JP6340853B2

JP6340853B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6340853B2
Application number: JP2014057995A
Authority: JP
Inventors: 賢志安井
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP2015079731A

Description

本発明は、検出用燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

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

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

特許第３６６４９２５号公報

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

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

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

本発明は、複数の固体酸化物型の燃料電池セルが積層配置されて構成された燃料電池スタックからなる第１の燃料電池と、単一の固体酸化物型の燃料電池セルで構成された検出用の第２の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給ラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給ラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のカソードオフガスが流通するカソードオフガスラインと、前記第２の燃料電池から生じる電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上を検出値として出力する検出部と、を備え、前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガスラインに接続されたアノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通する前記アノードオフガスに接触しており、前記第２の燃料電池のカソードは、直接又は大気開放された大気開放ラインを介して大気と接触している燃料電池システムに関する。

本発明は、複数の固体酸化物型の燃料電池セルが積層配置されて構成された燃料電池スタックからなる第１の燃料電池と、単一の固体酸化物型の燃料電池セルで構成された検出用の第２の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給ラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給ラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のカソードオフガスが流通するカソードオフガスラインと、前記第２の燃料電池から生じる電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上を検出値として出力する検出部と、を備え、前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガスラインに接続されたアノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通する前記アノードオフガスに接触しており、前記第２の燃料電池のカソードは、直接又は前記カソードオフガスラインに接続されたカソードオフガス検出ラインを介して、前記カソードオフガスラインを流通する前記カソードオフガスに接触している燃料電池システムに関する。

複数の固体酸化物型の燃料電池セルが積層配置されて構成された燃料電池スタックからなる第１の燃料電池と、単一の固体酸化物型の燃料電池セルで構成された検出用の第２の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給ラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給ラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のカソードオフガスが流通するカソードオフガスラインと、前記第２の燃料電池から生じる電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上を検出値として出力する検出部と、前記カソードオフガスラインに接続されたカソードオフガス検出ラインと、前記カソードオフガス検出ラインに接続された空気供給ラインと、前記空気供給ラインに接続され、前記空気供給ラインを介して前記第２の燃料電池のカソードに供給する空気の量を調整する空気調整部と、検出値に基づいて、前記空気調整部を制御する制御部と、を備え、前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガスラインに接続されたアノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通する前記アノードオフガスに接触しており、前記第２の燃料電池の前記カソードは、前記カソードオフガス検出ラインを介して、前記カソードオフガスラインを流通する前記カソードオフガスに接触しており、前記制御部は、検出値が所定の範囲内であると判断した場合、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給しないように、前記空気調整部に指示し、検出値が所定の範囲外であると判断した場合、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給するように、前記空気調整部に指示する燃料電池システムに関する。

また、前記制御部は、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給する前の検出値と、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給した後の検出値とを比較することが好ましい。

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

は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１における検出用燃料電池１２の配置を説明する図である。は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム２を示す概略図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム２における検出用燃料電池１２の配置を説明する図である。は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム３を示す概略図である。（Ａ）〜（Ｂ）は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム３における検出用燃料電池１２の配置を説明する図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１における検出用燃料電池１２の配置を詳細に示す図である。
以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、第１の燃料電池としての燃料電池１１と、検出用の第２の燃料電池としての検出用燃料電池１２と、検出部としての電圧計１３と、制御部１４と、改質器１５と、燃焼器１６と、燃料ガス供給部２１と、改質水供給部２２と、空気供給部２３と、を有する。

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

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

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

アノードオフガスラインＬ３の一端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の他端部は、燃焼器１６に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ１が設けられている。分岐部Ｊ１には、アノードオフガス検出ラインＬ４の一端部が接続されている。アノードオフガス検出ラインＬ４の他端部は、検出用燃料電池１２のアノード１２１に接続されている。アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が流通する。

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

大気開放ラインＬ６の一端部は、検出用燃料電池１２のカソード１２２に接続されている。大気開放ラインＬ６の他端部は、大気開放されている。大気開放ラインＬ６には、大気Ａ１が流通する。

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

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

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

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

検出用燃料電池１２は、アノード１２１とカソード１２２との間に固体電解質１２３を挟んだ一つの燃料電池セルで構成されている。例えば、燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと同じ構成のものが使用される。

検出用燃料電池１２は、図２（Ａ）に示すように配置されている。図２（Ａ）は、アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４、大気開放ラインＬ６及び検出用燃料電池１２の断面を示している。図２（Ａ）に示すように、アノード１２１は、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の他端部に接続されており、カソード１２２は、筒状の大気開放ラインＬ６に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ１としての穴が設けられている。筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の一端部の開口が、この穴と連通するように、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４は、アノードオフガスラインＬ３につながっている。アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４、大気開放ラインＬ６等は、例えば、セラミックチューブで形成されている。

図２（Ａ）において、矢印で示されるように、アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４を流通し、大気Ａ１は、大気開放ラインＬ６を流通する。
このように検出用燃料電池１２を配置することによって、アノード１２１は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２は、大気開放ラインＬ６を介して大気Ａ１に接触する。

