燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术

近年来，正在推进固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)的开发。SOFC是如下一种发电机构：在空气极生成的氧化物离子透过电解质向燃料极移动，在燃料极氧化物离子通过与氢或一氧化碳反应，由此来产生电能。SOFC在当前已知的燃料电池的形态中具有发电的动作温度最高(例如600℃～1000℃)且发电效率最高的特性。

专利文献1公开了一种燃料电池系统，其具备：检测单元，其检测不再向SOFC供给燃料的状态；以及紧急停止单元，其根据检测单元的检测结果来使SOFC紧急停止。该燃料电池系统还具备控制单元，控制单元以检测单元检测不到燃料为条件，来实施停止供给燃料和氧化剂而向SOFC供给非活性气体的保护动作。

专利文献2公开了一种发电系统，其具备：排气管路(vent line)，其从供来自SOFC的废燃料气体流通的废燃料气体管路分支出；设置在排气管路中的截止阀和节流孔；以及测量单元，其测量SOFC的系统压差并输出到控制装置。在该发电系统中，在控制装置发生了故障的情况下，控制截止阀和节流孔等，以使燃料气体和氧化性气体的供给系统及排出系统切断，从而使由测量单元测量出的压差成为规定值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-66244号公报

专利文献2：日本特开2016-91644号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在专利文献1中，当控制单元停止时，不仅无法控制燃料和氧化剂的供给，而且也无法控制保护动作的实施。因此，无法使燃料极保持还原状态，存在燃料极发生氧化劣化这样的问题。

另外，在专利文献2中，只不过是仅维持系统压差(燃料极与空气极的压差)，在控制装置发生故障时没有使燃料极为还原状态，因此在该文献中也存在燃料极发生氧化劣化这样的问题。

本发明是鉴于该问题点而完成的，其目的之一在于提供一种即使在控制部发生了异常停止的情况下也能够防止燃料极的氧化劣化的燃料电池系统。

用于解决问题的方案

本实施方式的燃料电池系统的一个方式的特征在于，具备：固体氧化物型燃料电池，其由被供给还原气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极夹着电解质，通过还原气体与氧化剂气体的电化学反应来进行发电；控制部，其控制向所述固体氧化物型燃料电池供给还原气体和氧化剂气体；探测部，其探测从所述控制部发送的该控制部的正常信号的停止和/或该控制部的异常信号；以及维持部，其根据所述探测部的探测结果，使所述燃料极维持还原状态。

发明的效果

根据本发明，能够以控制部发送异常信号或无法发送正常信号为条件，利用维持部使燃料极维持还原状态。由此，能够防止变为高温的燃料极发生氧化劣化。

附图说明

图1是示出第一实施方式的燃料电池系统的框图。

图2是用于说明燃料电池系统的异常停止时的动作的时间图。

图3是示出第二实施方式的燃料电池系统的框图。

图4是示出第三实施方式的燃料电池系统的框图。

具体实施方式

[第一实施方式]

参照图1来详细地说明第一实施方式的燃料电池系统。图1是示出第一实施方式的燃料电池系统的框图。

如图1所示，燃料电池系统1具有固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)10。SOFC 10具有将多个单体层叠或作为集合体来构成的电池堆。各单体具有由空气极和燃料极夹着电解质(均未图示)的基本结构，在各单体之间夹着隔膜。电池堆的各单体串联地电连接。SOFC 10是如下的发电机构：在空气极生成的氧化物离子透过电解质向燃料极移动，在燃料极氧化物离子通过与氢或一氧化碳反应来产生电能。

SOFC 10具有向燃料极供给燃料气体(还原气体)的阳极气体流路(燃料气体流路、还原气体流路)11以及向空气极供给氧化剂气体的阴极气体流路(氧化剂气体流路)12。作为燃料气体，利用城市燃气(甲烷气体)、天然气、诸如消化气体的生物气体等由烃类燃料组成的气体。作为氧化剂气体，能够例示出大气中的空气。

