(57)【要約】【課題】通常発電時に用いる装置以外に特別な装置を追加することなく、燃料電池内へ酸素を含まないガスを充填して酸素の侵入を防止する。【解決手段】本発明の固体酸化物型燃料電池システム１は、燃料極２と酸化剤極３とを有する燃料電池スタック４と、燃料ガスを改質ガスに改質して燃料極２に供給する改質器７とを備え、システムの停止時に燃料ガスを改質した改質ガスを燃料極２に供給し、燃料極２の圧力を所定圧力まで加圧してから燃料極２を外部と遮断するように制御する。【選択図】図１
2014007047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池スタックと、
システムの停止時に、燃料ガスを改質した改質ガスを前記燃料電池スタックの燃料極に供給し、前記燃料極の圧力を所定圧力まで加圧してから前記燃料極を外部と遮断するように制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定圧力は、前記改質ガスが温度によって体積膨張した圧力と前記改質ガス中に含まれる水蒸気の圧力とを大気圧に付加した圧力であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料極の圧力または前記燃料極の圧力に対応する値を検出し、前記燃料極の圧力または前記燃料極の圧力に対応する値が前記所定圧力未満のときには前記燃料極を加圧し、前記所定圧力以上のときには加圧せずに前記燃料極を外部と遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスを改質ガスに改質して前記燃料電池スタックの燃料極に供給する改質器と、
前記燃料電池スタックの燃料極から排出される燃料極排ガスを前記改質器へ循環させる循環ガス流路と、
前記循環ガス流路から分岐された前記燃料極排ガスの一部を、前記燃料電池スタックの酸化剤極から排出される酸化剤極排ガスに混合させて前記改質器の加熱用ガスとして供給する加熱ガス流路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題への関心の高まりから各種燃料電池の自動車への利用が検討されている。例えば、効率の高い固体酸化物型燃料電池の場合、水素が多く含まれているガスを燃料とし、酸素を酸化剤として、水素及び一酸化炭素、炭化水素との電気化学的反応で発電を行っている。燃料としては各種液体燃料を改質し、得られた改質ガスを供給する方法が取られる場合がある。
【０００３】
ここで、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を自動車に利用する場合の特殊性として、定置用とは異なり起動と停止が頻繁に行なわれる点が挙げられる。ＳＯＦＣを停止する場合には、まず原料ガスの供給が停止されるので、改質器から燃料電池のアノードおよびアノード排出ガス管に至る配管中に水素リッチガスが滞留することになる。
【０００４】
このとき、セル温度が低下してセル内が負圧になったり、保管中にガスが拡散したりすることによって、セル内に外気が侵入すると、外気に含まれている酸素と残存している水素が反応して急激な燃焼を起こしたり、電極の触媒が酸化されて性能低下を引き起こすなどの恐れがある。そのため頻繁に燃料電池の起動、停止、保管の動作を繰り返すと、安定した性能を維持することが難しいという問題点がある。
【０００５】
そこで、燃料電池システムを停止する際には、水素製造装置内に存在する触媒や燃料電池の電極を保護することを目的として、窒素に代表される不活性ガスを供給して酸素の侵入を防止することが行われていた。例えば、特許文献１では、燃料電池システム内へ不活性ガスを供給するために、大気に開放された流路に酸素除去手段を設けて大気から酸素を除去したガスを燃料電池に供給する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７９０８１号公報
【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、上述した特許文献１に開示された技術では、酸素除去手段や管路の変更によって燃料電池システム内に不活性ガスを供給しているので、停止動作のためだけの特殊な装置や配管系を多数追加する必要があり、装置の増加によってコストアップしてしまうという問題点があった。特に、この問題は自動車に搭載する場合には不利になるので、解決する必要があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、通常発電時に用いる装置以外に特別な装置を追加することなく、燃料電池内へ酸素を含まないガスを充填して酸素の侵入を防止することのできる固体酸化物型燃料電池システム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】
