JP6103120B1 - 燃料電池装置及び燃料電池装置の運転制御方法 - Google Patents

燃料電池装置及び燃料電池装置の運転制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても緊急停止の回数を少なくして燃料電池モジュールの寿命を長くすること。【解決手段】燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池４を備え、固体酸化物形燃料電池４を気密筐体３内に配置した燃料電池装置１であって、気密筐体３内の上部に滞留した可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇを検出するガス濃度検出部３０と、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えた場合、燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えない場合であって、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えた場合、燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部Ｃと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても緊急停止の回数を少なくして燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる燃料電池装置及び燃料電池装置の運転制御方法に関する。
燃料電池においては燃料ガスが空気極側にクロスリークすることがある。燃料電池モジュールでは、燃料ガスのクロスリークを無くすことは難しく、燃料ガスのクロスリーク量を規定値内に抑えるため、燃料極と空気極との差圧を精度良く抑制したり、ヒートショックなどによる燃料ガスのクロスリーク量の増加を抑えるため、負荷変化速度の抑制などを行っている。
この燃料ガスのクロスリーク量を運転中に直接計測することは困難であるため、燃料電池の局部発熱や特性劣化などを検出することによってクロスリーク量を間接的に検出している。この結果、燃料ガスのクロスリークが規定値以上となる燃料電池の異常状態を迅速に検出できず、空気極外部での燃料ガスの燃焼などによって燃料電池のダメージが大きくなる。
特許文献１では、ガス検知センサを、燃料電池などを収納するパッケージ上部に設置し、パッケージ内に漏洩する可燃性滞留ガスのガス濃度を検知し、ガス濃度が規定値以上になった場合、換気ファンで可燃性滞留ガスを排出するガス濃度調整を行うようにしている。
特許文献２では、クロスリークに関する諸条件を設け、その条件を満たさなかった場合、アノードへの水素の供給を停止して燃料電池スタックの運転を停止する緊急停止を行うようにしている。
特開２００３−２２９１４８号公報 特開２００６−２９４４９７号公報
しかし、特許文献１に記載されたように換気ファンを用いて可燃性滞留ガスを外部に排出すると、燃料電池の筐体内温度バランスが崩れ、装置が緊急停止する可能性が高くなる。この緊急停止の回数の増大は、燃料電池の電極寿命を低下させてしまう。特に、固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が６００℃〜１０００℃程度である。したがって、高温型燃料電池が緊急停止すると、急激な温度低下によって電池内に温度分布がつきクラックが発生する等で燃料電池の寿命が短くなる。
また、同様に、特許文献２に記載されたように諸条件を満たさなかったらすぐに緊急停止するようにすると、緊急停止の回数が増え、燃料電池の寿命が短くなる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても緊急停止の回数を少なくして燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる燃料電池装置及び燃料電池装置の運転制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる燃料電池装置は、燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出する差圧検出部と、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、かつ、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、前記差圧を調整しても前記差圧が前記所定差圧以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部と、を備え、前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置は、燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出する温度検出部と、前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出する差圧検出部と、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、かつ、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、前記ガス濃度が所定濃度を超え、かつ、前記差圧が前記所定差圧以下であり、かつ、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、前記温度を調整しても前記温度が前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部と、を備え、前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行い、前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置は、燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出する温度検出部と、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、かつ、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、前記温度を調整しても前記温度が前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部と、を備え、前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記気密筐体内の上部と前記気密筐体外とを連通する配管を備え、前記ガス濃度検出部は、前記配管上に設けられることを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記配管の前記ガス濃度検出部より上流側に冷却部を備えていることを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置の運転制御方法は、燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置の運転制御方法であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