JP2007311161A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、燃焼器の耐久性を有効に向上させるとともに、前記燃焼器の制御が容易且つ高精度に遂行可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１４と、酸化剤ガスを加熱する熱交換器１６を設け、前記熱交換器１６により加熱された前記酸化剤ガスを前記燃料電池１２に供給する酸化剤ガス供給部１８と、発電反応に使用されて前記燃料電池１２から排出される排ガスを、前記酸化剤ガスを加熱するための熱媒体として前記熱交換器１６に供給する排ガス排出部２０と、前記排ガス排出部２０の経路外に配置され、燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼ガスを発生させる燃焼器２２を設け、前記燃焼ガスを、前記排ガスと合流して前記熱交換器１６に供給する燃焼ガス供給部２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有する燃料電池システム及びその運転方法に関する。
通常、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池スタックでは、単セルの作動温度が８００℃以上と高温となっている。このため、燃料電池スタックを始動させる際には、燃焼器を介して前記燃料電池スタックを所望の温度まで迅速に加熱することが望まれている。この場合、燃焼器は、通常、燃料電池スタックの酸化剤ガス排出側に配置されており、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池発電装置が知られている。
この燃料電池発電装置では、図２８に示すように、空気及び燃料が、それぞれ熱交換器１、２を介して常温から所定の温度に加熱された後、燃料電池３に供給されている。この燃料電池３では、供給される空気と燃料とにより発電反応が惹起し、この発電反応に使用されて前記燃料電池３から排出される排ガスは、燃焼器であるアフターバーナー４に導入されている。
このアフターバーナー４では、排ガス中に残存する燃料を燃焼することにより、燃焼ガスが発生し、該燃焼ガスは、熱交換器１、２に空気及び燃料を加熱するための熱媒体として供給されている。その際、空気供給系５から燃焼ガスに室温の空気が混入されることにより、熱交換器１、２に流入する燃焼ガスの温度が低下する、としている。
特開平６−７６８４９号公報（図１）
しかしながら、上記の従来技術では、燃料電池３から排出される高温の排ガスを燃焼させることにより、さらに高温の燃焼ガスを発生させるため、アフターバーナー４の設計条件、例えば、温度耐久性材料の設定が厳しくなっている。特に、アフターバーナー４は、運転中、常時、高温の排ガスに曝されており、耐久性が低下するという問題がある。
しかも、始動時には、燃料電池３から排出される排ガスの温度が変動している。このため、燃焼ガスの温度を一定の温度範囲内に維持させるために、アフターバーナー４の制御が煩雑化するという問題がある。これにより、燃料電池３の始動時の安定性が低下するおそれがある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、燃焼器の耐久性を有効に向上させるとともに、前記燃焼器の制御が容易且つ高精度に遂行可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、酸化剤ガスを加熱する熱交換器を設け、前記熱交換器により加熱された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、発電反応に使用されて前記燃料電池から排出される排ガスを、前記酸化剤ガスを加熱するための熱媒体として前記熱交換器に供給する排ガス排出部と、前記排ガス排出部の経路外に配置され、燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼ガスを発生させる燃焼器を設け、前記燃焼ガスを、前記排ガスと合流して前記熱交換器に供給する燃焼ガス供給部とを備えている。
また、燃料ガス供給部は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備えることが好ましい。さらに、燃料ガス供給部は、原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を備えることが好ましい。
さらにまた、燃焼ガス供給部は、燃焼ガスを改質器に供給する燃焼ガス通路を備えることが好ましい。また、燃焼ガス供給部は、燃焼ガスを蒸発器に供給する燃焼ガス通路を備えることが好ましい。
