JP2009238618A - 発電システム及び発電システムの停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードを酸化させずに、発電セルの温度を確実に下げて運転を停止することができ、また、小型化及び運転停止動作時間の短縮化を図ることができる発電システム及び発電システムの停止方法を提供する。
【解決手段】発電システム１００は、燃料と水から水素を生成する改質器２と、固体酸化物電解質膜４１とアノード４２とカソード４３とを有し、改質器２で生成された水素と酸化剤によって発電する発電セルスタック４００と、発電セルスタック４００から排出された排ガスを冷却する冷却器５と、冷却された排ガスをアノード４２へ送り循環させる循環用ポンプＰ３と、停止動作時にカソード４３への酸化剤の供給を停止し、発電セルスタック４００から排出された排ガスを冷却器５で冷却させて、その後、循環用ポンプＰ３でアノード４３へ送り循環させるよう制御する制御部６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する発電システム及び発電システムの停止方法に関する。

燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により電力を取り出すものであり、次世代の主流となる電源システムとして、燃料電池の研究・開発が広く行われており、中でも、高温作動のため発電効率が高い固体酸化物型燃料電池の開発が進められている。
固体酸化物型燃料電池は、酸素イオン導電性を持つ固体電解質の一方の面に酸素極が形成され、他方の面に燃料極が形成された構造をなし、高効率な発電システムとして注目されている。固体酸化物型燃料電池は、酸素極に酸化剤ガス、燃料極に燃料ガスが供給される。酸素極に供給された酸化剤ガスは電解質と酸素極との界面で電子を受け取り酸素イオンとなる。この酸素イオンは電解質内を拡散し、燃料極と電解質との界面で燃料ガスと反応し燃料極に電子を放出し、水や二酸化炭素などになる。

このような固体酸化物型燃料電池の運転を停止する場合、燃料極（アノード）の酸化を防止しながら運転を停止しなければならない。そこで燃料極の酸化を防止するため、運転停止動作時に、燃料極への燃料ガス及び酸素極（カソード）への酸化剤ガスの供給を停止して、各極に窒素などの不活性ガスを供給して不活性ガスで置換する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、運転停止動作時に燃料ガスを不活性ガスで置換する代わりに燃料ガスの流量を減少させながら供給することによって、燃料極の酸化を防止する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平２−２４４５５９号公報 特開２００６−２９４５０８号公報

しかしながら、上記特許文献１の場合、燃料ガスや酸化剤ガスの他に不活性ガス、例えば窒素ガスや燃料電池の発電には関係の無いガスを余分に用意しておかなければならず、そのために燃料電池システムの重量や体積が増大してしまう。
また、上記特許文献２の場合には、発電を停止させた後も、燃料ガスを燃料電池本体に供給し続けなければならず、運転停止までに余分な発電に関係のない無駄な燃料を使用してしまう。また、運転停止までの時間が長くなってしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アノードを酸化させずに、発電セルの温度を確実に下げて運転を停止することができ、また、小型化及び運転停止動作時間の短縮化を図ることができる発電システム及び発電システムの停止方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、
固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、所定の動作温度に設定され、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、
前記発電セルから排出された排ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器によって冷却された排ガスを前記アノードへ送り循環させるポンプと、
前記発電セルの停止動作時に、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止した後、前記発電セルから排出された排ガスを前記冷却器で冷却させて、前記ポンプで前記アノードへ送り循環させるよう制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発電システムにおいて、
前記冷却器が熱交換器であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発電システムにおいて、
前記発電セルの動作時において、該発電セルから排出される前記排ガスが供給され、触媒による燃焼反応を起こして、該燃焼反応による燃焼熱を前記発電セルに供給する燃焼器をさらに備え、
前記発電セルの停止動作時において、前記燃焼器における前記燃焼反応が停止されて、前記発電セルから排出される前記排ガスが、前記燃焼器を介してそのまま前記冷却器に供給されることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発電システムにおいて、
組成に水素原子を含む原燃料が供給され、水素を含む前記燃料ガスを生成して、前記発電セルの前記アノードに供給する改質器をさらに備えることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止し、前記発電セルの開回路電圧が所定電圧値以下となったことが検出された後に、前記アノードへの前記排ガスの循環を開始させることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の発電システムにおいて、
前記所定電圧値は、前記発電セルの温度を前記動作温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、前記発電セルの温度が所定温度以下になった場合に、前記アノードへの前記排ガスの循環を停止させることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載の発電システムにおいて、
前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項７に記載の発電システムにおいて、
前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする。
請求項１０の発明は、発電システムの停止方法であって、
前記発電システムは、固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、所定の動作温度に設定され、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、前記発電セルから排出された排ガスを冷却する冷却器と、を備え、
前記発電セルの停止動作時に、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止した後、前記発電セルから排出された排ガスを前記冷却器により冷却し、前記アノードへ供給して循環させる工程を含むことを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の発電システムの停止方法において、
前記アノードへ前記排ガスを循環させる工程は、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止し、前記発電セルの開回路電圧が所定電圧値以下となったことが検出された後に開始されることを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の発電システムの停止方法において、
前記所定電圧値は、前記発電セルの温度を前記動作温度から下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の発電システムの停止方法において、
さらに、前記発電セルの温度が所定温度以下になったときに、前記アノードへ前記排ガスを循環させる動作を停止させる工程を含むことを特徴とする。
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の発電システムの停止方法において、
前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度にしたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１３に記載の発電システムの停止方法において、
前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする。

