JP6211970B2

JP6211970B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP6211970B2
Application number: JP2014059369A
Authority: JP
Inventors: 幸弘柳本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-03-22
Filing date: 2014-03-22
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2034-03-22
Also published as: JP2015185289A

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装置が知られている。また、セルスタック装置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（例えば、特許文献１参照。）。

最近ではこの燃料電池装置の大型化も進められており、そのような燃料電池装置においては、１つの収納容器内に複数個のセルスタック装置を配置することが考えられる。

特開２００７−５９３７７号公報

ところで、上述のような燃料電池装置において、セルスタック装置に異常等が生じた場合に、交換等のメンテナンスが必要となるが、全てのセルスタック装置の稼働を停止すると、本来発電を継続できるセルスタック装置の稼働まで停止してしまうことから、運転効率が悪いという問題があった。

それゆえ、本発明では、複数個のセルスタック装置を備える燃料電池装置において、運転効率を向上した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、複数の発電室が設けられた収納容器と、それぞれの前記発電室内に収納され、酸素含有ガスと燃料ガスとで、外部負荷に供給する電力を発電する燃料電池セルを備える燃料電池セルスタック装置と、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置と、前記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装置と、前記セルスタック装置の温度を測定するための温度センサと、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の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記発電室ごとに、該発電室に収納された前記セルスタック装置の起動停止を制御するとともに、複数の前記発電室における前記セルスタック装置の異常を検知し、該異常が生じた前記セルスタック装置が収納された前記発電室の前記セルスタック装置の発電を停止する場合に、他の前記発電室に収納された前記セルスタック装置の発電を継続しつつ、前記異常が生じた前記セルスタック装置の発電を停止するように、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の動作を制御し、前記制御装置は、前記異常が生じた前記セルスタック装置の発電を停止するにあたり、前記異常が生じた前記セルスタック装置が収納された前記発電室に隣接する前記発電装置に収容されている、前記異常が生じていない前記セルスタック装置の温度が第２の設定温度未満となった場合に、前記異常が生じていない前記セルスタック装置の温度を上昇するための、温度上昇モード運転を開始することを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、異常が生じていないセルスタック装置の発電を継続しつつ、異常が生じたセルスタック装置の発電を停止することで、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本実施形態の燃料電池装置における燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。本実施形態のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。図１に示す燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。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。本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。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。本実施形態の燃料電池装置の運転制御の一例の一部を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの続きの一例を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの続きの他の一例を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの続きのさらに他の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池装置について説明する。図１は、本実施形態の燃料電池装置における燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図２は、本実施形態のセルスタック装置の一例を示す斜視図であり、図３は図１に示す燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。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に示す燃料電池モジュール１（以下、モジュールと略す場合がある。）は、収納容器２の内部に、図２に示すセルスタック装置５が収納されている。ここで、モジュール１の外面には、断熱材４が配置されており、モジュール１全体を断熱材４で覆うことで、モジュール１からの放熱を抑制でき、モジュール１の温度を高く維持することが可能となる。なお、図１においては、モジュール１の手前側に配置される断熱材４を取り外した状態を示している。

ここで、図１に示すモジュール１においては、セルスタック装置５を収納する発電室を４つ備えており、それぞれの発電室に対応して、収納容器２の前面の蓋３が４つにわかれているほか、手前側の断熱材４もそれぞれの発電室に対応して４つにわかれている。なお、図には示していないが、収納容器２の後面の蓋および断熱材も、それぞれの発電室に対応して分かれていることが好ましい。

それにより、例えば１つの発電室に収納されたセルスタック装置５を取り出したり、収納したりする場合に、その発電室に対応した蓋３および断熱材４を取り外せばよいため、その作業効率が向上することとなる。

続いて図２を用いて、本実施形態のセルスタック装置５について説明する。本実施形態のセルスタック装置５は、内部を長手方向に貫通し、燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル６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６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６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８に固定してなるセルスタック７を２つ備え、かつセルスタック７の上方に、燃料電池セル６に供給する燃料ガスを生成するための改質器９が配置されている。なお、セルスタック７の両端部には、セルスタック７（燃料電池セル６）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）。また、図２においては、セルスタック装置５が２つのセルスタック７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７を１つだけ備えてい
てもよい。

