固体氧化物型燃料电池系统的制作方法
固体氧化物型燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种固体氧化物型燃料电池系统，可以执行关机停止，且还能避免空气极还原。本发明是一种固体氧化物型燃料电池系统(1)，其特征在于，具有燃料电池模块(2)、燃料供给装置(38)、供水装置(28)、氧化剂气体供给装置(45)、重整器(20)以及对燃料供给装置、供水装置、氧化剂气体供给装置及从燃料电池模块导出电力进行控制的控制器(110)，控制器具备关机停止电路(110a)，其在燃料电池电堆呈氧化抑制温度以上的状态下执行关机停止，执行关机停止后，在燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不会发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，排出残留在氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
【专利说明】固体氧化物型燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池系统，尤其涉及通过使对燃料进行水蒸气重整而生成的氢和氧化剂气体进行反应来发电的固体氧化物型燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也称为“SOFC”)是将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂(空气、氧等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。
[0003]在日本国特开2012-3850号公报(专利文献I)中记载有一种固体电解质型燃料电池。在该燃料电池中，使以高温进行动作的燃料电池停止时，继续供给少量的燃料及燃料重整用水，并向燃料电池电堆的空气极侧供给空气，利用该空气的冷却效果使燃料电池模块内的温度下降。即，在该燃料电池中，首先在停止工序中，在停止从燃料电池模块导出电力后也继续供给燃料，并通过大量输送冷却用空气来冷却燃料电池电堆。接下来，在使电堆温度下降至小于燃料电池单电池的氧化温度时使燃料供给停止，之后，在温度充分下降之前仅继续供给冷却用空气，使燃料电池安全地停止。
[0004]另外，还已知有一种在停止工序中，使电力导出以及燃料、燃料重整用水及发电用空气(输送至空气极侧的空气)的供给在短时间内完全停止的进行所谓关机停止的燃料电池。
在日本国特开2010-27579号公报(专利文献2)中记载有一种燃料电池系统。在该燃料电池系统中，在紧急停止时使向重整器供给燃料的输出泵、供给水蒸气重整用水的重整水泵、及向电堆的空气极侧输送空气的空气鼓风机停止。其后，通过紧急停止时工作控制使输出泵及重整水泵再次工作时，即使在截断从燃料供给源供给燃料气体的状态下，也向重整器输送吸附器所吸附的燃料气体，通过从重整水泵供给的水，进行水蒸气重整。由此，在截断燃料气体的供给后，也在规定期间内向电堆的燃料极供给重整燃料，防止因空气逆流而引起的燃料极氧化。
[0005]而且，在日本国特开2012-138186号公报(专利文献3)中记载有一种高温工作型燃料电池系统。在该高温工作型燃料电池系统中，在紧急停止时使供给燃料气体的原燃料泵停止，另一方面，使向重整器供水的重整水泵工作。重整水泵工作时，所供给的水通过在重整器内蒸发而发生体积膨胀。因此，即使在截断从燃料供给源供给原燃料气体的状态下，残存在比重整器更靠下游侧的燃料气体供给管线中的燃料气体由于体积膨胀的水蒸气的压力而被压向燃料电池(电堆)侧。由此，防止因空气逆流而引起的燃料极氧化。
[0006]专利文献1:日本国特开2012-3850号公报专利文献2:日本国特开2010-27579号公报
专利文献3:日本国特开2012-138186号公报
[0007]在日本国特开2012-3850号公报(专利文献I)记载的燃料电池中，由于在停止工序中也在燃料电池电堆下降至规定温度之前供给燃料，因此存在未贡献于发电的燃料浪费的问题。另外，在电堆温度充分下降之前停止燃料供给，并供给冷却用空气时，供给至燃料电池单电池的空气极侧的冷却用空气向燃料极侧逆流，逆流的空气使燃料电池单电池的燃料极氧化，会使单电池受损。因此，需要在燃料电池单电池的温度下降至小于氧化温度之前持续供给燃料，防止向燃料电池单电池的空气极侧供给的冷却用空气逆流。另外，虽然工作中的燃料电池电堆的温度在停止工序中下降至小于氧化温度之前的时间还依赖于燃料电池模块的绝热性能等，但是通常达到I小时乃至几小时，在此期间需要持续供给未贡献于发电的燃料。
[0008]另一方面，由于在关机停止中，燃料及燃料重整用水的供给在短时间内被完全停止，因此可以抑制燃料浪费。另外，由于在关机停止中，在燃料电池电堆高温的状态下使燃料供给停止，因此在燃料供给停止的同时，使向燃料电池电堆的空气极侧输送的冷却用空气的供给也停止，避免空气向燃料极侧逆流以及燃料极氧化。
[0009]但是，本申请发明人发现了如下新的技术课题，在进行关机停止时，即使在燃料供给停止时使向燃料电池电堆的空气极侧输送的空气停止，燃料电池单电池的燃料极也发生氧化从而使单电池劣化，这导致单电池受损。
[0010]另一方面，在日本国特开2010-27579号公报(专利文献2)记载的燃料电池系统中，在截断来自燃料供给源的供给后也使输出泵工作，由此在一定期间内向电堆输送吸附器所吸附的燃料气体，可以防止燃料极氧化。但是，在该燃料电池系统中，为了预先贮藏燃料，需要预先特别设置吸附器。另外，在该燃料电池系统中，在截断来自燃料供给源的供给后，还通过输出泵输送所吸附的燃料气体，所供给的燃料气体被依次从电堆的燃料极侧压向空气极侧。但是，由于向空气极侧供给的空气已被停止，因此存在被压向空气极侧的燃料使空气极部分还原，有可能使空气极受损的问题。
[0011]而且，在日本国特开2012-138186号公报(专利文献3)记载的高温工作型燃料电池系统中，在原燃料泵刚刚停止之后使重整水泵工作，利用在重整器内蒸发的水的体积膨胀，将残留的燃料压向电堆侧。因而，在该高温工作型燃料电池系统中，也与专利文献2记载的燃料电池系统一样，存在被压向空气极侧的燃料使空气极部分还原，有可能使空气极受损的问题。
[0012]因而，本发明的目的在于提供一种固体氧化物型燃料电池系统，在执行关机停止并充分抑制燃料电池单电池的燃料极氧化的同时，还能够避免氧化剂气体极(空气极)还原。
【发明内容】
[0013]为了解决上述课题，本发明是一种通过使对燃料进行水蒸气重整而生成的氢和氧化剂气体进行反应而发电的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，具有:燃料电池模块，具备燃料电池电堆；燃料供给装置，向该燃料电池模块供给燃料；供水装置，向燃料电池模块供给水蒸气重整用水；氧化剂气体供给装置，向燃料电池电堆的氧化剂气体极侧供给氧化剂气体；重整器，配置在燃料电池模块内，使用从供水装置供给的水，对从燃料供给装置供给的燃料进行水蒸气重整，向燃料电池电堆的燃料极侧供给重整后的燃料；及控制器，对燃料供给装置、供水装置、氧化剂气体供给装置以及从燃料电池模块导出电力进行控制，控制器具备关机停止电路，其在燃料电池电堆呈氧化抑制温度以上的状态下，执行使燃料供给及发电停止的关机停止，关机停止电路执行关机停止后，在燃料电池电堆的燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，通过使氧化剂气体供给装置工作，而排出残留在燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
[0014]在如此构成的本发明中，燃料及水通过燃料供给装置及供水装置而被分别供给至配置在燃料电池模块内的重整器，重整器对燃料进行水蒸气重整。重整后的燃料被供给至构成燃料电池电堆的各燃料电池单电池单元的燃料极侧。另一方面，氧化剂气体通过氧化剂气体供给装置而被供给至燃料电池电堆的氧化剂气体极侧。控制器具备关机停止电路，对燃料供给装置、供水装置、氧化剂气体供给装置及从燃料电池模块导出电力进行控制。关机停止电路执行关机停止后，在燃料电池电堆的燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，通过使氧化剂气体供给装置工作，而排出残留在燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
[0015]在现有的固体氧化物型燃料电池系统中，进行关停停止时，使燃料供给、燃料重整用水的供给、从燃料电池模块导出电力以及氧化剂气体供给全部同时停止。在现有技术中，在停止燃料及电力导出的同时还停止氧化剂气体供给是因为在电力导出刚刚停止之后的燃料电池电堆温度比氧化温度高的状态下，使燃料停止而仅供给氧化剂气体时，氧化剂气体向燃料电池单电池单元的燃料极侧逆流，有可能使燃料极受损。
[0016]但是，本申请发明人发现了如下新的课题，即便在如此使氧化剂气体的供给同时停止的情况下，有时氧化剂气体也使燃料极氧化。该问题是因为在电力导出停止后，在各燃料电池单电池单元的燃料极侧和氧化剂气体极侧之间产生温度差而引起的。首先，由于停止供给发电用氧化剂气体，因此由氧化剂气体产生的冷却效果消失，各燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧呈现温度上升的倾向。另一方面，由于停止电力导出，因此各燃料电池单电池单元的燃料极侧不再产生发电热量。另外，燃料供给部件停止燃料供给后，残存在重整器等中的燃料也流入各燃料电池单电池单元的燃料极侧。该流入燃料极侧的燃料是在重整器中通过吸热反应即水蒸气重整反应而生成的，通常与燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧的温度相比呈现低温。如此，各燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧在停止燃料供给及电力导出后，温度呈现上升倾向，与此相对，燃料极侧由于发电热量的消失、低温残存燃料的流入而温度呈现下降的倾向。在温度下降的部分中其周围的气体收缩而压力下降，在温度上升的部分中其周围的气体膨胀而压力上升。由于这些现象，各燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧的压力变高，燃料极侧的压力变低，由于该压力差，有时氧化剂气体会从氧化剂气体极侧向燃料极侧逆流。
[0017]本申请发明人通过在执行关机停止后执行温度下降控制，排出残留在燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体，从而解决了该新的技术课题。以往，在通过关机停止而停止燃料供给后，使氧化剂气体供给装置停止，避免因燃料电池电堆的氧化剂气体极侧的压力上升而发生氧化剂气体逆流。在这种关机停止成为技术常识的状况下，本申请发明人发现即使在停止燃料供给后，也在停止后的规定期间内燃料电池电堆的燃料极侧的压力足够高，即使供给氧化剂气体也不会发生逆流。而且，通过在关机停止后向氧化剂气体极侧供给氧化剂气体，可以排出滞留在燃料电池模块内的高温氧化剂气体。由此，由于燃料电池电堆的燃料极侧和氧化剂气体极侧的温度接近，因此可以防止发生滞留在燃料极侧的燃料气体因温度下降而收缩，氧化剂气体从氧化剂气体极侧被卷入燃料极侧的现象。此外，由于通过在关机停止后供给氧化剂气体，氧化剂气体极侧的压力上升而接近于燃料极侧的压力，因此关机停止后从燃料极侧向氧化剂气体极侧流出的燃料量减少。由此，关机停止后，燃料残留在重整器内及燃料极侧的期间变长，可以抑制燃料极氧化。而且，关机停止后，在燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高的期间内，很多燃料从燃料极侧向氧化剂气体极侧流出。在本发明中，由于在该期间内供给氧化剂气体，因此向氧化剂气体极侧流出的燃料与所供给的氧化剂气体一起向燃料电池模块的外部排出。由此，可以防止流出的燃料与空气极接触而使空气极部分还原、受损。
[0018]在本发明中，优选关机停止电路在温度下降控制中，使供水装置停止供水。
根据如此构成的本发明，由于在温度下降控制中停止供水，因此可以防止因温度下降控制中所供给的水蒸发并膨胀而将滞留在燃料极侧的燃料压向氧化剂气体极侧。由此，能够将滞留在燃料极侧的燃料长期间保持在燃料极侧，更加切实地抑制燃料极氧化。
[0019]在本发明中，优选关机停止电路在刚刚关机停止之后执行温度下降控制。
根据如此构成的本发明，由于在刚刚关机停止之后执行温度下降控制，因此能够在燃料极侧的压力最高，且氧化剂气体逆流的风险最少的状态下供给氧化剂气体，可以使燃料电池模块内的温度下降。
[0020]在本发明中，优选构成燃料电池电堆的各燃料电池单电池单元分别在内侧设置有燃料极，在外侧设置有氧化剂气体极，在各燃料电池单电池单元的端部设置有加速部，提高从燃料极侧向氧化剂气体极侧喷出的燃料的流速。
[0021]根据如此构成的本发明，由于在各燃料电池单电池单元的端部设置有加速部，因此从各燃料电池单电池单元内侧的燃料极的端部喷出的燃料以远离氧化剂气体极的方式而被加速。由此，可以切实地防止从燃料极喷出的燃料与氧化剂气体极接触而使氧化剂气体极部分还原、受损。
[0022]在本发明中，优选加速部由使燃料流过的流路截面积变窄的收缩流路构成。
根据如此构成的本发明，由于加速部由设置在各燃料电池单电池单元端部的收缩流路构成，因此可以通过简单的构成防止因还原而导致氧化剂气体极受损。此外，通过设置收缩流路，可以在关机停止后使从燃料极侧流出的燃料减少，由此，可以将滞留在燃料极侧的燃料长期间留在燃料极侧。因此，可以进一步减少氧化剂气体从氧化剂气体极侧向燃料极侧逆流而燃料极被氧化的风险。
[0023]在本发明中，优选收缩流路构成为，在关机停止后的规定期间内，保持燃料电池电堆的燃料极侧的压力比氧化剂气体极侧的压力高的状态。
根据如此构成的本发明，由于收缩流路构成为，在关机停止后的规定期间内保持燃料极侧的压力较高的状态，因此在温度下降控制结束后，也能防止氧化剂气体向燃料极侧逆流，使燃料极被氧化的风险充分减少。
[0024]在本发明中，优选收缩流路构成为，即使在通过温度下降控制而燃料电池电堆的氧化剂气体极侧的压力上升的状态下，燃料极侧的压力也比氧化剂气体极侧的压力高。
根据如此构成的本发明，由于收缩流路构成为，即使在通过温度下降控制而供给氧化剂气体的状态下，燃料极侧的压力也较高，因此能够以没有氧化剂气体逆流风险的方式执行温度下降控制。
[0025]在本发明中，优选收缩流路构成为，关机停止后的燃料极侧的压力下降比氧化剂气体极侧的压力下降平缓。
根据如此构成的本发明，由于收缩流路构成为，关机停止后的燃料极侧的压力下降比氧化剂气体极侧平缓，因此关机停止后，即使在放置燃料电池模块的情况下，也能够在长期间内保持燃料极侧的压力较高的状态，可以防止氧化剂气体逆流。
[0026]在本发明中，优选还具有电压检测传感器，检测出燃料电池模块的输出电压，控制器具备温度下降控制中止电路，该温度下降控制中止电路在关机停止后未从燃料电池模块导出电力的温度下降控制中，当电压检测传感器的检测电压满足规定的停止条件时中止温度下降控制。
[0027]在如此构成的本发明中，由于具备温度下降控制中止电路，当电压检测传感器的检测电压满足规定的停止条件时中止温度下降控制，因此能够正确地检测到氧化剂气体的逆流，可以立即中止氧化剂气体的供给。
[0028]另外，温度下降控制中止电路即便在检测到发生氧化剂气体逆流后，也在立即停止氧化剂气体供给时，通过停止供给而使氧化剂气体极侧的压力下降，燃料极侧的压力相对变高。因此，在燃料极侧的氧化剂气体进入的部分中再次被残留在燃料极侧的燃料充满。由此，即使因氧化剂气体进入而使燃料极的一部分氧化，也通过在燃料极的温度较高的状态下使燃料充满燃料极侧，从而燃料极被氧化的部分通过燃料而被再次还原，可以充分抑制劣化或损伤。
[0029]在本发明中，优选关机停止电路构成为在关机停止后，在预先规定的温度下降控制执行期间内执行温度下降控制，温度下降控制中止电路在温度下降控制执行期间中，当检测电压满足停止条件时中止温度下降控制。
[0030]根据如此构成的本发明，由于检测电压满足停止条件时中止温度下降控制，因此可以在氧化剂气体开始向燃料极侧逆流时立即中止温度下降控制。由此，即使在将温度下降控制执行期间设定为足够长的时间时，也能够切实地避免燃料极氧化的风险。
[0031 ] 在本发明中，优选关机停止电路在关机停止时的燃料电池电堆的温度为规定温度以下时，不执行温度下降控制。
[0032]根据如此构成的本发明，由于燃料电池电堆温度为规定温度以下时不执行温度下降控制，因此在温度较低且从燃料电池电堆喷出的燃料量较少的状态下不进行温度下降控制。因此，可以避免在温度下降控制的必要性较小的状态下供给氧化剂气体而使燃料极氧化的风险。
[0033]在本发明中，优选还具有温度检测传感器，检测出燃料电池电堆的温度，关机停止电路在关机停止后，根据温度检测传感器的检测温度执行温度下降控制。
[0034]根据如此构成的本发明，由于在关机停止后根据温度检测传感器的检测温度执行供给氧化剂气体的温度下降控制，因此可以根据关机停止前的运行状况恰当地对燃料电池模块内的气体进行排气，可以充分抑制燃料极氧化及氧化剂气体极还原。
[0035]在本发明中，优选关机停止电路在温度检测传感器的检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使关机停止后的温度下降控制中供给的氧化剂气体的总量减少，或者，在温度检测传感器的检测温度为规定温度以下时不执行温度下降控制。
[0036]通常，燃料电池电堆的温度较低时，估计是在关机停止前的一定期间内，固体氧化物型燃料电池系统正以低输出进行运行。由于在这种情况下，发电运行中供给的燃料也较少，因此可以认为在关机停止时残留在燃料电池电堆的燃料极侧的燃料也较少。在这种状态下进行过度的温度下降控制时，氧化剂气体极侧的压力相对于燃料极侧的压力变得过高，引起逆流的可能性较高。根据如上构成的本发明，由于在检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使温度下降控制中所供给的氧化剂气体的总量减少，因此可以切实地避免在残留在燃料极侧的燃料较少的状态下送入大量氧化剂气体而氧化剂气体逆流的风险。另夕卜，根据如上构成的本发明，由于在检测温度为规定温度以下时不执行温度下降控制，因此可以切实地避免氧化剂气体逆流的风险。
[0037]在本发明中，优选控制器具有停止前处理电路，该停止前处理电路在燃料电池电堆的温度比规定的关机温度高时，在关机停止前执行使氧化剂气体供给装置的氧化剂气体供给量增加的停止前处理，使燃料电池电堆的温度下降，在关机停止后，执行温度下降控制。
[0038]根据如此构成的本发明，由于在比关机温度高时，执行使温度下降的停止前处理，因此可以在关机停止时，避免在燃料电池电堆处于过度的高温，或在燃料极侧残留有过度燃料的状态下进行关机停止，可以减少温度下降控制后的燃料极氧化、氧化剂气体极还原的风险。
[0039]在本发明中，优选停止前处理电路在燃料电池电堆的温度下降至关机温度之前持续进行停止前处理，其后，执行关机停止。
[0040]根据如此构成的本发明，由于在下降至关机温度之前持续进行停止前处理，因此可以规定进行关机停止时的温度上限，可以通过其后的温度下降控制而充分抑制燃料极氧化、氧化剂气体极还原。
[0041]根据本发明的固体氧化物型燃料电池系统，在执行关机停止并充分抑制燃料电池单电池的燃料极氧化的同时，还能够避免氧化剂气体极(空气极)还原。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的整体构成图。
图2是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的燃料电池模块的主视剖视图。
图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
图4是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
图5是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的燃料电池电堆的立体图。
图6是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的框图。
图7是本发明第I实施方式的燃料电池装置的重整器的立体图。
图8是拆下本发明第I实施方式的燃料电池装置的重整器的顶板以示出重整器内部的立体图。
图9是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的重整器内部的燃料流向的俯视剖视图。
图10是表示收纳在本发明第I实施方式的燃料电池装置的壳体内的金属制箱体及空气用换热器的立体图。
图11是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的换热器用绝热材料和蒸发部的位置关系的剖视图。
图12是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的起动工序中的燃料等的各供给量以及各部分的温度的一个例子的时间图。
图13是在本发明第I实施方式的燃料电池装置中进行停止模式选择的停止判断的流程图。
图14是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式I时的停止动作的一个例子的时间图。
图15是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式I时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图16是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式2时的停止动作的一个例子的时间图。
图17是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式2时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图18是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式3时的停止动作的一个例子的时间图。
图19是放大表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置的停止模式3中刚刚关机停止之后的时间图。
图20是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式3时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图21是停止前处理中的供水的流程图。
图22是表示停止模式3的变形例的时间图。
图23是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式4时的停止动作的一个例子的时间图。
图24是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式4时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图25是在本发明第I实施方式的燃料电池装置的变形例中进行停止模式选择的停止判断的流程图。
图26是表示本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统的框图。
图27是控制停止前处理及关机停止后的温度下降控制的执行的流程图。
图28是表示温度下降控制中的发电用空气供给量的修正系数的图。
图29是各停止模式、温度区域中的停止前处理及温度下降控制的执行条件表。
图30是以时序模式化表示现有的固体氧化物型燃料电池系统的停止动作的一个例子的时间图。
符号说明
1-固体氧化物型燃料电池系统；2_燃料电池模块；4_辅助设备单元；7_绝热材料(蓄热材料)；8_箱体；8a-连通开口 ；8b-下垂壁；10-发电室；12-燃料电池单电池集合体；14-燃料电池电堆；16-燃料电池单电池单元(固体氧化物型燃料电池单电池)；18-燃烧室(燃烧部)；20-重整器；20a-蒸发部(蒸发室)；20b-混合部(压力变动吸收部件)；20c-重整部；20d-蒸发/混合部隔离壁；20e-隔离壁开口 ；20f-混合/重整部隔离壁(压力变动吸收部件)；20g-连通孔(狭小流路)；21_整流板(隔离壁)；21a-开口部；21b-排气通路；21c-气体滞留空间；21d-竖壁；22-空气用换热器(换热器)；23_蒸发室用绝热材料(内部绝热材料)；24-供水源；26-纯水箱；28-水流量调节单元(供水装置)；30-燃料供给源；38-燃料流量调节单元(燃料供给装置)；39_阀；40_空气供给源；44_重整用空气流量调节单元(重整用氧化剂气体供给装置)；45_发电用空气流量调节单元(发电用氧化剂气体供给装置)；46_第I加热器；48-第2加热器；50-温水制造装置(排热回收用换热器)；52-控制箱；54_逆变器；62_重整器导入管(水导入管、预热部、结露部)；62a-T字管(结露部)；63a-供水用配管；63b-燃料气体供给用配管；64_燃料气体供给管；64c_压力变动抑制用流路阻力部；66_分流器(分散室)；74_空气导入管；76a-吹出口 ；82_排放气体排出管；83_点火装置；84_燃料电池单电池；85_排气阀；86_内侧电极端子(端帽)；98_燃料气体流路细管(流入侧流路阻力部、流出侧流路阻力部、收缩流路、加速部)；110_控制部(控制器)；110a-关机停止电路；110b-压力保持控制电路；110c-停止前处理电路；110d_温度下降控制中止电路；112_操作装置；114_显示装置；116_警报装置；126_电力状态检测传感器(电压检测传感器)；132_燃料流量传感器(燃料供给量检测传感器)；138_压力传感器(重整器压力传感器)；142-发电室温度传感器(温度检测传感器)；148_重整器温度传感器；150_外气温度传感器。
【具体实施方式】
[0043]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)。
图1是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的整体构成图。如该图1所示，本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)I具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
[0044]燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6内部隔着绝热材料7内置有金属制箱体8。在该密闭空间的箱体8的下方部分即发电室10内，配置有利用燃料和氧化剂气体(空气)进行发电反应的燃料电池单电池集合体12。该燃料电池单电池集合体12具备10个燃料电池电堆14 (参照图5)，该燃料电池电堆14由16根燃料电池单电池单元16 (参照图4)构成。如此，燃料电池单电池集合体12具有160根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0045]在燃料电池模块2的箱体8的上述发电室10的上方形成有燃烧部即燃烧室18，发电反应中未使用的残余的燃料和残余的氧化剂(空气)在该燃烧室18内燃烧，生成排放气体。而且，箱体8被绝热材料7覆盖，抑制燃料电池模块2内部的热量向外气散放。
另外，在该燃烧室18的上方配置有对燃料进行重整的重整器20，利用前述残余气体的燃烧热量将重整器20加热为可进行重整反应的温度。而且，在该重整器20的上方配置有换热器即空气用换热器22，通过残余气体的燃烧气体加热发电用空气，对发电用空气进行预热。
[0046]接下来，辅助设备单元4具备:纯水箱26，贮存使来自燃料电池模块2的排气中含有的水分结露后的水并通过过滤器使其成为纯水；及水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该贮水箱供给的水的流量。辅助设备单元4还具备:气体截止阀32，截断从城市煤气等的燃料供给源30供给的燃料；脱硫器36，用于从燃料气体除去硫；燃料流量调节单元38(由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节燃料气体的流量；及阀39，在失去电源时，截断从燃料流量调节单元38流出的燃料气体。辅助设备单元4还具备:电磁阀42,截断从空气供给源40供给的氧化剂气体即空气；重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)，调节空气的流量;第I加热器46，力口热向重整器20供给的重整用空气；及第2加热器48，加热向发电室供给的发电用空气。上述第I加热器46和第2加热器48是为了高效地进行起动时的升温而设置的，但是也可以省略。
[0047]接下来，在燃料电池模块2上连接有温水制造装置50，其被供给排放气体。该温水制造装置50被供给来自供水源24的自来水，该自来水由于排放气体的热量而成为温水，并被供给至未图示的外部供热水器的贮热水箱。
另外，在燃料电池模块2上安装有控制箱52，其用于控制燃料气体的供给量等。
而且，在燃料电池模块2上连接有电力导出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块发出的电力。
[0048]下面，根据图2及图3，说明本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池模块的内部结构。图2是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池模块的主视剖视图，图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
如图2及图3所示，在燃料电池模块2的壳体6的箱体8内，如上所述，从下方依次配置有燃料电池单电池集合体12、重整器20、空气用换热器22。
[0049]重整器20在其上游端侧的端部侧面安装有重整器导入管62，用于导入纯水、将要重整的燃料气体及重整用空气。
重整器导入管62是从重整器20 —端的侧壁面延伸的圆管，以90°弯曲而沿大致铅垂方向延伸，贯穿箱体8的上端面。另外，重整器导入管62作为向重整器20导入水的水导入管而发挥作用。另外，在重整器导入管62的上端连接有T字管62a，在该T字管62a的沿大致水平方向延伸的管两侧的端部上分别连接有用于供给燃料气体及纯水的配管。供水用配管63a从T字管62a的一个侧端向斜上方延伸。燃料气体供给用配管63b从T字管62a的另一个侧端沿水平方向延伸后，弯曲为U字形，朝向与供水用配管63a相同的方向，沿大致水平延伸。
[0050]另一方面，在重整器20的内部，从上游侧依次形成有蒸发部20a、混合部20b、重整部20c，在该重整部20c内填充有重整催化剂。导入该重整器20的混合有水蒸气(纯水)的燃料气体及空气通过填充在重整器20内的重整催化剂而被重整。作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予钌的物质。
[0051]在该重整器20的下游端侧连接有燃料气体供给管64，该燃料气体供给管64向下方延伸，进而在形成于燃料电池单电池集合体12下方的分流器66内水平延伸。在燃料气体供给管64的水平部64a的下方面形成有多个燃料供给孔64b，从该燃料供给孔64b向分流器66内供给重整后的燃料气体。另外，在燃料气体供给管64的铅垂部的中途，设置有使流路变窄的压力变动抑制用流路阻力部64c，调节燃料气体的供给流量的流路阻力。对于流路阻力的调节在后面进行说明。
[0052]在该分流器66的上方安装有用于支撑上述燃料电池电堆14的具备贯穿孔的下支撑板68，分流器66内的燃料气体被供给至燃料电池单电池单元16内。
[0053]另一方面，在重整器20的上方设置有空气用换热器22。
另外，如图2所示，用于使燃料气体和空气开始燃烧的点火装置83设置于燃烧室18。
[0054]下面，根据图4对燃料电池单电池单元16进行说明。图4是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
如图4所示，燃料电池单电池单元16具备燃料电池单电池84和分别连接在该燃料电池单电池84两端部的端帽即内侧电极端子86。
燃料电池单电池84是在上下方向上延伸的管状结构体，具备在内部形成燃料气体流路88的圆筒形内侧电极层90、圆筒形外侧电极层92、位于内侧电极层90和外侧电极层92之间的电解质层94。该内侧电极层90是燃料气体流过的燃料极，为(-)极，另一方面，外侧电极层92是与空气接触的空气极，为(+)极。
[0055]由于安装在燃料电池单电池84的上端侧和下端侧的内侧电极端子86呈相同结构，所以在此具体地说明安装于上端侧的内侧电极端子86。内侧电极层90的上部90a具备相对于电解质层94和外侧电极层92露出的外周面90b和上端面90c。内侧电极端子86隔着导电性密封材料96与内侧电极层90的外周面90b连接，而且，通过与内侧电极层90的上端面90c直接接触而与内侧电极层90电连接。在内侧电极端子86的中心部形成有与内侧电极层90的燃料气体流路88连通的燃料气体流路细管98。
