JP2012190630A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成でもって燃料電池セルの燃料極の破損、性能低下を抑えることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】原燃料ガスと水蒸気とを混合する混合器１８と、混合された原燃料ガスを水蒸気を用いて水蒸気改質する改質器４と、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うセルスタック６とを備えた固体酸化物形燃料電池システム。改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を溜めるための溜め手段６２が設けられ、発電運転中に改質燃料ガスが溜め手段６２に溜まり、異常停止状態において、溜め手段の改質燃料ガスが、セルスタック６に流れる水蒸気に混合され、これによって、セルスタック６の燃料流入口に到達する前に、水蒸気に水素を含ませる。
【選択図】図１
【解決手段】原燃料ガスと水蒸気とを混合する混合器１８と、混合された原燃料ガスを水蒸気を用いて水蒸気改質する改質器４と、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うセルスタック６とを備えた固体酸化物形燃料電池システム。改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を溜めるための溜め手段６２が設けられ、発電運転中に改質燃料ガスが溜め手段６２に溜まり、異常停止状態において、溜め手段の改質燃料ガスが、セルスタック６に流れる水蒸気に混合され、これによって、セルスタック６の燃料流入口に到達する前に、水蒸気に水素を含ませる。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電する燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
固体酸化物形燃料電池システムにおける燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解室の片側に燃料ガスを酸化する燃料極が設けられ、その他側に空気中の酸素を還元する空気極が設けられている。固体電解質の材料としては、一般的にイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、６００〜１０００℃の高温で、燃料ガス（例えば、天然ガス、都市ガスなど）中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材ガス（例えば、空気など）中の酸素が電気化学反応して発電が行われる。固体酸化物形燃料電池システムは、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。
このような固体酸化物形燃料電池システムは、６００℃以上の高温条件で作動することから、燃料電池セルの空気極側には酸化雰囲気で熱力学的に安定な酸化物材料が用いられ、またその燃料極側には還元雰囲気で安定な金属材料及び酸化物材料の混合物が用いられ、発電中及び起動・停止時の高温状態（３００〜４００℃以上の温度状態）では、空気極側は酸化雰囲気ガスが流れ、また燃料極側は還元雰囲気ガスが流れている必要がある。
この空気極の材料としては、ランタンマンガナイト系酸化物、ランタンコバルタイト系酸化物、ランタンフェライト系酸化物などが用いられており、これらの材料は、５００℃以上の高温状態で還元雰囲気にさらされると、速やかに還元されて膨張し、クラックや剥離が発生し性能が低下する。またこの燃料極の材料としては、ニッケルと酸化ジルコニウムなどからなるサーメット（「ニッケルサーメット」と称されている）などが用いられており、このニッケルサーメットは、ニッケルの粒子サイズにもよるが、３５０〜４００℃以上で酸化雰囲気にさらされると、次のように反応して、ニッケルが酸化ニッケル（ＮｉＯ）に酸化する。
２Ｎｉ（ｓ）＋Ｏ2（ｇ）→２ＮｉＯ（ｓ）
この酸化反応は、酸素分圧が酸化するレベルにあれば高温ほど速度が大きく、ニッケル粒子の表面から進行する。固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル）では、発電時は改質燃料ガスが送給されて燃料極側が高温・還元雰囲気に保持されるため、ニッケル粒子の酸化した部分が還元されて金属ニッケルとなる。このようなことから、停止降温過程などでセルスタックがニッケルの酸化速度が大きい温度で酸化雰囲気にさらされてニッケル粒子の表面からの酸化が起こると、その後の起動・発電中の間には還元されることになる。燃料電池セルの燃料極や構造支持体に用いられているニッケルサーメットは酸化、還元の繰り返しにより、ニッケルサーメットの微構造の変化や寸法変化が起こり、燃料電池セルの割れや性能低下の原因となることが知られている。そのため、燃料極側の酸化、還元の繰り返しに対して耐性のある燃料電池セルの開発などが行われている。
この酸化反応は、酸素分圧が酸化するレベルにあれば高温ほど速度が大きく、ニッケル粒子の表面から進行する。固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル）では、発電時は改質燃料ガスが送給されて燃料極側が高温・還元雰囲気に保持されるため、ニッケル粒子の酸化した部分が還元されて金属ニッケルとなる。このようなことから、停止降温過程などでセルスタックがニッケルの酸化速度が大きい温度で酸化雰囲気にさらされてニッケル粒子の表面からの酸化が起こると、その後の起動・発電中の間には還元されることになる。燃料電池セルの燃料極や構造支持体に用いられているニッケルサーメットは酸化、還元の繰り返しにより、ニッケルサーメットの微構造の変化や寸法変化が起こり、燃料電池セルの割れや性能低下の原因となることが知られている。そのため、燃料極側の酸化、還元の繰り返しに対して耐性のある燃料電池セルの開発などが行われている。
一般的に、中大型の固体酸化物形燃料電池システムでは、いかなる状況でも高温時は燃料極側に還元性ガスが、空気極側に空気が流れるように構成され、例えば燃料電池セルに関連して高圧ボンベラックが設けられ、この高圧ボンベラックから燃料極側に還元性ガス（窒素−水素混合ガスなど）が供給されるように構成されている。しかし、小型の固体酸化物燃料電池システム（特に、家庭用コージェネレーションシステムに用いる燃料電池システム）では いかなる状況でも高温時は燃料極側に還元性ガスが、空気極側に空気が供給されるようにすることは、初期コスト、メンテナンスコストが高くなり、また設置スペースや高圧ガスの保管という法規制の面からも容易ではない。
このようなことから、燃料電池システムにおける燃料電池セルの燃料極側に還元性ガスを供給するために、メタノール水溶液などを添加することが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池システムの停止時にジメチルエーテルを添加する（これに加えて水を添加するのが望ましい）ことも知られている（例えば、特許文献２参照）。これらの燃料電池システムでは、メタノール（又はジメチルエーテル）の水蒸気改質によって還元性ガスが生成され、生成された還元性ガスが燃料電池の燃料極側に供給され、それ故に、燃料極の酸化を抑えることができる。
