特許 6163386 燃料電池システム、及びその保護方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6163386

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】燃料電池システム、及びその保護方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20170703BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20170703BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20170703BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20170703BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20170703BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 Y

   H01M8/00 A

   !H01M8/12

【請求項の数】10

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-175374(P2013-175374)

(22)【出願日】2013年8月27日

(65)【公開番号】特開2015-46241(P2015-46241A)

(43)【公開日】2015年3月12日

【審査請求日】2015年10月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「固体酸化物形燃料電池を用いた事業用発電システム要素技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】末森 重徳

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】吉田 慎

(72)【発明者】

【氏名】荒木 研太

【審査官】 久保田 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１７２１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５３０４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５２３０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２２４２６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルが形成されているセルスタックと、
前記セルスタックに対して、発電状態における該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加部と、
前記セルスタックへの外部からの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給が停止していない状態で前記セルスタックから系統電力供給が遮断された際に、前記電圧印加部から前記セルスタックに対して前記電圧を印加させる保護制御部と、
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保護制御部は、前記セルスタックでの発電開始を検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保護制御部は、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度が予め定められた温度以下であることを検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧印加部は、前記セルスタックに前記電圧を印加する蓄電池と、該蓄電池と前記セルスタックとが電気的接続されている接続状態と電気的接続が断たれる切断状態との切替を行うスイッチと、を有し、
前記保護制御部は、前記スイッチの動作を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧印加部は、前記セルスタックに印加される電圧を調節する電圧調節部を有し、
前記保護制御部は、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、
前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加する電圧の値又は該電圧の値に相関する前記電圧調節部での調節の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する値を定め、該温度計で検知された温度に対応する値が得られるよう、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項7】

請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルスタックの電圧の値を検知する電圧計を備え、
前記保護制御部は、前記電圧計で検知される前記電圧の値が予め定められた値以上になるよう、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項8】

請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、
前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加する電圧の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する電圧の値を定め、該値以上に前記電圧計で検知される前記電圧の値がなるよう、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
複数の前記セルスタックを有する燃料電池モジュールを備えている、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項10】

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルが形成されているセルスタックを有する燃料電池システムの保護方法において、
前記セルスタックへの外部からの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給が停止していない状態で前記セルスタックから系統電力供給が遮断された際に生じる前記セルスタックでの発電停止を検知する検知工程と、
前記検知工程で前記セルスタックでの発電停止が検知されると、前記酸化剤ガスが供給されている状態で、前記セルスタックに対して、発電状態における該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池システムの保護方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池セルが形成されているセルスタックを有する燃料電池システム、及びその保護方法に関し、特に、セルスタックの酸化による損傷を抑える技術に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。この燃料電池システムの構成要素である燃料電池モジュールは、炭化水素を含む燃料ガスと空気とを用いて発電を行うセルスタックの束と、このセルスタック束全体を覆う圧力容器とを備えている。セルスタックは、複数の燃料電池セルを有している。この燃料電池セルの燃料極は、Ｎｉ等の金属を含んでいる。

【0003】

ところで、燃料電池システムでは、電力負荷系統との電気的接続が断たれる電源喪失を伴うトリップ等で、セルスタックでの発電が停止し、セルスタック周りの還元雰囲気が維持できなくなった場合、セルスタック中の燃料極が酸化して損傷する。そこで、例えば、特許文献１に記載の技術では、セルスタックに還元性ガスを供給することで、セルスタック中の金属の酸化による損傷を防いでいる。具体的に、特許文献１に記載の技術では、水を蒸気にする気化器、燃焼ガスと蒸気等から水素を生成する外部改質器、及びこれらを加熱するためのバーナを設け、発電の停止時に水素を還元性ガスとしてセルスタックに供給している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−８０１９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１に記載の技術では、トリップ時に還元性ガスを供給するために多数の機器等が必要であり、設備コストがかさむ、という問題点がある。さらに、上記特許文献１に記載の技術では、トリップ後に気化器を起動してセルスタックに水蒸気を供給するまでに長い時間を要する。具体的に、セルスタックまでの配管中でのドレン発生を抑制するため、この配管を水蒸気の凝縮温度以上に余熱するなど供給開始前の準備が必要である。よって、上記特許文献１に記載の技術では、トリップ後に気化器を起動してセルスタックに水蒸気を供給するまでに、一定時間以上かかり、セルスタック中の燃料極が酸化することを抑制できない場合がある、という問題点もある。

