(57)【要約】【課題】低コスト且つ低エネルギーロスを確保した状態で、発電が停止された後の保管時に脱硫器の性能を維持しておくことができる固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器１と、改質器１よりも上流側の原燃料ガス供給路７の途中に設けられる脱硫器２と、改質器１よりも上流側且つ脱硫器２よりも下流側の原燃料ガス供給路７の途中に設けられ、水供給路２０を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と原燃料ガス供給路７を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器３と、燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セル４を有するセルスタック５とを備える固体酸化物形燃料電池が、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部Ｋを備える。【選択図】図１
2015109149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器よりも上流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、
前記改質器よりも上流側且つ前記脱硫器よりも下流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と前記原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、
前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部を備える固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記折返部は、前記セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において、前記原燃料ガス供給路内に水が滞留して閉塞されることによるガス遮断が可能なガス遮断機構として機能する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記水供給路を通して前記気化器に供給された水が、前記セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路に流入して、前記折返部で前記原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部となるように構成されている請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路に水を補給可能な水補給路を備え、
前記セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において、前記水補給路から前記原燃料ガス供給路に供給される水が、前記折返部で前記原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部となるように構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記折返部は、前記原燃料ガス供給路の一部を構成する密閉式容器と、前記原燃料ガス供給路の一部を構成して前記密閉式容器に対して前記脱硫器側から挿入される第１配管部と、前記原燃料ガス供給路の一部を構成して前記密閉式容器に対して前記気化器側から挿入される第２配管部とを有し、前記密閉式容器の内部での前記第２配管部の第２開口位置は、前記密閉式容器の内部での前記第１配管部の第１開口位置よりも下方位置にあり、
前記折返部に水が滞留した状態で、前記第１開口位置が気相側に、前記第２開口位置が液相側に位置される請求項１〜４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記第２開口位置での前記密閉式容器の横断面積が、前記第１開口位置での前記密閉式容器の横断面積よりも小さくなるように、前記密閉式容器は下方に向かって先細形状になっている請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記折返部は、前記脱硫器の最下面よりも下方に設けられている請求項１〜６の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器よりも上流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、前記改質器よりも上流側且つ前記脱硫器よりも下流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と前記原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池の停止保管方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池は、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部を備え、
前記セルスタックでの発電が停止された後、前記気化器の温度及び前記脱硫器の温度が水の沸点以上であり、且つ、前記折返部の温度が水の沸点未満であるときに、前記気化器に対して前記水供給路を通して水を供給する工程を有する固体酸化物形燃料電池の停止保管方法。
【請求項９】
原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器よりも上流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、前記改質器よりも上流側且つ前記脱硫器よりも下流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と前記原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池の停止保管方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池は、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部と、
前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路に水を補給可能な水補給路とを備え、
前記セルスタックでの発電が停止された後、前記折返部の温度が水の沸点未満であるときに、前記水補給路から前記原燃料ガス供給路に水を供給して前記折返部に水を貯める工程を有する固体酸化物形燃料電池の停止保管方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器よりも上流側の原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、改質器よりも上流側且つ脱硫器よりも下流側の原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池、及び、その停止保管方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた複数個の燃料電池セルを有するセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池が知られている。固体酸化物形燃料電池では、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の一方側には燃料ガス（例えば、水素等）を酸化するための燃料極が設けられ、その他方側には酸化剤（例えば、空気中の酸素）を還元するための空気極が設けられている。固体酸化物形燃料電池では、セルスタックの作動温度は約７００℃〜１０００℃と高く、このような高温下において、燃料ガスとしての水素等と酸化剤としての空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。
