JP2011175946A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷追従して発電量を変更する燃料電池装置であっても、燃料電池セルの破損等を検出することができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明は、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置1であり、固体酸化物形の複数の燃料電池セル4,30,90を備えた燃料電池モジュール102と、発電反応に使用される反応ガス（燃料ガス、発電用空気）を燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段138，144と、燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段226と、反応ガス供給手段を制御して、起動モード、発電モード、停止モードを実行する制御手段210と、を有し、制御手段は、起動モード又は停止モードにおいて、モジュール電圧が所定量（ΔＶ,ΔＶ/Δｔ）降下したとき燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行する。
【選択図】図１７

Description

本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置に関する。

固体酸化物形燃料電池（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、燃料電池セルが破損すると発電性能が低下して、燃料電池モジュールのモジュール電圧が降下することが知られている。
特許文献１には、負荷電力に対応して、Ｈｉｇｈモード、Ｍｉｄモード、Ｌｏｗモードの３つの発電運転モードが設定され、各モードにおいて燃料電池の出力電圧が降下すると、出力電力を目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御することにより、作動状態に大きな影響を与えることなく対処できるようにした燃料電池発電システムが記載されている。

特許第３９３９９７８号公報

しかしながら、負荷追従して発電量を大きく変更することができる燃料電池装置においては、負荷追従に伴い燃料電池モジュールの電圧変化も大きくなる。このため、負荷追従する燃料電池装置においては、燃料電池モジュールに電圧降下が生じても、この電圧降下が負荷追従により生じたものか、燃料電池セルの破損により生じたものか区別することができないので、特許文献１等の技術も用いても、燃料電池セルの破損を検出することができないものとなっている。

例えば、燃料電池セルの電極が剥離し、この剥離片が隣接する燃料電池セルと接触して短絡が生じることにより、燃料電池モジュールの電圧降下が生じることが考えられるが、特許文献１等により、このような燃料電池セルの破損を検出することは困難であった。

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、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置であっても、燃料電池セルの破損等を検出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、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置において、固体酸化物形の複数の燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、発電反応に使用される反応ガスを上記燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段と、燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、反応ガス供給手段を制御して、所定電力の発電が可能な発電開始温度まで燃料電池セルを昇温させる起動モード、この起動モードの実行後に負荷追従しながら上記燃料電池モジュールより電力を出力する発電モード、この発電モードの実行後に上記燃料電池セルを冷却する停止モードを実行する制御手段と、を有し、制御手段は、起動モード又は停止モードにおいて、モジュール電圧が所定量降下したとき燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行することを特徴としている。
破損の無い正常な固体酸化物形の燃料電池セルであれば、燃料電池モジュールのモジュール電圧は、燃料電池セルの温度に依存して上昇（起動時）または下降（停止時）する。また、固体酸化物形の燃料電池セルは、発電時は例えば600〜700℃程度という高温になる。したがって、常温からその高温まで昇温させる起動モード、または、その高温から常温まで冷却する停止モードでは、燃料電池モジュールに出入する熱流束が大きくなるため、起動モード及び停止モード実行中の燃料電池モジュールのモジュール電圧は、外気温度変動等の外乱の影響を殆ど受けることなく、安定的に上昇又は下降する。したがって、燃料電池モジュールの電圧降下量に基づいて燃料電池セルの異常を判定する場合には、起動モード又は停止モードの実行中であれば、精度良く行うことが可能となる。この結果、本発明によれば、発電モードである負荷追従時には検出困難な燃料電池セル外表面の剥離・短絡等の異常を、検出することができる（本発明者らが見出した知見）。
このため、上述したように構成された本発明によれば、制御手段が、起動モード又は停止モードにおいて、モジュール電圧が所定量降下した場合に燃料電池セルが異常であると判定しているので、負荷追従する燃料電池装置であっても、正確に燃料電池セルの異常を異常を判定し、異常対応制御を実行するので、発電性能が低下した燃料電池モジュールに対応した運転を実行することが可能となる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの電圧降下量に応じて、異なる異常対応制御を実行する。
このように構成された本発明においては、燃料電池のモジュールの電圧降下量は、燃料電池セルの破損の程度とともに大きくなる傾向があるので、燃料電池セルの破損の程度に応じて、その燃料電池セルに適した異常対応制御を実行することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、上記起動モード又は上記停止モードにおいて、上記燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して上記燃料電池セルの異常を判定する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定するようにしているので、一旦異常と判定された後にモジュール電圧が回復して異常が解消されるような場合であっても、確実に、燃料電池セルの破損を検出することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段による異常対応制御は、燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させることである。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させるようにしているので、燃料電池モジュール又は燃料電池セルの修理や交換を使用者らに促すことができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合は運転を停止し、所定値よりも小さい場合は運転を継続する。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が大きい場合には、運転を停止して燃料電池セルの修理や交換を促して発電性能の回復を図ることができ、一方、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が小さい場合には、わずかに性能低下しながらも、発電を行うことができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される発電モードにおける最大発電量を燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにした。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される発電モードにおける最大発電量を燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにしたので、発電により生じる更なる燃料電池セルへのダメージを軽減することができる。ここで、「その後に実行される発電モード」は、停止モードにおいて燃料電池セルが異常であると判定された場合には、燃料電池装置の次の運転における起動モード後の「発電モード」を意味する。

