JP2012221934A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料排ガスを有効利用するとともに、急激な負荷増加時にも、燃料枯渇を抑制することができ、しかも発電効率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、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を備える。燃料電池モジュール１２では、燃料電池スタック２４から排出される燃料排ガスを、排ガス燃焼器５２に供給する燃料排ガス通路８８と、前記燃料排ガス通路８８から分岐し、前記燃料排ガスを改質器４６の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路８８ａ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。

燃料電池は、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ものである。燃料ガス及び酸化剤ガスは、通常、発電に必要な量以上の流量が供給されている。このため、特に燃料ガスでは、未使用の燃料ガスが排ガスとして排出される場合があり、経済的ではないという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型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１１に示すように、燃料、酸素及び水から水素リッチな改質ガスを生成する改質器１ａと、複数の電池ユニットＵを積層したスタック構造体ＳＫを備えており、前記スタック構造体ＳＫの各電池ユニットＵに改質ガスと空気を供給して発電するように構成されている。

燃料電池システムは、さらに改質器１ａからスタック構造体ＳＫに供給される改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段Ａと、前記スタック構造体ＳＫの温度を制御する温度制御手段Ｂと、前記改質器１ａから前記改質ガス冷却手段Ａをバイパスして該スタック構造体ＳＫに至る改質ガス分配手段Ｃとを備えている。

改質器１ａは、スタック構造体ＳＫにおける各電池ユニットＵの燃料極に改質ガスを供給する改質ガス供給路２ａを備えるとともに、燃料の気化器３ａを備えている。電池ユニットＵの単セルを構成する燃料極４ａには、改質ガス排出路５ａが連結してあり、この改質ガス排出路５ａには、切替バルブ６ａを介して改質器１ａの気化器３ａに至る改質ガスリターン路７ａが連結されている。すなわち、気化器３ａは、燃料の気化の熱源の一部としてスタック構造体ＳＫから排出された改質ガスを用いている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、図１２に示すように、発電を行う燃料電池スタック１ｂと、この燃料電池スタック１ｂに燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記燃料電池スタック１ｂに酸化剤ガス（空気）を供給する空気供給系とを備えている。

燃料供給系は、水素供給流路２ｂ、エゼクタ３ｂ、アノード排ガス排気流路４ｂ及び水素循環流路５ｂを有している。そして、図示しない水素供給源から供給される水素ガスが、水素供給流路２ｂ及びエゼクタ３ｂを通って燃料電池スタック１ｂのアノード極６ｂに供給されるように構成されている。

燃料電池スタック１ｂでは、供給された水素ガスが全て消費されるわけではない。残った水素ガス（燃料電池スタック１ｂのアノード極６ｂから排出される水素ガス）は、水素循環流路５ｂを通ってエゼクタ３ｂにより循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック１ｂのアノード極６ｂに供給されている。

特開２００９−１４０７３３号公報 特開２００４−１９９９３１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、改質器１ａは、オートサーマル改質を行うため、スタック内で吸熱反応が発生することがない。従って、スタック内が過熱状態になり易いという問題がある。しかも、燃料極４ａからの高温の燃料排ガスは、改質ガスリターン路７ａを通って気化器３ａに供給されているが、この気化器３ａの作動温度が低いため、熱源のロスが大きくなり、経済的ではないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、アノード極６ｂから排出される水素ガスをエゼクタ３ｂにより循環させることにより、アノード排ガス（燃料排ガス）を前記水素ガスとして使用することが可能になる。その際、循環される水素ガスには、不純物が混在し易く、該不純物の濃度が上昇した際に、流路内のアノード排ガスをパージする必要がある。このため、アノード極６ｂから排出される排ガスを有効且つ効率的に活用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、燃料排ガスを有効利用するとともに、急激な負荷増加時にも、燃料枯渇を抑制することができ、しかも発電効率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。

そして、この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、排ガス燃焼器に供給する燃料排ガス通路と、前記燃料排ガス通路から分岐し、前記燃料排ガスを改質器の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路とを備えている。

また、この燃料電池モジュールでは、燃料排ガス通路と燃料排ガス分岐通路との境界部位には、燃料排ガスを前記燃料排ガス通路と前記燃料排ガス分岐通路とに分配して供給するための燃料排ガス調整弁が配設されることが好ましい。このため、改質器に供給される燃料排ガスの流量を緻密に制御することができ、特に急激な負荷増加時にも、改質反応の遅延による燃料枯渇を抑制することが可能になるとともに、前記改質器の耐久性が向上する。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率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、燃料排ガス通路に沿って排ガス燃焼器に供給される燃料排ガスの流量Ｗ１は、燃料排ガス分岐通路に沿って改質器に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２よりも大きく設定されることが好ましい。従って、改質器への燃料排ガス供給量が、排ガス燃焼器への燃料排ガス供給量に比べて過多になることがなく、熱自立運転が確実に遂行される。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。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃料排ガス通路に沿って排ガス燃焼器に供給される燃料排ガスの流量Ｗ１と、燃料排ガス分岐通路に沿って改質器に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２とは、流量Ｗ１／流量Ｗ２≧１０に設定されることが好ましい。これにより、改質器への燃料排ガス供給量が、排ガス燃焼器への燃料排ガス供給量に比べて過多になることがなく、熱自立運転が確実に遂行される。

