JP2004087169A - 発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】燃料ガスを通す改質部７を有する外部改質器２および外部改質器２の改質部７を通過して改質された燃料ガスが供給される発電セル部１３を有する燃料電池スタック３を備え、外部改質器２には、コンプレッサ５から空気を導入して改質部７との間で熱の授受を行わせて燃料電池スタック３側に流す空気熱交換部８を設けると共に、燃料電池スタック３には、発電セル部１３で発電に使用されなかった未燃焼の燃料ガスにコンプレッサ５からの新たな空気を混合させて略完全燃焼させる排気燃焼部１５を設けた。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質部を有する外部改質器と、セル板およびセパレータ板を交互に複数積層してなる発電セル部を有する燃料電池スタックを備えた発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記した発電装置に類するものとしては、高温型水蒸気改質器と内部改質型燃料電池を具備し、高温型水蒸気改質器の燃料ガス上流に低温型改質部を設けてた構成をなすもの（特開平９−２３７６３５号公報）や、固体酸化物型燃料電池と改質器と空気予熱器と熱回収器を備えた構成をなすもの（特開２０００−３０６５９２号公報）がある。
【０００３】
前者の発電装置は、システムに導入される水蒸気Ｓと燃料Ｆの比Ｓ／Ｆが小さい場合においても、燃料電池の燃料極層上に炭素析出が生じるのを抑制することによって、発電効率を向上させることができ、後者の発電装置は、熱と電気のコジェネレーションシステム（廃熱発電）において、総合効率を向上させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前者の発電装置では、燃料電池が発電に適した温度に上昇した状態において一定の温度でかつ一定の発電出力で運転される場合には、水蒸気量比を減少させても効率よく発電を行うことができるものの、自動車などの移動体に搭載される発電装置のように起動停止が比較的頻繁に行われたり、負荷変動に伴って燃料電池の温度が変動したりする場合には、これらの状況に対応して運転状態を制御することができず、一方、後者の発電装置においても、上記と同様に、状況の変化に対応して運転を制御することが困難であるという問題があった。
【０００５】
上記問題に対処すべく起動性を向上させたシステムとして、迅速起動用改質器と、改質器を兼ねるエンジンと、このエンジンの排気で発電する固体酸化物型燃料電池を備えたハイブリッド式の発電システム（ＥＰ１０４７１４４Ａ１）があるが、この発電システムにおいて、発電可能になった後の負荷変動が大きい場合には発電電力が変動してしまい、発電出力をオンオフ制御すると、これに伴って固体酸化物型燃料電池の温度が変動し、このように固体酸化物型燃料電池の温度が変動すると、これに依存する発電効率が変動してしまう。
【０００６】
また、起動時において、固体酸化物型燃料電池のスタック温度が発電可能な温度に上昇していない場合は、スタックを加熱する必要があり、一方、要求される発電出力が大きい場合には、これに伴ってスタック自体が発熱して温度が上昇するが、スタック温度が耐熱上限温度に近いところに上昇していると、スタックを冷却しながら発電する必要があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、ガス改質器および燃料電池スタックの温度を一定に保持することにより、発電出力の制御を簡単かつ迅速に行うことが可能であり、天然ガスやガソリンなどの炭化水素燃料を用いた場合においても、応答速度が良好な発電出力制御を行うことができる発電装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、外部改質器に空気熱交換部を設けると共に、燃料電池スタックに排気燃焼部を設けることで、発電出力の制御を簡単かつ迅速に行い得ることを見出すに至った。
【０００９】
すなわち、本発明では、燃料ガスを通す改質部を有する外部改質器およびこの外部改質器の改質部を通過して改質された燃料ガスが供給される発電セル部を有する燃料電池スタックを備えた発電装置において、外部改質器には、空気供給源から空気を導入して改質部との間で熱の授受を行わせて燃料電池スタック側に流す空気熱交換部を設けると共に、燃料電池スタックには、発電セル部で発電に使用されなかった未燃焼の燃料ガスに空気供給源からの新たな空気を混合させて略完全燃焼させる排気燃焼部を設けた構成としており、この発電装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係わる発電装置によれば、上記した構成としているので、起動時に外部改質器および燃料電池スタックを素早く加熱して発電可能な温度にすることができ、すなわち、起動時間を短縮することができ、加えて、発電出力に依存することなく外部改質器と燃料電池スタック部とを一定温度に保持することができるので、負荷変動が生じて要求される発電出力が変動した場合であったとしても、これに対応して発電出力を簡単かつ迅速に制御することが可能であり、天然ガスやガソリンなどの炭化水素燃料を用いた場合においても、応答速度良好に発電出力制御を行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる発電装置において、外部改質器の改質部は、燃料電池スタックの燃料流路上流に設置してあり、燃料ガスを燃焼あるいは改質する機能を有する。そして、この改質部に、燃料ガスと空気と水（水蒸気を含む）を導入し、燃料ガス流量Ｆに対する空気流量Ａおよび水量Ｗの各比率Ａ／ＦおよびＷ／Ｆをそれぞれ制御するようになせば、完全燃焼反応，部分酸化反応，水蒸気改質反応およびＡＴＲ反応をいずれも制御することが可能になる。
【００１２】
