JP2011076846A

JP2011076846A - 固体酸化物型燃料電池の停止方法

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Publication number: JP2011076846A
Application number: JP2009226725A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hara; 人志原
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP5521467B2

Abstract

【課題】固体酸化物型燃料電池の運転停止時において、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を効率よく図り得る停止方法を提供する。
【解決手段】アノードへの燃料ガス供給を停止して水蒸気のみを流す一方、カソードに空気を流す。その際、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａを検出し、各温度に基づいて、アノードとの間の伝熱特性及びカソードとの間の伝熱特性の関係テーブルから水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの初期値を設定する(Ｓ１，Ｓ２)。温度Ｔｗ，Ｔａを監視し、Ｖｗ又はＶａを増減変更して両温度Ｔｗ，Ｔａが等しくなるようにする(Ｓ３−Ｓ８)。所定温度まで降下すれば、水蒸気供給の代わりに空気を供給して水蒸気をパージする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）の発電運転の停止方法に関し、特に発電セルを構成するカソードやアノード等の耐久性を損なうことなく完全停止までの時間短縮を図り得る固体酸化物型燃料電池の停止方法に係る。

従来より燃料電池として、固体酸化物を電解質に用いた固体酸化物型燃料電池が知られている。かかる固体酸化物型燃料電池においては、カソード（空気極）に空気（カソード空気）を、アノード（燃料極）に蒸気改質した燃料ガスをそれぞれ供給することにより、固体酸化物の電解質を間に挟んだカソード・アノード間で化学反応を生じさせ、その化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換されることになる。かかる発電運転ではカソード及びアノードが共にかなり高温になるため、発電運転を停止させるには、冷却のための処理を行って、ある程度降温させた上で完全停止させるようにしている。

停止時の処理としては、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を対象にして、改質器内での改質触媒の酸化を防止することで次回の起動の容易化を図り起動時間を短縮化することを目的として、運転停止時に改質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージし、その後、改質器内の改質触媒の温度がその改質触媒の酸化温度以下になった時点で、改質器内に空気を導入して改質器内の水蒸気をパージするようにする、ことが提案されている（例えば特許文献１参照）。

又、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）を対象にして、運転停止中に電池本体を電気ヒータ等で加熱保温することを省略するために、運転停止に際しては、燃料ガス及び酸化ガスを停止して電池本体のアノード及びカソードを共にＮ２でパージし、次に、水蒸気をアノード及びカソードの双方に送って充満させ、この水蒸気を運転停止時の電池温度で飽和状態となる蒸気圧で封入する、ことが提案されている（例えば特許文献２参照）。

さらに、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に付設されている改質器の停止方法として、改質触媒の酸化防止のために、停止に伴い改質触媒を降温させる際に、改質器内の原料ガスを水蒸気でパージし、その後、所定温度まで低下したら、改質器内に原料ガスを導入して水蒸気をパージする、ことが提案されている（例えば特許文献３参照）。

特開２００２−８７０１号公報特公平６−５２６６３号公報特開２００２−１５１１２４号公報

ところで、固体酸化物型燃料電池ではその運転温度が固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池のそれに比して４倍から１０倍という高温となる。例えば、固体酸化物型燃料電池の運転温度は一般に８００〜１０００℃であるのに対し、固体高分子型燃料電池では８０〜１００℃、リン酸型燃料電池では２００℃程度といわれている。このため、固体酸化物型燃料電池では、他の型の燃料電池とは異なり、運転停止の際には所定温度まで冷却(クールダウン)させた上で完全停止させるという処理が要求されることになる。その処理においては、特にカソード及びアノードの両電極における熱歪に起因する損傷発生を確実に回避しつつも、冷却時間の短縮化を図る必要がある。

そのような状況下において、運転停止時の停止方法としては例えば図５に示すような処理方法が考えられている。発電運転の停止処理に入ると、まず、カソード空気、燃料ガス及び水供給量を予め定めた値に変更する(ステップ１０１)。例えば燃料ガス流量として微量の２Ｌ／ｍｉｎ、水供給流量として２ｃｃ／ｍｉｎ、カソード空気流量として５０Ｌ／ｍｉｎに変更する。これをカソードの温度がある所定の温度Ｔ１(例えば４００℃)に低下するまで続け、温度Ｔ１まで低下すれば(ステップ１０２でＹＥＳ)、アノード側への燃料ガス及び水の供給を停止する一方、カソード側にはカソード空気の供給を継続させる(ステップ１０３)。そして、カソードの温度が、改質器の触媒が酸化しない温度として設定した温度Ｔ２(例えば２００℃)まで低下すれば（ステップ１０４でＹＥＳ）、ポストパージに入り（ステップＳ１０５）、改質器を通してアノード側に対してもカソード側と同様量の空気を所定時間流し、全体を冷却・パージして完全停止させる。

