(57)【要約】【課題】装置起動時にバーナーを用いて燃料電池スタックを短時間で昇温する場合、燃焼ガスの温度調整が容易な燃料電池装置を提供すること。【解決手段】装置起動時に燃料と空気とを混合しバーナーを用いて燃焼した燃焼ガスを空気極に導入して燃料電池スタックを昇温させる起動用昇温器１０を有し、起動用昇温器１０は、燃焼ガスが通過する燃焼筒１３と、燃焼筒１３の外周を覆う冷却筒１４と、空気の一部を燃焼筒１３と冷却筒１４との間に形成される空気領域Ｅ１に導入するバイパス空気ラインＬ１２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有した燃料電池スタックを備えた燃料電池装置であって、
装置起動時に前記燃料と前記空気とを混合しバーナーを用いて燃焼した燃焼ガスを前記空気極に導入して前記燃料電池スタックを昇温させる起動用昇温器を有し、
前記起動用昇温器は、
前記燃焼ガスが通過する燃焼筒と、
前記燃焼筒の外周を覆う冷却筒と、
前記空気の一部を前記燃焼筒と前記冷却筒との間に形成される空気領域に導入するバイパス空気ラインと、
を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃焼筒は、前記燃焼ガスと前記空気領域の空気とを混合する複数の穴が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記空気領域には、前記バイパス空気ラインから流入した空気を前記燃焼筒の周囲で旋回させる螺旋流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記バイパス空気ラインには、オリフィスが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記バイパス空気ラインには、可変流量バルブが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記起動用昇温器は、前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記空気極に供給される空気を予熱する空気予熱器と、
装置起動時のみ前記起動用昇温器へ前記燃料を供給するバーナー燃料制御部と、
装置起動時には前記起動用昇温器から吐出される前記燃焼ガスを前記空気極へ直接供給させ、通常運転時には前記起動用昇温器から吐出される空気を前記空気予熱器を介して前記空気極へ供給させる切り替え部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの表面温度を検出する表面温度検出部と、
前記表面温度をもとに前記燃料電池スタック内の空気中水分量が飽和しないように前記燃焼ガスの流量を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、
前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気の所定最大空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、
前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気に含まれる空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上にヒータを設け、
前記制御部は、装置起動時に、前記残り空気中水分量に対応する前記燃焼ガス設定温度が所定温度以下の場合には、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を行わず、前記ヒータを用いて前記空気極に導入する空気の温度を上昇させることを特徴とする請求項９または１０に記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記残り空気中水分量に対応する前記表面温度が所定値以上となった場合に、前記ヒータを停止し、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を開始することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置起動時にバーナーを用いて燃料電池スタックを短時間で昇温する場合、燃焼ガスの温度調整が容易な燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が６００℃〜１０００℃程度である。したがって、高温型燃料電池は、一旦、運転を停止すると装置が常温状態となり、運転再開時に再び燃料電池を高温状態にする必要がある。この場合、燃料電池を高温状態にするまでに時間がかかり、結果的に燃料電池の起動に時間がかかることになる。
【０００３】