さらに、少なくとも燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、燃焼ガス供給部又は排ガス排出部のいずれかには、流量調整弁が配設されることが好ましい。さらにまた、流量調整弁は、加熱前の流路又は冷却後の流路に配設されることが好ましい。ここで、加熱前の流路とは、例えば、燃焼ガス供給部における燃焼器に燃料や酸化剤ガスを供給する流路、燃焼ガス供給部における蒸発器、改質器又は燃料電池に原燃料や燃料ガスを供給する流路、酸化剤ガス供給部における熱交換器に酸化剤ガスを供給する流路をいう。一方、冷却後の流路とは、例えば、熱交換器や改質器や蒸発器の加熱に使用されて温度が低下した加熱媒体（排ガスや燃焼ガス）を排出する流路をいう。
また、少なくとも燃料電池、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、燃焼ガス供給部又は排ガス排出部のいずれかには、温度検出器が配設されることが好ましい。さらに、少なくとも燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、燃焼ガス供給部又は排ガス排出部のいずれかには、流量検出器が配設されることが好ましい。
さらにまた、燃焼ガス供給部には、排ガスが燃焼器に流れることを阻止する逆止弁が設けられることが好ましい。また、排ガス排出部には、燃焼ガスが燃料電池に流れることを阻止する逆止弁が設けられることが好ましい。
さらに、本発明は、燃料ガスを燃料電池のアノード電極に供給する一方、酸化剤ガスを熱交換器で加熱した後に前記燃料電池のカソード電極に供給して前記燃料電池を運転する燃料電池システムの運転方法に関するものである。
そして、燃焼器に燃料及び酸化剤ガスを供給して燃焼ガスを発生させ、前記燃焼ガスを、熱媒体として熱交換器に供給する工程と、発電反応に使用されて燃料電池から排出される排ガスを、前記燃焼ガスに混合して前記熱交換器に供給する工程と、少なくとも前記燃料電池、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、燃焼ガス供給部又は排ガス排出部のいずれかの温度を検出する工程と、前記検出された温度に基づいて、燃料ガス、酸化剤ガス、燃料（例えば、原燃料）、前記燃焼ガス又は前記排ガスの少なくとも１つの流量を調整する工程とを有している。
また、検出された温度が一定の温度範囲内になるように、少なくとも１つの流量を調整することが好ましい。さらに、少なくとも燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、燃焼ガス供給部又は排ガス排出部のいずれかの流量を検出する工程と、検出された温度及び前記検出された流量に基づいて、燃料ガス、酸化剤ガス、燃料、燃焼ガス又は排ガスの少なくとも１つの流量を調整する工程とを有することが好ましい。さらにまた、検出された流量が一定の流量範囲内になるように、少なくとも１つの流量を調整することが好ましい。
本発明によれば、燃焼器が排ガス排出部の経路外に配置されており、一定の温度範囲内に維持された燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼ガスを発生させている。このため、所望の温度の燃焼ガスを容易に発生させることができ、燃焼器の制御を一挙に簡素化且つ高精度化することが可能になる。しかも、燃焼器は、燃料電池から排出される高温の排ガスに曝されることがなく、前記燃焼器の耐久性が良好に向上する。
さらに、燃焼器からの燃焼ガスは、排ガスに合流して熱交換器に供給されている。従って、熱交換器に供給される燃焼ガスの温度を正確に調整することができ、前記熱交換器の設計条件を良好に緩和することができる。その上、燃焼器に供給される燃料及び酸化剤ガスの温度や流量等が略一定条件に設定可能であるため、安定した燃焼が確実に遂行される。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図である。
燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１４と、酸化剤ガスを加熱する熱交換器１６を設け、前記熱交換器１６により加熱された前記酸化剤ガスを前記燃料電池１２に供給する酸化剤ガス供給部１８と、発電反応に使用されて前記燃料電池１２から排出される排ガスを、前記酸化剤ガスを加熱するための熱媒体として前記熱交換器１６に供給する排ガス排出部２０と、前記排ガス排出部２０の経路外に配置され、原燃料（燃料）及び酸化剤ガスが供給されて燃焼ガスを発生させる燃焼器２２を設け、前記燃焼ガスを、前記排ガスと合流して前記熱交換器１６に供給する燃焼ガス供給部２４とを備える。
燃料電池１２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、アノード電極２８及びカソード電極３０が設けられた電解質・電極接合体３２を備える。燃料電池１２は、実質的に複数の電解質・電極接合体３２をセパレータ（図示せず）を介装して積層することにより、燃料電池スタックを構成している。
燃料ガス供給部１４は、燃料ガスを電解質・電極接合体３２のアノード電極２８に供給する燃料ガス供給路３４を有する。
