(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガス流路を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルが複数個配列されてなるセルスタックと、
該セルスタックの一端側に位置し、前記ガス流路より排出された余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
該燃焼部に配置された着火装置と、
該着火装置に電流を印加する電流印加部と、
該着火装置の電圧を測定する測定部と、
前記着火装置の電圧値を記憶する記憶部と、
制御部とを備え、
該制御部は、起動開始時において、前記着火装置に第１の一定電流を印加し、
続いて、起動開始時の温度に基づいて、
前記測定部により測定された起動工程電圧値が、前記着火装置の温度上昇を考慮して予め定められた第１の電圧値以上となった場合、または、
前記測定部により測定された起動工程電圧値が、第１の一定電流を印加したあとの起動開始電圧値に基づいて定められる上昇値よりも大きい値の場合、
のうちいずれかの条件を判定して、
該いずれかの条件を満たす場合に、該前記燃焼部において、燃焼が生じていると検知することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御部は、起動開始時において、第１の一定電流を印加したあとの起動開始電圧値を前記記憶部で記憶する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃焼部において、燃焼が生じていると判断した場合に、前記着火装置の着火動作を停止させる制御を行なうことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記着火装置の着火動作を停止した後に、前記電流印加部より第１の一定電流よりも少ない第２の一定電流を前記着火装置に印加するとともに、該着火装置の着火後電圧値を前記記憶部に記憶し、その後に測定した前記着火装置における電圧値が、前記着火装置の温度低下を考慮して予め定められた第１の低下値よりも小さい場合に、前記燃焼部において、失火が生じていると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記失火が生じていると判断された場合に、前記電流印加部より第１の一定電流を前記着火装置に印加することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記記憶部が記憶した前記失火が生じていると判断された場合の電圧値である失火時電圧値と、前記第１の一定電流を前記着火装置に印加した後の電圧値とを比較し、電圧値が所定以上増加した場合に、再着火したと判断することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置を備えるとともに、前記制御部は、発電時において、前記電流印加部より前記第２の一定電流を前記着火装置に印加するとともに、該着火装置の着火後電圧値を記憶部に記憶し、その後に測定した前記着火装置における電圧値が、前記着火装置の温度低下を考慮して予め定められた第１の低下値よりも小さい場合に、前記燃焼部において失火が生じていると判断し、燃料利用率を低下させるように制御することを特徴とする請求項４乃至請求項６のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記記憶部が記憶した前記失火が生じていると判断された場合の電圧値である失火時電圧値と、前記燃料利用率を低下させる制御を行なった後の電圧値とを比較し、電圧値が所定以上増加した場合に、再着火したと判断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。                                                                                 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られている。また、セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
このような燃料電池装置のうち、特に固体酸化物形の燃料電池装置においては、燃料電池セルの上方で、余剰の燃料ガスを燃焼させることが知られており、余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置や、燃焼を検知するための温度センサが設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、燃料電池装置が市販されているが、まだまだコストが高く、燃料電池装置の普及には低コスト化が避けられない。それゆえ、上述のような着火装置や、温度センサに至るまで、まだまだ低価格化できる工夫が要求されている。
【０００６】
