(57)【要約】【課題】  還元ガスの流路を変更することなく、起動工程では還元ガスを高温に保ち、停止工程では還元ガスを低温化させて、起動工程と停止工程の両方を効率よく実行する。【解決手段】  改質ガス供給手段は、改質された燃料ガスを流す第一流路と、第一流路内の燃料ガスと熱交換可能なように熱媒体を流す第二流路とを有し、起動工程の実行時は第二流路の熱媒体を比較的高温とする一方で、停止工程の実行時は第二流路の熱媒体を比較的低温とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池システムにおいて、
燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させる燃料電池セルと、
燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器と、
上記改質器で改質された燃料ガスを上記燃料電池セルに供給する改質ガス供給手段と、
上記改質ガス供給手段を制御し、上記燃料電池システムの運転状態の制御を行う制御手段と、を有し、
上記改質ガス供給手段は、改質された燃料ガスを流す第一流路と、上記第一流路内の燃料ガスと熱交換可能なように熱媒体を流す第二流路とを有し、
上記制御手段は、上記燃料電池セルを加熱して発電可能な状態まで昇温させる起動工程の実行時は上記第二流路の熱媒体を比較的高温とする一方で、上記燃料電池セルを冷却する停止工程の実行時は上記第二流路の熱媒体を比較的低温とすることを特徴する燃料電池システム。
【請求項２】
上記第二流路は上記第一流路の周囲を覆うように形成されるとともに、
上記制御手段は、上記停止工程の実行時は上記第二流路に熱媒体として水を供給する一方で、上記起動工程の実行時は上記第二流路への水の供給を禁止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記制御手段は、上記起動工程の実行時に上記第二流路内の水が気化した後に上記第二流路を遮断してその内部を閉空間とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記制御手段は、上記停止工程の実行時は上記第一流路を流れる燃料ガス中の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧未満となるよう、上記第二流路に供給する水の流量を調整することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記第一流路に、下方に向けて突設され、且つ水を貯留する結露水貯留部が設けられていることを特徴する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルはその電極部の面積に応じて発電出力を大きくすることができるが、通常は複数の燃料電池セルを電気的に直列および／または並列に連結して束ねた燃料電池スタックもしくは燃料電池セル集合体と呼ばれる構造にし、さらに燃料電池スタックを電気的に直列および／または並列に連結して燃料電池モジュールと呼ばれる構造にして用いられる。この燃料電池モジュールにガス供給系の補器や電力取り出し部、制御部を備えてパッケージされたものを燃料電池システムと呼び、発電機として用いられる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池システムでは発電運転温度、つまり燃料電池セルの温度が６００℃〜１０００℃と非常に高温であり、発電機能を発揮させるためには燃料電池モジュールの外部から熱エネルギーを与えて、発電できる状態まで昇温させる必要がある。従来の技術では燃料電池モジュールに供給される空気および／または燃料ガスを加熱した状態で供給することがなされてきた。空気側はヒーター・バーナーなどで空気を間接的に加熱する方法やバーナーや触媒燃焼による燃焼ガスを直接供給するなどの方法が取られてきた。一方、燃料側は燃料極の酸化を回避しながら加熱する必要があるため、部分酸化バーナーによる還元ガス供給、触媒を利用して部分酸化ガスを生成し還元ガスとして供給するなどの方法が取られている。
【０００４】
燃料側の還元ガスを生成する方法はいずれも燃焼反応が伴うため通常５００℃以上の高温のガスとなって供給される。燃料電池セルの温度が室温程度である停止状態から、６００℃から１０００℃となる発電運転まで移行させる起動工程においては、この熱を利用して燃料電池セルを加熱することができるが、発電運転状態から停止状態まで移行させる停止工程においては、燃料電池セルを冷却させる必要があり、還元ガスは低温であることが望ましい。少なくとも燃料極が酸化しない程度の温度（２００℃〜３００℃程度）まで降温させるためには、還元ガスは２００℃以下にすることが求められる。
【０００５】
