JP2009252544A - 燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体。 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化を図りつつ、電極に析出した炭素や水分を発電を継続しながら除去するとともに、耐久性を高めることができるようにする。
【解決手段】本発明は、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けたものであり、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段５０Ａと、ガス濃度検出部１０によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定するガス濃度判定手段５０Ｂと、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、空気の送給を停止する第二の送給停止手段５０Ｃとを有している。
【選択図】図２
【解決手段】本発明は、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けたものであり、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段５０Ａと、ガス濃度検出部１０によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定するガス濃度判定手段５０Ｂと、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、空気の送給を停止する第二の送給停止手段５０Ｃとを有している。
【選択図】図２
Description
本発明は、固体電解質型セルを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体に関する。
従来、特許文献１，２に開示された構成の燃料電池システムがある。
特許文献１に開示されている燃料電池システムは、第１固体酸化物形電解質と、該第１固体酸化物形電解質の一方側に設けられた第１電極と、該第１電極に燃料を供給する第１燃料流路と、前記第１固体酸化物形電解質の他方側に設けられた第２電極と、該第２電極に酸化剤を供給する第１酸化剤流路と、前記第１電極と前記第２電極の間に前記第１電極を正極とする電位を印加可能な電源部とが備えられた電気化学的処理部と、第２固体酸化物形電解質と、該第２固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、該アノードに燃料を供給する第２燃料流路と、前記第２固体酸化物形電解質の他方面に設けられたカソードと、該カソードに酸化剤を供給する第２酸化剤流路とが備えられた発電部を有する固体酸化物形燃料電池が設けられ、前記第１燃料流路から排出された燃料が前記第２燃料流路に供給されることを内容としたものである。
換言すると、停止時に不活性ガスに還元性ガスを添加したガスによりパージすることにより、残留ガスによる電極へのダメージを防止しようとしたものである。
特許文献１に開示されている燃料電池システムは、第１固体酸化物形電解質と、該第１固体酸化物形電解質の一方側に設けられた第１電極と、該第１電極に燃料を供給する第１燃料流路と、前記第１固体酸化物形電解質の他方側に設けられた第２電極と、該第２電極に酸化剤を供給する第１酸化剤流路と、前記第１電極と前記第２電極の間に前記第１電極を正極とする電位を印加可能な電源部とが備えられた電気化学的処理部と、第２固体酸化物形電解質と、該第２固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、該アノードに燃料を供給する第２燃料流路と、前記第２固体酸化物形電解質の他方面に設けられたカソードと、該カソードに酸化剤を供給する第２酸化剤流路とが備えられた発電部を有する固体酸化物形燃料電池が設けられ、前記第１燃料流路から排出された燃料が前記第２燃料流路に供給されることを内容としたものである。
換言すると、停止時に不活性ガスに還元性ガスを添加したガスによりパージすることにより、残留ガスによる電極へのダメージを防止しようとしたものである。
特許文献２に開示されている燃料電池システムは、電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスで形成され電池セルの燃料極に供給される燃料ガスと電池セルの空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する固体酸化物形燃料電池本体と、前記固体酸化物形燃料電池本体の運転中に空気を窒素と酸素とに分離し得られた酸素を前記電池セルの空気極に供給する空気分離装置と、前記空気分離装置で分離された窒素を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯蔵タンクと、前記固体酸化物燃料電池の運転中に前記空気分離装置で分離された窒素により前記電池セルを冷却するための電池セル冷却設備と、前記固体酸化物燃料電池の運転停止時に前記液体窒素貯蔵タンクに貯蔵された窒素を前記電池セルの燃料極に供給するための燃料極窒素供給設備とを備えたものである。
すなわち、空気の分離装置によって生成したＮ２を利用し、停止時に燃料極に供給するようにしたものである。
特開２００３−２４３０００号公報
特開２００４−２２０９４２号公報
すなわち、空気の分離装置によって生成したＮ２を利用し、停止時に燃料極に供給するようにしたものである。
しかしながら、上記特許文献１，２に記載した燃料電池システムでは、いずれの構成であってもシステムサイズが大きくなるとともに、製造コストも高いという問題がある。
そこで本発明は、小型化を図りつつ、電極に析出した炭素や水分を発電を継続しながら除去するとともに、耐久性を高めることができる燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体の提供を目的としている。
