特開 2022-7532 固体酸化物形燃料電池発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022007532

(43)【公開日】2022-01-13

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池発電機

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20220105BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20220105BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20220105BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20220105BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20220105BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20220105BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/12 101

H01M8/00 Z

H01M8/04858

H01M8/249

H01M8/04007

H01M8/04014

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020110563

(22)【出願日】2020-06-26

(71)【出願人】

【識別番号】000158312

【氏名又は名称】岩谷産業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391064005

【氏名又は名称】株式会社アツミテック

(74)【代理人】

【識別番号】100097102

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 敬夫

(74)【代理人】

【識別番号】100098796

【弁理士】

【氏名又は名称】新井 全

(74)【代理人】

【識別番号】100121647

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 和孝

(74)【代理人】

【識別番号】100187377

【弁理士】

【氏名又は名称】芳野 理之

(72)【発明者】

【氏名】中村 貞紀

(72)【発明者】

【氏名】古谷 政博

(72)【発明者】

【氏名】赤木 雄哉

(72)【発明者】

【氏名】森澤 誠

(72)【発明者】

【氏名】内山 直樹

(72)【発明者】

【氏名】中林 正剛

(72)【発明者】

【氏名】内山 靖之

(72)【発明者】

【氏名】川田 哲也

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB01

5H127AB17

5H127AB25

5H127AC16

5H127BA01

5H127BA12

5H127BA21

5H127BA37

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB27

5H127BB37

5H127CC18

5H127EE02

(57)【要約】

【課題】補助電源を要しなくとも発電を開始することができる固体酸化物形燃料電池を備える発電機すなわち固体酸化物形燃料電池発電機を提供すること。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池発電機１１は、燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部２６と、燃料電池部２６に酸化ガスを送る酸化ガス供給部２１と、酸化ガスを燃料電池部２６に導く酸化ガス供給路１６と、ガス容器１２に収容された燃料ガスを燃料電池部２６に導く燃料ガス供給路１５と、燃料ガスを利用し燃料電池部２６を加熱する加熱手段１７と、加熱手段１７により加熱され高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生ずる温度差に基づいて発電する熱電素子６１ｃを有する熱電発電部６１と、熱電素子６１ｃにより生ずる電力を酸化ガス供給部２１に供給する制御を実行する制御部５８と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部と、
前記燃料電池部に前記酸化ガスを送る酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部から送られた前記酸化ガスを前記燃料電池部に導く酸化ガス供給路と、
ガス容器に収容された前記燃料ガスを前記燃料電池部に導く燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路により導かれた前記燃料ガスを利用し前記燃料電池部を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により加熱され高温部と低温部との間に生ずる温度差に基づいて発電する熱電素子を有する熱電発電部と、
前記熱電素子により生ずる電力を前記酸化ガス供給部に供給する制御を実行する制御部と、
を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電機。

【請求項2】

前記燃料電池部は、第１セルモジュール部と第２セルモジュール部とを有し、
前記酸化ガス供給部は、前記第１セルモジュール部に前記酸化ガスを送る第１送風機と、前記第２セルモジュール部に前記酸化ガスを送る第２送風機と、を有し、
前記制御部は、前記熱電素子により生じた電力を前記第１送風機のみに供給する制御を実行す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発電機。

【請求項3】

前記第１セルモジュール部は、前記第１送風機から前記酸化ガス供給路を通して供給された前記酸化ガスと、前記燃料ガス供給路を通して供給された前記燃料ガスと、で発電し、
前記制御部は、前記第１セルモジュール部により生じた電力を前記第２送風機に供給する制御を実行することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池発電機。

【請求項4】

前記第２セルモジュール部は、前記第１セルモジュール部の発電により発生した熱でさらに加熱されるとともに、前記第２送風機から前記酸化ガス供給路を通して供給された前記酸化ガスと、前記燃料ガス供給路を通して供給された前記燃料ガスと、で発電す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発電機。

【請求項5】

前記加熱手段は、前記燃料ガス供給路により導かれた前記燃料ガスを燃焼するバーナであり、
前記熱電発電部は、前記バーナから放出される火炎および排ガスから伝わる熱により加熱されるとともに前記燃料電池部の発電により発生した熱により加熱されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を備える発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、連続的に供給された燃料ガス（水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ））と酸化ガス（空気など酸素（Ｏ_２）を含む混合ガス）とで生ずる電気化学反応により電気エネルギーを生成する。電力を発生させる燃料電池部は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、を有する。アノードには、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路が接続されている。カソードには、酸化ガスを供給する酸化ガス供給路が接続されている。

【0003】

特許文献１には、固体酸化物形燃料電池およびガスタービンを含むハイブリッド発電装置と、制御ユニットと、を備える電力システムが開示されている。特許文献１に記載されたハイブリッド発電装置のガスタービンは、タービンと、コンプレッサと、発電機と、を含む。コンプレッサは、導入した外気を圧縮して排出し、排出したエアを固体酸化物形燃料電池のカソードに供給する。発電機は、ガスタービンの始動時にモータとして機能することでガスタービンを始動させる。このように、特許文献１に記載されたハイブリッド発電装置では、固体酸化物形燃料電池のカソードに対してエアの供給を開始し、固体酸化物形燃料電池による発電を開始するためには、カソードにエアを供給するためのコンプレッサや発電機（モータ）を駆動するための補助電源すなわち外部電源が必要である。

