JP5473351B2 - 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と、燃料電池モジュールより排出される排ガスを処理するための排ガス処理装置とを備え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（燃料ガス）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の複数個を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、燃料電池セルの発電で用いられなかった未使用（余剰）の燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セルの温度を上昇させることが知られているが、このような燃料電池装置の稼動に伴って生じる排ガス中に、燃料ガスが不完全燃焼して生じる一酸化炭素や、未使用の燃料ガスなどをはじめとする有害成分を含有する場合がある。

これらの有害成分を含有する排ガスをそのまま排気すると、安全性や環境等への影響が懸念される。それゆえ、燃料電池装置の稼動に伴って生じる排ガス中に含有される有害成分を除去するための手段を設けた燃料電池装置が提案されており、例えばハウジング内に複数の固体酸化物形燃料電池セルを収納するとともに、燃料電池セルより排出された燃焼排ガスを浄化する浄化装置（例えば、燃焼触媒を用いる浄化装置）を具備する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、このような有害成分は、浄化装置が備える燃焼触媒の温度が低い燃料電池装置の起動時から発電初期にかけて多く排出されることから、燃焼触媒の温度を効果的に上昇させることにより排ガスの処理を効率よく行なう目的で、燃焼触媒を加熱するための加熱装置を備える燃料電池装置が提案されている。

特開２００６−３２２９１号公報 特開２００８−１３５３０５号公報

ここで、燃料電池装置を起動する際に、燃料ガスや酸素含有ガス（空気）等を用いて燃料電池モジュール内に残存する燃料ガス等を排出する（以降、パージという場合がある）ことが行なわれた後に、燃料ガス（原燃料）および酸素含有ガスを供給して着火するが、燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給して着火した後しばらくの間は、温度の低い排ガスが排出される。それゆえ、排ガスを処理できる温度にまで燃焼触媒の温度を上昇させていたとしても、温度の低い排ガスが流れることにより、燃焼触媒の温度が排ガスを処理できる温度未満にまで急激に低下して、排ガスの処理効率が低下するおそれがある。

また、パージを行う前に燃焼触媒の温度を、排ガスを処理できる温度まで上昇させる場合でも、パージに伴って燃焼触媒の温度が低下し、さらにパージ後に燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給して着火することで生じる温度の低い排ガスにより、さらに温度が低下することから、燃焼触媒を加熱するための加熱手段を必要以上に作動させることとなり、起動に際して必要とするエネルギーが増大するために、効率よく燃料電池装置を起動させることが難しく、さらには発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ本発明は、効率よく起動させることができるとともに、起動時において、効率よく排ガスの処理を行なうことができ、さらには発電効率が低下することを抑制することができる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、内部にガスが流れるガス流路を備える燃料電池セルの複数個を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための原燃料供給手段と、前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールに設けられた排気孔に接続され、前記燃料電池モジュールより排出されるガスが通過するとともに、排出されたガスを処理するための燃焼触媒を具備する排ガス処理装置と、前記燃焼触媒を加熱するための加熱手段と、前記燃料電池セルで使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置と、前記原
燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段、前記加熱手段および前記着火装置の動作をそれぞれ制御するための制御装置とを具備する燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記燃料電池装置の起動時において、前記酸素含有ガス供給手段を作動させて所定量のガスを供給して前記収納容器内をパージした後に停止させ、続いて前記加熱手段を作動させ、前記燃焼触媒の温度が前記燃料電池モジュールより排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった場合に、前記原燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段および前記着火装置を作動させるようにそれぞれ制御することを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、起動時において、制御装置が、酸素含有ガス供給手段を作動させて所定量のガスを供給した後、すなわち燃料電池モジュール内に残存する燃料ガス等を、酸素含有ガスを用いて排出した（パージした）後に、作動させた酸素含有ガス供給手段を停止するように制御する。それゆえ、パージに伴って燃焼触媒の温度が低下することがなく、また起動に際して必要とするエネルギーが増大することも抑制できることから、効率よく燃料電池装置を起動させることができる。