このような停止方法では、次のような不都合がある。すなわち、冷却時間の短縮化という観点からは全く不十分である一方、運転停止のための処理に入っても微量の燃料ガスを供給し続けることから、エネルギーの浪費を招いたり、燃焼排ガス中のＣＯ_２が発生したりするという不都合を生じると考えられる。しかしながら、急激な冷却を図ろうとすると、カソード・アノード間の熱応力のバラツキを招くため損傷回避の要請の方を優先せざるを得ない上に、熱応力のバラツキ発生の回避法は特に冷却初期が困難なものとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体酸化物型燃料電池の運転停止時において、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を効率よく図り得る固体酸化物型燃料電池の停止方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、固体酸化物よりなる電解質を挟んで一側のアノードに燃料ガスを供給する一方、他側のカソードに空気を供給することにより発電する電池本体と、この電池本体のカソードに対し空気を供給流量可変に供給するカソード空気供給回路と、上記アノードに対し水蒸気を供給流量可変に供給する水蒸気供給回路とを備えた固体酸化物型燃料電池を対象にして、上記電池本体の発電運転を停止する際の固体酸化物型燃料電池の停止方法おいて、次の特定事項を備えることとした。すなわち、停止処理の開始に伴い、上記アノードに対する燃料ガスの供給を停止して上記アノードに対し水蒸気を流す一方、上記カソードに対し空気を流すようにして冷却処理を行いつつ、上記アノードの温度及び上記カソードの温度の互いの変動を監視して、両温度値の温度差が一定値範囲内におさまるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御することとした(請求項１)。

この発明の場合、アノードに対し水蒸気を流す一方、カソードに対し空気を流すことによりそれぞれを冷却する際に、そのアノードに流す水蒸気流量及びカソードに流す空気流量をそれぞれ増減変更制御することにより、上記アノードの温度と上記カソードの温度との間の温度差が一定値範囲内におさまるようにされるため、冷却に伴うアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制し得ることになり、これにより、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれが確実に回避されることになる。しかも、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止させるため、燃料ガスの浪費を抑えたりＣＯ_２発生も無くしたりすることが可能となる上に、燃料ガスの燃焼がない分、冷却速度がより上昇し、これにより、冷却時間の短縮化が図られる。以上より、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を確実に図り得ることになる。

本発明の固体酸化物型燃料電池の停止方法においては、上記アノードの温度及び上記カソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにすることができる(請求項２)。このようにすることで、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を回避・抑制し得るという本発明の作用を、より一層高めることが可能となる。

又、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量のそれぞれの初期値として、その水蒸気と上記アノードとの間の伝熱特性と、その空気と上記カソードとの間の伝熱特性とが互いに等しくなるように割り出して設定するようにすることができる(請求項３)。このようにすることで、アノードに対し流す水蒸気によりアノードを冷却する際の水蒸気とアノードとの間の伝熱量と、カソードに流す空気によりカソードを冷却する際の空気とカソードの間の伝熱量とが互いに等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の各制御値の初期値が設定されるため、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制し得ることになる上に、冷却を効率的にかつ迅速に行い得ることになる。これにより、冷却時間の短縮化がより一層図られる。

加えて、上記アノードに対し空気を供給流量可変に供給する空気供給回路をさらに備えるようにし、上記アノードに対する水蒸気の供給と、カソードに対する空気の供給とによって上記アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、上記アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに上記空気供給回路からアノードに対し空気を供給して水蒸気をパージするようにすることができる(請求項４)。水蒸気の代わりに空気を流すことによりアノードの冷却をより一層効率よく促進させることが可能になる一方、一定の温度差範囲内に維持され、又は、実質的に等しい温度に維持されているアノード又はカソードの温度値が設定値まで低下しているため、特にアノードに対し冷却媒体として空気を流すように切り換えたとしても、アノードの酸化が防止されることになる。上記設定値としては、アノードに対し空気を流したとしてもアノードが酸化されることのない温度値を設定するようにすればよい。

