JP6635851B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの制御方法に関する。

従来の燃料電池モジュールでは、原燃料であるメタノールは水と混合された後に蒸発器において気化され、原燃料ガスとして改質器に供給される。改質器はエアタンクから圧縮空気を供給され、ここで原燃料ガスは圧縮空気と混合される。
この改質器では、原燃料であるメタノールの酸化反応によって水素と二酸化炭素とが生じ、メタノールの水蒸気改質反応によってやはり水素と二酸化炭素とが生じる。
このとき、吸熱反応である改質反応で要する熱量は、メタノールの酸化反応によって生じる熱量で賄われるため、改質器には改質反応で要する熱量を供給するための熱源を備える必要がない（例えば、特許文献１等参照）。

特開平９−３１５８０１号公報

しかしながら、改質器に比べて燃料電池スタックの熱容量（ヒートマス）は大きい。燃料電池モジュールを始動する際、改質器の水蒸気改質反応を行う触媒の温度と比べて、燃料電池スタックの温度は、遅れて上昇を開始する。

改質器の水蒸気改質反応を行う触媒は、活性温度に到達するとコーキング（炭素析出）を防止するため、水を原燃料に混合して水蒸気を発生させる必要がある。
一方、燃料電池スタック内に供給された水蒸気は、水の沸点である１００℃に到達しないと、水蒸気の状態を維持できず、液化してしまう。燃料電池スタックは液体の水に晒されると酸化等により劣化の要因となることが知られている。
このため、燃料電池モジュールの始動直後、しばらくの間は、改質器の触媒のコーキング防止用の水蒸気を生じさせるための水を流すことができず、改質器の過昇温を防止するため、原燃料の供給量を制限する必要がある。

このように、燃料電池モジュールの始動直後は、燃料電池スタックの温度が一定温度以上に上昇するまで、充分に燃料電池スタックに燃料ガスが供給できないため、熱交換により改質器の触媒を温める燃料排ガスの温度も上昇しにくい。
したがって、効率的な運転が開始されるまでに必要とされる起動時間が長くなってしまうといった問題があった。

本発明は、燃料電池スタックおよび改質器の保護を図りつつ、効率的な運転を開始できるまでに必要とされる起動時間を短縮できる燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器とを備え、改質器は、原燃料と酸化剤ガスとの部分酸化かつ発熱反応により原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、原燃料と水蒸気との混合ガスを吸熱反応により改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器とを含み、水蒸気改質器に先行して、部分酸化改質器を始動させる燃料電池モジュールを特徴としている。

このため、部分酸化改質器の始動によって、燃料電池スタックの温度を昇温させてから、水を供給して水蒸気改質器を起動できる。したがって、燃料ガスの供給を制限する必要がない。

また、部分酸化改質器による反応では、水蒸気改質器のようにコーキング防止のための水を必要としない。このため、水が水蒸気になる温度に至るまで水蒸気改質器を始動させずに部分酸化改質器による反応で得られた燃料ガスを燃料電池スタックに供給する。
これにより、充分に燃料ガスが供給されて燃料排ガスの温度を上昇させることができ、効率的な運転を開始できる。

また、燃料電池スタックが水の沸点温度に到達してから、水蒸気改質器の改質触媒のコーキングを防止する水蒸気となる水を、原燃料に混合する。
このため、燃料電池スタックが液化した水に晒されることによる燃料電池スタックの劣化を防止することができる。

さらに、部分酸化改質器を水蒸気改質器の上流側に一体に連設している。
このため、部分酸化改質器による発熱が水蒸気改質器にて吸収されて、部分酸化改質器の過昇温が抑制される。よって、原燃料の供給量を増大させて、効率的な運転に必要とされる燃料ガスを燃料電池モジュールに供給できる。

