JP2015185460A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構成で、オフガスラインにおけるオフガスが適量か否かを判断する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。
【解決手段】燃料電池システム１は、アノードオフガス検出ラインＬ４に接続され、第２の燃料電池４１と、第２の燃料電池４１のアノードと電気的に接続される外管４３と、第２の燃料電池４１のカソードと電気的に接続される内管４２と、を有する燃料利用率センサ４０を備える。第２の燃料電池４１のアノードは、直接又はアノードオフガス検出ラインＬ４を介して、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触し、内管４２は、内管内壁４２３及び内管外壁４２４を備える筒状を有し、内管内壁４２３により、大気Ａ１に連通する内管内空間４２１が形成され、第２の燃料電池４１のカソードは、内管４２の一端開口を塞ぐように載置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、検出用燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、水素ガス等のアノードガスが、燃料電池のアノード（燃料極）に供給され、空気等のカソードガスが、燃料電池のカソード（空気極）に供給される。そして、燃料電池は、供給されたアノードガス及びカソードガスを使用して発電する。燃料電池に供給されたアノードガスは、燃料電池で発電に使用された後、アノードオフガスラインを介して、燃料電池から排出される。また、燃料電池に供給されたカソードガスは、燃料電池で発電に使用された後、カソードオフガスラインを介して、燃料電池から排出される。

このような燃料電池システムにおいて、アノードオフガスラインやカソードオフガスラインに検出用燃料電池を配置し、燃料電池から排出されるアノードオフガスやカソードオフガスを検知する技術が知られている（特許文献１参照。）。

特許第３６６４９２５号公報

ところで、燃料電池システムにおいて、燃料電池が安定して発電を行うためには、適量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池に供給される必要がある。そして、適量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池に供給されている場合、燃料電池のアノードオフガスラインには、適量のアノードオフガスが排出され、カソードオフガスラインには、適量のカソードオフガスが排出される。そのため、燃料電池システムにおいては、アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスが適量か否かを検知したり、カソードオフガスラインにおけるカソードオフガスが適量か否かを検知したりすれば、燃料電池が安定して発電しているか否かを知ることができる。

しかし、特許文献１に記載された上記技術は、アノードオフガスやカソードオフガスを検知する技術ではあるものの、アノードオフガスラインにおけるカソードオフガスの漏れと、カソードオフガスラインにおけるアノードオフガスの漏れと、を検知するための技術である。そのため、上記技術は、アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスが適量か否かを検知することはできないし、カソードオフガスラインにおけるカソードオフガスが適量か否かを検知することもできない。また、特許文献１に記載された上記技術においては、アノードオフガスラインやカソードオフガスラインの他に、２本の参照ラインを配置する必要があるため、燃料電池システムの構成が複雑になる。

本発明は、簡単な構成で、オフガスラインにおけるオフガスが適量か否かを判断する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。

本発明は、第１の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池からのアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインから分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインと、前記アノードオフガス検出ラインに接続され、第２の燃料電池と、前記第２の燃料電池のアノードと電気的に接続される外管と、前記第２の燃料電池のカソードと電気的に接続される内管と、を有する燃料利用率センサと、前記外管及び前記内管と電気的に接続され、前記第２の燃料電池において発生する電流、電圧、及び抵抗値のうちの少なくとも１つを検出値として検出する検出部と、を備え、前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通するアノードオフガスに接触し、前記内管は、内管内壁及び内管外壁を備える筒状を有し、前記内管内壁により、大気に連通する内管内空間が形成され、前記第２の燃料電池のカソードは、前記内管の一端開口を塞ぐように載置される燃料電池システムに関する。

また、前記外管は、外管内壁及び外管外壁を備える筒状を有し、前記外管の一端開口は、前記第２の燃料電池のアノードによって塞がれ、前記外管は、前記内管を囲むように配置されて、前記外管と前記内管とにより二重管構造が構成されることが好ましい。

また、前記燃料利用率センサは、前記内管内空間に大気を流通させる貫通孔を有し、前記アノードオフガス検出ラインの延出端の開口を塞ぐ弾性変形可能な蓋体を更に含むことが好ましい。

また、前記アノードオフガス検出ラインの途中には、前記アノードオフガス検出ラインの外周を取り囲むように断熱材が設けられ、前記内管は、前記断熱材を境に、前記内管の一端側の高温領域と、前記内管の他端側の常温領域とに分けられていることが好ましい。

