JP2018133169A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】通常運転時には改質器の温度を高く維持し、起動時には気化器から改質器への水蒸気の供給を早めることが可能な燃料電池システムを得る。【解決手段】燃料電池セルスタック１６、改質器１４、及び燃焼器４０は、断熱体２６Ａによって覆われ、内部に高温部２６が構成されている。高温部２６、熱交換部３０、及び気化器１２は、筐体２４内部である温熱部２３に収納されている。温熱部２３の気化器１２の上には、電気ヒーター１３が配置されている。【選択図】図１
Description
本発明は燃料電池システムに関する。
燃料電池システムにおいて、水蒸気改質により炭化水素系の原料から水素を得る場合、燃料電池システム内に気化器を配置することがある。この場合、気化器で気化された水蒸気が改質用として改質器へ供給される（例えば、特許文献１参照）。
熱効率を考えた場合、改質器は高温での吸熱反応により改質反応を促進する必要があるため、高温環境に配置されることが好ましい。一方、気化器は、常温の水が導入され且つ改質器よりも低温で水の気化が行われるため、改質器から離れた位置に配置されることが好ましい。
ところで、燃料電池システムの起動時には、気化器の温度が水を気化するに足りる温度に昇温されるまでは、気化器で水蒸気を生成することができず、改質器へ水蒸気を供給することができない。一方、前述のように、改質器は高温環境に配置されることが好ましいが、昇温速度が速くなる。したがって、気化器から水蒸気が供給される前に、原料ガスを炭化させる温度になり、原料ガスから炭素が析出されてしまうことが生じる。特に、燃焼器の燃焼熱を用いて改質器を加熱した後に、燃焼排ガスで気化器を昇温する場合には、気化器の昇温速度が改質器と比較して遅くなる。
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、通常運転時には改質器の温度を高く維持し、起動時には気化器から改質器への水蒸気の供給を早めることが可能な燃料電池システムを得ることを目的とする。
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたオフガスを燃焼空間へ導入し、前記燃焼空間で前記オフガスを燃焼させる燃焼器と、炭化水素系の原料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガスに改質する改質器と、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスにより加熱され、前記改質器へ供給する水を気化させる気化器と、前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、及び前記改質器を有する高温部と、前記気化器と、の間に配置され、前記高温部と前記気化器とを隔離する隔離部材と、起動時に前記気化器を昇温させる昇温部と、を備えている。
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、燃焼器、及び改質器を有する高熱部、及び、気化器を備えている。オフガスが燃焼されることにより高温となる燃焼器が配置された高温部は、気化器とは隔離部材により隔離されているので、通常運転時には、改質器の温度を高く維持することができる。また起動時には、気化器を昇温させる昇温部を有しているので、気化器の昇温時間を短縮し、改質器への水蒸気の供給を早めることができる。
なお、ここでの隔離部材による隔離は、高温部と気化器とが断熱されている場合、遮熱されている場合、他の部材が間に介在することにより高温部から気化器への伝熱性が低くなっている場合などを含む。
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記気化器は、外部から区画された温熱部内に配置されている。
このように、気化器を外部から区画された温熱部に配置することにより、気化器の温度を常温よりも高い温度に維持することができる。
このように、気化器を外部から区画された温熱部に配置することにより、気化器の温度を常温よりも高い温度に維持することができる。
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記昇温部は、前記温熱部内に配置された電気ヒーターを含んでいること、を特徴とする。
請求項３に係る燃料電池システムによれば、起動時に、電気ヒーターを用いて気化器を昇温することができる。
請求項４に係る燃料電池システムは、前記昇温部は、前記温熱部内に配置されたバーナーを含んでいること、を特徴とする。
請求項４に係る燃料電池システムによれば、起動時に、バーナーの燃焼熱で気化器を昇温することができる。
請求項５に係る燃料電池システムは、前記昇温部は、前記温熱部内へ外部からの熱媒を供給する外部熱媒供給部を含んでいること、を特徴とする。
請求項５に係る燃料電池システムによれば、起動時に、外部熱媒供給部によって、外部からの熱媒を気化器へ供給することにより、気化器の昇温時間を短縮し、改質器への水蒸気の供給を早めることができる。
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記隔離部材は、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換部、を含み、前記気化器は前記熱交換部に対して前記高温部と反対側に隣接配置されている。
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムによれば、隔離部材として熱交換部が配置されているので、高温部から燃焼排ガスの温度を維持しつつ当該熱交換部へ導入することができる。これにより、通常運転時において、熱のロスを抑制しつつ、他のガスとの間で効率的に熱交換を行うことができる。また、気化器が、熱交換部に隣接して配置されているので、熱交換部を高温部と気化器の間に配置して、熱交換部からの放熱を抑制することができる。
請求項７に係る燃料電池システムは、前記熱交換部を経由した前記燃焼排ガスを前記気化器へ送出する燃焼排ガス管を有し、前記昇温部は、前記燃焼器から前記気化器へ前記燃焼排ガスを直接供給する燃焼排ガス直接供給管を含んでいること、を特徴とする。
請求項７に係る燃料電池システムによれば、起動時に、燃焼排ガス直接供給管によって、燃焼器から気化器へ燃焼器から排出される燃焼排ガスを直接供給することにより、気化器の昇温時間を短縮し、改質器への水蒸気の供給を早めることができる。
請求項８に係る燃料電池システムは、前記隔離部材は、前記高温部を覆う断熱体を含んで構成されている。
請求項８に係る燃料電池システムによれば、断熱材により高温部が覆われているので、高温部の温度低下を抑制することができる。
請求項９に係る燃料電池システムは、前記昇温部は、外部からの水蒸気を前記気化器へ供給する水蒸気供給部を含んでいること、を特徴とする。
請求項９に係る燃料電池システムによれば、水蒸気供給部によって、外部からの水蒸気を気化器へ供給するので、水蒸気により気化器を加熱することができると共に、気化器が昇温される前に水蒸気供給部からの水蒸気を改質器へ水蒸気を供給することができる。
請求項１０に係る燃料電池システムは、前記昇温部は、前記燃焼器から排出された前記燃焼排ガスを前記気化器内で燃焼させる気化器内燃焼部を含んでいること、を特徴とする。
