JP2004319420A - 燃料電池及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、起動時間を大幅に短縮でき、且つ発電効率の高い燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。
【解決手段】収納容器１内に複数の燃料電池セル５と燃料改質器３を収納し、前記燃料電池セル５の一方の端部からの燃料ガスを収納容器１内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器３が燃焼ガスに曝されることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】収納容器１内に複数の燃料電池セル５と燃料改質器３を収納し、前記燃料電池セル５の一方の端部からの燃料ガスを収納容器１内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器３が燃焼ガスに曝されることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池およびその運転方法に関し、特に起動を迅速に行うことができ、且つ発電効率の高い燃料電池およびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、約１０００℃の温度で運転される。
【０００４】
固体電解質型燃料電池は、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。
【０００５】
また、発電を行う際に燃料として用いる水素の供給方法として、天然ガス等の炭化水素と水蒸気を反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、この反応も５００〜９００℃で行われるため、改質反応を行う燃料改質器を加熱するまでの時間が長いという問題もあった。
【０００６】
このように燃料電池セルや燃料改質器の加熱に要する時間が長いということは、言い換えれば、発電効率が低いという問題である。
【０００７】
このような問題を解決するために、固体電解質型燃料電池の燃料改質器を燃料電池セルスタックを収容している収納容器内に配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、高分子型燃料電池においては、改質装置の起動時間短縮のために発熱反応である部分酸化法、もしくは部分酸化法と水蒸気改質法を組み合わせた方法（以下、オートサーマル法）によって燃料改質を行うことで、加熱源を不要とした改質装置が報告されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−２８７９３７号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−１８５１９６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料改質器を収納容器内に配置する方式では、発電室上部の燃料供給室に改質触媒を充填し、発電室からの輻射熱と排気ガスの熱伝達を加熱源とするため、熱源との距離が遠くなり燃料改質器の昇温に時間がかかるとともに、発電温度以上への加熱が不可能であるという問題がある。
【００１２】
また、燃料電池出力を少なくした低負荷運転時には発電反応による発熱量が減少するため発電室温度が低下し、水蒸気改質反応に必要な熱量が不足する可能性がある。さらに、起動時には外部からの加熱源が必要となるため、熱効率が低下するという問題がある。
【００１３】
また、部分酸化法、もしくは部分酸化法と水蒸気改質法を組み合わせた方法によって燃料改質を常時行う場合には、水蒸気改質法に比べて生成される水素量が少ないため発電効率が低下するという問題がある。
【００１４】
すなわち、従来手法では、未だ起動時間の短縮と、高い発電効率の達成が十分になされていないという問題がある。
【００１５】
本発明は、起動時間を大幅に短縮でき、且つ発電効率の高い燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、燃料電池セルを収容している収納容器内に燃料改質器を配置することで、水蒸気改質反応に必要な加熱源を別途設ける必要がなくなり、熱効率を高めることができるとともに、余剰の燃料ガスを収納容器内で燃焼させることによって、燃料電池セルの発電部よりも高温の熱源を燃料改質器の加熱源とすることができるため、燃料改質器を迅速に加熱することができる。また、高温の熱源を用いることで、燃料電池セルの発電による熱量が低下する低負荷運転時にも水蒸気改質反応に必要な熱量を十分賄える。
【００１８】
さらに燃料改質器を、例えば、燃焼部近傍から燃焼ガス排気口、及び燃焼ガス排気流路内部などに配置し、燃焼ガスに曝されるようにすることで、より効率的に熱交換を行う事ができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、被改質ガスを供給する配管、酸素含有ガスを供給する配管、水蒸気もしくは水を供給する配管とが接続されていることを特徴とする。
【００２０】
このような燃料電池では、被改質ガスと、酸素含有ガスと、水蒸気もしくは水を供給できる３系統の配管を燃料改質器に接続することで、水蒸気改質法と、部分酸化法、及びオートサーマル法の３つの改質方式を利用することができるため、燃料電池セル、燃料改質器の状態に応じた最適な改質法を選択し、高効率の改質を行うことができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、該燃料改質器から排出される改質ガスを燃料電池セルに供給する配管が接続されていることを特徴とする。
【００２２】
燃料改質器と燃料電池セルとを接続することで、燃料電池セルへ改質ガスが供給され発電可能となる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池は、収納容器内には、燃料改質器を加熱する加熱装置が配置されていることを特徴とする。
【００２４】
このような燃料電池では、余剰の燃料ガスの燃焼熱による燃料改質器の加熱に加え、バーナー、電気ヒーターなどの加熱装置を設けることで、さらに起動時間を短縮することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、卑金属触媒と貴金属触媒とが混在する改質触媒が充填された改質部を有することを特徴とする。
【００２６】
卑金属触媒は、安価ではあるものの貴金属触媒と比べて部分酸化反応開始温度が高くなるため、反応開始までに多くの熱量が必要となるともに、触媒量が多く必要となり燃料改質器が大きくなる。一方、貴金属触媒は卑金属触媒より高活性のため反応開始温度が低く、燃料改質器も小型化できるものの高コストとなる。
【００２７】
両触媒を混在させることで、反応開始温度が低下し、起動性が向上するとともに、燃料改質器を従来よりも小型化でき、さらにコストも抑えることができる。
【００２８】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、被改質ガスの流れる方向にガス混合部及び／又は蒸気発生部、改質部が順次形成されていることを特徴とする。
【００２９】
このような燃料電池では、燃料改質器内にガス混合部及び／又は蒸気発生部を設けることで、従来は別体として配置されていた各装置を一体化し、小型化が可能となる。また、燃料改質器は、収納容器内でも温度が高くなる位置に配置されるため、蒸気発生部を一体化することで、水蒸気発生のために必要となる多量の熱量を効率的に供給できる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池では、燃料改質器には、改質部に沿って改質ガス流路及び／又は被改質ガス流路が設けられていることを特徴とする。
【００３１】
改質部は、改質反応を行うことで最初に被改質ガスと接触して改質反応が急激に発生する改質部入口側と、ほぼ反応が平衡に達しており改質ガス熱伝達に依存する出口側とからなり、両者の間で大きな温度勾配が生じる。
【００３２】
発熱反応である部分酸化改質時には入口側が高温、出口側が低温となるが、吸熱反応である水蒸気改質時には入口側が低温、出口側が高温となり、その温度差は各反応とも１００〜３００℃程度にものぼる。
【００３３】
この温度勾配は改質触媒、及び燃料改質器を構成する耐熱金属の耐久性を低下させるため、温度勾配を緩和させる必要があり、その手段として、改質部に沿うように改質ガス流路を形成することで、改質触媒入口付近部と改質ガス間で熱交換を行わせる。
【００３４】
改質ガス温度は、改質触媒出口部温度と同程度か、それよりも低い温度であるため、改質触媒入口付近部が出口温度より高い場合には、触媒部から改質ガスへ熱伝達が発生し改質触媒入口付近部が低下し温度勾配が緩和される。
【００３５】
同様に、改質触媒入口付近部が出口温度より低い場合には、改質ガスから触媒部へ熱伝達が発生し改質触媒入口付近部が上昇し温度勾配が緩和される。
