WO2012074005A1 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

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fuel cell
fuel gas
gas
line
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孝 小野
高志 重久
栄造 松井
晋平 白石
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having an emergency stop mode for emergency stop of the operation of a fuel cell due to a natural disaster such as an earthquake, a power failure, a lightning strike, or a typhoon, and an operation method thereof.
  • a fuel cell system using a fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC) is known.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the solid oxide fuel cell is operated at a high temperature of about 600 to 1000 ° C.
  • the molten carbonate fuel cell is operated at a high temperature of about 500 to 900 ° C.
  • an adsorber that adsorbs the raw fuel gas is provided in the raw fuel line, and when an emergency stop occurs, the supply of the raw fuel gas is shut off by the supply shut-off valve provided in the raw fuel line, and the delivery pump is operated. It is known that raw fuel gas is released from an adsorber to a fuel cell (see, for example, Patent Document 2).
  • a fuel cell system that includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas and burns a fuel gas that has not been used for power generation, combustion is stopped from the combustion state. There was a risk that the temperature of the side suddenly dropped and a large thermal stress was generated.
  • Patent Document 2 since hydrogen can be supplied to the fuel cell at the time of an emergency stop, oxidation of the fuel electrode in the fuel cell can be suppressed.
  • fuel gas is burned at the time of an emergency stop.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing thermal stress acting on the fuel cell during an emergency stop and an operation method thereof.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that generates electric power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, burns the fuel gas that has not been used for power generation, and a fuel for supplying the fuel gas to the fuel cell.
  • the fuel cell system includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, burns the fuel gas that has not been used for power generation, and reforms the raw fuel gas to generate the fuel gas.
  • a reformer that generates the fuel, a reformed fuel line that connects the reformer and the fuel cell, and a fuel gas supply line that includes a raw fuel line that supplies the raw fuel gas to the reformer, An on-off valve provided on the raw fuel line, and an on-off valve provided on the downstream side of the on-off valve, and when the on-off valve is closed, in the raw fuel line on the downstream side of the on-off valve.
  • the operation method of the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, burns the fuel gas that has not been used for power generation, and supplies the fuel gas to the fuel cell.
  • the on-off valve of a fuel cell system comprising a fuel gas supply line for the fuel gas supply line and an on-off valve provided on the fuel gas supply line is closed, After the valve is closed, the fuel gas in the fuel gas supply line on the downstream side of the on-off valve is supplied to the fuel cell at a flow rate smaller than that during power generation and burned. Thereafter, the fuel cell The supply of fuel gas to is stopped.
  • the temperature of the fuel cell can be gradually decreased without suddenly decreasing during an emergency stop, the thermal stress in the fuel cell can be reduced, and damage to the fuel cell can be prevented.
  • FIG. 1 shows a solid oxide fuel cell, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a vertical cross-sectional view.
  • An example of a fuel cell is shown, (a) is a side view schematically showing the fuel cell, and (b) is an enlarged cross-sectional view of a part of the fuel cell of (a) surrounded by a broken line.
  • It is an external appearance perspective view which shows an example of a fuel cell module. It is a disassembled perspective view which shows an example of a fuel cell apparatus.
  • the flowchart of an emergency stop mode is shown, (a) is a flowchart of the emergency stop mode of this form, (b) is a flowchart of the conventional emergency stop mode. It is a flowchart which shows the other example of emergency stop mode.
  • the supply amount of the fuel gas in the stop transition mode is shown.
  • (A) is a graph when the fuel gas is continuously flowed at a predetermined amount for a predetermined time and then intermittently flowed
  • (b) is the fuel gas. Is a graph when the flow is continued for a certain amount of time for a predetermined time, then intermittently flowed, and then intermittently with a further interval.
  • FIG. 1 shows a high-temperature operating fuel cell system according to the present embodiment.
  • Reference numeral 1 denotes a solid oxide fuel cell 1 (hereinafter sometimes referred to as a fuel cell 1).
  • the fuel cell 1 is configured by electrically connecting a plurality of fuel cells in series. The fuel cell 1 will be described later.
  • This fuel cell 1 generates power using fuel gas and oxygen-containing gas, and the fuel cell 1 is accommodated in a storage container 3.
  • a reformer 5 is also housed in the storage container 3, and is configured to supply the fuel cell 1 obtained by reforming the raw fuel gas with the reformer 5 to the fuel cell 1.
  • a catalyst for reforming raw fuel gas such as city gas and propane gas is accommodated.
  • the reformer 5 is configured so that raw fuel gas such as city gas to be reformed into fuel gas is supplied via the safety meter 7.
  • raw fuel gas such as city gas to be reformed into fuel gas
  • the safety meter 7 displays the amount of raw fuel gas used in the household, and is also used for earthquakes, power outages, lightning strikes, typhoons, and the like. It has an on-off valve for stopping the supply of raw fuel gas to the fuel cell system in an emergency such as a natural disaster.
  • the security meter 7 is also a gas meter.
  • the safety meter 7 is configured to supply raw fuel gas to, for example, a water heater, a gas range, etc., and each has a raw fuel line 9c for gas equipment.
  • the reformer 5 and the fuel cell 1 are connected by a reformed fuel line 9a for supplying fuel gas, and the raw fuel gas is supplied between the safety meter 7 and the reformer 5. Therefore, the reformed fuel line 9a and the raw fuel line 9b constitute a fuel gas supply line 9.
  • the reformed fuel line 9a, the raw fuel line 9b, and the raw fuel line 9c for gas equipment are constituted by piping, and the safety meter 7 having an on-off valve is connected to the upstream end of the fuel gas supply line 9, in other words, the raw fuel line. It is provided at the upstream end of 9b.
  • a pump 11 for supplying the raw fuel gas to the reformer 5 is provided downstream of the on-off valve of the fuel gas supply line 9, specifically, the raw fuel line 9b.
  • the pump 11 is a control device. 10, the control device 10 controls the amount of raw fuel gas supplied to the reformer 5 according to the load by controlling the pump 11, and controls the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1. ing.
  • the load refers to electric appliances such as a refrigerator, a washing machine, and a microwave oven, and the power generated by the fuel cell 1 is supplied.
  • gas equipment raw fuel lines 9 c are connected to each of the water heater and the gas range, and these gas equipment raw fuel lines 9 c are connected to the raw fuel lines 9 b of the fuel cell system. did.
  • a check valve (not shown) is provided on the downstream side of the fuel gas supply line 9 from the pump 11 so as to be opened only when the pressure exceeds a certain pressure. Supply is stopped.
  • water is supplied to the reformer 5, and it becomes steam in the reformer 5, reacts with raw fuel gas such as city gas and propane gas, and can be steam reformed. It has become.
  • the fuel gas is supplied from the reformer 5 to the fuel cell 1, and an oxygen-containing gas such as air (hereinafter, air may be described as an oxygen-containing gas) in the storage container 3.
  • air may be described as an oxygen-containing gas
  • Is supplied and power is generated in the fuel cell 1.
