特開 2024-89942 固体酸化物形燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089942

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240627BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240627BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240627BHJP

   H01M 8/043 20160101ALI20240627BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240627BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/0432

H01M8/04 N

H01M8/043

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022205497

(22)【出願日】2022-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092727

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 忠昭

(72)【発明者】

【氏名】野田 航平

(72)【発明者】

【氏名】樋口 和宏

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC03

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA47

5H127BB02

5H127BB19

5H127DB79

5H127DC83

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

5H127EE30

(57)【要約】      （修正有）

【課題】気化器が高温に上昇するのを抑えて突沸現象が生じるのを防止することができる固体酸化物形燃料電池を提供すること。
【解決手段】改質水を供給する改質水供給手段１４と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段２２と、改質水を気化する気化器２と、燃料ガスを水蒸気改質する改質器４と、改質ガスと空気との燃料電池反応により発電を行うセルスタック６とを備えた固体酸化物形燃料電池。気化器２内に冷却ガスを噴出するための冷却ガス噴出手段４８が設けられ、また気化器に関連して温度を検知するための温度検知手段が設けられ、冷却ガス噴出手段４８から噴出される冷却ガスの噴出量は、温度検知手段の検知温度に基づいて制御される。温度検知手段は、気化器２の底壁における、改質水が滴下する滴下領域乃至その近傍に配設され、冷却ガス噴射手段４８は、滴下領域に向けて冷却ガスを噴出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

改質水を供給する改質水供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、改質水を水蒸気に気化する気化器と、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを前記気化器からの水蒸気と反応させて水蒸気改質する改質器と、前記改質器からの改質ガスと空気との燃料電池反応により発電を行うセルスタックとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記気化器内に冷却ガスを噴出するための冷却ガス噴出手段が設けられているとともに、前記気化器に関連して温度を検知するための温度検知手段が設けられており、前記冷却ガス噴出手段から噴出される冷却ガスの噴出量は、前記温度検知手段の検知温度に基づいて制御されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

【請求項2】

前記改質水供給手段は、改質水を供給する水供給ポンプと、前記水供給ポンプからの改質水を前記気化器に供給する水供給パイプとを含み、前記水供給パイプの先端部が前記気化器内に突出しており、前記温度検知手段は、前記気化器の底壁における、前記水供給パイプを通して改質水が滴下する滴下領域乃至その近傍に配設され、前記冷却ガス噴射手段は、前記気化器の前記滴下領域に向けて冷却ガスを噴出することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項3】

前記冷却ガス噴出手段は、冷却ガスを前記気化器に供給する冷却ガス供給パイプを含み、前記冷却ガス供給パイプを通して前記気化器の前記滴下領域に向けて冷却ガスを噴出し、前記改質水供給手段により改質水が供給される改質水供給期間と、前記冷却ガス噴出手段により冷却ガスが供給される冷却ガス供給期間とは重なっていないことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項4】

前記冷却ガス噴出手段の前記冷却ガス供給パイプには、冷却ガスの流量を調整するガス流量調整弁が配設され、更に、前記冷却ガス噴出手段及び前記ガス流量制御弁を制御するためのコントローラが設けられ、前記コントローラは、ガス流量増加信号を生成するガス流量増加信号生成手段及びガス流量減少信号を生成するガス流量減少信号生成手段を含んでおり、前記温度検知手段の検知温度が上限温度値よりも高くなると、前記ガス流量増加信号生成手段が前記ガス流量増加信号を生成し、前記ガス流量増加信号に基づいて、前記ガス流量調整弁が開方向に制御され、また前記温度検知手段の検知温度が下限温度値よりも低くなると、前記ガス流量減少信号生成手段が前記ガス流量減少信号を生成し、前記ガス流量減少信号に基づいて、前記ガス流量調整弁が閉方向に制御されることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項5】

前記コントローラは、更に、ガス噴出継続信号を生成するガス噴出継続信号生成手段及びガス噴出停止信号を生成するガス噴出停止信号生成手段を含んでおり、前記温度検知手段の検知温度が最大上限温度値より高くなると、前記ガス噴出継続信号生成手段が前記ガス噴出継続信号を生成し、前記ガス噴出継続信号に基づいて、前記冷却ガス噴出手段が前記改質水供給期間において継続して冷却ガスを供給し、また前記温度検知手段の検知温度が最大下限温度値より低くなると、前記ガス噴出停止信号生成手段が前記ガス噴出停止信号を生成し、前記ガス噴出停止信号に基づいて、前記冷却ガス噴出手段が前記冷却ガス供給期間において冷却ガスの噴出を停止することを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項6】

