JP2012221933A - 燃料電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】熱自立を促進させるとともに、起動時間の短縮化及び起動安定性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１２は、酸化剤ガスを熱交換器５０と起動用燃焼器５４とに分配して供給するための酸化剤ガス用調整弁１１２と、原燃料を改質器４６と前記起動用燃焼器５４とに分配して供給するための原燃料用調整弁１１４と、制御装置２０とを備える。制御装置２０は、少なくとも燃料電池スタック２４の温度、改質器４６の温度又は蒸発器４８の温度のいずれかに基づいて、酸化剤ガス用調整弁１１２を制御する酸化剤ガス分配制御部１１６と、原燃料用調整弁１１４を制御する原燃料分配制御部１１８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池スタックを組み込むシステムとして、例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図９に示すように、固体電解質１の一方側に燃料極２を、他方側に空気極３を備え、前記空気極３に酸化性ガスとして空気を供給するとともに、前記燃料極２に燃料ガスを供給し、前記燃料ガスを前記空気と反応させて発電を行う固体電解質型燃料電池４を使用している。
この燃料電池システムでは、さらに外部から導入される燃料ガスを起動時に改質、あるいは不完全燃焼させて還元性ガスとして燃料極２に供給する起動燃焼器５と、前記燃料極２側より排出される燃料極オフガスを燃焼させる排ガス燃焼器６と、前記排ガス燃焼器６から発生する熱で空気を加熱する熱交換器７とを備えている。
これにより、起動時に燃料電池システムから多量に発生する一酸化炭素ガス等の未反応排出ガスを極力少なくでき、燃料極２と空気極３とを共に加熱することにより温度差による熱応力の発生を防止でき、燃料電池システムの耐久性を向上でき、また、前記燃料極２と前記空気極３を同時に効率よく加熱でき、起動時間を短縮できる、としている。
特開２００５−１６６４３９号公報
しかしながら、上記の特許文献１では、起動燃焼器５と排ガス燃焼器６とが、どのような条件で制御されるか不明である。このため、特に、高温型燃料電池であるＳＯＦＣでは、熱自立の促進や起動時間の短縮等の課題を解決することができないという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、熱自立を促進させるとともに、起動時間の短縮化及び起動安定性の向上を図ることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器とを備える燃料電池モジュールに関するものである。
この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガスを熱交換器と起動用燃焼器とに分配して供給するための酸化剤ガス用調整弁と、原燃料を改質器と前記起動用燃焼器とに分配して供給するための原燃料用調整弁と、制御装置とを備えている。
そして、制御装置は、少なくとも燃料電池スタックの温度、改質器の温度又は蒸発器の温度のいずれかに基づいて、酸化剤ガス用調整弁を制御する酸化剤ガス分配制御部と、原燃料用調整弁を制御する原燃料分配制御部とを備えている。
また、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ改質器の温度が設定温度以上である際、起動用燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を減少させることが好ましい。
このため、蒸発器及び改質器の降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ改質器の温度が設定温度以上である際、熱交換器に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることが好ましい。従って、熱交換器及び燃料電池スタックの昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は改質器の温度が設定温度未満である際、起動用燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることが好ましい。これにより、蒸発器及び改質器の昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は改質器の温度が設定温度未満である際、熱交換器に供給される酸化剤ガスの流量を減少させることが好ましい。このため、熱交換器及び燃料電池スタックの降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス分配制御部は、燃料電池スタックの温度が設定温度以上である際、起動用燃焼器への酸化剤ガスの供給を停止することが好ましい。従って、酸化剤ガスの供給配分が変更されるため、例えば、起動用燃焼器を必要以上に稼動させることがなく、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、原燃料分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ改質器の温度が設定温度以上である際、起動用燃焼器に供給される原燃料の流量を減少させることが好ましい。これにより、蒸発器及び改質器の降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、この燃料電池モジュールでは、原燃料分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ改質器の温度が設定温度以上である際、前記改質器に供給される原燃料の流量を増加させることが好ましい。このため、熱交換器及び燃料電池スタックの昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は改質器の温度が設定温度未満である際、起動用燃焼器に供給される原燃料の流量を増加させることが好ましい。従って、蒸発器及び改質器の昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、原燃料分配制御部は、蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は改質器の温度が設定温度未満である際、前記改質器に供給される原燃料の流量を減少させることが好ましい。これにより、熱交換器及び燃料電池スタックの降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、この燃料電池モジュールでは、原燃料分配制御部は、燃料電池スタックの温度が設定温度以上である際、起動用燃焼器への原燃料の供給を停止することが好ましい。
このため、原燃料の供給配分が変更されるため、例えば、起動用燃焼器を必要以上に稼動させることがなく、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。その上、発電前に、アノード電極を確実且つ迅速に還元することができるため、起動時間の短縮及び起動安定性の向上が容易に図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
