JP2009059667A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】パージガス供給系を別途用いる必要がなく、効率的な緊急停止処理を良好且つ確実に行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１２への原燃料の供給が停止された状態であるか否かを検出する工程と、前記燃料電池モジュール１２への前記原燃料の供給が停止されたことを検出した際、燃料電池スタック３４の温度に基づいて、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する工程と、前記燃料電池スタック３４の温度に基づいて、電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する工程と、少なくとも前記燃料電池スタック３４の温度又は蒸発器３８の温度のいずれかに基づいて、前記逆向きの電流の供給を停止する工程と、少なくとも前記燃料電池スタック３４の温度又は前記蒸発器３８の温度のいずれかに基づいて、前記水蒸気の供給を停止する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器と、前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、制御装置とを備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスやＣＯが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
この場合、ＳＯＦＣは、高温作動型の燃料電池であり、例えば、運転中に燃料ガスの供給が停止されると、アノード電極が酸化されてしまい、燃料電池が劣化するおそれがある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池に燃料が供給されなくなった状態を検出する検出手段と、この検出手段により燃料が燃料電池に供給されなくなった状態が検出された場合に、燃料電池を緊急停止する緊急停止手段とを含んでいる。
特開２００６−０６６２４４号公報
しかしながら、上記の特許文献１では、緊急停止手段として、不活性ガスを充填したボンベを燃料電池システム内に設置しなければならない。これにより、燃料電池システム全体の複雑化、大型化及び高コスト化が惹起されるという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、パージガス供給系を別途用いる必要がなく、効率的な緊急停止処理を良好且つ確実に行うことが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタック、炭化水素を主体とする原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器、及び前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
本発明に係る燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池モジュールへの原燃料又は酸化剤ガスの供給が停止された状態を検出する反応ガス検出部と、前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が停止されたことを検出した際、燃料電池スタックの温度に基づいて、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する一方、少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記水蒸気の供給を停止する水蒸気供給部と、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する一方、少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記逆向きの電流の供給を停止する逆電流供給部とを備えている。
また、水蒸気供給部が、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する第１設定温度と、逆電流供給部が、電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する第２設定温度と、前記逆電流供給部が、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を停止する第３設定温度と、前記水蒸気供給部が、前記アノード電極の電極面への前記水蒸気の供給を停止する第４設定温度とは、前記第１設定温度＝前記第２設定温度＞前記第３設定温度≧前記第４設定温度の関係を有することが好ましい。
アノード電極では、水蒸気と逆電流とが供給されることによって電極面に水電解による水素が生成される。従って、例えば、スタック温度が５５０℃以上と高温状態にあっても、アノード電極の電極面を還元状態に維持することができ、電解質・電極接合体のアノード電極の酸化を良好に阻止することが可能になる。このため、燃料ガスや酸化剤ガスの供給停止により緊急停止が必要になっても、燃料電池スタックの劣化を抑制することができ、信頼性、耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。
しかも、アノード電極の電極面への水蒸気の供給を停止する第４設定温度は、比較的低温に設定されている。これにより、電解質・電極接合体の水蒸気酸化を良好に抑制することができるとともに、水蒸気による降温効果によって、燃料電池システムの緊急停止処理が迅速化される。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池モジュールへの水の供給が停止された状態を検出する水検出部と、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が停止されたことを検出した際、アノード電極の電極面への原燃料の供給を一旦停止し、燃料電池スタックの温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する一方、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記原燃料の供給を再度停止する原燃料供給部とを備えている。