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、上記炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、上記空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けたものであり、上記第一の流量調整部を介し、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段と、ガス濃度検出部によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定するガス濃度判定手段と、ガス濃度判定手段により、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部を介し、空気の送給を停止する第二の送給停止手段とを有していることを特徴としている。
同目的を達成するための本発明の燃料電池システムに用いるプログラムは、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、上記炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、上記空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けた燃料電池システムに用いるものであり、上記第一の流量調整部を介し、一方のガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段と、ガス濃度検出部によって検出した一方のガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定する機能と、一方のガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部を介し、他方のガスの送給を停止する機能とを、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを特徴としている。
同目的を達成するための本発明の情報記録媒体は、上記の燃料電池システムに用いるプログラムを記録したことを特徴としている。
本発明によれば、小型化を図りつつ、電極に析出した炭素や水分を発電を継続しながら除去することができるとともに、耐久性を高められる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図２は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、一例に係る燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、酸素分圧計測部Ｐ、ガス濃度検出部としての電流計１０、蓄電部２０、及び流量調整部３０Ｉ，３０Ｏ、３１Ｉ，３１Ｏを主たるハードウェア構成としたものである。
燃料電池Ｂは、燃料極４１と空気極４２とを電解質４３の両側に対置した固体電解質型セル４０をケース（図示しない）内に収容したものである。
上記燃料極４１には一方のガスを、また、空気極４２には、空気をそれぞれ流接させることによる発電を行うようにしたものである。なお、本実施形態における一方のガスは炭化水素ガス、他方のガスは空気である。
上記燃料極４１には一方のガスを、また、空気極４２には、空気をそれぞれ流接させることによる発電を行うようにしたものである。なお、本実施形態における一方のガスは炭化水素ガス、他方のガスは空気である。
燃料電池Ｂには、炭化水素ガスを燃料極４１に向けて流入させるための流入路１１と、空気を空気極４２に向けて流入させるための流入路１２、燃料極４１に流接した炭化水素ガスを流出させるための流出路１３、空気極４２に流接した空気を流出させるための流出路１４が配設されている。
酸素分圧計測部Ｐは、上記流入路１１に配設されており、その流入路１１を流通する炭化水素ガスの酸素分圧を計測するものである。
ガス濃度検出部としての電流計１０は、ガス濃度を出力電流として計測するものである。すなわち、燃料電池Ｂを定電圧運転モードによって発電させていると、ガス濃度の低下と出力電流の低下とが比例する。そこで、出力電流を計測することによりガス濃度を検知しようとしたものである。
流量調整部３０Ｉ，３０Ｏ、３１Ｉ，３１Ｏは、それぞれ流入路１１，１２及び流出路１３，１４に配設した開閉弁３２と、この開閉弁３２を開閉駆動する弁駆動部（いずれも図示しない）を有して構成されたものであり、詳細を後述するコントローラユニットＣから出力される駆動信号により開閉駆動され、各流路を流通する炭化水素ガスや空気の送給と停止を行えるようになっている（図２参照）。
すなわち、流量調整部３０Ｉが流入路１１、流量調整部３０Ｏが流出路１３、流量調整部３１Ｉが流入路１２、流量調整部３１Ｏが流出路１４にそれぞれ配設されている。
本実施形態においては、流量調整部３０Ｉと流量調整部３０Ｏとが、炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部、流量調整部３１Ｉと流量調整部３１Ｏとが、空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部である。
なお、第一の流量調整部として、流量調整部３０Ｉか流量調整部３０Ｏのいずれかのみであってもよく、同様に、第二の流量調整部として、流量調整部３１Ｉ又は流量調整部３１Ｏのいずれかのみであってもよい。
本実施形態においては、流量調整部３０Ｉと流量調整部３０Ｏとが、炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部、流量調整部３１Ｉと流量調整部３１Ｏとが、空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部である。
なお、第一の流量調整部として、流量調整部３０Ｉか流量調整部３０Ｏのいずれかのみであってもよく、同様に、第二の流量調整部として、流量調整部３１Ｉ又は流量調整部３１Ｏのいずれかのみであってもよい。
蓄電部２０は、燃料電池Ｂを定常運転しているときの余剰の電力を蓄電するようになっており、本実施形態においては２次電池であるが、この他にキャパシタ等を採用することもできる。
コントローラユニットＣは、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラ５０と、情報記録媒体であるハードディスク等からなる記憶部５１とを有するものであり、その記憶部５１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、下記の各機能を発揮する。