本発明において、好ましくは、制御手段の異常対応制御は、反応ガスの供給量を燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたものである。
このように構成された本発明においては、反応ガスの供給量（単位時間当たりの流量）を燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたので、増加した反応ガスにより、燃料電池セル間を短絡している剥離片等を吹き飛ばし、短絡解消及び電圧回復を図ることができる。

本発明の燃料電池装置によれば、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置であっても、燃料電池セルの破損等を検出することができる。

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の起動モード実行時の動作を示すタイムチャートである。 電極表面から剥離した剥離片を示す写真である。 剥離片により短絡した電流経路を示す燃料電池セルスタックの部分平面図である。 燃料電池装置における起動モード実行中に短絡が発生しその後解消した第１ケースを示すタイムチャートである。 燃料電池装置における起動モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第２ケースを示すタイムチャートである。 燃料電池装置における停止モード実行中に短絡が発生しその後解消した第３ケースを示すタイムチャートである。 燃料電池装置における停止モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第４ケース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異常判定処理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起動モードにおける異常対策制御の内容（図１７のＳ５のサブルーチン）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異常対策制御における起動モード終了時電圧、最大発電電流、及び、燃料流量を示す図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止モードにおける異常対策制御の内容（図１７のＳ９のサブルーチン）を示すフローチャートである。

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１０２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１０２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「水ポンプ」等）を備えている。

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）の供給量を制御すると共に起動モード、発電モード、停止モードにおける制御、及び、異常対応制御を実行するための制御部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により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（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、燃料流量調整ユニット１３８、改質用空気流量調整ユニット１４４、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、制御部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、異常対応制御を実行するようになっている。

ここで、本実施形態による燃料電池装置は、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置であり、さらに、起動モード、発電モード、停止モードの３つのモードが実行されるようになっている。

次に、図１０により、本実施形態による燃料電池装置における起動モード実行時の動作を説明する。図１０は本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動モード実行時の動作を示すタイムチャートである。

燃料電池装置の起動時には、先ず、燃料電池モジュール１０２を温めるために、燃料電池モジュール１０２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１０２を含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュール１０２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１０２は、発電を行わない。

先ず、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料流量調整ユニット１３８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２１０は、都市ガス及び空気（改質用空気）を含む燃料ガスを供給するように、燃料ポンプ及び空気ブロア（改質用空気ブロア）等に信号を出力する。図１０には、燃料流量及び改質用空気流量を示している。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（発電用空気）を供給する。具体的には、空気流量調整ユニット１４４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９３ａ，９６ａから発電室１６内へと導く。発電室１６内へと導かれた空気（発電用空気）は、外側の電極層４８と作用する。作用しなかった空気（発電用空気）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（発電用空気）とを燃焼させる。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８（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（発電用空気）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（発電用空気）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（改質用空気）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/2Ｏ₂ → _mＣＯ＋_n/2Ｈ₂ （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/8Ｏ₂ → _m/4ＣＯ＋_n/8Ｈ₂＋_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。このとき、制御部２１０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、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、改質器温度センサ２４８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。このとき、制御部２１０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改質器用空気ブロアを停止させる信号を出力する。

