JP2009104846A

JP2009104846A - 燃料電池モジュール、それを備える燃料電池、及び燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JP2009104846A
Application number: JP2007274211A
Authority: JP
Inventors: Naoki Watanabe; 直樹渡邉; Akira Kawakami; 晃川上; Hiroshi Shigefuji; 博司重藤
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】急速起動を行うことが可能な燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】この燃料電池モジュールＦＣは、空気と燃料ガスにより作動し、その先端部分において空気と燃料ガスとが混合して燃焼する複数の燃料電池セル４を有する燃料電池セルスタック４００と、複数の燃料電池セル４それぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンク３と、ガスタンク３の下方に配置され、燃料ガスを改質してガスタンク３に供給するための改質器５と、改質器５における燃料ガスの改質状態を制御するための制御部と、を備え、制御部は、運転開始にあたって、改質器５に燃料ガスと空気とを予め混合して供給することで部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池モジュール、その燃料電池モジュールを備える燃料電池、及び燃料電池の運転方法に関する。

従来、このような燃料電池においては、複数の燃料電池セルによって構成される燃料電池セルスタックを収納容器内に収容し、複数の燃料電池セルそれぞれに空気と燃料ガスとを供給して作動させている。燃料ガスとしては天然ガス等の炭化水素と水蒸気とを反応させて生成される水素が用いられており、このように天然ガス等を改質して水素を生成する改質器は収納容器内に配置されている。このような配置関係とすることで、発電に際して発生する熱を改質反応に利用して熱効率を高めている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、高転化率の改質器を実現することで、高効率発電を可能とする燃料電池も提案されている（下記特許文献２参照）。この燃料電池は、複数の燃料電池セルが収容されるハウジング内に予備改質を行うための予備改質触媒収納ケースが配置され、その予備改質触媒収納ケースを通過した燃料ガスが燃料ガスケースに導かれる構造となっている。燃料ガスケース内にも改質触媒が収容されており、燃料ガスは予備改質触媒収納ケース内と燃料ガスケース内とにおいて二段階の改質がなされている。
特開２００５−１２３０１４号公報特開２００７−２６７４４号公報

ところで、燃料電池を実用的に使用するにあたっては、その起動が素早く行われることが求められる場合がある。しかしながら、上述した従来の燃料電池では起動を迅速に行うことについては検討されておらず、実際に安定した運転状態となるまでには相応の時間を必要としていた。

そこで本発明では、急速起動を行うことが可能な燃料電池モジュール、それを備えた燃料電池、及び急速起動を行うことが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池モジュールは、空気と燃料ガスにより作動し、その先端部分において空気と燃料ガスとが混合して燃焼する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、前記ガスタンクの下方に配置され、燃料ガスを改質して前記ガスタンクに供給するための改質器と、前記改質器における燃料ガスの改質状態を制御するための制御部と、を備える燃料電池モジュールであって、前記制御部は、運転開始にあたって、前記改質器に燃料ガスと空気とを予め混合して供給することで部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御する。

本発明によれば、急速起動を行うことが可能な燃料電池モジュール、それを備えた燃料電池、及び急速起動を行うことが可能な燃料電池の運転方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池モジュールは、空気と燃料ガスにより作動し、その先端部分において空気と燃料ガスとが混合して燃焼する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、前記ガスタンクの下方に配置され、燃料ガスを改質して前記ガスタンクに供給するための改質器と、前記改質器における燃料ガスの改質状態を制御するための制御部と、を備える燃料電池モジュールであって、前記制御部は、運転開始にあたって、前記改質器に燃料ガスと空気とを予め混合して供給することで部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御する。

