(57)【要約】【課題】燃焼器を用いて固体酸化物形燃料電池を起動昇温する際に、燃料電池に供給する燃焼ガス温度が高すぎて燃料電池が破損してしまうことを防ぎ、安定に昇温が可能な固体酸化物形燃料電池システムおよびその起動方法を提供すること。【解決手段】起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスと起動用燃料極側温度調整ガスを混合して得たガスを起動用燃料極側燃焼器ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある多孔質整流体に供給し、起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと起動用酸化剤極側温度調整ガスを混合して得たガスを起動用酸化剤極側燃焼器ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある隔離板方向から燃料電池に供給し、燃料電池を昇温して起動させる固体電解質燃料電池システム及びその起動方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスと起動用燃料極側温度調整ガスを混合して得たガスを起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある多孔質整流体を介して燃料極に供給し、かつ起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと起動用酸化剤極側温度調整ガスを混合して得たガスを、起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある隔離板方向から燃料電池の酸化剤極に供給し、燃料電池を昇温して起動させる固体電解質燃料電池システム。
【請求項２】
一側に燃料極を他方に酸化剤極を有する固体電解質と、前記燃料極に燃料を供給する燃料流路と、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備える燃料電池と、
前記燃料極側に設けられた起動用燃料極側燃焼器と、
前記起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスを前記燃料流路に供給する手段と、
前記酸化剤極側に設けられた起動用酸化剤極側燃焼器と、
前記起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスを前記酸化剤流路に供給する手段と、
前記起動用燃料極側燃焼器と前記燃料電池の間に介在された多孔質整流体と、
前記起動用酸化剤極側燃焼器と前記燃料電池の間に介在された隔離板と、
発電用燃料の供給口、発電用酸化剤の供給口及び燃料電池ガスの排出口を有し、前記燃料電池、前記多孔質整流体、前記隔離板、前記起動用燃料極側燃焼器及び前記起動用酸化剤極側燃焼器を包囲する容器を有し、
前記容器は発電用燃料を供給する燃料供給手段と、発電用酸化剤を供給する燃料供給手段を有し、
前記容器は前記起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスと起動用燃料極側温度調整ガスとを混合する手段と、前記起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと起動用酸化剤極側温度調整ガスとを混合する手段とを有し、
前記起動用燃料極側温度調整ガスの燃料極側拡散手段が前記起動用燃料極側燃焼器と前記多孔質整流体との間に設けられ、かつ前記燃料極側拡散手段は前記起動用燃料極側燃焼器の横断面積よりも広い横断面積を持ち、前記起動用酸化剤極側温度調整ガスの酸化剤極側拡散手段が前記起動用酸化剤極側燃焼器と前記隔離板との間に設けられ、かつ前記酸化剤極側拡散手段は前記起動用酸化剤極側燃焼器の横断面積よりも広い横断面積を持ち、
これにより、前記起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスと前記起動用燃料極側温度調整ガスの混合ガス及び前記起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと前記起動用酸化剤極側温度調整ガスの混合ガスが、前記多孔質整流体および隔離板と平行の方向に拡散した後、それぞれ燃料極及び酸化剤曲に導入することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料極側拡散手段が、前記多孔質整流体と平行方向に開口を有する複数の整列した配管であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料極側拡散手段が、前記多孔質整流体と平行方向に配置された邪魔板であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤極側拡散手段が、前記多孔質整流体と平行方向に配置された邪魔板であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料極側拡散手段及び前記酸化剤極側拡散手段が、それぞれ前記多孔質整流体および前期隔離板と平行方向に配置した邪魔板であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記起動用燃料極側燃焼器に起動用燃料及び起動用酸化剤を供給する手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記起動用酸化剤極側燃焼器に起動用燃料及び起動用酸化剤を供給する手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料極側温度調整ガスの供給手段は、前記燃料極側燃焼器の燃焼ガスが横方向に拡散する前に供給する手段であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記起動用酸化剤極側温度調整ガスの供給手段は、前記起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスが横方向に拡散する前の位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記起動用燃料極側燃焼器および起動用燃料極側温度調整ガス供給手段は、前記燃料流路に連通していることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記起動用酸化剤極側燃焼器および起動用酸化剤側温度調整ガスの供給手段は、前記酸化剤流路に連通していることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記起動用燃料極側燃焼器から排出される燃料極側燃焼ガスと、前記起動用燃料極側温度調整ガスの供給手段から供給される燃料極側温度調整ガスとを混合してなる燃料極側高温混合ガスを、前記燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の昇温を行うことを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１４】