完全燃焼反応は発熱反応であり、改質部からの排気はＣＯ２およびＨ２Ｏの比率が高く、燃料流路下流に位置する燃料電池スタックの燃料ガスにはならないが、高温排気を燃料電池スタックに導入して加熱することができる。
【００１３】
部分酸化反応は燃料ガスと酸素による発熱反応の燃料改質反応であり、改質部からの排気はＣＯとＨ２　を含み、燃料電池スタックの燃料ガスとなる。
【００１４】
水蒸気改質反応は燃料ガスと水蒸気による吸熱反応の燃料改質反応であり、改質部からの排気はＣＯとＨ２を含み、ＡＴＲ反応は、外部改質器の改質部内において部分酸化反応と水蒸気改質反応を同時に起こさせたもので、改質部内の部分酸化反応部位で発熱した熱を水蒸気改質反応部位で吸熱させる。改質部からの排気はＣＯとＨ２を含む。
【００１５】
つまり、本発明に係わる発電装置において、完全燃焼反応，部分酸化反応，水蒸気改質反応およびＡＴＲ反応をいずれも制御可能としてあるので、起動時間の短縮を実現でき、発電出力に依存せずに、外部改質器と燃料電池スタック部とを一定温度に保持し得ることから、負荷変動が生じて要求される発電出力が変動した場合でも、これに対応して発電出力を制御することができる。
【００１６】
また、発電出力を一時的にオフにした場合において、外部改質器および燃料電池スタックの温度が低下するのを防止することができるので、再発電時の応答性が良好になり、加えて、外部改質器の改質部によって燃料改質を行うことができるので、天然ガスやガソリンなどの炭化水素系燃料を用いた場合において、燃料電池スタックの発電セル部の燃料極層に炭素が析出して劣化するのを防止することができる。
【００１７】
本発明に係わる発電装置において、外部改質器の空気熱交換部は、燃料電池スタックの排気燃焼部の熱で空気を加熱する機能を有していて、熱交換して加熱された空気を燃料電池スタックの発電セル部の空気流路に導入する。
【００１８】
燃料電池スタックの発電セル部は、燃料極層と電解質層と空気極層とから構成される。燃料極層側へ燃料ガスを流す燃料ガス流路に対しては、外部改質器の改質部からの排気（改質燃料ガス）と水（水蒸気）が導入され、発電セル部の燃料ガス流路の排気は、発電セル部に隣接して設けた排気燃焼部を通過して外部へ排出される。
【００１９】
この燃料電池スタックの排気燃焼部には、発電セル部の燃料ガス流路のほかに空気を供給する配管を接続する。この排気燃焼部において、空気の供給量を制御することで、発電セル部において未燃焼であった燃料ガスを燃焼させることができる。また、排気燃焼部には、着火機構あるいは排気浄化のための触媒を具備することができ、燃焼熱は発電セル部を加熱保温する。そして、燃料電池スタックだけでなく、外部改質器にも排気燃焼部を設ければ、外部改質器および燃料電池スタックをそれぞれ加熱保温することができる。
【００２０】
固体電解質型燃料電池において、発電作動温度が高い（４００℃以上）ため、発電セル部の燃料極層側に燃料と水（水蒸気）を導入すれば、改質機能を有する燃料極層表面において、水蒸気改質反応を生じさせながら発電を伴う酸化反応を起こすことができる。
【００２１】
さらに、発電セル部とは別に内部改質部を隣接して設ける構成（請求項２）とすることもでき、改質反応の効率を向上させることができる。とくに、燃料として天然ガスやガソリンなど炭素数の多い分子を含むものを燃料として使用する場合には良好である。スタック内において発電セル部に隣接して内部改質部を設ける具体的な構成として、公知の内部改質触媒層を燃料極層上に形成する構成や、燃料ガス流路の発電セル部より上流側部に内部改質触媒を担持した多孔質体流路を形成する構成を採用することができる。
【００２２】
このように、燃料電池スタックに内部改質部を設けることにより、長時間発電運転を行った場合や、外部改質器の改質部での燃料改質が不十分な場合であったとしても、発電セル部の燃料極層に炭素が析出するのを抑えることができ、その結果、出力の低下を防止することが可能になる。そして、発電セル部に隣接して内部改質部を設ければ、発電セル部において温度が上昇し過ぎた場合において、内部改質部への水蒸気導入量を制御して吸熱反応である水蒸気改質を行わせることで、発電セル部を冷却する制御を容易に行い得ることとなり、すなわち、燃料電池スタックの異常昇温を防止し得ることとなり、したがって、耐久性に優れたものとなる。
【００２３】
本発明の請求項３に係わる発電装置の給水源は、例えば、給水タンクと、ポンプと、排気から水蒸気を凝集して分離するコンデンサとから構成され、ポンプおよび流量制御バルブの作動により、給水タンクから必要な量の水が外部改質器および燃料電池スタックにそれぞれ供給される。
【００２４】
この際、コンデンサを外気による空冷とすることができるほか、空気コンプレッサと燃料電池スタックの発電セル部の空気流路とを接続する空気の供給管がコンデンサを通過するように配管して、発電用空気の予熱およびコンデンサの冷却を同時に行う構成を採用することができる。
【００２５】
このように、水蒸気改質反応に必要な水（水蒸気）を外部改質器の改質部および燃料電池スタックの発電セル部の燃料ガス流路に供給するようになすことによって、発電出力が変動した場合においても、燃料電池スタックを適正な温度に保持することができ、加えて、外部改質器の改質部および燃料電池スタックの両方で同時に水蒸気改質反応を行わせることができるので、ガソリンなどの炭化水素系の燃料を用いた場合に発電出力が変化したとしても、燃料電池スタックの発電セル部に炭素が析出することによる発電出力の劣化を防止することができる。
【００２６】
本発明に係わる発電装置において、外部改質器の改質部に燃料ガスと水（水蒸気）と空気とを導入するようになすと、完全燃焼反応や改質反応モードに応じて導入するガスの比率を制御する。この際、請求項４の発電装置のように、改質部の燃料ガス導入口に、燃料ガスと水蒸気と空気との混合を促進して十分気化する機能を有する混合気化部を設けることが望ましい。
【００２７】
