JP6241362B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）は、水素を含有する水素含有ガスと空気とを電気化学的に反応させて、発電を行う。このような燃料電池に加え、改質器と、燃焼器とを備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムにおいては、改質器は、触媒上で都市ガスなどの炭化水素系燃料と改質水としての水とを反応させて、改質ガスとしての水素含有ガスを燃料電池に供給する。燃焼器は、燃料電池から排気されるアノードオフガスを、触媒上で燃焼処理する。

改質器においては、触媒上で水素と空気とを反応させるため、改質器は、比較的高温に維持される必要がある。同様に、燃焼器においては、触媒上で、燃料電池から排気されたアノードオフガスを燃焼させるため、燃焼器は、比較的高温に維持される必要がある。このため、従来より、燃料電池システムの起動時（スタートアップ時）に、改質器及び燃焼器を加熱するためのバーナが、燃料電池システムには設けられている（特許文献１参照）。

特開２００６−１４７２６４号公報

上述のような従来の燃料電池システムにおいて、バーナは、比較的高価である。このためバーナを有していない燃料電池システムが要求されていた。

本発明は、バーナを有していない燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、改質用触媒を収容する改質用触媒収容室を有し、改質用触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、燃焼用触媒を収容する燃焼用触媒収容室と前記燃焼用触媒収容室に連通する燃焼室とを有し、前記燃料電池からのオフガスを燃焼用触媒上で燃焼する燃焼器と、前記燃焼器との間で熱伝導可能に配置される化学蓄熱器であって、水和反応により発熱する化学蓄熱剤を収容する蓄熱剤収容空間を有する化学蓄熱器と、前記改質器へ供給する水を一時的に貯留し、貯留した水と前記化学蓄熱器との間で熱伝導可能に配置される蒸発器と、前記蒸発器及び前記化学蓄熱器の化学蓄熱剤へ水を供給可能な改質水供給部と、を備え、前記化学蓄熱器は、前記燃焼用触媒収容室に隣接して配置され、前記改質器は、前記燃焼室に隣接して配置され、前記蒸発器は、前記燃焼室、前記化学蓄熱器、及び、前記改質用触媒収容室に隣接して配置される燃料電池システムに関する。

また、前記燃焼室は、前記燃焼用触媒収容室の上方に位置し、前記蒸発器は、前記化学蓄熱器の上方に位置し、前記改質用触媒収容室は、前記蒸発器の上方に位置することが好ましい。

また、前記化学蓄熱器は、前記燃焼用触媒収容室の周囲を取囲むように配置され、前記改質器は、前記燃焼室の周囲を取囲むように配置されることが好ましい。

また、前記化学蓄熱器及び前記改質器は、円筒状の外形を有し、前記化学蓄熱器の内周面により形成される空間に、前記燃焼用触媒収容室が配置され、前記改質器の内周面により形成される空間に、前記燃焼室が配置され、前記化学蓄熱器は、前記燃焼用触媒収容室に対して着脱可能であることが好ましい。

また、前記蓄熱剤収容空間は、化学蓄熱剤を収容可能な蓄熱剤容器の内部空間により構成されていることが好ましい。

また、前記改質器へ向けて燃料が流通する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに接続され、改質水を気化させて水蒸気とし前記燃料供給ラインに流通する燃料と混合する混合器と、前記蒸発器に貯留されている改質水が、前記混合器へ向けて流通する改質水流出ラインと、を備えることが好ましい。

また、前記改質水供給部から前記化学蓄熱器の化学蓄熱剤に所定量の水を供給した後に、前記改質水供給部から前記化学蓄熱器の化学蓄熱剤への水の供給を停止させる制御を、前記改質水供給部に対して行う制御部を有することが好ましい。

本発明によれば、バーナを有していない燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料電池システム１のユニット部１１０を示す断面図である。 本発明の実施形態による燃料電池システム１において、化学蓄熱器１４へ水Ｗ１の供給が行われている様子を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料電池システム１において、発電が行われる前に、化学蓄熱器１４へ水Ｗ１の供給が停止されている様子を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料電池システム１において、発電が行われている様子を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料電池システム１の制御部５１による制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態による燃料電池システム１のユニット部１１０を示す断面図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２（図２参照）、燃焼器１３（図２参照）、及び、化学蓄熱器１４（図２参照）により構成されるユニット部１１０と、混合器１５と、燃料供給部としての流量調整部２１及び燃料ガス供給部３１と、改質水供給部としての流量調整部２２、２３、及び水貯留部３２と、制御装置５０とを備える。