【0006】

そこで、本発明は、発電停止時におけるセルスタックの酸化を抑えつつ、設備コストを抑えることができる燃料電池システム、及びその保護方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての燃料電池システムの保護方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルが形成されているセルスタックを有する燃料電池システムの保護方法において、前記セルスタックに外部からの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給が停止していない状態で前記セルスタックから系統電力供給が遮断された際に生じる前記セルスタックでの発電停止を検知する検知工程と、
前記検知工程で前記セルスタックでの発電停止が検知されると、前記酸化剤ガスが供給されている状態で、前記セルスタックに対して、発電状態における該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加工程と、を実行することを特徴とする。

【0008】

また、上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルが形成されているセルスタックと、前記セルスタックに対して、発電状態における該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加部と、前記セルスタックに外部からの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給が停止していない状態で前記セルスタックから系統電力供給が遮断された際に、前記電圧印加部から前記セルスタックに対して前記電圧を印加させる保護制御部と、を備えていることを特徴とする。

【0009】

セルスタックでの発電が停止し、セルスタック周りの還元雰囲気が維持できなると、セルスタック中の燃料極が酸化し、セルスタックが損傷する。セルスタックに対して、発電状態のセルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加することで、この燃料極の酸化反応の進行を抑えることができる。そこで、当該燃料電池システム及びその保護方法では、セルスタックの発電停止の検知に伴って、発電状態のセルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する。

【0010】

従って、当該燃料電池システム及びその保護方法では、セルスタックの発電停止に伴って、直ちに、セルスタック中の燃料極の酸化反応に進行を抑えることができるので、セルスタックの損傷を防ぐことができる。また、当該燃料電池システム及びその保護方法では、電気的な回路構成でセルスタックの損傷を防ぐことができるので、特許文献１に記載の技術のように多数の機器等の設置が不要となり、設備コストを抑えることができる。

【0011】

ここで、前記燃料電池システムにおいて、前記保護制御部は、前記セルスタックでの発電開始を検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させてもよい。

【0012】

当該燃料電池システムでは、セルスタックに対する電圧の印加時間を制限できるので、電圧印加部での電力消費を抑えることができる。

【0013】

また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記保護制御部は、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度が予め定められた温度以下であることを検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させてもよい。

【0014】

当該燃料電池システムでも、セルスタックに対する電圧の印加時間を制限できるので、電圧印加部での電力消費を抑えることができる。

【0015】

また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記電圧印加部は、前記セルスタックに前記電圧を印加する蓄電池と、該蓄電池と前記セルスタックとが電気的接続されている接続状態と電気的接続が断たれる切断状態との切替を行うスイッチと、を有し、前記保護制御部は、前記スイッチの動作を制御してもよい。

【0016】

また、前記蓄電池及び前記スイッチを有する前記燃料電池システムにおいて、前記電圧印加部は、前記セルスタックに印加される電圧を調節する電圧調節部を有し、前記保護制御部は、前記電圧調節部を制御してもよい。

【0017】

当該燃料電池システムでは、セルスタックに印加する電圧を目的の値に調節することができ、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費を抑えることができる。

【0018】

また、前記電圧調節部を有する前記燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加する電圧の値又は該電圧の値に相関する前記電圧調節部での調節の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する値を定め、該温度計で検知された温度に対応する値が得られるよう、前記電圧調節部を制御してもよい。

【0019】

セルスタック中の金属の酸化を抑える電圧値は、セルスタックの温度より変化する。そこで、ここでは、温度計で検知される温度とセルスタックに印加する電圧の値との関係を予め把握しておく。又は、温度計で検知される温度とセルスタックに印加する電圧の値に相関する電圧調節部での調節の値の関係を予め把握しておく。当該保護装置では、この関係を示す関係情報を用いて、温度計で検知された温度に対応する電圧の値を定める。そして、この値にセルスタックに印加される電圧の値がなるよう、電圧調節部を制御する。

【0020】

このため、当該燃料電池システムでは、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費をより抑えることができる。

【0021】

また、前記電圧調節部を有する前記燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの電圧の値を検知する電圧計を備え、前記保護制御部は、前記電圧計で検知される前記電圧の値が予め定められた値以上になるよう、前記電圧調節部を制御してもよい。

