JP5160796B2 - 燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、原燃料及び空気を導入して発電を行う燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法に関するものである。

燃料電池システムの一つとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムがある。一般に固体酸化物形燃料電池システムは、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料（原燃料）を改質して水素含有ガス（改質ガス）を生成する改質器と、この改質器で得られた改質ガスと空気とを電気化学的に発電反応させる燃料電池スタックとを備えている。そのようなＳＯＦＣシステムとしては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。
特開２００５−２９３９５１号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、燃料電池システムの起動時には、改質器を所定温度まで昇温した後、改質器の触媒表面に炭素が析出しないように、改質器に原燃料を供給する前に水蒸気、必要に応じて空気等を改質器に供給する必要がある。このとき、昇温された改質器により温められた水蒸気や空気等のガスが燃料電池スタックに供給されるが、その時のガス伝熱によって燃料電池スタックの温度が上昇する。このため、燃料電池スタックのアノード（燃料極）が例えば水蒸気や空気等の酸化性ガス雰囲気下にある場合には、アノードが酸化劣化してしまう。

本発明の目的は、燃料電池スタックのアノードの酸化劣化を防止することができる燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法を提供することである。

本発明の燃料電池システムは、原燃料を水蒸気改質により改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器と改質ガス流路を介して接続され、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池スタックと、改質器及び燃料電池スタックを収容した容器内において、起動時に、改質ガス流路内を流れる水蒸気の温度を固体酸化物形燃料電池スタックのアノードの酸化劣化点以下に保持する水蒸気の冷却、及び、停止時に、改質ガス流路内を流れる改質ガスの温度をアノードの酸化劣化点以下に保持する改質ガスの冷却の少なくとも一方を行う冷却手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記の燃料電池システムの運転方法であって、起動時の、改質器の昇温が開始されてから改質器が改質可能な温度に達するまでの間に、改質ガス流路内を流れる水蒸気の温度を固体酸化物形燃料電池スタックのアノードの酸化劣化点以下に保持するように水蒸気を冷却するように冷却手段を制御する手順と、停止時の、容器内の降温が開始されてから固体酸化物形燃料電池スタックの温度がアノードの酸化劣化点以下になるまでの間に、改質ガス流路内を流れる改質ガスの温度をアノードの酸化劣化点以下に保持するように改質ガスを冷却するように冷却手段を制御する手順と、の少なくとも一方を実施することを特徴とするものである。

本発明の燃料電池システムを起動させる場合には、改質器を所定温度まで昇温した後、例えば改質器に原燃料及び水蒸気を供給することで、改質器により原燃料を水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する。このとき、改質器の触媒表面に炭素が析出しないように、原燃料を改質器に供給する前に水蒸気のみを改質器に供給する必要があるが、この場合には、改質器で温められた水蒸気が燃料電池スタックに向けて改質ガス流路内を流れるようになる。そこで、その改質ガス流路内を流れる水蒸気を冷却手段により冷却する。これにより、冷却手段によって冷やされた水蒸気が燃料電池スタックに供給されることとなるため、その後で改質ガスが燃料電池スタックに供給される前まで、燃料電池スタックの温度をアノードの酸化劣化点以下に保持することができる。その結果、アノードの酸化劣化を防止することができる。

また、本発明の燃料電池システムを停止させる場合には、アノードの酸化劣化を防止するために、アノードの酸化劣化点以下の温度まで燃料電池スタックを降温させた後、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止する必要がある。しかし、燃料電池スタックの熱容量が比較的大きいことから、燃料電池スタックの冷却速度が遅くなるため、燃料電池スタックがアノードの酸化劣化点以下の温度まで降温されるまでの間、大量の改質ガスを燃料電池スタックに供給しなければならない。そこで、改質ガス流路内を流れる改質ガスを冷却手段で冷却する。これにより、冷却手段によって冷やされた改質ガスが燃料電池スタックに供給されることとなるため、燃料電池スタックの冷却速度が高くなる。従って、大量の改質ガスを燃料電池スタックに供給しなくて済むため、燃料電池スタックの降温時の消費エネルギーを削減することができる。

