JP5391620B2 - 反応装置の制御部 - Google Patents

Description

本発明は、反応装置の制御部に関する。

燃料電池は燃料の電気化学反応により電力を取り出すものであり、燃料電池の研究・開発が広く行われている。このような燃料電池では、発電に用いる燃料は水素ガスであるため、改質型の燃料電池システムには、メタノール等の原燃料を改質することで水素ガスを生成する反応装置が設けられている。
反応装置には、燃料と水を含む混合液を気化させる気化器と、気化器で気化された混合気を水素を含む改質ガスに改質する改質器と、改質器の副生成物として発生する一酸化炭素を選択的に酸化して除去する一酸化炭素除去器とが備えられている。

このような反応装置では、反応温度を維持するエネルギーを軽減して熱効率を高めるために、気化器、改質器、一酸化炭素除去器が１つの断熱パッケージに収容されているものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された反応装置では、断熱パッケージ内に気化器、改質器、一酸化炭素除去器、燃焼器及び吸熱部が搭載されている。また、断熱パッケージの外側には、燃料電池である発電セルや、燃料タンク、燃焼器に空気を供給する空気ポンプが設けられている。そして、断熱パッケージ内部の各部と、外部の各部とを結ぶ流路を配設するために、断熱パッケージの一端部は開放されている。
特開２００６−１０３９７８号公報

上記の反応装置では、断熱パッケージの一端部が開放されているために、パッケージ内部と外部とで空気の対流が生じ、パッケージ内部の熱量が外部に放出されてしまうことになっていた。これを防止すべく、断熱パッケージの一端部を閉塞することも考えられる。ところが、単に閉塞しただけでは、運転停止時に断熱パッケージの内部の温度を下げる際に、降温に要する時間が長くなってしてしまうことになる。

この場合、特に運転温度が５００℃を超える固体酸化物型燃料電池を収容する場合においては、燃料電池の構成材料と運転温度にもよるが、一般的に電極のアノード極の再酸化を防止する為に約３００℃以上の領域はアノード極の雰囲気を還元雰囲気にしなければいけないため、燃料電池停止後も液体ポンプや空気ポンプ、バルブやセンサなどの補機類の運転を継続しなければならない。しかし、上記の燃料電池システムを携帯機器に搭載する場合、燃料電池停止時の補機類の駆動には補助電源として搭載している二次電池やキャパシタの電力が利用されるため、燃料電池の発電が停止した後の補機類の動作時間が長くなると、電源システム全体の停止時間が長くなる上に、次回の電源システムの起動に必要な容量を確保できないケースが起こるという問題点があった。その為、燃料電池システムには大容量の補助電源を搭載しなければならず、結果的にシステム全体が大型化してしまい、携帯機器への搭載を困難にしていた。

本発明の課題は、運転停止に要する時間を短縮することができる反応装置を提供することである。

本発明に係る一の態様によれば、
空気極に供給された酸化剤ガスと燃料極に供給された燃料との反応により電力を生成するとともに、前記空気極における酸化剤ガスの入口が前記断熱パッケージ内で露出するように設けられた発電セルを含む反応装置本体と、
前記反応装置本体を内部に収容する断熱パッケージと、
前記断熱パッケージの内部における前記反応装置本体の外側と前記断熱パッケージの外部とを連通する第一流路と、
前記断熱パッケージの内部における前記反応装置本体の外側と前記断熱パッケージの外部とを連通し、前記第一流路とは異なる第二流路と、
前記第一流路を開閉する第一開閉手段と、
前記第二流路を開閉する第二開閉手段と、
前記第一流路を介して前記断熱パッケージの内部における前記反応装置本体の外側に冷却ガスを供給する冷却ガス送り手段と、
前記空気極と前記冷却ガス送り手段とを連通する冷却ガス用流路と、
前記燃料極と前記冷却ガス用流路とを連通する分岐流路と、
前記分岐流路を開閉する分岐流路開閉手段と、
前記反応装置本体の温度を検出する温度検出手段と、
を備え、
前記空気極に対して、前記冷却ガス送り手段により、前記第一流路及び前記断熱パッケージの内部空間を介して前記冷却ガスとしての酸化剤ガスを、前記空気極に供給するステップを実行し、
前記反応装置本体の運転停止時に、前記温度検出手段の検出結果が所定温度以下である場合には、前記分岐流路開閉手段により前記分岐流路を開くステップを実行することを特徴とする反応装置の制御部が提供される。

上記の反応装置の制御部において、好ましくは、前記温度検出手段の検出結果が、第二の所定温度以下の場合には、前記第一開閉手段を閉じて、第二開閉手段を閉じるステップを実行する。
上記の反応装置の制御部において、好ましくは、前記反応装置の運転停止時には、前記第一開閉手段により前記第一流路を開いて、前記第二開閉手段により前記第二流路を開いて、前記冷却ガス送り手段を駆動するステップを実行する。
上記の反応装置の制御部において、好ましくは、前記反応装置の定常運転時には、前記第一開閉手段により前記第一流路を閉じて、前記第二開閉手段により前記第二流路を閉じるステップを実行する。
上記の反応装置の制御部において、好ましくは、前記反応装置の始動時には、前記第一開閉手段により前記第一流路を閉じるか、又は前記第二開閉手段により前記第二流路を閉じるステップを実行する。

