燃料電池およびその運転方法
【課題】起動時に燃料電池スタック全体を均一に加熱する構造を設けることにより、燃料電池全体の大型化を回避しつつ、信頼性に優れる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料（Ｆ）と空気（Ａ）とを反応させて発電する燃料電池スタック（３）と、前記燃料電池スタック（３）からの排燃料および排空気を燃焼させる燃焼器（９）と、前記燃焼器（９）で発生した熱を利用して改質燃料を生成する改質器（５）とを備える燃料電池（１）において、外部から導入された空気を、前記燃焼器（９）からの熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器（７）と、前記空気予熱器（７）で加熱される空気流量と、前記空気予熱器を迂回して直接燃料電池スタック（３）に導入される空気流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタック（３）に供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構（１１）とを設ける。
【解決手段】燃料（Ｆ）と空気（Ａ）とを反応させて発電する燃料電池スタック（３）と、前記燃料電池スタック（３）からの排燃料および排空気を燃焼させる燃焼器（９）と、前記燃焼器（９）で発生した熱を利用して改質燃料を生成する改質器（５）とを備える燃料電池（１）において、外部から導入された空気を、前記燃焼器（９）からの熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器（７）と、前記空気予熱器（７）で加熱される空気流量と、前記空気予熱器を迂回して直接燃料電池スタック（３）に導入される空気流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタック（３）に供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構（１１）とを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックからの排ガスを触媒燃焼させる燃焼器を有する燃料電池に関し、特には、燃料電池の起動時における運転のための構造および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は発電効率に優れることから、種々の用途への展開が期待されている。
【０００３】
一般に、ＳＯＦＣは発電時には６００℃〜８００℃と高温であり、起動時においては発電可能温度である６００℃〜７００℃に達するまでに燃料電池スタックを昇温する必要がある。ＳＯＦＣの起動時において昇温を行うための構成として、燃料電池スタックの底面に、加熱用のバーナを設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように構成された燃料電池では、バーナで加熱された空気でスタックを内部から加熱するとともに、バーナ燃焼ガスで燃料電池スタックを外周部から加熱することにより、燃料電池スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えることで、発電セルの割れを防ぎながら発電セルを効率良く昇温させることができるとしている。しかし、本方式では電池スタックに入って来る空気、および燃焼ガスの微妙な温度制御が困難と考えられ、発電セルに大きな温度勾配が生じてセル割れが発生する可能性が高い。その傾向は燃料電池スタックが複数個の場合により顕著である。また、昇温用に大型バーナを設けるため、ホットモジュールが大型化する。
【０００６】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃料電池全体の大型化を回避しつつ、起動時に燃料電池スタック全体を均一に昇温する加熱構造を設けることにより発電セル割れを防いで、信頼性の高い燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された排燃料および排空気を燃焼させて、熱を発生させる燃焼器と、外部から導入された燃料を、前記燃焼器で発生した熱を利用して水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、この改質燃料を前記燃料電池スタックに供給する改質器と、外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器と、前記空気予熱器で加熱される空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構とを備えている。
【０００８】
この構成によれば、燃料電池の起動時における燃料電池スタックの昇温においても、空気予熱器を利用して燃料電池スタックを内部から加熱可能であり、しかも、空気温度制御機構を設けたことにより、燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御することができる。特には、燃料電池の起動時における昇温を行う場合に、所望の昇温速度に制御することができる。したがって、急激な加熱による発電セルの損傷が回避されるので、燃料電池の信頼性が向上する。さらには、追加の熱源装置を要しないので、燃料電池全体の大型化が抑制される。
【０００９】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、さらに、前記改質器に接続されて、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を備えていることが好ましい。この構成によれば、改質器に都市ガス等の燃料を導入することのできない燃料電池の起動時において還元ガス導入路および改質器を介して、Ｈ２、ＣＯ等の還元性ガスを燃料電池スタック内に導入することができるので、起動時における改質器内の改質触媒および発電セル燃料極の酸化を防止でき、燃料電池の性能が低下することが防止される。また、上記還元性ガスを、さらに燃焼器内に導入して触媒燃焼反応に利用することができるので、効率的に昇温を行うことが可能となる。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記空気予熱器が、前記燃料電池スタックの側面の少なくとも一部に対向して配置されていることが好ましい。この構成によれば、燃料電池スタックが、空気予熱器からの空気により内部から加熱されるのみならず、空気予熱器の輻射熱によって外部からも加熱されるので、燃料電池スタック全体が一層均一に加熱される。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃焼器が触媒によって前記排燃料および排空気を燃焼させる触媒燃焼器であり、この燃焼器の内部又は外部に、前記触媒による触媒燃焼反応を起こすのに必要な温度まで加熱する触媒加熱器が設けられていてもよい。あるいは、前記空気予熱器に可燃性ガスを導入する可燃性ガス導入路が接続されており、前記空気予熱器内に、前記可燃性ガスを燃焼させる可燃性ガス着火器が設けられていてもよい。これらの構成によれば、起動バーナ等の大規模な熱源装置を追加することなく、燃料電池スタックの昇温が可能である。