JP4523297B2 - 燃料電池システム及びその発電方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水素含有ガス中の水素を利用して発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
改質用燃料等を利用して発電を行う燃料電池システムは、改質用燃料等から水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスから高純度の水素を取り出すための水素分離膜装置と、水素をプロトンの状態にし酸素と反応させて発電を行う燃料電池とを備えている。上記改質器は、例えば、改質用燃料と水とによる水蒸気改質反応及び改質用燃料と酸素とによる部分酸化反応等を行って、上記改質ガスを生成している。また、上記水素分離膜装置は、パラジウム等からなる水素分離膜を備えており、この水素分離膜は水素のみを透過させる性質を持っている。また、上記燃料電池は、上記水素分離膜を透過した水素が供給されるアノード流路と、空気等が供給されるカソード流路と、これらの流路の間に配設されたプロトン伝導体（電解質）とを有している。
また、上記水素分離膜装置は、上記水素分離膜の両側に、上記改質ガスが供給される改質ガス側流路と、上記燃料電池に連通される透過側流路とを有している。そして、上記透過側流路には、上記アノード流路から排出されるアノードオフガス又はカソード流路から排出されるカソードオフガス等をパージガスとして流し、上記水素分離膜を透過した水素を上記燃料電池のアノード流路に送り出している。
そして、上記燃料電池システムにおいては、アノード流路に供給した水素をプロトンの状態にして上記プロトン伝導体を透過させ、カソード流路において、プロトン状態の水素と空気中の酸素とを反応させて水を生成しながら発電を行っている。このような燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１、２に示すものがある。
ところで、上記水素分離膜に用いるパラジウム又はバナジウム等は、例えば３００〜６００℃の作動温度範囲においては、良好な水素透過性能を発揮するが、上記作動温度範囲を外れると性能劣化を引き起こすことが知られている。そのため、上記改質器において行う反応の量を調整したり、あるいは上記水素分離膜装置における透過側流路に流すパージガスの流量を調整したりして、水素分離膜における温度が上記作動範囲内になるよう制御している。
しかしながら、上記水素分離膜における温度は、例えば上記改質ガス側流路へ供給される改質ガスの組成、流量等の変化によって急激に変化することがある。そして、このように水素分離膜における温度が急激に変化した場合には、上記制御を行うだけでは十分ではなく、水素分離膜における温度が上記作動温度範囲を外れてしまうおそれがある。
特開２００３−１５１５９９号公報 特開２００１−２２３０１７号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池の電解質体における水素分離金属層に劣化が生じないようにして、水素分離金属層の耐久性を向上させることができる燃料電池システム及びその発電方法を提供しようとするものである。
第１の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、該電解質体の温度を検出する温度検出部とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記カソード流路には、該カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は当該カソード流路における圧力を調整するカソードガス調整器が接続されており、該カソードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
上記制御装置は、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
第２の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記カソード流路には、該カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は当該カソード流路における圧力を調整するカソードガス調整器が接続されており、該カソードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、又は上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項２）。
第３の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、当該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記カソード流路には、該カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は当該カソード流路における圧力を調整するカソードガス調整器が接続されており、該カソードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、
上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路に供給する上記冷媒ガスの温度と上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されており、かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項３）。
本発明の燃料電池システムは、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えた燃料電池を有している。そして、本発明の燃料電池システムにおいては、上記プロトン伝導体層は水分を含浸させずに用いることができるため、上記燃料電池を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができる。
ところで、上記燃料電池のカソード流路においては、このカソード流路に供給したカソードガス中の酸素と、上記アノード流路から上記電解質体を通過して上記カソード流路に供給されたプロトン状態の水素（Ｈ+、水素イオンともいう。）とが反応し、水が生成される。この水の生成反応は、２Ｈ+＋１／２・Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏとして表される。そして、上記反応を行うと共に上記電解質体におけるアノード電極とカソード電極との間から電力を取り出すことにより、上記燃料電池システムは発電を行うことができる。
そして、上記カソードガス調節器を用いた燃料電池の温度の制御は、上記燃料電池の電解質体の温度が上記所定の範囲を外れたとき又は上記所定の範囲を外れることが予測されるときの緊急状態に行うことができる。
ところで、上記燃料電池における発電特性を示す指標として、上記アノード電極とカソード電極との間から取り出される電流密度（Ｉ）と電圧（Ｖ）との関係を示すＩ・Ｖ特性がある。そして、このＩ・Ｖ特性においては、電流密度が増加したときには、燃料電池の抵抗が大きくなり電圧が減少するという性質があることが知られている。
そこで、本発明は、上記緊急状態において、上記Ｉ・Ｖ特性における性質を利用して、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を変化させようとするものである。特に、本発明は、上記カソード電極の構造に依存する分極抵抗による電圧損失（カソード過電圧）は、上記カソード流路における酸素量又は酸素分圧に依存することに着目し、上記カソード過電圧に伴う発熱量を変化させることにより、上記水素分離金属層の温度を変化させることができるものである。
すなわち、上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記改質ガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させる。これにより、カソード流路における酸素量又は酸素分圧が増加し、上記カソード過電圧（電圧損失）が減少する。そして、上記アノード電極とカソード電極との間から取り出す電池出力電力が一定になるよう制御した状態においては、上記カソード過電圧が減少したことによる電圧の増加に伴い、電流密度が減少する。
そのため、上記カソード過電圧及び電流密度の減少により発熱量が低下して、燃料電池の温度上昇が抑制され、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を低下させることができる。これにより、上記水素分離金属層において、劣化が発生することを抑制することができる。
一方、上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記改質ガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させる。これにより、カソード流路における酸素量又は酸素分圧が減少し、上記カソード過電圧（電圧損失）が増加する。そして、上記アノード電極とカソード電極との間から取り出す電池出力電力が一定になるよう制御した状態においては、上記カソード過電圧が増加したことによる電圧の減少に伴い、電流密度が増加する。
そのため、上記カソード過電圧及び電流密度の増加により発熱量が上昇して、燃料電池の温度低下が抑制され、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を上昇させることができる。これによっても、上記水素分離金属層において、劣化が発生することを抑制することができる。
それ故、本発明によれば、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池の電解質体における水素分離金属層に劣化が生じないようにして、この水素分離金属層の耐久性を向上させることができる。
第４の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、該電解質体の温度を検出する温度検出部とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記燃料電池システムは、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させて該電池出力線における電流密度を制御する制御装置を有しており、
上記制御装置は、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項６）。
第５の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記燃料電池システムは、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させて該電池出力線における電流密度を制御する制御装置を有しており、
上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、又は上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項７）。
第６の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、当該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記燃料電池システムは、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させて該電池出力線における電流密度を制御する制御装置を有しており、
上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、
上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路に供給する上記冷媒ガスの温度と上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されており、かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項８）。
本発明の燃料電池システムもまた、上記発明と同様に、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えた燃料電池を用いて、この燃料電池を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させて発電を行うものである。
そして、本発明も、上記緊急状態において、上記Ｉ・Ｖ特性における性質を利用して、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を変化させようとするものである。特に、本発明は、上記燃料電池における発電量自体を変化させることにより、上記燃料電池の抵抗に依存した発熱量を変化させて、上記水素分離金属層の温度を直接変化させることができるものである。
すなわち、本発明の燃料電池システムにおける制御装置は、上記アノード電極とカソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させることにより、電池出力線における電流密度を制御する。
ここで、上記電池出力線における要求電力とは、燃料電池システムが電池出力線に接続した負荷に供給する電力量のことをいう。
