JP2015185349A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の耐久性を向上させる。
【解決手段】燃料電池システムは、原燃料が流通する原燃料の供給通路２１と、原燃料の供給通路２１から原燃料が導入され、水蒸気を用いて燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部１２と、酸化剤ガス中の酸素と、改質部１２からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行う燃料電池スタック１３と、原燃料の供給通路２１から分岐する分岐通路４５と、分岐通路４５を開閉する開閉弁５０と、を備える。開閉弁５０は、原燃料の供給通路２１から改質部１２への燃料供給停止時に開となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムはエネルギー利用効率の高い発電システムとして開発が活発化している。この中でも固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）はその高い発電効率から低ＣＯ_２排出の定置用電源として注目されている。
このシステムは、一般に、燃料及び水が導入され、水を蒸発させて水蒸気を生成する気化部と、気化部からの水蒸気を用いて燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、空気などの酸化剤ガス中の酸素と、改質部からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行う燃料電池とを備える。
このような燃料電池システムは、特許文献１に開示されている。

燃料電池システムでは、例えばシステムの緊急停止時に、気化部への燃料及び水の供給と、燃料電池からの電力の取り出しと、燃料電池への酸化剤ガスの供給とを全て同時に停止させる場合がある。この場合には、まず、燃料電池のカソード側（酸化剤ガス極側）は、発電用の酸化剤ガスの供給が停止されるため、酸化剤ガスによる冷却効果がなくなり、温度が上昇する傾向となる。一方、燃料電池のアノード側（燃料極側）は、電力取り出しが停止されるため、発電熱が発生しなくなる。また、気化部への燃料供給が停止された後も、改質部に残存する燃料の少なくとも一部が、吸熱反応である水蒸気改質反応により改質されて改質ガスとなり、燃料電池のアノード側に流入する。それゆえ、燃料電池のアノード側がカソード側よりも低温になりかねない。このように、燃料電池のカソード側は、燃料供給及び電力取り出しの停止後、温度が上昇傾向となるのに対して、アノード側は、発電熱の消失や、低温の改質ガスの流入により、温度が低下する傾向となる。温度が低下した部分ではその周囲の気体が収縮して圧力が低下し、温度が上昇した部分ではその周囲の気体が膨張して圧力が上昇する。これらの現象により、燃料電池のカソード側は圧力が高くなり、アノード側は圧力が低くなって、カソード側とアノード側との間に圧力差が生じる。それゆえ、この圧力差により、カソード側の周囲に残存する酸化剤ガスがカソード側からアノード側へ流出しかねず、ひいては、当該酸化剤ガスがアノードを酸化させるおそれがあった。

このようなアノードの酸化を抑制するために、特許文献１は、改質部と気化部とを一体的に備える改質器を含んで構成される燃料電池システムにおいて、改質部と気化部との間に気化部内における水の蒸発による改質部内の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段を設けることを開示している。

特開２０１３−２２５４８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような燃料電池システムでは、前述のような緊急停止時に、気化部に残存する水が蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気が、改質部を通って燃料電池のアノード側に達するおそれがある。一方、燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給は停止している。それゆえ、燃料電池のアノード側に達した水蒸気が更にカソード側に流出しかねず、ひいては、燃料電池の耐久性に影響を及ぼしかねない。
また、特許文献１に記載のような燃料電池システムでは、前述のような緊急停止時に、気化部に残存していた水が蒸発しきると、その後の気化部及び改質部での冷却過程で、気化部及び改質部内の気体が収縮して圧力が低下しかねない。それゆえ、燃料電池のカソード側の周囲に残存する酸化剤ガスがアノード側を経て改質部へ流入しかねず、ひいては、アノードが酸化されて劣化するおそれがあった。

本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池の耐久性を向上させることを目的とする。

そのため本発明の一態様では、燃料電池システムは、燃料が流通する燃料供給通路と、燃料供給通路から燃料が導入され、水蒸気を用いて燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、酸化剤ガス中の酸素と、改質部からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行う燃料電池と、燃料供給通路から分岐する分岐通路と、分岐通路を開閉する開閉弁と、を備える。開閉弁は、燃料供給通路から改質部への燃料供給停止時に開となる。

