JP5646000B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、都市ガス或いはＬＰＧと水蒸気を燃料改質器（反応器）を経て抽出した水素を、燃料電池に供給し電気エネルギを得るための燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池を使った家庭住宅用電源システムが将来的に有望視され、その技術開発競争が各企業間で激しさを増して来ている。これらのシステムは、電池電力の利用のみならず、電池排熱を利用するコージェネレーションシステムが一般的である。

燃料電池には電解質の分類により多くの種類があるが、例えば固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生することを示している。

一方、燃料を水素に改質するための燃料処理システムにおいても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器からの排熱が生じる。これらの排熱は、給湯やお風呂等の温水利用に適しており、熱回収が多ければ、電気と熱を合わせた総合効率を８０％近くまで向上させることが可能である。すなわち、このようなコージェネレーション運転は、従来の系統電力利用に比べて、エネルギ効率が高く、省エネルギで地球環境に優しく、より経済的な運転を行うことが実現できるため、ユーザにとってはメリットが大きい。

図４は従来の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。図から分かるように、従来の改質用燃焼器１０は起動用バーナ（スタートバーナ、以下起動バーナと称する）およびメイン用バーナ（メインバーナ、以下発電バーナと称する）から構成され、燃焼室空間に２本のバーナが配置されるため、燃焼室が狭くなり易いとともに、メイン燃料バーナを中心部に配置すると起動用バーナを斜めに配置せざるを得ない欠点がある。この従来例の場合、起動用バーナの燃焼は予混合燃焼、メイン燃料用バーナの燃焼は拡散燃焼の構成となっている。また、起動用バーナを冷却するための空気を流す必要があり、その影響でメイン燃料バーナの火炎形状は偏流し、改質触媒を加熱する熱効率は低下し易い。

なお、図４の構成において、後述する本発明の実施形態を説明するための図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

このような燃料電池システムにおいては、燃料がメタンを主体とした都市ガスやＬＰＧの場合、それらの燃料ガスを水素に改質するための改質器６が必要であり、改質触媒を活性化するために加熱する燃焼装置が必要となる。この燃焼装置に使われるバーナは、発電運転前の起動時に使用するバーナと発電時に使用するバーナの２種類に分けて運転する場合もあれば、両者の機能を有した１種類のバーナのみで運転する場合がある。

前者の運転のように２種類バーナを切り換える理由は、その燃料の主体が起動時は都市ガスあるいはプロパンであり、発電時は水素であり、燃焼速度が異なるため１種類のバーナで安定した火炎を形成することが困難であるためである。

この解決のため、後者の１種類のバーナでは、燃焼性を良好で安定させるために、特許文献１では、発電運転前の起動時に使用するバーナと発電時に使用するバーナを一体化して一種類のバーナのようにする工夫がなされている（特許文献１参照）

特開２００４−６１１１号公報

前述した発電運転前の起動時に使用するバーナと発電時に使用するバーナを一体化した一種類のバーナの場合、バーナ単独では想定される燃料ガスを燃焼させる上で問題はほとんど無い。

しかしながら、一体型バーナを、図４の従来の燃料電池システムに組込み、起動から発電状態までスムーズに運転を移行させようとした場合、起動時の不着火、失火が発生、起動燃料からオフガス燃料への燃焼継続が困難になっている。

本発明は、この種の問題を解決するためなされたものであり、起動時の着火性及び燃焼安定性が向上し、発電効率が高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、燃料電池本体の起動時に使用するバーナと前記燃料電池本体の発電時に使用するバーナを一体化した燃焼器と、前記燃焼器に起動燃料を供給する起動燃料ラインと、前記燃焼器にオフガス燃料を供給するオフガス燃料ラインとを備え、かつ前記起動燃料ライン及び前記オフガス燃料ラインを連通し、燃料改質器からの改質燃料を燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ラインと前記オフガス燃料ラインを切り離す手段と、
一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させる制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システムである。

前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、電解質膜と、燃料極及び酸素極を備え、前記燃料極及び酸素極に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の起動時に起動燃料ラインを介して得られる起動燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、前記起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器を備え、燃料を燃焼することで原燃料の燃料改質を行い、前記改質された改質燃料を得る燃料改質器と、
前記燃料改質器からの改質燃料を前記燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインと、
前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃焼器に伝送するオフガス燃料ラインと、
前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ラインと前記オフガス燃料ラインを切り離す手段と、
一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させる制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システムである。

