燃料電池システム
【課題】 燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１０）と、燃料ガス通路（２２）を介して燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（４０ａ）と、酸化剤ガス通路（２３）を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（４０ｂ）と、燃料ガス通路を遮断する第１遮断手段（５０ａ）と、酸化剤ガス通路を遮断する第２遮断手段（５０ｂ）と、燃料電池と外気との通路（２４）を遮断する第３遮断手段（５０ｃ）と、を備え、第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるように、第１〜第３遮断手段が配置されていることを特徴とするものである。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１０）と、燃料ガス通路（２２）を介して燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（４０ａ）と、酸化剤ガス通路（２３）を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（４０ｂ）と、燃料ガス通路を遮断する第１遮断手段（５０ａ）と、酸化剤ガス通路を遮断する第２遮断手段（５０ｂ）と、燃料電池と外気との通路（２４）を遮断する第３遮断手段（５０ｃ）と、を備え、第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるように、第１〜第３遮断手段が配置されていることを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池の運転時において、燃料極に供給された水素と酸素極に供給された酸素とが反応することによって発電が行われる。このような燃料電池において、燃料極が酸化した場合、燃料電池の性能が低下するおそれがある。特許文献１には、固体酸化物型燃料電池において、耐酸化性の良好な燃料極の材質が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の運転時においては、燃料極には燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給されていることから、燃料極の酸化は抑制されている。しかしながら、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合には、燃料極に酸素が流入して燃料極が酸化するおそれがある。特許文献１の技術を応用して燃料極を耐酸化性の良好な材料にしたとしても、このような燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合における燃料極の酸化を十分抑制できるとはいえない。
【０００６】
本発明は、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を抑制できる燃料電池システム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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス通路を介して燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス通路を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス通路を遮断する第１遮断手段と、酸化剤ガス通路を遮断する第２遮断手段と、燃料電池と外気との通路を遮断する第３遮断手段と、を備え、第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるように、第１〜第３遮断手段が配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本願において、空燃比とは、酸化剤ガス中の酸素のモル量を燃料ガスのモル量で除した値をいう。理論空燃比とは、酸化剤ガス中の酸素および燃料ガスが過不足なく反応するときの空燃比をいう。本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても、第１〜第３遮断手段によって通路遮断がされることで通路遮断部分より外側からの燃料電池への酸素流入を抑制することができる。それにより、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料電池の燃料極の酸化を抑制することができる。
【０００９】
また、第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になることから、通路遮断後において例えば酸素が燃料極側に流入した場合であっても、この酸素を水素等の還元成分と反応させることで燃料極の酸化を抑制することができる。それにより、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を効果的に抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、第１〜第３遮断手段は、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ理論空燃比×１２０％以下になるように、配置されていてもよい。
【００１１】
上記構成において、燃料ガス通路の一部に当該通路の他の部位よりも容積の大きい箇所が設けられ、第１遮断手段は、当該通路の容積の大きい箇所よりも上流側を遮断するように配置されていてもよい。上記構成において、燃料ガス通路に、燃料ガスの流量を絞る絞り部が設けられ、第１遮断手段は、当該通路の絞り部よりも上流側を遮断するように配置されていてもよい。
【００１２】
上記構成において、燃料ガスは、炭化水素が水素を含むガスに改質された後のガスであってもよい。上記構成において、燃料電池は、固体酸化物型の燃料電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を抑制できる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】バルブが通路遮断した際における空燃比調整の具体的手法の一例を説明するための図である。
【図３】制御装置が通路遮断する際のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池システム１００を示す模式図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０を収容する収容体２０と、燃焼装置３０と、各種ポンプ（ポンプ４０ａ、ポンプ４０ｂおよびポンプ４０ｃ）と、各種バルブ（バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃ）と、制御装置６０と、改質器７０とを備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜１１、燃料極１２および酸素極１３を備えている。燃料極１２は、電解質膜１１の一方の側に配置されている。酸素極１３は、電解質膜１１の燃料極１２が配置されている側とは反対側に配置されている。
【００１８】
燃料電池１０の種類は特に限定されるものではないが、本実施例においては、一例として固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる。この場合、電解質膜１１として、例えば酸素イオン導電性酸化物を用いることができる。酸素イオン導電性酸化物として、例えばイオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等を用いることができる。燃料極１２として、例えば電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等を用いることができる。酸素極１３として、例えば電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等を用いることができる。ランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物として、例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ３（ＬＳＣＦ）等を用いることができる。
【００１９】
燃料極１２に水素（Ｈ２）を含む燃料ガスが供給され、酸素極１３に酸素（Ｏ２）を含む酸化剤ガスが供給されることで、燃料極１２および酸素極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２０】
本実施例において、燃料極１２に供給される燃料ガスとして、原燃料が改質器７０によって改質された後のガス（以下、改質ガスと称する場合がある）を用いる。酸素極１３に供給される酸化剤ガスとして、空気を用いる。原燃料としては、炭化水素等を用いることができ、一例としてメタンを用いる。
【００２１】
