(57)【要約】【課題】低コスト化を実現することができる固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの停止方法を提供する。【解決手段】酸化判定部５６は、電圧測定部５５により測定されたＯＣＶと、算出部５４により算出された酸化電圧とに基づいて、燃料極が酸化しているか否かを判定する。供給制御部５７は、その判定結果に基づいて燃料極への還元ガスの供給を制御する。これにより、大量の還元ガスを供給しなくても燃料極が酸化して単セルが破損することを防ぐことができるので、低コスト化を実現することができる【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を含む燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容しかつ前記燃料極および前記空気極にそれぞれ還元ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路を備えたセパレータとを有する固体酸化物形燃料電池と、前記セパレータを介して前記燃料極に前記還元ガスを供給する供給部とを備えた固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
発電中の前記固体酸化物形燃料電池の停止命令を検出する検出部と、
前記単セルの温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部による測定結果に基づいて前記燃料極の酸化を示す第１の電圧を算出する算出部と、
前記単セルの開回路電圧を測定する電圧測定部と、
前記検出部により前記停止命令が検出されると、前記開回路電圧と前記第１の電圧との比較結果に基づいて、前記供給部による前記燃料極への前記還元ガスの供給を制御する供給制御部と
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記供給制御部は、前記開回路電圧が前記第１の電圧以下となると、前記供給部により前記燃料極へ前記還元ガスを供給させる
ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記供給制御部は、
前記温度測定部により測定された前記単セルの温度が所定の値以下であるか否かを判定する判定部と、
前記単セルの温度が前記所定の値以下である場合に前記供給部による前記還元ガスの供給を停止させる停止判定部とを備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記供給部は、前記還元ガスを貯留した貯留部を備え、前記検出部により前記停止命令が検出されると、前記供給制御部による制御に応じて、前記貯留部に貯留した前記還元ガスを前記燃料極に供給する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
金属を含む燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容しかつ前記燃料極および前記空気極にそれぞれ還元ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路を備えたセパレータとを有する固体酸化物形燃料電池と、前記セパレータを介して前記燃料極に前記還元ガスを供給する供給部とを備えた固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、
検出部が、発電中の前記固体酸化物形燃料電池の停止命令を検出する検出ステップと、
温度測定部が、前記単セルの温度を測定する温度測定ステップと、
算出部が、前記温度測定ステップによる測定結果に基づいて前記燃料極の酸化を示す第１の電圧を算出する算出ステップと、
電圧測定部が、前記単セルの開回路電圧を測定する電圧測定ステップと、
供給制御部が、前記検出ステップにより前記停止命令が検出されると、前記開回路電圧と前記第１の電圧との比較結果に基づいて、前記供給部による前記燃料極への前記還元ガスの供給を制御する供給制御ステップと
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、平板状の燃料極（アノード）と、この燃料極上に形成した固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層上に形成した空気極（カソード）とで単セルを形成した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells）が知られている。ＳＯＦＣでは、燃料極と空気極に還元ガスまたは酸化剤ガスを供給して酸化還元反応を行わせることにより、水の電気分解の逆の反応を利用して発電する。ＳＯＦＣは、実際に燃料電池として動作させる場合、実用上十分な発電量を得るために単セルを積層（スタック化）して直列接続し、燃料極側を還元雰囲気に、空気極側を酸化雰囲気に保つとともに、十分な発電効率を得るために電解質のイオン伝導性が確保され容易に電気化学反応が起こる600〜1000℃程度の高温に保たれる。その単セルの構成材料としては、燃料極にNi等の金属とジルコニアを複合させたサーメット、空気極にペロブスカイト構造のランタン系複合酸化物（LaNi(Fe)O3、La(Sr)MnO3）、電解質にスカンジウムやイットリアを添加した安定化ジルコニア（ScSZ、SASZ、YSZ）などが用いられている。このようなＳＯＦＣは、高いエネルギー変換効率を有するとともに、二酸化炭素の排出を抑えた発電を行えるので、多くの研究機関で開発が盛んに行われている。
