JP2015204172A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム起動時等の低温時における改質水の気化を十分に行え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１０は、改質原料供給経路と接続された第１ユニット１６と、第１ユニットの下流側に接続された連結部１８と、連結部の下流側に接続された第２ユニット２０と、セルスタック２２と、セルスタック２２の上方に設けられ、酸素含有ガスを用いて水素含有ガスを燃焼する燃焼部２４と、を備える。第１ユニット１６は、改質水Ｗ１を排ガスＧ３の熱によって気化可能な第１気化器２８を有する。第２ユニット２０は、第１ユニットで気化されずに通過した改質水を燃焼部の燃焼熱によって気化可能な第２気化器３０と、第２気化器の下流側に設けられた改質器３２と、を一体的に有し、燃焼部の上方に配置されている。第１ユニット１６は、排ガス経路において第２ユニット２０よりも下流側に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池セルに固体酸化物電解質を用いた燃料電池装置が知られている。このような燃料電池装置では、燃料電池セルの発電に供されなかったオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）を燃焼部で燃焼し、その燃焼熱を気化器における改質水の気化や改質器における水蒸気改質反応に用いている。

具体的な一例としては、燃焼部の上方に改質器を備え、その改質器の上方に気化器を備え、気化器と改質器が配管で接続されている（特許文献１参照）。また、別の例としては、気化室と反応室とが一体に構成された改質装置が燃焼部の上方に配置され、当該気化室に水供給管から改質水が供給される構造が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１１−２５８３７８号公報 特開２０１３−１５５０５１号公報

特許文献１に記載の上述の燃料電池装置では、気化器と燃焼部との間に改質器が配置されており、気化器は燃焼部で直接加熱されない。そのため、装置起動時等の低温時においては、供給された水を十分に水蒸気に気化できず、改質器で必要な水蒸気を十分に得られない場合がある。一方、特許文献２に記載の燃料電池装置では、気化器を燃焼部で直接加熱することができるが、気化器において改質水が気化する際の気化熱の影響により、気化器近傍の温度が低下する場合がある。特に、燃料電池セルの下流側端部においてオフガスが燃焼することで燃焼部を形成する構造においては、気化器の下方に位置する燃料電池セルの温度低下を招く。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムの運転時における改質水の効率的な気化と、気化器近傍の温度低下を低減することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池システムは、酸素含有ガスを供給する酸素供給経路と、原燃料および改質水を供給する改質原料供給経路と、改質原料供給経路と接続された第１ユニットと、第１ユニットの下流側に接続された連結部と、連結部の下流側に接続された第２ユニットと、セルスタックと、セルスタックの上方に設けられ、酸素含有ガスを用いて水素含有ガスを燃焼する燃焼部と、燃焼部による燃焼で生じた排ガスを外部へ向けて排出する排ガス経路と、を備える。セルスタックは、水素含有ガスが供給されるアノードと、酸素含有ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを、複数電気的に接続している。第１ユニットは、改質原料供給経路から供給された改質水を排ガスの熱によって気化可能な第１気化器を有する。第２ユニットは、第１ユニットで気化されずに通過した改質水を燃焼部の燃焼熱によって気化可能な第２気化器と、第２気化器の下流側に設けられた、燃焼熱を用いて原燃料と気化された水蒸気との反応により水素含有ガスを生成する改質器と、を一体的に有し、燃焼部の上方に配置されている。第１ユニットは、排ガス経路において第２ユニットよりも下流側に配置されている。

この態様によると、第１気化器で気化されずに通過した改質水を、第１気化器よりも燃焼部に近い第２気化器で気化できる。例えば、起動時においても早い段階で確実に水蒸気を生成できる。

一方、第２気化器は、燃焼部に隣接する第２ユニットの一部であり、第１ユニットを通過した水蒸気または液状の改質水が流入する。例えば、改質水は、第１ユニットを通過しながら燃焼部で生じる排ガスによって予熱された状態で第２気化器に供給されるため、仮に第２気化器で気化が生じても気化熱は抑制される。そのため、セルスタックの温度低下による発電効率の低下を抑制できる。

