JP2008258065A - 固体酸化物型燃料電池モジュールおよびその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物型燃料電池モジュールに内蔵した起動用バーナを安定した燃焼状態に保ち、かつ発熱量を制御することによって、短時間起動を可能とする固体酸化物型燃料電池モジュールおよびその起動方法を提供する。
【解決手段】短時間起動を可能とする本発明の固体酸化物型燃料電池モジュールは、燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵し、前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給する装置に加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を供給する装置を具備しており、起動加熱において前記第３の流体を所定の流量で供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池モジュールおよびその起動方法に関し、特に、固体酸化物型燃料電池モジュールの短時間起動を可能とする固体酸化物型燃料電池モジュールの構造およびその起動方法に関する。

燃料電池は、化学変化を直接に電気エネルギーに変えることができることから高効率であり、また、窒素や硫黄などを含む燃料を燃焼しないので、大気汚染物質（NO_X、SO_X等）の排出量が少なく地球環境に優しいという特長を有する。この燃料電池には電解質の種類などによって幾つかの種類があるが、中でも固体酸化物型燃料電池（SOFC）は最も効率が高い燃料電池として期待されている。

固体酸化物型燃料電池（SOFC）は、酸素イオン導電性を有するイットリア安定化ジルコニア等の固体酸化物を電解質とし、約800〜1000℃程度の温度で動作する。動作温度が高いことから、起動時には発電可能な温度までモジュールを加熱・昇温する必要がある。従来のSOFCにおいては、燃料電池モジュールの周囲に電気ヒータ等を設置して加熱が行われていたため、起動するための余分な設備や多大な時間を要するという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献１（特開2001−155754号公報）では、燃料電池モジュールのアノード側およびカソード側の両方にバーナを内蔵し、バーナの燃焼およびその燃焼ガスで直接モジュールを加熱、昇温する固体電解質燃料電池が提案されている。これにより、燃料電池モジュールを電池内部のアノード側とカソード側から同時に加熱でき、燃料電池が短時間で起動可能としている。

また、特許文献２（特開2002−280053号公報）では、固体酸化物形燃料電池モジュールの発電反応室内に表面燃焼バーナを内蔵し、赤熱したバーナからの輻射熱により燃料電池セルのアノード側を広い面積で加熱して、運転中の内部温度勾配の発生を解消する固体酸化物形燃料電池が提案されている。さらに、この表面燃焼バーナによる加熱を起動時にも活用することにより、従来起動時のみに必要だった設備を不要にすることができるとしている。

特開２００１−１５５７５４号公報 特開２００２−２８００５３号公報

しかしながら、従来のバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールには、以下のような問題があった。

例えば、燃料電池モジュールのアノード側とカソード側にバーナを内蔵し、バーナの燃焼およびその燃焼ガスで直接モジュールを加熱、昇温する固体電解質燃料電池においては、バーナ燃焼加熱の性質上、局所加熱になりやすく、広範囲を一様に加熱することが難しいという問題がある。また、基本的に、バーナ加熱は、発熱量が混合気流量に依存するため、発熱量の微妙な制御が難しいという問題がある。

また、燃料電池モジュールの発電反応室内に表面燃焼バーナを内蔵し、赤熱したバーナからの輻射熱により燃料電池セルのアノード側を加熱する固体酸化物形燃料電池においては、表面燃焼バーナからの輻射加熱であるため広範囲を一様に加熱できる利点がある一方、上述同様、発熱量が混合気流量に依存するため、安定した表面燃焼の維持と発熱量の制御を両立させるのが難しいという問題がある。

従って、本発明の目的は、固体酸化物型燃料電池モジュールに内蔵した起動用バーナを安定した燃焼状態に保ち、かつ発熱量を制御することによって、短時間起動を可能とする固体酸化物型燃料電池モジュールおよびその起動方法を提供することにある。

本発明者らは、固体酸化物型燃料電池モジュールという閉じられた空間に内蔵した表面燃焼バーナの燃焼状態を詳細に検討したところ、バーナに供給する混合気に所定流量の第３の流体を混入させることで、従来困難であった安定した表面燃焼の維持と発熱量の制御の両立が可能であることを見出したことに基づき、本発明を完成した。

