JP5435191B2 - 燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを備える燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池に関する。

燃料電池を作動させるための燃料ガスとして、水素ガスが用いられている。そのため、燃料電池においては、水素ガスそのものを供給するか、何らかの手段を用いて水素ガスを生成することが行われている。水素ガスの供給が社会的なインフラストラクチャーとして確立されていない現状を鑑みて、触媒を用いて原燃料を水蒸気改質して水素ガスを得ることが広く行われている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００６−２９０６３３号公報

本発明者らは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルを備える燃料電池モジュール及び燃料電池において、より効果的な起動方法がないか検討を重ねた。具体的には、起動時において、より燃料ガスの消費を抑制することができる燃料電池モジュール及び燃料電池について検討を重ねた。上記従来の技術では、燃料電池の起動時間には着目しているものの、起動時における燃料ガスの消費については何ら言及は無く、本発明者らは全く異なるアプローチを試みた。その新たなアプローチにおいて、本発明者らは、燃料電池モジュール、特にＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）に用いられる燃料電池モジュールでは、起動時（昇温時）や停止時（降温時）において、燃料極側のガス雰囲気は燃料極が酸化しないように、ガス雰囲気温度が２００℃以上において還元雰囲気を維持しなければならないことに着目した。

このように還元雰囲気を作る方法としては、水素ガスを供給する方法（第１の方法）、炭化水素系ガス（被改質ガス）をバーナー又は部分酸化触媒を使って部分酸化ガスとして供給する方法（第２の方法）、炭化水素系ガス（被改質ガス）に水蒸気を混合し、改質触媒で改質して供給する方法（第３の方法）の三つの方法が考えられる。

第１の方法では、水素ガスはその供給のためのインフラストラクチャーが一般的には整っていないため、水素ガスボンベや水素吸着材料（水素貯蔵合金等）が必要となる。従って、水素ガスボンベ等の設置場所の確保や、その水素ガスボンベ等の内容量管理や交換作業が不可避となる。第２の方法では、部分酸化ガスの吐出温度が１０００℃を超える高温となってしまうため、起動時（昇温時）には好適であるが、停止時（降温時）には不適である。第３の方法では、改質時に必要とされる温度は５００℃程度であって、起動時（昇温時）にも停止時（降温時）にも好適である。

そこで本発明では、起動時において燃料ガスの消費を抑制することができると共に、燃料極側の還元雰囲気を確保することのできる燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルと、被改質ガスを改質して燃料ガスとするための改質器と、前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記容器には、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部が形成されており、前記燃焼部において発生する排出ガスが前記容器の外部へと導かれる流路において、前記改質器が、第一改質器と第二改質器とに分割されて配置されており、前記第一改質器の熱容量は、前記第二改質器の熱容量よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、起動時において燃料ガスの消費を抑制することができると共に、燃料極側の還元雰囲気を確保することのできる燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルと、被改質ガスを改質して燃料ガスとするための改質器と、前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記容器には、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部が形成されており、前記燃焼部において発生する排出ガスが前記容器の外部へと導かれる流路において、前記改質器が、第一改質器と第二改質器とに分割されて配置されており、前記第一改質器の熱容量は、前記第二改質器の熱容量よりも小さいことを特徴とする。

本発明では、複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部において発生する熱を利用して、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、その燃料ガスを用いて燃料極側を還元雰囲気に保つことに着目している。その場合、定常運転時の改質能力を満たす改質器を用いると、運転開始時において改質器の熱容量が大きいため多くの燃料ガスを投入し加熱する必要があり、燃料極を還元雰囲気に保つために必要とされる改質後の燃料ガスの量が、定常運転時に必要とされる改質後の燃料ガスの量よりも少ないために、必要以上の量の被改質ガスを改質することになる。これは、必要以上の被改質ガスを消費し、必要以上の燃料ガスを消費することに直結する。そこで、改質器を第一改質器及び第二改質器の二つの改質器に分割すると共に、その分割した第一改質器及び第二改質器を燃焼部において発生する排出ガスが容器の外部へと導かれる流路に配置することで、燃焼部において発生する熱を利用可能なように構成している。更に、第一改質器の熱容量は第二改質器の熱容量よりも小さくなるように構成しているので、第一改質器を運転開始時において必要とされる燃料ガスの量に合わせて形成することができ、必要以上の燃料ガスを消費することを回避できる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記流路において、前記第一改質器が前記第二改質器よりも上流側に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、熱容量の小さい第一改質器を、熱容量の大きい第二改質器よりも上流側、すなわちより燃焼部に近い側に配置しているので、燃焼熱を第二改質器に与える前に第一改質器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器及び前記第二改質器にそれぞれ被改質ガスを並行して供給する被改質ガス管を備えることも好ましい。

