KR20070104473A - 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

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KR20070104473A
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hydrogen
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히데오 오하라
아키나리 나카무라
마사타카 오제키
요시카즈 다나카
아키노리 유키마사
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템의, 원료 가스에 의한 치환 불량에 따른 특수 정지를 적절하게 실행가능한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공한다. 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(11)는, 연료 전지 시스템(100)의 정지 동작에 있어서 원료 가스에 의한 치환 동작의 이상이 있으면, 연료극(13a)의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단(26, 23, 24), 산화제극(13c)의 출입구를 개폐하는 산화제 개폐 수단(25, 28, 20, 27) 및 수소 생성 장치(12)의 출입구를 개폐하는 수소 개폐 수단(21, 23, 22)의 개폐를, 그 이상 내용에 따라서, 원료 가스에 의한 치환시의 개폐 상태와 상이한 상태로 한다.
연료 전지, 연료 개폐 수단, 수소 개폐 수단, 산화제 개폐 수단

Description

연료 전지 시스템 및 그 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은, 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서의 시스템 내부의 원료 가스의 공급 제어의 개량 기술에 관한 것이다.
종래의 연료 전지 시스템은, 주로, 연료극(燃料極)에서 수소 풍부한 개질 가스(연료 가스)를 소비하고 또한 산화제극(酸化劑極)에서 산소 가스를 소비해서 발전하는 연료 전지와, 산화제극에 산소 가스를 보내는 송풍기(blower)와, 원료 가스(예를 들면, 도시 가스나 천연 가스)와 수증기로부터 수증기 개질 반응에 의해 개질 가스를 생성하는 수소 생성 장치와, 연료극에 있어서 소비되지 않은 개질 가스(오프 가스)에 함유되는 수증기를 응축하는 물 제거 수단과, 오프 가스를 연소해서 얻어지는 연소 가스의 열교환에 의해 연료 생성 장치의 개질 촉매체를 가열하는 버너(가열용 연소기)를 갖고 있다.
이러한 연료 전지 시스템의 정지시에는, 통상 연료 전지 시스템의 내부에 불 활성 가스(예를 들면, 질소 가스) 치환 처리를 실행함으로써 공기와 연료 가스로 이루어지는 혼합 가스 이상 연소의 발생 등이 적절하게 억제되어 있다.
그러나 한편, 질소 가스 치환 처리에는, 질소 봄베나 질소 분리 발생 장치 등의 전용의 질소 설비가 필요해서, 연료 전지 시스템을 가정용 정치형(定置型) 분산 발전원이나 전기 자동차용 전원 등의 용도로서 사용할 경우에, 상기의 질소 설비는 연료 전지 시스템의 비용 저감 및 사이즈 콤팩트화의 양면에 대하여 제약이 있다.
이 때문에, 연료 전지 시스템의 정지시에, 질소 가스에 의해 치환 처리하는 것에 대신하여, 연료 전지 시스템의 내부를 원료 가스에 의해 치환 처리하는 기술이 있다.
예를 들면, 바이패스(bypass) 경로를 경유한 탈황 가스(유황 성분을 제거한 원료 가스)를 연료 전지에 도입하고, 그것을 원료 가스에 의해 치환 처리하는 치환 기술이 공지되어 있다(종래예로서의 특허문헌 1 참조).
또, 연료 전지 시스템에 있어서의 가연성 가스계내에, 수증기를 도입해서 이 계내의 가연 가스를 치환한 후, 수소 생성 장치(연료 개질기)의 촉매의 온도가 충분히 저하한 시점에서, 상기의 계내에 원료 가스를 도입해서 계내의 수증기를 치환하는 것과 같은 치환 기술도 제안되어 있다(종래예로서의 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1 : 일본 공개 특허 제 2003-229149 호 공보
특허문헌 2 : 일본 공개 특허 제 2003-282114 호 공보
(발명이 해결하고자 하는 과제)
원료 가스에 의한 치환 기술을 채용한 연료 전지 시스템의 정지 동작 모드에는, 연료 전지 시스템의 통상 정지 모드 및 가연 가스 리크(leak)나 연료 전지 시스템 내부압 이상 등에 의한 긴급 정지 모드 이외에, 예를 들면 원료 가스 계량계의 고장이나 원료 가스 공급원압 차단과 같은 원료 가스에 의한 치환 동작의 불량에 따른 특수 정지 모드가 있다.
그러나, 종래예에 기재된 원료 가스에 의한 치환 기술은 연료 전지 시스템의 통상 정지 모드만을 염두에 둔 기술이어서, 특수 정지 모드의 상황에 조금도 배려가 되어 있지 않다.
이 때문에, 특수 정지 모드 상태에 있는 연료 전지 시스템을, 기존의 원료 가스에 의한 치환을 모방하여 정지하면, 연료 전지 시스템의 내부(예를 들면, 수소 생성 장치의 내부나 연료 전지의 내부)에 존재하는 수증기의 결로에 의해 이들의 내부를 급격하게 부압화(負壓化)시켜서, 최악에는 연료 전지 시스템의 기기 파손을 가져올 가능성이 있다고 본원 발명자 등은 생각하고 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 연료 전지 시스템의, 원료 가스에 의한 치환 동작의 불량에 따른 특수 정지를 적절하게 실행가능한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료극에 있어서의 수소 가스와 산화제극에 있어서의 산화제 가스를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 원료 가스로부터 상기 수소 가스를 생성하고 이것을 상기 연료극에 공급하는 수소 생성 장치와, 상기 산화제극에 상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 장치와, 적어도 상기 수소 생성 장치의 내부에 상기 원료 가스를 도입하는 원료 가스 공급로와, 상기 연료극의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단과, 상기 산화제극의 출입구를 개폐하는 산화제 개폐 수단과, 상기 수소 생성 장치의 출입구를 개폐하는 수소 개폐 수단과, 상기 연료 개폐 수단 및 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단의 개폐 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 상기 원료 가스 공급로 및 대기에 연통하는 제 1 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스에 의해 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 치환하는 동시에, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 입구를 거쳐서 상기 원료 가스 공급로와 연통하고, 또한 대기와 연통하지 않는 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하도록 제어하고, 또한 상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이 있으면, 상기 이상의 내용에 따라서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 1 상태로 하지 않고 상기 제 1 상태와 다른 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하도록 제어하는 시스템이다.
또, 연료극에 있어서의 수소 가스와 산화제극에 있어서의 산화제 가스를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 원료 가스로부터 상기 수소 가스를 생성하고 이것을 상기 연료극에 공급하는 수소 생성 장치와, 상기 산화제극에 상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 장치와, 적어도 상기 수소 생성 장치의 내부에 상기 원료 가스를 도입하는 원료 가스 공급로와, 상기 연료극의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단과, 상기 산화제극의 출입구를 개폐하는 산화제 개폐 수단과, 상기 수소 생성 장치의 출입구를 개폐하는 수소 개폐 수단을 구비한 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 상기 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 상기 원료 가스 공급로 및 대기에 연통하는 제 1 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스에 의해 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 치환하는 동시에, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 입구를 거쳐서 상기 원료 가스 공급로와 연통하고, 또한 대기와 연통하지 않는 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하고, 또한 상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이 있으면, 상기 이상의 내용에 따라서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 1 상태로 하지 않고 상기 제 1 상태와 다른 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는 운전 방법이다.
이로써, 연료 전지 시스템의, 원료 가스에 의한 치환 동작의 불량에 따른 특수 정지를 적절하게 실행가능한 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법을 얻을 수 있다.
여기에서, 상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상의 일례로서, 이러한 이상이, 상기 원료 가스 공급로내의 상기 원료 가스의 계량 불능 또는 치환 처리후의 가스의 후처리 불능의 경우에는, 상기 제어 장치는, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는 시스템이며, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하도록 연료 전지 시스템을 운전하는 운전 방법이다.
이러한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 의하면, 예를 들어 원료 가스 유량계 등의 원료 가스의 계량 불능의 경우에도, 연료극 및 산화제극 및 수소 생성 장치의 내부에 적절한 원료 가스가 주입되고, 이에 의해 이들 내부의 부압화가 확실하게 방지된다. 이 때문에, 이들 내부의 부압화에 기인해서 외부 공기가 혼입함으로써, 수소 생성 장치 등의 내부에 있는 촉매를 산화 열화시키는 것이 방지된다.
또, 상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상의 다른 예로서, 상기 원료 가스 공급로내의 상기 원료 가스의 공급 불능일 경우에는, 상기 제어 장치는, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 원료 가스 공급로와 연통하지 않고, 또한 상기 출구를 거쳐서 대기에 연통하는 제 3 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는 시스템이며, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 원료 가스 공급로와 연통하지 않고, 또한 상기 출구를 거쳐서 대기에 연통하는 제 3 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하도록 연료 전지 시스템을 운전하는 운전 방법이다.
이러한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 의하면, 원료 가스 공급원압 차단 등의 원료 가스의 공급 불능의 경우에도, 연료극 및 산화제극 및 수소 생성 장치의 내부를 대기에 개방하여, 이들 내부의 과도한 부압 상태가 확실하게 방지된다. 이 때문에, 연료 전지 시스템에 있어서의 보장 내압(耐壓)을 초과하여 연료 전지 시스템의 내부의 부압화가 진행하는 일이 없어, 연료 전지 시스템의 가스 밀봉부의 파손을 방지할 수 있다.
상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부로의 원료 가스 주입의 조건으로서, 상기 수소 생성 장치의 온도를 검지하는 제 1 온도 검지 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 온도 검지 수단에 의해 얻어진 온도에 근거하여, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 내부를 정압 또는 대기압으로 유지해도 좋다.
또, 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부로의 원료 가스 주입의 다른 조건으로서, 상기 연료 전지의 온도를 검지하는 제 2 온도 검지 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제 2 온도 검지 수단에 의해 얻어진 온도에 근거하여, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 내부를 정압 또는 대기압으로 유지해도 좋다.
수소 생성 장치의 내부 가스 온도나 연료 전지의 내부 가스 온도를 측정함으로써, 예를 들어 제어 장치는, 이들의 측정 온도와 내부 가스 이슬점 온도의 비교를 실행할 수 있는 동시에, 수소 생성 장치나 연료 전지에 있어서의 가스의 체적 감소량을 예측할 수 있다. 이 때문에, 수소 생성 장치의 내부 가스 온도나 연료 전지의 내부 가스 온도를 능숙하게 활용함으로써, 제어 장치는 수소 생성 장치나 연료 전지의 내부를 적어도 정압 또는 대기압으로 유지하도록 연료 전지 시스템을 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부로의 원료 가스 주입의 제 3 조건으로서, 상기 수소 생성 장치의 압력을 검지하는 제 1 압력 검지 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 압력 검지 수단에 의해 얻어진 압력에 근거하여, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지해도 좋다.
