(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体（２）に、電解質（３）、アノード（５）、およびカソード（４）を有し燃料と空気とを前記燃料電池本体（２）に供給することにより発電する固体酸化物形燃料電池を有する燃料電池装置（１）において、
前記燃料電池本体（２）に供給される前記燃料が流れる配管となるアノードライン（５０）と、
前記アノードライン（５０）に設けられ、前記燃料電池本体（２）に前記燃料が流入する入口側と、前記燃料電池本体（２）から前記燃料が流出する出口側との流れを夫々遮断し、前記燃料を封止する一対の燃料封止手段（５１、５２）と、
前記燃料封止手段（５１、５２）により封止された前記燃料の燃料圧力を調整する圧力制御手段（７）と、
前記燃料封止手段（５１、５２）を制御する制御手段（３０）と、を備え、
更に、前記アノード（５）の温度を検知するアノード温度検出手段（１３）を有し、
前記燃料封止手段（５１、５２）により前記燃料が封止された後に、前記アノード温度検出手段（１３）により検出された前記アノード（５）の温度が、前記アノード（５）の酸化が進行しない所定温度まで低下したことを検出したときに、前記燃料封止手段（５１、５２）による前記燃料の封止を解除する解除手段を前記制御手段（３０）に備え、
更に、前記アノード（５）と前記カソード（４）との間の差圧を検出する差圧検出手段（２６０）を有し、この差圧検出手段（２６０）が所定以上の前記差圧を検出したときに、前記燃料封止手段（５１、５２）による前記燃料の封止を解除する差圧解除手段を前記制御手段（３０）に備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記圧力制御手段（７）は、前記燃料を容器（２０）内部に蓄え、前記燃料封止手段（５１、５２）により前記燃料が封止されたときに、封止された前記燃料の圧力低下に応じて前記燃料圧力を放出し、前記燃料の圧力上昇に応じて前記燃料圧力を蓄圧する蓄圧放圧手段（７）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記圧力制御手段（７）は、前記容器（２０）内に供給したり流出させたりする可逆回転型ポンプ（７０）を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
更に、前記入口側に、前記燃料を改質する改質器（１１）が設けられ、一対の前記燃料封止手段（５１、５２）のうち前記入口側に設けられた前記燃料封止手段（５１）は、前記改質器（１１）と前記アノード（５）との間に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
一対の前記燃料封止手段（５１、５２）のうち前記入口側に設けられた前記燃料封止手段（５１）は、前記燃料を圧送する封止用ポンプ（１０、１２）からなり、前記燃料を封止するときに前記封止用ポンプ（１０、１２）の回転を停止させる封止用ポンプ停止手段を前記制御手段（３０）内に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
更に、前記燃料電池本体（２）に前記燃料を流入させるポンプ（１０、１２）を備え、
一対の前記燃料封止手段（５１、５２）のうち、前記燃料電池本体（２）から前記燃料が流出する前記出口側の流れを遮断する前記燃料封止手段（５２）を閉じた状態で、前記ポンプ（１０、１２）で前記燃料を圧送することで前記圧力制御手段（７）の機能を兼ねることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記所定温度は、少なくとも１００℃以上に設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部圧力による電極または電解質の破損を防止する燃料電池装置に関する。特には、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）からなる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）は、イオン導電性酸化物をなすセラミックスを電解質とする燃料電池である。この燃料電池の燃料電池本体は、内部に電極として、正極（アノードまたは燃料極）と負極（カソードまたは空気極）を有している。これらの電極は、導電性セラミックスで形成されている。また、アノードとカソードに挟まれて固体電解質が設けられている。カソードには空気が供給される。アノードには、水素もしくは一酸化炭素ＣＯが供給される。これらの水素やＣＯは、炭化水素系の燃料（都市ガスのメタン等）から作られる。
【０００３】
燃料はポンプによって供給される。改質反応には主に水蒸気改質、部分酸化改質が挙げられる。水蒸気改質を例にとると、燃料は、水蒸気と混入されて蒸気として改質器に送り込まれる。改質前の燃料を改質前原料と呼び、改質後の燃料を改質燃料と呼ぶことにする。改質器における改質反応（水蒸気改質の場合は吸熱反応）でもって改質前原料を改質して、水素とＣＯに分解している。勿論、ほかにも生成物が形成される。改質時の吸熱反応のために、熱を供給する必要がある。