本発明によれば、アノードを酸化させずに、発電セルの温度を確実に下げて運転を停止することができ、また、小型化及び運転停止動作時間の短縮化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
図１は、発電システム１００を搭載した携帯用の電子機器１０００を示すブロック図である。この電子機器１０００は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった携帯型の電子機器である。

発電システム１００は、燃料容器１、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、改質器２、燃料電池部４、断熱容器３、冷却器５、循環用ポンプＰ３、制御部６等を備える。
燃料容器１は、例えば電子機器本体９１に対して着脱可能に設けられており、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２及び断熱容器３は例えば電子機器本体９１に内蔵されている。

燃料容器１には、液体の原燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ブタン等）と水の混合液が貯留されている。なお、液体の原燃料と水とを別々の容器に貯留しても良い。また、液体燃料に限らず気体であっても良く、気体の場合には、水素ガスや天然ガス、ＬＰＧ、石炭ガス等の炭化水素を用いることができる。
燃料ポンプＰ１は、燃料容器１と改質器２との間に設けられ、第二のバルブＶ２を介して燃料容器１に接続されている。燃料ポンプＰ１は、燃料容器１内の液体燃料と水の混合液を吸引して改質器２に送液するものである。第二のバルブＶ２は、その開閉動作で燃料容器１から改質器２への燃料及び水の流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム１００の起動動作時に開放して混合液を流通させ、停止動作時には後述するように、発電セルスタック４００の開回路電圧が所定電圧以下となった後に閉鎖して燃料及び水の流通を遮断する。
空気ポンプＰ２は、第一のバルブＶ１と断熱容器３内の燃料電池部４（発電セルスタック４００のカソード４３）との間に設けられ、外部の空気を吸引して空気供給路８２を介して燃料電池部４に送るものである。第一のバルブＶ１は、その開閉動作で外部から燃料電池部４への空気の流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム１００の起動動作時に開放して空気を流通させ、停止動作時に閉鎖して空気の流通を遮断する。

改質器２には電気ヒータ兼温度センサ（図示しない）が設けられており、電気ヒータ兼温度センサの電気抵抗値は温度に依存するので、この電気ヒータ兼温度センサが改質器２の温度を測定する温度センサとしても機能する。
また、改質器２の内部には流路（図示しない）が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。燃料容器１から燃料ポンプＰ１を介して送られた混合液は、改質器２の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサにより約３００〜４００℃程度に加熱されて、触媒により反応を起こす。原燃料と水の触媒反応によって燃料としての水素、二酸化炭素及び副生成物である微量な一酸化炭素等の混合気体（改質ガス：燃料ガス）が生成される。なお、原燃料がメタノールの場合、改質器２では主に次式（１）に示すような水蒸気改質反応が起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）