この好ましい態様によれば、熱容量の異なる第一改質器及び第二改質器それぞれに、被改質ガスを並行して供給することができる被改質ガス管を備えているので、例えば、燃料電池モジュールの運転状況に合わせて、適切な改質能力を有する改質器側に選択的に被改質ガスを供給することもでき、双方の改質器に被改質ガスを供給して双方の改質器の改質能力を最大限に利用することもできる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記被改質ガス管に、前記第一改質器及び前記第二改質器のいずれか一方のみに選択的に被改質ガスを供給するための供給切替部を備えることも好ましい。

この好ましい態様によれば、第一改質器及び第二改質器のいずれか一方のみに選択的に被改質ガスを確実に供給することができる。従って、燃料電池モジュールの起動時には熱容量の小さい第一改質器にのみ被改質ガスを供給することで、少ない被改質ガスを確実に改質して燃料電池セルに供給することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器と前記第二改質器とが燃料ガスを通過させるための燃料ガス管によって繋がれており、前記第一改質器及び前記第二改質器のいずれか一方に流入した被改質ガスが改質されて他方に流入するように構成されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、第一改質器及び第二改質器に選択的に被改質ガスを供給するための手段を用いずに、少ない被改質ガスから多くの被改質ガスまでを確実に改質することができる。より具体的には、少ない被改質ガスを供給すると、主に第一改質器側で改質が行われ、その前又は後において第二改質器では実質的に改質が行われずに燃料電池セルへと燃料ガスが供給される。また、多くの被改質ガスを供給すると、主に第二改質器側で改質が行われ、燃料電池セルへと燃料ガスが供給される。従って、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器に流入した被改質ガスが改質されて前記第二改質器に流入するように構成されており、前記流路において、前記第一改質器が前記第二改質器よりも上流側に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、先に第一改質器で被改質ガスの改質が行われ、その後第二改質器に改質後の燃料ガスが送られる。第一改質器は第二改質器よりも上流側、すなわちより燃焼部に近い側に配置しているので、第一改質器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器により効果的に熱を与え、その第一改質器に先に被改質ガスを流入させるので、被改質ガスを確実に改質することができる。すなわち、被改質ガスと共に送り込まれる水蒸気も確実に改質に用いられるので、その後第二改質器に送り込まれても、水蒸気は改質に消費され分圧が低下しており、第二改質器内で結露する露点温度を低めることができる。また、第一改質器において高次の炭化水素は改質されているので第二改質器内において炭素が析出することを抑制できる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させるための燃焼触媒を備え、前記第一改質器は、前記燃焼触媒よりも下流側に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、熱容量の小さい第一改質器を、燃焼触媒よりも下流側、すなわち燃焼触媒によって運転開始の早いタイミングから燃焼する燃料ガスの熱をより効果的に受け得る場所に配置しているので、第一改質器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数の燃料電池セルそれぞれに酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス供給部を備え、前記第一改質器は、前記酸化剤ガス供給部よりも上流側に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、第一改質器を酸化剤ガス供給部よりも上流側に配置しているので、排出ガスの熱が酸化剤ガス供給部との間における熱交換で奪われてしまう前に第一改質器が受け取ることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器は、前記燃焼部から前記複数の燃料電池セル側を見通す方向において、前記容器の略中央に配置されていることも好ましい。

本発明に係る燃料電池モジュールの流路では、燃焼部から前記複数の燃料電池セル側を見通す方向において、前記容器の外周付近は放熱の影響で温度が低くなり、前記容器の略中央の温度が最も高くなり得る。そこで、この好ましい態様では、第一改質器をその最も温度が高くなり得る位置に配置することで、第一改質器に効率よく熱を伝えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、被改質ガスを改質して燃料ガスとするために用いられる水蒸気を生成するための蒸発器を備え、前記蒸発器が、第一蒸発器と第二蒸発器とに分割されて配置され、前記第一蒸発器の熱容量が前記第二蒸発器の熱容量よりも小さくなるように構成されており、前記第一蒸発器が前記第二蒸発器よりも、前記流路の上流側に配置されていることも好ましい。

