(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】燃料極１１１からの燃料排気ガスを反応器１３を介して燃料極１１１に供給する。これにより、燃料極１１１が燃料排気ガスと反応器１３で生成された水素によって還元雰囲気に保持される。【選択図】  図１
2015022801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、外部から供給される燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料流路と、前記燃料極からの排気ガスが供給される排気ガス流路とを備え、燃料ガスが前記燃料極に供給されるとともに、酸化剤ガスが前記空気極に供給されることにより電気化学反応によって発電する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
外部から前記燃料ガスの供給が停止されると、前記排気ガス流路と前記燃料流路とを接続して、前記排気ガス流路から供給される前記燃料極からの前記排気ガスを前記燃料流路から当該燃料極に供給する循環流路を形成する接続流路と、
前記循環流路上に設けられ、水蒸気と反応して水素を発生する物質を充填した反応器と
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】
前記接続流路に設けられ、前記接続流路内の気体を前記燃料流路に向かって吐出するファン
をさらに備え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】
前記ファンは、外部から前記燃料ガスの供給が停止されると、前記単セルにより発電された電力により駆動する
ことを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記接続流路は冷却フィンを備える
ことを特徴とする請求項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。
【請求項５】
前記単セルによる発電が停止すると、前記ファンに電力を供給する蓄電池をさらに備える
ことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
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を備え、燃料ガスが燃料極に供給されるとともに、酸化剤ガスが空気極に供給されることにより電気化学反応によって発電する固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、
外部から前記燃料ガスの供給が停止されると、前記燃料極からの排気ガスを、水蒸気と反応して水素を発生する物質を充填した反応器を介して、当該燃料極に供給する
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を備えた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、燃料極と空気極に燃料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固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells）が知られている。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とジルコニアのサーメット、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。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燃料供給を停止すると、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Niが酸化され、燃料極の体積が膨張してしまう（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性のガス（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、燃料、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不活性パージガスボンベ（N2、Arガスなど）から不活性ガスを供給したり、上記還元性のガスを燃料極側に供給したりした上で、単セルを常温まで降温させている。
【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】D. Waldbilling et al.、Thermal analysis of the cycle reduction and oxidation behaviour of SOFC anodes、Solid State Ionics 176 (2005) 847-859
【非特許文献２】林昭二、木下潤一、可児裕章、異種酸化物を被覆した酸化鉄の還元酸化サイクル反応による水素製造、鉄と鋼  Tetsu-to Hagane、Vol.96 (2010) No.8 p.511-516