  • the fuel gas not used for power generation reacts with the oxygen-containing gas on the reformer 5 side of the fuel cell 1 and burns, and a combustion region 15 is formed between the fuel cell 1 and the reformer 5. .
  • the reformer 5 is heated by the combustion gas, and the raw fuel gas in the reformer 5 is reformed to a fuel gas mainly containing hydrogen.
  • An ignition device (not shown) such as a heater is provided above the fuel cell 1 to ignite fuel gas that has not been used for power generation.
  • the fuel cell 1 is formed by electrically connecting a plurality of fuel cells in series, and the fuel cells are shown in FIG.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the fuel battery cell 20
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the fuel battery cell 20. In both drawings, each configuration of the fuel cell 20 is partially enlarged.
  • This fuel cell 20 is a hollow flat plate type fuel cell 20 having a flat cross section, and a porous conductive support (hereinafter sometimes referred to as a support) 21 having an elliptic column shape as a whole. It has. Inside the conductive support 21, a plurality of fuel gas flow paths 22 are formed penetrating in the longitudinal direction at appropriate intervals, and the fuel cell 20 is formed on the conductive support 21 with various members. Has a structure provided.
  • the conductive support 21 is composed of a pair of flat surfaces n parallel to each other and arcuate surfaces (side surfaces) m connecting the pair of flat surfaces n. Both surfaces of the flat surface n are formed substantially parallel to each other, and a porous fuel electrode layer 23 is provided so as to cover one flat surface n (lower surface) and the arcuate surfaces m on both sides.
  • a dense solid electrolyte layer 24 is laminated so as to cover the electrode layer 23.
  • a porous air electrode layer 26 is laminated on the solid electrolyte layer 24 so as to face the fuel electrode layer 23 with the reaction preventing layer 25 interposed therebetween.
  • an interconnector 28 is formed on the other flat surface n (upper surface) where the fuel electrode layer 23 and the solid electrolyte layer 24 are not laminated via an adhesion layer 27.
  • the conductive support 21 and the fuel electrode layer 23 contain a metal, and Ni, Fe, Co, etc. are known as the metal.
  • the fuel electrode layer 23 contains a metal oxide in addition to the metal.
  • the metal oxide for example, stabilized zirconia or partially stabilized zirconia is known.
  • the fuel electrode layer 23 and the solid electrolyte layer 24 are formed to the other flat surface n (upper surface) via the arcuate surfaces m at both ends, and both ends of the interconnector 28 are located at both ends of the solid electrolyte layer 24.
  • the conductive support 21 is surrounded by the solid electrolyte layer 24 and the interconnector 28 so that the fuel gas flowing through the inside does not leak to the outside.
  • FIG. 3 shows an example of a fuel cell 1 (also referred to as a cell stack) configured by electrically connecting a plurality of the above-described fuel cells 20 in series via a current collecting member 33.
  • A is a side view schematically showing the fuel cell 1
  • (b) is a partially enlarged sectional view of the fuel cell 1 of (a), and an excerpt of a part surrounded by a broken line shown in (a). It shows.
  • the part corresponding to the part enclosed by the broken line shown in (a) is shown by an arrow, and in the fuel cell 20 shown in (b), the above-described reaction prevention is shown.
  • Some members such as the layer 25 are omitted.
  • the fuel cells 1 are configured by arranging the fuel cells 20 via the current collecting members 33, and the lower end of each fuel cell 20 is connected to the fuel cell 20. It is fixed to a gas tank 36 for supplying gas with an adhesive such as a glass sealing material.
  • an elastically deformable conductive member 34 having a lower end fixed to the gas tank 36 is provided so as to sandwich the plurality of fuel cells 20 from both ends in the arrangement direction of the fuel cells 20.
  • the conductive member 34 shown in FIG. 3 is provided with a current drawing portion 35 for drawing a current generated by the power generation of the fuel cell 1 in a shape extending outward along the arrangement direction of the fuel cells 20. ing.
  • FIG. 4 is an external perspective view showing an example of the fuel cell module 38 in which the fuel cell 1 is accommodated in the storage container 3.
  • the fuel cell 1 shown in FIG. 3 is placed inside the rectangular parallelepiped storage container 3. It is housed and configured.
  • the reformer 5 is disposed above the fuel cell 1 in order to obtain the fuel gas used in the fuel cell 20.
  • the fuel gas generated by the reformer 5 is supplied to the gas tank 36 via the reformed fuel line 37 and supplied to the fuel gas flow path 22 provided inside the fuel cell 20 via the gas tank 36. Is done.
  • FIG. 4 shows a state where a part (front and rear surfaces) of the storage container 3 is removed and the fuel cell 1 and the reformer 5 housed inside are taken out rearward.
  • the fuel cell module 38 shown in FIG. 4 the fuel cell 1 can be slid and stored in the storage container 3.
  • the oxygen-containing gas introduction member 37 provided inside the storage container 3 is disposed between the fuel cells 1 juxtaposed in the gas tank 36 in FIG.
  • the oxygen-containing gas is introduced into the lower end portion of the fuel cell 20 by the oxygen-containing gas introduction member 37 so that the oxygen-containing gas flows from the lower end portion toward the upper end portion in accordance with the flow of the fuel gas. Supply.
  • the temperature of the fuel cell 20 is raised by reacting the fuel gas discharged from the fuel gas channel 22 of the fuel cell 20 with the oxygen-containing gas and burning it on the upper end side of the fuel cell 20. And the start-up of the fuel cell 1 can be accelerated.
  • the fuel gas discharged from the gas flow path 22 of the fuel battery cell 20 is burned on the upper end portion side of the fuel battery cell 20 to improve the fuel cell 20 (the fuel battery 1).
  • the quality device 5 can be heated. Thereby, the reforming reaction can be efficiently performed in the reformer 5.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell device in which the fuel cell module 38 shown in FIG. 4 and an auxiliary machine for operating the fuel cell 1 are housed in an outer case. In FIG. 5, a part of the configuration is omitted.
  • the fuel cell device 43 shown in FIG. 5 has an exterior case composed of a support column 44 and an exterior plate 45, and the interior of the exterior case is partitioned vertically by a partition plate 46.
  • the upper side of the outer case is a module storage chamber 47 for storing the fuel cell module 38 described above, and the lower side is an auxiliary machine storage chamber 48 for storing auxiliary equipment for operating the fuel cell module 38.
  • the auxiliary machines stored in the auxiliary machine storage chamber 48 are omitted.
  • the control device 10 and the pump 11 described above are accommodated in the accessory storage chamber 48.
  • the partition plate 46 is provided with an air circulation port 49 for allowing the air in the auxiliary machine storage chamber 48 to flow toward the module storage chamber 47, and a part of the exterior plate 45 constituting the module storage chamber 47 includes An exhaust port 50 for exhausting air in the module storage chamber 47 is provided.
  • the on / off valve of the fuel gas supply line 9 is closed, and the supply of the raw fuel gas to the fuel cell system is shut off. Then, a stop transition mode for shifting from the normal power generation mode and a stop mode for shifting after the stop transition mode are provided.