[0056]该燃料气体流路细管98是被设置为从内侧电极端子86的中心向燃料电池单电池84的轴线方向延伸的细长的细管。因此，在从分流器66 (图2)经由下侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98而流入燃料气体流路88的燃料气体的流动中产生规定的压损。因而，下侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98作为流入侧流路阻力部而发挥作用，其流路阻力被设定为规定值。另外，在从燃料气体流路88经由上侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98而向燃烧室18(图2)流出的燃料气体的流动中也产生规定的压损。因而，上侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98作为流出侧流路阻力部而发挥作用，其流路阻力被设定为规定值。
[0057]内侧电极层90例如可以由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。
[0058]电解质层94例如可以由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化错、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铺、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
[0059]外侧电极层92例如可以由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr、Co、N1、Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、N1、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
[0060]下面，根据图5对燃料电池电堆14进行说明。图5是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。
如图5所示，燃料电池电堆14具备16根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16被配置为各8根排成2排。各燃料电池单电池单元16的下端侧被陶瓷制长方形下支撑板68 (图2)支撑，上端侧的两端部的燃料电池单电池单元16的各4根被大致正方形的2张上支撑板100支撑。在上述下支撑板68及上支撑板100上分别形成有内侧电极端子86可贯穿的贯穿孔。
[0061]而且，在燃料电池单电池单元16上安装有集电体102及外部端子104。该集电体102以连接燃料极用连接部102a和空气极用连接部102b方式而一体地形成，其中，该燃料极用连接部102a与安装于燃料极即内侧电极层90的内侧电极端子86电连接，该空气极用连接部102b与空气极即外侧电极层92的外周面电连接。另外，在各燃料电池单电池单元16的外侧电极层92(空气极)的外表面整体上，作为空气极侧的电极而形成有银制薄膜。空气极用连接部102b与该薄膜表面接触，由此集电体102与空气极整体电连接。
[0062]而且，在位于燃料电池电堆14 一端(图5中左端的里侧)的燃料电池单电池单元16的空气极86上分别连接有2个外部端子104。这些外部端子104与位于邻接的燃料电池电堆14 一端的燃料电池单电池单元16的内侧电极端子86连接，如上所述，160根燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0063]下面，根据图6对安装于本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的传感器类等进行说明。图6是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的框图。
如图6所示，固体氧化物型燃料电池系统I具备控制部110，该控制部110连接有:操作装置112，具备用于使用者操作的“开”、“关”等操作按钮；显示装置114，用于显示发电输出值(瓦数)等的各种数据；及警报装置116，在异常状态时等发出警报(warning)。另外，控制部110中内置有微处理器、存储器及使它们工作的程序(以上未图示)，由此，根据来自各传感器的输入信号，控制辅助设备单元4、逆变器54等。另外，该警报装置116也可以是与位于远距离地点的管理中心连接，向该管理中心通知异常状态的形式。
[0064]接下来，向控制部110输入来自以下说明的各种传感器的信号。
首先，可燃气体检测传感器120是用于检测气体泄漏的元件，安装于燃料电池模块2及辅助设备单元4。
CO检测传感器122是用于检测原本经由排放气体通路80等向外部排出的排放气体中的CO是否泄漏在覆盖燃料电池模块2及辅助设备单元4的外部壳体(未图示)中的元件。
热水贮存状态检测传感器124是用于检测未图示的供热水器中的热水温度、水量等的元件。
[0065]电力状态检测传感器126是用于检测逆变器54及配电板(未图示)的电流及电压等的元件。
发电用空气流量检测传感器128是用于检测向发电室10供给的发电用空气的流量的元件。
重整用空气流量传感器130是用于检测向重整器20供给的重整用空气的流量的元件。 燃料流量传感器132是用于检测向重整器20供给的燃料气体的流量的元件。
[0066]水流量传感器134是用于检测向重整器20供给的纯水的流量的元件。
水位传感器136是用于检测纯水箱26的水位的元件。
压力传感器138是用于检测重整器20的外部上游侧的压力的元件。 排气温度传感器140是用于检测流入温水制造装置50的排放气体的温度的元件。
[0067]如图3所示，发电室温度传感器142设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面侧和背面侧，是用于检测燃料电池电堆14附近的温度，从而推断燃料电池电堆14(即燃料电池单电池84自身)的温度的元件。
燃烧室温度传感器144是用于检测燃烧室18的温度的元件。
排放气体室温度传感器146是用于检测排放气体室78的排放气体的温度的元件。重整器温度传感器148是用于检测重整器20的温度的元件，根据重整器20的入口温度和出口温度计算出重整器20的温度。
外气温度传感器150是当固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)配置在室外时用于检测外气温度的元件。而且，也可以设置测定外气湿度等的传感器。
[0068]来自这些传感器类的信号被发送至控制部110，控制部110根据基于这些信号的数据，向水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44、发电用空气流量调节单元45发送控制信号，以控制这些单元的各流量。
[0069]下面，参照图7至图9说明重整器20的详细构成。
图7是重整器20的立体图，图8是拆下顶板以示出重整器20内部的立体图。图9是表示重整器20内部的燃料流向的俯视剖视图。
[0070]如图7所示，重整器20是长方体状的金属制箱，在内部填充有用于对燃料进行重整的重整催化剂。另外，在重整器20的上游侧连接有重整器导入管62，用于导入水、燃料及重整用空气。而且，在重整器20的下游侧连接有燃料气体供给管64，使在内部重整后的燃料流出。
[0071]如图8所示，在重整器20的内部，在其上游侧设置有蒸发室即蒸发部20a，与该蒸发部20a邻接而在下游侧设置有混合部20b。而且，与混合部20b邻接而在下游侧设置有重整部20c。通过在蒸发部20a的内部配置多个隔板，从而形成有曲折蜿蜒的通路。导入重整器20的水在温度上升的状态下在蒸发部20a内蒸发而成为水蒸气。而且，混合部20b由具有规定容积的腔室构成，在其内部也通过配置多个隔板而形成有曲折蜿蜒的通路。导入重整器20的燃料气体、重整用空气流过混合部20b的曲折的通路并与蒸发部20a中生成的水蒸气混合。
[0072]另一方面，在重整部20c的内部也通过配置多个隔板而形成有曲折的通路，在该通路中填充有催化剂。经由蒸发部20a、混合部20b而导入燃料气体、水蒸气及重整用空气的混合物时，在重整部20c中发生部分氧化重整反应及水蒸气重整反应。而且,导入燃料气体及水蒸气的混合物时，在重整部20c中仅发生水蒸气重整反应。
另外，在本实施方式中，虽然蒸发部、混合部、重整部一体地构成，从而形成I个重整器，但是作为变形例，也可以设置仅具备重整部的重整器，并在其上游侧邻接设置混合部、蒸发室。
[0073]如图8及图9所示，向重整器20的蒸发部20a导入的燃料气体、水及重整用空气沿重整器20的横切方向蜿蜒流动，在此期间所导入的水蒸发而成为水蒸气。在蒸发部20a和混合部20b之间设置有蒸发/混合部隔离壁20d，在该蒸发/混合部隔离壁20d上设置有隔离壁开口 20e。该隔离壁开口 20e是设置在蒸发/混合部隔离壁20d的一侧约一半中的上侧约一半的区域内的长方形开口部。 另外，在混合部20b和重整部20c之间设置有混合/重整部隔离壁20f，在该混合/重整部隔离壁20f上通过设置很多的连通孔20g而形成有狭小流路。在混合部20b内混合的燃料气体等经由这些连通孔20g而流入重整部20c。
[0074]流入重整部20c的燃料等在重整部20c的中央沿长度方向流动后，分支为2个并折返，2个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气体供给管64。燃料流过如此蜿蜒的通路，并通过填充在通路中的催化剂而被重整。另外，在蒸发部20a内有时发生一定量的水短时间内急剧蒸发的暴沸，从而内部压力上升。但是，由于在混合部20b内构成有规定容积的腔室，在混合/重整部隔离壁20f上形成有狭小流路，因此重整部20c不容易受到蒸发部20a内的急剧的压力变动的影响。因而，混合部20b的腔室及混合/重整部隔离壁20f的狭小流路作为压力变动吸收部件而发挥作用。
[0075]下面，再参照图10及图11，同时再次参照图2及图3，详细说明发电氧化剂气体用换热器即空气用换热器22的结构。图10是表示收纳在壳体6内的金属制箱体8及空气用换热器22的立体图。图11是表示蒸发室用绝热材料和蒸发部的位置关系的剖视图。
[0076]如图10所示，空气用换热器22是配置在燃料电池模块2内的箱体8上方的换热器。另外，如图2及图3所示，由于在箱体8的内部形成有燃烧室18，并收纳有多个燃料电池单电池单元16、重整器20等，因此空气用换热器22位于它们的上方。空气用换热器22构成为回收、利用在燃烧室18内燃烧并作为排气而排出的燃烧气体的热量，对被导入燃料电池模块2内的发电用空气进行预热。另外，如图10所示，在箱体8的上面和空气用换热器22的底面之间，以夹在它们之间的方式配置有内部绝热材料即蒸发室用绝热材料23。SP，蒸发室用绝热材料23配置在重整器20和空气用换热器22之间。而且，外侧绝热材料即绝热材料7覆盖图10所示的空气用换热器22及箱体8的外侧(图2)。
[0077]如图2及图3所示，空气用换热器22具有多个燃烧气体配管70和发电用空气流路72。另外，如图2所示，在多个燃烧气体配管70的一个端部上设置有排放气体汇集室78，该排放气体汇集室78与各燃烧气体配管70连通。另外，在排放气体汇集室78上连接有排放气体排出管82。而且，各燃烧气体配管70的另一个端部开放，该开放的端部介由形成在箱体8的上面的连通开口 8a而与箱体8内的燃烧室18连通。
[0078]燃烧气体配管70是朝向水平方向的多个金属制圆管,各圆管各自平行配置。另一方面，发电用空气流路72由各燃烧气体配管70的外侧空间构成。另外，在发电用空气流路72的排放气体排出管82侧的端部上连接有发电用空气导入管74(图10)，燃料电池模块2外部的空气经由发电用空气导入管74而被导入发电用空气流路72。另外，如图10所示，发电用空气导入管74与排放气体排出管82平行地从空气用换热器22向水平方向突出。而且，在发电用空气流路72的另一个端部的两个侧面上连接有一对连接流路76 (图3、图10)，发电用空气流路72和各连接流路76分别介由出口孔76a而连通。
[0079]如图3所示，在箱体8的两个侧面上分别设置有发电用空气供给通路77。设置在空气用换热器22的两个侧面上的各连接流路76分别与设置在箱体8的两个侧面上的发电用空气供给通路77的上部连通。另外，在各发电用空气供给通路77的下部沿水平方向排列设置有很多的吹出口 77a。经由各发电用空气供给通路77而供给的发电用空气从很多的吹出口 77a向燃料电池模块2内的燃料电池电堆14的下部侧面喷射。
[0080]另外，在箱体8内部的顶棚面上安装有隔离壁即整流板21，在该整流板21上设置有开口部21a。
整流板21是水平配置在箱体8的顶棚面和重整器20之间的板材。该整流板21构成为调整从燃烧室18流向上方的气体流向，并引导至空气用换热器22的入口(图2的连通开口 8a)。从燃烧室18流向上方的发电用空气及燃烧气体经由设置在整流板21中央的开口部21a而流入整流板21的上侧，沿整流板21的上面和箱体8的顶棚面之间的排气通路21b流向图2中的左侧方向，并被引导至空气用换热器22的入口。另外，如图11所示，开口部21a被设置在重整器20的重整部20c的上方，经由开口部21a而上升的气体流向与蒸发部20a相反侧的图2、图11中的左侧的排气通路21b。因此，蒸发部20a上方的空间(图
2、图11中的右侧)作为排气流动比重整部20c上方的空间慢且排气流动停滞的气体滞留空间21c而发挥作用。
[0081]另外，在整流板21的开口部21a的边缘沿全周设置有竖壁21d，通过该竖壁21d，从整流板21下侧的空间向整流板21上侧的排气通路21b流入的流路变窄。而且，在使排气通路21b和空气用换热器22连通的连通开口 8a的边缘也沿全周设置有下垂壁Sb (图2)，通过该下垂壁8b，从排气通路21b向空气用换热器22流入的流路变窄。通过设置上述竖壁21d、下垂壁8b，从而调节从燃烧室18经由空气用换热器22直至燃料电池模块2外部的排气通路中的流路阻力。对于流路阻力的调节在后面进行说明。
[0082]蒸发室用绝热材料23是在空气用换热器22的底面上以大致覆盖其整体的方式安装的绝热材料。因而，蒸发室用绝热材料23横跨配置在蒸发部20a整体的上方。该蒸发室用绝热材料23被配置为，抑制形成在整流板21的上面和箱体8的顶棚面之间的排气通路21b及气体滞留空间21c内的高温气体直接加热空气用换热器22的底面。因此，在燃料电池模块2的运行中，从滞留在蒸发部20a上方的排气通路中的排气直接传递给空气用换热器22底面的热量变少，蒸发部20a周围的温度变得容易上升。另外，在燃料电池模块2停止后，由于配置有蒸发室用绝热材料23，从而抑制热量从重整器20散放，即，蒸发部20a周围的热量变得不容易被空气用换热器22夺走，蒸发部20a的温度下降变得平缓。
[0083]另外，与为了抑制热量向外气散失而覆盖燃料电池模块2的箱体8及空气用换热器22整体的外侧绝热材料即绝热材料7不同，蒸发室用绝热材料23是配置在绝热材料7内部的绝热材料。另外，绝热材料7构成为绝热性比蒸发室用绝热材料23高。S卩，绝热材料7的内面和外面之间的热阻比蒸发室用绝热材料23的上面和下面之间的热阻大。S卩，用同一材料构成绝热材料7和蒸发室用绝热材料23时，使绝热材料7构成为比蒸发室用绝热材料23厚。
[0084]下面，说明固体氧化物型燃料电池系统I的发电运行时的燃料、发电用空气及排放气体的流向。
首先，燃料介由燃料气体供给用配管63b、T字管62a、重整器导入管62而被导入重整器20的蒸发部20a，同时纯水介由供水用配管63a、T字管62a、重整器导入管62而被导入蒸发部20a。因而，所供给的燃料及水在T字管62a中合流，经由重整器导入管62而被导入蒸发部20a。由于在发电运行中，蒸发部20a被加热至高温，因此导入蒸发部20a的纯水比较快速地蒸发而成为水蒸气。所蒸发的水蒸气及燃料在混合部20b内混合，流入重整器20的重整部20c。与水蒸气一起被导入重整部20c的燃料在此进行水蒸气重整，被重整为富含氢的燃料气体。在重整部20c中重整后的燃料经由燃料气体供给管64向下方下降，流入分散室即分流器66。
[0085]分流器66是配置在燃料电池电堆14下侧的体积比较大的长方体状的空间，设置在其上面的很多的孔与构成燃料电池电堆14的各燃料电池单电池单元16的内侧连通。导入分流器66的燃料经由设置在其上面的很多的孔，并经由燃料电池单电池单元16的燃料极侧，即燃料电池单电池单元16的内部，从其上端流出。另外，燃料即氢气流过燃料电池单电池单元16的内部时，与流经空气极(氧化剂气体极)即燃料电池单电池单元16外侧的空气中的氧进行反应从而生成电荷。未使用于该发电而残余的残余气体从各燃料电池单电池单元16的上端流出，在设置于燃料电池电堆14上方的燃烧室18内燃烧。
[0086]另一方面，通过发电用氧化剂气体供给装置即发电用空气流量调节单元45，氧化剂气体即发电用空气介由发电用空气导入管74而被送入燃料电池模块2内。被送入燃料电池模块2内的空气介由发电用空气导入管74而被导入空气用换热器22的发电用空气流路72，并被预热。预热后的空气介由各出口孔76a(图3)而向各连接流路76流出。流入各连接流路76的发电用空气经由设置在燃料电池模块2的两个侧面上的发电用空气供给通路77而流向下方，从很多的吹出口 77a朝向燃料电池电堆14而被喷射至发电室10内。
[0087]喷射至发电室10内的空气与燃料电池电堆14的空气极侧(氧化剂气体极侧)即各燃料电池单电池单元16的外侧面接触，空气中的氧的一部分被利用于发电。另外，介由吹出口 77a而向发电室10的下部喷射的空气一边利用于发电一边沿发电室10内上升。沿发电室10内上升的空气使从各燃料电池单电池单元16的上端流出的燃料燃烧。该燃烧所产生的燃烧热量加热配置在燃料电池电堆14上方的重整器20的蒸发部20a、混合部20b及重整部20c。燃料燃烧而生成的燃烧气体在加热上方的重整器20后，经由重整器20上方的开口部21a而流入整流板21的上侧。流入整流板21上侧的燃烧气体经由用整流板21构成的排气通路21b，而被引导至空气用换热器22的入口即连通开口 8a。从连通开口 8a流入空气用换热器22的燃烧气体流入开放的各燃烧气体配管70的端部，与沿各燃烧气体配管70外侧的发电用空气流路72流动的发电用空气之间进行热交换，并汇集至排放气体汇集室78。汇集至排放气体汇集室78的排放气体介由排放气体排出管82而向燃料电池模块2的外部排出。由此，蒸发部20a中的水的蒸发以及重整部20c中的吸热反应即水蒸气重整反应被促进，同时空气用换热器22内的发电用空气被预热。
[0088]下面，再参照图12，说明固体氧化物型燃料电池系统I的起动工序中的控制。
图12是表示起动工序中的燃料等的各供给量以及各部分的温度的一个例子的时间图。另外，图12的纵轴的刻度表示温度，燃料等的各供给量概略示出它们的增减。
[0089]在图12所示的起动工序中，使处于常温状态的燃料电池电堆14的温度上升至可进行发电的温度。
首先，在图12的时刻t0，开始供给发电用空气及重整用空气。具体而言，控制器即控制部110向发电用氧化剂气体供给装置即发电用空气流量调节单元45发送信号，使其工作。如上所述，发电用空气介由发电用空气导入管74而被导入燃料电池模块2内，经由空气用换热器22、发电用空气供给通路77而流入发电室10内。另外，控制部110向重整用氧化剂气体供给装置即重整用空气流量调节单元44发送信号，使其工作。导入燃料电池模块2内的重整用空气经由重整器20、分流器66而流入各燃料电池单电池单元16的内部，并从其上端流出。另外，在时刻t0，由于还未供给燃料，因此在重整器20内不发生重整反应。在本实施方式中，在图12的时刻tO开始的发电用空气的供给量为约100L/min，重整用空气的供给量为约 10.0L/min。
[0090]之后，在距图12的时刻tO规定时间后的时刻tl，开始燃料供给。具体而言，控制部110向燃料供给装置即燃料流量调节单元38发送信号，使其工作。在本实施方式中，在时刻tl开始的燃料供给量为约5.0L/min。导入燃料电池模块2内的燃料经由重整器20、分流器66而流入各燃料电池单电池单元16的内部，并从其上端流出。另外，在时刻tl，由于重整器的温度还处于低温，因此在重整器20内不发生重整反应。
[0091]之后，在距图12的时刻tl经过规定时间后的时刻t2，开始针对所供给的燃料的点火工序。具体而言，在点火工序中，控制部110向点火部件即点火装置83(图2)发送信号，对从各燃料电池单电池单元16的上端流出的燃料进行点火。点火装置83在燃料电池电堆14的上端附近反复产生火花，对从各燃料电池单电池单元16的上端流出的燃料进行点火。
[0092]在图12的时刻t3完成点燃时，开始供给重整用水。具体而言，控制部110向供水装置即水流量调节单元28 (图6)发送信号，使其工作。在本实施方式中，在时刻t3开始的供水量为2.0cc/min。在时刻t3，燃料供给量保持于之前的约5.0L/min。另外，发电用空气及重整用空气的供给量也保持于之前的值。另外，在该时刻t3，重整用空气中的氧O2和燃料中的碳C的比02/C为约0.32。
[0093]在图12的时刻t3点燃后，所供给的燃料作为剩余气体而从各燃料电池单电池单元16的上端流出，并在此燃烧。该燃烧热量加热配置在燃料电池电堆14上方的重整器20。在此，在重整器20的上方(箱体8之上)配置有蒸发室用绝热材料23，由此，在燃料刚刚开始燃烧之后，重整器20的温度从常温急剧上升。由于向配置在蒸发室用绝热材料23之上的空气用换热器22导入外气，因此空气用换热器22尤其在刚刚开始燃烧之后温度较低，容易成为冷却源。在本实施方式中，通过在箱体8的上面和空气用换热器22的底面之间配置有蒸发室用绝热材料23，从而可抑制热量从箱体8内的配置在上部的重整器20向空气用换热器22转移，变得容易在箱体8内的重整器20附近留住热量。此外，由于蒸发部20a上方的整流板21上侧的空间构成为燃烧气体流动变慢的气体滞留空间21c (图2)，因此蒸发部20a附近被双重绝热，温度更加急速地上升。
[0094]如此，通过蒸发部20a的温度急速地上升，从而剩余气体开始燃烧后可在短时间内生成水蒸气。另外，由于向蒸发部20a每次少量地供给重整用水，因此与大量的水贮留在蒸发部20a中的情况相比，可以通过较少的热量将水加热至沸点，可以尽快开始供给水蒸气。而且，由于从水流量调节单元28刚刚开始工作之后便流入水，因此可以避免供水延迟所引起的蒸发部20a的过度温度上升及水蒸气的供给延迟。
[0095]另外，在剩余气体开始燃烧后经过一定程度的时间时，空气用换热器22的温度也通过从燃烧室18流入空气用换热器22的排放气体而上升。对重整器20和空气用换热器22之间进行绝热的蒸发室用绝热材料23是设置在绝热材料7内侧的绝热材料。因而，蒸发室用绝热材料23不是抑制热量从燃料电池模块2散失的绝热材料，而是在剩余气体刚刚开始燃烧之后，使重整器20尤其是其蒸发部20a的温度急速上升。
[0096]如此，在重整器20的温度已上升的时刻t4，经由蒸发部20a而流入重整部20c的燃料和重整用空气发生式(I)所示的部分氧化重整反应。
CniHJxO2 — aC02+bC0+cH2 (I) 由于该部分氧化重整反应是发热反应，因此在重整部20c内发生部分氧化重整反应时，其周围的温度局部地急剧上升。
[0097]另一方面，在本实施方式中，从刚刚确认点燃之后的时刻t3开始供给重整用水，另外，由于构成为蒸发部20a的温度急速上升，因此在时刻t4，已经在蒸发部20a内生成水蒸气，并向重整部20c供给。即，使剩余气体点燃后，从重整部20c的温度达到发生部分氧化重整反应的温度的规定时间之前开始供水，在达到发生部分氧化重整反应的温度时，在蒸发部20a中贮留有规定量的水，并生成有水蒸气。因此，由于发生部分氧化重整反应而导致温度急剧上升时，则发生供给至重整部20c的重整用水蒸气与燃料进行反应的水蒸气重整反应。该水蒸气重整反应是式(2)所示的吸热反应，在比部分氧化重整反应高的温度下发生。
CniHJxH2O — aC02+bC0+cH2 (2)
[0098]如此，到达图12的时刻t4时，在重整部20c内发生部分氧化重整反应，另外，由于发生部分氧化重整反应而引起的温度上升，还同时发生水蒸气重整反应。因而，在时刻t4之后在重整部20c内发生的重整反应是部分氧化重整反应和水蒸气重整反应同时存在的式⑶所示的自热重整反应(ATR)。S卩，在时刻t4开始ATRl工序。
CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2 (3)
[0099]如此，在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，在起动工序的整个期间内进行供水，部分氧化重整反应(POX)不会单独发生。另外，在图12所示的时间图中，时刻t4的重整器温度为约200°C。虽然该重整器温度比发生部分氧化重整反应的温度低，但是由重整器温度传感器148 (图6)检测出的温度为重整部20c的平均温度。实际上即使在时刻t4，重整部20c也局部达到发生部分氧化重整反应的温度，利用所发生的部分氧化重整反应的反应热量，还诱发水蒸气重整反应。如此，在本实施方式中，点燃后，从重整部20c达到发生部分氧化重整反应的温度之前开始供水，部分氧化重整反应不会单独发生。
[0100]之后，当重整器温度传感器148的检测温度达到约500°C以上时，在图12的时刻t5，从ATRl工序转入ATR2工序。在时刻t5，供水量从2.0cc/min变更至3.0cc/min。另外，燃料供给量、重整用空气供给量及发电用空气供给量保持于之前的值。由此，ATR2工序中的水蒸气和碳的比S/C增加至0.64，另一方面，重整用空气和碳的比02/C则保持于0.32。如此，通过将重整用空气和碳的比02/C保持于一定，并使水蒸气和碳的比S/C增加，从而未使可进行部分氧化重整的碳量下降，而使可进行水蒸气重整的碳量增加。由此，切实地避免重整部20c中的碳析出的风险，并可以在重整部20c的温度上升的同时，使水蒸气重整的碳量增加。
[0101]而且，在本实施方式中，在图12的时刻t6，当发电室温度传感器142的检测温度达到约400°C以上时，从ATR2工序转入ATR3工序。与此相伴，燃料供给量从5.0L/min变更至
4.0L/min，重整用空气供给量从9.0L/min变更至6.5L/min。另外，供水量及发电用空气供给量保持于之前的值。由此，ATR3工序中的水蒸气和碳的比S/C增加至0.80，另一方面，重整用空气和碳的比02/C减少至0.29。
[0102]而且，在图12的时刻t7，当发电室温度传感器142的检测温度达到约550°C以上时，则转入SRl工序。与此相伴，燃料供给量从4.0L/min变更至3.0L/min，供水量从3.0cc/min变更至7.0cc/min。另外，停止供给重整用空气，发电用空气供给量保持于之前的值。由此，在SRl工序中，在重整部20c内只发生水蒸气重整，水蒸气和碳的比S/C被设定于为了对所供给的燃料的全部量进行水蒸气重整而恰当的2.49。由于在图12的时刻t7，重整器20、燃料电池电堆14的温度都已充分上升，因此即使在重整部20c内不发生部分氧化重整反应，也可以稳定地发生水蒸气重整反应。
[0103]之后，在图12的时刻t8，当发电室温度传感器142的检测温度达到约600°C以上时，则转入SR2工序。与此相伴，燃料供给量从3.0L/min变更至2.5L/min,供水量从7.0cc/min变更至6.0cc/min。另外,发电用空气供给量保持于之前的值。由此,在SR2工序中，水蒸气和碳的比S/C被设定于2.56。
[0104]而且，在执行SR2工序规定时间后，转入发电工序。在发电工序中，从燃料电池电堆14向逆变器54(图6)导出电力，开始发电。另外，在发电工序中，在重整部20c中只通过水蒸气重整对燃料进行重整。另外，在发电工序中，与对燃料电池模块2要求的输出电力相对应，变更燃料供给量、发电用空气供给量及供水量。
[0105]下面，参照图13至图25及图30，对本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I的停止进行说明。
首先，参照图30，说明现有的固体氧化物型燃料电池系统中的关机停止时的动作。图30是以时序模式化表示现有的固体氧化物型燃料电池系统的停止动作的一个例子的时间图。
[0106]首先，在图30的时刻t501中，进行发电运行中的燃料电池的关机停止操作。由此，不等待燃料电池模块内的温度下降，便在短时间内使燃料供给量、重整用水供给量及发电用空气供给量为零，使从燃料电池模块导出的电流(发电电流)也为零。即，使朝向燃料电池模块的燃料、水、发电用空气的供给在短时间内停止，停止从燃料电池模块导出电力。另夕卜，由于灾害等而失去朝向固体氧化物型燃料电池系统的燃料及电气供给时，停止动作也成为与图30相同的状态。另外，图30中的各供给量、电流、电压的曲线仅表示变化倾向，而不表示具体的值。
[0107]通过在时刻t501使电力导出停止，从而燃料电池电堆中产生的电压值上升(但是电流为零)。另外，在时刻t501，由于使发电用空气供给量为零，因此未向燃料电池模块内强制地送入空气，在时刻t501之后，在长时间内使燃料电池电堆自然冷却。
[0108]假使在时刻t501后也持续向燃料电池模块内供给空气，则燃料电池模块内的压力因送入的空气而上升。另一方面，由于燃料供给已经停止，因此燃料电池单电池单元的内部压力开始下降。因此，可以想到送入燃料电池模块的发电室内的空气从上端向燃料电池单电池单元内侧的燃料极侧逆流。在时刻t501，由于燃料电池电堆处于高温状态，因此空气向燃料极侧逆流时，燃料极发生氧化，燃料电池单电池单元则会受损。为了避免该问题，在现有的燃料电池中，如图30所示，在通过关机停止而使燃料供给刚刚停止之后，即使在未失去电源时，也使发电用空气快速停止。
[0109]而且，关机停止后，在经过6至7小时左右，当燃料电池模块内的温度下降至小于燃料极的氧化下限温度后，还再次向燃料电池模块内供给空气(未图示)。虽然这种空气供给是为了排出滞留的燃料气体而执行的，但是在燃料电池电堆的温度已下降至小于燃料极的氧化下限温度的状态下，假使空气向燃料极逆流，燃料极也不会氧化。
[0110]但是，本申请发明人发现即便进行这种现有燃料电池中的关机停止，还是有空气向燃料极侧逆流，而燃料极被氧化的风险。
[0111]空气从空气极侧向燃料极侧逆流是基于燃料电池单电池单元的内侧(燃料极侧)和外侧(空气极侧)的压力差而产生的。在燃料气体及发电用空气正被供给的关机停止前的状态下，重整后的燃料被压送至燃料电池单电池单元的燃料极侧。另一方面，发电用空气也被送入燃料电池单电池单元的空气极侧。在该状态下，燃料电池单电池单元的燃料极侧的压力比空气极侧的压力高，燃料从燃料电池单电池单元的燃料极侧向空气极侧喷出。
[0112]接下来，通过关机停止而停止供给燃料气体及发电用空气时，燃料从处于压力较高状态的燃料极侧向压力较低的空气极侧喷出。另外，由于燃料电池模块内的空气极侧的压力也处于比外气压力(大气压)高的状态，因此关机停止后，燃料电池模块内的空气极侧的空气(及从燃料极侧喷出的燃料气体)经由排气通路而向燃料电池模块的外部排出。因此，关机停止后，燃料电池单电池单元的燃料极侧、空气极侧的压力都下降，最终收敛于大气压。因而，在燃料极侧及空气极侧压力下降的动作受到燃料电池单电池单元的燃料极侧和空气极侧之间的流路阻力、燃料电池模块内的空气极侧和外气之间的流路阻力等的影响。另外，在燃料极侧和空气极侧的压力相等的状态下，空气极侧的空气通过扩散而进入燃料极侧。
[0113]但是，实际上由于燃料电池模块的内部处于高温状态，因此关机停止后的压力动作还受燃料极侧及空气极侧的温度变化影响。例如，由于燃料电池单电池单元的燃料极侧的温度与空气极侧相比急剧下降时，燃料电池单电池单元内的燃料气体的体积收缩，因此燃料极侧的压力下降从而发生空气逆流。如此，关机停止后的燃料极侧及空气极侧的压力受到燃料电池模块内各部分的流路阻力、燃料电池模块内的温度分布、所蓄积的热量等的影响，非常复杂地进行变化。
[0114]存在于燃料电池单电池单元的燃料极侧及空气极侧的气体成分可以根据未导出电流的状态(输出电流=O)下的电堆的输出电压来进行推断。如图30的粗虚线所示，在时刻t501的刚刚关机停止之后，电堆的输出电压急剧上升(图30的A部)。这是因为在刚刚关机停止之后，在燃料极侧存在很多的氢，在空气极侧存在空气，同时从电堆导出的电流为O。之后，虽然电堆的输出电压急剧下降(图30的B部)，但是推断这是因为关机停止后，存在于各燃料电池单电池单元的燃料极侧的氢流出从而燃料极侧的氢浓度下降，同时由于流出的氢，空气极侧的空气浓度下降。
[0115]之后，电堆的输出电压随着时间的经过而下降，燃料电池模块内的温度下降至小于氧化下限温度时(图30的C部)，输出电压大幅下降。推断在该状态下，在各燃料电池单电池单元的燃料极侧几乎没有残留氢，在现有的燃料电池中，燃料极被置于氧化的危险。实际上在现有的燃料电池中，大多数情况下，在燃料电池模块内的温度下降至小于氧化下限温度之前，发生燃料极侧的压力比空气极侧的压力更为下降的现象，可以认为对燃料电池单电池单元产生了不良影响。
[0116]另外，根据燃料电池模块的结构、关机停止前的运行条件，在关机停止后，尽管已停止燃料供给，还是发生燃料电池模块内上部的温度上升的现象(未图示)。即，有时燃料电池模块内的温度在关机停止后的I个小时左右比发电运行时更为上升。可以认为这种温度上升是因为发电运行中重整器内发生的吸热反应即水蒸气重整反应因停止燃料供给而不再发生，另一方面，残留在各燃料电池单电池单元内部、向它们分配燃料的分流器内的燃料在燃料供给停止后还在燃烧室内持续燃烧。
[0117]如此，燃料电池模块内的重整器附近的温度上升，另一方面，由于已停止从燃料电池电堆导出电流，因此在燃料电池电堆中不再产生发电热量。由此，燃料电池电堆上方的温度上升而压力上升，与此相对，各燃料电池单电池单元的内部因温度下降而压力下降。因为这种燃料电池模块内的温度梯度，有时各燃料电池单电池单元的燃料极侧的压力比空气极侧的压力低。在这种情况下，燃料电池单电池单元外部的空气极侧的空气向内部的燃料极侧逆流，燃料电池单电池单元受损的可能性较高。