수소 생성 장치의 온도는, 연료 전지의 온도보다도 급격하게 저하함으로써, 수소 생성 장치의 측정 압력을 모니터하여, 수소 생성 장치의 내부 압력이 적어도 정압 또는 대기압으로 유지되면, 그 결과로서 연료 전지의 내부 압력도 적어도 정압 또는 대기압으로 유지할 수 있는 것으로 추정되어 바람직하다.
또, 상기 수소 생성 장치의 압력을 검지하는 제 1 압력 검지 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 수소 생성 장치의 출입구를 밀봉한 후, 상기 제 1 압력 검지 수단에 의해 검지된 압력이 소정의 문턱값을 초과했을 때에는, 상기 수소 생성 장치의 내부를 대기에 개방하는 시스템이어도 좋다.
이러한 연료 전지 시스템의 구성에 의하면, 연료 전지 시스템의 정지시에, 예를 들어 저온역(低溫域)에 존재한 응축수가 고온역(高溫域)의 수소 생성 장치에 흘러들어가서, 응축수의 증발에 의해 수소 생성 장치의 내부가 과대한 정압 상태에 도달하여도, 연료 전지 시스템의 보장 내압을 초과하여 수소 생성 장치의 내부압이 상승하는 일이 없어, 연료 전지 시스템의 가스 밀봉부의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 상기 수소 생성 장치를 연소 가스와의 열교환에 의해 가열하는 가열용 연소기와, 상기 가열용 연소기에 상기 연소 가스를 생성하기 위한 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서, 상기 가열용 연소기에 있어서의 연소 가스 생성을 정지시킨 후, 상기 공기 공급 수단을 작동해서 상기 수소 생성 장치를 공기와의 열교환에 의해 냉각시키면서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는 시스템이어도 좋다.
이러한 연료 전지 시스템의 구성에 의하면, 공기 공급 수단으로부터 송풍되는 공기와의 열교환에 의해 수소 생성 장치가 신속하게 냉각되어 바람직하다.
또한, 상기 원료 가스 공급로내의 원료 가스의 공급압을 검지하는 제 2 압력 검지 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제 2 압력 검지 수단에 의해 얻어진 압력이 소정의 문턱값 이상의 경우에, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는 시스템이어도 좋다.
한편, 상기 원료 가스 공급로내의 원료 가스의 공급압을 검지하는 제 2 압력 검지 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제 2 압력 검지 수단에 의해 얻어진 압력이 소정의 문턱값 미만의 경우에, 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는 시스템이어도 좋다.
이렇게 해서, 원료 가스 공급로의 원료 가스 공급원압이 소정의 문턱값(예를 들면, 수소 생성 장치의 내부의 하한압)을 초과하고 있는지 여부를 제어 장치에 의해 판정될 뿐만 아니라, 원료 가스의 공급원압이 이러한 소정의 문턱값 이상의 경우에 한해서, 상기 연료극 및 상기 수소 생성 장치 및/또는 상기 산화제극의 내부에 상기 원료 가스를 주입하여, 이들의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하도록 연료 전지 시스템은 제어되고, 원료 가스의 공급원압이 이 문턱값을 하회했을 경우에는, 상기 연료극 및 상기 수소 생성 장치 및/또는 상기 산화제극의 내부에 상기 원료 가스를 주입하지 않고, 이들의 내부를 대기에 개방하도록 연료 전지 시스템은 제어되고, 이로써 연료 전지 시스템의 특수 정지가 원료 가스의 공급원압의 압력값에 따라서 적정하게 실행된다.
또, 연료 전지 시스템의 정지 보관중에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는 시스템이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 연료 전지 시스템의 정지 보관중에, 제어 장치에 의해, 연료 전지 시스템에 있어서 소정의 조건(예를 들면, 수소 생성 장치의 내부압 저하의 하한값에 도달)에 해당하는지 여부가 판정되어, 이러한 소정의 조건에 해당했을 경우에는, 연료극 및 산화제극 및 수소 생성 장치의 내부의 부압화를 방지하기 위해서, 원료 가스 공급로의 원료 가스를 연료극 및 수소 생성 장치 및/또는 산화제극의 내부에 주입하여, 연료극 및 수소 생성 장치 및/또는 산화제극의 내부를 적어도 정압으로 유지하도록, 거기의 승압 동작이 실행되어 바람직하다.
또, 연료 전지 시스템의 정지 보관중에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는 시스템이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 연료 전지 시스템의 정지 보관중에, 제어 장치에 의해, 연료 전지 시스템에 있어서 소정의 조건(예를 들면, 수소 생성 장치의 내부압이 소정의 부압 레벨에 도달)에 해당하는지 여부가 판정되어, 이러한 소정의 조건에 해당했을 경우에는, 연료극 및 수소 생성 장치 및/또는 상기 산화제극의 내부의 부압 상태를 해소하기 위해서, 연료극 및 수소 생성 장치 및/또는 산화제극의 내부를 일시적으로 대기에 개방할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여, 이하의 바람직한 실시 태양의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 연료 전지 시스템의, 원료 가스에 의한 치환 동작의 불량에 따른 특수 정지를 적절하게 실행가능한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 통상 정지 동작 예를 도시한 흐름도,
도 3은 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 원료 가스 유량계 고장에 의한 특수 정지 동작 예를 도시한 흐름도,
도 4는 수소 생성 장치의 내부의 승압 동작의 일례를 설명하는 도면,
도 5는 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 원료 가스 공급원압 차단에 의한 특수 정지 동작 예를 도시한 흐름도,
도 6은 도 5의 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작의 변형예를 도시한 흐름도.
(부호의 설명)
10a : 원료 가스 공급원 11 : 제어 장치
12 : 수소 생성 장치 13 : 연료 전지
13a : 애노드 13c : 캐소드
14 : 물 제거 수단 15 : 냉각수 펌프
16 : 제 1 송풍기 17 : 제 2 송풍기
18 : 가열용 연소기 20 : 제 1 삼방 밸브
21 : 제 5 이방 밸브 22 : 제 3 이방 밸브
23 : 제 2 삼방 밸브 24 : 제 1 이방 밸브
25 : 제 3 삼방 밸브 26 : 제 2 이방 밸브
27 : 제 4 이방 밸브 28 : 제 4 삼방 밸브
30 : 제 1 압력 검지 수단 31 : 원료 가스 계량계
32 : 제 2 압력 검지 수단 33 : 제 1 온도 검지 수단
34 : 연소 검지 수단 35 : 제 2 온도 검지 수단
36 : 제 3 온도 검지 수단 100 : 연료 전지 시스템
G1 : 원료 공급 배관 G2 : 제 1 원료 분기 배관
G3 : 원료 복귀 배관 G4 : 제 2 원료 분기 배관
G5 : 제 3 원료 분기 배관
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시한 블록도이다.
연료 전지 시스템(100)은, 주로, 도 1에 도시하는 바와 같이 애노드(anode)(13a)(연료극)와 캐소드(cathode)(13c)(산화제극)를 구비한 고체 고분자 전해질형의 연료 전지(13)와, 발전 원료 가스로서의 도시 가스나 천연 가스에 물을 첨가해서 이것을 개질시켜서 수소가 풍부한 연료 가스(개질 가스)를 생성하고, 이것을 연료 전지(13)의 애노드(13a)에 공급하는 수소 생성 장치(12)와, 수소 생성 장치(12)에 적당한 개질수를 공급하는 물 공급 수단(도시하지 않음)과, 연료 전지(13)의 애노드(13a)에서 소비되지 않고 배출된 나머지의 연료 가스(오프 가스)내의 물을 제거하는 물 제거 수단(14)과, 물을 제거해서 건조 처리된 오프 가스를 연 소함으로써 수소 생성 장치(12)를 가열하는 가열용 연소기(18)와, 가열용 연소기(18)에 연소용 공기를 공급하는 공기 공급 수단으로서의 제 1 송풍기(16)와, 산화제 가스(공기)를 연료 전지(13)의 캐소드(13c)에 공급해서 연료 전지(13)의 외부로 배출하는 산화제 가스 공급 수단으로서의 제 2 송풍기(17)와, 연료 전지(13)의 내부 온도를 적정하게 유지하도록 연료 전지(13)의 내부에 냉각수를 도입하기 위한 냉각수 펌프(15)를 구비해서 구성되어 있다. 또, 원료 공급 배관(G1)은, 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 가스를 도입하도록 구성된 원료 가스 공급로로서 기능하고, 후술하는 바와 같이, 이 내부에는, 수소 생성 장치(12)에 공급되는 발전 원료로서의 원료 가스와, 수소 생성 장치(12) 및 애노드(13a) 및 캐소드(13c)에 공급되는 치환 가스로서의 원료 가스가 흐른다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 연료 전지(13)의 애노드(13a)에 수소 생성 장치(12)로부터 공급되는 연료 가스와, 연료 전지(13)의 캐소드(13c)에 제 2 송풍기(17)로부터 공급되는 공기를 연료 전지(13)의 내부에서 반응시켜서 발전시킬 수 있다.
또, 수소 생성 장치(12)에 있어서의 연료 가스 생성 및 연료 전지(13)에 있어서의 발전은 공지기술을 이용한 것이며, 여기에서는 이들의 내부 구성 및 연료 가스 생성 동작 및 발전 동작의 상세한 동작 설명은 생략한다.
여기서, 원료 공급 배관(G1)에는, 제 5 이방 밸브(21)(후술함)의 상류측에 있어서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 도시 가스(13A) 등의 원료 공급원 밸브로서의 원료 가스 공급원(10a)과, 원료 가스의 공급원압을 측정하는 제 1 압력 검지 수 단(30)과, 제 1 압력 검지 수단의 하류에 위치해서 원료 가스의 공급량을 측정하는 원료 가스 유량계(31)와, 치환 처리용의 원료 가스를 연료 전지(13)나 수소 생성 장치(12)에 공급하는 치환 가스 공급 수단으로서 기능하는 제 1 이방 밸브(24)(개폐 밸브)의 한쪽과, 제 1 삼방 밸브(20)(전환 밸브)의 두쪽이 접속되어 있다. 원료 공급 배관(G1)과 각 밸브(20, 21, 24)의 접속 구성은 이후에 상세하게 설명한다.
또, 원료 가스 유량계(31)는, 예를 들면 오리피스 유량계(차압식 유량계)이며, 가스 온도 및 가스 차압의 데이터를 환산함으로써 가스 유량을 측정가능하게 구성되어 있다.
또, 수소 생성 장치(12)에 의한 연료 가스 공급 계통 및 오프 가스 환류 계통은, 수소 생성 장치(12)의 출구와 애노드(13a)의 입구 사이를 연결하는 배관(연료 가스 배관)에 마련된 제 2 삼방 밸브(23)(전환 밸브)와, 애노드(13a)의 출구와 물 제거 수단(14)의 입구 사이를 연결하는 배관(오프 가스 배관)에 마련된 제 2 이방 밸브(26)(개폐 밸브)와, 물 제거 수단(14)의 출구와 가열용 연소기(18)의 오프 가스 입구 사이를 연결하는 배관에 마련된 제 3 이방 밸브(22)(개폐 밸브)를 구비해서 구성되어 있다.
