JP6148072B2

JP6148072B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP6148072B2
Application number: JP2013114331A
Authority: JP
Inventors: 伸彦鉢木; 栄造松井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: JP2014232709A

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックが知られている。また、セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

またこのような燃料電池装置の運転方法も多数提案されており、通常の燃料電池の運転停止のほか、燃料電池の異常を検知して運転停止を行なうなど、運転停止に関しても様々な運転停止方法が検討されている。

このような運転停止方法の一例としては、例えば、燃料ガスや酸化ガスの送給を高温状態で停止した後、燃料電池内を不活性ガスでパージすることで、高温状態で発電運転を停止させる運転停止工程を備える運転方法が例示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−１００１５３号公報

ところで、このような燃料電池装置の運転停止あたり、一般的には空気を用いて温度を下げて運転停止させることが検討されているが、この場合において、停止条件によっては燃料電池セルが酸化し、破損につながるおそれがあるという問題があった。

そこで、特許文献１のように高温状態において不活性ガスで燃料電池内をパージすることも提案されているが、この場合においては、不活性ガスが大量に必要となるおそれがあり、燃料電池装置が大型化するという問題もあった。

それゆえ、本発明では燃料電池装置の運転停止処理において、燃料電池セルの酸化を抑制しつつ、少ない量の不活性ガスで効率よく運転停止処理を行なうことができ、大型化を抑制できる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュール内の温度を測定する温度計測手段と、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成するための改質器と、該改質器に原燃料を供給する原燃料供給ラインと、前記改質器に水を供給する水供給ラインと、前記燃料電池セルに前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給ラインと、前記燃料電池モジュール内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ラインと、各供給ラインを流れる流体の供給および停止を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記燃料電池モジュールの運転停止が、異常による運転停止である場合に、前記原燃料供給ライン、前記酸素含有ガス供給ラインおよび前記水供給ラインの異常を検知する前に、前記温度計測手段により前記燃料電池モジュールの温度を測定し、前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度未満の場合は、前記原燃料供給ライン、前記酸素含有ガス供給ラインおよび前記水供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行ない、前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度以上の場合は、前記原燃料供給ラインまたは前記水供給ラインに異常があると検知した場合に、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を開始するとともに、前記原燃料供給ラインおよび前記水供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行ない、続いて前記温度計測手段により測定された前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度未満となった場合に、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を停止し、前記温度計測手段により測定された前記燃料電池モジュールの温度が、前記第１の設定温度よりも低い温度に設定された第２の設定温度未満となった場合に、前記酸素含有ガス供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行なうことを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、制御装置が、燃料電池モジュールの運転を停止する場合において、該運転の停止条件に応じて、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ライン、水供給ラインおよび不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給および停止を変更する制御を行なうことから、運転停止条件に応じて、各供給ラインを流れる流体の供給および停止を制御することで、燃料電池セルの酸化を抑制しつつ、少ない量の不活性ガスで効率よく運転停止処理を行なうことができ、大型化を抑制することができる。

本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。図２に示す燃料電池モジュールの断面図である。本実施形態の燃料電池モジュールの運転の停止制御の一例を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートのうちＡで示された部分を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートのうちＢで示された部分を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートのうちＢで示された部分を示すフローチャートである。本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。

図１に示す発電ユニットは、燃料側電極層、固体電解質層、空気側電極層を有する固体酸化物形の燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック５、都市ガス等の原燃料を後述する改質器３に供給する原燃料供給ポンプ１を有する原燃料供給ライン、セルスタック５を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給ポンプ（ブロワ）２を有する酸素含有ガス供給ライン、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器３を備えている。原燃料供給ライン１には原燃料供給ポンプ１より供給される原燃料の量を測定する原燃料流量計４１が設けられており、また酸素含有ガス供給ラインには、酸素含有ガス供給ポンプ２より供給される酸素含有ガスの量を測定する酸素含有ガス流量計４２が設けられている。

なお、図１に示す発電ユニットでは、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある。）が構成され、図１においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図１には示していないが、セルスタック５から排出される発電に使用されなかった排ガスを排出する排ガスラインには、該排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができるほか、モジュール４内には発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置を設けることができる。

