(57)【要約】【課題】単室型燃料電池の単室内における局所的な反応ガス不足の発生を抑制する技術を提供する。【解決手段】単室型燃料電池１００は、水素と酸素との混合ガスの供給を受けて発電する。単室型燃料電池１００は、固体電解質層１０に配置されたアノード２２及びカソード２３の両方を収納する空間的に連続した筐体３０と、筐体３０に混合ガスを供給するための混合ガス供給口１１０と、筐体３０に供給された混合ガスに水素と酸素のうちの少なくとも一方を補充するための少なくとも１つ以上の追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２とを備える。【選択図】図２
2009272138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する単室型燃料電池であって、
電解質に配置されたアノード及びカソードの両方を収納する空間的に連続した単室と、
前記単室に前記燃料ガスと前記酸化ガスとを供給するためのガス供給口と、
前記単室に前記燃料ガスと前記酸化ガスのうちの少なくとも一方を補充するための少なくとも１つ以上の補充ガス供給口と、
を備える、単室型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の単室型燃料電池であって、
前記補充ガス供給口は、前記単室内のガスの流れ方向における上流側と下流側とにそれぞれ設けられている、単室型燃料電池。
【請求項３】
燃料電池システムであって、
請求項１または請求項２に記載の単室型燃料電池と、
前記単室内において発電に供されたガスの消費量に関連づけられた値を計測する計測部と、
前記燃料ガス及び前記酸化ガスの前記単室型燃料電池への供給量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記計測部の計測値に基づいて前記補充ガス供給口からの補充量を制御する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記発電に供されたガスの消費量に関連づけられた値は、前記単室における気圧の減少値を含み、
前記制御部は、前記気圧の減少値と前記燃料ガスと前記酸化ガスとの反応比に基づいて、前記燃料ガス及び前記酸化ガスの消費量を算出し、
前記消費量に応じて前記補充量を制御する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガスは水素を含み、
前記制御部は、前記単室における前記水素の濃度が水素の爆発限界値を超えないように制御する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、単室型燃料電池が知られている。単室型燃料電池は、電解質に配置されたアノード及びカソードが、空間的に連続した単室内に配置されており、当該単室内に反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスとがともに供給されることにより発電する（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０５３２９号公報
【特許文献２】特開２００４−９５３００号公報
【特許文献３】特開平９−８２３４８号公報
【０００４】
ところで、単室型燃料電池では、通常、単室内に設けられた複数組のアノード及びカソード（電極対）を直列または並列に接続し、各電極対ごとに発電された電気を集電して出力する。しかし、各電極対ごとの発電量に応じて消費されるガス量は異なるため、単室内に存在する燃料ガス及び酸化ガスの混合比率は、単室内の領域ごとに不均一となり、局所的に燃料ガスまたは酸化ガスが不足してしまう場合があった。これまで、単室型燃料電池の単室内における局所的な反応ガス不足の発生を抑制することについて十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、単室型燃料電池の単室内における局所的な反応ガス不足の発生を抑制する技術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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する単室型燃料電池であって、電解質に配置されたアノード及びカソードの両方を収納する空間的に連続した単室と、前記単室に前記燃料ガスと前記酸化ガスとを供給するためのガス供給口と、前記単室に前記燃料ガスと前記酸化ガスのうちの少なくとも一方を補充するための少なくとも１つ以上の補充ガス供給口とを備える、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、補充ガス供給口からの反応ガスの補充により、単室内において反応ガスが不足してしまうことを抑制することができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の単室型燃料電池であって、前記補充ガス供給口は、前記単室内のガスの流れ方向における上流側と下流側とにそれぞれ設けられている、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、反応ガスの消費量が比較的大きい上流側と、反応ガスの不足が発生する可能性が高い下流側とにおいて反応ガスを追加補充することが可能である。従って、単室型燃料電池の単室内における局所的な反応ガス不足の発生を抑制することができる。