燃料電池システムＡ１に用いるプログラムは、上記第一の流量調整部３０Ｉを介し、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止機能と、ガス濃度検出部１０によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定する判定機能と、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止する第二の送給停止機能とを、本燃料電池システムＡ１を統制するコンピュータに実現することを特徴としたものである。
本実施形態においては、コントローラユニットＣが、本燃料電池システムＡ１を統制するコンピュータである。
本実施形態においては、コントローラユニットＣが、本燃料電池システムＡ１を統制するコンピュータである。
（１）上記第一の流量調整部３０Ｉを介し、炭化水素ガスの送給のみを停止する機能。これを「第一の送給停止手段５０Ａ」という。
炭化水素ガスの送給のみを停止するタイミングは、燃料電池Ｂの運転を停止することが決定されたときである。具体的には、例えば外部から運転停止信号がコントローラユニットＣに送信されたときである。
炭化水素ガスの送給のみを停止するタイミングは、燃料電池Ｂの運転を停止することが決定されたときである。具体的には、例えば外部から運転停止信号がコントローラユニットＣに送信されたときである。
従って、燃料電池Ｂの運転を停止するか否かを判定し、当該運転を停止すると判定したときに、第一の流量調整部３０Ｉを介し、炭化水素ガスの送給のみを停止するようにしてもよい。
燃料電池Ｂの運転を停止するか否かを判定する機能を、運転停止判定手段という。
燃料電池Ｂの運転を停止するか否かを判定する機能を、運転停止判定手段という。
（２）ガス濃度検出部１０によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定する機能。これを「ガス濃度判定手段５０Ｂ」という。
すなわち、残留している燃料ガスの濃度が減少すると電流値も比例して下がるため、本実施形態においては、その電流値が所定の値以下になったとき、換言すると、炭化水素ガスが無くなったときに相当する電流値以下になったか否かを判定しているのである。
すなわち、残留している燃料ガスの濃度が減少すると電流値も比例して下がるため、本実施形態においては、その電流値が所定の値以下になったとき、換言すると、炭化水素ガスが無くなったときに相当する電流値以下になったか否かを判定しているのである。
（３）ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止する機能。これを「第二の送給停止手段５０Ｃ」という。
（４）炭化水素ガスの送給を停止した後、燃料電池Ｂの定電圧運転を行う機能。これを定電圧運転手段５０Ｄ」という。
「炭化水素ガスの送給を停止した後」は、上記第二の流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止した後のことである。また、ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、第二の流量調整部３１Ｉを介して空気の送給を停止するのと同時であってもよい。
「炭化水素ガスの送給を停止した後」は、上記第二の流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止した後のことである。また、ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、第二の流量調整部３１Ｉを介して空気の送給を停止するのと同時であってもよい。
（５）空気の送給が停止された後、燃料極と空気極とに、これらと逆極性の電力の供給を開始する機能。これを「給電開始手段５０Ｅ」という。
この給電の際の電源として給電部２０を活用している。
なお、ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、電力の供給を開始するようにしてもよい。
この給電の際の電源として給電部２０を活用している。
なお、ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、電力の供給を開始するようにしてもよい。
（６）酸素分圧計測部Ｐにより計測した酸素分圧が所定値以下になったか否かを判定する機能。これを「酸素分圧判定手段５０Ｆ」という。
「所定値」は、電気分解の終了に相当する圧力である。
「所定値」は、電気分解の終了に相当する圧力である。
（７）酸素分圧判定手段５０Ｆにより、酸素分圧が所定値以下になったと判定されたときには、燃料極と空気極とに供給されている逆極性の電力を停止する機能。これを「給電停止手段５０Ｇ」という。
燃料極の主成分であるＮｉは、酸素によって酸化されて活性が低下したり、又は体積膨張により電極の発電特性、耐久性が低下する。また、酸化される酸素分圧の限界は、作動温度によって異なるが、例えば８００度では１０〜１４ａｔｍである。
従って、作動温度がわかれば、予め決めておいた許容酸素分圧範囲が決まってくる。その以内であれば電気分解を行なう必要がなく、超えた場合に電気分解反応を開始するのである。
燃料極の主成分であるＮｉは、酸素によって酸化されて活性が低下したり、又は体積膨張により電極の発電特性、耐久性が低下する。また、酸化される酸素分圧の限界は、作動温度によって異なるが、例えば８００度では１０〜１４ａｔｍである。
従って、作動温度がわかれば、予め決めておいた許容酸素分圧範囲が決まってくる。その以内であれば電気分解を行なう必要がなく、超えた場合に電気分解反応を開始するのである。
以上の構成からなる燃料電池システムＡ１の動作について、図３を参照して説明する。図３は、燃料電池システムＡ１の運転停止モードを示すフローチャートである。
燃料電池Ｂの運転停止により、ステップＳ１に進む。
燃料電池Ｂの運転停止により、ステップＳ１に進む。
