ホーム > 特許ランキング > 本田技研工業株式会社
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024158052
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20241031BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/12 101
H01M8/0606
H01M8/04746
H01M8/0438
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023072892
(22)【出願日】2023-04-27
(71)【出願人】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100154380
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 隆一
(74)【代理人】
【識別番号】100081972
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 豊
(72)【発明者】
【氏名】鐘尾 幸久
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB14
5H127AB16
5H127AC02
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA37
5H127BA41
5H127BA47
5H127BB02
5H127DB94
5H127DC18
5H127EE02
5H127EE15
5H127EE18
5H127EE19
5H127EE23
5H127EE24
5H127EE27
5H127EE29
5H127EE30
(57)【要約】
【課題】燃料電池システムの断熱状態を維持する。
【解決手段】燃料電池システム１００Ａは、固体酸化物形燃料電池のスタック１ａ，１ｂと、スタック１ａ，１ｂに供給される燃料を改質する改質器２と、スタック１ａ，１ｂから排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器３と、オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置５と、スタック１ａ，１ｂと改質器２と燃焼器３とを内包する断熱空間７０を形成する筐体７と、流路を介して膜分離装置５と断熱空間７０とにそれぞれ接続されるポンプ６と、流路を介した膜分離装置５からポンプ６および断熱空間７０からポンプ６へのガスの流れを制御する流れ制御部とを備える。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】燃料電池システム１００Ａは、固体酸化物形燃料電池のスタック１ａ，１ｂと、スタック１ａ，１ｂに供給される燃料を改質する改質器２と、スタック１ａ，１ｂから排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器３と、オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置５と、スタック１ａ，１ｂと改質器２と燃焼器３とを内包する断熱空間７０を形成する筐体７と、流路を介して膜分離装置５と断熱空間７０とにそれぞれ接続されるポンプ６と、流路を介した膜分離装置５からポンプ６および断熱空間７０からポンプ６へのガスの流れを制御する流れ制御部とを備える。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体酸化物形燃料電池のスタックと、
前記スタックに供給される燃料を改質する改質器と、
前記スタックから排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器と、
前記オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置と、
前記スタックと前記改質器と前記燃焼器とを内包する断熱空間を形成する筐体と、
流路を介して前記膜分離装置と前記断熱空間とにそれぞれ接続されるポンプと、
前記流路を介した前記膜分離装置から前記ポンプおよび前記断熱空間から前記ポンプへのガスの流れを制御する流れ制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記スタックに供給される燃料を改質する改質器と、
前記スタックから排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器と、
前記オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置と、
