JP2013164956A

JP2013164956A - 固体酸化物形燃料電池システム、及び、セル温度センサ故障時のシステム停止方法

Info

Publication number: JP2013164956A
Application number: JP2012026968A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Ishida; 友孝石田; Hiroaki Watanabe; 裕朗渡辺
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】燃料電池スタックのセル温度を検出するセル温度センサの故障時に、システムの通常停止を可能とする。
【解決手段】セル温度センサの故障時は、セル温度に代え、改質器の改質触媒温度センサにより改質触媒温度を検出しつつ、改質触媒温度の低下に従って、予め定められた手順で改質器及び燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させる。すなわち、改質触媒温度が低下して第１の所定温度Ｔ１に達するまで改質器への原燃料及び改質水の供給を減量しつつ継続する改質停止工程（Ｓ３２、Ｓ３３）と、改質触媒温度が更に低下して第２の所定温度Ｔ２に達するまで燃料電池スタックへのカソード用空気の供給を継続するカソード空気冷却工程（Ｓ３５、Ｓ３６）とを経て、システムを停止させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関し、特にシステム停止制御に用いるセル温度センサの故障に対処可能としたシステム、及び、セル温度センサ故障時のシステム停止方法に関する。

固体酸化物形燃料電池システム（以下「ＳＯＦＣシステム」という）は、一般に、改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、この改質器からの燃料ガスと空気とを反応させて発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、これら改質器及び燃料電池スタックを取り囲み、その内部で燃料電池スタックでの余剰の燃料ガスを燃焼させて改質器及び燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースとを含んで構成される。これらがシステムの主要部であり、これらをまとめてホットモジュールと呼んでいる。尚、かかる構成は特許文献１などによってよく知られている。

ＳＯＦＣシステムは高温（６００〜１０００℃）での連続運転を基本とするが、ユーザーの任意により、あるいは省エネ制御の一態様として、あるいは定期的メンテナンスにより、あるいは各種機器の故障診断の結果として、システムを停止することが要求される。

しかし、急激な停止はシステムの各部にダメージを与えることになるため、システムの停止時は、特許文献２、３などに記載されているように、燃料電池スタックのセル温度（スタック温度と同義）を検出するセル温度センサを用い、セル温度を検出しつつ、セル温度の低下に従って、予め定められた手順で改質器及び燃料電池スタックの状態（燃料電池スタックからの電流掃引状態、改質器への原燃料及び改質水の供給状態、燃料電池スタックへのカソード用空気の供給状態など）を制御して、システムを停止している。

特開２０１０−２６７３９４号公報特開２００７−０１２３１３号公報特開２００６−２９４５０８号公報

しかしながら、セル温度センサを用い、セル温度の低下に従って所定の手順で行う通常停止は、セル温度センサの故障時には実施できない。このため、セル温度センサの故障時には、やむを得ず緊急停止することとなり、緊急停止によってシステムの各部にダメージを与えていた。

本発明は、このような実状に鑑み、セル温度センサの故障時に適切な代替センサを用いてシステムの通常停止を行い得るようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、セル温度センサの故障を検出し、セル温度センサの故障時に、セル温度に代えて、改質器の改質触媒温度を検出する改質触媒温度センサ（又はモジュールケース内の燃焼室温度を検出する燃焼室温度センサ）により、改質触媒温度（又は燃焼室温度）を検出しつつ、改質触媒温度（又は燃焼室温度）の低下に従って、予め定められた手順で改質器及び燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させる構成とする。

本発明によれば、セル温度センサの故障時に、代替センサとして、改質触媒温度センサ（又は燃焼室温度センサ）を用い、改質触媒温度（又は燃焼室温度）の低下に従って所定の手順でシステムの通常停止を行うことができ、システム各部へのダメージを避けることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態を示すＳＯＦＣシステムの全体構成図同上ＳＯＦＣシステムのホットモジュール部の構成図同上のホットモジュール部における温度センサの配置例を示す図セル温度センサ故障検出ルーチンのフローチャートシステム停止制御のメインルーチンのフローチャートセル温度によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャート改質触媒温度によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャート他の実施形態として示す改質触媒温度（及び経過時間）によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャート他の実施形態として示す燃焼室温度（及び経過時間）によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャート

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すＳＯＦＣシステムの全体構成図である。
ＳＯＦＣシステムは、その主要部（発電部）をなすホットモジュール１と、ホットモジュール１の発電電力を取り出すパワーコンディショナー（ＰＣＳ）１５と、ホットモジュール１の廃熱を回収して温水を得る熱交換器１８と、温水を貯留する貯湯槽１９と、これらの制御ユニット３０と、を含んで構成される。

