固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法
【課題】発電セルの著しい低下など何らかの原因により緊急停止した際に、燃料極に水蒸気や水素の導入を防止するとともに、空気極層の結晶構造の変化を防止して、発電セルの劣化および発電性能の低下を防ぐ固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池５が緊急停止して負荷電流が停止した際に、改質器６に炭化水素ガスを５秒以上供給した後に停止するとともに、空気極層１５に空気および水蒸気発生器８に水を２分以上供給した後に、空気および水の流量を低下させて、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下および水の供給圧力がゼロになった時に、空気および水の供給を停止し、かつ水蒸気発生器８および外気化器２６ａに残留する水を外部に排出する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池５が緊急停止して負荷電流が停止した際に、改質器６に炭化水素ガスを５秒以上供給した後に停止するとともに、空気極層１５に空気および水蒸気発生器８に水を２分以上供給した後に、空気および水の流量を低下させて、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下および水の供給圧力がゼロになった時に、空気および水の供給を停止し、かつ水蒸気発生器８および外気化器２６ａに残留する水を外部に排出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極層に燃料ガスを、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池の緊急運転停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体酸化物形燃料電池として、缶体内部に固体酸化物形燃料電池および改質器を設け、この改質器に水蒸気発生器において気化した水蒸気および炭化水素ガスを供給して、当該改質器内において水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料ガス供給ラインを介して上記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、空気ブロアから供給された空気を空気供給ラインを介して上記固体酸化物形燃料電池に供給するものが知られている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルを有し、この発電セルの外側の燃料極層側に燃料極集電体および空気極層側に空気極集電体を配置して、これら集電体の外側にセパレータを配置することにより単セルをなし、この単セルを複数積層することにより構成されている。そして、上記燃料ガス供給ラインからの燃料ガスを、上記セパレータを介して上記燃料極層に供給し、上記空気供給ラインからの空気を、上記セパレータを介して上記空気極層に供給することにより発電反応を生じさせるものである。
【０００４】
ここで、固体電解質層は、ランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）等によって構成されている。また、燃料極層は、Ｎｉのサーメットで構成されている。そして、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）によって構成されている。また、燃料極集電体は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。そして、空気極集電体は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【０００５】
一方、水蒸気発生器は、水供給手段から導入された水を、内部に充填された熱伝導性の良好なビーズによって効率的に気化して、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。
【０００６】
他方、改質器は、導入された炭化水素ガスおよび水蒸気を、内部に充填された炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒によって、改質して燃料ガスを生成するものである。
【０００７】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池は、高出力大面積マルチスタックの採用により、熱過多の状況にあることから、よりコンパクトな固体酸化物形燃料電池を開発するために、断熱材の厚さを低減させる必要がある。これにより、近年の高出力大面積マルチスタックを採用した固体酸化物形燃料電池は、上記断熱材の中に外気化器（水配管）を敷設し、この外気化器（水配管）によって熱交換を行う構造が採用されている。この外気化器（水配管）は、上記水蒸気発生器において生成した水蒸気を上記改質器に供給するための水蒸気供給ラインである。
【０００８】
しかし、何らかの原因、例えば、セル電圧の著しい低下、発電セルの急激な温度上昇、ガス濃度の異常などをセンサが検知すると、固体酸化物形燃料電池は、安全上の観点から、自動で緊急停止するように設計されている。また、偶発的に停電が生じ、空気ブロアや燃料ガスブロアが停止する場合には、この停電が長時間続く状態、即ち完全停電であるときには、上記固体酸化物形燃料電池は、安全性を考慮して、そのまま緊急停止するように設計されている。
【０００９】
このような緊急停止時に、例えば、燃料ガスブロアや空気ブロアの稼動が停止した場合、燃料ガス供給ラインおよび改質器には、燃料ガスが残留していることから、この残留燃料ガスが、上記固体酸化物形燃料電池の燃料極層に流入すると、上記固体酸化物形燃料電池の空気極層の酸素イオンが、固体電解質層中を介して上記燃料極層に移動するため、上記空気極層の結晶構造が不可逆に変化してしまう。このため、緊急停止後に再稼働しても、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルのセル電圧が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明者らは、下記特許文献１において、少なくとも燃料極層に燃料ガスの供給が停止して緊急停止した際、空気極層に上記空気ブロアあるいは空気バッファタンクの空気を、上記残留燃料ガスがなくなるまで供給し続けることによって、空気極層の結晶構造の変化を防止して、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することのない固体酸化物形燃料電池の運転停止方法を提案している。
【００１１】
また、下記特許文献１では、上記空気ブロアに、上記固体酸化物形燃料電池の発電反応により得られた電力を一部蓄電する蓄電池を設けることにより、例えば、完全停電により緊急停止した際も、上記空気ブロアを稼働させることを可能にしている。
【００１２】
さらに、下記特許文献１では、燃料極層への燃料ガスの供給が停止して緊急停止した際に、空気ブロアが故障して動作しない状態であっても、上記空気極層に上記空気バッファタンクの空気を、上記残留燃料ガスがなくなるまで供給し続けることによって、上記空気極層の結晶構造の変化を防止して、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することがないようにしている。
【００１３】
しかしながら、上記外気化器（水配管）を採用した高出力大面積マルチスタックの上記固体酸化物形燃料電池においては、上記外気化器（水配管）がバッファタンクの変わりになるため、空気供給が終了した後に、上記外気化器内の水が上記改質器に供給され、上記燃料ガス供給ラインを介して、上記燃料極層に微量ながら長時間導入されてしまい、結果として電圧が上昇するという問題がある。
【００１４】
