(57)【要約】【課題】  総合的なエネルギー効率を高めながら、過剰な温度上昇を防止することができる固体酸化物型燃料電池を提供する。【解決手段】  本発明は、固体酸化物型燃料電池(1)であって、燃料電池モジュール(2)と、燃料供給手段(38)と、第１発電用酸化剤ガス供給手段(45)と、残余燃料を燃焼させる燃焼部(18)と、第１発電用酸化剤ガスを昇温させる熱交換部(48)と、制御手段(110)と、を有し、制御手段は、過昇温推定手段と、発電及び冷却用の第２発電用酸化剤ガスを、熱交換部(22)をバイパスするバイパス流路(77)を介して、第１発電用酸化剤ガスよりも温度が低い状態で燃料電池モジュール(2)に供給することで燃料電池モジュール(2)の温度を低下させる強制冷却手段と、を有することを特徴としている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料及び酸化剤ガスを利用して燃料電池セルで発電反応を生じさせて発電する燃料電池モジュールと、
上記燃料電池モジュールに発電に利用する燃料を供給する燃料供給手段と、
酸化剤ガス供給源から上記燃料電池モジュールに発電に利用する第１酸化剤ガスを供給する第１発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段により供給された燃料のうち、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させることにより上記燃料電池モジュールを加熱する燃焼部と、
上記第１発電用酸化剤ガス供給手段に設けられ、上記燃焼部で生じた排ガスと上記第１発電用酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、
上記燃料供給手段及び上記第１発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、
上記酸化剤ガス供給源から上記燃料電池モジュールに、発電に利用する第２発電用酸化剤ガスを供給する第２発電用酸化剤ガス供給手段を備え、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段と、
上記過昇温推定手段によって過剰な温度上昇の発生が推定された場合に、上記第２発電用酸化剤ガスを上記燃料電池モジュールに流入させることにより、上記燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段と、を有し、
上記第２発電用酸化剤ガス供給手段は、上記第１発電用酸化剤ガスよりも上記第２発電用酸化剤ガスの温度が低くなるよう、上記第２発電用酸化剤ガスが上記熱交換部の少なくとも一部をバイパスして上記燃料電池モジュールに流入されるように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項２】
上記燃料電池モジュールに上記第２発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた上記第２発電用酸化剤ガスを昇温させる昇温手段を有することを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記昇温手段は、上記燃料電池モジュールに上記第２発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた上記第２発電用酸化剤ガスを上記第１発電用酸化剤ガスとを混合する混合部を備えていることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
部分酸化改質反応及び／又は水蒸気改質反応によって上記燃料を改質する改質部と、
上記改質器に改質反応用の空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記改質器に水蒸気改質反応用の水を供給する改質用水供給手段と、をさらに備え、
上記制御部は、起動時には部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを改質器内で並存させて改質を行うオートサーマル改質反応を行って上記燃料電池モジュール内を昇温させ、所定の温度に達した後に部分酸化改質反応を止めて水蒸気改質反応のみを行うよう制御し、
上記第２発電用酸化剤ガスは、上記所定の温度に達した後、上記改質用空気供給手段を用いて上記燃料電池モジュールに供給されることを特徴とする、請求項３に記載された固体酸化物型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に発電運転中におけるモジュール内で発生する過昇温を効率よく抑制できる過昇温対策に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、改質器、水及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
【０００４】
特開２０１２−２１６２９０号公報（特許文献１）には、燃料電池システムの負荷増加時における一般的な運転方法が記載されている。燃料電池システムの一般的な運転方法においては、発電量を増加させる場合には、まず、燃料電池への空気供給量を増加させ、次いで、水供給量、燃料供給量の順に供給量を増加させた後、燃料電池から取り出す電力を増加させている。この燃料電池システムの運転方法においては、このような順序で供給量を増加させることにより、空気枯渇、炭素析出、及び燃料枯渇の発生を防止している。
【０００５】
さらに、一般に固体酸化物型燃料電池は作動温度が高く、発電時には、燃料電池セルを高い作動温度に維持しておく必要がある。従って、燃料電池システムの総合的なエネルギー効率を上昇させるためには、燃料電池セルから外気へ発散される熱を少なくし、温度を維持するために必要となる燃料を減じることが重要なファクターとなる。このため、燃料電池セル等は、断熱性の高い筐体に収納することが好ましい。
【０００６】
