(57)【要約】  実施形態の１つでは、本発明によれば、再循環アノードガス流（２８）と、少なくとも１つのバーナ（２４）と、エネルギ源（２２）を含む燃料電池発電装置のためのアノード側ガス流ヒータが提供される。エネルギ源によって、バーナが加熱され、アノードガス流が少なくとも１つのバーナを通過して、加熱され、さらに、加熱されたアノードガス流が燃料電池発電装置（４）のアノード側を通過して、そこで燃料電池発電装置が加熱される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータであって、
再循環アノードガス流と、
少なくとも１つのバーナと、
エネルギ源とを有し、前記エネルギ源によって前記バーナが加熱され、
前記アノードガス流が前記少なくとも１つのバーナを通過して、加熱され、
その後、前記加熱されたアノードガス流が前記燃料電池発電装置のアノード側を通過し、前記燃料電池発電装置が加熱されるようにしてなることを特徴とする燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項２】
前記少なくとも１つのバーナによって、前記再循環アノードガス流が直接加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項３】
前記エネルギ源が燃料であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項４】
前記燃料が前記燃料電池発電装置用の燃料であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのバーナが複数の燃焼段を備えていて、前記アノードガス流の還元特性を高めることができることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項６】
それぞれ、前記アノードガス流の還元特性に影響を及ぼす燃焼特性を備える複数のバーナが利用されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項７】
前記少なくとも１つのバーナによって前記再循環アノードガス流が間接的に加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項８】
前記エネルギ源が燃料であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項９】
前記燃料が前記燃料電池発電装置用の燃料であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１０】
前記エネルギ源が電気であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１１】
複数のバーナが存在し、少なくとも１つのバーナが直接加熱し、少なくとも１つのバーナが間接的に加熱することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１２】
前記燃料電池発電装置内の温度が酸化条件に達すると、前記直接加熱バーナの使用が停止されることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１３】
前記再循環アノードガス流の約１０〜１５％が排出によって失われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１４】
前記再循環アノードガス流に補給ガス流を追加して、排出による損失分が補われることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１５】
前記補給ガスに、燃料電池の還元環境を保証するため約５％の水素が含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１６】
前記燃料電池発電装置が、カソード側高温空気流によっても加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのバーナからの排気を利用して、前記カソード側高温空気流が加熱されることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータ。
【請求項１８】
固体酸化物型燃料電池発電装置であって、
前記発電装置内において燃料電池を通過し、その約７５〜９５％が再循環され、残りの部分が排出される再循環アノード側ガス流と、
前記アノード側ガス流が前記燃料電池の通過前に通過する少なくとも１つのバーナと、
前記バーナに入って、空気流と混合し、前記バーナによって燃焼されて、前記アノード側ガス流を直接加熱する熱を発生する燃料源と、
補給ガス流とを有し、前記補給ガス流及び前記燃料源及び前記空気流が排出されるアノード側ガス流の量に等しいことを特徴とする固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１９】