また、前記燃料利用率センサは、前記アノードオフガスラインの下方に配置されることが好ましい。

また、前記燃料利用率センサは、溶融部材と、落下部材と、受止部材と、を有する安全装置を更に備え、前記溶融部材は、前記内管の常温領域の前記内管内壁に設けられ、前記第２の燃料電池が破損した場合に、前記内管内空間にアノードオフガスが流入することで溶融し、前記落下部材は、前記溶融部材の上方側に前記溶融部材に当接して載置され、前記溶融部材が溶融することで前記内管内空間を落下し、前記受止部材は、前記溶融部材の下方側に配置され、落下した前記落下部材と共に前記内管内空間の大気への連通を遮断することが好ましい。

また、前記燃料利用率センサは、前記内管と前記外管との間に配置されたガラスシールを備えることが好ましい。

本発明は、簡単な構成で、オフガスラインにおけるオフガスが適量か否かを判断することができる燃料電池システムを提供することができる。

は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。 は、本発明の実施形態による燃料電池システム１における燃料利用率センサ４０を示す拡大断面図である。 は、本発明の実施形態による燃料電池システム１における燃料利用率センサ４０の安全装置４８の周辺を示す要部拡大断面図である。 は、本発明の実施形態による燃料電池システム１における燃料利用率センサ４０の検出用燃料電池４１の周辺を示す要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態による燃料電池システム１における燃料利用率センサ４０を示す拡大断面図である。図３は、本発明の実施形態による燃料電池システム１における燃料利用率センサ４０の安全装置４８の周辺を示す要部拡大断面図である。図４は、本発明の実施形態による燃料電池システム１における燃料利用率センサ４０の検出用燃料電池４１の周辺を示す要部拡大断面図である。
以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、第１の燃料電池としての燃料電池１１と、検出部としての電圧計１３と、制御部１４と、改質器１５と、燃焼器１６と、燃料ガス供給部２１と、改質水供給部２２と、空気供給部２３と、燃料利用率センサ４０と、を有する。

また、燃料電池システム１は、アノードガス供給ラインＬ１と、カソードガス供給ラインＬ２と、アノードオフガスラインＬ３と、アノードオフガス検出ラインＬ４と、カソードオフガスラインＬ５と、大気開放ラインＬ６と、燃料ガス供給ラインＬ７と、改質水供給ラインＬ８と、排ガスラインＬ９と、を有する。

アノードガス供給ラインＬ１の一端部は、改質器１５に接続されている。アノードガス供給ラインＬ１の他端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードガス供給ラインＬ１には、改質器１５において生成された水素や一酸化炭素、未反応のメタン、未利用の水蒸気等のアノードガスＧ１が流通する。

カソードガス供給ラインＬ２の一端部は、ブロワ（図示しない）やフィルタ（図示しない）等で構成された空気供給部２３に接続されている。カソードガス供給ラインＬ２の他端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードガス供給ラインＬ２には、空気供給部２３から供給された空気等のカソードガスＧ２が流通する。

アノードオフガスラインＬ３の一端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の他端部は、燃焼器１６に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ１としての穴が設けられている。分岐部Ｊ１には、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の一端部の開口が、この穴と連通するように、アノードオフガスラインＬ３に接続されている。アノードオフガス検出ラインＬ４は、アノードオフガスラインＬ３から分岐されて下方へ延出している。アノードオフガス検出ラインＬ４の他端部（下端部）である延出端部の外周面には、図２及び図３に示すように、雄ネジ４９が設けられている。アノードオフガス検出ラインＬ４の他端部である延出端部の開口は、燃料利用率センサ４０を構成するキャップ４７及び蓋体４６により塞がれている。アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４は、例えば、セラミックチューブで形成されている。

アノードオフガス検出ラインＬ４の途中には、断熱材５１が設けられている。断熱材５１は、アノードオフガス検出ラインＬ４の外周を取り囲むように設けられている。これにより、アノードオフガス検出ラインＬ４、燃料利用率センサ４０を構成する内管４２及び外管４３は、断熱材５１を境に、アノードオフガス検出ラインＬ４、内管４２、及び外管４３の一端側の高温領域Ｈと、アノードオフガス検出ラインＬ４、内管４２、及び外管４３の他端側の常温領域Ｌとに分けられている。アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が流通する。

図１に示すように、カソードオフガスラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードオフガスラインＬ５の他端部は、燃焼器１６に接続されている。カソードオフガスラインＬ５には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が流通する。