請求項１０に係る燃料電池システムによれば、燃焼排ガス中に含まれる燃料ガスを燃焼させて、気化器を昇温させることができる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、通常運転時には改質器の温度を高く維持し、起動時には気化器から改質器への水蒸気の供給を早めることができる。
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略配置が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、発電効率が５０％以上、好ましくは６５％以上のモノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム（熱併給発電）と区別される。図１では、紙面の上側が鉛直方向上側を示している。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、熱交換部３０、及び燃焼器４０を備えている。また、燃料電池システム１０Ａを制御する制御部１８を備えている。なお、図１では、後述する電気ヒーター１３、温度センサ１２Ｔ、１４Ｔ、１６Ｔとの接続のみが図示されているが、制御部１８は、燃料電池システム１０Ａの各部と図示されている部分以外においても必要に応じて接続されている。
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略配置が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、発電効率が５０％以上、好ましくは６５％以上のモノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム（熱併給発電）と区別される。図１では、紙面の上側が鉛直方向上側を示している。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、熱交換部３０、及び燃焼器４０を備えている。また、燃料電池システム１０Ａを制御する制御部１８を備えている。なお、図１では、後述する電気ヒーター１３、温度センサ１２Ｔ、１４Ｔ、１６Ｔとの接続のみが図示されているが、制御部１８は、燃料電池システム１０Ａの各部と図示されている部分以外においても必要に応じて接続されている。
燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６の温度をＴ１とする。燃料電池セルスタック１６の作動温度は、例えば、５００℃〜１０００℃程度に設定できる。燃料電池セルスタック１６は、改質器１４の下側に配置されている。
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、酸化ガス（空気）が供給される。カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。
一方、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC)に限られるものではなく、高温で作動する他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
燃料電池セルスタック１６の上には、改質器１４が配置され、両者の間で熱交換が可能とされている。ここでの熱交換は、伝熱材の配置による伝熱や、輻射により行うことができる。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む燃料ガスが生成される。改質器１４は、燃料電池セルスタック１６と熱交換可能とされている。改質器１４での改質温度をＴ２とする。改質温度をＴ２は、例えば、４００℃〜８００℃程度に設定できる。
改質器１４の上には、燃焼器４０が配置されている。燃焼器４０は、金属製とされ、金属正部材で囲まれた燃焼空間Ｒが内部に形成されている。また、燃焼器４０は、アノードオフガスを燃焼空間Ｒへ導く導入口４０Ａ、及びカソードオフガスを燃焼空間Ｒへ導く導入口４０Ｂを有している。燃焼器４０の下面は改質器１４の上面に沿って配置され、両者の間で熱交換が可能とされている。ここでの熱交換も、伝熱材の配置による伝熱や、輻射により行うことができる。改質器１４は、燃料電池セルスタック１６と燃焼器４０との間に配置される。燃焼器４０では、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａから排出されたアノードオフガスが燃焼される。燃焼器４０の温度をＴ３とする。Ｔ３は、例えば、６００℃〜１０００℃程度に設定できる。
燃料電池セルスタック１６には、温度Ｔ１を検出する温度センサ１６Ｔが設置され、改質器１４には、温度Ｔ２を検出する温度センサ１４Ｔが設置されている。また、燃焼器４０には、Ｔ３を検出する温度センサ（不図示）が設置されている。温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３は、制御部１８へ送られる。
燃料電池セルスタック１６、改質器１４、及び燃焼器４０は、断熱体２６Ａによって覆われ、内部に高温部２６が構成されている。断熱体２６Ａとしては、市販の断熱材、例えば、ロスリムボード（ロスリム：登録商標）やマイクロサーム（登録商標）等を用いることができる。なお、断熱体２６Ａの他に、金属板などでさらに高温部２６を覆ってもよい。燃料電池セルスタック１６、改質器１４、及び燃焼器４０で、高温部２６が構成されている。高温部２６の内部温度を、Ｔ０とする。温度Ｔ０は、例えば、６００℃〜９００℃程度となる。
燃焼器４０の上で、断熱体２６Ａの外側には、熱交換部３０が配置されている。熱交換部３０は、燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂへ供給する空気と燃焼排ガスとの間で熱交換を行う。熱交換部３０の雰囲気温度をＴ４とする。Ｔ４はＴ０よりも低温となっている。温度Ｔ４は、例えば、１００℃〜６００℃程度に設定できる。
熱交換部３０は、断熱体２６Ａの上に配置され、気化器１２は、熱交換部３０の上に配置されている。気化器１２には、メタン及び水が供給され、気化器１２内で水（液相）が気化される。気化器１２には、温度センサ１２Ｔが設けられ、気化器１２の内部温度Ｔ５が検知される 気化器１２内の温度Ｔ５は温度Ｔ４よりも低温となっている。温度Ｔ５は、例えば、１００℃〜４００℃程度に設定できる。検知された温度Ｔ５は、制御部１８へ送信される。
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、バイオガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられる。
高温部２６、熱交換部３０、及び気化器１２は、筐体２４内部である温熱部２３に収納されている。筐体２４は、断熱材で構成されており、温熱部２３は、筐体２４の外部よりも高温に保持されている。筐体２４によって、燃料電池システム１０Ａにおいて高温となる燃料電池ハウジング、所謂ホットモジュールが構成されている。なお、筐体２４は、金属板で構成してもよく、金属板の材料は輻射率の高い金属を使用してもよい。