このため、特許文献１では、空気導入管内に起動用バーナーを設置し、バーナー用燃料ガス導入管から燃料ガスを導入して燃焼させて、空気導入管を通過する空気を加熱して起動時間の短縮を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１７２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、バーナーを用いて燃料電池スタックを常温から６００〜１０００℃程度の高温まで昇温する場合、燃料と空気との燃焼の調整が難しく、安定して燃焼温度調整を行うことができるダイナミックレンジが狭い。燃焼ガス温度は、燃料の量と空気の量との比（空気比）で決定されるが、例えば、燃焼ガス温度を３００〜６５０℃程度とする場合に、燃焼ガス温度を３００℃まで下げようとすると、空気比が大きくなってしまい、バーナーを用いた燃焼性が悪くなり、未燃ガスや一酸化炭素が大量に発生してしまう。また、バーナーを用いると燃焼温度が急激に高くなり、燃焼ガスによって燃料電池スタックを急激に昇温すると、昇温が遅れている燃料電池スタックに結露が生じやすい。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、起動時にバーナーを用いて燃料電池スタックを短時間で昇温する場合、燃焼ガスの温度調整が容易な燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる燃料電池装置は、燃料が供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有した燃料電池スタックを備えた燃料電池装置であって、装置起動時に前記燃料と前記空気とを混合しバーナーを用いて燃焼した燃焼ガスを前記空気極に導入して前記燃料電池スタックを昇温させる起動用昇温器を有し、前記起動用昇温器は、前記燃焼ガスが通過する燃焼筒と、前記燃焼筒の外周を覆う冷却筒と、前記空気の一部を前記燃焼筒と前記冷却筒との間に形成される空気領域に導入するバイパス空気ラインと、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記燃焼筒は、前記燃焼ガスと前記空気領域の空気とを混合する複数の穴が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記空気領域には、前記バイパス空気ラインから流入した空気を前記燃焼筒の周囲で旋回させる螺旋流路が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記バイパス空気ラインには、オリフィスが設けられることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記バイパス空気ラインには、可変流量バルブが設けられることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記起動用昇温器は、前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上に設けられることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記空気極に供給される空気を予熱する空気予熱器と、装置起動時のみ前記起動用昇温器へ前記燃料を供給するバーナー燃料制御部と、装置起動時には前記起動用昇温器から吐出される前記燃焼ガスを前記空気極へ直接供給させ、通常運転時には前記起動用昇温器から吐出される空気を前記空気予熱器を介して前記空気極へ供給させる切り替え部と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記燃料電池スタックの表面温度を検出する表面温度検出部と、前記表面温度をもとに前記燃料電池スタック内の空気中水分量が飽和しないように前記燃焼ガスの流量を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気の所定最大空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記燃焼ガスの温度を検出する前記燃焼ガス温度検出部を備え、前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気に含まれる空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上にヒータを設け、前記制御部は、装置起動時に、前記残り空気中水分量に対応する前記燃焼ガス設定温度が所定温度以下の場合には、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を行わず、前記ヒータを用いて前記空気極に導入する空気の温度を上昇させることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記残り空気中水分量に対応する前記表面温度が所定値以上となった場合に、前記ヒータを停止し、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池スタックを短時間で昇温することが可能となり、また、燃焼ガスの温度調整範囲が広くなり、かつ温度調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、起動用昇温器の詳細構成を示す図である。
