值Iinv增加的状况下，也仅在未与规定的多个增加限制条件相符合时，使可导出电流值Iinv增加。另外，增加限制条件包括多个电流下降条件及电流保持条件，当符合这些条件时，使可导出电流值Iinv下降或进行保持。而且，多个电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、S11、S13)与多个电流保持条件(图11的S15、S16、S17、S18、S19)相比首先被优先应用。
[0136]首先，图10的步骤SI是判断在可导出电流值Iinv和实际导出电流值Ic之间是否产生了非常大的偏差的步骤，判断在两者之间是否产生了大于1000[mA]的偏差。可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差在短控制周期中初次产生大于1000 [mA]的偏差的情况是指，作为逆变器54因为总需求电力急剧下降或者某种理由而使实际导出电流值Ic急剧下降，由此产生了偏差的状况而进入步骤S2。
[0137]在步骤S2中，判断系统电力Wl是否少于50[W]。系统电力Wl少于50[W]的情况是指，当系统电力Wl进一步减少时，则处于如下状态，即来自逆变器54的输出电力流入商用电源的“逆潮流(系统电力Wl变为负值的状态)”发生的可能性变高。因而，通过S2的判定和SI的判定可以判断为，为了防止因为总需求电力非常大的下落而产生逆潮流，逆变器54处于使实际导出电流值Ic急剧下降的状态。另外，在S2中将系统电力Wl的值设定为50W是指，设置50W程度的安全系数，以避免万一发生逆潮流。
[0138]接下来，在S1、S2双方被判断为“是”的情况下，S卩，在伴随着非常大的总需求电力下落的逆变器54进行逆潮流防止控制的情况下，在步骤S3中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值急剧下降至实际导出电流值Ic的值(对应于图9的编号6)。通过步骤S3的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。由于逆变器54在不超过可导出电流值Iinv的值的范围内导出实际导出电流值Ic，因此通过使可导出电流值Iinv下降而使可导出电流值Iinv=实际导出电流值Ic，从而限制逆变器54擅自使导出电流比当前的导出电流值Ic增加这样的对应。这是为了将如下情况防患于未然而进行的措施，即在总需求电力发生急剧下降的情况下，随后立即发生总需求电力急剧恢复(增力口)的状况的可能性较高，但是在超过1000 [mA]这样的存在较大偏差量的情况下，逆变器54为了响应恢复的总需求电力而急剧地进行电力导出时，会因为控制超调等而导致逆变器54进行误超过需求电力、可导出电流值Iinv的电力导出。换言之，由于在1000 [mA]以下的较小的偏差中，未进行使可导出电流值Iinv变为实际导出电流值Ic的控制，因此容许逆变器54在直至比实际导出电流值Ic高的可导出电流值Iinv的区间内自由迅速地进行电力导出。这是为了如下情况而考虑的进一步的措施，即如果是上述较小的偏差，则不会产生超调所引起的过量的电力导出等的问题，因此，可以快速地跟踪总需求电力的恢复。
[0139]另一方面，在通过步骤SI和S2的判定而判断为并未处于伴随着非常大的总需求电力下降的发生逆潮流的状况时，则进入步骤S4。在步骤S4中，判断可导出电流值Iinv是否大于1[A]。当可导出电流值Iinv大于I [A]时，则进入步骤S5，判断发电电压Vdc是否低于95 [V]。当发电电压Vdc低于95 [V]时，则进入步骤S6。
[0140]在步骤S6中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降10[mA](对应于图9的编号4)。通过步骤S6的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S6的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以20[mA/sec]的电流减少变化率减少。由于可以认为发电电压Vdc低于95[V]时，在从燃料电池模块2向逆变器54导出电力时因燃料电池模块的劣化等而导致产生电压降，因此通过使可导出电流值Iinv下降，从而抑制被逆变器54导出的电流，以减轻施加在燃料电池模块2上的负担。
[0141]另一方面，在步骤S5中，当发电电压Vdc为95[V]以上时，则进入步骤S7。在步骤S7中，判断互联电力Winv是否超过710 [W]。当互联电力Winv超过710 [W]时则进入步骤S8，在步骤S8中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号5)。S卩，当互联电力Winv超过710[W]时，来自燃料电池模块2的输出电力超过额定电力，因此，使从燃料电池模块2导出的电流下降以免超过额定电力。通过步骤S8的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S8的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0142]如此，控制部110通过多个电流下降条件中相符合的电流下降条件，以使可导出电流值Iinv减少的变化率不同的方式，使可导出电流值Iinv变化。