本発明によれば、燃料電池スタックおよび改質器の保護を図り、効率的な運転を開始できるまでに必要とされる起動時間を短縮できる燃料電池モジュールが提供される。

本発明の実施形態にかかる燃料電池で、全体の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、スタック内部の積層構造を示す縦断面図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、図３中ＩＶ−ＩＶ線に沿った位置での断面図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、始動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、水供給を行う吸熱により燃料供給量を増加させることができることを示す棒グラフである。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、燃料供給量の増加によってオフガス燃焼温度を上昇させることができることを示す棒グラフである。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、時間の経過に応じて、より燃料流量を増大させてスタック温度を上昇させることを説明するグラフである。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、一定時間に耐熱温度上限まで改質器温度が上昇する様子を示すグラフである。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、（ａ）は、燃料流量の変化を示すグラフ、（ｂ）は、水流量の変化の様子を示すグラフである。 本発明の実施形態にかかる燃料電池で、（ａ）は、空気温度の上昇の様子を示すグラフ、（ｂ）は、スタック温度の上昇の様子を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態にかかる燃料電池で、全体の構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、建物の屋外、室内等に載置される定置用として用いられるものである。定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられてもよい。
燃料電池モジュール１０には、原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（原燃料ポンプ１２を含む）１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ１６を含む）１８とが接続されている。

燃料電池モジュール１０は、平板積層型の燃料電池スタック２０、改質器２２、熱交換器（ＨＥＸ）２４、蒸発器（ＥＶＰ）２５、排ガス燃焼器２６及びスタック用加熱器２８を備える。燃料電池スタック２０は、燃料ガス（水素ガスを改質した水素）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形の燃料電池３０を備える。
複数の燃料電池３０は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層されるとともに、燃料電池積層方向（以下、単に積層方向という）両端には、エンドプレート３１ａ、３１ｂが配置される。

図２は、本発明の実施形態にかかる燃料電池モジュール１０で、平板積層型の燃料電池スタック２０内部の積層構造を示す縦断面図である。
燃料電池３０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質３２の両面に、カソード電極３４及びアノード電極３６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３８を備える。

電解質・電極接合体３８の両側には、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２とが配設される。カソード側セパレータ４０には、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、アノード側セパレータ４２には、アノード電極３６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４６が形成される。なお、燃料電池３０としては、従来から使用されている種々のＳＯＦＣ（個体酸化物形燃料電池：Solid Oxide Fuel Cell）を用いることができる。

燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、生成された水素が電解質３２のアノード電極３６側に供給される。

図１に示す燃料電池スタック２０には、各酸化剤ガス流路４４の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、酸化剤ガス流路４４の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４８ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。

燃料電池スタック２０には、各燃料ガス流路４６の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔５０ａと、燃料ガス流路４６の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔５０ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。

改質器２２は、一般的に炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。実施形態では、改質器２２は、中空角筒状の角筒ケーシング８２に設けられていて、部分酸化改質器（ＰＯＸ）２２ａと水蒸気改質器（ＳＲ）２２ｂと、部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂの周囲に設けられる燃焼ガス流通路８８とを備える。
このうち、部分酸化改質器２２ａは、燃料ガスの流れ方向で水蒸気改質器２２ｂよりも上流側に直列に接続されて連設されている（図３，図４参照）。

この実施形態では、部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂが、熱伝導性の良好な金属製の同じ角筒ケーシング８２の内部に位置して、外側面材を共通として一体に設けられる。これらの部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂとの間は、複数の連通孔８４ａが形成された仕切り板８４によって仕切られている。

部分酸化改質器２２ａは、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と酸化剤ガス（たとえば、主に空気）との部分酸化反応により原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。

部分酸化改質器２２ａは、具体的には、原燃料中に含まれるメタン（ＣＨ4）の他、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器である。部分酸化改質器２２ａは、約５００℃〜１０００℃の作動温度に設定される。部分酸化改質器２２ａは、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）又はＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。

水蒸気改質器２２ｂは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。水蒸気改質器２２ｂは、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。