一酸化炭素は化学反応式（１）についで逐次的に起こる次式（２）のような式によって微量に副成される。
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）
改質器２で生成した改質ガスは、燃料供給路８１を介して断熱容器３内に収容された燃料電池部４に送られる。
なお、改質器２に供給される原燃料が液体燃料である場合、改質器２に燃料ポンプＰ１を介して送られた混合液は、改質器２内で加熱されて気化された後に、上記の水蒸気改質反応が起こるように構成されているが、改質器２の前段に、燃料ポンプＰ１を介して混合液が送られ、この混合液を加熱して気化して、気化した気体を改質器２に送る、気化器を別途設けるようにしてもよい。

断熱容器３内に収容された燃料電池部４は、発電セルスタック４００と触媒燃焼器４８とを備える。
図２は発電セルスタック４００の一例を示す斜視図であり、図３は断熱容器３内に発電セルスタック４００と触媒燃焼器４８とが収容された状態を示す模式図である。
発電セルスタック４００は複数の発電セル４０を直列に接続することによって構成されている。なお、本実施形態の発電セルスタック４００は三つの発電セル４０が接続されて構成されている。まず、発電セル４０の構成について説明する。図４は、発電セル４０の模式図、図５は、発電セルスタック４００の模式図である。
図４に示すように、発電セル４０は、固体酸化物電解質膜４１と、固体酸化物電解質膜４１の両面に形成されたアノード４２及びカソード４３と、アノード４２に接合してその接合面に流路４６を形成したアノード集電極４４と、カソード４３に接合してその接合面に流路４７を形成したカソード集電極４５とを備える。

固体酸化物電解質膜４１には、ジルコニア系の（Ｚｒ_1-xＹ_x）Ｏ_2-x/2（ＹＳＺ）、ランタンガレード系の（Ｌａ_1-xＳｒ_x）（Ｇａ_1-y-zＭｇ_yＣｏ_z）Ｏ₃等を、アノード４２にはＬａ_0.84Ｓｒ_0.16ＭｎＯ₃、Ｌａ（Ｎｉ，Ｂｉ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃＋ＳｎＯ₂、ＬａＣｏＯ₃等を、カソード４３にはＮｉ、Ｎｉ＋ＹＳＺ等を、アノード集電極４４及びカソード集電極４５にはＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃、ＮｉＡｌ＋Ａｌ₂Ｏ₃等を、それぞれ用いることができる。

発電セル４０は触媒燃焼器４８の熱により約５００〜１０００℃程度の動作温度に加熱され、後述する電気化学反応が起こる。
カソード集電極４５の流路４７には、空気供給路８２が接続され、空気ポンプＰ２を介して送られる空気が供給されるようになっており、このカソード集電極４５の流路４７を介してカソード４３に空気が送られる。カソード４３では酸素と後述のカソード出力電極７２から供給される電子により、次式（３）に示すように酸素イオンが生成される。
Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2- …（３）
固体酸化物電解質膜４１は酸素イオンの透過性を有し、カソード４３で生成された酸素イオンを透過させてアノード４２に到達させる。

アノード集電極４４の流路４６には、改質器２に繋がる燃料供給路８１が接続され、改質器２から排出された改質ガスが供給されるようになっており、このアノード集電極４４の流路４６を介してアノード４２に改質ガスが送られる。カソード４３では固体酸化物電解質膜４１を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式（４）、（５）のような反応が起こる。アノード４２に放出される電子は、後述のアノード出力電極７１、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２等の外部回路を経てカソード出力電極７２よりカソード４３に供給される。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（４）
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^- …（５）