酸化剤ガス供給部１８は、酸化剤ガスを熱交換器１６に供給する第１酸化剤ガス供給路３６ａと、前記熱交換器１６で加熱された酸化剤ガスを電解質・電極接合体３２のカソード電極３０に供給する第２酸化剤ガス供給路３６ｂと、前記熱交換器１６に供給された熱媒体である燃焼ガスを熱交換後に排出する排気路３８とを有する。
排ガス排出部２０は、電解質・電極接合体３２のアノード電極２８及びカソード電極３０から排出される排ガス（未使用の燃料ガス及び酸化剤ガスを含む）を、燃焼ガス供給部２４との接続部４０に供給する排ガス供給路４２と、熱交換器１６に供給された熱媒体である排ガスを熱交換後に排出する排気路３８とを有する。なお、排気路３８は、燃焼ガス供給部２４及び排ガス排出部２０のそれぞれの構成要素である。
燃焼ガス供給部２４は、燃焼器２２に原燃料、例えば、水素含有ガス（メタン、エタン又はプロパン等）を供給する原燃料供給路４４と、前記燃焼器２２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路４６と、前記燃焼器２２から排出される燃焼ガスを熱交換器１６に供給するとともに、接続部４０を設ける燃焼ガス供給路４８とを有する。なお、燃焼器２２に供給される燃料としては、上記の原燃料の他、種々の水素含有ガスを用いることができる。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
燃料電池システム１０の始動時には、燃料電池１２の発電反応に使用されて排ガス排出部２０に排出される排ガスの温度は、比較的低温である。このため、燃焼器２２を介して燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスによって熱交換器１６に供給される酸化剤ガスを所望の温度に加熱する。
具体的には、燃焼器２２には、原燃料供給路４４を介して原燃料が供給される一方、酸化剤ガス供給路４６を介して酸化剤ガスが供給される。従って、燃焼器２２では、原燃料と酸化剤ガスとにより燃焼が行われ、比較的高温になった燃焼ガスが、燃焼ガス供給路４８を通って熱交換器１６内に供給される。
この熱交換器１６には、第１酸化剤ガス供給路３６ａを介して酸化剤ガスが供給されており、この酸化剤ガスと燃焼ガスとが熱交換を行う。このため、酸化剤ガスは、所望の燃料電池運転温度に加温されて、第２酸化剤ガス供給路３６ｂを通って燃料電池１２内のカソード電極３０に供給される。
一方、燃料電池１２のアノード電極２８には、燃料ガス供給部１４を構成する燃料ガス供給路３４を通って燃料ガスが供給される。これにより、電解質・電極接合体３２では、酸化物イオンが電解質２６を通ってアノード電極２８に移動し、化学反応により発電が行われる。
発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスは、燃料電池１２から排ガス排出部２０に排出される。さらに、排ガスは、排ガス供給路４２を通って接続部４０で燃焼ガスに合流した後、熱交換器１６に供給され、新たな酸化剤ガスの加熱に使用される。そして、熱交換器１６で熱交換を行った燃焼ガス及び排ガスは、排気路３８を通って排気される。
この場合、第１の実施形態では、燃焼器２２は、排ガス排出部２０の経路外に配置されており、原燃料供給路４４を介して供給される原燃料及び酸化剤ガス供給路４６を介して供給される酸化剤ガスにより燃焼ガスを発生させている。すなわち、燃焼器２２には、常に略一定条件、例えば、室温に維持された空気（酸化剤ガス）及び室温に維持された都市ガス等（原燃料）が供給されている。
このため、燃焼器２２の制御を一挙に簡素化且つ高精度化することが可能になる。その上、燃焼器２２に供給される原燃料及び酸化剤ガスの温度や流量等が略一定条件に設定可能であるため、安定した燃焼が確実に遂行されるという効果が得られる。しかも、燃焼器２２は、燃料電池１２から排出される高温の排ガスに曝されることがなく、前記燃焼器２２の耐久性が良好に向上する。
さらに、燃焼器２２からの燃焼ガスは、排ガス供給路４２に沿って供給される排ガスと合流した後、熱交換器１６に供給されている。従って、熱交換器１６に供給される燃焼ガスの温度を正確に調整することが可能になり、前記熱交換器１６の設計条件を良好に緩和することができる。この熱交換器１６は、高温の燃焼ガスに曝されることがないからである。
