(57)【要約】【課題】  起動時間を短縮でき、しかも、アノードガスおよびカソードガスの流路入口付近と出口付近での温度差を小さくできる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  アノードガスおよびカソードガスの片方の流路入口に連通する空間に加熱手段を設け、その熱により燃料電池を加熱する。また、加熱手段がない、もう一方のガスを起動時に発電時とは逆方向に流し、その流体の起動時における流路入口（発電時には出口）に加熱手段を設け、その流体を加熱することで、この加熱された流体により燃料電池を加熱する。燃料電池を発電時の流路入口方向と出口方向の双方から加熱することが可能となり、起動時間短縮と温度差低減を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路およびカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記アノードへ流れる燃料ガスおよびカソードへ流れる酸化剤ガスの一方の流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、前記加熱手段を有しない側のガスを燃料電池起動時に発電時とは逆方向に流し、逆方向に流れるガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記アノードへ流れる燃料ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、燃料電池の起動時に前記燃料流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記酸化剤流路に発電時の酸化剤ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記アノードへ流れる燃料ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、前記燃料流路と前記燃焼室の間または前記燃焼室と前記酸化剤流路の間に還元性ガスを酸化する手段を備え、燃料電池の起動時に前記燃料流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記酸化剤流路に発電時の酸化剤ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記カソードへ流れる酸化剤ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、燃料電池の起動時に前記酸化剤流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記燃料流路に発電時の燃料ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記カソードへ流れる酸化剤ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、前記燃料流路と前記燃焼室の間または前記燃焼室と前記酸化剤流路の間に酸化性のガスを還元する手段を備え、燃料電池の起動時に前記酸化剤流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記燃料流路に発電時の燃料ガスの流れ方向とは逆方向から導入す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２〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記燃焼室に加熱手段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７】
請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記燃焼室の加熱手段としてバーナー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８】
請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記燃焼室の加熱手段として電気ヒータ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９】
請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記燃焼室の加熱手段として、加熱された高温ガスを燃焼室の外部から導入する手段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１０】
電解質を介してアノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路およびカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の発電時に燃料ガスの流路出口から連通する空間および発電時に酸化剤ガスの流路出口から連通する空間の一方または両方に加熱手段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１０に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記加熱手段としてバーナー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１０に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記加熱手段として電気ヒータ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１０に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記加熱手段として、加熱された高温ガスを外部から導入する手段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】
