(57)【要約】【課題】水気化器への水供給の不具合を確実に検出し、安全に燃料電池発電装置の発電を制御する。【解決手段】燃料改質器及び燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、水蒸気供給手段は、燃料電池モジュールの境界部分に配置され、燃料電池モジュールからの排ガスの熱を利用して水蒸気を発生させる水気化器を含み、水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に温度測定部を備え、制御部は、燃料電池発電装置の発電時に、温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度に基づいて、燃料電池発電装置の発電を制御する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、
前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に温度測定部を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池発電装置の発電時に、前記温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度が予め定めた閾値以上となった場合、若しくは、予め定めた閾値以下となった場合は、前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させる前に、前記水気化器に適正に水が供給されていないことを知らせる警告を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する制御部、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
【請求項５】
前記制御部は、
前記温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度が予め定めた閾値以上となった場合、若しくは、予め定めた閾値以下となった場合は、前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることを特徴とする請求項４に記載の制御プログラム。
【請求項６】
前記制御部は、
前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させる前に、前記水気化器に適正に水が供給されていないことを知らせる警告を行うことを特徴とする請求項５に記載の制御プログラム。
【請求項７】
炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記燃料電池発電装置を起動し、発電させる第１のステップと、
前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度を取得する第２のステップと、
前記取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する第３のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項８】
前記第３のステップでは、
前記温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度が予め定めた閾値以上となった場合、若しくは、予め定めた閾値以下となった場合は、前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項９】
前記第３のステップでは、
前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させる前に、前記水気化器に適正に水が供給されていないことを知らせる警告を行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置を制御するための制御プログラム並びに制御方法に関し、特に、水蒸気改質反応により改質した燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００３】
この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いためにＰｔ等の高価な貴金属の触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。
【０００４】
上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。
【０００５】
上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータ或いはインターコネクタは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。
【０００６】
上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。
【０００７】
空気極：  １／２Ｏ２  ＋      ２ｅ−    →  Ｏ２−
燃料極：        Ｈ２  ＋      Ｏ２−     →  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−
全体  ：        Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２    →  Ｈ２Ｏ
【０００８】
ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合されるが、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００９】
この燃料電池発電装置は、例えば、図８に示すように、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガスを導入する空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素系ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水蒸気供給系と、各種制御を行う制御部５などで構成され、燃料電池スタック３と燃料改質器４とで燃料電池モジュール２が構成される。また、水蒸気供給系には、燃料電池モジュール２の境界部分に設置され、燃料電池モジュール２から排出される排ガスの熱を利用して水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器１０が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２６０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
