JP2015011973A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードの劣化を抑制することができる優れた信頼性を有する固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】原料と酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する改質器６０と、改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池６１と、改質器に供給される酸素含有ガスが流れる第１酸素含有ガス流路６２と、第１酸素含有ガス流路に設けられた第１開閉弁６３と、を備え、第１開閉弁は、第１開閉弁よりも上流の第１酸素含有ガス流路の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている、固体酸化物形燃料電池システム１００。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関する。

次世代発電装置として、近年、固体高分子形燃料電池に加えて固体酸化物形燃料電池の開発も急速に行われるようになった。この固体酸化物形燃料電池は、カソードで生成した酸化物イオンが固体電解質を透過し、アノードで燃料ガスと反応することにより電気エネルギーを発生させるので、水素だけでなく一酸化炭素等も燃料として使用できる。都市ガス等の炭化水素成分を含む原料ガスから水素を主成分とする原料ガスを改質する方法としては、炭化水素を水蒸気と反応させて改質する水蒸気改質法（化学反応式１）と、炭化水素を酸素含有ガスと反応させて改質する部分酸化改質法（化学反応式２）が知られている。

化学反応式１ ： ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２ ＋ ＣＯ
化学反応式２ ： ＣＨ_４ ＋ １／２Ｏ_２ → ２Ｈ_２ ＋ ＣＯ
特許文献１は、固体酸化物形の燃料電池本体と、燃料電池本体の発電時に当該電池本体のアノード側へ燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給系と、燃料電池本体の運転開始期及び運転停止期に当該電池本体のアノード側へ少量の燃料ガスを酸化防止ガスとして供給する第２の燃料ガス供給系と、燃料電池本体のカソード側へ全期間を通して空気を酸化ガスとして供給する酸化ガス供給系とを備える燃料電池を開示する。

また、改質用の空気がブロアにより加圧され、マスフローコントローラにより流量制御された後、電磁弁を通ってミキサへ送られることにより、都市ガスと混合される。都市ガスと空気の混合ガスは、電磁弁を通って燃料電池本体へ送られ、燃料電池本体内の改質器を通って電池セルのアノード側へ送られる。

特開２００５−２９３９５１号公報

しかしながら、上記特許文献１をはじめとする従来技術であっても、更なる信頼性の向上（アノードの劣化抑制）を確保するという観点からは、いまだ改善の余地があることを本発明者らは見出した。

そこで、本発明は、アノードの劣化を抑制することができる優れた信頼性を有する固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明による固体酸化物形燃料電池システムの一態様は、原料と酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記改質器に供給される酸素含有ガスが流れる第１酸素含有ガス流路と、前記第１酸素含有ガス流路に設けられた第１開閉弁と、を備え、前記第１開閉弁は、前記第１開閉弁よりも上流の前記第１酸素含有ガス流路の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている。

本発明の一態様によれば、アノードの劣化を抑制することができる優れた信頼性を有する固体酸化物形燃料電池システムを提供できるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図３は、第３実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図４は、第４実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図５は、第５実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図６は、実施例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図７は、実施例にかかる開閉弁の概略構成の一例を示す断面図である。

上記従来技術の課題を鑑みて本発明者らが鋭意検討をした結果、本発明者らは、更なる信頼性の向上の観点から上記特許文献１をはじめとする従来の燃料電池システムには以下の課題があることを見出した。

一般的に知られている電磁開閉弁は、流体が流入出するための２つのポートを備えており、一方のポート側の流体の圧力が上昇すると弁が閉止する方向に力が付加され、他方のポート側の流体の圧力が上昇すると弁が開放する方向に力が付加される機構を有している。

従来の構成において、酸素含有ガス流路上に設置された開閉弁が、閉状態に制御されており、酸素含有ガス供給器が動作すべきでないのに誤って動作したとする。このとき、開閉弁を設置する向きによっては、上流側の圧力が上昇すると該開閉弁は開状態となりうる。そうすると、予定されていない時期に酸素含有ガスが改質器を経由して固体酸化物燃料電池のアノードに流入することになり、固体酸化物形燃料電池のアノードの劣化を引き起こす可能性がある。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの場合、７００℃〜１０００℃と運転温度が高いことから、停止時に高温状態にある固体酸化物形燃料電池のアノードに酸素含有ガスが流入すると、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）と異なり、アノードの酸化劣化の影響が大きくなりやすい。