燃料電池セル等を収納する筐体の断熱性を高めていくと、燃料電池セルに供給され、発電に利用されずに残った残余の燃料で上昇された筐体内の温度を維持する保温性能が高まるため、投入熱量を減じることができ、燃料効率を高めることができる。しかし、残余燃料が余剰となる状況や劣化によって発熱量が増加した状況においては、筐体内の温度が発電に適切な温度範囲から外れて上昇しすぎるという問題が発生する。筐体内の温度が過剰に上昇すると、筐体内の燃料電池セルや、改質器等が損傷される場合がある。また、過剰に上昇した温度は、筐体の断熱性が高く、極めて熱容量が大きいため、適正温度まで低下させることが容易ではなく、更なる過昇温を招く。
【０００７】
特許文献１では、このような過昇温が生じた場合には発電に必要な供給量以上に増加された増加分の空気を用いてモジュール内温度を冷やすことで、過昇温を防止することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２１６２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
空気供給量を増やすことによって、燃料電池セルに供給される空気の温度が低下するため、モジュール内温度を冷やすことはできる。しかし、この方式によれば、冷却量を増やすためには空気供給量を増加する必要があるが、空気供給量を増やしすぎるとモジュール内圧が高まり、燃料ガスがモジュール内に入り難くなり、燃料枯れを生じる懸念がある。また、空気供給量の増加は用いるブロアの性能によって限界があり、程度の大きい過昇温に対して対応するには、本来発電用の空気が供給できればこと足りるところを、冷却用に大流量を供給することができる過剰なスペックのブロアを備えておく必要がある。また、過剰なスペックのブロアを備えたとしても、対応できる過昇温には限界があるため、ブロアの性能に依らず温度低下量を向上させる技術が望まれている。
【００１０】
従って、本発明は、総合的なエネルギー効率を高めながら、燃料枯れを起こすことも、過剰なスペックの装置を用いることもなく、過剰な温度上昇を防止することができる固体酸化物型燃料電池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】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料及び酸化剤ガスを利用して燃料電池セルで発電反応を生じさせて発電する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに発電に利用する燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに発電に利用する第１酸化剤ガスを供給する第１発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給された燃料のうち、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させることにより燃料電池モジュールを加熱する燃焼部と、第１発電用酸化剤ガス供給手段に設けられ、燃焼部で生じた排ガスと第１発電用酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、燃料供給手段及び第１発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに、発電に利用する第２発電用酸化剤ガスを供給する第２発電用酸化剤ガス供給手段を備え、制御手段は、燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段と、過昇温推定手段によって過剰な温度上昇の発生が推定された場合に、第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段と、を有し、第２発電用酸化剤ガス供給手段は、第１発電用酸化剤ガスよりも第２発電用酸化剤ガスの温度が低くなるよう、第２発電用酸化剤ガスが熱交換部の少なくとも一部をバイパスして燃料電池モジュールに流入されるように構成されていることを特徴としている。
【００１２】
このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び第１発電用酸化剤ガス供給手段、第２発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池セルを用いた発電に利用するために、燃料電池モジュールに燃料、第１発電用酸化剤ガス及び第２発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料、第１発電用酸化剤ガス及び第２発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、燃料電池モジュール内が加熱される。また、燃焼によって生じた排ガスは、燃料電池モジュールの上流で、第１発電用酸化剤ガスとの熱交換によって発電用酸化剤ガスを昇温させることに利用される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段を制御する。過剰な温度上昇が発生すると、制御手段に備えられた過昇温推定手段によって過昇温の危険があると判断され、第１発電用酸化剤ガスよりも温度が低い第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段を作動させる。
【００１３】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、強制冷却手段が第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給する際、第２発電用酸化剤ガスが熱交換部をバイパスするように供給することで、第１発電用酸化剤ガスと同じ酸化剤ガス供給源から導入した第２発電用酸化剤ガスの温度を第１発電用酸化剤ガスより低くする。温度の低い第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることで燃料電池モジュール内の温度を低下させるので、従来のように第１発電用酸化剤ガスの供給量を増やすことによって燃料電池モジュール内を冷却する場合に比べて、少ない流量で効果的に過剰な温度上昇を回避することができる。そのため、第１発電用酸化剤ガスを増量して燃料電池モジュール内の圧力が高まり、燃料ガスが燃料電池モジュール内に入り難くなることに起因して生じる燃料枯れを防ぐことができる。また、過剰なスペックのブロアを搭載する必要もなく、好適である。