[0118]在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，将燃料电池模块内各部分的流路阻力设定于恰当的值，同时通过内置在控制部110中的关机停止电路110a(图6)的控制，大幅度抑制燃料极氧化的风险。
[0119]下面，参照图13至图25，对本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I的停止进行说明。
图13是本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中的进行停止模式选择的停止判断的流程图。图13的流程图是用于根据规定条件来判断选择哪一个停止模式的流程图，在固体氧化物型燃料电池系统I的运行中，以规定的时间间隔而被反复执行。
[0120]首先，在图13的步骤SI中，判断是否已停止从燃料供给源30 (图1)供给燃料气体以及从工业电源供给电力。在燃料气体及电力双方的供给已停止时，进入步骤S2，在步骤S2中，选择紧急停止模式即停止模式1，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式I的情况，设想因自然灾害等停止燃料气体及电力供给的情况，可以认为进行这种停止的频度极少。
[0121]另一方面，当燃料气体及电力的至少一方被供给时，则进入步骤S3，在步骤S3中，判断是否是停止供给燃料气体且正在供给电力的状态。在停止供给燃料气体且正在供给电力的情况下进入步骤S4，除此以外的情况则进入步骤S5。在步骤S4中，选择通常停止模式中的一个即停止模式2，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式2的情况，设想因燃料气体供给路径的施工等暂时停止燃料气体供给的情况等，可以认为进行这种停止的频度较少。
[0122]进而，在步骤S5中，判断是否是由使用者操作了停止开关。由使用者操作了停止开关时则进入步骤S6，未操作时则进入步骤S7。在步骤S6中，选择通常停止模式中的一个的开关停止模式即停止模式3，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式3的情况，设想由于固体氧化物型燃料电池系统I的利用者长期不在，因此在较长期间内有意使固体氧化物型燃料电池系统I的运行停止的情况，可以认为进行这种停止的频度并不多。
[0123]另一方面，在步骤S7中，判断是否是在预先预定的时机定期执行的定期停止。其为定期停止时则进入步骤S8，不是定期停止时则结束图13的流程图的I次处理。在步骤S8中，选择通常停止模式中的一个的程序停止模式即停止模式4，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式4的情况，设想相对于燃料供给源30上设置的智能燃气表的对应。即，通常在燃料供给源30上设置有智能燃气表(未图示)，该智能燃气表构成为在约I个月的期间内，当燃料气体供给完全停止的状态未连续存在I小时左右以上时，则判断为已发生气体泄漏，截断燃料气体的供给。因此，通常固体氧化物型燃料电池系统I需要每约I个月I次停止I小时左右以上。因而，停止模式4的停止是设想以约I个月I次以上的频度来进行的，是以最高频度进行的停止。
[0124]另外，当停止电力供给而持续燃料气体供给时，则根据图13的流程图，不选择任何停止模式。在这种情况下，本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I通过利用由燃料电池电堆14生成的电力而使辅助设备单元4工作，从而可以继续发电。另外，也可以如下构成本发明，在电力的供给停止在规定的长时间内持续时，则使发电停止。
[0125]下面，参照图14至图25，说明各停止模式中的停止处理。
图14是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式1(图13的步骤S2)时的停止动作的一个例子的时间图。图15是用于以时序说明执行停止模式I时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
[0126]首先，在图14的时刻tlOl，进行关机停止时，燃料流量调节单元38的燃料供给、水流量调节单元28的供水、及发电用空气流量调节单元45的发电用空气供给在短时间内停止。另外，还停止由逆变器54从燃料电池模块2导出电力(输出电流=O)。执行停止模式I时，在关机停止后，燃料电池模块2在该状态下被自然放置。因此，存在于各燃料电池单电池单元16内部的燃料极侧的燃料基于与外部空气极侧的压力差，而经由燃料气体流路细管98(图4)向空气极侧喷出。另外，存在于各燃料电池单电池单元16的空气极侧的空气(及从燃料极侧喷出的燃料)基于空气极侧的压力(发电室10(图1)内的压力)和大气压的压力差，而经由排气通路21b、空气用换热器22等向燃料电池模块2的外部排出。因而，在关机停止后，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧及空气极侧的压力自然下降。
[0127]但是，在各燃料电池单电池单元16的上端部设置有流出侧流路阻力部即燃料气体流路细管98，在排气通路21b上设置有竖壁21d及下垂壁8b (图2)。该燃料气体流路细管98的流路阻力被设定为，停止燃料供给及发电后的燃料极侧的压力下降比空气极侧的压力下降平缓。本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I构成为通过恰当调整这些燃料及排气的通路各部分中的流路阻力，从而在关机停止后燃料也在长时间内残存在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧。例如，相对于燃料气体流路细管98中的流路阻力，从发电室10通至外气的排气路径的流路阻力过小时，由于在关机停止后空气极侧的压力急剧下降，因此燃料极侧和空气极侧的压力差增大，反而会促进燃料从燃料极侧流出。相反，相对于燃料气体流路细管98中的流路阻力，排气路径的流路阻力过大时，则与燃料极侧的压力下降相比，空气极侧的压力下降变得平缓，由于燃料极侧和空气极侧的压力接近，因此空气向燃料极侧逆流的风险变高。
[0128]如此，在本实施方式中，从燃料流量调节单元38经由重整器20、各燃料电池单电池单元16的燃料极向燃料电池模块2的外部引导燃料及/或排放气体的燃料/排放气体通路被如上调整。因此，在关机停止后被自然放置时，燃料极侧的压力也一边保持比空气极侧的压力高的压力一边下降，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度时，还保持于比大气压高的压力，可以充分抑制燃料极被氧化的风险。如图14所示，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，虽然在时刻tlOl进行关机停止后，粗虚线所示的燃料电池电堆14的输出电压在暂时大幅上升后发生下降，但是其下落幅度比现有的固体氧化物型燃料电池系统(图30)少，长时间持续较高的电压。在图14所示的例子中，关机停止后，在燃料极侧及空气极侧的温度下降至规定的氧化抑制温度的时刻tl02之前，保持较高的电压。该情况表示在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧，在温度下降至氧化抑制温度的时刻tl02之前残存有燃料。
[0129]另外，在本说明书中，氧化抑制温度是指使燃料极被氧化的风险充分降低的温度。燃料极被氧化的风险与温度下降一起逐渐减少，最终变为零。因此，即便是比可能发生燃料极氧化的最低温度即氧化下限温度稍高的温度区域的氧化抑制温度，也能够充分减少燃料极氧化的风险。在通常的燃料电池单电池单元中，可以认为这种氧化抑制温度为350°C至400°C左右，氧化下限温度为250°C至300°C左右。
[0130]即，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，燃料/排放气体通路构成为在关机停止后，燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，将燃料电池模块2内的空气极侧的压力保持为比大气压高，同时将燃料极侧的压力保持为比空气极侧的压力高。因而，燃料/排放气体通路作为机械性压力保持部件而发挥作用，延长燃料极侧的压力接近至空气极侧的压力之前的时间。
[0131]图15是说明停止模式I的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0132]首先，图15中段中的关机停止之前进行通常的发电运行。在该状态下，燃料电池模块2内的温度为700°C左右。另外，如图15的下段(I)所示，从燃料电池单电池单元16上端的燃料气体流路细管98喷出未使用于发电而残余的燃料气体，该喷出的燃料气体在燃料气体流路细管98的上端燃烧。之后，通过关机停止，使燃料气体、重整用水、发电用空气的供给停止时，喷出的燃料气体的流量下降，如图15的下段(2)所示，燃料气体流路细管98顶端的火焰消失。由于燃料气体流路细管98形成为细长，因此因燃料气体流量下降而将火焰卷入燃料气体流路细管98中时，火焰快速消失。由于火焰快速消失，残存在燃料电池单电池单元16内部等的燃料气体的消耗被抑制，可在燃料极侧维持残存的燃料的时间被延长。
[0133]如图15的下段(3)所示，关机停止后，在火焰消失后，由于燃料电池单电池单元16内部(燃料极侧)的压力还比外部(空气极侧)高，因此燃料气体还继续从燃料气体流路细管98喷出。另外，如图15上段所示，在刚刚关机停止之后，燃料极侧的压力比空气极侧的压力高，各压力在保持该关系的基础上下降。燃料极侧和空气极侧的压力差在关机停止后随着燃料气体的喷出而下降。
[0134]来自燃料气体流路细管98的燃料气体的喷出量随着燃料极侧和空气极侧的压力差下降而减少(图15的下段(4) (5))。另一方面，关机停止时，在重整器20内部还残存有重整后的燃料气体、未重整的燃料气体、水蒸气、水，在关机停止后未重整的燃料气体也利用余热而通过水蒸气进行重整。另外，由于重整器20中一体地具备蒸发部20a，因此残存的水也利用余热蒸发而成为水蒸气。由于伴随重整器20中的燃料气体的重整及水的蒸发而发生体积膨胀，因此残存在重整器20内、燃料气体供给管64、分流器66(图2)内的燃料气体被依次压出至各燃料电池单电池单元16中(燃料极侧)。因此，抑制伴随从燃料气体流路细管98喷出燃料气体的燃料极侧的压力下降。
[0135]而且，由于重整器20内的重整部20c填充有催化剂，因此流路阻力较大。因此，残存的水在蒸发部20a中蒸发时，水蒸气流入重整部20c，另一方面，向重整器导入管62 (图2)逆流。该重整器导入管62构成为从蒸发部20a的侧面沿大致水平延伸后弯曲并向大致铅垂上方延伸。因而，逆流的水蒸气在重整器导入管62中沿铅垂方向上升，到达连接在重整器导入管62上端的T字管62a。在此，由于从蒸发部20a延伸的重整器导入管62配置在覆盖箱体8的绝热材料7的内部，因此温度较高。另外，由于重整器导入管62的上端部及T字管62a位于绝热材料7的外部，因此温度变低。因此，沿重整器导入管62中上升的水蒸气接触温度较低的重整器导入管62的上端部及T字管62a的内壁面而冷却并结露，从而生成水。
[0136]通过结露而生成的水从T字管62a及重整器导入管62的上端部向重整器导入管62下部的内壁面落下，在此再次被加热而温度上升，再次流入蒸发部20a。由于重整器导入管62被弯曲地构成，因此结露后落下的水滴并未直接流入蒸发部20a，而是落到重整器导入管62下部的内壁面上。因而，配置在重整器导入管62的绝热材料7内侧的部分作为对所供给的水或结露的水进行预热的预热部而发挥作用，温度比该预热部低的重整器导入管62的上端部及T字管62a作为结露部而发挥作用。
[0137]另外，沿重整器导入管62内上升的水蒸气有时从T字管62a逆流至供水用配管63a。但是，由于供水用配管63a被倾斜配置为从T字管62a朝向上方，因此水蒸气在供水用配管63a内结露时，结露水也从供水用配管63a流向T字管62a，并向重整器导入管62内落下。另外，如图2所示，重整器导入管62的下部在绝热材料7的内侧，以与排放气体排出管82交叉的方式邻近配置。因此，在预热部即重整器导入管62和排放气体排出管82之间进行热交换，从而还被排气的热量加热。
[0138]如此，蒸发部20a中蒸发的水蒸气的一部分向重整器导入管62逆流，其生成结露水，再次在蒸发部20a中蒸发。因此，在关机停止时供水停止后，残留的水也一点点在蒸发部20a内蒸发，关机停止后在较长的时间内发生水的蒸发。而且，重整器导入管62从蒸发部20a的侧面延伸后弯曲，并向大致铅垂上方延伸而贯穿绝热材料7。因而，重整器导入管62贯穿绝热材料7的位置离开重整器20的铅垂上方区域，重整器20的热量不容易经由重整器导入管62贯穿绝热材料7的贯穿位置而向外部逃逸，不会因重整器导入管62而显著损害绝热性。
[0139]另一方面，重整器20内发生的水的蒸发依赖于蒸发部20a内的温度分布等而有时急剧地发生。在这种情况下，由于蒸发部20a内的压力急剧上升，因此较高的压力向下游侧传递，燃料电池单电池单元16内的燃料气体有可能会急剧地向空气极侧喷出。但是，由于在燃料气体供给管64中设置有压力变动抑制用流路阻力部64c (图2)，因此可抑制因重整器20内的急剧的压力上升引起的燃料电池单电池单元16内的燃料气体的急剧的喷出。另夕卜，由于在各燃料电池单电池单元16的下端也设置有燃料气体流路细管98(图4)，因此通过该燃料气体流路细管98的流路阻力，可抑制各燃料电池单电池单元16内部的急剧的压力上升。因而，各燃料电池单电池单元16下端的燃料气体流路细管98及压力变动抑制用流路阻力部64c作为机械性压力保持部件而发挥作用，较高地保持燃料极侧的压力。
[0140]如此，通过机械性压力保持部件，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力下降在关机停止后长时间内被抑制。关机停止后，经过5至6小时左右，当燃料电池模块2内的温度下降至氧化抑制温度时，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧、空气极侧都大致下降至大气压，空气极侧的空气开始向燃料极侧扩散(图15的下段(6) (7))。但是，燃料气体流路细管98及燃料电池单电池84上端部的未形成外侧电极层92的部分(图15下段(6)的A部)即使进入空气也不会被氧化，该部分作为缓冲部而发挥作用。尤其是由于燃料气体流路细管98构成为细长，因此缓冲部变长，空气从燃料电池单电池单元16的上端进入时，也不容易发生燃料极氧化。另外，在氧化抑制温度附近，燃料极的温度较低，空气接触燃料极时发生的氧化也很少，另外，由于执行停止模式I的频度极低，因此由氧化而产生的不良影响实质上可以忽略。而且，如图15的下段(8)所示，燃料极的温度下降而比氧化下限温度低后，即使空气充满各燃料电池单电池单元16的燃料极侧，燃料极也不会被氧化。
[0141]下面，参照图16及图17，说明停止模式2。
图16是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式2(图13的步骤S4)时的停止动作的一个例子的时间图。图17是用于以时序说明执行停止模式2时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
[0142]首先，停止模式2是仅停止燃料气体供给时执行的停止模式。在图16的时刻t201，进行关机停止时，燃料流量调节单元38的燃料供给以及水流量调节单元28的供水在短时间内停止。另外，还停止由逆变器54从燃料电池模块2导出电力(输出电流=O)。执行停止模式2时，内置在控制部110中的关机停止电路IlOa在时刻t201的刚刚关机停止之后，执行温度下降控制，使发电用空气流量调节单元45在规定的排热时间内以最大输出工作。另外，在本实施方式中，规定的排热时间为约2分钟，在该期间内使水流量调节单元28停止。而且，在图16的时刻t202，在使发电用空气流量调节单元45停止后，与停止模式I一样自然放置。
[0143]在停止模式2的停止中，关机停止后，通过温度下降控制，将空气送入燃料电池单电池单元16的空气极侧。由此，在图16的A部中，空气极侧的温度与停止模式I时(图14)相比急剧下降。如上所述，燃料供给完全停止后，由于在燃料电池电堆14的温度下降至氧化抑制温度之前，存在使燃料极氧化、受损的危险，因此空气供给必须被停止。但是，本申请发明人发现即使在刚刚停止燃料供给之后，也可以在规定时间内安全地向空气极侧供给发电用空气。
[0144]g卩，由于在刚刚关机停止之后，在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧充分残存有燃料气体，处于其从各燃料电池单电池单元16上端喷出的状态，因此不会因向空气极侧送入空气而导致空气向燃料极侧逆流。即，在该状态下，虽然利用温度下降控制而送入空气，由此空气极侧的压力上升，但是仍然处于燃料极侧的压力比空气极侧的压力高的状态。另外，设置在各燃料电池单电池单元16上端的燃料气体流路细管98是使流路截面积变窄的收缩流路，由此，从各燃料电池单电池单元16流出的燃料气体的流速变高。因而，设置在上端的燃料气体流路细管98作为提高燃料气体流速的加速部而发挥作用。而且，在时刻t202使空气供给停止后，与停止模式I 一样自然放置，利用机械性压力保持部件将燃料极侧的压力比空气极侧的压力高的状态保持规定期间。但是，在停止模式2中，由于通过温度下降控制使滞留在燃料电池模块2内的高温的空气及燃烧气体排出，因此从比停止模式I低的温度开始自然放置。因此，降低在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前发生空气逆流的风险。如此，在关机停止后，燃料极侧的压力下降比空气极侧的压力下降变得平缓。另夕卜，由于通过温度下降控制，使燃料电池模块2内的温度均匀化，因此可减少燃料电池单电池单元16内侧的燃料气体急剧收缩，而将空气卷入燃料极侧的风险。
[0145]而且，关机停止后，由于通过温度下降控制而将空气送入空气极侧，因此燃料气体流路细管98上端的火焰更加快速地消失，抑制消耗残存的燃料。另外，刚刚关机停止之后，从燃料电池单电池单元16喷出的很多燃料气体并未燃烧而向燃料电池单电池单元16的空气极侧流出。在停止模式2中，由于关机停止后，将空气送入空气极侧，喷出的燃料气体与空气一起被排出，因此避免从燃料极流出的燃料气体与空气极接触而空气极被部分还原的风险。
[0146]图17是说明停止模式2的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0147]首先，在图17中段的关机停止前，正在进行发电运行，而在关机停止后，执行温度下降控制。在约2分钟的温度下降控制后，使发电用空气流量调节单元45停止，其后与停止模式I 一样自然放置。但是，在停止模式2中，自然放置开始时(图16的时刻t202)的燃料电池模块2内的温度及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式I时下降。因此，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，空气进入燃料极侧的风险进一步减少。
[0148]下面，参照图18至图22，说明停止模式3。
图18是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式3(图13的步骤S6)时的停止动作的一个例子的时间图。图19是放大表示刚刚关机停止之后的时间图。图20是用于以时序说明执行停止模式3时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。图22是表示停止模式3的变形例的时间图。
[0149]首先，停止模式3是由使用者操作停止开关时执行的停止模式。如图18、图19所示，虽然在停止模式3中也执行温度下降控制，但是停止模式3中的温度下降控制由完全停止从燃料电池电堆14导出电力之前的第I温度下降工序以及停止导出电力之后的第2温度下降工序构成。第2温度下降工序与停止模式2中的温度下降控制一样，第I温度下降工序作为停止电力导出之前的停止前处理而被执行。
[0150]在图19所示的时间图的例子中，在时刻t301，由使用者操作停止开关，开始第I温度下降工序即停止前处理。在停止前处理中，首先，停止向逆变器54输出燃料电池模块2的发电电力。由此，在图19中如细点划线所示，从燃料电池模块2导出的电流、电力急速下降。另外，虽然在停止前处理中，停止从燃料电池模块2朝向逆变器54的电流输出，但是在规定期间内持续导出用于使固体氧化物型燃料电池系统I的辅助设备单元4工作的一定的微弱电流(1A左右)。因此，即使在时刻t301发电电流大幅度下降后，在停止前处理中也从燃料电池模块2导出微弱的电流。另外，在图19中如虚线所示，燃料电池模块2的输出电压随着导出的电流下降而上升。如此，在停止前处理中，通过限制电力导出量，导出微弱的电流并持续规定电力的发电，从而所供给的燃料的一部分使用于发电，因此，避免未使用于发电而残余的剩余燃料的显著增加，使燃料电池模块2内的温度下降。
[0151]而且，在停止前处理中，时刻t301后，图19中由点线表示的燃料供给量以及由细实线表示的重整用水供给量直线下降。另一方面，在停止前处理中，由粗点划线表示的发电用空气供给量被设定于发电用空气流量调节单元45的最大空气供给量。因而，在停止前处理中，供给比与从燃料电池模块2导出的电力相对应的量多的空气。如此，通过使空气供给量增加，从而从重整器20夺走热量，抑制燃料电池模块2内的温度上升。接下来，在图19所示的例子中，在距时刻t301约20秒后的时刻t302，使燃料供给量及供水量下降至与从燃料电池模块2导出的微弱电流相对应的供给量，其后，保持下降后的供给量。如此，作为停止前处理，通过预先使燃料供给量及供水量下降，从而防止因燃料供给完全停止时大流量的燃料急剧停止引起的燃料电池模块2内的气流紊乱，或燃料供给完全停止后的大量燃料残留在重整器20、分流器66内。另外，时刻t301后，通过使燃料供给量减少，使空气供给量增加，从而使图19中由粗实线表示的燃料电池模块2内的空气极侧的空气温度下降。但是，包围燃料电池模块2的绝热材料7等仍然蓄积有大量热量。另外，在停止前处理中，尽管停止朝向逆变器54的电流输出，但是由于继续供给燃料及水，因此即使继续供给发电用空气，空气也不会向各燃料电池单电池单元16内部的燃料极侧逆流。因而，可以安全地继续供给空气。
[0152]在图19所示的例子中，在距停止前处理开始的时刻t301约2分钟后的时刻t303，使燃料供给量及重整用水供给量为零，使从燃料电池模块2导出的电流也为零，进行关机停止。另外，在图19所示的例子中，在时刻t303，在即将使从燃料电池模块2导出的电流为零之前，使供水量稍稍增加。该供水量的增加是以在关机停止时蒸发部20a内残留合适量的水的方式来调节水量。对该供水量的控制在后面进行说明。
[0153]在图19所示的例子中，在时刻t303的关机停止后，作为温度下降控制的第2温度下降工序，还继续供给规定量的发电用空气(但是，发电被完全停止)。由此，由于燃料电池模块2内(燃料电池电堆14的空气极侧)的空气、残余燃料的燃烧气体以及在关机停止后从燃料电池电堆14的燃料极侧流出的燃料被排出，因此第2温度下降工序作为排气工序而发挥作用。在本实施方式中，在时刻t303，燃料供给被完全停止后，在时刻t304之前的规定期间继续供给大量的发电用空气。另外，发电用空气供给量在停止前处理中增加至最大的空气供给量，其后，保持于最大值。
[0154]如图18所示，在时刻t304，在停止供给发电用空气后，与停止模式I 一样自然放置。但是，由于在停止模式3中，在关机停止前执行第I温度下降工序，在关机停止后执行第2温度下降工序，因此图18的A部中的温度下降比停止模式I及2大，从更加低温、低压的状态开始自然放置。
[0155]图20是说明停止模式3的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0156]首先，在图20中段的停止开关操作前进行发电运行，在停止开关操作后执行第I温度下降工序即停止前处理工序。在停止前处理工序中，由于使燃料气体供给量下降，因此如下段(2)所示，如图20的下段(I)那样发电运行中较大的各燃料电池单电池单元16上端的火焰变小。如此，由于使燃料气体供给量及发电量下降，因此燃料电池模块2内的温度比发电运行中下降。约2分钟的停止前处理工序后，进行关机停止。关机停止后，作为第2温度下降工序，通过发电用空气流量调节单元45供给2分钟发电用空气。在第2温度下降工序后，使发电用空气流量调节单元45停止，其后与停止模式I 一样自然放置。
[0157]如上所述，由于在关机停止时，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力比空气极侧的压力高，因此使燃料供给停止后，燃料极侧的燃料气体也从各燃料电池单电池单元16的上端喷出。另外，燃料气体燃烧的火焰在关机停止时消失。在关机停止后，从各燃料电池单电池单元16的上端喷出的燃料气体在刚刚关机停止之后最多，其后逐渐减少。在该刚刚关机停止之后喷出的大量燃料气体利用第2温度下降工序(排气工序)中供给的发电用空气而向燃料电池模块2之外排出。另外，排气工序结束后，燃料气体也从各燃料电池单电池单元16的上端喷出，其燃料气体量变为较少。
[0158]因此，虽然排气工序结束后喷出的燃料气体即氢滞留在燃料电池模块2内的上部(比燃料电池电堆14更靠上方)，但是所喷出的燃料气体实质上不与各燃料电池单电池单元16的空气极接触。因而，不会因燃料气体与高温的空气极接触而被还原，空气极不会劣化。另外，在关机停止前的停止前处理中，以规定范围分量的适量的水贮留在蒸发部20a内的方式供水。因此，在关机停止后的排气工序中，通过在蒸发部20a内使水蒸发，从而各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力增高，使适量的燃料气体从各燃料电池单电池单元16的上端喷出。排气工序中喷出的燃料气体快速从燃料电池模块2内排出。由于在排气工序中使适量的燃料气体喷出，因此在排气工序后，不会从各燃料电池单电池单元16喷出过度量的燃料气体而使空气极劣化。
[0159]在此，在停止模式3中，排气工序结束后，自然放置开始时(图18的时刻t304)的燃料电池模块2内的温度及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式I及2时下降。另外，在停止模式3中，通过停止前处理工序，关机停止前的燃料气体供给量、供水量等被固定于规定值。由此，依赖于发电运行中的运行状态的自然放置开始时的压力、温度分布等的不均变少，始终从合适的状态开始自然放置。因此，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，空气进入燃料极侧的风险变得极低。
[0160]下面，参照图21，说明停止前处理中的供水。
图21是停止前处理中的供水的流程图，在固体氧化物型燃料电池系统I的运行中，通过关机停止电路IlOa而以规定的时间间隔反复执行。首先，在图21的步骤Sll中，判断是否开始停止前处理。在停止前处理已开始时，则进入步骤S12，未开始时则结束图21的流程图的I次处理。
[0161]之后，在步骤S12中，作为供水确保工序，使内置在温水制造装置50(图1)中的供热水器用散热器(未图示)工作2分钟。该供热水器用散热器构成为，通过与来自燃料电池模块2的高温排放气体之间进行热交换而加热水，回收排放气体的排放热量。另一方面，排放气体中含有水蒸气，该水蒸气与供热水器用散热器之间进行热交换，由于被冷却而成为水，进行结露。通过使供热水器用散热器工作，从而排放气体的冷却量增加而结露水增力口。回收增加的结露水,贮留在纯水箱26(图1)中。回收至该纯水箱26中的水经过过滤处理(未图示)等后，作为水蒸气重整用水而被利用。通过该步骤S12的处理而生成的水被利用于停止前处理中的供水以及后述的停止模式4中执行的压力保持控制。另外，由于停止前处理中及压力保持控制所使用的水量极少，另一方面，含有很多水蒸气的高温排放气体被供热水器用散热器(未图示)急剧冷却，因此可以在停止前处理中的2分钟内充分确保所需量的水。
[0162]之后，在步骤S13中，控制部110读取停止前处理即将开始的图19的时刻t301之前的10分钟内的发电量的时序数据W0。进而，在步骤S14中，计算所读取的发电量的时序数据WO的10分钟内的平均值W1。之后，在步骤S15中，计算固体氧化物型燃料电池系统I的最大额定发电量与平均值Wl的差W2。进而，在步骤S16中，根据差W2，计算不足水量Ql。最后，在步骤S17中，在停止前处理即将结束之前(图19、快到时刻t303之前)供给所计算的不足水量Q1，结束图21的流程图的I次处理。
[0163]通过供给该不足水量Ql，从而在蒸发部20a中贮留与持续最大额定发电量的运行后进行关机停止时相同程度量的重整用水。通过使该水在关机停止后的排气工序(图19的时刻t303?t304)中蒸发，从而各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力增高，使适量的燃料气体从各燃料电池单电池单元16的上端喷出。
[0164]下面，参照图22，说明停止模式3的变形例。
在图22所示的变形例中，第2温度下降工序中的发电用空气的供给方式与图19不同。如图22所示，在本变形例中，在时刻t303进行关机停止后，到时刻t304之前以最大量供给发电用空气。在时刻t304，发电用空气供给量阶段性地减少，减少后的供给量持续至时刻t305。优选时刻t303?时刻t304之间设定为约2?5分钟，时刻t304?t305之间设定为约2?20分钟。
[0165]在本变形例中，通过在刚刚关机停止之后的燃料极侧的压力较高的状态下供给大量的发电用空气，从而空气极侧的高温空气被快速排出。另一方面，从关机停止起经过一定程度的时间，在燃料极侧的压力下降的状态下，使发电用空气供给量减少，由此避免逆流的风险,并排出高温空气。
[0166]下面，参照图23及图24，说明停止模式4。
图23是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式4(图13的步骤S8)时的停止动作的一个例子的时间图。图24是用于以时序说明执行停止模式4时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
[0167]首先，如上所述，停止模式4是为了对应于智能燃气表(未图示)，以大致I个月I次的比率定期执行的停止，是停止模式中执行的频度最高的停止模式。因而，由于在执行停止模式4时，即便对燃料电池单电池单元16稍有燃料极氧化等的不良影响时，对燃料电池电堆14的耐久性造成的影响也较大，因此需要更加切实地防止燃料极氧化。该停止模式4的停止根据内置在关机停止电路IlOa中的程序而被定期执行。
[0168]首先，在图23的时刻t401，当变为由关机停止电路IlOa的程序预定的关机停止时刻的规定时间前时，关机停止电路IlOa执行温度下降控制。在停止模式4中也与停止模式3—样，温度下降控制利用第I温度下降工序及第2温度下降工序而被执行。S卩，在第I温度下降工序即停止前处理中，首先，停止向逆变器54输出燃料电池模块2的发电电力，仅继续导出用于使固体氧化物型燃料电池系统I的辅助设备单元4工作的微弱电流(1A左右)。另外，在停止前处理中，如上所述，还执行图21所示的停止前处理供水流程。
[0169]而且，在停止前处理中，时刻t401后，图23中由粗点线表示的燃料供给量以及由细实线表示的重整用水供给量下降。另一方面，由粗点划线表示的发电用空气供给量增加。在停止模式4中，第I温度下降工序在时刻t401之后，持续比停止模式3长的10分钟。
[0170]在时刻t401之后经过10分钟的时刻t402，关机停止电路IlOa执行关机停止。进行关机停止时，燃料流量调节单元38的燃料供给以及水流量调节单元28的供水在短时间内停止。另外，还停止由逆变器54从燃料电池模块2导出电力(输出电流=O)。
[0171]关机停止电路IlOa在时刻t402的关机停止后，执行温度下降控制中的第2温度下降工序，使发电用空气流量调节单元45以最大输出工作约2分钟。而且，在图23的时刻t403，在使发电用空气流量调节单元45停止后，与停止模式I 一样自然放置。
[0172]而且，在停止模式4中，在关机停止后经过约5小时，燃料电池模块2内的温度下降至规定温度的时刻t404，关机停止电路IlOa使压力保持控制电路IlOb (图6)工作。在本实施方式中，燃料电池模块2内的温度下降至规定温度的400°C左右时，燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力也下降，并接近于空气极侧的压力。压力保持控制电路IlOb向水流量调节单元28发送信号，使其工作。通过使水流量调节单元28工作，从而向重整器20的蒸发部20a供水。由于燃料电池模块2的内部在关机停止后经过5小时左右的时刻t404，仍然呈400°C左右的温度，因此供给至蒸发部20a的水在此蒸发。另外，在本实施方式中，间歇地进行供水，供水量被设定为I分钟约lmL，该供水量是比发电运行中最少的供水量少的值。
[0173]通过在蒸发部20a内使水蒸发而膨胀，从而从重整器20介由燃料供给管64、分流器66(图2)直至各燃料电池单电池单元16的燃料气体通路内部的压力增高。由此，抑制各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力下降，更加切实地防止空气向燃料极侧逆流。另外，由于重整器20内的蒸发部20a、混合部20b、重整部20c的流路都被蜿蜒地形成，因此即使在蒸发部20a内发生水的急剧蒸发时，压力上升的影响也不容易向下游侧传递。由此，可以防止由于发生急剧的蒸发，各燃料电池单电池单元16的内侧(燃料极侧)压力急剧上升，滞留在内部的燃料气体短时间内大量喷出的情况。
