JP6304430B1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によって、固体酸化物形燃料電池の運転停止時におけるセルの劣化を防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】第１の還元ガス供給系（１１０）は、第２の還元ガス供給系（１２０）よりも高流量で還元ガスをアノードガス流路（１１）に供給する。固体酸化物形燃料電池（１０）の運転停止時に、第１の還元ガス供給系（１１０）が還元ガスをアノードガス流路（１１）に供給した後、第２の還元ガス供給系（１２０）が還元ガスをアノードガス流路（１１）に供給する。固体酸化物形燃料電池（１０）の運転停止時に、電源ユニット（１９０）が還元ガスを生成して当該還元ガスをアノードガス流路（１１）に供給し、且つ／又は、還元ガス供給系（１７０）が還元ガスをアノードガス流路（１１）に供給する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

特許文献１には、緊急停止時に、固体酸化物形燃料電池の燃料極に不活性ガスを所定の流量で送給し、固体酸化物形燃料電池のセル電圧が所定電圧に到達したときに、固体酸化物形燃料電池の空気極に不活性ガスを所定の流量で送給する固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。

特許文献２には、高温燃料電池スタックを運転する方法が開示されている。この方法では、燃料電池スタックを電源ユニットに並列に接続して、電源ユニットから燃料電池スタックに７００ｍＶ〜１５００ｍＶの電圧を印加することで、電解モードにある固体酸化物形セルによって水を水素に電解している。

特許文献３には、シャットダウン停止時に、燃料電池セルの燃料極に供給する水素ガスを水蒸気改質により生成する改質器（改質部）を有する固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。

特開２０１３−１７１７８２号公報 特表２０１３−５３０４９０号公報 特開２０１６−１２２５８４号公報

しかしながら、特許文献１の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池のセル高温時に燃料極を十分な還元雰囲気に維持することができないので、固体酸化物形燃料電池のセルが劣化してしまうという問題がある。

特許文献２の方法は、水素の製造量が電源ユニットの容量に依存するので、水素の製造量や製造時間を増やした場合に電源ユニットの大容量化が避けられないという問題がある。

特許文献３の固体酸化物形燃料電池システムは、改質器の構造が複雑で高価であるという問題がある。また、改質器を用いた燃料極還元処理工程を実行するために複雑な制御が要求されるという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成によって、固体酸化物形燃料電池の運転停止時におけるセルの劣化を防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、アノードガス流路とカソードガス流路を有し、前記アノードガス流路に供給された燃料ガスと前記カソードガス流路に供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、還元ガスと不活性ガスのうちの少なくとも還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な第１、第２の還元ガス供給系と、を有し、前記第１の還元ガス供給系は、前記第２の還元ガス供給系よりも高流量で前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記第１の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、前記固体酸化物形燃料電池の内部温度と水素消費量が前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時の内部温度と水素消費量よりも低下した後、前記第２の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給する、ことを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、アノードガス流路とカソードガス流路を有し、前記アノードガス流路に供給された燃料ガスと前記カソードガス流路に供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、還元ガスと不活性ガスのうちの少なくとも還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な第１、第２の還元ガス供給系と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記第１の還元ガス供給系は、前記第２の還元ガス供給系よりも高流量で前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記第１の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、前記固体酸化物形燃料電池の内部温度と水素消費量が前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時の内部温度と水素消費量よりも低下した後、前記第２の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給する、ことを特徴としている。

本発明によれば、簡単な構成によって、固体酸化物形燃料電池の運転停止時におけるセルの劣化を防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。

第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第１実施形態の燃料電池システムの緊急運転停止時の動作を説明するためのフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムの緊急運転停止時における水素ガスと窒素ガスの供給圧力の経時変化を示すタイミングチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第２実施形態の燃料電池システムの緊急運転停止時における水素ガス供給量と水素ガス供給時間の関係を示す第１のタイミングチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの緊急運転停止時における水素ガス供給量と水素ガス供給時間の関係を示す第２のタイミングチャートである。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態の燃料電池システム１を示すブロック図である。図１中において、実線（ＳＯＦＣ１０の外部）と破線（ＳＯＦＣ１０の内部）は、例えばガスや水等の流体の流れを示しており、一点鎖線は電気（電流、電力）の流れを示している。

燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）１０を有している。ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。

