(57)【要約】【課題】ＳＯＦＣを利用した燃料電池システムにおいて、発電異常を早期に検出することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池セルユニット１６を有する燃料電池モジュール２と、発電に供する反応ガスを燃料電池モジュール２に供給する燃料流量調整ユニット３８及び発電用空気流量調整ユニット４５と、燃料電池モジュール２のモジュール温度を測定する発電室温度センサ１４２と、燃料電池モジュール２の開回路電圧値を測定する電圧センサ１１８と、を備え、起動段階において、反応ガスを燃料電池モジュール２へ供給しながらモジュール温度を上昇させ、モジュール温度を発電開始温度Ｔ1に到達させるように構成された燃料電池システム１であって、起動段階において、開回路電圧値が、モジュール温度に対応して予め定められている基準電圧値を下回った場合に発電異常と判定し、異常対応制御を行う制御部１１０を備えた。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形セルを有する燃料電池モジュールと、
発電に供する反応ガスを前記燃料電池モジュールに供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池モジュールのモジュール温度を測定する温度測定手段と、
前記燃料電池モジュールの開回路電圧値を測定する電圧測定手段と、
を備え、起動段階において、前記反応ガス供給手段により前記反応ガスを前記燃料電池モジュールへ供給しながら前記モジュール温度を上昇させ、前記モジュール温度を発電開始温度に到達させるように構成された燃料電池システムであって、
起動段階において、前記開回路電圧値が、前記モジュール温度に対応して予め定められている基準電圧値を下回った場合に発電異常と判定し、異常対応制御を行う異常対応制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記基準電圧値は、前記モジュール温度に対応した正常時の開回路電圧値である正常時電圧値よりも低い値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記基準電圧値は、前記モジュール温度が低いときほど、前記正常時電圧値に対しより低くなるように定められていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記異常対応制御手段は、前記発電異常の判定を起動段階において複数回行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記異常対応制御は、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げる制御であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記異常対応制御は、燃料電池システムの運転を停止する制御であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記モジュール温度に対応して、前記基準電圧値と、この基準電圧値よりも低い停止基準電圧値が設定されており、
前記異常対応制御手段は、前記異常対応制御として、前記開回路電圧が前記基準電圧値以下で且つ前記停止基準電圧値よりも高い場合には、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げ、前記開回路電圧が前記停止基準電圧値以下である場合には、燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記停止基準電圧値は、前記モジュール温度が低いときほど、前記基準電圧に対しより低くなるように定められていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、固体酸化物形燃料電池（固体電解質形燃料電池）を利用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムでは、燃料電池の起動時において、発電した電力を負荷へ供給する前段階で、測定した開回路電圧（以下、「ＯＣＶ」ともいう）と基準値との比較を行って、燃料電池システムの発電機能が正常であるか否かを判定するＯＣＶ判定処理が行われている。このＯＣＶ判定では、測定したＯＣＶが基準値以上である場合に、発電機能が正常であると判定され、負荷への電力供給開始が可能となる。
【０００３】
燃料電池システムのうち、固体高分子形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」ともいう）は、発電効率はそれほど高くないが、運転温度が比較的低温（１００℃程度）であり、起動時間及び運転停止時間が短い。したがって、ＰＥＦＣでは、燃料電池セルに反応ガスを供給すると、すぐにセル電圧が所定電圧まで上昇する。このため、ＰＥＦＣでは、反応ガス供給開始後直ちに、ＯＣＶ判定が行われるようになっている（特許文献１参照）。つまり、ＰＥＦＣでは、起動がほぼ終了した段階でＯＣＶ判定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１０８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、ＰＥＦＣでは、起動時間が短いため、ＯＣＶ判定を起動開始から早期に行うことができ、したがって、早期に発電機能の良否を判定することが可能である。
しかしながら、燃料電池システムのうち、高い発電効率を有する固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）は、運転温度が高温（７００〜１０００℃程度）であり、このため起動時間及び運転停止時間が長い。詳しくは、ＳＯＦＣでは、起動時において燃料電池モジュールの温度上昇に時間（１．５〜２時間程度）を要し、発電性能に温度依存性があるため、反応ガス供給を開始してもＯＣＶはゆっくりとしか上昇しない。したがって、ＳＯＦＣでは、起動開始後、温度上昇に必要な時間が経過するのを待ってからＯＣＶ判定を行わなければならなかった。
【０００６】
このように、ＳＯＦＣでは、ＯＣＶ判定を行うまでに長時間を要する。したがって、燃料電池システムの発電機能に異常があった場合であっても、起動開始後、１．５〜２時間経過しないと、ＯＣＶ判定により発電異常を検出することができなかった。このため、ＳＯＦＣでは発電異常に対する対応を迅速に行うことができないという問題があった。また、ＳＯＦＣでは、発電異常を検出した場合には、高い温度まで上昇したモジュール等の温度を下げる必要があり、システムを停止するのにも長時間を要していた。
