(57)【要約】【課題】  炭素析出による発電性能の低下を防止することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  原燃料ガスを用いて燃料電池発電を行う固体酸化物形燃料電池６と、固体酸化物形燃料電池に原燃料ガスを供給するための主燃料ガス送給流路１６及び副燃料ガス送給流路１８と、固体酸化物形燃料電池６での燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスの一部を主燃料ガス送給流路１６に戻すリサイクル流路２７と、リサイクル流路２７に配設されたリサイクルブロア１０と、副燃料ガス送給流路１８に配設された部分酸化反応器１２と、を備えた燃料電池システム。リサイクルブロア１０の作動停止時、原燃料ガスが副燃料ガス送給流路を通して部分酸化反応器１２に送給され、部分酸化反応器１２にて部分反応された部分反応燃料ガスが固体酸化物形燃料電池６に供給される。【選択図】      図１
2005093222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを用いて燃料電池発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に原燃料ガスを供給するための主燃料ガス送給流路及び副燃料ガス送給流路と、前記固体酸化物形燃料電池での燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスを排出する反応燃料ガス排出流路と、前記燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスの一部を前記主燃料ガス送給流路及び／又は固体酸化物形燃料電池に戻すリサイクル流路と、前記リサイクル流路に配設されたリサイクルブロアと、前記副燃料ガス送給流路に配設された部分酸化反応器と、を備え、
通常運転時、原燃料ガスが前記主燃料ガス送給流路を通して前記固体酸化物形燃料電池に供給されるとともに、前記固体酸化物形燃料電池からの反応燃料ガスの一部が前記リサイクルブロアの作用によって前記リサイクル流路を通して前記主燃料ガス送給流路及び／又は前記固体酸化物形燃料電池に供給され、
前記リサイクルブロアの作動停止時、前記原燃料ガスが前記副燃料ガス送給流路を通して前記部分酸化反応器に送給され、前記部分酸化反応器にて部分反応された部分反応燃料ガスが前記固体酸化物形燃料電池に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池に関連して固定抵抗が設けられており、前記リサイクルブロアの作動不良時、前記固体酸化物形燃料電池の出力側が前記固定抵抗に電気的に接続され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。
【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からの反応燃料ガスの一部をリサイクルブロアの作用によって引き込んで原燃料ガスと混合して固体酸化物形燃料電池に供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池を用いたものが知られている。この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオンを伝導する固体電解質の両側に、燃料ガス及び空気中の酸素をそれぞれ酸化、還元する機能を有する燃料極及び空気極を配設したものである。固体電解質の材料としては、一般的にイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、７００℃〜１０００℃の高温で、燃料ガス中に含まれる水素、一酸化炭素及び炭化水素と酸化剤ガス（一般的に空気）中の酸素とを電気化学反応させて燃料電池発電反応が行われる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の用途としては、数十ｋＷ〜数ＭＷ程度のビルや工場に設置する分散電源やコージェネレーションに加えて、１０ＭＷ〜数百ＭＷの大型発電プラント分野が想定されている。また、近年、１ｋＷ〜１０ｋＷ程度の小型のコージェネレーションシステムとしても開発が行われている。このような小型のコージェネレーションシステムでは、周辺機器を含めたコストの低減が課題となり、大型のシステムで用いる燃料電池保護機能などをそのまま用いることができない。