検出用燃料電池１２は、アノード１２１に接触するアノードオフガスＧ３及びカソード１２２に接触する大気Ａ１を使用して発電する。より具体的には、検出用燃料電池１２は、アノードオフガスＧ３に含まれる水素及び大気Ａ１に含まれる酸素を使用して発電する。

電圧計１３は、検出用燃料電池１２のアノード１２１及びカソード１２２に電気的に接続されており、検出用燃料電池１２で発生した電圧を検出値Ｖ１として検出する。電圧計１３は、制御部１４に電気的に接続されており、検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。
制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１に電気的に接続されている。制御部１４は、電圧計１３から出力された検出値Ｖ１に基づいて、制御信号を生成し、この制御信号を燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１に出力する。

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

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

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

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

アノードオフガスラインＬ３に排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介して検出用燃料電池１２のアノード１２１に接触する。一方、大気開放ラインＬ６を介して、大気Ａ１が検出用燃料電池１２のカソード１２２に接触する。そのため、検出用燃料電池１２は、アノードオフガスＧ３及び大気Ａ１を使用して発電する。

電圧計１３は、検出用燃料電池１２で発生した電圧の値を検出値Ｖ１として検出し、この検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回る値であるか、所定の範囲を上回る値であるか、あるいは、所定の範囲に収まる値であるか、を判断する。ここで、所定の範囲とは、燃料電池システム１が正常に動作している状態（以下、正常な状態ということがある。）において、検出用燃料電池１２から発生する電圧の値が、取り得る範囲のことである。所定の範囲は、例えば、以下のように決定される。作業者が、燃料電池システム１が、所定の状態であることを確認した上で、検出用燃料電池１２で発生する電圧の値を測定する。そして、この電圧の値に許容誤差等のマージンが加味されて、所定の範囲は決定される。なお、所定の状態としては、例えば、燃料電池１１が発電する前の初期状態等のアノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスＧ４の量が既知の状態が考えられる。
所定の範囲の決定は、燃料電池システム１が起動されるたびに、毎回行われるようにしてもよい。

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

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、検出用燃料電池１２のアノード１２１に接触するアノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態におけるアノードオフガスＧ３の水素濃度に比べて低いということを意味する。また、アノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態における水素濃度に比べて低いということは、アノードオフガスＧ３の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していることを意味する。そして、アノードガスＧ１の供給量は、改質器１５への燃料ガスＧ５の供給量によって決まる。よって、制御部１４は、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量を増加させるために、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。

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

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

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

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

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

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

また、燃料電池システム１において、検出用燃料電池１２の配置は、図２（Ａ）のような配置であったが、この配置に限定されない。検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１がアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２が大気Ａ１に接触する配置であればよい。

例えば、図２（Ｂ）に示すように、検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１が、分岐部Ｊ１としての穴を介して、アノードオフガスラインＬ３の中に設けられ、カソード１２２が大気開放ラインＬ６に接続される配置であってもよい。この図２（Ｂ）の配置では、アノード１２１は、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に直接接触し、カソード１２２は、大気開放ラインＬ６を介して大気Ａ１に接触することになる。

図２（Ｃ）に示すように、検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１がアノードオフガス検出ラインＬ４に接続され、カソード１２２が大気Ａ１に露出する配置であってもよい。この図２（Ｃ）の配置では、アノード１２１は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２は、大気Ａ１に直接接触することになる。

図２（Ｄ）に示すように、検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１がアノードオフガスラインＬ３の中に設けられ、カソード１２２が大気Ａ１に露出する配置であってもよい。この図２（Ｄ）の配置では、アノード１２１は、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に直接接触し、カソード１２２は、大気Ａ１に直接接触することになる。

第１実施形態の燃料電池システム１によれば、一つの燃料電池セルで構成された検出用燃料電池１２を一つ使用して、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断することができる。そのため、第１実施形態の燃料電池システム１によれば、アノードオフガスラインＬ３におけるアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断できる燃料電池システムが、簡単な構成で実現される。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム２を示す概略図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム２における検出用燃料電池１２の配置を詳細に示す図である。

第２実施形態については、主として、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様な構成については、詳細な説明を省略する。特に説明しない点は、第１実施形態についての説明が適宜適用される。

第２実施形態の燃料電池システム２は、検出用燃料電池１２のカソード１２２が、大気Ａ１ではなく、カソードオフガスＧ４に接触する点で、第１実施形態の燃料電池システム１と異なる。
燃料電池システム２においては、カソードオフガスラインＬ５の途中に、分岐部Ｊ２が設けられている。この分岐部Ｊ２には、カソードオフガス検出ラインＬ１０の一端部が接続されている。カソードオフガス検出ラインＬ１０の他端部は、検出用燃料電池１２のカソード１２２に接続されている。そして、カソードオフガスラインＬ５及びカソードオフガス検出ラインＬ１０には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が流通する。