【０００７】
従って、本発明は、ＳＯＦＣを利用した燃料電池システムにおいて、発電異常を早期に検出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している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物形セルを有する燃料電池モジュールと、発電に供する反応ガスを燃料電池モジュールに供給する反応ガス供給手段と、燃料電池モジュールのモジュール温度を測定する温度測定手段と、燃料電池モジュールの開回路電圧値を測定する電圧測定手段と、を備え、起動段階において、反応ガス供給手段により反応ガスを燃料電池モジュールへ供給しながらモジュール温度を上昇させ、モジュール温度を発電開始温度に到達させるように構成された燃料電池システムであって、起動段階において、開回路電圧値が、モジュール温度に対応して予め定められている基準電圧値を下回った場合に発電異常と判定し、異常対応制御を行う異常対応制御手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、起動段階において、モジュール温度が発電を行って負荷に対して電力供給可能な発電開始温度に到達する前、すなわち、モジュール温度が発電開始温度まで上昇している途中段階において、開回路電圧値を、モジュール温度に対応して予め定められている基準電圧値と比較することによって、発電異常を早期に検出することができ、これに対して異常対応制御を行うことが可能である。本発明では、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池モジュールを有しおり、このタイプの燃料電池モジュールは上述のように起動及び停止に長い時間を要する。このため、本発明では、モジュール温度が所定の発電開始温度に到達する途中段階において、発電異常か否かを判定することで、発電異常が検出された場合には、早期に異常対応制御を行うことができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、基準電圧値は、モジュール温度に対応した正常時の開回路電圧値である正常時電圧値よりも低い値である。
このように構成された本発明によれば、正常時における開回路電圧値よりも基準電圧値を低く設定することで、開回路電圧値の測定のバラツキ等によって発電異常と誤判定されることを防止することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、基準電圧値は、モジュール温度が低いときほど、正常時電圧値に対しより低くなるように定められている。
一般に、モジュール温度が低いときは温度バラツキが大きく、燃料電池セルユニット毎の発電性能にムラが生じ易いため、開回路電圧値の測定値がばらついてしまう傾向がある。このような開回路電圧値の測定値のバラツキに対処するため、上記構成の本発明では、起動初期段階のようにモジュール温度が低温のときには、基準電圧値を正常時電圧値に対してより低く設定している。これにより、本発明では、バラツキに起因した誤判定を防止することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、異常対応制御手段は、発電異常の判定を起動段階において複数回行う。
このように構成された本発明によれば、開回路電圧値とモジュール温度に対応する基準電圧値とに基づく発電異常判定処理を起動段階で複数回行うことにより、起動段階の途中までは正常であったが、その後セル異常が発生したような場合において、起動段階の途中までの処理で正常と誤判定してしまうことを防止することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、異常対応制御は、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げる制御である。
このように構成された本発明によれば、開回路電圧値が基準電圧値を下回った場合であっても、設定値電力よりも最大出力電力を低減することで問題なく発電可能な場合もあるので、最大出力電圧を下げて運転を継続することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、異常対応制御は、燃料電池システムの運転を停止する制御である。
このように構成された本発明によれば、開回路電圧値が基準電圧値を大きく下回るような場合には、空気極の膜剥がれ等重大な不具合が生じていることが予想されるため、直ちに運転を停止し、反応ガスの無駄な使用を抑制する等の種々の対応をとることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、モジュール温度に対応して、基準電圧値と、この基準電圧値よりも低い停止基準電圧値が設定されており、異常対応制御手段は、異常対応制御として、開回路電圧が基準電圧値以下で且つ停止基準電圧値よりも高い場合には、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げ、開回路電圧が停止基準電圧値以下である場合には、燃料電池システムの運転を停止する。
このように構成された本発明によれば、開回路電圧値の大きさに応じて不具合又は劣化の深刻さを推定し、低出力で運転を継続するか、それとも停止するかの判断を適切に行うことができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、停止基準電圧値は、モジュール温度が低いときほど、基準電圧に対しより低くなるように定められている。