熱交換器２４は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する。

排ガス燃焼器２６は、燃料電池スタック２０から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。
燃焼ガスは、部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂの周囲に設けられた燃焼ガス流通路８８を通り、熱交換器２４に供給される。

蒸発器２５は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、水蒸気を水蒸気改質器２２ｂに供給する。蒸発器２５は、燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）に、且つ熱交換器２４よりも燃焼ガス流れ方向下流側に配置される（図３参照）。

燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）には、改質器（部分酸化改質器２２ａ及び水蒸気改質器２２ｂ）２２、熱交換器２４、蒸発器２５及び排ガス燃焼器２６が配置される。燃料電池スタック２０の積層方向他端側（エンドプレート３１ｂ側）には、スタック用加熱器２８が配置される。

スタック用加熱器２８は、燃料電池スタック２０の昇温、降温又は温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータや燃焼バーナー等が使用される。

原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器２２ａに供給する原燃料通路５２を備える。酸化剤ガス供給装置１８は、熱交換器２４で熱交換された酸化剤ガスを燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給する酸化剤ガス供給通路５１と酸化剤ガスを熱交換器２４に供給する酸化剤ガス分岐通路５４と、を備える。

酸化剤ガス供給通路５１は、部分酸化改質器２２ａに原燃料と部分酸化用の酸化剤ガスとの混合ガスを供給する。
酸化剤ガス分岐通路５４は、酸化剤ガス供給通路５１の途上から分岐して接続され、熱交換器２４を介して、酸化剤ガス供給通路５５に連通されている。

部分酸化改質器２２ａには、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給する燃料ガス通路５８が接続される。燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが直列に接続される。具体的には、部分酸化改質器２２ａは、水蒸気改質器２２ｂよりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置される。

燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口連通孔４８ｂには、燃料電池スタック２０から排出される酸化剤排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる酸化剤排ガス通路（排ガス出口）６０が接続される。燃料電池スタック２０の燃料ガス出口連通孔５０ｂには、燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる燃料排ガス通路（排ガス出口）６２が接続される。

燃料排ガス通路６２には、燃料排ガス温度センサ７１が設けられている。燃料排ガス温度センサ７１は、燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスの温度を測定して、制御部としてのＥＣＵ５００に温度検出信号Ｔｓとして出力する。

ＥＣＵ５００は、温度検出信号Ｔｓに応じて、水蒸気発生温度または発電可能温度に到達したか否かを判定して、原燃料ポンプ１２および空気ポンプ１６の駆動を制御する。

排ガス燃焼器２６の出口側には、燃焼ガス通路６４の一端が連通するとともに、燃焼ガス通路６４の他端が熱交換器２４に接続される。熱交換器２４の出口側には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス（排ガス）を排出する排気通路６６が接続される。排気通路６６の途上には、蒸発器２５が配置される。

蒸発器２５の入口側には、水供給通路６８が接続されるとともに、蒸発器２５の出口側には、水蒸気通路７０の一端が接続される。水蒸気通路７０の他端は、部分酸化改質器２２ａを介して水蒸気改質器２２ｂに接続される。

この実施形態の水蒸気通路７０の他端は、図３に示すように部分酸化改質器２２ａを介して水蒸気改質器２２ｂに接続されるが、特にこれに限らず、図４に示すように直接、水蒸気改質器２２ｂに水蒸気通路１７０の他端を接続するように構成してもよい。

さらに、水蒸気通路７０には、水蒸気通路７０から供給される水の量を調整可能な水量調整弁を設けてもよい。この水量調整弁は、ＥＣＵ５００の制御によって部分酸化改質器２２ａに供給される水蒸気（水）の量を調整することができる。そして、ＥＣＵ５００は、燃料電池スタック２０が水蒸気を発生させる温度（水蒸気発生温度）まで昇温が完了するまで、改質器２２に水を供給しないように、この水量調整弁を調整することができる。