本実施例においては、改質器７０として、原燃料であるメタンを水蒸気改質することで改質ガスを生成する装置を用いる。本実施例に係る改質器７０は、燃料ガス通路２２のポンプ４０ａよりも燃料ガスの流動方向下流側に配置されている。改質器７０には、ポンプ４０ａから燃料ガス通路２２を介してメタンが供給される。また改質器７０には、水蒸気改質反応に必要な水が、水供給用のポンプ４０ｃから水供給通路７１を介して供給される。メタンは、改質器７０において水蒸気改質されて、水素を含有する改質ガスになる。なお、この場合、改質ガスには水蒸気も含まれる。また、改質ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）等の水素以外の可燃成分も含まれる。以下、水素および水素以外の可燃成分を総称して還元成分と称することがある。改質ガスは、燃料極１２に供給される。
【００２２】
改質ガス中の水素は、燃料電池１０の発電に用いられ、一酸化炭素等の還元成分は酸素と反応する。以上のことから、燃料電池システム１００全体における燃料と酸素との反応式は以下のようになる。この場合、理論空燃比（Ｏ２の２モルをＣＨ４の１モルで割った値）は２である。
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【００２３】
なお、燃料ガスとして、改質ガスを用いる代わりに水素ボンベ等に貯蔵された水素を用いてもよい。この場合、他の還元成分が含まれないことから、理論空燃比（Ｏ２の１／２モルをＨ２の１モルで割った値）は、１／２である。
【００２４】
収容体２０は、燃料電池１０を収容する収容部２１と、収容部２１に接続した各ガス通路（燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４）とを備えている。収容部２１には、燃料室２５および酸素室２６が設けられている。
【００２５】
燃料室２５は、燃料極１２に供給される前の燃料ガスを貯留する空間である。酸素室２６は、酸素極１３に供給される前の酸化剤ガスを貯留する空間である。燃料ガス通路２２は、燃料室２５に燃料ガスを導くための通路である。酸化剤ガス通路２３は、酸素室２６に酸化剤ガスを導くための通路である。排気通路２４は、燃料電池１０の排気ガスを収容部２１の外部に導くための通路である。
【００２６】
燃焼装置３０は、収容部２１の燃料電池１０と排気通路２４との間に配置されている。燃焼装置３０は、排気ガスに含まれる燃料ガスを排気ガスに含まれる酸化剤ガスを用いて燃焼させる装置である。このような機能を有する装置であれば、燃焼装置３０の具体的構成は特に限定されるものではない。燃焼装置３０の一例として、酸化触媒を備える装置を用いることができる。
【００２７】
ポンプ４０ａは燃料ガス通路２２に配置されている。ポンプ４０ａは燃料ガスを燃料極１２に向けて圧送する。すなわち、ポンプ４０ａは燃料ガス通路２２を介して燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段としての機能を有している。ポンプ４０ｂは酸化剤ガス通路２３に配置されている。ポンプ４０ｂは酸化剤ガスを酸素極１３に向けて圧送する。すなわち、ポンプ４０ｂは酸化剤ガス通路２３を介して燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段としての機能を有している。前述したようにポンプ４０ｃは、改質器７０に水を供給するポンプであり、水供給通路７１に接続されている。ポンプ４０ａ、ポンプ４０ｂおよびポンプ４０ｃの動作は、制御装置６０によって制御される。
【００２８】
バルブ５０ａは燃料ガス通路２２に配置されている。具体的にはバルブ５０ａは、燃料ガス通路２２のポンプ４０ａよりも上流側に配置されている。但しバルブ５０ａの燃料ガス通路２２における配置箇所は、これに限定されるものではなく、例えば燃料ガス通路２２のポンプ４０ａよりも下流側に配置されていてもよい。バルブ５０ｂは酸化剤ガス通路２３に配置されている。具体的にはバルブ５０ｂは、酸化剤ガス通路２３のポンプ４０ｂよりも上流側に配置されている。但しバルブ５０ｂの酸化剤ガス通路２３における配置箇所は、これに限定されるものではなく、例えば酸化剤ガス通路２３のポンプ４０ｂよりも下流側に配置されていてもよい。バルブ５０ｃは、排気通路２４に配置されている。
【００２９】
バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃは、それぞれ制御装置６０によって制御されることで、燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４を遮断する。すなわち、バルブ５０ａは燃料ガス通路２２を遮断する遮断手段としての機能を有し、バルブ５０ｂは酸化剤ガス通路２３を遮断する遮断手段としての機能を有し、バルブ５０ｃは燃料電池１０と外気との通路（排気通路２４）を遮断する遮断手段としての機能を有している。
【００３０】
制御装置６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６３を備える電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置６０は、各種ポンプおよび各種バルブを制御する制御手段としての機能を有している。
【００３１】
制御装置６０は、燃料電池１０の運転時には、ポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂを作動させ、バルブ５０ａおよびバルブ５０ｂを開に制御する。この場合、燃料ガスはポンプ４０ａによって圧送されることで、燃料ガス通路２２を通過して燃料室２５に流入し、次いで燃料極１２に供給される。酸化剤ガスは、ポンプ４０ｂによって圧送されることで、酸化剤ガス通路２３を通過して酸素室２６に流入し、次いで酸素極１３に供給される。なお、本実施例において、燃料電池１０の運転時に燃料電池１０に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの空燃比は、理論空燃比よりも高い値（例えば、原燃料としてメタンを用いる場合で２．５〜３程度（理論空燃比の１２５％〜１５０％程度））に設定されている。燃焼の安定性を図るためである。
【００３２】
また制御装置６０は燃料電池１０の運転時においてバルブ５０ｃを開に制御することで、燃料電池１０の排気ガスを排気通路２４を介して収容体２０の外部へ排出させる。排気ガスに含まれる燃料ガスは、燃焼装置３０において排気ガスに含まれる酸化剤ガスを用いて燃焼する。
【００３３】
ここで、燃料電池１０の運転時において燃料電池１０の温度は６００℃〜１０００℃になっている。燃料極１２がこのような高温になった場合、燃料極１２の金属成分は酸化され易い状態にあるが、燃料電池１０の運転時において燃料極１２は還元雰囲気にさらされていることから、燃料極１２の酸化は抑制されている。
【００３４】
制御装置６０は燃料電池１０の運転を終了する場合、通常は、燃料極１２の酸化を抑制するために、燃料電池１０の温度を低下させてからポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂの運転を停止させる、不活性ガスによって燃料電池１０をパージしてからポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂの運転を停止させる等の制御処理を行う。
【００３５】
また制御装置６０は、地震発生時等のようにポンプ４０ａの運転を直ちに停止させることが好ましいと考えられる所定の条件（以下、緊急停止条件と称する）が満たされた場合、ポンプ４０ａの運転を直ちに停止させる。さらに制御装置６０は、緊急停止条件が満たされてポンプ４０ａの運転を停止させる場合、バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃを閉に制御する。バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃが閉に制御されることで、燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４は遮断される（以下、通路遮断と称する場合がある）。その結果、収容体２０の内部は密閉される。なお、本実施例において、緊急停止条件が満たされた場合、制御装置６０はポンプ４０ｂおよびポンプ４０ｃの運転も停止させる。
【００３６】
燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４が遮断されることで、酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも上流側からの酸素の流入および排気通路２４のバルブ５０ｃよりも下流側からの酸素の流入が抑制される。それにより、緊急停止条件が満たされてポンプ４０ａの運転が突発的に停止した場合であっても、燃料極１２の酸化が抑制されている。
【００３７】
さらに本実施例に係る収容体２０は、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ通路遮断前よりも低い空燃比になるように設定されている。これにより、ポンプ４０ａの運転停止後において酸素が燃料室２５側に流入した場合であっても、この酸素を燃料ガスと反応させることで燃料極１２の酸化を抑制することができる。その結果、ポンプ４０ａの運転停止後における燃料極１２の酸化を効果的に抑制することができる。