前記スタックと前記改質器と前記燃焼器とを内包する断熱空間を形成する筐体と、
流路を介して前記膜分離装置と前記断熱空間とにそれぞれ接続されるポンプと、
前記流路を介した前記膜分離装置から前記ポンプおよび前記断熱空間から前記ポンプへのガスの流れを制御する流れ制御部と、を備え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、
前記断熱空間の圧力を検出する圧力検出部をさらに備え、
前記流路は、前記膜分離装置と前記ポンプとを接続する第１流路と、前記断熱空間と前記ポンプとを接続する第２流路と、を含み、
前記流れ制御部は、前記第１流路に設けられた第１開閉弁と、前記第２流路に設けられた第２開閉弁と、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、を含み、
前記制御部は、前記圧力検出部により検出された圧力が所定圧力に達すると、前記改質器から前記スタックに燃料が供給されているか否かを判定し、燃料が供給されていると判定すると、前記第１開閉弁を開放し、前記第２開閉弁を閉鎖する一方、燃料が供給されていないと判定すると、前記第１開閉弁を閉鎖し、前記第２開閉弁を開放することを特徴とする燃料電池システム。
前記断熱空間の圧力を検出する圧力検出部をさらに備え、
前記流路は、前記膜分離装置と前記ポンプとを接続する第１流路と、前記断熱空間と前記ポンプとを接続する第２流路と、を含み、
前記流れ制御部は、前記第１流路に設けられた第１開閉弁と、前記第２流路に設けられた第２開閉弁と、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、を含み、
前記制御部は、前記圧力検出部により検出された圧力が所定圧力に達すると、前記改質器から前記スタックに燃料が供給されているか否かを判定し、燃料が供給されていると判定すると、前記第１開閉弁を開放し、前記第２開閉弁を閉鎖する一方、燃料が供給されていないと判定すると、前記第１開閉弁を閉鎖し、前記第２開閉弁を開放することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、より多くの人が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する技術開発が行われている。この種の燃料電池に関する技術として、従来、発電を行う固体酸化物形燃料電池の放射熱を利用して高温を維持するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置では、平板積層型の固体酸化物形燃料電池のスタックがＳＵＳ製の函体に収容され、函体の内部に設けられた真空断熱層により、内側から外側への熱伝導を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００４－１３９９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、真空断熱層を金属部材で形成するため、高温環境下では外部から金属部材を透過したガスや金属部材から放出されたガスが真空断熱層に浸入することで真空度が低下し、断熱状態を維持できなくなるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様である燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池のスタックと、スタックに供給される燃料を改質する改質器と、スタックから排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器と、オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置と、スタックと改質器と燃焼器とを内包する断熱空間を形成する筐体と、流路を介して膜分離装置と断熱空間とにそれぞれ接続されるポンプと、流路を介した膜分離装置からポンプおよび断熱空間からポンプへのガスの流れを制御する流れ制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、燃料電池システムの断熱状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1A】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのＳＯＦＣスタック周辺の構成の一例を示すブロック図。
【図1B】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのＳＯＦＣスタック周辺の構成の別の例を示すブロック図。
