JP2011008993A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】停止時の燃料電池モジュール内に多量の改質後の燃料ガスが残留した危険な状態（爆発等）を回避すると共に、改質後の燃料ガスに含まれるＣＯ等が周囲へ及ぼす悪影響を防ぎ、安全性を高めることができる固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池モジュール２内の発電室１０に配置された燃料電池セル集合体１２と、燃料ガスを燃料電池セル集合体に供給する改質器２０と、改質器に水蒸気を供給する蒸発器２２と、改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３８と、純水を生成して蒸発器に供給する水供給手段２８と、発電を停止したとき、蒸発器から改質器に供給される水蒸気の圧力により、改質器から発電室までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを発電室内の燃料電池セル集合体に供給するように水供給手段を制御し、これらの残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を行い、所定値以上の電流を生じさせる制御部６０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気及び／又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。

従来のＳＯＦＣにおいては、例えば、特許文献１に記載されているように、都市ガス等の燃料ガスが改質器において水素や一酸化炭素に改質された後、燃料電池素子の外側であるアノード側に供給され、発電室において発電反応に寄与するようになっている。
また、このような従来のＳＯＦＣでは、燃料電池モジュール内の温度異常や燃料を改質させる改質器の圧力異常等の異常が発生した場合には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータからの要求電流を零にする共に燃料供給を停止させる等、燃料電池モジュールによる発電運転を緊急停止する処理が行われている。
しかしながら、このような緊急停止時の燃料電池モジュール内、より具体的には、燃料電池モジュールの改質器から発電室までの経路内や発電室内には、改質後のＨ₂やＣＯ等の可燃性の燃料ガスが残留すると、爆発等の危険な状態となるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献２に記載されている従来のＳＯＦＣでは、燃料電池の直流出力端に開閉器を介して抵抗体を設け、制御系統により断続的に接続することにより、電池群内に残留している改質後の可燃性の燃料ガスを断続的に消費させて除去し、停止中や再起動時の電池本体の異常な高電圧化を防いでいる。

特開２００４−１１９２９９号公報 特開昭６１−３２３６２号公報

しかしながら、上述した特許文献２に記載されている従来のＳＯＦＣにおいては、停止中や再起動時の電池本体の異常な高電圧化を防ぐことを主目的としているため、電池群内に残留している改質後の可燃性の燃料ガスを断続的に消費させている分、例えば、燃料電池モジュールの改質器から発電室までの経路内や発電室内等の燃料電池モジュール内には多量の改質後の可燃性の燃料ガスが残留した危険な状態（爆発等）を回避するには至っていない。
また、改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスには、ＣＯ等の有毒ガスが含まれており、このような有毒ガスをそのまま燃料電池モジュール外へ排出されてしまうと周囲に悪影響を及ぼすという問題もある。

そこで、本発明は、停止時の燃料電池モジュール内に多量の改質後の可燃性の燃料ガスが残留した危険な状態（爆発等）を回避すると共に、これらの残留する改質後の燃料ガスに含まれるＣＯ等が周囲へ及ぼす悪影響を防ぎ、安全性を高めることができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に水蒸気を供給する蒸発器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段、純水を生成して上記蒸発器に供給する水供給手段、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段、及び、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段を構成する複数の電気部品を備えた補機ユニットと、発電を停止したとき、上記蒸発器から上記改質器に供給される水蒸気の圧力により、上記改質器から上記発電室までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを上記発電室内の燃料電池セル集合体に供給するように上記水供給手段を制御し、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を行い、所定値以上の電流を生じさせる制御部と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、発電を停止したとき、制御部が蒸発器から改質器に供給される水蒸気の圧力により、改質器から発電室までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを発電室内の燃料電池セル集合体に供給するように水供給手段を制御するため、改質器から発電室までの経路内に残留する改質後の燃料ガスが燃料電池セル集合体に供給され、燃料電池セル集合体がこれらの残留する改質後の燃料ガスにより発電し、所定値以上の電流を生じさせる。この結果、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスが消費されるため、停止時の燃料電池モジュール内に多量の改質後の燃料ガスが残留したことにより生じる危険な状態（爆発等）を回避することができ、安全性を高めることができる。また、改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスには、ＣＯ等が含まれており、これをそのまま燃料電池モジュール外へ排出されてしまうと周囲に悪影響を及ぼすため、このような残留する改質後の燃料ガスが消費されることにより、安全性を高めることができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、電圧が所定の電圧値に達したときに上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を停止する。
このように構成された本発明においては、このように構成された本発明においては、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスによる発電運転によって残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、この残留する改質後の燃料ガスによる発電運転が、この残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、電圧が所定の電圧値に達したときに停止されるため、燃料枯れによって燃料電池セルが破損することを未然に防ぐことができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を所定の発電運転時間経過後に停止してもよい。
このように構成された本発明においては、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスによる発電運転によって、その残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、この残留する改質後の燃料ガスによる発電運転が、その残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、所定の発電運転時間経過後に停止されるため、燃料枯れによって燃料電池セルが破損することを未然に防ぐことができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を用いて上記補機ユニットを作動させる。
このように構成された本発明においては、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスによる発電運転によって、その残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、これによって発電された電力を補機ユニットの作動用の電力として有効的に利用することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記発電運転のための制御プログラムを実行させるＣＰＵと、このＣＰＵの故障を検知する故障検知手段と、上記故障検知手段がＣＰＵの故障を検知した情報に基づいて、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を上記補機ユニットの電気部品への電源供給に切り替えるリレー手段と、を備えている。
このように構成された本発明においては、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスによる発電運転によって、その残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、制御部のＣＰＵの故障や不具合が生じた場合においてもリレー手段により、その残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を補機ユニットの電気部品への電源供給に切り替えて有効的に利用することができる。