  • the stop transition mode after the supply of the raw fuel gas to the fuel cell system is interrupted, the fuel gas in the pipe on the downstream side of the on-off valve is supplied to the fuel cell 1 at a lower flow rate than during power generation and burned. It is a mode to make it.
  • the control device 10 stops the power supply to the load, reduces the amount of water supplied to the reformer 5 than that during power generation, and reduces the amount of oxygen-containing gas supplied to the fuel cell 1.
  • the pump, blower, power conditioner, etc. are controlled so that they are less than during power generation.
  • the pump 11 supplies the raw fuel gas in the raw fuel line 9b downstream of the on-off valve to the reformer 5 at a lower flow rate than that during power generation.
  • the fuel gas is controlled to be supplied to the fuel cell 1 at a smaller flow rate than that during power generation.
  • control device 10 controls the pump 11, the blower, etc. in the power generation mode, the fuel gas supply amount at the time of power generation is 2.3 liters / minute, the air supply amount is 50 liters / minute, and the water supply amount is In the stop transition mode, the fuel gas was supplied at 0.5 liters / minute, the air supply amount was 30 liters / minute, and the water supply amount was adjusted so that the S / C was supplied to 2.5. Control so that S / C is 2.5.
  • the pump 11 is stopped to stop the supply of the raw fuel gas to the reformer 5, the supply of the fuel gas to the fuel cell 1 is stopped, the water supply to the reformer 5 is stopped, In this mode, the supply of the oxygen-containing gas to the fuel cell 1 is stopped, and the fuel cell system is completely stopped.
  • control device 10 is connected to a storage unit, and the power generation mode, the stop transition mode, and the stop mode are stored in the storage unit. Under any condition, the power generation mode, the stop transition mode, and the stop It is memorized whether to shift to the mode.
  • the control device 10 controls the pump, blower, power conditioner, and the like based on the information from the storage unit.
  • the on-off valve of the safety meter 7 is closed and the supply of raw fuel gas to the fuel cell system is stopped.
  • the signal indicating that the on-off valve is closed is transmitted to the control device 10
  • the power supply to the load is stopped, the pump 11 provided in the fuel gas supply line 9 is stopped, and The supply of water and oxygen-containing gas was stopped.
  • the supply of the raw fuel gas to the reformer 5 is stopped in an emergency such as an earthquake, a power failure, a lightning strike, or a natural disaster such as a typhoon.
  • an emergency such as an earthquake, a power failure, a lightning strike, or a natural disaster such as a typhoon.
  • combustion gas is not generated, and accordingly, the fuel cell 1 undergoes a rapid temperature change from high temperature to low temperature, and a large thermal stress is generated in the fuel cell 1, and the fuel cell 1, particularly the fuel cell 1.
  • a large thermal stress is generated on the combustion region 15 side.
  • the fuel gas supply line 9 in the fuel gas supply line 9 on the downstream side of the on-off valve Is provided with a stop transition mode in which the fuel gas is supplied to the fuel cell 1 at a smaller flow rate than that during power generation and burned, and a stop mode in which the transition is made after the stop transition mode. Therefore, as shown in FIG. 6A, the on / off valve of the fuel gas supply line 9 is closed, and a signal indicating that the on / off valve is closed is transmitted from the safety meter 7 to the control device 10, and thereafter the control is performed.
  • the apparatus 10 controls the pump, the blower, the power conditioner, and the like so as to shift to the stop transition mode and then enter the stop mode.
  • the gas supplied to the fuel cell 1 is initially fuel gas and may become raw fuel gas thereafter, in the following description, it may be described as fuel gas including the raw fuel gas. .
  • the pump 11 is driven using this power.
  • the pump 11 can be driven by a storage battery or a system power supply.
  • the flow rate smaller than that during power generation means a flow rate lower than the fuel gas used to generate the minimum power generation amount in the power generation mode in which the electric power generated by the fuel cell 1 is supplied to the electric appliance.
  • control device 10 when the control device 10 receives a signal indicating that the on-off valve is closed, it normally stops the pump 11 and stops the supply of fuel gas to the fuel cell 1, but in this embodiment, the pump 11 is rotated.
  • the raw fuel gas in the pipe on the downstream side of the on-off valve is supplied to the reformer 5. Thereby, the fuel gas is supplied to the fuel cell 1.
  • a raw fuel line 9c for gas equipment connected to a hot water heater, a gas range, or the like is branched from the raw fuel line 9b. Since it communicates with the piping that forms the raw fuel line for equipment 9c, the raw fuel gas in the raw fuel line for gas equipment connected to a water heater or a gas range can be sucked to the fuel cell system side, The raw fuel gas supply amount can be increased.
  • the raw material fuel for gas equipment connected to the hot water heater and the gas range is added to the water heater, the piping of the raw fuel line for gas equipment 9c connected to the gas range, and the volume of the piping of the fuel gas supply line 9.
  • the supply amount by the pump 11 is controlled so that air is not supplied to the fuel cell 1 from the line 9c.
  • the pump 11 is driven so that the supply amount of the raw fuel gas is supplied by the control device 10 at a lower flow rate than during power generation.
  • the pump 11 is driven by the generated power of the fuel cell 1 in the stop transition mode.
  • the control device 10 controls the pump so that water for reforming the raw fuel gas into the fuel gas is supplied to the reformer 5 in accordance with the amount of the raw fuel gas.
  • the blower is similarly controlled so that a small amount of oxygen-containing gas is supplied in accordance with the amount of raw fuel gas.
  • the combustion gas gradually decreases (stop transition mode), and then shifts to the stop mode. Therefore, the thermal stress generated in the fuel cell 1 can be reduced by gradually decreasing the temperature of the fuel cell 1 without suddenly decreasing during an emergency stop. Further, since the fuel gas is supplied to the fuel electrode layer 23 of the fuel cell 1 for a certain period of time after an emergency stop, the fuel electrode layer 23 is not exposed to the oxygen-containing gas at a high temperature, and the fuel electrode layer 23 is oxidized. Can be reduced.
  • the supply of power to the load is stopped, and the supply amount of fuel gas, the supply amount of water, and the supply amount of oxygen-containing gas are reduced compared with the time of power generation.
  • the power supply to the load may be stopped, and the supply of water and oxygen-containing gas to the fuel cell 1 and the reformer 5 may be stopped.
  • the fuel gas downstream from the reformer 5 is first supplied to the fuel cell, and then the raw fuel gas upstream from the reformer 5 is supplied to the fuel cell.
  • the fuel gas (or raw fuel gas) supplied to the fuel cell 1 reacts with the oxygen-containing gas existing in the storage container 3 and burns, so that the fuel gas (or raw fuel gas) Even if the supply amount is reduced, the oxygen-containing gas is not supplied, so that the oxidation of the fuel electrode layer 23 of the fuel cell 1 can be reduced.
  • the fuel gas is supplied in a smaller amount than that during power generation.
  • the thermal stress in the fuel cell 1 can be further reduced.
