(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、空気極および固体電解質膜を含む発電セルと、発電中は、該燃料極から排出された使用済燃料ガスを原燃料に合流させて混合ガスを得るための混合部と、前記発電セルの起動開始から発電前に還元性燃焼ガスを生成するための還元性燃焼ガス発生装置と、前記空気極に送る空気と前記還元性燃焼ガスとの熱交換を行う燃焼ガス冷却器と、前記発電セル外部に設けた水蒸気改質部とを含む固体酸化物形燃料電池発電システムであって、
前記混合部と、前記還元性燃焼ガス発生装置と、前記燃焼ガス冷却器と、前記改質部と、前記燃料極とが前記還元性燃焼ガスの循環系を構成するよう連結され、
前記還元性燃焼ガス発生装置は、前記発電セルの起動時に、前記原燃料と空気比が１よりも小さくなるよう流量調整された燃焼用空気とを導入して混合し、酸素が量論比より不足した状態で前記原燃料を燃焼させて還元性燃焼ガスを生成し、起動開始から発電開始前までの間に、前記原燃料と前記燃焼用空気と前記循環系を介して循環する還元性燃焼ガスとを混合して、前記原燃料と前記還元性燃焼ガスに含まれる可燃成分を空気比１以下の酸素が量論比より不足した状態で燃焼させて再び還元性燃焼ガスを生成する起動用バーナを有し、
前記空気極は、前記燃焼ガス冷却器で前記還元性燃焼ガスと熱交換した空気により加熱され、
前記改質部及び前記燃料極は、前記燃焼ガス冷却器で空気と熱交換した前記還元性燃焼ガスの熱で加熱されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池発電システムであって、前記混合部と前記還元性燃焼ガス発生装置との間に前記還元性燃焼ガスの循環系を駆動するための循環駆動装置が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池発電システムであって、前記還元性燃焼ガス発生装置の前記起動用バーナが、発熱量の低い混合ガスを燃焼するための低カロリー燃焼バーナであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池発電システムであって、前記空気極に送る空気を、前記燃焼ガス冷却器を通過させずに送るためのバイパス配管を設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池発電システムであって、前記燃料極の出口から排出された使用済燃料ガスが、前記燃料極の出口と前記混合部との間に、該使用済燃料ガスと前記空気極に送る空気との熱交換を行うリサイクルガス冷却器を設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項６】
少なくとも燃料極、空気極および固体電解質膜を含む発電セルと、発電中は、該燃料極から排出された使用済燃料ガスを原燃料に合流させて混合ガスを得るための混合部と、前記発電セルの起動開始から発電前に還元性燃焼ガスを生成するための還元性燃焼ガス発生装置と、前記空気極に送る空気と前記還元性燃焼ガスとの熱交換を行う燃焼ガス冷却器と、前記発電セル外部に設けた水蒸気改質部と、を含む固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法であって、
前記混合部と、前記還元性燃焼ガス発生装置と、前記燃焼ガス冷却器と、前記改質部と、前記燃料極とが前記還元性燃焼ガスの循環系を構成するよう連結され、
前記還元性燃焼ガス発生装置は、起動用バーナを有し、
前記発電セルの起動時に、前記起動用バーナにより、前記原燃料と空気比が１よりも小さくなるよう流量調整された燃焼用空気とを導入して混合し、酸素が量論比より不足した状態で燃焼させて還元性燃焼ガスを生成する工程と、
起動開始から発電開始前までに間に、前記原燃料と前記燃焼用空気と前記循環系を介して循環する還元性燃焼ガスとを混合して、前記原燃料と前記還元性燃焼ガスに含まれる可燃成分を空気比１以下の酸素が量論比より不足した状態で燃焼させて再び還元性燃焼ガスを生成する工程と、
前記燃焼ガス冷却器を流れる空気によって前記還元性燃焼ガスを前記燃料極の加熱に適した温度に冷却する工程と、
前記燃焼ガス冷却器で前記還元性燃焼ガスによって加熱された空気により前記空気極を加熱する工程と、
前記燃焼ガス冷却器を出た前記還元性燃焼ガスによって前記改質部の改質ガス流路を加熱する工程と、