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃焼器と、前記改質器および前記空気予熱器の少なくとも一方とが一体的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、燃焼器から改質器または空気予熱器への熱供給における熱損失を抑制することにより、燃料電池をコンパクトに構成することができる。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃料電池スタックが扁平な直方体形状の前記発電セルを複数積層してなり、前記改質器、前記空気予熱器および前記燃焼器が、前記燃料電池スタックの外周を囲む角筒形状のスタック外囲ユニットを形成していることが好ましい。この構成によれば、空気予熱器のみならず、改質器からの輻射熱も利用して、燃料電池スタックを一層均一かつ高効率に昇温することができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池の運転方法は、前記空気温度制御機構によって、前記空気予熱器で加熱された後に前記燃料電池スタックに流入する空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接前記燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御することを含む。この構成によれば、燃料電池の起動時における昇温においても、空気予熱器を利用して燃料電池スタックを内部から加熱することが可能であり、しかも、空気温度制御機構を設けたことにより、燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御することができる。特には、燃料電池の起動時における昇温を行う場合に、所望の昇温速度に制御することができる。したがって、急激な加熱による発電セルの損傷が回避されるので、燃料電池の信頼性が向上する。さらには、大型の熱源装置を要しないので、燃料電池の大型化が抑制される。
【００１５】
本発明の一実施形態に係る燃料電池の運転方法は、さらに、前記改質器に、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を接続し、当該燃料電池の起動時において、前記還元性ガスを前記改質器内に導入することを含む。この構成によれば、還元ガス導入路および改質器を介して還元性ガスを燃料電池スタック内に導入することができるので、昇温時における改質器内の改質触媒および発電セル燃料極が酸化して、燃料電池の性能が低下することが防止される。また、上記還元性ガスを、さらに燃焼器内に導入して触媒燃焼反応に利用することができるので、効率的に昇温を行うことが可能となる。
【００１６】
本発明の一実施形態に係る燃料電池の運転方法は、さらに、当該燃料電池の起動時において、前記触媒加熱器によって前記触媒を加熱して触媒燃焼反応を起こすことにより前記空気予熱器に熱を供給し、この熱を利用して前記空気を加熱することにより前記燃料電池スタックを昇温することを含む。この構成によれば、触媒燃焼器の燃焼触媒を利用することにより、起動時の昇温用に、起動バーナのような大掛かりな加熱装置が不要となる。したがって、燃料電池全体の大型化を一層抑制しながら、燃料電池スタックを均一に昇温することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係る燃料電池およびその運転方法によれば、起動時に燃料電池スタック全体を均一に加熱する加熱構造を設けることにより、燃料電池全体の大型化を回避しつつ、燃料電池の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１のII-II方向から見た縦断面図である。
【図３】図１の燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図４】図１の燃料電池を示す横断面図である。
【図５】図１の燃料電池の変形例として外部触媒加熱器を設けた燃料電池を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図である。燃料電池１は、発電装置として使用されるものであり、燃料電池スタック３、改質器５、空気予熱器７、燃焼器９および空気温度制御機構１１を主要な構成要素として備えている。
【００２１】
図１のII-II方向から見た縦断面図である図２に模式的に示すように、燃料電池１は後述の断熱部材で囲まれた密閉された高温室１３内に設置されている。燃料電池スタック３は、燃料と空気とを反応させて発電する扁平な直方体形状の発電セル１５を、その主面と直交する方向Ｘに、セパレータ１７を介して複数積層して構成されている。各発電セル１５は燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間にイオン導電性セラミック製電解質を介在させた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されている。また、図１に示すように、燃料電池スタック３の底部には、スタックアダプタ１９が取り付けられている。スタックアダプタ１９内には燃料電池スタック３に接続する空気用、燃料用、排燃料用のガス流路が設けられている。燃料電池１の発電時においては、空気供給管２１、燃料供給管２３を通じて、空気及び燃料が燃料電池スタック３へ供給されるとともに、燃料電池スタック３に供給された燃料が排燃料配管２５を介して排燃料ＥＦとして排出され、その一部あるいは全部が燃焼器９へ導入される。また、燃料電池スタック３に供給された空気が燃料電池スタック３の空気極から排空気ＥＡとして高温室１３に排出され、燃焼器９へ導入される。
【００２２】
燃料電池１の発電時においては、改質器５には、外部から燃料導入通路を形成する燃料導入管２７を介して、水蒸気を含む燃料Ｆが導入され、水蒸気改質反応によって、改質燃料ＲＦであるＨ２およびＣＯ等が生成される。なお、燃料Ｆとしてはメタン、都市ガス、バイオガス等が使用できる。そのため、改質器５内には、図２に示すように、改質触媒２９として、ニッケル、ルテニウム等を担持したアルミナボールが充填されている。改質触媒２９としては、このほかに、水蒸気改質用触媒として一般的に用いられる各種の金属粒子を使用することができる。
【００２３】
燃料電池１の起動時においては、図３に示すように、改質器５には還元ガス導入管３１を介してＨ２，ＣＯ等の還元性ガスＲＧが導入される。昇温時に改質器５内に導入された還元性ガスＲＧは、燃料供給管２３を介してスタックアダプタ１９に送られた後、燃料電池スタック３の発電セル燃料極に供給され、さらに排燃料配管２５を介して燃焼器９に供給される。
【００２４】
このように、起動時においては還元ガス導入管３１を介して還元性ガスＲＧを供給することにより、改質器５内の改質触媒２９（図２）や、燃料電池スタック３内の燃料極に用いられるニッケルが酸化することを防止できる。これにより、燃料電池１の発電特性および長期信頼性の低下が抑制される。
【００２５】
空気予熱器７は、空気ブロワ３５によって外部から導入された空気Ａを、主に燃焼器９で発生した熱によって加熱する。より具体的には、図４に示すように、空気予熱器７は、外部からの空気Ａが導入される空気室３７と、この空気室３７に隣接して設けられた燃焼ガス室３９とを有している。燃焼ガス室３９には、燃焼器９からの高温の燃焼ガスＢＧが導入され、燃焼ガス室３９に流入した燃焼ガスＢＧの熱によって空気室３７に導入された空気Ａが加熱される。
【００２６】
