JP2010257835A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】特殊な測定装置を使用しなくても、燃料電池の運転中に、ガスのリークチェックを容易に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】熱交換器１７に導入される排ガスの温度は第１温度センサ２５によって測定され、熱交換器１７から排出される熱交換後の排ガスの温度は第２温度センサ２７によって測定される。熱交換器１７に導入される水の流量は第４流量計２９によって測定され、その温度は第３温度センサ３１によって測定され、熱交換器１７から排出される熱交換後の湯の温度は第４温度センサ３３によって測定される。つまり、燃料電池１から熱交換器１７に排ガスを導入し、排ガスと水とで熱交換を行い、熱交換器１７における理論回収熱量と実回収熱量とを比較する。理論回収熱量と実回収熱量とから熱回収率（更にはガスリーク率）を求め、その値に基づいてガスリークの判定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池におけるガスリークを検出することができる燃料電池システムに関する。

従来より、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質層の両面に電極を配した燃料電池セルの両面に、酸化剤ガス（通常空気）と燃料ガス（Ｈ₂、メタン、メタノール等）を供給して、発電を行うようになっている。このような燃料電池は、一個の燃料電池セルで得られる電力量は小さいので、セルを複数個使用して燃料電池スタックを構成して大きな電力になるよう設計されている。

この種の燃料電池においては、長時間高温に晒されるため、構成部品の変形や劣化等が生じることがあり、その場合には、徐々に燃料ガス等の漏れ量（リーク量）が増加し、性能（例えば発電能力）が低下するという問題があった。

また、これとは別に、燃料電池においては、経年劣化による性能低下が発生するので、リークによる性能低下なのか経年劣化による性能低下なのかを判別するために、ガス漏れ検出（リークチェック）を実施する必要がある。

この対策として、従来では、例えば特許文献１に記載のように、燃料電池の運転を停止し、保圧用ガスを充填して密閉し、その保圧用ガスの圧力の低下等を検出することにより、発電休止状態でリークチェックを行う方法が知られている。

特開２００７−２６５６６９号公報

ところが、連続運転を基本とする固体酸化物形燃料電池、即ち、発電のために、例えば常時例えば７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う固体酸化物形燃料電池においては、前記特許文献１の技術のように、リークチェックのために発電を休止する方法は適していないという問題があった。

更に、従来の技術では、固体酸化物形燃料電池の連続運転中の破損等による急激なリーク増加などに対応することができないという問題があった。
これとは別に、運転中の固体酸化物形燃料電池に対して、その排ガスを流量計で計測してリークチェックすることが考えられるが、排ガスは、高温で、水蒸気、二酸化炭素、窒素等の多数の成分からなっているため、通常の流量計で流量を計測することが困難であり、特殊なガス分析装置や流量計が必要になるという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、特殊な測定装置を使用しなくても、燃料電池の運転中に、ガスのリークチェックを容易に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

（１）かかる問題を解決するためになされた請求項１の発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置を備え、前記排ガス熱交換装置において前記熱交換媒体によって実際に回収される実回収熱量を計測するとともに、前記排ガス熱交換装置において前記排ガスから回収可能な理論回収熱量を算出し、前記実回収熱量と前記理論回収熱量との比である熱回収率又は前記実回収熱量と前記理論回収熱量との差分を求め、前記熱回収率又は前記差分の変化に基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする。

燃料電池にてガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて、ガスリークの分だけ排ガス熱交換装置に供給される排ガスの流量（従って排ガスの熱量）が減少する。

従って、本発明では、熱交換媒体によって実際に回収される実回収熱量を測定するとともに、排ガスから（リーク無しとした場合に）回収可能な理論回収熱量を算出し、その実回収熱量と理論回収熱量との比である熱回収率又は実回収熱量と理論回収熱量との差分を求める。

なお、熱回収率としては、実回収熱量／理論回収熱量が挙げられる。また、実回収熱量と理論回収熱量との差分としては、「理論回収熱量−実回収熱量」や「実回収熱量−理論回収熱量」、或いは、それらの差分の絶対値が挙げられる。