また、図１に示す発電ユニットにおいては、セルスタック５を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器８に水を循環させる循環配管１５、熱交換器８で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置９、水処理装置９にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１１とが設けられており、水タンク１１と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。なお、本実施形態においては、モジュール４と熱交換器８との間を排ガスラインと呼ぶ。また、水処理装置９としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。

水タンク１１に貯水された水は、水タンク１１と改質器３とを接続する水供給管１３に備えられた水ポンプ１２により改質器３に供給される。なお、該水供給管１３には、水ポンプ１２より供給される水の流量を測定する水流量計４３が設けられており、本実施形態においては、この水ポンプ１２と改質器３との間を水供給ラインと呼ぶ。

さらに図１に示す発電ユニットは、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）６、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１４のほか、後述する各種機器の動作を制御する制御装置７が設けられており、循環配管１５内で水を循環させる循環ポンプ１７とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置７はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１６を具備して構成されている。なお、循環ポンプ１７は貯湯ユニット側に設けることもできる。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。

セルスタック５の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置７は原燃料供給ポンプ１、水ポンプ１２を作動させる。それにより、改質器３に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。

一方、制御装置７は酸素含有ガス供給ポンプ２を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。

なお、制御装置７はモジュール４において着火装置（図示せず）を作動させることにより、セルスタック５の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック５や改質器３の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。

セルスタック５の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、水処理装置９に供給される。凝縮水は、水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用すること
により、水自立運転を行なうことができる。

なお、上述の例においては熱交換器８にて生成される凝縮水のみを改質器３に供給する構成の燃料電池装置を用いて説明したが、改質器３に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置にて生成した純水が、水タンク１１に貯水されるよう各装置を接続する。

続いて、図１に示すモジュール４の一例について説明する。図２、図３は、本実施形態の燃料電池装置を構成するモジュール４の一例を示し、図２はモジュール４を示す外観斜視図であり、図３は図２に示すモジュール４の断面図である。

図２に示すモジュール４においては、収納容器１８の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル１９を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル１９間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル１９の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド２０に固定してなるセルスタック５を２つ備えるセルスタック装置２１を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル１９）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図２においては、セルスタック装置２１が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。また、収納容器１８には、モジュール４の温度を測定するための温度計測手段である熱電対２７が設けられている。

また、図２においては、燃料電池セル１９として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル１９を例示している。なお、燃料電池セル１９においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもでき、この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール４の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器１８の形状を適宜変更することが好ましい。

また、図２に示すモジュール４においては、燃料電池セル１９の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管２５を介して供給される都市ガス等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器３をセルスタック５の上方に配置している。また、改質器３は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部２３と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２２とを備えている。

そして、改質器３で生成された燃料ガス（水素含有ガス）は、燃料ガス流通管２４を介してマニホールド２０に供給され、マニホールド２０より燃料電池セル１９の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置２１の構成は、燃料電池セル１９の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置２１に改質器３を含むこともできる。

また図２においては、収納容器１８の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置２１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示したモジュ
ール４においては、セルスタック装置２１を、収納容器１８内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器１８の内部には、マニホールド２０に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル１９の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材２６が配置されている。

図３に示すように、モジュール４を構成する収納容器１８は、内壁２９と外壁３０とを有する二重構造で、外壁３０により収納容器１８の外枠が形成されるとともに、内壁２９によりセルスタック装置２１を収納する発電室３１が形成されている。さらに収納容器１８においては、内壁２９と外壁３０との間を、モジュール４の底部より供給され、燃料電池セル１９に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路３６としている。なお酸素含有ガスはモジュール４の底部に設けられた酸素含有ガス供給口（図示せず）より供給されて、反応ガス流路３６を流れる。

ここで、収納容器１８内には、収納容器１８の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３９とを備え、下端部に燃料電池セル１９の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口３２が設けられてなる反応ガス導入部材２６が、内壁２９を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部３９と内壁２９との間には断熱部材３３が配置されている。

なお、図３においては、反応ガス導入部材２６が、収納容器１８の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器１８内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材２６を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室３１内には、モジュール４内の熱が極端に放散され、燃料電池セル１９（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール４内の温度を高温に維持するための断熱部材３３が適宜設けられている。

断熱部材３３は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル１９の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル１９の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３３を配置することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材３３を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材２６より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル１９間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック５の両側面側に配置された断熱部材３３においては、燃料電池セル１９に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル１９の積層方向における温度分布を低減するための開口部３４が設けられている。なお、複数の断熱部材３３を組み合わせて開口部３４を形成するようにしてもよい。