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＋_mＨ₂Ｏ → _mＣＯ＋_(n/2+m)Ｈ₂ （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１０２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１０２を含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュール１０２は発電を開始し、回路に電流が流れる。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１０２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（発電用空気）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。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２１０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２．８Ｌ／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。

次に、図１１及び図１２により、燃料電池セルの破損の一例を説明する。図１１は電極表面から剥離した剥離片を示す写真であり、図１２は剥離片により短絡した電流経路を示す燃料電池セルスタックの部分平面図である。
図１１に示すように、燃料電池セルユニット３０の外側の電極層４８の電極表面の一部が剥離して剥離片となり、この剥離片が隣接する他の燃料電池セルユニット３０の電極表面に接触し、それにより、電流経路の一部が短絡する。
図１２において、実線は、正常な状態の燃料電池セルスタックにおける電流経路を示し、破線は、図１１に示した剥離片１１０により短絡が発生したときの燃料電池セルスタックにおける電流経路を示している。Ｘの部分が、短絡した経路であり、電流経路が短くなった分だけ、モジュール電圧の電圧降下が発生することになる。

次に、図１３乃至図１６により、燃料電池セルが破損した場合（短絡が発生した場合）の燃料電池モジュールの電圧降下について説明する。図１３は燃料電池装置における起動モード実行中に短絡が発生しその後解消した第１ケースを示すタイムチャートであり、図１４は起動モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第２ケースを示すタイムチャートであり、図１５は停止モード実行中に短絡が発生しその後解消した第３ケースを示すタイムチャートであり、図１６は停止モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第４ケースを示すタイムチャートである。

先ず、図１３及び図１４に示すように、燃料電池装置の起動モード実行時においては、スタック温度Ｔｓ（燃料電池セルスタック９０の温度）は、燃料ガスと発電用空気との燃焼、部分酸化する改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲにより、次第に上昇する。このとき、ＳＯＦＣでは、スタック温度に対応してモジュール電圧も変化するので、モジュール電圧も滑らかなカーブ形状で、上昇する。このとき、発電用空気流量は一定である。

図１３に示す第１ケースにおいては、この起動モード時において、燃料電池セルが破損した場合（短絡が発生した場合）には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔＶだけ電圧降下する。第１ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は一時的なものであり、その後、短絡が解消され、正常なモジュール電圧に近い値まで復帰する。なお、Ｖｆは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Ｖｇは起動モード終了時（＝発電モード開始時）のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。

図１４に示す第２ケースにおいては、この起動モード時において、燃料電池セルが破損した場合（短絡が発生した場合）には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔＶだけ電圧降下する。第２ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は、短絡が解消されないので、そのまま維持され、正常なモジュール電圧に復帰することはない。同様に、Ｖｆは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Ｖｇは起動モード終了時（＝発電モード開始時）のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。

次に、図１５及び図１６に示すように、燃料電池装置の停止モード時においては、スタック温度Ｔｓ（燃料電池セルスタック９０の温度）は、次第に低下する。このとき、ＳＯＦＣでは、モジュール電圧もスタック温度に対応して滑らかなカーブ形状で下降する。このとき、発電用空気流量は一定である。

図１５に示す第３ケースにおいては、この停止モード時において、燃料電池セルが破損した場合（短絡が発生した場合）には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔＶだけ電圧降下する。第３ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は一時的なものであり、その後、短絡が解消され、正常なモジュール電圧に近い値まで復帰する。なお、Ｖｆは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Ｖｅは停止モード終了時のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。

