燃料電池装置
【課題】長寿命化した燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池装置１は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電し、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させて排ガスを生成する燃料電池モジュール３と、排ガスと冷媒とで熱交換を行なう熱交換器８と、熱交換器８の下流側に設けられ、排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第１の燃焼触媒７ａと、燃料電池モジュール３と熱交換器８との間に配置され、排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第２の燃焼触媒７ｂと、熱交換器８と、第１の燃焼触媒７ａとの間に配置され、排ガスを加熱するための加熱部１２とを有することを特徴とする。
【解決手段】本発明の燃料電池装置１は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電し、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させて排ガスを生成する燃料電池モジュール３と、排ガスと冷媒とで熱交換を行なう熱交換器８と、熱交換器８の下流側に設けられ、排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第１の燃焼触媒７ａと、燃料電池モジュール３と熱交換器８との間に配置され、排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第２の燃焼触媒７ｂと、熱交換器８と、第１の燃焼触媒７ａとの間に配置され、排ガスを加熱するための加熱部１２とを有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（例えば、空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、排ガスに含まれる有害成分が燃料電池装置の外部に流出することを防ぐために、排ガス処理手段が排ガス排出流路における熱交換器の上流に設けられている。また、燃料電池装置の起動時において、燃焼触媒を備える排ガス処理手段を温めるために加熱部を設けた例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５９３７７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２のように燃焼触媒を活性化する所定の温度に温めるために、燃焼触媒に加熱部を設け、熱交換器の上流に燃焼触媒を配置した場合、燃料電池装置が通常作動する場合に、加熱部が常時高温に曝され続けるため、加熱部が劣化してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電し、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて排ガスを生成する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに接続されており、排ガスを流すための排ガス排出流路と、排ガス排出流路に設けられており、排ガスと冷媒とで熱交換を行なう熱交換器とを備える。また、熱交換器よりも下流側の排ガス排出流路に設けられ、排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第１の燃焼触媒と、熱交換器と、第１の燃焼触媒との間の排ガス排出流路に設けられた加熱部とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱交換器の下流側に第１の燃焼触媒が設けられており、熱交換器と、第１の燃焼触媒との間に排ガスを加熱するための加熱部が配置されていることから、加熱部が常時高温に曝されることを低減し、加熱部の寿命を延ばすことができる。それにより、燃料電池装置を長寿命化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池装置の一部を透視して示す概略図である。
【図３】図１に示す燃料電池装置のブロック図である。
【図４】図１に示す燃料電池装置の起動時における制御を示すフローチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池装置の一部を抜粋して示す概念図である。
【図６】本発明の他の実施形態である燃料電池装置の一部を抜粋して示す概念図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態である燃料電池装置の一部を抜粋して示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態である燃料電池装置１について図１〜３を用いて説明する。図１においては、一部外装ケース２を構成する側壁を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。
【００１０】
図１において、燃料電池装置１は、外装ケース２の内部における空間を上下に区切る仕切部材４の上部の空間が、複数の燃料電池セル（図示せず）を電気的に直列に接続してなるセルスタック（図示せず）を、収納容器（図示せず）内に収納してなる燃料電池モジュール３（以下、モジュール３と略す場合がある。）が配置された燃料電池モジュール収納室５（以下、モジュール収納室５と略す場合がある。）とされている。また、仕切部材４の下部の空間が、モジュール３を動作させるために必要な補機類（図示せず）を収納するための補機収納室６とされている。
【００１１】
モジュール収納室５のモジュール３の下部には、図２に示すように、補機収納室６を介してモジュール３の外部に連通する配管からなる排ガス排出流路１１が設けられている。この排ガス排出流路１１のモジュール収納室５側に第２の燃焼触媒７ｂが設けられており、補機収納室６側に熱交換器８が設けられている。
【００１２】
モジュール３は仕切部材４の上面に断熱部材９を介して配置されており、モジュール３内の熱が仕切部材４に輻射することを低減している。配管からなる排ガス排出管１１は断熱部材９を貫通している。図２においては、モジュール３の底面にのみ断熱部材９を配置した例を示したが、断熱部材９をモジュール３を覆うように全面に配置してもよい。それにより、さらにモジュール３内の熱がモジュール収納室５に輻射されることを低減できる。
【００１３】
また、第２の燃焼触媒７ｂは断熱部材９に囲まれるように設けることで、第２の燃焼触媒７ｂにて生じた燃焼熱をモジュール３を温めることに利用することができる。つまり、第２の燃焼触媒７ｂは、モジュール収納室５内に配置されることが好ましい。
【００１４】
図３を用いて燃料電池装置１の構成および燃料電池装置１を構成する部材について詳細に説明する。
【００１５】
燃料電池装置１は、モジュール３と、モジュール３に燃料ガスを供給するための原燃料供給源１７と、モジュール３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給源２０と、原燃料供給源１７から供給された原燃料を燃料ガスに水蒸気改質するための改質部１９と、モジュール３で生成した水蒸気を含む排ガスを燃料電池装置１の外部へ排出するための排ガス排出流路１１と、排ガス排出流路１１に設けられた排ガスと冷媒とを熱交換するための熱交換器８と、冷媒を供給するための冷媒供給源２２と、排ガスから凝縮された凝縮水を回収するための凝縮水回収部１０と、回収した凝縮水を貯水するための貯水タンク２４と、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段１９とを有する。また、排ガスを処理するための排ガス処理手段としての第２の燃焼触媒７ｂおよび第１の燃焼触媒７ａを有する。
【００１６】
モジュール３は、原燃量供給源１７から供給された原燃料を改質部１９にて改質触媒（
図示せず）を用いて水蒸気改質し、燃料ガス（水素含有ガス）に生成している。そして、生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給源２０から供給された酸素含有ガスとにより発電を行なっている。モジュール３は、燃料電池セル（図示せず）の複数個を電気的に直列に接続したセルスタック（図示せず）により発電しており、発電に使用されなかった燃料ガスは酸素含有ガス（空気）と反応して燃料電池セルの上方で燃焼され、水蒸気を含んだ排ガスが生成され、燃料電池装置１の外部へと排出される。上述した改質触媒としては、水蒸気改質をするにあたって一般的なものを用いることができ、例えば、ＰｔやＲｂが担持したものを用いることができる。