そして、上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて、この電池出力線における電流密度を減少させる。これにより、上記燃料電池の抵抗に依存する電圧損失が減少し、この電圧損失に伴う燃料電池の発熱量が減少する。そのため、燃料電池の温度上昇が抑制され、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を低下させることができる。これにより、上記水素分離金属層において、劣化が発生することを抑制することができる。
一方、上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて、この電池出力線における電流密度を増加させる。これにより、上記燃料電池の抵抗に依存する電圧損失が増加し、この電圧損失に伴う燃料電池の発熱量が増加する。そのため、燃料電池の温度低下が抑制され、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を上昇させることができる。これにより、上記水素分離金属層において、劣化が発生することを抑制することができる。
それ故、本発明によっても、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池の電解質体における水素分離金属層に劣化が生じないようにして、この水素分離金属層の耐久性を向上させることができる。
第７の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備え、該燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなる燃料電池システムの発電方法において、
上記水素含有ガスを上記アノード流路に供給し、上記水素含有ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記プロトン状態の水素と上記カソードガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法にある（請求項１４）。
本発明の燃料電池システムの発電方法は、上記発明と同様に、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えた燃料電池を用いて、この燃料電池を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させて発電を行うものである。
そして、上記発明と同様に、上記緊急状態においては、上記制御装置は上記カソードガス調節器を用いて電解質体の温度を制御することができる。
それ故、本発明によっても、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池の電解質体における水素分離金属層に劣化が生じないようにして、この水素分離金属層の耐久性を向上させることができる。
第８の発明は、水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備え、該燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなる燃料電池システムの発電方法において、
上記水素含有ガスを上記アノード流路に供給し、上記水素含有ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記プロトン状態の水素と上記カソードガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法にある（請求項１６）。
本発明の燃料電池システムの発電方法は、上記発明と同様に、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えた燃料電池を用いて、この燃料電池を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させて発電を行うものである。
そして、上記発明と同様に、上記緊急状態においては、上記制御装置は上記電池出力線における要求電力を変化させることにより電解質体の温度を制御することができる。
それ故、本発明によっても、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池の電解質体における水素分離金属層に劣化が生じないようにして、この水素分離金属層の耐久性を向上させることができる。
上述した第１〜第８の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第１〜第３の発明においては、上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させることができるよう構成されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記制御装置は、上記燃料電池システムの緊急状態において、上記カソードガス調整器を用いた燃料電池の温度制御と、上記電池出力線における要求電力を変化させて行う燃料電池の温度制御とを組み合わせることにより、一層最適な温度制御を行うことができる。すなわち、例えば、上記制御装置は、上記燃料電池システムが上記緊急状態になったときには、通常は上記カソードガス調整器を用いた温度制御を行い、より緊急度が高い異常事態が発生したとき等には、上記電池出力線における要求電力を変化させる温度制御を行うことができる。
また、上記カソードガス調整器は、上記カソード流路に上記カソードガスを供給するためのガス加圧器を有していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記制御装置は、上記ガス加圧器における吐出圧力を増加させて上記カソード流路における圧力を増加させることができ、一方、上記ガス加圧器における吐出圧力を減少させて上記カソード流路における圧力を減少させることができる。そのため、上記制御装置は、上記カソード流路における圧力を容易に増減させることができ、上記カソード過電圧に伴う発熱量を容易に変化させることができる。これにより、上記緊急状態において、上記電解質体の温度を一層容易に制御することができる。
なお、本発明において、上記ガス加圧器とは、ガスを加圧して送り出すことができる装置のことをいい、例えば、ポンプ又は圧縮機（コンプレッサー）等のことをいう（以下同様）。
また、上記第１、第２、第４、第５の発明において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成することが好ましい（請求項９）。
また、上記第３、第６の発明において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されている。
ところで、上記燃料電池は、上記反応を行って作動することにより発熱している。そのため、上記制御装置は、上記冷媒流量調整器を操作して、上記冷媒流路を流れる冷媒ガスの流量を調整することにより、電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように制御することができる。これにより、例えば、上記燃料電池システムにおいて何らかの異変等がない燃料電池システムの定常状態、すなわち上記燃料電池システムが上記過度温度上昇時又は過度温度低下時に至らない定常状態においては、制御装置は、冷媒流量調整器を用いて電解質体の温度の制御を行うことができる。
また、上記定常状態においては、上記アノード流路に供給する水素含有ガスの流量及び上記カソード流路に供給するカソードガスの流量等は、できるだけ少なくかつできるだけ一定の量になるよう制御することができる。そのため、上記燃料電池における発電量を安定させることができ、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができる。
なお、上記緊急状態においても、上記冷媒流量調整器と上記カソードガス調節器とを併用して、電解質体の温度の制御を行うことができる。また、上記緊急状態においても、上記冷媒流量調整器だけを用いて電解質体の温度の制御を行うことも考えられるが、上記冷媒流量調整器を操作して上記冷媒流路を流れる冷媒ガスの流量を急激に増減させることは、燃料電池内の温度分布（温度の偏り）を拡大することになってしまい、好ましくない。
また、上記第１、第４の発明において、上記燃料電池は、上記電解質体の温度を検出する温度検出部を有している。
これにより、上記燃料電池内に設けた温度検出部により、上記電解質体の温度を直接的又は間接的に検出することができる。そして、上記制御装置は、上記温度検出部により上記電解質体の温度を認知することができる。
また、上記第２、第５の発明において、上記燃料電池システムは、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、又は上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算するよう構成されている。
これにより、上記制御装置は、上記燃料電池に上記温度検出部を設けることなく、電解質体の温度を認知することができる。
また、上記第３、第６の発明において、上記燃料電池システムは、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路に供給する上記冷媒ガスの温度と上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算するよう構成されている。
これにより、上記制御装置は、上記燃料電池に上記温度検出部を設けることなく、電解質体の温度を認知することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記燃料電池に供給するための上記水素含有ガスを、改質用燃料から生成する改質器を有していることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記のごとく、上記燃料電池は例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができるため、上記改質器から上記水素含有ガスを燃料電池に直接供給することができる。
また、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスは、上記燃料電池の作動温度に近い高温の状態で上記改質器に直接送ることができる。そのため、上記燃料電池システムにおいては、改質器において水素含有ガスを生成する温度と、燃料電池における作動温度とをかなり近づけることができる。
また、上記改質器は、上記改質用燃料から上記水素含有ガスを生成する改質反応流路と、該改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路とを有しており、上記燃料電池システムは、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインと、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスを上記加熱流路に送るためのアノードオフガスラインと、上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスを上記加熱流路に送るための冷媒オフガスラインとを有していることが好ましい（請求項１１）。
この場合には、上記改質器に上記改質反応流路と上記加熱流路とを形成することにより、上記改質器において行う上記部分酸化反応の割合を少なくすることができる。そのため、上記改質反応流路においては、上記改質用燃料を上記水素等を生成する水蒸気改質反応にできるだけ多く用いることができ、改質器への改質用燃料の供給量を少なくすることができる。そのため、燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
ところで、上記カソード流路において反応が行われた後に、このカソード流路から排出されるカソードオフガスは、上記反応に使用されなかった残存酸素と、上記反応によって生成された生成水と、上記燃料電池の高温作動による熱量とを有している。
そのため、上記カソード流路から上記カソードオフガスラインを介して上記改質反応流路に上記カソードオフガスを送ったときには、改質反応流路においては、カソードオフガスが有する上記残存酸素及び上記生成水と上記改質用燃料とを反応させることができるだけでなく、カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して反応を行うことができる。これにより、上記燃料電池システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスは、上記電解質体における水素分離金属層を透過せずに排出される水素及び上記水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素、メタン等の可燃性ガスを有しており、かつ燃料電池の高温作動による熱量を有している。また、上記冷媒ガスに空気等の酸素含有ガスを用いた場合には、上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスは、上記冷媒中に含まれる酸素を有しており、かつ上記燃料電池を通過して加熱された熱量を有している。