さらにまた、原燃料供給部が、アノード電極の電極面に原燃料の供給を開始する供給開始用設定温度と、前記原燃料供給部が、前記原燃料の供給を再度停止する供給停止用設定温度とを備えるとともに、前記供給開始用設定温度＞前記供給停止用設定温度の関係を有することが好ましい。
例えば、スタック温度が３００℃〜５００℃の範囲である際に、アノード電極の電極面を還元状態に維持することが可能になり、電解質・電極接合体の酸化を良好に阻止することができる。このため、水の供給停止により緊急停止が必要になっても、燃料電池スタックの劣化を抑制することができ、信頼性、耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、燃料電池モジュールへの原燃料又は酸化剤ガスの供給が停止された状態であるか否かを検出する工程と、前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が停止されたことを検出した際、燃料電池スタックの温度に基づいて、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する工程と、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する工程と、少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記逆向きの電流の供給を停止する工程と、少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記水蒸気の供給を停止する工程とを有している。
さらに、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する第１設定温度と、電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する第２設定温度と、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を停止する第３設定温度と、前記アノード電極の電極面への前記水蒸気の供給を停止する第４設定温度とは、前記第１設定温度＝前記第２設定温度＞前記第３設定温度≧前記第４設定温度の関係を有することが好ましい。
さらにまた、燃料電池モジュールへの原燃料又は酸化剤ガスの供給が開始されたか否かを検出する工程と、逆向きの電流の供給を停止する前に、前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程とを有することが好ましい。このため、燃料電池システムの復帰処理が、迅速且つ良好に遂行される。
また、少なくとも燃料電池モジュールへの原燃料の供給が開始されたか否かを検出する工程と、予め設定された待機時間だけ、燃料電池スタックを所定温度以上に維持する工程と、前記待機時間内で前記原燃料の供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程とを有することが好ましい。加熱装置、例えば、電気ヒータ等が使用されることにより、燃料電池スタックを保温することができ、燃料電池システムの復帰処理が、迅速且つ良好に遂行される。
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、燃料電池モジュールへの水の供給が停止された状態であるか否かを検出する工程と、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が停止されたことを検出した際、アノード電極の電極面への原燃料の供給を一旦停止する工程と、燃料電池スタックの温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する工程と、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記原燃料の供給を再度停止する工程とを有している。
さらにまた、アノード電極の電極面に原燃料の供給を開始する供給開始用設定温度と、前記原燃料の供給を再度停止する供給停止用設定温度とは、前記供給開始用設定温度＞前記供給停止用設定温度の関係を有することが好ましい。
また、燃料電池モジュールへの水の供給が開始されたか否かを検出する工程と、アノード電極の電極面に原燃料の供給を開始する前に、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程とを有することが好ましい。従って、燃料電池システムの復帰処理が、迅速且つ良好に遂行される。
さらに、燃料電池モジュールへの水の供給が開始されたか否かを検出する工程と、予め設定された待機時間だけ、前記燃料電池スタックを所定温度以上に維持する工程と、前記待機時間内で前記水の供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程とを有することが好ましい。加熱装置、例えば、電気ヒータ等が使用されることにより、燃料電池スタックを保温することができ、燃料電池システムの復帰処理が、迅速且つ良好に遂行される。
本発明によれば、アノード電極では、水蒸気と逆電流とが供給されることによって、水電解が行われて前記アノード電極の電極面に水素が生成される。従って、高温状態のアノード電極の電極面を還元状態に維持することができ、電解質・電極接合体のアノード電極の酸化を良好に阻止することが可能になる。このため、燃料ガスや酸化剤ガスの供給停止により緊急停止が必要になっても、燃料電池スタックの劣化を抑制することができ、信頼性、耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。