【００３６】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱して部分酸化改質を行い、水蒸気改質可能温度以上で定常温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００３７】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、燃料改質器を介して燃料電池セルに導入された被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスを燃料電池セルの一方の端部から噴出させ、燃焼させることで部分酸化反応開始温度まで、燃料改質器を加熱する。
【００３８】
また、燃焼の代わりに補助熱源（加熱装置）を用いたり、もしくは、両者の併用によって同温度まで加熱してもよい。
【００３９】
部分酸化反応開始温度到達後は、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスが部分酸化反応を開始するため、その反応熱によって外部から加熱しなくても自発的に燃料改質器が昇温されてゆく。
【００４０】
この状態になったら補助熱源（加熱装置）を使用している場合には、補助熱源（加熱装置）からの加熱を止めても良い。
【００４１】
しかし、燃料電池セルの一方の端部からの燃焼による加熱は、燃料電池の昇温、温度維持、さらには定常状態における燃料改質器の温度維持のために不可欠であるため燃焼を継続する必要がある。
【００４２】
したがって、この温度域では部分酸化反応の反応熱と、燃焼熱によって燃料改質器は加熱されることになる。
【００４３】
水蒸気改質可能温度到達後は、部分酸化反応の反応熱と、燃焼熱による過剰加熱に起因する燃料改質器の耐久性低下、破壊、及び改質触媒の性能低下を防止するために、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスに、さらに水蒸気を混合することで、部分酸化反応と吸熱反応である水蒸気改質反応とを併発させるオートサーマル法によって燃料改質器温度を制御する。
【００４４】
加熱が必要な場合には、酸素含有ガス比率を高くし、水蒸気比率を低くすることで改質反応に関わる全熱量を発熱反応とし、過剰温度の場合には酸素含有ガス比率を低くし、水蒸気比率を高くすることで改質反応に関わる全熱量を吸熱反応とすることで温度制御が行われる。
【００４５】
燃料電池が十分に昇温され、発電可能状態である定常状態到達後は、最も水素生成量が多く、発電効率が高い水蒸気改質法に切替えて燃料改質を行う。
【００４６】
このとき、もはや補助熱源は不要であるので、加熱源は燃焼熱のみとなる。
【００４７】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で定常温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化改質を行い、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００４８】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、前記と同様の方法で触媒を加熱する。
【００４９】
部分酸化反応開始温度からは前記と異なり、定常温度まで部分酸化反応の反応熱と、燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスによって加熱を行うことで、燃料改質器からの放熱を燃料電池の昇温に利用し、より迅速に起動を行うことができる。定常状態到達後は、前記と同じである。
【００５０】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で定常状態未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００５１】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、前記と同様の方法で触媒を加熱する。
【００５２】
部分酸化反応開始温度からは前記と異なり、定常温度までオートサーマル法によって燃料改質器の温度を制御しながら加熱することで、部分酸化反応単独の場合に懸念される過剰発熱による燃料改質器の耐久性低下、破壊、及び改質触媒の性能低下を防止する。定常状態到達後は、前記と同じである。
【００５３】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱するとともに、燃料改質器に水蒸気を供給し、燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度以上で定常状態未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱と部分酸化反応の発熱及び水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質を併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００５４】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満であって、水が凝縮しない温度以下までは、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱する。
【００５５】
さらに水が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満では、予め水蒸気を添加することで、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質反応開始直後に生成する改質ガス組成においても燃料電池セルへの炭素析出等の影響を抑制でき、また水蒸気量と酸素含有ガス量を制御することで燃料改質温度を制御できる。部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質反応開始後であって、定常温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱と部分酸化反応の発熱及び水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、前記同様、水蒸気量と酸素含有ガス量を制御することで燃料改質温度を制御できる。
【００５６】
なお、水が凝縮しない温度とは、例えば、水蒸気を流路に流通させたとしても前記流路の壁面に水蒸気に起因する水滴が発生しない温度を意味している。
【００５７】
また、燃料電池が充分に昇温され、発電可能状態である定常状態では、水蒸気改質法に切替えて燃料改質を行う。
【００５８】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料改質器の加熱方法を切り替える際に、燃料ガス、酸素含有ガス、水蒸気の供給量を変化させることを特徴とする。
【００５９】
加熱方法を切り替えることは、改質方法を切り替えることと同義である。例えば、部分酸化改質法からオートサーマル法に切り替える場合は、部分酸化改質法で供給していた燃料ガスと酸素含有ガスの比率から被改質ガス中の酸素原子のモル数を基準とし、オートサーマル法に切り替えるときに供給する酸素含有ガス中の酸素原子のモル数と、水蒸気中の酸素原子のモル数の和が等しくなるよう各供給量を徐々に変化させる。
【００６０】
その後、オートサーマル法を行うにあたり、燃料電池、及び燃料改質器の状態に合わせて最適な条件となるように燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。
【００６１】
さらに、オートサーマル法から水蒸気改質法に切り替える場合には、水蒸気改質法で必要とされる燃料ガスと水蒸気の比率を基準とし、オートサーマル法で供給している燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。
【００６２】
上記のように切り替えることで、迅速な起動に伴う急激な温度変化を抑制し、燃料電池、及び燃料改質器の状態に合わせて最適な条件で運転が行えるとともに、高い発電効率を実現できる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号１は断熱構造を有する収納容器を示している。
【００６４】
収納容器１は耐熱性金属からなる枠体（図示せず）と、この枠体の内面に設けられた断熱材（図示せず）とから構成されている。
【００６５】
この収納容器１の内部には、燃料改質器３及び補助熱源（加熱装置 図示せず）と、複数の燃料電池セル５が集合した燃料電池セルスタック７が複数収納され、燃料電池セルスタック７を構成する燃料電池セル５の下端部は燃料電池セル５の支持体を兼ねた燃料ガスタンク８の上蓋１０に支持固定されている。
【００６６】
燃料電池セルスタック７は、例えば、図２に示すように、内部に燃料ガス通路１１が形成された複数の燃料電池セル５を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル５の電極同士が導電部材１２で接続され、これにより２列に整列した複数の燃料電池セル５が電気的に直列に接続している。また、燃料電池セル５同士は導電性の集電部材１４で接続されている。
【００６７】