[0174]另外，设置在燃料气体供给管64中途的压力变动抑制用流路阻力部64c (图2)以及设置在各燃料电池单电池单元16下端的流入侧流路阻力部即燃料气体流路细管98也抑制燃料极侧的压力急剧上升，以使燃料气体长时间滞留在燃料极侧的方式进行作用。
[0175]压力保持控制电路IlOb在燃料电池模块2内的温度下降至氧化下限温度的图23的时刻t405，使水流量调节单元28停止，之后，燃料电池模块2被自然放置。
[0176]而且，关机停止电路IlOa在燃料电池模块2内的温度进一步下降的时刻t406，向重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45发送信号，使它们工作。由此，重整器20、燃料气体供给管64、分流器66等的燃料气体通路及各燃料电池单电池单元16内部的燃料极通过空气而被净化。另外，发电室10内的空气极侧、排气通路21b及空气用换热器22等的排放气体通路内也通过空气而被净化。通过对燃料气体通路及燃料极进行净化，从而防止残留在它们内部的水蒸气结露而燃料气体通路及燃料极因结露水而氧化。另夕卜，通过对排放气体通路内进行净化，从而防止从燃料极排出的水蒸气在排放气体通路内结露。另外，通过对发电室10内的空气极侧进行净化，从而防止由从燃料极侧排出的燃料气体引起的还原。
[0177]图24是说明停止模式4的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0178]首先，在图24中段的关机停止前进行发电运行，当变为由程序预定的关机停止时刻的10分钟前时，执行温度下降控制中的第I温度下降工序。在停止模式4中，由于第I温度下降工序被执行约10分钟，因此关机停止时的燃料电池模块2内的温度以及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式3时下降。关机停止后，作为温度下降控制的第2温度下降工序供给约2分钟发电用空气，使发电用空气流量调节单元45停止。使发电用空气流量调节单元45停止后，与停止模式3 —样自然放置。在此，在停止模式4中，自然放置开始时(图23的时刻t403)的燃料电池模块2内的温度及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式3时更为下降。因此，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，空气进入燃料极侧的风险进一步减少。
[0179]此外，在停止模式4中，在通过自然放置而各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力接近于空气极侧的压力时，使压力保持控制电路IlOb工作，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力增高。通过压力保持控制，首先，滞留在分流器66、燃料气体供给管64(图2)中的重整后的燃料气体被一点点送入各燃料电池单电池单元16的燃料极，接下来，残存在重整器20内的未重整的燃料气体被一点点送入燃料极。而且，未重整的燃料气体被全部送入后，蒸发部20a中蒸发的水蒸气被一点点送入各燃料电池单电池单元16的燃料极。由于在使压力保持控制电路IlOb工作时，各燃料电池单电池单元16的燃料极的温度下降至氧化抑制温度附近，因此即使发生空气向燃料极侧逆流，其影响也很小。但是，由于执行停止模式4的程序停止是被最频繁地执行的停止模式，因此使发生燃料极氧化的风险进一步降低，使对各燃料电池单电池单元16的氧化影响降低至极限。
[0180]另外，如图24的上段左侧所示，在停止模式I至3中，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力在关机停止后下降，当燃料极的温度下降至氧化抑制温度附近时，变为接近于空气极侧的压力。与此相对，在停止模式4中，如图24的上段右侧所示，在燃料极侧的压力和空气极侧的压力接近的区域中，由压力保持控制电路IlOb执行压力保持控制，更加切实地防止燃料极侧的压力比空气极侧更为下降的情况。
[0181]另外，如图24的下段所示，在第2温度下降工序结束后的自然放置中(图24中段的“自然放置I”)，滞留在各燃料电池单电池单元16的燃料极中的燃料气体一点点流出，在其末期空气极侧的空气有时开始向燃料极侧扩散(图24下段(I))。但是，其后由于开始压力保持控制，因此通过蒸发部20a内产生的水蒸气的压力，滞留在重整器20下游侧的燃料气体通路内的燃料气体再次向各燃料电池单电池单元16内移动，燃料极内的燃料气体浓度再次上升(图24下段(2))。由于其后也通过压力保持控制，在蒸发部20a内产生水蒸气，因此由滞留在燃料气体通路内的燃料气体弥补燃料气体从各燃料电池单电池单元16的燃料极流出的部分，防止空气向燃料极逆流。而且，在压力保持控制的末期，如图24下段
(3)所示，即使滞留的燃料气体大致全部流出时，也由于各燃料电池单电池单元16的燃料极中充满通过压力保持控制而生成的水蒸气，因此切实地防止空气向燃料极逆流。
[0182]而且，压力保持控制结束后，进行自然放置(图24中段的“自然放置2”)，其后，供给重整用空气及发电用空气(不进行重整及发电)，执行净化。由此，使残留在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的燃料气体及水蒸气排出，使残留在发电室10内的空气极侧的燃料气体等也从燃料电池模块2排出。由此，在以最高频度执行的停止模式4中，切实地避免各燃料电池单电池单元16的燃料极氧化。
[0183]根据本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I，在执行关机停止(图16的时刻t201)后，通过执行温度下降控制(图16的时刻t201?t202)，排出残留在燃料电池模块2内的空气极侧的高温空气，从而能够抑制燃料极氧化。通过在关机停止(图16的时刻t201)后向空气极侧供给空气，从而可以排出残留在燃料电池模块2内的高温空气。由此，由于燃料电池电堆14的燃料极侧和空气极侧的温度接近，因此可以防止发生滞留在燃料极侧的燃料气体因温度下降而收缩，空气从空气极侧被卷入燃料极侧的现象。此外，通过在关机停止(图16的时刻t201)后供给空气，从而空气极侧的压力上升并接近于燃料极侧的压力，因此，在关机停止后的空气供给中(图16的时刻t201?t202)从燃料极侧向空气极侧流出的燃料量减少。由此，关机停止后，燃料残留在重整器20内及燃料极侧的期间(图16的时刻t201?t204)变长，可抑制燃料极氧化。而且，关机停止(图16的时刻t201)后，在燃料极侧的压力与空气极侧的压力相比足够高的期间(图16的时刻t201?t202)内，很多燃料从燃料极侧向空气极侧流出。在本实施方式中，由于在该期间内供给空气，因此向空气极侧流出的燃料与所供给的空气一起向燃料电池模块2的外部排出。由此，可以防止流出的燃料与空气极接触而使空气极部分还原、受损。
[0184]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于在温度下降控制(图16的时刻t201?t202)中停止供水，因此可以防止因在温度下降控制中使所供给的水蒸发并膨胀而将滞留在燃料极侧的燃料压向空气极侧。由此，能够将滞留在燃料极侧的燃料长期间保持在燃料极侧，更加切实地抑制燃料极氧化。
[0185]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于在刚刚关机停止(图16的时刻t201)之后执行温度下降控制，因此可以在燃料极侧的压力最高(图17的上段)，且空气逆流的风险最少的状态下供给空气，可以使燃料电池模块2内的温度下降。
[0186]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于在各燃料电池单电池单元16的端部作为加速部设置有燃料气体流路细管98 (图4)，因此从各燃料电池单电池单元16内侧的燃料极的端部喷出的燃料以远离空气极的方式而被加速。由此，可以切实地防止从燃料极喷出的燃料与空气极接触而使空气极部分还原、受损。
[0187]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98作为设置在各燃料电池单电池单元16端部的收缩流路而构成，因此可以通过简单的构成而防止空气极受损。此外，通过设置收缩流路，可以使关机停止(图16的时刻t201)后从燃料极侧流出的燃料减少，由此，可以使滞留在燃料极侧的燃料长期间(图16的时刻t201?t204)留在燃料极侧。因此，可以进一步减少空气从空气极侧向燃料极侧逆流而燃料极被氧化的风险。
[0188]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98被构成为，将燃料极侧的压力较高的状态保持关机停止(图16的时刻t201)后的规定期间(图16的时刻t201?t204)，因此在温度下降控制结束(图16的时刻t202)后也能防止空气向燃料极侧逆流，使燃料极被氧化的风险充分减少。
[0189]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98被构成为，通过温度下降控制，即使在供给空气的状态下燃料极侧的压力也变高(图17的上段)，因此能够以没有空气逆流风险的方式执行温度下降控制(图16的时刻t201?
t202)ο
[0190]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98被构成为，使关机停止(图16的时刻t201)后的燃料极侧的压力下降比空气极侧平缓(图17的上段)，因此关机停止后，即使在放置燃料电池模块2的情况下，也能够在长期间(图16的时刻t201?t204)内保持燃料极侧的压力较高的状态，可以防止空气逆流。
[0191]另外，在上述的本发明第I实施方式中，虽然在由使用者操作停止开关时(图13的步骤S5)，执行停止模式3，但是作为变形例，如图25所示，也可以执行停止模式2。图25是在本发明变形例的燃料电池装置中进行停止模式选择的停止判断的流程图。即，在该变形例中，在使燃料气体停止且仅进行供电时(图25的步骤S3 — S4)以及由使用者操作停止开关时(图25的步骤S5 — S4)，执行停止模式2。根据本变形例，由于操作停止开关时，不执行停止前处理(第I温度下降工序)便执行关机停止，因此由使用者进行停止开关操作后，可以快速结束关机停止所涉及的控制。
[0192]另外，在上述的第I实施方式中，虽然选择停止模式4时，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制，但是通过由燃料/排放气体通路的构成形成的机械性压力保持部件而使燃料极氧化的风险充分减少时，也可以省略保压控制。
另外，在上述实施方式中，虽然选择停止模式3或4时，通过停止前处理(图19的时刻t301?t303)供给空气后，连续开始温度下降控制(图19的时刻t303?t304)的空气供给，但是上述空气供给也可以不连续。即，也可以如下构成固体氧化物型燃料电池系统1，在停止前处理结束后，暂时使发电用空气流量调节单元45停止，其后，作为温度下降控制再次开始空气供给。
[0193]下面，参照图26至图29，说明本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统。 本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统的停止前处理及温度下降控制的执行条件与上述的第I实施方式不同。因而，在此仅说明本发明第2实施方式与本发明第I实施方式不同的部分，对于同样的部分则适用关于第I实施方式的记载，并省略说明。
[0194]图26是表示本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统的框图。如图26所示，本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200的构成除控制部110内置有停止前处理电路110c、温度下降控制中止电路IlOd以外，与第I实施方式相同。对同样的构成标注相同的符号并省略说明。另外，以下对图26未示出的构成也标注与第I实施方式相同的符号而进行说明。
[0195]在本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200中，通过图13所示的流程图来选择停止模式I至4方面与第I实施方式相同。在本实施方式中，停止模式2至4中执行的停止前处理及温度下降控制的执行形式与上述的实施方式不同。另外，在本实施方式中，仅停止电力供给时，为了使固体氧化物型燃料电池系统200安全地停止，也选择停止模式4。
[0196]下面，参照图27至图29，说明在本实施方式的停止模式2至4中执行的停止前处理及温度下降控制(在停止模式2中仅执行关机停止后的温度下降控制)。
图27是对停止前处理及关机停止后的温度下降控制的执行进行控制的流程图，该流程图在固体氧化物型燃料电池系统的运行中以规定的时间间隔被执行。图28是表示温度下降控制中的发电用空气供给量的修正系数的图。图29是各停止模式、温度区域中的停止前处理及温度下降控制的执行条件表。
[0197]在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200中，根据由温度检测传感器即发电室温度传感器142检测出的燃料电池电堆14的温度，变更停止前处理及温度下降控制的执行形式。另外，在本实施方式中，根据电压检测传感器即电力状态检测传感器126的检测电压，中止执行中的温度下降控制。
[0198]首先，在固体氧化物型燃料电池系统200的发电运行中，控制部110控制燃料电池模块2，生成所要求的电力，同时使燃料电池电堆14的温度进入规定的发电温度范围即合适温度区域内。另外，在本实施方式中，燃料电池电堆14的合适温度区域为620°C?680°C，以该温度区域为目标控制燃料电池电堆14的温度。
[0199]在发电运行中执行图27的流程图，在步骤S21中，判断有无针对控制部110的运行停止指示。执行停止模式2时，燃料气体的供给停止符合运行停止指示。执行停止模式3时，操作停止开关(未图示)符合运行停止指示。另外，执行停止模式4时，规定的程序停止的执行时机的来临符合运行停止指示。另外，通过停止向固体氧化物型燃料电池系统200供给电力来执行停止模式4时，电力的供给停止符合运行停止指示。此时，控制部110、发电用空气流量调节单元45等在电力供给停止之后，通过燃料电池模块2自身生成的电力而工作。
[0200]没有运行停止指示时，结束图27的流程图的I次处理，有运行停止指示时则进入步骤S22。
在步骤S22中，判断由发电室温度传感器142检测出的燃料电池电堆14的温度是否处于合适温度区域。处于合适温度区域内时则进入步骤S28，处于合适温度区域外时则进入步骤 S23。
[0201]在步骤S23中，判断燃料电池电堆14的温度是否比合适温度区域高。比合适温度区域高时则进入步骤S25，比合适温度区域低时则进入步骤S24。
[0202]在步骤S24中，通过内置在控制部110中的关机停止电路I 1a (图26)，执行使燃料供给、供水、发电用空气供给及电力导出在短时间内停止的关机停止。关机停止后，燃料电池模块2被自然放置。即，燃料电池电堆14的温度比合适温度区域的下限温度低时，无论选择停止模式2至4的哪一个时，都不执行停止前处理电路IlOc (图26)的停止前处理以及关机停止电路110a(图26)的温度下降控制(参照图29的“低温温度区域”)。另外，选择停止模式4时，在图27的流程图的处理结束后，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制(对应于第I实施方式中的图23的t404?t405)。
[0203]如此，在比合适温度区域的下限温度低时，不需要利用停止前处理进行燃料电池电堆14的温度下降，即使直接自然放置时，也能够充分避免燃料极氧化的风险。另外，由于在比合适温度区域的下限温度低时，即将关机停止之前的发电电力较少，因此即将关机停止之前的燃料供给量也较少，残留在燃料电池电堆14的燃料极侧、重整器20内部的燃料也比较少。因此，关机停止后，从燃料电池电堆14的燃料极侧向空气极侧流出的燃料量比较少，即便不执行关机停止后的温度下降控制，空气极也不会因流出的燃料而被部分还原。另夕卜，在残留在燃料极侧、重整器20内的燃料较少的状态下，通过温度下降控制向燃料电池模块2内供给空气时，空气从空气极侧向燃料极侧逆流，燃料极被氧化的风险变高。在本实施方式中，不执行关机停止后的温度下降控制，由此避免该风险。
[0204]另一方面，在图27的步骤S22中，判断为燃料电池电堆14的温度处于合适温度区域内时，进入步骤S28,在步骤S28中，通过关机停止电路IlOa执彳丁关机停止。该关机停止与步骤S24 —样。 之后，在步骤S29中，由关机停止电路IlOa执行温度下降控制。S卩，当燃料电池电堆14的温度处于合适温度区域内时，即使选择停止模式3或4时，也不执行停止前处理电路IlOc的停止前处理，而仅由关机停止电路IlOa执行温度下降控制(参照图29的“合适温度区域”)。如此，在合适温度区域内时，不需要利用停止前处理进行燃料电池电堆14的温度下降，仅通过规定期间的温度下降控制，便能够充分避免燃料极氧化的风险。
[0205]另外，温度下降控制的最长执行期间是在温度下降控制开始时的燃料电池电堆14的温度的基础上乘以修正系数而确定的。如图28所示，修正系数被设定为，温度下降控制开始时的燃料电池电堆14的温度较高时，与较低时相比关机停止后的温度下降控制的执行时间变长。即，根据发电室温度传感器142的检测温度来执行温度下降控制。在本实施方式中，成为基准的温度下降控制执行期间为2分钟，空气供给量为15L/min。另外，燃料电池电堆14的温度为660?680°C时，作为温度下降控制执行期间则设定在基准的温度下降控制执行期间上乘以1.5的3分钟，其为640?659°C时作为温度下降控制执行期间则设定乘以1.25的2分30秒，其为620?639°C时作为温度下降控制执行期间则设定2分钟。如此，当发电室温度传感器142的检测温度较低时，与较高时相比，抑制温度下降控制中的排气，检测温度较低时，与较高时相比，温度下降控制中供给的空气总量变少。另外，作为变形例，也可以利用修正系数对温度下降控制中的空气供给量进行修正，在检测温度较高时，与较低时相比，使空气供给量增加。另外，也可以利用修正系数对温度下降控制执行期间及空气供给量双方进行修正。
[0206]而且，在步骤S29中开始温度下降控制时，内置在控制部110中的温度下降控制中止电路IlOd(图26)开始监控温度下降控制执行期间中的燃料电池模块2的输出电压。即，温度下降控制中止电路IlOd监控由电力状态检测传感器126检测的燃料电池模块2的输出电压的下降。另外，由于在开始温度下降控制的关机停止之后，停止从燃料电池模块2导出电力，因此由电力状态检测传感器126检测出的电压是输出电流为零的状态下的输出电压。
[0207]之后，在步骤S30中，判断温度下降控制开始后(关机停止后)是否已经过温度下降控制执行期间，或者由温度下降控制中止电路IlOd监控的输出电压是否已满足规定的停止条件。当哪一个条件都未被满足时则持续温度下降控制。由此，在温度下降控制执行期间中满足停止条件时，则温度下降控制被执行到该时间点为止，在温度下降控制执行期间中未满足停止条件时，则温度下降控制被执行到经过温度下降控制执行期间为止。温度下降控制结束后，燃料电池模块2被自然放置。另外，选择停止模式4时，在图27的流程图的处理结束后，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制(对应于第I实施方式中的图23的 t404 ?t405) ο
[0208]在本实施方式中，串联连接的160根燃料电池单电池单元16被收容在燃料电池模块内。向各燃料电池单电池单元16的燃料极侧、空气极侧分别供给足够的燃料气体(氢)及空气(氧)时，在未导出电力的状态下，燃料电池模块2的输出电压为约160V。关机停止后，由于发生空气从空气极侧向燃料极侧逆流时，燃料极侧的氢气分压下降，因此燃料电池模块2的输出电压急剧下降。温度下降控制中止电路IlOd监控该未导出电力的状态下的燃料电池模块2的输出电压(OCV)的下降，在发生输出电压下降时立即中止关机停止电路IlOa的温度下降控制。由此，通过停止向燃料电池模块2内供给空气，使空气极侧的压力下降，从而抑制空气逆流。
[0209]在本实施方式中，温度下降控制中止电路IlOd在相对于基准电压160V，电力状态检测传感器126的检测电压(OCV)下降40V而变为120V以下时，作为已满足停止条件而中止温度下降控制。另外，基准电压是根据燃料电池模块的构成而预先设定的规定电压。另夕卜，作为变形例，也可以在检测电压从基准电压下降规定比率时，中止温度下降控制。例如，可以如下构成本发明，相对于基准电压160V，在该电压下降25%的120V中止温度下降控制。或者，也可以如下构成本发明，在代替基准电压，而从关机停止时的检测电压下降规定量(例如40V)时，或者从关机停止时的检测电压下降规定比率(例如25%)时，中止温度下降控制。而且，也可以在检测电压每单位时间下降规定量以上时，中止温度下降控制。例如，也可以如下构成本发明，当检测电压以5V/sec以上的比率下降时，中止温度下降控制。
[0210]另一方面，在图27的步骤S23中，当判断为燃料电池电堆14的温度比关机温度即合适温度区域的上限温度高时，进入步骤S25。在步骤S25中，判断所选择的停止模式是否是停止模式2。为停止模式2时则进入步骤S28，为停止模式3或4时则进入步骤S26。在步骤S26中，通过停止前处理电路IlOc执行停止前处理。如此，当选择停止模式3或4，而燃料电池电堆14的温度比合适温度区域的上限温度(关机温度)高时，在执行停止前处理后，执行关机停止(步骤S28)，其后，执行温度下降控制(步骤S29、S30)(参照图29的“高温温度区域”)。另一方面，当燃料电池电堆14的温度比关机温度低时，不执行停止前处理(步骤 S22 — S28 及步骤 S23 — S24)。
[0211]另外，由于在停止模式2时已停止供给燃料气体，因此不可能执行停止前处理，不进行停止前处理便执行温度下降控制(步骤S29、S30)。温度下降控制结束后，燃料电池模块2被自然放置。另外，选择停止模式4时，在图27的流程图的处理结束后，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制(对应于第I实施方式中的图23的t404?t405)。
[0212]在停止前处理中，针对燃料电池模块2的燃料供给量、供水量以及来自燃料电池模块2的电力导出量比发电运行中下降。另一方面，空气供给量比与从燃料电池模块2导出的电力相应的量多，增加至发电用空气流量调节单元45的供给能力的最大值。通过该停止前处理，使燃料电池电堆14的温度下降。
[0213]之后，在步骤S27中，判断燃料电池电堆14的温度是否已下降至合适温度区域的上限温度以下。未下降至合适温度区域的上限温度以下时继续停止前处理，已下降至上限温度(关机温度)以下时则进入步骤S28，执行关机停止。如此，停止前处理持续到燃料电池电堆14的温度下降至关机温度为止。因而，在本实施方式中，根据运行停止指示时的燃料电池电堆14的温度执行不同的停止前处理，燃料电池电堆14的温度较低时，与较高时相t匕，停止前处理中的温度下降量减少。停止前处理结束后，执行关机停止，其后的步骤S29、S30中的温度下降控制则如上所述。另外，由于在停止前处理中供给有少量的燃料，因此即使长时间执行停止前处理，空气也不会向燃料极侧逆流。通过执行停止前处理，燃料电池电堆14的温度下降至合适温度区域，在关机停止时，适量的燃料残留在燃料电池电堆14的燃料极侧，可以避免燃料极氧化、空气极还原的风险。
[0214]本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200是基于如下新的见解的系统，可以根据未导出电力的状态下的燃料电池模块2的输出电压而非常高灵敏度地检测出燃料电池模块2内的空气向燃料极侧的逆流。由于本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200具备温度下降控制中止电路110d，其在电力状态检测传感器126的检测电压满足规定的停止条件(图27的步骤S30)时中止温度下降控制，因此可以正确地检测到空气逆流，能够立即中止空气供给。
[0215]另外，温度下降控制中止电路IlOd即便在检测到发生空气逆流后，也在立即停止空气供给时，通过停止供给而使空气极侧的压力下降，燃料极侧的压力相对变高。因此，在燃料极侧的空气进入的部分中再次被残留在燃料极侧的燃料充满。由此，即使因空气进入而使燃料极的一部分氧化，也通过在燃料极的温度较高的状态下使燃料充满燃料极侧，从而燃料极被氧化的部分通过燃料而被再次还原，可以充分抑制劣化或损伤。
[0216]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在电力状态检测传感器126的检测电压满足停止条件(图27的步骤S30)时中止温度下降控制，因此可以在空气开始向燃料极侧逆流时立即中止温度下降控制。由此，即使在将温度下降控制执行期间设定为足够长的时间时，也能够切实地避免燃料极氧化的风险。
[0217]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在燃料电池电堆14的温度为规定温度以下时不执行温度下降控制(图29的“低温温度区域”)，因此在温度较低且从燃料电池电堆14喷出的燃料量较少的状态下不进行温度下降控制。因此，可以避免在温度下降控制的必要性较小的状态下供给空气而使燃料极氧化的风险。
[0218]而且，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200中，由于在关机停止(图27的步骤S28，对应于第I实施方式中的图16的时刻t201、图18的时刻t303、图23的时刻t402)后的燃料从燃料极侧向空气极侧喷出的期间，进行温度下降控制(图27的步骤S29，对应于第I实施方式中的图16的时刻t201?t202、图18的时刻t303?t304、图23的时刻t402?t403)，因此可以使向空气极侧流出的燃料与所供给的空气一起向燃料电池模块2的外部排出，可以抑制空气极还原。
[0219]但是，关机停止后，在停止燃料供给的状态下，由于能够不向燃料极侧逆流地供给空气的期间依赖于关机停止前的运行状况，因此并不一定，很难设定空气的恰当的供给期间。关机停止后在供给空气的流量过多时或供给时间过长时，空气的供给变为促进燃料极氧化，导致使燃料极受损的结果。
[0220]根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在关机停止后根据发电室温度传感器142的检测温度(图28)执行供给空气的温度下降控制，因此能够进行与关机停止前的运行状况相应的恰当的排气，可以充分抑制燃料极氧化及空气极还原。
[0221]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于发电室温度传感器142的检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使排气控制中供给的空气总量减少(图28)，或者，发电室温度传感器142的检测温度为规定温度以下时不执行温度下降控制(图27的步骤S22 — S23 — S24)，因此可以切实地避免空气逆流的风险。
[0222]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在比关机温度高时，执行使温度下降的停止前处理(图27的步骤S23 — S25 — S26)，因此在关机停止时，能够避免在燃料电池电堆14处于过度的高温，或在燃料极侧残留有过度燃料的状态下进行关机停止，可以减少温度下降控制后的燃料极氧化、空气极还原的风险。
[0223]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在下降至关机温度之前持续进行停止前处理(图27的步骤S26 — S27)，因此能够规定进行关机停止时的温度上限，可以通过其后的温度下降控制而充分抑制燃料极氧化、空气极还原。
【权利要求】
1.一种固体氧化物型燃料电池系统，是通过使对燃料进行水蒸气重整而生成的氢和氧化剂气体进行反应而发电的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，具有: 燃料电池模块，具备燃料电池电堆； 燃料供给装置，向该燃料电池模块供给燃料； 供水装置，向所述燃料电池模块供给水蒸气重整用水； 氧化剂气体供给装置，向所述燃料电池电堆的氧化剂气体极侧供给氧化剂气体； 重整器，配置在所述燃料电池模块内，使用从所述供水装置供给的水，对从所述燃料供给装置供给的燃料进行水蒸气重整，向所述燃料电池电堆的燃料极侧供给重整后的燃料； 及控制器，对所述燃料供给装置、所述供水装置、所述氧化剂气体供给装置以及从所述燃料电池模块导出电力进行控制， 所述控制器具备关机停止电路，其在所述燃料电池电堆呈氧化抑制温度以上的状态下，执行使燃料供给及发电停止的关机停止， 所述关机停止电路执行所述关机停止后，在所述燃料电池电堆的燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，通过使所述氧化剂气体供给装置工作，而排出残留在所述燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在所述温度下降控制中，使所述供水装置停止供水。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在刚刚进行所述关机停止之后执行所述温度下降控制。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，构成所述燃料电池电堆的各燃料电池单电池单元分别在内侧设置有燃料极，在外侧设置有氧化剂气体极，在所述各燃料电池单电池单元的端部设置有加速部，提高从所述燃料极侧向所述氧化剂气体极侧喷出的燃料的流速。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述加速部由使燃料流过的流路截面积变窄的收缩流路构成。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述收缩流路构成为，在所述关机停止后的规定期间内，保持所述燃料电池电堆的燃料极侧的压力比氧化剂气体极侧的压力高的状态。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述收缩流路构成为，即使在通过所述温度下降控制而所述燃料电池电堆的氧化剂气体极侧的压力上升的状态下，燃料极侧的压力也比氧化剂气体极侧的压力高。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述收缩流路构成为，所述关机停止后的燃料极侧的压力下降比氧化剂气体极侧的压力下降平缓。
9.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，还具有电压检测传感器，检测出所述燃料电池模块的输出电压，所述控制器具备温度下降控制中止电路，该温度下降控制中止电路在关机停止后未从所述燃料电池模块导出电力的所述温度下降控制中，当所述电压检测传感器的检测电压满足规定的停止条件时中止所述温度下降控制。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路构成为在关机停止后，在预先规定的温度下降控制执行期间内执行所述温度下降控制，所述温度下降控制中止电路在所述温度下降控制执行期间中，当所述检测电压满足所述停止条件时中止所述温度下降控制。
11.根据权利要求10所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在所述关机停止时的所述燃料电池电堆的温度为规定温度以下时，不执行所述温度下降控制。
12.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，还具有温度检测传感器，检测出所述燃料电池电堆的温度，所述关机停止电路在所述关机停止后，根据所述温度检测传感器的检测温度执行所述温度下降控制。
13.根据权利要求12所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在所述温度检测传感器的检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使关机停止后的所述温度下降控制中供给的氧化剂气体的总量减少，或者，在所述温度检测传感器的检测温度为规定温度以下时不执行所述温度下降控制。
14.根据权利要求13所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述控制器具有停止前处理电路，该停止前处理电路在所述燃料电池电堆的温度比规定的关机温度高时，在所述关机停止前执行使所述氧化剂气体供给装置的氧化剂气体供给量增加的停止前处理，使所述燃料电池电堆的温度下降，在所述关机停止后，执行所述温度下降控制。