改質法としては、改質効率の高い水蒸気改質（Steam Reforming：ＳＲ）が挙げられる。この場合には、燃料電池スタックに改質ガスが供給される前に、改質ガス流路内を流れる水蒸気を冷却手段で冷却することで、上述したように燃料電池システムの起動時におけるアノードの酸化劣化を確実に防止することができる。

また、好ましくは、冷却手段は、改質ガス流路に設けられた熱交換器と、熱交換器に冷却流体を供給する流体供給手段とを有する。この場合には、熱交換器に冷却流体を供給することで、改質ガス流路内を流れる水蒸気や改質ガス等が熱交換により冷却されるようになる。コストや、ハンドリング（操作）及び設置の容易さ等の観点からは、そのような熱交換器を冷却手段として使用するのが好適である。さらに、伝熱促進の観点から、熱交換器内の改質ガス流路、冷却流体流路に例えば金属粒子など熱伝導度の高い充填物を充填するのが好適である。

このとき、流体供給手段は、熱交換器に冷却流体として水を供給する手段と、熱交換器に冷却流体として空気を供給する手段とを有することが好ましい。燃料電池システムの起動時には、蒸発潜熱の大きな水を冷却流体として使用することが望ましく、この場合には改質ガス流路内を流れる水蒸気等を効率良く冷却することができる。一方、燃料電池システムの停止時には、例えば冷却流体の蒸発衝撃による影響等を考慮して、冷却流体として空気を使用することが望ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックのアノードの酸化劣化を防止することができる。これにより、燃料電池スタックの耐久性を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係わる燃料電池システムの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる燃料電池システムの第１実施形態を示すシステム構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム１は、改質原料（原燃料）を改質して改質ガスを生成する改質器２と、この改質器２で得られた改質ガスと空気とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック３とを備えている。改質器２及びＳＯＦＣスタック３は、モジュール容器４内に収容されてモジュール化されている。

また、燃料電池システム１は、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料をモジュール容器４の外部から改質器２に供給するための原料供給系５を備えている。

原料供給系５は、改質器２と接続された原料導入管６と、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ７と、水蒸気の供給量を調整する電磁バルブ８とを有している。原燃料としては、例えば灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。原料供給系５は、例えば水気化器（図示せず）で得られた水蒸気に燃料気化器（図示せず）で得られた原燃料ガスを混合させて改質原料ガスを生成する。そして、その改質原料ガスが原料導入管６内を通って改質器２に導入される。

改質器２は、改質原料を改質触媒で水蒸気改質（ＳＲ）反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いので、高温の熱源が必要となる。このため、改質器２は、ＳＯＦＣスタック３の近傍に配置され、ＳＯＦＣスタック３からの輻射熱及びオフガス燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う。

ＳＯＦＣスタック３は、改質ガス流路を形成する改質ガス供給管９を介して改質器２と接続されている。また、ＳＯＦＣスタック３には、モジュール容器４の外部から空気を導入するための空気導入管１０が接続されている。空気導入管１０には、空気の導入量を調整する電磁バルブ１１が設けられている。

ＳＯＦＣスタック３は、複数の電池セルが積み重ねられて構成されている。電池セルは、アノード（燃料極）３ａと、カソード（空気極）３ｂと、アノード３ａとカソード３ｂとの間に配置された電解質３ｃとを有している。アノード３ａには改質ガスが導入され、カソード３ｂには空気が導入される。これにより、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。なお、ＳＯＦＣスタック３は、通常５５０〜１０００℃程度の高温で作動する。

改質ガス供給管９には、当該改質ガス供給管９内を流れるガスを冷却流体によって熱交換して冷却する熱交換器１２が設けられている。熱交換器１２には、冷却流体として冷却用水（液体）を熱交換器１２に供給するため水供給管１３と、冷却流体として冷却用空気（気体）を熱交換器１２に供給するため空気供給管１４とが並列に接続されている。水供給管１３には、冷却用水の供給量を調整する電磁バルブ１５が設けられ、空気供給管１４には、冷却用空気の供給量を調整する電磁バルブ１６が設けられている。