先ずホットモジュール１について説明する。
ホットモジュール１は、モジュールケース２内に、改質器３と、燃料電池スタック４（複数の燃料電池セル５の組立体）と、オフガス燃焼部６とを配置して構成される。

モジュールケース２は、耐熱性金属により形成された箱状の外枠体の内面に断熱材を内張して構成されている。また、外部からケース内へ、原燃料（炭化水素燃料など）の供給通路７と、水蒸気改質用の水（改質水）の供給通路８と、カソード用空気の供給通路９とが設けられている。
尚、必要により、原燃料の供給通路７には原燃料中の硫黄化合物を除去する脱硫器１０が設けられ、また原燃料の供給通路７の脱硫器１０下流側に改質用空気の供給通路１１が接続される。そして、各供給通路７、８、９、１１には適宜の供給量制御手段（ポンプ及び／又は流量制御弁）７ｐ、８ｐ、９ｐ、１１ｐが設けられる。

改質器３は、耐熱性金属により形成されたケース内の室に改質触媒を充填して構成されており、外部からの原燃料及び改質水の供給通路７、８が接続されている。従って、改質器３は、水を気化させて得た水蒸気の存在下で、原燃料を水蒸気改質反応により改質し、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する。尚、水蒸気改質反応に替えて、部分酸化反応又は自己熱改質反応など、更にはこれらの改質反応の組み合わせなど、水素発生手法として公知な手法によって改質ガスを生成してもよい。

燃料電池スタック４は、複数の固体酸化物形燃料電池セル５を直列接続してなる組立体であり、各セル５は固体酸化物電解質の両面に燃料極（アノード）及び空気極（カソード）を積層してなり、燃料極には改質器３出口からの改質ガスの供給通路１２により改質ガスが供給され、空気極には外部からのカソード用空気の供給通路９により空気が供給される。

従って、燃料電池セル５の各々において、空気極にて、下記（１）式の電極反応が生起され、燃料極にて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
空気極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）・・・（１）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

オフガス燃焼部６は、モジュールケース２内に設けられ、燃料電池スタック４での余剰の改質ガスを余剰の空気の存在下で燃焼させ、その燃焼熱により改質器３及び燃料電池スタック４を高温状態に維持する。従って、モジュールケース２内は、燃料電池スタック４での発電及び余剰改質ガスの燃焼に起因して、例えば６００〜１０００℃程度の高温になる。モジュールケース２内での燃焼によって生成された高温の排気ガスはモジュールケース２外に排出されるが、その廃熱は後述するように熱利用される。

図２はホットモジュール１のより実際的な例を示す構成図である。この例では、モジュールケース２内の上部に改質器３を配置し、下部に後述のマニホールド１３を配置し、これらの間に燃料電池スタック４（燃料電池セルの組立体）を配置してある。

マニホールド１３は、燃料電池スタック４の支持体を兼ねると共に、改質器３からの改質ガスの供給通路１２により供給される改質ガスを燃料電池スタック４の各燃料電池セルに分配する。

燃料電池スタック４の各燃料電池セルは、例えば、燃料極支持型の燃料電池セルであり、上下方向に延びる多孔質のセル支持体５ｓの外表面に燃料極層、固体電解質層、空気極層（図示せず）をこれらの順で積層してなる。
セル支持体５ｓはその内部に延在方向に沿ってガス流路（図示せず）を備え、その下端部はマニホールド１３に接続されている。そして、ガス流路の上端部は改質器３のケース壁に向かって開口し、オフガス燃焼部６を構成している。

従って、マニホールド１３に供給された改質ガスは、燃料電池スタック４を構成する燃料電池セルに分配され、各セル支持体５ｓの内部に形成されているガス流路を流通（上昇）する。この過程で、改質ガス中の水素がセル支持体５ｓの多孔質層を透過して燃料極層に達する。一方、カソード用空気の供給通路９からモジュールケース２内に空気（酸素含有ガス）が導入され、燃料電池スタック４を構成する燃料電池セルの外側に供給される結果、空気中の酸素が空気極層に達する。これにより、燃料電池セルの各々において、改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電がなされる。

セル支持体５ｓのガス流路を流通する改質ガスのうち、電極反応に使用されなかった改質ガスは、セル支持体５ｓの上端からモジュールケース２内に流出せしめられ、流出と同時に燃焼せしめられる。尚、モジュールケース２内（オフガス燃焼部６）には適宜の着火手段（図示せず）が配設されている。また、モジュールケース２内に導入された空気のうち、電極反応に使用されなかったものは、燃焼に利用される。モジュールケース２内での燃焼によって生成された排気ガスは、排気通路１４から、モジュールケース２外に排出される。

