JP2009277621A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動燃焼器およびその制御方法を固体酸化物型燃料電池などの燃料電池のシステムに応用することを目的とする。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池１０を昇温するための燃焼ガスを生成する燃焼器３０と、燃焼器３０から前記燃焼ガスを燃料電池１０のカソード１１およびアノード１２にそれぞれ供給する第１供給手段３１および第２供給手段３２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、天然ガスなどの燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とによる電気化学反応によって電力を取り出す装置である。燃料電池には、たとえば、作動温度が低く運転が容易な固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や技術的完成度において最も進んでいるリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの種類があって、これらの燃料電池は、車両用駆動源や定置型電源として期待され、実用化が進んでいる。

固体電解質型燃料電池などの燃料電池は、一般的に作動温度が７００〜１０００℃程度であるため室温では作動できず、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、昇温する必要がある。したがって、燃料電池を予熱、昇温するための時間およびエネルギーのロスが、燃料電池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、システム上で工夫を施す必要がある。

ここで、従来の燃料電池システムとして、改質器の起動性向上のために起動燃焼器を備えたものがある。起動燃焼器は、燃料電池システムの起動時に原燃料と空気を理論空燃比状態で供給し、この混合気体にグロープラグ等で着火して完全燃焼させ、その燃焼熱で改質触媒を加熱するものである（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−２４６０４６号公報

本発明は、起動燃焼器およびその制御方法を固体酸化物型燃料電池などの燃料電池のシステムに応用することを目的とする。

すなわち、本発明は、燃料電池システムの始動時に、起動燃焼器から燃焼ガスを燃料電池のアノードとカソードのラインに別々に供給して、燃料電池の昇温に要する時間を短縮し、始動性を向上する燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池を昇温するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器から前記燃焼ガスを燃料電池のカソードおよびアノードにそれぞれ供給する第１供給手段および第２供給手段と、を有することを特徴とする。

本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池のカソードおよびアノードをそれぞれ昇温するための燃焼ガスを生成する第１燃焼器および第２燃焼器と、前記燃焼ガスをカソードおよびアノードに供給する第１供給手段および第２供給手段を有することを特徴とする。

本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池および改質器を昇温するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器と熱交換し、前記燃料電池のカソードに前記カソードガスを供給する配管と、前記燃焼器から前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記燃焼ガスを供給する第２供給手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、起動燃焼器から燃焼ガスを燃料電池のアノードとカソードのラインに別々に供給することで、燃料電池の昇温に要する時間を短縮し、始動性を向上することができる。

上記で説明を行った本発明の構成・作用をいっそう明らかにするため、以下に本発明の好適な実施の形態について説明をする。なお、本発明に基づく思想に従うものであれば、以下に記載された内容に限定されるものではない。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて、第１実施形態〜第６実施形態に分けて、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明のそれぞれの実施形態では、燃料電池として固体酸化物形燃料電池を例にとって説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について詳細に説明する。

図１は、第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池１０、改質器２０、起動燃焼器３０、コンプレッサ４０、および燃料ポンプ５０を備えている。

燃料電池１０は、水素を含むアノードガスをアノード１１に供給し、酸素を含むカソードガスをカソード１２に供給して発電する。アノード１１は、燃料電池１０の起動時においては起動燃焼器３０から改質器２０を介して燃焼ガスが供給され、通常運転時においては改質器２０からアノードガスが供給される。また、カソード１２は、燃料電池１０の起動時においては、起動燃焼器３０と改質器２０との間で分岐した配管３１を通して起動燃焼器３０から燃焼ガスが供給され、通常運転時においてはコンプレッサ４０からカソードガスが供給される。なお、燃料電池１０自体は、一般の固体酸化物形燃料電池の構造と同じであるため、詳細な説明は省略する。

ここで、起動燃焼器３０から燃料電池１０のカソード１２に燃焼ガスを供給する配管３１を第１供給手段とし、起動燃焼器３０から改質器２０を介して燃料電池１０のアノード１１に燃焼ガスを供給する配管３１および配管３２を第２供給手段とする。

改質器２０は、燃料と空気とから水素を主成分とする改質ガス（アノードガス）を生成して、燃料電池１０のアノード１１に供給する。改質器２０は、燃料電池システム１００の起動時において起動燃焼器３０から燃焼ガスを供給する配管３１、および改質器３０からアノード１１に燃焼ガスを供給する配管３２と接続されている。

