JP2008251362A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時だけではなく、停止時にも、酸化剤ガスと還元ガスを使用して、燃料電池の燃料極側と空気極側との間の温度差を小さく保つ。
【解決手段】還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの発電室１への供給通路を第１の供給通路Ｌ９と第２の供給通路Ｌ１０とに分ける。第１の供給通路Ｌ９にはバルブＶ９を設ける。第２の供給通路Ｌ１０にはバルブＶ１０と冷却熱交換器１０を設ける。燃料電池システムの起動時には、バルブＶ９をオンとし、還元燃焼バーナＢ２からの高温の還元ガスを発電室１（ＳＯＦＣの燃料極）に直接導く。燃料電池システムの停止時には、バルブＶ１０をオンとし、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスを冷却熱交換器１０を通し、冷却して、発電室１（ＳＯＦＣの燃料極）に導く。
【選択図】 図１

Description

この発明は、固体酸化物形燃料電池などの高温で動作する燃料電池を用いた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関するものである。

従来より、燃料電池は、有害物質を発生しないクリーンな発電システムとして注目を集めている。その中でも、固体酸化物形燃料電池は、高分子電解質形燃料電池と比べ、高温動作することから、発電と高温エネルギー活用の両面からエネルギー効率が良いものである。

固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ）は、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層とで挟み込んだ単セルと呼ばれる積層構造を有し、空気極層側に酸化剤ガス（酸素）が供給され、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₄ 等）が供給される。空気極層側に供給された酸化剤ガスは、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との境界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この単セルを多数積層した構造をスタックと呼んでおり、セル単位あるいはスタック単位で燃料ガスの供給を行い、負荷への電力を生成（発電）する。

ＳＯＦＣの定常発電温度は例えば９５０℃とされる。ＳＯＦＣを起動する際には、常温状態のＳＯＦＣを定常発電温度まで上昇させる必要がある。このために、ＳＯＦＣ全体を電気ヒータで加熱したり、酸化剤ガスの供給ラインに電気ヒータを設け、加熱して高温とした酸化剤ガスを空気極へ供給するなどの方法が採られている（例えば、特許文献１参照）。

燃料ガスには、水素ガスを用いることが最も好適であるが、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質し、燃料極に導入することが多い。また、酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることが最も好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。

また、酸化剤ガスの供給ラインに電気ヒータを設けるような場合、起動用燃料ガスと空気を用いてバーナで燃焼ガスを発生させて、燃料電池の燃料極側に供給し、酸化剤ガスが供給される燃料電池の空気極側との間の温度差を小さくしながら、燃料電池を昇温し起動するという方法が採られることがある。この場合、起動用燃料ガスの燃焼を不完全燃焼とし、燃焼ガスに還元性を持たせ、起動時に燃料極内にこの不完全燃焼ガス（還元ガス）を供給して燃料極の還元性を保持させることも提案されている（例えば、特許文献２参照）

図１０に従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムの概略を示す。同図において、１は燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電するＳＯＦＣ（燃料電池スタック）を用いた発電室、２は燃料（都市ガス）を水素リッチな燃料ガス（改質ガス）に改質する改質熱交換器、３は酸化剤ガス（空気）を予熱する空気予熱器（電気ヒータ）、４は発電室１より排出されるガス（燃料ガス＋酸化剤ガス）を燃焼させる燃焼室、５は空気分配器、６は還元ガス（不完全燃焼ガス）を生成する還元燃焼バーナである。

改質熱交換器２は、蒸発器２−１と燃料予熱器２−２と改質器２−３とを備えており、蒸発器２−１は純水を蒸気として燃料予熱器２−２への燃料に含ませる。蒸気が含まれた燃料は、燃料予熱器２−２において予熱され、改質器２−３に導かれて、水素リッチな燃料ガスに改質される。改質熱交換器２では、蒸発器２−１での蒸気の生成、燃料予熱器２−２での燃料の予熱、改質器２−３での燃料の改質に熱量が必要であり、この熱量の供給を受けるための通路として燃焼室４からの燃焼ガスの排出通路Ｌ１が設けられている。

この燃料電池システムにおいて、運転モードは、起動モード，定常モード，停止モードの３つのモードに分けられる。燃料電池システムは、運転の開始が指示されると、起動モードに入る。起動モードの開始時には、改質熱交換器２への燃料の供給を遮断した状態で、空気予熱器３をオンとし、空気予熱器３によって予熱された高温の酸化剤ガスを空気分配器５を介して発電室１内のＳＯＦＣの空気極側に供給する。また、還元燃焼バーナＢ２での燃料の不完全燃焼を開始し、高温の還元ガスを発電室１内のＳＯＦＣの燃料極側に供給する。これにより、発電室１内のＳＯＦＣの燃料極側と空気極側との間の温度差を小さくしながら、発電室１の温度が上昇して行く。

