JP6527365B2 - 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。

従来より、燃料電池を利用して発電を行う様々な燃料電池システムが提案されている。特許文献１の燃料電池システムでは、筐体の内部が、モジュール部と、流体供給部と、電装部とに分割される。モジュール部には、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器とが収容される。流体供給部には、燃料ガス供給装置と、酸化剤ガス供給装置と、水供給装置が配置される。電装部には、燃焼電池モジュールで発生した直流電力を変換する電力変換装置と、燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とが配置される。流体供給部はモジュール部の第１の側面に配置され、電装部はモジュール部の第２の側面に配置される。これにより、流体供給部および電装部が筐体の外壁部を構成するため、流体供給部および電装部の高温化が抑制される。

特許文献２および特許文献３の燃料電池システムでは、水蒸気改質に用いる水の自立運転が図られている。また、特許文献４の燃料電池モジュールでは、熱自立運転が図られている。特許文献５の燃料電池システムでは、水自立運転および熱自立運転の促進が図られている。特許文献６の燃料電池装置では、燃料電池からの排ガスと、燃料電池に供給される酸素含有ガスまたは燃料との間で熱交換を行う熱交換器が設けられ、熱交換後の酸素含有ガスまたは燃料をさらに加熱することにより、発電効率の向上が図られている。

特開２００８−２３５１０８号公報 特開２０１１−２１０４４８号公報 特開２０１３−２２２５７７号公報 特開２０１２−２３８５３７号公報 特開２０１３−６２２１７号公報 特開２０１４−１０８９５号公報

ところで、特許文献１の燃料電池システムでは、起動運転の際に燃料電池モジュールの昇温に利用される燃焼器は、筐体内において、切換弁および原燃料分岐通路を介して燃料ガス供給装置に接続される。また、燃焼器は、筐体内において、切換弁および空気分岐通路を介して酸化剤ガス供給装置に接続される。燃料電池システムでは、定常運転時には使用されない当該切換弁や分岐通路も筐体内に保有されている。

このように燃料電池システムの保有機器が多いと、故障の発生確率が増大するため、燃料電池システムの稼働率が低下するおそれがある。また、燃料電池システムの定常運転の際に、使用しない保有機器も監視する必要があるため、燃料電池システムの制御負荷が増大するおそれもある。さらには、定常運転時に使用しない保有機器の待機電力等により、燃料電池システムの送電端電力が低下するおそれもある。

上記問題は、上述の他の燃料電池システム等においても同様である。例えば、特許文献２の燃料電池システムでは、定常運転時の水自立運転の実現が図られているが、水自立運転が実現した場合に使用されない水タンクや水を供給するポンプ等の機器が、燃料電池システムに保有されている。このような水タンクやポンプ等をメンテナンスするためには、燃料電池システム全体を停止する必要がある。また、当該ポンプ等が故障すると、燃料電池システム全体が停止することになり、必要に応じて燃料電池システム全体を交換することになる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池ユニットの定常運転時の機器故障確率の低減、および、機器制御の負荷低減を実現することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形の燃料電池と、前記改質器および前記燃料電池を収容するハウジングとをそれぞれ備える複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットに着脱自在に順次接続され、接続された燃料電池ユニットの起動運転に利用される起動ユニットとを備え、前記複数の燃料電池ユニットのうち２台目以降の燃料電池ユニットの起動運転時に、起動運転が完了している起動済みの燃料電池ユニットから、前記起動ユニットおよび前記２台目以降の燃料電池ユニットの少なくとも一方に電力が供給される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記２台目以降の燃料電池ユニットの起動運転時に、前記起動済みの燃料電池ユニットにて発生する熱を、前記２台目以降の燃料電池ユニットの加熱源として利用する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、前記起動ユニットが積載される移動用の車両をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記改質器が前記原燃料に水蒸気改質を行い、前記起動ユニットが、水を貯溜するとともに前記水を前記改質器に供給する水供給部と、前記ハウジングの内部の加熱に利用されるエネルギーを供給する加熱用エネルギー供給部と、起動用材料を前記改質器に供給する起動用材料供給部と、のうち少なくとも２つの供給部を備える。

本発明では、燃料電池ユニットの定常運転時の機器故障確率の低減、および、機器制御の負荷低減を実現することができる。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池ユニットおよび起動ユニットの構成を示す図である。 水供給部と燃料電池ユニットとの接続部を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。燃料電池システム１は、複数の燃料電池ユニット２と、１つの起動ユニット３と、１つの車両６１とを備える。起動ユニット３は、移動用の車両６１の積載部に積載される。以下の説明では、起動ユニット３および車両６１をまとめて「起動用車両６」と呼ぶ。