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池は上述したように作動温度が高温であるため、そのシステムに異常が発生したときに、固体酸化物形燃料電池を安定的に降温させて燃料電池を保護するための燃料電池保護機能が設けられる。大型の燃料電池システムでは、異常発生時に原燃料ガスの供給が遮断され、別途用意したガスボンベから水素と窒素の混合ガスが供給され、この混合ガスを用いて固体酸化物形燃料電池が運転されるように構成されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、炭化水素やアルコールなどの炭化水素系物質を燃料とする燃料電池システムにおいては、燃料改質のために水蒸気が必要となる。例えば、メタンガスを燃料とする場合、次の化学式（１）で示すような改質反応が行われる。
【０００６】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（１）
この改質反応を行うためには、水蒸気発生器、水タンク、水精製器及び燃料電池排気中の水を分離するための凝縮水分離器などが必要となり、燃料電池システムの構成が複雑化するとともに、システム全体が大型化する。また、水蒸気発生器の水蒸気を用いる場合、水蒸気発生器へイオン交換水を供給しなければならず、装置自体の構成が複雑になることに加えて、イオン交換樹脂を定期的にメンテナンスしなければならず、このメンテナンス費用も発生する。１ｋＷ〜１０ｋＷ程度の小型の燃料電池システムの場合、システムの運用時の経済性を確保するためには、できるだけメンテナンス費用を削減することが望ましい。
【０００７】
こうしたことから、燃料改質のための水蒸気発生器を不要にする技術として、固体酸化物形燃料電池システムでは、炭化水素系燃料の改質を行うために、燃料リサイクルを用いることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
燃料リサイクルとは、燃料電池で燃料電池反応を行った後の反応燃料ガスの一部を燃料電池の燃料ガス供給側に戻すことであり、固体酸化物形燃料電池においては、反応燃料ガスの一部をリサイクルを行うことにより、燃料電池反応を行った後の反応燃料ガスに含まれる水蒸気を炭化水素系燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気として用いることができ、これによって、水蒸気を供給するための水蒸気発生器などの装置が不要となる。従って、システム全体の大型化が回避できるとともに、イオン交換樹脂に係るメンテナンス費用も不要となる。
【０００９】
この反応燃料ガスの一部をリサイクルする方法として、エジェクタ方式と、リサイクルブロワ方式がある。エジェクタ方式とは、反応燃料ガスの一部をリサイクルするのにエジェクタを用いる方式であり、燃料を加圧してエジェクタで噴出させることで負圧を発生させ、発生する負圧を利用して反応燃料ガスを吸引するものであり、信頼性が高いという利点がある。しかし、１ｋＷ〜１０ｋＷ程度の小型の固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガス流量が少ないので、エジェクタの口径を小さくしても（例えば、０．５ｍｍ程度以下）必要なリサイクルガス流量が得られない。また、エジェクタの吸引能力に余裕がないため、定格出力から出力を下げて発電する部分負荷運転をするときには、必要なリサイクルガスの流量が得られなくなる。このようなことから、小型の燃料電池システムでは、エジェクタ方式を採用することは難しい。
【００１０】
また、リサイクルブロア方式とは、反応燃料ガスの一部をリサイクルするのにリサイクルブロアを用いる方式であり、リサイクルブロアを駆動させて反応燃料ガスの一部を固体酸化物形燃料電池の供給側に送り込むものである。この方式では、反応燃料ガスを電動ファンで駆動するため、エジェクタ方式と異なり、リサイクルガスの流量に影響を受けないという利点があり、小型システムに採用することが可能である。しかし、リサイクルブロワは高温の反応燃料ガスを固体酸化物形燃料電池の供給側に送るためのものであるために、リサイクルブロア自体が高温で可動することになり、エジェクタ方式と比較すると電動ファンなどの部品の故障発生率が高くなる。また、固体酸化物形燃料電池の稼働中にリサイクルブロワに不具合が発生して燃料リサイクルが停止すると、固体酸化物形燃料電池の燃料極側に水蒸気が供給されなくなり、この状態で炭化水素系の原燃料ガスを燃料極側に供給すると、固体酸化物形燃料電池の燃料極上で炭素が析出してセル性能の低下をもたらすという問題がある。