[0143]另一方面，在步骤S7中，当互联电力Winv为710[W]以下时，则进入步骤S9。在步骤S9中，判断发电室温度Tfc是否超过850 [°C ]。当发电室温度Tfc超过850 [°C ]时则进入步骤S10，在步骤SlO中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号2)。即，当发电室温度Tfc超过850[°C ]时，则超过了燃料电池模块2适当的工作温度，因此，使可导出电流值Iinv的值下降，从而等待温度下降。通过步骤SlO的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤SlO的处理连续被执行时,可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0144]另一方面，在步骤S9中，当发电室温度Tfc为850[°C ]以下时，则进入步骤S11。在步骤Sll中，判断发电室温度Tfc是否低于550[°C ]。当发电室温度Tfc低于550[°C ]时则进入步骤S12，在步骤S12中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号3)。即，当发电室温度Tfc低于550[°C ]时，则低于燃料电池模块2可进行适当发电的温度，因此，使可导出电流值Iinv下降。由此，使发电所消耗的燃料减少，将燃料转用于燃料电池单电池单元16的加热，使温度上升。通过步骤S12的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S12的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0145]另一方面，在步骤Sll中，当发电室温度Tfc为550[°C ]以上时，则进入步骤S13。在步骤S13中，判断可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差是否超过400[mA]，且可导出电流值Iinv是否超过I [A]。当可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差超过400 [mA]，且可导出电流值Iinv超过1[A]时，则进入步骤S14，在步骤S14中，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值下降5[mA](对应于图9的编号I)。即，当可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差超过400[mA]时,相对于可导出的电流即可导出电流值Iirw，从燃料电池模块2实际导出的实际导出电流值Ic过少，燃料被白白供给，因此，使可导出电流值Iinv的值下降从而抑制燃料浪费。通过步骤S14的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图10的流程图而步骤S14的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以10[mA/sec]的电流减少变化率减少。
[0146]如此，控制部110在符合多个电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、S11、S13)中的即便一个的情况下，则即使在需求电力上升的状况下，也使可导出电流值Iinv减少(步^6、S8、S10、S12、S14)。
[0147]另一方面，在步骤S4中，可导出电流值Iinv为I [A]以下时，以及在步骤S13中，可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差为400[mA]以下时，则进入图11的步骤S15。
[0148]在步骤S15中，判断可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差是否为300 [mA]以下，在步骤S16中，判断发电电压Vdc是否为100[V]以上，在步骤S17中，判断互联电力Winv是否为690 [W]以下，在步骤S18中，判断发电室温度Tfc是否为600 [°C ]以上，在步骤S19中，判断系统电力W l是否超过40 [W]。当上述条件全部被满足时则进入步骤S20，当上述条件中的即便一个未被满足的条件存在时(对应于图9的编号9)，则进入步骤S21。在步骤S21中，可导出电流值Iinv的值未被变更而保持以前的值，图10及图11的流程图的I次处理结束。
[0149]如此，在本实施方式的固体电解质型燃料电池I中，即使在需求电力上升的状况下，也在规定条件未被满足时，将可导出电流值Iinv保持为一定(图11的步骤S21)。而且，着眼于发电室温度Tfc时，当发电室温度Tfc超过上限阈值即850[°C ]时，则使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S9、S10)，当发电室温度Tfc低于下限阈值即600[°C ]时，则保持可导出电流值Iinv (图11的步骤S18、S21)。而且，当发电室温度Tfc更低而低于550[°C ]时，则使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S11、S12)。