温熱部２３の気化器１２の上には、電気ヒーター１３が配置されている。電気ヒーター１３は、外部からの電力により起動し、気化器１２を加熱すると共に、温熱部２３を加熱する。電気ヒーター１３は、制御部１８と接続されている。燃料電池システム１０Ａの起動時において、高温部２６がメタンの炭素析出温度ＴＣ（例えば、４００℃程度）に昇温されるよりも前に、気化器１２が水を気化できる温度（例えば、１００℃以上）に昇温されるように、電気ヒーター１３の出力、メタンの供給量、燃焼器４０における燃焼温度が設定される。
制御部１８は、燃料電池システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する起動時加熱処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。
次に、燃料電池システム１０Ａの各部の接続、及びガスの流路構成について説明する。気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端は図示しない水源に接続されている。ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２には、熱交換部３０を経た燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されている。気化器１２では、燃焼排ガスと水との間で熱交換が行われ、水が気化される。
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）と接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）に供給される。
燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）には、アノードオフガスを排出するアノードオフガス管Ｐ７が接続されている。アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０と接続されている。燃料電池セルスタック１６からのアノードオフガスは、燃焼器４０へ送出される。
一方、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）には、酸化ガス管Ｐ５の一端が接続され、酸化ガス管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。酸化ガス管Ｐ５は、熱交換部３０を経て、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）と接続されている。ブロアＢ２から送出された空気は、酸化ガス管Ｐ５によって、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）へ供給される。
燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）には、カソードオフガスを排出するカソードオフガス管Ｐ９が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器４０と接続されている。カソードオフガス管Ｐ９により、燃料電池セルスタック１６からのカソードオフガスが燃焼器４０へ送出される。
燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、熱交換部３０、気化器１２を経て、筐体２４の外部に排出されている。熱交換部３０では、酸化ガス管Ｐ５を流れる空気と、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスとの間での熱交換が行われ、空気が加熱され、燃焼排ガスが冷却される。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ａでは、起動時において、図２−１に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ１０で、電気ヒーター１３が起動され、気化器１２が加熱される。次に、ステップＳ１２で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタンが、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。燃焼器４０からは燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、熱交換部３０、気化器１２を経て、筐体２４の外部に排出される。熱交換部３０、気化器１２は、燃焼排ガスによっても加熱される。
次に、ステップＳ１４で、気化器１２の温度Ｔ５が水の気化に必要な温度ＴＥ１を超えたかどうかを判断する。温度ＴＥ１は、例えば１５０℃程度に設定することができる。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えていない場合には、ステップＳ１５へ進む。
ステップＳ１５では、図２−２に示される高温部温度確認処理が実行される。高温部温度確認処理では、ステップＳ１５−１で、温度センサＴ１４で検出される温度Ｔ２（
改質器１４の温度）が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−２で、メタン・空気の供給を停止する。ここでは、ブロアＢ１、ブロアＢ２を停止することにより、メタン・空気の供給を停止することができる。これにより、燃焼器４０へのメタンの供給が停止され、高温部２６の温度上昇が抑制されて炭素析出を防止することができる。なお、ステップＳ１５−２の実行時にメタン・空気の供給が停止されている状態であれば、そのままの停止状態が維持される。
改質器１４の温度）が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−２で、メタン・空気の供給を停止する。ここでは、ブロアＢ１、ブロアＢ２を停止することにより、メタン・空気の供給を停止することができる。これにより、燃焼器４０へのメタンの供給が停止され、高温部２６の温度上昇が抑制されて炭素析出を防止することができる。なお、ステップＳ１５−２の実行時にメタン・空気の供給が停止されている状態であれば、そのままの停止状態が維持される。
一方、ステップＳ１５−１での判断が否定された場合には、ステップＳ１５−３で、温度センサＴ１６で検出される温度Ｔ１（燃料電池セルスタック１６の温度）が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−２で、メタン・空気の供給を停止する。判断が否定された場合には、ステップＳ１５−４で、メタン・空気の供給をＯＮにする。ここでは、ブロアＢ１、ブロアＢ２を起動させることにより、メタン・空気の供給をＯＮにすることができる。なお、ステップＳ１５−４の実行時にメタン・空気が供給されている状態であれば、そのままの供給状態が維持される。
ステップＳ１５の高温部温度確認処理が終了した後、再度ステップＳ１４へ戻る。ステップＳ１４で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えたと判断された場合には、ステップＳ１６で気化器１２への水の供給を開始する。水の供給は、ポンプＰを駆動させることにより行われる。気化器１２へ供給された水は気化され、水蒸気が改質器１４へ送出される。このとき、高温部２６の温度は、炭素析出温度ＴＣよりも低い温度となる。