前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、電解質膜と、燃料極及び酸素極を備え、前記燃料極及び酸素極に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の起動時に起動燃料ラインを介して得られる起動燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、前記起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器を備え、燃料を燃焼することで原燃料の燃料改質を行い、前記改質された改質燃料を得る燃料改質器と、
前記燃料改質器からの改質燃料を前記燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインと、
前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃焼器に伝送するオフガス燃料ラインと、
一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃料改質器に伝送するオフガス燃料ラインと、
一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させる制御手段と、
前記起動燃料ラインと前記オフガス燃料ラインを連通し、前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ラインの起動燃料が前記オフガス燃料ラインに流出するのを阻止する燃料流通阻止手段と、
を具備し、
前記制御手段は、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システムである。

前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、電解質膜と、燃料極及び酸素極を備え、前記燃料極及び酸素極に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の起動時に起動燃料を、燃焼することで原燃料の燃料改質を行い、前記改質された改質燃料を得る燃料改質器へ供給する起動燃料ラインと、
前記燃料改質器に対して原燃料の燃料改質を行うようにするためのものであって、前記起動燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、前記起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器と、
前記燃料改質器からの改質燃料を前記燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインと、
前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃焼器に伝送するオフガス燃料ラインと、
前記オフガス燃料ラインに設けられ、前記起動用燃料が前記起動燃料ラインから前記オフガス燃料ラインに流出しないようにする逆止弁、又は前記オフガス燃料ラインに設けられ、前記オフガス燃料ラインの流路が開閉可能で、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記オフガス燃料ラインを閉路し、かつ前記燃料電池本体が非発電前起動時に、前記オフガス燃料ラインを開路するオフガス燃料ライン弁と、
前記燃料電池本体をバイパスし、一端が前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
前記脱気ラインに設けられ、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記脱気ラインを開路し、かつ前記燃料電池本体が非発電前起動時に、閉路する脱気ライン弁と、
前記起動燃料ラインに設けられ、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記起動燃料ラインを開路し、かつ前記燃料電池本体が非発電前起動時に、閉路する起動燃料ライン弁と、
前記燃焼器の起動バーナ及び発電バーナにそれぞれ燃焼空気を供給する共通の空気供給路を備え、前記空気供給路の途中に設けられ、前記燃料電池本体の起動時に開路され、予混合燃焼用空気及び拡散混合用空気を供給可能にする燃焼空気切換弁と、
起動燃料ライン弁と、前記オフガス燃料ライン弁と、前記脱気ライン弁と、前記燃焼空気切換弁とに対して、前記燃料電池本体が発電前起動状態、非発電前起動状態に応じて開閉指令を与える制御器と
を具備し、
前記制御器は、前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させ、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ライン弁を閉じることにより前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システムである。

本発明によれば、起動時の着火性及び燃焼安定性が向上し、発電効率が高い燃料電池システムを提供できる。

本発明の燃料電池システムに係る実施形態の概略構成を示す系統図。 図１の燃料改質器の一例を示す縦断面図。 図２のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図。 従来の燃料電池システムの一例の概略構成を示す系統図。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。図１に示すように、本発明の実施形態は、概略次のように構成したものである。すなわち、電解質膜（電解質体）１６と、燃料極（アノード）１３及び酸素極（カソード）１４を備え、燃料極１３及び酸素極１４に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体２を備えている。

また、燃料電池本体２の起動時に起動燃料ライン２９を介して得られる燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器１０を備え、燃料を燃焼することで原燃料が吸熱反応による改質反応が促進され、これにより燃料改質が行われ、この改質された改質燃料を得る燃料改質器６を備えている。