本発明によれば、運転停止時に第一開閉手段及び第二開閉手段を開いておくことで、断熱パッケージの内部空間と断熱パッケージの外部空間とを連通して、断熱パッケージ内の熱量流出を促進することができる。これにより、運転停止に要する時間を短縮することができる反応装置を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態の反応装置を搭載した発電システムの概略構成を示した説明図である。この発電システム１は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられるものであり、これらの電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。そして、発電システム１は、反応装置２と、燃料供給部３とを備えている。

まず、反応装置２について説明する。
反応装置２には、気化器６と、改質器７と、燃焼器８と、気化用熱交換器９と、改質用熱交換器１０と、燃料電池としての発電セル１１とからなる反応装置本体２０と、空気極用流路１３３ａと、燃料極用流路１３４ａと、燃焼器用流路１３５ａとが設けられている。

気化器６は、燃料極用流路１３４ａを介して燃料供給部３から供給された燃料及び水の混合液を気化し、生成された混合気を燃料極用流路１３４ａを介して改質器７に送るものである。気化器６での混合液の気化は、気化用熱交換器９により、発電セル１１から送られて気化用熱交換器９を通過するオフガスの熱が混合液に伝導することで引き起こされる。

改質器７は、混合気から水素ガスおよび二酸化炭素を触媒を用いた改質反応により生成し、更に微量ながら副生成物として一酸化炭素ガスを生成するものである。例えば、燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が改質器７で起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であって、改質用熱交換器１０の熱等が用いられる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２ …（１）
Ｈ_２＋ＣＯ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ …（２）

発電セル１１は、固体酸化物型燃料電池であり、空気極１１ａと、燃料極１１ｂと、燃料極１１ｂと空気極１１ａとの間に挟まされた電解質膜１１ｃとを有する。改質器７で生成された改質ガスは燃料極用流路１３４ａを介して発電セル１１の燃料極１１ｂに供給され、更に外部の空気が空気極用流路１３３ａを介して空気極１１ａに送られる。そして、燃料極１１ｂに供給された改質ガス中の水素や一酸化炭素と、空気極１１ａに供給された空気中の酸素とが、電解質膜１１ｃを介して電気化学反応することによって、燃料極１１ｂと空気極１１ａとの間で電力が生じる。燃料極１１ｂと空気極１１ａによって出力された電力は図示しない電子機器本体に供給される。

電解質膜１１ｃが酸素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体酸化物電解質膜）の場合には、燃料極１１ｂでは次式（３），（４）のような反応が起き、燃料極１１ｂで生成された酸素イオンが電解質膜１１ｃを透過し、空気極１１ａでは次式（５）のような反応が起こる。

Ｈ_２+Ｏ^２-→Ｈ_２Ｏ+２ｅ^-・・・（３）
ＣＯ+Ｏ^２-→ＣＯ_２+２ｅ^-・・・（４）
Ｏ_２＋４ｅ^-→２Ｏ^２-・・・（５）

燃焼器８は、燃料極１１ｂで電気化学反応せずに残った改質ガスと、空気極１１ａを通過した空気とを含むオフガス燃焼することで、オフガス中に残存する水素ガス及び一酸化炭素を消費するものである。そして、燃焼器８は、燃焼器用流路１３５ａを介して、生成したオフガスを改質用熱交換器１０に送るようになっている。

燃焼器８と、発電セル１１には、燃焼器８と発電セル１１の温度を調整するためのヒータ兼温度センサ１３ａが設けられている。このヒータ兼温度センサ１３ａが温度検出手段である。

改質用熱交換器１０は、燃焼器８から供給されたオフガスの燃焼反応によって生じた熱を改質器７に伝導させることで両者間の熱交換を行うものである。この熱交換によって燃焼器８の熱が改質器７の改質反応に用いられることになる。改質用熱交換器１０で熱交換されたオフガスは、気化用熱交換器９に送られるようになっている。改質器７には、改質器７の温度を調整するためのヒータ兼温度センサ１３ｂが設けられている。

気化用熱交換器９は、改質用熱交換器１０から供給されたオフガスの熱を気化器６に伝導させて両者間の熱交換を行うものである。この熱交換によってオフガスの熱が気化器６の気化反応に用いられることになる。気化用熱交換器９で熱交換されたオフガスは、反応装置２から排出されるようになっている。また、気化器６には、気化器６の温度を調整するためのヒータ兼温度センサ１３ｃが設けられている。

また、反応装置２には、反応装置本体２０を内部に収容する、例えばステンレス製の断熱パッケージ１２が設けられている。断熱パッケージ１２は直方体状であり、本体部１２１と、蓋部１２２とを備え、反応装置本体２０の全周を覆っている。

本体部１２１は、一端部に開口１２３を有する箱形形状に形成されていて、その内部空間に反応装置本体２０が収容されている。本体部１２１の壁部１２４の内部には、真空層１２５が設けられていて、これにより外部への熱流出が規制されている。

蓋部１２２は、本体部１２１の開口１２３を閉塞するものであり、溶接或いはロウ付け等によって本体部１２１に接合されている。本体部１２１と蓋部１２２により形成された内部空間は空気が充填された空気層となる。この蓋部１２２には、５つの貫通孔（第一貫通孔１３１〜第五貫通孔１３５）がそれぞれ異なる位置に形成されている。