本発明は、上記目的を達成するため、燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法であって、
前記アノードバーナおよび前記カソードバーナでの燃焼において、前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給するのに加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を所定の流量で供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
前記第３の流体として不活性ガスを用い、第１の流体に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
前記第３の流体としてミストを用い、第１の流体の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下の流量で供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
前記アノードバーナの燃焼ガス組成が還元雰囲気であり、かつ前記カソードバーナの燃焼ガス組成が酸化雰囲気であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
前記アノードバーナに供給する混合気の等量比が1.0〜1.2であり、かつ前記カソードバーナに供給する混合気の等量比が0.4〜0.7であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールであって、
前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給する装置に加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を供給する装置を具備することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
前記第３の流体が不活性ガスであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
前記不活性ガスが前記第１の流体に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給される機構を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
前記第３の流体がミストであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールを提供し、さらに、前記ミストを発生させる手段としてのスプレイ装置または超音波振動装置を具備することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
前記ミストが前記第１の流体の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下の流量で供給される機構を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールを提供する。

本発明によれば、固体酸化物型燃料電池モジュールに内蔵した表面燃焼バーナを安定した燃焼状態に保ち、かつ発熱量を制御することが可能となり、その結果、短時間起動を可能とする固体酸化物型燃料電池モジュールおよびその起動方法を提供することができる。

以下に、図を参照しながら、本発明に係る実施の形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施の形態に限定されることはない。

〔本発明の第１の実施の形態〕
本実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法は、前記固体酸化物型燃料電池モジュールが起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵しており、前記アノードバーナおよび前記カソードバーナでの燃焼において、前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給するのに加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を所定の流量で供給する。このとき、前記第３の流体として不活性ガス（例えば、窒素）を用い、第１の流体に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給することを特徴とする。

（固体酸化物型燃料電池モジュールの構造）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの構造の１例を示す断面模式図である。SOFCモジュール100は、セル容器１、カソード容器２およびアノード容器３で外殻を構成し、その外側が断熱材４で断熱・保温されている。

セル容器１とカソード容器２の間にはカソード室５があり、セル容器１とアノード容器３の間にはアノード室６がある。カソード室５とアノード室６には、それぞれ発電のための酸化剤（例えば、空気）を供給する発電用空気配管７と、燃料（例えば、メタンガスや水素ガス）を供給する発電用燃料配管８が接続されている。また、発電用空気配管７と発電用燃料配管８には、それぞれ流量制御が可能なバルブ（図示せず）が具備されている。

セル容器１の内部には、SOFC単セル10が複数本収納され、各単セル10は耐熱性の電気良導体９で電気的に接続されている。SOFCモジュール100の両端には、モジュールで発生した電流を取り出すためのカソード電極12とアノード電極14が設けられ、それぞれカソード集電極11およびアノード集電極13を介して、単セル10と接続されている。また、セル容器１の内部には、運転温度モニタ用の温度センサ（図示せず）が設置されている。

カソード容器２には、燃料電池モジュール起動用のカソードバーナ20が内蔵され、アノード容器３には、起動用のアノードバーナ26が内蔵されている。カソードバーナ20は、バーナ配管室15、混合室16およびバーナ材17から構成されており、アノードバーナ26は、バーナ配管室21、混合室22およびバーナ材23から構成されている。また、カソードバーナ材17の表裏に、燃焼状態モニタ用の表面温度センサ18と裏面温度センサ19を設置することが望ましい。また、アノードバーナ材23の表裏に、燃焼状態モニタ用の表面温度センサ24と裏面温度センサ25を設置することが望ましい。なお、カソードバーナ20およびアノードバーナ26の形態に特段の限定はないが、広範囲を一様に加熱できる利点から表面燃焼バーナであることが望ましい。また、カソードバーナ材17およびアノードバーナ材23としては、耐熱性金属繊維（例えば、FeCrAlY合金）の積層体や多孔質セラミックス（例えば、気孔率：70〜80％）等が好適に用いられる。