本発明では、燃料電池セルに対して、上方においては空気と燃料ガスを燃焼させており、下方においてはガスタンクを挟んで改質器を配置している。制御部は運転開始にあたって、改質器において部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質している。部分酸化改質反応は発熱反応であることから、運転開始にあたって改質器における発熱反応の熱がガスタンクを伝熱して燃料電池セルに伝わっている。従って、燃料電池セルに対して、上方からは空気と燃料ガスとが混合して燃焼することで輻射熱によって熱を与えることができ、下方からは改質器からの伝熱によって熱を与えることができる。結果として、燃料電池セルに上下双方向から熱を与えることができるので、急速に起動することができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記制御部が、前記部分酸化改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと空気と水蒸気とを予め混合して供給することでオートサーマル改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御することも好ましい。制御部は運転開始にあたって、上述したように発熱反応である部分酸化改質反応を行わせることで、燃焼による熱付与と合わせて燃料電池セルを高温に維持して急速起動を行っている。しかしながら、部分酸化改質反応のみを継続すると、燃料ガスからの水素の抽出効率が低く、発熱反応であるために熱暴走の恐れもある。そこで、部分酸化改質反応の実行開始から所定時間が経過し、燃料電池セル近傍の温度がある程度上昇した段階で、オートサーマル改質反応に移行する。オートサーマル改質反応は部分酸化改質反応と水蒸気改質反応との併用反応となるので、熱的にバランスがとりやすく、空気及び水蒸気の供給量を制御することで水素の抽出効率も調整することができる。従って、燃料電池セルに対して、上方からは空気と燃料ガスとが混合して燃焼することで輻射熱によって熱を与えることができ、下方からは改質器からの伝熱によって熱を与えることができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記制御部が、前記オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと水蒸気とを予め混合して供給することで水蒸気改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御することも好ましい。制御部は、上述したように部分酸化改質反応によって燃料電池モジュールを起動し、その後オートサーマル改質反応に移行して運転制御を行っている。燃料電池モジュールの運転を継続すると、燃料電池セル近傍の温度は十分に上昇し、改質器近傍も十分に温度が上昇する。そこで、オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後には、更に水素の抽出効率を高めてより運転状態を安定させるために、水蒸気改質反応に移行する。水蒸気改質反応は吸熱反応であるけれども、既に改質器近傍は十分に温度が上昇しているので、熱的にバランスを保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、前記ガスタンクの下方に配置され、燃料ガスを改質して前記ガスタンクに供給するための改質器と、を備える燃料電池の運転方法であって、前記改質器に燃料ガスと空気とを予め混合して供給し、部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質する改質工程と、前記改質工程において改質した燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するために前記ガスタンクに供給するガス供給工程と、前記複数の燃料電池セルそれぞれに改質した燃料ガスと空気とを供給して作動させるセル作動工程と、前記セル作動工程において作用しなかった燃料ガスと空気とを前記複数の燃料電池セルの先端部分において混合して燃焼する燃焼工程と、を備える。

本発明に係る運転方法を実行する燃料電池においては、燃料電池セルに対して、上方においては空気と燃料ガスを燃焼させており、下方においてはガスタンクを挟んで改質器を配置している。運転開始にあたっては改質工程において、改質器で部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質している。部分酸化改質反応は発熱反応であることから、運転開始にあたって改質器における発熱反応の熱がガスタンクを伝熱して燃料電池セルスタックに伝わっている。従って、燃料電池セルに対して、上方からは空気と燃料ガスとが混合して燃焼することで輻射熱によって熱を与えることができ、下方からは改質器からの伝熱によって熱を与えることができる。結果として、燃料電池セルに上下双方向から熱を与えることができるので、急速に起動することができる。

また本発明に係る燃料電池の運転方法では、前記改質工程において、前記部分酸化改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと空気と水蒸気とを予め混合して供給することでオートサーマル改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように改質状態を切り替えることも好ましい。運転開始にあたっては改質工程において、上述したように発熱反応である部分酸化改質反応を行わせることで、燃焼による熱付与と合わせて燃料電池セルスタックを高温に維持して急速起動を行っている。しかしながら、部分酸化改質反応のみを継続すると、燃料ガスからの水素の抽出効率が低く、発熱反応であるために熱暴走の恐れもある。そこで、部分酸化改質反応の実行開始から所定時間が経過し、燃料電池セル近傍の温度がある程度上昇した段階で、オートサーマル改質反応に移行する。オートサーマル改質反応は部分酸化改質反応と水蒸気改質反応との併用反応となるので、熱的にバランスがとりやすく、空気及び水蒸気の供給量を制御することで水素の抽出効率も調整することができる。従って、燃料電池セルスタックに対して、上方からは空気と燃料ガスとが混合して燃焼することで輻射熱によって熱を与えることができ、下方からは改質器からの伝熱によって熱を与えることができる。

