JP6098397B2

JP6098397B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6098397B2
Application number: JP2013136892A
Authority: JP
Inventors: 邦義谷岡; 康弘長田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2015011885A

Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

従来、都市ガス等の原料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える固体酸化物型の燃料電池システムが提案されている。

また、水蒸気改質を行う燃料電池システムでは、水蒸気改質反応が進む６００℃程度に改質器内の触媒を昇温するために、システムの起動時には部分酸化改質の反応熱により改質器を加熱するとともに、酸化剤ガスのオフガスと燃料ガスのオフガスとを燃焼させてその熱により改質器全体を一様に加熱する（例えば、特許文献１参照）。

特許第４３６９６８５号明細書

ここで、図５の破線は、従来の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。この図５に示すように、従来の燃料電池システムでは、オフガスの燃焼熱により改質器全体を一様に加熱しているものの、部分酸化改質反応は炭化水素の完全酸化反応と水蒸気改質反応が連続的に起こるものであり、この炭化水素の完全酸化反応によって、改質器内におけるガス流れ上流部（すなわち、改質器入口直後）が改質器内において最も高温になる。

そして、部分酸化改質運転時には、改質器内におけるガス流れ上流部の触媒温度が局所的に触媒劣化温度を超えてしまい、触媒が早期に劣化してしまうという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、部分酸化改質運転時に改質器内の触媒が局所的に高温になることによる触媒の劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、部分酸化改質機能と水蒸気改質機能と併せ持つ触媒が容器内に収容され、触媒にて改質対象流体を改質して燃料ガスを生成する改質器（１３）と、空気と燃料を燃焼させて改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成すると共に、燃料電池のオフガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器（１７）とを備え、改質器と燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、燃焼器における空気の入口部（１９１）は、改質器における改質対象流体の入口部（１４１、１６１）に隣接して配置され、燃焼器にオフガスを供給するオフガス供給経路（２２、２３）は、燃焼器との接続部が、改質器における改質対象流体の入口部に隣接して配置され、燃焼器における昇温用ガスの出口部（２４１）は、改質器における燃料ガスの出口部（１１１）に隣接して配置され、燃焼器における燃料の入口部（１８１）は、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる改質器内高温部位（ａ）に隣接する位置よりも、燃焼器内のガス流れ下流側に配置され、部分改質運転時には、空気の入口部より空気を供給すると共に、少なくとも燃料の入口部より燃料を燃焼器に供給することで、改質器内高温部位よりもガス流れ下流側の触媒を加熱し、水蒸気改質運転時には、少なくともオフガス供給経路よりオフガスを燃焼器に供給することで、改質器入口直後の触媒を加熱することを特徴とする。

これによると、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位の触媒は、燃焼器に供給される空気にて冷却され、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位よりも下流側の触媒は、燃焼器内で空気と燃料を燃焼させて生成される昇温用ガスにて加熱される。

換言すると、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位の触媒は冷却され、部分酸化改質運転時に改質器内において低温になる部位の触媒は加熱されるため、部分酸化改質運転時の改質器内の触媒温度分布は平滑化され、部分酸化改質運転時に改質器内の触媒が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、改質対象流体を触媒にて改質して燃料ガスを生成する改質器（１３）と、空気と燃料を燃焼させて改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成する燃焼器（１７）と、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる改質器内高温部位（ａ）の温度を検出する温度検出手段（１３２）と、燃焼器に供給する空気の流量を変化させる流量調整弁（２０）と、を備え、改質器と燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、燃焼器における空気の入口部（１９１）は、改質器における改質対象流体の入口部（１４１、１６１）に隣接して配置され、燃焼器における昇温用ガスの出口部（２４１）は、改質器における燃料ガスの出口部（１１１）に隣接して配置され、燃焼器における燃料の入口部（１８１）は、改質器内高温部位（ａ）に隣接する位置よりも、燃焼器内のガス流れ下流側に配置され、温度検出手段にて検出した改質器内高温部位の温度に応じて流量調整弁を作動させて、空気の流量を調整することを特徴とする。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。図１の改質器および燃焼器の斜視図である。第１実施形態において実行されるシステム起動時のプログラムのフローチャートである。第１実施形態に係る燃料電池システムの作動説明に供するタイムチャートである。部分酸化改質運転時の改質器内温度分布を示す図である。水蒸気改質運転時の改質器内温度分布を示す図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの改質器および燃焼器の構成図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの改質器および燃焼器の構成図である。図８の改質器および燃焼器の斜視図である。本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの改質器および燃焼器の構成図である。図１０の改質器および燃焼器の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１、図２に基づいて説明する。

この燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することによって生成した水素（および一酸化炭素）を含む燃料ガスと空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池１０を備えている。本実施形態の燃料電池１０は、作動温度が高温となる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）で構成されている。

燃料電池１０には、炭化水素系の燃料（水蒸気を含む燃料ガスを含む）および空気が供給流体として供給される。具体的には、燃料電池１０の燃料極側には、燃料ガスを供給するためのＦＣ燃料供給経路１１が接続され、燃料電池１０の空気極側には、空気を供給するためのＦＣ空気供給経路１２が接続されている。

そして、燃料電池１０では、ＦＣ燃料供給経路１１を介して水素を含む燃料ガスが供給され、ＦＣ空気供給経路１２を介して酸素を含む空気が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。

（燃料極）Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
（空気極）１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-
燃料電池１０は、燃料電池１０の温度を検出してその温度に応じた電気信号を図示しない電子制御装置に出力する燃料電池温度センサ１０１を備えている。燃料電池温度センサ１０１は、燃料電池１０の平均的な温度が検出される部位に配置される。なお、燃料電池温度センサ１０１は、例えば熱電対を用いることができる。また、電子制御装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。

ＦＣ燃料供給経路１１の燃料流れ上流側に改質器１３が設けられている。この改質器１３には、改質器燃料供給経路１４を介して炭化水素系の燃料が供給され、改質器空気供給経路１５を介して空気が供給され、改質器水蒸気供給経路１６を介して水蒸気が供給される。

改質器１３の容器は、直方体であり、金属（例えば、ＳＵＳ）よりなる。そして、改質器燃料供給経路１４、改質器空気供給経路１５、および改質器水蒸気供給経路１６は、改質器１３の一端面に接続されている。また、ＦＣ燃料供給経路１１は、改質器１３の他端面に接続されている。なお、図１中の矢印Ａは、改質器１３内のガス流れを示している。

改質器１３は、部分酸化改質機能と水蒸気改質機能とを併せ持つ触媒が改質器容器内に収容されており、改質対象流体としての混合ガスを触媒にて改質して、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。

なお、改質器燃料供給経路１４が改質器１３の容器に接続された部位１４１、および改質器水蒸気供給経路１６が改質器１３の容器に接続された部位１６１は、本発明の改質対象流体（水蒸気と燃料の混合ガス）の入口部に相当する。また、ＦＣ燃料供給経路１１が改質器１３の容器に接続された部位１１１は、本発明の燃料ガスの出口部に相当する。

改質器１３は、改質器１３内の触媒温度等を検出してその温度に応じた電気信号を電子制御装置に出力する、改質器第１温度センサ１３１、改質器第２温度センサ１３２、改質器第３温度センサ１３３、および改質器第４温度センサ１３４を備えている。

改質器第１温度センサ１３１は、改質器１３における混合ガスの入口部に配置されて、その部位での混合ガスの温度（以下、改質器入口部ガス温度という）を検出する。

ここで、図１中の破線ａは、部分酸化改質運転時に改質器１３内において最も高温になる改質器内高温部位を示している。因みに、改質器内高温部位ａは、改質器１３における混合ガスの入口部の直後の位置にある。

