燃料電池装置
【課題】水供給部の温度を精度よく測定する燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置１は、燃料電池セルと、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料ガスを燃料電池セルに供給する改質器６と、改質器６の内部に配置される水供給部を有する水供給器１１と、改質器６の内部で水供給部の温度を測定する温度測定部と、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、水供給器１１から改質器６に供給する水供給量を制御する制御部８とを有する。
【解決手段】燃料電池装置１は、燃料電池セルと、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料ガスを燃料電池セルに供給する改質器６と、改質器６の内部に配置される水供給部を有する水供給器１１と、改質器６の内部で水供給部の温度を測定する温度測定部と、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、水供給器１１から改質器６に供給する水供給量を制御する制御部８とを有する。
【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（酸素含有ガス）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が知られている。そしてセルスタック上に配置された燃料ガスを生成するための改質器と、セルスタックと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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
改質器は、水供給器から供給される水と原燃料供給部から供給される原燃料とを用いて水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成しており、内部に水供給部と所定間隔をおいて対向するように温度センサが設けられている。そして、この温度センサの温度を測定することにより、水供給部に水が供給されているか判定する燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５９３７７号公報
【特許文献２】特開２００８−２４３５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、温度センサを水供給部と所定間隔をおいて対向するように改質器の内部に設けた場合に、水供給部に供給される水供給量が少ないと水蒸気のみが温度センサに噴出されることとなる。その場合に、改質器に水が供給されているにも関わらず、改質器に水が供給されていないと判定してしまい、間違った制御がされることとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池セルと、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料ガスを燃料電池セルに供給する改質器と、改質器の内部に配置される水供給部を有する水供給器と、改質器の内部で水供給部の温度を測定する温度測定部と、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、水供給器から改質器に供給する水供給量を制御する制御部とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、水供給部に供給される水供給量が少ない場合においても、水供給部の温度を測定する温度測定部により測定された温度情報に基づき、改質器に水が供給されているか否かを正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池装置を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は図１に示す燃料電池装置を構成する改質器の一部を拡大して示す縦断面図であり、（ｂ）は改質器の変形例の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールを示す概観斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態である燃料電池装置を示すブロック図である。
【図５】図４に示す燃料電池装置の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態である燃料電池装置１について図１を用いて説明する。
【００１０】
燃料電池装置１は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池モジュール２（以下、モジュール２と略す場合がある。）と、モジュール２に原燃料を供給するための原燃料供給源３と、原燃料と凝縮水タンク５により供給される凝縮水とにより水蒸気改質をして燃料ガスを生成する改質器６と、改質器６から供給される燃料ガスと、酸素含有ガス供給源４から供給された酸素含有ガスとにより発電を行なうセルスタック７と、送られてきた各種情報に対して制御信号を供給する制御装置８を備えている。
【００１１】
モジュール２は、収納容器（図示せず）内に備える燃料電池セル（図示せず）の複数個を電気的に直列に接続したセルスタック７により発電しており、発電に使用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガス（空気）はセルスタック７の上方で燃焼させ、水蒸気を含んだ排ガスを排出している。
【００１２】
水蒸気を含んだ排ガスは、モジュール２から排出された後、途中に熱交換器９を通って燃料電池装置１の外部に排出される。排ガスは水素含有ガスを燃焼させることにより生じるため、排ガス中には水蒸気が含まれることとなる。熱交換器９は、排ガスに含まれる水蒸気を冷媒と熱交換することにより、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成している。熱交換器９を通すことにより生成された凝縮水は、燃料電池装置１における凝縮水ラインＬ３に供給され、凝縮水タンク５に貯水される。
【００１３】
凝縮水ラインＬ３は、熱交換器９により生成された凝縮水を改質器６に供給するための供給ラインであり、水供給器１１と、凝縮水タンク５と、凝縮水に含まれる不純物を除去するための凝縮水処理部１０と、凝縮水ポンプ２８とを備えている。
【００１４】
凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水は、改質器６にて燃料ガスを生成する際に使用される。つまり、改質器６にて、原燃料供給源３から供給される原燃料と、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水とにより、水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であることから、モジュール２による燃焼熱を利用して水蒸気改質を行なうことが好ましく、燃料電池装置１では、モジュール２の内部に改質器６を設けた例を示している。さらに図１に示すように、セルスタック７の上方に改質器６が配置されている。それにより、モジュール２の内部で行なわれる燃焼により生じる燃焼熱を効率よく水蒸気改質に利用することができる。
【００１５】
熱交換器９にて排ガスと熱交換する冷媒は冷媒ラインＬ５を循環しており、冷媒ラインＬ５は冷媒供給源１７と冷媒ポンプ１８とにより構成されている。冷媒としては、例えば、水を利用することができ、その場合は冷媒供給源１７として水タンクを利用することができる。また、冷媒として水以外に他の液体を用いてもよく、窒素ガス等の気体を用いることもできる。
【００１６】
原燃料ラインＬ１には、原燃料供給源３と、原燃料ポンプ１４と、改質器６とを有し、凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水を改質器６に供給することにより燃料ガスを生成し、モジュール２に供給している。原燃料としては、都市ガス等の炭化水素系ガスや、石油等の液体燃料を用いることができる。原燃料供給源３は、使用する原燃料にあわせてガスボンベやタンク等を使用することができる。原燃料供給部とは、原燃料供給源３と、原燃料ポンプ１４とを含む原燃料を改質器６に供給するための部位である。
【００１７】
