固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，可以執(zhí)行關機停止，且還能避免空氣極還原。本發(fā)明是一種固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(1)，其特征在于，具有燃料電池模塊(2)、燃料供給裝置(38)、供水裝置(28)、空氣供給裝置(45)、重整器(20)以及對燃料供給裝置、供水裝置、空氣供給裝置及從燃料電池模塊導出電力進行控制的控制器(110)，控制器具備關機停止電路(110a)，其在燃料電池電堆呈氧化抑制溫度以上的狀態(tài)下執(zhí)行關機停止，關機停止后，在燃料極側(cè)的壓力與空氣極側(cè)的壓力相比足夠高，而不會發(fā)生空氣向燃料極側(cè)逆流的期間內(nèi)，執(zhí)行溫度下降控制，排出殘留在空氣極側(cè)的高溫空氣。
【專利說明】固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及通過使對燃料進行水蒸氣重整而生成的氫和氧化劑氣體進行反應來發(fā)電的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也稱為“SOFC”)是將氧化物離子導電性固體電解質(zhì)用作電解質(zhì)，在其兩側(cè)安裝電極，在一側(cè)供給燃料氣體，在另一側(cè)供給氧化劑(空氣、氧等)，并在較高的溫度下進行動作的燃料電池。
[0003]在日本國特開2012-3850號公報(專利文獻I)中記載有一種固體電解質(zhì)型燃料電池。在該燃料電池中，使以高溫進行動作的燃料電池停止時，繼續(xù)供給少量的燃料及燃料重整用水，并向燃料電池電堆的空氣極側(cè)供給空氣，利用該空氣的冷卻效果使燃料電池模塊內(nèi)的溫度下降。即，在該燃料電池中，首先在停止工序中，在停止從燃料電池模塊導出電力后也繼續(xù)供給燃料，并通過大量輸送冷卻用空氣來冷卻燃料電池電堆。接下來，在使電堆溫度下降至小于燃料電池單電池的氧化溫度時使燃料供給停止，之后，在溫度充分下降之前僅繼續(xù)供給冷卻用空氣，使燃料電池安全地停止。
[0004]另外，還已知有一種在停止工序中，使電力導出以及燃料、燃料重整用水及發(fā)電用空氣(輸送至空氣極側(cè)的空氣)的供給在短時間內(nèi)完全停止的進行所謂關機停止的燃料電池。
在日本國特開2010-27579號公報(專利文獻2)中記載有一種燃料電池系統(tǒng)。在該燃料電池系統(tǒng)中，在緊急停止時使向重整器供給燃料的輸出泵、供給水蒸氣重整用水的重整水泵、及向電堆的空氣極側(cè)輸送空氣的空氣鼓風機停止。其后，通過緊急停止時工作控制使輸出泵及重整水泵再次工作時，即使在截斷從燃料供給源供給燃料氣體的狀態(tài)下，也向重整器輸送吸附器所吸附的燃料氣體，通過從重整水泵供給的水，進行水蒸氣重整。由此，在截斷燃料氣體的供給后，也在規(guī)定期間內(nèi)向電堆的燃料極供給重整燃料，防止因空氣逆流而引起的燃料極氧化。
[0005]而且，在日本國特開2012-138186號公報(專利文獻3)中記載有一種高溫工作型燃料電池系統(tǒng)。在該高溫工作型燃料電池系統(tǒng)中，在緊急停止時使供給燃料氣體的原燃料泵停止，另一方面，使向重整器供水的重整水泵工作。重整水泵工作時，所供給的水通過在重整器內(nèi)蒸發(fā)而發(fā)生體積膨脹。因此，即使在截斷從燃料供給源供給原燃料氣體的狀態(tài)下，殘存在比重整器更靠下游側(cè)的燃料氣體供給管線中的燃料氣體由于體積膨脹的水蒸氣的壓力而被壓向燃料電池(電堆)側(cè)。由此，防止因空氣逆流而引起的燃料極氧化。
[0006]專利文獻1:日本國特開2012-3850號公報專利文獻2:日本國特開2010-27579號公報
專利文獻3:日本國特開2012-138186號公報
[0007]在日本國特開2012-3850號公報(專利文獻I)記載的燃料電池中，由于在停止工序中也在燃料電池電堆下降至規(guī)定溫度之前供給燃料，因此存在未貢獻于發(fā)電的燃料浪費的問題。另外，在電堆溫度充分下降之前停止燃料供給，并供給冷卻用空氣時，供給至燃料電池單電池的空氣極側(cè)的冷卻用空氣向燃料極側(cè)逆流，逆流的空氣使燃料電池單電池的燃料極氧化，會使單電池受損。因此，需要在燃料電池單電池的溫度下降至小于氧化溫度之前持續(xù)供給燃料，防止向燃料電池單電池的空氣極側(cè)供給的冷卻用空氣逆流。另外，雖然工作中的燃料電池電堆的溫度在停止工序中下降至小于氧化溫度之前的時間還依賴于燃料電池模塊的絕熱性能等，但是通常達到I小時乃至幾小時，在此期間需要持續(xù)供給未貢獻于發(fā)電的燃料。
[0008]另一方面，由于在關機停止中，燃料及燃料重整用水的供給在短時間內(nèi)被完全停止，因此可以抑制燃料浪費。另外，由于在關機停止中，在燃料電池電堆高溫的狀態(tài)下使燃料供給停止，因此在燃料供給停止的同時，使向燃料電池電堆的空氣極側(cè)輸送的冷卻用空氣的供給也停止，避免空氣向燃料極側(cè)逆流以及燃料極氧化。
[0009]但是，本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了如下新的技術(shù)課題，在進行關機停止時，即使在燃料供給停止時使向燃料電池電堆的空氣極側(cè)輸送的空氣停止，燃料電池單電池的燃料極也發(fā)生氧化從而使單電池劣化，這導致單電池受損。
[0010]另一方面，在日本國特開2010-27579號公報(專利文獻2)記載的燃料電池系統(tǒng)中，在截斷來自燃料供給源的供給后也使輸出泵工作，由此在一定期間內(nèi)向電堆輸送吸附器所吸附的燃料氣體，可以防止燃料極氧化。但是，在該燃料電池系統(tǒng)中，為了預先貯藏燃料，需要預先特別設置吸附器。另外，通常由于燃料電池的熱容量極大，因此在下降至可避免燃料極氧化的溫度之前需要較長時間，很難預先在吸附器中吸附在該較長時間內(nèi)持續(xù)供給的大量燃料。因此，在日本國特開2010-27579號公報記載的燃料電池系統(tǒng)中，無法充分抑制燃料極氧化。
[0011]而且，在日本國特開2012-138186號公報(專利文獻3)記載的高溫工作型燃料電池系統(tǒng)中，在原燃料泵剛剛停止之后使重整水泵工作，利用在重整器內(nèi)蒸發(fā)的水的體積膨脹，將殘留的燃料壓向電堆側(cè)。因此，在該高溫工作型燃料電池系統(tǒng)中，不需要用于預選吸附燃料的吸附器。但是，在該高溫工作型燃料電池系統(tǒng)中，通過蒸發(fā)的水蒸氣的壓力，積極地推壓殘留的燃料，使從電堆流出的燃料燃燒。因而，在下降至不發(fā)生電堆氧化的溫度之前持續(xù)供給殘留的燃料是極為困難的，無法防止燃料極氧化。
[0012]因而，本發(fā)明的目的在于提供一種固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，可以充分抑制燃料電池單電池氧化，并執(zhí)行關機停止。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]為了解決上述課題，本發(fā)明是一種通過使燃料和氧化劑氣體進行反應而生成電力的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有:燃料電池模塊，具備燃料電池電堆；燃料供給裝置，向該燃料電池模塊供給燃料；供水裝置，向燃料電池模塊供給水蒸氣重整用水；氧化劑氣體供給裝置，向燃料電池電堆的氧化劑氣體極側(cè)供給氧化劑氣體；重整器，配置在燃料電池模塊內(nèi)，使用從供水裝置供給的水，對從燃料供給裝置供給的燃料進行水蒸氣重整，向燃料電池電堆的燃料極側(cè)供給重整后的燃料；及控制器，對燃料供給裝置、供水裝置及氧化劑氣體供給裝置進行控制，同時對從燃料電池模塊導出電力進行控制，控制器具備關機停止電路，該關機停止電路在燃料電池電堆呈氧化溫度以上的狀態(tài)下，執(zhí)行使燃料供給及發(fā)電停止的關機停止，關機停止電路在即將關機停止之前，執(zhí)行使燃料電池電堆的燃料極側(cè)及氧化劑氣體極側(cè)的溫度下降的停止前處理。
[0014]在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，燃料及水通過燃料供給裝置及供水裝置而被分別供給至配置在燃料電池模塊內(nèi)的重整器，重整器對燃料進行水蒸氣重整。重整后的燃料被供給至構(gòu)成燃料電池電堆的各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)。另一方面，氧化劑氣體通過氧化劑氣體供給裝置而被供給至燃料電池電堆的氧化劑氣體極側(cè)。控制器具備關機停止電路，對燃料供給裝置、供水裝置、氧化劑氣體供給裝置及從燃料電池模塊導出電力進行控制。另夕卜，關機停止電路在即將關機停止之前，執(zhí)行使燃料電池電堆的燃料極側(cè)及氧化劑氣體極側(cè)的溫度下降的停止前處理。
[0015]在現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)中，進行關機停止時，使燃料供給、燃料重整用水的供給、從燃料電池模塊導出電力以及氧化劑氣體供給全部同時停止。在現(xiàn)有技術(shù)中，在停止燃料及電力導出的同時還停止氧化劑氣體供給是因為在電力導出剛剛停止之后的燃料電池電堆溫度比氧化溫度高的狀態(tài)下，使燃料停止而僅供給氧化劑氣體時，氧化劑氣體向燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)逆流，有可能使燃料極受損。
[0016]但是，本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了如下新的課題，即便在如此使氧化劑氣體的供給同時停止的情況下，有時氧化劑氣體也使燃料極氧化。該問題是因為在電力導出停止后，在各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)和氧化劑氣體極側(cè)之間產(chǎn)生溫度差而引起的。首先，由于停止供給發(fā)電用氧化劑氣體，因此由氧化劑氣體產(chǎn)生的冷卻效果消失，各燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極側(cè)呈現(xiàn)溫度上升的傾向。另一方面，由于停止電力導出，因此各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)不再產(chǎn)生發(fā)電熱量。另外，燃料供給部件停止燃料供給后，殘存在重整器等中的燃料也流入各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)。該流入燃料極側(cè)的燃料是在重整器中通過吸熱反應即水蒸氣重整反應而生成的，通常與燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極側(cè)的溫度相比呈現(xiàn)低溫。如此，各燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極側(cè)在停止燃料供給及電力導出后，溫度呈現(xiàn)上升傾向，與此相對，燃料極側(cè)由于發(fā)電熱量的消失、低溫殘存燃料的流入而溫度呈現(xiàn)下降的傾向。在溫度下降的部分中其周圍的氣體收縮而壓力下降，在溫度上升的部分中其周圍的氣體膨脹而壓力上升。由于這些現(xiàn)象，各燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極側(cè)的壓力變高，燃料極側(cè)的壓力變低，由于該壓力差，有時氧化劑氣體會從氧化劑氣體極側(cè)向燃料極側(cè)逆流。
[0017]本申請發(fā)明人通過在即將關機停止之前執(zhí)行使燃料電池電堆的燃料極側(cè)及氧化劑氣體極側(cè)的溫度下降的停止前處理而解決了該新的技術(shù)課題。通過執(zhí)行該停止前處理，使燃料極側(cè)及氧化劑氣體極側(cè)的溫度下降，它們的溫度相互接近，變?yōu)榻咏鶡釥顟B(tài)。因此，關機停止后，燃料極側(cè)的溫度相對于氧化劑氣體極側(cè)的溫度急劇下降，燃料極側(cè)的氣體急劇收縮而氧化劑氣體被吸入燃料極側(cè)的現(xiàn)象發(fā)生的風險降低。由此，在下降至燃料極被氧化的風險降低的氧化抑制溫度之前，將氧化劑氣體極側(cè)的壓力保持為比大氣壓高，將燃料極側(cè)的壓力保持為比氧化劑氣體極側(cè)高，從而成功防止了氧化劑氣體逆流。
[0018]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在停止前處理中，使來自燃料電池模塊的電力導出量下降。
根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在停止前處理中使電力導出量下降，因此不只是通過發(fā)電熱量下降而使溫度下降，還能夠使燃料極側(cè)和氧化劑氣體極側(cè)的溫度梯度減少，可以更加切實地防止氧化劑氣體逆流。
[0019]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在停止前處理中，將下降后的一定的電力導出量保持規(guī)定期間后，執(zhí)行關機停止。
[0020]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在停止前處理中將下降后的一定的電力導出量保持規(guī)定期間，因此能夠通過發(fā)電熱量的下降而使溫度下降，同時能夠使燃料極側(cè)和氧化劑氣體極側(cè)的溫度梯度減少。另外，通過使電力導出量一定，從而在關機停止時，可以將殘留在重整器及燃料極側(cè)等的燃料、水的量設定于合適量，可以在準備好能夠更加切實地防止燃料極氧化的狀態(tài)的基礎上進行關機停止。
[0021]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在停止前處理中，向燃料電池電堆供給比對應于所導出的電力的量多的氧化劑氣體。
[0022]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在停止前處理中供給比對應于電力的量多的氧化劑氣體，因此可以使氧化劑氣體極側(cè)的溫度快速下降，同時可以使燃料極側(cè)和氧化劑氣體極側(cè)的溫度梯度減少，可以更加切實地防止燃料極氧化。
[0023]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路構(gòu)成為，執(zhí)行在停止向燃料供給裝置供給燃料時執(zhí)行的緊急停止模式的關機停止以及在預先預定的時機執(zhí)行的程序停止模式的關機停止，關機停止電路在緊急停止模式時不執(zhí)行停止前處理。
[0024]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在預先預定的時機執(zhí)行的程序停止模式中執(zhí)行停止前處理，因此對于以更高頻度執(zhí)行的關機停止，可以切實地防止燃料極氧化。另外，由于程序停止模式的關機停止在預先預定的時機被執(zhí)行，因此即使因執(zhí)行停止前處理而使停止所需的時間延長，對于停止后的維護等也不存在不便。
[0025]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路構(gòu)成為，在進行關機停止后，通過向重整器供水而使水蒸發(fā)，執(zhí)行抑制燃料電池電堆的燃料極側(cè)的壓力下降的壓力保持控制，關機停止電路在停止前處理中，執(zhí)行供水確保工序，確保執(zhí)行壓力保持控制所需量的水。
[0026]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在關機停止后，執(zhí)行壓力保持控制，抑制燃料極側(cè)的壓力下降，因此可以在燃料電池電堆的溫度下降至氧化抑制溫度之前，更加切實地防止氧化劑氣體逆流。另外，根據(jù)本發(fā)明，由于在停止前處理中執(zhí)行供水確保工序，因此可以切實地預先準備關機停止后的壓力保持控制所使用的水。
[0027]在本發(fā)明中，優(yōu)選作為壓力保持控制所使用的水，利用通過使來自燃料電池模塊的排氣冷卻而生成的結(jié)露水，在供水確保工序中，關機停止電路通過使排氣的冷卻量增加而使結(jié)露水增加。
[0028]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于壓力保持控制所使用的水由排氣生成，因此不設置特別的供水源便能夠執(zhí)行供水確保工序。而且，由于在供水確保工序中使排氣的冷卻量增力口，因此燃料電池模塊的排氣側(cè)的溫度下降，由此排氣的體積收縮而壓力下降。由此，可以促進排氣從燃料電池模塊排出，在停止前處理中使燃料電池模塊內(nèi)的溫度快速下降。
[0029]在本發(fā)明中，優(yōu)選還具備溫度檢測傳感器，檢測出燃料電池電堆的溫度，關機停止電路在關機停止前，根據(jù)燃料電池電堆的溫度而執(zhí)行不同的停止前處理。
[0030]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在關機停止前執(zhí)行停止前處理，因此可以抑制關機停止后向氧化劑氣體極側(cè)流出的燃料量，可以抑制氧化劑氣體極還原。另外，由于在關機停止前根據(jù)燃料電池電堆的溫度執(zhí)行不同的停止前處理，因此能夠以合適的溫度執(zhí)行關機停止，可抑制因關機停止后的燃料極側(cè)和氧化劑氣體極側(cè)的溫度平衡的崩潰而發(fā)生燃料極氧化或氧化劑氣體極還原的風險。
[0031]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在停止前處理中，與發(fā)電運行中相比，使燃料供給裝置的燃料供給量及來自燃料電池模塊的電力導出量下降。
[0032]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在停止前處理中，使燃料供給量及電力導出量下降，因此可以使燃料電池電堆的溫度下降，同時可以在關機停止后減少殘留在燃料電池電堆的燃料極側(cè)的燃料量，可以更加切實地抑制氧化劑氣體極還原。
[0033]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在停止前處理中，使氧化劑氣體供給裝置的氧化劑氣體供給量比與從燃料電池模塊導出的電力相應的量多，從而使燃料電池電堆的溫度下降。
[0034]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在停止前處理中使氧化劑氣體供給量增加，因此可以使燃料電池電堆的溫度下降，同時通過在繼續(xù)進行燃料供給的停止前處理中使氧化劑氣體供給量增加，從而可以避免氧化劑氣體逆流的風險，并使燃料電池電堆的溫度有效下降。
[0035]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在燃料電池電堆的溫度較高時，與較低時相比，使停止前處理的溫度下降量增加。
根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在溫度較高時停止前處理的溫度下降量變多，因此可以在下降至合適的溫度的狀態(tài)下進行關機停止，可以抑制燃料極氧化的風險及氧化劑氣體極還原的風險。
[0036]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在溫度檢測傳感器的檢測溫度比規(guī)定的關機溫度低時，不執(zhí)行停止前處理。
雖然關機停止時的燃料電池電堆的溫度過高時，如上所述，燃料極氧化的風險及氧化劑氣體極還原的風險增高，但是關機停止時的溫度過低時，燃料極氧化的風險也變高。這是因為當關機停止時的溫度過低時，殘留在燃料極側(cè)的燃料量變少，同時燃料電池電堆的燃料極側(cè)和氧化劑氣體極側(cè)的溫度平衡崩潰，無法在燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度以下之前較高地保持燃料極側(cè)的壓力而引起的。根據(jù)如上構(gòu)成的本發(fā)明，由于在比關機溫度低時不執(zhí)行停止前處理，因此可以抑制在過度的低溫下進行關機停止所引起的燃料極氧化的風險。