第１ユニットは、第２ユニットの上方に配置されており、連結部は、第１ユニットから第２ユニットに向かって折り返された配管であって、第１ユニットの出口開口部に接続される第１接続部の下端が該第１ユニットの底面と同じ高さまたは該底面より下方になるように構成されていてもよい。これにより、第１ユニットに水が溜まりにくくなり、第１ユニットから第２ユニットへ滞留した水が一気に流れることを抑制できる。例えば、燃料電池システムの起動時などに、第１ユニットに滞留していた水が第２ユニットの第２気化器に一気に供給される状況が抑制される。そして、改質水が水蒸気ではなく水の状態で改質部に達することにより生じる触媒の劣化等の不具合を低減できる。

第１ユニットは、第２ユニットの上方に配置されており、連結部は、第１ユニットから第２ユニットに向かって折り返された配管であって、第２ユニットの入口開口部に接続される第２接続部の下端が該第２ユニットの底面と同じ高さまたは該底面より上方になるように構成されていてもよい。これにより、連結部の第２接続部近傍に水が滞留することが抑制される。

第１ユニットは、第２ユニットの上方に配置されており、連結部は、第１ユニットの底面に形成された出口開口部と接続される第１接続部と、第２気化器の上面に形成された入口開口部と接続される第２接続部と、を有してもよい。第２気化器は、内部に充填部材を有していてもよい。充填部材は、少なくとも第２気化器の底面と入口開口部との間に配置されていてもよい。これにより、第２気化器における改質水の気化性能が向上する。また、少なくとも第２気化器の底面と入口開口部との間に配置された充填部材によって、第１気化器で気化されずに第１接続部から落下した水滴が第２気化器の底面に直接落下することが抑制される。

第１ユニットは、第２ユニットの上方に配置されており、連結部は、第１ユニットの底面に形成された出口開口部と接続される第１接続部と、第２気化器の上面に形成された入口開口部と接続される第２接続部と、第２接続部から第２気化器の内部に延びた筒部と、を有してもよい。筒部は、第２気化器内に延びた側の端部の一部が第２気化器の下面に接触していてもよい。これにより、第１気化器で気化されずに第１接続部から第２気化器に向かう水滴が筒部を伝わって第２気化器の下面まで連続的に落下する。そのため、突沸現象を抑制できる。

連結部は、内部に充填材を有していてもよい。これにより、連結部においても効率的に気化が行われる。

第２気化器の温度情報を取得する温度情報取得部と、改質原料供給経路から供給される原燃料および改質水の量を制御する制御部と、を更に備えてもよい。制御部は、前記温度情報に基づいて、前記第２気化器が所定の基準温度より高温になったと判断した場合、燃料利用率を高めるように構成されていてもよい。これにより、第２気化器や改質器の過剰な温度上昇が抑制され、改質器に含まれている触媒のコーキング等の不具合を低減できる。

第１ユニットは、排ガス経路において、第２ユニットと熱交換をした排ガスが通過する領域に配置されていてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、燃料電池システムの運転時における改質水の効率的な気化と、気化器近傍の温度低下を低減することができる。

本実施の形態に係る燃料電池システムの正面方向から見た縦断面を模式的に示した図である。 本実施の形態に係る燃料電池システムの側面方向から見た縦断面を模式的に示した図である。 セルの概略構成を示す図である。 燃料電池システムの起動時における改質水の状態を模式的に示す図である。 燃料電池システムの発電時における改質水の状態を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る連結部の一例を示す模式図である。 図７（ａ）は、本実施の形態に係る連結部の他の例を示す模式図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の連結部をＸ方向から見た模式図である。 図８（ａ）は、本実施の形態に係る連結部の他の例を示す模式図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の連結部をＸ方向から見た模式図である。 本実施の形態に係る連結部の他の例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御装置のブロック図である。 本実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートを示す図である。 燃料利用率曲線を説明するための図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの正面方向から見た縦断面を模式的に示した図である。図２は、本実施の形態に係る燃料電池システムの側面方向から見た縦断面を模式的に示した図である。図３は、セルの概略構成を示す図である。