燃料電池システム２においては、検出用燃料電池１２は、図４（Ａ）に示すように配置されている。図４（Ａ）は、アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４、カソードオフガスラインＬ５、カソードオフガス検出ラインＬ１０及び検出用燃料電池１２の断面を示している。図４（Ａ）に示すように、アノード１２１は、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の他端部に接続されており、カソード１２２は、筒状のカソードオフガス検出ラインＬ１０の他端部に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ１としての穴が設けられており、カソードオフガスラインＬ５の途中には、分岐部Ｊ２としての穴が設けられている。

筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の一端部の開口が、分岐部Ｊ１としての穴と連通するように、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４は、アノードオフガスラインＬ３につながっている。筒状のカソードオフガス検出ラインＬ１０の一端部の開口が、分岐部Ｊ２としての穴と連通するように、筒状のカソードオフガス検出ラインＬ１０は、カソードオフガスラインＬ５につながっている。カソードオフガスラインＬ５、カソードオフガス検出ラインＬ１０等は、例えば、セラミックチューブで形成されている。

図４（Ａ）において、矢印で示されるように、アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４を流通し、カソードオフガスＧ４は、カソードオフガスラインＬ５及びカソードオフガス検出ラインＬ１０を流通する。
このように検出用燃料電池１２を配置することによって、アノード１２１は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２は、カソードオフガス検出ラインＬ１０を介してカソードオフガスＧ４に接触する。

検出用燃料電池１２は、アノード１２１に接触するアノードオフガスＧ３及びカソード１２２に接触するカソードオフガスＧ４を使用して発電する。より具体的には、検出用燃料電池１２は、アノードオフガスＧ３に含まれる水素及びカソードオフガスＧ４に含まれる酸素を使用して発電する。

さらに、第２実施形態の燃料電池システム２は、制御部１４が、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１を制御するだけではなく、空気供給部２３も制御する点で、第１実施形態の燃料電池システム１と異なる。制御部１４は、燃料ガス供給部２１、空気供給部２３及び燃料電池１１に電気的に接続されている。制御部１４は、電圧計１３から出力された検出値Ｖ１に基づいて、制御信号を生成し、この制御信号を燃料ガス供給部２１、空気供給部２３及び燃料電池１１に出力する。

燃料ガス供給部２１は、第１実施形態の燃料電池システム１と同様に、制御信号に基づいて燃料ガスＧ５の流量を調整することができる流量調整弁等を含んで構成されている。第２実施形態の燃料電池システム２においては、空気供給部２３も、制御信号に基づいて、空気の流量を調整することができる流量調整弁等を含んで構成されている。

第２実施形態による燃料電池システム２は、以下のように動作する。
燃料電池システム２が起動されると、燃料電池システム２は、第１実施形態による燃料電池システム１と同様に動作し、燃料電池１１からアノードオフガスＧ３がアノードオフガスラインＬ３に排出され、カソードオフガスＧ４がカソードオフガスラインＬ５に排出される。

アノードオフガスラインＬ３に排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介して検出用燃料電池１２のアノード１２１に接触する。カソードオフガスラインＬ５に排出されたカソードオフガスＧ４は、カソードオフガス検出ラインＬ１０を介して検出用燃料電池１２のカソード１２２に接触する。そのため、検出用燃料電池１２は、アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を使用して発電する。

電圧計１３は、検出用燃料電池１２で発生した電圧の値を検出値Ｖ１として検出し、この検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回る値であるか、所定の範囲を上回る値であるか、あるいは、所定の範囲に収まる値であるか、を判断する。

制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、制御信号を出力する。具体的には、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料ガス供給部２１は、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増やすように制御されるため、改質器１５に供給される燃料ガスＧ５は増加する。また、制御部１４は、空気供給部２３に対しても、燃料電池１１に供給する空気の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、空気供給部２３は、燃料電池１１に供給するカソードガスＧ２の量を増やすように制御されるため、燃料電池１１に供給されるカソードガスＧ２は増加する。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
第２実施形態による燃料電池システム２において、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、アノードオフガスＧ３の水素濃度及びカソードオフガスＧ４の酸素濃度のいずれか一方又は両方が、正常な状態における濃度よりも低いということを意味する。また、アノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態における水素濃度に比べて低いということは、アノードオフガスＧ３の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していることを意味し、カソードオフガスＧ４の酸素濃度が、正常な状態における酸素濃度に比べて低いということは、カソードオフガスＧ４の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのカソードガスＧ２の供給量が不足していることを意味する。よって、制御部１４は、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量及び空気の供給量を増加させるために、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力するとともに、空気供給部２３に対して、燃料電池１１に供給する空気の量を増加させるための制御信号を出力する。

なお、燃料電池システム２において、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であった場合、アノードオフガスＧ３の供給量及びカソードオフガスＧ４の供給量のどちらが、正常な状態の量よりも少ないのかは、分からない。そのため、燃料電池システム２においては、制御部１４は、燃料ガスＧ５の供給量と空気の供給量とを選択的に増加させるのではなく、燃料ガスＧ５の量と空気の量の両方を増加させる。よって、燃料電池１１に対するアノードガスＧ１の供給量又はカソードガスＧ２の供給量が過剰になることも考えられる。しかし、燃料電池１１は、上述したように、アノードガスＧ１の供給量やカソードガスＧ２の供給量が過剰になっても、必ずしも破損しない。よって、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合においては、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、供給量を増加させるための制御信号を出力する。