前記起動用酸化剤極側燃焼器から排出される酸化剤極側燃焼ガスと、前記起動用酸化剤極側温度調整ガスの供給手段から供給される酸化剤極側温度調整ガスとを混合してなる酸化剤極側高温混合ガスを、前記酸化剤流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の昇温を行うことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１５】
前記配管は、前記起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガス流路に連通する複数の噴出孔を有しており、前記燃料極側燃焼ガスと混合して前記燃料極側高温混合ガスを生成することを特徴とする請求項３記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１６】
前記起動用酸化剤極側燃焼器から排出される前記空気極側燃焼ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤極側高温ガス流路は、前記酸化剤極側燃焼器よりも下流側に流路拡大部を有し、前記流路拡大部より下流側に、前記酸化剤極側燃焼ガスの流れを遮る向きに、前記邪魔板が設置されていることを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１７】
前記配管は前記燃料極側高温ガス流路に連通する複数の噴出孔を有しており、前記配管に前記燃料極側温度調整ガスを流通して前記噴出孔から前記燃料極側高温ガス流路中に噴出させ、前記起動用燃料極側燃焼ガスと混合して前記燃料極側高温混合ガスを生成することを特徴とする請求項３記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料極側温度調整ガス供給手段は、前記流路拡大部あるいは前記流路拡大部の上流側に設けられ、前記邪魔板に向かう方向に前記燃料極側温度調整ガスを噴出する複数の噴出孔を有することを特徴とする請求項１６固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１９】
起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスと起動用燃料極側温度調整ガスを混合して得たガスを起動用燃料極側燃焼器ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある多孔質整流体を介して燃料電池の燃料極に供給し、起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと起動用酸化剤極側温度調整ガスを混合して得たガスを混合拡散して燃料電池側にある隔離板方向から燃料電池の酸化剤極に供給し、燃料電池を昇温して起動させる固体電解質燃料電池システムの起動方法。
【請求項２０】
前記起動用燃料極側燃焼器を、当量比が１以上の条件で燃焼させて還元性を有する前記燃料極側燃焼器の燃焼ガスを生成し、前記起動用燃料極側温度調整ガスの供給手段からは、燃料極側燃焼ガスよりも低温の不活性ガスあるいは還元性ガスを前記燃料極側温度調整ガスとして供給し、前記燃料極側燃焼ガスと前記燃料極側温度調整ガスとを混合してなる燃料極側混合ガスを燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料極を還元性雰囲気に保ちつつ前記燃料電池の昇温を行うことを特徴とする請求項１９に記載の固体酸化物形燃料電池システムの起動方法。
【請求項２１】
起動用燃料極側燃焼器を、当量比が１以上の条件で燃焼させて還元性を有する燃料極側燃焼ガスを生成し、起動用燃料極側温度調整ガス供給手段から、前記燃料極側燃焼ガスよりも低温の不活性ガスあるいは還元性ガスを前記燃料極側温度調整ガスとして供給し、前記燃料極側燃焼ガスと燃料極側温度調整ガスとを混合してなる燃料極側高温混合ガスを燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給し、燃料電池の燃料極を還元性雰囲気に保ちつつ前記燃料電池の昇温を行ない、前記酸化剤極側燃焼器を、当量比が１以下の条件で燃焼させて酸化性を有する酸化剤極側燃焼ガスを生成し、起動用酸化剤極側温度調整ガス供給手段からは、前記酸化剤極側燃焼ガスよりも低温の不活性ガスあるいは酸化性ガスを酸化剤極側温度調整ガスとして供給し、酸化剤極側燃焼ガスと前記酸化剤極側温度調整ガスとを混合してなる酸化剤極側高温混合ガスを酸化剤流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記酸化剤極を酸化性雰囲気に保ちつつ前記燃料電池の昇温を行うことを特徴とする請求項１９記載の固体酸化物形燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼器を用いて起動昇温を行う固体酸化物形燃料電池システムおよびその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、固体電解質の一方の側に燃料極を、他方の側に空気極を備え、燃料極に供給した燃料と、空気極に供給した酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する発電装置である。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の作動温度は７００〜１０００℃程度と高温であり、起動時には、発電可能な温度になるまで燃料電池を加熱する必要がある。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池の燃料極には、酸化性ガスに接すると酸化して導電性や電極活性を失う性質がある。また空気極には、還元性ガスに接すると劣化してしまう性質がある。通常運転時は、燃料極には還元性ガスである燃料ガスが、空気極には酸化性ガスである空気が供給されるので問題ない。しかし、非定常な運転となる起動昇温時には、燃料極に接する気体が酸化性雰囲気にならないように、また空気極に接する気体が還元性雰囲気にならないように注意して運転される。
【０００５】
起動時の燃料電池の昇温方法として、従来は燃料電池の周囲に設置した電気ヒーターを用いて温度を上昇させる方法が提案されてきた。この方法では起動時に、別途設けた水素ボンベ等から水素等の還元性ガスを燃料極に供給し、燃料極の酸化を防止する。また空気極側は、酸化性ガスである空気が充満しているため劣化が防止される。
【０００６】