図１に示す燃料電池システム１０は、酸素含有ガスである空気Ｇ１を供給する酸素供給経路１２と、原燃料ガスＧ２および改質水Ｗ１を供給する改質原料供給経路１４と、改質原料供給経路１４と接続された第１ユニット１６と、第１ユニット１６の下流側に接続された連結部１８と、連結部１８の下流側に接続された第２ユニット２０と、セルスタック２２と、セルスタック２２の上方に設けられ、酸素含有ガスを用いて水素含有ガスを燃焼する燃焼部２４と、燃焼部２４による燃焼で生じた排ガスＧ３を外部へ向けて排出する排ガス経路２６と、筐体２７と、を備える。

酸素含有ガスは、空気以外にも酸素原子を含むガスの中から適宜選択してもよい。また、水素含有ガスは、水素ガス、炭化水素ガス、水素原子を含むガス等の中から適宜選択してもよい。具体的には、都市ガスやＬＰＧに含まれるメタン、プロパン、ブタン等が挙げられる。セルスタック２２は、図３に示すように、水素含有ガスが供給されるアノード１０２と、酸素含有ガスが供給されるカソード１０４と、アノード１０２とカソード１０４との間に設けられた電解質１０６と、を有するセル１００が複数積層されている。

第１ユニット１６は、改質原料供給経路１４から供給された改質水Ｗ１を排ガスＧ３の熱によって気化可能な第１気化器２８を有する。第２ユニット２０は、第１ユニット１６の第１気化器２８で気化されずに通過した改質水Ｗ１を燃焼部２４の燃焼熱や排ガスＧ３によって気化可能な第２気化器３０と、改質器３２と、を一体的に有する。改質器３２は、第２気化器３０の下流側に設けられており、かつ、燃焼部２４の上方に配置されている。また、改質器３２は、燃焼部２４の燃焼熱や排ガスＧ３を用いて、原燃料ガスＧ２と気化された水蒸気Ｗ２との反応により水素含有ガスを生成する。第１ユニット１６は、排ガス経路２６において第２ユニット２０よりも下流側に配置されている。

筐体２７の底部にはセルスタック２２が載置されている。断熱材３４は、セルスタック２２の底面および側面を囲うように配置されている。

セルスタック２２は、前述のセル１００を、インターコネクタ（不図示）を介して複数個接続したものである。そして、改質器３２で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス供給経路３８を介してインテークマニホールド４０に供給される。インテークマニホールド４０に供給された水素含有ガスは、上方へ向かって（燃焼部２４の方へ向かって）複数のセル１００のアノード１０２に対してほぼ均等に供給される。カソード１０４には、酸素供給経路１２から供給されて断熱材３４とセルスタック２２との隙間に流入した空気が供給される。

つまり、セルスタック２２は、改質器３２から水素含有ガス供給経路３８を通して供給される水素含有ガスをアノード１０２で用い、断熱材３４とセルスタック２２との隙間に供給される空気（酸素含有ガス）をカソード１０４で用いて発電反応を行う。発電反応に用いられた後でアノード１０２から排出されるアノードオフガスは、アノード１０２に供給される水素含有ガスから水素濃度が低下したガスである。つまり、発電反応によって水素が完全に消費される訳ではなく、アノードオフガスにも水素は含まれている。

燃焼部２４は、アノード１０２から排出されるアノードオフガスを燃焼させて、筐体２７の内部に燃焼熱を放出する。上述のように、アノードオフガスには水素が含まれているので、燃焼部２４は、その水素を周囲の酸素を用いて燃焼させる。具体的には、例えばカソード１０４で消費されなかった酸素を含むカソードオフガスを用いて燃焼させる。その燃焼熱によって筐体２７に収容されている第２気化器３０及び改質器３２が加熱されて、第２気化器３０における改質水の気化及び改質器３２における水蒸気改質反応が促進される。なお、燃焼部２４の燃焼熱によって加熱された排ガスＧ３は、排ガス経路２６の途中に配置されている第１ユニット１６を加熱する。つまり、第１気化器２８を有する第１ユニット１６は、排ガス経路２６において、第２ユニット２０と熱交換をして温度が多少低下した排ガスＧ３が通過する領域に配置されている。