また、この燃料極層に供給される水蒸気は、高温で酸化作用があるため、改質器内のＮｉ系の改質触媒、およびＮｉ基合金の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体の一部が酸化することによって水素が発生し、上記燃料極層に微量の水素も長時間導入され続けることになる。このように、上記燃料極層に導入される微量の水蒸気および水素により、発電セルの劣化および発電性能の低下を生じてしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００９−８７８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電セルの著しい低下など何らかの原因により緊急停止した際に、燃料極に水蒸気や水素の導入を防止するとともに、空気極層の結晶構造の変化を防止して、発電セルの劣化および発電性能の低下を防ぐ固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発電セルの燃料極層に、炭化水素ガスと水蒸気発生器および外気化器を介して水蒸気に生成された水とを改質器に導入して改質した燃料ガスを供給するとともに、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池における緊急停止方法であって、上記固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、上記改質器に上記炭化水素ガスを５秒以上供給した後に停止するとともに、空気極層に上記空気および上記水蒸気発生器に上記水を２分以上供給した後に、上記空気および上記水の流量を低下させて、上記発電セルの電圧が予め定められたしきい値以下および上記水の供給圧力がゼロになった時に、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出することを特徴とするものである。
【００１８】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出した後に、上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値より高くなった場合に、上記空気の供給を上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで再度供給することを特徴とするものである。
【００１９】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記発電セルの電圧の上記しきい値が０．１Ｖ以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１〜３に記載の発明によれば、固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、空気および水の流量を低下させて、発電セルの電圧が予め定められたしきい値以下および上記水の供給圧力がゼロになった時に、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ水蒸気発生器および外気化器に残留する上記水を外部に排出するため、燃料極層の燃料ガスがなくなった後に、上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留した上記水が水蒸気に生成され、改質器を介して発電セルに導入されることを防止するとともに、上記水蒸気の酸化作用によって、上記改質器内のＮｉ系の改質触媒、およびＮｉ基合金の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体の一部が酸化することによて起こる水素の発生を防ぐことができる。これにより、上記発電セルの劣化や発電性能の低下を低減させることができる。
【００２１】
また、緊急停止した際に、炭化水素ガスを上記改質器に、５秒以上供給した後に停止しても、水を水蒸気発生器および空気を空気極層に、２分以上供給するため、燃料ガスが上記改質器に残留していても、上記空気極層の酸素イオンが固体電解質層中を通じて、上記燃料極層に移動することがない。この結果、上記酸素イオンが上記燃料極層に移動することにより起こる、上記空気極層の結晶構造の不可逆変化を防止することができ、緊急停止後に再稼働しても、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルのセル電圧が低下してしまう機能低下を防ぐことができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載した緊急停止方法により、上記固体酸化物形燃料電池を停止して、上記固体酸化物形燃料電池に燃料ガス、空気、水が供給されていない状態にもかかわらず、何らかの要因によって、上記発電セルの電圧が上昇した場合には、上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで、上記空気の供給を再度供給することにより、簡便に対応することができる。これにより、上記発電セルの劣化および機能低下のさらなる低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法に用いられる固体酸化物形燃料電池装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。
【図３】本発明の固体酸化物形燃料電池の緊急停止実験のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すように、本発明の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法に用いられる一実施形態の固体酸化物形燃料電池は、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２により覆う外缶体３とからなる缶体４を有し、内缶体１と外缶体３との間に、水蒸気を生成する水蒸気発生器８が配設され、缶体４の内部に、固体酸化物形燃料電池５と改質器６とが収納されているとともに、当該缶体４の下部に固体酸化物形燃料電池５から排出された排ガスを、缶体４の外部に排出する排出口７が形成され、かつ缶体４の外部に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１、制御装置２８および補助電源２５とが配設されて概略構成されている。
【００２５】
ここで、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、固体電解質層１３の一方の面に燃料極層１４が配置されているとともに、他方の面に空気極層１５が配置されて発電セル１６が構成されている。この発電セル１６は、燃料極層１４の外側に、燃料極集電体１７が配置されているとともに、空気極層１５の外側に空気極集電体１８が配置されている。さらに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８の外側には、セパレータ１９が配置されて、単セル２０が構成されている。この単セル２０は、図１に示すように、複数積層され、積層方向の一端側と他端側とをフランジ２１により挟み込まれている。
【００２６】
また、固体電解質層１３は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）によって構成されている。
【００２７】
そして、燃料極層１４は、Ｎｉのサーメットで構成されている。また、空気極層１５は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）により構成されている。
【００２８】
さらに、燃料極集電体１７は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体１８は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【００２９】