図１６に示す第４ケースにおいては、この停止モード時において、燃料電池セルが破損した場合（短絡が発生した場合）には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔＶだけ電圧降下する。第４ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は、短絡が解消されないので、そのまま維持され、正常なモジュール電圧に復帰することはない。同様に、Ｖｆは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Ｖｅは停止モード終了時のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。

次に、図１７により、本実施形態による燃料電池装置における異常判定処理を説明する。図１７は本発明の一実施形態による燃料電池装置における異常判定処理の内容を示すフローチャートである。図１７において、Ｓは各ステップを示す。
図１７において、先ず、Ｓ１において、燃料電池装置が起動モード実行中か否かを判定する。起動モード実行中の場合には、Ｓ２に進み、モジュール電圧において電圧降下が発生したか否かを判定する。

電圧降下が発生した場合には、Ｓ３に進み、電圧降下量ΔＶを演算する。次に、Ｓ４に進み、求めた電圧降下量ΔＶが、０．１Ｖｆ（＝電圧降下が生じる直前のモジュール電圧Ｖｆの０．１倍の値）よりも大であるか否かを判定し、大であれば、燃料電池セルが異常（故障）であると判定し、Ｓ５に進み、起動モード時の移動対応制御（詳細は図１８に示す）を実行する。

上述したように、本実施形態においては、起動モードでは、図１３及び図１４に示すように、燃料電池セルが正常であればモジュール電圧は単純に滑らかに上昇する特性を有するが、この特性に反して、モジュール電圧が降下して、この電圧降下量ΔＶが０．１Ｖｆを超えた場合には、燃料電池セルの異常と判定し、異常対応制御を実行するようになっている。

次に、Ｓ１において、起動モード実行中ではないと判定された場合、Ｓ６に進み、停止モード実行中であるか否かを判定する。ここで、停止モード実行中でもないと判定された場合は、発電モード実行中であるので、本実施形態による燃料電池装置においては、この発電モードでは、異常対応制御は行わないようになっている。

Ｓ６において、停止モード実行中であると判定された場合には、Ｓ７に進み、モジュール電圧の単位時間当たりの電圧降下量ΔＶ／Δｔを演算する。次に、Ｓ８に進み、この単位時間当たりの電圧降下量ΔＶ／Δｔが閾値αよりも大きいか否かを判定し、大きい場合には、燃料電池セルが異常（故障）であると判定し、Ｓ９に進み、停止モード時の異常対応制御（詳細は図２０に示す）を実行する。

なお、Ｓ２においてＮＯの場合、及び、Ｓ４においてＮＯの場合には、何れの場合も、Ｓ１０に進み、「Ｆ２＝１又はＦ４＝１」か否かを判定する。
ここで、Ｆ２は、過去の起動モードにおける異常対応制御の実行履歴の有無を示すフラグであり、Ｆ２＝０で実行履歴無し、Ｆ２＝１で実行履歴有りを意味する。また、Ｆ４は、過去の停止モードにおける異常対応制御の実行履歴の有無を示すフラグであり、Ｆ４＝０で実行履歴無し、Ｆ４＝１で実行履歴有りを意味する。
燃料電池装置の家庭等の据付時には、Ｆ２＝０及びＦ４＝０とセットされている。また、フラグＦ２及びＦ４にセットされた値は、制御部２１０に記憶される。
Ｓ１０において、「Ｆ２＝１又はＦ４＝１」である場合には、過去に異常対応制御が実行されているので、Ｓ５に進み、そのときの電圧降下の有無や電圧降下量の大小に関係なく、異常対応制御を実行する。
また、Ｓ１０において、「Ｆ２＝１又はＦ４＝１」でない場合には、異常対応制御は実行しないようになっている。

上述したように、本実施形態においては、停止モードでは、図１５及び図１６に示すように、燃料電池セルが正常であればモジュール電圧は単純に滑らかに下降する特性を有するので、単位時間当たりの電圧降下量ΔＶ／Δｔが閾値αを超えた場合には、燃料電池セルの異常と判定し、異常対応制御を実行するようになっている。ここで、閾値αは、電圧降下が発生した直前のモジュール電圧Ｖｆに基づいて設定される。