【0004】

しかし、商用電源が供給されてない屋外や被災地現場などにおいては、補助電源を確保することができない場合がある。そこで、固体酸化物形燃料電池を備える発電機に対しては、商用電源が供給されてない屋外や被災地現場などにおいて、例えばスマートフォンやタブレット端末などの電気製品を充電したり、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明器などの電気製品を使用したりするために必要な電力の発生を、補助電源を要しなくとも開始することができることが望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９－１８７７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、補助電源を要しなくとも発電を開始することができる固体酸化物形燃料電池を備える発電機すなわち固体酸化物形燃料電池発電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題は、燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部と、前記燃料電池部に前記酸化ガスを送る酸化ガス供給部と、前記酸化ガス供給部から送られた前記酸化ガスを前記燃料電池部に導く酸化ガス供給路と、ガス容器に収容された前記燃料ガスを前記燃料電池部に導く燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路により導かれた前記燃料ガスを利用し前記燃料電池部を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱され高温部と低温部との間に生ずる温度差に基づいて発電する熱電素子を有する熱電発電部と、前記熱電素子により生ずる電力を前記酸化ガス供給部に供給する制御を実行する制御部と、を備えたことを特徴とする本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機により解決される。

【0008】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、加熱手段は、燃料ガス供給路により導かれた燃料ガスを利用し、発電開始温度まで燃料電池部を加熱する。また、熱電発電部は、加熱手段により加熱され、高温部と低温部との間に生ずる温度差に基づいて発電する熱電素子を有する。そして、制御部は、熱電発電部の熱電素子により生ずる電力を酸化ガス供給部に供給する制御を実行する。そのため、酸化ガス供給部は、電池などの補助電源を要しなくとも、加熱手段で加熱された熱電発電部の熱電素子により生ずる電力を供給されることで駆動を開始し、酸化ガス供給路を通して燃料電池部に酸化ガスを供給することができる。これにより、燃料電池部は、電池などの補助電源を要しなくとも、ガス容器から燃料ガス供給路を通して供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部から酸化ガス供給路を通して供給された酸化ガスと、により発電を開始することができる。また、補助電源が不要になるため、固体酸化物形燃料電池発電機の小型化を図ることができる。

【0009】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機において、好ましくは、前記燃料電池部は、第１セルモジュール部と第２セルモジュール部とを有し、前記酸化ガス供給部は、前記第１セルモジュール部に前記酸化ガスを送る第１送風機と、前記第２セルモジュール部に前記酸化ガスを送る第２送風機と、を有し、前記制御部は、前記熱電素子により生じた電力を前記第１送風機のみに供給する制御を実行することを特徴とする。

【0010】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、制御部は、熱電発電部の熱電素子により生じた電力を、酸化ガス供給部が有する複数の送風機のうち第１送風機のみに供給する制御を実行する。そして、第１送風機は、熱電発電部の熱電素子により生じた電力を供給されることで駆動を開始し、燃料電池部が有する複数のセルモジュール部のうち第１セルモジュール部に酸化ガスを供給する。このように、制御部は、熱電発電部の熱電素子により生じた電力を、酸化ガス供給部が有する複数の送風機のすべてに供給するわけではなく第１送風機のみに供給する制御を実行する。そのため、熱電発電部の熱電素子が電力の発生を開始した直後では、燃料電池部が有する複数のセルモジュール部のすべてに酸化ガスが供給されるわけではなく、第１セルモジュール部に酸化ガスが供給される。そして、酸化ガスを供給された第１セルモジュール部が、発電を開始する。そのため、複数のセルモジュール部を有する燃料電池部は、酸化ガスの供給を開始されたセルモジュール部毎すなわち段階的に発電を開始することができる。これにより、全てのセルモジュール部が発電を開始する時間よりも早く第１セルモジュール部で発電した電力を先行して利用することができる。また、第１セルモジュール部は、発電を開始すると自己発熱を生ずる。第１セルモジュール部の自己発熱による熱を有効利用し、第２セルモジュール部を加熱することができる。これにより、全てのセルモジュール部が加熱手段のみで同時に加熱される場合と比較して、燃料電池部が発電を開始するまでの起動時間あるいは作動開始時間（すなわち始動時間）を短縮することができる。また、燃料電池部が発電を開始するために必要な酸化ガスの流量や加熱手段の熱量を抑えることができる。そのため、酸化ガス供給部および加熱手段の小型化を図ることができ、固体酸化物形燃料電池発電機の小型化を図ることができる。

【0011】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機において、好ましくは、前記第１セルモジュール部は、前記第１送風機から前記酸化ガス供給路を通して供給された前記酸化ガスと、前記燃料ガス供給路を通して供給された前記燃料ガスと、で発電し、前記制御部は、前記第１セルモジュール部により生じた電力を前記第２送風機に供給する制御を実行することを特徴とする。