大気開放ラインＬ６の一端部は、燃料利用率センサ４０を構成する蓋体４６の貫通孔４６３に接続されている。大気開放ラインＬ６の他端部は、大気開放されている。大気開放ラインＬ６には、大気Ａ１が流通する。大気開放ラインＬ６は、例えば、セラミックチューブで形成されている。

燃料ガス供給ラインＬ７の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ５を供給可能な燃料ガス供給部２１に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ７の他端部は、改質器１５に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ７には、燃料ガス供給部２１から供給された燃料ガスＧ５が流通する。

改質水供給ラインＬ８の一端部は、改質水（水蒸気）Ｗ１を供給可能な改質水供給部２２に接続されている。改質水供給ラインＬ８の他端部は、改質器１５に接続されている。改質水供給ラインＬ８には、改質水供給部２２から供給された改質水（水蒸気）Ｗ１が流通する。

排ガスラインＬ９の一端部は、燃焼器１６に接続されている。排ガスラインＬ９の他端部は、図示しない熱交換器等に接続されている。排ガスラインＬ９には、燃焼器１６から排出される排ガスＧ６が流通する。

燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）である。燃料電池１１は、複数の燃料電池セルが積層配置されて、燃料電池スタックとされたものである。燃料電池１１は、改質器１５から供給されたアノードガスＧ１及び空気供給部２３から供給されたカソードガスＧ２を使用して発電する。より具体的には、燃料電池１１は、アノードガスＧ１に含まれる水素及びカソードガスＧ２に含まれる酸素を使用して発電する。

図２〜図４に示すように、燃料利用率センサ４０は、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１と、内管４２及びセル台４４と、外管４３と、ガラスシール４５と、蓋体４６と、キャップ４７と、安全装置４８とを有している。燃料利用率センサ４０は、アノードオフガス検出ラインＬ４に接続され、アノードオフガスラインＬ３の下方に配置されている。

蓋体４６は、ゴム製であり、弾性変形可能である。蓋体４６は、上部筒状部４６１と栓部４６２とを有している。上部筒状部４６１は、上方に延びる円筒状を有している。栓部４６２は、上部筒状部４６１の下端部の開口を塞いでいる。栓部４６２には、栓部４６２を上下方向に貫通する貫通孔４６３が形成されている。貫通孔４６３は、大径部４６４と小径部４６５とを有する。大径部４６４は、栓部４６２の上部に位置する。大径部４６４の下部は、徐々に縮径して小径部４６５に接続されている。小径部４６５は、栓部４６２の下部に位置する。貫通孔４６３は、内管４２の内周面により囲まれて形成された内管内空間４２１に大気Ａ１を連通させる。

キャップ４７は、キャップ筒状部４７１と下端蓋板４７２とを有している。キャップ筒状部４７１は、栓部４６２の外径よりも大きな内径を有する円筒状を有している。キャップ筒状部４７１の内周面には、雌ネジ４７３が設けられており、雌ネジ４７３は、アノードオフガス検出ラインＬ４の延出端部の外周面に設けられた雄ネジ４９に噛合っている。この噛合いにより、キャップ４７はアノードオフガス検出ラインＬ４に固定されている。また、アノードオフガス検出ラインＬ４の内周面が栓部４６２の外周面に密着しているため、アノードオフガス検出ラインＬ４を流通するアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス検出ラインＬ４の外部へ流出しないようにシールされている。下端蓋板４７２は、円盤状を有している。下端蓋板４７２の中央には、キャップ貫通孔４７４が形成されている。キャップ貫通孔４７４には、蓋体４６の下部が貫通している。

外管４３は、ステンレス鋼等により構成されている。外管４３は、外管４３の内周面を有する外管内壁４３１、及び、外管４３の外周面を有する外管外壁４３２を備える円筒状を有している。外管４３の軸心方向における外管４３の長さは、２００ｍｍ程度であり、外径は１７ｍｍ程度である。外管４３は、内管４２を囲むように配置されている。これにより、外管４３と、内管４２とにより、二重管構造が構成される。

外管４３の他端部としての下端部の外周面は、蓋体４６の上部筒状部４６１の内周面に密着している。外管４３の下端部の開口は、蓋体４６の栓部４６２により塞がれている。外管４３の下端部は、電圧計１３に電気的に接続されている。外管４３の一端部としての上端部は、セル固定部４３３を有している。セル固定部４３３の中央には、上下方向にセル固定部４３３を貫通するアノードオフガス流通孔４３４が形成されている。アノードオフガス流通孔４３４の上部は、上方に向かって拡径するすり鉢状部４３５を有している。

