JP5597725B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関するものである。
従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった高温作動型の燃料電池を利用した燃料電池システムが知られている。そして、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では６００〜１０００℃程度、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）では約５００〜９００℃程度の高温で動作させている。
従来、例えば、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等で、燃料ガスの供給が停止された際には、燃料電池の運転を緊急停止することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来、燃料電池の運転が停止された後に、メンテナンス等を行い、燃料電池の運転を再起動することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−６６２４４号公報 特開２００６−８６０１６号公報
しかしながら、燃料電池の運転停止には、通常の運転停止と、上記したような緊急停止があり、燃料電池の運転を緊急停止した場合に、通常停止した場合と同様に再起動させた場合には、燃料電池に悪影響を与えるおそれがある。
本発明は、燃料電池の緊急停止後の再起動時に燃料電池に作用する悪影響を低減できる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、固体電解質と該固体電解質を挟むように設けられた酸素極層と金属を含有する燃料極層とを備え、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを第１端部側で燃焼させる燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給装置と、前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給するための酸素含有ガス供給装置と、前記燃料電池の運転停止が通常停止または緊急停止のいずれであるかを記憶する記憶装置と、少なくとも前記燃料ガス供給装置および前記酸素含有ガス供給装置を制御する制御装置と、前記燃料電池近傍の温度を測定する温度検出装置とを具備し、該制御装置は、前記燃料電池の運転停止後の再起動の際に、前記記憶装置で記憶された前記燃料電池の運転停止が緊急停止であった場合において、前記燃料電池の再起動中における前記温度検出装置による温度が前記燃料極層を構成する前記金属の酸化物が還元する温度に達すると、前記燃料電池の運転停止が通常停止であった後の再起動時よりも前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量を減少させる燃料ガス供給減少モードを備えることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、固体電解質と該固体電解質を挟むように設けられた酸素極層と金属を含有する燃料極層とを備え、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを第１端部側で燃焼させる燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給装置と、前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給するための酸素含有ガス供給装置と、前記燃料電池の運転停止が通常停止または緊急停止のいずれかであることを記憶する記憶装置と、前記
燃料電池近傍の温度を測定する温度検出装置と、少なくとも前記燃料ガス供給装置および前記酸素含有ガス供給装置を制御する制御装置と、を具備し、前記燃料電池の運転停止後の再起動の際に、前記記憶装置で記憶された前記燃料電池の運転停止が緊急停止であった場合において、前記燃料電池の再起動中における前記温度検出装置による温度が前記燃料極層を構成する前記金属の酸化物が還元する温度に達すると、前記燃料電池の運転停止が通常停止であった後の再起動時に前記燃料電池に供給する燃料ガス供給量よりも減少させることを特徴とする。
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止が緊急停止であった後に再起動する場合に、燃料電池の燃料極層や該燃料極層が設けられる支持体等が酸化されていたとしても、ゆっくり還元され、燃料極層や支持体等が急激に体積収縮することがなく、燃料電池への急激な応力発生を抑制でき、燃料電池の緊急停止後の再起動時に燃料電池に作用する悪影響を低減できる。