【０００４】
改質器に熱を供給する手段は、一般的に燃焼器によって熱が供給される。改質器内の熱交換器によって、燃焼器からの燃焼ガスから熱が取出される。燃料電池本体で全ての燃料を消費するのでなく、一部未反応の水素とＣＯとを燃料電池本体から放出している。放出された水素とＣＯとを、残った空気とともに燃焼器で燃焼させる。こうして燃焼器内で熱をつくりだし、改質器に供給して改質反応をおこなわせる。その他、熱の供給にはＳＯＦＣ本体の発熱を利用し供給することもできる。
【０００５】
燃焼器から出た燃焼ガスを使用して、空気予熱器と称する熱交換器で空気が予熱される。空気予熱器内で空気温度が上昇する。予熱された空気は、燃料電池本体に供給される。予熱する目的は、ＳＯＦＣが、比較的高温（７００℃から８００℃）で作動するためである。供給される空気温度がSOFCの作動温度より低すぎるとＳＯＦＣ内に温度分布が生じ発電効率が悪化する。
【０００６】
また、燃料電池本体は、セラミックが一般的な材質である。７００℃ないし８００℃のセラミックの中に常温の空気が入ってしまうと、サーマルショックで割れることが危惧される。従って、ある程度予熱された空気を燃料電池本体に供給している。予熱された空気は、燃料電池本体から燃焼器を通過し、更に改質器と空気予熱器を通過して排気される。
【０００７】
燃料電池本体内の電極は、主にニッケルを含む電極を使用している。ニッケルは酸化され易い。燃料電池本体が作動している間は、供給される改質燃料となる水素やＣＯが、還元ガスであるため問題はない。しかし、燃料電池を停止させると、燃料ライン（配管）内の燃料の移動が停止する。そのため、排気側からの空気が、空気予熱器、改質器、燃焼器と逆流してきて、燃料電池本体内のニッケルの電極が酸化される。
【０００８】
これを防止するために、空気の逆流を防止する燃料封止手段を設けるのが一般的である。この燃料封止手段は、燃料電池本体への燃料の入り口側と出口側との両方に設けられるのが一般的である。このような燃料封止手段は、以下に述べる特許文献にも開示されている。以上は一般的な燃料電池装置に関する説明である。
【０００９】
次に、特許文献に記載の燃料電池装置について説明する。従来、特許文献１に記載の燃料電池発電システム及びその運転方法が知られている。この特許文献１の技術は、燃料ガスとして未改質燃料を用いている。そして、パージガス用の不活性ガスタンクを設置せずに、燃料極上への炭素析出を抑制し得る燃料電池発電システム及びその運転方法を提供する。
【００１０】
そのために、未改質燃料と空気とを用いて燃料電池スタックで発電を行うに当たり、燃料電池スタックは、電池要素を１組以上有している。その上で、燃料供給手段で未改質燃料量を調節している。また、空気供給手段で空気量を調節している。かつ、供給流路を切換えることにより、パージガス生成器を介して燃料極へパージガスを供給する。
【００１１】
更に、この特許文献１に記載の燃料電池発電システムは、発電継続時に燃料極側に直接未改質燃料を供給している。一方、発電停止時又は燃料電池スタック温度低下時には、供給流路を切換え、未改質燃料及び空気をパージガスとして燃料極側に供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−３９５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記特許文献１の技術によると、燃料を供給した状態で出口側と入口側の両方を閉じている。燃料を供給した状態で、出口側と入口側の両方を閉じて燃料封止しているので電極が酸化されない。ここで、温度が高い状態で弁を閉じて燃料封止した場合に、温度が低下すると、燃料電池本体内の圧力が低下する。この場合、空気側の圧力は大気圧である。電極は、電解質をなすセラミックでセパレートされているが、圧力差で破壊されることが危惧される。
【００１４】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、燃料電池本体内の電極の酸化を防止でき、かつ燃料電池本体内の圧力変化により電極または電解質が破損する危惧のない燃料電池装置を提供することにある。
【００１５】
従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、燃料電池本体（２）に、電解質（３）、アノード（５）、およびカソード（４）を有し燃料と空気とを燃料電池本体（２）に供給することにより発電する固体酸化物形燃料電池を有する燃料電池装置（１）において、燃料電池本体（２）に供給される燃料が流れる配管となるアノードライン（５０）と、アノードライン（５０）に設けられ、燃料電池本体（２）に燃料が流入する入口側と、燃料電池本体（２）から燃料が流出する出口側との流れを夫々遮断し、燃料を封止する一対の燃料封止手段（５１、５２）と、燃料封止手段（５１、５２）により封止された燃料の燃料圧力を調整する圧力制御手段（７）と、燃料封止手