これにより、外部改質器の改質部内での反応効率を上昇させることができ、また、改質部内での反応の均一性を向上することにより、不均質な発熱を抑制できるので、耐久性に優れた燃料電池システムとすることができる。
【００２８】
本発明に係わる発電装置において、燃料電池スタックに対しては、外部改質器改質部から導入される燃料ガスに新たに水（水蒸気）を混合して導入するが、水の混合量は、外部改質器の温度および燃料電池スタックの運転状態に依存して制御される。この場合、請求項５の発電装置のように、燃料電池スタックの燃料ガス導入口に、外部改質器から導入される燃料ガスと水とを均一に混合して気化する機能の混合気化部を設けることが望ましい。
【００２９】
つまり、燃料電池スタック内の内部改質部あるいは発電セル部において、発電用の燃料ガスと水との混合が促進されるため、改質反応あるいは発電反応の均一性の向上が図られることとなり、不均質な発熱を抑制することができるようになって、反応効率が向上すると共に、耐久性の向上が図られることとなる。
【００３０】
本発明の請求項６に係わる発電装置において、外部改質器の改質部に隣接して設けた排気燃焼部には、燃料電池スタックの排気燃焼部からの配管および空気供給源からの配管が接続されており、空気供給量を制御して燃料電池スタックおよびスタックの排気燃焼部において反応あるいは燃焼しなかった未燃焼の燃料ガスを燃焼させるようにしている。
【００３１】
燃焼熱は外部改質器の改質部に伝達される構造となっており、ＡＴＲ反応モードで運転する場合や水蒸気改質モードで運転する場合、改質部において熱を供給することができる。
【００３２】
このように、外部改質器の改質部に排気燃焼部を隣接して設けたことにより、未燃焼の燃料ガスをほぼ完全に燃焼させることができ、したがって、熱の有効利用および排気の浄化を実現し得ることとなる。
【００３３】
本発明の請求項７に係わる発電装置において、発電時の燃料電池スタックを冷却する冷却ガス流路は、例えば、セル板およびセパレータを積層したスタック部である発電セル部の外周部に形成することが可能であるほか、請求項８に係わる発電装置のようにセパレータの内部に形成することが可能であり、冷却ガスとして空気を用いることができる。
【００３４】
本発明の請求項７に係わる発電装置では、燃料電池スタックに冷却用ガス流路部を設けたことにより、発電セル部での発電出力の増加に伴って温度が上昇しすぎた場合には、冷却ガスで冷却することができるので、発電に最適な温度に発電セル部を保持することが可能であり、加えて、燃料電池スタック温度の異常な上昇を抑えることにより、燃料電池スタックの破損や劣化を防止することができ、耐久性にすぐれた燃料電池システムとすることが可能である。
【００３５】
また、燃料電池スタックの冷却に使用する空気は、燃料電池スタックにより予熱されることになるため、これを発電用の空気として使用することができ、このように、燃料電池スタックで予熱された空気を発電用空気として使用する場合には、発電セル部に不要な熱衝撃を与えることなく発電し得ることから、耐久性に優れた燃料電池システムとすることができる。
【００３６】
本発明に係わる発電装置において、外部改質器の改質部の温度を検出する改質部温度検出手段と、燃料電池スタックの発電セル部の温度を検出する発電セル部温度検出手段と、発電セル部の温度の昇温降温速度を検出する昇温降温速度手段と、発電セル部が発電しているか否かを検出する発電状態検出手段を設け、改質部の温度と発電セル部の温度と発電出力状態とに応じて、外部改質器に導入する燃料ガス，空気および水蒸気量を制御可能とすると共に燃料電池スタックに導入する空気および水蒸気量を制御可能とすることで、上記した完全燃焼反応，部分酸化反応，水蒸気改質反応およびＡＴＲ反応をいずれも制御し得ることとなる。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００３８】
［実施例１］
図１は、本発明に係わる発電装置の一実施例を示している。
【００３９】
図１に示すように、この発電装置１は、外部改質器２と、燃料電池スタック３と、燃料タンク（燃料ガス供給源）４と、空気コンプレッサ（空気供給源）５と、給水タンク（給水源）６を備えている。
【００４０】
外部改質器２は、触媒を担持した金属あるいはセラミックスからなる触媒担持体を充填した改質部７と、この改質部７を中心にしてその周囲を取り囲む熱交換部８を備えた二重管構造をなすものであり、熱交換部８には、配管Ｐ１を介して空気コンプレッサ５から空気が導入されるようになっている。
【００４１】
この改質部７の燃料ガス導入口７ａには、燃料タンク４，空気コンプレッサ５および給水タンク６からの合計３本の配管Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と接続する混合気化部９が設けてあり、ポンプ１０の作動により供給される燃料タンク４からの燃料ガスは、この混合気化部９において空気や水（水蒸気）と混合して気化され、改質部７において燃焼反応あるいは改質反応が行われる。
【００４２】
一方、燃料電池スタック３は、ガス隔壁である電解質層１１ａの両側に燃料極層１１ｂおよび空気極層１１ｃを形成したセルを有するセル板１１とセパレータ板１２とを複数積層してなる発電セル部１３と、この発電セル部１３の燃料極層１１ｂに改質触媒層を形成してなる内部改質部１４と、発電セル部１３および内部改質部１４が多層積層されたスタック部分の外側に設置した排気燃焼部１５を備えており、この排気燃焼部１５には、金属あるいはセラミックスの触媒担持体が充填してある（図では簡単のため、発電セル部，内部改質部および排気燃焼部をいずれも単室として描いた）。
【００４３】
内部改質部１４へ燃料を供給する燃料ガス流路１６の導入口１６ａには、外部改質器２の改質部７からの燃料供給配管Ｐ５および給水タンク６からの水（水蒸気）の供給配管Ｐ６の双方と接続する混合気化部１７が設けてあり、この混合気化部１７を通して導入された燃料ガスは、内部改質部１４である改質触媒層を通過することで水蒸気量に応じて水蒸気改質され、発電セル部１３の燃料極層１１ｂに到達して、電解質を伝導した酸素イオンと反応してＣＯ２とＨ２Ｏを生成する。