そこで、還元ガスを生成する部位の下流側に、起動工程用のガス流路と停止工程用のガス流路をそれぞれ設け、停止工程用の流路には冷却熱交換器を設けて低温の還元ガスを供給できるようにし、バルブにより起動工程用のガス流路と停止工程用のガス流路を切り替える技術が提案されている。（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２５１３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ガス流路を切り替えるためのバルブは高温のガスにさらされるため、バルブの気密性や開閉トルクなどの機能を維持することが難しい。また、バルブの開閉の駆動部は室温に近い環境にする必要があるためバルブの回転軸は断熱材の外にまで取りだされ、放熱や強制冷却により温度を下げて駆動部に接続されるので、放熱ロスが増加し燃料電池システムの性能を低下させる。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて、還元ガスの流路を変更することなく、起動工程では還元ガスを高温に保ち、停止工程では還元ガスを低温化させて、起動工程と停止工程の両方を効率よく実行することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させる燃料電池セルと、燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器と、上記改質器で改質された燃料ガスを上記燃料電池セルに供給する改質ガス供給手段と、上記改質ガス供給手段を制御し、上記燃料電池システムの運転状態の制御を行う制御手段と、を有し、上記改質ガス供給手段は、改質された燃料ガスを流す第一流路と、上記第一流路内の燃料ガスと熱交換可能なように熱媒体を流す第二流路とを有し、上記制御手段は、上記燃料電池セルを加熱して発電可能な状態まで昇温させる起動工程の実行時は上記第二流路の熱媒体を比較的高温とする一方で、上記燃料電池セルを冷却する停止工程の実行時は上記第二流路の熱媒体を比較的低温とする。
【００１０】
本発明によれば、改質器により水素リッチなガスに改質された燃料ガスを、起動工程、停止行程のいずれの実行時も、第一流路によって適切な温度にて燃料電池セルに供給することができる。すなわち、起動工程の実行時においては、第二流路の熱媒体は比較的高温のため、第一流路を流れる燃料ガスは熱媒体に熱を奪われることなく高温のまま燃料電池セルまで供給され、燃料電池セルを加熱して迅速に発電可能な状態まで昇温させることができる。一方、停止工程の実行時においては、第二流路の熱媒体は比較的低温のため、第一流路を流れる燃料ガスは熱媒体に熱を奪われて低温となり燃料電池セルを迅速に冷却することが可能となる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、上記第二流路は上記第一流路の周囲を覆うように形成されるとともに、上記制御手段は、上記停止工程の実行時は上記第二流路に熱媒体として水を供給する一方で、上記起動工程の実行時は上記第二流路への水の供給を禁止する。
【００１２】
停止工程の実行時は、第二流路に供給される水によって第一流路内の燃料ガスから熱を奪い、燃料ガスを低温にして迅速に燃料電池セルを冷却する。一方、起動工程の実行時は、第二流路への水の供給を禁止することで、第二流路に留まっている水が加熱されて気化することで水蒸気が発生する。水より熱伝導率が小さい水蒸気が第二流路に存在することによって、第一流路内の燃料ガスからの熱の放散が抑制され、高温の燃料ガスを燃料電池セルに供給することで、燃料電池セルを加熱して迅速に発電可能な状態まで昇温させることができる。
尚、「水」とは、必ずしも純水に限られるものではなく、所謂クーラント液等、純水に不凍剤や防錆剤等の様々な物質が添加された液体をも含む概念である。
【００１３】
さらに好ましくは、上記制御手段は、上記起動工程の実行時に上記第二流路内の水が気化した後に上記第二流路を遮断してその内部を閉空間とする。
【００１４】
起動工程の実行時において第二流路が開放されている場合、第二流路内で高温となった水蒸気が対流作用により第二流路外に排出され、効率的に燃料電池セルを加熱することができない。起動工程の実行時は第二流路を遮断してその内部を閉空間とすることによって、第二流路内の高温となった水蒸気の外部への排出を抑制し、伝熱によるロスを最小限にとどめることができる。
【００１５】
さらに好ましくは、上記制御手段は、上記停止工程の実行時は上記第一流路を流れる燃料ガス中の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧未満となるよう、上記第二流路に供給する水の流量を調整する。
【００１６】
第二流路に供給する水によって燃料ガスを冷却することで、燃料ガスに含まれる水蒸気が結露するおそれがある。その結露水が第一流路内に残留し、第一流路を塞ぐなどすると、燃料電池セルへ安定的に燃料ガスを供給できなくなるといった不具合が生じる。
本発明では、燃料ガス中の水蒸気が飽和水蒸気圧未満となるよう、第二流路に供給される水が調整されているため、結露発生を抑制し、このような不具合を防止することができる。
【００１７】
さらに好ましくは、上記第一流路に、下方に向けて突設され、且つ水を貯留する結露水貯留部が設けられている。
【００１８】