段（５１、５２）を制御する制御手段（３０）と、を備え、更に、アノード（５）の温度を検知するアノード温度検出手段（１３）を有し、燃料封止手段（５１、５２）により燃料が封止された後に、アノード温度検出手段（１３）により検出されたアノード（５）の温度が、アノード（５）の酸化が進行しない所定温度まで低下したことを検出したときに、燃料封止手段（５１、５２）による燃料の封止を解除する解除手段を制御手段（３０）に備え、更にアノード（５）とカソード（４）との間の差圧を検出する差圧検出手段（２６０）を有し、この差圧検出手段（２６０）が所定以上の差圧を検出したときに、燃料封止手段（５１、５２）による燃料の封止を解除する差圧解除手段を制御手段（３０）に備えることを特徴としている。
【００１７】
この発明によれば、燃料が流入する入口側と、燃料が流出する出口側の流れを夫々遮断し、燃料を封止する一対の燃料封止手段を有する。そして、燃料封止手段により封止された燃料の燃料圧力を調整する圧力制御手段を備える。故に、封止後の燃料圧力の変動により燃料電池本体内の電極または電解質の破損を、圧力制御手段により抑止することができる。また、アノードの酸化が進行しない所定温度まで低下したことを検出したときに、燃料封止手段による燃料の封止を解除するから、燃料の封止に伴う封止後の燃料圧力の変動により燃料電池本体内の電極または電解質の破損を防止することができる。更に差圧検出手段が所定以上の差圧を検出したときに燃料封止手段による燃料の封止を解除するから、燃料電池本体内の電極または電解質の破損を抑止することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、圧力制御手段（７）は、燃料を容器（２０）内部に蓄え、燃料封止手段（５１、５２）により燃料が封止されたときに、封止された燃料の圧力低下に応じて燃料圧力を放出し、燃料の圧力上昇に応じて燃料圧力を蓄圧する蓄圧放圧手段（７）からなることを特徴としている。
【００１９】
この発明によれば、封止された燃料の圧力低下に応じて燃料圧力を放出し、燃料の圧力上昇に応じて燃料圧力を蓄圧する蓄圧放圧手段によって、封止後の燃料圧力の変動が抑制され、燃料電池本体内の電極または電解質の破損を抑止することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、圧力制御手段（７）は、容器（２０）内に供給したり流出させたりする可逆回転型ポンプ（７０）を有することを特徴としている。
【００２１】
この発明によれば、圧力制御手段は、可逆回転型ポンプによって燃料を燃料電池本体内に供給したり流出させたりするから、可逆回転型ポンプの制御によって封止後の燃料圧力の変動を抑制するにより、燃料電池本体内の電極または電解質の破損を抑止することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、更に、入口側に、燃料を改質する改質器（１１）が設けられ、一対の燃料封止手段（５１、５２）のうち入口側に設けられた燃料封止手段（５１）は、改質器（１１）とアノード（５）との間に設けられていることを特徴としている。
【００２５】
この発明によれば、改質器を挟むように燃料封止手段を設ける場合に比し、燃料電池装置停止後の圧力変動が燃料封止手段により封止される燃料の体積を小さくすることができ、圧力制御手段による燃料圧力の調整が容易になる。
【００２６】
請求項５に記載の発明では、一対の燃料封止手段（５１、５２）のうち入口側に設けられた燃料封止手段は、燃料を圧送する封止用ポンプ（１０、１２）からなり、燃料を封止するときに封止用ポンプ（１０、１２）の回転を停止させる封止用ポンプ停止手段を制御手段（３０）内に備えることを特徴としている。
【００２７】
この発明によれば、通常は弁にて形成される燃料封止手段を封止用ポンプにて形成することができ、ポンプを燃料封止用に用いたり圧送用に用いたりすることができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明では、更に、燃料電池本体（２）に燃料を流入させるポンプ（１０、１２）を備え、一対の燃料封止手段（５１、５２）のうち、燃料電池本体（２）から燃料が流出する出口側の流れを遮断する燃料封止手段（５２）を閉じた状態で、ポンプ（１０、１２）で燃料を圧送することで圧力制御手段（７）の機能を兼ねることを特徴としている。
【００３１】
この発明によれば、ポンプ（１０、１２）が圧力制御手段（７）の機能を兼ねるから、特別な圧力制御手段を設けずに済むか、または負担を軽減することで小型化ができる。また請求項７に記載の発明では、所定温度は、少なくとも１００℃以上に設定されることを特徴としている。
【００３２】
なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号ないし説明は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を分かり易く示す一例であり、発明の内容を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池装置の概要図である。