なお、図２では燃料電池セル５の詳細な構造は省略した。また、燃料電池セルスタックは、２列として記載した。
【００６８】
図３は、燃料電池セル５および燃料電池セルスタック７の構造を具体的に説明するもので、燃料電池セル５は、例えば、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には軸長方向に複数の燃料ガス通路１１が形成されている。
この燃料電池セル５は燃料ガス通路１１方向に長い形状であり、軸長方向の長さは、軸長方向と直交する幅方向長さよりも長く形成されている。
【００６９】
この燃料電池セル５は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極５ａの外面に、緻密質な固体電解質５ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極５ｃを順次積層し、酸素側電極５ｃと反対側の燃料側電極５ａの外面にインターコネクタ５ｄを形成して構成されており、燃料側電極５ａが支持体となっている。
【００７０】
一方の燃料電池セル５と他方の燃料電池セル５との間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材１４を介在させ、一方の燃料電池セル５の燃料側電極５ａを、該燃料側電極５ａに設けられたインターコネクタ５ｄ、集電部材１４を介して他方の燃料電池セル５の酸素側電極５ｃに電気的に接続して、燃料電池セルスタック７が構成されている。
【００７１】
燃料電池セルスタック７において燃料側電極５ａ、固体電解質５ｂ、酸素側電極５ｃが重畳した部分が発電する部分である。
【００７２】
燃料側電極５ａ、固体電解質５ｂ、酸素側電極５ｃが重畳した部分は、図１に示したように発電室１６の中央部に存在し、燃料電池セル５の両端部には、酸素側電極５ｃが形成されておらず、燃料電池セル５の両端部は発電に寄与していない。この酸素側電極５ｃが形成されていない燃料電池セル５の下端部が燃料ガスタンク８の上蓋１０に支持されている。また、緻密な固体電解質５ｂにより、発電室１６内における固体電解質５ｂの内外のガス混合を防止している。
【００７３】
このような燃料電池において、発電を行うためには、燃料電池セル５の外側に、酸素含有ガスを供給する必要があり、そのため、収納容器１には酸素含有ガス配管１８が接続されている。また、燃料電池セル５の内側には水素含有ガスを供給する必要があり、そのため、収納容器１には、改質反応に必要となるガスなどを供給するガス導入配管２８が接続されている。ガス導入配管２８から導入される被改質ガスは、燃料改質器３に導入され、水素ガスを含有するガスへと改質され、改質ガス供給管２２、ガスタンク室２４を経由して、燃料電池セル５へと導入され、燃料電池セル５の発電部で、前述した酸素含有ガスと電気化学反応を起こし、発電に寄与する。
【００７４】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料電池セル５の上方の燃焼部２５で、酸素含有ガスと混合し燃焼する。その燃焼熱は、燃料電池セル５の上方に設けられた燃料改質器３を加熱するために利用され、燃焼ガスは収納容器１の上部側方に設けられた排気ガス配管２６から、燃料電池の外部へと排気される。
【００７５】
燃料改質器３は、例えば、耐熱性金属から形成され、図４（ａ）、（ｂ）に示すような構造で、図５に示すようなフローを有しており、脱硫器４０を介して脱硫処理を施した天然ガスなどの原燃料を燃料改質器３に供給する被改質ガス供給管２８ａ、及び酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管２８ｂと、水蒸気もしくは水を供給する水供給管２８ｃが接続されている。
【００７６】
なお、図４（ａ）、（ｂ）は、構造は異なっているが、いずれも本発明の燃料改質器３を示すものである。燃料改質器３は、図４（ａ）に示すように、例えば、層構造になっていてもよく、図４（ｂ）に示すように、入り子構造に成っていてもよい。
【００７７】
上記３系統の配管は、燃料改質器３に直接３本配管が接続されても良いが、被改質ガスと酸素含有ガスと水蒸気もしくは水が同時に燃料改質器３に導入可能であることが重要であり、多重管構造を用いたり、３本の配管を連結して１本とし、これを接続してもよい。
【００７８】
燃料改質器３は、例えば、水が直接供給される場合には水蒸気を発生させる水蒸気発生部３０ａ、及びガスを混合するガス混合部３０ｂを一体化した水蒸気発生混合部３０、被改質ガス流路３２、改質部３４、改質ガス流路３６から構成されてなり、燃料改質器３に導入された各種ガスは、これらの流路を通過した後、改質ガス供給管２２へ導かれる。
【００７９】
水蒸気発生混合部３０は、例えばＡｌ２Ｏ３などの触媒能を保有しない耐熱部材で構成される球状体を充填することにより、球状体の間隙をガスが流通する際に乱流が発生し、複数のガス種が十分に混合されるとともに、熱容量、及び伝熱面積が大きい球状体を用いることにより、水蒸気発生を円滑に行うことができ、被改質ガスを予熱できる。
【００８０】
また、水蒸気発生混合部３０は、炭素析出を起こし難い貴金属触媒３４ａを充填し、水蒸気発生混合部３０と改質部３４の一部の機能を共有させることでさらなる小型化が可能となる。
【００８１】
改質部３４は、貴金属触媒３４ａと、卑金属触媒３４ｂが混在しており、被改質ガス流路３２からの入口付近には貴金属触媒３４ａが偏在しており、それ以外には卑金属触媒３４ｂが充填されている。貴金属触媒３４ａの比率は、改質部３４の全体積に対してが５〜３０％程度であることが好ましい。
【００８２】
これらの混在状態は起動性を良くするために、被改質ガスと最初に接触をする改質部３４入口側に貴金属触媒３４ａが偏在していることが好ましいが、これに限定されず均一に分散されていても良い。
【００８３】
卑金属触媒３４ｂは球体状のＡｌ２Ｏ３の表面に、貴金属触媒３４ａは同じく球体状のＡｌ２Ｏ３の表面にＲｕを担持して構成されることが好ましく、それぞれにＭｇなどの第三成分が添加されていても良い。
【００８４】
また、改質部３４は貴金属触媒３４ａ単体であっても良いし、卑金属触媒３４ｂ単体であっても良い。
【００８５】
この改質部３４に沿うように改質ガス流路３６を形成することで、改質触媒入口付近部と改質ガス間で熱交換を行わせる。改質ガス流路３６に邪魔板などを配置することで流路長を長くし、改質部３４からの伝熱面積を多く取れるようにすると熱交換効率がさらに高くなる。
【００８６】
また、改質部３４が燃料改質器３のなかで最も高温となる位置に形成し、これに沿うように改質ガス流路３６を形成することで改質部３４と熱交換を行うとともに、被改質ガス流路３２を改質ガス流路３６に沿うように形成することで被改質ガスとも熱交換が発生し、被改質ガスの予熱が行われる。
【００８７】
このときのガスの流れは、燃料改質器３内を流通する被改質ガスと改質ガスが互いに対向する状態であることが好ましい。
【００８８】
また、改質反応を行う高温の改質部３４に常温の被改質ガスを導入することで、触媒温度が低下し改質能が低下してしまうため、これを防止するために改質部３４に沿うように被改質ガス流路３２を形成することで、改質部３４と被改質ガス間で熱交換を行わせ被改質ガスを予熱する。
【００８９】
これにより、触媒温度と被改質ガス温度の温度差が小さくなり触媒温度の低下を抑制できる。また、被改質ガスが熱交換する対象は改質ガスでも良い。
【００９０】
このように、必ずしも改質部３４に沿うように被改質ガス流路３２、及び改質ガス流路３６を形成する必要は無く、どちらか一方、または一切ガス流路を形成せず、燃料改質器３が改質部３４のみから構成されていてもよい。
【００９１】
燃料ガスタンク８に接続される改質ガス供給管２２は、途中で分岐させ脱硫器４０へ導入される原燃料供給管４１へ接続されても良い。このように改質ガスを一部循環させることで有機硫黄成分を硫化水素へ転化させる水素化脱硫処理に必要とされる微量水素を供給することができる。また、循環量の調整法としては、流量計を用いても良いが、エゼクターを用いる方法が好ましい。
【００９２】
同様に、改質ガス供給管２２を被改質ガス供給管２８ａと接続する事で、同時に供給される水蒸気もしくは水の量を減少させることができるため、水蒸気発生に伴う大きな気化熱を低減でき、熱効率が向上する。
【００９３】
このような構造の燃料改質器３を通過し、被改質ガスは、水素含有ガスへと改質され、改質部３４にて生成された改質ガスは、改質ガス流路３６を通過して改質ガス供給管２２から排出される。
【００９４】
改質ガス供給管２２は、燃料ガスタンク８へ繋がっており、改質ガスは、燃料ガスタンク８を経由して燃料電池セル５へと供給される。
【００９５】
この改質ガス供給管２２を途中で分岐し、改質ガスの一部を分配することで、改質ガスを後述する補助熱源（加熱装置）の燃料として利用することもできる。
【００９６】
同様に、燃料改質器３に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管２８ａと接続する事で、同時に供給される酸素含有ガス、水蒸気もしくは水の量を減少させることができる。
【００９７】
この改質ガス供給管２２は、燃料改質器３と燃料電池セルスタック７の数、接続されていても良いが、途中で燃料電池セルスタック７の数だけ分岐しても良く、改質ガス供給管２２の形状、接続法、数量などは、特に限定されるものではない。