電解質を介してアノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路およびカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の発電時に燃料ガスの流路出口から連通する空間および酸化剤ガスの流路出口から連通する空間の一方または両方に加熱手段を備え、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路の入口に連通する空間およびアノードに燃料ガスを供給する燃料流路の入口に連通する空間の一方又は両方に加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電システムに係り、特に固体酸化物形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード（燃料極）を備え、他方の側にカソード（空気極）を備え、アノード側に供給された燃料とカソード側に供給された酸化剤とを電解質を介して電気化学反応（電池反応）させることによって発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は発電効率が高いだけでなく、7００〜１０００℃の高温で運転されるため、燃料電池内部で燃料の改質反応が行え、多様な燃料を用いることができる。また、燃料電池の外部で燃料の改質を行うことなく燃料を直接利用することができるため、構造がシンプルとなり、他の燃料電池に比べ、コスト低減の可能性を持つ。加えて、高温の排熱を用いて様々なボトミングサイクルを組み合わせることができ、用途に合わせたシステムを形成しやすい。
【０００３】
作動温度が高いことは上記の利点がある一方で、発電を行うためには作動可能な温度まで燃料電池を加熱する必要があり、起動に時間がかかるという不利な点もある。起動時間の短縮のためには昇温速度を高める必要があるが、急速に昇温した場合には燃料電池に大きな温度分布がつきやすく、熱応力や過度の温度上昇により燃料電池の破損を招く可能性がある。
【０００４】
燃料電池の起動方法としてはアノード流路入口およびカソード流路入口に連通する空間にバーナーやヒータなどの加熱手段を備え、加熱された高温のガスをアノード流路、カソード流路へそれぞれ導入することで燃料電池を昇温させることが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５５７５４号公報(要約)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の技術では、起動時に燃料電池は高温のアノードガスおよびカソードガスにより加熱されるが、流路出口付近ではアノードガスおよびカソードガスの温度が低下する。このため、流路入口付近に比べて、出口付近におけるアノードガスとカソードガスから燃料電池への伝熱量は小さくなる。燃料電池を挟んでアノードガスとカソードガスが並行に流れる場合、アノードガスおよびカソードガスの流路入口付近と出口付近では燃料電池に与えられる熱量に差が生じ、その結果、燃料電池に温度差が生じ、燃料電池破損の要因となる。昇温速度を高めるためにアノードガスおよびカソードガスの有する熱量を増加させた場合、流路出入口方向の温度差はさらに拡大する。
【０００７】
本発明の目的は、起動時間を短縮でき、しかも、アノードガスおよびカソードガスの流路入口付近と出口付近での温度差を小さくできる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】
【０００８】
本発明では、アノードガスおよびカソードガスの片方の流路入口に連通する空間に加熱手段を設け、その熱により燃料電池を加熱するようにした。また、この加熱手段を有しない方は、起動時に発電時のガスの供給方向とは逆方向へガスを流し、その流体の起動時における流路入口（発電時には出口）に加熱手段を設け、その流体を加熱することで、この加熱された流体により燃料電池を加熱することとした。
【０００９】
また、本発明は、アノードガスおよびカソードガスの発電時における流路出口に連通する空間に燃焼室を設け、その燃焼室に加熱手段を設け、燃焼室からの輻射により燃料電池をガス流路の出口方向から加熱し、燃料電池の起動時における温度差を低減することとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池を発電時の流路入口方向と出口方向の双方から加熱することができ、燃料電池の起動時間を短縮できる。また、起動時におけるアノードガスおよびカソードガスの流路入口付近と出口付近での温度差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施態様としては、たとえば下記のとおりである。
（１）電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路およびカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記アノードへ流れる燃料ガスおよびカソードへ流れる酸化剤ガスの一方の流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、前記加熱手段を有しない側のガスを燃料電池起動時に発電時とは逆方向に流し、逆方向に流れるガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
（２）電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記アノードへ流れる燃料ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、燃料電池の起動時に前記燃料流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記酸化剤流路に発電時の酸化剤ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
（３）電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記アノードへ流れる燃料ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、前記燃料流路と前記燃焼室の間または前記燃焼室と前記酸化剤流路の間に還元性ガスを酸化する手段を備え、燃料電池の起動時に前記燃料流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記酸化剤流路に発電時の酸化剤ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