原燃料として液体燃料を用いる場合、改質器６に液体の状態で原燃料が供給されると後述する改質触媒に悪影響を与えることがあるため、原燃料を気化させるための気化部を、改質器６よりも上流側に設けてもよい。それにより、改質器６に気体状態の原燃料（以下原燃料ガスと称する場合がある。）をモジュール２に供給することができる。また、原燃料として、都市ガス等の炭化水素系ガスを用いる場合においても、気化部にて温度の上昇した原燃料ガスとすることができ、改質器６にて効率のよい改質反応を生じさせることができる。さらに、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水を改質器６に供給する必要があるが、凝縮水も気化部にて水蒸気に気化させて改質器６に供給してもよい。
【００１８】
改質器６は、原燃料と水を気化させて生成した水蒸気とを、内部に充填された改質触媒（図示せず）に通して水蒸気改質させることにより燃料ガスを生成している。改質器６には、改質器６に凝縮水を供給するための水供給器１１が接続されており、内部に温度センサ１３を備えた温度測定管１２が、水供給器１１の表面上に接した状態で配置されて改質器６に接続されている。温度計測部とは、温度測定管１２と温度センサ１３とを含む水供給部２２の温度を測定するための部位である。
【００１９】
改質触媒としては、水蒸気改質するために一般的に用いられている改質触媒を用いることができる。例えば、ＰｔやＲｂ等の金属を担持したものを用いることができる。これらの改質触媒の活性化温度範囲は、３００〜４５０℃付近で原燃料ガスと水蒸気とが反応し、燃料ガスを生成することができる。
【００２０】
水蒸気改質とは、例えば、原燃料ガスとしてメタノールを使った場合には、ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２の反応式により燃料ガスである水素を生成することができる。このようにメタノール１モルから水素を３モル生成することができるため、効率のよい改質方法として知られている。
【００２１】
酸素含有ガスラインＬ２には、酸素含有ガス供給源４と、酸素含有ガスポンプ１５とを有している。そして、酸素含有ガスはモジュール２に供給され、セルスタック７にて発電に使用されている。酸素含有ガス供給部とは、酸素含有ガス供給源４と、酸素含有ガスポンプ１５とを含み、モジュール２に酸素含有ガスを供給するための部位である。酸素含有ガスとしては、酸素や空気を用いることができ、酸素を用いる場合には酸素含有ガス供給部としてガスボンベを用いることができる。また、空気を用いる場合には酸素含有ガス供給部として外気を用いることができる。
【００２２】
排ガスラインＬ４には、排ガス中に含まれる場合がある有害成分を処理するための排ガス処理部１６を有している。上述したように、モジュール２に供給され発電に使用されなかった燃料ガスと、酸素含有ガスとを混合し燃焼させることにより排ガスを生成している。そのため、排ガスは、燃焼により生じた水蒸気と、燃焼されなかった燃料ガス、不完全燃焼により生じたＣＯおよび酸素含有ガスとを含んでいる。排ガスラインＬ４は、熱交換器９の内部を通って、温度の低い状態とされ、燃料電池装置１の外部に排出されており、温度の高い排ガスに含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水として凝縮水ラインＬ３に供給される。
【００２３】
排ガス処理部１６は、有害成分として排ガスに含まれる燃料ガスやＣＯ等の可燃性のガスを燃料電池装置１の外部に排出しないように、排ガスラインＬ４の下流側に設けられており、燃焼触媒等により構成することができる。燃焼触媒としては、一般的に知られているものを使用することができ、例えば、ＰｔやＲｂ等の金属が担持したものを用いることができる。
【００２４】
制御部８としては、例えば、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。そして、制御部８は、システムの各部を制御することにより、燃料電池装置１の運転を制御している。
【００２５】
また、燃料電池装置１としては、発電効率のよい固体酸化物形燃料電池装置を用いることができる。固体酸化物形燃料電池装置は、通常３５０〜７５０℃の高温下で発電しており、燃焼により生じた熱を吸熱反応である水蒸気改質反応に利用している。また、燃焼により発生した温度の高い排ガスの有する熱は、熱交換器９にて冷媒として設けられた給湯用の水と熱交換することにより、水を温めることができ、発電により生じた熱を効率よく利用することができる。
【００２６】
図２、３を用いて、燃料電池装置１を構成する改質器６について詳細に説明する。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、水供給器１１の上面上に温度測定管１２が接した状態で改質器６に配置されている。温度測定管１２の内部には温度センサ１３が設けられており、それにより、水を改質器６に供給する開口を含む水供給部２２の温度を測定する温度測定部を構成している。水供給器１１および温度測定管１２は供給する水や水蒸気および原燃料が改質器６の外部に流出することを抑えるために、改質器６にろう付けや溶接等の方法により接続されている。そして、原燃料供給管２１の内部に水供給器１１が配置された２重構造となっている。
【００２８】
温度センサ１３は、水供給部２２の温度を測定するために、温度測定管１２の水供給部２２に対応する部位、つまり温度測定管１２の水供給部２２上に位置する部位に配置されている。
【００２９】
水供給器１１および温度測定管１２の先端から所定の距離をあけて触媒保持部２０が設けられており、触媒保持部２０を挟んで水供給器１１および温度測定管１２と反対側（図２においては右側）に改質触媒１９が充填されている。図２に示すように改質触媒１９は、球状または粒子状の多孔質体により形成されており、触媒金属が担持されている。
【００３０】
触媒保持部２０は、改質触媒１９が水供給器１１および温度測定管１２側に移動しないように保持するための部材であり、かつ水蒸気や原燃料は通過させる必要がある。そのため、触媒保持部２０は、金属製のメッシュ等により作製することができる。
【００３１】
つまり、触媒保持部２０は改質器６の内部を仕切る部材でもあり、触媒保持部２０よりも原燃料の流れ方向における上流側が気化部となっており、触媒保持部２０よりも原燃料の流れ方向における下流側が、改質触媒１９が充填された改質部となっている。触媒保持部２０を水供給器１１および温度測定管１２と改質部との間にもう１つ設けて、触媒保持部２０同士に囲まれた領域に多孔質なセラミックボール等の部材を設けて、この領域を気化部として構成してもよい。その場合においては、水を水蒸気に効率よく気化させることができる。
【００３２】
水供給器１１に供給された水は、水供給部２２から水または水蒸気の状態で排出される。また、原燃料供給管２１に供給された原燃料は、原燃料として液体燃料を用いた場合は原燃料または原燃料ガスの状態で排出され、原燃料として気体燃料を用いた場合は原燃料ガスとして排出される。
【００３３】
燃料電池装置１は、水供給器１１の上面上に接した状態で温度測定管１２が設けられており、温度測定管１２の内部に設けられた温度測定部にて水供給器１１の水供給部２２の温度を測定することにより、水供給器１１に水が流れているか否かを判定している。その
ため、水の供給量が少ない場合においても、水供給部２２の温度を測定していることから、水が供給されていないと制御部８にて誤認が生じることを抑えることができる。
【００３４】
さらに、水供給部２２の温度を測定することにより、改質器６に水が供給されていることを確認することができるため、凝縮水ポンプ２８と改質器６との間に流量計を設ける必要がなく、燃料電池装置１の製造コストを下げることができる。
【００３５】
水供給器１１は、金属製の管などにより作製することができ、一端が凝縮水ラインＬ３と接続されており、他端が改質器６の内部に配置されている。つまり、他端は水を改質器６内に供給するための開口を含む水供給部２２となっている。
【００３６】
温度測定管１２も金属製の管などにより作製することができ、一端は温度センサ１３を挿入するための開口を有しており、他端は封止されており、他端部が改質器６の内部に配置されている。そのため、温度センサ１３が水、水蒸気および原燃料に曝されてない構成となる。それにより、温度センサ１３が水蒸気に曝されることなく水供給部２２の温度を測定することができるため、温度センサ１３の劣化を抑えることができる。
【００３７】
また、温度測定管１２を水供給器１１に沿わせるように配置することで、改質器６との接合箇所を減らすことができ、燃料電池装置１の製造コストを下げることができる。また、温度測定管１２の改質器６と接続されていない側を開口させておくことで、温度センサ１３を交換することが容易となりメンテナンス性の向上した燃料電池装置１とすることができる。
【００３８】
温度センサ１３は熱電対やサーミスタを使用することができる。熱電対やサーミスタは測定する温度域に応じて、適宜選択すればよい。
【００３９】