また、燃料電池システム１は、燃料供給ラインとしての燃料ガス供給ラインＬ１と、改質水流出ラインＬ１１と、水供給ラインＬ２と、改質ガス供給ラインＬ３と、空気供給ラインＬ４と、アノードオフガスラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、オフガス排気ラインＬ７と、を備える。なお、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

［ラインの説明］
燃料ガス供給ラインＬ１においては、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料ガス（燃料）Ｇ１を供給可能な燃料ガス供給部３１に接続され、燃料ガス供給ラインＬ１の他端部はユニット部１１０の改質器１２（図２参照）に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の途中には、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部側から他端部側に向かって、流量調整部２１と混合器１５とがこの順で接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１には、燃料ガスＧ１が、改質器１２に向けて流通する。

改質水流出ラインＬ１１においては、改質水流出ラインＬ１１の一端部は、ユニット部１１０の蒸発器容器１６（図２参照）に接続され、改質水流出ラインＬ１１の他端部は、混合器１５に接続されている。改質水流出ラインＬ１１には、蒸発器容器１６に貯留されている水（改質水）Ｗ１が、混合器１５に向けて流通する。

水供給ラインＬ２の一端部は、ポンプ（図示せず）を有する水貯留部３２に接続されている。水供給ラインＬ２は、その途中の分岐部Ｊ１から、蒸発器容器側水供給ラインＬ２１と、水和水供給ラインＬ２２とに分岐している。蒸発器容器側水供給ラインＬ２１は、ユニット部１１０の蒸発器容器１６（図２参照）に接続されている。水和水供給ラインＬ２２は、ユニット部１１０の化学蓄熱器１４（図２参照）に接続されている。蒸発器容器側水供給ラインＬ２１の途中には、流量調整部２２が接続されている。水和水供給ラインＬ２２の途中には、流量調整部２３が接続されている。水供給ラインＬ２及び蒸発器容器側水供給ラインＬ２１には、水貯留部３２からの水Ｗ１が、蒸発器容器１６に向けて流通する。また、水供給ラインＬ２及び水和水供給ラインＬ２２には、水貯留部３２からの水Ｗ１が、化学蓄熱器１４に向けて流通する。

改質ガス供給ラインＬ３においては、改質ガス供給ラインＬ３の一端部はユニット部１１０の改質器１２（図２参照）に接続され、改質ガス供給ラインＬ３の他端部は燃料電池１１のアノード（燃料極）に接続されている。改質器１２において生成される水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ４においては、空気供給ラインＬ４の一端部は、酸素を含む空気Ａ１を燃料電池１１に供給するためのブロワ（図示せず）及びフィルタ（図示せず）を有する空気供給部３３に接続されている。空気供給ラインＬ４の他端部は燃料電池１１のカソード（空気極）に接続されている。空気供給ラインＬ４の途中には、熱交換器（図示せず）が接続されている。空気Ａ１は、ブロワ（図示せず）からフィルタ（図示せず）を通過し、空気供給ラインＬ４を流通して熱交換器（図示せず）により加熱され、燃料電池１１に供給される。

アノードオフガスラインＬ５においては、アノードオフガスラインＬ５の一端部は、燃料電池１１のアノード（燃料極）に接続され、アノードオフガスラインＬ５の他端部は、ユニット部１１０の燃焼器１３（図２参照）に接続されている。アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ５を流通して、燃焼器１３に供給される。カソードオフガスラインＬ６においては、カソードオフガスラインＬ６の一端部は、燃料電池１１のカソード（空気極）に接続され、カソードオフガスラインＬ６の他端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスＧ４は、カソードオフガスラインＬ６を流通して、燃焼器１３に供給される。

オフガス排気ラインＬ７においては、オフガス排気ラインＬ７の一端部は、ユニット部１１０の燃焼器１３に接続され、オフガス排気ラインＬ７の他端部は、屋外に開放している。オフガス排気ラインＬ７の途中には、熱交換器（図示せず）が接続されている。燃焼器１３によって燃焼された燃焼排ガスＧ５は、オフガス排気ラインＬ７を流通して屋外に排出される。燃焼排ガスＧ５と、空気供給ラインＬ４に流通する空気Ａ１とは、熱交換器（図示せず）において熱交換が行われる。

［各装置の説明］
燃料電池１１としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１１は、燃料電池スタック（図示せず）を有している。燃料電池スタックにおいては、複数の発電セル（図示せず）とセパレータ（図示せず）とが交互に積層されている。