また、本発明の燃料電池装置においては、加熱手段を作動させて、燃焼触媒の温度がモジュールより排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった後に、原燃料供給手段、酸素含有ガス供給手段および着火装置を作動させる。

それにより、着火装置を作動させた後しばらくの間、排出される温度の低い排ガスにより燃焼触媒の温度が低下したとしても、燃焼触媒の温度が排ガスの処理開始可能温度未満にまで低下することを抑制することができ、効率よく排ガスの処理を行なうことができる。

また、燃料電池モジュールより排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった後に、原燃料供給手段、酸素含有ガス供給手段および着火装置を作動させることで、燃焼触媒の温度が、排ガスの処理開始可能温度未満にまで低下することを抑制することができることから、加熱手段に負荷がかかることを抑制でき、発電効率が低下することを抑制できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置が、前記着火装置を作動させた後において、前記燃焼触媒の温度または前記燃料電池モジュールより排出される排ガスの温度が所定の温度以上となった場合に、前記加熱手段の動作を停止するように制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、前記着火装置を作動させた後において、燃焼触媒の温度や燃料電池モジュールより排出される排ガスの温度が所定の温度以上となると、加熱手段を作動させなくても安定して排ガスの処理を行うことができる。それゆえ、このような場合には、加熱手段の動作を停止することで、負荷を抑え、発電効率を向上することができる。

本発明の燃料電池装置は、内部にガスが流れるガス流路を備える燃料電池セルの複数個を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための原燃料供給手段と、前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールに設けられた排気孔に接続され、前記燃料電池モジュールより排出されるガスが通過するとともに、排出されたガスを処理するための燃焼触媒を具備する排ガス処理装置と、前記燃焼触媒を加熱するための加熱手段と、前記燃料電池セルで使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置と、前記原燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段、前記加熱手段および前記着火装置の動作をそれぞれ制御するための制御装置とを具備する燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記燃料電池装置の起動時において、前記酸素含有ガス供給手段を作動させて所定量のガスを供給して前記収納容器内をパージした後に停止させ、続いて前記加熱手段を作動させ、前記燃焼触媒の温度が前記燃料電池モジュールより排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった場合に、前記原燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段および前記着火装置を作動させるようにそれぞれ制御することから、効率よく起動させることができるとともに、その起動時において、排ガスを効率よく処理することができ、発電効率が低下することを抑制することができる。

本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 図１に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。 図３に示した燃料電池装置の一部を抜粋して示す概略図である。 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。

図１は、本発明の燃料電池装置を構成す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。以下、まずモジュール１について説明する。

図１に示すモジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を第１の反応ガス（水素含有ガス、以下燃料ガスという場合がある）が流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル３を複数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、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。上述のような構成によりセルスタック装置１１が構成される。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および空気極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。

さらに図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置している。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１１の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１１に改質器６を含むこともできる。

また図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１１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、セルスタック装置１１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。

なお、収納容器２の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、第２の反応ガス（以下酸素含有ガスという場合がある）が燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材１５が配置されている。なお、反応ガス導入部材１５については後述する。

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（セルスタック装置１１）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（収納容器２）においては、内壁１２と外壁１３との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路としている。

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、内壁１２と外壁１３とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック５（燃料電池セル３）に酸素含有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の下端に、燃料電池セル３の配列方向に沿って、燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入口１６が設けられている。

図２においては、反応ガス導入部材１５が、収納容器２の内部に横並びに並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、例えば反応ガス導入部材１５をセルスタック５の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック５（セルスタック装置１１）を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材１５を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室１４内には、モジュール１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、モジュール１内の温度を高温に維持するために、板状やブランケット等の形状の断熱材１７が適宜設けられている。

