JP5440751B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、その燃料電池モジュールを制御する制御部とを含む燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールにおいては、外部から被改質ガスとしての都市ガス等が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。

ところで、このような燃料電池モジュールを含む燃料電池システムでは、発電効率を上げるために燃料電池モジュールの発電部の動作温度を、電力使用量が少ない時間帯の温度を電力使用量が多い時間帯の温度よりも低くするものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。このような燃料電池モジュールは下記特許文献２にも記載されている。
特開２００５−２１６６１８号公報 特開２００７−１０３１９４号公報

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、電力使用量が少ない時間帯において燃料電池モジュールの発電部の動作温度を低くするように制御している。ところが実際にこのような燃料電池システムを構築して運転すると、燃料電池モジュールの発電部の温度を下げた場合に、再度発電部の温度を上昇させようとしても元に戻らない場合がある。

そこで本発明では、燃料使用率を変動させて運転した場合であっても、発電部の温度が低下したまま復帰できなくなる状態を回避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。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、前記改質器から供給される燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するガスタンクと、を備える燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給部と、前記燃料電池セル集合体の温度を取得する集合体温度取得部と、前記集合体温度取得部が取得する前記燃料電池セル集合体の温度に基づいて前記被改質ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度を下回った場合に、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度以上の場合に比較して、前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスにおける燃料利用率が低下するように、前記被改質ガス供給部の利用率低下制御を開始することを特徴とする。

本発明によれば、燃料使用率を変動させて運転した場合であっても、発電部の温度が低下したまま復帰できなくなる状態を回避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。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、前記改質器から供給される燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するガスタンクと、を備える燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給部と、前記燃料電池セル集合体の温度を取得する集合体温度取得部と、前記集合体温度取得部が取得する前記燃料電池セル集合体の温度に基づいて前記被改質ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度を下回った場合に、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度以上の場合に比較して、前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスにおける燃料利用率が低下するように、前記被改質ガス供給部の利用率低下制御を開始することを特徴とする。

本発明では、燃料電池セル集合体の温度に応じて燃料利用率を調整することを発明の特徴としている。具体的には、燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度を下回った場合に、燃料電池セル集合体の温度がその第１基準温度以上の場合の燃料利用率に比較して、燃料利用率が低下するように被改質ガス供給部を制御する利用率低下制御を実行する。燃料利用率とは、燃料電池セル集合体において電力に変換された燃料ガスの発熱量を改質器から送り出された燃料ガスであって燃料電池セル集合体における電極反応に有効な燃料ガスの発熱量で除したものであるから、それを低下させれば各燃料電池セルにおいて発電反応に寄与せずに燃焼部へと至る残余の燃料ガスの量が増えることになり、燃焼部の温度が上昇し、燃料電池セル集合体の温度も上昇する。従って、燃料電池セル集合体の温度が下がりすぎることを防止することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部が、前記利用率低下制御において、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度以上の場合に比較して、前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスの供給量を増加させることも好ましい。この態様では、燃料利用率を低下させるために被改質ガスの供給量を増加させるので、各燃料電池セルにおいて発電反応に寄与せずに燃焼部へと至る残余の燃料ガスの量を確実に増やすことができ、燃焼部の温度を確実に上昇させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池セル集合体が発生する電流値を検出する電流検知部を備え、前記制御部が、前記利用率低下制御において、前記電流検知部が検出する検出電流値を前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスの供給量で除した商が小さくなるように前記被改質ガス供給部を制御することも好ましい。この態様では、燃料利用率を低下させるために、検出電流値を実質的には燃料ガス供給量で除した商が小さくなるようにしているので、二つのパラメータを調整することでより柔軟な制御を実行することができる。例えば、検出電流値を小さくすることにすれば、被改質ガスの供給量を増やさずに各燃料電池セルにおける残余の燃料ガス量を増やすことができ、燃焼部を温度を上げることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記利用率低下制御の実行時において、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度よりも高い第２基準温度を上回った場合に、前記利用率低下制御を終了させることも好ましい。この態様では、利用率低下制御を実行している場合に、燃料電池セル集合体の温度が第２基準温度を上回ったことによって利用率低下制御を終了させることとし、燃料電池セル集合体の温度低下の恐れが無くなった場合に迅速に通常制御に戻すこととしている。従って、無駄な燃料ガスの消費や、燃料電池セル集合体が発生する電流の不必要な抑制が持続することを回避できる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部が、前記利用率低下制御の実行時においては、前記燃料電池セル集合体を含む燃料電池モジュールを水蒸気改質制御で運転することも好ましい。改質器における水蒸気改質反応は吸熱反応であるけれども、水蒸気改質反応による燃料電池モジュールの運転では水素が効率的に発生し、燃焼部における燃焼量を効果的に確保できるので、燃焼部の温度維持に有効である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態である燃料電池モジュールＦＣを示す斜視図であって、カバー部材を取り外した状態を示す図である。図２は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ａ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。図３は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ｂ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。尚、図２及び図３においては、断面のハッチングを省略している。