本発明では、燃料ガス中の水蒸気が結露した場合であっても結露水貯留部に貯留される。この結露水貯留部は下方に向けて突設されたものであるため、その上方に燃料ガスの通路が確保される。したがって、結露水が第一流路に残留し、第一流路を塞ぐなどの不具合を防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、還元ガスの流路を変更することなく、起動工程では還元ガスを高温に保ち、停止工程では還元ガスを低温化させて、起動工程と停止工程の両方を効率よく実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態である燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態である燃料電池システムの起動工程の実行時における概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である燃料電池システムの停止工程の実行時における概略断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態である燃料電池システムの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２２】
はじめに、図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２３】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。
【００２４】
発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。
【００２５】
本実施形態の燃料電池ＦＣは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２６】
燃料極を構成する材料は、ＮｉＯやＣｏＯ等の金属酸化物を含み、例えば、ＮｉＯと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、ＮｉＯと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、ＮｉＯと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。詳細は後述するように、ＮｉＯ等の金属酸化物は、燃料電池システムの初回の起動工程中にＮｉ等に還元される。
【００２７】
空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２８】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００２９】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００３０】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３１】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部（制御手段）をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３２】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３３】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３４】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒーターＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒーターＡＨ２によって昇温され、空気供給路を通って燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３５】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３６】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００３７】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３８】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００３９】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。
【００４０】
操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００４１】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４２】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００４３】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４４】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４５】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４６】
続いて、図３および図４を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳを構成する燃料電池モジュールＦＣＭの詳細な構成について説明する。図３は本発明の一実施形態である燃料電池システムの起動工程の実行時における概略断面図であり、図４は本発明の一実施形態である燃料電池システムの停止工程の実行時における概略断面図である。
【００４７】
燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＦＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えている。発電室ＦＣ１、分散室ＦＤＢ及び燃焼室ＦＣ２は、耐熱性金属の壁体で構成されたモジュール容器ＭＣ内に収容されており、水蒸気改質器ＲＦＳはモジュール容器ＭＣに連結され、部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外部に配設されている。
【００４８】
燃料電池セルＣＥはモジュール容器ＭＣの内部に収容されており、複数の燃料電池セルＣＥは集電部材ＥＦで連結されている。連結された複数の燃料電池セルＣＥの１本目と最終番目には、電極ロッドＲＤが接続されており、電極ロッドＲＤはモジュール容器ＭＣを貫通して外部に発電された電力を取り出せるようにしている。貫通部はモジュール容器ＭＣの壁体に開設された入口部から外方に突出形成されて内部に空間を有するハウジング部ＣＲの先端付近で電極ロッドＲＤとの絶縁かつ気密が保たれている。
【００４９】
集電部材ＥＦおよび電極ロッドＲＤは耐熱性および耐酸化性に優れる耐熱合金が使われる。集電部材ＥＦおよび電極ロッドＲＤがアノード側に設置されているのであればニッケルを使ってもいい。
【００５０】
分散室ＦＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＦＤＢは、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴が貫通形成されている。また、分散室ＦＤＢの底面には、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから供給される改質ガスを導入するための燃料配管ＦＰが接続されている。分散室ＦＤＢの底面側（下側）から導入された改質ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。
【００５１】
改質器ＲＦは、水蒸気改質器ＲＦＳと部分酸化改質器ＲＦＰとに分けて設けられている。まず、水蒸気改質器ＲＦＳの構成について説明する。水蒸気改質器ＲＦＳは、蒸発部ＲＦＳ１、予熱部ＲＦＳ２、及び改質部ＲＦＳ３を備えている。
【００５２】
改質部ＲＦＳ３は、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。改質部ＲＦＳ３の上部には、予熱部ＲＦＳ２が配設され、更にその上方には蒸発部ＲＦＳ１が配設されている。蒸発部ＲＦＳ１は、補器ユニットＡＤＵ側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を予熱部ＲＦＳ２に送り込む。予熱部ＲＦＳ２は、蒸発部ＲＦＳ１から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットＡＤＵ側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部ＲＦＳ２においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは改質部ＲＦＳ３に送り込まれる。改質部ＲＦＳ３では、予熱部ＲＦＳ２から供給された水蒸気及び被改質ガスが、改質触媒の作用によって改質されて改質ガスとなし、燃料配管ＦＰを通って分散室ＦＤＢへと送り込まれている。水蒸気改質器ＲＦＳ（改質部ＲＦＳ３）は、モジュール容器ＭＣに連通（もしくはモジュール容器ＭＣ内に配設）されており、且つ同じモジュール容器ＭＣ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる燃焼排ガスは改質部ＲＦＳ３、予熱部ＲＦＳ２、蒸発部ＲＦＳ１の加熱ガス流路側を流れて熱交換を行うことができる。このように燃焼室ＦＣ２で生じる燃焼排熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。
【００５３】
部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外側に断熱材（図示せず）を介して配設されている。部分酸化改質器ＲＦＰは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。ここでは、部分酸化改質器ＲＦＰは触媒反応を利用したものを反応管の例として記載しているが部分酸化バーナーに置き換えることもできる。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された改質ガスは、水蒸気改質器ＲＦＳからの改質ガスを供給する燃料配管ＦＰと合流して分散室ＦＤＢに供給される。燃料配管ＦＰは断熱材（図示せず）で包まれている。部分酸化改質器ＲＦＰは、燃料電池システムの起動工程の実行時と、発電を停止する停止行程の実行に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行い、燃料電池セルＣＥに還元ガスである改質ガスを供給する。
【００５４】