前記冷却ガス噴出手段により供給される冷却ガスは、酸素を含まないガスであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、改質水を気化させる気化器を備えた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」とも称する。）に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として、例えば、燃料ガス（例えば、都市ガスなど）を水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをセルスタックの燃料極（アノード）側に供給し、また酸化剤としての空気をセルスタックの酸素極（カソード）側に供給し、このセルスタックでの燃料電池反応により発電を行うものが実用に供されている。この固体酸化物形燃料電池は、改質水を気化する気化器と、燃料ガスを水蒸気改質する改質器とを備え、改質水が気化器に供給され、気化器にて気化された水蒸気が改質器に送給される。また、燃料ガスは改質器（又は気化器）に供給され、この改質器にて水蒸気を利用して燃料ガスの水蒸気改質が行われる。

【0003】

このようなＳＯＦＣにおいては、改質器で炭化水素系の燃料ガス（例えば、メタン）に対し水蒸気を高温状況下で水蒸気改質させると、次のような反応により、燃料ガスが水素と一酸化炭素に変換される。

【0004】

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ ・・・（１）
一方、燃料ガス（例えば、メタン）を水蒸気なしで加熱すると、次のような反応（ブードー反応）が進行して、炭素が析出する。

【0005】

CH₄ → C + 2H₂
・・・（２）
また、ニッケルのような金属を触媒として、一酸化炭素から次のような反応により炭素が析出する。

【0006】

2CO → C + CO₂ ・・・（３）
セルスタックの燃料極（アノード）上でこのような炭素析出が進行すると、セルスタックの発電性能の低下につながり、また改質器で炭素析出が進行すると、改質器の詰まりや改質触媒の汚れが生じる。

【0007】

このようなことから、この改質器において水蒸気改質が所要の通り起るようにするためには、水蒸気が安定的に供給される必要があり、そのためには、改質水が気化器に供給されて水蒸気が安定して生成され、そして、生成された水蒸気が所要の通りに改質器に送給されて燃料ガスと反応することが重要となる。

【0008】

そこで、気化器（蒸発器）にて安定して水蒸気を発生するようにしたＳＯＦＣが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＳＯＦＣにおいては、燃料ガス及び気化器の下流側は温度が高くなるように、またその上流側は温度が過剰に高くならないようにし、気化器における温度勾配が下流側に向かって高くなるようになっている。このような気化器（蒸発器）では、改質水が気化器の上流側部に供給され、そして、供給された改質水は下流側にその高温部に向けて流れ、このように流すことにより、改質水が徐々に加熱されて水蒸気が生成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第６８４８１０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、このＳＯＦＣにおいては、次のような問題が生じるおそれがある。一般的に、水蒸気改質に用いられる水蒸気を生成するための改質水の量は微量であるのに対し、気化器（蒸発器）内は数百度程度の高温状態であり、それ故に、気化器に供給された改質水（液滴状に供給される）が気化器の接触面（蒸発面）に滴下したときに気化して過熱状態になって突沸が生じるおそれがある。

【0011】

一般的に、液体が沸点に達したときに気泡が生成される現象を沸騰現象と言い、この液体が沸点に達しても気泡が生成なれない状態があり、このような状態を過熱状態と言い、この過熱状態において何らかの刺激（例えば、振動、不純物の混入など）が加わると突然爆発するように沸騰するようになり、このような現象が突沸である。

【0012】

気化器内が過熱状態となり、このような過熱状態において何らかの刺激が作用すると、この気化器内にて突沸が生じるようになる。この突沸が生じると、気化器（蒸発器）内の圧力が急上昇し、燃料ガスが気化器（蒸発室）内に供給されず、燃料枯れという現象に発展するおそれがある。

【0013】

本発明の目的は、気化器が高温に上昇するのを抑えて突沸現象が生じるのを防止することができる固体酸化物形燃料電池を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池は、改質水を供給する改質水供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、改質水を水蒸気に気化する気化器と、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを前記気化器からの水蒸気と反応させて水蒸気改質する改質器と、前記改質器からの改質ガスと空気との燃料電池反応により発電を行うセルスタックとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記気化器内に冷却ガスを噴出するための冷却ガス噴出手段が設けられているとともに、前記気化器に関連して温度を検知するための温度検知手段が設けられており、前記冷却ガス噴出手段から噴出される冷却ガスの噴出量は、前記温度検知手段の検知温度に基づいて制御されることを特徴とする。

【0015】

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記改質水供給手段は、改質水を供給する水供給ポンプと、前記水供給ポンプからの改質水を前記気化器に供給する水供給パイプとを含み、前記水供給パイプの先端部が前記気化器内に突出しており、前記温度検知手段は、前記気化器の底壁における、前記水供給パイプを通して改質水が滴下する滴下領域乃至その近傍に配設され、前記冷却ガス噴射手段は、前記気化器の前記滴下領域に向けて冷却ガスを噴出することを特徴とする。