カバー部材（図１，３に明示しない。図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示しない）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排出ガス室１７（排出ガス室）である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。

仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排出ガス室１７へと導入される。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口１１（流出口）から外部へと排出される。

仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

ここで、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極露出周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック４００について、図５を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。

図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。

ここで、図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣの説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図６及び図７も参照する。図６は、図１から流路部材７を取り外した状態を示す斜視図である。図７は、図６の状態から更に、改質器５、燃料電池セルスタック４００、ガスタンク３を取り外した状態を示す斜視図である。本実施形態では、燃料電池セルスタック４００の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃ（管路）と配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック４００と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。

配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂ（管路）を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。

図１〜３には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。

本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。

空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。

空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。

空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７１１、第二室７１２、第三室７１３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７１１に流れ込んだ後、第二室７１２に流れ込み、その後第三室７１３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７２１、第二室７２２、第三室７２３として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室７２１に流れ込んだ後、第二室７２２に流れ込み、その後第三室７２３に流れ込む。

第三室７１３，７２３にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７１３ａ，７２３ａが形成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａは、燃料電池セルスタック４００が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。

空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７２４から燃焼部１８に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。

上述したように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。この流入経路について、図２を模式的に示した図８を参照しながら説明する。図８に示すように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー１に形成された排出ガス流路１ａを通って下方に向い、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７に流入した排出ガスは、排気口１１から外部へ排出される。

続いて、図９を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図９は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図９に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰ（被改質ガス供給部）と、第１空気供給部ＡＰ１と、第２空気供給部ＡＰ２（酸化剤ガス供給部）と、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰ（電流検知部）と、燃焼部温度取得部ＴＤ１と、集合体温度取得部ＴＤ２と、制御部ＣＳ（制御部）とを備えている。燃料供給部ＦＰ、第１空気供給部ＡＰ１、第２空気供給部ＡＰ２、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から都市ガスを被改質ガスとして燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される被改質ガスは被改質ガス供給管６Ａへと送り出される。

第１空気供給部ＡＰ１は、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。第１空気供給部ＡＰ１から供給される空気は空気供給管７Ａへと送り出される。

第２空気供給部ＡＰ２は、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。第２空気供給部ＡＰ２から供給される空気は被改質ガス供給管６Ａへと送り出され、燃料供給部ＦＰから供給される被改質ガスと混合される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管６Ｂへと送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒１３，１４と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣが発生する電流の電流値を検出し、制御部ＣＳへと出力している。

燃焼部温度取得部ＴＤ１は、燃焼部１８の温度を直接的若しくは間接的に取得する部分である。本実施形態の場合、燃焼部温度取得部ＴＤ１は燃焼部１８の温度を間接的に取得するように構成されていて、改質器５の温度を検知し、改質器５の温度を示す信号を制御部ＣＳに出力する。制御部ＣＳでは、この信号に基づいて、燃焼部１８の温度を推測する。この燃焼部１８の温度を推測する根拠は、事前に計測された燃焼部温度と改質器温度との相関関係によるものである。尚、燃焼部温度取得部ＴＤ１が改質器５の温度を検知する態様としては、温度センサを改質器５の上面に当接させることが好ましい態様である。この場合、改質器５内の温度は、事前に計測された改質器内温度と改質器外温度との相関関係に基づいて算出される。また、燃焼部温度取得部ＴＤ１が燃焼部１８の温度を直接的に取得する場合には、燃焼部１８に温度センサを配置する。