発電セル（図示せず）は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、アノードとカソードとの間に設けられた電解質層と、を有する。アノードは、ニッケル等から形成され、還元性ガスにより還元雰囲気に保たれている。燃料電池１１は、改質器１２から改質ガス供給ラインＬ３を介してアノードに供給される改質ガスＧ２と、空気供給ラインＬ４からカソードに供給される空気Ａ１中の酸素とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池１１による発電時の温度である運転温度は、５００℃〜１０００℃程度の高温である。燃料電池１１によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。燃料電池１１は、アノードからのオフガスであるアノードオフガスＧ３と、カソードからのオフガスであるカソードオフガスＧ４とを排気する。燃料電池１１は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）内に配置されている。

ユニット部１１０を構成する改質器１２は、燃料ガス供給ラインＬ１から供給された燃料ガスＧ１及び水供給ラインＬ２（蒸発器容器側水供給ラインＬ２１）から供給された水（改質水）Ｗ１に基づいて、ニッケル系の触媒１２２上で、水素を含む改質ガスＧ２を生成する。この際、触媒１２２は、５００℃〜８００℃程度にまで加熱されることにより、水素を含む改質ガスＧ２を生成する。改質器１２によって生成された改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を介して燃料電池１１へ供給される。改質器１２は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）内に配置されている。

より具体的には、改質器１２は、図２に示すように、改質器本体１２１と、ニッケル系の触媒１２２（改質用触媒１２２）とを有する。改質器本体１２１は、金属製の容器である。改質器本体１２１は、それぞれ略円筒形状の内壁１２４及び外壁１２６を有しており、全体として、略円筒形状の外形を有している。内壁１２４と外壁１２６との間には、改質用触媒収容室１２３が形成されている。改質用触媒収容室１２３は、改質用触媒１２２を収容する。また、改質用触媒収容室１２３は、燃料ガス供給ラインＬ１から燃料ガスＧ１及び後述する水蒸気とされた改質水Ｗ１を改質用触媒収容室１２３内に流入可能に、燃料ガス供給ラインＬ１に連通している。また、改質用触媒収容室１２３は、改質用触媒収容室１２３内から改質ガス供給ラインＬ３へ改質ガスＧ２を流出可能に、改質ガス供給ラインＬ３に連通している。

ユニット部１１０を構成する燃焼器１３は、燃料電池１１から排気されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を、白金（Ｐｔ）等の触媒１３２（燃焼用触媒１３２）上で燃焼処理する。この際、触媒は、５００℃〜８００℃程度にまで加熱されることにより、アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼する。燃焼器１３により燃焼されたアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４は、燃焼器１３の下流側に接続されたオフガス排気ラインＬ７を通じて、燃焼排ガスＧ５として排出される。燃焼器１３は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）内に配置されている。

より具体的には、燃焼器１３は、図２に示すように、燃焼室１３１と燃焼用触媒収容室１３３とを有している。燃焼室１３１は、改質器１２及び蒸発器容器１６の内壁１２４、１６４の内周面１２５、１６５により形成される空間に配置され、この空間により構成されている。従って、燃焼室１３１は、改質器１２及び蒸発器１６３に隣接して配置されている。燃焼室１３１の周囲は、改質器１２及び蒸発器容器１６によって取囲まれるように配置されている。燃料電池１１からのアノードオフガスＧ３は、燃焼用触媒１３２上で反応して燃焼室１３１内で燃焼する。

燃焼用触媒収容室１３３は、化学蓄熱器１４の内壁１４４の内周面１４５により形成される空間により構成されている。燃焼用触媒収容室１３３は、燃焼用触媒１３２を収容する。燃焼用触媒収容室１３３は、上下方向において３つの部屋に区画されており、それぞれの部屋に燃焼用触媒１３２が配置されている。従って、化学蓄熱器１４は、燃焼用触媒収容室１３３に隣接して配置され、燃焼用触媒収容室１３３の周囲を取囲むように配置されている。また、燃焼室１３１は、燃焼用触媒収容室１３３の上方に位置している。

燃焼用触媒収容室１３３のそれぞれの部屋は互いに気体が通過可能に連通している。燃焼用触媒収容室１３３の最も下の部屋は、アノードオフガスラインＬ５からのアノードオフガスＧ３と、カソードオフガスラインＬ６からのカソードオフガスＧ４とが最も下の部屋に流入可能に、アノードオフガスラインＬ５及びカソードオフガスラインＬ６に連通している。最も上の部屋は、燃焼用触媒１３２によって燃焼反応が行われるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４が最も上の部屋から燃焼室１３１へ流出可能に、燃焼室１３１に連通している。

