燃料電池システム
【課題】水供給配管に気泡が混入した場合であっても、改質器に適切な流量で水を供給することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池セル８４と、水流量調整ユニット２８と、燃料流量調整ユニット３８と、蒸発部２０ａと、燃料ガスを水蒸気改質する改質部２０ｂとを備えた燃料電池システム１において、水流量調整ユニット２８は、配管１５９と、配管１５９を通して水を圧送するパルスポンプ１５８と、配管１５９に設けられた水流量センサ１３４とを備え、水流量調整ユニット２８は、水流量センサ１３４が配管１５９中の気泡を検出したとき、気泡が蒸発部２０ａに到達する時点において、気泡による水供給量の減少分を気泡より下流側の配管１５９内の水によって予め補うように、気泡が蒸発部２０ａに到達するまでの間にパルスポンプ１５８による水供給量を増加させるように構成されている。
【解決手段】燃料電池セル８４と、水流量調整ユニット２８と、燃料流量調整ユニット３８と、蒸発部２０ａと、燃料ガスを水蒸気改質する改質部２０ｂとを備えた燃料電池システム１において、水流量調整ユニット２８は、配管１５９と、配管１５９を通して水を圧送するパルスポンプ１５８と、配管１５９に設けられた水流量センサ１３４とを備え、水流量調整ユニット２８は、水流量センサ１３４が配管１５９中の気泡を検出したとき、気泡が蒸発部２０ａに到達する時点において、気泡による水供給量の減少分を気泡より下流側の配管１５９内の水によって予め補うように、気泡が蒸発部２０ａに到達するまでの間にパルスポンプ１５８による水供給量を増加させるように構成されている。
【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、燃料を水蒸気改質する改質器を備え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、燃料電池モジュールに水を供給する水供給ポンプを備えた構成の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された燃料電池システムでは、水供給路において、燃料電池の入口と出口に圧力センサがそれぞれ設けられ、これら圧力センサによって通路内の気泡の混入を検出している。そして、この燃料電池システムは、気泡が検出された場合に流量を増加させて気泡を押し流すように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、燃料ガスを水蒸気と反応させて水素ガスを生成する水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池（固体電解質形燃料電池：ＳＯＦＣ）では、蒸発器で水が気化され、改質器へ供給されるように構成されている。この水蒸気改質に用いられる水の供給量は、毎分数ミリリットルといった僅かな量であるので、水供給配管に少しでも気泡が混入すると、改質器で一時的に水不足状態になってしまう。改質器で水不足状態になると、炭素析出が発生し改質器を劣化させてしまうという問題があった。
【０００５】
特に、水自立システムを備えた燃料電池の場合、水蒸気を含む排気ガスから回収した凝縮水を利用するため、外部から気泡が混入しなくても、燃料電池内で発生した炭酸ガスにより気泡が混入するおそれがある。
【０００６】
一方、水不足を回避するために、常に水を過剰に供給すると、水が酸化源となって、改質触媒が劣化し燃料電池システムの寿命を縮めてしまう場合がある。したがって、水蒸気改質を行う燃料電池においては、水を適切な流量で蒸発器及び改質器へ供給することが重要となる。
【０００７】
したがって、上記特許文献１のように、気泡が検出されたときに単に気泡を追い出すために、流量を増大させるだけでは、適切な流量で水を供給することができず、燃料電池システムの劣化を招くことになる。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池システムにおいて、水供給配管に気泡が混入した場合であっても、改質器に適切な流量で水を供給することが可能な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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料電池セルと、水を供給する水供給手段と、燃料ガスを供給する燃料供給手段と、水供給手段から供給された水を気化する蒸発器と、蒸発器から供給された水を用いて、燃料供給手段から供給された燃料ガスを水蒸気改質して燃料電池セルに供給する改質器と、を備えた凝縮水を利用した水自立型燃料電池システムにおいて、水供給手段は、水を蒸発器へ供給する配管と、配管を通して水を圧送する圧送ポンプと、圧送ポンプの下流の配管に設けられた気泡検知手段と、を備え、水供給手段は、気泡検知手段が配管中の気泡を検出したとき、気泡が蒸発器に到達する時点において、気泡による水供給量の減少分を気泡より下流側の配管内の水によって予め補うように、気泡が蒸発器に到達するまでの間に圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
上述のように燃料を水蒸気改質するために必要な水供給量は僅かである。したがって、圧送ポンプによって水を蒸発器へ送るための配管内に気泡があると、気泡が到達したときに蒸発器から改質器へ供給される水蒸気量が減少し、改質器内で必要な水蒸気量が一時的に不足してしまう。
【００１１】
そこで、本発明では、配管中に気泡が検出された場合、この気泡が水流と共に配管を通って蒸発器に到達するまでの間に、圧送ポンプによる水供給量を増加させることによって、気泡よりも下流側の配管内の水を利用して、増量した水流量を蒸発器に送り込むように構成されている。これにより、気泡が蒸発器に到達する前に、気泡による水の不足分を予め補って供給しておくことができる。よって、本発明では、気泡の到達を考慮して、所定の単位時間当たりの水供給量がほぼ一定となるように水を供給することができ、気泡到達時に蒸発器で水不足の状態となることを防止して、水不足に起因する炭素析出を防止することが可能となる。なお、本発明において、気泡到達直前における水供給の過剰な状態はほんの一時的なものであるため、水過剰供給による触媒酸化等の問題を抑制することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、水供給手段は、検出された気泡が、蒸発器から所定距離離れた所定位置に到達した時点から蒸発器に到達するまでの間に、圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されている。
このように構成された本発明によれば、気泡が所定位置に到達した時点から蒸発器に到達するまでの間に水供給量を増加させるので、気泡が蒸発器に到達する直前までに、一時的な水過剰状態としておくための必要最小限の水のみを供給することができる。
なお、気泡が所定位置及び蒸発器に到達したことは、気泡検知手段により気泡検知からの経過時間と水流量等から算出してもよいし、所定位置及び蒸発器近傍に設けられたそれぞれ別の気泡検知手段によって直接検知してもよい。
【００１３】
本発明において、好ましくは、所定位置よりも上流側に圧送ポンプが配置され、圧送ポンプと所定位置との間に気泡検知手段が設けられる。
このように構成された本発明によれば、圧送ポンプが気泡検知手段よりも上流側に配置されているので、気泡検知手段で検知された気泡は、その後は圧送ポンプに噛み込むことなく蒸発器までスムーズに移動させることができる。したがって、気泡の到達による水不足を補うのに必要な量の水を、過不足無く正確に送ることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段は、上記所定位置に設けられている。
このように構成された本発明によれば、気泡を検知した時点から所定時間の間、水供給量を増やした状態とするだけの制御となるため、気泡位置の推定誤差による水供給の過不足等の不具合を防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、水供給手段は、気泡が検知されてからの経過時間と圧送ポンプによる水流量に基づいて、配管における気泡の位置を推定する。
このように構成された本発明によれば、気泡検知後の経過時間と圧送ポンプによる水流量を用いて気泡位置を推定するので、気泡検知手段の設置位置によらず、適切なタイミングで水供給量を増やすことができる。また、蒸発器に気泡が到達したことを検知するためのセンサを不要とすることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段は、ギヤ式流量センサである。
このように構成された本発明によれば、ギヤ式流量センサを用いることにより、気泡が通過する際のギヤ回転量の低下に基づいて、適切に閾値を設定することにより、配管内の気泡を確実に検出することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、圧送ポンプと気泡検知手段との間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする気泡集約部が設けられている。
気泡は非常に微細な状態であるため、この微細な気泡を確実に検出するには非常に高精度な気泡検知手段が必要となるが、本発明においては、気泡集約手段を気泡検知手段の上流に設けていることから、気泡検知手段では比較的な大きな気泡を検出すればいいことになるため高精度な検出手段を必要とせずに確実に気泡を検出することができる。また、気泡が集約されるため改質器に微細な気泡がばらばらと離散的に到達することがなくなり、気泡が到達するタイミングに合わせて確実に水を増量させることが可能となる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段と改質器の間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする第２気泡集約部が設けられている。