電気ヒーター以外の加熱方法として、特許文献１では、燃料極側流路および空気極側流路の上流にそれぞれ燃焼器を設置し、それぞれの燃焼器から排出される高温の燃焼ガスを用いて燃料電池を燃料極側と空気極側の両側から加熱する方法が提案されている。この方法では、燃料極側の燃焼器を当量比が１以上の状態で燃焼させ、酸素を含まない還元性の燃焼ガスを発生させて、これを燃料極に供給する。また空気極側の燃焼器を当量比が１以下の状態で燃焼させ、酸素を含んだ酸化性の燃焼ガスを空気極側に供給する。なお、起動昇温中に、燃料電池の上部と下部との間に温度差が生じた際には、空気極側の燃焼器からの燃焼ガス中に、温度調整用空気を導入して温度を調整し、温度の均衡を図る。
【０００７】
特許文献２には、燃料流路を燃料電池モジュールとそれを取り囲む断熱材の間に設けて、燃料改質部への熱量の供給とモジュールの冷却を同時に行うことで、燃料電池モジュールの恒温部の冷却と温度調節を可能とした燃料電池システムが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５５７５４号公報
【特許文献２】特開２００２−０２８９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電気ヒーターを用いて燃料電池を昇温する方法は、加熱の際に使用する電力が甚大で、燃料電池の定格発電能力と同等の電力を消費する可能性があり、電力コストの問題から実現性が乏しい。
【００１０】
一方、特許文献１で提案された燃焼器を用いて燃料電池を昇温する方法では、燃料電池に供給される燃焼ガスの温度が高温になる可能性があった。特に当量比を１以上にして燃焼させる燃料極側の燃焼器においては、燃料過多の条件での燃焼になるため、燃焼ガスが高温になりやすい。特に燃焼用の燃料にメタンや都市ガス等の炭化水素系燃料を用いる場合は、煤の発生を防ぐために当量比が１以上でかつ概ね１．２以下の範囲において燃焼させるため、燃焼ガスは２０００℃に近い高温となる。煤の発生のない水素を燃料とする場合においても、火炎の吹き消えを防ぐ必要から運用できる当量比に上限があり、その結果、燃焼ガスの温度は低くても１０００℃以上になる。
【００１１】
一方、当量比を１以下にして燃焼させる空気極側の燃焼器においても、火炎が消失することを避ける必要から、運用できる当量比に下限がある。その結果、燃焼ガスの温度は１０００℃以上となることが多い。
【００１２】
このように１０００℃以上の高温の燃焼ガスを燃料電池に供給してしまうと、燃料電池を構成する材料の許容温度を超える可能性がある。また急激な温度変化に伴う熱衝撃も懸念される。
【００１３】
なお特許文献１では、空気極側の燃焼器からの燃焼ガス中に、温度調整用空気を導入する方法が提案されているので、空気極側の燃焼器からの燃焼ガス温度を低下できる可能性はある。この方法によれば、温度調整用に導入されるのが酸化性を有する空気であるため、空気極に接する気体を酸化性雰囲気に維持できる。
【００１４】
ただしこの方法は、空気極側に供給される燃焼ガスの温度を低下する方法であって、燃料極側に供給される、より温度の高い燃焼ガスの温度低下には何ら寄与するものではない。したがって、特許文献１の方法を用いたとしても、依然として燃料電池が高温の燃焼ガスの供給を受ける。
【００１５】
さらに特許文献１の提案する方法のように、単に燃焼ガス中に温度調整用空気を導入するだけでは混合が不十分で、温度ムラが生じ、混合ガス中に局所的に高温の箇所が残ってしまう。
【００１６】
本発明の目的は、燃焼器を用いて固体酸化物形燃料電池を起動昇温する際に、燃料電池に供給する燃焼ガスを適切な温度にして、安定に昇温が可能な固体酸化物形燃料電池システムおよびその起動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、起動用燃料極側燃焼器の燃焼ガスと起動用燃料極側温度調整ガスを混合して得たガスを起動用燃料極側燃焼器ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある多孔質整流体を介して燃料電池の燃料極に供給し、起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと起動用酸化剤極側温度調整ガスを混合して得たガスを起動用酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスの後流において混合拡散して燃料電池側にある隔離板方向から燃料電池の酸化剤極に供給し、燃料電池を昇温して起動させる固体電解質燃料電池システム及びその起動方法に関する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃焼器を用いて燃料電池を起動昇温する際に、燃料電池に供給される高温ガスの温度を適切な温度に調整でき、固体酸化物形燃料電池システムを安定に起動することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の１つの観点によれば、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料流路と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気流路と、燃料極側燃焼器と、燃料極側温度調整ガス供給手段を有し、燃料極側燃焼器と、燃料極側温度調整ガス供給手段とを前記燃料流路に連通させて設け、前記燃料極側燃焼器から排出される燃料極側燃焼ガスと、前記燃料極側温度調整ガス供給手段から供給される燃料極側温度調整ガスとを混合してなる燃料極側高温混合ガスを、前記燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の昇温を行う燃料電池システムを提供するものである。
【００２０】
また、他の観点によれば、一側に燃料極を他方に酸化剤極を有する固体電解質と、前記燃料極に燃料を供給する燃料流路と、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備える燃料電池と、
前記燃料極側に設けられた燃料極側燃焼器と、
前記燃料極側燃焼器の燃焼ガスを前記燃料流路に供給する手段と、
前記空気極側に設けられた酸化剤極側燃焼器と、
前記酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスを前記酸化剤流路に供給する手段と、
前記燃料極側燃焼器と前記燃料電池の間に介在された多孔質整流体と、
前記酸化剤極側燃焼器と前記燃料電池の間に介在された隔離板と、
発電用燃料の供給口、発電用酸化剤供給口及び燃料電池排ガスの排出口を有し、前記燃料電池、前記多孔質整流体、前記隔離板、前記燃料極側燃焼器及び前記酸化剤極側燃焼器を包囲する容器とを有し、
前記容器は発電用燃料を供給する燃料供給手段と、発電用酸化剤を供給する燃料供給手段を有し、