発電室１の温度上昇に貢献した酸化剤ガスおよび還元ガスは、燃焼室４および空気分配器５を通り、排出通路Ｌ１を通って、排ガスとして排出される。ここで、改質熱交換器２の蒸発器２−１，燃料予熱器２−２，改質器２−３は、排出通路Ｌ１を通る酸化剤ガスおよび還元ガスからの熱量の供給を受ける。この熱量の供給を受けて、改質器２−３の温度が例えば５００℃に達すると、改質熱交換器２への燃料の供給が開始され、蒸発器２−１からの蒸気を含んだ燃料が燃料予熱器２−２を介して改質器２−３に導かれ、水素リッチな燃料ガスに改質され、発電室１に供給される。

この燃料ガスの供給を受けて、発電室１での発電が開始されると共に、発電室１から排出される燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼室４内で混合して燃焼させられ、この燃焼室４からの燃焼ガスが空気分配器５を通り、排出通路Ｌ１を通って、排ガスとして排出される。これにより、空気予熱器３での酸化剤ガスの予熱によらずとも、また還元燃焼バーナＢ２からの高温の還元ガスによらずとも、燃焼室４からの燃焼ガスの熱量の供給を受けて、改質熱交換器２での燃料ガスの改質を継続することができる。通常は、この時点で、空気予熱器３と還元燃焼バーナＢ２をオフとする。

発電室１の温度が上昇して行き、定常発電温度に達すると、定常モードへ移行する。この定常モードでは、空気予熱器３をオン／オフしたり、排出通路Ｌ１を通る燃焼ガスの流量を調整したりして、発電室１の温度を定常発電温度に保つ。なお、排出通路Ｌ１から排出される排ガスは、タービンシステムや蒸気発生器などの排熱利用機器に送られ、有効利用される。

特開２００６−２６１０２５ 特開２００３−１０９６４１

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムによると、還元燃焼バーナＢ２からの高温の還元ガスは、発電室１の温度を上昇させて行く起動時には有効に作用するが、発電室１の温度を下降させて行く停止時には有効に作用しない。すなわち、停止時には、空気予熱器３をオフとして、酸化剤ガスを冷却剤として発電室１内のＳＯＦＣの空気極側に供給するが、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスでは温度が高いので発電室１内のＳＯＦＣの燃料極側の温度を下げることができず、発電室１内のＳＯＦＣの燃料極側と空気極側との間の温度差を小さく保つことができない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、起動時だけではなく、停止時にも、酸化剤ガスと還元ガスを使用して、燃料電池の燃料極側と空気極側との間の温度差を小さく保つことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、燃料極に燃料ガスが供給され空気極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して燃料を改質し発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、高温の還元ガスを発生する還元ガス発生部と、還元ガス発生部からの還元ガスを燃料電池の燃料極側に直接導く第１の通路と、還元ガス発生部からの還元ガスを冷却部を通して燃料電池の燃料極側に導く第２の通路と、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、第１および第２の通路の何れか一方を選択し、選択した通路へ還元ガス発生部からの還元ガスを導く制御部とを設けたものである。

この発明において、制御部は、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、第１および第２の通路の何れか一方を選択し、選択した通路へ還元ガス発生部からの還元ガスを導く。例えば、燃料電池システムの起動時には、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、第１の通路を選択するようにする。燃料電池システムの停止時には、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、第２の通路を選択するようにする。
このようにすると、燃料電池システムの起動時には、還元ガス発生部からの高温の還元ガスが燃料電池の燃料極側に直接供給されるものとなる。この場合、予熱された酸化剤ガスを燃料電池の空気極側に供給するものとすれば、燃料電池の燃料極側と空気極側との温度差を小さく保ちながら、発電部の温度が上昇して行く。
また、燃料電池システムの停止時には、還元ガス発生部からの高温の還元ガスが冷却部を通して冷却され、燃料電池の燃料極側に供給されるものとなる。この場合、酸化剤ガスを予熱せずに燃料電池の空気極側に供給するものとすれば、燃料電池の燃料極側と空気極側との温度差を小さく保ちながら、発電部の温度が降下して行く。