炭化水素系ガスと水蒸気との反応（いわゆる水蒸気改質反応）では、水を気化させて炭化水素系ガス（メタンを主成分とする天然ガスやプロパン或いは液体の灯油など）と混合し、ニッケル（Ｎｉ）やルテニウム（Ｒｕ）が含まれる改質触媒に導入し、５００〜７００℃で加熱することにより化学反応が進み、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）や場合によっては一酸化炭素（ＣＯ）が作られる。そして、改質された水素や一酸化炭素が電池反応により電力を生むことになる。
【００１２】
従って、炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置では、水気化器１０により水蒸気を安定的に発生させることが重要である。ここで、一般に、水気化器１０には水移送ポンプ８により純水タンク９から水が供給されるが、例えば、純水タンク９に水を供給するバルブが閉じて純水タンク９が空になった場合や水移送ポンプ８の故障した場合など、何らかの不具合により水気化器１０に水が供給されなくなることがある。
【００１３】
このような水切れは、高温で運転中の燃料電池モジュールに炭化水素系ガスのみが供給されることを意味し、５００〜７００℃で動作する燃料改質器４に炭化水素系ガスのみが供給されると、コーキング現象が起こり、炭化水素系ガスが炭素と水素に分解され、炭素が燃料改質器４内に堆積して閉塞する。このような状態になると、水素が燃料電池スタック３に供給されなくなり、発電セルの電圧低下及び電気的出力の低下に繋がる。また、燃料改質器４内の閉塞により、供給ガス圧が上昇し、ガス爆発の恐れもある。
【００１４】
上記問題を回避するためには、燃料電池発電装置の発電中の水供給停止を確実に防止しなければならず、その方法として、水移送ポンプ８の動作を監視する方法が考えられる。しかしながら、水移送ポンプ８は供給されている水に気泡などがあると空回りすることがあり、この状態では動力系の回転は行っているために、制御系は問題が発生していないと判断してしまい、確実に水供給の減少若しくは停止を検出することができない。
【００１５】
また、別の方法として、水移送ポンプ８の後段に水流量計を設け、水の流量を監視する方法も考えられる。しかしながら、現存する水流量計は誤差が大きく、かつ、故障しやすいため、やはり、確実に水供給の減少若しくは停止を検出することができない。
【００１６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、水蒸気改質反応により改質した燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池発電装置において、水供給の不具合を確実に検出し、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることができる燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に温度測定部を備え、前記制御部は、前記燃料電池発電装置の発電時に、前記温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御するものである。
【００１８】
また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する制御部、として機能させるものである。
【００１９】
また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置を起動し、発電させる第１のステップと、前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び／又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び／又は排ガスの温度を取得する第２のステップと、前記取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する第３のステップと、を少なくとも有するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、水供給の不具合を確実に検出し、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることができる。
【００２１】
その理由は、燃料電池モジュールの境界部分に配置される水気化器の水蒸気排出口近傍に水蒸気温度測定部を設け、水蒸気の温度に基づいて水気化器への水供給の状態を判断するからである。また、水気化器の排ガス排出口近傍に排ガス温度測定部を設け、排ガスの温度に基づいて水気化器への水供給の状態を判断するからである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係る発電セルの構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る水気化器の具体的構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。
【図６】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における水蒸気温度と純水流量との相関を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における排ガス温度と純水流量との相関を示す図である。
【図８】従来の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