【００４４】
発電セル部１３の空気極層１１ｃと接する空気流路１８には、外部改質器２の熱交換部８からの配管Ｐ７および空気コンプレッサ５からの配管Ｐ８の双方が一体となって接続してあり、この発電セル部１３において酸素を消費した後の空気排気は系外へ排出されるようになっている。
【００４５】
この場合、発電セル部１３の空気流路１８は、発電に必要な流量より多い流量の空気を流すことができるようにしてあり、このように、空気流路１８が冷却用ガス流路を兼ねるようになすことによって、この空気流路１８での冷却を可能にしている。
【００４６】
排気燃焼部１５には、空気コンプレッサ５からの配管Ｐ９が接続してあり、スタック部分の燃料ガスの排気とともに空気コンプレッサ５から新たな空気を導入して、発電セル部１３で発電に使用されなかった未燃焼の燃料ガスをほぼ完全燃焼させてコンデンサ１９への配管Ｐ１０に排出するようになっている。そして、燃料電池スタック３の排気燃焼部１５から排出されたガスは、コンデンサ１９おいて冷却され、水蒸気分は液化して給水タンク４にもどる仕組みになっている。
【００４７】
そして、この発電装置１では、図示はしないが外部改質器２の改質部７の温度を検出する改質部温度検出手段と、燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度を検出する発電セル部温度検出手段と、発電セル部１３の温度の昇温降温速度を検出する昇温降温速度手段と、発電セル部１３が発電しているか否かを検出する発電状態検出手段を設けることによって、改質部７の温度と発電セル部１３の温度と発電出力状態とに応じて、外部改質器２に導入する燃料ガス，空気および水蒸気の各供給量を制御可能としていると共に、燃料電池スタック３に導入する空気および水蒸気の各供給量を制御可能としている。なお、図１において、符号２０は給水ポンプ、符号Ｖは切換バルブである。
【００４８】
次に、この発電装置１の一連の運転モードにおけるガス制御の一例を説明する。
【００４９】
１．起動時モード
【００５０】
図２に示すように、ステップＳ１において外部改質器２の改質部７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１より低く、かつまた、燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度Ｔｂが発電を開始できる温度Ｔｂ１より低い起動時には、ステップＳ２において外部改質器２の改質部７に燃料および空気を導入して完全燃焼反応を行わせる。これにより、改質部７を加熱するとともに、改質部７の出口から高温の排気を燃料電池スタック３の内部改質部１４および発電セル部１３に導入して発電セル部１３を加熱する。
【００５１】
この間、空気をコンプレッサ５から外部改質器２の熱交換部８に導入して空気を加熱し、この予熱した空気を燃料電池スタック３の発電セル部１３の空気流路１８に導入することによって、燃料電池スタック３を加熱する。
【００５２】
２．スタック昇温モード
ステップＳ３において外部改質器２の改質部７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１に達した場合には、ステップＳ４において改質部７に導入する燃料Ｆに対する空気Ａの流量比率Ａ／Ｆを低下させて、部分改質反応モードに移行させる。これにより、改質部７の出口から燃料電池スタック３の内部改質部１４に導入されるガスをＨ２とすることができるほか、ＣＯやＣＨ４などの燃料電池の燃料となる低炭素分子を含む部分改質ガスとすることができる。
【００５３】
燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度Ｔｂが発電を開始できる温度Ｔｂ１に達していない場合において、燃料ガスは発電セル部１３で消費されることなく燃料電池スタック３の排気燃焼部１５に導入されるので、排気燃焼部１５にコンプレッサ５から空気を導入して燃焼させ、燃料電池スタック３をさらに加熱する。
【００５４】
この間も、空気をコンプレッサ５から外部改質器２の熱交換部８に導入して空気を加熱し、この予熱した空気を燃料電池スタック３の発電セル部１３の空気流路１８に導入することによって、燃料電池スタック３を加熱する。
【００５５】
３．スタック昇温発電モード
ステップＳ５において外部改質器２の改質部７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度Ｔｂが発電を開始できる温度Ｔｂ１以上、定常発電最低温度Ｔｂ２未満の場合、ステップＳ６において外部改質器２の改質部７は引き続き部分改質反応モードで運転し、部分改質した燃料を燃料電池スタック３へ導入する。
【００５６】
燃料電池スタック３へ導入された燃料ガスは、内部改質部１４を通過して発電セル部１３の燃料極層１１ｂの表面で電解質層１１ａを通過して供給される酸素イオンと反応し、ステップＳ７において酸化反応を行うことにより発電する。
【００５７】
発電セル部１３の温度Ｔｂの上昇に伴って発電出力が増加し、これに伴って発電セル部１３での発熱量が増加する。
【００５８】
発電セル部１３の温度Ｔｂの昇温に依存して発電出力が増加すると、燃料電池スタック３内の発電セル部１３の出口から排気燃焼部１５へ導入されるガス中の未燃焼の燃料ガス（ＣＯ２になっていない含炭素ガス成分）は減少する。
【００５９】
発電セル部１３の温度Ｔｂの昇温速度が遅い場合は、ステップＳ８において外部改質器２の改質部７に導入する燃料流量を増加することにより、燃料電池スタック３の発電セル部１３で消費されない未燃焼燃料を増加し、これを燃料電池スタック３の排気燃焼部１５で燃焼させることにより加熱する。
【００６０】
この間も、空気をコンプレッサ５から外部改質器２の熱交換部８に導入して空気を加熱し、この予熱した空気を燃料電池スタック３の発電セル部１３の空気流路１８に導入することによって、燃料電池スタック３を加熱する。
