JP5446184B2

JP5446184B2 - 発電システム及び発電システムの制御装置

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Publication number: JP5446184B2
Application number: JP2008234422A
Authority: JP
Inventors: 哲也笹川
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: JP2010067539A

Description

本発明は、発電システム及び発電システムの制御装置に関する。

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発電セルを備えた発電システムにおいては、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、燃料極に燃料を供給する燃料流路と、発電セルで発生したオフガスを排出するためのオフガス流路とが設けられている。
そして、このような発電システムでは、燃料極に対する燃料及び水の供給量を運転停止時に減少させて燃料極の還元状態を保持させることで、燃料極の劣化を抑制したものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−２９４５０８号公報

ここで、燃料流路の内圧がその外圧よりも低くなると、燃料流路の外部の気体が、その内部に侵入してしまうおそれがある。特に、燃料極の酸化温度領域である３００℃以上の環境下では、侵入した気体中の酸素によって燃料極が酸化してしまうという問題が生じてしまう。

本発明の課題は、燃料流路の内圧をその外圧よりも高くして、酸素を含む外部の気体が燃料流路内に侵入することを抑え、燃料極の酸化を抑制することである。

以上の課題を解決するため、本発明の一の態様によれば、
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発電セルと、
前記発電セルに前記燃料を供給する燃料流路と、
前記発電セルに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記発電セルで発生したオフガスを排出するオフガス流路と、
前記燃料流路に水蒸気が流入することを許容又は停止する水蒸気供給制御手段と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが流入することを許容又は停止する酸化剤ガス供給制御手段と、
前記オフガス流路から前記オフガスが流出することを許容又は停止するオフガス排出制御手段と、
前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの内圧を検出する圧力検出手段と、
前記発電セルの運転停止時に、前記酸化剤ガス供給制御手段及び前記オフガス排出制御手段の全てを停止状態としてから、前記水蒸気供給制御手段を許容状態として、前記圧力検出手段の検出結果が所定圧力を超えるように前記発電セル内に水蒸気を流入させる制御装置と、
前記発電セルの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記圧力検出手段は、前記温度検出手段によって検出された温度と、前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの部位の内圧との相関関係に基づいて、当該少なくとも１つの部位の内圧を検出することを特徴とする発電システムが提供される。

また、本発明の他の態様によれば、
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
る発電セルと、
前記発電セルに前記燃料を供給する燃料流路と、
前記発電セルに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記発電セルで発生したオフガスを排出するオフガス流路と、
前記燃料流路に水蒸気が流入することを許容又は停止する水蒸気供給制御手段と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが流入することを許容又は停止する酸化剤ガス供給制御手段と、
前記オフガス流路から前記オフガスが流出することを許容又は停止するオフガス排出制御手段と、
前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの内圧を検出する圧力検出手段と、
前記発電セルの温度を検出する温度検出手段と、を備える発電システムの制御装置であって、
前記発電セルの運転停止時に、前記酸化剤ガス供給制御手段及び前記オフガス排出制御手段の全てを停止状態とする遮断ステップと、
前記遮断ステップの後に、前記水蒸気供給制御手段を許容状態として、前記圧力検出手段の検出結果が所定圧力を超えるように前記発電セル内に水蒸気を流入させる水蒸気供給ステップと、
前記水蒸気供給ステップの前に、温度検出手段の検出結果に基づいて、前記水蒸気供給制御手段によって前記発電セルに供給される水蒸気量を決定する水蒸気量決定ステップと、を実行し、
前記圧力検出手段は、前記温度検出手段によって検出された温度と、前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの部位の内圧との相関関係に基づいて、当該少なくとも１つの部位の内圧を検出することを特徴とする発電システムの制御装置が提供される。

好ましくは、前記温度検出手段によって検出された温度と、前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの内圧と外圧の差圧と、の相関関係に基づいて、当該少なくとも１つの部位の内圧と外圧の差圧を検出する。
好ましくは、前記温度検出手段の検出結果が、前記燃料極の酸化温度未満である場合には、前記水蒸気供給制御手段を停止状態とする水蒸気停止ステップを、前記水蒸気供給ステップの前に実行する。
好ましくは、前記発電システムは、
前記オフガスを燃焼する燃焼器と、
前記水蒸気を生成する気化器と、を更に備え、
前記気化器は、前記燃焼器で生じた熱量により前記水蒸気を生成する。
好ましくは、前記発電システムは、
前記発電セルで生成した水を回収する水回収装置と、
前記水蒸気を生成する気化器と、を更に備え、
前記気化器は、前記水回収装置により回収された水により水蒸気を生成する。
好ましくは、前記発電セルは、固体酸化物型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。

