JP2004152757A - 熱交換のために触媒燃焼器を用いている燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明では、追加の設備を要することなく、優れた始動性を示す固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を提供する。また、本発明では、ＳＯＦＣ用急速始動システム並びに該システムの構成方法も提供する。
【解決手段】
本発明によれば、ＳＯＦＣは、反応物を受容し、該反応物を反応させて発電を行うＳＯＦＣスタック（１０５）と、該ＳＯＦＣスタック（１０５）を未反応のまま通過した前記反応物を燃焼させる触媒燃焼器（１０７）と、該触媒燃焼器（１０７）の排気と前記ＳＯＦＣスタック（１０５）に受容される前記反応物との間で熱交換させる熱交換器（１０４）とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の分野に関する。より詳細には、本発明は、固体酸化物形燃料電池と共に使用される触媒燃焼器に関する。

この一世紀の間に、エネルギー需要は指数関数的に増大した。このエネルギー需要の増大により、様々なエネルギー源が調査され開発されてきた。炭化水素の燃焼は、過去並びに現在において、主要なエネルギー源の一つとなっている。しかしながら、炭化水素の燃焼は一般的に不完全なものであり、スモッグの原因となる不燃性物質並びに他の汚染物質を放出することが知られている。

炭化水素の燃焼によって汚染物質が生じた結果、近年では、よりクリーンなエネルギー源を求める風潮が高まっている。このようなクリーンなエネルギー源への要望が高まるにつれて、燃料電池が注目を集めるようになった。研究開発が進んだ現在、燃料電池技術は、近いうちに、都市用の大規模発電用ガスタービン、自動車用内燃機関および大小様々な電子機器用バッテリと競合すると誰もが予想し得るレベルにまで達している。

燃料電池は、水素と酸素から、電気と熱への電気化学的なエネルギー変換を利用する。燃料電池は、バッテリと似ているが、電力を供給しながら「充電」、即ち燃料の補給、をすることができる点で相違する。多くの事例において、燃料電池が、携帯用電源として一次電池及び二次電池に取って代わるものと期待されている。

燃料電池は、モータ、ライトまたは他の多くの電気機器に使用できるＤＣ（直流）電圧を供給する。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、携帯用途にきわめて有効であると期待されている燃料電池の一つである。以下、ＳＯＦＣに関して、さらに詳しく説明する。

残念なことに、ＳＯＦＣを効率よく作動させるためには、一般的に高温を要する。このように、ＳＯＦＣの作動には高温を要するため、ＳＯＦＣを始動する際に、多くの時間が必要となる。ＳＯＦＣがバッテリに取って代わるためには、高い作動温度まで迅速に上昇させることが技術的な課題となっている。

そのため、現在のＳＯＦＣのなかには、効率のよい作動温度までより迅速に達するように、セルを加熱する手段が講じられているものもある。しかしながら、燃料電池を作動温度まで加熱する現在の応用例のほとんどは、効率が悪く、且つ、やはり始動に多くの時間を要する。さらに、そのシステムのいくつかは、始動時にしか役に立たない可能性のある設備をＳＯＦＣスタックの内部あるいは外部に追加して設置しているため、元々複雑な構成をとる燃料電池をさらに複雑かつ大型なものにしている。

本発明では、優れた始動性を示す燃料電池を提供する。また、本発明では、燃料電池用急速始動システム並びに該システムの形成方法も提供する。

一実施態様によれば、本発明は、優れた始動性を示すＳＯＦＣを提供する。好ましくは、本発明の優れたＳＯＦＣは、反応物を受け入れ、該反応物を反応させて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタック内を未反応のまま通過した前記反応物を燃焼させる触媒燃焼器と、該触媒燃焼器の排気と前記燃料電池スタックに導入される前記反応物との間で熱交換を行う熱交換器とを具備している。

本発明では、ＳＯＦＣスタックを未反応のまま通過した反応物（燃料ガス及び空気）を、触媒燃焼器で燃焼反応（発熱反応）させる。発生する熱エネルギーは熱交換器によって、ＳＯＦＣスタックに導入される燃料ガス及び空気を加熱するのに利用される。この結果、本発明は、ＳＯＦＣの始動性向上を可能としている。

本発明の説明に先立ち、標準的なＳＯＦＣの概要を説明する。一般に、燃料電池は、使用される電解質の種類によって分類される。電解質は、イオンだけを通し電子を通さない特殊な処理の施された高密度物質である。ＳＯＦＣは、電解質として硬質セラミックを使用しており、一般に約１０００℃以下で電解質として機能する。