制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合においては、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。すなわち、制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、燃料ガスＧ５の供給量や空気の供給量を減少させる制御信号を出力することはない。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
第２実施形態による燃料電池システム２において、制御部１４が、検出値Ｖ１は所定の範囲を上回る値であると判断した場合に分かることは、アノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスＧ４の量のいずれか一方又は両方が、正常な状態における量よりも多いということである。しかし、燃料電池システム２において、アノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスＧ４の量のどちらが、正常な状態における量よりも多いのかは、分からない。そのため、仮に、制御部１４が、燃料ガス供給部２１に対して、燃料ガスＧ５の供給量を減少させるための制御信号を出力した場合、本来適正な量であった燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が、不足してしまう可能性がある。そして、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足すると、上述したように、燃料電池１１はスタック破損することがある。一方、燃料電池１１は、アノードガスＧ１の供給量やカソードガスＧ２の供給量が過剰になっても、必ずしも破損しない。よって、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合においては、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。

そのため、所定の範囲は、上限を有さず、下限のみを有する範囲とされてもよい。上述したように、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値である場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値である場合において、制御部１４は、同じ制御（燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、現在の状態に維持させる制御）を行うからである。
例えば、所定の範囲は、０．９Ｖ以上である範囲に設定されてもよい。このように所定の範囲が設定された場合、制御部１４は、所定の範囲を下回る値（すなわち、所定の範囲外の値）であるか、所定の範囲に収まる値（すなわち、所定の範囲内の値）であるかを判断し、制御信号を出力することになる。
表２は、所定の範囲が０．９Ｖ以上である範囲に設定された場合における制御部１４の動作を例示した表である。

なお、検出値Ｖ１が０．８５Ｖの場合における制御部１４の動作と、０．８０Ｖの場合における制御部１４の動作は同じである。検出値Ｖ１が０．８５Ｖの場合、検出値Ｖ１が相対的に所定の範囲に近い値であることを考慮すると、アノードガスＧ１の供給量とカソードガスＧ２の供給量のいずれかが、正常な状態における量に比べて少ないことが予想される。検出値Ｖ１が０．８０Ｖの場合、検出値Ｖ１が相対的に所定の範囲から遠い値であることを考慮すると、アノードガスＧ１の供給量とカソードガスＧ２の供給量の両方が、正常な状態における量に比べて少ないことが予想される。しかし、上述したように、燃料電池システム２において、アノードガスＧ１の供給量とカソードガスＧ２の供給量のいずれが、正常な状態における量に比べて少ないかは判断できない。
よって、検出値Ｖ１が０．８５Ｖの場合における制御部１４の動作と、０．８０Ｖの場合における制御部１４の動作は同じになる。

さらに、制御部１４は、燃料電池１１に対しても、制御信号を出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、燃料電池１１に対して、燃料電池１１の出力を低下させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料電池１１は、発電量が減少するように制御されるため、燃料電池１１の発電量は減少する。検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、燃料電池１１が、アノードガスＧ１又はカソードガスＧ２の供給量に対して、過剰な発電量で発電していることを意味する。そのため、制御部１４は、燃料電池１１の発電量を減少させるために、燃料電池１１に対して、燃料電池１１の出力を低下させるための制御信号を出力する。

そして、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合においては、燃料電池１１に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。検出値Ｖ１が所定の範囲を上回るということは、燃料電池１１が、アノードガスＧ１の供給量又はカソードガスＧ２の供給量に対して、不足する発電量で発電していることを意味する。しかし、燃料電池１１の発電量が不足していても、燃料電池１１は、必ずしも破損しない。そのため、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合、燃料電池１１に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。

なお、制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に制御信号を出力するとともに、燃料電池１１に制御信号を出力してもよい。また、制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３にだけ制御信号を出力してもよいし、燃料電池１１にだけ制御信号を出力してもよい。

また、燃料電池システム２において、検出用燃料電池１２の配置は、図４（Ａ）のような配置であったが、この配置に限定されない。検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１がアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２がカソードオフガスＧ４に接触する配置であればよい。

例えば、図４（Ｂ）に示すように、検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１が、分岐部Ｊ１としての穴を介して、アノードオフガスラインＬ３の中に設けられ、カソード１２２がカソードオフガス検出ラインＬ１０に接続される配置であってもよい。この図４（Ｂ）の配置では、アノード１２１は、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に直接接触し、カソード１２２は、カソードオフガス検出ラインＬ１０を介してカソードオフガスＧ４に接触することになる。また、図示しないが、カソード１２２が、分岐部Ｊ２としての穴を介して、カソードオフガスラインＬ５の中に設けられ、アノード１２１がアノードオフガス検出ラインＬ４に接続される配置であってもよい。