【００１１】
【非特許文献１】スティミングら著  「ソリッドオキサイドフューエルセル  ５」  第１００頁  図３  エレクトロケミカルソサイエティー出版  １９９７年
【非特許文献２】スティミングら著  「ソリッドオキサイドフューエルセル  ５」  第９９頁  図２  エレクトロケミカルソサイエティー出版  １９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
小型の燃料電池システムにおいては、水蒸気発生器などが不要となる燃料リサイクル方法を採用することが有効である。しかし、この燃料リサイクル方法におけるエジェクタ方式は、上述したように小型の燃料電池システムに適用することが困難であるために、リサイクルブロワを用いる方式が考えられる。この方式は、リサイクルガスの流量に影響を受けないという利点があり、小型の燃料電池システムに提供することが可能であるが、適用したときには、次の通りの問題が発生する。即ち、リサイクルブロア自体が反応燃料ガスという高温環境中において使用されるために、電動ファンなどの部品の故障発生率が高くなる問題があり、また固体酸化物形燃料電池の駆動中にリサイクルブロワが作動停止して燃料リサイクルが停止すると、固体酸化物形燃料電池の燃料極側に水蒸気が供給されなくなり、この状態で炭化水素系の原燃料ガスが供給されると、固体酸化物形燃料電池の燃料極上で炭素が析出してセル性能の低下をもたらすという問題が生じ、このようなセル性能の低下を防止するためには、燃料極側に還元性ガス（例えば、一酸化炭素、水素）を、また空気極側に空気を供給する必要がある。
【００１３】
本発明の目的は、燃料電池システムの構成が複雑化するのを回避するとともに、システムの運転コストを抑えて安定して発電電流を供給することができ、またシステムの一部に不具合が発生したときには、燃料電池の発電性能を低下させることなく休止状態に移行することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを用いて燃料電池発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に原燃料ガスを供給するための主燃料ガス送給流路及び副燃料ガス送給流路と、前記固体酸化物形燃料電池での燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスを排出する反応燃料ガス排出流路と、前記燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスの一部を前記主燃料ガス送給流路及び／又は固体酸化物形燃料電池に戻すリサイクル流路と、前記リサイクル流路に配設されたリサイクルブロアと、前記副燃料ガス送給流路に配設された部分酸化反応器と、を備え、
通常運転時、原燃料ガスが前記主燃料ガス送給流路を通して前記固体酸化物形燃料電池に供給されるとともに、前記固体酸化物形燃料電池からの反応燃料ガスの一部が前記リサイクルブロアの作用によって前記リサイクル流路を通して前記主燃料ガス送給流路及び／又は前記固体酸化物形燃料電池に供給され、
前記リサイクルブロアの作動停止時、前記原燃料ガスが前記副燃料ガス送給流路を通して前記部分酸化反応器に送給され、前記部分酸化反応器にて部分反応された部分反応燃料ガスが前記固体酸化物形燃料電池に供給されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記固体酸化物形燃料電池に関連して固定抵抗が設けられており、前記リサイクルブロアの作動不良時、前記固体酸化物形燃料電池の出力側が前記固定抵抗に電気的に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１に記載された燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池に原燃料ガスを供給するための主燃料ガス送給流路及び副燃料ガス送給流路とが設けられており、リサイクルブロアが正常に作動して固体酸化物形燃料電池からの反応燃料ガスの一部がリサイクルされるときには、原燃料ガスが主燃料ガス送給流路を通して供給されるが、リサイクルブロアの作動が停止したときには、反応燃料ガスのリサイクルが行われないので、原燃料ガスは部分酸化反応器が配設されている副燃料ガス送給流路を通して供給される。リサイクルブロワが停止すると、原燃料ガスの改質反応に必要な水蒸気が供給されなくなるが、原燃料ガスが副燃料ガス送給流路を通して供給され、この原燃料ガスが部分酸化反応器にて燃焼反応され、水素を含む還元性ガスと水とが生成され、還元性ガス及び水を含むガスが固体酸化物形燃料電池に供給されるので、固体酸化物形燃料電池の燃料極部での炭素析出を抑制することができる。