そのため、上記アノード流路から上記アノードオフガスラインを介して上記加熱流路に上記アノードオフガスを送り、また、上記冷媒流路から上記冷媒オフガスラインを介して上記加熱流路に上記冷媒オフガスを送ったときには、加熱流路においては、アノードオフガスが有する上記可燃性ガスと冷媒オフガスが有する酸素とを燃焼させることができるだけでなく、アノードオフガス及び冷媒オフガスがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して燃焼を行うことができる。これにより、上記燃料電池システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、上記第１〜第６の発明において、上記カソードオフガスラインには、圧力調整弁が配設されており、上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記圧力調整弁の開度を小さくして上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記過度温度低下時には、上記圧力調整弁の開度を大きくして上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、上記制御装置は、上記燃料電池システムの定常状態においては、上記圧力調整弁の開度を最適に調整しておくことができる。そして、上記制御装置は、上記圧力調整弁の開度を小さくして上記カソード流路における圧力を増加させることができ、一方、上記圧力調整弁の開度を大きくして（例えば全開にすることもできる。）上記カソード流路における圧力を減少させることができる。そのため、上記制御装置は、上記カソード流路における圧力を容易に増減させることができ、上記カソード過電圧に伴う発熱量を容易に変化させることができる。これにより、上記緊急状態において、上記電解質体の温度を一層容易に制御することができる。
また、上記カソードオフガスラインには、三方調整弁が配設されており、上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記三方調整弁を操作して、上記カソードオフガスラインを流れる上記カソードオフガスの一部を排気することにより、上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記三方調整弁を操作して上記カソードオフガスの一部を排気することにより、上記カソード流路における圧力を減少させることができる。
そのため、上記制御装置は、上記カソード流路における圧力を容易に減少させることができ、上記カソード過電圧に伴う発熱量を容易に増加させることができる。これにより、上記緊急状態において、上記電解質体の温度を一層容易に制御することができる。
また、上記第７の発明において、上記過度温度上昇時には、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させることが好ましい（請求項１５）。
この場合には、上記燃料電池システムの緊急状態において、上記カソードガス調整器を用いた燃料電池の温度制御と、上記電池出力線における要求電力を変化させて行う燃料電池の温度制御とを組み合わせることにより、一層最適な温度制御を行うことができる。すなわち、例えば、上記燃料電池システムが上記緊急状態になったときには、通常は上記カソードガス調整器を用いた温度制御を行い、より緊急度が高い異常事態が発生したとき等には、上記電池出力線における要求電力を変化させる温度制御を行うことができる。
また、上記第７、第８の発明において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、上記発電を行う際には、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流路に供給する上記冷媒の流量を制御することが好ましい（請求項１７）。
この場合には、上述したように、上記燃料電池システムの定常状態においては、制御装置は、冷媒流量調整器を用いて電解質体の温度の制御を行うことができ、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記燃料電池に供給するための上記水素含有ガスを、改質用燃料から生成する改質器を有していることが好ましい（請求項１８）。
この場合には、上述したように、改質器から上記水素含有ガスを燃料電池に直接供給することができ、改質器において水素含有ガスを生成する温度と、燃料電池における作動温度とをかなり近づけることができる。
また、上記第１〜第８の発明において、上記制御装置が上記冷媒流量調整器を用いて温度制御を行う上記電解質体の温度の所定の範囲は、燃料電池において良好に発電を行うことができる許容作動温度範囲とすることができる。この許容作動温度範囲は、例えば、３００〜６００℃とすることができる。この場合には、上記燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を、水素透過性能を発揮することができる温度に維持することができる。また、この許容作動温度範囲は、４００〜５００℃とすることがさらに好ましい。この場合には、上記燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を、水素透過性能を発揮する最適な温度に維持することができる。
また、上記電解質体の温度の所定の上限値は、上記許容作動温度範囲の上限値とすることができる。また、この電解質体の温度の所定の上限値は、例えば、上記水素分離金属層を構成する金属の拡散が発生する温度よりも若干低い温度に設定することもできる。また、上記電解質体の温度の所定の下限値は、上記許容作動温度範囲の下限値とすることができる。また、この電解質体の温度の所定の下限値は、例えば、上記水素分離金属層を構成する金属の水素脆化又は水素の被毒が発生する温度よりも若干高い温度に設定することができる。
また、上記改質器においては、例えば、改質用燃料と水とから水素及び一酸化炭素等を生成する水蒸気改質反応と、改質用燃料の一部又は水素と酸素とを燃焼させる部分酸化反応とを行うことができる。そして、水蒸気改質反応により水素を生成する一方、この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、上記部分酸化反応としての発熱反応を行って、改質器における反応温度を高く維持することができる。
また、上記改質用燃料は、例えば、炭化水素燃料又はアルコール燃料等とすることができる。上記炭化水素燃料としては、例えば、メタン、エタン等の燃料ガス、プロパン、ブタン等の液化石油ガス、オクタン等のガソリンがある。また、上記アルコール燃料としては、例えば、メタノール、エタノール等がある。
以下に、図面を用いて本発明の燃料電池システム及びその発電方法にかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
図１、図２に示すごとく、本例の燃料電池システム１は、炭化水素燃料からなる改質用燃料Ｆから水素を含有する水素含有ガスＧａを生成する改質器２と、この改質器２において生成した上記水素含有ガスＧａを利用して発電を行う燃料電池３とを備えている。
上記改質器２は、上記改質用燃料Ｆから上記水素含有ガスＧａを生成する改質反応流路２１と、この改質反応流路２１に隣接形成され燃焼を行ってこの改質反応流路２１を加熱する加熱流路２２とを有している。
また、上記燃料電池３は、上記改質反応流路２１から上記水素含有ガスＧａが供給されるアノード流路３２と、カソードガスＧｃが供給されるカソード流路３３と、このカソード流路３３と上記アノード流路３２との間に配設された電解質体３１と、当該燃料電池３を冷却するための冷媒としての冷媒ガスＧｒが供給される冷媒流路３４とを有している。
また、図２に示すごとく、上記電解質体３１は、上記アノード流路３２に供給された上記水素含有ガスＧａ中の水素を透過させるための水素分離金属層（水素透過金属層）３１１と、この水素分離金属層３１１を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。そして、上記電解質体３１は、上記プロトン伝導体層３１２における上記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１と、上記プロトン伝導体層３１２における上記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１とを有している。
また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、上記冷媒流路３４に供給する上記冷媒ガスＧｒの流量を調整する冷媒流量調整器７と、上記カソード流路３３に供給する上記カソードガスＧｃの流量又は上記カソード流路３３における圧力を調整するカソードガス調整器６と、上記冷媒流量調整器７及び上記カソードガス調整器６を制御する制御装置とを有している。
そして、上記制御装置は、上記電解質体３１の温度Ｔが所定の範囲（燃料電池３の許容作動温度範囲Ｔｐ）内に維持されるように上記冷媒流量調整器７を制御する。
また、上記制御装置は、上記電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐの上限値Ｔｍａｘを超えたときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器６を操作して、上記カソード流路３３に供給する上記カソードガスＧｃの流量又は上記カソード流路３３における圧力を増加させるよう構成されている。
一方、上記制御装置は、上記電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐの下限値Ｔｍｉｎ未満になったときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器６を操作して、上記カソード流路３３に供給する上記カソードガスＧｃの流量又は上記カソード流路３３における圧力を減少させるよう構成されている。
以下に、これを詳説する。
図１、図２に示すごとく、本例の燃料電池システム１は、上記改質反応流路２１から上記アノード流路３２に上記水素含有ガスＧａを供給するための改質ガス供給ライン４２と、上記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃを上記改質反応流路２１に送るためのカソードオフガスライン４６と、上記アノード流路３２から排出されるアノードオフガスＯａを上記加熱流路２２に送るためのアノードオフガスライン４５と、上記冷媒流路３４から排出される上記冷媒オフガスＯｒを上記加熱流路２２に送るための冷媒オフガスライン４７とを有している。
そして、上記改質器２は、その改質反応流路２１において、上記改質用燃料Ｆと上記カソードオフガスＯｃとを反応させて上記水素含有ガスＧａを生成するよう構成されている。また、上記改質器２は、上記加熱流路２２において、上記アノードオフガスＯａと上記冷媒オフガスＯｒとを燃焼させて上記加熱を行うよう構成されている。
図１、図２に示すごとく、上記電解質体３１は、上記アノード電極３２１及び上記カソード電極３３１を上記プロトン伝導体層３１２に接合した接合体と、上記水素分離金属層３１１とを積層接合してなるものである。
また、本例の水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層金属からなる。なお、水素分離金属層３１１は、パラジウム単体から構成することもでき、パラジウムを含有する合金又はパラジウムと他の金属との複合体とすることもできる。また、水素分離金属層３１１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ2を超える水素透過性能（水素分離性能）を有している。こうして、水素分離金属層３１１の仮想導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、本例のプロトン伝導体層３１２は、セラミックスとしてのペロブスカイト型酸化物からなる。そして、プロトン伝導体層３１２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系のもの、ＳｒＣｅＯ3系のものがある。
また、図２に示すごとく、上記電解質体３１は、上記プロトン伝導体層３１２における上記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１（陽極）と、上記プロトン伝導体層３１２における上記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１（陰極）とを有している。また、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間には、上記燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３６が接続されている。
また、本例のプロトン伝導体層３１２におけるアノード電極３２１は、上記水素分離金属層３１１を構成するパラジウムにより構成している。また、本例のプロトン伝導体層３１２におけるカソード電極３３１は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３２１も、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。
本例においては、図１に示すごとく、上記カソードオフガスライン４６には、これを流れるカソードオフガスＯｃを２つに分岐して流すことができるカソードオフガス用三方調整弁６１が配設されている。
そして、上記燃料電池システム１は、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を介して、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器２における改質反応流路２１に送るよう構成されている。また、カソードオフガス用三方調整弁６１は、上記排気するカソードオフガスＯｃの流量と、上記改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記カソードオフガス用三方調整弁６１により、上記カソードオフガスライン４６から上記改質器２における改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量を調整することができる。
