JP2008198423A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池発電システムでは、エネルギー損失が多く、効率の良い発電を行うことが困難であった。
【解決手段】イオン伝導性を有する電解質膜を燃料極と空気極とで挟持して発電セルを構成すると共に、発電セルを複数枚積層してサブスタックＳ１〜Ｓ４を構成し、このサブスタックＳ１〜Ｓ４を複数備えた燃料電池発電システムであって、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に、予熱を与える予熱手段Ｂ１〜Ｂ４を夫々設けると共に、各サブスタックＢ１〜Ｂ４同士の間に、輻射熱を遮断する断熱手段Ａを設けた燃料電池発電システムとし、エネルギー損失が少なく、効率の良い発電を行うことができると共に、様々な発電運転モードを実現し得るものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いた発電システムであって、起動性に優れ、ダイナミックレンジの広い発電が可能な燃料電池発電システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池発電システムは、定置型分散電源や、自動車などの移動体用電源としての利用が検討されている。このような発電システムに適用される燃料電池には、種々のものが検討されているが、とくに、電解質膜に酸素イオン導電体やプロトン導電体である無機材料を用いた固体電解質型燃料電池は、燃料に対する多様性を有し且つ発電効率が高いことから、実用化が期待されている。

上記の固体電解質型燃料電池では、電解質膜の構成材料のイオン伝導度を十分に高くするために、高温下で燃料電池反応を行う必要があり、例えば作動温度が７００〜１０００℃程度となる（特許文献１参照）。また、近年では、より低温で作動できる固体電解質型燃料電池の開発も進められており、例えば、４００℃でも作動可能なものも提案されている（非特許文献１）。

いずれにしても、上記の燃料電池は、室温では作動できないために、発電システムに適用して停止状態から発電状態へ起動する場合には、何らかの手段で運転温度にまで予熱・昇温をしなければならない。この場合、予熱・昇温をするための時間及びエネルギのロスが発電システムの効率を低下させる原因となるので、それらを最小限にするために、発電システム上で工夫を施す必要がある。

そこで、従来では、例えば、発電要素である発電セルを複数枚積層してスタックを構成し、起動が容易な小型スタックとメインの発電機となる大型スタックを組み合わせた燃料電池発電システムが提案されている（特許文献２）。この燃料電池発電システムは、起動時に、燃料改質器から排出される高温の改質ガスを小型スタックのみに供給して作動可能な温度にまで昇温し、その後、小型スタックが発する熱を用いて大型スタックを予熱するようにして、起動エネルギの節減と起動時間の短縮を可能にしている。
特開２００３−２６３９９６号公報 ＥＰ １５０７３０２Ａ２ 第１１回燃料電池シンポジウム講演予稿集（Ａ２０）

しかしながら、上記したような従来の燃料電池発電システムでは、例えば、小型スタックの単位時間当たりの最大出力値をＷ１とし、大型スタックの最大出力値をＷ２とすると、起動時にＷ１以下の小出力が要求される場合には対応することができるが、起動時にＷ１＋Ｗ２の最高出力が要求される場合には、小型スタックの廃熱により大型スタックの昇温をアシストすることから、そのアシストする熱量を十分に確保することが困難である。

このため、急速な昇温が難しく、大出力で起動する場合に時間がかかると共に、小出力から大出力への素早い出力変動にも対応することが困難であって、その結果、発電運転モードが狭い範囲に限られてしまうという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、エネルギー損失が少なく、効率の良い発電を行うことができると共に、大出力での起動や出力変動にも速やかに対応することが可能であり、様々な発電運転モードを実現し得る燃料電池発電システムを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池発電システムは、イオン伝導性を有する電解質膜を燃料極と空気極とで挟持して発電セルを構成し、その発電セルを複数枚積層してサブスタックを構成している。そして、サブスタックを複数備えており、各サブスタックに、予熱を与える予熱手段を夫々設けると共に、各サブスタック同士の間に、輻射熱を遮断する断熱手段を設けた構成とし、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池発電システムによれば、例えば、起動時に要求される出力が小さい場合には、少数のスタックを夫々の予熱手段で予熱して起動させ、起動したスタックの廃熱で他のスタックを予熱することで起動に要するエネルギーをできるだけ小さくし、効率の良い発電を行うことができる。また、起動時に要求される出力がシステムの最大出力に近い場合には、全てのサブスタックを夫々の予熱手段で予熱して起動させることで、大出力の発電も素早く行うことができ、サブスタックの数を適宜設定することで、多様な発電運転モードに対応することが可能となる。

