特許 6461714 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6461714

(24)【登録日】2019年1月11日

(45)【発行日】2019年1月30日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20190121BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20190121BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20190121BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/0606

   H01M8/12

   H01M8/04 H

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-109290(P2015-109290)

(22)【出願日】2015年5月29日

(65)【公開番号】特開2016-225094(P2016-225094A)

(43)【公開日】2016年12月28日

【審査請求日】2018年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110847

【弁理士】

【氏名又は名称】松阪 正弘

(74)【代理人】

【識別番号】100136526

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100136755

【弁理士】

【氏名又は名称】井田 正道

(72)【発明者】

【氏名】橋本 大祐

(72)【発明者】

【氏名】八木 厚太郎

(72)【発明者】

【氏名】若宮 和輝

(72)【発明者】

【氏名】川見 真人

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／１２２１２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−２３１７８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０６０６

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
内部空間に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、
前記ハウジングの前記内部空間に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
を備え、
前記燃料電池が、
燃料ガス供給管により前記改質器に接続され、前記改質器からの前記燃料ガスを前記燃料ガス供給管を介して負極に導入する燃料ガス導入口と、
負極排ガス排出管に接続され、前記負極から排出された負極排ガスを前記負極排ガス排出管を介して前記ハウジング外に排出する負極排ガス排出口と、
前記ハウジングの前記内部空間に対して開放され、前記内部空間内の前記酸化剤ガスを正極に導入する酸化剤ガス導入口と、
前記ハウジング外にて前記負極排ガス排出管と合流する正極排ガス排出管に接続され、前記正極から排出された正極排ガスを前記正極排ガス排出管を介して前記ハウジング外に排出する正極排ガス排出口と、
を備え、
前記酸化剤ガス供給部から前記ハウジングの前記内部空間に供給される前記酸化剤ガスの流量は、前記ハウジングの前記内部空間の圧力が前記燃料電池の内部の圧力よりも高くなるように設定されることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
合流後の前記負極排ガスおよび前記正極排ガスの流量に基づいて前記酸化剤ガス供給部を制御する供給制御部をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項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、
合流後の前記負極排ガスおよび前記正極排ガスを燃焼させる排ガス燃焼部をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項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、
前記燃料電池と同様の構造を有する他の燃料電池が、前記ハウジングの前記内部空間に収容されることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が、固体酸化物形燃料電池であり、
前記酸化剤ガス供給部が、前記酸化剤ガスである酸素を含む空気を、前記ハウジングの前記内部空間に供給することを特徴とする燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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。例えば、特許文献１の溶融炭酸塩型燃料電池では、燃料電池積層体と、当該燃料電池積層体に反応ガスを導入するマニホールドが容器内に密閉される。当該容器内には、燃料電池の反応に関与しないカバーガスが充填されており、当該カバーガスの圧力が反応ガスの圧力以上とされることにより、燃料電池積層体から容器内に反応ガスが漏出することが抑制される。

【0003】

特許文献２の常圧型燃料電池では、燃料電池積層体の４つの側面に反応ガスマニホールドが設けられ、４つのコーナー部にリークガス対策用マニホールドが設けられる。そして、リークガス対策用マニホールド内に圧力の高い窒素ガスが充填されることにより、反応ガスがリークガス対策用マニホールド内に漏出することが抑制される。

【0004】

一方、特許文献３の燃料電池スタックモジュールでは、ケース内部において、複数の燃料電池スタックが周方向に接触しつつ環状に配置される。各燃料電池スタックの底部には燃料注入口および燃料排出口が設けられる。また、ケース内部において、環状に配置された複数の燃料電池スタックの径方向外側の空間に空気が注入され、当該空気が複数の燃料電池スタックを通過して径方向内側の空間へと移動する。

【0005】

また、特許文献４の複合発電システムでは、発電を停止して常温・常圧の停止状態へと移行する過程において、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の燃料極および空気極が負圧になることを防止するために、燃料供給系および酸化性ガス供給系の系内に圧力調整用ガスが供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１−２７６５６６号公報