改質ガス供給管９内を流れるガスの冷却手段として熱交換器１２を用いることで、冷却手段の構造が簡単になると共に、設置や操作を比較的容易を行うことができ、更にコスト的にも有利となる。

また、燃料電池システム１は、改質ガス供給管９内の温度を検出する温度センサ１７と、燃料電池システム１の運転時にシステム全体を制御する制御装置１８とを備えている。温度センサ１７は、例えば熱電対であり、改質ガス供給管９内において水溜まりが生じやすい箇所に適当な数だけ配置されている。

制御装置１８は、電磁バルブ７，８を制御して原燃料及び水蒸気の導入量をそれぞれ制御し、電磁バルブ１１を制御して空気の導入量を制御し、電磁バルブ１５，１６を制御して冷却用水及び冷却用空気の供給量をそれぞれ制御する。

図２は、燃料電池システム１の起動時に、制御装置１８により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない起動スイッチが操作されることで開始される。以下、図２に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム１の起動時の運転方法について説明する。

まず電磁バルブ１５を制御して、熱交換器１２に冷却用水を供給する（手順１０１）。そして、例えば改質器２の近傍に配置されたバーナやヒータ（図示せず）、或いは触媒燃焼熱等の熱源によって、改質器２を加熱する。

その後、改質器２が水蒸気を凝縮させない温度まで昇温されたら、電磁バルブ８を制御して、改質器２に水蒸気を供給する（手順１０２）。このように改質器２に原燃料を供給する前に、まず水蒸気のみを改質器２に供給することにより、改質反応時に改質器２の改質触媒表面に炭素が析出すること（コーキング）が防止されるため、改質触媒が詰まったり劣化して改質反応を阻害することが無くなる。

改質器２に水蒸気のみを供給すると、水蒸気がＳＯＦＣスタック３に向けて改質ガス供給管９内を流れるようになる。このとき、熱交換器１２には冷却用水が流れているので、改質ガス供給管９内の水蒸気は、熱交換器１２により冷却された状態でＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給されることとなる。

ここで、改質器２への水蒸気の供給を開始した後は、温度センサ１７の検出信号に基づいて、改質ガス供給管９内を流れる水蒸気の温度が水の沸点（例えば１００℃）以上で且つアノード３ａの酸化劣化点（例えば４００℃）以下に保持されるように電磁バルブ１５を例えばＰＩＤ制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管９内を流れる水蒸気の凝縮が抑制されるため、改質ガス供給管９内に水溜まりが生じることが防止される。

その後、改質器２が改質可能な温度まで昇温されたら、電磁バルブ７を制御して、改質器２に向けて原燃料を供給する（手順１０３）。すると、改質器２により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管９を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。

また、電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに空気を供給する（手順１０４）。その後、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温された後、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。なお、ＳＯＦＣスタック３への空気の供給は、手順１０３の前または手順１０３と同時に実行しても良い。

そして、改質ガスがＳＯＦＣスタック３に到達した後、電磁バルブ１５を制御して、熱交換器１２への冷却用水の供給を停止する（手順１０５）。

その後、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガスの燃焼熱、或いはヒータ（図示せず）等によりモジュール容器４内が昇温される。そして、改質器２またはその近傍に設けられた熱源からの熱出力を停止する。

このように燃料電池システム１の起動時には、改質ガス供給管９内を流れる水蒸気の温度がアノード３ａの酸化劣化点以下に保持されるように、当該水蒸気を熱交換器１２により冷却することにより、改質器２で生成された改質ガスがＳＯＦＣスタック３に供給され始める前まで、ＳＯＦＣスタック３の温度がアノード３ａの酸化劣化点以下に保持されることとなる。従って、アノード３ａが例えば水蒸気や空気等の酸化性ガス雰囲気下にある場合であっても、アノード３ａの酸化劣化を防止することができる。このとき、蒸発潜熱の大きな冷却用水を熱交換器１２に供給するので、改質ガス供給管９内を流れる水蒸気を効率的に冷却することができる。