[0037]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路在溫度檢測傳感器的檢測溫度比關機溫度高時執(zhí)行停止前處理，停止前處理持續(xù)到檢測溫度下降至關機溫度為止，其后，執(zhí)行關機停止。
[0038]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于停止前處理持續(xù)到下降至關機溫度為止，因此能夠在合適溫度下執(zhí)行關機停止，通過避免關機停止時的過度的高溫或過度的低溫，從而可以切實地抑制燃料極氧化的風險及氧化劑氣體極還原的風險。
[0039]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制器在從燃料電池模塊導出電力的發(fā)電運行中控制燃料供給裝置，使燃料電池電堆的溫度處于規(guī)定的發(fā)電溫度范圍內(nèi)，停止前處理在溫度檢測傳感器的檢測溫度比發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時被執(zhí)行。
[0040]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在發(fā)電運行中，以發(fā)電溫度范圍為目標來控制燃料電池電堆的溫度，因此可以在合適的溫度下執(zhí)行關機停止。另外，由于在燃料電池電堆的溫度比發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時，執(zhí)行停止前處理，因此可以在下降至恰當?shù)臏囟鹊臓顟B(tài)下執(zhí)行關機停止。
[0041]在本發(fā)明中，優(yōu)選關機停止電路構(gòu)成為，在關機停止后執(zhí)行溫度下降控制，通過使氧化劑氣體供給裝置工作，而排出殘留在燃料電池模塊內(nèi)的氧化劑氣體極側(cè)的氣體，當檢測溫度比發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時，在執(zhí)行停止前處理后，執(zhí)行溫度下降控制，當檢測溫度處于發(fā)電溫度范圍內(nèi)時，不執(zhí)行停止前處理便執(zhí)行溫度下降控制，當檢測溫度比發(fā)電溫度范圍的下限溫度低時，不執(zhí)行停止前處理及溫度下降控制。
[0042]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在比發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時、處于發(fā)電溫度范圍內(nèi)時，在關機停止后執(zhí)行溫度下降控制，因此可以在關機停止后向燃料電池模塊外排出殘留在燃料極側(cè)的燃料，可以切實地防止氧化劑氣體極還原。另外，由于比發(fā)電溫度范圍的下限溫度低時不執(zhí)行溫度下降控制，因此可以抑制燃料電池電堆的溫度過度下降所引起的燃料極氧化的風險。
[0043]因而，根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，可以充分抑制燃料電池單電池氧化，并執(zhí)行關機停止。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的整體構(gòu)成圖。
圖2是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的燃料電池模塊的主視剖視圖。
圖3是沿圖2的II1-1II線的剖視圖。
圖4是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的燃料電池單電池單元的局部剖視圖。
圖5是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的燃料電池電堆的立體圖。
圖6是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的框圖。
圖7是本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的重整器的立體圖。
圖8是拆下本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的重整器的頂板以示出重整器內(nèi)部的立體圖。
圖9是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的重整器內(nèi)部的燃料流向的俯視剖視圖。
圖10是表示收納在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的殼體內(nèi)的金屬制箱體及空氣用換熱器的立體圖。
圖11是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的換熱器用絕熱材料和蒸發(fā)部的位置關系的剖視圖。
圖12是表示本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的起動工序中的燃料等的各供給量以及各部分的溫度的一個例子的時間圖。
圖13是在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中進行停止模式選擇的停止判斷的流程圖。
圖14是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式I時的停止動作的一個例子的時間圖。
圖15是用于以時序說明在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式I時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
圖16是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式2時的停止動作的一個例子的時間圖。
圖17是用于以時序說明在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式2時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
圖18是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式3時的停止動作的一個例子的時間圖。
圖19是放大表示在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的停止模式3中剛剛關機停止之后的時間圖。
圖20是用于以時序說明在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式3時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
圖21是停止前處理中的供水的流程圖。
圖22是表示停止模式3的變形例的時間圖。
圖23是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式4時的停止動作的一個例子的時間圖。
圖24是用于以時序說明在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置中執(zhí)行停止模式4時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
圖25是在本發(fā)明第I實施方式的燃料電池裝置的變形例中進行停止模式選擇的停止判斷的流程圖。
圖26是表示本發(fā)明第2實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的框圖。
圖27是控制停止前處理及關機停止后的溫度下降控制的執(zhí)行的流程圖。
圖28是表示溫度下降控制中的發(fā)電用空氣供給量的修正系數(shù)的圖。
圖29是各停止模式、溫度區(qū)域中的停止前處理及溫度下降控制的執(zhí)行條件表。
圖30是以時序模式化表示現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的停止動作的一個例子的時間圖。
符號說明
1-固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)；2_燃料電池模塊；4_輔助設備單元；7_絕熱材料(蓄熱材料)；8-箱體；8a-連通開口 ；8b-下垂壁；10-發(fā)電室；12-燃料電池單電池集合體；14-燃料電池電堆；16-燃料電池單電池單元(固體氧化物型燃料電池單電池)；18-燃燒室(燃燒部)；20_重整器；20a-蒸發(fā)部(蒸發(fā)室)；20b-混合部(壓力變動吸收部件)；20c-重整部；20d-蒸發(fā)/混合部隔離壁；20e-隔離壁開口 ；20f-混合/重整部隔離壁(壓力變動吸收部件)；20g-連通孔(狹小流路)；21_整流板(隔離壁)；21a-開口部；21b-排氣通路；21c-氣體滯留空間；21d-豎壁；22-空氣用換熱器(換熱器)；23_蒸發(fā)室用絕熱材料(內(nèi)部絕熱材料)；24-供水源；26-純水箱；28-水流量調(diào)節(jié)單元(供水裝置)；30-燃料供給源；38-燃料流量調(diào)節(jié)單元(燃料供給裝置)；39_閥；40_空氣供給源；44_重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元(重整用氧化劑氣體供給裝置)；45_發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元(發(fā)電用氧化劑氣體供給裝置)；46_第I加熱器；48-第2加熱器；50-溫水制造裝置(排熱回收用換熱器)；52-控制箱；54_逆變器；62_重整器導入管(水導入管、預熱部、結(jié)露部)；62a-T字管(結(jié)露部)；63a-供水用配管；63b-燃料氣體供給用配管；64_燃料氣體供給管；64c_壓力變動抑制用流路阻力部；66_分流器(分散室)；74_空氣導入管；76a-吹出口 ；82_排放氣體排出管；83_點火裝置；84_燃料電池單電池；85_排氣閥；86_內(nèi)側(cè)電極端子(端帽)；98_燃料氣體流路細管(流入側(cè)流路阻力部、流出側(cè)流路阻力部、收縮流路、加速部)；110-控制部(控制器)；110a-關機停止電路；110b-壓力保持控制電路；110c-停止前處理電路；110d_溫度下降控制中止電路；112_操作裝置；114_顯示裝置；116_警報裝置；126_電力狀態(tài)檢測傳感器(電壓檢測傳感器)；132-燃料流量傳感器(燃料供給量檢測傳感器)；138_壓力傳感器(重整器壓力傳感器)；142-發(fā)電室溫度傳感器(溫度檢測傳感器)；148_重整器溫度傳感器；150_外氣溫度傳感器。

【具體實施方式】
[0045]下面，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)。
圖1是表示本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的整體構(gòu)成圖。如該圖1所示，本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)I具備燃料電池模塊2和輔助設備單元4。
[0046]燃料電池模塊2具備殼體6，在該殼體6內(nèi)部隔著絕熱材料7內(nèi)置有金屬制箱體8。在該密閉空間的箱體8的下方部分即發(fā)電室10內(nèi)，配置有利用燃料和氧化劑氣體(空氣)進行發(fā)電反應的燃料電池單電池集合體12。該燃料電池單電池集合體12具備10個燃料電池電堆14 (參照圖5)，該燃料電池電堆14由16根燃料電池單電池單元16 (參照圖4)構(gòu)成。如此，燃料電池單電池集合體12具有160根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單電池單元16全部串聯(lián)連接。
[0047]在燃料電池模塊2的箱體8的上述發(fā)電室10的上方形成有燃燒部即燃燒室18，發(fā)電反應中未使用的殘余的燃料和殘余的氧化劑(空氣)在該燃燒室18內(nèi)燃燒，生成排放氣體。而且，箱體8被絕熱材料7覆蓋，抑制燃料電池模塊2內(nèi)部的熱量向外氣散放。
另外，在該燃燒室18的上方配置有對燃料進行重整的重整器20，利用前述殘余氣體的燃燒熱量將重整器20加熱為可進行重整反應的溫度。而且，在該重整器20的上方配置有換熱器即空氣用換熱器22，通過殘余氣體的燃燒氣體加熱發(fā)電用空氣，對發(fā)電用空氣進行預熱。
[0048]接下來，輔助設備單元4具備:純水箱26，貯存使來自燃料電池模塊2的排氣中含有的水分結(jié)露后的水并通過過濾器使其成為純水；及水流量調(diào)節(jié)單元28 (由電動機驅(qū)動的“水泵”等)，調(diào)節(jié)從該貯水箱供給的水的流量。輔助設備單元4還具備:氣體截止閥32，截斷從城市煤氣等的燃料供給源30供給的燃料；脫硫器36，用于從燃料氣體除去硫；燃料流量調(diào)節(jié)單元38(由電動機驅(qū)動的“燃料泵”等)，調(diào)節(jié)燃料氣體的流量；及閥39，在失去電源時，截斷從燃料流量調(diào)節(jié)單元38流出的燃料氣體。輔助設備單元4還具備:電磁閥42,截斷從空氣供給源40供給的氧化劑氣體即空氣；重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44及發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45 (由電動機驅(qū)動的“空氣鼓風機”等)，調(diào)節(jié)空氣的流量；第I加熱器46，力口熱向重整器20供給的重整用空氣；及第2加熱器48，加熱向發(fā)電室供給的發(fā)電用空氣。上述第I加熱器46和第2加熱器48是為了高效地進行起動時的升溫而設置的，但是也可以省略。
[0049]接下來，在燃料電池模塊2上連接有溫水制造裝置50，其被供給排放氣體。該溫水制造裝置50被供給來自供水源24的自來水，該自來水由于排放氣體的熱量而成為溫水，并被供給至未圖示的外部供熱水器的貯熱水箱。 另外，在燃料電池模塊2上安裝有控制箱52，其用于控制燃料氣體的供給量等。
而且，在燃料電池模塊2上連接有電力導出部(電力轉(zhuǎn)換部)即逆變器54，其用于向外部供給由燃料電池模塊發(fā)出的電力。
[0050]下面，根據(jù)圖2及圖3，說明本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的燃料電池模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2是表示本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的燃料電池模塊的主視剖視圖，圖3是沿圖2的II1-1II線的剖視圖。
如圖2及圖3所示，在燃料電池模塊2的殼體6的箱體8內(nèi)，如上所述，從下方依次配置有燃料電池單電池集合體12、重整器20、空氣用換熱器22。
[0051]重整器20在其上游端側(cè)的端部側(cè)面安裝有重整器導入管62，用于導入純水、將要重整的燃料氣體及重整用空氣。
重整器導入管62是從重整器20 —端的側(cè)壁面延伸的圓管，以90°彎曲而沿大致鉛垂方向延伸，貫穿箱體8的上端面。另外，重整器導入管62作為向重整器20導入水的水導入管而發(fā)揮作用。另外，在重整器導入管62的上端連接有T字管62a，在該T字管62a的沿大致水平方向延伸的管兩側(cè)的端部上分別連接有用于供給燃料氣體及純水的配管。供水用配管63a從T字管62a的一個側(cè)端向斜上方延伸。燃料氣體供給用配管63b從T字管62a的另一個側(cè)端沿水平方向延伸后，彎曲為U字形，朝向與供水用配管63a相同的方向，沿大致水平延伸。
[0052]另一方面，在重整器20的內(nèi)部，從上游側(cè)依次形成有蒸發(fā)部20a、混合部20b、重整部20c，在該重整部20c內(nèi)填充有重整催化劑。導入該重整器20的混合有水蒸氣(純水)的燃料氣體及空氣通過填充在重整器20內(nèi)的重整催化劑而被重整。作為重整催化劑適合使用在氧化鋁的球體表面賦予鎳的物質(zhì)，或在氧化鋁的球體表面賦予釕的物質(zhì)。
[0053]在該重整器20的下游端側(cè)連接有燃料氣體供給管64，該燃料氣體供給管64向下方延伸，進而在形成于燃料電池單電池集合體12下方的分流器66內(nèi)水平延伸。在燃料氣體供給管64的水平部64a的下方面形成有多個燃料供給孔64b，從該燃料供給孔64b向分流器66內(nèi)供給重整后的燃料氣體。另外，在燃料氣體供給管64的鉛垂部的中途，設置有使流路變窄的壓力變動抑制用流路阻力部64c，調(diào)節(jié)燃料氣體的供給流量的流路阻力。對于流路阻力的調(diào)節(jié)在后面進行說明。
[0054]在該分流器66的上方安裝有用于支撐上述燃料電池電堆14的具備貫穿孔的下支撐板68，分流器66內(nèi)的燃料氣體被供給至燃料電池單電池單元16內(nèi)。
[0055]另一方面，在重整器20的上方設置有空氣用換熱器22。
另外，如圖2所示，用于使燃料氣體和空氣開始燃燒的點火裝置83設置于燃燒室18。
[0056]下面，根據(jù)圖4對燃料電池單電池單元16進行說明。圖4是表示本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的燃料電池單電池單元的局部剖視圖。
如圖4所示，燃料電池單電池單元16具備燃料電池單電池84和分別連接在該燃料電池單電池84兩端部的端帽即內(nèi)側(cè)電極端子86。
燃料電池單電池84是在上下方向上延伸的管狀結(jié)構(gòu)體，具備在內(nèi)部形成燃料氣體流路88的圓筒形內(nèi)側(cè)電極層90、圓筒形外側(cè)電極層92、位于內(nèi)側(cè)電極層90和外側(cè)電極層92之間的電解質(zhì)層94。該內(nèi)側(cè)電極層90是燃料氣體流過的燃料極，為(-)極，另一方面，外側(cè)電極層92是與空氣接觸的空氣極，為(+)極。
[0057]由于安裝在燃料電池單電池84的上端側(cè)和下端側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86呈相同結(jié)構(gòu)，所以在此具體地說明安裝于上端側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86。內(nèi)側(cè)電極層90的上部90a具備相對于電解質(zhì)層94和外側(cè)電極層92露出的外周面90b和上端面90c。內(nèi)側(cè)電極端子86隔著導電性密封材料96與內(nèi)側(cè)電極層90的外周面90b連接，而且，通過與內(nèi)側(cè)電極層90的上端面90c直接接觸而與內(nèi)側(cè)電極層90電連接。在內(nèi)側(cè)電極端子86的中心部形成有與內(nèi)側(cè)電極層90的燃料氣體流路88連通的燃料氣體流路細管98。
[0058]該燃料氣體流路細管98是被設置為從內(nèi)側(cè)電極端子86的中心向燃料電池單電池84的軸線方向延伸的細長的細管。因此，在從分流器66 (圖2)經(jīng)由下側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86的燃料氣體流路細管98而流入燃料氣體流路88的燃料氣體的流動中產(chǎn)生規(guī)定的壓損。因而，下側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86的燃料氣體流路細管98作為流入側(cè)流路阻力部而發(fā)揮作用，其流路阻力被設定為規(guī)定值。另外，在從燃料氣體流路88經(jīng)由上側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86的燃料氣體流路細管98而向燃燒室18(圖2)流出的燃料氣體的流動中也產(chǎn)生規(guī)定的壓損。因而，上側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86的燃料氣體流路細管98作為流出側(cè)流路阻力部而發(fā)揮作用，其流路阻力被設定為規(guī)定值。