都市ガスを利用した家庭用コージェネレーションシステムに用いる固体酸化物形燃料電池システムにおいては、この燃料電池システムの起動、稼動停止時に、都市ガスを水蒸気改質して生成される水素リッチガスが固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル）の燃料極側に供給され、この水素リッチガスでもって還元雰囲気が保たれるようになっている。起動時には、都市ガスの供給量が多くなるようにし、これによって、水素リッチガスの燃焼により固体酸化物形燃料電池などが昇温されるようになる。また、停止時には、都市ガスの供給量が少なくなるようにし、これによって、還元性ガスを流しながらも固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル）自体の温度が下がるような熱バランスが保たれるようになっている。
しかし、原燃料ガスとしての都市ガス供給系の故障や、水蒸気改質用の水供給系の故障が発生した（即ち、異常停止状態）とき、天然ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル）の燃料極側に供給することができず、このことに起因して、異常停止状態のときに燃料電池セルの破損や性能低下が生じるおそれがある。
家庭用コージェネレーションシステムでは、家庭用機器として求められる耐久性を高い確率で確保するとともに、システムとしての必要な初期コスト・メンテナンスコストの条件下での異常停止状態でも燃料極側に還元性ガスを流す手段を講じる必要であるが、例えばメタノール水溶液などを添加すること（特許文献１）は、燃料電池セルの燃料極側に還元性ガスを流す手段として有効であるが、家庭用コージェネレーションシステムへの適用においては、メンテナンス間隔（２〜３年）に想定される最大の異常停止回数（例えば、１０回以上）に対応するためのメタノール水溶液などを供給するための構成、またその制御が必要となり、システム全体が複雑化するとともに、製作コストが上昇するという課題がある。このような課題は、ジメチルエーテルを添加する（特許文献２）ときにも同様の課題がある。
本発明の目的は、簡単な構成でもって燃料電池セルの燃料極の破損、性能低下を抑えることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、原燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、原燃料ガスと水蒸気とを混合する混合器と、前記混合器で混合された原燃料ガスを水蒸気を用いて水蒸気改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックとを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスを溜めるための溜め手段が設けられ、発電運転中に原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが前記溜め手段に溜まり、原燃料ガスの供給が遮断された異常停止状態において、前記溜め手段の原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが、前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合され、これによって、前記セルスタックの前記燃料流入口に到達する前に、水蒸気に水素を含ませることを特徴とする。
原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスを溜めるための溜め手段が設けられ、発電運転中に原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが前記溜め手段に溜まり、原燃料ガスの供給が遮断された異常停止状態において、前記溜め手段の原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが、前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合され、これによって、前記セルスタックの前記燃料流入口に到達する前に、水蒸気に水素を含ませることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記混合器は、原燃料ガスを改質するための水を気化させて原燃料ガスと混合する気化混合器から構成され、原燃料ガス及び原燃料ガスを改質するための水が前記気化混合器に送給され、前記気化混合器において、原燃料ガスを改質するための水が気化して発生した水蒸気と原燃料ガスとが混合されることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記溜め手段は、前記改質器から前記セルスタックの前記燃料流入口までの間に設けられ、発電運転中に前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガスが前記溜め手段に溜まり、異常停止状態において、前記溜め手段からの改質燃料ガスが前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合されることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記溜め手段は、前記燃料供給ラインから前記改質器までの間に設けられ、発電運転中に前記燃料供給ラインからの原燃料ガス又は前記混合器において混合された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが前記溜め手段に溜まり、異常停止状態において、前記溜め手段からの原燃料ガス又は原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが前記改質器において水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合されることを特徴とする。
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記溜め手段は、原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスをためる溜め容器から構成され、前記溜め容器の一端部に流入部が設けられ、その他端部に流出部が設けられ、前記流入部又は前記流出部に絞り部材が配設されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記溜め手段は、原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスをためる溜め容器から構成され、前記溜め容器に流出入部が設けられ、前記流出入部を通して原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが前記溜め容器に流入、流出されることを特徴とする。