本発明によれば、少なくとも燃料電池スタックの温度、改質器の温度又は蒸発器の温度のいずれかに基づいて、熱交換器に供給される酸化剤ガスと起動用燃焼器に供給される前記酸化剤ガスとの分配量を変更することができる。このため、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、少なくとも燃料電池スタックの温度、改質器の温度又は蒸発器の温度のいずれかに基づいて、前記改質器に供給される原燃料と起動用燃焼器に供給される前記原燃料との分配量を変更することができる。従って、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成するＦＣ周辺機器の概略斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器を構成する改質器の一部断面正面図である。 前記ＦＣ周辺機器を構成する熱交換器及び排ガス燃焼器の一部断面正面図である。 前記ＦＣ周辺機器を構成する起動用燃焼器の一部断面側面図である。 前記燃料電池システムの起動から定常運転までの動作を説明するフローチャートである。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。
燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２４を備える。燃料電池２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、燃料電池２２としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。
燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂとが設けられる。
燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを生成する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器５４とを備える。
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器５６は、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備えるとともに、後述するように、前記改質器４６、前記熱交換器５０、前記排ガス燃焼器５２及び前記起動用燃焼器５４間には、排ガス用の配管を設けていない。
ＦＣ周辺機器５６では、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。改質器４６は、熱交換器５０の他端に隣接して設けられる。
図２〜図４に示すように、熱交換器５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。改質器４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器５０の一方の側部（一端）には、起動用燃焼器５４が直接装着されるとともに、前記熱交換器５０の他方の側部（他端）には、改質器４６が直接装着される。改質器４６、熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）及び起動用燃焼器５４は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
図２に示すように、熱交換器５０及び改質器４６の下方には、蒸発器４８と、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器５８とが配設される。
改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
燃料電池２２は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３０では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯが電解質２６の前記アノード電極３０側に供給される。
図１に示すように、脱硫器５８の入口には、原燃料供給装置１４を構成する原燃料通路６０ａが接続されるとともに、前記脱硫器５８の出口には、原燃料供給路６０ｂが接続される。この原燃料供給路６０ｂは、改質器４６の改質ガス供給室６２ａに接続される。
図３及び図５に示すように、改質ガス供給室６２ａは、複数の改質管路６４の下端側に連通するとともに、前記改質管路６４の上端側に改質ガス排出室６２ｂが連通する。改質ガス排出室６２ｂには、燃料ガス通路６６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路６６の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。各改質管路６４には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填されている。
各改質管路６４間には、加熱空間６８が形成される。この加熱空間６８には、排ガス配管７０ａの一端が開口される一方、図１に示すように、前記排ガス配管７０ａの他端は、蒸発器４８の加熱路７２の入口に接続される。蒸発器４８の加熱路７２の出口には、排気配管７０ｂが接続される。
蒸発器４８の入口には、水供給装置１８を構成する水通路７４ａが接続され、この水通路７４ａを流通する水は、加熱路７２に沿って流通する排ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器４８の出口には、水蒸気通路７４ｂの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路７４ｂの他端は、原燃料供給路６０ｂに対して脱硫器５８の下流の位置に合流する。
図４及び図６に示すように、熱交換器５０は、下部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路７８の両端が連通する。
酸化剤ガス供給室７６ａには、第１酸化剤ガス供給路８０ａの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路８２の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。
熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４が形成される。燃焼室８４は、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス通路８６の一端と燃料排ガス通路８８の一端とが配置される。図１に示すように、酸化剤排ガス通路８６の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス通路８８の他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。
図４に示すように、改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。改質器４６のフランジ部９２と熱交換器５０のフランジ部９４との間に、壁板９０が挟持されるとともに、これらが複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。壁板９０には、熱交換器５０の燃焼室８４に発生した燃焼ガスを、改質器４６の加熱空間６８に供給するための開口部９８が形成される。
図７に示すように、起動用燃焼器５４は、内部ケーシング１００を介して燃焼室１０２が形成されるとともに、前記内部ケーシング１００の外方には、前記燃焼室１０２を冷却するための冷却通路１０４が形成される。冷却通路１０４の上部には、酸化剤ガス供給装置１６を構成する第１酸化剤ガス通路１０６ａが接続される一方、前記冷却通路１０４の下部には、第２酸化剤ガス通路１０６ｂが接続される（図１参照）。