出し、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出し、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、前記差圧を調整しても前記差圧が前記所定差圧以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行い、前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置の運転制御方法は、燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置の運転制御方法であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出し、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出し、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、前記ガス濃度が所定濃度を超え、かつ、前記差圧が前記所定差圧以下である場合、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出し、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、前記温度を調整しても前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行い、前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行い、前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料電池装置の運転制御方法は、燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置の運転制御方法であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出し、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出し、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、前記温度を調整しても前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行い、前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする。
本発明によれば、燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても、ガス濃度が上限濃度以下であれば緊急停止されず、所定濃度を超えた場合にガス濃度の上昇防止処理を実行しているので、緊急停止の回数が少なくなり燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる。
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、燃料接続部の詳細構成を示す一部破断図である。 図３は、図１に示した燃料電池装置の冷却部の一態様を示す説明図である。 図４は、図１に示した燃料電池装置の冷却部の一態様を示す説明図である。 図５は、制御部によるガス濃度に対する運転制御処理手順を示すフローチャートである。 図６は、制御部によるガス濃度に対する運転制御処理手順の変形例１を示すフローチャートである。 図７は、制御部によるガス濃度に対する運転制御処理手順の変形例２を示すフローチャートである。 図８は、制御部によるガス濃度に対する運転制御処理手順の変形例３を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置１の全体構成を示すブロック図である。燃料電池装置１は、燃料電池モジュール２を有する。燃料電池モジュール２は、断熱気密筐体３内部に設けられた燃料電池スタック４を有する。燃料電池スタック４は、燃料供給ラインＬ１０から導入される燃料と、空気供給ラインＬ２０から導入される空気とを反応させて発電する発電セル４ａを複数設けたセルスタックである。
燃料電池スタック４は、例えば円筒形の発電セル４ａを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セル４ａを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施の形態の燃料電池スタック４は、発電セル４ａが円筒形であり、円筒内側に燃料極が形成され、円筒外側に空気極が形成されている。したがって、円筒内には燃料が流入する。燃料電池スタック４は、燃料極と空気極との間に、電解質としてイオン導電性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
燃料供給ラインＬ１０から供給される燃料は、図示しない原燃料（例えば、メタンガスや都市ガス等）に対して図示しない脱硫器によって硫黄成分が除去され、さらに図示しない改質器によって改質されて水素リッチとなっている。
燃料供給ラインＬ１０から供給された燃料は、燃料供給ブロア１０によって流量調整される。燃料供給ブロア１０から導出される燃料は、燃料供給ラインＬ１１、燃料供給ラインＬ１２を介して燃料電池モジュール２内の燃料接続部１２に供給される。燃料は、燃料供給ラインＬ１２から燃料接続部１２に流入する。燃料接続部１２は、燃料供給ラインＬ１２から供給された燃料を各発電セル４ａの円筒内に供給する。
燃料電池スタック４の発電セル４ａ内で反応あるいは未反応の燃料オフガスは、燃料接続部１６で集められ、燃料オフガスラインＬ１３、燃料オフガスラインＬ１４を介して排出される。燃料オフガスラインＬ１４には、差圧調整弁４０が備えられている。差圧調整弁４０は、流量を調整可能な弁であり、絞ると燃料極内の燃料ガスの圧力が増し、開けると、燃料極内の燃料ガスの圧力が減少するようになっている。
一方、空気供給ラインＬ２０からの空気は、空気供給ブロア２０によって流量調整される。空気供給ブロア２０から導出される空気は、空気供給ラインＬ２１、燃料電池モジュール２内の空気供給ラインＬ２２を介して燃料電池モジュール２内に供給される。空気供給ラインＬ２２から導出された空気は、発電セル４ａの空気極を介して燃料極の燃料と反応する。燃料電池モジュール２内の空気は、燃料電池モジュール２内の空気排出ラインＬ２３、空気排出ラインＬ２４を介して排出される。空気供給ラインＬ２２および空気排出ラインＬ２３は、空気接続部２３を構成する。
図２は、燃料接続部１２の詳細構成を示す一部破断図である。図２に示すように、燃料接続部１２は、シール１３ａを介して円筒形の発電セル４ａを接続する。燃料圧は、空気圧に比して大きく、燃料電池スタック４は、起動時に常温から６００℃〜１０００℃程度まで変化するため、シール１３ａから燃料が漏れる可能性がある。特に、発電セル４ａは、温度変化に伴い軸方向および径方向に伸縮するため、燃料漏れが生じる可能性が大きい。この漏れたガスは、水素やメタンを主成分とするものであり、空気よりも軽いため、断熱気密筐体３の上部に可燃性滞留ガスＧＡとして滞留する。