また、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記セルスタックの温度が、ニッケルが酸化しはじめる第１高温度以上である状態においてシステムが異常停止状態になると、原燃料ガスの前記改質器への供給が遮断され、その後遅れて原燃料ガスを改質するための水の供給が停止されることを特徴とする。
更に、本発明の請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、システムが異常停止状態になると、原燃料ガス及び原燃料ガスを改質するための水の前記改質器への供給が遮断され、その後原燃料ガスを改質するための水の供給が再開されることを特徴とする。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、改質燃料ガスを溜めるための溜め手段が設けられ、発電運転中にこの溜め手段に改質燃料ガスが溜められる。この溜め手段に溜められた改質燃料ガスは、異常停止状態になると溜め手段から流出し、拡散混合によってセルスタックに流れる水蒸気に混合され、これによって、セルスタックの燃料流入口に到達する前に水素が水蒸気に含有され、その結果、セルスタック（燃料電池セル）の燃料極の酸化が抑えられ、燃料電池セルの割れ、性能低下が抑制される。尚、溜め手段に原燃料ガス（又は原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を溜めるように構成した場合、溜め手段から流出した原燃料ガス（又は原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）が改質器において水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが水蒸気に混合されるようになる。
従来の構成では、改質器からセルスタックの燃料流入口までの間の改質燃料ガスの流れはプラグフロー（ピストンフロー）に近いので、ガスと流路を流れるガスとが速やかに入れ替わる。一方、改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を溜める溜め手段を設けて例えば流出入部を介して接続すると、溜め手段から改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）の一部が流路を流れる水蒸気の一部と入れ替わってセルスタックの燃料流入口に流れる水蒸気に混合される。
水蒸気だけがセルスタックに送給される条件では、セルスタック内の燃料極側の雰囲気が速やかにニッケル粒子が酸化する条件になりやすくなるが、この水蒸気にわずかでも水素が入り込むと、燃料極のニッケル粒子の酸化が抑制される。そして、このような抑制状態の間にセルスタックの温度が低下することによって、燃料極のニッケル粒子の酸化によるダメージの程度が軽減される。
ニッケルの酸化還元の熱力学データに基づくと、４００℃以上の高温状態でニッケルが酸化しはじめる酸化雰囲気は、水蒸気：水素の比率がおおよそ２００：１となるが、この比率より水素が少なくても水素の存在によってニッケルの酸化速度はかなり抑制されて酸化抑制効果を得ることができる。
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、混合器が気化混合器から構成され、原燃料ガス及び原燃料ガスを改質するための水がこの気化混合器に送給されるので、この気化混合器において原燃料ガスを改質するための水が気化され、気化された水蒸気と原燃料ガスとが混合された後に改質器に送給される。
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、溜め手段が改質器からセルスタックの燃料流入口までの間に設けられているので、発電運転中に改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガスが溜め手段に溜まり、異常停止状態においては、溜め手段からの改質燃料ガスがセルスタックに流れる水蒸気に混合され、これにより、この水蒸気に水素を含有させることができる。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、溜め手段は、燃料供給ラインから改質器までの間に設けられているので、発電運転中に燃料供給ラインからの原燃料ガス（又は原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）が溜め手段に溜まり、異常停止状態においては、溜め手段からの原燃料ガス（又は原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）が改質器において水蒸気改質され、この改質燃料ガスがセルスタックに流れる水蒸気に混合され、これにより、この水蒸気に水素を含有させることができる。
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、溜め手段は、改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を溜める溜め容器から構成され、溜め容器の一端部に流入部が設けられ、その他端部に流出部が設けられているので、セルスタックに向けて流れる改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）の一部が溜め容器に溜められ、異常停止状態においては、この溜められた改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）が溜め容器から流出して水蒸気に混合される。また、溜め容器の流出部（又は流入部）に絞り部材が設けられているので、溜め容器からの流出量が制限され、これによって、溜め容器に溜まった改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を少しずつ流出させてその流出時間を長くすることができる。
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、溜め手段が溜め容器から構成され、この溜め容器に流出入部が設けられているので、流路を流れる水蒸気のプラグフローによって、溜め手段から改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）の一部が流出して水蒸気の一部と入れ替わってセルスタックの燃料流入口に流れる水蒸気に混合される。