第一貫通孔１３１及び第二貫通孔１３２は、断熱パッケージ１２の内部空間に連通している。第三貫通孔１３３は空気極用流路１３３ａを介して発電セル１１の空気極１１ａに連通している。第四貫通孔１３４は燃料極用流路１３４ａを介して気化器６に連通している。ここで燃料極用流路１３４ａは気化器６及び改質器７を通じて発電セル１１の燃料極１１ｂに連通している。第五貫通孔１３５は燃焼器用流路１３５ａを介して気化用熱交換器９に連通している。燃焼器用流路１３５ａは気化用熱交換器９及び改質用熱交換器１０を介して燃焼器８に連通している。なお、空気極用流路１３３ａ及び燃料極用流路１３４ａは、発電セル１１を通過した後に、燃焼器用流路１３５ａに合流している。

また、反応装置２には、断熱パッケージ１２内に空気を供給する第一空気供給部４０と、発電セル１１の空気極１１ａに空気を供給する第二空気供給部５０と、断熱パッケージ１２内の空気を排出するための排出部６０とが設けられている。

第一空気供給部４０には、例えば遠心ポンプからなる第一空気ポンプ４１と、第一空気ポンプ４１から第一貫通孔１３１までを連通する第一流路４２とが設けられている。第一流路４２が第一貫通孔１３１に接続されていることで、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側と断熱パッケージ１２の外部とが、第一空気ポンプ４１を介して連通することになる。また、第一流路４２には、第一流路４２を開閉する第一バルブ４３と、第一バルブ４３よりも下流側の流量を検出する第一流量センサ４４とが設けられている。第一バルブ４３は、流量調整可能な流量可変バルブである。

第一バルブ４３が閉状態であると、断熱パッケージ１２の外部の空気は、第一空気ポンプ４１により断熱パッケージ１２内には供給されない。一方、第一バルブ４３が開状態であり、第一空気ポンプ４１が駆動していると、断熱パッケージ１２の外部の空気が第一空気ポンプ４１により冷却ガスとして第一流路４２を介して断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側に送られる。このように、第一空気ポンプ４１が冷却ガス送り手段であり、第一バルブ４３が、第一流路４２を開閉する第一開閉手段である。

第二空気供給部５０には、例えばダイアフラムポンプからなる第二空気ポンプ５１と、第二空気ポンプ５１から第三貫通孔１３３までを連通する第三流路５２とが設けられている。第三流路５２が第三貫通孔１３３に接続されていることで、発電セル１１の空気極１１ａと、断熱パッケージ１２の外部とが、第二空気ポンプ５１を介して連通することになる。また、第三流路５２における第二空気ポンプ５１の直下流には、燃料供給部３に連通する分岐流路５２１が設けられている。第三流路５２の分岐地点よりも下流側には、第三流路５２を開閉する第三バルブ５３と、第三バルブ５３よりも下流側の流量を検出する第三流量センサ５４とが設けられている。一方、分岐流路５２１には、分岐流路５２１を開閉する分岐用バルブ５２３と、分岐用バルブ５２３よりも下流側の流量を検出する分岐用流量センサ５２４とが設けられている。第三バルブ５３及び分岐用バルブ５２３は、流量調整可能な流量可変バルブである。分岐用バルブ５２３は、分岐流路開閉手段である。

第三バルブ５３が閉状態であると、断熱パッケージ１２の外部の空気は、第二空気ポンプ５１により空気極１１ａには供給されない。一方、第三バルブ５３が開状態であり、第二空気ポンプ５１が駆動していると、断熱パッケージ１２の外部の空気が第二空気ポンプ５１により酸化剤ガスとして第三流路５２及び空気極用流路１３３ａを介して空気極１１ａ内に送られる。このように、第二空気ポンプ５１が酸化剤ガス送り手段であり、第三流路５２及び空気極用流路１３３ａが酸化剤用流路である。

排出部６０には、大気に開放された大気開放口６１と、第二貫通孔１３２から大気開放口６１までを連通する第二流路６２と、大気開放口６１に向けて外気を送るファン６３とが設けられている。第二流路６２が第二貫通孔１３２に接続されていることで、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側と断熱パッケージ１２の外部とが、大気開放口６１を介して連通することになる。また、第二流路６２には、第二流路６２を開閉する第二バルブ６４が設けられている。第二バルブ６４は開閉バルブである。

第二バルブ６４が閉状態であると、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空気は、断熱パッケージ１２の外部に排出されない。一方、第二バルブ６４が開状態であると、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空気は第二流路６２を介して大気開放口６１から排出可能な状態となる。大気開放口６１から排出された空気はファン６３によって送られた空気によって希釈されることになる。

燃料供給部３には、燃料カートリッジ３１が設けられている。燃料カートリッジ３１内には燃料と水の混合液が貯留された燃料貯留部３１１と、オフガスからの水を回収する水回収部３１２とが搭載されている。本実施形態では混合液としてメタノールを水で一定割合に希釈した液体燃料を用いている。なお、メタノール以外にも、メタンやブタンなどの液化ガスや、ジメチルエーテル等でも適用可能である。