断熱材１７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、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１７を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材１７はセルスタック５の両側面側に配置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。さらには、反応ガス導入部材１５より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１２の内側には、排ガス用内壁１８が設けられており、内壁１２と排ガス用内壁１８との間が、発電室１４内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路とされている。なお、排ガス流路は、収納容器２の底部に設けられた排気孔１９と通じている。

ここで、燃料電池セル３のガス流路より排出される未使用の燃料ガス（以下、余剰の燃料ガスという場合がある。）を燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１１の起動を早めることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。

それゆえ、モジュール１においては、燃料電池セル３の上方に位置するように着火装置２０が配置されている。なお、着火装置としては、余剰の燃料ガスを燃焼させることができるものであればよく、例えば、着火ヒーターやバーナー等を用いることができる。それにより、燃料電池セル３の上端部側より排出される余剰の燃料ガスを燃焼させることができ、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１１の起動を早めることができる。

このようなモジュール１においては、改質器６にて改質された燃料ガスがマニホールド４を通して燃料電池セル３に供給され、燃料電池セル３より排出された燃料ガス（余剰の燃料ガスを燃焼させた場合には燃焼ガス）は、収納容器２（発電室１４）内に充填され、充填された燃料ガス（燃焼ガス）が、排ガス流路を通じて排出される。同様に、反応ガス導入部材１５より導入され、燃料電池セル３にて使用されなかった酸素含有ガスは、収納容器２（発電室１４）内に充填され、充填された酸素含有ガスが、排ガス流路を通じて排出される。それゆえ、以降の説明において、原燃料供給手段や酸素含有ガス供給手段より供給される燃料ガスや酸素含有ガスを用いて燃料電池モジュール内に残存する燃料ガス等排出する（パージする）場合に、燃料ガスや酸素含有ガスをモジュール１内に供給すると表現する場合がある。

図３は、本発明の燃料電池装置２１を模式的に示した断面図であり、図４は図３で示す燃料電池装置２１のうち、モジュール１と後述する排ガス処理装置２７および熱交換器２８を抜粋して示す概略側面図である。

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（なお、仕切部材２３を外装ケース２２の一部とすることもできる）、仕切部材２３の上部に、モジュール１が配置されたモジュール収納室２４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を収納するための補機収納室２５が形成されている。

なお、モジュール１の外面には、モジュール１の熱が外部に放射され、モジュール１の温度が低下することを抑制する目的で、断熱材２６が設けられていることが好ましく、モジュール１の全面に断熱材２６を設けている例を示している。

また、仕切部材２３は、モジュール収納室２４と補機収納室２５とを区画することができればよく、例えば、内部に空気が流通することが可能な空洞部を有する板状の部材や、モジュール１を載置するためのモジュール載置台を枠状の部材の一部に接続してなる形状が挙げられる。

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。

ここで、燃料電池装置２１の稼動に伴って生じる排ガス（モジュール１より排気される排ガス）中には、燃料ガスが不完全燃焼して生じる一酸化炭素や、未使用の燃料ガスなどをはじめとする有害成分を含有する場合があるため、排ガスを排ガス処理装置にて処理する必要がある。それゆえ、図３および図４においては、モジュール１の排気孔１９に接続され、モジュール１より排気される排ガスを処理するための排ガス処理装置２７を備えている。なお、排ガス処理装置２７には、排ガス処理装置２７で処理された後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器２８が接続されている。

排ガス処理装置２７としては、内部をモジュール１より排気される排ガスが流通可能な容器（例えば、排ガス導入用開口部と排ガス排出用開口部を有する容器等）に、例えば一般的に知られている燃焼触媒を具備するものを用いることができる。燃焼触媒としては、アルミナ等の多孔質担持体に、例えば、白金、パラジウム等の貴金属類の他、マンガン、コバルト、銀、銅、ニッケル等を担時させた燃焼触媒等を用いることができ、適宜選択して使用することができる。