15.根据权利要求14所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述停止前处理电路在所述燃料电池电堆的温度下降至所述关机温度之前持续进行所述停止前处理，其后，执行所述关机停止。
【文档编号】H01M8/06GK104205455SQ201380013970
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月23日
【发明者】松尾卓哉, 大塚俊治, 土屋胜久, 赤木阳祐, 岛津惠美, 小林千寻, 盐野光伸, 表敷浩二 申请人:Toto株式会社
【专利摘要】本发明提供一种固体氧化物型燃料电池系统，可以执行关机停止，且还能避免空气极还原。本发明是一种固体氧化物型燃料电池系统(1)，其特征在于，具有燃料电池模块(2)、燃料供给装置(38)、供水装置(28)、氧化剂气体供给装置(45)、重整器(20)以及对燃料供给装置、供水装置、氧化剂气体供给装置及从燃料电池模块导出电力进行控制的控制器(110)，控制器具备关机停止电路(110a)，其在燃料电池电堆呈氧化抑制温度以上的状态下执行关机停止，执行关机停止后，在燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不会发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，排出残留在氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
【专利说明】固体氧化物型燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池系统，尤其涉及通过使对燃料进行水蒸气重整而生成的氢和氧化剂气体进行反应来发电的固体氧化物型燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也称为“SOFC”)是将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂(空气、氧等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。
[0003]在日本国特开2012-3850号公报(专利文献I)中记载有一种固体电解质型燃料电池。在该燃料电池中，使以高温进行动作的燃料电池停止时，继续供给少量的燃料及燃料重整用水，并向燃料电池电堆的空气极侧供给空气，利用该空气的冷却效果使燃料电池模块内的温度下降。即，在该燃料电池中，首先在停止工序中，在停止从燃料电池模块导出电力后也继续供给燃料，并通过大量输送冷却用空气来冷却燃料电池电堆。接下来，在使电堆温度下降至小于燃料电池单电池的氧化温度时使燃料供给停止，之后，在温度充分下降之前仅继续供给冷却用空气，使燃料电池安全地停止。
[0004]另外，还已知有一种在停止工序中，使电力导出以及燃料、燃料重整用水及发电用空气(输送至空气极侧的空气)的供给在短时间内完全停止的进行所谓关机停止的燃料电池。
在日本国特开2010-27579号公报(专利文献2)中记载有一种燃料电池系统。在该燃料电池系统中，在紧急停止时使向重整器供给燃料的输出泵、供给水蒸气重整用水的重整水泵、及向电堆的空气极侧输送空气的空气鼓风机停止。其后，通过紧急停止时工作控制使输出泵及重整水泵再次工作时，即使在截断从燃料供给源供给燃料气体的状态下，也向重整器输送吸附器所吸附的燃料气体，通过从重整水泵供给的水，进行水蒸气重整。由此，在截断燃料气体的供给后，也在规定期间内向电堆的燃料极供给重整燃料，防止因空气逆流而引起的燃料极氧化。
[0005]而且，在日本国特开2012-138186号公报(专利文献3)中记载有一种高温工作型燃料电池系统。在该高温工作型燃料电池系统中，在紧急停止时使供给燃料气体的原燃料泵停止，另一方面，使向重整器供水的重整水泵工作。重整水泵工作时，所供给的水通过在重整器内蒸发而发生体积膨胀。因此，即使在截断从燃料供给源供给原燃料气体的状态下，残存在比重整器更靠下游侧的燃料气体供给管线中的燃料气体由于体积膨胀的水蒸气的压力而被压向燃料电池(电堆)侧。由此，防止因空气逆流而引起的燃料极氧化。
[0006]专利文献1:日本国特开2012-3850号公报专利文献2:日本国特开2010-27579号公报
专利文献3:日本国特开2012-138186号公报
[0007]在日本国特开2012-3850号公报(专利文献I)记载的燃料电池中，由于在停止工序中也在燃料电池电堆下降至规定温度之前供给燃料，因此存在未贡献于发电的燃料浪费的问题。另外，在电堆温度充分下降之前停止燃料供给，并供给冷却用空气时，供给至燃料电池单电池的空气极侧的冷却用空气向燃料极侧逆流，逆流的空气使燃料电池单电池的燃料极氧化，会使单电池受损。因此，需要在燃料电池单电池的温度下降至小于氧化温度之前持续供给燃料，防止向燃料电池单电池的空气极侧供给的冷却用空气逆流。另外，虽然工作中的燃料电池电堆的温度在停止工序中下降至小于氧化温度之前的时间还依赖于燃料电池模块的绝热性能等，但是通常达到I小时乃至几小时，在此期间需要持续供给未贡献于发电的燃料。
[0008]另一方面，由于在关机停止中，燃料及燃料重整用水的供给在短时间内被完全停止，因此可以抑制燃料浪费。另外，由于在关机停止中，在燃料电池电堆高温的状态下使燃料供给停止，因此在燃料供给停止的同时，使向燃料电池电堆的空气极侧输送的冷却用空气的供给也停止，避免空气向燃料极侧逆流以及燃料极氧化。
[0009]但是，本申请发明人发现了如下新的技术课题，在进行关机停止时，即使在燃料供给停止时使向燃料电池电堆的空气极侧输送的空气停止，燃料电池单电池的燃料极也发生氧化从而使单电池劣化，这导致单电池受损。
[0010]另一方面，在日本国特开2010-27579号公报(专利文献2)记载的燃料电池系统中，在截断来自燃料供给源的供给后也使输出泵工作，由此在一定期间内向电堆输送吸附器所吸附的燃料气体，可以防止燃料极氧化。但是，在该燃料电池系统中，为了预先贮藏燃料，需要预先特别设置吸附器。另外，在该燃料电池系统中，在截断来自燃料供给源的供给后，还通过输出泵输送所吸附的燃料气体，所供给的燃料气体被依次从电堆的燃料极侧压向空气极侧。但是，由于向空气极侧供给的空气已被停止，因此存在被压向空气极侧的燃料使空气极部分还原，有可能使空气极受损的问题。
[0011]而且，在日本国特开2012-138186号公报(专利文献3)记载的高温工作型燃料电池系统中，在原燃料泵刚刚停止之后使重整水泵工作，利用在重整器内蒸发的水的体积膨胀，将残留的燃料压向电堆侧。因而，在该高温工作型燃料电池系统中，也与专利文献2记载的燃料电池系统一样，存在被压向空气极侧的燃料使空气极部分还原，有可能使空气极受损的问题。
[0012]因而，本发明的目的在于提供一种固体氧化物型燃料电池系统，在执行关机停止并充分抑制燃料电池单电池的燃料极氧化的同时，还能够避免氧化剂气体极(空气极)还原。
【发明内容】
[0013]为了解决上述课题，本发明是一种通过使对燃料进行水蒸气重整而生成的氢和氧化剂气体进行反应而发电的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，具有:燃料电池模块，具备燃料电池电堆；燃料供给装置，向该燃料电池模块供给燃料；供水装置，向燃料电池模块供给水蒸气重整用水；氧化剂气体供给装置，向燃料电池电堆的氧化剂气体极侧供给氧化剂气体；重整器，配置在燃料电池模块内，使用从供水装置供给的水，对从燃料供给装置供给的燃料进行水蒸气重整，向燃料电池电堆的燃料极侧供给重整后的燃料；及控制器，对燃料供给装置、供水装置、氧化剂气体供给装置以及从燃料电池模块导出电力进行控制，控制器具备关机停止电路，其在燃料电池电堆呈氧化抑制温度以上的状态下，执行使燃料供给及发电停止的关机停止，关机停止电路执行关机停止后，在燃料电池电堆的燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，通过使氧化剂气体供给装置工作，而排出残留在燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
[0014]在如此构成的本发明中，燃料及水通过燃料供给装置及供水装置而被分别供给至配置在燃料电池模块内的重整器，重整器对燃料进行水蒸气重整。重整后的燃料被供给至构成燃料电池电堆的各燃料电池单电池单元的燃料极侧。另一方面，氧化剂气体通过氧化剂气体供给装置而被供给至燃料电池电堆的氧化剂气体极侧。控制器具备关机停止电路，对燃料供给装置、供水装置、氧化剂气体供给装置及从燃料电池模块导出电力进行控制。关机停止电路执行关机停止后，在燃料电池电堆的燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，通过使氧化剂气体供给装置工作，而排出残留在燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
[0015]在现有的固体氧化物型燃料电池系统中，进行关停停止时，使燃料供给、燃料重整用水的供给、从燃料电池模块导出电力以及氧化剂气体供给全部同时停止。在现有技术中，在停止燃料及电力导出的同时还停止氧化剂气体供给是因为在电力导出刚刚停止之后的燃料电池电堆温度比氧化温度高的状态下，使燃料停止而仅供给氧化剂气体时，氧化剂气体向燃料电池单电池单元的燃料极侧逆流，有可能使燃料极受损。
[0016]但是，本申请发明人发现了如下新的课题，即便在如此使氧化剂气体的供给同时停止的情况下，有时氧化剂气体也使燃料极氧化。该问题是因为在电力导出停止后，在各燃料电池单电池单元的燃料极侧和氧化剂气体极侧之间产生温度差而引起的。首先，由于停止供给发电用氧化剂气体，因此由氧化剂气体产生的冷却效果消失，各燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧呈现温度上升的倾向。另一方面，由于停止电力导出，因此各燃料电池单电池单元的燃料极侧不再产生发电热量。另外，燃料供给部件停止燃料供给后，残存在重整器等中的燃料也流入各燃料电池单电池单元的燃料极侧。该流入燃料极侧的燃料是在重整器中通过吸热反应即水蒸气重整反应而生成的，通常与燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧的温度相比呈现低温。如此，各燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧在停止燃料供给及电力导出后，温度呈现上升倾向，与此相对，燃料极侧由于发电热量的消失、低温残存燃料的流入而温度呈现下降的倾向。在温度下降的部分中其周围的气体收缩而压力下降，在温度上升的部分中其周围的气体膨胀而压力上升。由于这些现象，各燃料电池单电池单元的氧化剂气体极侧的压力变高，燃料极侧的压力变低，由于该压力差，有时氧化剂气体会从氧化剂气体极侧向燃料极侧逆流。
[0017]本申请发明人通过在执行关机停止后执行温度下降控制，排出残留在燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体，从而解决了该新的技术课题。以往，在通过关机停止而停止燃料供给后，使氧化剂气体供给装置停止，避免因燃料电池电堆的氧化剂气体极侧的压力上升而发生氧化剂气体逆流。在这种关机停止成为技术常识的状况下，本申请发明人发现即使在停止燃料供给后，也在停止后的规定期间内燃料电池电堆的燃料极侧的压力足够高，即使供给氧化剂气体也不会发生逆流。而且，通过在关机停止后向氧化剂气体极侧供给氧化剂气体，可以排出滞留在燃料电池模块内的高温氧化剂气体。由此，由于燃料电池电堆的燃料极侧和氧化剂气体极侧的温度接近，因此可以防止发生滞留在燃料极侧的燃料气体因温度下降而收缩，氧化剂气体从氧化剂气体极侧被卷入燃料极侧的现象。此外，由于通过在关机停止后供给氧化剂气体，氧化剂气体极侧的压力上升而接近于燃料极侧的压力，因此关机停止后从燃料极侧向氧化剂气体极侧流出的燃料量减少。由此，关机停止后，燃料残留在重整器内及燃料极侧的期间变长，可以抑制燃料极氧化。而且，关机停止后，在燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高的期间内，很多燃料从燃料极侧向氧化剂气体极侧流出。在本发明中，由于在该期间内供给氧化剂气体，因此向氧化剂气体极侧流出的燃料与所供给的氧化剂气体一起向燃料电池模块的外部排出。由此，可以防止流出的燃料与空气极接触而使空气极部分还原、受损。
[0018]在本发明中，优选关机停止电路在温度下降控制中，使供水装置停止供水。
根据如此构成的本发明，由于在温度下降控制中停止供水，因此可以防止因温度下降控制中所供给的水蒸发并膨胀而将滞留在燃料极侧的燃料压向氧化剂气体极侧。由此，能够将滞留在燃料极侧的燃料长期间保持在燃料极侧，更加切实地抑制燃料极氧化。
[0019]在本发明中，优选关机停止电路在刚刚关机停止之后执行温度下降控制。
根据如此构成的本发明，由于在刚刚关机停止之后执行温度下降控制，因此能够在燃料极侧的压力最高，且氧化剂气体逆流的风险最少的状态下供给氧化剂气体，可以使燃料电池模块内的温度下降。
[0020]在本发明中，优选构成燃料电池电堆的各燃料电池单电池单元分别在内侧设置有燃料极，在外侧设置有氧化剂气体极，在各燃料电池单电池单元的端部设置有加速部，提高从燃料极侧向氧化剂气体极侧喷出的燃料的流速。
[0021]根据如此构成的本发明，由于在各燃料电池单电池单元的端部设置有加速部，因此从各燃料电池单电池单元内侧的燃料极的端部喷出的燃料以远离氧化剂气体极的方式而被加速。由此，可以切实地防止从燃料极喷出的燃料与氧化剂气体极接触而使氧化剂气体极部分还原、受损。
[0022]在本发明中，优选加速部由使燃料流过的流路截面积变窄的收缩流路构成。
根据如此构成的本发明，由于加速部由设置在各燃料电池单电池单元端部的收缩流路构成，因此可以通过简单的构成防止因还原而导致氧化剂气体极受损。此外，通过设置收缩流路，可以在关机停止后使从燃料极侧流出的燃料减少，由此，可以将滞留在燃料极侧的燃料长期间留在燃料极侧。因此，可以进一步减少氧化剂气体从氧化剂气体极侧向燃料极侧逆流而燃料极被氧化的风险。
[0023]在本发明中，优选收缩流路构成为，在关机停止后的规定期间内，保持燃料电池电堆的燃料极侧的压力比氧化剂气体极侧的压力高的状态。
根据如此构成的本发明，由于收缩流路构成为，在关机停止后的规定期间内保持燃料极侧的压力较高的状态，因此在温度下降控制结束后，也能防止氧化剂气体向燃料极侧逆流，使燃料极被氧化的风险充分减少。
[0024]在本发明中，优选收缩流路构成为，即使在通过温度下降控制而燃料电池电堆的氧化剂气体极侧的压力上升的状态下，燃料极侧的压力也比氧化剂气体极侧的压力高。
根据如此构成的本发明，由于收缩流路构成为，即使在通过温度下降控制而供给氧化剂气体的状态下，燃料极侧的压力也较高，因此能够以没有氧化剂气体逆流风险的方式执行温度下降控制。
[0025]在本发明中，优选收缩流路构成为，关机停止后的燃料极侧的压力下降比氧化剂气体极侧的压力下降平缓。
根据如此构成的本发明，由于收缩流路构成为，关机停止后的燃料极侧的压力下降比氧化剂气体极侧平缓，因此关机停止后，即使在放置燃料电池模块的情况下，也能够在长期间内保持燃料极侧的压力较高的状态，可以防止氧化剂气体逆流。
[0026]在本发明中，优选还具有电压检测传感器，检测出燃料电池模块的输出电压，控制器具备温度下降控制中止电路，该温度下降控制中止电路在关机停止后未从燃料电池模块导出电力的温度下降控制中，当电压检测传感器的检测电压满足规定的停止条件时中止温度下降控制。
[0027]在如此构成的本发明中，由于具备温度下降控制中止电路，当电压检测传感器的检测电压满足规定的停止条件时中止温度下降控制，因此能够正确地检测到氧化剂气体的逆流，可以立即中止氧化剂气体的供给。
[0028]另外，温度下降控制中止电路即便在检测到发生氧化剂气体逆流后，也在立即停止氧化剂气体供给时，通过停止供给而使氧化剂气体极侧的压力下降，燃料极侧的压力相对变高。因此，在燃料极侧的氧化剂气体进入的部分中再次被残留在燃料极侧的燃料充满。由此，即使因氧化剂气体进入而使燃料极的一部分氧化，也通过在燃料极的温度较高的状态下使燃料充满燃料极侧，从而燃料极被氧化的部分通过燃料而被再次还原，可以充分抑制劣化或损伤。
[0029]在本发明中，优选关机停止电路构成为在关机停止后，在预先规定的温度下降控制执行期间内执行温度下降控制，温度下降控制中止电路在温度下降控制执行期间中，当检测电压满足停止条件时中止温度下降控制。
[0030]根据如此构成的本发明，由于检测电压满足停止条件时中止温度下降控制，因此可以在氧化剂气体开始向燃料极侧逆流时立即中止温度下降控制。由此，即使在将温度下降控制执行期间设定为足够长的时间时，也能够切实地避免燃料极氧化的风险。
[0031 ] 在本发明中，优选关机停止电路在关机停止时的燃料电池电堆的温度为规定温度以下时，不执行温度下降控制。
[0032]根据如此构成的本发明，由于燃料电池电堆温度为规定温度以下时不执行温度下降控制，因此在温度较低且从燃料电池电堆喷出的燃料量较少的状态下不进行温度下降控制。因此，可以避免在温度下降控制的必要性较小的状态下供给氧化剂气体而使燃料极氧化的风险。
[0033]在本发明中，优选还具有温度检测传感器，检测出燃料电池电堆的温度，关机停止电路在关机停止后，根据温度检测传感器的检测温度执行温度下降控制。
[0034]根据如此构成的本发明，由于在关机停止后根据温度检测传感器的检测温度执行供给氧化剂气体的温度下降控制，因此可以根据关机停止前的运行状况恰当地对燃料电池模块内的气体进行排气，可以充分抑制燃料极氧化及氧化剂气体极还原。
[0035]在本发明中，优选关机停止电路在温度检测传感器的检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使关机停止后的温度下降控制中供给的氧化剂气体的总量减少，或者，在温度检测传感器的检测温度为规定温度以下时不执行温度下降控制。
[0036]通常，燃料电池电堆的温度较低时，估计是在关机停止前的一定期间内，固体氧化物型燃料电池系统正以低输出进行运行。由于在这种情况下，发电运行中供给的燃料也较少，因此可以认为在关机停止时残留在燃料电池电堆的燃料极侧的燃料也较少。在这种状态下进行过度的温度下降控制时，氧化剂气体极侧的压力相对于燃料极侧的压力变得过高，引起逆流的可能性较高。根据如上构成的本发明，由于在检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使温度下降控制中所供给的氧化剂气体的总量减少，因此可以切实地避免在残留在燃料极侧的燃料较少的状态下送入大量氧化剂气体而氧化剂气体逆流的风险。另夕卜，根据如上构成的本发明，由于在检测温度为规定温度以下时不执行温度下降控制，因此可以切实地避免氧化剂气体逆流的风险。
[0037]在本发明中，优选控制器具有停止前处理电路，该停止前处理电路在燃料电池电堆的温度比规定的关机温度高时，在关机停止前执行使氧化剂气体供给装置的氧化剂气体供给量增加的停止前处理，使燃料电池电堆的温度下降，在关机停止后，执行温度下降控制。
[0038]根据如此构成的本发明，由于在比关机温度高时，执行使温度下降的停止前处理，因此可以在关机停止时，避免在燃料电池电堆处于过度的高温，或在燃料极侧残留有过度燃料的状态下进行关机停止，可以减少温度下降控制后的燃料极氧化、氧化剂气体极还原的风险。
[0039]在本发明中，优选停止前处理电路在燃料电池电堆的温度下降至关机温度之前持续进行停止前处理，其后，执行关机停止。
[0040]根据如此构成的本发明，由于在下降至关机温度之前持续进行停止前处理，因此可以规定进行关机停止时的温度上限，可以通过其后的温度下降控制而充分抑制燃料极氧化、氧化剂气体极还原。
[0041]根据本发明的固体氧化物型燃料电池系统，在执行关机停止并充分抑制燃料电池单电池的燃料极氧化的同时，还能够避免氧化剂气体极(空气极)还原。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的整体构成图。
图2是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的燃料电池模块的主视剖视图。
图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
图4是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
图5是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的燃料电池电堆的立体图。
图6是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的框图。
图7是本发明第I实施方式的燃料电池装置的重整器的立体图。
图8是拆下本发明第I实施方式的燃料电池装置的重整器的顶板以示出重整器内部的立体图。
图9是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的重整器内部的燃料流向的俯视剖视图。
图10是表示收纳在本发明第I实施方式的燃料电池装置的壳体内的金属制箱体及空气用换热器的立体图。
图11是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的换热器用绝热材料和蒸发部的位置关系的剖视图。
图12是表示本发明第I实施方式的燃料电池装置的起动工序中的燃料等的各供给量以及各部分的温度的一个例子的时间图。
图13是在本发明第I实施方式的燃料电池装置中进行停止模式选择的停止判断的流程图。
图14是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式I时的停止动作的一个例子的时间图。
图15是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式I时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图16是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式2时的停止动作的一个例子的时间图。
图17是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式2时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图18是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式3时的停止动作的一个例子的时间图。
图19是放大表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置的停止模式3中刚刚关机停止之后的时间图。
图20是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式3时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图21是停止前处理中的供水的流程图。
图22是表示停止模式3的变形例的时间图。
图23是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式4时的停止动作的一个例子的时间图。
图24是用于以时序说明在本发明第I实施方式的燃料电池装置中执行停止模式4时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
图25是在本发明第I实施方式的燃料电池装置的变形例中进行停止模式选择的停止判断的流程图。
图26是表示本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统的框图。
图27是控制停止前处理及关机停止后的温度下降控制的执行的流程图。
图28是表示温度下降控制中的发电用空气供给量的修正系数的图。
图29是各停止模式、温度区域中的停止前处理及温度下降控制的执行条件表。
图30是以时序模式化表示现有的固体氧化物型燃料电池系统的停止动作的一个例子的时间图。
符号说明
1-固体氧化物型燃料电池系统；2_燃料电池模块；4_辅助设备单元；7_绝热材料(蓄热材料)；8_箱体；8a-连通开口 ；8b-下垂壁；10-发电室；12-燃料电池单电池集合体；14-燃料电池电堆；16-燃料电池单电池单元(固体氧化物型燃料电池单电池)；18-燃烧室(燃烧部)；20-重整器；20a-蒸发部(蒸发室)；20b-混合部(压力变动吸收部件)；20c-重整部；20d-蒸发/混合部隔离壁；20e-隔离壁开口 ；20f-混合/重整部隔离壁(压力变动吸收部件)；20g-连通孔(狭小流路)；21_整流板(隔离壁)；21a-开口部；21b-排气通路；21c-气体滞留空间；21d-竖壁；22-空气用换热器(换热器)；23_蒸发室用绝热材料(内部绝热材料)；24-供水源；26-纯水箱；28-水流量调节单元(供水装置)；30-燃料供给源；38-燃料流量调节单元(燃料供给装置)；39_阀；40_空气供给源；44_重整用空气流量调节单元(重整用氧化剂气体供给装置)；45_发电用空气流量调节单元(发电用氧化剂气体供给装置)；46_第I加热器；48-第2加热器；50-温水制造装置(排热回收用换热器)；52-控制箱；54_逆变器；62_重整器导入管(水导入管、预热部、结露部)；62a-T字管(结露部)；63a-供水用配管；63b-燃料气体供给用配管；64_燃料气体供给管；64c_压力变动抑制用流路阻力部；66_分流器(分散室)；74_空气导入管；76a-吹出口 ；82_排放气体排出管；83_点火装置；84_燃料电池单电池；85_排气阀；86_内侧电极端子(端帽)；98_燃料气体流路细管(流入侧流路阻力部、流出侧流路阻力部、收缩流路、加速部)；110_控制部(控制器)；110a-关机停止电路；110b-压力保持控制电路；110c-停止前处理电路；110d_温度下降控制中止电路；112_操作装置；114_显示装置；116_警报装置；126_电力状态检测传感器(电压检测传感器)；132_燃料流量传感器(燃料供给量检测传感器)；138_压力传感器(重整器压力传感器)；142-发电室温度传感器(温度检测传感器)；148_重整器温度传感器；150_外气温度传感器。
【具体实施方式】
[0043]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)。
图1是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的整体构成图。如该图1所示，本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)I具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
[0044]燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6内部隔着绝热材料7内置有金属制箱体8。在该密闭空间的箱体8的下方部分即发电室10内，配置有利用燃料和氧化剂气体(空气)进行发电反应的燃料电池单电池集合体12。该燃料电池单电池集合体12具备10个燃料电池电堆14 (参照图5)，该燃料电池电堆14由16根燃料电池单电池单元16 (参照图4)构成。如此，燃料电池单电池集合体12具有160根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0045]在燃料电池模块2的箱体8的上述发电室10的上方形成有燃烧部即燃烧室18，发电反应中未使用的残余的燃料和残余的氧化剂(空气)在该燃烧室18内燃烧，生成排放气体。而且，箱体8被绝热材料7覆盖，抑制燃料电池模块2内部的热量向外气散放。
另外，在该燃烧室18的上方配置有对燃料进行重整的重整器20，利用前述残余气体的燃烧热量将重整器20加热为可进行重整反应的温度。而且，在该重整器20的上方配置有换热器即空气用换热器22，通过残余气体的燃烧气体加热发电用空气，对发电用空气进行预热。
[0046]接下来，辅助设备单元4具备:纯水箱26，贮存使来自燃料电池模块2的排气中含有的水分结露后的水并通过过滤器使其成为纯水；及水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该贮水箱供给的水的流量。辅助设备单元4还具备:气体截止阀32，截断从城市煤气等的燃料供给源30供给的燃料；脱硫器36，用于从燃料气体除去硫；燃料流量调节单元38(由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节燃料气体的流量；及阀39，在失去电源时，截断从燃料流量调节单元38流出的燃料气体。辅助设备单元4还具备:电磁阀42,截断从空气供给源40供给的氧化剂气体即空气；重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)，调节空气的流量;第I加热器46，力口热向重整器20供给的重整用空气；及第2加热器48，加热向发电室供给的发电用空气。上述第I加热器46和第2加热器48是为了高效地进行起动时的升温而设置的，但是也可以省略。
[0047]接下来，在燃料电池模块2上连接有温水制造装置50，其被供给排放气体。该温水制造装置50被供给来自供水源24的自来水，该自来水由于排放气体的热量而成为温水，并被供给至未图示的外部供热水器的贮热水箱。
另外，在燃料电池模块2上安装有控制箱52，其用于控制燃料气体的供给量等。
而且，在燃料电池模块2上连接有电力导出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块发出的电力。
[0048]下面，根据图2及图3，说明本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池模块的内部结构。图2是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池模块的主视剖视图，图3是沿图2的II1-1II线的剖视图。
如图2及图3所示，在燃料电池模块2的壳体6的箱体8内，如上所述，从下方依次配置有燃料电池单电池集合体12、重整器20、空气用换热器22。
[0049]重整器20在其上游端侧的端部侧面安装有重整器导入管62，用于导入纯水、将要重整的燃料气体及重整用空气。
重整器导入管62是从重整器20 —端的侧壁面延伸的圆管，以90°弯曲而沿大致铅垂方向延伸，贯穿箱体8的上端面。另外，重整器导入管62作为向重整器20导入水的水导入管而发挥作用。另外，在重整器导入管62的上端连接有T字管62a，在该T字管62a的沿大致水平方向延伸的管两侧的端部上分别连接有用于供给燃料气体及纯水的配管。供水用配管63a从T字管62a的一个侧端向斜上方延伸。燃料气体供给用配管63b从T字管62a的另一个侧端沿水平方向延伸后，弯曲为U字形，朝向与供水用配管63a相同的方向，沿大致水平延伸。
[0050]另一方面，在重整器20的内部，从上游侧依次形成有蒸发部20a、混合部20b、重整部20c，在该重整部20c内填充有重整催化剂。导入该重整器20的混合有水蒸气(纯水)的燃料气体及空气通过填充在重整器20内的重整催化剂而被重整。作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予钌的物质。
[0051]在该重整器20的下游端侧连接有燃料气体供给管64，该燃料气体供给管64向下方延伸，进而在形成于燃料电池单电池集合体12下方的分流器66内水平延伸。在燃料气体供给管64的水平部64a的下方面形成有多个燃料供给孔64b，从该燃料供给孔64b向分流器66内供给重整后的燃料气体。另外，在燃料气体供给管64的铅垂部的中途，设置有使流路变窄的压力变动抑制用流路阻力部64c，调节燃料气体的供给流量的流路阻力。对于流路阻力的调节在后面进行说明。
[0052]在该分流器66的上方安装有用于支撑上述燃料电池电堆14的具备贯穿孔的下支撑板68，分流器66内的燃料气体被供给至燃料电池单电池单元16内。
[0053]另一方面，在重整器20的上方设置有空气用换热器22。
另外，如图2所示，用于使燃料气体和空气开始燃烧的点火装置83设置于燃烧室18。
[0054]下面，根据图4对燃料电池单电池单元16进行说明。图4是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池单电池单元的局部剖视图。
如图4所示，燃料电池单电池单元16具备燃料电池单电池84和分别连接在该燃料电池单电池84两端部的端帽即内侧电极端子86。
燃料电池单电池84是在上下方向上延伸的管状结构体，具备在内部形成燃料气体流路88的圆筒形内侧电极层90、圆筒形外侧电极层92、位于内侧电极层90和外侧电极层92之间的电解质层94。该内侧电极层90是燃料气体流过的燃料极，为(-)极，另一方面，外侧电极层92是与空气接触的空气极，为(+)极。
[0055]由于安装在燃料电池单电池84的上端侧和下端侧的内侧电极端子86呈相同结构，所以在此具体地说明安装于上端侧的内侧电极端子86。内侧电极层90的上部90a具备相对于电解质层94和外侧电极层92露出的外周面90b和上端面90c。内侧电极端子86隔着导电性密封材料96与内侧电极层90的外周面90b连接，而且，通过与内侧电极层90的上端面90c直接接触而与内侧电极层90电连接。在内侧电极端子86的中心部形成有与内侧电极层90的燃料气体流路88连通的燃料气体流路细管98。