本発明の別の態様では、燃料電池システムは、燃料が流通する燃料供給通路と、水が導入され、かつ、燃料供給通路から燃料が導入されて、水を蒸発させて水蒸気を生成する気化部と、気化部からの水蒸気を用いて気化部からの燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、酸化剤ガス中の酸素と、改質部からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行う燃料電池と、燃料供給通路から分岐する分岐通路と、分岐通路を開閉する開閉弁と、を備える。開閉弁は、燃料供給通路から改質部への燃料供給停止時に開となる。

本発明によれば、燃料電池システムは、改質部に燃料を供給するための燃料供給通路から分岐する分岐通路と、分岐通路を開閉する開閉弁と、を備える。また、この開閉弁は、改質部への燃料供給停止時に開となる。これにより、例えば前述のようなシステムの緊急停止時に、燃料供給通路から改質部を経て燃料電池に至る経路に残留する水蒸気の少なくとも一部が、分岐通路を経て、当該経路外に流出するので、前述のようなアノード側からカソード側への水蒸気の流出を抑制することができ、ひいては、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

また本発明によれば、改質部への燃料供給停止時に、分岐通路の開閉弁が開となるので、例えば前述のようなシステムの緊急停止時に、改質部での冷却過程で改質部内の気体が収縮して圧力が低下しても、分岐通路から燃料供給通路を経て改質部に気体が流入するので、改質部での圧力低下を抑制することができる。従って、燃料電池のカソード側の周囲に残存する酸化剤ガスがアノード側を経て改質部へ流入することを抑制することができ、ひいては、アノードの酸化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図 燃料電池システムの運転停止要求の監視ルーチンを示すフローチャート 通常停止ルーチンを示すフローチャート 緊急停止ルーチンを示すフローチャート 本発明の第１実施形態の変形例における燃料電池システムの概略構成を示す図 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図 本発明の第３実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す。

本実施形態における燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）は、その主要部をなす燃料電池装置１と、燃料電池装置１より排出される排ガスの熱を回収して熱回収媒体（例えば水）を昇温する熱回収部２と、燃料電池装置１（特に後述するセルスタック１３）の発電電力を取り出すパワーコンディショナー（以下、「ＰＣＳ」という）３と、制御部４とを含んで構成される。

燃料電池装置１は、筐体１０内に、気化部１１と、改質部１２と、セルスタック１３（複数の燃料電池セル１４の組立体）と、オフガス燃焼部１５と、排ガス処理部１６とを配置して構成される。ここで、セルスタック１３及び燃料電池セル１４は、本発明の燃料電池に対応するものである。また、この燃料電池は固体酸化物形燃料電池である。
筐体１０は、耐熱性金属により形成されており、内面に断熱材を内張して構成され得る。

燃料電池システムには、筐体１０の外部から筐体１０の壁面を貫通して気化部１１を経て改質部１２へ、原燃料の供給通路（燃料供給通路）２１が設けられている。原燃料の供給通路２１には、適宜の供給量制御手段としてのポンプ２２が筐体１０外に設けられている。この供給通路２１を原燃料が流通する。ここで、原燃料は例えば炭化水素系燃料である。炭化水素系燃料は、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素など、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物である。

原燃料の供給通路２１におけるポンプ２２と気化部１１との間に位置する合流部２３には、改質用空気の供給通路２４が接続されている。改質用空気の供給通路２４は、筐体１０の外部から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０内の合流部２３へ延びている。改質用空気の供給通路２４には、適宜の供給量制御手段としてのブロワ２５が筐体１０外に設けられている。
尚、原燃料の供給通路２１におけるポンプ２２の上流側には、当該通路を開閉する開閉弁（図示せず）が設けられている。この開閉弁は電磁弁であり、制御部４からの命令信号によって開弁・閉弁される。

原燃料の供給通路２１における合流部２３と気化部１１との間に位置する合流部２６には、改質用水の供給通路２７が接続されている。改質用水の供給通路２７は、筐体１０外の水タンク２８から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０内の合流部２６へ延びている。改質用水の供給通路２７には、適宜の供給量制御手段としてのポンプ２９が筐体１０外に設けられている。

燃料電池システムには、筐体１０の外部から筐体１０の壁面を貫通してセルスタック１３のカソード側に向かって延びるように、酸化剤ガス（空気など）の供給通路３１が設けられている。酸化剤ガスの供給通路３１には、適宜の供給量制御手段としてのブロワ３２が筐体１０外に設けられている。

