(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、
それぞれが前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形の複数の燃料電池と、
内面または外面が断熱材料により形成されるハウジングと、
前記断熱材料よりも熱伝導性が高い熱伝導性材料により形成され、前記ハウジングの前記内面から離間しつつ前記内面を覆うとともに、内部空間に前記複数の燃料電池を収容する内張部と、
を備え、
前記内張部が、
前記ハウジングの前記内面から離間しつつ前記内面を覆う外壁部と、
前記外壁部と熱伝導可能に接続され、前記内部空間を前記複数の燃料電池が分散配置される複数の電池配置区域に区画する隔壁部と、
を備え、
起動運転時に、前記ハウジングと前記内張部との間の間隙空間に加熱用流体が供給され、前記内張部からの輻射により前記複数の燃料電池が加熱されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記隔壁部により、前記複数の電池配置区域をそれぞれ囲む複数の筒状部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記隔壁部により、前記複数の筒状部をそれぞれ含むとともに前記複数の電池配置区域のそれぞれを互いに隔絶する複数の電池室が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記複数の電池配置区域のそれぞれに配置される燃料電池の数が１であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記内張部が、断熱部材を介して前記複数の燃料電池を支持することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
定常運転時に、前記間隙空間を減圧雰囲気とする減圧部をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記内張部の前記内部空間の温度に基づいて、前記減圧部を制御して前記間隙空間の圧力を調節する圧力制御部をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
定常運転時に、前記間隙空間に作動流体を供給する作動流体供給部をさらに備え、
前記間隙空間を通過して加熱された前記作動流体を利用して、前記改質器に供給される水の加熱、前記改質器に供給される前記原燃料の予備加熱、または、前記複数の燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの予備加熱が行われることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
定常運転時に、前記酸化剤ガスが前記間隙空間を経由して前記複数の燃料電池に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池を利用して発電を行う様々な燃料電池システムが提案されている。例えば、特許文献１の燃料電池モジュールでは、改質ガスを用いて発電を行うセルスタック等を取り囲むように断熱材が設けられ、当該セルスタックおよび断熱材が筐体に収容される。当該燃料電池モジュールでは、筐体と断熱材との間の空間に空気を流通させることにより、当該空間に漏洩した漏洩ガスが空気と共に筐体外へと排気される。
【０００３】
特許文献２の燃料電池装置では、複数の燃料電池セルが収納される燃料電池モジュール収納室の外装ケースが、内壁と外壁とからなる二重壁構造である。当該燃料電池装置では、内壁と外壁との間に酸素含有ガスを流通させることにより、当該酸素含有ガスが暖められる。そして、暖められた酸素含有ガスが燃料電池モジュールに供給されることにより、燃料電池モジュールの発電効率が向上される。
【０００４】
一方、特許文献３の固体酸化物形燃料電池モジュールでは、断熱性筐体内において、板状スタックの一方の主面に改質器を対向させ、他方の主面に水蒸気発生器を対向させる。そして、固体酸化物形燃料電池モジュールの起動運転の際に、板状スタックの側方に配置された加熱装置から、板状スタックの両主面に沿って加熱ガスが送出される。これにより、板状スタックを片面側から加熱する場合に比べて、板状スタックの温度分布の差が小さくなる。
【０００５】
特許文献４の燃料電池では、筐体内において、燃料用ガスを水蒸気改質する水蒸気改質装置と、酸化ガスと改質燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う電池スタックとの間に、ラジアントチューブが配置される。当該燃料電池の起動運転の際には、ラジアントチューブからの輻射熱により、電池スタックおよび水蒸気改質装置が予熱される。電池スタックが効率的な発電を行うことができる温度に達すると、ラジアントチューブによる電池スタックおよび水蒸気改質装置の加熱が停止され、燃料電池は定常運転に移行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１２８３６８号
【特許文献２】特開２００８−１９２３４７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３３４７６号公報