これにより、カソードオフガスＯｃ中の酸素量（燃料電池３における反応に使用されなかった残存酸素量）が、改質反応流路２１に必要な酸素量よりも多いときには、カソードオフガス用三方調整弁６１を介してカソードオフガスＯｃの一部を排気することにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
なお、本例において用いる各三方調整弁は、ガスを流入させる入口ポートと、ガスを流出させる出口ポート及びリリーフポートとを有する分岐弁である。そして、本例の分岐弁は、出口ポートとリリーフポートとに分岐させて流すガスの流量の分配比率を調整することができるものである。以下の各実施例に示す各三方調整弁についても同様である。
ところで、上記アノード流路３２への水素含有ガスＧａの流量、上記カソード流路３３へのカソードガスＧｃの流量等が変化し、カソード流路３３におけるプロトン状態の水素量に対する酸素量の比率（カソードストイキ）が変化したときには、プロトン状態の水素との反応に使用されなかったカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量も変化する。このとき、特に、この残存酸素量が、改質反応流路２１に必要な酸素量よりも多いときには、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を介してカソードオフガスＯｃの一部を排気することにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量を減少させることができる。これにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
また、上記燃料電池システム１においては、上記アノード流路３２への水素含有ガスＧａの流量、上記カソード流路３３へのカソードガスＧｃの流量等を変化させて、上記カソードストイキを意識的に変化させることができる。このときには、カソードオフガスＯｃ中におけるプロトン状態の水素と酸素との反応により生成した水の量（水分量）と、上記残存酸素量との比率を調整することができる。そして、このときでも、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を介してカソードオフガスＯｃの一部を排気することにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
また、上記改質器２の改質反応流路２１において、改質用燃料Ｆ中の炭素（Ｃ）のモル量に対するカソードオフガスＯｃ中の水（Ｓ）のモル量を示すＳ／Ｃは、例えば、１．８〜２．５とすることができる。また、上記改質器２の改質反応流路２１において、改質用燃料Ｆ中の炭素（Ｃ）のモル量に対するカソードオフガスＯｃ中の酸素（Ｏ）のモル量を示すＯ／Ｃは、例えば、０．０５〜０．６とすることができる。
また、図１に示すごとく、本例においては、上記アノードオフガスライン４５には、これを流れるアノードオフガスＯａを２つに分岐して流すことができるアノードオフガス用三方調整弁５１が配設されている。
そして、上記燃料電池システム１は、上記アノードオフガス用三方調整弁５１を介して、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成されている。また、アノードオフガス用三方調整弁５１は、上記排気するアノードオフガスＯａの流量と、上記加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記アノードオフガス用三方調整弁５１により、上記アノードオフガスライン４５から上記改質器２における加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａの流量を調整することができる。
これにより、アノードオフガスＯａ中の水素（燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１へ透過されなかった残存水素）、一酸化炭素、メタン等の可燃性ガス量が、加熱流路２２に必要なガス量よりも多いときには、アノードオフガス用三方調整弁５１を介してアノードオフガスＯａの一部を排気することにより、加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａ中の上記可燃性ガス量を適切な量に維持することができる。
また、図１に示すごとく、本例においては、上記冷媒オフガスライン４７には、これを流れる冷媒オフガスを２つに分岐して流すことができる冷媒オフガス用三方調整弁７１が配設されている。
そして、上記燃料電池システム１は、上記冷媒オフガス用三方調整弁７１を介して、冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成されている。また、冷媒オフガス用三方調整弁７１は、上記排気する冷媒オフガスＯｒの流量と、上記加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒの流量との分配比率を調整することができる。
そして、上記冷媒オフガス用三方調整弁７１により、上記冷媒オフガスライン４７から上記改質器２における加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒの流量を調整することができる。これにより、冷媒オフガスＯｒ中の酸素量が、加熱流路２２に必要な酸素量よりも多いときには、冷媒オフガス用三方調整弁７１を介して冷媒オフガスＯｒの一部を排気することにより、加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、上記改質器２における改質反応流路２１に、上記改質用燃料Ｆを供給するための燃料供給ライン４１を有している。そして、上記カソードオフガスライン４６は、上記燃料供給ライン４１に接続されており、この接続部には、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスと燃料供給ライン４１を流れる改質用燃料Ｆとを混合する反応流路用混合弁８８１が配設されている。そして、上記改質器２における改質反応流路２１には、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃとの混合気が供給される。
なお、上記カソードオフガスライン４６は、上記改質反応流路２１に直接接続することもでき、改質反応流路２１内において、カソードオフガスＯｃと改質用燃料Ｆとを混合することもできる。
そして、改質反応流路２１においては、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃ中に含まれる水（高温の水蒸気）とにより水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素等が生成される。また、改質反応流路２１においては、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃ中に含まれる酸素とにより酸化反応が行われ、水、一酸化炭素、二酸化炭素等が生成される。こうして、上記水蒸気改質反応及び酸化反応により、水素及び水等を含有する上記水素含有ガスＧａが生成される。
また、上記水蒸気改質反応は吸熱反応である一方、上記酸化反応は発熱反応であり、酸化反応により改質反応流路２１内の温度の低下を抑制することができる。
また、図１に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、上記アノードオフガスライン４５と上記冷媒オフガスライン４７とは、上記改質器２における加熱流路２２に連通する加熱用ガス混合ライン４５１に接続されている。そして、この接続部には、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａと冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒとを混合する加熱流路用混合弁８８２が配設されている。そして、上記改質器２における加熱流路２２には、アノードオフガスＯａと冷媒オフガスＯｒとの混合気が供給される。
なお、上記アノードオフガスライン４５及び冷媒オフガスライン４７は、それぞれ上記加熱流路２２に直接接続することもでき、加熱流路２２内において、アノードオフガスＯａと冷媒オフガスＯｒとを混合することもできる。
そして、加熱流路２２においては、アノードオフガスＯａ中に含まれる水素等の可燃性ガスと冷媒オフガスＯｒ中に含まれる酸素とにより燃焼反応が行われ、水等が生成される。
こうして、上記加熱流路２２において燃焼反応を行うことにより、上記加熱流路２２から上記改質反応流路２１へと熱量を伝達することができ、改質反応流路２１内の温度が高く維持されるようにすることができる。本例においては、改質反応流路２１における水蒸気改質反応及び酸化反応による熱量と、上記加熱流路２２における燃焼反応とによる熱量とをほぼつり合わせることにより、改質器２において生成する水素含有ガスＧａの温度が所定の温度範囲内に維持されるようにしている。
また、上記加熱流路２２において燃焼反応が行われた後の燃焼オフガスは、加熱流路２２の出口に接続された排気ライン４９から燃料電池システム１の外部に排出される。
また、上記改質器２に加熱流路２２とを形成したことにより、改質反応流路２１において行う酸化反応の割合を少なくすることができる。そのため、改質反応流路２１においては、改質用燃料Ｆを上記水素等を生成するための水蒸気改質反応にできるだけ多く用いることができ、改質反応流路２１への改質用燃料Ｆの供給量を少なくすることができる。
また、図１に示すごとく、上記改質器２における改質反応流路２１と上記燃料電池３におけるアノード流路３２とは、改質反応流路２１において生成された水素含有ガスＧａが流れる改質ガス供給ライン４２を介して接続されている。
また、上記燃料電池３におけるカソード流路３３には、上記カソードガスＧｃをこのカソード流路３３に供給するためのカソードガス供給ライン４３が接続されている。本例のカソードガスＧｃは空気であり、カソードガス供給ライン４３には、カソードガスＧｃとしての空気を加圧して送り出すカソードガス加圧器６０が配設されている。本例のカソードガス加圧器６０はポンプ６０とした。これに対し、カソードガス加圧器６０は、ファン又は圧縮機等とすることもできる。
なお、上記カソードガスＧｃとしては、空気以外にも、酸素を含有するガス又は酸素等を用いることができる。
また、上記燃料電池３における冷媒流路３４には、上記冷媒ガスＧｒをこの冷媒流路３４に供給するための冷媒ガス供給ライン４４が接続されている。本例の冷媒ガスＧｒは空気であり、冷媒ガス供給ライン４４には、冷媒ガスＧｒとしての空気を加圧して送り出す冷媒ガス加圧器７０が配設されている。本例の冷媒ガス加圧器７０はポンプ７０とした。これに対し、冷媒ガス加圧器７０は、ファン又は圧縮機等とすることもできる。
また、上記燃料電池システム１は、上記改質器２における改質反応流路２１から上記燃料電池３におけるアノード流路３２へは、熱交換器又は凝縮器等を介さずに、上記水素含有ガスＧａを直接供給するよう構成されている。また、燃料電池システム１は、燃料電池３におけるカソード流路３３から改質器２における改質反応流路２１へも、熱交換器等を介さずに、上記カソードオフガスＯｃを直接供給するよう構成されている。
なお、図１においては、上記改質器２における改質反応流路２１及び加熱流路２２は、それぞれ１つずつ形成した場合を示している。これに対し、上記改質器２は、改質反応流路２１と加熱流路２２とをそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
また、図１、図２においては、上記燃料電池３におけるアノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４は、それぞれ１つずつ形成した場合を示している。これに対し、上記燃料電池３は、アノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４をそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
また、図２に示すごとく、上記燃料電池３は、その電解質体３１の温度Ｔを検出する温度検出部３５を有している。そして、上記制御装置は、温度検出部３５からの温度信号を受け取って、上記カソードガス調整器６を制御するよう構成されている。本例の温度検出部３５は温度センサ３５であり、この温度センサ３５を燃料電池３内に埋設している。また、本例の温度センサ３５は、冷媒流路３４内に埋設されており、制御装置は、冷媒流路３４内の温度を測定することにより、電解質体３１の温度Ｔを間接的に検出することができる。
なお、温度センサ３５は、カソード流路３３、又はカソード流路３３と冷媒流路３４との間に形成したセパレータ３４０の内部等に埋設することもできる。また、温度センサ３５は電解質体３１に直接設けることもでき、制御装置は、電解質体３１の温度Ｔを直接的に検出することもできる。
また、上記温度検出部３５としての温度センサ３５は、アノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４の内部にそれぞれ埋設することができる。そして、制御装置は、各温度センサ３５のうちの最も高い温度から上記過度温度上昇時を認知することができ、各温度センサ３５のうちの最も低い温度から上記過度温度低下時を認知することができる。
