(57)【要約】      （修正有）【課題】加熱された流体を燃料電池モジュールの上から下に流して昇温するのではなく、燃焼ガスを用いて直接加熱できる様にし、これによって昇温時間を短縮し、この場合に生じ易い燃料電池構成部材の破損を低減できる様にした燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】電解質の両側にアノード８０ａおよびカソード８０ｃを備えた燃料電池８０と、起動バーナ１を備え、前記起動バーナ１の燃焼ガスにより燃料電池８０を昇温する燃料電池発電システムであって、起動バーナ１と燃料電池８０との間に、起動バーナ１による燃焼ガスを冷却する冷却機構５０、５１を設けた。起動バーナ１による燃焼ガスの温度を調整することができ、燃料電池８０の上下方向の温度分布を抑制して燃料電池８０の破損を防止できる。また、起動バーナ１により燃料電池８０を直接加熱するので起動時間を短縮できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にアノードおよびカソードを有する燃料電池を備えた発電システムであって、前記燃料電池を昇温するためのバーナを備え、前記燃料電池と前記バーナとの間に前記バーナの燃焼ガスを冷却するための冷却機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記冷却機構が前記バーナの燃焼ガスに冷却ガス流体を混合させて燃焼ガス温度を下げるものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記冷却機構が前記バーナの燃焼ガスに冷却流体を熱交換させて燃焼ガス温度を下げるものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項２において、前記冷却ガス流体が、発電に使用される燃料、空気、水、水蒸気または不活性ガスのいずれかであることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１において、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池よりなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５において、前記固体酸化物形燃料電池の形状が有底円筒形であり、底の部分が下で、開口している部分が上になるように鉛直方向に配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項６において、有底円筒形をした前記固体酸化物形燃料電池の外面にアノード、内面にカソードを有し、前記固体酸化物形燃料電池の下方に前記バーナを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記バーナが炭化水素系燃料を燃焼して還元性ガスを生成するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
有底円筒形をした前記固体酸化物形燃料電池のアノード下部温度とアノード上部温度および前記バーナにより生成された燃焼ガスの温度に基づいて、前記冷却機構における冷却ガスの流量、低温側熱交換用流体の流量、前記バーナに供給する空気流量及び燃料流量のうちの少なくとも1つを制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項１において、前記燃料電池の排ガス出口側に、燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼加熱機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１１】
請求項１において、前記燃料電池の排ガス出口側に燃料供給管より燃料を供給して燃料電池に供給される反応ガスを燃料電池排ガスにより予熱する熱交換器を備え、前記燃料電池の排ガス出口と前記熱交換器との間に燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼加熱機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項１１において、前記熱交換器として、水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生器、前記水蒸気発生器で生成された水蒸気によって炭化水素系燃料を改質する改質器、前記燃料電池のカソードにカソードガスとして供給される空気を予熱する空気予熱器の少なくとも1つを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１３】