【０００３】
このようなＳＯＦＣでは、例えば発電を停止させる場合などに、燃料極への還元ガスの供給を停止させると、単セルを収容するセパレータのシールが不十分な部分や燃料を供給する配管内に空気が混入して、燃料極が酸化雰囲気に晒されることがある。すると、燃料極中の金属が酸化され、燃料極の体積が膨張してしまう（例えば、非特許文献１参照。）。燃料極の体積膨張は高温ほど大きくなるので、600〜1000℃という高温のＳＯＦＣの運転温度付近で燃料極が酸化雰囲気に晒されると燃料極の体積膨張の応力により電解質が破損し、これにより単セル自体が破損してしまう。
【０００４】
そこで、燃料極の酸化による単セルの破損を防ぐために、発電を停止した後にも引き続き還元ガス（水素、炭化水素系ガス、または、これらの改質ガス）を供給し続けることにより燃料極側を還元雰囲気に保ち、単セルを常温まで降温させることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。また、自然災害や人為的な理由で系統電力、還元ガス、水の供給などが遮断されることによりＳＯＦＣを緊急停止させる場合には、システム内に設けた還元ガスを貯留したリザーバーボンベから還元ガスを供給した上で、単セルを常温まで降温させることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８３０７１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】David Waldbilling et al.、Thermal analysis of the cyclic reduction and oxidation behaviour of SOFC anodes、Solid State Ionics 176 (2005)、847-859
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した方法では、セルの破損を防ぐために必要な還元ガスの流量が分からなかったために大量に還元ガスを供給することでセルを保護していたので、大量の還元ガスを消費したり、大型のリザーブボンベが必要としていた。そのため、固体酸化物形燃料電池システムの低コスト化を実現することが困難であった。
【０００８】
そこで、本願発明は、低コスト化を実現することができる固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの停止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】
【０００９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、金属を含む燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容しかつ燃料極および空気極にそれぞれ還元ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路を備えたセパレータとを有する固体酸化物形燃料電池と、セパレータを介して燃料極に還元ガスを供給する供給部とを備えた固体酸化物形燃料電池システムにおいて、発電中の固体酸化物形燃料電池の停止命令を検出する検出部と、単セルの温度を測定する温度測定部と、温度測定部による測定結果に基づいて燃料極の酸化を示す第１の電圧を算出する算出部と、単セルの開回路電圧を測定する電圧測定部と、検出部により停止命令が検出されると、開回路電圧と第１の電圧との比較結果に基づいて、供給部による燃料極への還元ガスの供給を制御する供給制御部とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、供給制御部は、開回路電圧が第１の電圧以下となると、供給部により燃料極へ還元ガスを供給させるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、供給制御部は、温度測定部により測定された単セルの温度が所定の値以下であるか否かを判定する判定部と、単セルの温度が所定の値以下である場合に供給部による還元ガスの供給を停止させる停止判定部とを備えるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、供給部は、還元ガスを貯留した貯留部を備え、検出部により停止命令が検出されると、供給制御部による制御に応じて、貯留部に貯留した還元ガスを燃料極に供給するようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの停止方法は、金属を含む燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容しかつ燃料極および空気極にそれぞれ還元ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路を備えたセパレータとを有する固体酸化物形燃料電池と、セパレータを介して燃料極に還元ガスを供給する供給部とを備えた固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、検出部が、発電中の固体酸化物形燃料電池の停止命令を検出する検出ステップと、温度測定部が、単セルの温度を測定する温度測定ステップと、算出部が、温度測定ステップによる測定結果に基づいて燃料極の酸化を示す第１の電圧を算出する算出ステップと、電圧測定部が、単セルの開回路電圧を測定する電圧測定ステップと、供給制御部が、検出ステップにより停止命令が検出されると、開回路電圧と第１の電圧との比較結果に基づいて、供給部による燃料極への還元ガスの供給を制御する供給制御ステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、開回路電圧と第１の電圧とに基づいて燃料極への還元ガスの供給を制御することにより、過剰に還元ガスを供給しなくても燃料極の酸化を防ぐことが可能となるので、結果として、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、単セルの構成を模式的に示す正面図である。
【図３】図３は、制御装置の停止ユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、測定系の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、燃料ガスの供給を停止し続けた場合のＯＣＶの測定結果を示す図である。
【図６】図６は、燃料ガスの供給を途中で再開した場合のＯＣＶの測定結果を示す図である。
【図７】図７は、通常停止動作を示すフローチャートである。
【図８】図８は、緊急停止動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
［固体酸化物形燃料電池システムの構成］
図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、セルスタック１１を有するモジュール１と、このモジュール１に原燃料を供給する燃料供給装置２と、モジュール１に酸化剤ガスを供給する空気供給装置３と、モジュール１に供給する還元ガスを貯留するリザーバーボンベ４と、これらの各構成要素の動作を制御する制御装置５とを備えている。
【００１８】
＜モジュールの構成＞
モジュール１は、セルスタック１１と、改質器１２と、空気予熱器１３と、触媒燃焼器１４と、これらを覆う断熱材（図示せず）とを備えている。
【００１９】
セルスタック１１は、燃料極、電解質および空気極から構成される単セル１１０と、この単セル１１０を収容するとともに外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料極または空気極に供給するインターコネクタとを一組としたセルを複数組重ねて直列に接続した構成を有する。このようなセルスタック１１の最上部および最下部のインターコネクタには、セルスタック１１により発生した電力を取り出すための外部回路（図示せず）が接続されている。  
【００２０】
ここで、単セル１１０は、図２に示すように、平板状の燃料極１１１と、この燃料極の上面に形成された電解質１１２と、この電解質１１２の上面に形成された空気極１１３とから構成された燃料極支持形の構成を有する。本実施の形態において、燃料極１１１は、Niとジルコニアのサーメットから構成されている。また、電解質１１２は、スカンジウムやイットリアを添加した安定化ジルコニア（ScSZ、SASZ、YSZなど）から構成されている。また、空気極１１３は、ペロブスカイト構造のランタン系複合酸化物（LaNi(Fe)O3、La(Sr)MnO3など）から構成されている。なお、図１においては、理解を容易にするためにセルスタック１１を１つの単セルで表している。
【００２１】
改質器１２は、外部から供給される水や内部に収容された触媒等を用いた水蒸気改質を行うことにより、燃料供給装置２から供給された原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する反応装置である。この改質器１２には、隣接する触媒燃焼器１４で生成された熱が伝導され、この熱が燃料ガスの生成に用いられる。また、改質器１２により生成された燃料ガスは、セルスタック１１の燃料極１１１に供給される。なお、改質器１２とセルスタック１１とを接続する流路には、第１の電磁弁Ｖ１が設けられており、この第１の電磁弁Ｖ１は、制御装置５により開閉状態が制御される。
【００２２】