本発明によれば、圧力検出手段の検出結果が所定圧力を超えるように発電セル内に水蒸気を流入させるので、所定圧力を予め装置外部の気圧よりも高く設定していれば、燃料流路の内圧を外圧よりも高くすることができる。これにより、酸素を含む外部の気体が燃料流路内に侵入することが抑えられ、燃料極の酸化を抑制することができる。

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。

図１は、本実施形態の発電システム１の構成を示したブロック図である。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、燃料カートリッジ３と、水カートリッジ４と、供給部５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は、気化器６と、改質器７と、燃焼器８と、気化用燃焼器９と、熱交換器１０と、燃料電池としての発電セル１１と、を備える。そして、反応装置２は、断熱パッケージ１２に収容されている。

気化器６は、燃料及び水の混合液を気化し、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、気化用燃焼器９における燃焼熱等を吸熱して引き起こされる。

改質器７は、混合気から水素ガス等を触媒反応により生成し、更に微量ながら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、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）

改質器７で生成された水素ガス及び一酸化炭素ガス等を含む改質ガスは、発電セル１１に送られ、更に外部の空気が発電セル１１に送られる。

燃料電池である発電セル１１は、燃料極１１ａと、空気極１１ｂと、燃料極１１ａと空気極１１ｂ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発電セル１１の燃料極１１ａに供給され、更に外部の空気が空気極１１ｂに送られる。そして、燃料極１１ａに供給された改質ガス中の水素と、空気極１１ｂ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を起こすことによって電力が生じる。燃料極１１ａと空気極１１ｂ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、空気極１１ｂでは次式（３）のような反応が起き、空気極１１ｂで生成された酸素イオンが電解質膜１１ｃを透過し、燃料極１１ａでは次式（４），（５）のような反応が起こる。

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

燃焼器８は、燃料極１１ａで反応せずに残った改質ガスと、空気極１１ｂを通過した空気とを燃焼することで、改質ガス中に残存する水素ガス及び一酸化炭素を除去するものである。そして、燃焼器８は、水素ガス及び一酸化炭素の濃度が低減されたオフガスを熱交換器１０に送るようになっている。

燃焼器８と、燃料極１１ａには、燃焼器８と燃料極１１ａを含む発電セル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。なお、定常運転時において、発電セル１１自身の発熱と燃焼器８における燃焼熱との総発熱熱量が、改質器７へのガス流路を通じた熱伝導と断熱パッケージ１２への自然放熱との総放熱量と一致するように熱設計されていることが好ましい。これにより、ヒータ兼温度センサ１３ａによる加熱を行わなくとも、発電反応や、燃焼に最適な温度（例えば６００〜１０００℃）を確保することが可能となる。

熱交換器１０は、燃焼器８から供給されたオフガスの熱を改質器７に伝導させて両者間の熱交換を行うものである。熱交換器１０で温度が低減されたオフガスは、気化用燃焼器９に送られるようになっている。熱交換器１０には、熱交換器１０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。

気化用燃焼器９は、オフガス中に残存する水素を燃焼用触媒によって燃焼（酸化）させるものである。この燃焼熱は、気化器６に伝導し、混合液の気化に用いられる。気化用燃焼器９には、気化用燃焼器９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。

ここで、発電セル１１からのガス流路を通じた熱伝導と、熱交換器１０及び気化用燃焼器９におけるオフガスとの熱交換による熱流入との総熱量が、気化器６での蒸発吸熱、改質器７での改質反応における吸熱、断熱パッケージ１２外へのガス流路を通じた熱伝導、及び断熱パッケージ１２への自然放熱の総熱量とが一致するように、気化器６及び改質器７が熱設計されていることが好ましい。これにより、ヒータ兼温度センサ１３ｂ，１３ｃによる加熱を行わなくとも、気化に最適な温度（例えば１００〜２００℃）、改質反応に最適な温度（２００〜４００℃）を確保することが可能となる。