また、燃料供給部３には、燃料貯留部３１１から第四貫通孔１３４までを連通する燃料流路３２と、燃料カートリッジ３１内の混合液を燃料流路３２に供給する燃料ポンプ３３と、第五貫通孔１３５から水回収部３１２までを連通する水流路３４と、水流路３４を通過するオフガスを冷却して水を生成する熱交換器３５とが設けられている。

燃料流路３２における燃料ポンプ３３の下流側には、分岐流路５２１が連結されている。燃料ポンプ３３の停止時に、断熱パッケージ１２の外部の空気が第二空気ポンプ５１により分岐流路５２１を介して供給されると、反応装置本体２０の各部がパージされることになる。

図２は、反応装置２の主制御構成を示すブロック図である。この図２に示すように反応装置２には、各部を制御する制御部７０が設けられている。制御部７０には、燃料ポンプ３３、第一空気ポンプ４１、第二空気ポンプ５１、第一バルブ４３、第二バルブ６４、第三バルブ５３、分岐用バルブ５２３、ヒータ兼温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、第一流量センサ４４、第三流量センサ５４及び分岐用流量センサ５２４等が電気的に接続されている。

以下、発電セル１１の運転状態を、始動時、定常運転時、運転停止時に分けてそれぞれ説明する。ここで、発電セル１１の始動時とは、例えば発電システム１が備えられた電子機器の制御部から制御部７０に運転開始信号が送られることにより、制御部７０がヒータ兼温度センサ１３ａにより発電セル１１の加熱を開始してから、気化器６、改質器７、燃焼器８及び発電セル１１といった反応装置本体２０の各部が、所望の反応が行うことができる温度領域にまで昇温されるまでの間を言う。
また、定常運転時とは、反応装置本体２０の各部が所望の反応が行うことができる温度領域を維持して、発電セル１１において電子機器の制御部からの出力要求に応じて発電を行っている間を言う。
また、運転停止時とは、例えば発電システム１が備えられた電子機器の制御部から制御部７０に運転停止信号が送られることにより、制御部７０がヒータ兼温度センサ１３ａへの通電を止めてから、各停止処理を行った後に、各ポンプを完全に停止するまでの間を言う。

制御部７０は、発電セル１１の始動時においては、第一バルブ４３を閉状態とし、第二バルブ６４を開状態として、断熱パッケージ１２の内部空間を大気開放口６１を介して断熱パッケージ１２の外部空間に連通している。断熱パッケージ１２の内部空間を密閉した場合、発電セル１１の昇温により、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の気体が熱膨張して、断熱パッケージ１２の本体部１２１の壁部１２４に応力が加わるため、壁部１２４の厚みを厚くすることにより、反応装置２が大きく、重くなってしまう。しかしながら、断熱パッケージ１２の内部空間をその外部空間に連通することにより、反応装置２をより小さく、より軽くすることができる。また、第一バルブ４３又は第二バルブ６４のうち一方を開状態とすればよい。

そして、制御部７０はヒータ兼温度センサ１３ｂ、１３ｃにより改質器７、気化器６の昇温を順次開始する。次いで、制御部７０はヒータ兼温度センサ１３ａにより発電セル１１の昇温を開始する。ヒータ兼温度センサ１３ｂ、１３ｃの検出結果により、気化器６において燃料と水の混合液を気化して混合気を生成でき、改質器７において混合気から水素を含む改質ガスを生成できる温度領域であると判断すると、制御部７０は、燃料ポンプ３３、空気ポンプ４１ａを駆動する。このとき、発電セル１１は発電できる温度領域ではないため、改質器７で生成された改質ガスは、発電セル１１の燃料極１１ｂをそのまま通過し、燃焼器８において燃焼される。引き続き、燃焼器８における燃焼を続けると、この燃焼熱により、発電セル１１が発電可能な温度領域にまで昇温される。

制御部７０は、発電セル１１の定常運転時においては、第一バルブ４３及び第二バルブ６４を閉状態として、断熱パッケージ１２の内部空間の閉塞性を確保する。そして、制御部７０は分岐用バルブ５２３を閉状態、第三バルブ５３を開状態としてから、第二空気ポンプ５１及び燃料ポンプ３３を駆動する。これにより、空気極１１ａには空気が供給されて、気化器６には混合液が供給される。また、制御部７０は、各ヒータ兼温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃを駆動して、発電セル１１、改質器７及び気化器６をそれぞれ所定の温度に調整する。混合液は、気化器６を通過する際に気化されて、混合気が生成される。次いで、生成された混合気は、改質器７を通過する際に改質されて、改質ガスが生成される。次いで、生成された改質ガスは、発電セル１１の燃料極１１ｂに供給される。改質ガスと空気が発電セル１１に供給されると、発電セル１１で電気化学反応が生じて電力が発生する。発電セル１１で電気化学反応せずに残った水素を含むオフガスと空気は、燃焼器８で燃焼される。ここで生じたオフガスは、改質用熱交換器１０及び気化用熱交換器９を通過して熱交換器３５に至る。熱交換器３５ではオフガス中の水が凝集されて、その水が水回収部３１２により回収される。

次に、発電セル１１の運転停止時における制御部７０の制御手順について詳細に説明する。図３は運転停止時における制御手順を示すフローチャートである。ここで、例えばユーザが電子機器の電源をオフすることにより、発電システム１が備えられた電子機器の制御部から制御部７０に運転停止信号が送られると、制御部７０は、発電システム１の運転停止処理を開始する。