また、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの温度が第１高温度以上である状態においてシステムが異常停止状態になると、原燃料ガスの供給停止の後に改質用水の供給が停止されるので、原燃料ガスの供給停止後もセルスタックの燃料極側に水蒸気が送給され、この水蒸気に溜め手段からの改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）が含有されて送給される。従って、セルスタックの燃料極側には水素を含む水蒸気が流れ、またこの水蒸気が燃料極側を流れることによって、空気極側から排出された酸化材（例えば、空気）が燃料極側に流れ込むことが抑えられ、その結果、セルスタックの燃料極の酸化を効果的に抑制することができる。
更に、本発明の請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、異常停止状態になって原燃料ガス及び改質用水の供給が停止した後に、改質用水の供給が再開されるので、原燃料ガスの供給停止後もセルスタックの燃料極側に水蒸気が送給され、この水蒸気に溜め手段からの改質燃料ガス（又は原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）が含有されて送給される。従って、この場合にもセルスタックの燃料極側には水素を含む水蒸気が流れ、またこの水蒸気が燃料極側を流れることによって、空気極側から排出された酸化材（例えば、空気）が燃料極側に流れ込むことが抑えられる。
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの種々の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１及び図２を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行うセルスタック６と、酸化材としての空気をセルスタック６に送給するための空気ブロア８とを備えている。セルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを配列して構成されている。セルスタック６の各燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質１０と、固体電解質１０の一方側（図１において右側）に設けられた燃料極（図示せず）と、固体電解質１０の他方側（図１において左側）に設けられた空気極（図示せず）とを備えており、固体電解質１０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
図１及び図２を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行うセルスタック６と、酸化材としての空気をセルスタック６に送給するための空気ブロア８とを備えている。セルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを配列して構成されている。セルスタック６の各燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質１０と、固体電解質１０の一方側（図１において右側）に設けられた燃料極（図示せず）と、固体電解質１０の他方側（図１において左側）に設けられた空気極（図示せず）とを備えており、固体電解質１０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
セルスタック６の燃料極側１２は、改質燃料ガス送給ライン１４を介して改質器４に接続され、この改質器４は、燃料ガス・水蒸気送給ライン１６を介して、混合器としての気化混合器１８に接続され、この気化混合器１８は燃料ガス供給ライン２０を介して例えば埋設管、貯蔵タンクなどの原燃料ガス供給源（図示せず）に接続されている。この燃料ガス供給ライン２０には燃料ポンプ２２、脱硫器２４及び開閉弁２６が配設されている。脱硫器２４は、原燃料ガスに含まれている硫黄成分を除去し、燃料ポンプ２２は、燃料ガス供給ライン２０を通して供給される原燃料ガスを昇圧し、その回転数を制御することによって、燃料ガス供給ライン２０を通して供給される原燃料ガスの供給量が制御される。また、開閉弁２６は、燃料ガス供給ライン２０を開閉し、開状態のときには原燃料ガスを供給し、閉状態のときには原燃料ガスの供給を停止する。この燃料ガス供給ライン２０には第１流量センサ２８が配設され、第１流量センサ２８は燃料ガス供給ライン２０を通して流れる原燃料ガスの流量を計測し、この計測値を用いて燃料ガス供給系の異常を検知する。
セルスタック６の空気極側３０は、空気送給ライン３２を介して空気を予熱するための空気予熱器３４に接続され、この空気予熱器３４は、空気供給ライン３６を介して空気ブロア８に接続され、空気ブロア８の回転数を制御することによって、空気供給ライン３６を通して供給される空気の供給量が制御される。この空気供給ライン３６には、第２流量センサ３８が配設され、第２流量センサ３８は、空気供給ライン３６を通して供給される空気の流量を計測する。
セルスタック６（複数の燃料電池セル）の燃料極側１２及び空気極側３０の各排出側には燃焼室４０が設けられ、燃料極側１２から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）と空気極側３０から排出された空気（酸素を含む）とが燃焼室４０に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器４、セルスタック６及び気化混合器１８が加熱される。この燃焼室４０は排気ガスライン４２を介して空気予熱器３４に接続され、この空気予熱器３４には排気ガス排出ライン４４が接続されている。
この固体酸化物形燃料電池２は、気化混合器１８に原燃料ガスを改質するための水（「改質用水」とも称する）を供給するための水供給ライン４６が接続され、この水供給ライン４６に水ポンプ４８が配設されている。水供給ポンプ４８は、水供給ライン４６を通して水を気化混合器１８に供給し、その回転数を制御することによって、改質に用いる水の供給量が制御される。原燃料ガスを改質するための水は、燃焼室４０からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮回収して得られる凝縮水を用いるようにしてもよく、或いは別個の水供給源（図示せず）（例えば、水タンク、水道など）からの水を用いるようにしてもよい。
この形態では、内部が断熱材によって覆われた電池ハウジング５０が設けられ、この電池ハウジング５０は、稼動運転時に高温に保持される高温空間５２を規定し、この高温空間５２内に、改質器４、セルスタック６、気化混合器１８及び空気予熱器３４が収納されている。