（４）電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記カソードへ流れる酸化剤ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、燃料電池の起動時に前記酸化剤流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記燃料流路に発電時の燃料ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
（５）電解質を介してアノードとカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路及びカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記カソードへ流れる酸化剤ガスの流路入口に連通する空間に加熱手段を備え、燃料電池発電時の余剰の燃料ガスと余剰の酸化剤を混合して燃焼させる燃焼室を備え、前記燃料流路と前記燃焼室の間または前記燃焼室と前記酸化剤流路の間に酸化性ガスを還元する手段を備え、燃料電池の起動時に前記酸化剤流路を流れたガスを前記燃焼室へ導入し、前記燃焼室のガスを前記燃料流路に発電時の燃料ガスの流れ方向とは逆方向から導入することを特徴とする燃料電池発電システム。
（６）電解質を介してアノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路およびカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の発電時に燃料ガスの流路出口から連通する空間および発電時に酸化剤ガスの流路出口から連通する空間の一方または両方に加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
（７）電解質を介してアノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料流路およびカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の発電時に燃料ガスの流路出口から連通する空間および発電時に酸化剤ガスの流路出口から連通する空間の一方または両方に加熱手段を備え、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤流路の入口に連通する空間およびアノードに燃料ガスを供給する燃料流路の入口に連通する空間の一方又は両方に加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【００１２】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムに適用するのに特に適している。固体酸化物形燃料電池では、電解質にイットリア安定化ジルコニア等の固体のセラミックスが用いられ、その固体電解質の形状により円筒形と平板形に大別されるが、本発明はどちらの形状においても適用可能である。以下、円筒形、特に袋管形の燃料電池を例にとって詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
袋管形の固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略図を図１および図２により説明する。図１は起動時を示しており、図２は発電時を示している。図１および図２に示す燃料電池４は袋管形をした固体電解質１の内表面にカソード２、外表面にアノード３を備えているが、カソードとアノードの位置が逆転した場合においても本発明は適用可能である。ガスの流れ方向を図中に矢印で示した。また、図中にＶ１，Ｖ２等とあるのはバルブを示している。
【００１４】
発電時におけるカソードガス、アノードガスの流れ、および、各バルブの状態を図２に示す。発電時にはカソードガスである空気は、空気ヘッダ１２に供給され、空気導入管６により燃料電池４の底部に供給され、燃料電池４底部において反転し、燃料電池の内側を上方へ流れ、カソード２における電池反応を起こした後、燃焼室１１と呼ばれる空間へ流れる。また、アノードガスは燃料電池下部から供給され、燃料電池の外側を上部へ流れ、アノード３における電池反応を起こした後、仕切り５を通り、燃焼室１１へ流れる。燃焼室１１では電池反応で未利用の燃料と空気が混合され、燃焼した後、発電時排気口１３より排出される。空気導入管６により燃料電池４の底部に供給された後、反転して燃料電池の内側を上方へ流れる流路が酸化剤流路である。また、燃料電池のアノード３の外側を下部から上部へ流れる流路が燃料流路である。
【００１５】
起動時におけるカソードガス、アノードガスの流れ、および、各バルブの状態を図１に示す。起動時にはアノードバーナー２１により高温の燃焼ガスが燃料電池４下部に供給される。ここではアノードガスの加熱手段としてバーナーを用いたが、電気ヒータや燃焼触媒（燃料と酸素の燃焼反応を促進する触媒）を用いても良い。ただし、アノード材料の劣化を防ぐため、アノードガスは例えば、水素、メタンと水蒸気の混合ガス、水素と一酸化炭素の混合ガス、あるいは一酸化炭素などの還元性ガスとする。高温のアノードガスは燃料電池の下部から上部へ流れながら燃料電池を加熱し、燃焼室１１へ流れる。燃焼室１１では燃焼室バーナー２２により高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスは燃料電池外側からのアノードガスと混合し、燃料電池内側へ導入される。ただし、カソード材料の劣化を防ぐため、燃料電池内側を流れるガスは酸化性ガスでなくてはならない。そのため、燃焼室バーナー２２では空気比が１を超える状態で燃焼させるだけでなく、アノードガスの酸化に必要な空気を余分に加えた状態で燃焼させる。また、アノードガスが酸化される前にカソードへ導入されることを防ぐために、点火プラグや燃焼触媒などの燃焼反応促進手段２３をアノードガス流路出口、または、カソードガス入口に設置する。燃料電池内側へ導入された燃焼室１１からのガスは燃料電池内側を上部から下部へ流れながら燃料電池を加熱し、空気導入管６を通り、空気ヘッダ１２へ導入される。空気ヘッダ１２へ導入されたガスは起動時排気口１４から排出される。
