(57)【要約】【課題】バックファイアの発生を防いで、当該バックファイアに起因する発電セルの損傷を防止することができる固体酸化物型燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】発電セル７とセパレータ１０とを交互に積層してなる燃料電池スタック３の内部に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせるとともに、発電反応に用いられなかった残余のガスを燃料電池スタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体酸化物型燃料電池の運転方法である。「発電セルに供給される燃料ガスの流量」に対する「発電反応に用いられる燃料ガスの流量」の割合を燃料利用率として、この燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下のときに、燃料電池スタックの近傍に設けた着火手段を少なくとも作動状態にして、当該着火手段により、燃料電池スタックの外周部から外に放出された残余の燃料ガスを燃焼させるようにした。【選択図】        図１
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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とを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせるとともに、発電反応に用いられなかった残余のガスを上記燃料電池スタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体酸化物型燃料電池において、
上記発電セルに供給される燃料ガスの流量に対する、上記発電反応に用いられる燃料ガスの流量の割合を燃料利用率として、この燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下のときに、上記燃料電池スタックの近傍に設けた着火手段を少なくとも作動状態にして、当該着火手段により、上記燃料電池スタックの外周部から外に放出された残余の燃料ガスを燃焼させるようにしたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。
【請求項２】
上記燃料電池の出力変動時、起動時、停止時を含む運転状態の変化時に、上記発電セルに供給される燃料ガスの流量と、上記発電反応に伴って上記発電セルに流れる電流値とをそれぞれ検出して、それら検出値から上記燃料利用率を演算により導き出し、当該燃料利用率が４０％以下となった場合に、上記着火手段を作動状態に切り替えるようにした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の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールレス構造の固体酸化物型燃料電池の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進んでいる。この固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が現在のところ提案されているが、これら構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が広く採用されている。
【０００３】
この平板積層型の固体酸化物型燃料電池においては、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。
発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層との間に挟んだ積層構造を有する。この発電セルの空気極側には、酸化剤ガスとしての酸素（空気）が供給される一方、燃料極側には、燃料ガス（Ｈ２  、ＣＨ４  等）が供給されるようになっている。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００４】
一方、セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスとしての空気をセパレータ外周面から導入してセパレータの空気極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。このセパレータと発電セルの空気極との間には、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる空気極集電体が配置され、セパレータと発電セルの燃料極との間には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる燃料極集電体が配置されている。
【０００５】
上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸素が、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２  Ｏ  等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が発生し、電力が得られる。
【０００６】
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ２  ＋          ２ｅ−   →  Ｏ２−
燃料極：          Ｈ２  ＋          Ｏ２− →  Ｈ２  Ｏ＋２ｅ−  
全体  ：          Ｈ２  ＋  １／２  Ｏ２   →  Ｈ２  Ｏ
【０００７】
ところで、この種の固体酸化物型燃料電池の中には、発電セルの外周部のガス漏れ防止シール（従来では主にガラスシールが使用されている）を無くしたシールレス構造の固体酸化物型燃料電池がある（例えば、特許文献１参照）。このシールレス構造の固体酸化物型燃料電池においては、図３に示すように、セパレータの略中心部から発電セル７に向けて燃料ガスＧ１および空気Ｇ２を供給して、これらガスＧ１、Ｇ２を発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせるとともに、発電反応に用いられなかった残余の燃料ガスＹ１および空気Ｙ２を、発電セル７の外周部から外に放出するようになっている。
【０００８】