本発明では、改質器を第一改質器及び第二改質器の二つの改質器に分割すると共に、その分割した第一改質器及び第二改質器を燃焼部において発生する排出ガスが容器の外部へと導かれる流路に配置することで、燃焼部において発生する熱を利用可能なように構成している。更に、第一改質器の熱容量は第二改質器の熱容量よりも小さくなるように構成しているので、第一改質器を運転開始時において必要とされる燃料ガスの量に合わせて形成することができ、必要以上の燃料ガスを消費することを回避できるように構成している。それら第一改質器及び第二改質器において被改質ガスの改質を行う場合には、水蒸気が必要となる。そこで、この好ましい態様では、改質器を分割するのに合わせて、水蒸気を生成するための蒸発器を第一蒸発器と第二蒸発器とに分割し、第一蒸発器の熱容量が第二蒸発器の熱容量よりも小さくなるように構成し、第一蒸発器を第二蒸発器よりも流路の上流側に配置している。このように、熱容量の小さい第一蒸発器を、熱容量の大きい第二序初器よりも上流側、すなわちより燃焼部に近い側に配置しているので、第一蒸発器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る水に熱を与えやすい第一蒸発器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一蒸発器を通る水をより少ない燃料ガスの燃焼で水蒸気とすることができる。結果として、起動時において被改質ガスを少なくできるのと合わせて、水の量も少なくすることができると共に、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一蒸発器及び前記第二蒸発器にそれぞれ水を並行して供給する供給水管を備えることも好ましい。

この好ましい態様によれば、熱容量の異なる第一蒸発器及び第二蒸発器それぞれに、水を並行して供給することができる供給水管を備えているので、例えば、燃料電池モジュールの運転状況に合わせて、適切な蒸発能力を有する蒸発器側に選択的に水を供給することもでき、双方の蒸発器に水を供給して双方の蒸発器の蒸発能力を最大限に利用することもできる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記供給水管に、前記第一蒸発器及び前記第二蒸発器のいずれか一方のみに選択的に水を供給するための水供給切替部を備えることも好ましい。

この好ましい態様によれば、第一蒸発器及び第二蒸発器のいずれか一方のみに選択的に水を確実に供給することができる。従って、燃料電池モジュールの起動時には熱容量の小さい第一蒸発器にのみ水を供給することで、少ない水を確実に蒸発させて水蒸気として改質器に供給することができる。結果として、起動時においてより少ない水を供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一蒸発器が前記第一改質器よりも、前記流路の下流側に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、５００℃以上に加熱する必要がある第一改質器を１００℃以上に加熱すればよい第一蒸発器よりも上流側に配置しているので、排出ガスの熱が第一蒸発器との間における熱交換で奪われてしまう前に第一改質器が受け取ることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。燃料電池モジュールＦＣは、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。

燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池セル２と、集電部材３，４と、集電ロッド５と、空気ヘッダ６（酸化剤ガス供給部）と、空気供給管７と、モジュール容器８（容器）と、絶縁断熱部材９と、断熱部材１０とを備えている。

燃料電池セル２は、２列×６列の１２本ごとに燃料電池セルスタック（図１において明示しない）として構成され、モジュール容器８内に収められている。各燃料電池セル２は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。燃料電池セル２の内壁すなわち空気極に空気、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ^２−イオンが移動して電気化学反応が起こり空気極と燃料極との間に電位差が生じで発電が行われる。燃料電池セル２が発電した電気は、集電部材３，４によって集電され、集電ロッド５によって外部に取出される。

各燃料電池セル２に供給される空気は、空気供給管７を通って空気ヘッダ６に供給された空気が分配されて供給される。本実施形態の場合空気ヘッダ６は３つ設けられており、それぞれの空気ヘッダ６に空気供給管７が繋がれている。空気供給管７の上流側は空気の供給元に連結されている。

空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割を果たすと共に、各燃料電池セル２に空気を分配する役割も果たしている。空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給する空気の流路を燃料電池セル２の数に応じて複数の系統に分配するためのものでもあるので、燃料電池セル２の数に応じてその配置数量が増減される。

各燃料電池セル２に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル２の下方から供給される（詳細は後述する）。