また、燃料電池セル１９の配列方向に沿った内壁２９の内側には、排ガス用内壁３５が設けられており、内壁２９と排ガス用内壁３５との間が、発電室３１内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路３７とされている。なお、排ガス流路３７は、収納容器１８の底部に設けられた排気孔４０と通じている。また、排ガス用内壁３５のセルスタック５側にも断熱部材３３が設けられている。

それにより、モジュール４の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路３７を流れた後、排気孔４０より排気される構成となっている。なお、排気孔４０は収納容器１８の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。また、排気孔４０内に、モジュール４より排出される排ガスを浄化するための浄化装置（例えば、ハニカム状の燃焼触媒等）を設けることもできる。

なお、図示はしていないが、モジュール４においては、燃料電池セル１９を通過した燃料ガスを着火させるための着火装置が、燃料電池セル１９と改質器３との間に位置するように、収納容器２の側面より挿入されていることが好ましい。なお、着火装置により燃料電池セル１９を通過した燃料ガスを着火させることにより、モジュール４内の温度を高温とすることができるほか、燃料電池セル１９、改質器３の温度を高温に維持することができる。

以下に、本実施形態の燃料電池セル１９の構成について説明する。なお、燃料電池セル１９として、従来知られている中空平板型の燃料電池セル１９を用いて説明する。

燃料電池セル１９は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板（以下、支持基板と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層、固体電解質層及び空気側電極層を順次積層してなる柱状（中空平板状）からなる。また、燃料電池セル１９の他方の平坦面上にはインターコネクタが設けられており、インターコネクタの外面（上面）にはＰ型半導体層が設けられている。Ｐ型半導体層を介して、集電部材をインターコネクタに接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。

燃料側電極層は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層は、燃料側電極層、空気側電極層間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気側電極層は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気側電極層はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持基板としては、燃料ガスを燃料側電極層まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタを介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル１９を作製するにあたり、燃料側電極層または固体電解質層との同時焼成により支持基板を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板を形成することが好ましい。また、支持基板は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタを構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタは、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタは支持基板に形成されたガス流路を流通する燃料ガス、および支持基板の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

このような燃料電池セル１９を備えるモジュール４において、特にモジュール４の運転停止時において、支持基板や燃料側電極層に空気が供給されると、支持基板や燃料側電極層に含まれるＮｉが酸化されてＮｉＯとなることで体積膨張し、それにより燃料電池セル１９にクラックが入る等の破損が生じる場合があるため、モジュール４の運転停止においては、燃料電池セル１９の酸化を抑制しつつ運転を停止する運転制御が求められる。

特に、モジュール４の運転停止においては、通常の運転停止のほか、異常による運転停止など、様々なタイプの運転停止があるため、これら各種の運転停止に対応できる運転制御が求められる。

また、運転停止時において、窒素ガス等の不活性ガスを用いてモジュール４内をパージすることも知られているが、この場合、別途窒素ガスボンベが必要となり、このパージに大量の不活性ガスが必要となると、ボンベ自体が大型化し、それにより燃料電池装置が大型化するという問題がある。それゆえ、窒素ボンベ自体も小型の窒素ボンベで十分対応できる運転停止制御が可能な燃料電池装置が求められている。

そこで、本実施形態の燃料電池装置は、燃料電池モジュールの運転を停止する場合において、制御装置７が、モジュール４の運転停止条件に応じて、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ライン、水供給ラインおよび不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給および停止を変更する制御を行なうことを特徴とする。以降の説明について、各ラインを流れる流体の供給および停止を変更することを、各ラインを稼働するまたは停止すると表現する。なお言うまでもないが、原燃料供給ラインを流れる流体とは原燃料であり、酸素含有ガス供給ラインを流れる流体とは酸素含有ガスであり、水供給ラインを流れる流体とは水であり、不活性ガス供給ラインを流れる流体とは不活性ガスである。

図４〜図７は、本実施形態のモジュール４（燃料電池装置）の運転の停止制御の一例を示すフローチャートである。以下、図に示すフローチャートに基づいて、運転停止制御について説明する。

