(57)【要約】【課題】シース熱電対にシャントエラーが生じても、固体酸化物形燃料電池が緊急停止することを回避することが可能な燃料電池システムの運転制御方法を提供する。【解決手段】発電セル７とセパレータ１１を交互に複数積層して構成された固体酸化物形燃料電池１と、セパレータ１１の外周部に穿設された熱電対挿入孔１５に一端部が挿入され、他端部が起電力測定器３に接続されたシース熱電対２と、発電時の通常の運転温度が所定の温度より高温になると固体酸化物形燃料電池１を緊急停止させる運転制御装置４を備えた燃料電池システムの運転制御方法であって、運転制御装置４は、発電時に、シース熱電対２が通常の運転温度から１０秒以内に少なくとも２００℃以上の温度上昇を測温した際、上記緊急停止を回避し、固体酸化物形燃料電池１の運転を継続させることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成された固体酸化物形燃料電池と、上記セパレータの外周部に穿設された挿入孔に一端部が挿入され、他端部が起電力測定器に接続されたシース熱電対と、発電時の通常の運転温度が所定の温度より高温になると固体酸化物形燃料電池を緊急停止させる運転制御手段を備えた燃料電池システムの運転制御方法であって、
上記運転制御手段は、発電時に、上記シース熱電対が通常の運転温度から１０秒以内に少なくとも２００℃以上の温度上昇を測温した際に、上記緊急停止を回避し、上記固体酸化物形燃料電池の運転を継続させることを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項２】
上記運転制御手段は、発電時に、上記シース熱電対が通常の運転温度から瞬時に上記緊急停止する温度以上に高温を測温した際に、上記緊急停止を回避し、上記固体酸化物形燃料電池の運転を継続させ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の運転制御方法。
【請求項３】
上記運転制御手段は、発電時に、複数の上記シース熱電対が瞬時に上記緊急停止する温度以上を測温、あるいは１０秒以内に２００℃以上の温度上昇を測温した場合であっても、少なくとも一つの上記シース熱電対が通常の運転温度を測温している際に、上記緊急停止を回避し、上記固体酸化物形燃料電池の運転を継続させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの運転制御方法。
【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の所定位置に挿入されたシース熱電対の測定値により、固体酸化物形燃料電池の運転の継続・緊急停止を制御する運転制御手段を備えた燃料電池システムの運転制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配してなる発電セルと、セパレータとを交互に複数積層することによって構成されている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、発電セルの燃料極層に燃料ガスを、空気極層に空気を供給することにより、発電反応を行なうものである。そして、この発電反応は、発熱反応であることから、固体酸化物形燃料電池は、発電時に７００℃〜８００℃の高温雰囲気で稼働している。
【０００４】
この種の固体酸化物形燃料電池は、発電効率等の観点から、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルの温度をきめ細かく管理することが重要視されている。
【０００５】
しかしながら、上記発電セルは、極薄の板状に形成されたものであり、直接温度を測定することができないため、固体酸化物形燃料電池においては、発電セルと隣接している金属製のセパレータに、それぞれシース熱電対を設けることにより、発電セルの温度を管理する方法が採用されている。
【０００６】
一方、このような固体酸化物形燃料電池にシース熱電対を備えた燃料電池システムは、安全保護の観点から、複数配されたシース熱電対の少なくとも１つが、固体酸化物形燃料電池の通常の運転温度より高温(上記固体酸化物形燃料電池においては、８２０℃以上)を測温した際に警報を発し、さらに高温(上記固体酸化物形燃料電池においては、８５０℃以上)を測温した際に固体酸化物形燃料電池の運転を緊急停止させる運転制御装置(運転制御手段)が備えられている。
【０００７】