燃料電池セル２、集電部材３，４、及び空気ヘッダ６は、直方体形状のモジュール容器８に収容されている。このモジュール容器８は、運転時に高温になることから、例えば、インコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成されている。また、燃料ガスや空気を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器８の内側には、燃料電池セル２とモジュール容器８とを絶縁すると共に、モジュール容器８内部を保温するための絶縁断熱部材９が設けられている。絶縁断熱部材９は、アルミナ繊維等で形成されている。モジュール容器８は更に、動作温度を安定に保つためにその全体が断熱部材１０で覆われている。

続いて、図２を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様について説明する。図２は、図１において空気ヘッダ６側から燃料電池セル２側を見通す方向における横断面図である。燃料電池セル集合体２１は、複数の燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、１２本の燃料電池セル２を有し、それぞれの燃料電池セル２は、２列（図中ｘ方向）×６列（図中ｙ方向）に配置されている。

各燃料電池セル２は有底円筒状であって、その開口部２ａを空気ヘッダ６側に向けて配置されている。各燃料電池セル２は、セル間集電部材１３及び導電性のセル接続部材１４を介して、電気的に２並列×６直列に接続されている。なお、燃料電池セル２は、発電容量等に応じて本数や配列が適宜選択される。

各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、所定の間隔を置いて３列（図中ｘ方向）に配置されており、３６本の燃料電池セル２を有する燃料電池セル集合体２１を構成している。それぞれの燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、集電部材３を介して電気的に直列に接続されている。このように直列接続された燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの両端に配置される燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃの端部には、集電部材４が繋がれている。集電部材４は集電ロッド５に繋がれているので、集電ロッド５を介して外部に電力が取り出すことができる。

各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ、燃料電池セル２が６列に並べられている一対の側面に接するように絶縁板１６が配置されている。更に、隣接する絶縁板１６の間には熱伝導板１５が配置されている。燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃと絶縁断熱部材９との間にも熱伝導板１５が配置されている。熱伝導板１５と集電部材３，４との間には、絶縁棒１１が配置されている。

このように熱伝導板１５が配置されることで、局部的に燃料電池セル２の温度が部分的に高くなっても、熱伝導板１５を介して高温部分から低温部分へ熱が移動しやすくなり、燃料電池セル２の温度分布を均一化させることができる。

また、上述したように絶縁板１６及び絶縁棒１１が配置されることで、熱伝導板１５と燃料電池セル２との間の電気絶縁性、及び熱伝導板１５と集電部材３，４との間の電気絶縁性が確保される。

続いて、図３を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様と燃料ガス及び空気の供給態様について説明する。図３は、燃料電池モジュールＦＣの縦断面図であって、モジュール容器８の内部を示す図である。

図３に示すように、モジュール容器８の下方には、モジュール容器８内に導入する燃料ガスを均一に分散するための燃料ガス分散室１７が配置されている。この燃料ガス分散室１７内には、燃料ガスを予備分散する予備分散板１８が配置されている。この予備分散板１８は、例えばアルミナからなり、燃料ガス通気孔１９が一様に形成されている。また、予備分散板１８の上方には、例えばＮｉフォームからなる燃料ガス分散材３０が配置されている。燃料ガス分散室１７の上流側（図中下側）には、燃料ガス供給管２２が設けられている。また、モジュール容器８と燃料ガス分散室１７との間には、燃料ガスを燃料ガス分散室１７からモジュール容器８に通気させるための燃料ガス分散板２３が設けられている。この燃料ガス分散板２３には、複数の燃料ガス供給孔２４が形成されている。

また、燃料電池セル集合体２１の上方に配置される空気ヘッダ６には、燃料電池セル２の空気極に空気を導入する複数の空気導入管２５が連結されている。この空気導入管２５は、燃料電池セル２の管内に挿入され、その下端部は燃料電池セル２の底面付近まで延びている。

また、モジュール容器８内には、燃料電池セル２の長尺方向に対して垂直方向に沿って形成される矩形状の仕切板２６が設けられている。この仕切板２６は、アルミナ繊維を積層してブランケット状に形成したものやフェルト状に形成したものが用いられている。モジュール容器８内において、この仕切板２６で仕切られた上側に燃焼室２７（燃焼部）が形成され、下側に発電室２８が形成される。ここで、燃焼室２７は、発電室２８で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル２の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための空間である。発電室２８は、燃料ガス供給孔２４から導入される燃料ガスを各燃料電池セル２に接触させ、各燃料電池セル２の管内に流れる空気との電気化学反応を生じさせて発電させるための空間である。