【０００３】
水素等の燃料ガスは、炭化水素系の原燃料ガスを改質器で改質（例えば、水蒸気を用いた水蒸気改質）することによって生成される。改質器に供給される原燃料ガス、例えば都市ガス、ＬＰガスには、ガス漏洩時に知覚できるように硫黄を含有する付臭剤（着臭剤）成分が含まれている。付臭剤中の硫黄成分は、改質器に収容されている改質触媒の性能劣化を引き起こす原因となるため、改質器に送給する前に原燃料ガス中の付臭剤、特にその硫黄成分を除去する必要がある。このため、一般的に燃料電池を備えるシステムにおいては、改質器の上流側に脱硫器が配設され、脱硫器で原燃料ガス中の硫黄成分が除去された後に改質器に送給される。
【０００４】
脱硫器については、常温での物理吸着性能を利用して除去する常温脱硫剤方式と、微量の水素を添加し付臭剤を硫化水素に変換し化学吸着性能を利用して除去する超高次脱硫方式がある。前者は、配管系統は簡略であるものの、吸着容量は後者のものと比較し小さいため、固体酸化物形燃料電池の寿命相当の量の脱硫剤を搭載するには、脱硫器の占める容積が多大となり、またコストアップとなる。一方、後者の方式は、添加する水素を、改質器の下流側から一部取り出して脱硫器へと戻すための配管系統が別途必要になることや、脱硫器の温度を例えば２００℃〜３００℃付近とするような設置上の配慮が必要なるが、脱硫器の容量は小さくて済み、配管系統を含めても全体の装置コストは常温脱硫方式よりも低くなる。
固体酸化物形燃料電池に超高次脱硫方式を適用した例としては、後述する特許文献１がある。
【０００５】
超高次脱硫方式では、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などが用いられる。そして、固体酸化物形燃料電池の運転中に、脱硫剤が２００〜３００℃となるような位置に脱硫器が設置される。また、この脱硫剤を超高次脱硫において使用可能な状態とするには、脱硫剤自体をあらかじめＨ2を含有する還元ガスの流通下で高温熱処理（予備還元処理）する必要がある。この予備還元処理を経て固体酸化物形燃料電池に組み込んだ後は、脱硫器に収容されている脱硫剤は基本的に還元状態を維持する必要がある。
【０００６】
尚、仮に停止時などにおいて脱硫器に空気などが侵入すると、脱硫剤の酸化（発熱反応）が進むこととなる。その場合、次回起動時には、超高次脱硫のために必要な量の水素を原燃料ガスに添加したとしても、脱硫剤表面の酸化部分を再還元するための還元用途に水素が消費されてしまい、硫黄成分の脱硫用途に利用できる水素量が減少してしまう。そのため、脱硫剤の表面が酸化された状態で脱硫器を通過した原燃料ガスには、ＳＯｘの状態の硫黄分が含まれることとなり、後段の改質触媒の性能劣化を引き起こす可能性が高くなる。
このような問題から見ても、脱硫器を使用し始めた後は、固体酸化物形燃料電池を停止した保管中においても、脱硫器では常に一定の低酸素分圧の状態を保つことが重要となる。
【０００７】
超高次脱硫方式を採用した固体酸化物形燃料電池について記載する特許文献１では、脱硫器（２２）を出た後の原燃料ガスは、冷却用熱交換器（４２）で冷却され、電磁弁（４４）を通過した後に、気化器（１２）や改質器（４）に供給される。電磁弁（４４）は、気化器（１２）や改質器（４）に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給路（１４）を開閉するためのものであり、開状態のときに燃料ガス供給流路（１４）を通しての原燃料ガスの供給を許容し、セルスタック（６）の発電停止後などに閉状態になり、気化器（１２）から原燃料ガス供給路（１４）を通して水蒸気などが逆流することが防止される。つまり、固体酸化物形燃料電池が発電を終了し停止状態になると、脱硫器（２２）の温度低下に伴い内部ガスの収縮が起こり負圧となる。そのため、電磁弁（４４）がない場合、セルスタック（６）の開放端より酸素などを含むガスを引き込み、場合によっては脱硫剤を酸化・劣化させることもある。これを防止するために、セルスタック（６）の発電停止後などに電磁弁（４４）を閉状態に切り替える必要がある。また、特許文献１に開示の技術では、原燃料ガスが高温状態で電磁弁（４４）を通して流れると電磁弁（４４）を故障させる可能性があるため、冷却用熱交換器（４２）は、電磁弁（４４）の耐熱性の保証範囲にまで脱硫処理後の原燃料ガスを冷却することを目的として設置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１５９４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載のように、脱硫器での脱硫処理後の高温の原燃料ガスを冷却して気化器に送給することは、エネルギー的にもロスになり、また低コスト化の観点では、脱硫器よりも後段にこのような冷却用熱交換器と電磁弁とを設けることは好ましくない。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コスト且つ低エネルギーロスを確保した状態で、固体酸化物形燃料電池の発電が停止された後の保管時に脱硫器の性能を維持しておくことができる固体酸化物形燃料電池及びその停止保管方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器よりも上流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、
前記改質器よりも上流側且つ前記脱硫器よりも下流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と前記原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、
前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部を備える点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、固体酸化物形燃料電池は折返部を備え、その折返部は、原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成されている。つまり、原燃料ガス供給路の途中に、上述のような構造上の特徴を有する折返部を設けたことで、折返部で水（例えば凝縮水）が発生又は折返部に水が供給された場合、その水は重力によって集められて折返部で滞留することになる。そして、折返部で滞留した水が原燃料ガス供給路を閉塞させる量になると、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路でのガスの流通が遮断されるので、セルスタックの開放端などを通して原燃料ガス供給路に酸素が侵入したとしても、その酸素は、脱硫器と気化器との間で遮断され、脱硫器にまで至らない。その結果、脱硫器に収容されている脱硫触媒が酸化することは防止される。
また、本特徴構成では、折返部が有する構造上の特徴によって、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路が滞留水によって閉塞された状態を作り出すことができるので、従来技術のように電磁弁などの特別な装置は不要となり、そのような特別な装置を保護するために原燃料ガスを冷却するといった対策も不要となる。
従って、低コスト且つ低エネルギーロスを確保した状態で、固体酸化物形燃料電池の発電が停止された後の保管時に脱硫器の性能を維持しておくことができる固体酸化物形燃料電池を提供できる。
【００１３】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、前記折返部は、前記セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において、前記原燃料ガス供給路内に水が滞留して閉塞されることによるガス遮断が可能なガス遮断機構として機能する点にある。