【００９８】
改質ガスが供給される燃料ガスタンク８の上蓋１０にはガス通路が形成され（図示せず）、このガス通路は燃料電池セル５の燃料ガス通路１１に連通しており、燃料ガスは、改質ガス供給管２２、燃料ガスタンク室２４を介し、ガス通路、燃料電池セル５の燃料ガス通路１１を通過し、燃料電池セル５の上端から、燃焼部２５へと導入される。燃焼部２５には着火装置（図示せず）が配置されており、これを用いて着火を行うことで、酸素含有ガス配管１８から排出される酸素含有ガスと燃料電池セル５の上端から排出された、発電に用いられなかった余剰ガスが拡散燃焼する。
【００９９】
以上のように構成された燃料電池は、例えば以下のようにして運転される。
【０１００】
燃料電池の起動時には、燃料改質器３の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、燃料改質器３を介して燃料電池セル５に導入された被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスを、燃料電池セル５の一方の端部付近の燃焼部２５で燃焼させ、部分酸化反応開始温度まで燃料改質器３を加熱する。
【０１０１】
このとき、燃焼によって燃料電池セル５自身が加熱され、仮に燃料電池セル５の内部で改質反応が開始したとしても、酸素含有ガスを混合しておくことで燃料電池セル５への炭素析出を防止することができる。
【０１０２】
このときのＯ２／Ｃは０より大きく１以下であることが必要で、Ｏ２／Ｃが小さいと炭素析出が発生しやすいため、Ｏ２／Ｃ＝０．４〜１になるよう制御することが望ましい。
【０１０３】
また、燃焼の代わりに補助熱源（加熱装置）を用いてもよく、もしくは両者を併用し、同温度まで加熱してもよい。
【０１０４】
補助熱源（加熱装置）が、バーナーの場合には改質ガスの一部を燃料として使用しても良く、原燃料、被改質ガスであっても良い。
【０１０５】
部分酸化反応開始温度到達後は、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスが部分酸化反応を開始するため、その反応熱によって外部から加熱しなくても自発的に燃料改質器３が昇温されてゆく。
【０１０６】
この状態になったら補助熱源（加熱装置）を使用している場合には、補助熱源（加熱装置）からの加熱を止めても良い。
【０１０７】
しかし、燃料電池セル５の一方の端部からの燃焼による加熱は、燃料電池の昇温、温度維持、さらには定常状態における燃料改質器３の温度維持のために不可欠であるため燃焼を継続する必要がある。
【０１０８】
したがって、この温度域では部分酸化反応の反応熱と燃焼熱によって燃料改質器３は加熱されることになる。
【０１０９】
水蒸気改質可能温度到達後は、部分酸化反応の反応熱と燃焼熱による過剰加熱に起因する燃料改質器３の耐久性低下、破壊、及び改質触媒の性能低下を防止するために、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスに、さらに水蒸気を混合することで、吸熱反応である水蒸気改質反応を併発させるオートサーマル法を用い、燃料改質器３の温度を制御する。
【０１１０】
部分酸化改質法からオートサーマル法に切り替える場合は、部分酸化改質法で供給していた燃料ガスと酸素含有ガスの比率から被改質ガス中の酸素原子のモル数を基準とし、オートサーマル法に切り替えるときに供給する酸素含有ガス中の酸素原子のモル数と、水蒸気中の酸素原子のモル数の和が等しくなるよう各供給量を徐々に変化させる。
【０１１１】
このように切り替えを行うことで、被改質ガスを制御することができる。オートサーマル法を行うにあたり、燃料電池セル５、及び燃料改質器３の状態に合わせて最適な条件となるように、燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。
【０１１２】
加熱が必要な場合には酸素含有ガス比率を高くし、水蒸気比率を低くすることで改質反応に関わる全熱量を発熱反応とし、過剰温度の場合には酸素含有ガス比率を低くし、水蒸気比率を高くすることで改質反応に関わる反応を吸熱反応とし、温度制御が行われる。
【０１１３】
燃料電池セル５が十分に加熱され、発電可能状態になる定常状態到達後は、最も水素生成量が多く発電効率が高い水蒸気改質法に切替えて燃料改質を行う。この温度域では、加熱源は燃焼熱のみとなる。
【０１１４】
また、オートサーマル法から水蒸気改質法に切り替える場合には、水蒸気改質法で必要とされる燃料ガスと水蒸気の比率（Ｓ／Ｃ）を基準とし、オートサーマル法で供給している燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。このときのＳ／Ｃは１．５〜３．５の範囲が望ましい。この範囲よりＳ／Ｃを１．５以上とすることで、炭素析出を抑制でき、改質触媒、及び燃料電池セル５の性能劣化、破壊を防止できる。また、３．５以下とすることで、水蒸気分圧を適正にでき、発電性能の低下を防止できる。
【０１１５】
また、常温から部分酸化反応もしくは水蒸気改質反応、もしくは部分酸化反応と水蒸気改質反応を併用する併用改質反応の開始するまでの温度においては、燃料ガスと酸素含有ガス及び／又は水蒸気を流通することで、燃料改質器を介して燃料電池セルに供給されるガスが、例え燃料改質器よりも高温に加熱された燃料電池セル内部で改質されたとしても、燃料電池セル本体への炭素析出等の影響を低減することができる。
【０１１６】
さらに、常温からは燃料ガスと酸素含有ガスを流通し、水が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応を併用する併用改質反応の開始するまでの温度において、水蒸気を添加することが好ましい。これにより、併用改質反応が開始する温度に到達した直後の転化率の低い状態においても改質により生成したガス組成が、仮に、燃料改質器よりも高温に加熱された燃料電池セル内部で改質されたとしても、燃料電池セルへの炭素析出等の影響を低減することができる。なお、改質により生成したガス組成のＳ／Ｃが１．５〜３．５の範囲内になるように併用改質開始温度までに予め水蒸気を添加することが望ましい。
【０１１７】
この時のＯ２／Ｃは、炭素析出を抑制するため、０．４〜１に制御することが望ましく、また併用改質反応開始温度までに添加する水蒸気量Ｓ／Ｃは熱量の確保と水蒸気分圧を適性にするために３以内になるように制御することが望ましい。
【０１１８】
このように切り替えることで、改質触媒、及び燃料電池セル５への炭素析出を確実に抑制し、さらに迅速な起動に伴う急激な温度変化を抑制し、燃料電池、及び燃料改質器３の状態に合わせて最適な条件で運転が行えるとともに、高い発電効率を実現できる。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池によれば、燃料改質器を燃料電池セルスタックを収容している収納容器内に配置することで、熱効率を高めるられるとともに、余剰ガスを収納容器内で燃焼させることによって、従来よりも高温の燃焼ガスで加熱できるため、低負荷運転時にも水蒸気改質反応に必要な熱量を十分賄える。
【０１２０】
さらに、燃料改質器を燃焼ガスに曝される位置に配置することでより効率的に加熱でき、熱効率の向上と、起動時間の短縮を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す概略断面図である。
【図２】図１の概略横断面図である。
【図３】図１の燃料電池セルスタックを説明するための断面図である。
【図４】図１の燃料改質器を説明するための断面図である。
【図５】図４の燃料改質器を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１・・・収納容器
３・・・燃料改質器
５・・・燃料電池セル
２２・・・改質ガス供給管
２８ａ・・・被改質ガス供給管
３０・・・水蒸気発生混合部
３２・・・被改質ガス流路
３４・・・改質部
３６・・・改質ガス流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池およびその運転方法に関し、特に起動を迅速に行うことができ、且つ発電効率の高い燃料電池およびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、約１０００℃の温度で運転される。
【０００４】
固体電解質型燃料電池は、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。
【０００５】
また、発電を行う際に燃料として用いる水素の供給方法として、天然ガス等の炭化水素と水蒸気を反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、この反応も５００〜９００℃で行われるため、改質反応を行う燃料改質器を加熱するまでの時間が長いという問題もあった。
【０００６】
このように燃料電池セルや燃料改質器の加熱に要する時間が長いということは、言い換えれば、発電効率が低いという問題である。
【０００７】