[0059]內(nèi)側(cè)電極層90例如可以由Ni和摻雜有從Ca或Y、Sc等稀土類元素中選擇的至少一種元素的氧化鋯的混合體、Ni和摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鈰的混合體、Ni和摻雜有從Sr、Mg、Co、Fe、Cu中選擇的至少一種元素的鎵酸鑭的混合體中的至少一種形成。
[0060]電解質(zhì)層94例如可以由摻雜有從Y、Sc等稀土類元素中選擇的至少一種元素的氧化錯、摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鋪、摻雜有從Sr、Mg中選擇的至少一種元素的鎵酸鑭中的至少一種形成。
[0061]外側(cè)電極層92例如可以由摻雜有從Sr、Ca中選擇的至少一種元素的錳酸鑭、摻雜有從Sr、Co、N1、Cu中選擇的至少一種元素的鐵酸鑭、摻雜有從Sr、Fe、N1、Cu中選擇的至少一種元素的鈷酸鑭、銀等中的至少一種形成。
[0062]下面，根據(jù)圖5對燃料電池電堆14進行說明。圖5是表示本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的燃料電池電堆的立體圖。
如圖5所示，燃料電池電堆14具備16根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單電池單元16被配置為各8根排成2排。各燃料電池單電池單元16的下端側(cè)被陶瓷制長方形下支撐板68 (圖2)支撐，上端側(cè)的兩端部的燃料電池單電池單元16的各4根被大致正方形的2張上支撐板100支撐。在上述下支撐板68及上支撐板100上分別形成有內(nèi)側(cè)電極端子86可貫穿的貫穿孔。
[0063]而且，在燃料電池單電池單元16上安裝有集電體102及外部端子104。該集電體102以連接燃料極用連接部102a和空氣極用連接部102b方式而一體地形成，其中，該燃料極用連接部102a與安裝于燃料極即內(nèi)側(cè)電極層90的內(nèi)側(cè)電極端子86電連接，該空氣極用連接部102b與空氣極即外側(cè)電極層92的外周面電連接。另外，在各燃料電池單電池單元16的外側(cè)電極層92(空氣極)的外表面整體上，作為空氣極側(cè)的電極而形成有銀制薄膜。空氣極用連接部102b與該薄膜表面接觸，由此集電體102與空氣極整體電連接。
[0064]而且，在位于燃料電池電堆14 一端(圖5中左端的里側(cè))的燃料電池單電池單元16的空氣極86上分別連接有2個外部端子104。這些外部端子104與位于鄰接的燃料電池電堆14 一端的燃料電池單電池單元16的內(nèi)側(cè)電極端子86連接，如上所述，160根燃料電池單電池單元16全部串聯(lián)連接。
[0065]下面，根據(jù)圖6對安裝于本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的傳感器類等進行說明。圖6是表示本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)的框圖。
如圖6所示，固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I具備控制部110，該控制部110連接有:操作裝置112，具備用于使用者操作的“開”、“關”等操作按鈕；顯示裝置114，用于顯示發(fā)電輸出值(瓦數(shù))等的各種數(shù)據(jù)；及警報裝置116，在異常狀態(tài)時等發(fā)出警報(warning)。另外，控制部110中內(nèi)置有微處理器、存儲器及使它們工作的程序(以上未圖示)，由此，根據(jù)來自各傳感器的輸入信號，控制輔助設備單元4、逆變器54等。另外，該警報裝置116也可以是與位于遠距離地點的管理中心連接，向該管理中心通知異常狀態(tài)的形式。
[0066]接下來，向控制部110輸入來自以下說明的各種傳感器的信號。
首先，可燃氣體檢測傳感器120是用于檢測氣體泄漏的元件，安裝于燃料電池模塊2及輔助設備單元4。
CO檢測傳感器122是用于檢測原本經(jīng)由排放氣體通路80等向外部排出的排放氣體中的CO是否泄漏在覆蓋燃料電池模塊2及輔助設備單元4的外部殼體(未圖示)中的元件。
熱水貯存狀態(tài)檢測傳感器124是用于檢測未圖示的供熱水器中的熱水溫度、水量等的元件。
[0067]電力狀態(tài)檢測傳感器126是用于檢測逆變器54及配電板(未圖示)的電流及電壓等的元件。
發(fā)電用空氣流量檢測傳感器128是用于檢測向發(fā)電室10供給的發(fā)電用空氣的流量的元件。
重整用空氣流量傳感器130是用于檢測向重整器20供給的重整用空氣的流量的元件。 燃料流量傳感器132是用于檢測向重整器20供給的燃料氣體的流量的元件。
[0068]水流量傳感器134是用于檢測向重整器20供給的純水的流量的元件。
水位傳感器136是用于檢測純水箱26的水位的元件。
壓力傳感器138是用于檢測重整器20的外部上游側(cè)的壓力的元件。
排氣溫度傳感器140是用于檢測流入溫水制造裝置50的排放氣體的溫度的元件。
[0069]如圖3所示，發(fā)電室溫度傳感器142設置在燃料電池單電池集合體12附近的前面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，是用于檢測燃料電池電堆14附近的溫度，從而推斷燃料電池電堆14(即燃料電池單電池84自身)的溫度的元件。
燃燒室溫度傳感器144是用于檢測燃燒室18的溫度的元件。
排放氣體室溫度傳感器146是用于檢測排放氣體室78的排放氣體的溫度的元件。重整器溫度傳感器148是用于檢測重整器20的溫度的元件，根據(jù)重整器20的入口溫度和出口溫度計算出重整器20的溫度。
外氣溫度傳感器150是當固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(SOFC)配置在室外時用于檢測外氣溫度的元件。而且，也可以設置測定外氣濕度等的傳感器。
[0070]來自這些傳感器類的信號被發(fā)送至控制部110，控制部110根據(jù)基于這些信號的數(shù)據(jù)，向水流量調(diào)節(jié)單元28、燃料流量調(diào)節(jié)單元38、重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44、發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送控制信號，以控制這些單元的各流量。
[0071]下面，參照圖7至圖9說明重整器20的詳細構(gòu)成。
圖7是重整器20的立體圖，圖8是拆下頂板以示出重整器20內(nèi)部的立體圖。圖9是表示重整器20內(nèi)部的燃料流向的俯視剖視圖。
[0072]如圖7所示，重整器20是長方體狀的金屬制箱，在內(nèi)部填充有用于對燃料進行重整的重整催化劑。另外，在重整器20的上游側(cè)連接有重整器導入管62，用于導入水、燃料及重整用空氣。而且，在重整器20的下游側(cè)連接有燃料氣體供給管64，使在內(nèi)部重整后的燃料流出。
[0073]如圖8所示，在重整器20的內(nèi)部，在其上游側(cè)設置有蒸發(fā)室即蒸發(fā)部20a，與該蒸發(fā)部20a鄰接而在下游側(cè)設置有混合部20b。而且，與混合部20b鄰接而在下游側(cè)設置有重整部20c。通過在蒸發(fā)部20a的內(nèi)部配置多個隔板，從而形成有曲折蜿蜒的通路。導入重整器20的水在溫度上升的狀態(tài)下在蒸發(fā)部20a內(nèi)蒸發(fā)而成為水蒸氣。而且，混合部20b由具有規(guī)定容積的腔室構(gòu)成，在其內(nèi)部也通過配置多個隔板而形成有曲折蜿蜒的通路。導入重整器20的燃料氣體、重整用空氣流過混合部20b的曲折的通路并與蒸發(fā)部20a中生成的水蒸氣混合。
[0074]另一方面，在重整部20c的內(nèi)部也通過配置多個隔板而形成有曲折的通路，在該通路中填充有催化劑。經(jīng)由蒸發(fā)部20a、混合部20b而導入燃料氣體、水蒸氣及重整用空氣的混合物時，在重整部20c中發(fā)生部分氧化重整反應及水蒸氣重整反應。而且,導入燃料氣體及水蒸氣的混合物時，在重整部20c中僅發(fā)生水蒸氣重整反應。
另外，在本實施方式中，雖然蒸發(fā)部、混合部、重整部一體地構(gòu)成，從而形成I個重整器，但是作為變形例，也可以設置僅具備重整部的重整器，并在其上游側(cè)鄰接設置混合部、蒸發(fā)室。
[0075]如圖8及圖9所示，向重整器20的蒸發(fā)部20a導入的燃料氣體、水及重整用空氣沿重整器20的橫切方向蜿蜒流動，在此期間所導入的水蒸發(fā)而成為水蒸氣。在蒸發(fā)部20a和混合部20b之間設置有蒸發(fā)/混合部隔離壁20d，在該蒸發(fā)/混合部隔離壁20d上設置有隔離壁開口 20e。該隔離壁開口 20e是設置在蒸發(fā)/混合部隔離壁20d的一側(cè)約一半中的上側(cè)約一半的區(qū)域內(nèi)的長方形開口部。
另外，在混合部20b和重整部20c之間設置有混合/重整部隔離壁20f，在該混合/重整部隔離壁20f上通過設置很多的連通孔20g而形成有狹小流路。在混合部20b內(nèi)混合的燃料氣體等經(jīng)由這些連通孔20g而流入重整部20c。
[0076]流入重整部20c的燃料等在重整部20c的中央沿長度方向流動后，分支為2個并折返，2個通路再次折返以朝向重整部20c的下游端，在此合流并流入燃料氣體供給管64。燃料流過如此蜿蜒的通路，并通過填充在通路中的催化劑而被重整。另外，在蒸發(fā)部20a內(nèi)有時發(fā)生一定量的水短時間內(nèi)急劇蒸發(fā)的暴沸，從而內(nèi)部壓力上升。但是，由于在混合部20b內(nèi)構(gòu)成有規(guī)定容積的腔室，在混合/重整部隔離壁20f上形成有狹小流路，因此重整部20c不容易受到蒸發(fā)部20a內(nèi)的急劇的壓力變動的影響。因而，混合部20b的腔室及混合/重整部隔離壁20f的狹小流路作為壓力變動吸收部件而發(fā)揮作用。
[0077]下面，再參照圖10及圖11，同時再次參照圖2及圖3，詳細說明發(fā)電氧化劑氣體用換熱器即空氣用換熱器22的結(jié)構(gòu)。圖10是表示收納在殼體6內(nèi)的金屬制箱體8及空氣用換熱器22的立體圖。圖11是表示蒸發(fā)室用絕熱材料和蒸發(fā)部的位置關系的剖視圖。
[0078]如圖10所示，空氣用換熱器22是配置在燃料電池模塊2內(nèi)的箱體8上方的換熱器。另外，如圖2及圖3所示，由于在箱體8的內(nèi)部形成有燃燒室18，并收納有多個燃料電池單電池單元16、重整器20等，因此空氣用換熱器22位于它們的上方。空氣用換熱器22構(gòu)成為回收、利用在燃燒室18內(nèi)燃燒并作為排氣而排出的燃燒氣體的熱量，對被導入燃料電池模塊2內(nèi)的發(fā)電用空氣進行預熱。另外，如圖10所示，在箱體8的上面和空氣用換熱器22的底面之間，以夾在它們之間的方式配置有內(nèi)部絕熱材料即蒸發(fā)室用絕熱材料23。SP，蒸發(fā)室用絕熱材料23配置在重整器20和空氣用換熱器22之間。而且，外側(cè)絕熱材料即絕熱材料7覆蓋圖10所示的空氣用換熱器22及箱體8的外側(cè)(圖2)。
[0079]如圖2及圖3所示，空氣用換熱器22具有多個燃燒氣體配管70和發(fā)電用空氣流路72。另外，如圖2所示，在多個燃燒氣體配管70的一個端部上設置有排放氣體匯集室78，該排放氣體匯集室78與各燃燒氣體配管70連通。另外，在排放氣體匯集室78上連接有排放氣體排出管82。而且，各燃燒氣體配管70的另一個端部開放，該開放的端部介由形成在箱體8的上面的連通開口 8a而與箱體8內(nèi)的燃燒室18連通。
[0080]燃燒氣體配管70是朝向水平方向的多個金屬制圓管,各圓管各自平行配置。另一方面，發(fā)電用空氣流路72由各燃燒氣體配管70的外側(cè)空間構(gòu)成。另外，在發(fā)電用空氣流路72的排放氣體排出管82側(cè)的端部上連接有發(fā)電用空氣導入管74(圖10)，燃料電池模塊2外部的空氣經(jīng)由發(fā)電用空氣導入管74而被導入發(fā)電用空氣流路72。另外，如圖10所示，發(fā)電用空氣導入管74與排放氣體排出管82平行地從空氣用換熱器22向水平方向突出。而且，在發(fā)電用空氣流路72的另一個端部的兩個側(cè)面上連接有一對連接流路76 (圖3、圖10)，發(fā)電用空氣流路72和各連接流路76分別介由出口孔76a而連通。
[0081]如圖3所示，在箱體8的兩個側(cè)面上分別設置有發(fā)電用空氣供給通路77。設置在空氣用換熱器22的兩個側(cè)面上的各連接流路76分別與設置在箱體8的兩個側(cè)面上的發(fā)電用空氣供給通路77的上部連通。另外，在各發(fā)電用空氣供給通路77的下部沿水平方向排列設置有很多的吹出口 77a。經(jīng)由各發(fā)電用空氣供給通路77而供給的發(fā)電用空氣從很多的吹出口 77a向燃料電池模塊2內(nèi)的燃料電池電堆14的下部側(cè)面噴射。
[0082]另外，在箱體8內(nèi)部的頂棚面上安裝有隔離壁即整流板21，在該整流板21上設置有開口部21a。
整流板21是水平配置在箱體8的頂棚面和重整器20之間的板材。該整流板21構(gòu)成為調(diào)整從燃燒室18流向上方的氣體流向，并引導至空氣用換熱器22的入口(圖2的連通開口 8a)。從燃燒室18流向上方的發(fā)電用空氣及燃燒氣體經(jīng)由設置在整流板21中央的開口部21a而流入整流板21的上側(cè)，沿整流板21的上面和箱體8的頂棚面之間的排氣通路21b流向圖2中的左側(cè)方向，并被引導至空氣用換熱器22的入口。另外，如圖11所示，開口部21a被設置在重整器20的重整部20c的上方，經(jīng)由開口部21a而上升的氣體流向與蒸發(fā)部20a相反側(cè)的圖2、圖11中的左側(cè)的排氣通路21b。因此，蒸發(fā)部20a上方的空間(圖
2、圖11中的右側(cè))作為排氣流動比重整部20c上方的空間慢且排氣流動停滯的氣體滯留空間21c而發(fā)揮作用。
[0083]另外，在整流板21的開口部21a的邊緣沿全周設置有豎壁21d，通過該豎壁21d，從整流板21下側(cè)的空間向整流板21上側(cè)的排氣通路21b流入的流路變窄。而且，在使排氣通路21b和空氣用換熱器22連通的連通開口 8a的邊緣也沿全周設置有下垂壁Sb (圖2)，通過該下垂壁8b，從排氣通路21b向空氣用換熱器22流入的流路變窄。通過設置上述豎壁21d、下垂壁8b，從而調(diào)節(jié)從燃燒室18經(jīng)由空氣用換熱器22直至燃料電池模塊2外部的排氣通路中的流路阻力。對于流路阻力的調(diào)節(jié)在后面進行說明。
[0084]蒸發(fā)室用絕熱材料23是在空氣用換熱器22的底面上以大致覆蓋其整體的方式安裝的絕熱材料。因而，蒸發(fā)室用絕熱材料23橫跨配置在蒸發(fā)部20a整體的上方。該蒸發(fā)室用絕熱材料23被配置為，抑制形成在整流板21的上面和箱體8的頂棚面之間的排氣通路21b及氣體滯留空間21c內(nèi)的高溫氣體直接加熱空氣用換熱器22的底面。因此，在燃料電池模塊2的運行中，從滯留在蒸發(fā)部20a上方的排氣通路中的排氣直接傳遞給空氣用換熱器22底面的熱量變少，蒸發(fā)部20a周圍的溫度變得容易上升。另外，在燃料電池模塊2停止后，由于配置有蒸發(fā)室用絕熱材料23，從而抑制熱量從重整器20散放，即，蒸發(fā)部20a周圍的熱量變得不容易被空氣用換熱器22奪走，蒸發(fā)部20a的溫度下降變得平緩。
[0085]另外，與為了抑制熱量向外氣散失而覆蓋燃料電池模塊2的箱體8及空氣用換熱器22整體的外側(cè)絕熱材料即絕熱材料7不同，蒸發(fā)室用絕熱材料23是配置在絕熱材料7內(nèi)部的絕熱材料。另外，絕熱材料7構(gòu)成為絕熱性比蒸發(fā)室用絕熱材料23高。S卩，絕熱材料7的內(nèi)面和外面之間的熱阻比蒸發(fā)室用絕熱材料23的上面和下面之間的熱阻大。S卩，用同一材料構(gòu)成絕熱材料7和蒸發(fā)室用絕熱材料23時，使絕熱材料7構(gòu)成為比蒸發(fā)室用絕熱材料23厚。
[0086]下面，說明固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的發(fā)電運行時的燃料、發(fā)電用空氣及排放氣體的流向。
首先，燃料介由燃料氣體供給用配管63b、T字管62a、重整器導入管62而被導入重整器20的蒸發(fā)部20a，同時純水介由供水用配管63a、T字管62a、重整器導入管62而被導入蒸發(fā)部20a。因而，所供給的燃料及水在T字管62a中合流，經(jīng)由重整器導入管62而被導入蒸發(fā)部20a。由于在發(fā)電運行中，蒸發(fā)部20a被加熱至高溫，因此導入蒸發(fā)部20a的純水比較快速地蒸發(fā)而成為水蒸氣。所蒸發(fā)的水蒸氣及燃料在混合部20b內(nèi)混合，流入重整器20的重整部20c。與水蒸氣一起被導入重整部20c的燃料在此進行水蒸氣重整，被重整為富含氫的燃料氣體。在重整部20c中重整后的燃料經(jīng)由燃料氣體供給管64向下方下降，流入分散室即分流器66。
[0087]分流器66是配置在燃料電池電堆14下側(cè)的體積比較大的長方體狀的空間，設置在其上面的很多的孔與構(gòu)成燃料電池電堆14的各燃料電池單電池單元16的內(nèi)側(cè)連通。導入分流器66的燃料經(jīng)由設置在其上面的很多的孔，并經(jīng)由燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)，即燃料電池單電池單元16的內(nèi)部，從其上端流出。另外，燃料即氫氣流過燃料電池單電池單元16的內(nèi)部時，與流經(jīng)空氣極(氧化劑氣體極)即燃料電池單電池單元16外側(cè)的空氣中的氧進行反應從而生成電荷。未使用于該發(fā)電而殘余的殘余氣體從各燃料電池單電池單元16的上端流出，在設置于燃料電池電堆14上方的燃燒室18內(nèi)燃燒。
[0088]另一方面，通過發(fā)電用氧化劑氣體供給裝置即發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45，氧化劑氣體即發(fā)電用空氣介由發(fā)電用空氣導入管74而被送入燃料電池模塊2內(nèi)。被送入燃料電池模塊2內(nèi)的空氣介由發(fā)電用空氣導入管74而被導入空氣用換熱器22的發(fā)電用空氣流路72，并被預熱。預熱后的空氣介由各出口孔76a(圖3)而向各連接流路76流出。流入各連接流路76的發(fā)電用空氣經(jīng)由設置在燃料電池模塊2的兩個側(cè)面上的發(fā)電用空氣供給通路77而流向下方，從很多的吹出口 77a朝向燃料電池電堆14而被噴射至發(fā)電室10內(nèi)。
[0089]噴射至發(fā)電室10內(nèi)的空氣與燃料電池電堆14的空氣極側(cè)(氧化劑氣體極側(cè))即各燃料電池單電池單元16的外側(cè)面接觸，空氣中的氧的一部分被利用于發(fā)電。另外，介由吹出口 77a而向發(fā)電室10的下部噴射的空氣一邊利用于發(fā)電一邊沿發(fā)電室10內(nèi)上升。沿發(fā)電室10內(nèi)上升的空氣使從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料燃燒。該燃燒所產(chǎn)生的燃燒熱量加熱配置在燃料電池電堆14上方的重整器20的蒸發(fā)部20a、混合部20b及重整部20c。燃料燃燒而生成的燃燒氣體在加熱上方的重整器20后，經(jīng)由重整器20上方的開口部21a而流入整流板21的上側(cè)。流入整流板21上側(cè)的燃燒氣體經(jīng)由用整流板21構(gòu)成的排氣通路21b，而被引導至空氣用換熱器22的入口即連通開口 8a。從連通開口 8a流入空氣用換熱器22的燃燒氣體流入開放的各燃燒氣體配管70的端部，與沿各燃燒氣體配管70外側(cè)的發(fā)電用空氣流路72流動的發(fā)電用空氣之間進行熱交換，并匯集至排放氣體匯集室78。匯集至排放氣體匯集室78的排放氣體介由排放氣體排出管82而向燃料電池模塊2的外部排出。由此，蒸發(fā)部20a中的水的蒸發(fā)以及重整部20c中的吸熱反應即水蒸氣重整反應被促進，同時空氣用換熱器22內(nèi)的發(fā)電用空氣被預熱。
