JP4136955B2

JP4136955B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4136955B2
Application number: JP2004016944A
Authority: JP
Inventors: 温荻野; 智青山; 諭塩川; 孝志満津; 博史青木; 宏之三井
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: JP2005209573A

Description

本発明は、アノードへの燃料ガスの供給とカソードへの酸化ガスの供給とにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、アノードに高温ガスを供給することで燃料電池を暖機する暖機機能を有する燃料電池システムに関する。

一般的な燃料電池は、水素イオンを透過する電解質を挟んで一対の電極が配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが供給され、カソードに酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。

燃料電池には、十分な電池性能が得られるための作動温度があり、この作動温度は電解質膜の種類によって決まる。例えば、固体高分子型（ＰＥＭ）では約８０℃、リン酸型（ＰＡＦＣ）では約２００℃、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）では６００〜８００℃、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）では８００〜１０００℃が作動温度となる。また、本出願人が先願（特願２００３−０６４４７８、特願２００３−０７２９９４、特願２００３−２０４７３４）で提案している水素分離膜型（ＨＭＦＣ）では４００〜６００℃が作動温度となる。なお、この水素分離膜型燃料電池は、具体的には、水素分離膜（例えばバナジウム上にパラジウムが積層された膜）がプロトン伝導性材料（例えばジルコニアセラミックス）に積層された構造の電解質膜を用いるものである。

上記のように、現在提案されている燃料電池のほとんどは、その作動温度は常温よりも高い。燃料電池は内部での反応熱によって自ら暖機されていくが、起動後、速やかに所望の電池性能を得られるようにするには、作動温度に達するように外部から強制的に暖機する必要がある。燃料電池を暖機する技術としては、例えば特許文献１に提案されたものが知られている。

特許文献１に記載されたシステムには、改質器が備えられている。燃料電池の発電時には、改質器による炭化水素原料の改質によってアノードに供給する燃料ガスが生成されるとともに、カソードから排出されるカソードオフガスが改質用エアとして改質器に供給される。このシステムでは、起動時には、カソードを介して改質器に供給される空気量が理論空燃比の数倍に調整されることで、炭化水素系原料はリーン燃焼によって完全酸化し、これによって水蒸気を含む高温のガスが生成されるようになっている。そして、この高温ガスがアノードに供給されることで、燃料電池が強制的に暖機されるようになっている。
特開２００３−１５１５９９号公報

ところで、燃料電池内でのガスの流れ方向に関しては、様々な形式が提案されている。例えば、カソード内での酸化ガスの流れ方向をアノード内での燃料ガスの流れ方向に対して直交させたものもあれば、平行にしたものもある。特許文献１に記載された技術では、カソード内での酸化ガスの流れ方向とアノード内での燃料ガスの流れ方向は、平行で且つ逆方向になっている。

燃料電池内でのガスの流れ方向は、発電時における燃料電池の発電効率に大きく影響する。つまり、上記のように起電力は両電極での電気化学反応によって生じるが、電気化学反応に伴い両極を流れるガス中の反応成分の濃度は次第に変化していく。このため、両極を流れるガスの流れ方向の関係によっては、ガス中の反応成分の濃度の変化によって電気化学反応の反応度に面内で差が生じ、電流密度分布に偏りが生じてしまう可能性がある。発電効率の観点からは電流密度分布は均一なほうが良く、ガスの流れ方向は電流密度分布が均一になるように設定されることが望まれる。

また、燃料電池内でのガスの流れ方向は、暖機時における燃料電池の暖機効率にも大きく影響する。暖機時にはアノードには高温のガスが供給されるのに対し、カソードには常温のガスが供給される。このように両極を流れるガスに温度差がある場合、その流れ方向の関係によっては電解質膜に供給される熱量に面内での偏りが生じてしまう可能性がある。供給される熱量に面内での偏りが生じると、作動温度に達するのに時間を要してしまうだけでなく、面内に温度差が生じてしまい、十分な電池性能を出すことができなくなってしまう。このため、暖機効率（高速且つ均一な暖機）の観点からは、ガスの流れ方向は供給熱量が面内で均等になるように設定されることが望まれる。