【0022】

当該燃料電池システムでは、セルスタックの電圧をフィードバック制御するので、セルスタックの電圧を正確に調節することができる。よって、当該燃料電池システムでも、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費をより抑えることができる。

【0023】

また、前記電圧計及び前記電圧調節部を有する前記燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加される電圧の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する電圧の値を定め、該値以上に前記電圧計で検知される前記電圧の値がなるよう、前記電圧調節部を制御してもよい。

【0024】

当該燃料電池システムでは、フィードバック制御の目標値である電圧の値を、セルスタックの温度に応じて的確に定めることができるため、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費をより抑えることができる。

【0025】

また、以上のいずれかの燃料電池システムにおいて、複数の前記セルスタックを有する燃料電池モジュールを備えていてもよい。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、発電停止時におけるセルスタック中の燃料極が酸化すること抑制することで、セルスタックの損傷を抑えることができる。さらに、本発明によれば、多数の機器等の設置が不要となり、設備コストを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

【図2】本発明に係る第一実施形態におけるセルスタックの要部の拡大断面図である。

【図3】本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの断面図である。

【図4】本発明に係る第一実施形態における保護装置の構成を示す模式図である。

【図5】発電停止後のセルスタックの電圧変化を示すグラフである。

【図6】セルスタックの温度と平衡電圧との関係を示すグラフである。

【図7】本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの発電状態における電子の流れを示す説明図である。

【図8】本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの発電状態における電子の流れを示す説明図である。

【図9】本発明に係る第二実施形態における保護装置の構成を示す模式図である。

【図10】本発明に係る第二実施形態におけるセルスタックの温度と平衡電圧及び印加電圧との関係を示すグラフである。

【図11】本発明に係る第三実施形態における保護装置の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0029】

「第一実施形態」
まず、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。

【0030】

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池モジュールＭと、燃料電池モジュールＭからの直流電流を交流電流に変換するインバータ２１と、このインバータ２１と系統電力負荷２９との間を電気的に切断する遮断器２２と、燃料電池モジュールＭ等の動作を制御するシステム制御装置３０と、を備えている。

【0031】

燃料電池モジュールＭは、圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１及び複数の各種配管３００と、を備えている。

【0032】

配管３００としては、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＧｆを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く燃料ガス供給配管３１０と、各カートリッジ２０１を通過した燃料ガスＧｆを圧力容器１０外に導く燃料ガス排出配管３２０と、酸化剤ガス供給源２からの酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く酸化剤ガス供給配管３３０と、各カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０外に導く酸化剤ガス排出配管３４０とがある。

【0033】

燃料ガスＧｆとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られた炭化水素を含むガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＧｏとしては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＧｏとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

【0034】

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。この圧力容器１０は、耐圧性が要求されると共に、使用条件によって、酸化剤ガスＧｏ中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求される場合には、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。

【0035】

カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図２に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、図３に示すように、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。

【0036】

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが通り、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏが通る。

【0037】

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＧｆを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

【0038】

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＧｆに対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＧｆ中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

【0039】

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

【0040】

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

【0041】

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

【0042】

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

【0043】

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。

【0044】

カートリッジ２０１は、図３に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。なお、カートリッジ２０１は、円柱形状でなくてもよく、例えば、角柱形状であってもよい。

【0045】

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、複数のセルスタック１０１相互を電気的に接続する集電板２４１ａ，２４１ｂと、集電板２４１ａ，２４１ｂと電気的に接続されている集電棒２４２ａ，２４２ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

【0046】

集電板２４１ａ，２４１ｂは、複数のセルスタック１０１の一方の端部相互を電気的に接続する正極集電板２４１ａと、複数のセルスタック１０１の他方の端部相互を電気的に接続する負極集電板２４１ｂと、を有している。また、集電棒２４２ａ，２４２ｂは、正極集電板２４１ａに電気的に接続されている正極集電棒２４２ａと、負極集電板２４１ｂに電気的に接続されている負極集電棒２４２ｂと、を有している。

【0047】

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＧｆが供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料ガス供給配管３１０からの燃料ガスＧｆを燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料ガス供給配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＧｆは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＧｆは、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

【0048】

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆが流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ燃料ガスＧｆを燃料ガス排出配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆは、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、燃料ガス排出配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

【0049】

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと仕切断熱板２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス供給配管３３０からの酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＧｏは、仕切断熱板２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

