JP5653834B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、水蒸気改質器は、効率が高いという利点が得られる。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図４に示すように、燃料処理システム１ａを備えるとともに、前記燃料処理システム１ａは、改質器２ａとバーナ燃焼器３ａとを備えている。

燃料電池システムにおいて、流量計測器４ａの指示値に基づいて空気供給装置５ａが制御されるが、この流量計測器４ａの指示値は、前記空気供給装置５ａによって空気が供給されていない場合に、流量ゼロを示す値となるように補正されている。これにより、流量計測器４ａの指示値が実際の供給流量を示すようになるので、空気供給装置５ａによって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となる、としている。

また、特許文献２に開示されている部分酸化改質装置では、図５に示すように、改質装置１ｂをハウジング２ｂとその内部の隔壁３ｂ、３ｂとにより２重壁構造のものとしている。隔壁３ｂ、３ｂ間には、改質反応部４ｂが収容され、ハウジング２ｂと隔壁３ｂとの間の空間を原料ガス通路５ｂとすることで、前記改質反応部４ｂの周りに前記原料ガス通路５ｂが設けられている。

改質反応部４ｂは、原料ガス通路５ｂにより断熱されることにより、前記改質反応部４ｂ内の温度むらを低減している。原料ガス通路５ｂの原料ガスは、改質反応部４ｂでの反応熱により予熱されている。このため、自己熱回収により改質装置１ｂの熱効率を向上させ、原料ガスの予熱のための予熱器を原料ガス通路５ｂと改質反応部４ｂとの間に一体的に形成している。

これにより、改質反応部４ｂにおいて、原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成する場合に、前記改質反応部４ｂ内の温度むらを低減し、且つその熱効率を向上させるとともに、改質装置をシンプルでコンパクトな構造とする、としている。

特開２０１０−２１８８８８号公報 再公表ＷＯ０１／０４７８００号

上記の特許文献１では、流体の流量補正を行うものであり、温度による補正を考慮していない。このため、温度域によって体積変化が発生した際に、流入流体が流体制御域を超えるおそれがある。しかも、特許文献１では、固体高分子形燃料電池スタックを用いており、改質器２ａから排出される改質ガスを冷却する必要がある。従って、熱エネルギの損失が多く、前記熱エネルギを効率的に活用することができないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、原料ガスを改質ガスにより熱交換しており、前記改質ガスの温度が低下している。さらに、固体高分子形燃料電池用改質器であるため、ＣＯ除去器に受け渡す際、改質ガスの温度を下げる必要があり、熱エネルギを効率的に活用することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、熱エネルギの損失を抑制して熱自立の促進を図るとともに、低コスト化及び小型化に適する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムに関するものである。この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する部分酸化改質器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器とを備えている。

そして、制御装置は、少なくとも部分酸化改質器の改質状態、排ガス燃焼器の燃焼状態又は燃料電池スタックの温度のいずれかに基づいて、前記部分酸化改質器の温度、原燃料の供給量及び酸化剤ガスの供給量の調整を行う部分酸化改質器調整部と、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始する燃焼開始部と、前記燃料電池スタックの発電を開始する発電部とを備えている。発電部は、部分酸化改質器の温度Ｔ _RE が７００℃≦Ｔ _RE ≦９００℃の範囲内で、且つ、空燃費（Ｏ ₂ ／Ｃ）が０．４５≦Ｏ ₂ ／Ｃ≦０．５５の範囲内であるとともに、燃料電池スタックの温度Ｔ _ST が６５０℃≦Ｔ _ST である際、前記燃料電池スタックの発電を開始している。

また、この燃料電池システムでは、部分酸化改質器調整部は、部分酸化改質器の温度Ｔ_ＲＥが予め設定された範囲外で、且つ、空燃費（Ｏ_２／Ｃ）が予め設定された範囲外である際、前記部分酸化改質器の温度、前記原燃料の供給量及び前記酸化剤ガスの供給量の調整を行うことが好ましい。

その際、部分酸化改質器調整部は、部分酸化改質器の温度Ｔ_ＲＥが７００℃≦Ｔ_ＲＥ≦９００℃の範囲外で、且つ、空燃費（Ｏ_２／Ｃ）が０．４５≦Ｏ_２／Ｃ≦０．５５の範囲外である際、前記部分酸化改質器の温度、原燃料の供給量及び酸化剤ガスの供給量の調整を行うことが好ましい。

