(57)【要約】  【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。【選択図】  図１
2012074005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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）。【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−６６２４４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池システムの一形態を示す説明図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図５】燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。
【図６】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。
【図７】緊急停止モードの他の例を示すフロー図である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
「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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【符号の説明】
【００７１】
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
【図１】
2012074005.tif 000003
【図２】
2012074005.tif 000004
【図３】
2012074005.tif 000005
【図４】
2012074005.tif 000006
【図５】
2012074005.tif 000007
【図６】
2012074005.tif 000008
【図７】
2012074005.tif 000009
【図８】
2012074005.tif 000010
【図９】
2012074005.tif 000011
【図１０】
2012074005.tif 000012
【図１１】
2012074005.tif 000013
【国際調査報告】
2012074005.tif 000014
2012074005.tif 000015
2012074005.tif 000016
2012074005.tif 000017
2012074005.tif 000018
2012074005.tif 000019
2012074005.tif 000020
2012074005.tif 000021