【００１７】
また、モジュール３の内部には、燃料電池セルの上方で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼するために、着火部２７が設けられている。着火部２７としては、電流を流すことで発熱するヒータ等を用いることができる。さらに、モジュール３の内部の温度を測定するためにモジュール温度測定部２８を設けてもよい。モジュール温度測定部２８としては、熱電対やサーミスタ等を例示することができる。
【００１８】
このようにモジュール３の内部は燃焼により高温な状態となることから、燃料電池装置１としては、作動温度が３５０〜７５０℃と高温な固体酸化物形燃料電池装置を用いることが好ましい。固体酸化物形燃料電池装置において、固体酸化物形燃料電池モジュールを燃焼熱により温めることで、固体酸化物形燃料電池装置の起動を早くすることができるとともに、高効率な発電効率とすることができる。
【００１９】
水蒸気を含んだ排ガスは、モジュール３から、排ガス排出流路１１の熱交換器８を通じて燃料電池装置１の外部に排出される。排ガスは水素含有ガスを燃焼させることにより生じるため、排ガス中には水蒸気が含まれることとなる。熱交換器８は、排ガスに含まれる水蒸気を冷媒により熱交換することで排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ凝縮水を生成している。熱交換器８により生成した凝縮水は、燃料電池装置内の凝縮水ラインＬ３に供給され、貯水タンク２４に貯水される。
【００２０】
凝縮水ラインＬ３は、熱交換器８により生成された凝縮水を改質部４に供給するための供給ラインであり、排ガスから凝縮水を分離するための凝縮水分離部材１０と、貯水タンク２４と、凝縮水からほこり等の不純物を取り除くための凝縮水処理部２５と、凝縮水ポンプ２６とを備えている。
【００２１】
凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水は、改質部１９にて燃料ガスを生成する際に使用される。つまり、改質部１９にて、原燃料供給源１７から供給される原燃料と、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水とにより、水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であることから、モジュール３の燃焼熱を利用して水蒸気改質を行なうことが好ましい。図３では、モジュール３の外部に改質部１９を設けた例を示しているが、モジュール３の内部に改質部１９を配置してもよい。それにより、モジュール３内の燃焼熱を効率よく利用することができる。
【００２２】
熱交換器８にて排ガスと熱交換する冷媒は冷媒ラインＬ５を循環しており、冷媒ラインＬ５は冷媒供給源２２および冷媒ポンプ２３を具備して構成されている。冷媒としては、例えば、水を利用することができ、その場合は冷媒供給源２２として水タンクを利用することができる。また、冷媒として水以外に他の液体を用いてもよく、窒素ガス等の気体を用いることもできる。
【００２３】
原燃料供給部は、原燃料供給ラインＬ１と、原燃料供給源１７と、原燃料ポンプ１８と、改質部１９とを含み、凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水を改質部１９に供給することにより燃料ガスを生成し、モジュール３に供給している。原燃料としては、都市ガス
（１３Ａガス）等の炭化水素系ガスや、石油等の液体燃料を用いることができる。原燃料供給源１７は、使用する原燃料にあわせてガスボンベやタンク等を使用することができる。このように、燃料ガス供給部は改質部１９を含むものであり、原燃料供給源１７や凝縮水ラインＬ３をも含んでいる。
【００２４】
酸素含有ガス供給部は、配管からなる酸素含有ガスラインＬ２と、酸素含有ガス供給源２０と、酸素含有ガスポンプ２１とを有している。酸素含有ガスとして、酸素や空気を用いることができ、酸素を用いる場合には酸素含有ガス供給源２０としてガスボンベを用いることができ、空気を用いる場合には酸素含有ガス供給源２０として外部と連通するような構成としてもよい。
【００２５】
排ガスラインＬ４は、配管からなる排ガス排出流路１１により構成されており、排ガス排出部は、排ガスラインＬ４と、排ガスの流れ方向の上流側から見て、第２の燃焼触媒７ｂと、第２の燃焼触媒７ｂを通過した排ガスの温度を測定する第２の温度測定部１５ｂと、熱交換器８と、加熱部１２と、第１の燃焼触媒７ａの上流側の排ガスの温度を測定する第１の温度測定部１５ａと、第１の燃焼触媒７ａと、排ガス排出口１４を含む。
【００２６】
燃料電池装置１は、モジュール収納室５内にモジュール３を収納し、補機収納室６内にモジュール３を動作させるための補機を収納している。
【００２７】
排ガスは、原燃料として都市ガス等の原燃料ガスを用いた場合には、原燃料ガスと、水蒸気と、改質触媒により生成された燃料ガス（水素）と、モジュール３内の不完全燃焼により生じたＣＯ（一酸化炭素）とを含む場合がある。
【００２８】
燃料電池装置１の外部に排ガスを排出する場合に、安全面および環境面から排ガス中に有害成分として、可燃性である原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯが排出されることは好ましくなく、排ガスラインＬ４には排ガス処理手段として燃焼触媒７ｂを設ける必要がある。また、原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯが燃料電池装置の外部に排出されることを低減するために、原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯを検知する検知部を燃焼触媒７ｂよりも排ガスの流れ方向の下流に設けてもよい。それにより、起動時および通常作動時に燃料電池装置１から外部へ原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯが流出することを検知することができる。
【００２９】
排ガス処理手段としては第２の燃焼触媒７ｂ等の燃焼触媒を挙げることができ、燃焼触媒は、可燃性ガスを燃焼させたり、吸着させたりするための触媒であれば一般的に用いられているものでよく、例えば、ＰｔやＲｂが担持した触媒を用いることができる。上述した触媒は、活性化温度が２００〜３００℃程度であるため、排ガスを処理するためにこの所定の温度まで加熱させることが好ましい。
【００３０】
そのため、燃料電池装置１は、第１の燃焼触媒７ａの温度を測定するための第１の温度測定部１５ａと、第２の燃焼触媒７ｂの温度を測定するための第２の温度測定部１５ｂとを備えており、排ガスを処理する排ガス処理部として作用させることができる。第１の温度測定部１５ａおよび第２の温度測定部１５ｂは、上述したモジュール温度測定部２８と同様のものを用いることができる。第１の燃焼触媒７ａと第２の燃焼触媒７ｂとは同様のものを用いてもよく、また、別の触媒が担持した異なる燃焼触媒としてもよい。第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂの温度を測定するとは、第１の温度測定部１５ａおよび第２の温度測定部１５ｂにより検出された温度に従って、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂを算出することを含む。
【００３１】
加熱部１２としては、電流を流すことで発熱するヒータ等を用いることができる。詳細
は後述するが、燃料電池装置１は、加熱部１２が熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間に配置されている。
【００３２】
制御部１６としては、例えば、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。そして、制御部１６は、システムの各部を制御することにより、燃料電池装置の運転状態を制御している。
【００３３】
図４を用いて燃料電池装置１の起動における制御をフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
制御部１６に燃料電池装置１を起動する信号が伝わると燃料電池装置１が起動を開始する（Ｓ１０１）。まず、酸素含有ガスポンプ２１が作動し（Ｓ１０２）、燃料電池装置１（より詳しくはモジュール３）の内部に酸素含有ガス供給源２０から酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスポンプ２１は、起動開始後１分程度は、燃料電池装置１内に酸素含有ガスを充填させるために、例えば６０〜１００Ｌ／分で作動させ、その後は３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよく、常時３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよい。