【図２】上記実施形態で使用する改質前原料（素ガス）のモル分率表である。
【図３】図１に示した圧力制御手段の作動原理を説明し、燃料圧力が低いときの説明図である。
【図４】上記圧力制御手段の作動原理を説明し、燃料圧力が高くなったときの説明図である。
【図５】上記圧力制御手段の作動原理を説明し、燃料圧力が低下したときの説明図である。
【図６】上記実施形態における運転時（停止直前）の燃料電池装置の状態を示す概要図である。
【図７】上記実施形態における停止時の燃料電池装置の状態を示す概要図である。
【図８】上記実施形態における燃料電池装置の停止時の作動を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２実施形態における燃料電池装置の停止時の作動を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態における燃料電池装置の概要図である。
【図１１】本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概要図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に使用する蓄圧放圧器を示す一部破砕斜視図である。
【図１３】図１２の蓄圧放圧器のベローズ収縮状態を示す拡大図である。
【図１４】図１２の蓄圧放圧器のベローズ伸長状態を示す拡大図である。
【図１５】本発明の第６実施形態を示す燃料電池装置の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。
【００３５】
各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００３６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１ないし図８を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概要図である。燃料電池装置１は、燃料と空気の供給により発電する固体電解質型の燃料電池本体２を有している。燃料電池本体２にはアノード５とカソード４からなる電極４、５が設けられている。これらの電極４、５および電解質３は、いずれもセラミックまたはセラミックとメタルの複合材からなる。
【００３７】
燃料電池本体２に供給される燃料が流れる配管となるアノードライン５０を介して、燃料がアノード５に供給される。アノードライン５０には、燃料電池本体２に燃料が流入する入口側と、燃料電池本体２に燃料が流出する出口側とを有している。この入口側と出口側の流れを夫々遮断し、燃料を封止する一対の封止弁からなる燃料封止手段５１、５２がアノードライン５０に設けられている。燃料封止手段５１、５２は制御手段となる電子ユニット（ＥＣＵとも言う）３０により制御される。
【００３８】
また、燃料封止手段５１、５２により封止された燃料の燃料圧力を調整する圧力制御手段７が設けられている。更にカソード４には、空気ポンプ８と空気予熱器９を介して空気が供給される。更に、アノード５には、燃料ポンプ１０と、入口側の燃料封止手段５１と改質器１１とを介して燃料が供給される。
【００３９】
改質器１１は、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの燃料から水素を取り出す反応装置であり、燃焼器２５からの燃焼ガスの熱によって改質前原料を改質燃料に改質している。この実施形態では、改質前原料として水蒸気と都市ガスを使用している。改質反応では、例えば水３に対してカーボン１の割合（Ｓ／Ｃ＝３／１）になるように改質前原料（素ガス）を供給している。図２は、上記実施形態で使用する改質前原料（素ガス）のモル分率を示している。
【００４０】
また、アノード５には、水蒸気ポンプ１２と、入口側の燃料封止手段５１と改質器１１とを介して水蒸気が供給される。燃料電池本体２には、アノード５の温度を検知するアノード温度検出手段を成す温度センサ１３を有する。
【００４１】
カソード２を通過した空気とアノード５を通過した燃料とは、燃焼器２５に送られ、燃焼器２５内で燃料が燃焼される。高温の燃焼ガスは改質器１１と空気予熱器９を経由して大気中に排気される。アノード５に連通する燃料配管には、燃料封止手段５１、５２が閉じられることによって封止された燃料の圧力を検出する圧力検出手段をなす圧力センサ２６が設けられている
圧力制御手段７は、燃料ポンプ１０の燃料の供給圧力により燃料を内部に蓄え、燃料封止手段５１、５２により燃料が封止されたときに、封止された燃料の圧力低下に応じて、燃料圧力を放出し燃料の圧力上昇に応じて燃料圧力を蓄圧する蓄圧放圧手段からなる。
【００４２】
図３は、図１に示した圧力制御手段７の作動原理を説明し、燃料圧力が低いときの説明図である。図４は、図１に示した圧力制御手段７の作動原理を説明し、燃料圧力が高くなったときの説明図である。図５は、図１に示した圧力制御手段７の作動原理を説明し、燃料圧力が低下したときの説明図である。
