[发明专利]固体电解质型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体电解质型燃料电池，尤其涉及一种具有根据要求电力的负荷量改变燃料供给量的负荷跟踪功能的固体电解质型燃料电池。

背景技术

为了使燃料电池实用化，使防止燃料电池单电池破损和节能(减少从商用电源得到的系统电力，增大从燃料电池得到的发电电力)共存是最重要的问题。

现在，科学家们正在开展一种燃料电池即固体电解质型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：以下也称为“SOFC”)朝向实用化的开发研究。该SOFC是如下燃料电池，将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在其中一侧供给燃料气体，在另一侧供给空气(氧化剂)，并在较高的温度下发生发电反应来进行发电。

在该SOFC中，由于在供给到燃料电池单电池的氢(燃料)及空气达到稳定地供给到全部燃料电池单电池(例如串联连接的160根燃料电池单电池)的状态之前，供给到燃料电池单电池的氢和空气的量非常少，所以存在如下问题，氢和空气的供给量在各个燃料电池单电池之间变为均等要花费时间。还存在如下问题，由于燃料电池单电池的个体差、温度差等主要原因，所有的燃料电池单电池达到稳定地进行发电反应的目标状态要花费很长时间。而且，再加上重整器的氢重整延迟或氢重整量无法达到目标值这样的问题，因而SOFC存在如下问题，基于上述各种不易管理的不确定因素，在达到理想状态之前的过程中会花费时间。

另一方面，由于无法向电力公司卖电，因此从节能的观点出发，需要SOFC进行负荷跟踪控制，其跟踪由根据时间带等较大变化的使用者(普通家庭等)的需求电力确定的燃料电池的要求电力的变化，使燃料供给量发生变化。但是，由于进行该负荷跟踪控制时，燃料、空气和水的供给量等发生变化，因此供给到各个燃料电池单电池的燃料量和空气量无法变得均等，或供给到重整器的水流量偏离目标值等不良现象有可能加重。并且，由于伴随着负荷跟踪控制还产生燃料电池单电池的温度变化，因此各个燃料电池单电池之间的发电量有可能产生较大的差距。如果上述的不稳定状态累积起来，则有时会引起燃料电池单电池破损这样的严重问题。

为了解决上述问题，在专利文献1中公开有如下燃料电池(磷酸型燃料电池)，在确定根据负荷变化量指示的气体增减量后，经过延迟时间后向燃料电池指示逆变器允许电流值并输出电力，根据该专利文献1的方法，由于在负荷跟踪时等待变为理想的燃料量之后取出电力，因此能够抑制伴随着燃料枯竭的燃料电池单电池破损。但是，由于在取出电力时产生前述时间延迟，所以负荷跟踪性下降，因此从节能性能的立场出发，仅通过前述对应是不充分的。如此，专利文献1的燃料电池无法解决使提高节能性能和抑制燃料电池单电池破损共存这样的课题。

另外，在专利文献2中记载有如下燃料电池，当气体重整部(重整器)的温度变为规定温度以下时，使燃料电池本体对电力转换部(逆变器)的输出停止逐渐增加并维持现状，当温度变为规定温度以上时则使其逐渐增加，以便在重整器因燃料供给不良等暂时陷入加热不足时，防止装置停止运行。

专利文献1：日本国特许第7-307163号公报

专利文献2：日本国特许第2007-220620号公报

如上所述，原本为了提高节能性能，以迅速地跟踪负荷量的方式使进行燃料电池电力取出指示的逆变器允许电流值(逆变器允许电力值)迅速地对应于负荷量，将增加速度及减少速度改变为恰当的值。但是，由于在燃料电池中，发生燃料和水对重整器的供给延迟、重整反应延迟，进而如上所述，燃料电池单电池也在各种状态下发生不确定的时间延迟，因此即使将逆变器允许电流值的增加速度及减少速度变更为设计上理想而恰当的值，也存在因SOFC的各种各样的时间延迟而无法变为理想状态的情况，因此，产生了使燃料电池单电池破损的问题。换言之，在这种燃料电池的特性上，是反馈控制较为困难，而不得不进行前馈控制的状况。因此，往往认为使负荷跟踪迅速进行在技术上实现较为困难。

而且，SOFC存在重要的固有问题。即，在通常的蓄电池中，即使想要取出比可取出的电能大的电能，也在物理上无法从蓄电池取出超过其极限值的量，而且不破损，因此没有任何问题，还能够简单地进行控制。但是，在SOFC中存在如下问题，只要进行超过极限值的电力取出指示，就会从燃料电池单电池取出这样的电力，该过量的电力取出会导致燃料电池单电池破损。由于存在这种固有问题，因此在SOFC中，为了在具有不确定因素的情况下提高负荷跟踪性能，不得不需要精度非常高的控制，因此，认为提高SOFC的节能性能是非常困难的。

发明内容