さらに、各サブスタックは、夫々の間に断熱手段を設けて相互間を効率良く断熱してあることから、少数のサブスタックを昇温したい場合に、熱の散逸が阻止され、予熱のための熱が該等するサブスタックのみに効率的に供給されることとなって、エネルギー損失を最小限に抑えることができ、発電のさらなる高効率化を実現することができる。

本発明の燃料電池発電システムは、イオン伝導性を有する電解質膜を燃料極と空気極とで挟持して発電セルを構成し、とくに、発電セルが固体電解質型燃料電池の発電セルであって、この発電セルを複数枚積層してサブスタックを構成し、このサブスタックを複数備えた燃料電池発電システムである。

そして、燃料電池発電システムは、各サブスタックに、予熱を与える予熱手段、より具体的には、燃焼バーナー、電気ヒーター、燃料改質反応器、及びシステム外部に熱源を有する熱交換器のうちの少なくとも１つである予熱手段が夫々設けてあると共に、各サブスタック同士の間に、輻射熱を遮断する断熱手段、より具体的には、セラミックス材料及び金属材料のいずれか一方又は両方の組み合わせから成る遮熱板である断熱手段を設けたものとなっている。

上記の燃料電池発電システムは、例えば、ｎ個のサブスタックを仮定し、夫々のサブスタックの最高出力をＷ1,Ｗ２，…Ｗｎ，Ｗ１≦Ｗ２≦…≦Ｗｎとすると、起動時に要求される発電出力に合わせて、最低でＷ１、最高でＷ１＋Ｗ２＋・・・＋Ｗｎの範囲で、幾通りもの出力値を設定することができる。予め発電システムの使用環境、状況及び電力パターンが明確になっていれば、上記ｎの値、Ｗ１，Ｗ２，…Ｗｎの夫々の値を設計段階で規定することで、最適な発電システムを構築することができる。

そして、上記の燃料電池発電システムにおいては、各サブスタック同士の間に設けた断熱手段が、各サブスタック同士が熱的に干渉するのを阻止して、精密な制御の実現に貢献することとなり、また、夫々のサブスタックに設けた予熱手段、より望ましくは個々のサブスタックに適した能力や方式の予熱手段にあっても、エネルギー損失を抑制して、精密な制御の実現に貢献することとなる。

ここで、当該燃料電池発電システムのように、イオン導電性を有する電解質を含む発電セルとして、固体電解質型燃料電池の発電セルを用いたものでは、他の種類の発電セル、例えば、プロトン導電性の電解質を含む固体高分子型燃料電池の発電セルを用いた場合と比較すると、利点として使用燃料の多様性が挙げられる。

固体高分子型燃料電池の発電セルでは、電解質がプロトン導電体を有するものなので、直接炭化水素燃料を供給しても燃料電池反応が進行せず、また、作動温度が１００℃前後と低く、電池内部で炭化水素燃料を改質して水素を生成することができないので、供給する燃料が純水素に限られる。この場合の燃料極での電極反応は次式で表される。
Ｈ^２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

このため、固体高分子型燃料電池の発電セルでは、水素を蓄えた高圧タンクや、電池外部の燃料改質器が不可欠となる。しかし、水素用の高圧タンクは非常に大きなものになり、また、作動温度が１００℃前後では一酸化炭素によって電極が被毒されるので、電池外部の燃料改質器で水素を生成したとしても、生成ガス中の一酸化炭素濃度を極限まで低くする必要があり、これにより改質反応器が大きくなる。

これに対して、本発明の燃料電池発電システムのように、固体電解質型燃料電池の発電セルを用いた場合は、大きな高圧タンクや大きな改質器が不要であって、液体で運搬可能な炭化水素燃料、例えばガソリン、軽油、灯油及び液化プロパン等のいずれかを燃料に用いることができる。また、電解質として酸素イオン導電体を用いた場合には、炭化水素燃料を直接燃料電池に供給することができる。この場合の燃料極の電極反応は次式で表される。
ＣｎＨｍ＋（２ｎ＋ｍ／２）Ｏ^２−→ｎＣＯ_２＋ｍ／２Ｈ_２Ｏ＋（４ｎ＋ｍ）ｅ⁻

