JP6405171B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素系燃料ガスを改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。

従来から、酸素イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルを備え、その片側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側に酸化材（例えば、空気中の酸素）を還元するための酸化極が設けられた固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、７００〜１０００℃の高温で、燃料ガスを改質した改質燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材としての酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。このような固体酸化物形燃料電池システムは、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。

このような固体酸化物形燃料電池システムおいては、複数の燃料電池セルを積層したセルスタックが用いられ、このセルスタックの作動温度が高いために、セルスタックの発電に寄与しない改質燃料ガス（所謂、余剰燃料ガス）を燃焼させて得られる燃焼熱を、改質水を気化して水蒸気を得るための気化器や、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器に直接与えるように構成することができる（例えば、特許文献１参照）。

この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上方に燃焼域が配設され、セルスタックの燃焼極側から発電に寄与しない改質燃料ガス（余剰燃料ガス）が燃焼域に排出され、その酸素極側から排出される酸化材により燃焼域にて燃焼される。気化器及び改質器は、セルスタックとともに燃料電池ハウジング内に収容され、この燃料電池ハウジング内の燃焼域付近、例えばセルスタックの上方に配設される。気化器での水蒸気発生、また改質器での水蒸気改質は吸熱反応であることから、この燃焼域にて生成される燃焼熱が、これらの水蒸気発生、水蒸気改質に利用され、このように燃焼熱を利用することにより、高温の作動温度を保ちながらセルスタックでの発電反応を維持することができる。

このような燃料電池システムでは、燃料利用率を考慮して、燃料ガスの供給制御などが行われる。燃料利用率とは、燃料ガスの流量に比例するところの燃料ガスの価電子の供給速度に対してどれだけの発電電流を取り出すかの割合であり、この燃料利用率が高くなるほど発電に寄与しない余剰燃料ガスが少なくなって発電効率が高くなり、また燃料利用率が低くなるほど発電に寄与しない余剰燃料ガスが多くなって発電効率が低下する。ところが、燃料利用率が高くなり過ぎると、燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱が少なくなり、燃料電池ハウジング内を高温に維持するための熱量が不足して逆に温度低下を招き、セルスタックの発電性能が低下するために、この燃料利用率はある値よりも大きくすることが難しい。

そこで、この燃料利用率を高くしても高い作動温度を保ち、高い発電効率を維持することができる固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、改質水を気化させるための第１及び第２気化器が設けられ、改質水は第１及び第２気化器に選択的に供給される。そして、第１又は第２気化器にて気化された水蒸気が、水蒸気改質を行う改質器に送給される。第１気化器は、燃料電池ハウジング内に配設され、燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼により生成される燃焼熱により加熱され、また第２気化器は、燃料電池ハウジング外に配設され、燃焼域から燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスにより加熱される。

この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、起動時などでは改質水は第１気化器に供給され、燃焼域での燃焼熱を利用して第１気化器にて改質水の気化が行われるが、通常の稼働状態では改質水は第２気化器に供給され、燃焼域から燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱を利用して第２気化器にて改質水の気化が行われる。この通常稼働状態では、燃料電池ハウジング内の燃焼域での燃焼熱を利用しないことから、第２気化器での気化熱の熱量分だけ余剰燃料ガスの消費を減らすことができ、その結果、高い燃料利用率を保ちながら燃料電池ハウジング内を高い温度状態に維持して発電運転を継続して行うことができる。

特開２００６−１９０８４号公報 特開２０１０−２５１３０９号公報

しかしながら、このような固体酸化物形燃料電池システムでは、次のような解決すべき課題がある。第１に、燃料電池ハウジング外に設けられる第２気化器では、燃料電池ハウジング内に設けられる第１気化器に比して、改質水に熱を与える高温流体（即ち、燃焼排気ガス）の温度が低く、このように温度が低いと、改質水との熱交換に必要な伝熱面積を大きくする必要がある。このように伝熱面積を大きくすると、第２気化器内で滞留する改質水の量が第１気化器に比して多くなり、このような改質水の滞留は、突沸現象（滞留した改質水が気化して一気に流れる現象）の原因となり、この突沸現象が生じると、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）が急峻に変動し、セルスタックが破損に至る原因の一つとなる。

第２に、セルスタックの発電出力の変化に伴い、燃料電池ハウジング内の燃焼域に排出される余剰燃料ガスの量（即ち、燃焼排気ガスの保有熱量）も変動し、この変動に伴い、気化器内の改質水の滞留量も経時的変動を繰り返すようになる。このような滞留水の変動は、改質水を第１気化器に供給するときの稼働状態よりも改質水を第２気化器に供給するときの稼働状態の方がより大きくなり、この変動は、稼働運転の目標となるＳ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の目標値に対する揺らぎとなって現れる。この滞留水の時間的変動が緩やかなときは問題は生じないが、この時間的変動が急峻になると、セルスタックが破損に至る原因の一つとなる。例えば、Ｓ／Ｃが小さい側に振れたときには、水蒸気が少なくなって炭素が析出するおそれが生じ、またＳ／Ｃが大きい側に振れたときには、燃料ガスが少なくなって燃料不足となるおそれがある。このような滞留水の経時的変動は、改質水の滞留が生じ易い第２気化器の方が第１気化器に比してより大きくなり易く、セルスタックが破損に至るリスクもより大きくなる。

