JP2014232658A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料発生部材の反応性を安定化させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部２と、燃料発生部材１と燃料電池部２との間で燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路８と、前記ガス流路上に設けられ、燃料発生部材１と燃料電池部２との間でガスを強制的に循環させる循環器９と、燃料発生部材１の温度を検出するための温度センサ３と、温度センサ３の出力に応じて、循環器９によって強制的に循環させるガスの循環量を制御する制御部１４とを備える。燃料電池部２のガス流出側と燃料発生部材１のガス流入側との間に、循環器９によって強制的に循環させるガスを冷却する冷却箇所１３が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸化剤ガスと当該燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部とを備える燃料電池システムに関する。

固体酸化物型燃料電池は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やランタンガレート系（例えば一般式ＬａＳｒＭｇＧａＯで表されるＬＳＧＭ）を用いた固体酸化物電解質膜を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

固体酸化物型燃料電池は、固体高分子型燃料電池よりも動作温度を高くする必要があるものの、固体高分子型燃料電池よりも発電効率が高いという利点を有している。

特表平１１−５０１４４８号公報 国際公開第２０１２／０７０４８７号

特許文献１及び特許文献２には、固体酸化物型燃料電池と、酸化反応により水素を発生し、還元反応により再生可能な水素発生部材とを組み合わせた２次電池型燃料電池システムが開示されている。上記２次電池型燃料電池システムでは、システムの発電動作時に水素発生部材が水素を発生し、システムの充電動作時に水素発生部材が再生される。また、上記２次電池型燃料電池システムでは、固体酸化物型燃料電池が、システムの発電動作時に酸化剤ガスと水素発生部材から供給される水素（燃料ガス）との発電反応によって発電を行い、システムの充電動作時に水素発生部材から供給される水蒸気の電気分解反応によって水素を生成する。

上述した水素発生部材の酸化反応には温度依存性があり、水素発生部材の温度が低い場合には反応性が落ちる。その一方で、一般的に水素発生部材は、反応性を高くするために微粒子化されており、高温になることで粒子同士が凝集（シンタリング）して水素発生部材の表面積が減少してしまい性能（反応性）が劣化してしまう。つまり、水素発生部材の温度が高すぎても低すぎても水素発生部材の反応性に悪影響が及ぶ。

本発明は、上記の状況に鑑み、燃料発生部材の反応性を安定化させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、前記燃料発生部材の温度を検出するための温度センサと、前記温度センサの出力に応じて、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を制御する制御部とを備え、前記燃料電池部のガス流出側と前記燃料発生部材のガス流入側との間に、前記循環器によって強制的に循環させるガスを冷却する箇所が設けられている構成（第１の構成）とする。

上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料発生部材の温度が第１の所定値より大きい場合に、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を増加させ、前記燃料発生部材の温度が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値より小さい場合に、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を減少させる構成（第２の構成）としてもよい。

上記第１又は第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池部が発電を開始してから所定時間が経過すると、前記温度センサの出力に応じて、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を制御する制御動作を開始する構成（第３の構成）としてもよい。

上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記循環器は、前記冷却箇所と前記燃料発生部材のガス流入側との間に配置される構成（第４の構成）としてもよい。

本発明に係る燃料電池システムによると、燃料電池部のガス流出側と燃料発生部材のガス流入側との間に、循環器によって強制的に循環させるガスを冷却する箇所が設けられ、燃料発生部材の温度を検出するための温度センサの出力に応じて、循環器によって強制的に循環させるガスの循環量が制御されるので、低温状態で燃料発生部材に流入し燃料発生部材から熱を奪って燃料発生部材から流出するガスの流量が、燃料発生部材の温度に応じて制御される。これにより、燃料発生部材の温度変動を低減することができ、燃料発生部材の反応性を安定化させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 燃料発生部材及びそれを収容する容器の一例を示す模式図である。 燃料発生部材の他の例を示す模式図である。 熱交換器の概略構成例を示す模式図である。 熱交換器の他の概略構成例を示す模式図である。 熱交換器の更に他の概略構成例を示す模式図である。 熱交換器の更に他の概略構成例を示す模式図である。 熱交換器の更に他の概略構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。 ガス循環量の制御動作を示すフローチャートである。 ガス循環量の制御動作を示す他のフローチャートである。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部２（以下、燃料電池部２と称する）とを備えている。

