JP5179520B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個並設し、それぞれの燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている。

このような燃料電池モジュールとしては、例えば、発電室を内包する直方体状の収納容器内に、燃料電池セルを複数個並設し、これらを電気的に直列に接続したセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールが提案されている（例えば、特開２００７−５９３７７号公報参照）。

ここで、上述したような燃料電池モジュールにおいては、収納容器内にセルスタックを収納するとともに、セルスタックの上方に、水蒸気改質で用いられる水蒸気を生成するための気化部と気化部で生成された水蒸気により原燃料を改質するための改質部とを具備する改質器が配置されている。

ここで、燃料電池セルの発電により生じる熱や、燃料電池セルの上端部側にて燃料電池セルにて使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる熱を利用することにより、改質器の温度を上昇させることができ、効率よく水蒸気改質を行なうことができる。

また原燃料として、灯油やメタノール等の液体燃料を用いる燃料電池システムも提案されている（例えば、特開２００６−３５１２９２号公報参照。）。

ところで、原燃料が灯油やメタノール等の液体燃料の場合、改質反応の前に液体燃料を気化させる必要がある。しかしながら、上述したような燃料電池モジュールにおいては、特に燃料電池モジュールの起動時において、収納容器内の温度が低く、起動時に液体燃料を気化させることが難しいという問題がある。

それゆえ、本発明は、原燃料として液体燃料を使用する場合に、効率よく起動することができるとともに、発電効率が向上した燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、収納容器と、該収納容器内に収納された、内部にガス流路を有する柱状の固体酸化物形燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記収納容器内に収納された、前記固体酸化物形燃料電池セルの下端を固定するとともに前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記収納容器内に収納された、前記固体酸化物形燃料電池セルの上方に配置され前記固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、前記収納容器の外面に配置された原燃料を気化させて前記改質器に供給するための気化器と、該気化器の温度を上昇させるための熱源と、を備える燃料電池モジュールと、前記気化器に水を供給するための水供給手段と、前記気化器に液体燃料である原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記水供給手段および前記原燃料供給手段の動作を制御する制御装置と、を外装ケース内に収納してなり、前記制御装置は、前記水供給手段の動作を制御して前記気化器内に水を供給するとともに、前記気化器内にて水が気化したのちに、前記原燃料が前記気化器内に供給されるように前記原燃料供給手段の動作を制御することを特徴とする。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明に係る燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。 図１で示す燃料電池モジュールの断面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す概略図である。 本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置の他の一例を示す概略図である。

以下図面を参考にして本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図であり、図２は図１で示すモジュール１の断面図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

モジュール１は、直方体状の収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の固体酸化物形燃料電池セル３（以下、燃料電池セルという場合がある。）を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を収納して構成されている。なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部に設けられたガス流路を長手方向に燃料ガスが流れる中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極、固体電解質および酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。なお、固体酸化物形燃料電池セル３としては、上記以外に、たとえば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもでき、また支持体の表面に酸素側電極、固体電解質および燃料側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３とすることもできる。

また、燃料電池セル３にて使用する水素含有ガスを得るために、灯油やエタノール等の液体燃料や都市ガス等の気体燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質器６をセルスタック５の上方に配置している。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管７によりマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。そして、これらの構成により燃料電池セルスタック装置８が構成されている。

なお、図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、燃料電池セルスタック装置８を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

ここで、燃料電池セル３の発電に用いる燃料ガスの原燃料として都市ガスやＬＰＧ等の気体燃料を用いる場合、原燃料が気体であることから、原燃料を気化させる必要がなく、改質器にて水蒸気改質やオートサーマル改質を行う場合に、水を気化させるための気化部を収納容器２内に設ける（改質器６と一体化して設ける）ことができる。

この場合、モジュール１（燃料電池装置）の起動時や再起動時のようなモジュール１内（改質器６内）の温度が低い間は、改質器６にて部分酸化改質を行い、改質器６の温度が上昇した後は、随時、改質器６での改質反応をオートサーマル改質や水蒸気改質に切り替えることにより、効率よい改質反応を行うことができる。

しかしながら、燃料電池セル３の発電に用いる燃料ガスの原燃料として灯油やメタノール等の液体燃料を使用する場合、モジュール１の起動時に液体燃料を気化させる必要があり、この場合に収納容器２内に（改質器６と一体化して）気化部を設けた場合には、燃料電池装置の起動時や再起動時のような収納容器２内（改質器６内）の温度が低い間は、液体燃料を気化させることが難しい。

