JP2007273251A - 固体酸化物型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 改質器における温度変化を少なくし、燃料電池スタックの発電出力の急激な増大時に発生しやすい未改質ガスの増加を抑えることできる固体酸化物型燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 原燃料を改質する改質器４と、改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池２とを具備する固体酸化物型燃料電池システム。改質器４に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段４０が設けられている。この潜熱蓄熱手段４０は、６００〜７５０℃の融点を有する潜熱蓄熱材と、潜熱蓄熱材を収容する収容容器４２とから構成され、この収容容器４２が改質器４の内部に又は改質器４に接触乃至隣接して設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原燃料ガスを改質した改質ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池として固体酸化物燃料電池が知られている。この固体酸化物型燃料電池は、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比して、発電の効率が高く、有望な発電技術として注目されている。

固体酸化物燃料電池は、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解質の片側に燃料ガスを酸化する機能を有する燃料電極が設けられ、その他側に酸化材を還元する機能を有する酸素電極が設けられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。固体電解質としては、一般的に、イットリアをドープしたジルコニアが用いられる。この固体酸化物燃料電池では、燃料電極側に燃料ガス、例えば水素、一酸化炭素及び炭化水素を含むガスが供給され、酸素電極側に酸化材、例えば空気が供給され、かかる燃料ガスと酸化材との電気化学反応によって発電が行われる。

この固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムでは、原燃料ガスとして例えば炭化水素（例えば、天然ガス）が用いられ、炭化水素を用いた場合に、原燃料を改質する改質器が設置される。炭化水素ガス（例えば、天然ガス）は、この改質器で水素、一酸化炭素を含むガスに改質され、改質燃料ガスが固体酸化物燃料電池の燃料電極側に供給される。

特開２００２−２８９２４４号公報 特開２００５−２８５３４０号公報

この種の固体酸化物型燃料電池システムは、数十ｋＷ級以上の業務用、産業用のものと、１ｋＷ級の小型用、家庭用のものとがある。定格発電出力が１ｋＷ級の小型用、家庭用の燃料電池システムでは、発電電力を供給する電力負荷が時間とともに大きく変動するという使用上の特徴があり、そのために、燃料電池システムの部分負荷時、電力負荷時にも高い特性を発揮することが求められている。

一般的に、固体酸化物型燃料電池では、作動温度が高いと発電性能が向上する傾向にあるが、作動温度が高くなると燃料電池の劣化速度も増大する傾向にあり、これらのことを考慮して、その作動温度に上限温度が設定されている。稼働中にその作動温度がこの設定上限温度を超えると、固体酸化物型燃料電池の空気電極側に供給する空気の流量を多くし、かく供給される空気で固体酸化物型燃料電池を冷却し、これによって設定上限温度を超える稼働を抑えている。また、固体酸化物型燃料電池の燃料電池スタックは、遮熱壁によって規定される高温空間内に収容され、燃料電池スタックが高温状態に保たれるように構成されており、更にこの遮熱壁の壁材として蓄熱効果を有するものを用いることによって、高温空間内の温度変動を緩和するように構成されている（特許文献２）。

しかしながら、かかる構成の固体酸化物型燃料電池では、燃料電池スタックの作動温度が設定上限温度を超えると、この高温の熱は排出される排気ガスとともに外部に排出されており、設定上限温度を超える稼働を抑えながらこの熱の有効利用が望まれている。

また、この種の固体酸化物型燃料電池では、改質器は燃料電池スタックに隣接する燃焼室に配設され、燃料電池スタックから排出される反応燃料ガス（残余燃料ガスが含まれている）と酸化材（例えば、空気）とが混合されて燃焼し、この燃焼排ガスを利用して改質器が加熱され、かかる熱を用いて改質器において吸熱反応である改質反応が行われる（特許文献１）。

しかしながら、この固体酸化物型燃料電池において、発電電力を急激に増大させると、これに伴って原燃料ガスの供給量も増大させるようになるが、この原燃料ガスの増大に伴って、改質器での改質反応に伴う吸熱量が多くなり、燃焼室での燃焼による燃焼排ガスからの熱では不足するようになる。改質器における熱が不足すると、燃料電池スタックに供給される改質ガス中の未改質成分が多くなり、この未改質成分が燃料電池スタック中で改質され、これによって、燃料電池スタックの燃料側入口の温度が低下し、燃料電池スタックでの発電電流を増大させることが困難となる。