アノードオフガス流通孔４３４よりも下側のセル固定部４３３の部分は、下方へ向かって２段階に拡径している。１段目に拡径している部分には、ガラスシール４５を介して、検出用燃料電池４１の端縁、及び、検出用燃料電池４１の上面全面に設けられ検出用燃料電池４１の上面のアノードに密着した集電体４１２の端縁が固定されている。また、ガラスシール４５を介して、環状を有するマイカ４１３の端縁が固定されている。環状を有するマイカ４１３の中央には、集電体４１４が嵌め込まれている。集電体４１４は、検出用燃料電池４１の下面の中央部のカソードに密着すると共に、フランジ部４４１の中央の開口部に密着して開口部を塞いでいる。集電体４１２及び集電体４１４は、導電性を有すると共に、気体透過性を有している。アノードは、集電体４１２を介してセル固定部４３３に電気的に接続されている。カソードは、集電体４１４を介してフランジ部４４１に電気的に接続されている。

２段目に拡径している部分には、ガラスシール４５を介して、セル台４４のフランジ部４４１の端縁が固定されている。即ち、ガラスシール４５は、集電体４１２を介してアノードと電気的に接続される外管４３と、集電体４１４を介してカソードと電気的に接続される内管４２及びセル台４４と、の間に配置されており、アノードと電気的に接続される外管４３と、カソードと電気的に接続される内管４２及びセル台４４と、の間の短絡を防止する。また、セル固定部４３３は、検出用燃料電池４１のアノードに電気的に接続されている。従って、アノードと電気的に接続される外管４３の一端部の開口は、検出用燃料電池４１のアノードによって塞がれている。アノードは、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触する。

内管４２は、ステンレス鋼等により構成されている。内管４２は、内管４２の内周面を有する内管内壁４２３、及び、内管４２の外周面を有する内管外壁４２４を備える円筒状を有している。内管４２の他端部としての下端部は、図３に示すように、蓋体４６の大径部４６４と小径部４６５との接続部分を形成している蓋体４６の部分から上方に離れて、蓋体４６の大径部４６４に挿入されている。内管４２の下部には、割ピン４２５が設けられている。割ピン４２５は、内管４２の外方に向かって内管外壁４２４から突出している。また、内管４２を取り巻くようにして、圧縮バネ４２６が設けられている。圧縮バネ４２６の上端部は、割ピン４２５に当接している。割ピン４２５に代えて、内管外壁４２４に切り欠きが形成され、切り欠きに圧縮バネ４２６の上端部が固定されてもよい。圧縮バネ４２６の下端部は、大径部４６４の上部に形成された段部４６７に当接している。内管４２は、圧縮バネ４２６の付勢力により、上方へ付勢されている。これにより、後述のセル台４４のフランジ部４４１が集電体４１４に密着させられる。内管４２の下端部と、蓋体４６の大径部４６４と小径部４６５との接続部分を形成している蓋体４６の部分との間には、内管下方空間４６６が形成されている。

内管４２の下端部は、電圧計１３に電気的に接続されている。内管４２の内周面により形成される空間は、内管内空間４２１を構成する。内管内空間４２１は、大気開放ラインＬ６を通して大気Ａ１に連通する。内管４２の一端部としての上端部は、外形が縮径する上端縮径部４２２を有している。上端縮径部４２２は、セル台４４の下端部の開口に挿入されている。

セル台４４は、ステンレス鋼等により構成されており、円筒状を有している。セル台４４の上部は、フランジ部４４１を有している。フランジ部４４１より上のセル台４４の部分に、検出用燃料電池４１のカソードは、電気的に接続されて載置されている。従って、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１のカソードは、セル台４４の上端開口を塞ぐことにより、内管４２の一端開口を塞ぐように載置されている。

安全装置４８は、常温領域Ｌに位置している内管４２の内周面に存在している。安全装置４８は、溶融部材４８１と、落下部材４８２と、受止部材４８３とを有している。溶融部材４８１は、内管４２の常温領域Ｌの内管内壁４２３（内管４２の内周面）に設けられている。溶融部材４８１は、内管内壁４２３から突出しているが、内管４２を一周するようには設けられておらず、内管４２の直径位置において対をなして設けられている。溶融部材４８１は、例えば、ロウ材や、ガラス材により構成され、例えば１００〜７００℃程度の融点（軟化点）を有する。溶融部材４８１は、検出用燃料電池４１が破損した場合に、内管内空間４２１にアノードオフガスＧ３が流入することで溶融する。