【図３】図３は、起動用昇温器の変形例を示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示したＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図５は、制御部による起動昇温制御処理手順を示すフローチャートである。
【図６】図６は、図５に示した起動用昇温器による昇温処理の詳細処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、起動昇温制御処理の具体例その１の処理フローを示す図である。
【図８】図８は、起動昇温制御処理の具体例その１の処理における表面温度、飽和空気中水分量、外気持込み最大水分量、燃焼ガス発生可能水分量、燃焼ガス設定温度の関係を示す図である。
【図９】図９は、起動昇温制御処理の具体例その２の処理フローを示す図である。
【図１０】図１０は、起動昇温制御処理の具体例その２の処理における表面温度、燃料電池スタックの飽和空気中水分量、外気の飽和空気中水分量、燃焼ガス発生可能水分量、燃焼ガス設定温度の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、図１に示したヒータの位置を変えた燃料電池装置の変形例１の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、図１に示したヒータの位置を変えた燃料電池装置の変形例２の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
【００２２】
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置１の全体構成を示すブロック図である。燃料電池装置１は、燃料電池モジュール２を有する。燃料電池モジュール２は、断熱筐体内部に設けられた燃料電池スタック３を有する。燃料電池スタック３は、燃料供給ラインＬ２５から導入される燃料と、空気供給ラインＬ３４から導入される空気とを反応させて発電する発電セルを複数設けたセルスタックである。
【００２３】
燃料電池スタック３は、例えば円筒形の発電セルを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施の形態の燃料電池スタック３は、燃料極（アノード）３ａと空気極（カソード）３ｂとの間に電解質としてイオン導電性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。
【００２４】
燃料供給ラインＬ２１からの原燃料（例えば、メタンガスや都市ガス等）は、燃料ブロア２１および燃料供給ラインＬ２２を介して接続される脱硫器２２によって硫黄成分が除去される。さらに、硫黄成分が除去された燃料は、燃料供給ラインＬ２３、バルブＶ１、燃料供給ラインＬ２４を介して接続される改質器２３によって水素を含む改質燃料に改質され、この改質燃料が燃料供給ラインＬ２５を介してアノード３ａに導入される。改質水蒸発器２４は、供給ラインＬ２６を介して導入された水を蒸発し、この蒸発水を、供給ラインＬ２７を介して改質器２３に導入する。改質器２３は、原燃料を水蒸気改質した改質燃料を生成する。なお、改質器２３の機能がセルスタックに内蔵されている場合は、改質器２３を省略することができる。
【００２５】
一方、空気供給ラインＬ３１からの空気は、空気ブロア３１、空気供給ラインＬ３２、起動用昇温器１０、空気供給ラインＬ３３、ヒータ３２、バルブＶ３を含む空気供給ラインＬ３４を介してカソード３ｂに導入される。起動用昇温器１０には、燃料供給ラインＬ２３から分岐した燃料供給ラインＬ１１およびバルブＶ２を介して燃料が導入され、起動時にのみバーナー燃料制御部となるバルブＶ２が開き、燃料と空気供給ラインＬ３２から供給される空気とを混合し、バーナーを用いて燃焼し、燃焼ガスを空気供給ラインＬ３３に導出する。この燃焼ガスがカソード３ｂに導入されることによって燃料電池スタック３が昇温される。なお、起動用昇温器１０は、空気供給ラインＬ３２、Ｌ３３に接続され、通常運転時のバーナーが燃焼していない時には、空気供給ラインＬ３２から導入された空気をそのまま空気供給ラインＬ３３に導出する。本実施の形態では空気ブロワ３１が、燃料電池スタック３に空気または燃焼ガスを供給する空気昇圧ブロワと、起動用昇温器１０に空気を供給する空気昇圧ブロワとを兼用している。このため、システムの簡素化が図れ、装置の小型化を実現できる。
【００２６】
ヒータ３２は、空気供給ラインＬ３３から供給された空気を昇温する。ヒータ３２は、装置起動時および通常運転時に用いられる。
【００２７】
カソード３ｂから導出された空気オフガスは、空気予熱器３３で熱交換した後、オフガスラインＬ４１を介して燃焼器４１に導入される。一方、アノード３ａから導出された燃料オフガスは、オフガスラインＬ４１に接続されるオフガスラインＬ４２を介して燃焼器４１に導入される。なお、改質器２３の燃料改質反応は吸熱反応であるため、改質器２３の前段に熱交換器を設け、例えば燃料オフガスを用いて燃料を予熱するようにしてもよい。空気予熱器３３には、通常運転時に空気が予熱されるように、空気予熱器３３を通る空気供給ラインＬ３５が設けられている。空気供給ラインＬ３５を用いる場合、バルブＶ３は閉となり、バルブＶ４は開となる。なお、バルブＶ３、Ｖ４は空気極３ｂへの空気または燃焼ガスの供給を切り替える切り替え部として機能する。