気化部１１は原燃料の供給通路２１の途中に設けられている。本実施形態では、気化部１１は、原燃料の供給通路２１における合流部２６と改質部１２との間に設けられている。
気化部１１は、耐熱性金属により形成されたケース内の室に伝熱ビーズなどの伝熱促進部材を充填して構成されている。気化部１１では、改質用水の供給通路２７から合流部２６を経て原燃料の供給通路２１を通ってきた水を蒸発させて、水蒸気を生成する。すなわち、気化部１１は、原燃料の供給通路２１から原燃料及び水が導入され、水を蒸発させて水蒸気を生成する。

改質部１２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、原燃料の供給通路２１の下流側端部が接続されている。従って、改質部１２は、気化部１１にて生成され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。換言すれば、改質部１２は、気化部１１からの水蒸気を用いて原燃料を改質して、水素を含有する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。

セルスタック１３は、複数の固体酸化物形燃料電池セル１４を電気的に直列及び／又は並列に接続してなる組立体であり、各セル１４は、固体酸化物電解質の両面にアノード（燃料極）とカソード（酸化剤ガス極）を積層してなり、アノードには改質部１２出口からの改質ガスの供給通路３３によって改質ガスが供給され、カソードには、酸化剤ガスの供給通路３１により空気などの酸化剤ガスが供給される。

電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤ガス中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、燃料電池セル１４の各々において、カソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（電解質） ・・・（１）
アノード： Ｏ^２−（電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

燃料電池セル１４には、その温度Ｔを検出する温度センサ（図示せず）が設けられている。この温度センサからの温度検出信号（セル温度Ｔに対応する信号）は、図示しない信号線を介して、制御部４に伝達される。

オフガス燃焼部１５は、筐体１０内に設けられ、セルスタック１３での余剰の改質ガス（換言すれば、セルスタック１３から排出されるオフガス）を余剰の酸化剤ガスの存在下で燃焼させ、その燃焼熱により気化部１１、改質部１２、及びセルスタック１３を高温状態に維持する。従って、筐体１０内では、例えばオフガス燃焼部１５は６００〜８００℃、セルスタック１３は６００〜７００℃、改質部１２は３００〜６５０℃、気化部１１は１００〜１２０℃程度の高温になる。

燃料電池システムには、筐体１０内のオフガス燃焼部１５から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０の外部へ、排ガス通路４１が設けられている。排ガス通路４１は、オフガス燃焼部１５での燃焼によって生成された高温の排ガスが流通し、この排ガスを筐体１０外に導く。

筐体１０内における排ガス通路４１の途中には、オフガス燃焼部１５からの排ガスを浄化する排ガス処理部１６が設けられている。
排ガス処理部１６は、例えば、金属製のケース内の室に燃焼触媒を充填して構成される。また、排ガス処理部１６は、燃焼触媒を加熱するための燃焼触媒ヒータ１７を備える。排ガス処理部１６では、排ガス中に含まれる一酸化炭素や水素などの成分が、燃焼触媒により浄化処理される。

筐体１０外における排ガス通路４１の途中には熱回収部２が設けられている。熱回収部２は、排ガス処理部１６で処理された後の排ガスの熱を回収して、その回収熱により、熱回収媒体（例えば水）を加温する。

熱回収部２は、図示しない給湯ユニットの貯湯槽と熱回収媒体循環通路４２により接続されている。熱回収媒体循環通路４２には、適宜の供給量制御手段としてのポンプ（図示せず）が設けられている。

燃料電池システムでは、熱回収部２内の排ガス通路から水タンク２８へ、凝縮水の回収通路４３が設けられている。熱回収部２内の排ガス通路では、熱回収媒体循環通路４２との熱交換により排ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水は、凝縮水の回収通路４３を通って、水タンク２８に貯留される。
水タンク２８に貯留された水は、前述のポンプ２９により吸引され、改質用水の供給通路２７、合流部２６、及び原燃料の供給通路２１を通って、気化部１１に導入される。それゆえ、原燃料の供給通路２１のうち合流部２６と気化部１１との間の部分には、原燃料及び水が流通する。

燃料電池システムには、原燃料の供給通路２１から分岐して排ガス通路４１に至る分岐通路４５が設けられている。本実施形態では、分岐通路４５は、原燃料の供給通路２１のうち気化部１１より上流側の部分（ポンプ２２側の部分）から分岐している。
分岐通路４５は、その一端部が、原燃料の供給通路２１における合流部２６と気化部１１との間に位置する分岐部４６に接続されている。また、分岐通路４５の他端部は、筐体１０外における排ガス通路４１のうち熱回収部２より上流側の部分（すなわち燃料電池装置１側の部分）に位置する合流部４７に接続されている。尚、本実施形態では、分岐通路４５は、筐体１０内の分岐部４６から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０外の合流部４７まで延びている。