前記補給ガス流に還元バルクアノードガスを確保するため水素が含まれることを特徴とする、請求項１８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項２０】
前記発電装置が酸化温度に達して、より多くの還元アノード側ガス流が生じると、前記少なくとも１つのバーナの少なくとも１つが調整されることを特徴とする、請求項１８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項２１】
燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータによって加熱する方法であって、
アノードガス流を再循環させることと、
前記再循環アノードガス流が少なくとも１つのバーナを通過するようにすることと、
エネルギ源を利用して、前記バーナを加熱することとを含み、
前記アノードガス流が前記少なくとも１つのバーナを通過して、加熱されることと、
前記加熱されたアノードガスが戻されて、前記燃料電池発電装置のアノード側を通り、前記燃料電池発電装置が加熱されることとを特徴とする、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府は、本発明に一括払い特許使用権を有しており、さらに、米国エネルギ省によって認められたＤＥ−ＦＣ２６−９７ＦＴ３４１３９の条件により規定された妥当な条件で他者への特許権使用許諾を行うように特許権者に要求する権利を制限された状況において有するものである。
【０００２】
本発明の分野は、燃料電池に関するものであり、とりわけ、燃料電池スタックの加熱に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
ＳＯＦＣ燃料電池スタックが機能するには、その温度が少なくとも６００℃、一般には７５０〜１０００℃なければならない。スタックを動作温度まで加熱するため、現在の技法では、空気ブロワを用いてカソード側全体に加熱空気を強制的に流す。空気は、ブロワとスタックの間のプロセス空気流路内にある電気ヒータまたはダクトバーナを用いて加熱される。燃料電池内における過剰な熱応力を回避するため、流入空気とスタック平均温度基準との温度差が制御される。管状ＳＯＦＣスタックの場合、最大温度差は約４００℃である。加熱器及びダクト系統の材料に制限があるため、実現可能な最高空気温度は７５０℃である。従って、スタックが初期動作温度に近づくと、空気供給熱とスタック温度の間にほとんど温度差がなくなるので、スタック温度上昇率が急激に低下する。
【０００４】
図１には、管状ＳＯＦＣスタックの空気流路が例示されている。加熱された空気２は、ＳＯＦＣ発電装置４に流入し、ほぼ燃料電池の閉鎖端まで延びる空気供給管８を介して燃料電池６に送り込まれる。空気は、電池閉鎖端において空気供給管を出て、空気供給管と電池内壁の間の環状通路に逆流となって流入する。熱が、放射及び対流によって空気から空気供給管及び燃料電池に伝達され、放射によって空気供給管から燃料電池に伝達される。空気は、その開放端から燃料電池を出て、燃焼ゾーン／回収熱交換器セクションに流入し、排気ノズル１２から発電モジュールを出る。加圧燃料（天然ガス）が、１４から発電モジュールに流入し、エジェクタ（ジェットポンプ）１８のノズルを通過する。エジェクタはプレナム１９から使用済み燃料を引き出して、新しい燃料と混合し、その後、強制的に予備改質器１６に通し、さらにスタック内改質器１７に送る。スタック内改質器は、図面を明瞭にするため詳細には示されていない。改質された燃料は電池の閉鎖端からスタック内改質器を出て、次に燃料電池管６の外部を通過し、バッフルを通って使用済み燃料プレナム１９に流入する。一部が使用済み燃料プレナムからエジェクタ１８に移動し、残りはバッフルを通って燃焼ゾーンに流入する。スタック内改質器１７は燃料電池６からの放射熱伝達によって加熱される。
【０００５】
休止状態の燃料電池スタックを動作温度まで加熱する間に、燃焼ゾーン／回収熱交換器において空気供給管の高温流入空気と電池開放端を出る低温空気との間で生じる回収熱交換器による熱伝達が、スタック加熱プロセスに悪影響を及ぼすことに留意すべきである。さらに、１２において発電モジュールから排出される空気は燃料電池とほぼ同じ温度になり、燃料電池の温度が上昇すると、この高温ガスの排出はかなりのエネルギ損失になる点にも留意すべきである。設計によっては、排気ガスに熱交換器を利用して、廃熱の一部を回収しようとするものもある。このタイプの加熱を利用する燃料電池については、パージ領域のようなさらなる改良も導入しているＧｉｌｌｅｔｔ他による米国特許第６，７６４，７８４号明細書において知ることが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、より迅速により効率よくスタックを加熱する方法及び装置を提供することにある。