【0016】

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記冷却ガス噴出手段は、冷却ガスを前記気化器に供給する冷却ガス供給パイプを含み、前記冷却ガス供給パイプを通して前記気化器の前記滴下領域に向けて冷却ガスを噴出し、前記改質水供給手段により改質水が供給される改質水供給期間と、前記冷却ガス噴出手段により冷却ガスが供給される冷却ガス供給期間とは重なっていないことを特徴とする。

【0017】

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記冷却ガス噴出手段の前記冷却ガス供給パイプには、冷却ガスの流量を調整するガス流量調整弁が配設され、更に、前記冷却ガス噴出手段及び前記ガス流量制御弁を制御するためのコントローラが設けられ、前記コントローラは、ガス流量増加信号を生成するガス流量増加信号生成手段及びガス流量減少信号を生成するガス流量減少信号生成手段を含んでおり、前記温度検知手段の検知温度が上限温度値よりも高くなると、前記ガス流量増加信号生成手段が前記ガス流量増加信号を生成し、前記ガス流量増加信号に基づいて、前記ガス流量調整弁が開方向に制御され、また前記温度検知手段の検知温度が下限温度値よりも低くなると、前記ガス流量減少信号生成手段が前記ガス流量減少信号を生成し、前記ガス流量減少信号に基づいて、前記ガス流量調整弁が閉方向に制御されることを特徴とする。

【0018】

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記コントローラは、更に、ガス噴出継続信号を生成するガス噴出継続信号生成手段及びガス噴出停止信号を生成するガス噴出停止信号生成手段を含んでおり、前記温度検知手段の検知温度が最大上限温度値より高くなると、前記ガス噴出継続信号生成手段が前記ガス噴出継続信号を生成し、前記ガス噴出継続信号に基づいて、前記冷却ガス噴出手段が前記改質水供給期間において継続して冷却ガスを供給し、また前記温度検知手段の検知温度が最大下限温度値より低くなると、前記ガス噴出停止信号生成手段が前記ガス噴出停止信号を生成し、前記ガス噴出停止信号に基づいて、前記冷却ガス噴出手段が前記冷却ガス供給期間において冷却ガスの噴出を停止することを特徴とする。

【0019】

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記冷却ガス噴出手段により供給される冷却ガスは、酸素を含まないガスであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、気化器内に冷却ガスを噴出するための冷却ガス噴出手段が設けられ、この冷却ガス噴出手段からの冷却ガスの噴出量が温度検知手段の検知温度に基づいて制御されるので、噴出される冷却ガスによって気化器内の温度が所要温度に維持することができ、改質水の供給量が少なくても所要温度に維持することができ、これにより、気化器内での改質水の突沸を防止することができる。

【0021】

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、改質水は水供給パイプを通して気化器の滴下領域に滴下され、温度検知手段は、気化器の底壁における滴下領域乃至その近傍に配設されるので、滴下領域乃至その近傍の温度（この明細書を通して「滴下領域温度」とも称する。）に基づき、冷却ガス噴出手段から噴出される冷却ガスの噴出量を制御することができる。また、冷却ガス噴射手段はこの滴下領域に向けて冷却ガスを噴出するので、この滴下領域を効果的に冷却することができ、これによって、改質水の滴下量が少なくても急激な温度上昇を抑え、気化器内での改質水の突沸を防止できる。

【0022】

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、水供給パイプを通して供給される改質水の供給期間と冷却ガス供給パイプを通して供給される冷却ガスの供給期間とが重なっていないので、水供給パイプから滴下した改質水が蒸発しているときに冷却ガスが供給されることはなく、このように供給制御することによって、気化器の滴下領域が過冷却となることがなく、水蒸気の発生遅れを防止することができる。

【0023】

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、冷却ガス噴出手段及びガス流量制御弁を制御するためのコントローラは、ガス流量増加信号生成手段及びガス流量減少信号生成手段を含み、温度検知手段の検知温度が上限温度値よりも高くなると、ガス流量増加信号生成手段が生成するガス流量増加信号に基づいて、ガス流量調整弁が開方向に制御されて冷却ガスの噴出量が増大し、また温度検知手段の検知温度が下限温度値よりも低くなると、ガス流量減少信号生成手段が生成するガス流量減少信号に基づいて、ガス流量調整弁が閉方向に制御され冷却ガスの噴出量が減少し、このように冷却ガスの噴出量を調整することによって、気化器の滴下領域温度を所定温度範囲に保つことができる。

【0024】

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、コントローラはガス噴出継続信号生成手段及びガス噴出停止信号生成手段を含み、温度検知手段の検知温度が最大上限温度値より高くなると、ガス噴出継続信号生成手段が生成するガス噴出継続信号に基づいて、冷却ガス噴出手段が改質水供給期間において継続して冷却ガスを供給するので、この改質水供給期間においては改質水及び冷却ガスが気化器の滴下領域に供給され、これによって、この滴下領域が異常高温となるのを防止することができ、また温度検知手段の検知温度が最大下限温度値より低くなると、ガス噴出停止信号生成手段が生成するガス噴出停止信号に基づいて、冷却ガス噴出手段が冷却ガス供給期間において冷却ガスの噴出を停止するので、この冷却ガス供給期間においては改質水及び冷却ガスが気化器の滴下領域に供給されず、これによって、この滴下領域が異常低温になるのを防止することができる。