このため、部分酸化改質器は、所望の温度範囲内に且つ所望の空燃比範囲内に、すなわち、適切な改質条件に調整されるので、熱自立運転を良好に促進することができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。しかも、部分酸化改質器は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらに、この燃料電池システムでは、燃焼開始部は、燃料電池スタックの温度Ｔ_ＳＴが予め設定された温度未満で、且つ、排ガス燃焼器の温度Ｔ_ＢＲが予め設定された温度未満である際、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始することが好ましい。

その際、燃焼開始部は、燃料電池スタックの温度Ｔ_ＳＴが６５０℃＞Ｔ_ＳＴで、且つ、排ガス燃焼器の温度Ｔ_ＢＲが９００℃＞Ｔ_ＢＲである際、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始することが好ましい。

従って、排ガス燃焼器は、自己着火温度を維持する燃焼条件を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの一方に熱交換器が配設され、且つ前記燃料電池スタックの他方に部分酸化改質器及び排ガス燃焼器が配設されることが好ましい。このため、燃料電池スタックの放熱が最小化され、前記燃料電池スタックの温度分布の差が減少されている。従って、熱エネルギの損失を抑制することができ、熱自立運転の促進が容易に図られる。

さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

本発明によれば、部分酸化改質器調整部は、少なくとも部分酸化改質器の改質状態、排ガス燃焼器の燃焼状態又は燃料電池スタックの温度のいずれかに基づいて、前記部分酸化改質器の温度、原燃料の供給量及び酸化剤ガスの供給量の調整を行っている。このため、部分酸化改質器は、所望の改質条件を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、部分酸化改質器は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

また、燃焼開始部は、少なくとも部分酸化改質器の改質状態、排ガス燃焼器の燃焼状態又は燃料電池スタックの温度のいずれかに基づいて、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始している。従って、排ガス燃焼器は、自己着火温度を維持する燃焼条件を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらに、発電部は、少なくとも部分酸化改質器の改質状態、排ガス燃焼器の燃焼状態又は燃料電池スタックの温度のいずれかに基づいて、前記燃料電池スタックの発電を開始している。これにより、燃料電池スタックは、所望の発電条件（温度）を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、燃料電池スタックは、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらにまた、部分酸化改質器を設けることにより、水蒸気改質器を不要にすることができる。このため、水蒸気を供給するための水供給系が省略されるため、部品の削減が図られて、燃料電池システム全体の低コスト化及び小型化が良好に図られる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 前記燃料電池モジュールを構成する部分酸化改質器の最適マップの説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。 特許文献２に開示されている部分酸化改質装置の説明図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を組み込んでおり、前記燃料電池システム１０は、定置用の他、可搬用や車載用等の種々の用途に用いられている。

燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置１８とを備える。

燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２０が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２２を備える。燃料電池２０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２４の両面に、カソード電極２６及びアノード電極２８が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３０を備える。

電解質・電極接合体３０の両側には、カソード側セパレータ３２とアノード側セパレータ３４とが配設される。カソード側セパレータ３２には、カソード電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、アノード側セパレータ３４には、アノード電極２８に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３８が形成される。なお、燃料電池２０としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。

燃料電池スタック２２には、各酸化剤ガス流路３６の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、前記酸化剤ガス流路３６の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、各燃料ガス流路３８の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４２ａ、及び前記燃料ガス流路３８の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４２ｂが設けられる。

燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（ＰＯＸ）４４と、燃料電池スタック２２から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器４６と、前記燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２２に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器４８とを備える。

燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２２とＦＣ周辺機器５０とにより構成される。このＦＣ周辺機器５０は、部分酸化改質器４４、排ガス燃焼器４６及び熱交換器４８を備えるとともに、前記部分酸化改質器４４は、前記排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられる。部分酸化改質器４４は、円柱状（又は角柱状）の外形形状を有しており、部分酸化改質器４４は、前記排ガス燃焼器４６を収容するリング形状（又は角柱状）に構成される。

燃料電池スタック２２の一方に、より好ましくは、燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）一方に、熱交換器４８が配設されるとともに、前記燃料電池スタック２２の他方に、より好ましくは、燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）他方に、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配設される。