이 제 2 삼방 밸브(23)는, 상기의 연료 가스 배관과 오프 가스 배관을 연결하는 바이패스 배관에도 접속되고, 이로써 수소 생성 장치(12)로부터 유출된 연료 가스를 애노드(13a)에 도입하지 않고, 제 2 이방 밸브(26)와 물 제거 수단(14)의 입구 사이의 배관 도중에 직송하는 것을 가능하게 하고 있다.
또, 원료 공급 배관(G1)에 접속된 제 1 이방 밸브(24)는, 제 3 원료 분기 배관(G5)(후술함)을 거쳐서 연료 가스 공급 계통에 있어서의 제 2 삼방 밸브(23)와 애노드(13a)의 입구 사이의 배관에 접속되고, 이로써 제 3 원료 분기 배관(G5)을 거쳐서 원료 공급 배관(G1)으로부터 애노드(13a)에 원료 가스가 공급될 수 있다.
이러한 연료 가스 공급 계통 및 오프 가스 환류 계통에 의하면, 제 2 삼방 밸브(23)의 밸브 전환 조작에 의해 수소 생성 장치(12)의 출구와 애노드(13a)의 입구를 연통시킬 경우에는, 수소 생성 장치(12)로부터 유출된 연료 가스는, 애노드(13a)의 내부에 도입되어서, 애노드(13a)의 내부에서 발전 연료로서 사용된 후, 애노드(13a)의 출구로부터 오프 가스로서 외부로 배출된다. 이 오프 가스는, 개방 상대의 제 2 이방 밸브(26)를 통과한 후, 물 제거 수단(14)에 의해 오프 가스중에 함유되는 수분(수증기 및 미세한 물방울 등)을 제거해서 건조된다. 건조된 오프 가스는, 개방 상태의 제 3 이방 밸브(22)를 통과해서 가열용 연소기(18)로 보내져서, 가열용 연소기(18)의 내부에서 연소된다.
또, 오프 가스 연소에 의해 생성한 열을 수소 생성 장치(12)의 가열에 이용해도 좋다.
한편, 제 2 삼방 밸브(23)의 밸브 전환 조작에 의해 수소 생성 장치의 출구를 오프 가스 배관[제 2 이방 밸브(26)와 물 제거 수단(14)의 입구 사이의 배관 부분]을 연통시킬 경우에는, 수소 생성 장치(12)로부터 유출된 가연성 가스(연료 가스나 원료 가스)는, 애노드(13a)를 경유하지 않고, 물 제거 수단(14)에 직송되고, 그 내부에서 가연성 가스내의 수분을 제거해서 건조된 후, 가열용 연소기(18)로 보 내져 연소된다.
또, 제 2 송풍기(17)에 연통하는 산화제 가스 공급 계통은, 제 2 송풍기(17)와 캐소드(13c)의 입구 사이를 연결하는 배관에 마련된 제 3 삼방 밸브(25)(전환 밸브)와, 캐소드(13c)의 출구와 대기중 사이를 연결하는 배관에 마련된 제 4 삼방 밸브(28)(전환 밸브)와, 이 제 4 삼방 밸브(28)와 가열용 연소기(18) 사이를 연결하는 배관에 마련된 제 4 이방 밸브(27)(개폐 밸브)를 구비해서 구성되어 있다.
또, 원료 공급 배관(G1)에 접속된 제 1 삼방 밸브(20)와, 산화제 가스 공급 계통에 있어서의 제 3 삼방 밸브(25)가 서로 제 2 원료 분기 배관(G4)(후술됨)을 거쳐서 접속되고, 이로써 원료 공급 배관(G1)으로부터 캐소드(13c)에 원료 가스가 공급될 수 있다.
이러한 산화제 가스 공급 계통에 의하면, 제 3 삼방 밸브(25)의 밸브 전환 조작에 의해 제 2 송풍기(17)와 캐소드(13c)의 입구를 연통시키고, 또한 제 4 삼방 밸브(28)의 밸브 전환 조작에 의해, 캐소드(13c)의 출구와 대기를 연통시킬 경우에는, 제 2 송풍기(17)로부터 유출한 산화제 가스(공기)는, 적당한 가열 및 가습 수단(도시하지 않음)에 의해 가열 및 가습된 후, 캐소드(13c)의 내부에 도입되어서, 캐소드(13c)의 내부에서 발전 산화제로서 사용되어, 대기중으로 배출된다.
한편, 제 3 삼방 밸브(25)의 밸브 전환 조작에 의해, 제 1 삼방 밸브(20)와 캐소드(13c)의 입구를 연통시키고, 또한 제 4 삼방 밸브(28)의 밸브 전환 조작에 의해, 캐소드(13c)의 출구와 제 4 이방 밸브(27)를 연통시킬 경우에는, 원료 공급 배관(G1)을 흐르는 원료 가스는, 제 2 원료 분기 배관(G4)을 거쳐서 캐소드(13c)의 내부에 도입되고, 캐소드(13c)의 내부에 대하여 이후에 설명하는 바와 같은 처리를 실시한 후, 개방 상태의 제 4 이방 밸브(27)를 통과해서 가열용 연소기(18)에 보내져, 가열용 연소기(18)의 내부에서 연소된다.
또, 원료 가스 공급 계통에서는, 예를 들면 도시 가스 공급원 등의 원료 가스 공급원(10a)으로부터 송출된 원료 가스는 제 1 압력 검지 수단(30) 및 원료 가스 유량계(31)에 의해 가스 공급 압력 및 가스 공급 유량이 측정되면서, 적당한 탈황기(도시하지 않음)에 의해 원료 가스중의 유황성분을 제외된다.
그리고, 탈황된 후의 원료 가스 공급 계통에는, 수소 생성 장치(12)를 향해서 원료 가스를 보내는 제 1 원료 가스 공급 루트, 캐소드(13c)를 향해서 원료 가스를 보내는 제 2 원료 가스 공급 루트 및 애노드(13a)를 향해서 원료 가스를 보내는 제 3 원료 가스 공급 루트가 있다.
제 1 원료 가스 공급 루트는, 원료 가스 공급원(10a)의 하류측과, 수소 생성 장치(12)의 입구 사이를 연결하는 배관[원료 공급 배관(G1)]에 마련된 제 5 이방 밸브(21)(개폐 밸브)를 구비해서 구성되고, 이 원료 공급 배관(G1)을 흐르는 원료 가스는 개방 상태의 제 5 이방 밸브(21)를 통해서 수소 생성 장치(12)의 내부에 도입된다.
이러한 제 1 원료 가스 공급 루트에 의하면, 연료 전지 시스템(100)의 발전 동작시에는, 수소 생성 장치(12)의 내부에서는, 예를 들면 개질 촉매체를 사용한 수증기 개질 반응에 근거하여, 원료 공급 배관(G1)으로부터 송출된 원료 가스로부터 수소가 풍부한 연료 가스가 생성된다. 또한, 연료 전지 시스템(100)의 정지시 에는, 원료 공급 배관(G1)으로부터 송출된 원료 가스가 수소 생성 장치(12)의 내부에 도입되고, 이 원료 가스에 의해 수소 생성 장치(12)의 내부에 대하여 가스 치환이나 승압과 같은 적절한 처리(이후에 상세하게 설명함)가 실시된다.
또, 수소 생성 장치(12)의 내부에 대하여 적절한 처리를 실시해서 외부에 배출된 원료 가스를 포함하는 가스는, 제 2 삼방 밸브(23)의 밸브 전환 조작에 의해 애노드(13a)에 도입되지 않고, 물 제거 수단(14) 및 개방 상태의 제 3 이방 밸브(22)를 통과해서 가열용 연소기(18)에 보내져, 가열용 연소기(18)의 내부에서 연소되어 적절하게 후처리된다.
제 2 원료 가스 공급 루트에서는, 원료 가스 유량계(31)의 하류측에 위치하는 원료 공급 배관(G1)으로부터 분기한 제 1 원료 분기 배관(G2)이 제 1 삼방 밸브(20)에 접속되는 한편, 이 제 1 삼방 밸브(20)는, 원료 복귀 배관(G3)을 거쳐서 제 1 원료 분기 배관(G2)의 분기 위치보다 하류에 있어서, 제 5 이방 밸브(21)의 상류에 위치하는 원료 공급 배관(G1)에 접속되어 있다. 또한, 제 1 삼방 밸브(20)로부터 연장되는 제 2 원료 분기 배관(G4)은 전술한 바와 같이 산화제 가스 공급 계통의 제 3 삼방 밸브(25)에 접속되어 있다.
이러한 제 2 원료 가스 공급 루트에 의하면, 연료 전지 시스템(100)의 정지시에는, 원료 공급 배관(G1)에 접속된 제 1 삼방 밸브(20)로부터 제 2 원료 분기 배관(G4)에 흐른 원료 가스가 제 3 삼방 밸브(25)를 통해서 캐소드(13c)의 내부에 도입되고, 이 원료 가스에 의해 캐소드(13c)의 내부에 대하여 가스 치환이나 승압과 같은 적절한 처리(이후에 상세하게 설명함)가 실시된다.
또, 캐소드(13c)의 내부에 대하여 적절한 처리를 실시해서 외부에 배출된 원료 가스를 포함하는 가스는, 개방 상태의 제 4 이방 밸브(27)를 통과해서 가열용 연소기(18)에 보내져, 가열용 연소기(18)의 내부에서 연소되어 적절하게 후처리된다.
제 3 원료 가스 공급 루트는, 제 1 원료 분기 배관(G2)의 분기 위치보다 하류에 있어서, 제 5 이방 밸브(21)의 상류에 위치하는 원료 공급 배관(G1)의 도중과, 연료 가스 공급 계통에 있어서의 제 2 삼방 밸브(23)와 애노드(13a)의 입구 사이의 배관을 연결하는 제 3 원료 분기 배관(G5)에 마련된 제 1 이방 밸브(24)를 구비해서 구성되어 있다.
이러한 제 3 원료 가스 공급 루트에 의하면, 연료 전지 시스템(100)의 정지시에는, 원료 공급 배관(G1)에 접속된 제 1 이방 밸브(24)로부터 제 3 원료 분기 배관(G3)에 흐른 원료 가스가 애노드(13a)에 도입되고, 이 원료 가스에 의해 애노드(13a)의 내부에 대하여 승압(이후에 상세하게 설명함)이 실행된다.
제어 장치(11)는, 연료 전지 시스템(100)의 각 요소를 제어하여, 연료 전지 시스템(100)의 기동, 발전 및 정지의 각 동작을 적절하게 제어하는 마이크로프로세서(microprocessor) 등의 연산 장치에 의해 구성되어 있다.