まず、制御装置１０は、停止処理をスタートするにあたり、ステップＳ１にて、その停止処理の開始が燃料電池装置の異常による処理か否かを判別する。停止処理の開始が異常によるものでない場合は、言い換えれば通常停止処理の場合は、続いてステップＳ７に進み、モジュール温度が第１の設定温度未満か否かを判別する。

支持基板や燃料側電極層が含有するＮｉは所定の温度以上において、空気による酸化反応が進みＮｉＯとなるが、所定の温度未満であれば酸化反応は進まない（もしくは進みにくい）ため、モジュールの温度が所定の温度未満であれば、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ラインおよび水供給ラインの稼働を直ちに停止しても、燃料電池セルが酸化により破損することは抑制できるととともに、効率よくモジュールの運転停止を行なうことができる。

それゆえ、ステップＳ７において、モジュール温度が上記の所定の温度を反映した第１の設定温度未満である場合には、続いてステップＳ８に進み、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ラインおよび水供給ラインの稼働を同時に停止する（以下、この３つのラインの稼働を同時に停止することをシャットダウンと呼ぶ。）制御を行なう。それにより、燃料電池セルが酸化により破損することを抑制できるととともに、効率よくモジュールの運転停止を行なうことができる。

一方、ステップＳ７において、モジュール温度が第１の設定温度以上である場合には、ステップＳ９に進み、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ラインおよび水供給ラインより供給される、原燃料、酸素含有ガスおよび水のそれぞれの量を徐々に低下する通常停止処理の制御を行なう。

なお、上述の第１の設定温度とは、Ｎｉの酸化が進まない温度範囲であればよいが、モジュールの運転停止を効率よく行なうことを目的として、例えば３００℃以下の範囲で適宜設定することができる。

ステップＳ１にて、停止処理の開始が燃料電池装置の異常によるものと判別された場合には、続いてステップＳ２に進み、その停止処理の開始がシステム重故障であるか否かを判別する。

システム重故障であると判別された場合に、そのままモジュールの運転停止処理を時間をかけて実施すると、その間に更に燃料電池装置に故障が生じるおそれがあるため、システム重故障と判別された場合には、直ちにシャットダウン処理を行なうことが好ましい。

なお、システム重故障とは、燃料電池装置の構成に応じて予め適宜設定すればよいが、例えば、温度計測手段２８により測定されたモジュール４の温度が８００℃以上となった場合や、図には示していないがＣＯ濃度センサにより測定された燃料電池装置内のＣＯの累積濃度が、あらかじめ定められた累積濃度となった場合等を設定することができる。

ステップＳ２にて、システム重故障ではないと判別された場合には、続いてステップＳ３に進み、上述したステップＳ７と同様にモジュール温度が第１の設定温度未満か否かを判別する。

ステップＳ３にて、モジュール温度が第１の設定温度未満と判別された場合には、上述のステップＳ８と同様に、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ラインおよび水供給ラインをシャットダウンする。それにより、燃料電池セルが酸化により破損することを抑制できるととともに、効率よくモジュールの運転停止を行なうことができる。

一方で、ステップＳ３にて、モジュール温度が第１の設定温度以上と判別された場合には、燃料電池装置の何に異常が生じているかを検知して、その結果に基づいて適宜制御を行なうことで、燃料電池セルが酸化により破損することを抑制できるととともに、効率よくモジュールの運転停止を行なうことができる。

それゆえ、ステップＳ３にて、モジュール温度が第１の設定温度以上と判別された場合には、続いてステップＳ４に進み、酸素含有ガス供給ラインに異常があるか否かを判別する。

なお、酸素含有ガス供給ラインに異常があるか否かとは、例えば制御装置７が酸素含有ガス供給ポンプ２に対して伝送した信号に基づく酸素含有ガスの供給量と、酸素含有ガス流量計４２が計測した実際の酸素含有ガスの流量とを比較して、その差が所定の範囲外となった場合に、酸素含有ガス供給ラインに異常があると判別すればよい。

酸素含有ガス供給ラインに異常があると判別された場合には、続いてステップＳ１０に進み、不活性ガス供給ラインを稼働させて、モジュール４内に不活性ガスの供給を開始するとともに、酸素含有ガス供給ラインを停止する。すなわち、異常が生じていると判別された酸素含有ガス供給ラインを停止し、代わりに不活性ガスの供給を開始することで、燃料電池セルの酸化をより効率よく抑制することができる。