気泡検知手段で集約されて大きくなった気泡を検出する際又は検出した後に、例えば気泡検知手段などの検出過程で気泡を分断してしまうような状況があった場合、分断され小さくなった複数の気泡毎の浮力や配管との接触抵抗の違いなどによって、改質器に各気泡が到達するタイミングが異なってしまうが、本発明によれば気泡検知手段の下流でさらに第２気泡集約手段によって気泡が再集約されることから気泡が改質器に到達するタイミングを確実に狙った通りにすることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、圧送ポンプと気泡検知手段の間の配管を上方から下方に向くように屈曲させた屈曲部を気泡集約手段として構成している。
このように構成された本発明によれば、配管の取り回しだけで配管の抵抗を形成することにより、気泡が上方に溜まるという特性を利用して確実に気泡の検出と水の増量タイミングを同期できるようにすることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段と改質器の配管途中に気泡検知手段から改質器へ向かう方向のみに水の供給を許容する一方向弁を設け、該一方向弁による配管抵抗を利用して第２気泡集約手段を構成している。
このように構成された本発明によれば、気泡検知手段の下流に一方向弁を設けたことによって、気泡検知手段に対する改質器側からの圧力変化影響を遮断できるため、気泡検知手段の検出精度を確実なものにすることができる。また、この一方向弁の抵抗によって一方向弁の上流側である気泡検知手段側で気泡を再集約できるため、別段の手段を設けることなく確実に気泡と水の増量タイミングを同期させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池システムにおいて、水供給配管に気泡が混入した場合であっても、改質器に適切な流量で水を供給することができる。
【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システム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システム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燃料電池システム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燃料電池システム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システム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燃料電池システム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燃料電池システム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燃料電池システムの水供給装置を示す概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池システムの水流量センサの構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態による気泡混入時における流量指令値と流量検出値の時間変化である。
【図１２】本発明の一実施形態による気泡検知に基づく水供給量補償処理の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。
【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（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。
【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、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。
【００２６】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水する第１の貯水タンク２６ａと、この第１の貯水タンク２６ａから供給される水をフィルターにより純水とする第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂとを含む水流量調整ユニット２８（詳細が後述する）を備え、この水流量調整ユニット２８がこの第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂから供給される純水の流量を調整して改質器２０に純水を供給するようになっている。
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ヒーター４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒーター４８とを備えている。これらの第１ヒーター４６と第２ヒーター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。
【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、供給された水を気化する蒸発部２０ａと、蒸発器２０ａによる水蒸気を用いて燃料ガスの水蒸気改質を行う改質部２０ｂが形成され、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。
【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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、第１の貯水タンク２６ａと第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂのそれぞれ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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ヒーター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ヒーター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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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（例えば、水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから５時間後）、発電室の温度が所定温度、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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に、図９により、上述した本実施形態による水流量調整ユニット２８について詳細に説明する。図９は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の水流量調整ユニット２８を示す概略図である。
図９に示すように、純水を生成して改質器２０に供給する水流量調整ユニット２８は、上流側から順に、水供給源２４からの水の流量を調整する流量調整弁１５２と、水供給源２４からの水を一時的に貯蔵する第１の貯水タンク２６ａと、この第１の貯水タンク２６ａ内の水を供給するポンプ１５４と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのＲＯ膜（逆浸透膜）１５６と、生成された純水を一時的に貯蔵する第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂと、この純水を燃料電池モジュール２の改質器２０にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ（圧送ポンプ）１５８と、気泡集約手段１６３と、水流量センサ１３４と、一方向弁１６４を備えている。
また、熱交換器１６０や、水及び純水が凍結するのを防止するためのヒーター１６２や、第１の貯水タンク２６ａと第２の貯水タンク２６ｂのそれぞれの水位を検出する水位センサ１３６も備えている。
【００６４】
本実施形態では、改質器２０で行われる水蒸気改質反応のために、パルスポンプ１５８を用いて所定の水流量で純水を蒸発器２０ａへ圧送している。水蒸気改質に必要な水流量は、毎分数ミリリットルという僅かな水量であり、過不足なく正確な量だけ送出することが望ましい。すなわち、水供給量が不足すると改質器２０内で炭素析出が生じ、水供給量が過剰であると改質器２０内の触媒が失われる等の不具合が生じるおそれがある。したがって、本実施形態では、僅かな水流量を正確に出力することができるパルスポンプ１５８が用いられている。
【００６５】
また、本実施形態では、第２の貯水タンク２６ｂと燃料電池モジュール２の改質器２０は、水供給配管１５９で連結されている。水供給配管１５９は、第２の貯水タンク２６ｂとパルスポンプ１５８とを連結する配管１５９ａと、パルスポンプ１５８と水流量センサ１３４を連結する配管１５９ｂと、水流量センサ１３４と改質器２０を連結する配管１５９ｃとから構成されている。これにより、パルスポンプ１５８及び水流量センサ１３４は、運転中に燃料電池モジュール２からの熱を避けるため、配管１５９ｂ，１５９ｃにより、燃料電池モジュール２から離間した位置に配置されている。本実施形態では、水流量センサ１３４が改質器２０から配管１５９ｃによって離間されているため、後述するように、この配管１５９ｃ内の水を、気泡による水不足を補うためのバッファ分として用いることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、気泡集約手段１６３が配管１５９ｂに設けられている。気泡集約手段１６３は、配管１５９ｂを上方から下方に向くように上下方向に屈曲させた屈曲部１６３ａ，１６３ｂを備えている。すなわち、屈曲部１６３ａ，１６３ｂは、それぞれパルスポンプ１５８側から延びる配管１５９ｂが一旦垂直又は斜め方向に上方へ立ち上がり、その後垂直又は斜め方向に立ち下がるように屈曲されている。したがって、各屈曲部１６３ａ，１６３ｂは、立ち上がり部と立下がり部と、これらを繋ぐ空気溜まり部として機能するである頂部を有している。