ＳＯＦＣでは、一般に、酸化ジルコニウムと酸化イットリウムの混合物から、固体電解質の結晶格子を形成させている（他の酸化物の組み合わせも、固体電解質として使用されている）。その固体電解質は、特殊な多孔性電極材料（燃料極と空気極）でその両面が被覆されている。この特殊な多孔性電極材料は、酸素と、水素や炭化水素等の燃料との反応を促進する触媒として機能する。

燃料極は、燃料電池の負極として機能する。高い作動温度では、電解質結晶格子内を酸素イオン（負電荷）が移動できる。水素を含む燃料ガス（一般に、プロパン、メタンまたはブタン）が燃料極上を通過すると、空気極から固体電解質内を介して燃料極側に拡散してきた酸素イオンにより、燃料ガスが酸化される。燃料ガスが酸化されるとき、外部回路で使用できる電流として、燃料ガスから燃料極に電子が遊離される。

酸素（通常は空気）は空気極に供給される。空気極は、燃料電池の正極として機能し、燃料極と同様に、触媒表面に酸素を均一に分散させることができるように設計されている。また、燃料極で生じた電子は、外部回路を通って空気極に達する。

燃料極で生じた電子は、外部回路（負荷）を通って空気極まで移動し、回路が完結し、外部負荷に電力が供給される。ＳＯＦＣの発電効率は、最大約６０パーセントに達するとされている。

ＳＯＦＣのセルスタックには、一連の管からなるものや、より慣例的な積層平板状のものがある。

図１に、本発明の一実施態様であるＳＯＦＣリアクタ（１０）を示している。本発明は、ＳＯＦＣ始動時に、スタックを最低作動温度（以後、着火温度と記載）まで急速に加熱するのに特に有益である。

実線の矢印は空気ラインを、点線の矢印は燃料ガスラインをそれぞれ表している。燃料容器（１０１）には、一般に、プロパンまたはブタンが充填されている。多くの場合、燃料容器（１０１）に充填されている燃料ガスは、システム内に燃料を流すことができるように十分に加圧されている。所定の実施態様においては、加圧された燃料容器（１０１）が好ましい。

ＳＯＦＣリアクタ（１０）は、ブロワ（１０２）を具備している。ブロワ（１０２）は、システムの各構成要素に安定した空気の流れを供給することによって、燃料電池の反応を促進する。ブロワ（１０２）は、空気吸入口（１０２ａ）から外部空気を吸入し、ＳＯＦＣリアクタ（１０）内に送る。ブロワ（１０２）からの吸入空気と、燃料容器（１０１）からの燃料ガスが、ＳＯＦＣの主な反応物であり、これらは、熱交換器（１０４）に送り込まれる。

熱交換器（１０４）は、リアクタ（１０）から発生した熱を回収し、反応物、即ち燃料ガスと空気を予備加熱し、リアクタ（１０）内でそれらの有効利用を図る。熱交換器（１０４）には、燃料電池リアクタ（１０）からの排熱を回収し、回収した熱エネルギーを導入される未反応の空気と燃料ガスに伝えることができる任意の要素あるいはプロセスを用いることができる。このように、ＳＯＦＣリアクタ（１０）の発熱反応によって、システムから放出された熱エネルギーを利用することで、追加設備を要することなく、ＳＯＦＣリアクタ（１０）を作動に必要とされる温度まで迅速に加熱することができる。

ＳＯＦＣリアクタ（１０）を始動温度まで達することを可能にする熱交換器（１０４）の役割については、後でさらに詳しく説明する。ここで、リアクタ（１０）に供給される未反応のガス（空気と燃料ガス）が熱交換器（１０４）を出るときにはそれぞれ分離されたままであることに注意されたい。

熱交換器（１０４）を出た空気と燃料ガスは、それぞれ燃料極（１０５ａ）または空気極（１０５ｂ）に入る前に実質的に加熱されることが好ましい。図１に示しているように、燃料ガスは燃料極マニホルド（１０５ａ）に、空気は空気極マニホルド（１０５ｂ）にそれぞれ送られる。燃料極（１０５ａ）と空気極（１０５ｂ）は、ＳＯＦＣリアクタ（１０）の発電機器を構成し、以後、共に機能することで発電機能を有している燃料極（１０５ａ）と空気極（１０５ｂ）のことをＳＯＦＣスタック（１０５）と記載する。

ＳＯＦＣリアクタ（１０）の始動時、ＳＯＦＣスタック（１０５）が着火温度に達するまでの間、ＳＯＦＣスタック（１０５）に導入された空気と燃料ガスは、未反応のまま、燃料極（１０５ａ）及び空気極（１０５ｂ）をそれぞれ通過する。ＳＯＦＣスタック（１０５）が着火温度に達してからは、導入される空気及び燃料ガスの大部分は、ＳＯＦＣスタック（１０５）の発電反応で消費される。