ステップＳ１：流量調整部３０Ｉを介して、炭化水素ガスのみを停止して、ステップＳ２に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップＳ２：出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップＳ３に進む。このとき、燃料電池Ｂ内に残留している炭化水素ガスにより発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ２：出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップＳ３に進む。このとき、燃料電池Ｂ内に残留している炭化水素ガスにより発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ３：出力電流をチェックして、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４：出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップＳ５に進み、そうでなければステップＳ２に戻る。
ステップＳ４：出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップＳ５に進み、そうでなければステップＳ２に戻る。
ステップＳ５：第二の流量調整部３１ｌを介し、空気の送給を停止してステップＳ６に進む。
ステップＳ６：発電時とは電流方向を逆転した逆極性の電力を供給して電気分解を行い、ステップＳ７に進む。
すなわち、炭化水素ガス中に含まれるＨ２Ｏ（水分）を電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
Ｈ２Ｏの理論分解電圧は１．２３Ｖのため、それ以上の電圧を印加をすれば、電気分解反応が生じる。今回のような還元雰囲気調整のための電気分解は、ほんのわずかのＨ２量（約１％）があれば、酸素分圧が十分下がる。
ステップＳ６：発電時とは電流方向を逆転した逆極性の電力を供給して電気分解を行い、ステップＳ７に進む。
すなわち、炭化水素ガス中に含まれるＨ２Ｏ（水分）を電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
Ｈ２Ｏの理論分解電圧は１．２３Ｖのため、それ以上の電圧を印加をすれば、電気分解反応が生じる。今回のような還元雰囲気調整のための電気分解は、ほんのわずかのＨ２量（約１％）があれば、酸素分圧が十分下がる。
ステップＳ７：酸素分圧が所定値以下であるか否かを判定し、その酸素分圧が所定値以下であれば、ステップＳ８に進んで燃料電池Ｂの温度を降下させ、また、酸素分圧が所定値以下でなければ、ステップＳ６に戻る。
次に、第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図４〜６を参照して説明する。図４は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図５は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２は、一例に係る燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、酸素分圧計Ｐ、ガス濃度検出部としての電圧計６０、蓄電部２０、及び流量調整部３０Ｉ，３０Ｏ、３１Ｉ，３１Ｏを主たるハードウェア構成としたものである。
本実施形態においては、燃料電池の出力電圧を検知する電圧計６０をガス濃度検出部として採用している点が、上述した燃料電池システムＡ１と相違している。
電圧計６０は、ガス濃度を出力電圧として計測するものである。すなわち、定電流運転モードによって燃料電池Ｂを発電していると、ガス濃度の低下と出力電圧の低下とが比例する。そこで、出力電圧を計測することによりガス濃度を検知しようとしたものである。
電圧計６０は、ガス濃度を出力電圧として計測するものである。すなわち、定電流運転モードによって燃料電池Ｂを発電していると、ガス濃度の低下と出力電圧の低下とが比例する。そこで、出力電圧を計測することによりガス濃度を検知しようとしたものである。
コントローラユニットＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラ５０と、情報記録媒体であるハードディスク等からなる記憶部５１とを有するものである。
そして、上記の記憶部５１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段５０Ａ、ガス濃度判定手段５０Ｂ、第二の送給停止手段５０Ｃ、酸素分圧判定手段５０Ｅ、給電開始手段５０Ｆ、給電停止手段Ｇ、給電停止手段５０Ｇの他、以下に説明する定電流運転手段５０Ｈの各機能を発揮する。
そして、上記の記憶部５１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段５０Ａ、ガス濃度判定手段５０Ｂ、第二の送給停止手段５０Ｃ、酸素分圧判定手段５０Ｅ、給電開始手段５０Ｆ、給電停止手段Ｇ、給電停止手段５０Ｇの他、以下に説明する定電流運転手段５０Ｈの各機能を発揮する。
定電流運転手段５０Ｈは、炭化水素ガスを停止した後、燃料電池Ｂの定電流運転を行うものである。
「炭化水素ガスを停止した後」は、上記流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止した後のことである。また、ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、第二の流量調整部３１Ｉを介して空気の送給を停止するのと同時であってもよいことは上記と同様である。
「炭化水素ガスを停止した後」は、上記流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止した後のことである。また、ガス濃度判定手段５０Ｂにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、第二の流量調整部３１Ｉを介して空気の送給を停止するのと同時であってもよいことは上記と同様である。
以上の構成からなる燃料電池システムＡ２の動作について、図６を参照して説明する。図６は、第二の実施形態に係る燃料電池システムの運転停止モードを示すフローチャートである。
燃料電池の運転停止により、ステップＳ１に進む。
ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：第一の流量調整部３０ｌを介して、炭化水素ガスの流量のみを停止して、ステップＳ２に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップＳ２：出力電流を一定にした定電流運転モードにより発電を継続して、ステップＳ３に進む。このとき、発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：第一の流量調整部３０ｌを介して、炭化水素ガスの流量のみを停止して、ステップＳ２に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップＳ２：出力電流を一定にした定電流運転モードにより発電を継続して、ステップＳ３に進む。このとき、発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ３：出力電圧をチェックして、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４：出力電圧が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電圧が所定値よりも低下したならステップＳ５に進み、そうでなければステップＳ２に戻る。
ステップＳ４：出力電圧が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電圧が所定値よりも低下したならステップＳ５に進み、そうでなければステップＳ２に戻る。
ステップＳ５：第二の流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止してステップＳ６に進む。
ステップＳ６：電流方向を逆転して電気分解を行い、ステップＳ７に進む。炭化水素ガス中に含まれるＨ２Ｏを電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
ステップＳ６：電流方向を逆転して電気分解を行い、ステップＳ７に進む。炭化水素ガス中に含まれるＨ２Ｏを電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
ステップＳ７：酸素分圧が所定値以下であるか否かを判定し、その酸素分圧が所定値以下であれば、ステップＳ８に進んで燃料電池の温度を降下させ、また、酸素分圧が所定値以下でなければ、ステップＳ６に戻る。
次に、第三の実施形態に係る燃料電池システムについて、図７〜９を参照して説明する。図７は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図８は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図７に示すように、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムＡ３は、一例に係る燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、酸素分圧計Ｐ、ガス濃度検知センサとしての電流計１０、蓄電部２０、流量調整部３０Ｉ，３０Ｏ、３１Ｉ，３１Ｏ、圧力計測部としての圧力計６５、圧力調整機構７０、ガス循環ポンプ７５を主要のハードウェア構成としたものである。
圧力計６５は、炭化水素ガスの圧力を計測するためのものである。具体的には、炭化水素ガスの流出路１３に配設されて、その流出路１３における圧力を測定するものであり、その測定値は、コントローラユニットＣに送信されるようになっている。
本実施形態に示す圧力調整機構７０は、炭化水素ガスの圧力を調整するためのものであり、空圧シリンダ７１と、これを駆動するためのシリンダ駆動部７２とを有している。
シリンダ駆動部７２は、コントローラユニットＣから送信される駆動信号により、空圧シリンダ７１の伸縮ロッド（図示しない）を伸縮駆動することにより、炭化水素ガスの圧力を増減調整するようになっている。
すなわち、残留する炭化水素ガスによる発電、又はＨ２Ｏの電気分解による還元雰囲気の制御によって、流入路１１内の圧力が増減変動するので、この変動を相殺するように流入路１１内の圧力を一定に保つようにしているのである。
シリンダ駆動部７２は、コントローラユニットＣから送信される駆動信号により、空圧シリンダ７１の伸縮ロッド（図示しない）を伸縮駆動することにより、炭化水素ガスの圧力を増減調整するようになっている。
すなわち、残留する炭化水素ガスによる発電、又はＨ２Ｏの電気分解による還元雰囲気の制御によって、流入路１１内の圧力が増減変動するので、この変動を相殺するように流入路１１内の圧力を一定に保つようにしているのである。
ガス循環ポンプ７５は、上記した流入路１１と、流出路１３との間に連結した循環路１５に配設され、流入路１１、燃料電池Ｂ及び流出路１３の経路において炭化水素ガスを循環させるようになっており、コントローラユニットＣから送信される駆動信号により駆動されるようになっている。
すなわち、炭化水素ガスの送給を停止すると、流入路１１内、電極内のガス流れが悪くなる。これを改善するためにガス循環ポンプ７５により炭化水素ガスを循環させて円滑にし、燃料の利用率を向上させ、これにより炭素析出、電極酸化の防止効果を向上させているのである。
すなわち、炭化水素ガスの送給を停止すると、流入路１１内、電極内のガス流れが悪くなる。これを改善するためにガス循環ポンプ７５により炭化水素ガスを循環させて円滑にし、燃料の利用率を向上させ、これにより炭素析出、電極酸化の防止効果を向上させているのである。
コントローラユニットＣは、図８に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラ５０と、情報記録媒体であるハードディスク等からなる記憶部５１とを有するものである。
そして、上記の記憶部５１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段５０Ａ、ガス濃度判定手段５０Ｂ、第二の送給停止手段５０Ｃ、定電圧運転手段５０Ｄ、給電開始手段５０Ｅ、酸素分圧判定手段５０Ｆ、給電停止手段５０Ｇの他、圧力調整手段５０Ｉと、ポンプ作動手段５０Ｊの各機能を発揮する。
そして、上記の記憶部５１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段５０Ａ、ガス濃度判定手段５０Ｂ、第二の送給停止手段５０Ｃ、定電圧運転手段５０Ｄ、給電開始手段５０Ｅ、酸素分圧判定手段５０Ｆ、給電停止手段５０Ｇの他、圧力調整手段５０Ｉと、ポンプ作動手段５０Ｊの各機能を発揮する。