図２（ｂ）は、改質器６の変形例である改質器６´を示している。
【００４０】
改質器６´は、温度測定部としての温度供給管１２および温度センサ１３が、水供給器１１の下面に接した状態で配置されている。その他の構成は図２の改質器６と同じである。なお、温度センサ１３は、温度測定管１２の水供給部２２の下に位置する部位に配置されている。
【００４１】
水供給器１１に供給される水供給量が少ない場合に、水供給器１１の下面近傍にのみ水が流れる場合があるが、温度供給管１２が水供給器１１の下面に接するように配置されているため、水供給器１１に供給される水供給量が非常に少ない場合においても、水供給器１１の水供給部２２の温度を測定して、測定された温度情報に基づき水の供給の有無を判定することができる。
【００４２】
なお、温度測定部としての温度供給管１２および温度センサ１３を用いた場合を示したが、温度センサ１３のみを用いてもよい。その場合は、水供給器１１の表面に温度センサ１３が直接設けられるように配置すればよい。
【００４３】
図３を用いてモジュール２の構造について説明する。
【００４４】
モジュール２は、直方体状の収納容器２６の内部に、燃料電池セル２３を電気的に直列に接続してなるセルスタック７を収納してなる。セルスタック７は、それぞれの燃料電池セル２３の下端部を固定するとともに、燃料電池セル２３に燃料ガスを供給するためのガスタンク２５と、ガスタンク２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管２４とを有している。
【００４５】
改質器６は、平面視してＵの字型の形状を有しており、改質器６の一端に原燃料供給管２１が接続されており、他端に燃料ガス供給管２４が接続されている。原燃料供給管２１により供給された原燃料は、燃料ガスに改質されながら、燃料電池セル２３の配列方向に沿って流れ、折り返して燃料ガス供給管２４に流れることとなる。
【００４６】
なお、図３においては、収納容器２６の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック７および改質器６を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示した燃料電池モジュール２においては、セルスタック７を、収納容器２６内にスライドして収納することが可能である。
【００４７】
また収納容器２６の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２７は、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル２３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとをセルスタック７の上方で燃焼させることにより、セルスタック７の温度を効果的に上昇させることができ、燃料電池装置１の起動を早めることができる。また、セルスタック７の上方にて、燃焼させることにより、セルスタック７の上方に配置された改質器６を温めることができる。それにより、改質器６で効率よく改質反応を行うことができる。
【００４８】
次に、図１を参照して燃料電池装置１の作動中における改質器６への水の供給の有無の判定について説明する。改質器６への水の供給の有無の判定は、温度測定部（温度センサ１３）により所定の温度範囲に該当するか判定する。温度測定部により測定された温度情報が所定の温度範囲に含まれる場合は、水供給部２２まで水が供給されていると判定し、所定の温度範囲に含まれない場合は、水供給部２２まで水が供給されていないと判定する。所定の温度範囲とは、水供給器１１の内部を水が流れることから、５０℃以上１２０℃未満とすることができる。
【００４９】
水供給部２２まで水が供給されていない場合は、温度測定部にて測定された温度情報が高い温度を示すこととなる。そのため、所定の温度範囲よりも高い第１の所定値を超えた場合は、水供給部２２まで水が供給されていないと判定し、補機（図示せず）を緊急停止するように制御部８が制御する。ここで、補機とは、燃料電池装置１を作動させるための装置であり、具体的には、原燃料ポンプ１４や酸素含有ガスポンプ１５や冷媒ポンプ１８や凝縮水ポンプ２８等のことである。
【００５０】
第１の所定値として、例えば、１２０℃〜１３０℃の温度範囲における特定の温度あるいは温度範囲として設定することができる。温度測定部により測定された温度情報が、第１の所定値を超えると、改質器６の内部に配置された水供給部２２に水が存在しないこととなり、改質器６の内部の温度が上昇し、改質器６の内部に設けられた改質触媒１９が劣化する場合がある。そのため、制御部８により、補機を緊急停止させ、燃料電池装置１を緊急停止させる。
【００５１】
燃料電池装置１の緊急停止とは、いわゆるシャットダウン処理のことであり、補機を緊急停止させることにより燃料電池装置１の作動を緊急停止させることができる。
【００５２】
また、所定の温度範囲の中で、第１の温度範囲と該第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲とを設けることができる。つまり、第１の温度範囲が高温側となり、第２の温度範囲が低温側となる。例えば、１００℃以上１２０℃未満の温度範囲を第１の温度範囲として、５０℃以上１００℃未満の温度範囲を第２の温度範囲とすることができる。
【００５３】
そして、制御部８は、温度測定部により測定された温度情報が、第１の温度範囲に含まれるとき、第２の温度範囲に含まれるときに水供給器１１から改質器６に供給される水供給量よりも多くなるように制御することができる。
【００５４】
つまり、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、改質器６に供給される水供給量を可変させている。また、第１の温度範囲と第２の温度範囲においてのみ改質器６に供給される水供給量を制御するのではなく、他の温度範囲を設定し、その温度範囲においても改質器６に供給される水供給量を制御するようにしてもよい。その際においても、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、制御部８が温度範囲のいずれに該当するか判定を行ない、当該判定結果に基づいた信号を凝縮水ポンプ２８に送り、改質器６に供給される水供給量を制御すればよい。
【００５５】
水供給器１１から改質器６に供給する水供給量は、実験やシミュレーションによりデータテーブルを作成し、データテーブルに基づいて制御すればよい。例えば、水供給器１１から改質器６に供給する水供給量と、燃料電池装置１の発電出力との関係のデータテーブルを作成し、制御部８が、要求される発電出力に基づき、データテーブルを参照して水供給器１１から改質器６に供給する水供給量を決定する制御を行なえばよい。なお、制御部８が改質器６に供給される水供給量を温度範囲ごとに段階的に可変させている例を示しているが、所定の計算式を用いて、セルスタック７に供給される水素含有ガスの量から、改質器６に供給する水供給量を算出して、それに従い水を供給してもよい。
【００５６】
さらに、所定時間、凝縮水ポンプ２８を制御部８が水供給器１１から改質器６に供給する水供給量が多くなるように制御した後に、温度測定部にて測定された温度情報が第１の温度範囲となった場合に、制御部８が水供給器１１から改質器６に供給する量を通常作動時に供給する量に制御してもよい。それにより、燃料電池装置１を緊急停止させることなく、作動させることができる。
【００５７】
図４を用いて、本発明の他の実施形態である燃料電池装置３０を説明する。
【００５８】
燃料電池装置３０は、モジュール２の内部に改質器６を加熱するための加熱部３１が設けられており、その他の構成は燃料電池装置１と同様である。なお、第１の実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００５９】
燃料電池装置３０は、セルスタック７の上方に加熱部３１が配置されており、燃料電池装置３０の起動時において、加熱部３１を作動させて、燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させている。それにより、燃焼により生じた熱を用いて、セルスタック７および改質器６を温めることができ、燃料電池装置３０の起動時間を短縮することができる。加熱部３１としては、電流を流すことで発熱するヒータ等を用いることができる。
【００６０】
燃料電池装置３０の起動方法について図５を用いて説明する。
【００６１】