本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池スタックを備え、システムの停止時に、燃料ガスを改質した改質ガスを燃料電池スタックの燃料極に供給し、燃料極の圧力を所定圧力まで加圧してから燃料極を外部と遮断するように制御することによって、上述した課題を解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムによれば、システムの停止時に燃料ガスを改質した改質ガスを燃料電池スタックの燃料極に供給し、燃料極の圧力を所定圧力まで加圧してから燃料極を外部と遮断するので、通常発電時に用いる装置以外に特別な装置を追加することなく、燃料電池内へ酸素を含まない改質ガスを充填して酸素の侵入を防止することができる。これにより、侵入した酸素が水素と反応して急激な燃焼を起こしたり、触媒が酸化劣化したりすることを防止でき、燃料電池システムの安定した性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムのシステム停止時における制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した第２実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用した第２実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムのシステム停止時における制御処理の処理手順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】
【００１２】
以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
［固体酸化物型燃料電池システムの構成］
図１は本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１は、燃料極２と酸化剤極３とを有する燃料電池スタック４と、改質用通路５と加熱用通路６とを有する改質器７と、改質用燃料と混合するための空気を供給する空気供給装置８と、改質器７の改質用通路５への流路を遮断する流路遮断装置９と、改質用通路５から燃料極２へ改質ガスを供給する燃料極流路１０と、燃料極２から排出される燃料極排ガスの流量を制御する流路制御弁１１と、起動時に燃焼ガスを供給して酸化剤極３を加熱する起動燃焼器１２と、酸化剤極３から排出された酸化剤極排ガスを加熱用通路６へ供給する酸化剤極流路１３と、加熱用通路６からの排気ガスを外気へ排出する排気流路１４と、排気ガスと熱交換することによって酸化剤極３へ供給される空気を加熱する空気予熱器１５と、固体酸化物型燃料電池システム１における処理を制御する制御部１６とを備えている。
【００１４】
ここで、燃料電池スタック４は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料ガスとして改質器７から改質ガスが供給される燃料極２と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される酸化剤極３とを有している。燃料電池スタック４では、改質ガス中に含まれる水素と酸化剤ガス中に含まれる酸素とを反応させて発電を行っている。
【００１５】
改質器７は、天然ガスやガソリン、メタノール等の改質用燃料を改質して改質ガスを生成しており、この改質ガスには水素は含まれているが、酸素は含まれていない。改質用通路５では、空気とともに供給された改質用燃料を加熱用通路６からの熱を利用して反応させ、改質ガスを生成している。加熱用通路６では、酸化剤極３から排出された酸化剤極排ガスと加熱用燃料とが供給され、加熱用触媒による反応熱を発生させて改質用通路５へ熱伝達を行っている。
【００１６】
起動燃焼器１２は、システムの起動時に作動して高温の燃焼ガスを酸化剤極３に供給して燃料電池スタック４の温度を上昇させている。
【００１７】
制御部１６は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより固体酸化物型燃料電池システム１を制御するための処理を実行する。
【００１８】
［燃料電池システムの通常発電時の動作］
次に、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１の通常発電時における動作を説明する。システムの通常発電時には、まず改質器７に対して改質用燃料と空気供給装置８からの改質用空気とが混合されて供給される。改質器７の改質用通路５では改質反応によって改質ガスが生成され、生成された改質ガスは燃料極流路１０を通じて燃料極２に供給される。一方、酸化剤極３には、図示しないコンプレッサからの空気が空気予熱器１５で加熱されて酸化剤ガスとして供給される。
【００１９】
こうして改質ガスと酸化剤ガスとが供給されると、燃料電池スタック４において発電が行われる。そして、発電された後の燃料極排ガスは流路制御弁１１を通って排出される。また、酸化剤極排ガスは、酸化剤極流路１３で加熱用燃料と混合されて改質器７の加熱用通路６に供給され、ここで加熱用触媒によって反応熱を発生し、改質用通路５に熱伝達を行う。この後、酸化剤極排ガスは、加熱用通路６から排気流路１４を通じて空気予熱器１５に送られて熱交換を行ってから外気へ排出される。
