(57)【要約】【課題】昇温中の有害ガス放出を抑制した燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料極と空気極と電解質を有する筒形状固体酸化物形の燃料電池セルと、この燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、この燃料ガスラインを流れる燃料ガスの一部を燃焼させる燃焼還元ガス発生手段と、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、この酸化剤ガスラインを流れる酸化剤ガスの加熱手段と、酸化剤ガスラインから供給された酸化剤ガスを複数のセルに分配供給するための枝状に分岐された空気導入管を備えた空気分配供器と、を備える燃料電池発電システムにおいて、前記燃料極出口の燃料出口ガスと前記空気極出口の酸化剤出口ガスの混合ガスが前記空気分配供給部に接触する部分及び／または空気分配供給部から熱伝導が起こる近傍に有害ガス除害手段を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
2004281299.tif 000002
【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筒形状固体酸化物形の燃料電池セルと、この燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、この燃料ガスラインを流れる燃料ガスの一部を燃焼させる燃焼還元ガス発生手段と、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、この酸化剤ガスラインを流れる酸化剤ガスの加熱手段と、酸化剤ガスラインから供給された酸化剤ガスを複数のセルに分配供給するための枝状に分岐された空気導入管を備えた空気分配供器と、を備える燃料電池発電システムにおいて、前記燃料極出口の燃料出口ガスと前記空気極出口の酸化剤出口ガスの混合ガスが前記空気分配供給部に接触する部分及び／または空気分配供給部から熱伝導が起こる近傍に有害ガス除害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】
前記有害ガス除害手段が燃焼触媒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】
前記燃焼触媒が、空気分配供給部の外側にコーティングされた燃焼触媒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４】
前記燃焼触媒が、隣接する空気分配供給部の間に備えた燃焼触媒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。
【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、さらに詳細には固体酸化物形燃料電池などを用いた高温形燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発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。
ここでは高温形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３に従来の円筒形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】
図３は従来の固体酸化物燃料電池の昇温方法を示す一実施例であり、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円筒状セルである。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。燃料電池セルの外側には燃料ガスライン６から燃料ガスが供給される。燃料電池セルの内側には酸化剤ガスライン７からガス加熱器４と空気分配器３と空気導入管２を通じ酸化剤ガスが供給される。空気分配器３は複数の燃料電池セル１に酸化剤ガスを分配する機能を有する。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燃料極１に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。このようにして燃料極に燃料ガスが、空気極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。
図３には、１つの燃料電池セルを示しているが、実際のシステムにおいては複数の燃料電池セルが電気的に接続された燃料電池スタック（図示しない）もしくは燃料電池モジュール（図示しない）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、燃料電池スタックや燃料電池モジュールおよび周辺装置は断熱材によって保温され放熱を防いでいる。
【０００４】
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必要があり、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などの方法が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。また、空気極へ供給する酸化剤ラインに空気加熱器４を設け、高温に加熱した空気を供給するなどの方法も採用されていた。この例においては、排ガスは排ガスライン９を通ってそのまま外部に放出される。
また、有害ガス除去手段として排ガスライン９の下流に燃焼器を設けた例もある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６２４９２号公報（第１図）
【特許文献２】
特開２００１−５２７２７号公報（第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では燃料極の還元性を維持しながら昇温することができるが、不完全燃焼で発生する燃焼ガスには、メタンを燃料とする場合を例とすると、
ＣＨ４  ＋  １／２Ｏ２  →  ２Ｈ２  ＋  ＣＯ
のような反応により、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）などの有害ガスが含まれている。燃料電池の昇温途中で発電反応が起こっていない状態では、これらの有害ガスのほとんどは、排ガスライン９を通って排出されることになる。これらのガスがそのまま大気中に排出されれば、一酸化炭素中毒や水素爆発などの災害を引き起こすという重大な問題点をかかえていた。
また、特許文献２の外部に燃焼器を設けた提案では、排ガス温度が十分上昇していない昇温途中では燃焼器が十分機能せず、排ガス加熱機構やバーナーなどが必要となり、システムが複雑になるという問題があった。