燃料電池積層方向は、重力方向と一致している。換言すれば、熱交換器４８は、燃料電池スタック２２の重力方向上部に配設されるとともに、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６は、前記燃料電池スタック２２の重力方向下部に配設される。

部分酸化改質器４４は、内部に部分酸化触媒（図示せず）が充填されるとともに、起動時に着火させるための図示しないイグナイターやグロー等の着火装置を設ける。部分酸化改質器４４には、脱硫後の原燃料が導入される混合ガス入口５２ａと、前記原燃料が部分酸化改質された改質ガス（燃料ガス）が導出される燃料ガス出口５２ｂとが設けられる。

排ガス燃焼器４６は、内部に燃焼室５４を有するとともに、前記燃焼室５４には、酸化剤排ガス入口５６、燃料排ガス入口５８及び排ガス出口６０が連通する。燃焼室５４には、起動時に還元ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとの混合ガスを着火させるための図示しないイグナイターやグロー等の着火装置が配設される。

熱交換器４８の内部には、複数の酸化剤ガス管路（図示せず）が収容された昇温空間が形成されるとともに、前記酸化剤ガス管路を流通する酸化剤ガスが、前記昇温空間に供給される高温の排ガス（燃焼ガス）により昇温される。熱交換器４８には、酸化剤ガス管路の入口及び出口に連通する酸化剤ガス供給口６２ａ及び酸化剤ガス排出口６２ｂと、昇温空間に連通する排ガス供給口６４ａ及び排ガス排出口６４ｂとが設けられる。

燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔４２ａと部分酸化改質器４４の燃料ガス出口５２ｂとは、燃料ガス通路６６を介して連通する。燃料電池スタック２２の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂと排ガス燃焼器４６の酸化剤排ガス入口５６とは、酸化剤排ガス通路６８を介して連通するとともに、前記燃料電池スタック２２の燃料ガス出口連通孔４２ｂと前記排ガス燃焼器４６の燃料排ガス入口５８とは、燃料排ガス通路７０を介して連通する。燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａと熱交換器４８の酸化剤ガス排出口６２ｂとは、酸化剤ガス通路７２を介して連通する。

排ガス燃焼器４６の排ガス出口６０には、燃焼ガス管路７４ａの一端が連通するとともに、前記燃焼ガス管路７４ａの他端が燃料電池スタック２２に接続される。前記燃料電池スタック２２には、排ガス（燃焼ガス）を導出するための燃焼ガス管路７４ｂの一端が接続され、前記燃焼ガス管路７４ｂの他端が熱交換器４８の排ガス供給口６４ａに連通する。熱交換器４８の排ガス排出口６４ｂには、燃焼ガス管路７４ｃの一端が連通するとともに、前記燃焼ガス管路７４ｃの他端が外部熱機器７６に連通する。外部熱機器７６は、例えば、給湯器や熱電変換装置等を含む。

原燃料供給装置１４は、原燃料通路８０ａを備え、この原燃料通路８０ａが、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器８２の入口に接続される。脱硫器８２の出口には、原燃料供給路８０ｂの一端が接続されるとともに、前記原燃料供給路８０ｂの他端が部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに接続される。

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス供給路８４を備え、この酸化剤ガス供給路８４が酸化剤ガス調整弁８６に接続される。酸化剤ガス調整弁８６は、第１酸化剤ガス供給路８８ａと第２酸化剤ガス供給路８８ｂとに酸化剤ガスを分配する。第１酸化剤ガス供給路８８ａは、熱交換器４８の酸化剤ガス供給口６２ａに連通する一方、第２酸化剤ガス供給路８８ｂは、原燃料供給路８０ｂに対し、脱硫器８２と部分酸化改質器４４との間に位置して連通する。

部分酸化改質器４４は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）及びブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の高級炭化水素（Ｃ_２＋）を、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

燃料電池２０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極２８では、燃料ガス中の水素、ＣＯが電解質２４の前記アノード電極２８側に供給される。