空気予熱器１３は、空気供給装置３から供給された空気を加熱するとともに、この加熱した空気をセルスタック１１の空気極１１３に供給する装置である。この空気予熱器１３は、後述する触媒燃焼器１４による燃焼反応で生成された燃焼ガスが供給され、この燃焼ガスと空気供給装置３から供給された空気との間で熱交換を行うことによりその空気を加熱する。なお、空気予熱器１３で熱交換が行われた燃焼ガスは、モジュール１外部に排出される。
【００２３】
触媒燃焼器１４は、セルスタック１１の燃料極１１１から排出される排気ガスと、セルスタック１１の空気極１１３から排出される排気ガスとの混合ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成するバーナ燃焼器である。上述したように、燃焼反応で生成された熱は、改質器１２に伝導されて燃料ガスの改質反応に使用される。また、燃焼反応で生成された高温の燃焼ガスは、空気予熱器１３に供給され、空気供給装置３から供給される空気との間の熱交換に使用される。
【００２４】
＜燃料供給装置の構成＞
燃料供給装置２は、公知の送風装置等からなり、外部から供給される都市ガスやプロパンガスなどの原燃料を改質器１２に供給する。
【００２５】
＜空気供給装置の構成＞
空気供給装置３は、公知の送風装置等からなり、酸化剤として空気を空気予熱器１３に供給する。
【００２６】
＜リザーバーボンベの構成＞
リザーバーボンベ４は、公知のガスボンベからなり、水素、炭化水素系ガス、または、これらの改質ガスからなる還元ガスを貯留する。この貯留した還元ガスは、セルスタック１１の燃料極１１１に供給される。なお、リザーバーボンベ４とセルスタック１１とを接続する流路には、第２の電磁弁Ｖ２が設けられており、この第２の電磁弁Ｖ２は、制御装置５により開閉状態が制御される。
【００２７】
＜制御装置の構成＞
制御装置５は、オペレータからの指示やセンサ等の検出結果に基づいて、固体酸化物形燃料電池システムの各構成要素に対して制御信号を送信してそれらの構成要素の動作を制御することにより、固体酸化物型燃料電池システム全体の動作を制御する。このような制御装置５は、図１に示すように、モジュール１の運転動作を制御する運転ユニット５ａと、モジュール１の停止動作を制御する停止ユニット５ｂとを備えている。また、制御装置５は、通常はセルスタック１１から供給される電力、停止時にはスイッチ６を介して蓄電池７から供給される電力により駆動する。
【００２８】
ここで、停止ユニット５ｂは、図３に示すように、停止検出部５１と、温度測定部５２と、停止判定部５３と、算出部５４と、電圧測定部５５と、酸化判定部５６と、供給制御部５７とを備えている。
【００２９】
停止検出部５１は、モジュール１の停止命令を検出する機能部である。ここで、停止命令としては、停止ボタンを押下するなどによる停止操作（以下、「通常停止操作」という。）と、自然災害や緊急停止ボタンの押下等の人為的な理由により系統電力、燃料、水の供給などが遮断されることによる緊急時の停止操作（以下、「緊急停止操作」という。）とがある。このような停止命令は、停止ボタンや緊急停止ボタンから入力される制御信号、モジュール１の各構成要素に接続されている駆動操作を検出するためのセンサなどから検出される。このような停止命令を検出すると、停止検出部５１は、その検出結果を示す制御信号を温度測定部５２、算出部５４および電圧測定部５５に出力する。また、第１の制御弁Ｖ１を閉状態にするとともにスイッチ６をＯＮとして、セルスタック１１への燃料ガスの供給を停止するとともに制御装置５への電力供給経路を確保する。
【００３０】
温度測定部５２は、セルスタック１１の表面に配設した熱電対等からなる温度センサ９を介して、セルスタック１１の温度を測定する機能部である。この測定したセルスタック１１の温度は、停止判定部５３および算出部５４に出力される。
【００３１】
停止判定部５３は、温度測定部５２により測定されたセルスタック１１の温度に基づいて、モジュール１の停止動作を終了するか否かを判定する機能部である。本実施の形態においては、温度測定部５２により測定されたセルスタック１１の温度と、予め設定した所定の温度（以下、「停止温度」という。）とを比較し、セルスタック１１の温度がその停止温度以下になると停止動作を終了すると判定する。この停止温度としては、例えば２００［℃］など適宜自由に設定することができる。このような停止判定部５３は、本発明に係る判定部および停止判定部として機能し、供給制御部５７に含まれる構成としてもよい。
【００３２】
算出部５４は、温度測定部５２により測定されたセルスタック１１の温度に基づいて、燃料極１１１に含まれるニッケルが酸化するときに単セル１１０により生成される電圧（以下、「酸化電圧」という。）を算出する機能部である。
【００３３】
電圧測定部５５は、電圧計８を介してセルスタック１１のＯＣＶを測定する機能部である。
【００３４】
酸化判定部５６は、算出部５４により算出された酸化電圧と、電圧測定部５５により測定されたＯＣＶとを比較して、単セル１１０の燃料極１１１に含まれるニッケルが酸化しているか否かを判定する機能部である。具体的には、ＯＣＶが酸化電圧以下の場合にはニッケルが酸化している判定し、ＯＣＶが酸化電圧を超えている場合にはニッケルが酸化していないと判定する。
【００３５】