【特許文献４】特開２０１３−１３４９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献２のように、複数の燃料電池がハウジング内に配置される燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動運転の際に、ハウジング内における各燃料電池の位置により昇温の様子が異なる。例えば、特許文献３のような加熱構造であれば、加熱装置に近接した燃料電池が先に昇温され、加熱装置から離れた燃料電池は遅れて昇温される。特許文献４のような加熱構造であれば、ラジアントチューブに近接した燃料電池が先に昇温され、ラジアントチューブから離れた燃料電池は遅れて昇温される。一方、特許文献３の加熱装置や特許文献４のラジアントチューブを、仮に複数の燃料電池のそれぞれの近傍に設けようとすると、燃料電池システムが大型化するおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数の燃料電池を略均等に昇温することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、それぞれが前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形の複数の燃料電池と、内面または外面が断熱材料により形成されるハウジングと、前記断熱材料よりも熱伝導性が高い熱伝導性材料により形成され、前記ハウジングの前記内面から離間しつつ前記内面を覆うとともに、内部空間に前記複数の燃料電池を収容する内張部とを備え、前記内張部が、前記ハウジングの前記内面から離間しつつ前記内面を覆う外壁部と、前記外壁部と熱伝導可能に接続され、前記内部空間を前記複数の燃料電池が分散配置される複数の電池配置区域に区画する隔壁部とを備え、起動運転時に、前記ハウジングと前記内張部との間の間隙空間に加熱用流体が供給され、前記内張部からの輻射により前記複数の燃料電池が加熱される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記隔壁部により、前記複数の電池配置区域をそれぞれ囲む複数の筒状部が形成される。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記隔壁部により、前記複数の筒状部をそれぞれ含むとともに前記複数の電池配置区域のそれぞれを互いに隔絶する複数の電池室が形成される。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記複数の電池配置区域のそれぞれに配置される燃料電池の数が１である。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記内張部が、断熱部材を介して前記複数の燃料電池を支持する。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、定常運転時に、前記間隙空間を減圧雰囲気とする減圧部をさらに備える。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムであって、前記内張部の前記内部空間の温度に基づいて、前記減圧部を制御して前記間隙空間の圧力を調節する圧力制御部をさらに備える。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、定常運転時に、前記間隙空間に作動流体を供給する作動流体供給部をさらに備え、前記間隙空間を通過して加熱された前記作動流体を利用して、前記改質器に供給される水の加熱、前記改質器に供給される前記原燃料の予備加熱、または、前記複数の燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの予備加熱が行われる。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、定常運転時に、前記酸化剤ガスが前記間隙空間を経由して前記複数の燃料電池に供給される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、複数の燃料電池を略均等に昇温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】燃料電池システムの一部を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。燃料電池システム１は、燃料電池を用いて発電を行う発電システムである。燃料電池システム１は、ホットモジュール２と、不純物除去部４１と、第１熱交換器４２と、ブロワ４３と、第２熱交換器４４と、凝縮部４５と、水蒸気生成部４６と、排ガス燃焼部４７と、原燃料供給源４８と、水供給部３１と、加熱用流体生成部３３と、減圧部５１と、圧力制御部５２とを備える。
【００２２】
ホットモジュール２は、ハウジング２１と、改質器２２と、複数の燃料電池２３と、内張部２７と、断熱部材２９とを備える。ハウジング２１は、例えば、略直方体状の筐体である。ハウジング２１の内面２１１は、断熱性が比較的高い断熱材料（例えば、ロックウール）により形成される。ハウジング２１としては、例えば、金属製のコンテナの内面全体を断熱材料により覆ったものが利用される。ハウジング２１では、その外面が上述の断熱材料により形成されてもよい。ハウジング２１の外面が断絶材料により形成される場合、ハウジング２１の内面２１１は、例えば、比較的薄い金属板により全面に亘って形成される。以下の説明では、ハウジング２１の内面２１１は断熱部材により形成されているものとして説明する。ハウジング２１の内部には、改質器２２、複数の燃料電池２３、内張部２７および断熱部材２９が収容される。図１に示す例では、１２個の燃料電池２３がハウジング２１の内部に収容される。複数の燃料電池２３は、同じ構造を有する。図１では、燃料電池システム１の一部の構成（例えば、ハウジング２１および内張部２７）を断面にて示す。