落下部材４８２は、内管４２の内径よりも径の小さい球形を有している。落下部材４８２は、溶融部材４８１の上方側に、溶融部材４８１に当接して載置される。落下部材４８２は、アノードオフガスＧ３の熱により溶融されない材料、例えば金属材料により形成される。落下部材４８２は、溶融部材４８１が溶融することで内管内空間４２１を落下する。受止部材４８３は、溶融部材４８１の下方側に存在しており、内管４２の内径が縮径するように、内管４２の内方へ突出している。受止部材４８３は、内管４２と一体成形されて構成されている。受止部材４８３は、内管内壁４２３の周方向に沿って全周にわたって形成されている。

受止部材４８３は、溶融部材４８１が溶融することにより落下部材４８２が落下した場合に、上方側から落下する溶融部材４８１及び落下部材４８２を受け止める。これにより、落下部材４８２は、受止部材４８３との間に隙間がない状態で、受止部材４８３の全周にわたって当接する。そして、内管内空間４２１は、受止部材４８３、溶融部材４８１、及び落下部材４８２によって塞がれ、受止部材４８３は、落下した落下部材４８２と共に内管内空間４２１の大気Ａ１への連通を遮断する。

検出用燃料電池４１は、アノードとカソードとの間に固体電解質を挟んだ一つの燃料電池セルであるボタンセルで構成されている。例えば、燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと同じ組成のものが使用される。

図２において、矢印で示されるように、アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４を流通し、大気Ａ１は、大気開放ラインＬ６を流通する。
このように検出用燃料電池４１を配置することによって、検出用燃料電池４１のアノードは、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触し、検出用燃料電池４１のカソードは、大気開放ラインＬ６を介して大気Ａ１に接触する。

検出用燃料電池４１は、アノードに接触するアノードオフガスＧ３及びカソードに接触する大気Ａ１を使用して発電する。より具体的には、検出用燃料電池４１は、アノードオフガスＧ３に含まれる水素及び大気Ａ１に含まれる酸素を使用して発電する。

電圧計１３は、内管４２、外管４３及びセル台４４を介して検出用燃料電池４１のカソード及びアノードに電気的に接続されており、検出用燃料電池４１で発生した電圧を検出値Ｖ１として検出する。電圧計１３は、制御部１４に電気的に接続されており、検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。
制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１に電気的に接続されている。制御部１４は、電圧計１３から出力された検出値Ｖ１に基づいて、制御信号を生成し、この制御信号を燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１に出力する。

燃料ガス供給部２１は、燃料ガス供給ラインＬ７に都市ガス等の燃料ガスＧ５を供給する。また、燃料ガス供給部２１は、制御部１４から出力される制御信号に応じて、燃料ガス供給ラインＬ７に供給する燃料ガスＧ５の量を調整することが可能な構成となっている。例えば、燃料ガス供給部２１は、制御信号に基づいて燃料ガスＧ５の流量を調整することができる流量調整弁等を含んで構成される。
また、燃料電池１１は、制御部１４から出力される制御信号に応じて、発電量を調整することが可能な構成となっている。

改質器１５は、図示しない熱交換器を有している。改質器１５は、熱交換器によって発生した８００℃程度の高温において、燃料ガス供給部２１から供給された燃料ガスＧ５と、改質水供給部２２から供給された改質水（水蒸気）Ｗ１とから、アノードガスＧ１を生成する。このアノードガスＧ１は、燃料電池１１に供給される。
燃焼器１６は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼させて、排ガスＧ６として排ガスラインＬ９に排出する。

本実施形態による燃料電池システム１は、以下のように動作する。
燃料電池システム１が起動されると、燃料ガスＧ５は、燃料ガス供給部２１から燃料ガス供給ラインＬ７を介して改質器１５に供給される。また、改質水Ｗ１は、改質水供給部２２から改質水供給ラインＬ８を介して改質器１５に供給される。改質器１５は、燃料ガスＧ５と改質水Ｗ１とから、アノードガスＧ１を生成し、アノードガス供給ラインＬ１を介して、このアノードガスＧ１を燃料電池１１に供給する。空気供給部２３は、カソードガス供給ラインＬ２を介して、カソードガスＧ２を燃料電池１１に供給する。