[0056]该燃料气体流路细管98是被设置为从内侧电极端子86的中心向燃料电池单电池84的轴线方向延伸的细长的细管。因此，在从分流器66 (图2)经由下侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98而流入燃料气体流路88的燃料气体的流动中产生规定的压损。因而，下侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98作为流入侧流路阻力部而发挥作用，其流路阻力被设定为规定值。另外，在从燃料气体流路88经由上侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98而向燃烧室18(图2)流出的燃料气体的流动中也产生规定的压损。因而，上侧的内侧电极端子86的燃料气体流路细管98作为流出侧流路阻力部而发挥作用，其流路阻力被设定为规定值。
[0057]内侧电极层90例如可以由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。
[0058]电解质层94例如可以由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化错、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铺、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
[0059]外侧电极层92例如可以由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr、Co、N1、Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、N1、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
[0060]下面，根据图5对燃料电池电堆14进行说明。图5是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。
如图5所示，燃料电池电堆14具备16根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单元16被配置为各8根排成2排。各燃料电池单电池单元16的下端侧被陶瓷制长方形下支撑板68 (图2)支撑，上端侧的两端部的燃料电池单电池单元16的各4根被大致正方形的2张上支撑板100支撑。在上述下支撑板68及上支撑板100上分别形成有内侧电极端子86可贯穿的贯穿孔。
[0061]而且，在燃料电池单电池单元16上安装有集电体102及外部端子104。该集电体102以连接燃料极用连接部102a和空气极用连接部102b方式而一体地形成，其中，该燃料极用连接部102a与安装于燃料极即内侧电极层90的内侧电极端子86电连接，该空气极用连接部102b与空气极即外侧电极层92的外周面电连接。另外，在各燃料电池单电池单元16的外侧电极层92(空气极)的外表面整体上，作为空气极侧的电极而形成有银制薄膜。空气极用连接部102b与该薄膜表面接触，由此集电体102与空气极整体电连接。
[0062]而且，在位于燃料电池电堆14 一端(图5中左端的里侧)的燃料电池单电池单元16的空气极86上分别连接有2个外部端子104。这些外部端子104与位于邻接的燃料电池电堆14 一端的燃料电池单电池单元16的内侧电极端子86连接，如上所述，160根燃料电池单电池单元16全部串联连接。
[0063]下面，根据图6对安装于本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的传感器类等进行说明。图6是表示本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)的框图。
如图6所示，固体氧化物型燃料电池系统I具备控制部110，该控制部110连接有:操作装置112，具备用于使用者操作的“开”、“关”等操作按钮；显示装置114，用于显示发电输出值(瓦数)等的各种数据；及警报装置116，在异常状态时等发出警报(warning)。另外，控制部110中内置有微处理器、存储器及使它们工作的程序(以上未图示)，由此，根据来自各传感器的输入信号，控制辅助设备单元4、逆变器54等。另外，该警报装置116也可以是与位于远距离地点的管理中心连接，向该管理中心通知异常状态的形式。
[0064]接下来，向控制部110输入来自以下说明的各种传感器的信号。
首先，可燃气体检测传感器120是用于检测气体泄漏的元件，安装于燃料电池模块2及辅助设备单元4。
CO检测传感器122是用于检测原本经由排放气体通路80等向外部排出的排放气体中的CO是否泄漏在覆盖燃料电池模块2及辅助设备单元4的外部壳体(未图示)中的元件。
热水贮存状态检测传感器124是用于检测未图示的供热水器中的热水温度、水量等的元件。
[0065]电力状态检测传感器126是用于检测逆变器54及配电板(未图示)的电流及电压等的元件。
发电用空气流量检测传感器128是用于检测向发电室10供给的发电用空气的流量的元件。
重整用空气流量传感器130是用于检测向重整器20供给的重整用空气的流量的元件。 燃料流量传感器132是用于检测向重整器20供给的燃料气体的流量的元件。
[0066]水流量传感器134是用于检测向重整器20供给的纯水的流量的元件。
水位传感器136是用于检测纯水箱26的水位的元件。
压力传感器138是用于检测重整器20的外部上游侧的压力的元件。 排气温度传感器140是用于检测流入温水制造装置50的排放气体的温度的元件。
[0067]如图3所示，发电室温度传感器142设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面侧和背面侧，是用于检测燃料电池电堆14附近的温度，从而推断燃料电池电堆14(即燃料电池单电池84自身)的温度的元件。
燃烧室温度传感器144是用于检测燃烧室18的温度的元件。
排放气体室温度传感器146是用于检测排放气体室78的排放气体的温度的元件。重整器温度传感器148是用于检测重整器20的温度的元件，根据重整器20的入口温度和出口温度计算出重整器20的温度。
外气温度传感器150是当固体氧化物型燃料电池系统(SOFC)配置在室外时用于检测外气温度的元件。而且，也可以设置测定外气湿度等的传感器。
[0068]来自这些传感器类的信号被发送至控制部110，控制部110根据基于这些信号的数据，向水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44、发电用空气流量调节单元45发送控制信号，以控制这些单元的各流量。
[0069]下面，参照图7至图9说明重整器20的详细构成。
图7是重整器20的立体图，图8是拆下顶板以示出重整器20内部的立体图。图9是表示重整器20内部的燃料流向的俯视剖视图。
[0070]如图7所示，重整器20是长方体状的金属制箱，在内部填充有用于对燃料进行重整的重整催化剂。另外，在重整器20的上游侧连接有重整器导入管62，用于导入水、燃料及重整用空气。而且，在重整器20的下游侧连接有燃料气体供给管64，使在内部重整后的燃料流出。
[0071]如图8所示，在重整器20的内部，在其上游侧设置有蒸发室即蒸发部20a，与该蒸发部20a邻接而在下游侧设置有混合部20b。而且，与混合部20b邻接而在下游侧设置有重整部20c。通过在蒸发部20a的内部配置多个隔板，从而形成有曲折蜿蜒的通路。导入重整器20的水在温度上升的状态下在蒸发部20a内蒸发而成为水蒸气。而且，混合部20b由具有规定容积的腔室构成，在其内部也通过配置多个隔板而形成有曲折蜿蜒的通路。导入重整器20的燃料气体、重整用空气流过混合部20b的曲折的通路并与蒸发部20a中生成的水蒸气混合。
[0072]另一方面，在重整部20c的内部也通过配置多个隔板而形成有曲折的通路，在该通路中填充有催化剂。经由蒸发部20a、混合部20b而导入燃料气体、水蒸气及重整用空气的混合物时，在重整部20c中发生部分氧化重整反应及水蒸气重整反应。而且,导入燃料气体及水蒸气的混合物时，在重整部20c中仅发生水蒸气重整反应。
另外，在本实施方式中，虽然蒸发部、混合部、重整部一体地构成，从而形成I个重整器，但是作为变形例，也可以设置仅具备重整部的重整器，并在其上游侧邻接设置混合部、蒸发室。
[0073]如图8及图9所示，向重整器20的蒸发部20a导入的燃料气体、水及重整用空气沿重整器20的横切方向蜿蜒流动，在此期间所导入的水蒸发而成为水蒸气。在蒸发部20a和混合部20b之间设置有蒸发/混合部隔离壁20d，在该蒸发/混合部隔离壁20d上设置有隔离壁开口 20e。该隔离壁开口 20e是设置在蒸发/混合部隔离壁20d的一侧约一半中的上侧约一半的区域内的长方形开口部。 另外，在混合部20b和重整部20c之间设置有混合/重整部隔离壁20f，在该混合/重整部隔离壁20f上通过设置很多的连通孔20g而形成有狭小流路。在混合部20b内混合的燃料气体等经由这些连通孔20g而流入重整部20c。
[0074]流入重整部20c的燃料等在重整部20c的中央沿长度方向流动后，分支为2个并折返，2个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气体供给管64。燃料流过如此蜿蜒的通路，并通过填充在通路中的催化剂而被重整。另外，在蒸发部20a内有时发生一定量的水短时间内急剧蒸发的暴沸，从而内部压力上升。但是，由于在混合部20b内构成有规定容积的腔室，在混合/重整部隔离壁20f上形成有狭小流路，因此重整部20c不容易受到蒸发部20a内的急剧的压力变动的影响。因而，混合部20b的腔室及混合/重整部隔离壁20f的狭小流路作为压力变动吸收部件而发挥作用。
[0075]下面，再参照图10及图11，同时再次参照图2及图3，详细说明发电氧化剂气体用换热器即空气用换热器22的结构。图10是表示收纳在壳体6内的金属制箱体8及空气用换热器22的立体图。图11是表示蒸发室用绝热材料和蒸发部的位置关系的剖视图。
[0076]如图10所示，空气用换热器22是配置在燃料电池模块2内的箱体8上方的换热器。另外，如图2及图3所示，由于在箱体8的内部形成有燃烧室18，并收纳有多个燃料电池单电池单元16、重整器20等，因此空气用换热器22位于它们的上方。空气用换热器22构成为回收、利用在燃烧室18内燃烧并作为排气而排出的燃烧气体的热量，对被导入燃料电池模块2内的发电用空气进行预热。另外，如图10所示，在箱体8的上面和空气用换热器22的底面之间，以夹在它们之间的方式配置有内部绝热材料即蒸发室用绝热材料23。SP，蒸发室用绝热材料23配置在重整器20和空气用换热器22之间。而且，外侧绝热材料即绝热材料7覆盖图10所示的空气用换热器22及箱体8的外侧(图2)。
[0077]如图2及图3所示，空气用换热器22具有多个燃烧气体配管70和发电用空气流路72。另外，如图2所示，在多个燃烧气体配管70的一个端部上设置有排放气体汇集室78，该排放气体汇集室78与各燃烧气体配管70连通。另外，在排放气体汇集室78上连接有排放气体排出管82。而且，各燃烧气体配管70的另一个端部开放，该开放的端部介由形成在箱体8的上面的连通开口 8a而与箱体8内的燃烧室18连通。
[0078]燃烧气体配管70是朝向水平方向的多个金属制圆管,各圆管各自平行配置。另一方面，发电用空气流路72由各燃烧气体配管70的外侧空间构成。另外，在发电用空气流路72的排放气体排出管82侧的端部上连接有发电用空气导入管74(图10)，燃料电池模块2外部的空气经由发电用空气导入管74而被导入发电用空气流路72。另外，如图10所示，发电用空气导入管74与排放气体排出管82平行地从空气用换热器22向水平方向突出。而且，在发电用空气流路72的另一个端部的两个侧面上连接有一对连接流路76 (图3、图10)，发电用空气流路72和各连接流路76分别介由出口孔76a而连通。
[0079]如图3所示，在箱体8的两个侧面上分别设置有发电用空气供给通路77。设置在空气用换热器22的两个侧面上的各连接流路76分别与设置在箱体8的两个侧面上的发电用空气供给通路77的上部连通。另外，在各发电用空气供给通路77的下部沿水平方向排列设置有很多的吹出口 77a。经由各发电用空气供给通路77而供给的发电用空气从很多的吹出口 77a向燃料电池模块2内的燃料电池电堆14的下部侧面喷射。
[0080]另外，在箱体8内部的顶棚面上安装有隔离壁即整流板21，在该整流板21上设置有开口部21a。
整流板21是水平配置在箱体8的顶棚面和重整器20之间的板材。该整流板21构成为调整从燃烧室18流向上方的气体流向，并引导至空气用换热器22的入口(图2的连通开口 8a)。从燃烧室18流向上方的发电用空气及燃烧气体经由设置在整流板21中央的开口部21a而流入整流板21的上侧，沿整流板21的上面和箱体8的顶棚面之间的排气通路21b流向图2中的左侧方向，并被引导至空气用换热器22的入口。另外，如图11所示，开口部21a被设置在重整器20的重整部20c的上方，经由开口部21a而上升的气体流向与蒸发部20a相反侧的图2、图11中的左侧的排气通路21b。因此，蒸发部20a上方的空间(图
2、图11中的右侧)作为排气流动比重整部20c上方的空间慢且排气流动停滞的气体滞留空间21c而发挥作用。
[0081]另外，在整流板21的开口部21a的边缘沿全周设置有竖壁21d，通过该竖壁21d，从整流板21下侧的空间向整流板21上侧的排气通路21b流入的流路变窄。而且，在使排气通路21b和空气用换热器22连通的连通开口 8a的边缘也沿全周设置有下垂壁Sb (图2)，通过该下垂壁8b，从排气通路21b向空气用换热器22流入的流路变窄。通过设置上述竖壁21d、下垂壁8b，从而调节从燃烧室18经由空气用换热器22直至燃料电池模块2外部的排气通路中的流路阻力。对于流路阻力的调节在后面进行说明。
[0082]蒸发室用绝热材料23是在空气用换热器22的底面上以大致覆盖其整体的方式安装的绝热材料。因而，蒸发室用绝热材料23横跨配置在蒸发部20a整体的上方。该蒸发室用绝热材料23被配置为，抑制形成在整流板21的上面和箱体8的顶棚面之间的排气通路21b及气体滞留空间21c内的高温气体直接加热空气用换热器22的底面。因此，在燃料电池模块2的运行中，从滞留在蒸发部20a上方的排气通路中的排气直接传递给空气用换热器22底面的热量变少，蒸发部20a周围的温度变得容易上升。另外，在燃料电池模块2停止后，由于配置有蒸发室用绝热材料23，从而抑制热量从重整器20散放，即，蒸发部20a周围的热量变得不容易被空气用换热器22夺走，蒸发部20a的温度下降变得平缓。
[0083]另外，与为了抑制热量向外气散失而覆盖燃料电池模块2的箱体8及空气用换热器22整体的外侧绝热材料即绝热材料7不同，蒸发室用绝热材料23是配置在绝热材料7内部的绝热材料。另外，绝热材料7构成为绝热性比蒸发室用绝热材料23高。S卩，绝热材料7的内面和外面之间的热阻比蒸发室用绝热材料23的上面和下面之间的热阻大。S卩，用同一材料构成绝热材料7和蒸发室用绝热材料23时，使绝热材料7构成为比蒸发室用绝热材料23厚。
[0084]下面，说明固体氧化物型燃料电池系统I的发电运行时的燃料、发电用空气及排放气体的流向。
首先，燃料介由燃料气体供给用配管63b、T字管62a、重整器导入管62而被导入重整器20的蒸发部20a，同时纯水介由供水用配管63a、T字管62a、重整器导入管62而被导入蒸发部20a。因而，所供给的燃料及水在T字管62a中合流，经由重整器导入管62而被导入蒸发部20a。由于在发电运行中，蒸发部20a被加热至高温，因此导入蒸发部20a的纯水比较快速地蒸发而成为水蒸气。所蒸发的水蒸气及燃料在混合部20b内混合，流入重整器20的重整部20c。与水蒸气一起被导入重整部20c的燃料在此进行水蒸气重整，被重整为富含氢的燃料气体。在重整部20c中重整后的燃料经由燃料气体供给管64向下方下降，流入分散室即分流器66。
[0085]分流器66是配置在燃料电池电堆14下侧的体积比较大的长方体状的空间，设置在其上面的很多的孔与构成燃料电池电堆14的各燃料电池单电池单元16的内侧连通。导入分流器66的燃料经由设置在其上面的很多的孔，并经由燃料电池单电池单元16的燃料极侧，即燃料电池单电池单元16的内部，从其上端流出。另外，燃料即氢气流过燃料电池单电池单元16的内部时，与流经空气极(氧化剂气体极)即燃料电池单电池单元16外侧的空气中的氧进行反应从而生成电荷。未使用于该发电而残余的残余气体从各燃料电池单电池单元16的上端流出，在设置于燃料电池电堆14上方的燃烧室18内燃烧。
[0086]另一方面，通过发电用氧化剂气体供给装置即发电用空气流量调节单元45，氧化剂气体即发电用空气介由发电用空气导入管74而被送入燃料电池模块2内。被送入燃料电池模块2内的空气介由发电用空气导入管74而被导入空气用换热器22的发电用空气流路72，并被预热。预热后的空气介由各出口孔76a(图3)而向各连接流路76流出。流入各连接流路76的发电用空气经由设置在燃料电池模块2的两个侧面上的发电用空气供给通路77而流向下方，从很多的吹出口 77a朝向燃料电池电堆14而被喷射至发电室10内。
[0087]喷射至发电室10内的空气与燃料电池电堆14的空气极侧(氧化剂气体极侧)即各燃料电池单电池单元16的外侧面接触，空气中的氧的一部分被利用于发电。另外，介由吹出口 77a而向发电室10的下部喷射的空气一边利用于发电一边沿发电室10内上升。沿发电室10内上升的空气使从各燃料电池单电池单元16的上端流出的燃料燃烧。该燃烧所产生的燃烧热量加热配置在燃料电池电堆14上方的重整器20的蒸发部20a、混合部20b及重整部20c。燃料燃烧而生成的燃烧气体在加热上方的重整器20后，经由重整器20上方的开口部21a而流入整流板21的上侧。流入整流板21上侧的燃烧气体经由用整流板21构成的排气通路21b，而被引导至空气用换热器22的入口即连通开口 8a。从连通开口 8a流入空气用换热器22的燃烧气体流入开放的各燃烧气体配管70的端部，与沿各燃烧气体配管70外侧的发电用空气流路72流动的发电用空气之间进行热交换，并汇集至排放气体汇集室78。汇集至排放气体汇集室78的排放气体介由排放气体排出管82而向燃料电池模块2的外部排出。由此，蒸发部20a中的水的蒸发以及重整部20c中的吸热反应即水蒸气重整反应被促进，同时空气用换热器22内的发电用空气被预热。
[0088]下面，再参照图12，说明固体氧化物型燃料电池系统I的起动工序中的控制。
图12是表示起动工序中的燃料等的各供给量以及各部分的温度的一个例子的时间图。另外，图12的纵轴的刻度表示温度，燃料等的各供给量概略示出它们的增减。
[0089]在图12所示的起动工序中，使处于常温状态的燃料电池电堆14的温度上升至可进行发电的温度。
首先，在图12的时刻t0，开始供给发电用空气及重整用空气。具体而言，控制器即控制部110向发电用氧化剂气体供给装置即发电用空气流量调节单元45发送信号，使其工作。如上所述，发电用空气介由发电用空气导入管74而被导入燃料电池模块2内，经由空气用换热器22、发电用空气供给通路77而流入发电室10内。另外，控制部110向重整用氧化剂气体供给装置即重整用空气流量调节单元44发送信号，使其工作。导入燃料电池模块2内的重整用空气经由重整器20、分流器66而流入各燃料电池单电池单元16的内部，并从其上端流出。另外，在时刻t0，由于还未供给燃料，因此在重整器20内不发生重整反应。在本实施方式中，在图12的时刻tO开始的发电用空气的供给量为约100L/min，重整用空气的供给量为约 10.0L/min。
[0090]之后，在距图12的时刻tO规定时间后的时刻tl，开始燃料供给。具体而言，控制部110向燃料供给装置即燃料流量调节单元38发送信号，使其工作。在本实施方式中，在时刻tl开始的燃料供给量为约5.0L/min。导入燃料电池模块2内的燃料经由重整器20、分流器66而流入各燃料电池单电池单元16的内部，并从其上端流出。另外，在时刻tl，由于重整器的温度还处于低温，因此在重整器20内不发生重整反应。
[0091]之后，在距图12的时刻tl经过规定时间后的时刻t2，开始针对所供给的燃料的点火工序。具体而言，在点火工序中，控制部110向点火部件即点火装置83(图2)发送信号，对从各燃料电池单电池单元16的上端流出的燃料进行点火。点火装置83在燃料电池电堆14的上端附近反复产生火花，对从各燃料电池单电池单元16的上端流出的燃料进行点火。
[0092]在图12的时刻t3完成点燃时，开始供给重整用水。具体而言，控制部110向供水装置即水流量调节单元28 (图6)发送信号，使其工作。在本实施方式中，在时刻t3开始的供水量为2.0cc/min。在时刻t3，燃料供给量保持于之前的约5.0L/min。另外，发电用空气及重整用空气的供给量也保持于之前的值。另外，在该时刻t3，重整用空气中的氧O2和燃料中的碳C的比02/C为约0.32。
[0093]在图12的时刻t3点燃后，所供给的燃料作为剩余气体而从各燃料电池单电池单元16的上端流出，并在此燃烧。该燃烧热量加热配置在燃料电池电堆14上方的重整器20。在此，在重整器20的上方(箱体8之上)配置有蒸发室用绝热材料23，由此，在燃料刚刚开始燃烧之后，重整器20的温度从常温急剧上升。由于向配置在蒸发室用绝热材料23之上的空气用换热器22导入外气，因此空气用换热器22尤其在刚刚开始燃烧之后温度较低，容易成为冷却源。在本实施方式中，通过在箱体8的上面和空气用换热器22的底面之间配置有蒸发室用绝热材料23，从而可抑制热量从箱体8内的配置在上部的重整器20向空气用换热器22转移，变得容易在箱体8内的重整器20附近留住热量。此外，由于蒸发部20a上方的整流板21上侧的空间构成为燃烧气体流动变慢的气体滞留空间21c (图2)，因此蒸发部20a附近被双重绝热，温度更加急速地上升。
[0094]如此，通过蒸发部20a的温度急速地上升，从而剩余气体开始燃烧后可在短时间内生成水蒸气。另外，由于向蒸发部20a每次少量地供给重整用水，因此与大量的水贮留在蒸发部20a中的情况相比，可以通过较少的热量将水加热至沸点，可以尽快开始供给水蒸气。而且，由于从水流量调节单元28刚刚开始工作之后便流入水，因此可以避免供水延迟所引起的蒸发部20a的过度温度上升及水蒸气的供给延迟。
[0095]另外，在剩余气体开始燃烧后经过一定程度的时间时，空气用换热器22的温度也通过从燃烧室18流入空气用换热器22的排放气体而上升。对重整器20和空气用换热器22之间进行绝热的蒸发室用绝热材料23是设置在绝热材料7内侧的绝热材料。因而，蒸发室用绝热材料23不是抑制热量从燃料电池模块2散失的绝热材料，而是在剩余气体刚刚开始燃烧之后，使重整器20尤其是其蒸发部20a的温度急速上升。
[0096]如此，在重整器20的温度已上升的时刻t4，经由蒸发部20a而流入重整部20c的燃料和重整用空气发生式(I)所示的部分氧化重整反应。
CniHJxO2 — aC02+bC0+cH2 (I) 由于该部分氧化重整反应是发热反应，因此在重整部20c内发生部分氧化重整反应时，其周围的温度局部地急剧上升。
[0097]另一方面，在本实施方式中，从刚刚确认点燃之后的时刻t3开始供给重整用水，另外，由于构成为蒸发部20a的温度急速上升，因此在时刻t4，已经在蒸发部20a内生成水蒸气，并向重整部20c供给。即，使剩余气体点燃后，从重整部20c的温度达到发生部分氧化重整反应的温度的规定时间之前开始供水，在达到发生部分氧化重整反应的温度时，在蒸发部20a中贮留有规定量的水，并生成有水蒸气。因此，由于发生部分氧化重整反应而导致温度急剧上升时，则发生供给至重整部20c的重整用水蒸气与燃料进行反应的水蒸气重整反应。该水蒸气重整反应是式(2)所示的吸热反应，在比部分氧化重整反应高的温度下发生。
CniHJxH2O — aC02+bC0+cH2 (2)
[0098]如此，到达图12的时刻t4时，在重整部20c内发生部分氧化重整反应，另外，由于发生部分氧化重整反应而引起的温度上升，还同时发生水蒸气重整反应。因而，在时刻t4之后在重整部20c内发生的重整反应是部分氧化重整反应和水蒸气重整反应同时存在的式⑶所示的自热重整反应(ATR)。S卩，在时刻t4开始ATRl工序。
CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2 (3)
[0099]如此，在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，在起动工序的整个期间内进行供水，部分氧化重整反应(POX)不会单独发生。另外，在图12所示的时间图中，时刻t4的重整器温度为约200°C。虽然该重整器温度比发生部分氧化重整反应的温度低，但是由重整器温度传感器148 (图6)检测出的温度为重整部20c的平均温度。实际上即使在时刻t4，重整部20c也局部达到发生部分氧化重整反应的温度，利用所发生的部分氧化重整反应的反应热量，还诱发水蒸气重整反应。如此，在本实施方式中，点燃后，从重整部20c达到发生部分氧化重整反应的温度之前开始供水，部分氧化重整反应不会单独发生。
[0100]之后，当重整器温度传感器148的检测温度达到约500°C以上时，在图12的时刻t5，从ATRl工序转入ATR2工序。在时刻t5，供水量从2.0cc/min变更至3.0cc/min。另外，燃料供给量、重整用空气供给量及发电用空气供给量保持于之前的值。由此，ATR2工序中的水蒸气和碳的比S/C增加至0.64，另一方面，重整用空气和碳的比02/C则保持于0.32。如此，通过将重整用空气和碳的比02/C保持于一定，并使水蒸气和碳的比S/C增加，从而未使可进行部分氧化重整的碳量下降，而使可进行水蒸气重整的碳量增加。由此，切实地避免重整部20c中的碳析出的风险，并可以在重整部20c的温度上升的同时，使水蒸气重整的碳量增加。
[0101]而且，在本实施方式中，在图12的时刻t6，当发电室温度传感器142的检测温度达到约400°C以上时，从ATR2工序转入ATR3工序。与此相伴，燃料供给量从5.0L/min变更至
4.0L/min，重整用空气供给量从9.0L/min变更至6.5L/min。另外，供水量及发电用空气供给量保持于之前的值。由此，ATR3工序中的水蒸气和碳的比S/C增加至0.80，另一方面，重整用空气和碳的比02/C减少至0.29。
[0102]而且，在图12的时刻t7，当发电室温度传感器142的检测温度达到约550°C以上时，则转入SRl工序。与此相伴，燃料供给量从4.0L/min变更至3.0L/min，供水量从3.0cc/min变更至7.0cc/min。另外，停止供给重整用空气，发电用空气供给量保持于之前的值。由此，在SRl工序中，在重整部20c内只发生水蒸气重整，水蒸气和碳的比S/C被设定于为了对所供给的燃料的全部量进行水蒸气重整而恰当的2.49。由于在图12的时刻t7，重整器20、燃料电池电堆14的温度都已充分上升，因此即使在重整部20c内不发生部分氧化重整反应，也可以稳定地发生水蒸气重整反应。
[0103]之后，在图12的时刻t8，当发电室温度传感器142的检测温度达到约600°C以上时，则转入SR2工序。与此相伴，燃料供给量从3.0L/min变更至2.5L/min,供水量从7.0cc/min变更至6.0cc/min。另外,发电用空气供给量保持于之前的值。由此,在SR2工序中，水蒸气和碳的比S/C被设定于2.56。
[0104]而且，在执行SR2工序规定时间后，转入发电工序。在发电工序中，从燃料电池电堆14向逆变器54(图6)导出电力，开始发电。另外，在发电工序中，在重整部20c中只通过水蒸气重整对燃料进行重整。另外，在发电工序中，与对燃料电池模块2要求的输出电力相对应，变更燃料供给量、发电用空气供给量及供水量。
[0105]下面，参照图13至图25及图30，对本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I的停止进行说明。
首先，参照图30，说明现有的固体氧化物型燃料电池系统中的关机停止时的动作。图30是以时序模式化表示现有的固体氧化物型燃料电池系统的停止动作的一个例子的时间图。
[0106]首先，在图30的时刻t501中，进行发电运行中的燃料电池的关机停止操作。由此，不等待燃料电池模块内的温度下降，便在短时间内使燃料供给量、重整用水供给量及发电用空气供给量为零，使从燃料电池模块导出的电流(发电电流)也为零。即，使朝向燃料电池模块的燃料、水、发电用空气的供给在短时间内停止，停止从燃料电池模块导出电力。另夕卜，由于灾害等而失去朝向固体氧化物型燃料电池系统的燃料及电气供给时，停止动作也成为与图30相同的状态。另外，图30中的各供给量、电流、电压的曲线仅表示变化倾向，而不表示具体的值。
[0107]通过在时刻t501使电力导出停止，从而燃料电池电堆中产生的电压值上升(但是电流为零)。另外，在时刻t501，由于使发电用空气供给量为零，因此未向燃料电池模块内强制地送入空气，在时刻t501之后，在长时间内使燃料电池电堆自然冷却。
[0108]假使在时刻t501后也持续向燃料电池模块内供给空气，则燃料电池模块内的压力因送入的空气而上升。另一方面，由于燃料供给已经停止，因此燃料电池单电池单元的内部压力开始下降。因此，可以想到送入燃料电池模块的发电室内的空气从上端向燃料电池单电池单元内侧的燃料极侧逆流。在时刻t501，由于燃料电池电堆处于高温状态，因此空气向燃料极侧逆流时，燃料极发生氧化，燃料电池单电池单元则会受损。为了避免该问题，在现有的燃料电池中，如图30所示，在通过关机停止而使燃料供给刚刚停止之后，即使在未失去电源时，也使发电用空气快速停止。
[0109]而且，关机停止后，在经过6至7小时左右，当燃料电池模块内的温度下降至小于燃料极的氧化下限温度后，还再次向燃料电池模块内供给空气(未图示)。虽然这种空气供给是为了排出滞留的燃料气体而执行的，但是在燃料电池电堆的温度已下降至小于燃料极的氧化下限温度的状态下，假使空气向燃料极逆流，燃料极也不会氧化。
[0110]但是，本申请发明人发现即便进行这种现有燃料电池中的关机停止，还是有空气向燃料极侧逆流，而燃料极被氧化的风险。
[0111]空气从空气极侧向燃料极侧逆流是基于燃料电池单电池单元的内侧(燃料极侧)和外侧(空气极侧)的压力差而产生的。在燃料气体及发电用空气正被供给的关机停止前的状态下，重整后的燃料被压送至燃料电池单电池单元的燃料极侧。另一方面，发电用空气也被送入燃料电池单电池单元的空气极侧。在该状态下，燃料电池单电池单元的燃料极侧的压力比空气极侧的压力高，燃料从燃料电池单电池单元的燃料极侧向空气极侧喷出。
[0112]接下来，通过关机停止而停止供给燃料气体及发电用空气时，燃料从处于压力较高状态的燃料极侧向压力较低的空气极侧喷出。另外，由于燃料电池模块内的空气极侧的压力也处于比外气压力(大气压)高的状态，因此关机停止后，燃料电池模块内的空气极侧的空气(及从燃料极侧喷出的燃料气体)经由排气通路而向燃料电池模块的外部排出。因此，关机停止后，燃料电池单电池单元的燃料极侧、空气极侧的压力都下降，最终收敛于大气压。因而，在燃料极侧及空气极侧压力下降的动作受到燃料电池单电池单元的燃料极侧和空气极侧之间的流路阻力、燃料电池模块内的空气极侧和外气之间的流路阻力等的影响。另外，在燃料极侧和空气极侧的压力相等的状态下，空气极侧的空气通过扩散而进入燃料极侧。
[0113]但是，实际上由于燃料电池模块的内部处于高温状态，因此关机停止后的压力动作还受燃料极侧及空气极侧的温度变化影响。例如，由于燃料电池单电池单元的燃料极侧的温度与空气极侧相比急剧下降时，燃料电池单电池单元内的燃料气体的体积收缩，因此燃料极侧的压力下降从而发生空气逆流。如此，关机停止后的燃料极侧及空气极侧的压力受到燃料电池模块内各部分的流路阻力、燃料电池模块内的温度分布、所蓄积的热量等的影响，非常复杂地进行变化。
[0114]存在于燃料电池单电池单元的燃料极侧及空气极侧的气体成分可以根据未导出电流的状态(输出电流=O)下的电堆的输出电压来进行推断。如图30的粗虚线所示，在时刻t501的刚刚关机停止之后，电堆的输出电压急剧上升(图30的A部)。这是因为在刚刚关机停止之后，在燃料极侧存在很多的氢，在空气极侧存在空气，同时从电堆导出的电流为O。之后，虽然电堆的输出电压急剧下降(图30的B部)，但是推断这是因为关机停止后，存在于各燃料电池单电池单元的燃料极侧的氢流出从而燃料极侧的氢浓度下降，同时由于流出的氢，空气极侧的空气浓度下降。
[0115]之后，电堆的输出电压随着时间的经过而下降，燃料电池模块内的温度下降至小于氧化下限温度时(图30的C部)，输出电压大幅下降。推断在该状态下，在各燃料电池单电池单元的燃料极侧几乎没有残留氢，在现有的燃料电池中，燃料极被置于氧化的危险。实际上在现有的燃料电池中，大多数情况下，在燃料电池模块内的温度下降至小于氧化下限温度之前，发生燃料极侧的压力比空气极侧的压力更为下降的现象，可以认为对燃料电池单电池单元产生了不良影响。
[0116]另外，根据燃料电池模块的结构、关机停止前的运行条件，在关机停止后，尽管已停止燃料供给，还是发生燃料电池模块内上部的温度上升的现象(未图示)。即，有时燃料电池模块内的温度在关机停止后的I个小时左右比发电运行时更为上升。可以认为这种温度上升是因为发电运行中重整器内发生的吸热反应即水蒸气重整反应因停止燃料供给而不再发生，另一方面，残留在各燃料电池单电池单元内部、向它们分配燃料的分流器内的燃料在燃料供给停止后还在燃烧室内持续燃烧。
[0117]如此，燃料电池模块内的重整器附近的温度上升，另一方面，由于已停止从燃料电池电堆导出电流，因此在燃料电池电堆中不再产生发电热量。由此，燃料电池电堆上方的温度上升而压力上升，与此相对，各燃料电池单电池单元的内部因温度下降而压力下降。因为这种燃料电池模块内的温度梯度，有时各燃料电池单电池单元的燃料极侧的压力比空气极侧的压力低。在这种情况下，燃料电池单电池单元外部的空气极侧的空气向内部的燃料极侧逆流，燃料电池单电池单元受损的可能性较高。