図１に戻って、説明を続ける。
パワーコンディショナー（ＰＣＳ）１５は、ホットモジュール１の燃料電池スタック４で発生した直流電力を取り出すものであり、また、インバータを備え、直流電力を交流電力に変換して、家庭内負荷（電気機器）１６に供給する。尚、燃料電池スタック４の発電電力が家庭内負荷１６の需要電力に満たない場合は、不足分として、系統電源１７からの系統電力が家庭内負荷１６に供給される。

熱交換器１８は、ホットモジュール１の廃熱（燃料電池スタック４で発生する熱を含む排気ガスの熱）を回収して温水を得る。貯湯槽１９は、熱交換器１８により得た温水を貯留すると共に、この温水を給湯負荷に対して供給可能に構成されている。

詳しくは、熱交換器１８は発電ユニット側に配置され、給湯ユニット側の貯湯槽１９と循環通路２０ａ、２０ｂにより接続されている。循環通路２０ａは、貯湯槽１９の底部から引き出されて、熱交換器１８の入口側に接続されており、途中に循環用のポンプ２１が介装されている。循環通路２０ｂは、熱交換器１８の出口側から貯湯槽１９の上部へ戻るように配管されている。

従って、循環用のポンプ２１を駆動すると、貯湯槽１９の底部付近に存在する比較的低温の水が循環通路２０ａにより熱交換器１８に供給され、熱交換器１８にてホットモジュール１の廃熱（排気ガスの熱）との間で熱交換がなされる。これにより、排気ガスが冷却されると共に、水が加熱されて温水が得られる。熱交換器１８にて得た温水は、循環通路２０ｂにより貯湯槽１９の上部へ戻される。このような循環が繰り返されて、貯湯槽１９に温水が貯留される。
尚、貯湯槽１９には、その上部から温水を取り出す給湯通路２２が設けられると共に、その底部へ水道水を補給する給水通路２３が設けられる。

制御ユニット３０は、燃料電池スタック４の発電電力や循環用のポンプ２１の運転などを制御するもので、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを備えている。

制御ユニット３０による発電電力の制御は、供給量制御手段７ｐ、８ｐ、１１ｐを介して改質器７への原燃料、改質水、改質用空気の供給量を制御して、燃料電池スタック４への改質ガス（アノードガス）の供給量を制御し、また、供給量制御手段９ｐを介して燃料電池スタック４への空気（カソードガス）の供給量を制御することによって、行う。

従って、制御ユニット３０は、家庭内負荷１６の需要電力に応じて、定格最大発電電力の範囲内で、燃料電池スタック４の発電電力目標値を設定し、これに従って（発電電力目標値を得るように）、燃料、水及び空気の供給量を制御することにより、燃料電池スタック４の発電電力を制御する。

制御ユニット３０はまた、パワーコンディショナー１５を制御する。具体的には、燃料電池スタック４の発電電力目標値に基づいて、燃料電池スタック４から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池スタック４の発電電力目標値を燃料電池スタック４の出力電圧（瞬時値）で除算して、電流目標値を設定し、この電流目標値に従って、燃料電池スタック４から取り出す電流を制御する。

次に制御ユニット３０によるシステム停止制御について説明する。
上記ＳＯＦＣシステムは高温（６００〜１０００℃）での連続運転を基本とするが、ユーザーの任意により、あるいは省エネ制御の一態様として、あるいは定期的メンテナンスにより、あるいは各種機器の故障診断の結果として、システムを停止することが要求される。

この場合は、燃料電池スタック４のセル温度を検出するセル温度センサを用い、セル温度を検出しつつ、セル温度の低下に従って、予め定められた手順で改質器３及び燃料電池スタック４の状態（燃料電池スタック４からの電流掃引状態、改質器３への原燃料及び改質水の供給状態、燃料電池スタック４へのカソード用空気の供給状態など）を制御してシステムを停止させる。

しかしながら、セル温度センサが故障した場合は、所定の手順でのシステム停止制御が困難となる。
そこで、本実施形態では、セル温度センサの故障時には、代替センサを用いて、システム停止制御を行う。

図３はホットモジュール１における温度センサ（セル温度センサ及びその代替センサ）の配置例を示している。
セル温度センサ３１は、セル支持体５ｓに取付けて、１〜複数設ける。複数設ける場合は、異なるセル支持体５ｓに取付ければよいが、セル支持体５ｓの延在方向の異なる位置に配設してもよい。