【００６７】
気泡は水よりも軽いため、屈曲部１６３ａ，１６３ｂの頂部（すなわち空気溜まり部）に気泡が捕えられる。これにより、屈曲部１６３ａ，１６３ｂは、配管１５９ｂ内を押し流されてきた微細な気泡を捕え、比較的大きな気泡に集約することができる。ある程度の大きさに集約されると、その気泡は、屈曲部１６３ａから屈曲部１６３ｂへ押し出され、また、屈曲部１６３ｂから水流量センサ１３４へ向けて押し出される。
【００６８】
また、本実施形態では、一方向弁１６４が配管１５９ｃの途中に設けられている。この一方向弁１６４は、水流量センサ１３４から改質器２０へ向かう方向の水流のみを許容するように構成されている。一方向弁１６４を設けることにより、配管１５９ｃを通して、改質器２０側から水流量センサ１３４に対して伝えられる圧力変化の影響や熱による影響を遮断することができ、水流量センサ１３４による検出精度を良好に維持することができる。
また、一方向弁１６４は配管１５９ｃ内の抵抗でもあるので、大きく集約された気泡が水流量センサ１３４で分断され微細化されても、一方向弁１６４で再集約させ、再び集約された気泡で改質器２０へ向けて送り出すことができる。
【００６９】
また、本実施形態では、水自立システムが構成されている。なお、水道水である水供給源２４からの水を改質器２０へ供給するように構成してもよい。水自立システムでは、水供給源２４が、排気ガス中に含まれる水を回収し、凝縮水を第１の貯水タンク２６ａに供給する構成となっている。なお、水道水を用いた場合、改質器２０へ供給する際に気泡があらわれるおそれがあり、水自立システムの場合においても、排気ガス中に含まれた炭酸ガスが気泡としてあらわれるおそれがある
【００７０】
図１０は、水流量センサ１３４の構成図である。本実施形態の水流量センサ１３４は、気泡検知手段としても機能するものであり、ケース１３４ａ内に２つの歯車１３４ｄ，１３４ｅを備えた歯車式（ギヤ式）の流量センサである。この水流量センサ１３４では、ケース１３４ａの入口１３４ｂから入った流体は、ケース１３４ａの内面に沿って流れ、対向する位置に設けられた出口１３４ｃから出力されるようになっている。２つの歯車１３４ｄ，１３４ｅは、この流体によって回転し、流量に応じた回転速度信号（流量検出信号）を制御部１１０へ出力する。
【００７１】
制御部１１０は、流量検出信号から水流量センサ１３４を通過している流体（水）の流量を検出することができる。水供給配管１５９内に気泡が混入した場合には、歯車１３４ｄ，１３４ｅの回転速度が低下するので、気泡通過前後と比べて気泡通過中は、流量検出信号が小さくなる。これにより、制御部１１０は、気泡が水流量センサ１３４を通過したことを検出することができる。
【００７２】
本実施形態では、制御部１１０が流量指令値に基づく駆動信号をパルスポンプ１５８へ送出することにより、パルスポンプ１５８が駆動信号に基づき、流量指令値の水流量（水供給量）で水を圧送する。また、制御部１１０は、水流量センサ１３４から流量検出信号を受け取り、水流量を検出する。本実施形態では、水供給手段として、制御部１１０と水流量調整ユニット２８を含んでいる。
【００７３】
次に、図１１及び図１２により、本実施形態の燃料電池システム１の作用について説明する。
図１１は、気泡が混入した際に水流量センサ１３４によって得られる水流量（水供給量）の時間変化を示している。
図１１では、時間ｔ0〜ｔ3の間、制御部１１０は、所定の水流量Ｑ0を指示する流量指令値に基づいてパルスポンプ１５８を作動させており、これにより、パルスポンプ１５８は、単位時間当たりの水供給量が水流量Ｑ0となるように継続的に作動する。また、このとき、水流量センサ１３４からの流量検出信号は、水流量Ｑ0を示す（時間ｔ0〜ｔ1）。なお、このときの流量指令値に基づく水流量Ｑ0は、改質器２０内で水蒸気改質反応を行うのに適切な水供給量に設定されたものである。
【００７４】
気泡が水流量センサ１３４を通過するとき、噛み込んだ気泡の分だけ、水流から歯車１３４ｄ，１３４ｅへ与えられる回転駆動力が減少するので、歯車１３４ｄ，１３４ｅの回転速度が低下する。これにより、水流量センサ１３４から制御装置１１０へ出力される流量検出信号の値が低下するので、微小な気泡であっても確実に検出することができる。
なお、本実施形態では、気泡集約手段１６３により微細な気泡が検知し易い適切な大きさに集約され、この集約された気泡が水流量センサ１３４を通過するので、水流量センサ１３４によって確実に気泡検知することができる。また、気泡を集約する構成を採用することにより、水流量センサ１３４の精度が微細な気泡を検出できるような高精度なものでなくてもよくなり、ある程度の大きさの気泡を確実に検出可能であればよい。
【００７５】
制御部１１０は、低下した流量検出信号が気泡判別のための流量閾値Ｑthを下回ると、気泡が通過したことを検知する。なお、この流量閾値Ｑthは、固定値であってもよいし、流量指令値に基づく水流量Ｑ0の大きさに応じて設定される値であってもよいし、流量指令値に基づく水流量Ｑ0からの低下量又は低下割合から決定される値であってもよい。
【００７６】
図１１の場合、制御部１１０は、時間ｔ1〜ｔ2の間、気泡の通過を検出している。
時間ｔ2以降、気泡の通過後は、再び、水流が水流量Ｑ0で水流量センサ１３４を通過するので、水流量センサ１３４からの流量検出信号は水流量Ｑ0に戻る（時間ｔ2〜ｔ3）。
【００７７】
気泡が配管１５９中に混入すると、気泡が蒸発器２０ａへ到達したとき、気泡の体積分だけ水供給量が減少することになる。しかも、水蒸気改質反応に用いられる水流量は時間当たり僅かであるので、必要な水流量に対するこの気泡分の減少は相対的に大きいものとなる。これにより、一時的に水不足状態となり、上述のように炭素析出により改質器２０が劣化するおそれがある。
【００７８】
このため、本実施形態では、気泡到達に起因して水不足状態となることを防止するために、所定の短期間毎に時間平均した場合に、水蒸気改質反応に必要な水流量Ｑ0が適切に供給されるように構成されている。したがって、気泡到達前には、短時間の間、一時的に水供給過剰となる。具体的には、本実施形態では、気泡が蒸発器２０ａに到達する前の所定期間に、パルスポンプ１５８によるポンプ供給速度を、水蒸気改質反応に必要な流量指令値に基づく水流量Ｑ0よりも増加することにより、気泡よりも下流側（蒸発器２０ａ側）にある配管１５９ｃ内の水を、水流量Ｑ0よりも大きい流量で予め蒸発器２０ａに供給する。
【００７９】
これにより、気泡が蒸発器２０ａに到達した時点で、気泡の体積分の水を予め蒸発器２０ａに事前に供給しておくことができ、時間的に平均すると水流量Ｑ0で蒸発器２０ａに水供給することが可能となる。これにより、気泡に起因した水不足状態を回避することができる。
【００８０】
制御部１１０は、気泡の検知後、所定条件が満たされると（例えば、気泡検知から所定期間Ｔ1経過して、気泡が水流量センサ１３４と蒸発器２０ａの間の所定位置に到達したこと）、所定期間Ｔ2の間、流量指令値をΔＱだけ増量し水流量をＱ0＋ΔＱに設定する（時間ｔ3〜ｔ4）。これにより、検出された気泡が蒸発器２０ｂへ到達する前までに、気泡到達による不足分の水を蒸発器２０ａに供給することができる。なお、気泡は、時間ｔ4に、又は、時間ｔ4以降に蒸発器２０ａに到達することになる。
【００８１】
制御部１１０は、所定期間Ｔ2が経過すると、又は、気泡が蒸発器２０ａに到達すると、流量指令値を再び元の水流量Ｑ0へ戻す。これにより、気泡到達後は、再び、適切な水流量Ｑ0で水が蒸発器２０ａに供給される。
【００８２】
より詳細には、制御部１１０は、気泡が蒸発器２０ａから所定距離Ｄ2だけ離れた所定位置Ｐに到達した時点（時間ｔ3）から蒸発器２０ａに到達するまでの間（〜時間ｔ4）に、水流量を増量する。気泡が検出されてから気泡が位置Ｐに到達するまでの期間Ｔ1は、気泡検知までの実測した水流量（Ｑ0）（又は流量指令値に基づく水流量），水流量センサ１３４から位置Ｐまでの経路距離Ｄ1，配管１５９の管径等に応じて算出されるものであり、より具体的には、水流量Ｑ0のときに気泡が配管１５９を移動する速度で経路距離Ｄ1を割る（除算）ことにより算出することができる。
【００８３】
また、気泡が位置Ｐから蒸発器２０ａに到達するまでの期間Ｔ2（又は、気泡が蒸発器２０ａに到達した時点ｔ4）は、実測した水流量（Ｑ0）（又は流量指令値に基づく水流量）に増量分ΔＱを加算した水流量（Ｑ0＋ΔＱ），位置Ｐから蒸発器２０ａまでの経路距離Ｄ2，配管１５９の管径等に応じて算出されるものであり、より具体的には、水流量Ｑ0＋ΔＱ（＝Ｑ1）のときに気泡が配管１５９を移動する速度で経路距離Ｄ2を割る（除算）ことにより算出することができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、気泡が位置Ｐに到達する時点及び蒸発器２０ａに到達する時点を計算処理により推定しているが、これに限らず、位置Ｐ及び蒸発器２０ａの入口近傍に別の気泡検知センサを設けて、気泡の各位置への到達を直接検出するように構成してもよい。
【００８５】
本実施形態では、経路距離Ｄ2は固定値であり、この場合、水流量Ｑ0や気泡検知期間（例えば、時間ｔ1〜ｔ2）に応じて増量分ΔＱを変更することにより、気泡による水の不足分を過不足無く正確に補償することができる。例えば、気泡による水の不足分は、気泡検知期間に所定の係数を乗算することにより推定することができ、増量分ΔＱと期間Ｔ2を乗算した値に等しくなる。よって、水流量Ｑ0、経路距離Ｄ2等に基づいて、期間Ｔ2及び増分量ΔＱを算出することができる。定性的には、水流量Ｑ0が小さい場合や気泡検知期間が短い場合には、増量分ΔＱがより小さい値に設定され、水流量Ｑ0が大きい場合や気泡検知期間が長い場合には、増量分ΔＱがより大きい値に設定される。