燃料電池システムを示す説明図である。 固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 燃料電池の一例を示し、（ａ）は燃料電池を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池の破線で囲った部分の一部を拡大した断面図である。 燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。 緊急停止後の再起動のフロー図である。 （ａ）は、燃料電池の下端部の温度Ｔと、起動時間ｔとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、燃料電池に供給する燃料ガス量Ｌと起動時間ｔとの関係を示すグラフである。
図１は、本形態の燃料電池システムを示すもので、符号１は、固体酸化物形燃料電池１（以下、燃料電池１ということがある）を示している。この燃料電池１は、複数の燃料電池セルを直列に電気的に接続して構成されている。
この燃料電池１は燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するものであり、燃料電池１は収納容器３内に収容されている。収納容器３内には、改質器５も収納されており、改質器５で改質された燃料ガスを燃料電池１に供給するように構成されている。改質器５内には、都市ガス等の原燃料ガスを改質する触媒が収容されている。なお、改質器５で改質された燃料ガス中には水蒸気が含まれている。燃料電池１については後述する。
改質器５には、燃料ガスに改質される都市ガス等の原燃料ガスが、保安メータ７を介して供給されるように構成されている。保安メータ７は、例えば各家庭に一つ設けられており、この保安メータ７には、その家庭で使用される原燃料ガスの使用量が表示され、また、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等の緊急時には原燃料ガスの供給を停止するための開閉弁を有している。保安メータ７はガスメータでもある。保安メータ７からは、燃料電池システム以外に、例えば給湯器、ガスレンジ等に、原燃料ガスが供給されるように構成されており、それぞれにガス機器用原燃料ライン９ｃを有している。
改質器５と燃料電池１との間は、燃料ガスを供給するための改質燃料ライン９ａで連結されており、保安メータ７と改質器５との間は、原燃料ガスを供給するための原燃料ライン９ｂで連結されている。これらの改質燃料ライン９ａと原燃料ライン９ｂとで燃料ガス供給ラインを構成している。改質燃料ライン９ａ、原燃料ライン９ｂ、ガス機器用原燃料ライン９ｃは配管で構成されており、開閉弁を有する保安メータ７は、燃料ガス供給ライン９の上流端、言い換えれば、原燃料ライン９ｂの上流端に設けられている。
燃料ガス供給ライン９、具体的には、原燃料ライン９ｂの開閉弁よりも下流側には、原燃料ガスを改質器５に供給するためのポンプ１１が設けられており、ポンプ１１および保安メータ７は制御装置１０に接続されている。制御装置１０は、ポンプ１１を制御することにより、負荷に応じて改質器５に供給する原燃料ガス量を制御し、燃料電池１に供給する燃料ガス量を制御している。
なお、負荷とは、冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ等の電気器具をいい、燃料電池１で発電した電力が供給される。
図１では、給湯器とガスレンジのそれぞれにガス機器用原燃料ライン９ｃが接続され、これらのガス機器用原燃料ライン９ｃは、燃料電池システムの原燃料ライン９ｂに接続されている状態を記載した。
燃料ガス供給ライン９のポンプ１１よりも下流側には、ある一定の圧力以上でなければ開とならない逆止弁（図示せず）が設けられており、ポンプ１１が停止すると、原燃料ガスの供給が停止されるようになっている。燃料ガス供給装置は、ポンプ１１を具備して構成されている。
また、改質器５には、制御装置１０により制御されるポンプ（図示せず）により水が供給されるようになっており、改質器５内で水蒸気となって、都市ガス、プロパンガス等の原燃料ガスと反応し、水蒸気改質可能となっている、
さらに、燃料電池１には、空気等の酸素含有ガスを酸素含有ガス供給ライン１２を介して供給するようになっている。燃料電池１への酸素含有ガスの供給は、酸素含有ガス供給ライン１２に設けられたブロア１３で供給され、ブロア１３は、制御装置１０により制御される。酸素含有ガス供給装置は、ブロア１３を具備して構成されている。