また、仕切板２６には、残余の燃料ガスを発電室２８から燃焼室２７に排出するための、例えばアルミナからなる筒状の燃料ガス排出管（図示しない）が複数挿通されている。従って、仕切板２６には、発電室２８から燃焼室２７へと燃料ガスを通過させるための複数のガス排出孔が形成されていることになる。

仕切板２６と空気ヘッダ６との間には燃焼触媒４０が配置されている。燃焼触媒４０は、発電室２８で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル２の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための触媒であり、自然着火では５００℃以上でないと着火しない混合ガスを１５０℃〜２５０℃程度で着火させることができる。

燃焼触媒４０を挟んで燃料電池セル２とは反対側には、燃焼室２７において発生する排出ガスをモジュール容器８の外部へと導く流路５０が形成されている。流路５０には、上流側（燃料電池セル２側）から順に、第一改質器４１、第一蒸発器４３、空気ヘッダ６、第二改質器４２、及び第二蒸発器４４が配置されている。

第一改質器４１は、第二改質器４２よりも熱容量が小さくなるように構成されている。第一改質器４１及び第二改質器４２に被改質ガスとしての都市ガス等を供給するための被改質ガス管５１が設けられている。被改質ガス管５１は、第一改質器４１に繋がる第一ガス管５１ａと、第二改質器４２に繋がる第二ガス管５１ｂとに分岐されている。第一ガス管５１ａにはバルブ４５（供給切替部）が、第二ガス管５１ｂにはバルブ４６（供給切替部）が、それぞれ設けられている。従って、バルブ４５，４６を独立して開閉することで、第一改質器４１及び第二改質器４２に流入する被改質ガスの量を調整することができる。第一改質器４１及び第二改質器４２によって改質された被改質ガスは、燃料ガスとして燃料ガス供給管２２に供給される。

第一蒸発器４３は、第二蒸発器４４よりも熱容量が小さくなるように構成されている。第一蒸発器４３及び第二蒸発器４４に水を供給するための供給水管５２が設けられている。供給水管５２は、第一蒸発器４３に繋がる第一水管５２ａと、第二蒸発器４４に繋がる第二水管５２ｂとに分岐されている。第一水管５２ａにはバルブ４７（水供給切替部）が、第二水管５２ｂにはバルブ４８（水供給切替部）が、それぞれ設けられている。従って、バルブ４７，４８を独立して開閉することで、第一蒸発器４３及び第二蒸発器４４に流入する水量を調整することができる。第一蒸発器４３において発生した水蒸気は、第一改質器４１に流入する被改質ガスに混入されるように、第一蒸発器４３から延出する管が第一ガス管５１ａに接続されている。第二蒸発器４４において発生した水蒸気は、第二改質器４２に流入する被改質ガスに混入されるように、第二蒸発器４４から延出する管が第一ガス管５１ｂに接続されている。

図３を参照しながら説明した例では、第一改質器４１と第二改質器４２とに並行して被改質ガスを供給するように、被改質ガス管５１を構成していたけれども、第一改質器４１と第二改質器４２とを直列配管で繋ぐことも好ましい。この例について図４を参照しながら説明する。図４は、第一改質器４１と第二改質器４２とを直列に繋ぐ例を説明するためのブロック図である。

図４に示す例における、第一改質器４１、第一蒸発器４３、空気ヘッダ６、第二改質器４２、及び第二蒸発器４４の配置順は、図３に示す例と同様である。第一改質器４１及び第二改質器４２に被改質ガスとしての都市ガス等を供給するための被改質ガス管５３が設けられている。被改質ガス管５３は、第一改質器４１にのみ繋がれている。第一改質器４１と第二改質器４２とを繋ぐ燃料ガス管５４が設けられており、被改質ガス管５３から第一改質器４１に流入した被改質ガスは、第一改質器４１においてその全部又は一部が改質されて第二改質器４２に送り出される。被改質ガス管５３には、バルブ４９が設けられており、そのバルブ４９を開閉することで、第一改質器４１及び第二改質器４２に流入する被改質ガス（燃料ガス）の量を調整することができる。第一改質器４１及び第二改質器４２によって改質された被改質ガスは、燃料ガスとして燃料ガス供給管２２に供給される。