代替センサとしては、改質器３の改質触媒温度を検出する改質触媒温度センサ３２を１〜複数設ける。複数設ける場合は、改質器３の各部の温度を検出できるように、オフガス燃焼部６からの距離（図で上下方向）が異なる位置、あるいは、改質器３内の流れ方向（図の左右方向）に異なる位置に配設するとよい。また、改質器３の幅方向（図の奥行き方向）に異なる位置に配設してもよい。

代替センサとしては、モジュールケース２内の燃焼室温度を検出する燃焼室温度センサ３３を１〜複数設けてもよい。配設位置は、モジュールケース２内の任意の位置でよいが、例えば、排気ガス導出口付近、改質器３周囲の加熱部分などに配置する。

図４は制御ユニット３０にて実行されるセル温度センサ故障検出ルーチンのフローチャートである。本ルーチンがセル温度センサ故障検出部として機能する。

Ｓ１では、セル温度センサ３１の故障診断を行う。具体的には、発電工程中（起動及び停止工程中は除く）において、ある発電量でおおよそこの辺になるはずであろう温度帯から外れている場合に、故障と診断する。また、複数点で計測している場合に、負荷変動などで他の計測点が温度変化しているのに、ある１箇所が変化しない、又は変化量が明らかに他の計測点と異なる場合は、故障と診断する。もちろん、これらに限られるものではなく、断線検出を含む様々な故障診断方法を採用することができる。

Ｓ２では、故障診断の結果に基づいて、故障の有無を判定し、故障有りの場合にＳ３、Ｓ４へ進む。Ｓ３では、セル温度センサの故障フラグをセットする。また、Ｓ４では、通常停止要求（指令）を発する。

図５は制御ユニット３０にて実行されるシステム停止制御のメインルーチンのフローチャートである。本ルーチンがシステム停止制御部として機能する。

Ｓ１１では、停止要求の有無を判定し、停止要求有りの場合にＳ１２へ進む。
Ｓ１２では、緊急停止要求か否か（緊急停止要求か通常停止要求か）を判定する。
Ｓ１２での判定でＹＥＳの場合（緊急停止要求の場合）は、Ｓ１３へ進み、システム緊急停止を行う。システム緊急停止の場合は、燃料電池スタック４からの電流掃引の停止、改質器３への原燃料及び改質水の供給停止、燃料電池スタック４へのカソード用空気の供給停止などを直ちにかつ一斉に行ってシステムを停止させる。

Ｓ１２での判定でＮＯの場合（通常停止要求の場合）は、Ｓ１４へ進み、セル温度センサの故障フラグを参照して、セル温度センサの故障の有無を判定する。
Ｓ１４での判定でＮＯの場合（セル温度センサの故障無しの場合）は、Ｓ１５へ進み、セル温度センサ３１を用い、セル温度によるシステム通常停止（図６のサブルーチン）を実行する。

Ｓ１４での判定でＹＥＳの場合（セル温度センサの故障有りの場合）は、Ｓ１６へ進み、正常なセル温度センサが有るか否かを判定する。
Ｓ１６での判定でＹＥＳの場合（一部のセル温度センサの故障で、正常なセル温度センサが有る場合）は、Ｓ１７へ進み、正常なセル温度センサを用い、セル温度によるシステム通常停止（図６のサブルーチンと同様）を実行する。

Ｓ１６での判定でＮＯの場合（正常なセル温度センサが無い場合、すなわち、全てのセル温度センサが故障している場合）は、Ｓ１８へ進み、代替センサとして改質触媒温度センサ３２を用い、改質触媒温度によるシステム通常停止（図７のサブルーチン）を実行する。

図６はセル温度によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャートであり、図５のフローのＳ１５にて、セル温度センサ３１を用いて実行される。また、図５のフローのＳ１７では、正常なセル温度センサを用いて同様に実行される。

Ｓ２１では、通常停止要求を受けて、直ちに、燃料電池スタック４からの電流掃引を停止する。具体的には、パワーコンディショナー１５に対し電流掃引停止を指示する。燃料電池スタック４は負荷１６から切り離される。発電停止により、セル５自体の発熱が停止することになる。
電流掃引停止（Ｓ２１）の後は、改質停止工程モード（Ｓ２２）へ移行する。

Ｓ２２の改質停止工程モードでは、Ｓ２３でセル温度を監視しながら、原燃料の供給量制御手段７ｐ及び改質水の供給量制御手段８ｐに減量を指示する。生成される水素の量が減っていくため、オフガス燃焼量も減る。オフガス燃焼量が減ることにより、改質器３及び燃料電池スタック４に対する加熱が弱まるため、セル温度が下がる。