【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、発電の停止時にも燃料を消費したり、不活性パージガスを供給する機構を設けたり、系統電力、燃料、水等の供給が停止しても還元性ガスを供給する機構を設けたりしなければならないので、コストがかかっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、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、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、外部から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料流路と、燃料極からの排気ガスが供給される排気ガス流路とを備え、燃料ガスが燃料極に供給されるとともに、酸化剤ガスが空気極に供給されることにより電気化学反応によって発電する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、外部から燃料ガスの供給が停止されると、排気ガス流路と燃料流路とを接続して、排気ガス流路から供給される燃料極からの排気ガスを燃料流路から当該燃料極に供給する循環流路を形成する接続流路と、循環流路上に設けられ、水蒸気と反応して水素を発生する物質を充填した反応器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、接続流路内の気体を燃料流路に向かって吐出するファンをさらに備え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、ファンは、外部から燃料ガスの供給が停止されると、単セルにより発電された電力により駆動す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、接続流路は冷却フィンを備えるようにしてもよい。
【００１３】
また、上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、単セルによる発電が停止すると、ファンに電力を供給する蓄電池をさらに備えるようにしてもよい。
【００１４】
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、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を備え、燃料ガスが燃料極に供給されるとともに、酸化剤ガスが空気極に供給されることにより電気化学反応によって発電する固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、外部から燃料ガスの供給が停止されると、燃料極からの排気ガスを、水蒸気と反応して水素を発生する物質を充填した反応器を介して、当該燃料極に供給することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、外部から燃料ガスの供給が停止されると、排気ガス流路と燃料流路とを接続して、排気ガス流路から供給される燃料極からの排気ガスを、水蒸気と反応して水素を発生する物質を充填した反応器を介して、第１の燃料流路から燃料極に供給する循環流路を形成することにより、その排気ガスと反応器で生成される水素によって燃料極が還元雰囲気に保持されるので、例えば、発電の停止後に燃料極に燃料ガスを供給し続けたり、燃料極にパージガスを供給するための機構を設けたりしなくてよいため、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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図である。
【図３】図３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における通常停止時の動作を示すフローチャートである。
【図４】図４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における緊急停止時の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】
【００１７】
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。
【００１８】
＜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、第１の接続流路Ｌ１を介してセルスタック１１のアノードから排出される排気ガス（以下、「燃料排気ガス」と言う。）を吐出するファン４と、これら各構成要素の動作を制御する制御装置５と、ファン４および制御装置５に電力を供給する蓄電池６とを備えている。
【００１９】
≪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、反応器１３と、空気予熱器１４と、触媒燃焼器１５と、これらを覆う断熱材（図示せず）とを備えている。
【００２０】
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７が接続されている。  
【００２１】
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等）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。
【００２２】
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、第１の燃料流路Ｌ２を介して燃料供給装置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１５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、入力端が接続された第２の燃料流路Ｌ３から反応器１３および第３の燃料流路Ｌ４を介してセルスタック１１の燃料極１１１に供給される。
なお、第２の燃料流路Ｌ３には、駆動力が入力されていないときには閉状態（Normal Close：Ｎ．Ｃ．）（以下、「ＮＣ」と言う。）となっている第１のＮＣバルブＶ１が設けられている。本実施の形態において、第１のＮＣバルブＶ１は、制御装置５からの制御信号などに基づいて電力や圧縮空気などの駆動力が入力されていないときには閉状態、駆動力が入力されているときには開状態となる。
また、第２の燃料流路Ｌ３には、第１のＮＣバルブＶ１と反応器１３との間に第１の接続流路Ｌ１の出力端が接続されている。