[0090]下面，再參照圖12，說明固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的起動工序中的控制。
圖12是表示起動工序中的燃料等的各供給量以及各部分的溫度的一個例子的時間圖。另外，圖12的縱軸的刻度表示溫度，燃料等的各供給量概略示出它們的增減。
[0091]在圖12所示的起動工序中，使處于常溫狀態(tài)的燃料電池電堆14的溫度上升至可進行發(fā)電的溫度。
首先，在圖12的時刻t0，開始供給發(fā)電用空氣及重整用空氣。具體而言，控制器即控制部110向發(fā)電用氧化劑氣體供給裝置即發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送信號，使其工作。如上所述，發(fā)電用空氣介由發(fā)電用空氣導入管74而被導入燃料電池模塊2內(nèi)，經(jīng)由空氣用換熱器22、發(fā)電用空氣供給通路77而流入發(fā)電室10內(nèi)。另外，控制部110向重整用氧化劑氣體供給裝置即重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44發(fā)送信號，使其工作。導入燃料電池模塊2內(nèi)的重整用空氣經(jīng)由重整器20、分流器66而流入各燃料電池單電池單元16的內(nèi)部，并從其上端流出。另外，在時刻t0，由于還未供給燃料，因此在重整器20內(nèi)不發(fā)生重整反應。在本實施方式中，在圖12的時刻t0開始的發(fā)電用空氣的供給量為約100L/min，重整用空氣的供給量為約 10.0L/min。
[0092]之后，在距圖12的時刻t0規(guī)定時間后的時刻tl，開始燃料供給。具體而言，控制部110向燃料供給裝置即燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號，使其工作。在本實施方式中，在時刻tl開始的燃料供給量為約5.0L/min。導入燃料電池模塊2內(nèi)的燃料經(jīng)由重整器20、分流器66而流入各燃料電池單電池單元16的內(nèi)部，并從其上端流出。另外，在時刻tl，由于重整器的溫度還處于低溫，因此在重整器20內(nèi)不發(fā)生重整反應。
[0093]之后，在距圖12的時刻11經(jīng)過規(guī)定時間后的時刻t2，開始針對所供給的燃料的點火工序。具體而言，在點火工序中，控制部110向點火部件即點火裝置83(圖2)發(fā)送信號，對從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料進行點火。點火裝置83在燃料電池電堆14的上端附近反復產(chǎn)生火花，對從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料進行點火。
[0094]在圖12的時刻t3完成點燃時，開始供給重整用水。具體而言，控制部110向供水裝置即水流量調(diào)節(jié)單元28(圖6)發(fā)送信號，使其工作。在本實施方式中，在時刻t3開始的供水量為2.0cc/min。在時刻t3，燃料供給量保持于之前的約5.0L/min。另外，發(fā)電用空氣及重整用空氣的供給量也保持于之前的值。另外，在該時刻t3，重整用空氣中的氧O2和燃料中的碳C的比02/C為約0.32。
[0095]在圖12的時刻t3點燃后，所供給的燃料作為剩余氣體而從各燃料電池單電池單元16的上端流出，并在此燃燒。該燃燒熱量加熱配置在燃料電池電堆14上方的重整器20。在此，在重整器20的上方(箱體8之上)配置有蒸發(fā)室用絕熱材料23，由此，在燃料剛剛開始燃燒之后，重整器20的溫度從常溫急劇上升。由于向配置在蒸發(fā)室用絕熱材料23之上的空氣用換熱器22導入外氣，因此空氣用換熱器22尤其在剛剛開始燃燒之后溫度較低，容易成為冷卻源。在本實施方式中，通過在箱體8的上面和空氣用換熱器22的底面之間配置有蒸發(fā)室用絕熱材料23，從而可抑制熱量從箱體8內(nèi)的配置在上部的重整器20向空氣用換熱器22轉(zhuǎn)移，變得容易在箱體8內(nèi)的重整器20附近留住熱量。此外，由于蒸發(fā)部20a上方的整流板21上側(cè)的空間構(gòu)成為燃燒氣體流動變慢的氣體滯留空間21c (圖2)，因此蒸發(fā)部20a附近被雙重絕熱，溫度更加急速地上升。
[0096]如此，通過蒸發(fā)部20a的溫度急速地上升，從而剩余氣體開始燃燒后可在短時間內(nèi)生成水蒸氣。另外，由于向蒸發(fā)部20a每次少量地供給重整用水，因此與大量的水貯留在蒸發(fā)部20a中的情況相比，可以通過較少的熱量將水加熱至沸點，可以盡快開始供給水蒸氣。而且，由于從水流量調(diào)節(jié)單元28剛剛開始工作之后便流入水，因此可以避免供水延遲所引起的蒸發(fā)部20a的過度溫度上升及水蒸氣的供給延遲。
[0097]另外，在剩余氣體開始燃燒后經(jīng)過一定程度的時間時，空氣用換熱器22的溫度也通過從燃燒室18流入空氣用換熱器22的排放氣體而上升。對重整器20和空氣用換熱器22之間進行絕熱的蒸發(fā)室用絕熱材料23是設置在絕熱材料7內(nèi)側(cè)的絕熱材料。因而，蒸發(fā)室用絕熱材料23不是抑制熱量從燃料電池模塊2散失的絕熱材料，而是在剩余氣體剛剛開始燃燒之后，使重整器20尤其是其蒸發(fā)部20a的溫度急速上升。
[0098]如此，在重整器20的溫度已上升的時刻t4，經(jīng)由蒸發(fā)部20a而流入重整部20c的燃料和重整用空氣發(fā)生式(I)所示的部分氧化重整反應。
CniHJxO2 — aC02+bC0+cH2(I)
由于該部分氧化重整反應是發(fā)熱反應，因此在重整部20c內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應時，其周圍的溫度局部地急劇上升。
[0099]另一方面，在本實施方式中，從剛剛確認點燃之后的時刻t3開始供給重整用水，另外，由于構(gòu)成為蒸發(fā)部20a的溫度急速上升，因此在時刻t4，已經(jīng)在蒸發(fā)部20a內(nèi)生成水蒸氣，并向重整部20c供給。即，使剩余氣體點燃后，從重整部20c的溫度達到發(fā)生部分氧化重整反應的溫度的規(guī)定時間之前開始供水，在達到發(fā)生部分氧化重整反應的溫度時，在蒸發(fā)部20a中貯留有規(guī)定量的水，并生成有水蒸氣。因此，由于發(fā)生部分氧化重整反應而導致溫度急劇上升時，則發(fā)生供給至重整部20c的重整用水蒸氣與燃料進行反應的水蒸氣重整反應。該水蒸氣重整反應是式(2)所示的吸熱反應，在比部分氧化重整反應高的溫度下發(fā)生。
CniHJxH2O — aC02+bC0+cH2(2)
[0100]如此，到達圖12的時刻t4時，在重整部20c內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應，另外，由于發(fā)生部分氧化重整反應而引起的溫度上升，還同時發(fā)生水蒸氣重整反應。因而，在時刻t4之后在重整部20c內(nèi)發(fā)生的重整反應是部分氧化重整反應和水蒸氣重整反應同時存在的式⑶所示的自熱重整反應(ATR)。S卩，在時刻t4開始ATRl工序。
CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2 (3)
[0101]如此，在本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中，在起動工序的整個期間內(nèi)進行供水，部分氧化重整反應(POX)不會單獨發(fā)生。另外，在圖12所示的時間圖中，時刻t4的重整器溫度為約200°C。雖然該重整器溫度比發(fā)生部分氧化重整反應的溫度低，但是由重整器溫度傳感器148 (圖6)檢測出的溫度為重整部20c的平均溫度。實際上即使在時刻t4，重整部20c也局部達到發(fā)生部分氧化重整反應的溫度，利用所發(fā)生的部分氧化重整反應的反應熱量，還誘發(fā)水蒸氣重整反應。如此，在本實施方式中，點燃后，從重整部20c達到發(fā)生部分氧化重整反應的溫度之前開始供水，部分氧化重整反應不會單獨發(fā)生。
[0102]之后，當重整器溫度傳感器148的檢測溫度達到約500°C以上時，在圖12的時刻t5，從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序。在時刻t5，供水量從2.0cc/min變更至3.0cc/min。另外，燃料供給量、重整用空氣供給量及發(fā)電用空氣供給量保持于之前的值。由此，ATR2工序中的水蒸氣和碳的比S/C增加至0.64，另一方面，重整用空氣和碳的比02/C則保持于0.32。如此，通過將重整用空氣和碳的比02/C保持于一定，并使水蒸氣和碳的比S/C增加，從而未使可進行部分氧化重整的碳量下降，而使可進行水蒸氣重整的碳量增加。由此，切實地避免重整部20c中的碳析出的風險，并可以在重整部20c的溫度上升的同時，使水蒸氣重整的碳量增加。
[0103]而且，在本實施方式中，在圖12的時刻t6，當發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度達到約400°C以上時，從ATR2工序轉(zhuǎn)入ATR3工序。與此相伴，燃料供給量從5.0L/min變更至
4.0L/min，重整用空氣供給量從9.0L/min變更至6.5L/min。另外，供水量及發(fā)電用空氣供給量保持于之前的值。由此，ATR3工序中的水蒸氣和碳的比S/C增加至0.80，另一方面，重整用空氣和碳的比02/C減少至0.29。
[0104]而且，在圖12的時刻t7，當發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度達到約550°C以上時，則轉(zhuǎn)入SRl工序。與此相伴，燃料供給量從4.0L/min變更至3.0L/min，供水量從3.0cc/min變更至7.0cc/min。另外，停止供給重整用空氣，發(fā)電用空氣供給量保持于之前的值。由此，在SRl工序中，在重整部20c內(nèi)只發(fā)生水蒸氣重整，水蒸氣和碳的比S/C被設定于為了對所供給的燃料的全部量進行水蒸氣重整而恰當?shù)?.49。由于在圖12的時刻t7，重整器
20、燃料電池電堆14的溫度都已充分上升，因此即使在重整部20c內(nèi)不發(fā)生部分氧化重整反應，也可以穩(wěn)定地發(fā)生水蒸氣重整反應。
[0105]之后，在圖12的時刻t8，當發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度達到約600°C以上時，則轉(zhuǎn)入SR2工序。與此相伴，燃料供給量從3.0L/min變更至2.5L/min,供水量從7.0cc/min變更至6.0cc/min。另外,發(fā)電用空氣供給量保持于之前的值。由此,在SR2工序中，水蒸氣和碳的比S/C被設定于2.56。
[0106]而且，在執(zhí)行SR2工序規(guī)定時間后，轉(zhuǎn)入發(fā)電工序。在發(fā)電工序中，從燃料電池電堆14向逆變器54(圖6)導出電力，開始發(fā)電。另外，在發(fā)電工序中，在重整部20c中只通過水蒸氣重整對燃料進行重整。另外，在發(fā)電工序中，與對燃料電池模塊2要求的輸出電力相對應，變更燃料供給量、發(fā)電用空氣供給量及供水量。
[0107]下面，參照圖13至圖25及圖30，對本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的停止進行說明。
首先，參照圖30，說明現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)中的關機停止時的動作。圖30是以時序模式化表示現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的停止動作的一個例子的時間圖。
[0108]首先，在圖30的時刻t501中，進行發(fā)電運行中的燃料電池的關機停止操作。由此，不等待燃料電池模塊內(nèi)的溫度下降，便在短時間內(nèi)使燃料供給量、重整用水供給量及發(fā)電用空氣供給量為零，使從燃料電池模塊導出的電流(發(fā)電電流)也為零。即，使朝向燃料電池模塊的燃料、水、發(fā)電用空氣的供給在短時間內(nèi)停止，停止從燃料電池模塊導出電力。另夕卜，由于災害等而失去朝向固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的燃料及電氣供給時，停止動作也成為與圖30相同的狀態(tài)。另外，圖30中的各供給量、電流、電壓的曲線僅表示變化傾向，而不表示具體的值。
[0109]通過在時刻t501使電力導出停止，從而燃料電池電堆中產(chǎn)生的電壓值上升(但是電流為零)。另外，在時刻t501，由于使發(fā)電用空氣供給量為零，因此未向燃料電池模塊內(nèi)強制地送入空氣，在時刻t501之后，在長時間內(nèi)使燃料電池電堆自然冷卻。
[0110]假使在時刻t501后也持續(xù)向燃料電池模塊內(nèi)供給空氣，則燃料電池模塊內(nèi)的壓力因送入的空氣而上升。另一方面，由于燃料供給已經(jīng)停止，因此燃料電池單電池單元的內(nèi)部壓力開始下降。因此，可以想到送入燃料電池模塊的發(fā)電室內(nèi)的空氣從上端向燃料電池單電池單元內(nèi)側(cè)的燃料極側(cè)逆流。在時刻t501，由于燃料電池電堆處于高溫狀態(tài)，因此空氣向燃料極側(cè)逆流時，燃料極發(fā)生氧化，燃料電池單電池單元則會受損。為了避免該問題，在現(xiàn)有的燃料電池中，如圖30所示，在通過關機停止而使燃料供給剛剛停止之后，即使在未失去電源時，也使發(fā)電用空氣快速停止。
[0111]而且，關機停止后，在經(jīng)過6至7小時左右，當燃料電池模塊內(nèi)的溫度下降至小于燃料極的氧化下限溫度后，還再次向燃料電池模塊內(nèi)供給空氣(未圖示)。雖然這種空氣供給是為了排出滯留的燃料氣體而執(zhí)行的，但是在燃料電池電堆的溫度已下降至小于燃料極的氧化下限溫度的狀態(tài)下，假使空氣向燃料極逆流，燃料極也不會氧化。
[0112]但是，本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)即便進行這種現(xiàn)有燃料電池中的關機停止，還是有空氣向燃料極側(cè)逆流，而燃料極被氧化的風險。
[0113]空氣從空氣極側(cè)向燃料極側(cè)逆流是基于燃料電池單電池單元的內(nèi)側(cè)(燃料極側(cè))和外側(cè)(空氣極側(cè))的壓力差而產(chǎn)生的。在燃料氣體及發(fā)電用空氣正被供給的關機停止前的狀態(tài)下，重整后的燃料被壓送至燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)。另一方面，發(fā)電用空氣也被送入燃料電池單電池單元的空氣極側(cè)。在該狀態(tài)下，燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力高，燃料從燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)向空氣極側(cè)噴出。
[0114]接下來，通過關機停止而停止供給燃料氣體及發(fā)電用空氣時，燃料從處于壓力較高狀態(tài)的燃料極側(cè)向壓力較低的空氣極側(cè)噴出。另外，由于燃料電池模塊內(nèi)的空氣極側(cè)的壓力也處于比外氣壓力(大氣壓)高的狀態(tài)，因此關機停止后，燃料電池模塊內(nèi)的空氣極側(cè)的空氣(及從燃料極側(cè)噴出的燃料氣體)經(jīng)由排氣通路而向燃料電池模塊的外部排出。因此，關機停止后，燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)、空氣極側(cè)的壓力都下降，最終收斂于大氣壓。因而，在燃料極側(cè)及空氣極側(cè)壓力下降的動作受到燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)和空氣極側(cè)之間的流路阻力、燃料電池模塊內(nèi)的空氣極側(cè)和外氣之間的流路阻力等的影響。另外，在燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的壓力相等的狀態(tài)下，空氣極側(cè)的空氣通過擴散而進入燃料極側(cè)。
[0115]但是，實際上由于燃料電池模塊的內(nèi)部處于高溫狀態(tài)，因此關機停止后的壓力動作還受燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的溫度變化影響。例如，由于燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)的溫度與空氣極側(cè)相比急劇下降時，燃料電池單電池單元內(nèi)的燃料氣體的體積收縮，因此燃料極側(cè)的壓力下降從而發(fā)生空氣逆流。如此，關機停止后的燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的壓力受到燃料電池模塊內(nèi)各部分的流路阻力、燃料電池模塊內(nèi)的溫度分布、所蓄積的熱量等的影響，非常復雜地進行變化。
[0116]存在于燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的氣體成分可以根據(jù)未導出電流的狀態(tài)(輸出電流=O)下的電堆的輸出電壓來進行推斷。如圖30的粗虛線所示，在時刻t501的剛剛關機停止之后，電堆的輸出電壓急劇上升(圖30的A部)。這是因為在剛剛關機停止之后，在燃料極側(cè)存在很多的氫，在空氣極側(cè)存在空氣，同時從電堆導出的電流為O。之后，雖然電堆的輸出電壓急劇下降(圖30的B部)，但是推斷這是因為關機停止后，存在于各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)的氫流出從而燃料極側(cè)的氫濃度下降，同時由于流出的氫，空氣極側(cè)的空氣濃度下降。
[0117]之后，電堆的輸出電壓隨著時間的經(jīng)過而下降，燃料電池模塊內(nèi)的溫度下降至小于氧化下限溫度時(圖30的C部)，輸出電壓大幅下降。推斷在該狀態(tài)下，在各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)幾乎沒有殘留氫，在現(xiàn)有的燃料電池中，燃料極被置于氧化的危險。實際上在現(xiàn)有的燃料電池中，大多數(shù)情況下，在燃料電池模塊內(nèi)的溫度下降至小于氧化下限溫度之前，發(fā)生燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力更為下降的現(xiàn)象，可以認為對燃料電池單電池單元產(chǎn)生了不良影響。
[0118]另外，根據(jù)燃料電池模塊的結(jié)構(gòu)、關機停止前的運行條件，在關機停止后，盡管已停止燃料供給，還是發(fā)生燃料電池模塊內(nèi)上部的溫度上升的現(xiàn)象(未圖示)。即，有時燃料電池模塊內(nèi)的溫度在關機停止后的I個小時左右比發(fā)電運行時更為上升?？梢哉J為這種溫度上升是因為發(fā)電運行中重整器內(nèi)發(fā)生的吸熱反應即水蒸氣重整反應因停止燃料供給而不再發(fā)生，另一方面，殘留在各燃料電池單電池單元內(nèi)部、向它們分配燃料的分流器內(nèi)的燃料在燃料供給停止后還在燃燒室內(nèi)持續(xù)燃燒。