図４（Ｃ）に示すように、検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１が、分岐部Ｊ１としての穴を介して、アノードオフガスラインＬ３の中に設けられ、カソード１２２が、分岐部Ｊ２としての穴を介して、カソードオフガスラインＬ５の中に設けられる配置であってもよい。この図４（Ｃ）の配置では、アノード１２１は、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に直接接触し、カソード１２２は、カソードオフガスラインＬ５を流通するカソードオフガスＧ４に直接接触することになる。

第２実施形態の燃料電池システム２によれば、一つの燃料電池セルで構成された検出用燃料電池１２を一つ使用して、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスラインＬ５を流通するカソードオフガスＧ４の量のいずれか一方、又は両方が適量か否かを判断することができる。そのため、第２実施形態の燃料電池システム２によれば、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスラインＬ５を流通するカソードオフガスＧ４の量のいずれか一方、又は両方が適量か否かを判断できる燃料電池システムが、簡単な構成で実現される。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム３を示す概略図である。図６（Ａ）〜（Ｂ）は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム３における検出用燃料電池１２の配置を詳細に示す図である。

第３実施形態については、主として、第２実施形態と異なる点を中心に説明し、第２実施形態と同様な構成については、詳細な説明を省略する。特に説明しない点については、第２実施形態又は第１実施形態についての説明が適宜適用される。

第３実施形態の燃料電池システム３は、空気供給ラインＬ１１が設けられている点で、第２実施形態の燃料電池システム２と異なる。
第３実施形態の燃料電池システム３においては、カソードオフガス検出ラインＬ１０の途中に分岐部Ｊ３が設けられている。また、カソードガス供給ラインＬ２の途中には、分岐部Ｊ４が設けられている。空気供給ラインＬ１１の一端部は、分岐部Ｊ３に接続され、他端部は、分岐部Ｊ４に接続されている。この空気供給ラインＬ１１の途中には、空気調整部としての空気調整弁２４が設けられている。空気調整弁２４が開放されている場合、空気供給ラインＬ１１には、空気供給部２３から供給される供給用空気Ｇ７が流通し、空気調整弁２４が閉じられている場合には、空気供給部２３から供給される供給用空気Ｇ７は流通しない。

燃料電池システム３においては、検出用燃料電池１２は、図６（Ａ）に示すように配置されている。図６（Ａ）は、アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４、カソードオフガスラインＬ５、カソードオフガス検出ラインＬ１０、空気供給ラインＬ１１及び検出用燃料電池１２の断面を示している。図６（Ａ）に示すように、アノード１２１は、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の他端部に接続されており、カソード１２２は、筒状のカソードオフガス検出ラインＬ１０の他端部に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ１としての穴が設けられており、カソードオフガスラインＬ５の途中には、分岐部Ｊ２としての穴が設けられている。

筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の一端部の開口が、分岐部Ｊ１としての穴と連通するように、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４は、アノードオフガスラインＬ３につながっている。筒状のカソードオフガス検出ラインＬ１０の一端部の開口が、分岐部Ｊ２としての穴と連通するように、筒状のカソードオフガス検出ラインＬ１０は、カソードオフガスラインＬ５につながっている。

カソードオフガス検出ラインＬ１０の途中には、分岐部Ｊ３としての穴が設けられている。そして、筒状の空気供給ラインＬ１１の一端部の開口が、分岐部Ｊ３としての穴と連通するように、筒状の空気供給ラインＬ１１は、カソードオフガス検出ラインＬ１０につながっている。空気供給ラインＬ１１は、例えば、セラミックチューブで形成されている。

図６（Ａ）において、矢印で示されるように、アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４を流通し、カソードオフガスＧ４は、カソードオフガスラインＬ５及びカソードオフガス検出ラインＬ１０を流通する。また、空気供給部２３から供給され、分岐部Ｊ４で分岐した空気は、供給用空気Ｇ７として空気供給ラインＬ１１を流通し、分岐部Ｊ３を介してカソードオフガス検出ラインＬ１０を流通する。
このように検出用燃料電池１２を配置することによって、アノード１２１は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２は、カソードオフガス検出ラインＬ１０を介してカソードオフガスＧ４に接触する。また、カソード１２２は、空気供給ラインＬ１１を流通する供給用空気Ｇ７にも接触可能となっている。

検出用燃料電池１２は、アノード１２１に接触するアノードオフガスＧ３に含まれる水素と、カソード１２２に接触するカソードオフガスＧ４に含まれる酸素と、を使用して発電する。また、検出用燃料電池１２は、アノード１２１に接触するアノードオフガスＧ３に含まれる水素と、供給用空気Ｇ７に含まれる酸素と、を使用して発電することも可能となっている。

さらに、第３実施形態の燃料電池システム３は、制御部１４が、燃料ガス供給部２１、空気供給部２３及び燃料電池１１を制御するだけでなく、空気調整弁２４も制御する点で、第２実施形態の燃料電池システム２と異なる。制御部１４は、燃料ガス供給部２１、空気供給部２３、燃料電池１１及び空気調整弁２４に電気的に接続されている。制御部１４は、電圧計１３から出力された検出値Ｖ１に基づいて、制御信号を生成し、この制御信号を燃料ガス供給部２１、空気供給部２３、燃料電池１１及び空気調整弁２４に出力する。