제어 장치(11)의 제어 대상 예로서는, 예를 들면 수소 생성 장치의 출입구를 개폐하는, 전자 개폐 밸브나 전자 전환 밸브에 의해 구성된 수소 개폐 수단[제 3 및 제 5 이방 밸브(22, 21) 및 제 2 삼방 밸브(23)]과, 애노드(13a)의 출입구를 개폐하는, 전자 개폐 밸브나 전자 전환 밸브에 의해 구성된 연료 개폐 수단[제 1, 제 2 및 제 3 이방 밸브(24, 26, 22) 및 제 2 삼방 밸브(23)]과, 캐소드(13c)의 출입구를 개폐하는, 전자 개폐 밸브이나 전자 전환 밸브에 의해 구성된 산화제 개폐 수단[제 4 이방 밸브(27) 및 제 1, 제 3 및 제 4 삼방 밸브(20, 25, 28)]이 있다.
또, 제어 장치(11)의 입력 센서 예로서는, 전술한 원료 가스 유량계(31) 및 제 1 압력 검지 수단(30) 이외에, 수소 생성 장치(12)의 내부압을 측정하는 제 2 압력 검지 수단(32)과, 수소 생성 장치(12)의 내부의 가스 온도를 측정하는 제 1 온도 검지 수단(33)(예를 들면, 열전대)과, 가열 연소부(18)의 연소 상태를 검지하는 연소 검지 수단(34)[예를 들면, 플레임 로드(flame rod)]과, 연료 전지(13)를 냉각하는 냉각수 배관의 냉각수 입구 근방에 배치되어, 연료 전지(13)의 냉각수 입구 근방을 흐르는 냉각수의 온도를 측정함으로써, 애노드(13a) 및 캐소드(13c)를 흐르는 가스의 온도를 예측가능한 제 2 온도 검지 수단(35)(예를 들면, 열전대)과, 연료 전지(13)를 냉각하는 냉각수 배관의 냉각수 출구 근방에 배치되어, 연료 전지(13)의 냉각수 출구 근방을 흐르는 냉각수의 온도를 측정함으로써, 애노드(13a) 및 캐소드(13c)를 흐르는 가스의 온도를 예측가능한 제 3 온도 검지 수단(36)(예를 들면, 열전대)이 있다.
또, 제어 장치(11)는, 원료 가스 유량계(31)에 대한 에러 검지 수단(도시하지 않음)을 내장하고 있고, 이에 의해 원료 가스 유량계(31)의 고장[예를 들면, 원료 가스 유량계(31)의 배선의 쇼트(short)나 단선에 의한 가스 온도나 가스 차압의 데이터 에러]시의 에러 검지 신호를 취득하도록 구성되어 있다.
그리고, 이후에 상세하게 설명하는 연료 전지 시스템의 동작에 있어서는, 제 어 장치는, 상기의 각종 입력 센서(30, 31, 32, 33, 34, 35, 36)에 의해 얻어진 검지 데이터에 근거하여, 상기 각종의 밸브(20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27)의 개폐 동작을 적절하게 제어하고 있다.
또, 본 명세서에 있어서는, 제어 장치란, 단독의 제어 장치뿐만 아니라, 복수의 제어 장치가 협동해서 연료 전지 시스템(100)의 동작을 제어하는 제어 장치 그룹도 의미한다. 따라서, 제어 장치(11)는 반드시 단독의 제어 장치로 구성될 필요는 없고, 복수의 제어 장치가 분산 배치되어 있어서, 그들이 협동해서 연료 전지 시스템(100)의 동작을 제어하도록 구성되어 있어도 좋다.
또, 도 1에 도시한 밸브 구성은 일례에 지나지 않고, 도 1의 밸브 구성은 수소 생성 장치나 연료 전지의 구성에 의존하여 적절하게 개변(改變)되는 것이다.
다음에, 본 실시형태에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 정지 동작의 일례를 도면을 참조하면서 설명한다.
최초로, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 통상 정지 모드의 정지 동작 예를 설명한 후, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 특수 정지 모드의 정지 동작 예를 설명한다.
<연료 전지 시스템의 정지 동작 예(통상 정지)>
도 2는 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 통상 정지 동작 예를 도시한 흐름도이다.
제어 장치(11)는, 원료 가스 공급원압 측정용의 제 1 압력 검지 수단(30)으로부터 정상인 압력 신호를 수취하고, 또한 원료 가스 유량계(31)에 대한 에러 검 지 수단에 의해 어떠한 에러 검지 신호도 취득하지 않은 경우에는, 도 2에 도시한 단계 S201 내지 단계 S206에 대응하는 각종 밸브를 제어해서 연료 전지 시스템(100)의 통상 정지를 실행한다.
우선, 연료 전지(13)의 발전 동작 정지 및 가열용 연소기(18)의 연소 동작 정지 등, 연료 전지 시스템(100)이 정지 과정으로 이행하면, 애노드(13a)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구가 밀봉된다(단계 S201).
보다 상세하게는, 제 2, 제 3 및 제 5 이방 밸브(26, 22, 21)가 폐쇄되고, 또한 제 2 삼방 밸브(23)가 수소 생성 장치(12)의 출구와, 제 2 이방 밸브(26)와 물 제거 수단(14)의 입구 사이의 배관을 연통하도록 전환되고[수소 생성 장치(12)의 출구와 애노드(13a)의 입구 사이는 연통 차단), 이에 의해 애노드(13a)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구가 적절하게 밀봉된다[이하에 설명하는 애노드(13a)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구의 밀봉 밸브 조작도 동일함].
다음에, 연료 전지(13)는, 자연 냉각(방치)되는 한편, 가열용 연소기(18)로의 연소용 공기 공급용의 제 1 송풍기(16)로부터 공기가 공급되어, 이 공기와의 열교환에 의해 수소 생성 장치(12)는 강제 공냉된다.
아울러, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 소정의 조건에 근거하여[예를 들면, 연료 전지 시스템(100)의 정지시부터 일정 시간의 경과마다 또는 수소 생성 장치(12)의 내부압 저하에 따라서], 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 존재하는 수증기 결로에 의한 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화를 방지하기 위해서, 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12) 의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스가 주입되어, 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 적어도 정압 또는 대기압으로 유지하도록, 거기의 승압 동작이 실행된다. 그리고, 이러한 내부 승압 동작후에, 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)는 다시 밀봉된다(단계 S202).
보다 상세하게는, 애노드(13a)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구가 밀봉된 상태에 있어서, 제 1 삼방 밸브(20)가, 제 1 원료 분기 배관(G2)과 원료 복귀 배관(G3)을 연통하도록 전환될 뿐만 아니라[제 1 원료 분기 배관(G2)과 제 2 원료 분기 배관(G4) 사이는 연통 차단), 제 1 및 제 5 이방 밸브(24, 21)가 일시적으로 개방된다. 그렇다면, 제 1 이방 밸브(24)가 개방된 기간 동안, 애노드(13a)의 내부가 애노드(13a)의 입구를 거쳐서 원료 공급 배관(G1)과 연통하고, 그 내부가 대기와 연통하지 않는 상태로 된다(제 2 상태). 그 결과, 애노드(13a)의 내부에 원료 가스 공급원압에 근거하여 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스가 적량 주입된다. 또한, 제 5 이방 밸브(21)가 개방된 기간 동안, 수소 생성 장치(12)의 내부가 수소 생성 장치(12)의 입구를 거쳐서 원료 공급 배관(G1)과 연통하고, 그 내부가 대기와 연통하지 않는 상태로 된다(제 2 상태). 그 결과, 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 가스 공급원압에 근거하여 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스가 적량 주입된다. 이로써, 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화가 방지된다.
계속해서, 연료 전지 시스템(100)의 온도가 소정의 기준 온도까지 저하하면, 원료 가스 공급원압에 의해, 캐소드(13c)의 내부를 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스에 의해 치환하는 캐소드(13c)의 치환 동작이 실행된다. 그리고, 캐소드(13c)의 원료 가스에 의한 치환 동작이 종료한 시점에서, 캐소드(13c)의 출입구가 밀봉된다(단계 S203).
보다 상세하게는, 제 1 삼방 밸브(20)가, 제 1 원료 분기 배관(G2)과 제 2 원료 분기 배관(G4)을 연통하도록 전환되고[제 1 원료 분기 배관(G2)과 원료 복귀 배관(G3) 사이는 연통 차단), 제 3 삼방 밸브(25)가, 제 2 원료 분기 배관(G4)과 캐소드(13c)의 입구를 연통하도록 전환되고[제 2 송풍기(17)와 캐소드(13c)의 입구 사이는 연통 차단), 제 4 삼방 밸브(28)가, 캐소드(13c)의 출구와 제 4 이방 밸브(27)를 연통하도록 전환된다[캐소드(13c)의 출구와 대기 사이는 연통 차단). 그렇다면, 이 상태에서 제 4 이방 밸브(27)가 개방되면, 캐소드(13c)의 내부가 그 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 원료 공급 배관(G1) 및 대기에 연통하는 상태로 된다(제 1 상태). 그 결과, 원료 가스 공급원(10a)으로부터 송출한 원료 가스는, 제 1 원료 분기 배관(G2) 및 제 2 원료 분기 배관(G4)을 통해서 캐소드(13c)에 도입되고, 이로써 캐소드(13c)의 내부에 있는 가스가 원료 가스로 치환된다. 그리고, 캐소드(13c)로의 원료 가스 압송에 의해 캐소드(13c)로부터 배출된 원료 가스를 포함하는 치환 처리 가스는 개방 상태의 제 4 이방 밸브(27)를 통과하여, 적절한 물 제거 수단(도시하지 않음)에 의해 수분 제거될 뿐만 아니라 가열용 연소기(18)에 보내져 거기에서 연소해서 후처리된다.
또, 가열용 연소기(18)에 의한 치환 처리 가스의 연소 기간 동안에는, 제 1 송풍기(16)로부터 보내지는 공기에 의한 수소 생성 장치(12)의 강제 공냉은 일단 정지한다.
그리고, 제 1 삼방 밸브(20)가, 제 1 원료 분기 배관(G2)과 원료 복귀 배관(G3)을 연통하도록 전환되고[제 1 원료 분기 배관(G2)과 제 2 원료 분기 배관(G4) 사이는 연통 차단), 제 3 삼방 밸브(25)가, 제 2 원료 분기 배관(G4)과 캐소드(13c)의 입구를 연통하도록 전환되고[제 2 송풍기(17)와 캐소드(13c)의 입구 사이는 연통 차단), 제 4 삼방 밸브(28)가, 캐소드(13c)의 출구와 제 4 이방 밸브(27)를 연통하도록 전환되고[캐소드(13c)의 출구와 대기 사이는 연통 차단), 제 4 이방 밸브(27)가 폐쇄되고, 이에 의해 캐소드(13c)의 출입구는 적절하게 밀봉된다[이하에 설명하는 캐소드(13c)의 출입구의 밀봉 밸브 조작도 동일함).
