特開 2023-145250 燃料電池システム

(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】P2023145250

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04225 20160101AFI20231003BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04225

H01M8/12 101

H01M8/0612

H01M8/249

H01M8/04302

H01M8/04746

H01M8/0432

H01M8/04014

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022052616

(22)【出願日】2022-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004082

【氏名又は名称】弁理士法人北大阪特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100141092

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 英生

(72)【発明者】

【氏名】正生 明宏

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB16

5H127AC02

5H127AC05

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA47

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB27

5H127BB37

5H127DA01

5H127DC02

5H127DC16

5H127DC82

5H127DC83

(57)【要約】

【課題】起動時動作における改質ガスの供給に先立って、オフガス経路を温めておくことが可能となる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形の燃料電池システムにおいて、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、水蒸気を用いて原料ガスを改質した改質ガスを生成する改質器と、改質ガスが供給される第１燃料極を有し、改質ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、第１燃料極から第１アノードオフガス経路を介して第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、を備え、冷態からの起動時動作として、蒸発器へ水を供給して水蒸気を生成しつつ、改質器へ原料ガスを供給せずに水蒸気を供給することにより、水蒸気を前段側セルスタック、第１アノードオフガス経路および後段側セルスタックの順に流通させる第１流通動作を行う構成とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物形の燃料電池システムであって、
水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、
前記水蒸気を用いて原料ガスを改質した改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスが供給される第１燃料極を有し、当該改質ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、
前記第１燃料極から第１アノードオフガス経路を介して第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、を備え、
冷態からの起動時動作として、
前記蒸発器へ水を供給して水蒸気を生成しつつ、前記改質器へ原料ガスを供給せずに当該水蒸気を供給することにより、当該水蒸気を前段側セルスタック、前記第１アノードオフガス経路および前記後段側セルスタックの順に流通させる第１流通動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記第１流通動作の実行時に前記第１アノードオフガス経路の温度を監視し、
当該温度が所定の基準条件を満たしたときに、前記改質器への原料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記第１流通動作の実行時に前記第１アノードオフガス経路を流通する水蒸気の温度を監視し、
当該温度が所定の基準条件を満たしたときに、前記改質器への原料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記原料ガスの供給開始後における前記蒸発器への水の供給流量は、前記改質器に供給される前記原料ガスに含まれる炭素のモル流量の設定値をＣとし、前記改質器に供給される水蒸気のモル流量の設定値をＳとした場合に、モル比Ｓ／Ｃが２～１５の範囲内となるように調整され、
前記第１流通動作の実行時における前記蒸発器への水の供給流量は、前記改質器に前記原料ガスを前記設定値Ｃで供給したと仮定した場合に、前記モル比Ｓ／Ｃが２～１５の範囲内となる水蒸気が前記改質器に供給されるように調整されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記第１流通動作の実行時における前記蒸発器への水の供給流量は、前記原料ガスの供給開始後における前記蒸発器への水の供給流量よりも大きい値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記第２燃料極から排出された第２アノードオフガスを燃焼させるオフガスバーナーを備え、
前記蒸発器は、前記第２アノードオフガスを燃焼させて生じた燃焼排ガスとの熱交換により水を蒸発させるものであって、
前記起動時動作として、
前記第２アノードオフガスを用いずに前記燃焼排ガスの代わりとなる代替ガスを生成し、当該代替ガスを前記蒸発器に流通させる第２流通動作を行うことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃焼排ガスを、前記前段側セルスタックおよび前記後段側セルスタックの少なくとも一方の空気極に供給される空気と熱交換させる熱交換器を備え、
前記第２流通動作は、前記代替ガスを前記熱交換器にも流通させる動作であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記原料ガスを燃焼させる起動用バーナーを備え、
前記第２流通動作は、前記起動用バーナーで前記原料ガスを燃焼させて生じた前記代替ガスを前記蒸発器に流通させることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、発電効率が良く環境にも優しい電源として、各種方式の燃料電池が開発されている。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は５０％以上の高い発電効率が得られるため、家庭用から産業用まで、広範な出力範囲の燃料電池システムに利用されている。

【0003】

一方で、６０％を超える発電効率を目指して、セルスタックの多段化やアノードオフガス（本願では「オフガス」と略記することがある。）の再循環といった燃料利用率を高める技術開発も進められている。例えば特許文献１には、固体酸化物形燃料電池のセルスタックを多段化するとともに、前段側のセルスタックから排出されたオフガスが後段側のセルスタックへ供給されるようにした多段式燃料電池システムの一例が開示されている。ここで、前段側のセルスタックから後段側のセルスタックへのオフガスの経路を、便宜的に「オフガス経路」と称することにする。

【0004】

特許文献１等に開示された多段式燃料電池システムのオフガス経路は、発電動作時の前段側オフガスを後段側燃料として再生するために、断熱領域とされた発電モジュールの外部に引き出すように構成されており、非断熱領域でオフガスからの水蒸気除去が行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－１３８５７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