以上、説明したように、本発明の固体酸化物型燃料電池の停止方法によれば、アノードに対し水蒸気を流す一方、カソードに対し空気を流すことによりそれぞれを冷却する際に、そのアノードに流す水蒸気流量及びカソードに流す空気流量をそれぞれ増減変更制御することにより、上記アノードの温度と上記カソードの温度との間の温度差が一定値範囲内におさまるようにしているため、冷却に伴うアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制することができ、これにより、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれを確実に回避することができるようになる。しかも、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止しているため、燃料ガスの浪費を抑えたりＣＯ_２発生も無くしたりすることができる上に、燃料ガスの燃焼がない分、冷却速度をより上昇させて、冷却時間の短縮化を図ることができるようになる。以上より、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を確実に図ることができるようになる。

特に、請求項２によれば、アノードの温度及びカソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御することにより、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生の回避・抑制を、より一層確実に実現させることができる。

請求項３によれば、アノードに対し流す水蒸気によりアノードを冷却する際の水蒸気とアノードとの間の伝熱量と、カソードに流す空気によりカソードを冷却する際の空気とカソードとの間の伝熱量とが互いに等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の各制御値の初期値を設定することにより、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制することができる上に、冷却を効率的にかつ迅速に行うことができるようになる。これにより、冷却時間の短縮化をより一層図ることができるようなる。

請求項４によれば、アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに空気供給回路から空気を供給して水蒸気をパージすることで、アノードの冷却をより一層効率よく促進させることができる一方、アノードに対し冷却媒体として空気を流すように切り換えたとしても、アノードの酸化を防止することができるようになる。

本発明の実施形態を適用する固体酸化物型燃料電池の概略模式図である。停止方法の処理手順の前半部を示すフローチャートである。図２の続きの後半部の処理手順を示すフローチャートである。特に空気及び水蒸気の初期制御値としてのＦＦ値を導くための関係テーブルである。本発明の課題を説明するために考えられる停止方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る停止方法を適用する固体酸化物型燃料電池の一例を示す。同図中の符号１は電池本体であり、この電池本体１は円筒型のセル２と、改質器３と、空気用熱交換器４とを備えている。この電池本体１に対する燃料ガス・空気・水蒸気等の供給及び排ガスの排出は、いずれも予熱・蒸発器５を通して行われるようになってる。この予熱・蒸発器５に対し燃料ガス回路６、改質用空気供給回路７及びカソード空気供給回路８が通される一方、予熱用の熱源として電池本体１の側から排ガスが導入されて水供給処理回路９に導出され、排ガス中の水分回収により得た純水が予熱・蒸発器５内の燃料ガス回路６に戻されて水蒸気改質用の水蒸気に変換されるようになっている。なお、図１には原理的に図示した関係上１つのセル２のみを図示しているが、図示省略の複数のセルによりセルスタックとして構成されている。

上記セル２は、小径円筒形状のアノード(燃料極)２１と、この外周側を覆う大径円筒形状のカソード(空気極)２２とが間に電解質２３を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものであり、複数のセルが所定間隔ずつ隔てた状態で立設されてセルスタックが構成されている。つまり、カソード２２が内部空間１１に露出し、アノード２１はカソード２２等により内部空間１１からは遮蔽されている。アノード２１や、カソード２２はいずれもＮｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質２３は例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。

セル２のアノード２１の内周面により構成される内孔２１１は底室１２に連通されており、底室１２に対し改質器３から供給された燃料ガスが内孔２１１の下端から上端に向けて流されるようになっている。又、セル２の外周面がカソード２２の外周面２２１により構成され、空気用熱交換器４から供給口１３を通して内部空間１１にカソード空気が噴出されることにより上記外周面２２１に対し供給されるようになっている。カソード２２ではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質２３を通り、アノード２１では燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード２２側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。内孔２１１に供給された燃料ガスは内孔２１１を上方に向けて通過する間に上記反応に利用された後、内孔２１１の上端から排出されるオフガスが改質器バーナ３１に導かれて燃焼用の燃料として利用されるようになっている。又、内部空間１１に供給されたカソード空気は上方に排気され、改質器バーナ３１からの燃焼排ガスと共に、排ガスとして予熱・蒸発器５に送られるようになっている。その際、上記排ガスは空気を加熱するための熱源として空気用熱交換器４を通過するようになっている。