前述したように、燃料極（１０５ａ）は、燃料電池の負極として機能する。ＳＯＦＣスタック（１０５）が着火温度に達すると、固体電解質の酸素イオン伝導性が高まり、酸素イオンは電解質内を燃料極側に拡散し、燃料ガスを酸化させる。燃料ガス分子が酸素イオンによって酸化されるとき、燃料ガス分子から燃料極に自由電子が遊離され、ＳＯＦＣスタック（１０５）に自由電子の流れが生じる。燃料極（１０５ａ）からの自由電子の流れは、外部負荷を通ることで、外部負荷に電力を供給する。

酸素は、一般に、空気極（１０５ｂ）に送り込まれる空気によって供給される。空気極（１０５ｂ）は、燃料電池の正極として機能し、燃料極（１０５ａ）と同様に設計されており、触媒表面に空気が達することができる。空気極（１０５ｂ）は、負荷から触媒に電子を戻すことができる。一般に、燃料極（１０５ａ）と空気極（１０５ｂ）の間に流れる電流は、ラップトップ型コンピュータ、携帯電話、電動工具、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の、現在電池が駆動源として用いられている電気機器を駆動させるのに十分なものである。

作動中、ＳＯＦＣスタック（１０５）は、導入される空気及び燃料ガスの１００％を消費するとは限らない。未反応のままスタック（１０５）を通過した反応物は、触媒燃焼器（１０７）によって、燃焼反応に用いられる。この触媒燃焼器（１０７）は、ＳＯＦＣスタック（１０５）から未反応の燃料ガス及び空気を取り入れる別々の吸気口を有している。ＳＯＦＣスタック（１０５）が着火温度に達するまでは、スタックから触媒燃焼器（１０７）へ入ってくるガスは全て未反応のままであり、触媒燃焼器（１０７）に導入されるときは分離されたままである。

触媒燃焼器（１０７）の内部には、触媒が充填されている燃焼チャンバが収容されていることが好ましい。燃焼チャンバは、耐酸化材料で形成されることが好ましく、触媒によって、ＳＯＦＣスタック（１０５）から受容した未反応ガス同士を反応させる。触媒は、任意の形状のものを用いることができる。一態様として、触媒成分で覆われたアルミナペレットを触媒として用いることができる。また、金網状の触媒あるいは表面が触媒成分により被覆されている金網状のものを用いてもよい。触媒形状を選択する際は、触媒表面積を最大にするとともに、燃焼チャンバ体積ならびに触媒層内圧損を抑えることのできる形状を選択することが好ましい。また、燃焼チャンバの各部分で均一な反応が起こるように、受容された未反応ガスを十分に混合できるように触媒を充填するのが好ましい。

燃焼チャンバは、抵抗体を具備している。触媒燃焼反応を起こすためには、触媒燃焼器（１０７）内の触媒の一部分が、触媒燃焼器に入ってきたガスと触媒との燃焼反応が起こる最低温度に達していなければならない。このように、触媒（層）の少なくとも一部分を最低燃焼温度まで加熱させる装置及びシステムを、本明細書及び特許請求の範囲においては抵抗体と呼ぶ。触媒の一部分が最低燃焼温度に達してからは、燃焼反応（発熱反応）により熱が発生するため、触媒燃焼室の残りの部分も迅速に燃焼温度に達する。

抵抗体は、触媒燃焼器（１０７）の内部にあっても外部にあってもよい。いくつかの実施態様では、抵抗体は触媒材料からなる。発熱体は、例えば、触媒燃焼器（１０７）の燃焼チャンバ内に設置されるようなコイルである。そのような抵抗体は、薄膜抵抗体、抵抗ワイヤまたは抵抗ストリップのうちの１つあるいは複数から構成することができる。

空気及び燃料ガスは、別々の入口から、それらガスが触媒と接触できる触媒燃焼器（１０７）内の燃焼チャンバに送られる。これらのガスを触媒燃焼器に送るために使用される燃料分配器については、後述する本発明の実施形態でさらに詳しく説明する。抵抗体により、燃焼室内の触媒の一部分が加熱され、触媒燃焼は迅速かつ効率的に開始される。触媒燃焼器（１０７）で用いられる抵抗体は、バッテリ（１０６）によって駆動されることが好ましい。バッテリは、ＳＯＦＣ始動時に触媒燃焼反応を開始させるために使用され、ＳＯＦＣスタック（１０５）が着火温度に達した後は非作動状態となる。