また、燃料電池１の上方には、ヒータ等の着火装置１６が設けられており、発電に用いられなかった燃料ガスに着火される。着火装置１６は制御装置１０により、着火時期が制御される。
さらに、燃料電池１には、後述するように、複数の燃料電池セルの配列方向中央部であって、燃料電池セルの長手方向中央部に、燃料電池１近傍の温度を測定する熱電対等の温度センサ１７が設けられており、温度センサ１７からの信号が制御装置１０に伝達されるようになっている。温度検出装置は、温度センサ１７を具備して構成されている。
そして、定常状態（発電モード）では、改質器５から燃料ガスが燃料電池１に供給されるとともに、収納容器３内に空気等の酸素含有ガス（以下、空気を酸素含有ガスとして説明する場合がある）が供給され、燃料電池１において発電することになる。発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料電池１の改質器５側で酸素含有ガスと反応して燃焼し、燃料電池１と改質器５との間に燃焼領域１５が形成されている。この燃焼ガスにより改質器５が加熱され、改質器５内の原燃料ガスが、水素を主とする燃料ガスに改質されることになる。
燃料電池１は、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるもので、燃料電池セルを図２に示す。図２（ａ）は燃料電池セル２０の横断面図、（ｂ）は燃料電池セル２０の縦断面図である。なお、両図面において、燃料電池セル２０の各構成を一部拡大して示している。
この燃料電池セル２０は、中空平板型の燃料電池セル２０で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の導電性支持基板（以下、導電性支持体ということがある）２１を備えている。導電性支持体２１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２２が長手方向ｙに貫通して形成されており、燃料電池セル２０は、この導電性支持体２１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
導電性支持体２１は、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層２３が設けられている。さらに、この燃料極層２３を覆うように、緻密質な固体電解質２４が積層されている。また、固体電解質２４の上には、反応防止層２５を介して、燃料極層２３と対面するように、多孔質な酸素極層２６が積層されている。また、燃料極層２３および固体電解質２４が積層されていない他方の平坦面ｎ（上面）には、密着層２７を介してインターコネクタ２８が形成されている。
導電性支持体２１、燃料極層２３は、金属を含有するもので、金属としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等が知られている。燃料極層２３は、金属の他に金属酸化物を含有しており、金属酸化物としては、例えば安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアが知られている。
すなわち、燃料極層２３および固体電解質２４は、導電性支持体２１の両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、固体電解質２４の両端にインターコネクタ２８の両端が位置するように積層されている。固体電解質２４とインターコネクタ２８とで導電性支持体２１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。
燃料ガスは、図２（ｂ）で矢印で示すように、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２２の下端から上端に向かって流れ、燃料電池セル２０の上方に放出され、燃料電池セル２０の上方で燃焼する。従って、燃料電池セル２０の燃焼する側の上端部が下端部よりも高温となる。
図３は、上述した燃料電池セル２０の複数個を、集電部材３３を介して電気的に直列に接続して構成される燃料電池（セルスタックともいう）の一例を示したものである。図３、（ａ）は燃料電池１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池１の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、（ｂ）で示す燃料電池セル２０においては、上述した反応防止層２５等の一部の部材を省略して示している。