都市ガス等の原料ガスを利用する燃料電池システムでは、水蒸気を用いて原料ガスを改質した改質ガスが生成され、当該改質ガスが発電反応に利用される。高温型ＳＯＦＣのセルスタックの発電時の動作温度は５００～７００℃であるので、発電モジュールを冷態から発電可能な温態に移行させる際には、還元性の改質ガスを供給してセルスタックを保護しつつ、発電モジュール内の各部の温度を発電時の適正温度まで上げる起動時動作が実行される。多段式燃料電池システムでは、この起動時動作の一環として、改質ガスを生成して前段側のセルスタックへ供給し、前段側を通過した改質ガスを、オフガス経路を介して後段側のセルスタックにも供給することが考えられる。

【0007】

しかし、当該改質ガスの経路において温度の低い箇所があり、その箇所で水蒸気が結露すると、改質ガスの平衡組成の変化により炭素析出（コーキング）を起こす危険性を孕んでいる。炭素析出は、ガス流路を閉塞に至らしめるだけでなく、電極材料の触媒活性を劣化させてしまうことがある。そのため、起動時動作の実行過程においては、炭素析出を防止する観点から、改質ガスの平衡組成を変化させないように操作する必要がある。前述したように、オフガス経路は非断熱領域に位置しているために、起動時動作において温度が上がり難くなっているので、改質ガスの供給を始める前にオフガス経路を予め温めておくことが重要である。

【0008】

本発明は上記課題に鑑み、起動時動作における改質ガスの供給に先立って、オフガス経路を温めておくことが可能となる燃料電池システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る燃料電池システムは、固体酸化物形の燃料電池システムであって、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、前記水蒸気を用いて原料ガスを改質した改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスが供給される第１燃料極を有し、当該改質ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、前記第１燃料極から第１アノードオフガス経路を介して第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、を備え、冷態からの起動時動作として、前記蒸発器へ水を供給して水蒸気を生成しつつ、前記改質器へ原料ガスを供給せずに当該水蒸気を供給することにより、当該水蒸気を前段側セルスタック、前記第１アノードオフガス経路および前記後段側セルスタックの順に流通させる第１流通動作を行う構成とする。本構成によれば、起動時動作における改質ガスの供給に先立って、アノードオフガス経路を温めておくことが可能となる。

【0010】

上記構成としてより具体的には、前記第１流通動作の実行時に前記第１アノードオフガス経路の温度を監視し、当該温度が所定の基準条件を満たしたときに、前記改質器への原料ガスの供給を開始する構成としてもよい。本構成によれば、第１アノードオフガス経路が適度に温まってから原料ガスを供給することが可能となる。

【0011】

また上記構成としてより具体的には、前記第１流通動作の実行時に前記第１アノードオフガス経路を流通する水蒸気の温度を監視し、当該温度が所定の基準条件を満たしたときに、前記改質器への原料ガスの供給を開始する構成としてもよい。本構成によれば、第１アノードオフガス経路が適度に温まってから原料ガスを供給することが可能となる。

【0012】

また上記構成としてより具体的には、前記原料ガスの供給開始後における前記蒸発器への水の供給流量は、前記改質器に供給される前記原料ガスに含まれる炭素のモル流量の設定値をＣとし、前記改質器に供給される水蒸気のモル流量の設定値をＳとした場合に、モル比Ｓ／Ｃが２～１５となるように調整され、前記第１流通動作の実行時における前記蒸発器への水の供給流量は、前記改質器に前記原料ガスを前記設定値Ｃで供給したと仮定した場合に、前記モル比Ｓ／Ｃが２～１５となる水蒸気が前記改質器に供給されるように調整される構成としてもよい。更に、前記第１流通動作の実行時における前記蒸発器への水の供給流量は、前記原料ガスの供給開始後における前記蒸発器への水の供給流量よりも大きい値に設定されるのが好ましい。

【0013】

また上記構成としてより具体的には、前記第２燃料極から排出された第２アノードオフガスを燃焼させるオフガスバーナーを備え、前記蒸発器は、前記第２アノードオフガスを燃焼させて生じた燃焼排ガスとの熱交換により水を蒸発させるものであって、前記起動時動作として、前記第２アノードオフガスを用いずに前記燃焼排ガスの代わりとなる代替ガスを生成し、当該代替ガスを前記蒸発器に流通させる第２流通動作を行う構成としてもよい。

【0014】

また上記構成としてより具体的には、前記燃焼排ガスを、前記前段側セルスタックおよび前記後段側セルスタックの少なくとも一方の空気極に供給される空気と熱交換させる熱交換器を備え、前記第２流通動作は、前記代替ガスを前記熱交換器にも流通させる動作である構成としてもよい。

【0015】

また上記構成としてより具体的には、前記原料ガスを燃焼させる起動用バーナーを備え、前記第２流通動作は、前記起動用バーナーで前記原料ガスを燃焼させて生じた前記代替ガスを前記蒸発器に流通させる構成としてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係る燃料電池システムによれば、起動時動作における改質ガスの供給に先立って、オフガス経路を温めておくことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【図2】昇温モードにおける動作に関するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の一実施形態について、各図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略的な構成図である。なお図１では流体の経路に関して、燃料ガスに関連する経路（ガス経路）を実線矢印で示し、改質水に関連する経路（水経路）を破線矢印で示し、空気に関連する経路（空気経路）を点線矢印で示し、その他の経路を一点鎖線の矢印で示している。また図１に示す白抜き矢印は、各経路を通る流体を示している。