本発明において、酸化剤ガスを予熱する手段は電気ヒータであってもよいが、燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤予熱部を設けるようにすれば、省エネルギーが図られる。この場合、還元ガス発生部からの還元ガスを燃料改質部からの燃焼ガスの排出部へ導く第３の通路を設け、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、第１、第２および第３の通路の何れか１つを選択し、選択した通路へ還元ガス発生部からの還元ガスを導くような制御を行うことが考えられる。例えば、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、この還元ガスの発生開始直後の所定の期間、第３の通路を選択して、還元ガス発生部からの還元ガスを燃焼ガスの排出部へ導くような制御を行うと、還元ガスの発生直後の煤などを燃焼ガスの排出部を介して放出させてから、第１の通路や第２の通路を選択して、燃料電池の燃料極側への還元ガスの供給を開始することが可能となる。

また、燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部を設けるようにした場合、この酸化剤ガス予熱部への燃焼部からの燃焼ガスの供給路に加熱されたガスを加える加熱ガス供給手段を設けることが考えられる。このようにすると、加熱ガス供給手段からの加熱されたガスの熱量を調整することによって、すなわち加熱ガス供給手段の能力を調整することによって、酸化剤ガスが導かれる燃料電池の空気極の温度を調節することが可能となる。

本発明によれば、高温の還元ガスを発生する還元ガス発生部と、還元ガス発生部からの還元ガスを燃料電池の燃料極側に直接導く第１の通路と、還元ガス発生部からの還元ガスを冷却部を通して燃料電池の燃料極側に導く第２の通路と、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、第１および第２の通路の何れか一方を選択し、選択した通路へ還元ガス発生部からの還元ガスを導く制御部とを設けたので、例えば、燃料電池システムの起動時には、還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に第１の通路を選択するようにして、燃料電池システムの停止時には還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に第２の通路を選択するようにして、起動時だけではなく、停止時にも、酸化剤ガスと還元ガスを使用して、燃料電池の燃料極側と空気極側との間の温度差を小さく保つことができるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略を示すシステム構成図である。同図において、図１０と同一符号は図１０を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

この実施の形態では、改質熱交換器２への燃焼室４からの燃焼ガスの排出通路Ｌ１を第１の排出通路とし、この第１の排出通路Ｌ１に並列に第２の排出通路Ｌ２を設け、この第２の排出通路Ｌ２を通して燃焼室４からの燃焼ガスを空気予熱器６へ導くようにしている。すなわち、従来は電気ヒータとしていた空気予熱器３（図１０）に代えて、排出通路Ｌ２を通る燃焼ガスの熱量をエネルギー源とする空気予熱器６を設け、この空気予熱器６によって発電室１への酸化剤ガスの予熱を行うようにしている。

また、改質熱交換器２への第１の排出通路Ｌ１と空気予熱器６への第２の排出通路Ｌ２に対し、この排出通路Ｌ１およびＬ２をバイパスする燃焼ガスの排出通路（第３の排出通路）Ｌ３を設け、第１の排出通路Ｌ１にバルブＶ１を、第２の排出通路Ｌ２にバルブＶ２を、第３の排出通路Ｌ３にバルブＶ３を設けている。

なお、この実施の形態では、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１を流入口（燃焼ガスの流入口）とも呼び、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側の合流点Ｐ２を排出口（燃焼ガスの排出口）とも呼ぶ。また、排出口Ｐ２に至る排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側のラインＥＸを燃焼ガス排出部と呼ぶ。排出口Ｐ２より排出される燃焼ガスは、排ガスとしてタービンシステムや蒸気発生器などの排熱利用機器に送られ、有効利用される。

改質熱交換器２に対しては、この改質熱交換器２への燃料の供給通路Ｌ５と、後述する起動モードや停止モードで使用される水素ガスの供給通路Ｌ７とが設けられ、燃料の供給通路Ｌ５にはバルブＶ５が、水素ガスの供給通路Ｌ７にはバルブＶ７が設けられている。また、流入口Ｐ１（燃焼室４からの燃焼ガスの排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３への通路）に加熱されたガスを加える加熱ガス供給手段として、完全燃焼バーナＢ１が設けられている。完全燃焼バーナＢ１への燃料の供給通路Ｌ４にはバルブＶ４が設けられている。

また、空気予熱器６への酸化剤ガスの供給通路Ｌ６にはバルブＶ６が設けられ、発電室１に対してはその発電室１内の温度を発電室温度Ｔ１として検出する温度センサ７が設けられ、改質熱交換器２に対してはその改質器２−３内の温度を改質器温度Ｔ２として検出する温度センサ８が設けられ、還元燃焼バーナＢ２に対してはその還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの温度を還元ガス温度Ｔ３として検出する温度センサ９が設けられている。