それゆえ、本発明に係る燃料電池モジュール１においては、収納容器２の外面に気化器を配置するとともに、気化器の温度を上昇させるための熱源を備えることを特徴とする。それにより、原燃料として液体燃料を用いる場合に、モジュール１の起動を効率よく行うことができる。

ここで、図１においては、収納容器２の上面に気化器９を配置するとともに、気化器９の表面に気化器９の温度を上昇させるための熱源としてヒーター１０を設けた例を示している。なお、ヒーター１０は気化器９の内部に設けることも可能である。

それにより、モジュール１の起動時において、ヒーター１０を作動させることにより気化器９の温度を上昇させることができ、それにより原燃料として液体燃料を用いる場合に、液体燃料を容易に気化させることができる。そして、気化した液体燃料（原燃料ガス）を改質器６に供給することで、改質器６で改質反応を行なうことができ、効率よくモジュール１を起動することができる。なお、この場合もモジュール１内部の温度が低い間は、改質器６にて部分酸化改質を行い、改質器６の温度が上昇した後は、随時、オートサーマル改質や水蒸気改質に切り替えることが好ましい。

なお、気化器９の温度を上昇させるための熱源としてヒーターを例示したが、気化器９の温度を迅速に上昇させることができれば、他の手段を用いることも可能である。そのような熱源としては、例えば、バーナー等が挙げられる。

ところで、原燃料として液体燃料を用いる場合に、気化器９をモジュール１とは別個に独立して配置することも考えられる。しかしながら、この場合においては、気化器９の温度を、常に液体燃料が気化できる温度に保持する必要があり、気化器９の温度を上昇させるための熱源を常に作動させる必要が生じ、それにより発電効率が低下するおそれがある。

ここで、本発明に係る燃料電池モジュール１においては、気化器９を収納容器２の外面に配置したことから、モジュール１において発電が開始された後は、燃料電池セル３の発電に伴う輻射熱によりモジュール１の温度が上昇することから、あわせて気化器９の温度を上昇させる（もしくは気化器９の温度を所定の温度範囲に維持する）ことができ、熱源（ヒーター１０など）を使用する時間を短くすることができる。

ここで、気化器９には、原燃料を気化器９に供給するための原燃料供給管１１が接続されており、あわせて気化器９で気化された原燃料ガスを改質器６に供給するための原燃料ガス供給管１２が接続されている。

なお、改質器６において水蒸気改質（オートサーマル改質も含む）を行なう場合においては、気化器９に水を供給して水を気化させることもできる。また、気化器９の温度を上昇させるための熱源１０を備えていることから、改質器６にて水蒸気改質やオートサーマル改質を行う場合においては、気化器９にて効率よく水を気化させることができ、水蒸気改質やオートサーマル改質が可能となるまでの時間を短くすることができる。なお、原燃料供給管１１を二重管や別途配管を設けるなどして原燃料と水とを気化器９に供給することもできる。

さらに、気化器９にて効率よく原燃料や水を気化させるにあたり、気化器９の内部を蛇行流路とすることもできる。図１においては、気化器９の内部を蛇行流路とした場合に、気化器９内で原燃料を効率よく気化させるために、原燃料供給管１１と原燃料ガス供給管１２とを双方向より気化器９に接続した例を示している。なお、原燃料供給管１１と原燃料ガス供給管１２とを同じ方向より接続することもできる。

なお図１においては、気化器９と改質器６とを接続する燃料ガス供給管１２の一部を取り外して、燃料電池セルスタック装置８を収納容器２から引き出した状態を示している。

また、改質器６にて水蒸気改質する場合において、気化器９にて水（原燃料が液体燃料の場合には原燃料も）を気化させることとなるが、気化器９を収納容器２の内部に配置した場合には、気化器９の近傍の燃料電池セル３の温度が低下し、改質器６の温度上昇が抑制され、それにより燃料電池セル３の発電効率が悪化するおそれがある。

一方、本発明に係るモジュール１においては、気化器９を収納容器２の外面に配置したことから、燃料電池セル３の温度が低下することを抑制でき、改質器６の温度を効率よく上昇させることができる。それにより、燃料電池セル３（セルスタック５）の発電効率を向上することができる。