このような問題を解消するためには、反応燃料ガス中の残余燃料成分を多くして燃焼排ガスの熱量を大きくすればよいが、残余燃料成分を多くすると、改質器の出口温度が上昇しやすくなる。この改質器の出口温度が上昇すると、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなり、下流側の燃料電池スタックで一酸化炭素の分解反応により炭素が析出し、燃料電池スタックの故障が発生しやすくなる。

本発明の目的は、燃料電池スタックの稼働中における設定上限温度を超える作動を抑制しながら充分な発電効率を得ることができ、更には燃料電池スタックの発電出力の急激な変化に伴う運用の容易性、信頼性を確保することができる固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。

また、本発明の他の目的は、改質器における温度変化を少なくし、燃料電池スタックの発電出力の急激な増大時に発生しやすい未改質ガスの増加を抑えることのできる固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムは、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池とを具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記改質器に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記潜熱蓄熱手段は、６００〜７５０℃の融点を有する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材を収容する収容容器とから構成され、前記収容容器が前記改質器内部に又は前記改質器に接触乃至隣接して設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記固体酸化物燃料電池は、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行うための燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するための高温空間を規定する遮熱壁を備え、前記改質器及び前記潜熱蓄熱手段が前記遮熱壁内に配設されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池システムは、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池とを具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記固体酸化物型燃料電池に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記潜熱蓄熱手段は、前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が設定上限温度又は前記設定上限温度よりも幾分低い温度になると融解する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材を収容する収容容器とから構成され、前記固体酸化物燃料電池は、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行うための燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの反応燃焼ガスを燃焼させるための燃焼室を備え、前記収容容器が前記燃焼室からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガスライン又はこれに隣接して設けられていることを特徴とする。

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記潜熱蓄熱材がアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金から形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、改質器に関連して融解によって潜熱を蓄熱する潜熱蓄熱手段が設けられているので、改質器又はその周囲の温度が融点以上に上昇すると、潜熱蓄熱手段が融解して周囲の熱を吸熱し、改質器の温度上昇が抑えられる。改質器が温度上昇すると、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなり、下流側の燃料電池スタックで一酸化炭素の分解反応により炭素が析出しやすくなるが、この潜熱蓄熱手段の融解により吸熱され、これによって、改質器の過剰な温度上昇が抑えられ、燃料電池スタックにおける炭素の析出を抑えることができる。

また、改質器又はその周囲の温度が低下すると、潜熱蓄熱手段が凝固して吸熱した熱を放熱し、改質器の温度低下が抑えられる。改質器が温度低下すると、改質ガス中の未改質成分が多くなり、燃料電池スタックの燃料側入口の温度が低下して燃料電池スタックでの発電電流の増大が難しくなるが、この潜熱蓄熱手段の凝固により放熱され、これによって、改質器の温度低下が抑えられ、燃料電池スタックでの発電電流の低下を抑えることができる。この潜熱蓄熱手段に蓄熱された熱は、固体酸化物型燃料電池システムを起動する際の改質器の昇温にも利用することができる。

この固体酸化物型燃料電池システムでは、潜熱蓄熱手段の融解、凝固を利用し、潜熱蓄熱手段を設けるという簡単な構成でもって改質器の温度変動を抑え、これによって、燃料電池システムの信頼性を高めてその寿命を延ばすことができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、潜熱蓄熱手段は６００〜７５０℃の融点を有する潜熱蓄熱材を備えているので、改質器又はその近傍の温度が融点を超えると、融解によって吸熱が行われる一方、この融点から下がると、凝固によって放熱が行われ、従って、融解、放熱によって改質器の温度変動を抑えることができる。尚、潜熱蓄熱材としては、６００〜７５０℃の温度範囲のうち融点が改質器における改質反応に適した所定温度又はこの所定温度より幾分高い温度のものが選択される。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、改質器及び固体酸化物型燃料電池の燃料電池スタックが遮熱壁によって規定される高温空間内に配設されるので、改質器及び燃料電池スタックを高温状態に保つことができる。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、固体酸化物型燃料電池に関連して融解により潜熱を蓄熱する潜熱蓄熱手段が設けられているので、固体酸化物型燃料電池又はその周囲の温度が融点以上に上昇すると、潜熱蓄熱手段が融解して周囲の熱を吸熱し、固体酸化物型燃料電池の温度上昇が抑えられる。固体酸化物型燃料電池の作動温度が温度上昇すると、燃料電池スタックの劣化速度が増大し、その寿命が短くなるが、この潜熱蓄熱手段の融解により吸熱され、これによって、固体酸化物型燃料電池の温度上昇が抑えられ、燃料電池スタックの劣化速度を抑えることができる。