【特許文献2】特開平６−１２４７２３号公報

【特許文献3】特表２０１０−５３４９１３号公報

【特許文献4】特開２０１４−８９８２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、特許文献１のような溶融炭酸塩型燃料電池では、燃料電池の反応に関与しないカバーガスを容器内に高圧にて充填する構成を設ける必要があるため、燃料電池の構造が複雑化するおそれがある。また、特許文献２のような常圧型燃料電池では、リークガス対策用マニホールドを設ける必要があり、さらに、リークガス対策用マニホールドに窒素ガスを高圧にて充填する構成も設ける必要もあるため、やはり燃料電池の構造が複雑化するおそれがある。

【0008】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池システムの構造が複雑化することを抑制しつつ、燃料ガスが燃料電池から漏出することを防止することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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、内部空間に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、前記ハウジングの前記内部空間に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とを備え、前記燃料電池が、燃料ガス供給管により前記改質器に接続され、前記改質器からの前記燃料ガスを前記燃料ガス供給管を介して負極に導入する燃料ガス導入口と、負極排ガス排出管に接続され、前記負極から排出された負極排ガスを前記負極排ガス排出管を介して前記ハウジング外に排出する負極排ガス排出口と、前記ハウジングの前記内部空間に対して開放され、前記内部空間内の前記酸化剤ガスを正極に導入する酸化剤ガス導入口と、前記ハウジング外にて前記負極排ガス排出管と合流する正極排ガス排出管に接続され、前記正極から排出された正極排ガスを前記正極排ガス排出管を介して前記ハウジング外に排出する正極排ガス排出口とを備え、前記酸化剤ガス供給部から前記ハウジングの前記内部空間に供給される前記酸化剤ガスの流量は、前記ハウジングの前記内部空間の圧力が前記燃料電池の内部の圧力よりも高くなるように設定される。

【0010】

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、合流後の前記負極排ガスおよび前記正極排ガスの流量に基づいて前記酸化剤ガス供給部を制御する供給制御部をさらに備える。

【0011】

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、合流後の前記負極排ガスおよび前記正極排ガスを燃焼させる排ガス燃焼部をさらに備える。

【0012】

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、前記燃料電池と同様の構造を有する他の燃料電池が、前記ハウジングの前記内部空間に収容される。

【0013】

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池が、固体酸化物形燃料電池であり、前記酸化剤ガス供給部が、前記酸化剤ガスである酸素を含む空気を、前記ハウジングの前記内部空間に供給する。

【発明の効果】

【0014】

本発明では、燃料電池システムの構造が複雑化することを抑制しつつ、燃料ガスが燃料電池から漏出することを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一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2】一の燃料電池を拡大して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、本発明の一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、燃料電池を用いて発電を行う発電システムである。燃料電池システム１は、ホットモジュール２と、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、水供給部３１と、加熱用流体生成部３３と、供給制御部５１とを備える。

【0017】

ホットモジュール２は、ハウジング２１と、改質器２２と、複数の燃料電池２３と、昇温部２４とを備える。ハウジング２１は、例えば、略直方体状の筐体である。図１では、燃料電池システム１の一部の構成（例えば、ハウジング２１）を断面にて示す。ハウジング２１の内面２１１は、断熱性が比較的高い断熱材料（例えば、ロックウール）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。

【0018】

ハウジング２１には、供給ポート２１３が設けられる。供給ポート２１３は、酸化剤ガス供給管２５３を介して、ハウジング２１外に配置されるブロワ４３に接続される。酸化剤ガス供給管２５３上には、第２熱交換器４４が設けられる。ブロワ４３により、酸化剤ガスである酸素を含む空気が、酸化剤ガス供給管２５３および供給ポート２１３を介してハウジング２１の内部空間２１０に供給される。換言すれば、ブロワ４３は、ハウジング２１の内部空間２１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部である。ブロワ４３には、ブロワ４３から内部空間２１０に供給される空気の流量を制御する供給制御部５１が接続される。