上記課題を解決するために、固体酸化物形燃料電池システムを、原料と酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、改質器に供給される酸素含有ガスが流れる第１酸素含有ガス流路と、第１酸素含有ガス流路に設けられた第１開閉弁と、を備え、第１開閉弁は、第１開閉弁よりも上流の第１酸素含有ガス流路の圧力が上昇すると閉止するよう構成する。

これにより、酸素含有ガス流路上の部品（例えば、酸素含有ガス供給器等）が故障した時に第１開閉弁の上流側の圧力が上昇すると、第１開閉弁が閉止しやすくなり、酸素含有ガスが改質器を経由して固体酸化物燃料電池のアノードに供給される可能性を低減できる。よって、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、アノードの酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

以下、添付図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。各実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例である。以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に省略しうる構成要素として説明される。図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。

（第１実施形態）
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、原料と酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、改質器に供給される酸素含有ガスが流れる第１酸素含有ガス流路と、第１酸素含有ガス流路に設けられた第１開閉弁と、を備え、第１開閉弁は、第１開閉弁よりも上流の第１酸素含有ガス流路の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている。

かかる構成では、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、アノードの酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示す例において、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００は、改質器６０と、固体酸化物形燃料電池６１と、第１酸素含有ガス流路６２と、第１開閉弁６３とを備えている。

改質器６０は、原料と酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する。より具体的には、改質器６０において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。

図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられうる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器６０を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、さらに、改質器６０に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。

原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガス、灯油、アルコール等とすることができる。

固体酸化物形燃料電池６１は、改質器６０から供給される水素含有ガスを用いて発電する。固体酸化物形燃料電池６１は、例えば、アノードとカソードとを備えてもよい。固体酸化物形燃料電池６１は、アノードへ供給される水素含有ガスと、カソードへ供給される空気とを用いて発電する。固体酸化物形燃料電池６１は、複数のセルを積層させたセルスタックを備えていてもよい。

セルには、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を電解質等に用いた公知の構成を採用しうる。セルの材料としては、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質を用いることもできる。イットリア安定化ジルコニアを用いたセルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、摂氏６００度から摂氏１０００度程度の温度範囲で発電反応が行われる。

セルスタックとしては、例えば、平板型セル及びインターコネクタ等の部材を積層した平板型スタックを用いてもよいし、円筒型セル及びインターコネクタ等の部材をバンドル（束にして固定）した円筒型スタックであってもよい。

固体酸化物形燃料電池６１の発電により得られた電力は、セルスタックに設けられた図示されない２つの端子を介して外部負荷へ供給される。該端子と外部負荷との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータが設けられてもよい。

第１酸素含有ガス流路６２は、改質器６０に供給される酸素含有ガスが流れる流路である。酸素含有ガスとしては、例えば、空気等を用いることができる。

第１開閉弁６３は、第１酸素含有ガス流路６２に設けられた開閉弁である。第１開閉弁６３は、第１開閉弁６３よりも上流の第１酸素含有ガス流路６２の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている。第１開閉弁６３は、具体的には例えば、電磁弁とすることができる。

「第１開閉弁６３よりも上流の第１酸素含有ガス流路６２の圧力が上昇すると閉止する」とは、例えば、第１開閉弁６３の上流と第１開閉弁６３の下流との間の酸素含有ガスの圧力差によって、第１開閉弁６３が備える弁体が第１酸素含有ガス流路６２を閉止する方向に力を受けるように構成されていること等を言う。この場合において、圧力差が弁体に力を及ぼすメカニズムは特に限定されない。

具体的には例えば、第１開閉弁６３が閉止している状態において、上流側の相対的に高い圧力により弁体が付勢される方向が、弁体が第１開閉弁６３を閉止する方向に一致する構成であってもよい。あるいは例えば、第１開閉弁６３が開いている状態において、圧力差により上流から下流へと向かう酸素含有ガスの流れにより、弁体が抵抗を受けて付勢される方向が、弁体が第１開閉弁６３を閉止する方向に一致する構成であってもよい。あるいは例えば、第１開閉弁６３を閉止する際に弁体が第１酸素含有ガス流路６２の内部を移動する方向が、第１酸素含有ガス流路６２の上流から下流に向かう方向と一致していてもよい。

第１開閉弁６３は、より具体的には例えば、閉止状態にある第１開閉弁６３の弁体が下流方向に付勢されている構成とすることができる。付勢手段は特に限定されず、例えば、弾性体を用いた付勢手段とすることができる。弾性体としては、例えば、コイルスプリング、板バネ、ゴム、電磁石等としてもよい。