  • the fuel gas is intermittently flown for t3 hours, and further, the flow interval is increased to intermittently flow for t4 hours. The thermal stress in the battery 1 can be further reduced.
  • the combustion flame may disappear during a time period when the fuel gas is not supplied. Therefore, it is desirable to ignite the fuel gas every time the fuel gas is flowed. In the sense that the combustion flame does not disappear, it is desirable to supply the fuel gas continuously.
  • the safety meter 7 having the opening / closing valve is opened / closed upstream of the pump 11 of the raw fuel line 9b.
  • a valve 71 may be provided, and the control device 10 may control the on-off valve 71 to be closed during an emergency stop.
  • the fuel gas supply line 9 is provided by providing the on-off valve 71 on the downstream side of the connecting portion between the raw fuel line 9c and the raw fuel line 9b connected to the water heater and the gas range. Since it does not communicate with the raw gas line 9c for gas equipment, air can be prevented from being supplied to the fuel cell 1 via the raw fuel line 9c for gas equipment. In this case, the same effect can be obtained even when the safety meter 7 has no on-off valve.
  • gas equipment on / off valves 73 and 75 are provided in each of the gas equipment raw fuel lines 9 c, and are controlled to be closed at the time of emergency stop by the control device 10. Also good. That is, by closing the gas equipment on-off valves 73 and 75 at the time of an emergency stop, the fuel gas supply line 9 is not connected to the gas equipment raw fuel line 9c connected to the water heater or gas range. Air can be prevented from being supplied to the fuel cell 1 via the equipment raw fuel line 9c, and the raw fuel gas upstream of the on-off valves 73 and 75 can be sucked by the pump 11. The fuel gas can be supplied to the fuel cell 1 for a longer time.
  • the raw fuel gas in the pipe downstream from the on-off valve is forcibly supplied to the reformer 5 by the pump 11, but as shown in FIG. 11, the raw fuel gas in the fuel gas supply line 9 is supplied.
  • a reserve tank 65 for storing raw fuel gas is connected to the line 9b, and when the on-off valve is closed, the raw fuel gas inside the reserve tank 65 is supplied to the reformer 5 via the raw fuel line 9b. It is also possible to supply to. In this case, it is possible to control the supply amount and supply time of the raw fuel gas by changing the capacity of the reserve tank 65 without making the pump 11 unreasonable. In the case of FIG.
  • an on-off valve may be provided on the fuel gas supply line 9 upstream of the reserve tank 65 and downstream of the connecting portion between the raw gas line 9c for gas equipment and the raw fuel line 9b. it can. In this case, the on-off valves 73 and 75 are not necessary.
  • the reformer 5 is accommodated in the storage container 3, but the reformer 5 may be outside the storage container 3.
  • the pressure sensor which detects the pressure of raw fuel gas is provided in the raw fuel line 9b, for example, and raw fuel
  • the on-off valve may be closed and the supply of the raw fuel gas may be regarded as being stopped, and a signal may be transmitted from the pressure sensor to the control device 10.
  • the same effect can be obtained by providing the raw fuel line 9b with a flow rate sensor for detecting the flow rate of the raw fuel gas instead of the pressure sensor for detecting the pressure of the raw fuel gas.
  • the emergency stop mode is constituted by the stop transition mode in which the supply amount of oxygen and the supply amount of the oxygen-containing gas are controlled to be small and the subsequent stop mode.
  • the supply amount of fuel gas, the supply amount of water, and the supply amount of oxygen-containing gas can be controlled by a pump, a blower, or the like. By controlling these, the supply amount and supply time can be controlled.
  • a fuel cell using a hollow plate type solid oxide fuel cell has been described.
  • a fuel cell using a cylindrical solid oxide fuel cell may of course be used. It is.
  • a flat fuel cell having a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode layer sequentially, a fuel-side interconnector connected to the fuel electrode layer, and an oxygen-side interconnector connected to the oxygen electrode layer