これにより、燃料電池システムでは、水蒸気及び逆電流の供給タイミングや停止タイミングを設定するだけでよく、パージガス供給系を別途用いる必要がなく、前記燃料電池システムの緊急停止が可能になる。従って、燃料電池システムの簡素化及び低コスト化が容易に図られる。
また、本発明によれば、水の供給が停止された際、アノード電極の電極面への原燃料の供給が一旦停止されるため、炭素析出（コーキング）の発生を阻止することができる。しかも、燃料電池スタックの温度に基づいて、アノード電極の電極面への原燃料の供給及び停止を行うことにより、アノード電極の電極面を還元状態に維持することができ、電解質・電極接合体のアノード電極の酸化を良好に阻止することが可能になる。このため、水蒸気の供給停止により緊急停止が必要になっても、燃料電池スタックの劣化を抑制することができ、信頼性、耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。
これにより、燃料電池システムでは、原燃料の供給タイミングや停止タイミングを設定するだけでよく、パージガス供給系を別途用いる必要がなく、前記燃料電池システムの水供給停止による緊急停止処理が可能になる。従って、燃料電池システムの簡素化及び低コスト化が容易に図られる。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の機械系回路を示す概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の回路図である。
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備える。
図３に示すように、燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える。
燃料電池スタック３４の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設され、これらは燃料電池モジュール１２を構成する。
燃料電池スタック３４の積層方向下端側（又は積層方向上端側）には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図２参照）。
改質器４０は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯがアノード電極に供給される。
熱交換器３６は、図３に示すように、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。第１排ガス通路４４は、排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。
蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。
外管部材５４ａには、改質器４０の入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。なお、蒸発器３８は、上記の二重管構成に代えて、加熱部と混合部（例えば、エジェクタ型混合部）とを備える構成を採用してもよい。
図２に示すように、原燃料供給装置１６は、原燃料通路５６に接続される。酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続されるとともに、前記空気供給管５２は、切換弁６８を介して空気分岐管７０に接続される。空気分岐管７０は、燃料電池スタック３４を加熱するための電気ヒータ（例えば、ノンフレイムトーチ等の熱風発生器）７２が接続される。ノンフレイムトーチは、空気を流しながら通電することにより高温の熱風を発生する。水供給装置２０は、水通路５８に接続される。
原燃料供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器７４が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源７６（又は２次電池等）と負荷７７とが接続される。商用電源７６は、逆電流供給部を構成する。
図１及び図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック３４の温度を検出する第１温度センサ７８ａ、蒸発器３８の温度を検出する第２温度センサ７８ｂ、原燃料供給装置１６から前記蒸発器３８に供給される原燃料の圧力を検出する第１圧力センサ８０ａ、酸化剤ガス供給装置１８から熱交換器３６に供給される酸化剤ガスの圧力を検出する第２圧力センサ８０ｂ、及び水供給装置２０から前記蒸発器３８に供給される水の圧力を検出する第３圧力センサ８０ｃとを備える。
第１温度センサ７８ａ、第２温度センサ７８ｂ、第１圧力センサ８０ａ〜第３圧力センサ８０ｃは、制御装置２４に接続される。なお、第１圧力センサ８０ａ〜第３圧力センサ８０ｃに代えて、流量センサを用いることができる。
図４に示すように、制御装置２４は、原燃料検出部（反応ガス検出部）８２、酸化剤ガス検出部（反応ガス検出部）８４、水検出部８６、水蒸気供給部８８、逆電流供給部９０、及び原燃料供給部９２としての機能を有する。
原燃料検出部８２は、第１圧力センサ８０ａを介して検出される原燃料の供給圧力が低下することにより、又は図示しない流量センサを介して検出される原燃料の供給流量が低下することにより、燃料電池モジュール１２への原燃料の供給が停止した状態を検出する。また、原燃料の供給圧力の低下又は原燃料の供給流量の低下とスタック出力の低下とにより、原燃料の供給停止状態を検出してもよい。
酸化剤ガス検出部８４は、第２圧力センサ８０ｂを介して検出される酸化剤ガスの供給圧力が低下することにより、又は図示しない流量センサを介して検出される酸化剤ガスの供給流量が低下することにより、燃料電池モジュール１２への酸化剤ガスの供給が停止した状態を検出する。また、酸化剤ガスの供給圧力の低下又は酸化剤ガスの供給流量の低下とスタック出力の低下及び／又はスタック温度の上昇とにより、酸化剤ガスの供給停止状態を検出してもよい。