各燃料電池ユニット２は、燃料電池を用いて発電を行う発電ユニットである。起動ユニット３は、複数の燃料電池ユニット２に着脱自在に順次接続され、接続された燃料電池ユニット２の起動運転（いわゆる、コールドスタート）に利用される。燃料電池ユニット２の起動運転とは、燃料電池ユニット２の状態を停止状態から、定常的に発電を行う定常運転状態へと変更することである。

図２は、１つの燃料電池ユニット２、および、当該燃料電池ユニット２に接続された起動ユニット３の構成を示す図である。他の燃料電池ユニット２の構成は、図２に示す燃料電池ユニット２と同様であり、起動ユニット３が接続される場合の接続態様も同様である。図２では、燃料電池ユニット２および起動ユニット３をそれぞれ破線にて囲む。また、図２では、車両６１の図示を省略している。

燃料電池ユニット２は、ハウジング２１と、改質器２２と、燃料電池２３と、昇温部２４とを備える。改質器２２、燃料電池２３および昇温部２４は、ハウジング２１の内部に収容される。燃料電池ユニット２は、また、不純物除去部４１と、第１熱交換器４２と、ブロワ４３と、第２熱交換器４４と、凝縮部４５と、水蒸気生成部４６と、排ガス燃焼部４７と、原燃料供給源４８とを備える。燃料電池ユニット２は、さらに、電池ユニット制御部４９と、受電部４０とを備える。受電部４０は、図示省略の外部電源等に接続され、燃料電池ユニット２の各構成に電力を供給する。電池ユニット制御部４９は、燃料電池ユニット２の各構成を制御する。

ハウジング２１の内面は、断熱材料により形成される。ハウジング２１としては、例えば、金属製のコンテナの内面全体を断熱材料により覆ったものが利用される。燃料電池２３は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）であり、例えば、図示省略の複数のセル（単電池）が積層されたセルスタックである。燃料電池２３の負極（アノード）には燃料ガスが供給され、正極（カソード）には酸化剤ガスが供給される。これにより、燃料電池２３において電気化学反応が生じ、発電が行われる。燃料電池２３における電気化学反応は発熱反応であり、発生した熱は改質器２２の加熱等に利用される。燃料電池２３による発電は、例えば６００度〜１０００度の高温下にて行われる。燃料ガスは、例えば水素ガスであり、酸化剤ガスは、例えば酸素ガスである。

改質器２２は、原燃料を改質して燃料ガスを含む改質ガスを生成する。原燃料としては、例えば、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、灯油、バイオガス、バイオエタノール等が利用される。改質器２２では、例えば、水蒸気改質法、部分酸化改質法、自己熱改質法等により原燃料の改質が行われる。図２に示す例では、改質器２２により、原燃料であるＬＰガスが水蒸気改質法により高温下にて改質され、燃料ガスである水素ガスを含む改質ガスが生成される。

改質器２２は、燃料ガス供給管２５１により燃料電池２３の負極に接続される。改質器２２により生成された改質ガスは、燃料ガス供給管２５１を介して燃料電池２３の負極に供給される。燃料電池２３の負極から排出されるガスである負極排ガスは、負極排ガス排出管２５２によりハウジング２１外へと排出され、排ガス燃焼部４７へと導かれる。負極排ガスには、燃料ガスである水素ガスが燃料電池２３における発電に使用されることにより生成される水蒸気、および、燃料電池２３における発電に利用されなかった未利用の燃料ガス等が含まれる。

改質器２２は、原燃料供給管２６１を介して、ハウジング２１外に配置される原燃料供給源４８に接続される。原燃料供給管２６１上には、不純物除去部４１および第１熱交換器４２が設けられる。不純物除去部４１では、原燃料供給源４８から改質器２２へと供給される原燃料から不純物（例えば、硫黄系不純物）が除去される。第１熱交換器４２では、燃料電池２３の負極から排出されて負極排ガス排出管２５２を流れる高温の負極排ガスを利用して、改質器２２に供給される原燃料が予備加熱される。

第１熱交換器４２を通過した負極排ガスは、凝縮部４５へと導かれる。凝縮部４５では、負極排ガス中の水蒸気が凝縮されて水が生成される。凝縮部４５により生成された水は、水蒸気生成部４６へと供給される。水蒸気生成部４６では、水が加熱されて水蒸気が生成される。水蒸気生成部４６により生成された水蒸気は、水供給管２６２を介して原燃料供給管２６１へと導かれ、不純物除去部４１を通過した原燃料と共に改質器２２へと供給されて上述の水蒸気改質に利用される。

燃料電池２３の正極は、酸化剤ガス供給管２５３により、ハウジング２１外に配置されるブロワ４３に接続される。ブロワ４３により、酸化剤ガスである酸素ガスを含む空気が、酸化剤ガス供給管２５３を介して燃料電池２３の正極に供給される。燃料電池２３の正極から排出されるガスである正極排ガスは、正極排ガス排出管２５４によりハウジング２１外へと排出される。正極排ガス排出管２５４は、酸化剤ガス供給管２５３上に設けられた第２熱交換器４４を通過する。第２熱交換器４４では、燃料電池２３の正極から排出されて正極排ガス排出管２５４を流れる高温の正極排ガスを利用して、燃料電池２３に供給される空気が予備加熱される。

