JP5818502B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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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。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、改質効率が低いという問題がある。
これに対して、水蒸気改質器は、改質効率が高い一方、吸熱反応であるため、低温時の起動性及び追従性が低下するという問題がある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている起動方法が知られている。この特許文献１は、図９に示すように、改質触媒を有する改質器１ａと、改質ガスを燃料として用いるＳＯＦＣ２ａとを有するＳＯＦＣシステムの起動方法に関するものである。
改質器１ａは、改質触媒を収容する改質反応管３ａが、容器４ａ内に若しくは前記容器４ａを貫通して設けられている。改質反応管３ａ内には、前段に部分酸化改質触媒Ａが充填され、後段に水蒸気改質触媒Ｂが充填されて改質触媒層が形成されている。
この起動方法では、部分酸化改質（ＰＯＸ）機能を有する触媒Ａ及び水蒸気改質（ＳＲ）機能を有する触媒Ｂを用い、燃焼熱又は電気で触媒ＡをＰＯＸ反応進行可能温度まで昇温する工程；ＰＯＸ反応熱で触媒Ｂを昇温し改質ガスをアノードに供給してＳＯＦＣ２ａを昇温する工程及びアノードから排出される改質ガスを燃焼させた燃焼熱で触媒Ｂを加熱する工程、又はＰＯＸ反応熱で触媒Ｂを昇温し改質ガスを燃焼させた燃焼ガスをカソードに供給してＳＯＦＣ２ａを昇温しこの燃焼ガスで触媒Ｂを加熱する工程；触媒ＢがＳＲ反応が進行可能な温度になった後、ＰＯＸ反応の割合を低減し又はＰＯＸ反応を停止して、ＳＲを行う工程を有している。
また、特許文献２に開示されている燃料電池では、図１０に示すように、固体酸化物形の燃料電池本体１ｂと、前記燃料電池本体１ｂの発電時に当該燃料電池本体１ｂのアノード側へ燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給系２ｂと、前記燃料電池本体１ｂの運転開始期及び運転停止期に当該燃料電池本体１ｂのアノード側へ少量の燃料ガスを酸化防止ガスとして供給する第２の燃料ガス供給系３ｂと、前記燃料電池本体１ｂのカソード側へ全期間を通して空気を酸化ガスとして供給する酸化ガス供給系４ｂとを備えている。
燃料電池本体１ｂは、複数枚のインターコネクタの各間に電極付き固体電解質板を挟んで積層した円柱形状の電池セルＦＣと、運転開始期に前記電池セルＦＣを予熱するバーナー５ｂと、運転開始期に前記電池セルＦＣと共に予熱され、前記電池セルＦＣから排出される排ガスを酸化ガスと熱交換して酸化ガスを予熱する熱交換器６ｂと、前記電池セルＦＣと組み合わされ、運転開始期にはバーナー５ｂ等により前記電池セルＦＣと共に予熱され、発電時は前記電池セルＦＣでの発熱等により加熱される２種類の改質器である水蒸気改質器７ｂ及び部分酸化改質器８ｂとを有している。
そして、発電時に第１の燃料ガス供給系２ｂを用いて、発電に必要な大流量な燃料ガスを燃料電池本体１ｂへ供給し、発電開始期及び発電停止期には、前記燃料電池本体１ｂがセル酸化温度領域を通過する時、第２の燃料ガス供給系３ｂを用いて部分酸化改質による燃料ガスを酸化防止に必要な小流量で前記燃料電池本体１ｂへ供給している。
特開２００６−１９０６０５号公報 特開２００５−２９３９５１号公報
上記の特許文献１では、改質反応管３ａ内に部分酸化改質触媒Ａ及び水蒸気改質触媒Ｂが充填されており、部分酸化改質のみを行う際にも、前記改質反応管３ａ内に水蒸気が供給されている。このため、部分酸化改質時に、水を蒸発させるための熱量が必要になり、熱効率が低下するとともに、水蒸気による圧力損失が発生するという問題がある。しかも、改質反応管３ａ内の温度制御が煩雑化するという問題がある。
また、上記の特許文献２では、水蒸気改質器７ｂと部分酸化改質器８ｂとが並列化されており、多数の電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５が設けられている。従って、回路が複雑化し、コストが高騰するとともに、シーケンスが複雑になるという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、起動性及び追従性と効率とを良好に維持するとともに、耐久性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酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気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を備える燃料電池モジュールに関するものである。
この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの燃料ガス入口には、燃料ガス通路を介して水蒸気改質器の燃料ガス出口が連通するとともに、前記水蒸気改質器の混合ガス入口には、燃料管路を介して部分酸化改質器の燃料ガス出口が連通し、且つ、前記燃料管路には、蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気管路が合流している。一方、熱交換器を収容する第１の筐体内に排ガス燃焼器が一体に収容されるとともに、前記熱交換器を収容する前記第１の筐体と水蒸気改質器を収容する第２の筐体とは、個別に構成されて一体に固定されている。
また、この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの燃料ガス入口には、燃料ガス通路を介して水蒸気改質器の燃料ガス出口が連通するとともに、前記水蒸気改質器の混合ガス入口には、水蒸気管路を介して蒸発器の水蒸気出口が連通し、且つ、前記水蒸気管路には、部分酸化改質器の燃料ガス出口に連通する燃料管路が合流している。一方、熱交換器を収容する第１の筐体内に排ガス燃焼器が一体に収容されるとともに、前記熱交換器を収容する前記第１の筐体と水蒸気改質器を収容する第２の筐体とは、個別に構成されて一体に固定されている。
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガスを熱交換器と部分酸化改質器とに分配する酸化剤ガス分配機構を備えることが好ましい。このため、燃料電池スタックと、熱交換器、及び蒸発器を含むＦＣ周辺機器とを同時に昇温させることが可能になり、起動時間の短縮化を図ることができる。
しかも、燃料電池スタックの負荷変動等に起因して水蒸気改質器による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器により改質不足を補うことが可能になる。従って、低出力及び負荷変動に追従するとともに、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。