燃料電池装置３０は、外部からの信号として起動スイッチ等の入力が確認されると、起動を開始する。起動が開始すると制御部８は、酸素含有ガスポンプ１５を起動させ、まず、酸素含有ガスポンプ２１が作動し、燃料電池装置３０（より詳しくはモジュール２）の内部に酸素含有ガス供給源４から酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスポンプ１５は、起動開始後１分程度は、燃料電池装置３０内に酸素含有ガスを充填させるために、例えば６０〜１００Ｌ／分で作動させ、その後は３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよく、常時３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよい。
【００６２】
次に、制御部８は、加熱部３１を作動させる（Ｓ１０１）。そして、原燃料ガスポンプ
１４を作動させ、モジュール２に原燃料を供給する。加熱部３１により改質器６が温められ、モジュール２内の温度が上昇していくこととなる。そして、制御部８はモジュール２が着火されたかどうか判定する（Ｓ１０２）。
【００６３】
制御部８は、温度測定部により測定された温度情報の昇温速度がしきい値を超えた場合に着火したと判定する。着火すると燃焼により生じる燃焼熱により、加熱部３１による昇温よりも早い速度でモジュール２内が温められるからである。また、着火の判定は、温度測定部により測定された温度情報に基づいてすることもできる。この際に、着火が判定された温度情報のしきい値としては、例えばモジュール２内の起動初期の温度より１００℃高い温度と設定することができる。
【００６４】
また、モジュール３の内部にモジュール温度測定部（図示せず）を設けて、モジュール温度測定部により測定された温度情報に基づいて判断することもでき、その場合においても、着火が判定されるしきい値は、例えば、モジュール２内の起動初期の温度より１００℃高い温度と設定することができる。モジュール温度測定部により測定された温度情報の昇温速度が速くなった場合に、加熱部３１によりモジュール３の内部で着火されたと判断してもよい。
【００６５】
次に、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上か否か判定する（Ｓ１０３）。
【００６６】
制御部８は、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上、例えば１００℃以上の場合には、制御部８は、水供給部２２まで水が充填されていないと判定し、凝縮水ポンプ２８を作動させ、水供給器１１に水を供給する（Ｓ１０４）。そして、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上か否か判定する（Ｓ１０５）。所定の設定温度としては、上述したように、例えば、５０℃以上１２０℃未満の温度範囲にある特定の温度あるいは温度範囲として設定することができる。
【００６７】
次に、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上か否か判定する（Ｓ１０５）。温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上の場合には、Ｓ１０５にて、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなるまで繰り返し判定を続ける。
【００６８】
そして、Ｓ１０５にて温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなった場合には、水供給部２２まで水が充填されていると判定し、凝縮水ポンプ２８の作動を停止させ（Ｓ１０６）、燃料電池装置３０の起動を続ける。
【００６９】
Ｓ１０６後の起動は、例えば、モジュール温度測定部にて測定される温度情報が、水蒸気改質が可能な３５０℃以上となった場合に、凝縮水ポンプ２８を作動させ、水供給器１１から改質器６に水の供給を開始して、セルスタック７に水素含有ガスを供給する。そして、セルスタック７の上方にて水素含有ガスを燃焼させて、モジュール２の温度をさらに上昇させる。そして、モジュール温度測定部にて測定される温度情報が、セルスタック７の発電可能な温度である７５０℃となると、燃料電池装置３０と外部負荷とを接続して、燃料電池装置３０が発電を開始する。つまり、燃料電池装置３０が発電を開始するまでを燃料電池装置３０の起動時と称することができる。
【００７０】
また、制御部８は、Ｓ１０３にて温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低い場合およびＳ１０５にて温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなった場合には、制御部８は、水供給部２２まで水が充填されたと判定する。そして、制御部８が水供給部２２まで水が充填されたと判定した場合、上述した
通常の起動方法による燃料電池装置３０の起動を続ける。
【００７１】
これらの制御を行い燃料電池装置３０は、通常の作動運転に移ることとなる。通常の作動運転とは、燃料電池装置３０が外部負荷と接続され、外部負荷に追従して発電する運転方法である。
【００７２】
つまり、制御部８は、燃料電池装置３０の起動時に、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上の場合に、水供給器１１から改質器６に水を供給させる制御を行なう。
【００７３】
このような制御を行なうことで、水供給部２２まで水が充填された状態で燃料電池装置３０の起動を行なうことができる。それにより、改質器６に水を供給するように制御部８から信号が送られると、すぐに水供給器１１から改質器６に水が供給されることとなる。それにより、改質器６にすぐに水が供給されずに改質器６の温度が上昇することを低減することができ、改質触媒１９に炭素析出が生じることを抑えることができる。
【００７４】
また、制御部８は、水供給器１１から改質器６に水を供給させた後、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなった場合に、水供給器１１から改質器６への水の供給を停止させる制御を行うため、水供給部２２まで水を充填させた状態で燃料電池装置３０の起動を行なうことができるとともに、余分な水蒸気の発生を抑えることができる。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態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。
【００７６】
例えば、循環ラインＬ３を設けず改質器に凝縮水を供給せず、直接水を供給する構成でもよい。その場合においても、水供給器の温度を温度測定部により測定された温度情報に基づいて制御部が制御することにより、改質器に供給する水ラインに不具合が生じた場合も精度よく不具合を検知することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１、３０：燃料電池装置
２：燃料電池モジュール
３：原燃料供給源
４：酸素含有ガス供給源
５：貯水タンク
６：改質器
７：セルスタック
８：制御部
９：熱交換器
１０：凝縮水処理部
１１：水供給器
１２：温度測定管
１３：温度センサ
１４：原燃料ポンプ
１５：酸素含有ガスポンプ
１６：排ガス処理部
１７：冷媒供給源
１８：冷媒ポンプ
２２：水供給部
２８：凝縮水ポンプ
３１：加熱部
Ｌ１：原燃料ライン
Ｌ２：酸素含有ガスライン
Ｌ３：凝縮水ライン
Ｌ４：排ガスライン
Ｌ５：冷媒ライン
【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（酸素含有ガス）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が知られている。そしてセルスタック上に配置された燃料ガスを生成するための改質器と、セルスタックと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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
改質器は、水供給器から供給される水と原燃料供給部から供給される原燃料とを用いて水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成しており、内部に水供給部と所定間隔をおいて対向するように温度センサが設けられている。そして、この温度センサの温度を測定することにより、水供給部に水が供給されているか判定する燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５９３７７号公報