第２熱交換器４４を通過した正極排ガス排出管２５４は、排ガス燃焼部４７よりも手前（すなわち、上流側）の合流点４７１において負極排ガス排出管２５２に合流する。排ガス燃焼部４７では、合流後の負極排ガスおよび正極排ガスが燃焼される。これにより、負極排ガスに含まれる未利用の燃料ガス等が燃焼される。排ガス燃焼部４７にて発生する燃焼熱は、例えば、水蒸気生成部４６における水の加熱や、タービンを利用した発電に利用される。また、排ガス燃焼部４７がハウジング２１内に設けられ、排ガス燃焼部４７の燃焼熱が改質器２２の加熱に利用されてもよい。排ガス燃焼部４７としては、例えば、触媒燃焼器が利用される。

燃料電池ユニット２の定常運転では、上述のように、燃料電池２３において燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電が行われる。燃料電池２３における発電の際に発生した熱は改質器２２に付与され、改質器２２における原燃料の水蒸気改質に利用される。また、燃料電池２３から排出された負極排ガスを利用して、改質器２２に供給される原燃料の予備加熱が行われ、燃料電池２３から排出された正極排ガスを利用して、燃料電池２３に供給される空気の予備加熱が行われる。これにより、燃料電池ユニット２では、定常運転時にシステム内にて必要とされる熱を、システム外から付与することなく定常運転を行うことができる。さらに、燃料電池ユニット２では、負極排ガスに含まれる水蒸気を改質器２２において行われる水蒸気改質に利用することにより、定常運転時にシステム内にて必要とされる水を、システム外から付与することなく定常運転を行うことができる。換言すれば、定常運転時の燃料電池ユニット２では、熱自立運転および水自立運転が可能である。

次に、燃料電池ユニット２の起動運転について説明する。燃料電池ユニット２の起動運転に利用される起動ユニット３は、水供給部３１と、起動用材料供給部３２と、加熱用エネルギー供給部３３と、起動電源部３４と、起動制御部３５と、起動ユニットハウジング３６（図１参照）とを備える。水供給部３１、起動用材料供給部３２、加熱用エネルギー供給部３３、起動電源部３４および起動制御部３５は、起動ユニットハウジング３６の内部に収容される。起動制御部３５は、例えば燃料電池ユニット２の状態に基づいて、水供給部３１、起動用材料供給部３２、加熱用エネルギー供給部３３および起動電源部３４を制御する。起動電源部３４は、水供給部３１、起動用材料供給部３２、加熱用エネルギー供給部３３および起動制御部３５に電力を供給する。起動電源部３４は、例えば、小型発電機やバッテリであり、起動制御部３５はコンピュータである。当該小型発電機は、例えば、ガソリン、軽油、灯油、アルコール、ＬＰガス等を燃料として駆動する。

水供給部３１は、水を貯溜するとともに、燃料電池ユニット２の起動運転の際に、当該水を燃料電池ユニット２の改質器２２に供給する。水供給部３１は、例えば、水貯溜部３１１と、ポンプ３１２と、起動用水配管３１３とを備える。水貯溜部３１１は、水（例えば、純水）を貯溜するタンクである。水貯溜部３１１は、起動用水配管３１３を介して、燃料電池ユニット２の水蒸気生成部４６に着脱自在に接続される。ポンプ３１２は、起動用水配管３１３上に設けられ、水貯溜部３１１に貯溜されている水を水蒸気生成部４６へと供給する。

起動用材料供給部３２は、燃料電池ユニット２の起動運転の際に、起動用材料を改質器２２に供給する。起動用材料供給部３２は、例えば、起動用材料供給源３２１と、起動用材料配管３２２とを備える。起動用材料供給源３２１は、例えば、起動用材料を貯溜するガスボンベである。起動用材料供給源３２１は、起動用材料配管３２２を介して、燃料電池ユニット２の原燃料供給管２６１に着脱自在に接続される。換言すれば、起動用材料供給源３２１は、起動用材料配管３２２および原燃料供給管２６１を介して、改質器２２に着脱自在に接続される。起動用材料としては、例えば、窒素、水素、原燃料と同様のＬＰガス、都市ガス、バイオエタノール等が使用される。