このようにアノード集電極４４、アノード４２、固体酸化物電解質膜４１、カソード４３、カソード集電極４５からなる発電セル４０を直列に複数接続することによって発電セルスタック４００が構成される。
発電セルスタック４００の表面には、発電セルスタック４００の温度を検出するための温度検出器４０１（図３参照）が設けられている。温度検出器４０１としては、例えばＲ（白金ロジウム合金）熱電対を使用することができる。
また、図５に示すように、直列に接続された一方の端部の発電セル４０のアノード集電極４４にアノード出力電極７１が、他方の端部の発電セル４０のカソード集電極４５にカソード出力電極７２が接続されている。

アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２は、図３に示すように、断熱容器３を貫通して引き出されている。ここで、断熱容器３は例えばＮｉ系の合金で形成され、断熱容器３内の空間にはシリコン（ガラス）ウール３２が充填されている。なお、シリコンウール３２等に限らず断熱性に優れた材料であれば良く、セラミックレンガ（耐熱レンガ）を使用しても良いし、また、真空圧（例えば１０Ｐａ以下）としても良い。
また、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２には白金線を使用し、ガラス、セラミック等の絶縁材３１により断熱容器３から絶縁されて引き出されている。なお、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２は白金線に限らず、電気導電性であれば特に限定されず、金属、セラミックス等を使用しても良い。また、図１に示すように、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ９２に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は、発電セルスタック４００により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体９１に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は発電セルスタック４００により生成された電気エネルギーを二次電池９３に充電し、発電セルスタック４００が動作していない時に、二次電池９３に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体９１に供給する。

一方、アノード集電極４４の流路４６を通過した改質ガス（オフガス）には、未反応の水素も含まれており、このオフガスは燃料排出路８１（図１参照）を介して触媒燃焼器４８に供給される。

触媒燃焼器４８には、上記オフガスとともに、カソード集電極４５の流路４７を通過した空気が空気排出路８２（図１参照）を介して供給されて燃焼する。触媒燃焼器４８の内部には流路が形成され、その流路の壁面にＰｔ系の触媒が担持されている。

オフガスと空気の混合気体（燃焼ガス）は触媒燃焼器４８の流路を流れ、触媒燃焼器４８の流路を流れている燃焼ガスのうち水素が触媒により燃焼反応を起こし、これにより燃焼熱が発生する。燃焼反応後の未反応の燃焼ガスは、排ガスとして、触媒燃焼器４８から排ガス排出路８５（図１参照）を介して断熱容器３の外部に放出される。
なお、燃料供給路８１を有する燃料供給管８１０、空気供給路８２を有する空気供給管８２０、排ガス排出路８５を有する排ガス排出管８５０は、図３に示すように、断熱容器３を貫通して引き出されており、これら燃料供給管８１０、空気供給管８２０及び排ガス排出管８５０はガラス、セラミック等の絶縁材３１により断熱容器３から絶縁されて引き出されている。
この触媒燃焼器４８で発生した燃焼熱は発電セルスタック４００の温度を高温（約５００〜１０００℃程度）に維持するのに用いられる。

触媒燃焼器４８に接続された排ガス排出路８５には、さらに冷却器５が接続されており、冷却器５には第三のバルブＶ３を介して循環用ポンプＰ３が接続されている。この循環用ポンプＰ３は、燃料供給路８１を介してアノード集電極４４の流路４６に接続されている。
冷却器５としては、例えば熱交換器を使用することができ、その冷却方式は特に限定されるものではなく、排ガスの温度を低下できるものであれば水冷式のものや空冷式のものであっても、その他の冷媒を使用しても良い。また、冷却器５に気体と液体を分離できる気液分離器を具備させておき、これによって冷却器５に送られた排ガスから液体を分離するようにしても良い。
このような冷却器５は触媒燃焼器４８から排出された排ガスを冷却して第三のバルブＶ３へと送る。
第三のバルブＶ３は、三方向に分岐されており、冷却器５に繋がる排ガス排出路８５、循環用ポンプＰ３に繋がる循環路８７、発電システム１００の外部に繋がる外部排出路８６に接続され、その開閉動作で冷却器５から循環用ポンプＰ３への排ガスの流通を遮断又は許容、あるいは冷却器５から発電システム１００の外部への排ガスの流通を遮断又は許容するようになっている。発電システム１００の起動動作時には外部排出路８６側を開放することによって発電システム１００の外部への排ガスの流通を許容するように開放し、停止動作時には循環路８７側を開放することによって循環用ポンプＰ３への排ガスの流通を許容するようになっている。

