(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】固体酸化物形燃料電池システムの発電が停止すると、セルスタック１１中の燃料極１１１は、第１のリサイクル流路Ｌ１、循環流路Ｌ５、第２の燃料流路Ｌ３、ガスだまり１３および第３の燃料流路Ｌ４とともに循環経路を構成する。これにより、燃料極１１１からの排気ガスが燃料極１１１に供給されるので、燃料極１１１が還元雰囲気に保持される。したがって、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。【選択図】  図１
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【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第１の燃料流路と、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第１の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第１の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】
原燃料から水素リッチな前記燃料ガスを生成して前記第１の燃料流路に供給する改質器と、
この改質器に外部からの前記原燃料を供給する第２の燃料流路と、
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第２の燃料流路に供給するリサイクル流路と、
外部から前記原燃料が供給されると、前記排気ガス流路と前記リサイクル流路とを接続するとともに、前記排気ガス流路と前記接続流路とを遮断し、外部から前記原燃料の供給が停止されると、前記排気ガス流路と前記接続流路とを接続するとともに、前記排気ガス流路と前記リサイクル流路とを遮断する制御弁と
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】
前記接続流路に設けられ、前記燃料極からの排気ガスを冷却する冷却器
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環流路に設けられたファン
をさらに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５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。このような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において、燃料極における水素利用率は、局部的な水素不足によるセル劣化（いわゆるガス欠による電解質の損傷）を避けるために、供給した燃料の約60〜80％程度に抑えられている。このため、燃料極から排出されるガス（以下、「燃料排気ガス」と言う。）には、約20〜40％の未使用燃料が含まれている。そこで、燃料極からの燃料排気ガスに含まれる未使用燃料をリサイクルして用いる燃料リサイクル式ＳＯＦＣシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料リサイクル式ＳＯＦＣシステムでは、燃料極からの燃料排気ガスに含まれる未使用の燃料を、新たに供給される燃料とともに燃料極に供給することにより、燃料排気ガスに含まれる未使用の燃料を再び燃料として使用することでリサイクルを行っている。このとき、燃料極からの燃料排気ガスは、全量を燃料極に戻さず、一部を触媒燃焼器に入力する。この触媒燃焼器は、空気極からの排気ガス（以下、「酸化剤排気ガス」と言う。）と燃料極からの燃料排気ガスとを燃焼させることにより熱を生成し、この熱を燃料ガスを改質する改質器や空気極に入力される空気を暖める予熱器に供給するものである。このように未使用燃料を燃料として再び使用するとともに、未使用燃料の一部を熱エネルギーに変換して使用することにより、システム全体でのエネルギー効率の向上を実現している。
【０００４】
このようなＳＯＦＣシステムでは、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させると、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。
【０００５】
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ることが行われている。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ることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７２６７７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、そのためにコストがかかっていた。
【０００９】
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】
【００１０】
上述したような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第１の燃料流路と、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、排気ガス流路と第１の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第１の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を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成して第１の燃料流路に供給する改質器と、この改質器に外部からの原燃料を供給する第２の燃料流路と、排気ガス流路から供給される燃料極からの排気ガスを第２の燃料流路に供給するリサイクル流路と、外部から原燃料が供給されると、排気ガス流路とリサイクル流路とを接続するとともに、排気ガス流路と接続流路とを遮断し、外部から原燃料の供給が停止されると、排気ガス流路と接続流路とを接続するとともに、排気ガス流路とリサイクル流路とを遮断する制御弁とをさらに備え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、接続流路に設けられ、燃料極からの排気ガスを冷却する冷却器をさらに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、循環流路に設けられたファンをさらに備えるようにしてもよい。ここで、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、排気ガス流路と第１の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第１の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ことにより、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のリサイクル流路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、ガスだまり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６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、第２の燃料流路Ｌ３を介してガスだまり１３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。
【００２３】