また、図２においては、燃料電池セル６として、内部を長手方向に貫通し、燃料ガスが流通するガス流路を複数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６を例示している。なお、燃料電池セル６としては、発電効率の高い固体酸化物形の燃料電池セルとすることが好ましいが、その形状は、上述の中空平板型以外に、平板型や円筒型とすることもできる。

また、図２に示す改質器９においては、改質器９の内部に原燃料を導入する原燃料導入部である原燃料供給管１３を介して供給される天然ガスやメタンガス、さらには灯油等の原燃料と、水供給管（図示せず）を介して供給される水とで、水蒸気改質を行ない、燃料ガスを生成する。それゆえ、改質器９は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とされ、水を気化させるための気化部１０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１１とを備えている。そして、改質器９で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管１２を介してマニホールド８に供給され、マニホールド８より燃料電池セル６の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。

この様なセルスタック装置５は、図１に示したモジュール１において、それぞれの発電室に対応した蓋３および断熱材４を取り外すだけで、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

続いて、図３を用いてモジュール１の構造について説明する。

図３に示すように、モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１５と外壁１６とを有する二重構造で、外壁１６により収納容器２の外枠が形成されている。なお、図３に示すモジュール１においては、図３に示すように４つの発電室が設けられている例を示している。

図３に示す収納容器２においては、内壁１５と外壁１６との間を、燃料電池セル６に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路１７としている。

ここで、収納容器２内には、収納容器２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２１とを備え、下端部に燃料電池セル６の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口１９が設けられてなる酸素含有ガス導入部材２０が、内壁１５を貫通してマニホールド８に並置されたセルスタック７の間に挿入されて固定されている。それにより、酸素含有ガスが燃料電池セル６の側方を下端部から上端部に向けて流れることとなる。なお、フランジ部２１と内壁１５との間には断熱材２１が配置されている。

なお、図３においては、酸素含有ガス導入部材２０が、２つのセルスタック７間に位置するように配置されているが、発電室１４に収納するセルスタック装置５の数や、セルスタック装置５を構成するセルスタック７の数により、適宜配置することができる。

またそれぞれの発電室１４内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル６（セルスタック７）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱材２１が適宜設けられている。

断熱材２１は、セルスタック７の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル６の配列方向に沿ってセルスタック７の側面側に配置するとともに、セルスタック７の
側面における燃料電池セル６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材２１を配置することが好ましい。なお、セルスタック７の両側面側に断熱材２１を配置することが好ましい。それにより、セルスタック７の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材２０より導入される酸素含有ガスが、セルスタック７の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック７を構成する燃料電池セル６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７の両側面側に配置された断熱材２１においては、燃料電池セル６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７の長手方向および燃料電池セル６の積層方向における温度分布を低減するための開口部２２が設けられている。

ここで、燃料電池セル６の配列方向に沿った内壁１５の内側には、排ガス用内壁２３が設けられており、内壁１５と排ガス用内壁２３との間が、発電室１４内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路２４とされている。

ところで、収納容器２内に複数のセルスタック装置５を収納してなる場合には、特に中央部側に位置するセルスタック装置５における燃料電池セル６から、上記の排ガス流路２４までの距離が長くなってしまい、中央部側に位置するセルスタック装置５における燃料電池セル６から排出される排ガス、効率よく外部に排出することが難しい場合がある。

特に燃料電池セル６の上端側で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル６の温度を高温に維持する構成の燃料電池装置では、燃料電池セル６の上端側に排ガスが滞留することで、発電に使用されなかった燃料ガスをうまく燃焼させることができず、失火するおそれがある。特に失火を生じた場合には、燃料電池セル６の温度が上昇せず、もしくは高温に維持することができず、結果として燃料電池セル６（セルスタック装置５）の発電量が低下してしまうおそれがある。