【００１４】
セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態では、原燃料ガス供給路の温度は次第に低下して行くため、原燃料ガス供給路の内部では水の凝縮が発生することがある。
本特徴構成では、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路の途中に上記折返部を設けているため、セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態で脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路の途中で凝縮水が発生したとき、その凝縮水は、折返部の構造上、折返部の方へと重力によって集められる。そして、集められた水が原燃料ガス供給路内に滞留して原燃料ガス供給路が閉塞されることにより、折返部を原燃料ガス供給路のガス遮断が可能なガス遮断機構として機能させることができる。
【００１５】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記水供給路を通して前記気化器に供給された水が、前記セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路に流入して、前記折返部で前記原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部となるように構成されている点にある。
【００１６】
セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において脱硫器近傍の温度が気化器側よりも低下して負圧状態となると、気化器側から脱硫器の方に向かって原燃料ガス供給路をガスが流れるようになる。
本特徴構成では、セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において気化器側から脱硫器の方に向かってガスが流れ、その原燃料ガス供給路の途中で水が凝縮するという現象が発生することを利用する。つまり、予め、水供給路を通して気化器に対して供給しておいた水を、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路に流入させ、凝縮させることで、折返部で原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部として利用することができる。
【００１７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路に水を補給可能な水補給路を備え、
前記セルスタックでの発電が停止された後の冷停止状態において、前記水補給路から前記原燃料ガス供給路に供給される水が、前記折返部で前記原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部となるように構成されている点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、気化器での水の気化工程を経ることなく、水補給路から原燃料ガス供給路に供給する水を、折返部で原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部とすることができる。つまり、気化器の温度とは無関係に、折返部で水を貯めることができる。
【００１９】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記折返部は、前記原燃料ガス供給路の一部を構成する密閉式容器と、前記原燃料ガス供給路の一部を構成して前記密閉式容器に対して前記脱硫器側から挿入される第１配管部と、前記原燃料ガス供給路の一部を構成して前記密閉式容器に対して前記気化器側から挿入される第２配管部とを有し、前記密閉式容器の内部での前記第２配管部の第２開口位置は、前記密閉式容器の内部での前記第１配管部の第１開口位置よりも下方位置にあり、
前記折返部に水が滞留した状態で、前記第１開口位置が気相側に、前記第２開口位置が液相側に位置される点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、密閉式容器に対して気化器側から挿入される第２配管部の第２開口位置は、密閉式容器に対して脱硫器側から挿入される第１配管部の第１開口位置よりも下方位置にあるので、折返部としての密閉式容器内に水が滞留した状態で、第１開口位置が気相側に、第２開口位置が液相側に位置される状態が起こり得る。つまり、密閉式容器に対して脱硫器側から挿入される第１配管部の第１開口位置を水に触れさせることなく、密閉式容器に対して気化器側から挿入される第２配管部の第２開口位置のみが水に浸かった状態を作り出すことができる。その結果、滞留水の液位より上部において空間が比較的大きく取れるので、水が第１配管部を介して脱硫器側に流入しないことを確保しながら、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路でのガスの流通を滞留水によって遮断できる。
【００２１】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記第２開口位置での前記密閉式容器の横断面積が、前記第１開口位置での前記密閉式容器の横断面積よりも小さくなるように、前記密閉式容器は下方に向かって先細形状になっている点にある。
【００２２】
上記特徴構成によれば、密閉式容器の内部に存在する滞留水が少なくても、密閉式容器内での滞留水の水位は相対的に高くなる。つまり、密閉式容器に対して気化器側から挿入される第２配管部の第２開口位置は相対的に深い水深に位置することとなる。その結果、密閉式容器に対して気化器側から挿入され、滞留水にその一部が水没している第２配管部内での水頭（例えば、滞留水の水面から滞留水に水没している第２開口位置までの長さに相当）は長くなるので、気化器側のガス（酸素など）が脱硫器側に流入し難くなる。
【００２３】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記折返部は、前記脱硫器の最下面よりも下方に設けられている点にある。
【００２４】
上記特徴構成によれば、脱硫器での位置エネルギーを、折返部での位置エネルギーよりも大きくしておくことで、折返部から脱硫器側へ物体は移動し難くなる。その結果、脱硫器が冷却されて脱硫器での圧力が相対的に低くなる負圧状態になったとしても、折返部から滞留水が脱硫器側へと流入することを抑制できる。
【００２５】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の停止保管方法の特徴構成は、原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器よりも上流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、前記改質器よりも上流側且つ前記脱硫器よりも下流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と前記原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池の停止保管方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池は、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部を備え、
前記セルスタックでの発電が停止された後、前記気化器の温度及び前記脱硫器の温度が水の沸点以上であり、且つ、前記折返部の温度が水の沸点未満であるときに、前記気化器に対して前記水供給路を通して水を供給する工程を有する点にある。
