JP2008004516A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの電気効率を向上すると同時に装置全体としての構成の簡略化及び低補機動力化を図ることができる燃料電池システムを提案する。
【解決手段】燃料電池発電システム７０において、燃料電池スタック５０に積層された複数セルの全部又は一部と熱伝導性を有して係合された熱移動媒体６１と、熱移動媒体６１と熱導通接続するように燃料電池スタック５０に隣接して配置され、当該熱移動媒体６１を介して供給される熱に基づき水蒸気を発生する第２の蒸気生成器６０とを設けるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、スタック運転温度が１００〔℃〕以上の中温型燃料電池スタックにおけるスタック発熱の有効利用を実現するものである。

図９に従来の燃料電池スタック１の構造を示す。従来の燃料電池スタック１は、シート状の固体高分子電解質膜２と、二の固体高分子電解質膜２の主両面のそれぞれに接合させた燃料電極３および酸化剤電極４、さらにその外側両面のそれぞれに燃料ガス流路５を有する燃料ガス用セパレータ６および酸化剤ガス流路７を有する酸化剤ガス用セパレータ８からなる燃料電池セル９が複数枚積層され、ある積層枚数毎にあるいは燃料電池セル９と交互に冷却媒体流路１０を有する冷却板１１が配置されて構成されている。

ここで、冷却板１１は、水素を主燃料とする燃料ガスと空気または酸素等の酸化剤ガスが固体高分子電解質膜２を挟んで電気化学的に反応する際に、発熱することからこの反応熱を排熱し、燃料電池セル９の温度を一定に保つために配置されている。また、冷却板１１に供給される冷却媒体には、主に水が用いられている。

この燃料電池スタック１が搭載された従来の定置用燃料電池発電システム２０の構成を図１０に示す。燃料電池スタック１内の冷却板１１に供給される冷却媒体が、循環ポンプ２１等の動力により、冷却板１１と純水タンク２２間を循環するように構成されている。純水タンク２２は、外部との熱利用機器、例えば、貯湯槽２３との間で熱交換することで、冷却板１１から排出され高温となった冷却水は所定の温度に冷却された後、再度冷却板１１に供給され循環されるシステム構成となっている。

具体的には、外部より原料ガスの供給を受けて、原料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器２４と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするシフト反応器２５及びＣＯ選択酸化部２６と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の冷却水と貯湯槽２３の低温水との熱交換を行なう熱交換器２７と、燃料電池スタック１からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、変換された直流電力を商用電源（系統）と同位相の交流電力に変換して商用電源（系統）に電力を供給するインバータ２９を備える。

また、純水タンク２２に貯められた純水が、純水供給ポンプ３０を介して、蒸気発生器３１に供給され、蒸気調節弁３２を介して改質器２４の入口に供給されるように、直列に配置されている。改質器２４及びシフト反応器２５では、原料ガスラインから昇圧ポンプ３３と硫黄分を除く脱硫器３４と調節弁３５とを介して供給される原料ガスと、純水タンク２２から蒸気発生器３１を介して調節弁３２によりその流量が調整される水蒸気とによる次式（１）および式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ……（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ ……（２）

改質器２４には、こうした反応に必要な熱と、加えて蒸気生成器３１で蒸気を生成するために必要な熱とを供給する燃焼部３６が設けられており、その燃焼部３６には、燃料電池スタック１のアノード側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになされている。

従って、従来の低温型固体高分子型燃料電池（運転温度が１００〔℃〕以下）を用いた発電システム２０においては、燃料電池スタック１で必要とする水素量と、上記燃焼部３６を７００〔℃〕程度の所定の温度に維持するために必要な水素量との総和に相当する原料ガスを、発電システムに供給する必要があった。

ここで、次式（３）に、定置用燃料電池発電システムの発電効率を示す。

給したメタンのうち、改質された割合）、Ｕｆは燃料利用率（発電に必要な理論水素量と実際に燃料電池スタック５０に供給する水素量との比）、Ｖは定格負荷運転時の電圧、Ｖ_０は理論電圧、ηｉｎｖはインバーター効率を表す。

現在、日本国内でリース販売されている低温型固体高分子型燃料電池発電システムの発電効率は、約３２〔％〕（ＨＨＶ）であり、系統電力の平均発電効率約３７〔％〕に比べ低い値となっているが、給湯に用いる熱回収効率が４０〔％〕を超えるので、総合効率７０〔％〕（ＨＨＶ）を上回るシステムになっている。