図３に示す空気温度制御機構１１は、空気予熱器７に導入される空気の流量を調整することにより、燃料電池スタック３に供給される空気の温度を制御する。具体的には、空気温度制御機構１１は、空気ブロワ３５からの空気を導入する空気導入路４３と、空気導入路４３の下流端部に電動モータで起動される三方弁４５を介して２方向に分岐して接続された空気予熱器側導入路４７および空気予熱器迂回路４９とを有している。空気予熱器側導入路４７は中途に設けられた空気予熱器７を介してスタックアダプタ１９に連通しており、一方、空気予熱器迂回路４９は、空気予熱器７を介さずに直接スタックアダプタ１９に連通している。空気ブロワ３５から導入された空気Ａは、空気予熱器７によって加熱された高温空気ＨＡと、空気予熱器迂回路４９を通ってきた加熱されていない低温空気ＬＡが合流して昇温空気ＰＨＡとなり、空気供給管２１を介してスタックアダプタ１９に送られた後、燃料電池スタック３の発電セル１５の空気極に供給される。
【００２７】
このように構成された空気温度制御機構１１の三方弁４５の開度を調整して、空気予熱器７で加熱される高温空気ＨＡの流量と空気予熱器７を迂回する低温空気ＬＡの流量比を調整することにより、スタックアダプタ１９を介して燃料電池スタック３に供給される昇温空気ＰＨＡの温度を制御することが可能になる。なお、本実施形態では、空気予熱器側導入路４７を通る空気流量と空気予熱器迂回路４９を通る空気流量との流量比を調整する機構として三方弁４５を用いているが、空気予熱器導入路４７，空気予熱器迂回路４９への流量比を調整することが可能であれば、どのような機構を用いてもよい。
【００２８】
図１に示すように、起動時においては、燃料電池スタック３の燃料極から排出された還元性ガスＲＧが排燃料流路を形成する排燃料配管２５を介して燃焼器９に導入される。また、発電時においては、燃料電池スタック３の燃料極から排出された排燃料Ｆの一部または全部が排燃料流路を形成する排燃料配管２５を介して燃焼器９に導入される。燃焼器９の端部にはパンチングメタルを備える空気導入部９ａが設けられており、昇温時においては、燃料電池スタック３の空気極から高温室１３に排出された昇温空気ＰＨＡが空気導入部９ａを介して燃焼器９に導入され、発電時においては、燃料電池スタック３の空気極から高温室１３に排出された排空気ＥＡが空気導入部９ａを介して燃焼器９に導入される。燃焼器９は、導入された還元性ガスＲＧ（起動時）又は排燃料ＥＦ（発電時）および昇温空気ＰＨＡ（起動時）又は排空気ＥＡ（発電時）を燃焼させて、高温の燃焼ガスＢＧを生成する。燃焼ガスＢＧは、燃焼器９の下流側端部に接続された空気予熱器７の燃焼ガス室３９を経由して外部へ排出される。
【００２９】
本実施形態の燃焼器９は、触媒によって還元性ガスＲＧ（起動時）又は排燃料ＥＦ（発電時）および昇温空気ＰＨＡ（起動時）又は排空気ＥＡ（発電時）を燃焼させる触媒燃焼器として構成されており、図２に示すように、その内部に、燃焼触媒５１として、パラジウム、白金等を担持したアルミナボールが充填されている。燃焼器９における燃焼によって発生する熱は、燃料電池１内に供給され、上述のように改質器５における改質反応および空気予熱器７における空気の加熱に利用される。
【００３０】
燃焼器９は、その内部に、燃料電池１の起動時において、燃焼触媒５１を加熱するための内部触媒加熱器５３を備えている。より具体的には、内部触媒加熱器５３は、図１に示すように、燃焼器９内の還元性ガスＲＧおよび予熱昇温空気ＰＨＡの流れ方向における上流側、すなわち空気導入部９ａの下流部近傍に設けられている。本実施形態では、内部触媒加熱器５３として電熱線ヒータを用いており、電熱線ヒータは外部の電源（図示せず）に接続されている。もっとも、内部触媒加熱器５３としては、燃焼器９内に収容可能であり、かつ、還元性ガスＲＧおよび昇温空気ＰＨＡの燃焼反応を起こすのに必要な温度まで燃焼触媒５１を加熱できるものであれば、電熱線ヒータに限らず使用することができる。なお、本実施形態における、還元性ガスＲＧおよび昇温空気ＰＨＡの燃焼反応を起こすのに必要な温度は約２５０℃である。
【００３１】
このように、燃焼器９内に内部触媒加熱器５３を設けて、燃焼器９の燃焼触媒５１を利用することにより、起動時の昇温用に、起動バーナのような大掛かりな加熱装置を設けることが不要となるので、燃料電池１全体の大型化を抑制することができる。
【００３２】
以下、燃料電池１の全体構造について説明する。燃料電池１では、空気予熱器７が燃焼器９と一体的に形成されており、さらに、改質器５が燃焼器９および空気予熱器７と一体的に形成されている。すなわち、図１に示すように、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９が、単一のユニットハウジング６１（図２）に収容されることにより一体化されており、ほぼ角筒形状のスタック外囲ユニット６３を形成している。スタック外囲ユニット６３の内周部６３Ａにおいて、図４に示す平面視における一辺の位置を改質器５が占め、他の三辺の位置を空気予熱器７の空気室３７が占めている。一方、スタック外囲ユニット６３の外周部６３Ｂにおいて、改質器５の外周側の部分が燃焼器９によって形成されており、空気予熱器７の空気室３７の外周側の部分が、燃焼ガスの流路を形成する燃焼ガス室３９として形成されている。
【００３３】
なお、改質器５および空気予熱器７の両方またはいずれか一方が、燃焼器９と別体に形成および配置されていてもよいが、このように一体的に形成することにより、燃焼器９で発生した熱が、放熱損失を抑制しながら改質器５および空気予熱器７に供給される。
【００３４】
図２に示すように、燃料電池スタック３は、その外周部３ａが、スタック外囲ユニット６３によって所定の間隔離間した状態で囲まれている。換言すれば、燃料電池スタック３の外周部３ａ、つまり、ほぼ直方体形状を有する燃料電池スタック３の、発電セル１５の積層方向Ｘに平行な４つの側面に対向して、スタック外囲ユニット６３の内周部６３Ａを形成する改質器５および空気予熱器７のいずれか一方が配置されている。図１に示すように、スタック外囲ユニット６３の全体は、スタックアダプタ１９とスタック外囲ユニット６３とを接続する燃料供給管２３、空気供給管２１等の配管およびスタックアダプタ１９に取り付けられた金属製の支持部材６５によって、燃料電池スタック３を囲むように支持されている。
【００３５】
このように、改質器５および空気予熱器７が燃料電池スタック３に対向して配置されているので、起動時において、燃料電池スタック３内に導入される加熱空気によって燃料電池３が内部から加熱されるのみならず、燃焼器９の熱によって加熱された改質器５および空気予熱器７からの輻射熱を利用して燃料電池スタック３を外部からも加熱することができる。特に、本実施形態では、燃料電池スタック３の４つの側面（外周面）の、積層方向Ｘにおける中央部分６０％以上が、改質器５および空気予熱器７に対向するように配置されているので、燃料電池スタック３を積層方向（上下方向）Ｘにきわめて均一に加熱することができる。なお、燃料電池スタック３を均一に加熱するためには、改質器５または空気予熱器７の代わりに、燃焼器９が直接燃料電池スタック３に対向するように配置されていてもよい。
【００３６】
スタック外囲ユニット６３は、例えば、ステンレス鋼のような耐食性を有する金属板で形成されたユニットハウジング６１の内部に、同じ材質からなる仕切板６７を溶接などによって接合して設けることにより形成されている。すなわち、燃焼器９と改質器５とは、ユニットハウジング６１を共有し、１枚の仕切板６７のみを介して隣接している。同様に、燃焼器９と空気予熱器７とは、ユニットハウジング６１を共有し、仕切板のみを介して隣接している。このような構造を有していることにより、熱損失をきわめて小さく抑えながら、燃焼器９から改質器５および空気予熱器７への熱伝達が可能となる。なお、スタック外囲ユニット６３を形成する材料は、ステンレス鋼に限らず、機械的強度、耐食性、熱伝導性等を考慮して適宜選択してよい。また、スタック外囲ユニットの構造も、図２に示した例に限らず、機械的強度や組立性を考慮して適宜選択することができる。