それゆえ、図３に示す本実施形態のモジュール３においては、上記の排ガス流路２４に加えて、隣接するセルスタック装置５の間に、発電に使用されなかった排ガスを排出するための排ガス流路２５が設けられている。

この排ガス流路２５は、筒状の容器からなり、上端部に発電室１４と連通する排ガス流入口２６を両側方に備えるとともに、下端である排出口３１が発電室１４の下方に設けられた排ガス貯留室２７と連通している。なお、図３においては、直方体状でかつ筒状の容器にて排ガス流路２５を形成した例を示しているが、円筒状の容器を複数配列した構成としてもよい。

すなわち、それぞれのセルスタック装置５の側方には、排ガス流路２４もしくは排ガス流路２５のいずれかが配置されており、発電で使用されなかった排ガスは、それぞれのセルスタック装置５を構成するセルスタック７にとって近い側の排ガス流路２４、２５に効率よく流れることとなる。

それにより、燃料電池セル６の上端側に排ガスが滞留することを抑制でき、排ガスを効率よく排気することができるとともに、燃料電池セル６の上方で燃焼させる構成のセルスタック装置５においては、失火を抑制することができることから、発電量が向上したモジュール１とすることができる。

あわせて、各発電室１４は、内壁１５内の空間が排ガス流路２５で区切られることにより形成される。なお各発電室１４は必ずしも完全に区切られている必要はなく、一部がつながっていても構わない。

なお、排ガス流路２４、２５は、排ガス貯留室２７を介して、収納容器２の底部に設けられた排気孔３２と通じている。

それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路２４、２５を流れて排ガス貯留室２７に一旦集められた後、排気孔３２より排気される構成となっている。なお、排気孔３２は収納容器２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、燃料電池セル６に供給する酸素含有ガスは、収納容器２の底部に設けられた酸素含有ガス導入口（図示せず）より、排ガス貯留室２７の下方に設けられた酸素含有ガス導入室２８に供給される。酸素含有ガス導入室２８に供給された酸素含有ガスは、続いて排ガス流路２４の側方に位置する酸素含有ガス流路１７を流れて発電室１４の上方の酸素含有ガス流路に流れた後、それぞれの酸素含有ガス導入部材２０を介して燃料電池セル６に供給される。

それにより、酸素含有ガス導入室２８を流れる間に排ガス貯留室２７の排ガスと熱交換され、酸素含有ガス流路１７を流れる間に排ガス流路２４を流れる排ガスと熱交換され、さらに発電室１４上方の酸素含有ガス流路および酸素含有ガス導入部材２０を流れる間に、発電室１４の熱とで熱交換される。それにより、温度の高い酸素含有ガスを燃料電池セル６に供給することができ、発電効率を向上することができる。

なお、酸素含有ガス導入部材２０の内部には、セルスタック７近傍の温度を測定するための温度センサである熱電対２９が、その測温部３０が燃料電池セル６の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル６の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

また、上述の構成のモジュール１においては、燃料電池セル６におけるガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル６の上端と改質器９との間で燃焼させることにより、燃料電池セル６の温度を上昇・維持させることができるほか、あわせて、燃料電池セル６（セルスタック７）の上方に配置された改質器９を温めることができ、改質器９で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル６の発電に伴い、モジュール１内の温度は５００〜８００℃程度となる。

次に、図４を用いて本実施形態の燃料電池装置の構成について説明する。なお説明において、各発電室をまとめて説明するものとする。

図４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４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、貯湯ユニットを設けない構成とすることもできる。

図４に示す発電ユニットは、都市ガス等の原燃料を供給する燃料ガス供給装置３３、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装置３４、セルスタック７および改質器９を有するモジュール１を備えている。なお、図４に示す発電ユニットでは、モジュール１を二点鎖線により囲って示している。また、図４には示していないが、セルスタック７から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置や、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４に示す発電ユニットにおいては、セルスタック７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３７に水を循環させる循環配管４４、熱交換器３７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３８、水処理装置３８にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク４０とが設けられており、水タンク４０と熱交換器３７との間が凝縮水供給管３９により接続されている。なお、水処理装置３８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４０に貯水された水は、水タンク４０と改質器９とを接続する水供給管４２に備えられた水ポンプ４１により改質器９に供給される。