前記燃料極を加熱し、該燃料極を出た前記還元性燃焼ガスの一部または全部を前記還元性燃焼ガス発生装置に還流させる工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法。
【請求項７】
請求項６記載の固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法であって、
前記燃焼ガス冷却器の入口と出口との間に、前記空気極に送る空気を、該燃焼ガス冷却器を通過させずに送るためのバイパス配管を設け、
前記起動開始から発電開始前までの昇温過程で、前記発電セルおよび該改質部が所定の温度にそれぞれ達し、前記還元性燃焼ガス中に含まれる水蒸気量が改質に必要な流量に達した時、前記還元性燃焼ガス発生装置への前記燃焼用空気を遮断する工程と、
前記燃焼ガス冷却器を通過する発電用の空気の流量を減少させて前記バイパス配管を流れる該発電用空気を増加させる工程と、
発電を開始して所定の電池温度に達するまで該原燃料を増加させ、発電量を増加させる工程と、
前記発電セルおよび前記改質部の温度をモニターするとともに、発電用の燃料ガスの流量に合わせて、発電中に前記燃料極から排出される前記使用済燃料ガスの循環流量を、前記循環系の循環駆動装置を用いて制御する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法。
【請求項８】
請求項６記載の固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法であって、
起動開始から発電の開始までの間、前記発電セルの前記燃料極および前記改質部に、前記循環系を介して前記還元性燃焼ガスを通す工程と、発電開始後は、定格負荷に至るまでの負荷パターンに合わせて、発電可能な量の改質ガスが前記改質部で生成可能となる水蒸気量を制御目標として、前記循環系の循環駆動装置を用いて前記使用済燃料ガスを制御する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法。
【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発電システムおよびその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、起動時に全体を所定の発電可能温度にまで加熱する必要がある。また、発電に必要となる水素は、原燃料である都市ガスやプロパンガスなどを改質して供給するが、原燃料を直接、発電セルの燃料極側に供給して発電セル内部で改質する内部改質方式と、発電セル外部に改質器を設け、この改質器で改質されたガスを発電セルに供給する外部改質方式とがある。特に、外部改質方式の場合では、発電セルと同様に、改質器を改質反応可能な温度にまで加熱する必要がある。
【０００３】
従来の発電セルの加熱方法においては、発電セルの周囲に取り付けた電気ヒータにより加熱する方法や空気極へ供給する空気配管に加熱装置を設けて高温に加熱した空気を供給する方法などが採られている。
【０００４】
ところで、燃料極側に空気などの酸化性ガスが接触すると、燃料極が酸化され、導電性や電極活性が失われる。このため、燃料極側には還元性ガスとして起動時に水素ガスを流すなどして燃料極に酸素などの酸化性ガスが流入しないよう工夫されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、内部改質方式の一例として、燃料極側に不完全燃焼ガスを供給して還元性雰囲気を保ちながら加熱させる方法が開示されている。
【０００６】
改質器の起動時においては、上記の発電セルの加熱に使われた高温ガスを改質器の燃焼ガス側に流して改質器を加熱する。燃焼ガス側流路には、改質触媒の劣化防止の観点から、発電セルと同様、不活性ガスである窒素や水素などの還元性ガスを供給しなければならない。また、起動から発電に至るまで、貯蔵してあった純水を蒸発器で蒸発させて改質器における改質反応に必要な水蒸気を供給していた。
【０００７】
ただし、例えば、特許文献２には、発電中においては、水蒸気の確保に関しては、燃料リサイクルシステムにより燃料極出口の反応済みの燃料ガスを改質器にリサイクルすることにより電気化学反応によって燃料極内で生成された水を改質用に利用する手段が開示されており、理論的には純水や蒸発器が不要となる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１-１６２４９２号公報