【0012】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、第１セルモジュール部は、第１送風機から酸化ガス供給路を通して供給された酸化ガスと、燃料ガス供給路を通して供給された燃料ガスと、で発電を開始する。そして、制御部は、発電を開始した第１セルモジュール部により生じた電力を第２送風機に供給する制御を実行する。そして、第２送風機は、発電を開始した第１セルモジュール部により生じた電力を供給されることで駆動を開始し、第２セルモジュール部に酸化ガスを供給する。このように、制御部は、熱電発電部の熱電素子により生じた電力を第１送風機のみに供給して第１セルモジュール部の発電を開始させ、発電を開始した第１セルモジュール部により生じた電力を第２送風機に供給して第２セルモジュール部の発電を開始させる。そのため、複数のセルモジュール部を有する燃料電池部は、酸化ガスの供給を開始されたセルモジュール部毎すなわち段階的に発電を開始することができる。これにより、燃料電池部が発電を開始するまでの起動時間あるいは作動開始時間（すなわち始動時間）を短縮することができる。また、燃料電池部が発電を開始するために必要な酸化ガスの流量や加熱手段の熱量を抑えることができる。そのため、酸化ガス供給部および加熱手段の小型化を図ることができ、固体酸化物形燃料電池発電機の小型化を図ることができる。

【0013】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機において、好ましくは、前記第２セルモジュール部は、前記第１セルモジュール部の発電により発生した熱でさらに加熱されるとともに、前記第２送風機から前記酸化ガス供給路を通して供給された前記酸化ガスと、前記燃料ガス供給路を通して供給された前記燃料ガスと、で発電することを特徴とする。

【0014】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、第２セルモジュール部は、第１セルモジュール部の発電により発生した熱、すなわち第１セルモジュール部の自己発熱による熱でさらに加熱される。つまり、第２セルモジュール部は、加熱手段および第１セルモジュール部の両方により加熱される。これにより、燃料電池部が発電を開始するまでの起動時間あるいは作動開始時間（すなわち始動時間）をより一層短縮することができる。そのため、燃料電池部が発電を開始するために必要な酸化ガスの流量や加熱手段の熱量をより一層抑えることができる。これにより、酸化ガス供給部および加熱手段のより一層の小型化を図ることができ、固体酸化物形燃料電池発電機のより一層の小型化を図ることができる。

【0015】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機において、好ましくは、前記加熱手段は、前記燃料ガス供給路により導かれた前記燃料ガスを燃焼するバーナであり、前記熱電発電部は、前記バーナから放出される火炎および排ガスから伝わる熱により加熱されるとともに前記燃料電池部の発電により発生した熱により加熱されることを特徴とする。

【0016】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、加熱手段としてのバーナは、燃料ガス供給路により導かれた燃料ガスを燃焼する。そして、熱電発電部は、バーナから放出される火炎および排ガスから伝わる熱により加熱される。そのため、バーナの燃焼による排熱すなわち未利用熱エネルギーを、燃料電池部の温度上昇のために活用するだけではなく、熱電発電部の高温部の温度上昇のために活用することができる。これにより、燃料ガスの利用効率を向上させることができる。また、例えばバーナが燃焼を停止した場合であっても、燃料電池部は、発電を開始すると発電による自己発熱により高い温度を維持することができる。そして、熱電発電部は、燃料電池部の発電により発生した熱、すなわち燃料電池部の自己発熱による熱によっても加熱される。そのため、熱電発電部は、燃料電池部の発電により発生した熱を活用して熱電素子による電力の発生を継続することができる。これにより、燃料電池部の発電により発生した熱を有効に活用することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、補助電源を要しなくとも発電を開始することができる固体酸化物形燃料電池を備える発電機すなわち固体酸化物形燃料電池発電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機を表す斜視図である。

【図2】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の要部構成を表すブロック図である。

【図3】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の動作の概要を説明するブロック図である。

【図4】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の動作の具体例を表すフローチャートである。

【図5】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の動作の具体例を表すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0020】

図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機を表す斜視図である。
図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の要部構成を表すブロック図である。
図３は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の動作の概要を説明するブロック図である。

【0021】

本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、ブタンガスなどを主とする燃料ガス（炭化水素燃料）を充填したガス容器１２を使用し、電力を必要とする様々な時に、必要とする場所に移動して発電できる発電機である。言い換えれば、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、ガス容器１２に収容された燃料ガスを利用し、商用電源が供給されてない屋外や被災地現場などにおいて利用可能とされた可搬型の発電機である。

【0022】

図１～図３に表したように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、燃料電池部２６と、酸化ガス供給部２１と、酸化ガス供給路１６と、燃料ガス供給路１５と、バーナ１７と、熱電発電部６１と、制御部５８と、を備える。図１に表したように、燃料電池部２６と、酸化ガス供給部２１と、バーナ１７と、熱電発電部６１と、制御部５８と、は、筐体６３に設けられている。

【0023】

燃料電池部２６は、燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部である。すなわち、燃料電池部２６は、燃料ガス（水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ））と酸化ガス（空気など酸素（Ｏ_２）を含む混合ガス）とで生ずる電気化学反応により電気エネルギーを生成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を有する。