集合体温度取得部ＴＤ２は、燃料電池セル４及び燃料電池セルスタック４００を含む燃料電池セル集合体の温度を直接的若しくは間接的に取得する部分である。本実施形態の場合、集合体温度取得部ＴＤ２は燃料電池セル集合体の温度を直接的に取得するように構成されていて、燃料電池セル集合体の温度を示す信号を制御部ＣＳに出力する。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、第１空気供給部ＡＰ１、第２空気供給部ＡＰ２、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。制御部ＣＳは、少なくとも燃焼部温度取得部ＴＤ１により改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知された際に、改質器５に被改質ガスと水蒸気だけを供給するよう制御する。これにより、改質器５では、後述するオートサーマル改質反応が進行することとなる。

続いて、図１０を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池システムＦＣＳの動作及びその運転方法について説明する。尚、以下の説明においては便宜上、燃料電池モジュールＦＣの動作を説明することでその燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池システムＦＣＳの説明としている。

本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの運転方法は、着火工程と、改質工程と、ガス供給工程と、セル作動工程と、燃焼工程と、を備えている。これらの工程は、後述するように必ずしも順次実行される工程ではなく、並行して実行されたり、順番を変えて実行されたりする工程である。

先ず、燃料電池モジュールＦＣを温めるために、燃料電池モジュールＦＣを含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュールＦＣに燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュールＦＣは、発電を行わない。

詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料供給部ＦＰから被改質ガスを被改質ガス供給管６Ａに供給する。このとき、制御部ＣＳは、都市ガス及び空気を含む燃料ガスを供給するように、燃料ポンプ及び燃料供給部ＦＰの空気ブロア等に信号を出力する。図１０には、燃料ポンプの制御電圧及び燃料供給部ＦＰの空気ブロアの制御電圧を示している。被改質ガス供給管６Ａから供給された被改質ガスは改質器５を通過して燃料ガスとして、ガスタンク３内に貯まる。それにより、各燃料電池セルユニット３０への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク３内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って流れ、内側の電極層４４に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット３０の上部空間に達する。

また、大気中の空気を供給する。具体的には、空気供給部ＡＰによって空気供給管７Ａに供給し、上述したような経路を通って、空気流入孔７１３ａ，７２３ａから発電室１６内へと導く。発電室１６内へと導かれた空気は、外側の電極層４８と作用する。作用しなかった空気は、各燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の上方に達する。

次いで、点火装置（図示しない）を用いて、燃料ガスと空気とを燃焼させる（着火工程、燃焼工程）。それにより生じた排出ガスは、高温になる。排出ガスは、カバー１（図８参照）を通って、排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７へと流入した排出ガスは、排気口１１から排出される。

燃料ガスと空気とが燃焼する際に、発電室１６内が昇温される。外部から導入される空気は、上述した経路を流れる間に、発電室１６内と熱交換を行って暖められる。高温の排出ガスは、排出ガス室１７へと流入し、排出ガス室１７内を昇温する。

続いて、炭化水素系の都市ガスと空気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、式（１）の部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応は発熱反応であるので、起動性が良好である。部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋_ｍ／２Ｏ_２ → _ｍＣＯ＋_ｎ／２Ｈ_２ （１）

本実施形態では、この式（１）による部分酸化改質反応ＰＯＸの前に、式（１−１）による部分酸化改質反応ＰＯＸを行うことで、部分酸化改質反応ＰＯＸを２段階で行っている。改質器５の温度が所定温度（例えば、４５０度程度）を下回っている場合には、式（１−１）のように、改質器５へ供給する空気の量を減らして、メタンが水素に転換しすぎることを抑制する。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋_ｍ／８Ｏ_２ → _ｍ／４ＣＯ＋_ｎ／８Ｈ_２＋_３ｍ／４Ｃ_ｍＨ_ｎ （１−１）