また、気化器９の内部には改質触媒を配置することもできる。それにより、気化器９の内部にて部分酸化改質やオートサーマル改質を行うことで、気化器９の温度を効率よく上昇させることができるとともに、原燃料（液体燃料）からの炭素析出を抑制することができる。

なお、気化器９の内部に配置する改質触媒としては、耐熱性の高い改質触媒を用いることができ、例えばα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｈ、Ｐｄ、Ｐｔ等の貴金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。それ以外にも多孔質担体にＲｕを担持させた改質触媒、同じくＮｉを担持させた改質触媒などを用いることもできる。ちなみに、改質器６の内部に配置する改質触媒としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。

図２は、図１で示すモジュール１の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１２と外壁１３とを有する二重構造で、外壁１３により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１２によりセルスタック５（燃料電池セルスタック装置８）を収納する発電室１４が形成されている。

さらにモジュール１においては、内壁１２と外壁１３との間を、燃料電池セル３に導入する反応ガスの流路としており、例えば、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流れる。

ここで内壁１２には、内壁１２の上面よりセルスタック５の側面側にまで延び、セルスタック５の配列方向における幅に対応し、内壁１２と外壁１３とで形成される流路に通じて、セルスタック５に反応ガスを導入するための反応ガス導入部材１５が備えられている。また、反応ガス導入部材１５の下端側（燃料電池セル３の下端側）には、燃料電池セル３に反応ガスを導入するための吹出口１６が設けられている。

なお図２において、反応ガス導入部材１５は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入流路を形成し、下端側で底部材に接合して形成されている。また、図２においては、反応ガス導入部材１５は、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５（燃料電池セルスタック装置８）間に位置するように配置されている。なお、反応ガス導入部材１５は、収納されるセルスタック５の数により、例えばセルスタック５の両側面から挟み込むように配置してもよい。

そして、マニホールド４より供給され、燃料電池セル３で利用されなかった未反応の燃料ガスは、燃料電池セル３の上端部側において、反応ガス導入部材１５より供給される酸素含有ガスと燃焼させることができる。それにより、モジュール１（収納容器２）の内部の温度を高温とすることができ、効率よく燃料電池セル３の発電を行うことができる。なお、収納容器２内には、未反応の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させるための着火装置（図示せず）を備える。

なお、このようなモジュール１においては、燃料電池セル３の上端部から改質器５までの空間が、未反応の燃料ガスの燃焼領域となり（図２においては一点鎖線にて示している）、モジュール１（収納容器２）の上面側の温度が特に高温となる。

それゆえ、燃焼領域と対向する収納容器２の外面、すなわち図１および図２においては、収納容器２の外面のうち上面の外面に気化器９を配置することで、燃料電池セル３の発電時において、効率よく気化器９の温度を上昇させる（もしくは、気化器９の温度を所定の温度範囲に維持する）ことができる。それにより、気化器９の温度を上昇させるための熱源（図１においてはヒーター１０）の使用時間を短くすることができ、発電効率を向上することができる。

以下、モジュール１（収納容器２）を構成する他の部材について説明する。まず、反応ガス導入部材１５の内部には、温度センサ１７の測温部１８が位置するよう、温度センサ１７が収納容器２の上面側より挿入されている。なお、温度センサ１７としては、例えば熱電対を用いることができる。

燃料電池セル３は、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が過度に上昇すると、発電量が低下する、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル３（セルスタック５）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック５近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ１７は、測温部１８がセルスタック５の最も高い温度となる中央部側（燃料電池セル３の配列方向の中央部で、かつ燃料電池セル３の長手方向における中央部から上端部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。

また発電室１４内には、収納容器２内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、収納容器２内の温度を高温に維持するための断熱材１９が適宜設けられている。

断熱材１９は、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度を高温で維持すべく、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材１９を並設することが好ましい。なお、好ましくは、セルスタック５の両側面側に並設することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。

なお、反応ガス導入部材１５側に配置する断熱材１９の下端側には、反応ガスを燃料電池セル３に供給するための切り欠き部を有していることが好ましい。

また、内壁１２により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル３の配列方向に沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁２０により排ガス流路が形成され、さらに収納容器２の底に設けられた排気孔２０と排ガス流路が通じている。

それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔２０より排気される構成となっている。

なお、排気孔２０は収納容器２の底の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

そして、上述したようなモジュール１を外装ケース内に収納することにより、本発明の燃料電池装置とすることができる。

図３は、本発明の燃料電池装置２１を概略的に示す側面図であり、一部、外装ケース２２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２２の内部が見えるようにして示している。また、図４は本発明の燃料電池装置２１を具備する燃料電池システムの構成の一例を示した構成図である。

図３において、燃料電池装置２１は、外装ケース２２内に仕切部材２３を有し、仕切部材２３の上部にモジュール１が配置された燃料電池モジュール収納室２４（以下、モジュール収納室と略す）が形成されている。また、仕切部材２３の下部にはモジュール１を動作させるにあたり必要な補機類（図３においては、制御装置２６、モジュール１に空気を供給するためのブロアー２７、モジュール１の排ガスと水とで熱交換を行う熱交換器２８を示している。）を収納するための補機収納室２５が形成されている。なお、仕切部材２３はモジュール収納室２４と補機収納室２５とを区画していればよく、モジュール収納室２４と補機収納室２５とが隙間を有して区画されていてもよい。

また、例えば外装ケース２２を仕切部材２３により左右に区画するとともに、一方がモジュール１を収納する燃料電池モジュール収納室２４、他方が補機類を収納する補機収納室２５とした燃料電池装置１とすることもできる。

なお、図３に示したような仕切部材２３を用いて、外装ケース２２を上下に区画した形状とすることにより、燃料電池装置２１をコンパクトな形状とすることができる。

さらに、図３に示した燃料電池装置２１においては、気化器９の内部に温度センサ２９を配置することで、気化器９の温度を直接的に測定することができ、温度センサ２９の温度に基づき、熱源１０の作動を適切に制御するための制御装置２６が配置されている。

図４に示す燃料電池システムにおいて、上述した図３に示す燃料電池装置は発電ユニットに相当し、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とあわせて、燃料電池システムが構成されている。なお、貯湯ユニットや循環配管も含めて本発明の燃料電池装置とすることもできる。

図４に示す燃料電池装置（システム）は、燃料電池セル３、天然ガスや灯油等の原燃料を供給する原燃料供給手段３０、酸素含有ガスを気化器９や改質器６に供給するための酸素含有ガス供給手段３１を具備している。なお、気化器９には上述したヒーター（熱源）１０、温度センサ２９が設けられている。また、本発明に係るモジュール１は、燃料電池セル３と改質器６とを収納容器２内に収納して構成される。

また、図４に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、熱交換器２８、熱交換により生成された凝縮水を処理する凝縮水処理装置４４、熱交換器２８で生成された凝縮水を凝縮水処理装置４４に供給するための凝縮水供給管４５が設けられており、凝縮水処理装置４４にて処理された凝縮水は水タンク３７に貯水された後、水ポンプ３８により気化器９に供給される。なお、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段（例えば、イオン交換樹脂等。図示せず。）は、凝縮水処理装置４４のほか、凝縮水供給管４５等にも設けることができる。

一方、凝縮水処理装置４４に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して気化器９に供給することもでき、図４においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各水処理装置を具備している。

ここで、外部より供給される水を気化器９に供給するための各水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置３４、逆浸透膜装置３５および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置３６の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置３６（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置３６にて生成された純水は水タンク３７に貯水される。なお、図４に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、水処理装置として、上記各装置全てを備えるとともに、外部より供給される水の量を調整するための給水弁３３が設けられている。また、凝縮水処理装置４４と水タンク３７とがタンク連結管４５にて連結されている。なお、凝縮水のみを気化器９に供給する場合には、凝縮水処理装置４４と気化器９とを水ポンプ３８を介して接続することも可能である。

また、気化器９に水を供給するための各水処理装置および凝縮水処理装置をあわせて、水供給装置Ｘとして表し、図４においては一点鎖線により囲って示している（なお、気化器９と水ポンプ３７とを接続する給水管３２、タンク連結管４５、凝縮水供給管４６も水供給装置Ｘに含まれるものとする。）。

さらに図４に示す燃料電池装置は、燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するためのブロアー２７、燃料電池セル３にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ３９、熱交換器２８の出口に設けられ熱交換器２８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ４０のほか、制御装置２６が設けられており、循環ポンプ４１とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１６については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース２２内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる（図示せず）。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク４３を具備して構成されている。