【００８６】
なお、経路距離Ｄ2は可変値であってもよく、この場合、増量分ΔＱは固定値とすることができ、水流量Ｑ0や気泡検知期間（例えば、時間ｔ1〜ｔ2）に応じて経路距離Ｄ2を変更することにより、気泡による水の不足分を過不足無く正確に補償することができる。例えば、水流量Ｑ0、増分量ΔＱ等に基づいて、期間Ｔ2及び経路距離Ｄ2を算出することができる。定性的には、水流量Ｑ0が小さい場合や気泡検知期間が短い場合には、増量分ΔＱがより小さい値に設定され、水流量Ｑ0が大きい場合や気泡検知期間が長い場合には、増量分ΔＱがより大きい値に設定される。
【００８７】
さらには、経路距離Ｄ2及び増量分ΔＱを共に可変値として、気泡による水の不足分を正確に補償するように構成してもよい。
また、気泡による水の不足分を厳密な正確さで補償しなくてよい場合は、経路距離Ｄ2及び増量分ΔＱを共に固定値としてもよい。
【００８８】
また、本実施形態では、気泡集約手段１６３により微細な気泡を集約し、集約されて有る程度の大きさになった気泡を水流量センサ１３４に送り出すので、微細な気泡がばらばらと離散的に水流量センサ１３４やその下流の改質器２０へ到達することがなくなる。これにより、本実施形態では、気泡が改質器２０へ到達するタイミングに合わせて確実に水を増量させることができる。
【００８９】
また、気泡集約手段１６３によって集約された気泡が、水流量センサ１３４を通過する間に分断されるおそれがある。分断されると、小さくなった気泡毎に配管１５９との接触抵抗が相違し、この相違によって各気泡が改質器２０へ到達するタイミングが異なるおそれがある。
しかしながら、本実施形態では、水流量センサ１３４の下流側に第２気泡集約手段である一方向弁１６４が設けられているので、集約された気泡が水流量センサ１３４で分断され、微細化された場合であっても、一方向弁１６４で再集約させることができる。これにより、水流量センサ１３４で検出された（集約された）気泡を、再集約させて、計算通りに正確に位置Ｐ及び改質器２０へ送り出すことができ、気泡の到達に合わせてタイミング良く水を増量することが可能となる。
【００９０】
なお、本実施形態では、位置Ｐが水流量センサ１３４よりも下流側（蒸発器２０ａ側）に設定されているが、これに限らず、水流量センサ１３４の位置を位置Ｐに一致させてもよい。このように構成すると、気泡が位置Ｐに到達するまでの時間Ｔ1を算出する必要がなくなり、計算処理に起因する水供給量の推定誤差を低減することができる。
また、本実施形態では、水流量センサ１３４が、パルスポンプ１５８よりも下流側（蒸発器２０ａ側）に配置されているが、これに限らず、水流量センサ１３４をパルスポンプ１５８よりも上流側に配置してもよい。
【００９１】
図１２により、制御部１１０によって実行される気泡検知に基づく水供給量補償処理の処理フローについて説明する。この処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。
まず、この水供給量補償処理では、制御部１１０は、流量閾値Ｑthに基づき、水流量センサ１３４から受け取る流量検出信号に応じて、水流量センサ１３４を気泡が通過しているか否かを判定する（ステップＳ１）。
気泡が検出されなかった場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、制御部１１０は、水供給量補償処理を終了し、所定時間後にステップＳ１の処理を再実行する。
一方、気泡が検出された場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御部１１０は、タイマーをスタートする（ステップＳ２）。
【００９２】
制御部１１０は、上述のように算出された期間Ｔ1が経過するまでは待機し（ステップＳ３：Ｎｏ）、期間Ｔ1が経過すると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、水流量をΔＱだけ増量した流量指令値に基づく駆動信号を、パルスポンプ１５８へ送出する（ステップＳ４）。これにより、パルスポンプ１５８はΔＱだけ増量されたポンプ供給速度で作動する。
【００９３】
制御部１１０は、駆動信号をパルスポンプ１５８へ送出すると同時に、タイマーをリセットし、再びスタートする（ステップＳ５）。
制御部１１０は、上述のように算出された期間Ｔ2が経過するまでは待機し（ステップＳ６：Ｎｏ）、期間Ｔ2が経過すると（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、水流量をΔＱだけ減量し、元に戻した流量指令値に基づく駆動信号を、パルスポンプ１５８へ送出し（ステップＳ７）、処理を終了する。
【００９４】
このように本実施形態では、気泡が検知された場合に、気泡が蒸発器２０ａに到達する前に、蒸発器２０ａで気泡により不足することになる水の不足分を予め補うように、パルスポンプ１５８による水供給速度を一時的に短時間増大させる。そして、気泡が蒸発器２０ａに到達すると、水流量を元に戻し、水供給過剰な状態が継続することを防止する。これにより、本実施形態では、気泡混入による水不足が原因となる改質器２０での炭素析出を防止して、改質器２０の劣化を抑制することができる。
【００９５】
また、本実施形態では、気泡の混入が検出された場合だけ、水供給量を一時的に増大させるので、常時は、適切な水供給量で蒸発器２０ａに水を供給できる。したがって、水不足を考慮して、常時、水供給過剰とすることを防止でき、過剰供給された水による不具合を防止することができる。例えば、改質器２０に使用されている改質触媒がルテニウムである場合には、過剰な水によって改質触媒が酸化され失われる不具合が生じるが、本実施形態ではこのような不具合を防止することができる。
【００９６】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は以下のように改変してもよい。
上記実施形態では、気泡検知手段として、機械式（歯車式）の水流量センサを用いているが、これに限らず、電気式の水流量センサ又は気泡検知センサを用いてもよい。
【００９７】
また、上記実施形態では、気泡検知手段として、水流量センサを用いているが、これに限らず、配管内の気泡の有無（又は水の有無）のみを検出する気泡検知センサを用いてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
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
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２０ａ 蒸発部（蒸発器）
２０ｂ 改質部（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（燃料供給手段）
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
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１３４ 水流量センサ（気泡検知手段）
１５８ パルスポンプ（圧送ポンプ）
１５９ 配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料を水蒸気改質する改質器を備え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、燃料電池モジュールに水を供給する水供給ポンプを備えた構成の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された燃料電池システムでは、水供給路において、燃料電池の入口と出口に圧力センサがそれぞれ設けられ、これら圧力センサによって通路内の気泡の混入を検出している。そして、この燃料電池システムは、気泡が検出された場合に流量を増加させて気泡を押し流すように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、燃料ガスを水蒸気と反応させて水素ガスを生成する水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池（固体電解質形燃料電池：ＳＯＦＣ）では、蒸発器で水が気化され、改質器へ供給されるように構成されている。この水蒸気改質に用いられる水の供給量は、毎分数ミリリットルといった僅かな量であるので、水供給配管に少しでも気泡が混入すると、改質器で一時的に水不足状態になってしまう。改質器で水不足状態になると、炭素析出が発生し改質器を劣化させてしまうという問題があった。
【０００５】
特に、水自立システムを備えた燃料電池の場合、水蒸気を含む排気ガスから回収した凝縮水を利用するため、外部から気泡が混入しなくても、燃料電池内で発生した炭酸ガスにより気泡が混入するおそれがある。
【０００６】
一方、水不足を回避するために、常に水を過剰に供給すると、水が酸化源となって、改質触媒が劣化し燃料電池システムの寿命を縮めてしまう場合がある。したがって、水蒸気改質を行う燃料電池においては、水を適切な流量で蒸発器及び改質器へ供給することが重要となる。
【０００７】
したがって、上記特許文献１のように、気泡が検出されたときに単に気泡を追い出すために、流量を増大させるだけでは、適切な流量で水を供給することができず、燃料電池システムの劣化を招くことになる。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池システムにおいて、水供給配管に気泡が混入した場合であっても、改質器に適切な流量で水を供給することが可能な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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料電池セルと、水を供給する水供給手段と、燃料ガスを供給する燃料供給手段と、水供給手段から供給された水を気化する蒸発器と、蒸発器から供給された水を用いて、燃料供給手段から供給された燃料ガスを水蒸気改質して燃料電池セルに供給する改質器と、を備えた凝縮水を利用した水自立型燃料電池システムにおいて、水供給手段は、水を蒸発器へ供給する配管と、配管を通して水を圧送する圧送ポンプと、圧送ポンプの下流の配管に設けられた気泡検知手段と、を備え、水供給手段は、気泡検知手段が配管中の気泡を検出したとき、気泡が蒸発器に到達する時点において、気泡による水供給量の減少分を気泡より下流側の配管内の水によって予め補うように、気泡が蒸発器に到達するまでの間に圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