【０００９】
［適用例３］
燃料電池システムであって、適用例１または適用例２に記載の単室型燃料電池と、前記単室内において発電に供されたガスの消費量に関連づけられた値を計測する計測部と、前記燃料ガス及び前記酸化ガスの前記単室型燃料電池への供給量を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記計測部の計測値に基づいて前記補充ガス供給口からの補充量を制御する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、単室型燃料電池内における燃料ガスまたは酸化ガスの消費量に応じて、単室型燃料電池に反応ガスを追加補充することができる。従って、単室型燃料電池の単室内における局所的な反応ガス不足の発生を抑制することができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例３に記載の燃料電池システムであって、前記発電に供されたガスの消費量に関連づけられた値は、前記単室における気圧の減少値を含み、前記制御部は、前記気圧の減少値と前記燃料ガスと前記酸化ガスとの反応比に基づいて、前記燃料ガス及び前記酸化ガスの消費量を算出し、前記消費量に応じて前記補充量を制御する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、単室型燃料電池の内部における気圧の減少から燃料ガスと酸化ガスとの消費量を算出でき、その消費量に応じて追加補充する反応ガス量を調整することができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例３または適用例４記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは水素を含み、前記制御部は、前記単室における前記水素の濃度が水素の爆発限界値を超えないように制御する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、単室型燃料電池の内部において反応ガスが消費されることにより、水素濃度が爆発限界値となってしまうことを抑制することができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、単室型燃料電池１００と、水素タンク２００と、エアコンプレッサ３００と、制御部４００とを備える。燃料電池システム１０００は、水素タンク２００に貯蔵された水素とエアコンプレッサ３００が出力する高圧空気との混合ガスを単室型燃料電池１００に供給して発電を行う発電システムであり、制御部４００によって制御される。制御部４００は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。
【００１４】
図２（Ａ）は、単室型燃料電池１００の構成を模式的に示す概略斜視図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のｚ軸方向に沿って見たときの単室型燃料電池１００を示す概略断面図である。単室型燃料電池１００は、固体電解質層１０（単に「電解質層１０」とも呼ぶ）と、アノード２２及びカソード２３とからなる複数の電極対２０と、略直方体である筐体３０とを備える。なお、図２（Ａ）では、説明の便宜上、筐体３０を破線で図示してある。
【００１５】
固体電解質層１０は、筐体３０内の底面に配置されており、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどのジルコニア系固体電解質によって構成される。固体電解質層１０の外表面には複数の電極対２０が並列に配列されている。より具体的には、固体電解質層１０の外表面に、アノード２２とカソード２３とが交互にｘ軸方向に配列されている。各電極対２０は、電気的に直列に接続されており、各電極対２０で発電された電気が集電されて外部負荷２０００へと出力される。
【００１６】
筐体３０のｘ軸方向において互いに対向する側面３１，３２にはそれぞれ、混合ガスを筐体３０内部に供給するための混合ガス供給口１１０と、反応に供されることのなかった排ガスを排出するための排ガス排出口１５０とが設けられている。混合ガス供給口１１０から供給された混合ガスは、各電極対２０において電気化学反応に供されつつ、排ガス排出口１５０へと流れる。