なお、燃料電池１においては、各燃料電池セル２０を、燃料電池セル２０の長手方向と直交する方向に（燃料電池セル２０の厚み方向に）集電部材３３を介して列状に配列することで燃料電池１を構成しており、各燃料電池セル２０の下端部が、燃料電池セル２０に燃料ガスを供給するためのガスタンク３６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル２０の配列方向ｘの両端から複数の燃料電池セル２０を挟持するように、ガスタンク３６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材３４を具備している。ここでは、燃料電池１は、ガスタンク３６に複数の燃料電池セル２０が固定されたものをいう。
また、図３に示す導電部材３４においては、燃料電池セル２０の配列方向ｘに沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池１の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部３５が設けられている。なお、上記した温度センサ１７は、複数の燃料電池セル２０の配列方向ｘの中央部であって、燃料電池セル２０の長手方向ｙの中央部に設けられている。この温度センサ１７は、燃料電池セル２０に直接触れない位置ではあるが、なるべく近傍に配置されている。
図４は、燃料電池１を収納容器３内に収納してなる燃料電池モジュール３８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器３の内部に、図３に示した燃料電池１を収納して構成されている。
燃料電池セル２０にて使用する燃料ガスを得るために改質器５を燃料電池１の上方に配置している。そして、改質器５で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管９ａを介してガスタンク３６に供給され、ガスタンク３６を介して燃料電池セル２０の内部に設けられた燃料ガス流路２２に供給される。図４では、ガスタンク３６に、燃料電池セル２０が２列に配列されて固定されているものを燃料電池１としている。
なお、図４においては、収納容器３の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池１および改質器５を後方に取り出した状態を示している。図４に示した燃料電池モジュール３８においては、燃料電池１を、収納容器３内にスライドして収納することが可能である。
また収納容器３の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材３７は、図４においてはガスタンク３６に並置された２列のセル群の間に配置される。酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２０の側方を下端から上端に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材３７により、燃料電池セル２０の下端部に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガス導入部材３７は、酸素含有ガス供給ライン１２の一部を構成する。
そして、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル２０の上方で燃焼させることにより、燃料電池セル２０の温度を上昇させることができ、燃料電池１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２０の上方にて、燃料電池セル２０のガス流路２２から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを反応させ燃焼させることにより、燃料電池セル２０（燃料電池１）の上方に配置された改質器５を加熱することができる。それにより、改質器５で効率よく改質反応を行うことができる。起動時における燃料ガスの燃焼により、改質器５が迅速に加熱される一方で、燃料ガスが導入される燃料電池セル２０の下端部の温度上昇は緩やかである。
つまり、燃料電池１の長手方向ｙにおいて、燃料ガスの導入側（第２端部）は燃料ガスの燃焼側（第１端部）よりも低温である。特に、起動時には温度差が大きい。
図５は、外装ケース内に図４で示した燃料電池モジュール３８と、燃料電池１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
図５に示す燃料電池装置４３は、支柱４４と外装板４５とから構成される外装ケース内を仕切板４６により上下に区画されている。外装板４５の上方側の空間を上述した燃料電池モジュール３８を収納するモジュール収納室４７とし、下方側の空間を燃料電池モジュール３８を動作させるための補機類を収納する補機収納室４８として構成されている。なお、補機収納室４８に収納する補機類は省略して示している。上記したポンプ１１は、補機収納室４８に収納されることになる。