このような問題を解決するために、固体電解質型燃料電池の燃料改質器を燃料電池セルスタックを収容している収納容器内に配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、高分子型燃料電池においては、改質装置の起動時間短縮のために発熱反応である部分酸化法、もしくは部分酸化法と水蒸気改質法を組み合わせた方法（以下、オートサーマル法）によって燃料改質を行うことで、加熱源を不要とした改質装置が報告されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−２８７９３７号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−１８５１９６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料改質器を収納容器内に配置する方式では、発電室上部の燃料供給室に改質触媒を充填し、発電室からの輻射熱と排気ガスの熱伝達を加熱源とするため、熱源との距離が遠くなり燃料改質器の昇温に時間がかかるとともに、発電温度以上への加熱が不可能であるという問題がある。
【００１２】
また、燃料電池出力を少なくした低負荷運転時には発電反応による発熱量が減少するため発電室温度が低下し、水蒸気改質反応に必要な熱量が不足する可能性がある。さらに、起動時には外部からの加熱源が必要となるため、熱効率が低下するという問題がある。
【００１３】
また、部分酸化法、もしくは部分酸化法と水蒸気改質法を組み合わせた方法によって燃料改質を常時行う場合には、水蒸気改質法に比べて生成される水素量が少ないため発電効率が低下するという問題がある。
【００１４】
すなわち、従来手法では、未だ起動時間の短縮と、高い発電効率の達成が十分になされていないという問題がある。
【００１５】
本発明は、起動時間を大幅に短縮でき、且つ発電効率の高い燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、燃料電池セルを収容している収納容器内に燃料改質器を配置することで、水蒸気改質反応に必要な加熱源を別途設ける必要がなくなり、熱効率を高めることができるとともに、余剰の燃料ガスを収納容器内で燃焼させることによって、燃料電池セルの発電部よりも高温の熱源を燃料改質器の加熱源とすることができるため、燃料改質器を迅速に加熱することができる。また、高温の熱源を用いることで、燃料電池セルの発電による熱量が低下する低負荷運転時にも水蒸気改質反応に必要な熱量を十分賄える。
【００１８】
さらに燃料改質器を、例えば、燃焼部近傍から燃焼ガス排気口、及び燃焼ガス排気流路内部などに配置し、燃焼ガスに曝されるようにすることで、より効率的に熱交換を行う事ができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、被改質ガスを供給する配管、酸素含有ガスを供給する配管、水蒸気もしくは水を供給する配管とが接続されていることを特徴とする。
【００２０】
このような燃料電池では、被改質ガスと、酸素含有ガスと、水蒸気もしくは水を供給できる３系統の配管を燃料改質器に接続することで、水蒸気改質法と、部分酸化法、及びオートサーマル法の３つの改質方式を利用することができるため、燃料電池セル、燃料改質器の状態に応じた最適な改質法を選択し、高効率の改質を行うことができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、該燃料改質器から排出される改質ガスを燃料電池セルに供給する配管が接続されていることを特徴とする。
【００２２】
燃料改質器と燃料電池セルとを接続することで、燃料電池セルへ改質ガスが供給され発電可能となる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池は、収納容器内には、燃料改質器を加熱する加熱装置が配置されていることを特徴とする。
【００２４】
このような燃料電池では、余剰の燃料ガスの燃焼熱による燃料改質器の加熱に加え、バーナー、電気ヒーターなどの加熱装置を設けることで、さらに起動時間を短縮することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、卑金属触媒と貴金属触媒とが混在する改質触媒が充填された改質部を有することを特徴とする。
【００２６】
卑金属触媒は、安価ではあるものの貴金属触媒と比べて部分酸化反応開始温度が高くなるため、反応開始までに多くの熱量が必要となるともに、触媒量が多く必要となり燃料改質器が大きくなる。一方、貴金属触媒は卑金属触媒より高活性のため反応開始温度が低く、燃料改質器も小型化できるものの高コストとなる。
【００２７】
両触媒を混在させることで、反応開始温度が低下し、起動性が向上するとともに、燃料改質器を従来よりも小型化でき、さらにコストも抑えることができる。
【００２８】
また、本発明の燃料電池は、燃料改質器には、被改質ガスの流れる方向にガス混合部及び／又は蒸気発生部、改質部が順次形成されていることを特徴とする。
【００２９】
このような燃料電池では、燃料改質器内にガス混合部及び／又は蒸気発生部を設けることで、従来は別体として配置されていた各装置を一体化し、小型化が可能となる。また、燃料改質器は、収納容器内でも温度が高くなる位置に配置されるため、蒸気発生部を一体化することで、水蒸気発生のために必要となる多量の熱量を効率的に供給できる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池では、燃料改質器には、改質部に沿って改質ガス流路及び／又は被改質ガス流路が設けられていることを特徴とする。
【００３１】
改質部は、改質反応を行うことで最初に被改質ガスと接触して改質反応が急激に発生する改質部入口側と、ほぼ反応が平衡に達しており改質ガス熱伝達に依存する出口側とからなり、両者の間で大きな温度勾配が生じる。
【００３２】
発熱反応である部分酸化改質時には入口側が高温、出口側が低温となるが、吸熱反応である水蒸気改質時には入口側が低温、出口側が高温となり、その温度差は各反応とも１００〜３００℃程度にものぼる。
【００３３】
この温度勾配は改質触媒、及び燃料改質器を構成する耐熱金属の耐久性を低下させるため、温度勾配を緩和させる必要があり、その手段として、改質部に沿うように改質ガス流路を形成することで、改質触媒入口付近部と改質ガス間で熱交換を行わせる。
【００３４】
改質ガス温度は、改質触媒出口部温度と同程度か、それよりも低い温度であるため、改質触媒入口付近部が出口温度より高い場合には、触媒部から改質ガスへ熱伝達が発生し改質触媒入口付近部が低下し温度勾配が緩和される。
【００３５】
同様に、改質触媒入口付近部が出口温度より低い場合には、改質ガスから触媒部へ熱伝達が発生し改質触媒入口付近部が上昇し温度勾配が緩和される。
【００３６】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱して部分酸化改質を行い、水蒸気改質可能温度以上で定常温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００３７】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、燃料改質器を介して燃料電池セルに導入された被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスを燃料電池セルの一方の端部から噴出させ、燃焼させることで部分酸化反応開始温度まで、燃料改質器を加熱する。
【００３８】
また、燃焼の代わりに補助熱源（加熱装置）を用いたり、もしくは、両者の併用によって同温度まで加熱してもよい。
【００３９】
部分酸化反応開始温度到達後は、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスが部分酸化反応を開始するため、その反応熱によって外部から加熱しなくても自発的に燃料改質器が昇温されてゆく。
【００４０】
この状態になったら補助熱源（加熱装置）を使用している場合には、補助熱源（加熱装置）からの加熱を止めても良い。
【００４１】
しかし、燃料電池セルの一方の端部からの燃焼による加熱は、燃料電池の昇温、温度維持、さらには定常状態における燃料改質器の温度維持のために不可欠であるため燃焼を継続する必要がある。
【００４２】
したがって、この温度域では部分酸化反応の反応熱と、燃焼熱によって燃料改質器は加熱されることになる。
【００４３】
水蒸気改質可能温度到達後は、部分酸化反応の反応熱と、燃焼熱による過剰加熱に起因する燃料改質器の耐久性低下、破壊、及び改質触媒の性能低下を防止するために、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスに、さらに水蒸気を混合することで、部分酸化反応と吸熱反応である水蒸気改質反応とを併発させるオートサーマル法によって燃料改質器温度を制御する。
【００４４】
加熱が必要な場合には、酸素含有ガス比率を高くし、水蒸気比率を低くすることで改質反応に関わる全熱量を発熱反応とし、過剰温度の場合には酸素含有ガス比率を低くし、水蒸気比率を高くすることで改質反応に関わる全熱量を吸熱反応とすることで温度制御が行われる。
【００４５】
燃料電池が十分に昇温され、発電可能状態である定常状態到達後は、最も水素生成量が多く、発電効率が高い水蒸気改質法に切替えて燃料改質を行う。