第１開閉弁６３は、より具体的には例えば、電力供給が停止している状態では下流から上流にのみ流体が流れる逆止弁の構成としてもよい。

本実施形態では、第１開閉弁が上記のように構成されているため、酸素含有ガス流路上の部品（例えば、酸素含有ガス供給器等）が故障した時に第１開閉弁の上流側の圧力が上昇すると、第１開閉弁が閉止しやすくなる。停止時にアノードが高温状態にある場合でも、酸素含有ガスが改質器を経由して固体酸化物形燃料電池のアノードに流入する可能性を低減できる。よって、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、アノードの酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

（第２実施形態）
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、第１開閉弁より上流の第１酸素含有ガス流路に設けられ、第１酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を計測する、第１流量計を備える。

かかる構成では、第１酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を適切に検出することができ、改質器に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できる。よって、改質器において安定して改質ガスを生成することができる。

［装置構成］
図２は、第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２００は、第１開閉弁６３より上流の第１酸素含有ガス流路６２に第１流量計６４が設けられている点以外は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１と図２とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。

第１流量計６４は、第１開閉弁６３より上流の第１酸素含有ガス流路６２に設けられ、第１酸素含有ガス流路６２を流れる酸素含有ガスの流量を計測する。第１流量計６４としては、具体的には例えば、オリフィス前後に発生する差圧を用いた流量計、ベンチュリ計やオリフィス計、ペルチェ素子を利用した流量計、熱線を利用した流量計、流れる流体の運動量を利用したベーン式の流量計等を用いることができる。

第１流量計６４を備えることにより、第１酸素含有ガス流路６２を流れる酸素含有ガスの流量を適切に検出することができ、改質器６０に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できる。よって、改質器６０において安定した改質反応を行うことができる。さらに、第１流量計６４を備えることにより、第１開閉弁６３の故障をより早く検知できる。

例えば、第１流量計６４の検出値に基づいて、酸素含有ガス供給装置を操作するように構成してもよい。第１流量計６４の検出値に基づいて酸素含有ガス供給装置を操作するように構成された制御器を備えてもよい。この場合にも、改質器６０に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御することができ、改質器６０において安定して改質ガスを生成することができる。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。

（第３実施形態）
第３実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態または第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、第１開閉弁よりも上流の第１酸素含有ガス流路に設けられ、第１酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を調整する、流量調整弁を備える。

かかる構成では、改質器に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できる。よって、改質器で安定して改質ガスを生成することにより、固体酸化物形燃料電池において安定した発電を行うことができる。

［装置構成］
図３は、第３実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。第３実施形態の固体酸化物形燃料電池システム３００は、流量調整弁６８が設けられている点以外は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１と図３とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。

流量調整弁６８は、第１開閉弁６３よりも上流の第１酸素含有ガス流路６２に設けられ、第１酸素含有ガス流路６２を流れる酸素含有ガスの流量を調整する。流量調整弁６８としては、具体的には例えば、ニードル弁等を用いることができる。

流量調整弁６８を備えることにより、第１酸素含有ガス流路６２を流れる酸素含有ガスの流量を適切に制御することができ、改質器６０に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できる。よって、改質器６０で安定して改質ガスを生成することにより、固体酸化物形燃料電池６１において安定した発電を行うことができる。

例えば、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせた態様において、第１流量計６４の検出値に基づいて、流量調整弁６８を操作するように構成してもよい。第１流量計６４の検出値に基づいて、流量調整弁６８を操作するように構成された制御器を備えていてもよい。この場合にも、改質器６０に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御することができ、改質器６０で安定して改質ガスを生成することにより、固体酸化物形燃料電池６１において安定した発電を行うことができる。

第３実施形態においても、第１実施形態、および、第２実施形態と同様の変形が可能である。

（第４実施形態）
第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、または第３実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池に酸素含有ガスを供給する第２酸素含有ガス流路と、第２酸素含有ガス流路に設けられた第２開閉弁と、を備え、前記第２酸素含有ガス流路は、その上流において第１酸素含有ガス流路と合流して同一の流路をなすとともに、第２開閉弁は、第２開閉弁よりも上流の第２酸素含有ガス流の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている。

かかる構成では、停止時において改質器を経由した固体酸化物形燃料電池への酸素含有ガスの流入を遮断することができるので、カソードの酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

［装置構成］
図４は、第４実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システム４００は、第２酸素含有ガス流路６５と、第２開閉弁６６とが設けられている点以外は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１と図４とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。

