JP2010009944A - 燃料電池用改質器ユニット及び燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼状態の安定性向上を図ることが可能な燃料電池用改質器ユニットを提供すること
【解決手段】燃料電池用改質器ユニットは、燃料ガス流路を内部に有すると共に燃料ガス流路の出口より余剰の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体４０１を構成する複数の燃料電池セル４と、燃料電池セル集合体４０１の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器５と、改質器５の温度を検知する検知部と、検知部により改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知された際に、改質器５に被改質ガスと水蒸気だけを供給するよう制御する制御部と、を備える。複数の燃料電池セル４の上部に、改質器５によって改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８が形成されている。改質器５は、燃料電池セル集合体４０１における複数の燃料電池セル４の配列方向の端部よりも内側に配置されている。
【選択図】図２

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用改質器ユニット及び燃料電池モジュールに関する。

従来、このような燃料電池用改質器ユニットにおいては、燃料ガス流路を内部に有すると共に燃料ガス流路の出口より余剰の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする少なくとも一つの改質器と、を備えている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。特許文献１〜３（特開２００２−２８９２４４号公報、特開２００５−１８３３７５号公報、及び特開２００７−２４２６２６号公報）では、燃料電池セルの燃料ガス流路の出口の上部において、燃料電池セルの燃料ガス流路の出口より放出された余剰の燃料ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させている。これにより、改質器を加熱し、改質器における改質反応の促進を図っている。

特許文献２（特開２００５−１８３３７５号公報）では、燃料電池セルから放出された余剰の燃料ガスに点火するための点火ヒータが更に備えられており、部分酸化改質工程、オートサーマル改質工程、及び水蒸気改質工程毎に、点火ヒータの起動停止を行っている。これにより、各改質工程における起動性を良好なものとし、失火の発生を抑制している。
特開２００２−２８９２４４号公報 特開２００５−１８３３７５号公報 特開２００７−２４２６２６号公報

ところで、水蒸気改質工程では、改質器に被改質ガスと水蒸気だけが供給されて、水蒸気改質反応が進行する。この水蒸気改質反応は、いわゆる吸熱反応であるため、燃焼部における改質器近傍での燃焼状態が不安定になる懼れがある。燃焼部における燃料電池セル集合体における燃料電池セルの配列方向での端部では、燃焼火炎の端に位置することから、温度が比較的低い状態となる。このため、燃焼部における燃料電池セル集合体における燃料電池セルの配列方向での端部では、燃焼状態がより一層不安定になり易い傾向にある。これに対して、燃焼部における燃料電池セル集合体における燃料電池セルの配列方向での中央部では、燃焼火炎の中央部分に位置することから、温度が比較的高い状態となる。このため、燃焼部における燃料電池セル集合体における燃料電池セルの配列方向での中央部では、燃焼状態が安定している傾向にある。

そこで本発明では、燃焼部における燃焼状態の安定性を向上させることが可能な燃料電池用改質器ユニット及び燃料電池モジュール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用改質器ユニットは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、を備える燃料電池用改質器ユニットであって、前記改質器は、水蒸気改質可能な温度であると検知された場合に、被改質ガスと水蒸気のみが供給されるように構成されており、前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記改質器における前記改質触媒は、前記燃料電池セル集合体における前記複数の燃料電池セルの配列方向の端部よりも内側に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃焼部における燃焼状態の安定性を向上させることが可能な燃料電池用改質器ユニット及び燃料電池モジュール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用改質器ユニットは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、を備える燃料電池用改質器ユニットであって、前記改質器は、水蒸気改質可能な温度であると検知された場合に、被改質ガスと水蒸気のみが供給されるように構成されており、前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記改質器における前記改質触媒は、前記燃料電池セル集合体における前記複数の燃料電池セルの配列方向の端部よりも内側に配置されていることを特徴とする。

本発明では、改質器が、少なくとも水蒸気改質可能な温度であると検知された場合に、被改質ガスと水蒸気だけが供給され、水蒸気改質反応が行われるように構成されている。水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、燃焼部の熱が奪われることとなる。しかしながら、改質器に含まれる改質触媒は、燃料電池セル集合体における複数の燃料電池セルの配列方向の端部よりも内側に配置されているので、燃焼部における複数の燃料電池セルの配列方向での端部での熱を奪い難い。このため、燃焼部における複数の燃料電池セルの配列方向での端部での燃焼状態が不安定となるのを抑制することができる。燃焼部における複数の燃料電池セルの配列方向での中央部では、改質触媒により熱が奪われることとなるが、温度が元々高く、燃焼状態が良好であるため、燃焼状態が不安定となる懼れはない。これらの結果、燃焼部における燃焼状態の安定性が向上する。