燃料電池１１は、アノードガスＧ１及びカソードガスＧ２を使用して発電する。発電に使用されなかったアノードガスＧ１は、アノードオフガスＧ３として燃料電池１１からアノードオフガスラインＬ３に排出される。発電に使用されなかったカソードガスＧ２は、カソードオフガスＧ４として燃料電池１１からカソードオフガスラインＬ５に排出される。
アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４は、燃焼器１６で燃焼し、排ガスＧ６として排ガスラインＬ９に排出される。

アノードオフガスラインＬ３に排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介して検出用燃料電池４１のアノードに接触する。一方、大気開放ラインＬ６を介して、大気Ａ１が検出用燃料電池４１のカソードに接触する。これにより、検出用燃料電池４１は、アノードオフガスＧ３及び大気Ａ１を使用して発電する。

電圧計１３は、検出用燃料電池４１で発生した電圧の値を検出値Ｖ１として検出し、この検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回る値であるか、所定の範囲を上回る値であるか、あるいは、所定の範囲に収まる値であるか、を判断する。ここで、所定の範囲とは、燃料電池システム１が正常に動作している状態（以下、正常な状態ということがある。）において、検出用燃料電池４１から発生する電圧の値が、取り得る範囲のことである。所定の範囲は、例えば、以下のように決定される。作業者が、燃料電池システム１が、所定の状態であることを確認した上で、検出用燃料電池４１で発生する電圧の値を測定する。そして、この電圧の値に許容誤差等のマージンが加味されて、所定の範囲は決定される。なお、所定の状態としては、例えば、燃料電池１１が発電する前の初期状態等のアノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスＧ４の量が既知の状態が考えられる。
所定の範囲の決定は、燃料電池システム１が起動されるたびに、毎回行われるようにしてもよい。

制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料ガス供給部２１は、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増やすように制御されるため、改質器１５に供給される燃料ガスＧ５は増加する。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、検出用燃料電池４１のアノードに接触するアノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態におけるアノードオフガスＧ３の水素濃度に比べて低いということを意味する。また、アノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態における水素濃度に比べて低いということは、アノードオフガスＧ３の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していることを意味する。そして、アノードガスＧ１の供給量は、改質器１５への燃料ガスＧ５の供給量によって決まる。よって、制御部１４は、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量を増加させるために、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。

同様の理由により、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合には、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を減少させるための制御信号を出力する。
また、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合には、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。
なお、燃料電池システム１の起動時においては、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して所定の初期制御信号を出力する。燃料ガス供給部２１は、この所定の初期制御信号に基づいた量の燃料ガスＧ５を改質器１５に供給する。

燃料電池システム１において、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していると、燃料電池１１のスタックが破損することがある。そのため、燃料電池システム１において、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回った場合、改質器１５に対する燃料ガスＧ５の供給量を増加させる必要がある。
一方、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が過剰になっても、燃料電池１１は、必ずしも破損しない。そのため、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合に、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を現在の状態に維持させるための制御信号を出力してもよい。

そのため、所定の範囲は、上限を有さず、下限のみを有する範囲とされてもよい。上述したように、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値である場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値である場合において、制御部１４は、同じ制御（燃料ガス供給部２１に対して、現在の状態に維持させる制御）を行うことがあるからである。
例えば、所定の範囲は、０．９Ｖ以上である範囲に設定されてもよい。このように所定の範囲が設定された場合、制御部１４は、所定の範囲を下回る値（すなわち、所定の範囲外の値）であるか、所定の範囲に収まる値（すなわち、所定の範囲内の値）であるかを判断し、制御信号を出力することになる。
表１は、所定の範囲が０．９Ｖ以上である範囲に設定された場合における制御部１４の動作を例示した表である。

さらに、制御部１４は、燃料電池１１に対しても、制御信号を出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、燃料電池１１に対して、燃料電池１１の出力を低下させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料電池１１は、発電量が減少するように制御されるため、燃料電池１１の発電量は減少する。検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、燃料電池１１が、アノードガスＧ１の供給量に対して、過剰な発電量で発電していることを意味する。よって、制御部１４は、燃料電池１１の発電量を減少させるために、燃料電池１１に対して、燃料電池１１の出力を低下させるための制御信号を出力する。