なお、不活性ガス供給ラインの稼働を開始し、酸素含有ガス供給ラインを停止してしばらくの間は、モジュール４内に空気が多く残っているため、直ちに原燃料供給ラインおよび水供給ラインを停止すると、酸化反応が生じて、燃料電池セルの破損を生じるおそれがあるため、ステップＳ１０においては、原燃料供給ラインおよび水供給ラインはそのまま継続して稼働させておくことが好ましい。

続いて、ステップＳ１１に進み、上述のステップＳ３、７と同様に、モジュール温度が第１の設定温度未満か否かを判別する。モジュール温度が第１の設定温度未満である場合には、上述のステップＳ８と同様に、不活性ガス供給ライン、原燃料供給ラインおよび水供給ラインの稼働を停止する。

一方で、ステップＳ１１にて、モジュール温度が第１の設定温度以上であると判別された場合には、そのまま不活性ガスの供給を継続する。続いてステップＳ１３に進み、不活性ガスの供給が開始されてから、所定の時間であるＴ１分が経過したか否かを判別する。

ここで、Ｔ１分が経過していないと判別された場合には、再度ステップＳ１１に戻って、モジュール温度が第１の設定温度未満か否かを判別する。一方、Ｔ１分が経過した場合には、続いて排ガスラインを閉鎖する。

モジュール温度が高い状態で、不活性ガス供給ラインの稼働を停止する制御を行なった場合、モジュール内の排ガスを排気する排ガスラインを空気が逆流し、その逆流した空気によって、燃料電池セルが酸化されてしまうおそれがある。

それゆえ、例えば排ガスラインに電磁弁等を設けておき、ステップＳ１３において、不活性ガスの供給が開始されてからＴ１分が経過したと判別された場合には、電磁弁を閉鎖して、排ガスラインを閉鎖することが好ましい。それにより、モジュール温度が高い状態で不活性ガス供給ラインの稼働を停止する場合であっても、排ガスラインからの逆流を抑制でき、燃料電池セルの酸化を抑制することができる。

なお、所定の時間Ｔ１分とは、モジュールを構成する収納容器の体積や、不活性ガスを貯蔵する不活性ガスボンベ（例えば窒素ボンベ）の容量等に基づいて、適宜設定することができるが、例えば不活性ガスのボンベの容量が１５〜３０Ｌ程度である場合には、１〜１０分程度で設定することが好ましい。ちなみに、この場合において、不活性ガス供給ラインを稼働させてＴ１分が経過した時点で、モジュール４内の空気は不活性ガスにて排ガ
スラインより排気され、モジュール４内が不活性ガスにてパージできる時間となるように、設定することが好ましい。それにより、大型の不活性ガスボンベが必要なく、少量の不活性ガスにて効率よく停止処理を行なうことができる。

ステップＳ１４にて排ガスラインを閉鎖した後は、モジュール４内が不活性ガスにてパージされることから、ステップＳ１２に進んで、不活性ガス供給ライン、原燃料供給ラインおよび水供給ラインの稼働を停止する。

ステップＳ４にて、酸素含有ガス供給ラインに異常がないと判別された場合には、続いてステップＳ５に進み、原燃料供給ラインまたは水供給ラインに異常があるか否かを判別する。

なお、原燃料供給ラインに異常があるか否かとは、例えば制御装置７が原燃料供給ポンプ１に対して伝送した信号に基づく原燃料の供給量と、原燃料流量計４１が計測した実際の原燃料の流量とを比較して、その差が所定の範囲外となった場合に、原燃料供給ラインに異常があると判別すればよい。

水供給ラインに異常があるか否かについても同様に、例えば制御装置７が水ポンプ１２に対して伝送した信号に基づく水の供給量と、水流量計４３が計測した実際の水の流量とを比較して、その差が所定の範囲外となった場合に、水供給ラインに異常があると判別すればよい。

ここで、原燃料供給ラインまたは水供給ラインに異常がないと判別された場合には、いわゆる各供給ラインには異常がないものと判別して、ステップＳ６に進み通常停止処理を行なう。

一方、原燃料供給ラインまたは水供給ラインに異常があると判別された場合には、ステップＳ１５に進み、不活性ガスラインを稼働させるとともに、原燃料供給ラインおよび水供給ラインを停止する制御を行なう。なお、この場合において、モジュールの温度を早期に低下させることを目的として、酸素含有ガス供給ラインの稼働は継続しておくことが好ましい。