筐体１０外における分岐通路４５の途中には、当該通路を開閉する開閉弁５０が設けられている。開閉弁５０は、常開型の電磁弁（いわゆるＮＯ弁）であり、制御部４からの命令信号（非通電・通電）によって開弁・閉弁される。それゆえ、開閉弁５０は、非通電時（消磁時）には開状態を保ち、通電時（励磁時）には閉じる。

ＰＣＳ３は、燃料電池装置１のセルスタック１３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、図示しない家庭内負荷（電気機器）に供給する。尚、セルスタック１３の発電電力が家庭内負荷の需要電力に満たない場合は、不足分として、図示しない系統電源からの系統電力が家庭内負荷に供給される。

制御部４は、セルスタック１３の発電電力や熱回収に用いる熱回収媒体を循環させるためのポンプの運転などを制御するもので、マイクロコンピュータを含んで構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェイスなどを備えている。
制御部４による発電電力の制御は、ポンプ２２、２９、ブロワ２５を介して気化部１１及び改質部１２への原燃料、改質用水、改質用空気の供給量を制御して、セルスタック１３への改質ガスの供給量を制御し、また、ブロワ３２を介してセルスタック１３への酸化剤ガスの供給量を制御することによって、行う。
従って、制御部４は、家庭内負荷の需要電力に応じて、定格最大発電電力の範囲内で、セルスタック１３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、セルスタック１３の発電電力を制御する。

また、制御部４はＰＣＳ３を制御する。具体的には、セルスタック１３の発電電力目標値に基づいて、セルスタック１３から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、セルスタック１３の発電電力目標値をセルスタック１３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、セルスタック１３から取り出す電流を制御する。

また、制御部４は開閉弁５０の開閉を制御する。例えば燃料電池システムの通常運転時には、開閉弁５０が閉状態を保つように、開閉弁５０の通電状態が制御部４によって制御される。

本実施形態では燃料電池システムの運転停止時に開閉弁５０を開とする。この詳細について、図１に加えて図２〜図４を用いて説明する。
図２は、本実施形態における燃料電池システムの運転停止要求の監視ルーチンを示すフローチャートである。図３は、通常停止ルーチンを示すフローチャートである。図４は、緊急停止ルーチンを示すフローチャートである。

図２に示すように、制御部４は、燃料電池システムの運転中に、燃料電池システムの運転停止要求の有無を常時監視する。具体的には、制御部４は、燃料電池システムに緊急停止の要求があるか否かと、燃料電池システムに通常停止の要求があるか否かとを、常時監視する。ここで、緊急停止は、燃料電池システムの運転中に各種ポンプ・ブロワの不具合などが発生して迅速に燃料電池システムを停止させる必要がある場合などに要求される。また、通常停止は、マイコンメータ（ガスメーター）の機能を確認する場合や、定期メンテナンスを行う場合、又は、長期不在時などのユーザー操作による停止の場合などに要求される。

図２のステップＳ１では、燃料電池システムに緊急停止の要求があるか否かを判定する。ステップＳ１にて緊急停止の要求がないと判定された場合には、ステップＳ２に進んで、通常停止の要求があるか否かを判定する。
ステップＳ２にて、通常停止の要求がないと判定された場合には、所定時間経過後に、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ２にて、通常停止の要求があると判定された場合には、ステップＳ３の通常停止ルーチン（図３参照）に進み、通常の運転停止制御を行う。
一方、ステップＳ１にて緊急停止の要求があると判定された場合には、ステップＳ４の緊急停止ルーチン（図４参照）に進み、緊急停止制御を行う。

ステップＳ３の通常停止ルーチンでは、図３に示すように、まずステップＳ２１にて、直ちに電流掃引を停止する。具体的には、ＰＣＳ３に対し電流掃引停止を指示する。セルスタック１３は家庭内負荷から切り離される。発電停止により、燃料電池セル１４自体の発熱が停止することになる。
また、ステップＳ２１では、気化部１１への原燃料及び改質用水の供給停止を行う。具体的には、ポンプ２２、２９の運転を停止する。また、原燃料の供給通路２１におけるポンプ２２の上流側に設けられた開閉弁（図示せず）を閉じる。尚、ブロワ２５が運転している場合には、ステップＳ２１にてブロワ２５の運転を停止する。