次に、図１８及び図１９により、起動モード時の異常対応制御について説明する。図１８は本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動モードにおける異常対策制御の内容（図１７のＳ５のサブルーチン）を示すフローチャートであり、図１９は本発明の一実施形態による燃料電池装置の異常対策制御における起動モード終了時電圧、最大発電電流、及び、燃料流量を示す図である。図１８において、Ｓは各ステップを示す。
図１８に示すように、先ず、Ｓ１１において、電圧降下量ΔＶが０．２Ｖｆより大きいか否かを判定する。本実施形態においては、電圧降下量ΔＶが０．２Ｖｆを超えている場合には、燃料電池セルに深刻な破損が生じているとみなし、即、停止モードに移行するようにしている。一方、電圧降下量ΔＶが０．１Ｖｆ〜０．２Ｖｆの範囲であれば、ある程度の発電は可能とみなし、起動モードを継続するようにしている。以下、具体的に説明する。

電圧降下量ΔＶが０．２Ｖｆを超えている場合には、Ｓ１２に進み、報知装置２１６（図９参照）により、燃料電池セルの故障を報知する。次に、Ｓ１３に進み、表示装置２１４（図９参照）に燃料電池セルの故障を表示する。さらに、Ｓ１４に進み、起動モードから停止モードに移行して、燃料電池装置を停止する。

一方、電圧降下量ΔＶが０．２Ｖｆを超えていない場合、即ち、電圧降下量ΔＶが０．１Ｖｆ〜０．２Ｖｆの範囲の場合には、Ｓ１５に進み、報知装置２１６により、燃料電池セルの「セル性能劣化」を報知し、Ｓ６に進み、表示装置２１４により、「セル性能劣化」を表示する。

次に、Ｓ１７に進み、発電用空気流量を増量して供給する（図１３及び図１４参照）。その後、Ｓ１８に進み、モジュール電圧が正常時の電圧値に回復したか否かを判定する。モジュール電圧が回復した場合には、Ｓ１９に進み、発電用空気流量の増量を停止し、Ｓ２０に進みフラグＦ１をＦ１＝１にセットする。Ｆ１＝１は、起動モード終了までにモジュール電圧が回復し、発電用空気流量の増量を停止した状態を示している。

本実施形態においては、モジュール電圧の電圧降下量ΔＶが０．１Ｖｆ〜０．２Ｖｆの範囲の場合には、発電用空気流量を燃料電池セルが正常時の場合よりも増量し、剥離片（図１１参照）を吹き飛ばして短絡解消を図るようにしている。これにより電圧が回復したら、発電用空気流量を正常時の場合に戻すようにしている。

次に、Ｓ２１に進み、起動モードが終了か否か、具体的には、スタック温度が発電開始温度まで達したか否かを判定する。起動モード終了の場合には、Ｓ２２に進み、Ｆ１＝１か否かを判定する。Ｆ１＝１ではない場合は、電圧降下が有り発電用空気流量を増量したにも係わらず、起動モード終了までに短絡が解消しなかった（電圧が回復しなかった）場合であるので、Ｓ２３に進み、発電用空気流量の増量を停止する（図１３及び図１４参照）。なお、Ｆ１＝１の場合には、既に、電圧回復が有り発電用空気流量の増量は停止されている。

このように、本実施形態においては、発電用空気流量を増量したにも係わらず、短絡が解消されず、電圧が回復しないまま、スタック温度が発電開始温度まで達した場合には、起動モードを終了する。また、増量していた発電用空気流量を燃料電池セルの正常時の流量に戻すようにしている。