【0024】

燃料電池部２６は、複数のセルモジュールを有する。図１に表したように、本実施形態の燃料電池部２６は、第１セルモジュール２７ａと、第２セルモジュール２７ｂと、第３セルモジュール２７ｃと、第４セルモジュール２７ｄと、を有する。セルモジュールは、セルスタックなどとも呼ばれる。なお、燃料電池部２６が有するセルモジュールの数は、４つに限定されるわけではなく、３つ以下であってもよく、５つ以上であってもよい。本実施形態の説明では、燃料電池部２６が４つのセルモジュール２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを有する場合を例に挙げる。

【0025】

図２に表したように、各セルモジュール２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄは、燃料電池部２６の最小単位として複数のセル１３を有する。燃料電池部２６のセル１３は、酸化反応が起こるアノード（燃料極）１３ａと、還元反応が起こるカソード（空気極）１３ｂと、イオン伝導体である電解質１３ｃと、を有する。アノード１３ａは、燃料ガス供給路１５に接続されている。カソード１３ｂは、酸化ガス供給路１６に接続されている。アノード１３ａでは、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）の少なくともいずれかが燃料として使用される。カソード１３ｂでは、空気（酸素）が酸化剤として使用される。

【0026】

酸化ガス供給部２１は、酸化ガス供給路１６に接続され、酸化ガス供給路１６を通して燃料電池部２６のカソード１３ｂに酸化ガスを送る。酸化ガス供給部２１は、複数の送風機を有する。図３に表したように、本実施形態の酸化ガス供給部２１は、第１送風機２１ａと、第２送風機２１ｂと、を有する。第１送風機２１ａおよび第２送風機２１ｂとしては、例えばエアポンプやファンなどが挙げられる。なお、酸化ガス供給部２１が有する送風機の数は、２つに限定されるわけではなく、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。

【0027】

図３に表したように、第１送風機２１ａは、燃料電池部２６の第１セルモジュール部２６ａに酸化ガスを送る。第２送風機２１ｂは、燃料電池部２６の第２セルモジュール部２６ｂに酸化ガスを送る。本願明細書において「セルモジュール部」とは、１つあるいは複数のセルモジュール（言い換えればセルスタック）の集合部をいうものとする。例えば、第１セルモジュール部２６ａは、第１セルモジュール２７ａのみを含む場合もあり、第１セルモジュール２７ａおよび第２セルモジュール２７ｂを含む場合もあり、第１セルモジュール２７ａ、第２セルモジュール２７ｂおよび第３セルモジュール２７ｃを含む場合もある。また、例えば、第２セルモジュール部２６ｂは、第２セルモジュール２７ｂ、第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄを含む場合もあり、第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄを含む場合もあり、第４セルモジュール２７ｄのみを含む場合もある。第１セルモジュール部２６ａおよび第２セルモジュール部２６ｂの具体例については、後述する。

【0028】

酸化ガス供給路１６は、酸化ガス供給部２１と、燃料電池部２６のカソード１３ｂと、に接続された流路であり、酸化ガス供給部２１から送られた酸化ガスを燃料電池部２６のカソード１３ｂに導く。

【0029】

ガス容器１２は、例えば圧縮された液化ガスが収容されたカートリッジ式ガスボンベであり、燃料ガスを収容している。ガス容器１２から吐出された燃料ガスは、容器接続部６４（図１参照）の内部に設けられたガバナに入り圧力調整される。なお、ガス容器１２がカートリッジ式ガスボンベである場合には、ガス容器１２と容器接続部６４との着脱機構は、マグネット式とされている。これによれば、ガスボンベが加熱されてガスボンベの内部圧力が異常に上昇した時、安全機構が作動してガス容器１２と容器接続部６４との接続が外れる。

【0030】

燃料ガス供給路１５は、容器接続部６４と、燃料電池部２６のアノード１３ａと、に接続された流路であり、ガス容器１２に充填されたブタンガスなどの燃料ガスを燃料電池部２６のアノード１３ａに導く。具体的には、図２に表したように、燃料ガス供給路１５は、改質器１４を介して燃料ガスをアノード１３ａに導く。なお、改質器１４は、必ずしも設けられていなくともよい。図２に表した固体酸化物形燃料電池発電機１１は、改質器１４が付帯設備として設けられた発電機の一例である。

【0031】

改質器１４は、改質触媒を有し、燃料ガスを水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）などに改質してから水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）を燃料電池部２６に供給する。例えば、改質器１４は、部分酸化反応により燃料ガスの改質を行う。部分酸化は、炭化水素の一部を酸素あるいは空気で燃焼させて水素と一酸化炭素の混合ガスを製造する反応である。改質器１４の改質触媒は、例えば３００℃程度に昇温されて部分酸化反応を生ずる。部分酸化反応が生ずると、改質器１４の改質触媒は、例えば約７００℃に達する。改質器１４の改質触媒が部分酸化反応を起こすために、改質用空気供給路２４が設けられている。例えば図２に表したように、改質用空気供給路２４は、酸化ガス供給路１６から分岐されており、酸化ガス供給部２１から送られた酸化ガスを改質器１４に導く。なお、改質器１４に空気を供給する手段は、酸化ガス供給部２１に限定されるわけではなく、他の手段であってもよい。また、改質器１４に空気を供給可能な限りにおいて、改質用空気供給路２４は、必ずしも酸化ガス供給路１６から分岐されていなくともよい。