また本発明に係る燃料電池の運転方法では、前記改質工程において、前記オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと水蒸気とを予め混合して供給することで水蒸気改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように改質状態を切り替えることも好ましい。改質工程では、上述したように部分酸化改質反応によって燃料電池モジュールを起動し、その後オートサーマル改質反応に移行して運転制御を行っている。燃料電池モジュールの運転を継続すると、燃料電池セル近傍の温度は十分に上昇し、改質器近傍も十分に温度が上昇する。そこで、オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後には、更に水素の抽出効率を高めてより運転状態を安定させるために、水蒸気改質反応に移行する。水蒸気改質反応は吸熱反応であるけれども、既に改質器近傍は十分に温度が上昇しているので、熱的にバランスを保つことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１，図２，図３を参照しながら本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣについて説明する。図１は、燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。図２は、図１のＡ方向から燃料電池モジュールＦＣを視た図である。図３は、図１のＢ方向から燃料電池モジュールＦＣを視た図である。

燃料電池モジュールＦＣは、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間内に１０個の燃料電池セルスタック４００を並べて配置している。各燃料電池セルスタック４００には、１６個の燃料電池セル４が２列になって配置されている。これらの燃料電池セル４は、電気的に直列に配置されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を流れるガスと、その管外を流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気である。

燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極外周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極外周面４８を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

続いて、燃料電池セルスタック４００について、図５を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８列で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。

図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて説明する。カバー部材１は、側壁１０１，１０３，１０４，１０５、及び天井１０２によって直方体状に形成されている。側壁１０１〜１０５の端部にはフランジ部１ａが形成されている。カバー部材１のフランジ部１ａをベース部材２に当接させることで、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。

カバー部材１とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室１７である。

仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図に明示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。

各燃料電池セルスタック４００の上方には燃焼触媒を配置するための燃焼触媒設置部７が設けられている。燃焼触媒設置部７は、メッシュ状のトレイを有しており、そのトレイに燃焼触媒を配置する。燃焼触媒としては、アルミナの球体表面に白金を付与したものが用いられる。尚、この燃焼触媒は、後述する改質触媒とは異なり、燃料ガスの燃焼を促進するためのものである。

燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って、燃焼触媒設置部７の近傍まで上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼触媒設置部７の近傍まで上昇する。燃焼触媒設置部７の近傍には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図に明示しない）が設けられており、この点火装置と燃焼触媒との作用により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、上方からはこの燃焼によって加熱される。

燃料ガスは、燃料ガス供給管８を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。燃料ガス供給管８は、改質器５に繋がっている。改質器５にはまた、空気供給管９も繋がっている。燃料ガス供給管８と空気供給管９とは、改質器５に繋がる前に合流しており、改質器５には予め混合された燃料ガスと空気とが供給可能なように構成されている。図１〜３には明示しないが本実施形態では、燃料ガス供給管８と空気供給管９とのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する燃料ガスと空気との比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された燃料ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（燃料ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガス及び空気は、連結管６（導出管）を通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して燃料ガス供給管８及び空気供給管９が繋がっている部分と、改質器５に対して連結管６が繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。一方、改質器５には、燃料ガス供給管８及び空気供給管９、連結管６が繋がっており、これらが繋がっている接続部分においては、開口部として円形の穴が形成されている。改質触媒が開口部よりも小さければ、改質器５から改質触媒が流出してしまうので、本実施形態の場合は流出防止部を設けている。この流出防止部を設けている改質器５について、図６、図７、図８、及び図９を参照しながら説明する。

図６は、改質器５の外観を示す斜視図である。改質器５は、枠体５２を板材５１及び板材５２で挟み込み、その内部に改質触媒を収める空間が形成されるように構成されている。板材５１には連結管６が繋がっている。板材５３には、燃料ガス供給管８と空気供給管９とが合流した供給管８０と、水蒸気供給管８１とが繋がっている。