また、排ガス処理装置２７の具備する燃焼触媒が、排ガス中に含まれる有害成分を効率よく無毒化するにあたり、燃焼触媒の温度が所定の温度に達する必要があるため、燃焼触媒を加熱するための加熱手段２９を備えている。なお、図４においては、加熱手段２９としてヒーターを用いた例を示しており、排ガス処理装置２７の周囲にヒーターを貼付した例を示している。なお、加熱手段２９としては、燃焼触媒を加熱することができればよく、排ガス処理装置２７の内部に設けることや、排ガス処理装置２７とは別に設けることもでき、またヒーターの他、バーナー等を用いることもできる。

さらには、排ガス処理装置２７に燃焼触媒の温度を測定するための燃焼触媒温度センサを設けることが好ましい。なお、燃焼触媒温度センサについては後述する。

なお、熱交換器２８には、熱交換器２８内を流れる水を導入するための水導入管３３と、熱交換器２８内を流れた水を排出するための水排出管３４が接続されており、さらに熱交換器２８の熱交換後排ガスを排出するための排出側に、熱交換により生じた凝縮水と排ガスとを分離するための気液分離部材３５が接続されている。

そして、図３においては、補機収納室２５内に、上述した排ガス処理装置２７、熱交換器２８の他、燃料電池セル３に燃料ガスを供給する（改質器６に原燃料を供給する）ための原燃料供給手段３０（原燃料ポンプ等）と、燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段３１（ブロワ等）と、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１および加熱手段２９の動作を制御するための制御装置３２を収納している例を示している。

図５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。

本発明の燃料電池装置２１は、図５においては発電を行なう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。

図５に示す燃料電池システムは、上述した燃料電池セル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、酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給するための酸素含有ガス供給手段３１、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器６、燃料電池セル３の発電により生じた排ガスを処理するための排ガス処理装置２７、排ガス処理装置２７が具備する燃焼触媒を加熱するための加熱手段２９、排ガス処理装置２７で処理された後の排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器２８、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１、加熱手段２９および着火装置２０の動作のそれぞれを制御するための制御装置３２を具備している。なお、図５に示す燃料電池装置２１においては、モジュール１より排出される排ガスの温度を測定するための排ガス温度センサ５２、排ガス処理装置２７が具備する燃焼触媒の温度を測定するための燃焼触媒温度センサ５１が設けられている。なお、図５に示す燃料電池システムにおいては、燃料電池セル３の複数個、改質器６および着火装置２０が収納容器２内に収納されてモジュール１が構成されており、図５においては二点鎖線にて示している。

また、図５に示す燃料電池装置２１（発電ユニット）においては、熱交換により生成された凝縮水を処理するための凝縮水処理装置４８、熱交換器２８で生成された凝縮水を凝縮水処理装置４８に供給するための凝縮水供給管５０が設けられており、凝縮水処理装置４８にて純水に処理された凝縮水は、水タンク４１に貯水された後、水ポンプ４２により改質器６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４８のほか、凝縮水供給管５０の内部等にも設けることができる。

一方、凝縮水処理装置４８に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理装置４８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）を純水に処理して改質器６に供給することもでき、図５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外部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改質器６に供給するための各外部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３８、逆浸透膜装置３９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４０の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置９（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４０にて生成された純水は水タンク４１に貯水される。なお、図５に示す燃料電池装置（発電ユニット）おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁３７が設けられている。また、凝縮水処理装置４８と水タンク４１とがタンク連結管４９にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器６に供給する場合には、凝縮水処理装置４８と改質器６とを水ポンプ４２を介して接続することも可能である。

また、改質器６に供給する水を処理するための各外部水処理装置および凝縮水処理装置を一点鎖線により囲って示している。なお、改質器６と各水処理装置とを接続する給水管３６、タンク連結管４９、凝縮水供給管５０も含めて水供給装置Ｘとして示している。

さらに図５に示す燃料電池装置２１は、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４３、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４４が設けられており、循環ポンプ４５とあわせて発電ユニットが構成されている。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２１とすることができる。また図示していないが、原燃料供給手段３０と改質器６との間に、原燃料を加湿するための原燃料加湿器を設けることも可能である。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４７を具備して構成されている。