上記シールレス構造の固体酸化物型燃料電池によれば、発電セル７の外周部のシールを無くしたことにより、構造の単純化及び製造の容易化を図ることができるとともに、各構成部材の外周縁が自由端となるために、構成部材間の熱膨脹差に基づくトラブルを無くすことができるという利点がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２２３８５７号公報（第３頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の固体酸化物型燃料電池においては、例えば、出力変動時や起動時或いは停止時など、運転状態が変わるときに、上記残余の燃料ガスＹ１が発電セルの近傍で急激に燃焼を開始して、発電セル内に火が吹き込むバックファイアと呼ばれる現象が連鎖的に発生し、このバックファイアにより発電セルが破損する懸念があった。特に、開回路状態（燃料電池が発電を行っていない待機状態）や、燃料利用率が低い状態のときには、上記バックファイアがより生じ易く、上記以外のときにも上記バックファイアが発生する可能性があった。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、運転状態が変化するときにおいてもバックファイアが発生し難く、当該バックファイアに起因する発電セルの損傷を防止することができる固体酸化物型燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、「発電セルに供給される燃料ガスの流量」に対する「発電反応に用いられる燃料ガスの流量」の割合を燃料利用率として、この燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス（０℃）換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下であるときに、バックファイアの発生する可能性があることを見出した。そして、かような条件を少なくとも満たすときに、燃料電池スタックの近傍に設けた着火手段を用いて、燃料電池スタックの外周部から外に放出された残余の燃料ガスを緩やかに燃焼させるようにすれば、シールレス構造の固体酸化物型燃料電池においてバックファイアの発生を効果的に防げるという知見を得るに至り、本発明を完成させたものである。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の本発明に係る固体酸化物型燃料電池の運転方法は、発電セルとセパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせるとともに、発電反応に用いられなかった残余のガスを上記燃料電池スタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体酸化物型燃料電池において、上記発電セルに供給される燃料ガスの流量に対する、上記発電反応に用いられる燃料ガスの流量の割合を燃料利用率として、この燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス（０℃）換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下のときに、上記燃料電池スタックの近傍に設けた着火手段を少なくとも作動状態にして、当該着火手段により、上記燃料電池スタックの外周部から外に放出された残余の燃料ガスを燃焼させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、「燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）」とは、燃料ガスの改質後に８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）の水素ガスが得られるような燃料ガスの供給速度のことを示している。例えば、燃料ガスにメタンガスを用いた場合には、改質の反応が主反応とシフト反応とを合わせて「ＣＨ４  ＋２Ｈ２  Ｏ  →  ４Ｈ２  ＋ＣＯ２  」で表されるので（ここでは、主反応で生成された一酸化炭素がすべて水蒸気と反応すると仮定している。）、燃料ガスの供給速度を水素ガスの場合の１／４、すなわち２ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）とすればよいことになる。また、着火手段には、例えば、イグナイタや酸化触媒等を用いることができる。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法において、上記燃料電池の出力変動時、起動時、停止時を含む運転状態の変化時に、上記発電セルに供給される燃料ガスの流量と、上記発電反応に伴って上記発電セルに流れる電流値とをそれぞれ検出して、それら検出値から上記燃料利用率を演算により導き出し、当該燃料利用率が４０％以下となった場合に、上記着火手段を作動状態に切り替えるようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１または２に記載の発明によれば、燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下のときに、燃料電池スタックの近傍に設けた着火手段を少なくとも作動状態として、当該着火手段により、燃料電池スタックの外周部から外に放出された残余の燃料ガスを徐々に燃焼させるようにしたので、バックファイアの発生を効果的に防ぐことができ、燃料電池の安全性を高めることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池の出力変動時、起動時、停止時を含む運転状態の変化時に、発電セルに供給される燃料ガスの流量と、発電反応に伴って発電セルに流れる電流値とをそれぞれ検出して、それら検出値から燃料利用率を演算により導き出し、当該燃料利用率が４０％以下となった場合に、上記着火手段を作動状態に切り替えるようにしたので、着火手段の作動状態を自動的に制御することが可能となり、バックファイアの発生をより的確に防止することが可能となる。したがって、出力変動時や起動時或いは停止時など、運転状態が変化するときにおいても、バックファイアが発生し難くなり、当該バックファイアによる発電セルの損傷を防止することができる。
【００１８】
具体的に、上記燃料利用率を導き出すには、「発電反応に用いられる燃料ガスの流量」と電流値との相関関係（例えば、関数式或いは変換テーブル等）を予め記憶装置等に記憶保持しておき、この記憶情報に基づいて、電流の検出値から「発電反応に用いられる燃料ガスの流量」を求め、この「発電反応に用いられる燃料ガスの流量」と、「発電セルに供給される燃料ガスの流量」の検出値とから上記燃料利用率を演算により導き出すことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２は筐体、３は積層方向を縦にして筐体２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル（発電部）７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。
【００２０】
ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ３  、ＬａＣｏＯ３  等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００２１】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路１０ａに接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路１０ｂに接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。また、上記マニホールド１３、１４の外周側には、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６と、各予熱管１５、１６及び燃料電池スタック３を予熱するためのヒータ２０が設けられている。ヒータ２０及び予熱管１５、１６は、燃料電池１の筐体２の内部に収容されており、筐体２内の各予熱管１５、１６に対して、外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。さらに、酸化剤ガス予熱管１６には、冷却用の酸化剤ガス（冷却空気）を導入するための冷却管２７が接続されている。また、筐体２の下部と上部には、排ガスを外部に誘導するための排気管（排気穴）２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００２２】