ＳＯＦＣ１０は、アノードガス流路（燃料ガス流路）１１と、カソードガス流路（酸化剤ガス流路）１２とを有している。

ＳＯＦＣ１０の発電時には、アノードガス流路１１に燃料ガスが供給されて当該燃料ガスがアノードガス流路１１を流れ、カソードガス流路１２に酸化剤ガスが供給されて当該酸化剤ガスがカソードガス流路１２を流れる。アノードガス流路１１に供給された燃料ガスとカソードガス流路１２に供給された酸化剤ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（ＳＯＦＣ１０が発電する）。ＳＯＦＣ１０が発生した直流電流は、インバータ１３によって交流電流に変換される（ＤＣ／ＡＣ変換される）。尚、図１に図示していないが、都市ガスなどの原料ガスを燃料ガスに改質する改質器をアノードガス流路１１に設けてもよいし、ＳＯＦＣ１０内部に改質機能を設けてもよい。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の発電時に、アノードガス流路１１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路２０を有している。燃料ガス供給路２０には、燃料ガス供給路２０を介した燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁（図示略）が設けられている。この遮断弁は、例えば、ＳＯＦＣ１０の発電時に開状態となり、ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に閉状態となる。また、燃料ガス供給路２０の遮断弁より上流側には、燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器が設けられていてもよい。

燃料電池システム１は、熱交換器３０を有している。この熱交換器３０は、第１の再循環路３１と、第２の再循環路３２ａとを有している。第１の再循環路３１は、アノードガス流路１１の出口部からの排出ガスの一部分をアノードガス流路１１の入口部に再循環させることにより、電気化学反応により生成する水(水蒸気)と未反応の燃料ガスをＳＯＦＣ１０に供給し、アノードガス流路１１の出口部からの排出ガスの他部分を第２の再循環路３２ａに排出する。第２の再循環路３２ａは、アノードガス流路１１から第１の再循環路３１を介して排出された排出ガスの一部分を燃料ガス供給路２０に再循環させる。第２の再循環路３２ａには、燃料ガス供給路２０との合流部の手前に位置させて、再循環ブロア３３が設けられている。第２の再循環路３２ａは、再循環ブロア３３に入る前にアノードガス排出路３２ｂに分岐し、アノードガス排出路３２ｂは排熱回収器６０に繋がる。アノードガス排出路３２ｂは、アノードガス流路１１から第１の再循環路３１と第２の再循環路３２ａを介して排出された排出ガスの他部分を排熱回収器６０に排出する。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の発電時に、カソードガス流路１２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路４０を有している。酸化剤ガス供給路４０には、空気ブロア４１によって大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれる。

燃料電池システム１は、熱交換器５０を有している。この熱交換器５０は、酸化剤ガス排出路５１を有している。酸化剤ガス排出路５１は、カソードガス流路１２の出口部からの排出ガスを排熱回収器６０に排出する。

燃料電池システム１は、排熱回収器６０を有している。この排熱回収器６０は、熱交換器３０（第１の再循環路３１、第２の再循環路３２ａ、アノードガス排出路３２ｂ）と熱交換器５０（酸化剤ガス排出路５１）からの排出ガスを燃焼することにより当該排出ガス中の不純物を除去した上で排気する。排熱回収器６０が排出ガスを燃焼することで発生した熱は、温水熱交換器７０で熱利用されて、外部タンク（図示略）等から循環する低温水を高温水に加熱する。

燃料ガス供給路２０からは、燃料ガス分岐路８０が分岐しており、酸化剤ガス供給路４０からは、酸化剤ガス分岐路９０が分岐している。燃料ガス分岐路８０には、当該燃料ガス分岐路８０を介した燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁（図示略）が設けられており、酸化剤ガス分岐路９０には、当該酸化剤ガス分岐路９０を介した酸化剤ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁（図示略）が設けられている。各遮断弁は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に開状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に閉状態となるように制御される。

燃料ガス分岐路８０と酸化剤ガス分岐路９０の合流点には、起動バーナ１００が設けられている。この起動バーナ１００は、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時にオン状態（着火状態）となり、燃料ガス分岐路８０から供給された燃料ガスと酸化剤ガス分岐路９０から供給された酸化剤ガスを燃焼反応させて燃焼排ガスを生成する。起動バーナ１００が生成した燃焼排ガスがカソードガス流路１２を流れることにより、ＳＯＦＣ１０が起動昇温される。なお、アノードガス流路１１及びカソードガス流路１２と別に、起動バーナ１００による燃焼排ガスを流すための燃焼排ガス用の流路（第３の流路）をＳＯＦＣ１０に設けてもよい。