水検出部８６は、第３圧力センサ８０ｃを介して検出される水の供給圧力が低下することにより、又は図示しない流量センサを介して検出される水の供給流量が低下することにより、燃料電池モジュール１２への水の供給が停止した状態を検出する。
水蒸気供給部８８は、燃料電池モジュール１２への原燃料又は酸化剤ガスの供給が停止されたことを検出した際、燃料電池スタック３４の温度に基づいて、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する一方、少なくとも前記燃料電池スタック３４の温度又は蒸発器３８の温度のいずれかに基づいて、前記水蒸気の供給を停止する機能を有する。
逆電流供給部９０は、燃料電池スタック３４の温度に基づいて、電解質・電極接合体２８に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する一方、少なくとも前記燃料電池スタック３４の温度又は蒸発器３８の温度のいずれかに基づいて、前記逆向きの電流の供給を停止する機能を有する。
原燃料供給部９２は、燃料電池モジュール１２への水の供給が停止されたことを検出した際、アノード電極の電極面への原燃料の供給を一旦停止し、燃料電池スタック３４の温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する一方、前記燃料電池スタック３４の温度に基づいて、前記原燃料の供給を再度停止する機能を有する。
制御装置２４は、水蒸気供給部８８が、アノード電極の電極面に水蒸気の供給を開始する第１設定温度Ｔ１（例えば、５５０℃以上）と、逆電流供給部９０が、電解質・電極接合体２８に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する第２設定温度Ｔ２（例えば、５５０℃以上）と、前記逆電流供給部９０が、前記電解質・電極接合体２８に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を停止する第３設定温度Ｔ３（例えば、５５０℃未満）と、前記水蒸気供給部８８が、前記アノード電極の電極面に前記水蒸気の供給を停止する第４設定温度Ｔ４（例えば、３００℃〜５５０℃未満）とを備え、前記第１設定温度Ｔ１＝前記第２設定温度Ｔ２＞前記第３設定温度Ｔ３≧前記第４設定温度Ｔ４の関係を有する。
制御装置２４は、原燃料供給部９２が、アノード電極の電極面に原燃料の供給を開始する供給開始用設定温度Ｔ５（例えば、４５０℃〜５５０℃）と、前記原燃料供給部９２が、前記原燃料の供給を再度停止する供給停止用設定温度Ｔ６（例えば、２５０℃〜３５０℃）とを備え、前記供給開始用設定温度Ｔ５＞前記供給停止用設定温度Ｔ６の関係を有する。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
図１及び図２に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
図３に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管６２を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路６４を通って燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガス、ＣＯが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して外部に排出される。
次いで、燃料電池システム１０の緊急停止用運転方法について、以下に説明する。
先ず、燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック３４の温度（以下、スタック温度ともいう）と、アノード電極の雰囲気とは、図５に示す関係を有している。すなわち、アノード電極が酸素雰囲気（図５中、なし参照）に曝された状態で、スタック温度がｔ２℃（例えば、３００℃）を越えると、前記アノード電極が酸化され易くなる。さらに、アノード電極が水蒸気雰囲気に曝された状態で、スタック温度がｔ３℃（例えば、３５０℃）を越えると、前記アノード電極に水蒸気酸化が発生し易い。
また、アノード電極が原燃料雰囲気に曝されていると、スタック温度がｔ４℃（例えば、５００℃）を越える際に、コーキングが発生するおそれがある。一方、アノード電極が原燃料と水蒸気との混合燃料に曝されている場合、スタック温度がｔ２℃以下になると、蒸発器３８が不安定になって、Ｓ／Ｃ（モル比）が低くなる。これにより、コーキングが発生するとともに、電解質・電極接合体２８及び改質器４０に結露が惹起し、前記電解質・電極接合体２８及び前記改質器４０が劣化するおそれがある。
そこで、本実施形態では、燃料電池モジュール１２への原燃料の供給が停止された際、図６に示す制御マップ（アノード電極の雰囲気とスタック温度との関係に設定）とし、酸化剤ガスの供給が停止された際、図７に示す制御マップ（アノード電極の雰囲気とスタック温度との関係に設定）とし、さらに水の供給が停止された際、図８に示す制御マップ（アノード電極の雰囲気とスタック温度との関係に設定）とする。
先ず、燃料電池モジュール１２への原燃料の供給が停止された際の運転方法について、図６の制御マップ及び図９に示すフローチャートに沿って説明する。
原燃料検出部８２は、第１圧力センサ８０ａを介して原燃料の供給圧力が低下したことを検出することにより、燃料電池モジュール１２への原燃料の供給が停止した状態であると判断する（ステップＳ１中、ＹＥＳ）。そして、ステップＳ２に進んで、水供給装置２０から燃料電池モジュール１２に水（水蒸気）が供給されるとともに（第１設定温度Ｔ１）、商用電源（又は２次電源）７６を介して燃料電池スタック３４に逆電流が付与される（第２設定温度Ｔ２）。
ここで、逆電流とは、各燃料電池３２に発電とは逆方向に電流を流すことであり、アノード電極では、供給された水が電気分解して水素が得られる一方、カソード側電極に酸素が移動することになる。従って、アノード電極は、還元状態に維持されるため、原燃料の供給停止によって高温状態の電解質・電極接合体２８が酸化することを良好に阻止することが可能になる。