【００４６】
このとき、もはや補助熱源は不要であるので、加熱源は燃焼熱のみとなる。
【００４７】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で定常温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化改質を行い、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００４８】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、前記と同様の方法で触媒を加熱する。
【００４９】
部分酸化反応開始温度からは前記と異なり、定常温度まで部分酸化反応の反応熱と、燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスによって加熱を行うことで、燃料改質器からの放熱を燃料電池の昇温に利用し、より迅速に起動を行うことができる。定常状態到達後は、前記と同じである。
【００５０】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で定常状態未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００５１】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、前記と同様の方法で触媒を加熱する。
【００５２】
部分酸化反応開始温度からは前記と異なり、定常温度までオートサーマル法によって燃料改質器の温度を制御しながら加熱することで、部分酸化反応単独の場合に懸念される過剰発熱による燃料改質器の耐久性低下、破壊、及び改質触媒の性能低下を防止する。定常状態到達後は、前記と同じである。
【００５３】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱するとともに、燃料改質器に水蒸気を供給し、燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度以上で定常状態未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱と部分酸化反応の発熱及び水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質を併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする。
【００５４】
燃料電池の起動時には、燃料改質器の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満であって、水が凝縮しない温度以下までは、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱する。
【００５５】
さらに水が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満では、予め水蒸気を添加することで、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質反応開始直後に生成する改質ガス組成においても燃料電池セルへの炭素析出等の影響を抑制でき、また水蒸気量と酸素含有ガス量を制御することで燃料改質温度を制御できる。部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質反応開始後であって、定常温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱と部分酸化反応の発熱及び水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、前記同様、水蒸気量と酸素含有ガス量を制御することで燃料改質温度を制御できる。
【００５６】
なお、水が凝縮しない温度とは、例えば、水蒸気を流路に流通させたとしても前記流路の壁面に水蒸気に起因する水滴が発生しない温度を意味している。
【００５７】
また、燃料電池が充分に昇温され、発電可能状態である定常状態では、水蒸気改質法に切替えて燃料改質を行う。
【００５８】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料改質器の加熱方法を切り替える際に、燃料ガス、酸素含有ガス、水蒸気の供給量を変化させることを特徴とする。
【００５９】
加熱方法を切り替えることは、改質方法を切り替えることと同義である。例えば、部分酸化改質法からオートサーマル法に切り替える場合は、部分酸化改質法で供給していた燃料ガスと酸素含有ガスの比率から被改質ガス中の酸素原子のモル数を基準とし、オートサーマル法に切り替えるときに供給する酸素含有ガス中の酸素原子のモル数と、水蒸気中の酸素原子のモル数の和が等しくなるよう各供給量を徐々に変化させる。
【００６０】
その後、オートサーマル法を行うにあたり、燃料電池、及び燃料改質器の状態に合わせて最適な条件となるように燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。
【００６１】
さらに、オートサーマル法から水蒸気改質法に切り替える場合には、水蒸気改質法で必要とされる燃料ガスと水蒸気の比率を基準とし、オートサーマル法で供給している燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。
【００６２】
上記のように切り替えることで、迅速な起動に伴う急激な温度変化を抑制し、燃料電池、及び燃料改質器の状態に合わせて最適な条件で運転が行えるとともに、高い発電効率を実現できる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号１は断熱構造を有する収納容器を示している。
【００６４】
収納容器１は耐熱性金属からなる枠体（図示せず）と、この枠体の内面に設けられた断熱材（図示せず）とから構成されている。
【００６５】
この収納容器１の内部には、燃料改質器３及び補助熱源（加熱装置 図示せず）と、複数の燃料電池セル５が集合した燃料電池セルスタック７が複数収納され、燃料電池セルスタック７を構成する燃料電池セル５の下端部は燃料電池セル５の支持体を兼ねた燃料ガスタンク８の上蓋１０に支持固定されている。
【００６６】
燃料電池セルスタック７は、例えば、図２に示すように、内部に燃料ガス通路１１が形成された複数の燃料電池セル５を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル５の電極同士が導電部材１２で接続され、これにより２列に整列した複数の燃料電池セル５が電気的に直列に接続している。また、燃料電池セル５同士は導電性の集電部材１４で接続されている。
【００６７】
なお、図２では燃料電池セル５の詳細な構造は省略した。また、燃料電池セルスタックは、２列として記載した。
【００６８】
図３は、燃料電池セル５および燃料電池セルスタック７の構造を具体的に説明するもので、燃料電池セル５は、例えば、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には軸長方向に複数の燃料ガス通路１１が形成されている。
この燃料電池セル５は燃料ガス通路１１方向に長い形状であり、軸長方向の長さは、軸長方向と直交する幅方向長さよりも長く形成されている。
【００６９】
この燃料電池セル５は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極５ａの外面に、緻密質な固体電解質５ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極５ｃを順次積層し、酸素側電極５ｃと反対側の燃料側電極５ａの外面にインターコネクタ５ｄを形成して構成されており、燃料側電極５ａが支持体となっている。
【００７０】
一方の燃料電池セル５と他方の燃料電池セル５との間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材１４を介在させ、一方の燃料電池セル５の燃料側電極５ａを、該燃料側電極５ａに設けられたインターコネクタ５ｄ、集電部材１４を介して他方の燃料電池セル５の酸素側電極５ｃに電気的に接続して、燃料電池セルスタック７が構成されている。
【００７１】
燃料電池セルスタック７において燃料側電極５ａ、固体電解質５ｂ、酸素側電極５ｃが重畳した部分が発電する部分である。
【００７２】
燃料側電極５ａ、固体電解質５ｂ、酸素側電極５ｃが重畳した部分は、図１に示したように発電室１６の中央部に存在し、燃料電池セル５の両端部には、酸素側電極５ｃが形成されておらず、燃料電池セル５の両端部は発電に寄与していない。この酸素側電極５ｃが形成されていない燃料電池セル５の下端部が燃料ガスタンク８の上蓋１０に支持されている。また、緻密な固体電解質５ｂにより、発電室１６内における固体電解質５ｂの内外のガス混合を防止している。
【００７３】