【００１７】
ところで、各電極対２０のアノード２２及びカソード２３にはそれぞれ、外表面に触媒活性の異なる触媒層（図示せず）が設けられている。これによって、混合ガスに含まれる水素及び酸素がそれぞれ、アノード２２及びカソード２３において下記の化学式（ａ），（ｂ）に示される反応に供される。単室型燃料電池１００はこの電気化学反応によって発電する。
アノード：Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（ａ）
カソード：１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（ｂ）
なお、酸素イオンは、電解質層１０の内部をカソード２３からアノード２２へ向かって伝導する。
【００１８】
筐体３０の上面３３には、更に、第１と第２の水素追加供給口１２１，１２２と第１と第２の空気追加供給口１３１，１３２とが設けられている。具体的には、第１の水素追加供給口１２１と第１の空気追加供給口１３１とは互いに近接して、混合ガス供給口１１０側に寄った位置に設けられている。一方、第２の水素追加供給口１２２と第２の空気追加供給口１３２とは互いに近接して、排ガス排出口１５０側に寄った位置に設けられている。第１の水素追加供給口１２１と第１の空気追加供給口１３１とを合わせて「第１の追加供給口１４１」と呼ぶ。また、第２の水素追加供給口１２２と第２の空気追加供給口１３２とを合わせて「第２の追加供給口１４２」と呼ぶ。この第１と第２の追加供給口１４１，１４２からは、混合ガス供給口１１０から筐体３０内へと供給された混合ガスに対して水素または空気を追加供給可能である。具体的な、水素及び空気の追加供給の方法については後述する。
【００１９】
なお、第１の追加供給口１４１の近傍と第２の追加供給口１４２の近傍とにはそれぞれ、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２が設けられている。より具体的には、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２は、それぞれの計測可能領域内に第１の追加供給口１４１または第２の追加供給口１４２が存在するように配置される。これによって、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２は、各追加供給口１４１，１４２の近傍領域における気圧（ガス圧）を計測することが可能である。第１と第２の気圧センサ１６１，１６２による計測結果は、制御部４００（図１）へと送信される。
【００２０】
単室型燃料電池１００（図１）の混合ガス供給口１１０には、混合ガスを供給するための混合ガス配管５００が接続されており、排ガス排出口１５０には、排ガス配管５１０が接続されている。混合ガス配管５００は、上流側の一端において２つの配管（水素配管２１０及び空気配管３１０）と接続されている。水素配管２１０及び空気配管３１０はそれぞれ、水素タンク２００及びエアコンプレッサ３００が接続されている。これによって、水素タンク２００に貯蔵された水素と、エアコンプレッサ３００によって圧縮された高圧空気との混合ガスが、混合ガス配管５００を介して単室型燃料電池１００へと供給される。
【００２１】
なお、水素配管２１０には、上流側に水素遮断弁２１１が設けられ、その下流側に水素の圧力を調整するための圧力調整弁２１２が設けられている。一方、空気配管３１０には高圧空気の圧力を調整するための圧力調整弁３１１が設けられている。また、排ガス配管５１０には、遮断弁５１１が設けられている。制御部４００は、これらのバルブ２１１，２１２，３１１，５１１の開閉動作を制御することにより、混合ガス配管５００を介して単室型燃料電池１００へと供給される混合ガスの供給量や混合比率、単室型燃料電池１００の排気を制御する。
【００２２】
水素配管２１０は、水素遮断弁２１１の上流側において分岐水素配管２２０と接続されている。一方、空気配管３１０は、圧力調整弁３１１の上流側において分岐空気配管３２０と接続されている。分岐水素配管２２０は、その下流側において第１と第２の水素追加供給配管２３０，２４０へと分岐し、第１と第２の水素追加供給配管２３０，２４０はそれぞれ、単室型燃料電池１００の第１と第２の水素追加供給口１２１，１２２に接続される。同様に、分岐空気配管３２０は、その下流側において分岐した第１と第２の空気追加供給配管３３０，３４０を介して単室型燃料電池１００の第１と第２の空気追加供給口１３１，１３２に接続される。これによって、水素タンク２００の水素またはエアコンプレッサ３００の出力する高圧空気が各追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２を介して単室型燃料電池１００へと供給される。
【００２３】