ガスだまり１３は、改質器１２により生成された燃料ガスを貯留する容器から構成される。この貯留された燃料ガスは、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。このようなガスだまり１３には、接続流路Ｌ５が接続されており、この接続流路Ｌ５を介して、セルスタック１１の燃料極１１１からの燃料排気ガスが供給される。
【００２４】
空気予熱器１４は、第１の空気流路Ｌ６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Ｌ７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、排気ガス流路Ｌ８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、第１のリサイクル流路Ｌ１から分岐した分岐流路Ｌ９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、排気ガス流路Ｌ８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Ｌ１０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、分岐流路Ｌ９には、通常は開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Ｌ６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駆動時にはセルスタック１１により生成される電力、固体酸化物型燃料電池システムの停止時には第１のスイッチＳ１を介して接続される系統電力、または、第２のスイッチＳ２を介して接続される蓄電池７から供給される電力により駆動される。このようなファン４は、第１のリサイクル流路Ｌ１を介してセルスタック１１のアノードから排出される燃料排気ガスを、第１の燃料流路Ｌ２に接続された第２のリサイクル流路Ｌ１１、または、接続流路Ｌ５に供給する。ここで、蓄電池７は、セルスタック１１により生成された電力により充電されるようにしてもよい。なお、第２のリサイクル流路Ｌ１１には、通常は開状態となっている第３のＮＣバルブＶ３が設けられている。この第３のＮＣバルブＶ３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。また、接続流路Ｌ５には、駆動力が入力されてないときは開状態（Normal Open：Ｎ．Ｏ．）（以下、「ＮＯ」と言う。）となっているＮＯバルブＶ４と、冷却フィン８とが設けられている。本実施の形態において、ＮＯバルブＶ４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。
【００２９】
≪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。
【００３０】
＜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。
【００３１】
＜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３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３を開状態、ＮＯバルブ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、ガスだまり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６により電力が取り出されることとなる。
【００３２】
このとき、セルスタック１１中の燃料極１１１から排出される燃料排気ガスは、一部は第１のリサイクル流路Ｌ１から分岐流路Ｌ９を経て触媒燃焼器１５に供給され、その他は第１のリサイクル流路Ｌ１、第２のリサイクル流路Ｌ１１および第１の燃料流路Ｌ２を経て改質器１２に供給される。ここで、燃料極１１１における水素利用率は、局部的な水素不足によるセル劣化を避けるために、供給した燃料の約60〜80％程度に抑えられている。このため、燃料極１１１から排出される燃料排気ガスには、約20〜40％の未使用燃料が含まれている。そこで、燃料極からの燃料排気ガスに含まれる燃料を、新たに供給された燃料ガスと合流させてセルスタック１１中の燃料極１１１に供給して、再び燃料として使用している。これにより、燃料ガスのリサイクルを実現している。
【００３３】
また、触媒燃焼器１５には、燃料排気ガスとともにセルスタック１１の空気極１１３から排出される酸化剤排気ガスが供給され、これらの混合ガスが燃焼される。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】
＜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。
【００３５】
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３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３およびＮＯバルブＶ４に制御信号を送信し、第１〜第３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３を閉状態、ＮＯバルブＶ４を開状態とする（ステップＳ３１）。すると、セルスタック１１中の燃料極１１１は、第１のリサイクル流路Ｌ１、接続流路Ｌ５、第２の燃料流路Ｌ３、ガスだまり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ので、燃料極１１１の周囲も還元雰囲気が保持される。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。また、改質器１２とセルスタック１１との間にガスだまり１３を設けているので、その循環流路内の還元性ガスの量を増やすこともできる。
【００３６】
第１〜第３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３およびＮＯバルブＶ４を駆動させると、制御装置５は、第１のスイッチＳ１をオン状態とする（ステップＳ３２）。すると、系統電力からファン４に電力が供給されるので、ファン４が駆動する（ステップＳ３３）。これにより、循環流路内を燃料排気ガスが循環するので、燃料極１１１には燃料排気ガスが供給され続けることとなる。したがって、燃料極１１１の周囲も燃料排気ガスに含まれる還元性ガスにより還元雰囲気が保持されるので、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、結果として、単セル１１０の破損を防ぐことができる。
【００３７】
このとき、還元性ガスは、接続流路Ｌ５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の温度が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。
【００３８】
＜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。
【００３９】
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３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３およびＮＯバルブＶ４へ制御信号を送信し、第１〜第３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３を閉状態、ＮＯバルブＶ４を開状態とする（ステップＳ４１）。なお、第１〜第３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３およびＮＯバルブ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３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３が閉状態、ＮＯバルブＶ４が開状態となる。