前記熱回収率又は差分は、ガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて変化する（即ち熱回収率は小さくなり、差分は大きくなる）。よって、熱回収率又は差分の変化に基づいて、ガスリークを検出することができる。

よって、本発明では、従来の様に、発電休止状態でリークチェックを行う必要がなく、運転中にリークチェックを行うことができるので、極めて便利である。
特に、７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う燃料電池（例えば固体酸化物形燃料電池）においては、リークチェックのために発電を休止する方法は適しておらず、よって、本発明のようにリークチェックする手法は極めて好適である。

更に、本発明では、燃料電池の連続運転中の破損等による急激なリーク増加などに対応することができるという利点がある。
その上、本実施例では、運転中の燃料電池に対して、その排ガスを流量計で計測する必要がないので、特別な流量計が不要であり、装置構成を簡易化できるという効果もある。

（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度（Ｔ₃、Ｔ₄）と、前記排ガス熱交換装置に流れる前記熱交換媒体の流量とに基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする。

本発明は、実回収熱量の算出手法を例示したものである。つまり、熱交換媒体の入口温度（Ｔ₃）と出口温度（Ｔ₄）との温度差（ΔＴ）及びに熱交換媒体の流量（Ｖ₄）は、実回収熱量に対応しているので、具体的には、例えば熱交換媒体の入口温度（Ｔ₃）と出口温度（Ｔ４）との温度差（ΔＴ）と熱交換媒体の流量（Ｖ₄）とを掛けた値は、実回収熱量に対応しているので、本発明により、実回収熱量を求めることができる。

なお、実際には、例えば「ΔＴ＊流量＊係数α」により実回収熱量を算出することができる。ここでαとは、熱交換媒体の比熱（温度に比例）を表すものである。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス熱交換装置に流れる前記熱交換媒体の流量が一定の場合に、前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度に基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする。

熱交換媒体の流量が一定の場合には、例えば「ΔＴ＊流量＊係数α」の流量を１つの係数を考えることができる。よって、その場合には、熱交換媒体の入口温度（Ｔ₃）と出口温度（Ｔ₄）との温度差（ΔＴ）に基づいて、実回収熱量を求めることができる。

（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度とに基づいて、前記理論回収熱量を求めることを特徴とする。

理論的に回収可能な熱量は、燃料ガスの流量と排ガスの成分と（排ガス熱交換装置における）排ガスの出入口温度（温度差）に対応しているので、これらの値に基づいて理論回収熱量を算出することができる。

なお、理論回収熱量を算出する場合には、実際には排ガス熱交換装置の固有値（熱交換の性能）等にも影響されるので、この固有値を考慮して算出する。
（５）請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記理論回収熱量をある一定の値になるように、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度と、を制御することを特徴とする。

これにより、理論回収熱量を算出するための毎回の演算が不要になるので、演算の負担を軽減することができる。
（６）請求項６の発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置（熱交換器）と、前記排ガス熱交換装置において排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を回収し水量を測定する凝縮水回収装置（凝縮水タンク）と、を備え、前記凝縮水回収装置にて実際に回収される実凝縮水回収量と、理論的に算出される理論凝縮水回収量とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする。

燃料電池にてガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて、ガスリークの分だけ排ガス熱交換装置に供給される排ガスの流量（従って排ガス中の水分量）が減少する。

従って、本発明では、凝縮水回収装置にて実際に回収される実凝縮水回収量と、理論的に算出される理論凝縮水回収量とに基づいて、ガスリークを検出することができる。
例えば実凝縮水回収量に対応する実際に凝縮水回収装置が満水になるまでの実時間と、理論凝縮水回収量に対応する凝縮水回収装置が満水になるまでの理論時間とを求め、例えば実時間と理論時間との比（時間率＝実時間／理論時間）や、理論時間から実時間を引いた差から、ガスリークを検出することができる。

その他、本発明においても、前記請求項１の発明と同様な効果を奏する。
（７）請求項７の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、前記排ガスの成分とに基づいて、前記理論凝縮水回収量を算出することを特徴とする。