【００２３】
内張部２７は、外壁部２７１と、隔壁部２８とを備える。外壁部２７１は、例えば、略直方体状の筐体である。内張部２７の外壁部２７１は、ハウジング２１の内面２１１から離間しつつ内面２１１を覆う。図１に示す例では、内張部２７は、ハウジング２１の内面２１１から離間しつつ内面２１１を略全面に亘って覆う。以下の説明では、内張部２７とハウジング２１との間の空間、すなわち、内張部２７の外壁部２７１とハウジング２１の内面２１１との間の空間を「間隙空間２１２」という。ハウジング２１には、供給ポート２１３と、排出ポート２１４とが設けられる。燃料電池システム１では、供給ポート２１３を介して、ハウジング２１の外部から間隙空間２１２に流体が供給される。また、排出ポート２１４を介して、間隙空間２１２内の流体がハウジング２１の外部へと排出される。排出ポート２１４に接続される加熱用流体排出管２５８上には減圧部５１が設けられる。減圧部５１には、圧力制御部５２が接続される。
【００２４】
外壁部２７１は、ハウジング２１の内面２１１を形成する上述の断熱材料よりも熱伝導性が高い熱伝導性材料により形成される。外壁部２７１は、例えば、比較的薄い金属板により形成される。外壁部２７１は、間隙空間２１２に配置される複数の断熱性支持部材（図示省略）により、ハウジング２１の内部にて支持される。内張部２７の内部空間２７２（すなわち、外壁部２７１の内部空間）には、改質器２２、複数の燃料電池２３、隔壁部２８および断熱部材２９が収容される。
【００２５】
隔壁部２８は、外壁部２７１と同様に、ハウジング２１の内面２１１を形成する上述の断熱材料よりも熱伝導性が高い熱伝導性材料により形成される。隔壁部２８は、例えば、比較的薄い金属板により形成される。隔壁部２８は、例えば、外壁部２７１と同じ材料により形成される。隔壁部２８は、外壁部２７１と異なる材料により形成されてもよい。隔壁部２８は、内部空間２７２において外壁部２７１により支持される。
【００２６】
隔壁部２８は、外壁部２７１と熱伝導可能に接続される。例えば、隔壁部２８は外壁部２７１の内面に溶接により接合される。隔壁部２８は、内張部２７の内部空間２７２を改質器配置区域２８１および複数の電池配置区域２８２に区画する。改質器配置区域２８１には、改質器２２が配置される。複数の電池配置区域２８２には、複数の燃料電池２３が分散配置される。図１に示す例では、当該複数の電池配置区域２８２の数は１２であり、複数の電池配置区域２８２のそれぞれに配置される燃料電池２３の数は１である。
【００２７】
図１に示す例では、内張部２７の内部空間２７２において、隔壁部２８により、複数の電池配置区域２８２のそれぞれを互いに隔絶する複数の電池室２８３が形成される。各電池室２８３は、例えば、略直方体状であり、各電池室２８３の内部空間が電池配置区域２８２となる。電池室２８３の上面および下面は、外壁部２７１の上面および下面と略平行である。電池室２８３の側面は、外壁部２７１の側面と略平行である。図１に示す例では、内部空間２７２の右側の４つの電池室２８３は、隔壁部２８および外壁部２７１により形成される。各電池室２８３の図１に表示されていない２つの側面（すなわち、図１中における手前側および奥側の側面）は、隔壁部２８の一部であってもよく、外壁部２７１の一部であってもよい。複数の電池室２８３の形状および大きさはおよそ同じであり、複数の電池室２８３における燃料電池２３の位置もおよそ同じである。
【００２８】
各電池室２８３の図１に表示されている上面、下面および２つの側面は、図１の紙面に垂直な方向に延びる筒状部を構成する。すなわち、複数の電池室２８３は、複数の当該筒状部をそれぞれ含む。複数の筒状部は、例えば、それぞれ略四角筒状である。複数の筒状部は、隔壁部２８により形成され、複数の電池配置区域２８２をそれぞれ囲む。図１に示す例では、内部空間２７２の右側の４つの筒状部は、隔壁部２８および外壁部２７１により形成される。
【００２９】
各電池室２８３では、燃料電池２３が断熱部材２９を介して電池室２８３の下面（すなわち、隔壁部２８の一部）上に支持される。換言すれば、複数の燃料電池２３は、断熱部材２９を介して内張部２７により間接的に支持される。
【００３０】
複数の燃料電池２３はそれぞれ、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）であり、例えば、図示省略の複数のセル（単電池）が積層されたセルスタックである。各燃料電池２３の負極（アノード）には燃料ガスが供給され、正極（カソード）には酸化剤ガスが供給される。これにより、各燃料電池２３において電気化学反応が生じ、発電が行われる。燃料電池２３における電気化学反応は発熱反応であり、発生した熱は改質器２２の加熱等に利用される。燃料電池２３による発電は、例えば６００度〜１０００度の高温下にて行われる。燃料ガスは、例えば水素ガスであり、酸化剤ガスは、例えば酸素ガスである。
【００３１】
改質器２２は、原燃料供給管２６１を介して、ハウジング２１外に配置される原燃料供給源４８に接続される。原燃料供給管２６１上には、不純物除去部４１および第１熱交換器４２が設けられる。不純物除去部４１では、原燃料供給源４８から改質器２２へと供給される原燃料から不純物（例えば、硫黄系不純物や窒素系不純物）が除去される。
【００３２】