【0025】

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、冷却ガスが酸素を含まないガスであるので、セルスタックの燃料極が酸化するのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第１の実施形態を示す簡略図。

【図2】第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池の気化器及びそれに関連する構成を示す部分断面図。

【図3】改質水の供給パターンを示す図であって、図３（ａ）は、改質水の供給量が少ないときの供給パターンを示す図、図３（ｂ）は、改質水の供給量が中程度のときの供給パターンを示す図、また図３（ｃ）は、改質水の供給量が多いときの供給パターンを示す図。

【図4】第１の実施形態の固体酸化物燃料電池の制御系を簡略的に示すブロック図。

【図5】図４の制御系による制御の流れを示すフローチャート。

【図6】本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第２の実施形態の制御系を簡略的に示すブロック図。

【図7】図６の制御系による制御の流れを示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池の実施形態について説明する。まず、図１～図５を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第１の実施形態について説明する。

【0028】

図１において、図示の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、改質水を気化する気化器２と、燃料ガス（例えば、都市ガス）を水蒸気改質する改質器４と、燃料電池反応により発電を行う固体酸化物形のセルスタック６とを備えている。この実施形態では、例えば水タンクなどから構成される水供給源８は、水供給パイプ１０（水供給流路を構成する）を介して気化器２に接続され、この水供給パイプ１０に水供給ポンプ１２及び水流量検知手段１３が配設されている。水供給ポンプ１２が作動すると、水供給源８からの水が改質水として水供給パイプ１０を通して気化器２に供給され、水供給源８、水供給ポンプ１２及び水供給パイプ１０（水供給流路）は、気化器２に改質水を供給する水供給手段１４を構成し、水流量検知手段１３（例えば、水流量検知センサ）は、この水供給手段１４から供給される改質水の供給量を検知する。

【0029】

また、例えば燃料タンク、埋設管などから構成される燃料ガス供給源１６は、燃料ガス供給パイプ１８（燃料ガス供給流路を構成する）を介して改質器４に接続され、この燃料ガス供給パイプ１８に燃料ガス供給ポンプ２０及び燃料ガス流量検知手段２１（例えば、燃料ガス流量検知センサ）が配設されている。燃料ガス供給ポンプ２０が作動すると、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスが燃料ガス供給パイプ１８を通して改質器４に供給され、この燃料ガス供給源１６、燃料ガス供給ポンプ２０及び燃料ガス供給パイプ１８（燃料ガス供給流路）は、改質器４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段２２を構成し、燃料ガス流量検知手段２１は、この燃料ガス供給手段２２から供給される燃料ガスの供給量を検知する。

【0030】

気化器２は改質水を水蒸気に気化し、気化器２にて発生した水蒸気は、水蒸気送給流路２４（例えば、水蒸気送給パイプから構成される）を通して改質器４に送給される。改質器４内には改質触媒が充填されており、この改質器４において、気化器２からの水蒸気を利用して燃料ガス供給手段２２から供給された燃料ガスが水蒸気改質される。

【0031】

改質器４にて水蒸気改質された改質ガスは、改質ガス送給流路２６（例えば、改質ガス送給パイプから構成される）を通してセルスタック６の燃料極（アノード）側に送給される。また、酸化剤ガスとしての空気がセルスタック６の酸素極（カソード）側に供給される。セルスタック６の酸素極側には空気供給パイプ２８（空気供給流路を構成する）が接続され、この空気供給パイプ２８に空気ブロア３０及び空気流量検知手段３１（例えば、空気流量検知センサ）が配設されている。空気ブロア３０が作動すると、大気中の空気が空気供給パイプ２８を通してセルスタック６に供給され、この空気ブロア３０及び空気供給パイプ２８が、空気をセルスタック６に供給する空気供給手段３２を構成し、空気流量検知手段３１は、この空気供給手段３２から供給される空気の供給流量を検知する。

【0032】

セルスタック６においては、改質器４からの改質ガス（改質された燃料ガス）と空気供給手段３２からの空気（空気に含まれる酸素）との燃料電池反応により発電が行われる。セルスタック６の燃料極を通して流れた改質ガス（燃料オフガス）及びその酸素極を通して流れた空気（空気オフガス）は、セルスタック６の上方の燃料域３４に流れ、この燃焼域３４にて空気オフガス（空気を含んでいる）により燃料オフガス（燃料ガスを含んでいる）が燃焼される。

