JP6575621B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - 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、前記固体酸化物形燃料電池に電圧を印加することにより還元ガスを生成し、当該還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な電源ユニットと、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還元ガス供給系と、有する燃料電池システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記電源ユニットが前記還元ガスを生成して当該還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、且つ/又は、前記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(O2−)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 (6)

  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、
    前記固体酸化物形燃料電池に電圧を印加することにより還元ガスを生成し、当該還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な電源ユニットと、
    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還元ガス供給系と、
    を有し、
    前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記電源ユニットが前記還元ガスを生成して当該還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、且つ/又は、前記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. 前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記電源ユニットによる前記還元ガスの供給と前記還元ガス供給系による前記還元ガスの供給を同時に実行した後、前記電源ユニットによる前記還元ガスの供給を停止して、前記還元ガス供給系による前記還元ガスの供給を継続する、
    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時に、前記電源ユニットによる前記還元ガスの供給を実行した後、前記電源ユニットによる前記還元ガスの供給を停止して、前記還元ガス供給系による前記還元ガスの供給を実行する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
  4. 前記固体酸化物形燃料電池の運転停止後の経過時間、前記固体酸化物形燃料電池の内部の温度、前記固体酸化物形燃料電池の内部の水素濃度、及び前記固体酸化物形燃料電池の電圧の少なくとも1つに基づいて、前記電源ユニットによる前記還元ガスの供給が停止される、
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池システム。
  5. 前記電源ユニットは、系統電源または前記固体酸化物形燃料電池を用いて充電可能である、
    ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 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、
    前記固体酸化物形燃料電池に電圧を印加することにより還元ガスを生成し、当該還元ガスを前記アノードガス流路に供給可能な電源ユニットと、
    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還元ガス供給系と、
    有する燃料電池システムの運転方法であって、
    前記固体酸化物形燃料電池の運転停止時に、前記電源ユニットが前記還元ガスを生成して当該還元ガスを前記アノードガス流路に供給し、且つ/又は、前記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。
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