【0019】

図１に示すように燃料電池システム１は、改質器１１、蒸発器１２、前段側セルスタック１３、水回収装置１４、後段側セルスタック１５、オフガスバーナー１６ａ、および起動用バーナー１６ｂを備える。このように燃料電池システム１は、前段側セルスタック１３と後段側セルスタック１５を備えた多段式の燃料電池システムとなっている。

【0020】

なお、これらのセルスタック１３，１５は、何れも高温型の固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、発電時の動作温度は５００～７００℃程度となっている。固体酸化物形燃料電池は、燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガスが供給され、空気極（カソード）に酸素を含む空気が供給されることにより、電気化学反応を発生させて発電することが可能である。

【0021】

本実施形態では説明の便宜上、前段側セルスタック１３の燃料極および空気極を、第１燃料極１３ａおよび第１空気極１３ｂとする。一方、後段側セルスタック１５の燃料極および空気極を、第２燃料極１５ａおよび第２空気極１５ｂとする。本実施形態では一例として、前段側セルスタック１３と後段側セルスタック１５は各々一つだけ設けられているが、これらの両方または一方を並列に複数個設けるようにしても良い。

【0022】

水回収装置１４を除く燃料電池システム１の大部分の要素は、図１に示す断熱領域ＴＡ内に配置されている。断熱領域ＴＡは断熱材等で覆われており、外部への熱放出が極力抑えられるよう配慮されている。これにより燃料電池システム１は、熱自立の点で有利な構成となっている。

【0023】

燃料電池システム１には、原料ガス（本実施形態では一例として、メタンを含む都市ガスとする）を受入れる原料ガス受入部Ｐｇ、および、空気を受入れる空気受入部Ｐａが設けられている。原料ガスや空気は基本的に燃料電池システム１の外部から供給される。

【0024】

原料ガス受入部Ｐｇは、第１ガス経路Ｌｇ１を介して改質器１１に繋がっており、第１ガス経路Ｌｇ１の途中には第１ブロワＢ１が設けられている。第１ガス経路Ｌｇ１における第１ブロワＢ１より後段側の少なくとも一部は、蒸発器１２を通るように配置されている。また、第１ガス経路Ｌｇ１における第１ブロワＢ１と蒸発器１２の間に位置する分岐点αからは、第６ガス経路Ｌｇ６が分岐して伸びており、起動用バーナー１６ｂに繋がっている。

【0025】

改質器１１は、第２ガス経路Ｌｇ２を介して第１燃料極１３ａに繋がっている。第１燃料極１３ａは、第３ガス経路Ｌｇ３を介して水回収装置１４に繋がっている。水回収装置１４は、水タンク１４ａ、凝縮器１４ｂ、および冷却用空気経路１４ｃを備えており、第４ガス経路Ｌｇ４を介して第２燃料極１５ａに繋がっている。

【0026】

なお水タンク１４ａは、水経路Ｌｗを介して蒸発器１２に繋がっている。水経路Ｌｗには水ポンプＷ１が設けられており、水タンク１４ａ内の水を改質水Ｗａとして蒸発器１２へ継続的に供給することが可能である。これにより燃料電池システム１は、水自立を実現させることが可能である。水ポンプＷ１は、水タンク１４ａから蒸発器１２（水経路Ｌｗ）への改質水Ｗａの供給量を調節することが可能である。

【0027】

第２燃料極１５ａは、第５ガス経路Ｌｇ５を介して、オフガスバーナー１６ａに繋がっている。空気受入部Ｐａからは第１空気経路Ｌａ１が伸びており、第１空気経路Ｌａ１の途中には第２ブロワＢ２が設けられている。また、第２ブロワＢ２よりも後段側に位置する分岐点βにおいて、第１空気経路Ｌａ１は第２空気経路Ｌａ２と第３空気経路Ｌａ３に分岐している。第２空気経路Ｌａ２は第１空気極１３ｂに繋がっており、第３空気経路Ｌａ３は起動用バーナー１６ｂに繋がっている。

【0028】

詳しくは後述するが、起動用バーナー１６ｂは起動時動作の実行時において供給される原料ガスを燃焼させ、燃焼排ガスＧｆの代わりとなる代替ガスＧｘを生成する役割を果たす。またオフガスバーナー１６ａからは、燃焼排ガス経路Ｌｘが蒸発器１２を通るように伸びている。燃焼排ガス経路Ｌｘにおける蒸発器１２よりも前段側の連結点γには、起動用バーナー１６ｂから伸びる代替ガスＧｘの経路が連結されている。

【0029】

第１空気極１３ｂは、第４空気経路Ｌａ４を介して第２空気極１５ｂに繋がっている。また、第２空気極１５ｂは、第５空気経路Ｌａ５を介してオフガスバーナー１６ａに繋がっている。

【0030】

さらに燃料電池システム１には、第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２が設けられている。第１熱交換器Ｈ１は自己再熱型熱交換器であり、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（前段側セルスタック１３と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と第４ガス経路Ｌｇ４の所定位置（水回収装置１４と後段側セルスタック１５の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。