以上のことから、燃料電池内でのガスの流れ方向を決定する上では、発電時における発電効率と、暖機時における暖機効率の双方を考慮する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載された技術を含め、従来の技術では、燃料電池内でのガスの流れ方向に関し、発電効率と暖機効率という異なる要求に基づいた検討はされていなかった。このため、仮に、発電時には均等な電流密度分布が得られ、高い発電効率が得られたとしても、暖機時には供給熱量に面内で偏りが生じてしまい、高速且つ均一に燃料電池を暖機することができない可能性があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高速且つ均一な燃料電池の暖機と高い発電効率とを両立できるようにした、燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードとカソードを有する燃料電池を含み、前記燃料電池の発電時には、前記アノードに水素を含む燃料ガスが供給されるともに前記カソードに酸素を含む酸化ガスが供給され、前記燃料電池の暖機時には、前記アノードに高温のガスが供給される燃料電池システムにおいて、
前記アノードに設けられ、前記アノードへの供給ガスが流れるアノード流路と、
前記カソードに前記アノード流路と平行或いは略平行に設けられ、前記カソードへの供給ガスが流れるカソード流路と、
前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係を並行流から対向流に、対向流から並行流に切り換えうるガス流れ切換手段とを備え、
前記燃料電池の発電時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は対向流とされ、
前記燃料電池の暖機時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は並行流とされることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、炭化水素原料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、
前記燃料電池の発電時には、前記改質器から前記アノードに燃料ガスが供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記改質器での炭化水素原料のリーン燃焼により生成された高温ガスが前記アノードに供給されることを特徴としている。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記燃料電池の発電時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料の改質用エアとして前記改質器に供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料のリーン燃焼用エアとして前記改質器に供給されることを特徴としている。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記ガス流れ切換手段は、前記カソードへのガス供給源の前記カソード流路への接続先を前記カソード流路の一端と他端との間で切り換える、或いは、前記アノードへのガス供給源の前記アノード流路への接続先を前記アノード流路の一端と他端との間で切り換える切換弁を含むことを特徴としている。

第１乃至第３の発明によれば、燃料電池の発電時にアノード流路中のガスの流れとカソード流路中のガスの流れとの関係が対向流とされることで高い発電効率が得られるとともに、燃料電池の暖機時にアノード流路中のガスの流れとカソード流路中のガスの流れとの関係が並行流とされることで高速且つ均一に燃料電池を暖機することができる。すなわち、本発明によれば、高速且つ均一な燃料電池の暖機と高い発電効率とを両立させることができる。

さらに、第４の発明によれば、簡単な構成でアノード流路中のガスの流れとカソード流路中のガスの流れとの関係を並行流から対向流に、対向流から並行流に切り換えることができる。

実施の形態１．
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、本燃料電池システムは、炭化水素原料（以下、燃料という）を改質して水素を含む燃料ガス（以下、改質ガスという）を生成する改質器１００と、改質器１００で生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池１１０を備えている。以下、燃料電池１１０、改質器１００のそれぞれの構造と機能について説明する。

燃料電池１１０は、２つの電極、すなわちアノード１１２とカソード１１４によって電解質膜１１６を挟んだ構造を有している。アノード１１２では、水素を含む改質ガスが供給されると、以下の（１）式の化学反応が生じて水素イオンが生成される。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
生成された水素イオンは電解質膜１１６を通ってカソード１１４に供給される。カソード１１４では、酸素を含む酸化ガスが供給されると、以下の（２）式の化学反応が生じ、アノード１０２で生成された水素イオンと酸素から水（水蒸気）が生成される。
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・（２）
上記の反応がアノード１１２とカソード１１４の双方で連続して起きることで、アノード１１２とカソード１１４との間に起電力が生じ、これが燃料電池１１０の発生電力となる。なお、本燃料電池システムにかかる燃料電池１１０としては、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、そして水素分離膜型の何れの型の燃料電池も採用することができ、燃料電池１１０にはその型に応じた電解質膜１１６が設けられている。

改質器１００は、触媒を備えた改質部と改質部を加熱する加熱部を備えている。例えば、燃料としてガソリン（主成分はＣ₈Ｈ₁₈）が供給される場合、改質部では以下の（３）式及び（４）の化学反応によって燃料の改質が行われる。
Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｈ₂Ｏ → １７Ｈ₂＋８ＣＯ・・・（３）
Ｃ₈Ｈ₁₈＋４Ｏ₂ → ９Ｈ₂＋８ＣＯ・・・（４）
上記の（３）式で表わされる反応は水蒸気改質反応と言い、吸熱反応である。（４）式で表わされる反応は部分酸化反応と言い、発熱反応である。触媒はこれら反応を促進するために設けられている。改質部では双方の反応が同時に起こっていると考えられるが、主となるのは水蒸気改質反応であり、改質部での改質反応全体としては吸熱反応となる。このため、改質反応を促進させるためには熱の供給が必要になるが、そのための熱として加熱部から加熱用燃料の燃焼熱が供給される。なお、図１では、加熱部への加熱燃料や燃焼用エアの供給系統は図示を省略している。また、改質器１００には、改質反応により生成されたＣＯを水と反応させてＣＯ₂に変成させるシフト部や、ＣＯを酸化してＣＯ₂に変成させるＣＯ選択酸化部も備えられているが、これらは本発明の主要部ではないので詳しい説明は省略する。