一般に、モジュール温度が低いときは温度バラツキが大きく、燃料電池セルユニット毎の発電性能にムラが生じ易く、開回路電圧値の測定値がばらついてしまう傾向がある。このような開回路電圧値の測定値のバラツキに対処するため、上記構成の本発明では、起動初期・中期段階のようにモジュール温度がそれほど高くないときには、停止基準電圧値を基準電圧値に対してより低く設定している。これにより、本発明では、開回路電圧値測定のバラツキに起因した誤判定、及び運転停止を防止することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムによれば、発電異常を早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時におけるモジュール温度，反応ガス供給量及びＯＣＶの対応関係を説明するタイムチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のＯＣＶ判定処理で用いるモジュール温度と基準電圧値及び停止基準電圧値との対応関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時における異常対応制御の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）又は燃料電池システム１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２０】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００２１】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２２】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（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４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（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４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２３】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２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５４が接続されている。
【００２４】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２５】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂが形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。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や、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。
【００２６】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００２７】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００２８】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００２９】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３０】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３１】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３２】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３３】
内側電極層９０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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３４】
電解質層９４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。
【００３５】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた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。
【００３６】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００３７】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００３８】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００３９】
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０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１１２、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１１４、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１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６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。
【００４０】
次に、制御部１１０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、電圧センサ１１８は、１６０本の燃料電池セルユニット１６からなる直列接続の両端電圧を測定するものである。電圧センサ１１８は、負荷（インバータ５４）に供給するための開回路電圧（ＯＣＶ）及び負荷状態の電圧を測定可能となっている。
可燃ガス検出センサ１２０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２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０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２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（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１２４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。