[0119]如此，燃料電池模塊內(nèi)的重整器附近的溫度上升，另一方面，由于已停止從燃料電池電堆導出電流，因此在燃料電池電堆中不再產(chǎn)生發(fā)電熱量。由此，燃料電池電堆上方的溫度上升而壓力上升，與此相對，各燃料電池單電池單元的內(nèi)部因溫度下降而壓力下降。因為這種燃料電池模塊內(nèi)的溫度梯度，有時各燃料電池單電池單元的燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力低。在這種情況下，燃料電池單電池單元外部的空氣極側(cè)的空氣向內(nèi)部的燃料極側(cè)逆流，燃料電池單電池單元受損的可能性較高。
[0120]在本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中，將燃料電池模塊內(nèi)各部分的流路阻力設定于恰當?shù)闹?，同時通過內(nèi)置在控制部110中的關機停止電路110a(圖6)的控制，大幅度抑制燃料極氧化的風險。
[0121]下面，參照圖13至圖25，對本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的停止進行說明。 圖13是本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中的進行停止模式選擇的停止判斷的流程圖。圖13的流程圖是用于根據(jù)規(guī)定條件來判斷選擇哪一個停止模式的流程圖，在固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的運行中，以規(guī)定的時間間隔而被反復執(zhí)行。
[0122]首先，在圖13的步驟SI中，判斷是否已停止從燃料供給源30 (圖1)供給燃料氣體以及從工業(yè)電源供給電力。在燃料氣體及電力雙方的供給已停止時，進入步驟S2，在步驟S2中，選擇緊急停止模式即停止模式1，結(jié)束圖13的流程圖的I次處理。作為選擇停止模式I的情況，設想因自然災害等停止燃料氣體及電力供給的情況，可以認為進行這種停止的頻度極少。
[0123]另一方面，當燃料氣體及電力的至少一方被供給時，則進入步驟S3，在步驟S3中，判斷是否是停止供給燃料氣體且正在供給電力的狀態(tài)。在停止供給燃料氣體且正在供給電力的情況下進入步驟S4，除此以外的情況則進入步驟S5。在步驟S4中，選擇通常停止模式中的一個即停止模式2，結(jié)束圖13的流程圖的I次處理。作為選擇停止模式2的情況，設想因燃料氣體供給路徑的施工等暫時停止燃料氣體供給的情況等，可以認為進行這種停止的頻度較少。
[0124]進而，在步驟S5中，判斷是否是由使用者操作了停止開關。由使用者操作了停止開關時則進入步驟S6，未操作時則進入步驟S7。在步驟S6中，選擇通常停止模式中的一個的開關停止模式即停止模式3，結(jié)束圖13的流程圖的I次處理。作為選擇停止模式3的情況，設想由于固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的利用者長期不在，因此在較長期間內(nèi)有意使固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的運行停止的情況，可以認為進行這種停止的頻度并不多。
[0125]另一方面，在步驟S7中，判斷是否是在預先預定的時機定期執(zhí)行的定期停止。其為定期停止時則進入步驟S8，不是定期停止時則結(jié)束圖13的流程圖的I次處理。在步驟S8中，選擇通常停止模式中的一個的程序停止模式即停止模式4，結(jié)束圖13的流程圖的I次處理。作為選擇停止模式4的情況，設想相對于燃料供給源30上設置的智能燃氣表的對應。即，通常在燃料供給源30上設置有智能燃氣表(未圖示)，該智能燃氣表構(gòu)成為在約I個月的期間內(nèi)，當燃料氣體供給完全停止的狀態(tài)未連續(xù)存在I小時左右以上時，則判斷為已發(fā)生氣體泄漏，截斷燃料氣體的供給。因此，通常固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I需要每約I個月I次停止I小時左右以上。因而，停止模式4的停止是設想以約I個月I次以上的頻度來進行的，是以最高頻度進行的停止。
[0126]另外，當停止電力供給而持續(xù)燃料氣體供給時，則根據(jù)圖13的流程圖，不選擇任何停止模式。在這種情況下，本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I通過利用由燃料電池電堆14生成的電力而使輔助設備單元4工作，從而可以繼續(xù)發(fā)電。另外，也可以如下構(gòu)成本發(fā)明，在電力的供給停止在規(guī)定的長時間內(nèi)持續(xù)時，則使發(fā)電停止。
[0127]下面，參照圖14至圖25，說明各停止模式中的停止處理。
圖14是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中執(zhí)行停止模式1(圖13的步驟S2)時的停止動作的一個例子的時間圖。圖15是用于以時序說明執(zhí)行停止模式I時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
[0128]首先，在圖14的時刻tlOl，進行關機停止時，燃料流量調(diào)節(jié)單元38的燃料供給、水流量調(diào)節(jié)單元28的供水、及發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45的發(fā)電用空氣供給在短時間內(nèi)停止。另外，還停止由逆變器54從燃料電池模塊2導出電力(輸出電流=O)。執(zhí)行停止模式I時，在關機停止后，燃料電池模塊2在該狀態(tài)下被自然放置。因此，存在于各燃料電池單電池單元16內(nèi)部的燃料極側(cè)的燃料基于與外部空氣極側(cè)的壓力差，而經(jīng)由燃料氣體流路細管98(圖4)向空氣極側(cè)噴出。另外，存在于各燃料電池單電池單元16的空氣極側(cè)的空氣(及從燃料極側(cè)噴出的燃料)基于空氣極側(cè)的壓力(發(fā)電室10(圖1)內(nèi)的壓力)和大氣壓的壓力差，而經(jīng)由排氣通路21b、空氣用換熱器22等向燃料電池模塊2的外部排出。因而，在關機停止后，各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的壓力自然下降。
[0129]但是，在各燃料電池單電池單元16的上端部設置有流出側(cè)流路阻力部即燃料氣體流路細管98，在排氣通路21b上設置有豎壁21d及下垂壁8b (圖2)。該燃料氣體流路細管98的流路阻力被設定為，停止燃料供給及發(fā)電后的燃料極側(cè)的壓力下降比空氣極側(cè)的壓力下降平緩。本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I構(gòu)成為通過恰當調(diào)整這些燃料及排氣的通路各部分中的流路阻力，從而在關機停止后燃料也在長時間內(nèi)殘存在各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)。例如，相對于燃料氣體流路細管98中的流路阻力，從發(fā)電室10通至外氣的排氣路徑的流路阻力過小時，由于在關機停止后空氣極側(cè)的壓力急劇下降，因此燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的壓力差增大，反而會促進燃料從燃料極側(cè)流出。相反，相對于燃料氣體流路細管98中的流路阻力，排氣路徑的流路阻力過大時，則與燃料極側(cè)的壓力下降相比，空氣極側(cè)的壓力下降變得平緩，由于燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的壓力接近，因此空氣向燃料極側(cè)逆流的風險變高。
[0130]如此，在本實施方式中，從燃料流量調(diào)節(jié)單元38經(jīng)由重整器20、各燃料電池單電池單元16的燃料極向燃料電池模塊2的外部引導燃料及/或排放氣體的燃料/排放氣體通路被如上調(diào)整。因此，在關機停止后被自然放置時，燃料極側(cè)的壓力也一邊保持比空氣極側(cè)的壓力高的壓力一邊下降，在燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度時，還保持于比大氣壓高的壓力，可以充分抑制燃料極被氧化的風險。如圖14所示，在本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中，雖然在時刻tlOl進行關機停止后，粗虛線所示的燃料電池電堆14的輸出電壓在暫時大幅上升后發(fā)生下降，但是其下落幅度比現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)(圖30)少，長時間持續(xù)較高的電壓。在圖14所示的例子中，關機停止后，在燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的溫度下降至規(guī)定的氧化抑制溫度的時刻tl02之前，保持較高的電壓。該情況表示在各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)，在溫度下降至氧化抑制溫度的時刻tl02之前殘存有燃料。
[0131]另外，在本說明書中，氧化抑制溫度是指使燃料極被氧化的風險充分降低的溫度。燃料極被氧化的風險與溫度下降一起逐漸減少，最終變?yōu)榱?。因此，即便是比可能發(fā)生燃料極氧化的最低溫度即氧化下限溫度稍高的溫度區(qū)域的氧化抑制溫度，也能夠充分減少燃料極氧化的風險。在通常的燃料電池單電池單元中，可以認為這種氧化抑制溫度為350°C至400°C左右，氧化下限溫度為250°C至300°C左右。
[0132]即，在本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中，燃料/排放氣體通路構(gòu)成為在關機停止后，燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度之前，將燃料電池模塊2內(nèi)的空氣極側(cè)的壓力保持為比大氣壓高，同時將燃料極側(cè)的壓力保持為比空氣極側(cè)的壓力高。因而，燃料/排放氣體通路作為機械性壓力保持部件而發(fā)揮作用，延長燃料極側(cè)的壓力接近至空氣極側(cè)的壓力之前的時間。
[0133]圖15是說明停止模式I的動作的圖，上段示出模式化表示燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的壓力變化的曲線，中段以時序示出控制部I1的控制動作及燃料電池模塊2內(nèi)的溫度，下段示出各時間點的燃料電池單電池單元16的上端部的狀態(tài)。
[0134]首先，圖15中段中的關機停止之前進行通常的發(fā)電運行。在該狀態(tài)下，燃料電池模塊2內(nèi)的溫度為700°C左右。另外，如圖15的下段(I)所示，從燃料電池單電池單元16上端的燃料氣體流路細管98噴出未使用于發(fā)電而殘余的燃料氣體，該噴出的燃料氣體在燃料氣體流路細管98的上端燃燒。之后，通過關機停止，使燃料氣體、重整用水、發(fā)電用空氣的供給停止時，噴出的燃料氣體的流量下降，如圖15的下段(2)所示，燃料氣體流路細管98頂端的火焰消失。由于燃料氣體流路細管98形成為細長，因此因燃料氣體流量下降而將火焰卷入燃料氣體流路細管98中時，火焰快速消失。由于火焰快速消失，殘存在燃料電池單電池單元16內(nèi)部等的燃料氣體的消耗被抑制，可在燃料極側(cè)維持殘存的燃料的時間被延長。
[0135]如圖15的下段(3)所示，關機停止后，在火焰消失后，由于燃料電池單電池單元16內(nèi)部(燃料極側(cè))的壓力還比外部(空氣極側(cè))高，因此燃料氣體還繼續(xù)從燃料氣體流路細管98噴出。另外，如圖15上段所示，在剛剛關機停止之后，燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力高，各壓力在保持該關系的基礎上下降。燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的壓力差在關機停止后隨著燃料氣體的噴出而下降。
[0136]來自燃料氣體流路細管98的燃料氣體的噴出量隨著燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的壓力差下降而減少(圖15的下段(4) (5))。另一方面，關機停止時，在重整器20內(nèi)部還殘存有重整后的燃料氣體、未重整的燃料氣體、水蒸氣、水，在關機停止后未重整的燃料氣體也利用余熱而通過水蒸氣進行重整。另外，由于重整器20中一體地具備蒸發(fā)部20a，因此殘存的水也利用余熱蒸發(fā)而成為水蒸氣。由于伴隨重整器20中的燃料氣體的重整及水的蒸發(fā)而發(fā)生體積膨脹，因此殘存在重整器20內(nèi)、燃料氣體供給管64、分流器66(圖2)內(nèi)的燃料氣體被依次壓出至各燃料電池單電池單元16中(燃料極側(cè))。因此，抑制伴隨從燃料氣體流路細管98噴出燃料氣體的燃料極側(cè)的壓力下降。
[0137]而且，由于重整器20內(nèi)的重整部20c填充有催化劑，因此流路阻力較大。因此，殘存的水在蒸發(fā)部20a中蒸發(fā)時，水蒸氣流入重整部20c，另一方面，向重整器導入管62 (圖2)逆流。該重整器導入管62構(gòu)成為從蒸發(fā)部20a的側(cè)面沿大致水平延伸后彎曲并向大致鉛垂上方延伸。因而，逆流的水蒸氣在重整器導入管62中沿鉛垂方向上升，到達連接在重整器導入管62上端的T字管62a。在此，由于從蒸發(fā)部20a延伸的重整器導入管62配置在覆蓋箱體8的絕熱材料7的內(nèi)部，因此溫度較高。另外，由于重整器導入管62的上端部及T字管62a位于絕熱材料7的外部，因此溫度變低。因此，沿重整器導入管62中上升的水蒸氣接觸溫度較低的重整器導入管62的上端部及T字管62a的內(nèi)壁面而冷卻并結(jié)露，從而生成水。
[0138]通過結(jié)露而生成的水從T字管62a及重整器導入管62的上端部向重整器導入管62下部的內(nèi)壁面落下，在此再次被加熱而溫度上升，再次流入蒸發(fā)部20a。由于重整器導入管62被彎曲地構(gòu)成，因此結(jié)露后落下的水滴并未直接流入蒸發(fā)部20a，而是落到重整器導入管62下部的內(nèi)壁面上。因而，配置在重整器導入管62的絕熱材料7內(nèi)側(cè)的部分作為對所供給的水或結(jié)露的水進行預熱的預熱部而發(fā)揮作用，溫度比該預熱部低的重整器導入管62的上端部及T字管62a作為結(jié)露部而發(fā)揮作用。
[0139]另外，沿重整器導入管62內(nèi)上升的水蒸氣有時從T字管62a逆流至供水用配管63a。但是，由于供水用配管63a被傾斜配置為從T字管62a朝向上方，因此水蒸氣在供水用配管63a內(nèi)結(jié)露時，結(jié)露水也從供水用配管63a流向T字管62a，并向重整器導入管62內(nèi)落下。另外，如圖2所示，重整器導入管62的下部在絕熱材料7的內(nèi)側(cè)，以與排放氣體排出管82交叉的方式鄰近配置。因此，在預熱部即重整器導入管62和排放氣體排出管82之間進行熱交換，從而還被排氣的熱量加熱。
[0140]如此，蒸發(fā)部20a中蒸發(fā)的水蒸氣的一部分向重整器導入管62逆流，其生成結(jié)露水，再次在蒸發(fā)部20a中蒸發(fā)。因此，在關機停止時供水停止后，殘留的水也一點點在蒸發(fā)部20a內(nèi)蒸發(fā)，關機停止后在較長的時間內(nèi)發(fā)生水的蒸發(fā)。而且，重整器導入管62從蒸發(fā)部20a的側(cè)面延伸后彎曲，并向大致鉛垂上方延伸而貫穿絕熱材料7。因而，重整器導入管62貫穿絕熱材料7的位置離開重整器20的鉛垂上方區(qū)域，重整器20的熱量不容易經(jīng)由重整器導入管62貫穿絕熱材料7的貫穿位置而向外部逃逸，不會因重整器導入管62而顯著損害絕熱性。
[0141]另一方面，重整器20內(nèi)發(fā)生的水的蒸發(fā)依賴于蒸發(fā)部20a內(nèi)的溫度分布等而有時急劇地發(fā)生。在這種情況下，由于蒸發(fā)部20a內(nèi)的壓力急劇上升，因此較高的壓力向下游側(cè)傳遞，燃料電池單電池單元16內(nèi)的燃料氣體有可能會急劇地向空氣極側(cè)噴出。但是，由于在燃料氣體供給管64中設置有壓力變動抑制用流路阻力部64c (圖2)，因此可抑制因重整器20內(nèi)的急劇的壓力上升引起的燃料電池單電池單元16內(nèi)的燃料氣體的急劇的噴出。另夕卜，由于在各燃料電池單電池單元16的下端也設置有燃料氣體流路細管98(圖4)，因此通過該燃料氣體流路細管98的流路阻力，可抑制各燃料電池單電池單元16內(nèi)部的急劇的壓力上升。因而，各燃料電池單電池單元16下端的燃料氣體流路細管98及壓力變動抑制用流路阻力部64c作為機械性壓力保持部件而發(fā)揮作用，較高地保持燃料極側(cè)的壓力。
[0142]如此，通過機械性壓力保持部件，各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力下降在關機停止后長時間內(nèi)被抑制。關機停止后，經(jīng)過5至6小時左右，當燃料電池模塊2內(nèi)的溫度下降至氧化抑制溫度時，各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)、空氣極側(cè)都大致下降至大氣壓，空氣極側(cè)的空氣開始向燃料極側(cè)擴散(圖15的下段(6) (7))。但是，燃料氣體流路細管98及燃料電池單電池84上端部的未形成外側(cè)電極層92的部分(圖15下段(6)的A部)即使進入空氣也不會被氧化，該部分作為緩沖部而發(fā)揮作用。尤其是由于燃料氣體流路細管98構(gòu)成為細長，因此緩沖部變長，空氣從燃料電池單電池單元16的上端進入時，也不容易發(fā)生燃料極氧化。另外，在氧化抑制溫度附近，燃料極的溫度較低，空氣接觸燃料極時發(fā)生的氧化也很少，另外，由于執(zhí)行停止模式I的頻度極低，因此由氧化而產(chǎn)生的不良影響實質(zhì)上可以忽略。而且，如圖15的下段(8)所示，燃料極的溫度下降而比氧化下限溫度低后，即使空氣充滿各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)，燃料極也不會被氧化。
[0143]下面，參照圖16及圖17，說明停止模式2。
圖16是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中執(zhí)行停止模式2(圖13的步驟S4)時的停止動作的一個例子的時間圖。圖17是用于以時序說明執(zhí)行停止模式2時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
[0144]首先，停止模式2是僅停止燃料氣體供給時執(zhí)行的停止模式。在圖16的時刻t201，進行關機停止時，燃料流量調(diào)節(jié)單元38的燃料供給以及水流量調(diào)節(jié)單元28的供水在短時間內(nèi)停止。另外，還停止由逆變器54從燃料電池模塊2導出電力(輸出電流=O)。執(zhí)行停止模式2時，內(nèi)置在控制部110中的關機停止電路IlOa在時刻t201的剛剛關機停止之后，執(zhí)行溫度下降控制，使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45在規(guī)定的排熱時間內(nèi)以最大輸出工作。另外，在本實施方式中，規(guī)定的排熱時間為約2分鐘，在該期間內(nèi)使水流量調(diào)節(jié)單元28停止。而且，在圖16的時刻t202，在使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止后，與停止模式I一樣自然放置。
[0145]在停止模式2的停止中，關機停止后，通過溫度下降控制，將空氣送入燃料電池單電池單元16的空氣極側(cè)。由此，在圖16的A部中，空氣極側(cè)的溫度與停止模式I時(圖14)相比急劇下降。如上所述，燃料供給完全停止后，由于在燃料電池電堆14的溫度下降至氧化抑制溫度之前，存在使燃料極氧化、受損的危險，因此空氣供給必須被停止。但是，本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)即使在剛剛停止燃料供給之后，也可以在規(guī)定時間內(nèi)安全地向空氣極側(cè)供給發(fā)電用空氣。