【００１４】
上述した通り、第２発電用酸化剤ガスを供給することで過昇温の問題を解決することができるが、燃料電池セルに温度が低い第２発電用酸化剤ガスを直接当ててしまうと、直接第２発電用酸化剤ガスが当った部分が、直接当っていない部分に比べて冷やされすぎてしまい、第２発電用酸化剤ガスが直接当った部分と直接当っていない部分との間に温度差が生じて熱膨張量に差が生じ、応力がかかって燃料電池セルが破損してしまう懸念がある。
【００１５】
そこで本発明において、好ましくは、燃料電池モジュールに第２発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第２発電用酸化剤ガスを昇温させる昇温手段を有することが好ましい。
このように構成された本発明によれば、温度の低い第２発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
【００１６】
さらに本発明では、昇温手段は、燃料電池モジュールに第２発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第２発電用酸化剤ガスと第１発電用酸化剤ガスとを混合する混合部を備えることが好ましい。
このように構成された本発明によれば、第２発電用酸化剤ガスを第１発電用酸化剤ガスと合流させて混合し、第１発電用酸化剤ガスと第２発電用酸化剤ガスとの温度を均熱化させた状態で燃料電池モジュールに供給することができるため、既存の構成を兼用して温度の低い第２発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
【００１７】
また、第２発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部を、第１発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部とは別に設けると、第２発電用酸化剤ガスを供給しない間は供給経路の圧力が低いので、連通部を逆流して第２発電用酸化剤ガスを供給する経路に燃料電池モジュール内の雰囲気が流れる虞がある。燃料電池モジュール内の雰囲気が第２発電用酸化剤ガスの供給経路を逆流すると、燃料電池モジュール内の温度が低下し、熱効率が悪くなることが考えられる。本発明によれば、バイパスした後の第２発電用酸化剤ガスを第１発電用酸化剤ガスに合流させて、燃料電池モジュールと連通する供給経路を第１発電用酸化剤ガスの供給経路のみとしたことによって、燃料電池モジュール内の雰囲気が漏れ出し、温度が低下することを抑制することができる。
【００１８】
また、このように構成することによって、燃料電池モジュール内に第２発電用酸化剤ガスを供給する経路を、第１発電用酸化剤ガス供給手段と兼用することができるため、装置を簡素に構成することができる。
【００１９】
ところで、固体酸化物型燃料電池装置の起動時には部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを並存して改質するオートサーマル改質反応を行うため、改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段が設けられているが、燃料電池モジュール内が高温になり、オートサーマル改質反応よりも改質効率の高い水蒸気改質反応のみを行うことができるようになった後は、部分酸化改質反応を生じさせることがなくなるため、改質用酸化剤ガス供給手段は不要となる。
そこで、本発明において、好ましくは、改質用酸化剤ガス供給手段が不要となる水蒸気改質反応の期間においては、改質用酸化剤ガス供給手段を第２発電用酸化剤ガスの供給手段として兼用することもできる。こうすることで、第２発電用酸化剤ガスの供給手段を別途設ける必要がなく、簡素な構成で過昇温を抑制することができる。
【００２０】
また、第２発電用酸化剤ガスの供給手段と第１発電用酸化剤ガス供給手段とは別の部材を用いることによって、第１発電用酸化剤ガス供給手段は、本来発電用に必要な性能を備えた最小限の装置で構成することができるため、安価でコンパクトにすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、総合的なエネルギー効率を高めながら、過剰な温度上昇を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置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燃料電池装置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線に沿った断面図である。
【図４】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部分断面図である。
【図５】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６】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。
【図７】本発明の一実施形態において、発電及び冷却用空気を用いて強制冷却を行う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】
【００２３】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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。
【００２４】
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７を介して密封空間８が形成されている。この密封空間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。