先行技術に関する他の問題も存在するが、それらのいくつかについてはさらに読み進めると明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記を考慮して、本発明に従う方法及び装置は、とりわけ固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）発電装置の加熱を促進するものである。先行技術のＳＯＦＣ発電装置はカソード側の高温空気流によって加熱された。本発明では、アノード側のガス流が加熱されるので、スタックの大部分をより直接的に加熱することが可能になる。さらに、先行技術のＳＯＦＣ発電装置にアノードガス流の再循環が取り入れられるので、本発明の加熱ガスの大部分は、排気されるのではなく、再循環されることになる。従って、ガスを燃料電池の加熱に十分な高さの温度に保つのに必要な熱の追加が少なくて済む。発電装置の動作中、アノードガス流路で燃料を扱うので、アノードガス流路内に配置されたバーナはエネルギ源としてＳＯＦＣ燃料を利用することが可能になる。
【０００８】
本発明によるこれらの及びその他の目的、特徴、及び、利点は、再循環アノードガス流、少なくとも１つのバーナ、及び、エネルギ源を含む燃料電池発電装置用のアノード側ガス流ヒータによる特定の実施形態によって得られる。エネルギ源がバーナを加熱し、アノードガス流はバーナを通過して、加熱され、加熱されたアノードガス流は燃料電池発電装置のアノード側を通り、そこで燃料電池発電装置が加熱される。
【０００９】
特定の実施形態の場合、バーナによって再循環アノードガス流を直接加熱し、エネルギ源は、燃料電池発電装置用の燃料のような燃料とすることが可能である。バーナはアノードガス流の還元特性を高めることが可能な複数の燃焼段を備えている。それぞれ、アノードガス流の還元特性に影響する燃焼特性を備えた複数のバーナを用いることが可能である。
【００１０】
他の特定の実施形態の場合、バーナは再循環アノードガス流を間接的に加熱し、エネルギ源は燃料である。燃料は燃料電池発電装置用の燃料であってもよいが、電気的なものであってもよい。複数のバーナを設けることが可能であり、少なくとも１つのバーナが直接加熱し、少なくとも１つのバーナが間接的に加熱するが、直接加熱するバーナは、燃料電池発電装置内の温度が酸化条件に達すると使用が停止される。
【００１１】
実施形態によっては、再循環アノードガスの約１０〜１５％が排気によって失われるものもある。再循環アノードガス流に補給ガス流を追加して、排気による損失を補うことが可能である。補給ガスには、燃料電池の還元環境を保証するため約５％の水素が含まれている。
【００１２】
燃料電池発電装置は、カソード側高温空気流によって加熱することも可能である。バーナからの排気を利用して、カソード側高温空気流を加熱することが可能である。
【００１３】
本発明のもう１つの特定の実施形態の場合、固体酸化物型燃料電池発電装置には、発電装置内の燃料電池を通過する再循環アノード側ガス流が含まれており、アノード側ガス流の約７５〜９５％が再循環され、残りは排出される。また、少なくとも１つのバーナが存在し、アノード側ガス流は、燃料電池の通過前にバーナ及びバーナに入る燃料源を通過し、空気流と混合して、アノード側ガス流を直接加熱するバーナの生じる熱によって燃焼する。補給ガス流及び燃料源及び空気流は、排出されるアノード側ガス流の量に等しい。補給ガスは、還元バルクアノードガスを確保するため水素を含むことが可能であり、発電装置がより多くの還元アノード側ガス流を生じる酸化温度に達すると、バーナの少なくとも１つを調整することが可能である。
【００１４】
本発明の他の実施形態も存在し、それらについては詳細な説明をさらに読み進めることによって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
例証のため、添付の図面を参照しながら本発明についてさらに詳述することにする。
【００１６】
本発明によれば、固体酸化物型燃料型燃料電池（ＳＯＦＣ）発電装置の起動中にアノードガス側加熱が施される。先行技術の起動ヒータは、空気供給管に吹き込まれる高温ガスを利用して、シールレス設計のＳＯＦＣ発電装置を加熱した。あいにく、空気が接触することになる熱導体としての発電装置の部分による熱伝導率が悪いので、これでは発電装置の加熱が極めて緩慢になる。さらに、空気は排出される前にそれ自体の供給管を通過するので、排出前に、熱のかなりの部分が用いられるガスに戻される。
【００１７】
本発明では、加熱されたアノード側ガスを循環させることによってＳＯＦＣ発電装置を加熱する。当該技術において既知のように、アノードガス流路は燃料流路である。ＳＯＦＣの通常動作中、アノードガス流の大部分は再循環し、新鮮空気と共に消費（約３／４）された燃料ガスは小部分を表わす。従って、燃料電池を含む領域内に受け入れる前に、アノードガスを加熱する場合、既存のエジェクタ受入れ空気または他の何らかのガスを一次流体として利用するか、または、前記エジェクタの代わりに循環ポンプを利用してアノード側ガスの大部分を再循環させることによって、補給ガスを追加し、燃焼ゾーンに流入して、その後１２から排出されるガスを補うのが極めて容易である。
【００１８】