第３に、第１及び第２気化器に選択的に改質水を供給する構成であるために、改質水を供給するための改質水供給系が２系統必要となり、また改質水供給系統を切り換えるための切換弁も必要となり、その構造及び切換制御が複雑になるとともに、その製造コストも高くなる。また、改質水供給系統を切換制御することに関連して、その切換前後においてＳ／Ｃの不連続的変化が発生し易くなる。

本発明の目的は、高い燃料利用率を維持しながら高い発電効率で運転することができ、加えて改質水の滞留を抑えて安定して発電運転することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスと改質水による水蒸気とを改質反応させるための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記セルスタックに送給される酸化材を前記燃焼域を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行うための酸化材余熱器と、前記改質器、前記セルスタック及び前記酸化材予熱器を収容するための燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
改質水を気化させて水蒸気を生成するための第１及び第２気化器が設けられ、前記燃料電池ハウジングは、金属製の内側ハウジングと、前記内側ハウジングを囲繞するように設けられ且つ内壁面が断熱材で覆われた外側ハウジングとから構成され、前記内側ハウジングにより規定される第１収容室に前記改質器、前記セルスタック、前記酸化材余熱器及び前記第１気化器が収容され、前記外側ハウジングと前記内側ハウジングとの間の第２収容室に前記第２気化器が収容され、改質水は、前記第２気化器から改質水送給流路を通して前記第１気化器に送給され、
また、前記第２気化器は、前記第１気化器よりも上方に配設され、前記改質水送給流路は、前記第２気化器から前記第１気化器まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器は、前記内側ハウジングの外側に接触乃至近接して配設され、前記第１収容室から前記外側ハウジングを介して伝達される熱を利用して、前記第２気化器での水蒸気気化が行われることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器は、改質水が流れる改質水流路を規定する気化器本体を備え、前記気化器本体の上端部に改質水流入部が設けられ、その下端部に改質水流出部が設けられ、前記改質水流出部が前記改質水送給流路に連通され、前記改質水流路は、前記改質水流入部から前記改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器の前記改質水流路には、熱の伝達を促進する伝熱促進部材が充填されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器の前記改質水流路及び前記改質水供給流路の少なくとも一方に温度検知手段が配設され、高い燃料利用率での定常運転状態において、前記温度検知手段の検知温度が急激に低下すると、システムにおける燃料利用率が小さくなるように制御することを特徴とする。

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器の前記改質水流路及び前記改質水送給流路の少なくとも一方に温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量及び／又は前記セルスタックの発電出力を制御することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第１気化器は、内側ハウジングの第１収容室に収容され、燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、また第２気化器は、外側ハウジングの第２収容室に収容され、第１収容室から内側ハウジングを介して伝達される熱により加熱され、改質水は、第２気化器から改質水送給流路を通して第１気化器に送給されるので、改質器に送給される改質水は、まず、内側ハウジングからの熱を受けて加熱される第２気化器にて気化され、その後内側ハウジング内の燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼により加熱される第１気化器にて気化される。従って、内側ハウジングを介して伝達される熱を改質水の気化に利用しており、それ故に、この第２気化器での気化熱分だけ余剰燃料ガスの消費を少なくすることができ、その結果、高い燃料利用率を維持しながら高い発電効率でシステムを運転することができる。

また、第２気化器は、第１気化器よりも上方に配設され、改質水送給流路は、第２気化器から第１気化器に向けて鉛直乃至下り勾配で延びているので、第２気化器から改質水送給流路に改質水が流れると、この改質水は、改質水送給流路を通して第１気化器に流下し、この第１気化器にて燃焼域での余剰燃料ガスの燃料による熱でもって気化されて改質器に送給される。従って、改質水送給流路での改質水の滞留を少なくすることができ、これによって、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の変動を抑え、水蒸気を安定して改質器に送給することができる。

更に、第２気化器は、第１気化器よりも上方に配設され、改質水は、第２気化器から改質水送給流路を通して第１気化器に送給されるので、改質水供給系は一系統で切換弁なども必要とせず、改質水供給系に関する構成を簡単にすることができるとともに、その製作コストの低減を図ることができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器が内側ハウジングの外側に接触乃至近接して配設されるので、第１収容室内の熱が内側ハウジングを介して第２気化器に効率良く伝達され、第１収容室内から伝達される熱を利用して第２気化器での水蒸気気化を行うことができる。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器の改質水流路は、気化器本体の上端部の改質水流入部からその下端部の改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びているので、改質水流入部から流入した改質水は改質水流路を通して流下し、この第２気化器における改質水の滞留を少なくすることができ、これによって、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の変動を更に抑えることができる。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器の改質水流路に伝熱促進部材が充填されているので、改質水への熱伝達を伝熱促進部材を介して効果的に行うことができ、これによって、改質水の水蒸気気化を効率良く行うことができる。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、高い燃料利用率での定常発電状態において、第２気化器（又は改質水供給流路）に配設された温度検知手段の検知温度が急激に低下し、第２気化器の気化能力の低下傾向が推定される状況になったときには、システムにおける燃料利用率を小さくするように制御し、余剰燃料ガスを多くして余剰燃料ガスの燃焼熱量を増加させ、これによって、第２気化器の気化能力を回復させることができ、かくして、第２気化器の気化能力を維持して、安定して発電運転することができる。