従って、熱主電従のコジェネ運転において、その優位性を発揮できるが、例えば、夏場においては、給湯の需要は低減するので、総合効率での優位性が確立できなくなり、前記低温型固体高分子型燃料電池発電システムの稼働時間が低減することから、年間のランニングコスト低減のメリットが縮小する課題がある。これより、固体高分子型燃料電池発電システムの商用化普及には、その発電効率を、系統電力と同等以上に高めることが望まれている。

この様な要望を受けて、近年、システムにおける熱の有効利用を図るため、運転温度が１００〔℃〕以上の中温型（本文では、運転温度１００〔℃〕以下の燃料電池を低温型、運転温度１００〜２５０〔℃〕を中温型と定義する）固体高分子型燃料電池の研究開発が進められている。この中温型固体高分子型燃料電池では、燃料電池スタックの冷却媒体である水の温度も１００〔℃〕以上になるため、飽和蒸気圧上昇に伴い冷媒配管系は耐圧仕様が必須となる。

特に、冷却水循環ポンプ２１（図１０）の耐圧仕様化は、現状、容量の大きい産業用ポンプからの選定となるため、必然的に消費動力及びサイズの増大につながり、家庭用等をターゲットとした小容量（例えば、５ｋＷ以下）燃料電池発電システム設計において、システム効率面及びシステムサイズ面で、システム設計が成立せず、商品化が困難に成る問題があった。

この場合、冷却系の耐圧仕様を回避するため、高沸点冷媒、例えばシリコンオイル等を用いる対案も考えられるが、これら高沸点冷媒は、水より熱伝導性がかなり低いため、冷却媒体流量増大に伴う循環ポンプの動力増大をもたらすだけでなく、コジェネを目的とした定置用燃料電池発電システムの熱回収の面からも熱効率の低下を招き、前記と同様に、競争力のある商品化が成立しない問題が残った。

上記冷却系耐圧仕様の問題解決策として、特許文献１は、冷却板に前記燃料電池セルの積層端面の面積より広く、積層端面より突出した構造のプレート型ヒートパイプを用いることにより、プレート型ヒートパイプを利用した放熱構造を実現することで、燃料電池スタックの空冷を可能にし、燃料電池セルを冷却するための循環ポンプ、冷却循環水配管等の設備が不要で、また冷却媒体を循環させるためのポンプ動力、さらに冷却媒体である水の管理等を必要とせず、装置の小型化と低コスト化を達成し、発電中の効率を向上させ、保守管理の容易な燃料電池を提供する方法を開示している。
特開平１１−２１４０１７号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法では、燃料電池スタックの冷却に特化した内容であり、携帯用燃料電池等の用途では有効な手段ではあるが、燃料電池スタックの発熱を有効利用するコジェネを目的とした定置用燃料電池発電システムにおいては、そのシステム効率向上に向けた内容の施策には至っていない。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、システムの電気効率を向上すると同時に装置全体としての構成の簡略化及び低補機動力化を図ることができる燃料電池システムを提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明では、電解質と当該電解質を挟むアノード及びカソードから成る一対の電極から構成されたセルと、電極のアノードに水素を含む燃料ガスを供給・排出し、カソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータを交互に複数積層された燃料電池スタックと、原料ガスから燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、燃料改質処理系にて改質反応を起こすために必要な水蒸気を供給する第１の蒸気生成器に純水を供給すると同時に排熱の有効利用を行うための純水系を有する燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタックに積層された複数セルの全部又は一部と熱伝導性を有して係合された熱移動媒体と、熱移動媒体と熱導通接続するように燃料電池スタックに隣接して配置され、当該熱移動媒体を介して供給される熱に基づき水蒸気を発生する第２の蒸気生成器とを備えることを特徴とする。

また本発明においては、第１の蒸気生成器と第２の蒸気生成器とを、第１の遮断弁を介して連結することで直列配置すると共に、第２の蒸気生成器が、蒸気調整弁を介して燃料改質処理系の入口に連結するラインと、第２の遮断弁を介して純水系に戻すラインとを有し、システム起動中に、第１の遮断弁を開状態にして、第１の蒸気生成器で生成した蒸気を第２の蒸気生成器へ供給することで、第２の蒸気生成器内に滞留した蒸気の熱を、各熱移動媒体を介して、燃料電池スタックに与えて昇温を行い、更に、燃料電池スタックの昇温完了後、システム負荷投入時に、蒸気調整弁を開状態にして、第１の蒸気生成器で生成した蒸気を第２の蒸気生成器を介して、燃料改質処理系に供給することで、システム負荷運転に移行し、更に、負荷運転整定後に、第１の蒸気生成器と第２の蒸気生成器との間に配置した第１の遮断弁を閉状態にするとともに、第２の遮断弁を開状態にして、第２の蒸気生成器の単独運転に切り替えることを特徴とする。