【００４３】
図３に示すように、圧力制御手段は蓄圧放圧器７（アキュムレータまたはダンパとも呼ばれる）からなり、容器２０内に弾力性のある機構を有する袋部材２１が内蔵されている。袋部材２１の内部にはアノードライン５０と圧力を均衡させるガス、例えば比較的不活性な窒素ガス２２が封入されている。アノードライン５０の燃料圧力が窒素ガス２２の封入圧力よりも高くなると、図４のように、窒素ガスが圧縮され燃料圧力を低下させる。アノードライン５０の燃料圧力が低下すると、図５のように、窒素ガス２２が膨張し、燃料圧力を上昇させる。この図３から図５の作動を蓄圧放圧器７は繰り返す。なお、袋部材２１の内部ガスは、窒素を封入する以外にカソードの空気を用いたり、大気開放（大気圧）にしてもよい。
（第１実施形態の作動）
次にフローチャートも加えて第１実施形態の作動について説明する。図６は上記実施形態の運転時（停止直前）の燃料電池装置の状態を示す概要図である。図７は上記実施形態の停止時の燃料電池装置の状態を示す概要図である。図８は上記実施形態の燃料電池装置の停止時の作動を示すフローチャートである。
【００４４】
図６、図７において、アノードライン５０は、燃料が流入する入口側と、燃料が流出する出口側を有している。入口側の燃料封止手段５１と出口側の燃料封止手段５２によってアノードライン５０内の燃料の流れを夫々遮断している。図６において、アノード５の出口側の配管内の燃料圧力が高くなったときは、蓄圧放圧器７に燃料が流れこむ。一方、図７において、アノード５の出口側の配管内の燃料圧力が低くなったときは、蓄圧放圧器７から燃料が流出する。
【００４５】
この燃料封止手段５１、５２によりアノードライン５０内に封止された燃料の燃料圧力を調整する圧力制御手段をなす蓄圧放圧器７を備えたから、封止後の燃料圧力の変動により燃料電池本体２内の電極となる夫々セラミックからなるアノード５、カソード４または電解質３の破損を抑止することができる。
【００４６】
圧力制御手段をなす蓄圧放圧器７は、燃料の供給圧力により燃料を内部に蓄え、燃料封止手段５１、５２により燃料が封止されたときに、封止された燃料の圧力低下に応じて、燃料圧力を放出し燃料の圧力上昇に応じて燃料圧力を蓄圧する。これにより、封止後の燃料圧力の変動が抑制され、燃料電池本体２内のアノード５、カソード４または電解質３の破損を抑止することができる。また、図６のように運転時においては、蓄圧放圧器７は、燃焼器２５に供給される燃料圧力を安定させるダンパ作用を発揮する。
【００４７】
アノード５の温度を検知するアノード温度検出手段をなす温度センサ１３を有し、燃料封止手段５１、５２により燃料が封止された後に、アノード温度検出手段１３により検出されたアノード５の温度が、アノード５の酸化が進行しない所定温度（例えば３００℃）まで低下したのを検出したときに、燃料封止手段５１、５２による燃料の封止を解除する解除手段を、ＥＣＵ３０に備える。
【００４８】
これによれば、アノード５の酸化が進行しない３００℃程度まで温度が低下したのを検出したときに、燃料封止手段５１、５２による燃料の封止を解除するから、燃料の封止に伴う封止後の燃料圧力の変動により燃料電池本体２内のアノード５、カソード４または電解質３の破損を確実に防止することができる。なお、燃料封止手段５１、５２を開放することによる燃料封止を解除は圧力が開放されるのであれば、燃料封止手段５１、５２のいずれか一方の弁を開放するだけでも良い。その際、急に圧を開放するのではなく、時間をかけて徐々に圧力を開放することが望ましい。
【００４９】
燃料電池装置１の運転停止とともに燃料電池本体２の前後に設置された２つの燃料封止手段（封止弁５１、５２）が閉じられるが、その前に、パージ工程を行っても良い（必須ではない）。２つの燃料封止手段５１、５２が閉じられることにより、燃料封止手段５１、５２に挟まれた部分に、改質前原料（燃料＋水蒸気Ｈ2Ｏ）および改質燃料（Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）からなる還元性ガスが封止される。燃料電池装置１の停止時に、燃料電池本体２が降温する間、封止された還元性ガスにより燃料電池本体２内のアノード５の酸化が抑止されることで、耐久性および信頼性の向上が図れる。
【００５０】
また、８００℃以上のアノード温度で運転されている燃料電池本体２内のアノードライン５０の水蒸気と燃料から成る混合ガスの密度は、運転停止直前で約０．２ｋｇ／ｍ３も有るが、燃料電池本体２の運転が停止され、２５０℃までアノード温度が低下すると、アノードライン５０の水蒸気と燃料から成る混合ガスの密度は、約０．４ｋｇ／ｍ３に増加する。つまり、密度が約２倍になり、圧力が半分に低下する。この圧力低下に応じて、燃料電池本体２内の電極４、５や電解質３が破損しないようにしなければならない。
【００５１】