なお、燃料ガス供給装置３３、酸素含有ガス供給装置３４、水供給管４２は、それぞれの発電室１４もしくは該発電室１４に配置されたセルスタック装置５に接続してもよく、また燃料ガス供給装置３３、酸素含有ガス供給装置３４、水供給管４２に１つもしくは２つの元供給管を接続して、該元供給管から分岐させた分岐部を備えて、それぞれの発電室１４もしくは該発電室１４に配置されたセルスタック装置５に接続してもよい。それぞれの発電室１４もしくは該発電室１４に配置されたセルスタック装置５に供給される燃料ガスの量や酸素含有ガスの量を制御すべく、各供給管や分岐部に流量制御手段（弁等）を設けていることが好ましい。

さらに図４に示す発電ユニットは、モジュール１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）３５、熱交換器３７の出口に設けられ熱交換器３７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４３のほか、各種機器の動作を制御する制御装置３６が設けられており、循環配管４４内で水を循環させる循環ポンプ４６とあわせて発電ユニットが構成されている。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４５を具備して構成されている。

ここで、図４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７の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置３６は原燃料供給部１、水ポンプ４１を作動させる。それにより、改質器９に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器９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３６は酸素含有ガス供給装置３４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３６はモジュール１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７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７や改質器９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７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３７に供給され、循環配管４４を流れる水とで熱交換される。熱交換器３７での熱交換により生じたお湯は、循環配管４４を流れて貯湯タンク４５に貯水される。一方、熱交換器３７での熱交換によりセルスタック７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３９を通じて、水処理装置３８に供給される。凝縮水は、水処理装置３８にて純水とされて、水タンク４０に供給される。水タンク４０に貯水された水は、水ポン
プ４１により水供給管４２を介して改質器９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３７にて生成される凝縮水のみを改質器９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９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４０に貯水されるよう各装置を接続する。

また貯湯ユニットを設けない構成においては、熱交換器３７に変えて、ラジエター等の冷却装置を備えることで、凝縮水を生成してもよい。

図５は、本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。

図５に示すモジュール４７は、図３に示すモジュール１と比較して、各発電室１４にセルスタック７（発電室１４）の温度を上昇するための、温度上昇装置４８を備えている点で異なっている。温度上昇装置４８としては、例えばヒータやバーナーを例示することができる。

それにより、発電室１４やセルスタック７の温度が低い場合には、これらの温度上昇装置４８を稼働させることで、発電室１４やセルスタック７の温度を上昇させることができ、高い発電効率を維持することができる。

図６は、外装ケース内にモジュール１と、モジュール１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６においては一部構成を省略して示している。なお、モジュール４７を収納する場合も同様である。

図６に示す燃料電池装置５２は、支柱５３と外装板５４から構成される外装ケース内を仕切板５５により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室５６とし、下方側をモジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室５７として構成されている。なお、補機収納室５７に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板５５には、補機収納室５７の空気をモジュール収納室５６側に流すための空気流通口５８が設けられており、モジュール収納室５６を構成する外装板５４の一部に、モジュール収納室５６内の空気を排気するための排気口５９が設けられている。

ところで、収納容器２内に複数個のセルスタック装置５を収納してなる燃料電池装置において、１つのセルスタック装置に異常が生じた場合や、全てのセルスタック装置５の発電を停止すると、正常に発電を行なうできるセルスタック装置５の稼働まで停止してしまうことから、運転効率が悪いという問題がある。

それゆえ、本実施形態の燃料電池装置では、まず、収納容器２を複数の発電室１４が設けられた収納容器２とし、各発電室１４に対応して蓋３を分割した形状としている。あわせて、収納容器２の外側を覆う断熱材４も、蓋３に対応して分割した形状としている。それにより、セルスタック装置５に異常が生じ、運転を停止して交換が必要となった場合であっても、異常が生じたセルスタック装置５が収納された発電室１４に対応する蓋３よび断熱材４を取り外すだけで、セルスタック装置５を容易に取りだすことができる。