さらに本発明においては、熱移動媒体は、燃料電池スタックに積層された複数セルについて、所定数の積層枚数毎に又は各セルと交互にそれぞれ挿入されていることを特徴する。さらに熱移動媒体は、プレート中に蛇行細管が配置または形成され、細管中に熱輸送媒体である作動液が封入された蛇行細管型ヒートパイプ構造であることを特徴とする。

さらに熱移動媒体は、複数セルの積層端面の少なくとも１面以上の面に、電気絶縁性の介在物を配して接触配置されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池発電システムによると、運転温度が１００〔℃〕以上の中温型燃料電池スタックの発熱を、隣接する第２の蒸気生成器に移動させ、改質反応に必要な蒸気生成に使用することが出来るので、従来の低温型（運転温度７０〜８０〔℃〕）固体高分子型燃料電池発電システムで実施していた燃料改質処理系内に設けた第１の蒸気生成器へ、改質蒸気生成必要相当の熱を与える必要が無くなり、燃料電池発電システムに投入する原料ガスを削減できる。結果として、より高燃料利用率の運転が可能となることから、燃料電池発電システムの高電気効率化が達成できる。

また、燃料電池スタックの発熱を前記第２の蒸気生成器に移動させる熱移動媒体は、熱伝導性に優れたプレート型ヒートパイプなので、従来熱移動媒体として水を用いていた場合に必要とされた耐圧仕様の循環ポンプ、冷却循環水配管等の設備を削除することが出来るので、装置の小型化、低コスト化、更には、補機動力低減化が達成できる。

更には、本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法によると、システム起動中は、改質器の燃焼部で発生する燃焼熱の一部を得て、第１の蒸気生成器にて生成した蒸気を利用して、第２の蒸気生成器に配置した熱移動媒体を介して熱伝達することで、燃料電池スタックの昇温操作を行い、更に、負荷投入及び定格負荷移行の過渡状態中は、未だ、燃料電池スタックから第２の蒸気生成器への熱移動量が不十分なため、第２の蒸気生成器単独での改質蒸気供給は実現できない状態により、前記第１の蒸気生成器から継続して生成される蒸気を、改質器に改質蒸気として供給できるように制御するので、運転温度が１００〔℃〕以上の中温型燃料電池スタックでも、従来熱移動媒体として水を用いていた場合に必要とされた耐圧仕様の循環ポンプ、冷却循環水配管等の設備を必要とナることなく、迅速に効率よく、燃料電池スタックの昇温操作を完了し、スムーズに定格運転までの過渡状態も完了できる。

以上の事項より、中温型燃料電池スタックの発熱を利用し、改質蒸気を生成することで、燃料電池発電システムの電気効率を向上すると同時に、従来の燃料電池スタック冷却水循環ラインを削除したので、装置の低コスト化、低補機動力化を図る燃料電池発電システムを提供することができる。

本発明は、特に中温型燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタックの冷却または加熱用の熱移動媒体を介して、燃料電池スタックと第１の蒸気発生器を隣接配置することで、発電運転中は、燃料電池スタックの発熱を直接、改質器用の蒸気発生の熱源に利用し、一方、システム起動中は、第１の蒸気発生器で得た熱を燃料電池スタックの加熱に利用することを特徴とする。

以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
（１）第１の実施の形態
（１−１）燃料電池スタックの構成
図１は本発明の一実施例を示す燃料電池スタック５０の構造を示し、当該燃料電池スタック５０を第２の蒸気発生器５１に隣接配置した構造を図２に示す。以下、図１及び図２を用いて本発明の一実施例について説明する。