そして、温度検出手段としての改質器第２温度センサ１３２は、改質器内高温部位ａの触媒温度（以下、高温部触媒温度という）が検出される部位に配置される。

また、改質器第３温度センサ１３３は、部分酸化改質運転時に改質器１３内の平均的な触媒温度（以下、平均触媒温度という）が検出される部位に配置される。

さらに、改質器第４温度センサ１３４は、改質器１３における燃料ガスの出口部に配置されて、その部位での触媒温度（以下、出口部触媒温度という）を検出する。

燃料電池システムは、燃焼器１７を備えている。この燃焼器１７には、燃焼器燃料供給経路１８を介して炭化水素系の燃料が供給され、燃焼器空気供給経路１９を介して空気が供給される。燃焼器空気供給経路１９には、燃焼器空気供給経路１９を介して燃焼器１７に供給される空気の流量を調整する流量調整弁２０が配置されている。そして、燃焼器１７は、点火プラグ２１を備え、供給された空気と燃料の混合気に点火プラグ２１にて着火し、混合気を燃焼させて昇温用ガスとしての高温の燃焼ガスを生成する。

また、燃焼器１７には、燃料電池１０の燃料極側排ガスに含まれる未反応水素（以下、オフガスという）が第１オフガス供給経路２２を介して供給され、燃料電池１０の空気極側排ガスに含まれる未反応空気（以下、オフガスという）が第２オフガス供給経路２３を介して供給される。そして、燃焼器１７は、オフガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。

燃焼器１７の容器は、直方体であり、金属（例えば、ＳＵＳ）よりなる。そして、燃焼器空気供給経路１９、第１オフガス供給経路２２、および第２オフガス供給経路２３は、燃焼器１７の一端面に接続されている。また、燃焼器１７にて生じた高温の燃焼ガスを外部に排出するための燃焼ガス経路２４が、燃焼器１７の他端面に接続されている。さらに、燃焼器燃料供給経路１８は、燃焼器空気供給経路１９や燃焼ガス経路２４等が接続された面とは異なる面に接続されている。なお、図１中の矢印Ｂは、燃焼器１７内のガス流れを示している。

なお、燃焼器燃料供給経路１８が燃焼器１７の容器に接続された部位１８１は、本発明の燃料の入口部に相当する。また、燃焼器空気供給経路１９が燃焼器１７の容器に接続された部位１９１は、本発明の空気の入口部に相当する。さらに、燃焼ガス経路２４が燃焼器１７の容器に接続された部位２４１は、本発明の昇温用ガスの出口部に相当する。

改質器１３と燃焼器１７は、改質器１３と燃焼器１７との間で熱伝達可能なように、それぞれの一面を接触させて一体化されている。また、改質器１３と燃焼器１７は、改質器内ガス流れＡと燃焼器内ガス流れＢが平行流になるように配置されている。

より詳細には、燃焼器１７における空気の入口部１９１およびオフガスの入口部は、改質器１３における混合ガスの入口部１４１、１６１に隣接して配置されている。また、燃焼器１７における燃焼ガスの出口部２４１は、改質器１３における燃料ガスの出口部１１１に隣接して配置されている。さらに、燃焼器１７における燃料の入口部１８１は、改質器内高温部位ａに隣接する位置よりも、燃焼器１７内のガス流れＢ下流側に配置されている。

燃焼器１７は、燃焼器１７内の温度を検出してその温度に応じた電気信号を電子制御装置に出力する、燃焼器第１温度センサ１７１および燃焼器第２温度センサ１７２を備えている。

燃焼器第１温度センサ１７１は、燃焼器１７における空気およびオフガスの入口部に配置されて、その部位でのオフガスの燃焼温度（以下、燃焼器オフガス燃焼温度という）を検出する。

燃焼器第２温度センサ１７２は、燃焼器１７における燃料の入口部に配置されて、その部位での混合気の燃焼温度（以下、燃焼器混合気燃焼温度という）を検出する。

次に、本実施形態において実行されるシステム起動時の制御について、図４および図５を参照しつつ、図３に基づいて説明する。なお、図５の実線は、本実施形態の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。

図示しない電源スイッチが投入されると、電子制御装置は図３に示すシステム起動時の制御を開始する。

まず、ステップＳ１００では、燃焼器１７への燃料供給を開始するとともに（図４ａ参照）、燃焼器１７への空気供給を開始し、空気と燃料の混合気に点火プラグ２１にて着火して燃焼器１７を起動させる。これにより、燃焼器１７内の熱が改質器１３に伝達され、平均触媒温度が次第に上昇する（図４ｂ参照）。なお、このときには改質器１３には空気および水蒸気を供給しない（図４ｃ、ｄ参照）。