  • a plurality of laminates are laminated via separators, and fuel gas and oxygen-containing gas are supplied to the center of the fuel electrode layer and oxygen electrode layer, respectively, and flow toward the outer periphery of the fuel electrode layer and oxygen electrode layer
  • the present invention can also be applied to a flat type fuel cell in which excess fuel gas and oxygen-containing gas are released from the outer peripheral portion of the fuel cell and burnt.
  • Fuel cell 7 Safety meter 9: Fuel gas supply line 9a: Reformed fuel line 9b: Raw fuel line 9c: Raw fuel line for gas equipment 10: Control device 20: Fuel cell 21: Conductive support 22: Fuel gas flow path 23: Fuel electrode layer 24: Solid electrolyte layer 26: Air electrode layer 28: Interconnector 38: Fuel cell module 43: Fuel cell devices 71, 73, 75: On-off valve

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Abstract

【課題】　停止時に燃料電池に作用する熱応力を低減できる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。　【解決手段】　燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる燃料電池１と、燃料ガスを燃料電池１に供給するための燃料ガス供給ライン９と、該燃料ガス供給ライン９に設けられた開閉弁と、燃料ガス供給ライン９の開閉弁が閉じた場合に、燃料電池１の稼働を緊急停止する緊急停止モードとして、開閉弁が閉とされた後、開閉弁よりも下流側の燃料ガス供給ライン９内の燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で燃料電池１に供給して燃焼させる停止移行モードと、該停止移行モードの後に移行する停止モードとを具備する。

Description

燃料電池システムおよびその運転方法
　本発明は、例えば、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等で、燃料電池の稼働を緊急停止する緊急停止モードを備える燃料電池システムおよびその運転方法に関するものである。
　従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった燃料電池を利用した燃料電池システムが知られている。そして、固体酸化物形燃料電池では６００～１０００℃程度、溶融炭酸塩形燃料電池では約５００～９００℃程度の高温で動作させている。
　従来、例えば、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等で、原燃料ガスの燃料電池システムへの供給が停止された際に、燃料電池システムを緊急停止することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
　また、従来、原燃料ラインに原燃料ガスを吸着する吸着器を設け、緊急停止する際に、原燃料ラインに設けられた供給遮断弁により原燃料ガスの供給を遮断し、送出ポンプを作動させ、吸着器から燃料電池に原燃料ガスを放出させることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６－６６２４４号公報 特開２０１０－２７５７９号公報
　しかしながら、高温作動型の燃料電池システムを緊急停止した場合に、例えば、固体酸化物形燃料電池を利用した高温作動型の燃料電池システムでは、緊急停止により、発電中から発電停止となるため、固体酸化物形燃料電池が６００～１０００℃程度から急激に温度低下し、固体酸化物形燃料電池に大きな熱応力が発生し、この熱応力で固体酸化物形燃料電池が破損するおそれがあった。
　特に、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電する燃料電池を具備し、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるタイプの燃料電池システムでは、燃焼状態から燃焼停止となるため、燃料電池の燃焼側が急激に温度低下し、大きな熱応力が発生するおそれがあった。
　また、上記した特許文献２では、緊急停止時に、燃料電池に水素を供給することができるため、燃料電池における燃料極の酸化を抑制できるものの、この特許文献２では、緊急停止時に燃料ガスを燃焼させる点については記載されておらず、固体酸化物形燃料電池に大きな熱応力が発生し、この熱応力で固体酸化物形燃料電池が破損するおそれがあった。
　本発明は、緊急停止時に燃料電池に作用する熱応力を低減できる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
　本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給ラインと、該燃料ガス供給ラインに設けられた開閉弁と、前記燃料ガス供給ラインの前記開閉弁が閉じた場合に、前記燃料電池の稼働を緊急停止する緊急停止モードとして、前記開閉弁が閉とされた後、前記開閉弁よりも下流側の燃料ガス供給ライン内の前記燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で前記燃料電池に供給して燃焼させる停止移行モードと、該停止移行モードの後に移行する停止モードとを具備することを特徴とする。
　また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃料電池と、原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、該改質器と前記燃料電池とを接続する改質燃料ライン、および前記改質器に前記原燃料ガスを供給する原燃料ラインを備えた燃料ガス供給ラインと、前記原燃料ラインに設けられた開閉弁と、該開閉弁よりも下流側の前記原燃料ラインに設けられ、前記開閉弁が閉じた場合に、前記開閉弁よりも下流側の前記原燃料ライン内の前記原燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で前記改質器に供給するポンプとを具備することを特徴とする。
　本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給ラインと、該燃料ガス供給ラインに設けられた開閉弁とを備えた燃料電池システムの前記開閉弁が閉じた場合に、前記燃料電池の稼働を緊急停止する際に、前記開閉弁が閉とされた後、前記開閉弁よりも下流側の燃料ガス供給ライン内の前記燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で前記燃料電池に供給して燃焼させ、この後、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止することを特徴とする。
　本発明の燃料電池システムでは、緊急停止時に燃料電池の温度を急激に下げることなく、次第に低下させ、燃料電池における熱応力を小さくすることができ、燃料電池の破損を防止できる。
燃料電池システムの一形態を示す説明図である。 固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 燃料電池の一例を示し、（ａ）は燃料電池を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池の破線で囲った部分の一部を拡大した横断面図である。 燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。 緊急停止モードのフロー図を示すもので、（ａ）は本形態の緊急停止モードのフロー図、（ｂ）は従来の緊急停止モードのフロー図である。 緊急停止モードの他の例を示すフロー図である。 停止移行モードの燃料ガスの供給量を示すもので、（ａ）は燃料ガスを一定時間所定量で継続して流した後、間欠的に流した場合のグラフであり、（ｂ）は燃料ガスを一定時間所定量で継続して流した後、間欠的に流し、その後、間隔をさらに空けて間欠的に流した場合のグラフである。 開閉弁を保安メータ以外の原燃料ラインに設けた燃料電池システムの他の形態を示す説明図である。 ガス機器用開閉弁を、給湯器、ガスレンジのガス機器用原燃料ラインに設けた燃料電池システムのさらに他の形態を示す説明図である。 原燃料ラインにリザーブタンクを設けた燃料電池システムのさらに他の形態を示す説明図である。
　図１は、本形態の高温作動型の燃料電池システムを示すもので、符号１は、固体酸化物形燃料電池１（以下、燃料電池１ということがある）を示している。この燃料電池１は、複数の燃料電池セルを直列に電気的に接続して構成されている。燃料電池１については後述する。