燃料电池系统1具备与阳极气体流路11的入口部连接的阳极气体供给路径21以及与阴极气体流路12的入口部连接的阴极气体供给路径22。在SOFC10发电时，经由阳极气体供给路径21向阳极气体流路11供给燃料气体，该燃料气体在阳极气体流路11中流动。另外，经由阴极气体供给路径22向阴极气体流路12供给氧化剂气体，该氧化剂气体在阴极气体流路12中流动。被供给到阳极气体流路11的燃料气体(还原气体)与被供给到阴极气体流路12的氧化剂气体发生电化学反应，由此产生直流电流(SOFC 10进行发电)。SOFC 10所产生的直流电流被逆变器(省略图示)转换为交流电流(DC/AC转换)。

在阴极气体供给路径22中设置有反应空气鼓风机24。阴极气体供给路径22利用反应空气鼓风机24将大气中的空气作为氧化剂气体取入并供给到阴极气体流路12。

燃料电池系统1具备与阳极气体流路11的出口部连接的阳极气体排出路径26以及与阴极气体流路12的出口部连接的阴极气体排出路径27。另外，燃料电池系统1具备与阳极气体排出路径26及阴极气体排出路径27连接的燃烧器28。阳极气体排出路径26将从阳极气体流路11的出口部排出的排出气体向燃烧器28排出，阴极气体排出路径27将从阴极气体流路12的出口部排出的排出气体向燃烧器28排出。燃烧器28在通过对从SOFC 10排出的排出气体进行燃烧而去除了该排出气体中的杂质后进行排气。

燃料电池系统1具备从阳极气体排出路径26分支的再循环路径31。再循环路径31使从阳极气体流路11的出口部排出的排出气体从阳极气体排出路径26再循环到阳极气体供给路径21。在再循环路径31中设置有用于向再循环路径31内送出排出气体的再循环鼓风机32。在此，用于使排出气体再循环到阳极气体供给路径21中的再循环系统30由再循环路径31和再循环鼓风机32构成。

燃料电池系统1具有对该燃料电池系统1的各构成要素统一进行驱动控制的控制部40。更为具体地说，控制部40与省略了图示的阳极气体供给路径21的调节阀、反应空气鼓风机24以及再循环鼓风机32连接，在SOFC 10运转时执行这些各构成要素的驱动控制、接通断开控制或开闭控制。通过控制部40对上述调整阀、反应空气鼓风机24等进行的控制来控制燃料气体(还原气体)和氧化剂气体的供给。控制部40例如由PC(Personal Computer：个人计算机)或PLC(Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器)构成。

在燃料电池系统1中，需要假定由于发电中的难以预料的事态而切断对控制部40的电力供给、或者控制部40本身发生故障、或者控制部40异常停止的情况。在该情况下，在高温状态的SOFC 10中，燃料极被在空气极生成并透过电解质的氧化物离子氧化而导致劣化。因此，本实施方式的燃料电池系统1具备以下要叙述的结构，以便即使在控制部40发生了异常停止的情况下也使燃料极为还原状态来抑制发生氧化劣化。

本实施方式的燃料电池系统1的控制部40具有信号发送部41，另外，具有用于探测该信号发送部41所发送的信号的探测部45和根据探测部45的探测结果来进行工作的维持部50。另外，燃料电池系统1具备电磁阀(阀)46，该电磁阀(阀)46设置在阳极气体排出路径26中的再循环路径31的分支点的下游侧。在此，控制部40、探测部45、维持部50以及电磁阀46通过省略了图示的不间断电源装置(UPS：Uninterruptible Power Supply)被进行电力供给，即使在停止了向整个燃料电池系统1进行电力供给的情况下，也能够确保规定时间的工作。

信号发送部41具备以下功能：在由于控制部40本身或供给电力的切断等外部因素而发生了无法正常控制上述各构成要素的异常的情况下以及并非异常的正常情况下，切换针对探测部45进行的信号的发送。例如，采用以下结构：仅在正常的情况下，间歇性地或连续地向探测部45发送正常信号，或者仅在发生了异常的情况下向探测部45发送异常信号。