【００２３】
反応器１３は、水蒸気と反応して水素を発生する物質を容器内に充填した反応装置であり、第２の燃料流路Ｌ３の出力端と第３の燃料流路Ｌ４の入力端が接続されている。
このような反応器１３は、固体酸化物形燃料電池システムの停止時には、第１の接続流路Ｌ１から第２の燃料流路Ｌ３を介して供給される燃料排気ガスに含まれる高温の水蒸気と容器内の物質とが反応して水素を発生させ、この水素を第３の燃料流路Ｌ４を介してセルスタック１１の燃料極１１１に供給する。一方、固体酸化物形燃料電池システムの通常運転時には、第２の燃料流路Ｌ３を介して供給される燃料ガスを通過させて、燃料流路Ｌ４を介してセルスタック１１の燃料極１１１に供給するとともに、その燃料ガスの通過時に水素を発生させた容器内の物質をその燃料と反応させて還元する。
本実施の形態においては、反応器１３に充填する物質としてＦｅを用いた（非特許文献２参照。）。このＦｅは、高温で水蒸気と反応してＦｅ3Ｏ4になって水素を発生させる。Ｆｅ3Ｏ4は、水素により還元されてＦｅとなる。
【００２４】
空気予熱器１４は、第１の空気流路Ｌ５を介して空気供給装置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第２の空気流路Ｌ６を介してセルスタック１１の空気極１１３に供給する装置である。この空気予熱器１４は、燃焼ガス流路Ｌ７を介して触媒燃焼器１５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１４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。
【００２５】
触媒燃焼器１５は、燃料排気ガス流路Ｌ８を介してセルスタック１１の燃料極１１１から排出される燃料排気ガスと、酸化剤排気ガス流路Ｌ９を介してセルスタック１１の空気極１１３から排出される排気ガス（以下、「酸化剤排気ガス」と言う。）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、燃焼ガス流路Ｌ７を介して空気予熱器１４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。
なお、燃料排気ガス流路Ｌ８には、駆動力が入力されていないときには閉状態となっている第２のＮＣバルブＶ２が設けられている。この第２のＮＣバルブＶ２は、第１のＮＣバルブＶ１と同様、駆動力が入力されているときには開状態、駆動力が入力されていないときには閉状態となる。
【００２６】
≪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第１の燃料流路Ｌ２を介して改質器１２に供給する。
【００２７】
≪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第１の空気流路Ｌ５を介して空気予熱器１４に供給する。
【００２８】
≪ファンの構成≫
ファン４は、公知の送風装置からなり、固体酸化物型燃料電池システムの停止時に第１のスイッチＳ１を介して接続される系統電力９、第２のスイッチＳ２を介して接続される蓄電池６、または、第３のスイッチＳ３を介して接続される外部回路７から供給される電力により駆動する。
このようなファン４は、第１の接続流路Ｌ１と、燃料排気ガス流路Ｌ８の入力端と第２のＮＣバルブＶ２との間に入力端が接続された第２の接続流路Ｌ１０との間に設けられている。ファン４が駆動すると、第２の接続流路Ｌ１０内の気体を第１の接続流路Ｌ１に向かって吐出する。これにより、セルスタック１１の燃料極１１１から排出される燃料排気ガスは、第１の接続流路Ｌ１および第２の燃料流路Ｌ３を介して反応器１３に向かって供給される。
【００２９】
なお、第２の接続流路Ｌ１０には、駆動力が入力されていないときには開状態（Normal Open：Ｎ．Ｏ．）（以下、「ＮＯ」と言う。）となる第１のＮＯバルブＶ３が設けられている。この第１のＮＯバルブＶ３は、駆動力が入力されているときには閉状態、駆動力が入力されていないときには開状態となる。
同様に、第１の接続流路Ｌ１にも、駆動力が入力されていないときには開状態となる第２のＮＯバルブＶ４が設けられている。
また、第１の接続流路Ｌ１および第２の接続流路Ｌ１０には、冷却フィン８が設けられている。具体的には、第１の接続流路Ｌ１および第２の接続流路Ｌ１０はパイプから構成され、このパイプの外周面に板状の冷却フィン８が立設されている。
【００３０】
≪制御装置の構成≫
制御装置５は、公知のコントローラから構成され、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、スイッチＳ４を介して系統電力９に、スイッチＳ５を介して蓄電池６に、スイッチＳ６を介して外部回路７にそれぞれ接続されている。
【００３１】
≪蓄電池の構成≫
蓄電池６は、公知の二次電池から構成されている。
【００３２】
＜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。
＜通常運転動作＞
発電を行う通常運転時において、制御装置５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，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２を開状態、第３，第４のＮＯバルブＶ３，Ｖ４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、反応器１３を経てセルスタック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１４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７により電力が取り出されることとなる。
【００３３】