【００６１】
４．スタック定常発電モード
ステップＳ９において外部改質器２の改質部７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２以上、定常発電最高温度Ｔｂ３未満の場合、ステップＳ１０において外部改質器２の改質部７は引き続き部分改質反応モードで運転し、部分改質した燃料を燃料電池スタック３へ導入する。
【００６２】
ステップＳ１１において燃料電池スタック３の内部改質部１４には、外部改質器２の改質部７の出口から導入される部分改質燃料ガスおよび水蒸気改質を行う水（水蒸気）を導入する。
【００６３】
燃料電池スタック３の内部改質部１４において、水蒸気改質されたＨ２やＣＯを多く含む燃料ガスにより、発電セル部１３の燃料極層１１ｂで酸化反応を行わせて発電する。
【００６４】
発電セル部１３にて消費されないで発電セル部１３から出てしまった燃料ガスは、排気燃焼部１５において必要量の空気を導入して燃焼させる。
【００６５】
この場合、内部改質部１４での水蒸気改質反応は吸熱反応であり、発電セル部１３での酸化反応および排気燃焼部１５での燃焼はいずれも発熱反応であり、導入する水蒸気量により内部改質反応を制御し、燃料電池スタック３を一定温度に保持して定常的な発電を行う。
【００６６】
この間も、空気をコンプレッサ５から外部改質器２の熱交換部８に導入して空気を加熱し、この予熱した空気を燃料電池スタック３の発電セル部１３の空気流路１８に導入することによって、燃料電池スタック３を加熱する。
【００６７】
５．スタック冷却発電モード
ステップＳ１２において外部改質器２の改質部７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度Ｔｂが定常発電最高温度Ｔｂ３以上になってしまった場合には、ステップＳ１３において外部改質器２の改質部７は引き続き部分改質反応モードで運転し、部分改質した燃料を燃料電池スタック３へ導入する。
【００６８】
そして、ステップＳ１４において外部改質器２の熱交換器８を通過させて予熱した空気に、コンプレッサ５からの予熱していない空気を混合させて、燃料電池スタック３の発電セル部１３に導入する。
【００６９】
つまり、燃料電池スタック３の発電セル部１３に対して、温度を低下させた空気の流量を増して導入することにより、発電セル部１３の冷却を行う。
【００７０】
６．外部改質器冷却発電モード
ステップＳ１５において外部改質器２の改質部７の温度Ｔａが部分改質上限温度Ｔａ２以上に昇温してしまい、燃料電池スタック３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２以上でかつ定常発電最高温度Ｔｂ３未満の場合には、ステップＳ１６において外部改質器２の改質部７に燃料ガスおよび空気とともに水（水蒸気）を導入して、改質部７の反応を部分改質反応モードからＡＴＲ反応モードや水蒸気改質モードへ移行させ、改質部７の発熱を抑制する。
【００７１】
ＡＴＲ反応モードは部分酸化反応と水蒸気改質反応を起こさせる反応モードであり、水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質部７の昇温を抑制したり、温度を低下させる。
【００７２】
このため、燃料Ｆに対する水（水蒸気）の導入量Ｗの比率Ｗ／Ｆと、燃料Ｆに対する空気Ａの比率Ａ／Ｆを制御することにより、外部改質器２の改質部７の温度Ｔａのみを調整することができる。
【００７３】
７．停止モード
この発電装置１を停止する場合、まず、ステップＳ１７において外部改質器２の改質部７へ供給される燃料，空気，水（水蒸気）と、燃料電池スタック３へ供給される空気，水（水蒸気）をいずれも遮断し、外部改質器２および燃料電池スタック３の発熱を伴う反応を停止させる。
【００７４】
燃料電池スタック３の排気燃焼部１５に対する空気の供給は、燃料ガスの供給を停止してから一定時間たった後に停止する。これにより、燃料ガスを停止した後に遅れて排出される系内の残存燃料ガスを燃焼させてから停止させることができる。
【００７５】
また、燃料電池スタック３の急激な温度低下に伴う破壊を防止することができると共に、排気を浄化して停止させることができる
【００７６】
強制的な冷却が必要な場合は、ステップＳ１８においてコンプレッサ５から外部改質器２の熱交換部８および燃料電池スタック３へ直接空気を導入して両方の冷却を同時に行う。
【００７７】
８．発電出力一時オフモード
発電出力をオンオフ制御して発電する場合のオンオフ時間は、この発電装置１を搭載した移動体、例えば、車両の動力負荷状況や蓄電池の容量などに依存する。
【００７８】
スタック定常発電モード時において、燃料電池スタック３の発電セル部１３の回路を遮断することによって、発電出力を一時的にオフにする場合には、ステップＳ１９において上記運転モードと同様に、改質部７に導入される燃料Ｆに対する水（水蒸気）の導入量Ｗの比率Ｗ／Ｆと、燃料Ｆに対する空気Ａの比率Ａ／Ｆとを制御することにより、部分改質反応モード，ＡＴＲ反応モードおよび水蒸気改質モードを制御して外部改質器２を一定温度に保持するようにする。
【００７９】
ステップＳ２０において出力オフに伴って発電セル部１３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２を下回った場合には、ステップＳ２１において外部改質器２の改質部７に導入する燃料ガス流量を増加させると共に燃料電池スタック３の排気燃焼部１５に導入する空気流量を増加させて燃焼を促進して、燃料電池スタック３を加熱する。
【００８０】
ステップＳ２２において燃料電池スタック３の発電セル部１３の温度Ｔｂが定常発電最高温度Ｔｂ３以上に上昇した場合は、ステップＳ２３において発電セル部１３の温度を低下させる。
【００８１】
燃料電池スタック３の発電セル部１３に導入する発電用の空気は、発電出力のオフ状態を検出して停止させることが可能である。この際、温度変動を抑制するために、一定流量の空気を流し続けるように制御することもできる。
