JP2021103644A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ブラックアウトが発生した場合であっても、固体酸化物形燃料電池の劣化を防止すること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電するＳＯＦＣ（１０）と、ＳＯＦＣを制御する制御部（４０）と、制御部の制御喪失を検知するための検知部（４１）と、ＳＯＦＣを開放するバルブ（６１）と、を備え、バルブは、検知部により制御部による制御喪失が検知された場合に、ＳＯＦＣを開放する構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
特許文献１には、燃料供給停止後においても水の蒸発が継続されるように水供給手段を制御して、燃料電池セルスタックの燃料極側の圧力低下を抑制する固体酸化物形燃料電池が開示されている。この固体酸化物形燃料電池では、燃料電池セルの酸化を十分に抑制しつつ、シャットダウン停止の実行を図っている。
特開２０１３−２２５４８４号公報
しかしながら、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池では、燃料供給停止後においても水供給手段を制御している。このため、特許文献１の技術では、シャットダウン後においても制御可能なことが想定されており、制御電源の喪失や制御装置の制御喪失によるブラックアウトの発生は想定されていない。また、特許文献１の技術では、燃料極の圧力停止を防止しているが、燃料電池温度が高い場合には、固体酸化物形燃料電池内の反応が進行し、燃料極が酸化劣化してしまうため、固体酸化物形燃料電池を冷却する必要がある。
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、ブラックアウトが発生した場合であっても、固体酸化物形燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的の１つとする。
本実施の形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池スタックを有する電池モジュールと、前記電池モジュールを制御する制御装置と、前記制御装置の制御喪失を検知するための検知手段と、電池モジュールを開放する開放手段と、を備え、前記開放手段は、前記検知手段により前記制御手段による制御喪失が検知された場合に、前記電池モジュールを開放することを特徴としている。
本発明によれば、ブラックアウトが発生した場合であっても、固体酸化物形燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することができる。
第１の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第２の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第３の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第４の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第５の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第６の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第７の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 第８の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。
（第１の実施の形態）
以下、本実施の形態に係る燃料電池システム１００について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態による燃料電池システム１００を示すブロック図である。図１においては、説明の便宜上、本発明に関連する構成要素のみを示している。図１においては、燃料ガスや酸化剤ガス等の流体の流路を実線で示し、燃料電池システム１００の制御信号の信号線を破線で示している。なお、ＳＯＦＣ１０内の流体の流路は、便宜上、一点鎖線で示している。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、固体酸化物形燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cellモジュール）１０を有している。ＳＯＦＣモジュール（以下、単に「ＳＯＦＣ」という）１０は、複数のセルを積層又は集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは、空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有している。セルスタックの各セルは、電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムを有する。