空気調整弁２４は、制御部１４から出力される制御信号に応じて、開閉するように構成されている。また、第２実施形態の燃料電池システム２と同様に、燃料ガス供給部２１は、制御信号に基づいて、燃料ガスＧ５の流量を調整することができる流量調整弁等を含んで構成されており、空気供給部２３は、制御信号に基づいて、空気の流量を調整することができる流量調整弁等を含んで構成されている。

第３実施形態による燃料電池システム３は、以下のように動作する。
燃料電池システム３が起動されると、燃料電池システム３は、第２実施形態による燃料電池システム２と同様に動作し、燃料電池１１からアノードオフガスＧ３がアノードオフガスラインＬ３に排出され、カソードオフガスＧ４がカソードオフガスラインＬ５に排出される。
なお、燃料電池システム３の起動時においては、空気調整弁２４は閉じられている。そのため、検出用燃料電池１２は、アノードオフガスＧ３に含まれる水素及びカソードオフガスＧ４に含まれる酸素を使用して発電する。

燃料電池システム３において、電圧計１３は、検出用燃料電池１２で発生した電圧の値を検出値Ｖ１として検出し、この検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回る値であるか、所定の範囲を上回る値であるか、所定の範囲に収まる値であるか、を判断する。

第３実施形態による燃料電池システム３においては、この後の制御が、第２実施形態による燃料電池システム２と異なる。第３実施形態による燃料電池システム３においては、空気調整弁２４を開放する制御が加わる。そして、空気調整弁２４が開放された後、アノードガスＧ１の供給量が不足しているのか、カソードガスＧ２の供給量が不足しているのか、あるいは、アノードガスＧ１の供給量及びカソードガスＧ２の供給量が共に不足しているのかが、判断される。

燃料電池システム３において、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、アノードガスＧ１の供給量が不足しているのか、カソードガスＧ２の供給量が不足しているのか、あるいは、アノードガスＧ１の供給量及びカソードガスＧ２の供給量が共に不足しているのかを特定するための制御を行う。
具体的には、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、空気調整弁２４に対して、空気調整弁２４を開放することを指示する制御信号を出力する。この制御信号によって、空気調整弁２４は開放される。空気調整弁２４が開放されると、空気供給ラインＬ１１には、空気供給部２３から供給される供給用空気Ｇ７が流通する。供給用空気Ｇ７は、空気供給ラインＬ１１、分岐部Ｊ３及びカソードオフガス検出ラインＬ１０を介して検出用燃料電池１２のカソード１２２に接触する。そのため、検出用燃料電池１２は、空気調整弁２４が開放された後においては、アノードオフガスＧ３に含まれる水素及び供給用空気Ｇ７に含まれる酸素を使用して、発電することになる。電圧計１３は、検出用燃料電池１２で発生した電圧の値を検出値Ｖ２として検出し、この検出値Ｖ２を制御部１４に出力する。

制御部１４は、検出値Ｖ２が所定の範囲に収まる値であるか判断する。
制御部１４は、検出値Ｖ２が所定の範囲に収まる値であると判断した場合、空気供給部２３に対して、制御信号を出力する。具体的には、制御部１４は、空気供給部２３に対して、燃料電池１１にカソードガスＧ２の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、空気供給部２３は、燃料電池１１に供給するカソードガスＧ２の量を増やすように制御されるため、燃料電池１１に供給されるカソードガスＧ２は増加する。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、第２実施形態においても述べたように、アノードオフガスＧ３の水素濃度及びカソードオフガスＧ４の酸素濃度のいずれか一方又は両方が、正常な状態における濃度よりも低いということを意味する。そして、検出値Ｖ２が所定の範囲に収まるということは、空気調整弁２４を開放し、カソードオフガスＧ４に供給用空気Ｇ７を追加するだけで、検出用燃料電池１２の電圧は、正常な状態における電圧と同等の電圧になることを意味している。すなわち、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回ったのは、カソードオフガスＧ４の酸素濃度だけが正常な状態における酸素濃度に比べて低かったことが原因であることが分かる。そして、カソードオフガスＧ４の酸素濃度が、正常な状態における酸素濃度に比べて低いということは、カソードオフガスＧ４の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのカソードガスＧ２の供給量が不足していることを意味する。よって、制御部１４は、空気供給部２３に対して、燃料電池１１に供給するカソードガスＧ２の量を増加させるための制御信号を出力する。