本燃料電池システムでは、改質器１００での改質用のエアとして、燃料電池１１０のカソード１１４から排出されるカソードオフガスが供給される。改質器１００での改質反応には、上記の（３）式及び（４）式に示すように水（水蒸気）と酸素が必要であるが、カソードオフガスには、上記の（２）式に示すようにカソード１１４での酸化反応により生じた多くの水分が含まれている。また、カソードオフガス中には未反応の酸素も多く含まれている。したがって、カソードオフガスを改質用エアとして改質器１００に供給することで、水蒸気を生成するための専用の蒸発器が不要になりシステムの小型化が可能になる。

改質器１００は、燃料電池１１０を暖機するための高温ガスの供給源としても用いられる。燃料電池１１０の発電時には、上記の（３）式及び（４）式の化学反応が起きるように、カソードオフガスの供給量が調整されるが、燃料電池１１０の暖機時には、以下の（５）式の化学反応が起きるようにカソードオフガスの供給量が調整される。
Ｃ₈Ｈ₁₈＋（２５／２）Ｏ₂ → ８ＣＯ₂＋９Ｈ₂Ｏ・・・（５）
すなわち、燃料供給量との関係において理論空燃比よりもリーンになるようにカソードオフガスの供給量が調整される。これにより、改質部での燃料の燃焼はリーン燃焼となり、上記の（５）式で示す完全酸化反応が起きる。この完全酸化反応は発熱反応であるので、生成された燃焼ガスは高温であり、この高温の燃焼ガスを燃料電池１１０のアノード１１２に供給することで燃料電池１１０の暖機が行われる。

次に、本燃料電池システムにおける、供給ガスの流れについて説明する。
燃料電池１１０のアノード１１２内には、アノード１１２への供給ガスが流れるガス流路（以下、アノード流路という）１１３が設けられている。一方、燃料電池１１０のカソード１１４内には、カソード１１４への供給ガスが流れるガス流路（以下、カソード流路という）１１５が設けられている。本燃料電池システムでは、アノード流路１１３とカソード流路１１５は平行に設けられている。

改質器１００から燃料電池１１０のアノード１１２への供給ガス、すなわち、発電時の改質ガス及び暖機時の高温ガスは、アノード流路１１３の一端（以下、図に従って左端という）１１３ａへ供給される。供給ガスはアノード通路１１３内を通り、他端（以下、図に従って右端という）１１３ｂからアノードオフガスとして外部に排出さる。すなわち、アノード流路１１３におけるガスの流れ方向は一定であり、発電時も暖機時も常に左端１１３ａから右端１１３ｂへ流れるようになっている。

カソード１１４へのエアの供給系には２つの三方弁（切換弁）１４０，１５０が配置されている。三方弁１４０は、三つのポート１４１，１４２，１４３を有しており、第１ポート１４１の連通先を第２ポート１４２と第３ポート１４３との間で切り換えることができるようになっている。他方の三方弁１５０も同様であり、第１ポート１５１の連通先を第２ポート１５２と第３ポート１５３との間で切り換えることができるようになっている。一方の三方弁１４０の第１ポート１４１は、カソード流路１１５の一端（以下、図に従って右端という）１１５ａに接続され、他方の三方弁１５０の第１ポート１５１は、カソード流路１１５の他端（以下、図に従って左端という）１１５ｂに接続されている。また、各三方弁１４０，１５０の第２ポート１４２，１５２は、それぞれカソード１１４へのエア供給源であるエアポンプ１２０に接続されており、各三方弁１４０，１５０の第３ポート１４３，１５３は、それぞれ改質器１００のエア導入口に接続されている。