本発明において、好ましくは、上記補機ユニットの電気部品は、発電用空気供給手段を構成する電気部品である。
このように構成された本発明においては、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスによる発電運転によって、その残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、制御部のＣＰＵの故障や不具合が生じた場合においてもリレー手段により、その残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を補機ユニットの発電用空気供給手段を構成する電気部品の電源供給に切り替えて有効的に利用することができる。すなわち、ＣＰＵ故障時にも、発電用空気供給手段を作動させて燃料電池セル集合体に発電用空気を継続して供給することができ、燃料電池セルの空気極が還元されてセルが破損するのを未然に防ぐことができる。

本発明において、好ましくは、上記補機ユニットの電気部品は、上記水供給手段を構成する電気部品である。
このように構成された本発明においては、発電の停止時に改質器から発電室までの経路内や発電室内に残留している改質後の燃料ガスによる発電運転によって、その残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、制御部のＣＰＵの故障や不具合が生じた場合においてもリレー手段により、その残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を補機ユニットの水供給手段を構成する電気部品の電源供給に切り替えて有効的に利用することができる。すなわち、ＣＰＵ故障時にも、水供給手段を作動させて蒸発器に水を継続して供給して蒸発器から改質器に供給される水蒸気の圧力により、改質器から発電室までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを発電室内の燃料電池セル集合体に供給し、その残留する改質後の燃料ガスによる発電を継続させることができる。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、停止時の燃料電池モジュール内に多量の改質後の可燃性の燃料ガスが残留した危険な状態（爆発等）を回避すると共に、これらの残留する改質後の燃料ガスに含まれるＣＯ等が周囲へ及ぼす悪影響を防ぎ、安全性を高めることができる。

本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（通常停止時）の動作を示すタイムチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（緊急停止時）の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（緊急停止時）の電流電圧特性図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、複数個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、複数本の燃料電池セルユニット１６から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、複数本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
また、各燃料電池セルユニット１６は、セラミックス材料で形成された有底筒状の部材であり、その内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。
さらに、燃料電池セルユニット１６の内壁（空気極）に空気が接触すると共に、燃料電池セルユニット１６の外壁（燃料極）に燃料ガスが接触すると、燃料電池セルユニット１６内でＯ^2-イオンが移動して電気化学反応が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じることにより、発電が行われるようになっている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、燃焼室１８内には、燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６の空気極に発電用の空気を供給する発電用空気ヘッダ１９が配置されている。

つぎに、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
また、この改質器２０の上方には、改質器２０に供給する前の燃料ガス及び改質用空気を予熱する予熱器２１が配置されている。
さらに、予熱器２１の上方には、蒸発器２２が配置され、この蒸発器２２によって、改質器２０における改質に必要な水が気化されて改質器２０に供給されるようになっている。

また、発電室１０の下方には、燃料ガス分散室２３が配置され、改質器２０で改質された燃料ガスは燃料ガス分散室２３内で均一に分散され、燃料電池セル集合体１２に供給されるようになっている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整して蒸発器２３に所定の流量の水を供給する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。
また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。
さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）とを備えている。また、発電用空気流量調整ユニット４５によって所定の流量に調整された空気は、燃料電池モジュール２内の発電用空気ヘッダ１９に供給されるようになっている。
なお、起動時の昇温をさらに効率よく行うために、改質器２０と改質用空気流量調整ユニット４４との間の経路に改質用空気を加熱するヒータ等の加熱手段を設けてもよいし、発電用空気ヘッダ１９と発電用空気流量調整ユニット４５との間の経路に発電用空気を加熱するヒータ等の加熱手段を設けてもよい。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に図２により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図２に示すように、固体電解質型燃料電池１は、制御部６０を備え、この制御部６０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置６２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置６４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置６６が接続されている。なお、この報知装置６６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

