JP5488810B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、水蒸気改質された燃料により発電を行う燃料電池装置に関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤（空気、酸素等）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を備え、外部から燃料である被改質ガス（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。

一方、燃料電池装置においては、改質器により水蒸気改質して燃料ガスを生成しているが、特許文献１には、蒸発器により水を加熱して水蒸気にして、被改質ガスと共に改質器に供給し、改質器にて水蒸気改質を行って燃料ガスを生成するようにした燃料電池装置が記載されている。

さらに、特許文献２には、燃料電池セルに供給される燃料ガスの流量制御に関する異常を検出した場合には、燃料電池装置の発電制御と燃料ガスの圧力・流量制御を停止するガス制御停止モードを選択するようにした燃料電池装置が記載されている。

特開２００８−１４７２００号公報 特開２００２−３５２８３９号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池装置（特許文献１）においては、蒸発器により水を加熱して水蒸気を得るようにしているため、安定した量の水蒸気を改質器に供給し続けることが困難な場合がある。即ち、蒸発器において、水の突沸等により急激に多量の水蒸気が発生し、改質器でも水蒸気分圧が急激に上昇し、それにより、被改質ガスが改質器に流入できなくなり、水蒸気改質される燃料ガスの流量が低減する。しかしながら、このような現象は、一時的に発生するものであり、その後は、安定した水蒸気の供給が可能となる。

この改質器で水蒸気分圧が急激に上昇し、それにより、被改質ガスが改質器に流入できなくなり、水蒸気改質される燃料ガスの流量が低減するような場合に、特許文献２に記載されたように、被改質ガスの流量の低下を異常と判定して、発電制御を停止するような異常対策制御を実行することが考えられる。これにより、燃料電池装置の燃料電池セルに十分な燃料ガスが供給されない状態で大きな電力が取り出され（所謂燃料がれ）、燃料電池セルが破損するといった不具合を解消することができる。しかしながら、このように対応した場合には、上述した一時的な被改質ガスの流量変動の度に発電制御を停止することとなり、効率良く燃料電池装置を運転することができないという問題が発生する。

そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料供給量が異常状態となった場合であっても、発電効率が低下してしまう事態を防止し、さらに、燃料電池本体の機能低下を防止することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、水蒸気改質された燃料により発電を行う燃料電池装置であって、水蒸気改質により燃料を改質する改質器と、この水蒸気改質された燃料により発電を行う燃料電池本体と、この燃料電池本体により発電された電力を取り出す電力取出部と、水を加熱して発生させた水蒸気を上記改質器に供給する水蒸気供給手段と、改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料供給手段による燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、水蒸気供給手段による水蒸気供給量及び上記燃料供給手段による燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池本体の発電時に、第１に、燃料供給量検出手段が燃料供給量の異常状態を検出しその異常状態の継続時間が第１所定時間を超えない場合は、電力取出部による電力の取り出し、水蒸気供給手段による水蒸気の供給、燃料供給手段による燃料の供給をそれぞれ継続して行い、第２に、異常状態の継続時間が第１所定時間を超えた場合は、電力取出部による電力の取り出しを停止すると共に水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び燃料供給手段による燃料の供給を継続して行い、その後、異常状態の継続時間が第１所定時間よりも長い第２所定時間を超える前に燃料供給量が正常状態に復帰した場合は、電力取出部による電力の取出しを再開し、第３に、異常状態の継続時間が第２所定時間を超えたとき燃料供給量が正常状態に復帰しなかった場合は、電力取出部による電力の取り出しが停止された状態で水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び燃料供給手段による燃料の供給を停止することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、第１に、燃料供給量検出手段が燃料供給量の異常状態を検出しその異常状態の継続時間が第１所定時間を超えない場合には、電力取出部による電力の取り出し、水蒸気供給手段による水蒸気の供給、燃料供給手段による燃料の供給をそれぞれ継続して行なうようにしているので、改質器における水蒸気供給量の一時的な変動により、燃料電池本体による発電を停止し、発電効率が低下してしまうという事態を防止することができる。
次に、本発明においては、第２に、異常状態の継続時間が第１所定時間を超えた場合は、電力取出部による電力の取り出しを停止すると共に水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び燃料供給手段による燃料の供給を継続して行い、その後、異常状態の継続時間が第１所定時間よりも長い第２所定時間を超える前に燃料供給量が正常状態に復帰した場合は、電力取出部による電力の取り出しを再開するようにしているので、燃料供給量の異常状態が第１所定時間を超えた場合は、電力の取り出しを停止して燃料電池本体の機能低下を防止しつつ、水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び燃料供給手段による燃料供給を継続しているので、第２所定時間を超える前に燃料供給量が正常状態に復帰した場合には、迅速に電力取出部による電力の取り出しを再開することができる。
さらに、本発明においては、第３に、異常状態の継続時間が第２所定時間が超えたとき燃料供給量が正常状態に復帰しなかった場合は、燃料供給量の異常状態が水蒸気供給量の一時的な変動に伴うものではないと判断し、電力取出部による電力の取り出しが停止した状態で、さらに水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び燃料供給手段による燃料の供給を停止し、それにより、燃料電池本体による発電を停止し、燃料電池本体の機能低下防止を図ることができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池本体の発電量に基づいて燃料供給量の目標値を設定し、且つ、燃料供給量検出手段により検出された燃料供給量が、燃料供給量の目標値に基づいて予め設定された閾値より小さな値になった場合に、燃料供給量が異常状態であると判定し、さらに、燃料供給量の目標値が大きな値の場合は、目標値が小さな値の場合に比べて第１所定時間を短い時間に設定する。
このように構成された本発明においては、燃料電池本体の発電時は、発電量が大きい場合ほど多量の燃料及び水蒸気を改質器に供給する必要があるが、燃料電池本体の発電量が大きい即ち燃料供給量の目標値が高い場合は、第１所定時間を短く設定するようにしているので、燃料電池本体に水蒸気改質された燃料が供給されない状態で大きな電流が取りだされること（所謂燃料がれ）をいち早く防止することができ、より確実に燃料電池本体の機能低下を防止することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、閾値を燃料供給量の目標値の所定割合となるよう設定し、この所定割合は、燃料供給量の目標値が小さな値の場合は、燃料供給量の目標値が大きな値の場合に比べて小さく設定されている。
閾値を設定するための所定割合を、燃料供給量の目標値の大きさに関係なく一定値に設定すると、燃料供給量が異常状態になったことの判断が遅れたり、又は過敏になったりするという問題がある。しかしながら、このように構成された本発明においては、所定割合を、燃料供給量の目標値が小さな値の場合は、燃料供給量の目標値が大きな値の場合に比べて小さく設定されているので、燃料供給量の目標値が小さな値の場合に燃料供給量の微小変動により過敏になることが無く、また、燃料供給量の目標値が大きな値の場合にも精度よく、燃料供給量が異常状態となったことを判断することができる。

本発明の燃料電池装置によれば、燃料供給量が異常状態となった場合であっても、発電効率が低下してしまう事態を防止し、さらに、燃料電池本体の機能低下を防止することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールから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に示す燃料電池モジュールから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。 本発明の第一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置における発電運転状態を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料供給量異常対策制御の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料供給量異常対策制御における燃料供給量の目標値（Ｑｏ）に対する閾値（Ｑｅ）、所定割合（Ｑｅ/Ｑｏ）、第１所定時間（ｔ１）、第２所定時間（ｔ２）を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池装置を説明する。
本発明の実施形態による燃料電池装置１は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料電池モジュール１０２と、補機ユニット１０４と、種々のセンサ等を備えている（図９参照）。
先ず、図１乃至３を参照して、燃料電池装置１の燃料電池モジュール１０２について説明する。図１は本発明の一実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図であり、図３は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。

カバー部材（図１及び図３には明示せず、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（図示せず）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、燃料電池本体である燃料電池セルスタック９０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、燃料電池本体となる燃料電池セルスタック９０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９０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９０の下支持板９０ｂ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９０ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック９０とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック９０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（発電用空気）である。

次に、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は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。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に取り付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取り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ランタンコバルタイト、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９０について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。燃料電池セルスタック９０は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板９０ａと、下支持板９０ｂと、接続部材９０ｃと、外部端子９０ｄとを備えている。