【0033】

このＳＯＦＣにおいては、気化器２、改質器４及びセルスタック６は断熱モジュール３６内に収容され、気化器２及び改質器４は、セルスタック６の上方に配置される。このように構成されるので、燃焼域３４での燃焼により気化器２及び改質器４が加熱されて高温状態に保たれるとともに、この燃焼熱を利用して断熱モジュール３６内も高温状態に保たれる。

【0034】

断熱モジュール３６内の燃焼排気ガスは、燃焼ガス排出流路３８（例えば、燃焼ガス排出パイプから構成される）を通して排出される。燃焼ガス排出流路３８には、例えば燃焼触媒が配設された燃焼部４０が設けられ、この断熱モジュール３６内からの燃焼排気ガスは、この燃焼部４０の燃焼触媒反応により完全燃焼された後に燃焼ガス排出流路３８を通して外部に排出される。

【0035】

このＳＯＦＣでは、気化器２内で改質水が突沸しないように、更に、次のように構成されている。図１とともに図２を参照して、水供給パイプ１０は気化器２の側壁４２を貫通して内側に突出しており、この水供給パイプ１０を通して供給される改質水は、その先端部から気化器２の底壁４４の滴下領域Ｓに向けて矢印４６で示すように滴下され、滴下された改質水はこの底壁４４の表面に沿って拡がって蒸発される。

【0036】

このとき、気化器２の滴下領域Ｓが燃焼域３４からの燃焼熱によって高温状態（例えば、１２０℃以上）になっていると、水供給パイプ１０の先端から滴下領域Ｓに滴下した改質水は、急激に加熱されて過熱状態になるおそれがあり、それ故に、この過熱状態となるのを防止するために、気化器２内に冷却ガスを噴出するための冷却ガス噴出手段４８が設けられる。

【0037】

更に説明すると、図示の冷却ガス噴出手段４８は、図１に示すように、例えば冷却タンクから構成される冷却ガス供給源５０と、この冷却ガス供給源５０からの冷却ガスを気化器２に供給する冷却ガス供給パイプ５２（冷却ガス供給流路を構成する）とを備え、この冷却ガス供給パイプ５２に冷却ガス供給ポンプ５４及びガス流量調整弁５５が配設されている。冷却ガス供給ポンプ５４が作動されると、冷却ガス供給源５０からの冷却ガスが冷却ガス供給パイプ５２を通して気化器２に供給され、ガス流量調整弁５５は、冷却ガス供給パイプ５２を通して供給される冷却ガスの供給量を後述する如く調整する。

【0038】

この冷却ガスとしては、酸素を含まないガスを用いるのが好ましく、このように酸素を含まないガスを用いることにより、セルスタック６の燃料極の酸化を防止することができる。この冷却ガスとしては、例えば窒素ガスを用いることができる。

【0039】

この実施形態においては、図２に示すように、冷却ガス供給パイプ５２の先端側（下流端部側）は、気化器２の側壁４２を貫通して内側に突出し、改質水パイプ１０の先端部よりも更に幾分内側に突出し、この先端部は気化器２の底壁４４の滴下領域Ｓに向けて下側に延びている。このように構成されているので、冷却ガス供給パイプ１０を通して供給される冷却ガスは、矢印５６で示すように、滴下領域Ｓに向けて噴出され、この噴出される冷却ガスによって気化器２の滴下領域Ｓを効果的に冷却することができる。

【0040】

この実施形態では、更に、気化器２の底壁４４の滴下領域Ｓ乃至その近傍の温度（即ち、滴下領域温度）を検知するために温度検知手段５８が設けられ、この温度検知手段５８は、例えば、熱電対などの温度検知センサから構成される。温度検知手段５８は、例えば、図２に示すように、この底壁４４の滴下領域Ｓの外面に取り付けられるが、このような構成に代えて、この滴下領域Ｓの近傍の外面に取り付けるようにしてもよく、或いは底壁４４内に埋設するようにしてもよい。冷却ガス噴出手段４８から噴出される冷却ガスの噴出量は、この温度検知手段５８の検知温度に基づいて後述する如く制御される。

【0041】

この実施形態においては、水供給手段１４から供給される改質水と冷却ガス噴出手段４８から供給される冷却ガスは、図３に示すタイミングで供給される。例えば、改質水の供給量が少ないときには、図３（ａ）で示すように、改質水は、１サイクルＴの時間Ｘにおいて例えば１回だけ供給され、このとき冷却ガスは、改質水が供給されない期間（一つの期間）において供給される。改質水の供給量が中程度のときには、図３（ｂ）で示すように、改質水は１サイクルＴの時間Ｘにおいて例えば２回供給され、このとき冷却ガスは、改質水が供給されない間の期間（２つの期間）において供給される。また、改質水の供給量が多いときには、図３（ｃ）で示すように、改質水は１サイクルＴの時間Ｘにおいて例えば４回供給され、このとき冷却ガスは、上述したと同様に、改質水が供給されない間の期間（４つの期間）において供給される。