図７は、改質器５に連結管６が繋がっている接続部分５ａを示す部分破断図である。板材５１の連結管６に繋がる部分には、連結管６の内径とほぼ同じ径の穴（開口部、図に明示しない）が設けられている。この穴を覆うようにパンチングメタルの板６１（流出防止部、下流側流出防止部）が、板材５１の裏面（改質器５の内部に向かう面）に取り付けられている。パンチングメタルの板６１は、金属板に円形の小孔を多数形成したものである。円形の小孔の直径は改質触媒の直径よりも小さく、改質触媒が円形の小孔を通過しないように構成されている。

図８は、改質器５に供給管８０及び水蒸気供給管８１が繋がっている接続部分５ｂを示す部分破断図である。板材５３の供給管８０及び水蒸気供給管８１に繋がる部分には、供給管８０の内径とほぼ同じ径の穴５３ａ（開口部）と、水蒸気供給管８１の内径とほぼ同じ径の穴５３ｂとが設けられている。この穴５３ａ，５３ｂを覆うようにパンチングメタルの板６２（流出防止部）が、板材５３の裏面（改質器５の内部に向かう面）に取り付けられている。

図７及び図８に示す流出防止部としてのパンチングメタルの板６１，６２は、開口部としての穴が鉛直方向に向かって開口している場合に特に有効である。また、連結管６側に下流流出防止部として設けられている板６１は、燃料ガスの圧力によって改質触媒が押し出されてしまうことを防止することができ、より有効に作用する。

図９に示す流出防止部の変形例を示す。図９に示す流出防止部は、接続部分５ｂに網状の板６３を設けたものである。網状の板６３は、金属性の細い部材を交互に組み合わせて、細かい隙間ができるように形成したものである。その隙間の大きさは改質触媒よりも小さく、改質触媒がその隙間を通過しない様に構成されている。

図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて説明する。カバー部材１の側壁１０１，１０３，１０４，１０５、及び天井１０２は、二重壁構造になっており、その二重壁の間の空間を気体が通過可能なように構成されている。側壁１０１の内部空間と、天井１０２の内部空間と、側壁１０３の内部空間とはそれぞれ繋がっている。側壁１０１には空気供給管１０が連通されていて、空気が供給されるように構成されている。

側壁１０１に供給された空気は、天井１０２から側壁１０３へと流れ、その流れる過程において発電室１６内から伝わる熱によって加熱されるように構成されている。側壁１０３へ流れ込んだ空気は、空気流路１０３ａ，１０３ｂに流れ込むように構成されている。空気流路１０３ａ，１０３ｂは、側壁１０３から側壁１０１へ向けて延びるように形成されている。空気流路１０３ａは、側壁１０５の内側であって、仕切り板１５の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ｂは、側壁１０４の内側であって、仕切り板１５の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ａ，１０３ｂのそれぞれには所定間隔をおいて、空気流入孔１０３ｃ，１０３ｄが設けられている。側壁１０３から空気流路１０３ａ，１０３ｂのそれぞれに流れ込んだ空気は、空気流入孔１０３ｃ，１０３ｄを通って発電室１６内へと流れ込むように構成されている。

空気流入孔を通って発電室１６内へと流れ込んだ空気は、各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路３０ｃを通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

側壁１０４の内側上端には、排気ガス流出スリット１０４ａが設けられている。各燃料電池セル４の上方において燃料ガスと空気とが燃焼して発生した排気ガスは、排気ガス流出スリット１０４ａを通って側壁１０４の内部空間に入る。側壁１０４へと入り込んだ排気ガスは、側壁１０４の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至って一時的に貯留される。側壁１０５も側壁１０４と同様の構成を採用しており、排気ガスは同様に側壁１０５の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至る。排気ガス室１７へと至った排気ガスは、排気ガス管１１を通って燃料電池モジュールＦＣの外部へと排出される。