【0019】

ハウジング２１の内部空間２１０には、改質器２２、複数の燃料電池２３および昇温部２４が収容される。昇温部２４は、後述する燃料電池システム１の起動運転時に利用される。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、硫黄系不純物や窒素系不純物）が除去される。

【0020】

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１に示す例では、改質器２２により、原燃料である都市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からの改質ガスは、ハウジング２１内にて分岐する燃料ガス供給管２５１により、複数の燃料電池２３へと導かれる。

【0021】

図１に示す例では、ハウジング２１の内部空間２１０に１２個の燃料電池２３が収容される。複数の燃料電池２３はそれぞれ、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。各燃料電池２３の負極（アノード）には上述の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、各燃料電池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。

【0022】

図２は、上述の複数の燃料電池２３のうち、一の燃料電池２３を拡大して示す図である。燃料電池２３は、負極および正極を有する燃料電池本体２３１と、燃料ガス導入口２３４と、負極排ガス排出口２３５と、酸化剤ガス導入口２３６と、正極排ガス排出口２３７とを備える。燃料ガス導入口２３４は、燃料ガス供給管２５１により改質器２２に接続される。負極排ガス排出口２３５は、負極排ガス排出管２５２に接続される。酸化剤ガス導入口２３６は、ハウジング２１の内部空間２１０に対して開放される。すなわち、酸化剤ガス導入口２３６には、配管は接続されていない。正極排ガス排出口２３７は、正極排ガス排出管２５４に接続される。

【0023】

図２では、燃料ガス供給管２５１、負極排ガス排出管２５２および正極排ガス排出管２５４を介して燃料電池２３に接続される他の構成（すなわち、改質器２２、凝縮部４５および排ガス燃焼部４７）、並びに、ハウジング２１（破線にて示す。）も併せて図示している。図２では、一の燃料電池２３を代表として図示しているが、ハウジング２１の内部空間２１０に収容される他の燃料電池２３も、図２に示す燃料電池２３と同様の構造を有する。また、改質器２２、凝縮部４５および排ガス燃焼部４７に対する当該他の燃料電池２３の接続態様についても、図２に示す燃料電池２３と同様である。

【0024】

燃料電池システム１では、改質器２２からの燃料ガスを含む改質ガスが、燃料ガス供給管２５１を介して燃料ガス導入口２３４へと導かれ、燃料ガス導入口２３４から燃料電池本体２３１の負極へと導入される。

【0025】

燃料電池本体２３１の負極から排出されるガスである負極排ガスは、負極排ガス排出口２３５から負極排ガス排出管２５２を介してハウジング２１外に排出される。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。

【0026】

図１に示すように、複数の燃料電池２３の負極からそれぞれ排出された負極排ガスは、ハウジング２１内において分岐している負極排ガス排出管２５２により集められ、ハウジング２１外へと導かれる。負極排ガスは、ハウジング２１外において負極排ガス排出管２５２により第１熱交換器４２へと導かれる。第１熱交換器４２では、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、原燃料供給源４８から改質器２２に供給される原燃料が予備加熱される。

【0027】

第１熱交換器４２を通過した負極排ガスは、負極排ガス排出管２５２により凝縮部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、水供給管４５１を介して水蒸気生成部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、水蒸気供給管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。一方、凝縮部４５を通過した負極排ガスは、排ガス燃焼部４７へと導かれる。

【0028】

燃料電池システム１では、上述のように、ブロワ４３によりハウジング２１の内部空間２１０内へと空気が供給される。ブロワ４３から内部空間２１０に供給される空気の流量は、ハウジング２１の内部空間２１０の圧力が各燃料電池２３の内部の圧力よりも高くなるように設定される。具体的には、内部空間２１０における各燃料電池２３の外部の圧力が、各燃料電池２３の内部において空気が流れる流路（すなわち、正極流路）内の圧力よりも高くなる。これにより、酸化剤ガスを含む内部空間２１０内の空気が、図２に示すように内部空間２１０に対して開放されている酸化剤ガス導入口２３６を介して、燃料電池本体２３１の正極へと導入される。