更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器及び改質水送給流路の少なくとも一方に温度検知手段が配設され、この温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量（及び／又はセルスタックの発電出力）が制御されるので、第２気化器にあっては第２気化器を流れる改質水に関連する温度、改質水送給流路にあっては改質水送給流路を流下する改質水に関連する温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも１つ（及び／又はセルスタックの発電出力）を所要の通りに制御して燃料電池システムを安定して発電運転することができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を示す簡略図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの第２気化器を簡略的に示す断面図。 第２気化器の変形形態を示す断面図。 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態を示す簡略図。 第２気化器の更に他の変形形態を示す断面図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明する。

〈第１の実施形態〉
まず、図１及び図２を参照して、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料ガスとして例えばメタンを主成分とする炭化水素系燃料ガス、例えば天然ガス（都市ガス）を消費して発電を行うものであり、炭化水素系燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成するための改質器４と、改質器４にて生成された改質燃料ガス及び酸化材としての空気（空気中に含まれる酸素）の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック６と、を備えている。尚、以下の説明において、燃料ガスとしての炭化水素系燃料ガスを「原燃料ガス」という場合がある。

セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、これら燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成される。燃料電池セルは、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

この固体酸化物形燃料電池システム２では、水（以下の説明において、「改質用水」という場合がある）を気化して改質器４に供給するための気化器として２つの気化器、即ち第１気化器１０及び第２気化器１２を備え、第１気化器１０の上流側に第２気化器１２が配設されている。セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１４を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給流路１６を介して第１気化器１０に接続され、この第１気化器１０は、改質水送給流路１８を介して第２気化器１２に接続されている。

この第２気化器１２は、改質水を供給するための改質水供給手段２０に接続されている。図示の形態では、改質水供給手段２０は、水タンクの如き水供給源２２及び水供給源２２の改質水を第２気化器１２に供給する改質水供給流路２４を備え、この改質水供給流路２４に水供給ポンプ２６が配設されている。このように構成されているので、水供給ポンプ２６が作動すると、水供給源２２からの改質水が改質水供給流路２４を通して第２気化器１２に供給される。

また、この第２気化器１２は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段２８に接続されている。図示の燃料ガス供給手段２８は、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３０及びこの原燃料ガスを第２気化器１０に供給する燃料ガス供給流路３２を備え、この燃料ガス供給流路３２に、脱硫器３４、ガス供給ポンプ３６及び流量センサ３８が配設されている。脱硫器３４は原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、ガス供給ポンプ３６は燃料ガス供給源３０からの原燃料ガスを燃料ガス供給流路３２を通して第２気化器１２に送給し、また流量センサ３８は燃料ガス供給流路３２を通して供給される原燃料ガスの流量を計測する。この燃料ガス供給流路３２には、更に、開閉弁４０及び４２が配設されている。２連の開閉弁４０及び４２は燃料ガス供給流路３２を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行う。このように構成されているので、開閉弁４０，４２が開状態においてガス供給ポンプ３６が作動すると、燃料ガス供給源３０からの燃料ガスが燃料ガス供給流路３２を通して第２気化器１２に供給される。

改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒により燃料ガスを後述するように水蒸気改質する。この実施形態では、第２気化器１２は、改質水供給流路２４を通して供給される水を気化させて水蒸気を発生するとともに、この発生した水蒸気と燃料ガス供給流路３２を通して供給される燃料ガスとを混合する。また、第１気化器１０は、第２気化器１２から改質水送給流路１８を通して送給される改質水を気化させて水蒸気を発生するとともに、この発生した水蒸気と第２気化器１２から改質水送給流路１８を通して送給される混合燃料ガス（燃料ガスと水蒸気との混合燃料ガス）とを混合して開始付き４に送給する。

この実施形態では、改質器４と第１気化器１０とを別体に構成しているが、これら改質器４及び第１気化器１０を一体的に構成するようにしてもよい。また、燃料ガス供給流路３２を第２気化器１２に接続しているが、このような構成に代えて、この燃料ガス供給流路３２を第１気化器１０に接続するようにしてもよく、或いは改質器４に接続して燃料ガス供給源３０からの原燃料ガスを改質器４に直接的に送給するようにしてもよい。

セルスタック６の酸素極の導入側には、酸化材としての空気を供給するための酸化材供給手段４４が接続されている。図示の酸化材供給手段４４は、酸化材としての空気（即ち、空気中の酸素）を供給するための酸化材供給源４６（実施形態の場合、周囲の外気が酸化材供給源となる）と、酸化材供給源４６からの酸化材をセルスタック６の酸素極側に供給する酸化材供給流路４８とを備え、この酸化材供給流路４８に送風プロア５０及び酸化材余熱器５２が配設されている。酸化材余熱器５２は、例えば酸化材余熱用熱交換器から構成され、後述するように燃焼排気ガスを利用して酸化材供給流路４８（即ち、酸化材余熱器５２の空気流路５３）を流れる空気を加熱する。このように構成されているので、送風ブロア５０が作動すると、周囲の空気が酸化材供給流路４８を通してセルスタック６の燃料極側に供給され、かく供給される空気が酸化材余熱器５２にて加熱される。

セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼域５４が設けられ、セルスタック６の燃料極側から排出された余剰の燃料ガスとその酸素極側から排出された空気（酸素を含含む）とがこの燃焼域５４に送給されて燃焼される。この燃焼室５４は排気ガス送給流路５６が連通され、この排気ガス送給流路５６に酸化材余熱器５２（その燃焼排気ガス流路５８）が配設され、この酸化材余熱器５２が排気ガス排出流路６０に接続されている。このように構成されているので、燃焼域５４からの燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路５６及び酸化材余熱器５２を通して大気中に排出され、かく送給される間に、酸化材予熱器５２において、排気ガス流路５８を流れる燃焼排気ガスと空気流路５３を流れる空気（酸化材）との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック６に送給され、熱交換により温度が下がった燃焼排気ガスが排気ガス排出流路５８を通して排出される。

この実施形態では、改質器４及びセルスタック６などを収容するための燃料電池ハウジング６２が二重ハウジング構造に構成され、内側に配設される箱状の内側ハウジング６４と、内側ハウジング６４を囲繞するように設けられた箱状の外側ハウジング６６とを備えている。内側ハウジング６４は、例えばステンレス鋼などの高耐熱性の金属材料から形成され、この内側ハウジング６４が第１収容室６８を規定し、この第１収容室６８内にセルスタック６、燃焼域５４、改質器４、第１気化器１０及び酸化材予熱器５２が収容され、改質器４及び第１気化器１０は燃焼域５４の近傍、例えばその上方に配設される。また、外側ハウジング６６は、鉄、ステンレス鋼などの金属材料の枠組構造体を備え、この枠組構造体の内面を覆うように断熱材（図示せず）が配設され、この断熱材を枠組構造体に保持固定することにより外側ハウジング６６が構成される。この外側ハウジング６６は、内側ハウジング６４との間に第２収容室７０を規定し、かかる第２収容室７０内に第２気化器１２が収容される。第１収容室６８及び第２収容室７０は高温状態に保たれ、主として、第１収容室６８は、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱によって高温状態に保たれ、内側ハウジング６４を介して第１収容室６８の周囲を覆う第２収容室７０は、第１収容室６８内の高温の熱が内側ハウジング６４を介して第２収容室７０に伝達されることによって高温状態に保たれる。

このような構成に関連して、第２気化器１２は、内側ハウジング６４に接触乃至近接して設けるのが好ましく、例えば、内側ハウジング６４の上壁７４に接触乃至近接して設けられ、このように構成することによって、第１収容室６８内の高温の熱を内側ハウジング６４を介して第２気化器１２に効果的に伝達することができる。

このように構成することによって、第１収容室６８内の改質器４及び第１気化器１０は、燃焼域５４における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、この燃焼熱を利用して第１気化器１０における改質水の水蒸気気化、また改質器４における混合燃料ガスの水蒸気改質が行われ、また第２収容室７０内の第２気化器１２は、内側ハウジング６４を介して伝達される熱により加熱され、この熱を利用して第２気化器１２における水蒸気気化が行われ、この水蒸気気化には、燃焼域５４の燃焼熱が直接的に利用されることがない。

この実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム２の各種装置（例えば、水供給ポンプ２６、ガス供給ポンプ３６、送風ブロア５０など）の作動を制御するためのコントローラ７６が設けられ、流量センサ３８からの検知信号がこのコントローラ７６に送給される。尚、コントローラ７６は、上述の各種装置を作動制御するとともに、２連の開閉弁４０及び４２なども作動制御する。

この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転を概説すると、次の通りである。固体酸化物形燃料電池システム２を起動操作すると、送風ブロア５０が作動して水供給手段４４からの空気が酸化材余熱器５２を通してセルスタック６の酸素極側に供給され、送風ブロア５０の回転数を制御することによって、空気の供給量が制御される。また、開閉弁４０，４２が開状態となり、ガス供給ポンプ３６が作動して燃料ガス供給手段２８からの燃料ガス（原燃料ガス）が脱硫器３４、第２気化器１２、第１気化器１０及び改質器４を通してセルスタック６の燃料極側に供給され、ガス供給ポンプ３６の回転数を制御することによって、燃料ガスの供給量が制御される。更に、燃焼域５４に配設された点火装置（図示せず）が点火作動し、このようにして燃焼域５４にて燃料ガスの燃焼が行われる。