起動燃焼器３０は、燃料電池の起動時に燃料と空気を燃焼させて燃料電池を昇温する燃焼ガスを生成するものであって、燃焼器として機能する。起動燃焼器３０は、燃料を着火するための点火プラグ、またはグロープラグなどからなる点火装置が設けられている。なお、点火装置による空燃比は任意に設定することができる。起動燃焼器３０は、空気がコンプレッサ４０から空気供給配管４１を通って空気供給弁４２により供給されるとともに、燃料が燃料ポンプ５０から燃料供給配管５１を通って燃料噴射弁５２により供給される。また、起動燃焼器３０で生成された燃焼ガスは、配管３１を通って改質器２０および燃料電池１０のカソード１２に供給される。なお、本実施形態のように、起動燃焼器３０に接続される配管については、改質器２０および燃料電池１０に燃焼ガスを供給するため、途中で分岐するものに限られず、改質器２０および燃料電池１０にそれぞれに燃焼ガスを直接供給する配管を別々に設けることもできる。

コンプレッサ４０は、燃焼および改質反応に必要な空気（カソードガス）を圧縮して、起動燃焼器３０、改質器２０、または燃料電池１０のカソード１２に供給する圧縮機である。コンプレッサ４０は、圧縮した空気を、上記の起動燃焼器３０の他にも、空気供給配管４３を通って空気供給弁４４により改質器３０に供給し、または、空気供給配管４５を通って燃料電池１０のカソード１２に供給することができる。

燃料ポンプ５０は、燃料電池１０に供給される燃料（たとえば、水素）を貯蔵する燃料貯蔵手段であるとともに、燃料供給圧を所定圧に調圧する。燃料ポンプ５０は、燃料（アノードガス）を、レギュレータ（図示せず）により調圧してから上記の起動燃焼器３０の他にも、燃料供給配管５３を通って燃料噴射弁５４により改質器２０に供給することができる。なお、燃料電池１０は、たとえば、炭化水素燃料を直接供給することもできる。

また、改質器２０および燃料電池１０は、それぞれの温度を検出するための温度検出手段６０，７０を有する。温度検出手段６０，７０の検出結果に基づき、起動制御手段（図示せず）が前記の各弁を開閉制御して、最小の起動時間で改質器２０および燃料電池１０が起動するように起動制御を行う。

ここで、図２を用いて、燃料電池１０の温度変化について説明する。図２は、本発明の第１実施形態の改質器２０および燃料電池１０の温度変化を示す図である。図２に示すように、まず、燃料電池システム１００の起動時に、起動燃焼器３０から燃焼ガスを改質器２０に供給し、改質器２０の温度がある規定値に達するまで改質器２０を加熱する。次いで、改質器２０が規定値に達した後、改質器２０に燃料を供給することにより、燃料リッチな燃焼ガスを燃料電池１０のアノード１１に供給し、同時に、カソード１２にも起動燃焼器３０から燃焼ガスを供給する。ここで、カソード１２側の燃焼ガスが流れる流路がアノード側の流路より大きく、カソード１２側の熱容量が大きい場合を想定すると、カソード１２側に供給する燃焼ガス量を増加させるか、または燃焼ガス温度を高める方法をとることが望ましい。そのため、カソード１２の温度がアノード１１の温度より相対的に高くなるので、アノード１１とカソード１２の温度差が小さくなるように燃焼ガスの流量や温度をコントロールすることで燃料電池セルの温度差が小さくなり、耐久性の向上を得ることができる。

さらに、第１実施形態の燃料電池システム１０の始動時に、アノード１１およびカソード１２に供給する燃焼ガスの組合せは、たとえば、下記の表１のようになる。表１に示す各燃焼ガスの火炎温度と燃料‐空気量（空気過剰率）の関係は、図３のようになる。

表１を簡単に説明すると、アノード１１にリッチ燃焼ガスを供給することによって、改質器２０またはアノード１１に酸素を含まない燃焼ガスを供給し、触媒の酸化を防止しつつ、昇温することができる。また、カソードに水蒸気の少ないリーン燃焼ガスを供給することで燃料電池内の金属部品の劣化を抑制することができる。さらに、温度の高いストイキ燃焼ガスを供給することで昇温速度を向上することができ、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。さらに、カソードにアノードよりリーンな燃焼ガスを供給することで高温な燃焼ガスを供給して昇温速度を向上することができる。なお、燃料電池１０のアノード１１に供給する燃焼ガスの種類は改質器の燃料追加で調整することができる。

ここでさらに、燃料電池１０および改質器２０がそれぞれ始動温度（規定値）まで昇温した後、改質器２０に燃料（アノードガス）および空気（カソードガス）を供給する順について簡単に説明する。