改質器２２は、原燃料を改質して燃料ガスを含む改質ガスを生成する。原燃料としては、例えば、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、灯油、バイオガス、バイオエタノール等が利用される。改質器２２では、例えば、水蒸気改質法、部分酸化改質法、自己熱改質法等により原燃料の改質が行われる。図１に示す例では、改質器２２により、原燃料であるＬＰガスが水蒸気改質法により高温下にて改質され、燃料ガスである水素ガスを含む改質ガスが生成される。改質器２２からの改質ガスは、燃料ガス供給管２５１により複数の電池室２８３へと導かれ、複数の燃料電池２３のそれぞれの負極に供給される。
【００３３】
なお、図１では、図を簡素化するために、燃料ガス供給管２５１のうち複数の燃料電池２３との接続部近傍については図示を省略している。後述する負極排ガス排出管２５２、酸化剤ガス供給管２５３および正極排ガス排出管２５４についても同様である。各燃料電池２３と、燃料ガス供給管２５１、負極排ガス排出管２５２、酸化剤ガス供給管２５３および正極排ガス排出管２５４との接続態様は、図２に示す。図２では、一の燃料電池２３を代表として図示しているが、他の燃料電池２３の接続態様についても図２と同様である。また、図２では、燃料ガス供給管２５１、負極排ガス排出管２５２、酸化剤ガス供給管２５３および正極排ガス排出管２５４を介して燃料電池２３に接続される他の構成（すなわち、改質器２２、ブロワ４３、凝縮部４５および排ガス燃焼部４７）も併せて図示している。
【００３４】
図１に示す改質器２２により生成された改質ガスは、燃料ガス供給管２５１を介して複数の燃料電池２３のそれぞれの負極に供給される。複数の燃料電池２３のそれぞれの負極から排出されるガスである負極排ガスは、負極排ガス排出管２５２によりハウジング２１外へと排出される。負極排ガスには、燃料ガスである水素ガスが燃料電池２３における発電に使用されることにより生成される水蒸気、および、燃料電池２３における発電に利用されなかった未利用の燃料ガス等が含まれる。
【００３５】
複数の燃料電池２３の負極から排出された負極排ガスは、負極排ガス排出管２５２により第１熱交換器４２へと導かれる。第１熱交換器４２では、負極排ガス排出管２５２を流れる高温の負極排ガスを利用して、原燃料供給源４８から改質器２２に供給される原燃料が予備加熱される。
【００３６】
第１熱交換器４２を通過した負極排ガスは、負極排ガス排出管２５２により凝縮部４５へと導かれる。凝縮部４５では、負極排ガス中の水蒸気が凝縮されて水が生成される。凝縮部４５により生成された水は、水供給管４５１を介して水蒸気生成部４６へと供給される。水蒸気生成部４６では、水が加熱されて水蒸気が生成される。水蒸気生成部４６により生成された水蒸気は、水蒸気供給管２６２を介して原燃料供給管２６１へと導かれ、不純物除去部４１を通過した原燃料と共に改質器２２へと供給されて上述の水蒸気改質に利用される。一方、凝縮部４５を通過した負極排ガスは、排ガス燃焼部４７へと導かれる。
【００３７】
複数の燃料電池２３のそれぞれの正極は、酸化剤ガス供給管２５３により、ハウジング２１外に配置されるブロワ４３に接続される。ブロワ４３により、酸化剤ガスである酸素ガスを含む空気が、酸化剤ガス供給管２５３を介して複数の燃料電池２３のそれぞれの正極に供給される。複数の燃料電池２３のそれぞれの正極から排出されるガスである正極排ガスは、正極排ガス排出管２５４によりハウジング２１外へと排出される。正極排ガス排出管２５４は、酸化剤ガス供給管２５３上に設けられた第２熱交換器４４を通過する。第２熱交換器４４では、複数の燃料電池２３の正極から排出されて正極排ガス排出管２５４を流れる高温の正極排ガスを利用して、各燃料電池２３に供給される空気が予備加熱される。
【００３８】
第２熱交換器４４を通過した正極排ガス排出管２５４は、排ガス燃焼部４７よりも手前（すなわち、上流側）の合流点４７１において、ハウジング２１外にて負極排ガス排出管２５２に合流する。合流点４７１では、凝縮部４５を通過した負極排ガスと、第２熱交換器４４を通過した正極排ガスとが合流する。排ガス燃焼部４７では、合流後の負極排ガスおよび正極排ガスが燃焼される。これにより、負極排ガスに含まれる未利用の燃料ガス等が燃焼される。排ガス燃焼部４７にて発生する燃焼熱は、例えば、水蒸気生成部４６における水の加熱や、タービンを利用した発電に利用されてもよい。また、排ガス燃焼部４７がハウジング２１内に設けられ、排ガス燃焼部４７の燃焼熱が改質器２２の加熱等に利用されてもよい。排ガス燃焼部４７としては、例えば、触媒燃焼器が利用される。
【００３９】
燃料電池システム１の定常運転では、上述のように、複数の燃料電池２３のそれぞれにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電が行われる。複数の燃料電池２３における発電の際に発生した熱は、内張部２７を介して改質器２２に付与される。具体的には、複数の燃料電池２３からの熱が輻射等により内張部２７に伝達され、改質器配置区域２８１に配置された改質器２２へと輻射等により伝達される。複数の燃料電池２３から改質器２２に付与された熱は、改質器２２における原燃料の水蒸気改質に利用される。
【００４０】
また、燃料電池システム１の定常運転では、上述のように、複数の燃料電池２３から排出された負極排ガスを利用して、改質器２２に供給される原燃料の予備加熱が行われ、複数の燃料電池２３から排出された正極排ガスを利用して、各燃料電池２３に供給される空気の予備加熱が行われる。これにより、燃料電池システム１では、定常運転時にシステム内にて必要とされる熱を、システム外から付与することなく定常運転を行うことができる。さらに、燃料電池システム１では、負極排ガスに含まれる水蒸気を改質器２２において行われる水蒸気改質に利用することにより、定常運転時にシステム内にて必要とされる水を、システム外から付与することなく定常運転を行うことができる。換言すれば、定常運転時の燃料電池システム１では、熱自立運転および水自立運転が可能である。