ユニット部１１０を構成する化学蓄熱器１４は、蓄熱剤容器としての収容容器１４１と化学蓄熱剤１４２とを有している。化学蓄熱剤１４２は、吸熱により脱水反応するか又は水和反応により発熱する性質を有する化学物質である。化学蓄熱剤１４２は、水貯留部３２から水和水供給ラインＬ２２を介して供給された水Ｗ１により水和反応を生じる。化学蓄熱器１４は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）内に配置されている。

化学蓄熱剤１４２の例としては、酸化カルシウム及び酸化マグネシウム等を挙げることができる。これらの化学蓄熱剤１４２は、２種以上のものを適宜に併用することもできる。化学蓄熱剤１４２として、例えば、本実施形態では、酸化カルシウムが用いられる。酸化カルシウムは、水貯留部３２から水和水供給ラインＬ２２を介して供給された水Ｗ１により水和反応を生じて発熱し、水酸化カルシウムを生成し、最終的には、炭酸カルシウムを生成する。

収容容器１４１は、化学蓄熱剤１４２を収容する金属製の容器である。収容容器１４１は、それぞれ略円筒形状の内壁１４４及び外壁１４６を有しており、全体として、略円筒形状の外形を有している。内壁１４４と外壁１４６との間には、蓄熱剤収容空間１４３が形成されている。蓄熱剤収容空間１４３は、化学蓄熱剤１４２を収容する。収容容器１４１は、改質器１２及び燃焼器１３に隣接して配置されている。より具体的には、化学蓄熱器１４は、燃焼用触媒収容室１３３の周囲を取囲むように配置されている。従って、化学蓄熱器１４の収容容器１４１は、改質器１２及び燃焼器１３との間で熱伝導可能に配置されている。また、蓄熱剤収容空間１４３は、水和水供給ラインＬ２２から水Ｗ１を蓄熱剤収容空間１４３内に流入可能に、水和水供給ラインＬ２２に連通している。

収容容器１４１の下端部は、アノードオフガスラインＬ５及びカソードオフガスラインＬ６に対して、ライン固定部材（図示せず）により着脱可能である。従って、収容容器１４１をアノードオフガスラインＬ５及びカソードオフガスラインＬ６から取り外し、後述のように、収容容器１４１を蒸発器本体１６１から取り外すことにより、収容容器１４１内の化学蓄熱剤１４２を交換可能である。

混合器１５は、いわゆるエゼクタ等により構成されている。混合器１５は、改質水流出ラインＬ１１を流通した水（改質水）Ｗ１を気化させて水蒸気とし、当該水蒸気を、燃料ガス供給ラインＬ１に流通する燃料ガスＧ１と混合する。混合器１５は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）内に配置されている。

ユニット部１１０を構成する蒸発器容器１６は、蒸発器１６３を有している。蒸発器１６３には、改質器１２へ供給される水Ｗ１が一時的に貯留される。蒸発器容器１６は、貯留した水Ｗ１と化学蓄熱器１４との間で熱伝導可能に配置されている。蒸発器１６３は、燃焼室１３１、化学蓄熱器１４、及び、改質用触媒収容室１２３に隣接して配置されている。また、蒸発器１６３は、化学蓄熱器１４の上方に位置する。改質用触媒収容室１２３は、蒸発器１６３の上方に位置する。

より具体的には、蒸発器容器１６は、金属製の容器である蒸発器本体１６１を有している。図２に示すように、蒸発器本体１６１は、それぞれ略円筒形状の内壁１６４及び外壁１６６を有しており、全体として、略円筒形状を有している。蒸発器本体１６１は、改質器本体１２１及び収容容器１４１と同軸的な位置関係で、且つ、鉛直方向において改質器本体１２１と収容容器１４１とに挟まれる位置関係で、改質器本体１２１、収容容器１４１それぞれに対して、着脱可能に固定されている。即ち、蒸発器本体１６１は、固定具（図示せず）により、その上部において改質器本体１２１の下部に固定されており、また、その下部において、収容容器１４１の上部に固定されている。

蒸発器本体１６１を構成する内壁１６４と外壁１６６との間の空間は、蒸発器１６３を構成する。蒸発器１６３は、蒸発器容器側水供給ラインＬ２１からの水Ｗ１を蒸発器１６３内に流入可能に、蒸発器容器側水供給ラインＬ２１に連通している。また、蒸発器１６３は、蒸発器１６３内から水Ｗ１を改質水流出ラインＬ１１へ流出可能に、改質水流出ラインＬ１１に連通している。蒸発器容器１６は、改質器１２、燃焼器１３、及び、化学蓄熱器１４と共に、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）内に配置されている。