請求項１において、前記燃料電池の排ガス出口側にカソードヘッダを有し、前記燃料電池の排ガス出口と前記カソードヘッダとの間に燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼加熱機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記燃焼加熱機構にて生成された燃焼ガスの温度に基づいて前記燃焼加熱機構による燃料ガスの燃焼量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
電解質の両側にアノードおよびカソードを有する燃料電池を備えた発電システムであって、前記燃料電池の排ガス出口側に、燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼加熱機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１６】
請求項１５において、前記燃料電池の排ガス出口側に燃料電池に供給される反応ガスを燃料電池排ガスにより予熱する熱交換器を備え、前記燃料電池の排ガス出口と前記熱交換器との間に前記燃焼加熱機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１７】
請求項１６において、前記熱交換器として、カソードヘッダ、燃料電池にカソードガスとして供給される空気を予熱する空気予熱器、炭化水素系燃料を水蒸気改質するための水蒸気を発生させる水蒸気発生器、および前記水蒸気発生器で生成された水蒸気によって炭化水素系燃料を改質する改質器の少なくとも１つを備え、それらの手前に前記燃焼加熱機構を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１８】
請求項１５において、前記燃料電池が有底円筒形の形状をした固体酸化物形燃料電池であり、底の部分が下で、開口部が上になるように配置され、前記開口部の上方に前記燃焼加熱機構が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１９】
電解質の両側にアノードおよびカソードを有する燃料電池の起動時にバーナの燃焼ガスにより燃料電池を昇温するようにした燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃焼ガスに冷却ガス流体を混合させて燃焼ガス温度を調整するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２０】
請求項１９において、前記燃料電池の上方にて燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより前記燃料電池を加熱するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電システムとその運転方法に係り、特に固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両側にアノードおよびカソードを備え、アノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、作動温度が７００〜１０００℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから研究が進められている。しかし、一方で、作動温度が高いために燃料電池を昇温して発電するまでの時間が長くかかり、固体酸化物形燃料電池発電システムの使い勝手を悪くしていた。
【０００３】
燃料電池の昇温時間を速める方法としては、たとえば燃料電池モジュールの間を通過する流体流路を設け、ここに加熱された流体を流すことが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２５０号公報（段落番号００１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、加熱された流体を燃料電池モジュールの上から下に流して昇温するのではなく、燃焼ガスを用いて直接加熱昇温できるようにし、これによって昇温時間を短縮し、尚且つ、この場合に生じ易い燃料電池構成部材の破損を低減できるようにした燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、バーナの燃焼ガスによって燃料電池を昇温するようにし、更に燃料電池とバーナとの間に前記バーナによる燃焼ガスを冷却するための冷却機構を設けたことにある。