なお、分岐水素配管２２０及び分岐空気配管３２０にはそれぞれ、水素遮断弁２２１及び空気遮断弁３２１が設けられている。また、第１と第２の水素追加供給配管２３０，２４０のそれぞれには、第１と第２の圧力調整弁２３１，２４１が設けられ、第１と第２の空気追加供給配管３３０，３４０のそれぞれには、第１と第２の圧力調整弁３３１，３４１が設けられている。制御部４００は、これらのバルブ２２１，３２１，２３１，２４１，３３１，３４１の開閉動作を制御して、各追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２から追加補充される水素または酸素（反応ガス）の供給量を制御する。
【００２４】
ところで、上述したように、単室型燃料電池１００には水素と酸素とを含む混合ガスが供給され、各電極対２０ごとに発電が行われる。しかし、一般に、その発電量は反応ガスが十分に存在する上流側の電極対２０ほど大きい。そのため、下流側の電極対２０では、上流側で反応ガスが消費された分だけ反応ガス量が少ないために発電量が小さくなる傾向にあり、上流側での反応ガスの消費量が著しく増大した場合には局所的に反応ガス不足が生じる可能性がある。
【００２５】
そこで、この燃料電池システム１０００では、制御部４００が、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２の測定値を用いて、単室型燃料電池１００の内部おける反応ガス量をモニタする。制御部４００は、その反応ガス量に応じて、各追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２から、反応ガスを追加補充して、単室型燃料電池１００内の混合ガス下流側における反応ガス不足の発生を抑制する。以下に、具体的に制御部４００が行う反応ガスの追加処理を説明する。
【００２６】
図３（Ａ），（Ｂ）は、第１の追加供給口１４１における反応ガスの追加処理の一例を説明するための模式図である。図３（Ａ），（Ｂ）には、単室型燃料電池１００を図２（Ｂ）と同様な概略断面図により示してある。図３（Ａ）は、燃料電池システム１０００の運転開始直後の状態を示している。このとき、各追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２からは単室型燃料電池１００に対して反応ガスが追加供給されていない。
【００２７】
制御部４００は、水素配管２１０及び空気配管３１０に設けられた各バルブ２１１，２１２，３１１（図１）を調整して、混合ガス供給口１１０から圧力Ｐ0の混合ガスを供給する。この圧力Ｐ0を「初期気圧Ｐ0」と呼ぶ。このとき混合ガスに含まれる各ガス成分の分圧比は、例えば、下記比例式（１）の通りであるとする。
水素：酸素：窒素＝４：１９：７７  …（１）
なお、本明細書中の説明においては、空気に含まれる酸素、窒素以外の他のガス成分については微量であるため考慮しないものとする。この分圧比は、図中に表Ｔ１として示す。
【００２８】
制御部４００は、第１の気圧センサ１６１の計測結果Ｐ1を用いて、初期気圧Ｐ0に対する当該計測値Ｐ1の比率（Ｐ1／Ｐ0）を算出する。ここで、その算出結果が例えば９８．５％であったとする。この場合には、混合ガス供給口１１０から第１の気圧センサ１６１までの間において、反応ガスが消費されるとともに、反応による生成水が生成された結果、混合ガスの気圧が１．５％分減少したものと推定される。ここで、上記反応式（ａ），（ｂ）から、水素の消費量と酸素の消費量と生成水の生成量との比は２：１：２である。従って、初期気圧Ｐ0からの減少分である１．５％から、初期気圧Ｐ0の３％に相当する水素と、１．５％に相当する酸素とが消費され、３％に相当する生成水が生成されたものと算出できる。
【００２９】
制御部４００は、この酸素と水素の消費量に相当する比率と生成水の生成量に相当する比率とを上記分圧比の比例式（１）に反映させて、下記比例式（２）を得る。
水素：酸素：窒素：生成水＝１：１７．５：７７：３  …（２）
この比例式（２）は、初期気圧Ｐ0に対する第１の気圧センサ１６１の気圧計測領域における混合ガス中の各ガス成分ごとの気圧の比率を表している。以後、初期気圧Ｐ0に対する混合ガス中の各ガス成分ごとの気圧の比率を、単に「ガス比」と呼ぶ。なお、比例式（２）のガス比は、図中に表Ｔ２として示す。
【００３０】
この場合には、制御部４００は、水素のガス比が１％より小さくなることを抑制するために、第１の水素追加供給口１２１から水素の追加供給を開始する（図３（Ｂ））。具体的には、制御部４００は、分岐水素配管２２０の水素遮断弁２２１と、第１の水素追加供給配管２３０の圧力調整弁２３１とを開く（図１）。なお、このとき、制御部４００は、混合ガス供給口１１０から供給される水素量が低下しないように、水素配管２１０の圧力調整弁２１２も調整する。
【００３１】