さらに、燃料改質器６からの改質燃料を燃料電池本体２の燃料極に伝送するプロセスガスライン４２と、起動燃料ライン２９に連通され、燃料電池本体２で未反応のまま残った燃料を燃料改質器６に伝送するオフガス燃料ライン３０と、燃料電池本体２の発電前起動時にプロセスガスライン４２内に存在する不活性ガスを脱気する脱気手段例えば脱気ライン（バイパスライン）１７と、この脱気ライン１７の途中に設けた脱気用遮断弁（脱気ライン弁）２３と、起動燃料ライン２９とオフガス燃料ライン３０を連通し、前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ライン２９とオフガス燃料ライン３０との間の燃料の流通を阻止する燃料流通阻止手段例えばオフガス燃料ライン逆止弁２４を備えている。これ以外に、図４に示す従来例と同様に、ガス燃料供給装置３と、燃料遮断弁２０と、脱硫器４と、燃料ポンプ４０と、切換弁２２と、水蒸気流量調節弁２７と、水蒸気分離器９と、水切換弁３６と、タンク１２と、水道水調節弁３７と、給湯槽３５と、水ポンプ３８と、熱交換器２８とを備えている。

また、燃料電池システムの発電前起動運転時に、燃焼器１０の上流側において、燃料と空気を予め混合する予混合燃焼方式例えば燃焼用空気ブロア２６と、燃焼空気切換弁２５とを備えたもの、並びに燃料電池本体２の発電時に、燃焼器１０の下流側において、燃料電池本体２で未反応のまま残ったオフガス燃料と空気を混合させて拡散燃焼を行う拡散燃焼方式例えば燃焼用空気ブロア２６とを、さらに設けた燃料電池システムである。

さらに、前記予混合燃焼方式と前記拡散燃焼方式との切り換えは、前記予混合燃焼の余熱で前記オフガス燃料を自然着火させて燃焼形態を拡散燃焼に切り換える手段を、さらに備えた燃料電池システムである。

次に、本発明の実施形態について、具体的に説明する。すなわち、オフガス燃料ライン３０に設けられ、オフガス燃料ライン３０の流路が開閉可能で、燃料電池本体２が発発電前起動時に、オフガス燃料ライン３０を閉路し、かつ燃料電池本体２が非発電前起動時、具体的には発電運転中（発電燃焼運転中）に、オフガス燃料ライン３０を機能的に開路する、例えばオフガス燃料ライン逆止弁２４と、燃料電池本体２をバイパスし、その一端がプロセスガスライン４２に接続され、その他端が排気側に連通するように設けられた脱気ライン１７と、脱気ライン１７に設けられ、燃料電池本体２が発電前起動時に、脱気ライン１７を開路し、かつ燃料電池本体２が非発電前起動時具体的には発電運転中（発電燃焼運転中）に、閉路する脱気ライン弁例えば脱気用遮断弁２３と、起動燃料ライン２９に設けられ、燃料電池本体２が発電前起動時に、起動燃料ライン２９を開路し、かつ燃料電池本体２が非発電前起動時具体的には発電運転中（発電燃焼運転中）に、閉路する起動燃料ライン弁（起動燃料遮断弁）２１と、燃料電池本体２の状態が発電前起動状態、非発電前起動状態であるかを何等かの手段により検出し、これに応じて各弁２０、２１、２３、２５、２９、３６に対して、開閉指令を与えたり、ポンプ４０、３８、１１に対して起動停止指令を与えたり、その他のブロア２６、１８、１５に対して起動停止指令を与えたりする例えばマイコンのごとき制御器４１を備えたものである。

ここで、燃焼器１０を含む改質器６の一例について、図２及び図３を参照して説明する。改質器６は、燃焼器１２３（図１の１０に相当する）と、水蒸気発生器１０５ａ、１０５ｂ（図１の５に相当する）と、改質器本体とを備えている。このうち燃焼器１２３は従来別々に構成されていた起動燃料を燃焼するための起動バーナと、発電時に発電燃料つまりオフガス燃料を燃焼させるための発電バーナを一体化したものである。具体的には、改質器６の容器１２２の内部に形成されている燃焼室１２５と、連通するように設けられ、例えば円柱状の部材であって、中心軸位置に軸方向に貫通するように空気噴出口１３０が形成され、かつ空気噴出口１３０の外周側であって軸方向に貫通する複数の燃料噴出口１３１が形成され、この各燃料噴出口１３１の外周側であって軸方向に貫通する円環状の空気噴出口１３２が形成されており、オフガス燃料ライン３０からのオフガス燃料を自然着火、つまり水素の発火温度以上に加温することにより自然に着火する。

改質器本体は、容器１２２の内部であって燃焼室１２５の外周面に配設されている例え
ば円筒状の改質触媒１２４と、この改質触媒１２４内に燃料を通過できるように例えば容
器１２２の底面に形成された燃料取込口１２５ａ及び改質触媒１２４内を通過することで
得られる改質された水素を、燃料電池本体１３に導けるように例えば容器１２２の側面に
形成された水素取出口１２５ｂとを備えている。