この式（１−１）による部分酸化改質反応ＰＯＸを行って、改質器５の温度が所定温度（例えば、４５０度程度）以上となった場合には、上述した式（１）のように、改質器５へ供給する空気の量を増やして、水素の量を増やすように制御する。この制御で用いる所定温度は、燃焼部１８の温度が基準温度となる場合の改質器５の温度として事前に設定されている温度である。基準温度とは、水素の拡散速度よりも水素の燃焼速度が大きくなる場合の温度に対応するものであって、実験等で事前に設定されている温度である。

部分酸化改質反応ＰＯＸの実行開始から所定時間経過後、都市ガスと空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。このとき、制御部ＣＳは、都市ガス及び空気を含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ、燃料供給部ＦＰの空気ブロア、及び水ポンプ等に信号を出力する。図１０には、水ポンプの制御電圧を示している。改質器５においては、上述の部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器５内では熱自立しながら反応が進行する。すなわち、酸素が多い場合は部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合は水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階を過ぎており、発電室１６内がある程度の温度に昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。

オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、温度取得部ＴＤにより改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知されると、都市ガスと水蒸気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。このとき、制御部ＣＳは、都市ガスだけを含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ及び水ポンプ等に信号を出力すると共に第２空気供給部ＡＰ２の空気ブロアを停止させるよう信号を出力する。

改質器５においては、式（２）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼部１８からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室１６内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応ＳＲが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋_ｍＨ_２Ｏ → _ｍＣＯ＋（_ｎ/2＋ｍ）Ｈ_２ （２）

上述したように着火工程から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室１６内の温度が徐々に上昇する。発電室１６内及び燃料電池セル４の温度が、燃料電池モジュールＦＣを安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣは発電を開始し、回路に電流が流れる（セル作動工程）。燃料電池の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣを作動させる定格温度、例えば、６００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の
量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、発電室１６での燃焼を継続させる（燃焼工程）。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行せしめられる。水蒸気改質反応ＳＲ自体は（厳密に言えば）４００℃〜８００℃程度で行われるが、燃料電池との組み合わせにおいては５００℃〜７００℃程度で運転される。

この発電時においては、負荷追従運転を実行する。本実施形態の場合、定格電流は７Ａとしているので、必要とされる電流値がその定格電流値よりも少ない場合に、発生させる電流値を抑制する運転を負荷追従運転としている。本実施形態の場合、制御部ＣＳは、電流値が７Ａの場合に供給する被改質ガス量（都市ガス量）を２．７Ｌ／ｍｉｎとし、電流値が２Ａの場合に供給する被改質ガス量（都市ガス量）を１．５Ｌ／ｍｉｎとしている。燃料利用率で比較すると、電流値が７Ａの場合には燃料利用率が約６８％であり、電流値が２Ａの場合には燃料利用率が約３５％である。

電流値と燃料利用率との関係をグラフに示すと図１１に示すようになる。図１１に示すように、従来は燃料利用率が一定になるように制御していたので、発生させる電流値が小さい場合に、供給される被改質ガスの量が少なくなるため、燃料電池セル４に供給される燃料ガスも少なくなり、ひいては残余の燃料ガスとして燃焼部１８に至る燃料ガスの量が不足する事態となっていた。そこで本実施形態では、発生させる電流値が小さい場合にあえて燃料利用率を引き下げるように制御することで、供給される被改質ガスの量を増やし、燃料電池セル４に供給される燃料ガスも多くし、ひいては残余の燃料ガスとして燃焼部１８に至る燃料ガスの量を確保するようにしている。このため、本実施形態の燃料電池モジュールＦＣの燃焼部１８においては、燃焼不良等の不具合の発生を抑制することができる。また、本実施形態の制御部ＣＳは、燃焼部１８の温度を取得しており、その取得した温度が水素の着火温度を下回らないように、供給する被改質ガスの量を調整している。そのため、上述した制御と併せて、より燃焼部１８の燃焼安定性を確保することができる。

本実施形態における燃料使用率とは、燃料電池セル集合体において電力に変換された燃料ガスの発熱量を改質器から送り出された燃料ガスであって燃料電池セル集合体における電極反応に有効な燃料ガスの発熱量で除したものとしている。従って、燃料電池セル集合体における検出された電流値をＩとし、燃料電池セル集合体を構成する燃料電池セル数をｎとし、ファラデー定数をＦ（＝９６４８４．５６）とし、燃料利用率をＵｆとし、平均価数をＶａとした場合に、被改質ガスの流量は、式（３）で求められる。