バッテリ（１０６）は、電力需要の少ないオフピーク時にＳＯＦＣによって生成された電力のうち幾らかを使用してバッテリを自己充電する機能を有することが好ましい。ＳＯＦＣスタックが発電を開始したら、バッテリから追加のエネルギーを供給せずとも、触媒燃焼反応による熱エネルギーによって燃焼反応が十分に維持されるのが好ましい。

触媒燃焼器（１０７）内で燃焼が起こると、反応したガスは排気口から排気される。このとき、燃焼チャンバ内で全てのガスが混合される。燃焼反応済のガスは、熱交換器（１０４）と接続される排気口に送られ、前述のように、ＳＯＦＣリアクタ（１０）に導入される未反応ガスを加熱するのに利用される。

熱交換器（１０４）は、ＳＯＦＣリアクタ（１０）に導入される未反応の空気及び燃料ガスに熱を伝えるために、触媒燃焼器（１０７）の燃焼反応によって加熱された排気を、熱交換器（１０４）内部で循環させることが好ましい。ＳＯＦＣスタック（１０５）が発電を開始すると、触媒燃焼器（１０７）に導入されるガスの温度は上昇し、結果、触媒反応後の熱交換器（１０４）内で行われる熱交換にも寄与する。

このように、触媒燃焼器（１０７）内で得られた熱は、外部環境に放出される前に未反応燃料ガスを反応させる働きをするだけでなく、ＳＯＦＣリアクタ（１０）に導入される空気と燃料ガスを着火温度まで加熱して、燃料電池が作動温度にきわめて迅速に到達することを可能とし、且つＳＯＦＣスタック（１０５）内の反応が自立継続することを可能とする働きもする。

熱交換器（１０４）を出た燃焼済ガスは、ミキサ（１０３）に送られ、ブロワ（１０２）からの空気と混合されて冷却された後、外部環境に排気される。

図２は、本発明の一実施態様によるＳＯＦＣスタック、空気/燃料ガス分配器、触媒燃焼器、熱交換器が一体化されたＳＯＦＣパッケージ（２０１）の概略図を示している。このＳＯＦＣパッケージ（２０１）は、ＳＯＦＣで使用するのに適合した材料からなる比較的薄い平板を積層させて形成されている。各平板は、ＳＯＦＣの各構成要素を収容するために、１つ１つ異なる構造を有している。例えば、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）の最外層に位置する平板は、外側ハウジング（即ち、外壁）としての構造を有する。また、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）内側に位置する平板は、ガス流路、マニホールド、熱交換器等の機能を果たすように形成されており、ＳＯＦＣスタック、燃焼触媒等の各構成要素を収容するための空洞も具備している。

上記各要素の大きさは限定されることはない。ＳＯＦＣパッケージ（２０１）内の各構成要素は、所望の用途に最も適した任意の寸法に設計することができる。ＳＯＦＣパッケージ（２０１）は、図１に示した構成要素（熱交換器、ＳＯＦＣスタック、触媒燃焼器、空気吸入口、燃料ガス吸入口等）の多くまたは全てを収容するために、エッチングあるいは穿孔され、表面加工されていることが好ましい。

図２に示しているように、ＳＯＦＣスタック（１０５）、熱交換器（１０４）、及び触媒燃焼器（１０７）が、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）内に封入されている。これにより、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）内の反応にエネルギーを供給するのに必要なガスと熱が封じ込められる。

また、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）は、空気／燃料分配器（１０９）も具備することが好ましい。空気／燃料分配器（１０９）は、ＳＯＦＣスタック（１０５）からの排気（空気極側排気と燃料極側排気）を受け取り、触媒燃焼器（１０７）に送られる空気と燃料ガスの分離を維持することが好ましい。空気／燃料分配器（１０９）は、溝又はエッチングによってＳＯＦＣパッケージ（２０１）内に形成されており、前記排気をそれぞれ触媒燃焼器（１０７）に分離したまま導入するパイプまたは燃料ラインとして機能することが好ましい。様々な平板層を用いることで、空気取入れ口（２１７）や燃料取入れ口のような複雑なガス分配チャネルを使用することができる。

図２から分かるように、触媒燃焼器（１０７）は、複数の空気取入れ口（２１７）及び複数の燃焼済ガスの排気口（２１８）を有している。空気取入れ口（２１７）と排気口（２１８）は、触媒燃焼器（１０７）及び／又はＳＯＦＣスタック（１０５）内で出入りするガスの著しい圧力降下が起こらないように、サイズが決められている。