【００８２】
［実施例２］
図３は、本発明に係わる発電装置の他の実施例を示している。
【００８３】
図３に示すように、この実施例における発電装置２１では、外部改質器２２の改質部２７と熱交換部２８との間に排気燃焼部４１の層を設けており、この三重管構造をなす外部改質器２２の排気燃焼部４１に、燃料電池スタック２３の排気燃焼部３５からの配管Ｐ１０および空気コンプレッサからの配管Ｐ１１を接続することによって、発電セル部３３で発電に使用されなかった未燃焼の燃料ガスをほぼ完全燃焼させてコンデンサ１９への配管Ｐ１２に排出するようにしている。この場合、燃料電池スタック２３から排出された未燃焼の燃料ガスを燃料電池スタック２３の排気燃焼部３５で燃焼させるか外部改質器２２の排気燃焼部４１で燃焼させるかは、各々の排気燃焼部３５，４１に新たに導入する空気の流量で制御するようにしている。
【００８４】
また、この実施例における発電装置２１では、燃料電池スタック２３の発電セル部３３同士を仕切るセパレータ板３２に冷却ガス流路４２を設けており、配管Ｐ１３を介して供給される空気コンプレッサ５からの空気をこのセパレータ板３２の冷却ガス流路４２に流し込み、この冷却ガス流路４２を通過した空気を外部改質器２２の熱交換部２８を通過した空気ととも発電セル部３３の空気流路３８に流すようにしてある。
【００８５】
次に、この実施例の発電装置２１の一連の運転モードにおけるガス制御の一例を説明する。なお、起動時モード，スタック昇温モード，スタック昇温発電モード，停止モードおよび発電出力一時オフモードにおいて、すなわち、図４に示すように、ステップＳ４１〜ステップＳ４８，ステップＳ５７〜ステップＳ６２において、上記発電装置１と同じガス制御を行うのでこれらの説明は省略する。
【００８６】
４．スタック定常発電モード
ステップＳ４９において外部改質器２２の改質部２７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック２３の発電セル部３３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２以上、定常発電最高温度Ｔｂ３未満の場合、ステップＳ５０において外部改質器２２の改質部２７はＡＴＲ反応モードで運転し、改質した燃料を燃料電池スタック２３へ導入する。
【００８７】
ステップＳ５１において燃料電池スタック２３の内部改質部１４には、外部改質器２２の改質部２７の出口から導入される改質燃料ガスを導入する。この内部改質部１４において水蒸気改質を行う水（水蒸気）を導入することもできる。
【００８８】
燃料電池スタック２３の内部改質部１４において、水蒸気改質されたＨ２やＣＯを多く含む燃料ガスにより、発電セル部３３の燃料極層３１ｂで酸化反応を行わせて発電する。
【００８９】
発電セル部３３にて消費されないで発電セル部３３から出てしまった燃料ガスは、排気燃焼部３５において必要量の空気を導入して燃焼させる。
【００９０】
この場合、内部改質部１４での水蒸気改質反応は吸熱反応であり、発電セル部３３での酸化反応および排気燃焼部３５での燃焼はいずれも発熱反応であり、導入する水蒸気量により内部改質反応を制御し、燃料電池スタック２３を一定温度に保持して定常的な発電を行う。
【００９１】
ステップＳ５１Ａにおいて外部改質器２２あるいは燃料電池スタック２３の断熱構造によって決まる放熱性を調整することによって、定常発電運転時のそれぞれの発熱吸熱バランスをとる。
【００９２】
そのバランスに依存して、ステップＳ５１Ｂにおいて空気をコンプレッサ５から燃料電池スタック２３に導入して、発電セル部３３あるいは排気燃焼部３５の熱で予熱された空気を燃料電池スタック２３の発電セル部３３の空気流路３８に導入することもできる。
【００９３】
また、空気をコンプレッサ５から外部改質器２２の熱交換部２８に導入して、予熱された空気を燃料電池スタック２３の発電セル部３３の空気流路２８に導入してもよい。
【００９４】
５．スタック冷却発電モード
ステップＳ５２において外部改質器２２の改質部２７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック２３の発電セル部３３の温度Ｔｂが定常発電最高温度Ｔｂ３以上になってしまった場合には、ステップＳ５３において外部改質器２２の改質部２７は引き続きＡＴＲ反応モードで運転し、改質した燃料を燃料電池スタック２３へ導入する。
【００９５】
そして、ステップＳ５４において燃料電池スタック２３の発電セル部３３に導入する空気のうちの外部改質器２２の熱交換器２８を通過させて予熱した空気を遮断し、燃料電池スタック２３の発電セル部３３に対して予熱されていない空気をコンプレッサ５から直接導入する。
【００９６】
つまり、燃料電池スタック２３の発電セル部３３に対して、温度を低下させた空気の流量を増して導入することにより、発電セル部３３の冷却を行う。
【００９７】
さらに急激な冷却を必要とする場合は、ステップＳ５４Ａにおいて燃料電池スタック２３の排気燃焼部３５に導入する空気を遮断して未燃焼の燃料ガスのみを通過させ、外部改質器２２の排気燃焼部４１に空気を導入して燃焼させる。これと同時に、外部改質器２２の改質部２７に導入する燃料Ｆに対する水（水蒸気）の導入量Ｗの比率Ｗ／Ｆを増加させることにより、吸熱反応である水蒸気改質反応を増加させて、外部改質器２２の温度調整を行う。
【００９８】
６．外部改質器冷却発電モード
ステップＳ５５において外部改質器２２の改質部２７の温度Ｔａが部分改質上限温度Ｔａ２以上に昇温してしまい、燃料電池スタック３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２以上でかつ定常発電最高温度Ｔｂ３未満の場合には、ステップＳ５６において外部改質器２２の改質部２７に対する水（水蒸気）の導入量を増加して、改質部２７の反応をより水蒸気改質が多い反応モードへ移行させる。