それゆえ、本発明では、低コスト化を可能とする燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池装置は、内部にガス流路を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルが複数個配列されてなるセルスタックと、該セルスタックの一端側に位置し、前記ガス流路より排出された余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、該燃焼部に配置された着火装置と、該着火装置に電流を印加する電流印加部と、該着火装置の電圧を測定する測定部と、前記着火装置の電圧値を記憶する記憶部と、制御部とを備え、該制御部は、起動開始時において、前記着火装置に第１の一定電流を印加し、続いて、起動開始時の温度に基づいて、前記測定部により測定された起動工程電圧値が、前記着火装置の温度上昇を考慮して予め定められた第１の電圧値以上となった場合、または、前記測定部により測定された起動工程電圧値が、第１の一定電流を印加したあとの起動開始電圧値に基づいて定められる上昇値よりも大きい値の場合、のうちいずれかの条件を判定して、該いずれかの条件を満たす場合に、該前記燃焼部において、燃焼が生じていると検知することを特徴とする。                                                                                 
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、着火装置により燃焼部における燃焼状態を検知できることから、温度センサを不要とでき、低コスト化が可能な燃料電池装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】本実施形態における燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。
【図４】本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。
【図５】本実施形態の燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。
【図６】本実施形態の燃料電池装置の運転制御の一例の一部を示すフローチャートである。
【図７】図６に示すフローチャートの続きの一例を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態の燃料電池装置の運転制御の他の一例を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池装置について説明する。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。なお、貯湯ユニットを設けない構成とすることもできる。
【００１２】
図１に示す発電ユニットは、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置３、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置２、セルスタック４および改質器５を有する燃料電池モジュール１（以下、モジュールと略す場合がある。）を備えている。なお、図１に示す発電ユニットでは、モジュール１を二点鎖線により囲って示している。また、セルスタック４と改質器５との間には、セルスタック４の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置６が設けられているほか、図１には示していないが、燃焼後の排ガスやセルスタック４から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができる。なお、後述するように、着火装置６には、電流印加部７が接続されている。なお電流印加部７は、例えば、系統電源に接続することができる。
【００１３】
また、図１に示す発電ユニットにおいては、セルスタック４を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器８に水を循環させる循環配管１３、熱交換器８で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置１４、水処理装置１４にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１６とが設けられており、水タンク１６と熱交換器８との間が凝縮水供給管１５により接続されている。なお、水処理装置１４としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。
【００１４】
水タンク１６に貯水された水は、水タンク１６と改質器５とを接続する水供給管１８に備えられた水ポンプ１７により改質器５に供給される。
【００１５】
さらに図１に示す発電ユニットは、各種機器の動作を制御する制御装置１２が設けられているほか、モジュール１にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）１９、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ２０が設けられており、循環配管１３内で水を循環させる循環ポンプ２１とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク２２を具備して構成されている。
【００１６】
また、制御装置１２は、着火装置６の電圧を測定するための測定部９、測定部９にて測
定された電圧値を記憶する記憶部１０、各種機器の制御を司る制御部１１を有している。なお、制御装置１２はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。各制御については、後述する。
【００１７】
ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００１８】