【００２６】
上記特徴構成によれば、セルスタックでの発電が停止された後、気化器の温度及び脱硫器の温度が水の沸点以上であり、且つ、折返部の温度が水の沸点未満であるという温度条件下で、気化器に対して水供給路を通して水を供給する工程が行われるので、気化器では水が気化される。また、気化器で気化された水（水蒸気）が、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路に流入したとき、折返部の温度は水の沸点未満であるので、折返部では水の凝縮が起こり得る。加えて、凝縮した水は、折返部が有する構造上の特徴によって重力によって一カ所に集められて滞留水となる。尚、脱硫器の温度は水の沸点以上であるので、脱硫器で水が凝縮することはない。つまり、脱硫部において水の凝縮が発生しないことを確保しつつ、折返部で原燃料ガス供給路内に滞留する滞留水の少なくとも一部となる水を、水供給路を通して気化器に対して供給することができる。そして、折返部で水を滞留させることで、その滞留水により原燃料ガス供給路を閉塞させて、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路でのガスの流通を遮断させることができる。その結果、セルスタックでの発電が停止された後でセルスタックの開放端などを通して原燃料ガス供給路に酸素が侵入したとしても、その酸素は、脱硫器と気化器との間で遮断され、脱硫器にまで至らないため、脱硫器に収容されている脱硫触媒が酸化することは防止される。
また、本特徴構成では、折返部が有する構造上の特徴によって、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路が閉塞された状態を作り出すことができるので、従来技術のように電磁弁などの特別な装置は不要となり、そのような特別な装置を保護するために原燃料ガスを冷却するといった対策も不要となる。
従って、低コスト且つ低エネルギーロスを確保した状態で、固体酸化物形燃料電池の発電が停止された後の保管時に脱硫器の性能を維持しておくことができる固体酸化物形燃料電池の停止保管方法を提供できる。
【００２７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の停止保管方法の別の特徴構成は、原燃料ガス供給路を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器よりも上流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器と、前記改質器よりも上流側且つ前記脱硫器よりも下流側の前記原燃料ガス供給路の途中に設けられ、水供給路を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と前記原燃料ガス供給路を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器と、前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックとを備える固体酸化物形燃料電池の停止保管方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池は、前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部と、
前記脱硫器と前記気化器との間の前記原燃料ガス供給路に水を補給可能な水補給路とを備え、
前記セルスタックでの発電が停止された後、前記折返部の温度が水の沸点未満であるときに、前記水補給路から前記原燃料ガス供給路に水を供給して前記折返部に水を貯める工程を有する点にある。
【００２８】
上記特徴構成によれば、セルスタックでの発電が停止された後、折返部の温度が水の沸点未満であるという温度条件下で、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路に水を補給可能な水補給路から原燃料ガス供給路に水を供給して折返部に水を貯める工程が行われるので、折返部では供給された水の気化は発生せず、そのまま貯まることになる。加えて、折返部に至った水は、折返部が有する構造上の特徴によって重力によって一カ所に留まって滞留水となる。また、水補給路から供給される水は、気化器を経由しないので、この工程が気化器の温度に影響を受けることはない。また、折返部の温度は水の沸点未満であるので、気化器側から折返部にガスが流入してきたとき、折返部では水の凝縮が起こり得る。その結果、折返部で凝縮水は滞留水の一部となり、以上のような滞留水により原燃料ガス供給路を閉塞させて、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路でのガスの流通を遮断させることができる。このため、セルスタックでの発電が停止された後でセルスタックの開放端などを通して原燃料ガス供給路に酸素が侵入したとしても、その酸素は、脱硫器と気化器との間で遮断されて脱硫器にまで至らず、脱硫器に収容されている脱硫触媒が酸化することは防止される。
また、本特徴構成では、折返部が有する構造上の特徴によって、脱硫器と気化器との間の原燃料ガス供給路が閉塞された状態を作り出すことができるので、従来技術のように電磁弁などの特別な装置は不要となり、そのような特別な装置を保護するために原燃料ガスを冷却するといった対策も不要となる。
従って、低コスト且つ低エネルギーロスを確保した状態で、固体酸化物形燃料電池の発電が停止された後の保管時に脱硫器の性能を維持しておくことができる固体酸化物形燃料電池の停止保管方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。
【図２】セルスタックでの発電が停止された後の固体酸化物形燃料電池の各部の温度変化と、好適な水供給タイミングとを示すグラフである。
【図３】ガス遮断機構として機能する折返部の例を示す図である。
【図４】第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。
【図５】第３実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。
【図６】第４実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。
【図７】第５実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について説明する。
図１は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図示するように、固体酸化物形燃料電池は、原燃料ガス供給路７を通して供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器１と、改質器１よりも上流側の原燃料ガス供給路７の途中に設けられ、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う脱硫器２と、改質器１よりも上流側且つ脱硫器２よりも下流側の原燃料ガス供給路７の途中に設けられ、水供給路２０を通して供給される水を気化すると共に、気化した水蒸気と原燃料ガス供給路７を通して供給される原燃料ガスとを混合する気化器３と、改質器１にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セル４を有するセルスタック５とを備える。加えて、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部Ｋを備える。つまり、折返部Ｋは下に凸の形状になっていることで、液体が存在する場合、重力によってその底部分に液体が留まるようになる。
【００３１】