【特許文献２】特開２００４-２４７２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池の起動方法では、電池温度が４００℃までは燃料極側も還元性雰囲気ではなく、酸化性雰囲気の燃焼ガスが供給されている。このため、起動初期から還元性雰囲気で加熱できれば、燃料極の信頼性が更に向上すると考えられる。また、燃料電池の材質や製作プロセスの違いなどによって、更に低い温度でしか耐酸化性が保たれない場合もある。
【００１０】
還元性雰囲気の燃焼ガスを生じさせるには空気比を１以下にすればよいが、燃焼温度は１近傍では断熱火炎温度で２０００℃にもなる。このため、常温の燃料電池を高温の燃焼ガスに直接さらすのは、大きな温度差のため熱応力が発生するなど、燃料電池の強度の面から好ましくない。燃焼ガスの温度を低く抑えるため、空気比を下げると、煤の発生や燃焼の不安定性といった問題が生じる。
【００１１】
また、空気比１以下、例えば０．９の還元性燃焼ガスに不活性ガスの窒素を混ぜて温度を調整する方法もあるが、窒素を供給するための付帯設備が必要となり、系統も複雑化する。すなわち、窒素などの不活性ガスを使用せず、燃料電池の内部に大きな温度差を発生させることなく、還元性ガスを燃料極に供給する手段は開発されていなかった。
【００１２】
特許文献１は、内部改質方式の起動方法について記載してあり、外部改質方式の発電システムについては記載していない。外部改質方式では、改質に必要な水蒸気の確保が発電前に必要であり、そのためには、これまで純水とその蒸発器を必要としていた。
【００１３】
特許文献２によれば、燃料リサイクル方式により発電中は理論的には純水や蒸発器が不要となるが、起動から発電に至るまで、発電システムの加熱、水蒸気の確保および改質率の制御を両立させるのに必要となるシステム構成および起動方法については開示されていない。
【００１４】
そこで本発明は、主として電池外部改質方式（部分改質を含む）において、起動時から外部から純水および窒素ガスを供給することなく、燃料電池の信頼性を損なうことなく、改質器から必要量の水素を含む反応ガスを発生させて発電を行う固体酸化物形燃料電池発電システムおよびその起動方法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】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明による固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料極、空気極および固体電解質膜を含む発電セルと、該燃料極から排出された使用済燃料ガスを原燃料に混合して混合ガスを得るための混合部と、還元性燃焼ガス発生装置と、改質部とを含む固体酸化物形燃料電池発電システムであって、還元性燃焼ガス発生装置が、還元性燃焼ガスを生成する起動用バーナを有し、上流側から順に、該混合部と、該還元性燃焼ガス発生装置と、該改質部と、該燃料極とを連結したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法は、少なくとも燃料極、空気極および固体電解質膜を含む発電セルと、該燃料極から排出された使用済燃料ガスを原燃料に混合して混合ガスを得るための混合部と、還元性燃焼ガス発生装置と、該空気極に送る空気と該還元性燃焼ガスとの熱交換を行う燃焼ガス冷却器と、改質部とを含み、還元性燃焼ガス発生装置が、還元性燃焼ガスを生成する起動用バーナを有し、上流側から順に、該混合部と、該還元性燃焼ガス発生装置と、該燃焼ガス冷却器と、該改質部と、該燃料極とを連結した固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法であって、起動開始から該還元性燃焼ガス発生装置で該混合ガスを空気比１以下で燃焼させて該還元性燃焼ガスを発生させる工程と、該燃焼ガス冷却器を流れる空気によって該還元性燃焼ガスを該燃料極の加熱に適した温度に冷却する工程と、該燃焼ガス冷却器で該還元性燃焼ガスによって加熱された空気により該空気極を加熱する工程と、該燃焼ガス冷却器を出た該還元性燃焼ガスによって該改質部の改質ガス流路を加熱する工程と、該燃料極を加熱し、該燃料極を出た該還元性燃焼ガスの一部または全部を該還元性燃焼ガス発生装置に還流させる工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、起動開始から発電に至るまで、外部から水および窒素等の不活性ガスを一切供給することなく、燃料電池の信頼性を損なうことなく、改質器および発電セルの加熱を効率的に短時間で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池発電システムおよびその起動方法に関する実施の形態について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１に本発明による燃料電池発電システムの実施例１を示す。