さらにまた、燃料電池１２が燃焼器２２からの燃焼ガスに直接曝されることを阻止することが可能になる。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム５０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第２６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池システム５０は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器５２を設ける燃料ガス供給部５４を備える。この燃料ガス供給部５４は、原燃料を改質器５２に供給するための原燃料供給路５６を備えるとともに、前記原燃料は、燃焼器２２に接続される原燃料供給路４４に供給される原燃料と同一のものを使用することができる。これにより、第２の実施形態では、燃料電池１２に供給される燃料ガスを生成するために、種々の原燃料が使用可能であるという効果が得られる。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム６０の概略構成説明図である。
燃料電池システム６０は、燃料ガス供給部６２を備えるとともに、この燃料ガス供給部６２は、原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器６４と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器５２とを設ける。原燃料供給路５６は、蒸発器６４に接続されるとともに、この蒸発器６４と改質器５２とは、混合燃料供給路６６により連結されている。
従って、第３の実施形態では、原燃料を水蒸気改質した燃料ガスを形成しており、この原燃料は、燃焼器２２に供給される原燃料と同一のものが使用される。これにより、多種多様な原燃料を使用することができ、汎用性が向上する等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
図４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム７０の概略構成説明図である。
燃料電池システム７０は、熱交換器１６に供給されて酸化剤ガスとの間で熱交換を行った燃焼ガス（排ガスを含む）を、改質器５２に供給する燃焼ガス通路７２と、前記改質器５２を加熱した燃焼ガスが排気される排気路７４とを備えている。このため、熱交換器１６で酸化剤ガスを加熱した後の燃焼ガスの温度を利用して改質器５２を加熱することができ、燃焼ガスの熱を一層効率的に利用することができる。
図５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成説明図である。
燃料電池システム８０は、燃焼ガス供給路４８に接続部４０と熱交換器１６との間に位置して分岐部８２が設けられる。この分岐部８２から分岐燃焼ガス供給路８４が分岐する。分岐燃焼ガス供給路８４は、改質器５２に接続されるとともに、前記改質器５２には、排気路７４が接続される。
このように、第５の実施形態では、燃焼器２２により生成される燃焼ガスは、一部分が熱交換器１６に供給されるとともに、他の部分が分岐部８２で分岐して分岐燃焼ガス供給路８４を介して改質器５２に供給されている。このため、熱交換器１６と改質器５２とには、略同一の温度の燃焼ガスを供給することができる。従って、熱交換器１６で行われる酸化剤ガスの加熱処理と、改質器５２の加熱処理とが、それぞれ良好に遂行されるという効果が得られる。
図６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成説明図である。
燃料電池システム９０は、図５に示す燃料電池システム８０の構成に加えて、熱交換器１６から排出される燃焼ガスを蒸発器６４に供給する燃焼ガス供給路９２と、前記蒸発器６４から排出される燃焼ガスを排気するための排気路９４とを備える。
このため、第６の実施形態では、燃焼器２２で生成される燃焼ガスは、熱交換器１６で酸化剤ガスを加熱した後、蒸発器６４の水蒸気生成用の加熱媒体として機能する。一方、分岐部８２で分岐された燃焼ガスは、改質器５２の熱媒体として機能することができる。従って、排ガスの熱を熱交換器１６、蒸発器６４及び改質器５２で有効に利用することができ、熱利用率が一層向上するという効果が得られる。
図７は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
燃料電池システム１００は、燃料ガス供給部１４、酸化剤ガス供給部１８、排ガス排出部２０及び燃焼ガス供給部２４に配設される流量調整弁１０２ａ〜１０２ｅを備える。具体的には、燃料ガス供給路３４に流量調整弁１０２ａが接続され、第１酸化剤ガス供給路３６ａ及び排気路３８に流量調整弁１０２ｂ、１０２ｃが配設される。原燃料供給路４４に流量調整弁１０２ｄが配設されるとともに、酸化剤ガス供給路４６に流量調整弁１０２ｅが配設される。
流量調整弁１０２ａ〜１０２ｅは、実質的に加熱前の流路又は冷却後の流路に配設される。具体的には、流量調整弁１０２ａは、反応前の燃料ガスが供給される加熱前の流路である燃料ガス供給路３４に配設され、流量調整弁１０２ｂは、熱交換前の反応前の酸化剤ガスが供給される加熱前の流路である第１酸化剤ガス供給路３６ａに配設される。流量調整弁１０２ｄ及び流量調整弁１０２ｅは、燃焼器２２に供給される燃焼前の反応前の原燃料及び酸化剤ガスが供給される加熱前の流路である原燃料供給路４４及び酸化剤ガス供給路４６に配設される。流量調整弁１０２ｃは、熱交換器１６で熱交換されて温度が低下した燃焼ガス及び排ガスが排出される冷却後の流路である排気路３８に配設される。なお、以下の実施形態においても、同様である。