また、カソードバーナ20には、燃料（第１の流体、例えば、メタンガス）を供給する燃料配管27と、酸化剤（第２の流体、例えば、空気）を供給する空気配管28が接続されている。一方、アノードバーナ26には、燃料（第１の流体、例えば、メタンガス）を供給する燃料配管29と、酸化剤（第２の流体、例えば、空気）を供給する空気配管30が接続されているのに加えて、バーナの燃焼に対して不活性である窒素ガス（第３の流体）を供給する窒素配管31が空気配管30に接続されている。なお、各配管27〜31には、それぞれに流量制御を可能にするバルブ（図示せず）が具備されている。また、窒素配管31の接続は、空気配管30に限定されるものでなく、燃料配管29やバーナ配管室21であってもよい。

（起動用バーナの安定燃焼条件）
次に、図１に示した固体酸化物形燃料電池モジュール100を用いて、起動用バーナが安定して燃焼するための条件について例を挙げて説明する。

室温状態の固体酸化物形燃料電池モジュール100に対し、起動用バーナ22，26に点火して、SOFC運転温度（900〜1000℃）まで昇温する燃焼試験を行った。燃料電池モジュール100の温度は、セル容器１の内部に設置した運転温度モニタ用の温度センサで検知した。

燃料電池モジュールに内蔵した起動用のカソードバーナ20に、燃料配管27、空気配管28からそれぞれ燃料、空気を供給し点火した。同様に、アノードバーナ26にも、燃料配管29、空気配管30からそれぞれ燃料、空気を供給し点火した。バーナ燃料には、共にメタンガスを用いた。また、カソードバーナ20に供給する混合気の等量比が0.4〜0.7となり、アノードバーナ26に供給する混合気の等量比が1.0〜1.2となるように、空気の流量をそれぞれ調整した。なお、混合気とは「燃料ガスと空気が混ざり合ったもの」を意味し、等量比は「燃料ガスの流量を空気の流量で除したもの」と定義する。

ここで、SOFC単セル10のアノードは、空気などの酸化性ガスが触れると酸化されて電極活性を失うため、起動時には還元性ガスを供給しながら還元性雰囲気を維持しつつ昇温を行う必要がある。アノードバーナ26に供給する混合気の等量比を1.0〜1.2とするのは、燃焼ガスを還元性ガスにするためである。一方、SOFC単セル10のカソードに対しては、酸化性雰囲気が維持されることが望ましいことから、カソードバーナ20に供給する混合気の等量比を0.4〜0.7とし、燃焼ガスを酸化性ガスとした。

また、起動用バーナが安定して燃焼しているか否かは、各バーナ材17，23にそれぞれ設置した表面温度センサ18，24と裏面温度センサ19，25による温度の差異や変化から判定した。具体的には、正常な（安定した）表面燃焼状態ではバーナ材表面で燃焼が行なわれるため、バーナ材裏面の温度に比してバーナ材表面の温度の方が高くなる（「バーナ材表面温度」＞「バーナ材裏面温度」）。これに対し、非正常な状態としては、バーナ材裏面の温度がバーナ材表面の温度以上（「バーナ材表面温度」≦「バーナ材裏面温度」）となる異常燃焼（例えば、逆火）や、バーナ材の表裏面の温度が低下する燃焼異常（例えば、失火）が考えられる。

はじめに、起動用バーナ22，26に供給する燃料ガス（メタンガス）の流量条件を４NL/minとしたところ、当初は起動用バーナの安定した燃焼状態と燃料電池モジュールの安定した温度上昇を示していた。ところが、アノードバーナ材23の裏面温度センサ25が約350℃を超えたあたりから、安定した表面燃焼を維持することが困難になり、「バーナ材23の表面温度」≦「バーナ材23の裏面温度」となった。これは、「バーナ材23の表面燃焼」から「混合室22への逆火」へ遷移したものと考えられた。

「バーナ材23の表面燃焼」から「混合室22への逆火」へ遷移した理由の一つとしては、SOFCモジュールという閉じられた空間に内蔵したバーナの燃焼において、SOFCモジュールの温度の上昇（バーナ環境の温度上昇）に伴って混合気の燃焼速度が増大し、バーナ材を通過する混合気の流速とのバランスが崩れたためと考えられた。