制御部１４は、検出値Ｖ２が所定の範囲に収まる値でないと判断した場合、検出値Ｖ２と検出値Ｖ１とを比較する。制御部１４は、検出値Ｖ２と検出値Ｖ１とが略等しいと判断した場合、燃料ガス供給部２１に対して制御信号を出力する。具体的には、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料ガス供給部２１は、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増やすように制御されるため、改質器１５に供給される燃料ガスＧ５は増加する。その結果、改質器１５から供給されるアノードガスＧ１も増加する。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
検出値Ｖ２が所定の範囲に収まる値でなく、検出値Ｖ１と略等しい値であるということは、空気調整弁２４を開放し、カソードオフガスＧ４に供給用空気Ｇ７を追加しても、検出用燃料電池１２の電圧は、変化しないということを意味している。すなわち、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回ったのは、カソードオフガスＧ４の酸素濃度が正常な状態における酸素濃度に比べて低かったことが原因ではなく、アノードオフガスＧ３の水素濃度が正常な状態における水素濃度に比べて低かったことが原因であることが分かる。そして、アノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態における水素濃度に比べて低いということは、アノードオフガスＧ３の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していることを意味する。よって、制御部１４は、燃料電池１１に供給するアノードガスＧ１の量を増加させるために、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。

制御部１４が、検出値Ｖ２が所定の範囲に収まる値でないと判断し、検出値Ｖ２と検出値Ｖ１とを比較した結果、検出値Ｖ２が検出値Ｖ１よりも大きいと判断した場合、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して制御信号を出力する。具体的には、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力するとともに、空気供給部２３に対して、燃料電池１１に供給するカソードガスＧ２の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料ガス供給部２１は、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増やすように制御されるため、改質器から供給されるアノードガスＧ１も増加する。さらに、この制御信号によって、空気供給部２３は、燃料電池１１に供給するカソードガスＧ２の量を増やすように制御されるため、燃料電池１１に供給されるカソードガスＧ２も増加する。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
検出値Ｖ２が所定の範囲に収まる値でなく、検出値Ｖ１よりも大きい値であるということは、空気調整弁２４を開放し、カソードオフガスＧ４に供給用空気Ｇ７を追加すると、検出用燃料電池１２の電圧は大きくはなるものの、正常な状態における電圧よりは小さいことを意味している。すなわち、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回ったのは、カソードオフガスＧ４の酸素濃度が正常な状態における酸素濃度に比べて低かったことが原因の一つではあるが、アノードオフガスＧ３の水素濃度が正常な状態における水素濃度に比べて低かったことも原因であることが分かる。よって、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して、燃料電池１１に供給するアノードガスＧ１を増加させるための制御信号を出力するとともに、空気供給部２３に対して、燃料電池１１に供給するカソードガスＧ２の量を増加させるための制御信号を出力する。

制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合、及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合においては、燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。燃料電池１１は、アノードガスＧ１の供給量やカソードガスＧ２の供給量が過剰になっても、必ずしも破損しないからである。

そのため、所定の範囲は、上限を有さず、下限のみを有する範囲とされてもよい。上述したように、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値である場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値である場合において、制御部１４は、同じ制御（燃料ガス供給部２１及び空気供給部２３に対して、現在の状態に維持させる制御）を行うからである。
例えば、所定の範囲は、０．９Ｖ以上である範囲に設定されてもよい。このように所定の範囲が設定された場合、制御部１４は、所定の範囲を下回る値（すなわち、所定の範囲外の値）であるか、所定の範囲に収まる値（すなわち、所定の範囲内の値）であるかを判断し、制御信号を出力することになる。
表３は、所定の範囲が０．９Ｖ以上である範囲に設定された場合における制御部１４の動作を例示した表である。

なお、制御部１４は、燃料ガス供給部２１、空気供給部２３及び空気調整弁２４に制御信号を出力するとともに、燃料電池１１に制御信号を出力してもよい。また、制御部１４は、燃料ガス供給部２１、空気供給部２３及び空気調整弁２４にだけ制御信号を出力してもよいし、燃料電池１１にだけ制御信号を出力してもよい。

また、燃料電池システム３において、検出用燃料電池１２の配置は、図６（Ａ）のような配置であったが、この配置に限定されない。検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１がアノードオフガスＧ３に接触し、カソード１２２がカソードオフガスＧ４に接触し、かつ、カソード１２２が、空気供給ラインＬ１１からの供給用空気Ｇ７にも接触可能な配置であればよい。

例えば、図６（Ｂ）に示すように、検出用燃料電池１２の配置は、アノード１２１が、分岐部Ｊ１としての穴を介して、アノードオフガスラインＬ３の中に設けられる配置であってもよい。この図６（Ｂ）の配置では、アノード１２１は、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に直接接触することになる。

第３実施形態の燃料電池システム３によれば、燃料電池セルで構成された検出用燃料電池１２を一つ使用して、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量と、カソードオフガスラインＬ５を流通するカソードオフガスＧ４の量が、それぞれ個別に適量か否か判断することができる。そのため、アノードオフガスラインＬ３におけるアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断でき、かつ、カソードオフガスラインＬ５におけるカソードオフガスＧ４の量が適量か否かを判断できる燃料電池システムが、簡単な構成で実現される。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態において、制御部１４は、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１や空気調整弁２４の制御を行っていたが、これに限定されない。本発明において、検出用燃料電池１２で得られた検出値Ｖ１は、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１や空気調整弁２４の制御に限られず、様々な用途に使用され得る。例えば、制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回った場合や上回った場合に、アラーム信号を出力して、作業者に注意を促すようにし、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１や空気調整弁２４を制御しないこともあり得る。また、制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回った場合や上回った場合に、燃料電池システム全体を停止させる制御を行うこともあり得る。
すなわち、本発明においては、アノードオフガスラインＬ３におけるアノードオフガスＧ３が適量か否かを判断した後、その判断結果を様々な用途に使用可能である。また、本発明は、カソードオフガスラインＬ５におけるカソードオフガスＧ４が適量か否かを判断した後、その判断結果を様々な用途に使用可能である。