上記セル２のアノード２１及びカソード２２の各温度（各電極表面温度；以下、「アノード温度」又は「カソード温度」ということもある）を検出・把握するために温度センサ２４，２５が設けられている。これら温度センサ２４，２５は、上記各表面温度を非接触式で検出するものや、あるいは、各電極表面近傍を流れる流体の温度を検出することでその電極表面温度を把握するものにより構成すればよい。

燃料ガス回路６には、元ガス電磁弁やガバナ等からなる調整弁６１と、バッファータンク６２、ガス流量センサ６３、脱硫器６４及び逆止弁６５等とが介装され、予熱・蒸発器５に入る前に改質用空気供給回路７が合流するようになっている。改質用空気供給回路７には、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給する改質用空気ブロワ７１と、バッファータンク７２、改質空気用流量センサ７３と及び逆止弁７４等とが介装されている。そして、改質用空気供給回路７が合流された燃料ガス回路６には、予熱・蒸発器５内において、水供給処理回路９からの純水が供給され、この純水が予熱・蒸発器５において水蒸気に蒸発した状態で改質器３に送られるようになっている。カソード空気供給回路８には、改質用空気供給回路７と同様に、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給するカソード空気ブロワ８１と、バッファータンク８２及びカソード空気用流量センサ８３等とが介装されている。

水供給処理回路９は、予熱・蒸発器５を通過した後の排ガスに含まれる水分の水回収、回収した凝縮水の精製及び精製後の純水の貯留、並びに、貯留した純水を水蒸気として再利用すべく上記予熱・蒸発器５への供給をそれぞれ行う回路である。図１に示す水供給処理回路９は例示であり、この水供給処理回路９には、排熱回収用熱交換器９１と、この熱交換器９１で集水された凝縮水を一時貯留する凝縮水タンク９２と、フィルタ（例えばカーボンフィルタ）９３と、給水ポンプ９４と、純水に精製するための逆浸透膜（ＲＯ膜）やイオン交換膜等からなる水精製部９５と、精製後の純水を貯留する純水タンク９６と、純水タンク９６の純水を予熱・蒸発器５側に供給するための純水ポンプ９７と、その際の純水流量を検出する純水流量センサ９８と、逆止弁９９とが上流側から順に介装されている。この水供給処理回路９から予熱・蒸発器５に供給された純水は予熱・蒸発器５で蒸発されて水蒸気になって改質器３及び電池本体２のアノード２１側に供給されることになる。このため、水供給処理回路９と予熱・蒸発器５とで水蒸気供給回路が構成されることになる。上記排熱回収用熱交換器９１では、予熱・蒸発器５で顕熱回収された後の排ガスの潜熱回収を行うことにより例えば給湯水等を加熱する一方、その潜熱回収の際に排ガスに含まれる水分を凝縮させて水回収するようなっている。

以上のシステムによる発電のための運転や、運転停止のための停止処理はコントローラ１０により制御される。以下、図２及び図３を参照しつつ、停止処理について説明する。まず、両電極の温度検出と、この温度検出値に基づき各電極に流す冷却用の流体の流量初期値（ＦＦ値；フィード・フォワード値）の設定とを行う。すなわち、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａを温度センサ２４，２５からの検出値に基づき検出し(ステップＳ１)、この温度検出値を用いて図４に示す関係テーブルに基づき水蒸気流量ＶｗのＦＦ値と、空気流量ＶａのＦＦ値との設定を行い、各ＦＦ値による水蒸気をアノード２１の側(内孔２１１)に、空気をカソード２２の側(外表面２２１)にそれぞれ流す(ステップＳ２)。つまり、燃料ガス回路６による燃料ガスの供給を停止して、アノード２１の側には水供給処理回路９からの純水の供給及び改質用空気供給回路７からの空気の供給に基づき水蒸気を供給し、カソード２２の側にはそれまでと同様に空気を供給する。加えて、アノード２１とカソード２２との冷却度合が互いに同じ(均一)になるような水蒸気及び空気の各ＦＦ値を設定する。設定されたＦＦ値の流量になるように、アノード２１側への水蒸気であれば水供給処理回路９の純水ポンプ９７の作動制御を純水流量センサ９８に基づいて行い、カソード２２側への空気であればカソード空気供給回路８のカソード空気ブロワ８１の作動制御をカソード空気用流量センサ８３に基づいて行う。