また、上記電解質体３１の温度Ｔは、上記アノード流路３２に供給する水素含有ガスＧａの温度とアノード流路３２から排出されるアノードオフガスＯａの温度との一対の温度、上記カソード流路３３に供給するカソードガスＧｃの温度とカソード流路３３から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路３４に供給する冷媒ガスＧｒの温度と冷媒流路３４から排出される冷媒オフガスＯｒの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から推算することもできる。この場合には、上記制御装置は、上記燃料電池３に上記温度検出部３５を埋設することなく、電解質体３１の温度Ｔを認知することができる。
具体的には、図３に示すごとく、上記水素含有ガスＧａの温度とアノードオフガスＯａの温度とは、上記改質ガス供給ライン４２内に配設した温度計３５１と、上記アノードオフガスライン４５内に配設した温度計３５２とから検出することができる。また、カソードガスＧｃの温度とカソードオフガスＯｃの温度とは、上記カソードガス供給ライン４３内に配設した温度計３５３と、上記カソードオフガスライン４６内に配設した温度計３５４とから検出することができる。また、上記冷媒ガスＧｒの温度と冷媒オフガスＯｒの温度とは、上記冷媒ガス供給ライン４４内に配設した温度計３５５と、上記冷媒オフガスライン４７内に配設した温度計３５６とから検出することができる。
また、上記各温度計３５１〜３５６は、それぞれアノード流路３２に供給する水素含有ガスＧａの流量、カソード流路３３に供給するカソードガスＧｃの流量、冷媒流路３４に供給する冷媒ガスＧｒの流量を調整するときに用いるものを兼用することができる。
図１に示すごとく、本例の冷媒流量調整器７は、上記冷媒ガス加圧器７０としてのポンプ７０である。また、本例のカソードガス調整器６は、上記カソードガス加圧器６０としてのポンプ６０と、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２と、上記カソードオフガス用三方調整弁６１とを用いて構成されている。本例のカソードオフガス用圧力調整弁６２は、その内部の流路を絞ることができる絞り弁である。
本例においては、上記制御装置は、上記燃料電池システム１において何らかの異変等がない燃料電池システム１の定常状態においては、冷媒流量調整器７を用いて燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔの制御を行う。そして、上記カソードガス調整器６を用いた燃料電池３の温度の制御は、上記燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐを外れたときである燃料電池システム１の緊急状態に行う。
そして、本例の制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記カソードガス加圧器６０としてのポンプ６０における吐出圧力を増加させることができる。また、制御装置は、過度温度上昇時には、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２の開度を絞ることもできる。これにより、制御装置は、上記カソード流路３３における圧力を増加させることができる。
一方で、制御装置は、上記過度温度低下時には、上記カソードガス加圧器６０としてのポンプ６０における吐出圧力を減少させることができる。また、制御装置は、過度温度低下時には、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２の開度を全開にすると共に、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を操作して、上記カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を燃料電池システム１の外部に排気することもできる。これにより、制御装置は、上記カソード流路３３における圧力を減少させることができる。
次に、上記燃料電池システム１を用いて発電を行う方法及び燃料電池システム１における作用効果につき詳説する。
本例においては、上記改質器２の改質反応流路２１においては、上記燃料供給ライン４１から送られる改質用燃料Ｆと、上記カソードオフガスライン４６から送られるカソードオフガスＯｃとが反応して、上記水素含有ガスＧａが生成される。一方で、上記改質器２の加熱流路２２においては、上記アノードオフガスライン４５から送られるアノードオフガスＯａと、上記冷媒オフガスライン４７から送られる冷媒オフガスＯｒとが反応することにより発熱し、加熱流路２２は改質反応流路２１を加熱する。こうして、改質反応流路２１においては水素含有ガスＧａを生成する一方、これを加熱流路２２から加熱することにより、改質反応流路２１から上記燃料電池３におけるアノード流路３２に送り出される水素含有ガスＧａの温度を３００〜６００℃の高温に維持することができる。
なお、燃料電池３に供給する水素含有ガスＧａの温度は、３００〜６００℃とすることができるが、４００〜５００℃にすることが一層好ましい。この場合には、上記燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を、水素透過性能を発揮する最適な温度に維持することができ、水素分離金属層３１１に劣化等が発生することを容易に抑制することができる。
また、上記改質器２の改質反応流路２１において生成された上記水素含有ガスＧａは、上記改質ガス供給ライン４２を通過して上記燃料電池３におけるアノード流路３２に供給される。そして、アノード流路３２に供給された水素含有ガスＧａ中の水素の多くは、上記電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過して、電解質体３１におけるプロトン伝導体層３１２に到達する。そして、上記水素は、プロトンの状態になってプロトン伝導体層３１２を通過する。
そして、上記カソード流路３３においては、上記プロトン状態の水素と、上記カソードガス供給ライン４３から供給されたカソードガスＧｃ中の酸素とが反応して水が生成される。本例においては、この燃料電池３における反応が３００〜６００℃の高温状態において行われ、上記生成された水は高温の水蒸気となる。
また、上記反応を行うと共に、上記電解質体３１におけるアノード電極３２１とカソード電極３３１との間から上記電池出力線３６へと電力を取り出すことにより、上記燃料電池システム１は発電を行うことができる。
本例の燃料電池システム１は、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１を備えた燃料電池３を有している。そして、本例の燃料電池システム１においては、上記プロトン伝導体層３１２がセラミックスからなり、このプロトン伝導体層３１２は水分を含浸させずに用いることができるため、上記燃料電池３を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができる。そのため、上記改質器２から上記水素含有ガスＧａを上記燃料電池３に直接供給することができる。
また、上記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、上記燃料電池３の作動温度に近い高温の状態で上記改質器２に直接送ることができる。そのため、上記燃料電池システム１においては、改質器２において水素含有ガスＧａを生成する温度と、燃料電池３における作動温度とをほとんど同じにすることができる。
そして、上記カソード流路３３において反応が行われた後に、このカソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、上記反応に使用されなかった酸素（残存酸素）と、上記反応によって生成された水（生成水）と、上記燃料電池３の高温作動による熱量とを有している。
そして、上記燃料電池３のカソード流路３３における生成水は、例えば３００〜６００℃の高温の水蒸気となっており、この生成水は、上記プロトン伝導体層３１２に含浸されることがほとんどなく、また、上記水素分離金属層３１１が水素のみを透過させる性質を有することにより、上記生成水は、カソード流路３３からアノード流路３２へと通過してしまうことがない。そのため、上記カソード流路３３から上記カソードオフガスライン４６を介して、上記生成水の全量を回収することができる。
これにより、上記燃料電池システム１においては、上記改質器２の改質反応流路２１における反応に必要な水を、上記燃料電池３の発電により生じた生成水を含むカソードオフガスＯｃから容易に確保することができ、改質反応流路２１には十分な量の水を供給することができる。また、燃料電池システム１においては、上記カソードオフガスＯｃ中の全量の生成水を利用して、改質反応流路２１に供給する水分量を調整することができる。
そのため、燃料電池システム１の運転条件の設定が容易になり、燃料電池システム１の運転を容易に安定させることができる。
また、上記燃料電池３においては、上記プロトン伝導体層３１２を非含水（液）状態で使用するため、プロトン伝導体層３１２内の成分が気化し、これがカソード流路３３内における上記生成水に溶出してしまうことがない。そのため、上記改質器２に送るカソードオフガスＯｃ中の上記生成水の純度を低下させてしまうことがなく、上記改質器２の改質反応流路２１内に配置した上記水蒸気改質反応を行うための改質触媒に被毒等の問題が生じることがない。
そして、上記燃料電池システム１においては、上記改質器２の改質反応流路２１において、上記改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃとを反応させて水素含有ガスＧａを生成するときには、この改質反応流路２１においては、カソードオフガスＯｃが有する残存酸素、十分な量の生成水を利用することができるだけでなく、カソードオフガスＯｃが有する高温の熱エネルギーも利用することができる。そのため、改質反応流路２１においては、改質用燃料Ｆと、高温の熱エネルギーを有するカソードオフガスＯｃとを反応させて水素含有ガスＧａを生成することができ、この改質反応流路２１におけるエネルギー効率を向上させることができる。
また、上記アノード流路３２から排出されるアノードオフガスＯａは、上記電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過せずに排出される水素及び上記水素含有ガスＧａ中に含まれる一酸化炭素、メタン等の可燃性ガスを有しており、かつ燃料電池３の高温作動による熱量を有している。また、上記冷媒流路３４から排出される冷媒オフガスＯｒは、上記冷媒ガスＧｒ中に含まれる酸素を有しており、かつ上記燃料電池３を通過して加熱された熱量を有している。
そのため、アノード流路３２から上記アノードオフガスライン４５を介して上記加熱流路２２にアノードオフガスＯａを送り、また、冷媒流路３４から上記冷媒オフガスライン４７を介して加熱流路２２に冷媒オフガスＯｒを送ったときには、加熱流路２２においては、アノードオフガスＯａが有する水素等の可燃性ガスと冷媒オフガスＯｒが有する酸素とを燃焼させることができるだけでなく、アノードオフガス及び冷媒オフガスＯｒがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して燃焼を行うことができる。これにより、加熱流路２２におけるエネルギー効率も向上させることができる。
また、本例の燃料電池システム１においては、上記のごとく改質器２において水素含有ガスＧａを生成する温度と燃料電池３における作動温度とをほぼ同じにすることができる。そのため、本例においては、改質器２と燃料電池３との間に、これらにおける各温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスが生ずることがなく、また、燃料電池システム１の構造を簡単にすることができる。
それ故、本例の燃料電池システム１によれば、その構造を簡単にすることができ、カソード流路３３から生成水の全量を回収することができると共に、カソードオフガスＯｃ、アノードオフガスＯａ及び冷媒オフガスＯｒがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。
なお、図示は省略するが、燃料電池システム１の運転を開始するときには、上記改質器２における改質反応流路２１には水及び酸素（空気等）を直接供給することができ、改質器２における加熱流路２２には燃料及び酸素（空気等）を直接供給することができる。
そして、上記燃料電池システム１の運転を開始した後には、改質反応流路２１に必要な水及び酸素は上記カソードオフガスＯｃのみから供給することができ、加熱流路２２に必要な燃料としての水素と、酸素とは上記アノードオフガスＯａと上記冷媒オフガスＯｒとのみから供給することができる。
また、改質器２における改質反応流路２１においては、上記高温のカソードオフガスＯｃにより、改質反応流路２１に供給した改質用燃料Ｆの気化をスムーズに行うこともできる。
また、本例の燃料電池３は、例えば、３００〜６００℃の高温で作動させているときには、上記水素分離金属層３１１が一酸化炭素等による被毒の影響をほとんど受けない。そのため、上記高温作動時には、燃料電池３のアノード流路３２に、水素以外にも一酸化炭素等を含有する水素含有ガスＧａを直接供給することができる。
ところで、水素分離金属層３１１における温度が所定の温度よりも低くなったときには、水素分離金属層３１１を構成するバナジウム等の金属が水素を吸収し、この吸収された水素により水素脆化等が起こって、水素分離金属層３１１が破壊されてしまうおそれがある。また、このときには、水素分離金属層３１１を構成するパラジウム等の金属に水素含有ガスＧａ中の一酸化炭素や二酸化炭素が吸着して被毒の問題が生じ、水素透過性能が劣化してしまう。一方で、水素分離金属層３１１における温度が所定の温度よりも高くなったときには、水素分離金属層３１１を構成するパラジウム、バナジウム等の金属が拡散してしまい、このときにも水素透過性能が劣化してしまう。