図８のフローチャートにおいて、停止工程の制御がスタートすると、ステップＳ７０１でパージ工程が開始される。このパージ工程は、アノード５に水が残留するのを防止する。パージ工程では、運転が停止した後に、水蒸気ポンプ１２を止めて燃料だけを燃料ポンプ１０で流し、燃料で水蒸気を追い出す。残った燃料は、燃焼器で燃焼させる。これによって、燃料電池本体２内を水が無い空気と燃料だけの状態にする。ステップＳ７０２では、パージ時間Ｔｐｇを計測し設定時間ＴｓｅｔになるとステップＳ７０３で空気ポンプ８を停止し、空気供給を停止する。   次に、ステップＳ７０４で封止工程を開始する。このステップＳ７０４において外部に封止工程の開始を表示しても良い。封止工程の開始のために先ず、ステップＳ７０５で出口側の封止弁５２を閉じる。これにより、燃料ポンプ１０で加圧された燃料が蓄圧放圧器７内に図４のように流れこみ蓄圧される。
【００５２】
次に、ステップＳ７０６で、圧力検出手段をなす圧力センサ２６（図１）で封止燃料圧力の検出を開始する。蓄圧放圧器７内の圧力を上げるため出口側の燃料封止手段５２を閉じて燃料ポンプ１０の吐出圧力で蓄圧放圧器７内に蓄圧する。蓄圧放圧器７内の弾性隔壁からなる袋部材２１が膨らむ圧力が、かかり過ぎないように、封止燃料圧力Ｐａｎを検出する。
【００５３】
ステップＳ７０７で、封止燃料圧力Ｐａｎが設定圧力Ｐｓｅｔ以上になると、所定の圧力まで蓄圧放圧器７内の弾性隔壁を膨らませ終えたと判断し、燃料ポンプ１０による燃料のア供給を停止する。このために、ステップＳ７０８に進み、燃料ポンプ１０を停止し、入口側の燃料封止手段５１を閉じる。これによって燃料封止手段５１、５２の両方が閉じられていることになり、燃料がアノードライン５０内に封止される。そして、アノード温度検出手段をなす温度センサ２６でアノード温度の検出を開始する。
【００５４】
このように、燃料電池装置１の運転停止とともに燃料電池本体２の前後に設置された２つの燃料封止手段５１、５２が閉じられ、当該封止手段５１、５２に挟まれた部分に、改質前原料および改質燃料の還元性ガスが封止される。燃料電池装置１停止時に燃料電池本体２が降温する間、封止された還元性ガスにより燃料電池本体２の電極であるアノード５の酸化が抑止されることで耐久性および信頼性の向上が図れる。
【００５５】
ここで、封止されたアノードライン５０の圧力は燃料電池本体２の降温とともに降下するが、封止されるアノードライン５０に設けられた蓄圧放圧器７に蓄えられた還元ガスが図７のように逆流し、負圧になるのを回避し圧力を維持することができる。このため、負圧でアノード５およびカソード４からなる電極または電解質３の破損が防止できる。
【００５６】
次に、ステップＳ７０９で放圧（封止解除）工程を開始する。先ず、ステップＳ７１０でアノード温度Ｔｃを検知する。ステップＳ７１１で、アノード温度Ｔｃが所定アノード温度Ｔｃｓｅｔ以下に低下した場合に、ステップＳ７１２に進む。ステップＳ７１２では、封止燃料開放工程を開始し、封止解除を行う。このために、ステップＳ７１３において出口側の燃料封止手段５２を開く。
【００５７】
以上のように、燃料電池本体２の温度、具体的にはアノード５の温度が、電極４、５の酸化が進行しない温度（例えば３００℃）まで温度が低下した後に、燃料封止手段５２を開放して封止解除を行うことで、更に温度が低下しても燃料電池本体２内部の水分の凝縮による負圧化が促進されることが防止できる。つまり負圧化が促進される前に、アノードライン５０を大気に開放する。これにより燃料電池本体２のアノード５とカソード４との間に差圧が生じることがなく、ひいては破壊に繋がる虞がなくなる。
【００５８】
水蒸気がアノードライン５０内に入っているため、温度が１００℃を切ると水蒸気が凝縮を始める。凝縮し始めると蓄圧放圧器７で対応できないくらい圧力が下がることがある。一方、酸化が進行しない温度である１００℃まで燃料封止する必要は無い。よって３００℃くらいで燃料封止手段５２を開放しているのである。
【００５９】
このようにアノード５の温度を検知するアノード温度検出手段１３を有し、燃料封止手段５１、５２により燃料が封止された後に、アノード温度検出手段１３により検出されたアノード５の温度が、アノード５の酸化が進行しない所定温度まで低下したのを検出したときに、燃料封止手段５１、５２による燃料の封止を解除する解除手段（図８のステップＳ７１０〜ステップＳ７１３）を電子制御ユニット３０内に備える。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以降の各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。第２実施形態における燃料電池装置の作動を示す概要図は図６および図７を援用する。
【００６１】
上述の第１実施形態では、図８のステップＳ７１０からステップＳ７１３のように、温度だけを検知し、ある温度になった場合に燃料封止手段５２を開放するものであった。しかし、この第２実施形態では、ある温度以上でも、あまりにも圧力が下がりすぎたとき、例えば、何らかの原因で燃料が蓄圧されずに蓄圧放圧器７（圧力制御手段）がうまく作動しない場合、圧力が制御できず、このときに燃料封止手段５１、５２にて燃料が封止されたままであると温度の低下につれて圧力が急激に下がっていく。