【００４１】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４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１２８は、発電室１０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１３０は、改質器２０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１３２は、改質器２０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。
【００４２】
水流量センサ１３４は、改質器２０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１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０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１４０は、温水製造装置５０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。
【００４３】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４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１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気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１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（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。
【００４４】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０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２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５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１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００４５】
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００４６】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００４７】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００４８】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００４９】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５０】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応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２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで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引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５１】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００５２】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００５３】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００５４】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２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２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５５】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８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で発電が進行する。
【００５６】
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００５７】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００５８】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００５９】
次に、図９乃至１１を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の起動時における異常判定対応制御について説明する。
本実施形態の異常判定対応制御は、起動工程がほぼ終了する段階ではなく、起動途中において、ＯＣＶを少なくとも１回又はそれ以上の回数だけ測定し、得られたＯＣＶに基づいて燃料電池モジュール２の発電異常を早期に検出可能とするものである。
【００６０】
先ず、図９及び図１０に基づいて、異常判定対応制御の前提となるモジュール温度とＯＣＶとの関係について説明する。
図９は、起動時におけるモジュール温度（ａ），反応ガス供給量（ｂ），ＯＣＶ（ｂ）のタイムチャートを模式的に示している。ここで、モジュール温度は、燃料電池セル集合体１２又は燃料電池セルユニット１６の平均温度であり、実際には発電室温度センサ１４２で検出される発電室温度で代表させている。反応ガス供給量は、燃料流量センサ１３２で検出される燃料流量に相当する。また、ＯＣＶは、電圧センサ１１８で検出される開回路電圧値に相当する。