【００９９】
ＡＴＲ反応モードは部分酸化反応と水蒸気改質反応を起こさせる反応モードであり、水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質部２７の温度を低下させる。
【０１００】
このため、燃料Ｆに対する水（水蒸気）の導入量Ｗの比率Ｗ／Ｆと、燃料Ｆに対する空気Ａの比率Ａ／Ｆを制御することにより、外部改質器２の改質部７の温度Ｔａのみを調整することができる。
【０１０１】
［実施例３］
図５は、本発明に係わる発電装置のさらに他の実施例を示している。
【０１０２】
図５に示すように、この実施例における発電装置５１が図３に示した先の実施例における発電装置２１と相違するところは、燃料電池スタック５３が、ガス隔壁である電解質層６１ａの両側に燃料極層６１ｂおよび空気極層６１ｃを形成したセルを有するセル板６１とセパレータ板６２とを複数積層してなる発電セル部６３を具備し、発電セル部６３へ燃料を供給する燃料ガス流路６６の導入口６６ａに、外部改質器２２の改質部２７からの燃料供給配管Ｐ５および給水タンク６からの水（水蒸気）の供給配管Ｐ６の双方と接続する混合気化部１７を設けた点にあり、他の構成は、先の実施例における発電装置２１と同じである。
【０１０３】
次に、この実施例の発電装置５１の一連の運転モードにおけるガス制御の一例を説明する。なお、起動時モード，スタック昇温モードにおいて、すなわち、図６に示すように、ステップＳ６１〜ステップＳ６４において、上記発電装置１と同じガス制御を行うのでこれらの説明は省略する。
【０１０４】
３．スタック昇温発電モード
ステップＳ６５において外部改質器２２の改質部２７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック５３の発電セル部６３の温度Ｔｂが発電を開始できる温度Ｔｂ１以上、定常発電最低温度Ｔｂ２未満の場合、ステップＳ６６において外部改質器２２の改質部２７は引き続き部分改質反応モードで運転し、部分改質した燃料を燃料電池スタック５３へ導入する。
【０１０５】
燃料電池スタック５３へ導入された燃料ガスは、発電セル部６３の燃料極層６１ｂの表面で電解質層６１ａを通過して供給される酸素イオンと反応し、ステップＳ６７において燃焼する酸化反応を行うことにより発電する。
【０１０６】
発電セル部６３の温度Ｔｂの上昇に伴って発電出力が増加し、これに伴って発電セル部６３での発熱量が増加する。
【０１０７】
発電セル部６３の温度Ｔｂの昇温に依存して発電出力が増加すると、燃料電池スタック５３内の発電セル部６３の出口から排気燃焼部６５へ導入されるガス中の未燃焼の燃料ガス（ＣＯ２になっていない含炭素ガス成分）は減少する。
【０１０８】
発電セル部６３の温度Ｔｂの昇温速度が遅い場合は、ステップＳ６８において外部改質器２２の改質部２７に導入する燃料流量を増加することにより、燃料電池スタック５３の発電セル部６３で消費されない未燃焼の燃料ガスを増加し、これを燃料電池スタック５３の排気燃焼部６５で燃焼させることにより加熱する。
【０１０９】
この間も、空気をコンプレッサ５から外部改質器２２の熱交換部２８に導入して空気を加熱し、この予熱した空気を燃料電池スタック５３の発電セル部６３の空気流路３８に導入することによって、燃料電池スタック５３を加熱する。
【０１１０】
４．スタック定常発電モード
ステップＳ６９において外部改質器２２の改質部２７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック５３の発電セル部６３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２以上、定常発電最高温度Ｔｂ３未満の場合、ステップＳ７０において燃料に対する水蒸気量比Ｗ／Ｆを徐々に増加させて、外部改質器２２の改質部２７をＡＴＲ反応モードを経て水蒸気改質モードで運転させる。
【０１１１】
ステップＳ７１において燃料電池スタック５３には、外部改質器２２の改質部２７の出口から導入される部分改質燃料ガスを導入する。
【０１１２】
発電セル部６３にて消費されないで発電セル部６３から出てしまった燃料ガスは、排気燃焼部６５において必要量の空気を導入して燃焼させる。
【０１１３】
この場合、ステップＳ７１Ａにおいて空気をコンプレッサ５から燃料電池スタック５３に導入して、発電セル部６３あるいは排気燃焼部６５の熱で予熱した空気を燃料電池スタック５３の発電セル部６３の空気流路３８に導入することもできる。
【０１１４】
５．スタック冷却発電モード
ステップＳ７２において外部改質器２２の改質部２７の温度Ｔａが部分改質反応モードを開始できる温度Ｔａ１以上、耐久上限温度Ｔａ２未満でかつ燃料電池スタック５３の発電セル部６３の温度Ｔｂが定常発電最高温度Ｔｂ３以上になってしまった場合には、ステップＳ７３において外部改質器２２の改質部２７は引き続き水蒸気改質モードで運転し、燃料電池スタック５３にコンプレッサ５から導入する空気量を増加することにより、発電セル部６３を冷却する。
【０１１５】
６．外部改質器冷却発電モード
上記スタック昇温モードおよびスタック昇温発電モードにおいて外部改質器２２が異常昇温した場合（ステップＳ７４）は、ステップＳ７５において燃料Ｆに対する水（水蒸気）の導入量Ｗの比率Ｗ／Ｆを上げて、部分改質反応モードからＡＴＲ反応モードへ移行させることにより、発熱を抑制して温度を下げる。
【０１１６】
また、上記スタック定常発電モードにおいて外部改質器２２が異常昇温した場合（ステップＳ７６）は、ステップＳ７７において熱交換部２８に空気を導入して冷却する
【０１１７】
７．停止モード
この発電装置１を停止する場合、まず、ステップＳ７８において外部改質器２２の改質部２７へ供給される燃料，空気，水（水蒸気）と、燃料電池スタック５３へ供給される空気，水（水蒸気）をいずれも遮断し、外部改質器２２および燃料電池スタック５３の発熱を伴う反応を停止させる。
【０１１８】