他方、上記シース熱電対は、金属保護管内に絶縁材(酸化マグネシウムなどの無機絶縁物)を介して、一対の互いに異なる熱電能を有する熱電体素線を配することによって構成されている。そして、上記シース熱電対は、一対の上記熱電体素線の２つの接点の一端(冷接点)と他端(熱接点)とに温度差を与えると、起電力が生じ、この起電力の電圧を測定し、既知の起電力表と対比することにより、他端(熱接点)の温度が測温される。
【０００８】
ところが、シース熱電対の絶縁材である酸化マグネシウムなどの無機絶縁物は、８００℃以上の高温雰囲気になると絶縁抵抗が減少する。そのために、例えば、バーナ等の加熱手段によって、シース熱電対の中間部が高温に晒されると、その中間部の絶縁材の絶縁抵抗が減少することにより、中間部の一対の上記熱電体素線との間が短絡したような状態となり、その部分が熱接点となる。すると、上記シース熱電対には、固体酸化物形燃料電池が通常の運転温度で稼働していても、上記加熱手段から放射される放射熱の温度を測温し、固体酸化物形燃料電池の運転温度より高い温度(１０００℃程度)を示してしまうシャントエラーが発生する。なお、このシャントエラーは、物理的現象であることから、その中間部の温度が８００℃以下にとなれば、絶縁材の絶縁抵抗が戻るために、再度、正常に固体酸化物形燃料電池の温度を測定することが可能である。
【０００９】
そして、このように上記シース熱電対にシャントエラーが発生すると、従来の燃料電池システムの運転制御装置においては、実際の固体酸化物形燃料電池が通常の運転温度にあっても、固体酸化物形燃料電池の運転を不必要に緊急停止させてしまう。このため、燃料電池システムの開発におけるデータ取得が大幅に遅れる、あるいは燃料電池システムの運転制御性が悪くなる等の問題点があった。
【００１０】
これに対し、一般にシース熱電対のシャントエラーの発生を抑制する方法として、上記シース熱電対のシース外径を極力太くし、絶縁距離を多く取る方法が知られているが、固体酸化物形燃料電池のセパレータの厚さ寸法が薄く、このシース熱電対を取り付けることができなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、この問題点を解決すべくなされたもので、シース熱電対にシャントエラーが生じても、固体酸化物形燃料電池が緊急停止することを回避することが可能な燃料電池システムの運転制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池システムの運転制御方法は、発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成された固体酸化物形燃料電池と、上記セパレータの外周部に穿設された挿入孔に一端部が挿入され、他端部が起電力測定器に接続されたシース熱電対と、発電時の通常の運転温度が所定の温度より高温になると固体酸化物形燃料電池を緊急停止させる運転制御手段を備えた燃料電池システムの運転制御方法であって、上記運転制御手段が、発電時に、上記シース熱電対が通常の運転温度から１０秒以内に少なくとも２００℃以上の温度上昇を測温した際に、上記緊急停止を回避し、上記固体酸化物形燃料電池の運転を継続させることを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の燃料電池システムの運転制御方法は、請求項１に記載の燃料電池システムの運転制御方法において、上記運転制御手段が、上記シース熱電対が通常の運転温度から瞬時に上記緊急停止する温度以上に高温となるのを測温した際に、上記緊急停止を回避し、上記固体酸化物形燃料電池の運転を継続させることを特徴とするものである。
【００１４】
そして、請求項３に記載の燃料電池システムの運転制御方法は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの運転制御方法において、上記運転制御手段が、発電時に、複数の上記シース熱電対が瞬時に上記緊急停止する温度以上を測温、あるいは１０秒以内に２００℃以上の温度上昇を測温した場合であっても、少なくとも一つの上記シース熱電対が通常の運転温度を測温している際に、上記緊急停止を回避し、上記固体酸化物形燃料電池の運転を継続させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の本発明によれば、発電時に、シース熱電対の中間部が加熱手段の放射熱等により高温に晒されて、その中間部の絶縁材の絶縁抵抗が減少していき、その中間部の一対の熱電体素線との間が短絡したような状態となり、上記シース熱電対が１０秒以内に通常の運転温度から２００℃以上温度上昇を測温しても、運転制御手段が上記シース熱電対に上記シャントエラーが生じていると判断するために、固体酸化物形燃料電池の緊急停止が回避され、上記固体酸化物形燃料電池の運転が継続される。この結果、上記固体酸化物形燃料電池の不必要な運転停止を回避することが可能となり、燃料電池システムの開発におけるデータ取得の効率性および燃料電池システムの運転制御性を向上させることが可能となる。