【００３８】
ここで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が低いほど、通路遮断後における燃料極１２の酸化抑制効果は高くなる。そこで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上、所定の空燃比になるように設定されていることが好ましい。この所定の空燃比は、燃料電池１０を破壊しない程度の残留酸素がバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間に存在するような空燃比であることが好ましい。所定の空燃比の一例として、理論空燃比×１２０％を用いることができる。すなわち、この場合、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上、理論空燃比×１２０％になるように設定される。この構成によれば、燃料極１２の酸化をより抑制できる。
【００３９】
バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比近傍に設定されていることがより好ましい。但し、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を、理論空燃比に設定した場合、仮に空燃比の設定誤差等があった場合には、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の実際の空燃比が理論空燃比より小さい値になってしまうおそれがある。この場合、酸素極１３が還元雰囲気にさらされるおそれが高くなり、その結果、酸素極１３の劣化のおそれが生じる。
【００４０】
したがって、空燃比の設定誤差等があったとしても酸素極１３が還元ガス（燃料ガス）によって劣化しないようにするため、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を、想定される設定誤差の分だけ理論空燃比よりも高く設定することが好ましい。
【００４１】
バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定するための具体的手法は、特に限定されるものではない。例えば、燃料電池１０の運転状態（燃料電池１０の運転時における燃料ガスの圧力、酸化剤ガスの圧力、燃料電池１０の運転時における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給比率、水分量等）、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積等を適切に設定することで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定することができる。
【００４２】
燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積の調整によって、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定する場合には、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断の際において、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量が酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くなるように、バルブ５０ａおよびバルブ５０ｂのガス通路への配置箇所を調整する手法を用いることができる。
【００４３】
図１においては、この手法が用いられている。具体的には、図１において燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積が酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側の容積よりも大きくなるように、バルブ５０ａおよびバルブ５０ｂがそれぞれ燃料ガス通路２２および酸化剤ガス通路２３に配置されている。これにより、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｂが通路遮断した際において燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量が酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くなる結果、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に調整されている。
【００４４】
燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積の調整によって通路遮断の際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を調整する手法のより好ましい形態として、例えば以下の手法を用いることもできる。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比の調整の具体的手法の一例を説明するための図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）において、水供給通路７１およびポンプ４０ｃの図示は省略されている。
【００４５】
例えば図２（ａ）に示すように、燃料ガス通路２２の一部に他の部位よりも容積の大きい箇所（大容積部２７）を設け、バルブ５０ａを大容積部２７の上流側に配置することができる。この場合にも、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断の際において、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量を酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くすることができる。その結果、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｂによる通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比にすることができる。
【００４６】
またこの構成によれば、大容積部２７の容積を調整することで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｂによる通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比の調整を容易に行うことができる。さらにこの構成によれば、大容積部２７が設けられていない構成の場合に比較して、通路遮断後において燃料極１２に供給できる還元成分のモル量をより多くすることができる。その結果、通路遮断後における燃料極１２の酸化をより長時間抑制することができる。
【００４７】
あるいは、図２（ｂ）に示すように、燃料ガス通路２２に燃料ガス流量を絞る部分（絞り部２８）を設け、バルブ５０ａを絞り部２８よりも上流側に配置してもよい。この場合、絞り部２８によって燃料ガス通路２２の絞り部２８よりも上流側の燃料ガス圧力を高めることができることから、燃料ガス通路２２の絞り部２８よりも上流側かつバルブ５０ａよりも下流側の部分の還元成分のモル量を高めることができる。その結果、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断の際において、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量を酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くすることができる。それにより、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比にすることができる。
【００４８】
またこの構成によれば、絞り部２８の燃料ガス通路２２における配置位置、絞り部２８による燃料ガス通路の絞り具合等を調整することで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比の調整を容易に行うことができる。さらにこの構成によれば、絞り部２８が設けられていない構成の場合に比較して、通路遮断後において燃料極１２に供給できる還元成分のモル量をより多くすることができる。その結果、通路遮断後における燃料極１２の酸化をより長時間抑制することができる。
【００４９】
あるいは、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）および図２（ｂ）の構成を組み合わせてもよい。この場合、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断後における燃料極１２の酸化をさらに長時間抑制することができる。
【００５０】