　この燃料電池１は燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するものであり、燃料電池１は収納容器３内に収容されている。収納容器３内には、改質器５も収納されており、改質器５で原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池１に供給するように構成されている。改質器５内には、都市ガス、プロパンガス等の原燃料ガスを改質する触媒が収容されている。
　改質器５には、燃料ガスに改質される都市ガス等の原燃料ガスが、保安メータ７を介して供給されるように構成されている。保安メータ７は、例えば各家庭に一つ設けられており、この保安メータ７には、その家庭で使用される原燃料ガスの使用量が表示され、また、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等の緊急時には原燃料ガスの燃料電池システムへの供給を停止するための開閉弁を有している。保安メータ７はガスメータでもある。保安メータ７からは、燃料電池システム以外に、例えば給湯器、ガスレンジ等に、原燃料ガスが供給されるように構成されており、それぞれにガス機器用原燃料ライン９ｃを有している。
　改質器５と燃料電池１との間は、燃料ガスを供給するための改質燃料ライン９ａで連結されており、保安メータ７と改質器５との間は、原燃料ガスを供給するための原燃料ライン９ｂで連結されており、これらの改質燃料ライン９ａと原燃料ライン９ｂとで燃料ガス供給ライン９を構成している。改質燃料ライン９ａ、原燃料ライン９ｂ、ガス機器用原燃料ライン９ｃは配管で構成されており、開閉弁を有する保安メータ７は、燃料ガス供給ライン９の上流端、言い換えれば、原燃料ライン９ｂの上流端に設けられている。
　燃料ガス供給ライン９、具体的には原燃料ライン９ｂの開閉弁よりも下流側には、原燃料ガスを改質器５に供給するためのポンプ１１が設けられており、ポンプ１１は制御装置１０に接続され、この制御装置１０は、ポンプ１１を制御することにより、負荷に応じて改質器５に供給する原燃料ガス量を制御し、燃料電池１に供給する燃料ガス量を制御している。
　なお、負荷とは、冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ等の電気器具をいい、燃料電池１で発電した電力が供給される。
　図１では、給湯器とガスレンジのそれぞれにガス機器用原燃料ライン９ｃが接続され、これらのガス機器用原燃料ライン９ｃは、燃料電池システムの原燃料ライン９ｂに接続されている状態を記載した。
　燃料ガス供給ライン９のポンプ１１よりも下流側には、ある一定の圧力以上でなければ開とならない逆止弁（図示せず）が設けられており、ポンプ１１が停止すると、原燃料ガスの供給が停止されるようになっている。
　また、改質器５には、水が供給されるようになっており、改質器５内で水蒸気となって、都市ガス、プロパンガス等の原燃料ガスと反応し、水蒸気改質可能となっている。定常状態（発電モード）では、改質器５から燃料ガスが燃料電池１に供給されるとともに、収納容器３内に空気等の酸素含有ガス（以下、空気を酸素含有ガスとして説明する場合がある）が供給され、燃料電池１において発電することになる。発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料電池１の改質器５側で酸素含有ガスと反応して燃焼し、燃料電池１と改質器５との間に燃焼領域１５が形成されている。この燃焼ガスにより改質器５が加熱され、改質器５内の原燃料ガスが、水素を主とする燃料ガスに改質されることになる。なお、燃料電池１の上方には、ヒータ等の着火装置（図示せず）が設けられており、発電に用いられなかった燃料ガスに着火する。
　燃料電池１は、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるもので、燃料電池セルを図２に示す。図２（ａ）は燃料電池セル２０の横断面図、（ｂ）は燃料電池セル２０の断面図である。なお、両図面において、燃料電池セル２０の各構成を一部拡大して示している。
　この燃料電池セル２０は、中空平板型の燃料電池セル２０で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の導電性支持体（以下、支持体ということがある）２１を備えている。導電性支持体２１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２２が長手方向に貫通して形成されており、燃料電池セル２０は、この導電性支持体２１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
　導電性支持体２１は、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層２３が設けられており、さらに、この燃料極層２３を覆うように、緻密質な固体電解質層２４が積層されている。また、固体電解質層２４の上には、反応防止層２５を介して、燃料極層２３と対面するように、多孔質な空気極層２６が積層されている。また、燃料極層２３および固体電解質層２４が積層されていない他方の平坦面ｎ（上面）には、密着層２７を介してインターコネクタ２８が形成されている。
　導電性支持体２１、燃料極層２３は、金属を含有するもので、金属としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等が知られている。燃料極層２３は、金属の他に金属酸化物を含有しており、金属酸化物としては、例えば安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアが知られている。
　すなわち、燃料極層２３および固体電解質層２４は、両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、固体電解質層２４の両端にインターコネクタ２８の両端が位置するように積層され、固体電解質層２４とインターコネクタ２８で導電性支持体２１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。
　図３は、上述した燃料電池セル２０の複数個を、集電部材３３を介して電気的に直列に接続して構成される燃料電池１（セルスタックともいう）の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池１の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、（ｂ）で示す燃料電池セル２０においては、上述した反応防止層２５等の一部の部材を省略して示している。
　なお、燃料電池１においては、各燃料電池セル２０を集電部材３３を介して配列することで燃料電池１を構成しており、各燃料電池セル２０の下端部が、燃料電池セル２０に燃料ガスを供給するためのガスタンク３６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル２０の配列方向の両端から複数の燃料電池セル２０を挟持するように、ガスタンク３６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材３４を具備している。
　また、図３に示す導電部材３４には、燃料電池セル２０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池１の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部３５が設けられている。
　図４は、燃料電池１を収納容器３内に収納してなる燃料電池モジュール３８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器３の内部に、図３に示した燃料電池１を収納して構成されている。
　なお、燃料電池セル２０にて使用する燃料ガスを得るために改質器５を燃料電池１の上方に配置している。そして、改質器５で生成された燃料ガスは、改質燃料ライン３７を介してガスタンク３６に供給され、ガスタンク３６を介して燃料電池セル２０の内部に設けられた燃料ガス流路２２に供給される。
　なお、図４においては、収納容器３の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池１および改質器５を後方に取り出した状態を示している。図４に示した燃料電池モジュール３８においては、燃料電池１を、収納容器３内にスライドして収納することが可能である。
　また収納容器３の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材３７は、図４においてはガスタンク３６に並置された燃料電池１の間に配置されている。酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材３７により燃料電池セル２０の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル２０の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２０の温度を上昇させることができ、燃料電池１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２０の上端部側にて、燃料電池セル２０のガス流路２２から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セル２０（燃料電池１）の上方に配置された改質器５を加熱することができる。それにより、改質器５で効率よく改質反応を行うことができる。
　図５は、外装ケース内に図４で示した燃料電池モジュール３８と、燃料電池１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