燃料電池システム１は、第１の水素ガス供給系（第１の還元ガス供給系、還元ガス供給手段）１１０と、第２の水素ガス供給系（第２の還元ガス供給系、還元ガス供給手段）１２０とを有している。第１の水素ガス供給系１１０と第２の水素ガス供給系１２０は、燃料ガス供給路２０及び熱交換器３０の第１の再循環路３１を介して、水素ガス（還元ガス）をアノードガス流路１１に供給する。第１の水素ガス供給系１１０は、第２の水素ガス供給系１２０よりも高流量で、水素ガス（還元ガス）をアノードガス流路１１に供給する。

第１の水素ガス供給系１１０は、第１の水素ガスボンベ（第１の還元ガスボンベ）１１１と、第１の水素ガスレギュレータ（第１の還元ガスレギュレータ）１１２とを有している。第２の水素ガス供給系１２０は、第２の水素ガスボンベ（第２の還元ガスボンベ）１２１と、第２の水素ガスレギュレータ（第２の還元ガスレギュレータ）１２２とを有している。第１の水素ガスレギュレータ１１２は、第２の水素ガスレギュレータ１２２よりも高い二次圧（レギュレータ出口圧）が設定されている。例えば、第１の水素ガスレギュレータ１１２の二次圧を０．１ＭＰａに設定し、第２の水素ガスレギュレータ１２２の二次圧を０．０２ＭＰａに設定することができる。また、第１、第２の水素ガスレギュレータ１１２、１２２の一次圧（満タン時のボンベ残圧）は、例えば、１５ＭＰａに設定することができる。

第１の水素ガス供給系１１０（第１の水素ガスレギュレータ１１２）と第２の水素ガス供給系１２０（第２の水素ガスレギュレータ１２２）には、ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に開放されるノルマルオープンの水素ガス電磁弁（還元ガス電磁弁）１３０が接続されている。

燃料電池システム１は、第１の窒素ガス供給系（第１の不活性ガス供給系、不活性ガス供給手段）１４０と、第２の窒素ガス供給系（第２の不活性ガス供給系、不活性ガス供給手段）１５０とを有している。第１の窒素ガス供給系１４０と第２の窒素ガス供給系１５０は、燃料ガス供給路２０及び熱交換器３０の第１の再循環路３１を介して、窒素ガス（不活性ガス）をアノードガス流路１１に供給する。第１の窒素ガス供給系１４０は、第２の窒素ガス供給系１５０よりも高流量で、窒素ガス（不活性ガス）をアノードガス流路１１に供給する。

第１の窒素ガス供給系１４０は、第１の窒素ガスボンベ（第１の不活性ガスボンベ）１４１と、第１の窒素ガスレギュレータ（第１の不活性ガスレギュレータ）１４２とを有している。第２の窒素ガス供給系１５０は、第２の窒素ガスボンベ（第２の不活性ガスボンベ）１５１と、第２の窒素ガスレギュレータ（第２の不活性ガスレギュレータ）１５２とを有している。第１の窒素ガスレギュレータ１４２は、第２の窒素ガスレギュレータ１５２よりも高い二次圧（レギュレータ出口圧）が設定されている。例えば、第１の窒素ガスレギュレータ１４２の二次圧を０．１ＭＰａに設定し、第２の窒素ガスレギュレータ１５２の二次圧を０．０２ＭＰａに設定することができる。また、第１、第２の窒素ガスレギュレータ１４２、１５２の一次圧（満タン時のボンベ残圧）は、例えば、１５ＭＰａに設定することができる。

第１の窒素ガス供給系１４０（第１の窒素ガスレギュレータ１４２）と第２の窒素ガス供給系１５０（第２の窒素ガスレギュレータ１５２）には、ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に開放されるノルマルオープンの窒素ガス電磁弁（不活性ガス電磁弁）１６０が接続されている。

図２は、燃料電池システム１の緊急運転停止時の動作を説明するためのフローチャートである。図３は、燃料電池システム１の緊急運転停止時における水素ガスと窒素ガスの供給圧力の経時変化を示すタイミングチャートである。

燃料電池システム１の緊急運転停止は、例えば、無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply）などの制御電源喪失及び／又は制御装置故障によって発生するものであり、系統電源と解列したブラックアウト状態となる。