ＳＯＦＣ１０は、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１２と、燃料ガス流路（アノードガス流路）１４とを有している。酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａには、反応空気ブロア（酸化剤ガス供給器）２０が取り込んだ酸化剤ガス（空気）及びその他のガスが供給され、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからは、酸化剤オフガスが排出される。酸化剤ガス（空気）は、反応空気ブロア２０の出口部２０Ａと酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａとを接続する酸化剤ガス供給ライン２１を介して酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａに供給される。そして、酸化剤オフガスは、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂに接続する酸化剤ガス排出ライン２２を介して酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂから排出される。なお、酸化剤オフガスは、カソードオフガスとも呼ばれることもある。酸化剤ガス流路１２は、ＳＯＦＣ１０内にて直線（一点鎖線）で示しているが、セルスタックの形状にあわせて流路を設定してよい。
燃料ガス流路１４の入口部１４Ａには、燃料ガス供給器（図示略）から燃料ガス供給ライン２３を介して燃料ガス（燃料）が供給されると共に、改質水供給器（図示略）から改質水供給ライン２４を介して改質水、その他のガスが供給される。燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂからは、燃料オフガスが排出される。なお、燃料オフガスは、アノードオフガスと呼ばれることもある。燃料ガス供給器（図示略）から供給された燃料ガス（燃料）及び改質水供給器（図示略）から供給された改質水に基づいて改質燃料（燃料ガス）が生成される。そして、酸化剤ガス流路１２に供給された酸化剤ガスと、燃料ガス流路１４に供給されて生成された燃料ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（発電する）。なお、燃料ガス（燃料）及び改質水に基づく改質燃料（燃料ガス）の生成については、ＳＯＦＣ１０の外部に改質器を設けて行うこともできる。
制御電源の喪失によりブラックアウト（以下、単に「ブラックアウト」とも呼ぶ）が発生した場合には、燃料ガス供給ライン２３を介して燃料ガス供給器（図示略）からの燃料ガス（燃料）の供給が停止するとともに、改質水供給ライン２４を介して改質水供給器（図示略）からの改質水の供給が停止する。同様に、ブラックアウトが発生した場合には、酸化剤ガス供給ライン２１を介して反応空気ブロア２０からの空気（酸化剤ガス）の供給が停止する。ブラックアウト直後は、ＳＯＦＣ１０の温度は高温であり反応性が高いため、ＳＯＦＣ１０内の燃料極の水素と空気極の酸素とが反応し燃料ガス（水素）がすべて消費されてしまう。但し、酸化剤ガス供給ライン２１側は特に密閉していないため、ＳＯＦＣ１０内の温度が下がり気体の体積（ボリューム）が小さくなると、外部の空気がＳＯＦＣ１０内に流入する。その結果、流入した空気と燃料極とが反応して、燃料極が酸化して劣化することとなる。
燃料電池システム１００は、制御部４０及び検知部４１を有する。制御部４０は、ＳＯＦＣ１０を含む燃料電池システム１００を制御する。検知部４１は、制御部４０の制御喪失を検知する。検知部４１は、例えば、ＰＬＣ（programmable logic controller）により構成され、制御部４０から一定時間ごとに送信される制御機器信号を受信したか否かを判断することにより、制御部４０の制御が喪失しているか否かを検知することができる。検知部４１は、無停電電源装置（UPS：Uninterruptible Power Supply）に接続され、ブラックアウトが発生した場合であっても、制御部４０の制御喪失を検知することができる。
例えば、検知部４１は、一定時間経過しても制御機器信号を受信できなかった場合、制御部４０が制御喪失しておりブラックアウトが発生していることを検知することができる。また、検知部４１は、制御部４０への電源の供給を直接検知してもよい。この場合、制御部４０への電源の供給が停止した場合には、検知部４１は、制御部４０が制御喪失しておりブラックアウトが発生していることを検知することができる。このような制御部４０は、制御手段を構成する。また、検知部４１は、制御部４０の制御喪失を検知するための検知手段を構成する。
ＳＯＦＣ１０は、ＳＯＦＣ１０を保温する断熱材５０により囲繞されている。ＳＯＦＣ１０の垂直方向の上方の上端には、開放口６０が設けられている。開放口６０にはバルブ６１により閉止された開放ライン６２が接続されている。また、ＳＯＦＣ１０の垂直方向の下方の下端には、開放口７０が設けられている。開放口７０にはバルブ７１により閉止された開放ライン７２が接続されている。バルブ６１により開放される径は、酸化剤ガス排出ライン２２の径と同程度でよい。同様に、バルブ７１により開放される径は、酸化剤ガス供給ライン２１の径と同程度でよい。