供給制御部５７は、酸化判定部５６による判定結果に基づいて、還元ガスを単セル１１０の燃料極１１１に供給させる機能部である。
【００３６】
このような制御装置５は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ/Ｆ装置と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した運転ユニット５ａ、停止ユニット５ｂ、および、この停止ユニット５ｂに含まれる停止検出部５１、温度測定部５２、停止判定部５３、算出部５４、電圧測定部５５、酸化判定部５６、供給制御部５７が実現される。なお、上記プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。
【００３７】
［酸化電圧の測定原理］
次に、酸化電圧の算出原理について、図４〜図６を参照して説明する。
【００３８】
燃料極１１１への燃料ガスの供給が減少または停止され、燃料極１１１が高酸素分圧に晒されてニッケルの酸化が進行しているときにセルスタック１１の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を測定すると、固体酸化物形燃料電池の燃料極側の雰囲気がニッケルの酸化を引き起こすときに観測される酸化電圧が観測される。この酸化電圧ＯＣＶ(NiOx)は、下式（１）から算出することができる。なお、下式（１）において、−ΔＧ(NiO)はＮｉがＮｉＯになるときの生成ギブスエネルギー、Ｆはファラデー定数、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｐ（Ｏ2，ｃ）は空気極側の酸素分圧である。このｐ（Ｏ2，ｃ）は、一般には空気と同じ酸素分圧（２×１０-1）で一定であるので、下式（１）は燃料極に含まれる金属が決まれば温度のみの関数となる。
【００３９】
ＯＣＶ(NiOx)＝−ΔＧ(NiO)／４Ｆ＋（ＲＴ／４Ｆ）・ｌｎｐ（Ｏ2，ｃ）  ・・・（１）
【００４０】
発明者らは、酸化電圧を検証するため、単セルの開回路電圧（端子間電圧）を測定した。その測定系の概要を図４に示す。この測定系は、単セル１１０と、単セル１１０の燃料極１１１側に配設された第１のセパレータ２０１と、単セル１１０の周面を覆う第２のセパレータ２０２と、単セル１１０の空気極１１３側に配設された第３のセパレータ２０３とから構成され、単セル１１０が燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防いだ状態で収容されている。このような測定系を８００℃に加熱した上で、燃料極１１１に燃料ガスとして水素、空気極１１３に酸化剤ガスとして空気を供給して、外部に何も電気的な仕事をしていない状態、すなわち開回路状態で単セル１１０により生成される電圧を電圧計２０４により測定することにより、開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を測定した。
この測定結果を図５，図６に示す。ここで、図５は、燃料ガスの供給を停止し続けた場合、図６は、燃料ガスの供給を停止してから一時間後に再度燃料ガスを供給した場合を示している。なお、図５，図６において、縦軸はＯＣＶの電圧［ｍＶ］または還元ガスの流量［ｍｌ／ｍｉｎ］、横軸は時間［ｈ］である。また、符号ａは、ＯＣＶの電圧値、符号ｂは還元ガスの流量を示している。
また、上式（１）により算出される、８００℃におけるＮｉの酸化電圧は０．７０［Ｖ］である。
【００４１】
図５に示すように、燃料ガスの供給を停止して約３０分経過後から約８時間までは、ＯＣＶは、酸化電圧である０．７０［Ｖ］程度で安定している。したがって、燃料ガスの供給停止後、セパレータのシールが不十分な部分や燃料ガスを供給する配管からの空気の混入により、燃料極１１１側の酸素分圧が上昇したために、燃料極１１１中のニッケルの酸化が進行しているものと考えられる。
そして、約８時間経過するとＯＣＶは急激に低下し、約１１時間後にはＯＣＶはほぼ０［Ｖ］となった。この後、再び燃料ガスを供給してもＯＣＶは０［Ｖ］のままであるので、単セル１１０は破損に至ったと考えられる。
【００４２】
一方、図６に示すように、燃料ガスの供給を停止して１時間経過後に燃料ガスの供給を再開した場合、ＯＣＶは、約３０分経過後から１時間まで酸化電圧である０．７０［Ｖ］程度で安定している。しかし、燃料ガスの供給を再開した１時間経過後、ＯＣＶは、燃料ガスの供給停止前と同等の値となっており、発電も可能であった。
【００４３】
このように、単セルは、ＯＣＶが酸化電圧のままで長時間放置しておくと破損してしまうが、ＯＣＶが酸化電圧となっても再度還元性のガスを供給すると発電可能な状態に回復することができる。そこで、本実施の形態では、酸化電圧を算出するとともにＯＣＶを測定し、酸化電圧とＯＣＶとを比較してＯＣＶが酸化電圧と同等になったときに還元ガスを燃料極１１１に供給することにより、単セルの破損を防ぐようにしている。
【００４４】
［固体酸化物型燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの動作について説明する。