水蒸気発生器１０５ａは、伝熱管１２９ａと断熱部材１２６と断熱部材１２８を備え、また水蒸気発生器１０５ｂは、伝熱管１２９ｂと蒸気発生容器１２９ｂ０を備えており、以下のように構成されている。すなわち、容器１２２の内部に形成されている燃焼室１２５の底面にこれを貫通して形成された燃焼排ガス排気口１２２ａと、燃焼室１２５の底面であって燃焼排ガス排気口１２２ａの外周側に一端が載置された円筒状の断熱部材１２８と、断熱部材１２８の外周側に断熱部材１２８を取り囲むように配設され、タンク１２内の水を通す伝熱管１２９ａと、燃焼室１２５内であって伝熱管１２９ａの外周側と燃焼室１２５の外周面との間に配設され、底面が上になるように配設した有底円筒状の断熱部材１２６とからなっている。

このような構成により、燃焼器１２３により燃焼室１２５内で得られた燃焼ガスは、改質触媒１２４の配設されている内周壁と断熱部材１２６との間の空間を経て、断熱部材１２６と断熱部材１２８の間に配設されている伝熱管１２９ａの周囲に循環しながら断熱部材１２８の内部に入り、燃焼排ガス排気口１２２ａから外部に排気される。

水蒸気発生器１０５ｂは、容器１２２の外周側に容器１２２を取り囲むように形成され内部に、タンク１２内の水を通す伝熱管１２９ｂと、伝熱管１２９ｂの周囲に配設されている水蒸気容器１２９ｂ０を備えている。

ここで、固体高分子型の燃料電池システムを例にあげて説明するが、これに限らず他の燃料電池システムの構成であってもよい。これは、主に燃料処理系（ＦＰＳ；Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）１、燃料電池本体（ＣＳＡ；Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２から構成される。

燃料処理系１は、ガス燃料供給装置３、脱硫器４、水蒸気発生器（水蒸気加熱器）５、燃料改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用燃焼器１０、改質用水ポンプ１１、排熱熱交換器＆タンク１２等から構成される。ガス燃料供給装置３により供給される燃料は、炭化水素系燃料、例えば都市ガスやプロパンガスである。

一方、燃料電池本体２は、燃料極１３、酸素極１４、電解質膜１６から構成される。

さらに、燃料処理系１並びに燃料電池本体２に共通な部品として、カソード極用空気ブロア１５、ＣＯ選択酸化器用空気ブロア１８等から構成される。

ここで、発電原理を簡単に説明する。燃料に例えば都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、燃料処理系１で行われる。ガス燃料供給装置３からのガス燃料は、脱硫器４を通過し、ここで例えば活性炭やゼオライト吸着によって硫黄分が取り除かれ、次に改質器６を通過する。この手前の水蒸気発生器５で水が加熱され、ガス化した水蒸気が燃料ガスに合流する。改質器６では触媒により都市ガスと水蒸気の反応から、水素を生成するが同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器６には加熱用の燃焼器１０が含まれている。

固体高分子型燃料電池システムは、燃料電池本体２の電解質膜１６及び触媒層（図示せず）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ_２へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器７ではＨ_２Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、空気ブロア１８の空気供給により酸化反応を進める必要がある。また、簡単化のため図示しなかったが、改質器６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際には下流側温度を下げるための水熱交換器が必要となる。

次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。例えばメタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。

ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２…（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２…（２）
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２…（３）
ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等より構成される。これらのガスが、燃料極１３に送り込まれる。燃料極１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ＋が電解質膜１６を通過、酸素極用空気ブロア１５により酸素極１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。したがって、燃料極１３は−極、酸素極１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。発電に使われずに残った燃料極出口ガスは、水蒸気発生器５及び改質器６の加熱用燃焼ガスとして使われる。また、酸素極１４の出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器１２により、水分を回収し、システムでの水自立を図る。排熱熱交換器１２で熱交換して暖められた温水は、貯湯槽３５に蓄熱され、給湯やお風呂の温水として使われる。