次に、制御部６０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ７０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ７２は、本来排気ガス通路（図示せず）等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ７４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサ７６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。また、この電力状態検出センサ７６は、特に、インバータ５４内において燃料電池セル集合体１２で発生した電力（或いは電流及び電圧）を検知することができるようになっている。
発電用空気流量検出センサ７８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ８０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ８２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサ８４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ８６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ８８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ９０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサ９２は、発電室１０内の燃料電池セルスタック１４の近傍の温度（以下「発電室温度」）を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セルユニット１６自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ９４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ９６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ９８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１００は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
ＣＰＵ故障検出センサ１０２は、制御部６０の制御プログラムを実行させるＣＰＵ（図示せず）の故障を検知する故障検知手段である。

これらのセンサ類からの信号は、制御部６０に送られ、制御部６０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御部６０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
さらに、制御部６０は、制御部６０の報知装置６６により、燃料電池モジュール２或いは補機ユニット４が異常状態であるという警報（ワーニング）が発せられたとき、或いは、ＣＰＵ故障検出センサ１０２がＣＰＵの故障を検知したときに、発電電力を補機ユニット４の電気部品である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）の少なくとも一方への電源供給に切り替えるリレー手段である継電器（図示せず）を備えている。

次に図３により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図３は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。

先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を燃料電池モジュール２の予熱器２１を経由して改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を燃料電池モジュール２の発電用空気ヘッダ１９へ供給する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、予熱器２１を経由して改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料ガス分散室２３を通過して発電室１０内に供給され、燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。また、発電室１０内においては、燃料ガス分散室２３から導入された燃料ガスが各燃料電池セルユニット１６の燃料極に接触することにより、発電用空気ヘッダ１９から各燃料電池セルユニット１６の空気極に供給された発電用空気と電気化学反応し、発電が行われる。

次に、点火装置（図示せず）により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスが、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、温水製造装置５０に供給される。

このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス分散室２３から燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ９８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。

式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。

このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置（図示せず）により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セルユニット１６の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セルユニット１６自体も発熱し、燃料電池セルユニット１６の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セルユニット１６で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。

次に、図４により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（通常停止時）の動作を説明する。図４は、本実施形態により固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図４に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。

また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。

このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止（通常停止）を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。

つぎに、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、及び、図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（緊急停止時）の動作を説明する。
図５（Ａ）は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（緊急停止時）の動作を示すタイムチャートであり、図５（Ａ）の縦軸は、発電室温度センサ９２が検出した発電室温度、電力状態検出センサ７６が検知したインバータ５４内において燃料電池セル集合体１２で発生した電流及び電圧をそれぞれ示し、図５（Ａ）の横軸は時間（ｔ）を示している。
図５（Ｂ）は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時（緊急停止時）の動作を示すタイムチャートであり、図５（Ｂ）の縦軸は、水流量センサ８４が検出した改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量、及び、燃料流量センサ８２が検出した改質器２０に供給される燃料ガスの流量をそれぞれ示し、図５（Ｂ）の横軸は時間（ｔ）を示している。
図６は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の電流電圧特性図であり、図６の縦軸は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の電圧（Ｖ）を示し、図６の横軸は本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の電流（Ｉ）を示している。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図６に示すように、燃料電池モジュール内の温度異常や燃料を改質させる改質器の圧力異常等が発生したり、ＣＰＵ故障検出センサ１０２がＣＰＵ（図示せず）の故障を検知する等の異常が発生すると、制御部６０の報知装置６６により、燃料電池モジュール２或いは補機ユニット４が異常状態であるという警報（ワーニング）が発せられ、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１の運転が緊急停止される（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）の時刻ｔ１参照）。
そして、図５（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１では、制御部６０がガス遮断弁３２（図１参照）を閉弁させて、燃料供給源３０から燃料流量調整ユニット３８への燃料ガスの供給を遮断すると共に、緊急停止前の水流量よりも少ない所定流量の水を蒸発器２３に供給するように水流量調整ユニット２８を制御し、蒸発器２３から所定圧力の水蒸気が所定時間（時刻ｔ１〜ｔ３）改質器２０に供給される。
さらに、この蒸発器２３から改質器２０に供給された水蒸気の圧力により、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後のＨ₂やＣＯを含む可燃性の燃料ガスが発電室１０内の燃料電池セル集合体１２に供給される。そして、この燃料電池セル集合体１２に供給された改質後の燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の燃料極で発電に利用される。