本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料発生部材１の温度を検出するための温度センサ３と、燃料発生部材１を加熱するヒーター４と、燃料電池部２を加熱するヒーター５と、燃料発生部材１、温度センサ３、及びヒーター４を収容する容器６と、燃料電池部２及びヒーター５を収容する容器７と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを循環させるための循環用配管８と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを強制的に循環させるポンプ９と、燃料電池部２の発電時に酸化剤極２Ｃに酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管１０と、酸化剤極２Ｃでの反応後のガスを排出するための酸化剤極出口側配管１１と、断熱容器１２と、第１の熱交換器１３と、システム全体を制御するシステムコントローラ１４とをさらに備えている。

なお、図が煩雑になることを防ぐため、電力を伝送する電力ラインや制御信号を伝送する制御ラインなどの図示を一部省略している。また、必要に応じて、燃料電池部２の周辺に温度センサ等を設けてもよい。

酸化剤極入口側配管１０及び酸化剤極出口側配管１１内のガスを図１中に示す細線矢印の方向に流すために、必要に応じてポンプやブロアなどを酸化剤極入口側配管１０側あるいは酸化剤極出口側配管１１側に設けてもよい。また、図１では燃料極２Ｂの長手方向と容器７に設けられる燃料ガス流通口の厚み方向とが直角であるが例えば平行であってもよく、図１では酸化剤極２Ｃの長手方向と容器７に設けられる酸化剤ガス流通口の厚み方向とが平行であるが例えば直角であってもよい。また、ポンプ９の代わりに、コンプレッサ、ファン、ブロア等の機械的なエネルギーを用いる他の循環器を用いても構わない。

断熱容器１２は、容器内と容器外とを断熱する容器であって、容器６と、容器７と、循環用配管８の一部と、酸化剤極入口側配管１０の一部と、酸化剤極出口側配管１１の一部とを収容している。なお、第１の熱交換器１３の一部を断熱容器１２に収容するようにしてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料ガス（例えば水素）を発生し、還元性ガス（例えば水素）との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。また、図１では、燃料発生部材１を１つだけ設けた構造を図示しているが、燃料発生部材１を複数設けてもよい。

Ｆｅを主体とする燃料発生部材１は、例えば、下記の（１）式や（１）’式に示す酸化反応により、水蒸気を消費して水素を生成することができる。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（１）
Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ→ＦｅＯ＋Ｈ₂ …（１）’

上記の（１）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（１）式の逆反応すなわち下記の（２）式に示す還元反応や上記の（１）’式の逆反応すなわち下記の（２）’式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができる。なお、上記の（１）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応及び下記の（２）式や（２）’式に示す還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（２）
ＦｅＯ＋Ｈ₂→Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ …（２）’

燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、微粒子をペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であってもよく、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよい。前者の一例を図２に示し、後者の一例を図３に示す。

図２では、燃料発生部材１は複数の球状ペレット１５によって構成されており、容器５はガス流路を長くするための仕切板１６を備えている。図２ではガスの流れを矢印で模式的に示している。なお、図２ではペレットの形状が球状であるが、他の形状であっても構わない。

図３では、燃料発生部材１はガス流路が形成されている成型体１７によって構成されている。なお、図３の例ではガス流路の断面形状が正方形であるが、他の形状であっても構わない。例えばガス流路の断面形状を正六角形にすれば、ハニカム構造の成型体になる。

燃料電池部２は、図１に示す通り、固体酸化物電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

固体酸化物電解質膜２Ａの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やランタンガレード系（例えば一般式ＬａＳｒＭｇＧａＯで表されるＬＳＧＭ）を用いることができる。

固体酸化物電解質膜２Ａは、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition _- Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができる。

燃料極２Ｂ、酸化剤極２Ｃはそれぞれ、例えば、固体酸化物電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、酸化剤極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えば、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、酸化剤極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。

以下の説明では、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

燃料電池部２では、燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（３）

上記の（３）式の反応によって生成された電子は、外部負荷（不図示）を通って、酸化剤極２Ｃに到達し、酸化剤極２Ｃにおいて下記の（４）式の反応が起こる。
（１／２）Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（４）

そして、上記の（４）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体酸化物電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（３）式から分かるように、燃料電池システムの発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

上記の（３）式及び（４）式より、燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（５）式の通りになる。
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（５）