制御部４００は、第１の気圧センサ１６１の気圧計測値Ｐ1が初期気圧Ｐ0とほぼ等しくなるまで第１の水素追加供給口１２１による水素追加処理を続行する。この場合には、この水素追加処理によって第１の気圧センサ１６１の計測領域における混合ガスのガス比は、下記比例式（３）のようになる。
水素：酸素：窒素：生成水＝２．５：１７．５：７７：３  …（３）
このガス比を、図中に表Ｔ３として示す。なお、制御部４００は、水素遮断弁２２１を閉じて第１の追加供給口１４１における水素の追加処理を終了する。
【００３２】
ところで、水素は、混合ガス中における水素濃度が爆発限界値の範囲を超えるときに、燃焼して爆発する可能性が高くなることが知られている。特に本実施例では、混合ガス中における酸素量に対して水素量が少ないため、反応ガス中の水素濃度が爆発限界値の下限域（例えば０〜５％）の範囲内となるように運転することが好ましい。
【００３３】
そこで、制御部４００は、水素追加処理によって水素濃度が爆発限界値の下限（５％）に近付く可能性がある場合（例えば水素濃度が４％を超える場合）には、第１の空気追加供給口１３１から空気も同時に追加供給する。具体的には、制御部４００は、分岐空気配管３２０の遮断弁３２１と第１の空気追加供給配管３３０の圧力調整弁３３１とを開く（図１）。
【００３４】
制御部４００は、この場合にも、第１の気圧センサ１６１の気圧計測値Ｐ1が初期気圧Ｐ0とほぼ等しくなった時に、水素及び空気の追加供給を終了する。なお、制御部４００は、この処理における水素の追加量と空気の追加量との比から、追加供給処理後の混合ガス中の各ガス成分ごとのガス比を算出することができる。このように、水素と同時に空気を追加供給することによって、水素の追加供給により水素濃度が著しく増大して単室型燃料電池１００の内部において水素濃度が爆発限界値を超てしまうことを抑制できる。
【００３５】
図４（Ａ），（Ｂ）は、第２の追加供給口１４２における反応ガスの追加処理の一例を説明するための模式図である。図４（Ａ），（Ｂ）は、第１の気圧センサ１６１の計測結果に換えて、第２の気圧センサ１６２の計測結果が示されている点と、表Ｔ１〜Ｔ３に換えて表Ｔ４〜Ｔ９が示されている点以外は、図３（Ａ），（Ｂ）と同様である。
【００３６】
制御部４００は、初期気圧Ｐ0に対する第２の気圧センサ１６２の計測値Ｐ2の比率を算出する（図４（Ａ））。ここでは、算出された比率が９９％であったものとする。制御部４００は、図３（Ａ）で説明した処理と同様の計算によって、第２の気圧センサ１６２の計測領域における混合ガスのガス比を算出する。ここでは、そのガス比が、例えば下記比例式（４）のように得られたものとする。
水素：酸素：窒素：生成水＝０．５：１６．５：７７：５  …（４）
このガス比を、図中に表Ｔ４として示す。
【００３７】
制御部４００は、水素のガス比が所定の値より大きい場合（例えば、０．４％以上の場合）には第２の空気追加供給口１３２から空気を供給する（図４（Ｂ））。具体的には、制御部４００は、分岐空気配管３２０の遮断弁３２１と第２の空気追加供給配管３４０の圧力調整弁３４１とを開く。なお、このとき、制御部４００は、混合ガス供給口１１０から供給される空気量が低下しないように空気配管３１０の圧力調整弁３１１も調整する。
【００３８】
制御部４００は、第２の気圧センサ１６２の計測値Ｐ2が初期気圧Ｐ0とほぼ等しくなった場合には、遮断弁３２１及び圧力調整弁３４１を閉じて第２の空気追加供給口１３２による空気の追加処理を終了する。この場合には、この水素追加処理によって第２の気圧センサ１６２の計測領域における混合ガスのガス比は、下記比例式（５）のようになる。
水素：酸素：窒素：生成水＝０．５：１６．７：７７．８：５  …（５）
このガス比を、図中に表Ｔ５として示す。
【００３９】
ここで、第２の追加供給口１４２では、水素のガス比が所定の値より大きい場合に空気を追加する理由は、排ガス中の水素濃度を低下させて、排ガスを大気中に安全に排出するためである。この水素追加処理開始のための閾値である水素のガス比は、水素が不足しない程度の十分に小さな値に設定されることが好ましい。これによって、第２の気圧センサ１６２と排ガス排出口１５０との間に存在する電極対２０によって、混合ガス中のほぼ全ての水素が消費されるようにすることが可能である。この場合には、混合ガスの各ガス成分ごとのガス比は、下記比例式（６）に示すようなガス比となる。
水素：酸素：窒素：生成水＝０：１６．４５：７７．８：５．５  …（６）
このガス比を、図中に表Ｔ６として示す。
【００４０】
なお、制御部４００は、第２の気圧センサ１６２の計測領域における混合ガス中の水素のガス比が所定の値より低い場合（例えば０．１％以下の場合）には、第２の水素追加供給口１２２から水素を追加する。この理由は、第２の気圧センサ１６２と排ガス排出口１５０との間に配置された電極対２０において水素が不足してしまう可能性があるためである。ただし、この場合の水素の追加供給は、排ガス中の水素濃度が爆発限界値を超えない程度（例えば、水素のガス比が０．５％を超えない程度）の水素の追加であることが好ましい。