【図1C】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのＳＯＦＣスタック周辺の構成の別の例を示すブロック図。
【図1D】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのＳＯＦＣスタック周辺の構成の別の例を示すブロック図。
【図2】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御構成の一例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図１Ａ～図５を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell））を用いて、電気化学反応により発電を行う。ＳＯＦＣの発電セルは、固体電解質膜と電極の接合体（ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly））とＭＥＡを挟持するセパレータとを有し、セパレータと電極との間の流路を介して供給された燃料のエネルギを電気化学反応により直接電気エネルギに変換する。
【0009】
より具体的には、ＳＯＦＣのカソード側には、カソード流路を介して酸素（Ｏ２）を含有する酸化剤ガスが供給され、カソード電極では、外部回路からの電子を受け取って酸素分子がイオン化され、電解質膜を通ってアノード電極側へと移動する。カソード電極で消費されなかった未反応の酸化剤ガスは、オフガス（カソードオフガス）としてカソード流路から排出される。
【0010】
ＳＯＦＣのアノード側には、アノード流路を介して水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含有する燃料ガスが供給される。アノード電極では、Ｈ２およびＣＯとカソード電極からの酸化物イオン（Ｏ２－）とが反応して水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）が生成され、電子が外部回路に放出される。アノード電極で消費されなかった未反応の燃料ガスおよびアノード電極で生成された生成ガスは、オフガス（アノードオフガス）としてアノード流路から排出される。
【0011】
ＳＯＦＣから排出されるオフガスのうち、Ｈ２やＣＯを含むアノードオフガスは、ＳＯＦＣの昇温および安全性の観点から、外部に放出する前に燃焼させられる。オフガスの燃焼反応による反応熱を利用して発電に必要な温度を維持することで、外部からのエネルギ供給なしに、ＳＯＦＣを含む燃料電池システムを熱的に自立させることができる。そこで、本実施形態では、ＳＯＦＣやオフガス燃焼器等を内包する断熱空間を形成する筐体を設け、断熱状態を維持することができるよう、以下のように燃料電池システムを構成する。
【0012】
図１Ａ～図１Ｄは、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００Ａ～１００ＤのＳＯＦＣスタック１周辺の構成の一例を示すブロック図である。図１Ａに示すように、燃料電池システム１００Ａは、ＳＯＦＣスタック１ａ，１ｂと、改質器２と、燃焼器３と、凝縮器４ａ，４ｂと、膜分離装置５と、ポンプ６と、筐体７とを備える。
【0013】
ＳＯＦＣスタック１ａ，１ｂは、ＳＯＦＣからなる複数の発電セルを積層して構成され、カソード側にＮ２とＯ２とを含有する空気（酸化剤ガス）が供給されるとともに、アノード側にＨ２とＣＯとを含有する燃料ガスが供給される。ＳＯＦＣスタック１ａ，１ｂは、作動温度範囲（例えば６００～８００℃程度）で酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されると、電気化学反応を介して発電を行う。そして、カソード側からＮ２とＯ２とを含有するカソードオフガスを排出するとともに、アノード側からＨ２Ｏ，ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯを含有するアノードオフガスを排出する。
【0014】
図１Ａの燃料電池システム１００Ａでは、複数（図の例では２つ）のＳＯＦＣスタック１ａ，１ｂが直列に接続して設けられ、前段のＳＯＦＣスタック１ａから排出されたアノードオフガスを後段のＳＯＦＣスタック１ｂに供給する燃料リサイクルが行われる。
【0015】
最前段のＳＯＦＣスタック１ａのカソード流路の入口は、例えば大気開放され、最前段のＳＯＦＣスタック１ａのカソード流路に、Ｎ２とＯ２とを含有する空気が酸化剤ガスとして供給される。前段のＳＯＦＣスタック１ａのカソード流路の出口は、後段のＳＯＦＣスタック１ｂのカソード流路の入口に接続される。前段のＳＯＦＣスタック１ａでの電気化学反応により消費されなかった未反応の酸化剤ガス（Ｎ２，Ｏ２）は、そのまま後段のＳＯＦＣスタック１ｂのカソード側に供給される。