水蒸気流量ＶｗのＦＦ値と、空気流量ＶａのＦＦ値との設定は、図４のレイノズル数Ｒｅの割り出しのための関係テーブルと、この関係テーブルから割り出されるレイノルズ数Ｒｅと、上記各ＦＦ値との関係について予め定めたＦＦ値割り出しのための関係テーブルとを用いて次のようにして行う。まず、図４の関係テーブルは、縦軸に［ｈ(熱伝達率)×Ａ(表面積)］を、横軸にレイノルズ数Ｒｅをとり、種々の温度の空気と水蒸気との場合の特性を表したものである。縦軸のＡ(表面積)は、空気の場合であるとカソード２２の外周面２２１の表面積であり、水蒸気の場合であるとアノード２１の内孔２１１の内周面の表面積である。熱伝達率は単位時間・単位温度・単位面積当たりの伝熱量であるため、縦軸は、空気の場合であるとカソード２２の外表面に空気を流した場合のカソード２２への伝熱量を表し、水蒸気の場合であるとアノード２１の内表面に水蒸気を流した場合のアノード２１への伝熱量を表すことになる。従って、その時点のカソード温度Ｔａ(カソード２２の外表面近傍を流れる空気の温度を検出することにより把握)に対応する温度の空気による伝熱特性ライン(図４の破線)と、アノード温度Ｔｗ(アノード２１の内表面近傍を流れる水蒸気の温度を検出することにより把握)に対応する温度の水蒸気による伝熱特性ライン(図４の実線)との交点が、空気とカソード２２との間の伝熱量及び水蒸気とアノード２１との間の伝熱量が互いに均一になるポイントを示すことになるため、このときのレイノルズ数Ｒｅを横軸から割り出す。例えば空気の温度(カソード温度Ｔａが対応)が４００℃で、水蒸気の温度(アノード温度Ｔｗが対応)が４００℃の場合であると、そのときの双方の伝熱特性ラインの交点におけるレイノルズ数Ｒｅは「５５」であると割り出すことができる。あとはＦＦ値割り出しのための関係テーブルからレイノズル数が「５５」の場合の水蒸気流量ＶｗのＦＦ値と、空気流量ＶａのＦＦ値とを割り出して設定すればよい。

図２に戻り、以上のＦＦ値の水蒸気流量Ｖｗと空気流量Ｖａとを流しながら、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａの変動を監視する(ステップＳ３)。アノード温度Ｔｗがカソード温度Ｔａよりも高い場合には(ステップＳ３でＹＥＳ)、水蒸気流量Ｖｗを相対的に増大させる。すなわち、現在の水蒸気流量Ｖｗが最大値でなければ水蒸気流量Ｖｗを増加させ、現在の水蒸気流量Ｖｗが既に最大値で供給しているのであれば空気流量Ｖａを減少させる(ステップＳ４)。逆に、カソード温度Ｔａがアノード温度Ｔｗよりも高い場合には(ステップＳ３でＮＯ)、空気流量Ｖａを相対的に増大させる。すなわち、現在の空気流量Ｖａが最大値でなければ空気流量Ｖａを増加させ、現在の空気流量Ｖａが既に最大値で供給しているのであれば水蒸気流量Ｖｗを減少させる(ステップＳ５)。このようにしてアノード２１及びカソード２２に対する冷却のための伝熱量が互いに均一になるように制御することで、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度になるまで、ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返す(ステップＳ６でＮＯ)。

そして、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度になれば(ステップＳ６でＹＥＳ)、水蒸気流量Ｖｗと空気流量Ｖａとの増減変更を停止し、それまでの水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値、つまりアノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度になった時点の水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値での供給を維持する(ステップＳ７)。その水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値での供給維持で、再度、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度を維持しているか否かを判定し(ステップＳ８)、互いに等しい温度に維持されていなければ、ステップＳ３に戻ってステップＳ３〜Ｓ７までを繰り返す(ステップＳ８でＮＯ)。アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いに等しい温度を維持していれば(ステップＳ８でＹＥＳ)、カソード温度Ｔａ（又はアノード温度Ｔｗ）が温度Ｔ２(アノード２１又は改質器３の触媒が酸化しない温度として設定した温度、例えば２００℃)まで低下するまで、その水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値での供給を維持して冷却を継続させる(ステップＳ９でＮＯ)。