燃料電池システム１００の起動の当初には、起動燃焼器３０により生成された高温の燃焼ガスが改質器２０に供給される。この起動開始後に改質触媒が活性化温度に達すると、前記燃焼ガスの高温により気化した原燃料と空気とが改質器２０に供給される。このようにして、改質器２０の改質触媒が所要の活性化状態に達してから空気および燃料に接触させるので、活性化が不十分な状態で改質触媒が空気に触れて酸化劣化を起こす不具合を防止しつつ改質器２０の起動を促進する。燃料電池システム１００の起動後に改質器２０が設定温度に達したらまず原燃料を供給し、その後に空気を供給することで、活性化した改質触媒に空気のみが接触することによる酸化劣化を防止することができる。なお、改質器２０の温度が設定値に達して原燃料の供給を開始してから空気を供給するまでの時間を、原燃料の燃料量が多いときほど短くなるように設定するとよい。これにより原燃料が供給されてから供給燃料が改質触媒部で一定の濃度になるまでの遅れを補償して、改質触媒雰囲気が酸素リッチになることによる触媒の酸化劣化をより確実に防止することができる。また、改質器２０の温度検出装置６０としては、温度センサにより改質触媒の温度を直接的に検出する構成とするほか、燃料電池システム１００の水温と起動（起動燃焼器による燃焼ガスの供給）開始からの経過時間に基づいて温度を推定する構成として温度検出装置としての構成の簡略化および低コスト化を図ることができる。その結果、固体酸化物型燃料電池システム１００の始動性を向上させるとともに、改質触媒および電極触媒（アノード）の酸化劣化を防止する。さらに、触媒がある設定温度になると改質触媒の過昇温を防ぐため空気を導入して調温し、その後、原燃料を増量して改質器で改質反応を開始させることで、酸化劣化を起こすことなく改質触媒を早期に活性化することができる。

以上のように、本発明の第１実施形態の燃料電池システム１００は構成される。

次に、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの起動手順について詳細に説明する。

図４は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの起動手順を示すフローチャートである。この処理は、改質装置および燃料電池の制御のためにマイクロコンピュータおよびその周辺装置からなるコントローラ（図示せず）により実行される。

まず、燃料電池システムを始動させると（ステップＳ１００）、燃料ポンブ５０が起動され、燃料供給圧が所定圧に調圧される（ステップＳ１０１）。同時にコンプレッサ４０も起動される（ステップＳ１０２）。

次いで、起動燃焼器３０に燃料噴射弁５２および空気供給弁４２から燃料と空気が供給される（ステップＳ１０３）。起動燃焼器３０は、空気と燃料とが供給されて、点火装置により着火燃焼を開始することにより、高温の燃焼ガスを発生させる。このときの起動燃焼器３０内の火炎温度は、燃料電池を始動温度に昇温させることができる温度になるように燃料、空気量が調整される。

次いで、起動燃焼器３０は、生成した燃焼ガスを改質器２０に供給する（ステップＳ１０４）。

次いで、改質器２０は、改質器２０に流入した燃焼ガスによって昇温し、改質器２０に取り付けられた温度検出手段６０により改質器２０の触媒温度が検出される（ステップＳ１０５）。起動燃焼器３０は、改質器２０の触媒温度が設定値以上になるまで（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、改質器２０に燃焼ガスを供給する。この場合、改質器２０を昇温するために供給された燃焼ガスは、排出手段（図示せず）を調整して外部に排出することができる。改質器２０の触媒温度が設定値に達したら（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、燃料電池１０のアノード１１に起動燃焼器３０の燃焼ガスが改質器２０を介して供給される。なお、アノードに供給される燃焼ガスを燃料リッチガスにする場合、改質器２０に燃料噴射弁５４から燃料が追加される。

加えて、起動燃焼器３０から分岐した配管３１を通って、直接、燃料電池１０のカソード１１に燃焼ガスが供給される（ステップＳ１０７）。

次いで、燃料電池１０は、燃料電池１０に流入した燃焼ガスによって昇温し、燃料電池１０に取り付けられた温度検出手段７０により燃料電池１０の温度が検出される（ステップＳ１０５）。燃料電池１０の温度が設定値以上になるまで（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、燃料電池１０に燃焼ガスを供給する。燃料電池１０の温度が設定値に達したら（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、次のステップＳ１０９の処理に移る。なお、燃料電池１０の温度の設定値は、たとえば、燃料電池の作動温度の範囲内から設定される温度値である。

図４のフローチャートに戻り、次いで、燃料電池システムは通常運転状態に移行するため、燃料噴射弁５２および空気供給弁４２が閉塞されて起動燃焼器３０への燃料と空気の供給が停止される（ステップＳ１０９）。

次いで、改質器２０に燃料および空気が順に供給される（ステップＳ１１０）。ここで、改質器２０には、燃料および空気が順に供給されることで、改質触媒または燃料電池１０のアノード１１が酸素リッチ雰囲気になることを防止し、触媒の劣化を発生させないようにすることが可能となる。なお、燃料電池システム１００の始動後に、燃料を供給した後に空気を供給する場合、空気の供給タイミングを可変的に設定するようにしてもよい。これは、燃料が供給されてから供給燃料が改質触媒部で一定の濃度になるまでの遅れを考慮して、改質器２０への供給燃料量が大であるほど空気供給時期が早くなるようにタイミング設定するもので、これにより改質触媒雰囲気が酸素リッチになることによる触媒の酸化劣化をより確実に防止することができる。