【0050】

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールＭの定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が断熱材１６で囲まれた空間である。この断熱材１６は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。

【0051】

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと仕切断熱板２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った酸化剤ガスＧｏが流入する酸化剤ガス排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、酸化剤ガス排出室２１８に流れ込んだ酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス排出配管３４０に導くための酸化剤ガス排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏは、仕切断熱板２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから酸化剤ガス排出室２１８内に流入した後、酸化剤ガス排出配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

【0052】

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＧｏ中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

【0053】

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏと、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＧｆとは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル１０５で発電が行われる。

【0054】

複数の燃料電池セル１０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル１０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板２４１ａ，２４１ｂを介して、カートリッジ２０１の集電棒２４２ａ，２４２ｂに流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒２４２ａ，２４２ｂは、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、電流的に最も下流側の集電棒は、インバータ２１に接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、インバータ２１に流れ、ここで交流電流に変換されて、遮断器２２を介して、系統電力負荷２９へと供給される。

【0055】

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＧｆとセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＧｏとは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＧｆは、酸化剤ガスＧｏにより加熱され、酸化剤ガスＧｏは、逆に燃料ガスＧｆにより冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとの熱交換率が高まり、セルスタック１０１の上部において、燃料ガスＧｆによる酸化剤ガスＧｆの冷却効率、及び、セルスタック１０１の下部において、酸化剤ガスＧｏによる燃料ガスＧｆの冷却効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＧｏは、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＧｆは、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。

【0056】

なお、本実施形態では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＧｏが燃料ガスＧｆの流れに対して直交する方向に流れてもよい。

【0057】

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、さらに、燃料ガス供給配管３１０を通る燃料ガスＧｆの流量を調節する燃料ガス調節弁３１１と、酸化剤ガス供給配管３３０を通る酸化剤ガスＧｏの流量を調節する酸化剤ガス調節弁３３１と、各カートリッジ２０１が有している複数のセルスタック１０１を保護する保護装置５０と、を有している。

【0058】

システム制御装置３０は、例えば、燃料ガス調節弁３１１、酸化剤ガス調節弁３３１、遮断器２２等に対して制御信号を出力する。また、システム制御装置３０は、保護装置５０に対して、発電開始指令、発電停止指令等の信号を出力する。

【0059】

保護装置５０は、図４に示すように、複数のセルスタック１０１に対して、電力を発生している際、すなわち発電状態のセルスタック１０１の極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加回路（電圧印加部）５１と、この電圧印加回路５１を制御する保護制御装置（保護制御部）６１と、を有している。

【0060】

電圧印加回路５１は、蓄電池５２と、蓄電池５２の正極と正極集電棒２４２ａとを電気的に接続する電線５３ａと、蓄電池５２の負極と負極集電棒２４２ｂとを電気的に接続する電線５３ｂと、いずれかの電線５３ａ，５３ｂを流れる電流を遮断するスイッチ５４と、を有している。

【0061】

保護制御装置６１は、システム制御装置３０からの発電開始指令や発電停止指令等の信号が入力する入力部６２と、入力部６２が受け付けた信号に応じてスイッチ５４の動作を制御する印加電圧制御部６３と、を有している。

【0062】

セルスタック１０１では、前述したように、燃料ガスＧｆの改質で得られた水素（H_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この水蒸気の一部は、燃料極１１２において、燃焼ガスＧｆに含まれているメタン（ＣＨ_４）等の炭化水素と反応し、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）の生成に利用される。二酸化炭素や一部の水蒸気等は、改質されなかった燃料ガスＧｆと混ざって燃料ガス排出配管３２０を介して、燃料電池モジュールＭの外部に流出する。

【0063】

ここで、系統電力負荷２９になんらかの事故等が生じる等で、燃料電池モジュールＭと系統電力負荷２９とを電気的に接続している遮断器２２が開き、燃料電池モジュールＭから系統電力負荷２９への電力供給が遮断される。この場合、燃料電池モジュールＭでの発電が停止する。すなわち、燃料電池モジュールＭのセルスタック１０１において、燃料ガスＧｆの改質で得られた水素（H_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）との反応が停止する。この結果、この反応で生成されていた水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が生成されなくなる。水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が生成されなくなると、燃料極１１２において、燃料ガスＧｆと水蒸気との反応による水素（Ｈ_２）が生成されなくなり、燃料極１１２周りの雰囲気が還元雰囲気でなくなる。この結果、セルスタック１０１中の燃料極１１２が酸化して損傷するおそれが生じる。