また、仕切板４６には、補機収納室４８の空気をモジュール収納室４７側に流すための空気流通口４９が設けられており、モジュール収納室４７を構成する外装板４５の一部に、モジュール収納室４７内の空気を排気するための排気口５０が設けられている。
そして、本形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の運転停止が通常停止または緊急停止のいずれであるかを記憶する記憶装置と、記憶装置で記憶された燃料電池の運転停止が緊急停止であった後の再起動の際に、燃料電池１の運転停止が通常停止であった後の再起動時よりも燃料電池１に供給される燃料ガス供給量を減少させるように、燃料ガス供給装置を制御する制御装置１０とを具備している。
燃料電池１の燃焼する側の第1端部とは、図３（ａ）では、燃料電池１の上端部を意味し、第1端部に対して反対側の第２端部とは、燃料電池１の下端部を意味する。
燃料電池１の運転停止が通常停止または緊急停止のいずれかであることを記憶する記憶装置は、制御装置１０とは別個に設けても良いし、制御装置１０が同様の機能を具備していても良い。
燃料電池１の運転（発電）を停止するための通常停止は、例えば、停止ボタンを押すことにより行われるが、燃料電池１の燃料極層２３が酸化しないように、例えば、酸素含有ガスの供給が停止された後も、燃料ガスを所定時間供給する、あるいは、収納容器３内に酸素含有ガスの代りに不活性ガス等を充填する。そして、燃料電池１の通常停止後に再起動する場合には、例えば、再起動スイッチを押すことにより再起動が行われるが、燃料電池１に供給される燃料ガスを燃焼させ、燃料電池１を発電可能な温度まで急速に加熱する。
一方、緊急停止は、地震、停電、落雷、台風のような自然災害、装置の故障等で、例えば、保安メータ７の開閉弁が閉とされ、原燃料ガスの改質器５への供給が停止された場合には、開閉弁が閉とされたとの信号が制御装置１０に伝達された時点で、制御装置１０は負荷への電力供給を停止し、燃料ガス供給ライン９に設けられたポンプ１１の駆動を停止する。さらに、制御装置１０は、水供給装置、酸素含有ガス供給装置を制御し、水の改質器５への供給、酸素含有ガスの燃料電池１への供給を停止する。同様に、酸素含有ガスの供給、改質器への水の供給が停止された場合等にも、同様に緊急停止する。
例えば、燃料電池１で発電した電力を電気器具に供給している定常運転では、制御装置１０はポンプ１１、ブロア１３等を制御し、燃料ガスの供給量が２．３リットル／分、空気供給量が５０リットル／分、水の供給量がＳ／Ｃが２．５となるように供給していたのを、緊急停止する際には、燃料ガス、空気、水の供給を瞬時に停止することになる。
しかしながら、高温作動型の燃料電池１では、燃料電池１の運転停止が緊急停止であった場合には、燃料ガス、空気、水の供給が瞬時に停止されるため、燃料電池１の燃料極層２３への燃料ガス供給が急激に停止され、この状態で燃料電池１が冷却するため、収納容器３内が負圧となって燃焼ガス排出口等から外気が侵入し、燃料電池１内にも侵入するおそれがある。これにより、燃料電池１の燃料極層２３や支持体２１等が酸化されるおそれがあり、この状態で燃料電池１の温度が室温程度まで低下し、燃料電池１の運転が停止する。
そして、燃料電池１の運転を再起動する際には、燃料電池１の温度が室温程度まで低下した段階から、燃料ガスが燃料電池１の燃料極層２３に供給され、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、急激に燃料電池１を加熱するため、酸化された燃料電池１の燃料極層２３の還元が急激に進行し、燃料電池１に高い応力が生じ易い。
そこで、本実施形態では、制御装置１０により、記憶装置で記憶された燃料電池１の運転停止が緊急停止であった後の再起動の際に、燃料電池１の運転停止が通常停止であった後の再起動時よりも燃料電池１に供給される燃料ガス供給量を減少させるように、燃料ガス供給装置を制御する。
この形態では、燃料電池１の運転停止が緊急停止であった後の再起動工程全体が、燃料電池１の運転停止が通常停止であった後の再起動よりも燃料ガス供給量を低下させても良い。この場合には、燃料電池１の燃料極層２３や該燃料極層２３が設けられる導電性支持体２１等が酸化されていたとしても、ゆっくり還元され、燃料極層２３や導電性支持体２３等が急激に体積収縮することがなく、燃料電池１への急激な応力発生を抑制でき、燃料電池１の緊急停止後の再起動時に燃料電池１に作用する悪影響を低減できる。また、下記のように、再起動工程の少なくとも一部の工程を燃料ガス供給量減少モードとしても良い