次に、燃料電池システム１０の起動時と発電時（定常時）とにおける改質水の気化の様子を説明する。図４は、燃料電池システム１０の起動時における改質水の状態を模式的に示す図である。図５は、燃料電池システム１０の発電時における改質水の状態を模式的に示す図である。なお、図４、図５に示す燃料電池システム１０では、図１の各構成要素のうち要部のみを模式的に示している。

燃料電池システム１０の起動時は筐体２７の内部が比較的低温な場合が多い。その場合、改質原料供給経路１４から供給された改質水Ｗ１は、第１気化器２８で気化しきれずに第２ユニット２０に到達することがある（図４参照）。しかしながら、第２ユニット２０は改質器３２の上流側に第２気化器３０を有しており、第１気化器２８で気化されずに通過した改質水Ｗ１を、第１気化器２８よりも燃焼部２４に近い第２気化器３０で気化できる。そのため、図４に示す起動時等の低温時においても、早い段階で改質水の気化が十分行われるため、所望の水蒸気を素早く生成できる。

また、燃料電池システム１０の起動時においては、筐体２７の内部が比較的低温であるとはいえ、改質水Ｗ１は、第１ユニット１６を通過しながら燃焼部２４で発生した燃焼排ガスにより加熱される。そのため、第２気化器３０に到達する改質水Ｗ１の温度は、筐体２７に供給された直後の改質水Ｗ１の温度と比較すると温度が高い状態になる。そのため、第２気化器３０で気化が生じても第２ユニット２０全体の気化熱はある程度抑制される。そのため、セルスタック２２を速やかに昇温させることができ、起動に要する時間を短縮することができる。ひいては、起動時に投入する原料量を低減することができる。

一方、燃料電池システム１０の発電（定常運転）時においては、改質原料供給経路１４から供給された改質水Ｗ１は第１気化器２８で十分に気化されるため、第２ユニット２０まで液体状態で流入する量を少なく抑えることができる（図５参照）。つまり、第１気化器２８に流入した改質水Ｗ１の多くは、燃焼部２４における高温（Ｔ_Ｈ）の火炎の燃焼熱で気化されるのではなく、第２ユニット２０の改質器３２と熱交換を行った後の温度Ｔ_Ｌ（Ｔ_Ｌ＜Ｔ_Ｈ）の排ガスＧ３の熱によって気化される。

そのため、気化器における改質水の気化と改質器における改質反応のための加熱とを、高温の火炎の燃焼熱で同時に行った場合と比較して、燃焼部２４において改質水Ｗ１の気化のために必要とされる燃焼エネルギーを低減できる。また、第２ユニット２０における気化熱が抑制されることによりセルスタック２２の温度低下も抑制され、ひいては発電効率を向上させることができる。

図６は、本実施の形態に係る連結部１８の一例を示す模式図である。図６に示すように、第１ユニット１６は、第２ユニット２０の上方に配置されている。また、連結部１８は、第１ユニット１６から第２ユニット２０に向かって折り返された配管４２である。配管４２は、第１ユニット１６との第１接続部４２ａの下端４２ａ１が第１気化器２８（第１ユニット１６）の底面２８ａと同じ高さまたは底面２８ａより下方になるように構成されている。

これにより、第１気化器２８（第１ユニット１６）に水が溜まりにくくなり、滞留した水が第１ユニット１６から第２ユニット２０へ一気に流れるといった状況が抑制される。例えば、第１ユニット１６との第１接続部４２ａの下端４２ａ１が第１気化器２８（第１ユニット１６）の底面２８ａより上方に位置する場合、第１気化器２８（第１ユニット１６）に供給される改質水の液面が第１接続部４２ａの下端４２ａ１に達すると、表面張力が作用し、改質水の液面が第１接続部４２ａの下端４２ａ１より上方に盛り上がることがある。すると、表面張力の釣り合いが崩れたときに改質水が配管４２に一気に流れ出すことになる。これにより、急激な気化熱の増大や、突沸による第１ユニット１６および第２ユニット２０内の圧力変動が引き起こされる。しかし、本実施の形態によれば、第１ユニット１６に滞留していた水が第２ユニット２０の第２気化器３０に一気に供給されるといった状況が抑制される。そして、改質水Ｗ１が水蒸気ではなく水（液相）の状態で改質器３２に達した場合に生じる触媒の劣化等の不具合を低減できる。