【００１７】
また、部分酸化反応器は起動に要する時間が短く、還元性ガス及び水の発生を短時間で行うことができるので、リサイクルブロワの不具合を検知した場合には、原燃料ガスを部分酸化反応器に送給して還元性ガスをすぐに発生することができ、それによって、固体酸化物形燃料電池を炭素析出から保護することができる。この部分酸化反応器は、例えばルテニウムを含む触媒を用いるのが望ましく、ルテニウムを含む触媒上では炭素析出が発生しにくいという特徴があり、このルテニウムを含む触媒を用いることによっても燃料電池を炭素析出から保護することができる。更に、部分酸化反応器は、装置構成が簡略であるためシステム全体の簡略化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に記載された燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池に関連して固定抵抗が設けられており、通常運転時にはその発電電力はインバータを介して外部負荷に供給されるが、リサイクルブロアの停止時にはその発電電力は固定抵抗に供給される。固体酸化物形燃料電池の燃料極部は一般的にニッケルを含む材質から形成されており、それ故に、炭素析出が比較的発生しやすく、単に部分酸化反応器からの還元性ガス及び水を供給するのみでは燃料極上に炭素析出が発生する可能性が高い。そこで、リサイクルブロワが停止したときは、固体酸化物形燃料電池の発電を完全に停止するのではなく、負荷として固定抵抗に電気的に接続して固体酸化物形燃料電池の発電反応が低い出力状態で継続して運転されるようにし、このときの平均セル電圧が例えば０．８Ｖ程度となるように固定抵抗の抵抗値を設定することができる。このように固定抵抗に接続することによって、固体酸化物形燃料電池での燃料電池反応によってその燃料極側で水蒸気が生成され、燃料極に生じる炭素析出を抑制することができる。
【００１９】
燃料極における炭素析出は、固体酸化物形燃料電池の作動温度が高いときに起こりやすいが、固体酸化物形燃料電池の定格作動温度レベルでは、固体酸化物形燃料電池の発電性能が高い（換言すると、燃料電池の内部抵抗が低い）ため、固体酸化物形燃料電池の発電電流値が大きく、水蒸気の発生量が多くなることから炭素析出の抑制効果が高くなる。一方、固体酸化物形燃料電池の作動温度が低くなると、定格作動運転を行う温度での特性に比較して、固体酸化物形燃料電池の内部抵抗が高くなるため、同じ抵抗に接続していても、電流量が下がり、水蒸気の発生量が少なくなるが、作動温度の低下によって炭素析出が発生しにくくなる。従って、原燃料ガス流量に対して過剰な発電が行われて固体酸化物形燃料電池が劣化することを防止することができる。
【００２０】
このように、作動温度が高いほど固体酸化物形燃料電池から発生する水蒸気量が多くなり、その温度が下がってくると発電電流がそれに伴って下がるという応答性を示すようになり、作動温度が高いほど炭素析出の抑制がしやすく、作動温度が下がった際にも過剰な発電が行われて固体酸化物形燃料電池が劣化するということもなく、固体酸化物形燃料電池を安定に温度低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１〜図３を参照して、本発明を実施するための燃料電池システムの最良の実施形態について説明する。図１は、一実施形態の燃料電池システムを簡略的に示すシステムブロック図であり、図２は、図１の燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図であり、図３は、図１の燃料電池システムにおける負荷への接続切換えを説明するためのブロック図である。
【００２２】
図１において、図示の燃料電池システム２は、固体酸化物形燃料電池６、脱硫器８、リサイクルブロワ１０、部分酸化反応器１２及び燃焼器１４を備えている。この実施形態では、固体酸化物形燃料電池６には、燃料電池反応、燃料ガスの改質反応及び内部熱交換の機能が包含されている。