制御装置１８は、少なくとも部分酸化改質器４４の改質状態、排ガス燃焼器４６の燃焼状態又は燃料電池スタック２２の温度のいずれかに基づいて、前記部分酸化改質器４４の温度、原燃料の供給量及び酸化剤ガスの供給量の調整を行う部分酸化改質器調整部９０と、前記排ガス燃焼器４６の燃焼を開始する燃焼開始部９２と、前記燃料電池スタック２２の発電を開始する発電部９４とを備える。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図２のフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス調整弁８６の開度が設定される。具体的には、部分酸化改質に必要な空気（酸化剤ガス）及び原燃料、例えば、都市ガス（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０を含む）等が投入されるように、原燃料供給装置１４が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁８６の開度が調整される（ステップＳ１）。部分酸化改質の制御は、空燃比（Ｏ_２／Ｃ）（投入空気中の酸素モル数／投入原燃料中のカーボンモル数）により行われ、部分酸化改質器４４には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。

原燃料供給装置１４では、原燃料通路８０ａに供給された原燃料が、脱硫器８２で脱硫された後、原燃料供給路８０ｂを流通して部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス供給路８４に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁８６を介して第１酸化剤ガス供給路８８ａと第２酸化剤ガス供給路８８ｂとそれぞれ所定の量ずつ分配される。第２酸化剤ガス供給路８８ｂに分配された空気は、原燃料供給路８０ｂで原燃料に混合されて部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに供給される。

部分酸化改質器４４内では、図示しない着火装置により着火され、前記部分酸化改質器４４による部分酸化改質が開始される。例えば、Ｏ_２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ_４＋Ｏ_２→４Ｈ_２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器４４から高温（約６００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。

高温の還元ガスは、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック２２では、高温の還元ガスは、燃料ガス流路３８を流通した後、燃料ガス出口連通孔４２ｂから燃料排ガス通路７０に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路７０に連通する燃料排ガス入口５８から排ガス燃焼器４６の燃焼室５４に導入される。

一方、酸化剤ガス供給装置１６では、第１酸化剤ガス供給路８８ａに供給された空気が、酸化剤ガス供給口６２ａから熱交換器４８内に導入される。空気は、複数の酸化剤ガス管路内を移動する間に、昇温空間に導入された燃焼ガス（後述する）により加熱（熱交換）される。加熱された空気は、酸化剤ガス通路７２を介して燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。

燃料電池スタック２２では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３６を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから酸化剤排ガス通路６８に排出される。酸化剤排ガス通路６８は、排ガス燃焼器４６を構成する燃焼室５４に開口しており、前記燃焼室５４に空気が導入される。従って、燃焼室５４内には、燃料排ガス及び酸化剤排ガスが導入され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。

燃焼室５４に発生した燃焼ガスは、排ガス出口６０から燃焼ガス管路７４ａを通って燃料電池スタック２２に供給され、前記燃料電池スタック２２を昇温させる。さらに、燃焼ガスは、燃焼ガス管路７４ｂを通って熱交換器４８の排ガス供給口６４ａに導入される。

このため、燃焼ガスは、熱交換器４８内の昇温空間に供給され、複数の酸化剤ガス管路内を移動する酸化剤ガスを昇温させた後、排ガス排出口６４ｂから燃焼ガス管路７４ｃを通って外部熱機器７６に供給される。

上記のように、燃料電池スタック２２は、加熱された空気、加熱された燃料ガス及び燃焼ガスが流通することにより、昇温される。一方、部分酸化改質器４４は、排ガス燃焼器４６により昇温され、前記部分酸化改質器４４が所定の運転可能状態になったか否かが判断される（ステップＳ３）。

具体的には、図３に示すように、部分酸化改質器４４の温度と空燃比とから、高効率な反応が得られる高効率範囲がマップとして設定されている。このため、部分酸化改質器４４の温度Ｔ１が予め設定された範囲である７００℃≦Ｔ１≦９００℃で、且つ空燃費（Ｏ_２／Ｃ）が予め設定された範囲である０．４５≦Ｏ_２／Ｃ≦０．５５であると、すなわち、部分酸化改質器４４の改質状態がＯＫであると判断される。

部分酸化改質器４４の改質状態がＯＫであると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、燃料電池スタック２２の温度（スタック温度）が予め設定された温度であるＴ２（例えば、６５０℃）以上であるか否かが判断される。スタック温度が、Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、燃料電池スタック２２が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２０のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２２の発電が可能であると判断する（ステップＳ５中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２２は、発電が開始される（ステップＳ６）。

燃料電池スタック２２の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路３６を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路３８を流通する。従って、各燃料電池２０のカソード電極２６に空気が供給されるとともに、アノード電極２８に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。