セルスタック４の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御部１１は原燃料供給装置２、水ポンプ１７を作動させる。それにより、改質器５に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器５で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。
【００１９】
一方、制御部１１は酸素含有ガス供給装置２を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。
【００２０】
なお、制御部１１はモジュール１において着火装置６を作動させることにより、セルスタック４の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック４や改質器５の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
【００２１】
セルスタック４の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器８に供給され、循環配管１３を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１３を流れて貯湯タンク２２に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック４より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１５を通じて、水処理装置１４に供給される。凝縮水は、水処理装置１４にて純水とされて、水タンク１６に供給される。水タンク１６に貯水された水は、水ポンプ１７により水供給管１８を介して改質器５に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
【００２２】
なお、上述の例においては熱交換器８にて生成される凝縮水のみを改質器５に供給する構成の燃料電池装置を用いて説明したが、改質器５に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置にて生成した純水が、水タンク１６に貯水されるよう各装置を接続する。
【００２３】
また貯湯ユニットを設けない構成においては、熱交換器８に変えて、ラジエター等の冷却装置を備えることで、凝縮水を生成してもよい。
【００２４】
以下、本実施形態の一例を示すモジュールについて説明する。
図２は、本実施形態の燃料電池装置における燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図３は、図２に示す燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。また、図４は本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図であり、図５は本実施形態の燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。
【００２５】
図２に示すモジュール１は、収納容器２３の内部に、セルスタック装置３０が収納されている。ここで、モジュール１の外面には、断熱材が配置されており、モジュール１全体を断熱材で覆うことで、モジュール１からの放熱を抑制でき、モジュール１の温度を高く維持することが可能となる。
【００２６】
図２に示すモジュール１においては、収納容器２３の内部に、内部を長手方向に貫通し、燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル２４を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル２４間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル２４の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド２５に固定してなるセルスタック４を２つ備えるセルスタック装置３０が収納されている。
【００２７】
また、セルスタック装置３０の上方には、セルスタック４の上方に、燃料電池セル２４に供給する燃料ガスを生成するための改質器５が配置されている。ここで、セルスタック４と改質器５との間が、燃料電池セル２４より排出された余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部となり、この燃焼部に着火装置６が配置されている。
【００２８】
また、セルスタック４の両端部には、セルスタック４（燃料電池セル２４）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図２においては、セルスタック装置３０が２つのセルスタック４を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック４を１つだけ備えていてもよい。
【００２９】
また、図２においては、燃料電池セル２４として、内部を長手方向に貫通し、燃料ガスが流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル２４を例示している。なお、燃料電池セル２４の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル２４の構成については後述する。
【００３０】
また、本実施形態のモジュール１（セルスタック装置３０）においては、中空平板型の燃料電池セル２４を例示しているが、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２３の形状も適宜変更することができる。
