(57)【要約】【課題】起動時に熱供給が安定に行われ、排ガスの処理を行うことが可能となる、起動性にすぐれた燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池素子と、燃料電池素子のカソード側に空気を供給する空気流路と、燃料電池素子のアノード側に燃料を供給する燃料流路と、燃料流路に、燃料電池素子を昇温するためのガスを供給する昇温ガス流路とを有する燃料電池システムであって、空気流路に電気式空気ヒータを設置し、燃料流路に連通する流路に、部分酸化触媒を設置したことにより、昇温時の排ガス中に含まれる未燃ガスを低減することが可能となる。【選択図】　図６
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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及びカソードを備えた燃料電池素子と、
前記燃料電池素子のカソード側に空気を供給する空気流路と、
前記燃料電池素子のアノード側に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路に、燃料電池素子を昇温するためのガスを供給する昇温ガス流路と
を有する燃料電池システムであって、
前記空気流路に電気式空気ヒータを設置し、
前記燃料流路に連通する流路に、部分酸化触媒を設置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記部分酸化触媒の昇温を、前記電気式空気ヒータにより昇温された空気を用いて行うことを特徴とする、前記請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記部分酸化触媒の昇温を、電気ヒータにより行うことを特徴とする、前記請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを前記空気流路に再循環することを特徴とする、請求項１〜３記載の燃料電池システム
【請求項５】
前記燃料電池素子から排出される排燃料を前記燃料流路に再循環することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム
【請求項６】
前記燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを燃焼させるための燃焼触媒を、排ガス流路に設置したことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料と空気を電気化学的に反応させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質の両側にアノードおよびカソードを有し、アノードに燃料を、カソードに酸化剤を供給することにより電気化学的に燃料と酸化剤を反応させて電気エネルギーに変換する発電素子である。また、複数の素子を電気的に接続した燃料電池モジュールを形成することにより、発電出力の規模を大きくすることができる。
燃料電池の種類は、電解質の種類によって分類することが可能であり、（例えば、非特許文献１参照）、特に固体酸化物形燃料電池は作動温度が７００℃を超える高温であるため、システム起動時において発電開始が可能となる温度までは、多くの熱を供給し昇温する必要がある。また、固体酸化物形燃料電池の昇温時には、電極材料の劣化を避けるため、空気側は酸化雰囲気に、燃料側は還元雰囲気に維持しておく必要がある。
【０００３】
従来の技術においては、この熱の供給を空気側および燃料側に設置した燃焼器により行っており、また、空気側の燃焼器は空気比が１以上の酸化雰囲気を維持し、燃料側の燃焼器は空気比が１以下の還元性雰囲気を維持することにより昇温を行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
従来の技術について図７を用いて説明する。
燃料電池素子１は、円筒形をした燃料電池素子の縦断面を示し、電解質を挟んで図の素子内側にカソード電極、素子外側にアノード電極が設置されており、カソード電極に空気などの酸化剤、アノード電極に水素、一酸化炭素などの燃料を流すことにより発電反応が生じる。
燃料電池素子１が昇温され発電可能な温度にある場合、空気は、空気流路２、空気分配器３、空気導入管４を通じて燃料電池素子１の内側であるカソード側に供給される。空気導入管４の先端より流出した空気は、燃料電池素子の下方が封止されているため上方へと折り返し、燃料電池素子１のカソード近傍を通り、発電反応に寄与した後、空気導入管４の上部の開口より排空気として排出される。一方、燃料ガスは、燃料流路５、燃料室６、燃料分散板７を通じて、燃料電池素子１の外側であるアノード側に供給され、発電室８において発電反応に寄与した後、発電室隔壁９を通じて排燃料として排出される。燃料電池素子１の作動温度が高く、排空気および排燃料の温度が高く、その混合ガスが自己燃焼を起こす温度以上の場合、燃焼室１２では、排燃料中の未燃燃料と排空気が燃焼し、排ガスとして排出される。