図３は、本発明の実施形態にかかる燃料電池で、燃料電池モジュール１０の構成を示す分解斜視図である。また、図４は、図３中ＩＶ−ＩＶ線に沿った位置での断面図である。
図３に示すように、燃料電池スタック２０では、エンドプレート３１ａ、３１ｂ間が複数本の止めねじ７２により固定され、積層方向に所望の締め付け荷重が付与される。エンドプレート３１ｂには、スタック用加熱器２８が直接固定される。エンドプレート３１ａには、筐体７４、熱交換器２４及び蒸発器２５が、順次下方に向かって積層されて一体に固定される。

図３及び図４に示すように、筐体７４は、矩形状を有し、外形寸法がエンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した外形寸法に設定される。筐体７４の上面及び排ガス燃焼器２６の上面には、酸化剤排ガス通路６０に連通する酸化剤排ガス窓部７６と、燃料排ガス通路６２に連通する燃料排ガス窓部７８とが一体に形成される。筐体７４の下面の一角部、すなわち角筒ケーシング８２の端部８２ａの下方には、排気連通窓部８０が形成される。

筐体７４内には、略中央に酸化剤排ガス窓部７６及び燃料排ガス窓部７８に連通する排ガス燃焼器２６が配置される。排ガス燃焼器２６は、矩形状を有し、必要に応じてヒータ（図示せず）が配置される。排ガス燃焼器２６は、一端部側（後述する角筒ケーシング８２の端部８２ａ、８２ｂ側）に開口部２６ａを有する。

筐体７４内には、排ガス燃焼器２６を囲繞して改質器２２が配置される。改質器２２は、全体として、例えば、コ字状を呈する角筒ケーシング８２を有する。角筒ケーシング８２は、各角部に足部８３を設けることにより、筐体７４の底面から離間して配置される。これにより角筒ケーシング８２の各面を排ガスに十分に曝すことができる。

角筒ケーシング８２の一方の端部８２ａには、原燃料通路５２及び水蒸気通路７０が接続されるとともに、角筒ケーシング８２の他方の端部８２ｂには、燃料ガス通路５８が接続されている。

角筒ケーシング８２内には、端部８２ａ側の直線部に部分酸化改質器２２ａが設けられている。この部分酸化改質器２２ａには、触媒加熱用のヒータ２２ｈが設けられている。
このヒータ２２ｈは、部分酸化改質器２２ａの発熱により水蒸気改質器２２ｂの吸熱が行われる場合は設ける必要がない。なお、始動時は、部分酸化改質器２２ａの発熱に加えて部分酸化改質器２２ａの発熱により水蒸気改質器２２ｂの吸熱が行われる。

また、この角筒ケーシング８２内には、水蒸気改質器２２ｂが設けられている。この水蒸気改質器２２ｂは、３つの角で略直角に屈曲された略Ｃ字状の水蒸気改質器２２ｂが端部８２ｂ側に至るまで延設されている。
そして、これらの部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂは、１つの角筒ケーシング８２内に同封されるとともに、燃料ガスの流れ方向で仕切り板８４を介して直列に連設されている。

改質器２２は、各触媒金属（改質触媒）が充填されるとともに、原燃料を流通させる原燃料流通路８６を有する。原燃料流通路８６は、原燃料通路５２と燃料ガス通路５８とに連通するように略Ｃ字状に構成される。
また、改質器２２の外周には、排ガス燃焼器２６と排気連通窓部８０とに連通し、燃焼ガスを改質器２２の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路８８が設けられている。
燃焼ガス流通路８８は、排ガス燃焼器２６の開口部２６ａから排気連通窓部８０に亘って設けられる。端部８２ａには、互いに近接する開口部２６ａと排気連通窓部８０とを遮断する遮断板８９が設けられる。

原燃料流通路８６と燃焼ガス流通路８８とは、互いに隣接し且つ並行に配置される。原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８を流通する燃焼ガスとは、互いに対向流に設定される。