【００３１】
また図２においては、収納容器２３の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置３０を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示したモジュール１においては、セルスタック装置３０を、収納容器２３内にスライドして収納することが可能である。
【００３２】
また、図２に示す改質器５においては、原燃料供給管２９を介して改質器５の内部に天然ガスやメタンガス、さらには灯油等の原燃料が供給され、水供給管１８を介して水が供給され、原燃料と水とで水蒸気改質を行ない、燃料ガスを生成する。それゆえ、改質器５は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とされ、水を気化させるための気化部２６と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２７とを備えている。
【００３３】
改質器５は、燃料ガス流通管２８を介してマニホールド２５と接続されており、改質器５を流れた燃料ガスがマニホールド２５に供給され、マニホールド２５より燃料電池セル２４の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、図示していないが、改質器５には、セラミックボールやペレット等からなる担持体にＲｕやＰｔ等の金属を担持させた粒状や粉状の改質触媒が充填されている。
【００３４】
また、図２において、収納容器２３の内部には、セルスタック４の側面側に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル２４の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材３１が配置されている。
【００３５】
図３に示すように、モジュール１を構成する収納容器２３は、内壁３３と外壁３４とを有する二重構造で、外壁３４により収納容器２３の外枠が形成されるとともに、内壁３３によりセルスタック装置３０を収納する収納室３５が形成されている。さらに収納容器２３においては、内壁３３と外壁３４との間を、燃料電池セル２４に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路３６としている。
【００３６】
ここで、収納容器２３内には、収納容器２３の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口を備え、下端部に燃料電池セル２４の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口３７が設けられてなる酸素含有ガス導入部材３１が、内壁３３を貫通して挿入されて固定されている。なお、酸素含有ガス導入部材３１は、収納容器２３内に収納するセルスタック装置３０の個数に応じて適宜設けることができる。
【００３７】
また収納室３５内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル２４（セルスタック４）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材３８が適宜設けられている。
【００３８】
断熱部材３８は、セルスタック４の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル２４の配列方向に沿ってセルスタック４の側面側に配置するとともに、セルスタック４の側面における燃料電池セル２４の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３８を配置することが好ましい。なお、セルスタック４の両側面側に断熱部材３８を配置することが好ましい。それにより、セルスタック４の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材３１より導入される酸素含有ガスが、セルスタック４の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック４を構成する燃料電池セル２４間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック４の両側面側に配置された断熱部材３８においては、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック４の長手方向および燃料電池セル２４の積層（配列）方向における温度分布を低減するための開口部３９が設けられている。
【００３９】
また、燃料電池セル２４の配列方向に沿った内壁３３の内側には、排ガス用内壁４０が設けられており、内壁３３と排ガス用内壁４０との間が、収納室３５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路４１とされている。なお、排ガス流路４１は、収納容器２の底部に設けられた排気孔４２と通じている。また、排ガス用内壁４０のセルスタック４側にも断熱部材３８が設けられている。
【００４０】
それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路４１を流れた後、排気孔４２より排気される構成となっている。なお、排気孔４２は収納容器２３の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
