(57)【要約】【課題】本発明の目的は、熱放散ロスが少なく短時間で昇温が可能な燃料電池発電システムを提供することである。【解決手段】燃料極と空気極と電解質を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスラインとを有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路内に触媒燃焼手段を設けた。また、前記燃料電池が筒状固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路が空気導入管である燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記空気導入管の内表面および／または外表面に設けられた燃焼触媒層である。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極と電解質を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスラインとを有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路内に触媒燃焼手段を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池が筒状固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路が空気導入管である燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記空気導入管の内表面および／または外表面に設けられた燃焼触媒層であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記触媒燃焼手段が、燃焼触媒作用を有する材料で作製された空気導入管であることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記燃料電池が平板型燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路がセパレータに形成された燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記セパレータの酸化剤ガス流路の表面に設けられた燃焼触媒層であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記触媒燃焼手段が前記空気極の表面に設けられた燃焼触媒層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記触媒燃焼手段が前記空気極に混合された燃焼触媒であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムに関し、さらに詳細には高温型の燃料電池発電システムの昇温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の種類として固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池がある。このうち固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池は反応温度が高いことから高温形燃料電池と言われることもある。これに対してリン酸形燃料電池および固体高分子形燃料電池は低温形燃料電池と言われる。
まず、ここでは高温形燃料電池の一つである固体酸化物形燃料電池を例にとって、従来の燃料電池発電システムの説明をする。図５に従来の筒状固体酸化物形燃料電池発電システムの一般的な構成図を示す。
【０００３】
燃料電池セル１は筒状固体酸化物形燃料電池であり、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状セルである。なお、空気極が多孔質支持管を兼用する場合もある。燃料電池セル１は燃料電池容器５に収納されている。燃料電池セル１の外側の燃料極には燃料ガスライン６から燃料ガスが供給される。燃料電池セル１の内側には空気導入管２が挿入されており、空気分配器３を介して酸化剤ガスが供給される。
燃料ガスには、水素ガスを用いることがもっとも好適であるが、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系燃料ガスを改質器（図示しない）などによって水素リッチガスに転換して導入されることが多い。一方酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることがもっとも好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。図５は酸化剤ガスとして空気を用いる場合を示す。このようにして燃料極側に燃料ガスが、空気極側に酸化剤ガスが供給されると、電解質の両側において電気化学反応が起こり電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気分解の逆反応である。
【０００４】
図５には、１つの燃料電池セル１を示しているが、実際のシステムにおいては複数の燃料電池セル１が電気的に接続された燃料電池スタックもしくは燃料電池モジュールを構成して、必要な電力量を発生させている。また、燃料電池の発電反応温度を維持するために、燃料電池容器や周辺装置は断熱材によって保温され放熱を防いでいる。
次に、従来の燃料電池発電システムの昇温装置および昇温方法の説明をする。燃料電池発電システムを起動する際には、常温状態の燃料電池発電システムを発電反応温度まで昇温する必要がある。前述の高温型燃料電池のうち固体酸化物形燃料電池の場合、発電反応温度は高いもので１０００℃である。そこで燃料電池の温度を所定温度まで上昇させるため、空気ラインに昇温装置を設けて高温に加熱した空気を供給する方法や燃料電池の周囲に電気ヒータを設けて加熱をする方法も採用されていた。図５において、空気ラインに設けた昇温装置の一例を示す。また、燃料極側に、起動用燃料ガスと空気を用いてバーナー１１から発生させた不完全燃焼ガスを供給して昇温する方法も採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６２４９２号公報（第３−５頁、第１図、第７図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の昇温装置では、加熱手段がガス供給ラインの途中や燃料電池の周囲に設けられており、発電部である燃料電池セルとの距離が大きいため、燃料電池セルに熱が到達する前に放散してしまうという問題があった。その結果有効に利用される熱が減少するため、昇温に多大な時間がかかるという問題があった。また途中で放散する熱を考慮した加熱能力を有する加熱手段を設ける必要があるため、設備が過大となり設備コストアップやランニングコストアップおよび設備サイズアップの要因となっていた。
【０００７】
本発明は、これらの従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、熱放散ロスが少なく短時間で昇温が可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