계속해서, 단계 S202에 있어서 설명한 동작과 마찬가지로, 연료 전지(13)는 자연 냉각되는 한편, 가열용 연소기(18)로의 연소용 공기 공급용의 제 1 송풍기(16)로부터 공기가 공급되고, 이 공기와의 열교환에 의해 수소 생성 장치(12)는 강제 공냉된다.
아울러, 연료 전지 시스템(100)의 소정의 조건에 근거하여[예를 들면, 연료 전지 시스템(100)의 정지시부터 일정 시간의 경과마다 또는 수소 생성 장치(12)의 내부압 저하에 따라서], 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 존재하는 수증기 결로에 의한 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화를 방지하기 위해서, 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스가 주입되어, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 적어도 정압 또는 대기압으로 유지하도록, 거기의 승압 동작이 실행된다. 그리고, 이러한 내부 승압 동작후에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)는 다시 밀봉된다(단계 S204).
보다 상세하게는, 캐소드(13c)가 밀봉된 상태에 있어서, 제 1 삼방 밸브(20)가, 제 1 원료 분기 배관(G2)과 제 2 원료 분기 배관(G4)을 연통하도록, 일시적으로 전환된다[제 1 원료 분기 배관(G2)과 원료 복귀 배관(G3) 사이는 일시적 연통 차단].
그렇게 하면, 상기의 제 1 삼방 밸브(20)의 일시적인 전환 기간 동안, 캐소드(13c)의 내부는 캐소드(13c)의 입구를 거쳐서 원료 공급 배관(G1)과 연통하고, 그 내부가 대기와 연통하지 않는 상태로 된다(제 2 상태). 그 결과, 캐소드(13c)의 내부에 원료 가스 공급원압에 근거하여 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스가 적량 주입되고, 이로써 캐소드(13c)의 내부의 부압화가 방지된다. 또, 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부로의 원료 가스 주입 밸브 조작은 단계 S202에 있어서 설명한 내용과 동일하기 때문에, 여기에서는 이들의 밸브 조작의 설명은 생략한다.
그 후, 연료 전지 시스템(100)의 온도[수소 생성 장치(12)의 온도]가 소정의 기준 온도까지 저하하면, 원료 가스 공급원압에 의해 수소 생성 장치(12)의 내부를 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스에 의해 치환하는 수소 생성 장치(12)의 치환 동작이 실행된다. 그리고, 수소 생성 장치(12)의 원료 가스에 의한 치환 동작이 종료한 시점에서, 수소 생성 장치(12)의 출입구가 다시 밀봉된다(단계 S205).
보다 상세하게는, 제 1 삼방 밸브(20)가, 제 1 원료 분기 배관(G2)과 원료 복귀 배관(G3)을 연통하도록 전환되고[제 1 원료 분기 배관(G2)과 제 2 원료 분기 배관(G4) 사이는 연통 차단), 제 2 삼방 밸브(23)가, 수소 생성 장치(12)의 출구와, 제 2 이방 밸브(26)와 물 제거 수단(14)의 입구 사이의 배관을 연통하도록 전환된다[수소 생성 장치(12)의 출구와 애노드(13a)의 입구 사이는 연통 차단). 그렇다면, 이 상태에서 제 5 및 제 3 이방 밸브(21, 22)가 개방되면, 수소 생성 장치(12)의 내부가 그 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 원료 공급 배관(G1) 및 대기에 연통하는 상태로 된다(제 1 상태). 그 결과, 원료 가스 공급원(10a)으로부터 송출한 원료 가스는 원료 공급 배관(G1)을 통해서 수소 생성 장치(12)에 도입되고, 이로써 수소 생성 장치(12)의 내부에 있는 가스가 원료 가스로 치환된다. 그리고, 수소 생성 장치(12)로의 원료 가스 압송에 의해 수소 생성 장치(12)로부터 배출된 원료 가스를 포함하는 치환 처리 가스는, 물 제거 수단(14)에 의해 수분 제거될 뿐만 아니라, 개방 상태의 제 3 이방 밸브(22)를 통해서 가열용 연소기(18)에 보내져 거기에서 연소해서 후처리된다.
또, 가열용 연소기(18)에 의한 치환 처리 가스의 연소 기간 동안에는, 제 1 송풍기(16)로부터 보내지는 공기에 의한 수소 생성 장치(12)의 강제 공냉은 일단 정지한다.
그 후, 연료 전지 시스템(100)의 온도[수소 생성 장치(12)의 온도]가 충분히 낮추어진 시점에서, 제 1 송풍기(16)로부터 보내진 공기와의 열교환에 의한 수소 생성 장치(12)의 강제 공냉 동작이 정지하고(단계 S206), 연료 전지 시스템(100)의 통상 정지 동작이 종료한다.
이러한 연료 전지 시스템의 정지 동작에 의하면, 연료 전지 시스템(100)의 정지시에, 종래의 질소 가스 치환 처리를 대신하여, 연료 전지 시스템(100)의 내부가 원료 가스에 의해 적정하게 치환가능하기 때문에, 질소 설비를 생략하여, 연료 전지 시스템(100)의 비용 저감 및 사이즈 콤팩트화를 도모할 수 있다.
더욱이, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 적절하게 원료 가스가 주입되고, 이로써 이들의 내부의 부압화가 방지된다. 이 때문에, 내부의 부압화에 기인해서 외부 공기가 혼입함으로써, 수소 생성 장치(12) 등의 내부에 있는 촉매를 산화 열화시키는 것이 방지된다. 또한, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 보장 내압(대기압과의 차압으로서 예를 들어 20kPa가 상정되고 있음)을 초과하여 연료 전지 시스템(100)의 내부의 부압화가 진행하면, 연료 전지 시스템(100)의 기기 고장을 초래할 가능성이 있지만, 이러한 사태가 사전에 방지될 수 있다.
[도 2에 도시한 연료 전지 시스템의 정지 동작(통상 정지)의 변형예]
여기까지, 연료 전지 시스템(100)의 정지 동작에 있어서, 연료 전지(13)의 애노드(13a)에는, 수소가 풍부한 연료 가스를 밀봉하는 예를 설명했지만, 물론 이 애노드(13a)를 원료 가스에 의해 치환해도 좋다. 또 이 경우, 제 3 원료 분기 배관(G5)을 경유하는 원료 가스를 애노드(13a)에 도입하는 제 1 경로, 및 이 제 3 원료 분기 배관(G5)을 경유하지 않고, 수소 생성 장치(12)를 통과한 원료 가스를 애노드(13a)에 도입하는 제 2 경로의 2종류의 경로가 있다.
제 1 경로를 채용할 경우에는, 애노드(13a)의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단은, 상기 실시형태와 마찬가지로, 제 1, 제 2 및 제 3 이방 밸브(24, 26, 22) 와, 제 2 삼방 밸브(23)에 의해서 구성되어 있다. 그리고, 이 연료 개폐 수단의 동작 예로서, 수소 생성 장치(12)의 출구와, 제 2 이방 밸브(26)와 물 제거 수단(14)의 입구 사이의 배관을 연통하도록 제 2 삼방 밸브(23)가 전환되고, 이 상태에서 제 1, 제 2 및 제 3 이방 밸브(24, 26, 22)가 개방되면, 애노드(13a)의 내부는 그 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 원료 공급 배관(G1) 및 대기에 연통하는 상태로 된다(제 1 상태). 그 결과, 원료 가스 공급원(10a)으로부터 송출한 원료 가스는, 제 3 원료 분기 배관(G5)을 통해서 애노드(13a)에 도입되고, 이로써 애노드(13a)의 내부에 있는 가스가 원료 가스로 치환된다.
제 2 경로를 채용할 경우에는, 애노드(13a)의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단은 제 2 및 제 3 이방 밸브(26, 22)와, 제 2 삼방 밸브(23)에 의해서 구성되어 있다. 그리고, 이 연료 개폐 수단의 동작 예로서, 수소 생성 장치(12)의 출구와, 애노드(13a)의 입구를 연통하도록 제 2 삼방 밸브(23)가 전환되고, 이 상태에서 제 2 및 제 3 이방 밸브(26, 22)가 개방되면[단, 수소 생성 장치(12)의 입구측의 제 5 이방 밸브(21)도 개방 상태], 애노드(13a)의 내부는 그 출입구를 통해서 원료 가스를 통류 가능하도록 원료 공급 배관(G1)[수소 생성 장치(12)를 거쳐서] 및 대기에 연통하는 상태로 된다(제 1 상태). 그 결과, 원료 가스 공급원(10a)으로부터 송출한 원료 가스는, 원료 공급 배관(G1) 및 수소 생성 장치(12)를 통해서 [수소 생성 장치(12)를 원료 가스에 의해 치환하면서], 애노드(13a)에 도입되고, 이로써 애노드(13a)의 내부에 있는 가스가 원료 가스로 치환된다.
또, 여기에서 설명한 제 2 경로를 사용하여, 수소 생성 장치(12)와 연료 전 지(13)의 애노드(13a)를 일괄해서 원료 가스 주입을 실행해도 좋다. 또, 수소 생성 장치(12)와 연료 전지(13)의 애노드(13a)를 일괄적으로 원료 가스 주입하는 각 밸브 동작에 관한 설명은 전술한 내용이나 도 2를 참조하면 용이하게 이해할 수 있으므로, 생략한다.
<연료 전지 시스템의 정지 동작 예(원료 가스 유량계 고장에 의한 특수 정지)>
도 3은 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 원료 가스 유량계 고장에 의한 특수 정지 동작 예를 도시한 흐름도이다.
제어 장치(11)는, 원료 가스 공급량 측정용의 원료 가스 유량계(31)에 있어서의 에러 검지 신호를 취득했을 경우에는, 도 3에 도시한 단계 S301 내지 단계 S306에 대응하는 각종 밸브를 제어해서 연료 전지 시스템(100)의 원료 가스 유량계(31)의 고장(원료 가스의 계량 불능)에 의한 특수 정지를 실행한다.
여기에서, 도 3의 흐름도로부터 이해되는 바와 같이, 원료 가스 유량계(31)의 고장에 의한 연료 전지 시스템(100)의 특수 정지시에는, 원료 가스 유량계(31)에 의한 원료 가스량의 파악이 불가능하기 때문에, 캐소드(13c)의 내부 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 원료 가스에 의해 치환하는 원료 가스 퍼지 처리가 생략된다.
또, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부 승압 동작(원료 가스 주입)은 전술한 동작과 동일하기 때문에, 여기에서는 이들의 상세한 밸브 조작의 설명은 생략한다. 마찬가지로, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생 성 장치의 출입구의 밀봉 동작도 전술한 동작과 동일하기 때문에, 여기에서는 이들의 상세한 밸브 조작의 설명도 생략한다.