カソード１１４、エアポンプ１２０及び改質器１００が三方弁１４０，１５０を介して接続されることにより、三方弁１４０，１５０の連通状態を切り換えることで、カソード流路１１５を流れるガスの流れ方向を制御することができる。本燃料電池システムでは、図２及び図３に示すように、燃料電池１１０の発電時と暖機時とで、カソード流路１１５を流れるガスの流れ方向を切り換えるようにしている。

図２は本燃料電池システムの発電時におけるガスの流れを示す図である。燃料電池の発電時には、カソード流路１１５の右端１１５ａに接続される三方弁１４０では、第１ポート１４１と第２ポート１４２が連通し、カソード流路１１５の左端１１５ｂに接続される三方弁１５０では、第１ポート１５１と第３ポート１５３が連通する。これにより、エアポンプ１２０から供給されるガスは、三方弁１４０を介してカソード流路１１５の右端１１５ａに流入し、カソード流路１１５内を右端１１５ａから左端１１５ｂに流れ、左端１１５ｂからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、改質用エアとして三方弁１５０を介して改質器１００に供給される。

一方、図３は本燃料電池システムの暖機時におけるガスの流れを示す図である。燃料電池の暖機時には、カソード流路１１５の右端１１５ａに接続される三方弁１４０は、第１ポート１４１と第３ポート１４３とが連通し、カソード流路１１５の左端１１５ｂに接続される三方弁１５０では、第１ポート１５１と第２ポート１５２が連通する。これにより、エアポンプ１２０から供給されるガスは、三方弁１５０を介してカソード流路１１５の左端１１５ｂに流入し、カソード流路１１５内を左端１１５ｂから右端１１５ａに流れ、右端１１５ａからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、リーン燃焼用エアとして三方弁１４０を介して改質器１００に供給される。

カソード流路１１５を流れるガスの流れ方向が制御される結果、燃料電池１１０の発電時には、アノード流路１１３中のガスの流れとカソード流路１１５中のガスの流れとの関係は対向流となり、燃料電池１１０の暖機時には、アノード流路１１３中のガスの流れとカソード流路１１５中のガスの流れとの関係は並行流となる。このように発電時と暖機時とで流れの関係を切り換えることで、次のような効果が得られる。

まず、図４は、発電時における燃料電池１１０内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。図４の左に示すグラフが対向流の場合の温度分布であり、図４の右に示すグラフが並行流の場合の温度分布である。何れも定常状態におけるものである。グラフ中にはアノード流路１１３内でのガス（アノードガス）の流れ方向とカソード流路１１５内でのガス（カソードガス）の流れ方向をそれぞれ矢印で示している。発電時における燃料電池１１０の温度分布という観点では、並行流か対向流かということで大差はない。

しかしながら、発電時の燃料電池１１０の電流密度分布という観点では、並行流と対向流とでは次に述べるように大きな差が生じる。図５は、発電時における燃料電池１１０内での電流密度分布を並行流と対向流とで比較した図である。図５の左に示すグラフが対向流の場合の電流密度分布であり、図５の右に示すグラフが並行流の場合の電流密度分布である。何れも定常状態におけるものである。グラフ中にはアノード流路１１３内でのガス（アノードガス）の流れ方向とカソード流路１１５内でのガス（カソードガス）の流れ方向をそれぞれ矢印で示している。２つのグラフを比較して分かるように、対向流の場合にはガスの流れ方向に略均一な電流密度分布が得られるのに対し、並行流の場合には電流密度分布に偏りがあり、上流側では電流密度が非常に高くなる一方で下流側では電流密度は大きく低下する。

並行流において電流密度分布に偏りが生じる原因としては、次のことが考えられる。並行流の場合、アノード流路１１３の上流側（グラフ中の上流側）ではアノード流路１１３内の水素濃度もカソード流路１１５内の酸素濃度もともに高い。このため、上記の（１）式及び（２）式で示す電気化学反応が激しく起きて多くの電子が生成される。ところが、反応に伴い水素濃度も酸素濃度もともに低下していくため、上記の電気化学反応の反応度は下流に行くに従い大きく低下してしまう。これに対し、対向流の場合には、水素濃度の高いアノード流路１１３の上流側では逆にカソード流路１１５内の酸素濃度は低く、酸素濃度の高いカソード流路１１５の上流側では逆にアノード流路１１３内の水素濃度は低いため、流れの方向に沿って略一定の反応度で上記の電気化学反応が起きるようになる。