また本発明に係る燃料電池用改質器ユニットでは、前記改質器にて改質される被改質ガスを前記改質器へ供給する被改質ガス供給管を更に備え、前記被改質ガス供給管が、前記改質器の前記複数の燃料電池セル側への投影領域内に配置されていることも好ましい。被改質ガス供給管が改質器の燃料電池セル側への投影領域内に配置されているので、被改質ガス供給管は燃料電池セルひいては燃焼部により近接して配置されることとなる。これにより、被改質ガス供給管は燃焼部の熱を受けて加熱され、燃焼部の熱の有効利用を図ることができる。

また本発明に係る燃料電池用改質器ユニットでは、前記燃料電池セル集合体では、前記複数の燃料電池セルが行列配置されていることも好ましい。この好ましい態様では、
改質器を燃料電池セル集合体における複数の燃料電池セルの配列方向の端部よりも内側に配置させる構成を容易に設計管理することができる。

また、本発明に係る燃料電池用改質器ユニットを備える燃料電池モジュールでは、上述したような作用効果を奏する燃料電池モジュールを提供することができる。

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は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す正面図である。また、図２は、カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。

同図に示すように、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。従って、この燃料電池モジュールＦＣでは、カバー部材１とベース部材２とによって、燃料電池セル４等が内包される容器が形成されている。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。本実施形態の燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池用改質器ユニットを含んでいる。

燃料電池モジュールＦＣでは、１０個の燃料電池セルスタック４００により、燃料電池セル集合体４０１が構成されている。燃料電池セル集合体４０１では、１６０個の燃料電池セル４が行列配置されている。本実施形態では、燃料電池セル４が８行×２０列配置されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと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、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

燃料電池セルユニット３０について、図３を参照しながら説明する。図３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。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。

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、内側電極露出周面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、外側電極露出周面４８ａ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４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行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３及び図４を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。従って、図１を参照しながら燃料電池セル４の内外におけるガスの流れを説明した際の、一端４Ａとは燃料電池セル４の端部４ａ及び端部４ｂの内、ガスタンク３側に配置される端部を指し示すものであり、他端４Ｂとは燃料電池セル４の端部４ａ及び端部４ｂの内、改質器５側に配置される端部を指し示すものである。

図１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、正面側の側壁（不図示）と、燃料電池セルユニット３０の配列方向の側壁１０１，１０２と、背面側の側壁１０３と、天井１０４とによって直方体状に形成されている。側壁１０１の下端部には、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（不図示）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。

一方、各燃料電池セル集合体４０１の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。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を通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。背面側の側壁１０２において燃焼部１８に対応する部分には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置１９が設けられている。点火装置１９により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セル集合体４０１を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。

ここで、改質器５と燃料電池セル集合体４０１（燃料電池セル４）との位置関係について、図５を参照しながら説明する。改質器５は、燃料電池セル集合体４０１における各燃料電池セル４の配列方向の端部４０１ａよりも内側に配置されている。本実施形態では、８行×２０列配置された燃料電池セル４のうち、行方向での両端にそれぞれ位置する２列（計４列）の燃料電池セル４が上面視にて露出するように、改質器５が配置されている。すなわち、改質器５は、行方向での中央に位置する４列の燃料電池セル４の上部に、これらの燃料電池セル４を覆うように、配置されている。燃料電池セル４の配列における行方向での改質器５の幅は、燃料電池セル集合体４０１の行方向での幅よりも狭く設定されている。

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、仕切り板１５に対して立設された配管６Ａ（被改質ガス供給管）を介して改質器５に繋がっている。配管６Ａ（改質器５）にはまた、空気供給管（不図示）も繋がっている。燃料ガス供給管８と空気供給管とは、配管６Ａ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、配管６Ｂを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ａが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｂ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。また、配管６Ａ，６Ｂは、図２及び図５に示すように、燃料電池セル４の長手方向からみて改質器５の投影領域Ｓ内において一直線状に設けられている。つまり、配管６Ａ，６Ｂは、改質器５の上方側から見て改質器５からはみ出さない領域に設けられている。