ステップＳ２１では、気化部１１への原燃料及び改質用水の供給を停止するが、原燃料の供給通路２１、気化部１１、改質部１２、改質ガスの供給通路３３に残存する水蒸気や改質ガスなどの気体が燃料電池セル１４のアノード側に流入して更にカソード側に送り込まれる。このため、ステップＳ２２では、気化部１１への原燃料及び改質用水の供給停止からの経過時間ｔ１が所定時間ｔｓ１以上となるまで待機し、経過時間ｔ１が所定時間ｔｓ１以上になると、ステップＳ２３に進む。ここで、所定時間ｔｓ１とは、燃料電池セル１４のアノード側からカソード側に送り込まれた残留気体が、酸化剤ガスによってカソードの周囲から除去されるのに十分な時間が経過したか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。当該残留気体が酸化剤ガスによってカソードの周囲から除去されるので、燃料電池セル１４の劣化などを抑制することができる。
ステップＳ２３では、燃料電池セル１４のカソードへの酸化剤ガスの供給を停止する。具体的には、ブロワ３２の運転を停止する。

次に、ステップＳ２４にて開閉弁５０を開として、ステップＳ２５に進む。尚、このステップＳ２４では、ポンプ２２の運転が既に停止されており、また、原燃料の供給通路２１におけるポンプ２２の上流側に設けられた開閉弁（図示せず）が閉じているので、原燃料の供給通路２１から気化部１１及び改質部１２への燃料供給が停止している。ゆえに、開閉弁５０は、原燃料の供給通路２１から気化部１１及び改質部１２への燃料供給停止時に開となる。
ステップＳ２５では、前述の温度センサによって検出されるセル温度Ｔと、所定温度Ｔｃとを比較する。ここで、所定温度Ｔｃとは、燃料電池セル１４が熱劣化しない程度の温度まで低下したか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。尚、所定温度Ｔｃは例えば９０℃程度である。
ステップＳ２５にてセル温度Ｔが所定温度Ｔｃ以下となるまで開閉弁５０の開状態を保ち、セル温度Ｔが所定温度Ｔｃ以下となった時点で、ステップＳ２６に進む。
ステップＳ２６では、開閉弁５０を閉じて通常停止ルーチンを終了する。これにより、燃料電池システムの通常停止が完了する。

ステップＳ４の緊急停止ルーチンでは、図４に示すように、まずステップＳ３１にて緊急停止処理を行う。この緊急停止処理では、前述の通常停止ルーチンを構成する複数のステップの少なくとも一部を省略して燃料電池システムを迅速に停止させる。本実施形態では、ステップＳ３１において、前述の通常停止ルーチンのうち、ステップＳ２２、Ｓ２４〜Ｓ２６を省略して、燃料電池システムを迅速に停止させる。すなわち、本実施形態では、電流掃引の停止、気化部１１への原燃料及び改質用水の供給停止、及び、燃料電池セル１４のカソードへの酸化剤ガスの供給停止を直ちにかつ一斉に行って、燃料電池システムを停止させる。

次に、ステップＳ３２にて、開閉弁５０を開とする。ここで、ステップＳ３２では、ポンプ２２の運転が既に停止されており、また、原燃料の供給通路２１におけるポンプ２２の上流側に設けられた開閉弁（図示せず）が閉じているので、原燃料の供給通路２１から気化部１１及び改質部１２への燃料供給が停止している。ゆえに、開閉弁５０は、原燃料の供給通路２１から気化部１１及び改質部１２への燃料供給停止時に開となる。
尚、ステップＳ３１にて開閉弁５０が非通電状態（消磁時状態）となった場合には、開閉弁５０がＮＯ弁であることにより、非通電状態になったときに開閉弁５０が自動的に開となる。
次に、ステップＳ３３では、開閉弁５０が開状態となってからの経過時間ｔ２が所定時間ｔｓ２以上となるまで開閉弁５０を開状態に保ち、経過時間ｔ２が所定時間ｔｓ２以上になると、ステップＳ３４に進む。ここで、所定時間ｔｓ２とは、燃料電池セル１４を冷却するために十分な時間が経過したか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。