このとき、触媒燃焼器１５は、セルスタック１１中の燃料極１１１から燃料排気ガスが、空気極１１３から酸化剤排気ガスが供給され、これらの混合ガスを燃焼する。この燃焼により生成された熱は、改質器１２に伝導され、原燃料の改質反応に用いられる。また、その燃焼により生成された燃焼ガスは、空気予熱器１４に供給され、空気供給装置３から供給された空気との間で熱交換される。このように未使用の燃料の一部を熱エネルギーに変換して使用することでシステム全体の効率の向上を実現している。
【００３４】
なお、制御装置５は、スイッチＳ５およびスイッチＳ６をオン状態として外部回路７と蓄電池６とを接続し、セルスタック１１が発電した電力を蓄電池６に充電するようにしてもよい。
【００３５】
＜停止動作＞
次に、図３を参照して、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。
【００３６】
オペレータによる指示等により、固体酸化物型燃料電池システムによる発電動作を停止させる場合、制御装置５は、外部からの原燃料や空気の供給を停止させるために燃料供給装置２および空供給装置３の駆動を停止させるとともに、第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２および第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４に制御信号を送信し、第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２を閉状態、第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４を開状態とする（ステップＳ３１）。
【００３７】
すると、セルスタック１１中の燃料極１１１は、燃料排気ガス流路Ｌ８、第２の接続流路Ｌ１０、ファン４、第１の接続流路Ｌ１、第２の燃料流路Ｌ３、反応器１３および第３の燃料流路Ｌ４とともに閉じた系（循環流路）を構成することとなる。これにより、その循環流路内には、通常運転時に排出された燃料排気ガス中の水蒸気、水素、原燃料から改質された水素等の還元性ガスが存在するので還元雰囲気が保持されるため、燃料極１１１の周囲も還元雰囲気が保持される。
このとき、燃料排気ガスには高温の水蒸気も含まれているので、この水蒸気と反応器１３に充填されたＦｅとが反応して水素とＦｅ3Ｏ4を生成する。循環流路内の燃料排ガス中の還元性ガス濃度が高い間は反応の平衡が、Ｆｅが生成する方向に移動するために水蒸気からの水素発生はあまり起こらないが、発電による水素の消費や外部から侵入した酸素との反応により還元性ガスの濃度が低下すると、反応の平衡が水素とＦｅ3Ｏ4を生成する方向に移動し、水蒸気から水素が生成されるようになる。これにより、循環流路内の水素濃度の減少が抑制されるため、燃料極１１１の周囲をより長時間還元雰囲気に保つことが可能となる。
したがって、燃料極１１１中のNiが酸化されて膨張することを防ぐことができ、結果として、単セル１１０の破損を防ぐことができる。
【００３８】
ここで、第２のＮＣバルブＶ２は、燃料排気ガス流路Ｌ８内の圧力が所定の値を超えると開状態となるようにしてもよい。これにより、循環流路内の圧力が高まった場合には、触媒燃焼器１５により循環流路内の水素が燃焼させられるので、循環流路内の圧力を所定の値以下に維持することができる。
【００３９】
第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２および第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４を駆動させると、制御装置５は、第３のスイッチＳ３および第６のスイッチＳ６をオン状態とする（ステップＳ３２）。これにより、外部回路７とファン４および制御装置５が接続される。
【００４０】
上述したように、循環流路内には水素を含む燃料排気ガスが存在する。また、反応器１３は、燃料排気ガス中の高温の水蒸気と内部に充填したＦｅとが反応して水素とＦｅ3Ｏ4を生成する。さらに、固体酸化物型燃料電池システムによる発電動作を停止するために燃料供給装置２および空供給装置３の駆動を停止しても、しばらくはセルスタック１１が高温である。このようにセルスタック１１は、燃料極１１１に水素が供給されるとともに高温であるので、結果として発電を行うこととなる。
【００４１】
セルスタック１１により発電された電力は、ファン４および制御装置５に供給され、ファン４および制御装置５を駆動する。
【００４２】
ファン４が駆動すると、循環流路内の燃料排気ガスがその循環流路内を循環する。このとき、循環流路内の燃料排気ガスは、第１の接続流路Ｌ１および第２の接続流路Ｌ１０に設けられた冷却フィン８を通過する際に冷却されるので、セルスタック１１の温度も速やかに下げられる。燃料極中のNiの酸化速度は温度が低くなるほど抑えられるので、燃料極１１１中のNiが酸化して膨張することを防ぐことができ、単セル１１０の破損をより確実に防止することができる。
【００４３】
セルスタック１１の温度が所定の温度以下となると（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、制御装置５は、スイッチＳ１，Ｓ４をオン状態とする（ステップＳ３４）。
例えば、５００℃など、セルスタック１１の温度が発電できない温度以下になると、制御装置５は、スイッチＳ１，Ｓ４をオン状態とし、系統電力９とファン４および制御装置５とを接続する。これにより、ファン４および制御装置５には系統電力９から電力が供給されるので、制御装置５は、セルスタック１１が常温になるまで、ファン４を駆動させてセルスタック１１を冷却する。
【００４４】
なお、例えば、循環流路内の容積が小さい場合、循環流路内の燃料排気ガスの量も少なくなるので、セルスタック１１の温度が５００℃以下になる前に水素を消費して発電が終了することがある。このような場合には、セルスタック１１の単セルの平均電圧が０．６Ｖ以下になると、スイッチＳ１，Ｓ４をオン状態として系統電力９とファン４および制御装置５とを接続するようにしてもよい。