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。

また、カバー部材１の側壁１０１，１０２，１０３、及び天井１０４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１０２の内部空間と、天井１０４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１０２の下部には空気供給管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１０２に供給された空気は、天井１０４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に流れ込むように構成されている。空気流路１０３ａは、側壁１０１から側壁１０２へ向けて延びるように形成され、側壁１０３の内側において仕切り板１５の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ａには所定間隔をおいて、空気流入孔１０３ｂが設けられている。

側壁１０３から空気流路１０３ａに流れ込んだ空気は、空気流入孔１０３ｂ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１０３ｂを通って発電室１６内へと流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側の通路Ｔを通って各燃料電池セル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の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

側壁１０２の内側には、空気流入孔１０３ｂを通って各燃料電池セル４の下方から上方に流れる空気を燃焼部１８に方向付ける方向付け部２０Ａが配管６Ａに隣接して設けられている。より具体的には、方向付け部２０Ａは側壁１０２であって、側壁１０２が配管６Ａに近接して設けられている。

また、側壁１０１に内側にも、同様の構造が設けられている。すなわち、側壁１０２の内側にも各燃料電池セル４の下方から上方に流れる空気を燃焼部１８に近づける方向付け部２０Ｂが配管６Ｂに隣接して設けられている。より具体的には、方向付け部２０Ｂは側壁１０１であって、側壁１０１が配管６Ｂに近接して設けられている。このような方向付け部２０Ａ，２０Ｂにより、各燃料電池セル４の下方から上方に流れる空気が、燃料電池セルユニット３０の幅方向について改質器５の投影領域Ｓ内に規制される。

側壁１０３の内側上端には、排気ガス流出スリット１０３ｃ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１０３ｃを通って側壁１０３の内部空間に入る。側壁１０３へと入り込んだ排気ガスは、側壁１０３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。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。

続いて、図６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６は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図６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、検知部ＴＤ（検知部）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都市ガスを燃料ガスとして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。また、燃料供給部ＦＰは、都市ガスに混合する空気を供給する空気ブロア等も有している。

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１０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、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管（不図示）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。

検知部ＴＤは、改質器５の温度を検知し、改質器５の温度を示す信号を制御部ＣＳに出力する。制御部ＣＳは、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。制御部ＣＳは、少なくとも検知部ＴＤにより改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知された際に、改質器５に被改質ガスと水蒸気だけを供給するよう制御する。これにより、改質器５では、後述するオートサーマル改質反応が進行することとなる。

続いて、図７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、燃料供給部ＦＰから燃料ガスを燃料ガス供給管８に供給する。このとき、制御部ＣＳは、都市ガス及び空気を含む燃料ガスを供給するように、燃料ポンプ及び燃料供給部ＦＰの空気ブロア等に信号を出力する。図７には、燃料ポンプの制御電圧及び燃料供給部ＦＰの空気ブロアの制御電圧を示している。燃料ガス供給管８から供給された燃料ガスは、ガスタンク３内に貯まる。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、内側の電極層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、空気供給部ＡＰによって空気供給管１０に供給し、側壁１０２から天井１０４、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、外側の電極層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（燃料電池セル４）の上方に達する。

次いで、点火装置１９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１０２、天井１０４、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ＰＯＸ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。部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋_ｍ／２Ｏ_２ → _ｍＣＯ＋_ｎＨ_２ （１）

部分酸化改質反応ＰＯＸ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）。このとき、制御部ＣＳは、都市ガス及び空気を含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ、燃料供給部ＦＰの空気ブロア、及び水ポンプ等に信号を出力する。図７には、水ポンプの制御電圧を示している。改質器５においては、上述の部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲ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。すなわち、酸素が多い場合は部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合は水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱が支配的となる。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、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。

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、検知部ＴＤにより改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知されると、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）。このとき、制御部ＣＳは、都市ガスだけを含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ及び水ポンプ等に信号を出力すると共に燃料供給部ＦＰの空気ブロアを停止させるよう信号を出力する。

改質器５においては、式（２）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼部１８からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室１６内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応ＳＲが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋_ｍＨ_２Ｏ → _ｍＣＯ＋（_ｎ/2＋ｍ）Ｈ_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）。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行せしめられる。水蒸気改質反応ＳＲ自体は（厳密に言えば）４００℃〜８００℃程度で行われるが、燃料電池との組み合わせにおいては５００℃〜７００℃程度で運転される。