【００４０】
このように、第１〜第３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３が閉状態、ＮＯバルブＶ４が開状態となると、セルスタック１１中の燃料極１１１は、第１のリサイクル流路Ｌ１、接続流路Ｌ５、第２の燃料流路Ｌ３、ガスだまり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。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により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。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。また、改質器１２とセルスタック１１との間にガスだまり１３を設けているので、その循環流路内の還元性ガスの量を増やすこともできる。なお、このときに制御装置５は、燃料供給装置２および空供給装置３の駆動も停止させるようにしてもよい。
【００４１】
第１〜第３のＮＣバルブＶ１〜Ｖ３およびＮＯバルブＶ４を駆動させると、制御装置５は、第２のスイッチＳ２をオン状態とする（ステップＳ４２）。すると、蓄電池７からファン４に電力が供給される、ファン４が駆動する（ステップＳ４３）。これにより、循環流路内を燃料排気ガスが循環するので、燃料極１１１には燃料排気ガスが供給され続けることとなる。したがって、燃料極１１１の周囲も燃料排気ガスに含まれる還元性ガスにより還元雰囲気が保持されるので、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。
【００４２】
このとき、還元性ガスは、接続流路Ｌ５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の温度が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出来、単セル１１０の破損をより確実に防止することができる。
【００４３】
また、ファン４は、セルスタック１１や系統電力からの電力供給が停止しても、蓄電池７から電力が供給されるので、確実に駆動することができ、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。
【００４４】
なお、第２のスイッチＳ２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、自動的に第２のスイッチＳ２がオン状態となるので、ファン４への蓄電池７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。
【００４５】
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。したがって、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。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、外部から原燃料の供給が停止されると、燃料極１１１からの排気ガスを燃料極１１１に供給することにより、燃料極１１１が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。
【００４７】
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、上記閉じた循環流路内に残存している排気ガスがモジュール１外部の冷却フィン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１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１１１の破損をより効果的に防止することができる。
【００４８】
また、発電の停止時には、改質器１２内、および燃料供給装置２から改質器１２までは、未改質の燃料（炭化水素燃料）が残存していると考えられる。この未改質の燃料がそのまま燃料極１１１に到達してしまうと、燃料極１１１で改質反応が起こり、炭化水素燃料分子中に含まれていたC（炭素）が燃料極１１１上に析出する。これは、単セル１１０の劣化、セパレータ内の流路閉塞を引き起こし、セルスタック１１を劣化させてしまう。そこで、本実施の形態では、発電の停止時には改質器１２を介さない上記循環流路を形成している。これにより、未改質の燃料がセルスタック１１に到達することを防ぐことができるので、結果として、セルスタック１１の劣化を防ぐことができる。
【００４９】
また、従来の改質ガスを用いて燃料極の酸化を防止するシステムでは、水の供給が停止すると改質器１２において水蒸気改質が行えないので、改質ガスを供給できなくなる。これに対して、本実施の形態では、上述したように上記循環流路が改質器を介さないので、水の供給が停止しても燃料極１１１の還元状態を維持することができる。
【００５０】
なお、蓄電池７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800℃付近から250℃以下になるまでの時間はおよそ15時間であるから、蓄電池７としては、15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７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。
【００５１】
また、本実施の形態では、接続流路Ｌ５にＮＯバルブＶ４、第２のリサイクル流路Ｌ１１にＮＣバルブＶ３を設けることにより、第１のリサイクル流路Ｌ１と接続流路Ｌ５または第２のリサイクル流路Ｌ１１との接続または遮断を制御し、第１のリサイクル流路Ｌ１から供給される燃料極１１１から燃料排気ガスの供給先を制御する場合を例に説明したが、この燃料排気ガスの供給先を制御するための構成はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、第１のリサイクル流路Ｌ１、接続流路Ｌ５および第２のリサイクル流路Ｌ１１の接続部に３方弁を設け、この３方弁により燃料排気ガスの供給先を制御するようにしてもよい。
【００５２】
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】
【００５３】
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】
【００５４】
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…外部回路、７…蓄電池、８…冷却フィン、１１…セルスタック、１２…改質器、１３…ガスだまり、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のリサイクル流路、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…接続流路、Ｌ６…第１の空気流路、Ｌ７…第２の空気流路、Ｌ８…排気ガス流路、Ｌ９…分岐流路、Ｌ１０…燃焼ガス流路、Ｌ１１…第２のリサイクル流路、Ｖ１…第１のＮＣバルブ、Ｖ２…第２のＮＣバルブ、Ｖ３…第３のＮＣバルブ、Ｖ４…ＮＯバルブ、Ｓ１…第１のスイッチ、Ｓ２…第２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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