【００１６】
本発明を適用することによる燃料電池の温度分布を、本発明を適用しない場合と比較して図３に示す。図３の縦軸は燃料電池の上部と下部の位置を示し、横軸は燃料電池温度を示す。上記のように起動時においてカソードガスを発電時と逆方向へ流すことにより、燃料電池を下部からだけでなく上部からも加熱することができ、燃料電池の上下方向の温度差を低減できる。さらに、空気導入管や空気ヘッダよりも先に燃料電池の近傍を高温のガスが流れるため、投入された熱量を有効に燃料電池の昇温のために使用することができる。
【００１７】
また、アノードガスは燃料電池外側を流れる間に燃料電池に熱量を与え、温度は低下する。このため、燃焼室においてアノードガスが燃焼室バーナーの燃焼ガスと混合することにより、燃焼室バーナーの燃焼ガス温度は抑制され、燃料電池上端が極端に高温のガスにさらされるのを防ぐことができる。ただし、燃料電池温度の上昇にしたがって、燃焼室へ流れ込むアノードガス温度も上昇するため、カソードへは燃料電池温度と十分な温度差を持ったガスが常に導入される。さらに、アノードガスと燃焼室バーナーの燃焼ガスを混合することにより、カソード流路を流れるガスの流速を大きくすることができ、燃料電池への伝熱を促進することができる。
【実施例２】
【００１８】
図４に実施例１の変形例を示す。本実施例では燃焼室１１の加熱手段として電気ヒータ２４を設置した。電気ヒータ２４は、発電時において９００〜１０００℃という高温にさらされるため、耐熱温度の高いカンタルヒータなどを用いることが望ましい。また、アノードガスの酸化を行うために燃焼室１１に空気を導入した。本実施例において燃焼室１１に導入する空気はアノードガスの酸化に必要な流量でよく、空気ブロア容量を抑えることができ、発電システムをコンパクトにすることができる。
【実施例３】
【００１９】
図５に実施例１の変形例を示す。本実施例では燃焼室１１の加熱手段として電気式空気ヒータ２５を設置し、電気式空気ヒータにより加熱された高温空気を燃焼室１１に導入した。本実施例において電気式空気ヒータ２５は必要以上に長い時間高温にさらされないため、ヒータの信頼性は高い。
【実施例４】
【００２０】
図６に実施例１の変形例を示す。本実施例では、アノードガスとカソードガスが混じらないように、燃料電池４の内側と外側をシール材７によりガスシールした。アノードガスは燃料排気口１５から排気される。本実施例ではアノードガスの酸化を行う必要がなくなり、アノードガス酸化手段２３が不要となり、装置が簡略化できる。本実施例において燃焼室バーナー２２の代わりに電気ヒータ２４、または電気式空気ヒータ２５により加熱された高温空気の導入を用いてもよい。
【実施例５】
【００２１】
図７に実施例１の変形例を示す。本実施例においては発電時と逆方向へ流すガスをカソードガスではなくアノードガスとした。また、アノードバーナー２１の代わりに空気ヘッダ入口にカソードバーナー２６を設置し、燃焼室バーナー２２ではアノードガスが還元性ガスとなるような条件で燃焼を行った。本実施例においても実施例１と同様に燃料電池の上部と下部の双方向から加熱することができ、燃料電池上下方向の温度差を低減することができる。燃焼室バーナー２２の代わりに加熱手段として電気ヒータなどを用いた場合でも同様の効果が得られる。
【実施例６】
【００２２】
図８に袋管形の固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略図を示す。図９に示す比較例では、アノード流路入口、およびカソード流路入口にアノードバーナー２１およびカソードバーナー２６を燃料電池の加熱手段として有しているが、本実施例では、それに加えて燃焼室１１にも加熱手段である燃焼室バーナー２２を有している。起動時に、燃焼室バーナー２２により燃焼室ガスの加熱を行うことにより、燃焼室１１からの輻射が燃料電池上部を加熱するため、燃料電池の上下方向の温度差が低減される。また、燃焼室の加熱手段として、電気ヒータ２４或いは電気式空気ヒータ２５を設け、高温のガスを導入するようにしても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例による燃料電池発電システムの起動時の構成図である。
【図２】本発明の実施例による燃料電池発電システムの発電時の構成図である。
【図３】本発明を適用した際の起動時における燃料電池温度分布を、本発明を適用する前と比較して示したグラフである。
【図４】本発明の他の実施例による燃料電池発電システムの起動時の構成図である。
【図５】本発明による燃料電池発電システムの別の実施例を示す起動時の構成図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す燃料電池発電システムの起動時の構成図である。
【図７】本発明の更に別の実施例を示す燃料電池発電システムの起動時の構成図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す燃料電池発電システムの起動時の構成図である。
【図９】比較例に係る燃料電池発電システムの起動時の構成図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…固体電解質、２…カソード、３…アノード、４…燃料電池、５…仕切り、６…空気導入管、７…シール材、１１…燃焼室、１２…空気ヘッダ、１３…発電時排気口、１４…起動時排気口、１５…燃料排気口、２１…アノードバーナー、２２…燃焼室バーナー、２３…燃焼反応促進手段、２４…電気ヒータ、２５…電気式空気ヒータ、２６…カソードバーナー。
【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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【図８】
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【図９】
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