そこで、窒素配管31から窒素ガス（第３の流体）を６〜24NL/minの流量条件で供給としたところ、「バーナ材23の表面温度」＞「バーナ材23の裏面温度」となり、安定した表面燃焼を維持できることが判った。また、アノードバーナ材23の裏面温度は、250〜300℃でほぼ一定となった。ここで、燃料ガス（メタンガス）の流量条件が４NL/minの場合において、窒素ガス（第３の流体）の流量条件が６NL/min未満では、逆火と考えられる異常燃焼を抑制できなかった。また、窒素ガス（第３の流体）の流量条件が25NL/min以上では、アノードバーナ材23の表裏面の温度が低下しはじめ、部分的な失火と考えられる燃焼異常が発生した。

一方、燃料ガス（メタンガス）の流量条件が終始４NL/minであると、単位時間当たりに発生する熱量が不足し、SOFCモジュールを運転温度（900〜1000℃）まで昇温することが困難である。したがって、SOFCモジュールの温度上昇に伴って燃料ガス（メタンガス）の流量を増加させる必要がある。なお、室温付近からの起動においては、はじめから燃料ガスの流量（単位時間当たりに発生する熱量）を高めると、SOFCモジュールに大きな熱衝撃を与え、SOFCモジュールが損傷する可能性が高まることから、昇温開始時における燃料ガスの流量条件は、低めに設定することが好ましい（例えば、最大流量条件の1/3程度）。

SOFCモジュールの温度上昇に伴ってメタンガス（燃料ガス、第１の流体）の流量を増大させたところ、安定した表面燃焼を維持するために必要な窒素ガス（第３の流体）の流量も増大した。具体的には、メタンガスの流量条件が６NL/minの場合、10NL/minの場合、および12NL/minの場合で、安定した表面燃焼を維持するために必要な窒素ガスの流量条件は、それぞれ9〜39NL/min、15〜50NL/min、および18〜60NL/minであった。

また、アノードバーナ26が安定した表面燃焼を維持している状態において、アノードバーナの燃焼ガスを分析したところ、還元性ガスであることが確認された。

SOFCモジュール100が運転可能な温度（900〜1000℃）まで昇温した後、発電用空気配管７から空気、発電用燃料配管８から燃料をそれぞれ供給することによって、発電を行うことができる。SOFCモジュール100での発電が開始された後は、アノードバーナ26とカソードバーナ20の燃焼を停止させればよい。

以上の燃焼試験から、起動用バーナの安定した表面燃焼を維持するためには、第３の流体として燃焼に対する不活性ガス（例えば、窒素）を用い、燃料ガス（第１の流体）に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給することが好ましいことが判った。より好ましくは1.5倍以上4.5倍以下であり、更に好ましくは２倍以上４倍以下である。

なお、第３の流体は、起動用バーナでの燃焼に対して不活性なガスであればよく、上述した窒素のほか、アルゴンやヘリウムなどの他の不活性ガスを用いてもよい。また、燃焼に対する不活性ガスを第３の流体として供給することから、混合気における等量比に影響を与えず、その結果、アノードバーナの燃焼ガスとカソードバーナの燃焼ガスをそれぞれ望ましい還元性ガスおよび酸化性ガスに維持することができる。さらに、燃焼に対する不活性ガスを第３の流体として供給することから、バーナの発熱量とバーナ材を通過する混合気の流速を独立して制御することができる。

〔本発明の第２の実施の形態〕
本実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法は、前記固体酸化物型燃料電池モジュールが起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵しており、前記アノードバーナおよび前記カソードバーナでの燃焼において、前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給するのに加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を所定の流量で供給する。このとき、前記第３の流体としてミスト（例えば、純水のミスト）を用い、第１の流体の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下の流量で供給することを特徴とする。

（固体酸化物型燃料電池モジュールの構造）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの構造の１例を示す断面模式図である。なお、前記第１の実施の形態に係るSOFCモジュールと同様の構造を有する部分は、図１と同じ記号を用い、詳細な説明を省略する。