そして、本実施形態では、異常が生じたセルスタック装置５の発電を停止するにあたり、他のセルスタック装置５の発電を停止しないように、制御装置３６が燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４を制御する。それにより、全てのセルスタック装置５の運転を停止する必要がないことから、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。例えば、上述の例においては、それぞれの発電室１４もしくは該発電室１４に配置されたセルスタック装置５に接続される供給管や分岐部に設けられた流量制御手段を制御すればよい。

以下に図７〜図１０に示すフローチャートを用いて、異常（エラー）が生じたセルスタック装置５の運転を停止する運転制御について説明する。

図７に示すように、まず、制御装置はステップＳ１にて、制御装置３６がセルスタック装置５にエラーが生じたかどうかを判別する。ここで、セルスタック装置５にエラーが生じていないと判別された場合には、ステップＳ２に進み、運転状態を維持する。

一方、ステップＳ１にてセルスタック装置５にエラーが生じていると判断された場合には、ステップＳ３に進み、そのエラーがシャットダウンエラーかどうかを判別する。なおシャットダウンエラーとは、セルスタック装置５に供給する燃料ガスや酸素含有ガスの供給を直ちに停止するエラーであり、燃料電池装置の構成等に基づいて適宜設定することができる。具体的には、例えば、熱交換器３７の出口に設けられた出口水温センサ４３が１００℃以上を検知した場合や、セルスタック装置５の電圧が異常に低下した場合等とすることができる。

ここで、ステップＳ３で、セルスタック装置５のエラーがシャットダウンエラーと判別された場合には、続いてステップＳ４に進みシャットダウンモードをスタートする。なお、シャットダウンモードについては後に詳述する。

一方で、ステップＳ３で、セルスタック装置５のエラーがシャットダウンエラーではないと判断された場合には、ステップＳ５に進み、エラー回復制御を実施する。例えば、セルスタック装置５のエラーが、燃料電池セル６の上方で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼の失火であった場合には、着火装置を稼働させる等が挙げられる。

ここで、次にステップＳ６に進み、エラーが回復したかどうかを判別する。エラーが回復したと判別された場合には、ステップＳ７に進み、運転状態を維持する。

一方で、ステップＳ６でエラーが回復していないと判別された場合には、続いてエラーを生じたセルススタック装置５（以下、エラーセルスタック装置５’という場合がある。）の稼働停止モードをスタートさせる。この場合に、続いてステップＳ９に進み、このエラーセルスタック装置５’の電圧が、定格運転時の電圧の６０％未満かどうかを判別する。エラーセルスタック装置５’の電圧が、定格運転時の電圧の６０％以上である場合には、続いてステップＳ１０に進み、通常停止モードをスタートする。一方で、エラーセルスタック装置５’の電圧が、定格運転時の電圧の６０％未満の場合には、続いてステップＳ１１に進み、高速停止モードをスタートする。

このように、本実施形態の燃料電池装置においては、制御装置３６は、異常が生じたセルスタック装置５の発電を停止するにあたり、セルスタック装置５の異常に応じて、異常が生じたセルスタック装置５に供給する燃料ガスの量および酸素含有ガスの量を変更するように、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４を制御する。以下に、シャットダウンモード、通常停止モード、高速停止モードのそれぞれについて、順に説明す
る。

図８は、シャットダウンモードのフローチャートを示したものである。

ステップＳ４にて、シャットダウンモードをスタートさせ、続いてステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、制御装置３６は、エラーセルスタック装置５’に対し、燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給を停止するよう、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４を停止する。なお図８のフローチャートには示していないが、あわせて、改質器９への水の供給を停止するよう、水ポンプ４１の動作を制御することもできる。