原燃料ガス供給路７は、メタン等の炭化水素系の原燃料ガスの供給源から改質器１に至るまでのガス流路である。図１に示す例では、原燃料ガス供給路７の途中には、上流側から、開閉弁１４、ゼロガバナ１５、流量計１６、ガスポンプ１７、脱硫器２、気化器３が順に設けられている。開閉弁１４は、原燃料ガス供給路７の流路の開放・閉止を切り替える弁である。開閉弁１４の動作は、制御装置Ｃによって制御される。ゼロガバナ１５は、その上流側の原燃料ガスの圧力にかかわらずその下流側の原燃料ガスの圧力を実質上大気圧に保つ（即ち、大気圧との差圧を実質上ゼロに保つ）ものである。流量計１６は、原燃料ガス供給路７を流れる原燃料ガスの流量を計測する機器である。流量計１６の検出結果は、制御装置Ｃに伝達される。ガスポンプ１７は、脱硫器２へと向かってガスを流す機器である。制御装置Ｃは、流量計１６で検出されるガス流量が所定の流量値になるように、ガスポンプ１７の出力を制御する。
【００３２】
脱硫器２は、原燃料ガスに対して脱硫処理を行う機器である。例えば、メタンやプロパンなどを主成分とする都市ガスやＬＰガスには、ガス漏洩時に知覚できるように硫黄を含有する付臭剤（着臭剤）成分を含んでいる。この付臭剤中の硫黄成分は、後述する改質器１に収容されている改質触媒の性能劣化を引き起こす原因となるため、改質器１に送給する前に原燃料ガス中の付臭剤、特にその硫黄成分を除去する必要がある。また、本実施形態の脱硫器２は、微量の水素を原燃料ガスに添加して付臭剤を硫化水素に変換し、その硫化水素を化学吸着性能を利用して除去する超高次脱硫方式を採用する。脱硫器２に収容される超高次脱硫剤としては、例えば、銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを利用できる。
【００３３】
本実施形態では、原燃料ガスへ添加する水素を、後述する改質器１で生成された燃料ガス（即ち、水素を主成分とするガス）から得る。具体的には、改質器１での改質処理により得られる燃料ガスが流れる燃料ガス供給路８は、改質器１とガスマニホールド６との間でリサイクルガス供給路９を分岐させる。そして、リサイクルガス供給路９が、流量計１６とガスポンプ１７との間の原燃料ガス供給路７に合流することで、脱硫器２に供給される原燃料ガスに水素が添加されることになる。尚、リサイクルガス供給路９の途中には、流量を制限するためのオリフィス１０と、流路を開閉するための開閉弁１１と、気液分離器１２とが設けられている。開閉弁１１の動作は、制御装置Ｃによって制御される。そして、気液分離器１２で得られる液体（即ち、凝縮水）は、排水路１３を通して装置外に排出され、気液分離器１２で得られる気体（水素）が原燃料ガス供給路７へと供給される。
【００３４】
脱硫器２で脱硫処理された後の原燃料ガスは、気化器３に供給される。気化器３には、水供給路２０を通して水が供給され、その水の気化が行われる。また、気化器３では、気化した水蒸気と原燃料ガス供給路７を通して供給される原燃料ガスとが混合される。水供給路２０の途中には流路を開閉するための開閉弁２１と、水供給路２０における水の流量（気化器３へ供給する水量）を調節する水ポンプ２２とが設けられている。開閉弁２１の動作、及び、水ポンプ２２の動作は、制御装置Ｃによって制御される。
【００３５】
改質器１は、気化器３から原燃料ガスと水蒸気との混合ガスの供給を受けてその原燃料ガスの水蒸気改質を行って、燃料ガス（水素を主成分とするガス）を生成する。そして、改質器１で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路８を通ってガスマニホールド６に供給される。ガスマニホールド６には燃料電池セル４が接続されており、ガスマニホールド６に供給された燃料ガスが各燃料電池セル４へと分配される。
【００３６】
セルスタック５は、改質器１で生成された燃料ガスが通流する燃料通流部（図示せず）と空気（即ち、酸化剤（酸素））が通流する空気通流部（図示せず）とを備えた複数の固体酸化物形の燃料電池セル４を電気的に直列接続した状態で備えて構成されている。図示は省略するが、燃料電池セル４は、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セル４では、燃料通流部を燃料ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に燃料ガスが供給され、空気通流部を上向きに空気が通流することで空気極の全体に空気が供給され、燃料ガス及び空気が発電反応に用いられる。そして、発電反応に供された後の排燃料ガスは燃料通流部の上端の排出口から排出され、発電反応に供された後の排空気は空気通流部の上端の排出口から排出される。
【００３７】
セルスタック５の上方には、オフガス（即ち、各燃料電池セル４の燃料通流部から排出される排燃料ガスと空気通流部から排出される排空気（即ち、酸素））を燃焼させる燃焼空間（即ち、燃焼部Ｂ）が形成される。つまり、セルスタック５により燃焼部Ｂが実現される。加えて、気化器３及び改質器１が、燃焼部Ｂとして機能するセルスタック５の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、燃焼部Ｂで発生する燃焼熱によって、気化器３及び改質器１が加熱される。
【００３８】
図１に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、気化器３と、改質器１と、ガスマニホールド６と、セルスタック５と、オリフィス１０等を金属筐体１８に収容している。図示は省略するが、金属筐体１８の内部空間には上述した発電反応用の空気が供給される。そして、複数の燃料電池セル４夫々の空気通流部には金属筐体１８よりも内側の空間の空気がこの空気供給孔を通して供給されて、各空気通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。
【００３９】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成される折返部Ｋを備える。折返部Ｋ及び脱硫器２は、上記金属筐体１８の外部ではあるが、その金属筐体１８から放出される熱が伝わるホットモジュール１９の内部に収容されている。例えば、セルスタック５での発電が行われているとき、金属筐体１８の内部のセルスタック５の温度は６００℃〜７５０℃になり、金属筐体１８に隣接して設けられる脱硫器２の温度は約２００℃〜約３００℃になることがある。この温度は超高次脱硫に適した温度域であり、逆に言うと、このような温度域となる場所を選んで脱硫器２を設置しているとも言える。折返部Ｋは、脱硫器２よりも金属筐体１８から離れた位置に設けられているため、固体酸化物形燃料電池を運転しているときであってもその温度は脱硫器２の温度よりも低くなる。例えば、折返部Ｋの温度は２００℃〜２５０℃になる。
【００４０】
セルスタック５での発電が行われている間であれば、原燃料ガス供給路７の内部は高温であり且つ原燃料ガスが常時流れているため、折返部Ｋで凝縮水が発生することはない。また、折返部Ｋに水が侵入しても気化されて下流側へと排出される。これに対して、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態では、原燃料ガス供給路７に原燃料ガスは流れず（気体分子の拡散は起こり得る）、且つ、原燃料ガス供給路７の内部の温度が低下するため、ガス中の水分が凝縮して、その凝縮水が折返部Ｋの底に貯まる。
【００４１】
つまり、本実施形態の固体酸化物形燃料電池では、折返部Ｋは、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において、原燃料ガス供給路７内に水が滞留して閉塞されることによるガス遮断が可能なガス遮断機構Ｓとして機能する。つまり、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７の途中に上記折返部Ｋを設けているため、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態で脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７の途中で凝縮水が発生したとき、その凝縮水は、折返部Ｋの構造上、折返部Ｋの方へと重力によって集められる。そして、集められた水が原燃料ガス供給路７内に滞留して原燃料ガス供給路７が閉塞されることにより、折返部Ｋを原燃料ガス供給路７のガス遮断が可能なガス遮断機構Ｓとして機能させることができる。そして、脱硫器２は、セルスタック５及び改質器１及び気化器３との間で、その閉塞部位（折返部Ｋ）を挟んで隔離されるため、脱硫器２に酸素や水が侵入しないようになる。