また、この燃料電池モジュールでは、改質器は、水蒸気改質器であることが好ましい。このため、急激な負荷増加の際、水蒸気改質の吸熱反応に即応することが可能になり、燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が図られる。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率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、燃料排ガスは、排ガス燃焼器と改質器とに分配供給されている。このため、急激な負荷増加の際、水蒸気改質の吸熱反応に即応することが可能になり、燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が図られる。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率の向上が容易に図られる。

本発明の第１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動作を説明するフローチャートである。 前記燃料電池システムを構成する燃料排ガス調整弁の開度と運転出力とのマップである。 本発明の第２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。 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。 特許文献２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、本発明の第１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（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）及びブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の高級炭化水素（Ｃ_２＋）を、主としてメタン（ＣＨ_４）、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。

燃料排ガス通路８８から燃料排ガス分岐通路８８ａが分岐する。燃料排ガス分岐通路８８ａは、原燃料供給路６０ｂに対して改質ガス供給室６２ａの近傍位置に合流する。燃料排ガス通路８８と燃料排ガス分岐通路８８ａとの境界部位には、燃料排ガスを前記燃料排ガス通路８８と前記燃料排ガス分岐通路８８ａとに分配して供給するための燃料排ガス調整弁８９が配設される。

燃料排ガス通路８８に沿って排ガス燃焼器５２に供給される燃料排ガスの流量Ｗ１は、燃料排ガス分岐通路８８ａに沿って改質器４６に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２よりも大きく設定される。具体的には、流量Ｗ１／流量Ｗ２≧１０に設定される。

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、先ず、燃料排ガス調整弁８９が操作されて燃料排ガス分岐通路８８ａが閉塞され、燃料排ガスが前記燃料排ガス分岐通路８８ａを流通することを規制する（ステップＳ１）。次いで、ステップＳ２に進んで、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。

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（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０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。

さらに、ステップＳ３に進んで、改質器４６が設定温度Ｔ１以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、５５０℃である。改質器４６が設定温度Ｔ１以上である際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、燃料電池スタック２４の還元が開始される。

具体的には、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整され、第１酸化剤ガス供給路８０ａに空気が供給される。一方、原燃料用調整弁１１４の開度が調整され、原燃料通路６０ａに原燃料が供給される。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、第１酸化剤ガス供給路８０ａから酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、図６に示すように、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に原燃料が供給される。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、Ｃ_２＋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Ｔ２（例えば、６００℃）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、改質器４６により改質された燃料ガス（改質ガス）の温度を検出し、この燃料ガスの温度から改質ガス組成を算出する。この算出結果から、燃料排ガスの戻し量を算出した後に、該戻し量に調整するための燃料排ガス調整弁８９の開度が設定される。

さらに、ステップＳ７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Ｓ７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Ｓ８）。

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とともに、前記燃料排ガスの一部は、燃料排ガス分岐通路８８ａを流通して改質器４６の改質ガス供給室６２ａに供給される。

次に、ステップＳ９に進んで、燃料電池スタック２４の運転負荷に応じて、燃料排ガス調整弁８９の開度が設定される。燃料排ガス調整弁８９の開度は、図９に示すように、燃料電池スタック２４の運転出力（要求電力）に応じて予めマップとして作成され、制御装置２０に記憶されている。そして、運転負荷に応じてマップから燃料排ガス調整弁８９の開度が算出され、決定される。

燃料電池スタック２４の発電が停止されると判断されると（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進んで、燃料排ガス調整弁８９の開度が調整されて燃料排ガス分岐通路８８ａが閉塞される。さらに、ステップＳ１２に進んで、燃料電池スタック２４がＯＣＶに戻されるとともに、発電の停止モードに移行する。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック２４から排出される燃料排ガスを、排ガス燃焼器５２に供給する燃料排ガス通路８８と、前記燃料排ガス通路８８から分岐し、前記燃料排ガスを改質器４６の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路８８ａとを備えている。

このため、燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２と改質器４６とに分配供給されている。従って、急激な負荷増加の際、水蒸気改質の吸熱反応に即応することが可能になり、燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が図られるという効果が得られる。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率の向上が容易に図られる。