続いて、ステップＳ１３、Ｓ１６に進む。ここで、ステップＳ１３はエラーセルスタック装置５’についての制御であり、ステップＳ１６はエラーセルスタック装置５’が収納された発電室に隣接する発電室に収納された正常に発電を行なっているセルスタック装置（以下、正常セルスタック装置５”という。）についての制御である。従って、これらのステップは同時並行で進めることができ、後述する図９におけるステップＳ２３とＳ２６、図１０におけるステップＳ３３とＳ３６も同様である。

まずステップＳ１３においては、制御装置３６は、熱電対２９にて測定されたエラーセルスタック装置５’の温度が、あらかじめ設定された第１の設定温度以下になったかどうかを判別する。この第１の設定温度とは、エラーセルスタック装置５’を収納容器２から安全に取りだすことができる温度を設定すればよく、例えば、５０℃とすることができる。

エラーセルスタック装置５’の温度が、あらかじめ設定された第１の設定温度より高い場合には、ステップＳ１４を介して、第１の設定温度以下となるまで、熱電対２９にて測定されたエラーセルスタック装置５’の温度を計測し続ける。

一方、ステップＳ１３において、エラーセルスタック装置５’の温度が第１の設定温度以下となった場合には、ステップＳ１５に進み、制御装置３６は、エラーセルスタック装置５’の交換が可能であることを示す交換可能信号を発信する。なお、交換可能信号とは、交換可能であることを表示するもの、ブザー等の音、メール等、適宜設定することができる。

また、ステップＳ１６においては、熱電対２９にて測定された、エラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に隣接する発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満となったかどうかを判別する。

エラーセルスタック装置５’の発電を停止することで、エラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４の温度が低下し、それに伴い、隣接する発電室１４の温度が低下し、ひいてはその発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度も低下する場合がある。この場合に、正常セルスタック装置５”の発電性能が低下してしまう場合がある。それゆえ、エラーセルスタック装置５’の温度は低下させつつも、正常セルスタック装置５”の温度は下がらないことが好ましい。

そこで、制御装置３６は、ステップＳ１６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度以上であれば、ステップＳ１７を介して正常セルスタック装置５”の発電状態を維持するよう制御する。一方で、ステップＳ１６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満であれば、正常セルスタック装置５”の発電状態を定常状態とするよう制御する。

ここで、第２の設定温度とは、正常セルスタック装置５”が定格運転を行なうことができる温度であって、例えば５５０℃〜７５０℃の範囲で、適宜設定をすることができる。

そして、ステップＳ１６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満であれば、ステップＳ１８に進み、正常セルスタック装置５”の温度上昇モードをスタートする。

正常セルスタック装置５”の温度上昇モードとは、正常セルスタック装置５”の温度が上昇する動作で有ればよく、例えば図５に示したモジュール４７のように、セルスタック装置５の側面側にヒータ等の温度上昇装置４８を備えている場合には、これを稼働させればよく、温度上昇装置４８を備えていない場合には、正常セルスタック装置５”の燃料利用率を低下させる（言い換えれば、燃料電池セル６に供給する燃料ガスの量を増やす）ほか、酸素（空気）利用率を低下させる（言い換えれば、発電室１４に供給する酸素含有ガス（空気）の量を減らす）等を行なうことができる。

続いて、ステップＳ１９に進み、このエラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に隣接する発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度以上となったどうかを判別する。

ここで、正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度未満の場合は、ステップＳ２０を介して、温度上昇モードを継続する。一方で、正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度以上となった場合には、ステップＳ２１に進み、正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度以上を継続するように、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４の稼働を制御する。

そして、ステップＳ１３のラインおよびステップＳ１６のラインの両方のフローが完了した時点で、本フローチャートを終了する。

続いて、通常停止モードについて、図９を用いて説明する。図７におけるステップＳ１０での通常停止モードをスタートさせると、続いてステップＳ２２に進み、制御装置３６は、エラーセルスタック装置５’に供給する燃料ガスの量を低下させるように、燃料ガス供給装置３３の動作を制御する。続いて、ステップＳ２３、Ｓ２６に進む。