また、セパレータ１９は、ステンレス板によって構成されているとともに、燃料極層１４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路２２、および空気極層１５に空気を供給する空気通路２３が穿設されている。
【００３０】
そして、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９同士の間は、Ｎｉの多孔質焼結板からなる燃料極集電体１７、およびＡｇの多孔質焼結板からなる空気極集電体１８から排出される高温の残余の排ガスを缶体４内に排出可能なシールレス構造になっている。また、発電セル１６には、電圧を測定する電圧計が設けられている。
【００３１】
また、缶体４の外部に配置された炭化水素ガスブロア９は、その吐出側に炭化水素ガス供給ライン２４が接続せれているとともに、この炭化水素ガス供給ライン２４の他方側が、缶体４内部に収納された改質器６の導入側に接続されている。
【００３２】
そして、改質器６は、その内部に炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。さらに、改質器６の出口側には、燃料ガス供給ライン２４ａが接続されているとともに、この燃料ガス供給ライン２４ａの他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９の燃料ガス通路２２に導入されている。
【００３３】
さらに、缶体４の外部に配置された水ポンプ１０は、その吐出側に水供給ライン２６が接続されているとともに、この水供給ライン２６の他方側が水蒸気発生器８の導入側に接続されている。また、水供給ライン２６には、水圧計３１が介装されている。そして、水蒸気発生器８の出口側に、水蒸気供給ライン（外気化器）２６ａの一方側が接続されてているとともに、他方側が燃料ガス供給ライン２４ａに接続されている。この水蒸気供給ライン２６ａは、内缶体１と外缶体３との間に敷設されている。これにより、固体酸化物形燃料電池５の発電反応により高温に熱せられた缶体１の熱と、水蒸気供給ライン２６ａを通る水蒸気との間で熱交換が行われ、高温の熱を受けた水蒸気が改質器６に導入される。
【００３４】
また、水蒸気供給ライン２６ａには、その内部に残留する水および水蒸気発生器８の内部に残留する水を排出する水排出ライン２９が接続されている。この水排出ライン２９には、水蒸気発生器用電磁弁１２が介装されている。また、水蒸気発生器８は、缶体４の排出口７を横断して介装されているとともに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８から排出される上記排ガスの熱により、水を効率良く気化させるために、熱伝導性の良好なビーズが充填されている。
【００３５】
そして、缶体４の外部に配設された空気ブロア１１は、その吐出側に空気供給ライン２７が接続されているとともに、この空気供給ライン２７の他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９の空気通路２３に導入されている。
【００３６】
さらに、缶体４の外部には、固体酸化物形燃料電池５の発電反応により得られた電力を一部蓄電する補助電源２５と、何らかの原因により緊急停止した際に稼動する制御装置２８が配設されている。この制御装置２８は、緊急停止して負荷電流がゼロになった際に、改質器６に炭化水素ガスを供給する炭化水素ガスブロア９と、水蒸気発生器８に水を供給する水ポンプ１０と、空気極層１５に空気を供給する空気ブロア１１とを各々制御している。なお、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１および制御装置２８は、停電により緊急停止した際に、補助電源２５から電力が供給される。
【００３７】
また、制御装置２８は、緊急停止して負荷電流がゼロになった際に、発電セル１６の電圧を検出する電圧計３０からの検出信号を受信するとともに、水ポンプ１０の供給圧を検出する水圧計３１からの検出信号を受信している。さらに、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下、および上記水の供給圧力がゼロになったときに、電圧計３０および水圧計３１からの検出信号を受信して、水蒸気発生器用電磁弁１２を制御している。
【００３８】
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池を用いて、何らかの原因により緊急停止した際の停止方法について説明する。なお、何らかの原因としては、例えば、セル電圧の著しい低下、発電セルの急激な温度上昇、ガス濃度の異常、停電などが考えられる。
【００３９】
まず、何らかの原因、例えば、発電セル１６のセル電圧が著しく低下した場合に、発電セル１６に異常があると判断され、固体酸化物形燃料電池５は、安全上の観点から自動で緊急停止する。この際に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０および空気ブロア１１および制御装置２８には、電力が供給されている。そして、この緊急停止により、制御装置２８が作動して、この制御装置２８に組み込まれたプログラムが実行される。
【００４０】
そして、制御装置２８の制御信号により、炭化水素ガスブロア９から炭化水素ガス供給ライン２４を介して、改質器６に炭化水素ガスが５秒以上供給され、５秒以上経過後に炭化水素ガスの供給が停止される。また、同時に、水ポンプ１０から水供給ライン２６を介して、水蒸気発生器８に水、および空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気極層１５に空気が２分以上供給される。
【００４１】
次いで、制御装置２８からの制御信号により、上記水および上記空気が２分以上供給された後に、水ポンプ１０および空気ブロア１１の各々の流量を徐々に低下させる。そして、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下、および水の供給圧がゼロになったときに、発電セル１６に設けられた電圧計３０および水供給ライン２６に設けられた水圧計３１から制御装置２８に検出信号が送信されて、水ポンプ１０および空気ブロア１１が停止されるとともに、水蒸気供給ライン２６ａに介装された水蒸気発生器用電磁弁１２が非通電となり、水蒸気発生器用電磁弁１２が開状態になって、水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する上記水が、水排出ライン２９を介して外部に排出される。
【００４２】
さらに、水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する上記水が、水排出ラインを介して外部に排出された後も、制御装置２８からの制御信号により、発電セル１６に設けられた電圧計３０によって、発電セル１６の電圧が継続的に監視される。そして、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値を超えた場合に、制御装置２８が電圧計３０から検出信号を受信して、制御装置２８からの制御信号により、再度空気ブロア１１が作動され、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下になるまで、空気極層１５に空気が再供給される。
【００４３】
そして、空気ブロア１１から空気極層１５に空気を再供給した後に、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値を超えないことを、制御装置２８が電圧計３０からの検出信号により判断すると、制御装置２８は固体酸化物形燃料電池が再稼動するまで待機状態となる。その後、トラブルの原因が解消されると、制御装置２８が停止するとともに、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１が、主電源の電力により作動して、固体酸化物形燃料電池が再稼動し始める。
【００４４】
＜実施例＞