なお、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２及び循環用ポンプＰ３はドライバを介して制御部６に電気的に接続されている。制御部６は、例えば汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ(Read Only Memory)等から構成されているもので、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、循環用ポンプＰ３に制御信号を送信し、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２及び循環用ポンプＰ３の各ポンピング動作（送出量の調整を含む。）を制御するようになっている。
また、制御部６には、第一〜第三のバルブＶ１〜Ｖ３がドライバを介して電気的に接続されている。制御部６は、図示しない流量センサの測定結果を受けて燃料及び水や空気の流量を認識することができるとともに、後述するように第一〜第三のバルブＶ１〜Ｖ３の開閉動作を制御することができるようになっている。
さらに、制御部６には、改質器２及び触媒燃焼器４８をそれぞれ加熱する電気ヒータがドライバを介して電気的に接続され、電気ヒータの発熱量とその停止とを制御するとともに、温度によって変化する電気ヒータの抵抗値等の電気的特性を計測することによって各反応器の温度を検出している。

また、発電システム１００は、発電セルスタック４００により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ９２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に接続される二次電池９３も備える。これらＤＣ／ＤＣコンバータ９２及び二次電池９３は制御部６に接続されて、電子機器本体９１に安定して電気エネルギーが供給されるように制御されている。

次に、発電システム１００の動作について説明する。
まず、起動時の動作を説明すると、発電システム１００が作動し、制御部６がドライバを介して電気ヒータを発熱させる。ここで、発電システム１００の作動は外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部６に作動信号が入力されることによって開始する。

発電システム１００の作動中、制御部６は、各電気ヒータや温度検出器４０１からフィードバックされた温度のデータに基づき、改質器２や発電セルスタック４００が所定の温度になるように温度制御を行う。
燃料ポンプＰ１を作動させると、燃料容器１内の燃料及び水が第二のバルブＶ２を介して改質器２に送られる。また、空気ポンプＰ２を作動させると、外気の空気が第一のバルブＶ１を介して発電セルスタック４００のカソード４３に送られる。

改質器２では、燃料ポンプＰ１で送られた燃料及び水が気化し、その気化した燃料及び水が触媒により上記水蒸気改質反応を起こし水素及び二酸化炭素が生成される（上記化学反応式（１））。
改質器２で生成された水素等の改質ガスは、燃料供給路８１を介して発電セルスタック４００のアノード４２に供給される。発電セルスタック４００においては、改質器２から送られた水素が上記化学反応式（４）に示すように水素イオンと電子とに分離する。一方、空気ポンプＰ２から送られた空気は、空気中の酸素が上記化学反応式（５）に示すように水素イオンと電子と反応し、水が生成される。

ここで、アノード４２側では未反応の水素はオフガスとして燃料排出路８３を介して触媒燃焼器４８に送られて燃焼されて、発電セルスタック４００の昇温のエネルギーとして利用された後、排ガス排出路８５を介して冷却器５に送られる。そして、この排ガスは冷却器５を通過することによって冷却される。このとき第三のバルブＶ３は外部排出路８６側を開放し、循環路８７側を閉鎖している。そのため、冷却器５で冷却された排ガスは第三のバルブＶ３を介してそのまま発電システム１００の外部に放出される。
カソード４３側では、供給された空気が副生成物である水とともに排ガス排出路８５を介して排出され、上記アノード４２側と同様に冷却器５を通過することによって冷却される。その後、冷却器５で冷却された排ガスは第三のバルブＶ３を介してそのまま外部に放出される。