【００２８】
燃焼器４１は、導入された燃料オフガスと空気オフガスとを触媒によって燃焼させる。この燃焼ガスは、オフガスラインＬ４３、熱交換器４２、およびオフガスラインＬ４４を介して大気に排気される。熱交換器４２は、排熱回収用の熱交換器であり、排熱回収ラインＬ４５が接続されて温水を生成する。
【００２９】
（起動用昇温器の詳細構成）
図２は、起動用昇温器１０の詳細構成を示す図である。図２に示すように、起動用昇温器１０は、混合部１１、バーナー部１２、燃焼筒１３、冷却筒１４、および、バイパス空気ラインＬ１２を有する。混合部１１は、燃料供給ラインＬ１１から導入される燃料と空気供給ラインＬ３２から導入される空気とを混合する。バーナー部１２は、混合部１１から流入する混合ガスに対し、バーナーを用いて燃焼を開始させる。燃焼筒１３は、筒内を燃焼領域として混合ガスを燃焼させる。バイパス空気ラインＬ１２は、空気供給ラインＬ３２から分岐した空気を冷却筒１４の基端部側（バーナー部１２側）に導入する。冷却筒１４は、燃焼筒１３の外周を覆い、冷却筒１４と燃焼筒１３との間に空気領域Ｅ１を形成する。すなわち、燃焼筒１３と冷却筒１４とは二重管構造となっている。
【００３０】
バイパス空気ラインＬ１２を介して空気領域Ｅ１に空気が導入されるので、燃焼筒１３内の燃焼温度を冷却することができるとともに、冷却筒１４の周囲温度を低く抑えることができる。また、燃焼筒１３をパンチングメタルとすることによって、燃焼筒１３に設けられた複数の穴を介して燃焼ガスと空気領域Ｅ１の空気とが燃焼状態に影響を与えずに混合し、燃焼ガスをさらに冷却することができる。したがって、例えば、燃焼ガスが３００〜６５０℃程度とする場合であって、燃焼ガス温度を３００℃まで下げようとする場合に燃焼部の空気比を大きくしなくても、燃焼ガス温度を下げることができる。すなわち、バーナーを用いた燃焼性を安定しつつ、燃焼ガス温度を下げることができる。この結果、安定した燃焼ガス温度調整を広いダイナミックレンジで行うことができる。
【００３１】
なお、バイパス空気ラインＬ１２上には、オリフィス１５が設けられ、予め設定された流量比で、空気をバイパス空気ラインＬ１２と空気供給ラインＬ３２とに分岐している。なお、空気の流量比設定のためにオリフィス１５を設けたのは、簡易な構成とするためである。オリフィス１５の開口は、事前に燃焼ガス温度調整を行った結果をもとに決定されたものである。したがって、オリフィス１５に替えて可変流量バルブを設けてもよい。
【００３２】
また、図３および図４に示すように、空気領域Ｅ１を流れる空気の燃焼筒１３に対する接触面積を広くして冷却効果を大きくするため、空気領域Ｅ１に螺旋流路ＬＬを形成するようにしてもよい。
【００３３】
なお、図１および図２に示すように、制御部Ｃは、燃料電池スタック３の表面温度を検出する表面温度検出部Ｔ１から入力される表面温度、燃焼筒１３内における燃焼温度を検出する燃焼温度検出部Ｔ２から入力される燃焼温度、空気領域Ｅ１の空気温度を検出する空気温度検出部Ｔ３から入力される空気温度、冷却筒１４の出口に配置されて燃焼ガス温度を検出する燃焼ガス温度検出部Ｔ４から入力される燃焼ガス温度を取得する。制御部Ｃは、表面温度、燃焼温度、空気温度、燃焼ガス温度をもとに、空気ブロア３１による空気供給量を制御する。なお、制御部Ｃは、燃料ブロア２１による燃料供給量を制御してもよいし、空気供給量および燃料供給量の双方を制御してもよいが、空気ブロア３１による空気供給量の制御を行う方が簡易な構成となる。また、空気供給量の方が大きいため、空気供給量を制御すると、きめの細かい温度調整が可能になる。なお、制御部Ｃは、表面温度をもとにヒータ３２による空気の昇温制御を行う。さらに、制御部Ｃは、バルブＶ１〜Ｖ４の開閉制御を行う。制御部Ｃは、停止時は、すべてのバルブＶ１〜Ｖ４を閉にする。制御部Ｃは、装置起動時は、バルブＶ１、Ｖ４を閉にし、バルブＶ２、Ｖ３を開にする。制御部Ｃは、通常運転時は、バルブＶ１、Ｖ４を開にし、バルブＶ２、Ｖ３を閉にする。
【００３４】
（起動昇温制御処理）
つぎに、図５および図６に示すフローチャートを参照して制御部Ｃによる起動昇温制御処理手順について説明する。まず、制御部Ｃは、停止時においてすべてのバルブＶ１〜Ｖ４を閉にしている。制御部Ｃは、装置起動時に、バルブＶ３を開にして、ヒータ３２により空気を昇温して燃料電池スタック３の昇温を行う（ステップＳ１０１）。
【００３５】
その後、制御部Ｃは、表面温度検出部Ｔ１が検出する表面温度が所定表面温度以上になったか否かを判断する（ステップＳ１０２）。表面温度が所定表面温度以上となっていない場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に移行してヒータ３２による昇温を継続する。
【００３６】