運転停止処理が開始されると、まず制御部７０は、燃料ポンプ３３の流量を変更する（ステップＳ１）。ここで発電セル１１は前述したとおり固体酸化物型燃料電池であるため、約３００℃以上の領域（酸化温度領域）では燃料極１１ｂの再酸化を防ぐべく、燃料極１１ｂを還元雰囲気に維持しながら、燃料極１１ｂ及び燃料極用流路１３４ａの内部の圧力をその外側の圧力よりも高く維持する必要がある。このため、電子機器の電源がオフになったとしても、発電セル１１の温度が約３００℃以下に下がるまでは、改質器７の水素生成を停止することは困難であり、燃料ポンプ３３の駆動を止めることはできない。しかしながら、定常運転時のような多量の混合液の流量を供給する必要はなく、水素を含んだ混合気で燃料極１１ｂ及び燃料極用流路１３４ａの内部の圧力をそれらの外側の圧力よりも高く維持できる程度でよい。つまり、このステップＳ１での燃料ポンプ３３の流量は、定常運転時における流量よりも大幅に少ない流量に調整されることになる。また、このステップＳ１では、空気極１１ａに対して、定常運転時と同一の既定流量の空気が継続して供給されている。

ステップＳ２では、制御部７０は、ヒータ兼温度センサ１３ａによる温度調整を停止する。これにより、発電セル１１の温度が下がるため、発電セル１１では水素や一酸化炭素が電気化学反応を生じず、そのまま燃料極１１ｂを通過して、空気極１１ａを通過した空気と合流する。合流した気体は、燃焼器８で燃焼反応を生ずる。この燃焼反応によって発電セル１１は加熱されるが、ステップＳ１によって混合液の供給量が調整されているために、その発熱量は定常運転時と比しても僅かなものになっている。これにより、発電セル１１の温度が更に下がる。

ステップＳ３では、制御部７０は第一バルブ４３と第二バルブ６４とを開状態とする。
ステップＳ４では、制御部７０は、第一空気ポンプ４１を駆動して、断熱パッケージ１２の外部の空気を第一流路４２を介して断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側に供給する。ここで、制御部７０は、第一流量センサ４４の検出結果が所定の流量となるように第一バルブ４３を調整する。所定の流量を例えば３．０Ｌ／ｍｉｎ程度に設定していることが好ましい。第一空気ポンプ４１により供給された断熱パッケージ１２の外部の空気は、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空間及び第二流路６２を介して大気開放口６１から断熱パッケージ１２の外部に排出される。この断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空間を通過する空気によって、反応装置本体２０の全体が冷却されることになる。また、大気開放口６１から断熱パッケージ１２の外部に排出された空気は、ファン６３によって送られた空気によって希釈されているので、例えば室温に近い安全な温度となっている。

ステップＳ５では、制御部７０は、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果により発電セル１１の温度が３００℃よりも小さいか否かを判断し、３００℃以上である場合にはそのままで待機し、３００℃よりも小さい場合にはステップＳ６に移行する。３００℃以下であると、燃料極１１ｂが再酸化しないために、発電セル１１に対して空気によるパージを行うことが可能となる。

ステップＳ６では、制御部７０は、燃料ポンプ３３を停止する。
ステップＳ７では、制御部７０は、所定流量の空気を燃料極１１ｂに供給する。制御部７０は、分岐用バルブ５２３を開状態とし、第二空気ポンプ５１を駆動して、断熱パッケージ１２の外部の空気を分岐流路５２１、気化器６、改質器７を介して燃料極１１ｂに供給する。ここで、制御部７０は、分岐用流量センサ５２４の検出結果が所定の流量となるように分岐用バルブ５２３を調整する。これにより、気化器６、改質器７及び燃料極１１ｂに残留している水素、二酸化炭素、一酸化炭素や未改質の混合液が燃焼器８に送られて、その燃焼器８により燃焼処理される。

ステップＳ８では、制御部７０は、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果により発電セル１１の温度が３００℃よりも小さいか否かを再度判断し、３００℃以上である場合にはステップＳ９に移行し、３００℃よりも小さい場合にはステップＳ１０に移行する。

ステップＳ９では、制御部７０は、分岐用流量センサ５２４の検出結果が直前の流量から小さくなるように分岐用バルブ５２３を調整し、ステップＳ８に移行する。これによって燃焼器８において燃料が燃焼する量が減るので、燃焼器８から発電セル１１に伝導する熱量が減る。これにより、燃焼反応を継続しながらも、発電セル１１の温度を徐々に下げることができる。ステップＳ８とステップＳ９の処理は、発電セル１１の温度が３００℃より小さくなるまで、繰り返し行われる。

ステップＳ１０では、制御部７０は、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果により発電セル１１の温度が１００℃よりも小さいか否かを判断し、１００℃以上である場合にはそのまま燃焼を維持し、１００℃よりも小さい場合にはステップＳ１１に移行する。１００℃以上であると、第一流路４２等の内部に燃焼する燃料ガスがまだ残存しているので燃焼反応を継続している状態であり、１００℃以下になった場合は、第一流路４２等の内部に燃焼器８で燃焼させる燃料ガスがなくなった状態である。これにより気化器６内に液体燃料がなくなったことを知ることができ、発電システム１全体を停止してよいことがわかる。