次いで、燃料電池システム１００は、燃料電池システムの起動手順が完了し、通常運転状態になる（ステップＳ１１１）。通常運転状態では、改質ガスが燃料電池１０のアノード１１に、空気が燃料電池１０のカソード１２に供給され、発電が行われる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムの起動手順が行われる。なお、燃料電池システムの起動手順は上述したものに限られず、適宜変更することができる。たとえば、図５に、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの他の起動手順を示す。

図５に示すように、まず、燃料電池システム１００を起動させると（ステップＳ２００）、燃料ポンブ５０が起動され、燃料供給圧が所定圧に調圧される（ステップＳ２０１）。同時にコンプレッサ４０も起動される（ステップＳ２０２）。次いで、起動燃焼器３０に燃料噴射弁５２および空気供給弁４２から燃料と空気が供給される（ステップＳ２０３）。

次いで、起動燃焼器３０は、燃焼ガスを改質器２０および燃料電池１０に供給する（ステップＳ２０４）。

次いで、改質器２０は、改質器２０に流入した燃焼ガスによって昇温し、改質器２０に取り付けられた温度検出手段６０により改質器２０の触媒温度が検出される。一方、改質器２０を昇温させた燃焼ガスは燃料電池１０のアノード１１に供給され、起動燃焼器３０から分岐した配管３１を通して燃料電池のカソードに燃焼ガスが直接供給されることによって、燃料電池を昇温する。そして、燃料電池に取り付けられた温度検出手段７０により燃料電池１０の温度が検出される（ステップＳ２０５）。起動燃焼器３０は、改質器２０の触媒温度および燃料電池１０の温度が設定値以上になるまで（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、改質器２０および燃料電池１０に燃焼ガスを供給する。改質器２０の触媒温度および燃料電池１０の温度が設定値に達したら（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、燃料電池システムは通常運転状態に移行するため、燃料噴射弁５２および空気供給弁４２が閉塞されて起動燃焼器３０への燃料と空気の供給が停止される（ステップＳ２０６）。

次いで、改質器２０に燃料および空気が順に供給される（ステップＳ２０７、Ｓ２０８）。次いで、燃料電池システムは、燃料電池システムの起動手順が完了し、通常運転状態になる（ステップＳ２０９）。

ステップＳ２０１〜Ｓ２０９の処理における燃料電池１０の温度変化について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第１実施形態の改質器２０および燃料電池１０の温度変化を示す図である。図６に示すように、また、上述の処理の説明のとおり、燃料電池システム１００の始動時には起動燃焼器３０から燃焼ガスを改質器２０に供給し、改質器２０に燃料を供給することにより、燃料リッチな燃焼ガスを燃料電池１０のアノード１１に供給し、同時に、カソード１２にも起動燃焼器３０から燃焼ガスを供給する。ここで、アノード１１側の流路がカソード側より大きく、アノード１１側の熱容量が大きい場合や、アノード１１とカソード１２の熱容量が同等の場合を想定すると、アノード１１側に改質器２０を備えているためアノード１１側に供給する燃焼ガス量を増加させるか、または燃焼ガス温度を高める方法をとることが望ましい。そのため、アノード１１がカソード１２の温度より相対的に高くなるので、アノード１１とカソード１２との温度差が小さくなるように燃料ガスの流量や温度をコントロールすることでセルの温度差が小さくなり、熱応力の増加によるセルの耐久性の低下を抑制することができる。

本実施形態の燃料電池システム、およびその起動手順によれば、以下の効果（ａ）〜（ｇ）を有する。

（ａ）燃料電池システムの起動時に、起動燃焼器から燃焼ガスを燃料電池のアノードとカソードのラインに別々に供給することで、燃料電池の昇温に要する時間を短縮し、始動性を向上することができる。

（ｂ）燃料電池と改質器とを同時に昇温することで、最小の起動時間で改質器および燃料電池が起動することができる。

（ｃ）アノードのラインにリッチ燃焼ガスを供給することで、改質器またはアノードに酸素を含まない燃焼ガスを供給し、触媒の酸化を防止しつつ、昇温することができる。

（ｄ）昇温後に通常運転状態に移行するとき、改質器に燃料を供給した後に空気を供給することで、触媒の活性状態で空気に触れることを確実に防止して触媒の酸化を回避することができる。

（ｅ）アノードのラインと、カソードのラインに空燃比の異なる燃焼ガスを供給することができるため、改質器やアノードに酸素を含まない燃焼ガスを供給し、触媒の酸化を防止しつつ、昇温することができる。

（ｆ）アノードのラインにリッチ燃焼ガスを供給することによって、改質器２０またはアノード１１に酸素を含まない燃焼ガスを供給し、触媒の酸化を防止しつつ、昇温することができる。