ステップＳ１５にて、不活性ガスラインを稼働させるとともに、原燃料供給ラインおよび水供給ラインを停止する制御を行なった後は、続いてステップＳ１６に進み、モジュール温度が第１の設定温度未満か否かを判別する。

ステップＳ１６にて、モジュール温度が第１の温度未満と判別された場合には、続いて、ステップＳ１７に進んで不活性ガス供給ラインの稼働を停止する。モジュールの温度が第１の設定温度未満であれば、不活性ガスを供給しなくても燃料電池セルの酸化反応が進まないことから、不活性ガス供給ラインの稼働を停止することで、不活性ガスの使用量が増大することを抑制することができる。なお、この間、酸素含有ガス供給ラインは継続して稼働している。

ステップＳ１７にて不活性ガス供給ラインの稼働を停止した後は、ステップＳ１８に進み、モジュール温度が第２の設定温度未満か否かを判別する。なお第２の設定温度は、第１の設定温度よりも低い温度に設定され、酸素含有ガス供給ラインからの酸素含有ガスが供給されなくても特に問題が生じない温度であり、例えば９０〜１２０℃の範囲で適宜設定することができる。

ステップＳ１８にて、モジュールの温度が第２の設定温度以上の場合は、このフローを
くり返し行なう。一方、ステップＳ１８にて、モジュールの温度が第２の設定温度未満となった場合には、ステップＳ２０に進み、酸素含有ガス供給ラインの稼働を停止する。それにより、酸素含有ガス供給ラインを効率よく停止させることができる。

ステップＳ１６にて、モジュール温度が第１の設定温度以上であると判別された場合には、そのまま不活性ガスの供給を継続する。続いてステップＳ２０に進み、不活性ガスの供給が開始されてから、所定の時間であるＴ２分が経過したか否かを判別する。

ここで、Ｔ２分が経過していないと判別された場合には、再度ステップＳ１６に戻って、モジュール温度が第１の設定温度未満か否かを判別する。一方、ステップＳ２０において、Ｔ２分が経過したと判別された場合には、モジュール内が既に不活性ガスにてパージができていると判断して、続いてステップＳ２１に進んで酸素含有ガス供給ラインを停止する。それにより、Ｔ２分までの間は、酸素含有ガスと不活性ガスとでモジュール４の温度を低下させることができるとともに、これ以降は不活性ガスのみが供給されることで、燃料電池セルの酸化を抑制することができる。

なお、Ｔ２分とは燃料電池装置の大きさ等に基づいて適宜設定することができ、例えば図６で示したＴ１分と同じとすることもできる。

続いてステップＳ２１にて酸素ガス供給ラインを停止した後、続いてステップＳ２２に進み、不活性ガスの供給が開始されてから、所定の時間であるＴ３分が経過したか否かを判別する。なお、Ｔ３分は上述のＴ２分よりも長いことは言うまでもない。

ステップＳ２２にて、Ｔ３分が経過していないと判別された場合は、再度Ｓ２１に戻って、不活性ガスの供給が開始されてから、所定の時間であるＴ３分が経過するまでこれをくり返す。

一方、ステップＳ２２にて、Ｔ３分が経過したと判別された場合は、続いてステップＳ２３に進んで、排ガスラインを閉鎖する。

それゆえ、例えば排ガスラインに電磁弁等を設けておき、ステップＳ２２において、不活性ガスの供給が開始されてからＴ３分が経過したと判別された場合には、電磁弁を閉鎖して、排ガスラインを閉鎖することが好ましい。それにより、モジュール温度が高い状態で不活性ガス供給ラインの稼働を停止する場合であっても、排ガスラインからの逆流を抑制でき、燃料電池セルの酸化を抑制することができる。

また、所定の時間Ｔ３分とは、モジュールを構成する収納容器の体積や、不活性ガスを貯蔵する不活性ガスボンベ（例えば窒素ボンベ）の容量等に基づいて、適宜設定することができるが、例えば不活性ガスのボンベの容量が１５〜３０Ｌ程度である場合には、１０〜１５分程度で設定することが好ましい。

ちなみに、この場合において、不活性ガス供給ラインを稼働させてＴ３分が経過した時点で、モジュール４内の空気は不活性ガスにて排ガスラインより排気され、モジュール４内が不活性ガスにてパージできる時間となるように、設定することが好ましい。それにより、大型の不活性ガスボンベが必要なく、少量の不活性ガスにて効率よく停止処理を行なうことができる。