流量調整部２１は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２１は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２１に対する制御により、流量調整部２１の弁の開度を調整可能であり、これにより、燃料ガス供給ラインＬ１に流通する燃料ガスＧ１の量が調整される。また、流量調整部２１により、燃料ガス供給部３１からの燃料ガスＧ１の、改質器１２（図２参照）への流通／遮断を切換え可能である。流量調整部２１は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）外に配置されている。

流量調整部２２は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２２は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２２に対する制御により、流量調整部２２の弁の開度を調整可能であり、これにより、蒸発器容器側水供給ラインＬ２１に流通する水Ｗ１の量が調整される。また、流量調整部２２により、水貯留部３２からの水Ｗ１の、蒸発器容器１６への流通／遮断を切換え可能である。流量調整部２２は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）外に配置されている。

流量調整部２３は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２３は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２３に対する制御により、流量調整部２３の弁の開度を調整可能であり、これにより、水和水供給ラインＬ２２に流通する水Ｗ１の量が調整される。また、流量調整部２３により、水貯留部３２からの水Ｗ１の、化学蓄熱器１４への流通／遮断を切換え可能である。流量調整部２３は、断熱材（図示せず）により形成された断熱空間（図示せず）外に配置されている。

制御装置５０は、流量調整部２１，２２、２３を制御することを目的としたものであり、各種演算処理を行う制御部５１や各種情報を記憶する記憶部に加え、キーボードやタッチパネル等により実現される入力部及びディスプレイによる表示部を備えた汎用パーソナルコンピュータやシーケンサーである。

制御装置５０は、図１に示すように、流量調整部２１，２２、２３と、有線又は無線で接続されており、各種信号を入出力することができるように構成されている。具体的には、制御装置５０は、流量調整部２１，２２、２３に対して命令信号を出力して、各種の制御を行う。

制御装置５０は、タイマー５２として用いられるクロックを有しており、所定の時間を計測可能である。具体的には、水貯留部３２から水Ｗ１を化学蓄熱器１４へ供給するように、流量調整部２３に対して制御を行った後の第１所定時間と、第１所定時間が経過した後に、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になるまでに要する第２所定時間と、が経過したことを、タイマー５２は検出可能である。

以下、燃料電池システム１の起動時における制御部５１による制御について、図３〜図６に基づき説明する。図３は、本発明の実施形態による燃料電池システム１において、化学蓄熱器１４へ水Ｗ１の供給が行われている様子を示す概略図である。図４は、本発明の実施形態による燃料電池システム１において、発電が行われる前に、化学蓄熱器１４へ水Ｗ１の供給が停止されている様子を示す概略図である。図５は、本発明の実施形態による燃料電池システム１において、発電が行われている様子を示す概略図である。図６は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の制御部５１による制御を示すフローチャートである。なお、図３〜図５においては、水Ｗ１の流れを示す矢印については、各状態において実際に流れているラインにのみ図示している。

燃料電池システム１の起動時（スタートアップ時）には、先ず、改質水供給部を構成する水貯留部３２から、化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２に所定量の水を供給する。
具体的には、図３に示すように、制御部５１は、流量調整部２１及び流量調整部２２に対して、これらの弁を閉じるように、制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２３に対して弁を開くように、制御を行う（図６のステップＳ１１）。これにより、水貯留部３２から水和水供給ラインＬ２２を介して水Ｗ１が化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２へ供給される。

次に制御部５１による処理は、ステップＳ１２（図６参照）へと進み、制御部５１は、所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されたか否かの判断を行う。より具体的には、制御部５１におけるクロックによるタイマー５２により、流量調整部２３の弁が開かれてから、第１所定時間が経過したか否かの判断をすることにより、所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されたか否かの判断が、間接的に行われる。所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されていれば（ＹＥＳ）、制御部５１による処理は、ステップＳ１３（図６参照）へと進む。所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されていなければ（ＮＯ）、制御部５１による処理は、ステップＳ１１（図６参照）へ戻る。そして、ステップＳ１３において、制御部５１は、改質水供給部を構成する水貯留部３２から化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２への水の供給を停止させる制御を、改質水供給部を構成する流量調整部２３に対して行う。具体的には、制御部５１は、図４に示すように、流量調整部２３に対して、弁を閉じるように制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２１、２２に対して、弁を閉じた状態を維持するように制御を行う（図６のステップＳ１３）。