【００１６】
次いで、請求項２に記載の本発明によれば、請求項１においてシャントエラーと判断されなかった際に、上記シース熱電対が瞬時に上記緊急停止する温度以上に高温となるのを測温した場合においても、運転制御手段が上記シース熱電対に上記シャントエラーが生じていると判断するために、固体酸化物形燃料電池の緊急停止が回避され、上記固体酸化物形燃料電池の運転が継続される。この結果、より一層、上記固体酸化物形燃料電池の不必要な運転停止を回避することが可能となり、燃料電池システムの開発におけるデータ取得の効率性および燃料電池システムの運転制御性を向上させることが可能となる。
【００１７】
そして、請求項３に記載の本発明によれば、複数の上記シース熱電対の中間部が加熱手段の放射熱等により高温に晒されて請求項１または請求項２において、上記複数のシース熱電対にシャントエラーが生じていると判断された場合に、少なくとも一つの上記シース熱電対が通常の運転温度を測温していれば、運転制御手段が固体酸化物形燃料電池は通常の運転温度で稼働していると判断するために、固体酸化物形燃料電池の緊急停止が回避され、上記固体酸化物形燃料電池の運転が継続される。
【００１８】
即ち、全てのシース熱電対が瞬時に上記緊急停止する温度、あるいは１０秒以内に２００℃以上の温度上昇を測温し、シャントエラーが生じていると判断された場合、実際の固体酸化物形燃料電池の温度を測定できない状況となっている等の燃料電池システムの異常を判断するため、上記固体酸化物形燃料電池の運転が緊急停止される。
【００１９】
これらの結果、上記運転制御手段が、固体酸化物形燃料電池の運転の継続・緊急停止の判断を確実に行なうことが可能となり、且つ安全保護機能を損なうことなく、確実に固体酸化物形燃料電池の不必要な運転停止を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムを示す縦断面図である
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。
【図３】図１のシース熱電対を示す縦断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１と、当該固体酸化物形燃料電池１の所定位置に先端が挿入されたシース熱電対２と、当該シース熱電対２の他端部が接続された起電力測定器３と、当該起電力測定器３に接続された運転制御装置(運転制御手段)４とにより概略構成されている。なお、図１においては、シース熱電対２を一つのみ記載しているが、複数のシース熱電対２の先端が固体酸化物形燃料電池１の所定位置に挿入され、他端部が起電力測定器３に接続されている。
【００２２】
この固体酸化物形燃料電池１は、図２に示すように、固体電解質層５の一方の面に燃料極層６を、他方の面に空気極層７を配置してなる発電セル８の外側に、各々燃料極集電体９と空気極集電体１０を配置し、これらの集電体９、１０の外側にセパレータ１１を配置した単セル１２を複数積層したものである。
【００２３】
ここで、固体電解質層５は、ランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）材料等によって構成されている。また、燃料極層６は、Ｎｉ−ＹＳＺのサーメット等で構成され、空気極層７は、ＬａＭｎＯ3等で構成されている。
【００２４】
そして、燃料極集電体９は、Ｎｉ基合金等の多孔質焼結金属板によって構成され、空気極集電体１０は、Ａｇ基合金等の多孔質焼結金属板によって構成されている。
【００２５】