　図５に示す燃料電池装置４３は、支柱４４と外装板４５とから構成される外装ケースを有しており、この外装ケース内は仕切板４６により上下に区画されている。外装ケースの上方側が上述した燃料電池モジュール３８を収納するモジュール収納室４７とされ、下方側が燃料電池モジュール３８を動作させるための補機類を収納する補機収納室４８とされている。なお、図５では、補機収納室４８に収納する補機類は省略して示している。上記した制御装置１０やポンプ１１は、補機収納室４８に収納されることになる。
　また、仕切板４６には、補機収納室４８の空気をモジュール収納室４７側に流すための空気流通口４９が設けられており、モジュール収納室４７を構成する外装板４５の一部に、モジュール収納室４７内の空気を排気するための排気口５０が設けられている。
　そして、本形態の燃料電池システムでは、緊急停止モード は、図６（ａ）に示すように、燃料ガス供給ライン９の開閉弁が閉とされ、原燃料ガスの燃料電池システムへの供給が遮断された後、通常の発電モードから移行する停止移行モードと、該停止移行モードの後に移行する停止モードとを具備している。
　停止移行モードは、原燃料ガスの燃料電池システムへの供給が遮断された後、開閉弁よりも下流側の配管内の燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で燃料電池１に供給して燃焼させるモードである。停止移行モードでは、制御装置１０は、負荷への電力供給を停止するとともに、改質器５への水供給量を発電時よりも少なく、また、酸素含有ガスの燃料電池１への供給量を発電時よりも少なくするように、ポンプ、ブロア、パワーコンディショナ等を制御する。
　例えば、ポンプ１１は、停止移行モードでは、開閉弁が閉じられた場合に、開閉弁よりも下流側の原燃料ライン９ｂ内の原燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で改質器５に供給し、これにより、燃料ガスを発電時よりも少ない流量で燃料電池１に供給するように制御されている。
　例えば、制御装置１０は、発電モードで、ポンプ１１、ブロア等を制御し、発電時の燃料ガスの供給量を２．３リットル／分、空気供給量を５０リットル／分、水の供給量をＳ／Ｃが２．５となるように供給していたのを、停止移行モードでは、燃料ガスの供給量を０．５リットル／分、空気供給量を３０リットル／分、水の供給量をＳ／Ｃが２．５となるように制御する。
　停止モードは、ポンプ１１を停止して原燃料ガスの改質器５への供給を停止し、燃料ガスの燃料電池１への供給を停止し、改質器５への水供給を停止し、酸素含有ガスの燃料電池１への供給を停止し、完全に燃料電池システムを停止するモードである。
　また、制御装置１０は記憶部に接続されており、この記憶部には、発電モード、停止移行モード、停止モードが記憶され、どのような条件となった時に、発電モード、停止移行モード、停止モードに移行するかが記憶されている。制御装置１０は、この記憶部からの情報をもとに、ポンプ、ブロア、パワーコンディショナ等を制御する。
　従来、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等で、図６（ｂ）に示すように、保安メータ７の開閉弁が閉とされ、原燃料ガスの燃料電池システムへの供給が停止された際には、開閉弁が閉とされた信号が制御装置１０に伝達された時点で、負荷への電力供給を停止し、燃料ガス供給ライン９に設けられたポンプ１１を停止し、さらに、水、酸素含有ガスの供給を停止していた。
　しかしながら、高温作動型の燃料電池１では、地震、停電、落雷、台風のような自然災害等の緊急時に原燃料ガスの改質器５への供給が停止されるため、燃料ガスが燃料電池１に供給されないことで、燃焼ガスが発生せず、それに伴い燃料電池１に高温から低温の急激な温度変化が生じて、燃料電池１に大きな熱応力が生じ、燃料電池１、特に燃料電池１の燃焼領域１５側に大きな熱応力が生じるおそれがあった。
　本形態の燃料電池システムでは、燃料ガス供給ライン９の開閉弁が閉とされ、原燃料ガスの燃料電池システムへの供給が遮断された後、開閉弁よりも下流側の燃料ガス供給ライン９内の燃料ガスを発電時よりも少ない流量で燃料電池１に供給して燃焼させる停止移行モードと、該停止移行モードの後に移行する停止モードとを具備している。このため、図６（ａ）に示すように、燃料ガス供給ライン９の開閉弁が閉とされ、開閉弁が閉とされた信号が保安メータ７から制御装置１０に伝達され、この後、制御装置１０は、停止移行モードに移行し、その後、停止モードとなるように、ポンプ、ブロア、パワーコンディショナ等を制御する。
　なお、燃料電池１に供給されるガスは、当初は燃料ガスであり、その後は原燃料ガスになる場合があるが、以降の説明において、原燃料ガスも含めて燃料ガスと記載する場合がある。
　停止移行モードでは、燃料電池１で少し発電するため、この電力を用いてポンプ１１を駆動させる。なお、ポンプ１１は蓄電池、もしくは系統電源で駆動することもできる。
　「発電時よりも少ない流量」とは、燃料電池１で発電した電力を電気器具に供給している発電モードにおいて、最低発電量を発電するに使用される燃料ガスよりも少ない流量を意味する。
　すなわち、制御装置１０は、開閉弁が閉とされた信号を受けると、通常はポンプ１１を停止し、燃料ガスの燃料電池１への供給を停止するが、本形態では、ポンプ１１を回転させ、開閉弁よりも下流側の配管内の原燃料ガスを改質器５に供給する。これにより、燃料ガスを燃料電池１に供給する。
　この際、燃料電池システム以外の、例えば給湯器、ガスレンジ等に接続されたガス機器用原燃料ライン９ｃが原燃料ライン９ｂから分岐しており、燃料電池システムは、給湯器、ガスレンジのガス機器用原燃料ライン９ｃを形成する配管に連通しているため、給湯器やガスレンジ等に連結されるガス機器用原燃料ライン内の原燃料ガスを燃料電池システム側に吸引することができ、原燃料ガス供給量を増加できる。
　この場合、給湯器、ガスレンジに接続されるガス機器用原燃料ライン９ｃの配管、および燃料ガス供給ライン９の配管の容積を加味し、給湯器、ガスレンジに接続されたガス機器用原燃料ライン９ｃから燃料電池１に空気が供給されないようにポンプ１１による供給量を制御する。
　ポンプ１１は、原燃料ガスの供給量が、制御装置１０により発電時よりも少ない流量で供給するように駆動される。なお、ポンプ１１は、停止移行モードにおける燃料電池１の発電電力で駆動される。また、制御装置１０は、改質器５に原燃料ガスを燃料ガスに改質するための水も、原燃料ガス量に合わせて少量供給するようにポンプを制御する。さらに、酸素含有ガスも同様に、原燃料ガス量に合わせて少量供給するようにブロアを制御する。
　原燃料ガスの流量に応じて、水、酸素含有ガスを所定量供給するため、次第に燃焼ガスが少なくなり（停止移行モード）、その後停止モードに移行する。それゆえ、緊急停止時に燃料電池１の温度が急激に下がることなく、次第に低下することで、燃料電池１に発生する熱応力を小さくすることができる。さらに、燃料電池１の燃料極層２３に、緊急停止後も燃料ガスが一定時間供給されるため、燃料極層２３が高温状態で酸素含有ガスに晒されることがなく、燃料極層２３の酸化を低減できる。
　また、燃料電池１や改質器５に燃料ガスだけでなく、水、酸素含有ガスも供給するため、発電時と同様な条件とでき、条件が異なることによる燃料電池１への悪影響を小さくできる。
　なお、上記形態では、停止移行モードにおいて、負荷への電力供給を停止し、発電時よりも燃料ガスの供給量、水の供給量、酸素含有ガスの供給量を少なくしたが、図７に示すように、負荷への電力供給を停止し、燃料電池１や改質器５への水、酸素含有ガスの供給を停止しても良い。この場合には、最初は改質器５よりも下流側の燃料ガスが燃料電池へ供給され、その後、改質器５よりも上流側の原燃料ガスが燃料電池に供給されることになる。また、燃料電池１に供給される燃料ガス（または原燃料ガス）は、収納容器３内に存在している酸素含有ガスと反応して燃焼することになり、燃料ガス（または原燃料ガス）の供給量が低下したとしても、酸素含有ガスが供給されないため、燃料電池１の燃料極層２３の酸化を低減することができる。
　なお、緊急停止直後では、燃料ガスの供給量を、発電時よりも少ない量で供給するが、図８（ａ）に示すように、少量の燃料ガスをｔ１時間継続して流した後、間欠的にｔ２時間流すことにより、燃焼量が次第に少なくなるため、燃料電池１における熱応力をより小さくすることができる。さらに図８（ｂ）に示すように、少量の燃料ガスをｔ１時間継続して流した後、間欠的にｔ３時間流し、さらに、流す間隔を長くして間欠的にｔ４時間流すことにより、燃料電池１における熱応力をより小さくすることができる。
　なお、間欠的に燃料ガスを流す場合には、燃料ガスが供給されない時間帯に、燃焼炎が消えてしまうおそれがあるため、燃料ガスを流すたびごとに着火装置により着火することが望ましい。燃焼炎が消えないという意味では、燃料ガスを連続して供給することが望ましい。
　上記形態では、保安メータ７が開閉弁を有する場合について記載したが、図９に示すように、開閉弁を有する保安メータ７とは別個に、原燃料ライン９ｂのポンプ１１よりも上流側に開閉弁７１を設け、制御装置１０により緊急停止時に開閉弁７１を閉に制御しても良い。この場合には、給湯器、ガスレンジに接続されたガス機器用原燃料ライン９ｃと原燃料ライン９ｂとの接続部よりも下流側に、開閉弁７１を設けることにより、燃料ガス供給ライン９がガス機器用原燃料ライン９ｃに連通していないため、ガス機器用原燃料ライン９ｃを介して空気が燃料電池１に供給されることを無くすことができる。この場合、保安メータ７に開閉弁がない場合も、同様の効果を得ることができる。