【特許文献２】特開２００８−２４３５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、温度センサを水供給部と所定間隔をおいて対向するように改質器の内部に設けた場合に、水供給部に供給される水供給量が少ないと水蒸気のみが温度センサに噴出されることとなる。その場合に、改質器に水が供給されているにも関わらず、改質器に水が供給されていないと判定してしまい、間違った制御がされることとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池セルと、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料ガスを燃料電池セルに供給する改質器と、改質器の内部に配置される水供給部を有する水供給器と、改質器の内部で水供給部の温度を測定する温度測定部と、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、水供給器から改質器に供給する水供給量を制御する制御部とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、水供給部に供給される水供給量が少ない場合においても、水供給部の温度を測定する温度測定部により測定された温度情報に基づき、改質器に水が供給されているか否かを正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池装置を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は図１に示す燃料電池装置を構成する改質器の一部を拡大して示す縦断面図であり、（ｂ）は改質器の変形例の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールを示す概観斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態である燃料電池装置を示すブロック図である。
【図５】図４に示す燃料電池装置の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態である燃料電池装置１について図１を用いて説明する。
【００１０】
燃料電池装置１は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池モジュール２（以下、モジュール２と略す場合がある。）と、モジュール２に原燃料を供給するための原燃料供給源３と、原燃料と凝縮水タンク５により供給される凝縮水とにより水蒸気改質をして燃料ガスを生成する改質器６と、改質器６から供給される燃料ガスと、酸素含有ガス供給源４から供給された酸素含有ガスとにより発電を行なうセルスタック７と、送られてきた各種情報に対して制御信号を供給する制御装置８を備えている。
【００１１】
モジュール２は、収納容器（図示せず）内に備える燃料電池セル（図示せず）の複数個を電気的に直列に接続したセルスタック７により発電しており、発電に使用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガス（空気）はセルスタック７の上方で燃焼させ、水蒸気を含んだ排ガスを排出している。
【００１２】
水蒸気を含んだ排ガスは、モジュール２から排出された後、途中に熱交換器９を通って燃料電池装置１の外部に排出される。排ガスは水素含有ガスを燃焼させることにより生じるため、排ガス中には水蒸気が含まれることとなる。熱交換器９は、排ガスに含まれる水蒸気を冷媒と熱交換することにより、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成している。熱交換器９を通すことにより生成された凝縮水は、燃料電池装置１における凝縮水ラインＬ３に供給され、凝縮水タンク５に貯水される。
【００１３】
凝縮水ラインＬ３は、熱交換器９により生成された凝縮水を改質器６に供給するための供給ラインであり、水供給器１１と、凝縮水タンク５と、凝縮水に含まれる不純物を除去するための凝縮水処理部１０と、凝縮水ポンプ２８とを備えている。
【００１４】
凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水は、改質器６にて燃料ガスを生成する際に使用される。つまり、改質器６にて、原燃料供給源３から供給される原燃料と、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水とにより、水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であることから、モジュール２による燃焼熱を利用して水蒸気改質を行なうことが好ましく、燃料電池装置１では、モジュール２の内部に改質器６を設けた例を示している。さらに図１に示すように、セルスタック７の上方に改質器６が配置されている。それにより、モジュール２の内部で行なわれる燃焼により生じる燃焼熱を効率よく水蒸気改質に利用することができる。
【００１５】
熱交換器９にて排ガスと熱交換する冷媒は冷媒ラインＬ５を循環しており、冷媒ラインＬ５は冷媒供給源１７と冷媒ポンプ１８とにより構成されている。冷媒としては、例えば、水を利用することができ、その場合は冷媒供給源１７として水タンクを利用することができる。また、冷媒として水以外に他の液体を用いてもよく、窒素ガス等の気体を用いることもできる。
【００１６】
原燃料ラインＬ１には、原燃料供給源３と、原燃料ポンプ１４と、改質器６とを有し、凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水を改質器６に供給することにより燃料ガスを生成し、モジュール２に供給している。原燃料としては、都市ガス等の炭化水素系ガスや、石油等の液体燃料を用いることができる。原燃料供給源３は、使用する原燃料にあわせてガスボンベやタンク等を使用することができる。原燃料供給部とは、原燃料供給源３と、原燃料ポンプ１４とを含む原燃料を改質器６に供給するための部位である。
【００１７】
原燃料として液体燃料を用いる場合、改質器６に液体の状態で原燃料が供給されると後述する改質触媒に悪影響を与えることがあるため、原燃料を気化させるための気化部を、改質器６よりも上流側に設けてもよい。それにより、改質器６に気体状態の原燃料（以下原燃料ガスと称する場合がある。）をモジュール２に供給することができる。また、原燃料として、都市ガス等の炭化水素系ガスを用いる場合においても、気化部にて温度の上昇した原燃料ガスとすることができ、改質器６にて効率のよい改質反応を生じさせることができる。さらに、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水を改質器６に供給する必要があるが、凝縮水も気化部にて水蒸気に気化させて改質器６に供給してもよい。
【００１８】
改質器６は、原燃料と水を気化させて生成した水蒸気とを、内部に充填された改質触媒（図示せず）に通して水蒸気改質させることにより燃料ガスを生成している。改質器６には、改質器６に凝縮水を供給するための水供給器１１が接続されており、内部に温度センサ１３を備えた温度測定管１２が、水供給器１１の表面上に接した状態で配置されて改質器６に接続されている。温度計測部とは、温度測定管１２と温度センサ１３とを含む水供給部２２の温度を測定するための部位である。
【００１９】
改質触媒としては、水蒸気改質するために一般的に用いられている改質触媒を用いることができる。例えば、ＰｔやＲｂ等の金属を担持したものを用いることができる。これらの改質触媒の活性化温度範囲は、３００〜４５０℃付近で原燃料ガスと水蒸気とが反応し、燃料ガスを生成することができる。
【００２０】
水蒸気改質とは、例えば、原燃料ガスとしてメタノールを使った場合には、ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２の反応式により燃料ガスである水素を生成することができる。このようにメタノール１モルから水素を３モル生成することができるため、効率のよい改質方法として知られている。
【００２１】
酸素含有ガスラインＬ２には、酸素含有ガス供給源４と、酸素含有ガスポンプ１５とを有している。そして、酸素含有ガスはモジュール２に供給され、セルスタック７にて発電に使用されている。酸素含有ガス供給部とは、酸素含有ガス供給源４と、酸素含有ガスポンプ１５とを含み、モジュール２に酸素含有ガスを供給するための部位である。酸素含有ガスとしては、酸素や空気を用いることができ、酸素を用いる場合には酸素含有ガス供給部としてガスボンベを用いることができる。また、空気を用いる場合には酸素含有ガス供給部として外気を用いることができる。
【００２２】