また、固体酸化物型燃料電池の作動温度が低下すると、潜熱蓄熱手段が凝固して吸熱した熱を放熱し、固体酸化物型燃料電池の温度低下が抑えられる。例えば、発電出力が下がって作動温度が低下すると、燃料電池スタックの発電効率が低下して燃料電池システムの稼働効率が低下するが、この潜熱蓄熱手段の凝固により放熱され、これによって、固定酸化物型燃料電池の作動温度の低下が抑えられ、燃料電池スタックの発電電流の低下を抑えることができる。

この固体酸化物型燃料電池システムでは、潜熱蓄熱手段の上述した融解、凝固を利用し、潜熱蓄熱手段を設けるという簡単な構成でもって固体酸化物型燃料電池の温度変動を抑え、これによって、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、潜熱蓄熱手段は、固体酸化物型燃料電池が設定上限温度（又はこの設定上限温度よりも幾分低い温度）になると融解する潜熱蓄熱材を備えているので、固体酸化物型燃料電池が設定上限温度（又はこの設定上限温度よりも幾分低い温度）になると、潜熱蓄熱材が融解して吸熱が行われる一方、この設定上限温度（又はこの設定上限温度よりも幾分低い温度）から下がると、潜熱蓄熱材の凝固によって放熱が行われ、従って、潜熱蓄熱材の融解、放熱によって固体酸化物型燃料電池の作動温度が設定上限温度を超えることを抑えるとともに、その温度変動をも抑えることができる。尚、設定上限温度は固体酸化物型燃料電池の発電出力などによって適宜の温度、例えば８００℃前後の温度に設定される。

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、潜熱蓄熱材としてアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金から形成されたものを好都合に用いることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体燃料電池システムの最良の実施形態を説明する。
第１の実施形態
まず、図１を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図である。

図１において、図示の固体酸化物型燃料電池システムは、固体酸化物型燃料電池２、原燃料を改質するための改質器４、及び酸化材としての空気を予熱するための空気予熱器６を備えている。固体酸化物型燃料電池２は、略直方体状の燃料電池本体１０と、電気化学反応によって発電を行うための燃料電池スタック１２とから構成されている。燃料電池本体１０は遮熱壁１４によって形成され、この遮熱壁１４によって高温空間８を規定し、この燃料電池本体１０を覆うように断熱部材（図示せず）が設けられる。

燃料電池スタック１２は、酸素イオンを伝導する固体電解質１６を備え、この固体電解質１６として、例えば、イットリアをドープしたジルコニアが用いられる。燃料電池スタック１２の固体電解質１６の片側（図１において右側）に燃料電極（図示せず）が設けられ、この燃料電極側１５（図１において右側）において酸化作用が行われ、またその他側（図１において左側）に酸素電極（図示せず）が設けられ、酸素電極側１７において還元作用が行われる。

燃料電池スタック１２の燃料電極側１５には、原燃料としての原燃料ガス（例えば天然ガス）を改質した改質燃料ガスが供給される。この実施形態では、燃料電池スタック１２の燃料電極側１５の導入側が改質燃料ガス送給ライン１８を介して改質器４に接続され、この改質器４が原燃料ガス供給ライン２０を介して原燃料ガス供給源２２（例えば、埋設管、貯蔵タンク）に接続されている。原燃料供給ライン２０には水蒸気供給ライン２４が接続され、この水蒸気供給ライン２４が水蒸気を供給する水蒸気供給源２６が接続されている。

また、燃料電池スタック１２の酸素電極側１７の導入側は空気送給ライン２８を介して空気予熱器６に接続され、この空気予熱器６が空気供給ライン３０を介して外気を供給する送風装置３２に接続されている。

更に、燃料電池スタック１２の酸素電極側１５及び酸素電極側１７の排出側には燃焼室３４が設けられ、燃料電池スタック１２の燃料電極側１５から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含んでいる）とその酸素電極側１７から排出された空気（酸素を含んでいる）がこの燃焼室３４に送給されて燃焼される。この燃焼室３４は燃焼排ガス送給ライン３６を介して空気予熱器６に接続され、この空気予熱器６は燃焼排ガス排出ライン３８を介して大気に開放されている。