第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態においては、検出値として電圧が使用されていたが、電流又は抵抗値が使用されてもよい。また、電圧、電流及び抵抗値から選択されるいずれか２つ又はすべてが使用されてもよい。例えば、電力が検出値として使用されてもよい。すなわち、検出値は、電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上が使用されていればよい。

また、図２（Ａ）〜（Ｄ）、図４（Ａ）〜（Ｃ）、図６（Ａ）〜図６（Ｂ）においては、検出用燃料電池１２の側面は露出していたが、検出用燃料電池１２の側面は、露出していなくてもよい。例えば、図２（Ａ）において、アノードオフガス検出ラインＬ４と大気開放ラインＬ６とがつながって一つのラインを構成しており、この一つのラインの中に検出用燃料電池１２が内蔵されるようにしてもよい。

第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態においては、燃料電池１１は、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）であったが、これに限定されない。また、検出用燃料電池１２は、一つの燃料電池セルで構成されていたが、２つ以上の燃料電池をスタック化したものであってもよい。検出用燃料電池１２を構成する燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと同じ構成のものを用いていたが、これに限定されない。例えば、検出用燃料電池１２を構成する燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと異なる種類のものであってもよい。

１１燃料電池（第１の燃料電池）
１２検出用燃料電池（検出用の第２の燃料電池）
１３電圧計（検出部）
１４制御部
２４空気調整弁（空気調整部）
Ｌ１アノードガス供給ライン
Ｌ２カソードガス供給ライン
Ｌ３アノードオフガスライン
Ｌ５カソードオフガスライン
Ｌ４アノードオフガス検出ライン
Ｌ６大気開放ライン
Ｌ１０カソードオフガス検出ライン
Ｇ１アノードガス
Ｇ２カソードガス
Ｇ３アノードオフガス
Ｇ４カソードオフガス
Ａ１大気

Claims

複数の固体酸化物型の燃料電池セルが積層配置されて構成された燃料電池スタックからなる第１の燃料電池と、
単一の固体酸化物型の燃料電池セルで構成された検出用の第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給ラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給ラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のカソードオフガスが流通するカソードオフガスラインと、
前記第２の燃料電池から生じる電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上を検出値として出力する検出部と、
を備え、
前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガスラインに接続されたアノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通する前記アノードオフガスに接触しており、
前記第２の燃料電池のカソードは、直接又は大気開放された大気開放ラインを介して大気と接触している
燃料電池システム。
複数の固体酸化物型の燃料電池セルが積層配置されて構成された燃料電池スタックからなる第１の燃料電池と、
単一の固体酸化物型の燃料電池セルで構成された検出用の第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給ラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給ラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のカソードオフガスが流通するカソードオフガスラインと、
前記第２の燃料電池から生じる電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上を検出値として出力する検出部と、
を備え、
前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガスラインに接続されたアノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通する前記アノードオフガスに接触しており、
前記第２の燃料電池のカソードは、直接又は前記カソードオフガスラインに接続されたカソードオフガス検出ラインを介して、前記カソードオフガスラインを流通する前記カソードオフガスに接触している
燃料電池システム。
複数の固体酸化物型の燃料電池セルが積層配置されて構成された燃料電池スタックからなる第１の燃料電池と、
単一の固体酸化物型の燃料電池セルで構成された検出用の第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給ラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給ラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、
前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池のカソードオフガスが流通するカソードオフガスラインと、
前記第２の燃料電池から生じる電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上を検出値として出力する検出部と、
前記カソードオフガスラインに接続されたカソードオフガス検出ラインと、
前記カソードオフガス検出ラインに接続された空気供給ラインと、
前記空気供給ラインに接続され、前記空気供給ラインを介して前記第２の燃料電池のカソードに供給する空気の量を調整する空気調整部と、
検出値に基づいて、前記空気調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガスラインに接続されたアノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通する前記アノードオフガスに接触しており、
前記第２の燃料電池の前記カソードは、前記カソードオフガス検出ラインを介して、前記カソードオフガスラインを流通する前記カソードオフガスに接触しており、
前記制御部は、検出値が所定の範囲内であると判断した場合、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給しないように、前記空気調整部に指示し、検出値が所定の範囲外であると判断した場合、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給するように、前記空気調整部に指示する
燃料電池システム。
前記制御部は、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給する前の検出値と、前記空気調整部が前記カソードに空気を供給した後の検出値とを比較する
請求項３に記載の燃料電池システム。