ステップＳ１１では、制御部７０は、ヒータ兼温度センサ１３ｂ，１３ｃによる改質器７及び気化器６に対する温度調整を停止する。
ステップＳ１２では、制御部７０は第一バルブ４３、第二バルブ６４、第三バルブ５３及び分岐用バルブ５２３を閉状態にする。
ステップＳ１３では、制御部７０は、第一空気ポンプ４１及び第二空気ポンプ５１を停止する。これにより、運転停止処理が終了する。

本実施形態によれば、反応装置本体２０が断熱パッケージ１２の内部に収容されているので、第一バルブ４３及び第二バルブ６４を閉ざしておくことで、定常運転時の熱量流出を防止することができる。また、運転停止時に第一バルブ４３及び第二バルブ６４を開いておくことで、断熱パッケージ１２内の熱量流出を促進することができる。これにより、定常運転時の反応装置２の熱効率を高めながら、運転停止時の反応装置２の停止に要する時間を短縮することができる。

また、第二空気ポンプ５１により断熱パッケージ１２の外部の空気を発電セル１１の空気極１１ａ及び燃料極１１Ｂに供給することにより発電セル１１自体の冷却が行われるとともに、第一空気ポンプ４１により断熱パッケージ１２の外部の空気を断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側に供給することにより断熱パッケージ１２内部の冷却が行われているので、反応装置２全体の冷却時間を短縮することができる。なおかつ、第二空気ポンプ５１は冷却ガスとして空気を空気極１１ａに供給しているので、通常運転時における発電セル１１に対する空気供給も可能となっている。

特に、運転停止時に第一空気ポンプ４１が駆動されると、第一バルブ４３及び第二バルブ６４が開状態となるので、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空間の空気が断熱パッケージ１２の外部にスムーズに排出されることになり、反応装置２の冷却効率を高めることが可能となる。
そして、発電セル１１の温度を検出するヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果が、所定温度以下の場合には第一バルブ４３と、第二バルブ６４とが閉ざされるので、第一空気ポンプ４１による冷却を発電セル１１の温度に基づいて停止することができる。

また、遠心ポンプは、ダイアフラムポンプに比べて、単位消費電力量辺りの空気流量が大きいという利点がある。一方、ダイアフラムポンプは、遠心ポンプに比べて、より大きい圧力損失に対応できるという利点がある。本実施形態においては、第一流路４２と、第三流路５２とを比較すると、第三流路５２のほうが圧力損失が高いので、それに適応できるように第二空気ポンプ５１にダイアフラムポンプを用いている。一方、第一流路４２は圧力損失が低いうえに、冷却効果を高めるために空気流量が多い方が望まれているために、第一空気ポンプ４１に遠心ポンプを用いている。このように種類の異なるポンプを使い分けることで、第一空気ポンプ４１と第二空気ポンプ５１の両方にダイアフラムポンプを使用した場合よりも消費電力が抑えられるため、より電力効率の良い発電システム１を提供することができる。

なお、本実施形態では、発電セル１１として固体酸化物型燃料電池を用いたが、これ以外にも固体高分子型燃料電池や炭酸溶融塩型燃料電池を用いることも可能である。

また、本実施形態のステップＳ１０では、発電セル１１の温度が１００℃以下になることで燃焼反応の停止を判断したが、分岐流路５２１からの空気供給を開始した時点からタイマーを開始させて、タイマーが所定時間を経過したときに、ステップＳ１１移行の動作を移行するようにしてもよい。所定時間は、分岐流路５２１から空気供給が開始されてから、発電セル１１が１００℃以下になりうる時間であり、種々の実験やシミュレーションにより求められている。

さらに、本実施形態では、発電セル１１の始動時において、第一バルブ４３を閉状態とし、第二バルブ６４を開状態とすることにより、断熱パッケージ１２の内部空間を大気開放口６１を介して断熱パッケージ１２の外部空間に連通したが、第一バルブ４３及び第二バルブ６４を閉状態とすることにより、断熱パッケージ１２の内部空間の閉塞性を確保してもよい。この場合、昇温時に断熱パッケージ１２の内部の空気がその外部に流出することがないので、ヒータ兼温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び燃焼器８により反応装置本体２０の各部を加熱する際の熱効率を高めることができる。

＜第二実施形態＞
第一実施形態では、２つの空気ポンプ４１，５１を搭載した反応装置２を例示して説明したが、一方の空気ポンプを省略することも可能である。図４は、空気ポンプを１つとした反応装置２Ａの概略構成を示す説明図である。なお、第一実施形態と同様の構成については、同一の数字と適宜符号の末尾に英字を付して詳細な説明を省略する。