（ｇ）温度の高いストイキ燃焼ガスを供給することで昇温速度を向上することができ、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の構成に加えて、燃料電池１０から排出される排気ガス（アノードオフガス）を循環させて、起動燃焼器３０で再利用させるものである。

第２実施形態の燃料電池システム２００は、図７に示すように、第１実施形態の構成に加えて、燃料電池のアノードオフガスを排出する排気管８２と、排気管８２から排出されたアノードオフガスを起動燃焼器３０および改質器２０の少なくともいずれか一つに供給する第３供給手段とを含む。

第３供給手段は、アノードオフガスを加熱する熱交換器８０と、アノードオフガスの供給先を起動燃焼器３０と改質器２０とで切り換える切換手段８５と、切換手段８５から起動燃焼器３０および改質器２０にそれぞれ供給する配管８３，８４とを含む。

熱交換機８０は、アノードオフガスを熱交換することで再加熱して、起動燃焼器３０または改質器２０に供給して、燃焼効率を向上する。熱交換器８０は、たとえば、コンプレッサ４０の高温空気を利用してアノードオフガスを加熱する。

第２実施形態の燃料電池システム２００は、燃料電池１０および改質器２０の温度がそれぞれ規定値に達するまで、燃料電池１０および改質器２０は燃焼ガスを供給されるとともに、アノードオフガスは起動燃焼器３０に供給される。前記温度がそれぞれ規定値に達した後、改質器２０は燃料および空気が順に供給されるとともに、切換手段８５によってアノードオフガスは改質器２０に供給される。

ここで、第２実施形態の燃料電池システム２００の始動時に、アノード１１およびカソード１２に供給する燃焼ガスの組合せは、たとえば、下記の表２のようになる。また、表２において、燃料電池システムの始動時にアノード排気ガスの循環を行うか否かの判断も合わせて記載する。

以上のとおり、説明した第２実施形態は、第１実施形態の効果（ａ）〜（ｇ）に加えて、以下の効果（ｈ）〜（ｊ）を奏する。

（ｈ）アノードオフガスを循環させて起動燃焼器で再燃焼させることで、アノードオフガス中の燃料の再利用による効率向上と未燃炭化水素などの燃料の排出量を削減し、排気性能を向上することができる。

（ｉ）起動時に起動燃焼器、通常時に改質器にアノードオフガスを循環して供給することで、排気ガス中の燃料の再利用による効率向上と未燃炭化水素などの燃料の排出量を削減し、排気性能をさらに向上することができる。

（ｊ）アノードオフガスを熱交換することで再加熱して、起動燃焼器および改質器に供給することで、燃焼効率を向上することができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の構成に加えて、ガス組成調整器を有することを特徴とする。第３実施形態の燃料電池システムは、図８に示すように、第１実施形態の構成に加えて、燃料電池１０のカソード１２およびアノード１１をそれぞれ昇温するための起動燃焼器３０（第１燃焼器）およびガス組成調整器９０（第２燃焼器）を含む。

本実施形態の起動燃焼器３０は、燃料電池のカソードを昇温するための第１燃焼ガスを生成するものであって、構成自体は、上記第１実施形態の起動燃焼器と同様であるので省略する。なお、本実施形態において、起動燃焼器３０から燃料電池１０のカソード１２に第１燃焼ガスを供給する配管３１を第１供給手段とし、ガス組成調整器９０から改質器２０を介して燃料電池１０のアノード１１に第２燃焼ガスを供給する配管３２を第２供給手段とする。

ガス組成調整器９０は、起動燃焼器３０で生成した第１燃焼ガスに対して、燃料噴射弁５５および空気供給弁４５より燃料（アノードガス）および空気（カソードガス）を追加して供給することで、燃焼ガスの空燃比を変更した第２燃焼ガスを生成する。ガス組成調整器９０は、起動燃焼器３０と改質器２０との間に設けられ、起動燃焼器３０からガス組成調整器９０に第１燃焼ガスが供給される配管３１を有する。なお、ガス組成調整器９０は、本実施形態のように起動燃焼器３０と改質器２０との間に設けられる場合に限られず、改質器２０と燃料電池１０のアノード１１との間に設けることもできる。ガス組成調整器９０を改質器２０とアノード１１との間に設けて追加燃焼させてアノードを加熱することで、起動速度を上げることができる。また、ガス組成調整器９０は、本実施形態のように起動燃焼器３０から第１燃焼ガスが供給される場合に限られず、配管３１を省略し、起動燃焼器３０とは、独立して燃焼ガスを生成してもよい。

第３実施形態の燃料電池システム３００は、燃料電池１０および改質器２０の温度がそれぞれ規定値に達するまで、燃料電池１０のカソード１２に第１燃焼ガス、および改質器２０を介して燃料電池１０のアノード１１に第２燃焼ガスが供給される。前記温度がそれぞれ規定値に達した後、改質器２０は燃料および空気が順に供給される。