また、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、部分酸化改質器から水蒸気改質器への燃料管路の途上には、蒸発器からの水蒸気管路が合流している。又は、蒸発器から水蒸気改質器への水蒸気管路の途上には、部分酸化改質器からの燃料管路が合流している。
従って、部分酸化改質器からの高温（約６００℃）の還元ガスが、水蒸気改質器に導かれるため、前記水蒸気改質器の起動時間（昇温及び還元時間）が短縮される。
しかも、高温の還元ガスは、水蒸気改質器から燃料ガス通路を介して燃料電池スタックの燃料ガス入口に供給される。このため、燃料電池スタックの起動時間（昇温及び還元時間）が良好に短縮される。
さらに、燃料電池スタックから排ガス燃焼器には、高温の還元ガスが供給される。これにより、排ガス燃焼器で発生する燃焼ガスを介して、酸化剤ガス、水蒸気改質器及び蒸発器を昇温させることができ、燃料電池モジュールの起動時間が有効に短縮される。
さらにまた、蒸発器で発生した水蒸気は、部分酸化改質器に流入することがない。従って、部分酸化改質器の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になり、耐久性の向上が容易に図られる。
また、燃料電池スタックの負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器により改質不足を補うことができる。このため、低出力及び負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。しかも、水蒸気改質器、熱交換器及び排ガス燃焼器は、略一体化されるため、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することが可能になる。このため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。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。その上、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
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。 前記燃料電池システムの起動から発電まで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の発電から低負荷運転の動作を説明するフローチャートである。 部分酸化改質及び水蒸気改質の出力と効率との関係説明図である。 前記燃料電池システムの発電停止の動作を説明するフローチャートである。 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に開示されている起動方法の説明図である。 特許文献２に開示されている燃料電池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と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（ＰＯＸ）４５と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器（ＳＲ）４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器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、部分酸化改質器４５、水蒸気改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２を備えるとともに、後述するように、前記水蒸気改質器４６、前記熱交換器５０及び前記排ガス燃焼器５２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、水蒸気改質器４６は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。
図２及び図３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。水蒸気改質器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、水蒸気改質器４６が直接装着される。水蒸気改質器４６及び熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
熱交換器５０及び水蒸気改質器４６の下方には、蒸発器４８、部分酸化改質器４５及び都市ガス（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が配設される。
水蒸気改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、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。
部分酸化改質器４５は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化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、部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに連通する一方、前記部分酸化改質器４５の燃料ガス出口６１ｂに連通する燃料ガス管路６０ｃは、水蒸気改質器４６の混合ガス供給室（混合ガス入口）６２ａに接続される。
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室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の上端側に燃料ガス排出室（燃料ガス出口）６２ｂが連通する。燃料ガス排出室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、又は、粒子状の触媒（図示せず）が担持されている。
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の水入口７３ａ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の水蒸気出口７３ｂには、水蒸気管路７４ｂの一端が接続されるとともに、前記水蒸気管路７４ｂの他端は、燃料ガス管路６０ｃに対して部分酸化改質器４５の下流の位置に合流する。なお、合流部位には、例えば、エゼクタ（図示せず）が配設され、燃料ガス管路６０ｃを原燃料（又は改質ガス）が流通することにより、水蒸気管路７４ｂから前記燃料ガス管路６０ｃに水蒸気が吸引される。
図３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。