【0016】
最前段のＳＯＦＣスタック１ａのアノード流路の入口には、改質器２が接続され、最前段のＳＯＦＣスタック１ａのアノード流路に、改質器２での改質反応（水蒸気改質反応）により生成されたＨ２とＣＯとを含有する混合ガスが燃料ガスとして供給される。改質器２には、都市ガス等の炭化水素（例えばメタン（ＣＨ４））からなる燃料と水（Ｈ２Ｏ）とが供給され、改質器２では、触媒作用により、高温水蒸気存在下で燃料が改質される。
【0017】
最後段のＳＯＦＣスタック１ｂのカソード流路およびアノード流路の出口には、燃焼器３が接続され、カソードオフガス（Ｎ２，Ｏ２）とアノードオフガス（Ｈ２Ｏ，ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）が燃焼器３に供給される。燃焼器３は、オフガスが燃焼する燃焼空間を形成する。燃焼器３には、オフガスの燃焼反応（酸化反応）を促進する触媒や、オフガスに点火するグロープラグ等が設けられてもよい。燃焼器３でのオフガスの燃焼反応による反応熱を利用して、ＳＯＦＣスタック１ａ，１ｂが発電に必要な作動温度範囲に維持されるとともに、改質器２が水蒸気改質反応に必要な活性温度範囲に維持される。
【0018】
燃焼器３の下流側には、凝縮器４ａが接続され、燃焼器３から排出される燃焼排ガス（Ｎ２，Ｏ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ２）が凝縮器４ａに供給される。凝縮器４ａは、熱交換器として構成され、燃焼排ガスを冷却することで燃焼排ガスから水（Ｈ２Ｏ）を分離除去する（気液分離）。凝縮器４ａの液相は、改質器２に接続され、凝縮器４ａで分離除去された水は、改質器２に供給（還流）される。
【0019】
前段のＳＯＦＣスタック１ａのアノード流路の出口には、凝縮器４ｂが接続され、前段のＳＯＦＣスタック１ａからのアノードオフガスが凝縮器４ｂに供給される。凝縮器４ｂも熱交換器として構成され、アノードオフガスを冷却することで、電気化学反応の生成ガス（Ｈ２Ｏ，ＣＯ２）と未反応の燃料ガス（Ｈ２，ＣＯ）とを含むアノードオフガスから水（Ｈ２Ｏ）を分離除去する。凝縮器４ｂの液相も改質器２に接続され、凝縮器４ｂで分離除去された水も改質器２に供給（還流）される。
【0020】
凝縮器４ｂの気相は、膜分離装置５に接続され、凝縮器４ｂで水が分離除去された後の、前段のＳＯＦＣスタック１ａからのアノードオフガス（ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）が、膜分離装置５に供給される。膜分離装置５は、二酸化炭素（ＣＯ２）を選択的に透過させるＣＯ２透過膜を有し、膜分離装置５内の空間は、ＣＯ２透過膜により、アノードオフガスが供給される供給側の空間と、透過側の空間とに隔てられる。
【0021】
膜分離装置５の透過側の空間には、真空ポンプ等のポンプ６が接続され、ＣＯ２透過膜を透過して供給側の空間から透過側の空間へと移動したＣＯ２がポンプ６により吸引され、高濃度のＣＯ２として回収される。ポンプ６により膜分離装置５の透過側の空間が減圧されると、供給側の空間と透過側の空間との間に圧力差（ＣＯ２分圧差）が生じ、供給側の空間を流通するアノードオフガス（ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）からＣＯ２がＣＯ２透過膜を透過して、分離、回収される。
【0022】
膜分離装置５の下流側、より具体的には供給側の空間の下流側には、後段のＳＯＦＣスタック１ｂのアノード流路の入口が接続され、膜分離装置５でＣＯ２が分離された後のアノードオフガス（Ｈ２，ＣＯ）が後段のＳＯＦＣスタック１ｂのアノード側に供給される。
【0023】
筐体７は、例えば耐熱性の金属部材により構成され、ＳＯＦＣスタック１ａ，１ｂと改質器２と燃焼器３とを含む高温部を、内包あるいは収容するように設けられる。筐体７は、多層構造の壁部材を有し、一対の壁部材の間に高温部を内包する断熱空間７０を形成する。筐体７には、断熱空間７０の圧力Ｐを検出する圧力センサ７０ａが設けられる。圧力センサ７０ａにより検出され圧力Ｐは、コントローラ１０（図２）に送信される。
【0024】
断熱空間７０は、真空状態に近く、真空度が高いほど、熱伝導率が低く、断熱性が高くなる。しかしながら、筐体７の壁部材、特に高温部側の壁部材を構成する金属部材は、隣接する高温部からの放熱により高温に曝されると内部からガスを放出するため、断熱空間７０の真空度は、燃料電池システム１００Ａの運転時間の経過に伴って低下する。より具体的には、筐体７の金属部材が高温に曝されると、金属内部のガス原子が真空状態の断熱空間７０側の表面に移動し、ガス分子として断熱空間７０に放出される。
【0025】