【００２３】
この燃料電池システム２では、原燃料ガスとして炭化水素系燃料ガス、例えばメタンガスを主成分とするガスであって、例えば天然ガスが用いられ、埋設供給管、ガスボンベのような天然ガス供給源４からの天然ガスが供給される。天然ガス供給源８からの天然ガス（原燃料ガス）は燃料ガス供給流路５を介して供給され、この燃料ガス供給流路５に脱硫器８が配設されている。脱硫器８は、天然ガスに含まれている硫黄成分を除去する。
【００２４】
燃料ガス供給流路５は分岐し、主燃料ガス送給流路１６を介して固体酸化物燃料電池６の燃料極側の導入部に接続されているとともに、副燃料ガス送給流路１８を介して同様に燃料極側の導入部に接続されている。主燃料ガス送給流路１６には第１開閉弁２０が配設されているとともに、副燃料ガス送給流路１８には第２開閉弁２２及び部分酸化反応器１２が配設されている。第１開閉弁２０が開状態で、第２開閉弁２２が閉状態のときには、天然ガス供給源５からの天然ガスは主燃料ガス送給流路１６を通して固体酸化物形燃料電池６の燃料極側に送給され、一方、第１開閉弁２０が閉状態で、第２開閉弁２２が開状態のときには、天然ガス供給源４からの天然ガスは副燃料ガス送給流路１８を通り、部分酸化反応器１２にて燃焼反応され、水素を含む還元性ガス及び水が生成され、これらを含むガスが固体酸化物形燃料電池６の燃料極側に送給される。尚、部分酸化物形燃料電池６に関連して第２空気ブロア３０が設けられ、第２空気ブロア３０からの空気が部分酸化反応器１２に送給される。
【００２５】
固体酸化物形燃料電池６の燃料極側の排出部には反応燃料ガス排出流路２１が接続され、この反応燃料ガス排出流路２１に燃焼器１４及び再生器２６が配設されている。また、固体酸化物形燃料電池６の空気極側の導入部には空気送給流路２３が接続され、この空気送給流路２３が再生器２６を通して延びているとともに、この空気送給流路２３に関連して第１空気ブロア２８が設けられている。また、固体酸化物形燃料電池６の空気極側の排出部には空気排出流路２５が接続され、この空気排出流路２５が燃焼器１４に接続されている。このように構成されているので、第１空気ブロア２８からの空気が空気送給流路２３を通して固体酸化物形燃料電池６の空気極側に送給され、かく送給される空気は再生器２６において反応燃焼ガス排出流路２１を流れる反応燃料ガスとの間で熱交換されて加熱される。固体酸化物形燃料電池６の空気極側から排出される空気とその燃料極側から排出される反応燃料ガスとは燃焼器１４に送給され、この燃焼器１４にて、空気極側からの空気を利用して反応燃焼ガスが完全に燃焼され、かく燃焼した燃焼ガス（反応燃焼ガス）が反応燃焼ガス排出流路２１を通して外部に排出される。
【００２６】
この形態では、固体酸化物形燃料電池６の燃料極側の排出部と主燃料送給流路１６（具体的には、第１開閉弁２０の配設部位よりも下流側部位）とがリサイクル流路２７を介して接続され、このリサイクル流路２７にリサイクルブロア１０が配設されている。リサイクルブロア１０が作動すると、燃料極側から排出された反応燃料ガスの一部がリサイクルブロア１０により吸引され、このリサイクル流路２７を通して主燃料送給流路１６に戻され、主燃料送給流路１６を通して送給される天然ガス（原燃料ガス）に固体酸化物形燃料電池６の反応燃料ガスが混合され、かく混合された混合ガスが固体酸化物形燃料電池６の導入部に送給される。この実施形態では、リサイクル流路２７を通してリサイクルされる反応燃料ガスを主燃料ガス送給流路１６に戻しているが、このような構成に代えて、固体酸化物形燃料電池６の燃料極側の導入部に戻すようにしてもよい。
【００２７】
図２及び図３を参照して、固体酸化物形燃料電池６の出力側には切換スイッチ３２が接続され、この切換スイッチ３２の一方の端子３３ａにはインバータ３４が接続され、このインバータ３４は各種電機機器などの外部負荷３６に電気的に接続される。また、切換スイッチ３２の他方の端子３３ｂには固定抵抗３８が電気的に接続されている。リサイクルブロア１０には、また、その回転数を検出する回転数検出手段４０（例えば、回転センサから構成される）が設けられ、この回転数検出手段４０からの検出信号が制御手段４２に送給される。制御手段４２は例えばマイクロプロセッサから構成され、回転数検出手段４０の検出信号などに基づいて固体酸化物形燃料電池６、切換スイッチ３２、第１開閉弁２０、第２開閉弁２２、リサイクルブロア１０，第１空気ブロア２８、第２空気ブロア３０及び部分酸化反応器１２などを作動制御する。