そして、発電セルスタック４００によって生成された電気エネルギーは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２によって直流電流の所定電圧に変換され、電子機器本体９１に供給されるとともに二次電池９３にも充電される。電子機器本体９１は、供給された電気エネルギーにより動作する。

次に、発電システム１００の停止時の動作について説明する。図６は、停止動作時のフローチャートである。
発電システム１００の停止動作時は、まず、空気ポンプＰ２を停止させて、燃料ポンプＰ１は動作させておく（ステップＳ１）。次いで、第一のバルブＶ１を閉鎖して空気の供給を停止し、燃料容器１から第二のバルブＶ２を介して燃料及び水のみを供給しておく（ステップＳ２）。その後、発電セルスタック４００の出力電極の開回路電圧をチェックし（ステップＳ３）、所定電圧（例えば、２．５Ｖ）以下であるか否かを判断する（ステップＳ４）。所定電圧以下であれば、第三のバルブＶ３は、循環路８７側を開放して外部排出路８６側を閉鎖するように切り替えを行い（ステップＳ５）、触媒燃焼器４８から排出されて冷却器５で冷却された排ガスを循環用ポンプＰ３によって燃料供給路８１に供給する。
次いで、第二のバルブＶ２を閉鎖して燃料ポンプＰ１を停止し、燃料及び水の供給を停止する（ステップＳ６）。さらに、循環用ポンプＰ３を動作させて（ステップＳ７）、触媒燃焼器４８から排出される排ガスを、冷却器５で冷却した後、発電セルスタック４００内で循環させることにより発電セルスタック４００を冷却する。
このとき、発電セルスタック４００は、カソード４３への空気の供給が停止されているので発電できず、アノード４２に供給された改質ガスは反応せずに、触媒燃焼器４８に送られる。また、触媒燃焼器４８内には改質ガスだけが供給され、第一の触媒燃焼器４８内でも空気の供給がないために燃焼反応は起きず、未燃焼のまま排出ガス排出路８５を流れて冷却器５に供給される。ここで、未燃焼の改質ガスは還元ガスなので、発電セルスタック４００のアノード４２を酸化させることはない。
その後、温度検出器４０１によって発電セルスタック４００の温度が所定温度（例えば、３００℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ８）。３００℃以下であれば、循環用ポンプＰ３を停止させる（ステップＳ９）。これにより発電システム１００の停止動作が終了する。

以上のように、発電システム１００の停止動作時に、カソード４３への空気の供給を停止し、発電セルスタック４００及び触媒燃焼器４８から排出された排ガスを冷却器５で冷却させて、その後、冷却した排ガスを循環用ポンプＰ３でアノード４２へ送り循環させるので、別途不活性ガスを用意して不活性ガスによってアノード４２を循環させなくとも、アノード４２を酸化させずに発電セルスタック４００の温度を下げることができる。また、不活性ガス等を使用しないため、その分小型化を図ることができる。
さらに、循環させる排ガスを一旦、冷却器６で冷却させるので、運転停止動作時間を短縮することができる。また、温度検出器４０１を設け、発電セルスタック４００の温度が所定温度以下となった場合に、循環用ポンプＰ３を停止させて排ガスの循環を停止するよう制御しているので、発電セルスタック４００の温度を確実に下げて運転を停止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、温度検出器４０１としてＲ熱電対を使用したが、温度を測定できるものであればこれに限定されるものではなく、抵抗温度計等を使用することもできる。
また、上記実施の形態では、発電セルスタック４００の開回路電圧が２．５Ｖより低くなったら第三のバルブＶ３を循環路８７側に開放するとしたが、２．５Ｖに限定されるものではない。ただし、開回路電圧が高い時に運転を停止すると、すぐにガスの循環を停止しなければならずアノード４２のシンタリングが起こる可能性があり、また、開回路電圧が低すぎると発電システム１００の停止までの時間が長くなる。
また、発電セルスタック４００のスタック数は上述した三つに限定されるものではなく、適宜変更可能である。
また、本実施の形態では、発電セル４０のアノード４２に供給されるガスを改質ガスとしたが、燃料として気体を用いた場合には改質する必要はなく、燃料ガスのままで良く、改質器２を備えない構成であってよい。
さらに、温度検出器４０１による発電セルスタック４００の温度が３００℃まで低下した場合に、発電システム１００の停止動作を終了するとしたが、この温度に限定されるものではなく、２００〜４００℃とすることが好ましい。例えば、高温にした場合、アノード４２のシンタリングが起こる可能性があり、特性低下につながり、また、低温にした場合には循環用ポンプＰ３を駆動させ続けるので余分な電力を消費してしまうためである。