【0032】

バーナ１７は、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガス（炭化水素燃料）を燃焼して燃料電池部２６を発電開始温度まで加熱する。具体的には、図２に表したように、バーナ燃料供給路２２が、燃料ガス供給路１５から分岐され、バーナ１７に接続されている。ガス容器１２から容器接続部６４を介して供給される燃料ガスは、燃料ガス供給路１５とバーナ燃料供給路２２とガス・空気混合器（図示せず）とを通り、空気と混合されながらバーナ１７に導かれる。

【0033】

バーナ１７の近傍には、電極（図示せず）が設けられている。利用者が操作摘まみ部（図示せず）を回転させると、イグナイタ（図示せず）が押されてパルス電圧が発生する。バーナ１７の近傍に設けられた電極は、操作摘まみ部の回転により発生したパルス電圧により放電し、ガス容器１２からバーナ１７に供給された燃料ガスを燃焼させ、バーナ１７に点火することができる。本実施形態のバーナ１７は、本発明の「加熱手段」の一例である。

【0034】

熱電発電部６１は、高温部６１ａと、低温部６１ｂと、熱電素子６１ｃと、を有し、バーナ１７により加熱される。具体的には、高温部６１ａは、例えば燃料電池部２６に対向して設けられ、バーナ１７から放出される火炎および排ガスから伝わる熱により加熱される。高温部６１ａは、受熱部として機能し、バーナ１７から放出される火炎および排ガスから伝わる熱を効率的に受けて熱電素子６１ｃに伝える。低温部６１ｂは、熱電素子６１ｃを介して高温部６１ａから離れて設けられている。低温部６１ｂは、高温部６１ａに対向して配置され、高温部６１ａよりも低い温度に保持される。低温部６１ｂの冷却方式は、特に限定されるわけではなく、例えば自然空冷方式であってもよく強制空冷方式であってもよい。

【0035】

熱電素子６１ｃは、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に挟設され、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生ずる温度差に基づいて発電する。熱電素子６１ｃは、ゼーベック効果を利用して熱起電力を発生させる。熱電素子は、熱電変換素子あるいは熱電発電素子などとも呼ばれる。熱電素子６１ｃは、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生ずる温度差が例えば約１００℃～１５０℃程度になると、より多くの熱起電力を発生させることができる。

【0036】

図２に表したように、排気路１９が燃料電池部２６に接続されている。排気路１９は、燃料電池部２６から排出される高温の排気ガスを固体酸化物形燃料電池発電機１１の外部に排出する流路である。排気路１９には、ＣＯ除去器１８が設けられている。ＣＯ除去器１８は、内部に設けられた触媒を利用して２００℃以上の温度の排気ガスからＣＯを除去する。

【0037】

また、図２に表したように、酸化ガス供給路１６および排気路１９には、熱交換器２３が設けられている。熱交換器２３は、酸化ガス供給路１６と排気路１９との間で熱交換を行う。本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１では、２つの熱交換器２３、すなわち低温側熱交換器２３ａと高温側熱交換器２３ｂとが設けられている。

【0038】

酸化ガス供給部２１から酸化ガス供給路１６に送られた酸化ガスは、低温側熱交換器２３ａを通り、低温側熱交換器２３ａにおける排気路１９を流れる排気ガスと熱交換を行い昇温する。続いて、低温側熱交換器２３ａを通過した酸化ガスは、高温側熱交換器２３ｂを通り、高温側熱交換器２３ｂにおける排気路１９を流れる排気ガスと熱交換を行いさらに昇温する。そして、低温側熱交換器２３ａおよび高温側熱交換器２３ｂを通過して高温になった酸化ガスは、酸化ガス供給路１６を通して燃料電池部２６のカソード１３ｂに導かれる。

【0039】

燃料電池部２６における発電で生ずる高温の排気ガスは、高温側熱交換器２３ｂを通り、高温側熱交換器２３ｂにおける酸化ガス供給路１６を流れる酸化ガスと熱交換を行い、温度を下げる。燃料電池部２６から排出され高温側熱交換器２３ｂを通過する前の排気ガスの温度は、例えば約６００℃以上である。高温側熱交換器２３ｂを通過し温度を下げた排気ガスの温度は、例えば約２００℃以上である。これにより、ＣＯ除去器１８の触媒は、排気ガスに対してより確実に作用する。続いて、高温側熱交換器２３ｂを通過した排気ガスは、ＣＯ除去器１８および低温側熱交換器２３ａを通り、低温側熱交換器２３ａにおける酸化ガス供給路１６を流れる酸化ガスと熱交換を行い、温度をさらに下げる。低温側熱交換器２３ａを通過し温度を下げた排気ガスの温度は、例えば約８０℃未満である。そして、高温側熱交換器２３ｂおよび低温側熱交換器２３ａを通過して低温になった排気ガスは、排気路１９の出口から排出される。