加熱用エネルギー供給部３３は、燃料電池ユニット２の起動運転の際に、燃料電池ユニット２のハウジング２１の内部の加熱に利用されるエネルギーを供給する。加熱用エネルギー供給部３３は、ハウジング２１内の昇温部２４に接続される。図２に示す例では、昇温部２４は、燃料を燃焼させてハウジング２１の内部を加熱するバーナーである。加熱用エネルギー供給部３３は、例えば、加熱用燃料供給源３３１と、加熱用燃料配管３３２と、加熱用ブロワ３３３とを備える。加熱用燃料供給源３３１は、例えば、加熱用燃料を貯溜するガスボンベである。加熱用ブロワ３３３は、空気を送出する。加熱用燃料供給源３３１および加熱用ブロワ３３３は、加熱用燃料配管３３２を介して、昇温部２４に着脱自在に接続される。加熱用燃料としては、例えば、ＬＰガス、都市ガス、軽油等が使用される。

複数の燃料電池ユニット２のうち１台目の燃料電池ユニット２の起動運転では、まず、加熱用燃料供給源３３１からの加熱用燃料と、加熱用ブロワ３３３からの空気とが、上述の加熱に利用されるエネルギーとして昇温部２４に供給される。そして、昇温部２４にて加熱用燃料が燃焼することにより、ハウジング２１の内部が加熱される。これにより、改質器２２および燃料電池２３が昇温する。

続いて、起動用材料供給源３２１からの起動用材料が、不純物除去部４１を通過して改質器２２に供給される。また、水供給部３１からの水が水蒸気生成部４６に供給され、水蒸気生成部４６にて水蒸気とされた後、改質器２２に供給される。そして、改質器２２により起動用材料が水蒸気改質されることにより燃料ガスが生成され、燃料電池２３の負極に供給される。燃料電池２３の正極には、上述のブロワ４３により、酸化剤ガスを含む空気が供給される。これにより、燃料電池２３による発電が行われ、発電時に発生する熱により改質器２２がさらに加熱される。また、燃料電池２３からの負極排ガスから凝縮部４５にて生成された水は、水蒸気生成部４６へと供給される。

燃料電池システム１では、改質器２２および燃料電池２３が所定の温度に達し、燃料電池２３からの出力が所定の発電量に達して安定するまで、すなわち、燃料電池ユニット２が定常運転状態となるまで、上述の起動運転が継続される。燃料電池ユニット２の定常運転が開始され、上述の水自立および熱自立が成立すると、起動ユニット３が停止される。具体的には、起動ユニット３において、水供給部３１からの水の供給、起動用材料供給部３２からの起動用材料の供給、および、加熱用エネルギー供給部３３からのエネルギー（すなわち、加熱用燃料および空気）の供給が停止される。これと並行して、燃料電池ユニット２では、原燃料供給源４８から改質器２２への原燃料の供給が開始される。

そして、水供給部３１と燃料電池ユニット２との接続部３１０、起動用材料供給部３２と燃料電池ユニット２との接続部３２０、および、加熱用エネルギー供給部３３と燃料電池ユニット２との接続部３３０における接続が解除され、起動ユニット３が燃料電池ユニット２から取り外される。接続部３１０，３２０，３３０の両側（すなわち、起動ユニット３側および燃料電池ユニット２側）にはバルブおよび逆止弁が設けられており、起動ユニット３の取り外し後も、燃料電池ユニット２の定常運転は支障なく継続される。

このように、起動ユニット３は、燃料電池ユニット２の起動運転の終了後（すなわち、定常運転の開始後）、燃料電池ユニット２から取り外すことができる。このため、定常運転時における燃料電池ユニット２において保有機器を減少させることができ、定常運転時の機器故障確率の低減、および、機器制御の負荷低減を実現することができる。また、定常運転時に使用しない保有機器の待機電力等による燃料電池ユニット２の送電端電力の低下を抑制することもできる。その結果、燃料電池システム１の信頼性を向上することができる。

燃料電池システム１では、起動ユニット３に起動電源部３４を設けることにより、燃料電池ユニット２における起動運転時の需要電力を減少させることができる。その結果、燃料電池ユニット２の受電部４０の容量を低減することができる。

図１に示す燃料電池システム１では、１台目の燃料電池ユニット２の起動運転が終了すると、起動用車両６が移動し、複数の燃料電池ユニット２のうち２台目の燃料電池ユニット２の近傍に起動ユニット３が配置される。上述のように、起動ユニット３は移動用の車両６１の積載部に積載されているため、複数の燃料電池ユニット２間の起動ユニット３の移動を容易とすることができる。これにより、複数の燃料電池ユニット２を容易に起動することができる。起動用車両６の車両６１としては、例えば、軽トラックが利用され、起動ユニット３が、当該軽トラックの積載部である荷台上に積載される。

起動ユニット３の車載を考慮すると、起動ユニット３の重量は３５０ｋｇ以下であることが好ましく、起動ユニット３の起動ユニットハウジング３６の長さ、幅および高さはそれぞれ、１９００ｍｍ以下、１４００ｍｍ以下、１５００ｍｍ以下であることが好ましい。また、移動時の各構造の振動等を軽減するために、水供給部３１、起動用材料供給部３２、加熱用エネルギー供給部３３、起動電源部３４および起動制御部３５（図２参照）は、起動ユニットハウジング３６に対して固縛可能であることが好ましい。水供給部３１、起動用材料供給部３２、加熱用エネルギー供給部３３、起動電源部３４および起動制御部３５は、防振台上に設置されることが好ましい。