熱交換器（１０４）に関しては、触媒燃焼器（１０７）の隣りに配置されていることが好ましい。これによって、触媒燃焼器（１０７）内の燃焼反応（発熱反応）で発生した熱エネルギーを効率よく回収できる。また、回収した熱エネルギーを効率よく利用するために、熱交換器（１０４）はＳＯＦＣスタック（１０５）の比較的近くに配置されている。

ＳＯＦＣスタック（１０５）からの燃料極側の排気は、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）の最外層（以後、燃料ガス層（２０５）と呼ぶ）を通じて空気/燃料分配器（１０９）へ、そして触媒燃焼器（１０７）に送り込まれる。ＳＯＦＣスタック（１０５）排気に含まれる未反応の燃料ガス成分が触媒燃焼器（１０７）に導入される際の安全性向上の観点から、燃料ガス層（２０５）は、空気流路とは分離されて形成されている。また、ＳＯＦＣスタック（１０５）への電気接続およびセンサ接続は、必要に応じて燃料ガス層（２０５）または他の平板層に埋め込まれている。

図２ａは、触媒燃焼器（１０７）の平面図である。触媒燃焼器（１０７）は、耐熱性の容器から構成さていることが好ましい。本明細書において、この耐熱性容器のことを、燃焼チャンバ（２０３）と呼ぶ。燃焼チャンバ（２０３）は、好ましくは、ＳＯＦＣ作動中、ＳＯＦＣスタック（１０５）からの排気を保持し、該排気の燃焼反応によって生じる高温に耐えることができる。

燃焼チャンバ（２０３）内には、触媒（２１１）が実質上充填されている。触媒（２１１）の構造としては、任意の形状のものを用いることができる。例えば、触媒成分で被覆されているセラミックビーズあるいはセラミックハニカム、単純な平面触媒、触媒成分により被覆された平らな表面を有するラビリンス状のもの、又は触媒成分により被覆されているセラミックウール、セラミック織物、薄層状のマイクロチャンネルアレイ、スクリーン等である。本態様においては、触媒（２１１）が、ガス取入れ口またはガス排気口（２１７、２１８）から外部に出ないようなサイズを有している触媒担持小径多孔質アルミナビーズの形態であることが好ましい。

図２ａの態様では、抵抗体（２１２）として、コイル型発熱体を用いている。発熱体は、燃焼反応を容易に起こすことができるように触媒（２１１）の一部分を加熱できるように配置されている。一態様として、抵抗体（２１２）と触媒（２１１）は一体成型されたものを用いることができる。この場合、抵抗体（２１２）は触媒または触媒被覆材料から形成されており、それによって触媒を燃焼温度まで迅速に加熱することができる。

抵抗体（２１２）の一端は、電源（２１２ｃ）に接続されている。電源（２１２ｃ）としては、抵抗体（２１２）を加熱することのできるバッテリを用いることが好ましい。前述のように、抵抗体（２１２）が発生する熱を利用して触媒燃焼器（１０７）を加熱することで、他の設備及び過度の重量を追加することなく、携帯型ＳＯＦＣリアクタの触媒燃焼反応を、より迅速かつ効率的に開始させることができる。また、温度センサならびに酸素センサや燃料ガスセンサのような計装器類を構成要素として含む触媒燃焼器フィードバックループを用いることで、着火制御を容易にすることができる。

発熱コイル（２１２）の電源（２１２ｃ）と反対側の端は、アース（２１２ａ）に接続している。一態様として、アース（２１２ａ）は、発熱コイル（２１２）を燃焼チャンバ（２０３）壁へスポット溶接することで得られる。さらに、アース（２１２ａ）は、抵抗体（２１２）から他の任意の接地要素への接続でもよい。

抵抗体（２１２）、電源（２１２ｃ）、およびアース（２１２ａ）を用いて抵抗体（２１２）に電流を流すと、抵抗体（２１２）の抵抗は高いため、抵抗体（２１２）は実質的に発熱するのである。

抵抗体（２１２）は、触媒燃焼器（１０７）に対して動かないように燃焼チャンバ（２０３）内に固定されている。また、抵抗体（２１２）上部の燃焼チャンバ（２０３）への挿入部分は、抵抗体（２１２）と燃焼チャンバ（２０３）の壁とが短絡しないように絶縁されている（２１２ｂ）ことが好ましい。