【００６１】
図９から分かるように、ＯＣＶはモジュール温度に対して温度依存性を有している。すなわち、モジュール温度の上昇と共にＯＣＶが上昇する密接な関係があり、詳しくは、起動開始後、モジュール温度が一定温度まで上昇すると、ＯＣＶが上昇を始め、起動時の最終段階で、モジュール温度が所定の発電開始温度（例えば、７００℃）に到達すると、ＯＣＶも所定の発電開始電圧値（例えば、１５０〜１６０Ｖ）に到達する。本実施形態では、モジュール温度が発電開始温度に達すると、燃料電池モジュール２から負荷（例えば、インバータ）に向けて電力供給が開始される。
【００６２】
上述のようにＰＥＦＣは、起動時間が短いため、起動の終了段階でＯＣＶ判定を行っても、早期に発電異常を検出可能である。また、ＰＥＦＣでは、起動途中のＯＣＶの挙動は問題にならず、また、起動時間が短いためＯＣＶの挙動が安定せず、起動途中でＯＣＶ判定を行っても正確な判定を行うことができない。このため、従来、燃料電池、特に起動時間の短いＰＥＦＣでは、起動途中にＯＣＶ判定によって発電異常を検出するという発想自体がなかった。
【００６３】
これに対して、本発明者は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、起動時のＯＣＶの挙動が安定していること、すなわち、起動時にモジュール温度に対するＯＣＶの値が非常に安定しており、モジュール温度に対するＯＣＶのバラツキが比較的小さいことを見出した。詳しくは、ＳＯＦＣでは、反応ガスが燃料電池モジュールに供給されると、反応ガスによる供給熱量に応じて、モジュール温度及びＯＣＶが双方安定した関係を保って上昇していき、安定的運転状態に達する。また、ＳＯＦＣは、起動に１．５〜２時間程度を要するが、この間においてモジュール温度に対するＯＣＶのバラツキが比較的小さい。
【００６４】
これにより、ＳＯＦＣでは、起動途中において、ＯＣＶの値がモジュール温度に対して所定の関係を有しているか否かを判定することで、燃料電池モジュールの発電機能の不具合、又は、発電性能の劣化を早期に検出可能であることが分かった。
【００６５】
図１０は、モジュール温度に対する、正常時電圧値（ａ），基準電圧値（ｂ），停止基準電圧値（ｃ）の各変化を模式的に表している。本実施形態では、制御部１１０が、図１０に示された各電圧値変化を基準データとしてメモリ内に記憶している。
正常時電圧値（ａ）は、燃料電池セルユニット１６に異常がなく、燃料電池モジュール２の発電機能が正常であり発電性能が劣化していない場合に、同一条件のもと、各モジュール温度において平均的に検出される電圧値である。
【００６６】
基準電圧値（ｂ）は、燃料電池モジュール２の個々の製造バラツキ等を考慮して定められた電圧値（ＯＣＶ）である。基準電圧値（ｂ）は、図１０から分かるように、正常時電圧値（ａ）よりも遅れて、ＯＣＶ判定可能温度Ｔ1で立ち上がりを開始し、各モジュール温度において正常時電圧値（ａ）よりも小さな値を有する。
したがって、各モジュール温度において、基準電圧値より大きいＯＣＶ（正常領域）が検出されれば、燃料電池モジュール２の発電性能は正常な範囲にあると判定することができる。この場合、本実施形態では、モジュール温度が発電開始温度に到達した後、定格出力電力（例えば、７００Ｗ）を上限として負荷に対して出力される。
【００６７】
停止基準電圧値（ｃ）は、燃料電池モジュール２の許容可能な性能劣化（軽微な発電異常）を考慮して定められた電圧値である。停止基準電圧値（ｃ）は、各モジュール温度において基準電圧値（ｂ）よりも小さな値を有する。
したがって、各モジュール温度において、停止基準電圧値より大きくかつ基準電圧値以下（劣化領域）のＯＣＶが検出されれば、燃料電池モジュール２の発電性能は劣化状態の範囲にあると判定することができる。この場合、燃料電池モジュール２の発電性能は劣化しているが、本実施形態では、劣化度合いに応じた電力が負荷に供給される。
【００６８】
劣化状態と判定された場合、異常対応制御処理として、本実施形態では、正常時電圧値に対する検出されたＯＣＶの大きさに応じて、負荷への出力電力が低減される。例えば、発電可能なモジュール温度において、正常時電圧値（例えば、Ｖ0）に対するＯＣＶ（例えば、Ｖ1）の割合（Ｖ1／Ｖ0）を算出し、この割合を通常時の定格出力電力に乗じることで低減された出力電力（定格出力電力×Ｖ1／Ｖ0）を求めることができる。そして、本実施形態では、この低減された出力電力が最大出力電力として負荷に対して出力される。
【００６９】
なお、これに限らず、検出されたＯＣＶの値の範囲に応じて、６００Ｗ，５００Ｗ，４００Ｗといったように、段階的に出力電力を設定するように構成してもよい。
なお、燃料電池モジュール２の発電性能の劣化とは、例えば、燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２の部分的な剥がれ等である。このような剥がれにより発電可能面積が小さくなるので、燃料電池セルユニット１６は、定格電圧（例えば、約１Ｖ）から出力電圧が低下する。しかしながら、部分的な剥がれにより出力電圧が低下したとしても、低下した出力電圧内で使用が可能である。
【００７０】
したがって、本実施形態では、検出されたＯＣＶに応じて、許容可能な程度の劣化（劣化領域）と判定した場合には、劣化状況又は劣化の程度に応じて出力電力を低減して使用を継続するように構成されている。これにより、例えば、上記剥がれ等が生じていない正常な燃料電池セルユニット１６及び劣化が進行している燃料電池セルユニット１６に過度な負荷がかかることを防止して、発電性能の低減抑制を図り、製品寿命を延ばすことができる。
【００７１】
一方、各モジュール温度において、停止基準電圧値以下のＯＣＶ（不具合又は異常領域）が検出された場合には、燃料電池モジュール２が発電異常状態であると判定することができる。この場合、異常対応制御処理として、本実施形態では、運転停止処理に移行する。
【００７２】
なお、燃料電池モジュール２の発電系統の不具合とは、例えば、剥がれた外側電極層９２が、隣接する燃料電池セルユニット１６と接触することにより、短絡が起こってしまうことである。燃料電池セルユニット１６間で短絡が発生すると、燃料電池セル集合体１２は十分な出力電圧を供給することができなくなる。したがって、本実施形態では、検出されたＯＣＶに応じて、このような不具合が発生したと判定した場合には、電力供給を停止するように構成されている。