上支持板９０ａ及び下支持板９０ｂ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９０ａ及び下支持板９０ｂ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９０ｃが設けられている。接続部材９０ｃ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９０ｄが設けられている。接続部材９０ｃ、外部端子９０ｄ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９０の外部端子９０ｄ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９０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１０２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に示す燃料電池モジュールから流路部材７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り、図７は図６に示す燃料電池モジュールから燃料電池セルユニット及び改質器５、燃料電池セルスタック９０、ガスタンク３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。本実施形態では、燃料電池セルスタック９０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９０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（改質用空気）、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。
この水蒸気供給管６Ｂは、排出ガス室１７内に配置されているため、高温の排出ガスにより加熱され、管路内を流れる水が相変化して水蒸気となる。このように、水蒸気供給管６Ｂは、水から水蒸気を生成するための蒸発器として機能している。

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９０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９０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９１、第二室９２、第三室９３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９１に流れ込んだ後、第二室９２に流れ込み、その後第三室９３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９４、第二室９５、第三室９６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９４に流れ込んだ後、第二室９５に流れ込み、その後第三室９６に流れ込む。

第三室９３，９６にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔９３ａ，９６ａが形成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａは、燃料電池セルスタック９０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９３ａ，９６ａ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９３ａ，９６ａを通って流れ込んだ空気（発電用空気）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（発電用空気）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９０の上方は、空気（発電用空気）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９７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９７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９０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９３ａ，９６ａ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８を参照しながら説明する。図８は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。図８に示すように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気（発電用空気）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８に形成された排出ガス流路８ａ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。

次に、図９により、本実施形態による燃料電池装置の全体構成を説明する。図９は本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）である燃料電池装置１は、上述した燃料電池モジュール１０２と、補機ユニット１０４を備えている。

補機ユニット１０４は、水道等の水供給源１２４と、燃料電池モジュール１０２に供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット１２８（モータで駆動される「水供給用ポンプ」等）を備えている。
ここで、本実施形態においては、水供給用ポンプとして、パルス制御により間欠的に水を供給するパルスポンプ１０８を使用している。このパルスポンプ１０８により供給された水が水蒸気供給管（蒸発器）６Ｂにおいて水蒸気となり、改質器５に供給されるようになっている。

また、補機ユニット１０４は、都市ガス等の燃料供給源１３０と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット１３８（モータで駆動される「燃料供給用ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット１０４は、空気供給源１４０と、空気の流量を調整する空気流量調整ユニット１４４を備えている。この空気流量調整ユニット１４４は、改質用空気流量調整ユニット及び発電用空気流量調整ユニットを含んでいる。

次に、燃料電池モジュール１０２には、燃料ガスの供給量、水（水蒸気）の供給量、発電運転及び発電停止等を制御するための制御部２１０を備えている。さらに、燃料電池モジュール１０２には、燃料電池モジュール１０２（燃料電池セルスタック９０）により発電された電力を取り出して外部に供給するための電力取出手段（電力変換部）であるインバータ１５４が接続されている。

次に、本実施形態による燃料電池装置１に取り付けられたセンサ類について説明する。
図９に示すように、燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１の制御部２１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置２１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置２１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置２１６が接続されている。なお、この報知装置２１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

次に、制御部２１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ２２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール１０２及び補機ユニット１０４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ２２２は、本来排気口１１等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール１０２及び補機ユニット１０４を覆うカバー部材（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ２２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサ２２６は、インバータ１５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ２２８は、各燃料電池セルスタック９０が配置された発電室に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ２３０は、改質器５に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ２３２は、改質器５に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサ２３４は、改質器５に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ２３６は、水供給源１２４に設けられた純水タンク（図示せず）の水位を検出するためのものである。
圧力センサ２３８は、改質器５の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ２４０は、温水製造装置（図示せず）に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサ２４２は、燃料電池セルスタック９０の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック９０（即ち燃料電池セル４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ２４４は、燃焼部１８の温度を検出するためのものである。
排出ガス室温度センサ２４６は、排出ガス室１７の排出ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ２４８は、改質器５の温度を検出するためのものであり、改質器５の入口温度と出口温度から改質器５の温度を算出する。
外気温度センサ２５０は、燃料電池装置（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。

これらのセンサ類からの信号は、制御部２１０に送られ、制御部２１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット１２８、空気流量調整ユニット１４４（燃料流量調整ユニット及び改質用空気流量調整ユニット）、発電用空気流量調整ユニット１４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット２１０は、インバータ１５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御すると共に、燃料電池モジュール１０２（燃料電池セルスタック９０）からの電流の取り出しの継続及び停止を制御するようになっている。