[0150]另一方面，在步骤S20以下的处理中，使可导出电流值Iinv的值上升。控制部110仅在多个电流保持条件(图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)的任意一个都不相符合时，使可导出电流值Iinv增加(图11的步骤S22、S23)。
[0151]即，当可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差超过300 [mA]时(步骤S15)，由于可导出电流值Iinv与实际导出电流值Ic的差比较大，因此不应使可导出电流值Iirw上升。而且，当发电电压Vdc低于100[V]时(步骤S16)，则不应使可导出电流值Iinv上升以避免使能从燃料电池模块2导出的电流增加。另外，当互联电力Winv超过690 [W]时(步骤S17)，来自燃料电池模块2的输出电力已经达到大致额定输出电力，因此,不应使能从燃料电池模块2导出的电流增加。[0152]另外，当发电室温度Tfc低于600 [°C ]时(步骤S18)，则未达到燃料电池模块2可以充分进行发电的温度，因此，不应使可导出电流值Iinv的值上升，避免使能从燃料电池模块2导出的电流增加而在燃料电池单电池单元16上施加负担。而且，当系统电力Wl为40 [W]以下时(步骤S19)，则处于“逆潮流”容易发生的状况，因此，不应使能从燃料电池模块2导出的电流增加。
[0153]当步骤S15至步骤S19的条件全部被满足时，则进入步骤S20。在步骤S20中，判断燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差是否为1000 [mA]以上。求出对应于燃料供给电流值If的燃料供给量，从而向燃料电池模块2进行供给并进行发电运行。因此，换言之，是根据该燃料对燃料电池模块2可发出的电流值进行换算的值。例如，当供给相当于燃料供给电流值If=5[A]的燃料供给量[L/min]时，燃料电池模块2潜在具有安全稳定地输出5[A]的电流的能力。因而，当燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差为1000[mA]时，则变为向燃料电池模块2供给如下分量的燃料，可输出比实际发出的实际导出电流值Ic多1[A]程度的电流。
[0154]在步骤S20中，在燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差为1000 [mA]以上时则进入步骤S22，在少于1000 [mA]时则进入步骤S23。在步骤S22中，处于大量多余的燃料被供给至燃料电池模块2的状态，因此，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值增加100 [mA](对应于图9的编号7)，使可导出电流值Iinv急速上升。通过步骤S22的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图11的流程图而步骤S22的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以第2电流上升变化率即200[mA/sec]的变化率上升。
[0155]另一方面，在步骤S23中，虽然处于使可导出电流值Iinv上升的状况，但是未处于大量多余的燃料被供给至燃料电池模块2的状态，因此，控制部110使指示给逆变器控制部111的可导出电流值Iinv的值增加10 [mA](对应于图9的编号8)，使可导出电流值Iinv平缓上升。通过步骤S23的处理结束，从而图10及图11的流程图的I次处理结束。在每次执行图11的流程图而步骤S23的处理连续被执行时，可导出电流值Iinv以第I电流上升变化率即20[mA/sec]的变化率上升。
[0156]下面，参照图12至图14，说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的作用的一个例子。
[0157]图12的上段中示出电力曲线，下段中示出电流曲线。
[0158]首先，如图12上段中细实线所示，在住宅200等设施的总需求电力细小变动并平缓增加时，与其对应，可导出电流值Iinv也平缓上升(图12的时刻t0?tl)。在此期间，图11的流程图的步骤S23反复被执行，可导出电流值Iinv以20[mA/sec]的第I电流上升变化率上升。逆变器控制部111从控制部110输入可导出电流值Iinv后，独立于控制部110的控制而控制逆变器54，从燃料电池模块2导出不超过可导出电流值Iinv的范围的实际导出电流值Ic。而且，在图12的时刻t0?tl，由于总需求电力始终超过对应于可导出电流值Iirw的电力，因此实际导出电流值Ic与能够导出的上限值即可导出电流值Iirw —致，互联电力Winv也与实际导出电流值Ic 一起上升。在上述状态下，尽管逆变器控制部111独立于控制部110而控制逆变器54，实际导出电流值Ic实质上还是处于控制部110的支配下。另外，燃料供给电流值If稍稍先于可导出电流值Iinv而上升。另外，总需求电力与互联电力Winv的差的不足部分的电力通过系统电力Wl而得到供应。