一方、燃料発生部材１は、上記の（１）式や（１）’式に示す酸化反応により、燃料電池システムの発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。

上記の（１）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（２）式や（２）’式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができ、燃料電池システムを充電することができる。

燃料電池部２では、２次電池型燃料電池システムの充電時に、上記の（５）式の逆反応である下記の（６）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（２）式や（２）’式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ …（６）

第１の熱交換器１３は、循環用配管８内の燃料極２Ｂから排出されポンプ９に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管１０内のガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、燃料極２Ｂから循環用配管８に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、酸化剤極入口側配管１０が外気あるいは空気ボンベや酸素ボンベ等からガスを取り入れて酸化剤極２Ｃにガスを供給するため、酸化剤極入口側配管１０が取り入れるガスは概ね常温である。したがって、第１の熱交換器１３での熱交換により、循環用配管８内の燃料極２Ｂから排出されポンプ９に流入するまでのガスが冷却され、酸化剤極入口側配管１０内のガスが加熱される。

上記の通りポンプ９に流入するガスが冷却されるので、ポンプ９が高温になることを防止することができ、ポンプ９の耐久性の劣化を抑えることができる。また、上記の通り第１の熱交換器１３での熱交換により、循環用配管８内の燃料極２Ｂから排出されポンプ９に流入するまでのガスが冷却され、酸化剤極入口側配管１０内のガスが加熱されるので、ポンプ９に流入するガスの冷却および酸化剤極２Ｃに供給されるガスの加熱に用いられるエネルギーを低減することができ、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時には発電効率を高くすることができ、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時には充電効率を高くすることができる。

ポンプ９に流入するガスの冷却温度はポンプ９の耐熱性に適合した温度に設定するとよいが、より低温に設定する方がポンプ９の耐久性の劣化をより抑えることができるため好ましい。ただし、循環用配管８内のガスは水素と水蒸気の混合ガスであるため、結露が発生しない範囲でポンプ９に流入するガスの冷却温度をより低温にすることが好ましい。例えば、循環用配管８内のガスの全圧が１気圧である場合、ポンプ９に流入するガスの冷却温度を１００℃〜１２０℃にすれば、結露が発生せず、かつ、ポンプ９に流入するガスの冷却温度を十分低温にすることができる。ここで、十分低温とは、ポンプ９等の循環器として高耐熱性の特殊な循環器を使用する必要がなく、汎用的な循環器を使用することができる温度を意味している。

第１の熱交換器１３は、例えば図４Ａに示すように循環用配管８と酸化剤極入口側配管１０とを間隔を狭くして配置する構成とすることができる。また、熱交換可能な配管距離を長くするために、第１の熱交換器１３は、例えば図４Ｂに示すように循環用配管８と酸化剤極入口側配管１０の少なくとも一方がらせん形状である構成であってもよく、例えば図４Ｃに示すように循環用配管８と酸化剤極入口側配管１０の少なくとも一方が蛇行形状である構成であってもよい。第１の熱交換器１３内における循環用配管８及び酸化剤極入口側配管１０の周囲は空間でもよいが、金属などの熱伝導率が高い材質で周囲を覆う方がより熱交換の効率が高くなるため好ましい。

また、第１の熱交換器１３は、例えば図４Ｄに示すように循環用配管８と冷媒１８との間で熱交換し、酸化剤極入口側配管１０と冷媒１８との間で熱交換し、冷媒１８が環状の閉空間内で流動可能となっており、冷媒１８が循環することで循環用配管８内のガスが冷却され、酸化剤極入口側配管１０内のガスが加熱される構成であってもよい。

また、第１の熱交換器１３は、例えば図４Ｅに示すように循環用配管８及び酸化剤極入口側配管１０の一方の配管内に他方の配管を通す構成であってもよい。この場合、熱交換可能な配管距離を長くするために、一方の配管内を通る他方の配管を、図４Ｂ又は図４Ｃと同様にらせん形状又は蛇行形状にしてもよい。

なお、第１の熱交換器１３において、循環用配管８内を流れるガスの向きと酸化剤極入口側配管１０内を流れるガスの向きとは、互いに逆向きである対向流、同一方向である並流、互いに直交する直交流、その他の方向関係のいずれであってもよいが、熱交換の効率を向上させる観点からは対向流が好ましい。