ステップＳ２３では、図７に示すステップＳ１３と同様に、制御装置３６は、熱電対２９にて測定されたエラーセルスタック装置５’の温度が、あらかじめ設定された第１の設定温度以下になったかどうかを判別する。

エラーセルスタック装置５’の温度が、あらかじめ設定された第１の設定温度より高い場合には、ステップＳ２４を介して、第１の設定温度以下となるまで、熱電対２９にて測定されたエラーセルスタック装置５’の温度を計測し続ける。

一方、ステップＳ２３において、エラーセルスタック装置５’の温度が第１の設定温度以下となった場合には、ステップＳ２５に進み、制御装置３６は、まずエラーセルスタック装置５’に供給する燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給を停止するように、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４の稼働を停止する。その後、制御装置３６は、エラーセルスタック装置５’の交換が可能であることを示す交換可能信号を発信する。

なお、まずエラーセルスタック装置５’に供給する燃料ガスの停止時期については、エラーセルスタック装置５’の温度低下に合わせて適宜停止してもよい。

また、ステップＳ２６においては、熱電対２９にて測定された、エラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に隣接する発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満となったかどうかを判別する。

そこで、制御装置３６は、ステップＳ２６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度以上であれば、ステップＳ２７を介して正常セルスタック装置５”の発電状態を維持するよう制御する。一方で、ステップＳ２６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満であれば、正常セルスタック装置５”の発電状態を定常状態とするよう制御する。

そして、ステップＳ２６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満であれば、ステップＳ２８に進み、正常セルスタック装置５”の温度上昇モードをスタートする。

続いて、ステップＳ２９に進み、このエラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に隣接する発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度以上となったどうかを判別する。

ここで、正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度未満の場合は、ステップＳ３０を介して、温度上昇モードを継続する。一方で、正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度以上となった場合には、ステップＳ３１に進み、正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度以上を継続するように、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４の稼働を制御する。

そして、ステップＳ２３のラインおよびステップＳ２６のラインの両方のフローが完了した時点で、本フローチャートを終了する。

続いて、高速停止モードについて、図１０を用いて説明する。図７におけるステップＳ１０での高速停止モードをスタートさせると、続いてステップＳ３２に進み、制御装置３６は、エラーセルスタック装置５’に供給する燃料ガスの量を低下させるように、燃料ガス供給装置３３の動作を制御するとともに、図９で示した通常停止モードよりも、酸素含有ガス供給量を増量するように、酸素含有ガス供給装置３４の稼働を制御する。続いて、ステップＳ３３、Ｓ３６に進む。

ステップＳ３３では、図７に示すステップＳ１３と同様に、制御装置３６は、熱電対２９にて測定されたエラーセルスタック装置５’の温度が、あらかじめ設定された第１の設定温度以下になったかどうかを判別する。

エラーセルスタック装置５’の温度が、あらかじめ設定された第１の設定温度より高い
場合には、ステップＳ３４を介して、第１の設定温度以下となるまで、熱電対２９にて測定されたエラーセルスタック装置５’の温度を計測し続ける。

一方、ステップＳ３３において、エラーセルスタック装置５’の温度が第１の設定温度以下となった場合には、ステップＳ３５に進み、制御装置３６は、まずエラーセルスタック装置５’に供給する燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給を停止するように、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４の稼働を停止する。その後、制御装置３６は、エラーセルスタック装置５’の交換が可能であることを示す交換可能信号を発信する。

また、ステップＳ３６においては、熱電対２９にて測定された、エラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に隣接する発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満となったかどうかを判別する。

そこで、制御装置３６は、ステップＳ２６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度以上であれば、ステップＳ３７を介して正常セルスタック装置５”の発電状態を維持するよう制御する。一方で、ステップＳ３６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満であれば、正常セルスタック装置５”の発電状態を定常状態とするよう制御する。

そして、ステップＳ３６において熱電対２９にて測定された正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度未満であれば、ステップＳ３８に進み、正常セルスタック装置５”の温度上昇モードをスタートする。