上述のように燃料を水蒸気改質するために必要な水供給量は僅かである。したがって、圧送ポンプによって水を蒸発器へ送るための配管内に気泡があると、気泡が到達したときに蒸発器から改質器へ供給される水蒸気量が減少し、改質器内で必要な水蒸気量が一時的に不足してしまう。
【００１１】
そこで、本発明では、配管中に気泡が検出された場合、この気泡が水流と共に配管を通って蒸発器に到達するまでの間に、圧送ポンプによる水供給量を増加させることによって、気泡よりも下流側の配管内の水を利用して、増量した水流量を蒸発器に送り込むように構成されている。これにより、気泡が蒸発器に到達する前に、気泡による水の不足分を予め補って供給しておくことができる。よって、本発明では、気泡の到達を考慮して、所定の単位時間当たりの水供給量がほぼ一定となるように水を供給することができ、気泡到達時に蒸発器で水不足の状態となることを防止して、水不足に起因する炭素析出を防止することが可能となる。なお、本発明において、気泡到達直前における水供給の過剰な状態はほんの一時的なものであるため、水過剰供給による触媒酸化等の問題を抑制することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、水供給手段は、検出された気泡が、蒸発器から所定距離離れた所定位置に到達した時点から蒸発器に到達するまでの間に、圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されている。
このように構成された本発明によれば、気泡が所定位置に到達した時点から蒸発器に到達するまでの間に水供給量を増加させるので、気泡が蒸発器に到達する直前までに、一時的な水過剰状態としておくための必要最小限の水のみを供給することができる。
なお、気泡が所定位置及び蒸発器に到達したことは、気泡検知手段により気泡検知からの経過時間と水流量等から算出してもよいし、所定位置及び蒸発器近傍に設けられたそれぞれ別の気泡検知手段によって直接検知してもよい。
【００１３】
本発明において、好ましくは、所定位置よりも上流側に圧送ポンプが配置され、圧送ポンプと所定位置との間に気泡検知手段が設けられる。
このように構成された本発明によれば、圧送ポンプが気泡検知手段よりも上流側に配置されているので、気泡検知手段で検知された気泡は、その後は圧送ポンプに噛み込むことなく蒸発器までスムーズに移動させることができる。したがって、気泡の到達による水不足を補うのに必要な量の水を、過不足無く正確に送ることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段は、上記所定位置に設けられている。
このように構成された本発明によれば、気泡を検知した時点から所定時間の間、水供給量を増やした状態とするだけの制御となるため、気泡位置の推定誤差による水供給の過不足等の不具合を防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、水供給手段は、気泡が検知されてからの経過時間と圧送ポンプによる水流量に基づいて、配管における気泡の位置を推定する。
このように構成された本発明によれば、気泡検知後の経過時間と圧送ポンプによる水流量を用いて気泡位置を推定するので、気泡検知手段の設置位置によらず、適切なタイミングで水供給量を増やすことができる。また、蒸発器に気泡が到達したことを検知するためのセンサを不要とすることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段は、ギヤ式流量センサである。
このように構成された本発明によれば、ギヤ式流量センサを用いることにより、気泡が通過する際のギヤ回転量の低下に基づいて、適切に閾値を設定することにより、配管内の気泡を確実に検出することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、圧送ポンプと気泡検知手段との間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする気泡集約部が設けられている。
気泡は非常に微細な状態であるため、この微細な気泡を確実に検出するには非常に高精度な気泡検知手段が必要となるが、本発明においては、気泡集約手段を気泡検知手段の上流に設けていることから、気泡検知手段では比較的な大きな気泡を検出すればいいことになるため高精度な検出手段を必要とせずに確実に気泡を検出することができる。また、気泡が集約されるため改質器に微細な気泡がばらばらと離散的に到達することがなくなり、気泡が到達するタイミングに合わせて確実に水を増量させることが可能となる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段と改質器の間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする第２気泡集約部が設けられている。
気泡検知手段で集約されて大きくなった気泡を検出する際又は検出した後に、例えば気泡検知手段などの検出過程で気泡を分断してしまうような状況があった場合、分断され小さくなった複数の気泡毎の浮力や配管との接触抵抗の違いなどによって、改質器に各気泡が到達するタイミングが異なってしまうが、本発明によれば気泡検知手段の下流でさらに第２気泡集約手段によって気泡が再集約されることから気泡が改質器に到達するタイミングを確実に狙った通りにすることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、圧送ポンプと気泡検知手段の間の配管を上方から下方に向くように屈曲させた屈曲部を気泡集約手段として構成している。
このように構成された本発明によれば、配管の取り回しだけで配管の抵抗を形成することにより、気泡が上方に溜まるという特性を利用して確実に気泡の検出と水の増量タイミングを同期できるようにすることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、気泡検知手段と改質器の配管途中に気泡検知手段から改質器へ向かう方向のみに水の供給を許容する一方向弁を設け、該一方向弁による配管抵抗を利用して第２気泡集約手段を構成している。
このように構成された本発明によれば、気泡検知手段の下流に一方向弁を設けたことによって、気泡検知手段に対する改質器側からの圧力変化影響を遮断できるため、気泡検知手段の検出精度を確実なものにすることができる。また、この一方向弁の抵抗によって一方向弁の上流側である気泡検知手段側で気泡を再集約できるため、別段の手段を設けることなく確実に気泡と水の増量タイミングを同期させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池システムにおいて、水供給配管に気泡が混入した場合であっても、改質器に適切な流量で水を供給することができる。
【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システム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システム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燃料電池システム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燃料電池システム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システム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燃料電池システム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燃料電池システム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燃料電池システムの水供給装置を示す概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池システムの水流量センサの構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態による気泡混入時における流量指令値と流量検出値の時間変化である。
【図１２】本発明の一実施形態による気泡検知に基づく水供給量補償処理の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。
【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（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。
【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、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。
【００２６】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水する第１の貯水タンク２６ａと、この第１の貯水タンク２６ａから供給される水をフィルターにより純水とする第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂとを含む水流量調整ユニット２８（詳細が後述する）を備え、この水流量調整ユニット２８がこの第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂから供給される純水の流量を調整して改質器２０に純水を供給するようになっている。