２台目の燃料電池ユニット２の起動運転の際には、まず、起動ユニット３の水供給部３１、起動用材料供給部３２および加熱用エネルギー供給部３３と、２台目の燃料電池ユニット２とが、図２に示す場合と同様に、接続部３１０，３２０，３３０にてそれぞれ接続される。

図３は、水供給部３１と燃料電池ユニット２との接続部３１０の一例を示す斜視図である。接続部３１０は、水供給部３１側の接続端部３１０ａと、燃料電池ユニット２側の接続端部３１０ｂとを備える。図３では、図の理解を容易にするために、接続端部３１０ａ，３１０ｂから延びる配管を破線にて描く。接続端部３１０ａ，３１０ｂは略円筒状であり、中央部には水が流れる流路が設けられる。接続端部３１０ａの端面には径方向に延びる略四角柱状の凸部３１０ｃが設けられる。また、接続端部３１０ｂの端面には、凸部３１０ｃと略同形状の凹部３１０ｄが設けられる。水供給部３１と燃料電池ユニット２とが接続される際には、凸部３１０ｃを凹部３１０ｄに嵌合させつつ接続端部３１０ａ，３１０ｂが互いに固定される。

燃料電池システム１では、起動ユニット３の水供給部３１、起動用材料供給部３２および加熱用エネルギー供給部３３と燃料電池ユニット２とのそれぞれの接続部３１０，３２０，３３０が、互いに異なる形状を有する。例えば、接続部３２０，３３０にも、図３に示す接続部３１０と同様に、接続端部の端面に凸部および凹部が設けられ、当該凸部および凹部の形状、数または配置等が、接続部３１０，３２０，３３０において互いに異なる。これにより、起動ユニット３と燃料電池ユニット２とを接続する際に、水供給部３１、起動用材料供給部３２および加熱用エネルギー供給部３３と燃料電池ユニット２とのそれぞれの接続を誤りなく行うことができる。

起動ユニット３と２台目の燃料電池ユニット２との接続が終了すると、１台目の燃料電池ユニット２の起動運転と同様に、図２に示す加熱用燃料供給源３３１からの加熱用燃料と、加熱用ブロワ３３３からの空気とが昇温部２４に供給され、加熱用燃料が燃焼することにより、ハウジング２１の内部が加熱される。これにより、改質器２２および燃料電池２３が昇温する。

続いて、起動用材料供給源３２１からの起動用材料と、水供給部３１から水蒸気生成部４６を経由した水蒸気とが改質器２２に供給され、起動用材料が水蒸気改質されることにより燃料ガスが生成されて燃料電池２３の負極に供給される。燃料電池２３の正極には、ブロワ４３により酸化剤ガスを含む空気が供給される。これにより、燃料電池２３による発電が行われ、発電時に発生する熱により改質器２２がさらに加熱される。また、燃料電池２３からの負極排ガスから凝縮部４５にて生成された水は、水蒸気生成部４６へと供給される。

そして、改質器２２および燃料電池２３が所定の温度に達し、燃料電池２３からの出力が所定の発電量に達して安定するまで、すなわち、２台目の燃料電池ユニット２が定常運転状態となるまで、上述の起動運転が継続される。２台目の燃料電池ユニット２の定常運転が開始され、上述の水自立および熱自立が成立すると、起動ユニット３は停止され、当該燃料電池ユニット２から取り外される。

２台目の燃料電池ユニット２の起動運転時には、１台目の燃料電池ユニット２（すなわち、起動運転が完了している起動済みの燃料電池ユニット２）から、起動ユニット３および２台目の燃料電池ユニット２の少なくとも一方に電力が供給される。

具体的には、例えば、１台目の燃料電池ユニット２の燃料電池２３からの出力端が、起動ユニット３の水供給部３１、起動用材料供給部３２および加熱用エネルギー供給部３３等の構成に接続され、当該燃料電池２３から出力される電力の一部または全部が、起動ユニット３の当該構成に供給される。また、例えば、１台目の燃料電池ユニット２の燃料電池２３からの出力端が、２台目の燃料電池ユニット２の受電部４０に接続され、当該燃料電池２３から出力される電力の一部または全部が、受電部４０を介して改質器２２やブロワ４３等の燃料電池ユニット２の構成に供給される。あるいは、１台目の燃料電池ユニット２において、排ガス燃焼部４７にて発生する燃焼熱を利用してタービンによる発電が行われ、当該発電による電力が、起動ユニット３または２台目の燃料電池ユニット２に供給されてもよい。１台目の燃料電池ユニット２からの電力は、起動ユニット３および２台目の燃料電池ユニット２の双方に供給されてもよい。