起動工程の実行時に、各燃料電池セルＣＥに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器ＣＣ及び空気ヘッダＡＤＢが設けられている。触媒燃焼器ＣＣには、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のＳＶ（空間速度）値と温度の着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器ＣＣには、流量調整ユニットＡＰ１ｂから送出され、ヒーターＡＨ２によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器ＣＣには、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器ＣＣによって更に昇温された空気は空気ヘッダＡＤＢに供給される。空気ヘッダＡＤＢは、複数の燃料電池セルＣＥそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。
【００５５】
部分酸化改質器ＲＦＰの下流には、燃料配管ＦＰの周囲を覆うように水流路部ＣＬが形成されており、水流路部ＣＬには水供給管ＣＰｉｎと水排出管ＣＰｏｕｔが接続されている。図３および図４では水流路部ＣＬは燃料配管ＦＰの周囲を取り囲む二重管状にした例を記載しているが、燃料配管ＦＰの周囲を螺旋管状に巻きつけることもできる。
【００５６】
停止工程の実行時は、空気側ではヒーターＡＨ２は停止しており、触媒燃焼器ＣＣに燃料も供給されないので、低温の空気が燃料電池セルＣＥに供給される。水入口バルブＣｉＶが開き、水流路部ＣＬに水供給管ＣＰｉｎから水が供給される（図４参照、斜線部は水を示す）。燃料側では、所定量の燃料および必要に応じて水と空気が水蒸気改質器ＲＦＳもしくは部分酸化改質器ＲＦＰに供給され、高温の改質ガスが生成される。この高温の改質ガスは燃料配管ＦＰを流れ、水流路部ＣＬ内で水供給管ＣＰｉｎから流れてきた水と熱交換されて、低温の改質ガスとなって分散室ＦＤＢから燃料電池セルＣＥに供給される。このように燃料電池セルＣＥに対して空気側と燃料側の両方から低温のガスを供給することで燃料電池セルＣＥを室温程度に冷却する時間を短縮することができる。
【００５７】
水流路部ＣＬで熱交換された水は、その後水蒸気もしくは温水となって水排出管ＣＰｏｕｔから排出される。冷却流路部ＣＬから排出された水蒸気もしくは温水は、燃料電池システムの後段に設けられた給湯用温水タンクに送られ、給湯用の温水として利用することができる。
【００５８】
起動工程の実行時は、空気側ではヒーターＡＨ２を作動させて、燃料を混合させて触媒燃焼器ＣＣで燃焼させ高温の空気として空気ヘッダＡＤＢから燃料電池セルＣＥに供給し加熱する。燃料側では、ヒーターＡＨ１で加熱された空気と燃料および水を部分酸化改質器ＲＦＰに供給し、部分酸化改質器ＲＦＰ内の触媒反応により高温の改質ガスを生成する。この高温の改質ガスは燃料配管ＦＰを通って分散室ＦＤＢから燃料電池セルＣＥに供給され、燃料電池セルＣＥの燃料極を酸化させることなく加熱することができる。この時、水入口バルブＣｉＶは閉じ水流路部ＣＬへの水の供給を停止している（図３参照、斜線部は水を示す）。停止工程の実行時に供給された水は水流路部ＣＬ内に残っているが、高温の改質ガスに加熱されて気化される。水は１気圧化では沸点が１００℃であり９７℃の液体時の熱伝導率と気化した１００℃での熱伝導率を比較すると、気化することで熱伝導率は約１／３０となる。よって起動工程で水流路部ＣＬ内の水が気化した後は、水流路部ＣＬは断熱として作用し高温の改質ガスから放熱を抑制し、燃料電池セルＣＥを効率よく加熱することができる。
【００５９】
起動工程で水流路部ＣＬ内の水が気化した後は、水入口バルブＣｉＶおよび水出口バルブＣｏＶの両方を閉止することが望ましい。水流路部ＣＬ内を閉空間とすることで対流による熱の放散を抑制することができ、起動工程における水流路部ＣＬの断熱性を高めることができる。
【００６０】
水入口バルブＣｉＶおよび水出口バルブＣｏＶの両方を閉止し、水流路部ＣＬを閉空間とするタイミングは、起動工程が開始したら水入口バルブＣｉＶを閉止し、水流路部ＣＬ内または水排出管ＣＰｏｕｔ内の水の温度、水流路部ＣＬの壁面温度、水流路部ＣＬ内または水流路部ＣＬより下流の改質ガス温度のいずれかが所定の温度に達した時に水出口バルブＣｏＶを閉止する。ここで言う所定の温度とは、気化した水の熱伝導率が許容値以下となり水入口バルブＣｉＶおよび水出口バルブＣｏＶの耐圧以下であることが事前に設計・確認がなされている温度である。
【００６１】
また水排出管ＣＰｏｕｔにはバルブの代わりに所定の圧力以上で開放される安全弁を設けることもできる。ここで言う所定の圧力とは、気化した水の熱伝導率が許容値以下となり水入口バルブＣｉＶおよび水出口バルブＣｏＶの耐圧以下であることが事前に設計・確認がなされている圧力である。
【００６２】
あるいは、起動工程が常に同じ条件化で行われる場合は、水流路部ＣＬを閉空間とするタイミングは、起動工程開始後一定時間が経過したあとに行われるものでもいい。個々で言う一定時間とは、気化した水の熱伝導率が許容値以下となり水入口バルブＣｉＶおよび水出口バルブＣｏＶの耐圧以下であることが事前に設計・確認がなされている時間である。
【００６３】
このような水入口バルブＣｉＶおよび水出口バルブＣｏＶで閉止する制御手段を持つことで起動工程における断熱作用を効果的かつ継続的に発揮することができる。
【００６４】
水蒸気改質器ＲＦＳまたは部分酸化改質器ＲＦＰから供給される改質ガスには水蒸気が含まれている。よって停止工程において、水流路部ＣＬで冷却された改質ガス内の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧以上となり燃料配管ＦＰ内で結露しないよう水流路部ＣＬに供給される水の流量は調整される。この水の流量は、水流路部ＣＬ内または水流路部ＣＬより下流の改質ガス温度、もしくは水排出管ＣＰｏｕｔ内の水温度から判断される。