図３は、燃料電池システム１の停止時に、制御装置１８により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない停止スイッチが操作されることで開始される。以下、図３に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム１の停止時の運転方法について説明する。

まず電磁バルブ１６を制御して、熱交換器１２に冷却用空気を供給する（手順１１１）。続いて、電磁バルブ７，８を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、改質器２への改質原料の供給量を減らす。これにより、改質器２で生成される改質ガスの供給量が減少するため、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガス燃焼熱が減少する。さらに、例えば電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される空気量を増やす。これらにより、モジュール容器４内の降温が開始される（手順１１２）。

このとき、温度センサ１７の検出信号に基づいて、改質ガス供給管９内を流れる改質ガスの温度が水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下に保持されるように電磁バルブ１６を例えばＰＩＤ制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管９内を流れる改質ガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、改質ガス供給管９内に水溜まりが生じることが防止される。

その後、ＳＯＦＣスタック３の温度がアノード３ａの酸化劣化点以下になったら、電磁バルブ７を制御して、改質器２への原燃料の供給を停止する（手順１１３）。これにより、改質器２からＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給が停止する。引き続いて電磁バルブ８を制御して、改質器２への水蒸気の供給を停止する（手順１１４）。

ここで、改質ガス供給管９内の改質ガスに比べて冷めにくいＳＯＦＣスタック３がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度まで降温するまでの間は、還元性を有する改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給し続けるので、アノード３ａの酸化劣化が防止される。

そして、電磁バルブ１６を制御して、熱交換器１２への冷却用空気の供給を停止する（手順１１５）。

このように燃料電池システム１の停止時には、改質ガス供給管９内を流れる改質ガスを熱交換器１２により冷却するので、ＳＯＦＣスタック３には、冷やされた改質ガスが供給されることとなる。これにより、熱容量が比較的大きく温度が下がりにくいＳＯＦＣスタック３の冷却速度が上がるため、ＳＯＦＣスタック３がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に降温されるまで大量の改質ガス及び空気をＳＯＦＣスタック３に供給する必要がなくなる。

また、停止運転の開始直後は、モジュール容器４内の温度が高く、熱交換器１２の配管等がある程度熱くなっているため、冷却用水を熱交換器１２に供給すると、冷却用水の蒸発衝撃により熱交換器１２の配管等が破損する可能性がある。本実施形態では、システム停止時には、冷却用空気を熱交換器１２に供給するので、そのような蒸発衝撃を引き起こすこと無く、改質ガス供給管９内を流れる改質ガスを冷却することができる。

以上のように本実施形態によれば、燃料電池システム１の起動及び停止時に、ＳＯＦＣスタック３のアノード３ａの酸化劣化を防止することができる。また、燃料電池システム１の停止時に、ＳＯＦＣスタック３に供給する改質ガス及び空気の量を低減することができるため、消費エネルギーの削減を図ることが可能となる。

図４は、本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すシステム構成図である。図中、第１実施形態と同一または同等の部材及び要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の燃料電池システム２０は、上記の改質器２及びＳＯＦＣスタック３に加えて、モジュール容器４内に配置され、起動・停止用改質原料（原燃料）を改質して改質ガスを生成する起動・停止用改質器２１を備えている。本実施形態では、上記の改質器２は、発電用改質原料を改質して改質ガスを生成する発電用改質器を構成している。

また、燃料電池システム２０は、原燃料及び水蒸気が混合された起動・停止用改質原料をモジュール容器４の外部から起動・停止用改質器２１に供給するための原料供給系２２を備えている。