次に、Ｓ２４に進み、起動モード終了時の電圧Ｖｇに基づき、発電モード開始時の最大発電電流を決定する。発電モード開始時の最大発電電流は、図１９に示されているように、起動モード終了時の電圧Ｖｇが小さい程、小さな値に設定されるようになっている。なお、正常時の起動モード終了時の電圧は、１６０Ｖ程度であるので、Ｖｇが１５０Ｖ以上の場合には、最大発電電流は定格電流の７Ａに設定し、一方、電圧降下が発生した場合には、最大発電電流は、この定格電流値よりも小さな値に設定されている。さらに、燃料流量Ｑｏも、同様に、起動モード終了時の電圧Ｖｇが小さい程、小さな値に設定されるようになっている。

次に、Ｓ２５に進み、Ｆ２＝１をセットする。このＦ２＝１は、上述したように、起動モードにおける異常対応制御の実行履歴有りを示している。

次に、図２０により、停止モード時の異常対応制御について説明する。図２０は本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止モードにおける異常対策制御の内容（図１７のＳ９のサブルーチン）を示すフローチャートである。図２０において、Ｓは各ステップを示す。
先ず、前提として、単位時間当たりの電圧降下量ΔＶ／Δｔが閾値αを超えて、燃料電池セルの異常と判定された場合であるので、Ｓ３１において、報知装置２１６により、燃料電池セルの「セル性能劣化」を報知し、Ｓ３２に進み、表示装置２１４により、「セル性能劣化」を表示する。

次に、Ｓ３３に進み、発電用空気流量を増量して供給する（図１５及び図１６参照）。その後、Ｓ３４に進み、モジュール電圧が正常時の電圧値に回復したか否かを判定する。モジュール電圧が回復した場合には、Ｓ３５に進み、発電用空気流量の増量を停止し、Ｓ３６に進みフラグＦ３をＦ３＝１にセットする。Ｆ３＝１は、停止モード終了までに電圧回復し、発電用空気流量の増量を停止した状態を示している。

本実施形態においては、単位時間当たりの電圧降下量ΔＶ／Δｔが閾値αを超えた場合には、発電用空気流量を燃料電池セルが正常時の場合よりも増量し、剥離片（図１１参照）を吹き飛ばして短絡解消を図るようにしている。これにより電圧が回復したら、発電用空気流量を正常時の場合に戻すようにしている。

次に、Ｓ３７に進み、停止モードが終了か否か判定する。停止モード終了の場合には、Ｓ３８に進み、Ｆ３＝１か否かを判定する。Ｆ３＝１ではない場合は、電圧降下が有り発電用空気流量を増量したにも係わらず短絡が解消しない（電圧が回復しない）場合であるので、Ｓ３９に進み、発電用空気流量の増量を停止する（図１５及び図１６参照）。なお、Ｆ３＝１の場合には、既に、電圧回復が有り発電用空気流量の増量は停止されている。

このように、本実施形態においては、発電用空気流量を増量したにも係わらず、短絡が解消されず、電圧が回復しない場合には、起動モードを終了する。また、増量していた発電用空気流量を燃料電池セルの正常時の流量に戻すようにしている。

次に、Ｓ４０に進み、Ｆ４＝１をセットする。Ｆ４＝１は、停止モードにおける異常対応制御の実行履歴有りを示すフラグである。

ここで、Ｆ４＝１とセットされた場合には、燃料電池装置における次に実行される運転の起動モードにおいて、図１７に示すように、過去に異常対応制御が実行されているので、Ｓ１０からＳ５に進み、起動モード時において、電圧降下の有無や電圧降下量の大小に関係なく、異常対応制御が実行される。この起動モードにおける異常対応制御において、その後の発電モードにおける「最大発電電流」が決定されるようになっている（図１８のＳ２５参照）。

以上説明したように、本実施形態による燃料電池装置によれば、起動モード又は停止モードにおいて、モジュール電圧の電圧降下量ΔＶ及び／又は単位時間当たりの電圧降下量ΔＶ／Δｔが所定量降下した場合に燃料電池セルが異常であると判定しているので、負荷追従する燃料電池装置であっても、正確に燃料電池セルの異常を異常を判定することができる。本実施形態によれば、さらに、燃料電池セルの異常を判定した場合に異常対応制御を実行するので、発電性能が低下した燃料電池モジュールに対応した運転を実行することが可能となる。