さらに、図５（Ａ）に示すように、時刻ｔ１では、インバータ５４から要求される電流値が、緊急停止前までにインバータ５４から要求されていた電流値Ｉ０よりも少ない所定の電流値Ｉ１に低減され、時刻ｔ１以後の電流は、各燃料電池セルユニット１６にダメージを与えないように時間と共に徐々に減らされる。また、時刻ｔ１以後の電流（改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電流）は、リレー手段である継電器（図示せず）により、補機ユニット４の電気部品である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）の少なくとも一方への電源供給に切り替えられて消費される。
なお、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電流が補機ユニット４の電気部品である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）の電源供給に切り替えられた場合には、ＣＰＵ故障時にも、水流量調整ユニット２８を作動させて蒸発器２２に水を継続して供給して蒸発器２２から改質器２０に供給される水蒸気の圧力により、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを発電室１０内の燃料電池セル集合体１２に供給し、これらの残留する改質後の燃料ガスによる発電を継続させることができる。
また、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電流が補機ユニット４の電気部品である発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）への電源供給に切り替えられた場合には、ＣＰＵ故障時にも、発電用空気流量調整ユニット４５を作動させて燃料電池セル集合体１２に発電用空気を継続して供給することができ、燃料電池セルユニット１６の空気極が還元されてセルが破損するのを未然に防ぐことができる。

ここで、図６に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の電流電圧特性により、緊急停止前までにインバータ５４から要求される電流値がＩ０から時刻ｔ２における要求電流値Ｉ２まで大きく低減されると、電圧値はＶ０からＶ２まで上昇することになる。
また、時刻ｔ２以後においては、すでに時刻ｔ１において燃料供給源３０から燃料流量調整ユニット３８への燃料ガスの供給が遮断されているのに加えて、補機ユニット４の電気部品である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）の少なくとも一方への電源供給によって発電室１０内の残留する改質後の燃料ガスは消費され、燃料が希薄な状態となってくるため、発電運転によって取り出される電圧は低下する。

さらに、時刻ｔ３において、改質器２０から発電室１０までの経路内の残留する改質後の燃料ガスが発電室１０内に十分に追い出され、発電室１０内の改質後の燃料ガスが危険のない所定の可燃ガス濃度に相当する所定電圧（Ｖ３）まで電圧が低下したとき、電流によるこれらの残留する改質後の燃料ガスの消費が停止される。これにより、発電室１０内を希薄な還元雰囲気に保つと共に、燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６の燃料極における酸化を防ぎ、いわゆる燃料枯れによる燃料電池セルユニット１６の破損を防ぐ。

以上説明した本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池モジュール内の温度異常や燃料を改質させる改質器の圧力異常等が発生したり、ＣＰＵ故障検出センサ１０２がＣＰＵ（図示せず）の故障を検知する等の異常が発生し、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１の運転を緊急停止したとき、制御部６０がガス遮断弁３２（図１参照）を閉弁させて、燃料供給源３０から燃料流量調整ユニット３８への燃料ガスの供給を遮断すると共に、緊急停止前の水流量よりも少ない所定流量の水を蒸発器２３に供給するように水流量調整ユニット２８を制御する。そして、蒸発器２３から改質器２０に供給された水蒸気の圧力により、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後のＨ₂やＣＯを含む可燃性の燃料ガスを発電室１０内の燃料電池セル集合体１２に供給し、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２において、これらの残留する改質後の燃料ガスによる発電によって所定値以上の電流を生じさせることができる。この結果、燃料電池モジュール２による緊急停止時に改質器２０から発電室１０までの経路内や発電室１０内に残留している改質後の燃料ガスが消費されるため、停止時の燃料電池モジュール２内に多量の改質後の可燃性の燃料ガスが残留した危険な状態（爆発等）を回避することができ、安全性を高めることができる。
また、改質器２０から発電室１０までの経路内や発電室１０内に残留している改質後の燃料ガスには、ＣＯ等が含まれており、このようなＣＯ等の改質後の燃料ガスをそのまま燃料電池モジュール外へ排出されてしまうと周囲に悪影響を及ぼすため、このような改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスが消費されることにより、安全性を高めることができる。

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１の運転を緊急停止したとき、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２において、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスによる発電を行うことによって、その残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、この残留する改質後の燃料ガスによる発電運転が、その残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、その発電によって取り出される電圧が所定の電圧値に達したときに停止されるため、燃料枯れによって燃料電池セルが破損することを未然に防ぐことができる。