一方、表面温度が所定表面温度以上となった場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）には、ヒータ３２を停止し、起動用昇温器１０による昇温処理を行い（ステップＳ１０３）、本処理を終了する。
【００３７】
図６に示すように、起動用昇温器１０による昇温処理では、まず、バルブＶ１を閉にし、バルブＶ２を開にする（ステップＳ２０１）。これによって、燃料供給ラインＬ１１を介して起動用昇温器１０に燃料の供給が開始される。その後、制御部Ｃは、起動バーナーを着火する（ステップＳ２０２）。さらに、制御部Ｃは、起動バーナーが着火したか否かを判断する（ステップＳ２０３）。この起動バーナーが着火したか否かは、例えば、燃焼温度を検出することによって判断することができる。起動バーナーが着火しない場合（ステップＳ２０３，Ｎｏ）には、再度、ステップＳ２０２に移行して起動バーナーを着火する。
【００３８】
一方、起動バーナーが着火した場合（ステップＳ２０３，Ｙｅｓ）には、燃焼ガスの発生水分量が、表面温度に対する飽和空気中水分量から、起動用昇温器１０に導入される空気に含まれる空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように、空気ブロア３１を介して空気流量を制御して燃焼ガス温度を制御する（ステップＳ２０４）。これによって、燃料電池スタック３が結露することなく、昇温される。
【００３９】
その後、制御部Ｃは、表面温度が目標温度、例えば６００℃に到達したか否かを判断する（ステップＳ２０５）。表面温度が目標温度に到達しない場合（ステップＳ２０５，Ｎｏ）には、ステップＳ２０４に移行し、起動用昇温器１０による昇温制御処理を継続する。
【００４０】
一方、表面温度が目標温度に到達した場合（ステップＳ２０５，Ｙｅｓ）には、バルブＶ１を開にし、バルブＶ２を閉にして、燃料をアノード３ａ側に供給するとともに、バルブＶ３を閉にし、バルブＶ４を開にして、空気を空気予熱器３３を介してカソード３ｂに供給する。これによって、通常運転に移行する。その後、ステップＳ１０３にリターンする。
【００４１】
（起動昇温制御処理の具体例その１）
つぎに、図７および図８を参照してステップＳ２０４における起動昇温制御処理の具体例その１について説明する。図７に示すように、制御部Ｃは、まず表面温度Ｄ１を取得する。なお、この表面温度Ｄ１は、燃料電池スタック３の最低表面温度である。その後、表面温度に対する飽和空気中水分量を示す曲線ＬＡをもとに、取得した表面温度Ｄ１に対する飽和空気中水分量Ｄ２を算出する。なお、曲線ＬＡは、近似式であり、Ｒは相関係数である。
【００４２】
その後、制御部Ｃは、燃料電池スタック３の飽和空気中水分量Ｄ２から、製品仕様で予め設定されている外気持込み最大水分量Ｄ３を減算して燃料電池スタック３での残り空気中水分量Ｄ４を算出する。外気持込み最大水分量Ｄ３は、所定最大空気水分量であり、例えば、４０℃、８５％ＲＨにおける水分量５６．５［ｇ／ｍ３］である。
【００４３】
その後、制御部Ｃは、燃焼ガス中に、残り空気中水分量Ｄ４分の水分量の発生を可能とする燃焼ガス発生可能水分量に対する燃焼ガス設定温度（目標温度）の関係を示す曲線ＬＢをもとに、燃焼ガス設定温度Ｄ５を算出する。なお、残り空気中水分量Ｄ４と燃焼ガス発生可能水分量とは同じ値である。また、曲線ＬＢは、近似式であり、Ｒは相関係数である。
【００４４】
そして、制御部Ｃは、残り空気中水分量Ｄ４未満となるように、燃焼ガス設定温度Ｄ５未満となる燃焼ガス温度制御を行う。すなわち、制御部Ｃは、燃焼ガス設定温度Ｄ５未満となるように空気ブロア３１を制御して空気供給量を調整しつつ燃料電池スタック３の昇温制御を行う。
【００４５】
なお、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃未満の場合には、起動用昇温器１０による昇温制御が難しいため、図８に示すように、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃未満の場合には、ヒータ３２による昇温制御を行い、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃以上の場合に、起動用昇温器１０による昇温制御を行うことが好ましい。具体的に、表面温度Ｄ１が４０℃までは少なくともヒータ３２による昇温制御を行う。
【００４６】
この場合、制御部Ｃは、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃のときの表面温度Ｄ１（ステップＳ１０２における所定表面温度）となった場合に、起動用昇温器１０による昇温制御を行うことが好ましい。
【００４７】
このような燃焼ガス温度制御を行うことによって、燃料電池スタック３での結露が防止され、燃料電池スタックの長寿命化を図ることができる。
【００４８】
（起動昇温制御処理の具体例その２）
つぎに、図９および図１０を参照してステップＳ２０４における起動昇温制御処理の具体例その２について説明する。この具体例その２では、図示しない外気温度検出部と外気湿度検出部とを設け、製品仕様で予め設定されている外気持込み最大水分量Ｄ３に替えて、検出した外気温度Ｄ３１と外気湿度Ｄ３２とをもとに、その都度、飽和空気中水分量Ｄ３３を算出するようにしている。