冷却機構としては、バーナの燃焼ガスに冷却ガス流体を混合、あるいは熱交換させて燃焼ガスを冷却するものが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の燃料電池発電システムは、バーナの燃焼ガスにより燃料電池を直接加熱するので、加熱流体を流す方式に比べて昇温時間を短縮することができる。また、バーナと燃料電池との間の冷却機構により、燃焼量を減らすことなく燃焼ガス温度を高温から低温まで制御することができ、これにより、起動初期に燃料電池の上下方向の温度分布が生ずるのを防止して燃料電池の破損を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を有する発電システムに適用するのに特に好適である。固体酸化物形燃料電池では、一般にイットリア安定化ジルコニア等のセラミックスにより形成された、有底円筒形いわゆるＵ字管の形状をした電解質の一方の側にアノードを設け、他方の側にカソードを設けることが多い。また、Ｕ字管の形状をした燃料電池の底の部分が下になり、開口されている部分が上になるように設置されることが多い。本発明において、バーナはＵ字管の形状をした燃料電池の下方に設けることが望ましい。
【０００９】
以下、Ｕ字管の形状をした固体酸化物形燃料電池に本発明を適用した実施例について、図面を用いて説明する。ただし、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、平板型の固体酸化物形燃料電池にも適用できるものである。。
【実施例１】
【００１０】
図１は固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略図である。燃料電池８０は、有底円筒形いわゆるＵ字管の形状をした電解質８０ｅの外側にアノード８０ａ、内側にカソード８０ｃを備えている。カソードガスはＵ字管の内部に設けられた空気導入管７を通して導入されるようになっている。この燃料電池は鉛直方向に長い構造をしているので、鉛直方向の温度分布が生じ易く、上部と下部の温度が中央部に比べて低くなりやすい。その結果、燃料電池の破損が生じやすい。図１では、有底円筒形をした燃料電池の下側に起動バーナ１が設置されている。また、燃料電池と起動バーナの間に冷却機構が設けられている。冷却機構は冷却ガス流路弁５０ｖと冷却管５１を備えており、冷却ガス５０をバーナの燃焼ガスに混合させてバーナ燃焼ガスの温度を下げるようになっている。
【００１１】
図１の発電システムでは、燃料電池の排ガス出口側に、燃料電池に供給される反応ガスを燃料電池排ガスにより予熱するための複数の熱交換器が備えられている。具体的には、燃料電池にカソードガス８１として供給するための空気を予熱する空気予熱器８６、炭化水素系燃料を水蒸気改質するために改質用水８８を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生器８９、および水蒸気発生器で生成された水蒸気９０によって炭化水素系燃料８５を改質する改質器８７が備えられている。また、燃料電池の上部近傍にはカソードヘッダ９１が備えられている。燃料電池発電システム内で発生した排気ガス８３は上部から排気されるようになっている。
【００１２】
燃料電池発電システムの起動時には、燃料電池８０の下部に設置された起動バーナ１に空気８４と炭化水素系燃料８５の改質ガスとを供給して燃焼ガス６０を発生させる。この燃焼ガス６０の熱によって、燃料電池８０が昇温される。起動バーナによる加熱は、燃料電池の発電が開始できる最低の温度である約７００℃の温度に達するまで続けられる。この時の燃焼条件としては、下記の（１）式で求められる空気比をメタンの場合に１以下、望ましくは０．８〜０．９５程度とし、燃焼後には酸素が含まれない還元性ガスとすることが望ましい。その理由は、アノード８０ａが未燃焼の酸素によって酸化されないようにするためである。
【００１３】
空気比＝Ａ/Ｂ      …（１）
ここで、Ａは実際に燃焼に使用した空気のモル流量、Ｂは炭化水素計燃料を完全に燃焼させるのに必要な空気のモル流量。
【００１４】