SOFCモジュール200のアノードバーナ26には、燃料（第１の流体、例えば、メタンガス）を供給する燃料配管29と、酸化剤（第２の流体、例えば、空気）を供給する空気配管30が接続されているのに加えて、バーナの燃焼に対して不活性であるミスト（第３の流体）を供給するための給水管41がミスト発生器42を介して空気配管30に接続されている。ミスト発生器42としては、結果として混合気にミストを供給できれば特段の限定はないが、スプレイ装置や超音波振動装置などが好適に利用できる。なお、給水管41には、流量制御を可能にするバルブ（図示せず）が具備されている。また、給水管41およびミスト発生器42の接続は、空気配管30に限定されるものでなく、燃料配管29であってもよい。

また、第３の流体となるミストは、起動用バーナでの燃焼に対して不活性な液体を供給すればよく、例えば純水が好適に利用できる。SOFCの発電（定常運転）では、しばしば燃料に水分が添加されることから、起動用バーナに供給する燃料または空気に水分であるミストを混合しても特に問題は無い。

（起動用バーナの安定燃焼条件）
次に、図２に示したSOFCモジュール200を用いて、起動用バーナが安定して燃焼するための条件について例を挙げて説明する。前述した第１の実施の形態の場合と同様に、室温状態のSOFCモジュール200に対し、起動用バーナ22，26に点火して、SOFC運転温度（900〜1000℃）まで昇温する燃焼試験を行った。

起動用バーナ22，26に供給する燃料ガス（メタンガス）の流量条件を４NL/minとし昇温を開始したところ、アノードバーナ材23の裏面温度センサ25が約350℃を超えたあたりから「バーナ材23の表面温度」≦「バーナ材23の裏面温度」となり、「混合室22への逆火」と考えられる異常燃焼が発生した。

そこで、給水管41からミスト発生器42に純水を供給し、発生したミスト（第３の流体）を空気（第２の流体）に混合させたところ、「バーナ材23の表面温度」＞「バーナ材23の裏面温度」となり、安定した表面燃焼を維持できることが判った。これは、混合させたミストが混合室22で気化して、燃焼に対して不活性な水蒸気として機能したためと考えられる。このときのミストの流量条件は、メタンガス（第１の流体）の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下であった。また、アノードバーナ材23の裏面温度は、250〜300℃でほぼ一定となった。メタンガスの流量１NL/minに対して、ミストの流量条件が0.68 g/min未満では、逆火と考えられる異常燃焼を抑制できなかった。また、ミストの流量条件が2.3 g/minより大きい場合では、アノードバーナ材23の表裏面の温度が低下しはじめ、部分的な失火と考えられる燃焼異常が発生した。

次に、SOFCモジュール200の温度上昇に伴ってメタンガスの流量を増大させたところ、安定した表面燃焼を維持するために必要なミストの流量条件は、同様にメタンガスの流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下であった。また、アノードバーナ26が安定した表面燃焼を維持している状態において、アノードバーナの燃焼ガスを分析したところ、還元性ガスであることを確認した。

SOFCモジュール200が運転可能な温度（900〜1000℃）まで昇温した後、発電用空気配管７から空気、発電用燃料配管８から燃料をそれぞれ供給することによって、発電を行うことができる。SOFCモジュール200での発電が開始された後は、アノードバーナ26とカソードバーナ20の燃焼を停止させればよい。

以上の燃焼試験から、起動用バーナの安定した表面燃焼を維持するためには、第３の流体としてミストを用い、燃料ガス（第１の流体）の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下の流量で供給することが好ましいことが判った。より好ましくは0.68 g/min以上2.0 g/min以下であり、更に好ましくは0.90 g/min以上1.8 g/min以下である。

〔本発明の第３の実施の形態〕
（固体酸化物型燃料電池モジュールの構造）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの構造の１例を示す断面模式図である。なお、前記第１の実施の形態に係るSOFCモジュールと同様の構造を有する部分は、図１と同じ記号を用い、詳細な説明を省略する。