前記容器は前記燃料極側燃焼器の燃焼ガスと燃料極側温度調整ガスとを混合する手段と、前記酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと酸化剤極側温度調整ガスとを混合する手段とを有し、
前記燃料極側温度調整ガスの拡散手段が前記燃料極側燃焼器と前記多孔質整流体との間に設けられ、かつ前記燃料極側拡散手段は前記燃料極側燃焼器の横断面積よりも広い横断面積を持ち、前記酸化剤極側温度調整ガスの拡散手段が前記酸化剤極側燃焼器と前記隔離板との間に設けられ、かつ前記酸化剤極側拡散手段は前記酸化剤極側燃焼器の横断面積よりも広い横断面積を持ち、
これにより前記燃料極側燃焼器の燃焼ガスと前記燃料極側温度調整ガスの混合ガス及び前記酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスと前記酸化剤極側温度調整ガスの混合ガスが横方向に拡散した後にそれぞれ燃料極及び酸化剤極に導入される固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００２１】
前記燃料極側拡散手段が、前記多孔質整流体と平行方向に開口を有する複数の整列した配管であることができる。また、前記燃料剤極側拡散手段が、前記多孔質整流体と平行方向に配置された邪魔板であることができる。前記酸化剤極側拡散手段は、前記多孔質整流体と平行方向に配置された邪魔板である。
【００２２】
前記燃料極側拡散手段及び前記酸化剤極側拡散手段が、それぞれ前記多孔質整流体および前期隔離板と平行方向に配置した邪魔板であることができる。更に、前記燃料極側燃焼器に起動用燃料及び起動用酸化剤を供給する手段を設けてもよい。
【００２３】
前記酸化剤極側燃焼器に起動用燃料及び起動用酸化剤を供給する手段を設けることができる。また、前記燃料極側温度調整ガスの供給手段を、前記燃料極側燃焼器の燃焼ガスが横方向に拡散する前の位置に設けることができる。酸化剤側温度調整ガスの供給手段を、前記酸化剤極側燃焼器の燃焼ガスが横方向に拡散する前に設けることができる。
【００２４】
本発明における好ましい他の実施形態の１つは、固体電解質の一方側に燃料極を、他方側に空気極を備えた燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料流路と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する空気流路とを有する固体酸化物形燃料電池システムに関する。このシステムにおいて、燃料極側燃焼器および燃料極側温度調整ガス供給手段を、前記燃料流路に連通させて設ける。そして、前記燃料極側燃焼器から排出される燃料極側燃焼ガスと、前記燃料極側温度調整ガス供給手段から供給される燃料極側温度調整ガスとを混合してなる燃料極側高温混合ガスを、前記燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の昇温を行う固体酸化物形燃料電池システムである。
【００２５】
これによれば、燃料極側燃焼器から排出される高温の燃料極側燃焼ガスに、燃料極側温度調整ガスを混合することにより、適切な温度に調整された燃料極側高温混合ガスを生成することができる。また、これを燃料流路を介して燃料極側から燃料電池に供給することで、安定に昇温することが可能である。
【００２６】
他の実施形態は、上記実施形態における固体酸化物形燃料電池システムにおいて、空気極側燃焼器および空気極側温度調整ガス供給手段を、前記空気流路に連通させて設ける。そして、前記空気極側燃焼器から排出される空気極側燃焼ガスと、前記空気極側温度調整ガス供給手段から供給される空気極側温度調整ガスとを混合してなる空気極側高温混合ガスを、前記空気流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の昇温を行う。
【００２７】
これによれば、空気極側燃焼器から排出される高温の空気極側燃焼ガスに、空気極側温度調整ガスを混合することで、燃料電池材料の許容温度以下の温度に調整された空気極側高温混合ガスを生成し、これを空気流路を介して空気極側から燃料電池に供給できる。これと同時に、燃料極側にも適切な温度に調整された燃料極側高温混合ガスが供給される。従って、本発明によれば、燃料電池を燃料極側と空気極側の両側から加熱できるため、安定に、しかも速やかに昇温することが可能である。
【００２８】
更に他の実施形態は、上記実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記空気極側温度調整ガス供給手段は、前記空気極側燃焼器から排出される前記空気極側燃焼ガスを前記燃料電池に供給する空気極側高温ガス流路の前記空気極側燃焼器よりも下流側に、前記空気極側燃焼ガスの流れに概ね直交するように並設された複数の配管からなる。そして、前記配管は前記空気極側高温ガス流路に連通する複数の噴出孔を有しており、前記配管に前記空気極側温度調整ガスを流通して前記噴出孔から前記空気極側高温ガス流路中に噴出させ、前記空気極側燃焼ガスと混合して前記空気極側高温混合ガスを生成する固体酸化物形燃料電池システムである。
【００２９】
本発明に係る空気極側温度調整ガス供給手段は、空気極側燃焼ガスの流れに概ね直交して併設された複数の、並列に配列された配管からなり、更にこの配管には複数の噴出孔が設けられている。そのため、空気極側温度調整ガスは複数の配管の複数の噴出孔から空気極側燃焼ガス中に分散して噴出される。そのため空気極側燃焼ガス中に空気極側温度調整ガスが偏りなく分散して混合するので、均一な温度の空気極側高温混合ガスが生成される。このようにして生成された空気極側高温混合ガスを空気流路を介して燃料電池に供給することで、局所的に高温のガスが供給されるのが防止され、燃料電池を安定に昇温することが可能となる。
【００３０】
更に他の実施形態は、上記実施形態による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記空気極側燃焼器から排出される前記空気極側燃焼ガスを前記燃料電池に供給する空気極側高温ガス流路は、前記空気極側燃焼器よりも下流側に流路拡大部を有し、前記流路拡大部より下流側に、前記空気極側燃焼ガスの流れを遮る向きに、前記空気極側高温ガス流路の前記流路拡大部の上流側の流路面積より面積が広く、かつ前記空気極側高温ガ流路の前記流路拡大部の下流側の流路面積より面積が狭い大きさの邪魔板が設置されている。そして、前記流路拡大部あるいは前記流路拡大部の上流側に設けられ、前記邪魔板に向かう方向に前記空気極側温度調整ガスを噴出する複数の噴出孔を前記空気極側温度調整ガス供給手段とし、前記噴出孔から前記空気極側温度調整ガスを前記空気極側高温ガス流路中に噴出させる。これにより、前記空気極側燃焼ガスと混合して前記空気極側高温混合ガスを生成することができる。
【００３１】