排ガスラインＬ４には、排ガス中に含まれる場合がある有害成分を処理するための排ガス処理部１６を有している。上述したように、モジュール２に供給され発電に使用されなかった燃料ガスと、酸素含有ガスとを混合し燃焼させることにより排ガスを生成している。そのため、排ガスは、燃焼により生じた水蒸気と、燃焼されなかった燃料ガス、不完全燃焼により生じたＣＯおよび酸素含有ガスとを含んでいる。排ガスラインＬ４は、熱交換器９の内部を通って、温度の低い状態とされ、燃料電池装置１の外部に排出されており、温度の高い排ガスに含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水として凝縮水ラインＬ３に供給される。
【００２３】
排ガス処理部１６は、有害成分として排ガスに含まれる燃料ガスやＣＯ等の可燃性のガスを燃料電池装置１の外部に排出しないように、排ガスラインＬ４の下流側に設けられており、燃焼触媒等により構成することができる。燃焼触媒としては、一般的に知られているものを使用することができ、例えば、ＰｔやＲｂ等の金属が担持したものを用いることができる。
【００２４】
制御部８としては、例えば、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。そして、制御部８は、システムの各部を制御することにより、燃料電池装置１の運転を制御している。
【００２５】
また、燃料電池装置１としては、発電効率のよい固体酸化物形燃料電池装置を用いることができる。固体酸化物形燃料電池装置は、通常３５０〜７５０℃の高温下で発電しており、燃焼により生じた熱を吸熱反応である水蒸気改質反応に利用している。また、燃焼により発生した温度の高い排ガスの有する熱は、熱交換器９にて冷媒として設けられた給湯用の水と熱交換することにより、水を温めることができ、発電により生じた熱を効率よく利用することができる。
【００２６】
図２、３を用いて、燃料電池装置１を構成する改質器６について詳細に説明する。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、水供給器１１の上面上に温度測定管１２が接した状態で改質器６に配置されている。温度測定管１２の内部には温度センサ１３が設けられており、それにより、水を改質器６に供給する開口を含む水供給部２２の温度を測定する温度測定部を構成している。水供給器１１および温度測定管１２は供給する水や水蒸気および原燃料が改質器６の外部に流出することを抑えるために、改質器６にろう付けや溶接等の方法により接続されている。そして、原燃料供給管２１の内部に水供給器１１が配置された２重構造となっている。
【００２８】
温度センサ１３は、水供給部２２の温度を測定するために、温度測定管１２の水供給部２２に対応する部位、つまり温度測定管１２の水供給部２２上に位置する部位に配置されている。
【００２９】
水供給器１１および温度測定管１２の先端から所定の距離をあけて触媒保持部２０が設けられており、触媒保持部２０を挟んで水供給器１１および温度測定管１２と反対側（図２においては右側）に改質触媒１９が充填されている。図２に示すように改質触媒１９は、球状または粒子状の多孔質体により形成されており、触媒金属が担持されている。
【００３０】
触媒保持部２０は、改質触媒１９が水供給器１１および温度測定管１２側に移動しないように保持するための部材であり、かつ水蒸気や原燃料は通過させる必要がある。そのため、触媒保持部２０は、金属製のメッシュ等により作製することができる。
【００３１】
つまり、触媒保持部２０は改質器６の内部を仕切る部材でもあり、触媒保持部２０よりも原燃料の流れ方向における上流側が気化部となっており、触媒保持部２０よりも原燃料の流れ方向における下流側が、改質触媒１９が充填された改質部となっている。触媒保持部２０を水供給器１１および温度測定管１２と改質部との間にもう１つ設けて、触媒保持部２０同士に囲まれた領域に多孔質なセラミックボール等の部材を設けて、この領域を気化部として構成してもよい。その場合においては、水を水蒸気に効率よく気化させることができる。
【００３２】
水供給器１１に供給された水は、水供給部２２から水または水蒸気の状態で排出される。また、原燃料供給管２１に供給された原燃料は、原燃料として液体燃料を用いた場合は原燃料または原燃料ガスの状態で排出され、原燃料として気体燃料を用いた場合は原燃料ガスとして排出される。
【００３３】
燃料電池装置１は、水供給器１１の上面上に接した状態で温度測定管１２が設けられており、温度測定管１２の内部に設けられた温度測定部にて水供給器１１の水供給部２２の温度を測定することにより、水供給器１１に水が流れているか否かを判定している。その
ため、水の供給量が少ない場合においても、水供給部２２の温度を測定していることから、水が供給されていないと制御部８にて誤認が生じることを抑えることができる。
【００３４】
さらに、水供給部２２の温度を測定することにより、改質器６に水が供給されていることを確認することができるため、凝縮水ポンプ２８と改質器６との間に流量計を設ける必要がなく、燃料電池装置１の製造コストを下げることができる。
【００３５】
水供給器１１は、金属製の管などにより作製することができ、一端が凝縮水ラインＬ３と接続されており、他端が改質器６の内部に配置されている。つまり、他端は水を改質器６内に供給するための開口を含む水供給部２２となっている。
【００３６】
温度測定管１２も金属製の管などにより作製することができ、一端は温度センサ１３を挿入するための開口を有しており、他端は封止されており、他端部が改質器６の内部に配置されている。そのため、温度センサ１３が水、水蒸気および原燃料に曝されてない構成となる。それにより、温度センサ１３が水蒸気に曝されることなく水供給部２２の温度を測定することができるため、温度センサ１３の劣化を抑えることができる。
【００３７】
また、温度測定管１２を水供給器１１に沿わせるように配置することで、改質器６との接合箇所を減らすことができ、燃料電池装置１の製造コストを下げることができる。また、温度測定管１２の改質器６と接続されていない側を開口させておくことで、温度センサ１３を交換することが容易となりメンテナンス性の向上した燃料電池装置１とすることができる。
【００３８】
温度センサ１３は熱電対やサーミスタを使用することができる。熱電対やサーミスタは測定する温度域に応じて、適宜選択すればよい。
【００３９】
図２（ｂ）は、改質器６の変形例である改質器６´を示している。
【００４０】
改質器６´は、温度測定部としての温度供給管１２および温度センサ１３が、水供給器１１の下面に接した状態で配置されている。その他の構成は図２の改質器６と同じである。なお、温度センサ１３は、温度測定管１２の水供給部２２の下に位置する部位に配置されている。
【００４１】
水供給器１１に供給される水供給量が少ない場合に、水供給器１１の下面近傍にのみ水が流れる場合があるが、温度供給管１２が水供給器１１の下面に接するように配置されているため、水供給器１１に供給される水供給量が非常に少ない場合においても、水供給器１１の水供給部２２の温度を測定して、測定された温度情報に基づき水の供給の有無を判定することができる。
【００４２】
なお、温度測定部としての温度供給管１２および温度センサ１３を用いた場合を示したが、温度センサ１３のみを用いてもよい。その場合は、水供給器１１の表面に温度センサ１３が直接設けられるように配置すればよい。
【００４３】
図３を用いてモジュール２の構造について説明する。
【００４４】
モジュール２は、直方体状の収納容器２６の内部に、燃料電池セル２３を電気的に直列に接続してなるセルスタック７を収納してなる。セルスタック７は、それぞれの燃料電池セル２３の下端部を固定するとともに、燃料電池セル２３に燃料ガスを供給するためのガスタンク２５と、ガスタンク２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管２４とを有している。
【００４５】
改質器６は、平面視してＵの字型の形状を有しており、改質器６の一端に原燃料供給管２１が接続されており、他端に燃料ガス供給管２４が接続されている。原燃料供給管２１により供給された原燃料は、燃料ガスに改質されながら、燃料電池セル２３の配列方向に沿って流れ、折り返して燃料ガス供給管２４に流れることとなる。
【００４６】
なお、図３においては、収納容器２６の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック７および改質器６を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示した燃料電池モジュール２においては、セルスタック７を、収納容器２６内にスライドして収納することが可能である。
【００４７】