続いて、ステップＳ１１０では、改質器第３温度センサ１３３にて検出した平均触媒温度と、触媒による部分酸化改質反応が進行可能な温度であるＰＯＸ起動温度とを比較する。なお、ＰＯＸ起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。

そして、システム起動直後は平均触媒温度がＰＯＸ起動温度未満であり、このときには、ステップＳ１１０でＮＯと判定され、ステップＳ１１０でＹＥＳと判定されるまでステップＳ１１０の判定が繰り返される。平均触媒温度がＰＯＸ起動温度以上になると、ステップＳ１１０でＹＥＳと判定されてステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、改質器１３への空気供給を開始するとともに（図４ｃ参照）、改質器１３への燃料供給を開始する。これにより、改質器１３は部分酸化改質を開始する。そして、部分酸化改質反応熱で触媒を昇温させ（図４ｂ参照）、かつ、改質ガスを燃料電池１０の燃料極に供給することで燃料電池１０を昇温させる。

また、ステップＳ１２０では、燃料、空気、およびオフガスを、燃焼器１７に供給する。そして、空気と燃料の燃焼ガスおよびオフガスの燃焼ガスにて、改質器１３内の触媒を加熱する。

ここで、燃焼器１７における燃料の入口部は、改質器内高温部位ａに隣接する位置よりも、燃焼器１７内のガス流れＢ下流側に配置されているため、空気と燃料の燃焼ガスは、改質器内高温部位ａよりも改質器内ガス流れＡ下流側の触媒を加熱する。

換言すると、改質器内高温部位ａ付近の触媒、および改質器内高温部位ａよりも改質器内ガス流れＡ上流側の触媒は、空気と燃料の燃焼ガスによっては加熱されない。また、改質器内高温部位ａ付近の触媒、および改質器内高温部位ａよりも改質器内ガス流れＡ上流側の触媒は、燃料と混合する前の空気により冷却される。

したがって、図５に示すように、改質器内高温部位ａ付近の触媒、および改質器内高温部位ａよりも改質器内ガス流れＡ上流側の触媒は、温度上昇が抑制され、部分酸化改質運転時の改質器内触媒温度分布は平滑化される。

この際、改質器第２温度センサ１３２で検出した高温部触媒温度や、燃焼器第２温度センサ１７２にて検出した燃焼器混合気燃焼温度が、設定値以上になった場合は、触媒保護のため、流量調整弁２０により燃焼器１７に供給する空気の量を調整して混合気の燃焼温度を下げるのが望ましい。

続いて、ステップＳ１３０では、改質器第３温度センサ１３３にて検出した平均触媒温度、および改質器第１温度センサ１３１にて検出した改質器入口部ガス温度と、触媒によるオートサーマル改質反応が進行可能な温度であるＡＴＲ起動温度とを比較する。なお、ＡＴＲ起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。

そして、平均触媒温度および改質器入口部ガス温度のうち少なくとも一方がＡＴＲ起動温度未満のときはステップＳ１３０でＮＯと判定され、ステップＳ１３０でＹＥＳと判定されるまでステップＳ１３０の判定が繰り返される。平均触媒温度および改質器入口部ガス温度が上昇し、それらの温度がともにＡＴＲ起動温度以上になると、ステップＳ１３０でＹＥＳと判定されてステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、改質器１３への水蒸気供給を開始するとともに（図４ｄ参照）、燃料と空気を改質器１３に供給する。これにより、改質器１３はオートサーマル改質を開始する。なお、図４ｄに破線で示すように、オートサーマル改質を開始後に、平均触媒温度の上昇に伴って改質器１３への水蒸気供給量を漸増させてもよい。