上記固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法について、図３の発明者らが行った緊急停止実験に基づくタイムチャートに基づいて具体的に説明する。
図３に示すように、この実験では、負荷電流を停止した時点から、炭化水素ガスを改質器６に５秒間供給した後に、炭化水素ガスの供給を停止する。それと同時に、負荷電流を停止した時点から、空気を空気極層１５に、また水を水蒸気発生器８に、各々２分間供給する。そして、２分後に上記空気と上記水の流用を徐々に下げて、発電セル１６の電圧が、０．１Ｖ以下および上記水の供給圧がゼロになった時点において、上記空気および上記水を停止させる、そして、水蒸気発生器８に残留する上記水を排出した。
【００４５】
そして、再び固体酸化物形燃料電池５を稼動させて、機能低下などの有無を確認するとともに、固体酸化物形燃料電池５を分解して、発電セル１６の状態を観察した。
【００４６】
ちなみに、発電セル１６のしきい値を０．１Ｖとしたのは、上記緊急停止実験時に、０．１Ｖ以下に到達した時点で上記空気の供給を停止して、セル電圧が上昇した発電セル１６と上昇しない発電セル１６の状態を観察して導き出されたものである。
【００４７】
さらに、上記緊急停止実験において、水蒸気発生器８から上記水を排出して、水蒸気、空気、炭化水素ガスを完全に停止した後に、発電セル１６の電圧を監視すると、再び発電セル１６の電圧の上昇が確認された。このときに、再び上記空気を空気極層１５に供給することにより、発電セル１６の電圧が０．１Ｖ以下になることを確認した。
【００４８】
この実験結果から、負荷電流を停止後に、炭化水素ガスを改質器６に５秒間供給するとともに、空気を空気極層１５に、水を水蒸気発生器８に各々２分間供給した後に、上記空気および上記水の流量を下げて、発電セル１６の電圧を０．１Ｖ以下および水の供給圧がゼロになったときに、上記空気および上記水を完全に停止し、かつ水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する水を抜くことによって、発電セルの劣化および機能低下を防ぐことができることが判明した。
【００４９】
また、水蒸気、空気、炭化水素ガスの供給を完全に停止した後に、何らかの要因によって、発電セル１６の電圧が０．１Ｖを超えたとしても、再び空気を空気極層１５に供給することによって、発電セル１６の電圧を０．１Ｖ以下にすることができることも判明した。
【００５０】
上述の実施の形態による固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法によれば、固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、空気および水の流量を低下させて、発電セル１６の電圧が０．１Ｖ以下、および上記水の供給圧力をゼロにしたときに、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する上記水を外部に排出するため、燃料極層１４の燃料ガスがなくなった後に、水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留した上記水が、水蒸気となって改質器６に導入されることを防止することができる。これにより、上記水蒸気の酸化作用により、改質器６内のＮｉ系の改質触媒、およびＮｉ基合金の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体１７の一部が酸化することにより起こる水素の発生を防ぐことができ、発電セル１６の劣化や機能低下を低減させて、メンテナンスコストを軽減させることができる。
【００５１】
また、緊急停止した際に、炭化水素ガスを改質器６に５秒間供給した後に停止しても、水を水蒸気発生器８および空気を空気極層１５に２分程度供給するため、燃料ガスが改質器６に残留していても、空気極層１５の酸素イオンが固体電解質層１３中を通じて、燃料極層１４に移動することがない。この結果、上記酸素イオンが燃料極層１４に移動して起こる空気極層１５の結晶構造の不可逆変化を防止することができ、緊急停止後に再稼働しても、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルのセル電圧が低下してしまう機能低下を防ぐことができる。
【００５２】
さらに、本実施形態の緊急停止方法により、固体酸化物形燃料電池５を停止して、固体酸化物形燃料電池５に燃料ガス、空気、水が供給されていない状態にもかかわらず、何らかの要因によって、発電セル１６の電圧が上昇した場合には、発電セル１６の電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで、上記空気の供給を再度供給することにより、簡便に対応することができる。これにより、発電セル１６の劣化および機能低下のさらなる低減を図ることができる。
【００５３】
なお、上記実施の形態において、緊急停止方法を説明する際に、何らかの原因を発電セル１６のセル電圧が著しく低下して、固体酸化物形燃料電池５が自動で緊急停止した場合についてのみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、停電により緊急停止した場合でも対応可能である。この場合には、停電により、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０および空気ブロア１１が停止すると、図１に示すように、電力が補助電源２５に切り替わり、この補助電源２５からの電力が、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１および制御装置２８に供給される。そして、制御装置２８が作動し、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０および空気ブロア１１を制御することになる。
さらに、上記実施の形態において、空気を空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気極層１５に供給する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、空気ブロア１１と空気を空気極層１５との間に、空気ブロア１１から空気極層１５に供給される空気の圧力を安定させる空気バッファタンクを介装しても対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
固体酸化物形燃料電池に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 内缶体
２ 断熱材
３ 外缶体
４ 缶体
５ 固体酸化物形燃料電池
６ 改質器
７ 排出口
８ 水蒸気発生器
９ 炭化水素ガスブロア
１０ 水ポンプ
１１ 空気ブロア
１２ 水蒸気発生器用電磁弁
１３ 固体電解質層
１４ 燃料極層
１５ 空気極層
１６ 発電セル
１７ 燃料極集電体
１８ 空気極集電体
１９ セパレータ
２０ 単セル
２６ａ 水蒸気供給ライン（外気化器）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極層に燃料ガスを、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池の緊急運転停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体酸化物形燃料電池として、缶体内部に固体酸化物形燃料電池および改質器を設け、この改質器に水蒸気発生器において気化した水蒸気および炭化水素ガスを供給して、当該改質器内において水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料ガス供給ラインを介して上記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、空気ブロアから供給された空気を空気供給ラインを介して上記固体酸化物形燃料電池に供給するものが知られている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルを有し、この発電セルの外側の燃料極層側に燃料極集電体および空気極層側に空気極集電体を配置して、これら集電体の外側にセパレータを配置することにより単セルをなし、この単セルを複数積層することにより構成されている。そして、上記燃料ガス供給ラインからの燃料ガスを、上記セパレータを介して上記燃料極層に供給し、上記空気供給ラインからの空気を、上記セパレータを介して上記空気極層に供給することにより発電反応を生じさせるものである。