さらに、モジュール内（図４においては燃料電池セル１として示している）には、燃料電池セル３で利用されなかった未反応の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させるための着火装置４７が設けられている。なお、着火装置４７としては、一般的に公知のものを使用でき、例えばヒーター、バーナー等を用いることができる。

なお、図中の矢印は、被改質ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置２６に伝送される主な信号経路、または制御装置２６より伝送される主な信号経路を示している。

以下に、本発明の燃料電池装置の起動について図４を用いて説明する。燃料電池装置の起動時において、制御装置２６は、温度センサ２９により測定される気化器９の温度が第１の温度以下の場合に、熱源１０を作動させるように制御する。第１の温度としては、気化器９にて水や液体燃料を十分に気化できる温度に設定することが好ましく、例えば２００℃とすることができる。

気化器９の温度が、所定の温度（例えば２００〜４００℃）となると、制御装置２６は水供給手段Ｘ（水ポンプ３８等）および原燃料供給手段３０を作動させる制御を行なう。この際、気化器９にて部分酸化改質やオートサーマル改質を行なう場合には、あわせて酸素含有ガス供給手段３１を作動させる制御を行なう。

続いて制御装置２６は、ブロアー２７を作動させる制御を行なうとともに、収納容器２内の着火装置４７を点火する制御を行なう。それにより、気化器９にて気化された原燃料ガスが、改質器６を通して燃料電池セル３に供給され、燃料電池セル３の上端側より排出された燃料ガスと、ブロアー２７により供給される酸素含有ガスとで燃焼することにより、改質器６や燃料電池セル３の温度を上昇させることができる。

制御装置２６が上述したような制御を行なうことにより、収納容器２内の温度が低い場合においても、気化器９の温度を効率よく上昇させることができ、原燃料として液体燃料を用いる場合に、液体燃料を容易に気化させることができる。それにより、気化した原燃料ガスを改質器６に供給することから、改質器６の温度上昇が抑制されることなく迅速に温度上昇させることができる。それにより、効率よく燃料電池装置を起動することができるとともに、燃料電池セル３（セルスタック５）の発電効率を向上することができる。

ここで、燃料電池セル３が発電を開始した後は、燃料電池セル３の発電に伴う輻射熱により気化器９の温度が上昇するが、気化器９内に上述したような改質触媒を配置する場合においては、気化器９の温度が過度に上昇すると、改質触媒の劣化が早まるおそれがある。

それゆえ、制御装置２６は、温度センサ２９により測定される気化器９の温度が第１の温度よりも高く設定された第２の温度よりも高い場合に、ヒーター（熱源）１０を停止するように制御することが好ましい。なお、第２の温度としては、気化器９内に設けられる改質触媒の劣化に影響を与えない温度とすることができ、たとえば６００℃とすることができる。なおこれらの温度は、気化器９の大きさや、気化器９に供給する原燃料の種類、気化器９の内部に配置する改質触媒の種類等により適宜設定することができる。

それにより、ヒーター（熱源）１０を使用する時間を短くすることができることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができるとともに、気化器９内に改質触媒を配置する場合に、改質触媒の劣化を抑制することができる。

図５は、本発明の燃料電池装置の他の一例を示しており、一部外装ケース２２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２２の内部が見えるようにして示した燃料電池装置４８を概略的に示す側面図である。

図３および図４に示す燃料電池装置２１においては、制御装置２６は、気化器９の温度を測定する温度センサ２９を用いて燃料電池装置２１の動作を制御したが、図５に示す燃料電池装置４８においては、制御装置２６は収納容器２内に配置された温度センサ４９が検知する温度に基づいて燃料電池装置４８の動作を制御する例を示している。ここで、収納容器２内に温度センサ４９を配置することで、収納容器２内の温度を測定することができ、それにより間接的に気化器９の温度を測定することができる。そして、収納容器２内の温度が高温となった場合には、気化器９の温度を上昇させるためのヒーター（熱源）１０を使用することなく、気化器９の温度を上昇させることができる。