続いて、ステップＳ３９に進み、このエラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に隣接する発電室１４に収納された正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度以上となったどうかを判別する。

ここで、正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度未満の場合は、ステップＳ４０を介して、温度上昇モードを継続する。一方で、正常セルスタック装置５”の温度が、第２の設定温度以上となった場合には、ステップＳ４１に進み、正常セルスタック装置５”の温度が第２の設定温度以上を継続するように、燃料ガス供給装置３３および酸素含有ガス供給装置３４の稼働を制御する。

そして、ステップＳ３３のラインおよびステップＳ３６のラインの両方のフローが完了した時点で、本フローチャートを終了する。

以上のフローを行なうことで、異常が生じていない正常セルスタック装置５”の発電を継続しつつ、異常が生じたエラーセルスタック装置５’の運転のみを停止することができ、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

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。

上述のフローチャートの説明において、異常を生じたエラーセルスタック装置５’が収納された発電室１４に近接する発電室１４の正常セルスタック装置５”の稼働について説明したが、上述のフローチャートを、全ての正常セルスタック装置５”の運転に適用することもできる。

１、４７：モジュール
２、収納容器
５：セルスタック装置
６：燃料電池セル
１４：発電室
２９：温度センサ（熱電対）
３３：燃料ガス供給装置
３４：酸素含有ガス供給装置
３６：制御装置

Claims

複数の発電室が設けられた収納容器と、
それぞれの前記発電室内に収納され、酸素含有ガスと燃料ガスとで、外部負荷に供給する電力を発電する燃料電池セルを備える燃料電池セルスタック装置と、
前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置と、
前記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装置と、
前記セルスタック装置の温度を測定するための温度センサと、
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の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記発電室ごとに、該発電室に収納された前記セルスタック装置の起動停止を制御するとともに、複数の前記発電室における前記セルスタック装置の異常を検知し、該異常が生じた前記セルスタック装置が収納された前記発電室の前記セルスタック装置の発電を停止する場合に、他の前記発電室に収納された前記セルスタック装置の発電を継続しつつ、前記異常が生じた前記セルスタック装置の発電を停止するように、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の動作を制御し、
前記制御装置は、前記異常が生じた前記セルスタック装置の発電を停止するにあたり、前記異常が生じた前記セルスタック装置が収納された前記発電室に隣接する前記発電装置に収容されている、前記異常が生じていない前記セルスタック装置の温度が第２の設定温度未満となった場合に、前記異常が生じていない前記セルスタック装置の温度を上昇するための、温度上昇モード運転を開始することを特徴とする燃料電池装置。
前記制御装置は、前記異常が生じた前記セルスタック装置の発電を停止するにあたり、前記セルスタック装置の異常の程度や種類に適合して、異常が生じた前記セルスタック装置に供給する燃料ガスの量および酸素含有ガスの量を変更するように、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、前記温度センサにより測定された前記異常が生じた前記セルスタック装置の温度が第１の設定温度以下となった場合に、前記異常が生じた前記セルスタック装置の交換が可能であることを示す信号を発することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
前記制御装置は、前記セルスタック装置の異常が、あらかじめ定められたシャットダウン条件を満たす異常である場合に、前記異常を検知した後、直ちに、前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスおよび前記酸素含有ガスの供給を停止するように、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の動作を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記制御装置は、前記セルスタック装置の異常が、あらかじめ定められたシャットダウン条件に該当せず、かつ前記セルスタック装置の電圧が定格運転時の電圧と比較して６０％以上である場合に、通常停止モードに移行し、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの量を減少するように、前記燃料ガス供給装置の動作を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記制御装置は、前記セルスタック装置の異常が、あらかじめ定められたシャットダウン条件に該当せず、かつ前記セルスタック装置の電圧が定格運転時の電圧と比較して６０％未満である場合に、高速停止モードに移行し、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの量を減少するように、前記燃料ガス供給装置の動作を制御するとともに、前記燃料電池セルに供給する前記酸素含有ガスの量を増加するように、前記酸素含有ガス供給装置の動作を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。