【0064】

燃料極１１２等は、前述したように、Ｎｉを含む複合材料で形成されている。燃料極１１２周りの雰囲気が還元雰囲気でなくなると、この燃料極１１２を形成しているＮｉが酸化し、ＮｉＯとなる。この結果、燃料極１１２等が損傷する。

【0065】

セルスタック１０１での発電が停止すると、図５に示すように、セルスタック１０１の電圧が急激に低下する。そして、セルスタック１０１の電圧がある値Ｖｏになると、この電圧値Ｖｏをほぼ維持した状態がしばらく続く。その後、セルスタック１０１の電圧は、再び、急激に低下する。この電圧の急激な低下は、セルスタック１０１の緻密膜が損傷し、空気極１１３側の空気が燃料極１１２側に侵入することで生じる電圧低下であり、セルスタック１０１の損傷を示唆している。

【0066】

セルスタック１０１の電圧がある値Ｖｏになっているとき、以下の式に示すように、Ｎｉの酸化反応と、ＮｉＯの還元反応とが平衡状態になっている。燃料極１１２側の酸素分圧は、下記の平衡状態で決定されるため、電圧値（この電圧値Ｖｏを平衡電圧値Ｖｏとする）は一定状態となる。但し、この状態においても、図２に示すように、酸化剤ガスＧｆ中の酸素Ｏ２が空気極１１３側から燃料極１１２側に僅かに侵入している。この酸素による燃料極１１２の酸化量が、一定量以上になると、燃料極１１２の酸化膨張量によって生じる応力に緻密膜の強度が耐えられなくなり、セルスタック１０１が損傷する。ただ、平衡状態では、酸素侵入量は非常に少なく燃料極１１２をすべて酸化させるまでには至らない。この際の燃料極１１２側の酸素分圧は、下記の平衡で決定し、その電圧の値は、平衡電圧値Ｖｏとなる。
２Ｎｉ＋Ｏ２⇔２ＮｉＯ

【0067】

ここで、セルスタック１０１での発電が停止しても、セルスタック１０１の電圧の値を平衡電圧値Ｖｏ以上に維持することができれば、酸素イオンは発電時と逆方向の、アノード（燃料極１１２）からカソード（空気極１１３）に流れることになり、アノードの酸素分圧は低く抑えられるので、Ｎｉは還元状態で維持できる。従って、燃料極１１２の酸化によるセルスタック１０１の損傷を防ぐことができる。そこで、本実施形態の保護装置５０では、システム制御装置３０から運転停止指令が出力されると、セルスタック１０１に対して、電力を発生している際、すなわち発電状態のセルスタック１０１の極性と同じ極性の電圧を印加する。具体的に、保護制御装置６１の入力部６２は、システム制御装置３０からの運転停止指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１の印加電圧制御部６３に通知する。印加電圧制御装置は、その旨の通知を受け取ると、セルスタック１０１での発電停止を検知し（検知工程）、電圧印加回路５１のスイッチ５４を閉じる、つまり、蓄電池５２とセルスタック１０１との間を電気的に接続状態にする。蓄電池５２とセルスタック１０１との間が電気的に接続状態になると、セルスタック１０１の正極（＋）に蓄電池５２の正極（＋）の電位がかかり、セルスタック１０１の負極（−）に蓄電池５２の負極（−）の電位がかかる（電圧印加工程）。結果として、セルスタック１０１の電圧の値は、蓄電池５２の電圧の値になり、平衡電圧値Ｖｏ以上に維持され、酸化によるセルスタック１０１の損傷を防ぐことができる。