ステップＳ３４では、燃料電池システムの復帰が可能であるか否かの判定を行う。燃料電池システムの復帰が不可能であれば、作業員による修理などが必要であると判断し、緊急停止ルーチンを終了する。この場合には、作業員が修理などを行い、ステップＳ１での緊急停止要求を解除した後、燃料電池システムの次回起動時に開閉弁５０を閉じる。
一方、ステップＳ３４にて、燃料電池システムの復帰が可能であれば、ステップＳ３５に進み、開閉弁５０を閉じて、緊急停止ルーチンを終了する。この場合には、緊急停止ルーチンの終了後、引き続き、燃料電池システムの起動ルーチンを開始してもよい（すなわち、燃料電池システムの自動復帰制御を行ってもよい）。

本実施形態によれば、燃料電池システムは、原燃料（燃料）が流通する原燃料の供給通路２１（燃料供給通路）と、原燃料の供給通路２１から原燃料が導入され、水蒸気を用いて原燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部１２と、酸化剤ガス中の酸素と、改質部１２からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行うセルスタック１３（燃料電池）と、原燃料の供給通路２１から分岐する分岐通路４５と、分岐通路４５を開閉する開閉弁５０と、を備える。開閉弁５０は、原燃料の供給通路２１から改質部１２への燃料供給停止時に開となる。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時に、原燃料の供給通路２１から気化部１１及び改質部１２を経て燃料電池セル１４に至る経路に残留する水蒸気の少なくとも一部が、分岐通路４５を経て、当該経路外に流出するので、燃料電池セル１４のアノード側からカソード側への水蒸気の流出を抑制することができ、ひいては、燃料電池セル１４の耐久性を向上させることができる。

また本実施形態によれば、改質部１２への燃料供給停止時に、分岐通路４５の開閉弁５０が開となるので、例えば燃料電池システムの運転停止時に、改質部１２での冷却過程で改質部１２内の気体が収縮して圧力が低下しても、分岐通路４５から原燃料の供給通路２１を経て改質部１２に気体が流入するので、改質部１２での圧力低下を抑制することができる。従って、燃料電池セル１４のカソード側の周囲に残存する酸化剤ガスがアノード側を経て改質部１２へ流入することを抑制することができ、ひいては、アノードの酸化を抑制することができる。

また本実施形態によれば、燃料電池システムは、水が導入され、水を蒸発させて水蒸気を生成する気化部１１を更に備える。改質部１２は、気化部１１からの水蒸気を用いて燃料を改質する。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時に、気化部１１内に残存する水が蒸発して水蒸気が生成されても、生成された水蒸気の少なくとも一部が、分岐通路４５及び排ガス通路４１を経て系外に流出するので、燃料電池セル１４のアノード側からカソード側への水蒸気の流出を抑制することができる。

また本実施形態によれば、気化部１１が原燃料の供給通路２１（燃料供給通路）の途中に設けられている。また、分岐通路４５は、原燃料の供給通路２１のうち気化部１１より上流側の部分（ポンプ２２側の部分）から分岐する。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時において、気化部１１内の圧力が低下していく冷却過程では、筐体１０内の温度低下に伴って、分岐通路４５から原燃料の供給通路２１を経て気化部１１に気体が流入するが、当該気体の少なくとも一部が気化部１１及び改質部１２に留まるので、当該気体がセルスタック１３に到達することを抑制することができる。すなわち、気化部１１及び改質部１２がバッファーとして機能し得る。

また本実施形態によれば、燃料電池システムは、セルスタック１３（燃料電池）から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部１５と、オフガス燃焼部１５からの排ガスが流通する排ガス通路４１と、を更に備える。分岐通路４５は、その一端部が原燃料の供給通路２１（燃料供給通路）に接続され、他端部が排ガス通路４１に接続される。これにより、開閉弁５０の開放時には、セルスタック１３からオフガス燃焼部１５を経て排ガス通路４１の合流部４７に至る経路（以下、第１経路という）と、セルスタック１３から改質ガスの供給通路３３、改質部１２、気化部１１、原燃料の供給通路２１、分岐部４６及び分岐通路４５を経て排ガス通路４１の合流部４７に至る経路（以下、第２経路という）とが、排ガス通路４１の合流部４７にて合流するので、仮に排ガス通路４１の下流端に風が当たるなどの外気の影響があっても、第１経路と第２経路との間に差圧が生じにくい。それゆえ、燃料電池セル１４のカソード側とアノード側との間での気体の流通を抑制することができるので、アノード側からカソード側への水蒸気の流出や、カソード側からアノード側への酸化剤ガスの流出を抑制することができる。