【００２８】
上述した燃料電池システム２は、次のように運転される。まず、通常運転時について説明すると、このときには、第１開閉弁２０が開状態に、第２開閉弁２２が閉状態に保たれ、炭化水素系燃料としての原燃料ガス（天然ガス）は、天然ガス供給源４から脱硫器８に送給され、この脱硫器８によって、原燃料ガスに含まれている硫黄成分が除去され、硫黄成分が除去された燃料ガスが固体酸化物形燃料電池６の燃料極側に供給される。この通常運転時には、リサイクルブロワ１０が作動され、固体酸化物形燃料電池６の燃料極側から排出された反応燃料ガスの一部を吸い込み、主燃料ガス送給流路１６を流れる原燃料ガスと、リサイクルブロワ１０の作用によりリサイクル流路２７を通して戻された反応燃料ガスとが混合されて固体酸化物形燃料電池６の燃料極側に供給される。このように供給された混合ガスは、固体酸化物形燃料電池６のセル内に導入され、改質反応と発電反応が同時に行われる。
【００２９】
固体酸化物形燃料電池６は、酸化物イオンを伝導する固体電解質２４を備え、この固体電解質２４の片側の空気極側に後述するようにして空気が供給され、その他側の燃料極側に改質された混合燃料ガスが供給され、改質された混合燃料ガスと空気中の酸素との燃料電池反応により発電が行われる。この固体酸化物形燃料電池６の燃料極側から排出された反応燃料ガスは、その一部が上述したようにリサイクルブロワ１０に引き込まれ、その残部が燃焼器１４に送給される。燃焼器１４には、固体酸化物形燃料電池６の空気極側から排出された排空気も送給され、反応燃料ガスは燃焼器１４で燃焼される。燃焼器１４から排出される排出ガスは、反応燃料ガス排気流路２１及び再生器２６を通して大気中に放出される。また、固体酸化物形燃料電池６の空気極側に供給される空気は、第１空気ブロワ２８から空気送給流路２３を通して供給され、かく送給される際に、再生器２６において、燃焼器１４からの排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により予熱された空気が固体酸化物形燃料電池６の空気極側に送給される。そして、固体酸化物形燃料電池６の空気極側からの排空気は燃焼器１４に送給され、反応燃料ガスの燃焼に用いられる。このとき、切換スイッチ３２は図３に実線で示す状態で、端子３３ａ側に接続されており、従って、固体酸化物形燃料電池６にて発電された電力は、切換スイッチ３２は端子３３ａを介してインバータ３４に送給され、インバータ３４にて所定電圧及び所定周波数（商業用電力と同じ電圧及び周波数）の電力に変換された後外部負荷３６に送給され、この発生電力が外部負荷３６にて消費される。尚、このときには、第２開閉弁２２が閉状態に、また部分酸化反応器１２及び第２空気ブロア３０が作動停止状態に保たれており、従って、副燃料ガス送給流路１８を通して原燃料ガス（天然ガス）が送給されることはない。
【００３０】
このような運転中にリサイクルブロア１０に作動不良が生じてその回転数が低下すると、燃料電池システム２は次のように運転される。即ち、回転数検知手段４０の検出信号に基づいてリサイクルブロア１０の回転数の低下を検知すると、制御手段４２はリサイクルブロア１０を作動停止し、第１開閉弁２０を閉状態に、また第２開閉弁２２を開状態にするとともに、第２空気ブロア３０及び部分酸化反応器１２を作動する。かくすると、天然ガス供給源４からの天然ガス（原燃料ガス）は、脱硫器８で硫黄成分が除去された後に副燃料ガス送給流路１８を通して部分酸化反応器１２に送給される。部分酸化反応器１２には、例えば、アルミナを担体としてルテニウムを担持した触媒が設けられており、第２空気ブロワ３０からの空気がこの部分酸化反応器１２に送給されると、この部分酸化反応器１２において天然ガスが部分酸化反応し、還元ガス（水素ガスを含む還元ガス）及び水を含む部分酸化ガスが固体酸化物形燃料電池６に送給される。部分酸化反応器１２が作動すると、その触媒部位が例えば電気加熱により加熱され、触媒反応部位の一部分の温度が急速に昇温し、部分酸化反応が直ぐに行われ、このようにして部分酸化反応が行われると、その後はその反応熱によって、部分酸化反応が持続して行われる。この部分酸化反応器１２においては、部分酸化反応の反応温度が７００℃以上に上昇すると炭素析出が発生する可能性があるので、反応温度の上昇を抑制するために、例えば、反応に必要な理論燃料の０．３倍の空気を第２空気ブロワ３０で供給して部分酸化反応を行うようにするのが望ましい。尚、このとき、第１開閉弁２０が閉状態に保たれ、またリサイクルブロア１０が作動停止しているので、主燃料ガス送給流路１６を通して燃料ガスが送給されることがなく、またリサイクル流路２７を通して反応燃料ガスの一部がリサイクルされることもない。