【００３５】
次に、熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間に配置された加熱部１２を作動させる（Ｓ１０３）。それにより、燃料電池装置１から外部に排出される酸素含有ガスが温められ、モジュール３周辺の燃料電池装置１を構成する各部材が温められることとなる。そのため、燃料電池装置１の内部の温度が上昇する。なお、モジュール３の内部に設けられた着火部２７も同時に起動させることにより、モジュール３の内部を流れる酸素含有ガスをさらに温めることができ、モジュール３の内部に配置された各部材を温めることができる。そのため、燃料電池装置１の内部の温度をさらに上昇させることができるまた、Ｓ１０２とＳ１０３のとは順番が前後してもかまわない。
【００３６】
そして、第１の温度測定部１５ａにより測定された温度が所定の温度以上かどうかを検知する（Ｓ１０４）。所定の温度未満の場合、所定の温度以上になるまで検知を続ける。所定の温度以上と検知された場合、原燃料ポンプ１８を作動させる（Ｓ１０５）。原燃料ポンプ１８は、例えば、１．５〜３．０Ｌ／分で作動させればよい。この時に合わせて循環ポンプ２２を作動させてもよい。
【００３７】
所定の温度としては、第１の燃焼触媒７ａが排ガス中に含まれる有害成分としての可燃性ガスを燃焼または吸着させるのに必要な温度であればよく、上述したＲｂやＰｔが胆持した燃焼触媒であれば２００〜３５０℃とすることができる。第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂとしては、セラミックスや金属にＲｂやＰｔ等の金属元素が担持したものを用いることができ、ハニカム構造を有することで、表面積を大きくすることができる。
【００３８】
次に、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が所定の温度以上かどうかを検知する（Ｓ１０６）。所定の温度未満の場合、所定の温度以上になるまで検知を続ける。所定の温度以上と検知された場合、加熱部１２の作動を停止させる（Ｓ１０７）。それにより、第２の燃焼触媒７ｂにて、有害成分としての可燃性ガスを燃焼または吸着させることができ、燃料電池装置１の外部へ有害成分としての可燃性ガスが流出することを抑制することができる。所定の温度は、第１の燃焼触媒７ａと第２の燃焼触媒７ｂとを同様のものを用いる場合には、第１の温度測定部１５ａで規定した所定の温度と同等とすることができる。
【００３９】
このように制御することにより、加熱部１２の作動を停止させることにより、加熱部１２にて電力が消費されないこととなり、燃料電池装置１の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、モジュール３の内部に設けられたモジュール温度測定部２８の昇温速度が速くなった場合には、着火部２７によりモジュール３の内部で着火されたと判断し、着火部２７の作動を停止させてもよい。それにより、着火部２７にて消費される電力が使用されないこととなり、燃料電池装置１の発電効率を向上させることができる。さらに着火部２７にて着火されたと判定された後に循環ポンプ２５を作動させ、改質部１９に凝縮水を供給してもよい。
【００４１】
これらの制御を行い燃料電池装置１は、通常作動運転に移ることとなる。
【００４２】
他の制御方法としては、実験やシミュレーションにより供給する酸素含有ガスの量や原燃料の量により、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂが所定の温度に達するまでの時間をあらかじめ求めておき、そのデータテーブルに従い所定の時間を算出し、所定の時間が経過した後に加熱部１２の作動を止めるように制御してもよい。
【００４３】
燃料電池装置１の通常作動について説明する。燃料電池装置１は通常作動時において、原燃料供給源１７から供給された原燃料と、循環ラインＬ３から供給された凝縮水とにより改質部１９にて燃料ガスを改質する。そして、燃料ガスと、酸素含有ガス供給源２０から供給された酸素含有ガスとが燃料電池セルに供給されて燃料電池セルが発電する。燃料電池セルに供給される燃料ガスの中には、原燃料が気化した原燃料ガス（原燃料が気体だった場合には、温度の上昇した原燃料）が一部不純物として含まれる場合があるが、微量であるため燃料電池セルに悪影響を与えることはない。
【００４４】
そして、発電に使用されなかった燃料ガス（水素含有ガス）と一部不純物として含まれた原燃料ガスは、モジュール３の内部で酸素含有ガスと反応して燃焼されることとなる。この燃焼により生じた排ガスは、燃焼されなかった残余の可燃性ガス等の有害成分を含むこととなる。燃料電池装置１の通常作動時において、第２の燃焼触媒７ｂは、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度である２００〜３５０℃に制御されている。この制御としては、例えば、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度よりも高い場合には、酸素含有ガスの流量を増加させることや燃焼に使用される燃料ガスの量を減少するように制御することを例示できる。また、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度よりも低い場合には、酸素含有ガスの流量を減少させることや燃焼に使用される燃料ガスの量を増加するように制御することを例示できる。このように第２の燃焼触媒７ｂの温度を第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度に制御することにより、燃料電池装置１の外部に有害成分としての可燃性ガスが流出することを低減できる。また、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂを活性化温度付近に保持することで、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂを長寿命化することができる。
【００４５】
そして、排ガスラインＬ４を流れる排ガスは、熱交換器８により冷媒と熱交換され、温度の低下した排ガスが熱交換器８以降の排ガスラインＬ４を流れることとなる。燃料電池装置１においては、熱交換器８により冷やされた排ガスは３０〜５０℃に冷やされることとなる。
【００４６】
従来のように、加熱部１２を第２の燃焼触媒７ｂの近傍に配置すると、加熱部が高温下に曝されて寿命が短くなる場合があったが、燃料電池装置１のように、熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間に配置することで、温度の低い起動時においても、加熱部１２の熱により短時間で燃料電池装置１を温めることができるとともに、加熱部１２が熱交換器８よりも、排ガスの流れ方向から見て下流側に配置されていることから、加熱部１２が通常作動時に高温下に曝されることを低減して、加熱部１２を長寿命化することができる。そ
れにより、燃料電池装置１を長寿命化することができる。なお、加熱部１２は、熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間の排ガス排出流路１１内部に設けられているが、熱交換器８よりも下流にあればよい。また、第１の燃焼触媒７ａを温めることができる位置に配置されていればよく、第１の燃焼触媒７ａの上流の排ガス排出流路１１内部または第1の燃
焼触媒７ａを直接温める構成としてもよい。その場合においても、起動時の短い間のみ高温に曝されることとなるため、加熱部１２を長寿命化することができる。
【００４７】
図５を用いて燃料電池装置１における排ガスラインＬ４を詳細に説明する。
排ガスラインＬ４には、排ガスの流れ方向の上流側から見て、第２の燃焼触媒７ｂと、第２の燃焼触媒７ｂを通過した排ガスの温度を測定する第２の温度測定部１５ｂと、熱交換器８と、加熱部１２と、第１の温度測定部１５ａと、第１の燃焼触媒７ａ、排ガス排出口１４とを含む。
【００４８】
第１の温度測定部１５ａおよび第２の温度測定部１５ｂは、それぞれ第１の燃焼触媒７ａと第２の燃焼触媒７ｂとの温度を測定できればよい。また、第１の温度測定部１５ａと第２の温度測定部１５ｂとをそれぞれ第１の燃焼触媒７ａ、第２の燃焼触媒７ｂに直接設けてもよい。
【００４９】
熱交換器８としては、プレートフィン型の熱交換器の他、水流通路を形成する配管の外壁に複数のフィンを排ガス流通路と平行となるように設けた熱交換器等を用いることができる。