また、還元燃焼バーナＢ２への燃料の供給通路Ｌ１１にはバルブＶ１１が設けられ、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの発電室１への供給通路は第１の供給通路Ｌ９と第２の供給通路Ｌ１０とに分かれている。第１の供給通路Ｌ９にはバルブＶ９が設けられている。第２の供給通路Ｌ１０にはバルブＶ１０と冷却熱交換器１０が設けられている。冷却熱交換器１０には、冷水の供給通路Ｌ１２と熱水の排出通路Ｌ１３が設けられており、冷水の供給通路Ｌ１２にはバルブＶ１２が設けられている。また、発電室１への還元ガスの供給通路Ｌ９とＬ１０の入口側の合流点と燃料ガス排出部ＥＸとの間には、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスを燃料ガス排出部ＥＸに導く還元ガスの排出通路Ｌ８が設けられており、還元ガスの排出通路Ｌ８にはバルブＶ８が設けられている。

また、この燃料電池システムには、温度センサ７からの発電室温度Ｔ１、温度センサ８からの改質器温度Ｔ２および温度センサ９からの還元ガス温度Ｔ３を入力とし、バルブＶ１〜Ｖ１２や完全燃焼バーナＢ１、還元燃焼バーナＢ２の動作を制御する制御装置としてコントローラ１１が設けられている。コントローラ１１は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。

なお、この実施の形態では、発電室１が本発明で言う発電部に対応し、改質熱交換器２が燃料改質部に対応し、燃焼室４が燃焼部に対応し、空気予熱器６が酸化ガス予熱部に対応し、コントローラ１１が制御部に対応し、バルブＶ１〜Ｖ３が熱量調整部に対応し、完全燃焼バーナＢ１が加熱ガス供給手段に対応し、還元燃焼バーナＢ２が還元ガス発生部に対応し、冷却熱交換器１０が冷却部に対応する。

以下、図２に示すタイムチャートを参照して、コントローラ１１が実行する本実施の形態特有の制御動作について説明する。なお、この制御動作に入る運転開始前の状態として、バルブＶ１〜Ｖ１２は全てオフ（全閉）とされているものとする。また、完全燃焼バーナＢ１および還元燃焼バーナＢ２はその燃焼動作がオフ（消火）とされているものとする。

〔起動モード〕
コントローラ１１は、運転の開始が指示されると、この時点を起動モードの開始時として、バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１１をオン（全開）とし、完全燃焼バーナＢ１および還元燃焼バーナＢ２の燃焼動作をオン（着火）とする（図２に示すｔ１点）。これにより、図３に示すように、完全燃焼バーナＢ１および還元燃焼バーナＢ２への燃料の供給が開始される。また、空気予熱器６への酸化剤ガスの流入が開始される。

完全燃焼バーナＢ１は、燃料の供給を受けて完全燃焼ガスを生成し、その生成した完全燃焼ガスを流入口Ｐ１へ送り込む。流入口Ｐ１へ送り込まれた完全燃焼ガスは、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３のうちバルブＶ２のみがオンとされていることから、排出通路Ｌ２にのみ流れる。この排出通路Ｌ２を流れる完全燃焼ガスの熱量の供給を受けて、空気予熱器６に流入された酸化剤ガスが予熱され、この予熱された酸化剤ガスが空気分配器５を通して発電室１（ＳＯＦＣの空気極側）に供給される。

還元燃焼バーナＢ２は、燃料の供給を受けて高温の還元ガスを生成し、その還元ガスを発電室１へ送ろうとする。しかし、この場合、バルブＶ９，Ｖ１０はまだオンとされていなので、発電室１への還元ガスの供給は行われない。この場合、バルブＶ８がオンとされているので、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスは排出通路Ｌ８を通って燃料ガス排出部ＥＸに導かれ、排出口Ｐ２から排出される。還元燃焼バーナＢ２の燃焼開始時には、煤などが出る虞れがあるので、しばらくの間、発電室１へは送らずに排出口Ｐ２から排出する。

還元ガス温度Ｔ３が６００℃となると（図２（ｑ）に示すｔ２点）、コントローラ１１は、バルブＶ８をオフ（全閉）とし、バルブＶ９をオン（全開）とする。これにより、図４に示すように、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの燃焼ガス排出部ＥＸを通しての排出が止められ、供給通路Ｌ９を通って発電室１（ＳＯＦＣの燃料極側）に直接供給されるものとなる。以降、コントローラ１１は、還元ガス温度Ｔ３がたとえば６００℃を保つように、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの熱量を調整する。

なお、発電室１内のＳＯＦＣの燃料極側には、供給通路Ｌ７からの水素ガスが改質熱交換器２を通して供給される。発電室１に供給された水素ガスと酸化剤ガスと還元ガスは、燃焼室４へ排出され、空気分配器５を介して流入口Ｐ１へ送られ、完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスと合流し、この合流ガスが排出通路Ｌ２を通って排出口Ｐ２へ至り、排ガスとして排出される。