また、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないことにより、図２に示すように、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせるとともに、発電反応に消費されなかった残余のガスを、発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。また、筐体２には、その内部空間２１に放出された余剰の燃料ガスに着火して当該余剰の燃料ガスを緩やかに燃焼させるためのイグナイタ（着火手段）２５が、各発電セル７の燃料ガス放出口の近傍にそれぞれ配設されている。
【００２３】
また、筐体２の外部には、上記発電反応に伴って発電セル７に流れる電流値を検出するための電流検出器（図示省略）が設けられるとともに、燃料ガス供給管１７内を流れる燃料ガスの流量を検出するための燃料ガス流量検出器（図示省略）が設けられ、これら電流検出器および燃料ガス流量検出器の検出信号が図示省略のコントローラに出力されるようになっている。このコントローラは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、記憶装置、入力装置等を有し、記憶装置には、上記電流検出器および上記燃料ガス流量検出器等から取得した測定データや、イグナイタ２５の制御に使用する各種判定データ等を格納する記憶領域が設けられている。このコントローラは、上記電流検出器および上記燃料ガス流量検出器の検出信号から燃料利用率を導き出し、この燃料利用率と燃料ガスの供給速度との関係に基づいて、イグナイタ２５の作動状態を制御するようになっている。
【００２４】
次に、上記構成からなる固体酸化物型燃料電池の運転方法の一実施形態を説明する。
先ず、上記コントローラは、入力装置からの指示入力或いは所定時間毎に発生する割込信号等に基づいて、上記電流検出器等の検出器から検出信号を入力し、その検出信号に基づいて、当該燃料電池１の起動、停止、負荷変動など、当該燃料電池１の運転状態に変化が無いかどうかを検知する処理を実行する。
【００２５】
その結果、燃料電池１の運転状態に変化が無い場合には、そのまま処理を終了し、一方、燃料電池１の運転状態に変化が生じたことを検知した場合には、上記電流検出器および上記燃料ガス流量検出器から、発電セル７に供給されている燃料ガスの流量と、上記発電反応に伴って発電セル７に流れる電流値とをそれぞれ検出し、それら検出値から燃料利用率を演算により導き出す。ここで、燃料利用率とは、「発電セル７に供給される燃料ガスの流量」に対する「上記発電反応に用いられる燃料ガスの流量」の割合であり、「上記発電反応に用いられる燃料ガスの流量」／「発電セル７に供給される燃料ガスの流量」という演算により求めることができる。また、「発電反応に用いられる燃料ガスの流量」は、上記電流値から求めることができる。
【００２６】
そして、上記演算の結果、燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下である場合（例えば、燃料ガスとしてメタンガスを用いている際に、当該メタンガスの供給速度が２ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下である場合）には、イグナイタ２５を作動状態にして、当該イグナイタ２５により、燃料電池スタック３の外周部から外に放出された残余の燃料ガスを徐々に燃焼させる制御を行う。一方、上記条件を満たさない場合、すなわち燃料利用率が４０％を超過する場合や、燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）を超過する場合には、イグナイタ２５を停止状態にして、所定時間経過するまでの間、上記条件を満足する状態に遷移することがないか監視を続け、上記条件を満足する場合には、上記のようにイグナイタ２５を作動状態に切り替える制御を行う。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、燃料利用率が４０％以下で、且つ燃料ガスの供給速度が水素ガス０℃換算で８ｍｌ／（ｃｍ２  ・ｍｉｎ）以下のとき、燃料電池スタック３の近傍に設けたイグナイタ２５を少なくとも作動状態にして、当該イグナイタ２５により、燃料電池スタック３の外周部から外に放出された残余の燃料ガスを徐々に燃焼させるようにしたので、バックファイアの発生を効果的に防ぐことができ、燃料電池の安全性を高めることができる。
【００２８】
また、本実施形態においては、燃料電池１の出力変動時、起動時、停止時を含む運転状態の変化時に、発電セル７に供給される燃料ガスの流量と、発電反応に伴って発電セル７に流れる電流値とをそれぞれ検出して、それら検出値から燃料利用率を演算により導き出し、当該燃料利用率が４０％以下となった場合に、イグナイタ２５を作動状態に切り替えるようにしたので、イグナイタ２５の作動状態を自動的に制御することが可能となり、バックファイアの発生をより的確に防止することが可能となる。したがって、出力変動時や起動時或いは停止時など、燃料電池１の運転状態が変化するときにおいても、バックファイアが発生し難くなり、当該バックファイアによる発電セル７の損傷を防止することができる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、各発電セル７の燃料ガス放出口の近傍に、イグナイタ２５の着火点をそれぞれ設けるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、着火点の位置や数量は適宜に変更することが可能である。また、本実施形態においては、燃料利用率と燃料ガスの供給速度に係る条件に基づいてイグナイタ２５の作動状態を制御するようにしたが、例えば、筐体２内部の温度条件を上記条件に付加して、イグナイタ２５の作動状態を制御するようにしてもよい。すなわち、筐体２内部の温度が所定温度（例えば、７００℃）以上の場合には、イグナイタ２５を作動させなくとも、燃料電池スタック３の外周部から外に放出された残余の燃料ガスが自然に燃焼することとなるので、このような温度条件のときには、上記条件を満足する場合であってもイグナイタ２５を作動させないように制御することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載の本発明に係る固体酸化物型燃料電池の運転方法によれば、バックファイアの発生を効果的に防ぐことができ、例えば、燃料ガスの供給速度を低速にして発電の高効率化を図るような場合においても、バックファイアの発生を未然に防いで燃料電池の安全性を確保することができる。また、バックファイアに起因する発電セルの損傷・劣化等を防止することができ、長期にわたり良好な発電性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの縦断面図である。
【図３】シールレス構造の固体酸化物型燃料電池における酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れを説明する模式図である。
【符号の説明】
１    固体酸化物型燃料電池
３    燃料電池スタック
７    発電セル
１０  セパレータ
２５  イグナイタ（着火手段）
【図１】
2004335165.tif 000003
【図２】
2004335165.tif 000004
【図３】
2004335165.tif 000005