そのため、上記水素分離金属層３１１の水素透過性能を良好に維持するためには、水素分離金属層３１１における温度を許容作動温度範囲Ｔｐ内に維持することが必要である。
また、図４に示すごとく、上記燃料電池３における発電特性を示す指標として、上記アノード電極３２１とカソード電極３３１との間から取り出される電流密度Ｉ［Ａ／ｃｍ2］と電圧Ｖ［Ｖ］との関係を示すＩ・Ｖ特性がある。同図は、横軸に上記電流密度Ｉをとり、縦軸に上記電圧Ｖをとって示すグラフである。
そして、このＩ・Ｖ特性においては、電流密度が増加したときには、燃料電池３の導電抵抗、すなわち上記電解質体３１における水素分離金属層３１１及びプロトン伝導体層３１２の導電抵抗、上記アノード電極３２１の構造に依存する分極抵抗、上記カソード電極３３１の構造に依存する分極抵抗等により、電圧損失Ｖｒが発生するという性質があることが知られている。そして、この電圧損失Ｖｒが、燃料電池３の発熱量を増大させてしまうことが知られている。
そこで、本例の燃料電池システム１は、上記緊急状態において、上記Ｉ・Ｖ特性における性質を利用して、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を変化させようとするものである。特に、本例は、上記カソード電極３３１の構造に依存する分極抵抗による電圧損失（カソード過電圧）は、上記カソード流路３３における酸素量又は酸素分圧に依存することに着目し、上記カソード過電圧に伴う発熱量を変化させることにより、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を変化させることができるものである。そして、これにより、本例は、上記水素分離金属層３１１の温度を適切な温度の範囲内に維持し、水素分離金属層３１１の水素透過性能を良好に維持することができるものである。
次に、上記燃料電池３の温度の制御を行う方法及びこれによる作用効果につき詳説する。
上記燃料電池システム１は、上記のごとく上記冷媒流量調整器７と上記カソードガス調整器６とを有しており、これらを上記制御装置によって制御可能である。
そして、上記燃料電池３は、上記反応を行って作動することにより発熱しており、上記制御装置は、上記冷媒流量調整器７におけるポンプ７０の吐出流量を操作して、上記冷媒流路３４に供給する冷媒ガスＧｒの流量を調整することにより、電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐ内（本例では３００〜６００℃の範囲内）に維持されるように制御する。これにより、上記燃料電池システム１の定常状態においては、制御装置は、冷媒流量調整器７を用いて電解質体３１の温度Ｔの制御を行うことができる。
また、上記定常状態においては、上記アノード流路３２に供給する水素含有ガスＧａの流量及び上記カソード流路３３に供給するカソードガスＧｃの流量等は、できるだけ少なくかつできるだけ一定の量になるよう制御することができる。そのため、上記燃料電池３における発電量を安定させることができ、燃料電池システム１を効率よく安定して運転することができる。
また、上記定常状態においては、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２の開度は全開にしておくことができる。
また、上記燃料電池システム１の運転を行う際には、上記アノードオフガス用三方調整弁５１、上記カソードオフガス用三方調整弁６１、上記冷媒オフガス用三方調整弁７１における出口ポートへの流量とリリーフポートへの流量との各分配比率を調整しておき、各オフガスライン４５、４６、４７を流れる各オフガスＯａ、Ｏｃ、Ｏｒの流量を調整しておくことができる。
そして、上記燃料電池システム１において、例えば上記改質器２における改質反応流路２１に供給する改質用燃料Ｆの組成、流量等が急激に増加したとき等の異変が生じたときには、電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐ内を外れ、許容作動温度範囲Ｔｐの上限値Ｔｍａｘ（本例では６００℃）を超えることがある。
このとき、制御装置は、燃料電池３が過度温度上昇時にあることを認知し、上記カソードガス調整器６におけるポンプ６０の吐出圧力を増加させる。また、このとき、制御装置は、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２の開度を絞ることもできる。
こうして、カソード流路３３の出口部の背圧が増加することにより、カソード流路３３における圧力が増加すると共にカソード流路３３における酸素分圧が増加し、上記カソード過電圧（電圧損失）が減少する。そして、上記アノード電極３２１とカソード電極３３１との間から取り出す燃料電池３の出力電力が一定になるよう制御した状態においては、上記カソード過電圧が減少したことによる燃料電池３の電圧の増加に伴い、燃料電池３の電流密度が減少する。すなわち、図４において、Ｉ・ＶカーブＬ０がＩ・ＶカーブＬ１へと変化する。なお、同図において、ラインＬは、理論電圧を示す。
そのため、上記カソード過電圧及び電流密度の減少により発熱量が低下して、燃料電池３における温度の上昇が抑制され、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を低下させることができる。これにより、水素分離金属層３１１において、上記水素脆化、被毒等の発生を抑制して、水素透過性能の劣化が発生することを抑制することができる。
特に、本実施例に示すように、上記燃料電池３を冷却するための冷媒にガス体としての冷媒ガスＧｒを用いる場合には、冷媒ガスＧｒの流量を増加させて上記電解質体３１の温度Ｔを低下させるよりは、上記カソードガスＧｃの流量又は圧力を増加させて電解質体３１の温度Ｔを低下させる方が、迅速かつ効率的に電解質体３１の温度Ｔを低下させることができる。すなわち、カソードガスＧｃを用いて電解質体３１の温度Ｔを低下させることにより、カソードガスＧｃの顕熱による冷却と、燃料電池３の発熱量の減少とが相乗して働き、少ない動力で迅速に電解質体３１の温度Ｔを低下させることができる。
また、上記燃料電池システム１において、例えば上記改質器２における改質反応流路２１に供給する改質用燃料Ｆの組成、流量等が急激に減少したとき等の異変が生じたときには、電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐ内を外れ、許容作動温度範囲Ｔｐの下限値Ｔｍｉｎ（本例では３００℃）よりも低くなることがある。
このとき、制御装置は、燃料電池３が過度温度低下時にあることを認知し、上記カソードガス調整器６におけるポンプ６０の吐出圧力を減少させる。また、このとき、制御装置は、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２の開度を全開にしたままで、上記カソードオフガス用三方調整弁６１におけるリリーフポートから排気する排気量を増加させる。
なお、カソードオフガスＯｃの残部は、上記改質器２における改質反応流路２１に供給される。
こうして、カソード流路３３における圧力が減少すると共にカソード流路３３における酸素分圧が減少し、上記カソード過電圧（電圧損失）が増加する。そして、上記アノード電極３２とカソード電極３３との間から取り出す燃料電池３の出力電力が一定になるよう制御した状態においては、上記カソード過電圧が増加したことによる燃料電池３の電圧の減少に伴い、燃料電池３の電流密度が増加する。すなわち、図４において、Ｉ・ＶカーブＬ０がＩ・ＶカーブＬ２へと変化する。
そのため、上記カソード過電圧及び電流密度の増加により発熱量が上昇して、燃料電池３の温度低下が抑制され、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を上昇させることができる。これにより、水素分離金属層３１１において、金属拡散等の発生を抑制して、水素透過性能の劣化が発生することを抑制することができる。
それ故、本例の燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１を効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１に水素透過性能の劣化が生じないようにして、水素分離金属層３１１の耐久性を向上させることができる。
図５に、上記燃料電池システム１において、燃料電池３の温度の制御を行うフローチャートを示す。
同図において、ステップＳ１０１においては、燃料電池３に要求される要求電力、冷媒ガスＧｒの温度等の検出を行う。そして、Ｓ１０２において、制御装置に予め設定されたアルゴリズムに従い、上記冷媒流量調整器７から燃料電池３の冷媒流路３４に供給する冷媒ガスＧｒの流量を調整する。こうして、燃料電池システム１の定常状態においては、冷媒流量調整器７を用いた燃料電池３の温度の制御（冷媒温度制御）を行い、燃料電池３における電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐ内に維持されるように制御する。
次いで、ステップＳ１０３においては、上記制御装置は、上記温度検出部３５により電解質体３１の温度Ｔを検出する。そして、Ｓ１０４において、上記検出を行った電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐの上限値Ｔｍａｘよりも高いか否かを判定する。この判定がＹｅｓの場合は、電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐの上限値Ｔｍａｘよりも高い場合であり、制御装置は、燃料電池システム１が上記緊急状態における過度温度上昇時にあるとしてＳ１０５を実行する。そして、Ｓ１０５においては、制御装置は、上記カソードガス調整器６を用いた燃料電池３の温度の制御（カソードガス温度制御）を行って、燃料電池３のカソード流路３３における圧力を増加させ、再びＳ１０３を実行する。こうして、電解質体３１の温度Ｔを低下させることができる。
一方で、Ｓ１０４における判定がＮｏの場合は、電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐの上限値Ｔｍａｘ以下の場合であり、制御装置は、Ｓ１０６において、上記検出を行った電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐの下限値Ｔｍｉｎよりも低いか否かを判定する。この判定がＹｅｓの場合は、電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐの下限値Ｔｍｉｎよりも低い場合であり、制御装置は、燃料電池システム１が上記緊急状態における過度温度低下時にあるとしてＳ１０７を実行する。そして、Ｓ１０７においては、制御装置は、上記カソードガス調整器６を用いた燃料電池３の温度の制御を行って、燃料電池３のカソード流路３３における圧力を減少させ、再びＳ１０３を実行する。こうして、電解質体３１の温度Ｔを上昇させることができる。
一方で、Ｓ１０６における判定がＮｏの場合は、電解質体３１の温度Ｔが許容作動温度範囲Ｔｐにある場合であり、制御装置は、燃料電池システム１が上記定常状態にあることを認知し、再びＳ１０１を実行する。
そして、上記燃料電池システム１の定常状態においては、Ｓ１０１〜Ｓ１０３を繰り返して、冷媒温度制御を行うことができ、上記燃料電池システム１の緊急状態においては、Ｓ１０３〜Ｓ１０７を繰り返して、カソードガス温度制御を行うことができる。その後、燃料電池システム１の運転の終了に伴い、適宜上記燃料電池３の温度の制御を終了することができる。
なお、Ｓ１０２においては、Ｓ１０３における電解質体３１の温度Ｔの検出が行われた後であれば、燃料電池３に要求される要求電力、冷媒ガスＧｒの温度、電解質体３１の温度Ｔ等に基づいて、上記冷媒ガスＧｒの流量を調整することができる。
また、Ｓ１０５においては、必ずしも燃料電池３のカソード流路３３における圧力を増加させなくても、燃料電池３のカソード流路３３に供給するカソードガスＧｃの流量を増加させるだけによっても対応することができる。また、Ｓ１０７においては、必ずしも燃料電池３のカソード流路３３における圧力を減少させなくても、燃料電池３のカソード流路３３に供給するカソードガスＧｃの流量を減少させるだけによっても対応することができる。
また、上記制御装置は、上記電解質体３１の温度Ｔが所定の温度変化率を超えて上昇したときに、上記過度温度上昇時を認知し、上記電解質体３１の温度Ｔが所定の温度変化率を超えて低下したときに、上記過度温度低下時を認知することもできる。この場合には、制御装置は、燃料電池システム１が緊急状態になるおそれがあることを予測することができる。そして、制御装置は、電解質体３１の温度Ｔが上記上限値Ｔｍａｘ又は下限値Ｔｍｉｎに到達する前に、上記カソード流路３３における圧力を増減させることができ、迅速に上記燃料電池システム１の緊急状態に対応することができる。
また、上記燃料電池システム１は複数の上記燃料電池３を有していることができ、上記カソードガス調整器６は各燃料電池３毎にそれぞれ配設することができる。この場合には、上記温度検出部３５を各燃料電池３毎に配設し、制御装置は、各電解質体３１の温度Ｔをそれぞれ認知して、各燃料電池３毎にカソードガス調整器６を制御するよう構成することができる。