【0068】

ここで、図７及び図８を用いて、本実施形態の燃料電池システムの発電状態及び発電停止状態での電子の流れについて、簡単に説明する。

【0069】

まず、図７を用いて、燃料電池システムの発電状態での電子の流れについて説明する。発電状態では、保護装置５０におけるスイッチ５４が開状態で、遮断器２２が閉状態である。この発電状態では、前述したように、空気極（カソード）１１３で固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）が生成される。固体電解質１１１では、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ２−）が燃料極１１２に移動する。燃料極（アノード）１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ２）等と固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）との反応過程で、酸素イオン（Ｏ２−）から電子（ｅ−）が放出される。よって、燃料電池セル１０５内では、空気極（カソード）１１３側から燃料極（アノード）１１２側に電子（ｅ−）が移動する。言い換えると、燃料電池セル１０５内では、燃料極（アノード）１１２側から空気極（カソード）１１３側へ電流が流れる。この電流は、遮断器２２を経て、系統電力負荷２９に流れる。なお、図１を用いて説明したように、本実施形態の場合、系統電力負荷２５の前段にインバータ２１が設けられているため、系統電力負荷２９には交流電流が供給される。

【0070】

次に、図８を用いて、燃料電池システムの発電停止状態での電子の流れについて説明する。発電状態から発電停止状態になると、遮断器２２が開状態になる一方で、保護装置５０におけるスイッチ５４が閉状態になる。このため、保護装置５０における蓄電池５２の負極からの電子（ｅ−）が、電線５３ｂを経て、燃料電池セル１０５の燃料極（アノード）１１２へ移動する。この電子（ｅ−）は、固体電解質１１１を経て、空気極（カソード）１１３へ移動する。よって、燃料電池セル１０５内では、燃料極（アノード）１１２側から空気極（カソード）１１３側に電子（ｅ−）が移動する。

【0071】

ところで、蓄電池５２の電圧の値は、平衡電圧値Ｖｏ以上である必要がある。この平衡電圧値Ｖｏは、図６に示すように、セルスタック１０１の温度が高まるに連れて次第に低下する。そこで、本実施形態では、セルスタック１０１が如何なる温度のときでも、セルスタック１０１に対して平衡電圧値Ｖｏ以上の電圧を印加できるように、蓄電池５２として、温度の関係で最も高いときの平衡電圧値Ｖｏよりも高い電圧値Ｖａの蓄電池５２を用いている。

【0072】

保護制御装置６１の入力部６２は、システム制御装置３０から運転開始指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１の印加電圧制御部６３に通知する。印加電圧制御装置は、その旨の通知を受け取ると、セルスタック１０１での発電開始を検知し、電圧印加回路５１のスイッチ５４を開く、つまり、蓄電池５２とセルスタック１０１との間を電気的に切断状態にする。蓄電池５２とセルスタック１０１との間が電気的に切断状態になると、蓄電池５２からセルスタック１０１への電圧の印加が終了する。

【0073】

以上のように、本実施形態では、セルスタック１０１での発電が停止すると、直ちに、このセルスタック１０１に対して、平衡電圧値Ｖｏ以上の電圧がセルスタック１０１に印加されるので、酸化によるセルスタック１０１の損傷を防ぐことができる。

【0074】

さらに、本実施形態では、基本的には、電気的な回路構成でセルスタック１０１の損傷を防ぐことができるので、特許文献１に記載の技術のように多数の機器等の設置が不要となり、設備コストを抑えることができる。

【0075】

「第二実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。なお、本実施形態及び以下の第三実施形態の燃料電池システムは、第一実施形態の燃料電池システムと比較して、セルスタック１０１の保護装置が主として異なっている。このため、以下では、この保護装置について主として説明する。

【0076】

本実施形態の保護装置５０ａは、図９に示すように、第一実施形態の保護装置５０と同様、電圧印加回路（電圧印加部）５１ａと、保護制御装置（保護制御部）６１ａと、を有している。本実施形態の保護装置５０ａは、さらに、セルスタック１０１周りの温度を検知する温度計５８を有している。

【0077】

電圧印加回路５１ａは、蓄電池５２と、蓄電池５２の正極と正極集電棒２４２ａとを電気的に接続する電線５３ａと、蓄電池５２の負極と負極集電棒２４２ｂとを電気的に接続する電線５３ｂと、いずれかの電線５３ａ，５３ｂを流れる電流を遮断するスイッチ５４と、いずれかの電線５３ａ，５３ｂ中に設けられている可変抵抗器（電圧調節部）５５と、を有している。

【0078】

保護制御装置６１ａは、システム制御装置３０からの発電開始指令や発電停止指令等の信号が入力する入力部６２ａと、入力部６２ａが受け付けた信号に応じてスイッチ５４及び可変抵抗器５５の動作を制御する印加電圧制御部６３ａと、を有している。前述した温度計５８で検知された温度は、保護制御装置６１ａの入力部６２ａに入力する。