【0031】

第２熱交換器Ｈ２は空気予熱器であり、燃焼排ガス経路Ｌｘの所定位置（蒸発器１２と連結点γの間の位置）を通る流体と第１空気経路Ｌａ１の所定位置（第２ブロワＢ２と分岐点βの間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。

【0032】

なお燃料電池システム１において、分岐点αには、各分岐先（第１ガス経路Ｌｇ１の後段側部分と第６ガス経路Ｌｇ６）における原料ガスＧａの流量を調節可能とする装置（流量調節用の弁など）が設けられている。これにより、分岐点αの状態（各分岐先における原料ガスＧａの流量）の設定が可変となっている。また分岐点βには、各分岐先（第２空気経路Ｌａ２と第３空気経路Ｌａ３）における空気Ａａの流量を調節可能とする装置（流量調節用の弁など）が設けられている。これにより、分岐点βの状態（各分岐先における空気Ａａの流量）の設定が可変となっている。これに加えて、原料ガスＧａおよび／または空気Ａａの流量調節に際して、第１ブロワＢ１および第２ブロワＢ２の回転数を増減させてもよい。

【0033】

ここで燃料電池システム１の動作形態に着目すると、燃料電池システム１は、動作停止中の冷態から所定の起動時動作を行う昇温モードを経て、通常の発電モード（各セルスタック１３，１５が発電して外部へ電力供給を行う状態）へ移行するようになっている。以下、燃料電池システム１の発電モードと昇温モードにおける動作内容について順に説明する。

【0034】

まず、燃料電池システム１の発電モードにおける動作について説明する。なおこの発電モードでは、分岐点αを通る原料ガスＧａは全て第１ガス経路Ｌｇ１へ流れるように（つまり、改質器１１に向けて流れるように）、分岐点αの状態が設定されている。更に当該発電モードでは、分岐点βを通る空気Ａａは全て第２空気経路Ｌａ２へ流れるように（つまり、第１空気極１３ｂに向けて流れるように）、分岐点βの状態が設定されている。

【0035】

原料ガス受入部Ｐｇから第１ガス経路Ｌｇ１内に供給された原料ガスＧａは、第１ブロワＢ１の作用により後段側へ送られ、蒸発器１２に流入する。原料ガスＧａの供給に並行して、水ポンプＷ１によって水タンク１４ａから水経路Ｌｗ内に供給された改質水Ｗａが、蒸発器１２へ流入する。蒸発器１２は、流入した改質水Ｗａを熱交換により加熱して水蒸気（過熱蒸気）を生成し、これを第１ガス経路Ｌｇ１を流れる原料ガスＧａに混合させる。このようにして生成された原料ガスＧａと水蒸気の混合気体は、改質器１１へ流入する。

【0036】

なお、蒸発器１２への改質水Ｗａの供給流量は、改質器１１において改質ガスが適切に生成されるように、水ポンプＷ１によって調整される。より具体的に説明すると、当該供給流量は、第１ガス経路Ｌｇ１を介して改質器１１に供給される原料ガスＧａに含まれる炭素のモル流量の設定値をＣとし、改質器１１に供給される水蒸気のモル流量の設定値をＳとした場合に、モル比Ｓ／Ｃが２～３の範囲内となるように調整される。また原料ガスＧａの供給流量は、各セルスタック１３，１５の発電量に応じて調整される。

【0037】

改質器１１は、蒸発器１２から受けた水蒸気を用いて原料ガスＧａを改質し、改質ガスＧｂを生成して後段側へ送出する。改質器１１は、水蒸気改質用の触媒を有しており、原料ガスＧａに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスＧｂを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、オフガスバーナー１６ａからの熱供給により、改質器１１は安定的に改質ガスＧｂを生成することが可能である。改質器１１から送出された改質ガスＧｂは、第２ガス経路Ｌｇ２を介して第１燃料極１３ａに流入する。

【0038】

一方、上述した原料ガスＧａおよび改質水Ｗａの供給に並行して、空気受入部Ｐａから第１空気経路Ｌａ１内に空気Ａａが供給される。第１空気経路Ｌａ１内の空気Ａａは、第２ブロワＢ２の作用により後段側へ送られる。この空気Ａａは、第２熱交換器Ｈ２での熱交換によって加熱された後、第２空気経路Ｌａ２へ進む。

【0039】

第２空気経路Ｌａ２を進む空気Ａａは、第１空気極１３ｂに流入する。前段側セルスタック１３は、第１燃料極１３ａに流入した改質ガスＧｂと第１空気極１３ｂに流入した空気Ａａを用いて発電するとともに、第１燃料極１３ａから第１オフガスＧｃ（アノードオフガス）を排出する。この発電で得られた電力は、不図示の電力供給ラインを介して外部へ供給される。第１オフガスＧｃには、第１燃料極１３ａにおいて未反応であった水素等の燃料成分が含まれている。なお第１空気極１３ｂからは、第１空気極１３ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｂが、第４空気ラインＬａを介して第２空気極１５ｂへ排出される。