起動バーナ１による燃料電池の昇温時に問題となるのは、燃料電池８０の鉛直方向の温度分布である。燃料電池８０の温度として例えばアノード上部温度１０２ａｕ、アノード下部温度１０２ａｂを考えた時に、アノード上部温度１０２ａｕとアノード下部温度１０２ａｂの温度差ΔＴが過大、例えば３００℃以上であると、燃料電池８０が破損する恐れがある。図２は、起動バーナのみを備え、冷却機構を備えない場合の昇温特性を示したものであるが、燃料電池の破損を防止するためには、図２に示すΔＴが例えば３００℃を超えないように、起動バーナ１の燃焼量を抑えながら昇温することが望まれる。この結果として、起動バーナのみによる加熱では、燃料電池８０が発電可能な温度になるまでの時間すなわちアノード上部温度１０２ａｕが発電可能な最低温度に到達するまでの時間が数時間〜数日と長時間になってしまう可能性がある。この問題は、燃料電池と起動バーナとの間に冷却機構を設けることによって解決される。
【００１５】
図３に、起動バーナと冷却機構を備えた場合の昇温特性の一例を示した。起動バーナ１を点火して昇温開始する際、起動バーナによる燃焼ガスに冷却ガス５０を導入することで燃焼ガス温度１０１gが制御できる。これにより、昇温初期に高温の燃焼ガスが燃料電池８０の下部に当たらないようにすることができ、燃焼量を増やしたままで温度差ΔＴを小さく抑えることが可能になる。また、起動バーナ１の空気比を制御することにより、燃焼ガス温度１０１ｇも制御することが可能である。冷却ガス５０としては、燃料ガス、空気、水、水蒸気、不活性ガスなどを用いることができる。図１においては、燃焼ガスを還元雰囲気とする必要があるため、燃料ガスを冷却ガスとして用いることが可能になる。
【００１６】
本実施例では、冷却ガス５０の流量および空気８４の流量を制御する制御装置３００が設けられている。制御装置３００は、アノード下部温度１０２ａｂとアノード上部温度１０２ａｕの絶対値、それらの温度差ΔＴ、および燃焼ガス温度１０１ｇの信号を受け取る。昇温初期を経過すると、冷却ガスの流量を制御する信号５０ｓを冷却ガス流量制御弁５０ｖに送り、冷却ガス５０の供給を停止する。また、制御信号８４ｓ，８５ｓをそれぞれ空気流量制御弁８４ｖ、燃料流量制御弁８５ｖに送り、起動バーナによる燃焼量を増加させる。これらの制御は、アノード下部温度１０２ａｂとアノード上部温度１０２ａｕの絶対値、両者の温度差ΔＴ、および燃焼ガス温度１０１ｇの信号を基に、ΔＴとして例えば３００℃を超えないように、また、１０２ａｂ、１０２ａｕ、１０１ｇとして例えば１０５０℃を超えないように、閾値を設けて行うことになる。このような制御により、燃焼量を確保したまま、燃料電池８０の破損を防止し、昇温を速めることが可能となる。なお、アノードガス温度或いはカソードガス温度は熱電対を設けることで容易に測定可能である。
【００１７】
本実施例では、冷却ガス５０をバーナ燃焼ガスに混合させてバーナ燃焼ガス温度を下げたが、これに代えて、熱交換でバーナ燃焼ガスの温度を下げることも可能である。図６は熱交換で冷却する場合を示したものであり、熱交換用低温流体５２を熱交換器53に流すようにしている。他の構成は図１と同じである。
【実施例２】
【００１８】
起動バーナによって、燃料電池８０が発電可能な最低温度である例えば７００℃に到達したとしても、発電するためにはアノード側およびカソード側において更に以下の条件を満たすようにすることが望ましい。
【００１９】
まずアノード側について説明する。アノード側には炭化水素系燃料８５と、改質用水８８を水蒸気発生器８９で加熱することにより発生した水蒸気９０とが混合されて燃料予熱器を兼ねる改質器８７に供給され、水素を含む改質ガスがアノード８０ａに供給される。ここで、水素を含む改質ガスが燃料電池８０に供給されるためには、水蒸気発生器８９、改質器８７が所定の温度に昇温されていることが望ましい。一例としては、水蒸気発生器は１００℃以上、改質器８７は４００〜７００℃程度に昇温されていることが望ましい。
【００２０】
一方、カソードガス８１である空気は、例えば５００〜７００℃程度に予熱してカソード８０ｃに供給されることが望ましく、したがって、空気予熱器８６も所定の温度まで昇温されていることが望ましい。また、カソードヘッダ９１についても同様に昇温されていることが望ましい。これらの熱交換器を起動バーナ１の燃焼熱のみで所定の温度まで昇温するには時間がかかる。また、燃料電池８０の昇温が速まるにつれ熱交換器の昇温時間も早くする必要があり、起動バーナによる燃焼熱だけでは限界がある。これらの課題は、燃料電池の排ガス出口側に新たに燃焼加熱機構を設けることによって解決できる。
【００２１】