また収納容器２６の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２７は、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル２３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとをセルスタック７の上方で燃焼させることにより、セルスタック７の温度を効果的に上昇させることができ、燃料電池装置１の起動を早めることができる。また、セルスタック７の上方にて、燃焼させることにより、セルスタック７の上方に配置された改質器６を温めることができる。それにより、改質器６で効率よく改質反応を行うことができる。
【００４８】
次に、図１を参照して燃料電池装置１の作動中における改質器６への水の供給の有無の判定について説明する。改質器６への水の供給の有無の判定は、温度測定部（温度センサ１３）により所定の温度範囲に該当するか判定する。温度測定部により測定された温度情報が所定の温度範囲に含まれる場合は、水供給部２２まで水が供給されていると判定し、所定の温度範囲に含まれない場合は、水供給部２２まで水が供給されていないと判定する。所定の温度範囲とは、水供給器１１の内部を水が流れることから、５０℃以上１２０℃未満とすることができる。
【００４９】
水供給部２２まで水が供給されていない場合は、温度測定部にて測定された温度情報が高い温度を示すこととなる。そのため、所定の温度範囲よりも高い第１の所定値を超えた場合は、水供給部２２まで水が供給されていないと判定し、補機（図示せず）を緊急停止するように制御部８が制御する。ここで、補機とは、燃料電池装置１を作動させるための装置であり、具体的には、原燃料ポンプ１４や酸素含有ガスポンプ１５や冷媒ポンプ１８や凝縮水ポンプ２８等のことである。
【００５０】
第１の所定値として、例えば、１２０℃〜１３０℃の温度範囲における特定の温度あるいは温度範囲として設定することができる。温度測定部により測定された温度情報が、第１の所定値を超えると、改質器６の内部に配置された水供給部２２に水が存在しないこととなり、改質器６の内部の温度が上昇し、改質器６の内部に設けられた改質触媒１９が劣化する場合がある。そのため、制御部８により、補機を緊急停止させ、燃料電池装置１を緊急停止させる。
【００５１】
燃料電池装置１の緊急停止とは、いわゆるシャットダウン処理のことであり、補機を緊急停止させることにより燃料電池装置１の作動を緊急停止させることができる。
【００５２】
また、所定の温度範囲の中で、第１の温度範囲と該第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲とを設けることができる。つまり、第１の温度範囲が高温側となり、第２の温度範囲が低温側となる。例えば、１００℃以上１２０℃未満の温度範囲を第１の温度範囲として、５０℃以上１００℃未満の温度範囲を第２の温度範囲とすることができる。
【００５３】
そして、制御部８は、温度測定部により測定された温度情報が、第１の温度範囲に含まれるとき、第２の温度範囲に含まれるときに水供給器１１から改質器６に供給される水供給量よりも多くなるように制御することができる。
【００５４】
つまり、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、改質器６に供給される水供給量を可変させている。また、第１の温度範囲と第２の温度範囲においてのみ改質器６に供給される水供給量を制御するのではなく、他の温度範囲を設定し、その温度範囲においても改質器６に供給される水供給量を制御するようにしてもよい。その際においても、温度測定部により測定された温度情報に基づいて、制御部８が温度範囲のいずれに該当するか判定を行ない、当該判定結果に基づいた信号を凝縮水ポンプ２８に送り、改質器６に供給される水供給量を制御すればよい。
【００５５】
水供給器１１から改質器６に供給する水供給量は、実験やシミュレーションによりデータテーブルを作成し、データテーブルに基づいて制御すればよい。例えば、水供給器１１から改質器６に供給する水供給量と、燃料電池装置１の発電出力との関係のデータテーブルを作成し、制御部８が、要求される発電出力に基づき、データテーブルを参照して水供給器１１から改質器６に供給する水供給量を決定する制御を行なえばよい。なお、制御部８が改質器６に供給される水供給量を温度範囲ごとに段階的に可変させている例を示しているが、所定の計算式を用いて、セルスタック７に供給される水素含有ガスの量から、改質器６に供給する水供給量を算出して、それに従い水を供給してもよい。
【００５６】
さらに、所定時間、凝縮水ポンプ２８を制御部８が水供給器１１から改質器６に供給する水供給量が多くなるように制御した後に、温度測定部にて測定された温度情報が第１の温度範囲となった場合に、制御部８が水供給器１１から改質器６に供給する量を通常作動時に供給する量に制御してもよい。それにより、燃料電池装置１を緊急停止させることなく、作動させることができる。
【００５７】
図４を用いて、本発明の他の実施形態である燃料電池装置３０を説明する。
【００５８】
燃料電池装置３０は、モジュール２の内部に改質器６を加熱するための加熱部３１が設けられており、その他の構成は燃料電池装置１と同様である。なお、第１の実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００５９】
燃料電池装置３０は、セルスタック７の上方に加熱部３１が配置されており、燃料電池装置３０の起動時において、加熱部３１を作動させて、燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させている。それにより、燃焼により生じた熱を用いて、セルスタック７および改質器６を温めることができ、燃料電池装置３０の起動時間を短縮することができる。加熱部３１としては、電流を流すことで発熱するヒータ等を用いることができる。
【００６０】
燃料電池装置３０の起動方法について図５を用いて説明する。
【００６１】
燃料電池装置３０は、外部からの信号として起動スイッチ等の入力が確認されると、起動を開始する。起動が開始すると制御部８は、酸素含有ガスポンプ１５を起動させ、まず、酸素含有ガスポンプ２１が作動し、燃料電池装置３０（より詳しくはモジュール２）の内部に酸素含有ガス供給源４から酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスポンプ１５は、起動開始後１分程度は、燃料電池装置３０内に酸素含有ガスを充填させるために、例えば６０〜１００Ｌ／分で作動させ、その後は３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよく、常時３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよい。
【００６２】
次に、制御部８は、加熱部３１を作動させる（Ｓ１０１）。そして、原燃料ガスポンプ
１４を作動させ、モジュール２に原燃料を供給する。加熱部３１により改質器６が温められ、モジュール２内の温度が上昇していくこととなる。そして、制御部８はモジュール２が着火されたかどうか判定する（Ｓ１０２）。
【００６３】
制御部８は、温度測定部により測定された温度情報の昇温速度がしきい値を超えた場合に着火したと判定する。着火すると燃焼により生じる燃焼熱により、加熱部３１による昇温よりも早い速度でモジュール２内が温められるからである。また、着火の判定は、温度測定部により測定された温度情報に基づいてすることもできる。この際に、着火が判定された温度情報のしきい値としては、例えばモジュール２内の起動初期の温度より１００℃高い温度と設定することができる。
【００６４】
また、モジュール３の内部にモジュール温度測定部（図示せず）を設けて、モジュール温度測定部により測定された温度情報に基づいて判断することもでき、その場合においても、着火が判定されるしきい値は、例えば、モジュール２内の起動初期の温度より１００℃高い温度と設定することができる。モジュール温度測定部により測定された温度情報の昇温速度が速くなった場合に、加熱部３１によりモジュール３の内部で着火されたと判断してもよい。
【００６５】
次に、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上か否か判定する（Ｓ１０３）。
【００６６】
制御部８は、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上、例えば１００℃以上の場合には、制御部８は、水供給部２２まで水が充填されていないと判定し、凝縮水ポンプ２８を作動させ、水供給器１１に水を供給する（Ｓ１０４）。そして、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上か否か判定する（Ｓ１０５）。所定の設定温度としては、上述したように、例えば、５０℃以上１２０℃未満の温度範囲にある特定の温度あるいは温度範囲として設定することができる。