バルブ６１、バルブ７１はノルマルオープン（Normal Open）型の電磁弁であり、制御部４０により通電されているときは閉止した状態を維持する。これに対し、バルブ６１、バルブ７１は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知され、電源喪失などによりブラックアウト等が発生して制御部４０により通電されていないときは開放する。このため、ブラックアウトが発生していない通常時には、制御部４０からバルブ６１、バルブ７１への通電が維持され、バルブ６１、バルブ７１の閉止状態も維持される。このため、通常時には、ＳＯＦＣ１０内の高温の気体が開放ライン６２、開放ライン７２を介して大気中に排出されることはない。これに対し、電源喪失などによりブラックアウトが発生し、制御部４０による制御が喪失した場合には、制御部４０からバルブ６１、バルブ７１への通電が解除され、バルブ６１、バルブ７１は開放される。このため、ブラックアウトが発生した場合には、ＳＯＦＣ１０内の高温の気体は開放ライン６２、開放ライン７２を介して大気中に排出される。
このようなバルブ６１、バルブ７１、開放ライン６２、開放ライン７２は、ＳＯＦＣ１０を開放する開放手段を構成する。本実施の形態では、２つのバルブ及び対応する開放ラインとして、バルブ６１及びバルブ７１、開放ライン６２及び開放ライン７２を有する場合について説明する。
このように第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００では、ブラックアウトが発生した場合には、バルブ６１、バルブ７１が開放される。バルブ６１、バルブ７１が接続された開放ライン６２、開放ライン７２は、それぞれＳＯＦＣ１０の垂直方向に対して、異なる高さに配置されている。したがって、ＳＯＦＣ１０内の高温の気体は上方に移動し、ＳＯＦＣ１０の上方に配置された開放口６０に接続された開放ライン６２を介して大気中へ排出される。そして、ＳＯＦＣ１０内から排出された気体の体積分の大気中の気体（空気）が、ＳＯＦＣ１０の下方に配置された開放口７０に接続された開放ライン７２を介してＳＯＦＣ１０内に供給される。ブラックアウト直後のＳＯＦＣ１０内の温度は非常に高温７００〜９００℃であるため、ＳＯＦＣ１０内に供給される大気中の気体（空気）が常温であっても、ＳＯＦＣ１０を冷却することは十分可能である。
したがって、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣ１０内からの高温の気体の排出と、大気中の気体（空気）の供給を行うことができ、ＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。その結果、ブラックアウトが発生した場合であっても、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。
また、第１の実施の形態においては、開放ライン６２、開放ライン７２は、ＳＯＦＣ１０を囲繞している断熱材５０を貫通してＳＯＦＣ１０と接続される。このため、ブラックアウトが発生した場合には、開放ライン６２を介してＳＯＦＣ１０内の高温の気体を断熱材５０を介さずに直接大気中に排出することができる。そして、開放ライン７２を介して大気中の気体（空気）を断熱材５０を介さずに直接ＳＯＦＣ１０に供給してＳＯＦＣ１０を冷却することができる。これにより、ブラックアウトが発生した場合であっても、断熱材５０による断熱効果を考慮せずにＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。その結果、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る燃料電池システム２００においては、開放ライン６２、開放ライン７２が、ＳＯＦＣ１０を囲繞している断熱材５０を介してＳＯＦＣ１０と接続される点で、第１の実施の形態と相違する。図２は、第２の実施の形態による燃料電池システム２００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第１の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
ＳＯＦＣ１０は、ＳＯＦＣ１０を保温する断熱材５０により囲繞されている。ＳＯＦＣ１０の垂直方向の上方の断熱材５０の上端には、開放口６０が設けられている。開放口６０にはバルブ６１により閉止された開放ライン６２が接続されている。また、ＳＯＦＣ１０の垂直方向の下方の断熱材５０の下端には、開放口７０が設けられている。開放口７０にはバルブ７１により閉止された開放ライン７２が接続されている。すなわち、第２の実施の形態に係る燃料電池システム２００では、開放ライン６２、開放ライン７２は、断熱材５０を貫通せずに、断熱材５０を介してＳＯＦＣ１０と接続されている。
第２の実施の形態に係る燃料電池システム２００では、ブラックアウトが発生した場合には、バルブ６１、バルブ７１が開放される。そして、ＳＯＦＣ１０内の高温の気体はＳＯＦＣ１０及び断熱材５０を介して上方に移動し、ＳＯＦＣ１０の上方の断熱材５０に配置された開放口６０に接続された開放ライン６２を介して大気中へ排出される。そして、ＳＯＦＣ１０内から排出された気体の体積分の大気中の気体（空気）が、ＳＯＦＣ１０の下方の断熱材５０に配置された開放口７０に接続された開放ライン７２を介してＳＯＦＣ１０内に供給される。ブラックアウト直後のＳＯＦＣ１０内の温度は非常に高温７００〜９００℃であるため、断熱材５０を介してＳＯＦＣ１０に供給される大気中の気体（空気）が常温であっても、ＳＯＦＣ１０を冷却することは十分可能である。