[0146]g卩，由于在剛剛關機停止之后，在各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)充分殘存有燃料氣體，處于其從各燃料電池單電池單元16上端噴出的狀態(tài)，因此不會因向空氣極側(cè)送入空氣而導致空氣向燃料極側(cè)逆流。即，在該狀態(tài)下，雖然利用溫度下降控制而送入空氣，由此空氣極側(cè)的壓力上升，但是仍然處于燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力高的狀態(tài)。另外，設置在各燃料電池單電池單元16上端的燃料氣體流路細管98是使流路截面積變窄的收縮流路，由此，從各燃料電池單電池單元16流出的燃料氣體的流速變高。因而，設置在上端的燃料氣體流路細管98作為提高燃料氣體流速的加速部而發(fā)揮作用。而且，在時刻t202使空氣供給停止后，與停止模式I 一樣自然放置，利用機械性壓力保持部件將燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力高的狀態(tài)保持規(guī)定期間。但是，在停止模式2中，由于通過溫度下降控制使滯留在燃料電池模塊2內(nèi)的高溫的空氣及燃燒氣體排出，因此從比停止模式I低的溫度開始自然放置。因此，降低在燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度之前發(fā)生空氣逆流的風險。如此，在關機停止后，燃料極側(cè)的壓力下降比空氣極側(cè)的壓力下降變得平緩。另夕卜，由于通過溫度下降控制，使燃料電池模塊2內(nèi)的溫度均勻化，因此可減少燃料電池單電池單元16內(nèi)側(cè)的燃料氣體急劇收縮，而將空氣卷入燃料極側(cè)的風險。
[0147]而且，關機停止后，由于通過溫度下降控制而將空氣送入空氣極側(cè)，因此燃料氣體流路細管98上端的火焰更加快速地消失，抑制消耗殘存的燃料。另外，剛剛關機停止之后，從燃料電池單電池單元16噴出的很多燃料氣體并未燃燒而向燃料電池單電池單元16的空氣極側(cè)流出。在停止模式2中，由于關機停止后，將空氣送入空氣極側(cè)，噴出的燃料氣體與空氣一起被排出，因此避免從燃料極流出的燃料氣體與空氣極接觸而空氣極被部分還原的風險。
[0148]圖17是說明停止模式2的動作的圖，上段示出模式化表示燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的壓力變化的曲線，中段以時序示出控制部I1的控制動作及燃料電池模塊2內(nèi)的溫度，下段示出各時間點的燃料電池單電池單元16的上端部的狀態(tài)。
[0149]首先，在圖17中段的關機停止前，正在進行發(fā)電運行，而在關機停止后，執(zhí)行溫度下降控制。在約2分鐘的溫度下降控制后，使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止，其后與停止模式I 一樣自然放置。但是，在停止模式2中，自然放置開始時(圖16的時刻t202)的燃料電池模塊2內(nèi)的溫度及燃料極側(cè)、空氣極側(cè)的壓力比停止模式I時下降。因此，在燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度之前，空氣進入燃料極側(cè)的風險進一步減少。
[0150]下面，參照圖18至圖22，說明停止模式3。
圖18是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中執(zhí)行停止模式3(圖13的步驟S6)時的停止動作的一個例子的時間圖。圖19是放大表示剛剛關機停止之后的時間圖。圖20是用于以時序說明執(zhí)行停止模式3時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。圖22是表示停止模式3的變形例的時間圖。
[0151]首先，停止模式3是由使用者操作停止開關時執(zhí)行的停止模式。如圖18、圖19所示，雖然在停止模式3中也執(zhí)行溫度下降控制，但是停止模式3中的溫度下降控制由完全停止從燃料電池電堆14導出電力之前的第I溫度下降工序以及停止導出電力之后的第2溫度下降工序構(gòu)成。第2溫度下降工序與停止模式2中的溫度下降控制一樣，第I溫度下降工序作為停止電力導出之前的停止前處理而被執(zhí)行。
[0152]在圖19所示的時間圖的例子中，在時刻t301，由使用者操作停止開關，開始第I溫度下降工序即停止前處理。在停止前處理中，首先，停止向逆變器54輸出燃料電池模塊2的發(fā)電電力。由此，在圖19中如細點劃線所示，從燃料電池模塊2導出的電流、電力急速下降。另外，雖然在停止前處理中，停止從燃料電池模塊2朝向逆變器54的電流輸出，但是在規(guī)定期間內(nèi)持續(xù)導出用于使固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的輔助設備單元4工作的一定的微弱電流(1A左右)。因此，即使在時刻t301發(fā)電電流大幅度下降后，在停止前處理中也從燃料電池模塊2導出微弱的電流。另外，在圖19中如虛線所示，燃料電池模塊2的輸出電壓隨著導出的電流下降而上升。如此，在停止前處理中，通過限制電力導出量，導出微弱的電流并持續(xù)規(guī)定電力的發(fā)電，從而所供給的燃料的一部分使用于發(fā)電，因此，避免未使用于發(fā)電而殘余的剩余燃料的顯著增加，使燃料電池模塊2內(nèi)的溫度下降。
[0153]而且，在停止前處理中，時刻t301后，圖19中由點線表示的燃料供給量以及由細實線表示的重整用水供給量直線下降。另一方面，在停止前處理中，由粗點劃線表示的發(fā)電用空氣供給量被設定于發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45的最大空氣供給量。因而，在停止前處理中，供給比與從燃料電池模塊2導出的電力相對應的量多的空氣。如此，通過使空氣供給量增加，從而從重整器20奪走熱量，抑制燃料電池模塊2內(nèi)的溫度上升。接下來，在圖19所示的例子中，在距時刻t301約20秒后的時刻t302，使燃料供給量及供水量下降至與從燃料電池模塊2導出的微弱電流相對應的供給量，其后，保持下降后的供給量。如此，作為停止前處理，通過預先使燃料供給量及供水量下降，從而防止因燃料供給完全停止時大流量的燃料急劇停止引起的燃料電池模塊2內(nèi)的氣流紊亂，或燃料供給完全停止后的大量燃料殘留在重整器20、分流器66內(nèi)。另外，時刻t301后，通過使燃料供給量減少，使空氣供給量增加，從而使圖19中由粗實線表示的燃料電池模塊2內(nèi)的空氣極側(cè)的空氣溫度下降。但是，包圍燃料電池模塊2的絕熱材料7等仍然蓄積有大量熱量。另外，在停止前處理中，盡管停止朝向逆變器54的電流輸出，但是由于繼續(xù)供給燃料及水，因此即使繼續(xù)供給發(fā)電用空氣，空氣也不會向各燃料電池單電池單元16內(nèi)部的燃料極側(cè)逆流。因而，可以安全地繼續(xù)供給空氣。
[0154]在圖19所示的例子中，在距停止前處理開始的時刻t301約2分鐘后的時刻t303，使燃料供給量及重整用水供給量為零，使從燃料電池模塊2導出的電流也為零，進行關機停止。另外，在圖19所示的例子中，在時刻t303，在即將使從燃料電池模塊2導出的電流為零之前，使供水量稍稍增加。該供水量的增加是以在關機停止時蒸發(fā)部20a內(nèi)殘留合適量的水的方式來調(diào)節(jié)水量。對該供水量的控制在后面進行說明。
[0155]在圖19所示的例子中，在時刻t303的關機停止后，作為溫度下降控制的第2溫度下降工序，還繼續(xù)供給規(guī)定量的發(fā)電用空氣(但是，發(fā)電被完全停止)。由此，由于燃料電池模塊2內(nèi)(燃料電池電堆14的空氣極側(cè))的空氣、殘余燃料的燃燒氣體以及在關機停止后從燃料電池電堆14的燃料極側(cè)流出的燃料被排出，因此第2溫度下降工序作為排氣工序而發(fā)揮作用。在本實施方式中，在時刻t303，燃料供給被完全停止后，在時刻t304之前的規(guī)定期間繼續(xù)供給大量的發(fā)電用空氣。另外，發(fā)電用空氣供給量在停止前處理中增加至最大的空氣供給量，其后，保持于最大值。
[0156]如圖18所示，在時刻t304，在停止供給發(fā)電用空氣后，與停止模式I 一樣自然放置。但是，由于在停止模式3中，在關機停止前執(zhí)行第I溫度下降工序，在關機停止后執(zhí)行第2溫度下降工序，因此圖18的A部中的溫度下降比停止模式I及2大，從更加低溫、低壓的狀態(tài)開始自然放置。
[0157]圖20是說明停止模式3的動作的圖，上段示出模式化表示燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的壓力變化的曲線，中段以時序示出控制部I1的控制動作及燃料電池模塊2內(nèi)的溫度，下段示出各時間點的燃料電池單電池單元16的上端部的狀態(tài)。
[0158]首先，在圖20中段的停止開關操作前進行發(fā)電運行，在停止開關操作后執(zhí)行第I溫度下降工序即停止前處理工序。在停止前處理工序中，由于使燃料氣體供給量下降，因此如下段(2)所示，如圖20的下段(I)那樣發(fā)電運行中較大的各燃料電池單電池單元16上端的火焰變小。如此，由于使燃料氣體供給量及發(fā)電量下降，因此燃料電池模塊2內(nèi)的溫度比發(fā)電運行中下降。約2分鐘的停止前處理工序后，進行關機停止。關機停止后，作為第2溫度下降工序，通過發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45供給2分鐘發(fā)電用空氣。在第2溫度下降工序后，使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止，其后與停止模式I 一樣自然放置。
[0159]如上所述，由于在關機停止時，各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)的壓力高，因此使燃料供給停止后，燃料極側(cè)的燃料氣體也從各燃料電池單電池單元16的上端噴出。另外，燃料氣體燃燒的火焰在關機停止時消失。在關機停止后，從各燃料電池單電池單元16的上端噴出的燃料氣體在剛剛關機停止之后最多，其后逐漸減少。在該剛剛關機停止之后噴出的大量燃料氣體利用第2溫度下降工序(排氣工序)中供給的發(fā)電用空氣而向燃料電池模塊2之外排出。另外，排氣工序結(jié)束后，燃料氣體也從各燃料電池單電池單元16的上端噴出，其燃料氣體量變?yōu)檩^少。
[0160]因此，雖然排氣工序結(jié)束后噴出的燃料氣體即氫滯留在燃料電池模塊2內(nèi)的上部(比燃料電池電堆14更靠上方)，但是所噴出的燃料氣體實質(zhì)上不與各燃料電池單電池單元16的空氣極接觸。因而，不會因燃料氣體與高溫的空氣極接觸而被還原，空氣極不會劣化。另外，在關機停止前的停止前處理中，以規(guī)定范圍分量的適量的水貯留在蒸發(fā)部20a內(nèi)的方式供水。因此，在關機停止后的排氣工序中，通過在蒸發(fā)部20a內(nèi)使水蒸發(fā)，從而各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力增高，使適量的燃料氣體從各燃料電池單電池單元16的上端噴出。排氣工序中噴出的燃料氣體快速從燃料電池模塊2內(nèi)排出。由于在排氣工序中使適量的燃料氣體噴出，因此在排氣工序后，不會從各燃料電池單電池單元16噴出過度量的燃料氣體而使空氣極劣化。
[0161]在此，在停止模式3中，排氣工序結(jié)束后，自然放置開始時(圖18的時刻t304)的燃料電池模塊2內(nèi)的溫度及燃料極側(cè)、空氣極側(cè)的壓力比停止模式I及2時下降。另外，在停止模式3中，通過停止前處理工序，關機停止前的燃料氣體供給量、供水量等被固定于規(guī)定值。由此，依賴于發(fā)電運行中的運行狀態(tài)的自然放置開始時的壓力、溫度分布等的不均變少，始終從合適的狀態(tài)開始自然放置。因此，在燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度之前，空氣進入燃料極側(cè)的風險變得極低。
[0162]下面，參照圖21，說明停止前處理中的供水。
圖21是停止前處理中的供水的流程圖，在固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的運行中，通過關機停止電路IlOa而以規(guī)定的時間間隔反復執(zhí)行。首先，在圖21的步驟Sll中，判斷是否開始停止前處理。在停止前處理已開始時，則進入步驟S12，未開始時則結(jié)束圖21的流程圖的I次處理。
[0163]之后，在步驟S12中，作為供水確保工序，使內(nèi)置在溫水制造裝置50(圖1)中的供熱水器用散熱器(未圖示)工作2分鐘。該供熱水器用散熱器構(gòu)成為，通過與來自燃料電池模塊2的高溫排放氣體之間進行熱交換而加熱水，回收排放氣體的排放熱量。另一方面，排放氣體中含有水蒸氣，該水蒸氣與供熱水器用散熱器之間進行熱交換，由于被冷卻而成為水，進行結(jié)露。通過使供熱水器用散熱器工作，從而排放氣體的冷卻量增加而結(jié)露水增力口?；厥赵黾拥慕Y(jié)露水,貯留在純水箱26(圖1)中。回收至該純水箱26中的水經(jīng)過過濾處理(未圖示)等后，作為水蒸氣重整用水而被利用。通過該步驟S12的處理而生成的水被利用于停止前處理中的供水以及后述的停止模式4中執(zhí)行的壓力保持控制。另外，由于停止前處理中及壓力保持控制所使用的水量極少，另一方面，含有很多水蒸氣的高溫排放氣體被供熱水器用散熱器(未圖示)急劇冷卻，因此可以在停止前處理中的2分鐘內(nèi)充分確保所需量的水。
[0164]之后，在步驟S13中，控制部110讀取停止前處理即將開始的圖19的時刻t301之前的10分鐘內(nèi)的發(fā)電量的時序數(shù)據(jù)W0。進而，在步驟S14中，計算所讀取的發(fā)電量的時序數(shù)據(jù)WO的10分鐘內(nèi)的平均值W1。之后，在步驟S15中，計算固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的最大額定發(fā)電量與平均值Wl的差W2。進而，在步驟S16中，根據(jù)差W2，計算不足水量Ql。最后，在步驟S17中，在停止前處理即將結(jié)束之前(圖19、快到時刻t303之前)供給所計算的不足水量Q1，結(jié)束圖21的流程圖的I次處理。
[0165]通過供給該不足水量Ql，從而在蒸發(fā)部20a中貯留與持續(xù)最大額定發(fā)電量的運行后進行關機停止時相同程度量的重整用水。通過使該水在關機停止后的排氣工序(圖19的時刻t303?t304)中蒸發(fā)，從而各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力增高，使適量的燃料氣體從各燃料電池單電池單元16的上端噴出。
[0166]下面，參照圖22，說明停止模式3的變形例。
在圖22所示的變形例中，第2溫度下降工序中的發(fā)電用空氣的供給方式與圖19不同。如圖22所示，在本變形例中，在時刻t303進行關機停止后，到時刻t304之前以最大量供給發(fā)電用空氣。在時刻t304，發(fā)電用空氣供給量階段性地減少，減少后的供給量持續(xù)至時刻t305。優(yōu)選時刻t303?時刻t304之間設定為約2?5分鐘，時刻t304?t305之間設定為約2?20分鐘。
[0167]在本變形例中，通過在剛剛關機停止之后的燃料極側(cè)的壓力較高的狀態(tài)下供給大量的發(fā)電用空氣，從而空氣極側(cè)的高溫空氣被快速排出。另一方面，從關機停止起經(jīng)過一定程度的時間，在燃料極側(cè)的壓力下降的狀態(tài)下，使發(fā)電用空氣供給量減少，由此避免逆流的風險,并排出高溫空氣。
[0168]下面，參照圖23及圖24，說明停止模式4。
圖23是以時序模式化表示在本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I中執(zhí)行停止模式4(圖13的步驟S8)時的停止動作的一個例子的時間圖。圖24是用于以時序說明執(zhí)行停止模式4時的控制、燃料電池模塊內(nèi)的溫度、壓力及燃料電池單電池單元頂端部的狀態(tài)的圖。
[0169]首先，如上所述，停止模式4是為了對應于智能燃氣表(未圖示)，以大致I個月I次的比率定期執(zhí)行的停止，是停止模式中執(zhí)行的頻度最高的停止模式。因而，由于在執(zhí)行停止模式4時，即便對燃料電池單電池單元16稍有燃料極氧化等的不良影響時，對燃料電池電堆14的耐久性造成的影響也較大，因此需要更加切實地防止燃料極氧化。該停止模式4的停止根據(jù)內(nèi)置在關機停止電路IlOa中的程序而被定期執(zhí)行。
[0170]首先，在圖23的時刻t401，當變?yōu)橛申P機停止電路IlOa的程序預定的關機停止時刻的規(guī)定時間前時，關機停止電路IlOa執(zhí)行溫度下降控制。在停止模式4中也與停止模式3—樣，溫度下降控制利用第I溫度下降工序及第2溫度下降工序而被執(zhí)行。S卩，在第I溫度下降工序即停止前處理中，首先，停止向逆變器54輸出燃料電池模塊2的發(fā)電電力，僅繼續(xù)導出用于使固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)I的輔助設備單元4工作的微弱電流(1A左右)。另外，在停止前處理中，如上所述，還執(zhí)行圖21所示的停止前處理供水流程。
[0171]而且，在停止前處理中，時刻t401后，圖23中由粗點線表示的燃料供給量以及由細實線表示的重整用水供給量下降。另一方面，由粗點劃線表示的發(fā)電用空氣供給量增加。在停止模式4中，第I溫度下降工序在時刻t401之后，持續(xù)比停止模式3長的10分鐘。
[0172]在時刻t401之后經(jīng)過10分鐘的時刻t402，關機停止電路IlOa執(zhí)行關機停止。進行關機停止時，燃料流量調(diào)節(jié)單元38的燃料供給以及水流量調(diào)節(jié)單元28的供水在短時間內(nèi)停止。另外，還停止由逆變器54從燃料電池模塊2導出電力(輸出電流=O)。
[0173]關機停止電路IlOa在時刻t402的關機停止后，執(zhí)行溫度下降控制中的第2溫度下降工序，使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45以最大輸出工作約2分鐘。而且，在圖23的時刻t403，在使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止后，與停止模式I 一樣自然放置。
[0174]而且，在停止模式4中，在關機停止后經(jīng)過約5小時，燃料電池模塊2內(nèi)的溫度下降至規(guī)定溫度的時刻t404，關機停止電路IlOa使壓力保持控制電路IlOb (圖6)工作。在本實施方式中，燃料電池模塊2內(nèi)的溫度下降至規(guī)定溫度的400°C左右時，燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力也下降，并接近于空氣極側(cè)的壓力。壓力保持控制電路IlOb向水流量調(diào)節(jié)單元28發(fā)送信號，使其工作。通過使水流量調(diào)節(jié)單元28工作，從而向重整器20的蒸發(fā)部20a供水。由于燃料電池模塊2的內(nèi)部在關機停止后經(jīng)過5小時左右的時刻t404，仍然呈400°C左右的溫度，因此供給至蒸發(fā)部20a的水在此蒸發(fā)。另外，在本實施方式中，間歇地進行供水，供水量被設定為I分鐘約lmL，該供水量是比發(fā)電運行中最少的供水量少的值。