なお、図中の矢印は、原燃料、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３２に伝送される主な信号経路、または制御装置３２より伝送される主な信号経路を示している。

ここで、図５に示した燃料電池システムの動作方法について説明する。燃料電池セル３の発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器６で使用される主な水（純水）は、熱交換器２８において燃料電池セル３の稼動に伴って生じた排ガスと循環配管４６を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器２８にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管５０を流れて凝縮水処理装置４８に供給される。凝縮水処理装置４８に備える凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管４９を介して水タンク４１に供給される。水タンク４１に貯水された水は、水ポンプ４２により改質器６に供給され、原燃料供給手段３０より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セル３に供給される。燃料電池セル３においては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段３１より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。以上の一連の動作により、凝縮水を有効に利用して水自立運転を行なうことができる。

一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水処理装置４８にて処理された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）を用いることもできる。

この場合においては、まず制御装置３２のより発信される信号に基づいて、給水弁３７（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管３６を通して活性炭フィルタ装置３８に供給される。活性炭フィルタ装置３８にて処理された水は、続いて逆浸透膜装置３９に供給される。逆浸透膜装置３９にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置４０に供給され、イオン交換樹脂装置４０で処理されることにより生成された純水が、水タンク４１に貯水される。水タンク４１に貯水された純水は、上述した動作により、燃料電池セル３の発電に利用される。

なお、改質器６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おいては、燃料電池セル３（モジュール１）に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段３１が改質器６に酸素含有ガスを供給するように構成することもできる。

ところで、上述したような構成の燃料電池装置２１の起動時（再起動時を含む）において、安全性等を考慮して、モジュール１内に残存する燃料ガス等を排出することが行なわれる。そのため、燃料電池装置２１の起動時（再起動時を含む）において、制御装置３２は、原燃料供給手段３０および酸素含有ガス供給手段３１のうち少なくとも一方を作動させ、モジュール１内に残存する燃料ガス等を、燃料ガスや酸素含有ガス（空気）で排出する（パージする）ように制御する。

パージが終了した後は、制御装置３２は、原燃料供給手段３０および酸素含有ガス供給手段３１を作動させるとともに、余剰な燃料ガスと余剰な酸素含有ガスを燃焼させるための着火装置２０を作動させる制御を行ない、その燃焼熱により燃料電池セル３や改質器６の温度が上昇する。その後、燃料電池セル３の温度が発電開始可能な温度となった後に、燃料電池装置２１が発電を開始する。

ここで、燃料電池装置２１の起動時のパージを行なう前に、排ガス処理装置２７が具備する燃焼触媒の温度を上昇させるために、加熱手段２９を作動させる制御を行なった場合には、パージにより排出されるモジュール１内に残存する燃料ガス等や、モジュール１内に供給して排出される燃料ガスや酸素含有ガス等の温度が低いため、燃焼触媒の温度が低下するおそれがある。そして、パージにより燃焼触媒の温度が低下する場合には、燃料電池装置２１の起動に際して必要とするエネルギーが増大するため、効率よく燃料電池装置２１を起動させることが難しくなるおそれがある。

また、パージが終了した後は、制御装置３２は、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１および着火装置２０を作動させて、余剰の燃料ガスを燃焼させるように制御するが、着火装置２０を作動させた後しばらくの間は、温度の低い排ガスが排出される。それにより、燃焼触媒の温度が急激に低下し、排ガスの処理効率が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明の燃料電池装置２１においては、制御装置３２は、燃料電池装置２１の起動時（再起動時を含む）において、まず酸素含有ガス供給手段３１を作動させて所定量のガスをモジュール１内（燃料電池セル３等）に供給した後に停止させ、続いて加熱手段２９を作動させる制御を行なう。