ここで、第３実施形態の燃料電池システム３００の始動時に、アノード１１およびカソード１２に供給する燃焼ガスの組合せは、たとえば、下記の表３のようになる。

以上のとおり、説明した第３実施形態は、第１実施形態の効果（ａ）〜（ｇ）に加えて、以下の効果を奏する。

（ｋ）アノードのラインと、カソードのラインに空燃比の異なる燃焼ガスを供給することができるため、改質器やアノードに酸素を含まない燃焼ガスを供給し、触媒の酸化を防止しつつ、昇温することができる。

（ｌ）第２燃焼器は、第１燃焼ガス、アノードガス、カソードガスから第２燃焼ガスを生成することで、第１燃焼ガスと空燃比が異なるように容易に調整することができる。

（ｍ）カソードに水蒸気の少ないリーン燃焼ガスを供給することで燃料電池内の金属部品の劣化を抑制することができる。

（ｎ）カソードにアノードよりリーンな燃焼ガスを供給することで高温な燃焼ガスを供給して昇温速度を向上することができる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

第４実施形態の燃料電池システムは、第３実施形態の構成に加えて、燃料電池１０から排出される排気ガス（アノードオフガス）を循環させて、起動燃焼器３０で再利用させるものである。

第４実施形態の燃料電池システム４００は、図９に示すように、第３実施形態の構成に加えて、燃料電池のアノードオフガスを排出する排気管８２と、排気管８２から排出されたアノードオフガスを起動燃焼器３０および改質器２０の少なくともいずれか一つに供給する第３供給手段とを含む。

第４実施形態の燃料電池システム４００は、燃料電池１０および改質器２０の温度がそれぞれ規定値に達するまで、燃料電池１０および改質器２０は燃焼ガスを供給されるとともに、アノードオフガスは起動燃焼器３０に供給される。前記温度がそれぞれ規定値に達した後、改質器２０は燃料および空気が順に供給されるとともに、切換手段８５によってアノードオフガスは改質器２０に供給される。

ここで、第４実施形態の燃料電池システム４００の始動時に、アノード１１およびカソード１２に供給する燃焼ガスの組合せは、たとえば、下記の表４のようになる。また、表４において、燃料電池システムの始動時にアノード排気ガスの循環を行うか否かの判断も合わせて記載する。

以上のとおり、説明した第４実施形態は、第１〜３実施形態の効果（ａ）〜（ｎ）を奏することができる。
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

第５実施形態の燃料電池システムは、燃料電池のアノードは起動燃焼器で生成した燃焼ガスによって昇温し、燃料電池のカソードはコンプレッサから供給され、起動燃焼器と熱交換した高温空気（カソードガス）によって直接昇温することを特徴とする。第５実施形態の燃料電池システム５００は、図１０に示すように、起動燃焼器３０から改質器２０を介してアノード１１に燃焼ガスを供給する第２供給手段と、コンプレッサ４０から起動燃焼器３０と熱交換して燃料電池１０のカソード１１に空気を供給する配管４６とを有する。なお、本実施形態において、配管３２，３３は第２供給手段である。

第５実施形態の燃料電池システム５００は、燃料電池１０および改質器２０の温度がそれぞれ規定値に達するまで、燃料電池１０のアノード１１および改質器２０は燃焼ガスを供給され、燃料電池１０のカソード１２に空気（カソードガス）が供給される。前記温度がそれぞれ規定値に達した後、改質器２０は燃料および空気が順に供給される。

ここで、第５実施形態の燃料電池システム５００の始動時に、アノード１１およびカソード１２に供給する燃焼ガスの組合せは、たとえば、下記の表５のようになる。

以上のとおり、説明した第５実施形態は、以下の効果（ｏ）を奏する。

（ｏ）燃料電池システムの起動時に、起動燃焼器から燃焼ガスを燃料電池のアノードのライン、および高温空気をカソードのラインに別々に供給することで昇温に要する時間を短縮し、燃料電池システムの始動性を向上することができる。また、カソード側の熱容量が大きい場合、アノードへの供給ガスを低下させるため、起動燃焼器の排気ガスを一部または全部を排気し、あるいはアノード後段の排気触媒の排気ガスをカソード側へ追加供給することで、アノード側の過加熱を防止することができる。

なお、第５実施形態の燃料電池システム５００の変形例とするシステム構成を図１１、図１２に示す。

図１１は、起動燃焼器３０と改質器２０との間にバルブ３４を設け、起動燃焼器３０から改質器２０に供給する燃焼ガスの一部または全部を排気する構成としている。燃料電池１０のアノード１１よりカソード１２の熱容量が大きい場合、カソード１２には大量の高温空気を供給することが一つの手段であるが、大量の高温空気を作るにはアノード１１側の燃焼ガス量が少ない場合には起動燃焼器３０の燃焼ガスをバルブ３４の切換により排気してもよい。