ステップＳ２３にて排ガスラインを閉鎖した後は、モジュール４内が不活性ガスにてパージされることから、ステップＳ２４に進んで、不活性ガス供給ラインの稼働を停止する。

上述したように、モジュール（燃料電池装置）の運転の停止処理を、運転の停止条件に応じて、原燃料供給ライン、酸素含有ガス供給ライン、水供給ラインおよび不活性ガス供給ラインの稼働および停止を変更する制御を行なうことで、燃料電池セルの酸化を抑制しつつ、少ない量の不活性ガスで効率よく運転停止処理を行なうことができ、大型化を抑制することができる。

図８は、外装ケース内に図１で示したモジュール４と、モジュール４を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。

図８に示す燃料電池装置４４は、支柱４５と外装板４６から構成される外装ケース内を仕切板４７により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール４を収納するモジュール収納室４８とし、下方側をモジュール４を動作させるための補機を収納する補機収納室４９として構成されている。なお、補機収納室４９に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４７には、補機収納室４９の空気をモジュール収納室４８側に流すための空気流通口５０が設けられており、モジュール収納室４８を構成する外装板４６の一部に、モジュール収納室４８内の空気を排気するための排気口５１が設けられている。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施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、図６、図７においては、上記説明においては、先にモジュールの温度を判別した後に、不活性ガスを供給開始してからの時間を判別する制御について説明したが、逆に先に不活性ガスを供給開始してからの時間を判別し、続いてモジュールの温度を判別する制御としてもよい。特に不活性ガスのボンベが小型の場合は、不活性ガスの量が少ないことから、この順序とすることが特に有効である。また、この場合において、不活性ガスの供給開始からの時間であるＴ１〜Ｔ３は、それぞれ不活性ガスボンベの容量に基づいて、容量が切れる前の時間で設定することが好ましい。

また、上述の例ではいわゆる中空平板型と呼ばれる燃料電池セル１９を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。

また、上述の例では燃料電池セル１９としてガス流路に燃料ガスを流す構成の燃料電池セル１９を用いて説明したが、ガス流路が酸素含有ガスを流す構成の燃料電池セルであっても同様とすることができる。

１：原燃料供給ポンプ
２：酸素含有ガス供給ポンプ
３：改質器
４：燃料電池モジュール
７：制御装置
１２：水ポンプ
１８：収納容器
１９：燃料電池セル
２７：温度計測手段（熱電対）
５２：燃料電池装置

Claims

収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュール内の温度を測定する温度計測手段と、
前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成するための改質器と、
該改質器に原燃料を供給する原燃料供給ラインと、
前記改質器に水を供給する水供給ラインと、
前記燃料電池セルに前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給ラインと、
前記燃料電池モジュール内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ラインと、
各供給ラインを流れる流体の供給および停止を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、前記燃料電池モジュールの運転停止が、異常による運転停止である場合に、前記原燃料供給ライン、前記酸素含有ガス供給ラインおよび前記水供給ラインの異常を検知する前に、前記温度計測手段により前記燃料電池モジュールの温度を測定し、
前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度未満の場合は、前記原燃料供給ライン、前記酸素含有ガス供給ラインおよび前記水供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行ない、
前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度以上の場合は、前記原燃料供給ラインまたは前記水供給ラインに異常があると検知した場合に、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を開始するとともに、前記原燃料供給ラインおよび前記水供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行ない、続いて前記温度計測手段により測定された前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度未満となった場合に、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を停止し、前記温度計測手段により測定された前記燃料電池モジュールの温度が、前記第１の設定温度よりも低い温度に設定された第２の設定温度未満となった場合に、前記酸素含有ガス供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行なうことを特徴とする燃料電池装置。
前記制御装置は、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を開始した後であって、前記温度計測手段により測定された前記燃料電池モジュールの温度が第１の設定温度以上の場合は、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を開始してからの時間がＴ２分となった場合に、前記酸素含有ガス供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行なうことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記制御装置は、前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を開始してからの時間がＴ２分よりも長いＴ３分となった場合に、前記燃料電池モジュールの排ガスが流れる排
ガスラインを閉鎖し、続いて前記不活性ガス供給ラインを流れる流体の供給を停止する制御を行なうことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。