ここで、収納容器内２に温度センサ４９を配置するにあたり、気化器９の温度を間接的に測定することができる場所に配置することが好ましく、例えば、発電室１４や改質器６の入口もしくは出口等、モジュール１の構成にあわせて適宜配置することができる。なお、気化器９の温度を間接的に測定するとは、例えば気化器９と温度センサ４９を配置する場所の温度の相関関係を事前に調査しておくことで、温度センサ４９の温度に基づき気化器９の温度を測定することを意味している。

ここで温度センサ４９を改質器６の入口に配置する場合には、改質器６での改質反応を適切に行うことができるよう、例えば第１の温度を１５０℃に設定することができ、第１の温度よりも高く設定される第２の温度を４００℃に設定することができる。

そして、制御装置２６は、燃料電池装置４８の起動時において、温度センサ４９により測定される改質器６の入口温度が１５０℃以下の場合にはヒーター（熱源）１０を作動させるように制御し、改質器６の入口温度が、所定の温度（例えば１５０〜４００℃）となると、水供給手段Ｘ（水ポンプ３８等）および原燃料供給手段３０を作動させる制御を行ない、続いてブロアー２７を作動させる制御を行なうとともに着火装置４７を点火する制御を行なう。それにより、燃料電池装置４８に起動を効率よく行なうことができる。

一方、改質器６の入口温度が４００℃よりも高い場合には、制御装置２６は、ヒーター（熱源）１０の作動を停止するように制御することが好ましい。それにより、気化器９にて気化させた液体燃料や水等が液化することを抑制（防止）することができる。

また、温度センサ４９を改質器６の出口に配置する場合には、燃料電池セル３での発電効率や燃料電池セル３の劣化を考慮して、第１の温度を５５０℃に設定することができ、第２の温度を７００℃に設定することができ、これらの設定温度にあわせて上述の制御を行なうことにより、効率よく燃料電池装置を起動することができる。

それにより、温度センサ４９を収納容器２内に配置する場合においても、気化器９の温度を間接的に測定でき、その測定した温度に基づいて、ヒーター（熱源）１０を効率よく制御することができ、効率よく燃料電池装置を起動することができる。

なお、各設定温度は燃料電池セル３の形状や、セルスタック５や改質器６や気化器９の大きさ等に基づき適宜変更することができる。

また、上述の説明において原燃料として灯油等の液体燃料を用いる場合を中心に説明したが、原燃料として都市ガスやＬＰＧ等の気体燃料を用いる場合においても、気化器９を収納容器２の外面に配置することで、水の気化による燃料電池セル３の温度低下を抑制でき、また改質器６を効率よく温度上昇させることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

さらに、燃料電池セル３の形状や配置によっては、気化器９を収納容器２の側面などの外面に配置することもできる。なお、気化器９を収納容器２の側面に配置する場合においては、収納容器２の側面のうち、燃焼領域に対向する部位に配置することが好ましい。それにより、気化器９の温度を効率よく上昇させる（または所定の温度範囲に維持する）ことができる。

また、気化器９内に改質触媒を配置するとともに、原燃料として液体燃料である灯油を用いる燃料電池装置において、気化器９内にて水と灯油とを混合させるにあたっては、制御装置２６は、気化器９に先に水が供給されるように水供給手段Ｘ（水ポンプ３８等）の動作を制御し、気化器９内で水が気化した後に、灯油を気化器９に供給されるように原燃料供給手段３０の動作を制御することが好ましい。それにより、灯油が分解して炭素析出することを抑制することができ、燃料電池セル３が劣化することを抑制できる。

以上、本実施形態によれば、このような燃料電池モジュール１においては、収納容器２の外面に気化器９が配置され、さらに気化器９の温度を上昇させるための熱源１０を備えていることから、燃料電池モジュール１の起動時において、収納容器２の内部の温度に関係なく気化器９の温度を上昇させることができる。それにより、燃料電池モジュール１の起動時において、原燃料である液体燃料を効率よく気化させることができる。そして、燃料電池モジュール１の起動時において、収納容器２内の温度が低い場合においても、液体燃料を容易に気化させることができ、気化した液体燃料を改質器６に供給することから、改質器６の温度を迅速に上昇させることができ、効率よく燃料電池モジュール１を起動することができる。

また、気化器９を収納容器２の外面に配置したことから、固体酸化物形燃料電池セル３が発電を開始した後は、固体酸化物形燃料電池セル３の発電に伴う輻射熱により気化器９の温度を上昇させることができ、熱源１０を使用する時間を短くすることができる。それにより、発電効率を向上することができる。