【００２５】
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、前記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、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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内の密封空間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。
【００２９】
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を形成され、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、６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から空気分配室７２へ流入する。
【００３３】
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には、燃料電池モジュール２の両側壁内に配置された空気導入管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。
【００３４】
また、空気分配室７２には、被改質ガス導入管６２から分岐し、熱交換器２２の熱交換領域にあたる空気流路管７４をバイパスして接続されたバイパス流路７７が接続されている。また、被改質ガス導入管６２とバイパス流路７７との分岐部分には、図示はしないが、流路を切り替える流路切替弁が制御部１１０によって切替可能操作可能に設けられている。
【００３５】
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。
【００３６】
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酸化物型燃料電池（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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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酸化物型燃料電池（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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。
【００４５】
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、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。
【００４６】
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。
【００４７】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水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。
【００４８】
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、固体酸化物型燃料電池（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。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、図２９を参照して、燃料電池モジュールの強制冷却の手順を説明する。
まず、図２９のステップＳ４１においては、検出温度Ｔｄが読み込まれる。次いで、ステップＳ４２においては、ステップＳ４１で読み込まれた検出温度Ｔｄと、所定時間前の検出温度Ｔｄが比較される。
この比較は、発電を効率に行うために予め設定した適正温度範囲から外れた過昇温の危険があるか否かを判断するためのものであり、例えば劣化によって生じた過昇温や、負荷追従運転によって生じた過昇温を推定する。すなわち、ステップＳ４２は過昇温推定手段として作動する。
ステップＳ４１で読み込まれた検出温度Ｔｄと所定時間前の検出温度Ｔｄの差が、所定の閾値温度以下の場合、つまり適性温度範囲で運転している場合には図２９のフローチャートの１回の処理が終了する。
【００５１】
一方、ステップＳ４２において検出温度Ｔｄと所定時間前の検出温度Ｔｄの差が、所定の閾値温度を超える場合、つまり過昇温が推定される場合には、ステップＳ４３に進む。
【００５２】
ステップＳ４３においては、改質用空気流量調整ユニット４２を介して発電及び冷却用の第２空気（第２発電用酸化剤ガス）を燃料電池モジュール２内に供給することで、燃料電池モジュール２内の温度低下を図り、図２９のフローチャートの１回の処理が終了する。
【００５３】
空気供給源４０から改質用空気流量調整ユニット４２を介して流れる第２空気は、バイパス流路７７を流れて空器導入間７６に合流し、燃料電池モジュール２内に到達する。その際、空気供給源４０から空器導入間７６との合流部分までの間には第２空気を加熱する要素はないため、第２空気は空気供給源４０から取り込まれた後、加熱されずに空器導入間７６に合流する。
【００５４】
第２空気が、空気供給源４０の温度に近い温度で空器導入間７６に合流する一方で、発電用空気は、空気供給源４０から取り込まれた後、過昇温と判断されていないときと同様、発電用空気を加熱する空気熱交換器２２によって加熱される。加熱された発電用空気は、加熱されていない第２空気と混合されることによって温度が低下する。温度が低下した発電用空気が燃料電池モジュール２内に供給されることによって、燃料電池モジュール２内の温度を低下し、過昇温の状態を解消することができる。
【００５５】