また、セパレータ１１は、図２（ａ）に示すように、発電セル８間を電気的に接続すると共に、発電セル８に対して水素リッチな燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）および酸化剤ガス（空気）を供給する機能を有する板状態で、ステンレスにより構成されている。そして、このセパレータ１１には、２系統の内部通路として、外周部から導入された燃料ガスを燃料極集電体９との対向面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス流路１３と、外周部から導入された酸化剤ガス（空気）を空気極集電体１０との対向面のほぼ中央部から吐出させる酸化剤ガス流路１４とが形成されている。そして、セパレータ１１には、図３（ａ）に示すように、熱電対挿入孔(挿入孔)１５ａが形成されており、該熱電対挿入孔１５ａには、シース熱電対２の測温部（先端部）が挿入されている。なお、シース熱電対２の測温部は、セパレータ１１との絶縁性を保つために、電気絶縁性を有するセラミックからなる保護管１６を介してセパレータ１１に挿入されている。
【００２６】
あるいは、セパレータ１１は、図２（ｂ）に示すように、外周部から導入された燃料ガスを燃料極集電体９との対向面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス流路１３が形成されたステンレス板からなるセパレータ１１ａと、外周部から導入された酸化剤ガス（空気）を空気極集電体１０との対向面のほぼ中央部から吐出させる酸化剤ガス流路１４とが形成されたステンレス板からなるセパレータ１１ｂと、その間に介装されたステンレス板からなる熱電対プレート２１とによって構成されている。そして、熱電対プレート２１には、図３（ｂ）に示すように、熱電対挿入溝(挿入孔)１５ｂが形成されており、該熱電対挿入溝１５ｂには、シース熱電対２の測温部（先端部）が挿入されている。
【００２７】
このシース熱電対２は、金属保護管１７内に絶縁材１８を介して、一対の互いに熱電能の異なる熱電体素線１９、２０を配することによって構成されている。
【００２８】
ここで、この金属保護管１７は、ＳＵＳ（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓ、インコネイル等）等の金属材料により構成されている。
【００２９】
また、絶縁材１８は、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＺｒＯ2（ジルコニア）またはＭｇＯ（酸化マグネシウム）等のセラミック粉末により構成されている。
【００３０】
さらに、一対の熱電体素線１９、２０は、シース熱電対２の測温部において、各々の一端部が接合され、且つ固体酸化物形燃料電池１の作動温度である６５０℃〜８００℃の高温雰囲気下で使用可能な金属および合金であるクロメル（ニッケル及びクロムを主とした合金）、アルメル（ニッケルを主とした合金）、ナイクロシル（ニッケル、クロムおよびシリコンを主とした合金）、ナイシル（ニッケル及びシリコンを主とした合金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ／１３％Ｒｈ（ロジウム１３％を含む白金ロジウム合金）、Ｐｔ／１０％Ｒｈ（ロジウム１０％を含む白金ロジウム合金）、Ｐｔ／３０％Ｒｈ（ロジウム３０％を含む白金ロジウム合金）またはＰｔ／６％Ｒｈ（ロジウム６％を含む白金ロジウム合金）等を組み合わせることにより構成されている。
【００３１】
なお、この一対の熱電体素線１９、２０のＪＩＳ規格に規定された組み合わせとしては、Ｋ（クロメル・アルメル）、Ｎ（ナイクロシル・ナイシル）、Ｒ（Ｐｔ／１３％Ｒｈ・Ｐｔ）、Ｓ（Ｐｔ／１０％Ｒｈ・Ｐｔ）およびＢ（Ｐｔ／３０％Ｒｈ・  Ｐｔ／６％Ｒｈ）等がある。
【００３２】
一方、起電力測定装置３は、シース熱電対２の末端部、即ち一対の熱電体素線１９、２０の他端部が接続されている。そして、起電力測定装置３は、熱電体素線１９、２０の一端の接合部(熱接点)と他端の接合部(冷接点)との温度差により生じた起電力の電圧を測定することにより、一端の接合部(熱接点)の温度を測定している。
【００３３】
他方、運転制御装置４は、起電力測定装置３に接続されている。そして、運転制御装置４は、シース熱電対２の測定値により、固体酸化物形燃料電池１の運転の継続・緊急停止を制御するものである。
【００３４】
以上の構成からなる燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池１の発電セル８の燃料極層６に燃料ガスが供給され、空気極層７に空気が供給されることにより、発電反応が生じて、所定の電力が得られている。
【００３５】
そして、固体酸化物形燃料電池１は、発電時に、上記発電反応が発熱反応であることから、７００℃〜８００℃程度の運転温度で稼働する。
【００３６】