[0175]通過在蒸發(fā)部20a內(nèi)使水蒸發(fā)而膨脹，從而從重整器20介由燃料供給管64、分流器66(圖2)直至各燃料電池單電池單元16的燃料氣體通路內(nèi)部的壓力增高。由此，抑制各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力下降，更加切實地防止空氣向燃料極側(cè)逆流。另外，由于重整器20內(nèi)的蒸發(fā)部20a、混合部20b、重整部20c的流路都被蜿蜒地形成，因此即使在蒸發(fā)部20a內(nèi)發(fā)生水的急劇蒸發(fā)時，壓力上升的影響也不容易向下游側(cè)傳遞。由此，可以防止由于發(fā)生急劇的蒸發(fā)，各燃料電池單電池單元16的內(nèi)側(cè)(燃料極側(cè))壓力急劇上升，滯留在內(nèi)部的燃料氣體短時間內(nèi)大量噴出的情況。
[0176]另外，設置在燃料氣體供給管64中途的壓力變動抑制用流路阻力部64c (圖2)以及設置在各燃料電池單電池單元16下端的流入側(cè)流路阻力部即燃料氣體流路細管98也抑制燃料極側(cè)的壓力急劇上升，以使燃料氣體長時間滯留在燃料極側(cè)的方式進行作用。
[0177]壓力保持控制電路IlOb在燃料電池模塊2內(nèi)的溫度下降至氧化下限溫度的圖23的時刻t405，使水流量調(diào)節(jié)單元28停止，之后，燃料電池模塊2被自然放置。
[0178]而且，關機停止電路IlOa在燃料電池模塊2內(nèi)的溫度進一步下降的時刻t406，向重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44及發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送信號，使它們工作。由此，重整器20、燃料氣體供給管64、分流器66等的燃料氣體通路及各燃料電池單電池單元16內(nèi)部的燃料極通過空氣而被凈化。另外，發(fā)電室10內(nèi)的空氣極側(cè)、排氣通路21b及空氣用換熱器22等的排放氣體通路內(nèi)也通過空氣而被凈化。通過對燃料氣體通路及燃料極進行凈化，從而防止殘留在它們內(nèi)部的水蒸氣結(jié)露而燃料氣體通路及燃料極因結(jié)露水而氧化。另夕卜，通過對排放氣體通路內(nèi)進行凈化，從而防止從燃料極排出的水蒸氣在排放氣體通路內(nèi)結(jié)露。另外，通過對發(fā)電室10內(nèi)的空氣極側(cè)進行凈化，從而防止由從燃料極側(cè)排出的燃料氣體引起的還原。
[0179]圖24是說明停止模式4的動作的圖，上段示出模式化表示燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的壓力變化的曲線，中段以時序示出控制部I1的控制動作及燃料電池模塊2內(nèi)的溫度，下段示出各時間點的燃料電池單電池單元16的上端部的狀態(tài)。
[0180]首先，在圖24中段的關機停止前進行發(fā)電運行，當變?yōu)橛沙绦蝾A定的關機停止時刻的10分鐘前時，執(zhí)行溫度下降控制中的第I溫度下降工序。在停止模式4中，由于第I溫度下降工序被執(zhí)行約10分鐘，因此關機停止時的燃料電池模塊2內(nèi)的溫度以及燃料極側(cè)、空氣極側(cè)的壓力比停止模式3時下降。關機停止后，作為溫度下降控制的第2溫度下降工序供給約2分鐘發(fā)電用空氣，使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止。使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止后，與停止模式3 —樣自然放置。在此，在停止模式4中，自然放置開始時(圖
23的時刻t403)的燃料電池模塊2內(nèi)的溫度及燃料極側(cè)、空氣極側(cè)的壓力比停止模式3時更為下降。因此，在燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度之前，空氣進入燃料極側(cè)的風險進一步減少。
[0181]此外，在停止模式4中，在通過自然放置而各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力接近于空氣極側(cè)的壓力時，使壓力保持控制電路IlOb工作，各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力增高。通過壓力保持控制，首先，滯留在分流器66、燃料氣體供給管64(圖2)中的重整后的燃料氣體被一點點送入各燃料電池單電池單元16的燃料極，接下來，殘存在重整器20內(nèi)的未重整的燃料氣體被一點點送入燃料極。而且，未重整的燃料氣體被全部送入后，蒸發(fā)部20a中蒸發(fā)的水蒸氣被一點點送入各燃料電池單電池單元16的燃料極。由于在使壓力保持控制電路IlOb工作時，各燃料電池單電池單元16的燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度附近，因此即使發(fā)生空氣向燃料極側(cè)逆流，其影響也很小。但是，由于執(zhí)行停止模式4的程序停止是被最頻繁地執(zhí)行的停止模式，因此使發(fā)生燃料極氧化的風險進一步降低，使對各燃料電池單電池單元16的氧化影響降低至極限。
[0182]另外，如圖24的上段左側(cè)所示，在停止模式I至3中，各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的壓力在關機停止后下降，當燃料極的溫度下降至氧化抑制溫度附近時，變?yōu)榻咏诳諝鈽O側(cè)的壓力。與此相對，在停止模式4中，如圖24的上段右側(cè)所示，在燃料極側(cè)的壓力和空氣極側(cè)的壓力接近的區(qū)域中，由壓力保持控制電路IlOb執(zhí)行壓力保持控制，更加切實地防止燃料極側(cè)的壓力比空氣極側(cè)更為下降的情況。
[0183]另外，如圖24的下段所示，在第2溫度下降工序結(jié)束后的自然放置中(圖24中段的“自然放置I”)，滯留在各燃料電池單電池單元16的燃料極中的燃料氣體一點點流出，在其末期空氣極側(cè)的空氣有時開始向燃料極側(cè)擴散(圖24下段(I))。但是，其后由于開始壓力保持控制，因此通過蒸發(fā)部20a內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣的壓力，滯留在重整器20下游側(cè)的燃料氣體通路內(nèi)的燃料氣體再次向各燃料電池單電池單元16內(nèi)移動，燃料極內(nèi)的燃料氣體濃度再次上升(圖24下段(2))。由于其后也通過壓力保持控制，在蒸發(fā)部20a內(nèi)產(chǎn)生水蒸氣，因此由滯留在燃料氣體通路內(nèi)的燃料氣體彌補燃料氣體從各燃料電池單電池單元16的燃料極流出的部分，防止空氣向燃料極逆流。而且，在壓力保持控制的末期，如圖24下段
(3)所示，即使滯留的燃料氣體大致全部流出時，也由于各燃料電池單電池單元16的燃料極中充滿通過壓力保持控制而生成的水蒸氣，因此切實地防止空氣向燃料極逆流。
[0184]而且，壓力保持控制結(jié)束后，進行自然放置(圖24中段的“自然放置2”)，其后，供給重整用空氣及發(fā)電用空氣(不進行重整及發(fā)電)，執(zhí)行凈化。由此，使殘留在各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)的燃料氣體及水蒸氣排出，使殘留在發(fā)電室10內(nèi)的空氣極側(cè)的燃料氣體等也從燃料電池模塊2排出。由此，在以最高頻度執(zhí)行的停止模式4中，切實地避免各燃料電池單電池單元16的燃料極氧化。
[0185]根據(jù)本發(fā)明第I實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，在即將關機停止(圖18的時刻t303、圖23的時刻t402)之前，通過執(zhí)行使燃料電池電堆14的燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的溫度下降的停止前處理(圖18的時刻t301?t303、圖23的時刻t401?t402)，從而可以防止空氣從空氣極側(cè)向燃料極側(cè)逆流。通過執(zhí)行停止前處理，使燃料極側(cè)及空氣極側(cè)的溫度下降，它們的溫度相互接近，變?yōu)榻咏鶡釥顟B(tài)。因此，關機停止后，發(fā)生燃料極側(cè)的溫度相對于空氣極側(cè)的溫度急劇下降，燃料極側(cè)的氣體急劇收縮而空氣被吸入燃料極側(cè)的現(xiàn)象的風險降低。由此，在下降至燃料極被氧化的風險降低的氧化抑制溫度(圖18的時刻t305、圖23的時刻t405)之前，將空氣極側(cè)的壓力保持為比大氣壓高，將燃料極側(cè)的壓力保持為比空氣極側(cè)高，成功防止了空氣逆流。
[0186]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，由于在停止前處理中(圖18的時刻t301?t303、圖23的時刻t401?t402)使電力導出量下降(圖19的時刻t301)，因此不僅僅是通過發(fā)電熱量的下降而使溫度下降，還能夠使燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的溫度梯度減少，可以更加切實地防止空氣逆流。
[0187]而且，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，由于在停止前處理中，將下降后的一定的電力導出量保持規(guī)定期間(圖19的時刻t301?t303)，因此也可以通過發(fā)電熱量的下降而使溫度下降，同時可以使燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的溫度梯度減少。另外，通過使電力導出量一定，從而在關機停止時(圖19的時刻t303)，可以將殘留在重整器20及燃料極側(cè)等的燃料、水的量設定于合適量，可以在準備好能夠更加切實地防止燃料極氧化的狀態(tài)的基礎上進行關機停止。
[0188]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，由于在停止前處理中(圖19的時刻t301?t303)，供給比對應于電力的量多的空氣(圖19的點劃線)，因此可以使空氣極側(cè)的溫度快速下降，同時可以使燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的溫度梯度減少，可以更加切實地防止燃料極氧化。
[0189]而且，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，由于在預先預定的時機執(zhí)行的程序停止模式(停止模式4、圖13的步驟S8)中執(zhí)行停止前處理，因此相對于為了對應于智能燃氣表等，而以更高頻度執(zhí)行的關機停止，可切實地防止燃料極氧化。另外，由于程序停止模式的關機停止在預先預定的時機被執(zhí)行，因此即使因執(zhí)行停止前處理而使停止所需的時間延長，對于停止后的維護等也不存在不便。
[0190]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，由于在關機停止(圖23的時刻t402)后，執(zhí)行抑制燃料極側(cè)壓力下降的壓力保持控制(圖23的時刻t404?t405)，因此可以在燃料電池電堆14的溫度下降至氧化抑制溫度之前，更加切實地防止空氣逆流。另外，根據(jù)本實施方式，由于在停止前處理中(圖23的時刻t401?t402)，執(zhí)行供水確保工序(圖21的步驟S12)，因此可以切實地預先準備關機停止后的壓力保持控制所使用的水。
[0191]而且，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，由于壓力保持控制(圖23的時刻t404?t405)所使用的水由排氣生成，因此不設置特別的供水源便能夠執(zhí)行供水確保工序(圖21的步驟S12)。而且，由于在供水確保工序中使排氣的冷卻量增加，因此燃料電池模塊2的排氣側(cè)的溫度下降，由此排氣的體積收縮且壓力下降。由此，可以促進排氣從燃料電池模塊2排出，在停止前處理中使燃料電池模塊2內(nèi)的溫度快速下降。
[0192]另外，在上述的本發(fā)明第I實施方式中，雖然在由使用者操作停止開關時(圖13的步驟S5)，執(zhí)行停止模式3，但是作為變形例，如圖25所示，也可以執(zhí)行停止模式2。圖25是在本發(fā)明變形例的燃料電池裝置中進行停止模式選擇的停止判斷的流程圖。即，在該變形例中，在使燃料氣體停止且僅進行供電時(圖25的步驟S3 — S4)以及由使用者操作停止開關時(圖25的步驟S5 — S4)，執(zhí)行停止模式2。根據(jù)本變形例，由于操作停止開關時，不執(zhí)行停止前處理(第I溫度下降工序)便執(zhí)行關機停止，因此由使用者進行停止開關操作后，可以快速結(jié)束關機停止所涉及的控制。
[0193]另外，在上述的第I實施方式中，雖然選擇停止模式4時，由壓力保持控制電路IlOb執(zhí)行保壓控制，但是通過由燃料/排放氣體通路的構(gòu)成形成的機械性壓力保持部件而使燃料極氧化的風險充分減少時，也可以省略保壓控制。
另外，在上述實施方式中，雖然選擇停止模式3或4時，通過停止前處理(圖19的時刻t301?t303)供給空氣后，連續(xù)開始溫度下降控制(圖19的時刻t303?t304)的空氣供給，但是上述空氣供給也可以不連續(xù)。即，也可以如下構(gòu)成固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)1，在停止前處理結(jié)束后，暫時使發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45停止，其后，作為溫度下降控制再次開始空氣供給。
[0194]下面，參照圖26至圖29，說明本發(fā)明第2實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)。 本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的停止前處理及溫度下降控制的執(zhí)行條件與上述的第I實施方式不同。因而，在此僅說明本發(fā)明第2實施方式與本發(fā)明第I實施方式不同的部分，對于同樣的部分則適用關于第I實施方式的記載，并省略說明。
[0195]圖26是表示本發(fā)明第2實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的框圖。如圖26所示，本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200的構(gòu)成除控制部110內(nèi)置有停止前處理電路110c、溫度下降控制中止電路IlOd以外，與第I實施方式相同。對同樣的構(gòu)成標注相同的符號并省略說明。另外，以下對圖26未示出的構(gòu)成也標注與第I實施方式相同的符號而進行說明。
[0196]在本發(fā)明第2實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200中，通過圖13所示的流程圖來選擇停止模式I至4方面與第I實施方式相同。在本實施方式中，停止模式2至4中執(zhí)行的停止前處理及溫度下降控制的執(zhí)行形式與上述的實施方式不同。另外，在本實施方式中，僅停止電力供給時，為了使固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200安全地停止，也選擇停止模式4。
[0197]下面，參照圖27至圖29，說明在本實施方式的停止模式2至4中執(zhí)行的停止前處理及溫度下降控制(在停止模式2中僅執(zhí)行關機停止后的溫度下降控制)。
圖27是對停止前處理及關機停止后的溫度下降控制的執(zhí)行進行控制的流程圖，該流程圖在固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)的運行中以規(guī)定的時間間隔被執(zhí)行。圖28是表示溫度下降控制中的發(fā)電用空氣供給量的修正系數(shù)的圖。圖29是各停止模式、溫度區(qū)域中的停止前處理及溫度下降控制的執(zhí)行條件表。
[0198]在本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200中，根據(jù)由溫度檢測傳感器即發(fā)電室溫度傳感器142檢測出的燃料電池電堆14的溫度，變更停止前處理及溫度下降控制的執(zhí)行形式。另外，在本實施方式中，根據(jù)電壓檢測傳感器即電力狀態(tài)檢測傳感器126的檢測電壓，中止執(zhí)行中的溫度下降控制。
[0199]首先，在固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200的發(fā)電運行中，控制部110控制燃料電池模塊2，生成所要求的電力，同時使燃料電池電堆14的溫度進入規(guī)定的發(fā)電溫度范圍即合適溫度區(qū)域內(nèi)。另外，在本實施方式中，燃料電池電堆14的合適溫度區(qū)域為620°C?680°C，以該溫度區(qū)域為目標控制燃料電池電堆14的溫度。
[0200]在發(fā)電運行中執(zhí)行圖27的流程圖，在步驟S21中，判斷有無針對控制部110的運行停止指示。執(zhí)行停止模式2時，燃料氣體的供給停止符合運行停止指示。執(zhí)行停止模式3時，操作停止開關(未圖示)符合運行停止指示。另外，執(zhí)行停止模式4時，規(guī)定的程序停止的執(zhí)行時機的來臨符合運行停止指示。另外，通過停止向固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200供給電力來執(zhí)行停止模式4時，電力的供給停止符合運行停止指示。此時，控制部110、發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45等在電力供給停止之后，通過燃料電池模塊2自身生成的電力而工作。
[0201]沒有運行停止指示時，結(jié)束圖27的流程圖的I次處理，有運行停止指示時則進入步驟S22。
在步驟S22中，判斷由發(fā)電室溫度傳感器142檢測出的燃料電池電堆14的溫度是否處于合適溫度區(qū)域。處于合適溫度區(qū)域內(nèi)時則進入步驟S28，處于合適溫度區(qū)域外時則進入步驟 S23。
[0202]在步驟S23中，判斷燃料電池電堆14的溫度是否比合適溫度區(qū)域高。比合適溫度區(qū)域高時則進入步驟S25，比合適溫度區(qū)域低時則進入步驟S24。
[0203]在步驟S24中，通過內(nèi)置在控制部110中的關機停止電路I 1a (圖26)，執(zhí)行使燃料供給、供水、發(fā)電用空氣供給及電力導出在短時間內(nèi)停止的關機停止。關機停止后，燃料電池模塊2被自然放置。即，燃料電池電堆14的溫度比合適溫度區(qū)域的下限溫度低時，無論選擇停止模式2至4的哪一個時，都不執(zhí)行停止前處理電路IlOc (圖26)的停止前處理以及關機停止電路110a(圖26)的溫度下降控制(參照圖29的“低溫溫度區(qū)域”)。另外，選擇停止模式4時，在圖27的流程圖的處理結(jié)束后，由壓力保持控制電路IlOb執(zhí)行保壓控制(對應于第I實施方式中的圖23的t404?t405)。
[0204]如此，在比合適溫度區(qū)域的下限溫度低時，不需要利用停止前處理進行燃料電池電堆14的溫度下降，即使直接自然放置時，也能夠充分避免燃料極氧化的風險。另外，由于在比合適溫度區(qū)域的下限溫度低時，即將關機停止之前的發(fā)電電力較少，因此即將關機停止之前的燃料供給量也較少，殘留在燃料電池電堆14的燃料極側(cè)、重整器20內(nèi)部的燃料也比較少。因此，關機停止后，從燃料電池電堆14的燃料極側(cè)向空氣極側(cè)流出的燃料量比較少，即便不執(zhí)行關機停止后的溫度下降控制，空氣極也不會因流出的燃料而被部分還原。另夕卜，在殘留在燃料極側(cè)、重整器20內(nèi)的燃料較少的狀態(tài)下，通過溫度下降控制向燃料電池模塊2內(nèi)供給空氣時，空氣從空氣極側(cè)向燃料極側(cè)逆流，燃料極被氧化的風險變高。在本實施方式中，不執(zhí)行關機停止后的溫度下降控制，由此避免該風險。