図４に、燃焼加熱機構を備えた燃料電池発電システムの概略図を示す。本実施例では、燃料電池の電池排ガス８２が排出される側とカソードヘッダ９１との間に燃焼加熱機構を設けた。この燃焼加熱機構は、燃料ガス供給管７１により燃料ガス７０を供給するものである。燃料ガス７０を図示しない点火機構を用いて点火する、あるいは電池排ガス８２の温度が発火点温度以上になってから燃料ガス７０を供給するようにして燃焼させることで、燃焼ガスを発生させる。このようにして燃料電池８０の排ガス出口側で強制的に燃料ガスを燃焼させることにより、この燃焼ガスの輻射熱で燃料電池８０の上部が加熱されるため、アノード上部温度１０２ａｕの昇温が促進され、燃料電池の上下方向の温度差ΔＴが小さくなり、結果的に燃料電池８０の破損を防止しつつ昇温時間を短縮することが可能となる。
【００２２】
また、燃料電池８０の排ガス出口側に加熱源を設けたことで、カソードヘッダ９１、空気予熱器８６、改質器８７、水蒸気発生器８９の昇温が促進され、発電をスムーズに開始することが可能となる。また、燃料電池が定格の発電を行うまでの間中、燃料ガス７０を流しつづけることで、カソードヘッダ９１、空気予熱器８６、改質器８７、更には水蒸気発生器８９の温度を安定に保つことが可能となる。
【００２３】
さらに、電池排ガス８２の温度２０１ｇを熱電対等により計測し、燃料電池８０の排ガス出口側の構成部材が破損しないように温度２０１ｇの閾値として例えば１０５０℃を設定する。制御装置３００からの制御信号７０ｓにより燃料ガス流量制御弁７０ｖの開度を制御し、電池排ガスの温度２０１ｇを制御することで、燃料電池８０の破損を防止しつつ昇温を速めることが可能となる。本実施例によれば、燃焼加熱機構によって、燃料ガスの燃焼熱が熱交換器に与えられるため、熱交換器の昇温が促進され、発電時に必要な反応ガスの予熱ができるため、結果として起動時間が短縮できるという効果がある。
【００２４】
なお、この燃焼加熱機構は、燃料電池の下部に設けた冷却機構と併せて適用することで、燃料電池の破損防止と昇温時間の短縮に大きく寄与することは勿論であるが、単独で用いても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００２５】
燃焼加熱機構は、図４の実施例のようにカソードヘッダ９１と燃料電池８０との間に設けるだけでなく、図５に示すようにカソードヘッダ９１と空気予熱器８６との間、空気予熱器８６と水蒸気発生器８９との間、水蒸気発生器８９と改質器８７との間などにも設けることができる。図５では、これらの熱交換器の間に設けられる燃料ガス供給管を符号７１ａ，７１ｂ，７１ｃで示し、燃料ガス流路弁を７０ｖａ，７０ｖｂ，７０ｖｃで示している。また、制御装置３００から燃料流路弁の開度制御のために送る制御信号を７０ｓａ，７０ｓｂ，７０ｓｃで示している。本実施例によれば、燃料電池の昇温時間を更に短縮できるという効果がある。
【００２６】
なお、以上述べた実施例では、燃料電池８０の排ガス出口の近い方から側から順に、空気予熱器８６、水蒸気発生器８９、改質器８７が備えられているが、これらの順番が変わっても同様の効果が得られることはいうまでもない。また、以上の実施例では、燃料電池８０の外面をアノード、内面をカソードとして場合について説明したが、外面をカソード、内面をアノードにしても同様の効果が得られる。また、平板型燃料電池においては、上部温度、下部温度をそれぞれ電池入口温度、出口温度とすれば同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明により燃料電池発電システムの起動時間が短縮できることから、マイクロガスタービンとのコンバインドサイクルにも適用でき、負荷追従性に優れた分散電源システムとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例を示す燃料電池発電システムの概略図。
【図２】起動バーナのみで冷却機構がない場合の昇温特性を示した図。
【図３】起動バーナと冷却機構を有する場合の昇温特性を示した図。
【図４】本発明による燃料電池発電システムの他の実施例を示す概略図。
【図５】本発明の更に他の実施例を示す燃料電池発電システムの概略図。
【図６】本発明の他の実施例による燃料電池発電システムを示す概略図。
【符号の説明】
【００２９】
１…起動バーナ、７…空気導入管、５０…冷却ガス、５１…冷却管、５２…熱交換用低温流体、５３…熱交換器、６０…燃焼ガス、７０…燃料ガス、８０…燃料電池、８０ａ…アノード、８０ｃ…カソード、８０ｅ…電解質、８１…カソードガス、８２…電池排ガス、８３…排気ガス、８４…空気、８５…炭化水素系燃料、８６…空気予熱器、８７…改質器、８８…改質用水、８９…水蒸気発生器、９０…水蒸気、９１…カソードヘッダ、３００…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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