本発明の燃料電池スタック５０は、シート状の固体高分子電解質膜５２と、この固体高分子電解質膜５２の主両面のそれぞれに接合させた燃料電極５３および酸化剤電極５４、さらにその外側両面のそれぞれに燃料ガス流路５５を有する燃料ガス用セパレータ５６および酸化剤ガス流路５７を有する酸化剤ガス用セパレータ５８からなる燃料電池セル５９が複数枚積層され、ある積層枚数毎に燃料電池セル５９の積層端面の少なくとも一辺から、積層端面より突出した構造の熱移動媒体６０が介在された構成からなる。これら熱移動媒体６０には、それぞれ突出部に絶縁シート６１が被覆されており、第２の蒸気生成器５１と接続した際に短絡を未然に防ぐようになされている。

熱移動媒体６０と絶縁シート６１を介した第２の蒸気生成器５１との間の接続は、熱の移動を容易にするため、第２の蒸気生成器５１内に、熱移動媒体６０がフィン構造を得るように配置される。尚、熱移動媒体６０と第２の蒸気生成器５１間の接続は、フィン構造に限定されるものではなく、両者間の熱交換が有効に実施される構成が望ましい。また、燃料電池スタック５０と熱移動媒体６０、更には第２の蒸気生成器５１の周囲には、放熱を防止するための断熱材６２が全体を覆うように取り付けられている。

ここで、燃料電池スタック５０が定格負荷運転時の発熱量と、その定格運転時の改質反応を行うために要する改質蒸気を生成するのに必要な熱量の収支に関する概略計算を以下に示す。
・仮定条件
▲１▼システム容量 ：家庭用１ｋＷ級発電システム （グロス出力１．３〔ｋＷ〕）
▲２▼燃料電池定格性能 ：０．３〔Ａ／ｃｍ^２〕負荷電流時、セル電圧０．７５〔Ｖ／ｃｅｌｌ〕、セル有効面積１００〔ｃｍ^２〕、セル数４５〔ｃｅｌｌ〕
▲３▼改質器性能 ：改質器転換効率９０〔％〕、燃料利用率Ｕｆ＝８０〔％〕、スチーム／カーボン比＝３
▲４▼放熱 ＝ ０（理想条件）

以上▲１▼〜▲４▼の仮定条件で、計算した場合の熱収支は以下の表１に示す通りである。

以上、表１の結果より、放熱や過渡応答を考慮しても、スタックの発熱量で、十分改質蒸気生成の熱量をまかなうことができる。

以上、説明した実施例の燃料電池発電システムの定格運転によれば、運転温度が１００〔℃〕以上の中温型の燃料電池スタック５０の発熱を、隣接する第２の蒸気生成器５１に移動させ、改質反応に必要な蒸気生成に使用することが出来るので、従来の低温型（運転温度７０〜８０〔℃〕）固体高分子型燃料電池発電システムで実施していた燃料改質処理系内に設けた第１の蒸気生成器３１（図１０）へ、改質蒸気生成必要相当の熱を与える必要が無くなり、燃料電池発電システムに投入する原料ガスを削減できる。結果として、より高燃料利用率の運転が可能となることから、燃料電池発電システムの高電気効率化が達成できる。

（１−２）熱移動媒体の詳細構成
次に、本発明で用いている熱移動媒体６０について、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。熱移動媒体６０は、プレート型ヒートパイプ構造を有しており、導電性を有する金属プレート中にループ型蛇行細管６５が配置または形成され、当該細管中に熱輸送媒体である作動液が封入されている。導電性を有するプレートには、アルミニウム、ステンレス、銅等の導電性、加工性に優れた金属またはカーボン材質のものが用いられる。特に、本発明の熱移動媒体６０に導電性が必要とされる理由は、前記熱移動媒体６０を挟んだ燃料電池セル５９間を電気的に直列に接続させるためである。

作動液は、本発明の燃料電池スタック５０の運転温度は範囲に適応したＨＦＣ１３４ａ（代替フロン）またはブタン（Ｂｕ）系作動液等が用いられ、前記ループ型蛇行細管６５中に封入されている。プレート型ヒートパイプ構造を有する熱移動媒体６０の特徴は、適用姿勢による大幅な熱輸送能力の変化が無いため、熱移動媒体６０の両端において、受熱部と放熱部の交換が可能になる。従って、燃料電池スタンク５０と第２の蒸気生成器５１間で、両方向に熱の出し入れが実現できる。また、市販されているプレート型ヒートパイプ構造を有する熱移動媒体６０の性能の一例を以下に示す。