第２酸素含有ガス流路６５は、第１酸素含有ガス流路６２より分岐して、固体酸化物形燃料電池６１に酸素含有ガスを供給する流路である。図４に示す例では、第２酸素含有ガス流路６５は、第１開閉弁６３の上流の第１酸素含有ガス流路６２より分岐しているが、第２酸素含有ガス流路６５が、第１開閉弁６３の下流の第１酸素含有ガス流路６２より分岐してもよい。

第２開閉弁６６は、第２酸素含有ガス流路６５に設けられた開閉弁である。第２開閉弁６６は、第２開閉弁６６よりも上流の第２酸素含有ガス流路６５の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている。第２開閉弁６６は、具体的には例えば、電磁弁とすることができる。

「第２開閉弁６６よりも上流の第２酸素含有ガス流路６５の圧力が上昇すると閉止する」とは、例えば、第２開閉弁６６の上流と第２開閉弁６６の下流との間の酸素含有ガスの圧力差によって、第２開閉弁６６が備える弁体が第２酸素含有ガス流路６５を閉止する方向に力を受けるように構成されていること等を言う。この場合において、圧力差が弁体に力を及ぼすメカニズムは特に限定されない。

具体的には例えば、第２開閉弁６６が閉止している状態において、上流側の相対的に高い圧力により弁体が付勢される方向が、弁体が開閉弁を閉止する方向に一致する構成であってもよい。あるいは例えば、第２開閉弁６６が開いている状態において、圧力差により上流から下流へと向かう酸素含有ガスの流れにより、弁体が抵抗を受けて付勢される方向が、弁体が第２開閉弁６６を閉止する方向に一致する構成であってもよい。あるいは例えば、第２開閉弁６６を閉止する際に弁体が第２酸素含有ガス流路６５の内部を移動する方向が、第２酸素含有ガス流路６５の上流から下流に向かう方向と一致していてもよい。

第２開閉弁６６は、より具体的には例えば、閉止状態にある第２開閉弁６６の弁体が下流方向に付勢されている構成とすることができる。付勢手段は特に限定されず、例えば、弾性体を用いた付勢手段とすることができる。弾性体としては、例えば、コイルスプリング、板バネ、ゴム、電磁石等とすることができる。

第２開閉弁６６は、より具体的には例えば、電力供給が停止している状態では下流から上流にのみ流体が流れる逆止弁の構成とすることができる。

なお、第２酸素含有ガス流路６５が、第１開閉弁６３の下流の第１酸素含有ガス流路６２より分岐する場合には、第２開閉弁６６を第１開閉弁６３と別箇に設けてもよいが、第２開閉弁６６を第１開閉弁６３と別箇に設けなくてもよい。このとき、第１開閉弁６３は第２開閉弁６６としても機能する。

本実施形態では、第２開閉弁が上記のように構成されているため、酸素含有ガス流路上の部品（例えば、開閉弁および酸素含有ガス供給器等）が故障した時に第２開閉弁の上流側の圧力が上昇すると、第２開閉弁が閉止しやすくなる。停止時にカソードが高温状態にある場合でも、酸素含有ガスが改質器を経由して固体酸化物形燃料電池に流入する可能性を低減できる。よって、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、カソードの酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

第４実施形態においても、第１実施形態、第２実施形態、および、第３実施形態と同様の変形が可能である。

（第５実施形態）
第５実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、または第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、第２開閉弁よりも上流の２酸素含有ガス流路に設けられ、２酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を計測する、第２流量計を備える。

かかる構成では、第２酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を適切に検出することができ、改質器に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できる。よって、改質器で安定して改質ガスを生成することにより、固体酸化物形燃料電池において安定した発電を行うことができる。

［装置構成］
図５は、第５実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。第５実施形態の固体酸化物形燃料電池システム５００は、第２流量計６７が設けられている点以外は、第４実施形態の固体酸化物形燃料電池システム４００と同様の構成とすることができる。よって、図４と図５とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。

第２流量計６７は、第２開閉弁６６よりも上流の第２酸素含有ガス流路６５に設けられ、第２酸素含有ガス流路６５を流れる酸素含有ガスの流量を計測する。第２流量計６７としては、具体的には例えば、オリフィス前後に発生する差圧を用いた流量計、ベンチュリ計やオリフィス計、ペルチェ素子を利用した流量計、熱線を利用した流量計、流れる流体の運動量を利用したベーン式の流量計等を用いることができる。