また、本発明の燃料電池発電システムのように、固体電解質型燃料電池の発電セルを用いた場合は、電池内部の改質反応を活用することもできる。改質反応は次式で表される。 ＣｎＨｍ＋（ｑ＋ｘ＋２ｙ）Ｈ_２Ｏ→ｐＨ_２＋ｑＨ_２Ｏ＋ｘＣＯ＋ｙＣＯ_２
ここで生成したＨ_２は次式、
Ｈ_２＋１／２Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻
また、ＣＯは次式
ＣＯ＋１／２Ｏ^２−→ＣＯ_２＋ｅ⁻
で表される反応で電極反応が進行する。

したがって、発明の燃料電池発電システムでは、炭化水素燃料の直接供給でも、改質反応でも燃料電池反応が行うことができる。また、電解質としてプロトン導電体を用いた場合には、内部改質によって生成した水素は次式、
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
で表される反応で電極反応が進行する。また、ＣＯは燃料電池内部において次式、
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
で表されるシフト反応により水素に変換された後、同様な反応で電極反応が進行する。

ここで、本発明の燃料電池発電システムのように、固体電解質型燃料電池の発電セルを用いた場合は、上述したように、多様な燃料に対して適合性を有するのであるが、炭化水素燃料を用いて発電を行う場合には、電極上への炭素析出が問題となる場合がある。この炭素析出反応は以下の反応式で進行する。
ＣｎＨｍ→ｎＣ＋ｍ／２Ｈ_２
２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ_２

炭素は、主に燃料電池の燃料極表面に生成すると共に、固体状であり、その生成量が多いと、燃料極表面に存在する反応活性点をブロックして電極反応を阻害し、システム全体の発電効率を低下させてしまう恐れがある。この析出炭素は、いくつかの方法で除去することが可能である。一例として以下の反応式で表される炭素除去反応を示す。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２
Ｃ+ＣＯ_２→２ＣＯ
Ｃ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２

上記反応のうち、Ｈ_２ＯあるいはＣＯ_２を用いた除去反応は、７００℃以上の温度であれば進行させることができ、Ｏ_２を用いた除去反応は、熱力学的には室温以上で十分可能な反応である。

多くの固体電解質型燃料電池の燃料極に用いられる材料は、ニッケルと酸化物の混合体であるニッケルサーメットである。このニッケルサーメット中のニッケルは、酸化ガス存在下おいて酸化ニッケルになる傾向がある。仮にニッケルと酸化ニッケルの酸化還元が進行すると、ニッケルと酸化ニッケルの１モル当りの体積の違いにより、材料が膨張収縮をすることになり、最悪の場合は材料構造が破壊されて、耐久性の低下を引き起こす恐れがあるため、燃料極はなるべく酸化性雰囲気に曝させないようにする必要がある。

上記の炭素除去反応に必要なＨ_２Ｏ，ＣＯ_２，Ｏ_２は、いずれもニッケル金属に対して酸化剤として作用するが、この中でもとくにＯ_２の酸化力が高いために、炭素除去反応には比較的酸化力の低いＨ_２ＯあるいはＣＯ_２を用いる方が望ましい。

以上のように炭素析出による効率の低下は、炭素の除去反応によって燃料極を再生することによって回避することができるが、その再生プロセスを行うためには、発電を一旦止める必要がある。

そこで、本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、先述した燃料電池発電システムを運転するに際し、複数のサブスタックのうちの一部のサブスタックを発電運転している間に、別のサブスタックを電極再生用に運転することを特徴としている。

本発明の燃料電池発電システムは、複数のサブスタックからなるシステムであるから、一部のサブスタックを発電用に運転すると共に、別のサブスタックを電極再生用に運転することにより、発電を完全に停止することなく電極の再生が行われることとなり、システムの長期安定性を確保することができる。このとき、発電と電極再生の夫々のプロセス温度は異なる可能性があるが、当該燃料電池発電システムを用いれば、断熱手段により各サブスタックが互いに熱的に干渉するような事態を防ぐことができる。

また、炭素のＨ_２ＯあるいはＣＯ_２による除去反応は、吸熱反応であって、サブスタックへの熱の供給が必要であり、この際、当該燃料電池発電システムを用いれば、隣接するサブスタックからの廃熱を供給するようにしたり、そのサブスタックの予熱手段を有効に活用したりすることができる。