さらに、ステップＳ３に進んで、燃料電池スタック３４の温度がｔ５℃（第３及び第４設定温度Ｔ３、Ｔ４）（例えば、５５０℃）以下になったことが検出されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、水及び逆電流の供給が停止される。その後、燃料電池スタック３４は、図示しないカソード電極に酸化剤ガスが供給されることによって常温まで冷却されて（ステップＳ５）、運転が停止される。
なお、ステップＳ４において、スタック温度がｔ５℃以下になると、水の供給が停止されているが、この水の供給を、例えば、スタック温度がｔ２℃（第４設定温度Ｔ４）に至るまで行ってもよい。これにより、燃料電池スタック３４の冷却が一層迅速に行われるという利点がある。
この場合、本実施形態では、燃料電池システム１０の運転時に、燃料ガスの供給停止によりこの燃料電池システム１０の緊急停止が必要になっても、水電解を行ってアノード電極の電極面に水素を生成することができる。このため、アノード電極が酸化することを阻止することが可能になり、燃料電池スタック３４の劣化を抑制するとともに、信頼性、耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。
これにより、燃料電池システム１０では、水蒸気（水）及び逆電流の供給タイミングや停止タイミングを設定するだけでよく、パージガス供給系を別途用いる必要がなく、前記燃料電池システム１０の緊急停止が可能になる。従って、燃料電池システム１０の簡素化及び低コスト化が容易に図られるという効果が得られる。
さらにまた、本実施形態では、例えば、ステップＳ２で水及び逆電流の供給を行っている際、原燃料検出部８２により原燃料の圧力が検出されている。このため、スタック温度がｔ５℃以下になる前に、原燃料検出部８２により燃料電池スタック３４への原燃料の供給が再開されたことが検出されると、逆電流の供給が停止される一方、原燃料が供給されることにより、燃料電池システム１０を通常運転処理に戻すことができる。
また、燃料電池スタック３４には、電気ヒータ７２が併設されている。これにより、例えば、ステップＳ２の処理を行っている間、酸化剤ガス供給装置１８では、切換弁６８を操作して電気ヒータ７２に酸化剤ガス（空気）を供給するとともに、この電気ヒータ７２に通電して高温の熱風を発生させることにより、前記燃料電池スタック３４をｔ５℃以上の温度に維持することができる。従って、電気ヒータ７２による燃料電池スタック３４のｔ５℃以上の保温作用を所定時間継続して行い、この間に原燃料の供給が再開されたことが検出されれば、燃料電池システム１０の復帰処理を行うことが可能になる。これにより、燃料電池システム１０の復帰処理が迅速且つ良好に遂行されるという効果がある。
次に、燃料電池モジュール１２への酸化剤ガスの供給が停止された際の運転方法について、図７に示す制御マップ及び図１０に示すフローチャートに沿って説明する。
酸化剤ガス検出部８４は、第２圧力センサ８０ｂを介して検出される酸化剤ガスの供給圧力の低下により、燃料電池モジュール１２への酸化剤ガスの供給が停止した状態を検出する（ステップＳ１１）。酸化剤ガスの供給停止が検出されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、水及び逆電流の供給が開始される。その際、燃料電池モジュール１２への原燃料の供給が停止している。すなわち、アノード電極への燃料ガスの供給が停止されている。アノード電極に供給された燃料ガスがカソード側電極側に周り込んで、電解質・電極接合体２８が劣化することを阻止するためである。
これにより、燃料ガスの供給が停止されたアノード電極では、水電解により水素が発生し、このアノード電極を還元状態に保持することができる。従って、電解質・電極接合体２８は、比較的高温状態であっても、アノード電極の酸化を確実に阻止することが可能になる。
ステップＳ１３において、スタック温度がｔ５℃以下になると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、水及び逆電流の供給が停止され、燃料電池スタック３４が常温まで冷却される（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ１４で、スタック温度がｔ５℃以下になった際、水の供給が停止されているが、上記の燃料停止時と同様に、水の供給をスタック温度がｔ２℃に至るまで行うことにより、燃料電池スタック３４の冷却速度を速める処理を行ってもよい。
また、酸化剤ガスの供給が停止されるため、電気ヒータ７２に空気を供給することができず、この電気ヒータ７２による温度維持が不可能となっている。従って、スタック温度がｔ５℃以下になるまでに、酸化剤ガス検出部８４により酸化剤ガスの供給再開を検出した際には、燃料電池システム１０を通常運転に戻すことが好ましい。これにより、燃料電池システム１０の復帰処理が迅速且つ良好に遂行される。
次いで、燃料電池モジュール１２への水（水蒸気）の供給が停止された際の運転方法について、図８の制御マップ及び図１１に示すフローチャートに沿って説明する。
先ず、水検出部８６は、第３圧力センサ８０ｃを介して検出される水の供給圧力の低下を検出することにより、燃料電池モジュール１２への水の供給が停止した状態であることを検出する（ステップＳ２１）。水の供給停止が検出されると（ステップＳ２１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２２に進んで、原燃料供給装置１６からの原燃料の供給が停止される。高温時に水の供給が停止された状態で、原燃料のみが供給されると、電解質・電極接合体２８にコーキングが発生し易いからである。
そして、スタック温度がｔ４℃（第５設定温度Ｔ５）以下になると（ステップＳ２３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２４に進んで、原燃料供給装置１６を介して原燃料の供給が行われ、アノード電極側に周り込んだ酸化剤ガスのパージが行われる。そして、スタック温度がｔ２℃（第６設定温度Ｔ６）以下になると（ステップＳ２５中、ＹＥＳ）、原燃料の供給が停止される（ステップＳ２６）。スタック温度がｔ２℃（第６設定温度Ｔ６）以下になると、電解質・電極接合体２８の酸化が起こらないからである。そして、燃料電池スタック３４は、カソード電極に供給される空気を介して常温まで冷却される（ステップＳ２７）。