この固体酸化物形燃料電池システム２の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源（図示せず）からの原燃料ガスは、燃料ガス供給ライン２０を通して気化混合器１８に供給される。また、水供給源（図示せず）からの水は、水供給ライン４６を通して気化混合器１８に供給される。気化混合器１８においては、供給された原燃料ガス及び水が加熱され、水は気化して水蒸気となり、加熱された原燃料ガス及び水蒸気が燃料ガス・水蒸気送給ライン１６を通して改質器４に送給される。改質器４には、水蒸気改質を促進するための改質触媒が充填されており、この改質器４に送給された原燃料ガスは水蒸気によって水蒸気改質され、このように改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン１４を介してセルスタック６（即ち、複数の燃料電池セル）の燃料流入口（図示せず）から燃料極側１２に供給される。また、空気ブロア８からの空気は、空気供給ライン３６を介して空気予熱器３４に供給され、この空気予熱器３４において排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン３２を介してセルスタック６の空気極側３０に送給される。
セルスタック６では、燃料極側１２において改質された改質燃料ガスが酸化され、その空気極側３０において空気中の酸素が還元され、燃料極側１２の酸化及び空気極側３０の還元による電気化学反応により発電が行われる。
セルスタック６の燃料極側１２からの反応燃料ガス及び空気極側３０からの空気は燃焼室４０に排出され、空気中の酸素を利用して余剰の燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器４が改質温度に維持され、気化混合器１８が気化混合温度に維持される。
燃焼室４０からの排気ガスは、排気ガスライン３６を介して空気予熱器３４に送給され、この空気予熱器３４において空気ブロア８からの空気との熱交換に用いられた後、排気ガス排出ライン４４を通して大気に排出される。
この固体酸化物形燃料電池システム２では、改質燃料ガスを溜めるための溜め手段が設けられている。図２をも参照して、図示の溜め手段６２は、実質上密閉された溜め容器６４から構成され、この溜め容器６４に流出入部６６が設けられ、この流出入部６６が改質燃料ガス送給ライン１４に接続され、溜め容器６４も電池ハウジング５０の高温空間５２内に収納される。改質燃料ガス送給ライン１４は配管部材６８から構成され、この配管部材６８により規定される改質燃料ガス送給流路７０が流出入部６６を介して溜め容器６４の溜め空間７２に連通されている。従って、改質燃料ガス送給ライン１４（改質燃料ガス送給流路７０）を流れる改質燃料ガスは、流出入部６６を通して溜め容器６４内に流入することができ、また溜め容器６４内の改質燃料ガスは、この流出入部６６を通して改質燃料ガス送給ライン１４に流出することができる。
この溜め容器６４への改質燃料ガスの溜めは、固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転中に行われ、改質器４からセルスタック６に流れる改質燃料ガスの流れによって、改質燃料ガス送給ライン１４（改質ガス送給流路７０）を流れる改質燃料ガスの一部と溜め容器６４内のガスの一部（具体的には、流出入部６６付近のガス）とが交換され、発電運転中においてはこのようなガス交換が繰り返し行われ、このようにして溜め容器６４内に改質燃料ガスが満たされる。
また、溜め容器６４からの改質燃料ガスの流出は、上述したガス交換を利用して後述するように行われる。
また、溜め容器６４からの改質燃料ガスの流出は、上述したガス交換を利用して後述するように行われる。
この溜め容器６４の容積は、例えば、５０〜１００ｃｃ程度に設定され、このような容積に設定することによって、固体酸化物形燃料電池システム２が稼動運転中に異常停止状態になって原燃料ガスの供給が遮断されたときに、セルスタック６の温度が所定温度（例えば、３００〜４５０℃）まで低下するまで、例えば異常停止状態になった後約２〜３時間程度にわたって溜め容器６４内の改質燃料ガスを少しずつ改質燃料ガス送給ライン１４に流出させることができる。
この溜め手段６２を備えた固体酸化物形燃料電池システム２では、燃料ガス供給系（燃料ポンプ２２など）に異常が発生した場合、異常停止モードとなって次の通りに運転制御される。即ち、燃料ガス供給系に異常が発生する、例えば燃料ポンプ２２が故障して燃料ガス供給ライン２０を通して供給される原燃料ガスの供給流量が異常に低下すると、第１流量センサ２８がこの流量低下を検知し、第１流量センサ２８の検知信号に基づいて異常停止信号が生成され、固体酸化物形燃料電池システム２は、異常停止状態となって異常停止モードで運転される。
この異常停止モードの運転では、燃料ポンプ２２が作動停止して原燃料ガスの改質器４への供給が遮断されるとともに、水ポンプ４８が作動停止して改質器４への改質用水の供給が遮断され、気化混合器１８への原燃料ガス及び水蒸気改質に用いる水の供給が停止する。尚、このとき空気ブロア８の作動は継続され、セルスタック６への空気の供給は継続して行われている。
このように燃料ポンプ２０及び水ポンプ４８が作動停止した後、水ポンプ４８が作動され、水の供給が再開される。かくすると、この水が水供給ライン４６を通して気化混合器１８に供給され、気化混合器１８にて気化されて水蒸気となり、この水蒸気が改質器４及び改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６の燃料極側１２に送給される。このとき、セルスタック６に送給される水蒸気の流れによって、改質燃料ガス送給ライン１４（改質燃料ガス送給流路７０）を流れる水蒸気と溜め容器６４内の改質燃料ガスとが流出入部６６を介してガス交換される。従って、このガス交換によって、改質燃料ガス送給ライン１４を流れる水蒸気に改質燃料ガスが少しずつ流れ込み、この水蒸気がセルスタック６の燃料流入口に到達するまでに水蒸気に混合され、これによって、この水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素を含ませることができ、その結果、セルスタック６の燃料極側１２には、水素を含む水蒸気が送給されるようになる。
セルスタック６の燃料極側１２に水蒸気だけが送給されると、セルスタック６の燃料極側１２の雰囲気が速やかにニッケル粒子が酸化するような条件になりやすくなるが、この水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素がわずかでも入り込むと、燃料極のニッケル粒子の酸化が抑制され、これによって、燃料極のニッケル粒子の酸化によるダメージが低減される。
また、このセルスタック６では、燃料極側１２及び空気極側３０の排出側は開放され、このように開放することによって、燃料室４０において燃料極側１２からの余剰燃料ガスを空気極側３０からの空気より燃焼させている。このようなことから、システムの異常停止状態においては、空気極側３０からの空気が燃料極側１２に拡散したり、流れ込むおそれがあるが、このように水素を含む水蒸気を燃料極側１２に送給することによって、空気極側３０から排出された空気の燃料極側１２への流込みを抑えることができ、これによっても燃料極のニッケル粒子の酸化進行を抑えることができる。
このような異常停止モードの運転は、セルスタック６の温度が低下するまで行われ、少なくとも燃料極のニッケル粒子の酸化が起こりはじめる第１高温度（例えば、３００〜４５０℃）以下に下がるまで行われ、このように運転制御することによって、燃料供給系の故障などによる異常停止時のセルスタック６の燃料極の劣化を抑えて長期にわたって運転することが可能となる。