また、２台目の燃料電池ユニット２の起動運転時には、１台目の燃料電池ユニット２（すなわち、起動済みの燃料電池ユニット２）にて発生する熱が、当該２台目の燃料電池ユニット２の加熱源として利用される。

具体的には、例えば、１台目の燃料電池ユニット２の排ガス燃焼部４７にて発生する燃焼熱が、２台目の燃料電池ユニット２において、水蒸気生成部４６における水の加熱、改質器２２に供給される起動用材料の予備加熱、燃料電池２３に供給される空気の予備加熱等に、加熱源として利用される。また、例えば、１台目の燃料電池ユニット２の負極排ガスや正極排ガスが、熱交換器を介して、水蒸気生成部４６における水の加熱、改質器２２に供給される起動用材料の予備加熱、燃料電池２３に供給される空気の予備加熱等に、加熱源として利用される。あるいは、１台目の燃料電池ユニット２の上記燃焼熱や上記排ガスにより空気を加熱し、当該加熱された空気を２台目の燃料電池ユニット２のハウジング２１に内に供給することにより、ハウジング２１内の改質器２２や燃料電池２３が加熱されてもよい。

上述の起動済みの燃料電池ユニット２による電力供給については、３台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転時においても同様である。すなわち、燃料電池システム１では、２台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転時に、起動運転が完了している起動済みの燃料電池ユニット２から、起動ユニット３および当該２台目以降の燃料電池ユニット２の少なくとも一方に電力が供給される。これにより、燃料電池システム１において２台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転時に、起動ユニット３にて生成する電力、および、燃料電池システム１の外部から供給される電力の少なくとも一方を減少させることができる。３台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転の際には、起動運転が行われる燃料電池ユニット２に電力を供給する起動済みの燃料電池ユニット２は、１台であっても、複数台であってもよい。

起動済みの燃料電池ユニット２から起動ユニット３に電力が供給される場合、起動ユニット３において起動電源部３４にて生成する必要のある電力を減少させることができる。起動済みの燃料電池ユニット２から起動ユニット３に供給される電力が比較的多い場合には、例えば、起動電源部３４を駆動することなく、起動ユニット３にて必要とされる電力を、起動済みの燃料電池ユニット２からの電力により賄うことができる。起動済みの燃料電池ユニット２から２台目以降の燃料電池ユニット２に電力が供給される場合、燃料電池システム１の外部から当該２台目以降の燃料電池ユニット２に供給される電力を減少させることができる。

上述の起動済みの燃料電池ユニット２の加熱源としての利用についても、３台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転時において同様である。すなわち、燃料電池システム１では、２台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転時に、起動運転が完了している起動済みの燃料電池ユニット２にて発生する熱が、当該２台目以降の燃料電池ユニット２の加熱源として利用される。これにより、燃料電池システム１において２台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転時に、当該２台目以降の燃料電池ユニット２を速やかに加熱することができ、起動運転に要する時間を短くすることができる。あるいは、起動ユニット３から当該２台目以降の燃料電池ユニット２に供給するエネルギーを減少させることができる。３台目以降の燃料電池ユニット２の起動運転の際には、起動運転が行われる燃料電池ユニット２の加熱源として利用される起動済みの燃料電池ユニット２は、１台であっても、複数台であってもよい。

燃料電池システム１では、各燃料電池ユニット２の定常運転の際に、水自立運転が行われず、水供給源に貯溜されている水を水蒸気として改質器２２に継続的に供給する必要がある場合、起動運転時にも当該水供給源から改質器２２に水蒸気が供給されてもよい。この場合、水供給部３１は起動ユニット３から省略されてもよい。また、起動用材料が、未蒸留のバイオエタノールのように改質器２２における改質に必要な水を含んでいる場合も、水供給部３１は起動ユニット３から省略されてもよい。

起動用材料供給部３２から改質器２２に供給される起動用材料は、例えば、原燃料とは異なるガスであってもよい。起動用材料が、原燃料にはならない窒素ガスや、燃料ガスである水素ガスである場合、燃料電池ユニット２の起動運転時には、改質器２２における水蒸気改質は不要となるため、水供給部３１は起動ユニット３から省略されてもよい。

燃料電池システム１では、起動用材料供給部３２から改質器２２に供給される起動用材料が、上述の原燃料供給源４８から供給される原燃料と同じである場合、燃料電池ユニット２の起動運転の際に、原燃料供給源４８からの原燃料が起動用材料として改質器２２に供給されてもよい。この場合、起動用材料供給部３２は、起動ユニット３から省略されてもよい。