（８）上記圧力計測部６５で計測した圧力に基づき、圧力調整機構７０を介して、その圧力が所定値となるように調整する機能。これを「圧力調整手段５０Ｉ」という。
すなわち、残留炭化水素ガスによる発電、またはＨ２Ｏの電気分解による還元雰囲気の制御によって、流出入路内の圧力が上下変動しているので、これを一定に保たせているのである。
すなわち、残留炭化水素ガスによる発電、またはＨ２Ｏの電気分解による還元雰囲気の制御によって、流出入路内の圧力が上下変動しているので、これを一定に保たせているのである。
（９）炭化水素ガスの停止により、ガス循環ポンプ７５を作動させる機能。これを「ポンプ作動手段５０ｊ」という。
すなわち、炭化水素ガスの送給を停止すると、流出入路内や電極内のガスの流れが悪くなるため、ガス循環ポンプ７５によってガス流れを改善し、これにより燃料の利用率を向上させて、炭素析出、電極酸化の防止効果に寄与できる。
すなわち、炭化水素ガスの送給を停止すると、流出入路内や電極内のガスの流れが悪くなるため、ガス循環ポンプ７５によってガス流れを改善し、これにより燃料の利用率を向上させて、炭素析出、電極酸化の防止効果に寄与できる。
以上の構成からなる燃料電池システムＡ３の動作について、図９を参照して説明する。図９は、燃料電池システムＡ３の運転停止モードを示すフローチャートである。
燃料電池の運転停止により、ステップＳ１に進む。
燃料電池の運転停止により、ステップＳ１に進む。
ステップＳ１：第一の流量調整部３０Ｉを介して、炭化水素ガスのみを停止して、ステップ２に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップＳ２：ガス循環ポンプ７５を作動させて、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３：出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップＳ４に進む。このとき、発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ２：ガス循環ポンプ７５を作動させて、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３：出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップＳ４に進む。このとき、発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ４：出力電流をチェックして、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５：出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップＳ６に進み、そうでなければステップＳ３に戻る。
ステップＳ５：出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップＳ６に進み、そうでなければステップＳ３に戻る。
ステップＳ６：第二の流量調整部３１ｌを介し、空気の送給を停止してステップＳ７に進む。
ステップＳ７：電流方向を逆転して電力を供給して電気分解を行い、ステップＳ８に進む。炭化水素ガス中に含まれるＨ２Ｏ（水分）を電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
ステップＳ７：電流方向を逆転して電力を供給して電気分解を行い、ステップＳ８に進む。炭化水素ガス中に含まれるＨ２Ｏ（水分）を電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
ステップＳ８：酸素分圧が所定値以下であるか否かを判定し、その酸素分圧が所定値以下であれば、ステップＳ９に進んでガス循環ポンプ７５を停止するとともに燃料電池の温度を降下させ、また、酸素分圧が所定値以下でなければ、ステップＳ７に戻る。
次に、第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４について、図１０〜１２を参照して説明する。図１０は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図１１は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４は、一例に係る燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、酸素分圧計Ｐ、ガス濃度検出部としての電流計１０、蓄電部２０、流量調整部３０Ｉ，３０Ｏ、３１Ｉ，３１Ｏの他、温度調整機構８０、及び温度計測部８５を主要の構成としたものである。
温度調整機構８０は、燃料電池Ｂの温度を調整するための例えばヒータやバーナー等であり、本実施形態においては、燃料電池Ｂの外表面を覆うように形成している。
温度計測部８５は、燃料電池Ｂの温度を計測するためのものであり、計測された温度データは、コントローラユニットＣに出力されるようになっている。
温度計測部８５は、燃料電池Ｂの温度を計測するためのものであり、計測された温度データは、コントローラユニットＣに出力されるようになっている。
コントローラユニットＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラ５０と、情報記録媒体であるハードディスク等からなる記憶部５１とを有するものである。
そして、上記の記憶部５１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段５０Ａ、ガス濃度判定手段５０Ｂ、第二の送給停止手段５０Ｃ、定電圧運転手段５０Ｄ、給電開始手段５０Ｅ、酸素分圧判定手段５０Ｆ及び給電停止手段５０Ｇに加え、次の各機能を発揮する。
（１０）温度計測部によって計測した燃料電池Ｂの温度が、所定値以下になったか否かを判定する機能、これを「温度判定手段５０Ｋ」という。
「所定値」は、残留する炭化水素ガスによる発電を継続する上で発電効率が悪化しない温度である。
「所定値」は、残留する炭化水素ガスによる発電を継続する上で発電効率が悪化しない温度である。
（１１）温度判定手段５０Ｋにより、燃料電池Ｂが所定温度以下になったと判定したときには、温度調整機構８０による燃料電池Ｂの加熱を開始する機能。これを「加熱開始手段５０Ｌ」という。