【0040】

第１燃料極１３ａから排出された第１オフガスＧｃは、第３ガス経路Ｌｇ３を通り、第１熱交換器Ｈ１を経由して水回収装置１４に流入する。第１オフガスＧｃは、第１熱交換器Ｈ１を通る際に、熱交換の処理が施される。第１熱交換器Ｈ１は、第１オフガスＧｃと熱交換させることにより、後述する再生オフガスＧｄの加熱を行うことになる。第１熱交換器Ｈ１における熱交換により、再生オフガスＧｄの温度が上昇するとともに、第１オフガスＧｃの温度が下降する。

【0041】

水回収装置１４において、凝縮器１４ｂは、外部から冷却用空気経路１４ｃに供給された冷却用空気Ａｄと熱交換させることにより、第１オフガスＧｃを露点温度以下まで冷却し、第１オフガスＧｃに含まれる水蒸気を凝縮させる。凝縮器１４ｂにおける熱交換により、冷却用空気Ａｄの温度が上昇するとともに、第１オフガスＧｃの温度が下降する。

【0042】

凝縮器１４ｂを通過した第１オフガスＧｃは水タンク１４ａで気水分離され、凝縮水が水タンク１４ａに回収される一方、凝縮しなかった残りの部分は再生オフガスＧｄとして第４ガスラインＬｇ４へ流入する。再生オフガスＧｄは、気水分離の処理を施した第１オフガスＧｃに相当する。なお水回収装置１４は、第１オフガスＧｃからの水蒸気除去を効率良く行うことができるように、断熱領域ＴＡの外部に配置されている。

【0043】

凝縮器１４ｂの冷却用空気Ａｄの流路は、密閉型であってもよいし、開放型であってもよい。前者の場合、プレート式、シェルアンドプレート式、シェルアンドチューブ式等の熱交換器を使用することができ、ブロワにより冷却用空気Ａｄを伝熱面に送り込む。後者の場合、空冷式のラジエーターを使用することができ、第１オフガスＧｃが内部流通する熱交換コアの表面にファンにより冷却用空気Ａｄを通風させる。なお、ラジエーターは、冷却用空気Ａｄの供給時の圧力損失が低いうえ、空気流量の調節も容易であるので、燃料電池システム１の補機電力を低減できるメリットがある。

【0044】

水タンク１４ａに回収された凝縮水は、先述のとおり水経路Ｌｗを介して蒸発器１２に供給され、改質水Ｗａとして再利用される。なお、第１オフガスＧｃから水蒸気を除去して再生オフガスＧｄを生成することにより、第１オフガスＧｃ中の未反応の燃料成分を後段側セルスタック１５で効率良く利用することが可能となる。

【0045】

第４ガスラインＬｇ４に流入した再生オフガスＧｄは、第１熱交換器Ｈ１での熱交換によって加熱された後、第２燃料極１５ａに流入する。またこれに並行して、先述した第４空気経路Ｌａ４を通る空気Ａｂが第２空気極１５ｂに流入する。後段側セルスタック１５は、第２燃料極１５ａに流入した再生オフガスＧｄと第２空気極１５ｂに流入した空気Ａｂを用いて発電するとともに、第２燃料極１５ａから第２オフガスＧｅ（アノードオフガス）を排出する。この発電で得られた電力は、不図示の電力供給ラインを介して外部へ供給される。

【0046】

第２オフガスＧｅには、第２燃料極１５ａにおいて未反応であった燃料成分が含まれている。なお第２空気極１５ｂからは、第２空気極１５ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｃが排出される。第２オフガスＧｅは第５ガス経路Ｌｇ５を経由してオフガスバーナー１６ａへ流入し、第２空気極１５ｂから排出された空気Ａｃは、第５空気経路Ｌａ５を通ってオフガスバーナー１６ａへ流入する。

【0047】

オフガスバーナー１６ａは、後段側セルスタック１５から排出された空気Ａｃと第２オフガスＧｅの混合気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼排ガスＧｆを燃焼排ガス経路Ｌｘへ排出する。なお、オフガスバーナー１６ａは改質器１１の近傍に配置されており、オフガスバーナー１６ａから生じる熱は、放射伝熱や対流伝熱により改質器１１へ効率良く伝わるようになっている。

【0048】

燃焼排ガス経路Ｌｘを通る燃焼排ガスＧｆは、第２熱交換器Ｈ２を通過する際に空気Ａａと熱交換される。第２熱交換器Ｈ２における熱交換により、空気Ａａの温度が上昇するとともに、燃焼排ガスＧｆの温度が下降する。

【0049】

燃焼排ガスＧｆは第２熱交換器Ｈ２を通過した後、蒸発器１２を通過する際に改質水Ｗａと熱交換された上で燃料電池システム１の外部へ排出される。蒸発器１２は、焼排ガスＧｆとの熱交換により改質水Ｗａを加熱して、先述したとおり水蒸気を生成することになる。