このような燃料電池において、発電を行うためには、燃料電池セル５の外側に、酸素含有ガスを供給する必要があり、そのため、収納容器１には酸素含有ガス配管１８が接続されている。また、燃料電池セル５の内側には水素含有ガスを供給する必要があり、そのため、収納容器１には、改質反応に必要となるガスなどを供給するガス導入配管２８が接続されている。ガス導入配管２８から導入される被改質ガスは、燃料改質器３に導入され、水素ガスを含有するガスへと改質され、改質ガス供給管２２、ガスタンク室２４を経由して、燃料電池セル５へと導入され、燃料電池セル５の発電部で、前述した酸素含有ガスと電気化学反応を起こし、発電に寄与する。
【００７４】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料電池セル５の上方の燃焼部２５で、酸素含有ガスと混合し燃焼する。その燃焼熱は、燃料電池セル５の上方に設けられた燃料改質器３を加熱するために利用され、燃焼ガスは収納容器１の上部側方に設けられた排気ガス配管２６から、燃料電池の外部へと排気される。
【００７５】
燃料改質器３は、例えば、耐熱性金属から形成され、図４（ａ）、（ｂ）に示すような構造で、図５に示すようなフローを有しており、脱硫器４０を介して脱硫処理を施した天然ガスなどの原燃料を燃料改質器３に供給する被改質ガス供給管２８ａ、及び酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管２８ｂと、水蒸気もしくは水を供給する水供給管２８ｃが接続されている。
【００７６】
なお、図４（ａ）、（ｂ）は、構造は異なっているが、いずれも本発明の燃料改質器３を示すものである。燃料改質器３は、図４（ａ）に示すように、例えば、層構造になっていてもよく、図４（ｂ）に示すように、入り子構造に成っていてもよい。
【００７７】
上記３系統の配管は、燃料改質器３に直接３本配管が接続されても良いが、被改質ガスと酸素含有ガスと水蒸気もしくは水が同時に燃料改質器３に導入可能であることが重要であり、多重管構造を用いたり、３本の配管を連結して１本とし、これを接続してもよい。
【００７８】
燃料改質器３は、例えば、水が直接供給される場合には水蒸気を発生させる水蒸気発生部３０ａ、及びガスを混合するガス混合部３０ｂを一体化した水蒸気発生混合部３０、被改質ガス流路３２、改質部３４、改質ガス流路３６から構成されてなり、燃料改質器３に導入された各種ガスは、これらの流路を通過した後、改質ガス供給管２２へ導かれる。
【００７９】
水蒸気発生混合部３０は、例えばＡｌ２Ｏ３などの触媒能を保有しない耐熱部材で構成される球状体を充填することにより、球状体の間隙をガスが流通する際に乱流が発生し、複数のガス種が十分に混合されるとともに、熱容量、及び伝熱面積が大きい球状体を用いることにより、水蒸気発生を円滑に行うことができ、被改質ガスを予熱できる。
【００８０】
また、水蒸気発生混合部３０は、炭素析出を起こし難い貴金属触媒３４ａを充填し、水蒸気発生混合部３０と改質部３４の一部の機能を共有させることでさらなる小型化が可能となる。
【００８１】
改質部３４は、貴金属触媒３４ａと、卑金属触媒３４ｂが混在しており、被改質ガス流路３２からの入口付近には貴金属触媒３４ａが偏在しており、それ以外には卑金属触媒３４ｂが充填されている。貴金属触媒３４ａの比率は、改質部３４の全体積に対してが５〜３０％程度であることが好ましい。
【００８２】
これらの混在状態は起動性を良くするために、被改質ガスと最初に接触をする改質部３４入口側に貴金属触媒３４ａが偏在していることが好ましいが、これに限定されず均一に分散されていても良い。
【００８３】
卑金属触媒３４ｂは球体状のＡｌ２Ｏ３の表面に、貴金属触媒３４ａは同じく球体状のＡｌ２Ｏ３の表面にＲｕを担持して構成されることが好ましく、それぞれにＭｇなどの第三成分が添加されていても良い。
【００８４】
また、改質部３４は貴金属触媒３４ａ単体であっても良いし、卑金属触媒３４ｂ単体であっても良い。
【００８５】
この改質部３４に沿うように改質ガス流路３６を形成することで、改質触媒入口付近部と改質ガス間で熱交換を行わせる。改質ガス流路３６に邪魔板などを配置することで流路長を長くし、改質部３４からの伝熱面積を多く取れるようにすると熱交換効率がさらに高くなる。
【００８６】
また、改質部３４が燃料改質器３のなかで最も高温となる位置に形成し、これに沿うように改質ガス流路３６を形成することで改質部３４と熱交換を行うとともに、被改質ガス流路３２を改質ガス流路３６に沿うように形成することで被改質ガスとも熱交換が発生し、被改質ガスの予熱が行われる。
【００８７】
このときのガスの流れは、燃料改質器３内を流通する被改質ガスと改質ガスが互いに対向する状態であることが好ましい。
【００８８】
また、改質反応を行う高温の改質部３４に常温の被改質ガスを導入することで、触媒温度が低下し改質能が低下してしまうため、これを防止するために改質部３４に沿うように被改質ガス流路３２を形成することで、改質部３４と被改質ガス間で熱交換を行わせ被改質ガスを予熱する。
【００８９】
これにより、触媒温度と被改質ガス温度の温度差が小さくなり触媒温度の低下を抑制できる。また、被改質ガスが熱交換する対象は改質ガスでも良い。
【００９０】
このように、必ずしも改質部３４に沿うように被改質ガス流路３２、及び改質ガス流路３６を形成する必要は無く、どちらか一方、または一切ガス流路を形成せず、燃料改質器３が改質部３４のみから構成されていてもよい。
【００９１】
燃料ガスタンク８に接続される改質ガス供給管２２は、途中で分岐させ脱硫器４０へ導入される原燃料供給管４１へ接続されても良い。このように改質ガスを一部循環させることで有機硫黄成分を硫化水素へ転化させる水素化脱硫処理に必要とされる微量水素を供給することができる。また、循環量の調整法としては、流量計を用いても良いが、エゼクターを用いる方法が好ましい。
【００９２】
同様に、改質ガス供給管２２を被改質ガス供給管２８ａと接続する事で、同時に供給される水蒸気もしくは水の量を減少させることができるため、水蒸気発生に伴う大きな気化熱を低減でき、熱効率が向上する。
【００９３】
このような構造の燃料改質器３を通過し、被改質ガスは、水素含有ガスへと改質され、改質部３４にて生成された改質ガスは、改質ガス流路３６を通過して改質ガス供給管２２から排出される。
【００９４】
改質ガス供給管２２は、燃料ガスタンク８へ繋がっており、改質ガスは、燃料ガスタンク８を経由して燃料電池セル５へと供給される。
【００９５】
この改質ガス供給管２２を途中で分岐し、改質ガスの一部を分配することで、改質ガスを後述する補助熱源（加熱装置）の燃料として利用することもできる。
【００９６】
同様に、燃料改質器３に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管２８ａと接続する事で、同時に供給される酸素含有ガス、水蒸気もしくは水の量を減少させることができる。
【００９７】
この改質ガス供給管２２は、燃料改質器３と燃料電池セルスタック７の数、接続されていても良いが、途中で燃料電池セルスタック７の数だけ分岐しても良く、改質ガス供給管２２の形状、接続法、数量などは、特に限定されるものではない。
【００９８】
改質ガスが供給される燃料ガスタンク８の上蓋１０にはガス通路が形成され（図示せず）、このガス通路は燃料電池セル５の燃料ガス通路１１に連通しており、燃料ガスは、改質ガス供給管２２、燃料ガスタンク室２４を介し、ガス通路、燃料電池セル５の燃料ガス通路１１を通過し、燃料電池セル５の上端から、燃焼部２５へと導入される。燃焼部２５には着火装置（図示せず）が配置されており、これを用いて着火を行うことで、酸素含有ガス配管１８から排出される酸素含有ガスと燃料電池セル５の上端から排出された、発電に用いられなかった余剰ガスが拡散燃焼する。
【００９９】
以上のように構成された燃料電池は、例えば以下のようにして運転される。
【０１００】
燃料電池の起動時には、燃料改質器３の温度は常温であるため、常温から部分酸化反応開始温度までは、燃料改質器３を介して燃料電池セル５に導入された被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスを、燃料電池セル５の一方の端部付近の燃焼部２５で燃焼させ、部分酸化反応開始温度まで燃料改質器３を加熱する。
【０１０１】
このとき、燃焼によって燃料電池セル５自身が加熱され、仮に燃料電池セル５の内部で改質反応が開始したとしても、酸素含有ガスを混合しておくことで燃料電池セル５への炭素析出を防止することができる。
【０１０２】
このときのＯ２／Ｃは０より大きく１以下であることが必要で、Ｏ２／Ｃが小さいと炭素析出が発生しやすいため、Ｏ２／Ｃ＝０．４〜１になるよう制御することが望ましい。
【０１０３】
また、燃焼の代わりに補助熱源（加熱装置）を用いてもよく、もしくは両者を併用し、同温度まで加熱してもよい。
【０１０４】
補助熱源（加熱装置）が、バーナーの場合には改質ガスの一部を燃料として使用しても良く、原燃料、被改質ガスであっても良い。
【０１０５】
部分酸化反応開始温度到達後は、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスが部分酸化反応を開始するため、その反応熱によって外部から加熱しなくても自発的に燃料改質器３が昇温されてゆく。
【０１０６】