燃料排ガス分岐通路８８ａを流通して改質器４６に供給される燃料排ガスは、発電反応により水分を含んでいる。これにより、水供給装置１８を介して改質器４６に供給される水蒸気量を低減させることができるとともに、触媒反応を良好に保ち、炭素析出領域の発生を抑制することが可能になる。しかも、改質器４６に燃料排ガスが直接供給されるため、要求負荷に対する追従性が向上するとともに、起動性が向上するという利点がある。

さらに、例えば、７００℃の高温の燃料排ガスを、作動温度が５００℃の改質器４６に供給するため、前記改質器４６を良好に加温することができる。その上、７００℃の高温の燃料排ガス、すなわち、還元ガスを循環させることにより、触媒を良好な還元状態に維持することが可能になる。

しかも、未燃の燃料ガスを含む燃料排ガスは、改質器４６を介して燃料電池スタック２４に供給されて燃料ガスとして有効利用することが可能になり、経済的である。

また、この燃料電池モジュール１２では、燃料排ガス通路８８と燃料排ガス分岐通路８８ａとの境界部位には、燃料排ガスを前記燃料排ガス通路８８と前記燃料排ガス分岐通路８８ａとに分配して供給するための燃料排ガス調整弁８９が配設されている。

このため、改質器４６に供給される燃料排ガスの流量を緻密に制御することができ、特に急激な負荷増加時にも、改質反応の遅延による燃料枯渇を抑制することが可能になるとともに、前記改質器４６の耐久性が向上する。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率の向上が容易に図られる。

さらに、燃料排ガス通路８８に沿って排ガス燃焼器５２に供給される燃料排ガスの流量Ｗ１は、燃料排ガス分岐通路８８ａに沿って改質器４６に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２よりも大きく設定されている。従って、改質器４６への燃料排ガス供給量が、排ガス燃焼器５２への燃料排ガス供給量に比べて過多になることがなく、熱自立運転が確実に遂行される。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２２の動作温度を維持することをいう。

さらにまた、燃料排ガス通路８８に沿って排ガス燃焼器５２に供給される燃料排ガスの流量Ｗ１と、燃料排ガス分岐通路８８ａに沿って改質器４６に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２とは、流量Ｗ１／流量Ｗ２≧１０に設定されている。これにより、改質器４６への燃料排ガス供給量が、排ガス燃焼器５２への燃料排ガス供給量に比べて過多になることがなく、熱自立運転が確実に遂行される。

ここで、改質器４６に供給される燃料排ガスの流量Ｗ２が過剰になると、熱自立が困難になる一方、排ガス燃焼器５２での余剰熱量分を前記改質器４６に分流することが望ましい。このため、少なくとも流量Ｗ１／流量Ｗ２≧１０の要件が必要である。

また、改質器４６は、水蒸気改質器である。このため、急激な負荷増加の際、水蒸気改質の吸熱反応に即応することが可能になり、燃料枯渇を抑制することができ、耐久性を良好に向上させることが可能になる。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率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。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０は、燃料排ガス通路８８から燃料排ガス分岐通路１２２が分岐する。燃料排ガス通路８８の開口断面積Ｍ１と、燃料排ガス分岐通路１２２の開口断面積Ｍ２とは、開口断面積Ｍ１：開口断面積Ｍ２＝１０：１の関係に設定される。

これにより、第２の実施形態では、燃料排ガス通路８８から排ガス燃焼器５２に供給される燃料排ガスの流量が、燃料排ガス分岐通路１２２から改質器４６に供給される燃料排ガスの流量よりも、常時、多量に設定されている。従って、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、弁機構が不要になり、経済的であるという利点がある。

１０、１２０…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 ８８ａ、１２２…燃料排ガス分岐通路
８９…燃料排ガス調整弁 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

Claims (6)

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、
   前記燃料電池スタックから排出される前記燃料排ガスを、前記排ガス燃焼器に供給する燃料排ガス通路と、
   前記燃料排ガス通路から分岐し、前記燃料排ガスを前記改質器の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路と、
   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、前記燃料排ガス通路と前記燃料排ガス分岐通路との境界部位には、前記燃料排ガスを前記燃料排ガス通路と前記燃料排ガス分岐通路とに分配して供給するための燃料排ガス調整弁が配設され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、前記燃料排ガス通路に沿って前記排ガス燃焼器に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ１は、前記燃料排ガス分岐通路に沿って前記改質器に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２よりも大きく設定され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、前記燃料排ガス通路に沿って前記排ガス燃焼器に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ１と、前記燃料排ガス分岐通路に沿って前記改質器に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２とは、流量Ｗ１／流量Ｗ２≧１０に設定され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、前記改質器は、水蒸気改質器であ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。

Images