次に、本発明に密接に関係する本燃料電池システムの起動から発電までの運転方法について説明する。

改質器６及びその周辺装置は、燃料遮断弁２０、起動燃料ライン弁２１、メイン燃料遮断弁２２、脱気用遮断弁２３、オフガス燃料逆止弁例えばオフガス燃料ライン逆止弁２４、燃焼空気切換弁２５、燃焼用空気ブロア２６、水蒸気流量調節弁２７、他から構成される。

まず、起動時の運転方法を示す。図２に示すように運転起動指令が制御器４１に入力されると、燃焼空気切換弁２５に対して開指令が与えられ、燃焼空気切換弁２５が開いた状態で燃焼用空気ブロア２６が起動し、改質器６内の燃焼室を空気パージする。この場合、燃焼用空気は燃焼用空気ブロア２６より、起動燃料の予混合空気としてだけでなく、拡散空気としても燃焼室内に供給される。

燃焼室内の空気パージが完了すると、起動燃料着火のための例えば点火プラグ（図示せず）からの火花を燃焼室内で発生させる。メイン燃料遮断弁２２を閉じ、脱気用遮断弁２３を開いた状態で、燃料遮断弁２０、起動燃料ライン弁２１を開くと、燃料遮断弁２０及び起動燃料ライン弁２１を通過した起動用燃料は、燃焼室内で着火され火炎が形成される。燃焼室内で使用されるバーナは、起動用と発電用も兼ねた一体型バーナであり、メタン主体の起動燃料は発電時のオフガス燃料である水素主体の燃料より燃焼速度が遅く、吹き消え易いため、予混合燃焼させて燃焼性を向上させている。

燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって改質器６や、図示はしていないが電気ヒータ等で加熱されたＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、他が所定の温度になると、水蒸気流量調節弁２７が開き、水蒸気が水蒸気分離器９より供給された後、メイン燃料遮断弁２２が開かれ、燃料が燃料処理系１内に供給され改質反応が始まる。燃料極１３を通過したオフガス燃料が燃焼器１０で着火されると同時に、起動燃料ライン弁２１、脱気用遮断弁２３及び燃焼空気切換弁２５は閉じる。

ここで、オフガス燃料ライン逆止弁２４及び脱気用遮断弁２３の役割を説明する。まず、起動運転が開始して間もなくは、予混合燃焼を行うバーナ部での圧力損失が比較的大きいため、もしオフガス燃料ライン逆止弁２４が無ければ、起動用燃料はバーナ部を経由した燃焼室側だけでなく、オフガス燃料ライン側に燃料が流出するために、起動燃焼に必要な燃料量が減少し燃料希薄になり、燃焼が不安定になりやすく、失火を招き易い。やがて、改質器６の温度が上昇してくると、プロセスガスラインに溜まっていた水蒸気や窒素等の不活性ガスが温度膨張し、もし、改質用燃料が供給される前に脱気用遮断弁２３が開いていないとこれら不活性ガスの逃げ場が無くなるため、今度はオフガスラインから起動燃料ラインに不活性ガスが入り込んで燃焼状態が不安定になり、結局失火を招くことになる。簡単に言うとどちらの弁も起動用燃料を安定して燃焼させるためには必要不可欠な部品と考える。

また、起動時にプロセスガスライン４２に不活性ガスが残り易い理由は、残燃料を追い出すために、起動や停止時に窒素或いは蒸気パージが必要なためである。脱気用遮断弁２３は改質燃料が供給されると同時に閉じられ、プロセスガスが、未燃分のまま大気に放出されることはない。

プラントの運転状態に説明を戻す。改質反応が始まった後、ＣＯ選択酸化器８出口から出た改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなり、電池本体２の燃料極（アノード極）１３に供給され、インバータが起動し（図示せず）発電が始まる。改質ガスが燃料極１３に供給されると、水素ガスは、膜電極接合体ＭＥＡの触媒層（図示せず）を経てプロトンＨ^＋が電解質膜１６を流れ、酸素極用空気ブロア１５から酸素極１４に供給される空気中の酸素及び電子と結びついて水を生成する。したがって、燃料極１３はマイナス（−）極、酸素極１４はプラス（＋）極になり、電位を持って直流電力を発電する。

この電位間に電気負荷を存在させると、電源としての機能を持たせることができる。他方、発電に寄与しないまま残った燃料極１３の出口から出るオフガスは、オフガス燃料ライン逆止弁２４を通過後、改質用燃焼器１０に供給される。