触媒燃焼器（１０７）は、空気チャネル（２１３）を介してＳＯＦＣスタック（１０５）排気空気を受け取る。該排気空気は、空気取入れ口（２１７）を通って空気チャネル（２１３）から触媒燃焼器（１０７）に導入される。同様に、燃料ガスは、燃料ガスチャネル（図示せず）を通って、燃料ガス取入れ口（２１６）から触媒燃焼器（１０７）に受容される。本発明では、燃料ガス取入れ口（２１６）は、燃焼チャンバ（２０３）の底部に取り付けられており、燃料ガスは燃焼室（２０３）の底部から入る。燃料ガスチャネル（２１６）及び空気チャネル（２１３）となる切込み形状は、ＳＯＦＣパッケージ（２０１）を構成する各平板の様々な層に形成されている。

ＳＯＦＣスタック（１０５）からの未反応の成分は、触媒燃焼器（１０７）内で燃焼反応した後、排気口（２１８）から排気される。触媒燃焼器（１０７）の内部の圧力が高くなりすぎず、又は流れるガスが妨げられないような十分な排気口（２１８）を設けることが好ましい。排気は、複数の排気チャネル（２１４）を通って触媒燃焼器（１０７）から外部へ排気することができる。

図２ｂは、図２ａの断面図である。図２ｂ、図３ａ、及び図３ｂは、図２及び図２ａと類似の構成要素からなる。したがって、図２ｂ、図３ａ、及び図３ｂを説明する際に、図２及び図２ａに示した触媒燃焼器（１０７）等の重複する構成要素の説明は省略する。図３ｂに示しているように、触媒燃焼器（１０７）内の触媒（２１１）は、緩く充填されている。これにより、未反応ガスが、燃焼室（２０３）全体に拡散し、触媒（２１１）の反応に寄与する表面積が最大となるため、燃焼反応が速やかに進行する。さらに、燃焼室（２０３）に触媒（２１１）が密に充填されていないため、過度の圧力増加を起こすことなく各ガスを触媒燃焼器（１０７）内に導入することができる。

空気チャネル（２１３）は、様々な層の燃焼チャンバ（２０３）と接続されている。触媒燃焼器（１０７）は、特定の平板層数に限定されるものではないことに注意されたい。最外層の平板は、燃料ガス搬送層（２０５）として示される。図示したように、燃料ガスチャネル（２１５）は未反応燃料ガスをＳＯＦＣスタックから触媒燃焼器（１０７）へ送る。燃料ガスが触媒燃焼器（１０７）に達すると、燃料は燃料ガス取入れ口（２１６）から燃焼チャンバ（２０３）に導入される。

図３ａは、本発明の触媒燃焼器（１０７）の第２の態様を示す平面図である。

図３ａは、触媒燃焼器（１０７）と燃焼チャンバ（２０３）を示している。本態様では、燃料ガス取入れ口（２１６）は、空気取入れ口（２１７）と同じ壁面から燃焼チャンバ（２０３）に入るように配置されている。これにより、燃料ガス及び空気は、燃焼室内でより効率的に混合され、触媒に曝され、燃焼がおこる。燃料ガス層から各層の燃料取入れ口（２１６）に燃料ガスを供給するためには、垂直供給構造（２２１）が必要となる。本明細書及び特許請求の範囲においては、ガスを垂直方向に送るために使用される要素のことを、垂直供給構造と呼ぶ。それぞれの垂直供給構造（２２１）は、単一の燃料ガスチャネル（２１５）が多数の燃料ガス取入れ口（２１６）に供給できるように接続されている。

図３ｂは、図３ａに示した触媒燃焼器（１０７）の断面図である。図３ａに固有の各構成要素は、図３ｂを参照することで、よりよく理解することができる。

図示しているように、ＳＯＦＣスタック（１０５）からの燃料ガスチャネル（２１５）は、燃料ガス層（２０５）内で空気チャネル（２１３）と平行に配置されている。この構成により、実質的に燃料ガスは空気と分離されたまま、単一の燃料ガスチャネル（２１５）によって、触媒燃焼器（１０７）に供給される。別の態様として、燃料ガスチャネル（２１５）は、空気チャネル（２１３）と直交するように配置させることができる。

前述の（２０１）とは別の態様のＳＯＦＣパッケージ（２４１）に関して、以下、説明を行う。図４は、その断片図を示している。ＳＯＦＣパッケージ（２４１）の中心付近には、垂直供給構造を収容するように設計されている空洞（２２１ａ）が形成されている。これにより、垂直供給構造（図示せず）が垂直方向に延長して、燃料ガス出口を有しているスタック内の各平板と接続されている。

さらに、各層に空気チャネル（２１３）が形成されており、これはＳＯＦＣパッケージ（２４１）を介して延伸し、空気取入れ口（２１７）を介して触媒燃焼器と接続されている。この実施態様では、燃料ガスチャネル（２１５）は、空気チャネル（２１３）と直交するように配置されている。前述したように、安全性向上の観点から、燃料ガスチャネル（２１５）はＳＯＦＣパッケージ（２４１）の燃料ガス層（２０５）内に配置されることが好ましい。