改質器４は、改質ハウジング内に改質触媒が充填されたそれ自体周知のものであり、源燃料ガス（天然ガス）と水蒸気との混合物が改質反応によって水素及び一酸化炭素を含む改質燃料ガスに改質される。この改質反応は吸熱反応であり、約６５０℃℃の高温状態にて改質触媒の作用によって改質反応が促進される。

また、空気予熱器６は、空気供給ライン３０を通して供給される空気と燃焼排ガス送給ライン３６を通して流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換を行い、空気送給ライン２８を通して燃料電池スタック１２の酸素電極側１７に送給される空気を加温する。

この固体酸化物型燃料電池システムにおける稼働運転は次の通りである。原燃料ガス供給原２８からの原燃料ガスは、源燃料ガス供給ライン２０を通して供給され、水蒸気供給源２６から水蒸気供給ライン２４を通して供給される水蒸気とともに改質器４に送給される。改質器４においては、改質反応によって原燃料ガスの改質が行われ、改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン１８を通して燃料電池スタック１２の燃料電極側１５に送給される。

また、送風装置３２からの空気は、空気供給ライン３０を通して空気予熱器６に供給され、この空気予熱器６において燃焼排ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン２８を通して燃料電池スタック１２の酸素電極側１７に送給される。

燃料電池スタック１２においては、改質燃料ガスと空気中の酸素によって電気化学反応が行われ、この電気化学反応により発電が行われる。固体酸化物型燃料電池２における電気化学反応は、７００〜１０００℃の高温状態で行われ、燃料電池スタック１２の発電効率、その寿命などを考慮して作動温度の上限、即ち設定上限温度が例えば８００℃程度に設定される。

燃料電池スタック１２の燃料電極側１５からの反応燃料ガス及びその酸素電極側１７からの空気は燃焼室３４に送給され、空気中の酸素を利用して反応燃焼ガスが燃焼される。改質器４はこの燃焼室３４の上方に配置され、燃焼室３４の燃焼排ガスの熱を利用して改質器４の加熱が行われる。燃焼室３４からの燃焼排ガスは排ガス送給ライン３６を通して空気予熱器６に送給され、この空気予熱器６において空気との熱交換に利用されて燃焼排ガス排出ライン３８を通して大気に排出される。

この固体酸化物型燃料電池システムでは、更に、次の通りに構成されている。即ち、燃料電池スタック１２、改質器４及び空気予熱器６が遮熱壁１４によって規定された高温空間８内に収容され、燃焼室３４の燃焼排ガスの熱を利用してこれらが高温状態に保たれるように構成されている。

また、改質器４に関連して潜熱蓄熱手段４０が設けられている。この潜熱蓄熱手段４は収容容器４２とこの収容容器４２に充填された潜熱蓄熱材（図示せず）から構成され、収容容器４２が改質器４に接触乃至隣接して設けられる。収容容器４２は例えばステンレス鋼から形成され、また潜熱蓄熱材は、粒状、チップ状、ブロック状、棒状などの適宜の形態のものでよく、このような全熱蓄熱材が収容容器４２に密封され、この潜熱蓄熱手段４０も高温空間８内に配設される。

潜熱蓄熱材としては、６００〜７５０℃の融点を有するものが用いられ、この実施形態では改質器４で行われる改質反応に適した所定温度又はこの所定温度よりも幾分高い温度、例えば６５０〜６６０℃に融点を有するものが用いられる。このような潜熱蓄熱材としては、融点が６６０℃であるアルミニウムを好都合に用いることができ、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を用いるようにしてもよい。

このような潜熱蓄熱手段４０を備えた固体酸化物型燃料電池システムでは、改質器４の温度が上昇して潜熱蓄熱材の融点を超えると、潜熱蓄熱材が融解して吸熱し、この吸熱によって改質器４の温度上昇が抑えられる。一方、例えば、固体酸化物型燃料電池２の発電出力が急激に増大して改質器４の温度が低下すると、潜熱蓄熱材が凝固して蓄熱された熱が放熱され、この放熱によって改質器４の温度低下が抑えられる。このように潜熱蓄熱材の融解、凝固によって吸熱、放熱が行われ、融解、凝固による吸熱量、放熱量も多くなるので、潜熱蓄熱手段４０を設けるという簡単な構成でもって、改質器４の改質温度の変動を抑えることができ、その結果、原燃料ガスの改質を安定して行うことができる
この実施形態では、潜熱蓄熱手段４０を改質器４に接触乃至隣接して設けているが、この潜熱蓄熱手段４０を改質器４の内部に配設するようにしてもよい。