【００３７】
なお、図４に示すように、燃料電池１は、その外側を密閉構造によって覆う断熱部材６９によって形成された高温室１３に設置されている。断熱部材６９としては、グラスウールのような一般的な断熱材を用いることができる。
【００３８】
本実施形態に係る燃料電池１によれば、燃料電池１の起動時において、予熱空気ＰＨＡと還元性ガスＲＧは燃焼器９に入って、内部触媒加熱器５３により燃焼反応が起こる約２５０℃程度まで予熱され、還元性ガスＲＧが燃焼触媒上で燃焼を開始する。燃焼が開始したら、自立的かつ連続的に燃焼は継続するので内部触媒加熱器５３を停止する。発生した燃焼熱で改質器５が加熱されるとともに、燃焼器９を出た高温の燃焼ガスＢＧが空気予熱器７に入り、空気Ａを加熱する。空気予熱器７で加熱された高温空気ＨＡは、空気予熱器７を迂回した低温空気ＬＡと合流して昇温空気ＰＨＡとなった後、燃料電池スタック３に入り、燃料電池スタック３を内部から加熱する。その際、空気温度制御機構１１により、昇温空気ＰＨＡの温度が時間経過とともに直線的に上昇するように、高温空気ＨＡと低温空気ＬＡの流量比が制御される。また、加熱された改質器５、空気予熱器７の輻射熱で燃料電池スタック３を外部から加熱する。燃料電池スタック３は、内部、外部から加熱され、空気量、還元性ガス量、混合比を制御して約６００〜７００℃まで昇温される。
【００３９】
このように、本実施形態に係る燃料電池１によれば、燃料電池１の起動時における昇温においても、空気予熱器７を利用して燃料電池スタック３を内部から加熱可能であり、しかも、空気温度制御機構１１を設けたことにより、燃料電池スタック３に導入される空気の温度を制御することができる。特には、燃料電池１の起動時における昇温を行う場合に、所望の昇温速度に制御することができる。したがって、急激な加熱による発電セル１５の損傷が回避されるので、燃料電池１の信頼性が向上する。さらには、大型の熱源装置を要しないので、燃料電池１全体の大型化が抑制される。
【００４０】
なお、燃焼器９の内部に内部触媒加熱器５３を設ける代わりに、または内部触媒加熱器５３に追加して、第１実施形態の変形例として、図５に示すように、燃焼器９の外部に外部触媒加熱器７１を設けることもできる。具体的には、燃焼器９の外部に配置した、燃焼器９に接触するアルミナボール等のセラミックボール５１を充填した加熱器ハウジング７３内に外部触媒加熱器７１として電熱線ヒータを設けており、電熱線ヒータに通電してセラミックボール５１を加熱し、燃焼器９の外部触媒加熱器に接した燃焼触媒５１を予熱するものである。ここでは、加熱器ハウジング７３内の充填物としてセラミックボール５１を例として挙げたが、充填物としては加熱器ハウジング７３の熱容量を増加させることのできるものであれば何でもよい。
【００４１】
また、燃焼器９の予熱方法として内部触媒加熱器５３を設ける代わりに、図６に示す第２実施形態のように、空気予熱器７の燃焼ガス室３９に可燃性ガスＣＦを導入する可燃性ガス導入路７７を接続し、燃焼ガス室３９に、この可燃性ガスＣＦを燃焼させる可燃性ガス着火器７９を設けてもよい。この実施形態の場合も、起動時の燃焼器９の予熱用に、バーナのような大掛かりな加熱装置を設けることが不要となるので、燃料電池１全体の大型化を抑制することができる。本実施形態において燃焼ガス室３９に導入される可燃性ガスＣＦとしては、例えば、メタンや都市ガスのような燃料電池１の燃料と同様のガスを用いることができる。また、可燃性ガス着火器７９としては、例えば、点火プラグのような点火装置を用いることができる。この可燃性ガスＣＦの燃焼により、空気予熱器7、さらに空気Ａが加熱され、スタックを加熱する。スタックから出た空気ＰＨＡが燃焼器９を２５０℃程度に予熱する。
【００４２】
さらに、図７に示す第３実施形態のように、小型パイロットバーナ８１を設けて空気ブロワ８３とバーナ燃料ＢＦを燃焼させて高温ガスＨＧを発生させ、高温室１３内に高温ガスＨＧを送り込んで燃焼器９を予熱する方法も考えられる。何れの方法においても、第１実施形態の場合と同様、還元性ガスＲＧが燃焼を開始したら、燃焼器９の予熱を停止する。
【００４３】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 燃料電池
３ 燃料電池スタック
５ 改質器
７ 空気予熱器
９ 燃焼器
１１ 空気温度制御機構
Ａ 空気
ＨＡ 高温空気
ＬＡ 低温空気
ＰＨＡ 昇温空気
ＥＡ 排空気
Ｆ 燃料
ＲＦ 改質燃料
ＥＦ 排燃料
ＲＧ 還元性ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックからの排ガスを触媒燃焼させる燃焼器を有する燃料電池に関し、特には、燃料電池の起動時における運転のための構造および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は発電効率に優れることから、種々の用途への展開が期待されている。
【０００３】
一般に、ＳＯＦＣは発電時には６００℃〜８００℃と高温であり、起動時においては発電可能温度である６００℃〜７００℃に達するまでに燃料電池スタックを昇温する必要がある。ＳＯＦＣの起動時において昇温を行うための構成として、燃料電池スタックの底面に、加熱用のバーナを設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように構成された燃料電池では、バーナで加熱された空気でスタックを内部から加熱するとともに、バーナ燃焼ガスで燃料電池スタックを外周部から加熱することにより、燃料電池スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えることで、発電セルの割れを防ぎながら発電セルを効率良く昇温させることができるとしている。しかし、本方式では電池スタックに入って来る空気、および燃焼ガスの微妙な温度制御が困難と考えられ、発電セルに大きな温度勾配が生じてセル割れが発生する可能性が高い。その傾向は燃料電池スタックが複数個の場合により顕著である。また、昇温用に大型バーナを設けるため、ホットモジュールが大型化する。
【０００６】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃料電池全体の大型化を回避しつつ、起動時に燃料電池スタック全体を均一に昇温する加熱構造を設けることにより発電セル割れを防いで、信頼性の高い燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された排燃料および排空気を燃焼させて、熱を発生させる燃焼器と、外部から導入された燃料を、前記燃焼器で発生した熱を利用して水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、この改質燃料を前記燃料電池スタックに供給する改質器と、外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器と、前記空気予熱器で加熱される空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構とを備えている。