【0042】

改質水と冷却ガスの供給タイミングをこのようにすることによって、改質水が供給される期間においては、この改質水の気化によって気化器２の滴下領域Ｓが冷却され、また改質水が供給されない期間においては、冷却ガス噴出手段４８から噴出される冷却ガスによって冷却され、従って、気化器２の滴下領域Ｓが高温状態になるのを抑え、この気化器２内での改質水の突沸現象の発生を防止することができる。また、このとき、改質水が供給される改質水供給期間と冷却ガスが供給される冷却ガス供給期間とが重なっていないために、気化器２の滴下領域Ｓが改質水及び冷却ガスにより同時に冷却されることがなく、これによって、この滴下領域Ｓが過冷却されるのを防止することができる。

【0043】

この固体酸化物燃料電池は、図４に示す制御系によって制御される。この固体酸化物形燃料電池は、例えばマイクロプロセッサなどから構成されるコントローラ６２を備え、このコントローラ６２は、燃料ガス供給量演算手段６４、改質水供給量演算手段６６、空気供給量演算手段６８、冷却ガス供給量演算手段７０及び作動制御手段７１を含んでいる。

【0044】

燃料ガス供給量演算手段６４は、セルスタック６の発電出力に応じた燃料ガスの供給量を演算し、作動制御手段７１は、この供給量に基づいて燃料ガス供給ポンプ２０の回転数を制御し、これによって、燃料ガス供給手段２２からの燃料ガスの供給量が制御される。改質水供給量演算手段６６は、セルスタック６の発電出力に応じた改質水の供給量を演算し、作動制御手段７１は、この供給量に基づいて水供給ポンプ１２の回転数を制御し、これによって、水供給手段１４からの改質水の供給量が制御される。

【0045】

また、空気供給量演算手段６８は、セルスタック６の発電出力に応じた空気の供給量を演算し、作動制御手段７１は、この供給量に基づいて空気ブロア３０の回転数を制御し、これによって、空気供給手段３２から供給される空気の供給量が制御される。更に、冷却ガス供給量演算手段７０は、冷却ガスの供給量を演算し、作動制御手段７１は、この供給量に基づいて冷却ガス供給ポンプ５４の回転数及びガス流量調整弁５５の開度を制御し、これによって、冷却ガス噴出手段８から噴出される冷却ガスの噴出量が制御される。

【0046】

このコントローラ６２は、更に、温度比較手段７２、温度判定手段７４、ガス流量減少信号生成手段７６、ガス流量増加信号生成手段７８及びメモリ手段８０を含んでいる。この実施形態では、燃料ガス流量検知手段２１、改質水流量検知手段１３及び空気流量検知手段３１からの検知信号がコントローラ６２に送給され、また温度検知手段５８からの検知信号もコントローラ６２に送給される。また、メモリ手段８０には、気化器２の滴下領域温度の温度範囲の上限温度の基準となる上限温度値（例えば、１２０℃程度）及びこの温度範囲の下限温度の基準となる下限温度値（例えば、８０℃程度）が登録されている。

【0047】

温度比較手段７２は、後述するように、温度検知手段５８からの検知温度とメモリ手段８０に登録された上限温度値（例えば、１２０℃）及び下限温度値（例えば、８０℃）とを比較する。そして、検知温度が上限温度値（１２０℃）より高いときには、温度判定手段７４は高温判定を行い、この高温判定に基づき、ガス流量増加信号生成手段７８は、冷却ガスの流量を増加させるためのガス流量増加信号を生成する。また、検知温度が下限温度値（８０℃）より低いときには、温度判定手段７４は低温判定を行い、この低温判定に基づき、ガス流量減少信号生成手段７６は、冷却ガスの流量を減少させるためのガス流量減少信号を生成する。

【0048】

図４の制御系による制御は、例えば図５に示すフローチャートの流れに沿って行われる。主として図４及び図５を参照して、固体酸化物形燃料電池の発電運転においては、燃料ガス供給量演算手段６４が改質器４（図１参照）に供給する燃料ガスの供給量を演算し、改質水供給量演算手段６６が気化器２（図１参照）に供給する改質水の供給量を演算し、空気供給量演算手段６８がセルスタック６（図１参照）の酸素極側に供給する空気の供給量を演算し、また冷却ガス供給量演算手段７０が気化器２内に噴出する冷却ガスの供給量を演算する（ステップＳ１）。