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ヒーター４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒーター４８とを備えている。これらの第１ヒーター４６と第２ヒーター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。
【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、供給された水を気化する蒸発部２０ａと、蒸発器２０ａによる水蒸気を用いて燃料ガスの水蒸気改質を行う改質部２０ｂが形成され、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。
【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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、第１の貯水タンク２６ａと第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂのそれぞれ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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ヒーター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ヒーター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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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（例えば、水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから５時間後）、発電室の温度が所定温度、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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に、図９により、上述した本実施形態による水流量調整ユニット２８について詳細に説明する。図９は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の水流量調整ユニット２８を示す概略図である。
図９に示すように、純水を生成して改質器２０に供給する水流量調整ユニット２８は、上流側から順に、水供給源２４からの水の流量を調整する流量調整弁１５２と、水供給源２４からの水を一時的に貯蔵する第１の貯水タンク２６ａと、この第１の貯水タンク２６ａ内の水を供給するポンプ１５４と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのＲＯ膜（逆浸透膜）１５６と、生成された純水を一時的に貯蔵する第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂと、この純水を燃料電池モジュール２の改質器２０にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ（圧送ポンプ）１５８と、気泡集約手段１６３と、水流量センサ１３４と、一方向弁１６４を備えている。
また、熱交換器１６０や、水及び純水が凍結するのを防止するためのヒーター１６２や、第１の貯水タンク２６ａと第２の貯水タンク２６ｂのそれぞれの水位を検出する水位センサ１３６も備えている。
【００６４】
本実施形態では、改質器２０で行われる水蒸気改質反応のために、パルスポンプ１５８を用いて所定の水流量で純水を蒸発器２０ａへ圧送している。水蒸気改質に必要な水流量は、毎分数ミリリットルという僅かな水量であり、過不足なく正確な量だけ送出することが望ましい。すなわち、水供給量が不足すると改質器２０内で炭素析出が生じ、水供給量が過剰であると改質器２０内の触媒が失われる等の不具合が生じるおそれがある。したがって、本実施形態では、僅かな水流量を正確に出力することができるパルスポンプ１５８が用いられている。
【００６５】
また、本実施形態では、第２の貯水タンク２６ｂと燃料電池モジュール２の改質器２０は、水供給配管１５９で連結されている。水供給配管１５９は、第２の貯水タンク２６ｂとパルスポンプ１５８とを連結する配管１５９ａと、パルスポンプ１５８と水流量センサ１３４を連結する配管１５９ｂと、水流量センサ１３４と改質器２０を連結する配管１５９ｃとから構成されている。これにより、パルスポンプ１５８及び水流量センサ１３４は、運転中に燃料電池モジュール２からの熱を避けるため、配管１５９ｂ，１５９ｃにより、燃料電池モジュール２から離間した位置に配置されている。本実施形態では、水流量センサ１３４が改質器２０から配管１５９ｃによって離間されているため、後述するように、この配管１５９ｃ内の水を、気泡による水不足を補うためのバッファ分として用いることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、気泡集約手段１６３が配管１５９ｂに設けられている。気泡集約手段１６３は、配管１５９ｂを上方から下方に向くように上下方向に屈曲させた屈曲部１６３ａ，１６３ｂを備えている。すなわち、屈曲部１６３ａ，１６３ｂは、それぞれパルスポンプ１５８側から延びる配管１５９ｂが一旦垂直又は斜め方向に上方へ立ち上がり、その後垂直又は斜め方向に立ち下がるように屈曲されている。したがって、各屈曲部１６３ａ，１６３ｂは、立ち上がり部と立下がり部と、これらを繋ぐ空気溜まり部として機能するである頂部を有している。
【００６７】
気泡は水よりも軽いため、屈曲部１６３ａ，１６３ｂの頂部（すなわち空気溜まり部）に気泡が捕えられる。これにより、屈曲部１６３ａ，１６３ｂは、配管１５９ｂ内を押し流されてきた微細な気泡を捕え、比較的大きな気泡に集約することができる。ある程度の大きさに集約されると、その気泡は、屈曲部１６３ａから屈曲部１６３ｂへ押し出され、また、屈曲部１６３ｂから水流量センサ１３４へ向けて押し出される。
【００６８】
また、本実施形態では、一方向弁１６４が配管１５９ｃの途中に設けられている。この一方向弁１６４は、水流量センサ１３４から改質器２０へ向かう方向の水流のみを許容するように構成されている。一方向弁１６４を設けることにより、配管１５９ｃを通して、改質器２０側から水流量センサ１３４に対して伝えられる圧力変化の影響や熱による影響を遮断することができ、水流量センサ１３４による検出精度を良好に維持することができる。
また、一方向弁１６４は配管１５９ｃ内の抵抗でもあるので、大きく集約された気泡が水流量センサ１３４で分断され微細化されても、一方向弁１６４で再集約させ、再び集約された気泡で改質器２０へ向けて送り出すことができる。
【００６９】
また、本実施形態では、水自立システムが構成されている。なお、水道水である水供給源２４からの水を改質器２０へ供給するように構成してもよい。水自立システムでは、水供給源２４が、排気ガス中に含まれる水を回収し、凝縮水を第１の貯水タンク２６ａに供給する構成となっている。なお、水道水を用いた場合、改質器２０へ供給する際に気泡があらわれるおそれがあり、水自立システムの場合においても、排気ガス中に含まれた炭酸ガスが気泡としてあらわれるおそれがある
【００７０】
図１０は、水流量センサ１３４の構成図である。本実施形態の水流量センサ１３４は、気泡検知手段としても機能するものであり、ケース１３４ａ内に２つの歯車１３４ｄ，１３４ｅを備えた歯車式（ギヤ式）の流量センサである。この水流量センサ１３４では、ケース１３４ａの入口１３４ｂから入った流体は、ケース１３４ａの内面に沿って流れ、対向する位置に設けられた出口１３４ｃから出力されるようになっている。２つの歯車１３４ｄ，１３４ｅは、この流体によって回転し、流量に応じた回転速度信号（流量検出信号）を制御部１１０へ出力する。
【００７１】
制御部１１０は、流量検出信号から水流量センサ１３４を通過している流体（水）の流量を検出することができる。水供給配管１５９内に気泡が混入した場合には、歯車１３４ｄ，１３４ｅの回転速度が低下するので、気泡通過前後と比べて気泡通過中は、流量検出信号が小さくなる。これにより、制御部１１０は、気泡が水流量センサ１３４を通過したことを検出することができる。
【００７２】
本実施形態では、制御部１１０が流量指令値に基づく駆動信号をパルスポンプ１５８へ送出することにより、パルスポンプ１５８が駆動信号に基づき、流量指令値の水流量（水供給量）で水を圧送する。また、制御部１１０は、水流量センサ１３４から流量検出信号を受け取り、水流量を検出する。本実施形態では、水供給手段として、制御部１１０と水流量調整ユニット２８を含んでいる。
【００７３】
次に、図１１及び図１２により、本実施形態の燃料電池システム１の作用について説明する。
図１１は、気泡が混入した際に水流量センサ１３４によって得られる水流量（水供給量）の時間変化を示している。
図１１では、時間ｔ0〜ｔ3の間、制御部１１０は、所定の水流量Ｑ0を指示する流量指令値に基づいてパルスポンプ１５８を作動させており、これにより、パルスポンプ１５８は、単位時間当たりの水供給量が水流量Ｑ0となるように継続的に作動する。また、このとき、水流量センサ１３４からの流量検出信号は、水流量Ｑ0を示す（時間ｔ0〜ｔ1）。なお、このときの流量指令値に基づく水流量Ｑ0は、改質器２０内で水蒸気改質反応を行うのに適切な水供給量に設定されたものである。
【００７４】
気泡が水流量センサ１３４を通過するとき、噛み込んだ気泡の分だけ、水流から歯車１３４ｄ，１３４ｅへ与えられる回転駆動力が減少するので、歯車１３４ｄ，１３４ｅの回転速度が低下する。これにより、水流量センサ１３４から制御装置１１０へ出力される流量検出信号の値が低下するので、微小な気泡であっても確実に検出することができる。
