(57)【要約】【課題】発電セルの何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セルを用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制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】直列に接続された複数の発電セル７を有し、それら発電セル７の各々に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物型燃料電池１である。個々の発電セルまたは直列に接続された所定数の発電セルを発電ブロック３０として、当該発電ブロック３０の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の発電セルを有し、それら発電セルの各々に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物型燃料電池において、個々の発電セルまたは直列に接続された所定数の発電セルを発電ブロックとして、当該発電ブロックの各々に、バイパスダイオードを並列に接続したことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに異常が発生したことを報知する報知手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記発電ブロックの発熱量が一定に維持されるように燃料ガスの供給量を調節することを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記バイパスダイオードを冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に接続された複数の発電セルを有する固体酸化物型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。固体酸化物型燃料電池は、一般に、直列に接続された複数の発電セルを備えて構成されている。発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質を空気極（カソード）と燃料極（アノード）との間に挟んだ積層構造を有し、この発電セルの空気極側には、酸化剤ガスとしての酸素（空気）が供給される一方、燃料極側には、燃料ガス（Ｈ2 、ＣＨ4 等）が供給されるようになっている。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、空気極側に供給された酸素が、空気極内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が流れ、所定の起電力が得られる。
【０００４】
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-  →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【特許文献１】特開２００２−２６０７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の固体酸化物型燃料電池においては、各発電セルが直列に接続されているため、発電セルの何れかに故障が生じると、その部分で電流の流れが阻害されて、燃料電池全体として発電効率が著しく低下するという問題点があった。また、発電効率が低下した場合、その原因を追求するために、多くの手間を要するとともに、発電セル側に原因があることが判明した場合においても、故障した発電セルを特定するのに、発電セルを一つ一つ検査しなければならず、その作業に大変な手間と時間がかかるという問題点もあった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電セルの何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セルを用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制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する。さらに、本発明は、故障した発電セルを容易に特定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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、直列に接続された複数の発電セルを有し、それら発電セルの各々に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物型燃料電池において、個々の発電セルまたは直列に接続された所定数の発電セルを発電ブロックとして、当該発電ブロックの各々に、バイパスダイオードを並列に接続したことを特徴とするものである。
【０００８】
なお、バイパスダイオードの接続方向は、発電ブロックが正常である場合に逆方向バイアス状態、発電ブロックに異常が生じた場合（発電ブロックを構成する発電セルの何れかにオープンモードの故障が生じた場合）に順方向バイアス状態となるように設定される。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに異常が発生したことを報知する報知手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、電流検知手段としては、例えば、バイパスダイオードに抵抗を直列または並列に接続して当該抵抗の両端の電位差を測定することによって、バイパスダイオードに電流が流れていることを電気的に検知するものや、バイパスダイオードの温度変化を検出することによって、バイパスダイオードに電流が流れていることを検知するもの、或いはバイパスダイオードに発光ダイオードを用いて当該発光ダイオードから発せられる光を検知するものなどが挙げられる。
また、報知手段としては、各発電ブロックに対応する表示灯（例えば、発光ダイオードやランプなど）を設け、当該表示灯を点灯または点滅させることによって異常発生を報知するものや、対応する発電ブロックを文字や記号或いは画像等で表示することによって異常発生を報知するもの、或いは警告音（音声を含む。）を出力することによって異常発生を報知するものなどが挙げられる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記制御手段は、上記電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記発電ブロックの発熱量が一定に維持されるように燃料ガスの供給量を調節することを特徴とするものである。