したがって、第２の実施の形態に係る燃料電池システム２００は、断熱材５０を介して、ＳＯＦＣ１０内からの高温の気体の排出と、大気中の気体（空気）の供給を行うことができ、ＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。その結果、ブラックアウトが発生した場合であっても、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。
また、第２の実施の形態においては、開放ライン６２、開放ライン７２は、ＳＯＦＣ１０を囲繞している断熱材５０を貫通せずに、断熱材５０を介してＳＯＦＣ１０と接続されている。このため、ブラックアウトが発生した場合には、開放ライン６２を介してＳＯＦＣ１０内の高温の気体を断熱材５０を介して大気中に排出することができる。そして、開放ライン７２を介して大気中の気体（空気）を断熱材５０を介してＳＯＦＣ１０に供給して冷却することができる。これにより、ブラックアウトが発生した場合には、ＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。その結果、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。更に、断熱材５０等の既存の設備に手を加える必要がないことから、断熱材５０による断熱効果を保護し、燃料電池システム２００の発電効率の低下を抑制することができる。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る燃料電池システム３００においては、バルブ６１、バルブ７１が、それぞれ酸化剤ガス供給ライン２１、酸化剤ガス排出ライン２２に対して接続される点で、第１の実施の形態と相違する。図３は、第３の実施の形態による燃料電池システム３００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第１の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
第３の実施の形態の燃料電池システム３００は、酸化剤ガス排出ライン２２に対して、バルブ６１を直接接続している。また、第３の実施の形態の燃料電池システム３００は、酸化剤ガス供給ライン２１に対して、バルブ７１により閉止された開放ライン７２を接続している。酸化剤ガス供給ライン２１とバルブ７１とは、例えば、Ｔ字菅８０を介して接続される。
したがって、第３の実施の形態においては、ブラックアウト時には、酸化剤ガス排出ライン２２に接続したバルブ６１を介してＳＯＦＣ１０内からの高温の気体の排出を行うことができる。また、酸化剤ガス供給ライン２１に接続されたバルブ７１を介して、大気中の気体（空気）の供給を行うことができる。これにより、ＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。その結果、ブラックアウトが発生した場合であっても、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。このような酸化剤ガス供給ライン２１は、ＳＯＦＣ１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を構成する。また、酸化剤ガス排出ライン２２は、ＳＯＦＣ１０から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段を構成する。
すなわち、第３の実施の形態においては、第１の実施の形態のように、開放口６０や開放口７０等の別の構成を設けずに、既存の設備構成を活用して、ブラックアウトが発生した場合には、ＳＯＦＣ１０を速やかに冷却して、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。これにより、コストの削減を図ることができる。更に、断熱材５０等の既存の設備に手を加える必要がないことから、断熱材５０による断熱効果を保護し、燃料電池システム３００の発電効率の低下を抑制することができる。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る燃料電池システム４００においては、制御喪失時燃料供給ライン１１０、制御喪失時改質水供給ライン１１１が配置されている点で、第３の実施の形態と異なる。図４は、第４の実施の形態による燃料電池システム４００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第３の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
制御喪失時燃料供給ライン１１０は、バルブ１２０により閉止され、燃料ボンベ（図示略）と燃料ガス流路１４の入口部１４Ａとを接続する。また、制御喪失時改質水供給ライン１１１は、バルブ１２１により閉止され、改質水ボンベ（図示略）と燃料ガス流路１４の入口部１４Ａとを接続する。