また、この場合には、制御装置は、上記複数の燃料電池３のうちのいずれかが何らかの異変等により上記緊急状態になったときには、この緊急状態になった燃料電池３のみに対して、上記カソードガス調整器６を操作して温度の制御を行うことができ、緊急状態に迅速に対応することができる。また、制御装置は、残りの燃料電池３に対しては、冷媒流量調整器７のみを用いた温度の制御を継続することができ、緊急状態における燃料電池システム１全体の発電効率の低下を抑制することができる。
（実施例２）
本例は、上記燃料電池システム１の緊急状態において、制御装置が、上記アノード電極３２１と上記カソード電極３３１とに接続した電池出力線３６における要求電力を変化させて、この電池出力線３６における電流密度を制御する例である（図２、図３参照）。
すなわち、本例の制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記電池出力線３６における要求電力を減少させて該電池出力線３６における電流密度を減少させ、一方、上記過度温度低下時には、上記電池出力線３６における要求電力を増加させて該電池出力線３６における電流密度を増加させるよう構成されている。
なお、上記電池出力線３６における要求電力とは、燃料電池システム１が電池出力線３６に接続した負荷に供給する電力量のことをいい、言い換えれば、上記負荷を動作させるために燃料電池システム１に要求される電力量のことをいう。
また、図示は省略するが、本例の燃料電池システム１の構成は、上記カソードオフガス用圧力調整弁６２がない以外は、上記実施例１と同様である。
そして、本例においても、上記実施例１と同様に、上記燃料電池システム１の定常状態においては、制御装置は、上記冷媒流量調整器７を用いて、上記電解質体３１の温度Ｔが上記許容作動温度範囲Ｔｐ内に維持されるように制御することができる。
そして、本例もまた、上記緊急状態において、上記Ｉ・Ｖ特性における性質を利用して、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を変化させようとするものである。特に、本例は、上記燃料電池３における発電量自体を変化させることにより、上記燃料電池３の導電抵抗に依存した発熱量を変化させて、水素分離金属層３１１の温度を変化させることができるものである。
すなわち、本例の制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記電池出力線３６における要求電力を減少させて、この電池出力線３６における電流密度を減少させる。これにより、上記燃料電池３の導電抵抗に依存する電圧損失が減少し、この電圧損失に伴う燃料電池３の発熱量が減少する。そのため、燃料電池３の温度の上昇が抑制され、燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔを低下させることができる。これにより、電解質体３１における水素分離金属層３１１において、劣化が発生することを抑制することができる。
一方、上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記電池出力線３６における要求電力を増加させて、この電池出力線３６における電流密度を増加させる。これにより、上記燃料電池３の導電抵抗に依存する電圧損失が増加し、この電圧損失に伴う燃料電池３の発熱量が増加する。そのため、燃料電池３の温度の低下が抑制され、燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔを上昇させることができる。これにより、電解質体３１における水素分離金属層３１１において、劣化が発生することを抑制することができる。
それ故、本例によっても、燃料電池システム１を効率よく安定して運転することができると共に、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１に劣化が生じないようにして、水素分離金属層３１１の耐久性を向上させることができる。
本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記燃料電池システム１の緊急状態においては、上記制御装置は、上記実施例１に示した上記カソードガス調整器６を用いた燃料電池３の温度の制御と、本例に示した上記電池出力線３６における要求電力を変化させる燃料電池３の温度の制御とを併用して行うことができる。
そして、上記電池出力線３６における要求電力を変化させる燃料電池３の温度の制御は、上記カソードガス調整器６を用いた燃料電池３の温度の制御よりも迅速に燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔを変化させるときに用いることができる。一方で、上記電池出力線３６における要求電力を変化させる燃料電池３の温度の制御は、燃料電池３の発電量自体を直接変化させている。そのため、常に燃料電池３の発電量を所定の大きさ以上に確保するためには、できる限り上記カソードガス調整器６を用いた燃料電池３の温度の制御を行うことが好ましい。
本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、上記燃料電池システム１の緊急状態において、上記実施例１に示したカソード流路３３における圧力を変化させて燃料電池３の温度の制御を行うだけでなく、アノード流路３２における圧力も変化させて燃料電池３の温度の制御を行う例を示す。
すなわち、本例の燃料電池システム１は、上記アノード流路３２に供給する上記水素含有ガスＧａの流量又は上記アノード流路３２における圧力を調整するアノードガス調整器５を有しており、本例の制御装置は、このアノードガス調整器５を制御することもできるよう構成されている。
また、上記アノードガス調整器５は、上記アノードオフガスライン４５に配設したアノードオフガス用圧力調整弁５２と、上記改質ガス供給ライン４２に配設した改質ガス用三方調整弁５３とを用いて構成されている。
そして、上記燃料電池システム１の緊急状態における過度温度上昇時には、制御装置は、上記アノードガス調整器５におけるアノードオフガス用圧力調整弁５２の開度を絞る。これにより、制御装置は、上記アノード流路３２における圧力を増加させることができ、燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔを低下させることができる。
一方、制御装置は、燃料電池システム１の緊急状態における過度温度低下時には、上記アノードガス調整器５における改質ガス用三方調整弁５３のリリーフポートを開け、改質ガス供給ライン４２を流れる水素含有ガスＧａの一部をカソードオフガスライン４６に送る。これにより、制御装置は、上記アノード流路３２における圧力を減少させることができ、燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔを上昇させることができる。
本例の燃料電池システム１によれば、上記緊急状態において、一層迅速に燃料電池３の電解質体３１の温度Ｔを制御することができる。
また、本例においても、上記実施例２に示した電池出力線３６における要求電力を変化させる燃料電池３の温度の制御を併用することができる。
本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
実施例１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施例１における、燃料電池の構成を示す説明図。 実施例１における、他の燃料電池の構成を示す説明図。 実施例１における、横軸に電流密度Ｉをとり縦軸に電圧Ｖをとって、電流密度Ｉと電圧Ｖとの関係であるＩ・Ｖ特性を示すグラフ。 実施例１における、燃料電池の温度制御の方法を示すフローチャート。 実施例３における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
符号の説明
１ 燃料電池システム
２ 改質器
２１ 改質反応流路
２２ 加熱流路
３ 燃料電池
３１ 電解質体
３１１ 水素分離膜層
３１２ プロトン伝導体層
３２ アノード流路
３２１ アノード電極
３３ カソード流路
３３１ カソード電極
３４ 冷媒流路
３５ 温度検出部
３６ 電池出力線
４５ アノードオフガスライン
４６ カソードオフガスライン
４７ 冷媒オフガスライン
６ カソードガス調整器
６０ カソードガス加圧器
６１ カソードオフガス用三方調整弁
６２ カソードオフガス用圧力調整弁
７ 冷媒流量調整器
７０ 冷媒ガス加圧器
７１ 冷媒オフガス用三方調整弁
Ｆ 改質用燃料
Ｇａ 水素含有ガス
Ｏａ アノードオフガス
Ｇｃ カソードガス
Ｏｃ カソードオフガス
Ｇｒ 冷媒ガス
Ｏｒ 冷媒オフガス
Ｔ 電解質体の温度
Ｔｐ 許容作動温度範囲
Ｔｍａｘ 許容作動温度範囲の上限値
Ｔｍｉｎ 許容作動温度範囲の下限値

Claims (18)

  1. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、該電解質体の温度を検出する温度検出部とを有しており、
    上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
    上記カソード流路には、該カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は当該カソード流路における圧力を調整するカソードガス調整器が接続されており、該カソードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
    上記制御装置は、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
    上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
    上記カソード流路には、該カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は当該カソード流路における圧力を調整するカソードガス調整器が接続されており、該カソードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
    上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、又は上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
    上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、当該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路とを有しており、
    上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
    上記カソード流路には、該カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は当該カソード流路における圧力を調整するカソードガス調整器が接続されており、該カソードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
    上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、
    上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路に供給する上記冷媒ガスの温度と上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
    上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されており、かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソードガス調整器を操作して、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させることができるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記カソードガス調整器は、上記カソード流路に上記カソードガスを供給するためのガス加圧器を有していることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、該電解質体の温度を検出する温度検出部とを有しており、
    上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
    上記燃料電池システムは、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させて該電池出力線における電流密度を制御する制御装置を有しており、
    上記制御装置は、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記温度検出部によって検出した上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は該電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
    上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
    上記燃料電池システムは、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させて該電池出力線における電流密度を制御する制御装置を有しており、
    上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、又は上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