SOFCモジュール300のカソードバーナ20には、燃料（第１の流体、例えば、メタンガス）を供給する燃料配管27と、酸化剤（第２の流体、例えば、空気）を供給する空気配管28が接続されているのに加えて、バーナの燃焼に対して不活性である窒素ガス（第３の流体）を供給する窒素配管51が空気配管28に接続されている。なお、窒素配管51には、流量制御を可能にするバルブ（図示せず）が具備されている。また、窒素配管51の接続は、空気配管28に限定されるものでなく、燃料配管27やバーナ配管室15であってもよい。

（起動用バーナの安定燃焼条件）
次に、図３に示したSOFCモジュール300を用いて、起動用バーナが安定して燃焼するための条件について例を挙げて説明する。前述した第１の実施の形態の場合と同様に、室温状態のSOFCモジュール300に対し、起動用バーナ22，26に点火して、SOFC運転温度（900〜1000℃）まで昇温する燃焼試験を行った。

起動用バーナ22，26に供給する燃料ガス（メタンガス）の流量条件を４NL/minとし昇温を開始したところ、カソードバーナ材17の表裏面の温度が「バーナ材17の表面温度」≦「バーナ材17の裏面温度」となり、「混合室16への逆火」と考えられる異常燃焼が発生した。カソードバーナ20で異常燃焼が発生した要因は定かではないが、SOFCモジュール300のカソードバーナ20近傍の断熱性が、SOFCモジュール100，200のそれよりも高かったために、カソードバーナ20での燃焼速度が供給された混合気の流速よりも高くなったためと考えられた。

そこで、前述した第１の実施の形態の場合と同様の流量条件で、窒素配管51から窒素ガス（第３の流体）を供給としたところ、「バーナ材17の表面温度」＞「バーナ材17の裏面温度」となり、安定した表面燃焼を維持できることが判った。また、SOFCモジュール300の温度上昇に伴ってメタンガスの流量を増大させたところ、安定した表面燃焼を維持するために必要なミストの流量条件は、同様にメタンガスの流量に対して1.5倍以上５倍以下であった。また、カソードバーナ20が安定した表面燃焼を維持している状態において、カソードバーナの燃焼ガスを分析したところ、酸化性ガスであることを確認した。

SOFCモジュール300が運転可能な温度（900〜1000℃）まで昇温した後、発電用空気配管７から空気、発電用燃料配管８から燃料をそれぞれ供給することによって、発電を行うことができる。SOFCモジュール300での発電が開始された後は、カソードバーナ20とアノードバーナ26の燃焼を停止させればよい。

以上の燃焼試験から、起動用バーナの安定した表面燃焼を維持するためには、第３の流体として燃焼に対する不活性ガス（例えば、窒素）を用い、燃料ガス（第１の流体）に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給することが好ましいことが判った。より好ましくは1.5倍以上4.5倍以下であり、更に好ましくは２倍以上４倍以下である。

〔実施の形態の効果〕
上記の本発明の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）SOFC起動用のバーナに、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給するのに加えて、燃焼に対して不活性な第３の流体を所定の流量で供給することから、混合気における等量比に影響を与えず、その結果、アノードバーナの燃焼ガスとカソードバーナの燃焼ガスをそれぞれ望ましい還元性ガスおよび酸化性ガスに容易に維持することができる。
（２）SOFC起動用のバーナに、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給するのに加えて、燃焼に対して不活性な第３の流体を所定の流量で供給することから、バーナの発熱量（燃料の流量）と混合気の流速を独立して制御することができる。
（３）起動用バーナの発熱量（燃料の流量）とバーナ材を通過する混合気の流速を独立して制御できることから、バーナの安定した燃焼を維持しながら最適な加熱をすることができ、その結果、SOFCモジュールを従来よりも短時間で起動することができる。

以下に、本発明による効果を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜３および比較例１〜２）
起動試験用のSOFCモジュールとして、前述した実施の形態のSOFCモジュール100（図１参照），200（図２参照），300（図３参照）を用意した。各SOFCモジュールを用いて、室温から運転温度（900〜1000℃）まで昇温する起動試験を行い、起動に掛かる時間を計測した。なお、昇温試験は、昇温時の熱衝撃または過大な温度勾配によるSOFCモジュールの損傷を防止するため、セル容器１の内部に設置した複数の温度センサの温度差が約100℃以下となるように、起動用バーナ22，26に供給するメタンガス（第１の流体）の流量を制御して行った。