【００４５】
＜運転動作＞
発電を行う通常運転時において、制御装置５の運転ユニット５ａは、制御信号を送信し、燃料供給装置２および空気供給装置３を駆動させるとともに、第１の電磁弁Ｖ１を開状態、第２の電磁弁Ｖ２を閉状態としている。すると、燃料供給装置２から供給される原燃料は、改質器１２により水素リッチな燃料ガスに改質された後、セルスタック１１中の燃料極１１１に供給される。一方、空気供給装置３から供給される空気は、空気予熱器１３により加熱された後、セルスタック１１中の空気極１１３に供給される。これにより、各単セル１１０で酸化還元反応が行われると、外部回路６により電力が取り出されることとなる。
【００４６】
＜停止動作＞
次に、本実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池システムにおける停止動作について説明する。本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの停止動作には、通常停止操作が検出されたときにおこなわれる通常停止動作と、緊急停止操作が検出されたときに行われる緊急停止動作とがある。それぞれについて以下に説明する。
≪通常停止動作≫
まず、図７を参照して、制御装置５による通常停止動作について説明する。
【００４７】
停止ユニット５ｂの停止検出部５１は、ユーザが停止ボタンを押下するなどにより通常停止動作を行う旨の制御信号を検出すると（ステップＳ１）、セルスタック１１を外部回路から切り離し、第１の制御弁Ｖ１を閉状態にするとともに、スイッチ６をＯＮとする（ステップＳ２）。これにより、燃料極１１１への燃料ガスの供給が停止されるので、モジュール１の運転が停止してゆくこととなる。また、制御装置５に蓄電池７から電力が供給されるので、セルスタック１１からの電力供給が停止しても、制御装置５が動作すること可能となる。
【００４８】
続いて、温度測定部５２は、セルスタック１１の温度を測定する（ステップＳ３）。測定されたセルスタック１１の温度は、停止判定部５３および算出部５４に入力される。
【００４９】
セルスタック１１の温度が測定されると、停止判定部５３は、セルスタック１１の温度が停止温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００５０】
セルスタック１１の温度が停止温度以下の場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、セルスタック１１が十分に冷えたので、制御装置５は停止動作を終了する。
【００５１】
一方、セルスタック１１の温度が停止温度を超えている場合（ステップＳ４：ＮＯ）、セルスタック１１がまだ十分に冷えていないので停止動作を継続するために、算出部５４は、酸化電圧を算出する（ステップＳ５）。また、電圧測定部５５は、ＯＣＶを測定する（ステップＳ６）。酸化電圧およびＯＣＶは、酸化判定部５６に入力される。
【００５２】
酸化電圧およびＯＣＶが入力されると、酸化判定部５６は、ＯＣＶが酸化電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ７）。
【００５３】
ＯＣＶが酸化電圧以下である場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料極１１１のニッケルが酸化していることを意味するので、供給制御部５７は、第１の電磁弁Ｖ１を所定時間開状態とした後、ステップＳ３の処理に戻る。これにより、燃料極１１１に改質器１２からの燃料ガスが供給されるので、燃料極１１１のニッケルが酸化されて単セル１１が破損することを防ぐことができる。
【００５４】
ここで、第１の電磁弁Ｖ１を開状態とする所定時間は、単セル１１の破損を防ぐことができるのであれば、適宜自由に設定することができる。例えば、燃料極１１１の電位変化が小さくなる、すなわち、燃料極の還元が完了すると予想される供給時間に基づいて設定したり、ＯＣＶの変化量が一定以下になった時点に設定したりするようにしてもよい。
【００５５】
一方、ＯＣＶが酸化電圧を超えている場合（ステップＳ７：ＮＯ）、燃料極１１１のニッケルが酸化していないことを意味するので、停止ユニット５ｂは、ステップＳ３の処理に戻る。
【００５６】
このように、通常停止動作の場合、ＯＣＶが酸化電圧以下となると燃料極１１１に燃料ガスが供給されるので、単セル１１が破損されることを防ぐことができる。また、ＯＣＶが酸化電圧以下となったときだけ燃料ガスが供給されるので、従来のように大量の還元ガスを供給し続ける場合よりも低コスト化を実現することができる。
【００５７】
≪緊急停止動作≫
次に、図８を参照して、緊急停止動作について説明する。なお、図８において、上述した図７を参照して説明した通常停止動作と同等の動作については同じ符号を付して適宜説明を省略する。
【００５８】
自然災害や緊急停止ボタンの押下等の人為的な理由により系統電力、燃料、水の供給などが遮断されることによる緊急停止動作を行う旨の制御信号を検出すると（ステップＳ１１）、セルスタック１１を外部回路から切り離し、第１の制御弁Ｖ１を閉状態にするとともに、スイッチ６をＯＮとする（ステップＳ２）。これにより、制御装置５に蓄電池７から電力が供給されるので、セルスタック１１からの電力供給が停止しても、制御装置５は動作することができる。