【００７３】
【表１】
2011170983.tif 000003
【００７４】
表１は、図１０に対応しており、代表的なモジュール温度における各電圧値を数値で示したものである。モジュール温度３００℃は、ＯＣＶ判定可能温度Ｔ1よりも高い温度であり、このとき正常時電圧値（ａ）は６０Ｖであり、基準電圧値（ｂ）は１０Ｖであり、両者の電圧差は５０Ｖである。同様に、モジュール温度４００℃，５００℃，６００℃，７００℃（本実施形態での発電開始温度）において、両者の差は、それぞれ４５Ｖ，３０Ｖ，２０Ｖ，１０Ｖに設定されている。このように、本実施形態では、モジュール温度が低いほど両者の電圧差は大きく設定されている。
【００７５】
これは以下の理由による。すなわち、モジュール温度が低い起動の初期段階では、発電室１０内での燃料電池セルユニット１６の配置により（例えば、側壁付近のセルは周辺環境の影響を受け易い）、燃料電池セルユニット１６間の温度ムラが大きい。また、１本の燃料電池セルユニット１６内においても温度ムラが大きい。さらには、起動時の外気温度のような環境条件によっても温度ムラの程度が変化する。したがって、起動の初期段階では、燃料電池セル集合体１２の全体にわたって、温度ムラが比較的大きく、これによりモジュール温度に対するＯＣＶのバラツキも比較的大きくなる。
【００７６】
これに対して、モジュール温度が高くなってくると、温度ムラが小さくなってくるので、モジュール温度に対するＯＣＶのバラツキも小さくなる。
よって、モジュール温度が高いときの方がＯＣＶのバラツキが小さくなるから、本実施形態では、モジュール温度が高いほど正常時電圧値に対する基準電圧値の許容電圧差が小さくなるように基準電圧値を設定している。このように設定することで、発電性能が正常であるにもかかわらず、誤って劣化していると判定してしまうおそれを低減することができる。
【００７７】
また、表１では、モジュール温度６００℃，７００℃において、基準電圧値（ｂ）と停止基準電圧値（ｃ）との電圧差は、それぞれ５０Ｖ，４０Ｖである。このように、本実施形態では、モジュール温度が低いほど両者の電圧差は大きく設定されている。また、正常時電圧値（ａ）と停止基準電圧値（ｃ）との電圧差は７０Ｖ，５０Ｖであり、モジュール温度が低いほど両者の電圧差は大きく設定されている。
【００７８】
上述のように、本実施形態では、不具合と判定されると運転停止処理が行われてしまうので、全く電力を供給することができなくなってしまう。したがって、このように基準電圧値（ｂ）と停止基準電圧値（ｃ）との電圧差がモジュール温度に応じて設定されることで、十分にモジュール温度が昇温していない段階（ＯＣＶのバラツキが依然として大きい状態）で、誤って不具合と判定され、運転停止処理が行われてしまうおそれを低減することができる。
【００７９】
次に、図１１に基づいて、本実施形態の異常判定対応制御の処理フローを説明する。
先ず、燃料電池システムが起動開始されると、制御部１１０は、モジュール温度を測定し取得する（ステップＳ１）。
次いで、制御部１１０は、取得したモジュール温度がＯＣＶ判定可能温度Ｔ1以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００８０】
モジュール温度がＯＣＶ判定可能温度Ｔ1以上でない場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、ステップＳ１の処理を繰り返す。
一方、モジュール温度がＯＣＶ判定可能温度Ｔ1以上である場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、メモリ内に記憶したデータに基づいて、取得したモジュール温度に対応する基準電圧値及び停止基準電圧値を決定する（ステップＳ３）。また、制御部１１０は、ＯＣＶを測定し取得する（ステップＳ４）。
【００８１】
次いで、制御部１１０は、取得したＯＣＶと決定した基準電圧値とを比較する（ステップＳ５）。
ＯＣＶの方が基準電圧値よりも大きい場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、燃料電池モジュール２の発電性能は正常であり、制御部１１０は、取得したモジュール温度が発電可能な温度（例えば、７００℃）に到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００８２】
モジュール温度が発電可能な温度以上である場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、起動工程が正常であり、十分な発電性能があるので、制御部１１０は、通常の定格出力電力（例えば、７００Ｗ）を最大出力電力として、負荷に電力供給を開始し（ステップＳ７）、処理を終了する。
一方、モジュール温度が発電可能な温度以上でない場合（ステップＳ６；Ｎｏ）、起動工程途中にあるので、制御部１１０は、所定時間経過するのを待って（ステップＳ８）、再びステップＳ１の処理を繰り返す。
【００８３】
また、ステップＳ５において、ＯＣＶが基準電圧値以下である場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、燃料電池モジュール２の発電性能は劣化しており、又は発電系統に不具合を有しているので、これらを区別するために、制御部１１０は、ＯＣＶと停止基準電圧値とを比較する（ステップＳ９）。
ＯＣＶの方が停止基準電圧値よりも大きい場合（ステップＳ９；Ｙｅｓ）、燃料電池モジュール２の発電性能は劣化しているものの、不具合を有する程度ではないので、制御部１１０は、取得したモジュール温度が発電可能な温度に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００８４】
モジュール温度が発電可能な温度以上でない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、起動工程途中において、発電性能の劣化は見られるものの、運転を停止するほどの不具合ではないので、制御部１１０は、さらに起動工程を進行させるべく、所定時間経過するのを待って（ステップＳ８）、再びステップＳ１の処理を繰り返す。
【００８５】