本発明は、理論凝縮水回収量を算出する手法を例示したものである。
（８）請求項８の発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、燃料電池セルの温度（例えば（Ｔ₀））及び燃料電池セルにおける受熱率に基づいて理論的に算出される前記排ガスの温度とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする。

燃料電池の発電量が一定で且つ燃料電池の温度（例えばセル温度）が一定であれば、燃料電池から排出される排ガスの温度が一定である（熱交換される燃料ガスや酸化剤ガスが排ガスから受熱する熱量が一定であるから）。しかし、燃料電池にてガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて、排ガスの温度が変化する（低下する）。

従って、本発明では、燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、燃料電池セルの温度及燃料電池セルにおける受熱率に基づいて理論的に算出される排ガスの温度とに基づいて、ガスリークを検出する。

つまり、排ガスの実際の温度と理論的に算出される温度とに所定以上のズレがある場合には、ガスリークがあると判断することができる。
その他、本発明においても、前記請求項１の発明と同様な効果を奏する。

なお、燃料電池セルとは燃料電池における発電単位であり、前記受熱率とは、（セル温度−排ガス温度）＊排ガス流量／（投入燃料昇温エネルギ）のように定義される。
（９）請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、固体電解質体と燃料極と空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池セルを複数接続した固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池を収容する断熱機能を有する容器（断熱容器）と、を備え、前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該固体酸化物形燃料電池セルの発電により発生する排ガスを燃焼させてから前記容器外に排出する構成を備えたことを特徴とする。

本発明は、燃料電池システムの構成を例示したものである。
７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う固体酸化物形燃料電池においては、リークチェックのために発電を休止する方法は適しておらず、よって、本発明のようにリークチェックする手法は極めて好適である。

実施例１の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す説明図である。 実施例１の固体酸化物形燃料電池システムを示す説明図である。 実施例１の固体酸化物形燃料電池システムのリーク検出の処理を示すフローチャートである。 実施例２の固体酸化物形燃料電池システムを示す説明図である。 実施例３の固体酸化物形燃料電池システムを示す説明図である。 実施例４の固体酸化物形燃料電池システムを示す説明図である。

以下、本発明が適用された燃料電池システムの実施例について図面を用いて説明する。

ａ）まず、本実施例の固体酸化物形燃料電池システム（以下単に燃料電池システムと記す）に用いられる固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記す）ついて説明する。
図１に示す様に、本実施例における燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置であり、発電単位である板状の固体酸化物形燃料電池セル（以下単に燃料電池セルと記す）２が複数個積層されたスタック部分（積層体）３と、その積層体３の両側に配置された補助層４、５、６とを備えている。

なお、燃料電池セル２は、周知の燃料極７、固体電解質体８、空気極９等を備えている。また、前記補助層４〜６としては、空気を予熱する空気予熱層４、発電後の残余の燃料ガスを燃焼させる排ガス燃焼層５、燃料ガスの改質を行う燃料改質層６が挙げられる。

ｂ）次に、本実施例の燃料電池システムについて説明する。
図２に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池１などの動作が、コンピュータを主要部とする電子制御装置１３によって制御されるものであり、例えば、燃料投入量は、燃料電池スタックの発電電流により制御され、また、発電後の理論的なガス組成と熱量も同時に算出され、更に、後述するリークチェック等の処理がなされる。以下、詳細に説明する。

本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１は７００℃程度の高温にて稼働されるために、断熱容器１５に収納されており、また、システム総合効率を高めるために、断熱容器１５から排出される排ガスと熱交換を行う熱交換器（排ガス熱交換装置）１７が設置され、水等の媒体と熱交換し、コジェネレーションシステムとして使用される。

本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量（Ｖ₁）は、第１流量計１９によって測定され、ガス改質のために燃料ガスに混入される水分の流量（Ｖ₂）は、第２流量計２１によって測定され、燃料電池１に供給される空気の流量（Ｖ₃）は第３流量計２３によって測定される。