表１に示した１ｋＷ級燃料電池スタックの発熱量０．８９〔ｋＷ〕に対して、表２に示す熱移動媒体６０の一例の熱輸送量性能にて燃料電池スタック５０構成（例えば、熱移動媒体挿入時の接触面積１００〔ｃｍ^２〕にて計算）を検討すると、燃料電池スタック５０内の温度分布低減化を考慮しても、例えば９枚（単位セル５枚に１枚毎の挿入）の熱移動媒体６０を挿入すれば、運用上問題なく燃料電池発電システム内における所定の熱収支を実現できる。

以上、説明した実施例の熱移動媒体６０を用いれば、熱移動媒体６０はプレート型ヒートパイプ構造を有するので、燃料電池スタック５０の発熱は、前記熱移動媒体６０内部の作動液に熱伝達され、その作動液は高温高圧の蒸気泡となり、低温の第２の蒸気生成器５１側への作動液の循環現象、または振動現象により、第２の蒸気生成器５１へ速やかに熱伝達することが出来る。

これより、運転温度が１００〔℃〕以上の中温型燃料電池発電システムでも、従来熱移動媒体として水を用いていた場合に必要とされた耐圧仕様の循環ポンプ、冷却循環水配管等の設備を必要とすることなく、燃料電池スタック５０の発熱を、迅速に効率よく、第２の蒸気生成器５１に移動させ、蒸気の生成が可能となる。

（１−３）燃料電池発電システムの構成
次に、本発明の燃料電池発電システムの構成について説明する。図１０との対応部分に同一符号を付した図４は、本発明の一実施例である定置用燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム７０は、図示するように、外部より原料ガスの供給を受けて、原料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器２４と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするシフト反応器２５と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタック５０と、燃料電池スタック５０の冷却水と貯湯槽２３の低温水との熱交換を行なう熱交換器７１と、燃料電池スタック５０からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、変換された直流電力を商用電源（系統）と同位相の交流電力に変換して商用電源（系統）に電力を供給するインバータ２９を備える。

また、純水タンク２２に貯められた純水が、純水供給ポンプ３０を介して、第１の蒸気生成器３１に供給され、更には、遮断弁７２を介して第２の蒸気生成器５１に供給され、最終的に、蒸気調節弁３２を介して改質器２４の入口に供給されるように、直列に配置されている。また、純水供給ポンプ３０の下流で、配管が分岐され、バイパス弁７３を配置した後、遮断弁７２の下流につながる第１の蒸気生成器３１のバイパスライン７４が設けられている。また、第２の蒸気生成器５１には、当該第２の蒸気生成器５１内の液位、及び圧力を測定する液位計７５と圧力計７６が配置されており、それらの信号を受けて、所定の液位及び圧力に制御されるように、遮断弁７７を配備した純水タンク２２への戻りライン７８が設けられている。

改質器２４及びシフト反応器２５では、原料ガスラインから昇圧ポンプ３３と硫黄分を除く脱硫器３４と調節弁３５とを介して供給される原料ガスと、純水タンク２２から第１の蒸気生成器３１及び第２の蒸気発生器５１介して調節弁３２によりその流量が調整される水蒸気とによる前記式（１）および式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成するように構成されている。改質器２４には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３６が設けられており、その燃焼部３６には、燃料電池スタック５０のアノード側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになっている。

燃料電池スタック５０は、シフト反応器２５からの燃料ガス中の水素と空気ブロア７９からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。上述のように燃料電池スタック５０と第２の蒸気生成器５１との間には、熱移動媒体６０を配置することで、両者間の熱移動を効率良く行える構成になっている。

ここで、例えば、１ｋＷ級定置用燃料電池発電システムの熱収支を示す表１によると、
（定格運転時の１ｋＷ級スタックの発熱量）＞（定格運転時に改質蒸気生成に必要な熱量） ……（４）
の関係が成立するので、前記（４）式の差分の熱量を、純水タンク２２に戻すように、純水供給ポンプ３０の吐出流量と、第２の蒸気生成器５１内の圧力を検知して動作する戻りライン７８に配置された遮断弁７７を制御することで、純水タンク２２に燃料電池スタック５０の発熱の一部を移動できるように構成されている。更に、この純水タンク２２には、熱交換器７１が設けられており、燃料電池スタック５０の発熱の一部を受け取り昇温した純水との熱交換により、貯湯槽２３からポンプ８０により供給される低温水が加温されて貯湯槽２３に貯湯されるように構成されている。