ポンプ６は、第１流路８を介して膜分離装置５に接続されるとともに、第２流路９を介して断熱空間７０に接続される。第１流路８には、電磁制御弁等の第１開閉弁８ａが設けられ、第２流路９には、電磁制御弁等の第２開閉弁９ａが設けられる。第１開閉弁８ａおよび第２開閉弁９ａは、コントローラ１０（図２）により制御され、これにより、第１流路８および第２流路９を介した膜分離装置５からポンプ６および断熱空間７０からポンプ６へのガスの流れが制御される。第１開閉弁８ａと第２開閉弁９ａとコントローラ１０とは、第１流路８および第２流路９を介した膜分離装置５からポンプ６および断熱空間７０からポンプ６へのガスの流れを制御する流れ制御部として機能する。
【0026】
第１開閉弁８ａが開放され、第２開閉弁９ａが閉鎖されると、第１流路８を介して膜分離装置５からＣＯ２透過膜を透過したＣＯ２がポンプ６により吸引され、回収される。第１開閉弁８ａが閉鎖され、第２開閉弁９ａが開放されると、第２流路９を介して断熱空間７０内のガスがポンプ６により吸引され、断熱空間７０の真空度が回復する。
【0027】
このように、ポンプ６を設け、断熱空間７０の真空度が低下した場合には、断熱空間７０内のガスを吸引することで、断熱空間７０の真空度を回復し、燃料電池システム１００Ａが熱的に自立可能な状態を維持することができる。断熱空間７０の真空度低下を許容しない場合には、断熱空間７０にガス吸着材等を設けたり、金属からのガス放出が生じないように高温部から距離をおいて筐体７を配置したりする必要が生じ、システム全体の製造コストの増大や大型化につながる。真空度を回復することを前提に、断熱空間７０の真空度の低下を許容することで、筐体７を簡易な構成とすることができ、システム全体の製造コストを抑制することができる。また、筐体７を高温部の近くに設けることができ、システム全体を小型化することができる。この場合、燃料電池システム１００Ａの運転中、膜分離装置５に用いるポンプ６を流用して断熱空間７０からのガスの吸引を行うことで、真空度の回復に要する構成の増加を回避し、システム全体の製造コストの増大や大型化を回避することができる。
【0028】
図１Ｂの燃料電池システム１００Ｂでは、ＳＯＦＣスタック１を１段のみ備える。燃料電池システム１００Ｂでは、ＳＯＦＣスタック１と燃焼器３との間の流路が分岐され、分岐流路に凝縮器４ｃが設けられ、ＳＯＦＣスタック１からのアノードオフガスが凝縮器４ｃに供給される。凝縮器４ｃも、凝縮器４ａ，４ｂと同様に、アノードオフガス（Ｈ２Ｏ，ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）から水（Ｈ２Ｏ）を分離除去する。凝縮器４ｃの液相も改質器２に接続され、凝縮器４ｃで分離除去された水も改質器２に供給（還流）される。
【0029】
凝縮器４ｃの気相も、凝縮器４ｂと同様に、ＣＯ２透過膜を有する膜分離装置５に接続され、凝縮器４ｃで水が分離除去された後の、ＳＯＦＣスタック１からのアノードオフガス（ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）が、膜分離装置５に供給される。これにより、膜分離装置５の供給側の空間を流通するアノードオフガス（ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）からＣＯ２がＣＯ２透過膜を透過して透過側の空間へと移動し、ポンプ６により吸引され、高濃度のＣＯ２として回収される。
【0030】
膜分離装置５の下流側、より具体的には供給側の空間の下流側は、ＳＯＦＣスタック１のアノード流路の入口に接続され、膜分離装置５でＣＯ２が分離された後のアノードオフガス（Ｈ２，ＣＯ）がＳＯＦＣスタック１のアノード側に供給される。これにより、燃料リサイクルが行われる。
【0031】
図１Ｃの燃料電池システム１００Ｃでは、燃料リサイクルは行わず、燃料排ガスからのＣＯ２回収（完全回収）のみを行う。すなわち、燃料電池システム１００Ｃでは、凝縮器４ａの気相にＣＯ２透過膜を有する膜分離装置５に接続され、凝縮器４ａで水が分離除去された後の燃焼排ガスが膜分離装置５に供給される。これにより、膜分離装置５の供給側の空間を流通する燃焼排ガス（Ｎ２，Ｏ２，ＣＯ２）からＣＯ２がＣＯ２透過膜を透過して透過側の空間へと移動し、ポンプ６により吸引され、高濃度のＣＯ２として回収される。回収されたＣＯ２を炭素源として有価物に変換する場合、カーボンニュートラルを達成することができる。また、回収されたＣＯ２を貯留する場合、カーボンネガティブを達成することができる。
【0032】
図１Ｄの燃料電池システム１００Ｄでは、ＣＯ２を選択的に透過させるＣＯ２透過膜に代えて酸素（Ｏ２）を選択的に透過させるＯ２透過膜を有する膜分離装置５を用いる。燃料電池システム１００Ｄでは、燃焼器３がＳＯＦＣスタック１のアノード流路の出口のみに接続され、オフガスのうち、アノードオフガスのみが燃焼器３に供給される。