燃料電池システム１が緊急運転停止すると、ステップＳＴ１で、ノルマルオープンの水素ガス電磁弁１３０と窒素ガス電磁弁１６０が開放される。これにより、第１の水素ガス供給系１１０及び第２の水素ガス供給系１２０、並びに、第１の窒素ガス供給系１４０及び第２の窒素ガス供給系１５０が、燃料ガス供給路２０に接続可能となる。

ステップＳＴ２では、第１の水素ガス供給系１１０及び第１の窒素ガス供給系１４０が、燃料ガス供給路２０及び熱交換器３０の第１の再循環路３１を介して、水素ガスと窒素ガスを高流量（例えば０．１ＭＰａ）でアノードガス流路１１に供給する。この間、第２の水素ガス供給系１２０及び第２の窒素ガス供給系１５０は、水素ガスと窒素ガスの供給を行わない。

ステップＳＴ３では、第１の水素ガスレギュレータ１１２の一次圧（ボンベ残圧）が二次圧（レギュレータ出口圧）まで下がる（例えば一次圧と二次圧が０．１ＭＰａで同じになる）ことで、第１の水素ガス供給系１１０による水素ガスの供給が停止される。また、第１の窒素ガスレギュレータ１４２の一次圧（ボンベ残圧）が二次圧（レギュレータ出口圧）まで下がる（例えば一次圧と二次圧が０．１ＭＰａで同じになる）ことで、第１の窒素ガス供給系１４０による窒素ガスの供給が停止される。これにより、水素ガスと窒素ガスの供給源が、第１の水素ガス供給系１１０と第１の窒素ガス供給系１４０から第２の水素ガス供給系１２０と第２の窒素ガス供給系１５０に切り換えられる。

ステップＳＴ４では、第２の水素ガスレギュレータ１２２と第２の窒素ガスレギュレータ１５２の二次圧（レギュレータ出口圧）が例えば０．０２ＭＰａまで下がることで、第２の水素ガス供給系１２０及び第２の窒素ガス供給系１５０が、燃料ガス供給路２０及び熱交換器３０の第１の再循環路３１を介して、水素ガスと窒素ガスを低流量（例えば０．０２ＭＰａ）でアノードガス流路１１に供給する。

ステップＳＴ５では、第２の水素ガスレギュレータ１２２の一次圧（ボンベ残圧）が二次圧（レギュレータ出口圧）まで下がる（例えば一次圧と二次圧が０．０２ＭＰａで同じになる）ことで、第２の水素ガス供給系１２０による水素ガスの供給が停止される。また、第２の窒素ガスレギュレータ１５２の一次圧（ボンベ残圧）が二次圧（レギュレータ出口圧）まで下がる（例えば一次圧と二次圧が０．０２ＭＰａで同じになる）ことで、第２の窒素ガス供給系１５０による窒素ガスの供給が停止される。

本実施形態では、レギュレータ１１２、１２２、１４２、１５２により二次圧を調整しているが、二次圧とレギュレータ以降の系統の圧力損失により、流量が決定する。例えば、レギュレータ以降にオリフィスやニードル弁などの圧力損失調整機構を備えることで、流量調整を容易にすることができる。

本実施形態では、ボンベ１１１、１２１、１４１、１５１を単一のブロックとして描いている（図１）が、各ボンベとしてそれぞれ複数のボンベを並列接続することが可能であり、並列数により、供給総量を調整することが可能である。例えば、水素ガスの供給停止後に可燃性ガスをパージするように、また窒素ガスの供給が継続するように、ボンベの本数を調整することができる。

水素ガスと窒素ガスの流量比には自由度があるが、例えば、水素ガス１に対して窒素ガスを１〜３０とすることが望ましく、水素ガス１に対して窒素ガスを４〜９とすることがより望ましい。

なお、水素ガスがアノードガス流路１１に残留するのを防止するために、ステップＳＴ５の最後に、水素ガスをアノードガス流路１１から追い出すための窒素ガスのパージを行ってもよい。例えば、ＳＯＦＣ１０の内部温度が所定値（例えば３００℃）以下となったことをトリガーとして、窒素ガスのパージを行うことができる。