【０００８】
この構成によれば、燃料電池の起動時における燃料電池スタックの昇温においても、空気予熱器を利用して燃料電池スタックを内部から加熱可能であり、しかも、空気温度制御機構を設けたことにより、燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御することができる。特には、燃料電池の起動時における昇温を行う場合に、所望の昇温速度に制御することができる。したがって、急激な加熱による発電セルの損傷が回避されるので、燃料電池の信頼性が向上する。さらには、追加の熱源装置を要しないので、燃料電池全体の大型化が抑制される。
【０００９】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、さらに、前記改質器に接続されて、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を備えていることが好ましい。この構成によれば、改質器に都市ガス等の燃料を導入することのできない燃料電池の起動時において還元ガス導入路および改質器を介して、Ｈ２、ＣＯ等の還元性ガスを燃料電池スタック内に導入することができるので、起動時における改質器内の改質触媒および発電セル燃料極の酸化を防止でき、燃料電池の性能が低下することが防止される。また、上記還元性ガスを、さらに燃焼器内に導入して触媒燃焼反応に利用することができるので、効率的に昇温を行うことが可能となる。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記空気予熱器が、前記燃料電池スタックの側面の少なくとも一部に対向して配置されていることが好ましい。この構成によれば、燃料電池スタックが、空気予熱器からの空気により内部から加熱されるのみならず、空気予熱器の輻射熱によって外部からも加熱されるので、燃料電池スタック全体が一層均一に加熱される。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃焼器が触媒によって前記排燃料および排空気を燃焼させる触媒燃焼器であり、この燃焼器の内部又は外部に、前記触媒による触媒燃焼反応を起こすのに必要な温度まで加熱する触媒加熱器が設けられていてもよい。あるいは、前記空気予熱器に可燃性ガスを導入する可燃性ガス導入路が接続されており、前記空気予熱器内に、前記可燃性ガスを燃焼させる可燃性ガス着火器が設けられていてもよい。これらの構成によれば、起動バーナ等の大規模な熱源装置を追加することなく、燃料電池スタックの昇温が可能である。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃焼器と、前記改質器および前記空気予熱器の少なくとも一方とが一体的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、燃焼器から改質器または空気予熱器への熱供給における熱損失を抑制することにより、燃料電池をコンパクトに構成することができる。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃料電池スタックが扁平な直方体形状の前記発電セルを複数積層してなり、前記改質器、前記空気予熱器および前記燃焼器が、前記燃料電池スタックの外周を囲む角筒形状のスタック外囲ユニットを形成していることが好ましい。この構成によれば、空気予熱器のみならず、改質器からの輻射熱も利用して、燃料電池スタックを一層均一かつ高効率に昇温することができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池の運転方法は、前記空気温度制御機構によって、前記空気予熱器で加熱された後に前記燃料電池スタックに流入する空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接前記燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御することを含む。この構成によれば、燃料電池の起動時における昇温においても、空気予熱器を利用して燃料電池スタックを内部から加熱することが可能であり、しかも、空気温度制御機構を設けたことにより、燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御することができる。特には、燃料電池の起動時における昇温を行う場合に、所望の昇温速度に制御することができる。したがって、急激な加熱による発電セルの損傷が回避されるので、燃料電池の信頼性が向上する。さらには、大型の熱源装置を要しないので、燃料電池の大型化が抑制される。
【００１５】
本発明の一実施形態に係る燃料電池の運転方法は、さらに、前記改質器に、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を接続し、当該燃料電池の起動時において、前記還元性ガスを前記改質器内に導入することを含む。この構成によれば、還元ガス導入路および改質器を介して還元性ガスを燃料電池スタック内に導入することができるので、昇温時における改質器内の改質触媒および発電セル燃料極が酸化して、燃料電池の性能が低下することが防止される。また、上記還元性ガスを、さらに燃焼器内に導入して触媒燃焼反応に利用することができるので、効率的に昇温を行うことが可能となる。
【００１６】
本発明の一実施形態に係る燃料電池の運転方法は、さらに、当該燃料電池の起動時において、前記触媒加熱器によって前記触媒を加熱して触媒燃焼反応を起こすことにより前記空気予熱器に熱を供給し、この熱を利用して前記空気を加熱することにより前記燃料電池スタックを昇温することを含む。この構成によれば、触媒燃焼器の燃焼触媒を利用することにより、起動時の昇温用に、起動バーナのような大掛かりな加熱装置が不要となる。したがって、燃料電池全体の大型化を一層抑制しながら、燃料電池スタックを均一に昇温することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係る燃料電池およびその運転方法によれば、起動時に燃料電池スタック全体を均一に加熱する加熱構造を設けることにより、燃料電池全体の大型化を回避しつつ、燃料電池の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１のII-II方向から見た縦断面図である。
【図３】図１の燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図４】図１の燃料電池を示す横断面図である。
【図５】図１の燃料電池の変形例として外部触媒加熱器を設けた燃料電池を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図である。燃料電池１は、発電装置として使用されるものであり、燃料電池スタック３、改質器５、空気予熱器７、燃焼器９および空気温度制御機構１１を主要な構成要素として備えている。
【００２１】