セル温度が第１の所定温度Ｔ１まで下がったら、原燃料及び改質水の供給を完全に停止させる。第１の所定温度Ｔ１は、燃料の供給を停止しても（還元雰囲気でなくなっても）、セル支持体５ｓなどの酸化による性能劣化を抑制可能となる温度として設定される。

すなわち、Ｓ２３でセル温度を監視して、セル温度≦Ｔ１になったか否かを判定し、セル温度＞Ｔ１の間、改質停止工程モード（Ｓ２２）を実行し、セル温度≦Ｔ１となった段階で、改質完全停止（Ｓ２４）とする。
改質完全停止（Ｓ２４）の後は、カソード空気冷却工程モード（Ｓ２５）へ移行する。

Ｓ２５のカソード空気冷却工程モードでは、Ｓ２６でセル温度を監視しながら、カソード用空気の供給量制御手段９ｐによる空気の供給を継続する（改質ガスは供給停止状態）。これにより、カソード用空気で燃料電池スタック４を冷却する。

カソード空気冷却工程モード（Ｓ２５）は、セル温度が更に低下して第２の所定温度Ｔ２に下がるまで続けられる。第２の所定温度Ｔ２は、セル支持体５ｓなどの酸化開始温度より低く、酸化開始温度〜室温の範囲内で設定される。

すなわち、Ｓ２６でセル温度を監視して、セル温度≦Ｔ２になったか否かを判定し、セル温度＞Ｔ２の間、カソード空気冷却工程モード（Ｓ２５）を実行し、セル温度≦Ｔ２となった段階で、アノード空気パージ工程モード（Ｓ２７）へ移行し、当該モードを所定時間実行する。

Ｓ２７のアノード空気パージ工程モードでは、カソード用空気の供給量制御手段９ｐによる空気の供給を継続したまま、改質用空気の供給量制御手段１１ｐに空気の供給を指示する。従って、燃料電池スタック４のアノード及びカソードの両方に空気が供給され、パージ及び冷却がなされる。尚、このときの温度では改質器３に改質用空気が供給されても部分酸化反応は起きない。

Ｓ２７のアノード空気パージ工程モードは、所定時間（例えば１〜３分）実行され、所定時間経過後に、カソード用空気と改質用空気の供給が停止される。以上によりシステム停止がなされる（Ｓ２８）。

図７は改質触媒温度によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャートであり、図５のフローのＳ１８にて、代替センサである改質触媒温度センサ３２を用いて実行される。本サブルーチンがセル温度センサ故障時のシステム停止制御部として機能する。

Ｓ３１では、通常停止要求を受けて、直ちに、燃料電池スタック４からの電流掃引を停止する。具体的には、パワーコンディショナー１５に対し電流掃引停止を指示する。燃料電池スタック４は負荷１６から切り離される。発電停止により、セル５自体の発熱が停止することになる。
電流掃引停止（Ｓ３１）の後は、改質停止工程モード（Ｓ３２）へ移行する。

Ｓ３２の改質停止工程モードでは、Ｓ３３で改質触媒温度を監視しながら、原燃料の供給量制御手段７ｐ及び改質水の供給量制御手段８ｐに減量を指示する。生成される水素の量が減っていくため、オフガス燃焼量も減る。オフガス燃焼量が減ることにより、改質器３及び燃料電池スタック４に対する加熱が弱まるため、改質触媒温度が下がる。

改質触媒温度が第１の所定温度Ｔ１まで下がったら、原燃料及び改質水の供給を完全に停止させる。
すなわち、Ｓ３３で改質触媒温度を監視して、改質触媒温度≦Ｔ１になったか否かを判定し、改質触媒温度＞Ｔ１の間、改質停止工程モード（Ｓ３２）を実行し、改質触媒温度≦Ｔ１となった段階で、改質完全停止（Ｓ３４）とする。
改質完全停止（Ｓ３４）の後は、カソード空気冷却工程モード（Ｓ３５）へ移行する。

Ｓ３５のカソード空気冷却工程モードでは、Ｓ３６で改質触媒温度を監視しながら、カソード用空気の供給量制御手段９ｐによる空気の供給を継続する（改質ガスは供給停止状態）。これにより、カソード用空気で燃料電池スタック４を冷却する。

カソード空気冷却工程モード（Ｓ３５）は、改質触媒温度が更に低下して第２の所定温度Ｔ２に下がるまで続けられる。
すなわち、Ｓ３６で改質触媒温度を監視して、改質触媒温度≦Ｔ２になったか否かを判定し、改質触媒温度＞Ｔ２の間、カソード空気冷却工程モード（Ｓ３５）を実行し、改質触媒温度≦Ｔ２となった段階で、アノード空気パージ工程モード（Ｓ３７）へ移行し、当該モードを所定時間実行する。