燃料カートリッジ３には、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ブタン及びガソリン等の燃料が貯留されている。一方、水カートリッジ４には、水が貯留されている。

供給部５には、空気を反応装置２に供給する空気供給部５１と、燃料及び水を混合して反応装置２に供給する混合液供給部５２と、反応装置２のオフガスを排出する排出部５３とが備えられている。

空気供給部５１には、空気ポンプ５１０と、空気ポンプ５１０から発電セル１１まで空気を供給する第一空気流路５１１と、空気ポンプ５１０から気化用燃焼器９まで空気を供給する第二空気流路５１２と、空気ポンプ５１０から気化器６まで空気を供給する第三空気流路５１３とが設けられている。第一空気流路５１１が、酸化剤ガスである空気を発電セル１１までに供給する酸化剤ガス流路である。また、各流路５１１，５１２，５１３には、それぞれ空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａが設けられている。この空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａが開状態であるときには、各流路５１１，５１２，５１３内に空気が流入することが許容されることになる。一方、空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａが閉状態であるときには各流路５１１，５１２，５１３内に空気が流入することが停止されることになる。また、空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａが開状態であっても、各流路５１１，５１２，５１３に空気を流入させるには空気ポンプ５１０を駆動させる必要もある。つまり、空気供給バルブ５１１ａと、空気ポンプ５１０とが、第一空気流路５１１に酸化剤ガスが流入することを許容又は停止する酸化剤ガス供給制御手段である。

混合液供給部５２には、燃料カートリッジ３から燃料を吸引する燃料ポンプ５２０と、水カートリッジ４から水を吸引する水ポンプ５２１と、燃料ポンプ５２０から流出した燃料を発電セル１１まで案内する燃料流路５２２と、水ポンプ５２１から流出した水を燃料流路５２２まで案内する水流路５２３が設けられている。
ここで、空気供給バルブ５１１ａを閉状態することを、「酸化剤ガス供給制御手段を停止状態とする」という。また、空気供給バルブ５１１ａを開状態とし、空気ポンプ５１０を駆動することを、「酸化剤ガス供給制御手段を許容状態とする」という。

燃料流路５２２は、燃料ポンプ５２０から気化器６、改質器７を介して発電セル１１の燃料極１１ａまで至る流路である。水流路５２３は、水ポンプ５２１から燃料流路５２２における気化器６の上流位置で、燃料流路５２２に合流する流路である。これにより、燃料流路５２２から供給された燃料と、水流路５２３から供給された水とは、合流地点で混合されて混合液となり、燃料流路５２２を介して気化器６に送られる。気化器６で気化された混合液は、改質器７２送られる。そして、改質器７で生成された改質ガスは、燃料流路５２２を介して発電セル１１の燃料極１１ａに送られることになる。

燃料流路５２２には、燃料供給バルブ５２２ａが設けられている。この燃料供給バルブ５２２ａが開状態であるときには、燃料流路５２２内に燃料が流入することが許容されることになる。一方、燃料供給バルブ５２２ａが閉状態であるときには燃料流路５２２内に燃料が流入することが停止されることになる。また、燃料流路５２２に燃料を流入させるには、燃料供給バルブ５２２ａが開状態であっても、さらに燃料ポンプ５２０を駆動させる必要もある。つまり、燃料供給バルブ５２２ａと、燃料ポンプ５２０とは、燃料流路５２２に燃料が流入することを許容又は停止する燃料供給制御手段である。
ここで、燃料供給バルブ５２２ａを閉状態することを、「燃料供給制御手段を停止状態とする」という。また、燃料供給バルブ５２２ａを開状態とし、燃料ポンプ５２０を駆動することを、「燃料供給制御手段を許容状態とする」という。