本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの電圧降下量に応じて、即ち、燃料電池セルの破損の程度に応じて、起動モードから停止モードに移行したり、起動モードを継続するような異なる異常対応制御を実行するようにしているので、その燃料電池セルに適した異常対応制御を実行することができる。

本実施形態による燃料電池装置によれば、起動モード又は停止モードにおいて、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定するようにしているので、一旦異常と判定された後にモジュール電圧が回復して異常が解消されるような場合であっても、確実に、燃料電池セルの破損を検出することができる。

本実施形態による燃料電池装置によれば、異常対応制御として、燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させるようにしているので、燃料電池モジュール又は燃料電池セルの修理や交換を使用者らに促すことができる。

本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が大きい場合には、運転を停止して燃料電池セルの修理や交換を促して発電性能の回復を図ることができ、一方、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が小さい場合には、わずかに性能低下しながらも、発電を行うことができる。

本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される発電モード（停止モードにおいて燃料電池セルが異常であると判定された場合には、燃料電池装置の次の運転における起動モード後の「発電モード」を意味する）における最大発電量を燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにしたので、発電により生じる更なる燃料電池セルへのダメージを軽減することができる。

本実形態による燃料電池装置においては、異常対応制御において、反応ガスである燃料ガス又は発電用空気の供給量を燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたので、この増加した反応ガスにより、燃料電池セル間を短絡している剥離片等を吹き飛ばし、短絡解消及び電圧回復を図ることができる。

１ 燃料電池装置
４ 燃料電池セル
５ 改質器
３０ 燃料電池セルユニット
９０ 燃料電池セルスタック
１０２ 燃料電池モジュール
１０４ 補機ユニット
１１０ 剥離片
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
２１４ 表示装置
２１６ 報知装置
２２６ 電力状態検出センサ

上記の目的を達成するために、本発明は、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置において、固体酸化物形の複数の燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、発電反応に使用される反応ガスを上記燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段と、燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、反応ガス供給手段を制御して、所定電力の発電が可能な発電開始温度まで燃料電池セルを昇温させる起動モード、この起動モードの実行後に負荷追従しながら上記燃料電池モジュールより電力を出力する発電モード、この発電モードの実行後に上記燃料電池セルを冷却する停止モードを実行する制御手段と、を有し、制御手段は、起動モードにおいてモジュール電圧が所定量降下したとき、又は、停止モードにおいてモジュール電圧の単位時間当たりの降下量が所定の閾値を超えたとき、燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行することを特徴としている。
破損の無い正常な固体酸化物形の燃料電池セルであれば、燃料電池モジュールのモジュール電圧は、燃料電池セルの温度に依存して上昇（起動時）または下降（停止時）する。また、固体酸化物形の燃料電池セルは、発電時は例えば600〜700℃程度という高温になる。したがって、常温からその高温まで昇温させる起動モード、または、その高温から常温まで冷却する停止モードでは、燃料電池モジュールに出入する熱流束が大きくなるため、起動モード及び停止モード実行中の燃料電池モジュールのモジュール電圧は、外気温度変動等の外乱の影響を殆ど受けることなく、安定的に上昇又は下降する。したがって、燃料電池モジュールの電圧降下量に基づいて燃料電池セルの異常を判定する場合には、起動モード又は停止モードの実行中であれば、精度良く行うことが可能となる。この結果、本発明によれば、発電モードである負荷追従時には検出困難な燃料電池セル外表面の剥離・短絡等の異常を、検出することができる（本発明者らが見出した知見）。
このため、上述したように構成された本発明によれば、制御手段が、起動モードにおいてモジュール電圧が所定量降下したとき、又は、停止モードにおいてモジュール電圧の単位時間当たりの降下量が所定の閾値を超えたとき、燃料電池セルが異常であると判定しているので、負荷追従する燃料電池装置であっても、正確に燃料電池セルの異常を判定し、異常対応制御を実行するので、発電性能が低下した燃料電池モジュールに対応した運転を実行することが可能となる。