また、配管４２は、第２ユニット２０の側面に形成された入口開口部２０ａとの第２接続部４２ｂの下端４２ｂ１が第２気化器３０（第２ユニット２０）の下面３０ａと同じ高さまたは下面３０ａより上方になるように構成されている。これにより、配管４２の第２接続部４２ｂ近傍に水が滞留することが抑制される。

図７（ａ）は、本実施の形態に係る連結部１８の他の例を示す模式図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の連結部をＸ方向から見た模式図である。

連結部１８は、箱型形状の配管４４であり、第１気化器２８の側面の出口開口部２８ｂと接続される第１接続部４４ａと、第２気化器３０の側面の入口開口部３０ｂと接続される第２接続部４４ｂとを有する。そして、第２気化器３０の入口開口部３０ｂには、櫛形部材４６が配置されている。これにより、出口開口部２８ｂから配管４４の内壁を流れる水滴が、櫛形部材４６を伝わって連続的に落下し、第２気化器３０の下面３０ａでの不連続な突沸が低減される。

図８（ａ）は、本実施の形態に係る連結部１８の他の例を示す模式図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の連結部をＸ方向から見た模式図である。

連結部１８は、筒状の配管４８であり、第１気化器２８の底面２８ａに形成された出口開口部２８ｃと接続される第１接続部４８ａと、第２気化器３０の上面３０ｃに形成された入口開口部３０ｄと接続される第２接続部４８ｂと、を有している。第２気化器３０は、少なくとも入口開口部３０ｄの直下の領域が充填部材５０で充填されている。充填部材５０としては、例えば、アルミナビーズが用いられる。これにより、改質水が接触する面積が増大し、第２気化器３０における改質水の気化性能が向上する。また、第２気化器３０に充填された充填部材５０によって、第１気化器２８で気化されずに第１接続部４８ａから落下した水滴が第２気化器３０の下面３０ａに直接落下することが抑制される。なお、第２気化器３０のほぼ全てを充填部材５０で充填してもよい。また、配管４８の内部に充填部材５０を充填してもよい。

図９は、本実施の形態に係る連結部１８の他の例を示す模式図である。

連結部１８は、筒状の配管５２であり、第１気化器２８の底面２８ａに形成された出口開口部２８ｃと接続される第１接続部５２ａと、第２気化器３０の上面３０ｃに形成された入口開口部３０ｄと接続される第２接続部５２ｂと、第２接続部５２ｂから第２気化器３０の内部に延びた筒部５２ｃと、を有している。筒部５２ｃは、第２気化器内に延びた側の端部の一部が第２気化器３０の下面３０ａに接触している。これにより、第１気化器２８で気化されずに第１接続部５２ａから第２気化器３０に向かう水滴が筒部５２ｃの内壁を伝わって第２気化器３０の下面３０ａまで連続的に落下する。そのため、不連続な突沸現象を抑制できる。

次に、改質原料供給経路１４から供給される改質水と原燃料ガスと混合比の制御について説明する。図１０は、本実施の形態に係る制御装置６０のブロック図である。制御装置６０は、第２気化器３０の温度情報を取得する温度情報取得部６２と、改質原料供給経路１４から供給される原燃料ガスＧ２および改質水Ｗ１のＳ（水蒸気）／Ｃ（カーボン）比を制御する制御部６４と、を備えている。

燃料電池システム１０は、起動後ある程度時間が経過すると筐体２７の内部温度が上昇し、改質水Ｗ１の気化の大半が第１気化器２８で進行する（図５参照）。第２気化器３０は、起動時においては、定常時と比較して低温の場合が多い。しかしながら、その状態において燃焼部２４で発生する燃焼熱が変わらない場合、第２気化器３０での気化が生じなかったり、気化が生じたとしても少量だったりすると、第２気化器３０の温度が３００〜５００℃に達することもある。特に、第１気化器２８における気化量が増加するにつれて、第２気化器３０における気化量（蒸発潜熱）は低下する。