また、燃料電池１から排出されて熱交換器１７に導入される排ガスの温度（Ｔ₁）は、第１温度センサ２５によって測定され、熱交換器１７から排出される熱交換後の排ガスの温度（Ｔ₂）は、第２温度センサ２７によって測定される。更に、熱交換器１７に導入される熱交換の媒体としても水の流量（Ｖ₄）は第４流量計２９によって測定され、その温度（Ｔ₃）は第３温度センサ３１によって測定され、熱交換器１７から排出される熱交換後の水（湯）の温度（Ｔ₄）は、第４温度センサ３３によって測定される。

なお、各流量計１９〜２３、２９によって測定された流量や、各温度センサ２５、２７、３１、３３によって測定された温度は、電子制御装置１３に入力されて、後述するリーク検出や各種の制御に用いられる。

ｃ）次に、本実施例におけるリーク検出の手法について説明する。
本実施例では、燃料電池１から熱交換器１７に排ガスを導入し、その排ガスと水とで熱交換を行う。そして、この熱交換の際に、熱交換器１７における理論回収熱量と実際に回収された実回収熱量とを比較する。

ここで、燃料電池１にてガスリークが発生している場合には、ガスリーク分の排ガス流量（従って熱量）が消失しているので、理論回収熱量と実回収熱量との間にはガスリークが無い場合に比べてズレが生ずる。なお、ガスリークが無い場合でも、熱交換器１７等から自然に外界に消失する熱量があるので、理論回収熱量と実回収熱量とは一致しないが、ガスリークが無い場合には、理論回収熱量と実回収熱量との比（熱回収率＝実回収熱量／理論回収熱量）は、ある範囲（熱交換器１７の特性によって定まる範囲）内である。

従って、理論回収熱量と実回収熱量とから熱回収率を計算し、その熱回収率の変動が（ガスリークが無い場合の）基準値よりも大きな場合には、ガスリークが発生したと判断する。以下、その手順を順を追って説明する。

(1)図３に示す様に、ステップ（Ｓ）１１０では、燃料電池１に投入される燃料ガス（例えばＣＨ₄）の流量Ｘ、水の流量Ｙ、空気の流量Ｚを、第１〜第３流量センサ１９〜２３にて測定し、その測定値を電子制御装置１３に入力する。なお、これらの流量は、例えばポンプの回転数から予測してもよい。

(2)続くステップ１２０では、下記式により、空気中の酸素と窒素の量を計算する。
酸素： Ｏ₂（投入）＝Ｚ＊０．２１
窒素： Ｎ₂（投入）＝Ｚ＊０．７９
(3)続くステップ１３０では、下記式により、投入された燃料ガスが改質された結果生成する水素とＣＯ₂と残留水分の量を計算する。

水素 ：Ｈ₂（生成）＝Ｘ＊４
２酸化炭素：ＣＯ₂（生成）＝Ｘ＊１
消費した水：Ｈ₂Ｏ（消費）＝Ｘ＊２
残った水 ：Ｈ₂Ｏ（残１）＝Ｙ−Ｈ₂Ｏ（消費）
（なお、前記Ｘに乗ぜられる４、１、２は、メタンの場合であり、燃料の種類により異なる）
(4)続くステップ１４０では、下記式により、発電と燃焼で消費される水素と酸素との反応によって生成する水の量を計算する。

消費水素 ：Ｈ₂（消費）＝Ｈ₂
消費酸素 ：Ｏ₂（消費）＝Ｈ₂（消費）＊０．５
生成水 ：Ｈ₂Ｏ（生成）＝Ｈ₂
（なお、上記式は、Ｈ₂＋１／２Ｏ₂＝Ｈ₂Ｏから計算）
(5)続くステップ１５０では、下記式により、排ガス成分を全て算出する。