【００４１】
なお、酸素含有ガス導入部材３１の内部には、セルスタック４近傍の温度を測定するための熱電対４３が、その測温部４４が燃料電池セル２４の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル２４の配列方向における中央部に位置するように配置されている。
【００４２】
また、上述の構成のモジュール１においては、燃料電池セル２４で発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを、燃料電池セル２４の上端側、すなわち燃料電池セル２４と改質器５との間である燃焼部にて燃焼させることができる。それにより、燃料電池セル２４の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル２４（セルスタック４）の上方に配置された改質器５を温めることができ、改質器５で効率よく改質反応
を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル２４の発電に伴い、モジュール１内の温度は５００〜８００℃程度となる。
【００４３】
また、燃焼部には着火装置６が配置されており、起動時や発電時に着火装置６を作動させることで、燃料電池セル２４で発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを効率よく燃焼させることができる。なお、図３に示すモジュール１においては、断面視において、一方のセルスタック４と改質器５との間の燃焼部に１つだけ設けた例を示しているが、断面視において、両方の燃焼部に配置してもよい。
【００４４】
図４は、本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図である。図４に示すモジュール４５は、図３に示すモジュール１と比較して、収納容器４６の収納室４７内に４つのセルスタック装置３０を備える点、収納室４７の上方に、燃料電池セル２４より排出される排ガスを回収する排ガス回収部４８を備えている点で異なっている。なお、図３に示すモジュール１と同じまたは同様の構成については同じ符号を用い、説明は省略する。
【００４５】
収納室４７内に複数のセルスタック装置３０を収納してなる場合に、モジュール１のように排ガス流路４１をセルスタック装置３０の側方に位置するように設けた場合、特に中央部側に位置するセルスタック装置３０における燃料電池セル２４から、収納室４７の側方に位置する排ガス流路４１までの距離が長くなってしまい、中央部側に位置するセルスタック装置３０における燃料電池セル２４から排出される排ガスを、効率よく外部に排出することが難しい場合がある。
【００４６】
特に燃料電池セル２４の上端側で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル２４の温度を高温に維持する構成の燃料電池装置では、燃料電池セル２４の上端側に排ガスが滞留することで、発電に使用されなかった燃料ガスをうまく燃焼させることができず、失火するおそれがある。特に失火を生じた場合には、燃料電池セル２４の温度が上昇せず、もしくは高温に維持することができず、結果として燃料電池セル２４（セルスタック装置３０）の発電量が低下してしまうおそれがある。
【００４７】
それゆえ、図４に示す本実施形態のモジュール４５においては、収納室４７の上方に、燃料電池セル２４より排出される排ガスを回収する排ガス回収部４８を設け、該排ガス回収部４８と排ガス流路４１とがつながっていることで、燃料電池セル２４より排出される排ガスの全量が、外部より供給される酸素含有ガスと熱交換することができる。それにより、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル２４に供給できることとなり、発電効率を向上させることができる。
【００４８】
また、この排ガス回収部４８の底面には、収納室４７とつながる回収孔４９が設けられている。それにより、収納室４７に排出された排ガスは、回収孔４９を介して排ガス回収部４８に流れることとなる。
【００４９】
図５は、本実施形態のモジュールのさらに他の一例を示す断面図である。
【００５０】
図５に示すモジュール５０においては、収納容器５１内の収納室５２に、マニホールド２５に１列のセルスタック４が設けられたセルスタック装置３０が収納されている。
【００５１】
ここで、収納容器５１には、各種のガスが流れる流路を備えるが、これらの流路を簡単な構成とすることで、モジュール５０の量産性を向上することができ、コスト削減が可能なモジュールとすることができる。
【００５２】
そこで、図５に示すモジュール５０においては、まずセルスタック装置３０の側方に、
一部がセルスタック装置３０側に突出した突出部５３を備える第１の板部材５４と、第１の板部材の突出部５３以外と接合される第２の板部材５５を備えており、この第１の板部材の突出部５３と第２の板部材５５との間が、燃料電池セル２４に供給される反応ガス（酸素含有ガス）が流れる酸素含有ガス流路５６とされている。なお、第１の板部材５４の下方には、酸素含有ガス流路５６を流れる酸素含有ガスを燃料電池セル２４に向けて流すための酸素含有ガス流出口３７が設けられている。
【００５３】
すなわち、酸素含有ガス流路５６を構成するにあたり、第１の板部材５４の一部を燃料電池セル２４側に折り曲げ、折り曲げていない部分と平板状の第２の板部材５５を接合するだけ、すなわち２枚の板部材のみで酸素含有ガス流路５６を構成することができる。それにより、量産性を向上することができ、コスト削減が可能となる。