Ｉ×ｎ×２２．４×６０／（Ｆ×Ｕｆ×Ｖａ）×１００ （３）

尚、平均価数Ｖａとは、例えば都市ガス中の燃料の平均価数であり、ＣＨ４は８価、Ｃ２Ｈ６は１４価であり、これらの燃料ガス中の体積分率を乗じて平均化したものとなる。

更に本実施形態では、燃料電池セル４及び燃料電池セルスタック４００の集合体である燃料電池セル集合体の温度が下がり過ぎないように、制御部ＣＳが燃料利用率を抑制する利用率低下制御を行っている。より具体的には、制御部ＣＳは、燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度を下回った場合に、燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度以上の場合に比較して、燃料供給部ＦＰが供給する被改質ガスにおける燃料利用率が低下するように、燃料供給部ＦＰの利用率低下制御を開始している。制御部ＣＳは、利用率低下制御の実行時において、燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度よりも高い第２基準温度を上回った場合には、その利用率低下制御を終了させる。このように、燃料電池セル集合体を構成する燃料電池セル４において燃焼不良が起きるような温度とならない閾値として、第１基準温度を設定し、それを下回った場合には燃料利用率を低下するように制御し、燃料電池セル４における燃焼状態が悪化しないようにしている。

更に、制御部ＣＳは、利用率低下制御においては、燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度以上の場合に比較して、燃料供給部ＦＰが供給する被改質ガスの供給量を増加させることとしている。更に、制御部ＣＳは、利用率低下制御においては、電流検知部としての電力取出部ＥＰが検出する検出電流値を燃料供給部ＦＰが供給する被改質ガスの供給量で除した商が小さくなるように燃料供給部ＦＰを制御することの好ましい制御態様である。更に、制御部ＣＳは、利用率低下制御の実行時においては、燃料電池セル集合体を含む燃料電池モジュールを水蒸気改質制御で運転することも好ましい制御態様である。

カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池セルユニットを説明するための図である。 燃料電池セルスタックを説明するための図である。 図１において、流路部材を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図６において、燃料電池セルユニット及び改質器等を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。 排出ガスの流れを模式的に示した図である。 本実施形態の燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。 改質反応と改質器制御とを説明するための図である。 燃料電池モジュールで発電を行う運転時において、発生される電流値と燃料利用率との関係を示す図である。

符号の説明

２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：被改質ガス供給管
６Ｂ：水蒸気供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
１３，１４：電極棒
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１６：発電室
１７：排出ガス室
１８：燃焼部
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：貫通流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
７１：空気流路外壁
７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ：空気流路管
７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａ：下面
７８：外壁
７９：外壁
８０，８１：移行板
８２，８３：移行ブロック
８４：移行板
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
４００ｃ：接続部材
４００ｄ：外部端子
７１１：第一室
７１２：第二室
７１３：第三室
７１３ａ，７２３ａ：空気流入孔
７２１：第一室
７２２：第二室
７２３：第三室
７２４：点火装置挿入穴
ＦＣ：燃料電池モジュール

Claims (3)

1. 燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、
   前記改質器から供給される燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するガスタンクと、を備える燃料電池システムであって、
   前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、
   前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給部と、
   前記燃料電池セル集合体の温度を取得する集合体温度取得部と、
   前記燃焼部の温度を取得する燃焼部温度取得部と、
   前記集合体温度取得部が取得する前記燃料電池セル集合体の温度と前記燃焼部温度取得部が取得する前記燃焼部の温度とに基づいて前記被改質ガス供給部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池セル集合体の温度が第１基準温度を下回った場合に、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度以上の場合に比較して、前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスにおける燃料利用率が低下するように、前記被改質ガス供給部の利用率低下制御を開始するとともに、前記燃焼部の温度が水素の着火温度を下回らないように、前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスの量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記利用率低下制御において、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度以上の場合に比較して、前記被改質ガス供給部が供給する被改質ガスの供給量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記利用率低下制御の実行時において、前記燃料電池セル集合体の温度が前記第１基準温度よりも高い第２基準温度を上回った場合に、前記利用率低下制御を終了させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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