【0050】

次に、燃料電池システム１の昇温モードにおける動作について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、この昇温モードの初期状態においては、分岐点αを通る原料ガスＧａは全て第６ガス経路Ｌｇ６へ流れるように（つまり、起動用バーナー１６ｂに向けて流れるように）、分岐点αの状態が設定されている。更に当該昇温モードの初期状態においては、分岐点βを通る空気Ａａは全て第３空気経路Ｌａ３へ流れるように（つまり、起動用バーナー１６ｂに向けて流れるように）、分岐点βの状態が設定されている。

【0051】

昇温モードでは、図２に示すステップＳ１～Ｓ８の一連の起動時動作が実行される。起動時動作では、凝縮器１４ｂへの冷却用空気Ａｄの供給は停止されている。まず燃料電池システム１は、起動用バーナー１６ｂを作動させる（ステップＳ１）。起動用バーナー１６ｂは、原料ガス受入部Ｐｇから第６ガス経路Ｌｇ６を介して原料ガスＧａが供給されるとともに、空気受入部Ｐａから第３空気経路Ｌａ３を介して空気Ａａが供給され、空気Ａａを用いた原料ガスＧａの燃焼を行う。起動用バーナー１６ｂでの燃焼により生成された高温のガスは、燃焼排ガスＧｆの代わりとなる高温の代替ガスＧｘとして燃焼排ガス経路Ｌｘに排出される。

【0052】

代替ガスＧｘは燃焼排ガス経路Ｌｘを通るため、当該経路に設けられた蒸発器１２の温度は次第に上昇することになる。更に代替ガスＧｘは、燃焼排ガス経路Ｌｘに設けられた第２熱交換器Ｈ２も通るため、第２熱交換器Ｈ２での熱交換にも利用可能である。このように本実施形態では、第２オフガスＧｅを用いずに代替ガスＧｘを生成し、この代替ガスＧｘを蒸発器１２や第２熱交換器Ｈ２に流通させる起動時動作（本発明に係る第２流通動作に相当する）が行われる。なお起動用バーナー１６ｂにおける代替ガスＧｘの生成量は、燃料電池システム１の各部温度の上昇に伴って徐々に減少するように調整される。

【0053】

更に燃料電池システム１は、空気受入部Ｐａから第１空気極１３ｂへの空気Ａａの供給を開始させる（ステップＳ２）。すなわち燃料電池システム１は、分岐点βを通る空気Ａａの少なくとも一部が第２空気経路Ｌａ２へ流れるように（つまり、第１空気極１３ｂに向けて流れるように）、分岐点βの状態を設定する。この空気Ａａは、第１空気経路Ｌａ１に設けられた第２熱交換器Ｈ２を通る際に代替ガスＧｘの熱を利用して温められた後、第２空気経路Ｌａ２を介して前段側セルスタック１３へ供給され、更に、第４空気経路Ｌａ４を介して後段側セルスタック１５へ供給される。温められた空気Ａａが供給されることにより、各セルスタック１３，１５の温度は次第に上昇することになる。

【0054】

このように蒸発器１２および各セルスタック１３，１５の温度を上昇させながら、燃料電池システム１は、蒸発器１２および各セルスタック１３，１５の温度が規定温度に達するタイミングを監視する（ステップＳ３）。当該規定温度は、蒸発器１２および各セルスタック１３，１５が適度に温まったときの温度を想定して設定されており、蒸発器１２および各セルスタック１３，１５の間で異なる温度に設定されても良い。

【0055】

これらの温度が規定温度に達すると（ステップＳ３のＹｅｓ）、燃料電池システム１は、第１設定流量Ｖ１にて水経路Ｌｗへの改質水Ｗａの供給を開始させる（ステップＳ４）。この第１設定流量Ｖ１については、改めて詳細に説明する。

【0056】

水経路Ｌｗへ供給された改質水Ｗａは、蒸発器１２での加熱により水蒸気（過熱蒸気）となって改質器１１へ流入し、更に、第２ガス経路Ｌｇ２、前段側セルスタック１３、第３ガス経路Ｌｇ３、水回収装置１４、および第４ガス経路Ｌｇ４を順に介して後段側セルスタック１５へ流入することになる。これにより、第１オフガス経路（第３ガス経路Ｌｇ３から第４ガス経路Ｌｇ４までの一連の経路）を含む当該水蒸気の経路が徐々に温められ、第１オフガス経路に設けられた凝縮器１４ｂの温度も上昇することになる。なおこの時点では、改質器１１への原料ガスＧａの供給は未だ行われていないため、改質ガスは生成されないが、水蒸気は還元性ガスであるので、各セルスタック１３，１５は水蒸気の流通により保護されている。

【0057】

このように第１オフガス経路の温度を上昇させながら、燃料電池システム１は、第１オフガス経路の温度が規定温度に達するタイミングを監視する（ステップＳ５）。当該規定温度は、第１オフガス経路が適度に温まったときの温度を想定して設定されている。第１オフガス経路の温度の監視は、伝熱面が多く放熱による水凝縮が起こり易い凝縮器１４ｂに対して行うのが好ましく、例えば、低温側（冷却用空気流路側）の伝熱面温度の測定により実現される。また、凝縮器１４ｂへの温度センサの取り付けが困難である場合には、凝縮器１４ｂ近傍のオフガス配管の外壁温度の測定により実現しても良い。第１オフガス経路の温度が規定温度に達すると（ステップＳ５のＹｅｓ）、燃料電池システム１は、原料ガス受入部Ｐｇから改質器１１への原料ガスＧａの供給を開始させる（ステップＳ６）。すなわち燃料電池システム１は、分岐点αを通る原料ガスＧａの少なくとも一部が第１ガス経路Ｌｇ１へ流れるように（つまり、改質器１１に向けて流れるように）、分岐点αの状態を設定する。