燃料電池システム１の緊急運転停止時には、ＳＯＦＣ１０の内部温度が１０００℃程度の高温となり、且つ、ＳＯＦＣ１０の内部に酸化物イオン（Ｏ^２−）が滞留した状態となる。このため、ＳＯＦＣ１０の内部の触媒が酸化して触媒機能が損なわれる結果、セルの劣化を招いてしまう。ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に水素ガス（還元ガス）を供給すれば、水素ガスと酸化物イオンが反応して水になるため、還元状態（還元雰囲気）が維持されて、セルの劣化を防止することが可能になる。ここでいう還元状態（還元雰囲気）は、例えば、ＳＯＦＣの開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）が７２０〜８００ｍＶ／セル以上となり、且つ／又は、ＳＯＦＣの内部の水素濃度が１０％以上である状態を意味している。

本発明者らは、燃料電池システム１の緊急運転停止時におけるＳＯＦＣ１０の内部の水素消費量を研究した結果、ＳＯＦＣ１０の内部温度が高い期間には水素消費量が極めて多いのに対し、時間が経過してＳＯＦＣ１０の内部温度が下がるに連れて水素消費量が少なくなることを見出した。この点、従来の燃料電池システム（例えば特許文献１）は、ＳＯＦＣの内部温度が高い期間に合わせた大量の水素ガスを一定の流量で供給しているので、とりわけＳＯＦＣの内部温度がある程度まで下がった後に供給した水素ガスが無駄になってしまうという問題があった。

そこで、第１実施形態の燃料電池システム１では、ＳＯＦＣ１０の緊急運転停止時に、第１の水素ガス供給系１１０が水素ガスをアノードガス流路１１に高流量（第２の水素ガス供給系１２０よりも高流量）で供給した後、第２の水素ガス供給系１２０が水素ガスをアノードガス流路１１に低流量（第１の水素ガス供給系１１０よりも低流量）で供給する。すなわち、ＳＯＦＣ１０の内部温度が高く水素消費量が多い期間は水素ガスの流量を高く設定し、ＳＯＦＣ１０の内部温度が低く水素消費量が少ない期間は水素ガスの流量を低く設定する。このため、ＳＯＦＣ１０に供給した水素ガスが無駄になることがなくなり、還元状態を維持するための必要最小限の水素ガスを供給することができる。その結果、水素消費量（保有水素量）を低減しつつ、セルの劣化を防止することが可能になる。

また、制御電源喪失時や制御装置故障時といったブラックアウト時は、電磁弁の切り換えやＳＯＦＣモジュール内の圧力を測定しながらのガス流量制御を行うことができない。第１実施形態の燃料電池システム１は、非常用バッテリ等の電源を用いたり、制御機器を冗長化することなくＳＯＦＣモジュール内を還元状態に維持することができる、いわゆる制御レスで簡単な構成を採用している点が優位な特徴の１つとなっている。

なお、第１実施形態では、ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に、第１、第２の水素ガス供給系１１０、１２０及び第１、第２の窒素ガス供給系１４０、１５０によって水素ガスと窒素ガスを同時にＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に供給する場合を例示して説明した。しかし、第１、第２の窒素ガス供給系１４０、１５０を省略して、第１、第２の水素ガス供給系１１０、１２０によってＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に水素ガスのみを供給してもよい。つまり、水素ガス（還元ガス）と窒素ガス（不活性ガス）のうちの少なくとも水素ガス（還元ガス）をＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に供給できればよい。

≪第２実施形態≫
図４は、第２実施形態の燃料電池システム１’を示すブロック図である。図４中において、実線（ＳＯＦＣ１０の外部）と破線（ＳＯＦＣ１０の内部）は、例えばガスや水等の流体の流れを示しており、一点鎖線は電気（電流、電力）の流れを示している。

図４に示した第２実施形態の燃料電池システム１’は、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１を簡略化して描いたものであり、ＳＯＦＣ１０、アノードガス流路１１、インバータ１３、第１の再循環路３１、第２の再循環路３２ａ及び再循環ブロア３３を描いている。そして、図４では、第２実施形態の燃料電池システム１’の特徴的な構成要素として、水素ガス供給系（還元ガス供給系、還元ガス供給手段）１７０と、窒素ガス供給系（不活性ガス供給系、不活性ガス供給手段）１８０と、電源ユニット（還元ガス供給手段、バッテリ）１９０とを強調して描いている。