改質用燃焼器１０に供給される起動用燃料および空気は既に遮断され、燃焼室の温度は低下し始めるが、オフガスの水素メイン燃料を着火させるのに、未だ十分高温状態を保っている。したがって、改質用燃焼器１０に供給されたオフガス燃料は容易に着火して、メイン燃料用空気と安定した拡散燃焼を開始する。その後酸素極空気が電池本体２に供給され、インバータが起動すると燃料電池本体２の発電が開始する。

前述した発電運転前の起動時に使用する起動バーナと、発電時に使用する発電バーナを一体化した一種類のバーナの場合、バーナ単独では想定される燃料ガスを燃焼させる上で問題はほとんど無い。しかしながら、一体型バーナを従来の燃料電池システムに組込み、起動から発電状態までスムーズに運転を移行させることができ、起動時の不着火を防止でき、失火の発生を防止でき、起動燃料からオフガス燃料への燃焼継続が容易に行なえる。

この結果、本実施形態の燃料電池システムによれば起動時の着火性及び燃焼安定性が向上することで、燃料処理系１の効率及び発電効率が高く、地球環境にも優しい、非常に省エネで経済的な運転を実現することができる。

このように、図１に本発明の実施形態はバーナが、一体化しているため、火炎形状が均一で熱効率が向上するばかりでなく、機器コスト削減の効果も大きい。

以上述べた実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。

１）起動時と発電時の燃焼を共通一体化したバーナを配置するシステムフローの構成において、発電前起動運転時は、起動燃料ライン２９とオフガス燃料ライン３０を切り離し、オフガス燃料ライン３０の脱気を行うため、起動時の着火性及び燃焼安定性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成できる。これにより、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

２）発電前起動運転時は、バーナの上流側で燃料と空気を予め混合した予混合燃焼を行い、発電時はバーナの下流で燃料と空気を混合させて拡散燃焼を行うことため、起動時や発電時の燃焼安定性や安全性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成出来る。これにより、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

３）予混合燃焼から拡散燃焼に切り換える際、予混合燃焼の余熱で水素メインのオフガス燃料を自然着火させて燃焼形態を拡散燃焼に切り換えるため、起動時や発電時及びその移行時の燃焼安定性や安全性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成出来る。これにより、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

４）オフガス燃料ライン３０にオフガス燃料ライン逆止弁２４を設けて、燃料が起動燃料ライン２９からオフガス燃料ライン３０に流出させないような構成にしたため、起動時の着火性及び燃焼安定性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成出来る。これにより、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

（変形例）
本発明は、前述の実施形態に限定されず、以下のように変形して実施できる。

（１）前述の実施形態では、オフガス燃料ライン３０にオフガス燃料ライン逆止弁２４を設けて、起動用燃料が起動燃料ラインからオフガス燃料ラインに流出させないような構成にしたが、オフガス燃料ライン逆止弁２４を電磁弁に代え、かつこれを制御器４１により動作させるようにしてもよい。

（２）また、オフガス燃料ライン３０をバイパスする脱気ライン１７に設けた脱気用遮断弁２３として例えば電磁遮断弁を設けたが、これに限らず他の弁でもよい。脱気用遮断弁２３を制御器４１により動作、すなわち発電前の起動燃焼運転中に脱気用遮断弁２３を開いて、燃料処理系１内部の加熱した膨張ガスを、大気に脱気させるように構成することにより、起動時の着火性及び燃焼安定性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成できる。この結果、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

（３）さらに、オフガス燃料ライン３０をバイパスする脱気ライン１７に設けた脱気用遮断弁２３を制御器４１により動作、すなわち発電運転中に脱気用遮断弁２３を閉じるように構成することにより、発電中の燃焼安定性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成できる。この結果、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

（４）前述の脱気ライン１７は、オフガス燃料ライン３０をバイパスして排気口に通じるように構成し、この脱気ライン１７に電磁遮断弁を設けると共に、発電前の起動燃焼運転中に前記電磁遮断弁を開くように、制御器４１により動作させることにより、排気口から大気に脱気させることが可能になり、起動時の着火性及び燃焼安定性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成できる。この結果、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