反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路６８に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路７０に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器４６に送られて燃焼される。排ガス燃焼器４６内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室５４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始されるが、もし、自己着火温度を超えない場合においては、図示しない着火装置により着火される。

一方、ステップＳ３において、部分酸化改質器４４の改質状態がＮＧであると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、部分酸化改質器４４の温度が調整されるとともに、前記部分酸化改質器４４に供給される原燃料及び空気（Ｏ_２／Ｃ）が調整される。

また、ステップＳ４において、スタック温度がＴ２未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、排ガス燃焼器４６の温度が予め設定された温度である設定温度Ｔ３（例えば、９００℃）以上であるか否かが判断される。排ガス燃焼器４６の温度が、設定温度Ｔ３以上であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に戻される。一方、排ガス燃焼器４６の温度が、設定温度Ｔ３未満であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻される。

この場合、本実施形態では、部分酸化改質器調整部９０は、少なくとも部分酸化改質器４４の改質状態、排ガス燃焼器４６の燃焼状態又は燃料電池スタック２２の温度のいずれかに基づいて、前記部分酸化改質器４４の温度、原燃料の供給量及び酸化剤ガスの供給量の調整を行っている。

これにより、部分酸化改質器４４は、所望の改質条件を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。しかも、部分酸化改質器４４は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

また、燃焼開始部９２は、少なくとも部分酸化改質器４４の改質状態、排ガス燃焼器４６の燃焼状態又は燃料電池スタック２２の温度のいずれかに基づいて、前記排ガス燃焼器４６の燃焼を開始している。このため、排ガス燃焼器４６は、自己着火温度を維持する燃焼条件を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器４６は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらに、発電部９４は、少なくとも部分酸化改質器４４の改質状態、排ガス燃焼器４６の燃焼状態又は燃料電池スタック２２の温度のいずれかに基づいて、前記燃料電池スタック２２の発電を開始している。従って、燃料電池スタック２２は、所望の発電条件（温度）を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、燃料電池スタック２２は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらにまた、部分酸化改質器４４を設けることにより、水蒸気改質器を不要にすることができる。これにより、水蒸気を供給するための水供給系が省略されるため、部品の削減が図られて、燃料電池システム１０全体の低コスト化及び小型化が良好に図られる。

また、部分酸化改質器調整部９０は、部分酸化改質器４４の温度Ｔ_ＲＥ（Ｔ１）が予め設定された範囲外、例えば、７００℃≦Ｔ_ＲＥ≦９００℃の範囲外で、且つ、空燃費（Ｏ_２／Ｃ）が予め設定された範囲外、例えば、０．４５≦Ｏ_２／Ｃ≦０．５５の範囲外である際（ステップＳ３中、のＮＯ）、前記部分酸化改質器４４の温度、原燃料の供給量及び酸化剤ガスの供給量の調整を行っている（ステップＳ７）。

このため、部分酸化改質器４４は、所望の温度範囲内に且つ所望の空燃比範囲内に、すなわち、適切な改質条件に調整されるので、熱自立運転を良好に促進することができる。しかも、部分酸化改質器４４は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらに、燃焼開始部９２は、燃料電池スタック２２の温度Ｔ_ＳＴ（Ｔ２）が予め設定された温度未満、例えば、６５０℃＞Ｔ_ＳＴで（ステップＳ４中、ＮＯ）、且つ、排ガス燃焼器４６の温度Ｔ_ＢＲ（Ｔ３）が予め設定された温度未満、例えば、９００℃＞Ｔ_ＢＲである際（ステップＳ８中、ＮＯ）、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始している（ステップＳ２）。

従って、排ガス燃焼器４６は、自己着火温度を維持する燃焼条件を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器４６は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

さらにまた、発電部９４は、部分酸化改質器４４の温度Ｔ_ＲＥが予め設定された範囲内、例えば、７００℃≦Ｔ_ＲＥ≦９００℃の範囲内で、且つ、空燃費（Ｏ_２／Ｃ）が予め設定された範囲内、例えば、０．４５≦Ｏ_２／Ｃ≦０．５５の範囲内であるとともに（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、燃料電池スタックの温度Ｔ_ＳＴが予め設定された温度以上、例えば、６５０℃≦Ｔ_ＳＴである際（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、前記燃料電池スタックの発電を開始している（ステップＳ５）。