燃焼室１０２は、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に対応して矩形状の火炎領域Ｓが設定される（図４参照）。この燃焼室１０２には、予混合燃料通路１０８が接続されるとともに、前記予混合燃料通路１０８には、図１に示すように、第２酸化剤ガス供給路８０ｂと原燃料分岐通路１１０とが接続される。図４に示すように、起動用燃焼器５４と熱交換器５０とは、それぞれに設けられたフランジ部９２、９４が複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを第２酸化剤ガス通路１０６ｂから熱交換器５０と起動用燃焼器５４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路８０ａと第２酸化剤ガス供給路８０ｂとに、分配する酸化剤ガス用調整弁１１２を備える。
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６と起動用燃焼器５４とに、すなわち、原燃料供給路６０ｂと原燃料分岐通路１１０とに、分配する原燃料用調整弁１１４を備える。
制御装置２０は、少なくとも燃料電池スタック２４の温度、改質器４６の温度又は蒸発器４８の温度のいずれかに基づいて、酸化剤ガス用調整弁１１２を制御する酸化剤ガス分配制御部１１６と、原燃料用調整弁１１４を制御する原燃料分配制御部１１８とを備える。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図８のフローチャートに沿って、以下に説明する。
燃料電池システム１０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用燃焼器５４に供給される（ステップＳ１）。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に第１酸化剤ガス通路１０６ａに空気が供給される。この空気は、起動用燃焼器５４の冷却通路１０４を通って第２酸化剤ガス通路１０６ｂに導入された後、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、第２酸化剤ガス供給路８０ｂから予混合燃料通路１０８に供給される。
一方、原燃料供給装置１４では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路６０ａの上流に、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料用調整弁１１４の開度調整作用下に、原燃料分岐通路１１０に導入される。この原燃料は、予混合燃料通路１０８に供給されて空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内の燃焼室１０２に供給される。
このため、燃焼室１０２内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、起動用燃焼器５４に直接接続されている熱交換器５０には、図４に示すように、前記起動用燃焼器５４の火炎領域Ｓから排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に燃焼ガスが供給される。
燃焼室８４に供給された燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、壁板９０に形成された開口部９８を介して改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、改質器４６が加温される。加熱空間６８には、排ガス配管７０ａが配設されており、この排ガス配管７０ａは、蒸発器４８の加熱路７２に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器４８を昇温させた後、排気配管７０ｂから排出される。
次いで、ステップＳ２に進んで、蒸発器４８が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６が設定温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、１５０℃であり、設定温度Ｔ２は、例えば、５５０℃である。蒸発器４８が設定温度Ｔ１未満である際、又は改質器４６が設定温度Ｔ２未満である際、ステップＳ３に進む（ステップＳ２中、ＮＯ）。
ステップＳ３では、酸化剤ガス分配制御部１１６により酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整され、第２酸化剤ガス供給路８０ｂへの空気供給量が増加される。さらに、原燃料分配制御部１１８により原燃料用調整弁１１４の開度が調整され、原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が増加される。従って、起動用燃焼器５４による燃焼量が増加して発生する熱量が増加する。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
そして、蒸発器４８が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６が設定温度Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、酸化剤ガス分配制御部１１６により酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて第２酸化剤ガス供給路８０ｂへの空気供給量が減少される。さらに、原燃料分配制御部１１８により原燃料用調整弁１１４の開度が調整され、原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が減少される。これにより、起動用燃焼器５４による燃焼量が減少して発生する熱量が削減される。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
このため、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して第１酸化剤ガス供給路８０ａに供給される空気流量が増加し、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに空気が導入される。
図６に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路７８内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室８４に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室７６ｂに供給された後、酸化剤ガス通路８２を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路８６に排出される。酸化剤排ガス通路８６は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
また、原燃料供給装置１４では、図１に示すように、原燃料用調整弁１１４を介して原燃料通路６０ａから脱硫器５８に供給される原燃料流量が増加される。脱硫器５８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路６０ｂを流通して改質器４６の改質ガス供給室６２ａに供給される。一方、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器４８で蒸発された後、原燃料供給路６０ｂを流通して改質ガス供給室６２ａに供給される。