【００５４】
ここで、第１の板部材５４における突出部５３は、セルスタック４において、配列方向の長さＷは、セルスタック４における温度分布等を考慮して決定すればよく、例えば燃料電池セル２４の配列方向の長さに対して８０〜１２０％の範囲とすればよい。また高さ方向については、燃料電池セル２４の下端部から上端部までとすることが好ましい。それにより、酸素含有ガス流路５６を流れる酸素含有ガスと、セルスタック４との間で効率よく熱交換を行なうことができ、発電効率を向上することができる。ここで、酸素含有ガス流路５６において、燃料電池セル２４の下端部側の流路が狭くなることにより、燃料電池セル２４と酸素含有ガス流路５６の距離が離れることとなり、それにより燃料電池セル２４と酸素含有ガス流路５６を流れる酸素含有ガス間の熱交換が抑制されるため、燃料電池セル２４の上下方向における温度分布も改善することができ、より発電効率を向上することができる。
【００５５】
また第２の板部材５５の外側には、単独でまたは第１の板部材５４もしくは第２の板部材５５と接合されて、内部に空間を有する第１の箱状部５７が設けられている。そして、この第１の箱状部５７が断熱機能を備えている。それにより、収納室５２を高温に保持できるほか、セルスタック装置３０が収納された収納室５２と酸素含有ガス流路５６を流れる酸素含有ガスとの熱交換を効率よく行なうことができる。さらには、後述する排ガス流路と、排ガス流路の側方に位置する酸素含有ガス流路６１を流れる酸素含有ガスとの熱交換も効率よく行なうことができる。なお、図５においては、第１の箱状部５７を単独で箱状部としたものを、第２の板部材５５に接合した構成を示している。なお、接合においては、例えば溶接にて接合することができる。
【００５６】
以上の構成とすることで、収納室５２をより簡単な構成で断熱することができ、量産性が向上するとともに、コストを低減することができる。
【００５７】
なお、第１の箱状部５７が断熱機能を有するに当たっては、第１の箱状部５７の空間を真空に近付けることや、板状の断熱材を内部に配置するなど、適宜断熱機能を有するように構成すればよい。
【００５８】
ここで、第１の箱状部５７において特に断熱効率を高めるにあたっては、第１の箱状部５７の空間に、断熱材を配置することが好ましく、特には顆粒または粉末の断熱材を配置することが好ましい。すなわち、断熱材を顆粒または粉末状とすることによって、第１の箱状部５７の内部に断熱材を最密充填することができ、それにより断熱効率を向上することができる。
【００５９】
続いて、第１の箱状部５７の外側には、単独でもしくは第２の板部材５５と接合されて成り、内部に空間を有する第２の箱状部５８が設けられている。ここで、第１の板部材５４、第２の板部材５５および第２の箱状部５８は、それぞれの上端が第１の箱状部５７の
上端よりも高い位置とされており、第１の箱状部５７の上方に、第１の板部材５４の内側の空間（図５においては収納室５２）と第２の箱状部５８とがつながる連通路５９が設けられ、第２の箱状部５８の内部が、収納室５２内の気体である排ガスが流れる排ガス流路６０とされている。
【００６０】
それにより、収納室５２における排ガスが、連通路５９を介して第２の箱状部５８の排ガス流路６０を流れることとなり、簡単な構成にて収納室５２における排ガスを外部に排出することができ、量産性が向上するとともに、コストを低減することができる。なお、図５においては、第２の箱状部５８を１枚の板部材を折り曲げて第２の板部材５５に接合しており、より簡単な構成とすることができる。なお、図示していないが、第２の箱状部５８を単独の箱状部材として、第１の箱状部５７に接合した構成としてもよい。
【００６１】
上述のような、モジュール１、４５、５０において、本発明者らは、さらにコスト削減を行なうに当たり、従来セルスタック４と改質器５との間であって、燃料電池セル２４より排出される余剰の燃料ガスを燃焼する燃焼部に配置されていた着火装置にて、着火と燃焼判断の両方を行なうことを考案し、それにより温度センサが不要となり、さらにコスト削減することができることを見出した。なお、このような着火装置としては、例えばセラミックヒータを用いることができる。
【００６２】
以下に図６〜図８に示すフローチャートを用いて、着火装置にて着火と燃焼判断の両方を行なう運転制御について説明する。
【００６３】
図６に示すように、まずステップＳ１において、起動を開始するとともに、制御部１１が、電流印加部７に対し第１の一定電流を着火装置６に印加するように制御する。ここで、第１の一定電流とは、着火装置６に通電を行ない、着火が可能となるために流す電流のことである。あわせて、ステップＳ２において、記憶部１０にて起動開始電圧値を記憶する。
【００６４】
続いて、ステップＳ３において、起動がコールドスタート（冷起動）であるか否かを判断する。起動がコールドスタートであるかどうかを判断するにあたっては、例えば、起動開始時において、熱電対４３等により測定されるモジュール内の温度が、１００℃未満である場合に、コールドスタートであると判断することができる。
【００６５】
ステップＳ３において、起動がコールドスタートであると判断された場合は、引き続きステップＳ４に進み、着火装置６に第１の一定電流を印加した後の電圧である起動工程電圧値が、第１の電圧値以上であるか否かを判断する。すなわち、測定部９にて着火装置６の電圧値を測定する。なおこの電圧値の測定時期は特に制限はなく、継続的に測定していることが好ましいが、例えば適度の間隔を持って測定するようにしてもよい。
【００６６】