さらに、本発明の燃料電池システムの運転方法は、上述の構成を備えた燃料電池発電システムを運転するに際し、各サブスタックに対して燃料を順次直列に供給すると共に、各サブスタックに対して空気を並列に供給することを特徴としている。

燃料電池発電システムにおいて、各サブスタック対して燃料ガス（燃料）が直列に供給される場合、必然的に上流側では燃料ガスの反応率が低く、下流側では反応率が高くなるので、上流側と下流側とでは反応ガスの組成が全く異なったものとなる。各サブスタックが定常的に運転されている場合で、複数のサブスタックのうちのｍ番目のサブスタックについて考えると、その熱収支は以下のように表される。
ＷＩｍ＋ＷＲｍ＝ＷＯｍ
ＷＩ ｍはサブスタックに供給される単位時間当たりの熱量、ＷＲｍは電気化学反応に伴って発生する単位時間当たりの熱量、ＷＯｍはサブスタックからの放熱及び排気ガスによって失う単位時間当たりの熱量である。

ここで、サブスタックの供給及び発生の熱量の和が損失の熱量を超える場合（ＷＩｍ＋ＷＲｍ＞ＷＯｍ）には、サブスタックの温度は上昇し続けて熱暴走を起こす恐れがあり、他方、サブスタックの供給及び発生の熱量の和が損失の熱量に満たない場合（ＷＩｍ＋ＷＲｍ＜ＷＯｍ）には、サブスタックの温度が低下し続けて発電そのものが停止する恐れがある。したがって、サブスタックにおける熱収支をバランスさせる必要がある。

ところで、本発明のシステムとは異なって、単一のスタックで発電を行うシステムでは、燃料ガスの供給の上流側及び下流側の夫々において熱収支バランスが成立するが、夫々の温度を別個に制御することは不可能なので、定常状態における温度が上流側と下流側で大きく異なる。また、燃料電池における燃料極の材料選択について目を向けると、通常は想定した温度条件があり、想定した温度条件以下では活性が不足し、想定した温度以上では熱による劣化が促進される。

このため、前述のように、同一サブスタック内で温度が大きく異なって分布していると、燃料極において十分に性能を発揮できない部分が生じることがあり、本発明の燃料電池発電システムの運転方法のように、燃料ガスを各サブスタックに直列に供給する場合でも、前述のように各サブスタック間でガス組成が異なるために、各サブスタック間で供給熱量ＷＩｍや発生熱量ＷＲｍが異なることになる。

そこで、本発明の燃料電池発電システムの運転方法では、各サブスタックに対して燃料を順次直列に供給する一方で、各サブスタックに対して空気を並列に供給するようにしており、夫々の流量を個別に制御することで、各サブスタックの損失熱量ＷＯｍを個別に制御することを可能にする同時に、各サブスタックの温度を同一に制御することを可能にしており、さらには、電極設計時に想定した運転温度に制御することで、発電効率を最大限に発揮させることができる。

また、本発明の燃料電池発電システムの運転方法において、各サブスタック間に燃料ガスを直列に供給する場合、必然的に下流側の反応ガスの平衡酸素分圧が高くなる。このとき、前述のように、固体電解質型燃料電池の燃料極に用いられるニッケルサーメット中のニッケルが酸化されてしまうと、電極活性が低下するとともにその膨張により微細構造の破壊が起こる可能性がある。しかし、予めその事態を想定しておけば、下流側には高い平衡酸素分圧に対して有効な対策を講じることができ、例えば、ニッケルサーメット中の酸化物成分の組成を高めておくことで、酸化による体積膨張を抑制することができる。

そこで、本発明の燃料電池発電システムは、より好ましい実施形態として、発電セルを構成する電極の組成が異なる複数種のサブスタックを備えたものとすることができ、例えば、上流側のサブスタックと下流側のサブタックにおいて夫々の発電セルの電極材料に異なる材料を適用することで最適なシステム構築が可能となる。

上記の如く電極材料が異なれば、運転条件（温度条件等）も変更する必要があるが、本発明によれば、各サブスタック間に断熱手段を備えているために、サブスタック同士が熱的に互いに干渉することがないので、最適な運転条件を設定することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の燃料電池発電システム及びその運転方法の幾つかの実施形態を説明する。