【０００４】
ここで、固体電解質層は、ランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）等によって構成されている。また、燃料極層は、Ｎｉのサーメットで構成されている。そして、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）によって構成されている。また、燃料極集電体は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。そして、空気極集電体は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【０００５】
一方、水蒸気発生器は、水供給手段から導入された水を、内部に充填された熱伝導性の良好なビーズによって効率的に気化して、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。
【０００６】
他方、改質器は、導入された炭化水素ガスおよび水蒸気を、内部に充填された炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒によって、改質して燃料ガスを生成するものである。
【０００７】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池は、高出力大面積マルチスタックの採用により、熱過多の状況にあることから、よりコンパクトな固体酸化物形燃料電池を開発するために、断熱材の厚さを低減させる必要がある。これにより、近年の高出力大面積マルチスタックを採用した固体酸化物形燃料電池は、上記断熱材の中に外気化器（水配管）を敷設し、この外気化器（水配管）によって熱交換を行う構造が採用されている。この外気化器（水配管）は、上記水蒸気発生器において生成した水蒸気を上記改質器に供給するための水蒸気供給ラインである。
【０００８】
しかし、何らかの原因、例えば、セル電圧の著しい低下、発電セルの急激な温度上昇、ガス濃度の異常などをセンサが検知すると、固体酸化物形燃料電池は、安全上の観点から、自動で緊急停止するように設計されている。また、偶発的に停電が生じ、空気ブロアや燃料ガスブロアが停止する場合には、この停電が長時間続く状態、即ち完全停電であるときには、上記固体酸化物形燃料電池は、安全性を考慮して、そのまま緊急停止するように設計されている。
【０００９】
このような緊急停止時に、例えば、燃料ガスブロアや空気ブロアの稼動が停止した場合、燃料ガス供給ラインおよび改質器には、燃料ガスが残留していることから、この残留燃料ガスが、上記固体酸化物形燃料電池の燃料極層に流入すると、上記固体酸化物形燃料電池の空気極層の酸素イオンが、固体電解質層中を介して上記燃料極層に移動するため、上記空気極層の結晶構造が不可逆に変化してしまう。このため、緊急停止後に再稼働しても、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルのセル電圧が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明者らは、下記特許文献１において、少なくとも燃料極層に燃料ガスの供給が停止して緊急停止した際、空気極層に上記空気ブロアあるいは空気バッファタンクの空気を、上記残留燃料ガスがなくなるまで供給し続けることによって、空気極層の結晶構造の変化を防止して、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することのない固体酸化物形燃料電池の運転停止方法を提案している。
【００１１】
また、下記特許文献１では、上記空気ブロアに、上記固体酸化物形燃料電池の発電反応により得られた電力を一部蓄電する蓄電池を設けることにより、例えば、完全停電により緊急停止した際も、上記空気ブロアを稼働させることを可能にしている。
【００１２】
さらに、下記特許文献１では、燃料極層への燃料ガスの供給が停止して緊急停止した際に、空気ブロアが故障して動作しない状態であっても、上記空気極層に上記空気バッファタンクの空気を、上記残留燃料ガスがなくなるまで供給し続けることによって、上記空気極層の結晶構造の変化を防止して、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することがないようにしている。
【００１３】
しかしながら、上記外気化器（水配管）を採用した高出力大面積マルチスタックの上記固体酸化物形燃料電池においては、上記外気化器（水配管）がバッファタンクの変わりになるため、空気供給が終了した後に、上記外気化器内の水が上記改質器に供給され、上記燃料ガス供給ラインを介して、上記燃料極層に微量ながら長時間導入されてしまい、結果として電圧が上昇するという問題がある。
【００１４】
また、この燃料極層に供給される水蒸気は、高温で酸化作用があるため、改質器内のＮｉ系の改質触媒、およびＮｉ基合金の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体の一部が酸化することによって水素が発生し、上記燃料極層に微量の水素も長時間導入され続けることになる。このように、上記燃料極層に導入される微量の水蒸気および水素により、発電セルの劣化および発電性能の低下を生じてしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００９−８７８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電セルの著しい低下など何らかの原因により緊急停止した際に、燃料極に水蒸気や水素の導入を防止するとともに、空気極層の結晶構造の変化を防止して、発電セルの劣化および発電性能の低下を防ぐ固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発電セルの燃料極層に、炭化水素ガスと水蒸気発生器および外気化器を介して水蒸気に生成された水とを改質器に導入して改質した燃料ガスを供給するとともに、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池における緊急停止方法であって、上記固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、上記改質器に上記炭化水素ガスを５秒以上供給した後に停止するとともに、空気極層に上記空気および上記水蒸気発生器に上記水を２分以上供給した後に、上記空気および上記水の流量を低下させて、上記発電セルの電圧が予め定められたしきい値以下および上記水の供給圧力がゼロになった時に、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出することを特徴とするものである。
【００１８】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出した後に、上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値より高くなった場合に、上記空気の供給を上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで再度供給することを特徴とするものである。