なお、上記の原燃料供給停止時の緊急停止処理と同様に、水検出部８６は、スタック温度がｔ４℃以下になるまでに、水の供給が再開されたことを検出することにより、また電気ヒータ７２によって燃料電池スタック３４をｔ４℃以上に一定時間保温したりすることにより、燃料電池システム１０の復帰処理を迅速且つ良好に行うことも可能である。
このように、本実施形態では、水の供給が停止された際、アノード電極の電極面への原燃料の供給が一旦停止されるため、コーキングの発生を阻止することができる。しかも、燃料電池スタック３４の温度に基づいて、アノード電極の電極面への原燃料の供給及び停止を行うことにより、前記アノード電極の電極面を還元状態に維持することができ、電解質・電極接合体２８の酸化を良好に阻止することが可能になる。
このため、水蒸気の供給停止により、緊急停止が必要になっても、燃料電池スタック３４の劣化を抑制することができ、信頼性、耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。
これにより、燃料電池システム１０では、原燃料の供給タイミングや停止タイミングを設定するだけでよく、パージガス供給系を別途用いる必要がなく、前記燃料電池システム１０の水供給停止による緊急停止処理が可能になる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの要部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する制御装置の構成図である。 アノード電極の雰囲気とスタック温度との関係説明図である。 燃料供給停止時の緊急停止方法の制御マップである。 酸化剤ガス供給停止時の緊急停止方法の制御マップである。 水供給停止時の緊急停止方法の制御マップである。 前記燃料供給停止時の緊急停止方法のフローチャートである。 前記酸化剤ガス供給停止時の緊急停止方法のフローチャートである。 前記水供給停止時の緊急停止方法のフローチャートである。
符号の説明
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置 ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器 ４０…改質器
５２…空気供給管 ５６…原燃料通路
５８…水通路 ７２…電気ヒータ
７６…商用電源 ７８ａ、７８ｂ…温度センサ
８０ａ〜８０ｃ…圧力センサ ８２…原燃料検出部
８４…酸化剤ガス検出部 ８６…水検出部
８８…水蒸気供給部 ９０…逆電流供給部
９２…原燃料供給部

Claims (12)

  1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタック、炭化水素を主体とする原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器、及び前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が停止された状態を検出する反応ガス検出部と、
    前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が停止されたことを検出した際、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記水蒸気の供給を開始する一方、少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記水蒸気の供給を停止する水蒸気供給部と、
    前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する一方、少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記逆向きの電流の供給を停止する逆電流供給部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給部が、前記アノード電極の電極面に前記水蒸気の供給を開始する第１設定温度と、
    前記逆電流供給部が、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する第２設定温度と、
    前記逆電流供給部が、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を停止する第３設定温度と、
    前記水蒸気供給部が、前記アノード電極の電極面への前記水蒸気の供給を停止する第４設定温度と、
    を備えるとともに、
    前記第１設定温度＝前記第２設定温度＞前記第３設定温度≧前記第４設定温度の関係を有することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタック、炭化水素を主体とする原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器、及び前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が停止された状態を検出する水検出部と、
    前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が停止されたことを検出した際、前記アノード電極の電極面への前記原燃料の供給を一旦停止し、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する一方、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記原燃料の供給を再度停止する原燃料供給部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部が、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する供給開始用設定温度と、