【0029】

燃料電池本体２３１の正極から排出されるガスである正極排ガスは、正極排ガス排出口２３７から正極排ガス排出管２５４を介してハウジング２１外に排出される。図１に示すように、複数の燃料電池２３の正極からそれぞれ排出された正極排ガスは、ハウジング２１内において分岐している正極排ガス排出管２５４により集められ、ハウジング２１外へと導かれる。正極排ガスは、ハウジング２１外において正極排ガス排出管２５４により第２熱交換器４４へと導かれる。第２熱交換器４４では、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、ブロワ４３からハウジング２１の内部空間２１０に供給される空気が予備加熱される。

【0030】

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にハウジング２１外にて合流する。合流点４７１では、凝縮部４５を通過した負極排ガスと、第２熱交換器４４を通過した正極排ガスとが合流する。以下の説明では、合流点４７１における合流後の負極排ガスおよび正極排ガスを「合流排ガス」という。合流排ガスの圧力は、図２に示す負極排ガス排出口２３５における負極排ガスの圧力、および、正極排ガス排出口２３７における正極排ガスの圧力とおよそ等しい。したがって、負極排ガス排出口２３５における負極排ガスの圧力と正極排ガス排出口２３７における正極排ガスの圧力とは、互いにおよそ等しい。

【0031】

図１に示す排ガス燃焼部４７では、合流後の負極排ガスおよび正極排ガス（以下、「合流排ガス」という。）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を通過した合流排ガスは、燃料電池システム１の外部へと排出される。排ガス燃焼部４７における合流排ガスの燃焼により、燃料ガスが燃料電池システム１の外部に流出することを防止（または抑制）することができる。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てもよい。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の加熱等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。

【0032】

燃料電池システム１の定常運転では、上述のように、複数の燃料電池２３のそれぞれにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電が行われる。複数の燃料電池２３における発電の際に発生した熱は、改質器２２に付与される。複数の燃料電池２３から改質器２２に付与された熱は、改質器２２における原燃料の水蒸気改質等に利用される。

【0033】

また、燃料電池システム１の定常運転では、上述のように、複数の燃料電池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、複数の燃料電池２３から排出された正極排ガスを利用して、各燃料電池２３に供給される空気の予備加熱が行われる。これにより、燃料電池システム１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、燃料電池システム１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システム１では、熱自立運転および水自立運転が可能である。

【0034】

以上に説明したように、燃料電池システム１の燃料電池２３は、燃料ガス導入口２３４と、負極排ガス排出口２３５と、酸化剤ガス導入口２３６と、正極排ガス排出口２３７とを備える。燃料ガス導入口２３４は、燃料ガス供給管２５１により改質器２２に接続され、改質器２２からの燃料ガスを燃料ガス供給管２５１を介して負極に導入する。負極排ガス排出口２３５は、負極排ガス排出管２５２に接続され、負極から排出された負極排ガスを負極排ガス排出管２５２を介してハウジング２１外に排出する。酸化剤ガス導入口２３６は、ハウジング２１の内部空間２１０に対して開放され、内部空間２１０内の酸化剤ガスを正極に導入する。正極排ガス排出口２３７は、ハウジング２１外にて負極排ガス排出管２５２と合流する正極排ガス排出管２５４に接続され、正極から排出された正極排ガスを正極排ガス排出管２５４を介してハウジング２１外に排出する。

【0035】

燃料電池システム１では、上述の燃料電池２３に対する燃料ガスの供給および排出、並びに、酸化剤ガスの供給および排出が実現されるように、ブロワ４３からハウジング２１の内部空間２１０に供給される空気の流量が設定され、ハウジング２１の内部空間２１０の圧力が、燃料電池２３の内部の圧力よりも高くなる。