すなわち、残留する炭化水素ガスによる発電を継続する上で、燃料電池Ｂの温度が極端に下がると、発電効率が悪くなる。そこで、燃料電池Ｂが所定の温度より下がらないようにしている。
すなわち、残留する炭化水素ガスによる発電を継続する上で、燃料電池Ｂの温度が極端に下がると、発電効率が悪くなる。そこで、燃料電池Ｂが所定の温度より下がらないようにしている。
以上の構成からなる燃料電池システムＡ４の動作について、図１２を参照して説明する。図１２は、燃料電池システムＡ４の運転停止モードを示すフローチャートである。
燃料電池の運転停止により、ステップＳ１に進む。
ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：第一の流量調整部３０Ｉを介して炭化水素ガスのみを停止し、ステップＳ２に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップＳ２：出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップＳ３に進む。このとき、発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：第一の流量調整部３０Ｉを介して炭化水素ガスのみを停止し、ステップＳ２に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップＳ２：出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップＳ３に進む。このとき、発電した電力は蓄電部２０に蓄電される。
ステップＳ３：燃料電池Ｂの温度をチェックして、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４：燃料電池Ｂの温度が所定値以下か否かを判定し、当該温度が所定値以下であればステップＳ５に進む。また、当該温度が所定値以下でなければ、ステップＳ３に戻る。
ステップＳ５：温度調整機構７０による燃料電池Ｂの加熱を開始して、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６：出力電流をチェックして、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７：出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップＳ８に進み、そうでなければステップＳ２に戻る。
ステップＳ４：燃料電池Ｂの温度が所定値以下か否かを判定し、当該温度が所定値以下であればステップＳ５に進む。また、当該温度が所定値以下でなければ、ステップＳ３に戻る。
ステップＳ５：温度調整機構７０による燃料電池Ｂの加熱を開始して、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６：出力電流をチェックして、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７：出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップＳ８に進み、そうでなければステップＳ２に戻る。
ステップＳ８：第二の流量調整部３１Ｉを介し、空気の送給を停止してステップＳ９に進む。
ステップＳ９：電流方向を逆転して電気分解を行い、ステップＳ１０に進む。燃料ガス中に含まれるＨ２Ｏを電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
ステップＳ９：電流方向を逆転して電気分解を行い、ステップＳ１０に進む。燃料ガス中に含まれるＨ２Ｏを電気分解することにより、燃料極（Ｎｉ）のＨ２Ｏによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
ステップＳ１０：酸素分圧が所定値以下であるか否かを判定し、その酸素分圧が所定値以下であれば、ステップＳ１１に進んで燃料電池Ｂの温度を降下させ、また、酸素分圧が所定値以下でなければ、ステップＳ９に戻る。
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、酸素分圧計Ｐを、上記流入路１１に配設した例について説明したが、流出路１３に配設してもよく、また、流入路１１と流出路１３の双方に配設してもよい。
・上述した実施形態においては、酸素分圧計Ｐを、上記流入路１１に配設した例について説明したが、流出路１３に配設してもよく、また、流入路１１と流出路１３の双方に配設してもよい。
・上述した各実施形態においては、ガス濃度検出部として、電流計と電圧計とを例として説明したが、ガス濃度を直接検出するセンサを、炭化水素ガスを燃料電池に流入させるための上記流入路又は流出路に配設してもよく、また、流入路と流出路の双方に配設してもよい。
・上述した各実施形態においては、単一のコントローラユニットにより記述した各機能を実現した例について説明したが、複数のコントローラユニットにより、従ってまた、本燃料電池を統制する複数のコンピュータにより分散処理するようにしてもよい。
１０，６０ ガス濃度検出部
１１ 流入路
１３ 流出路
２０ 蓄電部
３０Ｉ 第一の流量調整部
３１Ｉ 第二の流量調整部
４０ 固体電解質型セル
４１ 燃料極
４２ 空気極
５０Ａ 第一の送給停止手段
５０Ｂ ガス濃度判定手段
５０Ｃ 第二の送給停止手段
５０Ｄ 定電圧運転手段
５０Ｅ 給電開始手段
５０Ｆ 酸素分圧判定手段
５０Ｇ 給電停止手段
５０Ｈ 定電流運転手段
５０Ｉ 圧力調整手段
５０Ｊ ポンプ作動手段
５０Ｋ 温度判定手段
５０Ｌ 加熱開始手段
５１ 情報記録媒体
６５ 圧力計測部
７０ 圧力調整機構
７５ ガス循環ポンプ
８０ 温度調整機構
８５ 温度計測部
Ｂ 燃料電池
Ｐ 酸素分圧計測部
１１ 流入路
１３ 流出路
２０ 蓄電部
３０Ｉ 第一の流量調整部
３１Ｉ 第二の流量調整部
４０ 固体電解質型セル
４１ 燃料極
４２ 空気極
５０Ａ 第一の送給停止手段
５０Ｂ ガス濃度判定手段
５０Ｃ 第二の送給停止手段
５０Ｄ 定電圧運転手段
５０Ｅ 給電開始手段
５０Ｆ 酸素分圧判定手段
５０Ｇ 給電停止手段
５０Ｈ 定電流運転手段
５０Ｉ 圧力調整手段
５０Ｊ ポンプ作動手段
５０Ｋ 温度判定手段
５０Ｌ 加熱開始手段
５１ 情報記録媒体
６５ 圧力計測部
７０ 圧力調整機構
７５ ガス循環ポンプ
８０ 温度調整機構
８５ 温度計測部
Ｂ 燃料電池