上述したように第一改質器４１は、第二改質器４２よりも熱容量が小さくなるように構成されているので、その外形も第二改質器４２よりも小さくなるように構成される。燃焼室２７から燃料電池セル２を見通す方向において、第二改質器４２がモジュール容器８の内壁面に沿って設けられる場合、第二改質器４２よりも小さい第一改質器４１はモジュール容器８の略中央に配置する。これは、第一改質器４１により効率よく熱を伝達するために、モジュール容器８において最も温度が高くなる部分に配置するためである。また、図５に示すように、第一改質器４１を更に三つに分割して、第一改質器４１ａ、第一改質器４１ｂ、第一改質器４１ｃとし、モジュール容器８の略中央に配置することも好ましい。

上述したように、改質器を第一改質器４１と第二改質器４２とに分割し、燃焼室２７において発生する排出ガスがモジュール容器８の外部へと導かれる流路５０に配置される効果について図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態の構成における燃料電池モジュールＦＣを運転した場合の温度と燃料流量との関係を示すグラフである。図７は、比較のため改質器を単一の構成とし、その熱容量は第二改質器４２と同等とした場合の燃料電池モジュールを運転した場合の温度と燃料流量との関係を示すグラフである。図６において、最も太い実線は発電出力を、中太の実線は被改質ガス（燃料ガス）の流量（燃料流量）を、最も細い実線は燃料電池セル２の温度を、点線は第一改質器４１の温度を、破線は第二改質器４２の温度を、一点鎖線は排出ガス（燃焼室温度）の温度を、それぞれ示している。図７において、最も太い実線は発電出力を、中太の実線は被改質ガス（燃料ガス）の流量（燃料流量）を、最も細い実線は燃料電池セル２の温度を、破線は改質器の温度を、一点鎖線は排出ガス（燃焼室温度）の温度を、それぞれ示している。図６及び図７においては、運転を開始してから所定の発電出力を得るまでの時間が同等となるように運転制御している。

図６に示すように、燃料電池モジュールＦＣの運転を開始してから、被改質ガスを未改質状態のまま燃料ガスとして供給し、時刻ｔ１において燃焼室２７を着火する。その後、第一改質器４１を改質可能温度（５００℃）とするために、比較的少量の燃料ガスを供給しながら燃焼室２７の燃焼を継続する。燃焼室２７の燃焼を継続すると、時刻ｔ２において第一改質器４１が改質可能温度に到達し、被改質ガスの改質が開始され、改質後の燃料ガスが燃料電池セル２に供給される。従って、起動時において必要となる、燃料電池セル２の燃料極の還元雰囲気維持が実現される。その後、時刻ｔ３において第二改質器４２が改質可能温度（５００℃）に到達するので、燃料流量を定常運転状態に対応する量まで増量し、発電を開始する。

一方、改質器を単一の構成とすると、図７に示すように、第二改質器４２の熱容量に相当する熱容量で構成されている改質器を改質可能温度（５００℃）とするために、比較的多量の燃料ガスを供給しながら燃料室２７の燃焼を継続する。燃焼室２７の燃焼を継続すると、時刻ｔ４において改質器が改質可能温度に到達し、被改質ガスの改質が開始され、改質後の燃料ガスが燃料電池セルに供給される。

図６と図７とを比較すると、定常運転前の起動時において、被改質ガス（燃料ガス）の供給量において顕著な差異が認められる。本実施形態の燃料電池モジュールＦＣの起動時における被改質ガス（燃料ガス）の供給量は、第一改質器４１のみを昇温すれば足りるので、図７に示した場合よりも比較的少量の供給で足りる。

続いて、図８を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図８は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図８に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管２２へと送り出される。

空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を固体酸化物形燃料電池モジュール１に供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管８へと送り出される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、集電ロッド５と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。

このように構成された燃料電池ＦＣＳの動作について説明する。発電室２８を電気化学反応が生じる温度（７００〜１０００℃）に昇温する。空気供給部ＡＰから空気を空気供給管７に供給し、空気ヘッダ６内に貯留する。貯留された空気は、複数の空気導入管２５内を下方に流れ、下端から燃料電池セル２の筒内に流出する。流出した空気は、燃料電池セル２の筒内を上方に流れる。このとき、空気は、空気極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった空気は、燃料電池セル２の開口部２ａから燃焼室２７に達する。