以上説明した本実施例の固体高分子型燃料電池発電システム７０によれば、１００〔℃〕以上で運転される燃料電池スタック５０の発熱量を、熱移動媒体６０を介して、第２の蒸気生成器５１に効率良く伝えることが可能となるので、第２の蒸気生成器５１において、定格発電運転時に必要な改質蒸気の約２倍の蒸気（系外への放熱分は、“０”と仮定）を生成できる。

本実施例の燃料電池発電システム７０が定格運転時は、遮断弁７２が閉じ、遮断弁７３が開くので、純水ポンプ３０から供給される純水は、第１の蒸気生成器３１をバイパスして、直接、第２の蒸気生成器５１に供給される。これより、定格運転中は、燃料電池スタック５０の発熱だけを利用した第２の蒸気生成器５１の単独運転になるので、従来の低温型固体高分子型燃料電池発電システム２０（図１０）で実施されていた様なアノードオフガス中の未反応水素の燃焼熱を利用した第１の蒸気生成器３１による改質蒸気の生成を休止することができる。この結果、第１の蒸気生成器３１にて蒸気生成に使われる熱量分の原料ガス投入量を削減できるので、発電効率を高めることが出来る。（前記式（３）における燃料利用率Ｕｆを高めることで、発電効率の上昇になる）

（１−３）燃料電池発電システムの起動操作
次に、本発明の燃料電池発電システム７０の起動する際の操作について説明する。図５及び図６は本発明で実行される起動操作の一例を示すフローチャートである。

燃料電池発電システム７０の起動指令が実行されると、空気ブロア７９が稼動し、燃焼部３６へ空気を供給する。その後、原料ガスラインの昇圧ポンプ３３が稼動し、脱硫器３４を通過した原料ガスが、図示しない配管を介して燃焼部３６に供給される。次に、燃焼部３６に配置されたバーナー３６Ａを点火させることで、供給された空気と原料ガスは燃焼部３６内を加熱し、改質器２４及び隣接するシフト反応器２５と第１の蒸気生成器３１の昇温を行う。

燃焼部３６が、第１の蒸気生成器３１にて十分に蒸気生成が可能な所定の温度まで昇温が到達したところで、純水供給ポンプ３０を稼動させ、純水タンク２２から、第１の蒸気生成器３１まで、純水を供給する。この時、遮断弁７２は開状態なので、第１の蒸気生成器３１で生成された蒸気は、直列に接続された第２の蒸気生成器５１に供給される。

第２の蒸気発生器５１に供給された蒸気は、熱移動媒体６０を介して燃料電池スタック５０に熱を与えることで、燃料電池スタック５０の昇温操作が実施される。第２の蒸気生成器５１内では、供給された蒸気は、燃料電池スタック５０に熱を与えた後、凝縮し、その凝縮液位が上昇するが、液位計７５が検出し、所定の液位を超えた場合、遮断弁７７が開き、凝縮水を戻りライン７８を通して、純水タンク２２に戻るように操作することで、第２の蒸気生成器５１の液位を制御する。

また、燃料電池スタック５０が所定の運転温度、例えば１５０〔℃〕に到達した場合には、その温度に相当する蒸気圧を圧力計７６が検出し、遮断弁７７が開き、蒸気を戻りライン７８を通して、純水タンク２２に放出するように操作することで、第２の蒸気生成器５１及び燃料電池スタック５０の温度を所定値に制御する。以上の改質器２４及び燃料電池スタック５０の昇温操作を実施し、両者が所定の温度に到達した場合、燃料ガス導入モードへ移行する。

第２の蒸気生成器５１内に滞留する蒸気は、蒸気調節弁３２を開けることで、改質器２４に供給される。その後、脱硫器３４の下流に配置した調節弁３５を開くことで、原料ガスを改質器２４に供給する。この結果、改質器２４、シフト反応器２５では、それぞれ、式（１）に示した水蒸気改質反応、式（２）に示したシフト反応が起きることで、燃料電池スタック５０のアノードには、水素リッチな燃料ガスがされる。その後、調節弁８１を開いて、空気を燃料電池スタック５０のカソード供給することで、燃料電池スタック５０は発電運転スタンバイ状態に移行し、系統への負荷投入が実行される。