[0118]在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，将燃料电池模块内各部分的流路阻力设定于恰当的值，同时通过内置在控制部110中的关机停止电路110a(图6)的控制，大幅度抑制燃料极氧化的风险。
[0119]下面，参照图13至图25，对本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I的停止进行说明。
图13是本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中的进行停止模式选择的停止判断的流程图。图13的流程图是用于根据规定条件来判断选择哪一个停止模式的流程图，在固体氧化物型燃料电池系统I的运行中，以规定的时间间隔而被反复执行。
[0120]首先，在图13的步骤SI中，判断是否已停止从燃料供给源30 (图1)供给燃料气体以及从工业电源供给电力。在燃料气体及电力双方的供给已停止时，进入步骤S2，在步骤S2中，选择紧急停止模式即停止模式1，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式I的情况，设想因自然灾害等停止燃料气体及电力供给的情况，可以认为进行这种停止的频度极少。
[0121]另一方面，当燃料气体及电力的至少一方被供给时，则进入步骤S3，在步骤S3中，判断是否是停止供给燃料气体且正在供给电力的状态。在停止供给燃料气体且正在供给电力的情况下进入步骤S4，除此以外的情况则进入步骤S5。在步骤S4中，选择通常停止模式中的一个即停止模式2，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式2的情况，设想因燃料气体供给路径的施工等暂时停止燃料气体供给的情况等，可以认为进行这种停止的频度较少。
[0122]进而，在步骤S5中，判断是否是由使用者操作了停止开关。由使用者操作了停止开关时则进入步骤S6，未操作时则进入步骤S7。在步骤S6中，选择通常停止模式中的一个的开关停止模式即停止模式3，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式3的情况，设想由于固体氧化物型燃料电池系统I的利用者长期不在，因此在较长期间内有意使固体氧化物型燃料电池系统I的运行停止的情况，可以认为进行这种停止的频度并不多。
[0123]另一方面，在步骤S7中，判断是否是在预先预定的时机定期执行的定期停止。其为定期停止时则进入步骤S8，不是定期停止时则结束图13的流程图的I次处理。在步骤S8中，选择通常停止模式中的一个的程序停止模式即停止模式4，结束图13的流程图的I次处理。作为选择停止模式4的情况，设想相对于燃料供给源30上设置的智能燃气表的对应。即，通常在燃料供给源30上设置有智能燃气表(未图示)，该智能燃气表构成为在约I个月的期间内，当燃料气体供给完全停止的状态未连续存在I小时左右以上时，则判断为已发生气体泄漏，截断燃料气体的供给。因此，通常固体氧化物型燃料电池系统I需要每约I个月I次停止I小时左右以上。因而，停止模式4的停止是设想以约I个月I次以上的频度来进行的，是以最高频度进行的停止。
[0124]另外，当停止电力供给而持续燃料气体供给时，则根据图13的流程图，不选择任何停止模式。在这种情况下，本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I通过利用由燃料电池电堆14生成的电力而使辅助设备单元4工作，从而可以继续发电。另外，也可以如下构成本发明，在电力的供给停止在规定的长时间内持续时，则使发电停止。
[0125]下面，参照图14至图25，说明各停止模式中的停止处理。
图14是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式1(图13的步骤S2)时的停止动作的一个例子的时间图。图15是用于以时序说明执行停止模式I时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
[0126]首先，在图14的时刻tlOl，进行关机停止时，燃料流量调节单元38的燃料供给、水流量调节单元28的供水、及发电用空气流量调节单元45的发电用空气供给在短时间内停止。另外，还停止由逆变器54从燃料电池模块2导出电力(输出电流=O)。执行停止模式I时，在关机停止后，燃料电池模块2在该状态下被自然放置。因此，存在于各燃料电池单电池单元16内部的燃料极侧的燃料基于与外部空气极侧的压力差，而经由燃料气体流路细管98(图4)向空气极侧喷出。另外，存在于各燃料电池单电池单元16的空气极侧的空气(及从燃料极侧喷出的燃料)基于空气极侧的压力(发电室10(图1)内的压力)和大气压的压力差，而经由排气通路21b、空气用换热器22等向燃料电池模块2的外部排出。因而，在关机停止后，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧及空气极侧的压力自然下降。
[0127]但是，在各燃料电池单电池单元16的上端部设置有流出侧流路阻力部即燃料气体流路细管98，在排气通路21b上设置有竖壁21d及下垂壁8b (图2)。该燃料气体流路细管98的流路阻力被设定为，停止燃料供给及发电后的燃料极侧的压力下降比空气极侧的压力下降平缓。本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I构成为通过恰当调整这些燃料及排气的通路各部分中的流路阻力，从而在关机停止后燃料也在长时间内残存在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧。例如，相对于燃料气体流路细管98中的流路阻力，从发电室10通至外气的排气路径的流路阻力过小时，由于在关机停止后空气极侧的压力急剧下降，因此燃料极侧和空气极侧的压力差增大，反而会促进燃料从燃料极侧流出。相反，相对于燃料气体流路细管98中的流路阻力，排气路径的流路阻力过大时，则与燃料极侧的压力下降相比，空气极侧的压力下降变得平缓，由于燃料极侧和空气极侧的压力接近，因此空气向燃料极侧逆流的风险变高。
[0128]如此，在本实施方式中，从燃料流量调节单元38经由重整器20、各燃料电池单电池单元16的燃料极向燃料电池模块2的外部引导燃料及/或排放气体的燃料/排放气体通路被如上调整。因此，在关机停止后被自然放置时，燃料极侧的压力也一边保持比空气极侧的压力高的压力一边下降，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度时，还保持于比大气压高的压力，可以充分抑制燃料极被氧化的风险。如图14所示，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，虽然在时刻tlOl进行关机停止后，粗虚线所示的燃料电池电堆14的输出电压在暂时大幅上升后发生下降，但是其下落幅度比现有的固体氧化物型燃料电池系统(图30)少，长时间持续较高的电压。在图14所示的例子中，关机停止后，在燃料极侧及空气极侧的温度下降至规定的氧化抑制温度的时刻tl02之前，保持较高的电压。该情况表示在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧，在温度下降至氧化抑制温度的时刻tl02之前残存有燃料。
[0129]另外，在本说明书中，氧化抑制温度是指使燃料极被氧化的风险充分降低的温度。燃料极被氧化的风险与温度下降一起逐渐减少，最终变为零。因此，即便是比可能发生燃料极氧化的最低温度即氧化下限温度稍高的温度区域的氧化抑制温度，也能够充分减少燃料极氧化的风险。在通常的燃料电池单电池单元中，可以认为这种氧化抑制温度为350°C至400°C左右，氧化下限温度为250°C至300°C左右。
[0130]即，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中，燃料/排放气体通路构成为在关机停止后，燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，将燃料电池模块2内的空气极侧的压力保持为比大气压高，同时将燃料极侧的压力保持为比空气极侧的压力高。因而，燃料/排放气体通路作为机械性压力保持部件而发挥作用，延长燃料极侧的压力接近至空气极侧的压力之前的时间。
[0131]图15是说明停止模式I的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0132]首先，图15中段中的关机停止之前进行通常的发电运行。在该状态下，燃料电池模块2内的温度为700°C左右。另外，如图15的下段(I)所示，从燃料电池单电池单元16上端的燃料气体流路细管98喷出未使用于发电而残余的燃料气体，该喷出的燃料气体在燃料气体流路细管98的上端燃烧。之后，通过关机停止，使燃料气体、重整用水、发电用空气的供给停止时，喷出的燃料气体的流量下降，如图15的下段(2)所示，燃料气体流路细管98顶端的火焰消失。由于燃料气体流路细管98形成为细长，因此因燃料气体流量下降而将火焰卷入燃料气体流路细管98中时，火焰快速消失。由于火焰快速消失，残存在燃料电池单电池单元16内部等的燃料气体的消耗被抑制，可在燃料极侧维持残存的燃料的时间被延长。
[0133]如图15的下段(3)所示，关机停止后，在火焰消失后，由于燃料电池单电池单元16内部(燃料极侧)的压力还比外部(空气极侧)高，因此燃料气体还继续从燃料气体流路细管98喷出。另外，如图15上段所示，在刚刚关机停止之后，燃料极侧的压力比空气极侧的压力高，各压力在保持该关系的基础上下降。燃料极侧和空气极侧的压力差在关机停止后随着燃料气体的喷出而下降。
[0134]来自燃料气体流路细管98的燃料气体的喷出量随着燃料极侧和空气极侧的压力差下降而减少(图15的下段(4) (5))。另一方面，关机停止时，在重整器20内部还残存有重整后的燃料气体、未重整的燃料气体、水蒸气、水，在关机停止后未重整的燃料气体也利用余热而通过水蒸气进行重整。另外，由于重整器20中一体地具备蒸发部20a，因此残存的水也利用余热蒸发而成为水蒸气。由于伴随重整器20中的燃料气体的重整及水的蒸发而发生体积膨胀，因此残存在重整器20内、燃料气体供给管64、分流器66(图2)内的燃料气体被依次压出至各燃料电池单电池单元16中(燃料极侧)。因此，抑制伴随从燃料气体流路细管98喷出燃料气体的燃料极侧的压力下降。
[0135]而且，由于重整器20内的重整部20c填充有催化剂，因此流路阻力较大。因此，残存的水在蒸发部20a中蒸发时，水蒸气流入重整部20c，另一方面，向重整器导入管62 (图2)逆流。该重整器导入管62构成为从蒸发部20a的侧面沿大致水平延伸后弯曲并向大致铅垂上方延伸。因而，逆流的水蒸气在重整器导入管62中沿铅垂方向上升，到达连接在重整器导入管62上端的T字管62a。在此，由于从蒸发部20a延伸的重整器导入管62配置在覆盖箱体8的绝热材料7的内部，因此温度较高。另外，由于重整器导入管62的上端部及T字管62a位于绝热材料7的外部，因此温度变低。因此，沿重整器导入管62中上升的水蒸气接触温度较低的重整器导入管62的上端部及T字管62a的内壁面而冷却并结露，从而生成水。
[0136]通过结露而生成的水从T字管62a及重整器导入管62的上端部向重整器导入管62下部的内壁面落下，在此再次被加热而温度上升，再次流入蒸发部20a。由于重整器导入管62被弯曲地构成，因此结露后落下的水滴并未直接流入蒸发部20a，而是落到重整器导入管62下部的内壁面上。因而，配置在重整器导入管62的绝热材料7内侧的部分作为对所供给的水或结露的水进行预热的预热部而发挥作用，温度比该预热部低的重整器导入管62的上端部及T字管62a作为结露部而发挥作用。
[0137]另外，沿重整器导入管62内上升的水蒸气有时从T字管62a逆流至供水用配管63a。但是，由于供水用配管63a被倾斜配置为从T字管62a朝向上方，因此水蒸气在供水用配管63a内结露时，结露水也从供水用配管63a流向T字管62a，并向重整器导入管62内落下。另外，如图2所示，重整器导入管62的下部在绝热材料7的内侧，以与排放气体排出管82交叉的方式邻近配置。因此，在预热部即重整器导入管62和排放气体排出管82之间进行热交换，从而还被排气的热量加热。
[0138]如此，蒸发部20a中蒸发的水蒸气的一部分向重整器导入管62逆流，其生成结露水，再次在蒸发部20a中蒸发。因此，在关机停止时供水停止后，残留的水也一点点在蒸发部20a内蒸发，关机停止后在较长的时间内发生水的蒸发。而且，重整器导入管62从蒸发部20a的侧面延伸后弯曲，并向大致铅垂上方延伸而贯穿绝热材料7。因而，重整器导入管62贯穿绝热材料7的位置离开重整器20的铅垂上方区域，重整器20的热量不容易经由重整器导入管62贯穿绝热材料7的贯穿位置而向外部逃逸，不会因重整器导入管62而显著损害绝热性。
[0139]另一方面，重整器20内发生的水的蒸发依赖于蒸发部20a内的温度分布等而有时急剧地发生。在这种情况下，由于蒸发部20a内的压力急剧上升，因此较高的压力向下游侧传递，燃料电池单电池单元16内的燃料气体有可能会急剧地向空气极侧喷出。但是，由于在燃料气体供给管64中设置有压力变动抑制用流路阻力部64c (图2)，因此可抑制因重整器20内的急剧的压力上升引起的燃料电池单电池单元16内的燃料气体的急剧的喷出。另夕卜，由于在各燃料电池单电池单元16的下端也设置有燃料气体流路细管98(图4)，因此通过该燃料气体流路细管98的流路阻力，可抑制各燃料电池单电池单元16内部的急剧的压力上升。因而，各燃料电池单电池单元16下端的燃料气体流路细管98及压力变动抑制用流路阻力部64c作为机械性压力保持部件而发挥作用，较高地保持燃料极侧的压力。
[0140]如此，通过机械性压力保持部件，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力下降在关机停止后长时间内被抑制。关机停止后，经过5至6小时左右，当燃料电池模块2内的温度下降至氧化抑制温度时，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧、空气极侧都大致下降至大气压，空气极侧的空气开始向燃料极侧扩散(图15的下段(6) (7))。但是，燃料气体流路细管98及燃料电池单电池84上端部的未形成外侧电极层92的部分(图15下段(6)的A部)即使进入空气也不会被氧化，该部分作为缓冲部而发挥作用。尤其是由于燃料气体流路细管98构成为细长，因此缓冲部变长，空气从燃料电池单电池单元16的上端进入时，也不容易发生燃料极氧化。另外，在氧化抑制温度附近，燃料极的温度较低，空气接触燃料极时发生的氧化也很少，另外，由于执行停止模式I的频度极低，因此由氧化而产生的不良影响实质上可以忽略。而且，如图15的下段(8)所示，燃料极的温度下降而比氧化下限温度低后，即使空气充满各燃料电池单电池单元16的燃料极侧，燃料极也不会被氧化。
[0141]下面，参照图16及图17，说明停止模式2。
图16是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式2(图13的步骤S4)时的停止动作的一个例子的时间图。图17是用于以时序说明执行停止模式2时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
[0142]首先，停止模式2是仅停止燃料气体供给时执行的停止模式。在图16的时刻t201，进行关机停止时，燃料流量调节单元38的燃料供给以及水流量调节单元28的供水在短时间内停止。另外，还停止由逆变器54从燃料电池模块2导出电力(输出电流=O)。执行停止模式2时，内置在控制部110中的关机停止电路IlOa在时刻t201的刚刚关机停止之后，执行温度下降控制，使发电用空气流量调节单元45在规定的排热时间内以最大输出工作。另外，在本实施方式中，规定的排热时间为约2分钟，在该期间内使水流量调节单元28停止。而且，在图16的时刻t202，在使发电用空气流量调节单元45停止后，与停止模式I一样自然放置。
[0143]在停止模式2的停止中，关机停止后，通过温度下降控制，将空气送入燃料电池单电池单元16的空气极侧。由此，在图16的A部中，空气极侧的温度与停止模式I时(图14)相比急剧下降。如上所述，燃料供给完全停止后，由于在燃料电池电堆14的温度下降至氧化抑制温度之前，存在使燃料极氧化、受损的危险，因此空气供给必须被停止。但是，本申请发明人发现即使在刚刚停止燃料供给之后，也可以在规定时间内安全地向空气极侧供给发电用空气。
[0144]g卩，由于在刚刚关机停止之后，在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧充分残存有燃料气体，处于其从各燃料电池单电池单元16上端喷出的状态，因此不会因向空气极侧送入空气而导致空气向燃料极侧逆流。即，在该状态下，虽然利用温度下降控制而送入空气，由此空气极侧的压力上升，但是仍然处于燃料极侧的压力比空气极侧的压力高的状态。另外，设置在各燃料电池单电池单元16上端的燃料气体流路细管98是使流路截面积变窄的收缩流路，由此，从各燃料电池单电池单元16流出的燃料气体的流速变高。因而，设置在上端的燃料气体流路细管98作为提高燃料气体流速的加速部而发挥作用。而且，在时刻t202使空气供给停止后，与停止模式I 一样自然放置，利用机械性压力保持部件将燃料极侧的压力比空气极侧的压力高的状态保持规定期间。但是，在停止模式2中，由于通过温度下降控制使滞留在燃料电池模块2内的高温的空气及燃烧气体排出，因此从比停止模式I低的温度开始自然放置。因此，降低在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前发生空气逆流的风险。如此，在关机停止后，燃料极侧的压力下降比空气极侧的压力下降变得平缓。另夕卜，由于通过温度下降控制，使燃料电池模块2内的温度均匀化，因此可减少燃料电池单电池单元16内侧的燃料气体急剧收缩，而将空气卷入燃料极侧的风险。
[0145]而且，关机停止后，由于通过温度下降控制而将空气送入空气极侧，因此燃料气体流路细管98上端的火焰更加快速地消失，抑制消耗残存的燃料。另外，刚刚关机停止之后，从燃料电池单电池单元16喷出的很多燃料气体并未燃烧而向燃料电池单电池单元16的空气极侧流出。在停止模式2中，由于关机停止后，将空气送入空气极侧，喷出的燃料气体与空气一起被排出，因此避免从燃料极流出的燃料气体与空气极接触而空气极被部分还原的风险。
[0146]图17是说明停止模式2的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0147]首先，在图17中段的关机停止前，正在进行发电运行，而在关机停止后，执行温度下降控制。在约2分钟的温度下降控制后，使发电用空气流量调节单元45停止，其后与停止模式I 一样自然放置。但是，在停止模式2中，自然放置开始时(图16的时刻t202)的燃料电池模块2内的温度及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式I时下降。因此，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，空气进入燃料极侧的风险进一步减少。
[0148]下面，参照图18至图22，说明停止模式3。
图18是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式3(图13的步骤S6)时的停止动作的一个例子的时间图。图19是放大表示刚刚关机停止之后的时间图。图20是用于以时序说明执行停止模式3时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。图22是表示停止模式3的变形例的时间图。
[0149]首先，停止模式3是由使用者操作停止开关时执行的停止模式。如图18、图19所示，虽然在停止模式3中也执行温度下降控制，但是停止模式3中的温度下降控制由完全停止从燃料电池电堆14导出电力之前的第I温度下降工序以及停止导出电力之后的第2温度下降工序构成。第2温度下降工序与停止模式2中的温度下降控制一样，第I温度下降工序作为停止电力导出之前的停止前处理而被执行。
[0150]在图19所示的时间图的例子中，在时刻t301，由使用者操作停止开关，开始第I温度下降工序即停止前处理。在停止前处理中，首先，停止向逆变器54输出燃料电池模块2的发电电力。由此，在图19中如细点划线所示，从燃料电池模块2导出的电流、电力急速下降。另外，虽然在停止前处理中，停止从燃料电池模块2朝向逆变器54的电流输出，但是在规定期间内持续导出用于使固体氧化物型燃料电池系统I的辅助设备单元4工作的一定的微弱电流(1A左右)。因此，即使在时刻t301发电电流大幅度下降后，在停止前处理中也从燃料电池模块2导出微弱的电流。另外，在图19中如虚线所示，燃料电池模块2的输出电压随着导出的电流下降而上升。如此，在停止前处理中，通过限制电力导出量，导出微弱的电流并持续规定电力的发电，从而所供给的燃料的一部分使用于发电，因此，避免未使用于发电而残余的剩余燃料的显著增加，使燃料电池模块2内的温度下降。
[0151]而且，在停止前处理中，时刻t301后，图19中由点线表示的燃料供给量以及由细实线表示的重整用水供给量直线下降。另一方面，在停止前处理中，由粗点划线表示的发电用空气供给量被设定于发电用空气流量调节单元45的最大空气供给量。因而，在停止前处理中，供给比与从燃料电池模块2导出的电力相对应的量多的空气。如此，通过使空气供给量增加，从而从重整器20夺走热量，抑制燃料电池模块2内的温度上升。接下来，在图19所示的例子中，在距时刻t301约20秒后的时刻t302，使燃料供给量及供水量下降至与从燃料电池模块2导出的微弱电流相对应的供给量，其后，保持下降后的供给量。如此，作为停止前处理，通过预先使燃料供给量及供水量下降，从而防止因燃料供给完全停止时大流量的燃料急剧停止引起的燃料电池模块2内的气流紊乱，或燃料供给完全停止后的大量燃料残留在重整器20、分流器66内。另外，时刻t301后，通过使燃料供给量减少，使空气供给量增加，从而使图19中由粗实线表示的燃料电池模块2内的空气极侧的空气温度下降。但是，包围燃料电池模块2的绝热材料7等仍然蓄积有大量热量。另外，在停止前处理中，尽管停止朝向逆变器54的电流输出，但是由于继续供给燃料及水，因此即使继续供给发电用空气，空气也不会向各燃料电池单电池单元16内部的燃料极侧逆流。因而，可以安全地继续供给空气。
[0152]在图19所示的例子中，在距停止前处理开始的时刻t301约2分钟后的时刻t303，使燃料供给量及重整用水供给量为零，使从燃料电池模块2导出的电流也为零，进行关机停止。另外，在图19所示的例子中，在时刻t303，在即将使从燃料电池模块2导出的电流为零之前，使供水量稍稍增加。该供水量的增加是以在关机停止时蒸发部20a内残留合适量的水的方式来调节水量。对该供水量的控制在后面进行说明。
[0153]在图19所示的例子中，在时刻t303的关机停止后，作为温度下降控制的第2温度下降工序，还继续供给规定量的发电用空气(但是，发电被完全停止)。由此，由于燃料电池模块2内(燃料电池电堆14的空气极侧)的空气、残余燃料的燃烧气体以及在关机停止后从燃料电池电堆14的燃料极侧流出的燃料被排出，因此第2温度下降工序作为排气工序而发挥作用。在本实施方式中，在时刻t303，燃料供给被完全停止后，在时刻t304之前的规定期间继续供给大量的发电用空气。另外，发电用空气供给量在停止前处理中增加至最大的空气供给量，其后，保持于最大值。
[0154]如图18所示，在时刻t304，在停止供给发电用空气后，与停止模式I 一样自然放置。但是，由于在停止模式3中，在关机停止前执行第I温度下降工序，在关机停止后执行第2温度下降工序，因此图18的A部中的温度下降比停止模式I及2大，从更加低温、低压的状态开始自然放置。
[0155]图20是说明停止模式3的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0156]首先，在图20中段的停止开关操作前进行发电运行，在停止开关操作后执行第I温度下降工序即停止前处理工序。在停止前处理工序中，由于使燃料气体供给量下降，因此如下段(2)所示，如图20的下段(I)那样发电运行中较大的各燃料电池单电池单元16上端的火焰变小。如此，由于使燃料气体供给量及发电量下降，因此燃料电池模块2内的温度比发电运行中下降。约2分钟的停止前处理工序后，进行关机停止。关机停止后，作为第2温度下降工序，通过发电用空气流量调节单元45供给2分钟发电用空气。在第2温度下降工序后，使发电用空气流量调节单元45停止，其后与停止模式I 一样自然放置。
[0157]如上所述，由于在关机停止时，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力比空气极侧的压力高，因此使燃料供给停止后，燃料极侧的燃料气体也从各燃料电池单电池单元16的上端喷出。另外，燃料气体燃烧的火焰在关机停止时消失。在关机停止后，从各燃料电池单电池单元16的上端喷出的燃料气体在刚刚关机停止之后最多，其后逐渐减少。在该刚刚关机停止之后喷出的大量燃料气体利用第2温度下降工序(排气工序)中供给的发电用空气而向燃料电池模块2之外排出。另外，排气工序结束后，燃料气体也从各燃料电池单电池单元16的上端喷出，其燃料气体量变为较少。
[0158]因此，虽然排气工序结束后喷出的燃料气体即氢滞留在燃料电池模块2内的上部(比燃料电池电堆14更靠上方)，但是所喷出的燃料气体实质上不与各燃料电池单电池单元16的空气极接触。因而，不会因燃料气体与高温的空气极接触而被还原，空气极不会劣化。另外，在关机停止前的停止前处理中，以规定范围分量的适量的水贮留在蒸发部20a内的方式供水。因此，在关机停止后的排气工序中，通过在蒸发部20a内使水蒸发，从而各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力增高，使适量的燃料气体从各燃料电池单电池单元16的上端喷出。排气工序中喷出的燃料气体快速从燃料电池模块2内排出。由于在排气工序中使适量的燃料气体喷出，因此在排气工序后，不会从各燃料电池单电池单元16喷出过度量的燃料气体而使空气极劣化。
[0159]在此，在停止模式3中，排气工序结束后，自然放置开始时(图18的时刻t304)的燃料电池模块2内的温度及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式I及2时下降。另外，在停止模式3中，通过停止前处理工序，关机停止前的燃料气体供给量、供水量等被固定于规定值。由此，依赖于发电运行中的运行状态的自然放置开始时的压力、温度分布等的不均变少，始终从合适的状态开始自然放置。因此，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，空气进入燃料极侧的风险变得极低。
[0160]下面，参照图21，说明停止前处理中的供水。
图21是停止前处理中的供水的流程图，在固体氧化物型燃料电池系统I的运行中，通过关机停止电路IlOa而以规定的时间间隔反复执行。首先，在图21的步骤Sll中，判断是否开始停止前处理。在停止前处理已开始时，则进入步骤S12，未开始时则结束图21的流程图的I次处理。
[0161]之后，在步骤S12中，作为供水确保工序，使内置在温水制造装置50(图1)中的供热水器用散热器(未图示)工作2分钟。该供热水器用散热器构成为，通过与来自燃料电池模块2的高温排放气体之间进行热交换而加热水，回收排放气体的排放热量。另一方面，排放气体中含有水蒸气，该水蒸气与供热水器用散热器之间进行热交换，由于被冷却而成为水，进行结露。通过使供热水器用散热器工作，从而排放气体的冷却量增加而结露水增力口。回收增加的结露水,贮留在纯水箱26(图1)中。回收至该纯水箱26中的水经过过滤处理(未图示)等后，作为水蒸气重整用水而被利用。通过该步骤S12的处理而生成的水被利用于停止前处理中的供水以及后述的停止模式4中执行的压力保持控制。另外，由于停止前处理中及压力保持控制所使用的水量极少，另一方面，含有很多水蒸气的高温排放气体被供热水器用散热器(未图示)急剧冷却，因此可以在停止前处理中的2分钟内充分确保所需量的水。
[0162]之后，在步骤S13中，控制部110读取停止前处理即将开始的图19的时刻t301之前的10分钟内的发电量的时序数据W0。进而，在步骤S14中，计算所读取的发电量的时序数据WO的10分钟内的平均值W1。之后，在步骤S15中，计算固体氧化物型燃料电池系统I的最大额定发电量与平均值Wl的差W2。进而，在步骤S16中，根据差W2，计算不足水量Ql。最后，在步骤S17中，在停止前处理即将结束之前(图19、快到时刻t303之前)供给所计算的不足水量Q1，结束图21的流程图的I次处理。
[0163]通过供给该不足水量Ql，从而在蒸发部20a中贮留与持续最大额定发电量的运行后进行关机停止时相同程度量的重整用水。通过使该水在关机停止后的排气工序(图19的时刻t303?t304)中蒸发，从而各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力增高，使适量的燃料气体从各燃料电池单电池单元16的上端喷出。
[0164]下面，参照图22，说明停止模式3的变形例。
在图22所示的变形例中，第2温度下降工序中的发电用空气的供给方式与图19不同。如图22所示，在本变形例中，在时刻t303进行关机停止后，到时刻t304之前以最大量供给发电用空气。在时刻t304，发电用空气供给量阶段性地减少，减少后的供给量持续至时刻t305。优选时刻t303?时刻t304之间设定为约2?5分钟，时刻t304?t305之间设定为约2?20分钟。
[0165]在本变形例中，通过在刚刚关机停止之后的燃料极侧的压力较高的状态下供给大量的发电用空气，从而空气极侧的高温空气被快速排出。另一方面，从关机停止起经过一定程度的时间，在燃料极侧的压力下降的状态下，使发电用空气供给量减少，由此避免逆流的风险,并排出高温空气。
[0166]下面，参照图23及图24，说明停止模式4。
图23是以时序模式化表示在本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I中执行停止模式4(图13的步骤S8)时的停止动作的一个例子的时间图。图24是用于以时序说明执行停止模式4时的控制、燃料电池模块内的温度、压力及燃料电池单电池单元顶端部的状态的图。
[0167]首先，如上所述，停止模式4是为了对应于智能燃气表(未图示)，以大致I个月I次的比率定期执行的停止，是停止模式中执行的频度最高的停止模式。因而，由于在执行停止模式4时，即便对燃料电池单电池单元16稍有燃料极氧化等的不良影响时，对燃料电池电堆14的耐久性造成的影响也较大，因此需要更加切实地防止燃料极氧化。该停止模式4的停止根据内置在关机停止电路IlOa中的程序而被定期执行。
[0168]首先，在图23的时刻t401，当变为由关机停止电路IlOa的程序预定的关机停止时刻的规定时间前时，关机停止电路IlOa执行温度下降控制。在停止模式4中也与停止模式3—样，温度下降控制利用第I温度下降工序及第2温度下降工序而被执行。S卩，在第I温度下降工序即停止前处理中，首先，停止向逆变器54输出燃料电池模块2的发电电力，仅继续导出用于使固体氧化物型燃料电池系统I的辅助设备单元4工作的微弱电流(1A左右)。另外，在停止前处理中，如上所述，还执行图21所示的停止前处理供水流程。
[0169]而且，在停止前处理中，时刻t401后，图23中由粗点线表示的燃料供给量以及由细实线表示的重整用水供给量下降。另一方面，由粗点划线表示的发电用空气供给量增加。在停止模式4中，第I温度下降工序在时刻t401之后，持续比停止模式3长的10分钟。
[0170]在时刻t401之后经过10分钟的时刻t402，关机停止电路IlOa执行关机停止。进行关机停止时，燃料流量调节单元38的燃料供给以及水流量调节单元28的供水在短时间内停止。另外，还停止由逆变器54从燃料电池模块2导出电力(输出电流=O)。
[0171]关机停止电路IlOa在时刻t402的关机停止后，执行温度下降控制中的第2温度下降工序，使发电用空气流量调节单元45以最大输出工作约2分钟。而且，在图23的时刻t403，在使发电用空气流量调节单元45停止后，与停止模式I 一样自然放置。
[0172]而且，在停止模式4中，在关机停止后经过约5小时，燃料电池模块2内的温度下降至规定温度的时刻t404，关机停止电路IlOa使压力保持控制电路IlOb (图6)工作。在本实施方式中，燃料电池模块2内的温度下降至规定温度的400°C左右时，燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力也下降，并接近于空气极侧的压力。压力保持控制电路IlOb向水流量调节单元28发送信号，使其工作。通过使水流量调节单元28工作，从而向重整器20的蒸发部20a供水。由于燃料电池模块2的内部在关机停止后经过5小时左右的时刻t404，仍然呈400°C左右的温度，因此供给至蒸发部20a的水在此蒸发。另外，在本实施方式中，间歇地进行供水，供水量被设定为I分钟约lmL，该供水量是比发电运行中最少的供水量少的值。
[0173]通过在蒸发部20a内使水蒸发而膨胀，从而从重整器20介由燃料供给管64、分流器66(图2)直至各燃料电池单电池单元16的燃料气体通路内部的压力增高。由此，抑制各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力下降，更加切实地防止空气向燃料极侧逆流。另外，由于重整器20内的蒸发部20a、混合部20b、重整部20c的流路都被蜿蜒地形成，因此即使在蒸发部20a内发生水的急剧蒸发时，压力上升的影响也不容易向下游侧传递。由此，可以防止由于发生急剧的蒸发，各燃料电池单电池单元16的内侧(燃料极侧)压力急剧上升，滞留在内部的燃料气体短时间内大量喷出的情况。