発電室１内の温度（発電室温度Ｔ１）は、空気予熱器６からの予熱された酸化剤ガスの供給を受けて、すなわち完全燃焼ガスとの熱交換によって高温とされた酸化剤ガスの供給を受けて、また還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの供給を受けて、すなわち還元燃焼バーナＢ２から直接導かれる高温の還元ガスの供給を受けて、ＳＯＦＣの燃料極側と空気極側との温度差を小さく保ちながら、上昇し始める。この場合、排出通路Ｌ１〜Ｌ３のうち排出通路Ｌ２のみを高温のガスが流れることにより、空気予熱器６で発電室１への酸化剤ガスが集中的に暖められるものとなり、発電室温度Ｔ１が効率よく上昇して行き、起動がスムーズとなる。

コントローラ１１は、発電室温度Ｔ１が６００℃に達すると（図２（ｏ）に示すｔ３点）、バルブＶ１をオン（全開）とする。これにより、図５に示すように、完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスと発電室１からの燃焼室４からの排出ガスとの合流ガスが排出通路Ｌ１にも分流して流れるようになり、この合流ガスの熱量の供給を受けて改質器２−３内の温度（改質器温度Ｔ２）が上昇して行く。

コントローラ１１は、改質器温度Ｔ２が５００℃に達すると（図２（ｐ）に示すｔ４点）、この時点を燃料ガスを用いての発電開始時として、バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ９，Ｖ１１をオフとし、バルブＶ５をオンとする。また、完全燃焼バーナＢ１および還元燃焼バーナＢ２をオフとする。

これにより、図６に示すように、完全燃焼バーナＢ１からの流入口Ｐ１への完全燃焼ガスの供給が断たれ、還元燃焼バーナＢ２からの発電室１への還元ガスの供給が断たれる。また、排出通路Ｌ２へのガスの流れが止められ、排出通路Ｌ１のみへの流れとされる。また、供給通路Ｌ７からの改質熱交換器２を通しての発電室１への水素ガスの供給が断たれ、供給通路Ｌ５からの改質熱交換器２への燃料の供給が開始される。

改質熱交換器２は、供給通路Ｌ５からの燃料の供給が開始されると、その燃料に蒸発器２−１からの蒸気を含ませ、燃料予熱器２−２を介して改質器２−３に導き、水素リッチな燃料ガスに改質し、発電室１に供給する。これにより、発電室１での燃料ガスを用いての発電が開始されると共に、発電室１から排出される燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼室４内で混合して燃焼させられ、この燃焼室４からの燃焼ガスが空気分配器５を通り、排出通路Ｌ１を通って排出口Ｐ２へ至り、排ガスとして排出される。

この場合、排出通路Ｌ２へのガスの流れが止められ、排出通路Ｌ１のみへの流れとされているので、燃焼室４からの燃焼ガスの全量が排出通路Ｌ１を流れるものとなり、完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスおよび還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスが遮断された後も、改質熱交換器２での燃料ガスの改質が継続して行われる。改質熱交換器２での燃料ガスの改質の開始時には、吸熱反応のためにより多くの熱量が必要であり、この熱量が燃焼室４からの燃焼ガスの全量で確保される。

なお、この場合、排出通路Ｌ２へのガスの流れが止められることから、空気予熱器６での酸化剤ガスの予熱は行われず、発電室１への酸化剤ガスは冷却剤としての役割も果たすことになる。これにより、発電室温度Ｔ１や改質器温度Ｔ２の温度上昇が抑えられ、発電室温度Ｔ１や改質器温度Ｔ２が過剰な温度となることが避けられる。

〔定常モード〕
コントローラ１１は、発電室温度Ｔ１が９５０℃に達すると（図２（ｏ）に示すｔ５点）、この時点を定常モードの開始時（起動モードの終了時）として、発電室温度Ｔ１を９５０℃（定常温度）に保つように、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開度制御を開始する。

すなわち、図７に示すように、バルブＶ１の開度θ１，バルブＶ２の開度θ２，バルブＶ３の開度θ３を制御することによって、改質熱交換器２および空気予熱器６へ供給する燃焼室４からの燃焼ガスの熱量を制御する。

これにより、電気ヒータのオン／オフではなく、燃焼室４からの燃焼ガスの熱量（排熱）を利用して、定常モードでの発電室温度Ｔ１の調整が行われるものとなり、定常モードでの使用電力量が減り、省エネルギーが図られるものなる。