図１のII-II方向から見た縦断面図である図２に模式的に示すように、燃料電池１は後述の断熱部材で囲まれた密閉された高温室１３内に設置されている。燃料電池スタック３は、燃料と空気とを反応させて発電する扁平な直方体形状の発電セル１５を、その主面と直交する方向Ｘに、セパレータ１７を介して複数積層して構成されている。各発電セル１５は燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間にイオン導電性セラミック製電解質を介在させた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されている。また、図１に示すように、燃料電池スタック３の底部には、スタックアダプタ１９が取り付けられている。スタックアダプタ１９内には燃料電池スタック３に接続する空気用、燃料用、排燃料用のガス流路が設けられている。燃料電池１の発電時においては、空気供給管２１、燃料供給管２３を通じて、空気及び燃料が燃料電池スタック３へ供給されるとともに、燃料電池スタック３に供給された燃料が排燃料配管２５を介して排燃料ＥＦとして排出され、その一部あるいは全部が燃焼器９へ導入される。また、燃料電池スタック３に供給された空気が燃料電池スタック３の空気極から排空気ＥＡとして高温室１３に排出され、燃焼器９へ導入される。
【００２２】
燃料電池１の発電時においては、改質器５には、外部から燃料導入通路を形成する燃料導入管２７を介して、水蒸気を含む燃料Ｆが導入され、水蒸気改質反応によって、改質燃料ＲＦであるＨ２およびＣＯ等が生成される。なお、燃料Ｆとしてはメタン、都市ガス、バイオガス等が使用できる。そのため、改質器５内には、図２に示すように、改質触媒２９として、ニッケル、ルテニウム等を担持したアルミナボールが充填されている。改質触媒２９としては、このほかに、水蒸気改質用触媒として一般的に用いられる各種の金属粒子を使用することができる。
【００２３】
燃料電池１の起動時においては、図３に示すように、改質器５には還元ガス導入管３１を介してＨ２，ＣＯ等の還元性ガスＲＧが導入される。昇温時に改質器５内に導入された還元性ガスＲＧは、燃料供給管２３を介してスタックアダプタ１９に送られた後、燃料電池スタック３の発電セル燃料極に供給され、さらに排燃料配管２５を介して燃焼器９に供給される。
【００２４】
このように、起動時においては還元ガス導入管３１を介して還元性ガスＲＧを供給することにより、改質器５内の改質触媒２９（図２）や、燃料電池スタック３内の燃料極に用いられるニッケルが酸化することを防止できる。これにより、燃料電池１の発電特性および長期信頼性の低下が抑制される。
【００２５】
空気予熱器７は、空気ブロワ３５によって外部から導入された空気Ａを、主に燃焼器９で発生した熱によって加熱する。より具体的には、図４に示すように、空気予熱器７は、外部からの空気Ａが導入される空気室３７と、この空気室３７に隣接して設けられた燃焼ガス室３９とを有している。燃焼ガス室３９には、燃焼器９からの高温の燃焼ガスＢＧが導入され、燃焼ガス室３９に流入した燃焼ガスＢＧの熱によって空気室３７に導入された空気Ａが加熱される。
【００２６】
図３に示す空気温度制御機構１１は、空気予熱器７に導入される空気の流量を調整することにより、燃料電池スタック３に供給される空気の温度を制御する。具体的には、空気温度制御機構１１は、空気ブロワ３５からの空気を導入する空気導入路４３と、空気導入路４３の下流端部に電動モータで起動される三方弁４５を介して２方向に分岐して接続された空気予熱器側導入路４７および空気予熱器迂回路４９とを有している。空気予熱器側導入路４７は中途に設けられた空気予熱器７を介してスタックアダプタ１９に連通しており、一方、空気予熱器迂回路４９は、空気予熱器７を介さずに直接スタックアダプタ１９に連通している。空気ブロワ３５から導入された空気Ａは、空気予熱器７によって加熱された高温空気ＨＡと、空気予熱器迂回路４９を通ってきた加熱されていない低温空気ＬＡが合流して昇温空気ＰＨＡとなり、空気供給管２１を介してスタックアダプタ１９に送られた後、燃料電池スタック３の発電セル１５の空気極に供給される。
【００２７】
このように構成された空気温度制御機構１１の三方弁４５の開度を調整して、空気予熱器７で加熱される高温空気ＨＡの流量と空気予熱器７を迂回する低温空気ＬＡの流量比を調整することにより、スタックアダプタ１９を介して燃料電池スタック３に供給される昇温空気ＰＨＡの温度を制御することが可能になる。なお、本実施形態では、空気予熱器側導入路４７を通る空気流量と空気予熱器迂回路４９を通る空気流量との流量比を調整する機構として三方弁４５を用いているが、空気予熱器導入路４７，空気予熱器迂回路４９への流量比を調整することが可能であれば、どのような機構を用いてもよい。
【００２８】
図１に示すように、起動時においては、燃料電池スタック３の燃料極から排出された還元性ガスＲＧが排燃料流路を形成する排燃料配管２５を介して燃焼器９に導入される。また、発電時においては、燃料電池スタック３の燃料極から排出された排燃料Ｆの一部または全部が排燃料流路を形成する排燃料配管２５を介して燃焼器９に導入される。燃焼器９の端部にはパンチングメタルを備える空気導入部９ａが設けられており、昇温時においては、燃料電池スタック３の空気極から高温室１３に排出された昇温空気ＰＨＡが空気導入部９ａを介して燃焼器９に導入され、発電時においては、燃料電池スタック３の空気極から高温室１３に排出された排空気ＥＡが空気導入部９ａを介して燃焼器９に導入される。燃焼器９は、導入された還元性ガスＲＧ（起動時）又は排燃料ＥＦ（発電時）および昇温空気ＰＨＡ（起動時）又は排空気ＥＡ（発電時）を燃焼させて、高温の燃焼ガスＢＧを生成する。燃焼ガスＢＧは、燃焼器９の下流側端部に接続された空気予熱器７の燃焼ガス室３９を経由して外部へ排出される。
【００２９】
本実施形態の燃焼器９は、触媒によって還元性ガスＲＧ（起動時）又は排燃料ＥＦ（発電時）および昇温空気ＰＨＡ（起動時）又は排空気ＥＡ（発電時）を燃焼させる触媒燃焼器として構成されており、図２に示すように、その内部に、燃焼触媒５１として、パラジウム、白金等を担持したアルミナボールが充填されている。燃焼器９における燃焼によって発生する熱は、燃料電池１内に供給され、上述のように改質器５における改質反応および空気予熱器７における空気の加熱に利用される。
【００３０】
燃焼器９は、その内部に、燃料電池１の起動時において、燃焼触媒５１を加熱するための内部触媒加熱器５３を備えている。より具体的には、内部触媒加熱器５３は、図１に示すように、燃焼器９内の還元性ガスＲＧおよび予熱昇温空気ＰＨＡの流れ方向における上流側、すなわち空気導入部９ａの下流部近傍に設けられている。本実施形態では、内部触媒加熱器５３として電熱線ヒータを用いており、電熱線ヒータは外部の電源（図示せず）に接続されている。もっとも、内部触媒加熱器５３としては、燃焼器９内に収容可能であり、かつ、還元性ガスＲＧおよび昇温空気ＰＨＡの燃焼反応を起こすのに必要な温度まで燃焼触媒５１を加熱できるものであれば、電熱線ヒータに限らず使用することができる。なお、本実施形態における、還元性ガスＲＧおよび昇温空気ＰＨＡの燃焼反応を起こすのに必要な温度は約２５０℃である。
【００３１】
このように、燃焼器９内に内部触媒加熱器５３を設けて、燃焼器９の燃焼触媒５１を利用することにより、起動時の昇温用に、起動バーナのような大掛かりな加熱装置を設けることが不要となるので、燃料電池１全体の大型化を抑制することができる。
【００３２】
以下、燃料電池１の全体構造について説明する。燃料電池１では、空気予熱器７が燃焼器９と一体的に形成されており、さらに、改質器５が燃焼器９および空気予熱器７と一体的に形成されている。すなわち、図１に示すように、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９が、単一のユニットハウジング６１（図２）に収容されることにより一体化されており、ほぼ角筒形状のスタック外囲ユニット６３を形成している。スタック外囲ユニット６３の内周部６３Ａにおいて、図４に示す平面視における一辺の位置を改質器５が占め、他の三辺の位置を空気予熱器７の空気室３７が占めている。一方、スタック外囲ユニット６３の外周部６３Ｂにおいて、改質器５の外周側の部分が燃焼器９によって形成されており、空気予熱器７の空気室３７の外周側の部分が、燃焼ガスの流路を形成する燃焼ガス室３９として形成されている。