さらに、図５に示す本実施形態に係る燃料電池システムの変形例のように、ポンプ９によるガスの循環を制御するためのガス循環制御部１９と、ガスの状態を検知するためのガス状態検知部２０とを設け、第１の熱交換器１３によって熱交換され、その後加熱されていないガスがガス循環制御部１９及びガス状態検知部２０に流入するようにしてもよい。この場合、ガス循環制御部１９及びガス状態検知部２０の耐久性の劣化も抑えることができる。ガス循環制御部１９としては例えばガスの流量を制御することができるマスフローコントローラを挙げることができ、ガス状態検知部２０としては例えば流量計、圧力計、露点計、温度計などを挙げることができる。なお、ガス循環制御部１９及びガス状態検知部２０のうちいずれか一方のみを設けても構わない。

また、図６に示す本実施形態に係る燃料電池システムの変形例のように、第２の熱交換器２１を追加してもよい。

第２の熱交換器２１は、循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスと酸化剤極出口側配管１１内のガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、酸化剤極２Ｃから酸化剤極出口側配管１１に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスは６００℃程度から第１の熱交換器１３によって冷却されており低温である。したがって、第２の熱交換器２１での熱交換により、酸化剤極出口側配管１１内のガスが冷却され、循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスが加熱される。

なお、第２の熱交換器２１は第１の熱交換器１３と同様に様々の構成を用いることができる。

このような構成によると、上記の通り酸化剤極出口側配管１１内のガスが冷却されるので、酸化剤極出口側配管１１から外部への排熱を抑えることができ、燃料電池システムから外部へ無駄なエネルギーを排出することを抑えることができる。また、上記の通り第２の熱交換器２１での熱交換により、循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスが加熱されるので、低温のガスが燃料発生部材１及び燃料極２Ｂに供給されることを防止できる。

また、図７に示す本実施形態に係る燃料電池システムの変形例のように、第２の熱交換器２１に加えて第３の熱交換器２２を追加してもよい。

第３の熱交換器２２は、循環用配管８内の燃料極２Ｂから排出され第１の熱交換器１３に流入するまでのガスと循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスは６００℃程度から第１の熱交換器１３によって冷却されており低温であり、第２の熱交換器２１により加熱された後も燃料極２Ｂから循環用配管８に排出されるガスよりも低温であるものとする。したがって、第３の熱交換器２２での熱交換により、燃料極２Ｂから循環用配管８に排出されるガスが冷却され、循環用配管８内のポンプ９から流出され第２の熱交換器２１を通過して断熱容器１２の内部に到達するまでのガスが加熱される。

なお、第３の熱交換器２２は第１の熱交換器１３や第２の熱交換器２１と同様に様々の構成を用いることができる。

このような構成によると、図６に示す変形例に比べて、第３の熱交換器２２によってポンプ９に流入するガスがより一層冷却され、循環用配管８内のポンプ９から流出され断熱容器１２の内部に到達するまでのガスがより一層加熱される。

なお、酸化剤極出口側配管１１内のガスが燃料極２Ｂから循環用配管８に排出されるガスよりも高温である場合には、図８に示すように循環用配管８内のポンプ９から流出されたガスが第３の熱交換器２２、第２の熱交換器２１の順で第３の熱交換器２２、第２の熱交換器２１を通過するようにすればよい。

次に、本実施形態及びその変形例に係る２次電池型燃料電池システムの発電動作時において実施されるガス循環量の制御動作について図９のフローチャートを参照して説明する。

システムコントローラ１４の制御によってヒーター４による燃料発生部材１の予備加熱及びヒーター５による燃料電池部２の予備加熱が完了すると、燃料電池部２の発電反応が発熱反応であるので、システムコントローラ１４は、ヒーター５への通電を停止してから、システムの発電動作を開始する。

まず、システムコントローラ１４は、温度センサ３の出力を読み取り、燃料発生部材１の温度を検出する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０に続くステップＳ２０において、システムコントローラ１４は、燃料発生部材１の温度が第１の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ２０で用いる第１の所定値の設定値はシステムコントローラ１４の内蔵メモリに格納すればよい。

燃料発生部材１の温度が第１の所定値より小さければ、システムコントローラ１４は、ステップＳ３０に進んで、燃料発生部材１の温度が第２の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ３０で用いる第２の所定値の設定値はシステムコントローラ１４の内蔵メモリに格納すればよい。第２の所定値は第１の所定値より小さい値である。