第２流量計６７を備えることにより、第２酸素含有ガス流路６５を流れる酸素含有ガスの流量を適切に検出することができ、固体酸化物形燃料電池６１のカソードに供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できる。よって、固体酸化物形燃料電池６１において安定した発電を行うことができる。さらに、第２流量計６７を備えることにより、第２開閉弁６６の故障をより早く検知できる。

例えば、第２流量計６７の検出値に基づいて、酸素含有ガス供給装置を操作するように構成してもよい。第２流量計６７の検出値に基づいて、酸素含有ガス供給装置を操作するように構成された制御器を備えてもよい。この場合にも、固体酸化物形燃料電池６１のカソードに供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御することができ、固体酸化物形燃料電池６１において安定した発電を行うことができる。

第５実施形態においても、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、および、第４実施形態と同様の変形が可能である。

（実施例）
図６は、実施例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図６において、固体酸化物形燃料電池システムは、ハウジング１に収容された固体酸化物形燃料電池２と、改質器３と、燃焼器４とを備えている。

固体酸化物形燃料電池システムは、改質器３に原料ガスとしての都市ガスを供給する原料ガス供給流路５１と、改質器３に水を供給する水供給流路５２と、固体酸化物形燃料電池２のカソードに酸素含有ガスを供給するカソード用酸素含有ガス流路５３と、改質器３に酸素含有ガスを供給する改質用酸素含有ガス流路５４とを備えている。

固体酸化物形燃料電池２は、アノードとカソードで挟まれるように形成されている固体酸化物の電解質が複数枚積層された電池セルを備えている。そして、個々のアノードに水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、個々のカソードに酸素含有ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。

改質器３は、水供給流路５２を介して供給された水を気化させる気化部を備え、内部に充填された触媒によって、水蒸気改質反応および部分酸化改質反応のうちの少なくとも一方の反応により、原料ガスを水素を含む燃料ガスに改質する。そして、改質により生成した燃料ガスを固体酸化物形燃料電池２のアノードに供給する。

燃焼器４は、固体酸化物形燃料電池２から排出されるオフ燃料ガスとオフ酸素含有ガスとを燃焼反応させ、その燃焼熱によって固体酸化物形燃料電池２および改質器３を加熱し、燃焼ガスを外部に排出する。

原料ガス供給流路５１には、脱硫器５と、原料ガス供給器６と、流量計７と、流量調整弁８と、開閉弁９とが、この順に設けられている。

脱硫器５は、内部に充填された脱硫剤によって原料ガス中の硫黄成分を除去する。原料ガス供給器６は、改質器３に原料ガスを圧送する。流量計７は、改質器３に供給される原料ガスの流量を計測する。流量調整弁８は、流路の抵抗を調整することで流量を調整する。開閉弁９は、原料ガス供給流路５１を開閉する。

開閉弁９は、第１入力ポート９ａと第１出力ポート９ｂとを備えている。第１入力ポート９ａは流量調整弁８に連通するように取り付けられている。第１出力ポート９ｂは改質器３に連通するように取り付けられている。

制御器５５は、流量計７の計測値に基づき、流量調整弁８を操作することで、改質器３に供給される原料ガスの流量を制御する。制御器５５は、上記制御を実行するためのプログラムを記憶している記憶部を備えている。

制御器５５は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。例えば、制御器５５としては、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller) 等が例示される。また、演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器５５は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

水供給流路５２には、イオンフィルタ１０と、水供給器１１と、流量計１２と、流量調整弁１３と、開閉弁１４とがこの順に設けられている。

イオンフィルタ１０は、内部に充填されたイオン交換樹脂によって水を浄化する。水供給器１１は、改質器３に水を圧送する。流量計１２は、改質器３に供給される水の流量を計測する。流量調整弁１３は、流路の抵抗を調整することで流量を調整する。

開閉弁１４は、水供給流路５２を開閉する。開閉弁１４は、第３入力ポート１４ａと第３出力ポート１４ｂとを備えている。第３入力ポート１４ａは流量調整弁１３に連通するように取り付けられている。第３出力ポート１４ｂは改質器３に連通するように取り付けられている。

制御器５５は、流量計１２の計測値に基づき、流量調整弁１３を操作することで、改質器３に供給される水の流量を制御する。制御器５５の記憶部には、上記制御を実行するためのプログラムが記憶されている。