この燃焼域５４での燃料ガスの燃焼熱によって第１気化器１０の温度が上昇する（例えば２００℃程度まで上昇する）と、水供給ポンプ２６が作動して改質水供給手段２０からの改質水が第２気化器１２を通して第１気化器１０に供給され、水供給ポンプ２６の回転数を制御することによって、改質水の供給量が制御される。このとき、第１収容室６４内の熱が内側ハウジング６４を介して第２収容室７０に伝達され、かく伝達された熱を利用して、第２気化器１に供給された改質水の一部が気化されて水蒸気となり、かく発生した水蒸気に燃料ガス供給流路３２からの燃料ガスが混合され、混合燃料ガス含む改質水が改質水送給流路１８を通して第１気化器１０に送給される。また、燃焼域５４の余剰燃料ガスによって第１気化器１０が加熱されるので、第１気化器１０に送給された改質水は、この燃焼熱により気化されて水蒸気となり、この第１気化器１０にて水蒸気と混合燃料ガスとが更に混合され、混合燃料ガス（燃料ガスと水蒸気とが混合した混合ガス）がガス・水蒸気送給流路１６を通して改質器４に送給される。改質水供給手段２０からの改質水は、このように第２気化器１２及び第１気化器１０を通して流れる間に水蒸気となり、このように発生する水蒸気と燃料ガス供給流路３２を通して供給される燃料ガスとが所要の通りに混合される。

改質器４においては、混合燃料ガスの水蒸気改質反応が行なわれ、改質された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給流路１４を通してセルスタック６の燃料極側に送給される。また、酸化材送給手段４４からの空気は、酸化材供給流路４８を通して酸化材予熱器５２に供給され、この酸化材予熱器５２において燃焼域５４より排出されて排気ガス送給流路５６を通して流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により加温された空気がセルスタック６の酸素極側に送給される。

このようにしてセルスタック６の温度が作動温度に達する（例えば、セルスタック６が６５０℃程度に達する）と、固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転が行われる。この発電運転においては、セルスタック６の燃料極側では改質燃料ガスの酸化が行われ、その酸素極側では空気中の酸素の還元が行われ、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。セルスタック６の燃料極側から排出される燃料ガスは、その酸素極側から排出される空気（燃焼空気）中の酸素を利用して燃焼され、この余剰燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器４及び第１気化器１０が上述したように加熱される。

燃焼域５４での燃焼により生じた燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路５６を通して酸化材予熱器５２に送給され、この酸化材予熱器５２において酸化材供給手段４４から供給される空気との熱交換に利用された後に、排気ガス排出流路６０を通して大気に排出される。

この実施形態では、第１気化器１０が第１収容室６８に収容され、第２気化器１２が第２収容室７０内に収容されていることに関連して、更に、次の通りに構成されている。第２気化器１２については、図２に示す通りに構成されている。図２において、この第２気化器１２は、改質水が流れる改質水流路８０を規定する気化器本体８２を備えている。この気化器本体８２は、改質水の流れ方向に細長い箱状に形成され、その全体が改質水の流れ方向に見て下方に傾斜する下り勾配に構成されている。

気化器本体８２の一端壁（改質水の流れ方向に見て上流側の端壁）には、改質水流入部８４及び燃料ガス流入部８６が設けられており、改質水供給流路２４からの改質水は、矢印で示すように改質水流入部８４から改質水流路８０に供給され、また燃料ガス供給流路３２からの燃料ガス（原燃料ガス）は、矢印で示すように燃料ガス流入部８６を通して改質水流路８０に供給される。また、この気化器本体８２の他端部（改質水の流れ方向に見て下流端部）には、改質水流出部８８が設けられ，改質水流路８０は、改質水流入部８４から改質水流出部８８までその流れ方向に下り勾配に構成されている。このような場合、例えば、気化器本体８２の一端部を金属製の支持部材９０を介して内側ハウジング６４の上壁７４に支持するとともに、その他端部をこの上壁７４に直接的に支持するようにすればよく、改質水流出部８８については、内側ハウジング６４の上壁７４を貫通して第１収容室６８内に突出するように構成される。

このように構成されているので、改質水供給流路２４から気化器本体８２の改質水流路８０に流入した改質水は、気化器本体８２の底面上を下方に改質水流出部８８に流下し、かく流下する間に、内側ハウジング６４を介して伝達される熱を受けてその一部が水蒸気気化され、また、燃料ガス供給流路３２からこの改質水流路８０に流入した燃料ガスは、改質水流路８０を下流側に流れ、かく流れる間に、内側ハウジング６４を介して伝達される熱を受けて加熱されるとともに、生成された水蒸気と混合されて混合燃料ガスとなり、この実施形態では、この改質水流路８０は、水蒸気と燃料ガスとを予熱混合する予熱混合室としても作用する。そして、気化されない改質水及び混合燃料ガスは、改質水流出部８８から改質水送給流路１８を通して第１気化器１０に送給される。

この第２の気化器１２に関連して、次のように構成するのが望ましい。第２の気化器１２（具体的には、その改質水流出部９４）と第１気化器１０（具体的には、その流入部）とを連通する改質水送給流路１８が、その全長にわたって鉛直乃至下り勾配（図１参照）で下方に延びているのが望ましく、このように構成することによって、第２気化器１２を通して流れた改質水は下方に第１気化器１０に向けて流下し、改質水送給流路１８にて滞留することなく第１気化器１０に送給される。従って、第２気化器１２からの改質水は、第１気化器１０に少しずつ送給され、第１気化器１０にて改質水が少しずつ気化されて水蒸気となり、これにより、一時的に大量の水蒸気が発生して下流側に送給されるのを防止し、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）が大きく変動するのを抑えることができる。