このように構成される第７の実施形態では、流量調整弁１０２ａ、１２０ｂを操作することにより、燃料電池１２に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が調整されて、前記燃料電池１２の発電が良好に制御される。
一方、流量調整弁１０２ｄ、１０２ｅを操作することにより、燃焼器２２に供給される原燃料及び酸化剤ガスの流量が調整される。このため、燃焼器２２から発生する燃焼ガスを所定の温度に正確に調整することができ、熱交換器１６における酸化剤ガスとの熱交換処理を精度よく行うことが可能になる。
さらに、流量調整弁１０２ｃを操作することにより、熱交換器１６に導入される排ガス量の調整も図られ、熱交換効率の向上が遂行されるという効果が得られる。
しかも、全ての流量調整弁１０２ａ〜１０２ｅは、低温側に配置されている。従って、流量調整弁１０２ａ〜１０２ｃの耐熱強度を高く設定する必要がなく、設計条件の緩和が図られて経済的であるという利点がある。
図８は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム１１０では、改質器５２に接続される原燃料供給路５６に流量調整弁１０２ａが接続される。
図９は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム１２０では、蒸発器６４に接続される原燃料供給路５６に流量調整弁１０２ａが配設される。
図１０は、本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム１３０では、改質器５２に接続される排気路７４に流量調整弁１０２ｆが配置される。
図１１は、本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池システム１４０の概略構成説明図であり、図１２は、本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略構成説明図である。この燃料電池システム１５０では、蒸発器６４に接続される排気路９４に流量調整弁１０２ｇが配置される。
このように、第８の実施形態に係る燃料電池システム１１０〜第１２の実施形態に係る燃料電池システム１５０では、上記の第７の実施形態に係る燃料電池システム１００と同様の効果が得られる。
図１３は、本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池システム１６０の概略構成説明図である。
燃料電池システム１６０では、燃料電池１２、燃料ガス供給部１４、酸化剤ガス供給部１８、排ガス排出部２０及び燃焼ガス供給部２４に温度検出器１６２ａ〜１６２ｌが配設される。
燃料電池１２には、この燃料電池１２の所定の部位における温度を検出するために温度検出器１６２ａが設けられる。温度検出器１６２ｂ〜１６２ｆは、流量調整弁１０２ａ〜１０２ｅに近接して設けられるとともに、熱交換器１６に温度検出器１６２ｇが設けられ、さらに第２酸化剤ガス供給路３６ｂに温度検出器１６２ｈが設けられる。
排ガス供給路４２には、温度検出器１６２ｉが設けられる一方、燃焼器２２には、温度検出器１６２ｊが接続される。燃焼ガス供給路４８には、接続部４０を挟んで温度検出器１６２ｋ、１６２ｌが設けられる。
温度検出器１６２ａ〜１６２ｌは、制御器１６４に接続されるとともに、前記制御器１６４は、前記温度検出器１６２ａ〜１６２ｌの検出結果に基づいて流量調整弁１０２ａ〜１０２ｅを制御する。なお、図１３中、制御器１６４に接続されている流量調整弁１０２ａ〜１０２ｅは、単に数字１０２のみで表すとともに、前記制御器１６４に接続されている温度検出器１６２ａ〜１６２ｌは、単に数字１６２のみで表す。また、以下に示す他の実施形態においても、同様に表す。
このように構成される燃料電池システム１６０では、始動時には、燃焼器２２に原燃料及び酸化剤ガスを供給して燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスを燃料電池１２から排出させる排ガスに混合して熱交換器１６に供給する。従って、熱交換器１６では、酸化剤ガスが加熱されるため、この酸化剤ガスの熱によって燃料電池１２が昇温される。
その際、温度検出器１６２（１６２ａ〜１６２ｌ）は、燃料電池１２自体の温度の他、それぞれ所定の流体温度（燃料ガス温度、酸化剤ガス温度、原燃料温度、燃焼ガス温度及び排ガス温度）を検出している。そして、これらの検出温度が制御器１６４に送られることにより、前記制御器１６４は、流量調整弁１０２（１０２ａ〜１０２ｅ）の制御を行い、燃料ガス、酸化剤ガス、原燃料、燃焼ガス又は排ガスの少なくとも１つの流量を制御する。