【００１３】
なお、発電ブロックの発熱量を一定に保つようにするには、正常時の発電ブロックの発熱量と、発電ブロックに供給した燃料ガスがすべて燃焼した場合に得られる発熱量とが一致するように、上記燃料ガスの供給量を調節すればよい。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記バイパスダイオードを冷却する冷却手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、発電セルの何れかに故障が発生した際に、その発電セルを含む発電ブロックを迂回して、これに並列接続されたバイパスダイオードに電流が流れることとなるので、発電セルの何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セルを用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、発電ブロックに異常が発生したときに、その発電ブロックに異常が発生したことを報知するようにしたので、故障した発電セルを容易に特定することができ、故障した発電セルに対する処置を速やかに実施することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、発電ブロックに異常が発生したときに、その発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を制御するようにしたので、燃料ガスに無駄が生じるのを極力回避することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、発電ブロックに異常が発生したときに、その発電ブロックの発熱量が異常発生の前後で変化しないように、その発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を調節するようにしたので、燃料電池全体の温度バランスが崩れるのを回避することができ、上記発電ブロックの異常発生後も、発電反応に適した温度条件を維持することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、バイパスダンパに電流が流れている際に、バイパスダンパを冷却するようにしたので、バイパスダンパの発熱による破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２は筐体、３は積層方向を縦にして筐体２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。
【００２１】
ここで、固体電解質層４は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５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、燃料極集電体８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９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、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００２２】
また、燃料電池スタック３の側方には、図１および図２に示すように、各セパレータ１０の燃料通路１０ａに接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路１０ｂに接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。また、上記マニホールド１３、１４の外周側には、図１に示すように、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６と、各予熱管１５、１６及び燃料電池スタック３を予熱するためのヒータ２０が設けられている。ヒータ２０及び予熱管１５、１６は、燃料電池１の筐体２の内部に収容されており、筐体２内の各予熱管１５、１６に対して、外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。
【００２３】
さらに、燃料ガス予熱管１５には、燃料用マニホールド１３に送られる燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整バルブ（図示省略）が設けられ、燃料用マニホールド１３には、各発電ブロック３０（後述）に分配される燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス分配バルブ（図示省略）が設けられている。一方、酸化剤ガス予熱管１６には、冷却酸化剤ガス（室温の空気）を導入するための冷却管１９が接続され、この冷却管１９には、冷却酸化剤ガスの流量を調整するための冷却ガス流量調整バルブ１９ａが設けられている。そして、筐体２の下部と上部には、筐体内の排ガスを外部に誘導するための排気管２２ａ、２２ｂが接続されている。
【００２４】
また、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造としたことにより、運転時に、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６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、発電反応に消費されなかった残余のガスや発電反応によって生成されたガスを、発電セル７の外周部から外に放出するようになっている。なお、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスは、燃料電池スタック３の周囲で自然発火して緩やかに燃焼するようになっている。
【００２５】