そこで、図１に示すように、断熱気密筐体３の上部に、ガス検知用ラインＬ３０を接続し、ガス検知用ラインＬ３０上に可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇを検出するガス濃度検出部３０を設ける。ガス検知用ラインＬ３０のガス濃度検出部３０よりも上流側には、冷却部３１を設ける。冷却部３１は、ガス検知用ラインＬ３０を流れるガスを冷却するものである。冷却部３１によって、ガス検知用ラインＬ３０を流れる水蒸気を凝縮する。冷却部３１は、図３に示すように、熱交換器３１ａを設けてなるものでもよいし、図４に示すように、ガス検知用ラインＬ３０を蛇行配管３１ｂとしたものであってもよい。ガス濃度検出部３０の下流にはバルブＶ１が設けられ、バルブＶ１は、ガス濃度検出部３０によるガス濃度検出を行う場合に開にされる。なお、ガス検知用ラインＬ３０上に、吸引ポンプを設け、ガス濃度検出時に可燃性滞留ガスＧＡを吸引するようにしてもよい。なお、ガス濃度検出部３０は、燃料電池モジュール２の外部に設けられるため、運転温度が６００℃〜１０００℃程度となる高温型燃料電池であってもガス濃度検出を行うことができる。
図１に示すように、燃料電池モジュール２は、燃料極出口の燃料圧を検出する圧力検出部Ｐ１と、空気極側の空気圧を検出する圧力検出部Ｐ２と、燃料電池スタック４のスタック温度Ｔを検出する温度検出部Ｔ１とを有する。なお、圧力検出部Ｐ１、Ｐ２に替えて燃料圧と空気圧との差圧を検出する差圧検出部を設けてもよい。制御部Ｃは、可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇをサンプリング検出させる。制御部Ｃは、可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇを検出する場合、バルブＶ１を開にし、ガス濃度検出部３０が検出したガス濃度Ｇを取得する。また、制御部Ｃは、圧力検出部Ｐ１が検出した燃料圧と圧力検出部Ｐ２が検出した空気圧とを取得し、燃料圧と空気圧との差圧ΔＰを求める。また、制御部Ｃは、温度検出部Ｔ１が検出したスタック温度Ｔを取得する。
制御部Ｃは、サンプリング検出した可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合、燃料電池装置１を緊急停止させる。緊急停止とは、即時に燃料電池装置１の負荷を遮断し、燃料の供給も停止し、熱源も停止し、燃料極には、不活性ガスである窒素だけを注入して燃料電池スタック４の温度を下げ、燃料電池装置１を停止させることである。尚、空気極には、空気を供給し続け、空気極側からも冷却を行う。また、制御部Ｃは、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超え、かつ、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超える場合、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量を調整することによって差圧を調整する、および／または、差圧調整弁４０の開度を調整することによって、差圧を調整する。ここで、所定濃度Ｇｔｈとは、例えば爆発限界濃度の１/３〜１/４、上限濃度Ｈｔｈは、例えば爆発限界濃度の１／２とする。また、制御部Ｃは、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超え、かつ、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超える場合、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量を調整する。この際には、空気供給ブロア２０の流量を増加させるとよい。尚、温度調整よりも差圧調整を先に行う理由は、差圧制御はガス濃度上昇の直接原因となる燃料極と空気極の間のガスリーク量を抑えるために行い、その後、温度制御を行い、可能な限り燃料電池の運転を維持するよう制御するためである。
また、制御部Ｃは、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超え、かつ、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超える場合、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量調整を行っても又は、差圧調整弁４０の開度の調整を行っても、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下とならない場合には、燃料電池装置１を緊急停止に比して緩やかに停止させる通常停止を行う。この通常停止では、燃料電池スタック４のスタック温度Ｔが緩やかに降下する。ここで、通常停止について説明する。通常停止とは、まず、燃料ガスである水素と不活性ガスである窒素との混合気体を燃料極に注入しながら燃料電池スタック４の温度を下げる。燃料電池スタック４の温度が、４００度くらいまで下がったら、今度は、窒素だけを燃料極に注入しながら燃料電池スタック４の温度を下げる。更に燃料電池の温度が１００度くらいまで下がったら、窒素の代わりに空気を注入しながら燃料電池スタック４の温度を下げてもよい。尚、空気極には、空気を供給し続け、空気極側からも冷却を行う。また、燃料電池スタック４の温度を下げながら、運転負荷を１００％から段階的に下げて行き、それに伴い燃料極側に送るガス流量を調整する。このように、なるべく電極が劣化しないように燃料電池装置１を緩やかに停止させる。制御部Ｃは、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超え、かつ、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超える場合、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量調整を行っても、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下とならない場合には、燃料電池装置１を緊急停止に比して緩やかに停止させる通常停止を行う。
（ガス濃度Ｇに対する運転制御処理）
つぎに、図５に示したフローチャートを参照して、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の詳細について説明する。図５に示すように、まず、制御部Ｃは、取得したガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）には、燃料電池装置１を緊急停止し（ステップＳ１０２）、本処理を終了する。
一方、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えない場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）には、さらに、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）には、さらに、運転停止指示があったか否かを判断する（ステップＳ１０４）。運転停止指示があった場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）には、運転を通常停止させて（ステップＳ１０５）、本処理を終了する。一方、運転停止指示がない場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返す。
ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超える場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）には、さらに差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えたか否かを判断する（ステップＳ１０６）。差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えた場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、制御部Ｃは、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量調整による差圧調整、および／または、差圧調整弁４０による差圧調整を行う（ステップＳ１０７）。その後、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となったか否かを判断する（ステップＳ１０８）。差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下とならない場合（ステップＳ１０８，Ｎｏ）には、ステップＳ１０５に移行して、通常停止を行って本処理を終了する。
一方、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となった場合（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）、または、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えない場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）には、には、さらに、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えたか否かを判断する（ステップＳ１０９）。スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えた場合（ステップＳ１０９，Ｙｅｓ）には、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量調整による温度調整を行う（ステップＳ１１０）。その後、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となったか否かを判断する（ステップＳ１１１）。スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下とならない場合（ステップＳ１１１，Ｎｏ）には、ステップＳ１０５に移行して、通常停止を行って本処理を終了する。
スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となった場合（ステップＳ１１１，Ｙｅｓ）、または、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えない場合（ステップＳ１０９，Ｎｏ）には、ステップＳ１０４に移行する。
（ガス濃度Ｇに対する運転制御処理の変形例１）
図３５に示したステップＳ１０９〜Ｓ１１１の処理を行わなくてもよい。すなわち、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えるか否かの判断処理と温度調整とを行わず、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えた場合で差圧調整を行っても差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下とならない場合のみ、通常停止を行う。図６は、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の変形例１を示すフローチャートである。図６に示したフローチャートを参照して、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の変形例１の詳細について説明する。
先ず、制御部Ｃは、取得したガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えるか否かを判断する（ステップＳ２０１）。ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）には、燃料電池装置１を緊急停止し（ステップＳ２０２）、本処理を終了する。
一方、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えない場合（ステップＳ２０１，Ｎｏ）には、さらに、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えるか否かを判断する（ステップＳ２０３）。ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えない場合（ステップＳ２０３，Ｎｏ）には、さらに、運転停止指示があったか否かを判断する（ステップＳ２０４）。運転停止指示があった場合（ステップＳ２０４，Ｙｅｓ）には、運転を通常停止させて（ステップＳ２０５）、本処理を終了する。一方、運転停止指示がない場合（ステップＳ２０４，Ｎｏ）には、ステップＳ２０１に移行して上述した処理を繰り返す。
ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超える場合（ステップＳ２０３，Ｙｅｓ）には、さらに差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えたか否かを判断する（ステップＳ２０６）。差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えた場合（ステップＳ２０６，Ｙｅｓ）、制御部Ｃは、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量調整による差圧調整および／または、差圧調整弁４０による差圧調整を行う（ステップＳ２０７）。その後、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となったか否かを判断する（ステップＳ２０８）。差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下とならない場合（ステップＳ２０８，Ｎｏ）には、ステップＳ２０５に移行して、通常停止を行って本処理を終了する。
一方、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となった場合（ステップＳ２０８，Ｙｅｓ）、または、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈを超えない場合（ステップＳ２０６，Ｎｏ）には、には、ステップＳ２０４に移行する。
（ガス濃度Ｇに対する運転制御処理の変形例２）