【００４５】
＜緊急停止動作＞
次に、図４を参照して、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緊急停止動作について説明する。
【００４６】
例えば、系統電力、燃料、水などの供給が停止することにより固体酸化物型燃料電池システムを緊急停止せざるを得ない場合、制御装置５は、外部からの原燃料や空気の供給を停止させるために燃料供給装置２および空供給装置３の駆動を停止させるとともに、第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２および第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４に制御信号を送信し、第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２を閉状態、第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４を開状態とする（ステップＳ４１）。なお、第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２および第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４への電力や圧縮空気などの駆動力の供給が停止した場合には、自動的に第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２が閉状態、第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４が開状態となる。
【００４７】
このように、第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２が閉状態、第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４が開状態となると、セルスタック１１中の燃料極１１１は、燃料排気ガス流路Ｌ８、第２の接続流路Ｌ１０、ファン４、第１の接続流路Ｌ１、第２の燃料流路Ｌ３、反応器１３および第３の燃料流路Ｌ４とともに上述した循環流路を構成することとなる。これにより、その循環流路内には、通常運転時に排出された燃料排気ガス中の水蒸気、水素、原燃料から改質された水素等の還元性ガスが存在するので還元雰囲気が保持されるので、燃料極１１１の周囲も還元雰囲気が保持される。
このとき、燃料排気ガスには高温の水蒸気も含まれているので、この水蒸気と反応器１３に充填されたＦｅとが反応して水素とＦｅ3Ｏ4を生成する。循環流路内の燃料排ガス中の還元性ガス濃度が高い間は反応の平衡が、Ｆｅが生成する方向に移動するために水蒸気からの水素発生はあまり起こらないが、発電による水素の消費や外部から侵入した酸素との反応により還元性ガスの濃度が低下すると、反応の平衡が水素とＦｅ3Ｏ4を生成する方向に移動し、水蒸気から水素が生成されるようになる。これにより、循環流路内の水素濃度の減少が抑制されるため、燃料極１１１の周囲をより長時間還元雰囲気に保つことが可能となる。
したがって、燃料極１１１中のNiが酸化されて膨張することを防ぐことができ、結果として、単セル１１０の破損を防ぐことができる。
【００４８】
ここで、第２のＮＣバルブＶ２は、燃料排気ガス流路Ｌ８内の圧力が所定の値を超えると開状態となるようにしてもよい。これにより、循環流路内の圧力が高まった場合には、触媒燃焼器１５により循環流路内の水素が燃焼させられるので、循環流路内の圧力を所定の値以下に維持することができる。
【００４９】
第１，第２のＮＣバルブＶ１，Ｖ２および第１，第２のＮＯバルブＶ３，Ｖ４を駆動させると、制御装置５は、第３のスイッチＳ３および第６のスイッチＳ６をオン状態とする（ステップＳ４２）。これにより、外部回路７とファン４および制御装置５が接続される。なお、第３のスイッチＳ３および第６のスイッチＳ６は、系統電力、燃料、水などの供給が停止されると、自動的にオン状態となるようにしてもよい。
【００５０】
停止動作においても説明したように、循環流路内には水素および高温の水蒸気を含む燃料排気ガスが存在し、その水蒸気と反応器１３に充填されたＦｅとが反応して水素とＦｅ3Ｏ4を生成するとともに、セルスタック１１が高温なので、セルスタック１１は発電を行う。セルスタック１１により発電された電力は、ファン４および制御装置５に供給されてファン４および制御装置５を駆動させる。ファン４が駆動すると、循環流路内を循環する燃料排気ガスは、第１の接続流路Ｌ１および第２の接続流路Ｌ１０に設けられた冷却フィン８を通過する際に冷却されるので、セルスタック１１の温度も速やかに下げる。燃料極１１１中のNiの酸化速度は温度が低くなるほど抑えられるので、燃料極１１１中のNiが酸化して膨張することを防ぐことができ、単セル１１０の破損をより確実に防止することができる。
【００５１】
セルスタック１１の温度が所定の温度以下となると（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、制御装置５は、スイッチＳ２，Ｓ５をオン状態とする（ステップＳ４４）。すると、蓄電池６からファン４および制御装置５に電力が供給される。これにより、セルスタック１１による発電が終了しても、ファン４および制御装置５には蓄電池６から電力が供給されるので、ファン４を駆動させることによるセルスタック１１の冷却を継続することができる。したがって、制御装置５は、セルスタック１１が常温になるまで、ファン４を駆動させる。
【００５２】
なお、スイッチＳ２，Ｓ５は、制御装置５からの制御信号が入力されないと自動的にオン状態とする構成を採るようにしてもよい。これにより、制御装置５への電力供給が遮断された場合でもあっても、自動的にスイッチＳ２，Ｓ５がオン状態となるので、ファン４および制御装置５への蓄電池６からの電力供給が自動的に行われるので、結果として、単セル１１０の破損をより確実に防止することができる。