残留水素 ：Ｈ₂（残り）＝０
残留窒素 ：Ｎ₂（残）＝Ｎ₂（投入）
残留ＣＯ₂ ：ＣＯ₂（残）＝ＣＯ₂（生成）
残留酸素 ：Ｏ₂（残）＝Ｏ₂（投入）−Ｏ₂（消費）
残留水 ：Ｈ₂Ｏ（残２）＝Ｈ₂Ｏ（残１）＋生成水
（なお、水素は全て消費され、窒素は反応しないので投入したものが出てくる）
(6)続くステップ１６０では、下記式により、燃料電池１から排出される排ガスの温度Ｔ₁（排１）（第１温度センサ２５によって検出された温度Ｔ₁）と、前記ステップ１５０にて求めた排ガス成分とから、排ガスの熱量（理論排ガス熱量１）を計算する。

残留酸素熱量 ：ＥＯ（１）＝Ｏ₂（残）＊Ｔ₁（排１）＊Ｃ（０₂）
残留窒素熱量 ：ＥＮ（１）＝Ｎ₂（残）＊Ｔ₁（排１）＊Ｃ（Ｎ₂）
残留ＣＯ₂熱量 ：ＥＣＯ₂（１）＝ＣＯ₂（残）＊Ｔ₁（排１）＊Ｃ（ＣＯ₂）
残留水熱量 ：ＥＨ₂Ｏ（１）＝Ｈ₂Ｏ（残）＊Ｔ₁（排１）＊Ｃ（Ｈ₂Ｏ）
理論排ガス熱量１：Ｅ（排１）＝ＥＯ（１）＋ＥＮ（１）
＋ＥＣＯ₂（１）＋ＥＨ₂Ｏ（１）
凝縮潜熱 ：Ｅ（凝縮１）＝Ｈ₂Ｏ（残２）＊Ｋ
（なお、Ｃ（０₂）、Ｃ（Ｎ₂）、Ｃ（ＣＯ₂）、Ｃ（Ｈ₂Ｏ）は、一般的に計算可能な各成分の熱容量の既知の値であり、Ｋは一般的な水の凝縮潜熱）
(7)続くステップ１７０では、下記式により、熱交換器１７から排出される（熱交換後の）排ガスの温度Ｔ₂（排２）（第２温度センサ２７によって検出された温度Ｔ₂）と、前記ステップ１５０にて求めた排ガス成分と、その温度から求めた凝縮水量とから、理論熱量２を計算する。

熱交換後酸素熱量 ：ＥＯ（２）＝Ｏ₂（残）＊Ｔ₂（排２）＊Ｃ（０₂）’
熱交換後窒素熱量 ：ＥＮ（２）＝Ｎ₂（残）＊Ｔ₂（排２）＊Ｃ（Ｎ₂）’
熱交換後ＣＯ₂熱量 ：ＥＣＯ₂（２）＝ＣＯ₂（残）＊Ｔ₂（排２）＊Ｃ（ＣＯ₂）’
熱交換後Ｈ₂Ｏ量 ：Ｈ₂Ｏ（残３）＝飽和水蒸気量（Ｔ（排））＊（Ｏ₂（残）
＋Ｎ₂（残）＋ＣＯ₂（残））
熱交換後Ｈ₂Ｏ熱量 ：ＥＨ₂Ｏ（２）＝Ｈ₂Ｏ（残）＊Ｔ₂（排１）＊Ｃ（Ｈ₂Ｏ）’
熱交換後凝縮潜熱 ：Ｅ（凝縮２）＝Ｈ₂Ｏ（残３）＊Ｋ
熱交換後液水熱量（水としての熱の持ち出し量）：Ｅ（水）
＝（Ｈ₂Ｏ（残２）−Ｈ₂Ｏ（残３））／（22.4＊18＊4.186＊Ｔ₂（排２））
理論排ガス熱量２ ：Ｅ（排２）＝ＥＯ（２）＋ＥＮ（２）
＋ＥＣＯ₂（２）＋ＥＨ₂Ｏ（２）＋Ｅ（水）
（なお、Ｃ（０₂）’、Ｃ（Ｎ₂）’、Ｃ（ＣＯ₂）’、Ｃ（Ｈ₂Ｏ）’は、一般的に計算可能な各成分の熱容量の既知の値であり、Ｔ（排）は排ガス又は水温度であり、Ｋは一般的な水の凝縮潜熱である。22.4は標準状態の気体１モルの体積であり、18は水の分子量であり、4.186はＪ→calの変換単位である。また、熱交換後Ｈ₂Ｏ量では、排ガスの体積と飽和水蒸気量との掛け算により蒸気を計算する）
(8)続くステップ１８０では、下記式により、理論排ガス熱量１及び凝縮潜熱から、熱交換後凝縮潜熱と理論排ガス熱量２を引くことで、理論回収熱量を計算する。