    前記原燃料供給部が、前記原燃料の供給を再度停止する供給停止用設定温度と、
    を備えるとともに、
    前記供給開始用設定温度＞前記供給停止用設定温度の関係を有することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタック、炭化水素を主体とする原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器、及び前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が停止された状態であるか否かを検出する工程と、
    前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が停止されたことを検出した際、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記水蒸気の供給を開始する工程と、
    前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する工程と、
    少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記逆向きの電流の供給を停止する工程と、
    少なくとも前記燃料電池スタックの温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記水蒸気の供給を停止する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  6. 請求項５記載の運転方法において、前記アノード電極の電極面に前記水蒸気の供給を開始する第１設定温度と、
    前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を開始する第２設定温度と、
    前記電解質・電極接合体に発電時の電流とは逆向きの電流の供給を停止する第３設定温度と、
    前記アノード電極の電極面への前記水蒸気の供給を停止する第４設定温度とは、
    前記第１設定温度＝前記第２設定温度＞前記第３設定温度≧前記第４設定温度の関係を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  7. 請求項５記載の運転方法において、前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が開始されたか否かを検出する工程と、
    前記逆向きの電流の供給を停止する前に、前記燃料電池モジュールへの前記原燃料又は前記酸化剤ガスの供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  8. 請求項５記載の運転方法において、少なくとも前記燃料電池モジュールへの前記原燃料の供給が開始されたか否かを検出する工程と、
    予め設定された待機時間だけ、前記燃料電池スタックを所定温度以上に維持する工程と、
    前記待機時間内で前記原燃料の供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  9. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタック、炭化水素を主体とする原燃料と水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器、及び前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールと、制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が停止された状態であるか否かを検出する工程と、
    前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が停止されたことを検出した際、前記アノード電極の電極面への前記原燃料の供給を一旦停止する工程と、
    前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する工程と、
    前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記原燃料の供給を再度停止する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  10. 請求項９記載の運転方法において、前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する供給開始用設定温度と、
    前記原燃料の供給を再度停止する供給停止用設定温度とは、
    前記供給開始用設定温度＞前記供給停止用設定温度の関係を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  11. 請求項９記載の運転方法において、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が開始されたか否かを検出する工程と、
    前記アノード電極の電極面に前記原燃料の供給を開始する前に、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  12. 請求項９記載の運転方法において、前記燃料電池モジュールへの前記水の供給が開始されたか否かを検出する工程と、
    予め設定された待機時間だけ、前記燃料電池スタックを所定温度以上に維持する工程と、
    前記待機時間内で前記水の供給が開始されたことが検出された際、通常の運転処理に戻す工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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