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２において、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスによる発電を行うことによって、これらの残留する改質後の燃料ガスを消費することができると共に、制御部６０のＣＰＵ（図示せず）の故障や不具合が生じた場合においてもリレー手段である継電器（図示せず）により、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電力を補機ユニット４に関連する電気部品である水流量調整ユニット２８及び発電用空気流量調整ユニット４５の少なくとも一方への電源供給に切り替えて有効的に利用することができる。
特に、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電流が補機ユニット４の電気部品である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）の電源供給に切り替えられた場合には、ＣＰＵ故障時にも、水流量調整ユニット２８を作動させて蒸発器２２に水を継続して供給して蒸発器２２から改質器２０に供給される水蒸気の圧力により、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを発電室１０内の燃料電池セル集合体１２に供給し、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスによる発電を継続させることができる。
また、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電流が補機ユニット４の電気部品である発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）への電源供給に切り替えられた場合には、ＣＰＵ故障時にも、発電用空気流量調整ユニット４５を作動させて燃料電池セル集合体１２に発電用空気を継続して供給することができ、燃料電池セルユニット１６の空気極が還元されてセルが破損するのを未然に防ぐことができる。

なお、上述した本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスによる発電運転がその発電によって取り出される電圧が所定の電圧値に達したときに停止されるような例について説明したが、このような例に限定されず、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスによる発電運転が、その発電によって取り出される電圧が所定の電圧値に達する前に、所定の発電運転時間が経過したときに停止されるようにしてもよい。

また、上述した本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留する改質後の燃料ガスにより発電された電力を補機ユニット４に関連する電気部品である水流量調整ユニット２８及び発電用空気流量調整ユニット４５の少なくとも一方への電源供給に切り替えて有効的に利用する例について説明したが、水流量調整ユニット２８や発電用空気流量調整ユニット４５以外の補機ユニット４に関連する電気部品への電源供給に切り替えてもよい。

なお、上述した本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、緊急停止時に、改質器２０から発電室１０までの経路内に残留している改質後の燃料ガスによる発電を行う例について説明したが、このような改質器２０から発電室１０までの経路内に残留している改質後の燃料ガスによる発電については、緊急停止時に限られず、通常停止時においても行うようにしてもよい。

１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット（固体電解質型燃料電池セル）
１８ 燃焼室
１９ 発電用空気ヘッダ
２０ 改質器
２１ 予熱器
２２ 蒸発器
２３ 燃料ガス分散室
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット（水供給手段）
３０ 燃料供給源
３２ ガス遮断弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料ガス供給手段）
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット（改質用空気供給手段）
４５ 発電用空気流量調整ユニット（発電用空気供給手段）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６０ 制御部
６２ 操作装置
６４ 表示装置
６６ 警報装置
７６ 電力状態検出センサ
９２ 発電室温度センサ
１００ 外気温度センサ
１０２ ＣＰＵ故障検出センサ

Claims (7)

1. 燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
   燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
   燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
   上記改質器に水蒸気を供給する蒸発器と、
   上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段、純水を生成して上記蒸発器に供給する水供給手段、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段、及び、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段を構成する複数の電気部品を備えた補機ユニットと、
   発電を停止したとき、上記蒸発器から上記改質器に供給される水蒸気の圧力により、上記改質器から上記発電室までの経路内に残留する改質後の燃料ガスを上記発電室内の燃料電池セル集合体に供給するように上記水供給手段を制御し、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を行い、所定値以上の電流を生じさせる制御部と、
   を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 上記制御部は、上記残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、電圧が所定の電圧値に達したときに上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を停止する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
3. 上記制御部は、上記残留する改質後の燃料ガスが完全に消費される前に、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転を所定の発電運転時間経過後に停止する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
4. 上記制御部は、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を用いて上記補機ユニットを作動させる請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 上記制御部は、上記発電運転のための制御プログラムを実行させるＣＰＵと、このＣＰＵの故障を検知する故障検知手段と、上記故障検知手段がＣＰＵの故障を検知した情報に基づいて、上記残留する改質後の燃料ガスによる発電運転によって発電された電力を上記補機ユニットの電気部品への電源供給に切り替えるリレー手段と、を備えている請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
6. 上記補機ユニットの電気部品は、発電用空気供給手段を構成する電気部品である請求項５に記載の固体電解質型燃料電池。
7. 上記補機ユニットの電気部品は、水供給手段を構成する電気部品である請求項５記載の固体電解質型燃料電池。

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