【００４１】
次に、燃料電池システム１の起動運転（いわゆる、コールドスタート）について説明する。燃料電池システム１の起動運転とは、燃料電池システム１の状態を停止状態から、定常的に発電を行う定常運転状態へと変更することである。
【００４２】
燃料電池システム１の起動運転には、水供給部３１および加熱用流体生成部３３も利用される。水供給部３１は、水を貯溜するとともに、燃料電池システム１の起動運転の際に、当該水を燃料電池システム１の改質器２２に供給する。水供給部３１は、例えば、水貯溜部３１１と、ポンプ３１２と、起動用水供給管３１３とを備える。水貯溜部３１１は、水（例えば、純水）を貯溜するタンクである。水貯溜部３１１は、起動用水供給管３１３を介して、燃料電池システム１の水蒸気生成部４６に接続される。ポンプ３１２は、起動用水供給管３１３上に設けられ、水貯溜部３１１に貯溜されている水を水蒸気生成部４６へと供給する。
【００４３】
加熱用流体生成部３３は、原燃料供給管２５５により、不純物除去部４１を介して原燃料供給源４８に接続される。加熱用流体生成部３３は、また、ガス供給管２５６を介してブロワ４３に接続される。加熱用流体生成部３３では、原燃料供給源４８から供給される原燃料（例えば、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、灯油、バイオガス、バイオエタノール）が、ブロワ４３から供給されるガス（例えば、空気）を利用して燃焼され、比較的高温のガス（以下、「加熱用ガス」という。）が生成される。加熱用流体生成部３３としては、例えば、触媒燃焼器が利用される。
【００４４】
加熱用流体生成部３３により生成された加熱用流体である加熱用ガスは、加熱用流体供給管２５７および供給ポート２１３から間隙空間２１２に供給される。加熱用ガスは、間隙空間２１２全体に拡がり、排出ポート２１４から加熱用流体排出管２５８を介してハウジング２１の外部へと排出される。なお、燃料電池システム１の起動運転時には、減圧部５１は停止している。
【００４５】
燃料電池システム１では、加熱用流体生成部３３から間隙空間２１２へと加熱用ガスが継続的に供給され、内張部２７の外壁部２７１の外面全体が高温の加熱用ガスに接することにより、外壁部２７１が速やかに昇温される。また、外壁部２７１に熱伝導可能に接続された隔壁部２８も、外壁部２７１からの熱伝導により速やかに昇温される。その結果、内張部２７が略均等に昇温される。内張部２７の内部空間２７２では、改質器配置区域２８１に配置された改質器２２が、内張部２７からの輻射により加熱されて昇温される。また、複数の電池室２８３に配置された複数の燃料電池２３は、複数の電池室２８３からの輻射（すなわち、内張部２７からの輻射）により略均等に加熱されて昇温される。
【００４６】
続いて、原燃料供給源４８からの原燃料が、不純物除去部４１を通過して改質器２２に供給される。また、水供給部３１からの水が水蒸気生成部４６に供給され、水蒸気生成部４６にて水蒸気とされた後、改質器２２に供給される。そして、改質器２２により原燃料が水蒸気改質されることにより燃料ガスを含む改質ガスが生成され、複数の燃料電池２３の負極に供給される。複数の燃料電池２３の正極には、上述のブロワ４３により、酸化剤ガスを含む空気が供給される。これにより、複数の燃料電池２３による発電が行われ、発電時に発生する熱により改質器２２がさらに加熱される。また、複数の燃料電池２３からの負極排ガスから凝縮部４５にて生成された水は、水蒸気生成部４６へと供給される。
【００４７】
燃料電池システム１では、改質器２２および複数の燃料電池２３が所定の温度に達し、複数の燃料電池２３からの出力が所定の発電量に達して安定するまで、すなわち、燃料電池システム１が定常運転状態となるまで、上述の起動運転が継続される。燃料電池システム１の定常運転が開始され、上述の水自立および熱自立が成立すると、水供給部３１から水蒸気生成部４６への水の供給が停止され、加熱用流体生成部３３から間隙空間２１２への加熱用ガスの供給が停止される。
【００４８】
燃料電池システム１の定常運転時には、減圧部５１により間隙空間２１２内のガスが吸引されることにより、間隙空間２１２が、起動運転時の圧力よりも低圧の減圧雰囲気とされる。好ましくは、間隙空間２１２の圧力は、減圧部５１により、大気圧よりも低い圧力とされる。これにより、内張部２７の内部空間２７２の熱が、間隙空間２１２内のガスを介して内張部２７の外部へと伝達されることを抑制することができる。換言すれば、内張部２７の内部空間２７２からの放熱を抑制することができる。このため、内張部２７の内部空間２７２の温度を所定の目標温度に容易に維持することができ、改質器２２および複数の燃料電池２３の温度を所望の温度に容易に維持することができる。その結果、複数の燃料電池２３による好適な発電を実現することができる。
【００４９】
燃料電池システム１の定常運転時には、内張部２７の内部空間２７２の温度が、ハウジング２１内に設けられた温度センサ等により継続的に測定される。そして、内部空間２７２の温度に基づいて、圧力制御部５２により減圧部５１が制御されることにより、間隙空間２１２の圧力（すなわち、真空度）が調節される。具体的には、内部空間２７２の温度が目標温度よりも高い場合には、減圧部５１による吸引が低減され、間隙空間２１２の圧力を増大させる。これにより、内部空間２７２から外部への放熱が増大し、内部空間２７２の温度が目標温度へと低下する。一方、内部空間２７２の温度が目標温度よりも低い場合には、減圧部５１による吸引が増大され、間隙空間２１２の圧力を低下させる。これにより、内部空間２７２からの放熱が減少し、内部空間２７２の温度が目標温度へと増大する。