原料供給系２２は、起動・停止用改質器２１と接続された原料導入管２３と、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ２４と、水蒸気の供給量を調整する電磁バルブ２５とを有している。原燃料としては、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。これにより、発電用改質原料を作るための発電用原燃料と起動・停止用改質原料を作るための起動・停止用原燃料の供給源を共有化することができる。原料供給系２２は、原料供給系６と同様に、例えば水気化器（図示せず）で得られた水蒸気に燃料気化器（図示せず）で得られた原燃料ガスを混合させて起動・停止用改質原料ガスを生成する。そして、その起動・停止用改質原料ガスが原料導入管２３内を通って起動・停止用改質器２１に導入される。

起動・停止用改質器２１は、燃料電池システム２０の起動・停止時に、起動・停止用改質原料を改質触媒で水蒸気改質反応させて、還元性を有する改質ガスを生成するものである。なお、起動・停止用改質器２１は、特に発電に寄与するものでないので、発電用改質器２に比べて小容量であっても良い。

起動・停止用改質器２１は、改質ガス流路を形成する改質ガス供給管２６を介して原料導入管６と分岐接続されている。改質器２１により生成された改質ガスは、改質ガス供給管２６、原料導入管６、改質器２及び改質ガス供給管９を介してＳＯＦＣスタック３に供給される。ここでは、改質器２１で生成された改質ガスによって改質器２の改質触媒を還元させるために、改質ガス供給管２６を改質器２の入力側に分岐接続したが、改質ガス供給管２６を改質器２の出力側（改質ガス供給管９）に接続しても良い。また、起動・停止用改質器２１は、モジュール容器４の外部に設置されていても良い。

改質ガス供給管２６には、当該改質ガス供給管２６内を流れるガスを冷却流体によって熱交換して冷却する熱交換器２７が設けられている。熱交換器２７には、冷却流体として冷却用水を熱交換器２７に供給するため水供給管２８と、冷却流体として冷却用空気を熱交換器２７に供給するため空気供給管２９とが並列に接続されている。水供給管２８には、冷却用水の供給量を調整する電磁バルブ３０が設けられ、空気供給管２９には、冷却用空気の供給量を調整する電磁バルブ３１が設けられている。

また、燃料電池システム２０は、上述した制御装置１８に代えて、制御装置３２を備えている。制御装置３２は、電磁バルブ７，８を制御して原燃料及び水蒸気の導入量をそれぞれ制御し、電磁バルブ２４，２５を制御して原燃料及び水蒸気の導入量をそれぞれ制御し、電磁バルブ１１を制御して空気の導入量を制御し、電磁バルブ３０，３１を制御して冷却用水及び冷却用空気の供給量をそれぞれ制御する。

図５は、燃料電池システム２０の起動時に、制御装置３２により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図５に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム２０の起動時の運転方法について説明する。

まず電磁バルブ３０を制御して、熱交換器２７に冷却用水を供給する（手順１２１）。そして、例えば起動・停止用改質器２１の近傍に配置されたバーナやヒータ（図示せず）等によって改質器２１を加熱する。

その後、起動・停止用改質器２１が水蒸気を凝縮させない温度まで昇温されたら、電磁バルブ２５を制御して、改質器２１に水蒸気を供給する（手順１２２）。すると、水蒸気がＳＯＦＣスタック３に向けて改質ガス供給管２６内を流れるようになる。このとき、熱交換器２７には冷却用水が流れているので、改質ガス供給管２６内の水蒸気は、熱交換器２６により冷却された状態で発電用改質器２及び改質ガス供給管９を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給されることとなる。

ここで、起動・停止用改質器２１への水蒸気の供給を開始した後は、温度センサ１７の検出信号に基づいて、改質ガス供給管２６内を流れる水蒸気の温度が水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下に保持されるように電磁バルブ３０を例えばＰＩＤ制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管２６内を流れる水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。

起動・停止用改質器２１が改質可能な温度まで昇温されたら、電磁バルブ２４を制御して、改質器２１に起動・停止用原燃料を供給する（手順１２３）。すると、改質器２１により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管２６、発電用改質器２及び改質ガス供給管９を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。