バルブ１２０、バルブ１２１はノルマルオープン型の電磁弁であり、制御部４０により通電されているときは閉止した状態を維持する。これに対し、バルブ１２０、バルブ１２１は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知され、電源喪失などによりブラックアウト等が発生して制御部４０により通電されていないときは開放する。このため、ブラックアウトが発生していない通常時には、制御部４０からバルブ１２０、バルブ１２１への通電が維持され、バルブ１２０、バルブ１２１の閉止状態も維持される。このため、通常時には、燃料ボンベ（図示略）や改質水ボンベ（図示略）から、制御喪失時燃料供給ライン１１０、制御喪失時改質水供給ライン１１１を介してＳＯＦＣ１０に燃料ガスや改質水が供給されることはない。これに対し、電源喪失などによりブラックアウトが発生し、制御部４０による制御が喪失した場合には、制御部４０からバルブ１２０、バルブ１２１への通電が解除され、バルブ１２０、バルブ１２１は開放される。このため、ブラックアウトが発生した場合には、制御喪失時燃料供給ライン１１０を介してＳＯＦＣ１０に燃料ボンベ（図示略）から燃料ガスが供給される。同様に、制御喪失時改質水供給ライン１１１を介してＳＯＦＣ１０に改質水ボンベ（図示略）から改質水が供給される。
なお、制御喪失時燃料供給ライン１１０を介して燃料ボンベ（図示略）から供給される燃料ガスの流量は、ブラックアウトが発生していない通常時に燃料ガス供給ライン２３を介して供給される燃料ガスの流量より少なくてよく、温度が十分下がれば１／１０程度でもよい。同様に、制御喪失時改質水供給ライン１１１を介して改質水ボンベ（図示略）から供給される改質水の流量は、ブラックアウトが発生していない通常時に改質水供給ライン２４を介して供給される改質水の流量より少なくてもよく、温度が十分下がれば１／１０程度でもよい。このような制御喪失時燃料供給ライン１１０は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知された場合に、ＳＯＦＣ１０に燃料ガスを供給する制御喪失時燃料供給手段を構成する。また、制御喪失時改質水供給ライン１１１は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知された場合に、ＳＯＦＣ１０に改質水を供給する制御喪失時改質水供給手段を構成する。
第４の実施の形態においては、ブラックアウトが発生して、燃料ガス供給ライン２３を介して燃料ガス（燃料）の供給が停止した場合であっても、制御喪失時燃料供給ライン１１０を介してＳＯＦＣ１０に燃料ボンベ（図示略）から燃料ガスが供給される。同様に、ブラックアウトが発生して、改質水供給ライン２４を介して改質水の供給が停止した場合であっても、制御喪失時改質水供給ライン１１１を介してＳＯＦＣ１０に改質水ボンベ（図示略）から改質水が供給される。これにより、改質反応で還元ガスが生成されるため、ＳＯＦＣ１０内を還元状態とすることができ、ＳＯＦＣ１０の燃料極が酸化して劣化することを抑止することができる。更に、改質反応は吸熱反応であるため、還元状態になることによりＳＯＦＣ１０の冷却を促進することができる。
したがって、ブラックアウト時には、酸化剤ガス排出ライン２２に接続したバルブ６１を介してＳＯＦＣ１０内からの高温の気体の排出を行うとともに、酸化剤ガス供給ライン２１に接続されたバルブ７１を介して、大気中の気体（空気）の供給を行うことができる。これにより、第４の実施の形態では、ＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。更に、還元状態により、燃料極が酸化して劣化するのを抑止することができる。更に、改質反応による吸熱反応により、ＳＯＦＣ１０の冷却を促進することができる。
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態に係る燃料電池システム５００においては、オフディレイタイマ４２を備えている点で、第４の実施の形態と異なる。図５は、第５の実施の形態による燃料電池システム５００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第４の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
第５の実施の形態の制御喪失時燃料供給ライン１１０は、バルブ１３０により閉止され、燃料ボンベ（図示略）と燃料ガス流路１４の入口部１４Ａとを接続する。また、制御喪失時改質水供給ライン１１１は、バルブ１３１により閉止され、改質水ボンベ（図示略）と燃料ガス流路１４の入口部１４Ａとを接続する。
第５の実施の形態の制御部４０、オフディレイタイマ４２は、無停電電源装置に接続され、ブラックアウトが発生した場合であっても、所定時間のカウントを行うことができる。また、バルブ１３０、バルブ１３１は電磁弁であり、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知されていない通常時は閉止した状態を維持する。これに対し、バルブ１３０、バルブ１３１は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知され、電源喪失などによりブラックアウト等が発生しているときは開放する。例えば、ブラックアウトが発生していない通常時には、制御部４０からバルブ１３０、バルブ１３１への通電が維持され、バルブ１３０、バルブ１３１の閉止状態も維持される。このため、通常時には、燃料ボンベ（図示略）や改質水ボンベ（図示略）から、制御喪失時燃料供給ライン１１０、制御喪失時改質水供給ライン１１１を介してＳＯＦＣ１０に燃料ガスや改質水が供給されることはない。これに対し、電源喪失などによりブラックアウトが発生し、制御部４０による制御が喪失した場合には、制御部４０からバルブ１３０、バルブ１３１への通電を解除し、バルブ１３０、バルブ１３１を開放する。このため、ブラックアウトが発生した場合には、制御喪失時燃料供給ライン１１０を介してＳＯＦＣ１０に燃料ボンベ（図示略）から燃料ガスが供給される。同様に、制御喪失時改質水供給ライン１１１を介してＳＯＦＣ１０に改質水ボンベ（図示略）から改質水が供給される。