図５に示すように、改質ガス供給室６２ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間６８に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路８８に排出される。燃料排ガス通路８８は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
上記のように、燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。そして、燃料電池スタック２４が、設定温度Ｔ３（例えば、６５０℃）以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、排ガス燃焼器５２において燃焼が開始されたか否かが判断される。
排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４には、図６に示すように、酸化剤排ガス通路８６を介して空気が供給されるとともに、燃料排ガス通路８８を介して燃料ガスが供給されている。従って、起動用燃焼器５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される（ステップＳ６中、ＹＥＳ）。
排ガス燃焼器５２における燃焼が開始されると、ステップＳ７に進んで、酸化剤ガス分配制御部１１６による酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整及び原燃料分配制御部１１８による原燃料用調整弁１１４の開度調整が行われ、起動用燃焼器５４への空気及び原燃料の供給が停止される。
次いで、ステップＳ８に進んで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２２のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２４の発電が可能であると判断する（ステップＳ８中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２４は、発電が開始される（ステップＳ９）。
燃料電池スタック２４の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路３８を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４０を流通する。従って、各燃料電池２２のカソード電極２８に空気が供給されるとともに、アノード電極３０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路８６に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路８８に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２に送られて燃焼される。
この場合、本実施形態では、燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を有するＦＣ周辺機器５６と、酸化剤ガスを前記熱交換器５０と前記起動用燃焼器５４とに分配して供給するための酸化剤ガス用調整弁１１２と、原燃料を前記改質器４６と前記起動用燃焼器５４とに分配して供給するための原燃料用調整弁１１４と、制御装置２０とを備えている。
そして、制御装置２０は、少なくとも燃料電池スタック２４の温度、改質器４６の温度又は蒸発器４８の温度のいずれかに基づいて、酸化剤ガス用調整弁１１２を制御する酸化剤ガス分配制御部１１６と、原燃料用調整弁１１４を制御する原燃料分配制御部１１８とを備えている。
これにより、少なくとも燃料電池スタック２４の温度、改質器４６の温度又は蒸発器４８の温度のいずれかに基づいて、熱交換器５０に供給される酸化剤ガスと起動用燃焼器５４に供給される前記酸化剤ガスとの分配量を変更することができる。このため、燃料電池モジュール１２では、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、少なくとも燃料電池スタック２４の温度、改質器４６の温度又は蒸発器４８の温度のいずれかに基づいて、前記改質器４６に供給される原燃料と起動用燃焼器５４に供給される前記原燃料との分配量を変更することができる。従って、燃料電池モジュール１２では、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、酸化剤ガス分配制御部１１６は、蒸発器４８の温度が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６の温度が設定温度Ｔ２以上である際（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、起動用燃焼器５４に供給される酸化剤ガスの流量を減少させている（ステップＳ４）。
このため、蒸発器４８及び改質器４６の降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、酸化剤ガス分配制御部１１６は、蒸発器４８の温度が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６の温度が設定温度Ｔ２以上である際、熱交換器５０に供給される酸化剤ガスの流量を増加させている。従って、熱交換器５０及び燃料電池スタック２４の昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらにまた、酸化剤ガス分配制御部１１６は、蒸発器４８の温度が設定温度未満である際、又は改質器４６の温度が設定温度未満である際（ステップＳ２中、ＮＯ）、起動用燃焼器５４に供給される酸化剤ガスの流量を増加させている（ステップＳ３）。これにより、蒸発器４８及び改質器４６の昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、酸化剤ガス分配制御部１１６は、蒸発器４８の温度が設定温度Ｔ１未満である際、又は改質器４６の温度が設定温度Ｔ２未満である際、熱交換器５０に供給される酸化剤ガスの流量を減少させている。このため、熱交換器５０及び燃料電池スタック２４の降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、酸化剤ガス分配制御部１１６は、燃料電池スタック２４の温度が設定温度Ｔ３以上である際（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、起動用燃焼器５４への酸化剤ガスの供給を停止している（ステップＳ７）。従って、酸化剤ガスの供給配分が変更されるため、例えば、起動用燃焼器５４を必要以上に稼動させることがなく、燃料電池モジュール１２は、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらにまた、原燃料分配制御部１１８は、蒸発器４８の温度が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６の温度が設定温度Ｔ２以上である際（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、起動用燃焼器５４に供給される原燃料の流量を減少させている（ステップＳ４）。これにより、蒸発器４８及び改質器４６の降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、原燃料分配制御部１１８は、蒸発器４８の温度が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６の温度が設定温度Ｔ２以上である際、前記改質器４６に供給される原燃料の流量を増加させている。このため、熱交換器５０及び燃料電池スタック２４の昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらに、原燃料分配制御部１１８は、蒸発器４８の温度が設定温度未満である際、又は改質器４６の温度が設定温度未満である際（ステップＳ２中、ＮＯ）、起動用燃焼器５４に供給される原燃料の流量を増加させている（ステップＳ３）。従って、蒸発器４８及び改質器４６の昇温等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