図３に示すように、水蒸気改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。水蒸気改質器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、水蒸気改質器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１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路１００から熱交換器５０と部分酸化改質器４５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調整弁（酸化剤ガス分配機構）１０２を備える。第２酸化剤ガス供給路８０ｂは、原燃料供給路６０ｂに対し、脱硫器５８と部分酸化改質器４５との間に位置して連通する。
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４以降のフローチャートに沿って、以下に説明する。
先ず、燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス調整弁１０２の開度が設定される（ステップＳ１）。具体的には、部分酸化改質に必要な空気（酸化剤ガス）及び原燃料、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等が投入されるように（ステップＳ２）、原燃料供給装置１４が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁１０２の開度が調整される。部分酸化改質の制御は、空燃比（Ｏ２／Ｃ）（投入空気中の酸素モル数／投入原燃料中のカーボンモル数）により行われ、部分酸化改質器４５には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。
原燃料供給装置１４では、原燃料通路６０ａに供給された原燃料が、脱硫器５８で脱硫された後、原燃料供給路６０ｂを流通して部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス通路１００に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁１０２を介して第１酸化剤ガス供給路８０ａと第２酸化剤ガス供給路８０ｂとにそれぞれ所定の量ずつ分配される。第２酸化剤ガス供給路８０ｂに分配された空気は、原燃料供給路６０ｂで原燃料に混合されて部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに供給される。
このため、部分酸化改質器４５による部分酸化改質が開始される（ステップＳ３）。例えば、Ｏ２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器４５から高温（約６００℃）の還元ガスが発生する。
高温の還元ガスは、図２及び図３に示すように、燃料ガス管路６０ｃを通って水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａに供給された後、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。そして、高温の還元ガスは、一旦燃料ガス排出室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、高温の還元ガスは、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。このように、部分酸化改質器４５から発生した高温の還元ガスにより、水蒸気改質器４６及び燃料電池スタック２４が加温される。
一方、燃料排ガス通路８８は、図３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。燃焼室８４では、還元ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとが、自己着火又は図示しないイグナイターやグロー等の着火装置により着火されて燃焼ガスが発生する（ステップＳ４）。
燃焼室８４に発生した燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、第１酸化剤ガス供給路８０ａから供給される空気を加温する。さらに、燃焼ガスは、壁板９０に形成された開口部９８を介して水蒸気改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、水蒸気改質器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。
次いで、ステップＳ５に進んで、水蒸気改質器４６が設定温度Ｔ１以上であり、且つ蒸発器４８が設定温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、５５０℃であり、設定温度Ｔ２は、例えば、１５０℃である。水蒸気改質器４６が設定温度Ｔ１以上であり、且つ蒸発器４８が設定温度Ｔ２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、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に移行させるために、酸化剤ガス調整弁１０２の開度が調整されるとともに、水供給装置１８が駆動される。酸化剤ガス調整弁１０２の開度調整により、第２酸化剤ガス供給路８０ｂへの空気の供給が停止される一方、第１酸化剤ガス供給路８０ａから熱交換器５０に供給される空気量が増量される。従って、部分酸化改質器４５には、原燃料のみが供給されるため、部分酸化反応が惹起されず、前記原燃料は、燃料ガス管路６０ｃに供給される。
その際、水供給装置１８では、蒸発器４８に水が供給される。蒸発器４８で蒸発された水は、水蒸気管路７４ｂから燃料ガス管路６０ｃに供給され、原燃料と混合されて混合ガス供給室６２ａに供給される。
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室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、Ｃ２＋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及び、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯとなる水蒸気改質反応が発生する（ステップＳ７）。
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦燃料ガス排出室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３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。
一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス調整弁１０２を介して第１酸化剤ガス供給路８０ａに空気が供給され、この空気は、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに導入される。