また、排出通路Ｌ１からは改質熱交換２での熱交換後の燃焼ガスが排出され、排出通路Ｌ２からは空気予熱器６での熱交換後の燃焼ガスが排出されるので、排出通路Ｌ３からの燃焼ガスの温度が高くても、後段の排熱利用機器に高温度の燃焼ガスが直接送られることがなく、排熱利用機器の部材を劣化させないようにすることが可能である。

〔停止モード〕
コントローラ１１は、運転の終了が指示されると、この時点を定常モードの終了時（停止モードの開始時）とし、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５をオフ（全閉）とし、バルブＶ３，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１１をオン（全開）、還元燃焼バーナＢ２をオンする（図２に示すｔ６点）。

これにより、図８に示すように、燃焼室４からの排出通路Ｌ１およびＬ２へのガスの流れが止められ、排出通路Ｌ１とＬ２をバイパスする排出通路Ｌ３のみを通して、燃焼室４からの燃焼ガスが排出されるものとなる。この場合、空気予熱器６では酸化剤ガスの予熱が行われないので、予熱されていない酸化剤ガスが発電室１（ＳＯＦＣの燃料極側）に供給されるものとなる。

また、還元燃焼バーナＢ２が還元ガスを生成し、その還元ガスを発電室１へ送ろうとする。しかし、この場合、バルブＶ９，Ｖ１０はまだオンとされていなので、発電室１への還元ガスの供給は行われない。この場合、バルブＶ８がオンとされているので、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスは排出通路Ｌ８を通って燃料ガス排出部ＥＸに導かれ、排出口Ｐ２から排出される。還元燃焼バーナＢ２の燃焼開始時には、煤などが出る虞れがあるので、しばらくの間、発電室１へは送らずに排出口Ｐ２から排出する。

還元ガス温度Ｔ３が６００℃となると（図２（ｑ）に示すｔ７点）、コントローラ１１は、バルブＶ８をオフ（全閉）とし、バルブＶ１０，Ｖ１２をオン（全開）とする。これにより、図９に示すように、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの燃焼ガス排出部ＥＸを通しての排出が止められ、供給通路Ｌ１０を通って発電室１（ＳＯＦＣの燃料極側）に供給されるものとなる。この際、冷却熱交換器１０は、供給通路Ｌ１０を通る還元ガスを冷却する。これにより、発電室１には、高温の還元ガスではなく、冷却熱交換器１０によって冷却された還元ガスが供給されるものとなる。以降、コントローラ１１は、還元ガス温度Ｔ３が６００℃を保つように、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスの熱量を調整する。

発電室１内の温度（発電室温度Ｔ１）は、空気予熱器６からの予熱されていない酸化剤ガスの供給を受けて、また還元燃焼バーナＢ２からの冷却熱交換器１０によって冷却された還元ガスの供給を受けて、ＳＯＦＣの燃料極側と空気極側との温度差を小さく保ちながら、降下し始める。この場合、空気予熱器６からの予熱されていない酸化剤ガスおよび還元燃焼バーナＢ２からの冷却熱交換器１０を通しての還元ガスは冷却剤として作用するので、発電室温度Ｔ１の降下が速められる。

また、バルブＶ５のオフにより、改質熱交換器２への燃料の供給が遮断され、バルブＶ７のオンにより、改質熱交換器２を通しての発電室１への水素ガスの供給が開始される。これにより、発電室１での燃料ガスを用いての発電が停止され、水素ガスを用いての発電に切り替わる。そして、発電室温度Ｔ１が１５０℃に達した時点で（図２（ｏ）に示すｔ８点）、コントローラ１１は、バルブＶ３，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０，Ｖ１１，Ｖ１２をオフとし、還元燃焼バーナＢ２をオフとする。これにより、本実施の形態の燃料電池システムは、図１に示された運転開始前の状態に戻される。

なお、上述した実施の形態では、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１に完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスを加えるようにしたが、燃焼室４に加えるようにしてもよい。排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１に完全燃焼ガスを加えるようにした場合、燃焼室４からの空気分配器５を介するガスの一部だけが暖められて温度が均一にならないような場合がある。これに対し、燃焼室４に完全燃焼ガスを加えるようにすると、燃焼室４からのガスを均一に暖めて、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１に排出することが可能となる。また、空気分配器５で空気予熱器６からの酸化剤ガスをさらに予熱し、発電室温度Ｔ１の昇温を速めることが可能となる。

また、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１と空気分配器５との間に緩衝となる空間（バッファ）を設け、このバッファに完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスを加えるようにしてもよい。このようなバッファを設けると、気流の安定あるいは均熱化のための攪拌効果を持たせることが可能となる。例えば、バッファを整流作用のある空間としたり、攪拌のためのミキサー部材や均熱化のために熱伝導率の大きい部材をバッファの内部に配置するなどの構成が考えられる。