次に、上述した本実施形態による燃料電池装置において、発電時に、燃料供給量が低下して異常状態となった場合の燃料供給量異常対策制御の内容を説明する。

ここで、燃料電池装置１の発電時に燃料供給量が低下して異常状態となる主な原因は、以下の通りである。
先ず、水流量調整ユニット１２８の水供給用ポンプ、燃料流量調整ユニット１３８の燃料供給用ポンプ、改質器５等の機能低下及び故障等である。
次に、上述したように、水蒸気供給管（蒸発器）６Ｂにおいて、水の突沸（１００℃以上の過熱状態で水が突然激しく沸騰すること）により急激に多量の水蒸気が発生し、改質器５でも水蒸気分圧が急激に上昇し、これにより、被改質ガスが改質器５に流入できなくなり、水蒸気改質される燃料ガスの流量が低減する場合である。ただし、この現象は、一時的に発生するものであり、その後は、安定した水蒸気の供給が可能となる。

さらに、本実施形態の燃料電池装置１においては、水流量調整ユニット１２８においてパルスポンプ１０８が使用され、このパルスポンプ１０８により間欠的に供給される水が水蒸気供給管（蒸発器）６Ｂにおいて、一時的に多量の水蒸気となり、改質器５でも水蒸気分圧が急激に上昇するので、これにより、被改質ガスが改質器５に流入できなくなり、水蒸気改質される燃料ガスの流量が低減する場合である。ただし、この現象も、上述した水の突沸と同様に、一時的に発生するものであり、その後は、安定した水蒸気の供給が可能となる。

本実施形態による燃料電池装置１おいては、燃料供給量が低下する異常状態の継続時間ｔが、第１所定時間ｔ１を経過しない場合（第１の場合）、第１所定時間ｔ１を経過したが第１所定時間ｔ１より長い第２所定時間ｔ２（ｔ２＞ｔ１）を経過する前に燃料供給量が正常状態に復帰した場合（第２の場合）、第２所定時間ｔ２を経過したが正常状態に復帰しなかった場合（第３の場合）において、それぞれ異なる燃料供給量異常対策制御を行っている。

次に、図１０及び図１１により、本実施形態の燃料電池装置による燃料供給量異常対策制御の内容を説明する。図１０は本発明の一実施形態による燃料電池装置における発電運転状態を示すタイムチャートであり、図１１は本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料供給量異常対策制御の内容を示すフローチャートである。図１０において、Ｑｏは燃料供給量の目標値であり、Ｑｅは燃料供給量が低下した異常状態か否かを判定するための閾値である。図１１において、Ｓは各ステップを示している。

図１１のＳ１において、インバータ１５４による燃料電池セルスタック９０からの電流の取り出しが行われているか否かを判定する。その電流の取り出しが行われている場合には、Ｓ２に進み、燃料供給量Ｑを検出する。次に、Ｓ３に進み、燃料供給量（実測値）Ｑが閾値Ｑｅより小さい異常状態か否かを判定し、異常状態の場合には、Ｓ４に進む。Ｓ４において、燃料供給量Ｑが閾値Ｑｅより小さい異常状態の継続時間ｔが第１所定時間ｔ１を超えたか否かを判定する。Ｓ４においてＮＯの場合、即ち、燃料供給量Ｑが閾値Ｑｅより小さい異常状態の継続時間が第１所定時間ｔ１を超えない場合は、燃料電池セルスタック（燃料電池本体）９０からのインバータ１５４による電流の取り出しを継続すると共に、水供給用ポンプ及び燃料供給用ポンプの運転も継続する。

Ｓ４においてＹＥＳの場合、即ち、燃料供給量Ｑが閾値Ｑｅより小さい異常状態の継続時間が第１所定時間ｔ１を超えた場合は、Ｓ５に進み、燃料電池セルスタック（燃料電池本体）９０からのインバータ１５４による電流の取り出しを停止する。このとき、水供給用ポンプ及び燃料供給用ポンプの運転は継続する。

次に、Ｓ６に進み、燃料供給量Ｑが閾値Ｑｅより小さい異常状態の継続時間ｔが第２所定時間ｔ２を超えたか否かを判定する。Ｓ６においてＮＯの場合には、異常状態の継続時間ｔが第２所定時間ｔ２を超える前に燃料供給量が閾値Ｑｅより多い正常状態に復帰しているので、Ｓ７に進み、燃料電池本体である１０台の燃料電池セルスタック９０からのインバータ１５４による電流の取り出しを再開する。