このとき、発電用空気と第２空気との流量割合を、発電用空気を下げるように調整することで冷却効果が上がるため、過昇温の程度がひどくなったときに有効である。
【００５６】
上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料及び酸化剤ガスを利用して燃料電池セルで発電反応を生じさせて発電する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに発電に利用する燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに発電に利用する第１酸化剤ガスを供給する第１発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給された燃料のうち、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させることにより燃料電池モジュールを加熱する燃焼部と、第１発電用酸化剤ガス供給手段に設けられ、燃焼部で生じた排ガスと第１発電用酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、燃料供給手段及び第１発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに、発電に利用する第２発電用酸化剤ガスを供給する第２発電用酸化剤ガス供給手段を備え、制御手段は、燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段と、過昇温推定手段によって過剰な温度上昇の発生が推定された場合に、第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段と、を有し、第２発電用酸化剤ガス供給手段は、第１発電用酸化剤ガスよりも第２発電用酸化剤ガスの温度が低くなるよう、第２発電用酸化剤ガスが熱交換部の少なくとも一部をバイパスして燃料電池モジュールに流入されるように構成されていることを特徴としている。
【００５７】
このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び第１発電用酸化剤ガス供給手段、第２発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池セルを用いた発電に利用するために、燃料電池モジュールに燃料、第１発電用酸化剤ガス及び第２発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料、第１発電用酸化剤ガス及び第２発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、燃料電池モジュール内が加熱される。また、燃焼によって生じた排ガスは、燃料電池モジュールの上流で、第１発電用酸化剤ガスとの熱交換によって発電用酸化剤ガスを昇温させることに利用される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段を制御する。過剰な温度上昇が発生すると、制御手段に備えられた過昇温推定手段によって過昇温の危険があると判断され、第１発電用酸化剤ガスよりも温度が低い第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段を作動させる。
【００５８】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、強制冷却手段が第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給する際、第２発電用酸化剤ガスが熱交換部をバイパスするように供給することで、第１発電用酸化剤ガスと同じ酸化剤ガス供給源から導入した第２発電用酸化剤ガスの温度を第１発電用酸化剤ガスより低くする。温度の低い第２発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることで燃料電池モジュール内の温度を低下させるので、従来のように第１発電用酸化剤ガスの供給量を増やすことによって燃料電池モジュール内を冷却する場合に比べて、少ない流量で効果的に過剰な温度上昇を回避することができる。そのため、第１発電用酸化剤ガスを増量して燃料電池モジュール内の圧力が高まり、燃料ガスが燃料電池モジュール内に入り難くなることに起因して生じる燃料枯れを防ぐことができる。また、過剰なスペックのブロアを搭載する必要もなく、好適である。
【００５９】
上述した通り、第２発電用酸化剤ガスを供給することで過昇温の問題を解決することができるが、燃料電池セルに温度が低い第２発電用酸化剤ガスを直接当ててしまうと、直接第２発電用酸化剤ガスが当った部分が、直接当っていない部分に比べて冷やされすぎてしまい、第２発電用酸化剤ガスが直接当った部分と直接当っていない部分との間に温度差が生じて熱膨張量に差が生じ、応力がかかって燃料電池セルが破損してしまう懸念がある。
【００６０】
そこで本発明において、好ましくは、燃料電池モジュールに第２発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第２発電用酸化剤ガスを昇温させる昇温手段を有することが好ましい。
このように構成された本発明によれば、温度の低い第２発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
【００６１】
さらに本発明では、昇温手段は、燃料電池モジュールに第２発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第２発電用酸化剤ガスと第１発電用酸化剤ガスとを混合する混合部を備えることが好ましい。
このように構成された本発明によれば、第２発電用酸化剤ガスを第１発電用酸化剤ガスと合流させて混合し、第１発電用酸化剤ガスと第２発電用酸化剤ガスとの温度を均熱化させた状態で燃料電池モジュールに供給することができるため、既存の構成を兼用して温度の低い第２発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