ここで、着火装置６がセラミックヒータの場合、温度によって電圧値が変動する。具体的には、着火装置６の周囲の雰囲気温度が高い場合には、着火装置６自体の温度も高くなり、それに伴い着火装置６の電圧値も高くなる。それゆえ、着火装置６の起動工程電圧値が予め定められた第１の電圧値以上の場合には、着火装置の周辺の温度が上昇していることから、この場合にステップＳ６に進み、燃焼部での燃焼が生じている、言い換えれば着火したと判断することができる。
【００６７】
一方、ステップＳ３において、起動がコールドスタートではない、言い換えればホットスタートであると判断された場合には、続いてステップＳ５に進む。起動がホットスタートの場合は、着火装置６の電圧値が既に高い状態となっている可能性があり、第１の電圧値を判断基準とした場合に、着火を効率よく判断できないおそれがある。それゆえ、この
場合は、電圧上昇値をもって判断することが好ましい。
【００６８】
それゆえ、起動工程中に継続的に着火装置６の起動工程電圧値を測定し、この測定した起動工程電圧値が、記憶部１０で記憶した起動開始電圧値に基づいて定められる上昇値よりも大きい場合に、燃焼部での燃焼が生じていると判断することができる。なお、起動開始電圧値に基づいて定められる上昇値とは、例えば起動開始電圧値を１００とした場合に、１０２以上の数値で適宜設定できる。
【００６９】
なお、ステップＳ４およびステップＳ５において、それぞれ第１電圧値未満の場合、または電圧上昇値が上昇値未満の場合は、ステップＳ４、Ｓ５を繰り返すこととなる。
【００７０】
ステップＳ６において、燃焼部での燃焼が生じていると判断された後も、着火装置６に第１の一定電流を継続して印加することは、発電効率の低下につながる。それゆえ、続いてステップＳ７において、制御部１１は、電流印加部７に対して第１の電流印加を停止し、着火動作を停止するように制御する。
【００７１】
ところで、起動工程中において、燃焼部での燃焼が生じていると判断された後に、その燃焼が失火する場合がある。それゆえ、燃焼部での燃焼が生じた後も、引き続き燃焼部での燃焼を監視することが好ましい。
【００７２】
それゆえ、ステップＳ７にて第１の一定電流印加を停止した後は、図７に示すようにステップＳ８に進み、制御部１１は電流印加部７に対し、第２の一定電流を着火装置６に印加するように制御する。ここで、第２の一定電流とは、着火装置６において着火を目的とするものではなく、燃焼部での燃焼を確認することを確認するためのものである。それゆえ、測定部９にて着火装置６の電圧値が確認できる程度の電流を印加すればよい。逆に、第１の一定電流のように、着火装置６の着火が作動する程度の電流を印加することは好ましくない。
【００７３】
ステップＳ８において、第２の一定電流を印加した後は、ステップＳ９に進み、記憶部１０において、第２の一定電流印加後の電圧値である着火後電圧値を記憶する。続いてステップＳ１０に進み、この記憶した着火後電圧値と、その後測定した電圧値とを比較し、着火装置６の電圧低下が生じているかを確認する。燃焼部での燃焼が失火した場合、着火装置６の周囲の温度が低下することから、着火装置６の温度も低下し、それに伴い、着火装置６の電圧値も低下する。
【００７４】
それゆえ、ステップＳ１０において、着火装置６の電圧値（低下電圧値）が予め定められた第１の低下値よりも大きい場合は、ステップＳ１１において燃焼部での燃焼が失火した、すなわち失火が生じていると判断することができる。なお、第１の低下値とは、例えば着火後電圧値を１００とした場合に、９８以下とすることができる。
【００７５】
なお、ステップＳ１０において、着火装置６の電圧値が予め定められた第１の低下値よりも小さい場合には、ステップＳ１０を繰り返せばよい。
【００７６】
ステップＳ１１にて、失火が生じたと判断された場合には、続いてステップＳ１２にて、記憶部１０にて失火時電圧値を記憶し、続いてステップＳ１３にて、制御部１１が電流印加部７に対して、第１の一定電流を印加するように制御する。言い換えれば、再着火の制御をスタートする。
【００７７】
続いてステップＳ１４に進み、この記憶した失火時電圧値と、その後測定した電圧値とを比較し、着火装置６の電圧値が増加しているかを確認する。燃焼部で再着火が生じれば
、着火装置６の周囲の温度が上昇することから、着火装置６の温度も上昇し、それに伴い着火装置の電圧値も増加する。
【００７８】
それゆえ、ステップＳ１４において、着火装置６の電圧値が、失火時電圧値より所定以上増加した場合には、ステップＳ１５において、再着火したと判断することができる。なお所定以上増加したとは、具体的には、失火時電圧値を１００とした場合に、１０２以上増加した場合とすることができる。
【００７９】
なお、図７においては、ステップＳ１５にて再着火したと判断できた場合に、このフローを完了する例を示しているが、起動工程中において、ステップＳ１５からステップＳ９に戻って、起動工程中は継続して該ステップを継続してもよい。なお、この場合において、モジュール内の温度が発電開始可能な温度となった以降は、該ステップを終了することもできる。
【００８０】
ところで、上記の説明においては、起動工程中における制御について説明したが、発電中においても失火が生じる可能性がある。
【００８１】
図８は、発電中における燃焼部の燃焼状態を判断するためのフローチャートの一例を示している。
【００８２】
図８に示すフローチャートでは、まずステップＳ１６にて発電中か否かを判断する。発電中ではないと判断された場合は、本フローチャートを終了する。
【００８３】
発電中と判断された場合は、ステップＳ１７に進む。なおステップＳ１７における制御は、ステップＳ８と同じである。続いて、ステップＳ１７において、記憶部１０にて電圧値を記憶する。