Ｓ６においてＹＥＳの場合には、燃料供給量Ｑが閾値Ｑｅより小さい異常状態の継続時間ｔが第２所定時間ｔ１を超えているので、Ｓ８に進み、燃料電池セルスタック９０からのインバータ１５４による電流の取り出しの停止に加えて、水供給用ポンプ及び燃料供給用ポンプの運転も停止し、これにより、燃料電池セルスタック９０による発電が停止する。

本実施形態による燃料電池装置においては、第１に、燃料供給量Ｑが閾値Ｑｅよりも低下する異常状態を検出し、その異常状態の継続時間ｔが第１所定時間ｔ１を超えない場合には、上述した水の突沸やパルスポンプ等に起因する一時的な現象であるため、インバータ１５４による電流の取出し、水供給用ポンプによる水の供給（即ち、水蒸気の供給）及び燃料供給ポンプによる燃料の供給をそれぞれ継続して行なうようにしている。その結果、本実施形態によれば、改質器における水蒸気量の一時的な変動により、燃料電池セルスタック９０による発電を停止し、発電効率が低下してしまうという事態を防止することができる。

次に、本実施形態による燃料電池装置においては、第２に、異常状態の継続時間ｔが第１所定時間ｔ１を超えた場合は、インバータ１５４による電流の取り出しを停止すると共に水供給用ポンプ（パルスポンプ）による水の供給（即ち、水蒸気の供給）及び燃料供給用ポンプによる燃料の供給を継続して行い、その後、異常状態の継続時間ｔが第１所定時間ｔ１よりも長い第２所定時間ｔ２を超える前に燃料供給量が閾値Ｑｅ以上の正常状態に復帰した場合は、インバータ１５４による電流の取り出しを再開するようにしている。その結果、本実施形態によれば、燃料供給量の異常状態が第１所定時間を超えた場合は、電流の取り出しを停止して燃料電池セルスタック９０の機能低下を防止しつつ、水供給（水蒸気供給）及び燃料供給を継続しているので、第２所定時間ｔ２を超える前に燃料供給量が正常状態に復帰した場合には、迅速に燃料電池セルスタック９０からのインバータ１５４による電流の取り出しを再開することができる。

さらに、本実施形態による燃料電池装置においては、第３に、燃料供給量の異常状態が第２所定時間ｔ２を超えたとき燃料供給量が正常状態に復帰しなかった場合は、燃料供給量の異常状態が水蒸気量の変動に伴うものではないと判断し、燃料電池セルスタック９０からのインバータ１５４による電流の取り出しを停止した状態で、さらに水供給用ポンプによる水の供給（水蒸気の供給）及び燃料供給用ポンプによる燃料の供給を停止し、それにより、燃料電池セルスタック９０による発電を停止し、燃料電池セルスタックの機能低下防止を図ることができる。

次に、図１２により、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料供給量異常対策制御における燃料供給量の目標値Ｑｏに対する閾値Ｑｅ、所定割合Ｑｅ/Ｑｏ、第１所定時間ｔ１、第２所定時間ｔ２を示す図である。
図１２に示すように、インバータ１５４により燃料電池セルスタック９０から電流を取り出すが、この取出電流が、発電量（要求される負荷）の大きさにより、７Ａ〜２Ａまで、変化するようになっている。また、発電量に基づいて、燃料供給量の目標値Ｑｏが設定される。この燃料供給量の目標値Ｑｏは、発電量、即ち、取出電流の値が大きいほど、大きな値に設定されている。

閾値Ｑｅも、同様に、発電量、即ち、取出電流の値が大きいほど、大きな値に設定されている。さらに、閾値Ｑｅは、燃料供給量の目標値Ｑｏの所定割合（＝Ｑｅ/Ｑｏ）となるように設定され、この所定割合Ｑｅ/Ｑｏは、燃料供給量の目標値が小さい場合は、燃料供給量の目標値が大きい場合に比べて小さく設定されている。