探测部45具备接收从信号发送部41发送来的正常信号或异常信号的功能。另外，探测部45具备对停止了正常信号的发送的状态、异常信号的发送进行探测的功能，并具备以该探测为条件来发送使维持部50和电磁阀46工作的工作信号或切断对维持部50和电磁阀46的通电的功能。

维持部50具备向阳极气体供给路径21供给氢气来作为还原气体的氢供给系统51。关于氢供给系统51，能够例示将填充有氢气的氢气瓶或设置有燃料电池系统1的设施等中的氢供给系统作为氢气的供给源的情况。氢供给系统51在氢气的供给路径中具备用于允许或停止氢气的供给的电磁阀。该电磁阀例如在通电状态下为闭合状态而停止氢气的供给，在没有通电的状态下为开启状态而允许氢气的供给。因而，通过基于从探测部45发送工作信号来切断通电或者从探测部45切断通电，能够开始向阳极气体供给路径21供给氢气。

维持部50还具备非活性气体供给系统52。作为非活性气体，在本实施方式中采用氮气，但能够例示采用二氧化碳或水蒸气等的情况。关于非活性气体供给系统52，能够例示将填充有氮气的氮气瓶或设置有燃料电池系统1的设施等中的氮气供给系统作为氮气的供给源的情况。能够例示非活性气体供给系统52中的氮气的供给路径与氢气的供给路径合流、或者与氢气的供给路径独立地连接于阳极气体供给路径21的情况。非活性气体供给系统52在氮气的供给路径中设置有用于允许或停止氮气的供给的电磁阀。该电磁阀例如在通电状态下为闭合状态而停止氮气的供给，在没有通电的状态下为开启状态而允许氮气的供给。因而，通过基于从探测部45发送工作信号来切断通电或者从探测部45切断通电，能够开始向阳极气体供给路径21供给氮气。

电磁阀46例如在通电状态下为开启状态而允许从阳极气体排出路径26向燃烧器28排出燃料气体，在没有通电的状态下为闭合状态而停止燃料气体的排出。因而，通过基于从探测部45发送工作信号来切断通电或者从探测部45切断通电，能够将燃料气体封入阳极气体排出路径26和再循环路径31中。另外，电磁阀46具备计时器等，具备在从通电切断起经过规定时间后从闭合状态变为开启状态或者通过后述的氢气的残余压力而从闭合状态变为开启状态的功能。

图2是用于说明第一实施方式的燃料电池系统的异常停止时的工作的时间图。下面，参照图1和图2来详细地说明燃料电池系统1的异常停止时的工作。

在此，作为异常停止，对由于难以预料的事态而停止了向整个燃料电池系统1的电力供给，并且也停止了向控制部40的电力供给的情况进行说明。如图2所示，作为维持部50的供给系统，存在第一管路和第二管路，在本实施方式中，将第一管路作为氢供给系统51，将第二管路作为非活性气体供给系统52。

在异常停止之前也就是正常运转时，SOFC 10被设定为例如600℃～1000℃的高动作温度。在该状态下，当向控制部40的电力供给停止时，SOFC 10的温度逐渐降低，但暂时为高温状态。

另外，当向控制部40的电力供给停止时，由探测部45探测从信号发送部41发送的正常信号的停止或者异常信号的发送。以该探测为条件，探测部45向维持部50和电磁阀46发送工作信号，或者切断对维持部50和电磁阀46的通电。由此，在维持部50中，利用作为第一管路的氢供给系统51开始供给氢气、利用作为第二管路的非活性气体供给系统52开始供给氮气，电磁阀46从开启状态变为闭合状态。

通过从氢供给系统51(第一管路)经由阳极气体供给路径21供给氢气，并从非活性气体供给系统52(第二管路)经由阳极气体供给路径21供给氮气，氢气(还原气体)成为规定浓度而被供给到SOFC 10的阳极气体流路11。由此，能够维持SOFC 10中的燃料极(阳极)处的还原状态，能够防止燃料极发生氧化反应而劣化。