また、電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに空気を供給する（手順１２４）。なお、ＳＯＦＣスタック３への空気の供給は、手順１２３の前または手順１２３と同時に実行しても良い。

そして、改質ガスがＳＯＦＣスタック３に到達した後、電磁バルブ３０を制御して、熱交換器２７への冷却用水の供給を停止する（手順１２５）。

その後、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガスの燃焼熱、或いはヒータ等によりモジュール容器４内の昇温が開始される。そして、発電用改質器２が所定の温度まで昇温されたら、電磁バルブ８を制御して、改質器２に水蒸気を供給する（手順１２６）。続いて、電磁バルブ７を制御して、改質器２に向けて発電用原燃料を供給する（手順１２７）。すると、改質器２により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管９を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。その後、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温された後、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。

続いて、電磁バルブ２４を制御して、起動・停止用改質器２１に向けての起動・停止用原燃料の供給を停止する（手順１２８）。これにより、改質器２１により生成された改質ガスの供給が停止する。引き続いて改質器２１への水蒸気の供給を停止する（手順１２９）。その後、起動・停止用改質器２１またはその近傍に設けられた熱源からの熱出力を停止する。

このように燃料電池システム２０の起動時には、改質ガス供給管２６内を流れる水蒸気が熱交換器２７により冷却され、この冷却された水蒸気がＳＯＦＣスタック３に供給されるので、起動・停止用改質器２１で生成された改質ガスがＳＯＦＣスタック３に供給され始める前まで、ＳＯＦＣスタック３の温度をアノード３ａの酸化劣化点以下に保持することができる。これにより、アノード３ａの酸化劣化を防止することができる。

図６は、燃料電池システム２０の停止時に、制御装置３２により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図６に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム２０の停止時の運転方法について説明する。

まず電磁バルブ３１を制御して、熱交換器２７に冷却用空気を供給する（手順１３１）。続いて、起動・停止用改質器２１の近傍に配置されたヒータ（図示せず）等によって改質器２１を加熱する。また、電磁バルブ７，８を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給量を減らす。これにより、発電用改質器２で生成される改質ガスの供給量が減少する。

そして、電磁バルブ２５を制御して、改質器２１に少量の水蒸気を供給する（手順１３２）。そして、電磁バルブ２４を制御して、改質器２１に少量の起動・停止用原燃料を供給する（手順１３３）。すると、改質器２１により生成された改質ガスが少量だけＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。

続いて、電磁バルブ７を制御して、発電用改質器２への発電用原燃料の供給を停止する（手順１３４）。これにより、改質器２により生成された改質ガスの供給が停止する。引き続いて電磁バルブ８を制御して、改質器２への水蒸気の供給を停止する（手順１３５）。

続いて、例えば電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される空気量を増やす。これにより、ＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給量を少量とすることでＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガス燃焼熱が減少することと相俟って、モジュール容器４内の降温が開始される（手順１３６）。

このとき、温度センサ１７の検出信号に基づいて、改質ガス供給管２６内を流れる改質ガスの温度が水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下に保持されるように電磁バルブ３１を例えばＰＩＤ制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管２６内を流れる改質ガス中に含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。

その後、ＳＯＦＣスタック３の温度がアノード３ａの酸化劣化点以下になったら、電磁バルブ２４を制御して、起動・停止用改質器２１への起動・停止用原燃料の供給を停止する（手順１３７）。これにより、起動・停止用改質器２１への起動・停止用改質原料の供給が停止するため、改質器２１により生成された改質ガスの供給が停止する。引き続いて電磁バルブ２５を制御して、改質器２１への水蒸気の供給を停止する（手順１３８）。

ここで、ＳＯＦＣスタック３がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度まで降温する間は、改質器２１で生成した改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給し続けるので、アノード３ａの酸化劣化が防止される。