【0049】

このように供給量が演算されると、燃料ガス供給パイプ１８を通して供給さる燃料ガスが演算された供給量となるように燃料ガス供給ポンプ２０が制御され、水供給パイプ１０を通して供給される改質水が演算された供給楼となるように水供給ポンプ１２が制御され、空気供給パイプ２８を通して供給される空気が演算された供給量となるように送風ブロア３０が制御され、また冷却ガス供給パイプ５２を通して供給される冷却ガスが演算された供給量となるように冷却ガス供給ポンプ５４及びガス流量調整弁５５が制御され（ステップＳ２）、このように燃料ガス、改質水及び空気などが供給されると、セルスタック６にて燃料電池反応により発電が行われる（ステップＳ３）。

【0050】

セルスタックの発電中は、温度検知手段５８は気化器２の滴下領域Ｓ（乃至その近傍）のの滴下領域温度を検知し、この検知温度による冷却ガスの流量制御が行われる（ステップＳ４）。この冷却ガスの流量制御は、温度検知手段５８により検知される気化器２の滴下領域温度に基づいて行われ、温度検知手段５８は滴下領域温度を検知し（ステップＳ４－１）、温度比較手段７２は、温度検知手段５８の検知温度とメモリ手段８０に登録された上限温度値及び下限温度値とを比較し（ステップＳ４－２）、温度判定手段７４は、この比較結果に基づいて判定を行う。

【0051】

例えば、この検知温度が上限温度値（例えば、１２０℃）よりも高いときには、ステップＳ４ー３からステップＳ４－４に進み、温度判定手段７４は高温判定を行い、この高温判定に基づき、ガス流量増加信号生成手段７８がガス流量増加信号を生成する（ステップＳ４－５）。かくすると、作動制御手段７１は、ガス流量調整弁５５を開方向に作動調整し（ステップＳ４－６）、これによって、冷却ガス供給パイプ５２を通して気化器２の滴下領域Ｓに噴出される冷却ガスの噴出量が増大し、かくして、冷却ガスによる冷却効果が高められ、気化器２の滴下領域Ｓの温度上昇が抑えられて所定温度範囲に保たれる。

【0052】

この検知温度が下限温度値（例えば、８０℃）よりも低いときには、ステップＳ４ー３からステップＳ４－７を経てステップＳ４－８に進み、温度判定手段７４は低温判定を行い、この低温判定に基づき、ガス流量減少信号生成手段７８がガス流量減少信号を生成する（ステップＳ４－９）。かくすると、作動制御手段７１は、ガス流量調整弁５５を閉方向に作動調整し（ステップＳ４－１０）、これによって、冷却ガス供給パイプ５２を通して気化器２の滴下領域Ｓに噴出される冷却ガスの噴出量が減少し、かくして、冷却ガスによる冷却効果が弱められ、気化器２の滴下領域Ｓの温度低下が抑えられて所定の温度範囲に保たれる。

【0053】

また、この検知温度が下限温度値と上限温度値との間の温度範囲（即ち、適切温度範囲）であるときには、ステップＳ４－３からステップＳ４－７を経てステップＳ５に移り、ガス流量調整弁５５の流量調整を行うことなく発電運転を継続し、このような冷却ガスの供給調整は、固体酸化物形燃料電池の運転が終了するまで行われる。

【0054】

次に、図６及び図７を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、冷却ガスの噴出を一時的に継続したり、一時的に停止したりするように構成されている。尚、この第２の実施形態においては、上述の第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

【0055】

図６において、この第２の実施形態においては、コントローラ６２Ａは、ガス流量減少信号生成手段７６及びガス流量増加信号生成手段７８に加えて、ガス噴出停止信号を生成するガス噴出停止信号生成手段８２及びガス噴出継続信号を生成するガス噴出継続信号生成手段８４を含んでおり、このことに関連して、メモリ手段８０Ａには、上限温度値及び下限温度値に加えて、最大温度範囲の最大上限温度の基準となる最大上限温度値（例えば、１４０℃程度）及び最大温度範囲の最大下限温度の基準となる最大下限温度値（例えば、６０℃程度）が登録されている。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と同様である。

【0056】

この第２の実施形態における検知温度による冷却ガスの流量制御は、例えば図７に示すフローチャートに沿って行われる。図６及び図７を参照して、この冷却ガスの流量制御においては、温度検知手段５８は気化器２の滴下領域温度を検知し（ステップＳ４ａ－１）、温度比較手段７２は、温度検知手段５８の検知温度とメモリ手段８０Ａに登録された上限温度値、最大上限温度値、下限温度値及び最大下限温度値とを比較し（ステップＳ４ａ－２）、温度判定手段７４は、温度検知手段５８の検知温度との比較結果に基づいて判定を行う。

【0057】

例えば、温度検知手段５８の検知温度が上限温度値（例えば、１２０℃）よりも高く且つ最大上限温度値（例えば、１４０℃）以下であるときには、ステップＳ４ａー３及びステップＳ４ａー３１を経てステップＳ４ａ－４に進み、温度判定手段７４は高温判定を行い、ガス流量増加信号生成手段７８がガス流量増加信号を生成し（ステップＳ４ａ－５）、作動制御手段７１は、ガス流量調整弁５５を開方向に作動調整し（ステップＳ４ａ－６）、これらステップＳ４ａ－４からステップＳ４ａ－６までの動作は、第１の実施形態におけるステップＳ４－４からステップＳ４－６までの動作内容と同様である。