本発明の燃料電池発電システムは、燃料極３および空気極４を含む一対の電極対で挟んだ固体電解質膜１７で構成した発電セル１、発電セル１を多数接続した電池スタック２、原燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質部５、水素および水蒸気を含む還元性の燃焼ガスを発生させる還元性燃焼ガス発生装置７、発生した還元性燃焼ガス１０８を適切な温度に冷却する燃焼ガス冷却器８、還元性燃焼ガスを循環させるための循環駆動装置６を有している。
【００２０】
また、空気極４出口および燃料極３出口から排出されたガスを用いて燃焼を行う燃焼室１０、燃焼室１０から発生する燃焼排ガス１０３により空気１０４を予熱する空気予熱器９、空気予熱器９および燃焼ガス冷却器８で加熱された空気を発電セル１の空気極４に均等に分配する空気マニホールド１１、空気マニホールド１１に空気極４を加熱するための昇温用補助燃焼装置１３を備えている。
【００２１】
発電セル１の燃料極３では、改質部５の改質ガス流路１４で生成された水素と空気極４から電解質膜１７を通して移動してきた酸素イオンとが反応し、水が生成される。空気極４では酸化剤である空気中の酸素が酸素イオンに変化する。
【００２２】
改質部５は、改質触媒を設置した改質ガス流路１４、および燃焼室１０から供給される高温の燃焼排ガス１０３が流れる燃焼排ガス流路１５を有する。燃焼排ガス流路１５の下流側には弁２０１が設けてあり、この弁２０１を閉じることにより、燃焼排ガス１０３をシステム外部に排出せずに、燃料極３からの出口ガス１１１をリサイクルすることができる。改質ガス流路１４は燃料極３に接続してあり、発電中、この燃焼排ガス１０３により加熱され、改質ガス流路１４内の改質触媒により原燃料であるメタン、プロパン、ブタン、エタンまたは他のＣ２以上の炭化水素が熱分解される。これらの炭化水素は、水素や一酸化炭素に変化し、燃料極３に送られる。
【００２３】
この改質反応には、水蒸気が少なくとも体積流量比で炭化水素の２倍以上不可欠であり、水蒸気が不足するとカーボン析出が生じ、改質触媒に悪影響を及ぼす。また、改質部５の温度によって改質反応の速度が変化する。４００℃〜７００℃の範囲では温度が高いほど改質反応が進行する。また、起動時には、改質ガス流路１４に還元性燃焼ガス１０８が流れるとともに、燃焼排ガス流路に燃焼排ガス１０３が流れて改質部５を加熱する。
【００２４】
なお、発電セル１の燃料極３では、改質部５から供給される改質ガスに含まれているメタンも燃料極３で改質され、水素や一酸化炭素を生成する。したがって、燃料極３では、電気化学反応によって水素が消費される一方で、改質反応によって水素が生成する。
【００２５】
還元性燃焼ガス発生装置７においては、起動時に原燃料であるメタンやプロパン、ブタン、エタンまたは他のＣ２以上の炭化水素と燃焼用空気１００とを用い、空気比で１以下の、いわゆる酸素が量論比より不足した状態での燃焼を行わせる。このため、還元性燃焼ガス発生装置７から発生する燃焼ガスには酸素が含まれず、いわゆる還元性の燃焼ガスが発生する。
【００２６】
また、還元性燃焼ガス発生装置７は、原燃料に上記の還元性燃焼ガスを混合して燃焼することが可能な燃焼バーナを有している。還元性燃焼ガスの混合によって燃料は希釈されるため燃料の発熱量が低下する。このような低カロリー、かつ体積流量の多い燃料を燃焼させるバーナとして低カロリー燃焼バーナが必要となる。このような燃焼用バーナは、例えばガスタービンの燃焼器で用いられている。
【００２７】
なお、還元性燃焼ガス発生装置７は、発電中、燃焼用空気１００が遮断されるため、燃焼は行われず、原燃料と、燃料極３出口からリサイクルされてきた反応使用済み燃料ガス１０５との混合ガス１０９が通過するだけである。ただし、還元性燃焼ガス発生装置７内は、混合ガス１０９を均一に混合する作用を有する。