一方、モジュール温度が発電可能な温度以上である場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、発電を開始することはできるものの発電性能が劣化しているので、制御部１１０は、劣化の度合いに応じて最大出力電力を低減する処理（ステップＳ１１）を行った後、低減された最大出力電力を上限として負荷に電力供給を開始し（ステップＳ１２）、処理を終了する。
なお、本実施形態では、ＯＣＶが基準電圧値以下で且つ停止基準電圧値より大きい場合に、最大出力電力を低減させて発電を行うように構成されているが、最大出力電力を低減する具体的な方法として、最大出力電流を低減させるように構成することができる。
【００８６】
ステップＳ９において、ＯＣＶが停止基準電圧値以下である場合（ステップＳ９；Ｎｏ）、燃料電池モジュール２の発電系統が不具合を有しているので、制御部１１０は、運転停止処理を行って（ステップＳ１３）、処理を終了する。
なお、本実施形態では、起動時において、ＯＣＶが基準電圧値及び停止基準電圧値以下である場合に、表示装置１１４に劣化状況及び不具合状況を表示し、報知装置１１６によって使用者等に劣化状況及び不具合状況を報知するように構成してもよい。
【００８７】
以上のように、本実施形態では、起動途中において、ＯＣＶと停止基準電圧値とを比較することにより、起動処理が完了する前段階で、発電異常（発電系統の不具合・故障等）を検出することができ、起動処理が完了する前に異常対応制御（ここでは、運転停止処理）を行うことができる。
【００８８】
また、本実施形態では、起動途中において、ＯＣＶと基準電圧値とを比較することにより、運転停止する程度ではない発電機能の劣化を検出及びモニターすることができる。そして、本実施形態では、劣化が検出されたとしても、ＯＣＶの値に応じて、出力電力を低減することで、燃料電池セル集合体１２の各セルユニット１６にかかる負荷を低減して、燃料電池モジュール２の長寿命化を達成することが可能となる。
【００８９】
また、本実施形態では、起動途中において、ＯＣＶと２つの基準電圧値との比較により、発電機能の低下の度合いを区別して、発電機能の低下度合いに応じて、異常対応制御（最大出力電力の低下、運転停止）を選択的に行うことができる。
【００９０】
また、本実施形態では、起動途中において、ＯＣＶと基準電圧値及び停止基準電圧値との比較による発電異常判定を複数回行うことで、発電異常が発生してから検出されるまでの時間を短縮することができ、早期に発電異常を検出することが可能である。
【００９１】
なお、上記実施形態では、起動途中において、各モジュール温度において検出されるＯＣＶが、図１０の線ａ−ｂ間の領域（正常領域），線ｂ−ｃ間の領域（劣化領域），線ｃより下の領域（不具合又は異常領域）のうち、単一の領域（正常領域，又は劣化領域）のみを通過するように検出された場合であっても、複数の領域（正常領域と劣化領域）を通過するように検出された場合であっても、モジュール温度が発電可能なモジュール温度に到達した段階（ステップＳ６，Ｓ１０）でＯＣＶがいずれの領域に属するかに応じて、出力電力の大きさが決定されるように構成されている。
【００９２】
しかしながら、これに限らず、起動途中においてＯＣＶが常に正常領域の値を有していた場合のみに、低減されない出力電力が供給されるように構成してもよい。すなわち、起動途中において劣化状態にあると一度でも判定された場合（ステップＳ５；Ｎｏ）には、モジュール温度が発電可能なモジュール温度に到達した段階において、ＯＣＶが基準電圧値より大きい場合であっても、出力電力を低減するように構成してもよい。この場合、劣化領域と判定された割合や、その程度に応じて、出力電力を低減することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１  固体電解質形燃料電池（燃料電池システム）
２  燃料電池モジュール
４  補機ユニット
１０  発電室
１２  燃料電池セル集合体
１４  燃料電池セルスタック
１６  燃料電池セルユニット（固体酸化物形セル）
１８  燃焼室
２０  改質器
２２  空気用熱交換器
２８  水流量調整ユニット（水供給手段）
３８  燃料流量調整ユニット（反応ガス供給手段）
４４  改質用空気流量調整ユニット
４５  発電用空気流量調整ユニット（反応ガス供給手段）
５４  インバータ
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
１１０  制御部（異常対応制御手段）
１１８  電圧センサ（電圧測定手段）
１４２  発電室温度センサ（温度測定手段）
【図１】
2011170983.tif 000004
【図２】
2011170983.tif 000005
【図３】
2011170983.tif 000006
【図４】
2011170983.tif 000007
【図５】
2011170983.tif 000008
【図６】
2011170983.tif 000009
【図７】
2011170983.tif 000010
【図８】
2011170983.tif 000011
【図９】
2011170983.tif 000012
【図１０】
2011170983.tif 000013
【図１１】
2011170983.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月24日(2010.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形セルを有する燃料電池モジュールと、
発電に供する反応ガスを前記燃料電池モジュールに供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池モジュールのモジュール温度を測定する温度測定手段と、
前記燃料電池モジュールの開回路電圧値を測定する電圧測定手段と、を備え、
起動段階において、前記反応ガス供給手段により前記反応ガスを前記燃料電池モジュールへ供給しながら前記モジュール温度を上昇させ、前記モジュール温度を発電開始温度に到達させるように構成された燃料電池システムであって、
前記起動段階のうち、前記燃料電池モジュール温度が、前記発電開始温度に到達する前の起動の途中段階において、前記電圧測定手段は前記開回路電圧値を測定するよう構成されており、
該測定された前記開回路電圧値が、前記発電開始温度よりも低い前記モジュール温度に対応して予め定められている基準電圧値を下回った場合に発電異常と判定し、異常対応制御を行う異常対応制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記基準電圧値は、前記モジュール温度に対応した正常時の開回路電圧値である正常時