ところで、シース熱電対２は、その測定値が固体酸化物形燃料電池１の通常の温度より高温(１０００℃程度)を示すことがある。
【００３７】
この際、まず、運転制御装置４は、第１段階において、シース熱電対２が１０秒以内に通常の運転温度から２００℃以上温度上昇しているのを測温しているか否かを確認する。
【００３８】
そして、運転制御装置４は、シース熱電対２が１０秒以内に通常の運転温度から２００℃以上温度上昇を測温しているのを確認した際に、シース熱電対２の中間部が加熱手段の放射熱等により高温に晒されて、その中間部の絶縁材１８の絶縁抵抗が減少していき、その中間部の一対の熱電体素線１９、２０との間が短絡したような状態となり、上記加熱手段から放射される放射熱の温度を測温し、固体酸化物形燃料電池１の運転温度より高温の温度を示すシャントエラーが生じていると判断する。
【００３９】
また、運転制御装置４は、第１段階においてシース熱電対２にシャントエラーが生じていると判断しなかった場合、第２段階において、シース熱電対２が瞬時に緊急停止する温度(本実施形態においては、１０００℃)以上に高温となるのを測温しているか否かを確認する。
【００４０】
そして、運転制御装置４は、シース熱電対２が瞬時に緊急停止する温度(本実施形態においては、１０００℃)以上に高温となるのを測温しているのを確認した際に、シース熱電対２に上記シャントエラーが生じていると判断する。
【００４１】
また、運転制御装置４は、第２実施形態において、シース熱電対２にシャントエラーが生じていると判断しなかった場合、燃料電池システムに異常が生じていると判断し、固体酸化物形燃料電池１の運転を緊急停止させる。
【００４２】
次いで、運転制御装置４は、第３段階において、第１段階または第２段階で複数のシース熱電対２の中間部が上記加熱手段の放射熱等により高温に晒されて、複数のシース熱電対２にシャントエラーが生じていると判断した際に、少なくとも一つのシース熱電対２が通常の運転温度を測温しているか否かを確認する。
【００４３】
そして、運転制御装置４は、少なくとも一つのシース熱電対２が通常の運転温度を測温しているのを確認した際に、運転制御装置４が固体酸化物形燃料電池１は通常の運転温度で稼働していると判断するために、固体酸化物形燃料電池１の緊急停止が回避され、固体酸化物形燃料電池１の運転が継続される。
【００４４】
また、運転制御装置４は、全てのシース熱電対２が瞬時に上記緊急停止する温度以上の温度、あるいは１０秒以内に２００℃以上の温度上昇を測温しているのを確認した際に、実際に固体酸化物形燃料電池１の温度が上記緊急停止する温度以上に高温となっている、あるいは全てのシース熱電対２の中間部が高温に晒されて、実際の固体酸化物形燃料電池１の温度を測定できない状況となっている等の燃料電池システムの異常を判断し、固体酸化物形燃料電池１の運転を緊急停止させる。
【００４５】
これらの結果、運転制御装置４が、固体酸化物形燃料電池１の運転の継続・緊急停止の判断を確実に行なうことが可能となり、且つ安全保護機能を損なうことなく、確実に固体酸化物形燃料電池１の不必要な運転停止を回避することが可能となる。この結果、燃料電池システムの開発におけるデータ取得の効率性および燃料電池システムの運転制御性を向上させることが可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態の燃料電池システムにおいては、発電時に、シース熱電対２にシャントエラーが生じることにより固体酸化物形燃料電池１が緊急停止することを回避可能な運転制御方法を説明したが、起動時等においても、シース熱電対２の中間部がバーナ等の加熱手段により高温に晒されてシャントエラーが生じたとしても、同様に、運転制御手段４によって、固体酸化物形燃料電池１の起動が緊急停止されるのを回避することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
１  固体酸化物形燃料電池
２  シース熱電対
３  起電力測定器
４  運転制御装置(運転制御手段)
８  発電セル
１１  セパレータ
１５  挿入孔
【図１】
2011210571.tif 000003
【図２】
2011210571.tif 000004
【図３】
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【図４】
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