また、燃料、空気、およびオフガスを、引き続き燃焼器１７に供給する。そして、空気と燃料の燃焼ガスおよびオフガスの燃焼ガスにて、改質器１３内の触媒を加熱する。

ステップＳ１５０では、改質器第４温度センサ１３４にて検出した出口部触媒温度、および燃料電池温度センサ１０１にて検出した燃料電池１０の温度と、触媒による水蒸気改質反応が進行可能な温度であるＳＲ起動温度とを比較する。なお、ＳＲ起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。

そして、出口部触媒温度および燃料電池１０の温度のうち少なくとも一方がＳＲ起動温度未満のときはステップＳ１５０でＮＯと判定され、ステップＳ１５０でＹＥＳと判定されるまでステップＳ１５０の判定が繰り返される。

出口部触媒温度および燃料電池１０の温度が上昇し、それらの温度がともにＳＲ起動温度以上になると、ステップＳ１５０でＹＥＳと判定され、システム起動時の制御が終了する。

システム起動時の制御が終了後、水蒸気改質運転に移行する。具体的には、改質器１３への空気の供給を停止し（図４ｃ参照）、改質器１３への燃料と水蒸気の供給を継続して、水蒸気改質を開始する。なお、図４ｃに破線で示すように、オートサーマル改質を開始後に、平均触媒温度の上昇に伴って改質器１３への空気供給量を漸減させてもよい。

また、図６に示すように、水蒸気改質運転時には、吸熱反応により改質器入口直後の触媒温度が下がるため、オフガスを燃焼器１７に供給して、オフガスを燃焼器１７の入口にて燃焼させ、改質器入口直後の触媒を加熱する。この際、燃焼器第１温度センサ１７１にて検出した燃焼器オフガス燃焼温度が設定値（例えば、１０００℃）以上になった場合は、触媒保護のため、燃焼器１７に空気を供給してオフガスの燃焼温度を下げるのが望ましい。

本実施形態によると、部分酸化改質運転時に改質器１３内において高温になる部位の触媒は冷却され、部分酸化改質運転時に改質器１３内において低温になる部位の触媒は加熱されるため、部分酸化改質運転時の改質器１３内の触媒温度分布は平滑化され、部分酸化改質運転時に改質器１３内の触媒が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。

また、水蒸気改質運転時には吸熱反応により改質器入口直後の触媒温度が下がるが、水蒸気改質運転時にオフガスの燃焼熱にて改質器入口直後の触媒を加熱するため、水蒸気改質運転時に高い改質率が得られる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器１７の構成が変更されており、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、燃焼器１７におけるガス流れ上流部側に、フィン１７３が多数設けられている。また、燃焼器１７におけるガス流れ下流部側に、燃焼器内ガス流れＢをジグザグにする邪魔板１７４が２枚設けられている。

そして、フィン１７３により燃焼器１７の容器の実質的な表面積が増加するため、燃焼器１７の容器と燃焼器１７内の燃焼ガスとの間の熱伝達が促進され、ひいては改質器１３と燃焼器１７との間の熱伝達が促進される。

また、邪魔板１７４により流れがジグザグになった燃焼ガスは燃焼器１７の容器に衝突するため、燃焼器１７の容器と燃焼器１７内の燃焼ガスとの間の熱伝達が促進され、ひいては改質器１３と燃焼器１７との間の熱伝達が促進される。

したがって、本実施形態によると、改質器１３と燃焼器１７との間の熱交換効率が向上するとともに、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器１７の構成が変更されており、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８、図９に示すように、燃焼器１７は、Ｌ字形状であり、改質器１３における隣接する２つの面（本実施形態では、下面および側面）と燃焼器１７における隣接する２つの面が、熱伝達可能に接触している。

改質器燃料供給経路１４、改質器空気供給経路１５、および改質器水蒸気供給経路１６は、改質器１３の下方付近に接続されている。

燃焼器空気供給経路１９、第１オフガス供給経路２２、および第２オフガス供給経路２３は、燃焼器１７の下面に接続されるとともに、空気やオフガスが改質器１３の下面に向かって流れるように構成されている。

このように、燃焼器１７に供給される空気やオフガスは、改質器１３の下面に向かって流れるため、それらの空気およびオフガスと改質器入口直後の触媒との熱交換効率が向上する。