【0033】
膜分離装置５の供給側の空間の入口は、例えば大気開放され、膜分離装置５の供給側の空間に空気が供給される。膜分離装置５の透過側の空間には、真空ポンプ等のポンプ６が接続され、Ｏ２透過膜を透過して供給側の空間から透過側の空間へと移動したＯ２がポンプ６により吸引される。ポンプ６により膜分離装置５の透過側の空間が減圧されると、供給側の空間と透過側の空間との間に圧力差（Ｏ２分圧差）が生じ、供給側の空間を流通する空気（Ｎ２，Ｏ２）からＯ２がＯ２透過膜を透過して、分離される。ポンプ６の下流側には、燃焼器３が接続され、ポンプ６により分離された純酸素（Ｏ２）が燃焼器３に供給される。
【0034】
このとき、ＳＯＦＣスタック１の出力電流に基づいて、電気化学反応によりカソード側からアノード側へと移動してＨ２，ＣＯと反応するＯ２の量を算出し、算出されたＯ２の量と燃料（ＣＨ４）の供給量とに基づいて、必要な純酸素（Ｏ２）の供給量を算出する。すなわち、燃焼器３でアノードオフガス（Ｈ２Ｏ，ＣＯ２，Ｈ２，ＣＯ）を完全燃焼させるために、膜分離装置５を介して追加的に燃焼器３に供給すべき純酸素（Ｏ２）の供給量を算出する。この場合、燃焼器３でアノードオフガスが完全燃焼し、燃焼器３から凝縮器４ａに供給される燃焼排ガスには、窒素（Ｎ２）や酸素（Ｏ２）が含まれず、二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）のみが含まれる。したがって、凝縮器４ａで水が分離除去された後の燃料排ガスを、高濃度のＣＯ２として回収（完全回収）することができる。
【0035】
図２は、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの制御構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄは、主にコントローラ１０を備える。コントローラ１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース、その他の周辺回路を有するコンピュータを含んで構成される。コントローラ１０には、ＳＯＦＣスタック１と、圧力センサ７０ａと、第１開閉弁８ａと、第２開閉弁９ａとが接続される。コントローラ１０は、ＳＯＦＣスタック１の運転条件および圧力センサ７０ａにより検出された断熱空間７０の圧力Ｐに基づいて、第１開閉弁８ａおよび第２開閉弁９ａを制御する。
【0036】
図３は、断熱空間７０の圧力Ｐと熱伝導率との関係について説明するための図である。図３に示すように、断熱空間７０の圧力Ｐが低く、断熱空間７０の真空度が高いほど、断熱空間７０の熱伝導率が低く、断熱空間７０の断熱性が高くなる。燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの運転時間の経過に伴って、断熱空間７０の圧力Ｐが上昇し、断熱空間７０の熱伝導率が低下すると、ＳＯＦＣスタック１（１ａ，１ｂ）の温度が低下する。この場合、ＳＯＦＣスタック１に供給される酸化剤ガスの流量を低下させることでＳＯＦＣスタック１を昇温することができるが、酸化剤ガスの流量を、ＳＯＦＣスタック１での発電や燃焼器３での燃焼に必要な下限流量よりも低下させることは許容されない。
【0037】
このように、酸化剤ガスの流量を下限流量まで低下させても、ＳＯＦＣスタック１を含む高温部を発電に必要な温度に維持できない状態を、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄが熱的に自立不能な状態と称する。断熱空間７０の圧力Ｐが、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄが熱的に自立不能な状態となる熱伝導率に対応する圧力（異常圧力）Ｐ１に達すると、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの運転を緊急停止せざるをえなくなる。
【0038】
図４は、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの運転サイクルについて説明するための図である。図４に示すように、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄは、メンテナンス等の必要性から、所定周期、例えば月に１回程度の頻度で停止される。断熱空間７０を形成する筐体７の金属部材から放出されるガスは、ごく少量であるため、数回程度の運転サイクルで断熱空間７０の圧力Ｐが異常圧力Ｐ１まで上昇することはない。したがって、断熱空間７０の圧力Ｐを監視して上昇率を把握し、断熱空間７０の真空度を回復すべき所定圧力Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）を設定し、所定圧力Ｐ２に達すると、ＳＯＦＣスタック１への燃料供給が停止されている期間に断熱空間７０の真空度を回復する。