この状態になったら補助熱源（加熱装置）を使用している場合には、補助熱源（加熱装置）からの加熱を止めても良い。
【０１０７】
しかし、燃料電池セル５の一方の端部からの燃焼による加熱は、燃料電池の昇温、温度維持、さらには定常状態における燃料改質器３の温度維持のために不可欠であるため燃焼を継続する必要がある。
【０１０８】
したがって、この温度域では部分酸化反応の反応熱と燃焼熱によって燃料改質器３は加熱されることになる。
【０１０９】
水蒸気改質可能温度到達後は、部分酸化反応の反応熱と燃焼熱による過剰加熱に起因する燃料改質器３の耐久性低下、破壊、及び改質触媒の性能低下を防止するために、被改質ガスと酸素含有ガスを混合した被改質ガスに、さらに水蒸気を混合することで、吸熱反応である水蒸気改質反応を併発させるオートサーマル法を用い、燃料改質器３の温度を制御する。
【０１１０】
部分酸化改質法からオートサーマル法に切り替える場合は、部分酸化改質法で供給していた燃料ガスと酸素含有ガスの比率から被改質ガス中の酸素原子のモル数を基準とし、オートサーマル法に切り替えるときに供給する酸素含有ガス中の酸素原子のモル数と、水蒸気中の酸素原子のモル数の和が等しくなるよう各供給量を徐々に変化させる。
【０１１１】
このように切り替えを行うことで、被改質ガスを制御することができる。オートサーマル法を行うにあたり、燃料電池セル５、及び燃料改質器３の状態に合わせて最適な条件となるように、燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。
【０１１２】
加熱が必要な場合には酸素含有ガス比率を高くし、水蒸気比率を低くすることで改質反応に関わる全熱量を発熱反応とし、過剰温度の場合には酸素含有ガス比率を低くし、水蒸気比率を高くすることで改質反応に関わる反応を吸熱反応とし、温度制御が行われる。
【０１１３】
燃料電池セル５が十分に加熱され、発電可能状態になる定常状態到達後は、最も水素生成量が多く発電効率が高い水蒸気改質法に切替えて燃料改質を行う。この温度域では、加熱源は燃焼熱のみとなる。
【０１１４】
また、オートサーマル法から水蒸気改質法に切り替える場合には、水蒸気改質法で必要とされる燃料ガスと水蒸気の比率（Ｓ／Ｃ）を基準とし、オートサーマル法で供給している燃料ガスと酸素含有ガスと水蒸気の各供給量を徐々に変化させて運転を行う。このときのＳ／Ｃは１．５〜３．５の範囲が望ましい。この範囲よりＳ／Ｃを１．５以上とすることで、炭素析出を抑制でき、改質触媒、及び燃料電池セル５の性能劣化、破壊を防止できる。また、３．５以下とすることで、水蒸気分圧を適正にでき、発電性能の低下を防止できる。
【０１１５】
また、常温から部分酸化反応もしくは水蒸気改質反応、もしくは部分酸化反応と水蒸気改質反応を併用する併用改質反応の開始するまでの温度においては、燃料ガスと酸素含有ガス及び／又は水蒸気を流通することで、燃料改質器を介して燃料電池セルに供給されるガスが、例え燃料改質器よりも高温に加熱された燃料電池セル内部で改質されたとしても、燃料電池セル本体への炭素析出等の影響を低減することができる。
【０１１６】
さらに、常温からは燃料ガスと酸素含有ガスを流通し、水が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応を併用する併用改質反応の開始するまでの温度において、水蒸気を添加することが好ましい。これにより、併用改質反応が開始する温度に到達した直後の転化率の低い状態においても改質により生成したガス組成が、仮に、燃料改質器よりも高温に加熱された燃料電池セル内部で改質されたとしても、燃料電池セルへの炭素析出等の影響を低減することができる。なお、改質により生成したガス組成のＳ／Ｃが１．５〜３．５の範囲内になるように併用改質開始温度までに予め水蒸気を添加することが望ましい。
【０１１７】
この時のＯ２／Ｃは、炭素析出を抑制するため、０．４〜１に制御することが望ましく、また併用改質反応開始温度までに添加する水蒸気量Ｓ／Ｃは熱量の確保と水蒸気分圧を適性にするために３以内になるように制御することが望ましい。
【０１１８】
このように切り替えることで、改質触媒、及び燃料電池セル５への炭素析出を確実に抑制し、さらに迅速な起動に伴う急激な温度変化を抑制し、燃料電池、及び燃料改質器３の状態に合わせて最適な条件で運転が行えるとともに、高い発電効率を実現できる。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池によれば、燃料改質器を燃料電池セルスタックを収容している収納容器内に配置することで、熱効率を高めるられるとともに、余剰ガスを収納容器内で燃焼させることによって、従来よりも高温の燃焼ガスで加熱できるため、低負荷運転時にも水蒸気改質反応に必要な熱量を十分賄える。
【０１２０】
さらに、燃料改質器を燃焼ガスに曝される位置に配置することでより効率的に加熱でき、熱効率の向上と、起動時間の短縮を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す概略断面図である。
【図２】図１の概略横断面図である。
【図３】図１の燃料電池セルスタックを説明するための断面図である。
【図４】図１の燃料改質器を説明するための断面図である。
【図５】図４の燃料改質器を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１・・・収納容器
３・・・燃料改質器
５・・・燃料電池セル
２２・・・改質ガス供給管
２８ａ・・・被改質ガス供給管
３０・・・水蒸気発生混合部
３２・・・被改質ガス流路
３４・・・改質部
３６・・・改質ガス流路
Claims (12)
- 収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝されることを特徴とする燃料電池。
- 燃料改質器には、被改質ガスを供給する配管、酸素含有ガスを供給する配管、水蒸気もしくは水を供給する配管とが接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
- 燃料改質器には、該燃料改質器から排出される改質ガスを燃料電池セルに供給する配管が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
- 収納容器内には、燃料改質器を加熱する加熱装置が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 燃料改質器には、卑金属触媒と貴金属触媒とが混在する改質触媒が充填された改質部を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 燃料改質器には、被改質ガスの流れる方向にガス混合部及び／又は蒸気発生部、改質部が順次形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 燃料改質器には、改質部に沿って改質ガス流路及び／又は被改質ガス流路が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱して部分酸化改質を行い、水蒸気改質可能温度以上で定常温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で定常温度未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化改質を行い、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、部分酸化反応開始温度以上で定常状態未満の場合には、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 収納容器内に複数の燃料電池セルと燃料改質器を収納し、前記燃料電池セルの一方の端部からの燃料ガスを収納容器内で燃焼させるとともに、前記燃料改質器が燃焼ガスに曝される燃料電池の運転方法であって、前記燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱し、燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱によって燃料改質器を加熱するとともに、燃料改質器に水蒸気を供給し、燃料改質器の温度が、水蒸気が凝縮しない温度以上であって、部分酸化反応と水蒸気改質反応の併用改質開始温度以上で定常状態未満の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱、もしくは加熱装置からの熱と部分酸化反応の発熱及び水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質を併用し、定常状態の場合には、燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱し、水蒸気改質を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 燃料改質器の加熱方法を切り替える際に、燃料ガス、酸素含有ガス、水蒸気の供給量を変化させることを特徴とする請求項８〜１１記載の燃料電池の運転方法。
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