Ｓ３７のアノード空気パージ工程モードでは、カソード用空気の供給量制御手段９ｐによる空気の供給を継続したまま、改質用空気の供給量制御手段１１ｐに空気の供給を指示する。従って、燃料電池スタック４のアノード及びカソードの両方に空気が供給され、パージ及び冷却がなされる。尚、このときの温度では改質器３に改質用空気が供給されても部分酸化反応は起きない。

Ｓ３７のアノード空気パージ工程モードは、所定時間（例えば１〜３分）実行され、所定時間経過後に、カソード用空気と改質用空気の供給が停止される。以上によりシステム停止がなされる（Ｓ３８）。

本実施形態によれば、制御ユニット３０は、セル温度センサ３１の故障を検出するセル温度センサ故障検出部と、セル温度センサ３１の故障時に、セル温度に代えて、改質触媒温度センサ３２により改質触媒温度を検出しつつ、改質触媒温度の低下に従って、予め定められた手順で改質器３及び燃料電池スタック４の状態を制御してシステムを停止させるセル温度センサ故障時のシステム停止制御部と、を有するので、セル温度と相関の高い改質触媒温度を用いて、適切にシステムの通常停止を行うことができる。言い換えれば、セル温度が所定温度である場合に予想される改質触媒温度を予め関連付けて設定しておくことにより、適切にシステムの通常停止を行うことができる。

すなわち、緊急停止の場合、発電停止はもとより、発電に関わる燃料供給、空気供給が一斉に遮断され、そのまま自然放冷状態となる。この緊急停止ではセルスタックへの熱衝撃によるダメージ及びガス供給停止によりセルの燃料極の再酸化が起こり、セルスタックが損傷を受ける。
また、故障修理のためには各部の温度が低下している必要があり、全停止工程において自然放熱とすると、時間がかかり、速やかな修理が行えない。

この点、本実施形態によれば、緊急シャットダウンを経ず、改質停止工程などを経てからシステムを停止することにより、セルスタックへのダメージを避けることができ、最小限の部品交換（故障したセル温度センサの交換など）により、システム管理コストの低減が図れる。
但し、セル温度についての第１及び第２の所定温度Ｔ１、Ｔ２と、改質触媒温度についての第１及び第２の所定温度Ｔ１、Ｔ２とは、異なるので、予め関連付けて設定することは必要である。

また、本実施形態によれば、セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、複数のセル温度センサ３１のうち少なくとも１つが正常の場合は、改質触媒温度センサ３２を用いたシステム停止に優先して、故障したセル温度センサに代え、正常なセル温度センサによりセル温度を検出しつつ、セル温度の低下に従って、予め定められた手順で改質器３及び燃料電池スタック４の状態を制御してシステムを停止させることにより、複数のセル温度センサ３１を備える場合に正常なセル温度センサを用いて、より理想の停止制御を実現できる。

また、本実施形態によれば、セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、少なくとも、代替温度である改質触媒温度が低下して第１の所定温度Ｔ１に達するまで改質器３への原燃料及び改質水の供給を減量しつつ継続する改質停止工程と、改質触媒温度が更に低下して第２の所定温度Ｔ２に達するまで燃料電池スタック４へのカソード用空気の供給を継続するカソード空気冷却工程とを経て、システムを停止させることにより、より円滑なシステム停止を実現できる。

更に、前記改質停止工程及び前記カソード空気冷却工程の後、燃料電池スタック４のアノード及びカソードに所定時間空気を供給するアノード空気パージ工程を実施して、システムを停止させることにより、最終的なシステム停止を良好な状態で行うことができる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。
図８は他の実施形態として示す改質触媒温度（及び経過時間）によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャートであり、図５のフローのＳ１８にて、図７のフローに代え、改質触媒温度センサ３２を用いて実行される。

Ｓ４１では、通常停止要求を受けて、直ちに、燃料電池スタック４からの電流掃引を停止する。具体的には、パワーコンディショナー１５に対し電流掃引停止を指示する。燃料電池スタック４は負荷１６から切り離される。発電停止により、セル５自体の発熱が停止することになる。
電流掃引停止（Ｓ４１）の後は、改質停止工程モード（Ｓ４２）へ移行する。

Ｓ４２の改質停止工程モードでは、Ｓ４３で改質触媒温度及び経過時間を監視しながら、原燃料の供給量制御手段７ｐ及び改質水の供給量制御手段８ｐに減量を指示する。生成される水素の量が減っていくため、オフガス燃焼量も減る。オフガス燃焼量が減ることにより、改質器３及び燃料電池スタック４に対する加熱が弱まるため、改質触媒温度が下がる。