この溜め手段は、図３に示すように構成するようにしてもよい。尚、以下の実施形態において、第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
図３において、第１の変形形態の溜め手段６２Ａは、上述した実施形態と同様に、実質上密閉された溜め容器６４Ａを備え、この溜め容器の一端部（上流側部）に流入部８２が設けられ、その他端部（下流側部）に流出部８４が設けられ、改質燃料ガス送給ライン１４（改質燃料ガス送給流路７０）と溜め容器６４Ａの溜め空間７２とが、これら流入部８２及び流出部８４を介して連通される。
このように構成したときには、流出部８４を通して流出される改質燃料ガスの流量を制限するために、この流出部８４に絞り部材８６を設けるのが好ましく、このように構成することによって、溜め容器６４Ａ内の改質燃料ガスを少しずつ流出させることができる。尚、この絞り部材８６は、流出部８４に代えて、流入部８２に設けるようにしてもよく、また専用の絞り部材を設けることに代えて、流出部８４（又は流入部８２）の内径を絞って絞り部材として機能させるようにしてもよい。
このような溜め手段６２Ａを備えた固体酸化物形燃料電池システムにおいても、発電運転中は、改質燃料ガス送給ライン１４（改質燃料ガス送給流路７０）を流れる改質燃料ガスの一部が流入部８２を通して溜め容器６４Ａ内に流入するとともに、溜め容器内６４Ａ内の改質燃料ガスが流出部８４を通して改質燃料ガス送給ライン１４に流出し、このようにして溜め容器６４Ａの溜め空間７２に改質燃料ガスが溜められる。
そして、燃料ガス供給系に故障などが発生して異常停止モードの運転になると、改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６の燃料極側１２に送給される水蒸気の一部が流入部８２を介して溜め容器６４Ａ内に流入するとともに、溜め容器６４Ａ内の改質燃料ガスの一部が流出部８４を介して改質燃料ガス送給ライン１４に流出し、このようにして改質燃料ガス送給ライン１４（改質燃料ガス送給流路７０）を流れる水蒸気と溜め容器６４Ａ内の改質燃料ガスとがガス交換される。従って、この場合においても、上述したと同様に、改質燃料ガス送給ライン１４を流れる水蒸気に改質燃料ガスが少しずつ流れ込み、この水蒸気がセルスタック６の燃料流入口に到達するまでに水蒸気に混合され、これによって、この水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素を含ませることができる。
尚、溜め容器６４，６４Ａは、図中において空間として示しているが、この溜め空間７２中に改質触媒ボール、セラミックスボールなどの内容物を詰めるようにしてもよく、この場合においても上述したと類似の効果が得られる。
尚、溜め容器６４，６４Ａは、図中において空間として示しているが、この溜め空間７２中に改質触媒ボール、セラミックスボールなどの内容物を詰めるようにしてもよく、この場合においても上述したと類似の効果が得られる。
〔第２の実施形態〕
次に、図４及び図５を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、溜め手段が改質器に関連して設けられている。
次に、図４及び図５を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、溜め手段が改質器に関連して設けられている。
図４及び図５において、この固体酸化物形燃料電池システム２Ｂにおける改質器４Ｂは、箱状の改質ハウジング９２を備え、この改質ハウジング９２内に仕切り部材９４が配設されている。この仕切り部材９４は改質ハウジング９２内を上下に仕切り、改質ハウジング９２内の下部に改質空間９６が規定され、この改質空間９６に改質触媒９８が充填されている。また、改質ハウジング９２内の上部に溜め空間１００が規定され、この溜め空間１００に後述するように改質燃料ガスが溜められ、この改質ハウジング９２の上部（即ち、溜め空間１００を規定する部分）が溜め手段６２Ｂとして機能する。
この形態においては、仕切り部材９４の一部に、流出入部として機能する流出入口１０２が設けられている。この流出入口１０２は、改質ハウジング９２の下流側部位に設けるのが好ましく、このような部位に設けることによって、改質触媒９８により水蒸気改質された改質燃料ガスが、この流出入口１０２を通して溜め空間１００に溜められるようになる。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
このように改質器４に関連して溜め手段６２Ｂを設けた場合においても、発電運転中に水蒸気改質された改質燃料ガスが、上述したようにガス交換によって仕切り部材９４の流出入口１０２を介して溜め空間１００内に溜められる。また、燃料ガス供給系の故障などによって異常停止モードの運転になると、改質ハウジング９２の改質空間９６を流れる水蒸気の一部と溜め手段６２Ｂの溜め空間１００内の改質燃料ガスの一部とのガス交換によって、改質空間９６を流れる水蒸気に改質燃料ガスが少しずつ流れ込んで混合され、改質燃料ガスを含む水蒸気が改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６に送られ、従って、この場合においても、セルスタック６の燃料流入口に到達するまでに水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素を含ませることができる。
この溜め手段は、図６に示すように構成することもできる。図６において、第２の変形形態の溜め手段６２Ｃは、第１の実施形態における溜め手段６２と実質上同一の構成であり、溜め容器６４Ｃに設けられた流出入部６６Ｃが燃料ガス・水蒸気送給ライン１６に接続され、この流出入部６６Ｃを介して、溜め容器６４Ｃの溜め空間と燃料ガス・水蒸気送給ライン１６とが連通されている。
このように構成されているので、上述した記載から容易に理解されるように、発電運転中においては、燃料ガス・水蒸気送給ライン１６を流れるガス（即ち、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）の一部と溜め容器６４Ｃ内のガスの一部とのガス交換が行われ、これによって、この混合ガスが溜め容器６４Ｃ内に溜められる。また、燃料ガス供給系の故障などによって異常停止モードの運転になると、燃料ガス・水蒸気送給ライン１６を流れる水蒸気の一部と溜め手段６２Ｃ内の混合ガス（原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）の一部とのガス交換によって、燃料ガス・水蒸気送給ライン１６を流れる水蒸気に、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが少しずつ流れ込んで混合され、かく水蒸気に混合された原燃料ガスは、改質器４を通して流れる間に水蒸気改質される。従って、このように構成しても、改質燃料ガスを含む水蒸気が改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６に送られ、セルスタック６の燃料流入口に到達するまでに水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素を含ませることができ、上述したと同様の効果が達成される。