次に、ステップＳ１８で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えたかどうかを判断する。温度ＴＥ２は、温度ＴＥ１よりも高い温度であり、水の供給開始後に気化器１２の温度が一旦低下した後に、再上昇したことを確認し、更に、電気ヒーター１３なしでも燃焼器４０からの燃焼排ガスとの熱交換で気化器１２の温度を水の気化のために必要な温度に維持できるようになることが確認できる温度である。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えていない場合には、そのまま待機する。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えた場合には、ステップＳ２０で電気ヒーター１３を停止させる。そして、ステップＳ２２で、通常運転への移行処理を行う。通常運転への移行処理では、所望の電力が得られるように、制御部１８により、ブロアＢ１、Ｂ２の出力等が調整される。
通常運転では、熱交換部３０へ供給された空気は、燃焼器４０からの燃焼排ガスとの熱交換で加熱され、酸化ガス管Ｐ５を経て燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂへ供給される。気化器１２へ供給されたメタン及び水は、熱交換部３０を経た燃焼排ガスとの熱交換で加熱され、水が気化されて水蒸気となり、メタンと水蒸気の混合気体が改質器１４へ供給される。メタンと水蒸気の混合気体は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに供給される。
これにより、燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７により燃焼器４０へ送出され、カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ９より燃焼器４０へ送出される。アノードオフガス、及びカソードオフガスは、燃焼器４０で焼却に供される。
燃焼器４０からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０により、熱交換部３０、及び気化器１２を経て、外部へ排出される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、起動時に、温熱部２３に配置された気化器１２を電気ヒーター１３で加熱するので、気化器１２が水を気化できる温度ＴＥ１になるまでの昇温時間を短縮することができる。したがって、改質器１４への水蒸気の供給開始に要する時間を短縮することができる。これにより、改質器１４等の高温部２６に配置されている構成要素が、燃焼器４０での燃焼熱により加熱されてメタンの炭化析出温度に達するより早く、改質器１４への水蒸気の供給を開始することができる。
また、電気ヒーター１３は、通常運転時には用いず、燃焼器４０からの燃焼排ガスで気化器１２の温度を維持して通常運転が行われる。高温部２６は、断熱体２６Ａにより温熱部２３と区画されており、高温部２６で必要な温度を維持することができる。また、通常運転時において、外部電力を用いることなく、自立発電を行うことができる。また、気化器１２は、高温部２６よりも低温の温熱部２３に配置された状態で、燃焼排ガスにより加熱されて、水の気化に必要な温度を維持することができる。これにより、通常運転時において、外部の電力を用いることなく、効率的に発電を行うことができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、改質器１４が、燃料電池セルスタック１６と、燃焼器４０との間に配置され、且つ熱交換可能とされている。したがって、改質器１４での改質反応に必要な熱を燃料電池セルスタック１６及び燃焼器４０の両側から受けることができる。また、改質器１４が燃料電池セルスタック１６と燃焼器４０に挟まれているので、改質器１４からの熱の放散を抑制することができる。これらにより、効率的に改質器１４を加熱して、燃料電池システム１０Ａにおける熱効率を向上させ、アノードオフガス以外の燃料の使用を抑制して発電効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、熱交換部３０が高温部２６に隣接して配置されているので、高温部２６からの燃焼排ガスの温度を維持しつつ熱交換部３０へ燃焼排ガスの送出を行うことができる。したがって、熱のロスを抑制して、熱交換を効率的に行うことができる。
なお、本実施形態では、ステップＳ１５−２でブロアＢ２を停止させたが、ブロアＢ２の回転数を調整することによりメタン・空気の供給量が少なくなるように調整して、高温部２６の温度上昇を抑制してもよい。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図３に示すように、第１実施形態の電気ヒーター１３に代えて、バーナー５０を有している。バーナー５０は、温熱部２３の気化器１２の近傍に設けられている。バーナー５０には、原料ガス管Ｐ１から分岐された原料ガス分岐管Ｐ１−Ｂの端部が接続されると共に、酸化ガス供給管Ｐ５から分岐された酸化ガス分岐管Ｐ５−Ｂの端部が接続されている。原料ガス分岐管Ｐ１−Ｂには、第１バルブＶ１−１が設けられ、酸化ガス分岐管Ｐ５−Ｂには、第２バルブＶ２−１が設けられている。また、原料ガス管Ｐ１の原料ガス分岐管Ｐ１−Ｂとの分岐部分よりも下流側には、第１バルブＶ１−２が設けられ、酸化ガス供給管Ｐ５の酸化ガス分岐管Ｐ５−Ｂとの分岐部分よりも下流側には、第２バルブＶ２−２が設けられている。
第１バルブＶ１−１が開放されている時、バーナー５０には、原料ガス分岐管Ｐ１−Ｂからメタンが供給され、第２バルブＶ２−１が開放されている時、酸化ガス分岐管Ｐ５−Ｂから空気が供給される。第１バルブＶ１−２が開放されている時、気化器１２には、原料ガス管Ｐ１からメタンが供給され、第２バルブＶ２−２が開放されている時、酸化ガス管Ｐ５から空気が供給される。第１バルブＶ１−１、Ｖ１−２及び第２バルブＶ２−１、Ｖ２−２は、制御部１８と電気的に接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ｂでは、起動時において、図４−１に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ２４で、第１バルブＶ１−１及び第２バルブＶ２−１が開放される。次に、ステップＳ２６で、第１バルブＶ１−１及び第２バルブＶ２−１が開放され、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタン及び空気が、バーナー５０に供給されてバーナー５０が起動され、気化器１２が加熱されると共に、温熱部２３も加熱される。また、第１実施形態と同様に、メタンが気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。燃焼器４０からは燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、熱交換部３０、気化器１２を経て、筐体２４の外部に排出される。熱交換部３０、気化器１２は、燃焼排ガスによっても加熱される。