燃料電池１１０は、電流密度分布に偏りがあるよりも、偏りがなく均一なほうが高い発電効率を得ることができる。図５の２つのグラフを比較して分かるように、電流密度分布は対向流の方が圧倒的にバランスが良い。したがって、本燃料電池システムのように、燃料電池１１０の発電時には、アノード流路１１３中のガスの流れとカソード流路１１５中のガスの流れとの関係が対向流となるように三方弁１４０，１５０を切り換えることで、高い発電効率を実現することが可能になる。

次に、図６は、暖機開始から一定時間経過後の燃料電池１１０内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。図６の左に示すグラフが対向流の場合の温度分布であり、図６の右に示すグラフが並行流の場合の温度分布である。何れも定常状態におけるものである。グラフ中にはアノード流路１１３内でのガス（アノードガス）の流れ方向とカソード流路１１５内でのガス（カソードガス）の流れ方向をそれぞれ矢印で示している。２つのグラフを比較して分かるように、対向流の場合には温度分布に偏りがあり、上流側では温度が非常に高くなる一方で下流側では温度は大きく低下するのに対し、並行流の場合にはガスの流れ方向に略均一な温度分布が得られる。

暖機時、アノード流路１１３には高温ガスが供給される。供給されたガスはアノード流路１１３の左端１１３ａから右端１１３ｂへ流れるが、当然、ガスから受ける熱量はアノード流路１１３の上流側ほど高い。したがって、通常であればアノード流路１１３の上流側（左端１１３ａ側）のほうが下流側（右端１１３ｂ側）よりも高温になりやすく、上流側から下流側へかけて大きな温度勾配ができやすい。ところが、カソード流路１１５を流れるガスは低温（常温）のため、並行流の場合には、高温の上流側ではカソード流路１１５を流れるガスによって電解質膜１１６から熱が奪われ、奪われた熱はカソード流路１１５内でのガスの流れによって低温の下流側へ運ばれていく。これにより、上流側から下流側への熱伝導が促進されることになり、ガスの流れ方向における温度分布の偏りは解消され、グラフに示すような略均一な温度分布が実現される。一方、対向流の場合には、カソード流路１１５内のガスは低温側から高温側に流れるため、ガスの流れによって熱伝導を促進させる効果は得られない。このため、グラフに示すようにアノード流路１１３の上流側から下流側にかけて大きな温度勾配が生じてしまうのである。

燃料電池１１０が十分な電池性能を発揮するためには、燃料電池１１０の全体が等しく作動温度まで暖機される必要がある。このためには、燃料電池１１０の全体を均一に温度上昇させる必要がある。この点において、図６の２つのグラフを比較して分かるように、並行流の方が対向流よりも明らかに優れており、燃料電池１１０の全体を略均一に温度上昇させることができる。また、燃料電池１１０の暖機を促進する方法として、アノード流路１１３への供給ガスの温度をより高温にすることが考えられるが、対向流の場合、アノード流路１１３の入口温度が材料の許容温度を超えてしまう可能性がある。このため、対向流の場合は、アノード流路１１３への供給ガスの温度を並行流の場合よりも低くせざるを得ない。言い換えれば、並行流にすることで、アノード流路１１３への供給ガスをより高温にすることができ、暖気速度を高めることができる。したがって、本燃料電池システムのように、燃料電池１１０の暖機時には、アノード流路１１３中のガスの流れとカソード流路１１５中のガスの流れとの関係が並行流となるように三方弁１４０，１５０を切り換えることで、高速且つ均一な燃料電池１１０の暖機を実現することが可能になる。

以上説明したように、本燃料電池システムによれば、アノード流路１１３中のガスの流れとカソード流路１１５中のガスの流れとの関係を、発電時は対向流に暖機時は並行流に切り換えることで、高速且つ均一な燃料電池１１０の暖機と発電時の高い発電効率とを両立させることが可能になる。

実施の形態２.
以下、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。なお、上述した実施の形態１と同一の部位については、図中、同一の符号を付して示し、その説明は省略するものとする。

本実施形態の燃料電池システムは、カソード１１４へのエア供給源として２つのエアポンプ１６０，１７０を設けたことを特徴としている。一つは、燃料電池１１０の発電時に作動させるエアポンプ１６０であり、カソード流路１１５の右端１１５ａに接続される三方弁１４０の第２ポート１４２に接続されている。もう一つは、燃料電池１１０の暖機時に作動させるエアポンプ１７０であり、カソード流路１１５の左端１１５ｂに接続される三方弁１５０の第２ポート１５２に接続されている。