【００４１】
このように、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、単室型燃料電池１００の発電領域に必要に応じて反応ガスを追加することができる。従って、単室型燃料電池１００において局所的に反応ガスが不足してしまうことを抑制できる。また、単室型燃料電池１００において水素濃度が爆発限界値を超えてしまうことを抑制することができる。
【００４２】
B．第２実施例：
図５は本発明の第２実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。図５は、下記相違点以外は、図１とほぼ同じである。図５は、第１と第２の水素追加供給口１２１，１２２と、分岐水素配管２２０と、第１と第２の水素追加供給配管２３０，２４０と、各バルブ２２１，２３１，２４１とが省略されている。また、図５は、水素分離膜５２０と水素循環配管５３０とが追加されている。具体的には、水素循環配管５３０は、上流側が水素分離膜５２０を介して排ガス配管５１０と接続されるとともに、下流側が水素配管２１０に接続されている。
【００４３】
この燃料電池システム１０００Ｂでは、第１と第２の空気追加供給口１３１，１３２を介して単室型燃料電池１００Ｂに空気が追加供給される。また、この燃料電池システム１０００Ｂでは、水素分離膜５２０によって排ガス中の水素が分離されて水素循環配管５３０を介して水素配管２１０へと循環され、水素以外のガス（酸素、窒素等）は大気中へと排出される。なお、水素循環配管５３０には、水素の逆流を抑制するための逆止弁５３１が設けられている。
【００４４】
図６（Ａ），（Ｂ）は、第１の空気追加供給口１３１における供給空気の追加処理の一例を説明するための模式図である。図６（Ａ），（Ｂ）は、第１と第２の水素追加供給口１２１，１２２が省略されている点と、表Ｔ１〜Ｔ３に換えて表Ｔ７〜Ｔ９が示されている点以外は、図３（Ａ），（Ｂ）と同様である。燃料電池システム１０００Ｂでは、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、混合ガスを初期気圧Ｐ0で混合ガス供給口１１０から筐体３０内に供給するが、混合ガス中の分圧比は、下記比例式（７）の通りであるとする。
水素：酸素：窒素＝７５：５：２０  …（７）
この分圧比を、図中に表Ｔ７として示す。即ち、本実施例では、反応ガス中に水素の占める比率が酸素の比率よりも大きい。
【００４５】
制御部４００は、第１の気圧センサ１６１による第１の空気追加供給口１３１の近傍領域における気圧の計測値Ｐ1から、第１の気圧センサ１６１の計測領域における混合ガス中の各ガス成分ごとのガス比を算出する。その算出方法は第１実施例と同様である。ここで、初期気圧Ｐ0に対する第１の気圧センサ１６１の計測値Ｐ1の比率が９７％であり、ガス比の算出結果が下記の比例式（８）の通りであったものとする。
水素：酸素：窒素：生成水＝６９：２：２０：６  …（８）
このガス比を、図中に表Ｔ７として示す。
【００４６】
制御部４００は、酸素のガス比が所定の値より低い場合（ここでは２％以下の場合）には、酸素量が不足することを抑制するために、第１の空気追加供給口１３１から、空気を追加供給する（図６（Ｂ））。空気の追加供給は、第１の気圧センサ１６１の計測値Ｐ1が初期気圧Ｐ0とほぼ等しくなるまで実行される。この空気追加処理によって第１の気圧センサ１６１の計測領域における混合ガスのガス比は、下記比例式（９）のようになる。
水素：酸素：窒素：生成水＝６９：２．６：２２．４：６  …（９）
このガス比を、図中に表Ｔ９として示す。なお、空気には酸素と窒素とが１：４の混合比で含まれている。
【００４７】
ところで、制御部４００は、第１の空気追加供給口１３１における空気追加処理によって、第１の気圧センサ１６１の計測領域における水素ガス比から水素濃度を算出し、水素濃度が水素の爆発限界値の上限域を超えないように追加空気量を調整するものとしても良い。なお、本実施例では、「水素濃度の爆発限界値の上限域」は、酸素と水素との混合ガスにおける水素濃度の９０％〜１００％の範囲であるものとする。ただし、この場合には、制御部４００は、初期気圧Ｐ0を空気追加処理後の第１の気圧センサ１６１の計測気圧に更新して、後述する第２の空気追加供給口１３２における空気追加処理を実行する。
【００４８】
図７（Ａ），（Ｂ）は、第２の空気追加供給口１３２における供給空気の追加処理の一例を説明するための模式図である。図７（Ａ），（Ｂ）は、第１の気圧センサ１６１の計測結果に換えて第２の気圧センサ１６２の計測結果が示されている点と、表Ｔ７〜Ｔ９に換えて表Ｔ１０〜Ｔ１２が示されている点以外は、図６（Ａ），（Ｂ）と同様である。
【００４９】