本発明による空気極側高温ガス流路には、空気極側燃焼器よりも下流側に流路拡大部があり、その下流側に、空気極側燃焼ガスの流れを遮る向きに、流路拡大部の上流側流路面積より面積が広く、下流側流路面積より面積が狭い邪魔板が設置されている。また、本発明による空気極側温度調整ガス供給手段は流路拡大部あるいはその上流に設けられた複数の噴出孔より構成されており、噴出孔は概ね邪魔板に向かう方向に空気極側温度調整ガスを噴出するようになっている。流路拡大部と邪魔板の間には迂回流路が形成され、空気極側高温ガス流路中に分散して噴出した空気極側温度調整ガスと、空気極側燃焼ガスはこの迂回流路中で十分に混合し、均一な温度の空気極側高温混合ガスとなる。このようにして生成された空気極側高温混合ガスを空気流路を介して燃料電池に供給することで、局所的に高温のガスが供給され、燃料電池を安定に昇温することが可能となる。
【００３２】
更に他の好ましい実施形態は、上記実施形態による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃料極側温度調整ガス供給手段は、前記燃料極側燃焼器から排出される前記燃料極側燃焼ガスを前記燃料電池に供給する燃料極側高温ガス流路の前記燃料極側燃焼器よりも下流側に、前記燃料極側燃焼ガスの流れに概ね直交するように並設された複数の配管からなる。そして、前記配管は前記燃料極側高温ガス流路に連通する複数の噴出孔を有している。それにより、前記配管に前記燃料極側温度調整ガスを流通して前記噴出孔から前記燃料極側高温ガス流路中に噴出させ、前記燃料極側燃焼ガスと混合して前記燃料極側高温混合ガスを生成する固体酸化物形燃料電池システムである。
【００３３】
本発明に係る燃料極側温度調整ガス供給手段は、燃料極側燃焼ガスの流れに概ね直交して併設された複数の配管からなり、さらにこの配管には複数の噴出孔が設けられているため、燃料極側温度調整ガスは複数の配管の複数の噴出孔から燃料極側燃焼ガス中に分散して噴出される。そのため燃料極側燃焼ガス中に燃料極側温度調整ガスが偏りなく分散して混合するので、均一な温度の燃料極側高温混合ガスが生成される。このようにして生成された燃料極側高温混合ガスを燃料流路を介して燃料電池に供給することで、局所的に高温のガスが供給されるのが防止される。また、燃料電池を安定に昇温することが可能となる。
【００３４】
他の好ましい実施形態は、上記のいずれかの実施形態による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃料極側燃焼器から排出される前記燃料極側燃焼ガスを前記燃料電池に供給する燃料極側高温ガス流路は、前記燃料極側燃焼器よりも下流側に流路拡大部を有する。そして、前記流路拡大部より下流側に、前記燃料極側燃焼ガスの流れを遮る向きに、前記燃料極側高温ガス流路の前記流路拡大部の上流側の流路面積より面積が広く、かつ前記燃料極側高温ガス流路の前記流路拡大部の下流側の流路面積より面積が狭い大きさの邪魔板が設置されている。その結果、前記流路拡大部あるいは前記流路拡大部の上流側に設けられ、前記邪魔板に向かう方向に前記燃料極側温度調整ガスを噴出する複数の噴出孔を前記燃料極側温度調整ガス供給手段とし、前記噴出孔から前記燃料極側温度調整ガスを前記燃料極側高温ガス流路中に噴出させる。そのため、前記燃料極側燃焼ガスと混合して前記燃料極側高温混合ガスを生成することができる。
【００３５】
本発明による燃料極側高温ガス流路には、燃料極側燃焼器よりも下流側に流路拡大部があり、その下流側に、燃料極側燃焼ガスの流れを遮る向きに、流路拡大部の上流側流路面積より面積が広く、下流側流路面積より面積が狭い邪魔板が設置されている。また、本発明による燃料極側温度調整ガス供給手段は流路拡大部あるいはその上流に設けられた複数の噴出孔より構成されており、噴出孔は概ね邪魔板に向かう方向に燃料極側温度調整ガスを噴出するようになっている。流路拡大部と邪魔板の間には迂回流路が形成され、燃料流路中に分散して噴出した燃料極側温度調整ガスと、燃料極側燃焼ガスはこの迂回流路中で十分に混合し、均一な温度の燃料極側高温混合ガスとなる。このようにして生成された燃料極側高温混合ガスを燃料流路を介して燃料電池に供給することで、局所的に高温のガスが供給るのが防止され、燃料電池を安定に昇温することが可能となる。
【００３６】
更に他の好ましい実施形態は、上記いずれかの固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃料極側燃焼器を、当量比が１以上の条件で燃焼させて還元性を有する前記燃料極側燃焼ガスを生成する。また、前記燃料極側温度調整ガス供給手段からは、前記燃料極側燃焼ガスよりも低温の不活性ガスあるいは還元性ガスを前記燃料極側温度調整ガスとして供給し、前記燃料極側燃焼ガスと前記燃料極側温度調整ガスとを混合してなる前記燃料極側高温混合ガスを前記燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給する。その結果、前記燃料極を還元性雰囲気に保ちつつ前記燃料電池の昇温を行うことができる。
【００３７】
本発明により提供された固体酸化物形燃料電池システムの起動方法によれば、燃料極側燃焼器を当量比１以上の条件で燃焼させるため、生成する燃料極側燃焼ガスは還元性ガスとなる。さらに燃料極側燃焼ガスよりも低温の、不活性ガスあるいは還元性ガスを燃料極側温度調整ガスとして供給するので、燃料極側燃焼ガスと燃料極側温度調整ガスを混合して生成した燃料極側高温混合ガスの温度を適切な温度に低下することが可能である。また、燃料極側高温混合ガスは還元性ガスとなるため、燃料電池の燃料極を還元性雰囲気に維持でき、安定に昇温することが可能である。
【００３８】
更に他の好ましい実施形態は、上記実施形態による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃料極側燃焼器を、当量比が１以上の条件で燃焼させて還元性を有する前記燃料極側燃焼ガスを生成し、前記燃料極側温度調整ガス供給手段からは、前記燃料極側燃焼ガスよりも低温の不活性ガスあるいは還元性ガスを前記燃料極側温度調整ガスとして供給する。また、前記燃料極側燃焼ガスと前記燃料極側温度調整ガスとを混合してなる前記燃料極側高温混合ガスを前記燃料流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記燃料極を還元性雰囲気に保ちつつ前記燃料電池の昇温を行う。同時に、前記空気極側燃焼器を、当量比が１以下の条件で燃焼させて酸化性を有する前記空気極側燃焼ガスを生成し、前記空気極側温度調整ガス供給手段からは、前記空気極側燃焼ガスよりも低温の不活性ガスあるいは酸化性ガスを前記空気極側温度調整ガスとして供給する。また、前記空気極側燃焼ガスと前記空気極側温度調整ガスとを混合してなる前記空気極側高温混合ガスを前記空気流路に流通させて前記燃料電池に供給し、前記空気極を酸化性雰囲気に保ちつつ前記燃料電池の昇温を行うことができる。
【００３９】