【００６２】
これを考慮して、第２実施形態においては、アノード５の温度が３００℃以上であっても、燃料圧力が所定圧力以下のときには、封止された燃料を開放する封止解除工程を実行するものである。換言すれば、第２実施形態は、温度は３００℃以上かもしれないが圧力が下がりすぎて破壊圧力に近づくと、温度は無視しても圧力を開放するというフェイルセーフの考え方を採用している。
【００６３】
図９は、本発明の第２実施形態における燃料電池装置の停止作動を示すフローチャートである。この図９において、ステップＳ８０１、Ｓ８０２、Ｓ８０３、Ｓ８０４、Ｓ８０５、Ｓ８０６、Ｓ８０７、Ｓ８０８、Ｓ８０９、Ｓ８１０までは、図８の対応する各工程と同じである。
【００６４】
図９のステップＳ８１１でアノード温度Ｔｃが、所定アノード温度Ｔｃｓｅｔ以下に低下した場合に、ステップＳ８１３に進む。ステップＳ８１１でアノード温度Ｔｃが、所定アノード温度Ｔｃｓｅｔ以下に低下しなくても、圧力センサ２６で計測した封止燃料圧力Ｐａｎが所定圧力（−Ｐｓｅｔ）まで低下した場合は、ステップＳ８１３に進む。
【００６５】
ステップＳ８１３では、封止燃料開放工程を開始し、封止解除に入る。このために、ステップＳ８１４で出口側の燃料封止手段５２を開く。以上のように、燃料電池本体２の温度、具体的にはアノード５の温度が、酸化が進行しない温度（例えば３００℃）まで低下した後に、燃料封止手段５２を開放して封止解除を行う。これにより、更に温度が低下しても燃料電池本体２内部の水分が凝縮しても負圧化が促進されることが防止できる。つまり負圧化が促進される前に、アノードライン５０を大気に開放する。従って、燃料電池本体２のアノード５とカソード４との間に大きな差圧が生じることが無く、ひいては電極４、５等の破壊に繋がる虞がなくなる。
【００６６】
このように、例えば、何らかの原因で燃料が蓄圧されずに蓄圧放圧器（圧力制御手段）７がうまく作動しない場合、圧力が制御できない。このときに、燃料封止手段５１、５２にて燃料が封止されると温度の低下につれて圧力が急激に下がっていくことを考慮して、ステップＳ８１２ないしステップＳ８１４の制御を実行している。
【００６７】
これによって、アノード温度Ｔｃが所定アノード温度Ｔｃｓｅｔ（３００℃）を超えていても、封止燃料圧力Ｐａｎが所定圧力（−Ｐｓｅｔ）以下のときには、封止された燃料を開放する封止解除工程を実行するものである。これにより、圧力が下がりすぎて破壊圧力に近づくと温度は無視しても圧力を開放するというフェイルセーフ制御が実行できる。
【００６８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図１０は、本発明の第３実施形態における燃料電池装置の概要図である。図１０において、蓄圧放圧器７が放圧しきってもまだ温度がさがっていく状態で、アノード５側とカソード４側の差圧が大きくなり破壊するのを防止する。アノード５側とカソード４側の差圧が、例えば３０ｋパスカル（ゲージ圧）になると電極４、５等が破壊する。従って、燃料の封止も約３０ｋパスカル以下で封止する。蓄圧放圧器７の故障等で蓄圧放圧器７内に蓄積される燃料のボリュームが不充分であると、燃料電池装置２の運転停止に伴う温度低下でアノード側の圧力が下がる。
【００６９】
また、アノード温度が３００℃以上なのに、差圧が３０ｋパスカルだと破壊することが危惧される。アノードが３００℃以上の燃料に晒されて酸化しても、すぐに壊れないが圧力が高いとすぐに壊れる可能性がある。従って、第３実施形態では、このための保護手段を構築するために、差圧計２６０でアノード５とカソード４間の差圧を計測している。アノードカソード間の差圧を計測する差圧計２６０を図１０のように取り付けて、差圧が所定圧力以上になったと判断されたときは燃料封止手段５２を開放して燃料封止を解除する。
【００７０】
図１０においては、差圧計２６０が、アノードとカソードとの間の差圧を検出する差圧検出手段２６０を構成する。この差圧検出手段２６０が所定以上の差圧を検出したときに、燃料封止手段５１、５２による燃料の封止を解除する差圧解除手段をＥＣＵ３０内の制御手段として備える。なお、図１０のように、蓄圧放圧器７の図１２のような伸縮ベローズ、あるいは図４の弾性隔壁からなる袋部材２１を電動アクチュエータ７ｍ等で強制的に伸縮あるいは伸長させるようにしても良い。
【００７１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図１１は、本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概要図である。図１１において、アノード５の入口側に、燃料を改質する改質器１１が設けられている。一対の燃料封止手段５１、５２のうち入口側に設けられた燃料封止手段５１は、改質器１１とアノード５との間に設けられている。
【００７２】