次いで、燃料電池１２が所定の通常運転温度に至ると、制御器１６４は、温度検出器１６２により検出される検出温度が一定の温度範囲になるように、燃料ガス、酸化剤ガス、原燃料、燃焼ガス又は排ガスの少なくとも１つの流量を調整する。これにより、通常運転時には、燃料電池１２が常に一定の温度に維持されており、効率的な発電が遂行可能になる。
図１４は、本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池システム１７０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム１７０は、改質器５２に温度検出器１６２ｍを設けるとともに、燃料ガス供給路３４には、前記改質器５２の下流に位置して温度検出器１６２ｎを配置する。
図１５は、本発明の第１５の実施形態に係る燃料電池システム１８０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム１８０は、蒸発器６４に接続される温度検出器１６２ｏと、前記蒸発器６４及び改質器５２間に配置される温度検出器１６２ｐとを備える。
図１６は、本発明の第１６の実施形態に係る燃料電池システム１９０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム１９０は、改質器５２に接続される排気路７４に設けられる温度検出器１６２ｑと、熱交換器１６及び前記改質器５２間に配置される温度検出器１６２ｒとを備える。
図１７は、本発明の第１７の実施形態に係る燃料電池システム２００の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２００は、分岐部８２と熱交換器１６との間に配置される温度検出器１６２ｓを備える。
図１８は、本発明の第１８の実施形態に係る燃料電池システム２１０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２１０は、蒸発器６４に接続される排気路９４に配置される温度検出器１６２ｔと、燃焼ガス供給路９２に配設される温度検出器１６２ｕとを備える。
このように、第１４の実施形態に係る燃料電池システム１７０〜第１８の実施形態に係る燃料電池システム２１０では、前述した第１３の実施形態に係る燃料電池システム１６０と同様の効果が得られる。
図１９は、本発明の第１９の実施形態に係る燃料電池システム２２０の概略構成説明図である。
燃料電池システム２２０は、温度検出器１６２ｂ〜１６２ｆ（以下、単に温度検出器１６２ともいう）に近接して配置される流量検知器２２２ａ〜２２２ｅ（以下、単に流量検知器２２２ともいう）と、温度検出器１６２ｈ、１６２ｉ、１６２ｋ及び１６２ｌ（以下、単に温度検出器１６２ともいう）に近接して配置される流量検出器２２２ｆ〜２２２ｉ（以下、単に流量検知器２２２ともいう）とを備える。流量検出器２２２は、制御器１６４に接続されており、これらにより検出された流量は、前記制御器１６４に入力される。
このように構成される燃料電池システム２２０では、温度検出器１６２を介して前記燃料電池システム２２０内の所定部位の温度が検出されるとともに、流量検出器２２２を介して前記燃料電池システム２２０内における燃料ガス、酸化剤ガス、原燃料、燃焼ガス及び排ガスの流量が検出される。従って、制御器１６４は、温度検出器１６２を介して検出された温度情報と、流量検出器２２２を介して検出された流量情報とに基づいて、流量調整弁１０２を制御する。
これにより、燃料電池システム２２０の始動時における燃料電池１２の昇温が迅速且つ確実に遂行されるとともに、通常運転時における前記燃料電池１２の温度制御が高精度に行われ、効率的且つ良好な発電機能を発揮させることができるという効果が得られる。
図２０は、本発明の第２０の実施形態に係る燃料電池システム２３０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２３０は、温度検出器１６２ｎに近接して配置される流量検出器２２２ｊを備える。
図２１は、本発明の第２１の実施形態に係る燃料電池システム２４０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２４０は、温度検出器１６２ｐに近接して配置される流量検出器２２２ｋを備える。
図２２は、本発明の第２２の実施形態に係る燃料電池システム２５０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２５０は、温度検出器１６２ｒに近接して配置される流量検出器２２２ｌを備える。
図２３は、本発明の第２３の実施形態に係る燃料電池システム２６０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２６０は、温度検出器１６２ｓに近接して配置される流量検出器２２２ｍを備える。