図１２は、燃料電池１０のアノード１２の後段に燃焼器４９を設けて、コンプレッサ４０から供給された空気に燃焼ガスを供給する構成としている。燃料電池１０のアノード１１よりカソード１２の熱容量が大きい場合、カソード１１には大量の高温空気を供給することが一つの手段であるが、この高温空気を作るため燃焼器４９の排気ガスを利用する。ここでは、排気ガスを空気に混合させるか、または熱交換器を設けて熱交換による加熱を行っても良い。
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

第６実施形態の燃料電池システムは、第５実施形態の構成に加えて、燃料電池１０から排出される排気ガス（アノードオフガス）を循環させて、起動燃焼器３０で再利用させるものである。

第６実施形態の燃料電池システム６００は、図１３に示すように、第５実施形態の構成に加えて、燃料電池のアノードオフガスを排出する排気管８２と、排気管８２から排出されたアノードオフガスを起動燃焼器３０および改質器２０の少なくともいずれか一つに供給する第３供給手段とを含む。

第６実施形態の燃料電池システム６００は、燃料電池１０および改質器２０の温度がそれぞれ規定値に達するまで、燃料電池１０のアノード１１および改質器２０は燃焼ガスが供給され、燃料電池１０のカソード１２に空気（カソードガス）が供給される。また、同時に、アノードオフガスは起動燃焼器３０に供給される。前記温度がそれぞれ規定値に達した後、改質器２０は燃料および空気が順に供給されるとともに、切換手段８５によってアノードオフガスは改質器２０に供給される。

ここで、第６実施形態の燃料電池システム６００の始動時に、アノード１１およびカソード１２に供給する燃焼ガスの組合せは、たとえば、下記の表６のようになる。また、表３において、燃料電池システムの始動時にアノードオフガスの循環を行うか否かの判断も合わせて記載する。

以上のとおり、説明した第６実施形態は、第１〜第５実施形態の効果（ｂ）〜（ｄ）、（ｆ）〜（ｊ）、（ｏ）を奏する。

以上のように本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。

たとえば、第１〜第６実施形態の燃料電池システムでは、改質器を備えているが、改質器がない燃料電池システムでも、適用できることはもちろんである。

また、第２、４、６実施形態の燃料電池システムにおいて、切換手段８５ならびに熱交換器８０を設けているが、これに限られず、どちらか一方もしくは両方を省略することもできる。

さらに、第１〜第６実施形態では、改質器の温度を直接に検出しているが、これに限られず、燃料電池システムの起動開始からの経過時間に基づいて改質器２０の温度や燃料電池の温度を推定するようにしてもよい。たとえば、外気温、改質器温度、または燃料電池温度が所定値に達するまでの時間の関係を予め実験的に求めてマップ化しておき、起動の当初に時間が経過したときに空気および燃料を改質器に供給する。この構成によれば、燃料電池システムが標準的に備えている機能を利用しているので、改質器に高価な温度センサを適用する必要がなくなり、それだけコストの低減を図ることができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の改質器および燃料電池の温度変化を示す図である。 表１に示す各燃焼ガスの火炎温度と燃料‐空気量（空気過剰率）の関係を示す図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの起動手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの他の起動手順を示す。 本発明の第１実施形態の改質器２０および燃料電池１０の温度変化を示す図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第４実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第５実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第５実施形態の燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態の燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。 本発明の第６実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、
１１ カソード、
１２ アノード、
２０ 改質器、
３０ 起動燃焼器、
４０ コンプレッサ、
５０ 燃料ポンプ、
６０、７０ 温度検出器。

Claims (30)