背景技術で示したように、炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置では、水気化器により水蒸気を安定的に発生させることが重要であり、水気化器への水供給の減少若しくは停止を確実に検出する必要がある。そこで、従来は、水移送ポンプの動作状態や水気化器に供給される水流量の変化により水気化器への水供給の減少若しくは停止を検出していたが、前者の場合、水移送ポンプが空回りしている場合は異常を検出することができず、後者の場合、水流量計は誤差が大きく故障が多いため、確実に水供給の減少若しくは停止を検出することができないという問題があった。
【００２４】
ここで、燃料電池モジュールは、発電状態では電気、熱のバランスを上手く取って動作している。この状態では、供給される炭化水素系ガスの流量、水流量、空気流量はほぼ一定の値であり、燃料電池モジュールの熱バランスを考えると、燃料電池モジュール内部から水気化器に排出される排ガスの熱量と、排ガスにより温められた水気化器が水を気化する際に使用する熱量及び水気化器から外部に排出される排ガスの熱量とが等しくなっている。
【００２５】
例えば、水気化器が燃料電池モジュールから少し離れた場所にある場合、燃料電池スタックの温度が６００〜８５０℃であると、燃料電池モジュール内の温度は５００〜６００℃になる。上記５００〜６００℃の燃料電池モジュールからの排ガスが水気化器において熱交換され、排ガスの熱が水の気化熱として奪われ、５０〜３００℃程度の排ガス温度になる。
【００２６】
このように、水が一定の流量で供給されている場合、水蒸気の温度も燃料電池モジュールからの排ガスの温度もほぼ一定であるが、何らかの原因により水供給が減少若しくは停止した場合は、水気化器内の水位が下がり、発生した水蒸気が加熱されて排出されるまでの経路が長くなるため、水蒸気の温度が上昇する。また、水気化器内の水位が下がると、排ガスが水の気化熱により冷却される経路が短くなるため、排ガスの温度も上昇する。
【００２７】
そこで、本発明の一実施の形態では、水気化器の水蒸気排出口近傍と排ガス排出口近傍の少なくとも一方の温度を監視し、予め定めた閾値と比較し、水蒸気温度及び／又は排ガス温度が閾値以上（若しくは閾値以下）となったら、水供給の不具合が発生したと判断する。これにより、水移送ポンプの動作や、水移送ポンプと水気化器との間の経路の水流量を監視する方法に比べて、より確実に水供給の不具合を検出することができ、安全に燃料電池発電装置を停止若しくは発電出力を減少させることができる。
【００２８】
なお、発電時の燃料電池発電装置の水気化器内には、安定的に水を気化させるために相当量の水が蓄えられており、水供給が急停止しても、蓄えられた水がなくなるまでに所定に時間的余裕があるため、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることは可能である。
【実施例】
【００２９】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法について、図１乃至図７を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図であり、図２は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図、図３は、発電セルの構成を模式的に示す図である。また、図４は、水気化器の具体的構成例を示す図であり、図５は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。また、図６は、水気化器に供給する純水流量と水気化器から排出される水蒸気の温度との相関を示す図であり、図７は、水気化器に供給する純水流量と水気化器から排出される排ガスの温度との相関を示す図である。
【００３０】
図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（メタンを主成分とする天然ガスやプロパン或いは液体の灯油などの炭化水素系ガス）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素系ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水気化器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、水気化器１０から排出される水蒸気の温度を測定する水蒸気温度測定部２０と、水気化器１０から排出される排ガスの温度を測定する排ガス温度測定部２１と、水や燃料ガス、空気の流量制御、水蒸気温度や排ガス温度に基づく発電制御などを行う制御部５と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ（図示せず）などで構成されている。
【００３１】
上記水気化器１０は、燃料電池モジュール２の排熱を有効に利用して水蒸気を発生できるように、燃料電池モジュール２の境界部分に配置されている。また、水蒸気温度測定部２０及び排ガス温度測定部２１は、熱電対などで構成され、その出力が制御部５に入力される。
【００３２】
また、制御部５は通常、燃料電池発電装置１の制御装置内に設けられており、制御装置の演算処理部や表示部、操作部などと協働して動作するように構成される。なお、上記制御部５は制御装置内にハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ（ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称）を、上記制御部５として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。
【００３３】
次に、燃料電池スタック３及び発電セルの具体的構成について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３４】
図２に示すように、燃料電池スタック３は、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１１とを配置した発電セル１４と、燃料極層１３の外側に配置した燃料極集電体１９と、空気極層１１の外側に配置した空気極集電体１８と、各集電体の外側に配したセパレータ１７（インターコネクタとも呼ぶ。）とからなる単セル（ユニット）が縦方向に多数積層されて構成されている。
【００３５】