改質触媒温度が第１の所定温度Ｔ１まで下がるか、改質停止工程モードの継続時間が第１の所定時間ｔｍ１に達したら、又は、両条件が成立したら、原燃料及び改質水の供給を完全に停止させる。
すなわち、Ｓ４３で改質触媒温度及び経過時間を監視して、「改質触媒温度≦Ｔ１及び／又は改質停止工程モード継続時間≧ｔｍ１」になったか否かを判定し、ＮＯの間、改質停止工程モード（Ｓ４２）を実行し、ＹＥＳとなった段階で、改質完全停止（Ｓ４４）とする。
改質完全停止（Ｓ４４）の後は、カソード空気冷却工程モード（Ｓ４５）へ移行する。

Ｓ４５のカソード空気冷却工程モードでは、Ｓ４６で改質触媒温度及び経過時間を監視しながら、カソード用空気の供給量制御手段９ｐによる空気の供給を継続する（改質ガスは供給停止状態）。これにより、カソード用空気で燃料電池スタック４を冷却する。

カソード空気冷却工程モード（Ｓ４５）は、改質触媒温度が更に低下して第２の所定温度Ｔ２に下がるか、カソード空気冷却工程モードの継続時間が第２の所定時間ｔｍ２に達するまで、又は、両条件が成立するまで続けられる。
すなわち、Ｓ４６で改質触媒温度及び経過時間を監視して、「改質触媒温度≦Ｔ２及び／又はカソード空気冷却モード継続時間≧ｔｍ２」になったか否かを判定し、ＮＯの間、カソード空気冷却工程モード（Ｓ４５）を実行し、ＹＥＳとなった段階で、アノード空気パージ工程モード（Ｓ４７）へ移行し、当該モードを所定時間実行する。

Ｓ４７のアノード空気パージ工程モードでは、カソード用空気の供給量制御手段９ｐによる空気の供給を継続したまま、改質用空気の供給量制御手段１１ｐに空気の供給を指示する。従って、燃料電池スタック４のアノード及びカソードの両方に空気が供給され、パージ及び冷却がなされる。尚、このときの温度では改質器３に改質用空気が供給されても部分酸化反応は起きない。

Ｓ４７のアノード空気パージ工程モードは、所定時間（例えば１〜３分）実行され、所定時間経過後に、カソード用空気と改質用空気の供給が停止される。以上によりシステム停止がなされる（Ｓ４８）。

特に本実施形態によれば、セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、セル温度センサ３１の故障時に、セル温度に代えて、改質触媒温度センサ３２により改質触媒温度を検出しつつ、改質触媒温度の低下及び時間経過に従って、予め定められた手順で改質器３及び燃料電池スタック４の状態を制御してシステムを停止させることにより、すなわち、改質触媒温度と経過時間との両方を参照して制御するため、より適切な制御が可能となる。尚、図８のフローのＳ４３、Ｓ４６にて改質触媒温度と経過時間とのＯＲ条件で制御することにより、何らかの原因で十分な温度低下が得られない場合に、経過時間で制御することで、システム停止時間の長期化を防止できる。また、ＡＮＤ条件で制御することにより、温度の検知エラーの影響を回避することできるなどの利点がある。

図９は他の実施形態として示す燃焼室温度（及び経過時間）によるシステム通常停止サブルーチンのフローチャートであり、図５のフローのＳ１８にて、図８のフローに代え、燃焼室温度センサ３３を用いて実行される。

図９のフローのＳ５１〜Ｓ５８は、図８のフローのＳ４１〜Ｓ４８と対応しており、異なる点は、Ｓ５３、Ｓ５６にて改質触媒温度に代えて燃焼室温度を監視している点である。従って、各ステップの説明は省略する。

特に本実施形態によれば、セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、セル温度に代えて、燃焼室温度センサ３３により燃焼室温度を検出しつつ、燃焼室温度の低下に従って、予め定められた手順で改質器３及び燃料電池スタック４の状態を制御してシステムを停止させることにより、すなわち、モジュールケース２内の燃焼室は燃料電池セルが配置される空間であって、燃焼室温度はセル温度との相関が高いことから、セル温度との相関の高さを最大限利用して、システム停止制御を行うことができるという効果が得られる。
但し、セル温度についての第１及び第２の所定温度Ｔ１、Ｔ２と、燃焼室温度についての第１及び第２の所定温度Ｔ１、Ｔ２とは、異なるので、予め関連付けて設定することは必要である。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