【0040】

制御部５８は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１の全体的な動作の制御を実行する。例えば、図２および図３に表したように、制御部５８は、燃料電池部２６および熱電発電部６１で発生した電力を受けて酸化ガス供給部２１に供給する。この詳細については、後述する。また、制御部５８は、電力変換装置５４を有する。電力変換装置５４は、燃料電池部２６で発生した電力を受け、直流電力を交流電力に変換する。

【0041】

ここで、前述したように、燃料電池部２６は、燃料ガスと酸化ガスとで生ずる電気化学反応により発電する。そのため、燃料電池部２６が発電を開始するためには、燃料電池部２６のカソード１３ｂに対して酸化ガスの供給を開始する必要がある。そうすると、燃料電池部２６のカソード１３ｂに対して酸化ガスを送る酸化ガス供給部２１の駆動を電池などの補助電源（すなわち外部電源）を用いて開始することが必要になる場合がある。しかし、商用電源が供給されてない屋外や被災地現場などにおいては、補助電源を確保することができない場合がある。

【0042】

これに対して、本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、熱電発電部６１を備える。前述したように、熱電発電部６１は、熱電素子６１ｃを有し、バーナ１７により加熱される。熱電素子６１ｃは、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生ずる温度差に基づいて発電する。そして、制御部５８は、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生ずる電力を受けて酸化ガス供給部２１に供給する制御を実行する。

【0043】

本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１によれば、酸化ガス供給部２１は、電池などの補助電源を要しなくとも、バーナ１７で加熱された熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生ずる電力を供給されることで駆動を開始し、酸化ガス供給路１６を通して燃料電池部２６に酸化ガスを供給することができる。これにより、燃料電池部２６は、電池などの補助電源を要しなくとも、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部２１から酸化ガス供給路１６を通して供給された酸化ガスと、により発電を開始することができる。また、補助電源が不要になるため、固体酸化物形燃料電池発電機１１の小型化を図ることができる。

【0044】

また、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、燃料電池部２６による発電と、熱電発電部６１による発電と、を組み合わせることができる。つまり、必要な電力のうち燃料電池部２６の高温稼動によって発生する電力の一部を熱電発電部６１の熱電素子６１ｃによって発生する電力で補うことができる。そのため、燃料電池部２６が単独で同じ電力量を発生させる場合と比較して、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃによって発生する電力量の補助分だけ、固体酸化物形燃料電池発電機１１の全体の発電量を増加させることができるとともに、燃料ガスの使用量を低減し燃料ガスを節約することができる。また、燃料電池部２６が単独で発電する場合と比較して、燃料電池部２６の稼動温度を約６５０±５０℃程度に安定的に維持することができる。これにより、燃料電池部２６の耐久性を向上させることができるとともに、燃料電池部２６の周辺機器に与える熱の影響を抑えることができる。また、これにより、燃料電池部２６の周辺機器に採用可能な材料の選択幅を広げることができる。

【0045】

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１の動作の具体例を、図面を参照して説明する。
図４は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の動作の具体例を表すフローチャートである。
図５は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の動作の具体例を表すタイミングチャートである。

【0046】

まず、利用者が例えば操作摘まみ部（図示せず）を回し、バーナ１７に点火する。そうすると、バーナ１７がガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガスの燃焼を開始し、燃料電池部２６および熱電発電部６１を加熱する（図４のステップＳ１１、図５のタイミングＴ１１）。続いて、バーナ１７から放出される火炎および排ガスから伝わる熱により高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に発電開始の温度差が生ずると、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃは、電力の発生を開始する（図４のステップＳ１２、図５のタイミングＴ１１～タイミングＴ１２）。続いて、制御部５８が、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を受けて第１送風機２１ａのみに供給する（図４のステップＳ１３）。

【0047】

そうすると、第１送風機２１ａが、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を制御部５８から供給されることで駆動を開始し、第１セルモジュール部２６ａに酸化ガスを供給する（図４のステップＳ１４、図５のタイミングＴ１２）。本具体例では、一例として、第１セルモジュール部２６ａが第１セルモジュール２７ａのみを含み、第２セルモジュール部２６ｂが第２セルモジュール２７ｂ、第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄを含む場合を例に挙げる。そのため、本具体例では、第１送風機２１ａは、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を制御部５８から供給されることで駆動を開始し、第１セルモジュール２７ａに酸化ガスを供給する。

【0048】

続いて、第１セルモジュール部２６ａ（本具体例では第１セルモジュール２７ａ）が、発電開始温度まで加熱されると、第１送風機２１ａから酸化ガス供給路１６を通して供給された酸化ガスと、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガスと、で発電を開始する（図４のステップＳ１５、図５のタイミングＴ１３）。このとき、第１セルモジュール部２６ａでは、第１セルモジュール部２６ａの発電により熱が発生する。つまり、第１セルモジュール部２６ａは、発電を開始すると発電による自己発熱を生ずる。続いて、制御部５８が、第１セルモジュール部２６ａにより生じた電力を受けて第２送風機２１ｂに供給する（図４のステップＳ１６）。