【００５０】
このように、圧力制御部５２により内部空間２７２の温度に基づいて減圧部５１が制御されることにより、内張部２７の内部空間２７２からの放熱をさらに好適に抑制することができる。その結果、内部空間２７２、改質器２２および複数の燃料電池２３の温度を、容易かつ精度良く所望の温度に維持し、複数の燃料電池２３によるさらに好適な発電を実現することができる。なお、燃料電池システム１では、圧力制御部５２による減圧部５１の制御は、実質的に内部空間２７２の温度に基づいて行われていればよく、例えば、内部空間２７２の温度と相関関係を有する燃料電池システム１の発電量（すなわち、システム出力）に基づいて行われてもよい。
【００５１】
以上に説明したように、燃料電池システム１では、ハウジング２１の内面２１１が断熱材料により形成され、内張部２７が、当該断熱材料よりも熱伝導性が高い熱伝導材料により形成される。内張部２７は、ハウジング２１の内面２１１から離間しつつ内面２１１を覆うとともに、内部空間２７２に複数の燃料電池２３を収容する。燃料電池システム１の起動運転時には、ハウジング２１と内張部２７との間の間隙空間２１２に、加熱用流体である加熱用ガスが供給され、内張部２７からの輻射により、複数の燃料電池２３が加熱される。これにより、複数の燃料電池２３の内部空間２７２における位置に起因する昇温速度の差を抑制し、複数の燃料電池２３を略均等に昇温することができる。
【００５２】
また、燃料電池システム１では、内張部２７が、ハウジング２１の内面２１１から離間しつつ内面２１１を覆う外壁部２７１と、外壁部２７１と熱伝導可能に接続される隔壁部２８とを備える。隔壁部２８は、内張部２７の内部空間２７２を、複数の燃料電池２３が分散配置される複数の電池配置区域２８２に区画する。これにより、複数の燃料電池２３と内張部２７との間のそれぞれの最短距離の差が小さくなり、内張部２７からの輻射により複数の燃料電池２３にそれぞれ付与される熱の均等性が向上する。その結果、複数の燃料電池２３の昇温速度の差をより一層抑制し、複数の燃料電池２３の昇温の均等性を向上することができる。
【００５３】
上述のように、燃料電池システム１では、複数の電池配置区域２８２をそれぞれ囲む複数の筒状部が、隔壁部２８により形成される。このように、各電池配置区域２８２に配置される燃料電池２３を熱伝導性材料により囲むことにより、複数の燃料電池２３の加熱を効率良く行うことができる。また、各燃料電池２３において、当該筒状部からの輻射による熱が、筒状部に対向する部位に略均等に付与されるため、各燃料電池２３全体を略均等に昇温することができる。具体的には、例えば、各燃料電池２３において、負極および正極が略均等に昇温される。
【００５４】
さらに、燃料電池システム１では、上述の複数の筒状部をそれぞれ含むとともに複数の電池配置区域２８２のそれぞれを互いに隔絶する複数の電池室２８３が、隔壁部２８により形成される。このように、各電池配置区域２８２に配置される燃料電池２３の周囲全体を熱伝導性材料により囲むことにより、複数の燃料電池２３の加熱をより一層効率良く行うことができる。また、各燃料電池２３において、電池室２８３からの輻射による熱が、電池室２８３に対向する部位に略均等に付与されるため、各燃料電池２３全体の昇温の均等性を向上することができる。
【００５５】
上述のように、燃料電池システム１では、複数の電池配置区域２８２のそれぞれに配置される燃料電池２３の数が１である。このため、内張部２７から各電池配置区域２８２に輻射により付与される熱は、当該電池配置区域２８２に配置される１つの燃料電池２３の昇温に利用され、他の燃料電池２３の昇温には実質的に利用されない。したがって、複数の燃料電池２３の昇温の均等性をより一層向上することができる。また、上述のように、複数の電池室２８３の形状および大きさはおよそ同じであり、複数の電池室２８３における燃料電池２３の位置もおよそ同じである。これにより、複数の燃料電池２３の昇温の均等性をさらに向上することができる。
【００５６】
上述のように、内張部２７は、断熱部材２９を介して複数の燃料電池２３を支持する。このため、内張部２７から複数の燃料電池２３への熱伝導による熱の伝達が抑制され、複数の燃料電池２３が、主に内張部２７からの輻射による熱の伝達により加熱される。これにより、燃料電池２３と内張部２７との接触状態の違いや、加熱用流体が流れる間隙空間２１２と燃料電池２３との間の距離の違い等に起因する熱伝導の差を抑制し、複数の燃料電池２３の昇温の均等性を向上することができる。また、各燃料電池２３において、内張部２７と直接的に接触する部分がない（すなわち、燃料電池２３全体が内張部２７と非接触である）ため、各燃料電池２３全体の昇温の均等性も向上することができる。
【００５７】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１ａの構成を示す図である。燃料電池システム１ａでは、図１に示す減圧部５１および圧力制御部５２に代えて、作動流体供給部５３と、第３熱交換器５４とが設けられる。燃料電池システム１ａのその他の構成は、図１に示す燃料電池システム１と略同様であり、以下の説明では、燃料電池システム１ａの対応する構成に同符号を付す。
【００５８】