改質用酸素含有ガス流路５４には、酸素含有ガス供給器１５と、フィルタ１６と、流量計２２と、流量調整弁２３と、開閉弁２４とがこの順に設けられている。

酸素含有ガス供給器１５は、改質器３および固体酸化物形燃料電池２のカソードに酸素含有ガスを圧送する。フィルタ１６は、酸素含有ガス中の異物を除去する。流量計２２は、改質器３に供給される酸素含有ガスの流量を計測する。流量調整弁２３は、流路の抵抗を調整することで流量を調整する。

開閉弁２４は、改質用酸素含有ガス流路５４を開閉する。開閉弁２４は、第４入力ポート２４ａと第４出力ポート２４ｂとを備えている。第４入力ポート２４ａは流量調整弁２３に連通するように取り付けられている。第４出力ポート２４ｂは改質器３に連通するように取り付けられている。制御器５５は、流量計２２の計測値に基づき、流量調整弁２３を操作することで、改質器３に供給される酸素含有ガスの流量を制御する。

カソード用酸素含有ガス流路５３は、改質用酸素含有ガス流路５４のフィルタ１６と流量計２２との間から分岐されるものである。カソード用酸素含有ガス流路５３には、流量計１７と、流量調整弁１８と、開閉弁１９とが、この順に設けられている。流量計１７は、固体酸化物形燃料電池２のカソードに供給される酸素含有ガスの流量を計測する。流量調整弁１８は、流路の抵抗を調整することで流量を調整する。

開閉弁１９は、カソード用酸素含有ガス流路５３を開閉する。開閉弁１９は、第３入力ポート１９ａと第３出力ポート１９ｂとを備えている。第３入力ポート１９ａは流量調整弁１８に連通するように取り付けられている。第３出力ポート１９ｂは固体酸化物形燃料電池２のカソードに連通するように取り付けられている。

制御器５５は、流量計１７の計測値に基づき、流量調整弁１８を操作することで、固体酸化物形燃料電池２のカソードに供給される酸素含有ガスの流量を制御する。制御器５５の記憶部には、上記制御を実行するためのプログラムが記憶されている。

次に、開閉弁２４の構造について、図７を参照しながら説明する。図７は、実施例にかかる開閉弁の概略構成の一例を示す断面図である。

図７において、電磁開閉弁５６は、流体が流入する第５入力ポート５６ａと、流体が流出する第５出力ポート５６ｂと、弁本体部２５と、可動部２６とを備えている。ここで、電磁開閉弁５６と、第５入力ポート５６ａと、第５出力ポート５６ｂとは、それぞれ、図６における開閉弁２４と、第４入力ポート２４ａと、第４出力ポート２４ｂとに相当する。

弁本体部２５は、弁体２７と、弁座２８とを備えている。弁体２７は、弁内流路を開閉する。弁座２８は、電磁開閉弁５６が閉止する時に、弁体２７と当接する。

可動部２６は、コアチューブ２９と、可動コア３０と、圧縮スプリング３１と、固定コア３２と、ソレノイド３３とを備えている。可動コア３０は、コアチューブ２９に挿入された摺動可能に構成されている。可動コア３０の先端部には弁体２７が取り付けられてある。圧縮スプリング３１は、その弾性力によって、可動コア３０を介して弁体２７が弁座２８に当接する方向に力を付加する。固定コア３２は、一方の端部が圧縮スプリング３１に取り付けられ、他方の端部が固定されている。ソレノイド３３は、コアチューブ２９の周りに巻かれた導線である。ソレノイド３３は、その内部に電流が流れると、可動コア３０と固定コア３２とを励磁する。

ソレノイド３３に電流が流れていない場合には、圧縮スプリング３１の弾性力によって、弁体２７が弁座２８に当接し、電磁開閉弁５６は閉状態となる。ソレノイド３３に電流が流れている場合には、可動コア３０と固定コア３２とが励磁され、その電磁力によって可動コア３０が固定コア３２の方向に吸引され、弁体２７が弁座２８から離れ、電磁開閉弁５６は開状態となる。電磁開閉弁５６は、その機構上、第５入力ポート５６ａ側の流体の圧力が上昇すると、弁体２７が弁座２８に当接する方向に力が付加され、第５出力ポート５６ｂ側の流体の圧力が上昇すると、弁体２７が弁座２８から離れる方向に力が付加される。

なお、開閉弁９、開閉弁１４、および、開閉弁１９は、開閉弁２４と同様に、図７の電磁開閉弁５６と同じ構成とすることができるため、その説明は省略する。

以上のように構成された固体酸化物形燃料電池システムの動作について説明する。下記に述べる動作は、制御器５５の記憶部にプログラムに従い実行されうる。

固体酸化物形燃料電池システムの制御器５５が、システムを起動させると、開閉弁９、開閉弁１９、および、開閉弁２４を開状態にし、原料ガス供給器６および酸素含有ガス供給器１５を動作させ、燃焼器４に原料ガスと酸素含有ガスとを供給する。燃焼器４では、原料ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを、点火装置（図示省略）により着火して燃焼させる。