SOFCモジュール100を用い、前述した第１の実施の形態に沿って昇温した起動試験を実施例１とした。SOFCモジュール200を用い、前述した第２の実施の形態に沿って昇温した起動試験を実施例２とした。SOFCモジュール300を用い、前述した第３の実施の形態に沿って昇温した起動試験を実施例３とした。

一方、SOFCモジュール100を用い、第３の流体を供給しないで昇温した起動試験を比較例１とした。また、SOFCモジュール300を用い、第３の流体を供給しないで昇温した起動試験を比較例２とした。

起動試験の結果、実施例１〜３は、10〜12時間という短時間で運転温度（900〜1000℃）まで安定して昇温することができた。これは、本発明における「起動用バーナの発熱量と混合気の流速を独立して制御し、バーナの安定した燃焼を維持しながら最適な加熱ができる」ことによる効果と考えられる。これに対し、比較例１〜２では、35〜40時間という長時間を要した。起動用バーナに第３の流体を供給しないことから、バーナが逆火と考えられる異常燃焼が発生しやすく、一方、バーナ材を通過する混合気の流速を確保するために混合気流量を増大させると、過剰発熱のために過大な温度勾配を形成しやすかったことから、バーナ燃焼を間欠的に行う必要があった。このため、一定した加熱・昇温を行うことができず、長時間を要した。

本発明の第１の実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの構造の１例を示す断面模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの構造の１例を示す断面模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池モジュールの構造の１例を示す断面模式図である。

符号の説明

100，200，300…固体酸化物型燃料電池モジュール、
１…セル容器、２…カソード容器、３…アノード容器、４…断熱材、
５…カソード室、６…アノード室、７…発電用空気配管、８…発電用燃料配管、
９…電気良導体、10…単セル、
11…カソード集電極、12…カソード電極、13…アノード集電極、14…アノード電極、
15，21…バーナ配管室、16，22…混合室、17，23…バーナ材、
18，24…表面温度センサ、19，25…裏面温度センサ、
20…カソードバーナ、26…アノードバーナ、
27，29…燃料配管、28，30…空気配管、
31，51…窒素配管、41…給水管、42…ミスト発生器。

Claims (11)

1. 燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法であって、
   前記アノードバーナおよび前記カソードバーナでの燃焼において、前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給するのに加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を所定の流量で供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法。
2. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
   前記第３の流体として不活性ガスを用い、第１の流体に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法。
3. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
   前記第３の流体としてミストを用い、第１の流体の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下の流量で供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
   前記アノードバーナの燃焼ガス組成が還元雰囲気であり、かつ前記カソードバーナの燃焼ガス組成が酸化雰囲気であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法。
5. 請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法において、
   前記アノードバーナに供給する混合気の等量比が1.0〜1.2であり、かつ前記カソードバーナに供給する混合気の等量比が0.4〜0.7であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュールの起動方法。
6. 燃料電池モジュール起動用のアノードバーナおよびカソードバーナを内蔵した固体酸化物型燃料電池モジュールであって、
   前記アノードバーナまたは前記カソードバーナの少なくともどちらか一方に対し、燃料となる第１の流体および酸化剤となる第２の流体を供給する装置に加えて、前記第１および前記第２の流体と異なる第３の流体を供給する装置を具備することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュール。
7. 請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
   前記第３の流体が不活性ガスであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュール。
8. 請求項７に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
   前記不活性ガスが前記第１の流体に対して1.5倍以上５倍以下の流量比で供給される機構を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュール。
9. 請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
   前記第３の流体がミストであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュール。
10. 請求項９に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
    前記ミストを発生させる手段としてのスプレイ装置または超音波振動装置を具備することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュール。
11. 請求項９乃至請求項１０に記載の固体酸化物型燃料電池モジュールにおいて、
    前記ミストが前記第１の流体の流量１NL/minに対して0.68 g/min以上2.3 g/min以下の流量で供給される機構を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池モジュール。

Images