次に、第１実施形態と同一のステップＳ１４を実行する。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えていない場合には、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、図４−２に示される高温部温度確認処理が実行される。高温部温度確認処理では、ステップＳ１５−１で、温度センサＴ１４で検出される温度Ｔ２が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−５で、第１バルブＶ１−２、第２バルブＶ２−２を閉鎖し、気化器１２へのメタン・空気の供給を停止する。これにより、燃焼器４０へのメタンの供給が停止され、高温部２６の温度上昇が抑制されて炭素析出を防止することができる。なお、ステップＳ１５−５の実行時に気化器１２へのメタン・空気の供給が停止されている状態であれば、そのままの停止状態が維持される。
一方、ステップＳ１５−１での判断が否定された場合には、ステップＳ１５−３で、温度センサＴ１６で検出される温度Ｔ１が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−５で、第１バルブＶ１−２、第２バルブＶ２−２を閉鎖し、気化器１２へのメタン・空気の供給を停止する。判断が否定された場合には、ステップＳ１５−６で、第１バルブＶ１−２、第２バルブＶ２−２を開放し、気化器１２へのメタン・空気の供給をＯＮにする。なお、なお、ステップＳ１５−６の実行時に気化器１２へのメタン・空気の供給が停止されている状態であれば、そのままの供給状態が維持される。
ステップＳ１７の高温部温度確認処理が終了した後、再度ステップＳ１４へ戻る。ステップＳ１４で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えたと判断された場合には、第１実施形態と同様に、ステップＳ１６、及びＳ１８を実行する。ステップＳ１８で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えた場合には、ステップＳ２８で、第１バルブＶ１−１及び第２バルブＶ２−１を閉鎖する。これにより、バーナー５０が失火停止する。そして、ステップＳ２２で、第１実施形態と同様に、通常運転への移行処理を行う。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、起動時に、温熱部２３に配置された気化器１２をバーナー５０で加熱するので、気化器１２が水を気化できる温度ＴＥ１になるまでの昇温時間を短縮することができる。したがって、改質器１４への水蒸気の供給開始に要する時間を短縮することができる。これにより、改質器１４等の高温部２６に配置されている構成要素が、燃焼器４０での燃焼熱により加熱されてメタンの炭化析出温度に達するより早く、改質器１４への水蒸気の供給を開始することができる。
また、バーナー５０は、通常運転時には用いず、燃焼器４０からの燃焼排ガスで通常運転が行われる。気化器１２は、高温部２６よりも低温の温熱部２３に配置された状態で、燃焼排ガスにより加熱されて、水の気化に必要な温度を維持する。したがって、通常運転時において、燃料電池システム１０Ｂにおける発電用に供されていない燃料を用いることなく、効率的に発電を行うことができる。また、通常運転時において、発電に供されない燃料を用いることなく、自立発電を行うことができる。
なお、本実施形態では、第１バルブＶ１−２、第２バルブＶ２−２を設けたが、気化器１２へメタン、空気を供給する流量を調整する流量調整機構を設けてもよい。
また、本実施形態では、ステップＳ１５−５で、第１バルブＶ１−２、第２バルブＶ２−２を閉鎖したが、ブロアＢ２の回転数を調整することによりメタン・空気の供給量が少なくなるように調整して、高温部２６の温度上昇を抑制してもよい。さらには、ブロアＢ１、ブロアＢ２と異なる別のメタン用ブロワ、空気用ブロワを設け、別の配管でメタン、空気を導入してバーナー５０で燃焼させても良い。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図５に示されるように、起動時に気化器１２を昇温させる昇温部として、燃焼排ガス直接供給管５２を備えている。燃焼排ガス直接供給管５２は、燃焼排ガス管Ｐ１０の熱交換部３０よりも上流側から分岐され、熱交換部３０の下流側に合流されたガス管で構成されている。すなわち、燃焼排ガス直接供給管５２は、燃焼器４０から排出された燃焼排ガスを、熱交換部３０をバイパスして、直接気化器１２へ導く。燃焼排ガス直接供給管５２には、第３バルブＶ３が設けられている。また、燃焼排ガス管Ｐ１０の、燃焼排ガス直接供給管５２との分岐部分よりも下流側（熱交換部３０側）には、第４バルブＶ４が設けられている。第３バルブＶ３及び第４バルブＶ４は、制御部１８と電気的に接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。なお、第３バルブＶ３及び第４バルブＶ４は、三方弁で構成してもよい。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ｃでは、起動時において、図６に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ３０で、第３バルブＶ３を開放し、第４バルブＶ４を閉鎖する。次に、ステップＳ３２で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタンが、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。
燃料電池システム１０Ｃでは、起動時において、図６に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ３０で、第３バルブＶ３を開放し、第４バルブＶ４を閉鎖する。次に、ステップＳ３２で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタンが、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。
燃焼器４０からは燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス直接供給管５２を経て気化器１２に導入され、気化器１２での熱交換後に、筐体２４の外部に排出される。第４バルブＶ４が閉鎖されているため、熱交換部３０には、燃焼排ガスは導入されず、気化器１２のみに燃焼排ガスが導入され、気化器１２は燃焼排ガスによって加熱される。気化器１２と共に、温熱部２３も加熱される。
次に、第１実施形態と同一のステップＳ１４を実行する。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えていない場合には、ステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９では、図６−２に示される高温部温度確認処理が実行される。高温部温度確認処理では、ステップＳ１５−１で、温度センサＴ１４で検出される温度Ｔ２が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−７で、ブロアＢ１、Ｂ２の出力を弱め、燃焼器４０で燃焼されるメタンの量を減少させる。これにより、燃焼熱による高温部２６の温度上昇が抑制されて炭素析出を防止することができる。なお、ステップＳ１５−７の実行時にブロアＢ１、Ｂ２の出力が弱められている状態であれば、そのままの状態が維持される。