図１１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートを示す図である。図１２は、燃料利用率曲線を説明するための図である。

図１１に示すフローチャートは、燃料電池システム１０が起動し通常運転する際のある工程の制御の一例を簡略化して説明するためのものである。燃料電池システム１０が起動すると、制御部６４は、所定のタイミングで温度情報取得部６２が検出した第２気化器３０の温度Ｔ２ｃの情報を取得する（Ｓ１０）。

制御部６４は、取得した温度Ｔ２ｃと、所定の基準温度Ｔ２（ｍｉｎ）とを比較する（Ｓ１２）。制御部６４は、取得した温度Ｔ２ｃが所定の基準温度Ｔ２（ｍｉｎ）以上の場合（Ｓ１２のＹｅｓ）、燃料利用率Ｕｆを上げる（高める）ように燃料電池システム１０が備える各制御対象を適宜制御する（Ｓ１４）。一方、制御部６４は、取得した温度Ｔ２ｃが所定の基準温度Ｔ２（ｍｉｎ）未満の場合（Ｓ１２のＮｏ）、燃料利用率Ｕｆを下げるように燃料電池システム１０が備える各制御対象を適宜制御する（Ｓ１６）。燃料電池システム１０は、このような処理を繰り返すことで適切な範囲の燃料利用率を維持しながら発電を行うことができる。

ここで、燃料利用率Ｕｆが高いとは、水素をより無駄なく発電に利用できることであり、図１２に示すように、同じ発電量（電流量）であれば投入燃料（燃料流量）が少ない方が燃料利用率が高いことになる。ただし、投入燃料を減らしすぎると安定的な発電が困難になるので、発電量に応じて燃料利用率の上限が適宜設定される（曲線Ｕｆ１）。例えば、発電量（電流）Ａ３が一定の場合、燃料流量を減らす（Ｆ３→Ｆ２→Ｆ１）ことで燃料利用率を高めることができる。また、燃料流量（Ｆ１）が一定の場合、発電量を上げる（Ａ１→Ａ２→Ａ３）ことで燃料利用率を高めることができる。

また、燃料利用率Ｕｆが低いとは、発電に寄与しない水素が多い場合であり、図１２に示すように、同じ発電量（電流量）であれば投入燃料（燃料流量）が多い方が燃料利用率が低いことになる。燃料利用率が低下すると、オフガスに含まれる水素の量が多くなるため、オフガスを燃焼する燃焼部２４での燃焼エネルギーが高くなる。そのため、第２気化器の温度が下がった場合には、燃料利用率を下げてオフガスの燃焼量を増やし、第２気化器の温度が上がるような制御をする。なお、燃料利用率Ｕｆが低くても、そのことが発電自体に直接影響を与えるものではないが、オフガスの燃焼量が増えるとセルスタックの温度分布に影響を及ぼす可能性もある。そのため、燃料利用率の下限が適宜設定されている（曲線Ｕｆ３）。例えば、発電量（電流）Ａ３が一定の場合、燃料流量を増やす（Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３）ことで燃料利用率を下げることができる。また、燃料流量（Ｆ１）が一定の場合、発電量を下げる（Ａ３→Ａ２→Ａ１）ことで燃料利用率を下げることができる。

具体的には、制御部６４に、燃料利用率の上下限値の間で定められる燃料流量と発電量との制御テーブルを記憶させておく。そして、制御部６４は、検出した情報、例えば温度情報に基づいて燃料流量または発電量を制御することができる。なお、燃料流量を増減させる場合は、それに応じて改質水の量も併せて制御する。