연료 전지(13)의 발전 동작 정지 및 가열용 연소기(18)의 연소 동작 정지 등, 연료 전지 시스템(100)이 정지 과정으로 이행하면, 연료 전지(13)의 애노드(13a)의 출입구 및 연료 전지(13)의 캐소드(13c)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구가 밀봉된다(단계 S301).
다음에, 연료 전지(13)는, 자연 냉각(방치)되는 한편, 가열용 연소기(18)로의 연소용 공기 공급용의 제 1 송풍기(16)로부터 공기가 공급되고, 이 공기와의 열교환에 의해 수소 생성 장치(12)는 강제 공냉된다(단계 S302).
여기에서, 제어 장치(11)에 의해, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 소정의 조건(후술함)에 해당하는지 여부가 판정된다(단계 S303). 이 소정의 조건에 해당했을 경우에는(단계 S303에 있어서 「예」의 경우), 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 존재하는 수증기 결로에 의한 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화를 방지하기 위해서, 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하여, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 적어도 정압 또는 대기압으로 유지하도록, 거기의 승압 동작이 실행된다. 그리고, 이러한 내부 승압 동작후에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)는 다시 밀봉되고(단계 S304), 다음의 판정 단계 S305로 진행한다.
한편, 이 소정의 조건에 해당하지 않을 경우에는(단계 S303에 있어서 「아니오」의 경우), 상기의 단계 S304에 기재된 원료 가스 주입 동작을 실행하지 않고, 다음의 판정 단계 S305로 진행한다.
여기에서, 연료 전지 시스템(100)의 내부가 충분히 냉각되었는지 여부가 판정되고(단계 S305), 냉각이 불충분하면(단계 S305에 있어서 「아니오」의 경우), 단계 S302로 되돌아가서, 단계 S302 이후의 동작이 반복되고, 냉각이 충분하면(단계 S305에 있어서 「예」의 경우), 제 1 송풍기(16)로부터 보내진 공기와의 열교환에 의한 수소 생성 장치(12)의 강제 공냉 동작을 정지하여(단계 S306), 연료 전지 시스템(100)의 원료 가스 유량계(31)의 고장에 의한 특수 정지 동작이 종료한다.
여기에서, 단계 S303에 기재된 「소정의 조건」의 일례로서, 거기에 해당했을 때의 연료 전지 시스템(100)의 동작으로서는, 제어 장치(11)가, 적절한 타이머(timer) 수단(도시하지 않음)에 의해 연료 전지 시스템(100)의 정지시부터 시간경과를 모니터해서 일정 시간 경과마다, 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하도록, 단계 S304의 밸브 조작을 실행해도 좋다.
또, 단계 S303에 기재된 「소정의 조건」의 다른 예로서, 거기에 해당했을 때의 연료 전지 시스템(100)의 동작으로서는, 제어 장치(11)가, 수소 생성 장치(12)의 내부압 측정용의 제 2 압력 검지 수단(32)으로부터 얻어진 압력에 근거하여, 도 4에 도시하는 바와 같이 수소 생성 장치(12)의 내부압 하한값(예를 들면, 0.5kPa)에 수소 생성 장치(12)의 측정 내부압이 도달한 시점에서, 단계 S304에 있 어서의 밸브 조작으로부터 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하여, 도시 가스 공급압(약 2kPa) 상당의 압력 레벨까지 수소 생성 장치(12)의 내부를 승압해도 좋다[동시에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c)의 적절한 압력 레벨로 승압됨].
수소 생성 장치(12)의 온도는 연료 전지(13)의 온도보다도 급격하게 저하함으로써, 수소 생성 장치(12)의 측정 압력을 모니터하여, 수소 생성 장치(12)의 내부 압력이 적어도 정압 또는 대기압(여기에서는, 0.5kPa 이상)으로 유지되면, 그 결과로서 연료 전지(13)의 내부 압력도 적어도 정압 또는 대기압으로 유지될 수 있는 것으로 추정되어 바람직하다.
또한, 단계 S303에 기재된 「소정의 조건」의 다른 예로서, 거기에 해당했을 때의 연료 전지 시스템(100)의 동작으로서는, 제어 장치(11)가, 수소 생성 장치(12)의 내부 가스 온도 측정용의 제 1 온도 검지 수단(33)으로부터 얻어진 온도에 근거하여, 수소 생성 장치(12)의 내부 가스 온도 저하값을 취득하여, 예를 들어 50℃의 온도 저하마다, 단계 S304에 있어서의 밸브 조작으로부터 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하여, 도시 가스 공급압(약 2kPa) 상당의 압력 레벨까지 수소 생성 장치(12)의 내부를 승압해도 좋다[동시에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c)의 적절한 압력 레벨로 승압됨].
더욱이, 단계 S303에 기재된 「소정의 조건」의 다른 예로서, 거기에 해당했을 때의 연료 전지 시스템(100)의 동작으로서는, 제어 장치(11)가, 연료 전지(13) 의 내부 가스 온도를 예측가능한 제 2 온도 검지 수단(35)으로부터 얻어진 온도에 근거하여, 연료 전지(13)의 내부 가스 온도 저하값을 취득하여, 예를 들어 5℃의 온도 저하마다, 단계 S304에 있어서의 밸브 조작으로부터 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하여, 도시 가스 공급압(약 2kPa) 상당의 압력 레벨까지 수소 생성 장치(12)의 내부를 승압해도 좋다[동시에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c)의 적절한 압력 레벨로 승압됨].
수소 생성 장치(12)의 내부 가스 온도나 연료 전지(13)의 내부 가스 온도를 측정함으로써, 예를 들어 제어 장치(11)는, 이들의 측정 온도와 내부 가스 이슬점 온도의 비교를 실행할 수 있는 동시에, 수소 생성 장치(12)나 연료 전지(13)에 있어서의 가스의 체적 감소량을 예측할 수 있다. 이 때문에, 수소 생성 장치(12)의 내부 가스 온도나 연료 전지(13)의 내부 가스 온도를 능숙하게 활용함으로써, 제어 장치(11)는 수소 생성 장치(12)나 연료 전지(13)의 내부를 적어도 정압 또는 대기압(예를 들면, 0.5kPa 이상)으로 유지하도록, 연료 전지 시스템(100)을 동작시킬 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템의 정지 동작에 의하면, 원료 가스 유량계(31)가 고장 났을 경우에도, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 적절하게 원료 가스가 주입되고, 이에 의해 이들의 내부의 부압화가 방지된다. 이 때문에, 이들의 내부의 부압화에 기인해서 외부 공기가 혼입함으로써, 수소 생성 장치(12) 등의 내부에 있는 촉매를 산화 열화시키는 것이 방지된다.
또, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 보장 내압(예를 들면, 대기압과의 차압으로서 20kPa)을 초과하여 연료 전지 시스템(100)의 내부의 부압화가 진행하면, 연료 전지 시스템(100)의 가스 밀봉부의 파손을 초래할 가능성이 있지만, 이러한 연료 전지 시스템(100)의 가스 밀봉부의 파손도 방지할 수 있다.
더욱이, 각 가정의 도시 가스 공급원이 원료 가스 공급원(10a)에 유용될 경우에는, 연료 전지 시스템(100)의 내부의 부압 촉진에 의해, 이 도시 가스가 연료 전지 시스템(100)에 흡입되어, 가정용 가스 기기에의 악영향도 우려되지만, 이러한 가정용 가스 기기에의 악영향도 미연에 회피할 수 있다.
특히, 원료 가스 유량계(31)의 고장에 기인해서 수소 생성 장치(12)나 캐소드(13c)의 내부로의 원료 가스에 의한 치환이 불가능해서, 수소 생성 장치(12)나 캐소드(13c)의 내부에 다량으로 존재하는 수증기의 결로에 의해 수소 생성 장치(12)나 캐소드(13c)의 부압화를 초래하기 쉽다. 이로부터 단계 S304에 설명한 원료 가스 주입에 의한 부압 방지 효과는 원료 가스 유량계(31)의 고장에 의한 특수 정지 동작시에는 현저하게 발휘된다.
[도 3에 도시한 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작의 변형예 1]
여기까지, 원료 가스 유량계(31)의 고장을 상정한 연료 전지 시스템(100)의 특수 정지 동작을 설명했지만, 도 3에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 특수 정지 동작의 실행은 원료 가스 유량계(31)의 고장이라는 상황에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 가열용 연소기(18)의 실화 등의 가열용 연소기(18)의 고장에 기인하여, 치환 처리후의 원료 가스를 포함한 가연성 가스의 연소 배기가 실행 불가 능할 경우(치환 처리후의 가스의 후처리 불능의 경우)에, 수소 생성 장치(12)의 내부나 캐소드(13c)의 내부를 원료 가스에 의해 치환하는 처리를 실행하면, 미연소의 가연성 가스(원료 가스)가 그대로 대기중에 방출되는 사태에 이른다.
이 때문에, 제어 장치(11)는 연소 검지 수단(34)으로부터 얻어진 데이터에 근거하여 가열용 연소기(18)의 연소 상태에 이상이 있는지 여부를 모니터하고 있다. 그리고, 가열용 연소기(18)에 있어서 실화 등의 연소 이상이 있으면, 제어 장치(11)는, 도 2에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 통상 정지 동작을 실행하지 않고, 도 3에 도시한 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작으로 이행하도록 각종의 밸브 조작을 제어한다. 그렇다면, 가령 가열용 연소기(18)에 실화 등의 연소 이상이 발생해도, 미연소의 가연성 가스가 연소 처리되지 않고, 대기중에 배출되는 것을 미연에 회피할 수 있다. 동시에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화도 방지된다.
[도 3에 도시한 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작의 변형예 2]
또한 여기까지, 연료 전지 시스템(100)의 정지 동작시에, 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하여, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 적어도 정압 또는 대기압으로 유지하도록, 거기의 승압 동작이 실행되는 예를 설명했지만, 이러한 원료 가스 주입에 의한 애노드(13a) 등의 내부 승압 기술은 연료 전지 시스템(100)의 정지 보관중에도 적용가능하다.
예를 들면, 연료 전지 시스템(100)의 정지 보관중에, 제어 장치(11)에 의해, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 소정의 조건[예를 들면, 수소 생성 장치(12)의 내부압 저하의 하한값에 도달)에 해당하는지 여부가 판정되고, 이러한 소정의 조건에 해당했을 경우에는, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화를 방지하기 위해서, 원료 가스 공급원압에 의해 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 원료 공급 배관(G1)의 원료 가스를 주입하여, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 적어도 정압 또는 대기압으로 유지하도록, 거기의 승압 동작이 실행되어도 좋다.