このような溜め手段は、燃料ガス供給ライン２０に設けるようにしてもよく、かかる場合、発電運転中に原燃料ガスが溜め手段に溜められる。そして、燃料ガス供給系の故障などによって異常停止モードの運転になると、溜め手段に溜められた原燃料ガスが少しずつ燃料ガス供給ライン２０に流れ込み、かく流れ込んだ原燃料ガスは、気化混合器１８にて気化された水蒸気と混合されて改質器４に送給され、改質器４にて水蒸気改質された改質燃料ガスを含む水蒸気が改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６に送られる。従って、この場合においても、セルスタック６の燃料流入口に到達するまでに水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素を含ませることができる。尚、溜め手段６２Ｂ、６２Ｃの内部は図中において空間として示しているが、上述したと同様に、この溜め空間１００中に改質触媒ボール、セラミックスボールなどの内容物を詰めるようにしてもよく、この場合においても上述したと類似の効果が得られる。
〔第３の実施形態〕
次に、図７を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態では、改質燃料ガス送給ライン１４の一部をバイパスしてバイパスラインが設けられ、このバイパスラインを溜め手段として機能させている。
次に、図７を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態では、改質燃料ガス送給ライン１４の一部をバイパスしてバイパスラインが設けられ、このバイパスラインを溜め手段として機能させている。
図７において、この固体酸化物形燃料電池システム２Ｄでは、改質燃料ガス送給ライン１４の中間部をバイパスしてバイパスライン１１２が設けられ、このバイパスライン１１２の一端部が改質燃料ガス送給ライン１４の上流側部に接続され、その他端部が改質燃料ガス送給ライン１４の下流側部に接続され、改質燃料ガス送給ライン１４を流れる改質燃料ガスの一部がこのバイパスライン１１２を通してセルスタック６の燃料流入口に送給される。
バイパスライン１１２を設ける場合、改質燃料ガス送給ライン１４の圧力損失がバイパスライン１１２の圧力損失よりも小さくなるように構成し、このようにすることによって、改質器４からの改質燃料ガスは、主として改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６の燃料極側１２に送給され、このように構成することによって、バイパスライン１１２が溜め手段６２Ｄとして機能する。
バイパスライン１１２の圧力損失を大きくするために、その一部の内径を絞るようにしてもよく、或いは一端部（又は他端部）に絞り部材を設けるようにしてもよい。
この固体酸化物形燃料電池システム２Ｄにおいても、発電運転中は、改質燃料ガス送給ライン１４を流れる改質燃料ガスの一部がバイパスライン１１２に流れ、このバイパスライン１１２を通してセルスタック６の燃料極側１２に送給され、このように流れることによって、バイパスライン１１２に改質燃料ガスが満たされる。
そして、燃料ガス供給系に故障などが発生して異常停止モードの運転になると、改質燃料ガス送給ライン１４を通してセルスタック６の燃料極側１２に送給される水蒸気の一部がバイパスライン１１２に流入するとともに、この水蒸気の流入によって、バイパスライン１１２内の改質燃料ガスの一部が改質燃料ガス送給ライン１４に流出して水蒸気に混合され、従って、このように構成した場合にも、改質燃料ガス送給ライン１４を流れる水蒸気にバイパスライン１１２からの改質燃料ガスが少しずつ流れ込み、この水蒸気がセルスタック６の燃料流入口に到達するまでに水蒸気に改質燃料ガスに含まれる水素を含ませることができ、上述したと同様の効果が達成される。
この第３の実施形態では、改質燃料ガス送給ライン１４の一部をバイパスしてバイパスライン１１２を設けているが、このような構成に代えて、このバイパスライン１１２を燃料ガス・水蒸気送給流路１６の一部をバイパスして設けるようにしてもよく（この場合、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが流れ込む）、また燃料ガス供給ライン２０の一部をバイパスして設けるようにしてもよい（この場合、原燃料ガスが流れ込むようになる）。
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
例えば、上述した実施形態では、気化混合器１８と改質器４とを別体に構成しているが、このような構成に限定されず、気化混合器１８及び気化器４を一体的に構成するようにしてもよい。
また、例えば、上述した実施形態では、混合器として気化混合器１８を用い、この気化混合器１８において改質に用いる水を気化させて水蒸気を生成するとともに、生成した水蒸気と原燃料ガスとを混合させているが、このような構成に代えて、改質に用いる水を気化させる専用の気化器を設け、この水を気化器において気化させて水蒸気を生成し、生成した水蒸気及び原燃料ガスを混合器に送給し、この混合器において水蒸気と原燃料ガスとを混合させるようにしてもよい。
また、例えば、上述した実施形態では、燃料供給系に故障などが発生して異常停止状態となると、原燃料ガス及び改質用の水の供給を遮断した後に、改質用の水についての供給を再開しているが、このような制御に代えて、例えば、次のように制御するようにしてもよい。即ち、セルスタック６の温度を検知し、このセルスタック６の温度がニッケルが酸化しはじめる第１高温度以上の温度状態のときに異常停止状態になると、異常停止モードの運転を行うようにしてもよい。そして、この異常停止モードの運転においては、燃料ポンプ２２の作動を停止して原燃料ガスの改質器４への供給を遮断し、その後遅れて水ポンプ４８の作動を停止して改質用水の供給を遮断するようにしてもよく、この場合、セルスタック６の温度が第１高温度よりも低くなるまで水ポンプ４８を作動して水を供給するようにするのが望ましい。尚、水ポンプからの水の供給量はわずかでよく、従って、この水ポンプを間歇的に作動させるようにしてもよい。
本発明の効果を確認するために次の通りの実験を行った。この実験には、図１及び図２に示す形態の固体酸化物形燃料電池システムを用い、その定格出力は７００Ｗであった。この固体酸化物形燃料電池システムにおける改質燃料ガス送給ラインに溜め容器を設け、改質燃料ガス送給ラインを流れる改質燃料ガスの一部が、溜め容器内のガスとのガス交換によりその溜め空間に溜められるようにした。この溜め容器の容積は８０ｃｃであった。