請求項１は、燃料極と空気極と電解質を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスラインとを有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路内に触媒燃焼手段を設けたことを特徴とする。
ここで、触媒燃焼手段とは、燃焼触媒や燃焼触媒を使用したシステム等のことである。
従って、本発明によって、熱放散ロスが少なく短時間で昇温が可能となる。
【０００９】
請求項２は、前記燃料電池が筒状固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路が空気導入管である燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記空気導入管の内表面および／または外表面に設けられた燃焼触媒層であることを特徴とする。
ここで、燃焼触媒とは、触媒表面で燃料を空気中の酸素と反応させ熱エネルギーを発生させる機能を有するものである。燃焼触媒を用いることにより、炎を発生せずに燃焼させることができる。
従って、本発明によって予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【００１０】
請求項３は、前記触媒燃焼手段が、燃焼触媒作用を有する材料で作製された空気導入管であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【００１１】
請求項４は、前記燃料電池が平板型燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路がセパレータに形成された燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記セパレータの酸化剤ガス流路の表面に設けられた燃焼触媒層であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【００１２】
請求項５は、前記触媒燃焼手段が前記空気極の表面に設けられた燃焼触媒層であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【００１３】
請求項６は、前記触媒燃焼手段が前記空気極に混合された燃焼触媒であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の燃料電池発電システムの一実施例を略示する図である。燃料電池セル１は筒状固体酸化物形燃料電池であり、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状セルである。なお、空気極が多孔質支持管を兼用する場合もある。燃料電池セル１は図１においては１本であるが、通常は複数の燃料電池セル１が電気的に接続されて燃料電池容器５に収納されている。燃料電池容器５には燃料ガスライン６が接続されており、燃料電池セル１の外側の燃料極に燃料ガスが供給される。燃料電池セル１の内側には空気導入管２が挿入されており、空気分配器３を介して酸化剤ガスライン７と接続されている。本実施例では酸化剤ガスとして空気を用いた例を示す。空気分配器３には複数の空気導入管２が接続されており、それぞれの燃料電池セル１の内側の空気極に空気が供給される。酸化剤ガスライン７には空気加熱器４が設置されている。空気加熱器４の下流には昇温用燃料ガスライン８が接続されている。空気導入管２の内表面と外表面に燃焼触媒層１０が形成されている。
【００１５】
図２は、図１の要部拡大図である。燃料電池セル１の内側に空気導入管２が挿入されており、空気導入管２の内表面と外表面に燃焼触媒層１０が形成されている。
次にこのように構成された燃料電池発電システムの起動時の動作について説明する。起動時には、燃料電池セル１をはじめとする燃料電池発電システムの温度は常温であるため、燃料電池セル１が発電可能な約１０００℃の温度に達するまで昇温する必要がある。そこで、まず、空気を空気加熱器４に供給し、空気分配器３、空気導入管２を介して燃料電池セル１に導入する。加熱された空気が導入されることにより、空気分配器３、空気導入管２、燃料電池セル１が順次昇温される。
次に、空気導入管２が触媒燃焼反応が進行する温度（例えば３５０℃）まで昇温された時点で、昇温用燃料ガスライン８を通じて昇温用燃料ガスを導入する。空気導入管２の内表面と外表面には燃焼触媒層１０形成されているため、各表面で触媒燃焼反応が起こり、燃焼熱が発生する。空気導入管２は燃料電池セル１に内挿されて近接して設置されているため、発生した燃焼熱のほとんどが効率良く燃料電池セル１に伝達される。このようにして、少ない燃料で短時間で効率的に燃料電池セル１を発電可能温度まで昇温することができる。空気導入管２の内表面と外表面に燃焼触媒層１０が形成されていない場合に比べて、空気加熱器４の加熱能力を小さくすることができる。
【００１６】
なお、空気導入管２の内表面と外表面のいずれか一方に燃焼触媒層１０を設けても良い。また、図３に示すように空気極の表面に燃焼触媒層１０を設けることも可能である。この場合燃焼触媒層での燃焼熱は、さらに効率良く燃料電池セル１の発電反応部に伝達される。なお、前述のように空気極が多孔質支持管の外側に設けられている場合は、多孔質支持管の表面に燃焼触媒層１０を設けたり、多孔質支持管の多孔質部に燃焼触媒を担持させたりすることもできる。
【００１７】
空気導入管２の内表面と外表面に形成される燃焼触媒層としては、Ｐｔ、Ｐｄ等の白金系金属やペロブスカイト等の金属酸化物が好適である。
他の触媒燃焼手段を設ける方法としては、図４に示すようなビーズ状の触媒粒子を充填する方法でもよい。
また、空気導入管自体を燃焼触媒で形成したり、空気極自体に燃焼触媒を混合したりすれば新たに燃焼触媒層を設ける必要はない。
さらに、燃料電池が平板型燃料電池の場合であっても、セパレータに形成された酸化剤ガス流路の表面や空気極表面に燃焼触媒層を設けることができる。同様に、空気極自体に燃焼触媒を混合することもできる。
空気加熱器４としては電気ヒータやガスバーナが使用可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池の酸化剤ガス流路内に触媒燃焼手段を設けたことにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。したがって、電池の昇温を、エネルギーの損失が少ない状態で短時間に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一実施例を略示する図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムの一実施例の要部拡大図である。
【図３】本発明の燃料電池発電システムの他の実施例の要部拡大図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムの他の実施例の要部拡大図である。
【図５】従来の筒状固体酸化物形燃料電池発電システムの一般的な構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池セル
２　空気導入管
３　空気分配器
４　空気加熱器
５　燃料電池容器
６　燃料ガスライン
７　酸化剤ガスライン
８　昇温用燃料ガスライン
９　排ガスライン
１０　燃焼触媒層
【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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