制御部４００は、第１の空気追加供給口１３１における空気追加処理と同様に、第２の気圧センサ１６２の計測領域における混合ガスの各ガス比を算出する。ここで、初期気圧Ｐ0に対する第２の気圧センサ１６２の計測値Ｐ2の比率が９８％であり、算出された各ガス成分のガス比が下記比例式（１０）の通りであったものとする。
水素：酸素：窒素：生成水＝６５：０．６：２２．４：１０  …（１０）
このガス比を、図中に表Ｔ１０として示す。
【００５０】
制御部４００は、第２の気圧センサ１６２の計測領域において酸素のガス比が１％より小さい場合に、第２の気圧センサの計測値Ｐ2が初期気圧Ｐ0とほぼ等しくなるまで、第２の空気追加供給口１３２から空気を追加供給する（図７（Ｂ））。このときの混合ガス中の各ガス成分ごとのガス比は、下記比例式（１１）のようになる。
水素：酸素：窒素：生成水＝６５：１：２４：１０  …（１１）
このガス比を、図中に表Ｔ１１として示す。
【００５１】
この空気追加供給処理開始のための閾値である酸素のガス比は、酸素が不足しない程度の十分小さな値に設定することが好ましい。これより、第２の気圧センサ１６２と排ガス排出口１５０との間に配置された電極対２０によって混合ガス中の酸素がほぼ全て消費されるようにすることが可能である。この場合には、排ガス排出口１５０における排ガス中の各ガス成分のガス比は、下記の比例式（１２）のようになる。
水素：酸素：窒素：生成水＝６３：０：２４：１２  …（１２）
このガス比を、図中に表Ｔ１２として示す。また、制御部４００は、第２の空気追加供給口１３２においても、第１の空気追加供給口１３１における空気追加処理と同様に、第２の気圧センサ１６２の計測領域における水素濃度が水素の爆発限界値の上限域を超えないように追加空気の供給量を制御するものとしても良い。
【００５２】
このように、供給される混合ガス中の水素量が酸素量より大きい場合でも、第１と第２の空気追加供給口１３１，１３２から空気を追加することにより、反応に供される酸素が局所的に不足してしまうことを抑制できる。また、単室型燃料電池１００Ｂの内部で水素濃度が水素の爆発限界値を超えることを抑制できる。
【００５３】
C．第３実施例：
図８は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｃの構成を示す概略図である。図８は、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２が省略されている点と、電圧検出部６００が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。電圧検出部６００は、単室型燃料電池１００Ｃの各電極対２０ごとの発電電圧を検出し、制御部４００に出力する。これによって、制御部４００は、単室型燃料電池１００Ｃの各電極対２０ごとの発電量をモニタすることができる。制御部４００は、各電極対２０ごとの発電量から混合ガスの消費量を算出し、その消費量に応じて各追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２から不足する可能性がある反応ガスを追加供給する。このような構成であっても、単室型燃料電池１００Ｃにおける局所的な反応ガス不足の発生を抑制できる。
【００５４】
D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
D1．変形例１：
上記実施例において、単室型燃料電池１００，１００Ｂ，１００Ｃには複数の追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２が設けられていたが、追加供給口は少なくとも１つ設けられていれば良い。なお、追加供給口は、一般に発電量が多くなるガス流路の上流側や、反応ガスが不足する可能性が高いガス流路の下流側に設けられていることが好ましい。また、追加供給口は、燃料ガスのみを追加するもののみで構成されても良く、酸化ガスのみを追加するもののみで構成されても良い。
【００５６】
D2．変形例２：
上記第１実施例及び第２実施例において、単室型燃料電池１００には、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２が設けられていた。また、第３実施例においては、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２に換えて電圧検出部６００が設けられていた。第１と第２の気圧センサ１６１，１６２や、電圧検出部６００は、反応ガスの消費量に関連づけられた値として気圧や発電電圧を検出し、制御部４００はそれらに応じて反応ガスの追加処理を制御していた。しかし、単室型燃料電池の内部にける反応ガスの消費量に関連づけられた値としては、気圧や発電電圧以外の他の計測値であっても良い。例えば、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２に換えて、水素や酸素の濃度を計測可能な濃度センサが設けられ、制御部４００が、計測された濃度値に応じて反応ガスの追加処理を実行するものとして良い。また、第１と第２の気圧センサ１６１，１６２や、電圧検出部６００などの反応ガスの消費量に関連づけられた値を計測する計測部は省略されるものとしても良い。この場合には、制御部４００は、定期的に反応ガスの追加処理を実行するものとしても良いし、常時、各追加供給口１２１，１２２，１３１，１３２から反応ガスを追加供給するものとしても良い。