[0159]之后，在图12的时刻tl，当总需求电力急剧减少时，逆变器控制部111响应于该减少而控制逆变器54，使从燃料电池模块2导出的实际导出电流值Ic (互联电力Winv)减少。控制部110使可导出电流值Iinv减少至与导出电流值Ic相同的值，避免因前述超调而导致进行过量的电力导出(图10的步骤S3)。另一方面，控制部110在时刻tl，未使燃料供给电流值If的值下降而保持于以前的值。这是因为如果使燃料供给量(燃料供给电流值If)与可导出电流值Iinv —起急剧减少，则不仅会导致燃料电池模块2的急剧的温度下降，燃料电池模块2的动作变得不稳定，还由于需求电力急剧下降时需求立即增加的可能性较高，因此虽然想要尽快跟踪该需求，但是在使燃料电池模块2的温度下降后的情况下使其恢复则需要较长时间，因此，为了提高针对该需求的跟踪性而未使燃料供给电流值If下降。因此，在可导出电流值Iirw急剧减少时，燃料供给电流值If与其相比延后减少。在可导出电流值Iinv刚刚减少之后的燃料供给电流值If被保持的状态下，燃料电池模块2相对于能导出的可导出电流值I inv，处于燃料供给量充裕的状态。
[0160]在图12的时刻11?t2，由于总需求电力维持下降的状态，因此控制部110将可导出电流值Iinv的值保持于一定(图11的步骤S21)，而且，燃料供给电流值If的值也以燃料剩余的状态而被保持于一定。
[0161]之后，在时刻t2，总需求电力再次上升时，控制部110将燃料供给电流值If保持于一定，处于流向燃料电池模块2的燃料供给量充裕的状态，因此，使可导出电流值Iinv的值以比通常的变化率(第I电流上升变化率)大的200[mA/sec]的第2电流上升变化率急速上升(图11的步骤S22)。由此，提高相对于总需求的负荷跟踪性。即，使从控制部110输出的可导出电流值Iinv的值上升时，逆变器控制部111在该上升的可导出电流值Iinv的范围内，从燃料电池模块2导出实际导出电流值Ic。通过使可导出电流值Iinv的值急速上升，从而能够从燃料电池模块2导出与燃料供给电流值If相称的较多的电力，可以抑制系统电力Wl的使用量。
[0162]另外，在本实施方式中，通过第2电流上升变化率即200[mA/sec]的较大的电流上升变化率以及第I电流上升变化率即20[mA/sec]的通常的电流上升变化率使可导出电流值Iinv上升。在此，电流上升变化率仅为通常的第I电流上升变化率时，如图12中双点划线所示，可导出电流值Iinv从时刻t2开始平缓地上升。因此，在未使电流上升变化率急速上升时，尽管燃料供给量相同，实际导出电流值Ic还是减少图12中施以斜线的区域部分，燃料被白白消耗。反而言之，通过采用本技术中的需求预测控制，可以解决固体电解质型燃料电池的较大课题即温度变化慢的问题，从而提高针对负荷的快速跟踪性。
[0163]另外，虽然在本实施例中将燃料供给电流值If保持于其原本的状态，但是在燃料供给电流值If与可导出电流值Iinv呈现过大的偏差时，即使考虑到总需求电力的再次恢复，成为剩余燃料的量变得过多也还是会浪费，因此，可以说以停留在不会变成过大的偏差量的程度上来保持燃料供给电流值If是更好的对应。
[0164]在图12的时刻t3，当燃料供给电流值If与实际导出电流值Ic的差变小时，控制部Iio将电流上升变化率变更为第I电流上升变化率即20[mA/sec]，使可导出电流值Iinv的上升变得平缓(图11的步骤S23)。这是为了防止在燃料供给量(燃料供给电流值If)不很充裕的状态下使可导出电流值Iinv急剧上升时，因与独立于控制部110而控制逆变器54的逆变器控制部111的动作的偏差而发生燃料枯竭。
[0165]之后，可导出电流值Iinv的值上升，在图12的时刻t4，当接近于燃料供给电流值If时，使燃料供给电流值If的值也与可导出电流值Iinv—起上升，以相对于可导出电流值Iinv确保规定的余量。
[0166]下面，参照图13，说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的其它作用例。
[0167]在图12所示的作用例中，在时刻tl总需求电力下降后，在燃料供给电流值If的值被保持的期间总需求电力转为上升。与此相对，在图13所示的例子中，总需求电力下降后，其转为上升之前的时间变长。由于将燃料供给电流值If保持于较大值的时间变长时所供给的燃料变得浪费，因此燃料供给电流值If在经过规定的燃料下降等待时间tw后减少。
[0168]在图13的时刻111，总需求电力急剧下降后，在时刻113之前总需求电力维持下降的状态。在本实施方式中，控制部Iio构成为在总需求电力急剧下降，使可导出电流值Iinv下降至实际导出电流值Ic时，其后在燃料下降等待时间tw即15[sec]的期间，将燃料供给电流值If保持于一定。
[0169]在图13所示的例子中，在时刻til总需求电力急剧下降后，即使在经过燃料下降等待时间tw后的时刻tl2，总需求电力还维持下降的状态，因此，控制部110从时刻tl2使燃料供给电流值If (燃料供给量)以规定的减少变化率下降。该减少变化率被选择为燃料电池模块2可保持恰当动作的值。另外，在图13所示的例子中，虽然在经过燃料下降等待时间tw后,使燃料供给电流值If下降,但是在可导出电流值Iinv与燃料供给电流值If的差小于规定量时，即使经过燃料下降等待时间tw，燃料供给电流值If也不下降而被保持。由此，可以防止燃料供给电流值If的微少变动对燃料电池模块2的运行产生不良影响。