【0058】

これにより、改質器１１での改質ガスの生成が始まり、当該改質ガスが第２ガス経路Ｌｇ２、前段側セルスタック１３、第３ガス経路Ｌｇ３、水回収装置１４、および第４ガス経路Ｌｇ４を順に介して後段側セルスタック１５へ流入することになる。その結果、各セルスタック１３，１５に水蒸気よりも還元性の強い改質ガスが供給され、各セルスタック１３，１５を保護することができる。なお、ステップＳ６の動作を行う段階で、空気受入部Ｐａから第１空気極１３ｂへの空気Ａａの供給量を増やすようにしても良い。

【0059】

更に燃料電池システム１は、水経路Ｌｗへの改質水Ｗａの供給量を第２設定流量Ｖ２へ変更する（ステップＳ７）。この第２設定流量Ｖ２については、改めて詳細に説明する。その後に燃料電池システム１は、所定の発電開始条件が満たされるタイミングを監視する（ステップＳ８）。

【0060】

この発電開始条件は、各セルスタック１３，１５が安定して発電可能となる条件であり、一例として、燃料電池システム１の各部の温度が所定温度を上回ること等に設定される。発電開始条件が満たされると（ステップＳ８のＹｅｓ）、燃料電池システム１の動作形態は昇温モードから発電モードへ移行し、既に説明した発電モードの動作が実行される。

【0061】

以上に説明した起動時動作により、燃料電池システム１に設けられた発電モジュール内の各部温度を発電時の適正温度まで上げることができ、当該発電モジュールを冷態から発電可能な温態へ移行させることが可能である。更に、原料ガス受入部Ｐｇへの原料ガスＧａの供給（ステップＳ６）を行うことにより、還元性の強い改質ガスを供給して各セルスタック１３，１５を保護することも可能である。

【0062】

なお燃料電池システム１は、ステップＳ６の動作に先立って、水経路Ｌｗへの改質水Ｗａの供給を開始するステップＳ４の動作を行うことにより、水蒸気を流通させるようにしている。すなわち本実施形態では、蒸発器１２へ改質水Ｗａを供給して水蒸気を生成しつつ、改質器１１へ原料ガスを供給せずに当該水蒸気を供給することにより、当該水蒸気を前段側セルスタック１３、第３ガス経路Ｌｇ３、水回収装置１４、第４ガス経路Ｌｇ４、および後段側セルスタック１５の順に流通させる起動時動作（本発明に係る第１流通動作に相当する）が行われるようにしている。

【0063】

これにより、改質ガスの経路における炭素析出（コーキング）が防止されるようになっている。すなわち、仮にステップＳ４の動作を省略したとすると、改質ガスの経路において温度の低い箇所が存在する状況で、改質ガスが流通する虞がある。そうすると、その箇所で水蒸気が結露し、改質ガスの平衡組成の変化により炭素析出を起こす危険性がある。特に、断熱領域ＴＡの外に配置された水回収装置１４の近傍は、起動時動作において温度が上がり難く、このような炭素析出が生じ易くなっている。炭素析出は、ガス流路を閉塞に至らしめるだけでなく、電極材料の触媒活性を劣化させる要因ともなり得る。しかし本実施形態ではステップＳ４の動作を行い、改質ガスではなく水蒸気を流通させることで、水回収装置１４の近傍を含めた改質ガスの経路を予め温めておき、改質ガス供給時の平衡組成変化を回避して炭素析出を防止するように配慮されている。

【0064】

また、上述した第１設定流量Ｖ１は、原料ガスＧａの供給開始（ステップＳ６）の前における蒸発器１２への改質水Ｗａの供給流量に該当する。その一方で、上述した第２設定流量Ｖ２は、原料ガスＧａの供給開始（ステップＳ６）の後における蒸発器１２への改質水Ｗａの供給流量に該当する。

【0065】

第２設定流量Ｖ２は、改質器１１に供給される原料ガスＧａに含まれる炭素のモル流量の設定値をＣとし、改質器１１に供給される水蒸気のモル流量の設定値をＳとした場合に、モル比Ｓ／Ｃが２～１５の範囲内となるように設定されている。このように第２設定流量Ｖ２は、先述した発電モードの場合とモル比Ｓ／Ｃが同等となるように設定されている。これにより、改質ガスの組成を発電モード時の組成に合わせておくことが可能である。なお第２設定流量Ｖ２にて改質水Ｗａを供給する際、原料ガスＧａの供給流量（設定値Ｃに関連する量）は、例えば発電モードにおける最低出力時（一例として、定格電流の４０％）の供給流量と同等となるように設定される。