これにより、燃料電池スタック２２は、所望の発電条件（温度）を満たすように調整されるため、熱自立運転の促進が容易に図られる。しかも、燃料電池スタック２２は、起動時間の短縮を図るとともに、起動安定性の向上が良好に遂行可能になる。

また、燃料電池スタック２２の一方に、熱交換器４８が配置されるとともに、前記燃料電池スタック２２の他方に、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配置されている。このため、燃料電池スタック２２の放熱が最小化され、前記燃料電池スタック２２の温度分布の差が減少されている。このため、熱エネルギの損失を抑制することができ、熱自立運転の促進が容易に図られるという効果が得られる。

さらに、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…制御装置 ２０…燃料電池
２２…燃料電池スタック ２４…電解質
２６…カソード電極 ２８…アノード電極
３０…電解質・電極接合体 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４４…部分酸化改質器
４６…排ガス燃焼器 ４８…熱交換器
５０…ＦＣ周辺機器 ５２ａ…混合ガス入口
５２ｂ…燃料ガス出口 ５４…燃焼室
５６…酸化剤排ガス入口 ５８…燃料排ガス入口
６０…排ガス出口 ６２ａ…酸化剤ガス供給口
６２ｂ…酸化剤ガス排出口 ６４ａ…排ガス供給口
６４ｂ…排ガス排出口 ６６…燃料ガス通路
６８…酸化剤排ガス通路 ７０…燃料排ガス通路
７２…酸化剤ガス通路 ７４ａ〜７４ｃ…燃焼ガス管路
７６…外部熱機器 ８０ａ…原燃料通路
８０ｂ…原燃料供給路 ８２…脱硫器
８４、８８ａ、８８ｂ…酸化剤ガス供給路
８６…酸化剤ガス調整弁 ９０…部分酸化改質器調整部
９２…燃焼開始部 ９４…発電部

Claims (7)

1. 燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
   炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する部分酸化改質器と、
   前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
   前記燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
   を備え、
   前記制御装置は、少なくとも前記部分酸化改質器の改質状態、前記排ガス燃焼器の燃焼状態又は前記燃料電池スタックの温度のいずれかに基づいて、
   前記部分酸化改質器の温度、前記原燃料の供給量及び前記酸化剤ガスの供給量の調整を行う部分酸化改質器調整部と、
   前記排ガス燃焼器の燃焼を開始する燃焼開始部と、
   前記燃料電池スタックの発電を開始する発電部と、
   を備え、
   前記発電部は、前記部分酸化改質器の温度Ｔ _RE が７００℃≦Ｔ _RE ≦９００℃の範囲内で、且つ、空燃費（Ｏ ₂ ／Ｃ）が０．４５≦Ｏ ₂ ／Ｃ≦０．５５の範囲内であるとともに、前記燃料電池スタックの温度Ｔ _ST が６５０℃≦Ｔ _ST である際、前記燃料電池スタックの発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記部分酸化改質器調整部は、前記部分酸化改質器の温度Ｔ_REが予め設定された範囲外で、且つ、空燃費（Ｏ₂／Ｃ）が予め設定された範囲外である際、前記部分酸化改質器の温度、前記原燃料の供給量及び前記酸化剤ガスの供給量の調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記部分酸化改質器調整部は、前記部分酸化改質器の温度Ｔ_REが７００℃≦Ｔ_RE≦９００℃の範囲外で、且つ、空燃費（Ｏ₂／Ｃ）が０．４５≦Ｏ₂／Ｃ≦０．５５の範囲外である際、前記部分酸化改質器の温度、前記原燃料の供給量及び前記酸化剤ガスの供給量の調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼開始部は、前記燃料電池スタックの温度Ｔ_STが予め設定された温度未満で、且つ、前記排ガス燃焼器の温度Ｔ_BRが予め設定された温度未満である際、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼開始部は、前記燃料電池スタックの温度Ｔ_STが６５０℃＞Ｔ_STで、且つ、前記排ガス燃焼器の温度Ｔ_BRが９００℃＞Ｔ_BRである際、前記排ガス燃焼器の燃焼を開始することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの一方に前記熱交換器が配設され、且つ前記燃料電池スタックの他方に前記部分酸化改質器及び前記排ガス燃焼器が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。

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