図５に示したステップＳ１０６〜Ｓ１０８の処理を行わなくてもよい。すなわち、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｔｈ以下となるか否かの判断処理と差圧調整とを行わず、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えた場合で温度調整を行ってもスタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下とならない場合のみ、通常停止を行う。図７は、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の変形例２を示すフローチャートである。図７に示したフローチャートを参照して、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の変形例２の詳細について説明する。
まず、制御部Ｃは、取得したガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えるか否かを判断する（ステップＳ４０１）。ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合（ステップＳ４０１，Ｙｅｓ）には、燃料電池装置１を緊急停止し（ステップＳ４０２）、本処理を終了する。
一方、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えない場合（ステップＳ４０１，Ｎｏ）には、さらに、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えるか否かを判断する（ステップＳ４０３）。ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えない場合（ステップＳ４０３，Ｎｏ）には、さらに、運転停止指示があったか否かを判断する（ステップＳ４０４）。運転停止指示があった場合（ステップＳ４０４，Ｙｅｓ）には、運転を通常停止させて（ステップＳ４０５）、本処理を終了する。一方、運転停止指示がない場合（ステップＳ４０４，Ｎｏ）には、ステップＳ４０１に移行して上述した処理を繰り返す。
ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超える場合（ステップＳ４０３，Ｙｅｓ）には、さらに、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えたか否かを判断する（ステップＳ４０６）。スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えた場合（ステップＳ４０６，Ｙｅｓ）には、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となるように燃料供給ブロア１０および／または空気供給ブロア２０の流量調整による温度調整を行う（ステップＳ４０７）。その後、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となったか否かを判断する（ステップＳ４０８）。スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下とならない場合（ステップＳ４０８，Ｎｏ）には、ステップＳ４０５に移行して、通常停止を行って本処理を終了する。
スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以下となった場合（ステップＳ４０８，Ｙｅｓ）、または、スタック温度Ｔが所定温度Ｔｔｈを超えない場合（ステップＳ４０６，Ｎｏ）には、ステップＳ４０４に移行する。
（ガス濃度Ｇに対する運転制御処理の変形例３）
図８は、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の変形例３を示すフローチャートである。図８に示したフローチャートを参照して、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の変形例３の詳細について説明する。
先ず、制御部Ｃは、取得したガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えるか否かを判断する（ステップＳ３０１）。ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合（ステップＳ３０１，Ｙｅｓ）には、燃料電池装置１を緊急停止し（ステップＳ３０２）、本処理を終了する。
一方、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えない場合（ステップＳ３０１，Ｎｏ）には、さらに、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えるか否かを判断する（ステップＳ３０３）。ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えない場合（ステップＳ３０３，Ｎｏ）には、さらに、運転停止指示があったか否かを判断する（ステップＳ３０４）。運転停止指示があった場合（ステップＳ３０４，Ｙｅｓ）には、運転を通常停止させて（ステップＳ３０５）、本処理を終了する。一方、運転停止指示がない場合（ステップＳ３０４，Ｎｏ）には、ステップＳ３０１に移行して上述した処理を繰り返す。
ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超える場合（ステップＳ３０３，Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０５に移行して、通常停止を行って本処理を終了する。
本実施の形態では、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超える場合に、通常停止を行うか、差圧調整あるいは温度調整を行ってガス濃度Ｇの上昇を防止する調整を行い、この差圧調整あるいは温度調整によっても所望の差圧の範囲または温度の範囲にならない場合、早めに運転の通常停止を行うようにしているので、緊急停止の回数が少なくなり、燃料電池スタック４の触媒劣化を防止でき、燃料電池モジュール２の寿命を長くすることができる。
１ 燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
３ 断熱気密筐体
４ 燃料電池スタック
４ａ 発電セル
１０ 燃料供給ブロア
１１、１５、２１、２２ 接続部
１２ 燃料接続部
１３ａ シール
１６ 燃料接続部
２０ 空気供給ブロア
２３ 空気接続部
３０ ガス濃度検出部
Ｃ 制御部
Ｇ ガス濃度
ＧＡ 可燃性滞留ガス
Ｇｔｈ 所定濃度
Ｈｔｈ 上限濃度
Ｌ１０〜Ｌ１２ 燃料供給ライン
Ｌ１３、Ｌ１４ 燃料オフガスライン
Ｌ２０〜Ｌ２２ 空気供給ライン
Ｌ２３、Ｌ２４ 空気排出ライン
Ｌ３０ ガス検知用ライン
Ｐ１、Ｐ２ 圧力検出部
Ｔ スタック温度
Ｔ１ 温度検出部
Ｔｔｈ 所定温度
Ｖ１ バルブ
ΔＰ 差圧
ΔＰｔｈ 所定差圧

Claims (8)

  1. 燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置であって、
    前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、
    前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出する差圧検出部と、