水流路５２３には、水供給バルブ５２３ａが設けられている。この水供給バルブ５２３ａが開状態であるときには、水流路５２３及び燃料流路５２２内に水が流入することが許容されることになる。一方、水供給バルブ５２３ａが閉状態であるときには水流路５２３及び燃料流路５２２内に水が流入することが停止されることになる。また、水供給バルブ５２３ａが開状態であっても、水流路５２３及び燃料流路５２２に水を流入させるには、水ポンプ５２１を駆動させる必要もある。水流路５２３及び燃料流路５２２に水が流入した際、水が気化器６を通過すると燃料流路５２２中に水蒸気が発生する。つまり、水流路５２３、水ポンプ５２１及び水供給バルブ５２３ａは、燃料流路５２２に水蒸気が流入することを許容又は停止する水蒸気供給制御手段である。
ここで、水供給バルブ５２３ａを閉状態することを、「水蒸気供給制御手段を停止状態とする」という。また、水供給バルブ５２３ａを開状態とし水ポンプ５２１を駆動することを、「水蒸気供給制御手段を許容状態とする」という。

排出部５３には、オフガスから水を生成する水回収装置５３１と、反応装置２から水回収装置５３１までオフガスを案内するオフガス流路５３２と、水回収装置５３１で生成された水を水カートリッジ４に供給する水回収流路５３３とが設けられている。オフガス流路５３２は、燃焼器８から熱交換器１０、気化用燃焼器９を介して水回収装置５３１に至るまでの流路である。このオフガス流路５３２には、オフガス供給バルブ５３２ａが設けられている。オフガス供給バルブ５３２ａは、オフガス流路５３２からオフガスが流出することを許容又は停止するオフガス排出制御手段である。
ここで、オフガス供給バルブ５３２ａを閉状態することを、「オフガス排出制御手段を停止状態とする」という。また、オフガス供給バルブ５３２ａを開状態することを、「オフガス排出制御手段を許容状態とする」という。

空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａ、燃料供給バルブ５２２ａ、水供給バルブ５２３ａ、オフガス供給バルブ５３２ａは、流量調整可能な流量可変バルブである。

また、発電システム１には、各部を制御する制御装置２０が備えられている。制御装置２０には、各空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａ、燃料供給バルブ５２２ａ、水供給バルブ５２３ａ、オフガス供給バルブ５３２ａ、空気ポンプ５１０、燃料ポンプ５２０、水ポンプ５２１及び各ヒータ兼温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃが、電気的に接続されている。

制御装置２０は、発電セル１１の定常運転時においては、空気供給バルブ５１１ａ、燃料供給バルブ５２２ａ、水供給バルブ５２３ａ、オフガス供給バルブ５３２ａを開状態、空気供給バルブ５１２ａ，５１３ａを閉状態としてから、空気ポンプ５１０、燃料ポンプ５２０及び水ポンプ５２１を駆動させる。これにより、空気流路５１１では空気が供給される。また、燃料流路５２２では燃料が供給されるとともに、水流路５２３を介して水も供給されることになるため、これらの混合液が供給される。混合液は、気化器６を通過する際に気化されて、次いで改質器７を通過する際に改質されて発電セル１１の燃料極１１ａ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改質ガスと、空気とは、燃焼器８で燃焼される。ここで生じたオフガスは、オフガス流路５３２により、熱交換器１０及び気化用燃焼器９を通過して、水回収装置５３１に案内される。水回収装置５３１ではオフガスから水が生成される。生成された水は水回収流路５３３を介して水カートリッジ４に供給される。

また、制御装置２０は、発電セル１１の運転停止時においては、空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａ、燃料供給バルブ５２２ａ及びオフガス供給バルブ５３２ａを閉状態としてから、水供給バルブ５２３ａを開状態とし、水ポンプ５２１を駆動させる。これにより水ポンプ５２１から供給された水は気化器６を通過することで水蒸気となる。この際、気化器６の温度が水の沸点よりも高温にしておく必要がある。空気流路５１１，５１２，５１３、燃料流路５２２、オフガス流路５３２、水流路５２３及び発電セル１１は連通しているために、空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａ、燃料供給バルブ５２２ａ及びオフガス供給バルブ５３２ａが閉ざされ、なおかつ水供給バルブ５２３ａのみが開状態で、水ポンプ５２１の駆動が継続していると、反応装置２の各流路内に水蒸気が浸透することになる。水供給バルブ５２３ａの水供給量を調整すれば、水蒸気の発生量も制御でき、流路内圧をも調整することが可能となる。