図３に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、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３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。
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、ステップＳ８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Ｓ８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Ｓ９）。
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。排ガス燃焼器５２内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
次いで、燃料電池システム１０による発電から低負荷運転の動作について、図５のフローチャートに沿って、以下に説明する。
先ず、燃料電池スタック２４の要求電力が確認された後（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進んで、この要求電力が水蒸気改質での高効率運転範囲か否かが判断される。図６に示すように、水蒸気改質による駆動範囲は、例えば、出力４０％〜１００％の範囲である一方、部分酸化改質による駆動範囲（熱自立範囲）は、例えば、出力１０％〜４０％の範囲である。
そこで、要求電力が水蒸気改質での高効率運転範囲内であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進んで、水蒸気改質による発電が行われて高効率電力の供給がなされる。
また、燃料電池スタック２４の要求電力が、水蒸気改質での高効率運転範囲内ではないと判断されると（ステップＳ１０２中、ＮＯ）、ステップＳ１０４に進む。このステップＳ１０４では、要求電力が部分酸化改質での熱自立範囲内であるか否かが判断される。
要求電力が、部分酸化改質での熱自立範囲内であると判断されると（ステップＳ１０４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０５に進んで、部分酸化改質による発電が行われる。一方、部分酸化改質での熱自立範囲内ではないと判断されると（ステップＳ１０４中、ＮＯ）、ステップＳ１０６に進んで、部分酸化改質による最低熱自立発電（例えば、図６における出力１０％）が行われる。
次に、燃料電池システム１０による発電停止の動作について、図７のフローチャートに沿って、以下に説明する。
先ず、発電が停止されてＯＣＶに戻される（ステップＳ２０１）。さらに、ステップＳ２０２に進んで、部分酸化改質反応に移行するための燃料ガス投入量及び酸化剤ガス調整弁１０２の開度が設定される。なお、燃料ガス投入量は、燃料電池スタック２４のアノード側の還元状態を維持するための必要な投入量に設定される。
上記のように、部分酸化改質が開始された後（ステップＳ２０３）、燃料電池スタック２４の温度Ｔ３を監視しながら、前記燃料電池スタック２４の徐冷に必要な空気が熱交換器５０に供給される（ステップＳ２０４）。その際、排ガス燃焼器５２の燃焼室８４内では、還元ガス（燃料ガス）と空気とを着火させない。
このため、燃料電池スタック２４内が徐冷され、この燃料電池スタック２４の温度Ｔ３が４００℃未満まで降温されると（ステップＳ２０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０６に進んで、部分酸化改質が停止される。さらに、燃料電池スタック２４の温度Ｔ３が、１００℃未満まで降温されると（ステップＳ２０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０８に進んで、空気の供給が停止される。
この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａには、燃料ガス通路６６を介して水蒸気改質器４６の燃料ガス排出室６２ｂが連通するとともに、前記水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａには、燃料ガス管路６０ｃを介して部分酸化改質器４５の燃料ガス出口６１ｂが連通し、且つ、前記燃料ガス管路６０ｃには、蒸発器４８からの水蒸気管路７４ｂが合流している。
従って、部分酸化改質器４５で発生した高温（約６００℃）の還元ガスは、水蒸気改質器４６に導かれるため、前記水蒸気改質器４６の起動時間（昇温及び還元時間）が短縮される。
しかも、高温の還元ガスは、水蒸気改質器４６から燃料ガス通路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。このため、燃料電池スタック２４の起動時間（昇温及び還元時間）が良好に短縮される。
さらに、燃料電池スタック２４から排ガス燃焼器５２には、高温の還元ガスが供給される。これにより、排ガス燃焼器５２で発生する燃焼ガスを介して、酸化剤ガス、水蒸気改質器４６及び蒸発器４８を昇温させることができ、燃料電池モジュール１２の起動時間が有効に短縮される。
さらにまた、蒸発器４８で発生した水蒸気は、部分酸化改質器４５に流入することがない。従って、部分酸化改質器４５の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になり、耐久性の向上が容易に図られる。
また、燃料電池スタック２４の負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器４６による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器４５により改質不足を補うことができる。
具体的には、燃料電池スタック２４の要求電力に基づいて、改質ガス量Ｘが算出される。そして、改質ガス量Ｘが、水蒸気改質器４６から得られる改質ガス量Ｙよりも多い際には（Ｘ＞Ｙ）、前記改質ガス量Ｙを前記水蒸気改質器４６により処理し、差分の改質ガス量Ｚ（Ｘ−Ｙ）を部分酸化改質器４５により処理する。このため、低出力及び負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、耐久性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１２では、酸化剤ガスを熱交換器５０と部分酸化改質器４５とに分配する酸化剤ガス調整弁１０２を備えている。これにより、燃料電池スタック２４と、熱交換器５０、及び蒸発器４８を含むＦＣ周辺機器５６とを同時に昇温させることが可能になり、起動時間の短縮化を図ることができる。
しかも、燃料電池スタック２４の負荷変動等に起因して水蒸気改質器４６による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器４５により改質不足を補うことが可能になる。このため、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。