【００１９】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記発電セルの電圧の上記しきい値が０．１Ｖ以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１〜３に記載の発明によれば、固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、空気および水の流量を低下させて、発電セルの電圧が予め定められたしきい値以下および上記水の供給圧力がゼロになった時に、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ水蒸気発生器および外気化器に残留する上記水を外部に排出するため、燃料極層の燃料ガスがなくなった後に、上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留した上記水が水蒸気に生成され、改質器を介して発電セルに導入されることを防止するとともに、上記水蒸気の酸化作用によって、上記改質器内のＮｉ系の改質触媒、およびＮｉ基合金の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体の一部が酸化することによて起こる水素の発生を防ぐことができる。これにより、上記発電セルの劣化や発電性能の低下を低減させることができる。
【００２１】
また、緊急停止した際に、炭化水素ガスを上記改質器に、５秒以上供給した後に停止しても、水を水蒸気発生器および空気を空気極層に、２分以上供給するため、燃料ガスが上記改質器に残留していても、上記空気極層の酸素イオンが固体電解質層中を通じて、上記燃料極層に移動することがない。この結果、上記酸素イオンが上記燃料極層に移動することにより起こる、上記空気極層の結晶構造の不可逆変化を防止することができ、緊急停止後に再稼働しても、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルのセル電圧が低下してしまう機能低下を防ぐことができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載した緊急停止方法により、上記固体酸化物形燃料電池を停止して、上記固体酸化物形燃料電池に燃料ガス、空気、水が供給されていない状態にもかかわらず、何らかの要因によって、上記発電セルの電圧が上昇した場合には、上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで、上記空気の供給を再度供給することにより、簡便に対応することができる。これにより、上記発電セルの劣化および機能低下のさらなる低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法に用いられる固体酸化物形燃料電池装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。
【図３】本発明の固体酸化物形燃料電池の緊急停止実験のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すように、本発明の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法に用いられる一実施形態の固体酸化物形燃料電池は、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２により覆う外缶体３とからなる缶体４を有し、内缶体１と外缶体３との間に、水蒸気を生成する水蒸気発生器８が配設され、缶体４の内部に、固体酸化物形燃料電池５と改質器６とが収納されているとともに、当該缶体４の下部に固体酸化物形燃料電池５から排出された排ガスを、缶体４の外部に排出する排出口７が形成され、かつ缶体４の外部に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１、制御装置２８および補助電源２５とが配設されて概略構成されている。
【００２５】
ここで、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、固体電解質層１３の一方の面に燃料極層１４が配置されているとともに、他方の面に空気極層１５が配置されて発電セル１６が構成されている。この発電セル１６は、燃料極層１４の外側に、燃料極集電体１７が配置されているとともに、空気極層１５の外側に空気極集電体１８が配置されている。さらに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８の外側には、セパレータ１９が配置されて、単セル２０が構成されている。この単セル２０は、図１に示すように、複数積層され、積層方向の一端側と他端側とをフランジ２１により挟み込まれている。
【００２６】
また、固体電解質層１３は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）によって構成されている。
【００２７】
そして、燃料極層１４は、Ｎｉのサーメットで構成されている。また、空気極層１５は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）により構成されている。
【００２８】
さらに、燃料極集電体１７は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体１８は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【００２９】
また、セパレータ１９は、ステンレス板によって構成されているとともに、燃料極層１４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路２２、および空気極層１５に空気を供給する空気通路２３が穿設されている。
【００３０】
そして、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９同士の間は、Ｎｉの多孔質焼結板からなる燃料極集電体１７、およびＡｇの多孔質焼結板からなる空気極集電体１８から排出される高温の残余の排ガスを缶体４内に排出可能なシールレス構造になっている。また、発電セル１６には、電圧を測定する電圧計が設けられている。
【００３１】
また、缶体４の外部に配置された炭化水素ガスブロア９は、その吐出側に炭化水素ガス供給ライン２４が接続せれているとともに、この炭化水素ガス供給ライン２４の他方側が、缶体４内部に収納された改質器６の導入側に接続されている。
【００３２】
そして、改質器６は、その内部に炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。さらに、改質器６の出口側には、燃料ガス供給ライン２４ａが接続されているとともに、この燃料ガス供給ライン２４ａの他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９の燃料ガス通路２２に導入されている。
【００３３】
さらに、缶体４の外部に配置された水ポンプ１０は、その吐出側に水供給ライン２６が接続されているとともに、この水供給ライン２６の他方側が水蒸気発生器８の導入側に接続されている。また、水供給ライン２６には、水圧計３１が介装されている。そして、水蒸気発生器８の出口側に、水蒸気供給ライン（外気化器）２６ａの一方側が接続されてているとともに、他方側が燃料ガス供給ライン２４ａに接続されている。この水蒸気供給ライン２６ａは、内缶体１と外缶体３との間に敷設されている。これにより、固体酸化物形燃料電池５の発電反応により高温に熱せられた缶体１の熱と、水蒸気供給ライン２６ａを通る水蒸気との間で熱交換が行われ、高温の熱を受けた水蒸気が改質器６に導入される。
【００３４】
また、水蒸気供給ライン２６ａには、その内部に残留する水および水蒸気発生器８の内部に残留する水を排出する水排出ライン２９が接続されている。この水排出ライン２９には、水蒸気発生器用電磁弁１２が介装されている。また、水蒸気発生器８は、缶体４の排出口７を横断して介装されているとともに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８から排出される上記排ガスの熱により、水を効率良く気化させるために、熱伝導性の良好なビーズが充填されている。