[0174]另外，设置在燃料气体供给管64中途的压力变动抑制用流路阻力部64c (图2)以及设置在各燃料电池单电池单元16下端的流入侧流路阻力部即燃料气体流路细管98也抑制燃料极侧的压力急剧上升，以使燃料气体长时间滞留在燃料极侧的方式进行作用。
[0175]压力保持控制电路IlOb在燃料电池模块2内的温度下降至氧化下限温度的图23的时刻t405，使水流量调节单元28停止，之后，燃料电池模块2被自然放置。
[0176]而且，关机停止电路IlOa在燃料电池模块2内的温度进一步下降的时刻t406，向重整用空气流量调节单元44及发电用空气流量调节单元45发送信号，使它们工作。由此，重整器20、燃料气体供给管64、分流器66等的燃料气体通路及各燃料电池单电池单元16内部的燃料极通过空气而被净化。另外，发电室10内的空气极侧、排气通路21b及空气用换热器22等的排放气体通路内也通过空气而被净化。通过对燃料气体通路及燃料极进行净化，从而防止残留在它们内部的水蒸气结露而燃料气体通路及燃料极因结露水而氧化。另夕卜，通过对排放气体通路内进行净化，从而防止从燃料极排出的水蒸气在排放气体通路内结露。另外，通过对发电室10内的空气极侧进行净化，从而防止由从燃料极侧排出的燃料气体引起的还原。
[0177]图24是说明停止模式4的动作的图，上段示出模式化表示燃料极侧及空气极侧的压力变化的曲线，中段以时序示出控制部I1的控制动作及燃料电池模块2内的温度，下段示出各时间点的燃料电池单电池单元16的上端部的状态。
[0178]首先，在图24中段的关机停止前进行发电运行，当变为由程序预定的关机停止时刻的10分钟前时，执行温度下降控制中的第I温度下降工序。在停止模式4中，由于第I温度下降工序被执行约10分钟，因此关机停止时的燃料电池模块2内的温度以及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式3时下降。关机停止后，作为温度下降控制的第2温度下降工序供给约2分钟发电用空气，使发电用空气流量调节单元45停止。使发电用空气流量调节单元45停止后，与停止模式3 —样自然放置。在此，在停止模式4中，自然放置开始时(图23的时刻t403)的燃料电池模块2内的温度及燃料极侧、空气极侧的压力比停止模式3时更为下降。因此，在燃料极的温度下降至氧化抑制温度之前，空气进入燃料极侧的风险进一步减少。
[0179]此外，在停止模式4中，在通过自然放置而各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力接近于空气极侧的压力时，使压力保持控制电路IlOb工作，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力增高。通过压力保持控制，首先，滞留在分流器66、燃料气体供给管64(图2)中的重整后的燃料气体被一点点送入各燃料电池单电池单元16的燃料极，接下来，残存在重整器20内的未重整的燃料气体被一点点送入燃料极。而且，未重整的燃料气体被全部送入后，蒸发部20a中蒸发的水蒸气被一点点送入各燃料电池单电池单元16的燃料极。由于在使压力保持控制电路IlOb工作时，各燃料电池单电池单元16的燃料极的温度下降至氧化抑制温度附近，因此即使发生空气向燃料极侧逆流，其影响也很小。但是，由于执行停止模式4的程序停止是被最频繁地执行的停止模式，因此使发生燃料极氧化的风险进一步降低，使对各燃料电池单电池单元16的氧化影响降低至极限。
[0180]另外，如图24的上段左侧所示，在停止模式I至3中，各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的压力在关机停止后下降，当燃料极的温度下降至氧化抑制温度附近时，变为接近于空气极侧的压力。与此相对，在停止模式4中，如图24的上段右侧所示，在燃料极侧的压力和空气极侧的压力接近的区域中，由压力保持控制电路IlOb执行压力保持控制，更加切实地防止燃料极侧的压力比空气极侧更为下降的情况。
[0181]另外，如图24的下段所示，在第2温度下降工序结束后的自然放置中(图24中段的“自然放置I”)，滞留在各燃料电池单电池单元16的燃料极中的燃料气体一点点流出，在其末期空气极侧的空气有时开始向燃料极侧扩散(图24下段(I))。但是，其后由于开始压力保持控制，因此通过蒸发部20a内产生的水蒸气的压力，滞留在重整器20下游侧的燃料气体通路内的燃料气体再次向各燃料电池单电池单元16内移动，燃料极内的燃料气体浓度再次上升(图24下段(2))。由于其后也通过压力保持控制，在蒸发部20a内产生水蒸气，因此由滞留在燃料气体通路内的燃料气体弥补燃料气体从各燃料电池单电池单元16的燃料极流出的部分，防止空气向燃料极逆流。而且，在压力保持控制的末期，如图24下段
(3)所示，即使滞留的燃料气体大致全部流出时，也由于各燃料电池单电池单元16的燃料极中充满通过压力保持控制而生成的水蒸气，因此切实地防止空气向燃料极逆流。
[0182]而且，压力保持控制结束后，进行自然放置(图24中段的“自然放置2”)，其后，供给重整用空气及发电用空气(不进行重整及发电)，执行净化。由此，使残留在各燃料电池单电池单元16的燃料极侧的燃料气体及水蒸气排出，使残留在发电室10内的空气极侧的燃料气体等也从燃料电池模块2排出。由此，在以最高频度执行的停止模式4中，切实地避免各燃料电池单电池单元16的燃料极氧化。
[0183]根据本发明第I实施方式的固体氧化物型燃料电池系统I，在执行关机停止(图16的时刻t201)后，通过执行温度下降控制(图16的时刻t201?t202)，排出残留在燃料电池模块2内的空气极侧的高温空气，从而能够抑制燃料极氧化。通过在关机停止(图16的时刻t201)后向空气极侧供给空气，从而可以排出残留在燃料电池模块2内的高温空气。由此，由于燃料电池电堆14的燃料极侧和空气极侧的温度接近，因此可以防止发生滞留在燃料极侧的燃料气体因温度下降而收缩，空气从空气极侧被卷入燃料极侧的现象。此外，通过在关机停止(图16的时刻t201)后供给空气，从而空气极侧的压力上升并接近于燃料极侧的压力，因此，在关机停止后的空气供给中(图16的时刻t201?t202)从燃料极侧向空气极侧流出的燃料量减少。由此，关机停止后，燃料残留在重整器20内及燃料极侧的期间(图16的时刻t201?t204)变长，可抑制燃料极氧化。而且，关机停止(图16的时刻t201)后，在燃料极侧的压力与空气极侧的压力相比足够高的期间(图16的时刻t201?t202)内，很多燃料从燃料极侧向空气极侧流出。在本实施方式中，由于在该期间内供给空气，因此向空气极侧流出的燃料与所供给的空气一起向燃料电池模块2的外部排出。由此，可以防止流出的燃料与空气极接触而使空气极部分还原、受损。
[0184]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于在温度下降控制(图16的时刻t201?t202)中停止供水，因此可以防止因在温度下降控制中使所供给的水蒸发并膨胀而将滞留在燃料极侧的燃料压向空气极侧。由此，能够将滞留在燃料极侧的燃料长期间保持在燃料极侧，更加切实地抑制燃料极氧化。
[0185]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于在刚刚关机停止(图16的时刻t201)之后执行温度下降控制，因此可以在燃料极侧的压力最高(图17的上段)，且空气逆流的风险最少的状态下供给空气，可以使燃料电池模块2内的温度下降。
[0186]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于在各燃料电池单电池单元16的端部作为加速部设置有燃料气体流路细管98 (图4)，因此从各燃料电池单电池单元16内侧的燃料极的端部喷出的燃料以远离空气极的方式而被加速。由此，可以切实地防止从燃料极喷出的燃料与空气极接触而使空气极部分还原、受损。
[0187]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98作为设置在各燃料电池单电池单元16端部的收缩流路而构成，因此可以通过简单的构成而防止空气极受损。此外，通过设置收缩流路，可以使关机停止(图16的时刻t201)后从燃料极侧流出的燃料减少，由此，可以使滞留在燃料极侧的燃料长期间(图16的时刻t201?t204)留在燃料极侧。因此，可以进一步减少空气从空气极侧向燃料极侧逆流而燃料极被氧化的风险。
[0188]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98被构成为，将燃料极侧的压力较高的状态保持关机停止(图16的时刻t201)后的规定期间(图16的时刻t201?t204)，因此在温度下降控制结束(图16的时刻t202)后也能防止空气向燃料极侧逆流，使燃料极被氧化的风险充分减少。
[0189]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98被构成为，通过温度下降控制，即使在供给空气的状态下燃料极侧的压力也变高(图17的上段)，因此能够以没有空气逆流风险的方式执行温度下降控制(图16的时刻t201?
t202)ο
[0190]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统1，由于燃料气体流路细管98被构成为，使关机停止(图16的时刻t201)后的燃料极侧的压力下降比空气极侧平缓(图17的上段)，因此关机停止后，即使在放置燃料电池模块2的情况下，也能够在长期间(图16的时刻t201?t204)内保持燃料极侧的压力较高的状态，可以防止空气逆流。
[0191]另外，在上述的本发明第I实施方式中，虽然在由使用者操作停止开关时(图13的步骤S5)，执行停止模式3，但是作为变形例，如图25所示，也可以执行停止模式2。图25是在本发明变形例的燃料电池装置中进行停止模式选择的停止判断的流程图。即，在该变形例中，在使燃料气体停止且仅进行供电时(图25的步骤S3 — S4)以及由使用者操作停止开关时(图25的步骤S5 — S4)，执行停止模式2。根据本变形例，由于操作停止开关时，不执行停止前处理(第I温度下降工序)便执行关机停止，因此由使用者进行停止开关操作后，可以快速结束关机停止所涉及的控制。
[0192]另外，在上述的第I实施方式中，虽然选择停止模式4时，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制，但是通过由燃料/排放气体通路的构成形成的机械性压力保持部件而使燃料极氧化的风险充分减少时，也可以省略保压控制。
另外，在上述实施方式中，虽然选择停止模式3或4时，通过停止前处理(图19的时刻t301?t303)供给空气后，连续开始温度下降控制(图19的时刻t303?t304)的空气供给，但是上述空气供给也可以不连续。即，也可以如下构成固体氧化物型燃料电池系统1，在停止前处理结束后，暂时使发电用空气流量调节单元45停止，其后，作为温度下降控制再次开始空气供给。
[0193]下面，参照图26至图29，说明本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统。 本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统的停止前处理及温度下降控制的执行条件与上述的第I实施方式不同。因而，在此仅说明本发明第2实施方式与本发明第I实施方式不同的部分，对于同样的部分则适用关于第I实施方式的记载，并省略说明。
[0194]图26是表示本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统的框图。如图26所示，本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200的构成除控制部110内置有停止前处理电路110c、温度下降控制中止电路IlOd以外，与第I实施方式相同。对同样的构成标注相同的符号并省略说明。另外，以下对图26未示出的构成也标注与第I实施方式相同的符号而进行说明。
[0195]在本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200中，通过图13所示的流程图来选择停止模式I至4方面与第I实施方式相同。在本实施方式中，停止模式2至4中执行的停止前处理及温度下降控制的执行形式与上述的实施方式不同。另外，在本实施方式中，仅停止电力供给时，为了使固体氧化物型燃料电池系统200安全地停止，也选择停止模式4。
[0196]下面，参照图27至图29，说明在本实施方式的停止模式2至4中执行的停止前处理及温度下降控制(在停止模式2中仅执行关机停止后的温度下降控制)。
图27是对停止前处理及关机停止后的温度下降控制的执行进行控制的流程图，该流程图在固体氧化物型燃料电池系统的运行中以规定的时间间隔被执行。图28是表示温度下降控制中的发电用空气供给量的修正系数的图。图29是各停止模式、温度区域中的停止前处理及温度下降控制的执行条件表。
[0197]在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200中，根据由温度检测传感器即发电室温度传感器142检测出的燃料电池电堆14的温度，变更停止前处理及温度下降控制的执行形式。另外，在本实施方式中，根据电压检测传感器即电力状态检测传感器126的检测电压，中止执行中的温度下降控制。
[0198]首先，在固体氧化物型燃料电池系统200的发电运行中，控制部110控制燃料电池模块2，生成所要求的电力，同时使燃料电池电堆14的温度进入规定的发电温度范围即合适温度区域内。另外，在本实施方式中，燃料电池电堆14的合适温度区域为620°C?680°C，以该温度区域为目标控制燃料电池电堆14的温度。
[0199]在发电运行中执行图27的流程图，在步骤S21中，判断有无针对控制部110的运行停止指示。执行停止模式2时，燃料气体的供给停止符合运行停止指示。执行停止模式3时，操作停止开关(未图示)符合运行停止指示。另外，执行停止模式4时，规定的程序停止的执行时机的来临符合运行停止指示。另外，通过停止向固体氧化物型燃料电池系统200供给电力来执行停止模式4时，电力的供给停止符合运行停止指示。此时，控制部110、发电用空气流量调节单元45等在电力供给停止之后，通过燃料电池模块2自身生成的电力而工作。
[0200]没有运行停止指示时，结束图27的流程图的I次处理，有运行停止指示时则进入步骤S22。
在步骤S22中，判断由发电室温度传感器142检测出的燃料电池电堆14的温度是否处于合适温度区域。处于合适温度区域内时则进入步骤S28，处于合适温度区域外时则进入步骤 S23。
[0201]在步骤S23中，判断燃料电池电堆14的温度是否比合适温度区域高。比合适温度区域高时则进入步骤S25，比合适温度区域低时则进入步骤S24。
[0202]在步骤S24中，通过内置在控制部110中的关机停止电路I 1a (图26)，执行使燃料供给、供水、发电用空气供给及电力导出在短时间内停止的关机停止。关机停止后，燃料电池模块2被自然放置。即，燃料电池电堆14的温度比合适温度区域的下限温度低时，无论选择停止模式2至4的哪一个时，都不执行停止前处理电路IlOc (图26)的停止前处理以及关机停止电路110a(图26)的温度下降控制(参照图29的“低温温度区域”)。另外，选择停止模式4时，在图27的流程图的处理结束后，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制(对应于第I实施方式中的图23的t404?t405)。
[0203]如此，在比合适温度区域的下限温度低时，不需要利用停止前处理进行燃料电池电堆14的温度下降，即使直接自然放置时，也能够充分避免燃料极氧化的风险。另外，由于在比合适温度区域的下限温度低时，即将关机停止之前的发电电力较少，因此即将关机停止之前的燃料供给量也较少，残留在燃料电池电堆14的燃料极侧、重整器20内部的燃料也比较少。因此，关机停止后，从燃料电池电堆14的燃料极侧向空气极侧流出的燃料量比较少，即便不执行关机停止后的温度下降控制，空气极也不会因流出的燃料而被部分还原。另夕卜，在残留在燃料极侧、重整器20内的燃料较少的状态下，通过温度下降控制向燃料电池模块2内供给空气时，空气从空气极侧向燃料极侧逆流，燃料极被氧化的风险变高。在本实施方式中，不执行关机停止后的温度下降控制，由此避免该风险。
[0204]另一方面，在图27的步骤S22中，判断为燃料电池电堆14的温度处于合适温度区域内时，进入步骤S28,在步骤S28中，通过关机停止电路IlOa执彳丁关机停止。该关机停止与步骤S24 —样。 之后，在步骤S29中，由关机停止电路IlOa执行温度下降控制。S卩，当燃料电池电堆14的温度处于合适温度区域内时，即使选择停止模式3或4时，也不执行停止前处理电路IlOc的停止前处理，而仅由关机停止电路IlOa执行温度下降控制(参照图29的“合适温度区域”)。如此，在合适温度区域内时，不需要利用停止前处理进行燃料电池电堆14的温度下降，仅通过规定期间的温度下降控制，便能够充分避免燃料极氧化的风险。
[0205]另外，温度下降控制的最长执行期间是在温度下降控制开始时的燃料电池电堆14的温度的基础上乘以修正系数而确定的。如图28所示，修正系数被设定为，温度下降控制开始时的燃料电池电堆14的温度较高时，与较低时相比关机停止后的温度下降控制的执行时间变长。即，根据发电室温度传感器142的检测温度来执行温度下降控制。在本实施方式中，成为基准的温度下降控制执行期间为2分钟，空气供给量为15L/min。另外，燃料电池电堆14的温度为660?680°C时，作为温度下降控制执行期间则设定在基准的温度下降控制执行期间上乘以1.5的3分钟，其为640?659°C时作为温度下降控制执行期间则设定乘以1.25的2分30秒，其为620?639°C时作为温度下降控制执行期间则设定2分钟。如此，当发电室温度传感器142的检测温度较低时，与较高时相比，抑制温度下降控制中的排气，检测温度较低时，与较高时相比，温度下降控制中供给的空气总量变少。另外，作为变形例，也可以利用修正系数对温度下降控制中的空气供给量进行修正，在检测温度较高时，与较低时相比，使空气供给量增加。另外，也可以利用修正系数对温度下降控制执行期间及空气供给量双方进行修正。
[0206]而且，在步骤S29中开始温度下降控制时，内置在控制部110中的温度下降控制中止电路IlOd(图26)开始监控温度下降控制执行期间中的燃料电池模块2的输出电压。即，温度下降控制中止电路IlOd监控由电力状态检测传感器126检测的燃料电池模块2的输出电压的下降。另外，由于在开始温度下降控制的关机停止之后，停止从燃料电池模块2导出电力，因此由电力状态检测传感器126检测出的电压是输出电流为零的状态下的输出电压。
[0207]之后，在步骤S30中，判断温度下降控制开始后(关机停止后)是否已经过温度下降控制执行期间，或者由温度下降控制中止电路IlOd监控的输出电压是否已满足规定的停止条件。当哪一个条件都未被满足时则持续温度下降控制。由此，在温度下降控制执行期间中满足停止条件时，则温度下降控制被执行到该时间点为止，在温度下降控制执行期间中未满足停止条件时，则温度下降控制被执行到经过温度下降控制执行期间为止。温度下降控制结束后，燃料电池模块2被自然放置。另外，选择停止模式4时，在图27的流程图的处理结束后，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制(对应于第I实施方式中的图23的 t404 ?t405) ο
[0208]在本实施方式中，串联连接的160根燃料电池单电池单元16被收容在燃料电池模块内。向各燃料电池单电池单元16的燃料极侧、空气极侧分别供给足够的燃料气体(氢)及空气(氧)时，在未导出电力的状态下，燃料电池模块2的输出电压为约160V。关机停止后，由于发生空气从空气极侧向燃料极侧逆流时，燃料极侧的氢气分压下降，因此燃料电池模块2的输出电压急剧下降。温度下降控制中止电路IlOd监控该未导出电力的状态下的燃料电池模块2的输出电压(OCV)的下降，在发生输出电压下降时立即中止关机停止电路IlOa的温度下降控制。由此，通过停止向燃料电池模块2内供给空气，使空气极侧的压力下降，从而抑制空气逆流。
[0209]在本实施方式中，温度下降控制中止电路IlOd在相对于基准电压160V，电力状态检测传感器126的检测电压(OCV)下降40V而变为120V以下时，作为已满足停止条件而中止温度下降控制。另外，基准电压是根据燃料电池模块的构成而预先设定的规定电压。另夕卜，作为变形例，也可以在检测电压从基准电压下降规定比率时，中止温度下降控制。例如，可以如下构成本发明，相对于基准电压160V，在该电压下降25%的120V中止温度下降控制。或者，也可以如下构成本发明，在代替基准电压，而从关机停止时的检测电压下降规定量(例如40V)时，或者从关机停止时的检测电压下降规定比率(例如25%)时，中止温度下降控制。而且，也可以在检测电压每单位时间下降规定量以上时，中止温度下降控制。例如，也可以如下构成本发明，当检测电压以5V/sec以上的比率下降时，中止温度下降控制。
[0210]另一方面，在图27的步骤S23中，当判断为燃料电池电堆14的温度比关机温度即合适温度区域的上限温度高时，进入步骤S25。在步骤S25中，判断所选择的停止模式是否是停止模式2。为停止模式2时则进入步骤S28，为停止模式3或4时则进入步骤S26。在步骤S26中，通过停止前处理电路IlOc执行停止前处理。如此，当选择停止模式3或4，而燃料电池电堆14的温度比合适温度区域的上限温度(关机温度)高时，在执行停止前处理后，执行关机停止(步骤S28)，其后，执行温度下降控制(步骤S29、S30)(参照图29的“高温温度区域”)。另一方面，当燃料电池电堆14的温度比关机温度低时，不执行停止前处理(步骤 S22 — S28 及步骤 S23 — S24)。
[0211]另外，由于在停止模式2时已停止供给燃料气体，因此不可能执行停止前处理，不进行停止前处理便执行温度下降控制(步骤S29、S30)。温度下降控制结束后，燃料电池模块2被自然放置。另外，选择停止模式4时，在图27的流程图的处理结束后，由压力保持控制电路IlOb执行保压控制(对应于第I实施方式中的图23的t404?t405)。
[0212]在停止前处理中，针对燃料电池模块2的燃料供给量、供水量以及来自燃料电池模块2的电力导出量比发电运行中下降。另一方面，空气供给量比与从燃料电池模块2导出的电力相应的量多，增加至发电用空气流量调节单元45的供给能力的最大值。通过该停止前处理，使燃料电池电堆14的温度下降。
[0213]之后，在步骤S27中，判断燃料电池电堆14的温度是否已下降至合适温度区域的上限温度以下。未下降至合适温度区域的上限温度以下时继续停止前处理，已下降至上限温度(关机温度)以下时则进入步骤S28，执行关机停止。如此，停止前处理持续到燃料电池电堆14的温度下降至关机温度为止。因而，在本实施方式中，根据运行停止指示时的燃料电池电堆14的温度执行不同的停止前处理，燃料电池电堆14的温度较低时，与较高时相t匕，停止前处理中的温度下降量减少。停止前处理结束后，执行关机停止，其后的步骤S29、S30中的温度下降控制则如上所述。另外，由于在停止前处理中供给有少量的燃料，因此即使长时间执行停止前处理，空气也不会向燃料极侧逆流。通过执行停止前处理，燃料电池电堆14的温度下降至合适温度区域，在关机停止时，适量的燃料残留在燃料电池电堆14的燃料极侧，可以避免燃料极氧化、空气极还原的风险。
[0214]本发明第2实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200是基于如下新的见解的系统，可以根据未导出电力的状态下的燃料电池模块2的输出电压而非常高灵敏度地检测出燃料电池模块2内的空气向燃料极侧的逆流。由于本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200具备温度下降控制中止电路110d，其在电力状态检测传感器126的检测电压满足规定的停止条件(图27的步骤S30)时中止温度下降控制，因此可以正确地检测到空气逆流，能够立即中止空气供给。
[0215]另外，温度下降控制中止电路IlOd即便在检测到发生空气逆流后，也在立即停止空气供给时，通过停止供给而使空气极侧的压力下降，燃料极侧的压力相对变高。因此，在燃料极侧的空气进入的部分中再次被残留在燃料极侧的燃料充满。由此，即使因空气进入而使燃料极的一部分氧化，也通过在燃料极的温度较高的状态下使燃料充满燃料极侧，从而燃料极被氧化的部分通过燃料而被再次还原，可以充分抑制劣化或损伤。
[0216]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在电力状态检测传感器126的检测电压满足停止条件(图27的步骤S30)时中止温度下降控制，因此可以在空气开始向燃料极侧逆流时立即中止温度下降控制。由此，即使在将温度下降控制执行期间设定为足够长的时间时，也能够切实地避免燃料极氧化的风险。
[0217]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在燃料电池电堆14的温度为规定温度以下时不执行温度下降控制(图29的“低温温度区域”)，因此在温度较低且从燃料电池电堆14喷出的燃料量较少的状态下不进行温度下降控制。因此，可以避免在温度下降控制的必要性较小的状态下供给空气而使燃料极氧化的风险。
[0218]而且，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200中，由于在关机停止(图27的步骤S28，对应于第I实施方式中的图16的时刻t201、图18的时刻t303、图23的时刻t402)后的燃料从燃料极侧向空气极侧喷出的期间，进行温度下降控制(图27的步骤S29，对应于第I实施方式中的图16的时刻t201?t202、图18的时刻t303?t304、图23的时刻t402?t403)，因此可以使向空气极侧流出的燃料与所供给的空气一起向燃料电池模块2的外部排出，可以抑制空气极还原。
[0219]但是，关机停止后，在停止燃料供给的状态下，由于能够不向燃料极侧逆流地供给空气的期间依赖于关机停止前的运行状况，因此并不一定，很难设定空气的恰当的供给期间。关机停止后在供给空气的流量过多时或供给时间过长时，空气的供给变为促进燃料极氧化，导致使燃料极受损的结果。
[0220]根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在关机停止后根据发电室温度传感器142的检测温度(图28)执行供给空气的温度下降控制，因此能够进行与关机停止前的运行状况相应的恰当的排气，可以充分抑制燃料极氧化及空气极还原。
[0221]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于发电室温度传感器142的检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使排气控制中供给的空气总量减少(图28)，或者，发电室温度传感器142的检测温度为规定温度以下时不执行温度下降控制(图27的步骤S22 — S23 — S24)，因此可以切实地避免空气逆流的风险。
[0222]而且，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在比关机温度高时，执行使温度下降的停止前处理(图27的步骤S23 — S25 — S26)，因此在关机停止时，能够避免在燃料电池电堆14处于过度的高温，或在燃料极侧残留有过度燃料的状态下进行关机停止，可以减少温度下降控制后的燃料极氧化、空气极还原的风险。
[0223]另外，根据本实施方式的固体氧化物型燃料电池系统200，由于在下降至关机温度之前持续进行停止前处理(图27的步骤S26 — S27)，因此能够规定进行关机停止时的温度上限，可以通过其后的温度下降控制而充分抑制燃料极氧化、空气极还原。
【权利要求】
1.一种固体氧化物型燃料电池系统，是通过使对燃料进行水蒸气重整而生成的氢和氧化剂气体进行反应而发电的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，具有: 燃料电池模块，具备燃料电池电堆； 燃料供给装置，向该燃料电池模块供给燃料； 供水装置，向所述燃料电池模块供给水蒸气重整用水； 氧化剂气体供给装置，向所述燃料电池电堆的氧化剂气体极侧供给氧化剂气体； 重整器，配置在所述燃料电池模块内，使用从所述供水装置供给的水，对从所述燃料供给装置供给的燃料进行水蒸气重整，向所述燃料电池电堆的燃料极侧供给重整后的燃料； 及控制器，对所述燃料供给装置、所述供水装置、所述氧化剂气体供给装置以及从所述燃料电池模块导出电力进行控制， 所述控制器具备关机停止电路，其在所述燃料电池电堆呈氧化抑制温度以上的状态下，执行使燃料供给及发电停止的关机停止， 所述关机停止电路执行所述关机停止后，在所述燃料电池电堆的燃料极侧的压力与氧化剂气体极侧的压力相比足够高，而不发生氧化剂气体向燃料极侧逆流的期间内，执行温度下降控制，通过使所述氧化剂气体供给装置工作，而排出残留在所述燃料电池模块内的氧化剂气体极侧的高温氧化剂气体。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在所述温度下降控制中，使所述供水装置停止供水。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在刚刚进行所述关机停止之后执行所述温度下降控制。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，构成所述燃料电池电堆的各燃料电池单电池单元分别在内侧设置有燃料极，在外侧设置有氧化剂气体极，在所述各燃料电池单电池单元的端部设置有加速部，提高从所述燃料极侧向所述氧化剂气体极侧喷出的燃料的流速。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述加速部由使燃料流过的流路截面积变窄的收缩流路构成。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述收缩流路构成为，在所述关机停止后的规定期间内，保持所述燃料电池电堆的燃料极侧的压力比氧化剂气体极侧的压力高的状态。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述收缩流路构成为，即使在通过所述温度下降控制而所述燃料电池电堆的氧化剂气体极侧的压力上升的状态下，燃料极侧的压力也比氧化剂气体极侧的压力高。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述收缩流路构成为，所述关机停止后的燃料极侧的压力下降比氧化剂气体极侧的压力下降平缓。
9.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，还具有电压检测传感器，检测出所述燃料电池模块的输出电压，所述控制器具备温度下降控制中止电路，该温度下降控制中止电路在关机停止后未从所述燃料电池模块导出电力的所述温度下降控制中，当所述电压检测传感器的检测电压满足规定的停止条件时中止所述温度下降控制。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路构成为在关机停止后，在预先规定的温度下降控制执行期间内执行所述温度下降控制，所述温度下降控制中止电路在所述温度下降控制执行期间中，当所述检测电压满足所述停止条件时中止所述温度下降控制。
11.根据权利要求10所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在所述关机停止时的所述燃料电池电堆的温度为规定温度以下时，不执行所述温度下降控制。
12.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，还具有温度检测传感器，检测出所述燃料电池电堆的温度，所述关机停止电路在所述关机停止后，根据所述温度检测传感器的检测温度执行所述温度下降控制。
13.根据权利要求12所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述关机停止电路在所述温度检测传感器的检测温度较低时，与检测温度较高时相比，使关机停止后的所述温度下降控制中供给的氧化剂气体的总量减少，或者，在所述温度检测传感器的检测温度为规定温度以下时不执行所述温度下降控制。
14.根据权利要求13所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述控制器具有停止前处理电路，该停止前处理电路在所述燃料电池电堆的温度比规定的关机温度高时，在所述关机停止前执行使所述氧化剂气体供给装置的氧化剂气体供给量增加的停止前处理，使所述燃料电池电堆的温度下降，在所述关机停止后，执行所述温度下降控制。
15.根据权利要求14所述的固体氧化物型燃料电池系统，其特征在于，所述停止前处理电路在所述燃料电池电堆的温度下降至所述关机温度之前持续进行所述停止前处理，其后，执行所述关机停止。
【文档编号】H01M8/06GK104205455SQ201380013970
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月23日
【发明者】松尾卓哉, 大塚俊治, 土屋胜久, 赤木阳祐, 岛津惠美, 小林千寻, 盐野光伸, 表敷浩二 申请人:Toto株式会社
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