【００８４】
ステップＳ１９において、この記憶した電圧値と、その後測定した電圧値とを比較し、着火装置６の電圧低下が生じているかを確認する。燃焼部での燃焼が失火した場合、着火装置６の周囲の温度が低下することから、着火装置６の温度も低下し、それに伴い、着火装置６の電圧値も低下する。
【００８５】
それゆえ、ステップＳ１９において、着火装置６の電圧値が予め定められた第２の低下値よりも小さい場合は、ステップＳ２０において燃焼部での燃焼が失火した、すなわち失火が生じていると判断することができる。なお、第２の低下値とは、例えば記憶した電圧値を１００とした場合に、９８以下とすることができる。なお、第１の低下値と第２の低下値とは、同じでもよく、第２の低下値の方が小さくてもよい。特に発電中において、要求電力に応じた発電を行なう部分負荷運転を行なう場合には、発電量に応じてモジュール内の温度も変動することから、第２の低下値を第１の低下値よりも低く設定することが好ましい。
【００８６】
なお、ステップＳ１９において、着火装置６の電圧値が予め定められた第２の低下値よりも大きい場合には、ステップＳ１９を繰り返せばよい。
【００８７】
ステップＳ２０にて、失火が生じたと判断された場合には、続いてステップＳ２１にて、記憶部１０にて失火時電圧値を記憶し、続いてステップＳ２２にて、制御部１１が燃料利用率を低下させる制御を行なう。燃料利用率とは、燃料電池セルに供給される燃料ガスの量に対する発電に使用される燃料ガスの量を意味する。なお、燃料利用率を低下させるにあたり、発電する電流量を維持しつつ燃料ガスの供給量を増加させるほか、燃料ガスの供給量を維持しつつ、発電する電流量を低下する等、適宜燃料利用率が低下するようにす
ればよい。
【００８８】
燃料電池装置の発電中は、モジュール内の温度は高い温度を維持していることとなる。この場合、着火装置６の着火動作を制御せずとも、余剰の燃料ガス量を増やすことにより、自然着火させることができる。それゆえ、ステップＳ２２においては、着火装置６の着火作動をさせるべく、電流印加部７に対して、第１の一定電流を印加するのではなく、燃料利用率を低下するステップを採用している。なお、電流印加部７に対して、第１の一定電流を印加してもよいことは言うまでもない。
【００８９】
続いてステップＳ２３に進み、この記憶した失火時電圧値と、燃料利用率を低下セル制御を行なった後に測定した電圧値とを比較し、着火装置６の電圧値が増加しているかを確認する。燃焼部で再着火が生じれば、着火装置６の周囲の温度が上昇することから、着火装置６の温度も上昇し、それに伴い着火装置の電圧値も増加する。
【００９０】
それゆえ、ステップＳ２３において、着火装置６の電圧値が、失火時電圧値より所定以上増加した場合には、ステップＳ２４において、再着火したと判断することができる。なお所定以上増加したとは、具体的には、失火時電圧値を１００とした場合に、１０２以上増加した場合とすることができる。
【００９１】
なお、図８においては、ステップＳ２４にて再着火したと判断できた場合に、このフローを完了する例を示しているが、発電中において、ステップＳ２４からステップＳ１７に戻って、発電中は継続して該ステップを継続してもよい。
【００９２】
以上のフローを行なうことで、温度センサを設けずとも、着火装置６にて燃焼部の燃焼状態を把握できることから、コストを低減することが可能となる。
【００９３】
図９は、外装ケース内にモジュール１と、モジュール１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。
【００９４】
図９に示す燃料電池装置６２は、支柱６３と外装板６４とから構成される外装ケース内を仕切板６５により上下に区画し、その上方側を上述した各モジュールを収納するモジュール収納室６６とし、下方側を各モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室６７として構成されている。なお、補機収納室６７に収納する補機類は省略して示している。
【００９５】
また、仕切６５には、補機収納室６７の空気をモジュール収納室６６側に流すための空気流通口６８が設けられており、モジュール収納室６６を構成する外装板６４の一部に、モジュール収納６６内の空気を排気するための排気口６９が設けられている。
【００９６】
このような燃料電池装置では、上述したような各モジュールを外装ケース内に収納することにより、コストを低減した燃料電池装置６２とすることができる。
【００９７】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００９８】
例えば、上述の例においては、測定部９を制御装置１２内に配置したが、着火装置６の電圧値を測定できればよく、制御装置１２外に設けてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１、４５、５０：モジュール
４：セルスタック
５：改質器
６：着火装置
７：電流印加部
９：測定部
１０：記憶部
１１：制御部
１２：制御装置
６２：燃料電池装置
【図１】
0006643061.tif 000002
【図２】
0006643061.tif 000003
【図３】
0006643061.tif 000004
【図４】
0006643061.tif 000005
【図５】
0006643061.tif 000006
【図６】
0006643061.tif 000007
【図７】
0006643061.tif 000008
【図８】
0006643061.tif 000009
【図９】
0006643061.tif 000010