第２の実施形態
次に、図２を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池の第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図である。尚、この第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図１において、第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムでは、潜熱蓄熱手段４０Ａが空気予熱器６の下側、即ち燃料電池スタック１２側であって、この実施形態では燃焼排ガス送給ライン３６又はこれに隣接して設けられている。この潜熱蓄熱手段４０Ａは第１の実施形態におけるものと実質上同一のものでよく、収容容器４２Ａ内に例えばアルミニウムから形成される潜熱蓄熱材（図示せず）充填される。尚、潜熱蓄熱手段４０Ａをこのような部位に配設することによって、燃料電池スタック１２の作動温度が設定上限温度に達すると、潜熱蓄熱手段４０Ａの潜熱蓄熱材が融点に達し、その融解が起こるようになる。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

このような潜熱蓄熱手段４０Ａを備えた固体酸化物型燃料電池システムでは、燃料電池スタック１２の作動温度が設定上限温度（例えば、８００℃程度に設定される）を超えると、潜熱蓄熱手段４０Ａの潜熱蓄熱材が融解して吸熱し、この吸熱によって燃料電池スタック１２の作動温度の上昇が抑えられ、設定上限温度を超える温度範囲における稼働を防止することができる。一方、例えば、固体酸化物型燃料電池２の発電出力が低下して燃料電池スタック１２の作動温度が低下すると、潜熱蓄熱材が凝固して蓄熱された熱が放熱され、この放熱によって燃料電池スタック１２の作動温度の低下が抑えられる。このように潜熱蓄熱材の融解、凝固によって吸熱、放熱が行われ、融解、凝固による吸熱量、放熱量も多くなるので、潜熱蓄熱手段４０Ａを設けるという簡単な構成でもって、燃料電池スタック１２の設定上限温度を超える稼働が防止されるとともに、その作動温度の変動をも抑えることができ、その結果、固体酸化物型燃料電池２の作動を安定させ、その発電効率を高めることができる。

この実施形態では、潜熱蓄熱手段４０Ａを燃焼排ガス送給ライン３６又はこれに隣接して設けているが、このような構成に限定されず、遮熱壁１４によって規定された高温空間８内の適宜の部位（燃料電池スタック１２の作動温度が設定上限温度になると潜熱蓄熱材が融点に達する部位）に配設することができる。

また、この実施形態では、燃料電池スタック１２の作動温度が設定上限温度に達すると潜熱蓄熱材が融解するように構成しているが、これに限定されず、この設定上限温度よりも幾分低い温度（例えば、５〜１０℃低い温度）に達したときに潜熱蓄熱材の融解が行われるように構成することもできる。

以上、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

例えば、第１の実施形態では改質器４に関連して潜熱蓄熱手段４０を設け、また第２の実施形態では固体酸化物型燃料電池２、即ち燃料電池スタック２に関連して潜熱蓄熱手段４０Ａを設けているが、改質器４及び固体酸化物型燃料電池２の双方に関連して一つの潜熱蓄熱手段を設けるようにしてもよい。

実施例及び比較例
上述した発明の効果を確認するために、改質器に関連する実験を次の通りに行った。実施例１として、図１に示す形態の固定酸化物型燃料電池システムを用い、原燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた。このシステムの固定酸化物型燃料電池の定格出力は１ｋＷであった。また、潜熱蓄熱手段としてステンレス鋼製の筒状の収容容器にアルミニウム製の潜熱蓄熱材を充填したものを用い、この収容容器を改質器に接触するように設けた。潜熱蓄熱材の融点は６６０℃で、充填量は１．０ｋｇであった。

この実施例１の燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、その発電出力が図３（ａ）に示す通りになるように発電させた。そして、このように運転したときの改質器の出口部位における温度を測定し、その測定結果は、図３（ｂ）に実線Ａで示す通りであった。

比較例１として、実施例１の固定酸化物型燃料電池システムにおいて潜熱蓄熱手段を省略したものを用いた。この比較例１においても、燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、実施例１と同様に、その発電出力が図３（ａ）に示す通りになるように発電させた。そして、このように運転したときの改質器の出口部位における温度を測定し、その測定結果は、図３（ｂ）に破線で示す通りであった。

図３（ａ）の測定結果から明らかなように、実施例１では改質器の出口部位の温度は６６０℃前後に維持されるのに対し、比較例１では改質器の出口温度は６００℃前後から７５０℃程度まで大きく変動する。このことから、改質器に関連して潜熱蓄熱手段を設けることによって、この改質器の過昇温を防止することができるとともに、原燃料ガスの改質に最適な改質温度に維持できることが確認できた。