【００２８】
燃焼ガス冷却器８は、前記燃焼ガス発生装置７で発生した還元性燃焼ガス１０８を所定の温度に冷却するとともに、冷却媒体である空気極昇温用空気１０４を加熱するものである。燃焼ガス冷却器８は、主として起動開始からの昇温過程において用いられるものであり、発電セル１および改質部５の温度が所定の温度以上になった場合には図示したバイパス配管１２で空気１０４をバイパスする場合もある。また、本実施例において燃焼ガス冷却器８に送り込まれる空気は、空気予熱器９出口の空気１１３となっているが、燃焼ガス冷却器８出口のガス１１０の温度が高くなる場合には、バイパス配管１２を通して空気１１３を一部バイパスさせ、別途、外部から加熱されていない空気を燃焼ガス冷却器８に供給してもよい。
【００２９】
循環駆動装置６は、燃焼ガス冷却器８出口のガス１１０を、改質部５の改質ガス流路１４および発電セル１の燃料極３に流し、燃料極３からの出口ガス１１１をリサイクルして燃焼用および発電用燃料１０１と混合部１６で合流させる。具体的な循環駆動装置６としては、ブロア、ファン、ポンプのほかエゼクタが適用される。また、循環駆動装置６の位置を混合部１６の下流側に設置したことにより、燃料１０１の供給およびリサイクルガス１０５の循環という二つの機能を一つで果たすことができ、システムを簡素化することができる。
【００３０】
燃焼室１０は、空気極４および燃料極３に接続し、起動時の燃料極出口ガス１０６に含まれる還元性燃焼ガス中の未燃分、あるいは発電時における未反応分燃料を、空気極出口の反応使用済み空気１０７を用いて燃焼させるものであり、燃焼室１０内で燃焼排ガス１０３を生成する。
【００３１】
空気予熱器９は、燃焼室１０の下流側に接続し、燃焼室１０からの燃焼排ガス１０３と、発電用あるいは空気極昇温用の空気１０４とを熱交換させ、空気１０４を加熱する。また、空気予熱器９から排出される燃焼排ガスは、改質部５の燃焼排ガス流路１５に接続し、燃焼排ガス流路１５を流れて改質反応に必要な熱を改質ガス流路１４側に供給する。
【００３２】
空気マニホールド１１は、電池スタック２の各発電セル１の空気極４に接続してあり、各空気極４に均等に空気を分配する。空気マニホールド１１は、燃焼ガス冷却器８または空気予熱器９のそれぞれ空気側と接続してあり、加熱空気１０２が流入するようになっている。加熱空気１０２は、この空気マニホールド１１を介して各空気極４に送られ、起動時における発電セル１の加熱、ならびに発電時における酸化剤の供給および発電セル１の冷却を担う。
【００３３】
昇温用補助燃焼装置１３は、起動時において加熱空気１０２による加熱を補助するものである。これは空気マニホールド１１に接続してあり、昇温用補助燃焼装置１３に設けた燃焼バーナで燃焼ガスを生成して空気マニホールド１１に送り、加熱空気１０２と混合する。
【００３４】
本発明の燃料電池発電システムは、起動時に循環駆動装置６によって燃焼用燃料１０１としてメタンが還元性燃焼ガス発生装置７に送られるとともに、外部から燃焼用空気１００がブロア（図示せず）により供給される。この時の空気比は１以下とし、できるだけ小さい方が好ましい。しかし、燃焼安定性を確保し、煤の発生を抑制する範囲に制御する。
【００３５】
本実施例において空気比は約０．９とした。この時の燃焼の断熱火炎温度は２０００℃を越えるため、燃料１０１の流量を最小限から始めることが望ましい。
【００３６】
還元性燃焼ガス１０８は酸素を含まず、主として水蒸気、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、窒素を含む。還元性燃焼ガス１０８は、燃焼ガス冷却器８で冷却した後、改質部５の改質ガス流路１４に送られる。改質部５の改質ガス流路１４内には改質触媒が充填されており、熱容量が大きいため冷却効果も大きい。また、改質触媒自体は粒状の充填物であり、高温の還元性燃焼ガス１０８により流れ方向に大きな温度分布が生じても、熱応力を分散することができるため、強度面の信頼性が高い。このため、燃焼ガス冷却器８で還元性燃焼ガス１０８を必要以上に冷却する必要はなく、燃焼ガス冷却器８をコンパクトにすることができる。
【００３７】
さらに、改質触媒の仕様要件としては、耐熱性の高い、すなわち高温ガスに耐えうる材料が望ましい。部分改質を行わせる場合であれば、１０００℃以上でも耐え得るニッケル系、ルテニウム系などの触媒が望ましい。
【００３８】