図２４は、本発明の第２４の実施形態に係る燃料電池システム２７０の概略構成説明図であり、この燃料電池システム２７０は、温度検出器１６２ｐに近接して配置される流量検出器２２２ｎと、温度検出器１６２ｔに近接して配置される流量検出器２２２ｏと、温度検出器１６２ｕに近接して配置される流量検出器２２２ｐとを備える。
このように、第２０の実施形態に係る燃料電池システム２３０〜第２４の実施形態に係る燃料電池システム２７０では、前述した第１９の実施形態に係る燃料電池システム２２０と同様の効果が得られる。
なお、図２５には、燃料電池システム２７０の通常運転時における各部位の温度が示されている。この場合、流量調整弁１０２ａが操作されると、原燃料の量が調整されて生成される燃料ガスの量が調整される。このため、燃料電池１２における発電量が制御されるとともに、排ガス量が調整される。一方、流量調整弁１０２ｂが操作されると、酸化剤ガスの供給量が制御されることにより、燃料電池１２における発電量が調整されるとともに、排ガス量が変動する。
また、流量調整弁１０２ｄが操作されると、燃焼器２２に供給される原燃料の量が調整される一方、流量調整弁１０２ｅが操作されると、この燃焼器２２に供給される酸化剤ガス量が調整される。従って、燃焼器２２により熱量が制御されて燃焼ガス量の調整が行われる。
さらに、流量調整弁１０２ｆ、１０２ｇが操作されると、改質器５２に供給される燃焼ガス量と、熱交換器１６及び蒸発器６４に供給される燃焼ガス量とが調整される。これにより、流量調整弁１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ及び１０２ｇが操作されることによって、燃料電池システム２７０内の温度制御及び流量制御が遂行される。
図２６は、本発明の第２５の実施形態に係る燃料電池システム２８０の概略構成説明図である。
燃料電池システム２８０は、燃焼ガス供給部２４に接続部４０と燃焼器２２との間に位置して逆止弁２８２が配設される。このため、排ガス供給路４２を通って接続部４０に合流する排ガスが、燃焼器２２に流れることを阻止することができる。従って、燃焼器２２が排ガスに曝されることがなく、前記燃焼器２２の耐久性の向上を図ることができるという効果が得られる。
図２７は、本発明の第２６の実施形態に係る燃料電池システム２９０の概略構成説明図である。
この燃料電池システム２９０では、排ガス供給路４２に逆止弁２９２が設けられている。このため、燃焼器２２で生成される燃焼ガスが、接続部４０から排ガス排出部２０を構成する排ガス供給路４２に流れることを一層確実に阻止することができる。これにより、燃料電池１２が燃焼ガスに曝されることを阻止して、アノード電極２８及びカソード電極３０の劣化を確実に防止することが可能になるという効果が得られる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１６の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１７の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１８の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第１９の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２０の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２４の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記第２４の実施形態に係る燃料電池システムの動作説明図である。 本発明の第２５の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第２６の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 従来技術の燃料電池発電装置の概略説明図である。
符号の説明
１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０…燃料電池システム
１２…燃料電池 １４、５４、６２…燃料ガス供給部
１６…熱交換器 １８…酸化剤ガス供給部
２０…排ガス排出部 ２２…燃焼器
２４…燃焼ガス供給部 ２６…電解質
２８…アノード電極 ３０…カソード電極
３２…電解質・電極接合体 ４０…接続部
５２…改質器 ６４…蒸発器
８２…分岐部 １０２、１０２ａ〜１０２ｇ…流量調整弁
１６２、１６２ａ〜１６２ｕ…温度検出器
２２２、２２２ａ〜２２２ｐ…流量検出器
２８２、２９２…逆止弁

Claims (15)

  1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有する燃料電池と、
    前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