電圧値よりも低い値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記基準電圧値は、前記モジュール温度が低いときほど、前記正常時電圧値に対しより
低くなるように定められていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記異常対応制御手段は、前記発電異常の判定を起動段階において複数回行うことを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記異常対応制御は、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げる制御であ
ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記異常対応制御は、燃料電池システムの運転を停止する制御であることを特徴とする
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記モジュール温度に対応して、前記基準電圧値と、この基準電圧値よりも低い停止基
準電圧値が設定されており、
前記異常対応制御手段は、前記異常対応制御として、前記開回路電圧が前記基準電圧値
以下で且つ前記停止基準電圧値よりも高い場合には、発電開始後における最大出力電力を
設定値よりも下げ、前記開回路電圧が前記停止基準電圧値以下である場合には、燃料電池
システムの運転を停止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料
電池システム。
【請求項８】
前記停止基準電圧値は、前記モジュール温度が低いときほど、前記基準電圧に対しより
低くなるように定められていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物形セルを有する燃料電池モジュールと、発電に供する反応ガスを燃料電池モジュールに供給する反応ガス供給手段と、燃料電池モジュールのモジュール温度を測定する温度測定手段と、燃料電池モジュールの開回路電圧値を測定する電圧測定手段と、を備え、起動段階において、反応ガス供給手段により反応ガスを燃料電池モジュールへ供給しながらモジュール温度を上昇させ、モジュール温度を発電開始温度に到達させるように構成された燃料電池システムであって、起動段階のうち、燃料電池モジュール温度が、発電開始温度に到達する前の起動の途中段階において、電圧測定手段は開回路電圧値を測定するよう構成されており、測定された開回路電圧値が、発電開始温度よりも低いモジュール温度に対応して予め定められている基準電圧値を下回った場合に発電異常と判定し、異常対応制御を行う異常対応制御手段を備えたことを特徴としている。
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月15日(2011.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形セルを有する燃料電池モジュールと、
発電に供する反応ガスを前記燃料電池モジュールに供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池モジュールのモジュール温度を測定する温度測定手段と、
前記燃料電池モジュールの開回路電圧値を測定する電圧測定手段と、を備え、
起動段階において、前記反応ガス供給手段により前記反応ガスを前記燃料電池モジュールへ供給しながら前記モジュール温度を上昇させ、前記モジュール温度を発電開始温度に到達させるように構成された燃料電池システムであって、
前記起動段階のうち、前記燃料電池モジュール温度が、前記発電開始温度に到達する前の起動の途中段階において、前記電圧測定手段は前記開回路電圧値を測定するよう構成されており、
前記モジュール温度と各モジュール温度に対応して定められた基準電圧値との関係を記憶しており、該測定された前記開回路電圧値が、この開回路電圧値の測定時における前記モジュール温度に対応する前記基準電圧値を下回った場合に発電異常と判定し、異常対応制御を行う異常対応制御手段を備えており、
前記異常対応制御手段は、前記起動の途中段階において、前記モジュール温度が開回路電圧値を発生可能な温度域にあっても、前記モジュール温度が予め設定された所定温度よりも低い低温域においては、前記異常対応制御を行わないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記基準電圧値は、前記モジュール温度に対応した正常時の開回路電圧値である正常時電圧値よりも低い値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記基準電圧値は、前記モジュール温度が低いときほど、前記正常時電圧値に対しより低くなるように定められていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記異常対応制御手段は、前記発電異常の判定を起動段階において複数回行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記異常対応制御は、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げる制御であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記異常対応制御は、燃料電池システムの運転を停止する制御であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記モジュール温度に対応して、前記基準電圧値と、この基準電圧値よりも低い停止基準電圧値が設定されており、
前記異常対応制御手段は、前記異常対応制御として、前記開回路電圧が前記基準電圧値以下で且つ前記停止基準電圧値よりも高い場合には、発電開始後における最大出力電力を設定値よりも下げ、前記開回路電圧が前記停止基準電圧値以下である場合には、燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記停止基準電圧値は、前記モジュール温度が低いときほど、前記基準電圧に対しより低くなるように定められていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。