【００５３】
また、例えば、循環流路内の容積が小さい場合、循環流路内の燃料排気ガスの量も少なくなるので、セルスタック１１の温度が５００℃以下になる前に水素を消費して発電が終了することがある。このような場合には、セルスタック１１の単セルの平均電圧が０．６Ｖ以下になると、スイッチＳ２，Ｓ５をオン状態として蓄電池６とファン４および制御装置５とを接続するようにしてもよい。
【００５４】
このように、系統電力、燃料、水供給などが停止することにより緊急停止させる場合であっても、セルスタック１１内の燃料極１１１が還元雰囲気に保持される。したがって、燃料極１１１中のNiが酸化して膨張することを防ぐことができるので、結果として、単セル１１０の破損を防ぐことができる。これにより、単セル１１０の長寿命化も実現することもできる。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料極１１１からの燃料排気ガスを反応器１３を介して燃料極１１１に供給することにより、燃料極１１１が燃料排気ガスと反応器１３で生成された水素によって還元雰囲気に保持されるので、発電の停止後に燃料極１１１に燃料ガスを供給し続けたり、燃料極１１１にパージガスを供給するための機構を設けたりしなくてよいので、低コスト化を実現することができる。
【００５６】
また、循環流路内の燃料排気ガスに含まれる水蒸気によって水素を発生する物質を反応器１３に充填することにより、還元性のガスを供給し続ける構成と比べて、セルスタック１１の燃料にかかる費用を削減することができる。これは、上述した停止動作や緊急停止動作を行った後、再び燃料電池システムを駆動させると、反応器１３内部のＦｅ3Ｏ4は、燃料ガス中に含まれる還元性ガスによって還元されてＦｅに戻るので、繰り返し水素を発生されることができるからである。
【００５７】
また、反応器１３で発生した水素によってセルスタック１１で発電させることにより、停止動作に使用する系統電力の電力量や緊急停止動作に使用する蓄電池６の容量を減らすことができるので、低コスト化を実現できる。
【００５８】
また、従来のように、システム内にパージガスを供給するためのボンベを備える必要がないので、システムの小型化や簡素化も実現することができる。
また、燃料極１１１からの排気ガス中に残存する燃料ガスを用いて燃料極１１１を保護するので、従来のように還元性のガスを供給し続ける場合と比較して、燃料ガスに要する費用を削減することができる。
また、循環流路内に残存している燃料排気ガスが第１の接続流路Ｌ１および第２の接続流路Ｌ１０に設けられた冷却フィン８を通過してその循環流路を循環することにより、セルスタック１１の熱を外部に逃がすことできるので、自然放熱と比較して、降温速度を向上させることができる。このとき、温度が低くなるほど燃料極中のNiの酸化速度が低下し、燃料極の体積膨張が抑えられるので、降温速度を向上させることにより、単セルの破損をより効果的に防止することができる。
【００５９】
また、蓄電池６は、セルスタック１１の温度が２５０℃以下になるまでファン４を稼動させ続けられるだけの容量を備えることが望ましい。例えば、セルスタック１１の温度が５００℃付近から２５０℃以下になるまでの時間はおよそ８時間であるから、蓄電池６としては、８時間以上ファン４を駆動させる容量を有することが望ましい。
また、蓄電池６への充電は、セルスタック１１にかかる負荷が少ないときに行うことが望ましい。これにより、セルスタック１１への負荷変動を平滑化し、セルスタック１１への負担を軽減することができる。
【００６０】
また、反応器１３内部に充填される物質の量は、配管内がNiの酸化しない酸素分圧（１０-16ａｔｍ程度以下）に常になるような量であれば十分である。
【００６１】
上述した停止動作や緊急停止動作を行った後、再び燃料電池システムを駆動させると、反応器１３内部のＦｅ3Ｏ4は、燃料ガス中に含まれる還元性ガスによって還元されてＦｅに戻る。したがって、本実施の形態に係る燃料電池システムは繰り返して動作を行うことができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、燃料極にNiとジルコニアのサーメットを用いた場合を例に説明したが、燃料極に用いることができる材料はこれに限定されず、酸化することにより体積が膨張する材料など、適宜自由に設定することができる。また、本実施の形態では、固体酸化物形の燃料電池システムに適用した場合を例に説明したが、燃料極に酸化することにより体積が膨張する材料が使用されている燃料電池システムであれば、各種燃料電池システムに適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、燃料極に酸化することにより体積が膨張する材料を使用する各種燃料電池システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１…モジュール、２…燃料供給装置、３…空気供給装置、４…ファン、５…制御装置、６…蓄電池、７…外部回路、８…冷却フィン、９…系統電力、１１…セルスタック、１２…改質器、１３…反応器、１４…空気予熱器、１５…触媒燃焼器、１１０…単セル、１１１…燃料極、１１２…電解質、１１３…空気極、Ｌ１…第１の接続流路、Ｌ２…第１の燃料流路、Ｌ３…第２の燃料流路、Ｌ４…第３の燃料流路、Ｌ５…第１の空気流路、Ｌ６…第２の空気流路、Ｌ７…燃焼ガス流路、Ｌ８…燃料排気ガス流路、Ｌ９…酸化剤排気ガス流路、Ｌ１０…第２の接続流路、Ｖ１…第１のＮＣバルブ、Ｖ２…第２のＮＣバルブ、Ｖ３…第１のＮＯバルブ、Ｖ４…第２のＮＯバルブ、Ｓ１〜Ｓ６…第１〜第６のスイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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