認識しておくべきは、本発明は先行技術を排除して利用する必要はないという点である。ＳＯＦＣのアノード側加熱は、先行技術のカソード側空気流加熱の多くの利点を有しており、これら２つは互いに連係して利用することが可能である。
【００１９】
スタックのアノード側におけるガスは多種多様なやり方で加熱することが可能である。これらは、直接加熱と間接加熱とに分類される。直接加熱は、燃焼した燃料がガス流に直接接触することを表わすが、間接加熱の場合、熱源はガス流と熱的に接触するだけである。
【００２０】
発電装置のアノード側は、燃料を扱うようになっているので、直接加熱源の追加は、あまり改変しなくても実施可能である。少なくとも６００℃未満の場合、ＳＯＦＣ発電装置が燃料を処理して、熱を発生することはないので、システムへの追加は、バーナの追加である。必ずしも火炎を発生する必要はないが、バーナは空気で燃料を酸化させて、熱を発生する。燃料は、通常炭化水素ベースのＳＯＦＣ燃料（例えば天然ガス）とすることが可能である。燃料は、その標準経路を介してシステムに流入させることもできるし、あるいは、後述するように、バーナの近くに新たな燃料供給用入口を設けることも可能である。
【００２１】
直接加熱源がガス流を加熱源にさらすので、燃料及び副産物の一部がスタックに流入し、ニッケルのような金属に接触する。ニッケルは低温（例えば４００℃未満）の場合、酸化に対して耐性がある。従って、起動時のアノードガスは、悪影響を受けずに酸化する可能性がある。これは、過剰な酸素をバーナに追加すると、発電装置がより迅速に動作温度になる可能性があることを表わしている。スタック温度が約４００℃を超えると、ニッケルのような金属は酸化しやすくなり、酸化が生じるのを放置すると、有害になる。従って、スタック温度がこのポイントに達すると、アノードガス流を化学的に還元しなければならない。
【００２２】
一般に、アノードガスに最大で５％の水素が含まれている場合、燃料電池スタック内における着火性または爆発の危険を伴うことなく化学的に還元する。燃料電池スタック温度が空気中の水素の自己発火点である６００℃を超えると、アノードガスの水素含有率を安全に増すことが可能である。燃料電池温度が発電開始に十分になると、アノードガスを、水素が４０〜５０％と水素含有率がより高い起動燃料に変換しなければならず、スタックが通常燃料（例えば天然ガス）への移行に適した標準的な動作条件を実現するまで、燃料電池から引き出される電流に比例して燃料流量を増す必要がある。従って、この実施形態の場合、燃焼／ガス流の３つ以上の異なる段階が存在し得る。これら複数の段階は、スタック温度に応じて複数設定を有する単一バーナによって実現することもできるし、あるいは、複数のバーナをそれぞれそれら自体の設定で用いることも可能である。複数設定実施形態並びに単一設定実施形態の場合、複数バーナを任意の特定ステップで用いることも可能であるという点に留意されたい。
【００２３】
図２を参照すると、単一バーナを用いた直接燃焼の実施形態の１つが示されている。上述のように、ＳＯＦＣ発電装置４において加熱空気２を利用する先行技術の概念を利用することも可能である。加熱空気２は管８を介してキャップ付き燃料電池６内に送り込まれる。次に、空気は管を通って上方に戻り、回収熱交換器／燃焼ゾーンに流入して、１２から排出されるまで電池に沿って熱を伝達する。熱は燃料電池６からスタック活性／改質領域１７に送られる。さらに、本発明では改質領域１７も加熱する。バーナで用いられる燃料は、標準動作燃料パイプ１４を介してシステムに流入することが可能であるが、特定の実施形態の１つでは、燃料は、空気流源２６を含むことも可能なバーナ２４に２２から直接流入する。バーナの通過後、ガスは加熱されて、１８から再循環されずに、排出されて失われるガスを主として補う補給ガス流２８と混合されることになる。補給ガス２８には、必要時に燃料電池のための還元環境を確保するため水素を含むことが可能であるという点に留意されたい。排出されて失われるアノードガスの量は、設計の細部及び条件によって左右される可能性があるが、大部分の実施形態について約１０〜１５容量％の量が見込まれる。
【００２４】
ＳＯＦＣ発電装置の間接加熱の場合、さまざまなアプローチをとることが可能である。例えば、バーナはＳＯＦＣ燃料を用いて、熱を発生することができるが、その後、それとアノードガス流を物理的に混合しないで、ガスを排出することが可能である。これは、化学反応とは区別してアノードガスの加熱を制御することが求められる場合には望ましい実施形態であろう。上述のように、アノードガスの酸化還元を考慮すると、還元環境に関して最適な加熱を実現するには、いくつかの混合ガスをさまざまな温度に維持しなければならないのは当然である。これを回避するため、アノードガスを間接的に加熱すると、アノードガス流を個別により簡単に制御することが可能になる。
【００２５】
図３には、アノードガス流３０がバーナ２４内の熱交換器３１を通過するこの発明の一例が示されている。バーナを加熱する燃料２２及び空気２６は、アノードガス流３０と混合されずに、直接排出される（３２）。この排出ガスには、まだ有用な熱が含まれている可能性もあり、例えばカソード側空気流の加熱に利用することが可能である。