オフディレイタイマ４２は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知されるとカウントを開始する。そして、オフディレイタイマ４２は、カウントを開始してから所定時間が経過した場合に、制御部４０を介してバルブ１３０への通電を解除し、制御喪失時燃料供給ライン１１０による制御喪失時燃料ガスの供給を停止する。同様に、オフディレイタイマ４２は、カウントを開始してから所定時間が経過した場合に、制御部４０を介してバルブ１３１への通電を解除し、制御喪失時改質水供給ライン１１１による制御喪失時改質水の供給を停止する。所定時間として、例えば、ＳＯＦＣ１０の温度が下がるのに必要な時間を設定することができる。このようなオフディレイタイマ４２は、検知部４１により制御部４０による制御喪失が検知されてから所定時間が経過された場合に、制御喪失時燃料供給ライン１１０による燃料ガスの供給及び／又は制御喪失時改質水供給ライン１１１による改質水の供給を停止する供給停止手段を構成する。
第５の実施の形態においては、例えば、ＳＯＦＣ１０の温度が下がるのに必要な時間が経過したタイミングで、制御喪失時燃料供給ライン１１０による制御喪失時燃料ガスの供給及び制御喪失時改質水供給ライン１１１による制御喪失時改質水の供給を停止する。これにより、制御喪失時燃料供給ライン１１０により供給される燃料や、制御喪失時改質水供給ライン１１１により供給される改質水の量を節約することができる。その結果、燃料ボンベ（図示略）や改質水ボンベ（図示略）の設置数を減らすことができ、燃料電池システム５００のシステム規模を小さくすることができ、コストの低減を図ることができる。
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態に係る燃料電池システム６００においては、バルブ６１、バルブ７１が、それぞれ熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に配置されている点で、第３の実施の形態と異なる。図６は、第６の実施の形態による燃料電池システム６００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第３の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
第６の実施の形態の燃料電池システム６００は、酸化剤ガス供給ライン２１と、酸化剤ガス排出ライン２２に対して、熱交換器９０を接続している。熱交換器９０は、酸化剤ガス排出ライン２２を流れる酸化剤オフガスの熱を酸化剤ガス供給ライン２１を流れる酸化剤ガスに熱交換する。第６の実施の形態の燃料電池システム６００は、酸化剤ガス供給ライン２１に対して、熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に、バルブ７１により閉止された開放ライン７２を配置している。バルブ７１により閉止された開放ライン７２は、例えば、Ｔ字菅８０を介して熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側において酸化剤ガス供給ライン２１と接続される。また、第６の実施の形態の燃料電池システム６００は、酸化剤ガス排出ライン２２に対して、熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に、バルブ６１により閉止された開放ライン６２を配置している。バルブ６１により接続された開放ライン６２は、例えば、Ｔ字菅８１を介して熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側において酸化剤ガス排出ライン２２と接続される。
したがって、第６の実施の形態の燃料電池システム６００は、ブラックアウト時には、酸化剤ガス排出ライン２２に対して、熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に配置されたバルブ６１を介してＳＯＦＣ１０内から高温の気体の排出を行うことができる。バルブ６１が設けられた開放ライン６２は、酸化剤ガス排出ライン２２の熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に配置されている。これにより、ＳＯＦＣ１０内の高温の気体が熱交換器９０側に排出されることを抑止することができる。したがって、反応空気ブロア２０の隙間等から酸化剤ガス（空気）が漏れ入ってきたとしても、酸化剤オフガスの熱により熱交換器９０を通じて酸化剤ガス供給ライン２１から供給される酸化剤ガスの温度上昇を抑制し、ＳＯＦＣ１０の温度上昇を抑制することができる。