一方、燃料電池素子が作動温度（例えば固体酸化物形燃料電池においては７００℃以上）にいたるまでの昇温手段として、図７に示す従来技術では、第１燃焼器５１を空気比１以上で燃焼させ、カソード側への熱の供給およびカソード側の酸化雰囲気の維持を行っている。また、第２燃焼器５２は、空気比１以下で燃焼させ、アノード側への熱の供給およびアノード側の還元雰囲気の維持を行っている。
【０００５】
【非特許文献１】
田川博章著「固体酸化物燃料電池と地球環境」アグネ承風社出版、１９９８年６月２０日（第４８−４９頁）
【特許文献１】
特開２００１−１５５７５４号公報（第６頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１記載の従来技術においては、昇温のための熱源を燃焼器としているため、システム起動時の昇温過程において、燃焼器の炎が立ち消えることが起こり、昇温が不完全になり発電可能温度まで達しない場合があるといった問題があった。
また前記特許文献１記載の従来技術においては、排ガスを処理する装置を備えていないため、燃料側の燃料器により生成したガスに含まれる未燃のガスをそのままシステム外に放出するといった問題があった。特に、燃焼器に供給する燃料として炭化水素などを用いた場合、水素のみならず一酸化炭素を排出するという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、起動時に熱供給が安定に行われ、排ガスの処理を行うことが可能となる、起動性にすぐれた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記のような従来システムの問題点を解決するために、
第１の発明では電解質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池素子と、
前記燃料電池素子のカソード側に空気を供給する空気流路と、
前記燃料電池素子のアノード側に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路に、燃料電池素子を昇温するためのガスを供給する昇温ガス流路と
を有する燃料電池システムであって、
前記空気流路に電気式空気ヒータを設置し、
前記燃料流路に連通する流路に、部分酸化触媒を設置した燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、電気式空気ヒータを用いて燃料電池素子を昇温することにより、カソード側の酸化雰囲気を保持すると共に、供給熱量の調整が容易となり、昇温中、安定した熱供給を行うことが可能となる。また、部分酸化触媒を設置することにより、アノード側の還元雰囲気を保持すると共に、燃料電池素子の温度分布を小さくすることが可能となり、熱応力による素子の破損を防ぐことが可能となる。
ここで言う部分酸化触媒は、燃料を完全に燃焼するための理論空気量より少ない空気量で、酸化反応を起こさせるためのものである。燃料と空気が活性化された触媒に接触することにより、燃焼による発熱を起こす。また、理論空気量より少ない空気量で酸化させるため、燃料の一部が酸化されずに排出されることとなる。
触媒は燃料の種類により異なるが、例えば炭化水素系の燃料においては、ニッケル系の触媒などを使用することが可能である。
アノード側の加熱対象となるガスは可燃性のガスであるため、電気式ヒータでは直接的に接触して加熱することが困難であり、また、電気式ヒータで間接的に加熱する場合は装置が大きくなる。一方、部分酸化触媒は、部分酸化反応が発熱反応であり、高温ガスの供給および還元性ガスの生成が同時に可能であり、コンパクトなシステムとすることができる。
【０００９】
また、第２の発明では、前記部分酸化触媒の昇温を、前記電気式空気ヒータにより昇温された空気を用いて行う燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温開始時に、部分酸化触媒が活性となり、部分酸化反応が進行する温度までの熱供給を電気式空気ヒータにより昇温された空気を用いて行うことが可能となる。
【００１０】
また、第３の発明では、部分酸化触媒の昇温を、電気ヒータにより行う燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温開始時に部分酸化触媒への熱供給をヒータを用いて行うことにより、部分酸化触媒が活性となり、部分酸化反応が進行させることが可能となる。
【００１１】
また、第４の発明では、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを空気流路に再循環する燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温中に燃料電池素子から排出される排ガスの持つ熱を再循環させ、昇温に必要な熱量を軽減すること、あるいは、昇温速度を早くすることが可能となる。