【００４２】
尚、本実施形態のような折返部Ｋを備えていない場合、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において、原燃料ガス供給路７内で水の凝縮が発生しても、その凝縮水が一カ所に滞留するとは限らないため、原燃料ガス供給路７が閉塞されることはない。そのため、脱硫器２は、セルスタック５及び改質器１及び気化器３との間でガスの流通が可能な状態のままとなって、酸素や水蒸気が脱硫器２に侵入する可能性がある。
【００４３】
セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において折返部Ｋで原燃料ガス供給路７内に滞留する滞留水の起源としては、セルスタック５での発電中に水供給路２０を通して気化器３に供給されていた水がある。例えば、セルスタック５での発電が行われているとき、気化器３よりも下流側のガスには水蒸気が含まれる。そのため、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において脱硫器２等の原燃料ガス供給路７の内部温度が低下すると、その水蒸気が脱硫器２の方に逆流してきて、折返部Ｋで凝縮し、滞留水（凝縮水）なることがある。
【００４４】
或いは、折返部Ｋの近傍で意図的に凝縮水（滞留水）を生成させるように、気化器３に対して積極的に水を供給することもできる。つまり、水供給路２０を通して気化器３に供給された水が、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７に流入して、折返部Ｋで原燃料ガス供給路７内に滞留する滞留水の少なくとも一部となるように構成してもよい。以下に、この方法を説明する。
【００４５】
図２は、セルスタック５での発電が停止された後の固体酸化物形燃料電池の各部の温度変化と、好適な水供給タイミングとを示すグラフである。具体的には、図２（ａ）は、セルスタック５の発電を緊急停止したときの、脱硫器２と気化器３と折返部Ｋとの温度変化を示すグラフである。セルスタック５の発電を緊急停止した場合、発電停止とほぼ同時に、原燃料ガス供給路７に設けられる開閉弁１４が閉止されることで原燃料ガスの供給が停止され、金属筐体１８の内部へのカソード空気の供給が停止され、水供給路２０に設けられる開閉弁２１が閉止されることで水の供給が停止される。図２（ａ）に示すように、停止工程直後に、気化器３や、脱硫器２では温度の上昇が顕著に起こり、その後、徐々に低下し始める。温度上昇の原因は、それまで発電時のガス、空気の流れによって形成されていた温度分布が、ガス、空気の流れの停止に伴い均熱化する過程を経るためである。特に、気化器３では、その温度の変化が大きい。脱硫器２よりも金属筐体１８から離れた位置にある折返部Ｋでは、温度の上昇はこれらに比べて小さいものとなる。
【００４６】
この図においては、折返部Ｋが１００℃未満となり、且つ、気化器３と脱硫器２が１００℃以上となっている時間、すなわち、発電停止から約６７０分が経過した以降のタイミングで気化器３に水を供給するとよい。この時間帯で気化器３に水を供給すれば、気化器３で生成された水蒸気が、温度低下に伴って拡散により折返部Ｋに至り、そこで水蒸気の凝縮が発生する流れを生じさせることができる。つまり、気化器３から折返部Ｋへの水蒸気の逆流が効果的に行える。
しかし、発電停止から約７５０分を超えた時点、すなわち脱硫器２の温度も１００℃を下回る場合では、脱硫器２での水の凝縮も進む可能性があり、この時点までに、確実に折返部Ｋでの滞留水による原燃料ガス供給路７の閉塞状態を完了させておくことが望ましい。
【００４７】
つまり、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において脱硫器２の温度が低下して負圧状態となると、気化器３側から脱硫器２の方に向かって原燃料ガス供給路７をガスが流れる状態に至る。そして、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の停止保管方法では、そのような状態が発生することを見据えて、制御装置Ｃは、気化器３の温度を温度センサＴ１で検出し、脱硫器２の温度を温度センサＴ２で検出し、折返部Ｋの温度を温度センサＴ３で検出し、セルスタック５での発電が停止された後、気化器３の温度及び脱硫器２の温度が水の沸点以上であり、且つ、折返部Ｋの温度が水の沸点未満であるときに、気化器３に対して水供給路２０を通して水を供給する工程を行う。このように、予め、水供給路２０を通して気化器３に対して供給しておいた水を、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７に流入させ、凝縮させることで、折返部Ｋで原燃料ガス供給路７内に滞留する滞留水の少なくとも一部として利用することができる。そして、折返部Ｋで凝縮水による原燃料ガス供給路７の閉塞状態が完成されると、それ以後は、脱硫器２の方へは、空気や水が侵入しなくなる。
【００４８】
また、図２（ｂ）は、セルスタック５の発電を通常停止したときの、脱硫器２と気化器３と折返部Ｋとの温度変化を示すグラフである。セルスタック５の発電を通常停止した場合、発電停止後も、原燃料ガス供給路７に設けられる開閉弁１４の開放状態が維持されることで原燃料ガスの供給が継続され、金属筐体１８の内部へのカソード空気の供給も継続され、水供給路２０に設けられる開閉弁２１の開放状態が維持されることで水の供給が継続される。このように、発電停止後も原燃料ガス、カソード空気、改質用の水の送給を継続することで、固体酸化物形燃料電池の温度低下が促進される。図２（ｂ）に示した例では、発電停止から１００分経過時点で、原燃料ガスと改質用の水の送給を停止させている。
【００４９】
図１と同様、停止工程直後に、気化器３や、脱硫器２では温度の上昇が顕著に起こり、その後、急速に低下し始める。折返部Ｋが１００℃以下となるのは、発電停止から約２７０分が経過時であり、このとき気化器３と脱硫器２とは１００℃を上回っている。従って、発電停止から約２７０分が経過した以降のタイミングで気化器３に水を供給するとよい。
【００５０】
次に、折返部Ｋに滞留している水を排除する方法について説明する。
上述したような手法により、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において原燃料ガス供給路７内の折返部Ｋに水が滞留した場合、次にセルスタック５での発電を再開するためには、その滞留水を排除する必要がある。そこで、制御装置Ｃは、開閉弁１４を開弁させ、ガスポンプ１７を動作させることで、脱硫器２よりも下流側の原燃料ガス供給路７に原燃料ガスによるガス圧を加える工程を行う。その結果、脱硫器２よりも下流側の折返部Ｋに滞留している水を、そのガス圧によって更に下流側の気化器３へと圧送することができる。
【００５１】
次に、ガス遮断機構Ｓとして機能する折返部Ｋの具体例について説明する。
図３は、ガス遮断機構Ｓとして機能する折返部Ｋの例を示す図である。
【００５２】
図３（ａ）は、原燃料ガス供給路７を、下に凸の形状のＵ字管構造として折返部Ｋを構成した場合の例である。この例は、図１に示した原燃料ガス供給路７の折返部Ｋの形状に対応する。
【００５３】