本発明により提供された固体酸化物形燃料電池システムの起動方法によれば、第７の発明で提供された固体酸化物形燃料電池システムの起動方法と同様に、燃料極側燃焼器を当量比１以上の条件で燃焼させるため、生成する燃料極側燃焼ガスは還元性ガスとなる。さらに燃料極側燃焼ガスよりも低温の、不活性ガスあるいは還元性ガスを燃料極側温度調整ガスとして供給するので、燃料極側燃焼ガスと燃料極側温度調整ガスを混合して生成した燃料極側高温混合ガスの温度を燃料電池が破損するに至らない程度の温度に低下することが可能である。しかも燃料極側高温混合ガスは還元性ガスとなるため、燃料電池の燃料極を還元性雰囲気に維持できる。さらに本発明では、空気極側燃焼器を当量比１以下の条件で燃焼させるため、生成する空気極側燃焼ガスは酸化性ガスとなる。さらに空気極側燃焼ガスよりも低温の、不活性ガスあるいは酸化性ガスを空気極側温度調整ガスとして供給する。そのため、空気極側燃焼ガスと空気極側温度調整ガスを混合して生成した空気極側高温混合ガスの温度を適切な温度に低下することが可能である。しかも空気極側高温混合ガスは酸化性ガスとなるため、燃料電池の空気極を酸化性雰囲気に維持でき、安定に昇温することが可能である。
【００４０】
以下本発明を実施例により、具体的かつ詳細に説明する。以下の実施形態においては、図１、３、５に示すようないわゆる円筒型燃料電池システムを示したが、本発明は、特許文献１の図１に示されたようないわゆる積層型燃料電池または積層平板型燃料電池にも適用できることは言うまでもない。積層型燃料電池はそれ自体良く知られた構造であるので、詳細説明は省略する。
【実施例１】
【００４１】
ここで図１および図２を用いて、本発明の第１の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの構成と、その起動方法について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの横断面図である。また図２は、図１に示されたＡ−Ａ部の矢視断面図である。
【００４２】
図１に示すように、本システムの燃料電池は有底円筒状のセラミックチューブである燃料電池素子１を複数個備えており、燃料電池素子１は、外側が燃料極、内側が空気極となっている。
【００４３】
また本システムは、通常発電の際に、水素あるいは燃料改質ガス等の発電用燃料が燃料流路２に沿い燃料電池素子１の燃料極に供給される構造となっている。すなわち発電用燃料は、発電用燃料供給部３から燃料極側ガス供給容器４に導入され、圧力抵抗係数が１００程度以上の多孔板あるいは多孔体等で構成された整流体５により均等に分配されてモジュール容器６に流入し、燃料電池素子１の燃料極ａで電気化学反応したのち、排出部７より排出される。
【００４４】
また、発電用の酸化剤としては空気が用いられ、空気流路８を介して燃料電池素子１の酸化剤極ｂ即ち空気極に供給される構造となっている。すなわち、発電用空気は、発電用空気供給部９から空気極側ガス供給容器１０に導入される。空気極側ガス供給容器１０とモジュール容器６とは、隔離板１１により隔離されていて、発電用空気は隔離板１１に接続された空気導入管１２を介して燃料電池素子の内側底部に流下したのち、流れの向きを変え、空気極に沿って上向きに流れる。この際、発電用空気中の酸素の一部は、多孔質体である空気極に浸透し、さらに固体電解質を通過して燃料極で電気化学反応する。それ以外の発電用空気の残ガスは、燃料電池素子の上部開口部より流出したのち、排出部７より排出される。
【００４５】
なお、発電用燃料である水素あるいは燃料改質ガスは還元性を有しているため、燃料極の酸化が防止される。また発電用空気は酸化性を有しているため、空気極の劣化も防止される。
【００４６】
更に本システムには、起動に際して燃料電池素子を燃料極側から加熱するために、燃料極側ガス供給容器４の上流部に、燃料流路２と連通して燃料極側燃焼器１３を設置してある。燃料極側燃焼器１３は起動用燃料と起動用空気とを燃焼反応させて高温の燃料極側燃焼ガス１４を排出するようになっている。また燃料極側ガス供給容器４は、燃料極側燃焼ガス１４を燃料電池素子１に供給する燃料極側高温ガス流路の一部となっている。
【００４７】
また燃料極側ガス供給容器４の燃料極側燃焼器１３よりも下流側には、燃料極側温度調整ガス供給手段１５が設けられている。燃料極側温度調整ガス供給手段１５は、燃料極側燃焼ガス１４の流れに概ね直交する向きに併設された複数の配管１６からなり、図２に示すように、配管１６には燃料極側ガス供給容器４と連通する複数の噴出孔１７が設けられている。起動の際には、燃料極側温度調整ガス供給手段１５に燃料極側温度調整ガス１８を流し、複数の噴出孔１７から燃料極供給ガス容器４内に噴出させる。このように噴出することで、燃料極側温度調整ガス１８は、上流から流れてきた燃料極側燃焼ガス１４の中に偏りなく分散して混合するため、均一な温度の燃料極側高温混合ガス１９が形成される。このようにして形成された燃料極側高温混合ガス１９は、整流体５を通過して複数の燃料電池素子１に均等に分配供給され、燃料極の側から燃料電池素子１を加熱する。燃料極側高温混合ガス１９は均一な温度分布となっており、しかも複数の燃料電池素子１に均等に分配供給されるため、局所的に高温ガスが供給されて燃料電池素子１が破損したり、燃料電池素子１ごとの温度が不均一になるのを防止できる。また燃料極側高温混合ガス１９の温度は、燃料極側温度調整ガス１８の流量を制御する等の方法で調整可能であり、燃料電池素子が破損しない程度の温度に調整することにより、本システムを安定に起動することができる。
【００４８】
本システムでは更に、燃料電池素子１を空気極側から加熱する目的で、空気極側ガス供給容器１０の上流部に、空気流路８と連通する空気極側燃焼器２０が設置されている。空気極側燃焼器２０は起動用燃料と起動用空気とを燃焼反応させて高温の空気極側燃焼ガス２１を排出するようになっている。また空気極側ガス供給容器１０は、空気極側燃焼ガス２１を燃料電池素子１に供給する空気極側高温ガス流路の一部となっている。
【００４９】
空気極側ガス供給容器１０の空気極側燃焼器２０よりも下流側には、空気極側温度調整ガス供給手段２２が設けられている。空気極側温度調整ガス供給手段２２は、燃料極側温度調整ガス供給手段１５と同様の構造となっていて、空気極側燃焼ガス２１の流れに概ね直交する向きに併設された複数の配管２３からなり、配管２３には空気極側ガス供給容器１０と連通する複数の噴出孔２４が設けられている。起動の際には、空気極側温度調整ガス供給手段２２に空気極側温度調整ガス２５を流し、複数の噴出孔２４から空気極供給ガス容器１０内に噴出させる。このように噴出することで、空気極側温度調整ガス２５は、上流から流れてきた空気極側燃焼ガス２１の中に偏りなく分散して混合するため、均一な温度の空気極側高温混合ガス２６が形成される。
【００５０】
このようにして形成された空気極側高温混合ガス２６は、空気導入管１２を通過して複数の燃料電池素子１に供給され、空気極の側から燃料電池素子１を加熱する。なお、空気導入管の圧力抵抗は大きいため、空気極側高温混合ガス２６は、それぞれの燃料電池素子１にほぼ均等に分配供給される。