さらに、上述した第１所定時間ｔ１及び第２所定時間ｔ２（ｔ２＞ｔ１）は、それぞれ、燃料供給量の目標値が大きい場合は、小さい場合に比べて、短い時間に設定されている。

ここで、燃料電池装置の発電時は、発電量が大きい場合ほど多量の燃料及び水蒸気量を改質器に供給する必要がある（＝燃料供給量の目標値が大きい）。このため、本実施形態においては、燃料電池セルスタックの発電量が大きい即ち燃料供給量の目標値が高い場合は、第１所定時間ｔ１を短く設定するようにしているので、燃料電池セルスタックに水蒸気改質された燃料が供給されない状態で大きな電流が取りだされること（所謂燃料がれ）をいち早く防止することができ、より確実に燃料電池セルスタックの機能低下を防止することができる。

ここで、閾値Ｑｅを設定するための所定割合（＝Ｑｅ/Ｑｏ）を、燃料供給量の目標値の大きさに関係なく一定値に設定すると、燃料供給量が異常状態になったとの判断が遅れたり、又は過敏になったりするという問題がある。しかしながら、本実施形態による燃料電池装置においては、所定割合Ｑｅ/Ｑｏを、燃料供給量の目標値が小さな値の場合は、燃料供給量の目標値が大きな値Ｎ場合に比べて小さく設定されているので、燃料供給量の目標値が小さな値の場合に燃料供給量の微小変動により過敏になることが無く、また、燃料供給量の目標値が大きな値の場合にも精度よく、燃料供給量が異常状態となったことを判断することができる。

１ 燃料電池装置
４ 燃料電池セル
５ 改質器
６Ｂ 水蒸気供給管（蒸発器）
１６ 発電室
１７ 排出ガス室
３０ 燃料電池セルユニット
９０ 燃料電池セルスタック（燃料電池本体）
１０２ 燃料電池モジュール
１０４ 補機ユニット
１０８ パルスポンプ（水供給用ポンプ）
１２４ 水供給源
１２８ 水供給ユニット
１３０ 燃料供給源
１３８ 燃料流量供給ユニット
１４０ 空気供給源
１４４ 空気流量調整ユニット
１５４ インバータ
２１０ 制御部
２３２ 燃料流量センサ

Claims (3)

1. 水蒸気改質された燃料により発電を行う燃料電池装置であって、
   水蒸気改質により燃料を改質する改質器と、
   この水蒸気改質された燃料により発電を行う燃料電池本体と、
   この燃料電池本体から発電された電力を取り出す電力取出部と、
   水を加熱して発生させた水蒸気を上記改質器に供給する水蒸気供給手段と、
   上記改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
   上記燃料供給手段による燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
   上記水蒸気供給手段による水蒸気供給量及び上記燃料供給手段による燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、
   上記制御手段は、燃料電池本体の発電時に、第１に、上記燃料供給量検出手段が燃料供給量の異常状態を検出しその異常状態の継続時間が第１所定時間を超えない場合は、上記電力取出部による電力の取り出し、上記水蒸気供給手段による水蒸気の供給、上記燃料供給手段による燃料の供給をそれぞれ継続して行い、第２に、上記異常状態の継続時間が上記第１所定時間を超えた場合は、上記電力取出部による電力の取り出しを停止すると共に上記水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び上記燃料供給手段による燃料の供給を継続して行い、その後、上記異常状態の継続時間が上記第１所定時間よりも長い第２所定時間を超える前に上記燃料供給量が正常状態に復帰した場合は、上記電力取出部による電力の取り出しを再開し、第３に、上記異常状態の継続時間が上記第２所定時間を超えたとき上記燃料供給量が正常状態に復帰しなかった場合は、上記電力取出部による電力の取り出しが停止された状態で上記水蒸気供給手段による水蒸気の供給及び上記燃料供給手段による燃料の供給を停止することを特徴とする燃料電池装置。
2. 上記制御手段は、上記燃料電池本体の発電量に基づいて上記燃料供給量の目標値を設定し、且つ、上記燃料供給量検出手段により検出された燃料供給量が、上記燃料供給量の目標値に基づいて予め設定された閾値より小さな値になった場合に、燃料供給量が異常状態であると判定し、さらに、燃料供給量の目標値が大きな値の場合は、目標値が小さな値の場合に比べて上記第１所定時間を短い時間に設定する請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 上記制御手段は、上記閾値を燃料供給量の目標値の所定割合となるよう設定し、この所定割合は、燃料供給量の目標値が小さな値の場合は、燃料供給量の目標値が大きな値の場合に比べて小さく設定されている請求項２に記載の燃料電池装置。

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