【００２０】
［燃料電池システムの停止時における制御処理の手順］
次に、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１の停止時における制御処理の手順を図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２１】
図２に示すように、システムの停止時には、まずステップＳ１０１において制御部１６がシステムの停止指示を検出したか否かを判定し、停止指示を検出していない場合には処理を終了する。
【００２２】
一方、システムの停止指示を検出した場合には、ステップＳ１０２において制御部１６は燃料極２の圧力が所定圧力以上であるか否かを判定し、所定圧力以上でないとき、すなわち所定圧力未満のときにはステップＳ１０３において制御部１６は燃料極２を加圧する。
【００２３】
この加圧処理において、制御部１６は、流路制御弁１１の開度を小さくして圧力損失を増加させるとともに、空気供給装置８から供給される空気と図示しない燃料供給装置から供給される改質用燃料とを増加させる。これにより、改質用通路５には改質用燃料と空気が増加して供給され、改質用通路５から燃料極２へ供給される改質ガスが増加する。したがって、燃料極２には酸素を含まない改質ガスが増加するとともに、流路制御弁１１の開度が小さくなっているので、燃料極２の圧力は上昇する。ただし、このとき流量制御弁１１は遮断せずに常に改質ガスが流れている状態で燃料極２の圧力が上昇するように制御する。これは、流路制御弁１１を閉じてしまうと、ガスの流れが止まってしまい、改質用通路５から改質ガスが生成されなくなってしまうからである。燃料極２を改質ガスで充填して加圧するためには、改質ガスを常に生成して燃料極２に供給する必要があるので、流路制御弁１１は遮断しないように制御する。
【００２４】
その後、ステップＳ１０２、１０３の処理を繰り返し行うことによって燃料極２の圧力が所定圧力以上になるまで継続して加圧を行う。尚、ステップＳ１０３の加圧処理では、流路制御弁１１の開度は徐々に小さくしてもよいが、最初に一定の開度だけ小さくした後は変更しないように制御することが好ましい。ガスの供給量についても徐々に増加させてもよいが、最初に一定量増加させた後は変更しないほうが好ましい。
【００２５】
そして、加圧処理によって燃料極２の圧力が上昇していき、ステップＳ１０２において制御部１６が所定圧力以上であると判定すると、ステップＳ１０４に移行して制御部１６は流路遮断装置９を遮断して改質用燃料と空気の供給を停止するとともに、流路制御弁１１も遮断して燃料極２の出口を閉鎖する。これにより、改質用通路５から燃料極流路１０、燃料極２へと通じる空間の内部を所定圧力の酸素を含まない改質ガスで充填することができる。
【００２６】
ここで、所定圧力としては、充填された改質ガスが温度低下して常温になった場合でも大気圧より僅かに高い圧力となるように設定する。具体的には、加圧中の改質ガスの温度と改質ガス中に含まれる水蒸気の分圧を考慮する。すなわち、改質ガスが温度によって体積膨張した圧力と改質ガス中に含まれる水蒸気の圧力とを大気圧に付加した圧力を、所定圧力として設定しておく。
【００２７】
これにより、改質ガスの温度が常温に低下した場合の圧力減少と水蒸気の凝縮による圧力低下とが加味されているので、改質ガスが常温に低下した場合でも燃料極２の圧力を大気圧よりも僅かに高い圧力に保つことができる。
【００２８】
こうしてステップＳ１０４において、燃料極２を外部と遮断すると、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１による停止時における制御処理は終了する。
【００２９】
尚、上述した停止時における制御処理を実行している際に、酸化剤極３に対してはガスを充填したり、圧力を上昇させたりするような特別な処理を行う必要はない。これは、固体酸化物型燃料電池の場合、酸化剤極３は外部に開放されているので、ガスを充填したり、加圧したりすることはできないからである。したがって、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１は、燃料極２に対してのみ酸素を含まない改質ガスで加圧を行うものである。
【００３０】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１によれば、システムの停止時に燃料ガスを改質した改質ガスを燃料極２に供給し、燃料極２の圧力を所定圧力まで加圧してから燃料極２を外部と遮断するので、通常発電時に用いる装置以外に特別な装置を追加することなく、燃料電池内へ酸素を含まない改質ガスを充填して酸素の侵入を防止することができる。これにより、侵入した酸素が水素と反応して急激な燃焼を起こしたり、触媒が酸化劣化したりすることを防止でき、燃料電池システムの安定した性能を維持することができる。
【００３１】