図３に示すように、熱交換器２４は、矩形状を有し、エンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した外形寸法に設定される。熱交換器２４の上面には、１つの角部に対応して排気連通窓部８０が配置される一方、熱交換器２４の下面には、排気連通窓部８０と対角位置となる角部に対応して排気連通窓部９２が設けられる。

排気連通窓部８０、９２は、熱交換器２４の対角線方向に沿って燃焼ガスを流通させる。熱交換器２４には、水蒸気通路７０に連通する蒸気発生部７０ａが長辺方向に延在して設けられる。

蒸発器２５は、薄板状且つ矩形状を有し、エンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した外形寸法に設定される。蒸発器２５には、パイプ部材９４が蛇行するように配置される。パイプ部材９４の入口端部は、水供給通路６８に接続される一方、パイプ部材９４の出口端部は、蒸気発生部７０ａに接続される。パイプ部材９４間には、複数本の仕切り板９６が、パイプ部材９４の形状に対応して千鳥状に設けられている。そして、この仕切り板９６により、排ガス蛇行通路９８が形成される。

図５は、本発明の実施形態にかかる燃料電池で、始動時の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って、燃料電池モジュール１０が始動後、安定した効率運転によって発電を開始するまでの始動シーケンスについて説明する。

ＥＣＵ５００は、ステップＳ１で燃料電池モジュール１０の始動シーケンスを開始すると、改質器２２のうち、部分酸化改質器２２ａを水蒸気改質器２２ｂに先行して始動させる。
すなわち、図１に示すように、空気ポンプ１６および原燃料ポンプ１２の駆動により、改質器２２の部分酸化改質器２２ａに原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが供給される。

部分酸化改質器２２ａからは、ヒータ２２ｈにより加熱された触媒によって部分酸化改質された燃料ガスが燃料ガス通路５８を介して、燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給される。
燃料電池３０では、燃料ガス入口連通孔５０ａに連通された燃料ガス流路４６によって、アノード電極３６に改質された燃料ガスが供給される（図２参照）。

また、酸化剤ガス供給通路５１を介して、酸化剤ガスとしての空気が燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給される。
燃料電池３０では、酸化剤ガス入口連通孔４８ａに連通された酸化剤ガス流路４４によって、カソード電極３４に酸化剤ガスが供給される（図２参照）。
このため、改質器２２のうち、部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転により、水蒸気改質器２２ｂのコーキングを防止して、燃料電池スタック２０の酸化を防止することができる。

ステップＳ２では、燃料排ガス温度センサ７１によって測定された燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスの温度に基づいて、燃料電池スタック２０が水蒸気を発生させて維持できる所定の温度まで昇温を完了したか否かが判定される。

すなわち、所定の温度（例えば、水の沸点１００℃）を燃料電池スタック２０の温度が超えていれば、水蒸気の供給により水蒸気改質器２２ｂを起動させてもよい。このため、部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転を終了して、部分酸化改質器２２ａとともに水蒸気改質器２２ｂを用いた改質を開始するタイミングがＥＣＵ５００によって判定される。

ステップＳ２では、燃料電池スタック２０が水蒸気発生温度まで昇温を完了している場合（ステップＳ２にてＹＥＳ）は、次のステップＳ３にＥＣＵ５００は処理を進める。
また、ステップＳ２で、燃料電池スタック２０が水蒸気発生温度まで昇温を完了していない場合（ステップＳ２にてＮＯ）は、そのまま処理が継続される。

ステップＳ３では、蒸発器２５に水供給通路６８から供給された水は、排気通路６６からの燃焼排ガス（排ガス燃焼器２６で燃焼された燃料排ガス）の熱により加熱されて、水蒸気として水蒸気通路７０から改質器２２に送られる。水蒸気改質器２２ｂは、部分酸化改質器２２ａの発熱と、排ガス燃焼器２６（図４参照）から受け渡される熱によって原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２０に燃料ガス通路５８を介して供給される燃料ガス（水素）を生成する（図１参照）。つまり、ステップＳ３によって改質器２２では部分酸化と水蒸気改質とが起こり、水素を生成する。