図３は、本実施例に係る制御装置６０が通路遮断する際のフローチャートの一例を示す図である。制御装置６０は、図３のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず制御装置６０は、緊急停止条件が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において緊急停止条件が満たされたと判定されなかった場合、制御装置６０はフローチャートの実行を終了する。
【００５１】
なお、制御装置６０による緊急停止条件が満たされたか否かの具体的判定手法は、特に限定されるものではない。例えば燃料電池システム１００は地震計を備え、制御装置６０は地震計の検出結果が所定値以上の場合に緊急停止条件が満たされたと判定してもよい。この所定値は例えばＲＯＭ６２が記憶しておき、ＣＰＵ６１は地震計の出力に基づいて震度データ取得し、取得された震度データをＲＯＭ６２に記憶された所定値と比較することで、緊急停止条件が満たされたか否かを判定することができる。
【００５２】
また制御装置６０は、ユーザからの入力信号に基づいて緊急停止条件が満たされたと判定してもよい。この場合、燃料電池システム１００は、ユーザがポンプ４０ａを停止させるための信号を入力するための入力装置を備える。制御装置６０は、入力装置からのポンプ４０ａの停止信号があった場合に緊急停止条件が満たされたと判定する。
【００５３】
ステップＳ１０において緊急停止条件が満たされたと判定された場合、制御装置６０はポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂを停止させる（ステップＳ２０）。次いで制御装置６０は、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを閉に制御することで、燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４を遮断する（ステップＳ３０）。次いで制御装置６０はフローチャートの実行を終了する。
【００５４】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システム１００によれば、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによって通路遮断がされることで、通路遮断部分よりも外側からの燃料電池１０への酸素流入を抑制することができる。それにより、緊急停止条件が満たされてポンプ４０ａの運転が突発的に停止した場合であっても燃料極１２の酸化を抑制することができる。
【００５５】
また、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になることから、通路遮断後において例えば酸素が燃料極１２側に流入した場合であっても、この酸素を還元成分と反応させることで燃料極１２の酸化を抑制できる。それにより、ポンプ４０ａの運転が突発的に停止した場合であっても燃料極１２の酸化を効果的に抑制することができる。
【００５６】
なお、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比に設定されている場合、当該空燃比が理論空燃比より高く設定されている場合に比較して、燃料極１２の酸化の抑制効果を高くすることができる。一方、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比より高く当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定されている場合、当該空燃比が理論空燃比に設定されている場合に比較して、酸素極１３の還元ガス（燃料ガス）による劣化の抑制効果を高くすることができる。
【００５７】
なお、本実施例においてバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間には、改質器７０に接続した水供給通路７１を考慮しなくてもよい。水供給通路７１には水のみが存在し、空燃比に影響する成分（原燃料、改質ガス、酸化剤ガス等）が存在しないからである。但し、仮に収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間に水供給通路７１を含めたとしても、水供給通路７１はバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比に影響を及ぼさない。このように、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間とは、空燃比に影響する成分が流入可能な空間と定義することもできる。
【００５８】
また、本実施例のように燃料電池システム１００が改質器７０を備えている場合には、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるようにバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを配置するにあたり、改質器７０におけるＳ／Ｃの影響を考慮して、適切なバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃの位置を設計することが好ましい。Ｓ／Ｃに応じて原燃料量が変化するからである。ここで、Ｓ／Ｃとは、改質器７０における水蒸気のモル数（Ｓ）とカーボンのモル数（Ｃ）との比である。
【００５９】
なお、本実施例においてバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断が行われるのは、緊急停止条件が満たされ且つポンプ４０ａが停止した場合であるが、これに限定されるものではない。制御装置６０は、緊急停止条件が満たされるか否かに関わらず、ポンプ４０ａの運転が停止された場合には常にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを閉に制御することで通路遮断を行ってもよい。
【００６０】
またバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃは、手動によっても開閉できる構成としてもよい。この場合、例えば地震発生時等において燃料電池システム１００への電源供給が停止した場合であっても、手動でバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを閉にして通路を遮断することで、ポンプ４０ａの突発的な運転停止後における燃料極１２の酸化を抑制することができる。
【００６１】
また、収容体２０は燃焼装置３０を備えていなくもよい。但し収容体２０が燃焼装置３０を備えることで、通路遮断後におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間に存在する酸素を燃焼装置３０における燃焼によって消費することができる。それにより、燃料極１２の酸化を効果的に抑制することができる。
【００６２】
また、上記実施例は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。但し、固体酸化物型のように発電温度が高い場合には、燃料極１２が酸化しやすい傾向にある。したがって、上記実施例は、燃料電池１０として固体酸化物型の燃料電池を用いる場合に特に有効である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 燃料極
１３ 酸素極
２０ 収容体
２１ 収容部
２２ 燃料ガス通路
２３ 酸化剤ガス通路
２４ 排気通路
２５ 燃料室
２６ 酸素室
２７ 大容積部
２８ 絞り部
３０ 燃焼装置
４０ａ，４０ｂ ポンプ
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ バルブ
６０ 制御装置
１００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池の運転時において、燃料極に供給された水素と酸素極に供給された酸素とが反応することによって発電が行われる。このような燃料電池において、燃料極が酸化した場合、燃料電池の性能が低下するおそれがある。特許文献１には、固体酸化物型燃料電池において、耐酸化性の良好な燃料極の材質が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の運転時においては、燃料極には燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給されていることから、燃料極の酸化は抑制されている。しかしながら、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合には、燃料極に酸素が流入して燃料極が酸化するおそれがある。特許文献１の技術を応用して燃料極を耐酸化性の良好な材料にしたとしても、このような燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合における燃料極の酸化を十分抑制できるとはいえない。
【０００６】