【0066】

一方、第１設定流量Ｖ１は、改質器１１に原料ガスＧａを前記設定値Ｃで供給した（つまり、炭素のモル流量が上記の設定値Ｃとなるように原料ガスＧａを供給した）と仮定した場合に、先述したモル比Ｓ／Ｃが２～１５の範囲内となるように設定されている。すなわち、原料ガスＧａの供給開始前後では、同じモル比Ｓ／Ｃの範囲内で、第１設定流量Ｖ１および第２設定流量Ｖ２が設定されている。

【0067】

モル比Ｓ／Ｃが比較的大きい条件（例えば８以上）で第２設定流量Ｖ２が設定されている場合、第１設定流量Ｖ１は第２設定流量Ｖ２と同じ値に設定することができる。この条件では、発電モードにおける最低出力時の水蒸気の流量が十分に大きいので、当該水蒸気による第１オフガス経路の加温に要する時間が短時間で済む。

【0068】

逆に、モル比Ｓ／Ｃが比較的小さい条件（例えば８未満）で第２設定流量Ｖ２が設定されている場合、第１設定流量Ｖ１は第２設定流量Ｖ２よりも大きい値（例えば２倍程度）に設定することが好ましい。この条件では、発電モードにおける最低出力時の水蒸気の流量が比較的小さいので、この流量よりも過剰の水蒸気を発生させることで、当該水蒸気による第１オフガス経路の加温に要する時間を短縮することが可能である。

【0069】

なお、先述したモル比Ｓ／Ｃが２未満となるように第１設定流量Ｖ１を設定すると、第１オフガス経路の昇温に時間を要する（例えば１時間以上を要する）ことになり、発電可能となるまでに時間が掛かり過ぎる事態が懸念される。一方、当該モル比Ｓ／Ｃが１５を超えるように第１設定流量Ｖ１を設定すると、第１オフガス経路の昇温時間は大幅に短縮できるが、水蒸気の生成量を増やすためにオーバースペックな装置（改質水の最大流量を増加させる水ポンプや、改質水をより強く加熱できる蒸発器など）を備える必要性が生じる。また、起動用バーナー１６ｂの代替ガス流量も増やす必要があるため、起動用バーナー１６ｂの大型化が必要になるとともに原料ガスが無駄に消費されるという問題も生じる。以上の事情を考慮して、第１設定流量Ｖ１は、モル比Ｓ／Ｃが２～１５の範囲内となる水蒸気が改質器１１に供給されるように設定されている。

【0070】

なお、改質器１１に原料ガスＧａの供給を開始するタイミングについて、本実施形態においては、第１流通動作の実行時に第１アノードオフガス経路の温度に基づいて行うようにしているが、第１アノードオフガス経路を流通する水蒸気の温度に基づいて行うようにしてもよい。水蒸気の温度を監視することにより、第１アノードオフガス経路内での水蒸気の凝縮を回避して、局所的な炭素析出を防止することができる。

【0071】

また起動用バーナー１６ｂへの原料ガスと空気の供給形態について、本実施形態においては、原料ガス受入部Ｐｇから分岐点αを介して原料ガスが供給されるとともに、空気受入部Ｐａから分岐点βを介して空気が供給される形態となっているが、他の形態を採用することも可能である。例えば、原料ガスおよび空気の両方或いは一方が、原料ガス受入部Ｐｇ或いは空気受入部Ｐａを介することなく、これらとは別個に設けた受入部およびブロワを介して燃料電池システム１の外部から起動用バーナー１６ｂへ直接供給されるようにしても良い。

【0072】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに利用可能である。

【符号の説明】

【0074】

１ 燃料電池システム
１１ 改質器
１２ 蒸発器
１３ 前段側セルスタック
１３ａ 第１燃料極
１３ｂ 第１空気極
１４ 水回収装置
１４ａ 水タンク
１４ｂ 凝縮器
１４ｃ 冷却用空気経路
１５ 後段側セルスタック
１５ａ 第２燃料極
１５ｂ 第２空気極
１６ａ オフガスバーナー
１６ｂ 起動用バーナー
Ａａ、Ａｂ、Ａｃ 空気
Ａｄ 冷却用空気
Ｂ１ 第１ブロワ
Ｂ２ 第２ブロワ
Ｇａ 原料ガス
Ｇｂ 改質ガス
Ｇｃ 第１オフガス
Ｇｄ 再生オフガス
Ｇｅ 第２オフガス
Ｇｆ 燃焼排ガス
Ｈ１ 第１熱交換器
Ｈ２ 第２熱交換器
Ｌａ１ 第１空気経路
Ｌａ２ 第２空気経路
Ｌａ３ 第３空気経路
Ｌａ４ 第４空気経路
Ｌａ５ 第５空気経路
Ｌｇ１ 第１ガス経路
Ｌｇ２ 第２ガス経路
Ｌｇ３ 第３ガス経路
Ｌｇ４ 第４ガス経路
Ｌｇ５ 第５ガス経路
Ｌｇ６ 第６ガス経路
Ｌｘ 燃焼排ガス経路
Ｌｗ 水経路
Ｐａ 空気受入部
Ｐｇ 原料ガス受入部
ＴＡ 断熱領域
Ｗ１ 水ポンプ

【図1】

【図2】