さらにまた、この燃料電池モジュール１２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、前記熱交換器５０の一端に水蒸気改質器４６が隣接して設けられている。
従って、水蒸気改質器４６、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２は、略一体化されるため、燃料電池モジュール１２の放熱を最小限に抑制することが可能になる。これにより、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
また、この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。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型の燃料電池２２に最適である。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１１０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１１０は、燃料電池モジュール１１２と、水供給装置１１４と、原燃料供給装置１１６と、酸化剤ガス供給装置１６と、制御装置２０とを備える。水供給装置１１４は、水通路７４ａ、蒸発器４８及び水蒸気管路７４ｂを介して水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａに接続される。
原燃料供給装置１１６は、原燃料通路６０ａ、脱硫器５８、原燃料供給路６０ｂ、部分酸化改質器４５及び燃料ガス管路６０ｃを設けるとともに、前記燃料ガス管路６０ｃは、水蒸気管路７４ｂの途上に合流する。なお、合流部位には、例えば、エゼクタ（図示せず）が配設され、水蒸気管路７４ｂを水蒸気が流通することにより、燃料ガス管路６０ｃから前記水蒸気管路７４ｂに原燃料（又は改質ガス）が吸引される。
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａには、燃料ガス通路６６を介して水蒸気改質器４６の燃料ガス排出室６２ｂが連通するとともに、前記水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａには、水蒸気管路７４ｂを介して蒸発器４８が連通し、且つ、前記水蒸気管路７４ｂには、部分酸化改質器４５の燃料ガス出口６１ｂから燃料ガス管路６０ｃが合流している。
これにより、第２の実施形態では、蒸発器４８で発生した水蒸気は、部分酸化改質器４５に流入することがなく、部分酸化改質器４５の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０、１１０…燃料電池システム １２、１１２…燃料電池モジュール
１４、１１６…原燃料供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８、１１４…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 ４５…部分酸化改質器
４６…水蒸気改質器 ４８…蒸発器
５０…熱交換器 ５２…排ガス燃焼器
５６…ＦＣ周辺機器 ５８…脱硫器
６０ａ…原燃料通路 ６０ｂ…原燃料供給路
６０ｃ…燃料ガス管路 ６１ａ…混合ガス入口
６１ｂ…燃料ガス出口 ６２ａ…混合ガス供給室
６２ｂ…燃料ガス排出室 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 ７３ａ…水入口
７３ｂ…水蒸気出口 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、１００…酸化剤ガス通路
８４…燃焼室 ８６…酸化剤排ガス通路
８８…燃料排ガス通路 ９０…壁板
９８…開口部 １０２…酸化剤ガス調整弁

Claims (4)

  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酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、
    前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、
    水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気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、
    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の燃料ガス入口には、燃料ガス通路を介して前記水蒸気改質器の燃料ガス出口が連通するとともに、
    前記水蒸気改質器の混合ガス入口には、燃料管路を介して前記部分酸化改質器の燃料ガス出口が連通し、且つ、前記燃料管路には、前記蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気管路が合流する一方、
    前記熱交換器を収容する第１の筐体内に前記排ガス燃焼器が一体に収容されるとともに、前記熱交換器を収容する前記第１の筐体と前記水蒸気改質器を収容する第２の筐体とは、個別に構成されて一体に固定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 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酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、
    前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、
    水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気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、
    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の燃料ガス入口には、燃料ガス通路を介して前記水蒸気改質器の燃料ガス出口が連通するとともに、
    前記水蒸気改質器の混合ガス入口には、水蒸気管路を介して前記蒸発器の水蒸気出口が連通し、且つ、前記水蒸気管路には、前記部分酸化改質器の燃料ガス出口に連通する燃料管路が合流する一方、
    前記熱交換器を収容する第１の筐体内に前記排ガス燃焼器が一体に収容されるとともに、前記熱交換器を収容する前記第１の筐体と前記水蒸気改質器を収容する第２の筐体とは、個別に構成されて一体に固定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、前記酸化剤ガスを前記熱交換器と前記部分酸化改質器とに分配する酸化剤ガス分配機構を備え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。


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