そして、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合においては、燃料電池１１に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。検出値Ｖ１が所定の範囲を上回るということは、燃料電池１１が、アノードガスＧ１の供給量に対して、不足する発電量で発電していることを意味する。しかし、燃料電池１１の発電量が不足していても、燃料電池１１は、必ずしも破損しない。よって、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合、燃料電池１１に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。

なお、制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１の両方に制御信号を出力してもよいし、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１のいずれか一方に制御信号を出力してもよい。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、一つの燃料電池セルで構成された検出用燃料電池４１を一つ使用して、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断することができる。そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、アノードオフガスラインＬ３におけるアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断できる燃料電池システムが、簡単な構成で実現される。

即ち、上記構成の実施形態に係る燃料電池システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。上述のように、燃料電池システム１は、第１の燃料電池１１と、第１の燃料電池１１に接続され、第１の燃料電池１１からのアノードオフガスＧ３が流通するアノードオフガスラインＬ３と、アノードオフガスラインＬ３から分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインＬ４と、アノードオフガス検出ラインＬ４に接続され、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１と、検出用燃料電池４１のアノードと電気的に接続される外管４３と、検出用燃料電池４１のカソードと電気的に接続される内管４２と、を有する燃料利用率センサ４０と、外管及び内管と電気的に接続され、検出用燃料電池４１において発生する電圧を検出値として検出する検出部１３と、を備える。検出用燃料電池４１のアノードは、アノードオフガス検出ラインＬ４を介して、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触し、内管４２は、内管内壁４２３及び内管外壁４２４を備える筒状を有し、内管内壁４２３により、大気Ａ１に連通する内管内空間４２１が形成され、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１のカソードは、内管４２の一端開口を塞ぐように載置される。

この構成により、アノードオフガスＧ３と大気中の酸素とを用いて簡単な構成により検出用燃料電池４１において電圧を発生させることができる。これにより、検出用燃料電池４１において発生する電圧を検出することにより、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断することができる。

また、外管は、外管内壁４３１及び外管外壁４３２を備える筒状を有し、外管としての外管４３の一端開口は、検出用燃料電池４１のアノードによって塞がれ、外管４３は、内管４２を囲むように配置されて、外管４３と内管４２とにより二重管構造が構成される。

この構成により、アノードオフガスＧ３が大気に漏れること、及び、大気がアノードオフガスラインＬ３に流入することを、容易に防止することができる。

また、燃料利用率センサ４０は、内管内壁４２３の内管内空間４２１に大気Ａ１を流通させる貫通孔４６３を有し、アノードオフガス検出ラインＬ４の延出端の開口を塞ぐ弾性変形可能な蓋体４６を更に含む。

この構成により、アノードオフガスＧ３が大気に漏れること、及び、大気がアノードオフガスラインＬ３に流入することを、確実に防止することができる。

また、アノードオフガス検出ラインＬ４の途中には、アノードオフガス検出ラインＬ４の外周を取り囲むように断熱材５１が設けられている。この構成により、断熱材５１を境にして内管４２を、内管４２の一端側の高温領域Ｈと、内管４２の他端側の常温領域Ｌとに分けることができる。

また、燃料利用率センサ４０は、アノードオフガスラインＬ３の下方に配置される。この構成により、常温領域Ｌで結露により生じた水を燃料利用率センサ４０の下部に溜めることができる。

また、燃料利用率センサ４０は、溶融部材４８１と、落下部材４８２と、受止部材４８３と、を有する安全装置４８を更に備え、溶融部材４８１は、内管４２の常温領域Ｌの内管内壁４２３に設けられ、落下部材４８２は、溶融部材４８１の上方側に溶融部材４８１に当接して載置され、受止部材４８３は、溶融部材４８１の下方側に配置される。

この構成により、検出用燃料電池４１が破損した場合に、内管内空間４２１にアノードオフガスＧ３が流入することで溶融部材４８１を溶融させることができる。溶融部材４８１が溶融することで落下部材４８２を、内管内空間４２１において落下させることができる。また、受止部材４８３は、落下した落下部材４８２と共に内管内空間４２１の大気Ａ１への連通を遮断することができる。