内圧調整をする際、制御装置２０は発電セル１１、燃料流路５２２、空気流路５１１，５１２，５１３及びオフガス流路５３２の少なくとも１つの内圧を検出し、その検出値が所定圧力を越えるように、水蒸気の発生量を制御している。例えば、本実施形態では、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出温度に基づいて、発電セル１１の燃料極１１ａの内圧を検出している。具体的には、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出温度と、内圧との相関関係を種々の実験やシミュレーションにより事前に算出し、その相関関係を制御装置２０の記憶部に記憶させる。また、制御装置２０の記憶部には水蒸気の発生量による内圧変化量も記憶されている。

そして、内圧調整時には、まず制御装置２０は、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出温度を認識すると、上記の相関関係から検出温度に対応する内圧値を求める。つまり、ヒータ兼温度センサ１３ａ及び制御装置２０が、発電セル１１、燃料流路５２２、第一空気流路５１１、オフガス流路５３２の少なくとも１つの内圧を検出する圧力検出手段である。その後、制御装置２０は、内圧値と目標とする所定圧力との差分を求め、その差分に対応する内圧変化量が得られる水蒸気の発生量を決定する（水蒸気量決定ステップ）。制御装置２０は、決定した発生量を越える水蒸気が得られるように、水供給バルブ５２３ａの水供給量を調整し、所定圧力を超えた内圧とする（水蒸気供給ステップ）。

ここで、所定圧力は、各流路内に外部の空気等が侵入しない気圧、つまり外圧に設定されている。所定圧力は、発電システム１の設置環境によっても左右されるが、例えば標準大気圧中に発電システム１が設置されている場合には所定圧力は１気圧に設定されることになる。

次に、発電セル１１の運転停止時の具体的動作について説明する。図２は運転停止処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、運転停止処理が開始されると、制御装置２０は、発電セル１１による発電を停止すべく、空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａ、燃料供給バルブ５２２ａ、オフガス供給バルブ５３２ａを閉状態とする（ステップＳ１：遮断ステップ）。なお、この際、制御装置２０は、空気ポンプ５１０及び燃料ポンプ５２０を停止させている。

ステップＳ２では、制御装置２０は、上記の内圧調整を実行し、反応装置２の流路内圧を所定圧力よりも大きくする。

ステップＳ３では、制御装置２０は、気化器６が所定温度以上に保つ制御を開始する。ここで、反応装置２内に水蒸気を安定供給するためには、気化器６を所定の温度(１００℃)以上に保つ必要がある。運転停止時には、水の供給も定常運転時と比べると少なくなるので、気化器６での気化による吸熱は小さくなる。そのため、運転停止処理開始直後に気化器６が所定温度以下に下がることはないが、発電セル１１の温度がさらに下がることにより、燃料流路５２２を通じた熱流入がさらに減少し、それによって気化器６の温度が所定の温度以下になってしまう場合もある。このため、制御装置２０は、ヒータ兼温度センサ１３ｃの検出温度に基づいて、気化器６が所定温度以上であるか否かを判断して、所定温度未満であれば、ヒータ兼温度センサ１３ｃによって気化器６を加熱する。この温度検出処理及び加熱処理は図２に示すステップＳ４の処理が終了するまで行われる。

ステップＳ４では、制御装置２０は、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出温度に基づいて、発電セル１１が所定温度未満であるか否かを判断し、所定温度以上である場合にはそのまま待機し、所定温度未満である場合にはステップＳ５に移行する。ここでの所定温度は、燃料極１１ａの酸化温度未満に設定されていることが好ましい。酸化温度は燃料極１１ａをなす材料によって異なるために、所定温度は材料毎に異なる値に設定されることになる。例えば、燃料極１１ａがニッケルから形成されている場合には、所定温度は３００℃程度となる。

ステップＳ５では、制御装置２０は、水供給バルブ５２３ａを閉状態とする。また、この際には制御装置２０は水ポンプ５２１も停止させる。これにより、水の供給、すなわち水蒸気の供給が停止される。ステップＳ４，Ｓ５が水蒸気停止ステップである。