ＳＯＦＣパッケージ（２４１）内で使用できる様々な層によって、空気チャネルと燃料ガスチャネルを複雑な形状で構成することができる。切込み構造と様々な平板を組み合せることで、垂直供給構造及び各燃料ガス取入れ口を介して均一な反応成分を触媒燃焼器に導入することできる。

図５ａは、前述の（２０１）、（２４１）とは異なる実施形態のＳＯＦＣパッケージ（２０１）の平面図である。本ＳＯＦＣパッケージ（２０１）は、ＳＯＦＣスタックを収容するためのＳＯＦＣ収容領域（１０５ｃ）を有している。同様に、本ＳＯＦＣパッケージ（２０１）は、触媒燃焼器収容領域（１０７ａ）も有している。これらの収容領域を有していることで、本ＳＯＦＣパッケージ（２０１）は、燃焼反応等の発熱反応及び発電に必要な反応物を封入している。また、熱交換器（１０４ａ）はガス流路（２５０）から構成されている。図５ｂに、図５ａ記載のＳＯＦＣパッケージ（２０１）の側面図を示している。

図６は、図１記載のシステムの動作を示すフローチャートである。

本プロセスは、ＳＯＦＣリアクタの電源を入れることで開始される（１６０）。前述のように、ＳＯＦＣスタックは、発電反応を起こすためには高温を必要とする。多くの場合、燃料電池が着火温度に達する前に、４００℃を超えていなければならない。そのため、まず、バッテリと発熱体が、触媒燃焼器内の触媒を燃焼に必要な温度まで加熱する（１６１）。燃料ガスの供給が始まる時点では、ＳＯＦＣは着火温度には達していないため、燃料ガスは、ＳＯＦＣスタック内を未反応のまま通過し（１６２）、触媒燃焼器に受容される。

触媒燃焼器が加熱されることで（１６１）、触媒燃焼器内で未反応の燃料ガスの燃焼反応が起こる（１６３）。この燃焼反応で発生する熱エネルギーが、実質的に、触媒燃焼器からの排気を加熱する。触媒燃焼器からの排気は熱交換器に導入され、熱交換器において、排気はＳＯＦＣスタックに導入される未反応ガス（空気及び燃料ガス）を加熱するために使用される（１６４）。これにより、ＳＯＦＣスタックが着火温度まで加熱される。

ＳＯＦＣリアクタの各構成要素は、システム全体をフィードバック制御するのに役立つ温度センサ、燃料センサ、およびその他のセンサを有している。例えば、温度センサによって、ＳＯＦＣスタックが着火温度（１６５）に達していないことが確認された場合、燃料ガスは未反応のままＳＯＦＣスタックを通過する。前述したように、このプロセスは、熱交換器内で再利用される熱が、ＳＯＦＣスタックを着火温度まで加熱させるのに十分になるまで継続される。ＳＯＦＣスタックが着火温度まで加熱されると、ＳＯＦＣスタックは受容する燃料ガス及び空気を反応させ、発電を開始する（１６６）。こうしたフィードバック制御によって、触媒燃焼器とＳＯＦＣスタックが着火温度まで加熱されるようにこのプロセスを制御することができる。

ＳＯＦＣスタック内の発電反応によって、系内が十分に高温になると、ＳＯＦＣは定常運転を始める。このとき、バッテリからの触媒燃焼器の抵抗体への電力投入は解除される（１６７）。定常運転時は、発電反応によって最大量の燃料が消費されている。ある態様では、ＳＯＦＣスタックに受容された燃料ガスの１５％だけが未反応の状態で触媒燃焼器内に入ることによって、効率が８５％に達することが期待される。

定常運転時にも、少量の未反応燃料ガスは、外部環境に放出される前に反応させるため、触媒燃焼器に送られ、そこで燃焼反応が継続される（１６８）。このため、ＳＯＦＣ反応に必要な温度が維持される。ＳＯＦＣリアクタが最高効率に達すると、バッテリは、次にＳＯＦＣリアクタを起動するときのために充電を開始する（１６９）。バッテリは、完全に充電されるまでＳＯＦＣから電力を受容する。

以上の説明は、本発明を例示するためだけになされたものであり、これによって本発明を限定するものではない。以上の説明から、多くの修正及び変更を案出することができる。

本明細書で示した実施形態は、本発明の原理及びその実際的な応用例を示すために選択され、説明された。以上の説明から、当業者は、本発明を所望の用途に適した様々な実施形態で、且つ様々な修正を施すことにより本発明を最良の形態で使用することができる。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義される。