また、燃料供給部ＦＰから燃料ガスを燃料ガス供給管２２に供給し、燃料ガス分散室１７内に貯留する。貯留された燃料ガスは、燃料ガス分散板２３に形成された複数の燃料ガス供給孔２４から発電室２８内に導入され、発電室２８内を各燃料電池セル２を包囲しながら上方に流れる。このとき、燃料ガスは、燃料極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった燃料ガスは、仕切板２６の燃料ガス排出管（図示しない）を通って燃焼室２７に達する。

燃焼室２７に達した残余の燃料ガスと残余の空気とは、所定の点火装置を用いて燃焼され排出ガスが、モジュール容器８の上壁に連結された排ガス管から燃焼室２７の外に排出される。この排出ガスは高温となるために、発電室２８を加熱するための熱源として利用される。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを部分的に破断した概略的な斜視図である。 図１において空気ヘッダ側から燃料電池セル側を見通す方向における横断面図である。 燃料電池モジュールの縦断面図である。 燃料電池モジュールにおける改質器の配置例を示す図である。 燃料電池モジュールにおける改質器の配置例を示す図である。 本実施形態における温度及び燃料流量を示す図である。 従来の構成における温度及び燃料流量を示す図である。 燃料電池の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２…燃料電池セル、３，４…集電部材、５…集電ロッド、６…空気ヘッダ、７…空気供給管、８…モジュール容器、９…絶縁断熱部材、１０…断熱部材、２１…燃料電池セル集合体、２５…空気導入管、２６…仕切板、２７…燃焼室、２８…発電室、２９…燃料ガス排出孔、ＦＣ…燃料電池モジュール、ＦＣＳ…燃料電池。

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルと、
   被改質ガスを改質して燃料ガスとするための改質器と、
   前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記容器には、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部が形成されており、
   前記燃焼部において発生する排出ガスが前記容器の外部へと導かれる流路において、前記改質器が、第一改質器と第二改質器とに分割されて配置されており、
   前記第一改質器の熱容量は、前記第二改質器の熱容量よりも小さく、
   前記第一改質器は、前記燃焼部における燃焼が開始すると、前記第二改質器より先に改質可能温度に到達して被改質ガスの改質を開始するとともに、前記第二改質器が改質可能温度に到達する前に前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するよう、前記流路において前記第二改質器よりも前記燃焼部に近い上流側に配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記第一改質器及び前記第二改質器にそれぞれ被改質ガスを並行して供給する被改質ガス管を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記被改質ガス管に、前記第一改質器及び前記第二改質器のいずれか一方のみに選択的に被改質ガスを供給するための供給切替部を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記第一改質器と前記第二改質器とが燃料ガスを通過させるための燃料ガス管によって繋がれており、前記第一改質器及び前記第二改質器のいずれか一方に流入した被改質ガスが改質されて他方に流入するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記第一改質器に流入した被改質ガスが改質されて前記第二改質器に流入するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させるための燃焼触媒を備え、
   前記第一改質器は、前記燃焼触媒よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記複数の燃料電池セルそれぞれに酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス供給部を備え、
   前記第一改質器は、前記流路において前記酸化剤ガス供給部よりも前記燃焼部に近い上流側に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記第一改質器は、前記燃焼部から前記複数の燃料電池セル側を見通す方向において、前記容器の略中央に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
9. 被改質ガスを改質して燃料ガスとするために用いられる水蒸気を生成するための蒸発器を備え、
   前記蒸発器が、前記第一改質器に供給する水蒸気を生成する第一蒸発器と前記第二改質器に供給する水蒸気を生成する第二蒸発器とに分割されて配置され、
   前記第一蒸発器の熱容量が前記第二蒸発器の熱容量よりも小さくなるように構成されており、
   前記第一蒸発器が前記第二蒸発器よりも、前記流路の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
10. 前記第一蒸発器及び前記第二蒸発器にそれぞれ水を並行して供給する供給水管を備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
11. 前記供給水管に、前記第一蒸発器及び前記第二蒸発器のいずれか一方のみに選択的に水を供給するための水供給切替部を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池モジュール。
12. 前記第一蒸発器が前記第一改質器よりも、前記流路の下流側に配置されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールを備える燃料電池。

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