なお、本実施形態では、気泡集約手段１６３により微細な気泡が検知し易い適切な大きさに集約され、この集約された気泡が水流量センサ１３４を通過するので、水流量センサ１３４によって確実に気泡検知することができる。また、気泡を集約する構成を採用することにより、水流量センサ１３４の精度が微細な気泡を検出できるような高精度なものでなくてもよくなり、ある程度の大きさの気泡を確実に検出可能であればよい。
【００７５】
制御部１１０は、低下した流量検出信号が気泡判別のための流量閾値Ｑthを下回ると、気泡が通過したことを検知する。なお、この流量閾値Ｑthは、固定値であってもよいし、流量指令値に基づく水流量Ｑ0の大きさに応じて設定される値であってもよいし、流量指令値に基づく水流量Ｑ0からの低下量又は低下割合から決定される値であってもよい。
【００７６】
図１１の場合、制御部１１０は、時間ｔ1〜ｔ2の間、気泡の通過を検出している。
時間ｔ2以降、気泡の通過後は、再び、水流が水流量Ｑ0で水流量センサ１３４を通過するので、水流量センサ１３４からの流量検出信号は水流量Ｑ0に戻る（時間ｔ2〜ｔ3）。
【００７７】
気泡が配管１５９中に混入すると、気泡が蒸発器２０ａへ到達したとき、気泡の体積分だけ水供給量が減少することになる。しかも、水蒸気改質反応に用いられる水流量は時間当たり僅かであるので、必要な水流量に対するこの気泡分の減少は相対的に大きいものとなる。これにより、一時的に水不足状態となり、上述のように炭素析出により改質器２０が劣化するおそれがある。
【００７８】
このため、本実施形態では、気泡到達に起因して水不足状態となることを防止するために、所定の短期間毎に時間平均した場合に、水蒸気改質反応に必要な水流量Ｑ0が適切に供給されるように構成されている。したがって、気泡到達前には、短時間の間、一時的に水供給過剰となる。具体的には、本実施形態では、気泡が蒸発器２０ａに到達する前の所定期間に、パルスポンプ１５８によるポンプ供給速度を、水蒸気改質反応に必要な流量指令値に基づく水流量Ｑ0よりも増加することにより、気泡よりも下流側（蒸発器２０ａ側）にある配管１５９ｃ内の水を、水流量Ｑ0よりも大きい流量で予め蒸発器２０ａに供給する。
【００７９】
これにより、気泡が蒸発器２０ａに到達した時点で、気泡の体積分の水を予め蒸発器２０ａに事前に供給しておくことができ、時間的に平均すると水流量Ｑ0で蒸発器２０ａに水供給することが可能となる。これにより、気泡に起因した水不足状態を回避することができる。
【００８０】
制御部１１０は、気泡の検知後、所定条件が満たされると（例えば、気泡検知から所定期間Ｔ1経過して、気泡が水流量センサ１３４と蒸発器２０ａの間の所定位置に到達したこと）、所定期間Ｔ2の間、流量指令値をΔＱだけ増量し水流量をＱ0＋ΔＱに設定する（時間ｔ3〜ｔ4）。これにより、検出された気泡が蒸発器２０ｂへ到達する前までに、気泡到達による不足分の水を蒸発器２０ａに供給することができる。なお、気泡は、時間ｔ4に、又は、時間ｔ4以降に蒸発器２０ａに到達することになる。
【００８１】
制御部１１０は、所定期間Ｔ2が経過すると、又は、気泡が蒸発器２０ａに到達すると、流量指令値を再び元の水流量Ｑ0へ戻す。これにより、気泡到達後は、再び、適切な水流量Ｑ0で水が蒸発器２０ａに供給される。
【００８２】
より詳細には、制御部１１０は、気泡が蒸発器２０ａから所定距離Ｄ2だけ離れた所定位置Ｐに到達した時点（時間ｔ3）から蒸発器２０ａに到達するまでの間（〜時間ｔ4）に、水流量を増量する。気泡が検出されてから気泡が位置Ｐに到達するまでの期間Ｔ1は、気泡検知までの実測した水流量（Ｑ0）（又は流量指令値に基づく水流量），水流量センサ１３４から位置Ｐまでの経路距離Ｄ1，配管１５９の管径等に応じて算出されるものであり、より具体的には、水流量Ｑ0のときに気泡が配管１５９を移動する速度で経路距離Ｄ1を割る（除算）ことにより算出することができる。
【００８３】
また、気泡が位置Ｐから蒸発器２０ａに到達するまでの期間Ｔ2（又は、気泡が蒸発器２０ａに到達した時点ｔ4）は、実測した水流量（Ｑ0）（又は流量指令値に基づく水流量）に増量分ΔＱを加算した水流量（Ｑ0＋ΔＱ），位置Ｐから蒸発器２０ａまでの経路距離Ｄ2，配管１５９の管径等に応じて算出されるものであり、より具体的には、水流量Ｑ0＋ΔＱ（＝Ｑ1）のときに気泡が配管１５９を移動する速度で経路距離Ｄ2を割る（除算）ことにより算出することができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、気泡が位置Ｐに到達する時点及び蒸発器２０ａに到達する時点を計算処理により推定しているが、これに限らず、位置Ｐ及び蒸発器２０ａの入口近傍に別の気泡検知センサを設けて、気泡の各位置への到達を直接検出するように構成してもよい。
【００８５】
本実施形態では、経路距離Ｄ2は固定値であり、この場合、水流量Ｑ0や気泡検知期間（例えば、時間ｔ1〜ｔ2）に応じて増量分ΔＱを変更することにより、気泡による水の不足分を過不足無く正確に補償することができる。例えば、気泡による水の不足分は、気泡検知期間に所定の係数を乗算することにより推定することができ、増量分ΔＱと期間Ｔ2を乗算した値に等しくなる。よって、水流量Ｑ0、経路距離Ｄ2等に基づいて、期間Ｔ2及び増分量ΔＱを算出することができる。定性的には、水流量Ｑ0が小さい場合や気泡検知期間が短い場合には、増量分ΔＱがより小さい値に設定され、水流量Ｑ0が大きい場合や気泡検知期間が長い場合には、増量分ΔＱがより大きい値に設定される。
【００８６】
なお、経路距離Ｄ2は可変値であってもよく、この場合、増量分ΔＱは固定値とすることができ、水流量Ｑ0や気泡検知期間（例えば、時間ｔ1〜ｔ2）に応じて経路距離Ｄ2を変更することにより、気泡による水の不足分を過不足無く正確に補償することができる。例えば、水流量Ｑ0、増分量ΔＱ等に基づいて、期間Ｔ2及び経路距離Ｄ2を算出することができる。定性的には、水流量Ｑ0が小さい場合や気泡検知期間が短い場合には、増量分ΔＱがより小さい値に設定され、水流量Ｑ0が大きい場合や気泡検知期間が長い場合には、増量分ΔＱがより大きい値に設定される。
【００８７】
さらには、経路距離Ｄ2及び増量分ΔＱを共に可変値として、気泡による水の不足分を正確に補償するように構成してもよい。
また、気泡による水の不足分を厳密な正確さで補償しなくてよい場合は、経路距離Ｄ2及び増量分ΔＱを共に固定値としてもよい。
【００８８】
また、本実施形態では、気泡集約手段１６３により微細な気泡を集約し、集約されて有る程度の大きさになった気泡を水流量センサ１３４に送り出すので、微細な気泡がばらばらと離散的に水流量センサ１３４やその下流の改質器２０へ到達することがなくなる。これにより、本実施形態では、気泡が改質器２０へ到達するタイミングに合わせて確実に水を増量させることができる。
【００８９】
また、気泡集約手段１６３によって集約された気泡が、水流量センサ１３４を通過する間に分断されるおそれがある。分断されると、小さくなった気泡毎に配管１５９との接触抵抗が相違し、この相違によって各気泡が改質器２０へ到達するタイミングが異なるおそれがある。
しかしながら、本実施形態では、水流量センサ１３４の下流側に第２気泡集約手段である一方向弁１６４が設けられているので、集約された気泡が水流量センサ１３４で分断され、微細化された場合であっても、一方向弁１６４で再集約させることができる。これにより、水流量センサ１３４で検出された（集約された）気泡を、再集約させて、計算通りに正確に位置Ｐ及び改質器２０へ送り出すことができ、気泡の到達に合わせてタイミング良く水を増量することが可能となる。
【００９０】
なお、本実施形態では、位置Ｐが水流量センサ１３４よりも下流側（蒸発器２０ａ側）に設定されているが、これに限らず、水流量センサ１３４の位置を位置Ｐに一致させてもよい。このように構成すると、気泡が位置Ｐに到達するまでの時間Ｔ1を算出する必要がなくなり、計算処理に起因する水供給量の推定誤差を低減することができる。
また、本実施形態では、水流量センサ１３４が、パルスポンプ１５８よりも下流側（蒸発器２０ａ側）に配置されているが、これに限らず、水流量センサ１３４をパルスポンプ１５８よりも上流側に配置してもよい。
【００９１】
図１２により、制御部１１０によって実行される気泡検知に基づく水供給量補償処理の処理フローについて説明する。この処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。
まず、この水供給量補償処理では、制御部１１０は、流量閾値Ｑthに基づき、水流量センサ１３４から受け取る流量検出信号に応じて、水流量センサ１３４を気泡が通過しているか否かを判定する（ステップＳ１）。
気泡が検出されなかった場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、制御部１１０は、水供給量補償処理を終了し、所定時間後にステップＳ１の処理を再実行する。
一方、気泡が検出された場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御部１１０は、タイマーをスタートする（ステップＳ２）。
【００９２】
制御部１１０は、上述のように算出された期間Ｔ1が経過するまでは待機し（ステップＳ３：Ｎｏ）、期間Ｔ1が経過すると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、水流量をΔＱだけ増量した流量指令値に基づく駆動信号を、パルスポンプ１５８へ送出する（ステップＳ４）。これにより、パルスポンプ１５８はΔＱだけ増量されたポンプ供給速度で作動する。
【００９３】
制御部１１０は、駆動信号をパルスポンプ１５８へ送出すると同時に、タイマーをリセットし、再びスタートする（ステップＳ５）。
制御部１１０は、上述のように算出された期間Ｔ2が経過するまでは待機し（ステップＳ６：Ｎｏ）、期間Ｔ2が経過すると（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、水流量をΔＱだけ減量し、元に戻した流量指令値に基づく駆動信号を、パルスポンプ１５８へ送出し（ステップＳ７）、処理を終了する。