1. 水素を含むアノードガスをアノードに供給し、酸素を含むカソードガスをカソードに供給して発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を昇温するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器から前記燃料電池のカソードに前記燃焼ガスを供給する第１供給手段と、
   前記燃焼器から前記燃料電池のアノードに前記燃焼ガスを供給する第２供給手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. さらに、前記アノードに供給するアノードガスを改質する改質器を含み、
   前記第２供給手段は、前記燃焼器から前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記燃焼ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. さらに、前記燃料電池のアノードオフガスを排出するアノード排気管と、
   前記アノード排気管から排出されたアノードオフガスを前記燃焼器および前記改質器の少なくともいずれか一つに供給する第３供給手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第３供給手段は、前記アノードオフガスの供給先を前記燃焼器と前記改質器とで切り換える切換手段を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第３供給手段は、前記アノードオフガスを加熱する熱交換器を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはリッチ燃焼ガスであって、
   前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池および前記改質器は前記リッチ燃焼ガスが供給され、
   前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはストイキ燃焼ガスであって、
   前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池および前記改質器は前記ストイキ燃焼ガスが供給され、
   前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよびカソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはリッチ燃焼ガスであって、
   前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池および前記改質器は前記リッチ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記燃焼器に供給され、
   前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段によって前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはストイキ燃焼ガスであって、
   前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池および前記改質器は前記ストイキ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記燃焼器に供給され、
   前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよびカソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段によって前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
10. 水素を含むアノードガスをアノードに供給し、酸素を含むカソードガスをカソードに供給して発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のカソードを昇温するための第１燃焼ガスを生成する第１燃焼器と、
    前記燃料電池のアノードを昇温するための第２燃焼ガスを生成する第２燃焼器と、
    前記第１燃焼器から前記燃料電池のカソードに前記第１燃焼ガスを供給する第１供給手段と、
    前記第２燃焼器から前記燃料電池のアノードに前記第２燃焼ガスを供給する第２供給手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
11. さらに、前記第１燃焼器から前記第２燃焼器に第１燃焼ガスが供給される配管を有し、
    前記第２燃焼器は、前記第１燃焼ガス、前記アノードガス、および前記カソードガスから第２燃焼ガスを生成することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. さらに、前記アノードに供給するアノードガスを改質する改質器を含み、
    前記第２燃焼器から前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記第２燃焼ガスを供給することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. さらに、前記燃料電池のアノードオフガスを排出するアノード排気管と、
    前記アノード排気管から排出されたアノードオフガスを前記第１燃焼器および前記改質器の少なくともいずれか一つに供給する第３供給手段と、
    を有することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記第３供給手段は、前記アノードオフガスの供給先を前記第１燃焼器と前記改質器とで切り換える切換手段を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記第３供給手段は、前記アノードオフガスを加熱する熱交換器を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
16. 前記第１燃焼ガスはリーン燃焼ガス、および前記第２燃焼ガスはストイキ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記リーン燃焼ガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記ストイキ燃焼ガスが供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
17. 前記第１燃焼ガスはストイキ燃焼ガス、および前記第２燃焼ガスはリッチ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記ストイキ燃焼ガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記リッチ燃焼ガスが供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
18. 前記第２燃焼ガスはリッチ燃焼ガス、および前記第１燃焼ガスは前記第２燃焼ガスより希薄なリーン燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記希薄なリーン燃焼ガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記リッチ燃焼ガスが供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
19. 前記第１燃焼ガスはリーン燃焼ガス、および前記第２燃焼ガスはストイキ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記リーン燃焼ガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記ストイキ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記第１燃焼器に供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段によって前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
20. 前記第１燃焼ガスはストイキ燃焼ガス、および前記第２燃焼ガスはリッチ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記リーン燃焼ガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記ストイキ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記第１燃焼器に供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段によって前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
21. 前記第２燃焼ガスはリッチ燃焼ガス、および前記第１燃焼ガスは前記第２燃焼ガスより希薄なリーン燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記希薄なリーン燃焼ガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記リッチ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記第１燃焼器に供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段を切り換えて前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
22. 水素を含むアノードガスをアノードに供給し、酸素を含むカソードガスをカソードに供給して発電する燃料電池と、
    前記アノードに供給するアノードガスを改質する改質器と、
    前記燃料電池および前記改質器を昇温するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼器と熱交換し、前記燃料電池のカソードに前記カソードガスを供給する配管と、
    前記燃焼器から前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記燃焼ガスを供給する第２供給手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
23. さらに、前記燃料電池のアノードオフガスを排出するアノード排気管と、
    前記アノード排気管から排出されたアノードオフガスを前記燃焼器および前記改質器の少なくともいずれか一つに供給する第３供給手段と、
    を有することを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
24. 前記第３供給手段は、前記アノードオフガスの供給先を前記燃焼器と前記改質器とで切り換える切換手段を有することを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
25. 前記第３供給手段は、前記アノードオフガスを加熱する熱交換器を有することを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
26. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはストイキ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記カソードガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記ストイキ燃焼ガスが供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
27. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはリッチ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記カソードガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記リッチ燃焼ガスが供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガスおよび前記カソードガスが順に供給されることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
28. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはストイキ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記カソードガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記ストイキ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記燃焼器に供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガス、および前記カソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段によって前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池システム。
29. 前記燃焼器で生成される燃焼ガスはリッチ燃焼ガスであって、
    前記燃料電池および前記改質器の温度がそれぞれ規定値に達するまで、前記燃料電池のカソードに前記カソードガス、および前記改質器を介して前記燃料電池のアノードに前記リッチ燃焼ガスが供給されるとともに、前記アノードオフガスは前記燃焼器に供給され、
    前記温度が規定値に達した後、前記改質器は前記アノードガス、および前記カソードガスが順に供給されるとともに、前記切換手段によって前記アノードオフガスは前記改質器へ供給されることを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池システム。
30. 前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜２９に記載の燃料電池システム。

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