本実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法では、制御部６４は、温度情報取得部６２から取得した温度情報に基づいて、第２気化器３０が所定の基準温度Ｔ２（ｍｉｎ）より高温になったと判断した場合、燃料利用率Ｕｆを高める制御を行う。具体的には、制御部６４は、燃料利用率を高めるように、改質水Ｗ１の流量を調節する制御弁６６や原燃料ガスＧ２の流量を調節する制御弁６８等を制御する。これにより、水素がより無駄なく発電に利用され、オフガスに含まれる水素の量が少なくなるため、オフガスを燃焼する燃焼部２４での燃焼エネルギーが低くなり、第２ユニット２０における第２気化器３０や改質器３２の過剰な温度上昇が抑制され、改質器３２に含まれている触媒のコーキング等の不具合を低減できる。

ここで、所定の基準温度Ｔ２（ｍｉｎ）とは、任意に設定できる。ただし、基準温度Ｔ２（ｍｉｎ）を気化開始温度とほぼ一致する値に設定すると、制御に至る前に気化不足になるおそれがあるため、気化開始温度よりもある程度高めに設定することが好ましい。具体的には、温度情報取得部６２による計測誤差や制御部６４による演算誤差等を加味して、第２気化器３０の温度が例えば１００〜１０３℃以上になったと制御部６４が判断した場合、供給する原燃料ガスＧ２の量を増大させたり、供給する改質水Ｗ１の量を減少させるように各部を制御してもよい。

以下に、燃料電池システム１０の上述以外の作用効果や変形例を列挙する。

図６〜図９に示すように、燃料電池システム１０の連結部１８は、第１気化器２８から第２気化器３０にかけて水が滞留しにくい構成である。そのため、例えばシステム停止時に余分な水をシステム外にパージするための機構や制御を簡略化できる。

また、連結部１８は、流路が上下方向に形成されており、改質水Ｗ１は自重で下方に向かう。そのため、連結部１８の流路に改質水Ｗ１が留まり流路を閉塞するといった状況が抑制される。その結果、改質水Ｗ１が気化する際の気液混相状態に起因する流体供給圧力の変動や突沸現象が抑制され、安定した流体供給による安定した発電が可能となる。

また、燃料電池システム１０は、セルスタック２２、第１気化器２８、第２気化器３０、改質器３２および連結部１８等が、断熱部材で構成された筐体２７の内部に配置されている。また、筐体２７を貫通する改質原料供給経路１４は、改質水Ｗ１を供給する配管７０と原燃料ガスＧ２を供給する配管７２とが、筐体２７の外部にて合流している。つまり、燃料電池システム１０は、改質水Ｗ１と原燃料ガスＧ２とが混合した状態で第１気化器２８に供給される。なお、別々の配管で改質水Ｗ１および原燃料ガスＧ２を第１気化器２８に直接供給してもよい。

また、改質原料供給経路１４を二重管構造として、一方の流路に原燃料ガスＧ２、他方の流路に改質水Ｗ１を流通させ、第１ユニット１６内にて合流させる構造であってもよい。あるいは、改質水Ｗ１を第１気化器２８に供給し、原燃料ガスＧ２を連結部１８の途中から、または改質器３２に供給するようにしてもよい。

また、第１気化器２８と第２気化器３０との間の排ガス経路２６の途中に、空気Ｇ１と排ガスＧ３との間の熱交換を行う熱交換器を設けてもよい。また、配管の形状や内径は、燃料電池システム１０の大きさや各部材のレイアウトに応じて適宜選択すればよい。例えば、配管が円筒状の場合、内径が９ｍｍ以上であってもよい。また、配管の断面形状が楕円や角管の場合は、内のりの最も短い部分が９ｍｍ以上であってもよい。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