【００４９】
図９に示すように、制御部Ｃは、まず表面温度Ｄ１を取得する。なお、この表面温度Ｄ１は、燃料電池スタック３の最低表面温度である。その後、表面温度に対する飽和空気中水分量を示す曲線ＬＡをもとに、取得した表面温度Ｄ１に対する飽和空気中水分量Ｄ２を算出する。なお、曲線ＬＡは、近似式であり、Ｒは相関係数である。
【００５０】
その後、制御部Ｃは、燃料電池スタック３の飽和空気中水分量Ｄ２から、外気温度Ｄ３１と外気湿度Ｄ３２とをもとに算出した空気（外気）の飽和空気中水分量Ｄ３３を減算して、燃料電池スタック３での残り空気中水分量Ｄ４を算出する。飽和空気中水分量Ｄ３３は、例えば、外気温度Ｄ３１が１０℃、外気湿度Ｄ３２が３０％ＲＨの場合、２．８３［ｇ／ｍ３］となる。
【００５１】
その後、制御部Ｃは、燃焼ガス中に、残り空気中水分量Ｄ４分の水分量の発生を可能とする燃焼ガス発生可能水分量に対する燃焼ガス設定温度（目標温度）の関係を示す曲線ＬＢをもとに、燃焼ガス設定温度Ｄ５を算出する。なお、残り空気中水分量Ｄ４と燃焼ガス発生可能水分量とは同じ値である。また、曲線ＬＢは、近似式であり、Ｒは相関係数である。
【００５２】
そして、制御部Ｃは、残り空気中水分量Ｄ４未満となるように、燃焼ガス設定温度Ｄ５未満となる燃焼ガス温度制御を行う。すなわち、制御部Ｃは、燃焼ガス設定温度Ｄ５未満となるように空気ブロア３１を制御して空気供給量を調整しつつ燃料電池スタック３の昇温制御を行う。
【００５３】
なお、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃未満の場合には、起動用昇温器１０による昇温制御が難しいため、図１０に示すように、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃未満の場合には、ヒータ３２による昇温制御を行い、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃以上の場合に、起動用昇温器１０による昇温制御を行うことが好ましい。具体的に、表面温度Ｄ１が５℃の場合には、ヒータ３２による昇温制御を行う。
【００５４】
この場合、制御部Ｃは、燃焼ガス設定温度Ｄ５が２００℃のときの表面温度Ｄ１（ステップＳ１０２における所定表面温度）となった場合に、起動用昇温器１０による昇温制御を行うことが好ましい。
【００５５】
このような燃焼ガス温度制御を行うことによって、燃料電池スタック３での結露が防止され、燃料電池スタックの長寿命化を図ることができる。
【００５６】
なお、上述した実施の形態では、起動用昇温器１０を空気供給ライン上に設けていたが、これに限らず、燃料供給ラインＬ１１上に設けてもよい。
【００５７】
また、上述した実施の形態では、ヒータ３２を、空気供給ラインＬ３４の前段に設けていたが、これに限らず、図１１に示したヒータ５２のように、空気予熱器３３を通る空気供給ラインＬ３４上に設けても良い。ここで、ヒータ５２による昇温制御を行う場合、バルブＶ３は閉とし、バルブＶ４は開となる。さらに、図１２に示したヒータ６２のように、空気予熱器３３をバイパスするバイパスラインＬ６２上に設けてもよい。ここで、ヒータ６２による昇温制御を行う場合、バルブＶ３、バルブＶ４は閉とし、バルブＶ６２は開となる。なお、ヒータ６２を用いない場合、バルブＶ６２は閉となる。なお、ヒータ６２は、ヒータ３２、５２のように、燃焼ガスが通過しないため、耐熱性が低い装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  燃料電池装置
２  燃料電池モジュール
３  燃料電池スタック
３ａ  燃料極（アノード）
３ｂ  空気極（カソード）
１０  起動用昇温器
１１  混合部
１２  バーナー部
１３  燃焼筒
１４  冷却筒
１５  オリフィス
２１  燃料ブロア
２２  脱硫器
２３  改質器
２４  改質水蒸発器
３１  空気ブロア
３２，５２，６２  ヒータ
３３  空気予熱器
４１  燃焼器
４２  熱交換器
Ｃ  制御部
Ｄ１  表面温度
Ｄ２，Ｄ３３  飽和空気中水分量
Ｄ３  外気持込み最大水分量
Ｄ３１  外気温度
Ｄ３２  外気湿度
Ｄ４  残り空気中水分量
Ｄ５  燃焼ガス設定温度
Ｅ１  空気領域
Ｌ１１  燃料供給ライン
Ｌ１２  バイパス空気ライン
Ｌ２１〜Ｌ２５  燃料供給ライン
Ｌ２６，Ｌ２７  供給ライン
Ｌ３１〜Ｌ３５  空気供給ライン
Ｌ４１〜Ｌ４４  オフガスライン
Ｌ４５  排熱回収ライン
Ｌ６２  バイパスライン
ＬＡ，ＬＢ  曲線
ＬＬ  螺旋流路
Ｔ１  表面温度検出部
Ｔ２  燃焼温度検出部
Ｔ３  空気温度検出部
Ｔ４  燃焼ガス温度検出部
Ｖ１〜Ｖ４，Ｖ６２  バルブ
【図１】
2017117564.tif 000003
【図２】
2017117564.tif 000004
【図３】
2017117564.tif 000005
【図４】