【0039】
図４の例では、時刻ｔ１に４回目の運転サイクルが開始して燃料供給が開始された後、時刻ｔ２で断熱空間７０の圧力Ｐが所定圧力Ｐ２に達し、時刻ｔ３に４回目の運転サイクルが終了して燃料供給が停止されると、断熱空間７０の真空度が回復される。これにより、断熱空間７０の圧力Ｐが異常圧力Ｐ１に達する前に断熱空間７０の真空度を回復し、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄが熱的に自立可能な状態を維持することができ、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの緊急停止を回避することができる。
【0040】
図５は、コントローラ１０により実行される処理の一例を示すフローチャートである。図５の処理は、所定周期で繰り返し実行される。図５に示すように、先ずステップＳ１で、圧力センサ７０ａにより検出された断熱空間７０の圧力Ｐが所定圧力Ｐ２未満であるか否かを判定する。ステップＳ１で肯定されると、断熱空間７０の真空度が十分高いと判定し、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、第１開閉弁８ａを開放して膜分離装置５によるガス分離を行うとともに、第２開閉弁９ａを閉鎖して断熱空間７０を閉鎖する。次いでステップＳ３で、燃料供給を許可する。次いでステップＳ４で、運転サイクル（図４）に基づいて、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの運転を停止するか否かを判定する。ステップＳ４で肯定されると、ステップＳ５に進み、第１開閉弁８ａを開放するとともに、第２開閉弁９ａを閉鎖して断熱空間７０を閉鎖する。ステップＳ４で否定されると、ステップＳ１に戻る。
【0041】
ステップＳ１で否定されると、ステップＳ６に進み、圧力センサ７０ａにより検出された断熱空間７０の圧力Ｐが異常圧力Ｐ１未満であるか否かを判定する。ステップＳ６で肯定されると、次回の運転停止時に断熱空間７０の真空度を回復すべきと判定し、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ＳＯＦＣスタック１への燃料供給が行われているか否かを判定する。ステップＳ７で肯定されると、ステップＳ２に進む。
【0042】
ステップＳ７で否定されると、断熱空間７０の真空度を回復すべきと判定し、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、第１開閉弁８ａを閉鎖して膜分離装置５によるガス分離を停止するとともに、第２開閉弁９ａを開放して断熱空間７０内のガスを吸引し、断熱空間７０の真空度を回復する。次いでステップＳ９で、燃料供給を禁止し、ステップＳ４に進む。ステップＳ６で否定されると、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの運転を停止すべきと判定し、ステップＳ１０に進み、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄを緊急停止する。
【0043】
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄは、ＳＯＦＣからなるＳＯＦＣスタック１（１ａ，１ｂ）と、ＳＯＦＣスタック１に供給される燃料を改質する改質器２と、ＳＯＦＣスタック１から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器３と、オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置５と、ＳＯＦＣスタック１と改質器２と燃焼器３とを内包する断熱空間７０を形成する筐体７と、流路を介して膜分離装置５と断熱空間７０とにそれぞれ接続されるポンプ６と、流路を介した膜分離装置５からポンプ６および断熱空間７０からポンプ６へのガスの流れを制御する流れ制御部とを備える（図１Ａ～図２）。
（１）燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄは、ＳＯＦＣからなるＳＯＦＣスタック１（１ａ，１ｂ）と、ＳＯＦＣスタック１に供給される燃料を改質する改質器２と、ＳＯＦＣスタック１から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器３と、オフガスから二酸化炭素を分離する、あるいは空気から純酸素を分離する膜分離装置５と、ＳＯＦＣスタック１と改質器２と燃焼器３とを内包する断熱空間７０を形成する筐体７と、流路を介して膜分離装置５と断熱空間７０とにそれぞれ接続されるポンプ６と、流路を介した膜分離装置５からポンプ６および断熱空間７０からポンプ６へのガスの流れを制御する流れ制御部とを備える（図１Ａ～図２）。