図４に示すように、反応装置２Ａには、１つの空気ポンプ４１ａが設けられている。そして、第一流路４２Ａにおける第一バルブ４３の上流側からは、第三流路５２Ａと、分岐流路５２１Ａとが分岐していて、これら各流路４２Ａ，５２Ａ，５２１Ａに対して空気ポンプ４１ａにより断熱パッケージ１２の外部の空気が供給されるようになっている。つまり、第三流路５２Ａ及び空気極用流路１３３ａＡは、空気極１１ａと断熱パッケージ１２の外部とを空気ポンプ４１ａを介して連通する冷却ガス用流路であり、第三貫通孔１３３Ａが冷却ガス用貫通孔である。
そして、第一バルブ４３、第三バルブ５３及び分岐用バルブ５２３を調整することで、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側に対する空気供給、空気極１１ａに対する空気供給、燃料極１１ｂに対する空気供給が、１つの空気ポンプ４１ａによって実行されることになる。空気ポンプ４１ａとしては、遠心ポンプ又はダイアフラムポンプを用いることが好ましい。

ここで、反応装置２Ａにおいては、１つの空気ポンプ４１ａのみによって、断熱パッケージ１２の外部の空気を発電セル１１の空気極１１ａ及び燃料極１１ｂに送ることにより、発電セル１１をその内側から冷却する（以下、第一の冷却と称する。）。これとともに、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側に送ることにより、発電セル１１をその外側から冷却する（以下、第二の冷却と称する。）。ここで、第一流路４２Ａと第三流路５２Ａとが分岐されているので、両流路４２Ａ，５２Ａにおいて生じる圧力損失を同一にする必要がある。この圧力損失は第一流路４２Ａに供給される空気の流量を設定することで決定される。

図５は、発電セル１１の空気極１１ａにおいて、空気流量Ｑで空気を流した際の圧力損失Ｐの対応関係を示すグラフである。この対応関係は線Ｌ１で示している。線Ｌ１からもわかるように、空気流量Ｑが大きくなるにつれて圧力損失Ｐも大きくなる関係がある。また、図５中、線Ｌ２に示すのは、定常運転されている場合の出力で空気ポンプ４１ａを駆動させたときの空気流量Ｑと圧力損失Ｐの関係である。空気を供給する経路の圧力損失Ｐが大きくなると、送ることのできる空気流量Ｑが減少する特性があり、線Ｌ１と線Ｌ２が交わる点が定常状態での空気極１１ａの空気流量Ｑ１を表している。

反応装置２Ａでは、図５に示す関係を用いて、運転停止時に第一の冷却と第二の冷却とを併用するように流量の配分を行った。図５において、第一の冷却に用いる空気流量をＱ１より少ないＱ２に設定すると、線Ｌ１の関係から、第一流路４２Ａ、第三流路５２Ａにおいて生じる圧力損失が減り、線Ｌ２の関係から空気ポンプ４１ａが送ることができる流量がＱ３に増えることがわかる。そこで、反応装置２ＡではＱ３とＱ２の差分Ｑ４を第一流路４２Ａに供給し、第二の冷却に用いるようにした。第二の冷却は、発電セル１１の外側から冷却する方法であるため、第一の冷却と同一の流量を供給した場合、第一の冷却よりも冷却効果が低い。しかしながら、第一の冷却のみで冷却を行うとＱ１しか冷却に利用できないものの、第一の冷却と、第二の冷却とを１つの空気ポンプ４１ａで実行していると、前述したようにＱ２の空気流量を第一の冷却に用いて、Ｑ４の空気流量を第二の冷却として用いることができる。つまり、全体でＱ３だけの空気流量を冷却に用いることができるので、総合的に冷却効果が高くなる。

＜第三実施形態＞
上記の第二実施形態では、断熱パッケージ１２の外部の空気が、第三流路５２Ａ、第三貫通孔１３３Ａ及び空気極用流路１３３ａを介して、発電セル１１の空気極１１ａに供給されるようになっている。一方、この第三流路５２Ａ、第三貫通孔１３３Ａ及び空気極用流路１３３ａを省略することも可能である。図６は、第三流路５２Ａ、第三貫通孔１３３Ａ及び空気極用流路１３３ａを省略した反応装置２Ｂを示す説明図である。なお、第二実施形態と同様の構成については、同一の数字と適宜符号の末尾に英字を付してその説明を省略する。

図６に示すように、反応装置２Ｂにおける発電セル１１では、空気極１１ａの空気の入口１１ｄが断熱パッケージ１２内で露出している。これにより、空気ポンプ４１ａにより第一流路４２Ｂを介して断熱パッケージ１２内に供給された断熱パッケージ１２の外部の空気は、断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空間を通過して入口１１ｄから空気極１１ａ内に進入することになる。

反応装置２Ｂの定常運転時に、空気極１１ａに空気を供給する際には、制御部７０は、第二バルブ６４及び分岐用バルブ５２３を閉状態にするとともに、第一バルブ４３を開状態にしてから空気ポンプ４１ａを駆動する。これにより、第一流路４２Ｂを介して断熱パッケージ１２の内部における反応装置本体２０の外側の空間に断熱パッケージ１２の外部の空気が供給される。この際、断熱パッケージ１２内部の圧力が高まるために、空気極１１ａの入口１１ｄから空気が進入することになる。

また、反応装置２Ｂの運転停止時において、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果により発電セル１１の温度が酸化温度領域であると判断している間は、制御部７０は、第二バルブ６４及び第一バルブ４３を開状態にしてから空気ポンプ４１ａを駆動する。これにより、第一流路４２Ｂを介して空気極１１ａ及び燃料極１１ｂに、断熱パッケージ１２の外部の空気が供給され、第一の冷却が行われる。
そして、反応装置２Ｂの運転停止時において、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果により発電セル１１の温度が酸化温度領域未満であると判断したときは、制御部７０は、更に、分岐用バルブ５２３を開状態にする。これにより、分岐流路５２１Ｂを介して反応装置本体２０Ｂの各部に、断熱パッケージ１２の外側の空気が供給され、第一の冷却とともに第二の冷却が行われる。