【００６２】
また、第２発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部を、第１発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部とは別に設けると、第２発電用酸化剤ガスを供給しない間は供給経路の圧力が低いので、連通部を逆流して第２発電用酸化剤ガスを供給する経路に燃料電池モジュール内の雰囲気が流れる虞がある。燃料電池モジュール内の雰囲気が第２発電用酸化剤ガスの供給経路を逆流すると、燃料電池モジュール内の温度が低下し、熱効率が悪くなることが考えられる。本発明によれば、バイパスした後の第２発電用酸化剤ガスを第１発電用酸化剤ガスに合流させて、燃料電池モジュールと連通する供給経路を第１発電用酸化剤ガスの供給経路のみとしたことによって、燃料電池モジュール内の雰囲気が漏れ出し、温度が低下することを抑制することができる。
【００６３】
また、このように構成することによって、燃料電池モジュール内に第２発電用酸化剤ガスを供給する経路を、第１発電用酸化剤ガス供給手段と兼用することができるため、装置を簡素に構成することができる。
【００６４】
ところで、固体酸化物型燃料電池装置の起動時には部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを並存して改質するオートサーマル改質反応を行うため、改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段が設けられているが、燃料電池モジュール内が高温になり、オートサーマル改質反応よりも改質効率の高い水蒸気改質反応のみを行うことができるようになった後は、部分酸化改質反応を生じさせることがなくなるため、改質用酸化剤ガス供給手段は不要となる。
そこで、本発明において、好ましくは、改質用酸化剤ガス供給手段が不要となる水蒸気改質反応の期間においては、改質用酸化剤ガス供給手段を第２発電用酸化剤ガスの供給手段として兼用することもできる。こうすることで、第２発電用酸化剤ガスの供給手段を別途設ける必要がなく、簡素な構成で過昇温を抑制することができる。
【００６５】
また、第２発電用酸化剤ガスの供給手段と第１発電用酸化剤ガス供給手段とは別の部材を用いることによって、第１発電用酸化剤ガス供給手段は、本来発電用に必要な性能を備えた最小限の装置で構成することができるため、安価でコンパクトにすることができる。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。例えば、上述した実施形態においては、空気熱交換器２２の空気流路管７４全てをバイパスして空気分配室７２で合流させるようにしたが、発電用空気と第２空気との合流部分の位置は、合流するときの第２空気の温度をどの程度に調整する必要があるかによって種々設計可能である。空気熱交換器２２の主な加熱部である空気流路管７４を一部バイパスして加熱部の途中で合流させる、若しくは空気熱交換器２２に流入させた後、空気熱交換器２２の空気流路管７４の途中からバイパスして空気熱交換器２２の下流で合流させるようにすれば、例えば燃料電池セルに直接吹き付けても壊れない程度の温度まで第２空気を加熱することもできる。また、上述した実施形態のように、空気熱交換器２２の空気流路管７４全てをバイパスして空気分配室７２やその下流に配置された空器導入管７６で合流させるようにすれば、冷却効果を高めることができる。例えば空器導入管７６の下流端に近い、燃料電池モジュール２内に供給する直前に合流部分を設けるようにすれば、冷却効果を最大限に発揮させることができるため、カバーできる過昇温の範囲が最大限広がる。
【符号の説明】
【００６７】
１    固体酸化物型燃料電池
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材（蓄熱材）
８    密封空間
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８    燃焼室（燃焼部）
２０    改質器
２２    空気用熱交換器
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給手段）
３０    燃料供給源
３８    燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０    空気供給源
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（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置
５２    制御ボックス
５４    インバータ
７７    バイパス流路
８３    点火装置
８４    燃料電池セル
１１０    制御部（制御手段）
１１２    操作装置
１１４    表示装置
１１６    警報装置
１２６    電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
１３２    燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８    圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４０    排気温度センサ（温度検出手段）
１４２    発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８    改質器温度センサ（温度検出手段）
１５０    外気温度センサ
【図１】
2015197957.tif 000003
【図２】
2015197957.tif 000004
【図３】
2015197957.tif 000005
【図４】
2015197957.tif 000006
【図５】
2015197957.tif 000007
【図６】
2015197957.tif 000008
【図７】
2015197957.tif 000009