すなわち、酸素含有ガス供給手段３１により供給される酸素含有ガスでのパージが完了した後に、一度酸素含有ガス供給手段３１を停止し、その後加熱手段２９を作動させることから、パージを行なう前に加熱手段２９を作動させていれば、パージに伴い排出される排ガスにより、燃焼触媒の温度が低下して、燃料電池装置２１の起動に際して必要とするエネルギーが増大するため、効率よく燃料電池装置２１を起動させることが難しくなるおそれがあるが、パージ完了後に加熱手段２９を作動させることにより、燃料電池装置２１の起動に際して必要とするエネルギーを抑えることができ、効率よく燃料電池装置２１を起動させることができる。

なお、所定量のガスとは、収納容器２内に残存する燃料ガス等を排出することができる量とすることができ、収納容器２の容積等により適宜設定することができる。より具体的には、例えば収納容器２の容積が３０Ｌの場合には、所定量のガスを３０Ｌとすることができる。

続いて、制御装置３２は、加熱手段２９を作動させる制御を行なった後、燃焼触媒の温度が、モジュール１より排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった後に、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１および着火装置２０を作動させるよう制御する。

ここで、上述のパージが終了した後は、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１および着火装置２０を作動させ、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃焼させ、燃料電池セル３の温度を上昇させる制御を行なうが、着火装置２０を作動させた後しばらくの間は、温度の低い排ガスが排出される。それに伴い、燃焼触媒の温度が急激に低下し、排ガスの処理効率が低下するおそれがある。

この場合においては、未燃焼の燃料ガスや、燃料電池セル３のガス流路より排出される燃料ガスの不完全燃焼により生じる一酸化炭素等の有害成分が排出されるおそれがある。

それゆえ、制御装置３２は、加熱手段２９を作動させる制御を行なった後、燃焼触媒の温度が、排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった後に、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１および着火装置２０を作動させるよう制御することで、着火装置２０を作動させた後しばらくの間排出される温度の低い排ガスにより燃焼触媒の温度が低下したとしても、燃焼触媒の温度が排ガスの処理開始可能温度未満にまで低下することを抑制することができ、効率よく排ガスの処理を行なうことができる。

なお、燃焼触媒の温度が、排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった場合とは、着火装置２０を作動させた後しばらくの間排出される温度の低い排ガスにより低下する燃焼触媒の温度が、排ガスの処理開始可能温度未満にまで低下しない温度とすることができ、焼触触媒の種類やモジュール１を構成する収納容器の容積等に基づいて、適宜設定することができる。

例えば、収納容器の容積が３０Ｌで、燃焼触媒として、アルミナを担持体としてその表面にＰｔを担持させた燃焼触媒を用いる場合に、排ガス処理開始可能温度よりも２００℃以上高い温度とすることができる。なお、所定の温度の上限としては、燃焼触媒が劣化しにくい温度とすることが好ましい。

燃料電池装置２１の起動時（再起動時を含む）において、制御装置３２が上述のような制御を行なうことにより、酸素含有ガス供給手段３１を作動させて所定量のガスを供給した後に停止させ（パージ後）、次に加熱手段２９を作動させることから、効率よく燃料電池装置２１を起動させることができる。

また、モジュール１より排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった後に、原燃料供給手段３０、酸素含有ガス供給手段３１および着火装置２０を作動させることで、着火装置２０を作動させた後しばらくの間、排出される温度の低い排ガスにより燃焼触媒の温度が低下したとしても、燃焼触媒の温度が排ガスの処理開始可能温度未満にまで低下することを抑制することができることから、燃料電池装置２１の起動時（再起動時を含む）において、効率よく排ガスを処理することができ、一酸化炭素等の有害成分が排気されることを抑制することができる。あわせて、加熱手段２９に負荷がかかることを抑制でき、発電効率が低下することを抑制できる。