例えば、燃料電池スタック４の燃料電池セルは、燃料極支持型の燃料電池セルとして説明したが、空気極支持型の燃料電池セル（多孔質のセル支持体５ｓの外表面に空気極層、固体電解質層、燃料極層をこれらの順で積層したもの）であってもよい。この場合は、改質器３からの改質ガスをモジュールケース２内に充満させ、空気をマニホールド１３を介してセル支持体５ｓのガス流路に供給する構造になる。

１ホットモジュール
２モジュールケース
３改質器
４燃料電池スタック
５燃料電池セル
５ｓセル支持体
６オフガス燃焼部
７原燃料の供給通路
７ｐ供給量制御手段
８改質水の供給通路
８ｐ供給量制御手段
９カソード用空気の供給通路
９ｐ供給量制御手段
１０脱硫器
１１改質用空気の供給通路
１１ｐ供給量制御手段
１２改質ガスの供給通路
１３マニホールド
１４排気通路
１５パワーコンディショナー（ＰＣＳ）
１６負荷
１７系統電源
１８熱交換器
１９貯湯槽
２０ａ、２０ｂ循環通路
２１循環用のポンプ
２２給湯通路
２３給水通路
３０制御ユニット
３１セル温度センサ
３２改質触媒温度センサ
３３燃焼室温度センサ

Claims

改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、この改質器からの燃料ガスと空気とを反応させて発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の燃料ガスを燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、前記燃料電池スタックのセル温度を検出するセル温度センサと、前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御する制御ユニットと、を含んで構成され、
前記制御ユニットは、システムの停止要求があったときに、前記セル温度センサによりセル温度を検出しつつ、セル温度の低下に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させるシステム停止制御部を有する、
固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記改質器の改質触媒温度を検出する改質触媒温度センサを更に含んで構成され、
前記制御ユニットは、
前記セル温度センサの故障を検出するセル温度センサ故障検出部と、
前記セル温度センサの故障時に、前記セル温度に代えて、前記改質触媒温度センサにより改質触媒温度を検出しつつ、改質触媒温度の低下に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させるセル温度センサ故障時のシステム停止制御部と、を更に有することを特徴とする、
固体酸化物形燃料電池システム。
前記セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、前記セル温度センサの故障時に、前記セル温度に代えて、前記改質触媒温度センサにより改質触媒温度を検出しつつ、改質触媒温度の低下及び時間経過に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記セル温度センサは、複数備えられ、
前記セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、前記複数のセル温度センサのうち少なくとも１つが正常の場合は、前記改質触媒温度センサを用いたシステム停止に優先して、故障したセル温度センサに代え、正常なセル温度センサによりセル温度を検出しつつ、セル温度の低下に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記改質触媒温度センサの代わりに、前記モジュールケース内の燃焼室温度を検出する燃焼室温度センサを含んで構成され、
前記セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、前記セル温度に代えて、前記燃焼室温度センサにより燃焼室温度を検出しつつ、燃焼室温度の低下に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、少なくとも、代替温度が低下して第１の所定温度に達するまで前記改質器への原燃料及び改質水の供給を減量しつつ継続する改質停止工程と、代替温度が更に低下して第２の所定温度に達するまで前記燃料電池スタックへのカソード用空気の供給を継続するカソード空気冷却工程とを経て、システムを停止させることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記セル温度センサ故障時のシステム停止制御部は、前記改質停止工程及び前記カソード空気冷却工程の後、前記燃料電池スタックのアノード及びカソードに所定時間空気を供給するアノード空気パージ工程を実施して、システムを停止させることを特徴とする、請求項５記載の固体酸化物形燃料電池システム。
改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、この改質器からの燃料ガスと空気とを反応させて発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の燃料ガスを燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、を含んで構成される、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックのセル温度を検出するセル温度センサの故障時に、システムを停止させる方法であって、
前記セル温度センサの故障を検出し、
前記セル温度センサの故障時に、前記改質器の改質触媒温度を検出する改質触媒温度センサにより改質触媒温度を検出しつつ、改質触媒温度の低下に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムのセル温度センサ故障時のシステム停止方法。
改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、この改質器からの燃料ガスと空気とを反応させて発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の燃料ガスを燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、を含んで構成される、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックのセル温度を検出するセル温度センサの故障時に、システムを停止させる方法であって、
前記セル温度センサの故障を検出し、
前記セル温度センサの故障時に、前記モジュールケース内の燃焼室温度を検出する燃焼室温度センサにより燃焼室温度を検出しつつ、燃焼室温度の低下に従って、予め定められた手順で前記改質器及び前記燃料電池スタックの状態を制御してシステムを停止させることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムのセル温度センサ故障時のシステム停止方法。