ステップＳ６では、制御装置２０は、空気供給バルブ５１１ａ，５１２ａ，５１３ａを開状態としてから、空気ポンプ５１０を駆動することで、発電セル１１、気化器６、気化用燃焼器９に空気を供給する。この空気によって、発電セル１１、燃料流路５２２、空気流路５１１，５１２，５１３、オフガス流路５３２に残存していた燃料が、燃焼器８や気化用燃焼器９で燃焼されることになる。ステップＳ６が燃焼ステップである。

ステップＳ７では、制御装置２０は、オフガス供給バルブ５３２ａを開状態とする。これにより、各流路内に残存する水蒸気や改質ガスは空気により押し出されて、水回収装置５３１に到達する。水回収装置５３１は、オフガスから水を生成し、その水を、水回収流路５３３を介して水カートリッジ４に供給する。

ステップＳ８では、制御装置２０は、所定時間が経過したか否かを判断し、経過していなければそのまま待機し、経過していたらステップＳ９に移行する。ここで、所定時間とは、流路内に残存する水蒸気や改質ガスが排出されるまでの時間である。

ステップＳ９では、制御装置２０は、空気ポンプ５１０を停止して、空気供給を停止する。これにより、運転停止処理が終了する。

以上のように、本実施形態によれば、燃料流路５２２の内圧を外圧よりも高くすることができ、酸素を含む外部の気体が反応装置２の流路内に侵入してしまうことを抑えることが可能となる。酸素の侵入が抑えられるために、燃料極１１ａの酸化を抑制することができる。

また、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出温度と内圧との相関関係に基づいて、発電セル１１に供給する水蒸気量が決定されているので、流路内の内圧を直接検出する圧力センサを設置しなくとも、最適な水蒸気量を決定することが可能となる。

また、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果が、燃料極１１ａの酸化温度未満である場合に水蒸気停止ステップが実行されるので、酸化温度以上のときに空気が送られてしまうことを防止することができる。これにより、燃料極１１ａの酸化が抑えられることになる。

そして、水蒸気停止ステップ後に燃焼ステップが実行されるので、反応装置２の流路内に残存した燃料は燃焼されることになる。このため、水素ガスや一酸化炭素を除去したオフガスを排出することができる。

また、気化器６が、気化用燃焼器９で生じた熱量により水蒸気を生成するので、水蒸気生成用の加熱器を設けなくとも水蒸気を生成することが可能である。
気化器６が、水回収装置５３１により回収された水から水蒸気を生成するので、運転停止処理用の水を別に備えなくとも、運転停止中に水蒸気を生成することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。以下の説明において上記実施形態と同一の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

例えば、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例示して説明したが、その他の燃料電池に対しても本発明の構成を適用することは可能である。その他の燃料電池としては、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池が挙げられる。

また、本実施形態では、燃料を改質器７で改質した後、発電セル１１に供給する場合を例示したが、燃料を発電セルに直接送り、発電セルの内部で改質するようにしてもよい。この場合、改質器７を省略することが可能となる。

また、本実施形態では、ヒータ兼温度センサ１３ａと、制御装置２０とが圧力検出手段である場合を例示して説明したが、発電セル１１、燃料流路５２２、空気流路５１１，５１２，５１３、オフガス流路５３２の少なくとも１つの内圧と外圧の差圧を検出する差圧検出手段を圧力検出手段として断熱パッケージ１２内に設置してもよい。この場合、予め予備実験やシミュレーションにより差圧検出手段の検出結果と、流路の内圧との相関関係を求めておき、その関係が制御装置２０の記憶部に記憶されていることが好ましい。
また、これ以外にも、流路内圧を直接検出する圧力センサを圧力検出手段として設置してもよい。

〈変形例〉
また、上述の実施形態では、運転停止時に水のみを反応装置２内に供給する場合を例示して説明したが、水蒸気酸化を防止すべく水とともに燃料も供給するようにしてもよい。
例えば、燃料極１１ａがニッケルである場合、燃料極１１ａの温度が３００℃以上のときに、水蒸気が供給されて流路内の水素濃度が極端に低くなってしまうと燃料極１１ａに水蒸気酸化現象が生ずるおそれがある。
水蒸気酸化とは、式（６）の平衡状態によって水蒸気から僅かに酸素が生成され、金属等を酸化させる現象である。

Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２・・・（６）

これ以外にも、改質ガス中に含まれる二酸化炭素から式（７）の反応によって僅かに生成された酸素や、運転停止処理時に流路内に残留する酸素等も流路中に存在している。

ＣＯ_２→ＣＯ＋１／２Ｏ_２・・・（７）

図３，４は、それぞれ７００℃と４００℃における水蒸気中に含まれる水素濃度と、その時生成される酸素の分圧との関係を表すグラフである。図中、斜線部分は各温度におけるニッケルの酸化領域を示す。いずれの温度においても、水素濃度が約２％以上でニッケルの酸化領域から外れることがわかる。

本変形例では、制御装置２０は図２に示すステップＳ２の後に、以下の処理を実行する。また、それ以外の処理は上述の実施形態と同一であるために同一符号を付してその説明を省略する（図５参照）。つまり、ヒータ兼温度センサ１３ａの検出結果が、燃料極１１ａの酸化温度以上である場合には、制御装置２０は、水蒸気供給ステップと同時に、若しくはそれ以降に、燃料供給バルブ５２２ａを開状態としてから、燃料ポンプ５２０を駆動する。この際、制御装置２０は、発電セル１１、燃料流路５２２、空気流路５１１，５１２，５１３及びオフガス流路５３２内における水素濃度が２％（所定割合）以上となるように、燃料供給バルブ５２２ａによる燃料供給量を調整している。この工程が、燃料供給ステップ（ステップＳ２−１）である。これにより、燃料極１１ａの酸化をより防止することができる。

ここで、実際の発電システム１においては、発電セル１１の定常運転時の出力に応じて、制御装置２０がステップＳ１の遮断ステップを実行したときに、第一空気流路５１１、第二空気流路５１２、第三空気流路５１３、燃料流路５２２、オフガス流路５３２及び発電セル１１内にそれぞれ残存する気体の量を予め予測することができる。燃料供給ステップでは、この残存する気体の量を考慮して、制御装置２０は、水素濃度が所定割合以上となるように、燃料供給バルブ５２２ａによる燃料供給量を調整している。

なお、上記の例では、燃料極１１ａがニッケルであるために水素濃度を２％以上と設定しているが、この値は燃料極１１ａを形成する材料毎によって異なる。所定割合は燃料極１１ａの形成材料毎に最適な値が設定されることになる。
また、３００℃以上であっても運転停止処理中の水素濃度が所定割合以上に保たれるように、燃料流路５２２、空気流路５１１，５１２，５１３及びオフガス流路５３２の容積比を設計時に調整しておけば、燃料供給ステップを実行しなくとも、燃料極１１ａの酸化を防止することができる。

本実施形態の発電システムの構成を示したブロック図である。発電システムの制御装置が実行する運転停止処理を示すフローチャートである。７００℃における水蒸気中に含まれる水素濃度と、その時生成される酸素の分圧との関係を表すグラフである。４００℃における水蒸気中に含まれる水素濃度と、その時生成される酸素の分圧との関係を表すグラフである。上記変形例の発電システムの制御装置が実行する運転停止処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１発電システム
２反応装置
３燃料カートリッジ
４水カートリッジ
５供給部
６気化器
７改質器
８燃焼器
９気化用燃焼器（燃焼器）
１０熱交換器
１１発電セル
１１ａ燃料極
１１ｂ空気極
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、圧力検出手段）
１３ｂヒータ兼温度センサ
１３ｃヒータ兼温度センサ
２０制御装置（圧力検出手段）
５１空気供給部
５２混合液供給部
５３排出部
５１０空気ポンプ（酸化剤ガス供給制御手段）
５１１第一空気流路（酸化剤ガス流路）
５１１ａ空気供給バルブ（酸化剤ガス供給制御手段）
５１２第二空気流路
５１３第三空気流路
５１２ａ，５１３ａ空気供給ポンプ
５２０燃料ポンプ（燃料供給制御手段）
５２１水ポンプ（水蒸気供給制御手段）
５２２燃料流路
５２２ａ燃料供給バルブ（燃料供給制御手段）
５２３水流路（水蒸気供給制御手段）
５２３ａ水供給バルブ（水蒸気供給制御手段）
５３１水回収装置
５３２オフガス流路
５３２ａオフガス供給バルブ（オフガス排出制御手段）
５３３水回収流路