【００３５】
そして、缶体４の外部に配設された空気ブロア１１は、その吐出側に空気供給ライン２７が接続されているとともに、この空気供給ライン２７の他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９の空気通路２３に導入されている。
【００３６】
さらに、缶体４の外部には、固体酸化物形燃料電池５の発電反応により得られた電力を一部蓄電する補助電源２５と、何らかの原因により緊急停止した際に稼動する制御装置２８が配設されている。この制御装置２８は、緊急停止して負荷電流がゼロになった際に、改質器６に炭化水素ガスを供給する炭化水素ガスブロア９と、水蒸気発生器８に水を供給する水ポンプ１０と、空気極層１５に空気を供給する空気ブロア１１とを各々制御している。なお、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１および制御装置２８は、停電により緊急停止した際に、補助電源２５から電力が供給される。
【００３７】
また、制御装置２８は、緊急停止して負荷電流がゼロになった際に、発電セル１６の電圧を検出する電圧計３０からの検出信号を受信するとともに、水ポンプ１０の供給圧を検出する水圧計３１からの検出信号を受信している。さらに、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下、および上記水の供給圧力がゼロになったときに、電圧計３０および水圧計３１からの検出信号を受信して、水蒸気発生器用電磁弁１２を制御している。
【００３８】
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池を用いて、何らかの原因により緊急停止した際の停止方法について説明する。なお、何らかの原因としては、例えば、セル電圧の著しい低下、発電セルの急激な温度上昇、ガス濃度の異常、停電などが考えられる。
【００３９】
まず、何らかの原因、例えば、発電セル１６のセル電圧が著しく低下した場合に、発電セル１６に異常があると判断され、固体酸化物形燃料電池５は、安全上の観点から自動で緊急停止する。この際に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０および空気ブロア１１および制御装置２８には、電力が供給されている。そして、この緊急停止により、制御装置２８が作動して、この制御装置２８に組み込まれたプログラムが実行される。
【００４０】
そして、制御装置２８の制御信号により、炭化水素ガスブロア９から炭化水素ガス供給ライン２４を介して、改質器６に炭化水素ガスが５秒以上供給され、５秒以上経過後に炭化水素ガスの供給が停止される。また、同時に、水ポンプ１０から水供給ライン２６を介して、水蒸気発生器８に水、および空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気極層１５に空気が２分以上供給される。
【００４１】
次いで、制御装置２８からの制御信号により、上記水および上記空気が２分以上供給された後に、水ポンプ１０および空気ブロア１１の各々の流量を徐々に低下させる。そして、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下、および水の供給圧がゼロになったときに、発電セル１６に設けられた電圧計３０および水供給ライン２６に設けられた水圧計３１から制御装置２８に検出信号が送信されて、水ポンプ１０および空気ブロア１１が停止されるとともに、水蒸気供給ライン２６ａに介装された水蒸気発生器用電磁弁１２が非通電となり、水蒸気発生器用電磁弁１２が開状態になって、水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する上記水が、水排出ライン２９を介して外部に排出される。
【００４２】
さらに、水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する上記水が、水排出ラインを介して外部に排出された後も、制御装置２８からの制御信号により、発電セル１６に設けられた電圧計３０によって、発電セル１６の電圧が継続的に監視される。そして、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値を超えた場合に、制御装置２８が電圧計３０から検出信号を受信して、制御装置２８からの制御信号により、再度空気ブロア１１が作動され、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値以下になるまで、空気極層１５に空気が再供給される。
【００４３】
そして、空気ブロア１１から空気極層１５に空気を再供給した後に、発電セル１６の電圧が予め定められたしきい値を超えないことを、制御装置２８が電圧計３０からの検出信号により判断すると、制御装置２８は固体酸化物形燃料電池が再稼動するまで待機状態となる。その後、トラブルの原因が解消されると、制御装置２８が停止するとともに、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１が、主電源の電力により作動して、固体酸化物形燃料電池が再稼動し始める。
【００４４】
＜実施例＞
上記固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法について、図３の発明者らが行った緊急停止実験に基づくタイムチャートに基づいて具体的に説明する。
図３に示すように、この実験では、負荷電流を停止した時点から、炭化水素ガスを改質器６に５秒間供給した後に、炭化水素ガスの供給を停止する。それと同時に、負荷電流を停止した時点から、空気を空気極層１５に、また水を水蒸気発生器８に、各々２分間供給する。そして、２分後に上記空気と上記水の流用を徐々に下げて、発電セル１６の電圧が、０．１Ｖ以下および上記水の供給圧がゼロになった時点において、上記空気および上記水を停止させる、そして、水蒸気発生器８に残留する上記水を排出した。
【００４５】
そして、再び固体酸化物形燃料電池５を稼動させて、機能低下などの有無を確認するとともに、固体酸化物形燃料電池５を分解して、発電セル１６の状態を観察した。
【００４６】
ちなみに、発電セル１６のしきい値を０．１Ｖとしたのは、上記緊急停止実験時に、０．１Ｖ以下に到達した時点で上記空気の供給を停止して、セル電圧が上昇した発電セル１６と上昇しない発電セル１６の状態を観察して導き出されたものである。
【００４７】
さらに、上記緊急停止実験において、水蒸気発生器８から上記水を排出して、水蒸気、空気、炭化水素ガスを完全に停止した後に、発電セル１６の電圧を監視すると、再び発電セル１６の電圧の上昇が確認された。このときに、再び上記空気を空気極層１５に供給することにより、発電セル１６の電圧が０．１Ｖ以下になることを確認した。
【００４８】
この実験結果から、負荷電流を停止後に、炭化水素ガスを改質器６に５秒間供給するとともに、空気を空気極層１５に、水を水蒸気発生器８に各々２分間供給した後に、上記空気および上記水の流量を下げて、発電セル１６の電圧を０．１Ｖ以下および水の供給圧がゼロになったときに、上記空気および上記水を完全に停止し、かつ水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する水を抜くことによって、発電セルの劣化および機能低下を防ぐことができることが判明した。
【００４９】
また、水蒸気、空気、炭化水素ガスの供給を完全に停止した後に、何らかの要因によって、発電セル１６の電圧が０．１Ｖを超えたとしても、再び空気を空気極層１５に供給することによって、発電セル１６の電圧を０．１Ｖ以下にすることができることも判明した。
【００５０】