【００２６】
さらに、図４に示すように電気ヒータ３４を利用することも可能である。通常の当該技術者には他の同様の実施形態が明らかになるであろう。既述のように、本発明の起動加熱は、先行技術の空気流起動加熱と併用することが可能である。これに加えて、本発明のさまざまな直接及び間接加熱実施形態を互いに併用することも可能である。例えば、最初に発電装置を起動している場合、高酸素直接加熱による燃料の燃焼が生じる可能性があるが、これは、間接加熱に切り換えるか、または、温度上昇につれて徐々にやめて間接加熱に移行することになる。
【００２７】
実施形態の１つでは、本発明によって、再循環アノードガス流、少なくとも１つのバーナ、及び、エネルギ源を含む燃料電池発電装置のためのアノード側ガス流ヒータが提供される。エネルギ源がバーナを加熱し、アノードガス流がバーナを通過して、加熱され、さらに、加熱されたアノードガス流が燃料電池発電装置のアノード側を通過して、燃料電池発電装置が加熱されることになる。
【００２８】
特定の実施形態において、バーナは直接的に再循環アノードガス流を加熱し、エネルギ源は、燃料電池発電装置用の燃料のような燃料とすることが可能である。バーナは、複数の燃焼段を備えており、アノードガス流の還元特性を高めることが可能である。それぞれ、アノードガス流の還元特性に影響を与える燃焼特性を備えている複数バーナを用いることが可能である。
【００２９】
他の特定の実施形態の場合、バーナは間接的に再循環アノードガス流を加熱し、エネルギ源は燃料である。燃料は燃料電池発電装置用の燃料とすることが可能であるが、電気を用いることも可能である。複数のバーナを設けることも可能であり、少なくとも１つのバーナが直接加熱し、少なくとも１つのバーナが間接的に加熱するが、燃料電池発電装置内の温度が酸化条件に達すると、直接加熱バーナの使用が停止される。
【００３０】
実施形態によっては、再循環アノードガス流の約１０〜１５％が排出によって失われる。再循環アノードガス流に補給ガス流を追加して、排出によって失われた分を補うようにすることが可能である。補給ガスには、燃料電池の還元環境を保証するため約５％の水素が含まれている。
【００３１】
燃料電池発電装置は、カソード側高温空気流によって加熱することも可能である。バーナからの排気を利用して、カソード側高温空気流を加熱することが可能である。
【００３２】
本発明のもう１つの特定の実施形態の場合、固体酸化物型燃料電池発電装置には、発電装置内の燃料電池を通過する再循環アノード側ガス流が含まれており、アノード側ガス流の約７５％〜９５％が再循環し、残りの部分は排出される。また、少なくとも１つのバーナが設けられていて、アノード側ガス流はバーナを通過してから燃料電池を通過し、バーナに入る燃料源が空気流と混合して、バーナによって燃焼すると、アノード側ガス流を直接加熱する熱が発生する。補給ガス流と燃料源、及び、空気流は、排出されるアノード側ガス流の量と等しい。補給ガス流には、還元バルクアノードガスを確保するため水素を含むことが可能であり、発電装置が酸化温度に達して、より多くの還元アノード側ガス流を発生する場合には、バーナの少なくとも１つを調整することが可能である。
【００３３】
本発明の特定の実施形態について詳述してきたが、当該技術者には明らかなように、開示の教示全体に鑑みてそれらの細部に対するさまざまな修正及び改変形態を創出することが可能である。従って、開示の特定の構成は、単なる例証を意図したものでしかなく、付属の請求項の全範囲及びその任意の及び全ての同等物によって示されるべき本発明の範囲に関して制限しようとするものではない。例えば、本発明を利用して、ＳＯＦＣの冷却に影響を与えることも可能であるが、明らかにヒータは利用されない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】先行技術によるスタックを加熱するための装置を例示した図である。
【図２】本発明の実施形態の１つによるアノード側起動加熱を例示した図である。
【図３】燃料バーナによる間接加熱の一例を示す図である。
【図４】電気ヒータによる間接加熱の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
２  加熱空気
４  ＳＯＦＣ発電装置
６  燃料電池
８  管
１４  パイプ
１７  改質領域
１８  エジェクタ
２２  燃料
２４  バーナ
２６  空気流源
２８  補給ガス流
３０  アノードガス流
３４  電気ヒータ
【図１】
2009538502.tif 000003
【図２】
2009538502.tif 000004
【図３】
2009538502.tif 000005
【図４】
2009538502.tif 000006
【国際調査報告】
2009538502.tif 000007
2009538502.tif 000008
2009538502.tif 000009