【0044】
このように、ＳＯＦＣスタック１等を含む高温部を内包する断熱空間７０を設けることで、発電に必要な温度を維持し、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄを熱的に自立させることができる。また、断熱空間７０内のガスを吸引するポンプ６を設け、断熱空間７０の真空度が低下した場合には、吸引により断熱空間７０の真空度を回復することで、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの断熱状態を維持することができる。この場合、筐体７からのガス放出のほか、透過や多少のリークによって断熱空間７０内に蓄積されるガスも吸引し、断熱空間７０の真空度を回復することができる。このように、真空度を回復することを前提に断熱空間７０の真空度の低下を許容することで、筐体７を簡易な構成とすることができ、システム全体の製造コストを抑制することができる。また、筐体７を高温部の近くに設けることができ、システム全体を小型化することができる。さらに、膜分離装置５に用いるポンプ６を流用して断熱空間７０からのガスの吸引を行うことで、真空度の回復に要する構成の増加を回避し、システム全体の製造コストの増大や大型化を回避することができる。
【0045】
（２）燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄは、断熱空間７０の圧力Ｐを検出する圧力センサ７０ａをさらに備える（図１Ａ～図２）。流路は、膜分離装置５とポンプ６とを接続する第１流路８と、断熱空間７０とポンプ６とを接続する第２流路９とを含む（図１Ａ～図１Ｄ）。流れ制御部は、第１流路８に設けられた第１開閉弁８ａと、第２流路９に設けられた第２開閉弁９ａと、第１開閉弁８ａおよび第２開閉弁９ａを制御するコントローラ１０とを含む（図１Ａ～図２）。コントローラ１０は、圧力センサ７０ａにより検出された圧力Ｐが所定圧力Ｐ２に達すると、改質器２からＳＯＦＣスタック１に燃料が供給されているか否かを判定し、燃料が供給されていると判定すると、第１開閉弁８ａを開放し（図５のステップＳ１→Ｓ７→Ｓ２）、第２開閉弁９ａを閉鎖する一方、燃料が供給されていないと判定すると、第１開閉弁８ａを閉鎖し、第２開閉弁９ａを開放する（図５のステップＳ１→Ｓ７→Ｓ８）。これにより、断熱空間７０の圧力Ｐが異常圧力Ｐ１に達する前に断熱空間７０の真空度を回復し、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄが熱的に自立可能な状態を維持することができ、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｄの緊急停止を回避することができる。
【0046】
上記実施形態では、図１Ａ～図１Ｄ等で膜分離装置５の具体的な配置等を例示して説明したが、膜分離装置の配置等は、このようなものに限定されない。例えば、Ｏ２透過膜を有する膜分離装置５をＳＯＦＣスタック１のカソード流路の入口に接続し、酸化剤ガスとしての純酸素の供給量を調整することで燃焼器３でのオフガスの完全燃焼を行うようにしてもよい。
【0047】
上記実施形態では、図１Ａ～図１Ｄ等で第１流路８、第１開閉弁８ａ、第２流路９、第２開閉弁９ａを示して説明したが、膜分離装置からポンプおよび断熱空間からポンプへのガスが流れる流路は、このようなものに限定されない。例えば、膜分離装置からポンプへの流路と断熱空間からポンプへの流路とに開閉弁を設ける代わりに、これらの流路を切り替える三方弁を設けてもよい。膜分離装置からポンプへの流路と、膜分離装置からポンプへの流路を迂回するバイパス流路とを設け、これらを切り替える制御弁を設けてもよい。
【0048】
上記実施形態では、改質器２にＣＨ４を主成分とする都市ガスを供給する例を説明したが、燃料は、ＣＨ４以外の炭化水素からなるものでもよい。
【0049】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【0050】
１，１ａ，１ｂ ＳＯＦＣスタック、２ 改質器、３ 燃焼器、４ａ，４ｂ，４ｃ 凝縮器、５ 膜分離装置、６ ポンプ、７ 筐体、８ 第１流路、８ａ 第１開閉弁、９ 第２流路、９ａ 第２開閉弁、１０ コントローラ、７０ 断熱空間、７０ａ 圧力センサ、１００Ａ～１００Ｄ 燃料電池システム
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】