一方、ステップＳ１５−１での判断が否定された場合には、ステップＳ１５−３で、温度センサＴ１６で検出される温度Ｔ１が炭素析出温度ＴＣ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１５−７で、ブロアＢ１、Ｂ２の出力を弱め、燃焼器４０で燃焼されるメタンの量を減少させる。判断が否定された場合には、ステップＳ１５−８で、ブロアＢ１、Ｂ２の出力を戻す。なお、なお、ステップＳ１５−８の実行時にブロアＢ１、Ｂ２の出力が弱められている状態であれば、そのままの供給状態が維持される。
ステップＳ１９の高温部温度確認処理が終了した後、再度ステップＳ１４へ戻る。ステップＳ１４で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えたと判断された場合には、第１実施形態と同様に、ステップＳ１６、及びＳ１８を実行する。ステップＳ１８で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えた場合には、ステップＳ３４で、第３バルブＶ３を閉鎖し、第４バルブＶ４を開放する。これにより、燃焼排ガスは、熱交換部３０へ導入され、熱交換部３０での熱交換後の燃焼排ガスが、気化器１２へ導入される。燃焼排ガス直接供給管５２を経た、燃焼排ガスの気化器への直接供給は停止される。そして、ステップＳ２２で、第１実施形態と同様に、通常運転への移行処理を行う。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、起動時に、温熱部２３に配置された気化器１２を、燃焼器４０からの燃焼排ガスを直接導入して加熱するので、熱交換部３０を経ない高温の燃焼排ガスで加熱することができ、気化器１２が水を気化できる温度ＴＥ１になるまでの昇温時間を短縮することができる。したがって、改質器１４への水蒸気の供給開始に要する時間を短縮することができる。
また、本実施形態では、起動時に、空気は熱交換部３０で燃焼排ガスとの熱交換が行われずに燃料電池セルスタック１６へ送出される。したがって、燃料電池セルスタック１６の昇温が緩やかになる。これにより、改質器１４等の高温部２６に配置されている構成要素が、燃焼器４０での燃焼熱により加熱されてメタンの炭化析出温度に達するより早く、改質器１４への水蒸気の供給を開始することができる。
また、燃焼排ガス直接供給管５２は、ガス管で構成することができるので、起動時における気化器１２の加熱を、簡易な構成で実現することができる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、図７に示すように、起動時に気化器１２を昇温させる昇温部として、外部で生成された水蒸気を気化器１２へ供給する、水蒸気供給管５４を備えている。燃料電池システム１０Ｄは、ボイラなどの水蒸気を用いる他のシステムと連携して使用することができる。水蒸気供給管５４は、ポンプＰよりも上流側で水供給管Ｐ２と合流されている。水蒸気供給管５４には、一例としてボイラからの水蒸気が分岐して流通され、当該水蒸気が気化器１２へ導入される。なお、水蒸気供給管５４は、水供給管Ｐ２と合流させずに、気化器１２へ直接接続して水蒸気を供給してもよい。この場合には、水蒸気供給用のブロアを設置する。
水蒸気供給管５４には、第６バルブＶ６が設けられている。また、水供給管Ｐ２の水蒸気供給管５４との合流部分よりも上流側には、第５バルブＶ５が設けられている。第５バルブＶ５及び第６バルブＶ６は、制御部１８と電気的に接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｄの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ｄでは、起動時において、図８に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ３６で、第６バルブＶ６を開放し、第５バルブＶ５を閉鎖する。次に、ステップＳ３８で、ポンプＰの駆動を開始する。これにより、水蒸気供給管５４から気化器１２へ水蒸気が供給される。この水蒸気により、気化器１２は加熱される。また、気化器１２と共に温熱部２３も加熱される。このとき、水（液相）は供給されていないので、水の蒸発により潜熱が奪われることがなく、気化器１２の昇温は促進される。
燃料電池システム１０Ｄでは、起動時において、図８に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ３６で、第６バルブＶ６を開放し、第５バルブＶ５を閉鎖する。次に、ステップＳ３８で、ポンプＰの駆動を開始する。これにより、水蒸気供給管５４から気化器１２へ水蒸気が供給される。この水蒸気により、気化器１２は加熱される。また、気化器１２と共に温熱部２３も加熱される。このとき、水（液相）は供給されていないので、水の蒸発により潜熱が奪われることがなく、気化器１２の昇温は促進される。
次に、ステップＳ４０で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。改質器１４の温度が改質温度を超えた場合には、水蒸気により当該メタンの改質が開始する。なお、ステップＳ３８とステップＳ４０は順序を逆にして、メタン、空気の供給を開始した後に水蒸気の供給を開始してもよい。
燃焼器４０からは燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、熱交換部３０、気化器１２を経て、筐体２４の外部に排出される。気化器１２は、燃焼排ガスによっても加熱される。
次に、第１実施形態と同一のステップＳ１４を実行する。ステップＳ１４で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ１を超えた場合には、ステップＳ４２で、第５バルブＶ５を開放する。これにより、水蒸気に加えて水（液相）が気化器１２へ供給され、水（液相）は気化器１２で気化され、当該気化された水についても、改質器１４へ送出される。
次に、第１実施形態と同一のステップＳ１８を実行する。ステップＳ１８で、気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えた場合には、ステップＳ４４で、第６バルブＶ６を閉鎖する。これにより、ボイラからの水蒸気の供給が停止される。そして、ステップＳ２２で、第１実施形態と同様に、通常運転への移行処理を行う。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、起動時に、ボイラからの水蒸気を気化器１２へ供給するので、メタンの炭化析出をより確実に抑制することができる。また、本実施形態では、起動時から改質器へ水蒸気を供給できるので、メタンの改質開始までの時間を短縮することができる。これにより、燃料電池セルスタック１６での発電開始までの時間も短縮することができる。さらに、水蒸気によって気化器１２を加熱することができるので、気化器１２が水を気化できる温度ＴＥ１になるまでの昇温時間を短縮することができる。したがって、改質器１４への水蒸気の供給開始に要する時間を短縮することができる。