そして、電磁バルブ３１を制御して、熱交換器２７への冷却用空気の供給を停止する（手順１３９）。

このように燃料電池システム２０の停止時には、改質ガス供給管２６内を流れる改質ガスが熱交換器２７により冷却され、この冷却された改質ガスがＳＯＦＣスタック３に供給されるので、ＳＯＦＣスタック３の冷却速度が上がる。これにより、ＳＯＦＣスタック３がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に降温されるまでの間にＳＯＦＣスタック３に供給する改質ガス及び空気の量を少なくできるため、消費エネルギーを削減することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、システムの起動時には、冷却流体として水を供給するようにしたが、水以外の液体や空気等の気体を供給しても良い。

また、上記実施形態では、ＳＯＦＣスタック３に向けて改質ガス供給管内を流れる水蒸気や改質ガスを熱交換器で冷却するものとしたが、水蒸気や改質ガスを冷却する手段としては、特に熱交換器に限られず、ペルチェ吸熱素子等を使用しても良い。

また、上記実施形態では、改質原料を水蒸気改質（ＳＲ）反応させる改質器を備えているが、本発明は、改質原料を自己熱改質（ＡＴＲ）反応させる改質器を備えるシステムにも適用可能である。このような自己熱改質では、まず最初に水蒸気のみを改質器に供給するため、上記実施形態と同様に改質ガス供給管内を流れる水蒸気を冷却する。また、改質原料を改質器に供給する前に、空気を改質器に供給する場合には、改質ガス供給管内を流れる水蒸気及び空気を冷却する。

さらに、上記実施形態は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）についてであるが、本発明は、例えばＳＯＦＣと同じ高温型燃料電池である溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等にも適用可能である。

本発明に係わる燃料電池システムの第１実施形態を示すシステム構成図である。 図１に示した燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。 図１に示した燃料電池システムの停止時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。 本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すシステム構成図である。 図４に示した燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。 図４に示した燃料電池システムの停止時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…改質器、３…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック、３ａ…アノード、９…改質ガス供給管（改質ガス流路）、１２…熱交換器（冷却手段）、１３…水供給管（流体供給手段、冷却手段）、１４…空気供給管（流体供給手段、冷却手段）、２０…燃料電池システム、２１…改質器、２６…改質ガス供給管（改質ガス流路）、２７…熱交換器（冷却手段）、２８…水供給管（流体供給手段、冷却手段）、２９…空気供給管（流体供給手段、冷却手段）。

Claims (4)

1. 原燃料を水蒸気改質により改質して改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池スタックと、
   前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池スタックを収容した容器内において、起動時に、前記改質ガス流路内を流れる水蒸気の温度を前記固体酸化物形燃料電池スタックのアノードの酸化劣化点以下に保持する前記水蒸気の冷却、及び、停止時に、前記改質ガス流路内を流れる前記改質ガスの温度を前記アノードの酸化劣化点以下に保持する前記改質ガスの冷却の少なくとも一方を行う冷却手段と、を備ることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却手段は、前記改質ガス流路に設けられた熱交換器と、前記熱交換器に冷却流体を供給する流体供給手段とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記流体供給手段は、前記熱交換器に前記冷却流体として水を供給する手段と、前記熱交換器に前記冷却流体として空気を供給する手段とを有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 原燃料を水蒸気改質により改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池スタックと、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池スタックを収容した容器内において、前記改質ガス流路内を流れるガスを冷却する冷却手段とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   起動時の、前記改質器の昇温が開始されてから前記改質器が改質可能な温度に達するまでの間に前記改質ガス流路内を流れる水蒸気の温度を前記固体酸化物形燃料電池スタックのアノードの酸化劣化点以下に保持するように前記水蒸気を冷却するように前記冷却手段を制御する手順と、
   停止時の、前記容器内の降温が開始されてから前記固体酸化物形燃料電池スタックの温度がアノードの酸化劣化点以下になるまでの間に前記改質ガス流路内を流れる前記改質ガスの温度を前記アノードの酸化劣化点以下に保持するように前記改質ガスを冷却するように前記冷却手段を制御する手順と、の少なくとも一方を実施することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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