<연료 전지 시스템의 정지 동작 예(원료 가스 공급원압 차단에 의한 특수 정지)>
도 5는 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 원료 가스 공급원압 차단에 의한 특수 정지 동작 예를 도시한 흐름도이다.
제어 장치(11)는, 원료 가스 공급원압 측정용의 제 1 압력 검지 수단(30)으로부터 얻어진 압력에 근거하여, 도 5에 도시한 단계 S501 내지 단계 S506에 대응하는 각종 밸브를 제어해서 연료 전지 시스템(100)의 원료 가스 공급원압 차단(원료 가스 공급 불능)에 의한 특수 정지를 실행할 것인지 여부를 선택한다.
즉, 제어 장치(11)는, 제 1 압력 검지 수단(30)으로부터 얻어진 압력이 소정 문턱값을 초과했을 경우에는, 도 2에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 통상 정지 또는 도 3에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 원료 가스 유량계(31)의 고장에 의한 특수 정지를 실행하는 동시에, 제 1 압력 검지 수단(30)으로부터 얻어진 압력이 소정 문턱값 이하로 되었을 경우에는, 도 5에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 원료 가스 공급원압 차단에 의한 특수 정지를 실행한다.
또, 이 소정 문턱값이란, 적어도 원료 가스 공급원압에 의해 수소 생성 장치(12) 등의 내부의 부압화 방지에 필요한 압력이다. 여기에서는, 소정의 하한 문턱값으로서, 도 4에 도시한 수소 생성 장치(12)의 내부압 하한값(0.5kPa)을 상정하고 있다.
여기에서, 도 5의 흐름도로부터 이해되는 바와 같이, 원료 가스 공급원압 차단에 의한 연료 전지 시스템(100)의 특수 정지시에는, 원료 가스 공급 자체가 불가능하기 때문에, 캐소드(13c)의 내부 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 원료 가스에 의해 치환하는 원료 가스 퍼지 처리가 생략되고, 또한 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압화 방지를 위한 원료 가스 주입 처리가 생략된다. 그리고, 이들의 처리에 대신하여, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 소정의 조건에 해당하면, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 대기에 개방하는 처리가 실행되고 있다.
또, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치의 출입구의 밀봉 동작은, 전술한 동작과 동일하기 때문에, 여기에서는 이들의 상세한 밸브 조작의 설명도 생략한다.
우선, 연료 전지(13)의 발전 동작 정지 및 가열용 연소기(18)의 연소 동작 정지 등, 연료 전지 시스템(100)이 정지 과정으로 이행하면, 연료 전지(13)의 애노드(13a)의 출입구 및 연료 전지(13)의 캐소드(13c)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구가 밀봉된다(단계 S501).
다음에, 연료 전지(13)는, 자연 냉각(방치)되는 한편, 가열용 연소기(18)로의 연소용 공기 공급용의 제 1 송풍기(16)로부터 공기가 공급되고, 이 공기와의 열교환에 의해 수소 생성 장치(12)는 강제 공냉된다(단계 S502).
여기에서, 제어 장치(11)에 의해, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 소정의 조건(후술함)에 해당하는지 여부가 판정된다(단계 S503). 이러한 소정의 조건에 해당할 경우에는(단계 S503에 있어서 「예」의 경우), 예를 들면 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부에 존재하는 수증기 결로에 의한 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 과대한 부압 상태를 해소하기 위해서, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부가 일시적으로 대기에 개방된다. 그리고, 이러한 대기 개방 동작후에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)는 다시 밀봉되고(단계 S504), 다음의 판정 단계 S505로 진행한다.
보다 상세하게는, 캐소드(13c)의 출입구가 밀봉된 상태에 있어서, 제 4 삼방 밸브(28)가, 캐소드(13c)의 출구와 대기를 연통하도록 일시적으로 전환되고[캐소드(13c)의 출구와 제 4 이방 밸브(27) 사이는 연통 차단], 캐소드(13c)의 내부는 원료 공급 배관(G1)과 연통하지 않고, 또한 그 출구를 거쳐서 대기에 연통하는 상태로 되고(제 3 상태), 이로써 캐소드(13c)의 내부가 대기에 개방된다.
또, 애노드(13a)의 출입구 및 수소 생성 장치(12)의 출입구가 밀봉된 상태에 있어서, 제 2 및 제 3 이방 밸브(26, 22)가 일시적으로 개방되고, 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부가 원료 공급 배관(G1)과 연통하지 않고, 또한 이들의 출구를 거쳐서 대기에 연통하는 상태로 되고(제 3 상태), 이로써 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부가 가열용 연소기(18)의 배기 가스 통로(도시하지 않음)를 거쳐서 대기에 개방된다.
그렇게 하면, 제 4 삼방 밸브(28)가 캐소드(13c)의 출구와 대기를 연통하도록 일시적으로 전환되는 기간 동안, 부압 상태에 있는 캐소드(13c)의 내부는 외부 공기를 흡입하고, 그 결과 캐소드(13c)의 내부의 부압 상태가 적절하게 해소된다.
또, 제 2 및 제 3 이방 밸브(26, 22)가 일시적으로 개방되는 기간 동안, 부압 상태에 있는 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부는 외부 공기를 흡입하고, 그 결과 애노드(13a) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압 상태가 적절하게 해소된다.
여기에서, 단계 S503에 기재된 「소정의 조건」의 일례로서, 거기에 해당했을 때의 연료 전지 시스템(100)의 동작으로서는, 제어 장치(11)가, 수소 생성 장치(12)의 내부압 측정용의 제 2 압력 검지 수단(32)으로부터 얻어진 압력에 근거하여, 일정한 부압 레벨에 수소 생성 장치(12)의 측정 내부압이 도달한 시점에서, 단계 S504에 있어서의 밸브 조작으로부터 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 대기에 개방해도 좋다.
여기에서, 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압 레벨이 연료 전지 시스템(100)의 보장 내부압(예를 들면, 대기압과의 차압으로서 20kPa)을 초과하면, 연료 전지 시스템(100)의 기기 고장을 초래할 가능성이 있다. 이 때문에, 수소 생성 장치(12)의 부압 레벨(소정의 조건에 있어서의 판정 수치)은 적어도 보장 내부 압(20kPa)보다 낮게 설정할 필요가 있다.
이렇게 하면, 수소 생성 장치(12)의 온도는 연료 전지(13)의 온도보다도 급격하게 저하함으로써, 수소 생성 장치(12)의 측정 압력을 모니터하여, 수소 생성 장치(12)의 내부 압력이 이 보장 내압을 초과하지 않으면, 그 결과로서 연료 전지(13)의 내부 압력도 보장 내부압을 초과한 것으로 추정되어 바람직하다.
한편, 이러한 소정의 조건에 해당하지 않을 경우에는(단계 S503에 있어서 「아니오」의 경우), 상기의 단계 S304에 설명된 원료 가스 주입 동작을 실행하지 않고, 다음의 판정 단계 S505로 진행한다.
여기에서, 연료 전지 시스템(100)의 내부가 충분히 냉각되었지 여부가 판정되고(단계 S505), 냉각이 불충분하면(단계 S505에 있어서 「아니오」의 경우), 단계 S502로 되돌아가서, 단계 S502 이후의 동작이 반복되고, 냉각이 충분하면(단계 S505에 있어서 「예」의 경우), 제 1 송풍기(16)로부터 보내진 공기와의 열교환에 의한 수소 생성 장치(12)의 강제 공냉 동작이 정지하여(단계 S506), 연료 전지 시스템(100)의 원료 가스 공급원압 차단에 의한 특수 정지 동작이 종료한다.
이러한 연료 전지 시스템의 정지 동작에 의하면, 원료 가스 공급원압 차단의 경우에도, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 대기에 개방하여, 이들의 내부의 과도한 부압 상태가 확실하게 방지된다. 이 때문에, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 보장 내부압(예를 들면, 대기압과의 차압으로서 20kPa)을 초과하여 연료 전지 시스템(100)의 내부의 부압화가 진행하지 않아, 연료 전지 시스템(100)의 가스 밀봉부의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 각 가정의 도시 가스 공급원이 원료 가스 공급원(10a)에 유용될 경우에는, 연료 전지 시스템(100)의 내부의 부압 촉진에 의해, 이 도시 가스가 연료 전지 시스템(100)에 흡입되어, 가정용 가스 기기에의 악영향도 우려되지만, 이러한 가정용 가스 기기에의 악영향도 미연에 회피할 수 있다.
또, 이상에서 설명한 연료 전지 시스템의 정지 동작을 실행하면, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부가 일단 대기에 노출되어서, 이들의 내부의 촉매의 산화 열화가 우려되지만, 촉매를 대기에 노출하는 시간이나 회수를 적정하게 제한하는 것에 의해, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 촉매의 산화 열화의 진행은 적정하게 억제가능하다.
이 때문에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)에 있어서의 대기 개방의 단점(촉매의 산화 열화)은, 상기의 부압 상태 해소에 의한 장점[연료 전지 시스템(100)의 가스 밀봉부의 파손 회피]에 비해서 경미한 것으로 생각된다.
특히, 원료 가스 공급원압 차단에 기인해서 수소 생성 장치(12)나 캐소드(13c)의 내부로의 원료 가스에 의한 치환이 불가능해서, 수소 생성 장치(12)나 캐소드(13c)의 내부에 다량으로 존재하는 수증기의 결로에 의해 수소 생성 장치(12)나 캐소드(13c)의 부압화가 진행하기 쉽다. 이것으로부터 단계 S504에 설명한 원료 가스 개방에 의한 부압 해소 효과는 원료 가스 공급원압 차단에 의한 특수 정지 동작시에는 현저하게 발휘된다.
[도 5에 도시한 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작의 변형예 1]
여기까지, 원료 가스 공급원압 차단을 상정한 연료 전지 시스템(100)의 특수 정지 동작을 설명했지만, 도 5의 단계 S504에 도시한 수소 생성 장치(12)의 대기 개방 동작은 원료 가스 공급원압 차단이라는 상황에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 도 5의 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작의 변형예를 도시한 흐름도이다. 도 5에 도시한 단계 S503 및 단계 S504가 각각 단계 S601 및 단계 S602로 대체되지만, 그 이외의 전단 및 후단의 단계의 처리 내용은 도 5에 도시한 단계의 처리 내용과 동일하여서, 이들의 처리 내용의 도시 및 설명을 생략하고 있다.
연료 전지 시스템(100)의 정지시에는, 고온역 및 저온역이 편재해서 공존하고 있다. 이 때문에, 연료 전지 시스템(100)의 저온역[여기에서는, 수소 생성 장치(12)에 접속된 배관내]에 존재하는 수증기가 응축에 의해 결로하고, 이 응축수가 연료 전지 시스템(100)의 고온역[여기에서는, 수소 생성 장치(12)의 내부]에 흘러들어서, 순식간에 증발하는 일이 있다. 그렇다면, 수소 생성 장치(12)의 내부에서는, 응축수의 증발로부터 체적 팽창을 야기해서 과대한 정압 상태에 이르고, 최악의 경우 연료 전지 시스템(100)의 보장 내부압을 초과할 가능성도 있다.