[0205]另一方面，在圖27的步驟S22中，判斷為燃料電池電堆14的溫度處于合適溫度區(qū)域內(nèi)時，進入步驟S28,在步驟S28中，通過關機停止電路IlOa執(zhí)彳丁關機停止。該關機停止與步驟S24 —樣。
之后，在步驟S29中，由關機停止電路IlOa執(zhí)行溫度下降控制。S卩，當燃料電池電堆14的溫度處于合適溫度區(qū)域內(nèi)時，即使選擇停止模式3或4時，也不執(zhí)行停止前處理電路IlOc的停止前處理，而僅由關機停止電路IlOa執(zhí)行溫度下降控制(參照圖29的“合適溫度區(qū)域”)。如此，在合適溫度區(qū)域內(nèi)時，不需要利用停止前處理進行燃料電池電堆14的溫度下降，僅通過規(guī)定期間的溫度下降控制，便能夠充分避免燃料極氧化的風險。
[0206]另外，溫度下降控制的最長執(zhí)行期間是在溫度下降控制開始時的燃料電池電堆14的溫度的基礎上乘以修正系數(shù)而確定的。如圖28所示，修正系數(shù)被設定為，溫度下降控制開始時的燃料電池電堆14的溫度較高時，與較低時相比關機停止后的溫度下降控制的執(zhí)行時間變長。即，根據(jù)發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度來執(zhí)行溫度下降控制。在本實施方式中，成為基準的溫度下降控制執(zhí)行期間為2分鐘，空氣供給量為15L/min。另外，燃料電池電堆14的溫度為660?680°C時，作為溫度下降控制執(zhí)行期間則設定在基準的溫度下降控制執(zhí)行期間上乘以1.5的3分鐘，其為640?659°C時作為溫度下降控制執(zhí)行期間則設定乘以1.25的2分30秒，其為620?639°C時作為溫度下降控制執(zhí)行期間則設定2分鐘。如此，當發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度較低時，與較高時相比，抑制溫度下降控制中的排氣，檢測溫度較低時，與較高時相比，溫度下降控制中供給的空氣總量變少。另外，作為變形例，也可以利用修正系數(shù)對溫度下降控制中的空氣供給量進行修正，在檢測溫度較高時，與較低時相比，使空氣供給量增加。另外，也可以利用修正系數(shù)對溫度下降控制執(zhí)行期間及空氣供給量雙方進行修正。
[0207]而且，在步驟S29中開始溫度下降控制時，內(nèi)置在控制部110中的溫度下降控制中止電路IlOd(圖26)開始監(jiān)控溫度下降控制執(zhí)行期間中的燃料電池模塊2的輸出電壓。即，溫度下降控制中止電路IlOd監(jiān)控由電力狀態(tài)檢測傳感器126檢測的燃料電池模塊2的輸出電壓的下降。另外，由于在開始溫度下降控制的關機停止之后，停止從燃料電池模塊2導出電力，因此由電力狀態(tài)檢測傳感器126檢測出的電壓是輸出電流為零的狀態(tài)下的輸出電壓。
[0208]之后，在步驟S30中，判斷溫度下降控制開始后(關機停止后)是否已經(jīng)過溫度下降控制執(zhí)行期間，或者由溫度下降控制中止電路IlOd監(jiān)控的輸出電壓是否已滿足規(guī)定的停止條件。當哪一個條件都未被滿足時則持續(xù)溫度下降控制。由此，在溫度下降控制執(zhí)行期間中滿足停止條件時，則溫度下降控制被執(zhí)行到該時間點為止，在溫度下降控制執(zhí)行期間中未滿足停止條件時，則溫度下降控制被執(zhí)行到經(jīng)過溫度下降控制執(zhí)行期間為止。溫度下降控制結(jié)束后，燃料電池模塊2被自然放置。另外，選擇停止模式4時，在圖27的流程圖的處理結(jié)束后，由壓力保持控制電路IlOb執(zhí)行保壓控制(對應于第I實施方式中的圖23的 t404 ?t405) ο
[0209]在本實施方式中，串聯(lián)連接的160根燃料電池單電池單元16被收容在燃料電池模塊內(nèi)。向各燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)、空氣極側(cè)分別供給足夠的燃料氣體(氫)及空氣(氧)時，在未導出電力的狀態(tài)下，燃料電池模塊2的輸出電壓為約160V。關機停止后，由于發(fā)生空氣從空氣極側(cè)向燃料極側(cè)逆流時，燃料極側(cè)的氫氣分壓下降，因此燃料電池模塊2的輸出電壓急劇下降。溫度下降控制中止電路IlOd監(jiān)控該未導出電力的狀態(tài)下的燃料電池模塊2的輸出電壓(OCV)的下降，在發(fā)生輸出電壓下降時立即中止關機停止電路IlOa的溫度下降控制。由此，通過停止向燃料電池模塊2內(nèi)供給空氣，使空氣極側(cè)的壓力下降，從而抑制空氣逆流。
[0210]在本實施方式中，溫度下降控制中止電路IlOd在相對于基準電壓160V，電力狀態(tài)檢測傳感器126的檢測電壓(OCV)下降40V而變?yōu)?20V以下時，作為已滿足停止條件而中止溫度下降控制。另外，基準電壓是根據(jù)燃料電池模塊的構(gòu)成而預先設定的規(guī)定電壓。另夕卜，作為變形例，也可以在檢測電壓從基準電壓下降規(guī)定比率時，中止溫度下降控制。例如，可以如下構(gòu)成本發(fā)明，相對于基準電壓160V，在該電壓下降25%的120V中止溫度下降控制?；蛘?，也可以如下構(gòu)成本發(fā)明，在代替基準電壓，而從關機停止時的檢測電壓下降規(guī)定量(例如40V)時，或者從關機停止時的檢測電壓下降規(guī)定比率(例如25%)時，中止溫度下降控制。而且，也可以在檢測電壓每單位時間下降規(guī)定量以上時，中止溫度下降控制。例如，也可以如下構(gòu)成本發(fā)明，當檢測電壓以5V/sec以上的比率下降時，中止溫度下降控制。
[0211]另一方面，在圖27的步驟S23中，當判斷為燃料電池電堆14的溫度比關機溫度即合適溫度區(qū)域的上限溫度高時，進入步驟S25。在步驟S25中，判斷所選擇的停止模式是否是停止模式2。為停止模式2時則進入步驟S28，為停止模式3或4時則進入步驟S26。在步驟S26中，通過停止前處理電路IlOc執(zhí)行停止前處理。如此，當選擇停止模式3或4，而燃料電池電堆14的溫度比合適溫度區(qū)域的上限溫度(關機溫度)高時，在執(zhí)行停止前處理后，執(zhí)行關機停止(步驟S28)，其后，執(zhí)行溫度下降控制(步驟S29、S30)(參照圖29的“高溫溫度區(qū)域”)。另一方面，當燃料電池電堆14的溫度比關機溫度低時，不執(zhí)行停止前處理(步驟 S22 — S28 及步驟 S23 — S24)。
[0212]另外，由于在停止模式2時已停止供給燃料氣體，因此不可能執(zhí)行停止前處理，不進行停止前處理便執(zhí)行溫度下降控制(步驟S29、S30)。溫度下降控制結(jié)束后，燃料電池模塊2被自然放置。另外，選擇停止模式4時，在圖27的流程圖的處理結(jié)束后，由壓力保持控制電路IlOb執(zhí)行保壓控制(對應于第I實施方式中的圖23的t404?t405)。
[0213]在停止前處理中，針對燃料電池模塊2的燃料供給量、供水量以及來自燃料電池模塊2的電力導出量比發(fā)電運行中下降。另一方面，空氣供給量比與從燃料電池模塊2導出的電力相應的量多，增加至發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45的供給能力的最大值。通過該停止前處理，使燃料電池電堆14的溫度下降。
[0214]之后，在步驟S27中，判斷燃料電池電堆14的溫度是否已下降至合適溫度區(qū)域的上限溫度以下。未下降至合適溫度區(qū)域的上限溫度以下時繼續(xù)停止前處理，已下降至上限溫度(關機溫度)以下時則進入步驟S28，執(zhí)行關機停止。如此，停止前處理持續(xù)到燃料電池電堆14的溫度下降至關機溫度為止。因而，在本實施方式中，根據(jù)運行停止指示時的燃料電池電堆14的溫度執(zhí)行不同的停止前處理，燃料電池電堆14的溫度較低時，與較高時相t匕，停止前處理中的溫度下降量減少。停止前處理結(jié)束后，執(zhí)行關機停止，其后的步驟S29、S30中的溫度下降控制則如上所述。另外，由于在停止前處理中供給有少量的燃料，因此即使長時間執(zhí)行停止前處理，空氣也不會向燃料極側(cè)逆流。通過執(zhí)行停止前處理，燃料電池電堆14的溫度下降至合適溫度區(qū)域，在關機停止時，適量的燃料殘留在燃料電池電堆14的燃料極側(cè)，可以避免燃料極氧化、空氣極還原的風險。
[0215]在本發(fā)明第2實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200中，通過在即將執(zhí)行關機停止(對應于第I實施方式中的圖18的時刻t303、圖23的時刻t402)之前執(zhí)行使燃料電池電堆的溫度下降的停止前處理(對應于第I實施方式中的圖18的時刻t303?t304、圖23的時刻t402?t403)，從而解決了空氣從空氣極側(cè)向燃料極側(cè)逆流的問題。固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200進行高輸出的發(fā)電運行時，燃料電池模塊2的內(nèi)部處于高溫。本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在這種狀態(tài)下執(zhí)行關機停止時，容易發(fā)生空氣向燃料極側(cè)逆流的情況。根據(jù)本實施方式，由于通過執(zhí)行停止前處理，燃料電池電堆14的燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的溫度接近，因此可以防止發(fā)生滯留在燃料極側(cè)的燃料氣體通過溫度下降而收縮，空氣被卷入燃料極側(cè)的現(xiàn)象，可抑制燃料極氧化。
[0216]而且，固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200進行高輸出的發(fā)電運行時，在關機停止后的燃料極側(cè)的壓力較高的期間內(nèi)，特別大量的燃料從燃料極側(cè)向空氣極側(cè)流出。結(jié)果向空氣極側(cè)流出的燃料有可能與空氣極接觸而使空氣極部分還原、受損。在本實施方式中，由于在關機停止前執(zhí)行停止前處理，因此可以抑制關機停止后向空氣極側(cè)流出的燃料量，可以抑制空氣極還原。而且，在本實施方式中，由于根據(jù)燃料電池電堆14的溫度執(zhí)行不同的停止前處理(圖27的步驟S26、S27及圖29)，因此能夠以合適的溫度執(zhí)行關機停止(圖27的步驟S28)，可抑制因關機停止后的燃料極側(cè)和空氣極側(cè)的溫度平衡的崩潰而發(fā)生燃料極氧化或空氣極還原的風險。
[0217]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于在停止前處理中，使燃料供給量及電力導出量下降(對應于第I實施方式中的圖19的時刻t301?t303)，因此能夠使燃料電池電堆14的溫度下降，同時能夠減少關機停止后(對應于第I實施方式中的圖19的時刻t303)殘留在燃料電池電堆14的燃料極側(cè)的燃料量，可以更加切實地抑制空氣極還原。
[0218]而且，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于在停止前處理中使空氣供給量增加(對應于第I實施方式中的圖19的時刻t301?t303)，因此能夠使燃料電池電堆14的溫度下降，同時通過在繼續(xù)進行燃料供給的停止前處理中使空氣供給量增加至最大值，從而可以避免空氣逆流的風險，并使燃料電池電堆14的溫度有效下降。
[0219]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于溫度較高時停止前處理的溫度下降量變多(圖27的步驟S26、S27)，因此可以在下降至合適的溫度(680°C )的狀態(tài)下進行關機停止，可以抑制燃料極氧化的風險及空氣極還原的風險。
[0220]而且，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于關機溫度(680°C )較低時，不執(zhí)行停止前處理(圖27的步驟S22 — S28)，因此可以抑制在過度的低溫下進行關機停止所弓I起的燃料極氧化的風險。
[0221]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于停止前處理(對應于第I實施方式中的圖19的時刻t301?t303)持續(xù)到下降至關機溫度為止(圖27的步驟S26、S27)，因此能夠以合適溫度來執(zhí)行關機停止，通過避免關機停止時的過度的高溫或過度的低溫，從而可以切實地抑制燃料極氧化的風險及空氣極還原的風險。
[0222]而且，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于在發(fā)電運行中，以發(fā)電溫度范圍(圖29的“合適溫度區(qū)域”)為目標來控制燃料電池電堆14的溫度，因此能夠以恰當?shù)臏囟葋韴?zhí)行關機停止。另外，由于燃料電池電堆14的溫度比發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時，執(zhí)行停止前處理(圖29的“高溫溫度區(qū)域”)，因此可以在下降至恰當?shù)臏囟鹊臓顟B(tài)下執(zhí)行關機停止。
[0223]另外，根據(jù)本實施方式的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)200，由于在比發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時(圖29的“高溫溫度區(qū)域”)、處于發(fā)電溫度范圍(圖29的“合適溫度區(qū)域”)內(nèi)時，在關機停止后執(zhí)行排氣控制(對應于第I實施方式中的圖19的時刻t303?t304)，因此可以在關機停止后向燃料電池模塊2外排出殘留在燃料極側(cè)的燃料，可以切實地防止空氣極還原。另外，由于比發(fā)電溫度范圍的下限溫度低時(圖29的“低溫溫度區(qū)域”)不執(zhí)行排氣控制，因此可以抑制燃料電池電堆14的溫度過度下降所引起的燃料極氧化的風險。
【權(quán)利要求】
1.一種固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，是通過使燃料和氧化劑氣體進行反應而生成電力的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有: 燃料電池模塊，具備燃料電池電堆； 燃料供給裝置，向該燃料電池模塊供給燃料； 供水裝置，向所述燃料電池模塊供給水蒸氣重整用水； 氧化劑氣體供給裝置，向所述燃料電池電堆的氧化劑氣體極側(cè)供給氧化劑氣體； 重整器，配置在所述燃料電池模塊內(nèi)，使用從所述供水裝置供給的水，對從所述燃料供給裝置供給的燃料進行水蒸氣重整，向所述燃料電池電堆的燃料極側(cè)供給重整后的燃料； 及控制器，以對所述燃料供給裝置、所述供水裝置及所述氧化劑氣體供給裝置進行控制，同時對從所述燃料電池模塊導出電力進行控制的方式進行編程， 所述控制器具備關機停止電路， 該關機停止電路在所述燃料電池電堆呈氧化溫度以上的狀態(tài)下，執(zhí)行使燃料供給及發(fā)電停止的關機停止， 所述關機停止電路在即將進行所述關機停止之前，執(zhí)行使所述燃料電池電堆的燃料極側(cè)及氧化劑氣體極側(cè)的溫度下降的停止前處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述停止前處理中，使來自所述燃料電池模塊的電力導出量下降。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述停止前處理中，將下降后的一定的電力導出量保持規(guī)定期間后，執(zhí)行所述關機停止。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述停止前處理中，向所述燃料電池電堆供給比對應于所導出的電力的量多的氧化劑氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路構(gòu)成為，執(zhí)行在停止向所述燃料供給裝置供給燃料時執(zhí)行的緊急停止模式的關機停止以及在預先預定的時機執(zhí)行的程序停止模式的關機停止，所述關機停止電路在所述緊急停止模式時不執(zhí)行所述停止前處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路構(gòu)成為，在進行所述關機停止后，通過向所述重整器供水而使水蒸發(fā)，執(zhí)行抑制所述燃料電池電堆的燃料極側(cè)的壓力下降的壓力保持控制，所述關機停止電路在所述停止前處理中，執(zhí)行供水確保工序，確保執(zhí)行所述壓力保持控制所需量的水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，作為所述壓力保持控制所使用的水，利用通過使來自所述燃料電池模塊的排氣冷卻而生成的結(jié)露水，在所述供水確保工序中，所述關機停止電路通過使所述排氣的冷卻量增加而使所述結(jié)露水增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具備溫度檢測傳感器，檢測出所述燃料電池電堆的溫度，所述關機停止電路在所述關機停止前，根據(jù)所述燃料電池電堆的溫度而執(zhí)行不同的停止前處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述停止前處理中，與發(fā)電運行中相比，使所述燃料供給裝置的燃料供給量及來自所述燃料電池模塊的電力導出量下降。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述停止前處理中，使所述氧化劑氣體供給裝置的氧化劑氣體供給量比與從所述燃料電池模塊導出的電力相應的量多，從而使所述燃料電池電堆的溫度下降。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述燃料電池電堆的溫度較高時，與較低時相比，使所述停止前處理的溫度下降量增加。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述溫度檢測傳感器的檢測溫度比規(guī)定的關機溫度低時，不執(zhí)行所述停止前處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路在所述溫度檢測傳感器的檢測溫度比所述關機溫度高時執(zhí)行所述停止前處理，所述停止前處理持續(xù)到所述檢測溫度下降至所述關機溫度為止，其后，執(zhí)行所述關機停止。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在從所述燃料電池模塊導出電力的發(fā)電運行中控制所述燃料供給裝置，使所述燃料電池電堆的溫度處于規(guī)定的發(fā)電溫度范圍內(nèi)，所述停止前處理在所述溫度檢測傳感器的檢測溫度比所述發(fā)電溫度范圍的上限溫度高時被執(zhí)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述關機停止電路構(gòu)成為，在進行所述關機停止后，執(zhí)行溫度下降控制，通過使所述氧化劑氣體供給裝置工作，而排出殘留在所述燃料電池模塊內(nèi)的氧化劑氣體極側(cè)的氣體，當所述檢測溫度比所述發(fā)電溫度范圍的所述上限溫度高時，在執(zhí)行所述停止前處理后，執(zhí)行所述溫度下降控制，當所述檢測溫度處于所述發(fā)電溫度范圍內(nèi)時，不執(zhí)行所述停止前處理便執(zhí)行所述溫度下降控制，當所述檢測溫度比所述發(fā)電溫度范圍的下限溫度低時，不執(zhí)行所述停止前處理及所述溫度下降控制。
【文檔編號】H01M8/06GK104205457SQ201380014038
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月9日
【發(fā)明者】松尾卓哉, 大塚俊治, 土屋勝久, 赤木陽祐, 島津惠美, 小林千尋, 鹽野光伸, 表敷浩二 申請人:Toto株式會社