【００５１】
空気極側高温混合ガス２６は均一な温度分布となっており、しかも複数の燃料電池素子１に均等に分配供給されるため、局所的に高温ガスが供給されて燃料電池素子１が破損したり、燃料電池素子１ごとの温度が不均一になるのを防止したりできる。また空気極側高温混合ガス２６の温度は、空気極側温度調整ガス２５の流量を制御する等の方法で調整可能であり、燃料電池素子が破損しない程度の温度に調整することにより、本システムを安定に起動することができる。
【００５２】
さらに本システムでは、起動に際して燃料極側燃焼器１３と空気極側燃焼器２０とを合わせて用いることで、燃料電池素子１を燃料極側と空気極側の両側から加熱し、急速に起動昇温することが可能である。また起動昇温中の燃料電池素子１の燃料極側と空気極側の温度差を小さくできるため、熱応力による燃料電池素子１の破損も防止できる。
【００５３】
次に本システムの起動方法、すなわち第７の発明および第８の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの起動方法について説明する。
【００５４】
起動前には燃料電池素子１の温度は室温程度であり、これを発電可能な状態とするために、起動時に加熱昇温する必要がある。起動に際し、燃料極側温度調整手段１５から室温程度の燃料極側温度調整ガス１８を燃料極側ガス供給容器４に供給し、燃料流路２の一部を介して燃料電池素子１に流通させる。なお燃料極側温度調整ガス１８には、燃料極の酸化を防ぐために窒素などの不活性ガスあるいは水素などの還元性ガスを用いる。それとほぼ同時に、空気極側温度調整ガス供給手段２２から室温程度の空気極側温度調整ガス２５を空気極側ガス供給容器１０に供給し、空気流路８の一部を介して燃料電池素子１に流通させる。空気極側温度調整ガス２５には、空気極の劣化を防ぐために窒素などの不活性ガスあるいは空気などの酸化性ガスを用いる。
【００５５】
次に、燃料極側燃焼器１３への起動用燃料の供給を開始し、次いで図示しない点火プラグを火花放電した状態に保ちつつ、起動用空気を供給して着火する。このような着火方法とすることで、未着火状態の起動用空気が燃料極を酸化してしまうのを防ぐことができる。またこのとき、燃料極側燃焼器１３では当量比が１以上となるように起動用燃料と起動用空気の流量を調整しておくので、燃料極側燃焼ガス１４は還元性のガスとなる。高温の燃料極側燃焼ガス１４は、すでに供給中である室温程度の燃料極側温度調整ガス１８と混合して温度が低下し、温度分布が均一で還元性を有する燃料極側高温混合ガス１９となる。燃料極側高温混合ガス１９は燃料電池素子１の燃料極側を流れ、燃料電池素子１を加熱した後、排出部７から排出される。
【００５６】
また燃料極側燃焼器１３の着火とほぼ同時に、空気極側燃焼器２０の着火も行う。着火動作においては、はじめに起動用空気の供給を開始し、次いで図示しない点火プラグを火花放電した状態に保ちつつ、起動用燃料を供給して着火する。このような着火方法とすることで、未着火状態の起動用燃料が空気極を劣化してしまうのを防ぐことができる。またこの際、空気極側燃焼器２０は当量比が１以下の条件となるように起動用燃料と起動用空気の流量を調整して燃焼させるので、空気極側燃焼ガス２１は酸化性ガスとなる。空気極側燃焼ガス２１は、すでに供給中である室温程度の空気極側温度調整ガス２５と混合して温度が低下し、温度分布が均一で酸化性を有する空気極側高温混合ガス２６となる。空気極側高温混合ガス２６は燃料電池素子１の空気極側を流れ、燃料電池素子１を加熱した後、排出部７から排出される。
【００５７】
なお起動初期においては、急激な加熱に伴う熱衝撃により燃料電池素子１が破損してしまうのを防ぐため、燃料極側高温混合ガス１９および空気極側高温混合ガス２６の温度がそれぞれ３００℃程度の低めの温度となるよう、燃料極側燃焼ガス１４、燃料極側温度調整ガス１８、空気極側燃焼ガス２１および空気極側温度調整ガス２５の流量をそれぞれ調整して供給する。その後、徐々に燃料極側高温混合ガス１９および空気極側高温混合ガス２６の温度を上げていき、最終的にはそれぞれ１０００℃程度の温度にして燃料電池素子１を加熱する。
【００５８】
この際、燃料極側高温混合ガス１９の温度調整は、燃料極側温度調整ガス１８の流量を減らすことで行なってもよいし、燃料極側燃焼器１３への起動用燃料及び起動用空気の流量を増し、燃料極側燃焼ガス１４の流量を増加することで行なってもよい。また、燃料極側温度調整ガス１８の流量を減らしつつ燃料極側燃焼ガス１４の流量を増やして温度調整する方法でもよい。ただし、燃料極側燃焼器１３には、当量比が常に１以上の条件で燃焼するよう、起動用燃料と起動用空気の比率を調整して供給する。
【００５９】
また、空気極側高温混合ガス２６の温度調整は、空気極側温度調整ガス２５の流量を減らすことで行なってもよいし、空気極側燃焼器２０への起動用燃料の流量を増して、空気極側燃焼ガス２１の温度を上昇させることで行なってもよい。あるいは起動用燃料および起動用空気の流量を増し、空気極側燃焼ガス２１の流量を増加して温度調整する方法や、以上の方法を組合わせて温度調整する方法を用いてもよい。ただし、空気極側燃焼器２０には、当量比が１以下の条件で燃焼するように、起動用燃料と起動用空気の比率を調整して供給する。なお燃料電池素子１の燃料極側と空気極側とに大きな温度差が生じ、熱応力により燃料電池素子１が破損するのを防ぐため、燃料極側高温混合ガス１９と空気極側高温混合ガス２６の温度差をなるべく小さくするように温度調整することが望ましい。
【００６０】
以上のようにして加熱された燃料電池素子１の温度が、発電可能な温度である６００℃乃至７００℃程度になった時点で、水素あるいは燃料改質ガスなどの発電用燃料の供給を開始する。またほぼ同時に、発電用空気の供給も開始する。
【００６１】
次いで燃料極側燃焼器１３への起動用空気の供給を停止し、さらに起動用燃料の供給を停止する。また、ほぼ同時に、空気極側燃焼器２０への起動用燃料の供給を停止し、さらに起動用空気の供給も停止する。しかる後に燃料極側温度調整ガス１８および空気極側温度調整ガス２５の供給を停止して、起動運転を終了し、発電運転に切り替える。
【実施例２】
【００６２】
次に、図３、図４および図５を用いて、本発明の第２の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの構成について説明する。
【００６３】
図３は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの横断面図である。また図４は、図３に示されたＢ−Ｂ部の矢視図である。また図５は本発明の第２の実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムの横断面図であり、図３に示された固体酸化物形燃料電池システムとは、燃料極側温度調整ガス供給手段および空気極側温度調整ガス供給手段の設置位置が異なるものである。