また、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１によれば、改質ガスが温度によって体積膨張した圧力と改質ガス中に含まれる水蒸気の圧力とを大気圧に付加した圧力を所定圧力とするので、改質ガスの温度が常温に低下した際の圧力減少と水蒸気の凝縮による圧力低下とを加味して予め加圧することができ、改質ガスが常温に低下した場合でも燃料極２の圧力を大気圧よりも高い圧力に保つことができる。
【００３２】
さらに、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム１によれば、燃料極２の圧力が所定圧力未満のときには燃料極２を加圧し、所定圧力以上のときには加圧せずに燃料極２を外部と遮断するので、無駄に加圧を行うことなく燃料極２を所定圧力で外部と遮断することができ、燃料電池内への酸素の侵入を確実に防止することができる。
【００３３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムについて説明する。
【００３４】
［固体酸化物型燃料電池システムの構成］
図３は本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム３１は、燃料極２から排出される燃料極排ガスを改質器７へ循環させる循環ガス流路３２と、循環ガス流路３２の途中に設置されて燃料極排ガスを循環させる循環装置３３と、循環ガス流路３２から分岐して燃料極排ガスの一部を改質器７の加熱用ガスとして供給する加熱ガス流路３４とをさらに備えたことが第１実施形態と相違している。
【００３５】
また、本実施形態では、流路制御弁１１を加熱ガス流路３４に設置したことが第１実施形態と相違している。
【００３６】
［燃料電池システムの通常発電時の動作］
次に、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム３１の通常発電時における動作を説明する。ただし、本実施形態では発電が行われるまでの動作は第１実施形態と同一であり、燃料極排ガスの流れだけが第１実施形態と相違しているので、燃料極排ガスの流れについてのみ説明する。
【００３７】
燃料電池スタック４において発電が行われると、燃料極排ガスは燃料極２から循環ガス流路３２へ排出され、循環装置３３によって圧送されて改質器７の改質用通路５へ循環される。このとき、燃料極排ガスの一部は加熱ガス流路３４へ分岐して酸化剤極流路１３に導入され、酸化剤極３から排出される酸化剤極排ガスに混合されて改質器７の加熱用通路６に加熱用ガスとして供給される。
【００３８】
［燃料電池システムの停止時における制御処理の手順］
次に、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム３１の停止時における制御処理の手順を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３９】
図４に示すように、システムの停止時には、まずステップＳ２０１において制御部１６がシステムの停止指示を検出したか否かを判定し、停止指示を検出していない場合には処理を終了する。
【００４０】
一方、ステップＳ２０１において制御部１６がシステムの停止指示を検出した場合には、ステップＳ２０２において制御部１６は燃料極２の圧力を所定圧力と比較する。すなわち所定圧力未満であるか否か、所定圧力より高いか否か、所定圧力であるか否かを判定する。尚、所定圧力については、第１実施形態と同様に燃料極２に充填された改質ガスが温度低下して常温になった場合でも大気圧より僅かに高い圧力となるように設定する。
【００４１】
そして、まずステップＳ２０２において燃料極２の圧力が所定圧力であると判定されると、制御部１６はステップＳ２０３において循環装置３３を停止して燃料極排ガスの循環を停止させる。そして、ステップＳ２０４において、制御部１６は流路遮断装置９を遮断して改質用燃料と空気の供給を停止するとともに、流路制御弁１１を遮断して加熱ガス流路３４の出口を閉鎖する。これにより、改質用通路５から燃料極流路１０、燃料極２、循環ガス流路３２へと通じる空間の内部を所定圧力の酸素を含まない改質ガスで充填することができ、停止時における制御処理は終了する。
【００４２】
尚、ステップＳ２０２では、燃料極２の圧力を検出する代わりに燃料極２の圧力に対応する値を検出してもよい。例えば、燃料極２の圧力ではなく燃料電池スタック４の負荷電流や作動温度、循環装置３３の作動電力、改質用燃料の供給量などを検出して燃料極２の圧力が所定圧力に達したか否かを判定するようにしてもよい。
【００４３】
この場合、燃料極２に改質ガスが充填されて圧力が上がると、燃料電池スタック４の負荷電流や作動温度、循環装置３３の作動電力も上昇するので、これらの値を検出することによって燃料極２の圧力を判定することができる。また、燃料極２に改質ガスが充填されて圧力が上がると、改質用燃料の供給量は減少するので、改質用燃料の供給量を検出することによって燃料極２の圧力を判定することも可能である。
【００４４】