また、上述した実施の形態では、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２をバイパスする第３の排出通路を設けたが、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２のみの構成としてもよい。排出通路Ｌ１とＬ２をバイパスする排出通路Ｌ３を設けるようにした場合、排出通路Ｌ３に設けられたバルブＶ３の開度制御により、改質熱交換器２や空気予熱器６に供給される燃焼ガスの熱量を制御できるため、制御性がよくなる。

また、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３には、必ずしもその全てにバルブを設けなくてもよい。例えば、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２のみの構成とし、第１の排出通路Ｌ１にのみバルブＶ１を設けたり、第２の排出通路Ｌ２にのみにバルブＶ２を設けたりしてもよい。この場合、一方の排出通路を通過するバルブの開度（燃焼ガスの熱量）を調節することにより、相関を利用して、他方の排出通路を通過する燃焼ガスの熱量を調節することが可能である。

また、上述した実施の形態では、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側を合流させるようにしたが、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側を合流せずにそれぞれの排出通路から排ガスを引き出し、排出通路毎に設けられた排熱利用機器に導くようにしてもよい。また、排出通路Ｌ１，Ｌ２のみを合流させて、その合流点から排出される排ガスを後段に配置される排熱利用機器に導くようにしてもよい。また、排熱利用機器に入る排ガスの種類を変更する機構を作れば、必要に応じて、排出通路Ｌ３からの非常に高温のガスを排熱利用機器に供給したり、排出通路Ｌ１，Ｌ２からの比較的低温のガスを排熱利用機器に供給するなど自由度が生まれる。

なお、上述した実施の形態では、還元燃焼バーナＢ２からの還元ガスを燃料ガス排出部ＥＸに導く還元ガスの排出通路Ｌ８として説明をしてきたが、還元ガスの排出は燃料ガス排出部ＥＸに限らずに、任意の排気ガス出口に接続して、また適宜有毒成分を除去して排出するなどの変形はありうるものである。

また、上述した実施の形態では、起動モードでのみ完全燃焼バーナＢ１を使用するようにしたが、定常モードでも完全燃焼バーナＢ１を使用してもよい。例えば、全体的に熱量が足りないような場合、完全燃焼バーナＢ１を使用することによって、全熱量が不足する事態が避けられる。この場合、完全燃焼バーナＢ１の使用による余剰な熱量は、排出通路Ｌ３を介して廃棄することが可能である。完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスの熱量を調整できるようにすれば、熱を必要なときに必要な分だけ供給可能であり、省エネルギー効果も期待できる。また、完全燃焼バーナＢ１を使用する場合、改質熱交換器２や空気予熱器６に供給する高温ガスの流量を増加させることが可能であり、適温で完全燃焼バーナＢ１から熱を供給することにより熱交換効率を高めることができる。

また、完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスを排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１ではなく、排出通路Ｌ２に直接加えるようにしてもよい。このようにすると、完全燃焼バーナＢ１からの完全燃焼ガスの熱量を調整することによって、すなわち完全燃焼バーナＢ１の能力を調整することによって、酸化剤ガスが導かれる発電室１内のＳＯＦＣの空気極の温度を調節することが可能となる。

また、上述した実施の形態では、発電室１内の燃料電池をＳＯＦＣとしたが、溶融炭酸塩型燃料電池などの高温型の燃料電を用いてもよい。また、上述した実施の形態では、加熱ガス供給手段として完全燃焼バーナを用いたが、完全燃焼バーナの代わりに電気ヒータを設け、電気ヒータによって加熱されたガスを流入口Ｐ１に加えるようにしてもよい。

また、冷却熱交換器１０の熱水の排出通路Ｌ１３へ排熱利用システムを接続してもよい。熱水のもつ熱量を空調などに利用し、得られた冷水を供給通路Ｌ１２を通して供給することにより、排熱の熱量を利用し、かつ冷水を供給するための新たなエネルギーを必要としないシステムを構成することができる。