また、通常の運転では燃料電池セルスタックにおける反応で水が生成されるので、改質に必要な水はその反応より生成した水で賄うことができる。したがって、ボイラからの水蒸気は、通常運転時には用いる必要はなく、燃焼器４０からの燃焼排ガスにより気化器１２の温度が維持されて、運転が行われ、外部からの水蒸気を用いることなく、自立発電を行うことができる。
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜４実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜４実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、図９に示すように、起動時に気化器１２を昇温させる昇温部として、外部からの熱媒を気化器１２へ供給する、外部熱媒供給管５６を備えている。燃料電池システム１０Ｅは、例えば、廃熱が発生する他のシステムと共に使用することができる。廃熱が発生する他のシステムとしては、発電機や熱源設備を挙げることができる。外部熱媒供給管５６は、例えば、熱交換部３０の下流側で燃焼排ガス管Ｐ１０と合流され、燃焼排ガス管Ｐ１０を介して気化器１２へ外部熱媒を供給する。なお、外部熱媒供給管５６は、燃焼排ガス管Ｐ１０に代えて酸化ガス管Ｐ５に合流させてもよいし、原料ガス管Ｐ１に合流させてもよい。
外部熱媒供給管５６には、ブロアＢ３が設けられている。ブロアＢ３の下流側には、逆止弁５６Ａが設けられている。ブロアＢ３は、制御部１８と電気的に接続されており、制御部１８によって制御されている。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ｅでは、起動時において、図１０に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ４６で、ブロアＢ３が駆動されて、気化器１２への外部熱媒の供給が開始される。次に、ステップＳ４８で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。
燃料電池システム１０Ｅでは、起動時において、図１０に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ４６で、ブロアＢ３が駆動されて、気化器１２への外部熱媒の供給が開始される。次に、ステップＳ４８で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。
燃焼器４０からは燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、熱交換部３０、気化器１２を経て、筐体２４の外部に排出される。気化器１２は、燃焼排ガスによっても加熱される。
次に、第１実施形態と同一のステップＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１８を実行する。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えた場合には、ステップＳ５０で、ブロアＢ３を停止する。これにより、外部熱媒の供給が停止される。そして、ステップＳ２２で、第１実施形態と同様に、通常運転への移行処理を行う。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、起動時に、外部熱媒を気化器１２へ供給するので、外部熱媒により気化器１２を加熱して、気化器１２が、水を気化できる温度ＴＥ１になるまでの昇温時間を短縮することができる。したがって、改質器１４への水蒸気の供給開始に要する時間を短縮することができる。これにより、改質器１４等の高温部２６に配置されている構成要素が、燃焼器４０での燃焼熱により加熱されてメタンの炭化析出温度に達するより早く、改質器１４への水蒸気の供給を開始することができる。
また、外部熱媒は、通常運転時には用いられず、燃焼器４０からの燃焼排ガスにより気化器１２の温度が維持されて、通常運転が行われる。したがって、通常運転時において、外部からの熱媒を用いることなく、自立発電を行うことができる。
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜５実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜５実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、図１１に示すように、起動時に気化器１２を昇温させる昇温部として、気化器内燃焼部１２Ａを備えている。気化器内燃焼部１２Ａには、熱交換部３０を経た燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されると共に、酸化ガス管Ｐ５から分岐された酸化ガス分岐管Ｐ５Ａが導入されている。酸化ガス分岐管Ｐ５Ａには、第７バルブＶ７が設けられている。第７バルブＶ７は、制御部１８と接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。ブロアＢ２で送出する空気量を減少させる、若しくは、ブロアＢ１で送出するメタンの量を増加させることにより、燃焼器４０内で燃焼されずに下流側へ排出されるメタンの量が制御されている。燃焼器４０から排出された燃焼排ガスは、熱交換部３０を経て気化器１２へ導入され、気化器１２内の気化器内燃焼部１２Ａで燃焼される。
なお、気化器内燃焼部１２Ａへは、酸化ガス管Ｐ５と異なる管にブロアＢ２をと異なるブロアを設置して空気を供給してもよい。また、気化器内燃焼部１２Ａへ導入するメタン、空気の量は、燃焼器４０で燃焼中にメタンおよび空気の少なくとも一方の供給を止めて燃焼器での燃焼反応を停止させ、その後、燃焼器４０でのスパークを行わず、燃焼器４０で燃焼させずにメタンや空気を気化器内燃焼部１２Ａへ導入し、スパークを用いて気化器内燃焼部１２Ａのみで燃焼させて、調整しても良い。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｆの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ｆでは、起動時において、図１２に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ６０で、第７バルブＶ７が開放され、次に、ステップＳ６２で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。また、空気は、気化器内燃焼部１２Ａへも供給され、燃焼器４０から排出された燃焼排ガスは、熱交換部３０を経て気化器内燃焼部１２Ａへ導かれる。気化器内燃焼部１２Ａ内では、燃焼排ガス中のメタンが燃焼され、気化器１２が昇温され、温熱部２３についても昇温される。