また本実施形態によれば、燃料電池システムは、排ガス通路４１の途中に設けられて排ガスの熱を回収する熱回収部２を更に備える。分岐通路４５の他端部は、排ガス通路４１のうち熱回収部２より上流側の部分（セルスタック１３側の部分）に接続される。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時に、原燃料の供給通路２１から気化部１１及び改質部１２を経て燃料電池セル１４に至る経路に残留する水蒸気の少なくとも一部が、分岐通路４５を経て排ガス通路４１に到達するので、熱回収部２にて水蒸気の熱を回収することができると共に、熱回収部２にて発生した凝縮水を水タンク２８に回収することができる。

図５は、本発明の第１実施形態の変形例における燃料電池システムの概略構成を示す。
本変形例では、燃料電池システムが改質器１８を含んで構成され、この改質器１８が、気化部１１と改質部１２とを一体的に備えている。それゆえ、本変形例では、原燃料の供給通路２１の下流側端部が気化部１１に接続されている。

特に本変形例によれば、燃料電池システムは、燃料が流通する原燃料の供給通路２１（燃料供給通路）と、水が導入され、かつ、原燃料の供給通路２１から原燃料（燃料）が導入されて、水を蒸発させて水蒸気を生成する気化部１１と、気化部１１からの水蒸気を用いて気化部１１からの原燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部１２と、酸化剤ガス中の酸素と、改質部１２からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行うセルスタック１３（燃料電池）と、原燃料の供給通路２１から分岐する分岐通路４５と、分岐通路４５を開閉する開閉弁５０と、を備える。開閉弁５０は、原燃料の供給通路２１から改質部１２への燃料供給停止時に開となる。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時に、気化部１１内に残存する水が蒸発して水蒸気が生成されても、生成された水蒸気の少なくとも一部が、分岐通路４５及び排ガス通路４１を経て系外に流出するので、燃料電池セル１４のアノード側からカソード側への水蒸気の流出を抑制することができる。

図６は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す。
図１に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
本実施形態において、燃料電池システムには、原燃料の供給通路２１から分岐して排ガス通路４１に至る分岐通路４５’が設けられている。本実施形態では、分岐通路４５’は、原燃料の供給通路２１のうち気化部１１と改質部１２との間の部分から分岐している。

分岐通路４５’は、その一端部が、原燃料の供給通路２１のうち気化部１１と改質部１２との間に位置する分岐部４６’に接続されている。また、分岐通路４５’の他端部は、排ガス通路４１の合流部４７に接続されている。尚、本実施形態では、分岐通路４５’は、筐体１０内の分岐部４６’から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０外の合流部４７まで延びている。
筐体１０外における分岐通路４５’の途中には、当該通路を開閉する開閉弁５０が設けられている。

特に本実施形態によれば、気化部１１が原燃料の供給通路２１（燃料供給通路）の途中に設けられ、分岐通路４５’は、原燃料の供給通路２１のうち気化部１１と改質部１２との間の部分から分岐する。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時において、気化部１１内の圧力が低下していく冷却過程では、筐体１０内の温度低下に伴って、分岐通路４５’から原燃料の供給通路２１を経て改質部１２に気体が流入するが、当該気体の少なくとも一部が改質部１２に留まるので、当該気体がセルスタック１３に到達することを抑制することができる。すなわち、改質部１２がバッファーとして機能し得る。

図７は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す。
図１に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
本実施形態では、改質ガスの供給通路３３の途中に逆止弁６０が設けられている。この逆止弁６０は、セルスタック１３から改質部１２への気体の流れを抑制する。

特に本実施形態によれば、改質部１２にて生成された改質ガスは、改質ガスの供給通路３３（改質ガス供給通路）を通ってセルスタック１３（燃料電池）に供給される。改質ガスの供給通路３３には、セルスタック１３から改質部１２への気体の流れを抑制する逆止弁６０が設けられる。これにより、例えば燃料電池システムの運転停止時に、改質部１２での冷却過程で改質部１２内の気体が収縮して圧力が低下しても、燃料電池セル１４のカソード側の周囲に残存する酸化剤ガスがアノード側を経て改質部１２へ流入することを抑制することができ、ひいては、アノードの酸化を抑制することができる。