部分酸化改質器２２ａは、水蒸気改質器２２ｂの上流側に一体に連設されている。このため、部分酸化改質器２２ａの発熱は、水蒸気改質器２２ｂにより吸熱されて、改質器２２全体としての過昇温が防止される。この際、水蒸気改質器２２ｂは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質させる改質反応の際に吸熱反応を生じている。このため、さらに吸熱効率が良好である。

さらに、この実施形態では、部分酸化改質器２２ａおよび水蒸気改質器２２ｂが、熱伝導性の良好な金属製の同じ角筒ケーシング８２の内部に位置して、外側面材を共通として一体に設けられている。このため、部分酸化改質器２２ａから水蒸気改質器２２ｂまで、一体とする外側面材を通り、熱が伝わりやすい。このため、さらに吸熱効率が良好である。

次に、ＥＣＵ５００は、高効率発電を開始するタイミングを判定する。
ステップＳ４では、高効率発電を開始するタイミングを、発電可能温度まで燃料電池スタック２０が昇温したか否かによって判定する。
ステップＳ４で、燃料排ガス温度センサ７１から出力された温度検出信号Ｔｓに基づいて、ＥＣＵ５００は、発電可能温度まで燃料電池スタック２０が昇温したと判定すると（ステップＳ４にてＹＥＳ）、ステップＳ５に処理を進める。また、発電可能温度まで燃料電池スタック２０が昇温していないと判定すると（ステップＳ４にてＮＯ）、部分酸化改質器２２ａに水蒸気改質器２２ｂが加えられて、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとによって同時に改質が行なわれる処理が継続される。

ステップＳ５で、水蒸気改質器２２ｂのみを用いた高効率発電に移行する。このため、ＥＣＵ５００は、空気ポンプ１６を制御して、酸化剤ガス分岐通路５４、熱交換器２４、酸化剤ガス供給通路５５を介して、燃料電池スタック２０のアノード電極３６（図２参照）へ供給している空気を停止する。

ステップＳ６で、燃料電池モジュール１０は、発電を開始する。
アノード電極３６へ供給されていた空気は停止されているため、部分酸化改質器２２ａを通過する空気もなくなる。このため、燃料電池モジュール１０は、主に水蒸気改質器２２ｂのみを用いて水蒸気改質された燃料ガスを用いて高効率発電を行うことができる。

図６は、実施形態にかかる燃料電池で、水供給を行う吸熱により燃料供給量を増加させることができることを示す棒グラフである。
図５を用いて説明したステップＳ１，Ｓ２の状態にて部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転（始動）から、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとを併用するステップＳ３，Ｓ４の状態に移行すると、図中左側の棒グラフから中央の棒グラフへと移り、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとにより改質が行われる。
この際、供給された水によって吸熱が行われ、同じ燃料流量では、部分酸化だけの場合に比べて改質器２２の温度が低下して改質器２２の上限温度まで余裕が生じる。このため、上限温度となるまで燃料流量を増大させることができる。よって、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとを併用する場合は、部分酸化だけの場合に比べて、多くの燃料を使用させることができる。

図７は、実施形態にかかる燃料電池で、燃料供給量の増加によって燃料排ガス燃焼温度を上昇させることができることを示す棒グラフである。
燃料排ガスを排ガス燃焼器２６で燃焼させた燃料排ガス燃焼ガスの温度は、燃料流量に応じて上昇する。このため、この実施形態では、燃料流量を増大させることができるため、燃料排ガス温度を比較的高く設定して、暖気を迅速に行え、比較的早い段階で高効率の発電を行なえる。

図８は、実施形態にかかる燃料電池で、時間の経過に応じて、より燃料流量を増大させてスタック温度を上昇させることを説明するグラフである。
この実施形態の燃料電池モジュール１０では、早い段階でより燃料流量を増大させてスタック温度を上昇させることが可能となる。このため、早期に効率的な発電が可能な温度に到達して、発電を開始することができる。