2017117564.tif 000006
【図５】
2017117564.tif 000007
【図６】
2017117564.tif 000008
【図７】
2017117564.tif 000009
【図８】
2017117564.tif 000010
【図９】
2017117564.tif 000011
【図１０】
2017117564.tif 000012
【図１１】
2017117564.tif 000013
【図１２】
2017117564.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月25日(2016.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有した燃料電池スタックを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
装置起動時に前記燃料と前記空気とを混合しバーナーを用いて燃焼した燃焼ガスを前記空気極に導入して前記燃料電池スタックを昇温させる起動用昇温器を有し、
前記起動用昇温器は、
前記燃焼ガスが通過する燃焼筒と、
前記燃焼筒の外周を覆う冷却筒と、
前記燃焼筒を冷却するために、前記空気の一部を前記燃焼筒と前記冷却筒との間に形成される空気領域に導入するバイパス空気ラインと、
を備え、前記燃焼筒を通過する燃焼後の前記燃焼ガスに、前記空気領域に導入される前記空気とを混合して前記空気極に導入することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃焼筒は、前記燃焼ガスと前記空気領域の空気とを混合する複数の穴が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記空気領域には、前記バイパス空気ラインから流入した空気を前記燃焼筒の周囲で旋回させる螺旋流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記バイパス空気ラインには、オリフィスが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記バイパス空気ラインには、可変流量バルブが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記起動用昇温器は、前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記空気極に供給される空気を予熱する空気予熱器と、
装置起動時のみ前記起動用昇温器へ前記燃料を供給するバーナー燃料制御部と、
装置起動時には前記起動用昇温器から吐出される前記燃焼ガスを前記空気極へ直接供給させ、通常運転時には前記起動用昇温器から吐出される空気を前記空気予熱器を介して前記空気極へ供給させる切り替え部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの表面温度を検出する表面温度検出部と、
前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上にヒータを設け、
前記制御部は、装置起動時に、前記残り空気中水分量に対応する前記燃焼ガス設定温度が所定温度以下の場合には、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を行わず、前記ヒータを用いて前記空気極に導入する空気の温度を上昇させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記表面温度が所定値以上となった場合に、前記ヒータを停止し、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を開始することを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックの表面温度を検出する表面温度検出部と、
前記表面温度をもとに前記燃料電池スタック内の空気中水分量が飽和しないように前記燃焼ガスの流量を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１１】
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、
前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気の所定最大空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１２】
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、
前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気に含まれる空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１３】
前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上にヒータを設け、