水素ガス供給系１７０は、水素ガス（還元ガス）をアノードガス流路１１に供給可能であり、窒素ガス供給系１８０は、窒素ガス（不活性ガス）をアノードガス流路１１に供給可能である。図示は省略しているが、水素ガス供給系１７０は、水素ガスボンベ（還元ガスボンベ）と、この水素ガスボンベによる水素ガスの供給を制御する水素ガス供給制御部（還元ガス供給制御部）とを有している。同様に、窒素ガス供給系１８０は、窒素ガスボンベ（不活性ガスボンベ）と、この窒素ガスボンベによる窒素ガスの供給を制御する窒素ガス供給制御部（不活性ガス供給制御部）とを有している。

電源ユニット１９０は、ＳＯＦＣ１０とインバータ１３を繋ぐ伝送路（配線）に接続されている。電源ユニット１９０は、ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に、ＳＯＦＣ１０の電極（アノード極とカソード極、燃料極と空気極）に電圧を印加して、水蒸気の電気分解により水素ガス（還元ガス）を生成し、当該水素ガスをアノードガス流路１１に供給可能である。電源ユニット１９０による水素の発生メカニズムは、ＳＯＦＣ１０の発電メカニズムの反対である。すなわち、ＳＯＦＣ１０の発電メカニズムは、水素と酸素を反応させて水（水蒸気）となる過程で電気を取り出すものであるが、電源ユニット１９０による水素の発生メカニズムは、水（水蒸気）に電気を流して水素と酸素に分離することで水素を取り出すものである。ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に、ＳＯＦＣ１０からインバータ１３への伝送路（配線）を電源ユニット１９０に切り換えて、電源ユニット１９０からＳＯＦＣ１０に電圧を印加することで、水電解により水素を発生する。

電源ユニット１９０による水素の製造に用いる水（水蒸気）は、ＳＯＦＣ１０の発電時に生成し、循環しているものを利用できるので、別途、専用の機器を設ける必要がない。また、電源ユニット１９０は、ＳＯＦＣ１０の発電時（通常動作時）に、系統電源またはＳＯＦＣ１０を用いて充電可能であるので、電源ユニット１９０に専用の駆動源を設ける必要がなく、緊急運転停止後に使用済みの電源ユニット１９０を交換する必要がない。尚、電源ユニット１９０は、通常電力を供給する系統電源とは別の系統電源で代用してもよい。

あるいは、ＳＯＦＣ１０に電圧を印加して水素ガス（還元ガス）を生成する水素ガス供給手段（還元ガス供給手段）として、上述した電源ユニット１９０（例えば、バッテリの場合）に代えて／加えて、系統電源を使用することも可能である。系統電源を使用する場合、制御盤と独立して系統電源の電圧を制御することになる。

電源ユニット１９０による水素ガスの製造量と立ち上がり速さは、水素ガス供給系１７０による水素ガスの製造量と立ち上がり速さよりも優れている。

図５は、第２実施形態の燃料電池システム１’の緊急運転停止時における水素ガス供給量と水素ガス供給時間の関係を示す第１のタイミングチャートである。図５に示すように、ＳＯＦＣ１０の緊急運転停止時に、電源ユニット１９０による水素ガスの供給と水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給を同時に（時間的に重複して）実行した後、電源ユニット１９０による水素ガスの供給を停止して、水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給を継続する。

図６は、第２実施形態の燃料電池システム１’の緊急運転停止時における水素ガス供給量と水素ガス供給時間の関係を示す第２のタイミングチャートである。図６に示すように、ＳＯＦＣ１０の緊急運転停止時に、電源ユニット１９０による水素ガスの供給を実行した後、電源ユニット１９０による水素ガスの供給を停止して、水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給を実行する（水素ガスの供給源を電源ユニット１９０から水素ガス供給系１７０に切り換える）。

図５、図６において、電源ユニット１９０による水素ガスの供給を停止するトリガー及びタイミングは、例えば、ＳＯＦＣ１０の運転停止後の経過時間、ＳＯＦＣ１０の内部の温度、ＳＯＦＣ１０の内部の水素濃度、及びＳＯＦＣ１０の電圧の少なくとも１つに基づいて決定することができる。例えば、ＳＯＦＣの開回路電圧が７２０〜８００ｍＶ／セル以上となり、且つ／又は、ＳＯＦＣの内部の水素濃度が１０％以上となったときに、電源ユニット１９０による水素ガスの供給を停止することができる。