本発明は、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を抑制できる燃料電池システム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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス通路を介して燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス通路を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス通路を遮断する第１遮断手段と、酸化剤ガス通路を遮断する第２遮断手段と、燃料電池と外気との通路を遮断する第３遮断手段と、を備え、第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるように、第１〜第３遮断手段が配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本願において、空燃比とは、酸化剤ガス中の酸素のモル量を燃料ガスのモル量で除した値をいう。理論空燃比とは、酸化剤ガス中の酸素および燃料ガスが過不足なく反応するときの空燃比をいう。本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても、第１〜第３遮断手段によって通路遮断がされることで通路遮断部分より外側からの燃料電池への酸素流入を抑制することができる。それにより、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料電池の燃料極の酸化を抑制することができる。
【０００９】
また、第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になることから、通路遮断後において例えば酸素が燃料極側に流入した場合であっても、この酸素を水素等の還元成分と反応させることで燃料極の酸化を抑制することができる。それにより、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を効果的に抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、第１〜第３遮断手段は、第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ理論空燃比×１２０％以下になるように、配置されていてもよい。
【００１１】
上記構成において、燃料ガス通路の一部に当該通路の他の部位よりも容積の大きい箇所が設けられ、第１遮断手段は、当該通路の容積の大きい箇所よりも上流側を遮断するように配置されていてもよい。上記構成において、燃料ガス通路に、燃料ガスの流量を絞る絞り部が設けられ、第１遮断手段は、当該通路の絞り部よりも上流側を遮断するように配置されていてもよい。
【００１２】
上記構成において、燃料ガスは、炭化水素が水素を含むガスに改質された後のガスであってもよい。上記構成において、燃料電池は、固体酸化物型の燃料電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料ガス供給手段の運転が突発的に停止した場合であっても燃料極の酸化を抑制できる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】バルブが通路遮断した際における空燃比調整の具体的手法の一例を説明するための図である。
【図３】制御装置が通路遮断する際のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池システム１００を示す模式図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０を収容する収容体２０と、燃焼装置３０と、各種ポンプ（ポンプ４０ａ、ポンプ４０ｂおよびポンプ４０ｃ）と、各種バルブ（バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃ）と、制御装置６０と、改質器７０とを備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜１１、燃料極１２および酸素極１３を備えている。燃料極１２は、電解質膜１１の一方の側に配置されている。酸素極１３は、電解質膜１１の燃料極１２が配置されている側とは反対側に配置されている。
【００１８】
燃料電池１０の種類は特に限定されるものではないが、本実施例においては、一例として固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる。この場合、電解質膜１１として、例えば酸素イオン導電性酸化物を用いることができる。酸素イオン導電性酸化物として、例えばイオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等を用いることができる。燃料極１２として、例えば電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等を用いることができる。酸素極１３として、例えば電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等を用いることができる。ランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物として、例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ３（ＬＳＣＦ）等を用いることができる。
【００１９】
燃料極１２に水素（Ｈ２）を含む燃料ガスが供給され、酸素極１３に酸素（Ｏ２）を含む酸化剤ガスが供給されることで、燃料極１２および酸素極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２０】
本実施例において、燃料極１２に供給される燃料ガスとして、原燃料が改質器７０によって改質された後のガス（以下、改質ガスと称する場合がある）を用いる。酸素極１３に供給される酸化剤ガスとして、空気を用いる。原燃料としては、炭化水素等を用いることができ、一例としてメタンを用いる。
【００２１】
本実施例においては、改質器７０として、原燃料であるメタンを水蒸気改質することで改質ガスを生成する装置を用いる。本実施例に係る改質器７０は、燃料ガス通路２２のポンプ４０ａよりも燃料ガスの流動方向下流側に配置されている。改質器７０には、ポンプ４０ａから燃料ガス通路２２を介してメタンが供給される。また改質器７０には、水蒸気改質反応に必要な水が、水供給用のポンプ４０ｃから水供給通路７１を介して供給される。メタンは、改質器７０において水蒸気改質されて、水素を含有する改質ガスになる。なお、この場合、改質ガスには水蒸気も含まれる。また、改質ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）等の水素以外の可燃成分も含まれる。以下、水素および水素以外の可燃成分を総称して還元成分と称することがある。改質ガスは、燃料極１２に供給される。
【００２２】
改質ガス中の水素は、燃料電池１０の発電に用いられ、一酸化炭素等の還元成分は酸素と反応する。以上のことから、燃料電池システム１００全体における燃料と酸素との反応式は以下のようになる。この場合、理論空燃比（Ｏ２の２モルをＣＨ４の１モルで割った値）は２である。
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【００２３】
なお、燃料ガスとして、改質ガスを用いる代わりに水素ボンベ等に貯蔵された水素を用いてもよい。この場合、他の還元成分が含まれないことから、理論空燃比（Ｏ２の１／２モルをＨ２の１モルで割った値）は、１／２である。
【００２４】
収容体２０は、燃料電池１０を収容する収容部２１と、収容部２１に接続した各ガス通路（燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４）とを備えている。収容部２１には、燃料室２５および酸素室２６が設けられている。
【００２５】
燃料室２５は、燃料極１２に供給される前の燃料ガスを貯留する空間である。酸素室２６は、酸素極１３に供給される前の酸化剤ガスを貯留する空間である。燃料ガス通路２２は、燃料室２５に燃料ガスを導くための通路である。酸化剤ガス通路２３は、酸素室２６に酸化剤ガスを導くための通路である。排気通路２４は、燃料電池１０の排気ガスを収容部２１の外部に導くための通路である。
【００２６】
燃焼装置３０は、収容部２１の燃料電池１０と排気通路２４との間に配置されている。燃焼装置３０は、排気ガスに含まれる燃料ガスを排気ガスに含まれる酸化剤ガスを用いて燃焼させる装置である。このような機能を有する装置であれば、燃焼装置３０の具体的構成は特に限定されるものではない。燃焼装置３０の一例として、酸化触媒を備える装置を用いることができる。
【００２７】
ポンプ４０ａは燃料ガス通路２２に配置されている。ポンプ４０ａは燃料ガスを燃料極１２に向けて圧送する。すなわち、ポンプ４０ａは燃料ガス通路２２を介して燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段としての機能を有している。ポンプ４０ｂは酸化剤ガス通路２３に配置されている。ポンプ４０ｂは酸化剤ガスを酸素極１３に向けて圧送する。すなわち、ポンプ４０ｂは酸化剤ガス通路２３を介して燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段としての機能を有している。前述したようにポンプ４０ｃは、改質器７０に水を供給するポンプであり、水供給通路７１に接続されている。ポンプ４０ａ、ポンプ４０ｂおよびポンプ４０ｃの動作は、制御装置６０によって制御される。