【0079】

本実施形態でも、第一実施形態と同様に、保護制御装置６１ａの入力部６２ａは、システム制御装置３０から運転停止指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１ａの印加電圧制御部６３ａに通知する。印加電圧制御部６３ａは、その旨の通知を受け取ると、電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を閉じと共に、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。

【0080】

セルスタック１０１に印加する電圧は、前述したように、平衡電圧値Ｖｏ以上であれば、セルスタック１０１の酸化を防ぐことができる。この平衡電圧値Ｖｏは、図６を用いて前述したように、セルスタック１０１の温度が高まるに連れて次第に低下する。そこで、本実施形態では、図８に示すように、セルスタック１０１の温度毎に、その温度での平衡電圧値Ｖｏよりわずかに高い電圧値を印加電圧値Ｖｉとして定めている。

【0081】

本実施形態の印加電圧制御部６３ａは、図１０に示す温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４を持っている。印加電圧制御部６３ａは、この関係情報６４を用いて、温度計５８で検知された温度に対応する印加電圧値Ｖｉを定め、この値Ｖｉの電圧がセルスタック１０１に印加させるよう、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。

【0082】

従って、本実施形態では、セルスタック１０１の温度に応じて変化する平衡電圧値Ｖｏよりも僅かに高い印加電圧値Ｖｉの電圧がセルスタック１０１に印加される。このため、本実施形態では、酸化によるセルスタック１０１の損傷を確実に防ぐことができると共に、蓄電池５２の電力消費量を抑えることができる。

【0083】

また、本実施形態でも、保護制御装置６１ａの入力部６２ａがシステム制御装置３０から運転開始指令を受け付けると、保護制御装置６１ａの印加電圧制御部６３ａが電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開く。さらに、本実施形態では、温度計５８で検知された温度が予め定められた温度、例えば、１００℃以下になっても、印加電圧制御部６３ａが電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開く。

【0084】

セルスタック１０１又はその周りの温度がある温度以下になると、セルスタック１０１における燃料極１１２周りの雰囲気が還元雰囲気でなくても、燃料極１１２での酸化反応が進行しなくなる。そこで、本実施形態では、燃料極１１２での酸化反応が進行しなくなる温度（例えば、１００℃）以下になると、印加電圧制御部６３ａが電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開く、つまり、蓄電池５２とセルスタック１０１との間を電気的に切断状態にする。従って、本実施形態では、セルスタック１０１に対する電圧印加時間が短縮化される。よって、本実施形態では、この観点からも蓄電池５２の消費電力を抑えることができる。

【0085】

なお、本実施形態の印加電圧制御部６３ａは、温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４を持っているが、この替りに、温度と可変抵抗器５５の抵抗値との関係情報、又は温度と可変抵抗器５５に対する駆動指令の値との関係情報を持っていてもよい。すなわち、印加電圧制御部６３ａは、印加電圧値Ｖｉと相関関係のある可変抵抗器５５での調整の値と温度との関係情報を持っていればよい。

【0086】

「第三実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態について、図１１を参照して説明する。

【0087】

本実施形態の保護装置５０ｂは、第二実施形態の保護装置５０ａと同様に、電圧印加回路（電圧印加部）５１ａと、保護制御装置（保護制御部）６１ｂと、温度計５８と、を有している。本実施形態の保護装置５０ｂは、さらに、セルスタック１０１の電圧値を検知する電圧計５９を有している。

【0088】

本実施形態の電圧印加回路５１ａは、第二実施形態の電圧印加回路５１ａと同一である。

【0089】

保護制御装置６１ｂは、システム制御装置３０からの発電開始指令や発電停止指令等の信号が入力する入力部６２ｂと、入力部６２ｂが受け付けた信号に応じてスイッチ５４及び可変抵抗器５５の動作を制御する印加電圧制御部６３ｂと、を有している。前述した電圧計５９で検知された電圧値は、温度計５８で検知された温度と同様に、保護制御装置６１ｂの入力部６２ｂに入力する。この印加電圧制御部６３ｂは、第二実施形態の印加電圧制御部６３ａと同様に、セルスタック１０１の温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４を持っている。