より詳細には、部分酸化改質運転中は、改質器内高温部位付近の触媒および改質器内高温部位よりも改質器内ガス流れＡ上流側の触媒は、燃焼器１７に供給される空気により効率よく冷却される。

また、水蒸気改質運転時には、燃焼器１７に供給されるオフガスで改質器１３の下面と側面を加熱させることで、熱交換効率を向上させる。

本実施形態によると、改質器１３と燃焼器１７との間の熱交換効率が向上するとともに、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器１７の構成が変更されており、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０、図１１に示すように、改質器１３は、改質器１３内のガス流れがコ字状になるように内部に仕切り壁１７５が設けられている。燃焼器１７は、改質器１３内のガス流れがコ字状になるように、コ字形状になっている。

そして、改質器１３を燃焼器１７で挟みこむことにより、水蒸気改質運転時における改質器１３から外部への放熱を抑制するようにしている。

本実施形態によると、水蒸気改質運転時の外部への放熱を抑制するとともに、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

なお、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０燃料電池
１３改質器
１７燃焼器
１１１燃料ガスの出口部
１４１改質対象流体の入口部
１６１改質対象流体の入口部
１８１燃料の入口部
１９１空気の入口部
２４１昇温用ガスの出口部

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
部分酸化改質機能と水蒸気改質機能と併せ持つ触媒が容器内に収容され、前記触媒にて改質対象流体を改質して前記燃料ガスを生成する改質器（１３）と、
空気と燃料を燃焼させて前記改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成すると共に、前記燃料電池のオフガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器（１７）と、を備え、
前記改質器と前記燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、
前記燃焼器における前記空気の入口部（１９１）は、前記改質器における前記改質対象流体の入口部（１４１、１６１）に隣接して配置され、
前記燃焼器に前記オフガスを供給するオフガス供給経路（２２、２３）は、前記燃焼器との接続部が、前記改質器における前記改質対象流体の入口部に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記昇温用ガスの出口部（２４１）は、前記改質器における前記燃料ガスの出口部（１１１）に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記燃料の入口部（１８１）は、部分酸化改質運転時に前記改質器内において高温になる改質器内高温部位（ａ）に隣接する位置よりも、前記燃焼器内のガス流れ下流側に配置され、
前記部分改質運転時には、前記空気の入口部より前記空気を供給すると共に、少なくとも前記燃料の入口部より前記燃料を前記燃焼器に供給することで、前記改質器内高温部位よりもガス流れ下流側の触媒を加熱し、
水蒸気改質運転時には、少なくとも前記オフガス供給経路より前記オフガスを前記燃焼器に供給することで、前記改質器入口直後の触媒を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
改質対象流体を触媒にて改質して前記燃料ガスを生成する改質器（１３）と、
空気と燃料を燃焼させて前記改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成する燃焼器（１７）と、
部分酸化改質運転時に前記改質器内において高温になる改質器内高温部位（ａ）の温度を検出する温度検出手段（１３２）と、
前記燃焼器に供給する前記空気の流量を変化させる流量調整弁（２０）と、を備え、
前記改質器と前記燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、
前記燃焼器における前記空気の入口部（１９１）は、前記改質器における前記改質対象流体の入口部（１４１、１６１）に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記昇温用ガスの出口部（２４１）は、前記改質器における前記燃料ガスの出口部（１１１）に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記燃料の入口部（１８１）は、前記改質器内高温部位（ａ）に隣接する位置よりも、前記燃焼器内のガス流れ下流側に配置され、
前記温度検出手段にて検出した前記改質器内高温部位の温度に応じて前記流量調整弁を作動させて、前記空気の流量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃焼器は、前記改質器内高温部位と前記燃焼器におけるガス流れ上流側の部位との間の熱伝達を促進するフィン（１７３）を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記改質器は、直方体であり、
前記燃焼器は、Ｌ字形状であり、
前記改質器内高温部位における隣接する２つの面と前記燃焼器のガス流れ上流側の部位における隣接する２つの面が、熱伝達可能に接触していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。