一方、燃料電池１の再起動時に燃料ガスを燃焼させるため、燃料電池１の燃焼する側の第１端部（上端部）に対して、燃料電池１の燃焼する側の第１端部（上端部）と反対側の第２端部（下端部）は低温である。特に、燃料電池１の下端部の温度が、燃料ガス中の水が水蒸気化する温度未満の場合には、低温の燃料電池１の下端部に燃料ガスが供給されると、燃料ガス中の水蒸気が液化して水となり、燃料電池１の燃焼する側の端部（上端部）に供給される燃料ガス中のＳ／Ｃが設計値よりも低くなり、燃料極層２３や該燃料極層２３が設けられる導電性支持体２１等にカーボンが析出するおそれがある。
言い換えれば、燃料電池１の下端部が、水が水蒸気化する温度以上、例えば１００℃以上の高温である場合には、燃料ガス中の水蒸気がそのまま燃焼する側の燃料電池端部における燃料極層２３に供給され、設計通りのＳ／Ｃとなる。しかしながら、燃料電池１の下端部の温度が、水が水蒸気化する温度よりも低い場合には、燃料ガス中の水蒸気が液化して、燃料電池１の燃焼する側の上端部に供給される燃料ガス中のＳ／Ｃが低くなり、燃料極層２３や該燃料極層２３が設けられる支持体２１等にカーボンが析出し、燃料電池１に悪影響を与えるおそれがある。水が水蒸気となる温度とは、９５〜１０５℃とされている。
そこで、本形態では、制御装置１０は、燃料電池１の再起動中における温度センサ１７による温度が所定温度に達すると、該所定温度以前よりも燃料電池１に供給される燃料ガス供給量を減少させるように、燃料ガス供給装置を制御する。例えば、温度センサ１７が、水が水蒸気となる温度以上となった場合には、燃料ガス供給量を減少させるように制御する。
すなわち、図６に示すように、制御装置１０は、燃料電池１の運転停止が緊急停止であった場合に、例えば、燃料電池１の下端部が、燃料ガス中の水が水蒸気化する温度となるまでは、早い速度で燃料電池１を加熱し、急速昇温モードとする。そして、燃料電池１の下端部が、燃料ガス中の水が水蒸気化する温度に達した後は、燃料ガス供給量減少モードとして、それ以前よりも燃料電池１に供給される燃料ガス供給量を減少させ、発電に用いられなかった燃料ガスの燃焼による燃料電池１の昇温速度を低下させて、燃料電池１をゆっくり加熱するようにした。
言い換えれば、起動開始から燃料電池１の下端部が燃料ガス中の水が水蒸気化する温度となるまでは、燃料ガス量の供給を多くし、燃料電池セル２０の上方で燃焼させる燃焼ガス量を多くし、燃料電池１を急速昇温し、燃料電池１の下端部が燃料ガス中の水が水蒸気化する温度となった後は、それ以前よりも燃料ガス量の供給を少なくし、燃料電池セル２０の上方で燃焼させる燃焼ガス量を少なくし、燃焼電池１をゆっくり昇温させる。なお、燃料電池１の下端部の温度が基準に燃料ガス供給量を制御したが、その他の燃料電池１近傍の温度であっても、ほぼ同様の効果を得ることができる。
燃料電池１が、複数の長尺状の燃料電池セル２０を、該燃料電池セル２０の長手方向と直交する方向に列状に配列して構成されており、燃料電池セル２０は、該燃料電池セル２０の長手方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路２２を有する場合には、燃料電池セル２０の長手方向に温度差が生じやすいため、本発明を好適に用いることができる。
図７（ａ）に、燃料電池１の下端部の温度Ｔと、起動時間ｔとの関係を示し、図７（ｂ）に、燃料電池１に供給する燃料ガス量Ｌと起動時間ｔとの関係を示す。
本形態の再起動について、図６、図7を基に詳細に説明する。先ず、例えば、再起動スイッチを押すことにより、再起動指令が制御装置１０に伝達され、制御装置１０では、記憶装置により、再起動する直前の燃料電池１の運転停止が通常停止であるか、または緊急停止のいずれかであるかを判断する。そして、通常停止である場合には、通常起動を行う。すなわち、制御装置１０はポンプ１１、ブロア１３等を制御し、例えば、燃料ガスの供給量を２．５リットル／分、空気供給量を４０リットル／分、水の供給量がＳ／Ｃが２．５となるように制御する。通常停止の場合には、燃料電池の燃料極層が酸化しないように停止するため、急速昇温モードとし、早い速度で再起動しても、燃料電池１には支障ない。通常起動の場合を図７に破線で示す。
一方、緊急停止である場合には、燃料電池１の下端部が、燃料ガス中の水が水蒸気化する温度、例えば１００℃に達するまでは、例えば、制御装置１０はポンプ１１、ブロア１３等を制御し、燃料ガスの供給量を２．５リットル／分、空気供給量を４０リットル／分、水の供給量がＳ／Ｃが２．５となるように制御し、急速昇温モードで運転する。燃料電池１の下端部が、燃料ガス中の水が水蒸気化する温度に達した後は、燃料ガス供給量減少モードで運転する。燃料ガス供給量減少モードでは、燃料ガスは、急速昇温モードにおける燃料ガス量の８０％以下、特には６０％以下であることが望ましい。例えば、制御装置１０はポンプ１１、ブロア等を制御し、燃料ガスの供給量を１．２リットル／分、空気供給量を４０リットル／分、水の供給量がＳ／Ｃが２．５となるように制御する。