[0170]之后，在图13的时刻tl3总需求电力上升时，控制部110使可导出电流值Iinv及燃料供给电流值If上升。但是，由于此时的可导出电流值Iirw的上升并不是在可导出电流值Iinv刚刚急剧减少之后，燃料供给电流值If的值也已减少，因此可导出电流值Iinv的电流上升变化率被设定为通常的值即第I电流上升变化率的20[mA/sec]。即，在图13的时刻tl3，图11的步骤S20的条件未被满足，执行步骤S23。
[0171]另外，虽然在本实施方式中构成为使燃料供给电流值If在15秒钟后下降并中止剩余燃料的保持，但是在总需求电力进一步下降的情况下，由于总需求电力恢复并上升的可能性较低，因此可以说不等待保持燃料供给电流值If的15秒的时间而使燃料供给电流值If快速下降是更好的对策。
[0172]下面，参照图14，说明本实施方式的固体电解质型燃料电池的其它作用例。
[0173]在图14所示的作用例中，在总需求电力急剧下降后，并未上升而总需求电力再次急剧下降。在上述情况下，即使从最初的急剧下降未经过燃料下降等待时间tw，也认为总需求电力立即转为上升的概率较低，因此，控制部110使燃料供给电流值If下降。
[0174]在图14所示的例子中，在时刻t21总需求电力急剧下降后，在经过燃料下降等待时间tw即15 [sec]之前的时刻t22，总需求电力再次急剧下降。如此，在燃料供给电流值If与可导出电流值Iinv的差扩大的情况下，控制部110即使是在从总需求电力最初急剧下降经过燃料下降等待时间tw之前，也从时刻t22使燃料供给电流值If (燃料供给量)以规定的减少变化率下降。之后，在图14的时刻t23总需求电力上升时，控制部110使可导出电流值Iinv及燃料供给电流值If上升。[0175]根据本发明实施方式的固体电解质型燃料电池1，控制部110即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件(图10的步骤S5、S7、S9、S11、S13，图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)时，不使可导出电流值Iinv增加，将可导出电流值Iinv保持于一定的值(图11的步骤S21)，或者使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S6、S8、S10、S12、S14)，因此，可以切实地避免因燃料枯竭等而损伤燃料电池模块2，并使燃料电池模块2稳定地运行。另外，即使在需求电力上升时，也通过保持可导出电流值Iirw或使其下降，从而可以使燃料电池模块2的状态快速地恢复，与立即使可导出电流值Iinv上升时相比，反而还能够提高发电效率。
[0176]通常逆变器54以高响应性被控制，以根据急剧变化的需求电力从燃料电池模块2导出所需的电流。另一方面，由于供给至燃料电池模块2的燃料供给量急剧变化时，燃料电池模块2的发电变得不稳定，因此无法进行响应性高的控制。而且，燃料电池模块2中存在温度等影响发电能力的多个因素，即便使燃料供给量增加，燃料电池模块2的发电能力也未必立即上升。因而，如果像以往的燃料电池那样，无视燃料电池模块的状态，而单纯地使燃料供给量增加，并使导出的电流增加，则有时会在燃料电池模块上施加过度的负担，从而导致加快燃料电池模块劣化。
[0177]另外，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于当发电室温度Tfc等的参数值是不适于使可导出电流值Iinv上升的值时，则保持可导出电流值Iinv (图11的步骤S18、S21)，因此不会在燃料电池模块2上施加新的负担，可以看清是否响应慢的燃料电池模块2的温度上升而状态趋于恢复。另外，当燃料电池模块2的温度进一步下降，而状态进一步恶化时，则使可导出电流值Iinv下降(图10的步骤S11、S12)，从而可以积极地减少对燃料电池模块2的负担。
[0178]而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于与电流保持条件(图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)相比，电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、S1US13)首先被优先应用，因此可以在施加于燃料电池模块2的负担持续时则有可能导致燃料电池模块2损伤的情况下，快速地减轻负担，可以切实地防止燃料电池模块2损伤。
[0179]另外，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于对燃料电池模块2的负担大的可导出电流值的增加(图11的步骤S22、S23)只有在不符合所有电流保持条件(图11的步骤S15、S16、S17、S18、S19)时才被执行，因此在不具备能够使可导出电流值增加的良好程度的情况下，可导出电流值Iinv被保持于一定的值。另外，在电流下降条件(图10的步骤S5、S7、S9、SlU S13)中符合即使I个时，可导出电流值Iinv也立即下降(图10的步骤S6、S8、S10、S12、S14)，可以切实地防止燃料电池模块2损伤。