燃料電池システム１０Ｆでは、起動時において、図１２に示す起動時加熱処理が制御部１８で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップＳ６０で、第７バルブＶ７が開放され、次に、ステップＳ６２で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアＢ１を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアＢ２を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、燃焼器４０へ順次供給され、空気が気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、燃焼器４０へ順次供給される。燃焼器４０では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部２６の改質器１４、燃料電池セルスタック１６が加熱される。また、空気は、気化器内燃焼部１２Ａへも供給され、燃焼器４０から排出された燃焼排ガスは、熱交換部３０を経て気化器内燃焼部１２Ａへ導かれる。気化器内燃焼部１２Ａ内では、燃焼排ガス中のメタンが燃焼され、気化器１２が昇温され、温熱部２３についても昇温される。
次に、第３実施形態と同一のステップＳ１４、Ｓ１９、Ｓ１６、Ｓ１８を実行する。気化器１２の温度Ｔ５が温度ＴＥ２を超えた場合には、ステップＳ６４で、第７バルブＶ７を閉鎖する。これにより、気化器内燃焼部１２Ａでの燃焼が停止される。そして、ステップＳ２２で、第１実施形態と同様に、通常運転への移行処理を行う。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、起動時に、気化器内燃焼部１２Ａで燃焼排ガス中のメタンを燃焼させるので、気化器１２を加熱して、気化器１２が、水を気化できる温度ＴＥ１になるまでの昇温時間を短縮することができる。したがって、改質器１４への水蒸気の供給開始に要する時間を短縮することができる。これにより、改質器１４等の高温部２６に配置されている構成要素が、燃焼器４０での燃焼熱により加熱されてメタンの炭化析出温度に達するより早く、改質器１４への水蒸気の供給を開始することができる。
なお、第１〜第６実施形態では、燃料電池セルスタックが１個の場合を例に説明したが、燃料電池セルスタックを複数含む構成もよい。その場合には、複数の燃料電池セルスタックが並列に配置されているものであってもよいし、直列に多段に配置されているものであってもよいし、その両方が組み合わさっているものであってもよい。
また、第１〜第６実施形態では、本発明をモノジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用した例について説明したが、本発明はコジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用することもできる。本発明を適用することにより、コジェネレーションシステムの燃料電池システムにおいても、起動時に気化器を温度ＴＥ１に達するまでの時間を短縮させることができる。なお、上記第１〜第５実施形態に例示したモノジェネレーションシステムにおいて、発電効率の高い燃料電池システムでは、燃料利用率が高く、燃焼器で燃焼させる未反応燃料が少なく、機器の加熱に供する熱量が少ないため、特に本発明が好適である。
また、第１〜第６実施形態では、高温部２６を断熱体２６Ａで覆われた部分としたが、必ずしも断熱体２６Ａで覆う必要はなく、他の部材を気化器１２との間に配置して、高温部２６と気化器１２とを隔離してもよい。例えば、熱交換部３０のみによって気化器１２を高温部２６から隔離してもよい。
さらに、本発明は、第１〜第６実施形態を適宜組み合わせてもよいし、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ 燃料電池システム
１２ 気化器、 １２Ａ 気化器内燃焼部（昇温部）、 １３ 電気ヒーター（昇温部）
１４ 改質器、 １６ 燃料電池セルスタック、 ２３ 温熱部
２６ 高温部、 ２６Ａ 断熱体（隔離部材）
３０ 熱交換部、 ４０ 燃焼器、 ５０ バーナー（昇温部）
５２ 燃焼排ガス直接供給管（昇温部）、 ５４ 水蒸気供給管（昇温部）
５６ 外部熱媒供給管（昇温部）
１２ 気化器、 １２Ａ 気化器内燃焼部（昇温部）、 １３ 電気ヒーター（昇温部）
１４ 改質器、 １６ 燃料電池セルスタック、 ２３ 温熱部
２６ 高温部、 ２６Ａ 断熱体（隔離部材）
３０ 熱交換部、 ４０ 燃焼器、 ５０ バーナー（昇温部）
５２ 燃焼排ガス直接供給管（昇温部）、 ５４ 水蒸気供給管（昇温部）
５６ 外部熱媒供給管（昇温部）
Claims (10)
- 燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたオフガスが燃焼空間へ導入し、前記燃焼空間で前記オフガスを燃焼させる燃焼器と、
炭化水素系の原料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガスに改質する改質器と、
前記燃焼器から排出された燃焼排ガスにより加熱され、前記改質器へ供給する水を気化させる気化器と、
前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、及び前記改質器を有する高温部と、前記気化器と、の間に配置され、前記高温部と前記気化器とを隔離する隔離部材と、
起動時に前記気化器を昇温させる昇温部と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記気化器は、外部から区画された温熱部内に配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記温熱部内に配置された電気ヒーターを含んでいること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記温熱部内に配置されたバーナーを含んでいること、を特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記温熱部内へ外部からの熱媒を供給する外部熱媒供給部を含んでいること、を特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記隔離部材は、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換部、を含み、
前記気化器は前記熱交換部に対して前記高温部と反対側に隣接配置されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記熱交換部を経由した前記燃焼排ガスを前記気化器へ送出する燃焼排ガス管を有し、
前記昇温部は、前記燃焼器から前記気化器へ前記燃焼排ガスを直接供給する燃焼排ガス直接供給管を含んでいること、を特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 - 前記隔離部材は、前記高温部を覆う断熱体を含んで構成されている、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、外部からの水蒸気を前記気化器へ供給する水蒸気供給部を含んでいること、を特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記燃焼器から排出された前記燃焼排ガスを前記気化器内で燃焼させる気化器内燃焼部を含んでいること、を特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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