이러한 사태에 대응하기 위해서, 도 6에 의하면, 제어 장치(11)가 수소 생성 장치(12)의 내부압 측정용의 제 2 압력 검지 수단(32)으로부터 얻어진 압력에 근거하여, 수소 생성 장치(12)의 내부압이 소정 압력(예를 들면, 대기압과의 차압에 해당하는 보장 내부압; 20kPa) 이상인지 여부가 판정된다(단계 S601).
그리고, 수소 생성 장치(12)의 내부압이 이러한 소정 압력에 도달했을 경우(단계 S601에 있어서 「예」의 경우)에는, 수소 생성 장치(12)의 내부를 일시적으로 대기에 개방한 후, 수소 생성 장치의 출입구를 밀봉하고(단계 S602), 후단의 단 계로 진행한다.
또, 수소 생성 장치(12)의 대기 개방의 밸브 조작 및 수소 생성 장치(12)의 출입구 밀봉의 밸브 조작은, 전술한 바와 동일하기 때문에, 여기에서는 이들의 설명은 생략한다.
이러한 연료 전지 시스템의 정지 동작에 의하면, 응축수의 증발에 의해 수소 생성 장치(12)의 내부가 과대한 정압 상태에 도달하여도, 연료 전지 시스템(100)의 보장 내부압을 초과하여 수소 생성 장치(12)의 내부압이 상승하지 않아, 연료 전지 시스템(100)의 가스 밀봉부의 파손을 방지할 수 있다.
[도 5에 도시한 연료 전지 시스템의 특수 정지 동작의 변형예 2]
또한 여기까지, 연료 전지 시스템(100)의 정지 동작시에, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압 상태를 해소하기 위해서, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부가 일시적으로 대기에 개방되는 예를 설명했지만, 이러한 대기 개방에 의한 애노드(13a) 등의 내부의 부압 해소 기술은 연료 전지 시스템(100)의 정지 보관중에도 적용가능하다.
예를 들면, 연료 전지 시스템(100)의 정지 보관중에, 제어 장치(11)에 의해, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 소정의 조건[예를 들면, 수소 생성 장치(12)의 내부압이 소정의 부압 레벨에 도달)에 해당하는지 여부가 판정되고, 이러한 소정의 조건에 해당했을 경우에는, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부의 부압 상태를 해소하기 위해서, 애노드(13a) 및 캐소드(13c) 및 수소 생성 장치(12)의 내부를 일시적으로 대기에 개방시켜도 좋다.
[연료 전지 시스템(100)의 고장 통보의 일 태양 예]
또, 이상에서 설명한 원료 가스 유량계(31)의 고장, 원료 가스 공급원압 차단 및 가열용 연소기(18)의 실화 등의 연료 전지 시스템(100)의 각종의 고장을 제어 장치(11)가 검지한 단계에서, 이것이 고장 상태에 이른 것이나 고장의 내용(종별)을 사용자나 시스템 관리 센터 등에 적절하게 통보하는 기능을 연료 전지 시스템(100)에 부여하는 것이, 상기 각종의 고장을 신속하게 알아서 이러한 고장을 신속하게 수리 가능하다는 관점으로부터 바람직하다. 그렇게 하면, 연료 전지 시스템(100)의 고장 상태를 단기간에 억제할 수 있는 동시에, 수리 기간이나 수리 비용을 삭감할 수 있어 바람직하다.
이러한 고장 통보의 일례로서는, 제어 장치(11)는, 상기 각종의 고장에 의한 에러 검지 신호를 각 기기로부터 수취하였을 경우, 연료 전지 시스템(100)의 사용자의 조작 단말(예를 들면, 리모컨)의 표시부나 연료 전지 시스템(100)의 본체 기기의 표시 기능부(예를 들면, LED)를 거쳐서 해당 고장을 사용자에게 알려도 좋다.
또, 이러한 고장 통보의 다른 예로서는, 제어 장치(11)는, 무선 기기(도시하지 않음)를 갖는 것으로 구성되고, 상기 고장에 의한 에러 검지 신호를 각 기기로부터 수취하였을 경우, 이 에러 검지 신호를 무선 기기로부터 발하는 무선 반송파에 실어서, 미리 등록된 사용자의 정보 휴대 단말(예를 들면, 휴대전화)이나 미리 등록된 시스템 관리 센터의 감시 단말에, 해당 무선 신호를 송신해도 좋다. 물론, 시스템 관리 센터에 유선 회선(전화 회선이나 LAN 케이블 회선)을 거쳐서 고장을 통보해도 좋다.
상기 설명으로부터, 당업자에게는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 명확하다. 따라서, 상기 설명은, 예시로서만 해석되어야 하고, 본 발명을 실행하는 최선의 태양을 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 일탈하지 않고, 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 의하면, 연료 전지 시스템의, 원료 가스에 의한 치환 동작의 불량에 따른 특수 정지에 대하여 적절한 대응을 도모할 수 있고, 예를 들면 가정용의 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법으로서 유용하다.

Claims (15)

  1. 연료극에 있어서의 수소 가스와 산화제극에 있어서의 산화제 가스를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 원료 가스로부터 상기 수소 가스를 생성하여 이것을 상기 연료극에 공급하는 수소 생성 장치와, 상기 산화제극에 상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 장치와, 적어도 상기 수소 생성 장치의 내부에 상기 원료 가스를 도입하는 원료 가스 공급로와, 상기 연료극의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단과, 상기 산화제극의 출입구를 개폐하는 산화제 개폐 수단과, 상기 수소 생성 장치의 출입구를 개폐하는 수소 개폐 수단과, 상기 연료 개폐 수단 및 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단의 개폐 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 상기 원료 가스 공급로 및 대기에 연통하는 제 1 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스에 의해 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 치환하는 동시에, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 입구를 거쳐서 상기 원료 가스 공급로와 연통하고, 또한 대기 와 연통하지 않는 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하도록 제어하고, 또한 상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이 있으면, 상기 이상의 내용에 따라서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 1 상태로 하지 않고 상기 제 1 상태와 다른 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이, 상기 원료 가스 공급로내의 상기 원료 가스의 계량 불능 또는 치환 처리후의 가스의 후처리 불능의 경우에는, 상기 제어 장치는, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이, 상기 원료 가스 공급로내의 상 기 원료 가스의 공급 불능일 경우에는, 상기 제어 장치는, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 원료 가스 공급로와 연통하지 않고, 또한 상기 출구를 거쳐서 대기에 연통하는 제 3 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는
    연료 전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 생성 장치의 온도를 검지하는 제 1 온도 검지 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 1 온도 검지 수단에 의해 얻어진 온도에 근거하여, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 온도를 검지하는 제 2 온도 검지 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 2 온도 검지 수단에 의해 얻어진 온도에 근거하여, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 생성 장치의 압력을 검지하는 제 1 압력 검지 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 1 압력 검지 수단에 의해 얻어진 압력에 근거하여, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 생성 장치의 압력을 검지하는 제 1 압력 검지 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 수소 생성 장치의 출입구를 밀봉한 후, 상기 제 1 압력 검지 수단에 의해 검지된 압력이 소정의 문턱값을 초과했을 때에는, 상기 수소 생성 장치의 내부를 대기에 개방하는
    연료 전지 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 생성 장치를 연소 가스와의 열교환에 의해 가열하는 가열용 연소 기와, 상기 가열용 연소기에 상기 연소 가스를 생성하기 위한 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서, 상기 가열용 연소기에 있어서의 연소 가스 생성을 정지시킨 후, 상기 공기 공급 수단을 작동해서 상기 수소 생성 장치를 공기와의 열교환에 의해 냉각시키면서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급로내의 원료 가스의 공급압을 검지하는 제 2 압력 검지 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 2 압력 검지 수단에 의해 얻어진 압력이 소정의 문턱값 이상인 경우에, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급로내의 원료 가스의 공급압을 검지하는 제 2 압력 검지 수단을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 2 압력 검지 수단에 의해 얻어진 압력이 소정의 문턱값 미만인 경우에, 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는
    연료 전지 시스템.
  11. 제 2 항에 있어서,
    연료 전지 시스템의 정지 보관중에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템.
  12. 제 3 항에 있어서,
    연료 전지 시스템의 정지 보관중에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는
    연료 전지 시스템.
  13. 연료극에 있어서의 수소 가스와 산화제극에 있어서의 산화제 가스를 이용하 여 발전하는 연료 전지와, 원료 가스로부터 상기 수소 가스를 생성하여 이것을 상기 연료극에 공급하는 수소 생성 장치와, 상기 산화제극에 상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 장치와, 적어도 상기 수소 생성 장치의 내부에 상기 원료 가스를 도입하는 원료 가스 공급로와, 상기 연료극의 출입구를 개폐하는 연료 개폐 수단과, 상기 산화제극의 출입구를 개폐하는 산화제 개폐 수단과, 상기 수소 생성 장치의 출입구를 개폐하는 수소 개폐 수단을 구비한 연료 전지 시스템의 운전 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템의 정지 동작에 있어서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 출입구를 거쳐서 원료 가스를 통류 가능하도록 상기 원료 가스 공급로 및 대기에 연통하는 제 1 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스에 의해 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부를 치환하는 동시에, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가, 상기 입구를 거쳐서 상기 원료 가스 공급로와 연통하고, 또한 대기와 연통하지 않는 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하고,
    또한, 상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이 있으면, 상기 이상의 내용 에 따라서, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 1 상태로 하지 않고 상기 제 1 상태와 다른 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템의 운전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이, 상기 원료 가스 공급로내의 상기 원료 가스의 계량 불능 또는 치환 처리후의 가스의 후처리 불능의 경우에는, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를 상기 제 2 상태로 해서, 상기 원료 가스 공급로의 원료 가스를 상기 연료극, 상기 수소 생성 장치 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부에 주입하여, 상기 적어도 하나의 내부를 정압 또는 대기압으로 유지하는
    연료 전지 시스템의 운전 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 원료 가스에 의한 치환의 동작 이상이, 상기 원료 가스 공급로내의 상기 원료 가스의 공급 불능일 경우에는, 상기 연료 개폐 수단, 상기 수소 개폐 수단 및 상기 산화제 개폐 수단중 적어도 하나의 개폐를, 상기 수소 생성 장치, 상기 연료극 및 상기 산화제극중 적어도 하나의 내부가 상기 원료 가스 공급로와 연통하지 않고, 또한 상기 출구를 거쳐서 대기에 연통하는 제 3 상태로 해서, 상기 적어도 하나의 내부를 대기에 개방하는
    연료 전지 시스템의 운전 방법.
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