また、このような燃料電池モジュール１においては、気化器９内に改質触媒を具備することから、気化器９内にて部分酸化改質やオートサーマル改質を行なうことができ、それにより気化器９の温度を効率よく上昇させることができるとともに、炭素析出を抑制することができる。

さらに、このような燃料電池モジュール１においては、固体酸化物形燃料電池セル３の上端部側に位置する燃焼領域と対向する収納容器２の外面に気化器９を配置することにより、気化器９の温度を上昇させるにあたり、未反応の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を効率よく利用することができ、気化器９の温度を迅速に上昇させることができる。それにより、効率よく燃料電池モジュール１を起動することができるとともに、熱源１０の使用時間を短くすることができる。

さらに、このような燃料電池装置においては、上述の燃料電池モジュール１を外装ケース２２内に収納してなることから、原燃料として液体燃料を用いる場合に、効率よく起動を行うことができる燃料電池装置とすることができる。

さらに、このような燃料電池装置においては、気化器９の温度に基づいて熱源１０の作動と停止を制御することから、効率よく熱源を作動させることができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

さらに、このような燃料電池装置においては、収納容器２内の温度に基づいて熱源１０の作動と停止を制御することから、効率よく熱源を作動させることができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池装置は、収納容器と、該収納容器内に収納された、内部にガス流路を有する柱状の固体酸化物形燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記収納容器内に収納された、前記固体酸化物形燃料電池セルの下端を固定するとともに前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記収納容器内に収納された、前記固体酸化物形燃料電池セルの上方に配置され前記固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、前記収納容器の外面に配置された原燃料を気化させて前記改質器に供給するための気化器と、該気化器の温度を上昇させるための熱源と、を備える燃料電池モジュールと、前記気化器に水を供給するための水供給手段と、前記気化器に液体燃料である原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記水供給手段および前記原燃料供給手段の動作を制御する制御装置と、を外装ケース内に収納してなり、前記制御装置は、前記水供給手段の動作を制御して前記気化器内に水を供給するとともに、前記気化器内にて水が気化したのちに、前記原燃料が前記気化器内に供給されるように前記原燃料供給手段の動作を制御することを特徴とすることから、効率よく燃料電池モジュールを起動することができ、固体酸化物形燃料電池セル（セルスタック）の発電効率を向上することができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

Claims (5)

1. 収納容器と、
   該収納容器内に収納された、内部にガス流路を有する柱状の固体酸化物形燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、
   前記収納容器内に収納された、前記固体酸化物形燃料電池セルの下端を固定するとともに前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドと、
   前記収納容器内に収納された、前記固体酸化物形燃料電池セルの上方に配置され前記固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、
   前記収納容器の外面に配置された原燃料を気化させて前記改質器に供給するための気化器と、
   該気化器の温度を上昇させるための熱源と、
   を備える燃料電池モジュールと、
   前記気化器に水を供給するための水供給手段と、
   前記気化器に液体燃料である原燃料を供給するための原燃料供給手段と、
   前記水供給手段および前記原燃料供給手段の動作を制御する制御装置と、
   を外装ケース内に収納してなり、
   前記制御装置は、前記水供給手段の動作を制御して前記気化器内に水を供給するとともに、前記気化器内にて水が気化したのちに、前記原燃料が前記気化器内に供給されるように前記原燃料供給手段の動作を制御する
   ことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記気化器内に改質触媒を具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記固体酸化物形燃料電池セルでの未反応の燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池セルの上端部で燃焼させる燃焼領域を有するとともに、前記気化器が、該燃焼領域と対向する前記収納容器の外面に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記気化器内に温度センサを配置するとともに、
   前記制御装置は、前記温度センサにより測定される温度が第１の温度以下の場合に、前記熱源を作動させるように制御し、かつ、前記温度センサにより測定される温度が第１の温度よりも高く設定された第２の温度より高い場合に、前記熱源を停止させるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
5. 前記収納容器内に温度センサを配置するとともに、
   前記制御装置は、前記温度センサにより測定される温度が第１の温度以下の場合に、前記熱源を作動させるように制御し、かつ、前記温度センサにより測定される温度が第１の温度よりも高く設定された第２の温度より高い場合に、前記熱源を停止させるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。

Images