固体電解質層１２は、ランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ２．８５）やイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１３は、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ、Ｎｉとサマリウムドープセリア（Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ２）のサーメット等で構成され、空気極層１１は、サマリウムコバルタイト（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ３）、ランタン鉄コバルタイト（ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３）等で構成されている。また、燃料極集電体１９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。
【００３６】
また、セパレータ１７は、ステンレス等で構成され、空気極集電体１８側の面にはＡｇメッキ層が形成され、燃料極集電体１９側の面にはＮｉメッキ層が形成され、発電セル１４間を電気的に接続する。また、セパレータ１７は、発電セル１４に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ１７の外周面から導入して燃料極集電体１９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス流路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ１７の外周面から導入して空気極集電体１８に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス流路とを備えている。
【００３７】
そして、図３の模式図に示すように、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ１７の略中心部から発電セル１４に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１４の外周方向に拡散させながら燃料極層１３及び空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１４の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは水気化器１０を通って燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。
【００３８】
また、図２に示すように、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１５、１６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１５、１６を介して外部に取り出すことができ、外部に設けた出力測定手段により測定できるようになっている。また、図３に示すように、１又は複数の発電セル１４（図３では、個々の発電セル１４）のセル電圧はセパレータ１７に接続された配線を介して外部に取り出すことができ、外部に設けた出力測定手段により測定できるようになっている。
【００３９】
なお、図２及び図３では、発電セル１４の両側に燃料極集電体１９及び空気極集電体１８が配置された構成を示しているが、燃料極集電体１９及び空気極集電体１８を配置しない構成に対しても、本発明を適用することができる。また、図２では、発電セル１４の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造の燃料電池スタック３を示したが、燃料電池スタック３が隔壁によって密閉されるシール構造に対しても、本発明を適用することができる。
【００４０】
次に、水気化器１０の具体的構成について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、水気化器１０の正面図であり、図４（ｂ）は、その側面図である。
【００４１】
一般に、水気化器１０は、断熱材で包囲された空間内に収容された熱交換器から構成されており、図４に示すように、熱交換器の下部の水供給口１０ｃから導入された水が上方に流通する過程で、上部の排ガス導入口１０ａより導入された燃料電池スタック３からの高温の排ガスと熱交換して高温の水蒸気となり、上端部の水蒸気排出口１０ｄを通して燃料改質器４に誘導されるようになっている。また、上部の排ガス導入口１０ａより導入された排ガスは、下方に流通する過程で供給水との熱交換を終え、低温の排ガスとなって下部の排ガス排出口１０ｂより外部に排出される。
【００４２】
上記熱交換器は、図示しないが、例えば、燃料電池スタック３からの排ガスが流通するフィン付きの排ガス流路と外部からの供給水が流通するフィン付きの水流路をプレート単位で交差状又は対向状に配設した構造であり、水流路内のフィンの隙間には、１〜２ｍｍ径の熱伝導性に優れるアルミナビーズなどが充填されている。
【００４３】
上記構造の水気化器１０では、熱交換器内の一定のレベルまで水が溜まり、水が溜まっている部分で水蒸気が発生し、その水蒸気が上部に移動する過程で更に加熱されて、水蒸気排出口１０ｄから排出される。従って、水位が低下すると、水蒸気が加熱されて排出されるまでの経路が長くなるため、より高い温度の水蒸気が水蒸気排出口１０ｄから排出される。
【００４４】
また、燃料電池スタック３からの排ガスは、水が溜まっている部分で水の気化熱により温度が低下して排ガス排出口１０ｂから排出される。従って、水位が低下すると、水の気化熱により温度が低下する経路が短くなるため、より高い温度の排ガスが排ガス排出口１０ｂから排出される。
【００４５】
このように、水気化器１０（熱交換器）内の水位（すなわち、水の供給量）と、水蒸気排出口１０ｄから排出される水蒸気の温度と、排ガス排出口１０ｂから排出される排ガスの温度とは相関があるため、水蒸気排出口１０ｄ近傍に設けた水蒸気温度測定部２０で水蒸気の温度を測定、又は、排ガス排出口１０ｂ近傍に設けた排ガス温度測定部２１で排ガスの温度を測定すれば、水の供給が減少若しくは停止したことを確実に検出することが可能となる。
【００４６】
なお、水移送ポンプ８の動作状態や水移送ポンプ８後段の経路の水流量を監視する従来の方法では、例えば、水気化器１０（熱交換器）に水漏れが発生して水位が下がった場合や、燃料電池スタック３の異常反応により排ガスの温度が上昇した場合に異常を検出することはできないが、本実施例の方法は、水気化器１０（熱交換器）内の水位に直接関係する水蒸気温度や排ガス温度を利用するため、このような場合であっても異常を検出することができる。従って、本実施例の方法は、従来の方法よりも優れた制御方法であると言える。