另外，通过使电磁阀46变为闭合状态，能够限制从阳极气体排出路径26排出从氢供给系统51和非活性气体供给系统52供给的规定浓度的氢气，由此也能够有助于维持燃料极的还原状态。并且，随着温度降低，气体在阳极气体流路11中收缩，但通过关闭电磁阀46，能够限制从系统外经由阳极气体排出路径26向阳极气体流路11流入空气等，由此也能够防止燃料极的氧化劣化。

通过关闭电磁阀46，经过了阳极气体流路11的氢气流入再循环路径31中。换言之，再循环路径31作为氢气的缓冲器发挥功能来蓄积氢气。另外，在异常停止时再循环路径31也维持高温状态，因此能够利用为将在SOFC 10中产生的水作为重整水的蒸发热源。

当SOFC 10的温度降低至燃料极不进行氧化反应的温度T1(300℃至500℃，例如400℃)时，停止从氢供给系统51(第一管路)供给氢气。能够通过以下方式来设定该停止的定时：预先求出直到该温度T1为止的SOFC 10的冷却时间，针对该冷却时间预先调整氢供给系统51的供给源内的氢气的容量或用于调整氢气的供给量的阀的开度。

另外，在该定时，停止氢气的供给，该氢气的残余压力降低，或者通过电磁阀46的计时器的工作电磁阀46从闭合状态变为开启状态。并且，在相同的定时继续从非活性气体供给系统52(第二管路)供给氮气。换言之，在停止从氢供给系统51供给氢气后，非活性气体供给系统52向燃料极供给氮气来作为非活性气体，因此能够对燃料极的氢气进行非活性气体吹扫。通过该非活性气体吹扫，能够使氢气通过开启状态的电磁阀46及阳极气体排出路径26排出到系统外，能够确保安全，能够遵守与安全性有关的标准。

然后，在SOFC 10的温度降低而达到规定温度T2，且燃料极处的非活性气体吹扫完成的定时，停止从非活性气体供给系统52(第二管路)供给氮气。能够通过以下方式来设定该停止的定时：预先求出非活性气体吹扫完成的时间，针对该时间预先调整非活性气体供给系统52的供给源内的氮气的容量或用于调整氮气的供给量的阀的开度。通过以上操作，控制部40的异常停止后的工作完成。

此外，上述对控制部40发生了异常停止的情况进行了说明，但在上述不间断电源装置发生了异常停止的情况下，也优选实施同样的工作。由此，不仅能够在控制部40发生故障时防止SOFC 10的燃料极发生氧化劣化，而且能够在不间断电源装置发生故障等时防止SOFC 10的燃料极发生氧化劣化。

如上所述，在第一实施方式的上述燃料电池系统1中，即使在控制部40发生了异常停止的情况下，也能够通过维持部50的氢供给系统51向SOFC 10供给氢气来作为还原气体。由此，能够使SOFC 10的燃料极维持还原状态，能够防止高温的燃料极发生氧化劣化。

接着，对本发明的上述实施方式以外的实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，对于与在要说明的实施方式之前记载的实施方式相同或等同的构成部分，有时使用相同的附图标记，有时省略或简化说明。

[第二实施方式]

接着，参照图3对本发明的第二实施方式进行说明。图3是示出第二实施方式的燃料电池系统的框图。如图3所示，在第二实施方式中，相对于第一实施方式而言变更了维持部60的结构。

第二实施方式的维持部60具备向阳极气体供给路径21供给燃料气体(烃类燃料)的燃料供给系统61。关于燃料供给系统61，能够例示将填充有甲烷气体等燃料气体的储气瓶作为供给源的情况。燃料供给系统61在其供给路径中具备用于允许或停止燃料气体的供给的电磁阀，该电磁阀与上述氢供给系统51的电磁阀同样地工作。