【0090】

本実施形態でも、第二実施形態と同様に、保護制御装置６１ｂの入力部６２ｂは、システム制御装置３０から運転停止指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１ｂの印加電圧制御部６３ｂに通知する。印加電圧制御部６３ｂは、その旨の通知を受け取ると、電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を閉じと共に、可変抵抗器５５の抵抗値をセルスタック１０１の温度に応じて調節する。この際、本実施形態の印加電圧制御部６３ｂは、入力部６２ｂが受け付けた電圧値が、セルスタック１０１の温度に応じた印加電圧値Ｖｉになるよう、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。すなわち、第二実施形態では、可変抵抗器５５の抵抗値をフィードフォワード制御で調節するが、本実施形態ではフィードバック制御で調節する。

【0091】

従って、本実施形態では、セルスタック１０１の電圧の値を第二実施形態よりも正確に制御することができる。このため、本実施形態の印加電圧制御部６３ｂが持っているセルスタック１０１の温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４において、セルスタック１０１の温度毎の印加電圧値Ｖｉを、第二実施形態の印加電圧値Ｖｉよりも平衡電圧値Ｖｏに近い値、つまりより低い値にすることができる。よって、本実施形態では、蓄電池５２の消費電力を第二実施形態よりも抑えることができる。

【0092】

なお、本実施形態でも、第二実施形態と同様、保護制御装置６１ｂの入力部６２ｂがシステム制御装置３０からの運転開始指令を受け付けるか、入力部６２ｂが受け付けた温度が予め定められた温度以下になると、電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開き、セルスタック１０１への電圧印加を停止する。

【0093】

また、本実施形態の保護装置５０ｂは、温度計５８を有しているが、この温度計５８はなくてもよい。この場合、保護制御装置は、電圧計５９で検知される電圧の値が予め定められた値以上になるよう、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。この予め定められた値は、セルスタック１０１の温度の関係で最も高いときの平衡電圧値Ｖｏよりも僅かに高い値である。

【0094】

「変形例」
第一実施形態では、保護制御装置６１の入力部６２がシステム制御装置３０から運転開始指令を受け付けたときのみ、セルスタック１０１への電圧印加を停止する。しかしながら、この第一実施形態において、温度計を設け、入力部が受け付けた温度が予め定められた温度以下になったときも、セルスタック１０１への電圧印加を停止するようにしてもよい。

【0095】

第二及び第三実施形態では、カートリッジ２０１の燃料ガス供給室２１７内の温度を温度計５８で検知することで、セルスタック１０１の温度を間接的に検知している。しかしながら、燃料ガス排出室２１９や発電室２１５等内の温度を温度計で検知して、この温度をセルスタック１０１の温度としてもよい。また、温度計の端子をセルスタック１０１に接触させて、セルスタック１０１の温度を直接検知してもよい。

【0096】

また、以上の各実施形態では、いずれも、運転停止指令を受けると、セルスタック１０１での発電が停止したと検知して、セルスタック１０１に電圧を印加する。しかしながら、以上の各実施形態において、セルスタックの電圧を検知する電圧計を設け、この電圧計で検知された電圧値が予め定められた値よりも低下すると、セルスタック１０１での発電が停止したと検知して、セルスタック１０１に電圧を印加するようにしてもよい。

【0097】

また、以上の各実施形態では、いずれも、集電棒２４２ａ，２４２ｂに保護装置の電線５３ａ，５３ｂを接続しているが、集電板２４１ａ，２４１ｂに保護装置の電線５３ａ，５３ｂを接続してもよい。

【0098】

また、以上の各実施形態では、いずれも、セルスタック１０１が円筒状であるが、その他の形状、例えば、板状であってもよい。

【符号の説明】

【0099】

１０１：セルスタック、１０５：燃料電池セル、１１２：燃料極、２０１：カートリッジ、２４１ａ，２４１ｂ：集電板、２４１ａ：正極集電板、２４１ｂ：負極集電板、２４２ａ，２４２ｂ：集電棒、２４２ａ：正極集電棒、２４２ｂ：負極集電棒、１０：圧力容器、２９：遮断器、３０：システム制御装置、５０,５０ａ，５０ｂ：保護装置、５１，５１ａ：電圧印加回路（電圧印加部）、５２：蓄電池、５４：スイッチ、５５：可変抵抗器（電圧調節部）、５８：温度計、５９：電圧計、６１,６１ａ，６１ｂ：保護制御装置（保護制御部）、６２，６２ａ，６２ｂ：入力部、６３，６３ａ，６３ｂ：印加電圧制御部、６４：関係情報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】