【００２８】
バルブ５０ａは燃料ガス通路２２に配置されている。具体的にはバルブ５０ａは、燃料ガス通路２２のポンプ４０ａよりも上流側に配置されている。但しバルブ５０ａの燃料ガス通路２２における配置箇所は、これに限定されるものではなく、例えば燃料ガス通路２２のポンプ４０ａよりも下流側に配置されていてもよい。バルブ５０ｂは酸化剤ガス通路２３に配置されている。具体的にはバルブ５０ｂは、酸化剤ガス通路２３のポンプ４０ｂよりも上流側に配置されている。但しバルブ５０ｂの酸化剤ガス通路２３における配置箇所は、これに限定されるものではなく、例えば酸化剤ガス通路２３のポンプ４０ｂよりも下流側に配置されていてもよい。バルブ５０ｃは、排気通路２４に配置されている。
【００２９】
バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃは、それぞれ制御装置６０によって制御されることで、燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４を遮断する。すなわち、バルブ５０ａは燃料ガス通路２２を遮断する遮断手段としての機能を有し、バルブ５０ｂは酸化剤ガス通路２３を遮断する遮断手段としての機能を有し、バルブ５０ｃは燃料電池１０と外気との通路（排気通路２４）を遮断する遮断手段としての機能を有している。
【００３０】
制御装置６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６３を備える電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置６０は、各種ポンプおよび各種バルブを制御する制御手段としての機能を有している。
【００３１】
制御装置６０は、燃料電池１０の運転時には、ポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂを作動させ、バルブ５０ａおよびバルブ５０ｂを開に制御する。この場合、燃料ガスはポンプ４０ａによって圧送されることで、燃料ガス通路２２を通過して燃料室２５に流入し、次いで燃料極１２に供給される。酸化剤ガスは、ポンプ４０ｂによって圧送されることで、酸化剤ガス通路２３を通過して酸素室２６に流入し、次いで酸素極１３に供給される。なお、本実施例において、燃料電池１０の運転時に燃料電池１０に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの空燃比は、理論空燃比よりも高い値（例えば、原燃料としてメタンを用いる場合で２．５〜３程度（理論空燃比の１２５％〜１５０％程度））に設定されている。燃焼の安定性を図るためである。
【００３２】
また制御装置６０は燃料電池１０の運転時においてバルブ５０ｃを開に制御することで、燃料電池１０の排気ガスを排気通路２４を介して収容体２０の外部へ排出させる。排気ガスに含まれる燃料ガスは、燃焼装置３０において排気ガスに含まれる酸化剤ガスを用いて燃焼する。
【００３３】
ここで、燃料電池１０の運転時において燃料電池１０の温度は６００℃〜１０００℃になっている。燃料極１２がこのような高温になった場合、燃料極１２の金属成分は酸化され易い状態にあるが、燃料電池１０の運転時において燃料極１２は還元雰囲気にさらされていることから、燃料極１２の酸化は抑制されている。
【００３４】
制御装置６０は燃料電池１０の運転を終了する場合、通常は、燃料極１２の酸化を抑制するために、燃料電池１０の温度を低下させてからポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂの運転を停止させる、不活性ガスによって燃料電池１０をパージしてからポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂの運転を停止させる等の制御処理を行う。
【００３５】
また制御装置６０は、地震発生時等のようにポンプ４０ａの運転を直ちに停止させることが好ましいと考えられる所定の条件（以下、緊急停止条件と称する）が満たされた場合、ポンプ４０ａの運転を直ちに停止させる。さらに制御装置６０は、緊急停止条件が満たされてポンプ４０ａの運転を停止させる場合、バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃを閉に制御する。バルブ５０ａ、バルブ５０ｂおよびバルブ５０ｃが閉に制御されることで、燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４は遮断される（以下、通路遮断と称する場合がある）。その結果、収容体２０の内部は密閉される。なお、本実施例において、緊急停止条件が満たされた場合、制御装置６０はポンプ４０ｂおよびポンプ４０ｃの運転も停止させる。
【００３６】
燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４が遮断されることで、酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも上流側からの酸素の流入および排気通路２４のバルブ５０ｃよりも下流側からの酸素の流入が抑制される。それにより、緊急停止条件が満たされてポンプ４０ａの運転が突発的に停止した場合であっても、燃料極１２の酸化が抑制されている。
【００３７】
さらに本実施例に係る収容体２０は、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ通路遮断前よりも低い空燃比になるように設定されている。これにより、ポンプ４０ａの運転停止後において酸素が燃料室２５側に流入した場合であっても、この酸素を燃料ガスと反応させることで燃料極１２の酸化を抑制することができる。その結果、ポンプ４０ａの運転停止後における燃料極１２の酸化を効果的に抑制することができる。
【００３８】
ここで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が低いほど、通路遮断後における燃料極１２の酸化抑制効果は高くなる。そこで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上、所定の空燃比になるように設定されていることが好ましい。この所定の空燃比は、燃料電池１０を破壊しない程度の残留酸素がバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間に存在するような空燃比であることが好ましい。所定の空燃比の一例として、理論空燃比×１２０％を用いることができる。すなわち、この場合、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上、理論空燃比×１２０％になるように設定される。この構成によれば、燃料極１２の酸化をより抑制できる。
【００３９】
バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が、理論空燃比近傍に設定されていることがより好ましい。但し、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を、理論空燃比に設定した場合、仮に空燃比の設定誤差等があった場合には、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の実際の空燃比が理論空燃比より小さい値になってしまうおそれがある。この場合、酸素極１３が還元雰囲気にさらされるおそれが高くなり、その結果、酸素極１３の劣化のおそれが生じる。
【００４０】
したがって、空燃比の設定誤差等があったとしても酸素極１３が還元ガス（燃料ガス）によって劣化しないようにするため、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を、想定される設定誤差の分だけ理論空燃比よりも高く設定することが好ましい。
【００４１】
バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定するための具体的手法は、特に限定されるものではない。例えば、燃料電池１０の運転状態（燃料電池１０の運転時における燃料ガスの圧力、酸化剤ガスの圧力、燃料電池１０の運転時における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給比率、水分量等）、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積等を適切に設定することで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定することができる。
【００４２】
燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積の調整によって、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定する場合には、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断の際において、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量が酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くなるように、バルブ５０ａおよびバルブ５０ｂのガス通路への配置箇所を調整する手法を用いることができる。
【００４３】
図１においては、この手法が用いられている。具体的には、図１において燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積が酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側の容積よりも大きくなるように、バルブ５０ａおよびバルブ５０ｂがそれぞれ燃料ガス通路２２および酸化剤ガス通路２３に配置されている。これにより、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｂが通路遮断した際において燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量が酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くなる結果、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比に調整されている。
【００４４】
燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側の容積の調整によって通路遮断の際におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間の空燃比を調整する手法のより好ましい形態として、例えば以下の手法を用いることもできる。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比の調整の具体的手法の一例を説明するための図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）において、水供給通路７１およびポンプ４０ｃの図示は省略されている。
【００４５】
例えば図２（ａ）に示すように、燃料ガス通路２２の一部に他の部位よりも容積の大きい箇所（大容積部２７）を設け、バルブ５０ａを大容積部２７の上流側に配置することができる。この場合にも、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断の際において、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量を酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くすることができる。その結果、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｂによる通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比にすることができる。
【００４６】
またこの構成によれば、大容積部２７の容積を調整することで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｂによる通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比の調整を容易に行うことができる。さらにこの構成によれば、大容積部２７が設けられていない構成の場合に比較して、通路遮断後において燃料極１２に供給できる還元成分のモル量をより多くすることができる。その結果、通路遮断後における燃料極１２の酸化をより長時間抑制することができる。
【００４７】
あるいは、図２（ｂ）に示すように、燃料ガス通路２２に燃料ガス流量を絞る部分（絞り部２８）を設け、バルブ５０ａを絞り部２８よりも上流側に配置してもよい。この場合、絞り部２８によって燃料ガス通路２２の絞り部２８よりも上流側の燃料ガス圧力を高めることができることから、燃料ガス通路２２の絞り部２８よりも上流側かつバルブ５０ａよりも下流側の部分の還元成分のモル量を高めることができる。その結果、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断の際において、燃料ガス通路２２のバルブ５０ａよりも下流側に残存する還元成分のモル量を酸化剤ガス通路２３のバルブ５０ｂよりも下流側に残存する酸素のモル量よりも多くすることができる。それにより、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比を理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比にすることができる。
【００４８】
またこの構成によれば、絞り部２８の燃料ガス通路２２における配置位置、絞り部２８による燃料ガス通路の絞り具合等を調整することで、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比の調整を容易に行うことができる。さらにこの構成によれば、絞り部２８が設けられていない構成の場合に比較して、通路遮断後において燃料極１２に供給できる還元成分のモル量をより多くすることができる。その結果、通路遮断後における燃料極１２の酸化をより長時間抑制することができる。
【００４９】
あるいは、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）および図２（ｂ）の構成を組み合わせてもよい。この場合、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断後における燃料極１２の酸化をさらに長時間抑制することができる。
【００５０】
図３は、本実施例に係る制御装置６０が通路遮断する際のフローチャートの一例を示す図である。制御装置６０は、図３のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず制御装置６０は、緊急停止条件が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において緊急停止条件が満たされたと判定されなかった場合、制御装置６０はフローチャートの実行を終了する。
【００５１】
なお、制御装置６０による緊急停止条件が満たされたか否かの具体的判定手法は、特に限定されるものではない。例えば燃料電池システム１００は地震計を備え、制御装置６０は地震計の検出結果が所定値以上の場合に緊急停止条件が満たされたと判定してもよい。この所定値は例えばＲＯＭ６２が記憶しておき、ＣＰＵ６１は地震計の出力に基づいて震度データ取得し、取得された震度データをＲＯＭ６２に記憶された所定値と比較することで、緊急停止条件が満たされたか否かを判定することができる。
【００５２】
また制御装置６０は、ユーザからの入力信号に基づいて緊急停止条件が満たされたと判定してもよい。この場合、燃料電池システム１００は、ユーザがポンプ４０ａを停止させるための信号を入力するための入力装置を備える。制御装置６０は、入力装置からのポンプ４０ａの停止信号があった場合に緊急停止条件が満たされたと判定する。
【００５３】
ステップＳ１０において緊急停止条件が満たされたと判定された場合、制御装置６０はポンプ４０ａおよびポンプ４０ｂを停止させる（ステップＳ２０）。次いで制御装置６０は、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを閉に制御することで、燃料ガス通路２２、酸化剤ガス通路２３および排気通路２４を遮断する（ステップＳ３０）。次いで制御装置６０はフローチャートの実行を終了する。
【００５４】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システム１００によれば、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによって通路遮断がされることで、通路遮断部分よりも外側からの燃料電池１０への酸素流入を抑制することができる。それにより、緊急停止条件が満たされてポンプ４０ａの運転が突発的に停止した場合であっても燃料極１２の酸化を抑制することができる。
【００５５】
また、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になることから、通路遮断後において例えば酸素が燃料極１２側に流入した場合であっても、この酸素を還元成分と反応させることで燃料極１２の酸化を抑制できる。それにより、ポンプ４０ａの運転が突発的に停止した場合であっても燃料極１２の酸化を効果的に抑制することができる。
【００５６】