ここで、燃焼触媒の温度を測定するにあたり、排ガス処理装置２７の内部に燃焼触媒温度センサ５１を設けることが好ましい。それにより、燃焼触媒の温度を直接的に測定することができ、より精度の高い制御を行なうことができる。なお、燃焼触媒温度センサ５１は、排ガス処理装置２７の内部に複数個設けることも可能である。

また、間接的に測定した燃焼触媒の温度に基づいて、上述のような制御を行なうことも可能である。例えば、加熱手段２９としてヒーターを用いる場合には、ヒーターの通電時間等に基づいて、間接的に燃焼触媒の温度を算出して、上述の制御を行なうこともできる。

制御装置３２が上述のような制御を行なうことにより、燃料電池装置２１の起動時（再起動時を含む）において、排ガス処理装置２７の排ガスの処理効率が低下することや発電効率が低下することを抑制できるが、着火装置２０を作動させて一定時間が経過した後は、モジュール１より排出される排ガスの温度が上昇し、あわせて排ガス処理装置２７が具備する燃焼触媒の温度も上昇する。それにより、排ガス処理装置２７が安定して排ガスを処理することができる。

それゆえ、着火装置２０を作動させた後において、燃焼触媒の温度が所定の温度以上となった場合、またはモジュール１より排出される排ガスの温度が所定の温度以上となった場合に、制御装置３２は、加熱手段２９の動作を停止するように制御することが好ましい。

それにより、排ガス処理装置２７が安定して排ガスを処理できるとともに、加熱手段２９の動作を停止することにより、燃料電池装置２１の発電効率を向上することができる。

なお、着火装置２０を作動させた後において、燃焼触媒が所定の温度以上となった場合とは、例えば燃焼触媒として、アルミナを担持体としてその表面にＰｔを担持させた燃焼触媒を用いる場合に、２００℃以上とすることができ、燃焼触媒の種類に基づいて適宜設定することができる。

また、モジュール１より排出される排ガスの温度は、上述した排ガス温度センサ５２により測定することができる。ここで、着火装置２０を作動させた後において、排ガス温度センサ５２が測定する温度（モジュール１より排出される排ガスの温度）が所定の温度以上となった場合とは、加熱手段２９を動作させなくとも排ガス処理装置２７が具備する燃焼触媒が安定して排ガスの処理を行うことができる温度とすることができ、例えば２００℃以上とすることができる。

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の例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。

たとえば、燃料電池セル３を、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、空気極層、固体電解質層および燃料極層を順に積層し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。この場合においても、燃料電池装置を上述したような構成とすることにより、燃料電池装置の起動時において、効率よく排ガスの処理を行なうことができる。

１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
２０：着火装置
２１：燃料電池装置
２７：排ガス処理装置
２９：加熱手段
３０：原燃料供給手段
３１：酸素含有ガス供給手段
５１：燃焼触媒温度センサ
５２：排ガス温度センサ

Claims (2)

1. 内部にガスが流れるガス流路を備える燃料電池セルの複数個を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための原燃料供給手段と、前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールに設けられた排気孔に接続され、前記燃料電池モジュールより排出されるガスが通過するとともに、排出されたガスを処理するための燃焼触媒を具備する排ガス処理装置と、前記燃焼触媒を加熱するための加熱手段と、前記燃料電池セルで使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置と、前記原燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段、前記加熱手段および前記着火装置の動作をそれぞれ制御するための制御装置とを具備する燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記燃料電池装置の起動時において、前記酸素含有ガス供給手段を作動させて所定量のガスを供給して前記収納容器内をパージした後に停止させ、続いて前記加熱手段を作動させ、前記燃焼触媒の温度が前記燃料電池モジュールより排出される排ガスの処理開始可能温度よりも所定の温度以上高くなった場合に、前記原燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段および前記着火装置を作動させるようにそれぞれ制御することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記制御装置が、前記着火装置を作動させた後において、前記燃焼触媒の温度または前記燃料電池モジュールより排出される排ガスの温度が所定の温度以上となった場合に、前記加熱手段の動作を停止するように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。

Images