また、第６の実施の形態の燃料電池システム６００は、ブラックアウト時には、酸化剤ガス供給ライン２１の熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に配置されたバルブ７１を介して、ＳＯＦＣ１０内に大気中の気体（空気）の供給を行うことができる。バルブ７１が設けられた開放ライン７２は、酸化剤ガス供給ライン２１の熱交換器９０よりもＳＯＦＣ１０側に配置されている。したがって、ブラックアウト発生時には、熱交換器９０により熱交換された高温の空気（酸化剤ガス）ではなく、大気中の常温の気体（空気）をＳＯＦＣ１０内に直接供給することができる。したがって、ブラックアウト時には、ＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却して、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態に係る燃料電池システム７００においては、バルブ６１、バルブ７１が、ＳＯＦＣ１０の垂直方向の側方に配置されている点で、第１の実施の形態と異なる。図７は、第７の実施の形態による燃料電池システム７００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第１の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
第７の実施の形態の燃料電池システム７００は、ＳＯＦＣ１０の垂直方向の上方の側方に、開放口６０が設けられている。開放口６０にはバルブ６１により閉止された開放ライン６２が、ＳＯＦＣ１０の垂直方向に対し直交する方向、すなわち、水平方向に沿って接続されている。また、ＳＯＦＣ１０の垂直方向の下方の側方には、開放口７０が設けられている。開放口７０にはバルブ７１により閉止された開放ライン７２が、ＳＯＦＣ１０の垂直方向に対し直交する方向、すなわち、水平方向に沿って接続されている。
したがって、第７の実施の形態の燃料電池システム７００の開放ライン６２、開放ライン７２は、ＳＯＦＣ１０の垂直方向に突出しない。このため、燃料電池システム７００の垂直方向の寸法（高さ寸法）を抑えることができる。その結果、例えば、燃料電池システム７００をトラック等に乗せて運搬する場合、高さ制限のある通路を通過する場合であっても、燃料電池システム７００を制限内の高さ寸法に収めることが容易となる。また、高さ制限のある設置場所に燃料電池システム７００を設置する場合であっても、垂直方向の寸法を気にせずに、バルブ６１により閉止された開放ライン６２及びバルブ７１により閉止された開放ライン７２を接続することができる。また、垂直方向の下方に対して突出しないことから、接地面を平らにすることができ、安定した設置環境を提供することができる。
（第８の実施の形態）
第８の実施の形態に係る燃料電池システム８００においては、ＳＯＦＣ１０が筐体２００内に配設され、開放ライン６２、開放ライン７２は、筐体２００を貫通してＳＯＦＣ１０と接続されている点で、第１の実施の形態と異なる。図８は、第８の実施の形態による燃料電池システム８００を示すブロック図である。なお、以下に説明する実施の形態では、既に説明した第１の実施の形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
第８の実施の形態の燃料電池システム８００は、筐体２００によりＳＯＦＣ１０が囲われている。筐体２００は、風雨や防犯の観点からＳＯＦＣ１０を保護する。筐体２００には、導入口２０１及び排出口２０２が配置されている。導入口２０１及び排出口２０２は、例えば、ファンにより構成される。導入口２０１は、制御部４０の制御により筐体２００内に外部の気体（空気）を導入する。排出口２０２は、制御部４０の制御により筐体２００内の気体（空気）を外部に排出する。但し、電源が喪失しブラックアウトが発生した場合には、制御部４０による制御が喪失し、導入口２０１及び排出口２０２が停止した結果、筐体２００内の温度が上昇する。
これに対し、第８の実施の形態においては、開放ライン６２、開放ライン７２は、ＳＯＦＣ１０を囲っている筐体２００を貫通してＳＯＦＣ１０と接続される。このため、ブラックアウトが発生し、導入口２０１及び排出口２０２が停止した場合であっても、開放ライン６２を介してＳＯＦＣ１０内の高温の気体を直接筐体２００の外部の大気中に排出することができる。そして、開放ライン７２を介して筐体２００の外部の大気中の気体（空気）を直接ＳＯＦＣ１０に供給して直接冷却することができる。これにより、ブラックアウトが発生した場合であっても、筐体２００による断熱効果を考慮せずにＳＯＦＣ１０の温度を速やかに冷却することができる。その結果、ＳＯＦＣ１０の劣化を防止することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
上記実施の形態に係る燃料電池システム１００では、制御部４０の制御喪失を検知する検知手段として、一定時間経過しても制御機器信号を受信できなかった場合、制御部４０が制御喪失している場合について説明している。しかしながら、制御部４０の制御喪失を検知する検知手段の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態に係る燃料電池システム１００では、ＳＯＦＣ１０を開放する開放手段として、２つのバルブ（バルブ６１、バルブ７１）及び対応する２つの開放ライン（開放ライン６２、開放ライン７２）が配置されている。しかしながら、ＳＯＦＣ１０を開放する開放手段は、少なくとも１つあればよく、３つ以上配置されていてもよい。この場合、２つ以上の開放手段は、ＳＯＦＣ１０の垂直方向に対して、異なる高さに少なくとも２つ以上配置されていることが好ましい。