燃料電池システム１では、加熱用エネルギー供給部３３から昇温部２４に供給される加熱用燃料が、原燃料供給源４８から供給される原燃料と同じである場合、燃料電池ユニット２の起動運転の際に、原燃料供給源４８からの原燃料が加熱用燃料として昇温部２４に供給されてもよい。また、燃料電池ユニット２のブロワ４３を利用して、昇温部２４に空気が供給されてもよい。このように、原燃料供給源４８およびブロワ４３から昇温部２４に加熱用燃料および空気が供給される場合、加熱用エネルギー供給部３３は、起動ユニット３から省略されてもよい。

また、燃料電池ユニット２の定常運転の際に、熱自立運転が行われず、昇温部２４によるハウジング２１内の継続的な加熱が必要である場合、燃料電池ユニット２に加熱用燃料供給源が設けられ、当該加熱用燃料供給源および燃料電池ユニット２のブロワ４３から昇温部２４に、加熱用燃料および空気が供給されてもよい。この場合も、加熱用エネルギー供給部３３は、起動ユニット３から省略されてもよい。

以上のように、起動ユニット３は、水供給部３１、起動用材料供給部３２および加熱用エネルギー供給部３３のうち、少なくとも２つの供給部を備えていればよい。この場合であっても、上述と同様に、各燃料電池ユニット２の定常運転の開始後、起動ユニット３を当該燃料電池ユニット２から取り外すことができる。このため、各燃料電池ユニット２の定常運転時の機器故障確率の低減、および、機器制御の負荷低減を実現することができる。また、定常運転時に使用しない保有機器の待機電力等による各燃料電池ユニット２の送電端電力の低下を抑制することもできる。さらには、複数の燃料電池ユニット２の起動運転終了後、当該複数の燃料電池ユニット２の定常運転と並行して、起動ユニット３のメンテナンス等を行うこともできる。

また、当該少なくとも２つの供給部と各燃料電池ユニット２とのそれぞれの接続部が、互いに異なる形状を有することにより、上述と同様に、当該少なくとも２つの供給部と各燃料電池ユニット２とのそれぞれの接続を誤りなく行うことができる。

ただし、起動ユニット３は、水供給部３１と、起動用材料供給部３２と、加熱用エネルギー供給部３３とを全て備えることが好ましい。これにより、様々な構造を有する燃料電池ユニット２の起動運転を容易に行うことができる。したがって、燃料電池システム１が、異なる構造を有する複数の燃料電池ユニット２を備える場合であっても、当該複数の燃料電池ユニット２の起動運転を、１台の起動ユニット３により容易に行うことができる。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１ａの構成を示す図である。燃料電池システム１ａは、複数の燃料電池ユニット２と、複数の起動ユニット３とを備える。図４に示す例では、起動ユニット３の数は、燃料電池ユニット２の数と同じである。各燃料電池ユニット２の構成、および、各起動ユニット３の構成は、図２に示すものと同様である。

複数の燃料電池ユニット２はそれぞれ、燃料電池を用いて発電を行う発電ユニットである。複数の起動ユニット３は、当該複数の燃料電池ユニット２に着脱自在にそれぞれ接続され、接続された燃料電池ユニット２の起動運転にそれぞれ利用される。燃料電池システム１ａでは、複数の起動ユニット３により、複数の燃料電池ユニット２の起動運転が並行して行われる。

燃料電池システム１ａでは、図１に示す燃料電池システム１と同様に、各起動ユニット３は、燃料電池ユニット２の起動運転の終了後（すなわち、定常運転の開始後）、燃料電池ユニット２から取り外すことができる。このため、定常運転時における各燃料電池ユニット２において保有機器を減少させることができ、定常運転時の機器故障確率の低減、および、機器制御の負荷低減を実現することができる。また、定常運転時に使用しない保有機器の待機電力等による各燃料電池ユニット２の送電端電力の低下を抑制することもできる。さらには、複数の燃料電池ユニット２の定常運転と並行して、各起動ユニット３のメンテナンス等を行うこともできる。その結果、燃料電池システム１ａの信頼性を向上することができる。

燃料電池システム１ａでは、上述のように、複数の燃料電池ユニット２の起動運転が並行して行われるため、全ての燃料電池ユニット２の起動運転完了までに要する時間を短くすることができる。また、仮に一部の起動ユニット３が故障した場合であっても、当該起動ユニット３に代えて他の起動ユニット３を利用することにより、複数の燃料電池ユニット２の起動運転を行うことができる。これにより、燃料電池システム１ａの信頼性をさらに向上することができる。なお、燃料電池システム１ａに設けられる起動ユニット３の数は、燃料電池ユニット２と同数である必要はなく、燃料電池ユニット２の数よりも多くても少なくてもよい。

上述の燃料電池システム１，１ａでは、様々な変更が可能である。

例えば、燃料電池システム１，１ａでは、起動ユニット３の水供給部３１、起動用材料供給部３２および加熱用エネルギー供給部３３と燃料電池ユニット２とのそれぞれの接続部３１０，３２０，３３０は、互いに異なる形状を有していればよく、その形状は、上述の凹凸の嵌合以外の様々な形状であってよい。