（５）また、前述の実施形態のオフガス燃料ライン３０に設けたオフガス燃料ライン逆止弁２４を設けず、この代りに電気信号で動作する電磁弁を設け、また起動燃料ライン２９に設けた起動燃料ライン弁２１を電磁弁とし、この電磁弁及び前記電磁弁を制御器４１により、発電燃焼運転中は前者の電磁遮断弁を閉じ、後者の電磁遮断弁を開けるように動作させるように構成することにより、メインの燃料をオフガス燃料ライン３０から起動燃料ライン２９に流出させないようにすることができ、発電中の燃焼安定性が向上し、起動及び発電運転中に燃焼室空間で均一に火炎が形成できる。この結果、発電運転時の燃料処理器効率が高くなり、発電効率が高く経済的でエネルギ効率の高い運転が実現できる。

（６）前述の実施形態では、燃焼器１２３でのオフガス燃料の着火を自然着火方式で行う場合について説明したが、燃料電池システムの設置場所等によっては、前述の自然着火方式に代えて高電圧トランスとスパークロッドを組み合わせた点火手段により着火させるようにしてもよい。この場合、スパークロッドは例えば図２の空気噴出口１３０と燃料噴出口１３１の中間位置に埋設する。

１…燃料処理系、２…燃料電池本体、３…ガス燃料供給装置、４…脱硫器、５…水蒸気発生器、６…燃料改質器、７…ＣＯシフト反応器、８…ＣＯ選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…改質用燃焼器、１１…改質用水ポンプ、１２…タンク、１２…排熱熱交換器、１３…燃料極、１４…酸素極、１５…酸素極用空気ブロア、１６…電解質膜、１７…脱気ライン、１８…ＣＯ選択酸化器用空気ブロア、２０…燃料遮断弁、２１…起動燃料ライン弁、２２…メイン燃料遮断弁、２３…脱気ライン弁（脱気用遮断弁）、２４…オフガス燃料ライン逆止弁、２５…燃焼空気切換弁、２６…燃焼用空気ブロア、２７…水蒸気流量調節弁、２８…熱交換器、２９…起動燃料ライン、３０…オフガス燃料ライン、３５…貯湯槽、４１…制御器、４２…プロセスガスライン、１０５ａ…燃焼部、１０５ｂ…水蒸気発生部、１２２…容器、１２３…燃焼器、１２４…改質触媒、１２５…燃焼室、１２６…断熱部材、１２７…区画室、１２８…断熱部材、１２９ａ…伝熱管、１２９ｂ…伝熱管、１３０…空気噴出口、１３１…燃料噴出口、１３２…空気噴出口。

Claims (10)