実施例として、原燃料ガスとして都市ガスを用い、この都市ガスを水蒸気改質して発電を行い、時間ゼロで“異常停止状態”とし、燃料ポンプ及び水ポンプの作動を停止して原燃料ガス及び水の供給を遮断した。また、この遮断と同時に、空気ブロアの作動も停止し、セルスタックの空気極側への空気の供給も停止させた。温度が低下していく過程でのセルスタックの燃料電池セル一つ当たりの電圧を記録し、この実施例における結果が、図８に示す通りであった。セルスタックの電圧は空気極側に残存する空気と、燃料極側に残存する水素、燃料極側に存在するニッケルとが関連した電圧となる。
図８に示されるように、充分に燃料極側に水素が存在すると、セルスタックの燃料電池セル一つ当たりの電圧は大きくなるが、水素がほとんどなくなると、ニッケルが酸化し始める電圧０．７〜０．８Ｖ程度（温度による）になる。電圧が小さいほどニッケルが酸化しやすい状態とわかる。
比較例では、実施例の固体酸化物形燃料電池システムにおける溜め容器を省略した以外は同じ構成のシステムを用い、実施例と同様に、時間ゼロで“異常停止状態”とし、燃料ポンプ及び水ポンプの作動を停止して原燃料ガス及び水の供給を遮断した。また、この遮断と同時に、空気ブロアの作動も停止し、セルスタックの空気極側への空気の供給も停止させた。温度が低下していく過程でのセルスタックの燃料電池セル一つ当たりの電圧を記録し、この比較例における結果が、図９に示す通りであった。
図９に示されている通り、時間ゼロでの“異常停止状態”の後、速やかに電圧が小さくなっている。相対的に実施例では電圧の低下が小さく、燃料電池セルの燃料極側にわずかながらでも水素が残存しやすくなっていることがわかる。
２，２Ｂ，２Ｄ 固体酸化物形燃料電池システム
４，４Ｂ 改質器
６ セルスタック
１４ 改質燃料ガス送給ライン
１６ 燃料ガス・水蒸気送給ライン
１８ 気化混合器
２０ 燃料ガス供給ライン
４６ 水供給ライン
６２，６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ 溜め手段
６４、６４Ａ，６４Ｃ 溜め容器
６６，６６Ｃ 流出入部
７２，１００ 溜め空間
８２ 流入部
８４ 流出部
１１２ バイパスライン
４，４Ｂ 改質器
６ セルスタック
１４ 改質燃料ガス送給ライン
１６ 燃料ガス・水蒸気送給ライン
１８ 気化混合器
２０ 燃料ガス供給ライン
４６ 水供給ライン
６２，６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ 溜め手段
６４、６４Ａ，６４Ｃ 溜め容器
６６，６６Ｃ 流出入部
７２，１００ 溜め空間
８２ 流入部
８４ 流出部
１１２ バイパスライン
Claims (8)
- 原燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、原燃料ガスと水蒸気とを混合する混合器と、前記混合器で混合された原燃料ガスを水蒸気を用いて水蒸気改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックとを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスを溜めるための溜め手段が設けられ、発電運転中に原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが前記溜め手段に溜まり、原燃料ガスの供給が遮断された異常停止状態において、前記溜め手段の原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが、前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合され、これによって、前記セルスタックの前記燃料流入口に到達する前に、水蒸気に水素を含ませることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記混合器は、原燃料ガスを改質するための水を気化させて原燃料ガスと混合する気化混合器から構成され、原燃料ガス及び原燃料ガスを改質するための水が前記気化混合器に送給され、前記気化混合器において、原燃料ガスを改質するための水が気化して発生した水蒸気と原燃料ガスとが混合されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 前記溜め手段は、前記改質器から前記セルスタックの前記燃料流入口までの間に設けられ、発電運転中に前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガスが前記溜め手段に溜まり、異常停止状態において、前記溜め手段からの改質燃料ガスが前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 前記溜め手段は、前記燃料供給ラインから前記改質器までの間に設けられ、発電運転中に前記燃料供給ラインからの原燃料ガス又は前記混合器において混合された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが前記溜め手段に溜まり、異常停止状態において、前記溜め手段からの原燃料ガス又は原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが前記改質器において水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが前記セルスタックの前記燃料流入口に流れる水蒸気に混合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 前記溜め手段は、原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスをためる溜め容器から構成され、前記溜め容器の一端部に流入部が設けられ、その他端部に流出部が設けられ、前記流入部又は前記流出部に絞り部材が配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 前記溜め手段は、原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスをためる溜め容器から構成され、前記溜め容器に流出入部が設けられ、前記流出入部を通して原燃料ガス、原燃料ガスと水蒸気との混合ガス又は改質燃料ガスが前記溜め容器に流入、流出されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 前記セルスタックの温度が、ニッケルが酸化しはじめる第１高温度以上である状態においてシステムが異常停止状態になると、原燃料ガスの前記改質器への供給が遮断され、その後遅れて原燃料ガスを改質するための水の供給が停止されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- システムが異常停止状態になると、原燃料ガス及び原燃料ガスを改質するための水の前記改質器への供給が遮断され、その後原燃料ガスを改質するための水の供給が再開されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
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