上記のように、熱容量が大きく、流れ方向の温度分布に影響されにくい改質部５を還元性燃焼ガス発生装置７と燃料極３との間に設けることにより、起動開始後しばらくの間、改質部５を出た還元性燃焼ガス１０８の温度を、燃料極３の耐熱温度まで冷却することができる。
【００３９】
また、還元性燃焼ガス発生装置７を改質部５の上流側に設置したことにより、燃焼用および発電用燃料１０１の供給口を１か所とすることができる。これにより、燃料系統がより簡素化される。
【００４０】
燃焼ガス冷却器８、改質部５の燃焼排ガス流路１４および燃料極３をそれぞれ加熱しながら通過した出口ガス１１１は、燃料極３の出口から循環駆動装置６によってリサイクルラインを流れて混合部１６に還流する。本実施例においては、原燃料および空気の質量流量を合計した質量流量に等しい質量流量の燃焼ガスをリサイクルガス１０５として還流することとした。リサイクルされる燃焼ガス１０５は、混合部１６で燃焼用燃料１０１と合流して再び循環駆動装置６を介して燃焼ガス発生装置７に送られる。
【００４１】
なお、リサイクルされる燃焼ガス１０５の発熱量はメタンに比べてはるかに小さく、無視できる程度である。したがって、混合ガス１０９の体積あたりの発熱量は１／１０以下となる。また、混合ガス１０９は水分を１５％程度含有している。したがって、このような性状の混合ガス１０９を燃焼させるためには、還元性燃焼ガス発生装置７に低カロリーバーナを設ける必要がある。この結果、還元性燃焼ガス発生装置７を出た還元性燃焼ガス１０８の温度が約１１００〜１３００℃まで低下することになる。
【００４２】
還元性燃焼ガス１０８は再び燃焼ガス冷却器８を通り、改質部５および燃料極３を加熱しながら再循環する。この時、改質ガス流路部１４および燃料極３の温度、ならびに燃料極３入口における改質ガスの温度を監視するとともに、燃焼ガス冷却器８に供給する空気１０４の流量および燃焼ガス１１０の流量を調整する。例えば、昇温速度が遅い時には、燃料１０１および空気１００の流量を、空気比を保ったまま増加させ、燃焼ガス冷却器８に供給する空気１０４の流量を減少させる。逆に、燃料極３入口の温度上昇が予定より速い場合には燃焼ガス冷却器８への空気１０４の流量を増加させる。
【００４３】
上記の操作により、燃料極３の温度制御のために、空気極４に導かれる空気１０２の流量や温度が変化することになるが、空気極４の加熱に対する悪影響をできるだけ緩和するため、後述する昇温用補助燃焼装置１３を用いて空気極４の加熱を調整する。
【００４４】
燃料極３の加熱の形態としては、燃料１０１とリサイクルガス（循環還元性燃焼ガス）１０５の流量をできるだけ増加させ、起動開始から発電開始前までに改質部５および燃料極３に４００℃〜７００℃程度の中温の還元性燃焼ガス１１０を大量に供給することが望ましい。これは発電セル１の信頼性を損なうことなく、かつ昇温速度を高めることにつながる。
【００４５】
なお、空気極４に関しては、燃焼ガス冷却器８で加熱された空気１０２を、空気マニホールド１１を介して空気極４に供給することにより加熱する。また、燃料極３と空気極４の温度差を小さくするため、還元性燃焼ガス発生装置７の起動に合わせて、昇温用補助燃焼装置１３を起動させる。起動後も空気極４の加熱が不足する場合は、昇温用補助燃焼装置１３から燃焼ガス１１２を空気マニホールド１１に継続的に供給する。また、燃焼室１０からの燃焼排ガス１０３は、空気予熱器９で空気極３昇温用の空気１０４を加熱するとともに、下流側で改質部５の加熱にも使われる。
【００４６】
発電セル１および改質部５の温度がそれぞれ、発電可能な温度、改質可能な温度の範囲内となったら、所定の水蒸気量が改質部５を流れるように循環駆動装置６および圧力調整弁２０１を制御してリサイクルガス１０５の流量を調整する。改質部５を流れる水蒸気のモル流量は、投入する発電用燃料１０１に含まれる炭素のモル流量の少なくとも２．５倍以上は必要である。できれば、循環駆動装置６の許容流量範囲内で最大流量を循環させることが好ましい。その後、還元性燃焼ガス生成装置７に供給していた燃焼用空気１００を遮断し、発電に必要な燃料１０１を燃焼用燃料に代わって同じ配管から供給する（本実施例では燃焼用燃料と発電用燃料は同一である）。
【００４７】
昇温用補助燃焼装置１３からの燃焼ガス１１２は、発電セル１および改質部５の温度条件によっては遮断しても構わないが、温度著しく低い場合は、昇温用補助燃焼装置１３の運転を継続することもある。
【００４８】