また、第２気化器１２においては、その改質水流路７０が全長にわたって、即ち改質水流入部８４から改質水流出部８８にわたって、鉛直乃至下り勾配（図２参照）で下方に延びているのが望ましく、このように構成することによって、第２気化器１２に供給された改質水は、改質水流路８０内を下方に（具体的には、気化器本体８２の底壁の内面に沿って下方に）改質水流出部８８に向けて流れ、改質水流路８０にて滞留することなく改質水送給流路１８に流れる。従って、第２気化器１２内においては、改質水は少しずつ下方に流れて気化され、これによって、一時的に大量の改質水が改質水送給流路１８に送給されるのを防止し、Ｓ／Ｃが大きく変動するのを抑えることができる。

この固体酸化物形燃料電池システムでは、上述した構成に関連して、更に、次のような特徴を有する。セルスタック６の定常発電状態においては、第１収容室６８内の高温の熱が内側ハウジング６４を介して第２収容室７０内に伝達されて高温状態に保たれる。このような場合、第２気化器１２の気化器本体８２自体も高温状態に保たれ、改質水供給流路２４を通して供給される改質水は、この第２気化器１２の改質水流路８０を通して流れる間にその大部分乃至全部が気化されて水蒸気となり、このように生成された水蒸気（少しの改質水を含む場合がある）が燃料ガスと混合されて第１気化器１０に送給される。このような場合、第１気化器１０にて改質水の気化がほとんど行われず、このようなときには、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱の発生を少なく抑えても問題はなく、燃料ガスの消費を考慮すると、燃料利用率を高めるように制御することが可能となり、例えばシステムの燃料利用率を例えば７０％程度から例えば７５〜８０％程度に５〜１０ポイント程度高めることが可能とり、コントローラ６４によりこのように燃料利用率を高める制御を行うことによって、セルスタック６の作動温度を高温状態に保ったまま発電効率を高めることができる。

第２気化器としては、例えば、図３に示す構成のものを用いるようにしてもよい。図３に示す変形形態の第２気化器１２Ａは、細長い直方体状の気化器本体８２Ａを備え、この気化器本体８２Ａの底壁が燃料電池ハウジングにおける内側ハウジング６６の上壁７４の上面に接触するように配設され、このように構成することによって、内側ハウジング６６の上壁７４からの熱は直接的に第２気化器１２Ａに伝達され、第２気化器１２Ａをより効果的に加熱することができる。

この変形形態では、改質水流路８０Ａを改質水の流れ方向に下り勾配とするために、気化器本体８２Ａ内に仕切りプレート１０２が設けられ、この仕切りプレート１０２は、気化器本体８２Ａの一端（改質水の流れ方向に見て上流側の一端）（即ち、改質水流入部８４）からその他端（改質水の流れ方向に見て下流側の他端）（即ち、改質水流出部８８）まで下り勾配で直線状に傾斜して延びている。このように構成することによって、改質水流路８０Ａ、特に改質水が下流側に流れる底壁面が下り勾配となり、改質水流入部８４から流入した改質水は、仕切りプレート１０２の表面上を滞留することなく下流側に流下し、かく流下する間に、改質水の一部が水蒸気気化され、上述した第２気化器１２と同様の作用効果が達成される。

第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、図１及び図２に示すように、第２気化器１２の改質水流出部８８の近傍に温度検知手段１０４が配設されている。この温度検知手段１０４は、例えば熱電対などから構成することができ、改質水流路８０の下流端部における改質水の温度を検知する。この温度検知手段１０４は、第２気化器１２に代えて、改質水送給流路１８の上流部に設けるようにしてもよい。

この温度検知手段１０４の検知温度を利用して、例えば次のように制御することができる。この検知温度を利用した制御の１つとして、かかる検知温度に基づいて、原燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも１つの送給流量及び／又はセルスタック６の発電出力を制御するのが望ましく、このように制御することによって、セルスタック６での発電反応、また燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼、更には改質水の水蒸気気化を安定させることができる。

セルスタック６の定常発電状態においては、この温度検知手段１０４の温度は所定温度範囲、例えば１４０〜１８０℃の範囲に保たれるように制御され、温度検知手段１０４の検知温度がこの所定温度範囲よりも高く（又は低く）なると、原燃料ガスに関しては、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼量が多い（又は少ない）として、原燃料ガスの供給流量が少なくなる（又は多くなる）ようにガス供給ポンプ３６（図１参照）を制御し、改質水に関しては、改質水の供給量が少なく（又は多く）て第２気化器１２での水蒸気気化が過剰である（又は不充分である）として、改質水の供給流量が多くなる（又は少なくなる）ように水供給ポンプ２６（図１参照）を制御し、また空気に関しては、空気の供給流量が多くなる（少なくなる）ように送風ブロア５０を制御し、更にセルスタック６の発電出力に関しては、燃料利用率が大きくなる（又は小さくなる）ように発電出力を調整するのが望ましい。