このように、第三流路５２Ａ、第三貫通孔１３３Ａ及び空気極用流路１３３ａを省略したとしても、第一の冷却と第二の冷却を併用することが可能となる。

本実施形態の反応装置を搭載した発電システムの概略構成を示した説明図である。 図１の反応装置の主制御構成を示すブロック図である。 図２の反応装置の運転停止時における制御手順を示すフローチャートである。 本発明に係る反応装置の第一の変形例を示す説明図である。 図４の反応装置において、空気極に対して空気流量で空気を流した際の圧力損失の対応関係を示すグラフである。 本発明に係る反応装置の第二の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１ 発電システム
２ 反応装置
３ 燃料供給部
６ 気化器
７ 改質器
８ 燃焼器
１１ 発電セル
１１ａ 空気極
１１ｂ 燃料極
１１ｃ 電解質膜
１２ 断熱パッケージ
１３ａ ヒータ兼温度センサ（温度検出手段）
２０ 反応装置本体
３１ 燃料カートリッジ
４０ 第一空気供給部
４１ 第一空気ポンプ（冷却ガス送り手段）
４１ａ 空気ポンプ（冷却ガス送り手段）
４２，４２Ａ，４２Ｂ 第一流路
４３ 第一バルブ（第一開閉手段）
５０ 第二空気供給部
５１ 第二空気ポンプ（酸化剤ガス送り手段）
５２ 第三流路（酸化剤用流路）
５２Ａ 第三流路（冷却ガス用流路）
５３ 第三バルブ
６０ 排出部
６２ 第二流路
６４ 第二バルブ（第二開閉手段）
７０ 制御部
１２１ 本体部
１２２ 蓋部
１３１ 第一貫通孔
１３２ 第二貫通孔
１３３ 第三貫通孔（酸化剤用貫通孔）
１３３Ａ 第三貫通孔（冷却ガス用貫通孔）
１３３ａ 空気極用流路（酸化剤用流路）
１３３ａＡ 空気極用流路（冷却ガス用流路）
１３４ 第四貫通孔
１３４ａ 燃料極用流路
１３５ 第五貫通孔
１３５ａ 燃焼器用流路
５２１，５２１Ａ，５２１Ｂ 分岐流路
５２３ 分岐用バルブ（分岐流路開閉手段）

Claims (5)

1. 空気極に供給された酸化剤ガスと燃料極に供給された燃料との反応により電力を生成するとともに、前記空気極における酸化剤ガスの入口が前記断熱パッケージ内で露出するように設けられた発電セルを含む反応装置本体と、
   前記反応装置本体を内部に収容する断熱パッケージと、
   前記断熱パッケージの内部における前記反応装置本体の外側と前記断熱パッケージの外部とを連通する第一流路と、
   前記断熱パッケージの内部における前記反応装置本体の外側と前記断熱パッケージの外部とを連通し、前記第一流路とは異なる第二流路と、
   前記第一流路を開閉する第一開閉手段と、
   前記第二流路を開閉する第二開閉手段と、
   前記第一流路を介して前記断熱パッケージの内部における前記反応装置本体の外側に冷却ガスを供給する冷却ガス送り手段と、
   前記空気極と前記冷却ガス送り手段とを連通する冷却ガス用流路と、
   前記燃料極と前記冷却ガス用流路とを連通する分岐流路と、
   前記分岐流路を開閉する分岐流路開閉手段と、
   前記反応装置本体の温度を検出する温度検出手段と、
   を備え、
   前記空気極に対して、前記冷却ガス送り手段により、前記第一流路及び前記断熱パッケージの内部空間を介して前記冷却ガスとしての酸化剤ガスを、前記空気極に供給するステップを実行し、
   前記反応装置本体の運転停止時に、前記温度検出手段の検出結果が所定温度以下である場合には、前記分岐流路開閉手段により前記分岐流路を開くステップを実行することを特徴とする反応装置の制御部。
2. 請求項１に記載の反応装置の制御部において、
   前記温度検出手段の検出結果が、第二の所定温度以下の場合には、前記第一開閉手段を閉じて、第二開閉手段を閉じるステップを実行することを特徴とする反応装置の制御部。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の反応装置の制御部において、
   前記反応装置の運転停止時には、前記第一開閉手段により前記第一流路を開いて、前記第二開閉手段により前記第二流路を開いて、前記冷却ガス送り手段を駆動するステップを実行することを特徴とする反応装置の制御部。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置の制御部において、
   前記反応装置の定常運転時には、前記第一開閉手段により前記第一流路を閉じて、前記第二開閉手段により前記第二流路を閉じるステップを実行することを特徴とする反応装置の制御部。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応装置の制御部において、
   前記反応装置の始動時には、前記第一開閉手段により前記第一流路を閉じるか、又は前記第二開閉手段により前記第二流路を閉じるステップを実行することを特徴とする反応装置の制御部。

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