改質器３には原料ガスと酸素含有ガスとの混合ガスが供給されている。よって、燃焼開始後に、燃焼反応の燃焼熱により改質器３が所定温度まで加熱されると、改質器３において部分酸化改質反応が進行する。

部分酸化改質反応の開始後に、さらに加熱が進み、改質器３が所定温度になると、開閉弁１４を開状態にし、水供給器１１を動作させ、改質器３に水を供給する。改質器３には原料ガスと酸素含有ガスとの混合ガスに加えて、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給され、これにより改質器３において部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が併用された改質反応が進行する。

部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が併用された改質反応の開始後に、さらに加熱が進み、改質器３が所定温度になると、開閉弁２４を閉状態にする。改質器３には、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給され、これにより改質器３において水蒸気改質反応が進行する。

水蒸気改質反応の開始後に、さらに加熱が進み、固体酸化物形燃料電池２及び改質器３が所定温度になると、固体酸化物形燃料電池２による発電が開始される。

発電時は、制御器５５が、固体酸化物形燃料電池２の発電量に応じて、改質器３に供給される原料ガスの流量と、改質器３に供給される水の流量と、固体酸化物形燃料電池２のカソードに供給される酸素含有ガスの流量を制御する。

停止時は、固体酸化物形燃料電池２の発電を停止し、原料ガス供給器６と、水供給器１１と、酸素含有ガス供給器１５とを停止させて、開閉弁９と、開閉弁１４と、開閉弁１９とを閉状態にする。

開閉弁２４が閉状態から開状態に変化しないという故障が生じた場合、酸素含有ガス供給器１５が動作すると、改質用酸素含有ガス流路５４の圧力が上昇し、開閉弁２４の第４入力ポート２４ａ側の圧力が第４出力ポート２４ｂ側の圧力より高くなる。開閉弁２４の機構上、第４入力ポート２４ａ側の圧力が上昇すると、弁体２７が弁座２８に当接する方向に力が付加される（弁体２７が弁座２８に押し付けられる）ため、開閉弁２４は閉止されることになる。

起動時に上記故障が発生すると、改質器３に酸素含有ガスが供給されないので改質器３の温度上昇が遅くなるため、燃料電池システムは異常停止状態になる。

これにより、開閉弁２４が故障した場合には、固体酸化物形燃料電池システムが異常停止することから、該故障を検知することができる。よって、修理あるいは部品交換等の適切な対応をすることができる。

停止時に、酸素含有ガス供給器１５が動作し続けるという故障が生じた場合、開閉弁２４が閉状態であれば、改質用酸素含有ガス流路５４の圧力が上昇し、開閉弁２４の第４入力ポート２４ａ側の圧力が第４出力ポート２４ｂ側の圧力より高くなる。開閉弁２４の機構上、第４入力ポート２４ａ側の圧力が上昇すると、弁体２７が弁座２８に当接する方向に力が付加されるため、開閉弁２４は閉止されることになる。

かかるメカニズムにより、停止時において、改質器３を経由して固体酸化物形燃料電池２に酸素含有ガスが流入しにくくなるので、電極触媒（アノード電極触媒）の酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

流量計２２と、流量調整弁２３とを設けていることにより、改質器３に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できるので、改質器で安定した改質ガスを生成することにより、固体酸化物形燃料電池２において安定した発電を行うことができる。

開閉弁１９が閉状態から開状態に変化しないという故障が生じた場合、酸素含有ガス供給器１５が動作すると、カソード用酸素含有ガス流路５３の圧力が上昇し、開閉弁１９の第３入力ポート１９ａ側の圧力が第３出力ポート１９ｂ側の圧力より高くなる。開閉弁１９の機構上、第３入力ポート１９ａ側の圧力が上昇すると、弁体２７が弁座２８に当接する方向に力が付加されるため、開閉弁１９は閉止されることになる。

起動時に上記故障が発生すると、燃焼器４に酸素含有ガスが供給されないので燃焼が維持できなくなり、燃料電池システムは異常停止状態になる。発電時に上記故障が発生すると、固体酸化物形燃料電池２に酸素含有ガスが供給されないので発電が維持できなくなり、燃料電池システムは異常停止状態になる。