燃料電池の発電時には、カソード流路１１５の右端１１５ａに接続される三方弁１４０では、第１ポート１４１と第２ポート１４２が連通し、カソード流路１１５の左端１１５ｂに接続される三方弁１５０では、第１ポート１５１と第３ポート１５３が連通する。これにより、エアポンプ１６０から供給されるガスが三方弁１４０を介してカソード流路１１５の右端１１５ａに流入し、カソード流路１１５内を右端１１５ａから左端１１５ｂに流れ、左端１１５ｂからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、改質用エアとして三方弁１５０を介して改質器１００に供給される。

一方、燃料電池の暖機時には、カソード流路１１５の右端１１５ａに接続される三方弁１４０は、第１ポート１４１と第３ポート１４３とが連通し、カソード流路１１５の左端１１５ｂに接続される三方弁１５０では、第１ポート１５１と第２ポート１５２が連通する。これにより、エアポンプ１７０から供給されるガスが三方弁１５０を介してカソード流路１１５の左端１１５ｂに流入し、カソード流路１１５内を左端１１５ｂから右端１１５ａに流れ、右端１１５ａからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、リーン燃焼用エアとして三方弁１４０を介して改質器１００に供給される。

したがって、本燃料電池システムによっても、上述の実施の形態１と同様、アノード流路１１３中のガスの流れとカソード流路１１５中のガスの流れとの関係を発電時には対向流にすることができ、暖機時には並行流にすることができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態では、アノード流路１１２とカソード流路１１４とを平行に設けているが、本発明においては２つの流路は完全に平行でなくてもよく、流れの方向を切り換えることで上記のような効果が得られる限りは、ある程度の角度のずれがあってもよい。つまり、略平行であってもよい。

また、上述の実施の形態では、カソード流路１１４内におけるガスの流れを発電時と暖機時とで切り換えるようにしているが、アノード流路１１２内におけるガスの流れを切り換えるようにしてもよい。

また、上述の実施の形態では、カソードオフガスを改質器１００に供給しているが、本発明は、改質器に水蒸気を供給するための専用の蒸発器を備えた燃料電池システムにも適用可能である。さらに、本発明が適用可能な燃料電池システムは、発電時にはアノードに水素を含む燃料ガスが供給され、暖機時にはアノードに高温のガスが供給される燃料電池システムであればよく、改質器を備えた燃料電池システムには限定されない。

本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの発電時におけるガスの流れを示す図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの暖機時におけるガスの流れを示す図である。発電時における燃料電池内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。発電時における燃料電池内での電流密度分布を並行流と対向流とで比較した図である。暖機開始から一定時間経過後の燃料電池内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１００改質器
１１０燃料電池
１１２アノード
１１３アノード流路
１１４カソード
１１５カソード流路
１１６電解質膜
１２０，１６０，１７０エアポンプ
１４０，１５０三方弁

Claims

アノードとカソードを有する燃料電池を含み、前記燃料電池の発電時には、前記アノードに水素を含む燃料ガスが供給されるとともに前記カソードに酸素を含む酸化ガスが供給され、前記燃料電池の暖機時には、前記カソードに供給されるガスよりも高温のガスが前記アノードに供給されて、前記アノードに供給されるガスの熱が前記燃料電池の暖機に利用される燃料電池システムにおいて、
前記アノードに設けられ、前記アノードへの供給ガスが流れるアノード流路と、
前記カソードに前記アノード流路と平行に設けられ、前記カソードへの供給ガスが流れるカソード流路と、
前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係を並行流から対向流に、対向流から並行流に切り換えうるガス流れ切換手段とを備え、
前記燃料電池の発電時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は対向流とされ、
前記燃料電池の暖機時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は並行流とされることを特徴とする燃料電池システム。
炭化水素原料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、
前記燃料電池の発電時には、前記改質器から前記アノードに燃料ガスが供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記改質器での炭化水素原料のリーン燃焼により生成された高温ガスが前記アノードに供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の発電時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料の改質用エアとして前記改質器に供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料のリーン燃焼用エアとして前記改質器に供給されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記ガス流れ切換手段は、前記カソードへのガス供給源の前記カソード流路への接続先を前記カソード流路の一端と他端との間で切り換える、或いは、前記アノードへのガス供給源の前記アノード流路への接続先を前記アノード流路の一端と他端との間で切り換える切換弁を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。