[0180]而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池I，对于需要急速减少燃料电池模块2的负担的状态，可以使可导出电流值Iinv急速下降(图10的步骤S6)从而快速减少负担，同时对于不需要急速的负担减轻的状态，可以通过使可导出电流值平缓地下降(图10的步骤S8、S10、S12、S14)，从而在燃料电池模块2的状态改善时使可导出电流值Iinv上升，缩短恢复至所需值为止的时间。
[0181]另外，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池1，由于根据燃料电池模块2的温度、燃料电池模块的输出电压Vdc、实际导出电流值Ic及可导出电流值Iinv来判断增加限制条件，因此通过并行监控对燃料电池模块2的发电能力的影响不同的多个参数，从而可以抑制燃料电池模块2劣化，并使燃料电池模块2的发电能力快速恢复。
[0182]而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池I，对于燃料电池模块2的温度下降至比下限阈值低的情况(图11的步骤S18)，则保持可导出电流值Iinv (图11的步骤S21)并等待温度恢复，并且在发生进一步的温度下降时(图10的步骤S11)，使可导出电流值Iinv下降，由此可以缩短可恢复至所需的可导出电流值Iinv为止的时间。另外，对于燃料电池模块2的温度上升侧，通过使可导出电流值立即下降(图10的步骤S9、S10)，从而可以防止燃料电池模块2损伤。
【权利要求】
1.一种固体电解质型燃料电池，是发出与需求电力相应的可变电力的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有: 燃料电池模块，通过所被供给的燃料进行发电； 燃料供给部件，向该燃料电池模块供给燃料； 需求电力检测部件，检测出需求电力； 控制器，根据由该需求电力检测部件检测出的需求电力，控制上述燃料供给部件的燃料供给量，同时根据上述燃料电池模块的状态设定能够从上述燃料电池模块导出的最大电流值即可导出电流值； 逆变器，根据需求电力，在不超过上述可导出电流值的范围内从上述燃料电池模块导出电流，并转换为交流； 及导出电流检测部件，检测出从上述燃料电池模块向上述逆变器实际导出的实际导出电流， 上述控制器即使在需求电力上升时，也在符合规定的增加限制条件时不使上述可导出电流值增加，将上述可导出电流值保持于一定的值，或者使上述可导出电流值下降。
2.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述控制器构成为根据规定的参数来判断上述增加限制条件，即使在需求电力上升时，也在上述规定的参数超过规定阈值时将上述可导出电流值保持于一定的值，在超过上述规定阈值而进一步扩大时则使上述可导出电流值下降。
3.根据权利要求2所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述增加限制条件包括将上述可导出电流值保持于一定值的电流保持条件以及使上述可导出电流值下降的电流下降条件，与上述电流保持条件相比，上述控制器优先应用上述电流下降条件。
4.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述控制器分别具备多个上述电流保持条件以及上述电流下降条件，上述可导出电流值在不符合所有上述多个电流保持条件时增加，在符合上述多个电流下降条件中的即使I个时也下降。
5.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述控制器根据上述多个电流下降条件中符合的电流下降条件，以使可导出电流值下降的变化率不同的方式使上述可导出电流值变化。
6.根据权利要求5所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述增加限制条件根据上述燃料电池模块的温度、上述燃料电池模块的输出电压、实际导出电流及可导出电流值中的多个参数而被判断。
7.根据权利要求6所述的固体电解质型燃料电池，其特征在于，上述燃料电池模块的温度根据下限阈值及上限阈值而被判断，上述燃料电池模块的温度超过上述下限阈值而下降时则上述可导出电流值被保持于一定的值，上述燃料电池模块的温度进一步下降时则使上述可导出电流值下降，上述燃料电池模块的温度超过上述上限阈值而上升时则使上述可导出电流值下降。
【文档编号】H01M8/12GK103828108SQ201180073651
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年9月29日 优先权日:2011年9月29日
【发明者】大塚俊治, 土屋胜久, 重住司, 大江俊春, 中野清隆, 松尾卓哉 申请人:Toto株式会社
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