尚、本実施形態では、図１に示す形態の燃料電池システムの改質ガスの供給通路３３に逆止弁６０を設けたが、逆止弁６０が設けられる燃料電池システムはこれに限らず、図５又は図６に示す形態の燃料電池システムの改質ガスの供給通路３３に逆止弁６０を設けてもよいことは言うまでもない。

また、前述の第１〜第３実施形態では、分岐通路４５、４５’の他端部が排ガス通路４１のうち熱回収部２より上流側の部分（セルスタック１３側の部分）に接続されているが、これに代えて、分岐通路４５、４５’の他端部が排ガス通路４１のうち熱回収部２より下流側の部分に接続されてもよい。又は、分岐通路４５、４５’の他端部が外部に露出して開口していてもよい。

また、前述の第１〜第３実施形態では、燃料電池セル１４の劣化メカニズムを考慮すると、燃料電池セル１４のカソード側とアノード側との間での気体の流通を最小限に抑えることが好ましい。このため、各通路２１、２４、２７、３１、３３、４１、４５、４５’、気化部１１、改質部１２などの構成要素での圧力損失を考慮して、燃料電池セル１４のカソード側とアノード側との間での気体の流通を最小限に抑えるように、各構成要素の設計が行われることが好ましい。

また、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。

１ 燃料電池装置
２ 熱回収部
３ パワーコンディショナー（ＰＣＳ）
４ 制御部
１０ 筐体
１１ 気化部
１２ 改質部
１３ セルスタック
１４ 燃料電池セル
１５ オフガス燃焼部
１６ 排ガス処理部
１７ 燃焼触媒ヒータ
１８ 改質器
２１ 原燃料の供給通路（燃料供給通路）
２２ ポンプ
２３ 合流部
２４ 改質用空気の供給通路
２５ ブロワ
２６ 合流部
２７ 改質用水の供給通路
２８ 水タンク
２９ ポンプ
３１ 酸化剤ガスの供給通路
３２ ブロワ
３３ 改質ガスの供給通路（改質ガス供給通路）
４１ 排ガス通路
４２ 熱回収媒体循環通路
４３ 凝縮水の回収通路
４５、４５’ 分岐通路
４６、４６’ 分岐部
４７ 合流部
５０ 開閉弁
６０ 逆止弁

Claims (9)

1. 燃料が流通する燃料供給通路と、
   該燃料供給通路から燃料が導入され、水蒸気を用いて燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、
   酸化剤ガス中の酸素と、前記改質部からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料供給通路から分岐する分岐通路と、
   該分岐通路を開閉する開閉弁と、
   を備え、
   前記開閉弁は、前記燃料供給通路から前記改質部への燃料供給停止時に開となる、燃料電池システム。
2. 水が導入され、水を蒸発させて水蒸気を生成する気化部を更に備え、
   前記改質部は、前記気化部からの水蒸気を用いて燃料を改質する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記気化部が前記燃料供給通路の途中に設けられ、
   前記分岐通路は、前記燃料供給通路のうち前記気化部より上流側の部分から分岐する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記気化部が前記燃料供給通路の途中に設けられ、
   前記分岐通路は、前記燃料供給通路のうち前記気化部と前記改質部との間の部分から分岐する、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 燃料が流通する燃料供給通路と、
   水が導入され、かつ、前記燃料供給通路から燃料が導入されて、水を蒸発させて水蒸気を生成する気化部と、
   該気化部からの水蒸気を用いて前記気化部からの燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、
   酸化剤ガス中の酸素と、前記改質部からの改質ガス中の水素とを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料供給通路から分岐する分岐通路と、
   該分岐通路を開閉する開閉弁と、
   を備え、
   前記開閉弁は、前記燃料供給通路から前記改質部への燃料供給停止時に開となる、燃料電池システム。
6. 前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、該オフガス燃焼部からの排ガスが流通する排ガス通路と、を更に備え、
   前記分岐通路は、その一端部が前記燃料供給通路に接続され、他端部が前記排ガス通路に接続される、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記排ガス通路の途中に設けられて排ガスの熱を回収する熱回収部を更に備え、
   前記分岐通路の前記他端部が、前記排ガス通路のうち前記熱回収部より上流側の部分に接続される、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記改質部にて生成された改質ガスは、改質ガス供給通路を通って前記燃料電池に供給され、
   前記改質ガス供給通路には、前記燃料電池から前記改質部への気体の流れを抑制する逆止弁が設けられる、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池である、請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。