また、温度検知手段１０４の検知温度を利用した制御の他の１つとして、この検知温度が所定温度（例えば、１３０℃前後に設定される）を超えたときには、第２気化器１２に供給された改質水が全て水蒸気気化されたと判断することができ、このような場合、燃料ガス供給流路２８からセルスタック６に供給される原燃料ガスの供給量を減少させ（これによって、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼量を少なくする）、このようにして原燃料ガスの燃料利用率を増加させるように制御することができる。この場合、燃料電池システムにおける燃料利用率を例えば５〜１０ポイント程度大きくするように制御することができ、その結果、セルスタック６の作動温度を高温状態に維持しながら発電効率を高めることができる。

また、温度検知手段１０４の検知温度を利用した制御の更に他の１つとして、高い燃料利用率（例えば、燃料利用率が７５％以上）での定常発電状態において、この温度検知手段１６０の検知温度が急激に下降変動した（例えば、１分間当たりに換算した温度変動の割合が例えば５℃／分以上である）場合、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼量が少なく、今後気化不良が発生すると推定しその燃焼量を多くする必要があるとして、燃料利用率を小さくするように原燃料ガスの供給量の制御を行うことが望ましく、このように燃料利用率を制御することによって、第２気化器１２での水蒸気気化の悪化を未然に防ぎ、セルスタック６の発電状態を安定させることができる。

〈第２の実施形態〉
次に、図４を参照して、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。この第２の実施形態では、燃焼域からの燃焼排気ガスが酸化材予熱器を通して第２気化器に送給された後に排出されるように構成されている。尚、この第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図４において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２Ｂにおける第２気化器１２Ｂは、改質水が流れる改質水流路１１２及び燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路１１４を規定する気化器本体８２Ｂを備え、この改質水流路１１２に改質水供給流路２４及び燃料ガス供給流路３２が接続され、また排気ガス流路１１４に燃焼域５４からの燃焼排気ガスを第２気化器１２Ｂに送給する排気ガス送給流路５６Ｂが接続される。この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、改質水供給手段２０からの改質水は、改質水供給流路２４を通して第２気化器１２Ｂの改質水流路１１２に供給されるとともに、燃料ガス供給手段２０からの原燃料ガスは、燃料ガス供給流路３２を通して第２気化器１２Ｂの改質水流路１１２に供給され、また燃焼域５４からの燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路５６Ｂ及び酸化材予熱器５２を通して第２気化器１２Ｂの排気ガス流路１１４に送給され、この第２気化器１２Ｂの排気ガス流路１１４を通して流れた後に排気ガス排出流路６０Ｂを通して大気中に排出される。

第２の気化器１２Ｂにおいては、第１収容室６８から内側ハウジング６４を介して第２収容室７０に伝達される熱を受熱して、また排ガス流路１４を流れる燃焼排気ガスとの熱交換により、改質水流路１１２を流下する改質水の水蒸気気化が行われるとともに、発生した水蒸気と燃料ガスとの混合燃料ガスの加熱が行われ、加熱された混合燃料ガス及び気化されない改質水が改質水送給流路１８を通して第１気化器１０に送給される。このように、この第２の実施形態では、燃焼域５４から大気中に排出される燃焼排気ガスの熱を第２気化器１２Ｂにおける改質水の水蒸気気化に用いているので、この水蒸気気化に用いる熱量分に相当する熱量分だけシステムの燃料利用率を高めることができ、その結果、燃焼電池システムの発電効率を高めることができる。

この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ｂにおける第２気化器１２Ｂとしては、例えば、図５に示すものを適用することができる。この変形形態では、第２気化器１２Ｂを含む気化器ユニット１４２として構成されている。図５において、図示の気化器ユニット１４２は、ユニットハウジング１４４を備え、このユニットハウジング１４４内に第２気化器１２Ｂが収容されている。

この第２気化器１２Ｂは、外径が大きい第１ハウジング１４６と、外径が小さい第２ハウジング１４８とを備え、この第２ハウジング１４８が第１ハウジング１４６の内側に配設されて、第２ハウジング１４８がその内側に改質水流路１１２を規定し、第１ハウジング１４６が第２ハウジング１４８との間に環状の排気ガス流路１１４を規定する。

この形態では、第２ハウジング１４８の上端部（この形態では、上壁）に改質水流入部１５０及び燃料ガス流入部１５２が設けられ、その下端部（この形態では、底壁）に改質水流出部１５４が設けられ、改質水流路１１２は、改質水流入部１５０から改質水流出部１５４まで鉛直方向下方に延びている。このように構成されているので、改質水は改質水流入部１５０を通して流入し、また燃料ガスは燃料ガス流入部１５２を通して流入し、かく流入した改質水及び燃料ガスが改質水流路１１２内を下方に流れ、かく流れる間に、上述したようにして改質水の水蒸気気化及び発生した水蒸気と燃料ガスとの混合が行われ、この混合燃料ガス及び気化されない改質水が改質水流出部１５４から改質水送給流路１８（図４参照）を通して第１気化器１０（図４参照）に送給され、このように構成しても改質水流路１５４内に改質水が滞留することを防止することができる。

また、第１ハウジング１４６の下端部に排気ガス流入部１５６が設けられ、その上端部に排気ガス流出部１５８が設けられ、排気ガス流入部１５６から流入した燃焼排気ガスは排気ガス流路１１４を通して上方に流れ、排気ガス流出部１５８から排気ガス排出流路６０Ｂ（図４参照）を通して大気中に排出され、このとき、排気ガス流路１１４を流れる燃焼排気ガスと改質水流路１１２を流れる改質水及び燃料ガスとの間で熱交換が行われる。