図１に示す燃料電池発電システムは、ハウジングＨ内に、４個のサブスタックＳ１〜Ｓ４を備えている。各サブスタックＳ１〜Ｓ４は、イオン伝導性を有する電解質膜を燃料極と空気極とで挟持して固体電解質型燃料電池の発電セルを構成し、この発電セルを複数枚積層して成るものである。そして、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に、予熱を与える予熱手段Ｂ１〜Ｂ４が夫々設けてあると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４同士の間に、輻射熱を遮断する断熱手段Ａが設けてある。これにより、個々のサブスタックＳ１〜Ｓ４は、ハウジングＨ内を仕切るように配置した断熱手段Ａにより、夫々の予熱手段Ｂ１〜Ｂ４とともに包囲されている。

ここで、各予熱手段Ｂ１〜Ｂ４には、例えば燃料を燃焼させる燃焼バーナー、外部電源を備えた電気ヒーター、燃料を改質して水素を生成するための燃料改質反応器、及びシステム外部に熱源を有する熱交換器のうちの少なくとも１つを用いている。また、断熱手段Ａには、セラミックス材料及び金属材料のいずれか一方又は両方の組み合わせから成る遮熱板を用いている。

さらに、燃料電池発電システムは、ハウジングＨの外部に、燃料（燃料ガス）及び空気を供給するための外部供給管１１，２１と、これらを排出するための外部排出管１２，２２を備えると共に、ハウジングＨの内部に、外部供給管１１，２１に連結した内部供給管１３，２３を備えている。

内部供給管１３，２３には、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に燃料及び空気を夫々供給する分岐管１４，２４が連結してある。これらの分岐管１４，２４には、バルブＶが夫々設けてある。

また、第１のサブスタックＳ１には、第２のサブスタックＳ２への供給経路と外部排出管１２，２２への排出経路を形成する分岐連結管１５，２５が、第２のサブスタックＳ２には、第３のサブスタックＳ３への供給経路と外部排出管１２，２２への排出経路を形成する分岐連結管１６，２６が、第３のサブスタックＳ３には、第４のサブスタックＳ４への供給経路と外部排出管１２，２２への排出経路を形成する分岐連結管１７，２７が、第４のサブスタックＳ４には、外部排出管１２，２２への排出経路を形成する連結管１８，２８が、燃料及び空気の夫々について設けてある。さらに、分岐連結管１５〜１７，２５〜２７の分岐点にはバルブＶが夫々設けてある。

このようにして、燃料電池発電システムは、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に対して、内部供給管１３，２３及び各分岐管１４，２４により、燃料及び空気が並列に供給されると共に、各分岐連結管１５〜１７，２５〜２７及び連結管１８，２８により、燃料及び空気が直列に供給されるものとなっている。

上記構成を備えた燃料電池発電システムによれば、先述したように、各サブスタックＳ１〜Ｓ４同士の間に設けた断熱手段Ａが、各サブスタックＳ１〜Ｓ４同士が熱的に干渉するのを阻止して、精密な制御の実現に貢献することとなり、また、夫々のサブスタックＳ１〜Ｓ４に設けた予熱手段Ａにより、エネルギー損失を抑制して、精密な制御を実現すると共に、最適な発電システムを構築し得るものとなる。

また、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に対して燃料を順次直列に供給する一方で、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に対して空気を並列に供給して、夫々の流量を個別に制御することで、各サブスタックＳ１〜Ｓ４の損失熱量を個別に制御することを可能にする同時に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４の温度を同一に制御することが可能となり、発電効率を最大限に発揮させることができる。

図２に示す燃料電池発電システムは、図１に示すものと同様の構成を備えると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４の燃料の排出経路に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４への戻り経路を形成するリターン管１９が設けてある。

上記の燃料電池発発電システムは、先の実施形態のものと同様の作用及び効果を得ることができるうえに、各サブスタックＳ１〜Ｓ４からの燃料（排出ガス）を、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に再供給し、燃料ガスのリサイクルを可能にしている。

図３に示す燃料電池発電システムは、各サブスタックＳ１〜Ｓ４が予熱手段Ｂ１〜Ｂ４を夫々備えていると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４が断熱手段Ａで包囲されており、燃料に関しては、供給側（燃料ＩＮ）からの供給管４１と、排出側（燃料ＯＵＴ）に至る排出管４５を備えると共に、供給管４１から第１及び第２のサブスタックＳ１，Ｓ２へ夫々至る分岐管４２と、各サブスタックＳ１〜Ｓ４から排出管４５へ至る連結管４３と、排出管４５から第３及び第４のサブスタックＳ３，Ｓ４へ夫々至るリターン管４４と、適宜箇所のバルブＶを備えている。