Ｐ 酸素分圧計測部
Claims (16)
- 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、上記炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、上記空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、その炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けた燃料電池システムであって、
上記第一の流量調整部を介し、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段と、
ガス濃度検出部によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定するガス濃度判定手段と、
ガス濃度判定手段により、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部を介し、空気の送給を停止する第二の送給停止手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 - 炭化水素ガスの酸素分圧を計測する酸素分圧計測部を有しており、
空気の送給が停止された後に、燃料極と空気極とに、発電時とは逆極性にした電力の供給を開始する給電開始手段と、
酸素分圧計測部により検出した酸素分圧が、所定値以下になったか否かを判定する酸素分圧判定手段と、
酸素分圧判定手段により、酸素分圧が所定値以下になったと判定されたときには、燃料極と空気極とに供給されている逆極性にした電力を停止する給電停止手段とを有す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。 - ガス濃度検出部は、炭化水素ガスの濃度として燃料電池の出力電流を検知する電流計であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度検出部は、炭化水素ガスの濃度として燃料電池の出力電圧を検知する電圧計であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度検出部を、炭化水素ガスを燃料電池に流入させるための流入路に配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度検出部を、炭化水素ガスの流出路に配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
- 炭化水素ガスの送給を停止した後、燃料電池の定電圧運転を行う定電圧運転手段を設けていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 炭化水素ガスの送給を停止した後、燃料電池の定電流運転を行う定電流運転手段を設けていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度判定手段により、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、給電開始手段により電力の供給を開始することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池により発電された余剰電力を蓄電する蓄電部が設けられており、その蓄電部を、燃料極と空気極とに供給する逆極性にした電力の供給源としていることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 蓄電部は２次電池又はキャパシタであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
- 炭化水素ガスの圧力を計測するための圧力計測部と、その炭化水素ガスの圧力を調整するための圧力調整機構を設けているとともに、
上記圧力計測部で計測した圧力に基づき、圧力調整機構を介して、その圧力が所定値となるように調整する圧力調整手段を設けたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池の温度を計測する温度計測部と、燃料電池の温度を調整するための温度調整機構とを設けているとともに、
温度計測部によって計測した燃料電池の温度が、所定値以下になったか否かを判定する温度判定手段と、
温度判定手段により、燃料電池の温度が所定値以下になったと判定したときには、温度調整機構による燃料電池の加熱を開始する加熱開始手段とを設けていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 炭化水素ガスを燃料電池に流入するための流入路と、燃料電池から流出する流出路との間に、炭化水素ガスを循環させるためのガス循環ポンプを配設しているとともに、
炭化水素ガスの送給を停止した後、ガス循環ポンプを作動させるポンプ作動手段を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、上記炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、上記空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、その炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けた燃料電池システムに用いるプログラムであって、
上記第一の流量調整部を介し、一方のガスの送給のみを停止する機能と、
ガス濃度検出部によって検出した一方のガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定する機能と、
一方のガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部を介し、他方のガスの送給を停止する機能とを、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを特徴とする燃料電池システムに用いるプログラム。 - 請求項１５に記載した燃料電池システムに用いるプログラムを記録したことを特徴とする情報記録媒体。
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