また、この燃料電池１においては、図３に示すように、直列に接続された所定数（例えば、５枚）の発電セル７を発電ブロック３０として、当該発電ブロック３０の各々に、バイパスダイオード２５が並列に接続されている。バイパスダイオード２５は、そのアノード側に発電ブロック３０の負極（燃料極層５）が、カソード側に発電ブロック３０の正極（空気極層６）がそれぞれ接続されて、発電ブロック３０が正常である場合に逆方向バイアス状態、発電ブロック３０に異常が生じた場合（発電ブロック３０を構成する発電セル７の何れかにオープンモードの故障が生じた場合）に順方向バイアス状態となるように設定されている。また、バイパスダイオード２５はそれぞれ筐体外に設置され、各バイパスダイオード２５の一端側には電流検知回路（電流検知手段）２６が接続されて、各バイパスダイオード２５に電流が流れたときに、その検知信号が図示省略のコントローラ（制御手段）に出力されるようになっている。
【００２６】
コントローラは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、入力装置、表示装置、記憶装置等を備えて構成されている。このコントローラは、バイパスダイオード２５からの検知信号を受信した際に、そのバイパスダイオード２５に対応する表示灯（図示省略）を点灯させるなどして発電ブロック３０に異常が発生したことを報知する処理や、燃料ガス流量調整バルブおよび燃料ガス分配バルブを制御して各発電ブロック３０に対する燃料ガスの供給量を調整する処理、並びにバイパスダイオード２５に向けて冷気を吐出することによりバイパスダイオード２５を冷却する処理などを実行するようになっている。
【００２７】
上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガス予熱管１５および燃料用マニホールド１３を介してセパレータ１０に導入された燃料ガスが燃料極集電体８に向けて吐出されるとともに、酸化剤ガス予熱管１６および酸化剤用マニホールド１４を介してセパレータ１０に導入された空気が空気極集電体９に向けて吐出され、それらガスが発電セル７の外周方向に拡散しながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡ることにより、各電極にて発電反応が生じることとなる。その結果、図３に示すように、発電セル７の積層方向に電流が流れ、所定の起電力が得られる。ここで、すべての発電セル７が正常に作動している際には、バイパスダイオード２５が何れも逆バイアス状態となるので、各バイパスダイオード２５には電流が流れない。
【００２８】
この状態から、図４に示すように、発電セル７の何れか（例えば、発電セル７Ａ）にオープンモードの故障が発生すると、その発電セル７Ａを含む発電ブロック３０Ａに並列接続されたバイパスダイオード２５Ａが順バイアス状態となって、当該バイパスダイオード２５Ａに電流が流れることとなる。その結果、上記バイパスダイオード２５Ａに対応する電流検知回路２６Ａからコントローラに電流の検知信号が出力され、この検知信号に基づいて、コントローラが、上記発電ブロック３０Ａに対応する表示灯を点灯させるなどして上記発電ブロック３０Ａに異常が発生したことを報知する処理や、上記バイパスダイオード２５Ａに向けて冷気を吐出させることにより上記バイパスダイオード２５Ａを冷却する処理などを行う。さらに、コントローラが、燃料ガス流量調整バルブおよび燃料ガス分配バルブを制御して、上記発電ブロック３０Ａに対する燃料ガスの供給量を通常運転時よりも減少させる（例えば、通常運転時の約１／２とする）ことにより、正常時の発電ブロック３０Ａの発熱量と、発電ブロック３０Ａに供給した燃料ガスがすべて燃焼した場合に得られる発熱量とが一致するように、上記燃料ガスの供給量を調節する処理を行う。
【００２９】
以上のように、本実施形態によれば、発電セル７の何れか（発電セル７Ａ）に故障が発生した際に、その発電セル７Ａを含む発電ブロック３０Ａを迂回して、これに並列接続されたバイパスダイオード２５Ａに電流が流れることとなるので、発電セル７の何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セル７を用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制することができる。
【００３０】
しかも、その際には、上記発電ブロック３０Ａに対応する表示灯を点灯させるなどして異常発生を報知するようにしたので、故障した発電セル７Ａを容易に特定することができ、故障した発電セル７Ａに対する処置を速やかに実施することができる。また、上記バイパスダンパ２５Ａを冷却するようにしたので、バイパスダンパ２５Ａの発熱による破損を防止することができる。
【００３１】
さらに、上記発電ブロック３０Ａに対する燃料ガスの供給量を制御するようにしたので、燃料ガスに無駄が生じるのを極力回避することができる。この実施形態では、上記発電ブロック３０Ａの発熱量が異常発生の前後で変化しないように、上記発電ブロック３０Ａに対する燃料ガスの供給量を調節するようにしたので、燃料電池全体の温度バランスが崩れるのを回避することができ、上記発電ブロック３０Ａの異常発生後も、発電反応に適した温度条件を維持することができる。
【００３２】
なお、本実施形態においては、直列に接続された所定数（例えば、５枚）の発電セル７を発電ブロック３０として、当該発電ブロック３０の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、個々の発電セル７を発電ブロックとして、発電セル７の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続するようにしてもよい。また、筐体内に複数の燃料電池スタック３を設置する場合には、燃料電池スタック３を発電ブロックとして、燃料電池スタック３の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池スタックを示す断面図である。
【図３】図１の固体酸化物型燃料電池の回路図で、正常時の状態を示している。
【図４】図１の固体酸化物型燃料電池の回路図で、異常時の状態を示している。
【符号の説明】
【００３４】
１    固体酸化物型燃料電池
７    発電セル
２５  バイパスダイオード
２６  電流検出回路（電流検出手段）
３０  発電ブロック
【図１】
2005203254.tif 000003
【図２】
2005203254.tif 000004
【図３】
2005203254.tif 000005
【図４】
2005203254.tif 000006