このように、燃料封止手段５１を、改質器１１とアノード５との間に設けることにより、図１のように改質器１１を挟むように燃料封止手段５１、５２を設ける場合に比し、燃料封止手段５１、５２により封止される燃料の体積を小さくすることができ、圧力制御手段７による燃料圧力の調整が容易になる。
【００７３】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図１２ないし図１４は、本発明の第５実施形態に使用する圧力制御手段をなす蓄圧放圧器７を示す一部破砕斜視図ないしその拡大図である。図１２において、金属のベローズ７１を持つ蓄圧放圧器７は、燃料を放圧するときに、図１３のようにベローズ７１が収縮し、燃料を蓄圧するときは、図１４のようにベローズ７１が伸長する。
【００７４】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図１５は、本発明の第６実施形態を示す燃料電池装置の概要図である。この図１５においては圧力制御手段をなす可逆回転型ポンプ７０を使用している。
【００７５】
図１５において、可逆回転型ポンプ７０は、正転逆転が可能なモータによって駆動される容積型ポンプからなる。この可逆回転型ポンプ７０で強制的にアノードライン５０に、容器２０内から燃料供給して加圧し、また強制的にアノードライン５０の燃料を容器２０に排出して減圧している。
【００７６】
図１５における容器２０の構造は、図３ないし図５、または、図１２ないし図１４と同様の構造とすることができる。圧力センサ２６の圧力に応じてＥＣＵ３０からの指令でモータ７ｍにより可逆回転型ポンプ７０を回転させ、結果的に、封止された燃料の圧力低下に応じて燃料圧力を放出し、封止された燃料の圧力上昇に応じて燃料圧力を容器２０内に蓄圧するようにＥＣＵ３０はモータ７ｍを制御する。
【００７７】
この場合、可逆回転型ポンプは、容器２０内に出入りする燃料の動きをアシストするように作用してもよいし、強制的に燃料の動きを制御しても良い。また、容器２０を単なる耐圧容器としても良い。この実施形態では、モータ７ｍ、容器２０、可逆回転型ポンプ７０により、ＥＣＵ３０から制御される圧力制御手段（蓄圧放圧手段）７が形成される。
【００７８】
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。燃料封止手段は弁を用いるほかに、ポンプの回転を止めてポンプ入口側とポンプ出口側の燃料の流通を遮断しても良い。例えば、図１において、燃料封止手段５１を設けずに燃料を封止するときは、容積型の燃料ポンプ１０および水蒸気ポンプ１２の回転を停止させて燃料を封止しても良い。この場合、容積型の燃料ポンプ１０および水蒸気ポンプ１２は封止用ポンプとして機能する。これによれば、燃料封止手段５１は、改質前原料（燃料）を圧送するポンプ１０、１２から構成できる。また、ＥＣＵ３０内に、燃料封止時にポンプ１０、１２の回転を停止させる制御手段である封止用ポンプ停止手段を備える。
【００７９】
更に、燃料が天然ガス、石炭ガス等でなく水素でも直接発電できる。水素を使用する場合のように燃料の改質が不要な場合は、改質器は無くてもよい。
【００８０】
次に、図１において、燃料封止手段５２が閉じた状態でポンプ１０、１２により燃料を圧送することで圧力制御手段７の機能を兼ねることができる。すなわち、燃料電池本体２から燃料が流出する出口側の流れを遮断する燃料封止手段５２を閉じた状態で、ポンプ１０、１２で燃料を圧送することで圧力制御手段７の機能を兼ねることができる。これによれば、ポンプ１０、１２が圧力制御手段７の機能を兼ねるから、圧力制御手段７の負担を軽減することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１  燃料電池装置
２  燃料電池本体
３  電解質
４  カソード
５  アノード
７  圧力制御手段（蓄圧放圧手段）
１０、１２  ポンプ
１１  改質器
１３  アノード温度検出手段
３０  制御手段（ＥＣＵ）
５０  アノードライン
５１、５２  燃料封止手段（封止弁）
７０  可逆回転型ポンプ
２６０  差圧検出手段
【図１】
0005817577.tif 000002
【図２】
0005817577.tif 000003
【図３】
0005817577.tif 000004
【図４】
0005817577.tif 000005
【図５】
0005817577.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005817577.tif 000008
【図８】
0005817577.tif 000009
【図９】
0005817577.tif 000010
【図１０】
0005817577.tif 000011
【図１１】
0005817577.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0005817577.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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