1. 燃料電池本体の起動時に使用するバーナと前記燃料電池本体の発電時に使用するバーナを一体化した燃焼器と、前記燃焼器に起動燃料を供給する起動燃料ラインと、前記燃焼器にオフガス燃料を供給するオフガス燃料ラインとを備え、かつ前記起動燃料ライン及び前記オフガス燃料ラインを連通し、燃料改質器からの改質燃料を燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ラインと前記オフガス燃料ラインを切り離す手段と、
   一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
   前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させる制御手段と、
   を具備し、
   前記制御手段は、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 電解質膜と、燃料極及び酸素極を備え、前記燃料極及び酸素極に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の起動時に起動燃料ラインを介して得られる起動燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、前記起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器を備え、燃料を燃焼することで原燃料の燃料改質を行い、前記改質された改質燃料を得る燃料改質器と、
   前記燃料改質器からの改質燃料を前記燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインと、
   前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃焼器に伝送するオフガス燃料ラインと、
   前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ラインと前記オフガス燃料ラインを切り離す手段と、
   一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
   前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させる制御手段と、
   を具備し、
   前記制御手段は、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 電解質膜と、燃料極及び酸素極を備え、前記燃料極及び酸素極に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の起動時に起動燃料ラインを介して得られる起動燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、前記起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器を備え、燃料を燃焼することで原燃料の燃料改質を行い、前記改質された改質燃料を得る燃料改質器と、
   前記燃料改質器からの改質燃料を前記燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインと、
   前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃焼器に伝送するオフガス燃料ラインと、
   一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
   前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃料改質器に伝送するオフガス燃料ラインと、
   一端が前記燃料電池本体の手前における前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
   前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させる制御手段と、
   前記起動燃料ラインと前記オフガス燃料ラインを連通し、前記燃料電池本体の発電前起動時に前記起動燃料ラインの起動燃料が前記オフガス燃料ラインに流出するのを阻止する燃料流通阻止手段と、
   を具備し、
   前記制御手段は、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記燃料電池本体の発電前起動運転時に、前記燃焼器の上流側で、燃料と空気の一部を予め混合する予混合燃焼方式を使用し、前記燃料電池システムの発電時に、前記燃焼器の下流側で、未反応のまま残ったオフガス燃料と空気を混合させて拡散燃焼を行う拡散燃焼方式を使用したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記予混合燃焼方式と前記拡散燃焼方式との切り換えは、前記予混合燃焼の余熱で前記オフガス燃料を自然着火させて燃焼形態を拡散燃焼に切り換える手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記予混合燃焼方式と前記拡散燃焼方式との切り換えは、前記予混合燃焼の余熱で前記オフガス燃料を点火手段により点火させて燃焼形態を拡散燃焼に切り換える手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料流通阻止手段は、前記オフガス燃料ラインに設けられ、前記起動用燃料が前記起動燃料ラインから前記オフガス燃料ラインに流出しないようにする逆止弁であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料流通阻止手段は、前記オフガス燃料ラインに設けられ、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記オフガス燃料ラインを閉路する弁であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
9. 前記脱気ラインは、前記脱気ラインを開路もしくは閉路する弁を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 電解質膜と、燃料極及び酸素極を備え、前記燃料極及び酸素極に燃料及び空気を供給することで電気エネルギを得る燃料電池本体と、
    前記燃料電池本体の起動時に起動燃料を、燃焼することで原燃料の燃料改質を行い、前記改質された改質燃料を得る燃料改質器へ供給する起動燃料ラインと、
    前記燃料改質器に対して原燃料の燃料改質を行うようにするためのものであって、前記起動燃料を燃焼する起動バーナ及び前記燃料電池本体の発電時に発電燃料を燃焼する発電バーナを一体化し、前記起動バーナ、前記発電バーナに燃焼空気を供給可能な燃焼器と、
    前記燃料改質器からの改質燃料を前記燃料電池本体の燃料極に伝送するプロセスガスラインと、
    前記起動燃料ラインに連通され、前記燃料電池本体で未反応のまま残った燃料を前記燃焼器に伝送するオフガス燃料ラインと、
    前記オフガス燃料ラインに設けられ、前記起動用燃料が前記起動燃料ラインから前記オフガス燃料ラインに流出しないようにする逆止弁、又は前記オフガス燃料ラインに設けられ、前記オフガス燃料ラインの流路が開閉可能で、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記オフガス燃料ラインを閉路し、かつ前記燃料電池本体が非発電前起動時に、前記オフガス燃料ラインを開路するオフガス燃料ライン弁と、
    前記燃料電池本体をバイパスし、一端が前記プロセスガスラインに接続され、他端が排気側に連通するように設けられた脱気ラインと、
    前記脱気ラインに設けられ、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記脱気ラインを開路し、かつ前記燃料電池本体が非発電前起動時に、閉路する脱気ライン弁と、
    前記起動燃料ラインに設けられ、前記燃料電池本体が発電前起動時に、前記起動燃料ラインを開路し、かつ前記燃料電池本体が非発電前起動時に、閉路する起動燃料ライン弁と、
    前記燃焼器の起動バーナ及び発電バーナにそれぞれ燃焼空気を供給する共通の空気供給路を備え、前記空気供給路の途中に設けられ、前記燃料電池本体の起動時に開路され、予混合燃焼用空気及び拡散混合用空気を供給可能にする燃焼空気切換弁と、
    起動燃料ライン弁と、前記オフガス燃料ライン弁と、前記脱気ライン弁と、前記燃焼空気切換弁とに対して、前記燃料電池本体が発電前起動状態、非発電前起動状態に応じて開閉指令を与える制御器と
    を具備し、
    前記制御器は、前記燃料電池本体の発電前起動時に前記プロセスガスライン内に溜まっていた不活性ガスを、前記燃料改質器の温度上昇に応じて膨張する当該不活性ガスの膨張作用により、前記脱気ラインを介して脱気させ、改質燃料が前記プロセスガスラインに供給されると同時に、前記脱気ライン弁を閉じることにより前記脱気ラインを閉路させることを特徴とする燃料電池システム。

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