本発明において、好ましくは、制御手段による異常対応制御は、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合は運転を停止し、所定値よりも小さい場合は運転を継続する。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が大きい場合には、運転を停止して燃料電池セルの修理や交換を促して発電性能の回復を図ることができ、一方、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が小さい場合には、わずかに性能低下しながらも、発電を行うことができる。

上記の目的を達成するために、本発明は、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置において、内側の電極層と、外側の電極層と、内側の電極層と外側の電極層の間に配置された電解室層とを有する固体酸化物形の複数の燃料電池セルがそれぞれ隣接して配置された燃料電池モジュールと、発電反応に使用される反応ガスを燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段と、燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、反応ガス供給手段により燃料電池セルへ供給する反応ガスの供給量を制御しながら所定電力の発電が可能な発電開始温度まで燃料電池セルを昇温させる起動モード、この起動モードの実行後に負荷追従しながら燃料電池モジュールより電力を出力する発電モードを実行する制御手段と、を有し、制御手段は、起動モードにおいて、無負荷でモジュール電圧の値が上昇している状態から急激に所定量降下したとき、燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行することを特徴としている。
破損の無い正常な固体酸化物形の燃料電池セルであれば、燃料電池モジュールのモジュール電圧は、燃料電池セルの温度に依存して上昇（起動時）する。また、固体酸化物形の燃料電池セルは、発電時は例えば600〜700℃程度という高温になる。したがって、常温からその高温まで昇温させる起動モードでは、燃料電池モジュールに出入する熱流束が大きくなるため、起動モード実行中の燃料電池モジュールのモジュール電圧は、外気温度変動等の外乱の影響を殆ど受けることなく、安定的に上昇する。したがって、燃料電池モジュールの電圧降下量に基づいて燃料電池セルの異常を判定する場合には、起動モードの実行中であれば、精度良く行うことが可能となる。この結果、本発明によれば、発電モードである負荷追従時には検出困難な燃料電池セルの外表面の剥離・短絡等の異常を、検出することができる（本発明者らが見出した知見）。
このため、上述したように構成された本発明によれば、制御手段が、起動モードにおいて、無負荷でモジュール電圧の値が上昇している状態から急激に所定量降下したとき、燃料電池セルが異常であると判定しているので、負荷追従する燃料電池装置であっても、正確に燃料電池セルの異常を判定し、異常対応制御を実行するので、発電性能が低下した燃料電池モジュールに対応した運転を実行することが可能となる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、起動モードにおいて、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定するようにしているので、一旦異常と判定された後にモジュール電圧が回復して異常が解消されるような場合であっても、確実に、燃料電池セルの破損を検出することができる。

Claims (7)

1. 負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置において、
   固体酸化物形の複数の燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
   発電反応に使用される反応ガスを上記燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段と、
   上記燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、
   上記反応ガス供給手段を制御して、所定電力の発電が可能な発電開始温度まで上記燃料電池セルを昇温させる起動モード、この記起動モードの実行後に負荷追従しながら上記燃料電池モジュールより電力を出力する発電モード、この発電モードの実行後に上記燃料電池セルを冷却する停止モードを実行する制御手段と、を有し、
   上記制御手段は、上記起動モード又は上記停止モードにおいて、上記モジュール電圧が所定量降下したとき上記燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行することを特徴とする燃料電池装置。
2. 上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの電圧降下量に応じて、異なる異常対応制御を実行する請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 上記制御手段は、上記起動モード又は上記停止モードにおいて、上記燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して上記燃料電池セルの異常を判定する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 上記制御手段による異常対応制御は、上記燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させることである請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池装置。
5. 上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合は運転を停止し、上記所定値よりも小さい場合は運転を継続する請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池装置。
6. 上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの電圧降下量が上記所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される上記発電モードにおける最大発電量を上記燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにした請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 上記制御手段の異常対応制御は、上記反応ガスの供給量を上記燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたものである請求項１に記載の燃料電池装置。