理論回収熱量：Ｅ（理論回収）＝
｛Ｅ（排１）＋Ｅ（凝縮１）−Ｅ（排２）−Ｅ（凝縮２）｝＊回収効率
（なお、回収効率は、熱交換器７の固有値である）
(9)続くステップ１９０では、下記式により、熱交換器１７へ導入される水の温度Ｔ₃（第３温度センサ２１により測定した水温Ｔ₃）と、熱交換後の湯温Ｔ₄（第４温度センサ３３により測定した湯温Ｔ₄）と、その水流量Ｖ₄（第４流量計によって測定した水流量）から、実際に回収された実回収熱量を計算する。

実回収熱量：Ｅ（回収）＝｛Ｔ₄（湯）−Ｔ₃（水）｝＊Ｖ₄（水）＊4.186
（なお、水流量は、ポンプの回転数やポンプの駆動電力から求めてもよい）
(10)続くステップ２００では、下記式により、理論回収熱量と実回収熱量とから、熱回収率を計算する。

熱回収率＝（Ｅ（回収）／Ｅ（理論回収）＊１００
(11)続くステップ２１０では、下記式により、実際のガスリーク率を計算する。
ガスリーク率＝１００−熱回収率
(12)続くステップ２２０では、実際のガスリーク率を、予め実験等で求めた判定値（例えばガスリークが無いか或いは所定の許容範囲）と比較し、その差（変動量）が（許容範囲の上限である）基準値を超えるかを判断する。

なお、ガスリーク率ではなく、熱回収率による判定を行ってもよい。例えば熱回収率が（ガスリークの少ない）正常な場合と比べて所定値以上下回った場合には、ガスリークが発生したと判断してもよい。

(13)続くステップ２３０では、前記ステップ２２０の判定結果を、例えばディスプレイ等の出力装置３５（図２参照）に出力し、一旦本処理を終了する。
例えばガスリーク率の変動量が基準値を超えた場合（或いは熱回収率が所定の基準値を下回った場合）には、ガスリークの発生を表示し、そうで無い場合には、正常である旨を表示する。

ｄ）この様に、本実施例では、燃料電池１から熱交換器１７に排ガスを導入し、その排ガスと水とで熱交換と行い、この熱交換に際に、熱交換器１７における理論回収熱量と実際に回収された実回収熱量とを比較している。そして、理論回収熱量と実回収熱量とから熱回収率（更にはガスリーク率）を求め、その値に基づいてガスリークの判定を行っている。

よって、従来の様に、発電休止状態でリークチェックを行う必要がなく、運転中にリークチェックを行うことができるので、極めて便利である。
特に、７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う燃料電池１においては、リークチェックのために発電を休止する方法は適しておらず、よって、高温にて作動させる燃料電池１には極めて好適である。

更に、本実施例では、燃料電池１の連続運転中の破損等による急激なリーク増加などに対応することができるという利点がある。
その上、本実施例では、運転中の燃料電池１に対して、その排ガスを流量計で計測する必要がないので、装置構成を簡易化できるという効果もある。

・なお、本実施例では、熱回収率やガスリーク率に基づいてガスリークを判定したが、これとは別に、例えば理論回収熱量と実回収熱量との差であるガスリーク量に基づいて、ガスリークの判定を行ってもよい。

つまり、ガスリークが許容範囲である正常運転時には、ガスリーク量は所定の基準値以内であるが、故障等によって多量にガスリークが発生した場合には、理論回収熱量と実回収熱量との差であるガスリーク量は増加する。従って、このガスリーク量が所定の判定値以上となった場合に、異常なガスリークが発生したと判断することができる。