なお、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比に設定されている場合、当該空燃比が理論空燃比より高く設定されている場合に比較して、燃料極１２の酸化の抑制効果を高くすることができる。一方、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比より高く当該通路遮断前よりも低い空燃比に設定されている場合、当該空燃比が理論空燃比に設定されている場合に比較して、酸素極１３の還元ガス（燃料ガス）による劣化の抑制効果を高くすることができる。
【００５７】
なお、本実施例においてバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際に、収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間には、改質器７０に接続した水供給通路７１を考慮しなくてもよい。水供給通路７１には水のみが存在し、空燃比に影響する成分（原燃料、改質ガス、酸化剤ガス等）が存在しないからである。但し、仮に収容体２０のバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間に水供給通路７１を含めたとしても、水供給通路７１はバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比に影響を及ぼさない。このように、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間とは、空燃比に影響する成分が流入可能な空間と定義することもできる。
【００５８】
また、本実施例のように燃料電池システム１００が改質器７０を備えている場合には、バルブ５０ａ〜バルブ５０ｃが通路遮断した際にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間における空燃比が理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるようにバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを配置するにあたり、改質器７０におけるＳ／Ｃの影響を考慮して、適切なバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃの位置を設計することが好ましい。Ｓ／Ｃに応じて原燃料量が変化するからである。ここで、Ｓ／Ｃとは、改質器７０における水蒸気のモル数（Ｓ）とカーボンのモル数（Ｃ）との比である。
【００５９】
なお、本実施例においてバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃによる通路遮断が行われるのは、緊急停止条件が満たされ且つポンプ４０ａが停止した場合であるが、これに限定されるものではない。制御装置６０は、緊急停止条件が満たされるか否かに関わらず、ポンプ４０ａの運転が停止された場合には常にバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを閉に制御することで通路遮断を行ってもよい。
【００６０】
またバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃは、手動によっても開閉できる構成としてもよい。この場合、例えば地震発生時等において燃料電池システム１００への電源供給が停止した場合であっても、手動でバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃを閉にして通路を遮断することで、ポンプ４０ａの突発的な運転停止後における燃料極１２の酸化を抑制することができる。
【００６１】
また、収容体２０は燃焼装置３０を備えていなくもよい。但し収容体２０が燃焼装置３０を備えることで、通路遮断後におけるバルブ５０ａ〜バルブ５０ｃで構成される空間に存在する酸素を燃焼装置３０における燃焼によって消費することができる。それにより、燃料極１２の酸化を効果的に抑制することができる。
【００６２】
また、上記実施例は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。但し、固体酸化物型のように発電温度が高い場合には、燃料極１２が酸化しやすい傾向にある。したがって、上記実施例は、燃料電池１０として固体酸化物型の燃料電池を用いる場合に特に有効である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 燃料極
１３ 酸素極
２０ 収容体
２１ 収容部
２２ 燃料ガス通路
２３ 酸化剤ガス通路
２４ 排気通路
２５ 燃料室
２６ 酸素室
２７ 大容積部
２８ 絞り部
３０ 燃焼装置
４０ａ，４０ｂ ポンプ
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ バルブ
６０ 制御装置
１００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料ガス通路を介して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
酸化剤ガス通路を介して前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス通路を遮断する第１遮断手段と、
前記酸化剤ガス通路を遮断する第２遮断手段と、
前記燃料電池と外気との通路を遮断する第３遮断手段と、を備え、
前記第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、前記第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるように、前記第１〜第３遮断手段が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１〜第３遮断手段は、前記第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ理論空燃比×１２０％以下になるように、配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス通路の一部に当該通路の他の部位よりも容積の大きい箇所が設けられ、
前記第１遮断手段は、当該通路の前記容積の大きい箇所よりも上流側を遮断するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス通路に、前記燃料ガスの流量を絞る絞り部が設けられ、
前記第１遮断手段は、当該通路の前記絞り部よりも上流側を遮断するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガスは、炭化水素が水素を含むガスに改質された後のガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、固体酸化物型の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池と、
燃料ガス通路を介して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
酸化剤ガス通路を介して前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス通路を遮断する第１遮断手段と、
前記酸化剤ガス通路を遮断する第２遮断手段と、
前記燃料電池と外気との通路を遮断する第３遮断手段と、を備え、
前記第１〜第３遮断手段が通路遮断した際に、前記第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ当該通路遮断前よりも低い空燃比になるように、前記第１〜第３遮断手段が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１〜第３遮断手段は、前記第１〜第３遮断手段で構成される空間における空燃比が、理論空燃比以上かつ理論空燃比×１２０％以下になるように、配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス通路の一部に当該通路の他の部位よりも容積の大きい箇所が設けられ、
前記第１遮断手段は、当該通路の前記容積の大きい箇所よりも上流側を遮断するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス通路に、前記燃料ガスの流量を絞る絞り部が設けられ、
前記第１遮断手段は、当該通路の前記絞り部よりも上流側を遮断するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガスは、炭化水素が水素を含むガスに改質された後のガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、固体酸化物型の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−３３６６６（Ｐ２０１３−３３６６６Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９５６７（Ｐ２０１１−１６９５６７）
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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