【0036】

具体的には、上述のように、内部空間２１０における燃料電池２３の周囲の空気の圧力が、燃料電池２３の内部において空気が流れる正極流路内の圧力（すなわち、各燃料電池２３内の空気の圧力）よりも高い。このため、ハウジング２１の内部空間２１０に対して開放された酸化剤ガス導入口２３６から、燃料電池２３の正極に好適に酸化剤ガスを導入することができる。また、内部空間２１０における燃料電池２３の周囲の空気の圧力が、燃料電池２３の内部において改質ガスが流れる負極流路内の圧力（すなわち、各燃料電池２３内の改質ガスの圧力）よりも高い。このため、燃料ガスを含む改質ガスが、燃料電池２３から周囲に漏出することを防止することができる。これにより、燃料電池２３において、改質器２２から供給された燃料ガスを効率良く利用することができる。その結果、燃料電池２３の発電効率を向上することができる。

【0037】

燃料電池システム１では、上述のように、燃料電池２３の酸化剤ガス導入口２３６をハウジング２１の内部空間２１０に対して開放した状態で、燃料電池２３の正極に好適に酸化剤ガスを導入することができる。このため、ハウジング２１内において、酸化剤ガスを酸化剤ガス導入口２３６へと導く配管を省略することができる。その結果、燃料電池システム１の構造が複雑化することを抑制し、簡素な構造の燃料電池システム１を提供することができる。

【0038】

また、燃料電池システム１では、同様の構造を有する複数の燃料電池２３が、ハウジング２１の内部空間２１０に収容される。このため、ハウジング２１内において、複数の燃料電池２３のそれぞれの酸化剤ガス導入口２３６に酸化剤ガスを導く配管が省略される。これにより、燃料電池システム１の構造が複雑化することを、より一層抑制することができる。その結果、簡素な構造の燃料電池システム１を提供することができる。

【0039】

燃料電池システム１では、合流点４７１から排ガス燃焼部４７に向かう合流排ガスの流量、または、排ガス燃焼部４７から排出される合流排ガスの流量が、図示省略の流量計等により取得される。そして、当該流量計等により取得された合流排ガスの流量に基づいて、供給制御部５１によりブロワ４３が制御される。具体的には、合流排ガスの流量が、予め定められた目標流量に等しくなるように、ブロワ４３からハウジング２１の内部空間２１０に供給される空気の流量が制御される。これにより、燃料電池２３の酸化剤ガス導入口２３６から空気が所望の流量にて正極に流入するように、ハウジング２１の内部空間２１０の圧力と燃料電池２３の内部の圧力との差が、目標圧力差に調節される。例えば、ハウジング２１の内部空間２１０の圧力は、大気圧基準のゲージ圧にて０〜１００ＫＰａＧとなるように調節される。

【0040】

このように、ハウジング２１の内部空間２１０の圧力を燃料電池２３の内部の圧力よりも高い状態に維持し、さらに、燃料電池２３の内外の圧力差を目標圧力差に維持することにより、燃料ガスを含む改質ガスが、燃料電池２３から周囲に漏出することを、より確実に防止することができる。また、合流排ガスの流量を制御することにより、燃料電池システム１の出力（すなわち、発電量）を容易に制御することもできる。

【0041】

次に、燃料電池システム１の起動運転（いわゆる、コールドスタート）について説明する。燃料電池システム１の起動運転とは、燃料電池システム１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。

【0042】

燃料電池システム１の起動運転には、水供給部３１および加熱用流体生成部３３も利用される。水供給部３１は、水を貯溜するとともに、燃料電池システム１の起動運転の際に、当該水を燃料電池システム１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、起動用水供給管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、起動用水供給管３１３を介して、燃料電池システム１の水蒸気生成部４６に接続される。ポンプ３１２は、起動用水供給管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。

【0043】

加熱用流体生成部３３は、原燃料供給管２５５により、不純物除去部４１を介して原燃料供給源４８に接続される。加熱用流体生成部３３は、また、ガス供給管２５６を介してブロワ４３に接続される。加熱用流体生成部３３では、原燃料供給源４８から供給される原燃料（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）が、ブロワ４３から供給されるガス（例えば、空気）を利用して燃焼され、比較的高温のガス（以下、「加熱用ガス」という。）が生成される。図１に示す例では、加熱用流体生成部３３として触媒燃焼器が利用される。そして、加熱用流体生成部３３において、原燃料である都市ガスが酸化されて加熱用ガスが生成される。加熱用ガスのうち、例えば９０％以上は空気である。