【００９４】
このように本実施形態では、気泡が検知された場合に、気泡が蒸発器２０ａに到達する前に、蒸発器２０ａで気泡により不足することになる水の不足分を予め補うように、パルスポンプ１５８による水供給速度を一時的に短時間増大させる。そして、気泡が蒸発器２０ａに到達すると、水流量を元に戻し、水供給過剰な状態が継続することを防止する。これにより、本実施形態では、気泡混入による水不足が原因となる改質器２０での炭素析出を防止して、改質器２０の劣化を抑制することができる。
【００９５】
また、本実施形態では、気泡の混入が検出された場合だけ、水供給量を一時的に増大させるので、常時は、適切な水供給量で蒸発器２０ａに水を供給できる。したがって、水不足を考慮して、常時、水供給過剰とすることを防止でき、過剰供給された水による不具合を防止することができる。例えば、改質器２０に使用されている改質触媒がルテニウムである場合には、過剰な水によって改質触媒が酸化され失われる不具合が生じるが、本実施形態ではこのような不具合を防止することができる。
【００９６】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は以下のように改変してもよい。
上記実施形態では、気泡検知手段として、機械式（歯車式）の水流量センサを用いているが、これに限らず、電気式の水流量センサ又は気泡検知センサを用いてもよい。
【００９７】
また、上記実施形態では、気泡検知手段として、水流量センサを用いているが、これに限らず、配管内の気泡の有無（又は水の有無）のみを検出する気泡検知センサを用いてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
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
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２０ａ 蒸発部（蒸発器）
２０ｂ 改質部（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（燃料供給手段）
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
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１３４ 水流量センサ（気泡検知手段）
１５８ パルスポンプ（圧送ポンプ）
１５９ 配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
水を供給する水供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記水供給手段から供給された水を気化する蒸発器と、
前記蒸発器から供給された水を用いて、前記燃料供給手段から供給された燃料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池セルに供給する改質器と、
を備えた凝縮水を利用した水自立型燃料電池システムにおいて、
前記水供給手段は、水を前記蒸発器へ供給する配管と、前記配管を通して水を圧送する圧送ポンプと、前記圧送ポンプの下流の配管に設けられた気泡検知手段と、を備え、
前記水供給手段は、前記気泡検知手段が前記配管中の気泡を検出したとき、前記気泡が前記蒸発器に到達する時点において、前記気泡による水供給量の減少分を前記気泡より下流側の前記配管内の水によって予め補うように、前記気泡が前記蒸発器に到達するまでの間に前記圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給手段は、検出された気泡が、前記蒸発器から所定距離離れた所定位置に到達した時点から前記蒸発器に到達するまでの間に、前記圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されてい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】
前記所定位置よりも上流側に前記圧送ポンプが配置され、前記圧送ポンプと前記所定位置との間に前記気泡検知手段が設けられた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】
前記気泡検知手段は、前記所定位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水供給手段は、前記気泡が検知されてからの経過時間と前記圧送ポンプによる水流量に基づいて、前記配管における前記気泡の位置を推定す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６】
前記気泡検知手段は、ギヤ式流量センサ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７】
前記圧送ポンプと前記気泡検知手段との間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする気泡集約手段が設けられてい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８】
前記気泡検知手段と前記改質器の間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする第２気泡集約手段が設け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。
【請求項９】
前記圧送ポンプと前記気泡検知手段の間の配管を上方から下方に向くように屈曲させた屈曲部を気泡集約手段として構成したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記気泡検知手段と前記改質器の配管途中に前記気泡検知手段から前記改質器へ向かう方向のみに水の供給を許容する一方向弁を設け、該一方向弁による配管抵抗を利用して前記第２気泡集約手段を構成したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池セルと、
水を供給する水供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記水供給手段から供給された水を気化する蒸発器と、
前記蒸発器から供給された水を用いて、前記燃料供給手段から供給された燃料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池セルに供給する改質器と、
を備えた凝縮水を利用した水自立型燃料電池システムにおいて、
前記水供給手段は、水を前記蒸発器へ供給する配管と、前記配管を通して水を圧送する圧送ポンプと、前記圧送ポンプの下流の配管に設けられた気泡検知手段と、を備え、
前記水供給手段は、前記気泡検知手段が前記配管中の気泡を検出したとき、前記気泡が前記蒸発器に到達する時点において、前記気泡による水供給量の減少分を前記気泡より下流側の前記配管内の水によって予め補うように、前記気泡が前記蒸発器に到達するまでの間に前記圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給手段は、検出された気泡が、前記蒸発器から所定距離離れた所定位置に到達した時点から前記蒸発器に到達するまでの間に、前記圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されてい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】
前記所定位置よりも上流側に前記圧送ポンプが配置され、前記圧送ポンプと前記所定位置との間に前記気泡検知手段が設けられた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】
前記気泡検知手段は、前記所定位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水供給手段は、前記気泡が検知されてからの経過時間と前記圧送ポンプによる水流量に基づいて、前記配管における前記気泡の位置を推定す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６】
前記気泡検知手段は、ギヤ式流量センサ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７】
前記圧送ポンプと前記気泡検知手段との間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする気泡集約手段が設けられてい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８】
前記気泡検知手段と前記改質器の間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする第２気泡集約手段が設け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。
【請求項９】
前記圧送ポンプと前記気泡検知手段の間の配管を上方から下方に向くように屈曲させた屈曲部を気泡集約手段として構成したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記気泡検知手段と前記改質器の配管途中に前記気泡検知手段から前記改質器へ向かう方向のみに水の供給を許容する一方向弁を設け、該一方向弁による配管抵抗を利用して前記第２気泡集約手段を構成したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−６９３９０（Ｐ２０１２−６９３９０Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３４６９（Ｐ２０１０−２１３４６９）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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