上述の実施の形態による固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法によれば、固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、空気および水の流量を低下させて、発電セル１６の電圧が０．１Ｖ以下、および上記水の供給圧力をゼロにしたときに、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留する上記水を外部に排出するため、燃料極層１４の燃料ガスがなくなった後に、水蒸気発生器８および水蒸気供給ライン２６ａに残留した上記水が、水蒸気となって改質器６に導入されることを防止することができる。これにより、上記水蒸気の酸化作用により、改質器６内のＮｉ系の改質触媒、およびＮｉ基合金の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体１７の一部が酸化することにより起こる水素の発生を防ぐことができ、発電セル１６の劣化や機能低下を低減させて、メンテナンスコストを軽減させることができる。
【００５１】
また、緊急停止した際に、炭化水素ガスを改質器６に５秒間供給した後に停止しても、水を水蒸気発生器８および空気を空気極層１５に２分程度供給するため、燃料ガスが改質器６に残留していても、空気極層１５の酸素イオンが固体電解質層１３中を通じて、燃料極層１４に移動することがない。この結果、上記酸素イオンが燃料極層１４に移動して起こる空気極層１５の結晶構造の不可逆変化を防止することができ、緊急停止後に再稼働しても、上記固体酸化物形燃料電池の発電セルのセル電圧が低下してしまう機能低下を防ぐことができる。
【００５２】
さらに、本実施形態の緊急停止方法により、固体酸化物形燃料電池５を停止して、固体酸化物形燃料電池５に燃料ガス、空気、水が供給されていない状態にもかかわらず、何らかの要因によって、発電セル１６の電圧が上昇した場合には、発電セル１６の電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで、上記空気の供給を再度供給することにより、簡便に対応することができる。これにより、発電セル１６の劣化および機能低下のさらなる低減を図ることができる。
【００５３】
なお、上記実施の形態において、緊急停止方法を説明する際に、何らかの原因を発電セル１６のセル電圧が著しく低下して、固体酸化物形燃料電池５が自動で緊急停止した場合についてのみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、停電により緊急停止した場合でも対応可能である。この場合には、停電により、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０および空気ブロア１１が停止すると、図１に示すように、電力が補助電源２５に切り替わり、この補助電源２５からの電力が、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１および制御装置２８に供給される。そして、制御装置２８が作動し、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０および空気ブロア１１を制御することになる。
さらに、上記実施の形態において、空気を空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気極層１５に供給する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、空気ブロア１１と空気を空気極層１５との間に、空気ブロア１１から空気極層１５に供給される空気の圧力を安定させる空気バッファタンクを介装しても対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
固体酸化物形燃料電池に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 内缶体
２ 断熱材
３ 外缶体
４ 缶体
５ 固体酸化物形燃料電池
６ 改質器
７ 排出口
８ 水蒸気発生器
９ 炭化水素ガスブロア
１０ 水ポンプ
１１ 空気ブロア
１２ 水蒸気発生器用電磁弁
１３ 固体電解質層
１４ 燃料極層
１５ 空気極層
１６ 発電セル
１７ 燃料極集電体
１８ 空気極集電体
１９ セパレータ
２０ 単セル
２６ａ 水蒸気供給ライン（外気化器）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルの燃料極層に、炭化水素ガスと水蒸気発生器および外気化器を介して水蒸気に生成された水とを改質器に導入して改質した燃料ガスを供給するとともに、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池における緊急停止方法であって、
上記固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、上記改質器に上記炭化水素ガスを５秒以上供給した後に停止するとともに、空気極層に上記空気および上記水蒸気発生器に上記水を２分以上供給した後に、上記空気および上記水の流量を低下させて、上記発電セルの電圧が予め定められたしきい値以下および上記水の供給圧力がゼロになった時に、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法。
【請求項２】
上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出した後に、上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値より高くなった場合に、上記空気の供給を上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで再度供給することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法。
【請求項３】
上記発電セルの電圧の上記しきい値が０．１Ｖ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法。
【請求項１】
発電セルの燃料極層に、炭化水素ガスと水蒸気発生器および外気化器を介して水蒸気に生成された水とを改質器に導入して改質した燃料ガスを供給するとともに、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池における緊急停止方法であって、
上記固体酸化物形燃料電池が緊急停止して負荷電流が停止した際に、上記改質器に上記炭化水素ガスを５秒以上供給した後に停止するとともに、空気極層に上記空気および上記水蒸気発生器に上記水を２分以上供給した後に、上記空気および上記水の流量を低下させて、上記発電セルの電圧が予め定められたしきい値以下および上記水の供給圧力がゼロになった時に、上記空気および上記水の供給を停止し、かつ上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法。
【請求項２】
上記水蒸気発生器および上記外気化器に残留する上記水を外部に排出した後に、上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値より高くなった場合に、上記空気の供給を上記発電セルの電圧が予め定められた上記しきい値以下になるまで再度供給することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法。
【請求項３】
上記発電セルの電圧の上記しきい値が０．１Ｖ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池の緊急停止方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２１６３７２（Ｐ２０１２−２１６３７２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８００１３（Ｐ２０１１−８００１３）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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