・更に、本実施例のように、条件に応じて理論回収熱量を逐次算出するのではなく、理論回収熱量がある一定の値になるように、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量と、燃料電池１から排出される排ガスの成分と、熱交換器７における排ガスの出入口温度とを制御してもよい。

具体的には、例えば下記の様に制御して、理論回収熱量がある一定の値になるようする。
例えば、燃料電池１の一定運転状態において、必要以上の燃料ガス、酸化剤ガス、水を過剰に流すことで、排ガス流量が所定の値となるように調整し、熱回収交換媒体の流量を一定値流すことで、理論回収熱量を一定にする。

これにより、理論回収熱量を算出するための毎回の演算が不要になるので、演算の負担を軽減することができる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図４に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１と同様に、燃料電池４１と熱交換器４３と電子制御装置４５と出力装置４７等を備えている。

また、燃料電池４１に供給される燃料ガスの流量を測定する第１流量計４９と、ガス改質のために燃料ガスに混入される水分の流量を測定する第２流量計５１と、燃料電池４１に供給される空気の流量を測定する第３流量計５３を備えている。

更に、燃料電池４１から排出されて熱交換器４３に導入される排ガスの温度を測定する第１温度センサ５５と、熱交換器４３から排出される熱交換後の排ガスの温度を測定する第２温度センサ５７と、熱交換器４３に導入される水の温度を測定する第３温度センサ５９と、熱交換器４３から排出される熱交換後の水（湯）の温度を測定する第４温度センサ６１を備えている。

本実施例では、前記実施例１の図３のステップ１９０において、水の流量を一定とした場合（即ち排出された湯を蓄える貯湯タンク（図示せず）に余裕がある場合）である。
本実施例では、前記実施例１と同様にガスリークの検出ができるとともに、前記実施例１において使用された水の流量を測定する第４流量計を省略できるという利点がある。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図５に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１と同様に、燃料電池７１と熱交換器７３と電子制御装置７５と出力装置７７等を備えている。

また、燃料電池７１に供給される燃料ガスの流量を測定する第１流量計７９と、ガス改質のために燃料ガスに混入される水分の流量を測定する第２流量計８１と、燃料電池７１に供給される空気の流量を測定する第３流量計８３を備えている。

更に、燃料電池７１から排出されて熱交換器７３に導入される排ガスの温度を測定する第１温度センサ８５と、熱交換器７３から排出される熱交換後の排ガスの温度を測定する第２温度センサ８７と、熱交換器７３に導入される水の温度を測定する第３温度センサ８９と、熱交換器７３から排出される熱交換後の水（湯）の温度を測定する第４温度センサ９１と、熱交換器７３に導入される水の流量を測定する第４流量計９３を備えている。

特に本実施例では、熱交換器７３に導入された排ガス中の水分を凝縮させた凝縮水を凝縮水タンク（凝縮水回収装置）９５に貯留するとともに、凝縮水タンク９５に貯留された凝縮水の水量を検出する水量センサ９７（例えば満水になった場合にＯＮとなるセンサ）を備えている。なお、凝縮水タンク９５が満水に対応する重量となることにより、満水を判定してもよい。

本実施例では、凝縮水タンク９５にて実際に回収される実凝縮水回収量（ここでは実凝縮水回収量に対応した実際に回収にかかる時間）と、理論的に算出される理論凝縮水回収量（ここでは理論凝縮水回収量に対応した回収にかかる時間）とに基づいて、ガスリークを検出する。

具体的には、前記実施例１の図３のステップ１７０で求めた凝縮水量（Ｈ₂Ｏ（残２）−Ｈ₂Ｏ（残３））を運転時間分積算し、このタンク容量から考えられる満水になる時間（理論満水時間）を求めるとともに、実際に水量センサ９７によって測定された満水になるまでの時間（運転開始から水量センサ９７がＯＮとなるまでの時間：実満水時間）とを求め、その比からガスリーク率を求めてガスリーク判定を行うものである。