【００４７】
以下、上記構成の燃料電池発電装置を用いた具体的な制御手順について、図５のフローチャート図を参照して説明する。
【００４８】
まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において、制御装置のボタン操作などによって燃料電池発電装置１の起動が指示されると、制御部５は、燃料電池モジュール２を起動用のヒータやバーナにより加熱して、燃料電池スタック３を発電可能な温度まで昇温させる。
【００４９】
次に、ステップＳ１０２で、制御部５は、空気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の空気を供給し、引き続きステップＳ１０３で、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の燃料ガス及び水蒸気を供給する。
【００５０】
次に、ステップＳ１０４で、制御部５は、温度測定手段を用いて燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１０５で、燃料電池スタック３の温度と予め定められた温度とを比較し、所定の温度に達したらホットスタンバイ状態になったと判断して、ステップＳ１０６で、発電を開始し、定格運転を行う。
【００５１】
この定格運転時において、ステップＳ１０７で、制御部５は、水気化器１０の水蒸気排出口１０ｄ近傍に設けた水蒸気温度測定部２０から水蒸気の温度を取得（若しくは、水気化器１０の排ガス排出口１０ｂ近傍に設けた排ガス温度測定部２１から排ガスの温度を取得）し、予め定めた閾値と比較する。
【００５２】
そして、水蒸気温度若しくは排ガス温度が閾値以上となった場合は、制御部５は、水供給が減少若しくは停止したと判断し、ステップＳ１０８で、必要に応じて、警告ランプを点灯／点滅させたり、警告音を鳴らしたり、警告メッセージを表示するなどして、水気化器１０への水供給が減少若しくは停止したことを通知する警告処理を行った後、ステップＳ１１０で発電停止若しくは発電出力を減少させるなどの処理を行う。
【００５３】
一方、ステップＳ１０７で、水蒸気温度若しくは排ガス温度が閾値未満であれば、ステップＳ１０９で、制御部５は、発電停止が指示されたかを判断し、指示されるまで、発電を継続する。
【００５４】
図６は、水蒸気温度測定部２０で測定した水蒸気排出口１０ｄ近傍の水蒸気の温度と水導入口１０ｃに導入される純水流量との相関関係を示す図であり、一定の流量（約１３ｍＬ／分）で純水を流しているとき、水蒸気は一定の温度（約５４３℃）であるが、純水の供給が減少すると水蒸気の温度が徐々に上昇することが分かる。従って、水蒸気の温度の閾値を定格運転時の値（ここでは５４３℃）よりもやや高い温度（例えば、５４５℃）に設定しておけば、水供給の減少若しくは停止を確実に検出することができる。
【００５５】
また、図７は、排ガス温度測定部２１で測定した排ガス排出口１０ｂ近傍の排ガスの温度と水導入口１０ｃに導入される純水流量との相関関係を示す図であり、一定の流量（約１３ｍＬ／分）で純水を流しているとき、排ガスは一定の温度（約２２５℃）であるが、純水の供給が減少すると排ガスの温度が徐々に上昇することが分かる。従って、排ガスの温度の閾値を定格運転時の値（ここでは２２５℃）よりもやや高い温度（例えば、２５０℃）に設定しておけば、水供給の減少若しくは停止を確実に検出することができる。
【００５６】
また、図６及び図７では、定格運転時の水蒸気温度又は排ガス温度と純水流量との相関関係を示したが、出力を変動させながら発電を行っている場合であっても、正常動作時の出力と水蒸気温度又は排ガス温度との相関データを記憶しておき、測定した水蒸気温度又は排ガス温度と現在の出力に対応する水蒸気温度又は排ガス温度とを比較し、測定値が適正な温度範囲を逸脱した場合に、水供給が減少若しくは停止したと判断することができる。
【００５７】
このように、本実施例の燃料電池発電装置１では、制御部５は、水気化器１０近傍の水蒸気温度若しくは排ガス温度が閾値以上となったら、水気化器１０への水供給が減少若しくは停止した判断するため、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることができる。
【００５８】
なお、上記実施例では、水蒸気温度測定部２０と排ガス温度測定部２１の２つの温度測定手段を設けたが、少なくとも１つの温度測定手段を含んでいればよい。
【００５９】
また、上記実施例では、水蒸気温度若しくは排ガス温度が上昇した場合に、水気化器内の水位が低下したと判断して発電を停止若しくは発電出力を減少させる制御を行ったが、本発明では、水気化器内の水位と水蒸気温度若しくは排ガス温度との相関関係を利用しているため、水蒸気温度若しくは排ガス温度が下降した場合に、水供給が増加（水気化器内の水位が上昇）したと判断して、警告したり、発電を停止若しくは発電出力を減少させる制御を行う構成とすることもできる。
【００６０】
また、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、シールタイプの燃料電池発電装置１においても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置にも利用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池発電装置
２  燃料電池モジュール
３  燃料電池スタック
４  燃料改質器
５  制御部
６  空気ブロア
７  燃料ガスブロア
８  水移送ポンプ
９  純水タンク
１０  水気化器
１０ａ  排ガス導入口
１０ｂ  排ガス排出口
１０ｃ  水供給口
１０ｄ  水蒸気排出口
１１  空気極層
１２  固体電解質層
１３  燃料極層
１４  発電セル
１５、１６  端板
１７  セパレータ
１８  空気極集電体
１９  燃料極集電体
２０  水蒸気温度測定部
２１  排ガス温度測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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