【００６７】
次に、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上か否か判定する（Ｓ１０５）。温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上の場合には、Ｓ１０５にて、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなるまで繰り返し判定を続ける。
【００６８】
そして、Ｓ１０５にて温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなった場合には、水供給部２２まで水が充填されていると判定し、凝縮水ポンプ２８の作動を停止させ（Ｓ１０６）、燃料電池装置３０の起動を続ける。
【００６９】
Ｓ１０６後の起動は、例えば、モジュール温度測定部にて測定される温度情報が、水蒸気改質が可能な３５０℃以上となった場合に、凝縮水ポンプ２８を作動させ、水供給器１１から改質器６に水の供給を開始して、セルスタック７に水素含有ガスを供給する。そして、セルスタック７の上方にて水素含有ガスを燃焼させて、モジュール２の温度をさらに上昇させる。そして、モジュール温度測定部にて測定される温度情報が、セルスタック７の発電可能な温度である７５０℃となると、燃料電池装置３０と外部負荷とを接続して、燃料電池装置３０が発電を開始する。つまり、燃料電池装置３０が発電を開始するまでを燃料電池装置３０の起動時と称することができる。
【００７０】
また、制御部８は、Ｓ１０３にて温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低い場合およびＳ１０５にて温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなった場合には、制御部８は、水供給部２２まで水が充填されたと判定する。そして、制御部８が水供給部２２まで水が充填されたと判定した場合、上述した
通常の起動方法による燃料電池装置３０の起動を続ける。
【００７１】
これらの制御を行い燃料電池装置３０は、通常の作動運転に移ることとなる。通常の作動運転とは、燃料電池装置３０が外部負荷と接続され、外部負荷に追従して発電する運転方法である。
【００７２】
つまり、制御部８は、燃料電池装置３０の起動時に、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度以上の場合に、水供給器１１から改質器６に水を供給させる制御を行なう。
【００７３】
このような制御を行なうことで、水供給部２２まで水が充填された状態で燃料電池装置３０の起動を行なうことができる。それにより、改質器６に水を供給するように制御部８から信号が送られると、すぐに水供給器１１から改質器６に水が供給されることとなる。それにより、改質器６にすぐに水が供給されずに改質器６の温度が上昇することを低減することができ、改質触媒１９に炭素析出が生じることを抑えることができる。
【００７４】
また、制御部８は、水供給器１１から改質器６に水を供給させた後、温度測定部により測定された温度情報が、所定の設定温度よりも低くなった場合に、水供給器１１から改質器６への水の供給を停止させる制御を行うため、水供給部２２まで水を充填させた状態で燃料電池装置３０の起動を行なうことができるとともに、余分な水蒸気の発生を抑えることができる。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態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。
【００７６】
例えば、循環ラインＬ３を設けず改質器に凝縮水を供給せず、直接水を供給する構成でもよい。その場合においても、水供給器の温度を温度測定部により測定された温度情報に基づいて制御部が制御することにより、改質器に供給する水ラインに不具合が生じた場合も精度よく不具合を検知することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１、３０：燃料電池装置
２：燃料電池モジュール
３：原燃料供給源
４：酸素含有ガス供給源
５：貯水タンク
６：改質器
７：セルスタック
８：制御部
９：熱交換器
１０：凝縮水処理部
１１：水供給器
１２：温度測定管
１３：温度センサ
１４：原燃料ポンプ
１５：酸素含有ガスポンプ
１６：排ガス処理部
１７：冷媒供給源
１８：冷媒ポンプ
２２：水供給部
２８：凝縮水ポンプ
３１：加熱部
Ｌ１：原燃料ライン
Ｌ２：酸素含有ガスライン
Ｌ３：凝縮水ライン
Ｌ４：排ガスライン
Ｌ５：冷媒ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成するとともに、該燃料ガスを前記燃料電池セルに供給する改質器と、
該改質器の内部に配置される水供給部を有する水供給器と、
前記改質器の内部で前記水供給部の温度を測定する温度測定部と、
該温度測定部により測定された温度情報に基づいて、前記水供給器から前記改質器に供給する水供給量を制御する制御部とを有する燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルを作動させる補機をさらに備え、
前記制御部は、前記温度測定部により測定された温度情報が第１の所定値よりも高い場合に、前記補機を緊急停止させる請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記温度測定部が、複数の温度範囲のいずれに該当するかを判定するとともに、当該判定結果に基づいて前記水供給量を前記温度範囲ごとに段階的に可変させる請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記複数の温度範囲は高温側に設定された第１の温度範囲と低温側に設定された第２の温度範囲とを有しており、前記水供給量は、前記温度情報が前記第１の温度範囲に含まれるとき、前記第２の温度範囲に含まれるときよりも多くなるように制御される請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記制御部は、起動時に、前記温度情報が第１の設定温度以上のとき、前記水供給器から前記改質器に水を供給させ、前記温度情報が前記第１の設定温度によりも低いとき、前記水供給器から前記改質器に水を供給しないように制御する請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項１】
燃料電池セルと、
原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成するとともに、該燃料ガスを前記燃料電池セルに供給する改質器と、
該改質器の内部に配置される水供給部を有する水供給器と、
前記改質器の内部で前記水供給部の温度を測定する温度測定部と、
該温度測定部により測定された温度情報に基づいて、前記水供給器から前記改質器に供給する水供給量を制御する制御部とを有する燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルを作動させる補機をさらに備え、
前記制御部は、前記温度測定部により測定された温度情報が第１の所定値よりも高い場合に、前記補機を緊急停止させる請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記温度測定部が、複数の温度範囲のいずれに該当するかを判定するとともに、当該判定結果に基づいて前記水供給量を前記温度範囲ごとに段階的に可変させる請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記複数の温度範囲は高温側に設定された第１の温度範囲と低温側に設定された第２の温度範囲とを有しており、前記水供給量は、前記温度情報が前記第１の温度範囲に含まれるとき、前記第２の温度範囲に含まれるときよりも多くなるように制御される請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記制御部は、起動時に、前記温度情報が第１の設定温度以上のとき、前記水供給器から前記改質器に水を供給させ、前記温度情報が前記第１の設定温度によりも低いとき、前記水供給器から前記改質器に水を供給しないように制御する請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１７４４５９（Ｐ２０１２−１７４４５９Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４７７７（Ｐ２０１１−３４７７７）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]