【００５０】
熱交換器８の側面の下部には、冷媒流入口１３ａが設けられており、熱交換器８の側面の上部には、冷媒排出口１３ｂが設けられている。そのため、熱交換器８の内部を冷媒は下方から上方へ向けて流れることとなる。
【００５１】
冷媒の流入量は、冷媒ポンプ２３により制御されており、熱交換器８から排出された排ガスの温度が３０〜５０℃となるように制御部１６により制御されている。このためには、熱交換器８の出口近傍に温度を測定するための熱交換器温度測定部を設けて制御すればよい。燃料電池装置１は、第１の温度測定部１５ａを有するため、第１の温度測定部１５ａにより測定された温度に基づいて制御を行なってもよい。これにより、燃料電池装置１を構成する部材数を減らすことができる。
【００５２】
冷媒の流入量の制御としては、例えば、第１の温度測定部１５ａで測定された温度（第１の燃焼触媒７ａの温度）が３０〜５０℃よりも高い場合は、冷媒の流入量を増加させ、第１の温度測定部１５ａで測定された温度が３０〜５０℃よりも低い場合は、冷媒の流入量を減少させればよい。
【００５３】
図５に示す例では、加熱部１２は、熱交換器８の下部に設けられている凝縮水分離部材１０の内部に配置されている。そのため、高温な排ガスに曝されることがないため、加熱部１２を長寿命化することができる。また、凝縮水分離部材１０の内部に配置されていることから、排ガスを直接温めることができ、燃料電池装置１の起動を早くすることができる。
【００５４】
配管からなる排ガス排出流路１１は、ゴムやプラスチックや金属管により作製することができる。ゴムやプラスチックにより作製することにより安価に作製することができる。
【００５５】
排ガス排出口１４は、燃料電池装置１を構成する外装ケース２に開口して設けられている。排ガス排出流路１１の出口付近、言い換えると排ガス排出口１４側に第１の温度測定部１５ａと第１の燃焼触媒７ａが設けられている。燃料電池装置１の起動時においては、
第１の燃焼触媒７ａを用いて有害成分としての可燃性ガスを燃焼または吸着させているため、排ガス排出口１４付近に人や動物等がいると検知した場合、警報を鳴らすように作動する警報装置を設けてもよい。
【００５６】
図６を用いて、本発明の第２の実施形態である燃料電池装置２９について説明する。なお、第１の実施形態と同じ部材については同じ符号を付しており、以降においても同様である。
【００５７】
燃料電池装置２９は、加熱部１２が凝縮水分離部材１０の底面に接するように設けられており、その他の構成は燃料電池装置１と同様である。
【００５８】
燃料電池装置２９においては、加熱部１２が凝縮水分離部材１０の底面に接するように設けられている。つまり、凝縮水分離部材１０の底面に加熱部１２が張り付けられている。そのため、凝縮水分離部材１０の内部を流れる排ガスに接することがない。それにより、排ガス中に含まれる有害成分としての残余の可燃性ガスや、水蒸気等に曝されることがないため、さらに加熱部１２を長寿命化することができる。それにより、さらに燃料電池装置２９を長寿命化することができる。
【００５９】
また、凝縮水分離部材１０は金属製の部材により作製することができ、起動時には、加熱部１２の熱が凝縮水分離部材１０を伝熱することにより、凝縮水分離部材１０の内部を通過する排ガスを温めることができる。さらに、金属製の部材により凝縮水分離部材１０が設けられることで、熱伝導率を向上させることができ、排ガスに効率的に熱を供給することができるため、燃料電池装置２９の起動をさらに早くすることができる。
【００６０】
なお、凝縮水分離部材１０の底面に接するように設ける例を示したが、凝縮水分離部材１０を覆うように全面にわたって、加熱部１２を設けてもよい。それにより、さらに排ガスを温めることができる。
【００６１】
図７を用いて、本発明の第３の実施形態である燃料電池装置３０について説明する。
【００６２】
燃料電池装置３０は、加熱部１２が排ガス排出流路１１の外面を覆うように設けられており、その他の構成は燃料電池装置１と同様である。
【００６３】
燃料電池装置３０においては、加熱部１２が排ガス排出流路１１を構成する配管の外面を覆うように設けられていることから、排ガス排出流路１１を流れる排ガスに接することがない。そのため、排ガス中に含まれる有害成分としての残余の可燃性ガスや、水蒸気等に曝されることがないため、さらに加熱部１２を長寿命化することができる。それにより、さらに燃料電池装置２０を長寿命化することができる。
【００６４】
排ガス排出流路１１の外面に加熱部１２を設ける場合には、排ガス排出流路１１を金属製の部材により作製することが好ましく、排ガス排出流路１１を伝熱することにより、排ガスを温めることができる。
【００６５】
また、加熱部１２を第１の燃焼触媒７ａが配置されている部位よりも、排ガスの流れ方向の上流側に設けることで、第１の燃焼触媒７ａにて有害成分として残余の可燃性ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱に加熱部１２が曝されない構成となる。それにより、加熱部１２を高寿命化することができる。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等
が可能である。
【００６７】
例えば、循環ラインＬ３を設けず改質器に直接水を供給する構成でもよい。それにより、燃料電池装置の起動時においても十分な量の水を供給することができる。また、冷媒ラインＬ５に冷媒供給源２２として給湯器を用いることにより、給湯器の水を温めるために熱交換させることにより、排ガスの温度を下げることができるとともに、給湯器に温められた湯を供給することができ、効率のよいコージェネレーションシステムとすることができる。
【００６８】
また、第２の温度測定部１５ｂを第２の燃焼触媒７ｂの排ガスの流れ方向から見て下流側に設け、第１の温度測定部１５ａを第１の燃焼触媒７ａの排ガスの流れ方向から見て上流側に設けた例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、第２の温度測定部１５ｂを第２の燃焼触媒７ｂの排ガスの流れ方向から見て上流側に設け、第１の温度測定部１５ａを第１の燃焼触媒７ａの排ガスの流れ方向から見て下流側に設けてもよい。燃焼触媒７ｂ、７ｂの下流側に第１の温度測定部１５ａ、第２の温度測定部１５ｂを設けることで、さらに第１の燃焼触媒７ｂ、第２の燃焼触媒７ｂを通過した際の排ガスの温度を正確に測定することができる。
【００６９】
なお、外装ケース２内の上部にモジュール収納室５を設け、下部に補機収納室６を設けた例を示したが、例えば、外装ケース２を仕切部材４により左右に区画するとともに、一方が燃料電池モジュール３を収納するモジュール収納室５、他方がモジュール３を作動させるための補機類を収納する補機収納室６とした燃料電池装置１とすることもできる。
【符号の説明】
【００７０】
１、２９、３０：燃料電池装置
２：外装ケース
３：燃料電池モジュール
４：仕切部材
５：燃料電池モジュール収納室
６：補機収納室
７ａ：第１の燃焼触媒
７ｂ：第２の燃焼触媒
８：熱交換器
９：断熱材
１０：凝縮水分離部材
１１：排ガス排出流路
１２：加熱部
１３ａ：冷媒流入口
１３ｂ：冷媒排出口
１４：排ガス排出口
１５ａ：第１の温度測定部
１５ｂ：第２の温度測定部
１６：制御装置
１７：原燃料供給源
２０：酸素含有ガス供給源
２２：冷媒供給源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（例えば、空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、排ガスに含まれる有害成分が燃料電池装置の外部に流出することを防ぐために、排ガス処理手段が排ガス排出流路における熱交換器の上流に設けられている。また、燃料電池装置の起動時において、燃焼触媒を備える排ガス処理手段を温めるために加熱部を設けた例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５９３７７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２のように燃焼触媒を活性化する所定の温度に温めるために、燃焼触媒に加熱部を設け、熱交換器の上流に燃焼触媒を配置した場合、燃料電池装置が通常作動する場合に、加熱部が常時高温に曝され続けるため、加熱部が劣化してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電し、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて排ガスを生成する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに接続されており、排ガスを流すための排ガス排出流路と、排ガス排出流路に設けられており、排ガスと冷媒とで熱交換を行なう熱交換器とを備える。また、熱交換器よりも下流側の排ガス排出流路に設けられ、排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第１の燃焼触媒と、熱交換器と、第１の燃焼触媒との間の排ガス排出流路に設けられた加熱部とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱交換器の下流側に第１の燃焼触媒が設けられており、熱交換器と、第１の燃焼触媒との間に排ガスを加熱するための加熱部が配置されていることから、加熱部が常時高温に曝されることを低減し、加熱部の寿命を延ばすことができる。それにより、燃料電池装置を長寿命化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池装置の一部を透視して示す概略図である。