次に、定格運転相当の水素リッチな燃料ガス及び空気が供給された段階で、負荷増大が実施され、定格負荷運転に移行する。定格負荷運転到達後、第１の蒸気生成器３１の下流に配置した遮断弁７２を閉じると同時に、第１の蒸気生成器３１をバイパスするバイパスライン７４に配置した遮断弁７３を開けることで、純水タンク２２の純水が直接、第２の蒸気生成器５１に供給される。この結果、純水タンク２２から供給された純水は、熱移動媒体６０を介して移動してきた燃料電池スタック５０の発熱分により、第２の蒸気生成器５１内で蒸気に変換され、改質器２４に供給される改質蒸気として使われる。従って、定格負荷モードでは、第２の蒸気生成器５１の単独運転により、改質器２４への改質蒸気供給が継続される。

以上説明した本実施例の固体高分子型燃料電池発電システム７０の起動操作方法によれば、システム起動中は、改質器２４の燃焼部３６で発生する燃焼熱の一部を得て、第１の蒸気生成器３１にて生成した蒸気を利用して、第２の蒸気生成器５１に配置した熱移動媒体６０を介して熱伝達することで、燃料電池スタック５０の昇温操作を行い、更に、負荷投入及び定格負荷移行の過渡状態中は、未だ、燃料電池スタック５０から第２の蒸気生成器５１への熱移動量が不十分なため、第２の蒸気生成器５１単独での改質蒸気供給は実現できない状態により、前記第１の蒸気生成器３１から継続して生成される蒸気を、改質器２４に改質蒸気として供給できるように制御される。

この結果、運転温度が１００〔℃〕以上の中温型燃料電池スタック５０でも、従来熱移動媒体として水を用いていた場合に必要とされた耐圧仕様の循環ポンプ、冷却循環水配管等の設備を必要とすることなく、迅速に効率よく、燃料電池スタック５０の昇温操作を完了することができる。

（２）第２の実施の形態
（２−１）燃料電池スタックの構成
図７及び図８に、本発明の第２の実施の形態である燃料電池スタック９０の構成を示す。
図７に示すように、本発明においては、扁平形状の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の主両面のそれぞれに接合させた燃料電極および酸化剤電極、さらにその外側両面のそれぞれに燃料ガス流路を有する燃料ガス用セパレータおよび酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガス用セパレータからなる燃料電池セルが複数枚積層され、積層端面が扁平状の燃料電池スタック９０が構成される。

前記燃料電池スタック９０の積層端面の長辺にあたる２つの積層側面には、絶縁シート９１を介して、プレート状の熱移動媒体９２が１枚、若しく複数枚並列配置され、当該熱移動媒体９２の一端は、前記燃料電池スタック９０の積層側面より突出し、図８に示すように第２の蒸気生成器５１を挟み込む形状で配置される。

前記熱移動媒体９２と、絶縁シート９１を介した燃料電池スタック９０との接続、及び第２の蒸気生成器５１との接続は、接触熱抵抗を小さくし熱の移動を容易にするため、所定の接触面圧にて配備させるようになっている。また、燃料電池スタック９０と熱移動媒体９２、更には第２の蒸気生成器５１の周囲には、放熱を防止するための断熱材（図示せず）が配置されている。

本実施例の燃料電池発電スタック９０においては、発電運転中に燃料電池セルで発生した熱は、隣接するセパレータを伝熱して、積層側面に接触している熱移動媒体９２に移動する。この場合、燃料電池スタック９０の発熱は、扁平形状を有するセパレータの長辺側のエッジ部断面を通過することになるので、所定の熱移動量に見合うように、セパレータの厚みと扁平形状（縦横比）を設計すれば、冷却設計が達成できる。

例えば、１ｋＷ級燃料電池スタック９０のセパレータ厚み３〔ｍｍ〕、長辺長さ３０〔ｃｍ〕、枚数５０枚と仮定した場合、前記燃料電池スタック９０の長辺側積層側面の２面の合計面積は、９００〔ｃｍ^２〕になるので、燃料電池スタック９０と熱移動媒体９２間の熱抵抗に伴う熱伝導ロスを考慮しても、１ｋＷ級燃料電池スタック９０の発熱量０．８９〔ｋＷ〕（表１参照）を、表２に一例として示した性能を有する熱移動媒体９２を採用すれば、第２の蒸気生成器５１に移動させ、改質反応に必要な蒸気生成に使用することが出来る。

以上、説明した実施例の燃料電池スタック構成によれば、熱移動媒体９２を燃料電池スタック９０の積層端面の外部に配置されているので、積層端面内に配置した場合に必要とされたガスシール構造や、積層された各燃料電池セルに配流するために配置されるマニホールド構造を必要とすることがないので、熱移動媒体９２の構造簡素化に伴う低コスト化、及び燃料電池スタック９０を製作する場合の手間が省ける利点を得られる。また、熱移動媒体９２を燃料電池スタック９０の積層端面の外部に配置されているので、熱移動媒体９２が導電性を有する材料に制約される必要が無く、もし、非導電性の材料を用いた場合には、絶縁シート９１を削除することも出来る。