また、空気に関しては、供給側（空気ＩＮ）からの供給管５１と、供給管５１から各サブスタックＳ１〜Ｓ４に至る分岐管５２及びバルブＶを備えると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４には、次のサブスタックＳ２〜Ｓ４及び大気（又は空気ＯＵＴ）に至る分岐連結管５３及びバルブＶが設けてある。

上記の燃料電池発電システムは、本発明の運転方法すなわち複数のサブスタックＳ１〜Ｓ４のうちの一部のサブスタックを発電運転している間に、別のサブスタックを電極再生用に運転する方法に適用される。

つまり、燃料電池発電システムは、第１及び第２のサブスタックＳ１，Ｓ２では、燃料を供給することで発電を行い、第３及び第４のサブスタックＳ３，Ｓ４では、排出する前の燃料の一部を供給することで燃料極の再生を行う。このとき、燃料の排出ガスにはＨ_２ＯおよびＣＯ_２が多く含まれるので、これにより燃料極上に析出した炭素を除去することができる。

したがって、上記の燃料電池発電システム及びその運転方法では、先の実施形態のものと同様の作用及び効果を得ることができるうえに、発電を完全に停止することなく、第３及び第４のサブスタックＳ３，Ｓ４において電極（燃料極）の再生が行われることとなり、システムの長期安定性を確保することができる。

図４に示す燃料電池発電システムは、図１のシステムでは各サブスタックＳ１〜Ｓ４に燃料及び空気の両方を直列及び並列に供給するのに対して、本発明の運転方法すなわち各サブスタックＳ１〜Ｓ４に対して燃料を順次直列に供給すると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４に対して空気を並列に供給する運転方法に適用可能なシステムとして、必要最低限の構成を備えたものである。

すなわち、燃料電池発電システムは、各サブスタックＳ１〜Ｓ４が予熱手段Ｂ１〜Ｂ４を夫々備えていると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４が断熱手段Ａで包囲されており、燃料に関しては、供給側（燃料ＩＮ）から各サブスタックＳ１〜Ｓ４を順に経て排出側（燃料ＯＵＴ）に至る夫々の間に、燃料連結管５１及びバルブＶを備えている。

また、空気に関しては、供給側（空気ＩＮ）からの供給管６１と、供給管６１から各サブスタックＳ１〜Ｓ４に夫々至る分岐管６２及びバルブＶを備えると共に、各サブスタックＳ１〜Ｓ４には、大気又は排出側（空気ＯＵＴ）に至る排出管６３及びバルブＶが設けてある。

上記の燃料電池発電システムは、簡単な構成で先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

なお、本発明の燃料電池発電システムは、詳細な構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその構成の細部を適宜変更することができる。

本発明の燃料電池発電システムの一実施形態を示す説明図である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施形態を示す説明図である。 本発明の燃料電池発電システムのさらに他の実施形態を示す説明図である。 本発明の燃料電池発電システムのさらに他の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

Ａ 断熱手段
Ｂ１〜Ｂ４ 予熱手段
Ｓ１〜Ｓ４ サブスタック

Claims (7)

1. イオン伝導性を有する電解質膜を燃料極と空気極とで挟持して発電セルを構成すると共に、発電セルを複数枚積層してサブスタックを構成し、このサブスタックを複数備えた燃料電池発電システムであって、各サブスタックに、予熱を与える予熱手段を夫々設けると共に、各サブスタック同士の間に、輻射熱を遮断する断熱手段を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 発電セルが、固体電解質型燃料電池の発電セルであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 予熱手段が、燃焼バーナー、電気ヒーター、燃料改質反応器、及びシステム外部に熱源を有する熱交換器のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 断熱手段が、セラミックス材料及び金属材料のいずれか一方又は両方の組み合わせから成る遮熱板であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
5. 発電セルを構成する電極の組成が異なる複数種のサブスタックを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの運転方法であって、複数のサブスタックのうちの一部のサブスタックを発電運転している間に、別のサブスタックを電極再生用に運転することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの運転方法であって、各サブスタックに対して燃料を順次直列に供給すると共に、各サブスタックに対して空気を並列に供給することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

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