【００６５】
図５の例では、水流路部ＣＬ内に位置する燃料配管ＦＰの一部に結露水貯留部ＤＴが設けられている。停止工程において、水蒸気改質器ＲＦＳまたは部分酸化改質器ＲＦＰから供給される改質ガスは水流路部ＣＬで水と熱交換することで冷却され、改質ガス内の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧以上となることで結露するが、結露水は結露水貯留部ＤＴに貯められる。停止工程において水流路部ＣＬで燃料配管ＦＰ内に発生する結露水の量は予め設計・確認ができるので、結露水貯留部ＤＴは発生した結露水を十分に貯水できる容量を持たせており、燃料配管ＦＰを閉塞させることはない。
【００６６】
結露水貯留部ＤＴに溜まった結露水は、起動工程において高温の改質ガスに加熱されて全て気化され、改質ガスと共に分散室ＦＤＢに流れていく。よって、何度起動工程と停止工程を繰り返しても結露水貯留部ＤＴが飽和して燃料配管ＦＰを閉塞させることはない。
【符号の説明】
【００６７】
ＡＤＢ            ：空気ヘッダ
ＡＤＵ            ：補器ユニット
ＡＨ１            ：ヒーター
ＡＨ２            ：ヒーター
ＡＰ              ：空気供給部
ＡＰ１ａ          ：流量調整ユニット
ＡＰ１ｂ          ：流量調整ユニット
ＡＰ２            ：電磁弁
ＡＰ３            ：空気供給路
ＣＢ              ：制御ボックス
ＣＣ              ：触媒燃焼器
ＣＥ              ：燃料電池セル
ＣｉＶ            ：水入口バルブ
ＣＬ            ：水流路部
ＣＯＤ            ：一酸化炭素検知器
ＣｏＶ            ：水出口バルブ
ＣＳ              ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１            ：操作装置
ＣＳ２            ：表示装置
ＣＳ３            ：報知装置
ＣＰｉｎ          ：水供給管
ＣＰｏｕｔ：水排出管
ＣＲ              ：ハウジング部
ＤＳ１            ：改質器温度センサ
ＤＳ２            ：スタック温度センサ
ＤＳ３            ：排気温度センサ
ＤＳ４            ：改質器内圧力センサ
ＤＳ５            ：水位センサ
ＤＳ６            ：水流量センサ
ＤＳ７            ：燃料流量センサ
ＤＳ８            ：改質用空気流量センサ
ＤＳ９            ：発電用空気流量センサ
ＤＳ１０          ：電力状態検出部
ＤＳ１１          ：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２          ：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３          ：可燃ガス検出センサ
ＤＴ            ：結露水貯留部
ＥＦ            ：集電部材
ＥＰ            ：電力取出部
ＥＰ１            ：電力取出ライン
ＥＳ            ：スタック集電部材
ＦＣ            ：燃料電池
ＦＣ１            ：発電室
ＦＣ２            ：燃焼室
ＦＣＭ            ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ            ：燃料電池システム
ＦＤＢ            ：分散室
ＦＰ              ：燃料供給部
ＦＰ１            ：流量調整ユニット
ＦＰ２            ：脱硫器
ＦＰ４            ：ガス遮断弁
ＦＰ５            ：ガス遮断弁
ＧＤ１            ：可燃ガス検知器
ＧＤ２            ：可燃ガス検知器
ＨＷ              ：温水製造装置
ＭＶ              ：混合部
ＭＣ              ：モジュール容器
ＲＦ              ：改質器
ＲＦ１            ：改質部
ＲＦ２            ：蒸発部
ＳＣ              ：燃料電池システム制御部
ＷＰ              ：水供給部
ＷＰ１            ：流量調整ユニット
ＷＰ２            ：貯水タンク
ＲＦＰ            ：部分酸化改質器
ＲＦＳ            ：水蒸気改質器
ＲＦＳ１          ：改質部
ＲＦＳ１          ：蒸発部
ＲＦＳ２          ：予熱部
ＲＦＳ３          ：改質部
【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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