これにより、水貯留部３２から化学蓄熱剤１４２に供給された水Ｗ１により、化学蓄熱剤１４２としての酸化カルシウムは、水和反応を生じて水酸化カルシウムを生成する。この水和反応により、熱が発生し、化学蓄熱器１４の温度は上昇する。これに伴い、化学蓄熱器１４からの熱伝導により、改質器１２及び燃焼器１３の温度も上昇する。酸化カルシウムは、水和反応を生じて水酸化カルシウムを生成した後に更に反応が進み、炭酸カルシウムを生成する。そして、制御部５１の処理は、ステップＳ１４へと進む。

次に、制御部５１は、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを、制御部５１のクロックによるタイマー５２により、間接的に検出する。より具体的には、例えば、制御部５１は、第１所定時間が経過した後に、制御部５１のクロックによるタイマー５２によって検出された時間が，第２所定時間である１５分を超えているか否かを判断することにより、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっているか否かの判断を、間接的に行う。

タイマー５２により第２所定時間が経過したことを検出することにより、図６のステップＳ１４において、これにより改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを、制御部５１が検出できた場合には（ＹＥＳ）、制御部５１の処理は、ステップＳ１５へと進む。所定の時間が経過したことを検出できない場合には（ＮＯ）、制御部５１の処理は、ステップＳ１４へと戻る。

次に、制御部５１は、改質器１２へ水Ｗ１を供給するように、水供給部としての流量調整部２２に対して制御を行う。また、制御部５１は、改質器１２へ燃料ガスＧ１を供給するように、燃料供給部としての流量調整部２１に対して制御を行う。

具体的には、図５に示すように、制御部５１は、流量調整部２１及び流量調整部２２に対して、これらの弁が開くように、制御を行う。これにより、混合器１５により水蒸気とされた水Ｗ１と、燃料ガスＧ１とが混合され、改質器１２に供給される。そして、混合された水（水蒸気）Ｗ１及び燃料ガスＧ１は、改質器１２により改質ガスＧ２に改質され、改質ガス供給ラインＬ３を通して燃料電池１１のアノードへ供給される。また、空気供給部３３からの空気Ａ１が、空気供給ラインＬ４を通して燃料電池１１のカソードへ供給される。

これにより、燃料電池１１において発電が行われる。そして、燃料電池１１からのアノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ５を介して燃焼器１３へ供給される。また、燃料電池１１からのカソードオフガスＧ４は、カソードオフガスラインＬ６を介して燃焼器１３へ供給される。燃焼器１３では、アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４が、燃焼用触媒１３２上で燃焼される。これにより、燃焼器１３において熱が発生する。以上の制御部５１による処理により、燃料電池１１において、安定した発電が開始される。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質用触媒１２２を収容する改質用触媒収容室１２３を有し、改質用触媒１２２上で燃料ガスＧ１と水Ｗ１とを反応させて、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ２を生成する改質器１２と、燃焼用触媒１３２を収容する燃焼用触媒収容室１３３と燃焼用触媒収容室１３３に連通する燃焼室１３１とを有し、燃料電池１１からのアノードオフガスＧ３を燃焼用触媒１３２上で燃焼する燃焼器１３と、燃焼器１３との間で熱伝導可能に配置される化学蓄熱器１４であって、水和反応により発熱する化学蓄熱剤１４２を収容する蓄熱剤収容空間１４３を有する化学蓄熱器１４と、改質器１２へ供給する水を一時的に貯留し、貯留した水Ｗ１と化学蓄熱器１４との間で熱伝導可能に配置される蒸発器１６３と、蒸発器１６３及び化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２へ水を供給可能な改質水供給部としての流量調整部２２、２３、及び水貯留部３２と、を備える。化学蓄熱器１４は、燃焼用触媒収容室１３３に隣接して配置される。改質器１２は、燃焼室１３１に隣接して配置される。蒸発器１６３は、燃焼室１３１、化学蓄熱器１４、及び、改質用触媒収容室１２３に隣接して配置される。

この構成により、燃料電池システム１の起動時に、化学蓄熱剤１４２の水和反応による発熱により、改質器１２において燃料ガスＧ１を改質ガスＧ２へ改質可能な程度に、改質器１２を加熱することができ、且つ、燃焼器１３においてアノードオフガスＧ３を燃焼可能な程度に、燃焼器１３を加熱することができる。従って、燃料電池システム１を、改質器１２及び燃焼器１３を加熱するためのバーナを有していない構成として、燃料電池システム１の起動時（スタートアップ時）に、改質器１２及び燃焼器１３を加熱することができる。この結果、燃料電池システム１を、より低コストで構成することができる。