本発明はスタック運転温度が１００〔℃〕以上の中温型燃料電池スタックにおけるスタック発熱の有効利用を実現する燃料電池システムに適用できる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す略線図である。 本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池スタック及び第２の蒸発発生器の構成を示す略線的平面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる熱移動媒体を示す構造図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの他の態様を示す拡大図と構成図である。 本発明の実施形態に係る定置用燃料電池発電システムの構成の概略を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る定置用燃料電池発電システムで実行される起動操作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る定置用燃料電池発電システムで実行される起動操作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す略線図である。従来の燃料電池本体の構成と定置用燃料電池発電システム構成を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池スタック及び第２の蒸発発生器の構成を示す略線的平面図である。 従来の燃料電池スタックの構成を示す略線図である。 従来の定置用燃料電池発電システム構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、５０、９０……燃料電池スタック、２、５２……固体高分子電解質膜、３、５３……燃料電極、４、５４……酸化剤電極、６、５６……燃料ガス用セパレータ、８、５８……酸化剤ガス用セパレータ、９、５９……燃料電池セル、１１……冷却板、２０、７０……燃料電池システム、２２……純水タンク、２３……貯湯槽、２４……改質器、２５……シフト反応器、３１……（第１の）蒸気発生器、３６……燃焼部、５１……第２の蒸気発生器、６０、９２……熱移動媒体、６１、９１……絶縁シート、７２、７７……遮断弁、７３……パイパス弁、７４……バイパスライン。

Claims (5)

1. 電解質と当該電解質を挟むアノード及びカソードから成る一対の電極から構成されたセルと、前記電極のアノードに水素を含む燃料ガスを供給・排出し、カソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータを交互に複数積層された燃料電池スタックと、原料ガスから燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、前記燃料改質処理系にて改質反応を起こすために必要な水蒸気を供給する第１の蒸気生成器に純水を供給すると同時に排熱の有効利用を行うための純水系を有する燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池スタックに積層された複数セルの全部又は一部と熱伝導性を有して係合された熱移動媒体と、
   前記熱移動媒体と熱導通接続するように前記燃料電池スタックに隣接して配置され、当該熱移動媒体を介して供給される熱に基づき水蒸気を発生する第２の蒸気生成器と
   を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記第１の蒸気生成器と前記第２の蒸気生成器とを、第１の遮断弁を介して連結することで直列配置すると共に、
   前記第２の蒸気生成器が、蒸気調整弁を介して前記燃料改質処理系の入口に連結するラインと、第２の遮断弁を介して前記純水系に戻すラインとを有し、
   システム起動中に、前記第１の遮断弁を開状態にして、前記第１の蒸気生成器で生成した蒸気を前記第２の蒸気生成器へ供給することで、前記第２の蒸気生成器内に滞留した蒸気の熱を、前記熱移動媒体を介して、前記燃料電池スタックに与えて昇温を行い、
   更に、前記燃料電池スタックの昇温完了後、システム負荷投入時に、前記蒸気調整弁を開状態にして、前記第１の蒸気生成器で生成した蒸気を前記第２の蒸気生成器を介して、前記燃料改質処理系に供給することで、システム負荷運転に移行し、
   更に、負荷運転整定後に、前記第１の蒸気生成器と前記第２の蒸気生成器との間に配置した前記第１の遮断弁を閉状態にするとともに、前記第２の遮断弁を開状態にして、前記第２の蒸気生成器の単独運転に切り替える
   ことを特徴とした請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記熱移動媒体は、前記燃料電池スタックに積層された前記複数セルについて、所定数の積層枚数毎に又は各前記セルと交互にそれぞれ挿入されている
   ことを特徴する請求項１及び２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記熱移動媒体は、プレート中に蛇行細管が配置または形成され、前記細管中に熱輸送媒体である作動液が封入された蛇行細管型ヒートパイプ構造である
   ことを特徴とした請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記熱移動媒体は、前記複数セルの積層端面の少なくとも１面以上の面に、電気絶縁性の介在物を配して接触配置されている
   ことを特徴とした請求項１及び２に記載の燃料電池発電システム。

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