【図３】図１に示す燃料電池装置のブロック図である。
【図４】図１に示す燃料電池装置の起動時における制御を示すフローチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池装置の一部を抜粋して示す概念図である。
【図６】本発明の他の実施形態である燃料電池装置の一部を抜粋して示す概念図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態である燃料電池装置の一部を抜粋して示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態である燃料電池装置１について図１〜３を用いて説明する。図１においては、一部外装ケース２を構成する側壁を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。
【００１０】
図１において、燃料電池装置１は、外装ケース２の内部における空間を上下に区切る仕切部材４の上部の空間が、複数の燃料電池セル（図示せず）を電気的に直列に接続してなるセルスタック（図示せず）を、収納容器（図示せず）内に収納してなる燃料電池モジュール３（以下、モジュール３と略す場合がある。）が配置された燃料電池モジュール収納室５（以下、モジュール収納室５と略す場合がある。）とされている。また、仕切部材４の下部の空間が、モジュール３を動作させるために必要な補機類（図示せず）を収納するための補機収納室６とされている。
【００１１】
モジュール収納室５のモジュール３の下部には、図２に示すように、補機収納室６を介してモジュール３の外部に連通する配管からなる排ガス排出流路１１が設けられている。この排ガス排出流路１１のモジュール収納室５側に第２の燃焼触媒７ｂが設けられており、補機収納室６側に熱交換器８が設けられている。
【００１２】
モジュール３は仕切部材４の上面に断熱部材９を介して配置されており、モジュール３内の熱が仕切部材４に輻射することを低減している。配管からなる排ガス排出管１１は断熱部材９を貫通している。図２においては、モジュール３の底面にのみ断熱部材９を配置した例を示したが、断熱部材９をモジュール３を覆うように全面に配置してもよい。それにより、さらにモジュール３内の熱がモジュール収納室５に輻射されることを低減できる。
【００１３】
また、第２の燃焼触媒７ｂは断熱部材９に囲まれるように設けることで、第２の燃焼触媒７ｂにて生じた燃焼熱をモジュール３を温めることに利用することができる。つまり、第２の燃焼触媒７ｂは、モジュール収納室５内に配置されることが好ましい。
【００１４】
図３を用いて燃料電池装置１の構成および燃料電池装置１を構成する部材について詳細に説明する。
【００１５】
燃料電池装置１は、モジュール３と、モジュール３に燃料ガスを供給するための原燃料供給源１７と、モジュール３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給源２０と、原燃料供給源１７から供給された原燃料を燃料ガスに水蒸気改質するための改質部１９と、モジュール３で生成した水蒸気を含む排ガスを燃料電池装置１の外部へ排出するための排ガス排出流路１１と、排ガス排出流路１１に設けられた排ガスと冷媒とを熱交換するための熱交換器８と、冷媒を供給するための冷媒供給源２２と、排ガスから凝縮された凝縮水を回収するための凝縮水回収部１０と、回収した凝縮水を貯水するための貯水タンク２４と、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段１９とを有する。また、排ガスを処理するための排ガス処理手段としての第２の燃焼触媒７ｂおよび第１の燃焼触媒７ａを有する。
【００１６】
モジュール３は、原燃量供給源１７から供給された原燃料を改質部１９にて改質触媒（
図示せず）を用いて水蒸気改質し、燃料ガス（水素含有ガス）に生成している。そして、生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給源２０から供給された酸素含有ガスとにより発電を行なっている。モジュール３は、燃料電池セル（図示せず）の複数個を電気的に直列に接続したセルスタック（図示せず）により発電しており、発電に使用されなかった燃料ガスは酸素含有ガス（空気）と反応して燃料電池セルの上方で燃焼され、水蒸気を含んだ排ガスが生成され、燃料電池装置１の外部へと排出される。上述した改質触媒としては、水蒸気改質をするにあたって一般的なものを用いることができ、例えば、ＰｔやＲｂが担持したものを用いることができる。
【００１７】
また、モジュール３の内部には、燃料電池セルの上方で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼するために、着火部２７が設けられている。着火部２７としては、電流を流すことで発熱するヒータ等を用いることができる。さらに、モジュール３の内部の温度を測定するためにモジュール温度測定部２８を設けてもよい。モジュール温度測定部２８としては、熱電対やサーミスタ等を例示することができる。
【００１８】
このようにモジュール３の内部は燃焼により高温な状態となることから、燃料電池装置１としては、作動温度が３５０〜７５０℃と高温な固体酸化物形燃料電池装置を用いることが好ましい。固体酸化物形燃料電池装置において、固体酸化物形燃料電池モジュールを燃焼熱により温めることで、固体酸化物形燃料電池装置の起動を早くすることができるとともに、高効率な発電効率とすることができる。
【００１９】
水蒸気を含んだ排ガスは、モジュール３から、排ガス排出流路１１の熱交換器８を通じて燃料電池装置１の外部に排出される。排ガスは水素含有ガスを燃焼させることにより生じるため、排ガス中には水蒸気が含まれることとなる。熱交換器８は、排ガスに含まれる水蒸気を冷媒により熱交換することで排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ凝縮水を生成している。熱交換器８により生成した凝縮水は、燃料電池装置内の凝縮水ラインＬ３に供給され、貯水タンク２４に貯水される。
【００２０】
凝縮水ラインＬ３は、熱交換器８により生成された凝縮水を改質部４に供給するための供給ラインであり、排ガスから凝縮水を分離するための凝縮水分離部材１０と、貯水タンク２４と、凝縮水からほこり等の不純物を取り除くための凝縮水処理部２５と、凝縮水ポンプ２６とを備えている。
【００２１】
凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水は、改質部１９にて燃料ガスを生成する際に使用される。つまり、改質部１９にて、原燃料供給源１７から供給される原燃料と、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水とにより、水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であることから、モジュール３の燃焼熱を利用して水蒸気改質を行なうことが好ましい。図３では、モジュール３の外部に改質部１９を設けた例を示しているが、モジュール３の内部に改質部１９を配置してもよい。それにより、モジュール３内の燃焼熱を効率よく利用することができる。
【００２２】
熱交換器８にて排ガスと熱交換する冷媒は冷媒ラインＬ５を循環しており、冷媒ラインＬ５は冷媒供給源２２および冷媒ポンプ２３を具備して構成されている。冷媒としては、例えば、水を利用することができ、その場合は冷媒供給源２２として水タンクを利用することができる。また、冷媒として水以外に他の液体を用いてもよく、窒素ガス等の気体を用いることもできる。
【００２３】