【００１２】
また、第５の発明では、燃料電池素子から排出される排燃料を前記燃料流路に再循環する燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温中に燃料電池素子から排出される排燃料の持つ熱を再循環させ、昇温に必要な熱量を軽減すること、あるいは、昇温速度を早くすることが可能となる。また、排燃料を再循環させることによりシステム外に放出される未燃燃料の量を少なくすることが可能となる。
【００１３】
また、第６の発明では、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを燃焼させるための燃焼触媒を排ガス流路に設置した燃料電池システムを提供する。
ここで、排ガス流路とは、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料が混合された状態となる流路全体を示しており、混合された排ガスが流れる配管のみならず空間をも含んでいる。
本発明によれば、昇温中に燃料電池素子から排出される排燃料をシステム外部に放出することがないように処理することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
燃料電池素子１は、円筒形をした燃料電池素子の縦断面を示し、電解質を挟んで図の素子内側にカソード電極、素子外側にアノード電極が設置されており、カソード電極に空気などの酸化剤、アノード電極に水素、一酸化炭素などの燃料を流すことにより発電反応が生じる。
【００１５】
燃料電池素子１が昇温され発電可能な温度にある場合、空気は、空気流路２、空気分配器３、空気導入管４を通じて燃料電池素子１の内側であるカソード側に供給される。空気導入管４の先端より流出した空気は、燃料電池素子の下方が封止されているため上方へと折り返し、燃料電池素子１のカソード近傍を通り、発電反応に寄与した後、空気導入管４の上部の開口より排空気として排出される。一方、燃料ガスは、燃料流路５、燃料室６、燃料分散板７を通じて、燃料電池素子１の外側であるアノード側に供給され、発電室８において発電反応に寄与した後、発電室隔壁９を通じて排燃料として排出される。発電のために供給される燃料としては、例えば都市ガスなどが挙げられ、その場合、燃料流路５の途中には、都市ガスから水素、一酸化炭素を生成する改質器などが設置されることもある。
燃料電池素子１の作動温度が高く、排空気および排燃料の温度が高く、その混合ガスが自己燃焼を起こす温度以上の場合、燃焼室１２では、排燃料中の未燃燃料と排空気が燃焼し、排ガスとして排出される。
【００１６】
一方、燃料電池素子が作動温度（例えば固体酸化物形燃料電池においては７００℃以上）にいたるまでの昇温手段として、空気流路２に電気式空気ヒータ６１を設置し、カソード側への熱の供給およびカソード側の酸化雰囲気の維持を行っている。また、部分酸化触媒６２に燃料および空気を送り、部分酸化反応させ、それにより生ずる温度の高い還元性ガスを燃料流路５を通じてアノード側への熱の供給及びアノード側の還元雰囲気の維持を行っている。部分酸化触媒６２への燃料ガスとして炭化水素を主成分とする都市ガスを供給した場合、生成されるガスは水素、一酸化炭素、窒素、水蒸気、二酸化炭素を含むガスとなり、また、部分酸化の発熱反応により数百℃の高温のガスとなる。燃料側を還元雰囲気に保つためには、部分酸化触媒６２へ供給する燃料と空気の比を変化させることにより制御することが可能である。炭化水素を燃料とした場合、ニッケルを主成分とした触媒などの使用が可能である。
【００１７】
なお、アノード側の加熱対象となるガスは可燃性のガスであるため、電気式ヒータでは直接的に接触して加熱することが困難であり、また、電気式ヒータで間接的に加熱する場合は装置が大きくなる。一方、部分酸化触媒は、部分酸化反応が発熱反応であり、高温ガスの供給および還元性ガスの生成が同時に可能であり、コンパクトなシステムとすることができる。
本発明によれば、電気式空気ヒータ６１および部分酸化触媒６２を用いて昇温を行うため、バーナーのような燃焼器を用いた場合よりも安定した昇温が可能であり、また制御性も良い燃料電池システムとすることが可能となる。
【００１８】
図２は本発明の第２の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
部分酸化触媒６２は、部分酸化反応が生ずる温度まで昇温する必要がある。そのため、電気式空気ヒータ６１により昇温された空気を部分酸化触媒６２の熱源として昇温することにより、部分酸化反応を進行させることが可能となる。また部分酸化反応は発熱反応であるため、反応が進行し始めると、外部からの熱供給は不要となる。部分酸化触媒６２への熱供給方法の例としては、部分酸化触媒６２が熱伝導性の良い容器に設置されており、昇温された空気がその触媒の容器に熱を与える構造とすることにより実現される。この場合、部分酸化触媒６２に熱を供給した後の空気に残った熱を有効に利用するために、空気流路２に再循環させても良い。