昇温部２４は、必ずしもバーナーである必要はなく、例えば、ハウジング２１内に向けて熱風を噴射する熱風噴射部であってもよい。この場合、加熱用エネルギー供給部３３は、例えば、加熱用燃料を貯溜する加熱用燃料供給源３３１と、加熱用燃料を燃焼させる加熱用燃料燃焼部と、加熱用燃料燃焼部に空気を供給する加熱用ブロワ３３３とを備える。加熱用燃料燃焼部として、例えば、軽油を燃料とするオイルバーナーが利用される場合、当該軽油により駆動するディーゼル発電機が起動電源部３４として利用されてもよい。あるいは、加熱用燃料燃焼部および起動電源部３４としてディーゼル発電機が利用され、ディーゼル発電機の廃熱が、昇温部２４に供給される加熱用エネルギーとして利用されてもよい。また、ＬＰガスを燃料とするガスタービン発電機が加熱用燃料燃焼部および起動電源部３４として利用され、ガスタービン発電機の高温の排気ガスが、昇温部２４に供給される加熱用エネルギーとして利用されてもよい。

当該昇温部２４における加熱用燃料が、上述の原燃料供給源４８から供給される原燃料（例えば、ＬＰガスや都市ガス）と同じである場合、加熱用エネルギー供給部３３から加熱用燃料供給源３３１が省略され、原燃料供給源４８からの原燃料が加熱用燃料として加熱用燃料燃焼部に供給されてもよい。また、燃料電池ユニット２のブロワ４３を利用して加熱用燃料燃焼部に空気が供給される場合、加熱用エネルギー供給部３３から加熱用ブロワ３３３が省略されてもよい。

昇温部２４は、また、電気ヒータであってもよい。この場合、加熱用エネルギー供給部３３は、例えば、昇温部２４に電力を供給する電力供給部を備える。当該電力供給部としては、例えば、小型発電機やバッテリが利用される。当該小型発電機は、例えば、ガソリン、軽油、灯油、アルコール、ＬＰガス等を燃料として駆動する。あるいは、当該電力供給部として、上述の起動電源部３４が利用されてもよい。

上述の燃料電池システム１，１ａでは、燃料電池２３からの負極排ガスに含まれる水蒸気を、凝縮部４５にて水として取り出した上で水蒸気生成部４６に供給しているが、水蒸気を含む負極排ガスの一部が、ガス状のまま改質器２２へと供給されてもよい。この場合であっても、定常運転の燃料電池ユニット２において水自立運転の実現が可能である。

燃料電池ユニット２では、ハウジング２１内に複数の燃料電池２３が配置されてもよい。

燃料電池システム１，１ａでは、起動ユニット３は燃料電池ユニット２の起動運転に利用されるものであり、必ずしも起動ユニット３単体で燃料電池ユニット２の起動運転が行われる必要はない。例えば、起動ユニット３と他の構成とを併せて利用することにより、燃料電池ユニット２の起動運転が行われてもよい。

図１に示す燃料電池システム１では、例えば、起動ユニット３を移動することなく各燃料電池ユニット２に容易に接続可能である場合、移動用の車両６１は省略され、起動ユニット３は所定の位置に配置されていてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１，１ａ 燃料電池システム
２ 燃料電池ユニット
３ 起動ユニット
２１ ハウジング
２２ 改質器
２３ 燃料電池
３１ 水供給部
３２ 起動用材料供給部
３３ 加熱用エネルギー供給部
６１ 車両

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形の燃料電池と、前記改質器および前記燃料電池を収容するハウジングとをそれぞれ備える複数の燃料電池ユニットと、
   前記複数の燃料電池ユニットに着脱自在に順次接続され、接続された燃料電池ユニットの起動運転に利用される起動ユニットと、
   を備え、
   前記複数の燃料電池ユニットのうち２台目以降の燃料電池ユニットの起動運転時に、起動運転が完了している起動済みの燃料電池ユニットから、前記起動ユニットおよび前記２台目以降の燃料電池ユニットの少なくとも一方に電力が供給されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記２台目以降の燃料電池ユニットの起動運転時に、前記起動済みの燃料電池ユニットにて発生する熱を、前記２台目以降の燃料電池ユニットの加熱源として利用することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記起動ユニットが積載される移動用の車両をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記改質器が前記原燃料に水蒸気改質を行い、
   前記起動ユニットが、
   水を貯溜するとともに前記水を前記改質器に供給する水供給部と、
   前記ハウジングの内部の加熱に利用されるエネルギーを供給する加熱用エネルギー供給部と、
   起動用材料を前記改質器に供給する起動用材料供給部と、
   のうち少なくとも２つの供給部を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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