図３（ｂ）は、折返部Ｋが、原燃料ガス供給路７の一部を構成する密閉式容器２３と、原燃料ガス供給路７の一部を構成して密閉式容器２３に対して脱硫器２側から挿入される第１配管部７ａと、原燃料ガス供給路７の一部を構成して密閉式容器２３に対して気化器３側から挿入される第２配管部７ｂとを有する場合の例である。この例では、密閉式容器２３の天面に接する仕切板２４が、密閉式容器２３の底面に開口部分を設けた状態で密閉式容器２３の内部に装着されている。図３（ｂ）において破線で示すのは仮想の原燃料ガス供給路７であり、図示するように原燃料ガス供給路７は下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成されている。
【００５４】
図３（ｃ）は、折返部Ｋが、原燃料ガス供給路７の一部を構成する密閉式容器２３と、原燃料ガス供給路７の一部を構成して密閉式容器２３に対して脱硫器２側から挿入される第１配管部７ａと、原燃料ガス供給路７の一部を構成して密閉式容器２３に対して気化器３側から挿入される第２配管部７ｂとを有し、密閉式容器２３の内部での第２配管部７ｂの第２開口位置２６は、密閉式容器２３の内部での第１配管部７ａの第１開口位置２５よりも下方位置にあるように構成されている。図３（ｃ）においても、破線で示すのは仮想の原燃料ガス供給路７であり、図示するように原燃料ガス供給路７は下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成されている。そして、折返部Ｋに水が滞留した状態で、脱硫器２側から挿入される第１配管部７ａの先端に位置して開口する第１開口位置２５が気相側に、気化器３側から挿入される第２配管部７ｂの先端に位置して開口する第２開口位置２６が液相側に位置される。
折返部Ｋをこのような構成にすることで、密閉式容器２３に対して脱硫器２側から挿入される第１配管部７ａの第１開口位置２５を水に触れさせることなく、密閉式容器２３に対して気化器３側から挿入される第２配管部７ｂの第２開口位置２６のみが水に浸かった状態を作り出すことができる。その結果、密閉式容器２３の内部では、滞留水の液位より上部において空間が比較的大きく取れるので、水が第１配管部７ａを介して脱硫器２側に流入しないことを確保しながら、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７でのガスの流通を滞留水によって遮断できる。
【００５５】
図３（ｄ）は、折返部Ｋが、原燃料ガス供給路７の一部を構成する密閉式容器２３と、原燃料ガス供給路７の一部を構成して密閉式容器２３に対して脱硫器２側から挿入される第１配管部７ａと、原燃料ガス供給路７の一部を構成して密閉式容器２３に対して気化器３側から挿入される第２配管部７ｂとを有し、密閉式容器２３の内部での第２配管部７ｂの第２開口位置２６は、密閉式容器２３の内部での第１配管部７ａの第１開口位置２５よりも下方位置にあるように構成されている。図３（ｄ）においても、破線で示すのは仮想の原燃料ガス供給路７であり、図示するように原燃料ガス供給路７は下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成されている。更に、第２開口位置２６での密閉式容器２３の横断面積が、第１開口位置２５での密閉式容器２３の横断面積よりも小さいくなるように、密閉式容器２３は下方に向かって先細形状になっている。
折返部Ｋをこのような構成にすることで、密閉式容器２３の内部に存在する滞留水が少なくても、密閉式容器２３内での滞留水の水位は相対的に高くなるため、密閉式容器２３に対して気化器３側から挿入される第２配管部７ｂの第２開口位置２６は相対的に深い水深に位置することとなる。その結果、密閉式容器２３に対して気化器３側から挿入され、滞留水にその一部が水没している第２配管部７ｂ内での水頭（例えば、滞留水の水面から滞留水に水没している第２開口位置２６までの長さに相当）は長くなるので、気化器３側のガス（酸素など）が脱硫器２側に流入し難くなる。
【００５６】
以上のように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は折返部Ｋを備え、その折返部Ｋは、原燃料ガス供給路７の途中が下に凸の形状になるように折り返されて水が貯まるように構成されている。つまり、原燃料ガス供給路７の途中に、上述のような構造上の特徴を有する折返部Ｋを設けたことで、折返部Ｋで水（例えば凝縮水）が発生された場合、その水は重力によって集められて折返部Ｋで滞留することになる。そして、折返部Ｋで滞留した水が原燃料ガス供給路７を閉塞させる量になると、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７でのガスの流通が遮断されるので、セルスタック５の開放端などを通して原燃料ガス供給路７に酸素が侵入したとしても、その酸素は、脱硫器２と気化器３との間で遮断され、脱硫器２にまで至らない。その結果、脱硫器２に収容されている脱硫触媒が酸化することは防止される。また、折返部Ｋが有する構造上の特徴によって、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７が滞留水によって閉塞された状態を作り出すことができるので、従来技術のように電磁弁などの特別な装置は不要となり、そのような特別な装置を保護するために原燃料ガスを冷却するといった対策も不要となる。
【００５７】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池は、ガス遮断機構Ｓとして機能する折返部Ｋへの水の供給形態が上記第１実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５８】
図４は、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図示するように、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池は、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７に水を補給可能な水補給路２７を備える。そして、セルスタック５での発電が停止された後の冷停止状態において、水補給路２７から原燃料ガス供給路７に供給される水が、折返部Ｋで原燃料ガス供給路７内に滞留する滞留水の少なくとも一部となるように構成されている。具体的には、水供給路２０の途中の分岐部３０には、気化器３を介さずに脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７に水を補給可能な水補給路２７が接続されている。この分岐部３０は、水ポンプ２２よりも下流側の水供給路２０の途中に位置する。水補給路２７は、原燃料ガス供給路７の途中の、折返部Ｋの近傍の合流部３１に接続される。この場合、制御装置Ｃが、開閉弁２１を開放状態に動作させ、分岐部３０と気化器３との間の水供給路２０に設けられている開閉弁２８を閉止状態に動作させ、水補給路２７の途中に設けられている開閉弁２９を開放状態に動作させ、水ポンプ２２を動作させることで、気化器３には水を供給しない状態で、折返部Ｋに対して水補給路２７を介した水補給を行うことができる。
【００５９】
本実施形態の場合も、図２に例示したような折返部Ｋの温度が１００℃未満となっているタイミングで折返部Ｋに水補給を行えば、水の気化が殆ど発生しない点で好ましい。つまり、本実施形態の場合、気化器３を介さずに折返部Ｋに水を補給できるため、気化器３の温度を考慮しなくてもよい。
【００６０】
以上のように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の停止保管方法では、制御装置Ｃは、折返部Ｋの温度を温度センサＴ３で検出し、セルスタック５での発電が停止された後、折返部Ｋの温度が水の沸点未満であるときに、水補給路２７から原燃料ガス供給路７に水を供給して折返部Ｋに水を貯める工程を行う。このような工程が行われると、折返部Ｋに補給した水によってその折返部Ｋを直接閉塞させることができる。つまり、本実施形態では、上記実施形態で説明したような気化器３での水の気化工程を経ることなく、気化器３の温度とは無関係に（即ち、気化器３の温度が水を気化させるのに不十分であったとしても）、水補給路２７から原燃料ガス供給路７に供給する水を、折返部Ｋで原燃料ガス供給路７内に滞留する滞留水の少なくとも一部とすることができる。その結果、それ以後は、脱硫器２の方へは、空気や水が侵入しなくなる。