なお、電気式空気ヒータ６１により昇温された空気を部分酸化触媒６２へ供給する空気として使用することによっても部分酸化触媒６２の起動性を高めることが可能である。
【００１９】
図３は本発明の第３の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
部分酸化触媒６２を昇温するために、電気式触媒起動ヒータ６３を設置しており、電気式のヒータを用いて部分酸化触媒６２の昇温の制御性を向上させることが可能となる。
【００２０】
図４は本発明の第４の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
図４の燃料電池システムにおいては、モジュール容器１１から排出される排ガスを、空気流路２に戻す構成としている。本システムによれば、昇温過程において、排ガスの持つを熱を再循環させ、昇温に必要なエネルギーを低減することが可能となる。また、排ガスを再循環させる構成がないシステムと、電気式空気ヒータ６１おび部分酸化触媒６２によりモジュール容器１１に投入される熱量が一定である条件で比較した場合、昇温速度を向上させることが可能であり、燃料電池システムの起動を早くすることが可能となる。
【００２１】
図５は本発明の第５の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
図５の燃料電池システムにおいては、発電室８と燃焼室１２の間に隔壁６４および発電室隔壁９を設置し、その２つの隔壁の間より排燃料を燃料流路５に再循環させる構成としている。本システムによれば、昇温過程において、排燃料の持つを熱を再循環させ、昇温に必要なエネルギーを低減することが可能となる。また、昇温過程において、燃焼室１２に存在する排燃料と排空気の混合ガスが自己燃焼温度に達していない時は、排燃料中に含まれる未燃焼の燃料がシステムの系外に放出されることになる。図５における燃料ガスの一例として都市ガスを用いた場合、部分酸化触媒６２により生成されるガスは、水素、一酸化炭素を含んでおり、これらのガスが排出されることとなる。本発明によれば、排燃料を再循環させているため、システムの系外に放出される水素、一酸化炭素を低減させることも可能となる。
【００２２】
図６は本発明の第６の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
図６の燃料電池システムにおいては、排ガス流路に燃焼触媒６５を設置した構成としている。昇温過程において、燃料電池モジュールより放出される排ガス中の未燃焼の燃料を処理することが可能となる。
ここで、排ガス流路とは、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料が混合された状態となる流路全体を示しており、混合された排ガスが流れる配管のみならず空間をも含んでいる。すなわち、図６の例では、配管のような流路の途中に燃焼触媒を設置した例を示しているが、実際に排燃料と排空気が混合されるのは、燃焼室１２であり、この燃焼室内に燃焼触媒を設置しても良く、この燃焼室を含む排ガス流路の途中に燃焼触媒を設けることによって、昇温中の燃料電池システムからの未燃焼の燃料排出を抑制することが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時の昇温過程において、昇温の制御性をよくすることが可能となり、また、未燃焼の燃料のシステム系外への排出を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの一例
【図２】本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの一例
【図３】本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの一例
【図４】本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの一例
【図５】本発明の第５の発明に係る燃料電池システムの一例
【図６】本発明の第６の発明に係る燃料電池システムの一例
【図７】従来の燃料電池システムの一例
【符号の説明】
１：燃料電池素子
２：空気流路
３：空気分配器
４：空気導入管
５：燃料流路
６：燃料室
７：燃料分散板
８：発電室
９：発電室隔壁
１０：断熱材
１１：モジュール容器
１２：燃焼室
５１：第１燃焼器
５２：第２燃焼器
６１：電気式空気ヒータ
６２：部分酸化触媒
６３：電気式触媒起動ヒータ
６４：隔壁
６５：燃焼触媒
【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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【図７】
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