【0049】

そうすると、第２送風機２１ｂが、第１セルモジュール部２６ａにより生じた電力を制御部５８から供給されることで駆動を開始し、第２セルモジュール部２６ｂ（本具体例では第２セルモジュール２７ｂ、第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄ）に酸化ガスを供給する（図４のステップＳ１７、図５のタイミングＴ１４）。また、このとき、第２セルモジュール部２６ｂは、第１セルモジュール部２６ａの発電により発生した熱、すなわち第１セルモジュール部２６ａの自己発熱による熱でさらに加熱されている。つまり、第２セルモジュール部２６ｂは、バーナ１７および第１セルモジュール部２６ａの両方により加熱されている。続いて、第２セルモジュール部２６ｂが、発電開始温度まで加熱されると、第２送風機２１ｂから酸化ガス供給路１６を通して供給された酸化ガスと、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガスと、で発電を開始する（図４のステップＳ１８、図５のタイミングＴ１５）。このとき、第２セルモジュール部２６ｂでは、第２セルモジュール部２６ｂの発電により熱が発生する。つまり、第２セルモジュール部２６ｂは、第１セルモジュール部２６ａと同様に、発電を開始すると発電による自己発熱を生ずる。このようにして、燃料電池部２６の全てのセルモジュール２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄが、発電を開始する。

【0050】

続いて、利用者が例えば操作摘まみ部（図示せず）を回すと、バーナ１７が燃焼を停止する（図４のステップＳ１９、図５のタイミングＴ１６）。バーナ１７が燃焼を停止した後であっても、第１セルモジュール部２６ａおよび第２セルモジュール部２６ｂは、自己発熱により例えば６００℃以上の高温を維持することができ、燃料ガスの供給が停止されるまでの間、発電を継続することができる（図５のタイミングＴ１６～タイミングＴ１７）。燃料ガスの供給が停止される例としては、例えば弁などを用いることにより燃料ガスの供給が意図的に停止される場合や、ガス容器１２の中の燃料ガスを使い切ることにより燃料ガスの供給が停止される場合などが挙げられる。

【0051】

また、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃは、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生じた温度差に基づいて発電を継続することができる（図５のタイミングＴ１６～タイミングＴ１７）。そのため、第１送風機２１ａは、第１セルモジュール部２６ａに対する酸化ガスの供給を継続することができる（図５のタイミングＴ１６～タイミングＴ１７）。また、これにより、第２送風機２１ｂは、第２セルモジュール部２６ｂに対する酸化ガスの供給を継続することができる（図５のタイミングＴ１６～タイミングＴ１７）。

【0052】

そして、燃料ガスの供給が停止されると、第１セルモジュール部２６ａおよび第２セルモジュール部２６ｂの発電が停止するとともに、第２送風機２１ｂの駆動が停止する（図５のタイミングＴ１７）。また、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間の温度差が所定温度以下になると、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生ずる熱起電力は、徐々に低下する（図５のタイミングＴ１７～タイミングＴ１８）。そして、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃの発電が停止すると、第１送風機２１ａの駆動が停止する（図５のタイミングＴ１８）。

【0053】

本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１の動作の具体例によれば、制御部５８は、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を、酸化ガス供給部２１が有する複数の送風機２１ａ、２１ｂのすべてに供給するわけではなく第１送風機２１ａのみに供給する制御を実行する。そのため、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃが電力の発生を開始した直後では、燃料電池部２６が有する複数のセルモジュール部２６ａ、２６ｂのすべてに酸化ガスが供給されるわけではなく、第１セルモジュール部２６ａに酸化ガスが供給される。そして、酸化ガスを供給された第１セルモジュール部２６ａが、発電を開始する。そのため、複数のセルモジュール部２６ａ、２６ｂを有する燃料電池部２６は、酸化ガスの供給を開始されたセルモジュール部毎すなわち段階的に発電を開始することができる。これにより、全てのセルモジュール部２６ａ、２６ｂが発電を開始する時間よりも早く第１セルモジュール部２６ａで発電した電力を先行して利用することができる。また、第１セルモジュール部２６ａは、発電を開始すると自己発熱を生ずる。第１セルモジュール部２６ａの自己発熱による熱を有効利用し、第２セルモジュール部２６ｂを加熱することができる。これにより、全てのセルモジュール部２６ａ、２６ｂがバーナ１７のみで同時に加熱される場合と比較して、燃料電池部２６が発電を開始するまでの起動時間あるいは作動開始時間（すなわち始動時間）を短縮することができる。また、燃料電池部２６が発電を開始するために必要な酸化ガスの流量やバーナ１７の熱量を抑えることができる。そのため、酸化ガス供給部２１およびバーナ１７の小型化を図ることができ、固体酸化物形燃料電池発電機１１の小型化を図ることができる。

【0054】

また、制御部５８は、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を第１送風機２１ａのみに供給して第１セルモジュール部２６ａの発電を開始させ、発電を開始した第１セルモジュール部２６ａにより生じた電力を第２送風機２１ｂに供給して第２セルモジュール部２６ｂの発電を開始させる。そのため、前述したように、複数のセルモジュール部２６ａ、２６ｂを有する燃料電池部２６は、酸化ガスの供給を開始されたセルモジュール部毎すなわち段階的に発電を開始することができる。これにより、前述した効果と同様の効果が得られる。