原燃料供給部は、原燃料供給ラインＬ１と、原燃料供給源１７と、原燃料ポンプ１８と、改質部１９とを含み、凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水を改質部１９に供給することにより燃料ガスを生成し、モジュール３に供給している。原燃料としては、都市ガス
（１３Ａガス）等の炭化水素系ガスや、石油等の液体燃料を用いることができる。原燃料供給源１７は、使用する原燃料にあわせてガスボンベやタンク等を使用することができる。このように、燃料ガス供給部は改質部１９を含むものであり、原燃料供給源１７や凝縮水ラインＬ３をも含んでいる。
【００２４】
酸素含有ガス供給部は、配管からなる酸素含有ガスラインＬ２と、酸素含有ガス供給源２０と、酸素含有ガスポンプ２１とを有している。酸素含有ガスとして、酸素や空気を用いることができ、酸素を用いる場合には酸素含有ガス供給源２０としてガスボンベを用いることができ、空気を用いる場合には酸素含有ガス供給源２０として外部と連通するような構成としてもよい。
【００２５】
排ガスラインＬ４は、配管からなる排ガス排出流路１１により構成されており、排ガス排出部は、排ガスラインＬ４と、排ガスの流れ方向の上流側から見て、第２の燃焼触媒７ｂと、第２の燃焼触媒７ｂを通過した排ガスの温度を測定する第２の温度測定部１５ｂと、熱交換器８と、加熱部１２と、第１の燃焼触媒７ａの上流側の排ガスの温度を測定する第１の温度測定部１５ａと、第１の燃焼触媒７ａと、排ガス排出口１４を含む。
【００２６】
燃料電池装置１は、モジュール収納室５内にモジュール３を収納し、補機収納室６内にモジュール３を動作させるための補機を収納している。
【００２７】
排ガスは、原燃料として都市ガス等の原燃料ガスを用いた場合には、原燃料ガスと、水蒸気と、改質触媒により生成された燃料ガス（水素）と、モジュール３内の不完全燃焼により生じたＣＯ（一酸化炭素）とを含む場合がある。
【００２８】
燃料電池装置１の外部に排ガスを排出する場合に、安全面および環境面から排ガス中に有害成分として、可燃性である原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯが排出されることは好ましくなく、排ガスラインＬ４には排ガス処理手段として燃焼触媒７ｂを設ける必要がある。また、原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯが燃料電池装置の外部に排出されることを低減するために、原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯを検知する検知部を燃焼触媒７ｂよりも排ガスの流れ方向の下流に設けてもよい。それにより、起動時および通常作動時に燃料電池装置１から外部へ原燃料ガス、燃料ガスおよびＣＯが流出することを検知することができる。
【００２９】
排ガス処理手段としては第２の燃焼触媒７ｂ等の燃焼触媒を挙げることができ、燃焼触媒は、可燃性ガスを燃焼させたり、吸着させたりするための触媒であれば一般的に用いられているものでよく、例えば、ＰｔやＲｂが担持した触媒を用いることができる。上述した触媒は、活性化温度が２００〜３００℃程度であるため、排ガスを処理するためにこの所定の温度まで加熱させることが好ましい。
【００３０】
そのため、燃料電池装置１は、第１の燃焼触媒７ａの温度を測定するための第１の温度測定部１５ａと、第２の燃焼触媒７ｂの温度を測定するための第２の温度測定部１５ｂとを備えており、排ガスを処理する排ガス処理部として作用させることができる。第１の温度測定部１５ａおよび第２の温度測定部１５ｂは、上述したモジュール温度測定部２８と同様のものを用いることができる。第１の燃焼触媒７ａと第２の燃焼触媒７ｂとは同様のものを用いてもよく、また、別の触媒が担持した異なる燃焼触媒としてもよい。第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂの温度を測定するとは、第１の温度測定部１５ａおよび第２の温度測定部１５ｂにより検出された温度に従って、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂを算出することを含む。
【００３１】
加熱部１２としては、電流を流すことで発熱するヒータ等を用いることができる。詳細
は後述するが、燃料電池装置１は、加熱部１２が熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間に配置されている。
【００３２】
制御部１６としては、例えば、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。そして、制御部１６は、システムの各部を制御することにより、燃料電池装置の運転状態を制御している。
【００３３】
図４を用いて燃料電池装置１の起動における制御をフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
制御部１６に燃料電池装置１を起動する信号が伝わると燃料電池装置１が起動を開始する（Ｓ１０１）。まず、酸素含有ガスポンプ２１が作動し（Ｓ１０２）、燃料電池装置１（より詳しくはモジュール３）の内部に酸素含有ガス供給源２０から酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスポンプ２１は、起動開始後１分程度は、燃料電池装置１内に酸素含有ガスを充填させるために、例えば６０〜１００Ｌ／分で作動させ、その後は３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよく、常時３０〜５０Ｌ／分で作動させてもよい。
【００３５】
次に、熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間に配置された加熱部１２を作動させる（Ｓ１０３）。それにより、燃料電池装置１から外部に排出される酸素含有ガスが温められ、モジュール３周辺の燃料電池装置１を構成する各部材が温められることとなる。そのため、燃料電池装置１の内部の温度が上昇する。なお、モジュール３の内部に設けられた着火部２７も同時に起動させることにより、モジュール３の内部を流れる酸素含有ガスをさらに温めることができ、モジュール３の内部に配置された各部材を温めることができる。そのため、燃料電池装置１の内部の温度をさらに上昇させることができるまた、Ｓ１０２とＳ１０３のとは順番が前後してもかまわない。
【００３６】
そして、第１の温度測定部１５ａにより測定された温度が所定の温度以上かどうかを検知する（Ｓ１０４）。所定の温度未満の場合、所定の温度以上になるまで検知を続ける。所定の温度以上と検知された場合、原燃料ポンプ１８を作動させる（Ｓ１０５）。原燃料ポンプ１８は、例えば、１．５〜３．０Ｌ／分で作動させればよい。この時に合わせて循環ポンプ２２を作動させてもよい。
【００３７】
所定の温度としては、第１の燃焼触媒７ａが排ガス中に含まれる有害成分としての可燃性ガスを燃焼または吸着させるのに必要な温度であればよく、上述したＲｂやＰｔが胆持した燃焼触媒であれば２００〜３５０℃とすることができる。第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂとしては、セラミックスや金属にＲｂやＰｔ等の金属元素が担持したものを用いることができ、ハニカム構造を有することで、表面積を大きくすることができる。
【００３８】
次に、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が所定の温度以上かどうかを検知する（Ｓ１０６）。所定の温度未満の場合、所定の温度以上になるまで検知を続ける。所定の温度以上と検知された場合、加熱部１２の作動を停止させる（Ｓ１０７）。それにより、第２の燃焼触媒７ｂにて、有害成分としての可燃性ガスを燃焼または吸着させることができ、燃料電池装置１の外部へ有害成分としての可燃性ガスが流出することを抑制することができる。所定の温度は、第１の燃焼触媒７ａと第２の燃焼触媒７ｂとを同様のものを用いる場合には、第１の温度測定部１５ａで規定した所定の温度と同等とすることができる。
【００３９】
このように制御することにより、加熱部１２の作動を停止させることにより、加熱部１２にて電力が消費されないこととなり、燃料電池装置１の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、モジュール３の内部に設けられたモジュール温度測定部２８の昇温速度が速くなった場合には、着火部２７によりモジュール３の内部で着火されたと判断し、着火部２７の作動を停止させてもよい。それにより、着火部２７にて消費される電力が使用されないこととなり、燃料電池装置１の発電効率を向上させることができる。さらに着火部２７にて着火されたと判定された後に循環ポンプ２５を作動させ、改質部１９に凝縮水を供給してもよい。