燃焼用空気１００を遮断すると、一時的に発電セル１および改質部５の加熱用熱源が失われたことにより、温度が低下するが、その低下分を見越してあらかじめ高めに加熱しておく必要がある。あるいは、上述のように、昇温用補助燃焼装置１３の運転を継続する方法が採られる。また、改質部５の温度低下を抑制するため、燃焼ガス冷却器８に送られていた空気極昇温用および発電用空気１０４を、バイパス配管１２に通すようにすることもバイパス弁２００の開度調整により可能である。
【００４９】
改質部５で水蒸気改質反応により改質された水素を含む改質ガスは、燃料極３で電気化学反応を行う。この電気化学反応に伴う発熱作用により燃料ガスおよび発電セル１の温度も上昇することとなり、定格条件の温度に達するまで更に加熱を継続することになる。
【００５０】
なお、改質部５には発電開始直前までは、還元性燃焼ガス生成装置７から発生していた還元性燃焼ガス１０８に含まれる水蒸気を循環させることにより必要な水蒸気が供給されるが、発電開始と同時に燃焼がストップするため、還元性燃焼ガス生成装置７からの水蒸気の供給がなくなる。その代わりに、燃料極３での電気化学反応により改質反応で使われた以上の水が生成され、燃料極３から循環駆動装置６にリサイクルされる反応使用済み燃料ガス１０５中には改質部５での改質反応に必要な水蒸気を確保することができる。
【００５１】
燃料極３出口での反応使用済み燃料ガス１０５のうちリサイクルされなかった残りのガス１０６は燃焼室１０に供給され、反応済みの空気１０７との燃焼反応により燃焼排ガス１０３を生成する。燃焼排ガス１０３は、空気予熱器９を介して発電用空気１０４の予熱を行うとともに、改質部５の燃焼排ガス流路１５を流れて改質反応の熱源として使われた後、システム外に排出される。
【００５２】
上記のように発電をしながら加熱する工程に入ると、所定の発電負荷に達するまで発電用空気１０４の流量を調節して発電セル１の温度を制御するとともに、燃料１０１の供給量を徐々に増やし、循環駆動装置６でリサイクルガス（反応使用済み燃料ガス）１０５の流量を燃料１０１の供給量の変化に合わせて制御して、所定の空気流量、燃料流量およびリサイクル流量に到達させる。
【００５３】
なお、リサイクル流量は、改質部５における水蒸気／炭素の比をどのように設定するか、で一意的に定まることになるため、供給する発電用燃料１０１の流量から求めることができる。したがって、あらかじめ燃料１０１の流量増加パターンに対してリサイクル流量を求めておくことにより、それをリサイクル制御の信号に取り入れて負荷を上昇させながら昇温させる工程の温度制御が容易となる。
【００５４】
起動の初期に比べて定格発電時の運転状態に近づくほど、リサイクル率（すなわち、リサイクル流量／燃料極出口ガス流量）は小さくなる。例えば、燃料がメタンの場合、スチーム／カーボン比を２．５に保つようなリサイクル率は約６５％であり、リサイクルガス（反応使用済み燃料ガス）１０５の流量は、リサイクルされないで燃焼室１０に導かれるガス１０６の流量の約１．９倍程度にまで下がる。起動開始時には流量は少ないが３〜４程度となる。
【実施例２】
【００５５】
図２に本発明による燃料電池発電システムの実施例２を示す。本実施例では前記実施例１の燃料極３出口と混合部１６の間にリサイクルガス１０５が流れるリサイクルガス冷却器２０を新たに設置したものである。リサイクルガス冷却器２０では、燃料極３出口で分岐されたリサイクルガスと、空気極昇温用および発電用空気となる大気中の空気１０４とが熱交換され、リサイクルガスを冷却するものである。これにより循環駆動装置６入口でのリサイクルガスの温度が低下するため高価な高温仕様の駆動装置は必要なくなり、低温仕様の安価な循環駆動装置たとえばブロアやファンが使えることになる。
【００５６】
以下、更に詳しく本発明による燃料電池発電システムの作用について述べる。
【００５７】
還元性燃焼ガス１０８を発生させて加熱しているときには、リサイクルガス冷却器２０出口からの空気は、バイパス配管１２を通って空気マニホールドに導かれる。この時は、開閉弁２０２を開いて空気１０４の一部を冷却空気１１４として供給し、燃焼ガス冷却器８で還元性燃焼ガス１０８を冷却する。
【００５８】