燃料電池１の燃焼する側の第１端部と反対側の第２端部、図３（ａ）で言えば、燃料電池１の下端部の温度Ｔは、温度センサ１７の信号から求める。すなわち、温度センサ１７は、複数の燃料電池セル２０の配列方向ｘの中央部であって、燃料電池セル１０の長手方向ｙの中央部に設けられている。温度センサ１７は、燃料電池１の最も高温となる部分に配置され、燃料電池１の温度を常時監視している。そして、燃料電池１の下端部の温度は、予め、複数の燃料電池セル２０の配列方向ｘの中央部における、燃料電池セル１０の長手方向ｙの中央部の温度と、燃料電池１の下端部の温度との相関関係を求めておき、温度センサ１７からの信号に基づき算出される。
燃料電池１の温度は、燃焼領域１５から離れているという理由から燃料電池セル１０の下端部が低く、熱を放散しやすいという点から、燃料電池セル１０の配列方向ｘの両端部が低くなる。このため、図３（ａ）に○印で示すように、燃料電池セル１０の配列方向ｘの端部であって、燃料電池１の下端部に温度センサ１７を配置し、最も温度の低い部分の温度を算出し、この温度を基準に燃料ガス供給量減少モードに移行することが望ましい。
以上のような本形態では、燃料電池１の温度が、燃料ガス中の水が水蒸気となる温度以上では、燃料ガス供給量減少モードで燃料電池１をゆっくりと昇温するため、燃料電池１の燃料極層２３や導電性支持体２１が酸化されていたとしてもゆっくり還元され、燃料極層２３や導電性支持体２１の急激な体積収縮が抑制される。これにより、燃料電池１への急激な応力発生を抑制でき、燃料電池１の緊急停止後の再起動時に燃料電池１に作用する悪影響を低減できる。
また、燃料電池１全体を、燃料ガス中の水が水蒸気となる温度以上の温度に迅速に昇温でき、燃料電池１の燃焼する側の上端部に供給される燃料ガス中のＳ／Ｃを高く維持し、燃料極層２３や該燃料極層２３が設けられる導電性支持体２１等におけるカーボン析出を防止、もしくは低減できる。
また、燃料ガス中の水が水蒸気化する温度とは、約１００℃であるが、起動時間の短縮という観点から、１００℃よりも高い、燃料電池セル１０の燃料極層２３を構成する金属の酸化物が還元する温度以上で、燃料ガス供給量減少モードに移行するように制御することもできる。例えば、燃料極層２３を構成する金属がＮｉである場合には、ＮｉＯがＮｉに還元される温度は、約２５０℃以上であるため、２５０℃までは急速昇温モードとし、２５０℃以上となったら、燃料ガス供給量減少モードに移行する。この状態を、図７（ａ）に追加して記載した。
これにより、燃料電池１の燃焼する側の上端部に供給される燃料ガス中のＳ／Ｃを設計通りに維持できるとともに、燃料極層２３を構成する金属の酸化物、例えばＮｉＯが還元する温度までは燃料電池１を急速に昇温するため再起動時間を短くできる。さらに、燃料極層２３を構成する金属の酸化物が還元する温度以上ではゆっくり昇温するため、燃料極層２３の急激な体積収縮が抑制され、燃料電池１への急激な応力発生を抑制できる。
さらに、燃料ガス供給量減少モードでは着火装置１６を作動することが望ましい。燃料ガス供給量減少モードでは燃料ガス供給量が少なくなるため、発電に使用されなかった燃料ガスの燃焼が失火し易いが、燃料ガス供給量減少モードで、着火装置１６を常時作動することにより、失火を防止できる。
なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
例えば、上記形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池について説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池であっても良いことは勿論である。さらに、燃料極層、固体電解質、酸素極層を順次設けてなる平板状の燃料電池セルと、燃料極層に接続する燃料側インターコネクタと、前記酸素極層に接続する酸素側インターコネクタとの積層体を隔離板を介して複数積層してなり、燃料極層及び酸素極層の中央部にそれぞれ燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて燃料極層および酸素極層の外周部に向けて流れ、燃料電池セルの外周部から余剰の燃料ガスおよび酸素含有ガスが放出され、燃焼されるタイプの平板型燃料電池にも応用できる。
１：燃料電池
７：保安メータ
９：燃料ガス供給ライン