维持部60具备向设置在阳极气体供给路径21中的蒸发器62供给水的水供给系统63。关于水供给系统63，能够例示将贮存纯水的罐作为水的供给源的情况。在水供给系统63中，也在其供给路径中具备用于允许或停止水的供给的电磁阀，该电磁阀与上述氢供给系统51的电磁阀同样地工作。

维持部60还具备重整部64。重整部64具备使用由蒸发器62生成的水蒸气将从燃料供给系统61供给的燃料气体重整为还原气体的功能。重整部64通过阳极气体流路11向燃料极供给还原气体。关于重整部64，图示了设置在比蒸发器62靠下游侧的阳极气体供给路径21中的情况，但也可以设置在SOFC 10内部。

维持部60还具备与第一实施方式同样的非活性气体供给系统52。

接着，参照图2和图3对第二实施方式的燃料电池系统1的异常停止时的工作进行说明。在以下的说明中，将图2的第一管路作为燃料供给系统61和水供给系统63，将第二管路作为非活性气体供给系统52。电磁阀46的工作及功能与第一实施方式相同，因此省略说明。

当向控制部40的电力供给停止时，经由探测部45在维持部60中利用作为第一管路的燃料供给系统61和水供给系统63开始供给燃料气体和水。通过该供给，也如上所述那样利用重整部64开始重整为还原气体，并利用作为第二管路的非活性气体供给系统52开始供给氮气，因此向阳极气体流路11供给规定浓度的还原气体。由此，能够维持SOFC 10中的燃料极(阳极)的还原状态，能够防止燃料极发生氧化反应而劣化。

当SOFC 10降低至温度T1时，停止从燃料供给系统61和水供给系统63(第一管路)供给燃料气体和水。在该定时，继续从非活性气体供给系统52(第二管路)供给氮气，能够利用氮气对燃料极的还原气体进行非活性气体吹扫。然后，在SOFC 10的温度降低而达到规定温度T2且燃料极处的非活性气体吹扫完成的定时，停止从非活性气体供给系统52供给氮气。通过以上操作，控制部40的异常停止后的工作完成。

在第二实施方式中，能够实施与上述异常停止时的工作不同的工作。在该不同的工作中，将图2的第一管路作为燃料供给系统61，将第二管路作为水供给系统63。

当向控制部40的电力供给停止时，在维持部50中利用作为第一管路的燃料供给系统61开始供给燃料气体，利用作为第二管路的水供给系统63开始供给水。通过该供给，利用蒸发器62生成水蒸气，利用重整部64将燃料气体重整为还原气体，从而向阳极气体流路11供给规定浓度的还原气体。由此，维持SOFC 10中的燃料极的还原状态。

当SOFC 10降低至温度T1时，停止从燃料供给系统61(第一管路)供给燃料气体。在该定时，继续从水供给系统63(第二管路)供给水(水蒸气)，从而能够利用水蒸气对燃料极进行水蒸气吹扫。然后，在SOFC 10的温度降低而达到规定温度T2且燃料极处的水蒸气吹扫完成的定时，停止从水供给系统63供给水，控制部40的异常停止后的工作完成。另外，在本实施方式中，也可以具有非活性气体供给系统52，当向控制部40的电力供给停止时，开始从非活性气体供给系统52供给非活性气体，在水蒸气吹扫完成后也继续供给非活性气体，在非活性气体吹扫完成后停止供给非活性气体，来完成控制部40的异常停止后的工作。

如上所述，在第二实施方式的上述燃料电池系统1中，与第一实施方式同样地，能够使SOFC 10的燃料极维持还原状态来防止燃料极发生氧化劣化。另外，由于不需要准备用于供给氢气的氢气瓶等，因此能够减轻设备负担。

并且，在SOFC 10内部设置有重整部64的情况下，能够通过由来自燃料供给系统61的燃料气体的重整引起的吸热反应将SOFC 10冷却，由此，也能够防止燃料极的氧化劣化。