【００４１】
これらの制御を行い燃料電池装置１は、通常作動運転に移ることとなる。
【００４２】
他の制御方法としては、実験やシミュレーションにより供給する酸素含有ガスの量や原燃料の量により、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂが所定の温度に達するまでの時間をあらかじめ求めておき、そのデータテーブルに従い所定の時間を算出し、所定の時間が経過した後に加熱部１２の作動を止めるように制御してもよい。
【００４３】
燃料電池装置１の通常作動について説明する。燃料電池装置１は通常作動時において、原燃料供給源１７から供給された原燃料と、循環ラインＬ３から供給された凝縮水とにより改質部１９にて燃料ガスを改質する。そして、燃料ガスと、酸素含有ガス供給源２０から供給された酸素含有ガスとが燃料電池セルに供給されて燃料電池セルが発電する。燃料電池セルに供給される燃料ガスの中には、原燃料が気化した原燃料ガス（原燃料が気体だった場合には、温度の上昇した原燃料）が一部不純物として含まれる場合があるが、微量であるため燃料電池セルに悪影響を与えることはない。
【００４４】
そして、発電に使用されなかった燃料ガス（水素含有ガス）と一部不純物として含まれた原燃料ガスは、モジュール３の内部で酸素含有ガスと反応して燃焼されることとなる。この燃焼により生じた排ガスは、燃焼されなかった残余の可燃性ガス等の有害成分を含むこととなる。燃料電池装置１の通常作動時において、第２の燃焼触媒７ｂは、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度である２００〜３５０℃に制御されている。この制御としては、例えば、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度よりも高い場合には、酸素含有ガスの流量を増加させることや燃焼に使用される燃料ガスの量を減少するように制御することを例示できる。また、第２の温度測定部１５ｂにより測定された温度が第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度よりも低い場合には、酸素含有ガスの流量を減少させることや燃焼に使用される燃料ガスの量を増加するように制御することを例示できる。このように第２の燃焼触媒７ｂの温度を第２の燃焼触媒７ｂの活性化温度に制御することにより、燃料電池装置１の外部に有害成分としての可燃性ガスが流出することを低減できる。また、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂを活性化温度付近に保持することで、第１の燃焼触媒７ａおよび第２の燃焼触媒７ｂを長寿命化することができる。
【００４５】
そして、排ガスラインＬ４を流れる排ガスは、熱交換器８により冷媒と熱交換され、温度の低下した排ガスが熱交換器８以降の排ガスラインＬ４を流れることとなる。燃料電池装置１においては、熱交換器８により冷やされた排ガスは３０〜５０℃に冷やされることとなる。
【００４６】
従来のように、加熱部１２を第２の燃焼触媒７ｂの近傍に配置すると、加熱部が高温下に曝されて寿命が短くなる場合があったが、燃料電池装置１のように、熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間に配置することで、温度の低い起動時においても、加熱部１２の熱により短時間で燃料電池装置１を温めることができるとともに、加熱部１２が熱交換器８よりも、排ガスの流れ方向から見て下流側に配置されていることから、加熱部１２が通常作動時に高温下に曝されることを低減して、加熱部１２を長寿命化することができる。そ
れにより、燃料電池装置１を長寿命化することができる。なお、加熱部１２は、熱交換器８と第１の燃焼触媒７ａとの間の排ガス排出流路１１内部に設けられているが、熱交換器８よりも下流にあればよい。また、第１の燃焼触媒７ａを温めることができる位置に配置されていればよく、第１の燃焼触媒７ａの上流の排ガス排出流路１１内部または第1の燃
焼触媒７ａを直接温める構成としてもよい。その場合においても、起動時の短い間のみ高温に曝されることとなるため、加熱部１２を長寿命化することができる。
【００４７】
図５を用いて燃料電池装置１における排ガスラインＬ４を詳細に説明する。
排ガスラインＬ４には、排ガスの流れ方向の上流側から見て、第２の燃焼触媒７ｂと、第２の燃焼触媒７ｂを通過した排ガスの温度を測定する第２の温度測定部１５ｂと、熱交換器８と、加熱部１２と、第１の温度測定部１５ａと、第１の燃焼触媒７ａ、排ガス排出口１４とを含む。
【００４８】
第１の温度測定部１５ａおよび第２の温度測定部１５ｂは、それぞれ第１の燃焼触媒７ａと第２の燃焼触媒７ｂとの温度を測定できればよい。また、第１の温度測定部１５ａと第２の温度測定部１５ｂとをそれぞれ第１の燃焼触媒７ａ、第２の燃焼触媒７ｂに直接設けてもよい。
【００４９】
熱交換器８としては、プレートフィン型の熱交換器の他、水流通路を形成する配管の外壁に複数のフィンを排ガス流通路と平行となるように設けた熱交換器等を用いることができる。
【００５０】
熱交換器８の側面の下部には、冷媒流入口１３ａが設けられており、熱交換器８の側面の上部には、冷媒排出口１３ｂが設けられている。そのため、熱交換器８の内部を冷媒は下方から上方へ向けて流れることとなる。
【００５１】
冷媒の流入量は、冷媒ポンプ２３により制御されており、熱交換器８から排出された排ガスの温度が３０〜５０℃となるように制御部１６により制御されている。このためには、熱交換器８の出口近傍に温度を測定するための熱交換器温度測定部を設けて制御すればよい。燃料電池装置１は、第１の温度測定部１５ａを有するため、第１の温度測定部１５ａにより測定された温度に基づいて制御を行なってもよい。これにより、燃料電池装置１を構成する部材数を減らすことができる。
【００５２】
冷媒の流入量の制御としては、例えば、第１の温度測定部１５ａで測定された温度（第１の燃焼触媒７ａの温度）が３０〜５０℃よりも高い場合は、冷媒の流入量を増加させ、第１の温度測定部１５ａで測定された温度が３０〜５０℃よりも低い場合は、冷媒の流入量を減少させればよい。
【００５３】
図５に示す例では、加熱部１２は、熱交換器８の下部に設けられている凝縮水分離部材１０の内部に配置されている。そのため、高温な排ガスに曝されることがないため、加熱部１２を長寿命化することができる。また、凝縮水分離部材１０の内部に配置されていることから、排ガスを直接温めることができ、燃料電池装置１の起動を早くすることができる。
【００５４】
配管からなる排ガス排出流路１１は、ゴムやプラスチックや金属管により作製することができる。ゴムやプラスチックにより作製することにより安価に作製することができる。
【００５５】
排ガス排出口１４は、燃料電池装置１を構成する外装ケース２に開口して設けられている。排ガス排出流路１１の出口付近、言い換えると排ガス排出口１４側に第１の温度測定部１５ａと第１の燃焼触媒７ａが設けられている。燃料電池装置１の起動時においては、
第１の燃焼触媒７ａを用いて有害成分としての可燃性ガスを燃焼または吸着させているため、排ガス排出口１４付近に人や動物等がいると検知した場合、警報を鳴らすように作動する警報装置を設けてもよい。
【００５６】
図６を用いて、本発明の第２の実施形態である燃料電池装置２９について説明する。なお、第１の実施形態と同じ部材については同じ符号を付しており、以降においても同様である。
【００５７】
燃料電池装置２９は、加熱部１２が凝縮水分離部材１０の底面に接するように設けられており、その他の構成は燃料電池装置１と同様である。
【００５８】
燃料電池装置２９においては、加熱部１２が凝縮水分離部材１０の底面に接するように設けられている。つまり、凝縮水分離部材１０の底面に加熱部１２が張り付けられている。そのため、凝縮水分離部材１０の内部を流れる排ガスに接することがない。それにより、排ガス中に含まれる有害成分としての残余の可燃性ガスや、水蒸気等に曝されることがないため、さらに加熱部１２を長寿命化することができる。それにより、さらに燃料電池装置２９を長寿命化することができる。
【００５９】
また、凝縮水分離部材１０は金属製の部材により作製することができ、起動時には、加熱部１２の熱が凝縮水分離部材１０を伝熱することにより、凝縮水分離部材１０の内部を通過する排ガスを温めることができる。さらに、金属製の部材により凝縮水分離部材１０が設けられることで、熱伝導率を向上させることができ、排ガスに効率的に熱を供給することができるため、燃料電池装置２９の起動をさらに早くすることができる。
【００６０】
なお、凝縮水分離部材１０の底面に接するように設ける例を示したが、凝縮水分離部材１０を覆うように全面にわたって、加熱部１２を設けてもよい。それにより、さらに排ガスを温めることができる。