図５、図６に示すように、ＳＯＦＣ１０（アノードガス流路１１）の還元状態を維持するために必要な水素ガスの供給量は、燃料電池システム１’が緊急運転停止した直後のＳＯＦＣ１０の内部温度が高い期間に最も多くなり、時間が経過してＳＯＦＣ１０の内部温度が下がるに連れて少なくなる。この点、従来技術の燃料電池システム（例えば特許文献１）は、ＳＯＦＣの内部温度が高い期間に合わせた大量の水素ガスを一定の流量で供給しているので、とりわけＳＯＦＣの内部温度がある程度まで下がった後に供給した水素ガスが無駄になってしまう問題があった。

そこで、第２実施形態の燃料電池システム１’では、ＳＯＦＣ１０の緊急運転停止時に、まず即効性の高い（水素ガスの製造量と立ち上がり速さに優れた）電源ユニット１９０による水素ガスの供給を行い、その後、水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給に切り換える。すなわち、ＳＯＦＣ１０の内部温度が高く水素消費量が多い期間は主に電源ユニット１９０による水素ガスの供給を利用し、ＳＯＦＣ１０の内部温度が低く水素消費量が少ない期間は水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給を利用する。このため、ＳＯＦＣ１０に供給した水素ガスが無駄になることがなくなり、還元状態を維持するための必要最小限の水素ガスを供給することができる。その結果、水素消費量（保有水素量）を低減しつつ、セルの劣化を防止することが可能になる。

また、電源ユニット１９０による水素ガスの供給と水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給を併用することで、電源ユニット１９０と水素ガス供給系１７０のサイズの小型化を図ることができる。

なお、窒素ガス供給系１８０による窒素ガスの供給制御には自由度があり、種々の変更が可能である。例えば、水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給制御と同じにしてもよいし、水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給制御と異ならせてもよい。

≪第３実施形態≫
図示は省略しているが、水素ガスボンベと窒素ガスボンベの出口にオリフィスやニードル弁などの固定絞り機構を設けることにより、ブラックアウト時に、水素ガスボンベと窒素ガスボンベに接続したノルマルオープンの遮断弁を開放させることができる。ボンベ残圧が高いブラックアウト直後にはガス供給量が多く、ボンベ残圧が低下するにしたがってガス供給量が低下することで、ＳＯＦＣの温度低下による水素ガス（還元ガス）の消費量低下に合わせたガス供給が可能である。第３実施形態を実行する場合、アノードガス供給系について、装置外への排気ラインまで締め切ることが無いように、装置を構成することが好ましい。

≪第１実施形態〜第３実施形態を包括した技術思想≫
上記第１実施形態の燃料電池システム１は、非常用バッテリ等の電源を必要としない制御レスであるのに対し、上記第２実施形態の燃料電池システム１’は、電源ユニット１９０を必要とする点で相違する。また第３実施形態は、水素ガスボンベと窒素ガスボンベの出口にオリフィスやニードル弁などの固定絞り機構を設けることにより、ブラックアウト時に水素ガスボンベと窒素ガスボンベに接続したノルマルオープンの遮断弁を開放させるものである。上記第１実施形態の燃料電池システム１における第１の水素ガス供給系１１０及び第２の水素ガス供給系１２０、上記第２実施形態の燃料電池システム１’における水素ガス供給系１７０及び電源ユニット１９０、並びに、上記第３実施形態の固定絞り機構やノルマルオープンの遮断弁は、ＳＯＦＣ１０の運転停止時（緊急運転停止時）に、水素ガス（還元ガス）をアノードガス流路１１に流量を減少させながら供給する「水素ガス供給手段（還元ガス供給手段）」として機能する点で共通する。

その結果、例えば、上述した第１実施形態または第２実施形態では、ＳＯＦＣ１０の内部温度が高く水素消費量が多い期間は主に第１の水素ガス供給系１１０または電源ユニット１９０による水素ガスの供給を利用し、ＳＯＦＣ１０の内部温度が低く水素消費量が少ない期間は第２の水素ガス供給系１２０または水素ガス供給系１７０による水素ガスの供給を利用する。このため、ＳＯＦＣ１０に供給した水素ガスが無駄になることがなくなり、還元状態を維持するための必要最小限の水素ガスを供給することができる。その結果、水素消費量（保有水素量）を低減しつつ、セルの劣化を防止することが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、還元ガスとして水素ガスを適用し、不活性ガスとして窒素ガスを適用した場合を例示した。しかし、還元ガスとしてその他のガス（例えば水素ガスと改質水蒸気等の混合ガス）を適用し、不活性ガスとしてその他のガス（例えば窒素ガスと改質水蒸気等の混合ガス）を適用してもよい。