また、上記実施の形態に係る燃料電池システム３００では、開放ライン６２、開放ライン７２が、それぞれ酸化剤ガス供給ライン２１、酸化剤ガス排出ライン２２と接続されているがこれに限られない。例えば、開放ライン６２又は開放ライン７２のうち少なくとも１つが酸化剤ガス供給ライン２１又は酸化剤ガス排出ライン２２と接続されていてもよい。
本発明の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池におけるブラックアウトが発生した場合であっても、固体酸化物形燃料電池の劣化を防止することができ、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。
１０ ：固体酸化物形燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ）
１２ ：酸化剤ガス流路
１２Ａ ：入口部
１２Ｂ ：出口部
１４ ：燃料ガス流路
１４Ａ ：入口部
１４Ｂ ：出口部
２０ ：反応空気ブロア
２０Ａ ：出口部
２１ ：酸化剤ガス供給ライン
２２ ：酸化剤ガス排出ライン
２３ ：燃料ガス供給ライン
２４ ：改質水供給ライン
４０ ：制御部
４１ ：検知部
５０ ：断熱材
６０ ：開放口
６１ ：バルブ
６２ ：開放ライン
７０ ：開放口
７１ ：バルブ
７２ ：開放ライン
８０ ：Ｔ字菅
８１ ：Ｔ字菅
９０ ：熱交換器
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００：燃料電池システム
１１０ ：制御喪失時燃料供給ライン
１１１ ：制御喪失時改質水供給ライン
１２０ ：バルブ
１２１ ：バルブ
１３０ ：バルブ
１３１ ：バルブ
２００ ：筐体
２０１ ：導入口
２０２ ：排出口

Claims (9)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池スタックを有する電池モジュールと、
    前記電池モジュールを制御する制御手段と、
    前記制御手段の制御喪失を検知するための検知手段と、
    前記電池モジュールを開放する開放手段と、を備え、
    前記開放手段は、前記検知手段により前記制御手段による制御喪失が検知された場合に、前記電池モジュールを開放する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記開放手段は、前記電池モジュールの上方に少なくとも１つ配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記開放手段は、前記電池モジュールの垂直方向に対して、異なる高さに少なくとも２つ以上配置されている
    ことを特徴とする請求項１又は２のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  4. 前記電池モジュールは、断熱材により囲繞され、
    前記開放手段は、前記断熱材を貫通して前記電池モジュールを開放している
    ことを特徴とする請求項１から３のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段又は前記電池モジュールから前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段を更に備え、
    前記開放手段は、前記酸化剤ガス供給手段又は前記酸化剤ガス排出手段のうち少なくとも１つに対して接続されている
    ことを特徴とする請求項１から４のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記検知手段により前記制御手段による制御喪失が検知された場合に、前記電池モジュールに前記燃料ガスを供給する制御喪失時燃料供給手段と、
    前記検知手段により前記制御手段による制御喪失が検知された場合に、前記電池モジュールに改質水を供給する制御喪失時改質水供給手段と、を更に備える
    ことを特徴とする請求項１から５のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記検知手段により前記制御手段による制御喪失が検知されてから所定時間が経過された場合に、前記制御喪失時燃料供給手段による前記燃料ガスの供給及び／又は前記制御喪失時改質水供給手段による前記改質水の供給を停止する供給停止手段と、を更に備える
    ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記酸化剤ガス排出手段からの前記酸化剤ガスの熱を前記酸化剤ガス供給手段を流れる前記酸化剤ガスに熱交換する熱交換器と、を更に備え、
    前記開放手段は、前記熱交換器よりも前記電池モジュール側に配置されている
    ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
  9. 前記電池モジュールは、筐体内に配設され、
    前記開放手段は、前記筐体を貫通して前記電池モジュールを開放している
    ことを特徴とする請求項１から７のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
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