また、燃料利用率センサ４０は、セル台４４と外管４３との間に配置されたガラスシール４５を備える。この構成により、内管と外管との間の短絡を防止することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、本実施形態において、制御部１４は、燃料ガス供給部２１や燃料電池１１の制御を行っていたが、これに限定されない。例えば、空気供給部２３や空気調整弁等の制御を行ってもよい。本発明において、検出用燃料電池４１で得られた検出値Ｖ１は、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１の制御に限られず、様々な用途に使用され得る。例えば、制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回った場合や上回った場合に、アラーム信号を出力して、作業者に注意を促すようにし、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１を制御しないこともあり得る。また、制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回った場合や上回った場合に、燃料電池システム全体を停止させる制御を行うこともあり得る。
すなわち、本発明においては、アノードオフガスラインＬ３におけるアノードオフガスＧ３が適量か否かを判断した後、その判断結果を様々な用途に使用可能である。

本実施形態においては、検出値として電圧が使用されていたが、電流又は抵抗値が使用されてもよい。また、電圧、電流及び抵抗値から選択されるいずれか２つ又はすべてが使用されてもよい。例えば、電力が検出値として使用されてもよい。すなわち、検出値は、電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上が使用されていればよい。

また、本実施形態においては、検出用燃料電池４１のアノードは、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触したが、この構成に限定されない。例えば、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１のアノードは、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に、直接接触してもよい。

本実施形態においては、燃料電池１１は、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）であったが、これに限定されない。また、検出用燃料電池４１は、一つの燃料電池セルで構成されていたが、２つ以上の燃料電池をスタック化したものであってもよい。検出用燃料電池４１を構成する燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと同じ構成のものを用いていたが、これに限定されない。例えば、検出用燃料電池４１を構成する燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと異なる種類のものであってもよい。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池（第１の燃料電池）
１３ 電圧計（検出部）
１４ 制御部
４０ 燃料利用率センサ
４１ 検出用燃料電池（第２の燃料電池）
４２ 内管
４３ 外管
４５ ガラスシール
４６ 蓋体
４８ 安全装置
５１ 断熱材
４２１ 内管内空間
４２３ 内管内壁
４２４ 内管外壁
４３１ 外管内壁
４３２ 外管外壁
４６３ 貫通孔
４８１ 溶融部材
４８２ 落下部材
４８３ 受止部材
Ｌ３ アノードオフガスライン
Ｌ４ アノードオフガス検出ライン
Ａ１ 大気
Ｇ３ アノードオフガス
Ｈ 高温領域
Ｌ 常温領域

Claims (7)

1. 第１の燃料電池と、
   前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池からのアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、
   前記アノードオフガスラインから分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインと、
   前記アノードオフガス検出ラインに接続され、第２の燃料電池と、前記第２の燃料電池のアノードと電気的に接続される外管と、前記第２の燃料電池のカソードと電気的に接続される内管と、を有する燃料利用率センサと、
   前記外管及び前記内管と電気的に接続され、前記第２の燃料電池において発生する電流、電圧、及び抵抗値のうちの少なくとも１つを検出値として検出する検出部と、
   を備え、
   前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通するアノードオフガスに接触し、
   前記内管は、内管内壁及び内管外壁を備える筒状を有し、前記内管内壁により、大気に連通する内管内空間が形成され、
   前記第２の燃料電池のカソードは、前記内管の一端開口を塞ぐように載置される燃料電池システム。
2. 前記外管は、外管内壁及び外管外壁を備える筒状を有し、前記外管の一端開口は、前記第２の燃料電池のアノードによって塞がれ、前記外管は、前記内管を囲むように配置されて、前記外管と前記内管とにより二重管構造が構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料利用率センサは、前記内管内空間に大気を流通させる貫通孔を有し、前記アノードオフガス検出ラインの延出端の開口を塞ぐ弾性変形可能な蓋体を更に含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記アノードオフガス検出ラインの途中には、前記アノードオフガス検出ラインの外周を取り囲むように断熱材が設けられ、前記内管は、前記断熱材を境に、前記内管の一端側の高温領域と、前記内管の他端側の常温領域とに分けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料利用率センサは、前記アノードオフガスラインの下方に配置される、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料利用率センサは、溶融部材と、落下部材と、受止部材と、を有する安全装置を更に備え、
   前記溶融部材は、前記内管の常温領域の前記内管内壁に設けられ、前記第２の燃料電池が破損した場合に、前記内管内空間にアノードオフガスが流入することで溶融し、
   前記落下部材は、前記溶融部材の上方側に前記溶融部材に当接して載置され、前記溶融部材が溶融することで前記内管内空間を落下し、
   前記受止部材は、前記溶融部材の下方側に配置され、落下した前記落下部材と共に前記内管内空間の大気への連通を遮断する、請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料利用率センサは、前記内管と前記外管との間に配置されたガラスシールを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。

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