そして、カソード温度Ｔａ（又はアノード温度Ｔｗ）が温度Ｔ２まで低下すれば(ステップＳ９でＹＥＳ)、ポストパージに入る(ステップＳ１０)。ポストパージは、カソード２２側への空気の供給を継続させる一方、水供給処理回路９による純水供給を停止させ、改質用空気供給回路７の改質空気用ブロワ７１を作動させてアノード２１の側にも空気を供給する。例えば改質器空気流量として５０Ｌ／ｍｉｎ、カソード空気流量として５０Ｌ／ｍｉｎを設定して所定のポストパージ時間だけ流す。このポストパージの終了により完全停止させる。

以上の実施形態の場合には、アノード２１及びカソード２２の両者の温度降下が互いに同じになるように冷却のための流体を供給し、すなわち、アノード２１には水蒸気を、カソード２２には空気をそれぞれ供給して冷却させることができる。つまり、アノード２１に対しては水蒸気を供給することで、改質器３の触媒のみならずアノード２１の酸化を防止した状態で冷却用の媒体として水蒸気を流し、カソード２２に対しては冷却用媒体として空気を流すようにした状態で、さらに、異なる流体を冷却用の媒体として流しつつも、又、アノード２１及びカソード２２が冷却対象の面積や容積等の相違を有していても、両者を互いに均一に冷却させることができる。これにより、冷却に伴うアノード２１とカソード２２との間の熱応力のバラツキ発生を確実に回避することができ、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれを確実に回避することができる。しかも、このように燃料電池を構成するアノード及びカソードの損傷発生を確実に回避した冷却を行いつつも、冷却媒体としての水蒸気及び空気の各流量値の効率的な割り出しに基づき、効率的にかつ迅速に冷却を行うことができるようになり、冷却時間の大幅な短縮化をも図ることができる。さらに、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止させるため、燃料ガスの浪費を抑えたりＣＯ_２発生も無くすことができる上に、燃料ガスの燃焼がないことから冷却速度の向上も見込むことができ、冷却時間の短縮化に一層寄与することになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、円筒型のセルを例示したが、これに限らず、板状のセルや、これを複数積層したタイプのセルスタックに対し本発明の停止方法を適用することができる。

上記実施形態の停止方法では、アノード温度Ｔｗとカソード温度Ｔａとが互いに等しくなるようにしているが(図２のステップＳ６又はステップＳ８参照)、これに限らず、アノード温度Ｔｗとカソード温度Ｔａとの両者の温度差が所定の一定値範囲(例えば５０℃未満)に納まるように水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの増減変更を制御するようにしてもよい。

１電池本体
５予熱・蒸発器(水蒸気供給回路)
７改質用空気供給回路(空気供給回路)
８カソード空気供給回路
９水供給処理回路(水蒸気供給回路)
１０コントローラ
２１アノード
２２カソード
２３電解質
２４，２５温度センサ

Claims

固体酸化物よりなる電解質を挟んで一側のアノードに燃料ガスを供給する一方、他側のカソードに空気を供給することにより発電する電池本体と、この電池本体のカソードに対し空気を供給流量可変に供給するカソード空気供給回路と、上記アノードに対し水蒸気を供給流量可変に供給する水蒸気供給回路とを備えた固体酸化物型燃料電池を対象にして、上記電池本体の発電運転を停止する際の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
停止処理の開始に伴い、上記アノードに対する燃料ガスの供給を停止して上記アノードに対し水蒸気を流す一方、上記カソードに対し空気を流すようにして冷却処理を行いつつ、上記アノードの温度及び上記カソードの温度の互いの変動を監視し、両温度値の温度差が一定値範囲内におさまるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにする、
ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の停止方法。
請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
上記アノードの温度及び上記カソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにする、固体酸化物型燃料電池の停止方法。
請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量のそれぞれの初期値として、その水蒸気と上記アノードとの間の伝熱特性と、その空気と上記カソードとの間の伝熱特性とが互いに等しくなるように割り出して設定する、固体酸化物型燃料電池の停止方法。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
上記アノードに対し空気を供給流量可変に供給する空気供給回路をさらに備え、上記アノードに対する水蒸気の供給と、カソードに対する空気の供給とによって上記アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、上記アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに上記空気供給回路からアノードに対し空気を供給して水蒸気をパージするようにする、固体酸化物型燃料電池の停止方法。