【００６１】
＜第３実施形態＞
第３実施形態の固体酸化物形燃料電池は、折返部Ｋと脱硫器２との位置関係に特徴がある。以下に、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６２】
図５は、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図示するように、折返部Ｋは、脱硫器２の最下面よりも下方に設けられている。ここで、脱硫器２の最下面と比較の対象とする「折返部Ｋ」とは、滞留水の最高水位の位置である。
このような構成を採用することで、脱硫器２での位置エネルギーは、折返部Ｋでの位置エネルギーよりも大きくなる。そのため、折返部Ｋから脱硫器２側へ物体は移動し難くなる。その結果、脱硫器２が冷却されて脱硫器２での圧力が相対的に低くなる負圧状態になったとしても、折返部Ｋから滞留水が脱硫器２側へと流入することを抑制できる。
【００６３】
＜第４実施形態＞
第４実施形態の固体酸化物形燃料電池は、折返部Ｋに滞留水排出路３２が接続されている点で上記実施形態と異なっている。以下に第４実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６４】
図６は、第４実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図示するように、折返部Ｋには滞留水排出路３２が接続され、その滞留水排出路３２の途中には流路の開放・閉止を切り替える開閉弁３３が設けられている。開閉弁３３の動作は、制御装置Ｃによって制御される。
【００６５】
上記実施形態では、制御装置Ｃは、固体酸化物形燃料電池を起動するタイミングになると、脱硫器２よりも下流側の折返部Ｋに滞留している水をガス圧によって更に下流側の気化器３へと圧送することで、折返部Ｋから滞留水を排除する例について説明した。
これに対して、本実施形態では、制御装置Ｃは、固体酸化物形燃料電池を起動するタイミングになると、滞留水排出路３２に設けられている開閉弁３３を開放作動させる。その結果、折返部Ｋに水が滞留していても、開閉弁３３が開放作動されている間に滞留水排出路３２を介して排水され、原燃料ガス供給路７での原燃料ガスの流通が可能となる。このとき、制御装置Ｃは、滞留水を排水させるのに十分な期間だけ開閉弁３３を開放作動させた後で開閉弁３３を閉止作動させればよい。
【００６６】
＜第５実施形態＞
第５実施形態の固体酸化物形燃料電池は、折返部Ｋの滞留水を加熱可能な加熱手段３４が設けられている点で上記実施形態と異なっている。以下に第５実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６７】
図７は、第５実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図示するように、固体酸化物形燃料電池は、折返部Ｋの滞留水を加熱可能な加熱手段３４を備える。加熱手段３４としては、例えば、通電によりジュール熱を発生する電気式のヒーター等を用いることができる。加熱手段３４の動作は、制御装置Ｃによって制御される。
【００６８】
制御装置Ｃは、固体酸化物形燃料電池を起動するタイミングになると、加熱手段３４を加熱作動させる。その結果、折返部Ｋに水が滞留していても、加熱手段３４から伝わる熱によってその滞留水が気化する。このとき、制御装置Ｃは、脱硫器２から折返部Ｋへと原燃料ガスを流しておいてもよい。そうすることで、加熱手段３４によって気化された水蒸気が脱硫器２の方へは流れてこないようにできる。このとき、制御装置Ｃは、滞留水を気化させるのに十分な期間だけ加熱手段３４を加熱作動させた後で加熱手段３４の加熱作動を停止させればよい。
【００６９】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、図４には、水供給路２０の分岐部３０よりも下流側に開閉弁２８を設け、水補給路２７の途中にも開閉弁２９を設ける構成を例示したが、これら開閉弁２８、２９を設けた構成とは別の装置構成を採用してもよい。例えば、開閉弁２８、２９を設けず、分岐部３０に三方弁を設けることで、気化器３には水を供給しない状態で、折返部Ｋに対して水補給路２７を介した水補給を行う構成を採用してもよい。
【００７０】
＜２＞
上記第２実施形態では、折返部Ｋへの水供給を、気化器３を介さず、水補給路２７のみから行う例を説明したが、気化器３を介した折返部Ｋへの水供給と、水補給路２７を介した折返部Ｋへの水供給とを併せて行ってもよい。例えば、図４に示した固体酸化物形燃料電池において、制御装置Ｃが、セルスタック５での発電が停止された後、気化器３の温度及び脱硫器２の温度が水の沸点以上であり、且つ、折返部Ｋの温度が水の沸点未満であるときに、気化器３に対して水供給路２０を通して水を供給する工程と、及び、セルスタック５での発電が停止された後、折返部Ｋの温度が水の沸点未満であるときに、水補給路２７から原燃料ガス供給路７に水を供給して折返部Ｋに水を貯める工程とを共に行ってもよい。
【００７１】
＜３＞
上記実施形態では、折返部Ｋに滞留している水を排除する方法として、第１実施形態で説明したようなガス圧によって更に下流側の気化器３へと圧送する方法、第４実施形態で説明したような滞留水排出路３２を介して排水する方法、第５実施形態で説明したような加熱手段３４によって気化させる方法を各別に説明したが、これらの方法の併用して折返部Ｋに滞留している水を排除してもよい。
【００７２】
＜４＞
上記実施形態では、折返部Ｋにおいて、脱硫器２と気化器３との間の原燃料ガス供給路７の途中が下に凸の形状になるように折り返される回数が１回の場合（即ち、凸部が１個）を例示したが、折返し回数が複数（凸部が複数）であるように折返部Ｋを形成してもよい。つまり、原燃料ガス供給路７の形状が波形（即ち、谷部分と山部分とが繰り返されて波形となる形状）となるように折返部Ｋを形成してもよい。
【００７３】
＜５＞
上記実施形態では、脱硫器２が、銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを用いた超高次脱硫剤を有する場合の例を説明したが、他の脱硫剤を有する脱硫器を本発明に係る固体酸化物形燃料電池で用いることもできる。例えば、硫黄化合物を触媒（Ｎｉ−Ｍｏ系、Ｃｏ−Ｍｎ系）上で水素と反応させて硫化水素に変換し（２５０℃〜４００℃）、その硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する（３５０℃〜４００℃）ような、いわゆる水添脱硫方式を採用する脱硫器も、本発明に係る固体酸化物形燃料電池で用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、低コスト且つ低エネルギーロスを確保した状態で、固体酸化物形燃料電池の発電が停止された後の保管時に脱硫器の性能を維持しておくことができる固体酸化物形燃料電池及びその停止保管方法に利用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１  改質器
２  脱硫器
３  気化器
４  燃料電池セル
５  セルスタック
７  原燃料ガス供給路
７ａ  第１配管部
７ｂ  第２配管部
２０  水供給路
２３  密閉式容器
２５  第１開口位置
２６  第２開口位置
２７  水補給路
Ｋ  折返部
Ｓ  ガス遮断機構
【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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