【0055】

また、第２セルモジュール部２６ｂは、第１セルモジュール部２６ａの発電により発生した熱、すなわち第１セルモジュール部２６ａの自己発熱による熱でさらに加熱される。つまり、第２セルモジュール部２６ｂは、バーナ１７および第１セルモジュール部２６ａの両方により加熱される。これにより、燃料電池部２６が発電を開始するまでの起動時間あるいは作動開始時間（すなわち始動時間）をより一層短縮することができる。そのため、燃料電池部２６が発電を開始するために必要な酸化ガスの流量やバーナ１７の熱量をより一層抑えることができる。これにより、酸化ガス供給部２１およびバーナ１７のより一層の小型化を図ることができ、固体酸化物形燃料電池発電機１１のより一層の小型化を図ることができる。

【0056】

また、前述したように、熱電発電部６１は、バーナ１７から放出される火炎および排ガスから伝わる熱により加熱される。そのため、バーナ１７の燃焼による排熱すなわち未利用熱エネルギーを、燃料電池部２６の温度上昇のために活用するだけではなく、熱電発電部６１の高温部６１ａの温度上昇のために活用することができる。これにより、燃料ガスの利用効率を向上させることができる。また、例えばバーナ１７が燃焼を停止した場合であっても、燃料電池部２６は、発電を開始すると発電による自己発熱により高い温度を維持することができる。そして、熱電発電部６１は、燃料電池部２６の発電により発生した熱、すなわち燃料電池部２６の自己発熱による熱によっても加熱される。そのため、熱電発電部６１は、燃料電池部２６の発電により発生した熱を活用して熱電素子６１ｃによる電力の発生を継続することができる。これにより、燃料電池部２６の発電により発生した熱を有効に活用することができる。

【0057】

なお、本具体例では、一例として、第１セルモジュール部２６ａが第１セルモジュール２７ａのみを含み、第２セルモジュール部２６ｂが第２セルモジュール２７ｂ、第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄを含む場合を例に挙げた。但し、第１セルモジュール部２６ａおよび第２セルモジュール部２６ｂのそれぞれが含むセルモジュールのパターンは、これだけに限定されるわけではない。例えば、第１セルモジュール部２６ａが第１セルモジュール２７ａおよび第２セルモジュール部２６ｂを含み、第２セルモジュール部２６ｂが第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄを含んでいてもよい。

【0058】

この場合には、制御部５８が、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を受けて第１送風機２１ａのみに供給する（図４のステップＳ１３）。そうすると、第１送風機２１ａが、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃにより生じた電力を制御部５８から供給されることで駆動を開始し、第１セルモジュール２７ａおよび第２セルモジュール２７ｂに酸化ガスを供給する（図４のステップＳ１４、図５のタイミングＴ１２）。第１セルモジュール２７ａおよび第２セルモジュール２７ｂが、発電開始温度まで加熱されると、第１送風機２１ａから酸化ガス供給路１６を通して供給された酸化ガスと、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガスと、で発電を開始する（図４のステップＳ１５、図５のタイミングＴ１３）。そして、第２送風機２１ｂが、第１セルモジュール２７ａおよび第２セルモジュール２７ｂにより生じた電力を制御部５８から供給されることで駆動を開始し、第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄに酸化ガスを供給する（図４のステップＳ１７、図５のタイミングＴ１４）。第３セルモジュール２７ｃおよび第４セルモジュール２７ｄが、発電開始温度まで加熱されると、第２送風機２１ｂから酸化ガス供給路１６を通して供給された酸化ガスと、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガスと、で発電を開始する（図４のステップＳ１８、図５のタイミングＴ１５）。この場合であっても、本具体例に関して前述した効果と同様の効果が得られる。

【0059】

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

【符号の説明】

【0060】

１１：固体酸化物形燃料電池発電機、 １２：ガス容器、 １３：セル、 １３ａ：アノード、 １３ｂ：カソード、 １３ｃ：電解質、 １４：改質器、 １５：燃料ガス供給路、 １６：酸化ガス供給路、 １７：バーナ、 １８：ＣＯ除去器、 １９：排気路、 ２１：酸化ガス供給部、 ２１ａ：第１送風機、 ２１ｂ：第２送風機、 ２２：バーナ燃料供給路、 ２３：熱交換器、 ２３ａ：低温側熱交換器、 ２３ｂ：高温側熱交換器、 ２４：改質用空気供給路、 ２６：燃料電池部、 ２６ａ：第１セルモジュール部、 ２６ｂ：第２セルモジュール部、 ２７ａ：第１セルモジュール、 ２７ｂ：第２セルモジュール、 ２７ｃ：第３セルモジュール、 ２７ｄ：第４セルモジュール、 ５４：電力変換装置、 ５８：制御部、 ６１：熱電発電部、 ６１ａ：高温部、 ６１ｂ：低温部、 ６１ｃ：熱電素子、 ６３：筐体、 ６４：容器接続部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】