つぎに、発電セル１の発電によって加熱している場合には、燃焼用空気１００は遮断され、還元性燃焼ガス発生装置７において還元性燃焼ガス１０８は発生させず、燃料極３出口からの反応使用済み燃料ガス１０５が発電用燃料１０１と混合し、混合ガス１０９としてリサイクルしてくるだけである。循環起動装置６および還元性燃焼ガス発生装置７を通過した混合ガス１０９は、改質部５に入る前にリサイクルガス冷却器２０で冷却される前の温度に戻す必要がある。このため、バイパス弁２００を閉じ、リサイクルガス冷却器２０で加熱された空気１１５の全量を燃焼ガス冷却器８に流して混合ガス１０９を加熱することにより、改質部５の温度を維持し、できる限り燃料極３の昇温を妨げないようにした。
【００５９】
すなわち、本発明による燃料電池発電システムにおいて、燃焼ガス冷却器８は、起動時にリサイクルガスの冷却器としての機能と加熱器としての機能とを併せ持つ特徴を有している。このようなシステム構成および運転方法により、耐熱性の低い循環駆動装置６を適用可能となる。
【実施例３】
【００６０】
図３に本発明による燃料電池発電システムの実施例３を示す。本実施例においては、燃焼ガス冷却器８、空気予熱器９、空気マニホールド１１の順に、空気極昇温用および発電用空気１０４を流す。実施例１、２とは空気の流れ方向が逆になっている。これにより、起動時において燃焼ガス冷却器８における還元性燃焼ガス１０８の冷却効果を最優先したものであり、より直接的に燃焼ガス冷却器８出口の燃焼ガス１１０の温度を制御できる。
【００６１】
ただし、起動初期において、燃焼ガス冷却器８出口の加熱空気１０２の温度と空気予熱器９に流入する燃焼排ガス温度との差が小さくなるか逆転する場合も考えられ、空気マニホールド１１に伝わる熱量が少なく、空気極４の加熱に影響が出る可能性がある。その場合は昇温用補助燃焼装置１３で補うことになる。
【００６２】
図４-1および図４-2に上記の実施例１〜３に記載した還元性燃焼ガス発生装置７の具体的構造を示す。燃料配管５７には燃焼用の燃料あるいは該燃料と燃料極出口からリサイクルされてきた還元性燃焼ガスとが混合された低発熱量で、流量の多い燃料ガスが導入される。燃料配管５７は、分岐管５６Ａ、５６Ｂを通って燃料ヘッダー６３に接続してある。燃料ヘッダー６３には多数の円筒型の燃料ノズル６２が設けてあり、燃料ヘッダー６３に入った燃料７３はこの燃料ノズルの流入口６５から流入する。
【００６３】
一方、燃焼に必要な空気は、分岐管５５Ａ、５５Ｂから空気チャンバー６０に送られる。空気チャンバー６０内の空気７１は、多孔板７２を通して整流され、空気ヘッダー６１に送られる。空気ヘッダー６１の上部に接するプレート６７には、燃料ノズル６２が接続してあり、燃料ノズル６２の口径よりも大きな噴口５９が空けてある。空気７１は、燃料ノズル６２と噴口５９の間にできる円環部５８から噴口５９に流入し、燃料ノズル６２を流れる燃料７３と急速に混合され、混合気７０となって燃焼室５０に送られる。
【００６４】
燃焼室５０において噴口５９からの混合気７０を燃焼させることになるが、各噴口５９からの流量の不均一などによって噴口５９の全てにおいて燃焼するとは限らない。そこで、より安定かつ均一に燃焼を行わせるため、噴口５９上部にパンチングメタルボード５３によって支持され、押さえ板５４によって固定されたセラミックフォーム５１、５２を二段設け、予混合気７１を上段セラミックフォーム５１表面上で燃焼させるようにした。また、燃焼室５０の周囲には断熱材６８を配し、還元性燃焼ガス発生装置７全体を保温材７４で覆うことにより外部への放熱を抑制している。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの実施例１を示すシステム構成図である。
【図２】本発明による燃料電池発電システムの実施例２を示すシステム構成図である。
【図３】本発明による燃料電池発電システムの実施例３を示すシステム構成図である。
【図４−１】本発明による燃料電池発電システムの還元性燃焼ガス発生装置の断面図である。
【図４−２】本発明による燃料電池発電システムの還元性燃焼ガス発生装置のＡ−Ａ平面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…発電セル、３…燃料極、４…空気極、５…改質部、６…循環駆動装置、７…還元性燃焼ガス発生装置、８…燃焼ガス冷却器、９…空気予熱器、１０…燃焼室、１１…空気マニホールド、１３…昇温用補助燃焼装置、１０５…リサイクルガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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