作動流体供給部５３は、作動流体供給管５３１を介して供給ポート２１３に接続される。作動流体供給部５３は、燃料電池システム１ａの定常運転時に、作動流体供給管５３１および供給ポート２１３を介して、間隙空間２１２に作動流体を供給する。作動流体は、間隙空間２１２全体に拡がり、複数の燃料電池２３からの熱により内張部２７を介して加熱される。間隙空間２１２を通過する間に加熱された作動流体は、排出ポート２１４からハウジング２１の外部へと排出される。作動流体は、気体であっても液体であってもよい。作動流体としては、例えば、窒素等の不活性ガスや空気、あるいは、水や代替フロン等の有機媒体が利用される。作動流体として不活性ガスが利用される場合、例えば、熱伝導率が比較的高い二酸化炭素が作動流体として利用されることが好ましい。なお、排出ポート２１４から排出される作動流体は、作動流体供給管５３１を介して供給ポート２１３に循環されてもよい。
【００５９】
第３熱交換器５４は、凝縮部４５と水蒸気生成部４６との間の水供給管４５１上に配置される。第３熱交換器５４は、作動流体排出管５４１を介して排出ポート２１４に接続される。間隙空間２１２から排出ポート２１４を介して排出された比較的高温の作動流体は、作動流体排出管５４１を介して第３熱交換器５４に導かれる。第３熱交換器５４では、燃料電池システム１ａの定常運転時に凝縮部４５から水蒸気生成部４６へと供給される水が、作動流体により加熱される。第３熱交換器５４は、水蒸気生成部４６と改質器２２との間の水蒸気供給管２６２上に配置されてもよい。この場合、水蒸気生成部４６から改質器２２へと供給される水蒸気が、第３熱交換器５４において作動流体により加熱される。
【００６０】
いずれの場合であっても、第３熱交換器５４では、燃料電池システム１ａの定常運転時に、間隙空間２１２を通過して加熱された作動流体を利用して、改質器２２に供給される水の加熱が行われる。これにより、燃料電池システム１ａの定常運転時に、内張部２７から外部へと放出される排熱を有効利用し、水蒸気生成部４６における水の加熱、または、改質器２２における水蒸気改質に要するエネルギーを低減することができる。
【００６１】
第３熱交換器５４は、例えば、改質器２２と不純物除去部４１との間の原燃料供給管２６１上に設けられてもよい。この場合、第３熱交換器５４では、燃料電池システム１ａの定常運転時に、間隙空間２１２を通過して加熱された作動流体を利用して、改質器２２に供給される原燃料の予備加熱が行われる。これにより、燃料電池システム１ａの定常運転時に、内張部２７から外部へと放出される排熱を有効利用し、改質器２２における水蒸気改質に要するエネルギーを低減することができる。
【００６２】
第３熱交換器５４は、例えば、ブロワ４３と複数の燃料電池２３との間の酸化剤ガス供給管２５３上に設けられてもよい。この場合、第３熱交換器５４では、燃料電池システム１ａの定常運転時に、間隙空間２１２を通過して加熱された作動流体を利用して、複数の燃料電池２３に供給される酸化剤ガスの予備加熱が行われる。これにより、燃料電池システム１ａの定常運転時に、内張部２７から外部へと放出される排熱を有効利用し、酸化剤ガスの加熱に要するエネルギーを低減することができる。
【００６３】
燃料電池システム１ａでは、第３熱交換器５４に代えてタービンおよび発電機等が設けられ、間隙空間２１２を通過して加熱された作動流体を利用してタービンおよび発電機を駆動することにより、発電が行われてもよい。これにより、燃料電池システム１ａの定常運転時に、内張部２７から外部へと放出される排熱を有効利用し、燃料電池システム１ａの発電量を増大することができる。
【００６４】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システム１ｂの構成を示す図である。燃料電池システム１ｂでは、図１に示す減圧部５１および圧力制御部５２に代えて、供給切替部５５が設けられる。燃料電池システム１ｂのその他の構成は、図１に示す燃料電池システム１と略同様であり、以下の説明では、燃料電池システム１ｂの対応する構成に同符号を付す。
【００６５】
供給切替部５５は、ブロワ４３からの酸化剤ガスを複数の燃料電池２３へと導く酸化剤ガス供給管２５３上に設けられる。供給切替部５５は、例えば、第２熱交換器４４とハウジング２１との間に設けられる。供給切替部５５において、酸化剤ガス供給管２５３から酸化剤ガス供給管２５３ａが分岐し、ハウジング２１に設けられた第１酸化剤ガス供給ポート２１５に接続される。また、内張部２７の外壁部２７１には、第２酸化剤ガス供給ポート２１６が設けられる。第２酸化剤ガス供給ポート２１６は、内張部２７の内部空間２７２において、酸化剤ガス供給管２５３ｂを介して酸化剤ガス供給管２５３に接続される。
【００６６】
燃料電池システム１ｂの起動運転時には、上述のように、ブロワ４３からの酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管２５３により内張部２７の内部空間２７２へと導かれ、複数の燃料電池２３に供給される。また、間隙空間２１２には、加熱用流体生成部３３から高温の加熱用ガスが供給される。燃料電池システム１ｂの起動運転が終了して定常運転が行われる際には、間隙空間２１２への加熱用ガスの供給は停止される。
【００６７】