発電システム１００を搭載した携帯用の電子機器１０００を示すブロック図である。 発電セルスタック４００の一例を示す斜視図である。 断熱容器３内に発電セルスタック４００と触媒燃焼器４８とが収容された状態を示す模式図である。 発電セル４０の模式図である。 発電セルスタック４００の模式図である。 発電システム１００の停止動作時のフローチャートである。

符号の説明

２ 改質器
５ 冷却器
６ 制御部
４０ 発電セル
４１ 固体酸化物電解質膜
４２ アノード
４３ カソード
１００ 発電システム
Ｐ３ 循環用ポンプ

Claims (15)

1. 固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、所定の動作温度に設定され、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、
   前記発電セルから排出された排ガスを冷却する冷却器と、
   前記冷却器によって冷却された排ガスを前記アノードへ送り循環させるポンプと、
   前記発電セルの停止動作時に、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止した後、前記発電セルから排出された排ガスを前記冷却器で冷却させて、前記ポンプで前記アノードへ送り循環させるよう制御する制御部と、を備えることを特徴とする発電システム。
2. 前記冷却器が熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記発電セルの動作時において、該発電セルから排出される前記排ガスが供給され、触媒による燃焼反応を起こして、該燃焼反応による燃焼熱を前記発電セルに供給する燃焼器をさらに備え、
   前記発電セルの停止動作時において、前記燃焼器における前記燃焼反応が停止されて、前記発電セルから排出される前記排ガスが、前記燃焼器を介してそのまま前記冷却器に供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
4. 組成に水素原子を含む原燃料が供給され、水素を含む前記燃料ガスを生成して、前記発電セルの前記アノードに供給する改質器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電システム。
5. 前記制御部は、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止し、前記発電セルの開回路電圧が所定電圧値以下となったことが検出された後に、前記アノードへの前記排ガスの循環を開始させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発電システム。
6. 前記所定電圧値は、前記発電セルの温度を前記動作温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
7. 前記制御部は、前記発電セルの温度が所定温度以下になった場合に、前記アノードへの前記排ガスの循環を停止させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発電システム。
8. 前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
9. 前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
10. 発電システムの停止方法であって、
    前記発電システムは、固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、所定の動作温度に設定され、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、前記発電セルから排出された排ガスを冷却する冷却器と、を備え、
    前記発電セルの停止動作時に、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止した後、前記発電セルから排出された排ガスを前記冷却器により冷却し、前記アノードへ供給して循環させる工程を含むことを特徴とする発電システムの停止方法。
11. 前記アノードへ前記排ガスを循環させる工程は、前記カソードへの前記酸化剤の供給を停止し、前記発電セルの開回路電圧が所定電圧値以下となったことが検出された後に開始されることを特徴とする請求項１０に記載の発電システムの停止方法。
12. 前記所定電圧値は、前記発電セルの温度を前記動作温度から下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする請求項１１に記載の発電システムの停止方法。
13. さらに、前記発電セルの温度が所定温度以下になったときに、前記アノードへ前記排ガスを循環させる動作を停止させる工程を含むことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載の発電システムの停止方法。
14. 前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度にしたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする請求項１３に記載の発電システムの停止方法。
15. 前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする請求項１３に記載の発電システムの停止方法。

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