図９は、実施形態にかかる燃料電池で、一定時間に耐熱温度上限まで改質器温度が上昇する様子を示すグラフである。
燃料電池モジュール１０に用いられる改質器２２には、一定の耐熱温度が存在する。このため、燃料電池スタック２０の温度を上げるために燃料を供給して上昇させることが可能な温度も限られている。
部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転の場合も、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが併用される運転の場合も、時間の経過とともに温度は上昇し、時刻ｔ１にてこの耐熱温度に到達すると、時刻ｔ１以降、一定の耐熱温度で推移する。
図９中では、部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転の場合と、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが併用される運転の場合とでは、同様に推移するため重ねられて示されている。

図１０は、本発明の実施形態にかかる燃料電池で、（ａ）は、燃料流量の変化を示すグラフ、（ｂ）は、水流量の変化の様子を示すグラフである。
改質器２２は、耐熱温度を上回らないように時刻ｔ２にて燃料流量を調整する。この際、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが併用される運転の場合、（ｂ）に示すように水を供給することで、燃料流量を一定に維持することができる。
しかしながら、部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転の場合、温度が部分酸化改質器２２ａの耐熱温度を上回ることがないように、（ａ）に示すように時刻ｔ２から燃料流量を減少させる必要がある。

図１１は、実施形態にかかる燃料電池で、（ａ）は、空気温度の上昇の様子を示すグラフ、（ｂ）は、スタック温度の上昇の様子を示すグラフである。
時刻ｔ３にて、部分酸化改質器２２ａのみを用いた運転の場合、燃料流量を減少させる必要がある。このため、（ａ）空気温度の上昇および（ｂ）スタック温度の上昇ともに上昇率が鈍る。

これに対して、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが併用される運転の場合は、時刻ｔ３にて（ａ）空気温度の上昇および（ｂ）スタック温度の上昇ともに、部分酸化改質器２２ａのみの場合に比して上昇率は、鈍くならない。
このため、早期に所望の運転効率が良好な燃料電池スタック２０の温度に到達させることができる。つまり、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとは、温度の高い空気を酸化剤ガス供給路５５を介してスタック２０に供給できるので、燃料電池スタック２０の暖気をすばやく行うことができる。

上述してきたように、本実施形態では、部分酸化改質器２２ａの始動を先行させて、水蒸気改質器２２ｂのコーキング発生を防止する。そして、燃料電池スタック２０を昇温させてから、水を供給して水蒸気改質器２２ｂを起動できる。
水蒸気改質器２２ｂの起動後、過昇温に配慮して燃料ガスの供給を制限する必要がなくなるため、充分な燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給することができる。
このため、早期に燃料排ガス（燃料排ガスを排ガス燃焼器２６で燃焼させた燃料排ガス燃焼ガス）の温度を上昇させて（図７参照）、水蒸気改質器２２ｂのみによる高効率の運転に移行させることができる。

このように、燃料電池スタック２０が水に晒されず酸化が発生しない。また、改質器２２のコーキングも防止される。このため、燃料電池スタック２０および改質器２２の保護を図り、効率的な運転を開始することができるまでに必要とされる起動時間を短縮できる。

さらに、この実施形態では、部分酸化改質器２２ａが水蒸気改質器２２ｂの上流側に一体に連設されている。
このため、部分酸化改質器２２ａによる発熱が水蒸気改質器２２ｂにて吸収されて、部分酸化改質器の過昇温が抑制される。さらに部分酸化改質器２２ａによる発熱を利用して、水蒸気改質器２２ｂおよび燃料電池スタック２０を昇温させることができる。
よって、早期に水蒸気改質器２２ｂに水を供給して充分な燃料ガスによって温度を上昇させることができる。したがって別途起動のためのバーナー等を別に設ける必要がない。また、バーナーのための空気または燃料ライン等を追加して配設する必要がない。このため、空間スペースおよび製造コストを減少させることができる。
したがって、実施形態の燃料電池モジュール１０では、先行して動作する部分酸化改質器２２ａを水蒸気改質器２２ｂの上流に直列させて配置することにより、早期に原燃料の供給量を増大させて、効率的な運転に必要とされる充分な燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