【００６１】
図７を用いて、本発明の第３の実施形態である燃料電池装置３０について説明する。
【００６２】
燃料電池装置３０は、加熱部１２が排ガス排出流路１１の外面を覆うように設けられており、その他の構成は燃料電池装置１と同様である。
【００６３】
燃料電池装置３０においては、加熱部１２が排ガス排出流路１１を構成する配管の外面を覆うように設けられていることから、排ガス排出流路１１を流れる排ガスに接することがない。そのため、排ガス中に含まれる有害成分としての残余の可燃性ガスや、水蒸気等に曝されることがないため、さらに加熱部１２を長寿命化することができる。それにより、さらに燃料電池装置２０を長寿命化することができる。
【００６４】
排ガス排出流路１１の外面に加熱部１２を設ける場合には、排ガス排出流路１１を金属製の部材により作製することが好ましく、排ガス排出流路１１を伝熱することにより、排ガスを温めることができる。
【００６５】
また、加熱部１２を第１の燃焼触媒７ａが配置されている部位よりも、排ガスの流れ方向の上流側に設けることで、第１の燃焼触媒７ａにて有害成分として残余の可燃性ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱に加熱部１２が曝されない構成となる。それにより、加熱部１２を高寿命化することができる。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等
が可能である。
【００６７】
例えば、循環ラインＬ３を設けず改質器に直接水を供給する構成でもよい。それにより、燃料電池装置の起動時においても十分な量の水を供給することができる。また、冷媒ラインＬ５に冷媒供給源２２として給湯器を用いることにより、給湯器の水を温めるために熱交換させることにより、排ガスの温度を下げることができるとともに、給湯器に温められた湯を供給することができ、効率のよいコージェネレーションシステムとすることができる。
【００６８】
また、第２の温度測定部１５ｂを第２の燃焼触媒７ｂの排ガスの流れ方向から見て下流側に設け、第１の温度測定部１５ａを第１の燃焼触媒７ａの排ガスの流れ方向から見て上流側に設けた例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、第２の温度測定部１５ｂを第２の燃焼触媒７ｂの排ガスの流れ方向から見て上流側に設け、第１の温度測定部１５ａを第１の燃焼触媒７ａの排ガスの流れ方向から見て下流側に設けてもよい。燃焼触媒７ｂ、７ｂの下流側に第１の温度測定部１５ａ、第２の温度測定部１５ｂを設けることで、さらに第１の燃焼触媒７ｂ、第２の燃焼触媒７ｂを通過した際の排ガスの温度を正確に測定することができる。
【００６９】
なお、外装ケース２内の上部にモジュール収納室５を設け、下部に補機収納室６を設けた例を示したが、例えば、外装ケース２を仕切部材４により左右に区画するとともに、一方が燃料電池モジュール３を収納するモジュール収納室５、他方がモジュール３を作動させるための補機類を収納する補機収納室６とした燃料電池装置１とすることもできる。
【符号の説明】
【００７０】
１、２９、３０：燃料電池装置
２：外装ケース
３：燃料電池モジュール
４：仕切部材
５：燃料電池モジュール収納室
６：補機収納室
７ａ：第１の燃焼触媒
７ｂ：第２の燃焼触媒
８：熱交換器
９：断熱材
１０：凝縮水分離部材
１１：排ガス排出流路
１２：加熱部
１３ａ：冷媒流入口
１３ｂ：冷媒排出口
１４：排ガス排出口
１５ａ：第１の温度測定部
１５ｂ：第２の温度測定部
１６：制御装置
１７：原燃料供給源
２０：酸素含有ガス供給源
２２：冷媒供給源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電し、発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させて排ガスを生成する燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュールに接続されており、前記排ガスを流すための排ガス排出流路と、
該排ガス排出流路に設けられており、前記排ガスと冷媒とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器よりも下流側の前記排ガス排出流路に設けられ、前記排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第１の燃焼触媒と、
前記熱交換器と、前記第１の燃焼触媒との間の前記排ガス排出流路に設けられた加熱部と、
を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池モジュールに前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、
前記第１の燃焼触媒の温度を測定する温度測定部と、
起動時において、前記酸素含有ガス供給部と前記加熱部とを作動させ、前記熱交換器を通過した前記酸素含有ガスを前記加熱部にて加熱し、加熱された前記酸素含有ガスにて前記第１の燃焼触媒の温度を高めるとともに、前記温度測定部にて測定された前記第１の燃焼触媒の温度が前記有害成分を吸着可能な温度となったとき、前記燃料ガス供給部を作動させる制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池モジュールと前記熱交換器との間の前記排ガス排出流路に設けられ、前記排ガスに含まれる前記有害成分を吸着させる第２の燃焼触媒をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第２の燃焼触媒の温度を測定する第２の温度測定部をさらに有し、
前記制御部は、前記第２の温度測定部により測定された温度が前記有害成分を吸着可能な温度となったとき、前記加熱部の作動を停止させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電し、発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させて排ガスを生成する燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュールに接続されており、前記排ガスを流すための排ガス排出流路と、
該排ガス排出流路に設けられており、前記排ガスと冷媒とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器よりも下流側の前記排ガス排出流路に設けられ、前記排ガスに含まれる有害成分を吸着させる第１の燃焼触媒と、
前記熱交換器と、前記第１の燃焼触媒との間の前記排ガス排出流路に設けられた加熱部と、
を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池モジュールに前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、
前記第１の燃焼触媒の温度を測定する温度測定部と、
起動時において、前記酸素含有ガス供給部と前記加熱部とを作動させ、前記熱交換器を通過した前記酸素含有ガスを前記加熱部にて加熱し、加熱された前記酸素含有ガスにて前記第１の燃焼触媒の温度を高めるとともに、前記温度測定部にて測定された前記第１の燃焼触媒の温度が前記有害成分を吸着可能な温度となったとき、前記燃料ガス供給部を作動させる制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池モジュールと前記熱交換器との間の前記排ガス排出流路に設けられ、前記排ガスに含まれる前記有害成分を吸着させる第２の燃焼触媒をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第２の燃焼触媒の温度を測定する第２の温度測定部をさらに有し、
前記制御部は、前記第２の温度測定部により測定された温度が前記有害成分を吸着可能な温度となったとき、前記加熱部の作動を停止させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【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２０１２−１４２１１２（Ｐ２０１２−１４２１１２Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２５６９（Ｐ２０１０−２９２５６９）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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