本実施形態では、排気ガス室１７内部に改質器５が配置されている。改質器５は、仕切り板１５に当接して配置されており、改質器５で発生した熱は仕切り板１５に伝熱されるように構成されている。排気ガス室１７には上述したように燃料ガスと空気とが燃焼した際の排気ガスが流入し、排気ガスは高温である。従って、排気ガス室１７に排気ガスが貯留すると、排気ガス室１７内部に配置されている改質器５に熱を与えて昇温するように構成されている。改質器５にはまた、ヒータ１２が当接して設けられている。排気ガス室１７に流入する排気ガスの温度が高くない場合には、ヒータ１２に通電して改質器５が昇温される。本実施形態では、改質器５が排気ガス室１７内部に配置され、かつ改質器５は仕切り板１５に当接して配置されているが、改質器５の配置態様はこれに限られるものではない。改質器５が排気ガス室１７内部に配置されていない場合であっても、排気ガス室１７から熱を伝達され得る位置に配置されていれば、上述したような排気ガスの熱を利用して改質器５を昇温することができる。また、改質器５が仕切り板１５に当接していない場合であっても、改質器５が発生する熱が発電室１６内部に伝達され得る位置に配置されていれば、後述するように改質器５が発生する熱を利用して燃料電池モジュールＦＣの急速起動に寄与することができる。

続いて、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池の動作及びその運転方法について説明する。尚、以下の説明においては便宜上、燃料電池モジュールＦＣの動作を説明することでその燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池の説明としている。

本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの運転方法は、着火工程と、改質工程と、ガス供給工程と、セル作動工程と、燃焼工程と、を備えている。これらの工程は、後述するように必ずしも順次実行される工程ではなく、並行して実行されたり、順番を変えて実行されたりする工程である。

先ず、燃料電池モジュールＦＣを温めるために、燃料電池モジュールＦＣを含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュールＦＣに燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュールＦＣは、発電を行わない。

詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料ガスを燃料ガス供給管８に供給して、ガスタンク３内に貯める。それにより、各燃料電池セルユニット３０への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク３内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って流れ、内側電極層４４に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット３０の上部空間に達する。

また、大気中の空気を供給する。具体的には、大気中の空気をブロア等によって空気供給管１０に供給し、側壁１０１から天井１０２、側壁１０３へと流す。次いで、空気流路１０３ａ，１０３ｂへと空気を通して、空気流入孔１０３ｃ，１０３ｄから空気を発電室１６内へと導く。発電室１６内へと導かれた空気は、外側電極層４８と作用する。作用しなかった空気は、各燃料電池セルユニット３０の上方に達する。

次いで、スパークプラグ又はヒータ等の点火装置（図示しない）を用いて、燃焼ガスと空気とを燃焼させる（着火工程、燃焼工程）。それにより生じた排気ガスは、高温になる。排気ガスは、側壁１０４，１０５の内部空間に導かれて、排気ガス室１７へと流入する。排気ガス室１７へと流入した排気ガスは、排気ガス管１１から排出される。

燃料ガスと空気とが燃焼する際に、発電室１６内が昇温される。外部から導入される空気は、側壁１０１、天井１０２、側壁１０３と流れる間に、発電室１６内と熱交換を行って暖められる。高温の排気ガスは、排気ガス室１７へと流入し、排気ガス室１７内を昇温する。排気ガス室１７内部に改質器５が設けられているので、改質器５も昇温される。

続いて、炭化水素系の都市ガスと空気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、式（１）の部分酸化改質反応が進行する。この部分酸化改質反応は発熱反応であるので、起動性が良好であり、更には改質器５から仕切り板１５を介して熱が発電室１６へと伝熱される。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、上方からは燃料ガスと空気の混合燃焼による熱によって加熱され、下方からはこの伝熱によって加熱されるので、加熱部分によって挟まれることになって均等な昇温が可能となる。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋_ｍ／２Ｏ_２ → _ｍＣＯ＋_ｎＨ_２（１）

部分酸化反応の実行開始から所定時間経過後、都市ガスと空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、上述の部分酸化改質反応と後述する水蒸気改質反応とが併用されたオートサーマル改質反応が進行する。このオートサーマル改質反応は、熱的に内部バランスが取れるので、改質器５内では熱自立しながら反応が進行する。この段階では、既に起動の初期段階を過ぎており、発電室１６内がある程度の温度に昇温されているので、改質器５から伝熱される熱量は前述の段階よりも少なくなる。

オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、都市ガスと水蒸気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、式（２）の水蒸気改質反応が進行する。この水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、熱的に安定的であり、排気ガス室１７に流入する排気ガスと熱バランスをとりながら反応が進行する。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋Ｈ_２Ｏ → _ｍＣＯ＋２_ｎＨ_２（２）

上述したように着火工程から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室１６内の温度が徐々に上昇する。発電室１６内及び燃料電池セル４の温度が、燃料電池モジュールＦＣを安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣは発電を開始し、回路に電流が流れる（セル作動工程）。燃料電池の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣを作動させる定格温度、例えば、６００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の
量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、発電室１６での燃焼を継続させる（燃焼工程）。

尚、本実施形態では、改質器５をガスタンク３に密接している仕切り板１５に当接させて配置し、改質器５からの伝熱効率を最大限に上げているが、この形態に限らず採用可能であることはいうまでもない。改質器５が発生する熱が発電室１６内に伝われば、発電室１６内の温度上昇に寄与することができるので、例えば改質器５を仕切り板１５から少し離して配置したとしても、発電室１６内に伝熱可能であればよい。

また、本実施形態では、改質器５にこの燃料電池モジュールＦＣの燃料改質全てを担う改質触媒を配置しているが、燃料電池モジュールＦＣの急速起動の観点からは改質触媒の配置態様はこれに限られない。燃料電池モジュールＦＣの燃料改質を担う改質触媒の一部を改質器５に収容したとしても、発電室１６の温度上昇に寄与できればある程度の急速起動を実現することは可能である。

続いて、図１０を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図１０は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図１０に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳ（制御部）とを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管８へと送り出される。

空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管８，９へと送り出される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管８１へと送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒１３，１４と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。図１〜３の燃料電池セルユニットを詳細に示す図である。図１〜３の燃料電池セルスタックを詳細に示す図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールの流出防止部を説明するための図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールの流出防止部を説明するための図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールの流出防止部を説明するための図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールの流出防止部を説明するための図である。本実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた燃料電池の構成を示すブロック図である。

符号の説明

ＦＣ…燃料電池モジュール、１…カバー部材、２…ベース部材、３…ガスタンク、４…燃料電池セル、３０…燃料電池セルユニット、４００…燃料電池セルスタック、５…改質器、６…連結管、７…燃焼触媒設置部、８…燃料ガス供給管、９，１０…空気供給管、１１…排気ガス管、１２…ヒータ、１３，１４…電極棒、１５…仕切り板、１６…発電室、１７…排気ガス室。

Claims

空気と燃料ガスにより作動し、その先端部分において空気と燃料ガスとが混合して燃焼する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、
前記ガスタンクの下方に配置され、燃料ガスを改質して前記ガスタンクに供給するための改質器と、
前記改質器における燃料ガスの改質状態を制御するための制御部と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記制御部は、運転開始にあたって、前記改質器に燃料ガスと空気とを予め混合して供給することで部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御することを特徴とする燃料電池モジュール。
前記制御部は、前記部分酸化改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと空気と水蒸気とを予め混合して供給することでオートサーマル改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記制御部は、前記オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと水蒸気とを予め混合して供給することで水蒸気改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールを備える燃料電池。
複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、前記ガスタンクの下方に配置され、燃料ガスを改質して前記ガスタンクに供給するための改質器と、を備える燃料電池の運転方法であって、
前記改質器に燃料ガスと空気とを予め混合して供給し、部分酸化改質反応を行わせて燃料ガスを改質する改質工程と、
前記改質工程において改質した燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するために前記ガスタンクに供給するガス供給工程と、
前記複数の燃料電池セルそれぞれに改質した燃料ガスと空気とを供給して作動させるセル作動工程と、
前記セル作動工程において作用しなかった燃料ガスと空気とを前記複数の燃料電池セルの先端部分において混合して燃焼する燃焼工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の運転方法。
前記改質工程において、前記部分酸化改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと空気と水蒸気とを予め混合して供給することでオートサーマル改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように改質状態を切り替えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の運転方法。
前記改質工程において、前記オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、前記改質器に燃料ガスと水蒸気とを予め混合して供給することで水蒸気改質反応を行わせて燃料ガスを改質するように改質状態を切り替えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の運転方法。