　さらに、図１０に示すように、保安メータ７とは別個に、ガス機器用原燃料ライン９ｃのそれぞれにガス機器用開閉弁７３、７５を設け、制御装置１０により緊急停止時に閉に制御しても良い。すなわち、緊急停止時にガス機器用開閉弁７３、７５を閉とすることにより、燃料ガス供給ライン９が給湯器、ガスレンジに接続されるガス機器用原燃料ライン９ｃに連通していないため、ガス機器用原燃料ライン９ｃを介して空気が燃料電池１に供給されることを無くすことができ、さらに、開閉弁７３、７５よりも上流側の原燃料ガスもポンプ１１にて吸引することができ、燃料電池１へさらに長時間にわたって燃料ガスを供給することができる。
　また、上記形態では、開閉弁よりも下流側の配管内の原燃料ガスをポンプ１１により強制的に改質器５に供給したが、図１１に示すように、燃料ガス供給ライン９の原燃料ライン９ｂに原燃料ガスを貯めておくリザーブタンク６５が接続されており、開閉弁が閉とされた場合に、リザーブタンク６５内部の原燃料ガスを、原燃料ライン９ｂを介して改質器５に供給するようにすることも可能である。この場合には、ポンプ１１に無理をさせることなく、また、原燃料ガスの供給量、供給時間も、リザーブタンク６５の容量を変化させることにより制御することができる。図１１の場合に、リザーブタンク６５よりも上流側の燃料ガス供給ライン９であって、ガス機器用原燃料ライン９ｃと原燃料ライン９ｂとの接続部よりも下流側に開閉弁を設けることもできる。この場合、開閉弁７３、７５は不要となる。
　また、ポンプ１１よりも上流側に開閉弁がある場合には、ポンプ１１による吸引により、開閉弁よりも下流側は負圧となるため、ポンプ１１による原燃料ガスの供給量は、負圧に対応するポンプ１１の駆動力による。
　さらに、上記形態では、収納容器３内に改質器５を収容したが、改質器５は収納容器３の外側にあっても良い。
　また、上記形態では、保安メータ７の開閉弁が閉とされた信号を制御装置１０に伝達したが、例えば、原燃料ライン９ｂに、原燃料ガスの圧力を検知する圧力センサを設け、原燃料ライン９ｂ内の圧力が急激に低下した場合に、開閉弁が閉とされ、原燃料ガスの供給が停止されたと見なして、圧力センサから制御装置１０に信号を伝達しても良い。また、原燃料ガスの圧力を検知する圧力センサの代わりに、原燃料ガスの流量を検出する流量センサを原燃料ライン９ｂに設けても、同様の効果を得ることができる。
　また、燃料電池システムのメンテナンスを行う際にも、緊急停止しなければならないが、この場合には、保安メータ７の開閉弁は開とされたままであるが、保安メータ７の開閉弁が閉とされた上記形態と同様の緊急停止モードを採用できる。
　すなわち、燃料ガス供給ライン９のポンプ１１以外の機器、例えば流量計等が故障した場合にメンテナンスを行う際には、負荷への電力供給を停止し、発電時よりも燃料ガスの供給量、水の供給量、酸素含有ガスの供給量を少なく制御する停止移行モードと、この後の停止モードにより、緊急停止モードが構成される。
　メンテナンスを行う際、例えば、メンテナンスボタンを押すことにより、上記したように、停止移行モードと、この後の停止モードとに移行させることができる。メンテナンス時には、燃料ガスの供給量、水の供給量、酸素含有ガスの供給量はポンプやブロア等で制御できるため、これらを制御することにより、供給量や供給時間を制御できる。
　なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
　例えば、上記形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池について説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池であっても良いことは勿論である。さらに、燃料極層、固体電解質層、酸素極層を順次設けてなる平板状の燃料電池セルと、燃料極層に接続する燃料側インターコネクタと、酸素極層に接続する酸素側インターコネクタとの積層体を隔離板を介して複数積層してなり、燃料極層及び酸素極層の中央部にそれぞれ燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて燃料極層及び酸素極層の外周部に向けて流れ、燃料電池セルの外周部から余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスが放出され、燃焼するタイプの平板型燃料電池にも応用できる。
１：燃料電池
７：保安メータ
９：燃料ガス供給ライン
９ａ：改質燃料ライン
９ｂ：原燃料ライン
９ｃ：ガス機器用原燃料ライン
１０：制御装置
２０：燃料電池セル
２１：導電性支持体
２２：燃料ガス流路
２３：燃料極層
２４：固体電解質層
２６：空気極層
２８：インターコネクタ
３８：燃料電池モジュール
４３：燃料電池装置
７１、７３、７５：開閉弁

Claims (9)

  1. 　燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給ラインと、該燃料ガス供給ラインに設けられた開閉弁と、前記燃料ガス供給ラインの前記開閉弁が閉じた場合に、前記燃料電池の稼働を緊急停止する緊急停止モードとして、前記開閉弁が閉とされた後、前記開閉弁よりも下流側の燃料ガス供給ライン内の前記燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で前記燃料電池に供給して燃焼させる停止移行モードと、該停止移行モードの後に移行する停止モードとを具備することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記停止移行モードは、前記燃料電池に、前記燃料ガスを発電時よりも少ない流量で一定時間供給した後、間欠的に供給するモードであ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. 　前記燃料ガス供給ラインに設けられた保安メータが、前記開閉弁を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記燃料ガス供給ラインを流れる前記原燃料ガスまたは前記燃料ガスの、圧力または流量を検出するセンサを具備することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 　さらに、原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器を具備し、前記燃料ガス供給ラインは、前記改質器と前記燃料電池とを接続する改質燃料ラインと、前記改質器に原燃料ガスを供給する原燃料ラインとを具備し、前記原燃料ラインの前記開閉弁よりも下流側に前記原燃料ガスを貯めるリザーブタンクが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 　さらに、原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器を具備し、前記燃料ガス供給ラインは、前記改質器と前記燃料電池とを接続する改質燃料ラインと、前記改質器に前記原燃料ガスを供給する原燃料ラインとを具備し、前記燃料ガス供給ラインの原燃料ラインには、前記燃料電池以外の他のガス機器に前記原燃料ガスを供給するガス機器用原燃料ラインが接続されており、前記開閉弁は、前記ガス機器用原燃料ラインの前記原燃料ラインへの接続部よりも上流側に設けられ、さらに前記ガス機器用原燃料ラインを開閉するガス機器用開閉弁を有していることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 　さらに、原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器を具備し、前記燃料ガス供給ラインは、前記改質器と前記燃料電池とを接続する改質燃料ラインと、前記改質器に前記原燃料ガスを供給する原燃料ラインとを具備し、前記燃料ガス供給ラインの原燃料ラインには、前記燃料電池以外の他のガス機器に前記原燃料ガスを供給するガス機器用原燃料ラインが接続されており、前記開閉弁は、前記ガス機器用原燃料ラインの前記原燃料ラインへの接続部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
  8. 　燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃料電池と、原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、該改質器と前記燃料電池とを接続する改質燃料ライン、および前記改質器に前記原燃料ガスを供給する原燃料ラインを備えた燃料ガス供給ラインと、前記原燃料ラインに設けられた開閉弁と、該開閉弁よりも下流側の前記原燃料ラインに設けられ、前記開閉弁が閉じた場合に、前記開閉弁よりも下流側の前記原燃料ライン内の前記原燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で前記改質器に供給するポンプとを具備することを特徴とする燃料電池システム。
  9. 　燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃料電池と、
    　前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給ラインと、
    　該燃料ガス供給ラインに設けられた開閉弁と
    を備えた燃料電池システムの前記開閉弁が閉じた場合に、前記燃料電池の稼働を緊急停止する際に、前記開閉弁が閉とされた後、前記開閉弁よりも下流側の燃料ガス供給ライン内の前記燃料ガスを、発電時よりも少ない流量で前記燃料電池に供給して燃焼させ、この後、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止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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