Claims

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発電セルと、
前記発電セルに前記燃料を供給する燃料流路と、
前記発電セルに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記発電セルで発生したオフガスを排出するオフガス流路と、
前記燃料流路に水蒸気が流入することを許容又は停止する水蒸気供給制御手段と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが流入することを許容又は停止する酸化剤ガス供給制御手段と、
前記オフガス流路から前記オフガスが流出することを許容又は停止するオフガス排出制御手段と、
前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの内圧を検出する圧力検出手段と、
前記発電セルの運転停止時に、前記酸化剤ガス供給制御手段及び前記オフガス排出制御手段の全てを停止状態としてから、前記水蒸気供給制御手段を許容状態として、前記圧力検出手段の検出結果が所定圧力を超えるように前記発電セル内に水蒸気を流入させる制御装置と、
前記発電セルの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記圧力検出手段は、前記温度検出手段によって検出された温度と、前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの部位の内圧との相関関係に基づいて、当該少なくとも１つの部位の内圧を検出することを特徴とする発電システム。
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発電セルと、
前記発電セルに前記燃料を供給する燃料流路と、
前記発電セルに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記発電セルで発生したオフガスを排出するオフガス流路と、
前記燃料流路に水蒸気が流入することを許容又は停止する水蒸気供給制御手段と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが流入することを許容又は停止する酸化剤ガス供給制御手段と、
前記オフガス流路から前記オフガスが流出することを許容又は停止するオフガス排出制御手段と、
前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの内圧を検出する圧力検出手段と、
前記発電セルの温度を検出する温度検出手段と、を備える発電システムの制御装置であって、
前記発電セルの運転停止時に、前記酸化剤ガス供給制御手段及び前記オフガス排出制御手段の全てを停止状態とする遮断ステップと、
前記遮断ステップの後に、前記水蒸気供給制御手段を許容状態として、前記圧力検出手段の検出結果が所定圧力を超えるように前記発電セル内に水蒸気を流入させる水蒸気供給ステップと、
前記水蒸気供給ステップの前に、前記温度検出手段の検出結果に基づいて、前記水蒸気供給制御手段によって前記発電セルに供給される水蒸気量を決定する水蒸気量決定ステップと、を実行し、
前記圧力検出手段は、前記温度検出手段によって検出された温度と、前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの部位の内圧との相関関係に基づいて、当該少なくとも１つの部位の内圧を検出することを特徴とする発電システムの制御装置。
請求項２に記載の発電システムの制御装置において、
前記温度検出手段によって検出された温度と、前記発電セル、前記燃料流路、前記酸化剤ガス流路、前記オフガス流路の少なくとも１つの内圧と外圧の差圧と、の相関関係に基づいて、当該少なくとも１つの部位の内圧と外圧の差圧を検出することを特徴とする発電システムの制御装置。
請求項２又は３記載の発電システムの制御装置において、
前記温度検出手段の検出結果が、前記燃料極の酸化温度未満である場合には、前記水蒸気供給制御手段を停止状態とする水蒸気停止ステップを、前記水蒸気供給ステップの前に実行することを特徴とする発電システムの制御装置。
請求項２〜４のいずれか一項に記載の発電システムの制御装置において、
前記発電システムは、
前記オフガスを燃焼する燃焼器と、
前記水蒸気を生成する気化器と、を更に備え、
前記気化器は、前記燃焼器で生じた熱量により前記水蒸気を生成することを特徴とする発電システムの制御装置。
請求項２〜４のいずれか一項に記載の発電システムの制御装置において、
前記発電システムは、
前記発電セルで生成した水を回収する水回収装置と、
前記水蒸気を生成する気化器と、を更に備え、
前記気化器は、前記水回収装置により回収された水により水蒸気を生成することを特徴とする発電システムの制御装置。
請求項２〜６のいずれか一項に記載の発電システムの制御装置において、
前記発電セルは、固体酸化物型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池であることを特徴とする発電システムの制御装置。