この実施形態の燃料電池モジュール１０では、部分酸化改質器２２ａは、燃料ガスの流れ方向で水蒸気改質器２２ｂよりも上流側に直列に接続されて連設されている。しかしながら、特にこれに限らず、部分酸化改質器２２ａが燃料ガスの流れ方向で水蒸気改質器２２ｂよりも上流側に位置するものであれば、改質器２２の形状、数量および材質が限定されるものではない。

また、燃料排ガス温度センサ７１が燃料排ガス通路６２に設けられている。しかしながら、燃料排ガス温度センサ７１のように、燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスの温度を測定するものに限らない。たとえば、温度センサを燃料電池スタック２０内に配置する等、検出された信号に基づいて燃料電池スタック２０内の温度をＥＣＵ５００が判定可能に構成されていれば、センサの形態、数量および配置箇所が限定されるものではない。

１０ 燃料電池モジュール
１２ 原燃料ポンプ
１４ 原燃料供給装置
１６ 空気ポンプ
１８ 酸化剤ガス供給装置
２０ 燃料電池スタック
２２ 改質器
２２ａ 部分酸化改質器
２２ｂ 水蒸気改質器
２２ｈ ヒータ
２４ 熱交換器
２５ 蒸発器
２６ 排ガス燃焼器
２６ａ 開口部
２８ スタック用加熱器
３０ 燃料電池
８２ 角筒ケーシング

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
   炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池スタックの温度を計測する温度センサと、
   前記温度センサから出力された温度検出信号に応じて、前記燃料電池スタックの温度を判定する制御部と、を備え、
   前記改質器は、前記原燃料と前記酸化剤ガスとの部分酸化かつ発熱反応により前記原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、
   前記原燃料と水蒸気との混合ガスを吸熱反応により改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する水蒸気改質器と、
   を含み、
   前記制御部は、前記水蒸気改質器に先行して、前記部分酸化改質器を始動させるとともに、前記燃料電池スタックの温度が水蒸気発生温度に到達したと判定すると、前記水蒸気改質器を起動させて前記部分酸化改質器とともに運転し、
   さらに、前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度が発電可能温度に到達したと判定すると、前記部分酸化改質器への空気の供給を止めて、前記水蒸気改質器のみによる水蒸気改質反応により改質された燃料ガスを用いて前記燃料電池スタックを運転する、
   ことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記制御部は、前記燃料電池スタックが水の沸点温度に到達してから、原燃料に水を混合することを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記部分酸化改質器は、前記水蒸気改質器の上流側に一体に連設されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
4. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
   炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池スタックの温度を計測する温度センサと、
   前記温度センサからの温度検出信号に応じて、前記燃料電池スタックの温度を判定する制御部と、を備え、
   前記改質器は、前記原燃料と前記酸化剤ガスとの部分酸化かつ発熱反応により前記原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、
   前記部分酸化改質器に連設されて、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを吸熱反応により改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する水蒸気改質器とを含む燃料電池モジュールの制御方法であって、
   前記水蒸気改質器に先行して、前記部分酸化改質器を始動させるステップと、
   前記燃料電池スタックの温度が水蒸気を発生させて維持できる所定の温度まで昇温を完了してから、原燃料に水を混合するステップと 、
   前記部分酸化改質器を前記水蒸気改質器とともに運転して、前記部分酸化改質器による過昇温を前記水蒸気改質器に吸収させるステップと、
   前記燃料電池スタックによる発電可能温度に前記燃料電池スタックが到達すると、前記改質器への空気の供給を止めて前記水蒸気改質器のみによる水蒸気改質反応により改質された燃料ガスを用いて前記燃料電池スタックが運転するステップと、
   を有する燃料電池モジュールの制御方法。

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