このように、開閉弁１９が故障した場合には、固体酸化物形燃料電池システムが異常停止することから、該故障を検知することができる。よって、修理あるいは部品交換等の適切な対応をすることができる。

酸素含有ガス供給器１５が動作し続けるという故障が生じた場合、開閉弁１９が閉状態であれば、カソード用酸素含有ガス流路５３の圧力が上昇し、開閉弁１９の第３入力ポート１９ａ側の圧力が第３出力ポート１９ｂ側の圧力より高くなる。開閉弁１９の機構上、第３入力ポート１９ａ側の圧力が上昇すると、弁体２７が弁座２８に当接する方向に力が付加されるため、開閉弁１９は閉止されることになる。

かかるメカニズムにより、停止時において、固体酸化物形燃料電池２へと酸素含有ガスが誤って流入しにくくなるので、電極触媒の酸化劣化が生じる可能性を低減できる。

流量計１７と、流量調整弁１８とを設けていることにより、固体酸化物形燃料電池２に供給される酸素含有ガスの流量を正確に制御できるので、固体酸化物形燃料電池２において安定した発電を行うことができる。

なお、本実施の形態によって各実施形態が限定されるものではない。例えば、改質器３の内部に気化部を設けているが、気化部をハウジング１の外部に配置し、気化部で発生した水蒸気を改質器３に供給するように構成してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の一態様は、アノードの劣化を抑制することができる優れた信頼性を有する固体酸化物形燃料電池システムとして有用である。

１ ハウジング
２ 固体酸化物形燃料電池
３ 改質器
４ 燃焼器
５ 脱硫器
６ 原料ガス供給器
７ 流量計
８ 流量調整弁
９ 開閉弁
９ａ 第１入力ポート
９ｂ 第１出力ポート
１０ イオンフィルタ
１１ 水供給器
１２ 流量計
１３ 流量調整弁
１４ 開閉弁
１４ａ 第３入力ポート
１４ｂ 第３出力ポート
１５ 酸素含有ガス供給器
１６ フィルタ
１７ 流量計
１８ 流量調整弁
１９ 開閉弁
１９ａ 第３入力ポート
１９ｂ 第３出力ポート
２２ 流量計
２３ 流量調整弁
２４ 開閉弁
２４ａ 第４入力ポート
２４ｂ 第４出力ポート
２５ 弁本体部
２６ 可動部
２７ 弁体
２８ 弁座
２９ コアチューブ
３０ 可動コア
３１ 圧縮スプリング
３２ 固定コア
３３ ソレノイド
５１ 原料ガス供給流路
５２ 水供給流路
５３ カソード用酸素含有ガス流路
５４ 改質用酸素含有ガス流路
５５ 制御器
５６ 電磁開閉弁
５６ａ 第５入力ポート
５６ｂ 第５出力ポート
６０ 改質器
６１ 固体酸化物形燃料電池
６２ 第１酸素含有ガス流路
６３ 第１開閉弁
６４ 第１流量計
６５ 第２酸素含有ガス流路
６６ 第２開閉弁
６７ 第２流量計
６８ 流量調整弁
１００、２００、３００、４００、５００ 固体酸化物形燃料電池システム

Claims (5)

1. 原料と酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記改質器に供給される酸素含有ガスが流れる第１酸素含有ガス流路と、
   前記第１酸素含有ガス流路に設けられた第１開閉弁と、を備え、
   前記第１開閉弁は、前記第１開閉弁よりも上流の前記第１酸素含有ガス流路の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている、
   固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記第１開閉弁より上流の前記第１酸素含有ガス流路に設けられ、前記第１酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を計測する、第１流量計を備える、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記第１開閉弁よりも上流の前記第１酸素含有ガス流路に設けられ、前記第１酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を調整する、流量調整弁を備える、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記固体酸化物形燃料電池に酸素含有ガスを供給する第２酸素含有ガス流路と、
   前記第２酸素含有ガス流路に設けられた第２開閉弁と、を備え、
   前記第２酸素含有ガス流路は、その上流において第１酸素含有ガス流路と合流して同一の流路をなすとともに、前記第２開閉弁は、前記第２開閉弁よりも上流の前記第２酸素含有ガス流の圧力が上昇すると閉止するよう構成されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記第２開閉弁よりも上流の前記２酸素含有ガス流路に設けられ、前記２酸素含有ガス流路を流れる酸素含有ガスの流量を計測する、第２流量計を備える、請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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