上記実施の形態では、本発明の燃料電池システム及びその運転方法を主にＳＯＦＣの緊急運転停止時に適用した場合を例示して説明したが、本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、ＳＯＦＣの通常運転停止時にも適用可能である。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。

１ １’ 燃料電池システム
１０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
１１ アノードガス流路（燃料ガス流路）
１２ カソードガス流路（酸化剤ガス流路）
１３ インバータ
２０ 燃料ガス供給路
３０ 熱交換器
３１ 第１の再循環路
３２ａ 第２の再循環路
３２ｂ アノードガス排出路
３３ 再循環ブロア
４０ 酸化剤ガス供給路
４１ 空気ブロア
５０ 熱交換器
５１ 酸化剤ガス排出路
６０ 排熱回収器
７０ 温水熱交換器
８０ 燃料ガス分岐路
９０ 酸化剤ガス分岐路
１００ 起動バーナ
１１０ 第１の水素ガス供給系（第１の還元ガス供給系、還元ガス供給手段）
１１１ 第１の水素ガスボンベ（第１の還元ガスボンベ）
１１２ 第１の水素ガスレギュレータ（第１の還元ガスレギュレータ）
１２０ 第２の水素ガス供給系（第２の還元ガス供給系、還元ガス供給手段）
１２１ 第２の水素ガスボンベ（第２の還元ガスボンベ）
１２２ 第２の水素ガスレギュレータ（第２の還元ガスレギュレータ）
１３０ 水素ガス電磁弁（還元ガス電磁弁）
１４０ 第１の窒素ガス供給系（第１の不活性ガス供給系、不活性ガス供給手段）
１４１ 第１の窒素ガスボンベ（第１の不活性ガスボンベ）
１４２ 第１の窒素ガスレギュレータ（第１の不活性ガスレギュレータ）
１５０ 第２の窒素ガス供給系（第２の不活性ガス供給系、不活性ガス供給手段）
１５１ 第２の窒素ガスボンベ（第２の不活性ガスボンベ）
１５２ 第２の窒素ガスレギュレータ（第２の不活性ガスレギュレータ）
１６０ 窒素ガス電磁弁（不活性ガス電磁弁）
１７０ 水素ガス供給系（還元ガス供給系、還元ガス供給手段）
１８０ 窒素ガス供給系（不活性ガス供給系、不活性ガス供給手段）
１９０ 電源ユニット（還元ガス供給手段、バッテリ）

Claims (4)

1. アノードガス流路とカソードガス流路を有し、前記アノードガス流路に供給された燃料ガスと前記カソードガス流路に供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   還元ガスと不活性ガスのうちの少なくとも還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な第１、第２の還元ガス供給系と、
   を有し、
   前記第１の還元ガス供給系は、前記第２の還元ガス供給系よりも高流量で前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記第１の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、前記固体酸化物形燃料電池の内部温度と水素消費量が前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時の内部温度と水素消費量よりも低下した後、前記第２の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の還元ガス供給系は、第１の還元ガスボンベと、第１の還元ガスレギュレータとを有し、
   前記第２の還元ガス供給系は、第２の還元ガスボンベと、第２の還元ガスレギュレータとを有し、
   前記第１の還元ガスレギュレータは、前記第２の還元ガスレギュレータよりも高い二次圧が設定され、
   前記第１、第２の還元ガス供給系に接続されて、前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に開放されるノルマルオープンの還元ガス電磁弁をさらに有する、
   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. 前記固体酸化物形燃料電池の運転停止は、制御電源喪失及び／又は制御装置故障による緊急運転停止である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. アノードガス流路とカソードガス流路を有し、前記アノードガス流路に供給された燃料ガスと前記カソードガス流路に供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   還元ガスと不活性ガスのうちの少なくとも還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な第１、第２の還元ガス供給系と、
   を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記第１の還元ガス供給系は、前記第２の還元ガス供給系よりも高流量で前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記第１の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、前記固体酸化物形燃料電池の内部温度と水素消費量が前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時の内部温度と水素消費量よりも低下した後、前記第２の還元ガス供給系が前記還元ガスを前記アノードガス流路に供給する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。