    上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  8. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体と、当該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路とを有しており、
    上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
    上記燃料電池システムは、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を変化させて該電池出力線における電流密度を制御する制御装置を有しており、
    上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、
    上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路に供給する上記冷媒ガスの温度と上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算し、
    上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されており、かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項１、２、６、７のいずれか一項において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、
    上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒ガスの流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、
    上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項において、上記燃料電池システムは、上記燃料電池に供給するための上記水素含有ガスを、改質用燃料から生成する改質器を有していることを特徴とする燃料電池システム。
  11. 請求項１０において、上記改質器は、上記改質用燃料から上記水素含有ガスを生成する改質反応流路と、該改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路とを有しており、
    上記燃料電池システムは、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインと、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスを上記加熱流路に送るためのアノードオフガスラインと、上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスを上記加熱流路に送るための冷媒オフガスラインとを有していることを特徴とする燃料電池システム。
  12. 請求項１１において、上記カソードオフガスラインには、圧力調整弁が配設されており、
    上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記圧力調整弁の開度を小さくして上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記過度温度低下時には、上記圧力調整弁の開度を大きくして上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  13. 請求項１１又は１２において、上記カソードオフガスラインには、三方調整弁が配設されており、
    上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記三方調整弁を操作して、上記カソードオフガスラインを流れる上記カソードオフガスの一部を排気することにより、上記カソード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  14. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備え、該燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなる燃料電池システムの発電方法において、
    上記水素含有ガスを上記アノード流路に供給し、上記水素含有ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記プロトン状態の水素と上記カソードガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
    かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの流量又は上記カソード流路における圧力を減少させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
  15. 請求項１４において、上記過度温度上昇時には、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
  16. 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備え、該燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなる燃料電池システムの発電方法において、
    上記水素含有ガスを上記アノード流路に供給し、上記水素含有ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記プロトン状態の水素と上記カソードガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
    かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記アノード電極と上記カソード電極とに接続した電池出力線における要求電力を減少させて該電池出力線における電流密度を減少させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記電池出力線における要求電力を増加させて該電池出力線における電流密度を増加させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
  17. 請求項１４〜１６のいずれか一項において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、
    上記発電を行う際には、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流路に供給する上記冷媒ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
  18. 請求項１４〜１７のいずれか一項において、上記燃料電池システムは、上記燃料電池に供給するための上記水素含有ガスを、改質用燃料から生成する改質器を有していることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4523298B2 (ja) * 2004-02-10 2010-08-11 株式会社豊田中央研究所 燃料電池システム及びその発電方法
JP2007123006A (ja) * 2005-10-27 2007-05-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの運転制御
JP5071879B2 (ja) 2005-12-07 2012-11-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5112642B2 (ja) * 2006-03-31 2013-01-09 大阪瓦斯株式会社 固体酸化物型燃料電池システム
JP4914273B2 (ja) * 2007-04-02 2012-04-11 日本電信電話株式会社 水素製造方法および水素製造システム
JP5215582B2 (ja) * 2007-04-05 2013-06-19 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
CN103213513B (zh) 2007-12-28 2015-07-29 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
JP5101360B2 (ja) * 2008-03-26 2012-12-19 大阪瓦斯株式会社 固体酸化物型燃料電池システム
JP6080090B2 (ja) * 2012-03-23 2017-02-15 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池
DE102013014413A1 (de) * 2013-08-29 2015-03-05 Daimler Ag Verfahren zur Druckregelung
JP6589566B2 (ja) * 2015-11-03 2019-10-16 株式会社豊田中央研究所 燃料電池システム

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04188565A (ja) * 1990-11-20 1992-07-07 Tech Res & Dev Inst Of Japan Def Agency 燃料電池電源装置の起動方法
JPH04345762A (ja) * 1991-05-24 1992-12-01 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ガス分離膜式燃料電池
JPH05299105A (ja) * 1992-04-23 1993-11-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池
JP2001223017A (ja) * 2000-02-09 2001-08-17 Toyota Motor Corp 燃料電池用燃料ガスの生成システム
JP2002289245A (ja) * 2001-03-23 2002-10-04 Toyota Motor Corp 改質部を備える燃料電池システム
JP2003151599A (ja) * 2001-11-09 2003-05-23 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2004273343A (ja) * 2003-03-11 2004-09-30 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2005069416A1 (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム及びその発電方法
JP2005228525A (ja) * 2004-02-10 2005-08-25 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム及びその発電方法
JP2005243603A (ja) * 2004-01-26 2005-09-08 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04188565A (ja) * 1990-11-20 1992-07-07 Tech Res & Dev Inst Of Japan Def Agency 燃料電池電源装置の起動方法
JPH04345762A (ja) * 1991-05-24 1992-12-01 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ガス分離膜式燃料電池
JPH05299105A (ja) * 1992-04-23 1993-11-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池
JP2001223017A (ja) * 2000-02-09 2001-08-17 Toyota Motor Corp 燃料電池用燃料ガスの生成システム
JP2002289245A (ja) * 2001-03-23 2002-10-04 Toyota Motor Corp 改質部を備える燃料電池システム
JP2003151599A (ja) * 2001-11-09 2003-05-23 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2004273343A (ja) * 2003-03-11 2004-09-30 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2005069416A1 (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム及びその発電方法
JP2005243603A (ja) * 2004-01-26 2005-09-08 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム
JP2005228525A (ja) * 2004-02-10 2005-08-25 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム及びその発電方法

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