燃料電池システム１ｂの定常運転時には、供給切替部５５にて流路が切り替えられることにより、ブロワ４３からの酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給管２５３ａへと導かれ、第１酸化剤ガス供給ポート２１５を介して間隙空間２１２へと供給される。酸化剤ガスは、間隙空間２１２全体に拡がり、複数の燃料電池２３からの熱により内張部２７を介して加熱される。間隙空間２１２にて加熱された酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス供給ポート２１６および酸化剤ガス供給管２５３ｂを介して、内張部２７の内部空間２７２において酸化剤ガス供給管２５３へと導かれ、酸化剤ガス供給管２５３を介して複数の燃料電池２３に供給される。このように、燃料電池システム１ｂの定常運転時に、酸化剤ガスが間隙空間２１２を経由して複数の燃料電池２３に供給されることにより、内張部２７から外部へと放出される排熱を有効利用して酸化剤ガスの予備加熱を行うことができる。
【００６８】
上述の燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、様々な変更が可能である。
【００６９】
例えば、燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、加熱用流体生成部３３から間隙空間２１２に供給される加熱用流体は、必ずしも、加熱用ガスには限定されず、加熱用の液体（例えば、高沸点の難燃性マシンオイル）であってもよい。加熱用流体生成部３３は、例えば、加熱用の流体を加熱する電気ヒータであってもよい。
【００７０】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、内張部２７の内部空間２７２において、複数の電池配置区域２８２のそれぞれに配置される燃料電池２３の数は２以上であってもよい。また、複数の電池配置区域２８２のそれぞれに配置される燃料電池２３の数は異なっていてもよい。燃料電池２３と内張部２７との間の断熱部材２９は省略されてもよい。
【００７１】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、電池配置区域２８２を囲む上述の筒状部は、必ずしも四角筒状には限定されず、様々な形状であってもよい。筒状部は、例えば、円筒状であってもよい。あるいは、それぞれが六角筒状である複数の筒状部を含む電池室２８３が、ハニカム状に配置されてもよい。図１に示す燃料電池システム１では、複数の電池室２８３から図１中の手前側および奥側の側面がそれぞれ省略され、複数の筒状部が内張部２７の内部空間２７２に配置されてもよい。燃料電池システム１ａ，１ｂにおいても同様である。
【００７２】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、隔壁部２８により内張部２７の内部空間２７２が複数の電池配置区域２８２に区画されるのであれば、上述の筒状部は設けられなくてもよい。また、本発明の関連技術に係る燃料電池システムでは、隔壁部２８は省略されてもよい。
【００７３】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、内張部２７は、必ずしも、ハウジング２１の内面２１１を全面に亘って覆う必要はなく、略直方体状の筐体である必要もない。例えば、内張部２７は、側方に開口した略四角筒状であり、略直方体状のハウジング２１の内面２１１のうち上面、下面および２つの側面を、内面２１１から離間しつつ覆ってもよい。すなわち、内張部２７は、ハウジング２１の内面２１１から離間しつつ内面２１１の少なくとも一部を覆っていればよい。
【００７４】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂの起動運転時には、改質器２２に原燃料とは異なる起動用材料が供給されてもよい。起動用材料としては、例えば、窒素、水素、ＬＰガス、都市ガス、バイオエタノール等が使用される。改質器２２は、必ずしも内張部２７の内部空間２７２に収容される必要はなく、例えば、間隙空間２１２に配置されてもよい。
【００７５】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、燃料電池２３からの負極排ガスに含まれる水蒸気を、凝縮部４５にて水として取り出した上で水蒸気生成部４６に供給しているが、水蒸気を含む負極排ガスの一部が、ガス状のまま改質器２２へと供給されてもよい。この場合であっても、定常運転時の水自立運転の実現が可能である。
【００７６】
燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、定常運転の際に、必ずしも水自立運転は行われる必要はなく、水供給部３１から水蒸気生成部４６に水が継続的に供給されてもよい。また、燃料電池システム１，１ａ，１ｂでは、定常運転の際に、必ずしも熱自立運転が行われる必要はなく、加熱用流体生成部３３から間隙空間２１２に加熱用流体が継続的に供給されてもよい。この場合、図１に示す減圧部５１および圧力制御部５２、図３に示す作動流体供給部５３および第３熱交換器５４、図４に示す供給切替部５５は省略されてもよい。
【００７７】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００７８】
１，１ａ，１ｂ    燃料電池システム
２１    ハウジング
２２    改質器
２３    燃料電池
２７    内張部
２８    隔壁部
２９    断熱部材
５１    減圧部
５２    圧力制御部
５３    作動流体供給部
２１１    （ハウジングの）内面
２１２    間隙空間
２７２    （内張部の）内部空間
２８２    電池配置区域
２８３    電池室
【図１】
0006495767.tif 000002
【図２】
0006495767.tif 000003
【図３】
0006495767.tif 000004
【図４】
0006495767.tif 000005