本発明は、これら従来技術の問題点を解決するためになされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１は、燃料極と空気極と電解質を有する筒形状固体酸化物形燃料電池セルと、この燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、この燃料ガスラインを流れる燃料ガスの一部を燃焼させる燃焼還元ガス発生手段と、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、この酸化剤ガスラインを流れる酸化剤ガスの加熱手段と、酸化剤ガスラインから供給された酸化剤ガスを複数のセルに分配供給するための枝状に分岐された空気導入管を備えた空気分配供器と、を備える燃料電池発電システムにおいて、前記燃料極出口の燃料出口ガスと前記空気極出口の酸化剤出口ガスの混合ガスが前記空気分配供給部に接触する部分及び／または空気分配供給部から熱伝導が起こる近傍に有害ガス除害手段を設けたことを特徴とする。これにより、高温となっている空気分配器の熱を有害ガス除害に利用することができる。
【０００８】
請求項２は、前記有害ガス除害手段が燃焼触媒であることを特徴とする。燃焼触媒を用いることによって、有害ガスを安全に燃焼させて除去することができる。
【０００９】
請求項３は、前記燃焼触媒が、空気分配供給部の外側にコーティングされた燃焼触媒であることを特徴とする。燃料排気ガスと酸化剤排気ガスの混合ガスに接触することにより有害ガスを効率よく燃焼させることができる。
【００１０】
請求項４は、前記燃焼触媒が、隣接する空気分配供給部の間に備えた燃焼触媒であることを特徴とする。燃料排気ガスと酸化剤排気ガスの混合ガスに接触することにより有害ガスを効率よく燃焼させることができる。
【００１１】
【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は本発明の固体酸化物燃料電池の昇温方法を示す一実施例である。燃料電池セル１は円筒形状固体酸化物形燃料電池の一例であり、空気極支持体を基材とし、その外側に空気極層、電解質層、燃料極層（図示しない）をこの順番に有する。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で構成されている。燃料電池セルの外側には燃料ガスライン６が接続されている。燃料電池セルの内側には空気加熱器４と空気分配器３と空気導入管２を通じ酸化剤ガスライン７が接続されている。昇温用酸化剤ガスは酸化剤ガスライン７の途中から混合される。空気分配器３は複数の燃料電池セル１に酸化剤ガスを分配する機能を有する。図１の例では空気導入管２のセル外露出部分と空気分配器３下部と側面部にはＰｄ／アルミナ触媒がコーティングされている。
【００１２】
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が発電可能な温度に達するまで昇温する必要がある。そこで、酸化剤ガスを、空気加熱器４を通じて燃料電池セル１に供給し発電可能温度まで加熱する。この間、燃料極側は、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還元性雰囲気に保たれる。
【００１３】
この不完全燃焼ガスにはＨ２とＣＯが含まれるが、セル上部で酸化剤出口ガスと混合し、空気導入管２のセル外露出部分と空気分配供給部３下部と側面部の燃焼触媒により燃焼する。燃焼触媒部分は内部を通る高温の酸化剤ガスにより加熱されており、昇温初期から十分な活性を示す。
【００１４】
空気導入管２のセル外露出部分と空気分配器３下部と側面部に担持される酸化触媒としては、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。空気加熱器４としては電気ヒーターや、一般的なガスバーナーが使用可能である。
【００１５】
図２は本発明の固体酸化物燃料電池の昇温方法を示す他の一実施例である。燃料電池セルは円筒形状固体酸化物形燃料電池の一例であり、空気極支持体を基材とし、その外側に空気極層、電解質層、燃料極層（図示しない）をこの順番に有する。燃料電池セルは図１においては１本であるが、通常は複数の燃料電池セルで構成されている。燃料電池セルの外側には燃料ガスライン６が接続されている。燃料電池セルの内側にはガス加熱器４と空気分配器３と空気導入管２を通じ酸化剤ガスライン７が接続されている。昇温用酸化剤ガスは酸化剤ガスライン７の途中から混合される。空気分配器３は複数の燃料電池セル１に酸化剤ガスを分配する機能を有する。図２の例では隣接した空気分配器３の間にハニカム型のＰｔ／アルミナ燃焼触媒が設置されている。
【００１６】
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、燃料電池セルをはじめとするシステムの温度は常温であるため、燃料電池セル１が発電可能な温度に達するまで昇温する必要がある。そこで、酸化剤ガスを、空気加熱器４を通じて燃料電池セルに供給し発電可能温度まで加熱する。この間、燃料極側は、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還元性雰囲気に保たれる。
【００１７】
この不完全燃焼ガスにはＨ２とＣＯが含まれるが、セル上部で酸化剤出口ガスと混合し、分割された空気分配器３の間に燃焼触媒により燃焼する。燃焼触媒部分は空気分配器３の内部を通る高温の酸化剤ガスからの伝熱により加熱されており、昇温初期から十分な活性を示す。
【００１８】
隣接した空気分配器３の間の燃焼触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、等の白金系金属やペロブスカイト等の金属酸化物等が好適である。また、形状としてはハニカムや発泡体等の圧力損失が少ないものが好適である。空気加熱器４としては電気ヒーターや、一般的なガスバーナーが使用可能である。
【００１９】
【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、起動時に還元雰囲気維持と昇温のために供給される燃焼還元ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）などの有害ガスを安全に除去して排出することができるため、一酸化炭素中毒や水素爆発などの災害を引き起こすことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例
【図２】本発明の他の一実施例
【図３】従来の燃料電池発電システムの一般的な例。
【符号の説明】
１  燃料電池セル
２  空気導入管
３  空気分配供給部
４  空気加熱器
５  燃料電池容器
６  燃料ガスライン
７  空気ライン
８  昇温用燃料ガスライン
９  排ガスライン
１０  燃焼触媒
１１  バーナー
【図１】
2004281299.tif 000003
【図２】
2004281299.tif 000004
【図３】
2004281299.tif 000005