次に、ステップＳ２０２において燃料極２の圧力が所定圧力未満であると判定されると、ステップＳ２０５において制御部１６は燃料極２を加圧する。
【００４５】
この加圧処理において、制御部１６は、流路制御弁１１の開度を小さくして圧力損失を増加させるとともに、空気供給装置８から供給される空気と図示しない燃料供給装置から供給される改質用燃料とを増加させる。これにより、改質用通路５には改質用燃料と空気が増加して供給され、改質用通路５から燃料極２へ供給される改質ガスが増加する。したがって、燃料極２には酸素を含まない改質ガスが増加するとともに、流路制御弁１１の開度が小さくなっているので、燃料極２の圧力は上昇する。ただし、このとき流量制御弁１１は遮断せずに常に改質ガスが流れている状態で圧力が上昇していくように制御する。これは、流路制御弁１１を閉じてしまうと、ガスの流れが止まってしまい、改質用通路５から改質ガスが生成されなくなってしまうからである。燃料極２を改質ガスで充填して加圧するためには、改質ガスを常に生成して燃料極２に供給する必要があるので、流路制御弁１１は遮断しないように制御する。
【００４６】
その後、ステップＳ２０２、２０５の処理を繰り返し行うことによって燃料極２の圧力が所定圧力になるまで継続して加圧を行う。尚、ステップＳ２０５の加圧処理では、流路制御弁１１の開度は徐々に小さくしてもよいが、最初に一定の開度だけ小さくした後は変更しないように制御することが好ましい。ガスの供給量についても徐々に増加させてもよいが、最初に一定量増加させた後は変更しないほうが好ましい。
【００４７】
そして、加圧処理によって燃料極２の圧力が上昇していき、ステップＳ２０２において制御部１６が所定圧力であると判定すると、ステップＳ２０３に移行して制御部１６が循環装置３３を停止して燃料極排ガスの循環を停止させ、ステップＳ２０４において流路遮断装置９と流路制御弁１１を遮断する。これにより改質用通路５から燃料極流路１０、燃料極２、循環ガス流路３２へと通じる空間の内部を所定圧力の酸素を含まない改質ガスで充填することができ、停止時における制御処理は終了する。
【００４８】
次に、ステップＳ２０２において燃料極２の圧力が所定圧力より高いと判定されると、ステップＳ２０６において制御部１６は循環装置３３を停止して燃料極排ガスの循環を停止させ、ステップＳ２０７において流路制御弁１１の開度を僅かに大きくする。
【００４９】
そして、ステップＳ２０８において制御部１６は燃料極２の圧力が所定圧力であるか否かを継続して判定し、燃料極２の圧力が徐々に低下して所定圧力になると、ステップＳ２０４に移行して流路遮断装置９を遮断して改質用燃料と空気の供給を停止するとともに、流路制御弁１１を遮断して燃料極２の出口を閉鎖する。これにより、改質用通路５から燃料極流路１０、燃料極２、循環ガス流路３２へと通じる空間の内部を所定圧力の酸素を含まない改質ガスで充填することができ、停止時における制御処理は終了する。
【００５０】
尚、上述した停止時における制御処理を実行している際には、第１実施形態と同様に酸化剤極３に対してガスを充填したり、圧力を上昇させたりするような特別な処理を行う必要はない。
【００５１】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム３１によれば、燃料極２の圧力または燃料極２の圧力に対応する値を検出し、燃料極２の圧力または燃料極２の圧力に対応する値が所定圧力未満のときには燃料極２を加圧し、所定圧力以上のときには加圧せずに燃料極２を外部と遮断するので、無駄に加圧を行うことなく燃料極２を所定圧力で外部と遮断することができ、燃料電池内への酸素の侵入を確実に防止することができる。
【００５２】
また、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム３１によれば、燃料ガスを改質ガスに改質して燃料極２に供給する改質器７と、燃料極２から排出される燃料極排ガスを改質器７へ循環させる循環ガス流路３２と、循環ガス流路３２から分岐された燃料極排ガスの一部を酸化剤極排ガスに混合させて改質器７の加熱用ガスとして供給する加熱ガス流路３４とを備えているので、燃料極２から排出される水素や水蒸気を含んだ排ガスを再利用することができ、システムの効率を高めることができる。
【００５３】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５４】
１、３１  固体酸化物型燃料電池システム
２  燃料極
３  酸化剤極
４  燃料電池スタック
５  改質用通路
６  加熱用通路
７  改質器
８  空気供給装置
９  流路遮断装置
１０  燃料極流路
１１  流路制御弁
１２  起動燃焼器
１３  酸化剤極流路
１４  排気流路
１５  空気予熱器
１６  制御部
３２  循環ガス流路
３３  循環装置
３４  加熱ガス流路
【図１】
2014007047.tif 000003
【図２】
2014007047.tif 000004
【図３】
2014007047.tif 000005
【図４】
2014007047.tif 000006