【００６４】
図３に示すように、本システムでは燃料極側ガス供給容器１０４の上流側に燃料極側燃焼器１３が設置されていて、燃料極側ガス供給容器１０４は、燃料極側燃焼器１３が排出する燃料極側燃焼ガス１４を、燃料電池素子１に供給する燃料極側高温ガス流路の一部となっている。
【００６５】
燃料極側ガス供給容器１０４は、燃料極側燃焼器１３の下流側に流路拡大部を有している。流路拡大部の下流側には、燃料極側燃焼ガス１４の流れを遮る向きに邪魔板５０が設置されている。図４に示すように邪魔板５０は、燃料極側ガス供給容器１０４の流路拡大部より上流側の部分１０４ａの流路断面積よりも面積が広く、また流路拡大部より下流側の部分１０４ｂの流路断面積よりも面積が狭い形状となっている。
【００６６】
また図３では、燃料極側ガス供給容器１０４の流路拡大部に、概ね邪魔板５０に向かう方向に燃料極側温度調整ガス１８を噴出する複数の噴出孔からなる燃料極側温度調整ガス供給手段１１５が設置されているが、燃料極側温度調整ガス供給手段の設置位置は、図５に示す燃料極側温度調整ガス供給手段２１５のように、流路拡大部の上流側であっても構わない。なお、燃料極側温度調整ガス１８の噴出方向を邪魔板に向かう方向とするのは、燃料極側温度調整ガス１８の流れが燃料極側燃焼器１３に向かって逆流し、燃焼状態が不安定となるのを防止するためである。
【００６７】
本システムでは、起動に際して燃料極側燃焼器１３を当量比が１以上の条件で燃焼させて燃料極側燃焼ガス１４を生成する。燃料極側燃焼ガス１４は、燃料極側ガス供給容器１０４の流路拡大部と邪魔板５０との間に形成された迂回流路５１に流入する。また、複数の噴出孔からなる燃料極側温度調整ガス供給手段１１５からは、迂回流路５１に流入した燃料極側燃焼ガス１４中に燃料極側温度調整ガス１８が偏りなく分散して噴出される。迂回流路５１には循環流領域５２が形成されていて、燃料極側燃焼ガス１４と燃料極側温度調整ガス１８はこの領域で十分に混合し、温度が均一な燃料極側高温混合ガス１９となる。燃料極側高温混合ガス１９の温度を燃料電池素子１が破損しない程度の温度に調整して燃料電池素子に供給することで、安定にシステムを起動することが可能である。
【００６８】
また本システムでは、空気極側ガス供給容器１１０の上流側に空気極側燃焼器２０が設置されていて、空気極側ガス供給容器１１０は、空気極側燃焼器２０が排出する空気極側燃焼ガス２１を、燃料電池素子１に供給する空気極側高温ガス流路の一部となっている。
【００６９】
空気極側ガス供給容器１１０は、空気極側燃焼器２０の下流側に流路拡大部を有している。流路拡大部の下流側には、空気極側燃焼ガス２１の流れを遮る向きに邪魔板６０が設置されている。邪魔板６０は、空気極側ガス供給容器１１０の流路拡大部より上流側の部分１１０ａの流路断面積よりも面積が広く、また流路拡大部より下流側の部分１１０ｂの流路断面積よりも面積が狭い形状となっている。
【００７０】
また図３では空気極側ガス供給容器１１０の流路拡大部に、概ね邪魔板６０に向かう方向に空気極側温度調整ガス２５を噴出する複数の噴出孔からなる空気極側温度調整ガス供給手段１２２が設置されているが、燃料極側温度調整ガス供給手段の設置位置は、図５に示す燃料極側温度調整ガス供給手段２２２のように、流路拡大部の上流側であっても構わない。
【００７１】
本システムでは、起動に際して空気極側燃焼器２０を当量比が１以下の条件で燃焼させて空気極側燃焼ガス２１を生成する。空気極側燃焼ガス２１は、空気極側ガス供給容器１１０の流路拡大部と邪魔板６０との間に形成された迂回流路６１に流入する。また、複数の噴出孔からなる空気極側温度調整ガス供給手段１２２からは、迂回流路６１に流入した空気極側燃焼ガス２１中に空気極側温度調整ガス２５が偏りなく分散して噴出される。迂回流路６１には循環流領域６２が形成されていて、空気極側燃焼ガス２１と空気極側温度調整ガス２５はこの領域で十分に混合し、温度が均一な空気極側高温混合ガス２６となる。空気極側高温混合ガス２６の温度を燃料電池素子１が破損しない程度の温度に調整して燃料電池素子１に供給することで、安定にシステムを起動することが可能である。
【００７２】
また本システムでは、燃料極側燃焼器１３および空気極側燃焼器２０とを同時に用いて燃料電池素子１を加熱昇温することで、安定かつ速やかにシステムを起動することが可能である。なお本システムは、発明の第１の実施形態で説明したのと同様の方法により、燃料電池素子１を破損することなく安定に起動することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの横断面図である。
【図２】図１中に示されたＡ−Ａ部の矢視断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る固体酸化物形燃料電池システムの横断面図である。
【図４】図３中に示されたＢ−Ｂ部の矢視断面図である。
【図５】本発明の実施例２の変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムの横断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１…燃料電池素子、２…燃料流路、３…発電用燃料供給部、４…燃料極側ガス供給容器、５…整流体、６…モジュール容器、７…排出部、８…空気流路、９…発電用空気供給部、１０…空気極側ガス供給容器、１１…隔離板、１２…空気導入管、１３…燃料極側燃焼器、１４…燃料極側燃焼ガス、１５…燃料極側温度調整ガス供給手段、１６…配管、１７…噴出孔、１８…燃料極側温度調整ガス、１９…燃料極側高温混合ガス、２０…空気極側燃焼器、２１…空気極側燃焼ガス、２２…空気極側温度調整ガス供給手段、２３…配管、２４…噴出孔、２５…空気極側温度調整ガス、２６…空気極側高温混合ガス、５０…邪魔板、５１…迂回流路、５２…循環流領域、６０…邪魔板、６１…迂回流路、６２…循環流領域、１０４…燃料極側ガス供給容器、１０４ａ…燃料極側ガス供給容器の流路拡大部より上流側の部分、１０４ｂ…燃料極側ガス供給容器の流路拡大部より下流側の部分、１１０…空気極側ガス供給容器、１１０ａ…空気極側ガス供給容器の流路拡大部より上流側の部分、１１０ｂ…空気極側ガス供給容器の流路拡大部より下流側の部分、１１５…燃料極側温度調整ガス供給手段、１２２…燃料極側温度調整ガス供給手段、２１５…燃料極側温度調整ガス供給手段、２２２…燃料極側温度調整ガス供給手段、ａ…燃料極、ｂ…酸化剤極。
【図１】
2007328989.tif 000003
【図２】
2007328989.tif 000004
【図３】
2007328989.tif 000005
【図４】
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【図５】
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