【００３３】
なお、改質器５および空気予熱器７の両方またはいずれか一方が、燃焼器９と別体に形成および配置されていてもよいが、このように一体的に形成することにより、燃焼器９で発生した熱が、放熱損失を抑制しながら改質器５および空気予熱器７に供給される。
【００３４】
図２に示すように、燃料電池スタック３は、その外周部３ａが、スタック外囲ユニット６３によって所定の間隔離間した状態で囲まれている。換言すれば、燃料電池スタック３の外周部３ａ、つまり、ほぼ直方体形状を有する燃料電池スタック３の、発電セル１５の積層方向Ｘに平行な４つの側面に対向して、スタック外囲ユニット６３の内周部６３Ａを形成する改質器５および空気予熱器７のいずれか一方が配置されている。図１に示すように、スタック外囲ユニット６３の全体は、スタックアダプタ１９とスタック外囲ユニット６３とを接続する燃料供給管２３、空気供給管２１等の配管およびスタックアダプタ１９に取り付けられた金属製の支持部材６５によって、燃料電池スタック３を囲むように支持されている。
【００３５】
このように、改質器５および空気予熱器７が燃料電池スタック３に対向して配置されているので、起動時において、燃料電池スタック３内に導入される加熱空気によって燃料電池３が内部から加熱されるのみならず、燃焼器９の熱によって加熱された改質器５および空気予熱器７からの輻射熱を利用して燃料電池スタック３を外部からも加熱することができる。特に、本実施形態では、燃料電池スタック３の４つの側面（外周面）の、積層方向Ｘにおける中央部分６０％以上が、改質器５および空気予熱器７に対向するように配置されているので、燃料電池スタック３を積層方向（上下方向）Ｘにきわめて均一に加熱することができる。なお、燃料電池スタック３を均一に加熱するためには、改質器５または空気予熱器７の代わりに、燃焼器９が直接燃料電池スタック３に対向するように配置されていてもよい。
【００３６】
スタック外囲ユニット６３は、例えば、ステンレス鋼のような耐食性を有する金属板で形成されたユニットハウジング６１の内部に、同じ材質からなる仕切板６７を溶接などによって接合して設けることにより形成されている。すなわち、燃焼器９と改質器５とは、ユニットハウジング６１を共有し、１枚の仕切板６７のみを介して隣接している。同様に、燃焼器９と空気予熱器７とは、ユニットハウジング６１を共有し、仕切板のみを介して隣接している。このような構造を有していることにより、熱損失をきわめて小さく抑えながら、燃焼器９から改質器５および空気予熱器７への熱伝達が可能となる。なお、スタック外囲ユニット６３を形成する材料は、ステンレス鋼に限らず、機械的強度、耐食性、熱伝導性等を考慮して適宜選択してよい。また、スタック外囲ユニットの構造も、図２に示した例に限らず、機械的強度や組立性を考慮して適宜選択することができる。
【００３７】
なお、図４に示すように、燃料電池１は、その外側を密閉構造によって覆う断熱部材６９によって形成された高温室１３に設置されている。断熱部材６９としては、グラスウールのような一般的な断熱材を用いることができる。
【００３８】
本実施形態に係る燃料電池１によれば、燃料電池１の起動時において、予熱空気ＰＨＡと還元性ガスＲＧは燃焼器９に入って、内部触媒加熱器５３により燃焼反応が起こる約２５０℃程度まで予熱され、還元性ガスＲＧが燃焼触媒上で燃焼を開始する。燃焼が開始したら、自立的かつ連続的に燃焼は継続するので内部触媒加熱器５３を停止する。発生した燃焼熱で改質器５が加熱されるとともに、燃焼器９を出た高温の燃焼ガスＢＧが空気予熱器７に入り、空気Ａを加熱する。空気予熱器７で加熱された高温空気ＨＡは、空気予熱器７を迂回した低温空気ＬＡと合流して昇温空気ＰＨＡとなった後、燃料電池スタック３に入り、燃料電池スタック３を内部から加熱する。その際、空気温度制御機構１１により、昇温空気ＰＨＡの温度が時間経過とともに直線的に上昇するように、高温空気ＨＡと低温空気ＬＡの流量比が制御される。また、加熱された改質器５、空気予熱器７の輻射熱で燃料電池スタック３を外部から加熱する。燃料電池スタック３は、内部、外部から加熱され、空気量、還元性ガス量、混合比を制御して約６００〜７００℃まで昇温される。
【００３９】
このように、本実施形態に係る燃料電池１によれば、燃料電池１の起動時における昇温においても、空気予熱器７を利用して燃料電池スタック３を内部から加熱可能であり、しかも、空気温度制御機構１１を設けたことにより、燃料電池スタック３に導入される空気の温度を制御することができる。特には、燃料電池１の起動時における昇温を行う場合に、所望の昇温速度に制御することができる。したがって、急激な加熱による発電セル１５の損傷が回避されるので、燃料電池１の信頼性が向上する。さらには、大型の熱源装置を要しないので、燃料電池１全体の大型化が抑制される。
【００４０】
なお、燃焼器９の内部に内部触媒加熱器５３を設ける代わりに、または内部触媒加熱器５３に追加して、第１実施形態の変形例として、図５に示すように、燃焼器９の外部に外部触媒加熱器７１を設けることもできる。具体的には、燃焼器９の外部に配置した、燃焼器９に接触するアルミナボール等のセラミックボール５１を充填した加熱器ハウジング７３内に外部触媒加熱器７１として電熱線ヒータを設けており、電熱線ヒータに通電してセラミックボール５１を加熱し、燃焼器９の外部触媒加熱器に接した燃焼触媒５１を予熱するものである。ここでは、加熱器ハウジング７３内の充填物としてセラミックボール５１を例として挙げたが、充填物としては加熱器ハウジング７３の熱容量を増加させることのできるものであれば何でもよい。
【００４１】
また、燃焼器９の予熱方法として内部触媒加熱器５３を設ける代わりに、図６に示す第２実施形態のように、空気予熱器７の燃焼ガス室３９に可燃性ガスＣＦを導入する可燃性ガス導入路７７を接続し、燃焼ガス室３９に、この可燃性ガスＣＦを燃焼させる可燃性ガス着火器７９を設けてもよい。この実施形態の場合も、起動時の燃焼器９の予熱用に、バーナのような大掛かりな加熱装置を設けることが不要となるので、燃料電池１全体の大型化を抑制することができる。本実施形態において燃焼ガス室３９に導入される可燃性ガスＣＦとしては、例えば、メタンや都市ガスのような燃料電池１の燃料と同様のガスを用いることができる。また、可燃性ガス着火器７９としては、例えば、点火プラグのような点火装置を用いることができる。この可燃性ガスＣＦの燃焼により、空気予熱器7、さらに空気Ａが加熱され、スタックを加熱する。スタックから出た空気ＰＨＡが燃焼器９を２５０℃程度に予熱する。
【００４２】
さらに、図７に示す第３実施形態のように、小型パイロットバーナ８１を設けて空気ブロワ８３とバーナ燃料ＢＦを燃焼させて高温ガスＨＧを発生させ、高温室１３内に高温ガスＨＧを送り込んで燃焼器９を予熱する方法も考えられる。何れの方法においても、第１実施形態の場合と同様、還元性ガスＲＧが燃焼を開始したら、燃焼器９の予熱を停止する。
【００４３】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 燃料電池
３ 燃料電池スタック
５ 改質器
７ 空気予熱器