次に、固体酸化物型燃料電池に関する実験を次の通りに行った。実施例２として、図２に示す形態の固定酸化物型燃料電池システムを用い、原燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた。このシステムの固定酸化物型燃料電池の定格出力は１ｋＷであった。また、潜熱蓄熱手段として、実施例１と同様に、ステンレス鋼製の収容容器に潜熱蓄熱材としてアルミニウム製の潜熱蓄熱材を充填したものを用い、この収容容器を空気予熱器の下側（燃料電池スタック側）に接触して取り付けた。潜熱蓄熱材の融点は６６０℃で、充填量は１．０ｋｇであった。

この実施例２の燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、その発電出力が図４（ａ）に示す通りになるように発電させた。固定酸化物型燃料電池の作動温度の上限温度を８００℃と設定し、燃料電池スタックの温度が８００℃を超えると空気利用率を下げて（換言すると、空気供給ラインを通して供給される空気量を多くして）温度上昇が抑制されるようにした。そして、このように運転したときの燃料電池スタックの作動温度を測定し、その測定結果は、図４（ｂ）に実線Ａで示す通りであった。

比較例２として、実施例２の固定酸化物型燃料電池システムにおいて潜熱蓄熱手段を省略したものを用いた。この比較例２においても、燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、実施例２と同様に、その発電出力が図４（ａ）に示す通りになるように発電させた。そして、このように運転したときの燃料電池スタックの作動温度を測定し、その測定結果は、図４（ｂ）に破線で示す通りであった。

図４（ａ）の測定結果から明らかなように、実施例２では燃料電池スタックの作動温度は設定上限温度の８００℃の手前から緩やかになるとともに、固体酸化物型燃料電池の出力低下時においても温度低下が緩やかになるのに対し、比較例２では設定上限温度までの温度上昇が急になるとともに、固体酸化物型燃料電池の出力低下時における温度低下も急に且つ大きくなる。このことから、固体酸化物型燃料電池、特に燃料電池スタックに関連して潜熱蓄熱手段を設けることによって、この燃料電池スタックの作動温度の設定上限温度付近における温度上昇、温度低下が緩やかになり、これによって設定上限温度の手前付近に維持することができる時間が長くなり、その結果、固体酸化物型燃料電池の発電効率を高めることができることが確認することができた。また、このときの発電効率を比較すると、図４の区間Ｔにおける発電効率は、実施例２の比較例２に比して１．３ポイント高くなった。このように、本発明では、固体酸化物型燃料電池の作動温度を抑制し、その劣化を抑制しながら、高い発電効率を引き出せることが確認できた。

第１の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図。 第２の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図。 実施例１及び比較例１において、発電出力を変動させたときの改質器の温度変化を示す図。 実施例２及び比較例２において、発電出力を変動させたときの燃料電池スタックの作動温度の変化を示す図。

符号の説明

２ 固体酸化物型燃料電池
４ 改質器
６ 空気予熱器
８ 高温空間
１０ 燃料電池本体
１２ 燃料電池スタック
１４ 遮熱壁
１６ 固体電解質
３４ 燃焼室
４０，４０Ａ 潜熱蓄熱手段
４２，４２Ａ 収容容器

Claims (6)

1. 原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池とを具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
   前記改質器に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段が設けられていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
2. 前記潜熱蓄熱手段は、６００〜７５０℃の融点を有する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材を収容する収容容器とから構成され、前記収容容器が前記改質器内部に又は前記改質器に接触乃至隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
3. 前記固体酸化物燃料電池は、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行うための燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するための高温空間を規定する遮熱壁を備え、前記改質器及び前記潜熱蓄熱手段が前記遮熱壁内に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
4. 原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池とを具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
   前記固体酸化物型燃料電池に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段が設けられていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
5. 前記潜熱蓄熱手段は、前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が設定上限温度又は前記設定上限温度よりも幾分低い温度になると融解する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材を収容する収容容器とから構成され、前記固体酸化物燃料電池は、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行うための燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの反応燃焼ガスを燃焼させるための燃焼室を備え、前記収容容器が前記燃焼室からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガスライン又はこれに隣接して設けられていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
6. 前記潜熱蓄熱材がアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金から形成されていることを特徴とする請求項２又は５に記載の固体酸化物型燃料電池システム。

Images