１０：制御装置
１２：酸素含有ガス供給ライン
１５：燃焼領域
１６：着火装置
１７：温度センサ
２０：燃料電池セル
２１：導電性支持体
２２：燃料ガス流路
２３：燃料極層
２４：固体電解質
２６：酸素極層
２８：インターコネクタ
３８：燃料電池モジュール
４３：燃料電池装置

Claims (7)

  1. 固体電解質と該固体電解質を挟むように設けられた酸素極層と金属を含有する燃料極層とを備え、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを第１端部側で燃焼させる燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給装置と、前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給するための酸素含有ガス供給装置と、前記燃料電池の運転停止が通常停止または緊急停止のいずれであるかを記憶する記憶装置と、少なくとも前記燃料ガス供給装置および前記酸素含有ガス供給装置を制御する制御装置と、前記燃料電池近傍の温度を測定する温度検出装置とを具備し、
    該制御装置は、前記燃料電池の運転停止後の再起動の際に、前記記憶装置で記憶された前記燃料電池の運転停止が緊急停止であった場合において、前記燃料電池の再起動中における前記温度検出装置による温度が前記燃料極層を構成する前記金属の酸化物が還元する温度に達すると、前記燃料電池の運転停止が通常停止であった後の再起動時よりも前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量を減少させる燃料ガス供給減少モードを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記燃料電池の再起動中における前記温度検出装置による温度が前記燃料極層を構成する前記金属の酸化物が還元する温度に達すると、前記金属の酸化物が還元する温度以前よりも前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量を減少させるように、前記燃料ガス供給装置を制御す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. 前記燃料電池は、複数の長尺状の燃料電池セルが、該燃料電池セルの長手方向と直交する方向に列状に配列され、前記複数の燃料電池セルを電気的に接続して構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記温度検出装置が、前記燃料電池における前記燃料電池セルの配列方向中央部で、かつ前記燃料電池セルの長手方向中央部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 固体電解質と該固体電解質を挟むように設けられた酸素極層と金属を含有する燃料極層とを備え、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなか
    った前記燃料ガスを第1端部側で燃焼させる燃料電池と、
    前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給装置と、
    前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給するための酸素含有ガス供給装置と、
    前記燃料電池の運転停止が通常停止または緊急停止のいずれかであることを記憶する記憶装置と、
    前記燃料電池近傍の温度を測定する温度検出装置と、
    少なくとも前記燃料ガス供給装置および前記酸素含有ガス供給装置を制御する制御装置と、を具備し、
    前記燃料電池の運転停止後の再起動の際に、前記記憶装置で記憶された前記燃料電池の運転停止が緊急停止であった場合において、前記燃料電池の再起動中における前記温度検出装置による温度が前記燃料極層を構成する前記金属の酸化物が還元する温度に達すると、前記燃料電池の運転停止が通常停止であった後の再起動時に前記燃料電池に供給する燃料ガス供給量よりも減少させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  7. 前記燃料極層を構成する前記金属の酸化物が還元する温度に達すると、前記金属の酸化物が還元する温度以前に前記燃料電池に供給していた燃料ガス供給量よりも減少させ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の運転方法。
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