また、燃焼室１３１は、燃焼用触媒収容室１３３の上方に位置し、蒸発器１６３は、化学蓄熱器１４の上方に位置し、改質用触媒収容室１２３は、蒸発器１６３の上方に位置する。この構成により、燃焼用触媒収容室１３３において燃焼用触媒１３２上で反応したアノードオフガスＧ３を容易に燃焼室１３１へ移動させることができる。また、蓄熱剤収容空間１４３で発生した熱を、蒸発器１６３中の水Ｗ１に対して容易に熱交換することができ、蒸発器１６３中の水Ｗ１を容易に加熱することができる。また、熱交換により高温になった蒸発器１６３中の水Ｗ１から、改質用触媒収容室１２３中の改質用触媒１２２へ熱交換を容易に行うことができ、改質用触媒収容室１２３中の改質用触媒１２２を容易に加熱することができる。

また、化学蓄熱器１４は、燃焼用触媒収容室１３３の周囲を取囲むように配置され、改質器１２は、燃焼室１３１の周囲を取囲むように配置される。この構成により、化学蓄熱剤１４２の水和反応による発熱により、燃焼用触媒収容室１３３内の燃焼用触媒１３２を、その周囲から加熱することができる。

また、化学蓄熱器１４及び改質器１２は、円筒状の外形を有し、化学蓄熱器１４の内周面により形成される空間に、燃焼用触媒収容室１３３が配置され、改質器１２の内周面により形成される空間に、燃焼室１３１が配置され、化学蓄熱器１４は、燃焼用触媒収容室１３３に対して着脱可能である。

この構成により、化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２の水和反応による発熱により、燃焼用触媒収容室１３３内の燃焼用触媒１３２を周囲から均等に加熱することができる。また、燃焼室１３１における燃焼による熱が周囲へ均等に広がるように、改質器１２の改質用触媒１２２を加熱することができる。

また、蓄熱剤収容空間１４３は、化学蓄熱剤１４２を収容可能な蓄熱剤容器としての収容容器１４１の内部空間により構成されている。この構成により、蓄熱剤収容空間１４３に収容された化学蓄熱剤１４２を収容容器１４１ごと燃料電池システム１から取り外して、化学蓄熱剤１４２を交換することができる。例えば、化学蓄熱剤１４２を１回のみ利用可能な使い捨てとする場合において、燃料電池システム１による発電を停止し、次回、燃料電池システム１を起動（スタートアップ）する際に、新たな化学蓄熱剤１４２を収容容器１４１の蓄熱剤収容空間１４３に収容して、使用することを容易とする。

また、改質器１２へ向けて燃料が流通する燃料供給ラインとしての燃料ガス供給ラインＬ１と、燃料ガス供給ラインＬ１に接続され、改質水Ｗ１を気化させて水蒸気とし燃料ガス供給ラインＬ１に流通する燃料ガスＧ１と混合する混合器１５と、蒸発器１６３に貯留されている改質水Ｗ１が、混合器１５へ向けて流通する改質水流出ラインＬ１１と、を備える。この構成により、蒸発器１６３に貯留され、加熱されて高温とされた改質水Ｗ１が混合器１５へ供給されるため、混合器１５において改質水Ｗ１を容易に水蒸気とすることができる。

また、改質水供給部としての水貯留部３２から化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２に所定量の水を供給した後に、水貯留部３２から化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２への水の供給を停止させる制御を、流量調整部２３に対して行う制御部５１を有する。この構成により、燃料電池システム１の起動時（スタートアップ時）に、化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２の水和反応による発熱により、十分に改質器１２及び燃焼器１３を加熱した状態で、燃料電池１１による発電を開始することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、請求の範囲から逸脱しない範囲内で、種々の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態においては、化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤１４２に供給される水Ｗ１の量は、タイマー５２により検出されたが、タイマー５２に限定されない。例えば、水和水供給ラインＬ２２に流通する水Ｗ１の流量を測定する流量計により、検出を行ってもよい。