【００５７】
D3．変形例３：
上記実施例において、制御部４００は、各バルブ２１１，２１２，３１１を制御して初期気圧Ｐ0で混合ガスを混合ガス供給口１１０から供給していたが、混合ガス供給口１１０の近くに圧力計測部が設けられ、初期気圧Ｐ0を計測するものとしても良い。
【００５８】
D4．変形例４：
上記実施例の単室型燃料電池１００は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、他の構成を有するものであっても良い。例えば、上記実施例では、電解質層１０の同じ面の側に複数の電極対２０が配置されていたが、アノード２２及びカソード２３が電解質層１０を挟持するように配置され、アノード２２及びカソード２３が筐体３０内に収納されるように配置されるものとしても良い。また、各電極対２０は、直列に接続されていなくとも良く、並列に接続されているものとしても良い。
【００５９】
また、上記実施例の単室型燃料電池１００では、反応ガスとして水素及び高圧空気が供給されていたが、他のガスが供給されるものとしても良い。例えば、水素に換えて炭化水素ガスが供給されるものとしても良い。この場合には、アノード２２には、炭化水素の改質反応を促進する触媒が担持されることが好ましい。
【００６０】
さらに、上記実施例の単室型燃料電池１００では、燃料ガスと酸化ガスとが混合されて混合ガス供給口１１０から供給されていたが、燃料ガスと酸化ガスとがそれぞれ別々の供給口から供給されるものとしても良い。
【００６１】
このように、単室型燃料電池１００としては、空間的に連続した単室内に、電解質に配置されたアノード及びカソードの両方が収納され、当該単室に燃料ガスと酸化ガスとが供給されることによって発電を行うものであれば良い。
【００６２】
D5．変形例５：
上記実施例において、制御部４００は各計測値を用いて演算処理を実行し、各ガス比を算出していたが、演算処理に換えて、例えば、計測値に対応するマップによって各ガス比を求めるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】単室型燃料電池の構成を示す概略図。
【図３】第１の追加供給口における反応ガス追加供給処理を説明するための模式図。
【図４】第２の追加供給口における反応ガス追加供給処理を説明するための模式図。
【図５】第２実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図６】第１の追加供給口における反応ガス追加供給処理を説明するための模式図。
【図７】第２の追加供給口における反応ガス追加供給処理を説明するための模式図。
【図８】第３実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００６４】
１０…固体電解質層
２０…電極対
２２…アノード
２３…カソード
３０…筐体
３１，３２…側面
３３…上面
１００，１００Ｂ，１００Ｃ…単室型燃料電池
１１０…混合ガス供給口
１２１…第１の水素追加供給口
１２２…第２の水素追加供給口
１３１…第１の空気追加供給口
１３２…第２の空気追加供給口
１４１…第１の追加供給口
１４２…第２の追加供給口
１５０…排ガス排出口
１６１…第１の気圧センサ
１６２…第２の気圧センサ
２００…水素タンク
２１０…水素配管
２１１…水素遮断弁
２１２…圧力調整弁
２２０…分岐水素配管
２２１…水素遮断弁
２３０…第１の水素追加供給配管
２４０…第２の水素追加供給配管
２３１，２４１…圧力調整弁
３００…エアコンプレッサ
３１０…空気配管
３１１…圧力調整弁
３２０…分岐空気配管
３２１…空気遮断弁
３３０…第１の空気追加供給配管
３４０…第２の空気追加供給配管
３３１，３４１…圧力調整弁
４００…制御部
５００…混合ガス配管
５１０…排ガス配管
５１１…遮断弁
５２０…水素分離膜
５３０…水素循環配管
５３１…逆止弁
６００…電圧検出部
１０００，１０００Ｂ，１０００Ｃ…燃料電池システム
２０００…外部負荷
【図１】
2009272138.tif 000003
【図２】
2009272138.tif 000004
【図３】
2009272138.tif 000005
【図４】
2009272138.tif 000006
【図５】
2009272138.tif 000007
【図６】
2009272138.tif 000008
【図７】
2009272138.tif 000009
【図８】
2009272138.tif 000010