    酸化剤ガスを加熱する熱交換器を設け、前記熱交換器により加熱された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、
    発電反応に使用されて前記燃料電池から排出される排ガスを、前記酸化剤ガスを加熱するための熱媒体として前記熱交換器に供給する排ガス排出部と、
    前記排ガス排出部の経路外に配置され、燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼ガスを発生させる燃焼器を設け、前記燃焼ガスを、前記排ガスと合流して前記熱交換器に供給する燃焼ガス供給部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、前記原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガス供給部は、前記燃焼ガスを前記改質器に供給する燃焼ガス通路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガス供給部は、前記燃焼ガスを前記蒸発器に供給する燃焼ガス通路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料ガス供給部、前記酸化剤ガス供給部、前記燃焼ガス供給部又は前記排ガス排出部のいずれかには、流量調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、前記流量調整弁は、加熱前の流路又は冷却後の流路に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料電池、前記燃料ガス供給部、前記酸化剤ガス供給部、前記燃焼ガス供給部又は前記排ガス排出部のいずれかには、温度検出器が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項８載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料ガス供給部、前記酸化剤ガス供給部、前記燃焼ガス供給部又は前記排ガス排出部のいずれかには、流量検出器が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガス供給部には、前記排ガスが前記燃焼器に流れることを阻止する逆止弁が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス排出部には、前記燃焼ガスが前記燃料電池に流れることを阻止する逆止弁が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
  12. 燃料ガスを燃料電池のアノード電極に供給する一方、酸化剤ガスを熱交換器で加熱した後に前記燃料電池のカソード電極に供給して前記燃料電池を運転する燃料電池システムの運転方法であって、
    燃焼器に燃料及び酸化剤ガスを供給して燃焼ガスを発生させ、前記燃焼ガスを、熱媒体として前記熱交換器に供給する工程と、
    発電反応に使用されて前記燃料電池から排出される排ガスを、前記燃焼ガスに混合して前記熱交換器に供給する工程と、
    少なくとも前記燃料電池、前記燃料ガス供給部、前記酸化剤ガス供給部、前記燃焼ガス供給部又は前記排ガス排出部のいずれかの温度を検出する工程と、
    前記検出された温度に基づいて、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、前記燃料、前記燃焼ガス又は前記排ガスの少なくとも１つの流量を調整する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  13. 請求項１２記載の運転方法において、前記検出された温度が一定の温度範囲内になるように、前記少なくとも１つの流量を調整することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  14. 請求項１２記載の運転方法において、少なくとも前記燃料ガス供給部、前記酸化剤ガス供給部、前記燃焼ガス供給部又は前記排ガス排出部のいずれかの流量を検出する工程と、
    前記検出された温度及び前記検出された流量に基づいて、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、前記燃料、前記燃焼ガス又は前記排ガスの少なくとも１つの流量を調整する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  15. 請求項１４記載の運転方法において、前記検出された流量が一定の流量範囲内になるように、前記少なくとも１つの流量を調整することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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