詳しくは、前記実施例１のステップ１１０〜１７０の処理の後に、下記式により、理論満水時間と実満水時間とを求めてから、ガスリーク率を求める。
理論満水時間＝タンク容量／（（Ｈ₂Ｏ（残２）−Ｈ₂Ｏ（残３））＊運転時間の積算）
実満水時間＝実際にタンクが満水になるまでの時間
ガスリーク率＝１００−（実満水時間／理論満水時間）＊１００
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏する。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図６に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１と同様に、燃料電池１０１と熱交換器１０３と電子制御装置１０５と出力装置１０７等を備えている。

また、燃料電池セルの温度（セル温度Ｔ₀）を検出する第５温度センサ１０９と、燃料電池１０１から排出されて熱交換器１０３に導入される排ガスの温度（Ｔ₁）を測定する第１温度センサ１１１とを備えている。

ここで、燃料電池１０１の発電量が一定（例えば最大又は最小電力固定）で、且つ、セル温度が一定であれば、（ガスが受領する熱量が一定なので）燃料電池１０１から出てくる排ガスの温度が一定であるはずである。

ところが、ガスリークが発生した場合には、この温度条件にズレが発生することになる。従って、本実施例では、この温度のズレを検出することにより、ガスリークを検出することができる。

詳しくは、下記式により、ガスリーク率を求めることができる。
理論排ガス温度＝セル温度＊受熱率
リーク率＝１００−（実際の排ガス温度／理論排ガス温度）＊１００
（なお、受熱率とはセル内のガスが周囲から受ける熱量の割合であり、実験等により求めることができる値である）
本実施例では、ガスリークの判定に必要な流量計やセンサの数が少なく、システム構成を簡易化できるという利点がある。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、本発明は、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、炭酸溶融形燃料電池等、排気ガスとの熱交換手段を持つ全ての燃料電池に適用できる。

１、４１、７１、１０１…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１３、４５、７５、１０５…電子制御装置
１５…断熱容器
１７、４３、７３、１０３…熱交換器
１９、４９、７９…第１流量計
２１、５１、８１…第２流量計
２３、５３、８３…第３流量計
２９、９３…第４流量計
２５、５５、８５、１１１…第１温度センサ
２７、５７、８７…第２温度センサ
３１、５９、…第３温度センサ
３３、６１、９１…第４温度センサ
９５…凝縮水タンク
１０９…第５温度センサ

Claims (9)

1. 燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、
   前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置を備え、
   前記排ガス熱交換装置において前記熱交換媒体によって実際に回収される実回収熱量を計測するとともに、前記排ガス熱交換装置において前記排ガスから回収可能な理論回収熱量を算出し、前記実回収熱量と前記理論回収熱量との比である熱回収率又は前記実回収熱量と前記理論回収熱量との差分を求め、前記熱回収率又は前記差分の変化に基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度と、前記排ガス熱交換装置に流れる前記熱交換媒体の流量とに基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排ガス熱交換装置から排出される前記熱交換媒体の流量が一定の場合に、
   前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度に基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度とに基づいて、前記理論回収熱量を求めることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記理論回収熱量をある一定の値になるように、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度と、を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、
   前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置と、
   前記排ガス熱交換装置において排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を回収し水量を測定する凝縮水回収装置と、
   を備え、
   前記凝縮水回収装置にて実際に回収される実凝縮水回収量と、理論的に算出される理論凝縮水回収量とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、前記排ガスの成分とに基づいて、前記理論凝縮水回収量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
8. 燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、前記燃料電池セルの温度及び前記燃料電池セルにおける受熱率に基づいて理論的に算出される前記排ガスの温度とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   固体電解質体と燃料極と空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池セルを複数接続した固体酸化物形燃料電池と、
   該固体酸化物形燃料電池を収容する断熱機能を有する容器と、
   を備え、
   前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該固体酸化物形燃料電池セルの発電により発生する排ガスを燃焼させてから前記容器外に排出する構成を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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