前記制御部は、装置起動時に、前記残り空気中水分量に対応する前記燃焼ガス設定温度が所定温度以下の場合には、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を行わず、前記ヒータを用いて前記空気極に導入する空気の温度を上昇させることを特徴とする請求項１１または１２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記残り空気中水分量に対応する前記表面温度が所定値以上となった場合に、前記ヒータを停止し、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を開始することを特徴とする請求項１３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月24日(2016.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有した燃料電池スタックを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
装置起動時に前記燃料と前記空気とを混合しバーナーを用いて燃焼した燃焼ガスを前記空気極に導入して前記燃料電池スタックを昇温させる起動用昇温器を有し、
前記起動用昇温器は、
前記燃焼ガスが通過する燃焼筒と、
前記燃焼筒の外周を覆う冷却筒と、
前記燃焼筒を冷却するために、前記空気の一部を前記燃焼筒と前記冷却筒との間に形成される空気領域に導入するバイパス空気ラインと、
を備え、前記燃焼筒を通過する燃焼後の前記燃焼ガスに、前記空気領域に導入される前記空気を混合して前記空気極に導入することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃焼筒は、前記燃焼ガスと前記空気領域の空気とを混合する複数の穴が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記空気領域には、前記バイパス空気ラインから流入した空気を前記燃焼筒の周囲で旋回させる螺旋流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記バイパス空気ラインには、オリフィスが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記バイパス空気ラインには、可変流量バルブが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記起動用昇温器は、前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記空気極に供給される空気を予熱する空気予熱器と、
装置起動時のみ前記起動用昇温器へ前記燃料を供給するバーナー燃料制御部と、
装置起動時には前記起動用昇温器から吐出される前記燃焼ガスを前記空気極へ直接供給させ、通常運転時には前記起動用昇温器から吐出される空気を前記空気予熱器を介して前記空気極へ供給させる切り替え部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの表面温度を検出する表面温度検出部と、
前記表面温度をもとに前記燃料電池スタック内の空気中水分量が飽和しないように前記燃焼ガスの流量を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項９】
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、
前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気の所定最大空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部を備え、
前記制御部は、前記燃焼ガスの発生水分量が、前記表面温度に対する飽和空気中水分量から前記起動用昇温器に導入される空気に含まれる空気中水分量を減算した残り空気中水分量未満となるように前記空気の流量を制御して前記燃焼ガスの温度を制御することを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１１】
前記空気を前記空気極に導入する空気供給ライン上にヒータを設け、
前記制御部は、装置起動時に、前記残り空気中水分量に対応する前記燃焼ガス設定温度が所定温度以下の場合には、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を行わず、前記ヒータを用いて前記空気極に導入する空気の温度を上昇させることを特徴とする請求項９または１０に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記残り空気中水分量に対応する前記表面温度が所定値以上となった場合に、前記ヒータを停止し、前記起動用昇温器への前記燃料の供給を開始することを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。