Ｇ１ 空気、 Ｗ１ 改質水、 Ｇ２ 原燃料ガス、 Ｗ２ 水蒸気、 Ｇ３ 排ガス、 １０ 燃料電池システム、 １２ 酸素供給経路、 １４ 改質原料供給経路、 １６ 第１ユニット、 １８ 連結部、 ２０ 第２ユニット、 ２０ａ 入口開口部、 ２２ セルスタック、 ２４ 燃焼部、 ２６ 排ガス経路、 ２８ 第１気化器、 ２８ａ 底面、 ２８ｂ，２８ｃ 出口開口部、 ３０ 第２気化器、 ３０ａ 下面、 ３０ｂ 入口開口部、 ３０ｃ 上面、 ３０ｄ 入口開口部、 ３２ 改質器、 ４２ 配管、 ４２ａ１ 下端、 ４２ａ 第１接続部、 ４２ｂ１ 下端、 ４２ｂ 第２接続部、 ４４ 配管、 ４４ａ 第１接続部、 ４４ｂ 第２接続部、 ４８ 配管、 ４８ａ 第１接続部、 ４８ｂ 第２接続部、 ５０ 充填部材、 ５２ 配管、 ５２ａ 第１接続部、 ５２ｂ 第２接続部、 ５２ｃ 筒部、 ６２ 温度情報取得部、 ６４ 制御部、 １００ セル、 １０２ アノード、 １０４ カソード、 １０６ 電解質。

Claims (8)

1. 酸素含有ガスを供給する酸素供給経路と、
   少なくとも改質水を供給する改質原料供給経路と、
   前記改質原料供給経路と接続された第１ユニットと、
   前記第１ユニットの下流側に接続された連結部と、
   前記連結部の下流側に接続された第２ユニットと、
   水素含有ガスが供給されるアノードと、前記酸素含有ガスが供給されるカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを、複数電気的に接続したセルスタックと、
   前記セルスタックの上方に設けられ、前記酸素含有ガスを用いて水素含有ガスを燃焼する燃焼部と、
   前記燃焼部による燃焼で生じた排ガスを外部へ向けて排出する排ガス経路と、を備え、
   前記第１ユニットは、前記改質原料供給経路から供給された前記改質水を前記排ガスの熱によって気化可能な第１気化器を有し、
   前記第２ユニットは、前記第１ユニットで気化されずに通過した改質水を前記燃焼部の燃焼熱によって気化可能な第２気化器と、前記第２気化器の下流側に設けられた、前記燃焼熱を用いて原燃料と気化された水蒸気との反応により前記水素含有ガスを生成する改質器と、を一体的に有し、前記燃焼部の上方に配置されており、
   前記第１ユニットは、前記排ガス経路において前記第２ユニットよりも下流側に配置されている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１ユニットは、前記第２ユニットの上方に配置されており、
   前記連結部は、前記第１ユニットから前記第２ユニットに向かって折り返された配管であって、前記第１ユニットの出口開口部に接続される第１接続部の下端が該第１ユニットの底面と同じ高さまたは該底面より下方になるように構成されてい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. 前記第１ユニットは、前記第２ユニットの上方に配置されており、
   前記連結部は、前記第１ユニットから前記第２ユニットに向かって折り返された配管であって、前記第２ユニットの入口開口部に接続される第２接続部の下端が該第２ユニットの底面と同じ高さまたは該底面より上方になるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１ユニットは、前記第２ユニットの上方に配置されており、
   前記連結部は、前記第１ユニットの底面に形成された出口開口部と接続される第１接続部と、前記第２気化器の上面に形成された入口開口部と接続される第２接続部と、を有し、
   前記第２気化器は、内部に充填部材を有し、
   前記充填部材は、少なくとも前記第２気化器の底面と前記入口開口部との間に配置されてい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。
5. 前記第１ユニットは、前記第２ユニットの上方に配置されており、
   前記連結部は、前記第１ユニットの底面に形成された出口開口部と接続される第１接続部と、前記第２気化器の上面に形成された入口開口部と接続される第２接続部と、前記第２接続部から前記第２気化器の内部に延びた筒部と、を有し、
   前記筒部は、第２気化器内に延びた側の端部の一部が前記第２気化器の下面に接触してい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。
6. 前記連結部は、内部に充填材を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２気化器の温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記改質原料供給経路から供給される原燃料および改質水の量を制御する制御部と、を更に備え、
   前記制御部は、前記温度情報に基づいて、前記第２気化器が所定の基準温度より高温になったと判断した場合、燃料利用率を高めるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１ユニットは、前記排ガス経路において、前記第２ユニットと熱交換をした前記排ガスが通過する領域に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images