    前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、かつ、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、前記差圧を調整しても前記差圧が前記所定差圧以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部と、
    を備え、
    前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする燃料電池装置。
  2. 燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置であって、
    前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、
    前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
    前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出する差圧検出部と、
    前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、かつ、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、前記ガス濃度が所定濃度を超え、かつ、前記差圧が前記所定差圧以下であり、かつ、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、前記温度を調整しても前記温度が前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部と、
    を備え、
    前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行い、
    前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする燃料電池装置。
  3. 燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置であって、
    前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、
    前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
    前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、かつ、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、前記温度を調整しても前記温度が前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行う制御部と、
    を備え、
    前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行うことを特徴とする燃料電池装置。
  4. 前記気密筐体内の上部と前記気密筐体外とを連通する配管を備え、
    前記ガス濃度検出部は、前記配管上に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
  5. 前記配管の前記ガス濃度検出部より上流側に冷却部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
  6. 燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置の運転制御方法であって、
    前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出し、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、
    前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出し、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、
    前記差圧を調整しても前記差圧が前記所定差圧以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行い、
    前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行う
    ことを特徴とする燃料電池装置の運転制御方法。
  7. 燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置の運転制御方法であって、
    前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出し、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、
    前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記燃料極における燃料と前記空気極における空気との差圧を検出し、前記差圧が所定差圧を超える場合、前記差圧が前記所定差圧以下となるように差圧を調整し、
    前記ガス濃度が所定濃度を超え、かつ、前記差圧が前記所定差圧以下である場合、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出し、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、
    前記温度を調整しても前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行い、
    前記差圧の調整は、燃料の流量、空気の流量、差圧調整弁の開度の少なくとも何れか１つを調整することによって行い、
    前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行う
    ことを特徴とする燃料電池装置の運転制御方法。
  8. 燃料が供給される燃料極と、空気が供給される空気極と、燃料極と空気極の間に設けられた電解質と、を有した固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池を気密筐体内に配置した燃料電池装置の運転制御方法であって、
    前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスのガス濃度を検出し、前記ガス濃度が上限濃度を超えた場合、前記燃料極への燃料の供給を即時停止して装置を停止させる、装置の緊急停止を行い、
    前記ガス濃度が上限濃度を超えない場合であって、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検出し、前記温度が所定温度を超える場合、前記温度が前記所定温度以下となるように温度を調整し、
    前記温度を調整しても前記所定温度以下とならなかった場合、前記燃料極への燃料の供給を行いながら装置の温度を下げて装置を停止させる装置の通常停止を行い、
    前記温度の調整は、燃料の流量、空気の流量の少なくとも何れか１つを調整することによって行う
    ことを特徴とする燃料電池装置の運転制御方法。
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