【0058】

また、例えば、この検知温度が下限温度値（例えば、８０℃）よりも低く且つ最大下限温度値（例えば、６０℃）以上であるときには、ステップＳ４ａー３及びステップＳ４ａー３１、ステップＳ４ａ－７及びステップＳ４ａ－７１を経てステップＳ４ａ－８に進み、温度判定手段７４は低温判定を行い、ガス流量減少信号生成手段７６がガス流量減少信号を生成し（ステップＳ４ａ－９）、作動制御手段７１は、ガス流量調整弁５５を閉方向に作動調整し（ステップＳ４ａ－１０）、これらステップＳ４ａ－８からステップＳ４ａ－１０までの動作は、第１の実施形態におけるステップＳ４－８からステップＳ４－１０までの動作内容と同様である。

【0059】

また、この検知温度が最大上限温度値（例えば、１４０℃）より高いときには、ステップＳ４ａー３及びステップＳ４ａー３１を経てステップＳ４ａ－１１に進み、温度判定手段７４は異常高温判定を行い、ガス噴出継続信号生成手段８４がガス噴出継続信号を生成し（ステップＳ４ａ－１２）、作動制御手段７１は、改質水を供給する改質水供給期間においても冷却ガス噴出手段（冷却ガス供給ポンプ５４）を作動させて冷却ガスの噴出を継続する（ステップＳ４ａ－１３）。従って、このときには、改質水供給手段（水供給ポンプ１２）からの改質水が気化器の滴下領域に滴下されるとともに、冷却ガス噴出手段（冷却ガス供給ポンプ５４）からの冷却ガスがこの滴下領域に向けて噴出され、この滴下領域の冷却効果がより高められ、この滴下領域の更なる温度上昇が抑えられて温度が下がるようになる。このとき、異常ランプ８６が点灯し（ステップＳ４ａ－１４）、気化器の滴下領域が過加熱状態であることを知らせる。

【0060】

更に、この検知温度が最大下限温度値（例えば、６０℃）より低いときには、ステップＳ４ａー３、ステップＳ４ａ－７及びステップＳ４ａー７１を経てステップＳ４ａ－１５に進み、温度判定手段７４は異常低温判定を行い、ガス噴出停止信号生成手段８２がガス噴出停止信号を生成し（ステップＳ４ａ－１６）、作動制御手段７１は、冷却ガスを噴出する冷却ガス供給期間において冷却ガス噴出手段（冷却ガス供給ポンプ５４）を作動停止させて冷却ガスの噴出を停止する（ステップＳ４ａ－１７）（この冷却ガス供給期間においては、改質水は供給されない。）。従って、このときには、冷却ガス噴出手段（冷却ガス供給ポンプ５４）からの冷却ガスの噴出が停止し、気化器の滴下領域の冷却効果がより弱められ、この滴下領域の更なる温度低下が抑えられて温度が上がるようになる。このときも、異常ランプ８６が点灯し（ステップＳ４ａ－1８）、気化器の滴下領域が過冷却状態であることを知らせる。

【0061】

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

【0062】

例えば、上述した実施形態では、気化器２と改質器４とが別々に構成されているが、このような構成に限定されず、気化器２と改質器４とが１つのユニットとして構成されたものにも同様に適用することができる。

【0063】

また、上述した実施形態では、冷却ガス供給手段４８は冷却ガス供給ポンプ５４を含んでいるが、例えば冷却ガス供給源５０から所定圧力の冷却ガスを供給することができる場合、この冷却ガス供給ポンプ５４に代えて、供給開閉弁（図示せず）を設けるようにしてもよい。この場合、供給開閉弁を開状態にすると、冷却ガスが冷却ガス供給パイプ５２を通して供給され、この供給開閉弁を閉状態にすると、冷却ガスの供給が停止される。

【符号の説明】

【0064】

２ 気化器
４ 改質器
６ セルスタック
１０ 水供給パイプ
１４ 水供給手段
２２ 燃料ガス供給手段
３２ 空気供給手段
４８ 冷却ガス噴出手段
５２ 冷却ガス供給パイプ
５５ ガス流量調整弁
５８ 温度検知手段
６２，６２Ａ コントローラ
６６ 改質水供給量演算手段
７０ 冷却ガス供給量演算手段
７２ 温度比較手段
７４ 温度判定手段
７６ ガス流量減少信号生成手段
７８ ガス流量増加信号生成手段
８２ ガス噴出停止信号生成手段
８４ ガス噴出継続信号生成手段
Ｓ 滴下領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】