【００５９】
続いて、温度測定部５２は、セルスタック１１の温度を測定した後（ステップＳ３）、停止判定部５３は、セルスタック１１の温度が停止温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００６０】
セルスタック１１の温度が停止温度以下の場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、停止判定部５３は、セルスタック１１が十分に冷えたので、制御装置５は、緊急停止動作を終了する。
【００６１】
一方、セルスタック１１の温度が停止温度を超えている場合（ステップＳ４：ＮＯ）、セルスタック１１がまだ十分に冷えていないので緊急停止動作を継続するために、算出部５４は、酸化電圧を算出する（ステップＳ５）。また、電圧測定部５５は、ＯＣＶを測定する（ステップＳ６）。
【００６２】
酸化電圧およびＯＣＶが入力されると、酸化判定部５６は、ＯＣＶが酸化電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ７）。
【００６３】
ＯＣＶが酸化電圧以下である場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料極１１１のニッケルが酸化していることを意味するので、供給制御部５７は、第２の電磁弁Ｖ２を所定時間開状態とした後、ステップＳ３の処理に戻る。緊急停止時には、燃料供給装置２や改質器１２も停止するので、燃料極１１１に還元ガスとして燃料ガスを供給することはできない。そこで、本実施の形態では、還元ガスを貯留したリザーバーボンベ４を設け、ＯＣＶが酸化電圧以下の場合には、第２の電磁弁Ｖ２を所定時間開状態とすることにより、燃料極１１１に還元ガスを供給する。これにより、燃料極１１１に含まれるニッケルが酸化して単セル１１が破損することを防ぐことができる。
【００６４】
ここで、第２の電磁弁Ｖ２を開状態とする所定時間は、単セル１１の破損を防ぐことができるのであれば、適宜自由に設定することができる。例えば、燃料極１１１の電位変化が小さくなる、すなわち、燃料極の還元が完了すると予想される供給時間に基づいて設定したり、ＯＣＶの変化量が一定以下になった時点に設定したりするようにしてもよい。
【００６５】
一方、ＯＣＶが酸化電圧を超えている場合（ステップＳ７：ＮＯ）、燃料極１１１のニッケルが酸化していないことを意味するので、停止ユニット５ｂは、ステップＳ３の処理に戻る。
【００６６】
このように、緊急停止動作の場合、ＯＣＶが酸化電圧以下となると燃料極１１１に還元ガスが供給されるので、単セル１１が破損されることを防ぐことができる。また、ＯＣＶが酸化電圧以下となったときだけ還元ガスが供給されるので、従来のように大量の還元ガスを供給し続ける場合よりも低コスト化を実現することができる。さらに、従来のように大量の還元ガスを供給しなくてよいので、リザーバーボンベ４の容量を少なくすることができ、結果として、小型化も実現することができる。
【００６７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＯＣＶと酸化電圧とに基づいて燃料極１１１が酸化しているか否かを判定し、この判定結果に基づいて燃料極１１１への還元ガスの供給を制御することにより、過剰に還元ガスを供給しなくても燃料極１１１の酸化を防ぐことができるので、低コスト化を実現することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態においては、燃料極がよく用いられているＮｉとジルコニアのサーメットからなるものとして説明したが、本発明は、Ｎｉ以外の金属を用いた場合に拡張できることは言うまでもない。例えば、ＣｕやＦｅを用いた場合にも拡張することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、燃料極に酸化性の金属を含む材料を備えた各種システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…モジュール、２…燃料供給装置、３…空気供給装置、４…リザーバーボンベ、５…制御装置、５ａ…運転ユニット、５ｂ…停止ユニット、６…スイッチ、７…蓄電池、８…電圧計、１１…セルスタック、１２…改質器、１３…空気予熱器、１４…触媒燃焼器、１１０…単セル、５１…停止検出部、５２…温度測定部、５３…停止判定部、５４…算出部、５５…電圧測定部、５６…酸化判定部、５７…供給制御部、１１１…燃料極、１１２…電解質、１１３…空気極、２０１…第１のセパレータ、２０２…第２のセパレータ、２０３…第３のセパレータ、Ｖ１…第１の電磁弁、Ｖ２…第２の電磁弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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