９ 燃焼器
１１ 空気温度制御機構
Ａ 空気
ＨＡ 高温空気
ＬＡ 低温空気
ＰＨＡ 昇温空気
ＥＡ 排空気
Ｆ 燃料
ＲＦ 改質燃料
ＥＦ 排燃料
ＲＧ 還元性ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された排燃料および排空気を燃焼させて、熱を発生させる燃焼器と、
外部から導入された燃料を、前記燃焼器で発生した熱を利用して水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、この改質燃料を前記燃料電池スタックに供給する改質器と、
外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器と、
前記空気予熱器で加熱される空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記改質器に接続されて、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２において、前記空気予熱器が、前記燃料電池スタックの側面の少なくとも一部に対向して配置されている燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、前記燃焼器が触媒によって前記排燃料および排空気を燃焼させる触媒燃焼器であり、この燃焼器の内部又は外部に、前記触媒による触媒燃焼反応を起こすのに必要な温度まで加熱する触媒加熱器が設けられている燃料電池。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項において、前記空気予熱器に可燃性ガスを導入する可燃性ガス導入路が接続されており、前記空気予熱器内に、前記可燃性ガスを燃焼させる可燃性ガス着火器が設けられている燃料電池。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項において、前記燃焼器と、前記改質器および前記空気予熱器の少なくとも一方とが一体的に形成されている燃料電池。
【請求項７】
請求項６において、前記燃料電池スタックが扁平な直方体形状の前記発電セルを複数積層してなり、前記改質器、前記空気予熱器および前記燃焼器が、前記電池スタックの外周を囲む角筒形状のスタック外囲ユニットを形成している燃料電池。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池を運転する方法であって、
前記空気温度制御機構によって、前記空気予熱器で加熱された後に前記燃料電池スタックに流入する空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接前記燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御すること
を含む燃料電池の運転方法。
【請求項９】
請求項８において、さらに、前記改質器に、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を接続し、当該燃料電池の起動時において、前記還元性ガスを前記改質器内に導入することを含む燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
請求項８または９において、さらに、当該燃料電池の起動時において、前記触媒加熱器によって前記触媒を加熱して触媒燃焼反応を起こすことにより前記空気予熱器に熱を供給し、この熱を利用して前記空気を加熱することにより前記燃料電池スタックを予熱することを含む燃料電池の運転方法。
【請求項１】
燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された排燃料および排空気を燃焼させて、熱を発生させる燃焼器と、
外部から導入された燃料を、前記燃焼器で発生した熱を利用して水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、この改質燃料を前記燃料電池スタックに供給する改質器と、
外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器と、
前記空気予熱器で加熱される空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記改質器に接続されて、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２において、前記空気予熱器が、前記燃料電池スタックの側面の少なくとも一部に対向して配置されている燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、前記燃焼器が触媒によって前記排燃料および排空気を燃焼させる触媒燃焼器であり、この燃焼器の内部又は外部に、前記触媒による触媒燃焼反応を起こすのに必要な温度まで加熱する触媒加熱器が設けられている燃料電池。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項において、前記空気予熱器に可燃性ガスを導入する可燃性ガス導入路が接続されており、前記空気予熱器内に、前記可燃性ガスを燃焼させる可燃性ガス着火器が設けられている燃料電池。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項において、前記燃焼器と、前記改質器および前記空気予熱器の少なくとも一方とが一体的に形成されている燃料電池。
【請求項７】
請求項６において、前記燃料電池スタックが扁平な直方体形状の前記発電セルを複数積層してなり、前記改質器、前記空気予熱器および前記燃焼器が、前記電池スタックの外周を囲む角筒形状のスタック外囲ユニットを形成している燃料電池。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池を運転する方法であって、
前記空気温度制御機構によって、前記空気予熱器で加熱された後に前記燃料電池スタックに流入する空気の流量と、前記空気予熱器を迂回して直接前記燃料電池スタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、前記燃料電池スタックに導入される空気の温度を制御すること
を含む燃料電池の運転方法。
【請求項９】
請求項８において、さらに、前記改質器に、この改質器内に還元性ガスを導入する還元ガス導入路を接続し、当該燃料電池の起動時において、前記還元性ガスを前記改質器内に導入することを含む燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
請求項８または９において、さらに、当該燃料電池の起動時において、前記触媒加熱器によって前記触媒を加熱して触媒燃焼反応を起こすことにより前記空気予熱器に熱を供給し、この熱を利用して前記空気を加熱することにより前記燃料電池スタックを予熱することを含む燃料電池の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９８９９４（Ｐ２０１２−１９８９９４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０６０１（Ｐ２０１１−６０６０１）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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