また、起動モード、停止モードで、バルブＶ８，Ｖ９およびＶ１０の開度を調整することにより、排出通路Ｌ８または供給通路Ｌ９を通過する高温の還元ガスとＬ１０を通過する低温の還元ガスの流量バランスを調節することができる。このようにすると燃料極へ供給される還元ガスのもつ熱量を調節することができ、空気極の温度とは独立に燃料極の温度を調節することができる。これによって起動モード、停止モードにおける空気極温度と燃料極温度の温度差を小さくするための調節が可能である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略を示すシステム構成図である。 この燃料電池システムにおけるコントローラが実行する制御動作を説明するためのタイムチャートである。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ１時点（起動モードの開始時）の制御動作を説明する図である。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ２時点の制御動作を説明する図である。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ３時点の制御動作を説明する図である。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ４時点の制御動作を説明する図である。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ５時点（定常モードの開始時（起動モードの終了時））の制御動作を説明する図である。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ６時点（定常モードの終了時（停止モードの開始時））の制御動作を説明する図である。 図２に示したタイムチャートにおけるｔ７時点の制御動作を説明する図である。 従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムの概略を示す図である。

符号の説明

１…発電室、２…改質熱交換器、２−１…蒸発器、２−２…燃料予熱器、２−３…改質器、４…燃焼室、５…空気分配器、６…空気予熱器、７，８，９…温度センサ、１０…冷却熱交換器、１１…コントローラ、Ｖ１〜Ｖ１２…バルブ、Ｂ１…完全燃焼バーナ、Ｂ２…還元燃焼バーナ、Ｌ１…第１の排出通路、Ｌ２…第２の排出通路、Ｌ３…第３の排出通路、Ｌ４，Ｌ５，Ｌ１１…燃料の供給通路、Ｌ６…酸化剤ガスの供給通路、Ｌ７…水素ガスの供給通路、Ｌ８…還元ガスの排出通路、Ｌ９，Ｌ１０…還元ガスの供給通路、Ｌ１２…冷水の供給通路、Ｌ１３…熱水の排出通路、Ｐ１…流入口（燃焼ガスの流入口）、Ｐ２…排出口（燃焼ガスの排出口）、ＥＸ…燃焼ガス排出部。

Claims (6)

1. 燃料極に燃料ガスが供給され空気極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、
   高温の還元ガスを発生する還元ガス発生部と、
   前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料電池の燃料極側に直接導く第１の通路と、
   前記還元ガス発生部からの還元ガスを冷却部を通して前記燃料電池の燃料極側に導く第２の通路と、
   前記還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、前記第１および第２の通路の何れか一方を選択し、選択した通路へ前記還元ガス発生部からの還元ガスを導く制御部と
   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に記載された燃料電池システムにおいて、
   前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料改質部からの前記燃焼ガスの排出部へ導く第３の通路とを備え、
   前記制御部は、前記還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、前記第１、第２および第３の通路の何れか１つを選択し、選択した通路へ前記還元ガス発生部からの還元ガスを導く
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載された燃料電池システムにおいて、
   前記燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
   前記燃焼部からの前記酸化剤ガス予熱部への燃焼ガスの供給路に加熱されたガスを加える加熱ガス供給手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料極に燃料ガスが供給され空気極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、高温の還元ガスを発生する還元ガス発生部と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料電池の燃料極側に直接導く第１の通路と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを冷却部を通して前記燃料電池の燃料極側に導く第２の通路とを備えた燃料電池システムに適用される燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、前記第１の通路を選択して、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料電池の燃料極側に直接送り、当該燃料極の昇温を開始させるステップと、
   前記燃料電池システムの停止時に、前記還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、前記第２の通路を選択して、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記冷却部を通して前記燃料電池の燃料極側に送り、当該燃料極の冷却を開始させるステップと
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
5. 燃料極に燃料ガスが供給され空気極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、高温の還元ガスを発生する還元ガス発生部と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料電池の燃料極側に直接導く第１の通路と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを冷却部を通して前記燃料電池の燃料極側に導く第２の通路と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料改質部からの前記燃焼ガスの排出部へ導く第３の通路とを備えた燃料電池システムに適用される燃料電池システムの運転方法であって、
   前記還元ガス発生部での還元ガスの発生を開始させると共に、この還元ガスの発生開始直後の所定の期間、前記第３の通路を選択して、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃焼ガス排出部に導くステップ
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
6. 燃料極に燃料ガスが供給され空気極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、高温の還元ガスを発生する還元ガス発生部と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを前記燃料電池の燃料極側に直接導く第１の通路と、前記還元ガス発生部からの還元ガスを冷却部を通して前記燃料電池の燃料極側に導く第２の通路と、前記燃焼部で発生する燃焼ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、前記燃焼部からの前記酸化剤ガス予熱部への燃焼ガスの供給路に加熱されたガスを加える加熱ガス供給手段とを備えた燃料電池システムに適用される燃料電池システムの運転方法であって、
   前記加熱ガス供給手段からの加熱されたガスの熱量を調整することによって前記酸化剤ガスが導かれる前記燃料電池の空気極の温度を調節するステップ
   を備え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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