また、本実施形態では、収容容器１４１は、金属製の容器であり、それぞれ略円筒形状の内壁１４４及び外壁１４６を有し、全体として、略円筒形状の外形を有していたが、この形状、材質、及び構成に限定されない。例えば、収容容器１４１を、全体として略円筒形状として、その軸方向に沿って半割可能な構成としてもよい。このような構成とすることにより、半割の状態とされた収容容器１４１の蓄熱剤収容空間１４３に収容された化学蓄熱剤１４２を、容易に交換することができる。同様に、改質器、燃焼器、蒸発器容器の形状や材質や構成は、本実施形態におけるこれらの形状や材質や構成に限定されない。

また、燃料電池システムの各部の構成は、本実施形態の構成に限定されない。例えば、本実施形態では、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になったことの検出を、タイマー５２により行ったが、これに限定されない。例えば、温度センサ、圧力センサ、及び、タイマー５２のうちの少なくとも１つにより、検出を行ってもよく、これらとは別の手段や別の温度により検出を行ってもよい。

燃焼器１３は、燃料電池１１から排気されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を、燃焼用触媒１３２上で燃焼処理したが、これに限定されない。例えば、燃焼器１３においては、アノードオフガスＧ３のみを燃焼処理してもよい。この場合には、カソードオフガスＧ４は、燃焼されずにそのまま屋外に排出されてもよい。このように、カソードオフガスＧ４が燃焼されない場合には、例えば、空気供給ラインＬ４から分岐された燃焼器１３へのラインにより空気を供給したり、大気から燃焼器１３へ空気を供給したりすればよい。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１２ 改質器
１３ 燃焼器
１４ 化学蓄熱器
１５ 混合器
２２、２３ 流量調整部（改質水供給部）
３２ 水貯留部（改質水供給部）
５１ 制御部
１２２ 改質用触媒
１２３ 改質用触媒収容室
１３１ 燃焼室
１３２ 燃焼用触媒
１３３ 燃焼用触媒収容室
１４２ 化学蓄熱剤
１６３ 蒸発器
Ｌ１ 燃料ガス供給ライン（燃料供給ライン）
Ｌ１１ 改質水流出ライン
Ｇ１ 燃料ガス（燃料）
Ｇ２ 改質ガス
Ｗ１ 水（改質水）

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   改質用触媒を収容する改質用触媒収容室を有し、改質用触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、
   燃焼用触媒を収容する燃焼用触媒収容室と前記燃焼用触媒収容室に連通する燃焼室とを有し、前記燃料電池からのオフガスを燃焼用触媒上で燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器との間で熱伝導可能に配置される化学蓄熱器であって、水和反応により発熱する化学蓄熱剤を収容する蓄熱剤収容空間を有する化学蓄熱器と、
   前記改質器へ供給する水を一時的に貯留し、貯留した水と前記化学蓄熱器との間で熱伝導可能に配置される蒸発器と、
   前記蒸発器及び前記化学蓄熱器の化学蓄熱剤へ水を供給可能な改質水供給部と、を備え、
   前記化学蓄熱器は、前記燃焼用触媒収容室に隣接して配置され、
   前記改質器は、前記燃焼室に隣接して配置され、
   前記蒸発器は、前記燃焼室、前記化学蓄熱器、及び、前記改質用触媒収容室に隣接して配置される燃料電池システム。
2. 前記燃焼室は、前記燃焼用触媒収容室の上方に位置し、
   前記蒸発器は、前記化学蓄熱器の上方に位置し、
   前記改質用触媒収容室は、前記蒸発器の上方に位置する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記化学蓄熱器は、前記燃焼用触媒収容室の周囲を取囲むように配置され、
   前記改質器は、前記燃焼室の周囲を取囲むように配置される請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記化学蓄熱器及び前記改質器は、円筒状の外形を有し、
   前記化学蓄熱器の内周面により形成される空間に、前記燃焼用触媒収容室が配置され、
   前記改質器の内周面により形成される空間に、前記燃焼室が配置され、
   前記化学蓄熱器は、前記燃焼用触媒収容室に対して着脱可能である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記蓄熱剤収容空間は、化学蓄熱剤を収容可能な蓄熱剤容器の内部空間により構成されている請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記改質器へ向けて燃料が流通する燃料供給ラインと、
   前記燃料供給ラインに接続され、改質水を気化させて水蒸気とし前記燃料供給ラインに流通する燃料と混合する混合器と、
   前記蒸発器に貯留されている改質水が、前記混合器へ向けて流通する改質水流出ラインと、を備える請求項１〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記改質水供給部から前記化学蓄熱器の化学蓄熱剤に所定量の水を供給した後に、前記改質水供給部から前記化学蓄熱器の化学蓄熱剤への水の供給を停止させる制御を、前記改質水供給部に対して行う制御部を有する請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。

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