[第三实施方式]

接着，参照图4对本发明的第二实施方式进行说明。图4是示出第三实施方式的燃料电池系统的框图。如图4所示，在第三实施方式中，相对于第一实施方式而言变更了维持部70的结构。

第三实施方式的维持部70具备向阳极气体供给路径21供给氨水的氨供给系统71。关于氨供给系统71，能够例示将贮存氨水的罐作为供给源的情况。氨供给系统71在其供给路径中具备用于允许或停止燃料气体的供给的电磁阀，该电磁阀与上述氢供给系统51的电磁阀同样地工作。另外，氨供给系统71还具有用于使氨水中的氨气化并使水蒸发以进行重整的氨水蒸发部(未图示)。

维持部70还具备设置在阳极气体供给路径21中的重整部74。重整部74具备通过从氨供给系统71供给的氨水和水蒸气来重整为氢气(还原气体)和氮气(非活性气体)的功能。重整部74通过阳极气体流路11向燃料极供给氢气和氮气。关于重整部74，图示了设置在阳极气体供给路径21中的情况，但也可以设置在SOFC 10内部。

维持部70还具备与第一实施方式同样的非活性气体供给系统52。

接着，参照图2和图4对第三实施方式的燃料电池系统1的异常停止时的工作进行说明。在以下的说明中，将图2的第一管路作为氨供给系统71，将第二管路作为非活性气体供给系统52。电磁阀46的工作及功能与第一实施方式相同，因此省略说明。

当向控制部40的电力供给停止时，经由探测部45在维持部70中利用作为第一管路的氨供给系统71开始供给氨水和水蒸气。通过该供给，也如上所述那样利用重整部74开始重整为氢气(还原气体)和氮气(非活性气体)，利用作为第二管路的非活性气体供给系统52开始供给氮气，因此，向阳极气体流路11供给规定浓度的氢气。由此，能够维持SOFC 10中的燃料极(阳极)处的还原状态，来防止燃料极发生氧化反应而劣化。

当SOFC 10降低至温度T1时，则停止从氨供给系统71(第一管路)供给氨水和水蒸气。在该定时，继续从非活性气体供给系统52(第二管路)供给氮气，从而能够利用氮气对燃料极进行非活性气体吹扫。然后，在SOFC 10的温度降低而达到规定温度T2且燃料极的非活性气体吹扫完成的定时，停止从非活性气体供给系统52供给氮气。通过以上操作，控制部40的异常停止后的工作完成。

此外，在第三实施方式中，也可以设为以下结构：省略非活性气体供给系统52(第二管路)，针对上述异常停止时的工作不供给氮气。

如上所述，在第三实施方式的上述燃料电池系统1中，与第一实施方式同样地，能够使SOFC 10的燃料极维持还原状态来防止燃料极发生氧化劣化。另外，由于不需要准备用于供给氢气、燃料气体的储气瓶等，因此能够实现设备中的省空间化。

在上述各实施方式中，设为设置有再循环路径31的结构，但也可以省略再循环路径31而将阳极气体排出路径26的排出气体排出到燃烧器28。另外，对于再循环路径31说明了作为热源的情况，但也可以将燃料电池系统1内的与再循环路径31不同的部位的高温部用作热源。

另外，说明了本发明的各实施方式，但作为本发明的其它实施方式，也也可以将上述各实施方式整体或部分地组合。

另外，本发明的实施方式不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的技术思想的主旨的范围内，也可以进行各种变更、置换、变形。并且，如果通过技术的进步或所派生的其它技术而能够以其它方式实现本发明的技术思想，则也可以使用该方法来实施本发明。因而，权利要求书覆盖了本发明的技术思想范围内能够包含的所有实施方式。

产业上的可利用性

本发明的燃料电池系统优选应用于家庭用、业务用、其它所有产业领域的燃料电池系统。

本申请基于2019年12月25日提交的日本特愿2019-234464。该内容均包含在该本申请中。