さらにまた、原燃料分配制御部１１８は、蒸発器４８の温度が設定温度Ｔ１未満である際、又は改質器４６の温度が設定温度Ｔ２未満である際、前記改質器４６に供給される原燃料の流量を減少させている。これにより、熱交換器５０及び燃料電池スタック２４の降温や温度維持等の温度制御を緻密に行うことができ、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。
また、原燃料分配制御部１１８は、燃料電池スタック２４の温度が設定温度Ｔ３以上である際（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、起動用燃焼器５４への原燃料の供給を停止している（ステップＳ７）。
このため、原燃料の供給配分が変更されるため、例えば、起動用燃焼器５４を必要以上に稼動させることがなく、燃料電池モジュール１２は、昇温、降温及び温度維持したい部位に対する温度制御が緻密に遂行され、熱自立運転を促進させることが可能になる。しかも、燃料電池モジュール１２は、起動時間の短縮や起動安定性の向上が図られる。その上、発電前に、アノード電極３０を確実且つ迅速に還元することができるため、燃料電池２２の起動時間の短縮及び起動安定性の向上が容易に図られる。
さらに、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置 ２０…制御装置
２２…燃料電池 ２４…燃料電池スタック
２６…電解質 ２８…カソード電極
３０…アノード電極 ３８…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路 ４６…改質器
４８…蒸発器 ５０…熱交換器
５２…排ガス燃焼器 ５４…起動用燃焼器
５６…ＦＣ周辺機器 ５８…脱硫器
６０ａ…原燃料通路 ６０ｂ…原燃料供給路
６２ａ…改質ガス供給室 ６２ｂ…改質ガス排出室
６４…改質管路 ６６…燃料ガス通路
６８…加熱空間 ７０ａ…排ガス配管
７０ｂ…排気配管 ７２…加熱路
７４ａ…水通路 ７４ｂ…水蒸気通路
７６ａ…酸化剤ガス供給室 ７６ｂ…酸化剤ガス排出室
７８…酸化剤ガス管路 ８０ａ、８０ｂ…酸化剤ガス供給路
８２、１０６ａ、１０６ｂ…酸化剤ガス通路
８４、１０２…燃焼室 ８６…酸化剤排ガス通路
８８…燃料排ガス通路 ９０…壁板
９８…開口部 １０４…冷却通路
１０８…予混合燃料通路 １１０…原燃料分岐通路
１１２…酸化剤ガス用調整弁 １１４…原燃料用調整弁
１１６…酸化剤ガス分配制御部 １１８…原燃料分配制御部

Claims (12)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
    炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
    水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
    燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
    前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
    前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
    を備える燃料電池モジュールであって、
    前記酸化剤ガスを前記熱交換器と前記起動用燃焼器とに分配して供給するための酸化剤ガス用調整弁と、
    前記原燃料を前記改質器と前記起動用燃焼器とに分配して供給するための原燃料用調整弁と、
    制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、少なくとも前記燃料電池スタックの温度、前記改質器の温度又は前記蒸発器の温度のいずれかに基づいて、
    前記酸化剤ガス用調整弁を制御する酸化剤ガス分配制御部と、
    前記原燃料用調整弁を制御する原燃料分配制御部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ前記改質器の温度が設定温度以上である際、前記起動用燃焼器に供給される前記酸化剤ガスの流量を減少させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ前記改質器の温度が設定温度以上である際、前記熱交換器に供給される前記酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  4. 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において、前記酸化剤ガス分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は前記改質器の温度が設定温度未満である際、前記起動用燃焼器に供給される前記酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は前記改質器の温度が設定温度未満である際、前記熱交換器に供給される前記酸化剤ガスの流量を減少させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス分配制御部は、前記燃料電池スタックの温度が設定温度以上である際、前記起動用燃焼器への前記酸化剤ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池モジュール。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ前記改質器の温度が設定温度以上である際、前記起動用燃焼器に供給される前記原燃料の流量を減少させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度以上であり、且つ前記改質器の温度が設定温度以上である際、前記改質器に供給される前記原燃料の流量を増加させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は前記改質器の温度が設定温度未満である際、前記起動用燃焼器に供給される前記原燃料の流量を増加させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料分配制御部は、前記蒸発器の温度が設定温度未満である際、又は前記改質器の温度が設定温度未満である際、前記改質器に供給される前記原燃料の流量を減少させることを特徴とする燃料電池モジュール。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料分配制御部は、前記燃料電池スタックの温度が設定温度以上である際、前記起動用燃焼器への前記原燃料の供給を停止することを特徴とする燃料電池モジュール。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池モジュール。
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