この第２気化器１２Ｂでは、燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路１１４に燃焼触媒１６０が充填されている。この燃焼触媒１６０は、排気ガス流路１１４を通して流れる燃焼排気ガス中に含まれている未燃焼ガスを燃焼し、このように燃焼させることにより、未燃焼ガスの燃焼熱も第２気化器１２Ｂにおける改質水の水蒸気気化に用いることができるとともに、排気ガス排出流路６０Ｂを通して未燃焼ガスが排出されるのを抑えることができる。

また、このように燃焼触媒１６０が設けられることに関連して、排気ガス流路１１４の周囲（即ち、第１ハウジング１４６の外周側）に予熱加熱手段１６２が配設され、この予熱加熱手段１６２は、例えばリング状の電気ヒータから構成される。尚、第２気化器１２Ｂ及び予熱加熱手段１６２は、断熱材１６４により覆われてユニットハウジング１４４内に収容されている。

この気化器ユニット１４２において、予熱加熱手段１６２が作動して燃焼触媒１６０を加熱すると、予熱加熱手段１６２からの熱により燃焼触媒１６０の活性化が図られ、起動時などにおいて燃焼排気ガス中の未燃焼ガスを所望の通りに燃焼させることができる。加えて、予熱加熱手段１６２は、排気ガス流路１１４及び第２ハウジング１４８を介して改質水流路１１２を流れる改質水及び燃料ガスを加熱するので、予熱加熱手段１６２の熱を有効に利用して第２気化器１２Ｂの全体を効率良く加熱することができる。

この第２気化器１２Ｂでは、更に、改質水流路１１２に多数の伝熱促進部材１６６が配設されている。これら伝熱促進部材１６６は、例えば、セラミック材料、金属材料（例えば、ステンレス鋼など）製のボール状部材などから形成することができ、燃焼排気ガスからの熱を伝達し、改質水流路１１２を流れる改質水及び燃料ガスを効果的に加熱し、改質水の水蒸気気化を促進させることができる。
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

２，２Ｂ 固体酸化物形燃料電池システム
４ 改質器
６ セルスタック
１０ 第１気化器
１２，１２Ａ，１２Ｂ 第２気化器
１８ 改質水送給流路
２４ 改質水供給流路
３２ 燃料ガス供給流路
４８ 酸化材供給流路
５２ 酸化材予熱器
５４ 燃焼域
６０，６０Ｂ 排気ガス送給流路
６２ 燃料電池ハウジング
６４ 内側ハウジング
６６ 外側ハウジング
６８ 第１収容室
７０ 第２収容室
８０，８０Ａ，１１２ 改質水流路
８２，８２Ａ 気化器本体
１０４ 温度検知手段
１１４ 排気ガス流路
１４６ 外側ハウジング
１４８内側ハウジング
１６０ 燃焼触媒
１６２ 予熱加熱手段」
１６６ 伝熱促進部材

Claims (6)

1. 炭化水素系燃料ガスと改質水による水蒸気とを改質反応させるための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記セルスタックに送給される酸化材を前記燃焼域を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行うための酸化材余熱器と、前記改質器、前記セルスタック及び前記酸化材予熱器を収容するための燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   改質水を気化させて水蒸気を生成するための第１及び第２気化器が設けられ、前記燃料電池ハウジングは、金属製の内側ハウジングと、前記内側ハウジングを囲繞するように設けられ且つ内壁面が断熱材で覆われた外側ハウジングとから構成され、前記内側ハウジングにより規定される第１収容室に前記改質器、前記セルスタック、前記酸化材余熱器及び前記第１気化器が収容され、前記外側ハウジングと前記内側ハウジングとの間の第２収容室に前記第２気化器が収容され、改質水は、前記第２気化器から改質水送給流路を通して前記第１気化器に送給され、
   また、前記第２気化器は、前記第１気化器よりも上方に配設され、前記改質水送給流路は、前記第２気化器から前記第１気化器まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記第２気化器は、前記内側ハウジングの外側に接触乃至近接して配設され、前記第１収容室から前記外側ハウジングを介して伝達される熱を利用して、前記第２気化器での水蒸気気化が行われることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記第２気化器は、改質水が流れる改質水流路を規定する気化器本体を備え、前記気化器本体の上端部に改質水流入部が設けられ、その下端部に改質水流出部が設けられ、前記改質水流出部が前記改質水送給流路に連通され、前記改質水流路は、前記改質水流入部から前記改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記第２気化器の前記改質水流路には、熱の伝達を促進する伝熱促進部材が充填されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記第２気化器の前記改質水流路及び前記改質水供給流路の少なくとも一方に温度検知手段が配設され、高い燃料利用率での定常運転状態において、前記温度検知手段の検知温度が急激に低下すると、システムにおける燃料利用率が小さくなるように制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
6. 前記第２気化器の前記改質水流路及び前記改質水送給流路の少なくとも一方に温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量及び／又は前記セルスタックの発電出力を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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