本発明の一実施態様による高速始動ＳＯＦＣリアクタ 本発明の一実施態様によるＳＯＦＣパッケージの概略図 触媒燃焼器の一実施態様（平面図） 触媒燃焼器の一実施態様（断面図） 図２ａ及び図２ｂとは異なる実施態様の触媒燃焼器（平面図） 図２ａ及び図２ｂとは異なる実施態様の触媒燃焼器（断面図） 図２とは異なる実施態様のＳＯＦＣパッケージ（断片図） 図２及び図４とは異なる実施態様のＳＯＦＣパッケージ（平面図） 図２及び図４とは異なる実施態様のＳＯＦＣパッケージ（断面図） 図１記載の高速始動システムの動作を示すフローチャート

符号の説明

１０ ＳＯＦＣリアクタ
１０１ 燃料容器
１０２ ブロワ
１０２ａ 空気吸入口
１０３ ミキサ
１０４ 熱交換器
１０４ａ 熱交換器
１０５ ＳＯＦＣスタック
１０５ａ 空気極マニホルド
１０５ｂ 燃料極マニホルド
１０５ｃ ＳＯＦＣ収容領域
１０６ バッテリ
１０７ 触媒燃焼器
１０７ａ 触媒燃焼器収容領域
１０９ 空気/燃料ガス分配器
２０１ ＳＯＦＣパッケージ
２０３ 燃焼チャンバ
２０５ 燃料ガス層
２１１ 触媒
２１２ 抵抗体
２１２ａ アース
２１２ｂ 絶縁された抵抗体挿入部
２１２ｃ 電源
２１３ 空気チャネル
２１４ 燃焼済ガス排気チャネル
２１５ 燃料ガスチャネル
２１６ 燃料ガス取入れ口
２１７ 空気取入れ口
２１８ 燃焼済ガス排気口
２２１ 垂直供給構造
２２１ａ 垂直供給構造を収容している空洞
２４１ ＳＯＦＣパッケージ
２５０ ガス流路

Claims (10)

1. 反応物を受容し、該反応物を反応させて発電する燃料電池スタック（１０５）と、
   該燃料電池スタック（１０５）を未反応のまま通過した反応物を燃焼させる触媒燃焼器（１０７）と、
   該触媒燃焼器（１０７）の排気と前記燃料電池スタック（１０５）に導入される反応物とを熱交換させる熱交換器（１０４）と、
   を具備している燃料電池。
2. 前記反応物が、前記燃料電池スタック（１０５）に導入される燃料と空気とである請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記触媒燃焼器（１０７）と前記触媒燃焼器（１０７）内の反応物とを加熱するための発熱体をさらに具備している請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記燃料電池が、固体酸化物形燃料電池であり、前記燃料電池スタック（１０５）が、固体酸化物形燃料電池スタックである請求項１に記載の燃料電池。
5. 固体酸化物形燃料電池用の急速始動システムを提供する方法であって、
   触媒燃焼器ユニット（１０７）内の触媒を加熱することと、
   前記触媒燃焼器ユニット（１０７）によって、燃料電池スタック（１０５）からの未反応ガスを燃焼させることと、
   前記未反応ガスを燃焼させることで発生した熱を、前記燃料電池スタック（１０５）に導入される反応物と熱交換することと、
   からなる方法。
6. 前記触媒を加熱する方法が、発熱体（２１２）に電流を流すことからなる請求項５に記載の方法。
7. 燃料電池用の急速始動システムを形成する方法であって、
   触媒燃焼器（１０７）を燃料電池スタック（１０５）と直列に配置して、前記燃料電池の作動中に、前記燃料電池スタック（１０５）からの未反応の反応物が、前記触媒燃焼器（１０７）に導入されるようにすることと、
   熱交換器（１０４）を前記触媒燃焼器（１０７）の排気口と前記燃料電池スタック（１０５）の吸気口に接続して、前記燃料電池の作動中に、前記触媒燃焼器（１０７）の排気熱によって、前記燃料電池スタック（１０５）の吸気口を加熱することと、
   からなる方法。
8. 断熱チャンバと、
   前記断熱チャンバ内の触媒と、
   前記断熱チャンバと前記断熱チャンバ内の触媒を反応温度まで加熱する抵抗体と、
   からなる触媒燃焼器（１０７）。
9. 請求項８に記載の触媒燃焼器（１０７）であって、燃料電池スタック（１０５）の構成要素となっている触媒燃焼器（１０７）。
10. 前記断熱チャンバが、耐酸化材料からなる請求項８に記載の触媒燃焼器（１０７）。
    

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