燃料電池スタック５３の排気燃焼部６５に対する空気の供給は、燃料ガスの供給を停止してから一定時間たった後に停止する。これにより、燃料ガスを停止した後に遅れて排出される系内の残存燃料ガスを燃焼させてから停止させることができる。
【０１１９】
また、燃料電池スタック５３の急激な温度低下に伴う破壊を防止することができると共に、排気を浄化して停止させることができる
【０１２０】
強制的な冷却が必要な場合は、ステップＳ７９においてコンプレッサ５から外部改質器２２の熱交換部２８および燃料電池スタック５３へ直接空気を導入して両方の冷却を同時に行う。
【０１２１】
８．発電出力一時オフモード
発電出力をオンオフ制御して発電する場合のオンオフ時間は、この発電装置５１を搭載した移動体、例えば、車両の動力負荷状況や蓄電池の容量などに依存する。
【０１２２】
スタック定常発電モード時において、燃料電池スタック５３の発電セル部６３の回路を遮断することによって、発電出力を一時的にオフにする場合には、ステップＳ８０において上記運転モードと同様に、改質部２７に導入される燃料Ｆに対する水（水蒸気）の導入量Ｗの比率Ｗ／Ｆと、燃料Ｆに対する空気Ａの比率Ａ／Ｆとを制御することにより、部分改質反応モード，ＡＴＲ反応モードおよび水蒸気改質モードを制御して外部改質器２２を一定温度に保持するようにする。
【０１２３】
ステップＳ８１において出力オフに伴って発電セル部１３の温度Ｔｂが定常発電最低温度Ｔｂ２を下回った場合には、ステップＳ８２において外部改質器２２の改質部２７に導入する燃料ガス流量を増加させると共に外部改質器２２の排気燃焼部４１に導入される空気を遮断して、燃料電池スタック５３の排気燃焼部６５に空気を導入して燃料電池スタック５３を加熱する。
【０１２４】
ステップＳ８３において燃料電池スタック５３の発電セル部６３の温度Ｔｂが定常発電最高温度Ｔｂ３以上に上昇した場合は、ステップＳ８４において発電セル部６３の温度を低下させる。
【０１２５】
燃料電池スタック５３の発電セル部６３に導入する発電用の空気は、発電出力のオフ状態を検出して停止させることが可能である。この際、温度変動を抑制するために、一定流量の空気を流し続けるように制御することもできる。
【０１２６】
なお、本発明に係わる発電装置の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる発電装置の一実施例を示す配管路説明図である。
【図２】図１における発電装置の一連の運転モードにおけるガス制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係わる発電装置の他の実施例を示す配管路説明図である。
【図４】図３における発電装置の一連の運転モードにおけるガス制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係わる発電装置のさらに他の実施例を示す配管路説明図である。
【図６】図５における発電装置の一連の運転モードにおけるガス制御の一例を示すフロ
ーチャートである。
【符号の説明】
１，２１，５１　発電装置
２，２２　外部改質器
３，２３，５３　燃料電池スタック
４　燃料タンク（燃料ガス供給源）
５　コンプレッサ（空気供給源）
６　給水タンク（給水源）
７，２７　改質部
７ａ，２７ａ　改質部の燃料ガス導入口
８，２８　空気熱交換部
９，１７　混合気化部
１３，３３，６３　発電セル部
１４　内部改質部
１５，３５，６５　排気燃焼部
１６　燃料ガス流路
１６ａ　燃料ガス流路の導入口
１８　空気流路（冷却用ガス流路）
３２　セパレータ板
４１　排気燃焼部
４２　冷却ガス流路
Ｐ１〜Ｐ１３　配管

Claims (9)

  1. 燃料ガスを通す改質部を有する外部改質器およびこの外部改質器の改質部を通過して改質された燃料ガスが供給される発電セル部を有する燃料電池スタックを備えた発電装置において、外部改質器には、空気供給源から空気を導入して改質部との間で熱の授受を行わせて燃料電池スタック側に流す空気熱交換部を設けると共に、燃料電池スタックには、発電セル部で発電に使用されなかった未燃焼の燃料ガスに空気供給源からの新たな空気を混合させて略完全燃焼させる排気燃焼部を設けたことを特徴とする発電装置。
  2. 燃料電池スタックには、発電セル部に隣接する内部改質部を設けた請求項１に記載の発電装置。
  3. 外部改質器の改質部および燃料電池スタックの両方に水を供給する給水源を設けた請求項１または２に記載の発電装置。
  4. 外部改質器の改質部の燃料ガス導入口に、燃料ガス供給源，空気供給源および給水源のいずれにも接続する混合気化部を設けた請求項３に記載の発電装置。
  5. 燃料電池スタックの燃料ガス導入口に、燃料ガス供給源および給水源の双方に接続する混合気化部を設けた請求項１ないし４のいずれかに記載の発電装置。
  6. 外部改質器には、改質部に隣接しかつ燃料電池スタックの排気燃焼部からの配管および空気供給源からの配管を接続した排気燃焼部を設けた請求項１ないし５のいずれかに記載の発電装置。
  7. 燃料電池スタックに冷却用ガス流路を設けた請求項１ないし６のいずれかに記載の発電装置。
  8. 燃料電池スタックの発電セル部を複数のセル板とともに形成するセパレータの内部に冷却用ガス流路を設けた請求項７に記載の発電装置。
  9. 外部改質器の改質部の温度を検出する改質部温度検出手段と、燃料電池スタックの発電セル部の温度を検出する発電セル部温度検出手段と、発電セル部の温度の昇温降温速度を検出する昇温降温速度手段と、発電セル部が発電しているか否かを検出する発電状態検出手段を設け、改質部の温度と発電セル部の温度と発電出力状態とに応じて、外部改質器に導入する燃料ガス，空気および水蒸気量を制御可能とすると共に燃料電池スタックに導入する空気および水蒸気量を制御可能とした請求項１ないし８のいずれかに記載の発電装置。
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