一方、燃料発生部材１の温度が第１の所定値より小さくなければ、燃料発生部材１の温度が高すぎるので、システムコントローラ１４は、循環用配管８内を流れるガスの第１の熱交換器１３による冷却を増大させるために循環用配管８内を流れるガスの流量（ガス循環量）を所定量増加させ（ステップＳ４０）、その後ステップＳ１０に戻る。

ステップＳ３０における確認の結果、燃料発生部材１の温度が第２の所定値より大きければ、燃料発生部材１の温度が適性範囲であるので、システムコントローラ１４は、循環用配管８内を流れるガスの流量を変化させずにステップＳ１０に戻る。

一方、燃料発生部材１の温度が第２の所定値より大きくなければ、燃料発生部材１の温度が低すぎるので、システムコントローラ１４は、循環用配管８内を流れるガスの第１の熱交換器１３による冷却を減少させるために循環用配管８内を流れるガスの流量を所定量減少させ（ステップＳ５０）、その後ステップＳ１０に戻る。

システムの発電動作が行われている期間中、上述した図９に示すガス循環量の制御動作が実施される。上述した図９に示すガス循環量の制御動作により、燃料発生部材１の温度変動を低減することができ、燃料発生部材１の反応性を安定化させることができる。なお、循環用配管８内を流れるガスの流量の増減は、例えばシステムコントローラ１４が、ポンプ９の出力を制御したり、マスフローコントローラ等のガス循環制御部１９を制御したりすることで実現することができる。

また、システムの発電動作開始直後は燃料発生部材１の温度変動が小さいため、上述した図９に示すガス循環量の制御動作の代わりに、図１０に示すガス循環量の制御動作を実施するようにしてもよい。

図１０に示すフローチャートは、図９に示すフローチャートにステップＳ１を追加したものである。ステップＳ１の処理はステップＳ１０の処理の前に行われる。ステップＡ１において、システムコントローラ１４は、システムの発電動作開始から所定時間が経過したか否かを確認し、システムの発電動作開始から所定時間が経過した後、ステップＳ１０に移行する。なお、ステップＳ１で用いる所定時間の設定値はシステムコントローラ１４の内蔵メモリに格納すればよい。

＜その他＞
また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。

また、上述した実施形態では、酸化剤ガスに空気を用いているが、空気以外の酸化剤ガスを用いても構わない。

また、上述した実施形態及びその変形例では、第１の熱交換器１３が、循環用配管８内の燃料極２Ｂから排出されポンプ９に流入するまでのガスと、酸化剤極入口側配管１０内のガスとの熱交換を行ったが、第１の熱交換器１３の代わりに、循環用配管８内の燃料極２Ｂから排出されポンプ９に流入するまでのガスを単に冷却するだけの冷却器を設けるようにしてもよい。

１ 燃料発生部材
２ 燃料電池部
２Ａ 固体酸化物電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 空気極
３ 温度センサ
４、５ ヒーター
６、７ 容器
８ 循環用配管
９ ポンプ
１０ 酸化剤極入口側配管
１１ 酸化剤極出口側配管
１２ 断熱容器
１３ 第１の熱交換器
１４ システムコントローラ
１５ ペレット
１６ 仕切板
１７ 成型体
１８ 冷媒
１９ ガス循環制御部
２０ ガス状態検知部
２１ 第２の熱交換器
２２ 第３の熱交換器

Claims (4)

1. 化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、
   酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、
   前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、
   前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、
   前記燃料発生部材の温度を検出するための温度センサと、
   前記温度センサの出力に応じて、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を制御する制御部とを備え、
   前記燃料電池部のガス流出側と前記燃料発生部材のガス流入側との間に、前記循環器によって強制的に循環させるガスを冷却する冷却箇所が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、
   前記燃料発生部材の温度が第１の所定値より大きい場合に、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を増加させ、
   前記燃料発生部材の温度が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値より小さい場合に、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を減少させ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. 前記制御部は、
   前記燃料電池部が発電を開始してから所定時間が経過すると、
   前記温度センサの出力に応じて、前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量を制御する制御動作を開始することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環器は、前記冷却箇所と前記燃料発生部材のガス流入側との間に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。