以上のように、本実施形態においては、制御部ＳＣが、検知部ＴＤにより改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知された際に、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス（空気を含まない燃料ガス）と水蒸気だけを供給するよう制御し、改質器５において水蒸気改質反応ＳＲを行わせる。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であることから、燃焼部１８の熱が奪われることとなる。しかしながら、改質器５は、燃料電池セル集合体４０１における複数の燃料電池セル４の配列方向の端部よりも内側に配置されているので、燃焼部１８における複数の燃料電池セル４の配列方向での端部での熱を奪い難い。このため、燃焼部１８における複数の燃料電池セル４の配列方向での端部での燃焼状態が不安定となるのを抑制することができる。燃焼部１８における複数の燃料電池セル４の配列方向での中央部では、改質器５により熱が奪われることとなるが、温度が元々高く、燃焼状態が良好であるため、燃焼状態が不安定となる懼れはない。これらの結果、燃焼部１８における燃焼状態の安定性が向上する。

また、本実施形態では、配管６Ｂが改質器５の燃料電池セル４側への投影領域内に配置されているので、配管６Ｂは燃料電池セル４ひいては燃焼部１８により近接して配置されることとなる。これにより、配管６Ｂは燃焼部１８の熱を受けて加熱され、燃焼部１８の熱の有効利用を図ることができる。

また、本実施形態において、燃料電池セル集合体４０１では、複数の燃料電池セル４が行列配置されている。これにより、改質器５を燃料電池セル集合体４０１における複数の燃料電池セル４の配列方向の端部よりも内側に配置させる構成を容易に設計管理することができる。

尚、本実施形態では、燃料電池セル４の配置に関し、列及び行の数は上述した実施形態の数に限られない。例えば、図８に示すように、列の数と行の数とが同じであってもよい。図８に示した例では、燃料電池セル４は、６行×６列に配置されている。

本実施形態では、行列配置された燃料電池セル４のうち、行方向での両端にそれぞれ位置する少なくとも１列の燃料電池セル４が露出するように、改質器５が配置されているが、これに限らない。例えば、図９に示すように、行列配置された燃料電池セル４のうち、列方向での両端にそれぞれ位置する少なくとも１列の燃料電池セル４が露出するように、改質器５が配置されていてもよい。図９に示した例では、燃料電池セル４は、３行×６列に配置されている。なお、露出する燃料電池セル４の列又は行の数は、改質器５の行方向での幅に依存する。

行列配置された燃料電池セル４のうち、行方向又は列方向での一方の端にそれぞれ位置する少なくとも１列の燃料電池セル４が露出するように、改質器５が配置されていてもよい。

改質器５の数は、一つに限られることなく、２つ以上であってもよい。複数の改質器５は、例えば、燃料電池セル４の行方向又は列方向に併設することができる。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す正面図である。 カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。 燃料電池セルユニットを説明するための図である。 燃料電池セルスタックを説明するための図である。 改質器と燃料電池セル集合体との位置関係を説明するための模式図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る燃料電池の動作及び運転方法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変形例を説明するための模式図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの変形例を説明するための模式図である。

符号の説明

３…ガスタンク、４…燃料電池セル、５…改質器、６Ａ，６Ｂ…配管、８…燃料ガス供給管、１０…空気供給管、１１…排気ガス管、１６…発電室、１８…燃焼部、１９…点火装置、３０…燃料電池セルユニット、４００…燃料電池セルスタック、４０１…燃料電池セル集合体、ＡＰ…空気供給部、ＣＳ…制御部、ＥＰ…電力取出部、ＦＣ…燃料電池モジュール、ＦＣＳ…燃料電池、ＦＰ…燃料供給部、ＳＣ…制御部、ＴＤ…検知部、ＷＰ…水供給部。

Claims (4)

1. 燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、を備える燃料電池用改質器ユニットであって、
   前記改質器は、水蒸気改質可能な温度であると検知された場合に、被改質ガスと水蒸気のみが供給されるように構成されており、
   前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、
   前記改質器における前記改質触媒は、前記燃料電池セル集合体における前記複数の燃料電池セルの配列方向の端部よりも内側に配置されていることを特徴とする燃料電池用改質器ユニット。
2. 前記改質器にて改質される被改質ガスを前記改質器へ供給する被改質ガス供給管を更に備え、
   前記被改質ガス供給管が、前記改質器の前記複数の燃料電池セル側への投影領域内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器ユニット。
3. 前記燃料電池セル集合体では、前記複数の燃料電池セルが行列配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用改質器ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用改質器ユニットを備えた燃料電池モジュール。

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