【0044】

加熱用流体生成部３３により生成された加熱用ガスは、加熱用流体供給管２５７を介して、ハウジング２１内の昇温部２４へと供給され、昇温部２４からハウジング２１の内部空間２１０へと供給される。燃料電池システム１では、昇温部２４から内部空間２１０へと加熱用ガスが継続的に供給されることにより、改質器２２および複数の燃料電池２３が昇温される。

【0045】

続いて、原燃料供給源４８からの原燃料が、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により原燃料が水蒸気改質されることにより燃料ガスを含む改質ガスが生成され、複数の燃料電池２３の負極に供給される。複数の燃料電池２３の正極には、ハウジング２１の内部空間２１０に対して開放された酸化剤ガス導入口２３６を介して、ブロワ４３により内部空間２１０に供給された酸化剤ガスを含む空気が供給される。

【0046】

これにより、複数の燃料電池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、複数の燃料電池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。なお、各燃料電池２３の正極には、昇温部２４から内部空間２１０に供給される加熱用ガスも供給されるが、上述のように、加熱用ガスの主成分は空気であるため、当該加熱用ガスの供給による燃料電池２３の発電への影響は実質的にない。

【0047】

燃料電池システム１では、改質器２２および複数の燃料電池２３が所定の温度に達し、複数の燃料電池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、燃料電池システム１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。燃料電池システム１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、水供給部３１から水蒸気生成部４６への水の供給が停止され、昇温部２４から内部空間２１０への加熱用ガスの供給が停止される。

【0048】

上述の燃料電池システム１では、様々な変更が可能である。

【0049】

例えば、燃料電池システム１では、ハウジング２１内に収容される燃料電池２３の数は１であっても、２以上であってもよい。

【0050】

燃料電池システム１では、供給制御部５１によるブロワ４３の制御は必ずしも行われる必要はなく、供給制御部５１は省略されてもよい。酸化剤ガス供給部（上述のブロワ４３）からハウジング２１の内部空間２１０に供給される酸化剤ガスは、酸素以外の他のガスであってもよい。

【0051】

燃料電池システム１の起動運転時には、改質器２２に原燃料とは異なる起動用材料が供給されてもよい。起動用材料としては、例えば、窒素、水素、ＬＰガス、都市ガス、バイオエタノール等が使用される。

【0052】

燃料電池システム１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、定常運転時の水自立運転の実現が可能である。

【0053】

燃料電池システム１では、定常運転の際に、必ずしも水自立運転は行われる必要はなく、水供給部３１から水蒸気生成部４６に水が継続的に供給されてもよい。また、燃料電池システム１では、定常運転の際に、必ずしも熱自立運転が行われる必要はなく、昇温部２４からハウジング２１の内部空間２１０に加熱用ガスが継続的に供給されてもよい。

【0054】

燃料電池システム１では、改質器２２および燃料電池２３の加熱は、必ずしも昇温部２４からの加熱用ガスにより行われる必要はなく、他の様々な構成により、改質器２２および燃料電池２３が加熱されてもよい。例えば、ハウジング２１内に設けられた電気ヒータにより、改質器２２および燃料電池２３が加熱されてもよい。

【0055】

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。

【符号の説明】

【0056】

１ 燃料電池システム
２１ ハウジング
２２ 改質器
２３ 燃料電池
４３ ブロワ
４７ 排ガス燃焼部
５１ 供給制御部
２１０ （ハウジングの）内部空間
２３４ 燃料ガス導入口
２３５ 負極排ガス排出口
２３６ 酸化剤ガス導入口
２３７ 正極排ガス排出口
２５１ 燃料ガス供給管
２５２ 負極排ガス排出管
２５４ 正極排ガス排出管

【図1】

【図2】