【００３１】
また、このようにリサイクルブロア１０の作動が停止すると、制御手段４２は切換スイッチ３２を図３に破線で示す状態に切り換え、その端子３３ｂ側に接続される。この端子３３ｂには固定抵抗３８が接続され、その抵抗値は、定格運転温度条件で部分酸化反応器１２から供給される還元性ガスが固体酸化物形燃料電池６の燃料極側に供給されたときに、固体酸化物形燃料電池６の単セルあたりの電圧が、例えば０．８Ｖ程度になるように設定される。尚、この固定抵抗３８は、発熱量が大きいときには空冷ファンによって放熱するのが望ましい。
【００３２】
このように固体酸化物形燃料電池６の出力側が固定抵抗３８に接続されるので、その発電電力は切換スイッチ３２の端子３３ｂを介して固定抵抗３８に流れ、この固定抵抗３８で消費される。このとき、部分酸化反応器１２への原燃料ガスの流量（第２空気ブロワ３０からの空気流量は燃料ガスの理論燃焼量の例えば０．３倍に設定される）及び固体酸化物形燃料電池６の空気極側に供給される第１空気ブロワ２８からの空気量とを調整することによって、燃料電池発電反応を維持しながら固体酸化物形燃料電池６の温度を徐々に下げていくことができる。つまり、固体酸化物形燃料電池６を固定抵抗３８に接続して発電電流を逃がすことによって、安定に燃料電池システム２を停止させることができる。
【００３３】
上述した構成の燃料電池システム２を再起動させ発電性能の確認実験を行ったところ、再起動後の運転において、停止前と同じ発電性能が得られた。このことから、この燃料電池システム２では、固体酸化物形燃料電池６において炭素析出が抑制されたと考えられ、発電性能の低下が防止できることが確認された。
【００３４】
比較例として、固体酸化物形燃料電池６の燃料電池を開回路にして、固定抵抗３８への接続を行わず、その他の条件は上記実施例と全て同じにして固体酸化物形燃料電池６の外部負荷３６への発電出力を停止した。その後、再起動して固体酸化物形燃料電池６の発電性能を確認したところ、停止前よりも約５％の電圧低下が確認された。この電圧低下の理由は、固体酸化物形燃料電池６の燃料極上への炭素析出によるものであった。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
天然ガスなどを原燃料ガスとして固体酸化物形燃料電池で発電する燃料電池システムにおいて、リサイクルブロワを用い、リサイクルブロワが停止したときに、原燃料ガスを部分酸化反応器に通して還元性ガスを含む部分酸化ガスにして固体酸化物形燃料電池に供給し、また固体酸化物形燃料電池の発電電力を外部負荷から切り換えて固定抵抗に送給することによって、燃料極への炭素の析出を防止して燃料電池システムを停止することができ、固体酸化物形燃料電池を安定して停止させる技術として有効に用いることができる。また、安定して停止させるための装置構成を複雑にすることなく燃料電池システムを停止することができるので、システム全体を小型化することもでき、またシステムの設備費用も安価となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示すシステムブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの制御径を簡略的に示すブロック図である。
【図３】図１の燃料電池システムにおける負荷への接続切換えを説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
２  燃料電池システム
６  固体酸化物形燃料電池
８  脱硫器
１０  リサイクルブロワ
１２  部分酸化反応器
１６  主燃料ガス送給流路
１８  副燃料ガス送給流路
２１  反応燃料ガス排出流路
２３  空気送給流路
２７  リサイクル流路
２８  第１空気ブロワ
３０  第２空気ブロワ
３２  切換スイッチ
３４  インバータ
３６  外部負荷
３８  固定抵抗
【図１】
2005093222.tif 000003
【図２】
2005093222.tif 000004
【図３】
2005093222.tif 000005